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KR100935820B1 - 메탄설폰산 기재 수성 윤활제의 존재 하의 금속의 가공또는 성형 방법 - Google Patents

메탄설폰산 기재 수성 윤활제의 존재 하의 금속의 가공또는 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 수용성 극압 첨가제로서 메탄설폰산 또는 수용성 메탄설폰산 염을 함유하는 수성 윤활제를 사용하는 것으로 이루어진 금속의 가공 또는 성형 방법에 관한 것이다. 상기 수용성 메탄설폰산 염은 알칼리 또는 알칼리 토금속, 암모늄, 알칸올아민 또는 에톡시화 지방 아민 염이다. 본 발명의 수성 윤활제는 우수한 극압 특성 및 우수한 부식 관련 특성을 갖는다.
윤활제, 금속가공, 수성 윤활제, 메탄설폰산

Description

메탄설폰산 기재 수성 윤활제의 존재 하의 금속의 가공 또는 성형 방법 {METHOD FOR WORKING OR FORMING METALS IN THE PRESENCE OF AQUEOUS LUBRICANTS BASED ON METHANESULPHONIC ACID}
본 발명은 윤활제 분야에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 수용성 극압 첨가제를 함유하고 금속의 가공 또는 성형에 사용되는 수성 윤활제 분야에 관한 것이다.
금속의 가공 또는 성형 작업은, 가공될 부분과 연장 사이의 힘을 감소시키고, 조각 및 파편을 제거하고, 가공된 부분 또는 판을 냉각시키며, 표면의 질감을 조절하기 위해 윤활제의 사용을 필요로 한다. 오일 기재 윤활제가 통상적으로 사용되어 왔다. 이들은 윤활성 촉진제, 내마모성 (antiwear; AW) 및/또는 극압 (extreme pressure; EP) 첨가제가 첨가되었을 수도 있는 순 오일(whole oil) 또는 에멀젼이다. EP 첨가제는 일반적으로 황 함유 화합물이다. 금속 가공 작업 중에 금속 부분간의 접촉 시에 통상적인 고온에서는, 황 화합물이 분해된다. 황화철 층이 부분의 표면상에 형성되어, 용접 및 접착 공정을 방해한다.
순 오일은 뛰어난 윤활 특성을 가지나, 제조율이 높으면 발생된 열의 제거에 에멀젼의 사용이 필요하다. 그러나, 에멀젼의 사용 또한, 시간에 따라 열화되고 악취를 발생하므로, 한정되는 경향이 있다. 이것이 수성 유체의 사용이 지속적으로 보급되고 있는 이유이다. 이들은 수용성 첨가제를 기재로 한 수용액인 합성 유체이거나, 다량의 유화제를 함유하는 수중유 마이크로에멀젼인 반합성 유체이다. 그러나, 수성 유체는, 효과적으로 열을 제거하여 세균 증식에 대한 향상된 내성을 나타내는 반면, 종종 마찰 및 마모 상태가 그리 심하지 않은 금속 가공 작업으로 한정된다. 이는, EP 첨가제가 구체적으로 오일에 대해서만 개발되어, 이들 첨가제 중 매우 적은 수만이 수용성이고 따라서 수성 유체에 적합하기 때문이다.
다수의 유용성 EP 첨가제가 입수가능한 반면, 수용성 EP 첨가제의 수는 훨씬 적다. 문헌 [Lub. Eng. 1977, 3(6), 291-298]에서, R.W. Mould 등은 다수의 수용성 황-함유 첨가제, 예컨대 티오살리실산, 2-메르캅토프로피온산, 2,2'-디티오디벤조산, 2,2'-디티오디프로피온산 및 디티오디글리콜산의 나트륨 염의 EP 특성에 대해 기술한다. 유사하게, 3,3'-디티오디프로피온산의 수용성 염의 사용은 특허 EP 288 375 호 및 JP 63 265 997 호의 주제가 되었다. 특허 EP 183 050 호에서는, 디티오디글리콜이 폴리옥시알킬렌 글리콜의 유도체와 조합되어 사용되어, 수성 윤활제의 극압 특성을 향상시킨다. 수성 윤활계 중 첨가제로서 아미노설폰산의 유도체의 사용은 특허출원 WO 8602941 호의 주제가 되었다. 보다 최근에는, 일본특허출원 JP 10 110 181 호에서는 3,3'-디티오디프로피온산의 수용성 염이 수성 인발(drawing) 및 압형(stamping) 윤활제 중에서 알킬 티오산과 조합되었다.
그러나, 이들 제품은 수중에서 충분히 안정하지 못하다. 이들은 세균의 증식을 촉진시키고, 황화수소를 발생시켜, 상기 수성 유체로 하여금 강한 냄새를 발 산하도록 한다. 따라서, 이들의 제형은 다량의 살균제의 사용을 필요로 하는데, 이는 수성 윤활제에 보통 허용되는 양에 부적합하다. 또한, 이들 극압 첨가제의 일부는 합성 및 반합성 제형에서 통상적으로 사용되는 기타 첨가제의 대부분과 불상용성이다.
최근, 극압 효과를 갖는 설팜산 아민의 염을 함유하는 윤활 조성물이 특허출원 WO 00/44848 호의 주제가 되었다. 그러나, 설팜산은 매우 부식성이 강하다. 더욱이, 그의 낮은 용해도는 제형에 사용하기 용이한 액체 농축물의 제조를 아예 불가능하게 한다. 또한, 금속 가공 및 성형 분야에서 사용되는 윤활 제형의 환경적 영향을 제한하기 위해, 쉽게 생분해 가능한 첨가제를 채택하는 것이 특히 중요하다.
이제, 수성 금속-가공 제형에서의 메탄설폰산 (MSA) 또는 메탄설폰산의 염의 사용이 특히 유리하다는 것이 밝혀졌다.
MSA 는 수중에서 안정하고, 주위 온도에서 모든 비율로든지 완전히 가용성이다. MSA 는 비-부식성이고; 수용액 중에서 H2S를 발생시키지 않는다. MSA 는 용이하게 생분해 가능하여 (28 일 동안 100% 분해), 환경친화적이다. MSA 는 윤활 제형에 특히 유리한 극압 특성을 부여한다.
따라서, 본 발명의 주제는 수용성 극압 첨가제를 함유하는 수성 윤활제의 존재 하의 금속 가공 또는 성형 방법으로서, 상기 첨가제가 메탄설폰산 (MSA) 또는 MSA의 수용성 염인 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명에 따른 수용성 MSA 염은 MSA를 염화제(salifying agent)로써 중화시켜 수득한다. 알칼리 또는 알칼리 토금속의 염이 본 발명에 따른 수용성 MSA 염으로서 바람직하나, 하기 화학식을 만족시키는 화합물로부터 수득된 수용성 염 또한 사용할 수 있다:
R1NR2R3
[식 중, 기호 R1, R2 및 R3 은 동일하거나 상이하며, 각각은 수소 원자, 탄소수 1 내지 22의 알킬, 알케닐 또는 알킬아릴 라디칼, 또는 n 이 1 내지 20 인 (CH2-CH2-O)nH 형태의 옥시에틸화 라디칼을 나타낸다].
알칼리 금속 염 중에서는, MSA를 가성 소다 또는 가성 칼륨으로써 중화시켜 수득된 것들이 바람직하다.
R1NR2R3 화합물의 비제한적인 예로는, 알칸올아민, 특히 모노에탄올아민, 디에탄올아민 또는 트리에탄올아민, 에톡시화 아민을 언급할 수 있으며, 이 중 바람직한 화합물은 R1 이 탄소수 12 내지 22의 라디칼이고, R2 및 R3 이 1 내지 10 개의 에틸렌 옥사이드 기를 갖는 옥시에틸 라디칼인 것이다.
염화제는, 최종 제형에서 원하는 pH에 따라 MSA에 대해 화학양론적인 비율로, MSA에 대해 과량으로, 또는 MSA에 대해 부족량으로 첨가된다. 바람직하게는, MSA와 염화제 간의 몰비는 1:1 내지 1:2 이다.
본 발명에 따른 수용성 MSA 염은 바람직하게는 주위 온도에서 수중에서 완전히 안정하며, H2S를 전혀 방출하지 않으면서 용이하게 보관되는 진하거나 묽은 수성 윤활제 제형을 얻는 데 사용될 수 있으며, 특히 유리한 극압 특성을 갖는다.
또한, 이들 제형은 비-부식성이다.
MSA 또는 수용성 MSA 염은 사용 중에 곧이어 희석될 수 있는 농축물의 형태 또는 묽은 용액의 형태일 수 있다. 이들은 단독으로 사용될 수 있으나, 일반적으로 금속 가공 또는 성형용 합성 또는 반합성 유체의 다른 통상적 첨가제와의 혼합물로서 사용된다. 이들 첨가제에는 살균제, 유화제, 윤활성 촉진제, 내마모 첨가제, 소포제 및 부식 억제제가 포함된다.
상기 농축물은 MSA 또는 수용성 MSA 염을 10 중량% 내지 50 중량%, 바람직하게는 15 중량% 내지 35 중량%로 함유한다.
본 발명에 따른 MSA 또는 수용성 MSA 염, 상기를 함유하는 농축물 및 금속 가공 또는 성형용 수성 윤활제에서 통상적으로 볼 수 있는 기타 첨가제는, 금속 가공 또는 성형에 흔히 사용되는 수성 윤활제와 함께, 특히 합성 유체 (참 용액) 또는 반합성 유체 (마이크로에멀젼)와 함께, 0.01 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 0.1 중량% 내지 10 중량%의 농도로 혼입될 수 있다.
본 발명에 따른 극압 첨가제의 효율은, ASTM 표준 D-2783 에 따른 4-구(4-ball) 극압 시험에 의해 4-구 기기 상에서의 시험에 의해 평가하는데: 상기 시험은, 하기 측정 프로토콜에 따라, 시험 유체 중에 잔존하는 나머지 3 개의 구체 상의 최상부의 구체가 회전하는 것이 방지되도록, 4 개의 구체가 함께 용접되어 있는 하중의 값으로부터 유체의 극압 용량을 평가하는 것으로 이루어진다:
- 100C6 강철 구, 직경 12.7 ㎜
- 최상부 구체의 회전 속도: 분 당 1500 회 회전
- 시험 기간: 10 초
- 하중 증가.
4 개 구체의 용접에 해당하는 하중이 극압 용량에 해당하고; 이는 가능한 한 높아야 하며, 통상적으로는 160 ㎏ 이다.
본 발명에 따른 극압 첨가제의 항부식력(anticorrosion power)은, 하기 프로토콜에 의해 시험될 수성 윤활제와 주철의 조각을 접촉시킴으로써 평가된다:
- 2 g 의 표준 주철 조각 (ASTM D-4627)은 바닥에 여과지가 깔린 페트리 디쉬 내에서 시험할 수성 윤활제 5 ㎖ 로 덮혀있다.
- 접촉 시간: 주위 온도에서 2 시간.
여과지 상에 나타나는 녹이 항부식력의 표지이며; 등급을 표 1 에 나타낸다:
여과지 상의 관찰 항부식력
녹 흔적 없음 우수함
녹 흔적이 다소 있음 중간
녹 흔적 열악함
하기 실시예는 본 발명을 제한하지 않으면서 예시한다. 표시된 백분율은 중량 백분율로 나타내어진다.
실시예 1
표 2 는 시험된 상이한 제형의 조성 및 극압 성능을 나타내는데; 이들은 MSA 또는 1:1 수용성 MSA 염의 묽은 수성 제형이다. 이들은 5 중량%의 수용성 첨가제를 함유한다.
이들 제형은 주위 온도에서 200 ㎖의 이차증류수가 담긴 300 ㎖ 비이커에서 수득한다. 적당한 양의 순수한 MSA 를 중간 정도의 자석 교반과 함께 서서히 첨가한다. 이어서, 가성 소다 (NaOH), 가성 칼륨 (KOH), 모노에탄올아민 (MEA), 트리에탄올아민 (TEA) 또는 에톡시화 지방 아민 (NORAMOX C2: 2 몰의 에틸렌 옥사이드를 갖는 에톡시화 코프라 베이스 상의 모노아민 또는 NORAMOX O2: 2 몰의 에틸렌 옥사이드를 갖는 에톡시화 올레인 베이스 상의 모노아민, CECA 제조)을 화학양론적 비율로 첨가하여, 활성 물질 5 중량%를 함유하는 1:1 염을 수득한다. 용액은 모두 맑고, 안정하며, 특이한 냄새가 없다. 각각의 조성물을 4-구 시험 처리하여, 용접 하중을 측정하였다.
제형 조성물 용접 하중 (㎏)
물(%) 첨가제 (%)
대조 100 없음 80
1 95 MSA 5 400
2 95 MSA 3.53 NaOH 1.47 400
3 95 MSA 3.16 KOH 1.84 400
4 95 MSA 3.06 MEA 1.94 250
5 95 MSA 1.96 TEA 3.04 200
6 95 MSA 1.19 Noramox C2 3.81 160
7 95 MSA 1.04 Noramox O2 3.96 160
4-구 시험 결과를 검토하면, 본 발명에 따른 MSA 또는 수용성 MSA 염 기재의 윤활제 제형이 160 ㎏의 용접 하중을 수득하도록 돕는 것을 볼 수 있는데, 이는 대조로서 사용된 순수(pure water)로써 측정된 하중보다 훨씬 높은 것이다. 본 발명에 따른 MSA 또는 수용성 MSA 염 기재 첨가제의 혼입은 금속 가공 또는 성형에 사용되는 수성 제형에 극압 특성을 제공하는 데 도움을 준다. MSA, 및 MSA의 Na 및 K 염은 최고 효율을 수득하도록 돕는다.
실시예 2
표 3 은 본 발명에 따른 수용성 MSA 염을 함유하는 두 가지 수성 윤활제의 극압 성능 및 부식 특성을 나타낸다. 이들 조성물은 과량의 가성 소다 (NaOH) 또는 모노에탄올아민 (MEA)으로써 MSA를 중화시킴으로써 제조한다. 수용성 염은 수중 농도가 5 중량%이고; 조성물은 맑고 안정하며 특이한 냄새가 없다.
제형 AMS (몰) NaOH (몰) MEA (몰) 용접 하중 (㎏) 항부식성 등급
8 1 1.25 - 500 우수
9 1 - 2 200 우수
본 발명에 따른 조성물 8 및 9 는 4-구 EP 시험에서 높은 용접 하중을 수득하도록 돕는다. 이들은 우수한 부식 특성을 갖는다.

Claims (7)

  1. 수용성 극압 첨가제를 함유하는 수성 윤활제의 존재 하의 금속의 가공 또는 성형 방법으로서, 상기 첨가제가 알칼리 또는 알칼리 토금속의 염, 또는 하기 화학식을 갖는 화합물의 염으로 구성된 군으로부터 선택된 메탄설폰산 (MSA)의 수용성 염인 것을 특징으로 하는 방법:
    R1NR2R3
    [식 중, 기호 R1, R2 및 R3 은 동일하거나 상이하며, 각각은 수소 원자, 탄소수 1 내지 22의 알킬, 알케닐 또는 알킬아릴 라디칼, 또는 n 이 1 내지 20인 (CH2-CH2-O)nH 형태의 옥시에틸화 라디칼을 나타낸다].
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 수용성 MSA 염이 나트륨 또는 칼륨 염인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 화합물 R1NR2R3 이 알칸올아민인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 화합물 R1NR2R3 이, R1 은 탄소수 12 내지 22의 라디칼이고, 라디칼 R2 및 R3 은 n 이 1 내지 10 인 옥시에틸화 라디칼인 에톡시화 아민인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 수용성 MSA 염이 MSA와 염화제(salifying agent) 간의 몰비 1:1 내지 1:2 로써 수득되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 윤활제 중 수용성 MSA 염의 농도가 0.01 중량% 내지 20 중량%인 것을 특징으로 하는 방법.
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