추진기관용 흑연 씰의 고온 마모특성 및 비마모율 예측모델에 관한 연구 :A Study to Predict a Specific Wear Rate and of Wear Properties at Elevated Temperature for Graphite Seal in a Propulsion Unit

김연욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김연욱 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 김재훈

발행연도: 2015

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2015

추진기관용 흑연 씰의 고온 마모특성 및 비마모율 예측모델에 관한 연구

김연욱 기계설계공학과 2015.01 학위논문

2014

흑연 씰의 비마모율 예측에 관한 수학적 모델 개발

김연욱 , 김재훈 , 박성한 외 4명 한국추진공학회지 2014.08 학술저널

2013

그라파이트 씰의 비마모율 예측에 관한 수학적 모델 개발

김연욱 , 김재훈 , 박성한 외 4명 한국추진공학회 학술대회논문집 2013.12 학술대회자료

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추진기관의 자세를 제어하기 위한 추력 제어용 밸브는 노즐목 면적 조절을 통하여 연소실 압력을 조절함으로써 추력 크기를 조절하는 방식으로, 고온·고압의 연소가스를 구동기(actuator)로 새어 들어가는 것을 방지하는 기밀 구조를 갖게 된다. 이러한 이유로, 라이너(liner)와 노즐목의 입구를 조절하기 위한 핀틀과 같은 구조물의 구동축(driving shaft)사이에는 고온가스의 유입을 방지하기 위하여 씰(seal)이 위치한다. 추진력 조절을 위하여 구동축의 지속적인 움직임으로 인하여 씰 표면에는 지속적인 마찰과 마모가 발생하며, 이러한 표면적인 결함의 발생으로 인해 고온가스의 구동기로의 유입될 경우 구동기가 타거나 그 기능을 정확하게 수행을 못하게 되며, 추진기관의 정밀 제어는 불가능해지고 심할 경우에는 폭발에 이를 수 있다. 이러한 씰 구조물은 지속적인 접촉에 의한 마찰 마모의 손상으로 구조물의 수명 단축을 야기하기 때문에 이를 방지하기 위한 대책을 필요로 하게 된다. 본 연구는 추진기관 내에서 연소가스가 구동기로 유입되는 것을 차단하기 위해 설치되는 흑연 씰의 마모 특성에 대하여 연구하였다. 흑연 씰의 마모를 모사하기 위해 구동축과 실제 씰의 접촉을 모사하기 위한 시편을 제작하였으며, 왕복동 마모 시험을 통해 마모 과정을 재현하였다. 흑연 소재와 레늄 합금의 마모 특성에 대한 영향인자로 온도, 작용하중, 미끄럼 속도를 선정하고 작동 조건을 고려한 시험 조건에 대하여 마모 특성의 변화를 분석하였다. 또한, 반응표면분석법을 수행하여 흑연 소재의 비마모율 예측에 관한 수학적 통계모델을 제시하고 SEM 분석을 이용하여 마모 메커니즘을 규명하였다.

The graphite is one of the effective lubricant additive due to its excellent corrosion resistance, high-temperature endurance and self-lubricating properties. In this study, wear behavior of graphite used as sealing materials to cut off hot gas in propulsion unit is evaluated under room and elevated temperature. Wear occurs on graphite seal due to the friction of driving shaft and graphite. Thus, a reciprocating wear test to evaluate the wear generated for the graphite (HK-6) by means of the relative motion between a shaft material(W-25Re) and a graphite seal was carried out. The friction coefficient and specific wear rate for the changes of applied load and sliding speed were compared under different temperature conditions considering the actual operating environment. The dry sliding wear behavior of graphite was evaluated as a function of applied load, sliding speed and temperature. An attempt has been made to develop a mathematical model by response surface methodology(RSM) and an analysis of variance(ANOVA) technique was applied to confirm the validity of the developed model. Also, The wear mechanism was compared through the observation of the worn surface by SEM analysis. The results are as follows.
1. The friction coefficient of graphite-rhenium alloy decreased with increasing load and decreasing sliding speed, while the specific wear rate increased with decreasing applied load and sliding speed. After a certain duration of rubbing, the friction coefficient becomes steady within the observed range of sliding within a certain distance.
2. The friction coefficient at the high temperature is lower about 40% than that at room temperature, and the specific wear rate is highest at 250℃ and lowest at 350℃. The effect of temperature is larger than these effects of the applied load and sliding speed.
3. A mathematical model has been successfully developed to predict the specific wear rate of graphite(HK-6)-rhenium alloy (W-25Re) that incorporates the effects of temperature, applied load and sliding speed at 95% confidence level within range of investigation, but the validity of the model is limited to the range of parameters considered for the investigation.
4. The worn surfaces were analyzed under an SEM. At different temperature conditions, the wear surface yields a different profile and lubricant films are observed on worn surfaces due to the adhesion of wear particles onto the contact surface at a specific temperature. At 255℃, there are many spalling pits due to fatigue wear. Surface hardening due to oxidation occurs at 485℃.

Ⅰ. 서 론 1
1.1 연구의 필요성 1
1.2 연구 동향 4
1.3 연구목적 및 내용 6
Ⅱ. 이론적 배경 8
2.1 흑연의 고체윤활 효과 8
2.2 마찰 및 마모 현상 9
2.3 마모의 종류 12
2.3.1 연삭마모 12
2.2.2 응착마모 13
2.4 마찰 특성의 비교기준 16
2.4.1 마찰계수 16
2.4.2 비마모율 16
2.5 반응표면분석법 17
Ⅲ. 재료 및 시험방법 19
3.1 시험재료 19
3.1.1 흑연 19
3.1.2 레늄합금 20
3.2 표면조도 측정 22
3.3 왕복동 마모시험 23
3.3.1 마모시험장치 23
3.3.2 시편 형상 및 마모시험 방법 26
3.4 마모 시험 조건 28
Ⅳ. 시험 결과 및 고찰 30
4.1 흑연 소재의 상고온 마모특성 30
4.1.1 표면조도 측정 결과 30
4.1.2 상고온 마모특성 32
4.2 흑연 소재의 비마모율 예측모델 40
4.3 마모 메커니즘 분석 46
Ⅴ. 결론 50
참고문헌 52
Abstract 56

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