다양한 중하중, 고속, 저속 슬라이딩 베어링에서 윤활유 필름의 불안정성으로 인해 바빗 합금 재료가 타서 파손되는 것은 매우 흔합니다. 파손된 베어링 표면의 바빗 합금의 표면 오일 필름 분석, 표면 균열 형태 관찰, 화학 성분 검사, 단면 금속 조직 검사, 원소 스펙트럼 분석 등을 통해 바빗 합금 표면의 탄소 증착으로 인해 베어링 표면의 바빗 합금에 불균일한 응력이 가해지는 것으로 나타났습니다. 마찰 작용으로 바빗 합금 표면은 소성 유동을 겪어 거시적인 마찰 흔적을 형성하고 낮은 경도와 용접 결함이 있는 바빗 합금 수리 용접 영역에서 균열이 발생하고 층 깊이 방향을 따라 확장됩니다. 동시에, 바빗 합금 표면의 오일 필름에는 Na+ 함량이 높아 물과 산성 용액을 형성하여 바빗 합금이 전기화학적 부식을 겪고 부식 구덩이가 형성됩니다.

주석 기반 바빗 합금 α상은 주석계 고용체를 매트릭스로 하고, 경질상 β상과 분산된 Cu 및 Sn으로 구성되어 있으며, 내마모성, 내식성 및 매립성이 우수하다. 따라서 대형 증기 터빈, 압축기, 선박 및 기타 산업 분야에서 바빗 합금은 종종 슬라이딩 베어링으로 ​​사용된다. 그러나 다양한 고하중, 고속 및 저속 슬라이딩 베어링에서는 윤활유 필름의 불안정성으로 인해 바빗 합금 재료가 연소되고 파손되는 경우가 매우 흔하다.

터빈 베어링에 사용될 때, 샤프트와 베어링 사이에 오일 필름 층이 있어 두 가지 사이의 직접 접촉과 마찰을 피합니다. 그러나 실제 작업에서 샤프트가 고속으로 회전할 때 베어링 표면은 일정한 주기적 교대 하중을 받게 되며, 특히 시동 및 정지 시 윤활 오일 필름이 종종 파괴되고 이때 반건조 마찰 또는 건조 마찰이 발생합니다. 이때 슬라이딩 베어링과 저널 사이에 마찰이 발생하여 마찰열이 발생합니다. 마찰열이 너무 크면 표면의 바빗 합금이 타서 녹아 바빗 합금 재료가 타서 고장납니다.

본 연구는 발전소 운전 중 고장난 베어링 표면에서 Babbitt 합금 층이 균열되고 심지어 탈락되는 근본 원인을 고장난 베어링 표면의 Babbitt 합금의 화학적 조성을 확인하고, 거시적 및 미시적 형태를 관찰하고, 단면 금속 조직을 확인하고, 에너지 스펙트럼을 분석하여 찾았습니다. Babbitt 합금의 고장을 피하기 위해 Babbitt 합금으로 베어링을 보다 자세히 운전하고 유지관리하기 위한 개선 방안을 제안합니다.

1. 고장난 베어링의 개요

작동 중 추력 베어링은 일반적으로 32톤 이하의 장기 축력을 받으며, 과도 충격력은 200톤에 달할 수 있습니다. 작업 표면의 강도를 보장하기 위해 진동을 통해 추력 베어링 표면에 바빗 합금 층을 주조하고, 비바빗 합금 단면을 0mm로 정렬한 다음, 바빗 합금 표면을 가공하여 바빗 합금 표면의 두께와 비바빗 합금 단면과의 평행도를 1mm 이내로 보장합니다. 베어링 표면과 저널의 바빗 합금 사이에는 오일 필름이 있으며, 바빗 합금 연질 매트릭스(α상)는 오목하고, 경질 포인트(β상)는 볼록하여 두 접촉 표면에 오일 저장 공간으로 작은 틈을 형성하여 두 가지 사이의 마찰과 열전달을 줄여 베어링의 작동 온도가 0.03℃ 이하가 되도록 합니다.

이 작업에서 분석한 고장 베어링은 유닛의 오버홀 전에 베어링 온도에서 느린 성장 추세를 보였습니다. 관찰을 위해 추력 베어링을 현장에서 해부한 결과, 탄소 침전물이 추력 베어링 표면에 분명히 나타났고 베어링 표면의 평행성이 좋지 않으며 힘이 변한 것을 알 수 있습니다. 표면의 탄소를 제거한 후 일부 베어링 표면의 바빗 합금이 균열이 생기거나 심지어 떨어졌습니다.

2 베어링 고장 원인 분석

2.1 베어링 표면의 바빗 합금 균열에 대한 거시적 검사

검사한 베어링 블록의 거시적 검사를 통해 베어링 블록 표면의 한 곳에서 바빗 합금이 떨어져 나갔고, 다른 곳에서 바빗 합금의 표면이 명백히 마모된 것을 발견했습니다. 마모 영역에서 눈에 띄는 균열을 발견할 수 있으며, 표면에 여러 개의 전해 피트가 있습니다.

2.2 베어링 표면의 바빗 합금의 화학성분 분석

칩 샘플은 표면에서 채취되었습니다. 합금층 바빗 합금의 균열 부근을 밀링 커터를 사용하여 분석하고, 바빗 합금의 성분을 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광기 ICP-OES와 분광 광도계를 사용하여 GB/T 10574.13-2017 등에 따라 분석하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. 바빗 합금의 Pb 함량이 규격의 요구치보다 높고, Cu 함량이 규격의 요구치보다 낮은 것을 알 수 있다. 이는 주조 바빗 합금의 응고 과정에서 일정한 성분 편석이 발생하기 때문이다. 이 분석은 바빗 합금층의 표면에서 수행하였다. 성분 편석으로 인해 분석 결과에서 Cu와 Pb의 두 원소의 결과는 표준치와 다르다.

2.3 베어링 표면 균열의 주사전자현미경 관찰

그림 1에 나타낸 바와 같이, 베어링 표면의 다양한 위치에서 바빗 합금의 형태를 주사 전자 현미경을 사용하여 관찰했습니다. 합금 층이 마모 위치에서 균열이 생겼고, 그 주변에 여러 개의 미세 균열이 발견되었습니다. 합금 층 표면의 바빗 합금이 부분적으로 벗겨졌고, 명확한 전해 피트도 관찰할 수 있습니다. 국소 위치를 확대한 후, 표면의 일부가 벗겨진 것도 관찰할 수 있습니다. 에너지 스펙트럼 분석 후, 그림 2에 나타낸 바와 같이, 표면의 경질상 β상(SnSb)이 벗겨졌음을 알 수 있습니다.

2.4 바빗 합금층의 금속조직 및 경도균일도 검사

바빗 합금층의 단면의 금속조직은 베어링 표면의 균열 위치에서 샘플링하여 관찰하였고, 4% 질산(HNO3)+알코올 부식액으로 부식 후 단면조직을 관찰하였다. 바빗 합금층은 표면 β상이 적은 위치에서 균열이 발생하였고, 균열위치에서 느슨함 및 기타 결함이 관찰되었다. 균열위치를 추가로 관찰한 결과, 바빗 합금의 균열위치에서 불균일한 조직이 존재함을 알 수 있었다. 바빗 합금층의 균열위치에서는 β상이 적고, 분리된 ε상이 점선으로 분산되어 경도가 낮았으며, 조직형태가 인접위치와 현저히 달랐다. 균열이 생기지 않은 부분의 바빗 합금 구조[α상 + β상(SnSb) + ε상(Cu6Sn5), 여기서 회색 매트릭스는 Sn 고용체 α상, 흰색 사각형 결정은 β상, 분산된 침상은 ε상]는 완전히 다른 형태를 갖는다. 베어링 부시의 바빗 합금층은 주조 결함으로 인해 수리되었다. 구조의 차이는 균열이 생긴 부분에서 수리된 바빗 합금과 원래 주조된 바빗 합금의 냉각 속도가 일치하지 않기 때문에 발생한다. 동시에, 바빗 합금 표면에는 뚜렷한 피팅 피트가 관찰된다. 바빗 합금층과 부시 본체 사이의 계면은 잘 접합되어 있으며, 그림 3과 같이 합금층과 부시 본체 사이에 박리 현상(박리)이 없다.

바빗 합금의 두께와 경도는 타일 표면의 다른 위치에서 샘플링하여 테스트되었습니다. 다른 위치에서 바빗 합금 층의 두께가 1.39~1.47mm 범위에 있고 두께가 비교적 균일한 것을 볼 수 있습니다. 다른 위치에서 바빗 합금의 로크웰 경도 균일성은 로크웰 경도 시험기를 사용하여 확인했습니다. 다른 위치에서 경도 값에 일정한 차이가 있으며 로크웰 경도는 기본적으로 28.2~32.5HRC 사이입니다. 합금 층의 두께는 약 1.40mm에 불과하여 시험 방법 표준에서 시험 대상의 최소 두께보다 낮으므로 경도 결과는 참고용입니다.

2.5 바빗 합금 표면의 에너지 스펙트럼 분석

바빗 합금 표면의 전해 피트에 대한 에너지 스펙트럼 분석을 수행하였고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 이 위치에서 Na 및 O 원소의 함량이 비교적 높은 것으로 나타났다. 베어링 표면의 탄소 조성 분석 결과(표 2 참조)와 결합하면, 바빗 합금 표면의 탄소에서 Na, Zn, Cu, Mg와 같은 금속 원소의 함량이 새 오일보다 상당히 높은 것을 알 수 있는데, 이는 불순물 원소가 작동 중에 베어링 표면에 점차적으로 침전되어 금속 불순물 원소가 국부적으로 농축되었음을 나타낸다.

전기부식 피트의 깊이가 검출되었으며, 그 결과는 Figure 5에 나타나 있다. 전기부식 피트의 깊이는 각각 57.8 및 44.8 μm이다.

2 분석 및 토론

냉각 속도가 지나치게 빠르기 때문에 베어링 표면에서 수리된 바빗 합금의 결정화 과정이 상당히 단축되고, 경질상 β가 침전될 시간이 없어 과포화 주석 기반 고용체를 형성하고, 분산된 Cu 및 Sn 구조가 주조와 완전히 다르며, 경도도 주조 시 바빗 합금보다 낮습니다. 베어링이 작동 중일 때 오일 필름의 C 및 O 함량이 높으면 베어링 표면에 탄소 침전물이 점차 형성되고 베어링 추력판의 평행도가 저하되고 저널과의 접촉이 고르지 않으며 오일 필름이 파괴됩니다. 한편으로는 바빗 합금과 저널 사이에 심각한 마찰이 발생하고 마찰 열이 축적되어 표면 온도가 상승합니다. 온도가 매트릭스의 녹는점에 접근하고 도달하면 매트릭스가 부드러워지거나 심지어 녹기 시작하고 마찰 작용으로 매트릭스 표면에 플라스틱 흐름이 발생하여 거시적으로 볼 수 있는 마찰 흔적이 형성되어 Babbitt 합금이 균열되거나 심지어 수리 용접 영역에서 더 부드러운 경도와 용접 결함이 있는 곳에서 벗겨집니다. 반면 베어링과 저널 사이의 불균일한 접촉으로 인해 베어링 표면의 오일 필름이 막히고 작동 프로세스의 불순물 원소가 베어링 표면에 침전됩니다. 장치 작동 중 수증기가 액화되어 형성된 높은 Na 원소 함량과 물은 오일과 산성 용액을 형성합니다. 낮은 pH 값은 주석 산화물의 가수분해를 일으키고 Babbitt 합금 매트릭스는 전기 화학적 부식을 겪어 전해 피트를 형성합니다.

Cl-함유 용액에서 용존 산소 함량과 OH- 농도는 주석 부식의 음극 공정에 직접 영향을 미칩니다.베어링 작동 중 오일의 Na 함량은 표준 요구 사항보다 훨씬 높고 장치 작동 중 수증기의 액화로 형성된 물은 오일과 산성 용액을 형성합니다.낮은 pH 값은 주석 산화물의 가수분해를 일으켜 Babbitt 합금 매트릭스가 전기화학적 부식을 겪게 합니다.부식 공정의 주요 양극 반응은 공식 (1) 및 (2)에 표시되어 있으며 음극 반응은 공식 (3)에 표시되어 있습니다.그림에서 공식 (1), (2), (3)을 참조하십시오.

3 결론

(1) 베어링 파손의 근본 원인은 오일 필름 속의 불순물 원소가 너무 많아 베어링 표면에 탄소가 심각하게 축적되고 저널과의 접촉이 고르지 않으며, 수리용접부의 연질 바빗합금 부위에 먼저 균열이 생기고 심지어는 벗겨짐이 발생하기 때문이다.

(2) 베어링 표면 오일의 Na 함량이 너무 높아 운전 중 바빗 합금의 전기화학적 부식을 유발합니다. 앞으로 오일의 부식성 원소 함량을 엄격히 제어하여 바빗 합금과 베어링 사이의 전기화학적 부식을 방지해야 합니다.