The Effect of Structural Changes in Ester-Based Extreme Pressure Additives on the Lubricating Properties of Wire Drawing Fluids

기술 요약: 와이어 드로잉 유액의 윤활 특성에 미치는 에스테르계 극압 첨가제의 구조적 변화 효과

문제 제기
강선(Steel cord)은 고무 제품, 특히 타이어에서 핵심적인 보강 골격 역할을 하며, 그 품질은 안전성과 피로 저항성을 결정짓는다. 습식 드로잉 공정은 강선의 기계적 성질과 표면 무결성을 향상시키는 데 필수적이지만, 황동 도금된 강선과 다이(일반적으로 텅스텐 카바이드)를 극한의 압력(GPa 수준)과 순간적인 고온에 노출시킨다. 기존의 수성 드로잉 유액은 우수한 냉각 성능을 제공하지만, 이러한 극한 하중 조건에서 충분한 유막 유지 능력이 부족하여 금속 간 직접 접촉, 미세 파열 및 가속화된 마모를 초래하는 경우가 많다. 인산 에스테르는 열적 안정성과 유막 형성 능력 덕분에 효과적인 극압(EP) 첨가제로 알려져 있으나, 복합 다금속 계면(황동/철 기판 대 텅스텐 카바이드)에서 에틸렌 옥사이드(EO) 사슬 길이와 같은 특정 분자 구조가 트라이볼로지(tribological) 성능에 미치는 구체적인 영향에 대해서는 아직 충분히 연구되지 않았다.

연구 방법
이러한 공백을 메우기 위해, 본 연구에서는 서로 다른 에틸렌 옥사이드 첨가 수를 가진 세 가지 에스테르계 극압 첨가제인 C18 지방족 알코올 폴리옥시에틸렌 포스페이트(AEP; 3EO, 5EO, 10EO)를 합성하고 평가하였다. 이들은 인 함량이 1.6%로 제어된 수성 드로잉 유액 조성물(각각 B23, B24, B25로 명명)에 혼입되었다.

트라이볼로지 성능은 와이어 드로잉의 고하중 조건을 모사하기 위해 핀-온-디스크(pin-on-disk) 테스트로 구성된 변형된 TENKY 4구 마찰 시험기를 사용하여 평가되었다. 테스트 설정에는 $\alpha$-황동 테스트 블록과 텅스텐 카바이드 챔퍼드 핀이 사용되었으며, 196 N에서 2548 N까지 점진적인 하중 프로토콜을 적용하였다. 온도 상승을 관리하고 첨가제 분해를 방지하기 위해 수냉 시스템이 사용되었다.

사후 분석에는 다음 사항이 포함되었다:

• 마모 정량화: 황동 테스트 블록의 마모 트랙 직경 및 질량 손실 측정.
• 형태학적 분석: SEM을 이용한 마모 트랙의 지형 및 파손 모드 관찰.
• 화학적 조성: EDS를 이용한 마모 트랙 상의 원소 분포(특히 인, 구리, 아연, 산소, 탄소) 매핑.
• 표면 화학: XPS를 통한 인의 화학적 상태 분석 및 무기 인산염 트리보필름 형성 확인.

주요 결과
본 연구는 EO 사슬 길이와 윤활 성능 사이의 뚜렷한 구조-활성 관계를 밝혀냈다:

1. 트라이볼로지 성능: 5EO 첨가제를 포함한 조성물(B24)이 최적의 종합 성능을 나타냈다. B24는 가장 낮은 마찰 계수(지속적으로 0.03 미만), 가장 안정적인 온도 프로필, 그리고 최소 질량 손실(0.048 g)을 보였다. 반면, 10EO 조성물(B25)은 가장 높은 마찰 계수, 가장 빠른 온도 상승(최대 약 80°C 도달), 그리고 가장 높은 마모량(0.0644 g)을 나타냈다. 3EO 조성물(B23)은 중간 정도의 성능을 보였다.
2. 마모 메커니즘: SEM 분석 결과, B24와 B23는 주로 비교적 매끄러운 표면과 안정적인 윤활막을 가진 점착 마모(adhesive wear)를 보였다. 반대로, B25는 깊은 홈, 재료 축적 및 삼체 마모(three-body wear)를 특징으로 하는 심각한 연삭 마모(abrasive wear)를 나타냈으며, 이는 하중 조건 하에서 경계 윤활막의 실패를 의미한다.
3. 필름 형성 효율: EDS 분석 결과, B24 표면은 B23(1.21 wt.%) 및 B25(1.01 wt.%)보다 현저히 높은 1.97 wt.%의 인 함량을 보유하고 있음을 확인하였다. XPS 스펙트럼은 B24 표면의 인이 주로 무기 인산염 형태로 존재함을 추가로 검증하였으며, 이는 견고하고 보호적인 트리보필름의 형성을 확증한다. B25에서의 낮은 인 함량은 불량한 윤활 성능과 상관관계가 있었다.

핵심 기여

• 구조-물성 상관관계: 본 논문은 인산 에스테르 첨가제의 EO 사슬 길이가 친수성-친유성 균형(HLB)을 결정적으로 조절하며, 이것이 다시 수계 시스템에서의 분산성, 계면 흡착 능력 및 극압 필름 형성 효율을 지배한다는 점을 입증하였다.
• EO 수의 최적화: 본 연구는 강선 드로잉 유액을 위한 최적의 평형점으로서 EO 수가 5임을 확인하였으며, 이는 용해도와 필름 형성 능력 사이의 균형을 맞추어 우수한 내마모성 및 마찰 감소 특성을 제공한다.
• 메커니즘 통찰: EDS와 XPS를 결합함으로써, 본 연구는 5EO 첨가제의 우수한 성능이 짧은 사슬(3EO)이나 긴 사슬(10EO)에 비해 황동/강철 계면에 더 풍부하고 안정적인 인 함유 무기 윤활 필름을 생성하는 능력에 의해 구동된다는 점을 규명하였다.

의의
저자들은 본 연구가 차세대 고성능 강선용 습식 드로잉 윤활제 설계를 위한 이론적 지원과 실질적인 가이드를 제공한다고 주장한다. 에스테르 기반 첨가제의 특정 구조적 수정이 극압 윤활을 크게 향상시킬 수 있음을 보여줌으로써, 본 연구는 더 높은 드로잉 속도와 감소율을 견디면서도 황동 코팅을 보호하고 다이 수명을 연장할 수 있는 유액에 대한 산업계의 요구를 해결한다. 연구 결과는 EO 수를 최적화하는 것이 고하중 응용 분야에서 기존 수성 시스템의 한계를 극복하기 위한 실행 가능한 전략임을 시사한다.