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절삭유, 그 활용에 대해 – MFG와 함께하는 윤활 캠페인 ④

절삭유 선택에서 가장 중요한 것은 가공물의 재질과 가공 방법이다. 가공의 종류와 가공 속도, 재질의 강도를 고려하여 가공 시 발생하는 열과 압력을 효과적으로 제어할 필요가 있을 때 가공물의 품질에 따라 적합한 기능을 가진 절삭유를 선택한다. 특정 점도와 첨가제를 포함한 절삭유는 각 공정에 맞춰진 온도와 압력에서 활성화되어 제 기능을 발휘한다.

1비수용성 절삭유의 냉각성과 수용성 절삭유의 냉각성은 차이가 많이 나는데 이는 물이 기름보다 10배 정도 높은 냉각성을 가지기 때문이다. 일반적인 기계 가공에서는 냉각과 윤활이 동시에 추구되는데 물과 오일이 결합된 에멀전은 냉각과 윤활을 동시에 해결하는 이상적인 조합 물질로 대부분의 기계 가공에서 사용되고 있다.

에멀전은 서로 용해되지 않는 두 액체의 분산 시스템을 가지고 있다. 두 액체가 완전히 결합하여 새로운 성질을 나타내는 용해와 달리 에멀전 상태의 물과 기름은 각자의 성질을 유지한 채 고르게 분산되어 있다. 두 액체중 과잉 상태에 있는 액체(물)를 지속페이스라고 하고 이 안에 분산되어 있는 액체(기름)를 분산페이스라고 한다. 물과 기름 같다는 말이 있는 것처럼 비중이 다른 두 액체는 물은 물끼리 기름은 기름끼리 끌어 당기기 때문에 일반적으로 섞일 수가 없다.

  절삭유에 포함된 유화제는 기름 입자 사이의 융합을 저지하는 역할을 한다. 오일이 물에 안정적으로 혼합될 수 있도록 해주는 유화제는 두 입자 사이의 표면 장력을 낮추어 두 액체가 미세하게 분포되어 섞인다. 희석 과정에서 입자가 고르게 분포될수록 절삭유로서 우수한 성질을 지니게 된다.

안정적인 에멀젼을 만들어야
에멀전은 유화제 분자가 기름과 물 입자가 서로 결합할 수 없게 한다. 유형에 따라 물 속에 기름 입자가 분리되어 있는 에멀젼과 기름 속에 물 입자가 분리되어 있는 가역 에멀젼으로 나뉜다. 전자에서는 물이 지속 페이스가 되고 후자에서는 오일이 지속 페이스가 된다. 우유의 경우가 대표적인 에멀젼 상태이며 마요네즈의 경우가 가역 에멀젼이다. 이중 수용성 절삭유의 기능을 수행하는 것은 에멀전 상태이다.

 물과 오일이 결합한 에멀전은 냉각과 윤활을 동시에 해결하는 이상적인 조합 물질이다.
물과 오일이 결합한 에멀전은 냉각과 윤활을 동시에 해결하는 이상적인 조합 물질이다.

절삭유 관리에서 가장 기초가 되는 것은 안정적인 에멀전을 만들어내는 것이다. 반드시 물이 먼저 담긴 용기에 오일베이스를 투입해야 한다. 반대로 실시할 경우 가역 에멀전의 상태가 만들어져 제 역할을 수행하기가 힘들다. 일반적인 경우 손으로 혼합하게 되는데 보다 작고 고른 입자를 만들어내기 위해서는 혼압기를 사용하는 것도 좋은 방법이다. 안정적인 에멀전의 경우 각각의 오일입자들은 서로 반발력을 가지고 밀어내게 되어 지속적인 운동이 이루어지지 때문에 오일이 큰 입자로 융합되거나 표면으로 떠오르는 것을 방지한다.

안정적인 에멀젼을 유지해야
[농도 유지] – 에멀전 자체가 물리적인 화합물로 구성되어 있기 때문에 사용 과정에서 기름과 물의 균형이 어긋나게 된다면 제 기능을 발휘하기 힘들다. 필요한 가공에 알맞은 최적의 농도가 주어져 있는데 가공이 일어나는 가운데 자연적으로 수분이 증발하고 기계나 제품, 칩을 통해 빠져 오일이 손실되게 된다. 이럴 때는 절삭유의 농도를 측정하여 안정적인 상태를 맞출 수 있도록 손실분을 보충해야 한다. 이때도 오일과 물을 따로 보충 하는 것이 아니라 반드시 에멀전 상태로 혼합된 절삭유를 보충해야 한다.

  [화학적인 안정성] – 에멀젼의 90% 이상을 차지하는 것은 물이다. 순수한 정제수가 아닌 이상 물 속에는 이온이 들어있기 마련이다. 이중 나트륨, 칼륨 등의 + 이온이 많은 경우를 경수라 하고 염소 등의 – 이온이 많은 경우를 연수라고 부르는데 이런 이온의 함량은 경도로 측정된다. 물의 경도는 물에 용해되어 있는 칼슘 이온과 마그네슘 이온의 함유량을 말하는데 절삭유의 화학적 안정성을 깨뜨려 역할을 못하게 하고 철과 알루미늄 등의 금속에 부식을 유발하게 된다. 경도가 떨어질 경우 거품이 발생하게 되는데 칼슘아세테이트를 투여하거나 정제기와 연수기를 사용하여 경도를 조절해야 한다.

 [생물학적인 안정성] – 절삭유를 사용하는 가공 환경은 미생물의 증식에 유리한 편이다. 개방된 구조에 26℃에서 40℃ 사이의 온도는 물론 많은 이온들이 포함되어 있는 환경이다. 게다가 외부에서 계속해서 칩을 통해 세균이 침입한다. 절삭유 탱크라는 풀 안에서 미생물이 증식하는 것은 어쩔수 없는 일이다. 미생물은 절삭유 조성 물질을 분해하고 분해 과정에서 다른 치환 물질을 만들어내며 용액의 산성도를 증가시킨다. 거품과 유수 분리, 악취를 유발하고 작업자의 건강에도 영향을 미친다. 가장 쉬운 방법은 정기적으로 살균제를 투입 하는 것이다. 하지만 미생물의 내성을 키우게 되고 작업자가 흡입하게 될 우려가 있는데다가 안전 규제의 강화로 권장되지 않는다. 절삭유 원액에 살균시스템을 포함하는 방법도 있으나 높은 비용이 발생하게 된다. 무해성 물박테리아의 번식을 허용함으로써 유해 박테리아 번식을 억제하는 관리 방법도 있다.

 절삭유를 사용하는 가공 환경은 미생물의 증식에 유리한 환경인 경우가 많다.
절삭유를 사용하는 가공 환경은 미생물의 증식에 유리한 환경인 경우가 많다.

폐기? 절삭유의 재사용으로 수명을 극대화 해야
전세계적으로 절삭유의 폐기 처리와 취급에 대한 환경 법규가 강화되는데다가 처리 비용도 상승하고 있다. 절삭유의 긴 성능은 이러한 문제를 완화하며 생산비 절감의 중요한 키워드가 된다. 절삭유의 성능을 충족하면서도 장시간 사용 하기 위해서는 절삭유에 들어온 혼입유, 침전 물을 제거해야 한다.

칩의 경우 필터와 컨베이어 벨트를 통해 걸러 내게 되며 기름의 경우 오일 스키머를 통해 제거하게 된다. 좁은 탱크에서 지속적으로 절삭유가 재사용 될 경우 타유가 분리되기 어렵고 칩이 가라 않는 시간을 확보할 수 없어 필터링이 어렵게 된다. 가공 중 유입된 가스 배출이 어려워 거품이 발생하고 수명이 저하되는 것도 문제다. 이를 해결하는 것은 탱크의 용량이다. 너무 큰 탱크의 경우 수분 증발량이 문제가 될 수 있겠지만 적절한 용량의 탱크와 오염물의 제거는 절삭유의 수명을 연장시킨다. 일반 가공의 적정 탱크 용량은 절삭유 분당 공급량의 10배이다. 절삭유가 오염물을 제거하고 새롭게 태어나는데 10분이 필요한 셈이다.

연마기에 사용되는 절삭유 탱크. 교체 주기 관리표가 붙어있다.
연마기에 사용되는 절삭유 탱크. 교체 주기 관리표가 붙어있다.

About 이상준 기자

생산제조인을 위한 매거진 MFG 편집장 이상준입니다. 대한민국 제조업 발전을 위해 일합니다.