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8. 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. 하중작용중의 기어는 표면과 표면 아래에 주기적인 응력이 발생한다. 하중이 충분히 높고 응력 주기가 크면 표면에서 작은 입자가 피로한도를 넘어 떨어져 나감으로 접촉면에 작은 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 발생하며 높은 접촉응력점을 점차적으로 제거함으로 하중을 재 분배하는 경향이 있다. 하중이 좀더 고르게 분포 되었을 때 피팅 현상은 줄어 들어서 결국 사라진다. 이런성질의 초기 피팅은 가끔 "교정" 피팅으로도 부른다.
2. 파괴적인 피팅은 좀더 가혹하고 홈은 항상 크다. 파괴적 피팅은 재료의 허용한계와 비교해서 응력 수준이 높을 때 발생한다.
그림 8.1은 전형적인 파괴적 피팅이 일어난 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 것을 제외하고는 파괴적인 피팅과 유사하다.
[그림 8.2]
그림 8.2의 스파이럴 베벨 피니언은 스폴링의 대표적인 예이다. 때로 스폴링은 침탄처린된 기어와 피니언에서 발생한 홈과 큰 조각의 표면 금속이 피로로 인하여 떨어져나갈 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 조사를 하여야 한다. 기어 맞물림이 심각한 정렬오차-대부분 수정 가능하다-증거를 보이지 않는 이상 파괴적 피팅이나 스폴링은 설계가 목표하중을 전달할 수 있는 용량을가지고 있지 않다는 증거가 된다.
이경우 재설계는 하중 전달 능력을 증가시키는 방향으로 실시하여야 한다. 중간 경도의 기어는 완전히 경화 되어야 한다. 이는 표면 금속의 지속한계를 피팅을 방지할수 있을 만큼 충분해 질 수 있도록 증가하는 하는 것이다. 고 용량의 질화처리 금속이나 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. 기어 박스의 중심거리도 증가 시킬 수 있다. 전달 하중을 감소시켜 결국 표면 피팅을 개선하는 방법중 하나이다.
전형적 피팅은 표면아래(subsurface)의 전단응력이 최대가 되는 응집점에서 시작한다. 크랙은 표면 아래 몇만분의 1 mm 깊이 정도에서 시작되어 표면으로 진행되고 작은 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 청정도의함수다. 이것을 기초로 이중 진공 재용융강(? double vacuum remelt steel)과 같은 재질로 표면아래 피팅에 대해 최대 저항력을 가지도록 할 수 있다. 실제로는 산업용 기어 장치의 기어이에서 발생하는 표면 피로의 상당 부분은 표면의파손에서 발생하느 피팅이다. 경계나 혼합윤활 영역에서 작동하는 기어는 금속-금속접촉이 상당량 일어난다. 이전 문지름 동작은 표면 개시 크랙 점 생성을 유발한다.
크랙은 이런 표면 위치에서 시작하여 표면 금속으로 전파되어 초기 크랙 시스템이 반복응력 사이클에 의하여 유도 되도록 한다. 표면에서 시작한 홈은 그림 8.3에 구조적으로 보여 준다. 표면 유발 홈은 깊이 방향으로 진행되고 가지를 친 경사면을 가지고있다. 가지중 하나가 표면으로 향할 때 표면에서 동공이나 홈은 남겨 놓고 작은 금속조각이 떨어져 나간다.
표면 압축의 낮은 지속한계 때문에 동재질의 웜기어는 표면피팅과 스폴링이 쉽게 일어나는 경향이 있다. 그림 8.4는 다수의 작은 홈이 나중에 큰 동공을 형성한 스폴링의 예를 보여준다.
[그림 8.4]
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