금속가공유의 개념 및 분류
1.1. MWFs의 개념
1.1.1. MWFs와 오일 미스트(oil mist)
MWFs(metalworking fluids, 금속가공유)는 금속가공(metal machining) 과정에서 가공을 돕기 위해 사용되는 유제(油劑)를 말한다. 전통적인 금속가공은 기계요소(machine tool), 절삭요소 (cutting tool), 가공금속(workpiece metal)의 세 가지와 여기에 가공유(machining fluids)가 포함된 네 가지 요소로 이루어지며, 1900년대 초에 처음으로 금속가공장비의 공구 수명을 연장하기 위해 MWFs가 사용되었다. 초기의 MWFs는 원유 정제물인 기유(base oil)를 주원료로 제조되었고, 정제기술이 발달하지 못해 발암물질로 알려진 PAHs(polyaromatic hydrocarbons)가 상당히 포함되었다. MWFs를 사용하다 보면 여러 형태와 경로를 통하여 인체와 접하게 되는데, 이런 노출로 근로자들은 암, 비악성호흡기계 질병, 피부병, 미생물에 의한 질병 등 건강장해를 입게 된다. 오일 미스트와 MWFs로 인한 문제는 1996년 미국 산업안전보건청(Occupational Safety and Health Administration, OSHA)이 선정한 우선과제(OSHA Priority) 중 하나일 정도로 산업보건의 중요한 과제이다. 1995년 11월 미시건주 디트로이트에서 4일 동안 미국자동차생산자협회(American Automobile Manufacturers Association, AAMA) 후원으로 "금속가공유 심포지엄(Metalworking Fluids Symposium)"이 개최되었으며 1997년 말 2차 심포지엄을 개최하기로 하였다[James B. D'Arcy, 1996]. 또한, 미국 국립산업안전보건청(National Institute for Occupational Safety and Health, NIOSH)에서도 1996년에 허용기준 개정을 위한 개정안(draft)의 회람(circulation)을 마치고 개정 준비중에 있고, 미국정부산업위생전문가협의회(American Conference of Governmental Industrial Hygienists, ACGIH)도 오일 미스트에 관한 허용기준을 엄격히 하려는 움직임을 보이고 있다.
오일 미스트는 미스트의 일종으로 MWFs를 사용하는 중에 발생·분산되어지는 액체입자이다. 현재 금속가공유에 관하여 적용할 수 있는 규제치인 OSHA의 PEL이나 ACGIH의 TLV는 광물성 성분인 광물유 미스트(mineral oil mist)의 노출만 고려한 것으로 다른 성분의 노출로 인한 건강 장해를 고려하고 있지 못하다. 즉, 기존의 규제치는 MWFs를 사용했을 때 공기중으로 발생할 수 있는 여러 인자 중 여과지를 이용하여 채취하는 중량법으로 측정한 양만 고려하고 있다. 더구나 합성유는 광물유(mineral oil)를 전혀 포함하고 있지 않아 적절한 허용기준이 아니라고 할 수 있다[Hands 등, 1996].
1.1.2. MWFs의 기능
오늘날에는 금속가공의 특성에 따라 많은 종류의 MWFs가 제조되고 있고, 각종 첨가제가 사용되고 있다. 첨가제는 MWFs의 종류와 제품의 특성에 따라 첨가되는 양과 성분이 달라진다.
MWFs의 기능은 절삭공구와 가공금속간의
① 마찰(friction)을 줄이고,
② 마멸과 마모(wear and galling)를 줄이고,
③ 가공표면의 특성을 좋게 하며,
④ 표면이 유착되거나 녹아 붙는 것을 줄이고,
⑤ 발생되는 열을 빼앗아가고(열로 인한 변형(thermal deformation) 방지),
⑥ 절삭된 토막이나 조각, 미세한 가루, 잔여물 등을 씻어 내는 것이다[NIOSH(draft), 1996].
이외에 2차적인 기능으로 가공된 표면의 부식을 방지하는 것과 뜨거워진 가공표면을 냉각시켜 취급을 용이하게 하는 것 등이 있다.
1.1.3. MWFs의 명명법과 관련 용어
MWFs를 명명하는 방법은 매우 복잡한데 그 이유는 석유산업의 발달과 정제기술의 발전에 따라 여러 이름이 혼용되었기 때문이다. 원유정제물만을 가공유로 사용하던 초기에는 원유를 정제했다는 이유에서 광물유(mineral oil)라는 용어를 사용하였고, MWFs의 종류가 다양해지면서 각종 가공유를 포함할 수 있는 일반적인 의미의 금속가공유라는 용어를 사용하게 되었다. 한편, 생물체로부터 추출한 윤활유(biological lubricant)나 식물성 오일(vegetable oil) 등이 윤활유로 사용하기도 하므로, 광물유를 그와 구분하기 위하여 사용하기도 한다. 1984년에 IARC(International Agency for Research on Cancer)는 『IARC Monographs on the Evaluation of the Carcinogenic Risk of Chemicals to Human, Volume 33』에서 광물유를 "원유와 원유로부터 정제된 모든 물질들을 일컫는 보편적 명칭"이라고 정의하였으며, 혼동을 피하기 위해 "이 연구서에서는 윤활기유 및 그로부터 생산된 물질을 다룬다"고 명시하고 있다. 또한 광물유를 정제과정을 거친 정도에 따라 8개의 군(class)으로 구분하였다(표 1-1 참조). 광물유라는 용어는 IARC의 광의적 의미와는 달리 협의의 제한적 의미로 사용될 수 있는데, 이 때는 금속가공유의 4가지 종류 중 한 종류를 지칭할 때 사용된다(NIOSH에서는 협의로 사용). 즉, NIOSH에서는 비수용성 오일(straight oil ; 윤활기유에 첨가제만 섞음)의 다른 이름으로 사용하고 있다.
석유정제분야에서 MWFs의 기유는 윤활기유로 분류된다(제2장 제조과정 참조). 윤활기유는 정제공정에서 lubricating oil base stock이라는 이름으로 생산된 마지막 산물을 일컬으며, 이것을 사용하여 금속가공유, 엔진유, 기어유 등 다양한 윤활유들이 제조된다. 윤활유라는 이름을 사용하는 이유는 초기에 금속가공에 있어 도구의 보호를 하는 역할, 즉 윤활역할에서 비롯된 것이며, 산업의 발전과 정제기술의 발전에 의해 절연유, 프로세스유처럼 단순한 윤활역할 이상을 수행하는 것도 개발되었으나 한국윤활유공업협회의 분류에 따르자면 윤활기유로부터 생산되는 모든 오일을 통칭 윤활유라고 부른다(표 1-1 참조).
표 1-1.
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구 분 |
정제과정의 정도 | ||
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class |
이 름 | ||
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class 1 |
감압증류유(Vacuum distillates) |
마무리 단계의 정제공정은 거치지만 산처리공정과 용매처리공정은 거치 지 않는다 | |
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class 2 |
산처리유(Acid-treated oils) |
마무리 단계의 정제공정은 거치지만 용매처리공정은 거치지 않는다 | |
|
class 3 |
용매처리유(Solvent-refined oils) |
마무리 단계의 정제공정을 거친다. | |
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class 4 |
수소처리유(Hydrotreated oils) |
| |
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class 5 |
화이트오일(White oils) |
| |
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class 6 |
방향족유 (Aromatic oils) |
6. 1 용매추출유 (Solvent extracts) |
|
|
6. 2 접촉분해유 (Catalytic cracked oils) |
| ||
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class 7 |
혼합 물질 (Miscellaneous materials) |
7. 1 제조 산물 (Formulated products) |
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|
7. 2 사용된 오일 (Used oils) |
| ||
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class 8 |
기타 다른 Class에 속하지 않는 원유 정제물 |
| |
금속가공유(MWFs)는 다음과 같은 작업공정에서 사용된다[NIOSH(draft), 1996].
turning(선반), grinding(연마), boring(천공), drawing(인선), tapping(암나사깎기), gear shaping(형삭반), reaming(확공), rolling(압연), hobbing(톱니내기), band sawing(띠톱질), hack sawing(쇠톱질)
또한 표 1-2와 같이 여러 가지 이름으로 불린다.
표 1-2.
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통칭 |
Straight Oil |
Emulsified oil |
Synthetic fluid |
Machining fluid |
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널리 사용되는 동의어 |
Mineral oil Petroleum oil Cutting oil Neat oil |
Soluble oil Water-based oil Suds Emulsions |
Chemical fluid |
Cutting fluid Coolants Metal-working fluids |
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통칭 |
비수용성유 |
수용성유 |
합성유 |
금속가공유 |
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널리 사용되는 동의어 |
비수용성 오일 광물유 광유(鑛油) |
수용성 오일 유제 |
|
절삭유(제) 연삭유(제) |
우리나라에서는 광(물)유, 절삭유 또는 연삭유 등으로 통칭되며, 특성에 따라 수용성/비수용성 오일, 합성유 등으로 구분되기도 한다. 한국공업규격(KS)에서는 금속의 절삭 및 연삭가공에 사용 하는 유제를 절삭유제라고 부르고 있다[韓國油化試驗檢査所, 1988].
MWFs는 분류방법에 따라 종류별 명칭이 달라진다. 사용되는 분류방법에는 여러 가지가 있지만 두 가지만 소개한다.
첫 번째 분류방법으로는 NIOSH에서 분류한 방법으로 다음의 4가지로 분류할 수 있으며 자세한 설명은 1.2.3절에서 언급하였다[NIOSH(draft), 1996].
① 비수용성 금속가공유(straight(insoluble) MWFs : 물을 포함하지 않으며 윤활작용이 좋으나 냉각 작용은 나쁘다.
② 수용성 금속가공유(soluble MWFs) : 석유계 기유(mineral oil)와 물의 에멀젼 형태로 가격이 저렴하다.
③ 합성유(synthetic MWFs) : 석유계 기유를 포함하지 않으며 냉각 능력이 좋다.
④ 준합성유(semisynthetic MWFs) : 기유와 물의 에멀젼 형태이나 에멀젼 정도가 심한 것으로 때로는 수용성 금속가공유에 포함시키기도 한다. 비용과 열전달 능력에 있어서 수용성과 합성유의 중간이다.
다른 방법으로는 IARC(International Agency for Research on Cancer)에서 위의 표 1-2와 같이 광물유를 정제과정을 거친 정도에 따라 8개의 군(class)으로 구분하는 방법이 있다.
1.1.4. MWFs의 사용
MWFs를 적용하는 형태는 flood(용액을 넘치게 함; 범람식), jet(가는 구멍을
통해 용액을 적용; 분사식), mist(미스트 형태로 분무; 연무식)의 3가지이며[Internet, 1997], 때로 수동으로 절삭부위에 뿌려지기도 한다. 범람식 적용은 저압펌프에 의해서 절삭면에 끊임없이 쏟아지는 형태로 금속 조각이나 찌끄러기를 씻어내는 방식이며,
연무식 적용은 빠른 속도의 공기흐름과 MWFs를 이용해 미스트 형태로 전달하여 사용하는 것으로 가공된 제품을 세척하는데도 쓰인다. MWFs는 대개 모아져서 재순환되며, 이런 재순환 시스템은 복잡하고 많은 양의 MWFs가 이용된다[NIOSH(Draft), 1996]. MWFs 시스템의 관리는 수분의 제거, 110℃에서 살균, 필터에 의한 고체물질의 제거, 점도의 조절 등으로 이루어진다. 매년 시스템 용량의 약 38%가 여러 경로로 유실되어 재주입된다고 한다[William A. Burgess, 1995].
|
점도(viscosity) 점도란 유동성의 척도로 유체 내에서 유체들이 유동 방향에 대해 다른 속도로 흐르고 있을 때 생기는 유동에 대한 내부 마찰이 생기는데 이런 마찰 저항을 유체의 점성 즉, 점도라 하며 유동성의 척도로 사용하고 있다. 절대점도는 전단력(두 평면사이에 유체가 흐르고 있을 때 평한의 단위면적당 가해지는 힘)을 전단속도로 나눈 값이다. 윤활유에서의 점도측정은 보통 100℉와 210℉에서 해 왔으나, 1978년 이후 ISO(International Standard Organization)에서 정한 측정온도 40℃와 100℃가 채용되고 있다. 점도지수(VI, viscosity index) 윤활유에 있어서 점도-온도의 관계는 매우 중요하다. 점도지수는 40℃와 100℃에서의 점도를 기준으로 하며, 두 윤활계가 기준오일로 이용되고 있다. 하나는 펜실바니아산 원유로의 윤활유를 VI=100으로 하고, 다른 하나는 걸프만산 원유로부터의 윤활유를 VI=0으로 하고 있다. 따라서, 미지의 오일이 두 기준오일 중 어느 것에 가까운가를 정수로 표시하고자 한 것이 VI라는 지수로 나타나게 되었다. 점도지수는 오일의 분자구조에 따라 결정되며, 분자구조가 견고(rigid)한 경우, 유연성이 떨어지므로 온도변화에 따라 점도 변화가 크게 일어난다. 점도변화가 클 경우 점도지수는 작게 나타난다. 즉, 점도지수는 온도변화에 따른 점성의 변화폭을 알 수 있게 해주는 지표가 되며, 윤활유를 사용하는 곳에 따라 어떠한 윤활유를 쓸 것인가를 결정하는 주요 인자가 된다. 일반적으로 나프텐계보다 파라핀계의 점도지수가 높은데 이는 분자구조가 유연성이 클수록 점도지수가 높음을 나타낸다. 오일 내에 산소원자나 실리콘 같은 이질원자가 포함되면 점도는 높아지게 된다. 높은 점도지수가 요구되는 경우 점도지수 향상제를 첨가하기도 한다. 유동점(pour point) 많은 윤활유는 저온에서 고체 상태의 결정이 생성되며, 이러한 결정은 윤활유의 유동성을 작게 한다. 유동점은 윤활유를 냉각시킬 경우 오일이 흐르지 않는 최고 온도를 말하며, 응고점보다는 약간 높다. 이러한 유동점은 윤활유 성분 중 왁스성분이 많을 경우 높게 나타난다. 따라서, 윤활기유를 정제하는 과정에서 출납(dewaxing)공정을 어느 정도로 처리했느냐가 유동점에 영향을 미치게 된다. |
1.2. MWFs의 성분 및 분류
MWFs의 성분은 크게 기유(base oil)와 첨가제(additive)로 나뉜다(합성유는 기유가 포함되지 않음). MWFs 사용 초기에는 기유 단독으로 사용되었으나, 점차로 용도에 맞는 첨가제의 조합과 개발이 이루어져왔다. 비수용성과 수용성 절삭유에서 기유는 혼합매제(blending medium) 또는 첨가제 운반체(additive carrier)로 작용한다[NIOSH(draft), 1996].
1.2.1. 기유(base oil)
기유는 포화 탄화수소가 주성분이며 탄소수는 15-35이다. 탄소원자의 배열과 결합상태에 따라 파라핀계, 나프텐계, 방향족계로 나뉜다. 파라핀계 기유는 탄소원자가 사슬모양 으로 배열되고 수소원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다. 점도지수와 유동점이 높고 열적 화학적으로 안정되어 산화안정성이 우수하다.
나프텐계 기유는 탄소원자가 고리모양으로 배열되고 수소 원자에 의해 탄소원자가 포화된 상태이다.
탄소고리의 탄소수는 대부분 C5 또는 C6이다. 우수한 저온 유동성을 가지며 동일한 탄소수의 파라핀계 기유보다 비점이 높고 비중도 크며 점도지수는 중간정도이다. 방향족계 기유는 나프텐계 기유와 구조는 비슷하나 벤젠고리나 축합환이 포함된 불포화 상태이다. 전단안정 및 열안정성이 우수하고 점도 지수 및 유동점은 사슬의 길이에 의존한다. 산화 안정성은 떨어진다. 방향족계는 거의 기유로 사용되지 않는다[윤활유의 개요].
1.2.2. 첨가제(additive)
절삭유를 기유 단독으로 사용하는 경우는 알루미늄, 마그네슘, 황동 및 황 또는 납이 첨가된 쾌삭강 등과 같이 절삭성이 좋은 금속을 경절삭(輕切削)하는데 국한되며 대부분 각종 첨가제를 넣어 사용하게 된다. 첨가제에는 기능에 따라 20가지 정도로 분류할 수 있으며, 다시 성분에 따라서 세분된다(표 1-3 참조). 많이 쓰이는 것으로는 유화제, 용접방지제, 유성제, 소포제, 산화방지제, 부식방지제, 극압첨가제, 방부제 등을 들 수 있다. 이것은 윤활유에 첨가되는 첨가제와 함량과 종류면에서 구별된다. 윤활유에 첨가되는 첨가제는 극압첨가제, 내마모 첨가제, 부식방지제, 녹방지제, 유화제, 유동점 강하제, 청정분산제, 산화안정제 등을 들 수 있다. 몇 가지 중요한 첨가제를 살펴보면 다음과 같다.
(1) 극압첨가제(extreme pressure additives)
난삭금속재에서 바라는 부품을 경제적으로 얻기 위해서는 유성첨가제 외에 경계윤활제 또는 극압윤활제를 비수용성 유제에 첨가하여 보다 탄력 있고 안정된 고체막윤활이 되도록 한다. 이와 같은 극압윤활은 반응성 황, 염소 또는 인을 포함하는 물질을 기유에 첨가함으로써 부여될 수 있 다. 극압첨가제가 금속가공시 발생되는 열에 의해 활성화되면 절삭저항을 감소시키고, 칩 두께를 얇게 하며, 용융(welding)을 방지하고, 과다한 금속의 깎임과 표면의 파쇄를 방지하여 가공면을 곱게 한다. 절삭유제는 일반 윤활유에 비하면 극압첨가제의 함유량이 많다.
극압첨가제 작용은 오늘날에는 황, 염소 또는 인이 칩의 표면뿐만 아니라 상당한 깊이까지도 곧잘 반응하여 전단역(專斷域)의 전단강도를 감소시킨다는 이론, 즉 내외에서의 화학반응이 두 면에서 저항을 감소시킨다는 이론이 주를 이룬다. 이와 같은 현상에 의하여 에너지의 총감소량은 50-80%이며, 모서리 생성(built-up edge)이 억제되고, 가공 정도가 향상되며, 공구수명의 조정이 용이하다.
황이 첨가된 광유 또는 황이 첨가된 지방의 형태로 황을 비수용성 절삭유제에 첨가할 수 있 다. 황으로 처리된 극압첨가제를 포함한 비수용성 절삭유제는 부식을 유발하는 경향이 있는데 광 유에 용해된 황이 더 쉽게 구리나 황동 및 청동과 같은 비철금속을 부식시킨다.
염소도 효과적인 극압첨가제로서 기능을 한다. 염소는 긴 연쇄상의 염소로 처리된 왁스 또는 고분자로 염소 처리된 에스테르의 형태로 기유인 광유에 넣어서 사용하는 것이 일반적이다. 계면 에서 염소의 반응과 기능은 황의 경우와 근본적으로 같은 것이다. 그러나 황보다 반응이 더 활발히 되며 비철금속에 대한 부식이 적다.
극압첨가제로 사용되는 염소화 파라핀(chlorinated paraffins)에 대해 미국국립암연구소 (National Cancer Institute)에서는 긴 사슬상과 짧은 사슬상의 염소화 파라핀(C23, 43% 염소, C12, 60% 염소)에 관한 독성과 발암성을 평가하였다. 또 미국국립환경보건과학연구소(National Institute of Environmental Health Sciences)에서 수행한 NTP(National Toxicology Program)에 서는 긴 사슬상과 짧은 염소화 파라핀 모두 실험동물에게서 암을 일으키는데 짧은 사슬상이 더 위중하게 암을 일으킨다고 보고하였다. 중간 크기의 염소화 파라핀은 평가되지 않았으나 NTP 결 과는 짧은 사슬상 염소화 파라핀은 금속가공유의 첨가제로 사용되면 안된다는 것을 제시하고 있 다.
인의 경우는 약한 극압첨가제나 내마모첨가제의 역할을 한다. 이것은 인산염막이 황이나 염소 막보다 저온에서 파괴되기 때문이다. 인은 마찰과 마모를 줄이는데 효과적이고, 대부분의 철금속 과 비철금속에 녹이 생기지 않는다.
표 1-3.
|
Component |
Function |
Insoluble oils |
Soluble oils |
Synthetics |
Semisynthetics |
|
Mineral oil |
Lubrication Carrier |
60-100% |
60-85% |
-- |
5-30% |
|
Emulsifier |
Emulsifies |
-- |
5-20% |
5-10% |
5-10% |
|
Chelating agents |
Ties up ions in solution |
-- |
0-1% |
0-1% |
0-1% |
|
Coupling agents |
Stabilizes |
-- |
1-3% |
1-3% |
1-3% |
|
Viscosity index improvers |
Maintains viscosity |
|
-- |
-- |
-- |
|
Detergent |
Prevents deposit formation |
|
|
|
|
|
Plasticizer |
Reduce tackiness |
-- |
|
|
|
|
Anti-mist agent |
Reduces misting |
|
|
-- |
-- |
|
Anti-weld agent |
Prevents welding |
0-20% |
0-20% |
0-10% |
0-10% |
|
Oiliness agent |
Increase film strength |
|
-- |
-- |
-- |
|
Surfactant wetting |
Reduce surface tension |
0-10% |
5-20% |
10-20% |
10-20% |
|
Dispersants |
Prevent fine agglomeration and deposit formation |
|
-- |
-- |
-- |
|
Passivator |
Prevents staining |
|
-- |
-- |
-- |
|
Anti-foaming agents |
Prevents foaming |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
|
Alkaline reserve |
Buffer control |
-- |
2-5% |
2-5% |
2-5% |
|
Dyes |
Identifies, leak detection |
-- |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
0-500 ppm |
|
Odorant |
Mask odor |
|
|
|
|
|
Corrosion inhibitors, anti-rust |
Prevent rust film barrier |
0-10% |
3-10% |
10-20% |
10-20% |
|
Biocides bioresistant components |
Control of bacterial and fungal contaminants |
-- |
0-2% |
0-2% |
0-2% |
|
Extreme pressure additives |
Reaction lubricant films |
0-95%(?) |
0-20% |
0-10% |
0-10% |
(2) 유성제(油性劑, surfactant wetting)
유성제는 하중을 견디는 내하중력(耐荷重力)이나 절삭능력을 증가시키기 위하여 광유에 첨가되는 것으로 기름(oil), 지방, 왁스 성분 및 합성물질 등이 있다. 이들 지방과 지방유 및 왁스 등은 육상동물, 식물 또는 해상동물에서 얻을 수 있으며, 수용성 절삭유제와 비수용성 유제에 사용된다.
지방유는 대표적인 유성제로서 대부분의 비수용성 절삭유제에 사용되고 있다. 지방유분의 함유량은 절삭 성능의 한 표준이다. 절삭유제에 흔히 사용되는 것은 식물의 열매나 씨에서 기름을 짠 식물 유지이며 채종유(평지 기름), 쌀겨 기름, 면실유 등이 그 예이다. 그 외에 동물 유지인 우지 (牛脂)나 돈지(豚脂) 등도 널리 사용된다. 지방산의 금속비누도 우수한 윤활제이지만 납 따위의 중금속은 안전위생의 문제 때문에 사용되지 않게 되었다.
지방산의 유도체인 에스테르유도 유성제로 사용된다. 에스테르유는 합성유성 첨가제로 지방유, 지방산, 복합 알코올 등이 있다. 에스테르유는, 지방유에 비하면 점도가 낮고 침투성이 우수하다. 지방산 유도체는 비수용성 절삭유제 뿐만 아니라 수용성 절삭유제에도 사용된다. 지방산의 알칼 리 비누, 아민 비누, 아미드 등의 유도체는 유화제이고, 방청제인 동시에 유성제이기도 하다. 또한 지방유에 염소나 유황을 반응시키면 유성제의 작용을 가진 극압첨가제가 된다.
지방유 또는 유성첨가제는 기유와 금속 사이의 계면장력을 감소시킴으로써 칩-공구계면을 적 시고 침투한다. 이것은 금속표면에 대한 유성첨가제(지방산)의 양극성, 즉 화합성에 의하여 이루 어지는 것이다. 금속절삭에서 발생하는 열이 흡착막으로 하여금 금속표면과 반응을 하게 하여 극 성물질이 전단강도가 낮은 유기질 금속막(금속비누)을 생기게 하고, 이 막이 칩-공구간의 마찰을 줄여 줌으로써 윤활효과를 내게 된다.
단점으로는 이 막의 융점이 낮기 때문에 인성(靭性)에 제한이 있다. 따라서 혹독한 조건에서는 여기에 황 및 염소와 같은 첨가제를 보충하여야 한다. 극성물질은 금속에 대한 화합성 때문에 방 청첨가제로서도 중요한 역할을 한다. 이 극성물질이 점착성이 큰 극성막을 형성하여 대기로부터 의 보호막 역할을 한다. 금속염막이 경계 또는 극압윤활제의 역할을 하지만 상용하는 극압첨가제 중에서 효과가 가장 낮은 것에 속하며, 그 이유는 융점이 상대적으로 낮기 때문이다[한국하우톤 기술부, 1994].
(3) 기타 첨가제
산화방지제는 산화중합에 의해 사용중인 유제의 점도가 증가되거나 검(gum)화되거나 해서 기 계의 접동 부분이 무거워지는 것을 방지하기 위해서 사용된다. 특히, 지방유나 염소화 지방유가 많이 함유된 유제는 산화 중합을 일으키기 쉬우므로 이러한 유제에는 없어서는 안될 첨가제이다. 유황계 극압첨가제는 산화방지제의 작용도 가지고 있으므로 산화방지제를 사용하지 않을 때도 많 다. 일반적으로 사용되고 있는 산화방지제는 디터셔리부틸-p-크레졸(ditertiarybutyl-p-cresol) 등 의 페놀 화합물이 많으나 일반 윤활유에 사용되는 아민 화합물이나 황화합물을 사용할 경우도 있 다. 첨가 사용량은 1% 이하이다.
염소계 극압첨가제가 많이 함유된 유제에서는 탈염소에 기인하는 녹이 문제가 될 경우가 있다. 그러므로, 녹의 발생 방지에 방청 첨가제나 중화제가 첨가된다. 중화제로서는 염기성 석유 술폰산 염이나 아민 화합물이 사용되고 있다. 사용량은 3% 이하이다. 동 및 동합금의 부식 방지에는 벤 조트리아졸이나 메르캅토벤조티아졸이 1% 이하의 첨가량으로 유효하게 작용한다.
탭 가공의 유제처럼 높은 점도 또는 페이스트 모양의 절삭유제에는 산화 아연이나 이황화 몰 리브덴, 그라파이트 등의 고체 윤활제가 사용되기도 한다. 고체 윤활제를 액 중에 균일하게 분산 시키기가 어렵고 순환 사용의 급유 방식에서는 파이프를 막히게 하거나 탱크 밑에 침전되므로 고 체 윤활제는 일반적으로 사용되지 않고 있다[韓國油化試驗檢査所, 1988].
1.2.3. 금속가공유의 분류
MWFs는 위의 명명법에서 언급한 바와 같이 여러 가지로 명명되고 분류되나 여기서는 NIOSH에서 분류한 방법으로 성분과 제조방법에 따라 크게 4가지로 나누어 설명한다.
(1) 비수용성 금속가공유(straight (insoluble) MWFs)
비수용성 금속가공유(또는 비수용성 오일)의 기능은 윤활기능, 가공표면 마무리 향상, 녹방지 등이다. 사용되는 광유의 종류는 적용분야에 따라 잘 정제된 나프텐계열과 파라핀계 오일이 사용된다.
비수용성 오일의 기본 조성은 광유와 유성제, 극압첨가제의 혼합물로서 필요에 따라 방청 첨가제나 산화방지제 등의 첨가제가 가해진다. 비수용성 절삭유제의 조성과 주요 성분은 표 1-3과 같다. 지방성 오일과 황 첨가제가 포함된 비수용성 MWFs는 윤활성이 좋고 황-염소화된 종류는 넓은 온도범위에 걸쳐 항용접(antiweld)기능이 강화된다. 광유와 유성제, 극압첨가제에 대해서는 앞에서 설명하였으므로 생략한다.
(2) 수용성 금속가공유(soluble MWFs)
수용성 금속가공유(또는 수용성 오일) 기능은 냉각, 절삭용구와 가공표면의 용접현상(welding) 방지, 고온에서의 마모 방지와 잔열로 인한 뒤틀림(distortion) 방지 등이다. 대체로 비수용성에서 사용되는 나프텐계 및 파라핀계 오일보다 잘 정제된 기유를 사용하기 직전에 60-85 % 정도로 물로 희석하여 사용하는 유제이다. 표 1-3에 성분과 함량이 제시되어 있다. 수용성 유제의 사용 농도는 1-10%이므로 베이스인 물의 성질이 성능에 관여하는 역할은 크다. 물은 비열이 크고 열전도율도 좋으며 증발 잠열도 크므로 냉각제로서는 가장 뛰어난 물질이다. 그러나, 금속이 녹슬게 되어 습윤성이나 윤활성은 오일에 비해 떨어진다. 이러한 결점을 보완하기 위해 방청 첨가제나 계면 활성제를 사용하여 윤활성을 높인 것이 수용성 금속가공유이다. 수용성 금속가공유의 방청과 방부식성이 약한 단점을 보완하기 위해 최근에는 새로운 첨가제의 개발로 수일에서 1주일정도는 부식방지가 가능하다[한국하우톤 기술부, 1994].
수용성 금속가공유에는 물의 장점인 인화되지 않고 오일처럼 끈적거리지 않는 등의 성질을 유 지하고 있으므로 작업환경이 깨끗해서 작업자는 좋아하지만 부패되는 단점이 있다.
수용성 금속가공유의 장점을 들어보면 다음과 같다.
① 냉각작용이 크므로 고속절삭이 가능하고,
② 청정작용을 하며
③ 물을 사용하므로 경제적이고,
④ 냉각 및 청정작업에 의하여 운전자가 안전조건에서 작업할 수 있다.
수용성 금속가공유는 두 가지로 나뉘는데 물로 희석하면 우유 모양의 에멀젼이 되는 유화유형 (乳化油形, 에멀젼형)과 반투명 또는 반투명한 겉모양을 보이는 용해형(溶解形, 솔러블형)이 있다. 희석액이 백탁하게 보이는 것은 유화입자가 투사광을 반사하는데 충분한 크기임을 나타내는 것이고, 투명하게 보이는 것은 입자가 매우 작아서 투사광을 대부분 통과시키기 때문이다. 유화유 형은 광유와 유화제(계면활성제)가 주성분이고, 용해형은 계면활성제가 주성분이 된다.[韓國油化試 驗檢査所, 1988].
유화유형은 일반적으로 원액중의 수분 함량이 10% 이하이고 유화제(乳化劑)의 분량은 15-35% 정도이다. 유화유형은 기름방울(油滴, 즉 파라핀계 기유나 나프텐계 기유)이 물에 부유한 형태를 띠게 된다. 사용되는 광유는 보통급 윤활유인데, 윤활성을 좋게 하기 위해 일부를 지방유 나 극압첨가제로 바꾸는 경우도 있다. 유화에 사용되는 계면활성제는 올레인산, 라우린산 등의 지 방산이나 나프텐산 등의 알칼리 비누, 아민 비누, 석유 술폰산 소다, 알킬아릴술폰산 소다 등의 음이온계 활성제와 폴리옥시에틸렌알킬에테르나 에스테르, 소르비탄의 지방산 에스테르, 지방산의 알킬롤아미드 등의 비이온계 활성제이다. 이들 계면활성제는 광유를 유화시키는 유화제의 작용을 하는 동시에 방청제, 침투제 및 세정제 역할을 하며, 지방산 비누는 윤활제작용도 한다. 방청성은 음이온계 활성제나 아미드계의 활성제가 우수하고 침투성이나 세정성은 비이온계 활성제가 우수 하므로 적절히 배합하면 성능을 조절할 수 있다. 원액이나 유화유의 안정성을 좋게 하기 위해서 다가(多價) 알코올이나 그 유도체를 커플링제(coupler)로 사용하는 경우도 있다.
황, 염소, 인의 함유물을 첨가하면 윤활성이 크게 향상되므로 이를 흔히 극압유화유제라 한다.
유화유형 유제는 용해형에 비해 부패되기 쉬우므로 부패 방지를 위해 살균제나 방부제가 사용 된다. 방부살균제에는 트리아딘 화합물이나 티아졸 화합물 등이 흔히 사용되는데, 방부살균제는 의약품처럼 사용 농도가 알맞지 않으면 해를 끼치는 약제가 많으므로 사용량에 주의하지 않으면 안된다. 방부살균제 함유량이 많은 유제는 종종 작업자에게 피부 질환을 일으키는 원인도 된다. 그밖에 산화방지제, 동합금의 부식방지제, 소포제(주로 실리콘) 등의 첨가제가 필요에 따라 사용 된다.
유화유형이 부패하게 하는 이유는 유층 즉 분해된 유화유에 의하여 형성되는 유봉(oil seal) 밑 에서 살아 번식하는 혐기성 박테리아의 활동 때문이다. 따라서 유화유에서는 유기체가 서식할 수 있는 높은 농도의 지방성 윤활제와 유화제를 포함하고 있기 때문에 좋은 서식조건을 제공한다. 그러나 합성유는 혐기성 박테리아의 먹이가 되는 광유나 윤활제가 아닌 다른 종류가 들어있기 때 문에 안정 상태가 유지되고, 광물유의 유봉이 부유하지 않고, 탱크의 수명이 길어지게 된다.
용해형은 사용하는 계면활성제의 종류는 유화유형과 같으나 피유화제량(被乳化劑量)에 비해서 유화제인 계면활성제의 양이 대단히 많기 때문에 희석액은 콜로이드 모양의 미립자가 된다. 희석 액의 안정성, 침투성, 세정성은 우수하지만 거품이 일기 쉽고, 또한 거품이 잘 없어지지 않는 결점이 있다. 용해형은 완전용해형과 표면활성형으로 구분하기도 한다.
용해형의 유제는 일반적으로 알카놀아민이 많이 함유되어 있으므로 유화유형에 비하면 pH 유지 능력이 높아 잘 부패되지 않지만, 필요에 따라 방부살균제가 사용되기도 하고 동합금방식제 (銅合金防蝕劑)나 소포제 등의 첨가는 유화유형과 같다.
수용성 금속가공유에 유화제로 사용되는 비누, 습윤제 및 커플링제(coupling agent)가 표면장 력을 크게 감소시킨다. 이와 같이 표면장력의 감소와 더불어 전단 및 난류가 발생할 때 거품을 일으키는 경향이 증가한다. 이와 같은 성질 때문에 수용성 금속가공유는 심공 드릴링, 평면 판 (bed) 연삭 및 양면 원판 연삭의 경우에 거품의 문제를 야기시킨다[한국하우톤 기술부, 1994]. 그러므로 이 타입에 속하는 유제에는 소포제가 불가결의 첨가제이다. 침투성이나 세정성이 좋다는 것이 작업자의 손이 거칠어지기 쉬운 결점이 될 수도 있다. 일반적으로 10-70% 정도의 수분이 함유되어 있다.
유화유형과 용해형의 성분조성을 비교하면 표 1-4와 같다.
표 1-4.
|
조성성분 |
유제의 종류 | |
|
에멀젼(KS W1종) |
솔러블(KS W2종) | |
|
광유 |
50-80% |
0-30% |
|
유지 지방산 |
0-50 |
5-20 |
|
극압첨가제 |
0-50 |
0-20 |
|
계면활성제 |
15-35 |
20-80 |
|
알카놀아민, 무기알칼리 |
0-5 |
5-40 |
|
폴리올, 글리콜 |
0-10 |
0-20 |
|
유기 인히비터 |
0-5 |
5-20 |
|
방부살균제 |
< 2 |
< 1 |
|
동합금 방식제 |
< .5 |
< .5 |
|
소포제 |
< .5 |
< .5 |
|
물 |
0-10 |
0-70 |
|
사용 희석 배율(倍) |
10-50 |
30-80 |
(3) 합성유(synthetic oil, synthetic MWFs)
광유(mineral oil)는 아무리 정제를 잘해도 원유의 종류, 산지, 정제방법에 따라 조성이 달라지는 각종 화합물의 혼합물이다. 그러나, 합성유는 필요한 성분만 계획적으로 합성하여 만들었기 때문 에 오직 하나 혹은 소수의 화학구조를 가지고 있다. 때문에 저온에서 석출, 결정화되는 왁스, 고 온에서 증발하는 가벼운 성분, 쉽게 산화되어 산화생성물을 만드는 불안정성분 등이 없다. 표 1-3에 구성성분이 나와 있다.
합성유는 화학유제(chemical type)라고도 한다. 합성유와 준합성유의 구분을 입자가 작아서 입 사빛을 거의 전부 투과시켜 투명한 합성유와 입자의 크기가 중간 정도로서 다소 흐릿한 투명 용 액 준합성유로 구분하기도 한다[한국하우톤 기술부, 1994].
합성유는 냉각제와 윤활제로 작용을 한다. 가장 간단한 합성유는 무기염 또는 유기염을 물에 녹임으로써 만들 수 있다. 합성유는 녹을 방지하고 열 제거에는 좋지만 윤활능력은 떨어진다. 다 른 합성유들은 탄화수소, 유기에스테르, 폴리글리콜, 인산에스테르 등과 다른 합성 윤활액 등으로 만들어진다. 합성유는 안정하며, 항생능력(抗生能力)이 있게 만들 수 있고, 높은 속도에서 효과적 인 냉각능력을 제공한다[NIOSH(draft), 1996].
(4) 준합성유(semi-synthetic fluid)
준합성유는 유화유형 수용성 오일보다 오일의 양이 작고 유화제 또는 계면활성제의 양이 많다 (농도비로 5-30%). 조성은 지방산과 황, 염소, 인 계열의 극압첨가제로 이루어진다. 준합성유는 수용성 오일과 항상 구분되는 것이 아니기 때문에 때로 둘은 같이 취급되기도 한다 [NIOSH(draft), 1996].
준합성유는 합성유와는 달리 적은 양의 광유와 윤활성을 향상시켜주는 첨가제를 포함하고 있 다. 준합성유는 유화유형과 합성유의 장점을 서로 조합한 것이기 때문에 오늘날 공장에서 선호되 고 있다. 극압 효과와 경계윤활 효과를 부여하는 염소, 황, 인의 첨가제를 함유한다. 이들 첨가제 때문에 합성유나 준합성유를 난삭, 난연삭의 경우에도 사용할 수 있으며, 이 때 농도는 2-10% 정 도이다[한국하우톤, 1994].
합성유와 준합성유의 장단점은 다음과 같다.
① 열의 제거속도가 크고 치수 조정이 용이하다.
② 공작기계 및 탱크를 청결하게 유지할 수 있다.
③ 개방 및 자유절삭 연삭 숫돌(open and free-cutting grinding wheel)을 유지하는데 도움이 되는 청정제이다.
④ 공작물을 선명하게 볼 수 있다.
⑤ 잔류막이 극히 얇아서 제거하기가 용이하다.
⑥ 약간의 교반만으로도 쉽게 혼합할 수 있다.
⑦ 항부패성이 양호하여 유제의 수명이 길다.
⑧ 타유 분리성이 우수하여 농도관리가 용이하다.
합성유와 준합성유는 모두 유화형 유제보다 광유를 훨씬 적게 함유하고 있다. 합성유는 광 유를 함유하고 있지 않다. 입자 크기도 유화형보다 작기 때문에 유화형보다 훨씬 장기간 안정하 다.
합성유나 준합성유를 사용하기 부적절한 경우는 다음과 같다.
① 유성이 부족하여 공작기계의 부품운동부에 응착을 초래할 수 있다.
② 세척성이 너무 강하기 때문에 작업자의 손에 장시간 접촉하게 되면 피부를 손상시키고 자 극하게 된다.
③ 오일에 비교하여 방청성이 적고 부식방지능도 크게 떨어지며, 막의 강도와 윤활성도 낮고 거품을 발생시키는 성질이 다소 있다.
(5) 기타 분류
한국공업규격(KS)에서는 금속가공유를 그냥 원액으로 사용하는 비수용성 오일와 물로 희석해 서 사용하는 수용성 오일의 둘로 나눈다. 비수용성 오일는 극압첨가제의 유무에 따라 1종과 2종 으로 대별되며, 이것은 유황계 극압첨가제의 활성도에 따라 다시 1종은 1-6호로 2종은 1-6호와 11-17호로 분류되어 있다. 수용성 금속가공유는 희석액의 겉모양 및 광유와 계면활성제의 비율에 의해 W1종과 W2종으로 나누이며, 이것은 다시 각각 1-3호로 나누인다[韓國油化試驗檢査所, 1988].
1.3. 요약
MWFs(metalworking fluids, 금속가공유)는 금속가공에서 가공을 돕기 위해 사용되는 유제(油 劑)이며, 오일 미스트(oil mist)는 MWFs 사용중에 발생하는 액체입자이다. MWFs의 기능은 마찰 을 줄이고, 발생되는 열을 제거하며, 가공표면의 특성을 좋게 하고, 절삭산물들을 제거하는 것이 다. MWFs는 다양한 성분으로 구성되고 그로 인한 건강영향이 잘 알려지지 않아 최근 구미 등지 에서 산업보건의 관심분야로 떠오르고 있다. MWFs는 초기 주 원료였던 기유(base oil)에서 유래한 이름인 광물유(mineral oil), 또는 일반적 인 의미의 금속가공유라 불리운다. 분류 방법에 따라 다르기는 하지만 일반적으로 비수용성 금속 가공유, 수용성 금속가공유, 합성유, 준합성유의 네가지로 분류된다. MWFs는 범람식, 분사식, 연무식의 세가지 형태로 절삭부위에 적용된다. MWFs의 성분은 크게 기유와 첨가제로 나누인다. 기유는 원유정제물 중 한 분획으로 끓는점이 높고 긴 탄소사슬을 가며, 파라핀계, 나프텐계, 방향족계의 세 종류가 있다. 첨가제는 용도에 따라 20여가지가 있으며, 다시 성분에 따라 세분되어 수많은 물질이 MWFs에 포함되게 된다. 금속가공 시 전단강도를 감소시키는 극압첨가제(extreme pressure additives)의 주성분은 황, 염소, 인이다. 유성제는 내하중력과 절삭능력을 향상시키기 위해 사용된다. 이외의 첨가제로는 유화제, 용접방지 제, 소포제, 산화방지제, 부식방지제, 방부제 등을 들 수 있다. MWFs는 제조방법과 성분에 따라 비수용성 금속가공유, 수용성 금속가공유, 합성유, 준합성유 로 분류된다. 비수용성 금속가공유는 기유에 여러 가지 첨가제를 혼합한 것으로 윤활작용이 좋으 나 냉각 작용은 나쁘다. 수용성 금속가공유는 기유와 물의 에멀젼 형태로 가격이 저렴하다. 합성 유는 기유없이 물에 각종 성분을 녹인 것으로 냉각 능력이 좋다. 준합성유는 합성유에 기유를 첨 가한 것으로 비용과 열전달 능력에 있어 수용성 금속가공유와 합성유의 중간이다.