고속 정밀 베어링의 고성능 및 신뢰성 확보: 첨단 표면 처리 및 치수

표면 경화 및 치수 안정화는 항공우주, 로봇 공학, 의료 기기 및 공작 기계에 널리 사용되는 고속 정밀 베어링 제조의 중요한 공정입니다. 이러한 공정은 고속 회전(예: *d*m*n* 값이 1.0×10⁶ mm·r/min 초과) 및 극한 작동 조건에서 베어링의 마모, 피로 및 변형에 대한 저항성을 향상시킵니다. 고급 열처리, 표면 코팅 및 기계적 강화 기술을 결합하여 제조업체는 수명 연장, 마찰 감소 및 까다로운 응용 분야에서 정밀도 유지를 달성합니다. 이 기사에서는 동료 심사를 거친 연구 및 산업 표준을 바탕으로 이러한 공정의 방법론, 기본 메커니즘 및 산업 구현을 검토합니다.

1. 표면 경화 기술

표면 경화는 베어링 부품의 경도와 내마모성을 향상시키는 동시에 인성이 강하고 파손에 강한 코어를 유지합니다. 주요 방법은 다음과 같습니다.

1.1. 열화학 처리

침탄 및 탄질화: 이러한 공정은 고온(예: 850–950°C)에서 저탄소강 표면에 탄소 또는 탄소-질소를 확산시켜 잔류 압축 응력이 있는 경화층(0.5–2mm 깊이)을 형성합니다. 적용 분야에는 충격 하중을 받는 기어박스 베어링이 포함됩니다.

Hertzian Stress (단위 하중) 범위 50-600 MPa에서 수행하여, 두 가지 다른 열화학 처리, 질화 및 침탄 후 동일한 저탄소 및 저합금 1HGT 강철의 마찰 거동을 비교합니다.

질화: 암모니아 또는 플라즈마를 사용하여 질화는 상 변환 없이 경질의 내마모성 층(예: 저온 이온 황화를 통한 10 μm FeS 층)을 생성하여 왜곡을 최소화합니다. 이는 얇은 벽 베어링 링에 적합합니다.

1.2. 표면 코팅 및 증착

다이아몬드 유사 탄소(DLC) 코팅: DLC 코팅(예: W-aC:H)은 높은 경도(1,200+ HV), 낮은 마찰(PTFE와 유사) 및 자체 윤활 특성을 나타냅니다. 혼합 회전-미끄럼 접촉에서 마모를 줄이고 과도한 오일 부족 시 비상 윤활을 제공합니다. SKF는 경계 윤활 하에서 수명을 연장하기 위해 압축기 및 자동차 시스템에 DLC 코팅 베어링을 사용합니다.

물리적 기상 증착(PVD): PVD를 통해 증착된 TiN 또는 CrN과 같은 세라믹 코팅은 접촉 피로 저항성을 향상시킵니다. 예를 들어, 베어링 볼에 TiC/a-C:H 코팅을 하면 토크가 감소하고 파편으로 인한 손상을 완화합니다.

1.3. 기계적 표면 처리

초음파 나노 결정 표면 개질(UNSM): 이 기술은 초음파 주파수 충격을 사용하여 심각한 소성 변형을 유도하여 표면 입자를 나노 결정 스케일로 정제합니다. 연구에 따르면 UNSM 후 니들 베어링의 피로 수명이 70.1% 증가했으며, 이는 더 높은 표면 경도(58에서 62 HRC로 증가), 감소된 거칠기(Ra 0.550 μm에서 0.149 μm으로 감소) 및 압축 잔류 응력 도입 때문입니다.

레이저 경화: 레이저를 사용한 국부 가열은 궤도면에 미세한 마르텐사이트 미세 구조를 생성하여 열 변형을 최소화합니다.

2. 치수 안정화 공정

치수 안정화는 잔류 응력 완화, 온도 변동 또는 상 변환으로 인한 기하학적 변화를 완화합니다. 방법은 다음과 같습니다.

2.1. 열처리

안정화 어닐링: 베어링은 기계 가공 응력을 완화하기 위해 몇 시간 동안 200–300°C로 가열됩니다. 고온 응용 분야(예: 항공우주)의 경우 −70°C와 150°C 사이의 주기적 어닐링은 작동 조건을 시뮬레이션하여 치수 변화를 미리 방지합니다.

극저온 처리: 구성 요소를 −80°C로 냉각하면 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변환되어 장기적인 치수 불안정성이 감소합니다. 이는 고속 스핀들에 사용되는 질화 규소 세라믹 베어링에 중요합니다.

2.2. 재료 선택 및 설계

베어링 강철: M50 또는 Cronidur® 30과 같은 합금은 고온 템퍼링 저항성과 치수 안정성을 제공합니다. NSK의 SHX 강철은 내마모성과 열 안정성을 결합하여 최대 3백만까지의 *d*m*n* 값을 가능하게 합니다.

하이브리드 세라믹 베어링: 질화 규소(Si₃N₄) 볼은 강철보다 밀도가 낮고 열팽창이 적으며 강성이 높아 고속에서 원심력과 열 성장을 최소화합니다.

3. 성능 향상 및 시너지 효과

표면 경화와 안정화를 결합하면 곱셈 효과가 발생합니다.

피로 수명:DLC 코팅이 적용된 UNSM은 롤러 베어링의 피로 수명을 70% 이상 증가시킵니다.

마찰 및 열 감소:광택 처리된 DLC 표면은 드래그 토크를 낮추고, UNSM으로 생성된 미세한 덴트는 윤활유 유지력을 향상시킵니다.

부식 및 전기 침식 저항:절연 코팅(예: 알루미나 또는 폴리머 기반)은 전기 자동차 모터에서 전류 통과를 방지합니다.

4. 산업 응용 분야 및 사례 연구

항공우주 및 로봇 공학: DLC 코팅 링과 Si₃N₄ 볼이 있는 하이브리드 베어링은 터빈 엔진에서 *d*m*n* > 220만을 견딥니다.

공작 기계: NSK의 ROBUSTDYNA™ 시리즈는 최적화된 열처리 및 더 큰 세라믹 볼을 사용하여 충격 저항을 30% 높이고 하중 용량을 15% 향상시킵니다.

의료 기기: 극저온 처리를 통해 안정화된 스테인리스강 베어링은 수술 로봇의 정밀도를 유지합니다.

5. 새로운 트렌드

스마트 코팅: 코팅에 내장된 센서는 베어링 상태를 실시간으로 모니터링합니다.

친환경 공정: 저온 플라즈마 전해 침탄은 기존 방식에 비해 에너지 사용량을 40% 줄입니다.

멀티 스케일 모델링: 유한 요소 분석은 UNSM 또는 코팅 증착 후 잔류 응력 분포를 예측합니다.