베어링에 대해서 얼마나 알고 있는가? 베어링의 재질에 대해서는? 종류는? 윤활유의 종류에 대해서는 어떤가? 베어링 선택에 고민하는 이들에게 도움이 되는, 기초적인 상식을 다룬다.
  Q. 거친 환경에서 적절하게 활동하는 베어링 재질은 무엇인가?
A. 대부분의 베어링 응용사례에 보편적으로 적합한 선택은 100Cr6(52100)강이다. 100Cr6 재질은 청결하고 미세 구조로 되어있어 부하나 스트레스를 많이 받는 환경에 이상적이다. 또한 온도가 높은 환경에서도 안정적인 작동을 보장한다. 100Cr6은 열처리 등 특정한 응용사례에서 표준형(마텐자이트계)제품보다 높은 성능을 자랑한다.

부식에 대한 강한 내성이 필요한 환경에서는 스테인리스 합금으로 만든 재질을 사용할 수 있다. 예를 들어 바닷물이나 강한 오염(Heavy Contamination) 등 가혹한 조건에서 작업해야 하는 경우 크롬을 다량 함유한 롤링 베어링강을 사용하면 보다 원활한 작동을 보장한다. 이러한 합금 재질의 베어링에 특수 열처리를 더하면 일반 베어링보다 긴 수명을 자랑하게 된다. 윤활 상태가 좋지 못해도 긴 수명을 유지한다.

Q. 올바른 윤활유를 주입하는 방법은?
A. 윤활은 전체적인 시스템 요구사항에 따라 달라진다. 시스템 요구사항으로는 유지보수 및 관리, 열관리, 오염 방지 등의 요소들이 있다.

베어링의 윤활은 일반적으로 기름과 그리스라는 두 가지 종류로 구분한다.

기름(오일) 윤활은 일반적으로 드라이브트레인(동력 전달장치) 및 기어박스 등에 주로 사용한다. 기름 윤활은 그리스에 비해 ▲필터를 통해 오염물질을 제거할 수 있고 ▲밀폐 구조를 실현하며 ▲방열(Heat Dissipation)에 사용할 수 있다는 이점을 자랑한다. 또한 특정 기름은 극압 첨가제(極壓添加劑)를 포함하고 있어 베어링 수명을 보다 늘릴 수 있다.

그리스는 ▲기름 윤활보다 자립적이고(Self-Contained) ▲상대적으로 보충이 쉽다는 장점이 있다. ▲오염물질의 유입을 늦추는 것 또한 특징이다. 그리스는 베어링 구성요소 사이에 생긴 구멍을 메움으로써(심지어 씰 립에도 구멍이 생긴다) 먼지나 진애(塵埃)가 들어오지 못하게 만든다. 고장이나 오작동을 방지할 수 있는 비결이다. 

베어링에 그리스를 새로이 충진할 때에도 이점이 있다. 베어링에 그리스 윤활을 다시 주입하면 새로운 그리스가 사용된 그리스 및 장치에 유입된 오염물질을 밖으로 배출하게 되며, 이를 통해 기기 수명을 늘릴 수 있다. 

이러한 이점으로 그리스는 농업 활동에서 잦은 오염을 수반하는 농업 기계에도 널리 쓰이고 있다.

  Q. 저속으로 운전하는 장비에 쓰이는 베어링에는 어떤 코팅이 가장 적절할까?
A. 베어링에 코팅을 적용하는 이유는 다양하다. 마찰을 줄이고, 마모를 방지하며, 오염을 막고, 전류의 흐름을 막는(즉, 절연하는) 등 많은 이유로 베어링에 코팅을 적용한다. 사용자들은 응용사례의 종류 및 목적에 따라 코팅의 적용 여부를 결정하고 있다.

아연-니켈을 기반으로 한 도금은 부식이 문제가 되는 환경에 적합하다. 아연-니켈 재질은 녹으로 인한 부식으로부터 수천 내지 수만 시간 동안 장비를 보호한다. 아연-니켈 코팅은 베어링의 외륜이나 내륜 등, 특정 환경에 직접적으로 노출되어있는 표면에 적용된다.

도금은 수 미크론(100만 분의 1m) 두께에 불과하며, 열처리를 거친 이후 베어링 구성요소에 적용된다.

베어링의 마모를 줄이고자 한다면 마찰 코팅(Tribological Coating)을 적용하는 것이 바람직하다. 부하가 크고 속도가 낮은 응용사례에서는 십중팔구 베어링의 롤러 및 표면에 마모가 생기기 마련이다. 이러한 상태를 경계마찰(Mixed Friction)이라 하며, 채굴 및 건설 장비에서 주로 일어난다. 이 문제에 대한 해결책은 지금도 개발 중이다. 

저속에서는 윤활 피막(Lubrication Film)이 충분히 형성되지 못하기 때문에, 베어링의 롤링 요소와 표면이 직접적으로 접촉하게 된다. 이대로 장비를 방치하면 시간이 지남에 따라 표면 마모가 진행된다. 이때 접촉면에 마찰 코팅을 적용하여 단단하고 매끄러운 표면을 형성함으로써 마찰을 줄일 수 있다.

Q. 베어링 수명을 늘릴 수 있는 방법은?
A. 베어링 수명을 늘리는 방법은 다양하다. 피로 파괴의 주된 범인은 베어링 재료 선택과 열처리 그리고 표면 처리다. 롤링 베어링에 계속해서 압력이 가해지면 강철 표면 아래에 작은 균열이 생겨나고, 피로가 발생한다. 시간이 지나면서 균열은 결국 장치 전체에 압력을 전파한다. 이를 스폴링(내화물이 열적·기계적·구조적 원인에 의해 균열을 일으켜 파괴되는 현상. 출처 화학대사전)이라고 명한다. 

열처리 및 기자재(Base Material)의 조합을 통해 형성되는 미세 구조는 표면 아래의 균열 형성에 중요한 역할을 한다. 외부 요소의 비중을 줄여 전체 구조가 보다 균일하고 표면이 깨끗한 철은 균열이 생길 가능성을 최소화한다. 하지만 비용 측면 역시 무시할 수 없는 부분이므로 신중하게 결정해야 한다.

베어링의 표면 마감은 결국 베어링의 매끄러움 혹은 베어링을 갈거나 연마하는(Grinding 혹은 Honing) 과정을 통해 생겨나는 표면의 울퉁불퉁한 평균 입도(Average Size)를 나타낸다. 울퉁불퉁한 부분 중 가장 높게 솟아오른 부분(Peak)이 표면하(表面下) 스트레스를 가속화하는 스트레스 및 피로를 만든다. 장치가 작동하는 동안 피크를 줄이거나 끊어낼 수는 있지만, 이렇게 하면 미세먼지 및 표면마모를 불러들이는 꼴이 되므로 주의해야 한다.

베어링의 전체 수명을 늘리고자 한다면 베어링의 기하학적 구조 및 설계가 동일하게 중요한 역할을 함을 인지해야 한다. 롤링 요소 및 베어링 표면의 윤곽 및 개요에 따라 긴 수명 혹은 돌발 고장이라는 상반된 결과를 낳는다. 각 요소가 어긋나거나 샤프트에 굴절이 생기면 장치가 망가진다. 끝부분에 부하가 가해지는(Edge-Loading) 롤링 구성요소 또한 표면의 스트레스를 높이는 원인으로 작용한다. 전체적으로 스트레스를 낮추기 위해서는 압력이 가해지는 지점의 표면적이 큰 베어링을 설계하는 것이 바람직하다.

  Q. 주로 고려해야 할 작동 한계(Operating limits)로는 어떤 것이 있는가?
A. 작동 한계 중 중요한 것은 두 가지가 있다. 작동 속도(Speed)와 어긋남(Misalignment)이 그것이다.

작동 속도(고속과 저속이라는 두 가지 경계를 가지고 있는)는 베어링 사양 지정에 굉장히 중요한 요소다. 

빠른 작동 속도는 마찰과 온도에 영향을 미친다. 접촉식 씰(Contact Seal)과 같은 일부 베어링 구성요소는 고속에서 작동하지 않는다. 
접촉으로 인해 발생하는 열이 접촉 립(Contact Lips)에 손상을 가하게 되면 수많은 부정적인 결과를 초래하게 된다. 오염물질이 내부로 유입되고 윤활유가 사라지는 현상이 대표적이다. 

반대로 낮은 작동 속도는 윤활 효과를 떨어트리는 주범이다. 표면 마모 및 정상보다 이른(즉, 조기) 피로를 비롯한 여러 부정적 효과를 야기하기 때문이다.

베어링의 어긋남은 어떤 베어링에든 악영향을 미친다. 어느 정도의 어긋남을 제어할 수 있도록 만들어진 구면 롤러 베어링(스페리컬 롤러 베어링)이라 하더라도 완벽하게 어긋남을 보정할 수 있는 것은 아니다. 베어링의 정렬이 어긋나면 가장자리 부하(에지 로딩)과 밀봉 실패 그리고 케이지 파괴 등을 을 야기한다. 

케이지 파괴는 깊은 홈(Deep Groove)을 가진 볼 베어링에서 가장 자주 일어나는 문제다. 리벳으로 이은 강철 케이지를 사용하기 때문이다. 베어링의 정렬이 어긋나면 역학적으로 리벳 영역에 반복적인 스트레스를 야기하며, 이는 케이지의 균열 내지 파괴로 이어진다.