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엔진 코팅제의 역활 및 기능
자동차 엔진 내부의 윤활유는 금속끼리의 마찰 회전을 원활하게 할 뿐만 아니라 엔진의 냉각 및 방청 효과의 기능도 가지고 있다. 엔진이 정지상태로 2~3시간 정도 지나면 엔진 오일이 모두 오일 팬으로 흘러 내려가 엔진 시동을 거는 순간 크랭크 샤프트, 캠 샤프트, 피스톤 그리고 피스톤링 표면에 순간적인 마찰 마모가 일어나게 된다. 이는 겨울철 엔진이 냉간 상태에서 더욱 심하게 발생한다.
캠 샤프트 메일 저널 베어링 부위같이 금속과 금속에 마찰력이 발생하면 이것이 열에너지로 변환되어 마찰이 일어나는 부위의 온도를 상승시키게 되고 이 열은 순간적인 고착을 발생시킨다. 마찰면이 거칠지 않은 보통의 메인 베어링을 보면 마찰이 소착 현상의 85% 이상을 차지하고 이것이 베어링 마모의 주원인이 된다. 그리고 마찰로 기인하여 발생되는 온도의 상승으로 인하여 엔진 속도가 빠르면 소착부의 온도도 높아지고 하중이 증가하면 소착부의 온도 역시 증가하게 된다.
※ 고착 : 슬러지나 검에 의해 유동하는 물체를 유동하지 못하도록 고체화 시키는 것
이 소착 현상을 줄여 주기 위해 마찰 부위에 윤활제를 넣어 주게 되는데 속도가 높거나 가벼운 경우에 유체(윤활유)의 표면 장력으로 인하여 미끄러지며 나가듯이 윤활제들이 유막을 형성하여 두 물체의 저항은 매우 작다. 그러나 속도가 낮아지거나 엔진 토크가 상승되면 유막이 쉽게 파괴되고 마모가 심하게 일어나는 것을 줄이기 위하여 윤활유 첨가제와 코팅제를 사용한다.
● 윤활유 첨가제의 효과 및 종류
윤활유 첨가제는 원유의 증유분이 아닌 화학 물질로서 기유의 물리적, 화학적 성질을 보완, 강화시킴으로써 윤활유 성능을 향상시키는 것으로 효과는 다음과 같다.
① 마찰 마모 최소화
② 금속표면 보호
③ 작동 온도 및 압력에 대한 안정성 향상
④ 산화와 열분해에 대한 화학적 안정성 향상
※ 산화 : 어떤 물질이 산소와 결합하는 과정
⑤ 내 부식성
⑥ 소포제
⑦ 내 휘발성
⑧ 점도유지
첨가제는 윤활 기유의 특성을 강화시키는 방법으로 2가지 형태가 있다.
① 윤활 기유가 가지고 있는 물성을 강화하기 위해 첨가하는 형태로 기유의 산화 분해, 열분해, 접촉 금속 사이의 마모 감소 등을 목적으로 하는 첨가제
② 윤활 기유에는 없는 물성을 얻기 위해 첨가하는 형태로 기존 마모되어 버린 부위에 작용하여 마모 부위를 보상시킬 수 있는 첨가제(일명 코팅제)
엔진 내부 코팅제의 기본 소재는 건성 윤활제이다. 건성 윤활제는 성분에 따라 그 효능에 차이가 있는데 세계적으로 널리 사용되는 윤활제로는 흑연과 몰리브덴 그리고 불소수지인 PTFE(Poly Tetra Floid Ethylene) 등이 있다. 이 가운데 PTFE는 인류가 개발한 물질 가운데 가장 매끄러운 것으로 기네스북에 올라 있을 정도다.
윤활제에 따른 엔진 내부 코팅제의 방법을 다음과 같이 나누어 볼 수 있다.
첫째, 고분자 물질인 테프론(PTFE)을 금속의 함몰된 부분에 메워 주도록 접착력을 부여한 불소수지 타입이 있다.
둘째, 엔진 금속보다 강도가 약한 고체 윤활제(몰리브덴)를 사용하여 손상된 부위에 침투되도록 하여 함몰된 부위를 메워 주는 방법이 있다.
셋째, 금속 자체가 양극성인 (+)를 띠고 있으므로 그 반대되는 물질인 (-)를 띠는 물질을 투입해서 금속과의 강력한 결합으로 피막을 형성하여 손상된 부분을 보상하는 방법이 있다.
● 코팅 TYPE 종류
윤활유의 내하중 성능(하중에 견딜 수 있는 힘)은 크게 세 가지로 분류된다.
첫째, 윤활유의 점도에 의한 내 하중성
둘째, 유기 극성 화합물의 금속에 대한 친화력을 이용한 하중성
셋째, 금속 표면과 반응에 의한 고체 윤활 피막의 형성효과로 인한 내 하중성이다.
첫째인 윤활유 점도에 의한 유체 역학적 효과에 의한 내 하중성은 유체 역학적 효과에서 기대 할 수 있는데 주로 윤활유의 분자량과 온도에 따른 점도 등에 관계된다.
둘째인 유기 극성 화합물의 금속에 대한 친화력을 이용한 내 하중성은 분자의 구조에 관계되는 것으로 이 성질을 이용한 첨가제의 분자는 분자의 구조가 긴 선형 화합물로서 한쪽은 전자 밀도가 높은 극성기에 따른 쪽은 긴 탄화수소를 가진다. 극성기는 금속 표면에 부착하고 탄화수소는 윤활유 중에 포함돼 있어 이 극성 결합력으로 인해 내 하중성을 나타낸다.
섯째인 금속 표면과의 반응에 의한 고체 윤활 피막의 형성 효과로 인한 내 하중성은 흡착막 그 자신에 의한 것이 아니고 마찰면의 요철부에서 윤활막이 끊어져서 금속끼리의 접촉이 일어날 때 국부적 금속 융착에 의한 발열로 금속면과 반응하여 금속 무기화합물의 피막을 그곳에서 빠른 속도로 형성함으로써 녹아 불음과 마모를 방지하는 작용을 한다. 즉, 코팅제 등에 의해 금속 표면에 형성되는 금속 무기 화합물 막은 본래의 금속 또는 금속 산화물보다도 융점이 낮고 전단 강도가 낮으므로 슬라이딩 베어링에 사용하는 화이트 메탈에 의한 윤활 작용과 동일한 성절을 가지고 있다.
※ 융점 : 녹는 점
또한, 코팅제 등에 의해 금속 표면에 형성되는 금속 무기 화합물 막이 본래의 금속 또는 금속 산화물과 반대로 자체에 극성이 있어 상호간 척력이 생겨 매끄러운 것도 있는데, 이것은 코팅제의 가장 이상적인 형태로, 금속의 마찰이 1/2이하로 줄어들어 금속을 보호하므로 마모 역시 1/2이하로 줄어들고 전단에 사용되던 힘이 출력으로 나타나 에너지 소비가 줄어든다.
1) 유황계 : 황화 유지류, 설페이트류, 티오 카보네이트류, 황화 테르펜, 황화 올레핀
2) 할로겐 계 : 염소화 카본산 유도체, 요오드 화합물, 불소 화합물
3) 인계 : 포스페이트, 포스파이트, 아민 포스페이트, 나프테네이트, 트리 크레질 포스페이트
4) 유기 금속 화합물 계 : 나프텐산염, 지산산염, 티오인산염
5) 고분자 계 : PTFE
1. 불소수지(폴리테트라플루오르에틸렌 : PTFE)
불소수지는 C-C결합으로 이루어지는 폴리올레핀과 같은 결합인데, 폴라올레핀의 수소의 일부 또는 전부가 불소원자로 대치된 구조를 가진 합성수지이다. 시판되고 있는 것으로 8종류의 불소(Fluorine)수지가 있는데 그 중에서 70%인 폴루오르 에틸렌(PTFE)이 대표적이다. PTFE는 테프론이란 상품명으로 알려져 있는 결정성 수지이다.
PTFE는 융점 327℃의 결정성 풀리머로 연속사용온도는 260℃이고 저온(-268℃)에서 고온까지 않전해서 사용할 수 있다.
기계적 특성에서의 최대 특징은 마찰계수가 작아 윤활성 매우 높고, 비접착성도 큰 특징으로 코팅된 부위에 다른 이물질이 붙지 않는다는 것이 장점이다. 그리고 비점착성이며, 어떤 탄화불소 코팅보다 높은 내열성(290C / 550F)과 매우 낮은 마찰계수, 우수한 내마모성, 내화학성 그리고 내부식성의 특징이 있다.
2. 몰리브덴 코팅
고체윤활제인 이황화몰리브덴의 적용은 원래 군사적인 목적에서 시초가 되었다. 물론 그 이전에도 윤활학자들로 부터의 연구보고서, 윤활제로서의 사용특허가 1920년대에 출원되기도 하였으며, 진공중에서 낮은 마찰을 나타낸다는 사실이 1940년도에 이미 보고된 바 있다. 군사목적으로의 응용도 진공중에서 낮은 마찰을 갖는다는 사실과 무관한 것이 아니었다. 1944년도에 세계최초의 목격기 B29에 적용되었던 것이 이황화 몰리브덴의 적용 시초이며, 실리콘오일의 최초 적용도 이와 같은 시기였다. 이황화물리브덴의 특징은 다른 고체윤활제와 비교해 볼 때 내하중성능이 강하고 마찰계수가 낮기 때문에 상압으로부터 진공 또는 저온에서 고온(400℃정도)에 이르기까지 낮은 마찰계수를 나타낸다. 또한 내하중성능(내압성)이 28,000kgf/㎠ 정도로서 극압성에 탁원한 성능을 나타낸다.
이황화몰리브덴의 응용에 있어서 중요한 전기(轉機)는 이황화물리브덴을 윤활유에 첨가하여 페이스트 상태로 하거나 용제에 분산시
켜서 도포성을 향상시켰던 점이다. 도포성의 향상으로 인하여 사용범위가 확대되었으며, 용제 중에서 수지분(樹脂分)을 첨가하여 dry film 윤활제로도 발전시켜 왔다. 이와 같은 접동 부분에서 이황화몰리브덴은 오일 윤활이 불가능한 영역에서도 사용이 가능한 특수윤활제로 사용되었으며, 이후 적용범위가 더욱 확대되었던 것은 그리스에 이황화몰리브덴을 첨가하여 사용하기 시작하였던 것이다.
통상 그리스는 매마멸성, 내하중성이 불충분하여 트러블의 발생이 빈번하였으나, 이황화몰리브덴이 첨가되면서 이와 같은 성능들이 대폭 강화되었다. 특히 열로 인하여 용융현상이 없는 무적점 벤토나이트 그리스에 이황화몰리브덴을 첨가한 제품은 현재도 전투차량용 그리스로 널리 사용되어 오고 있다. 산업용의 경우에는 오일 중에 이황화 몰리브덴을 분산시키는 기술향상에 큰 영향을 받았다. 이황화 몰리보덴을 오일 중에 분산시키는 방법과 분산기술의 확립으로 점차 오일 중에 분산시키는 방법과 분산기술의 확립으로 점자 오일상태의 제품개발이 가능하게 되었으며, 용제를 사용한 dry film등의 개발로 인하여 고체 윤활 적용법의 기본형태가 완성되었다. 이황화몰리브덴을 첨가한 오일아나 그리스는 기계의 마멸이나 각종 트러블을 감소시키는데 중요한 역할을 하게 되었다.
한편 자동차 산업도 고도로 발전하여 고성능, 고속엔진이 개발됨에 따라 엔진오일의 고성능화가 요구되었으며, 이에 따라서 이황몰리브덴이 함유된 엔진오일이 개발되기에 이르렀다.
몰리브덴 코팅의 문제점은 다음과 같다. 피스톤과 실린더의 간격( clearance)과 캠샤프트와 베어링 사이의 간격을 작게 하는 경향이
있다. 이는 고체 접촉에 의해 일어나기 쉬우므로 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 clry film의 처리가 필요하다. 또한 열적 한계가 있는 점과 색이 검기 때문에 작업자가 사용을 꺼려한다는 점이 있기는 하지만 본질적인 문제점은 그 상태가 고체라는 점이다. 그러므로 이황화몰리브덴의 경우 마찰면으로의 도입이나 부착이 선결되지 않는다면 윤활제로서의 효과를 기대할 수가 없다.
● 금속 코팅 윤활제의 특성
금속 코팅 윤활제는 계면에 있는 유막의 두께 및 유막 구성력 등과 윤활 상태에 따라 다음과 같이 그 특성이 3단계로 나타난다.
1. 완전 윤활(Thick film Lubrication)
수력학적 윤활 또는 유체 윤활이라고도 하며 이것은 가장 이상적인 윤활로서 충분히 두터운 유막에 의해 두 개의 마찰면이 완벽하게 분리되고 베어링 간극 중에는 수력학적인 후막의 형성으로 이것이 하중과는 균형을 이룬다. 이것은 윤활 상태가 아주 좋을 경우에 지속되며, 이때의 마찰력은 윤활유의 성질과 밀접한 관계가 있으며, 금속과는 무관하다. 그리고 마찰계수는 0.01~0.005로서 최저이다.
2. 불완전윤활(Boundary Lubrication)
박막윤활, 동력학적 윤활이라 하며 이것은 후막윤활 상태에서 하중이 증가하거나 유온이 상승해서 점도가 떨어지면 후막윤활에서 벗어나서 국부적으로 금속간의 직접적인 접촉이 일어나는 경우를 이야기한다. 이것은 오일의 점도와는 무관하게 일어나는데, 이러한 현상은 수력학으로는 설명을 할 수가 없고 이것은 유막의 특성에 관계된다.
3. 경계윤활(Extreme pressure Lubrication)
하중이 더욱 증대되어 마찰면의 온도가 더욱 높아지면 경계 윤활만으로는 하중을 지탱할 수 없어 유막이 파괴되고, 마침내 금속 접촉이 일어나 접촉 금속 부분에 융착과 인열이 일어나고, 마찰은 급증한다. 동시에 마찰면은 파과, 균열, 긁힘이 일어나고, 국부적인 고온, 고압은 금속 피로의 원인이 된다.
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