14. 피팅 (Pitting, Surface Fatigue)

피팅 (Pitting, Surface Fatigue)

 

표면피로(surface fatigue), 또는 일반적으로 피팅(pitting)이라 부르는 것은 기어 재질이 견딜수 있는 치면용량을 초과 했을 때 나타나는 피로파괴 현상이다. 하중작용 중의 기어는 표면과 표면 아래에 주기적인 응력이 발생한다. 하중이 충분히 높고 응 력 주기가 크면 표면에서 작은 입자가 피로한도를 넘어 떨어져 나감으로 접촉면에 작 은 홈이나 공동이 생성된다. 표면 손상의 심각성에 따라 (I)초기피팅(initial pitting), (II)급격한 피팅(destr- uctive pitting), (III)스폴링(spalling, 쪼갬, 깸) 세종류의 단계로 분류한다. 1. 일반적으로 초기 피팅의 홈은 2.5 m 이빨에서 지름 0.4 mm, 5 m 정도의 이빨에서 지름 0.8 mm 정도로 꽤 작다. 이 것들은 국부적으로 과다 응력이 작응하는 곳에서 발 생하며 높은 접촉응력점을 점차적으로 제거함으로 하중을 재 분배하는 경향이 있다. 하중이 좀더 고르게 분포 되었을 때 피팅 현상은 줄어 들어서 결국 사라진다. 이런 성질의 초기 피팅은 가끔 "교정" 피팅으로도 부른다. 2. 파괴적인 피팅은 좀더 가혹하고 홈은 항상 크다. 파괴적 피팅은 재료의 허용한계 와 비교해서 응력 수준이 높을 때 발생한다. 그림 8.1은 전형적인 파괴적 피팅이 일 어난 피니언의 모습이다.

 

[그림 8.1]

 

이런 성질의 피팅은 치형이 회복할 수 없을 정도로 파괴되기 때문에 항상 치명적이다. 그리고 전달하중이 그대로 유지된채로 작동 된다면 피팅은 점점 악화되어 기어장치가 보수되어야만 하거나 기어이에 크랙과 절손이 발생한다. 3. 스폴링은 파인홈 지름이 크고 상당한 영역에 걸쳐 있을 때 사용하는 용어라는 것 을 제외하고는 파괴적인 피팅과 유사하다.

 

 

 

 

[그림 8.2]

 

 

 

 

 

 

 

그림 8.2의 스파이럴 베벨 피니언은 스폴링의 대표적인 예이다. 때로 스폴링은 침탄 처린된 기어와 피니언에서 발생한 홈과 큰 조각의 표면 금속이 피로로 인하여 떨어져 나갈 때 일어난다.(이것은 침탄파손과 혼동되어선 안된다) 또한 스폴링은 파괴적인 피팅홈이 상대방에 침입하여 불규칙하고 큰 직경의 공동을 만들 때 형성될 수 있다. 기어가 파괴적인 피팅이나 스폴링에 의하여 파손 될 때 기어 설계자는 광범위한 조 사를 하여야 한다. 기어 맞물림이 심각한 정렬오차-대부분 수정 가능하다-증거를 보 이지 않는 이상 파괴적 피팅이나 스폴링은 설계가 목표하중을 전달할 수 있는 용량을 가지고 있지 않다는 증거가 된다. 이경우 재설계는 하중 전달 능력을 증가시키는 방향으로 실시하여야 한다. 중간 경 도의 기어는 완전히 경화 되어야 한다. 이는 표면 금속의 지속한계를 피팅을 방지할 수 있을 만큼 충분해 질 수 있도록 증가하는 하는 것이다. 고 용량의 질화처리 금속 이나 침탄처리 금속등으로 재질을 바꾸는 방법도 있다. 위 두가지 재질은 피팅능력을 증가하는데 탁월한 효과가 있다. 때로 재질과 열처리를 바꾸는 것 만으로 재설계가 충분하지 않을 수 있다. 이 경우 치폭을 중가 시키면 치폭 단위길이당 전달하중이 줄어 피팅 저항력이 증가 된다. 기 어 박스의 중심거리도 증가 시킬 수 있다. 전달 하중을 감소시켜 결국 표면 피팅을 개선하는 방법중 하나이다. 전형적 피팅은 표면아래(subsurface)의 전단응력이 최대가 되는 응집점에서 시작한 다. 크랙은 표면 아래 몇만분의 1 mm 깊이 정도에서 시작되어 표면으로 진행되고 작 은 금속조각으로 떨어져 나간다. 떨어져 나간 면적의 옆면은 그림 8.3에서 보는 것과 같이 표면에 수직이다.

 

 

 

 

[그림 8.3]

 

  

 

  

표면아래 피팅은 표면 응력과 표면 아래의 전단응력, 작용 사이클, 재질 청정도의 함수다. 이것을 기초로 이중 진공 재용융강(? double vacuum remelt steel)과 같은 재질로 표면아래 피팅에 대해 최대 저항력을 가지도록 할 수있다. 실제로는 산업용 기어 장치의 기어이에서 발생하는 표면 피로의 상당 부분은 표면의 파손에서 발생하느 피팅이다. 경계나 혼합윤활 영역에서 작동하는 기어는 금속-금속 접촉이 상당량 일어난다. 이전 문지름 동작은 표면 개시 크랙 점 생성을 유발한다. 크랙은 이런 표면 위치에서 시작하여 표면 금속으로 전파되어 초기 크랙 시스템이 반 복응력 사이클에 의하여 유도 되도록 한다. 표면에서 시작한 홈은 그림 8.3에 구조적 으로 보여 준다. 표면 유발 홈은 깊이 방향으로 진행되고 가지를 친 경사면을 가지고 있다. 가지중 하나가 표면으로 향할 때 표면에서 동공이나 홈은 남겨 놓고 작은 금속 조각이 떨어져 나간다. 표면 압축의 낮은 지속한계 때문에 동재질의 웜기어는 표면피팅과 스폴링이 쉽게 일 어나는 경향이 있다. 그림 8.4는 다수의 작은 홈이 나중에 큰 동공을 형성한 스폴링 의 예를 보여준다.

 

 

 

 

 

[그림 8.4]