자동차 고급윤활유와 윤활 형태,점도의 중요성

자동차 고급윤활유와 윤활 형태,점도의 중요성

고급 윤활유가 자동차에 필요한 결정적인 이유는 성능 및 내구성 향상이다. 특히 고급 윤활유는 고온일수록 제 값을 톡톡히 해서 고성능 자동차 및 스포츠카는 필수로 알려져 있다. 고온에서 점도 변화 폭이 적을수록 기계적인 성능을 100% 발휘할 수 있다.

(참고) Bowden, F. P. and Tabor , D, The Friction and Lubrication of Solids, Pt Oxford Univ. Press

마모에 영향을 주는 요인은 무엇인가?

서로 문질러지고 있는 양 표면은 세 가지의 중요한 측면에서 마모에 영향을 준다. 여기서 자동차가 출고되고 나서 소비자가 관리할 수 있는 부분은 2번과 3번이다.

1 문질러지고 있는 재료의 성질

2 막에 의해 점령된 표면의 형태

3 윤활제의 원료와 성질

윤활유에 따라 기계적 성능 차이 발생한다.

일반적으로 금속의 경도는 온도에 의해 의존되며 온도가 높을수록 경도는 낮아진다. 다른 영향이 없다면 돌기가 점착되기 위한 경향과 같이 마모율은 경도가 작을수록 증가하며 또한 온도가 높을수록 증가한다. 이러한 경향을 극복하기 위하여 고온에서 작동되는 베어링 금속으로 고온 경도가 매우 높은 금속을 사용하는데 그 좋은 예로 피스톤 핀을 들 수 있다.

고온에서 주로 많이 사용되는 금속은 공구강인 코발트, 크롬, 몰리브덴 혼합물로 된 합금이다. 그러나 약 800℃ 이상의 온도에서는 요업금속과 도자기의 사용이 요구되기도 한다. 세라믹은 고온으로 열처리하여 만든 비금속의 무기질 고체 재료를 뜻하고 열에 강한 장점이 있어서 피스톤 상면에 코팅이 되기도 한다.

그러나 열에 강하다고 해서 강도도 강하다고 생각하면 오산이다. 왜냐하면 집에서 쓰는 유리그릇을 연상하면 이해가 갈 것이다. 서로 다른 온도의 영향은 온도로 인해 유발되는 상변화가 베어링 금속의 성질을 급진적으로 바꾸는 원인이 된다. 보통 대기상태에서는 대부분의 금속은 산화 막으로 쌓여 있다. 그 막의 정확한 형태와 두께는 온도 형성과정이 결정한다.

만약 오일에 의해서 윤활이 되고 있는 베어링의 작동온도가 증가하면 우선 오일의 산화에 의해서 퇴보가 일어나며 그 다음 열적 퇴보를 가져온다. 이것은 유기 유동체가 마모를 줄이는 데 효과적이지 못한 한계를 설정하기도 한다. 예를 들어 고온에서 대체 윤활제는 흑연과 몰리브덴 이황화물과 같은 고체 윤활제를 포함해야 한다.

엔진오일을 고체 윤활유를 사용하면 어떻게 될까? 윤활이 필요한 곳에 오일이 공급이 되지 않아 엔진 온도는 순식간에 치솟을 것이다. 그 후의 일은 각자의 상상에 맡기도록 하겠다. 산화와 열적 퇴보는 오일의 윤활 성질에 있어서 회복할 수 없는 변화의 원인이 된다. 이미 변질된 윤활제는 새 것으로 보충을 하더라도 크게 달라지지 않는다. 따라서 오래된 오일에 새 오일을 보충하는 것보다는 완전히 교환하는 편이 바람직하다.

결과적으로 자동차 관련 기술이 높아질수록 윤활유 성능이 더욱 중요하게 작용될 전망이다. 기계적인 고성능을 추구하기 위해서는 이를 충족시킬 수 있는 윤활유가 필요하기 때문이다. 고급 윤활유가 때로는 기계적인 핸디캡을 보완하는 경우도 있다. 예를 들어, S 자동차 회사의 모델 중에서 OE 냉각수 외에 다른 제품을 쓰게 되면 냉각이 되지 않는다. 결국 케미컬이 기계적인 성능을 보완할 수 있다는 증거다.

윤활 형태 및 점도의 중요성

본격적인 겨울이 시작되면서 윤활유 관리에 비상이 걸렸다. 사람이나 기계나 적정 온도를 유지해야 최상의 컨디션을 유지할 수 있다. 겨울에는 사람도 춥지만 자동차 엔진도 추위를 타기 때문에 더욱 세심한 윤활관리가 필요하다. 윤활의 형태와 점도에 대해서 알아본다. 자동차 엔진은 마찰과 마모가 절대로 일어나면 안 되는 장치다.

윤활의 형태

윤활은 마찰되는 면에 따라 요구되는 조건이 다르다. 하중 및 마찰계수가 중요하게 작용하는 가운데 마찰되는 부분의 간격으로 인해 형태가 달라진다.

1> 유체윤활 (hydrodynamic lubrication)

유체 윤활은 접촉면이 윤활제에 의하여 완전히 분리된 경우를 말한다. 이 경우에 접촉 표면에 걸리는 하중은 모두 접촉면의 상대운동에 의해 발생되는 유압에 의해 지지되게 된다. 따라서 접촉 표면의 마모는 매우 작으며 마찰 손실도 오직 윤활막 내에서 이루어지게 된다. 유체 윤활시의 최소 유막 두께는 0.008~0.02mm 정도이며 마찰 계수는 0.002~0.01 범위이다.

2> 혼합 윤활(mixed-film lubrication)

혼합 윤활은 접촉 표면 돌기들의 간헐적인 접촉과 부분적인 유체 윤활이 혼합되어 있는 윤활을 말한다. 이 때 마찰 계수는 0.004~0.1 정도의 범위에 있고 접촉 표면의 약간의 마모도 수반하게 된다.

3> 경계 윤활(boundary lubrication)

경계 윤활은 계속적이고 심한 표면 접촉이 일어나면서도 윤활유는 접촉 표면에 계속하여 공급되어서 접촉 표면에 마찰과 마모를 감소시킬 수 있는 표면막(surface film)을 형성하는 윤활을 말한다. 이 경우 마찰계수는 보통 0.05~0.2 범위에 있다.

윤활 조건은 마찰과 마모를 조절

윤활제는 상대운동을 하고 있는 상황에서 상호 영향을 미치는 표면 사이의 마찰과 마모를 조절하는 재료로서 정의된다. 윤활제는 반대표면 위에 있는 돌기들(표면 거칠기)의 접촉을 막는 역할을 한다. 윤활제는 기체, 액체, 고체의 형태로 존재할 수 있다. 이 세상에는 많은 종류의 윤활제가 있는데, 각 윤활제는 특별한 적용에 대한 그 요구 조건을 만족시키기 위해 독특하게 만들어진다. 공기 및 가스 베어링은 현재 아주 흔한 것이고 윤활유로서 물을 사용하는 예도 많이 있으며 공정유(process fluid)의 사용도 증가하고 있다. 한 가지 색다른 예는 핵 원자로 내의 쓰이는 윤활유로서 액체 나트륨을 사용하는 경우도 있다. 그러면 유체 윤활제에 대해서 살펴보면 윤활유의 우선 조건은 마찰과 마모를 조절하는 것이다. 그러나 어떤 부분에서는 이차적 기능도 역시 중요하다. 내연기관에서는 윤활유는 열을 제거하는 냉각제로서의 역할도 하며 부식과 녹을 줄이는 방식제와 방청제의 역할도 한다. 또한 마모 입자를 운송하는 역할도 한다. 트랜스미션유와 유압유에 있어서는 트랙션(traction)이 중요한 특성이다.

윤활유, 가장 중요한 것은 점도

자동차 엔진오일은 무교환이 없을까? 일반적으로 윤활유의 기능은 여러 가지 작동 환경 조건에서 그들의 다양한 적용만큼 많이 변한다. 윤활제는 그 자체가 재료로서 어떤 조건에서 퇴화될 수 있다. 퇴화로 인해 윤활유는 그 기능적인 특성을 잃어버릴 수 있으며 결국 재료와 장치의 파괴를 초래할 수 있다. 그래서 일정 기간이 지나면 엔진오일을 교환해주는 것이다. 엔진오일 교환 시기를 놓쳐 부품의 마모가 발생되기 시작하면 그 엔진 수명은 급격하게 단축되고 만다. 한번 시작된 마모는 멈추지 않고 계속될 수 밖에 없다. 그래서 엔진오일 교환 시 부족한 것보다 차라리 많은 양을 주입하는 게 위험도를 줄일 수 있는 방법이다. 엔진오일 측정 스틱에 F와 정확하게 맞추는 것이 중요하다.

또 가스와 액체 윤활제에 대해서 유체윤활, 탄성유체윤활 및 경계윤활이란 용어가 자주 사용된다. 유체 윤활접촉에서 접촉 표면들 사이의 좁아지는 쐐기 모양이 나타나며 상대운동 하에 있는 이러한 좁아지는 모양은 유막을 형성하며 이것이 작용 하중의 일부 혹은 전부를 지탱해 결국 두 표면을 분리한다. 그러므로 유체 윤활은 상대적으로 두꺼운 유막에 의한 두 표면의 완전히 분리된 상태를 말한다. 유체 윤활과 탄성유체윤활 영역에서는 중요 윤활유 매개변수는 점도와 점도-압력계수이다. 하중을 지탱하기 위한 윤활유 막을 형성하는 능력은 유체의 점도와 상대속도와 직접적으로 관계된다. 윤활되는 부위의 접촉 접합부에서는 온도와 압력이 매우 높다. 유체 윤활제에 대해서 점도는 온도가 증가할수록 감소하며 압력이 증가할수록 증가한다. 기체 윤활제는 반대 현상이 일어난다. 점도의 증가는 일반적으로 두꺼운 윤활유 막을 형성하며 점도 감소는 윤활유 막의 붕괴를 초래할 수도 있다.

유체 윤활제에 대해서는 고온에서의 점도를 증가시키기 위해서 여러 가지 화학적 첨가제가 사용된다. 액체는 단연 가장 흔하게 사용되는 윤활유이다. 여러 가지 성질을 갖는 매우 다양한 액체 윤활유 재료가 있으며 다양하게 적용된다. 그것들은 대부분 석유에서 추출된 오일이나 식물성 오일 및 동물성 기름도 가끔 사용되기도 한다. 이러한 윤활유는 시계와 같은 작은 기계부터 자동차, 항공기, 인공위성까지 윤활하기 위해 사용한다. 액체 윤활유는 매우 바람직한 이차적인 성질과 특성을 가지고 있다. 즉 접촉하고 있는 부품을 냉각하는 비교적 높은 열용량을 가지며 또한 부식을 막는 방식제와 녹 방청제 및 청정제와 같은 여러 가지 성질을 만드는 화학 물질과 쉽게 섞일 수 있다. 또한 쉽게 오염 물질을 여과 시킨 후 제거하여 깨끗하게 되어질 수 있다. 일반적으로 현재 사용되는 액체 윤활유는 윤활 작용을 하는 기저유와 화학적 첨가제를 혼합한 것이다. 이 두 가지 성분을 선택적으로 조합해 여러 가지 목적을 위해 만들어지는 무수한 특정 윤활유를 생산한다. 강조하건데 액체 윤활유에서 가장 중요한 성질은 점도다.