크레인용 쉬브 강의 트라이볼로지적 특성
A Tribological Characteristics Of The Crane Sheave Steel
■기고·경북대학교 기계공학과 류중북

크레인 쉬브와 와이어 로프는 혼합 윤할 상태에서 서로 접촉해 상대운동을 한다.
이러한 작동환경에서 쉬브의 홈(groove) 표면은 마멸에 의해 점진적으로 손상을 받을 뿐만 아니라, 좌측 그림과 같이 스커핑(scuffing)이 필연적으로 수반하게 된다. 스커핑은 미끄럼 표면의 파괴현상을 말하는데 이는 마찰력 증가와 함께 표면이 거칠어지는 중요한 문제를 야기한다.
일반적으로 크레인 쉬브는 와이어 로프와의 경도 차이로 인해 탄소 주강품의 사용이 보편화되어 왔다. 이러한 고전적 재료 사용으로 쉬브의 홈 표면에 미치는 마멸인자들은 재료의 기계적 물성치, 접촉 표면의 화학적 인자, 표면이 받는 하중, 미끄럼 속도, 접촉면 형상 그리고 외부환경 요인 등이 존재한다.
그러나 탄소 주강품 쉬브의 표면은 운전 중에 마멸이 갑작스럽게 발생하며 앞서 언급한 쉬브와 와이어 로프 접촉 시 내·외부적 조건에 따라 매우 다양하게 나타나고 있으나, 그 메커니즘 정립은 아직 이루어지지 않고 있다.
쉬브와 와이어 로프 간의 트라이볼로 지적 연구동향을 살펴보면, Verschoof는 두 재료가 상호 접촉 시 미끄럼 접촉의 반복 작용에 따른 하중 변화와 부적절한 윤활 요인이 주된 결함 원인으로 보고하고 있다.
Batchelor와 Stachowiak은 와이어 로프와 쉬브 간 재질 개선을 통해 로프 수명을 연장하는 것이 더 효과적임을 강조했다. Hamblin 등은 로프 소선과 쉬브 홈 사이의 마멸은 사용 환경과 쉬브 재질에 따라 변화됨을 주장했다. 그러나 다수의 연구는 와이어 로프의 피로 수명 시험을 중심으로 연구가 집중되어 왔으며 쉬브 강재와 상호 연관된 트라이볼로지적 기초 연구 결과는 아직 확인되지 않고 있다.
본 연구에서는 크레인 쉬브의 마멸 거동의 안전성 평가를 위해 범용 재료인 어닐링 한 탄소 주강품 쉬브 재료를 사용해 미끄럼 윤활시험을 수행했다. 주요 시험 내용은 상온, 상압, 그리이스 윤활 조건에서 어닐링 한 탄소 주강품의 마멸 특성을 조사하고 마멸기구를 규명했다. 또한 마멸면을 X선 회절시켜 시험전·후 간 잔류 응력 변화를 비교해 정상 마멸 과정동안 변형 정도가 표면 파괴 현상에 미치는 영향을 관찰했다.

시험편 제작 및 미끄럼 마멸실험 등
시험편 제작 : 본 연구에서는 시험편으로 일반 구조용 탄소 주강품인 SC450을 사용했고 상대 재료는 경강선재로 알려진 HSWR 72B 소선(직경 0.93mm, 1.56mm 및 2.30mm)을 각각 사용했다. 시험편 제작을 위해 먼저 SC450 환봉을 200°C 미만으로 승온해 1.5시간 동안 900°C 로 유지하고 서서히 노냉하여 어닐링 한 후 소정 형태(30φ×8mm)로 정삭 가공했다.
이들의 화학성분, 기계적 성질은 [Table 1]과 [Table 2]에 각각 나타나 있다. 이 때 디스크의 표면 거칠기는 0.5 ㎛(Rmax)이며, 마멸 시험 전 시험편 표면 경도는 Hv 184~194를 보였다.
Tribometer : 본 실험에서 사용한 시험기(TOYO BAL-DWIN Co., EFM-3-E)는 회전운동에 의해 미끄럼 마찰과 마멸시험을 하며 미끄럼 속도는 0.2mm∼2000mm/s 범위에서 무단 변속할 수 있도록 설계됐다.
마찰력은 마찰력 측정 아암으로 로드셀에 의해 감지된다. 수직하중은 100N의 로드셀을 사용했으며 마찰 토크는 19.6N의 로드셀에 의해 측정했다.
이들 로드셀의 전압 신호는 A/D 컨버터를 통해 IBM PC에 매 초당 입력했다. 디스크 접촉점은 회전방향 중심에서 10mm의 마멸 트랙(wear track)이 발생되도록 설계했다. 시험 전후 디스크의 잔류응력 측정은 X선 회절 잔류응력 측정기(X-ray Stress Anal-yzer MSF-2M, Rigaku JAPAN)를 사용했다.
미끄럼 마멸 실험 : 본 실험은 [그림 1]과 같이 회전하는 디스크 위에 소선 고정용 지그(jig)를 얹어 pin- on-disk 형태로 그리이스(grease) 윤활시험을 실시했다. 실험 조건은 윤활상태에서 미끄럼 속도를 220mm/s로 고정했으며 수직하중은 29.4N, 49.0N 및 68.6N으로 변화시켜 실험을 수행했다.
특히 크레인 쉬브와 로프 간 실제 모델조건과 실험 간 상관성을 최적화하기 위해 시험 하중 선정은 [식 1] P = 2·T / D·d (Mpa)과 같은 쉬브와 로프 간 접촉 압력식을 적용<JD156>다. 여기서 P는 쉬브의 표면 접촉압력, T는 로프의 인장 하중, D는 쉬브 직경, d는 로프 직경이다.
따라서 실제 작업조건은 다음과 같이 가정했다. T(tension load) = 25,762N, D(JIS B 8807, 25 times type) = 400mm, d(JIS G 3525, Class B, φ16, 6*37 로프 꼬임) = 주어진 3개의 총 소선수(222)이다. 상기 가정 조건을 [식 1]에 대입한 결과, 소선 4개에서 동시에 작용하는 하중값을 다음과 같이 얻을 수 있다. 소선 직경 0.93 mm = 1.69N, 1.56mm = 2.83N, 2.30mm = 4.18N이다.
그러나 산업 현장에서는 정격 하중 범위 내 다양한 사용 하중 하에서 사용되고 있는 점을 감안, 소선 시험편에 작용하는 수직하중을 높게 선정했다. 또한 미끄럼 속도는 수직하중과 소선과의 상관성을 감안, JIS(B 8801)에 명시된 정격하중에 의한 로프의 권상속도(lifting speed) 범위인 208mm/sec ∼ 333mm/sec 값을 참고해 예비실험에서 나타난 최적조건을 선정했다.
이와 같이 소정의 미끄럼 속도에서 실험시간은 윤활조건에서 5분간 4번 반복했다. 이 때 마멸량 측정을 위해 10분간 초음파 세척 후 시험편의 트랙부 4곳의 단면이 표면 거칠기 측정기(Mitutoyo, Surftest-500)에 의해 측정된 후 평균 마멸 면적을 구했다. 마멸면은 SEM(scanning electron micro- scopy)에 의해 관찰했다. 실험 전·후 디스크 표면에 미끄럼 방향으로 존재하는 잔류 응력분포를 측정했다. 잔류 응력은 마멸트랙 위 4지점의 일정한 위치에서 미끄럼 방향으로 측정했으며 각 위치마다 3번 측정해 평균값을 사용했다.

실험결과 및 고찰
마멸 특성 : [그림 2]는 각 소선의 직경 및 수직하중에서 미끄럼 거리에 따른 마멸량의 변화를 나타낸 것이다. 일반적으로 쉬브강재는 대기압 윤활조건에서 재료강도와 접촉압력 요인에 따라 상대 로프재료와 강한 의존성을 가지는 것으로 알려져 있다. 그림에서도 알 수 있듯이 소선 직경이 φ0.93mm일 때 이들의 변화는 전부 미끄럼 거리 증가에 따라 초기 마멸부터 마멸량이 일정하게 증가하고 있다.
그러나 소선의 직경 φ1.56mm는 φ0.93mm와는 달리 미끄럼 거리 증가에 따라 초기 마멸부터 마멸증가 양상이 상이해 수직하중 49.0N과 고하중 범위인 68.6N에서는 미끄럼 거리에 대해 급격하게 증대한 후 다소 완만해지고 있다. 소선의 직경 φ2.30mm의 경우는 수직하중 29.4N과 49.0N에서는 각각 미끄럼 거리 132m 이후부터 시험편의 윤활 표면층이 파괴되면서 마멸량이 급증하고 있다.
이는 마멸량이 극대치를 나타내는 임계하중이 형성되면서 시험편 표면에 윤활층이 제거된 후 표면돌기의 소성변형에 의한 영향으로 추측된다.
특히 이와 같은 하중변화 양상은 저하중 범위에서도 미끄럼 거리가 증가하면 임계하중의 영향으로 윤활층 보호막이 마찰력을 이기지 못하고 심한 표면손상이 일어났음을 알 수 있다. 이러한 마멸량의 기복 변화는 고하중 68.6N에서 다시 안정되면서 마멸량이 일정하게 증대하는 특성을 보인다.
이 시점에서 평균 마찰계수는 0.30으로 소선의 직경 φ1.56mm에서 보인 0.28보다는 다소 높게 나타났으며, 이는 Teshima 등이 모델시험한 결과와도 일치하고 있다. 따라서 [그림 2]에서 공통적인 사실은 시험편이 상대소선의 직경에 따라서 마멸량을 기준으로 변화 양상이 급격하게 바뀐다는 사실이다. 이는 소선 직경이 수직하중을 기준으로 마찰 영향에 매우 민감하기 때문이다.
[그림 3]은 [그림 2]의 결과에 따른 마멸률을 나타낸 것이다. 소선의 직경 φ0.93mm의 경우는 미끄럼 거리 증가에 따라 마멸률 곡선은 비선형적 특성을 보이고 마멸률은 현저하게 적은 것으로 관찰된다.
소선의 직경 φ1.56m는 각 수직하중별로 초기 마멸 영역에서 마멸률이 급증하고 있으나 미끄럼 거리 증가에 따라 정상마멸 형태에서 마멸률은 일정하게 감소하는 것으로 관찰된다.
그러나 소선의 직경 φ2.30mm의 경우에는 마멸량에서도 보였듯이 임계거리 132m에서 큰 마멸률을 보였으나, 임계거리 회복시점에서는 현저한 증가 없이 전반적으로 미끄럼 거리에 따른 마멸률의 차이가 적은 것이 관찰된다.
따라서 이들 마멸률 곡선 상에는 일반적으로 보고된 바와 같이 초기와 정상마멸 영역에 관계없이 임의의 미끄럼 거리에서 불연속적으로 마멸률이 급증하는 현상이 관찰됨을 알 수 있다. 이러한 현상은 미끄럼 거리 변화 뿐만 아니라 하중변화에 따른 마멸특성 곡선 상에서도 동일하게 나타나는 현상으로 알려져 있다.
마멸면의 미시적 관찰 : [그림 4]의 (a) ~ (d)는 각 소선직경(φ0.93mm, φ 1.56mm 및 φ2.30mm)에 대해 미끄럼 거리 264m와 수직하중(29.4N 및 68.6N)에서 시험한 시험편의 마멸면을 SEM으로 관찰한 결과다. 그림에서도 보듯이 (a), (b)는 소선의 직경 φ0.93mm에 대한 시험편의 마멸면으로 저하중에서는 시험편 표면에서 정확한 마멸트랙의 검출이 어려울 만큼 작은 스커핑(scuffing)이 관찰되고 있다.
이것은 수직하중에서도 표면변화가 작을 뿐만 아니라 미끄럼 거리에 따른 변화 양상의 차이도 거의 없다. 그러나 고하중이 되면서 소성변형량과 함께 마멸 접촉면적이 증대하고 하부조직이 형성되지 못하고 있는 상황임을 알 수 있다. 이것은 마멸량이 점차 커지면서 변형된 윤활 표면층이의 변화는 저하중영역에서 급격히 변화하면서 홈이 파여 있음을 알수 있다.
이 결과는 정상마멸 시의 편마멸에 의한 미끄럼 거리의 증대에 따라 소성유동과 전단력에 의해 abrasive 마멸로 진행하다가 입자 탈락으로 균열을 일으키면서 피로마멸로 마멸형태의 천이가 이루어짐을 시사하고 있다.
그러므로 마멸형태의 천이가 이루어지는 변곡점은 이미 마멸량에서도 확인한 바 있다.
아울러 고하중 68.6N일 때 마멸면은 윤활막이 제거되면서 소성유동과 균열이 가속화되면서 피로마멸이 깊어지고 있음을 알 수 있다. 이것은 상대재인 굵은 소선직경이 마멸면과의 접촉시 탄성응력이 충분히 높아져서 균열발생에 필요한 정도가 되면 소성변형이 진행되기 전에 균열이 발생하고 전파될 것으로 추측된다.
이와 같은 현상은 시험편 재료와 상대재와의 전형적인 마멸형태로 많은 연구자들의 실험결과와 일치한다고 볼 수 있다. 따라서 시험편과 상대재 간 피로마멸면에 대한 접촉모델을 종합해 보면 [그림 5]와 같이 제안하고자 한다. [그림 6] (a) ~ (b)는 상대재료인 소선의 마멸면을 SEM으로 관찰한 결과다.
(a)는 소선의 직경 φ0.93mm에 대한 마멸면으로 마멸면은 높은 응착력에 의해 많은 균열층이 주름무늬 모양으로 표면 곳곳에 산재해 있음을 볼 때 응착마멸에 기초한 피로균열이 발생된 것으로 보인다.이것은 Stachowiak 등이 연구한 전형적인 소선의 마멸기구와 일치했다.
(b)의 소선의 직경 φ2.30mm의 마멸면에서는 abrasive적으로 마멸이 진행되면서 응착마멸을 수반함을 알 수 있다. 이러한 소선표면의 마멸형태 변화는 미끄럼 거리 증대에 따라 시험편 표면 마멸률 급증으로 이어졌음이 분명하다.
잔류응력 분포 : [그림 7]은 시험편의 마멸특성 변화가 가장 심했던 소선의 직경 φ2.30mm에 대해 저하중 29. 4N에서의 실험 전후의 시험편 표면의 미끄럼 방향에 대한 잔류응력 분포 변화를 나타낸 것이다. 실험 전의 시험편 경우 표면에서 최소 압축응력이 존재하며 264m까지 미끄럼 실험을 한 결과 큰 변화없이 표면에서는 압축잔류 응력값이 거의 일정하게 나타났다.
그러나 실험 후 시험편은 마멸트랙 위 4지점에서 각각 395~441 Mpa의 최대압축 잔류 응력값이 존재하며 실험 전과는 큰 대조를 보였다. 이는 표면에서는 소성변형에 의한 변화가 두드려지면서 표면파괴와 함께 미끄럼 거리 132m 구간에서는 431Mpa의 압축잔류 응력값을 나타냄으로써 결국 마멸기구가 잔류응력 분포에 영향을 받는다고 볼 수 있다.
그러나 저하중이 작용하는 시험편 표면에서 미끄럼 거리의 증가만으로는 잔류응력 분포에 큰 영향을 주지 못하며 재료에 형성될 수 있는 압축잔류응력에는 한계값이 존재하는 사실을 확인했다. 즉 미끄럼 실험에서는 마멸량 감소는 잔류응력보다는 시험편 가공경화의 영향을 받는다고 할 수 있다.

결론 : 소신직경이 작을수록 내마멸성 우수 등
크레인 쉬브의 내마멸성 기초평가를 위해 어닐링 한 탄소 주강품과 경강선재 간의 트라이볼로지적 특성을 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 어닐링 한 탄소주강품의 마멸률은 소선 직경에 의존함을 알 수 있었으며 소선 직경이 작을수록 내마멸성이 우수함을 확인했다.
둘째, 탄소 주강품의 마멸기구는 피로마멸이 주된 마멸기구로 밝혀졌으며 경강선재는 부분적인 응착마멸을 일으키면서 피로균열 전파에 의한 미시적 연삭마멸을 수반한다. 셋째, 잔류응력 분포의 변화는 미끄럼 거리에 따른 응력분포에 큰 영향을 주지 못하며 접촉표면에서는 일정한 값을 나타낸다(문의 : 경북대학교 기계공학과 / 전화. 053-957-4361).