자동차 엔진오일을 교체할 때 고급 합성유를 쓰는 모습은 낯설지 않은 모습이다. 자동차를 즐기고, 자기 차량 관리에 대한 관심이 높아지면서 더 향상된 성능을 갖춘 고급 합성유로 교체하는 사람들을 주변에서 종종 볼 수 있다. 기계 장치에서는 어떨까? 산업용 기어 박스와 변속기를 위한 고급 합성유에 대해 알아보자.

기어와 변속기 윤활에 있어 일반적인 미네랄 오일보다 합성 오일이 더 많은 이점을 제공한다. 일반적으로 합성유가 더 높은 부하에서 분해에 대한 더 강한 저항력을 지니며, 산화에 덜 취약해 더 긴 사용 수명을 보장하기 때문이다.

하지만, 주의할 점이 있다. 바로 첨가물에 따라 다양한 합성유가 존재하며, 이들의 품질에는 상당한 차이가 있다는 사실이다. 합성유에 포함된 화학 물질들은 윤활유 성능에 상당한 변화를 일으키는데, 각 특성이 윤활의 네 가지 핵심 영역에 어떤 영향을 미치는가를 살펴보자.

I. 마이크로피팅 보호

마이크로피팅^Micropitting은 고부하 기어의 경화된 톱니바퀴에서 발생하는 피로파괴의 일종이다. [그림 1]은 고부하 기어 경화에 따른 하중 전달 용량의 일반적인 한계를 보여주는 사례로, 치아 옆면 표면의 매우 작은 균열과 모공으로 구성된 피로파괴를 볼 수 있다. 

마이크로피팅은 소재 손실과 톱니 플랭크의 프로필 형태를 변화시켜 기어가 끼이거나 파손되는 주된 원인으로 작용한다. [그림 2]는 오정렬이 원인이 된 파이크로피팅의 예시로, 이는  산업용 기어박스에서 마이크로피팅은 대표적인  고장 요인이다. 

고급 윤활제의 장점 
첨단 첨가제를 사용하는 합성 기어 오일은 마이크로피팅 형성을 방지할 수 있다. 신중하게 첨가된 첨가물이 기어 표면에 유익한 반응을 일으켜 마이크로피팅을 방지하는 것으로, 고부하 기어박스에 일반적인 기어오일을 사용할 경우, 기어의 톱니바퀴가 윤활 필름에 의해 완전히 분리되지 않지만, 윤활제의 첨가제를 통해 마이크로피팅 형성을 막을 수 있게 된다. 

중요 조건 및 요인 
윤활유 선택은 마이크로피팅 보호, 작동 조건, 재료 등에 중요한 영향을 미치는 요소이지만, 윤활유 선택 시에는 기어의 표면 거칠기와 기하학적 측면도 살펴야 한다. 연마재 제거 현상이 발생하면 마모가 빠르게 진행되어 장치 파손까지 발생할 수 있기 때문이다. 산업용 기어에서 전형적으로 나타나는 톱니 마모는 [그림 3]과 같다.

솔루션 검증 테스트 
다양한 종류의 오일이 제공하는 마이크로피팅 및 마모 보호 수준을 살펴보기 위해 ▲고부하 운반용량에서의 FZG 마이크로 피팅 시험  ▲FZG 저속 마모 테스트  ▲베어링 보호를 나타내기 위한 FAG FE8 마모 테스트 등 세 가지 테스트를 수행했다. 사용된 오일은 미네랄 오일, 폴리알파올린, 폴리글리콜 오일이다. 
테스트 결과, 고성능 합성 기어 오일에 사용되는 첨단 적층 기술은 기어 표면에서 효과적으로 반응하는 것으로 나타났으며, 높은 부하와 느린 속도에서도 마이크로피팅 형성과 마모 고장을 상당히 감소시켰다. 이는 [그림 4]에서 확인할 수 있다.

II. 저온 성능 

산업용 기어는 일반적으로 완전히 적재된 기어박스에서 발생하는 온도보다 낮은 오일 온도에서 작동하는 경우가 많다. 예를 들어 장시간 정지한 후 오일이 서비스 온도까지 가열되는 동안 더 낮은 온도 환경에서 사용되는 것이다. 변속 장치가 최대 부하 용량 이하로 작동하거나, 속도가 감소하거나, 정지 및 이동이 빈번한 경우에도 오일 작동 온도는 최대 부하보다 낮다. 

따라서 이러한 애플리케이션 환경에서는 최대 부하 작동 온도뿐만 아니라 저온에서도 손상으로부터 기어와 롤링 베어링을 안정적으로 보호하는 합성 기어 오일이 권장된다. 

고급 윤활제의 장점 
첨단 적층 기술을 사용하는 합성 기어오일은 104°F(40°C)의 낮은 온도에서도 기어의 치아 플랭크 표면에 반응할 수 있다. 첨가제의 종류에 따라 기어 표면에 반응하기 위한 윤활유 접촉 구역의 온도를 올릴 필요가 없으며, 느린 기어 속도에서도 유지될 수 있는 보호층을 제공한다. 

중요 조건 및 요인 
손상으로부터 보호하기 위해서는 접촉부에 윤활유 막이 형성되어야 한다. 그런데 오일 온도가 감소하면, 작동 중 오일 점도를 증가시켜 접촉 영역에 더 두꺼운 윤활유가 형성되게 된다. 더 낮은 작동 온도에서도 적절한 윤활유 막이 형성되기 위해서는 넓은 온도 범위에서 반응하는 첨가제의 역할이 중요하다. 

솔루션 검증 테스트 
다양한 종류의 고성능 오일이 기어박스의 기어를 낮은 오일 온도에서 손상으로부터 보호하기 위해서는 표준화된 FZG 테스트 방법을 수정해야 한다. [그림 5] FE8 테스트의 결과로, 온도 외에 하중·속도 등 다른 모든 조건이 동일하지만 합성 기어 오일은 104°F(40°C)의 저온에서도 반응하여 보호 경계층을 형성할 수 있음을 보여준다.

III. 서비스 수명 연장 

기어 오일은 오일 교환 주기 전반은 물론 심각한 윤활 조건에서도 마모와 마이크로피팅과 같은 손상으로부터 기어와 롤링 베어링을 보호해야 한다. 하지만 기어오일의 화학적 물리적 특성은 시간의 경과에 따라 변하며, 사용 환경 조건과 제제에 따라 달라질 수 있다. 

예를 들면, 오래된 윤활제는 거품 조절 기능을 잃을 수 있다. 버블 링은 윤활 문제를 야기할 수 있는 요소이다. 이상적으로는 오일 상태 분석을 일정 간격으로 수행하여 오일 노화와 관련된 추세를 결정해는 것이지만, 경험적으로 확립된 수치를 기반으로 추정도 유용하게 활용할 수 있다. 그러나 어떤 종류의 합성 기어 오일이 기어와 롤링 베어링을 장기간 보호할 수 있는 능력을 유지하는가에 대한 질문은 실험을 필요로 한다. 

고급 윤활제 제제의 장점 
오늘날의 고성능 합성 기어 오일은 3년간의 사용 후에도 성능을 저하시킬 수 있는 한계보다 훨씬 낮은 화학적 물리적 변화를 보인다. 또 오일 교환 주기가 끝날 때쯤에는, 고급 합성 오일은 마이크로피팅 보호와 내마모성을 제공한다.

솔루션 검증 테스트 
기어 오일은 일반적으로 표준 기계 동적 시험에서 외부 오일을 사용하여 시험된다. 단, 사용 중인 기어오일의 화학적 물리적 특성은 시간의 경과에 따른 변화와 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 고성능 기어 오일이 감소된 오일 온도에서 기어박스의 기어를 손상으로부터 보호할 수 있는지를 확인하기 위해 앞서 FZG 테스트에서 신선하고 사용되었던 고성능 기어 오일을 사용했다.

FZG 테스트 결과, 조사된 고성능 기어 오일의 화학적 물리적 특성은 3년 후 외부 오일과 비교했을 때 거의 변하지 않았다. ISO 12152에 따른 폼 시험도 고성능 기어오일에 대해 진행했는데, 새 오일의 총 체적 증가는 15%, 사용한 기어오일의 경우 ≤20%로 나타나 선택된 기어 오일이 3년간의 사용 후 필요한 폼 동작을 나타냄을 보여줬다. 

 

IV. 오염 방지

시스템의 모든 구성 요소를 보호하려면 윤활유 점도 평가가 필수적이다. 장비를 보호하기 위해서는 작동 중 점도를 일정하게 유지하는 것이 필수적이기 때문이다. 

오일의 동적 점도는 여러 요소에 의해 영향을 받는데, 윤활유에 내재된 물리적 특성 중 하나는 열과 장시간 사용 후에도 점도를 유지하는 능력이다. 윤활유를 만들 때 기유에 점도 향상제(대개 폴리머 기반)를 추가하면, 점도와 점도 지수(VI)를 높일 수 있다. 그러나 점도 향상제를 함유한 윤활유는 높은 전단, 고압 및 극한 온도에서는 효과적이지 않을 수 있다. 이런 조건에서 오일은 일시적으로 점도의 손실을 나타내는 까닭이다. 전단력이 계속되거나 힘이 충분히 높으면 중합체가 분해되어 결국 영구적인 점도의 손실이 초래된다. 

고급 윤활제 제제의 장점 
윤활유의 보호 가치 측정의 하나는 압력 상황에서 전단력을 견딜 수 있는 능력, 즉 전단 안정성이다. 장비를 보호하고 오일 교환 간격 사이의 시간을 연장하기 위해서는 OEM에서 권장하는 점도와 적절한 점도를 유지하는 것이 매우 중요하다. 

응력에 의한 윤활유 박리는 점도 향상제 파손의 결과물로, 응력을 받으면 점도 향상제는 분자 수준에서 정렬되어 일시적인 손실을 일으킬 수 있으며, 영구적인 점도 손실로 연결되기도 한다. 두 시나리오 모두 서비스 효율성을 감소시키는 결과로, 고점도의 기유를 사용하면 점도 향상제를 사용하지 않거나 소량만 사용해 전단 안정성을 높일 수 있다.

강관 베어링/샤프트 적용
스턴 튜브 시스템과 스러스터는 높은 부하와 회전 속도, 열을 통해 윤활유에 압력을 가한다. 또 프로펠러 샤프트의 무게와 높은 추력 힘은 회전 속도·표면 면적과 결합되어 윤활유에 상당한 전단 응력을 유발한다.

물론 윤활유를 사용하는 구성부품을 보호할 뿐만 아니라 마찰을 줄이고 열 발생을 줄여 효율을 개선하는 것이 윤활유의 기능이다. 그러나 구성 요소를 적절히 보호하기 위해 오일은 점도와 첨가제라는 두 가지 주요 특성에 의존한다. 

적절한 점도를 결정하려면 적절한 탄성수화물역학(EHD) 윤활필름을 확보해야 하며, 이 필름은 기본적으로 두 개의 움직이는 표면 사이에 형성되어 마모·피팅으로부터 표면을 보호할 수 있도록 분리를 제공해야 한다. 

일시적, 혹은 영구적으로 점도를 감소시키면 샤프트를 베어링에서 분리하기 위한 유체 필름을 만드는 윤활제의 능력이 감소된다. 스러스트는 선박 엔진에 의해 생성된 전력을 z-드라이브의 베벨 기어를 통해 프로펠러로 전달할 때 극한 부하에서 작동하기 때문에 정확한 점도를 유지하지 않으면 마이크로 피팅과 기어 마모가 증가할 수 있다. 따라서 샤프트, 베어링, 기어를 보호하기 위해 선택한 윤활유는 높은 전단력을 견딜 수 있어야 한다. 

오일 점도 모니터링 
추세 데이터 모니터링은 성공적인 석유 분석 프로그램의 일환이다. 시간에 따른 점도 변화를 추적하면 전단으로 인해 점도의 손실을 감지할 수 있기 때문이다. 오일 상태는 항상 대표 기준선에 대해 점검해야 하며, 신선한 오일을 채운 직후와 짧은 작동 후 샘플링하여 베이스라인을 설정할 수 있다. 

샘플링 빈도는 일반적으로 OEM에 의해 설정되거나 애플리케이션 및 운영 조건에 따라 재샘플링의 적절한 일정을 수립해야 하며, 적절한 간격은 일반적으로 점도의 안정성을 확인하기 위한 서비스 시간 또는 정해진 간격에 기초한다. 시험한 매개변수 중 하나가 장비의 OEM 권장 범위를 벗어날 경우 교체해야 하며 새로운 기준을 설정해야 한다.

솔루션 검증 테스트 
일반적으로 많은 기어 오일이 기본 오일의 점도를 증가시키기 위해 폴리소뷰티렌(PIB)으로 제작된다는 점에 주목해야 한다. 이는 저점도 오일을 기유로 사용하고, PIB를 통해 인위적으로 점도를 증가시키는 방식이 윤활유 제조 비용을 줄일 수 있어 발생하는 현상이다. 하지만, PIB는 노화에 대한 저항력을 감소시키며, 분해되면서 금속을 공격할 수 있는 산을 방출할 수 있는 단점이 있다.