Quality Improvement of Smart UAV Rotor-Hub Part Through Gas Nitriding of Maraging Steel

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Vol.8, No.2, pp.33-39 (2014)

가스질화처리 적용을 통한 스마트무인기 머레이징강 로터허브 부품 품질개선

이명규

^1,†

· 최성욱

¹

· 김재무

¹

1한국항공우주연구원 미래비행체계실

Quality Improvement of Smart UAV Rotor-Hub Part Through Gas Nitriding of Maraging Steel

Myeong Kyu Lee

^1,†

, Seong Wook Choi

¹

and Jai Moo Kim

¹

1

Future Aircraft System Division, Korea Aerospace Research Institute

Abstract : Feathering spindle is one of the critical parts of the rotor system in the Smart Unmanned Aerial

Vehicle(SUAV) that it was manufactured with special material, Maraging C300. During the initial ground and tie-down flight tests of the SUAV, surface of the feathering spindle contacting to the needle-roller bearings showed excessive wear and dent due to high vibrating loads transferred from the rotating blades. Gas nitriding process was applied to the bearing contact surface of the feathering spindle to increase surface hardness so as to improve the surface defects. This paper briefly presents the gas nitriding process adopted and the spindle quality improvements including wear and corrosion resistance.

Key Words : Smart UAV, Maraging Steel C300, Feathering Spindle, Gas Nitriding, Surface Hardness, Wear

Resistance, Corrosion Resistance

Received : March 4, 2014 Revised : June 20, 2014 Accepted : June 28, 2014

† Corresponding Author

Tel: +82-42-860-2722, E-mail: [email protected] Copyright Ⓒ The Society for Aerospace System

1. 서 론

한국항공우주연구원(KARI)은 대학 및 업체와 공동 으로 2002년부터 2012년 3월까지 10년 동안 약 1000 억원의 정부 예산으로 틸트로터 형태의 스마트 무인기(Smart Unmanned Aerial Vehicle, SUAV) 기 술개발과제를 수행하였다. 2011년 하반기에 스마트무 인기의 완전자동 이착륙/천이/고정익 비행을 성공적으 로 수행하였으며, 또한 고정익모드로 3km 고도에서 최대 440 km/h 속도까지 비행시험을 성공적으로 완료 하였다[1,2].

스마트무인기의 로터시스템은 회전익 비행모드에서

비행에 요구되는 양력과 자세 제어력을 제공하고 고정

익 비행모드에서는 전진비행에 요구되는 추력을 발생

시키는 구성품이다. 로터시스템의 구성 부품 중 페더

링 스핀들(이하 스핀들)은 비행조건 및 자세에 따라

달라지는 로터 블레이드 피치각의 조절을 위한 페더링

힌지(Fig. 1)의 주요 구성부품이며, 회전하는 블레이드

로부터 발생하는 원심력, 블레이드의 양력과 항력에

의한 플랩 및 래그방향 굽힘모멘트의 매우 큰 하중을

허브로 전달한다. 이러한 큰 하중이 작용함에 따라 강

도 측면에서 뿐만 아니라, 로터 회전고유진동수 결정

에 기여하여 로터 동특성을 좌우하는 측면에서도 매우

중요한 역할을 감당한다. 따라서 스핀들은 강도 및 피

로특성이 매우 우수한, 특수강 일종의 머레이징강

(maraging steel) C300으로 설계 및 제작되었다.

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Fig. 1 Feathering Hinge Configuration[3]

스마트무인기의 초기 지상시험 및 안전줄시험 과정 에서 매 10시간 주기로 로터시스템에 대한 전체 분해/

점검이 이루어졌으며, 점검 결과 Fig. 2와 같이 스핀들 의 니들-롤러 베어링(needle -roller bearing) 접촉부 에 과도한 마모와 니들에 의한 홈이 파이는 현상이 발 견되었다. 이로 인하여 스핀들에 대한 설계 보완이 요 구되었으며 다양한 방법을 모색한 결과 베어링 접촉부 에 대한 질화처리 공정 적용을 시도하게 되었다.

Fig. 2 Defected Spindles After Ground and Flight

Tests

당시에 머레이징강은 국내에 잘 알려지지 않은 소재 일 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 효 과 확인을 위하여 소재시편과 실부품에 공정 적용 후 경도확인, 조직검사, 내식성 및 내마모성 시험 등이 수 행되었다.

본 논문에서는 스마트무인기 로터시스템의 핵심 구 성 부품이며, 머레이징강 소재로 가공되는 스핀들의 표면경도를 증가시키기 위하여 적용된 가스질화처리 공정 내용 및 이를 통한 내구성/내식성 개선 결과에 대하여 기술하였다.

2. 소재분석 및 질화처리 공정 적용

2.1 머레이징강 특성 및 화학 조성

머레이징강은 약 18% 니켈, 8-12% 코발트, 3-5%

몰리브덴, 0.2-1.6% 티타늄, 그리고 0.03% 미만의 매 우 낮은 탄소함량을 가지는 고합금강으로서, 니켈 마 르텐사이트 조직의 높은 인성에 의한 고강도 특성을 이용하는 소재이며, 시효처리(aging)를 통해 로크웰 경 도(Rockwell Hardness) 52~56 정도의 값을 가지게 된다. 머레이징강은 높은 정적 및 피로강도, 우수한 내 마모성 및 열처리 특성, 낮은 열팽창 계수, 양호한 가 공성 등의 다양한 장점을 가지며, 미사일 모터케이스, 기계공구, 베어링, 구동축 등에 적용되고 있다[4].

UTS, MPa 2,035

0.2% PS, MPa 2,000 Density, g/cm

³

8.02 Young's Modulus, GPa 195 Table 1 Typical Mechanical Properties of

Maraging C300 After Aging Heat Treatment [4]

국내에서는 풍동시험시 하중측정을 위한 밸런서

(balancer) 가공시 사용되기도 하였다. Table 1에 머

레이징강 C300의 주요 물성치를 정리하였다. 스마트

무인기 국산화 과정에서 스핀들은 머레이징강 C300의

원소재 수입 후 국내업체에서 기계가공 및 시효처리

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되었으며, 앞서 기술한 결함이 발생함에 따라 수입 소 재 자체의 규격 만족여부 확인을 위하여 화학성분 분 석이 우선적으로 이루어졌다. 화학성분 분석은 KS D 1801, 1803, 1808 등의 규격에 의거하여 한국화학시 험연구원에서 수행되었고, 결과는 Table 2와 같이 주 요성분이 소재 규격을 만족함을 확인하였다.

Nominal Composition

^*

(%)

Chemical Analysis Results

(%) Ni 18.0 - 19.0 18.60 Mo 4.6 - 5.2 4.88 Co 8.5 - 9.5 8.69 Ti 0.5 - 0.8 0.72

S ≤0.01 0.006

(*) MIL-S-46850

Table 2 Chemical Composition Analysis Results

of Maraging C300

2.2 질화처리 공정

질화처리는 부품의 표면경도를 국부적으로 높이기 위하여 적용되는 공정으로서, 해당 부품을 질소 환경 에 노출시켜 질소원소가 부품 표면에 침투되도록 하여 질화층을 생성시킨다. 질화처리 방법은 일반적으로 가 스질화, 염욕질화, 이온질화 등으로 구분되며 각각의 장단점을 가지고 있다. 이온질화는 매우 고가의 장비 가 필요하며, 염욕질화의 경우 장시간 처리시 표면 부 식이 일어나는 단점이 있다. 본 논문의 대상인 스핀들 의 경우 적용 공정에 따른 비용과, 요구되는 경화층 깊이를 얻기 위하여 소요되는 시간 등을 감안하여 가 스질화처리 공정을 선택하였다.

가스질화는 일반적으로 500

^o

C 이상으로 가열된 부 품 표면에 암모니아 가스를 주입하고 열분해로 발생되 는 질소원자가 질화작용을 하는 표면처리 방법이다.

Fig. 3은 가스질화처리 장비의 간단한 구성원리를 보 여주고 있다. 앞서 기술한 바와 같이 머레이징강의 경 우 요구강도 및 경도를 얻기 위하여 시효처리가 이루 어지며 시효처리 온도는 480

^o

C 이다. 따라서 일반강 의 질화처리 온도인 500

^o

C 적용시 소재의 물성치에 영향을 미칠 수 있으며, 가스질화처리 규격[5]에 의하

면 질화처리 온도를 시효처리 온도보다 최소 28

^o

C 낮은 온도에서 실시하도록 규정하고 있다. 이를 근거 로 스핀들의 질화처리 온도는 450

^o

C로 설정하였다.

Fig. 3

Schematic of a Simple Ammonia Gas-Nitriding Furnace [6]

질화처리에 의하여 경도가 증가되는 경화층의 깊이 는 질화처리 시간에 의하여 결정되며, 따라서 해당 부 품의 요구되는 경화층 깊이에 의하여 최종 공정이 결 정된다. 스마트무인기 스핀들의 경우 니들롤러 베어링 제작사의 요구도에 따라 표면 경도(로크웰)가 최소 58 보다 높을 것과, 로크웰 경도 58 이상이 되는 경화층 깊이가 70μm 이상일 것을 요구조건으로 설정하였다.

이러한 요구조건과 열처리 업체의 경험을 바탕으로 질 화처리시간은 20시간으로 설정하였다.

3. 질화처리에 따른 품질 개선

3.1 시편 시험

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 상태임

을 의미한다. 따라서 스핀들 가공 후 적용되는 시효처

리 조건을 원소재 시편에 동일하게 적용하였다. 시효

처리는 480

^o

C에서 6 시간 적용되었고 시효처리 후

(4)

표면경도는 52-54 범위로 측정되었다. 시효처리 완료 후 조직검사용과 내식성 비교용으로 2개의 소재시편에 대하여 질화처리가 이루어졌다. 질화처리 후 표면 경 도는 65.5로 측정되었으며, 표면경도 요구조건이 만족 됨을 확인하였다. Fig. 4는 재료 시편에 대하여 질화처 리 후 조직검사 사진으로, 경화층(hardened layer)을 보여주고 있다.

Fig. 4 Micrograph of Nitrided Specimen

Fig. 5 Measured Hardness Curve According to

Depth

질화처리 후 표면으로부터 깊이에 따른 경도를 측정 한 결과는 Fig. 5와 같으며, 120

μm

깊이에서 로크웰 경도가 58로 측정됨에 따라 당초 목표로 하였던 경화 층 깊이 70

μm

까지 경도 58 이상의 요구조건이 만족 됨을 확인하였다.

질화처리 적용한 재료 시편을 이용하여 내식성 비교를 위한 염수분무시험(salt spray test)이 수행되었으며, 동일한 재료 시편에 질화처리 적용 유무에 따른 결과 를 비교하였다. 식염수의 농도, 분무량, 온도 등은 KS D 9502 규격을 적용하였다. Fig. 6은 질화처리 미적용 및 적용 시편에 대하여 48시간 염수분무 시험 경과 후

에 비교한 사진이며, 질화처리에 따른 내식성 특성이 크게 향상되는 결과를 보여주고 있다. 질화처리 미적 용 시편의 경우 24시간 경과 후 최초 녹이 발견되었으 나, 적용 시편의 경우 82시간 경과까지 부식의 징후가 나타나지 않았으며 96시간 경과 후 2점에서 적녹이 발 생되었다. 이와 같이 내식성이 향상되는 원인은 질화 처리시 표면에 생기는 화합물층에 의한 것으로 알려져 있다.

(a) Un-nitrided Specimen

(b) Nitrided Specimen

Fig. 6 Comparison of Specimens After

Salt Spray Test

3.2 실부품 내마모성 비교

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. 7 과 같이 질화방치처리를 하였다.

실부품에 대해서도 질화처리 후 경도측정과 조직사

진 분석이 이루어졌으며 결과는 재료시편과 동일한 결

과를 보여주었다. 추가로 질화처리 부위의 치수 변화여

부를 확인하기 위하여 직경을 측정한 결과 0.01 mm

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단위까지는 동일하였다.

Fig. 7 Anti-Nitriding Treatment

스핀들의 질화처리에 따른 내마모성 향상을 정성적 으로 비교하기 위하여 Fig. 8과 같이 시험장치를 구성 하였다. 질화처리 적용 부품과 미적용 부품에 대하여 동일한 하중이 반복적으로 부과될 수 있도록 장치를 구성하였으며, 실제 운용환경을 모사하기 위하여 스핀 들에 니들-롤러 베어링과 피치케이스가 조립된 상태에 서 시험이 수행되었다. 장치의 하중 부과원리는, 회전 모터에 편심캠을 부착하고 스핀들 조립체 끝단과 링키 지로 연결하여 상하 운동이 일어남에 따라 베어링부에 하중이 가해지는 방식이다. Fig. 9는 56,000사이클의 반복하중이 가해진 후에 베어링 접촉부 상태를 비교한 사진이다. 다소 작은 수의 반복하중 사이클과 낮은 수 준의 하중으로 인하여 표면에 과도한 마모나 손상이 발견되지는 않았으나 질화처리 적용 부품이 상대적으 로 마모가 적게 일어났으며 또한 베어링 니들자국이 경미함을 확인하였다.

Fig. 8 Test Configuration for Comparing Wear

Resistance

Fig. 9 Results of Wear Resistance Test

3.3 장착운용 후 상태 비교

재료시편 및 실부품을 이용한 질화처리 공정의 적정 성 확인 및 내마모성/내식성 향상효과를 확인한 후 스 마트무인기 1,2,3호기에 장착되는 스핀들 전 부품에 대하여 질화처리 공정을 적용하였다. 이후 지상시험, 안전줄시험 및 비행시험 전 과정(Fig.10)에서 스핀들 의 베어링 접촉부 상태를 주기점검을 통해 확인하였으 며, 질화처리 공정 적용 후에는 과도한 마모 또는 베 어링에 의한 홈이 발견되지 않았다.

Fig. 11은 질화처리 적용 스핀들의 지상, 안전줄, 비

행시험 누적운용 74 시간이 경과한 뒤 베어링 접촉부

상태와 질화처리 공정 적용이전 부품의 누적운용 23시

간 경과 후 상태를 비교한 사진이다. 질화처리 미적용

부품의 경우 베어링 니들에 의하여 생긴 홈이 손으로

느낄 수 있을 정도로 심각하였으나 질화처리 적용 부

품의 경우 전혀 촉감으로는 느낄 수 없을 만큼 미세한

자국(육안)만 발견되었다. 따라서 질화처리 적용에 따

른 표면 경도 상승으로 내마모성 및 부품 내구성이 상

당히 개선되었음을 추가로 확인할 수 있었다.

(6)

(a) Ground Test (b) Tie-down Test (c) Flight Test Fig.10 SUAV Development Tests

(a) Non-nitrided (b) Nitrided Fig. 11 Comparison of Bearing Contact Surfaces

4. 요약 및 결론

스마트무인기 개발시험 과정에서 발견된 머레이징강 소재 스핀들의 니들-롤러 베어링 접촉부 표면 마모 및 니들에 의한 홈 발생 현상을 해결하기 위하여 국내에서 는 다소 생소하고 이전에 경험이 없는 머레이징강 소재 의 질화처리 공정을 적용하였다. 질화처리를 통해 스핀 들 표면의 로크웰 경도가 약 54 수준에서 66 수준으로 증가되었으며 20시간 질화처리를 통해 약 120μm 두께 까지 로크웰 경도 58이 얻어졌다. 또한 표면에 생기는 화합물층에 의하여 내식성이 크게 향상되었다. 질화처 리 미적용 시편의 경우 염수분무시험에서 24시간 경과 후 최초 녹이 발견된 반면 질화처리 적용 시편의 경우 96시간 경과 후에 녹이 발견되었다.

스핀들 실 부품에 대한 내구성 시험을 통해 질화처리 적용에 따른 내마모성이 향상됨을 정성적으로 확인하였 으며, 스마트무인기 탑재 후 일정시간 운용 후의 베어 링 접촉부 상태를 질화처리 적용 이전 부품과 비교했을 때 마모 및 함몰 현상이 대폭 개선되었음을 확인하였 다.

참 고 문 헌

[1] Kang, Y.S., Park, B. J., Cho A., Yoo, C. S., Koo, S.

O., “Autonomous Conversion Flight Test of Smart UAV”, Asian/Australian Rotor Forum, 2012.02.

[2] Kang, Y.S., Park, B. J., Cho A., Yoo, C. S., Koo, S.

O., "Flight Test of Flight Control Performance for Airplane Mode of Smart UAV", ICCAS, 2012.10.

[3] 이명규, 이주영, 김재무, “스마트무인기 틸터로터용 짐발허브 설계”, 대한기계학회지, 제 31권, 제 5호, 2007, pp. 625-634.

[4] http://www.smithshp.com/downloads/C300_SHP. pdf [5] AMS2759/6B, “Gas Nitriding and Heat Treatment of

Low-Alloy Steel Parts", 2005. 11.

[6] Pye, D., Practical Nitriding and Ferritic Nitrocarburizing,

ASM International, 2003.

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저 자 소 개