6. 마멸 고장분석

Analyzing Wear Failure

 

마멸의 정확한 고장 분석은 크게 세 가지 기본 요소와 관련되는데, 즉 마멸 표면, 운전 환경, 마모 파편 등이다. 표면 손상은 Polishing 또는 Burnishing 상태에서부터 비교적 많은 량의 재료 제거까지의 범위를 말한다. 제거된 재료, 손상이나 고장 형태, 표면 막의 존재 및 특징 등에 관한 많은 정보를 마멸면의 조사를 통해서 얻을 수 있고 더구나 마멸면과 마멸 입자의 상대 운동 방향, 마멸 입자가 표면에 박혔는지 어떤지, 어떤 요소가 우선적으로 작용하는지를 말해 준다.

6.1 環境 條件 (Environmental Conditions)

고장이 발생하는 환경은 금속 제거율과 메커니즘에 크게 영향을 미치므로 이에 관한 상세한 지식을 알아야 한다. 예로, Coke 분쇄기는 어떤 비정상 운전 조건에서 마멸이 증가하는 불규칙한 마멸이 발생한다면 어떤 환경이 비정상 운전 조건을 야기하는지 파악해서 이들을 제거시켜, Coke 분쇄기의 마멸 가속을 막아야 한다. 마멸 환경은 부식성으로써 윤활 계통의 고장과 같이 운전중에 변경되거나, 불충분한 윤활유 공급을 이루거나 원래 재료선정시 가정한 환경과 달라지거나 한다.

마멸 표면 사이, 표면에 박힌 윤활제 속, 또는 마멸 부품 옆에서 발견된 마멸 파편은 마멸 메커니즘에 대한 어떤 실마리를 제공한다. 금속의 중심부가 산화물로 구성된 마멸 입자는 접착이나 연삭마멸로 마멸면에서 분리되어 결과적으로 자연 환경에 노출되어 산화가 되고, 단지 산화물로 구성된 작은 마멸 입자는 기계적으로 제거된 마멸 표면의 부식 때문에 생긴다.

6.2 分析 節次 (Analysis Procedure)

조건은 크게 다르지만 마멸 고장 분석에 관한 일반적 단계는 표 2-8과 같다.

 

표 2-8 마멸 고장 분석

1. 마멸된 부품, 환경, 연마, 마멸 파편, 윤활 등에서 실제의 재료를 확인한다.

2. 마멸 메커니즘의 조합이나 메커니즘, 즉 연마, 접착, 부식, 표면 피로, 침식 등을 확인한다.

3. 원래의 표면과 마멸면의 표면 구성을 정의한다.

4. 방향과 속도를 포함하는 시스템에서 상대 운동을 정의한다.

5. 결합면 간 또는 마멸면과 마모 환경간의 거시적 또는 미시적 힘과 압력을 정의한다.

6. 마멸율을 정의한다.

7. 마찰계수를 정의한다.

8. 윤활의 형태와 효율성을 정의한다. 즉 오일, 그리스, 표면막, 자연 발생하는 산화층, 흡수막 등

9. 관찰된 마멸의 특수 적용에 대해 정상 또는 비정상인지 확인한다.

10. 필요시 해를 구하라

 

6.3 運轉 條件 (Operating Conditions)

마멸 고장 분석에서 첫 단계는 마멸의 형태를 확인하거나 한가지 이상 마멸 형태가 의심된다면 각 형태에 대한 상대적 중요성을 가능한 정량적으로 평가하는 것이다. 마멸형태 확인은 충분한 경험과 면밀한 관찰을 기초로 하며 상세한 운전 조건이 요구된다. 운전 조건을 임시적이고 피상적으로 기술하는 것은 무의미하다.

분석가가 공장과 떨어진 실험실에서 근무한다면 때로, 운전 조건을 완벽하게 파악하지 못하기 때문에 심각한 핸디캡을 유발하게 되는데, 예를 들어, 과열 고착된 엔진 실린더의 문제점을 연구한다고 가정해 보자. 적합한 엔진 오일을 사용하였으므로 분명히 이것은 금속간 접착 마멸이나 윤활 마멸에 대한 예이다. 더욱이 오일 교환시 시스템의 사용 오일을 세척하기 위해 용매로 Flushing하였는데, 불행히도 새 오일 대신 용매가 채워졌다고 가정해 보자. 또한, 누설이 느려 용매 손실이 일어나도 운전시 즉시 엔진이 과열되는 것을 탐지하지 못했다고 가정하자. 아마도 분석가는 엔진을 들어내어서 청소하고 포장한 후 파손 부분(실린더 블럭과 피스톤)을 받아 조사하게 된다. 만약 "윤활 대체품"의 증거가 명확하게 드러나지 않으면 고장 원인의 규명은 매우 어렵거나 불가능하다.

마찬가지로, 운전 조건에 관한 불완전한 기술은 연삭마멸 분석에 오류를 유발하는데, 예로써 펌프 임펠러 바닥의 마멸을 유발하는 연삭마멸 근원에 대해 기술함에 있어 Coke 입자와 같은 문제의 연삭마멸에 대한 일반화된 참조 사항은 매우 모호하다. 연마에 관한 연구가 정성적, 정량적으로 이루어지지 않으면 효과적인 판단이 정상이든 아니든 불가능하다.

6.4 磨滅問題의 解決 (Solving Wear Problems)

앞서 기술한 바와 같이 마멸은 오랜 시간에 걸쳐 발생하기 때문에 피로와 같은 여러 손상모드와 다르며 부품이 갑자기 기능을 발휘하지 못하는 경우는 드물다. 대부분의 경우, 마멸 문제는 두 가지 접근 방법으로 해결된다. 즉 파괴 환경을 줄이도록 운전 조건을 변경하거나 특이 운전 조건에 마멸 저항이 높은 재료를 선정하는데 후자가 더 쉽고 비용이 저렴하므로 자주 선택된다.

6.5 磨滅 部品의 檢査 (Laboratory Examination of Worn Parts)

마멸 고장 분석은 마멸을 유발하는 운전 조건에 관한 지식에 전적으로 의존하지만, 거시적 미시적인 세심한 검사에 여러 가지 결정적 인자가 필요하다. 비교적 장시간 노출되어 마멸이 발생하지만, 손상시 얻은 정보는 원인을 밝히는데 유용하다. 예를 들어, 윤활제와 같은 Sample 분석으로 시스템의 마멸 파편이나 연마량과 성질을 밝힐 수 있다.

절차.

마멸 부품의 검사는 육안 관찰과 치수 측정으로 시작한다. 손상면의 특징 및 손상량의 관찰은 세밀하게 조사되어야 한다. 광학 비교기(Comparator), 현미경, 기록 프로파일로미터(Profilometer), 또는 정밀 측정 장치들은 손상량을 제대로 평가하는데 필요하다.

마멸 부품의 중량을 측정하여 사용하지 않은 부품과 비교하여 재료의 손실량을 구하고, 이 손실량은 연삭마멸시 일어나거나 접착마멸시 반대쪽 면으로 전달될 때 발생한다. 중량 손실의 추정으로 서로 다른 재료로 구성되었거나 다른 메커니즘에 의해 마멸된 두 면의 상대마멸율을 규명하는데 도움이 된다.

각 입자의 크기와 입자의 크기별 중량의 백분율을 규명하기 위해 연삭제 또는 마멸 파편을 고르는 것은 때로 도움이 되는데, 연삭 혼합물의 한 성분이 마멸을 유발할 때나 마멸 파편 및 연마제가 마멸시 동시에 존재할 때 골라낸 여러 가지 입자의 크기 규명 및 화학분석 역시 도움이 된다. 코커 볼 분쇄기(Fluid Coker Ball Mill)에서 일어나는 것처럼 시간에 따른 연마 입자의 크기 및 형상의 점진적인 변화를 Screening과 현미경의 조합으로 자세히 밝힐 수 있다.

물리적 측정으로 마멸 손상의 양과 위치를 알 수 있지만, 손상 원인이나 메커니즘에 관한 정보는 충분히 알 수 없다.

현미경은 Scratch 또는 Gauge의 구성, 분포, 방향, 그리고 미세구조의 특수 성분의 우선 제거의 징후 등을 나타내는 마멸면 특징을 관찰할 때 사용되고 또는, 마멸 파편이나 연마 입자의 모서리의 형상과 구성(날카롭거나, 둥글다)을 연구할 때와 마멸 진행중 파괴 여부를 규명할 때 사용된다.

현미경을 이용하여 금속의 조직 관찰로 마멸 부의 초기 미세 조직이 어떠한지 규명하고, 또한 국부적인 상변환, 냉간 작동 표면(Cold-Worked Surface Layer), 박혀 있는 마모 입자의 존재 여부를 밝힐 수 있다.

테이퍼 단면.

테이퍼 단면은 얇은 표면층의 현미경을 이용한 미세 경도 측정이나 금속의 조직 관찰을 효과적으로 분석하기 위해 필요하다. 금속 조직의 Mount에서 시편의 모서리를 지지하는 특수 재료(예, 시편에서 니켈 도금 또는 Mounting 재료에 유리를 분말 처리)를 꼭 사용하여야 하고 Mounting된 시편을 조심스럽게 연마해야 한다.

미세구조의 조사를 위해서는 시편의 준비 외에 부식액을 처리하면 마멸면의 특징을 볼 수 있다. 마멸면 애칭(Etching)으로 나타나는 두 가지 특징은 상대 면에 국부 접착에 의한 상변화와 심한 슬라이딩 접촉시 철주물이나 강철에서 발달하는 "백색층(White Layer)(Untempered Martensite)"과 같이 과도 마찰에 의한 과열 결과이다.

거시적 또는 미시적인 경도 측정으로 연삭 마멸에 대한 재료의 저항을 알 수 있다. 단단한 재료는 연성인 재료에 흠집을 내거나 절단시키기 쉽기 때문에 Sliding하는 두 면의 경도 비교는 중요하다. Martensite 강의 미세 경도 측정으로 마찰열로 강이 과열되었는지, 또한 Tempering Curve(탬퍼링 온도에 대한 경도 곡선)를 사용하면 표면 온도를 대략 예측할 수 있다. 또한 마멸 부품의 열처리 상태가 정확한지도 알 수 있다.

화학적 분석.

습도분석, 분광분석, 열량측정, X-선 형광분석, 원자흡수, 전자빔 마이크로프로브(Microprobe) 분석과 같은 여러 화학분석 기술은 마멸 손상을 적절히 분석하는데 필요하다. 마멸 재료의 실제 조성, 마멸 파편, 연삭과 표면막 등은 마멸과 관련한 문제에 대한 해답을 얻기 위해 알고 있어야 한다. 만약 마멸된 윤활 요소가 존재한다면 윤활 분석을 당연히 해야 한다.

6.6 表面 損傷의 記錄 (Recording Surface Damage)

숙련된 고장원인 해결사는 표면의 특징 형태를 기록 유지하며 여기에 몇 가지 방법을 적용하는데, 그 하나 예는 손상된 치차 톱니 표면에 액체 상태로 주조하는 Dental Impression Material (Silicone Rubber)를 사용하는 것으로 이 재료는 표면 손상의 정확한 흔적을 나타낼 수 있다.

한 전문가에 의해 성공적으로 적용된 다른 방법이 있는데, 이것은 비교적 간단하며 Pitting, Scoring, 일반적인 마멸처럼 여러 가지 표면 손상을 기록하는데 사용할 수 있다. 그것으로 원통형의 표면 전체나 치차 측면의 복사(Replica)는 단 한 장의 종이로 영구 기록이 가능하며, 과정은 다음과 같다.

⑴ 면을 청결히 하고 얇은 유막을 남겨 둔다.

⑵ Graphite Powder로 재생할 표면을 솔질하고 여분은 부드러운 브러쉬나 휴지로 쓸어 낸다.

⑶ 압력에 민감한 투명 테이프(Matte Scotch Tape)를 표면에 사용하고 잘 부착되도록 테이프를 문지른다.

⑷ 테이프를 떼고 표면의 영구 기록을 위해 백지나 유리 슬라이드에 붙인다.

결론적으로, 표 2-9는 기계 부품과 이의 잠재적인 표면 고장 형태의 목록이다. 표 2-10과 표 2-11은 파편의 특징과 외형을 파악하므로써, 주요 마멸 고장 형태를 규명하는데 도움을 준다. 이것은 표 2-12에서 나타난 바와 같이 개선된 재료 선정에 도움이 된다.

표 2-9 기계 부품의 마멸 고장 형태

표 2-10 마멸 분석에서의 표면 형상과 고장 유형

표 2-11 파편과 재료 손실 메커니즘

표 2-12 재료 손실 메커니즘과 마멸 저항

 

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