[일본NTN 기술, 185] 베어링 PEELING 메커니즘 해명(1)

일본 미에켄 쿠와나 시 소재의 NTN 베어링 첨단 연구소의 베어링 손상 및 발생 메커니즘에 대한 내용임.

베어링 뉴스 홈페이지의 내용으로서, PEELING에 대한 정의를 잘 설명해서 소개합니다.

 

https://www.bearing-news.com/bearing-failure-rca-peeling/

Bearing Failure RCA: Peeling - BEARING NEWS

 

When a rolling bearing is damaged during machine operation, the entire machine or equipment can seize or malfunction. Since bearings that fail prematurely or unexpectedly cause trouble, it is important to be able to identify and predict failure beforehand, so that preventive measures can be adopted.

Damage Condition 

Dull or cloudy spots appear on surface along with light Wear. From such dull spots, tiny Cracks are generated downward to a depth of 5-10 μm. Small particles fall off and minor Flaking occurs widely.

Possible Causes

• Unsuitable lubricant
• Entry of debris into lubrication
• Rough surface due to poor lubrication
• Surface roughness of mating rolling parts

Countermeasures

• Select a proper lubricant
• Improve the sealing mechanism
• Improve the surface finish of the rolling mating parts

Peeling 1

Part: Inner ring of a spherical roller bearing
Symptom: Rounded areas of Peeling
Cause: Poor lubrication

 

 

 

Peeling 2

Part: Enlargement of damage “Peeling 1”

 

Peeling 3

Part: Convex rollers of damage “Peeling 1”
Symptom: Rounded areas of Peeling on the center of the rolling surfaces
Cause: Poor lubrication

 

 

 

Peeling 4

Part: Outer ring of a spherical roller bearing
Symptom: Peeling occurs near the shoulder of the raceway over the entire circumference
Cause: Poor lubrication

 

 

Source: NSK

 

 

베어링은 자동차나 비행기, 풍력발전 장치 등 모든 기계의 회전부위에 사용되고 있으나 가혹한 조건에서 사용된 경우 파손될 수 있음.

베어링 파손의 원인 중 하나로 필링(peeling) 손상이 있음.

필링은 베어링의 궤도륜(내/외륜)과 볼 또는 롤러 등의 전동체가 접촉하는 부분에 있어서 미세한 박리나 균열이 밀집된 부분을 말하며, 필링이 진행되면 박리나 균열이 커져 베어링이 파손됨.

최근 에너지 절약화에 대한 요구가 강해지는 가운데 마찰 저감의 필요성이 높아지고 있음.

자동차나 산업기계에 사용되고 있는 베어링의 윤활유 점도는 베어링이 회전할 때 저항이 되므로 보다 적은 에너지로 기계를 움직이기 위해 윤활유의 저점도화가 진행되고 있음.

그러나, 저점도 윤활유를 사용하면 필링이 발생하기 쉬워지므로, 최근에는 필링에 대한 대책에 대한 고객의 요구도가 높음.

필링은 대략적인 발생 메커니즘은 알려져 있지만, 메커니즘의 상세한 내용은 알려져 있지 않음.

그래서 사용 조건에 따른 필핑 대책도 또한 없었음.

그래서 NTN에서는 이 메커니즘을 밝히고 나아가 필링의 수명, 즉 필링이 발생하기까지의 시간을 보다 정확하게 추정하기 위한 연구를 진행해 왔음.

 

필링의 수명을 정확하게 추정함으로써 베어링 교체 등의 유지보수 필요여부를 적절히 검토할 수 있고,  사용조건에 맞게 어느 정도의 필링 대책을 실시해야 하는지도 정의할 수 있음.

 

본 기사는 어떻게 진행되었는가, 끊임없이 연구를 거듭해 온 두 사람의 연구원의 이야기를 전함.

 

목차

 

1. 메커니즘 해명을 위하여
2. 상세한 관찰로 메커니즘을 해명함
3. 응력 계산과 그 앞에서 찾아낸 수명 추정법
4. 또 하나의 연구와 미래 연구

 

1. 매커니즘 해명을 위하여

윤활유의 저점도화가 진행되는 가운데, 베어링은 궤도륜(내/ 외륜)과 그 사이에 있는 전동체(볼 또는 롤러)로 구성되어 있음.

그러나 궤도륜과 전동체 사이에는 윤활유에 의한 유막이 있고, 그 두께에 의해  일반적으로 직접적으로 접촉하지 않음.

그러나 운전조건에 따라 유막 두께는 달라지므로 궤도륜 표면의 미세한 돌기가 유막 두께보다 커지면 그 돌기가 유막을 찢고 전동체에 접촉하게 됨.

 

돌기 접촉이 반복되면 표면에는 10 µm(1 µm=1/1000mm) 정도 크기의 박리나 균열이 밀집된 손상이 발생하며, 그러한 손상을 필링이라고 함.

 

필링은 방치하면 운전에 지장을 주는 큰 박리나 균열로 이어져 결국 베어링 파손을 초래함.

 

PEELING 손상 사례

 

유막이 저점도화되면 유막 두께가 얇아지고 궤도륜과 전동체가 직접 접촉하기 쉬워짐.

 

필링 문제는 예전부터 있었지만 최근 윤활유의 저점도화로 필링이 더욱 주목받고 있음.

그러나 필링 메커니즘에 대해서는 불분명한 점이 많이 남아 있어 필링을 완전히 막지 못하고 있음.

그래서 필링 메커니즘을 밝히는 데 주력하게 되었으며, 이 연구를 이끈 첨단 기술연구소의 하세가와 나오야는 다음과 같이 예기하고 있음.

 

메커니즘 해명의 힌트 "흑염 처리"

필링을 억제하기 위한 대책으로는 과거부터 흑염 처리라는 대책이 알려져 있음.

흑염 처리란 강철을 강알칼리의 뜨거운 용액에 담가 표면을 산화철로 만드는 처리임.

이 처리에 의해 표면의 산화 피막은 부드럽기 때문에 궤도륜의 표면 돌기와 접촉하면 산화 피막이 경미하게 마모되거나 변형됨.

그 결과 접촉하는 금속끼리의 표면 형상이 최적화되는 친숙함이 생겨 필링이 억제되는 것으로 알려져 있음

.(하세가와)
그래서 하세가와는 흑염 처리가 필링의 대책으로서 유효한지를 기점으로 필링의 메커니즘을 밝히는 실험함.

 

재현 시험

필링의 메커니즘을 해명하기 위해 하세가와가 실시한 것은 필링을 재현하는 실험임.

필링은 표면의 돌기가  유막을 뚫고 발생하므로 돌기가 작은, 즉 표면 거칠기가 작은 쪽에서 생기기 쉬움.

표면 거칠기가 다른 2개의 원통을 베어링 궤도륜과 전동체로  2개의 원통을 접촉시키면서 전동시킴으로써 필링을 재현함.
실험에서는 표면 거칠기가 큰 원통에 흑염 처리를 한 것과 시키지 않은 것의 2종류로 실시함.

흑염 처리를 한 것과 무처리된 것 두 종류로 실험을 하고 그 결과를 비교함으로써 필링 메커니즘을 관찰하고 조사함

.동시에 흑염 처리가 왜 필링을 막는 데 효과적인지 상세한 내용도 조사함.(하세가와)