공구 및 공구강 부품의 프레팅 마모

프레팅이란 무엇이며, 어떻게 인식하는가

프레팅은 상대 운동이 필요하며 그 운동이 작은 접착 마모입니다. 밀접하게 맞물린 두 표면은 일반적으로 주변 기계의 진동으로 인해 발생하는 극히 작은 진폭의 반복적인 상대 운동을 받으며, 손상이 발생하려면 이들 사이의 접촉에 어느 정도 슬립이 있어야 합니다. 프레팅은 종종 부식과 동반되며, 공기 중의 철 부품에서는 그 생성물이 적갈색 산화철로, 이 공정에 또 다른 이름을 부여합니다. 오일이나 그리스와 혼합된 이 잔해물은 현장에서 코코아, 피, 또는 적니로 알려져 있습니다.

실용적인 단서는 잔해물이 나타나는 위치입니다. 일반적인 부식이 예상되지 않을 정도로 충분히 윤활된 조인트에서 적갈색 분말은 프레팅의 증거이며, 이 판단은 조인트가 압입 끼워맞춤, 키홈 또는 볼트 체결 플랜지인지에 관계없이 유효합니다. 윤활되지 않은 부품에서는 동일한 분말이 단순히 마모를 의미할 수 있는데, 그곳에서는 금속이 어차피 산화될 수 있었기 때문입니다. 프레팅은 금, 백금, 산화제이구리 등 일반적인 의미에서 산화될 수 없는 재료에서도 발생하며, 불활성 분위기에서는 잔해물을 거의 생성하지 않습니다. 따라서 잔해물의 존재는 증거이지만 부재는 증명이 아닙니다.

프레팅 손상이 발표되는 명칭과 각각이 설명하는 사례. Fretting Wear Failures 기사의 서두 부분에서 편집함.

진폭이 모든 것을 결정한다

운동의 작은 진폭은 일반적인 마모 계산이 안전하다고 판단할 조인트를 프레팅이 손상시키는 이유입니다. 평면 위의 볼로 분석되는 접촉에서 접촉 중심은 고정된 상태로 유지되고 슬립은 외부 환형부에서만 발생하므로 손상은 링 형태로 시작됩니다. 진폭이 증가하면 링이 넓어지지만 외부 반경은 고정된 상태로 유지되며, 슬립이 전체 접촉부를 덮기까지는 다시 더 큰 진폭이 필요합니다. 아래 측정값은 원문이 강철에 대해 보고한 임계값이며 전체 문제의 규모를 설정합니다. 손상은 0.06마이크로미터의 진폭에서 감지 가능하며, 이는 눈에 보이지 않을 정도로 작은 운동이고, 이 공정이 일반적인 왕복 슬라이딩으로 변하는 진폭은 1000배 이상 더 큽니다.

강 접촉에서 측정된 미끄럼 진폭 임계값으로, 최초 감지 가능한 손상부터 프레팅 거동이 완전히 사라지는 진폭까지입니다. 출처: Fretting Wear Failures 문서의 미끄럼 진폭 섹션.

작은 진폭에 따른 낮은 상대 속도도 접촉 상태를 변화시킵니다. 25 Hz의 주파수와 25 마이크로미터의 진폭에서 두 표면의 평균 속도는 초당 1.25 mm이며, 베어링의 미끄럼 속도인 초당 약 1 m에 비해 매우 낮으므로 생성된 마모 입자가 배출되지 않고 발생 위치에 그대로 남습니다. 이 입자는 접촉 하중에 의해 압착될 수 있으며 대기 중에 전혀 노출되지 않을 수도 있습니다. 이 때문에 프레팅이 발생한 조인트 내부의 마모 입자는 외부의 느슨한 분말과 다른 형태를 보입니다. 또한 상대 표면의 마감이 더 우수한 경우 돌출부가 상대 표면에 전사되어, 조인트 한쪽의 거칠기가 다른 쪽에 패턴으로 나타납니다.

실제 손상이 발생하는 부위

일반적인 발생 부위는 고정 조인트가 하중을 지지하는 곳입니다. 허브 간 접촉, 수축 및 압입 끼워맞춤, 하중을 받는 회전축의 베어링 하우징이 특히 취약합니다. 축에서는 마모보다 피로 문제가 더 크게 작용하는데, 표면을 손상시키는 움직임이 축 내부의 교번 응력에서 비롯되며 그 손상이 피로 파괴의 균열 시작점이 되기 때문입니다. 박판 베어링에서는 쉘과 하우징 간의 억지 끼워맞춤이 조립체를 고정하는 역할을 하며, 접촉 압력이 너무 낮으면 쉘이 움직여 프레팅이 발생하고 베어링이 외부에서 내부로 파손됩니다. 약간의 정렬 오차를 수용하기 위해 설계된 스플라인과 플렉시블 커플링은 설계상 심한 프레팅이 발생합니다. 터빈에서는 디스크-축 조인트와 블레이드의 더브테일 또는 전나무형 고정부가 프레팅으로 피로 균열이 시작되는 부위이며, 블레이드 팁의 스너버는 재료가 손실되어 블레이드 진동이 더 심해집니다.

리벳 및 볼트 조인트도 형태만 다를 뿐 같은 문제입니다. 항공기에는 정적 조인트란 존재하지 않으며, 단일 리벳 조인트에서도 시트 간, 리벳 헤드와 시트 간, 생크와 구멍 간의 세 가지 프레팅 부위가 발생합니다. 판 스프링은 판 사이에서 프레팅이 발생하고, 와이어 로프는 모든 와이어 간 접촉부에서 프레팅이 발생합니다. 특히 록 코일 로프에서는 마모 입자의 부피가 원래 금속보다 커져 와이어를 밀어내고 윤활제가 빠져나가며 대기가 유입됩니다. 증기 발생기 및 열교환기 튜브는 유동 유도 진동 하에서 지지대와 프레팅이 발생합니다. 프레팅은 하중 사이클 없이도 나타날 수 있는데, 트럭이나 기차에 실린 베어링은 축이 정지한 상태에서 볼과 레이스 사이에 프레팅이 발생하며, 업계에서는 이를 false brinelling이라고 부릅니다.

피로 측면이 더 큰 비용을 초래합니다

프레팅 손상과 피로가 결합되며, 그 조합은 각각 단독보다 훨씬 심각합니다. 1941년 보고된 시험에 따르면 강 피로 시편의 게이지 길이에 생긴 프레팅 피트가 피로 강도를 13~17% 감소시켰습니다. 실제에서 흔한 두 현상의 동시 작용에 대한 후속 연구에서는 강도 감소 계수가 2~5 이상으로 나타났습니다. 그 이유는 수명 분할에서 확인할 수 있습니다. 일반 피로에서는 균열 개시가 전체 수명의 약 90%를 차지하므로 조기 균열이 전체 수명에 미치는 영향은 적습니다. 프레팅이 존재하면 동일한 개시가 수명의 약 55%를 차지하므로, 감지 가능한 균열이 생기기 전에 피로 수명의 거의 절반이 소모됩니다. 이것이 하중을 지지하면서 움직이는 조인트가 고정하는 부품의 수명을 단축시키는 메커니즘이며, 거칠기, 코팅, 피닝 조치가 금속 손실보다 균열에 더 중요한 이유입니다.

실제로 프레팅을 줄이는 방법

프레팅 접촉에 대해 가장 먼저 답해야 할 질문은 움직임이 힘 제어인지 변위 제어인지이며, 두 경우는 반대의 처리가 필요합니다. 힘 제어 프레팅에서는 접촉이 부분 미끄럼 상태이며, 마찰 계수나 수직 하중을 높이면 미끄럼량이 감소하여 손상이 줄어듭니다. 변위 제어 프레팅에서는 미끄럼이 전체 계면을 덮고 진폭이 주변 환경에 의해 고정되므로, 마모를 줄이려면 수직 하중과 마찰을 오히려 줄여야 합니다. 이 두 가지 중 잘못된 것을 선택하면 문제가 악화됩니다.

그 외에도 출처에서는 설계, 표면 상태, 코팅, 삽입재, 윤활제를 통해 해결 방안을 제시하며, 각각은 지정 전에 알아야 할 한계가 있습니다. 직관에 반하는 한 가지 세부 사항을 분명히 밝히자면, 거친 표면이 고도로 연마된 표면보다 프레팅이 적게 발생하므로, 접합면의 거울 같은 마감은 프레팅 해결책이 아닙니다.

출처에서 프레팅 손상에 대비해 나열한 조치로, 각 조치의 작용 메커니즘과 효과가 중단되는 지점을 설명합니다. 출처: Fretting Wear Failures 문서의 프레팅 손상 방지 섹션.

공구강 주문에서 이것이 의미하는 바

프레팅은 조인트 설계 문제이며, 선택한 조치가 야금학적일 때 공구강 문제로 귀결됩니다. 그중 세 가지는 구매 논의에 포함되어야 합니다. 서로 마주보며 움직이는 부품에 질화 또는 침탄 표면을 적용하는 것인데, 이러한 처리는 마모뿐 아니라 프레팅에도 효과가 입증되어 있으므로 경화층 깊이는 도면이 아니라 사용 조건에 맞게 선택해야 합니다. 피로 균열이 늦게 시작될 수 있을 만큼 청정하고 건전한 강을 선택하는 것인데, 수명을 좌우하는 것은 균열이며 마모 입자는 손상의 가시적인 부분일 뿐입니다. 그리고 공구가 아니라 조인트에 적합한 경도와 인성의 조합을 선택하는 것인데, 기재보다 단단한 코팅은 기재가 항복하는 즉시 균열이 생기고 파괴되기 때문입니다. 프레팅이 남긴 피트와 자국을 다른 손상 모드와 비교하여 해석하는 방법은 다음에서 확인할 수 있습니다 손상 모드 식별 차트, 뒤따르는 피로 균열은 다음에서 다룹니다 공구강의 피로 파괴, 그리고 표면 처리 자체는 다음 아래에 정리되어 있습니다 공구 수명을 위한 스팀 처리 그리고 다음에 열간 공구강 열처리. 내마모 등급군과 그 측정 시험 데이터는 다음에 있습니다 내연마 마모 공구강, 응착 마모 저항성 공구강 그리고 공구강 연마 마모 시험 데이터, 관련 충격 측면은 다음에 있습니다 공구의 충격 마모 및 스폴링, 그리고 모든 종류의 손상이 설명되기 전에 분류되는 방식은 다음에 제시되어 있습니다 공구 및 금형 고장 분석. 접합부가 경화된 축에 대한 수축 끼워맞춤인 경우, 끼워맞춤이 놓이는 잔류 응력은 다음에 설명된 대로 보고됩니다 공구의 잔류 응력 측정.

출처: ASM Handbook, Volume 11, Failure Analysis and Prevention, ASM International, 2002.