재료의 가공특성 (13) - 윤활

가공공정에서 공작물과 공구 또는 금형 사이의 접촉면상태는 다음과 같은 각종 변수들에 의해 좌우된다.

 

① 접촉압력 : 작은 경우에는 탄성범위 내에 있으나 큰 경우는 공작물 항복응력의 몇 배에 이른다.

 

② 상대 미끄럼속도 : 초소성 금속재료들의 소성가공에서와 같이 매우 낮은 속도범위로부터 폭발성형, 선재인발, 연삭, 고속절삭가공에서와 같이 매우 높은 속도범위까지 광범위하다.

 

③ 온도 : 실온부터 열간압출이나 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting)에서처럼 거의 용융온도까지 광범위하게 변한다.

 

두 접촉면의 상대 미끄럼운동이 이러한 극한적인 조건하에서 이루어질 때, 이들 사이에 아무런 보호막이 없다면 마찰과 마멸은 극심해진다. 마찰과 마멸을 줄이기 위해서는 가능한 한 두 표면 사이에 일정한 간격이 유지되도록 하여야 하며, 이러한 목적으로 윤활제가 사용되고 있다. 금속가공용 윤활제의 기능을 요약하면 다음과 같다.

 

① 마찰을 감소시켜 가공에 소요되는 힘과 에너지를 줄이고 온도상승을 막는다.

 

② 마멸을 줄이고 시저, 골링 등의 과도한 상태로 되는 것을 방지한다.

 

③ 공구, 금형 및 주형 내에서의 소재유동을 좋게 한다.

 

④ 공작물, 공구 및 금형표면들 사이의 열교환을 방해하므로 열간가공시 공작물의 냉각을 방지한다.

 

⑤ 금형이나 주형으로부터 가공품을 꺼내거나 분리시키는 것을 용이하게 한다.

 

 

[윤활방식]

 

금속가공공정에서의 윤활방식은 기본적으로 다음과 같은 네 종류로 구분한다.

 

(1) 후막윤활

 

유막의 두께가 표면거칠기에 비해 약 10배 이상 되는 경우로 두 표면은 유막에 의해 완전히 분리된다. 따라서, 금속과 금속간의 접촉은 이루어지지 않는다. 가벼운 수직하중이 작용하며, 수직하중은 두 물체 사이의 상대속도와 유체의 점성에 기인되는 쐐기효과(wedgeeffect)로 인한 유체동압으로 지지되고, 마찰계수값은 대개 0.001~0.02 사이에 있다.

 

(2) 박막 윤활

 

수직하중의 증가나 온도상승 등의 이유로 유체의 속도나 점도가 감소되면, 유막의 두께는 표면거칠기의 3~5배 정도로 얇아진다. 따라서, 높은 돌출부들 사이에는 금속과 금속간의 접촉이 이루어지게 되어, 마찰도 커지고 마멸량도 많아진다.'

 

(3) 혼합윤활

 

이 경우에는 작용하중의 대부분이 돌출부들의 금속과 금속간의 접촉을 통해 전달되고, 나머지는 돌출부 골짜기에 존재하는 가압상태의 유막에 의해 전달된다. 유막의 두께는 보통 표면거칠기의 2배 이하로 된다. 적절한 윤활제를 선정함으로써, 분자크기의 수배 정도 두께로 표면에 강력히 접착된 경계막을 형성시킬 수 있다. 이렇게 형성된 막은 금속과 금속간의 직접적인 접촉을 방지하므로 결과적으로 마멸을 줄이는 효과를 가진다.

 

(4) 경계윤활

 

이 경우에 하중은 얇은 경계층으로 덮혀 있는 접촉면을 통해 직접 전달되며, 경계막의 강도나 두께에 따라 마찰계수는 약 0.1 에서 0.4까지 변한다. 대표적인 경계윤활제로는 자연유, 지방유, 지방산, 비누 등이 사용되며, 경계막은 금속표면 위에 빠른 속도로 형성된다. 경계막은 계속되는 미끄럼 운동과 접촉면이 고온상태로 되어 흡착력을 상실함에 따라 떨어져 나간다. 이와 같이 금속표면의 경계막이 제거되어 보호막이 없어지면, 금속과 금속간의 접촉이 이루어져 마멸이 극심해지고 표면에 패인 자국이 생길 수도 있다.

 

 

[형상효과]

 

표면거칠기와 더불어 접촉물체들의 전체적인 형상도 윤활에서 중요한 고려대상이다(다음 그림).

소성가공공정에서 윤활제의 도입 : (a) 인발 및 압출, (b) 압연

공작물이 변형영역으로 진입될 때 윤활제도 같이 금형과 공작물 경계면을 따라 공급되도록 하여야 한다. 경계면 속으로의 윤활제 유입은 입구측 각이 중요한 변수로 작용하는데, 이 각이 감소하면 더 많은 윤활제가 유입되어 윤활상태가 좋아지고 마찰이 줄게 된다. 이러한 변수들을 적절히 선정함으로써 금형과 공작물 경계면에 비교적 두꺼운윤활막이 유지되게 할 수 있다.

 

윤활제를 사용하여 마찰과 마멸을 줄이는 것이 항상 바람직한 것만은 아니다. 왜냐하면,두꺼운 윤활막이 형성되면 공작물표면과 금형표면이 완전히 접촉되지 않으므로, 가공면에광택이 요구되는 경우에는 사용이 곤란하다. 윤활막이 두꺼우면 가공면이 흐리고 울퉁불퉁하게 된다. 이 경우 가공면의 거친 정도는 재료의 결정입자 크기에 의존한다. 단조나 코이닝과 같은 성형공정에서는 윤활제가 소재의 성형을 방해할 수도 있다.

 

 

[액체윤활제]

 

윤활유로 사용될 수 있는 기름종류들은 금속표면상에서 높은 결합강도를 가진다. 이는표면에 묻은 기름을 깨끗이 제거하기가 쉽지 않다는 사실로부터 알 수 있다. 윤활의 목적으로 기름을 사용하는 것은 마찰과 마멸을 감소시키는 측면에서는 효과적이지만, 금속가공시에 발생된 열을 외부로 전도시키는 데는 효과적이지 못하다. 또한 후속공정으로 용접이나 도색작업이 필요할 때 가공면에 묻은 기름을 제거하는 것도 쉬운 일이 아니다. 윤활유에 사용하는 첨가제들로는 산화억제제, 녹방지제, 방취제, 방부제, 거품방지제 등이 있으며, 주요 성분은 황, 염소, 인 등이다.

 

고압 및 고온용의 극압유(extreme-pressure oil)에 첨가되는 극압제는 금속표면과 화학반응을 일으켜 금속황화물이나 염화물로 된 막을 표면에 형성시킨다. 이 막은 전단강도가낮고 금속표면들이 상호접착되는 것을 방해하므로 마찰과 마멸을 줄이는 데 효과적이다.극압유는 경계윤활의 경우에 중요하게 사용되지만, 금형이나 공구재료가 초경합금인 경우결합제인 코발트를 선택적으로 침해하므로 표면거칠기나 표면성질을 변화시킬 수 있다.

 

(1) 유화액(emulsion)

 

첨가제가 섞인 물에 기름이 다양한 비율로 희석된 상태로, 직접식과 간접식으로 분류된다. 직접식은 물에 소량의 광물유를 떨어뜨린 것이며, 간접식은 반대로 기름에 소량의 물을 떨어뜨린 것이다. 직접식 유화액은 냉각성이 뛰어나므로, 온도상승이 공구수명, 표면정도 및 치수정확도에 심각한 해를 끼치는 고속절삭작업에 효과적으로 사용된다.

 

(2) 합성액(synthetic solution)

 

무기물과 다양한 화학물질들을 물에 혼합한 윤활제이다. 비누는 나트륨이나 칼륨염과지방산의 반응물이다. 알칼리비누는 수용성이나 다른 금속비누들은 일반적으로 불수용성이며, 이들 비누종류는 경계윤활에 효과적으로 사용된다.

 

(3) 그리스(grease)

 

고체 또는 반고체상태의 윤활제로, 일반적으로 비누, 광물유 및 첨가제들로 구성되어 있다. 그리스는 점성이 크므로 금속표면에 잘 부착된다. 주로 기계류에 광범위하게 사용되고제조공정에서는 제한된 범위에서만 사용된다. 왁스(wax)류는 동물이나 식물(파라핀)로부터 채취되며 복잡한 구조로 되어 있다. 왁스는 그리스에 비하여 점착성이 덜하고 취성이있다.

 

 

[고체윤활제]

 

흑연(graphite)은 충방향으로의 전단에 약하기 때문에 이 방향으로는 마찰계수를 가 낮다. 그러나 진공상태나 불활성 분위기에서는 매우 높아져서, 흑연이 접촉물체를 심하게 마멸시킬 수 있다. 윤활제로 사용하는 방법은 흑연을 표면에 직접 바르거나, 물, 기름, 또는알코올용액에 흑연입자를 섞은 콜로이드 상태의 현탁액으로 만들어 표면에 바른다.

 

이황화몰리브덴(MoS₂) 도 널리 사용되는 층상구조의 고체윤활제로, 흑연과 비슷한 구조로 되어 있다. 흑연과 다른 점은 대기 중에서 높은 마찰계수를 갖는 것이다. 보통은 이황화몰리브덴을 기름에 타서 사용하나 공작물표면에 문질러 바를 수도 있다. 이 윤활제는주로 실온에서 사용된다.

 

저강도금속이나 고분자재료들도 공작물표면에 얇게 피복하여 윤활제로 사용할 수 있다.이러한 목적에 적합한 금속재료들로는 납, 인듐, 카드뮴, 주석, 은 등이 있으며, 고분자재료들로는 PTFE, 폴리에틸렌, 메타크릴레이트(아크릴) 등이 있다. 저강도금속의 피복은 강,스테인리스강, 고온합금 등과 같은 고강도 금속들의 윤활에 이용된다. 금속표면에 형성된얇은 산화물층의 마찰계수가 낮다면, 이러한 산화물충도 고온상태에서는 고체윤활제 구실을 한다.

 

유리는 상온에서 고체상태이지만 고온에서는 점성이 큰 액체상태로 변하여 윤활제 역할을 한다. 이때 점도는 온도의 함수이나 압력과는 무관하며, 유리종류에 따라 점도도달라진다. 유리는 특히 열전도도가 낮으므로, 고온의 공작물과 비교적 저온의 금형 사이의 단열에도 효과가 있다. 유리윤활제의 대표적인 응용예를 열간압출과 열간단조에서 찾을 수 있다.

 

윤활제가 공작물표면에 항상 잘 부착되는 것은 아니며, 높은 수직응력 및 전단응력하에서는 이러한 상태가 심각한 문제로 대두되고 있다. 예를 들면 강, 스테인리스강 및 고온합금재료들의 단조가공, 압출가공, 선재인발가공이 이 경우에 해당된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 전환피복(conversion coating)을 사용한다. 즉, 가공을 시작하기 전에 공작물표면을 산으로 화학반응시켜 다소 거친 다공질상태로 변화시킨 후, 붕사나 석회를 사용하여 표면에 남아 있는 산을 제거한다. 이러한 처리를 거친 후 비누와 같은 액체윤활제를 표면에 바르면 윤활막은 표면에 견고히 부착되어 쉽게 떨어져 나가지 않는다. 탄소강이나저합금강의 경우에는 종종, 인산아연피복이 행해지며, 스테인리스강이나 고온합금재료들의 경우에는 수산염피복이 행해지고 있다.

 

 

[윤활제의 선정]

 

주어진 공정과 공작물재료에 적합한 윤활제를 선정하기 위하여 고려하여야 할 사항들은 다음과 같다.

 

• 제조공정의 종류

• 공작물, 공구, 금형재료들과의 조화

• 사전 표면처리의 필요성

• 윤활제를 바르는 방법

• 가공 후 윤활제의 제거

• 다른 윤활제들(예를 들면, 기계에 사용된 윤활제)에 의한 오염가능성

• 폐기된 윤활제의 처리

• 윤활제의 보관 및 보존

• 생물학적 및 생태학적 문제점들

• 위의 각 항에 소요되는 비용

 

기름종류를 윤활제로 사용할 경우에는 온도 및 압력변화에 따른 기름의 점도변화 특성을 잘 파악하고 있어야 한다. 윤활제의 점도저하는 마찰과 마멸에 심각한 악영향을 줄 수도 있다. 또한, 여러 가지 금속가공용 유체들의 주된 기능, 즉 윤활용인지 또는 냉각용인지를 잘 구분하여 적합한 유체를 선정하여야 한다. 물이 주성분인 윤활제는 기름종류보다 냉각효과는 우수하지만 윤활효과는 떨어진다.

 

금속가공용 윤활제는 기계작동에 지장을 주는 어떠한 잔재물도 남겨서는 안된다. 또한, 윤활제가 공작물이나 장비를 부식시켜서도 안된다. 윤활제는 사용중에 정기적으로 점검하여, 박테리아의 성장, 산화물이나 마멸파편들의 축적 등으로 인한 기능저하나 온도변화와시간경과에 따른 열화정도가 진단되어야 한다. 윤활제에 포함되어 있는 마멸입자가 공작물과 장비에 손상을 입힐 수 있으므로, 이의 적절한 검사 및 여과방법이 신중히 검토되어야 한다.

 

공작물표면에는 가공이 완료된 후에도 윤활제찌꺼기들이 남아 있으므로, 용접이나 도색작업과 같은 후속공정을 수행하기 전에 이러한 찌꺼기들을 깨끗이 제거하여야 한다. 다양한 세척액과 세척방법들이 이러한 목적으로 사용될 수 있다. 윤활제의 사용에 따른 생물학적 및 생태학적 문제점들과 부수되는 법률적 문제들도 신중히 검토되어야 한다. 몇몇금속가공용 윤활제들의 재생이나 폐기에 관한 사항들도 역시 환경보호와 관련하여 중요한검토대상에 속한다.