절삭유
1. 개요
1. 개요
절삭유는 절삭 가공 과정에서 공구와 공작물 사이에 공급되어 가공 성능을 향상시키는 액체 또는 기체를 말한다. 주로 금속 가공 분야에서 사용되며, 기계 가공의 핵심 요소 중 하나로 여겨진다.
절삭유의 주요 기능은 네 가지로 요약된다. 첫째, 공구와 공작물 사이의 마찰을 감소시키는 윤활 작용이다. 둘째, 절삭 과정에서 발생하는 고열을 제거하는 냉각 작용이다. 셋째, 가공 과정에서 생긴 절삭 칩을 씻어내는 세정 작용이다. 마지막으로, 공구와 공작물의 부식을 방지하는 방청 작용이다. 이러한 기능들은 공구 수명을 연장하고, 공작물의 표면 정밀도를 향상시키며, 가공 효율을 높이는 데 기여한다.
절삭유는 크게 수용성 절삭유와 비수용성 절삭유로 나뉜다. 수용성 절삭유는 물과 혼합하여 사용하는 형태로, 주로 냉각 성능이 중요한 고속 경절삭 가공에 적합하다. 반면, 비수용성 절삭유는 물과 혼합하지 않고 순수한 오일 형태로 사용되며, 주로 윤활 성능이 중요한 저속 중절삭 가공에 사용된다. 이들의 구성은 기유와 다양한 첨가제로 이루어져 있으며, 첨가제는 방청제, 극압 첨가제, 유화제 등의 기능을 담당한다.
절삭유의 선정, 사용, 관리 및 폐기는 기계 가공, 유체 공학, 윤활 공학 분야의 지식이 요구되는 중요한 과정이다. 올바른 절삭유의 사용은 생산성 향상과 함께 작업자의 안전 및 환경 보호와도 직결된다.
2. 역사
2. 역사
절삭유의 역사는 기계 가공 기술의 발전과 밀접하게 연결되어 있다. 초기 금속 가공에서는 물이나 동물성 기름과 같은 단순한 액체를 사용하여 절삭열을 식히거나 마찰을 줄이려는 시도가 이루어졌다. 산업 혁명 이후 본격적인 기계 가공이 확산되면서, 절삭 공정의 효율성과 정밀도에 대한 요구가 높아졌고, 이에 따라 보다 체계적인 절삭유의 필요성이 대두되었다.
20세기 초반에는 광유를 기반으로 한 비수용성 절삭유가 주로 사용되었으며, 이후 다양한 첨가제가 개발되어 윤활성, 방청성, 극압성능 등을 개선하였다. 특히 제2차 세계 대전을 전후로 한 중공업의 급속한 성장은 고속, 고정밀 절삭을 가능하게 하는 절삭유 기술 발전을 촉진시켰다.
20세기 중반 이후에는 물과 혼합하여 사용하는 수용성 절삭유가 개발되어 널리 보급되었다. 이는 냉각 성능이 우수하고 화재 위험이 낮으며 경제적이라는 장점으로 인해 공작기계의 고속화와 자동화에 크게 기여하였다. 최근에는 환경 규제 강화와 작업자 안전에 대한 관심이 높아지면서, 바이오 디그리더블 오일이나 미스트 발생을 억제하는 기술을 적용한 친환경 절삭유의 개발이 활발히 진행되고 있다.
3. 종류
3. 종류
3.1. 수용성 절삭유
3.1. 수용성 절삭유
수용성 절삭유는 물을 주성분으로 하여 물과 혼합하여 사용하는 절삭유를 말한다. 물에 희석하여 사용하기 때문에 경제적이며, 특히 냉각 성능이 매우 우수하다는 특징이 있다. 이는 고속 절삭이나 중절삭 가공과 같이 많은 열이 발생하는 가공 조건에서 공구와 공작물의 과열을 효과적으로 방지한다. 주로 연삭 가공이나 선반 가공 등에 널리 사용된다.
수용성 절삭유는 그 조성에 따라 다시 유화형, 용해형, 반합성형으로 세분화된다. 유화형은 광물유를 유화제로 물에 분산시킨 형태로, 윤활 성능이 비교적 좋다. 용해형은 물에 용해되는 유기 화합물을 주성분으로 하여 투명도가 높고 세정 성능이 우수하다. 반합성형은 유화형과 용해형의 중간 성격을 가지며, 일부 광물유와 수용성 첨가제를 함유한다.
이러한 절삭유는 냉각 작용이 뛰어나 공구 수명을 연장하고 공작물의 열변형을 줄여 정밀도를 높이는 데 기여한다. 또한 물을 기반으로 하기 때문에 화재 위험이 없어 작업장 안전 측면에서 유리하다. 그러나 물이 주성분이기 때문에 방청 성능과 윤활 성능은 비수용성 절삭유에 비해 상대적으로 떨어질 수 있어, 이를 보완하기 위한 다양한 첨가제가 사용된다.
사용 시에는 물과의 혼합 비율을 작업 조건에 맞게 정확히 조절해야 하며, 세균이나 곰팡이에 의한 부패를 방지하기 위해 방부제가 첨가되기도 한다. 폐기 시에는 유화 상태를 파괴하는 등의 전처리 과정을 거쳐 수질 오염을 방지해야 한다.
3.2. 비수용성 절삭유
3.2. 비수용성 절삭유
비수용성 절삭유는 물과 혼합되지 않는 기유를 주성분으로 하는 절삭유이다. 일반적으로 광물유를 기유로 사용하며, 필요에 따라 다양한 첨가제를 배합하여 특정 성능을 향상시킨다. 물을 사용하지 않기 때문에 부식 방지 성능이 우수하고, 윤활 성능이 뛰어나 중삭이나 정삭과 같은 고부하 가공에 주로 사용된다. 또한, 수용성 절삭유에 비해 균이나 곰팡이에 의한 변질이 적어 관리가 비교적 용이한 편이다.
비수용성 절삭유는 그 조성과 특성에 따라 다시 순수형, 인활성형, 활성형으로 구분된다. 순수형은 광물유에 방청제 등의 첨가제만을 배합한 것이고, 인활성형은 황이나 염소 같은 극압 첨가제를 포함하나 활성형보다는 그 양이 적다. 활성형은 다량의 극압 첨가제를 포함하여 스테인리스강이나 내열합금과 같은 난삭재료의 가공에 사용된다. 그러나 활성형은 가공된 공작물의 표면에 변색을 일으킬 수 있어 주의가 필요하다.
이러한 절삭유는 선반 가공, 밀링 가공, 연삭 가공 등 다양한 기계 가공 공정에서 활용된다. 특히 공작물의 표면 거칠기를 개선하고 공구 수명을 연장시키는 데 효과적이다. 다만, 미스트 발생으로 인한 작업 환경 악화와 화재 위험성이 있으며, 사용 후 폐유 처리에 대한 환경 규제를 준수해야 한다는 점이 관리상의 주요 고려사항이다.
4. 주요 성분과 첨가제
4. 주요 성분과 첨가제
절삭유는 기본적으로 기유와 다양한 첨가제로 구성된다. 기유는 절삭유의 주성분으로, 수용성 절삭유의 경우 물이 주된 기유 역할을 하며, 비수용성 절삭유는 광물유나 합성유가 기유로 사용된다. 첨가제는 기유의 기본 성능을 보완하거나 새로운 기능을 부여하기 위해 소량 첨가되는 화학 물질이다.
첨가제의 종류는 매우 다양하며, 각각 특정한 기능을 수행한다. 대표적인 첨가제로는 윤활제, 압력 첨가제, 방청제, 계면활성제, 방부제, 소포제 등이 있다. 윤활제와 압력 첨가제는 공구와 공작물 사이의 마찰을 줄이고 윤활막을 형성하여 공구 수명을 연장한다. 방청제는 공작물과 공작 기계의 부식을 방지하며, 계면활성제는 절삭유의 세정 능력을 향상시키고 물과 기름의 혼합을 돕는다.
이러한 첨가제들은 단독으로 사용되기보다는 상호 보완적으로 배합되어 사용된다. 예를 들어, 수용성 절삭유에는 물의 부식을 방지하기 위한 방청제와, 물과 윤활 성분을 안정적으로 혼합시키기 위한 계면활성제가 필수적으로 첨가된다. 또한, 가공 환경에서 박테리아나 곰팡이의 번식을 억제하기 위해 방부제가 들어가기도 한다.
절삭유의 성능은 기유의 종류와 첨가제의 배합 비율에 크게 좌우된다. 따라서 가공 재료, 공구 재질, 가공 조건에 맞춰 최적의 조성을 가진 절삭유를 선택하는 것이 중요하다. 첨가제 기술의 발전은 절삭 가공의 정밀도와 효율성을 지속적으로 향상시키는 핵심 요소로 작용하고 있다.
5. 기능
5. 기능
5.1. 냉각 작용
5.1. 냉각 작용
절삭유의 냉각 작용은 절삭 가공 과정에서 발생하는 고열을 효과적으로 제거하는 핵심 기능이다. 절삭 가공 시 공구의 인선이 공작물을 절삭할 때 강한 마찰이 발생하며, 이로 인해 국부적으로 매우 높은 온도가 형성된다. 이 절삭열은 공구의 수명을 단축시키고, 공작물의 열변형을 유발하며, 가공 정밀도를 저하시킬 수 있다. 절삭유는 이러한 열을 흡수하고 공구와 공작물의 접촉면에서 멀리 운반함으로써 냉각 효과를 발휘한다.
냉각 효율은 절삭유의 열전도율, 비열, 점도, 유량 등 여러 물성에 의해 결정된다. 일반적으로 열전도율과 비열이 높을수록, 점도가 낮을수록 열을 더 잘 전달하고 운반할 수 있다. 특히 수용성 절삭유는 물을 주성분으로 하기 때문에 비열이 매우 커서 우수한 냉각 성능을 보인다. 이는 고속 절삭이나 경절삭과 같이 많은 열이 발생하는 가공 조건에서 필수적이다.
절삭유의 냉각 작용은 공구의 수명 연장에 직접적인 영향을 미친다. 고온은 공구 재료의 경도를 떨어뜨리고 마모를 가속화한다. 절삭유가 절삭열을 신속히 제거하면 공구의 온도 상승을 억제하여 공구 마모를 줄이고, 결과적으로 공구 교체 주기를 늘릴 수 있다. 또한, 공작물의 과도한 가열을 방지함으로써 열에 의한 변형이나 표면 손상을 최소화하여 가공 정밀도를 유지하는 데 기여한다.
효과적인 냉각을 위해서는 절삭유의 공급 방법도 중요하다. 가압 분사 방식은 절삭점에 직접적으로 충분한 양의 절삭유를 공급하여 냉각 효과를 극대화한다. 특히 미스트 냉각 방식은 공기와 절삭유를 혼합한 미세 입자를 분사하여 열 제거와 함께 칩 배출에도 도움을 준다. 적절한 냉각 작용은 절삭 성능을 안정시키고, 최종 제품의 품질을 보장하는 데 필수적이다.
5.2. 윤활 작용
5.2. 윤활 작용
절삭유의 윤활 작용은 공구와 공작물 사이의 마찰을 감소시켜 가공 품질과 공구 수명을 향상시키는 핵심 기능이다. 절삭 가공 시 공구 날과 공작물 사이에는 강한 접촉 압력과 상대 운동이 발생하며, 이로 인해 마찰열이 발생하고 공구 마모가 가속화된다. 윤활 작용은 절삭유가 공구와 공작물의 접촉면 사이에 유막을 형성하여 두 금속 표면의 직접적인 접촉을 최소화함으로써 이러한 마찰과 마모를 줄인다.
이러한 윤활 효과는 특히 공구와 공작물 사이의 접촉 면적이 넓은 선삭, 평삭, 호빙 가공이나, 재료의 점착성이 높은 알루미늄, 스테인리스강 가공에서 중요하다. 윤활 성능이 우수할수록 공구의 수명이 연장되고, 가공 표면의 거칠기가 개선되며, 소모되는 절삭 에너지도 감소한다. 윤활 성능은 절삭유의 점도와 첨가제 조성에 크게 의존하는데, 일반적으로 비수용성 절삭유가 수용성 절삭유보다 우수한 윤활성을 보인다.
윤활 작용을 강화하기 위해 절삭유에는 다양한 첨가제가 사용된다. 대표적으로 유압 첨가제는 고압 조건에서도 유막이 파괴되지 않도록 하며, 마모 방지 첨가제는 금속 표면에 보호막을 형성하여 마모를 억제한다. 또한 극압 첨가제는 국부적으로 발생하는 극한의 압력과 온도 조건에서 화학 반응을 일으켜 고체 윤활막을 생성하여 공구를 보호한다. 이러한 첨가제들은 절삭유의 기유와 조합되어 최적의 윤활 성능을 발휘하도록 설계된다.
따라서 절삭유의 윤활 작용은 단순한 마찰 감소를 넘어, 가공 정밀도 확보, 생산성 향상, 공구 비용 절감 등 기계 가공 공정의 전반적인 경제성과 효율성에 직결되는 중요한 요소로 평가된다.
5.3. 세정 작용
5.3. 세정 작용
절삭유의 세정 작용은 절삭 가공 과정에서 발생하는 절삭 칩과 연삭 분말을 신속하게 제거하여 작업 환경과 가공 품질을 유지하는 기능이다. 이는 절삭유가 유체로서 흐름을 가지고 있기 때문에 가능하다. 절삭유는 공구와 공작물 사이에 공급되어 미세한 금속 칩과 연삭 시 생성된 분진을 씻어내고, 이들을 절삭유 순환 시스템의 여과 장치로 이동시켜 걸러내도록 한다.
효과적인 세정 작용은 가공 정밀도와 공구 수명에 직접적인 영향을 미친다. 만약 절삭 칩이 제거되지 않고 가공 부위에 남아 있으면, 이는 재절삭 현상을 일으켜 공작물의 표면 거칠기를 악화시키고, 공구 날에 부착되어 공구 마모를 가속화할 수 있다. 특히 정밀 가공이나 미세 가공에서는 미세한 칩이라도 가공 품질을 저하시킬 수 있어 세정 능력이 매우 중요하다. 또한 자동화 공장에서는 칩이 이송 장치나 공작 기계 내부에 쌓이는 것을 방지하여 장비의 고장을 예방하는 역할도 한다.
절삭유의 세정 능력은 주로 기유의 점도와 표면 장력, 그리고 첨가된 계면 활성제의 종류와 양에 의해 결정된다. 일반적으로 점도가 낮을수록 침투력이 좋아 세정력이 우수하며, 계면 활성제는 기유와 물, 금속 표면 사이의 습윤성을 향상시켜 칩을 효과적으로 떼어내고 분산시킨다. 따라서 수용성 절삭유는 물과 혼합되어 낮은 점도와 높은 열용량을 가지며, 에멀션이나 솔루블 오일 형태로 사용되어 강력한 세정 및 냉각 성능을 발휘하는 경우가 많다.
5.4. 방청 작용
5.4. 방청 작용
절삭유의 방청 작용은 가공된 공작물의 표면이 부식되는 것을 방지하는 기능이다. 금속, 특히 철과 강은 습기나 공기 중의 산소와 접촉하면 쉽게 녹이 슬게 되는데, 절삭 가공 과정이나 그 이후의 보관 중에도 이러한 부식이 발생할 수 있다. 절삭유는 공작물 표면에 보호막을 형성하여 금속 표면과 외부 환경을 차단함으로써 부식을 억제한다.
이러한 방청 기능은 주로 절삭유에 포함된 특수 첨가제에 의해 구현된다. 방청제는 금속 표면에 흡착되어 얇은 보호층을 만들거나, 금속과 화학 반응을 일으켜 부동태 피막을 형성한다. 일반적으로 사용되는 방청제에는 아민 계열, 카르복실산 염, 인산염 등이 있다. 수용성 절삭유와 비수용성 절삭유 모두에 방청 성분이 첨가될 수 있으며, 특히 가공 후 공작물을 장기간 보관해야 하거나 공정 중에 수분에 노출될 가능성이 있는 경우 그 중요성이 더욱 커진다.
방청 성능은 절삭유의 pH 값과도 깊은 연관이 있다. 강한 산성이나 강한 알칼리성은 금속을 부식시킬 수 있으므로, 절삭유는 일반적으로 중성에 가까운 약알칼리성을 유지하도록 조성된다. 또한, 절삭유 자체의 산화 안정성이 좋아야 사용 중 변질되어 산성을 띠는 것을 방지할 수 있다. 따라서 절삭유의 관리 과정에서 농도와 pH를 정기적으로 점검하고, 유분리나 오염을 방지하는 것이 방청 성능을 오래 유지하는 데 필수적이다.
결과적으로, 방청 작용은 가공품의 품질과 수명을 보장하는 중요한 요소이다. 이 기능이 제대로 발휘되지 않으면 표면에 얼룩이나 부식이 생겨 치수 정밀도나 외관에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 후속 도금이나 도장 공정의 결합력에도 문제를 일으킬 수 있다. 따라서 절삭유를 선정할 때는 가공 재료와 작업 환경을 고려하여 적절한 방청 성능을 갖춘 제품을 선택해야 한다.
6. 선정 기준
6. 선정 기준
절삭유를 선정할 때는 가공 공정, 재료, 공구, 장비, 경제성, 환경 및 안전 규정 등 여러 요소를 종합적으로 고려해야 한다. 가장 기본적인 기준은 가공 방식과 공작물 재료이다. 예를 들어, 고속 절삭이나 중삭과 같이 열 발생이 많은 공정에는 냉각 성능이 우수한 수용성 절삭유가 적합한 반면, 정밀 절삭이나 연삭과 같이 표면 정밀도와 윤활이 중요한 공정에는 윤활 성능이 뛰어난 비수용성 절삭유가 선호된다. 또한, 알루미늄이나 황동과 같은 비철금속 가공에는 방청 성분이 조절된 전용 절삭유를 사용해야 할 수 있다.
공구의 재질과 수명도 중요한 고려 사항이다. 초경합금이나 세라믹 공구를 사용할 때는 공구와의 화학적 반응성을 고려해야 하며, 공구 수명을 연장하기 위해 극압 첨가제가 포함된 절삭유를 선택할 수 있다. 가공 장비의 특성도 무시할 수 없다. 일부 CNC 공작기계나 특수 장비는 제조사에서 권장하는 절삭유의 점도나 성분을 지정하기도 한다. 또한, 공장 내 절삭유 순환 시스템(중앙 공급 시스템 vs. 개별 기계 공급)에 따라 적합한 유형과 관리 방법이 달라진다.
환경, 안전, 경제적 요소는 현대적인 절삭유 선정에서 점점 더 큰 비중을 차지한다. 작업자의 건강을 위해 휘발성이 낮고 독성 또는 피부 자극성이 적은 제품을 선택해야 하며, 작업장 환경 기준을 충족시켜야 한다. 사용 후 폐기물 처리 비용과 난이도를 줄이기 위해 생분해성이 좋거나 재생이 용이한 친환경 절삭유에 대한 수요도 증가하고 있다. 최종적으로는 절삭유의 구입 비용뿐만 아니라 공구 수명 연장, 생산성 향상, 유지 관리 간소화, 폐유 처리 비용 절감 등을 종합한 총소유비용(TCO) 관점에서 평가하여 결정하는 것이 바람직하다.
7. 관리 및 폐기
7. 관리 및 폐기
절삭유는 사용 과정에서 절삭 칩, 먼지, 미생물, 산화된 기유, 분해된 첨가제 등으로 오염되어 성능이 저하된다. 따라서 적절한 관리를 통해 오염물을 제거하고 유효 성분을 보충하여 수명을 연장해야 한다. 일반적인 관리 방법으로는 여과를 통한 고형 칩 제거, 유분리기를 이용한 트램프 오일 분리, 살균제 첨가를 통한 미생물 번식 억제, 그리고 농도 및 pH 측정을 통한 성분 보충이 포함된다. 특히 수용성 절삭유는 물과 혼합되어 사용되므로 농도 관리가 매우 중요하다.
사용이 끝나거나 성능이 회복 불가능하게 저하된 절삭유는 적절한 절차에 따라 폐기해야 한다. 폐기 과정은 환경보호 관련 법규를 준수해야 하며, 일반적으로 폐유 처리 업체에 위탁하여 처리한다. 처리 방법에는 물리화학적 처리, 생물학적 처리 등을 통해 오염물을 제거한 후 방류하거나, 소각을 통해 에너지 회수를 하는 방식이 있다. 비수용성 절삭유의 경우 재생유로 정제하여 재사용하기도 한다.
절삭유의 관리 및 폐기는 작업자의 안전과 직결된다. 관리 불량으로 절삭유가 분해되면 악취가 발생하고 피부염 등의 건강 문제를 유발할 수 있다. 또한 폐기 과정에서 무단 방류나 불법 투기는 수질 오염과 토양 오염을 일으키며 엄중한 법적 제재를 받게 된다. 따라서 작업장에서는 체계적인 유지관리 계획을 수립하고, 폐기 시에는 공인된 폐기물 처리업체를 통해 처리해야 한다.
8. 환경 및 안전
8. 환경 및 안전
절삭유는 작업 현장에서 작업자의 건강과 환경에 영향을 미칠 수 있다. 절삭 작업 중 발생하는 미스트(안개)는 호흡기 질환을 유발할 수 있으며, 피부와 장시간 접촉하면 피부염을 일으킬 수 있다. 특히 일부 첨가제나 변질된 절삭유는 더 큰 건강 위험을 초래할 수 있어 적절한 환기 시설과 개인 보호구의 사용이 필수적이다.
사용 후 폐기되는 절삭유는 중요한 환경 오염원이 된다. 비수용성 절삭유는 유류 오염을 일으키고, 수용성 절삭유는 부영양화를 촉진할 수 있는 영양염류를 포함할 수 있다. 또한 중금속이나 방청제 같은 유해 성분이 수질과 토양을 오염시킬 수 있어 법정 기준에 따른 적절한 폐기물 처리가 요구된다.
이에 따라 산업 안전 보건법과 환경 보호 관련 법규는 절삭유의 사용과 관리를 엄격히 규정하고 있다. 작업장에서는 MSDS(물질안전보건자료)를 준비하고, 폐유는 전문 폐기물 처리업체를 통해 재생 또는 소각 처리해야 한다. 친환경적인 생분해성 절삭유나 미스트 발생을 줄이는 절삭유 공급 방식의 개발도 지속적으로 이루어지고 있다.
