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ISO6743 “윤활제, 산업용 윤활유 및 관련 제품 분류(L류)” 표준은 윤활제 제품을 A~Z까지의 알파벳으로 18개 그룹으로 나눕니다.
A：전손실 시스템Total loss systems
B：이형제Mould release
C：기어Gears
D：압축기 (냉동기 및 진공펌프 포함) Compressors (including refrigeration and vacuum pumps)
E：내연기관Internal combustion engine
F：스핀들 베어링, 베어링 및 클러치Spindle bearings,bearings and associated clutches
G：슬라이드웨이Slideways
H：유압 시스템Hydraulic systems
M：금속 가공Metal working
N：전기 절연Electrical insulation
P：공압 공구Pneumatic tools
Q：열전도Heat transfer
R： 임시 부식 방지 보호Temporary protection against corrosion
S：특수 윤활제 적용 분야Applications of particular lubricants
T：터빈Turbines
U：열처리Heart treatment
X： 그리스를 사용하는 경우Applications requiring grease
Y：기타 응용 분야Other applications
Z：증기 실린더Steam cylinders
고체 윤활제 이러한 윤활 소재는 역사적으로 오래되지 않았지만, 경제성이 뛰어나고 적용 범위가 넓으며 발전 속도가 빠릅니다. 고온, 고압, 저속, 고진공, 강한 방사선 등 특수한 사용 조건에 잘 적응할 수 있어, 특히 윤활유를 공급하기 어렵거나 분해·조립이 힘든 경우에 적합합니다. 물론 마찰 계수가 비교적 높고 냉각·방열 성능이 좋지 않다는 단점도 있습니다. 일반적으로 고체 윤활제는 무기물과 유기물로 나눌 수 있습니다. 무기물에는 흑연, 이황화몰리브덴, 산화물, 플루오르화물, 연금속 등이 포함되며, 유기물에는 폴리테트라플루오로에틸렌, 나일론, 폴리에틸렌, 폴리이미드 등이 포함됩니다. 형태에 따라 고체 분말, 박막, 자기 윤활 복합 재료의 세 가지로 분류됩니다.
고체 분말은 기체, 액체 및 콜로이드에 분산시켜 사용할 수 있습니다. 박막 형태는 분사, 진공 증착, 화염 분사, 이온 증착, 전기영동, 소결 등 다양한 방식으로 적용됩니다. 복합 재료는 제조 공정이 더욱 다양하며, 신흥의 중요한 윤활 소재로 주목받고 있습니다. 흑연은 천연 흑연과 인조 흑연으로 나뉘며, 육방정계의 층상 구조를 갖고 있습니다. 흑연은 검은색이고 부드러우며, 화학적으로 매우 안정된 물질로서 대부분의 유기용제나 부식성 화학약품에 의해 침식되지 않습니다. 또한 많은 용융 금속이나 용융 유리에도 쉽게 젖지 않는 특성을 가지고 있습니다. 이로 인해 흑연은 물, 용제, 윤활유, 고무, 수지, 일부 금속 등과 혼합해도 그 고유 특성을 잃지 않습니다. 흑연은 열팽창 계수와 탄성 계수가 작고, 열충격에도 강한 특성을 지닙니다.
흑연의 사용 온도 범위는 대기 중에서 -270－1000℃이며, 융점은 3500℃입니다. 450－500℃에서는 산화가 발생합니다. 또한 흑연은 우수한 전도성과 열전도성을 가지고 있습니다. 흑연의 결정성, 불순물, 입도 및 입자의 형태는 흑연의 윤활성에 큰 영향을 미치며, 외부 사용 조건인 환경 온도, 사용 온도, 속도, 하중 등도 윤활성에 영향을 줍니다. 흑연 윤활제는 주로 복합 재료 내에 사용되거나 다른 고체 윤활제와 함께 사용되며, 단독으로 흑연만을 윤활제로 사용하는 경우는 드뭅니다. 수계 흑연 윤활제, 유계 흑연 윤활제 등이 존재합니다.
이황화몰리브덴은 흑회색의 금속 광택을 가지며, 마찬가지로 육방정계의 층상 구조를 가지고 있습니다. 마찰 계수는 0.04까지 낮아질 수 있으며, 열이나 화학적 환경에서도 비교적 안정적입니다. 이황화몰리브덴의 사용 온도 범위는 대기 중에서 -270－350℃이고, 융점은 1250℃입니다. 380－450℃에서 산화가 발생합니다. 이황화몰리브덴은 대부분의 산에 대한 내식성을 가지고 있으며, 상온 및 습한 공기 중에서는 산화가 미미하지만 결과적으로 일정한 산값이 형성될 수 있습니다. 일반적으로 중·저속, 고(저)온 및 중하중의 슬라이딩 마찰 부품에는 이황화몰리브덴 분말을 사용하는 것이 우수한 효과를 발휘한다고 알려져 있습니다. 시판되는 이황화몰리브덴 분말의 순도는 98-99.8% 수준입니다. 단일 분말 형태로 사용하는 경우는 드물며, 대부분 필요한 다른 물질과 혼합해 사용하는 경우가 많습니다. 대표적으로 이황화몰리브덴 페이스트 윤활제와 이황화몰리브덴 윤활 그리스가 있습니다.
폴리테트라플루오로에틸렌 등 플라스틱은 우수한 윤활성, 진동 흡수성, 충격 저항성, 내식성 및 절연성을 가지고 있습니다. 폴리테트라플루오로에틸렌의 사용 온도 범위는 -270－2260℃입니다.
금, 은, 아연, 납, 주석 등의 연금속은 고체 윤활제로서 두 가지 방식으로 사용됩니다. 첫째는 박막 형태로의 적용이며, 납, 아연, 주석과 같은 저융점 금속이 이에 해당합니다. 비록 구리나 청동은 저융점 금속은 아니지만, 때때로 동일한 방식으로 사용되기도 합니다.
액체 윤활제는 사용량이 가장 많고 종류도 가장 다양한 윤활 소재로, 광유, 합성유, 동식물성 오일 및 수계 액체 등이 포함됩니다. 이러한 액체 윤활제는 점도 범위가 넓어 다양한 하중, 속도 및 온도 조건에서 작동하는 운동 부품에 폭넓은 선택을 제공합니다. 유체 윤활제는 낮고 안정적인 마찰 계수, 낮은 압축성, 우수한 열 제거 성능을 통해 마찰 표면에서 열을 효과적으로 제거하고, 상대 운동 부품의 치수 안정성과 장비 정밀도를 보장합니다. 또한 대부분 가격이 저렴하여 널리 사용되고 있습니다. 그중에서도 광유는 현재 가장 많이 사용되는 액체 윤활제입니다. 물은 우수한 열전도성을 가지고 있으며, 자원이 풍부하고 저렴하게 구할 수 있습니다. 하지만 점도가 너무 낮기 때문에 점도 증가제나 유성제의 첨가가 필요합니다. 현재 널리 사용되고 있는 수계 절삭액 및 물-에틸렌글리콜 기반의 유압유는 미래가 유망한 윤활 소재로 평가받고 있으며, 향후 석유 자원이 고갈될 경우 광유를 대체할 중요한 윤활제로 기대되고 있습니다. 동식물성 오일 중에서는 주로 식물성 오일이 사용되며, 대표적으로 유채유, 차씨유, 피마자유, 땅콩유, 해바라기씨유 등이 있습니다. 이들은 우수한 유성 및 생분해성을 갖고 있지만, 산화 안정성과 열 안정성이 낮고, 저온 성능이 좋지 않은 단점이 있습니다. 현재는 일부 절삭액의 주요 성분으로 사용되고 있으며, 석유 자원이 점점 부족해지고 환경 보호 요구가 강화되면서, 식물성 오일의 윤활 소재로서의 개발이 다시 주목받고 있습니다. 화학적 방법으로 산화 안정성과 저온 성능을 개선하여, 미래의 광유 대체 윤활제로 활용하려는 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 합성유는 제2차 세계대전 중에 개발되었으며, 다양한 종류와 화학 구조 및 성능을 가진 화합물로 구성되어 있습니다. 일반적으로 가혹한 조건의 작업 환경에서 사용되며, 처음에는 군용으로 시작되어 점차 민간용으로 확대되었습니다. 합성유 역시 미래에 광유를 대체할 중요한 윤활 소재 중 하나로 간주되고 있으며, 최근에는 합성 윤활유 및 윤활그리스의 사용이 더욱 확대되고 인정을 받고 있습니다.
기체 윤활제 기체도 오일처럼 윤활제로 작용할 수 있으며, 유체 동력 윤활의 물리 법칙은 기체에도 적용됩니다. 기체는 점도가 매우 낮아 윤활막의 두께도 매우 얇습니다. 따라서 유체 동압식 기체 베어링(기체 동압 베어링)은 고속, 경하중, 작은 간극 및 매우 엄격한 공차 제어 조건에서만 사용됩니다. 이러한 이유로, 일반적으로 더 자주 사용되는 것은 기체 정압 베어링입니다. 기체 정압 베어링은 더 높은 하중을 견딜 수 있고, 간극 및 공차에 대한 요구가 덜 까다로우며, 저속은 물론 제로 속도에서도 사용할 수 있습니다.
기체 윤활은 윤활유나 그리스보다 훨씬 높은 온도나 낮은 온도에서 사용할 수 있으며, -200℃부터 +2000℃까지의 범위에서 슬라이딩 베어링을 윤활할 수 있습니다. 마찰 계수는 측정이 불가능할 정도로 낮고, 베어링의 안정성도 매우 높습니다. 고속 정밀 베어링(예: 의료용 치과 드릴, 정밀 연삭기 주축, 관성 항법 자이로 등)에서는 높은 강성을 얻을 수 있으며, 밀봉이나 오염 문제도 없습니다. 단점으로는 하중 지지 능력이 매우 낮고, 베어링 설계 및 가공 난이도가 높다는 점이 있습니다. 기동 및 정지 순간에 베어링 표면이 쉽게 손상될 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 기체 윤활제로는 공기, 헬륨, 질소, 수소 등이 있으며, 매우 높은 청정도가 요구되므로 사용 전에 엄격한 정제 처리가 필요합니다. 반고체 윤활제 상온·상압에서 반유동 상태를 가지며 콜로이드 구조를 이루는 윤활 소재를 ‘윤활그리스’라고 합니다. 일반적으로 비누 기반 그리스, 탄화수소 기반 그리스, 무기 그리스, 유기 그리스 네 가지로 나뉩니다. 이들은 마모 방지, 마찰 감소 기능 외에도 밀봉, 진동 흡수 등의 역할을 하며, 윤활 시스템을 단순화하고 유지보수를 용이하게 하며 운용 비용을 절감할 수 있어 널리 사용되고 있습니다. 단점으로는 유동성이 낮고 열방산성이 떨어지며, 고온에서 상변화나 분해가 일어날 수 있다는 점이 있습니다. 윤활그리스는 전체 윤활제 생산량의 약 2% 정도에 불과하지만, 실제 윤활 분야에서의 역할은 매우 큽니다. 통계에 따르면 약 90%의 회전 베어링은 그리스 윤활을 사용하며, 회전 베어링 고장의 약 43%는 부적절한 윤활이 원인입니다. 따라서 윤활그리스의 품질과 제품 구성은 매우 중요합니다. 그중에서도 리튬 기반 그리스는 다양한 우수한 성능을 가져 대량으로 사용되며, 선진 공업국에서는 리튬 그리스가 전체 윤활그리스 생산량의 60% 이상을 차지합니다. 우리나라에서도 2000년에 리튬계 윤활그리스의 생산 비중이 처음으로 60%를 초과했습니다.
네 가지 윤활제의 비교
1、유체 동력 윤활 성능: 오일 우수, 그리스 보통, 고체 윤활제 없음, 기체 양호
2、경계 윤활 성능: 오일 나쁨우수, 그리스 양호우수, 고체 윤활제 양호~우수, 기체 나쁨
3、냉각 성능: 오일 매우 좋음, 그리스 나쁨, 고체 윤활제 없음, 기체 보통
4、저마찰성: 오일 보통~양호, 그리스 보통, 고체 윤활제 나쁨, 기체 우수
5、베어링 주입 용이성: 오일 양호, 그리스 보통, 고체 윤활제 나쁨, 기체 양호
6、베어링 내 유지력: 오일 나쁨, 그리스 양호, 고체 윤활제 매우 좋음, 기체 매우 좋음
7、밀봉 능력: 오일 나쁨, 그리스 매우 좋음, 고체 윤활제 보통~양호, 기체 매우 좋음
8、대기 부식 방지력: 오일 보통우수, 그리스 양호우수, 고체 윤활제 나쁨~보통, 기체 나쁨；
9、온도 범위: 오일 보통~우수, 그리스 양호, 고체 윤활제 매우 좋음, 기체 우수
10、휘발성: 오일 매우 높음~낮음, 그리스 일반적으로 낮음, 고체 윤활제 낮음, 기체 매우 높음
11、인화성: 오일 매우 높음~매우 낮음, 그리스 일반적으로 낮음, 고체 윤활제 일반적으로 낮음, 기체는 기체 종류에 따라 다름
12、호환성: 오일 매우 높음~보통, 그리스 보통, 고체 윤활제 우수, 기체 일반적으로 양호
13、윤활제 가격: 오일 낮음~높음, 그리스 비교적 높음, 고체 윤활제 비교적 높음, 기체 일반적으로 매우 낮음
14、베어링 설계 복잡도: 오일 비교적 낮음, 그리스 비교적 낮음, 고체 윤활제 낮음~높음, 기체 매우 높음
15、수명 결정 요인: 오일의 열화 및 오염, 그리스의 열화, 고체 윤활제의 마모, 기체는 가스 공급 유지 능력
순수 광유로는 베어링의 요구를 만족시키지 못할 경우 고려할 수 있는 해결 방안：
1、하중이 너무 큰 경우: 점도가 높은 오일, 극압유, 윤활그리스, 고체 윤활제 선택
2、속도가 너무 높아 (온도가 과도하게 상승할 경우): 윤활유 또는 순환유의 유량 증가, 점도가 낮은 오일, 기체 윤활 적용
3、온도가 너무 높은 경우: 첨가제 또는 합성유 사용, 점도가 높은 오일, 윤활유 또는 순환유의 유량 증가, 고체 윤활제 적용
4、온도가 너무 낮은 경우: 점도가 낮은 오일, 합성유, 고체 윤활제, 기체 윤활
5、마모 입자가 너무 많은 경우: 윤활유 또는 순환유의 유량 증가
6、오염: 순환 오일 시스템, 윤활그리스, 고체 윤활제 사용
7、긴 수명이 요구되는 경우: 점도가 높은 오일, 첨가제 또는 합성유, 유량이 많은 오일 또는 순환 윤활, 윤활그리스 적용
윤활제 종류 선택에 영향을 미치는 주요 요소는 속도와 하중입니다.
