백과

윤활방식

개요

윤활의 종류에는 유막윤활(流膜潤滑)·경계윤활·고체윤활 등이 있다.

유막윤활

미끄럼면을 완전히 분리시키는 유체막을 삽입하여 윤활한다. 유체는 자동차 주베어링의 오일처럼 고의적으로 주입하기도 하며, 부드러운 고무타이어와 젖은 도로 사이의 물과 같이 비고의적으로 삽입되기도 한다. 유체는 보통 액체이지만, 기체일 수도 있다.

가장 널리 사용되는 기체는 공기이다. 부품들을 분리시키기 위해서는 윤활막 내부의 압력과 미끄럼면에 가해지는 하중이 평형을 이루어야 한다. 윤활막 압력의 발생원이 외부에 있으면 이 장치는 유체정역학적(流體靜力學的)으로 윤활된다고 한다. 또한 미끄럼면 사이의 압력이 그 면 자체의 모양과 운동으로 발생하면, 이 장치는 유체동역학적(流體動力學的)으로 윤활된다고 하는데 이 방식은 윤활제의 점성에 의존한다.

경계윤활

비윤활 미끄러짐과 유막윤활 사이에 있는 상태를 경계윤활이라 하며, 표면 사이의 마찰이 표면 성질과 점성을 제외한 윤활제의 성질에 의해 결정되는 윤활조건으로도 정의된다. 경계윤활은 윤활 현상의 중요한 부분을 차지하는데, 보통 기계의 시동과 정지중에 발생한다.

고체윤활

보통의 윤활제가 극단적인 하중과 온도에 대한 내성이 충분하지 않을 때 흑연이나 이황화몰리브데넘과 같은 고체가 널리 사용된다. 윤활제는 지방·분말·기체와 같이 잘 알려진 형태일 필요가 없으며, 심지어 어떤 금속들은 보통 정교한 기계의 미끄럼면으로도 사용된다.

기능

개요

윤활제는 주로 마찰과 마모를 억제하지만, 용도에 따라 다르고 보통 서로 연관된 많은 다른 기능을 수행할 수 있다.

억제기능

미끄럼면에 사용되는 윤활제의 양과 특성은 마찰에 큰 영향을 미친다. 예를 들어 열과 같은 관련 인자들을 무시하고 유막으로 윤활되는 표면 사이의 마찰만을 고려하면, 마찰은 윤활제가 없는 동일한 표면보다 200배 작아진다. 유막윤활 상태에서 마찰은 유체의 점성에 정비례한다. 석유부산물 같은 몇몇 윤활제들은 점성에 따라 폭넓게 이용할 수 있어서 광범위한 요구를 만족시킨다. 경계윤활 상태에서는 마찰에 대한 점성의 효과보다 윤활제의 화학적 성질이 더 중요하다. 예를 들어 금속을 부식시키는 유체로 정밀한 기계를 윤활해서는 안 된다.

마모는 마멸·부식 및 고체간 접촉에 의해 윤활되는 표면에서 발생한다. 적절한 윤활제는 각각의 마모 형태를 방지하는 데 도움을 준다. 이것들은 미끄럼면 사이의 거리를 증가시켜 마멸물질과 표면 거칠기에 의한 손상을 감소시키는 유막을 제공해서 마멸 및 고체간 접촉 마모를 감소시킨다. 표면 부식을 억제하기 위한 윤활제의 역할에는 2가지가 있다. 윤활제는 기계장치가 공전할 때 방부제로서 작용하고, 사용중일 때는 부식물질을 중화시키는 첨가제가 든 보호막으로 윤활 부분을 덮어 부식을 억제한다. 윤활제의 부식억제력은 금속 표면에 남아 있는 윤활제 막의 두께와 화학 조성에 직접 관련되어 있다. 윤활제는 또한 마찰을 줄이고 발생한 열을 빼앗아서 온도를 억제하기도 하는데, 이러한 효율은 윤활제의 공급량, 주변 온도, 외부 냉각설비에 따라 좌우된다. 정도는 작지만 윤활제의 종류도 표면온도에 영향을 미친다.

기타 기능

여러 가지 윤활제들이 유체전동장치에서 작동유로 사용되며, 기타 윤활제들은 기계장치에서 오염물질의 제거용으로 사용된다. 예를 들면 세척-분산 첨가제는 내연기관의 미끄럼면에서 슬러지(sluge)를 제거한다. 변압기나 개폐장치와 같은 특수용도에서는 유전율(誘電率)이 큰 윤활제가 전기절연체의 역할을 한다. 절연성을 최대로 하기 위하여 윤활제에 오염물질이나 물이 없도록 유지해야 한다. 또한 윤활제는 큰 하중을 간헐적으로 받는 기어장치와 같은 기계부품 주위나 에너지 전환장치(예를 들어 완충기)에서 충격감쇠유체로서의 역할을 한다.

윤활제의 종류

개요

다양한 윤활제들이 이용될 수 있으나, 주요윤활제에 대해 기술해보면 다음과 같다.

액체·기름 윤활제

동·식물성 생성물들은 인류 최초의 윤활제였으며, 많은 양이 사용되었다. 그러나 화학적 비활성이 부족하고 윤활의 필요조건이 점점 더 요구됨에 따라 이들은 주로 석유 생성물과 그 합성물질로 대체되고 있다. 돼지기름이나 고래기름과 같은 몇몇 유기질들은 특수한 윤활성 때문에 첨가제로 여전히 사용되고 있다(→ 기름). 석유윤활제는 주로 지구 내부에서 자연히 나오는 유체에서 추출한 탄화수소 생성물이다. 이것들은 적절한 점성의 유용성·저휘발성·비활성·부식방지성(미끄럼면의 부식을 막는 성질) 등의 특성이 우수하여 윤활제로 널리 사용한다.

일반적으로 합성윤활제는 석유에서 직접 얻을 수는 없으나 석유윤활제와 비슷한 특성을 가진 중성 액체물질로 특징지을 수 있다. 이 합성윤활제는 탄화수소 생성물보다 몇 가지 우수한 특성을 가지고 있으며, 특히 온도변화에 대한 큰 점성 안정성, 마모나 산화에 대한 내성, 내화성을 나타낸다. 합성물질의 성질은 매우 다양하기 때문에 각 합성윤활제는 특수 용도에 사용되는 경향이 있다. 몇몇 합성 물질에 대한 보편적인 분류와 용도를 표2에 나타냈다.

기름 윤활제의 또다른 형태는 액체 윤활제에 농후제가 함유된 고체 또는 반고체 물질인 그리스이다. 알루미늄·바륨·칼슘·리튬·나트륨·스트론튬 등의 지방산 알칼리 금속염들이 주요농후제들이다. 지방산 알칼리 금속염이 아닌 농후제는 개질 점토나 미세한 실리카와 같은 무기화합물 또는 아릴 요소나 프탈로시아닌 색소와 같은 유기재로 이루어져 있다. ① 윤활제가 자주 사용되지 않고, ② 그리스가 윤활제의 손실과 오염물질이 들어가는 것을 막는 밀봉작용을 하거나, ③ 윤활제가 똑똑 떨어지거나 튀기지 않아야 하며, ④ 짝을 이루는 부분의 부정확에 대한 감도가 낮아야 하는 조건에서는 그리스 윤활이 기름윤활보다 훨씬 더 적합할 수도 있다.

고체윤활제

무기·유기 화합물 또는 금속으로 된 고체물질의 막이다. 고체윤활제로 사용하는 무기화합물에는 일반적으로 3가지 종류가 있다. ① 층격자 고체：흑연이나 이황화몰리브덴과 같은 물질은 층으로 배열된 결정격자 구조를 갖는다. 층이 같은 원자들의 결합은 강하고, 층이 다른 원자들 사이의 결합은 비교적 약해서 얇은 층들은 서로 미끄러진다. 이러한 물질로는 이황화텅스텐·운모·질소화붕소·붕소·황산은·요오드화카드뮴·요오드화납 등이 있다. 흑연이 마찰이 작은 이유는 대개 흡착막 때문인데, 수증기가 없으면 흑연은 윤활성질을 잃고 연삭재가 된다. 흑연과 몰리설파이드는 화학적으로 비활성이며 내열성이 높다. ② 기타 무른 고체：연백·석회·활석·벤토나이트·요오드화은·산화납(Ⅱ)과 같은 여러 가지 무기질 고체들이 윤활제로 사용된다. ③ 화학전환 피막：많은 무기화합물들이 화학반응으로 금속 표면 위에 형성될 수 있다. 많이 알려진 윤활용 피막으로는 황화물·산화물·인산염·옥살산염 막 등이 있다.

보통 유기질 고체윤활제는 크게 2가지로 나뉜다. ① 비누·왁스·지방：이 부류에는 칼슘·나트륨·리튬 등의 금속비누, 밀랍·경랍과 같은 동물성 왁스, 지방산(스테아르산이나 팔미트산과 같은 지방산), 돼지나 소의 기름과 같은 지방 에스테르가 있다. ② 고분자 막：여기에는 폴리테트라플루오로에틸렌과 폴리클로로플루오로에틸렌과 같은 합성물질이 있다. 이러한 막의 형태를 지닌 윤활제의 주요장점은, 성분들이 노출되는 동안 변질에 대한 내성에 있어 1.3㎝ 두께의 고분자 막판은 기둥의 꼭대기에 얹혀진 보가 열에 의해 움직일 수 있도록 하는데, 오늘날 P. C.(prestressed concrete) 구조물에 사용된다(→ 플라스틱). 수명이 긴 고분자 막판은 구조부재의 팽창과 수축을 원활하게 한다. 단단한 기질 위에 놓인 무른 금속막의 점착성이 좋으면 효과적인 윤활제 역할을 한다. 이러한 금속에는 납·주석·인듐 등이 있다.

기체윤활제

이것은 유체막 윤활과 동일한 원리가 적용되므로 많은 면에서 액체 윤활과 비슷하다. 비록 기체와 액체는 점성 유체이지만 2가지 면에서 중요한 차이가 있다. 기체는 액체에 비해 점성이 훨씬 작은 반면, 압축성은 훨씬 커서 공기와 같은 기체는 막 두께와 하중 능력이 훨씬 작다. 여러 종류의 기체를 다루는 장치는 장치를 단순화시키고 윤활제와 관련된 오염물질을 줄이기 위해 미끄럼면을 기체로 윤활하는 것이 종종 바람직하다. 이 방식에 사용되는 기체는 공기, 증기, 공업용 기체, 액체 금속증기 등이 있다(→ 가스).

윤활제의 성질

점성

유체 윤활제의 모든 성질 중에 점성은 미끄럼면 사이에서 생기는 마찰의 양과 고체간 접촉에서 마모를 피할 수 있을 정도로 충분한 막 두께의 형성 여부를 결정하는 가장 중요한 특성이다. 점성은 보통 표준상태에서 윤활제의 유동량을 결정하는 점도계(粘度計)로 측정하는데, 유동량이 클수록 점성은 작아진다. 점도는 미터 단위법, 영국단위법, 상업용 단위법에 따라 각각 cP(센티푸아즈), reyn(레인), SSU(seconds Saybolt universal)로 나타낸다.

대부분의 액체는 온도가 올라가면 점성이 크게 떨어진다. 마찰의 변화를 최소로 유지하기 위해서는 온도 변화에 따른 점성의 변화가 거의 없어야 하므로, 유체는 종종 점도지수로 평가된다. 온도에 따른 점성의 변화가 작을수록 점도지수는 높다.

유동점(流動點)

윤활제가 흐르지 않게 되는 온도인 유동점은 저온에서 유동성을 평가할 때 중요한 요인이되므로, 성질이 같은 윤활제 중에서 하나를 선택하는 결정 요소가 될 수 있다.

인화점(引火點)

시험불꽃의 압력에서 윤활제가 순간적으로 발화되는 온도인 인화점은 내화성을 평가하는 데 도움이 된다. 유동점 인자처럼 인화점은, 특히 인화성이 큰 물질을 다루는 기계장치의 윤활에 적절한 윤활제를 선택하는 주요인자가 된다.

유성(油性)

일반적으로 경계윤활 상태에서 작동하는 상대적 능력을 의미하며, 이 용어는 표면을 적시고 점착하는 윤활제의 성향과 관련된다. 유성을 측정하는 형식적인 시험법이 없어 주로 주관적인 판단과 경험을 통해 결정한다.

특수 용도에 가장 바람직한 윤활제가 반드시 유성이 가장 클 필요는 없다. 예를 들어 기계유보다 유성이 낮은 장섬유(long-fibre) 그리스는 보통 구름 베어링의 패킹용으로 더 적합하다.

중화수(中和數)

이것은 새로운 기름의 산이나 알칼리 함유량을 측정하거나 사용된 기름의 산화분해(酸化分解) 정도를 나타내는 지수이다. 이 값은 표준분석화학 기법인 적정(適定)으로 확정하는데, 윤활제 1g의 중화에 필요한 수산화칼륨의 ㎎수로 정의된다.

침투수(浸透數)

그리스에 적용되는 침투수는 그리스 막의 특성을 측정하는 지수이다. 이 시험은 그리스 시료에 표본 원뿔체를 떨어뜨려서 한다.

등급은 침투 깊이를 나타내며, 이 수가 클수록 그리스는 보다 유동적이다.