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문제 정의
- 본 논문에서는 스마트무인기 로터시스템의 핵심 구성 부품이며, 머레이징강 소재로 가공되는 스핀들의 표면경도를 증가시키기 위하여 적용된 가스질화처리 공정 내용 및 이를 통한 내구성/내식성 개선 결과에 대하여 기술하였다.
제안 방법
- 먼저 스핀들 가공용으로 수입된 원소재를 이용하여 질화처리 공정 확인 및 질화처리에 따른 특성 비교를 수행하였다. 원소재의 경도 측정 결과 로크웰 경도 30-32 수준이었으며 이는 시효처리되지 않은 상태임을 의미한다.
- 이온질화는 매우 고가의 장비가 필요하며, 염욕질화의 경우 장시간 처리시 표면 부식이 일어나는 단점이 있다. 본 논문의 대상인 스핀들의 경우 적용 공정에 따른 비용과, 요구되는 경화층 깊이를 얻기 위하여 소요되는 시간 등을 감안하여 가스질화처리 공정을 선택하였다.
- 시효 처리는 480 ℃에서 6 시간 적용되었고 시효처리 후 표면경도는 52-54 범위로 측정되었다. 시효처리 완료후 조직검사용과 내식성 비교용으로 2개의 소재시편에 대하여 질화처리가 이루어졌다. 질화처리 후 표면 경도는 65.
- 재료시편을 이용하여 질화처리에 따른 경도 증가 및 내식성 향상을 확인하였으며, 추가로 스핀들 실부품에 질화처리 공정을 적용하여 내마모 특성을 비교하였다. 실부품의 경우 베어링 접촉부 이외는 물성치 변화 및 질화처리에 따른 취성 증가를 방지하기 위하여 Fig. 7과 같이 질화방치처리를 하였다.
- 당시에 머레이징강은 국내에 잘 알려지지 않은 소재일 뿐만 아니라 표면 질화처리 공정 적용 사례가 없는 것으로 조사되었다. 이로 인하여 머레이징강 부품에 질화처리 공정 적용은 로터시스템의 국산화 과정에서 다소 생소한 시도였으며, 따라서 공정의 적정성 및 효과 확인을 위하여 소재시편과 실부품에 공정 적용 후 경도확인, 조직검사, 내식성 및 내마모성 시험 등이 수행되었다.
- 재료시편 및 실부품을 이용한 질화처리 공정의 적정성 확인 및 내마모성/내식성 향상효과를 확인한 후 스마트무인기 1,2,3호기에 장착되는 스핀들 전 부품에 대하여 질화처리 공정을 적용하였다. 이후 지상시험, 안전줄시험 및 비행시험 전 과정(Fig.
- 재료시편을 이용하여 질화처리에 따른 경도 증가 및 내식성 향상을 확인하였으며, 추가로 스핀들 실부품에 질화처리 공정을 적용하여 내마모 특성을 비교하였다. 실부품의 경우 베어링 접촉부 이외는 물성치 변화 및 질화처리에 따른 취성 증가를 방지하기 위하여 Fig.
- 8과 같이 시험장치를 구성하였다. 질화처리 적용 부품과 미적용 부품에 대하여 동일한 하중이 반복적으로 부과될 수 있도록 장치를 구성하였으며, 실제 운용환경을 모사하기 위하여 스핀들에 니들-롤러 베어링과 피치케이스가 조립된 상태에서 시험이 수행되었다. 장치의 하중 부과원리는, 회전 모터에 편심캠을 부착하고 스핀들 조립체 끝단과 링키지로 연결하여 상하 운동이 일어남에 따라 베어링부에 하중이 가해지는 방식이다.
- 질화처리 적용한 재료 시편을 이용하여 내식성 비교를 위한 염수분무시험(salt spray test)이 수행되었으며, 동일한 재료 시편에 질화처리 적용 유무에 따른 결과를 비교하였다. 식염수의 농도, 분무량, 온도 등은 KSD 9502 규격을 적용하였다.
대상 데이터
- 이러한 큰 하중이 작용함에 따라 강도 측면에서 뿐만 아니라, 로터 회전고유진동수 결정에 기여하여 로터 동특성을 좌우하는 측면에서도 매우 중요한 역할을 감당한다. 따라서 스핀들은 강도 및 피로특성이 매우 우수한, 특수강 일종의 머레이징강(maraging steel) C300으로 설계 및 제작되었다.
이론/모형
- 질화처리 적용한 재료 시편을 이용하여 내식성 비교를 위한 염수분무시험(salt spray test)이 수행되었으며, 동일한 재료 시편에 질화처리 적용 유무에 따른 결과를 비교하였다. 식염수의 농도, 분무량, 온도 등은 KSD 9502 규격을 적용하였다. Fig.
- 스마트 무인기 국산화 과정에서 스핀들은 머레이징강 C300의 원소재 수입 후 국내업체에서 기계가공 및 시효처리 되었으며, 앞서 기술한 결함이 발생함에 따라 수입 소재 자체의 규격 만족여부 확인을 위하여 화학성분 분석이 우선적으로 이루어졌다. 화학성분 분석은 KS D 1801, 1803, 1808 등의 규격에 의거하여 한국화학시험연구원에서 수행되었고, 결과는 Table 2와 같이 주요성분이 소재 규격을 만족함을 확인하였다.
성능/효과
- 9는 56,000사이클의 반복하중이 가해진 후에 베어링 접촉부 상태를 비교한 사진이다. 다소 작은 수의 반복하중 사이클과 낮은 수준의 하중으로 인하여 표면에 과도한 마모나 손상이 발견되지는 않았으나 질화처리 적용 부품이 상대적으로 마모가 적게 일어났으며 또한 베어링 니들자국이 경미함을 확인하였다.
- 질화처리 미적용 부품의 경우 베어링 니들에 의하여 생긴 홈이 손으로 느낄 수 있을 정도로 심각하였으나 질화처리 적용 부품의 경우 전혀 촉감으로는 느낄 수 없을 만큼 미세한 자국(육안)만 발견되었다. 따라서 질화처리 적용에 따른 표면 경도 상승으로 내마모성 및 부품 내구성이 상당히 개선되었음을 추가로 확인할 수 있었다.
- 스마트무인기의 초기 지상시험 및 안전줄시험 과정에서 매 10시간 주기로 로터시스템에 대한 전체 분해/점검이 이루어졌으며, 점검 결과 Fig. 2와 같이 스핀들의 니들-롤러 베어링(needle -roller bearing) 접촉부에 과도한 마모와 니들에 의한 홈이 파이는 현상이 발견되었다. 이로 인하여 스핀들에 대한 설계 보완이 요구되었으며 다양한 방법을 모색한 결과 베어링 접촉부에 대한 질화처리 공정 적용을 시도하게 되었다.
- 스핀들 실 부품에 대한 내구성 시험을 통해 질화처리 적용에 따른 내마모성이 향상됨을 정성적으로 확인하였으며, 스마트무인기 탑재 후 일정시간 운용 후의 베어링 접촉부 상태를 질화처리 적용 이전 부품과 비교했을 때 마모 및 함몰 현상이 대폭 개선되었음을 확인하였다.
- 재료시편 및 실부품을 이용한 질화처리 공정의 적정성 확인 및 내마모성/내식성 향상효과를 확인한 후 스마트무인기 1,2,3호기에 장착되는 스핀들 전 부품에 대하여 질화처리 공정을 적용하였다. 이후 지상시험, 안전줄시험 및 비행시험 전 과정(Fig.10)에서 스핀들의 베어링 접촉부 상태를 주기점검을 통해 확인하였으며, 질화처리 공정 적용 후에는 과도한 마모 또는 베어링에 의한 홈이 발견되지 않았다.
- 시효처리 완료후 조직검사용과 내식성 비교용으로 2개의 소재시편에 대하여 질화처리가 이루어졌다. 질화처리 후 표면 경도는 65.5로 측정되었으며, 표면경도 요구조건이 만족됨을 확인하였다. Fig.
- 질화처리 후 표면으로부터 깊이에 따른 경도를 측정한 결과는 Fig. 5와 같으며, 120μm 깊이에서 로크웰 경도가 58로 측정됨에 따라 당초 목표로 하였던 경화층 깊이 70μm까지 경도 58 이상의 요구조건이 만족됨을 확인하였다.
- 질화처리를 통해 스핀들 표면의 로크웰 경도가 약 54 수준에서 66 수준으로 증가되었으며 20시간 질화처리를 통해 약 120μm 두께까지 로크웰 경도 58이 얻어졌다.
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