Improvement in Fatigue Life of Needle Roller Bearing

니들 롤러 베어링의 피로 수명 향상에 대한 연구

Abstract

Through this study, we investigate the effects of ultrasonic nanocrystal surface modification (UNSM) technology on the fatigue life of needle roller bearings. The fatigue life of untreated and UNSM-treated needle roller bearings is evaluated using a roller fatigue tester at various contact stress levels under oil-lubricated conditions. We can ascertain that the fatigue life of an UNSM-treated needle roller bearing was extended by approximately 34.3% in comparison with an untreated one, where the effectiveness of UNSM technology diminishes with increasing contact stress. The surface roughness and surface hardness of needle roller bearings before and after being treated by UNSM technology are compared and discussed to understand the role of UNSM technology in improving the fatigue life of needle roller bearings. In addition, a fractograph of the damaged bearings is observed using a scanning electron microscopy to shed light on the fracture mechanisms of bearings under different contact stress levels. We can therefore conclude that the application of UNSM technology to the needle roller bearings improves the fatigue life by reducing the friction coefficient and increasing the wear resistance; this may be attributed to a reduction in surface roughness from 0.5 to $0.149{\mu}m$ and an increase in surface hardness from 58 to 62 HRc.

1. 서 론

철강산업, 자동차산업, 발전설비산업, 우주항공산업 등과 같이 거의 모든 산업 분야에서 사용되는 베어링은 부품소재 산업에 없어서는 안되는 매우 중요한 기계요소이다. 특히 굴삭기 감속기, 대형 압연기, 항공기, 선박 등에 사용되는 특수베어링은 고난이도의 설계 및 생산 기술이 필요하며, 이러한 특수베어링들은 대부분 일본 및 유럽등지로부터 수입하여 사용되고 있는 실정이다. 베어링의 수명은 작동 중 회전접촉면인 궤도면에서 받는 반복응력으로 인하여 생기는 피로에 의해 궤도면에 박리(flaking)가 발생할 때까지 베어링의 회전수로 나타낸다. 베어링의 강성과 내구성 향상 지표인 dynamic load rating/ static load rating의 향상을 위해 제조기술에서는 소재, 가공, 열처리, 표면처리 등 모든 기계기술이 집약되어지며, 가장 원천적인 소재기술과 표면처리기술이 점점 부각되고 있다. 베어링의 내마모성 및 피로강도 향상을 위하여 소재의 기계적 성질을 향상시키는 연구들이 활발히 진행되고 있다 [1-3].

압축잔류응력을 표면층에 부가하는 쇼트 피닝 (shot peening, SP) 기술이 이러한 응력에 의한 피로수명을 향상시키는데 큰 효과를 주므로 오렛동안 항공, 철도, 발전설비 등에서 사용되어 왔다. 피로수명 향상에 주효한 것이 보다 큰 압축잔류응력과 표면층 미세화라는 것이 확인되면서 이를 구현하기 위한 많은 기술들이 개발되고 있다.

SP 기술과 초음파나노표면개질 (ultrasonic n anocrystal surface modification, UNSM) 기술의 유사성은 둘다 20 kHz의 주파수에서 초음파 충격을 사용하지만 차이점은 SP 기술은 한가지 하중을 사용하고 UNSM 기술은 두 가지 정적 및 동적 하중을 모두 사용한다. 또한 SP 기술은 표면을 무작위로 타격하고 UNSM 기술은 제어하여 타격한다. SP 기술과 UNSM 기술은 AISI 304 스테인레스강에 적용되었으며, UNSM 기술은 SP 기술 비교하여 더 높은 경도, 더 낮은 표면 거칠기 및 더 높은 압축잔류응력을 가졌다 [4].

본 연구는 롤링 베어링 중에서 니들 롤러 베어링을 선정하여 진행하였다. 본 베어링은 뒷 바퀴 구동 변속기(rear wheel drive transmission), 등속 조인트 (constant velocity joint), 기계 펌프(mechanical pumps)등 다양한 기계에서 널리 사용 되고 있지만 베어링 박리(flaking), 크랙(cracking), 마모(wear), 프레팅(fretting)등과 같은 문제가 발생하기 때문에 피로 수명을 향상시킬 수 있는 연구가 필요한 것이다.

본 연구의 목표는 초음파나노표면개질(UNSM) 기술을 베어링 링 궤도 표면에 적용하여 표면 거칠기 감소 및 표면 경도 상승, 압축잔류응력 인가를 통하여 베어링의 피로 수명을 향상시키는 것이다.

 

2. 니들 롤러 베어링 수명 시험

니들 롤러 베어링 수명 시험을 위하여 STB2 소재의 베어링강 시편을 준비하였다. 제작된 링 크기는 지름30 mm, 폭 8mm이고, 롤러 크기는 직경 2mm, 길이 4.5 mm, 수량 14개를 사용하였다. 시험 구성은 Fig. 1에서 축, specimen-a, 롤러, specimen-b, 볼트, 케이지 등이고 보디와 specimen-b 시편은 고정되어 있고, 축과specimen-a 시편은 회전하여 진행하였다. 시편 사이에 롤러가 접촉되어 구름운동으로 회전하며, 하중은 specimen-b 하단으로부터 가해진다.

 

Fig. 1. Schematic view of a needle roller bearing fatigue tester.

 

2-1. 시편 UNSM 기술

UNSM 기술은 초음파 진동에너지를 응용하여 아주 큰정적 및 동적 하중이 부가된 볼로써 1초에 20,000번 이상의 타격(1,000~100,000회/mm2 정도)을 금속 표면에 주어, 강소성변형(severe plastic deformation, SPD) 및 탄성변형을 발생시키고, 이로 인해 표층부의 조직을 나노결정조직으로 개질함과 동시에 심층부에 큰 압축잔류응력 등을 부가하는 한국 특허 기술이다[5]. Fig. 2는UNSM 기술의 기본 원리 및 장치의 구성을 나타낸다.

비고: P = Pst + Pdyn ,

P는 총 타격력, A는 진폭, V는 선형 속도 (mm/min), S은 이송 속도 (mm/rev), r은 볼 직경 (mm), R은 베어링의 직경.

 

Fig. 2. Working principle of UNSM technology.

 

Fig. 3. Application of UNSM technology to the specimen.

 

Table 1. UNSM treatment conditions

UNSM 장치의 구성은 진동자(20 kHz 또는 40 kHz), 부스터(booster), 혼(horn)으로 되어있고, 추가로 혼의 선단에는 볼(ball)과 볼을 고정시켜주는 볼팁(tip)이 위치해 있다 [6-8]. UNSM 기본 원리는 Fig. 2와 같다.

롤러와 접촉되는 specimen-a 및 b의 표면에 UNSM처리를 수행하였다. UNSM 기술 적용 모습은 Fig. 3과 같다. 피로 수명을 비교 하기 위하여 UNSM 처리 전/후로시험을 진행하였다. 시편의 표면 거칠기 감소, 표면 경도가 상승한 소재에 가장 최적화된 amplitude 30 µm, load 60 N, rotational speed 30 rpm, feed-rate 0.07 mm/rev과 같은 UNSM 조건을 기존 연구 결과에 따라 선정하였다 [9]. UNSM 처리 조건은 Table 1과 같다.

 

2-2. 시험 조건

 

Table 2. Specimen types and their contact stress

피로 시험 시편은 다음 Table 2와 같이 분류하였고 최대 접촉 응력을 구하였다. 접촉 응력은 조건은 1770 MPa, 1715 MPa, 1600 MPa, 1484 MPa, 1355 MPa 5가지로 분류하였다. 직사각형 접촉 영역의 중심선을 따른 최대압력은 다음과 같다:

\(P_{max} =\frac{2F}{{\pi}bL}\)

P_max : 최대 접촉 압력, MPa

F: 하중, N

L: 접촉 길이, mm

b: 접촉 면적, mm2

두 개의 평행 한 실린더의 직사각형 접촉 영역의 접촉면적 b는 다음과 같다

.\(b=\sqrt{\frac{4 F\left[\frac{1-v_{1}^{2}}{E_{1}}+\frac{1-v_{2}^{2}}{E_{2}}\right]}{\pi L\left(\frac{1}{R_{1}}+\frac{1}{R_{2}}\right)}}\)

E₁ and E₂ : 탄성 계수, MPa

v₁ and v₂ : 포아송 비율

R₁ and R₂ : 직경, mm

L: 접촉 길이, mm

Table 3은 피로 수명 시험 조건을 나타내며, 회전 속도 1500 rpm, 오일 윤활, 진동 피로 설정 값 22G 등을 조건으로 선정하여 시험을 수행하였다. 시험 설정 값22G는 specimen-a, b 중 표면에서 박리가 발생했을 때멈추도록 하게 한다.

 

Table 3. Bearing fatigue life test conditions

 

2-3. 시험 결과

Fig. 4는 UNSM 처리 전-후의 SEM image 결과를 나타낸다. Fig. 4(a)에서는 연마된 표면을 확인할 수 있다. 고르지 못한 연마 표면은 베어링 피로 수명 단축으로 이어진다. Fig. 4(b)에서는 연마 표면이 제거됨과 동시에 미세한 딤플이 생성된 것을 확인할 수 있었다. 마이크로 딤플은 베어링의 윤활을 향상시켜 피로 수명을 연장 시킬 수 있다.

 

Fig. 4. SEM images of the untreated (a) and UNSMtreated (b) specimens.

Table 4는 시편의 표면거칠기 및 표면경도를 3번씩 측정하여 평균 값을 나타낸다. UNSM 처리 후의 specimen-a의 표면거칠기는 0.550 μm Ra에서 0.149 µm Ra까지 감소하였고, 표면 경도는 58 HRc에서 62 HRc까지 증가하였다. UNSM 처리 후의 specimen-b의 표면거칠기는 0.477 µm Ra에서 0.150 µm Ra까지 감소하였고, 표면 경도는 58 HRc에서 62 HRc까지 증가한 것을 확인하였다.

 

Table 4. Surface roughness and hardness before and after UNSM treatment

향상되는 마모율 및 마찰계수 저감과 피로강도, 피로향상을 정리하면 Fig. 7와 같다. 연마보다는 마모율과 마찰특성, 피로 수명이 충분히 좋아질 것으로 기대되고 피로강도 측면에서도 충분히 대체가 가능할 것이라 판단된다.

베어링 내측링 레이스웨이의 잔류응력을 측정하기 위하여 사용된 X-ray diffraction (XRD) 잔류응력 측정 분석기는 Stresstech사 XSTRESS 3000이며 재료에서 작용하고 있는 특정방향의 응력상태를 상기 장치를 통해 측정하였다. 측정 조건은 collimator 직경 3mm에서 노출시간 10초 조건으로 분석되었다. 내측링 레이스웨이의 압축잔류응력 값은 Table 5에 나타내었다.

 

Table 5. Comparison of compressive residual stress of inner bearing raceway

내측링 레이스웨이에 대한 UNSM 처리 전/후의 압축잔류응력을 측정한 값을 비교하면 UNSM 적용 된 내측링은 UNSM 적용되지 않은 것 보다 약 21배 증가하였다[10].

Fig. 5는 UNSM 처리 전/후의 EBSD 분석 결과를 나타낸다. UNSM처리된 표면의 표면층에서 더 많은 표면 소성변형이 관찰 되었다. 입자 크기는 TSL OIM 분석 5 프로그램 (EBSD 데이터 수집 및 처리를위한 소프트웨어)을 사용하여 연구된 물질의 EBSD 관측을 분석함으로써 측정되었다 [11].

 

Fig. 5. Cross-sectional EBSD observations of the untreated (a) and UNSM-treated (b) specimens.

정제된 결정립 크기는 상부 3개의 표면층에서 50 nm 내지 500 nm의 범위에서 생성되었다. Fig. 6(a) UNSM처리 전 표면 거칠기는 20.3 µm Rz, Fig. 6(b) UNSM처리 후의 표면 거칠기는 17.8 µm Rz으로 감소하는 결과를 나타내고 있다.

 

Fig. 6. 3D LSM images of the untreated (a) and UNSMtreated (b) specimens.

Fig. 7은 S-N 곡선을 나타낸다. #1NRB-grinding 보다#2NRB UNSM treatment가 20.5%, #3NRB-grinding보다 #4NRB UNSM treatment가 34.3%, #5NRB-grinding보다 #6NRB UNSM treatment가 32.4%, #7 NRB-grinding보다 #8 NRB UNSM treatment가 43.3%, #9NRB-grinding 보다 #10NRB-UNSM treatment가 7 0.1%로 피로 수명이 향상된 것을 확인하였다.

 

Fig. 7. Comparison of bearing fatigue life of the untreated and UNSM-treated specimens.

피로 시험 후 모든 시편에서 유사한 결과를 확인하였고, 대표적으로 #5NRB-grinding, #6NRB UNSM treatment, #9NRB- grinding, #10NRB UNSM treatment 시편에 대한 SEM 분석을 수행하였다.

Figs. 8, 9(a), (b)는 동일 시험조건에서 피로 수명 시험 시 반복응력을 받았을 때 specimen-b에서 나타나는 미세조직의 변화와 박리(flaking)의 생성 및 성장거동을 분석한 결과로, 초음파나노표면개질 처리 전 시편의 표면은 크고 깊은 박리가 생성된 것을 관찰하였다 [12].

 

Fig. 8. SEM images of the untreated #5NRB-grinding (a) and UNSM-treated #6NRB (b) specimens.

 

Fig. 9. Cross-sectional SEM images of the untreated #5NRB- grinding (a) and UNSM-treated #6NRB (b) specimens.

Fig. 10(a), (b)는 동일 시험조건에서 피로 수명 시험 시 반복응력을 받았을 때 시편을 관찰한 결과로서 Fig. 10(a) #9NRB-grinding 시편에서는 박리(flaking)가 크게 생성된 것을 확인하였지만, Fig. 10(b) UNSM-treated #10NRB 시편에서는 문제가 없는 것으로 관찰 되었다. 분석 결과로 초음파 나노표면 개질처리 기술은 spalling 및 crack 등을 방지, 감소하고 피로수명이 향상될 때 큰 영향을 준다는 것을 확인하였다.

 

Fig. 10. SEM images of the untreated #9NRB-grinding (a) and UNSM-treated #10NRB (b) specimens.

 

3. 결 론

본 연구에서는 초음파나노표면개질(UNSM) 기술을 활용하여 베어링의 피로수명을 크게 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그 결과는 다음과 같다.

1) 시편의 표면거칠기(Ra)는 UNSM 처리를 통하여 크게 감소하였다. specimen-a의 경우, UNSM 전에 0.550 μm였던 것이 0.149 μm로 감소하였고, specimen-b의 경우는 0.477 μm로부터 0.150 μm까지 감소하였다.

2) 시편의 표면 경도는 UNSM 처리를 통하여 specimen-a, b 모두 58 HRC에서 62 HRC로 증가하였다.

3) 피로 시험 결과 UNSM 처리를 하지 않은 시편보다UNSM 처리 시편에서 피로 수명이 크게 향상된 것을 확인하였다.

#1NRB-grinding 보다 #2NRB UNSM treatment가 20.5%,

#3NRB-grinding 보다 #4NRB UNSM treatment가 34.3%,

#5NRB-grinding 보다 #6NRB UNSM treatment가 32.4%,

#7NRB-grinding 보다 #8NRB UNSM treatment가 43.3%,

#9NRBgrinding 보다 #10NRB-UNSM treatment가 70.1%로 피로 수명이 향상된 것을 확인하였다.