고온·부식성·진공 환경은 베어링 예상 수명에 큰 영향을 미친다. 그 요소들이 베어링 수명을 최대 90% 이상 좌우한다는 것이 AST Bearings의 분석이다. 회사 영업 부사장인 존 월러스의 설명을 통해 베어링 수명을 좌우하는 요소들에 대해 알아보자.

자료｜존 월러스, AST Bearings 영업 부사장(www.astbearing.com)

전동 베어링(Rolling Element Bearing)은 작동 조건이 혹독하고 거친 철강제조 및 식품가공 등의 산업에서 주로 쓰인다. 일반적인 산업보다 더 높은 성능을 요구하는 반도체·항공·우주 등의 분야에서도 찾아볼 수 있다. 또한 의료 분야 등 진공 및 무균 환경에서 활약하는 장비에도 쓰이고 있다. 이 경우 매우 높거나 낮은 온도 혹은 물이나 화학물질 등에 의해 부식 가능성이 높은 환경에 놓이게 될 확률이 높다. 베어링 수명을 깎아먹는 환경에 전면 노출되는 셈이다. 이런 환경 요건은 베어링 수명에 큰 영향을 미치며, 그 기대수명을 무려 90% 가량이나 낮출 위험이 있다.

 

베어링 수명은 보통 다음과 같이 계산한다.
 

1. 특정 응용사례에 적합한 베어링 유형을 선택한다.

2. 베어링 크기를 결정한다. 부하와 속도 혹은 충격 계수를 알면 계산 및 결정이 용이하다. 

3. 베어링을 사용할 환경 및 요건 대한 선례가 남아있다면, 정격 하중을 계산함으로써(혹은 카탈로그에 적혀있는 정격 하중을 확인함으로써) 기본적인 동작 수명을 구할 수 있다. 구한 동작 수명을 원하는 설계 수명과 견주어 적절한 크기의 베어링을 선택한다.

 

하지만 이론과 실제 사이에는 차이가 있다. 거친 환경에서 베어링을 작동시키는 경우 동작 수명이 줄어든다. 어떤 경우에는 수명보정계수(Life Adjustment Factor)가 0.1 미만으로 낮다. 이는 환경조건에 따라 계산된 정격 수명의 10%만을 활용할 수 있음을 의미한다.
 

이럴때는 특별한 베어링을 설계해 환경 혹은 작동상태가 미치는 부정적인 영향을 상쇄할 수 있다. 베어링을 다른 제품으로 변경하거나 기존에 없던 베어링을 직접 제작하는 것이 그 방법이다. 변경할 수 있는 항목으로는 재질·링 및 롤러·코팅·씰·윤활유 등이 있다.
 

새로운 재질을 개발하거나 특수한 소재를 통해 베어링을 만들고자 한다면 수명에 영향을 주는 세 가지 환경에 대해 확인 및 고려해야 한다. 고온·부식성·진공 환경이 그것이다.

사용자 정의 형식의 베어링은 350℃가 넘는 온도에서도 작동하도록 설계할 수 있다. 이런 유형의 베어링은 고온 환경에서 사용된다. 이 장비는 용광로·오븐·엔진 관련 응용사례·산업용 블로워·열 관련 공정에 쓰이는 컨베이어 벨트 등 열과 관련한 다양한 공정에 쓰인다.

고온 환경에서 사용자가 직접 베어링을 설계하려면 베어링 재질 및 윤활에 대한 고려가 필요하다.

 

재질: 52000 크롬강은 볼 베어링 및 롤러 베어링 모두에 널리 쓰이는 재질이다. 열처리에 따라 크롬강은 미세 구조(현미경을 사용하지 않으면 보이지 않는 생물·금속·광물 등의 구조) 를 획득하여 약 125℃의 온도에서도 큰 크기 변화나 강도 손실 없이 작동한다. 열 안정화 작업을 거친 재질을 사용한다면 125℃ 이상의 온도를 유지할 수도 있다.
 

소형 베어링 및 구멍이 큰 베어링은 400 시리즈 스테인리스강 재질로 만드는 것이 보편적인데 AISI440C 등이 대표적이다. 이 베어링은 약 150℃가량 되는 온도에서도 눈에 띄는 크기 변화나 강도 손실없이 작동한다. 온도가 150℃를 넘는 현장이라면 열 안정화 재료를 추천한다. 열 안정화 작업을 거치고 나면 400℃가 넘는 온도에서도 작동한다.
 

열 안정화 구성요소(주로 링이 여기에 해당한다)는 높은 온도에서도 작동할 수 있도록 템퍼링(열처리의 일종으로, 담금질한 강은 경도가 높아지나 재질이 여려지게 되므로 A1 변태점 이하의 온도로 재가열하여 경도를 낮추고 점성을 높이기 위한 열처리를 말한다. 출처 기계공학용어사전) 처리를 거친다. 하지만 고온 템퍼링 처리는 재료 강도에 영향을 미치며 베어링의 부하용량을 낮춘다는 단점이 있다.
 

높은 온도에서 베어링 수명을 계산할 때 필요한 동적 부하용량은 온도 인자와 기본 동정격 하중(Basic Dynamic Load Rating)을 곱해 알아낼 수 있다.

 

윤활: 윤활유의 점도는 온도가 증가함에 따라 크게 감소한다. 점도는 윤활유 필름의 부하용량에 직접적으로 영향을 미친다. 온도가 높으면 그리스가 굳을 때 산화 및 탄화 작용이 가속화된다. 또한 고온은 흡출을 일으키는 원인이기도 하다. 그리스를 중요한 영역으로부터 분리시키기 때문이다. 

일부 특정한 기름은 175℃ 이상의 온도에서 증발하거나 플래시 오프(도료를 여러 번 겹쳐 바를 때, 도장과 도장 사이에 분사된 용제가 증발하는 현상을 말함. 출처 자동차 용어사전) 현상을 일으킨다. 플래시 오프는 볼 및 궤도면에 충격을 주며, 결과적으로 베어링 고장을 일으킨다. 
 

표준 베어링 그리스는 일반적으로 120℃~125℃ 가량의 최대 작동온도 범위를 가지고 있다. 최대 작동온도에 가까운 고온에 일정 시간 이상 노출되었을 때에는 사용에 주의해야 한다. 반면 고온 그리스 및 기름은 225℃~285℃ 범위 내에서 사용할 수 있다. 그리스 및 실리콘 혹은 PFPE 기반 기름이 여기에 해당한다.
 

최후의 수단으로 고체 윤활제 혹은 표면 코팅을 사용할 수 있다. 고체 윤활제를 사용하는 베어링은 일반적으로 부하가 가벼우며(고정 용량Static Capacity의 약 10%) 회전 속도가 낮다(150rpm 이하). 단, 고체 윤활제는 롤 표면에 도포되었을 때에만 효과가 있음을 유의해야 한다.
 

코팅을 케이지에 직접 적용하거나 케이지 재료에 포함시키기도 한다. 어느 방법을 사용하든 케이지 코팅은 롤링 요소가 선로(Raceway)의 주요 표면영역에 지속적으로 윤활제를 전달할 수 있도록 돕는 작용을 한다. 고온 응용사례를 위한 코팅으로는 금·은·이황화 몰리브덴·흑연·폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)·폴리아미드 등이 있다.

 

베어링을 공격하는 요소들은 실로 다양하다. 물 및 수분에 대한 노출, 해양성 기후에서의 작동, (기체나 액체 등의)화학물질 등이 베어링 수명에 영향을 미치는 요소 들이다. 
 

식품 제조 및 가공 공장에서 베어링은 매일같이 물과 살균제 그리고 항세균제의 혼합물을 뒤집어쓴다. 관개시설의 수중 펌프는 침전물과 비료가 섞인 물에 실시간으로 노출된다. 자동차 도장 라인에 있는 운반시설은 청소 작업에 들어갈 때마다 도료는 물론 여타 화학물질의 공격을 받는다. 이러한 환경은 베어링과 윤활유 모두에 위협적이다.

 

재질: 링 및 구성요소는 일반적으로 스테인리스강으로 만들어진다. 가장 일반적으로 사용하는 합금으로는 AISI 440C 및 이와 유사한 재질이 있다. 이들 합금은 부식으로부터 장치를 보호하는 능력을 갖추었는데, 이러한 장점은 피로수명(Fatigue Life) 개선에 도움이 된다.
 

선택사항으로 질소 강화 마텐자이트계 스테인리스강이 있다. 이 스테인리스강은 염수분무시험에서 AISI 440C에 비해 5배 이상 높은 내식성을 자랑한다. 피 등의 물질에 대한 저항이 높다는 것과 미세구조를 통해 노이즈가 낮아지고 피로수명이 향상되었다는 것도 장점이다.
 

다른 스테인리스강 선택사항으로는 AISI 304와 316이 있다. 오스테나이트계 스테인리스강은 400 시리즈에 비해 내식성이 높다. 하지만 경도가 낮아 440C보다 부하가 몹시 낮다. 열처리 후에는 Rc 60만큼의 경도를 갖게 된다.
 

석출경화 스테인리스강, 즉 AISI 630은 Rc 40만큼의 경도를 자랑하며, 300 시리즈 대비 부하통전능력(Load Cattying Capability)이 높다. 하지만 위 재질들에 준하는 수준의 내식성은 없다. 400 시리즈 마텐자이트계 스테인리스강과 비교해보면 AISI 630이 부식환경에 한층 적합하지만 부하용량은 떨어진다.
 

부식 환경에서는 세라믹 재질로 만들어진 롤링 구성요소를 고려해 봄직하다. 세라믹 재질에도 여러 단계와 종류가 있지만, 가장 일반적인 것은 질화규소다.
 

세라믹 재질 볼과 강철 링으로 구성된 베어링을 하이브리드 베어링이라고 일컫는다. 하이브리드 베어링을 구성하는 세라믹 롤링 구성요소가 베어링의 내구성을 높인다. 
 

세라믹 재질은 현존하는 거의 모든 화학물질에 내성을 가지고 있다. 따라서 부식성 공격으로 인한 볼이나 롤러의 능력 저하가 없다. 

세라믹은 링을 구성하고 있는 요소(즉, 강철)와 다른 재질이다. 때문에 선로 혹은 다른 곳에서 발생하는 마모 입자로 인한 냉간 용접 현상이 없다. 따라서 선로 내에 구덩이나 저하 등의 현상이 적게 일어난다. 결과적으로 윤활제의 상태 유지 및 수명 유지를 돕는다.

 

씰: 특정 베어링은 씰을 내장하고 있다. 씰은 베어링 안으로 침투하는 오염물질로부터 내부 표면을 보호하는 임무를 맡고 있으며, 윤활제의 누출을 막는 역할도 한다. 씰이 없는 베어링을 사용할 경우 외부에 씰을 장착하는 것을 고려해볼 수 있다.

씰은 일반적으로 니트릴 혹은 부나 N 고무를 혼합해 만든다. 테플론 씰은 현존하는 대부분의 화학물질에 대해 높은 내성을 가지고 있는 씰로 다양한 베어링에 사용할 수 있다. 바이턴 씰은 테플론보다 더 강한 내약품성(화학저항이라고도 한다)을 제공한다.
 

씰 구조 및 형태는 설계적 측면에서 효율성을 높인다. 미로 형태 씰은 씰 립이 롤링 베어링의 안바퀴에 가공된 홈에 부착되어있으며 토크 증가 없이도 씰링 능력을 높인다. 이중 립 씰은 단일 립 씰에 보호 기능을 추가한 것이다.

 

코팅: 부식 방지 코팅(Anticorrosion Coatings)은 스테인리스강 혹은 크롬강으로 만든 베어링에 적용할 수 있다. 부식 방지 코팅을 적용하면 비(卑)금속보다 화학적 반응을 적게 받는다. 
 

표면 공학은 매우 전문적인 분야다. 전문가들은 코팅 혹은 처리 과정에서 베어링 제조업체의 도움을 받기를 권장하고 있다. 

부식 방지 코팅재로는 TDC(얇고 빽빽한 크롬Thin Dense Chrome)·카드뮴 도금·니켈 도금·아연·질화티탄·탄화티탄·(강철)부동화 등이 있다.

우주선 및 인공위성의 주요 관심사 중 하나는 임무 수행에 필수적인 장비가 오염되는 것이다. 진공상태인 우주에서 각종 기체를 배출하는 재질을 사용하면 렌즈나 태양전지 그리고 내비게이션 센서 등의 광학 장비에 영향을 미칠 수 있다. 반도체 산업에서는 몇몇 원자재가 배출하는 가스 때문에 수백만 달러어치의 웨이퍼가 손상을 입기도 한다.
 

진공 환경에서 우려만한 베어링 구성요소로는 리테이너 및 윤활유가 있다. 이러한 환경에서 사용하는 베어링은 완전 무균 상태를 유지해야 한다. 표면은 용제(특성 성분을 용해시키는 물질)로 세척해야 하며, 잠재적으로 가스를 방출할 가능성이 있는 잔여물을 휘발시켜 없애야 한다.

 

윤활: 적절한 윤활은 좋은 베어링 수명을 길게 유지하는 데에 중요한 역할을 한다. 전동 베어링에는 기름 및 그리스 윤활이 가장 효과적이다. 하지만 가스가 방출되면 주변의 베어링 구성요소에 손상을 입힐 뿐 아니라 기름 혹은 그리스의 효율성을 떨어트린다.
 

현재는 가스 방출이 적고 증기압이 낮은 기름 및 그리스가 개발된 상태다. 이 윤활제는 일반적으로 합성 탄화수소나 PFPE 등의 기유(基油)로 만들어졌다. 이들 유체의 증기압은 25℃에서 약 4.7×10 내지 12torr 정도다.
 

온도가 올라갈수록 가스 방출 비율이 증가한다. 증기압 및 화학반응속도가 올라가기 때문이다. 따라서 고온·진공 환경에서는 고체 윤활제가 적합하다. 진공 응용사례에 일반적으로 사용하는 고체 윤활제로는 금·은·이황화 몰리브덴·흑연·폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 등이 있다.

 

교정 재질: 진공 환경에서는 오스테나이트계 스테인리스강 AISI 304 케이지를 사용할 수 있다. 케이지는 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE)으로 코팅함으로써 선로에 PTFE를 전달하고 롤링 요소와 케이지 사이의 토크를 줄이는 역할을 할 수 있다. 가볍고 속도가 빠른 케이지가 필요할 경우 스냅인 형태 혹은 완전 기계화된(Full Machined) 형태가 적합하다. 그밖의 교정 재질로는 PTFE나 베스펠 그리고 PEEK 재질이 있다.

 

극도로 가혹한 환경에 직면했을 때에는 앞서 논의한 여러 특수 베어링을 사용해 베어링 수명을 늘릴 수 있다. 위에서 살펴본 모든 사례에서 우선시되어야 할 목표 중 하나는 바로 적절한 윤활을 제공하는 것이다. 설계자 및 베어링 사용자는 베어링 응용사례의 전문가와 충분한 상담을 거치는 것이 좋다. 전문 업체는 베어링 특성을 살펴보고 부하용량 및 베어링 수명을 계산하며 비용편익분석을 제공한다.