칼슘 설포네이트 기술은 1980년대 초에 개발되었으며 1980년대 중반에 시장에 나오게되어 매년 그 생산량이 증가하여 캐나다에서는 매년 10%이상의 증가율을 기록하게 되어, 1997년 NLGI보고서에 의하면 캐나다 시장의 전체 그리스 소요량은 대략 40MM Lb 정도 되며 이 중 전통적인 그리스를 제외한 전체 량의 25%를 점유하며, 전체 그리스 소요량의 12%를 차지할 정도로 생산량이 늘어나게 되었다.
캐나다는 극압성 등에서 이 그리스가 적용되기에 가장 적합한 시장을 제공하고 있다. 가령 예를 들면 제철 펄프 제지 수산업 철도 광산 전기 건설 기타 제조업 등 이러한 산업 분야에서 겨울 등 극지방의 기후 조건하에서 극압성을 요구하는 분야이기 때문이다. 처음에 이 그리스는 다목적 그리스로서 시장에 소개되었고 지금도 여러 제품에 대하여는 이 다목적 그리스 의 특징을 가지는 것이 사실이나, 과거 10년간 특수 분야의 적용에 대하여도 꾸준히 관찰되고 있다.
사용 기간과 부패 방지 성능을 증가해 주고 무엇 보다 점착성을 제고해 주는 EP 극압성과 온도(고온 저온)에 대한 저항성 등으로 해서 일반 다목적 그리스가 감당할 수 없는 분야,
즉, 특수한 분야의 적용이 가능하다는 것이다.
현재로 칼슘 술포네이트 그리스는 캐나다, 미국, 유럽 등에서 생산하고 있으며 미국과 기타 여러 나라에서 특허를 가지고 있다. 이 보고서는 칼슘 술포네이트의 화학적 성능과 어떻게 이 화학물질이 그리스로서의 성능을 발휘하며, 기타 여러 분야에서의 적용 가능성과 성공 여부를 가늠해 보기 위한 것이다.
칼슘 설포네이트의 화학적 배경
금속 과함유 청정제(Overbased metallic detergents)는 엔진오일의 첨가제로 널리 사용되고 있다. 그 대부분은 비유기물질 형태 즉 칼슘카보네이트 혹은 마그네슘카보네이트 로 알킬 벤젠 설포네이트 혹은 알킬실리케이트 혹은 황화 알킬 패놀 등의 계면활성제로 안정화 되어 오일에 콜로이드 상태로 조성되어 있다.
일반적인 방법은 먼저 알킬 벤젠에 용해되는 합성 오일이나 광유를 올레움 혹은 가스 형태의 황산트리옥사이드와 술폰화하여 황산을 만든다. 이 황산은 촉매(보통 알코올 사용)하에 알카린 금속과 반응하고 카본화하여 콜로이드 형태의 overbased metallic detergents를 생성하게 된다. 이 오버베이스(overbased)란 용어는 이황산의 경우에는 일반적으로 어떤 용액을 중화하기에 충분한 량 이상의 금속 성분을 함유하고 있는 것을 지칭할 때 사용하는 용어이다. 칼슘 설포네이트는 엔진오일 혹은 선박오일에서 부식을 방지하거나 유해한 찌꺼기를 분산하거나 청정제로서 매우 유용하게 사용하는 청정분산제로 사용되고 있다. 이러한 청정 분산제로서의 성능은 이 물질의 화학 구조로 기인한 것이다. 이것은 다시 이 본문의 기본 주제인 그리스로서의 역할을 할 수 있는 성능을 가지게 하는 원동력이다.
오버베이스드 칼슘 설포네이트는 조그만 극성을 가진 머리와 긴 소수성의 꼬리를 가진 형태로 되어있다. 이 극성의 머리는 유기 산 성분의 금속염으로 구성되어 있으며 소수성의 꼬리는 오일에 용해되는 알킬 사슬로 되어 있다. 설포네이트 알킬 사슬 길이는 적어도 12-30개의 탄소 원자로 구성되어 있다. 일반적인 칼슘 설포네이트의 핵심 칼슘 카보네이트는 와이드 앵글 X-ray로 관찰해 보면 비결정으로 나타나며, 그림2에서 보듯이 FT-IR로 분석해 보아도 비결정 카본 카보네이트의 특성인 860Cm-1에서 피크를 나타낸다.
다목적 그리스에 이러한 비결정성의 분산은 여러 미국 특허출원에 잘 나타나 있다. 비결정의 칼슘 카바네이트 오버베이스드 술포네이트를 물과 알코올로 처리함으로써 이 카본 카바네이트는 칼사이드라 불리는 결정사의 형태로 바뀌게 된다. 이러한 구조사의 변화는 뉴톤계 유체에서 비뉴톤계 유체로의 유체역학적 변화와 관련이 있다. 유체학적 이러한 변화는 웨이퍼 모양의 칼사이트 간의 연관성에 의해서 일어나는 것이다. 분광분석(PXRD)이란 기술이 이러한 성분의 결정성의 정도를 정의하기 위하여 사용된다. 그림 3,4,5는 각각 비결정 칼슘 카바네이트와 칼사이트 그리고 바트라이트의 패턴을 보여주는 그림이다. 바트라이트는 카본 카바네이트에서 나올 수 있는 또 다른 형태인데 이는 그러나 유체적인 성질이 부족하여 그리스에 사용하기에는 부적합한 것이다. 그림2에서 보았듯이 칼슘 카바네이트는 864에서 피크를 나타내는 반면 바트라이트는 876에서 그리고 880에서 나타낸다.
칼슘 술포네이트 그리스의 중요 특성
전장에서 우리가 서로 논의한 바와 같이 이 그리스의 중요 특성은 아래와 같다.
– 술포네이트의 강한 극성으로 인한 부식 방지 성능
– 증주제의 칼사이트의 결정 구조에 의하여 첨가제를 첨가하지 않아도 우수한 극압성을 나타낸다.
– 우수한 산화 방지 성능과 산화 방지제에 대한 반응성
– 수분이나 온도가 높은 조건 하에서도 기계적 안정성이 높다.
– 318℃ 이상의 적점성
– 저온에서도 사용 가능한 저온 안정성
– 중앙 집중식 급유 방법에도 사용 가능
표1은 다른 콤플렉스 타입의 그리스와 비비누기 그리스 그리고 칼슘 설포네이트 그리스와의 비교표이다.
윤활 메카니즘
과거의 윤활 이론에서는 증주제는 단지 윤활유를 윤활이 필요한 부분까지 운반하는 역할만 담당하고 오일이 여기서 압력과 접촉으로 인하여 증주제로부터 빠져 나와서 윤활을 하는 것으로 되어 있었다. 이 이론은 일명 스폰지 이론이라고 하는 것이다. 이 이론은 이후 여러 그룹에 의해서 검정되어 졌고 일부는 옳다는 결론에 이르게 되었으나, 증주제의 종류에 따라서 새로운 이론, 즉, 증주제 자체가 압려과 접촉에 의해서 부서져서 오일과 함께 윤활막을 형성하여 윤활을 한다는 이론이다. 칼슘 설포네이트 그리스의 사용과 함께 이 이론은 더욱 더 분명한 힘을 얻는다. 위에서 언급한 바와 같이 칼슘 술포네이트 그리스는 윤활을 하기 위하여 특정한 극압 첨가제가 필요하지 않다. 증주제 자체가 이러한 극압첨가제의 성능을 담당 한다. 실험실에서 그리스를 만들 때 칼슘 설포네이트 배치 내에 바테라이트 성분이 많이 있으면 현저하게 극압 성분이 저하되는 것을 볼 수 있다. 헌트는 칼슘 카보네이트의 판상 구조가 금속 표면에 수평으로 부착한다는 것을 전자 현미경으로 증명한다. 이러한 판상 구조는 마치 고기 비늘과 같이 서로 연결 되어 코팅을 하게 된다. 이와 같이 수많은 전단 판상을 형성하여 압력을 전달할 수 있는 성능을 가지게 된다. 반면 바테라이트 카보네이트는 수직 구조의 판상을 형성 하여 그리스의 하중 전달 능력을 감소하게 한다.
제 조
증주제의 화학 구조 자체는 변하지 않지만 제조 방법은 여러 가지 방법이 있다. 여러 가지 방법 중 가장 중요한 것은 베이스 오일이 서로 다른 것이다. 베이스 오일은 일반 광유에서부터 폴리알파올레핀(POA) 그리고 자연 분해성 오일 즉 캐놀라 오일 등이 있다. 같은 오일이라 하더라도 또 여기에는 여러 가지 다른 점도를 가지는 오일이 사용될 수 있다. 즉 2번의 경우 40℃에서 18cst에서 800cst 까지 혹은 이론적으로는 더 이상의 점도를 사용할 수 있다. 그리고 합성 오일의 경우는 46cst에서 400cst까지 사용이 가능하다.
이러한 모든 제품은 극압성을 주기 위하여 중금속이나 염소 등 극압제를 사용할 필요가 없다. 그리고 몰리브덴이나 흑연 등을 첨가하여도 극압성이 더 향상된다는 결과가 없으며 단지 이것을 넣는 이유는 규정에 맞추기 위한 것일 뿐이다. 여기에 산화방지제로 페놀이나 아민 계통의 첨가제를 첨가하면 아주 좋은 산화 방지 성능을 기대할 수 있다.
자동차용에 적용
-휠베아링과 차체에 적용
칼슘 설포네이트 그리스의 개발 목적 중 중요한 하나가 휠 베어링용으로 NLGI GC/LB급을 개발하기 위한 것 이었다. 표2는 이에 대한 규정을 나타내고 있다.
이 규정은 사실 그 범위가 상당히 넓은 것은 사실이지만, 칼슘 설포네이트 그리스의 우수성을 잘 나타내고 있다. 일반적으로 증주제를 일부러 상당히 많이 사용하거나 아니면 아주 점도가 높은 베이스 오일을 사용한 경우가 아니면 일반적으로 이 규정에 맞는다고 할 수 있다. 상기와 같이 예외적으로 높은 점도의 오일을 사용하거나 증주제를 과다하게 사용할 경우 저온 토크에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
-CV 조인트 그리스
칼슘 설포네이트 그리스 사용 용도로 또 한 가지 재미있는 적용 부위가 이 CV 조인트 부위이다. 일반적으로 산화안정성이 강하여 오래 사용이 가능하다는 이유로 폴리우레아 그리스가 이 부위에 적용되었다. 그러나 광유에 특수한 산화방지제를 첨가하여 칼슘 설포네이트로 만든 그리스가 상기 폴리우레아 그리스 보다 2배 이상의 산화 안정성을 나타낸다. ASTM D3527의 시험 방법으로 시험한 결과는 베아링의 수명을 100시간에서 200-300시간으로 연장하고 있다. 이러한 두 배 이상의 산화안정성과 함께 고무등과 같이 사용할 수 있는 병용성, 저온에서의 우수한 마모 방지성, 일반적인 우수한 극압성, 환경적으로 유해한 성분이 없는점 등 모든 면에서 CV 죠인트 그리스로는 최상의 그리스이다.
제지 공장 적용
먼저 제지 공장의 작업 환경을 생각해 보면 이 그리스의 우수한 부식 방지 성능, 극압성, 수분의 존재하에서 우수한 전단 안정성 그리고 고온에서의 사용 수명 연장등의 특성으로 이 그리스가 최적의 사용 그리스임을 알 수 있다. 제지 공장에서는 이러한 조건을 만족하기 위해서 프리미엄급 그리스(complex)를 사용하고 있으나 칼슘 설포네이트 그리스의 특히 우수한 부식 방지 성능의 측면에서 제지 공장용으로 가장 적합한 그리스임에 분명하다.
– 프레스 롤
이 롤들은 두 번째 공정으로써 이제 막 만들어진 종이가 드라이 공정에 들어가기 전에 수분을 제거하기 위한 것이다. 이 롤들은 길이가 보통 10미터 이상이며, 무게가 30톤이 넘는 것들로써 반경이 1미터가 넘는 스페리칼 베어링에 의해서 지지되어 회전하도록 되어있다. 그리고 이 베어링의 속도는 일반적으로 350rpm이 넘는다.
이에 사용되는 그리스는 반드시 이러한 하중을 이길 수 있는 높은 극압성과 수저항성 그리고 mill water (white water)를 견딜 수 있도록 화학적인 안정성을 함께 가지고 있어야 한다. 화학적 안정성에 대하여 시험한 결과 대부분의 그리스는 이러한 white water와 같이 섞여서 돌아가면 점성이 약해져서 온도가 조금 올라가면 전단, 절단되어 버린다. 광유를 베이스로 하여 만든 설포네이트 그리스는 이와 같이 약해지지 않는 아주 강한 성능을 나타낸다. 표 3은 일반적으로 제지 공장에 사용하는 리튬 콤플렉스 그리스와 설포네이트 그리스를 비교한 데이터를 보여 주고 있다.
– 팰트 롤 인장 롤러
이것은 드라이 공정의 마지막 부분에 해당하며 프레스 롤에 비하여 비교적 낮은 하중(10톤 이하)을 받으며 비교적 고온(50℃ 이상)이며, 100% 이상의 습기를 가지는 조건에서 운행된다. 일반적으로 드라이 공정의 마지막 부분은 중앙 집중식 오일 윤활을 하며 여기서 마지막 종이가 생산되기 전에 완전하게 말리는 공정을 수행한다. 이 공정에서 종이는 두겹의 펠트에 의해서 운반되면서 여러 롤들 사이를 지나가게 된다. 윗 부분 펠트는 드라이 섹션을 통과하여 다시 처음 자리로 되돌아 오고, 아랫 부분 펠트도 드라이 섹션을 지나 처음 자리로 되돌아온다. 이러한 여러 섹션들은 밀폐된 공간으로 되어 있으며 이러한 롤들은 스팀 고온에 노출되게 된다.
이러한 상황에서 펠트를 적절하게 팽팽하게 하기 위해서는 텐셔닝 롤이 있어야 한다. 움직이는 과정에서 텐션을 가하기 위해서는 오일 윤활을 할 수가 없고 그리스 윤활을 하여야 하는데 이 부분은 계속해서 주입이 불가능하고 단지 일정 시간이 경과하고 간헐적으로 주입할 수 밖에 없는 환경이므로 장시간 사용하더라도 열이나 화학적 반응에 의하여 그리스가 저급화되지 않고 긴 수명을 유지할 수 있어야 한다.
어느 제지 공장에서 이러한 요구 사항인 그리스의 긴 수명을 유지하기 위하여 고점도 합성 리튬 콤플렉스 그리스를 프레스 롤 부위에 사용하여 그리스의 사용 수명을 연장한 적이 있다. 이러한 고점도 합성 그리스의 특성을 살려 개발한 설포네이트 그리스와 상기 합성 그리스와의 비교표를 표 4에서 볼 수 있다. 이 표에서 볼 수 있듯이 다른 여러 가지 특성은 비슷하나 부식 방지 성능은 술포네이트가 상기의 리튬콤플렉스 그리스 보다 4배 이상 우수한 것을 볼 수 있다.
여기서 한 가지 재미있는 현상을 발견할 수 있는데 합성 오일을 베이스로 만든 그리스가 광유를 베이스로 만든 그리스에 비하여 물이 있는 곳에서 사용할 경우 그리스가 보다 더 굳어지는 경향을 보이는데 이것은 수분이 합성 오일 PAO(폴리 알파 올레핀)을 서로 더 뭉치게 하는 원인이 된다는 것을 보여 주며 이것이 그리스를 보다 굳게 하는 원인인 것이다. 그러나 이러한 현상을 이 그리스의 결점으로 생각할 필요는 없다. 왜냐하면 이러한 약간의 그리스의 굳는 현상이 베어링이 회전하는데 어떤 방해가(저항)될 정도로 베아링이 빨리 회전하지는 않기 때문이다.
발전 설비
발전 설비에 사용되는 그리스는 일반적으로 멀티퍼포스 그리스를 주로 사용하지만 특히 원전 같은 경우는 보다 양질의 특수 그리스를 사용하기도 한다. 그 중 하나가 모터로 구동되는 밸브(MOV)로 스팀의 양을 조절하여 문을 열고 닫는 밸브이다.
– MOV actuator Grease
이 MOV는 주 기어 박스와 limit switch gear box 그리고 stem/stem nut section으로 구성되어 있다. 이 발전 설비에서 현재 당면하고 있는 문제는 이러한 모든 부위에 사용할 수 있는 진정한 의미의 만능그리스가 없다는 것이다. 이 설비의 주된 문제는 스텐으로 된 스템에 부식을 방지하기 위하여 동으로 된 너트를 사용하고 있고 이MOV는 자주 사용하는 것이 아니고 주기적으로 사용하며 긴급한 경우에 한하여 사용하는 밸브이다. 이러한 조건에서 요구되는 그리스의 조건은 높은 극압성을 가지되 스텐에 부식을 일으키는 CI등 EP 첨가제가 함유되지 않고 마모 방지성을 높여야 하며, 마찰에 대해서도 좋은 적응성을 가져야 하며 부식방지 산화방지의 성능은 물론이고 원전의 방사능이 유출될 가능성이 있는 부위의 경우는 이 방사능에 대한 저항성을 가지고 있어야 한다. 그리고 마지막으로 요구되는 성능은 오랫동안 이 기구를 사용하지 않고 두더라도 그리스의 컨시스턴시가 변하지 않아야 한다. 이 컨시스턴시가 변할 경우 스위치를 제어하는데 필요한 일정의 마찰력이 변하여 통제할 수 없는 범위로 변해 버리기 때문이다.
이러한 조건에 적합한 그리스를 찾기 위하여 다년간 노력한 끝에 칼슘 설포네이트 그리스에 주목하기 시작하였다. 우리가 지금까지 검토해 본 결과 극압 첨가제 없이도 우수한 극압성과 마모방지성이 있음을 알 수 있었고 또한 부식 방지성 역시 아주 우수한 것을 알 수 있다. 그러면 여기서 우리가 검토해 보아야할 부분은 방사능에 대한 저항성과 스텐과 동에 대한 윤활성 그리고 오랜 시간이 지나도 그리스가 고화되거나 컨시스턴시가 변하지 않는다는 부분이다.
방사능에 대한 저항성은 여러 종류의 칼슘 설포네이트 그리스에 대하여 시험을 한 결과 표5에서 볼 수 있듯이 저 준위의 방사능(20Mard)에 대해서는 강한 저항성을 가지고 있으나, 고 준위의 방사능(200Mard), 즉 사고로 인한 방사능 유출의 경우에 대하여는 계속적인 시험관찰을 하여야 한다.
그리고 발전설비 시험 연구소(EPRI)가 칼슘 설포네이트 증주제 그리스에 대하여 시험을 한 결과 오랜 시간이 경과 하여도 컨시스턴시의 변화가 없으며 시간이 지나도 마찰에 대한 적응성등 모든 문제에 이상이 없음을 확인하고 있다. 지금 칼슘 설포네이트 그리스는 원전에서의 실제 조건 하에서 시험을 진행 중이다.
– Vane Spindle 그리스- 환경 친화적 적용
물속에서 작동하는 수문 베어링에 사용되는 그리스는 자연 분해 설포네이트 그리스가 가장 적합하다. 일반적인 카놀라 오일 베이스를 약간 변형하여 0.5 그레이드 그리스의 저온 성능을 개선하기 위하여 저 점도의 PAO오일을 사용한다.
그리고 CEC-L33-T82 방법에 의하여 시험한 결과 80% 이상 자연 분해되는 것을 알 수 있다. 그리고 펌퍼빌리티에 대하여는 링컨 벤트먼트 시험을(0kpa로 30초간 -18℃에서 압력을 가함) 한 결과 아주 우수한 성능을 보였고 그리고 기타 일반적인 모든 고유의 성능 역시 우수함이 입증되고 있다.
해양 설비 적용
– Deck 그리스
칼슘 설포네이트 그리스가 선박의 Deck에 사용하기에 우수한 그리스인지 아닌지를 지금 현재 시험 중이다. 이 그리스의 다기능 성에 비추어 기어 베어링 와이어 로프에 사용이 가능하다. 그러나 이 갑판에서 사용하는 그리스의 가장 요구되는 성능은 물에 대한 저항성과 소금물에 대한 부식 방지 성능과 오랜 시간을 견딜 수 있어야 하며 우수한 극압성과 그리고 마모 방지성이다. 상기에서 언급한 바와 같이 칼슘 설포네이트 그리스는 본래의 우수한 극압성과 부식 방지성 등 모든 면에서 이러한 요구 조건을 충족한다고 사료된다. 표6은 현제 사용하는 갑판 그리스와 칼슘설포네이트 그리스와의 비교표이다.
-수중사용- 비중의 장점
수중에서 그리스를 사용하여야 할 경우 비중이 1.0을 약간 상회하여야 사용할 수 있다. 그래야 그리스가 수중에서 물에 떠오르지 않고 제자리에서 윤활을 할 수 있다. 대부분의 그리스는 비중이 0.95이하로 오일과 비슷한 수준의 비중을 나타낸다.
설포네이트 그리스의 주 성분은 오일을 제외하고는 아모프러스 칼슘 설포네이트로써, 수중 사용의 경우는 C400이 되겠다. 이 C400(400 TBN 칼슘 설포네이트)은 비중이 약 1.2로써 그리스의 종류에 따라 다르지만 설포네이트 그리스에 약 10-60%정도 함유되어 있다. 이와 같이 설포네이트 량을 조절하거나 오일의 종류를 조절하여 그리스의 비중을 1.0이상으로 만들 수 있다.
제강 공장
일반적으로 북미 제강 공장에서는 물이 사용되는 곳에서는 알루미늄 콤플렉스 타잎의 그리스가 대종을 이루고 기타 일반적인 곳은 리튬 비누기 그리스가 주로 사용되어 졌다. 알루미늄 콤플렉스 그리스는 물에 대한 저항성이 필요한 곳에 사용된다고 믿고 있으며, 그리고 비누기 그리스는 그 가격의 저렴성으로 인하여 일반적인 부위에 사용하지만, 그 성능이 부족하여 사용 량은 상당히 많은 량을 사용하여야 한다.
칼슘 술포네이트 그리스는 물에 섞여 돌아 가거나 온도가 높은 곳에 사용하여야 하거나 총격 하중을 받는 제강 공장에 사용하기에는 아주 적합한 그리스이다.
물론 가격은 일반 비누기 그리스에 비하여 비싸기는 하지만 그 내구성이나 성능으로 인하여 사용량을 획기적으로 줄여 비용을 절감할 수 있다. 유럽에서 이 그리스를 생산하는 제조 업체는 이 설포네이트 그리스를 제강 공정에 적용하여 아주 성공적인 결과를 얻었으며, 핫 코일 공정이나 넥 베어링 부위에 적용하여 그리스 사용량을 40-50% 절감하였다.
몇 년 전 무어 잡지(과학잡지)에서 몇 종류의 베어링 세트의 규정에 대하여 평가를 한 기사를 실은 적이 있다. 여기서 제강 공장의 베어링 그리스로서는설설포네이트 그리스가 적합한 것으로 추천되었다. 콜드 롤링 밀의 스페리칼 베어링과 핫 롤링 밀의 테이퍼 롤라 베어링에 아주 좋은 효과를 보이고 있다. 이 부위에 적용하여 수저항성, 부식 방지 성능, 기계적 안정성, 펌프빌리티, 저 오일 분리성 그리고 극압성 등의 측면에서 아주 우수한 효과를 나타냈다.
이 설포네이트 그리스의 우수한 기계적 안정성과 산화 안정성이 서로 맞물려 일반적인 그리스에 비하여 베어링의 수명을 획기적으로 연장한 것을 알 수 있었다.
광 산
– DDR 그리스
다이아몬드 드릴 에 사용하는 그리스는 일반적으로 과거에는 파이버 그리스 즉 주로 바륨 그리스를 사용하였다. 그러나 바륨 그리스의 생산이 점차 감소하면서 50% 이상의 C400을 함유하고 수분과 마모에 저항성을 제고한 설포네이트 그리스가 이러한 목적에 사용하기 위하여 개발되었다. 그리스는 Rod 전체에 고루 코팅되어 Rod에 단단히 부착되어 드릴링을 하는 동안 윤활을 하여야 하며 드릴 작업이 완료된 후에도 Rod에 남아 부식을 방지하는 역할을 하여야 한다.
-와이어 로프 드레싱
설포네이트 그리스가 가지고 있는 또 하나의 장점으로써, 호이스트나 기타 끌어 올리는 데 사용하는 와이어 로프는 줄과 고리에 작용하는 마찰력과 그리고 고속(분당 1700피트) 으로 인한 그리스의 이탈 등이 문제가 되는 부위에 아주 적합한 그리스이다. 일반적으로 지금 까지 염화 솔벤트로 희석한 아스팔트 제품을 사용하여 왔으나, 이러한 염화 솔벤트가 시장에서 사용하지 못하게 규제가 되자 새로운 제품을 개발하게 되었다. 와이어 로프의 윤활은 브라쉬로 바르거나 아니면
압력에 의해서 그리스를 공급해 주어야 한다. 이러한 경우 솔벤트는 와이어로프 가닥 사이로 아스팔트가 침투하도록 도와주고 증발하는 역할을 한다. 설포네이트 그리스를 사용할 경우 이러한 부분에서 일정 역할을 할 수 있으나 좀 더 연구를 계속해야 할 분야이다. 브러쉬로 발라서 적용할 경우 침투성이 용이해 질 수 있으나 약간의 솔벤트가 있어야 좀 더 침투를 용이하게 할 수 있다. 만약 와이어 로프 가닥 내부가 이 술포네이트 그리스로 완전히 코팅될 수만 있다면 극압성이나 부식 방지 성능 면에서 아주 우수한 효과를 기대할 수 있다. 아스팔트를 사용한 윤활제는 저온하에서 굳어져서 크랙이 발생하는 경향이 있다. 그러나 설포네이트 그리스는 저온에서 굳어지더라도 유연성을 가지고 윤활 작용을 할 수 있다.
기타 적용
– 극저온 적용
칼슘 설포네이트 그리스의 약점이라면 약점은 극저온 성능에 대한 것이다.
일반적으로 모든 그리스에서 요구되는 그리스의 저온 토크라든지 대부분의 규정은 충족할 수 있으나 리튬 콤플렉스 정도의 극저온 성능을 기대하지는 못한다. 이 이유는 일반 그리스 보다 증주제의 량이 설포네이트 그리스는 많이 들어가기 때문이다. 그러나 베이스 오일을 PAO로 사용할 경우는 리튬 콤플렉스 수준의 저온 성능을 기대할 수 있다. 표7은 PAO오일을 베이스로 한 설포네이트 그리스와 다른 일반 그리스 중 PAO를 베이스로 한 그리스와의 저온 성능에 대하여 비교한 비교표이다. 그리고 이 합성 오일을 베이스로한 설포네이트 그리스는 고온에서도 아주 좋은 성능을 발휘한다.
– 유연 카플링
카플링은 로타리 운동의 전달에 아주 중요한 요소이다. 이 요소는 대부분 주기적으로 그리스를 주입하여 윤활을 수행한다. 이 그리스의 요구 사항은 강력한 원심력에 의한 오일 분리 현상이 적어야 하고 부식으로 인한 마모가 없어야 한다.
만약 오일과 증주제가 분리가 된다면 비중이 무거운 증주제는 원심력에 의하여 카플링 이빨 쪽 바깥으로 밀려나올 것이다. 이러한 경우 일반적인 그리스는 증주제가 거의 윤활 작용을 하지 못하기 때문에 윤활에 실패할 것이다. 일반적으로 오일 분리를 시험하는 방법은 ASTM D4425의 방법이며 24시간 동안 36,000rpm으로 회전하여 시험한다.
그리스로써 합격하려면 24시간 동안 8% 이내의 Loss 이어야 한다. 로타리 운동을 하는 동안 카플링은 축 방향으로 자유 운동을 하게 되며 일반적으로 적은 진폭으로 굉장히 빠른 진동 운동을 하게 되며 이빨의 마모가 극심하게 된다. 일반적으로 오일의 분리를 방지하기 위하여 고점도의 베이스 오일을 사용한 폴리머 그리스를 사용하여 왔으며 이러한 폴리머 기술을 사용하여 이와 같은 용도에 적합한 술포네이트 그리스를 개발하게 되었다. 이렇게 개발된 그리스는 D4424 시험 방법으로 24시간 실험한 결과 오일 분리도가 6%이내이며, 진동마모는 D4170 시험 결과 3mg 이하의 마모도를 나타낸다. 물론 이 그리스는 우수한 부식 방지 성능과 극압성 그리고 고온 안정성 등을 가지고 있다.
결 론
칼슘 설포네이트 그리스는 아주 우수한 극압/마모 방지 성능과 부식 방지 성능, 기계적 안정성, 산화 안정성, 수저항성, 수 분리성 등을 가지고 있다. 이러한 성능은 서로 결합하여 차량용이나 산업용으로 만능 그리스의 효능을 발휘한다. 지난 수십년 동안 일반 멀티 퍼포먼스 그리스가 감당하지 못하는 특수 부위의 산업계를 감당하기 위한 그리스 개발을 위하여 끊임없이 노력하여 왔으며, 이 논문에서 나오는 산업계나 특정 기계의 부위는 이 설포네이트 그리스가 적용될 수 있는 극히 제한적인 것만 언급되었음을 밝히고자 한다.
칼슘 설포네이트 기술은 1980년대 초에 개발되었으며 1980년대 중반에 시장에 나오게되어 매년 그 생산량이 증가하여 캐나다에서는 매년 10%이상의 증가율을 기록하게 되어, 1997년 NLGI보고서에 의하면 캐나다 시장의 전체 그리스 소요량은 대략 40MM Lb 정도 되며 이 중 전통적인 그리스를 제외한 전체 량의 25%를 점유하며, 전체 그리스 소요량의 12%를 차지할 정도로 생산량이 늘어나게 되었다.
캐나다는 극압성 등에서 이 그리스가 적용되기에 가장 적합한 시장을 제공하고 있다. 가령 예를 들면 제철 펄프 제지 수산업 철도 광산 전기 건설 기타 제조업 등 이러한 산업 분야에서 겨울 등 극지방의 기후 조건하에서 극압성을 요구하는 분야이기 때문이다. 처음에 이 그리스는 다목적 그리스로서 시장에 소개되었고 지금도 여러 제품에 대하여는 이 다목적 그리스 의 특징을 가지는 것이 사실이나, 과거 10년간 특수 분야의 적용에 대하여도 꾸준히 관찰되고 있다.
사용 기간과 부패 방지 성능을 증가해 주고 무엇 보다 점착성을 제고해 주는 EP 극압성과 온도(고온 저온)에 대한 저항성 등으로 해서 일반 다목적 그리스가 감당할 수 없는 분야,
즉, 특수한 분야의 적용이 가능하다는 것이다.
현재로 칼슘 술포네이트 그리스는 캐나다, 미국, 유럽 등에서 생산하고 있으며 미국과 기타 여러 나라에서 특허를 가지고 있다. 이 보고서는 칼슘 술포네이트의 화학적 성능과 어떻게 이 화학물질이 그리스로서의 성능을 발휘하며, 기타 여러 분야에서의 적용 가능성과 성공 여부를 가늠해 보기 위한 것이다.
칼슘 설포네이트의 화학적 배경
금속 과함유 청정제(Overbased metallic detergents)는 엔진오일의 첨가제로 널리 사용되고 있다. 그 대부분은 비유기물질 형태 즉 칼슘카보네이트 혹은 마그네슘카보네이트 로 알킬 벤젠 설포네이트 혹은 알킬실리케이트 혹은 황화 알킬 패놀 등의 계면활성제로 안정화 되어 오일에 콜로이드 상태로 조성되어 있다.
일반적인 방법은 먼저 알킬 벤젠에 용해되는 합성 오일이나 광유를 올레움 혹은 가스 형태의 황산트리옥사이드와 술폰화하여 황산을 만든다. 이 황산은 촉매(보통 알코올 사용)하에 알카린 금속과 반응하고 카본화하여 콜로이드 형태의 overbased metallic detergents를 생성하게 된다. 이 오버베이스(overbased)란 용어는 이황산의 경우에는 일반적으로 어떤 용액을 중화하기에 충분한 량 이상의 금속 성분을 함유하고 있는 것을 지칭할 때 사용하는 용어이다. 칼슘 설포네이트는 엔진오일 혹은 선박오일에서 부식을 방지하거나 유해한 찌꺼기를 분산하거나 청정제로서 매우 유용하게 사용하는 청정분산제로 사용되고 있다. 이러한 청정 분산제로서의 성능은 이 물질의 화학 구조로 기인한 것이다. 이것은 다시 이 본문의 기본 주제인 그리스로서의 역할을 할 수 있는 성능을 가지게 하는 원동력이다.
오버베이스드 칼슘 설포네이트는 조그만 극성을 가진 머리와 긴 소수성의 꼬리를 가진 형태로 되어있다. 이 극성의 머리는 유기 산 성분의 금속염으로 구성되어 있으며 소수성의 꼬리는 오일에 용해되는 알킬 사슬로 되어 있다. 설포네이트 알킬 사슬 길이는 적어도 12-30개의 탄소 원자로 구성되어 있다. 일반적인 칼슘 설포네이트의 핵심 칼슘 카보네이트는 와이드 앵글 X-ray로 관찰해 보면 비결정으로 나타나며, 그림2에서 보듯이 FT-IR로 분석해 보아도 비결정 카본 카보네이트의 특성인 860Cm-1에서 피크를 나타낸다.
다목적 그리스에 이러한 비결정성의 분산은 여러 미국 특허출원에 잘 나타나 있다. 비결정의 칼슘 카바네이트 오버베이스드 술포네이트를 물과 알코올로 처리함으로써 이 카본 카바네이트는 칼사이드라 불리는 결정사의 형태로 바뀌게 된다. 이러한 구조사의 변화는 뉴톤계 유체에서 비뉴톤계 유체로의 유체역학적 변화와 관련이 있다. 유체학적 이러한 변화는 웨이퍼 모양의 칼사이트 간의 연관성에 의해서 일어나는 것이다. 분광분석(PXRD)이란 기술이 이러한 성분의 결정성의 정도를 정의하기 위하여 사용된다. 그림 3,4,5는 각각 비결정 칼슘 카바네이트와 칼사이트 그리고 바트라이트의 패턴을 보여주는 그림이다. 바트라이트는 카본 카바네이트에서 나올 수 있는 또 다른 형태인데 이는 그러나 유체적인 성질이 부족하여 그리스에 사용하기에는 부적합한 것이다. 그림2에서 보았듯이 칼슘 카바네이트는 864에서 피크를 나타내는 반면 바트라이트는 876에서 그리고 880에서 나타낸다.
칼슘 술포네이트 그리스의 중요 특성
전장에서 우리가 서로 논의한 바와 같이 이 그리스의 중요 특성은 아래와 같다.
– 술포네이트의 강한 극성으로 인한 부식 방지 성능
– 증주제의 칼사이트의 결정 구조에 의하여 첨가제를 첨가하지 않아도 우수한 극압성을 나타낸다.
– 우수한 산화 방지 성능과 산화 방지제에 대한 반응성
– 수분이나 온도가 높은 조건 하에서도 기계적 안정성이 높다.
– 318℃ 이상의 적점성
– 저온에서도 사용 가능한 저온 안정성
– 중앙 집중식 급유 방법에도 사용 가능
표1은 다른 콤플렉스 타입의 그리스와 비비누기 그리스 그리고 칼슘 설포네이트 그리스와의 비교표이다.
윤활 메카니즘
과거의 윤활 이론에서는 증주제는 단지 윤활유를 윤활이 필요한 부분까지 운반하는 역할만 담당하고 오일이 여기서 압력과 접촉으로 인하여 증주제로부터 빠져 나와서 윤활을 하는 것으로 되어 있었다. 이 이론은 일명 스폰지 이론이라고 하는 것이다.
이 이론은 이후 여러 그룹에 의해서 검정되어 졌고 일부는 옳다는 결론에 이르게 되었으나, 증주제의 종류에 따라서 새로운 이론, 즉, 증주제 자체가 압려과 접촉에
의해서 부서져서 오일과 함께 윤활막을 형성하여 윤활을 한다는 이론이다.
칼슘 설포네이트 그리스의 사용과 함께 이 이론은 더욱 더 분명한 힘을 얻는다.
위에서 언급한 바와 같이 칼슘 술포네이트 그리스는 윤활을 하기 위하여 특정한 극압 첨가제가 필요하지 않다. 증주제 자체가 이러한 극압첨가제의 성능을 담당 한다. 실험실에서 그리스를 만들 때 칼슘 설포네이트 배치 내에 바테라이트 성분이 많이 있으면 현저하게 극압 성분이 저하되는 것을 볼 수 있다.
헌트는 칼슘 카보네이트의 판상 구조가 금속 표면에 수평으로 부착한다는 것을 전자 현미경으로 증명한다. 이러한 판상 구조는 마치 고기 비늘과 같이 서로 연결
되어 코팅을 하게 된다. 이와 같이 수많은 전단 판상을 형성하여 압력을 전달할 수 있는 성능을 가지게 된다. 반면 바테라이트 카보네이트는 수직 구조의 판상을 형성
하여 그리스의 하중 전달 능력을 감소하게 한다.
제 조
증주제의 화학 구조 자체는 변하지 않지만 제조 방법은 여러 가지 방법이 있다. 여러 가지 방법 중 가장 중요한 것은 베이스 오일이 서로 다른 것이다. 베이스 오일은 일반 광유에서부터 폴리알파올레핀(POA) 그리고 자연 분해성 오일 즉 캐놀라 오일 등이 있다. 같은 오일이라 하더라도 또 여기에는 여러 가지 다른 점도를 가지는 오일이 사용될 수 있다. 즉 2번의 경우 40℃에서 18cst에서 800cst
까지 혹은 이론적으로는 더 이상의 점도를 사용할 수 있다. 그리고 합성 오일의 경우는 46cst에서 400cst까지 사용이 가능하다.
이러한 모든 제품은 극압성을 주기 위하여 중금속이나 염소 등 극압제를 사용할 필요가 없다. 그리고 몰리브덴이나 흑연 등을 첨가하여도 극압성이 더 향상된다는
결과가 없으며 단지 이것을 넣는 이유는 규정에 맞추기 위한 것일 뿐이다.
여기에 산화방지제로 페놀이나 아민 계통의 첨가제를 첨가하면 아주 좋은 산화 방지 성능을 기대할 수 있다.
자동차용에 적용
-휠베아링과 차체에 적용
칼슘 설포네이트 그리스의 개발 목적 중 중요한 하나가 휠 베어링용으로 NLGI GC/LB급을 개발하기 위한 것 이었다. 표2는 이에 대한 규정을 나타내고 있다.
이 규정은 사실 그 범위가 상당히 넓은 것은 사실이지만, 칼슘 설포네이트 그리스의 우수성을 잘 나타내고 있다. 일반적으로 증주제를 일부러 상당히 많이 사용하거나 아니면 아주 점도가 높은 베이스 오일을 사용한 경우가 아니면 일반적으로 이 규정에 맞는다고 할 수 있다. 상기와 같이 예외적으로 높은 점도의 오일을 사용하거나 증주제를 과다하게 사용할 경우 저온 토크에 나쁜 영향을 줄 수 있다.
-CV 조인트 그리스
칼슘 설포네이트 그리스 사용 용도로 또 한 가지 재미있는 적용 부위가 이 CV 조인트 부위이다. 일반적으로 산화안정성이 강하여 오래 사용이 가능하다는 이유로 폴리우레아 그리스가 이 부위에 적용되었다. 그러나 광유에 특수한 산화방지제를 첨가하여 칼슘 설포네이트로 만든 그리스가 상기 폴리우레아 그리스 보다 2배 이상의 산화 안정성을 나타낸다. ASTM D3527의 시험 방법으로 시험한 결과는 베아링의 수명을 100시간에서 200-300시간으로 연장하고 있다. 이러한 두 배 이상의 산화안정성과 함께 고무등과 같이 사용할 수 있는 병용성, 저온에서의 우수한 마모 방지성, 일반적인 우수한 극압성, 환경적으로 유해한 성분이 없는점 등 모든 면에서 CV 죠인트 그리스로는 최상의 그리스이다.
제지 공장 적용
먼저 제지 공장의 작업 환경을 생각해 보면 이 그리스의 우수한 부식 방지 성능, 극압성, 수분의 존재하에서 우수한 전단 안정성 그리고 고온에서의 사용 수명 연장등의 특성으로 이 그리스가 최적의 사용 그리스임을 알 수 있다. 제지 공장에서는 이러한 조건을 만족하기 위해서 프리미엄급 그리스(complex)를 사용하고 있으나 칼슘 설포네이트 그리스의 특히 우수한 부식 방지 성능의 측면에서 제지 공장용으로 가장 적합한 그리스임에 분명하다.
– 프레스 롤
이 롤들은 두 번째 공정으로써 이제 막 만들어진 종이가 드라이 공정에 들어가기 전에 수분을 제거하기 위한 것이다. 이 롤들은 길이가 보통 10미터 이상이며, 무게가 30톤이 넘는 것들로써 반경이 1미터가 넘는 스페리칼 베어링에 의해서 지지되어 회전하도록 되어있다. 그리고 이 베어링의 속도는 일반적으로 350rpm이 넘는다.
이에 사용되는 그리스는 반드시 이러한 하중을 이길 수 있는 높은 극압성과 수저항성 그리고 mill water (white water)를 견딜 수 있도록 화학적인 안정성을 함께 가지고 있어야 한다. 화학적 안정성에 대하여 시험한 결과 대부분의 그리스는 이러한 white water와 같이 섞여서 돌아가면 점성이 약해져서 온도가 조금 올라가면 전단, 절단되어 버린다. 광유를 베이스로 하여 만든 설포네이트 그리스는 이와 같이 약해지지 않는 아주 강한 성능을 나타낸다. 표 3은 일반적으로 제지 공장에 사용하는 리튬 콤플렉스 그리스와 설포네이트 그리스를 비교한 데이터를 보여 주고 있다.
– 팰트 롤 인장 롤러
이것은 드라이 공정의 마지막 부분에 해당하며 프레스 롤에 비하여 비교적 낮은 하중(10톤 이하)을 받으며 비교적 고온(50℃ 이상)이며, 100% 이상의 습기를 가지는 조건에서 운행된다. 일반적으로 드라이 공정의 마지막 부분은 중앙 집중식 오일 윤활을 하며 여기서 마지막 종이가 생산되기 전에 완전하게 말리는 공정을 수행한다. 이 공정에서 종이는 두겹의 펠트에 의해서 운반되면서 여러 롤들 사이를 지나가게 된다. 윗 부분 펠트는 드라이 섹션을 통과하여 다시 처음 자리로 되돌아 오고, 아랫 부분 펠트도 드라이 섹션을 지나 처음 자리로 되돌아온다. 이러한 여러 섹션들은 밀폐된 공간으로 되어 있으며 이러한 롤들은 스팀 고온에 노출되게 된다.
이러한 상황에서 펠트를 적절하게 팽팽하게 하기 위해서는 텐셔닝 롤이 있어야 한다. 움직이는 과정에서 텐션을 가하기 위해서는 오일 윤활을 할 수가 없고 그리스 윤활을 하여야 하는데 이 부분은 계속해서 주입이 불가능하고 단지 일정 시간이 경과하고 간헐적으로 주입할 수 밖에 없는 환경이므로 장시간 사용하더라도 열이나 화학적 반응에 의하여 그리스가 저급화되지 않고 긴 수명을 유지할 수 있어야 한다.
어느 제지 공장에서 이러한 요구 사항인 그리스의 긴 수명을 유지하기 위하여 고점도 합성 리튬 콤플렉스 그리스를 프레스 롤 부위에 사용하여 그리스의 사용 수명을 연장한 적이 있다. 이러한 고점도 합성 그리스의 특성을 살려 개발한 설포네이트 그리스와 상기 합성 그리스와의 비교표를 표 4에서 볼 수 있다. 이 표에서 볼 수 있듯이 다른 여러 가지 특성은 비슷하나 부식 방지 성능은 술포네이트가 상기의 리튬콤플렉스 그리스 보다 4배 이상 우수한 것을 볼 수 있다.
여기서 한 가지 재미있는 현상을 발견할 수 있는데 합성 오일을 베이스로 만든 그리스가 광유를 베이스로 만든 그리스에 비하여 물이 있는 곳에서 사용할 경우 그리스가 보다 더 굳어지는 경향을 보이는데 이것은 수분이 합성 오일 PAO(폴리 알파 올레핀)을 서로 더 뭉치게 하는 원인이 된다는 것을 보여 주며 이것이 그리스를 보다 굳게 하는 원인인 것이다. 그러나 이러한 현상을 이 그리스의 결점으로 생각할 필요는 없다. 왜냐하면 이러한 약간의 그리스의 굳는 현상이 베어링이 회전하는데 어떤 방해가(저항)될 정도로 베아링이 빨리 회전하지는 않기 때문이다.
발전 설비
발전 설비에 사용되는 그리스는 일반적으로 멀티퍼포스 그리스를 주로 사용하지만 특히 원전 같은 경우는 보다 양질의 특수 그리스를 사용하기도 한다. 그 중 하나가 모터로 구동되는 밸브(MOV)로 스팀의 양을 조절하여 문을 열고 닫는 밸브이다.
– MOV actuator Grease
이 MOV는 주 기어 박스와 limit switch gear box 그리고 stem/stem nut section으로 구성되어 있다. 이 발전 설비에서 현재 당면하고 있는 문제는 이러한 모든 부위에 사용할 수 있는 진정한 의미의 만능그리스가 없다는 것이다. 이 설비의 주된 문제는 스텐으로 된 스템에 부식을 방지하기 위하여 동으로 된 너트를 사용하고 있고 이MOV는 자주 사용하는 것이 아니고 주기적으로 사용하며 긴급한 경우에 한하여 사용하는 밸브이다. 이러한 조건에서 요구되는 그리스의 조건은 높은 극압성을 가지되 스텐에 부식을 일으키는 CI등 EP 첨가제가 함유되지 않고 마모 방지성을 높여야 하며, 마찰에 대해서도 좋은 적응성을 가져야 하며 부식방지 산화방지의 성능은 물론이고 원전의 방사능이 유출될 가능성이 있는 부위의 경우는 이 방사능에 대한 저항성을 가지고 있어야 한다. 그리고 마지막으로 요구되는 성능은 오랫동안 이 기구를 사용하지 않고 두더라도 그리스의 컨시스턴시가 변하지 않아야 한다. 이 컨시스턴시가 변할 경우 스위치를 제어하는데 필요한 일정의 마찰력이 변하여 통제할 수 없는 범위로 변해 버리기 때문이다.
이러한 조건에 적합한 그리스를 찾기 위하여 다년간 노력한 끝에 칼슘 설포네이트 그리스에 주목하기 시작하였다. 우리가 지금까지 검토해 본 결과 극압 첨가제 없이도 우수한 극압성과 마모방지성이 있음을 알 수 있었고 또한 부식 방지성 역시 아주 우수한 것을 알 수 있다. 그러면 여기서 우리가 검토해 보아야할 부분은 방사능에 대한 저항성과 스텐과 동에 대한 윤활성 그리고 오랜 시간이 지나도 그리스가 고화되거나 컨시스턴시가 변하지 않는다는 부분이다.
방사능에 대한 저항성은 여러 종류의 칼슘 설포네이트 그리스에 대하여 시험을 한 결과 표5에서 볼 수 있듯이 저 준위의 방사능(20Mard)에 대해서는 강한 저항성을 가지고 있으나, 고 준위의 방사능(200Mard), 즉 사고로 인한 방사능 유출의 경우에 대하여는 계속적인 시험관찰을 하여야 한다.
그리고 발전설비 시험 연구소(EPRI)가 칼슘 설포네이트 증주제 그리스에 대하여 시험을 한 결과 오랜 시간이 경과 하여도 컨시스턴시의 변화가 없으며 시간이 지나도 마찰에 대한 적응성등 모든 문제에 이상이 없음을 확인하고 있다. 지금 칼슘 설포네이트 그리스는 원전에서의 실제 조건 하에서 시험을 진행 중이다.
– Vane Spindle 그리스- 환경 친화적 적용
물속에서 작동하는 수문 베어링에 사용되는 그리스는 자연 분해 설포네이트 그리스가 가장 적합하다. 일반적인 카놀라 오일 베이스를 약간 변형하여 0.5 그레이드 그리스의 저온 성능을 개선하기 위하여 저 점도의 PAO오일을 사용한다.
그리고 CEC-L33-T82 방법에 의하여 시험한 결과 80% 이상 자연 분해되는 것을 알 수 있다. 그리고 펌퍼빌리티에 대하여는 링컨 벤트먼트 시험을(0kpa로 30초간 -18℃에서 압력을 가함) 한 결과 아주 우수한 성능을 보였고 그리고 기타 일반적인
모든 고유의 성능 역시 우수함이 입증되고 있다.
해양 설비 적용
– Deck 그리스
칼슘 설포네이트 그리스가 선박의 Deck에 사용하기에 우수한 그리스인지 아닌지를 지금 현재 시험 중이다. 이 그리스의 다기능 성에 비추어 기어 베어링 와이어 로프에 사용이 가능하다. 그러나 이 갑판에서 사용하는 그리스의 가장 요구되는 성능은 물에 대한 저항성과 소금물에 대한 부식 방지 성능과 오랜 시간을 견딜 수 있어야 하며 우수한 극압성과 그리고 마모 방지성이다. 상기에서 언급한 바와 같이
칼슘 설포네이트 그리스는 본래의 우수한 극압성과 부식 방지성 등 모든 면에서 이러한 요구 조건을 충족한다고 사료된다. 표6은 현제 사용하는 갑판 그리스와 칼슘설포네이트 그리스와의 비교표이다.
-수중사용- 비중의 장점
수중에서 그리스를 사용하여야 할 경우 비중이 1.0을 약간 상회하여야 사용할 수 있다. 그래야 그리스가 수중에서 물에 떠오르지 않고 제자리에서 윤활을 할 수 있다. 대부분의 그리스는 비중이 0.95이하로 오일과 비슷한 수준의 비중을 나타낸다.
설포네이트 그리스의 주 성분은 오일을 제외하고는 아모프러스 칼슘 설포네이트로써, 수중 사용의 경우는 C400이 되겠다. 이 C400(400 TBN 칼슘 설포네이트)은 비중이 약 1.2로써 그리스의 종류에 따라 다르지만 설포네이트 그리스에 약 10-60%정도 함유되어 있다. 이와 같이 설포네이트 량을 조절하거나 오일의 종류를 조절하여 그리스의 비중을 1.0이상으로 만들 수 있다.
제강 공장
일반적으로 북미 제강 공장에서는 물이 사용되는 곳에서는 알루미늄 콤플렉스 타잎의 그리스가 대종을 이루고 기타 일반적인 곳은 리튬 비누기 그리스가 주로 사용되어 졌다. 알루미늄 콤플렉스 그리스는 물에 대한 저항성이 필요한 곳에 사용된다고 믿고 있으며, 그리고 비누기 그리스는 그 가격의 저렴성으로 인하여 일반적인 부위에 사용하지만, 그 성능이 부족하여 사용 량은 상당히 많은 량을 사용하여야 한다.
칼슘 술포네이트 그리스는 물에 섞여 돌아 가거나 온도가 높은 곳에 사용하여야 하거나 총격 하중을 받는 제강 공장에 사용하기에는 아주 적합한 그리스이다.
물론 가격은 일반 비누기 그리스에 비하여 비싸기는 하지만 그 내구성이나 성능으로 인하여 사용량을 획기적으로 줄여 비용을 절감할 수 있다. 유럽에서 이 그리스를 생산하는 제조 업체는 이 설포네이트 그리스를 제강 공정에 적용하여 아주 성공적인 결과를 얻었으며, 핫 코일 공정이나 넥 베어링 부위에 적용하여 그리스 사용량을 40-50% 절감하였다.
몇 년 전 무어 잡지(과학잡지)에서 몇 종류의 베어링 세트의 규정에 대하여 평가를 한 기사를 실은 적이 있다. 여기서 제강 공장의 베어링 그리스로서는설설포네이트 그리스가 적합한 것으로 추천되었다. 콜드 롤링 밀의 스페리칼 베어링과 핫 롤링 밀의 테이퍼 롤라 베어링에 아주 좋은 효과를 보이고 있다. 이 부위에 적용하여 수저항성, 부식 방지 성능, 기계적 안정성, 펌프빌리티, 저 오일 분리성 그리고 극압성 등의 측면에서 아주 우수한 효과를 나타냈다.
이 설포네이트 그리스의 우수한 기계적 안정성과 산화 안정성이 서로 맞물려 일반적인 그리스에 비하여 베어링의 수명을 획기적으로 연장한 것을 알 수 있었다.
광 산
– DDR 그리스
다이아몬드 드릴 에 사용하는 그리스는 일반적으로 과거에는 파이버 그리스 즉 주로 바륨 그리스를 사용하였다. 그러나 바륨 그리스의 생산이 점차 감소하면서 50% 이상의 C400을 함유하고 수분과 마모에 저항성을 제고한 설포네이트 그리스가 이러한 목적에 사용하기 위하여 개발되었다. 그리스는 Rod 전체에 고루 코팅되어 Rod에 단단히 부착되어 드릴링을 하는 동안 윤활을 하여야 하며 드릴 작업이 완료된 후에도 Rod에 남아 부식을 방지하는 역할을 하여야 한다.
-와이어 로프 드레싱
설포네이트 그리스가 가지고 있는 또 하나의 장점으로써, 호이스트나 기타 끌어 올리는 데 사용하는 와이어 로프는 줄과 고리에 작용하는 마찰력과 그리고 고속(분당 1700피트) 으로 인한 그리스의 이탈 등이 문제가 되는 부위에 아주 적합한 그리스이다. 일반적으로 지금 까지 염화 솔벤트로 희석한 아스팔트 제품을 사용하여 왔으나, 이러한 염화 솔벤트가 시장에서 사용하지 못하게 규제가 되자 새로운 제품을 개발하게 되었다. 와이어 로프의 윤활은 브라쉬로 바르거나 아니면
압력에 의해서 그리스를 공급해 주어야 한다. 이러한 경우 솔벤트는 와이어로프 가닥 사이로 아스팔트가 침투하도록 도와주고 증발하는 역할을 한다. 설포네이트 그리스를 사용할 경우 이러한 부분에서 일정 역할을 할 수 있으나 좀 더 연구를 계속해야 할 분야이다. 브러쉬로 발라서 적용할 경우 침투성이 용이해 질 수 있으나 약간의 솔벤트가 있어야 좀 더 침투를 용이하게 할 수 있다. 만약 와이어 로프 가닥 내부가 이 술포네이트 그리스로 완전히 코팅될 수만 있다면 극압성이나 부식 방지 성능 면에서 아주 우수한 효과를 기대할 수 있다.
아스팔트를 사용한 윤활제는 저온하에서 굳어져서 크랙이 발생하는 경향이 있다.
그러나 설포네이트 그리스는 저온에서 굳어지더라도 유연성을 가지고 윤활 작용을 할 수 있다.
기타 적용
– 극저온 적용
칼슘 설포네이트 그리스의 약점이라면 약점은 극저온 성능에 대한 것이다.
일반적으로 모든 그리스에서 요구되는 그리스의 저온 토크라든지 대부분의 규정은 충족할 수 있으나 리튬 콤플렉스 정도의 극저온 성능을 기대하지는 못한다. 이 이유는 일반 그리스 보다 증주제의 량이 설포네이트 그리스는 많이 들어가기 때문이다. 그러나 베이스 오일을 PAO로 사용할 경우는 리튬 콤플렉스 수준의 저온 성능을 기대할 수 있다. 표7은 PAO오일을 베이스로 한 설포네이트 그리스와 다른 일반 그리스 중 PAO를 베이스로 한 그리스와의 저온 성능에 대하여 비교한 비교표이다. 그리고 이 합성 오일을 베이스로한 설포네이트 그리스는 고온에서도 아주 좋은 성능을 발휘한다.
– 유연 카플링
카플링은 로타리 운동의 전달에 아주 중요한 요소이다. 이 요소는 대부분 주기적으로 그리스를 주입하여 윤활을 수행한다. 이 그리스의 요구 사항은 강력한 원심력에 의한 오일 분리 현상이 적어야 하고 부식으로 인한 마모가 없어야 한다.
만약 오일과 증주제가 분리가 된다면 비중이 무거운 증주제는 원심력에 의하여 카플링 이빨 쪽 바깥으로 밀려나올 것이다. 이러한 경우 일반적인 그리스는 증주제가 거의 윤활 작용을 하지 못하기 때문에 윤활에 실패할 것이다. 일반적으로 오일 분리를 시험하는 방법은 ASTM D4425의 방법이며 24시간 동안 36,000rpm으로 회전하여 시험한다.
그리스로써 합격하려면 24시간 동안 8% 이내의 Loss 이어야 한다. 로타리 운동을 하는 동안 카플링은 축 방향으로 자유 운동을 하게 되며 일반적으로 적은 진폭으로 굉장히 빠른 진동 운동을 하게 되며 이빨의 마모가 극심하게 된다. 일반적으로 오일의 분리를 방지하기 위하여 고점도의 베이스 오일을 사용한 폴리머 그리스를 사용하여 왔으며 이러한 폴리머 기술을 사용하여 이와 같은 용도에 적합한 술포네이트 그리스를 개발하게 되었다. 이렇게 개발된 그리스는 D4424 시험 방법으로 24시간 실험한 결과 오일 분리도가 6%이내이며, 진동마모는 D4170 시험 결과 3mg 이하의 마모도를 나타낸다. 물론 이 그리스는 우수한 부식 방지 성능과 극압성 그리고 고온 안정성 등을 가지고 있다.
결 론
칼슘 설포네이트 그리스는 아주 우수한 극압/마모 방지 성능과 부식 방지 성능, 기계적 안정성, 산화 안정성, 수저항성, 수 분리성 등을 가지고 있다. 이러한 성능은 서로 결합하여 차량용이나 산업용으로 만능 그리스의 효능을 발휘한다.
지난 수십년 동안 일반 멀티 퍼포먼스 그리스가 감당하지 못하는 특수 부위의 산업계를 감당하기 위한 그리스 개발을 위하여 끊임없이 노력하여 왔으며,
이 논문에서 나오는 산업계나 특정 기계의 부위는 이 설포네이트 그리스가 적용될 수 있는 극히 제한적인 것만 언급되었음을 밝히고자 한다.