윤활유

왜 배우는가: 윤활유는 마찰·마모·발열을 줄여 기계의 효율과 수명을 지키는 가장 기본적인 설비 관리 수단이다. 기계설계와 설비 안전에서 윤활 불량은 베어링 소손, 과열, 화재의 원인이 되므로 사용목적과 구비조건을 정확히 알아야 한다. 기술사 시험에서도 용어형과 논술형으로 반복해 출제되는 기본 개념이다.

출제 이력: 제123회 1교시 6번, 제90회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 윤활유는 상대 운동하는 두 면 사이에 넣어 마찰을 줄이고 마모·발열을 막는 액상 또는 반고체형 물질이다.

핵심 키워드: 윤활(Lubrication), 유막(Oil film), 마찰 감소, 냉각작용, 밀봉작용, 방청작용, 점도(Viscosity), 점도지수(Viscosity Index), 인화점(Flash point)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 윤활유는 기계 부품이 서로 스치며 돌 때 그 사이에 끼워 넣는 기름이다. 기름이 얇은 막을 만들어 금속끼리 직접 닿지 않게 한다.

정식 정의는 움직이고 있는 두 물체 사이에 액상이나 반고체형의 물질을 넣어 마찰을 감소시키고 움직임을 쉽게 하는 것이다. 이때 넣는 물질을 윤활제라고 하며, 액상이면 윤활유, 반고체형이면 그리스라고 부른다.

유막(Oil film)은 금속 표면 사이에 형성되는 얇은 액체층이다. 유막이 하중을 떠받치면 금속 접촉이 줄고 마찰계수가 낮아진다. 윤활 목적의 출발점이 이 유막이다.

점도(Viscosity)는 액체 분자 사이의 마찰에 의한 내부 저항이다. 점도가 너무 크면 내부 마찰로 동력이 많이 손실되고 시동 토크가 커지며 열전달이 나빠진다. 점도가 너무 작으면 하중이 커질 때 유막이 쉽게 파괴된다. 점도는 온도가 오르면 낮아지고 압력을 받으면 커진다.

점도지수(Viscosity Index, VI)는 온도 변화에 따른 점도 변화의 작은 정도를 나타내는 값이다. 점도지수가 클수록 온도와 압력 변화에 따른 점도 변화가 작다.

유성(Oiliness)은 경계윤활 상태에서 금속 표면에 기름이 분자 인력으로 흡착해 얇은 막을 만드는 성질이다. 동·식물성 기름은 유성이 크고, 광물성 기름은 일반적으로 유성이 작다.

인화점(Flash point)은 시험 조건에서 표면의 증기가 시험 화염에 붙는 온도다. 같은 점도라면 인화점이 높은 기름이 양질로 평가된다. 필요 이상으로 높으면 다른 성능이 떨어질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

기계는 접촉 면이 많을수록 마찰과 마모가 커지고, 이 열과 손실이 효율 저하와 파손으로 이어진다. 금속 면을 직접 맞대고 운전하면 짧은 시간에 소착과 마모가 생긴다. 이 문제를 해결하려고 기계 부품 사이에 기름을 공급하는 방법이 자리 잡았다.

초기에는 동물성 기름과 식물성 기름을 쓰다가, 원유 정제 기술이 발전하면서 광물성 윤활유가 주로 쓰이게 되었다. 이후 첨가제 기술이 더해져 고온·고하중·저온 조건에서도 쓸 수 있는 윤활유가 개발되었다. 합성 윤활유는 저온 유동성, 산화 안정성, 높은 인화점 같은 장점 때문에 항공·극지·불연 유압 분야에 쓰이며, 비용이 높아도 그 가치를 인정받는다.

현대 설비에서는 고속 회전과 고부하 운전이 늘면서 윤활 설계의 중요성이 커졌다. 윤활 상태를 잘못 판단하면 베어링 파손, 과열, 유막 파괴로 이어져 설비 사고의 원인이 된다. 그래서 윤활유의 목적과 구비조건을 기준으로 윤활제를 고르는 일이 설계와 안전 관리의 기본 절차가 되었다.

4. 구성요소·원리·절차

윤활은 두 접촉면 사이에 윤활제를 넣어 유막을 만들고, 그 유막이 금속 접촉을 막아 마찰과 마모를 줄이는 작업이다. 윤활 상태는 유막의 두께에 따라 정해지며, 유막이 얼마나 두꺼운지가 마찰 거동을 결정한다.

윤활 시스템의 구성요소는 다음과 같다.

윤활 원리는 윤활막의 두께 h와 표면 거칠기의 비에 따라 구분한다. 유막이 충분히 두꺼우면 유체윤활이 되어 표면이 완전히 떨어지고, 유막이 얇아지면 경계윤활로 옮겨 가 표면 돌기가 일부 접촉한다. 극압 조건에서는 극압윤활이 되어 극압 첨가제가 금속 표면에 화학 피막을 만든다. 이 세 상태는 하중, 속도, 점도가 함께 작용하여 전환되므로 한 값만으로 판단하지 않는다.

유체윤활 상태의 마찰 거동은 Stribeck 곡선으로 설명한다. 마찰계수는 베어링 특성수 \frac{\eta N}{P} (η: 점도 Pa·s, N: 회전속도 rpm, P: 단위면적당 하중 Pa)가 작을 때 경계윤활 영역에서 크게 나타나고, 값이 커지면 유체윤활 영역에서 점도에 비례하여 증가한다. 이 곡선의 최저점 근처가 혼합윤활이다.

윤활 시스템을 설계하거나 점검하는 절차는 다음과 같다.

• 운전 조건(하중, 속도, 온도, 환경)을 확인한다.
• 운전 온도에서 필요한 점도를 정하고 점도지수를 고른다.
• 윤활 상태(유체, 경계, 극압)를 판정하고 윤활제 형태(오일, 그리스, 고체)를 정한다.
• 급유 방식과 급유량을 정하고 밀봉과 여과 장치를 배치한다.
• 윤활유 분석(점도, 수분, 금속 입자)으로 상태를 주기적으로 확인하고 교체 시점을 정한다.

그리스는 기유에 증주제인 금속비누를 섞은 것으로, 급유 주기가 길고 밀봉 효과가 있어 저속 고하중이나 밀봉이 어려운 곳에 쓴다. 고체 윤활제(흑연, 이황화몰리브덴)는 유막이 끊어지는 극한 조건의 보조로 쓴다.

윤활 상태는 유막 두께와 표면 거칠기의 비로 유체·경계·극압 윤활로 구분한다.

5. 관련 법령·기준·표준

윤활유는 국내 법령으로 직접 규정된 항목이 아니라, 산업 규격과 제조사 사양서로 관리된다. 국내에서는 석유제품 품질 기준(한국산업표준 석유류 윤활유 항목)과 기계별 제조사 권장 점도가 기준이 된다. 기계설비의 윤활은 기계 설계 기준과 설비 점검 규정에 따라 점검 주기를 정한다.

핵심 기준 수치는 아래 표와 같다.

윤활유 분석은 점도 변화, 수분 혼입, 산화도, 금속 마모 입자로 상태를 판정한다. 분석값이 허용 범위를 넘으면 교체나 여과를 한다.

외국 기준(ISO 등)과 비교하면 점도 등급 체계와 시험 방법이 다르므로, 국내 답안에서는 기준 이름과 개념 차이만 쓴다. 기준 번호는 확인되지 않아 적지 않는다.

점도지수가 클수록 온도에 따른 점도 변화가 작다

6. 유형과 비교

윤활유는 기유(base oil)와 첨가제로 이루어지며, 기유의 출처에 따라 광물성유, 합성 윤활유, 동·식물성유로 나눈다. 또 상태에 따라 액체 윤활유와 반고체 그리스로 구분한다. 이 구분은 설계 조건에 맞는 윤활제를 고르는 기준이 된다.