고급 RV 차량용엔진마운트브라켓주물부품제조기술지원 2007.10. 지원기관 : 한국생산기술연구원참여기업 : ( 주 ) 진흥주물 산업자원부
관리번호 : 전문기업기술지원사업기술지원성과보고서 사업명고급 RV차량용엔진마운트브라켓주물부품제조기술지원 지원책임자 소속 : 한국생산기술연구원 지원기간 2006. 11. 1. 부터 성명 : 이상목 2077.10. 31. 까지 정부출연금 : 110 백만원 사업비규모 기업부담금현금 : 66 백만원 지원기관의 참여연구원 이상목 현물 : 44 백만원 부품 소재전문기업기술지원사업운영요령제18조의규정에의해기술지원사업수행에대한기술지원성과보고서를제출합니다. 첨부 : 기술지원성과보고서 5부 2007년 10월일 지원책임자 : 이상목 ( 인) 한국생산기술연구원장 : 나경환 ( 직인) 참여기업대표 : 이상덕 ( 인) 한국부품소재산업진흥원장귀하 - 2 -
제출문 산업자원부장관 귀하 본보고서를 고급 RV 차량용엔진마운트브라켓주물부품제조에관한기술지원 ( 지원기간 : 2006. 11 01. ~ 2007. 10. 31) 과제의기술지원성과보고서로제출합니다. 2007. 10 지원기관 : 한국생산기술연구원 ( 대표자) 나경환 ( 인) 참여기업 : ( 주) 진흥주물 ( 대표자) 이상덕 ( 인) 지원책임자 : 이상목수석연구원 참여연구원 : 문병문 수석연구원 : 김봉환 위촉연구원 : 김상경 위촉연구원 : 김재근 위촉연구원 : 이병준 위촉연구원 - 3 -
기술지원성과요약서 과제고유번 호 연구사업명 연구기간 2006. 11. 01. ~ 2007. 10. 31 부품소재전문기업기술지원사업 지원과제명고급 RV차량용엔진마운트브라켓주물부품제조기술지원 지원책임자이상목지원연구원 수 정부총 : 6명 110,000 천원총 : 기업내부 : 2명사업 110,000 천원 : 비외부 : 4명계 : 220,000 천원 지원기관명한국생산기술연구원소속부서명신소재공정팀 참여기업기업명 : ( 주) 진흥주물기술책임자 : 김상준 요약 보고서 면수 106 면 응고해석을이용한주조방안설계및 Solid 모델을활용하여얻어진최적주조방안설 계로기계적특성, 비파괴실험, 3 차원측정, 미세조직분석, 설계공차측정등의실험 을하였음. 현재주강으로사용하고있는엔진마운트브라켓을구상흑연주철재질로대 체제조함으로써많은기대적효과를얻을수있음. 미세조직제어, 불량률감소, 기계 적특성등의애로기술문제를해결하는기술을지원함으로써해외자동차부품시장에 서기술력을인정받을수있게됨. 기술지원결과로는안정적인기계적특성 ( 경도 HB160 이상, 인장강도 450 MPa이상, 내력 310 MPa이상, 연신율 12% 이상), 설계공차 ±0.5mm, 구상화율 80% 이상의미세조직, RT 2 등급이상의건전성확보등을달성하였음 색인어 ( 각 5 개이상) 한글영어 엔진마운트브라켓, 주철, 치수공차, FCD45 Eng/mount-bracket, cast iron, tolerance, FCD45-4 -
기술지원성과요약문 1. 사업목표 고급외산 RV 차량의안정성, 소음및진동에중추적영향을미치는엔진마운트용 브라켓부품을구상흑연주철재질로제조시애로기술인미세조직제어기술및불 량을저감기술을지원함으로써해외자동차부품시장을선점함. ( 기술지원상세목 표: 부품설계공차허용도 ±0.5 mm, R2 2 등급이상의건전성, 표면경도 HB160이 상, 인장강도 450 MPa이상, 내력 310 MPa이상, 연신율 12% 이상등의기계적특성 구성화율 80% 이상의미세조직) 2. 기술지원내용및범위 현재국내 외모든상용차및승용차에사용되는엔진마운트브라켓은주강재질을이용하여단조가공및용접을통하여제작되고있으니대형차의경우진동및충격으로인한크랙발생이잦고소형차의경우경량화및엔진소음, 진동발생의문제로인하여대체품제조기술확립이필요한실정임. 대체품제조기술확립을위해다음과같은내용을기술지원함 - 최적주조방안설계: 기하학적복잡부위에대한공기빼기벤트설계방안기술지원 응고해석을이용한적정압탕방안최적화및회수를향상 방안지원 -고체및조립모델링분석통한공차설계지원 - 전문가에의한치수공차설계지원 - 미세조직제어: 박육부, 후육부, 복잡형상부에대한흑연구상화율및기지조직제어기 술지원 - 기계적특성평가및향상을위한기술지원 - 회수율향상및불량률감소: 주조공정관리방안지원 - 국내미생산자동차부품에대한수출양산및시장개척을위한공정기술안정화지원 - 5 -
3. 지원실적 지원항목 기술지원前 지원내용 기술지원後 비고 최적주조방안설계 주조방안에대한전반적인내용 이해및숙지 응고해석지원 적정압탕방안최적화및 회수율향상방안지원 공차설계지원 solid model 을이용한 치수공차설계지원 비제조직제어 구상화율, 흑연립수, 기지조직, 결정입도등을제어/ 확보 기계적특성평가 및향상을위한 기술지원 엔진마운트브라켓의기계적 특성평가기술습득 주조공정관리방안최적용해 주조기술정립 공정기술안정화 공정기술안정화로 인한균일한제품의생산 - 6 -
4. 기술지원성과및효과 1) 해당기술적용제품 적용제품명 : 엔진마운트브라켓 모델명 : 07 JK ENG BKT 2) 품질및가격 구분경쟁제품 해당기술적용제품 지원전 지원후 비 고 경쟁제품대비품질 경쟁제품대비가격 3) 원가절감효과 구분절감금액비고 원부자재절감 인건비절감 계 백만원/ 년( %) 백만원/ 년( %) 백만원/ 년( %) 4) 적용제품시장전망( 매출성과) 구분당해연도매출차년도예상매출전년대비증가비율비고 내수백만원/ 년백만원/ 년 % 수출천달러/ 년천달러/ 년 % 계 백만원/ 년백만원 / % - 7 -
5) 수입대체효과 모델명당해연도수입액차년도수입액수입대체금액비고 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 계 천달러/ 년천달러/ 년천달러/ 년 6) 해당기술의기술력향상효과 엔진마운트브라켓에대한생산기술지원이안정화되어양질의제품을제조할수 있는양산기술이확립되었으며, 주조공정의특징인중자(core) 를이용한중공화를통 하여단조품에비해대폭적인경량화가가능하게되어엔진마운트 Kit 중량을감소 시킬수있다. 또한용접및열처리공정이불필요하고기타가공공정절감등의효 과로인하여제조원가를획기적으로감소시킬수있게되었다. 지원기업인 ( 주) 진흥 주물은고부가가치부품생산에대한경영진, 기술진의의지가매우강하며국내 외 자동차기업의부품제조요청에매우신속히대응하여신뢰성품질안정성을인정 받고있으며, 내실있는자동차용주물부품전문생산업체로서기술력향상으로인한 외국은물론국내의자동차기업으로부터핵심고부가가치부품의지속적인납품증 가가예상된다. 7) 기술적파급효과 1. 신제품개발 : 엔진마운트브라켓생산기술확보를통한공정안정화를달성할경우, 타모델에적용가능한유사부품개발기간을획기적으로단축 2. 공정개선 : 주조부품의공차설계를통한치수정밀도를향상시킴으로인해주 조공정의신뢰성확보 3. 상용화개발 : 해외선진자동차용엔진마운트브라켓의생산및납품 - 8 -
5. 적용기술인증, 지적재산권획득여부 1) 규격, 인증획득 인증명품목인증번호승인기관인증일자 2) 지적재산권 종류명칭번호 발명자 ( 고안자) 권리자 실시권자 비고 ( 등록, 출원) - 9 -
6. 세부지원실적 항목지원건수지원성과 기술정보제공 75건 엔진마운트브라켓의제조와주조방안설계등 관련기술전반에관련된기술정보제공 시제품제작양산화개발공정개선품질향상시험분석수출및해외바이어발굴교육훈련 30건시험분석을위한시제품제작을기술력배양 1건성공적인개발에의한양산화성공 15건 22건 54건 우수한엔진마운트브라켓제조를위한최적 주조방안설계, 기계적특성등의주요변수 제어를통한개선 각공정의주요변수를최적화하여엔진마운트 브라켓의재현성및품질확보 엔진마운트브라켓의불량률제어, 회수율향상 및기계적특성평가를위한시험분석 1건다임러클라이슬러에납품 22건 불량률제어및회수율향상을위한금속학적 이론과시험법교육 기술마케팅/ 경영자문건 정책자금알선논문게재및학술발표사업관리시스템지원실적업로드회수참여기업방문회수기타 건 건 12건매월말월간지원내용정리하여업로드 14건전술성과 건 7. 종합의견 지원기업의기술노하우및적극적인개발의지와연구인력의전문적기술력이잘조화되어우수한응고미세조직과기계적성질을갖는엔진마운트브라켓을개발하기위한모든계획과실행이순조롭고합리적으로진행되었다. 그결과우수한미세조직및기계적성질과최적화된주조공정을확립하게되었으며다임러클라이슬러의요구에맞는엔진마운트브라켓을제조하는데성공하였으며향후국내는물론외국의선진자동차기업으로부터핵심고부가가치부품의지속적인납품증가가예상된다. - 10 -
연구과제( 세부과제) 성과 1. 과학기술연구개발성과 논문게제성과 논문게재세부사항 (9) 게재년도 (10) 논문명 (11) 저자 주저자 교신저자 공동저자 (12) 학술자명 (13) Vol. (No.) (14) 국내외 구분 (15) SCI 구분 2. 사업화성과 특허성과 출원된특허의경우 세부사항 (9) (10) (11) (12) (13) 출원년도 특허명 출원인 출원국 출원번호 등록된특허의경우 세부사항 (9) (10) (11) (12) (13) 등록년도 특허명 등록인 등록국 등록번호 - 11 -
사업화현황 사업화세부사항 (11) 사업화업체개요 (9) 사업화명 (10) 사업화 내용 업체명대표자종업원수사업화형태 (12) 기매출액 ( 백만원) (13) 당해연도 매출액 ( 백만원) (14) 매출액합계 ( 백만원) 고용창출효과 (9) 창업 ( 명) 고용창출세부사항 (10) 사업체확장 ( 명) (11) 합계 ( 명) - 12 -
세부지원실적증빙내용 1. 참여기업현장방문 : 14 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1~4 2006.11.29 문헌조사내용및현장답보 5~7 2007.03.21 합금철, 접종제등원부자재확인 8~10 2007.05.08 용해공정최적화지원위한공정검토 11~12 2007.06.18 공정안정화방안설정토의 부록 - 업로드자료참고 13~14 2007.10.05 시제품제작지원및주조공정확인 2. 기술정보제공 : 75 건 NO. 일자 구체적내용 증빙유무 1~11 2006.11.29 기초문헌조사 12~19 2006.12.26 구상흑연주철의용해법정보지원 20~25 2007.01.26 응고해석지원 26~30 2007.02.27 치수공차설계지원 31~38 2007.03.30 39~43 2007.04.26 44~50 2007.05.28 제품상용화가능성평가를위한목형설계및제작불량률감소를위한주조공정지원불량률감소를위한주조공정지원 부록 - 업로드자료참고 51~55 2007.06.25 공정안정화방안설정지원 56~61 2007.07.30 62~64 2007.08.29 상용품으로서의적합성평가를위한미세조직검사지원결함등급판정위한비파괴검사지원 65~68 2007.09.28 기계적특성확보지원 69~75 2007.10.25 최적화된시제품제작지원 - 13 -
3. 기술정보제공 : 30 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1~10 2007.07.13 미세조직검사를위한 시제품제작 11~16 2007.08.13 비파괴검사를위한시제품제작 17~20 2007.09.05 기계적특성검사를위한별도주입시제품제작 부록 - 업로드자료참고 21~30 2007.10.05 최적화된시제품제작 4. 시험분석 : 54 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1-~12 2007.07.09 미세조직특성제어를 위한시험분석 13~26 2007.07.24 SEM 이용미세조직분석 27~30 200708.14 비파괴검사분석 부록 - 업로드자료참고 31~54 2007.09.06 다양한공정변수에따른 기계적특성측정 4. 기술지원실적업로드 : 12 건 NO. 일자구체적내용증빙유무 1 2006.11 기초문헌조사및자료제공 2 2006.12 고객규격조사 3 2007.01 응고해석지원 4 2007.02 Solid 모델을이용한치수공차설계지원 5 2007.03 목형설계및제작지원 6 2007.04 7 2007.05 8 2007.06 불량률감소를위한용해주조공정최적화지원불량률감소를위한용해주조공정최적화지원회수율증가를위한공정안정화설정지원 부록 - 업로드자료참고 9 2007.07 균일한미세조직확보지원 10 2007.08 비파괴검사지원 11 2007.09 최적화된기계적특성확보지원 12 2007.10 시제품제작지원 - 14 -
목 차 제 1 장서론 17 제 제 제 1 절기술지원필요성 17 2 절기술지원목표 20 3 절기술지원내용 21 제 2 장국내외기술현황 22 제 제 제 1 절세계수준 22 2 절국내수준 22 3 절국내외연구현황 23 제 3 장기술지원수행내용및결과 24 제 1 절기술지원수행 24 1. 응고해석및주조방안설계지원 24 2. Solid 모델을이용한치수공차설계지원 32 3. 목형설계및제작지원 37 4. 불량률감소를위한용해주조공정최적화지원 39 5. 공정안정화및미세조직/ 기계적특성확보 46 제 2 절기술지원성과 67 1. 기술지원추진일정 67 2. 담당업무성과수준 68 3. 수행방법 69 4. 기자재활용 70 제 4 장목표달성도및관련분야에서의기여도 71 제 제 1 절목표달성도 71 2 절관련분야에서의기여도 72 제 5 장기술지원결과의활용계획 73 부록 1. 기술지원일지 77-15 -
제 1 장서론 제 1 절기술지원필요성 1. 지원기업의현황및애로기술 가. 지원기업의현황 엔진마운트브리켓은엔진을차체에고정하기위한구조부픔인동시에엔진의 소음및진동이차체로전달되는주된전달경로로서엔진마운트브라켓의치수정 밀도, 내부결함, 기계적특성및동작특성등에따라차체안정성및소음성에지 대한영향을미치는핵심엔진구조부품이다. 현재국내 외모든상용차및승용 차에사용되는엔진마운트브라켓은주강재질을이용하여단조가공및용접을통 하여제작되고있으나대형차의경우진동및충격으로인한크랙발생이잦고소 형차의경우경량화및엔진소음, 진동발생의문제로인하여대체품제조기술확 립이필요한실정에처해있다. 최근자동차에대한터보차져(turbu charger) 화및 DOHC(Dobule Over Head Cam) 등신기술의채용으로인하여엔진출력이증대되면서고강도, 우수한내마모 정및높은충격강도를나타내는구상흑연주철재짙의자통차부품대체에대한관 심이집중되고있으며, 자동차소비자의요구품질수준이기능성및내구성에만족 되지않고차체안전성이나안락성의중요성이비약적으로급증하고있으며제조물 책임법등제조사의제조품질에대한책임이가중됨에따라구조적기능과안락성 에지대한영행을미치는엔진마운트 Kit에대한중요성이부각되고있으며특히 엔진마운트의핵심부품인마운트브라켓의설계변경이절실히요구되고있는상 황이다. 상기와같은이유로인하여미국의 D 社를중심으로구상흑연주철(FCD45) 재질의 엔진마운트브라켓을장착하는추세에있으며, 이에따라현재지원기업인 ( 주) 진 흥주물은 D 社로부터이를의뢰받은상태로서기술지원이성공적으로이루어져부 품생산공정이안정화될경우 D 社의독점양산납품이진행될예정이다. FCD45( 구상흑연주철) 재질의엔진마운트브라켓부품이적용될예정인미국 D 社의픽업트럭과엔진브라켓마운트의조립위치를보여주는엔진시스템을각각그림 1과그림 2 에도시하였다. - 16 -
그림 1. FCD45 엔진마운트브라켓주물부품이적용될 Pick-up Truck, Dodge RAM 2500 차량 그림 2. 엔진에연결되어진동및소음을제어하는마운트브라켓 본부품에대한생산기술지원이성공되어안정된양산기술이확립될경 우, 주조공정의특징인중자(core) 를이용한중공화를통하여단조품에비해 대폭적인경량화가가능하게되어엔진마운트 Kit 중량의약 20% 를감소시 킬수있음또한용접및열처리공정이불필요하고기타가공공정절감등 의효과로인하여제조원가를획기적으로감소시킬수있다. 구상흑연주철(FCD) 은외부충격에의한크랙의발생과전파를억제하는구상화 흑연으로인하여충격특성및기계적특성이우수하며, 주강이나단조강에비견할 만한강도와인성을보임. 이러한구상흑연주철의미세조직제어는기계적특성을 결정하는중요인자로서 ISO,ASTM,JIS,KS 등의규격에서세부적인요구사항을규 정하고있다. 그러나, 구상흑연주철은응고과정중수반되는흑연의팽창, 기지조직의상변화, 페이딩효과등복잡한거시및미세조직의변화로인하여최종품의치수를정확히 예측하기어렵고수축공등의내부결함을제어하는것이매우어려운데, 현재박육/ 후육부및복잡형상부에대한미세조직제어기술및응고해석기술에기반한정확 한치수공차해석기술과치수공차해석기술을보유하지않아안정적인생산에어려 움을격고있는실정으로지원이시급한실정이다. - 17 -
나. 기술애로사항 지원기업인 ( 주) 진흥주물은최근미국의 D 社로부터구상흑연주철, FCD45 재질의 엔진마운트브라켓주물부품을제조및납품해달라는요청을받았으나동기술관 련미세조직제어기술및주조방안설계기술, 치수정밀도제어를통한불량률저감 기술등에대한자체기술력이부족하여생산기술의안정화및공정변수제어에어 려움을격고있는상황에처해있다. ( 그림 3 에대표적인불량사례를예시함) 그림 3. 엔진마운트브라켓주물부품에서발생하는불량. 동부품은기하학적복잡형상으로인하여압탕의효율성및적정위치에대한설 계가매우어려운상황이다. 또한후육부, 박육부의두께차이와복잡한용탕주입 경로로인해발생하는국부적냉각속도차이가크므로흑연구상화율등의미세조직 기준을만족시키기어려우며그에상용하는상대적후육부위에서는 하는기계적성질을달성하기까다로운실정이다. FCD45에상응 - 18 -
제 2 절기술지원목표 1. 기술지원의최종목표및성격 가. 기술지원의최종목표 고급외산 RV 차량의안정성, 소음및진동에중추적영향을미치는엔진마운트 용브라켓부품을구상흑연주철재질로제조시애로기술인미세조직제어기술및 불량률저감기술을기술지원함으로써해외자동차부품시장에서유리한위치를선 점하는데있다. 기술지원상세목표: 부품설계공차허용도 ±0.5mm, RT 2 등급이상으건전성, 표면경도, HB 160 이상, 인장강도 450 MPa이상, 내력 310 MPa이상, 연신율 12% 이상등의기계적특성, 구상화율 80% 이상의미세조직확보에있다. 나. 기술지원의성격 고부가가치외신자동차부품에대한시장확보를위하여기존에단조가공공정또는 Stamping 방식으로제조하던엔진마운트브라켓을우수한충격특성및동작특성을보이는구상흑연주철재질로대체생산하기위한생산기술을지원하며, 동부품의지원에의하여부품불량률을제어하고공정이안정화될경우, 지원기업인 ( 주) 진흥주물은미국의 D 社에동부품을양산납품함으로써국내주조산업생산기술의우수성과높은품질수준을세계적으로인정받을수있으며, 자동차 Big3(GM, Ford, Daimler chrysler) 의부품호완체제를고려해볼때자동차부품시장에서의빠른성장이기대되고있다. - 19 -
제 3 절기술지원내용 표 1. 기술지원의목표및내용 기술지원의목표기술지원의내용기술지원범위 불량률감소를통한공정안정화를위한최적주조방안설계지원치수공차설계를통한어셈블리완성도및동작특성향상지원국내미생산부품에대한용해주조공정생산기술화지원국부적냉각속도차이가발생하는부품부위에대한기지조직및미세조직제어기술지원상대적후육부위에대한 FCD45 기계적요구물성확보회수율향상및불량률저감기술지원 응고해석을이용한결함제어및회수율향상을위한최적주조방안설계를지원다양한모델링기법을이용한부품공차설계및해석지원접종제와구상화제특성평가부품두께를고려한흑연구상화율및기지조직제어기술지원재질의인장특성, 항복특성하에서연신율최적화최적압탕방안확보및공정관리기법지원을통하여복수접종및구상화처리기술지원 공정기술지원분석및평가지원공정기술지원공정기술지원분석및평가지원공정기술지원 - 20 -
제 2장국내외기술현황 제 1절세계수준 미국의 D社를중심으로 Big 3에서는점진적으로구상흑연주철재질의엔진마운 트브라켓채용을확대해나가고있는상황이며도요타, 혼다등일본의주요자동 차업체도엔진마운트브라켓에대한높은관심을보이고있다. 미국의 D 社에서 생산되는 Cab Chassis(Dodge RAM 2500/3500 4x4 Only), DH/D1 Pick-up Truck(Dodge RAM 2500/3500 4x4 & 4x2), DM-Cab Chassis 차량(Dodge RAM 4500/550 4x4 Only) 에우선적으로 FCD 재질의엔진마운트브라켓적용예정향 후 Big3 간의부품호환체제에따라적용차량이대폭적으로확대될예정이다. 최근자동차시장을중심으로, 구상흑연주철재질의부품이단조품을대체하는 경향이있으며자동차에대한터보차져(turbo charger) 화및 DOHC(Dobule Over Head Cam) 등신기술의채용으로인한엔진출력의증대되어고강도, 내마모성, 내 충격성이우수한재질에대한요구가증대되고있는실정이다. 미국 D社는구상흑연주철재질의엔진마운트브라켓을디젤엔진용 RV차량에 장착하고있는데, 일반적으로디젤엔진용마운트브라켓은휘발유엔진용과비교 하여높은성능이요구되고있고지금까지단조강이사용되어왔으나구상흑연주 철로대체됨에따라제조원가의대폭적인저감과경량화가가속화될것으로예상되 고있다. 영국, 독일등유럽에서는구상흑연주철재질의엔진마운트브라켓을생산할수 있는기술력을보유하고있으나최근주조부품의전세계적인아웃소싱체제확산 추세에따라생산기술을보유한업체로의생산주체이동이활발히진행되고있는 추세이다. 제 2절국내수준 최근자동차와관련된기술동향을살펴보면엔진의소음및진동을낮추는기술 에상당한관심이집중되고있으며, 이에따라 2004년엔진마운트관련특허출원 은 2000년대비고무형이 220%, 유체봉입형이 230% 증가하였고, 특히전자제어 형 (ER, MR 유체형포함) 엔진마운트의출원은 280% 이상급증한것을나타나고 있다. 현재국내에서사용되는엔진마운트브라켓부품은주로단조 통해제조되고있으며주철소재의주물부품은적용되지않고있다. Stamping 공정을 - 21 -
제 3절국내 외의연구현황 연구수행기관연구개발의내용연구개발성과의활용현황 독일 컴퓨터이용주조방안설계주조불량저감, 생산성극대화 주조불량방지및생산성극대화 일본 ( 기무라주조소) 이상흑연(Chunky) 제어기술확립, 산업용기계류및자동차부품등의신시장개척 산업용기계류및자동차부품등의 신시장개척 한국생산기술 연구원 컴퓨터시뮬레이션에의한 구상흑연주철의조직및결함예측 구상흑연주철주물조직및 주조불량제어를위한전산응용기술 - 22 -
제 3 장기술지원수행내용및결과 제 1절기술지원수행 1. 응고해석및주조방안설계지원 주물의주조에있어서주조불량발생여부를좌우하는가장중요한요인은주조방 안설계, 응고과정중의현상제어이다. 지금까지는주로현장작업자들의경험에의 존하는주조방안설계가주를이루었으며, 건전한주물을얻을수있을때까지방안수정, 주조방안을확인하기위한시험주조를 주조과정을반복하면서수행해야 하므로시간, 인력, 원가면에서도큰영향을미치게된다. 이러한시행착오를줄이 고주조불량을획기적으로감소시켜서원가절감을이루기위해서는과학적인주조 방안설계기술이필요하다. 따라서본연구에서 3 차원응고/ 유동통합프로그램을 사용하여다양한주조조건에따른결과들을예측하여보았다. 가. 엔진마운트브라켓의응고해석 응고해석이란실제품에주조공정을적용하기전주물의결함을예측하여시간과 인력의낭비를최소화시켜주는해석프로그램으로서다음과같은기능을한다. 주물의응고과정중열전달해석을통한결함및기계적성질을예측함으로써응고 시간, 온도구배, 냉각속도등을측정하며 cooling curve, nodule 수, pearlite fraction, chill 발생등을예측한다. 또한경도및인장강도그리고 shrinkage를예측 한다. 주물을만들기전응고해석을먼저하는이유는압탕방안의크기절감및적 합한위치를선정하고주조 process의관리를통한주조금형설계방안설정에있 다. 주조방안설계를예측하기위하여엔진마운트브라켓의응고해석을실시하였으 며그림 7~9 에나타내었다. 나. 주조방안설계 (1) 제품설계 자동차의엔진을구성하는주요주물부품인엔진마운트브라켓은구상흑연주철 인 FCD45 소재를이용하여사형주조법으로제조된다. 구상흑연주철은용탕이응 고할때잉고트의중심부로갈수록냉각속도가느려져서흑연과오스테나이트의정 출공정응고시간이증가된다. 따라서페이딩현상에의한접종효과의감소로흑연 구상화율의저하, 흑연입수의감소, 구상흑연의조대화, 흑연립부유등의문제가 발생하며, 특히이상흑연조직의하나인 chunky 흑연의제어는가장필수적인사항 이되고있다. 이러한 chunky 흑연은최종응고부위인압탕밑부분 - 23 -
혹은잉고트후육부의중심부부근에잘발생한다. chunky 인장강도는잉코트건전부에비해약 90% 흑연이발생된지역의 정도의값을가지고있어서큰문제가 되지않으나, 연신율과충격치는건전부에비해약 20~30% 정도밖에되지않으며 특히 chunky 흑연발생지역은육안으로관찰가능할정도로지저분한외관을나타 내며, 각종소재의피로수명및신뢰성에심각한타격을주므로각후육구상흑연 주철관련산업에서는 chunky 흑연제어가매우중요하다. 엔진의핵심주물부품인마운트브라켓의주조방안설계를위한유동해석을위하 여제품에대한 3D 도면을설계하였으며그림 4 에이를도시하였다. 제작된도면 은개발이완료될경우, 비파괴시험, 기계적특성평가를실시하게되고주강으로 제작되는엔진마운트브라켓의대체할부품으로생산될예정이다. 최적주조방안설계와다양한조건에서의주조결함예측을위하여생기원에서개 발되어사용되고있는. 응고해석용프로그램인 Z-CAST 를이용하였으며, 분석의 정확성과효율을고려하여각제품의분석 mesh 수를설정하고압탕의위치와크 기를변경하면서최적의주조방안을설계하였다. 그림 5는엔진마운트브라켓의응 고해석을위한모델로서 Mesh diagram은 12,432,160, 의조건으로해석하였다. X:260, Y:344, Z:139, mesh number: 그림 4. 엔진마운트브라켓의 3 차원모델링과조립도. - 24 -
그림 5. 엔진마운트브라켓의 Mesh diagram. 다. 엔진마운트브라켓의주조방안설계 (1) 엔진마운트브라켓의주조공정변수 엔진마운트브라켓의주조방안설계를위해실제현장에서적용되는조건과동 일한조건으로응고해석을실시하였다. 제품의재질은구상흑연주철중 FCD45이 며, 주입온도는약1430 이며주입시간은약 18 초, 몰드의재질은 Green sand로 설정하였다. 엔진마운트브라켓의주조공정중주입과정에서발생할수있는결함등을고려 하여가능성이있을것을판단되는대표적인경우에대하여응고해석을실시하였 다. 이러한과정에서응고시발생하는다양한현상에대한충분한고찰이필요한 데, 특히압탕에의한급탕거리가짧을경우제품의끝단부위에서최종응고시 발생할수있는응고수축결함을검토하여끝단부위에빼기구멍을설치한경우 와몰드의통기성이나구상흑연주철의응고시발생하는흑연팽창등에의해일부 용탕이주입되지못한부위에서응고결함을상쇄할수있는가능성에대해서검토 하였으며압탕의개수와위치가변함에따라응고및냉각시발생되는온도구배 및응고과정도중제품내부에서형성되는등온도폐곡선의생성여부에대해서도 응고해석을통해검토하였다. 그림 6은엔진마운트브라켓의주조공정조건과초기 검토과정에서도출된응고방안을제시한다. - 25 -
(2) 엔진마운트브라켓의주조방안에따른응고거동예측 엔진마운트브라켓부품의최적주조방안을찾기위하여제시된모델에대하여 주조공정에서발생할수있는가능성을탐색하엿다. 그림 7은엔진마운트브라켓 모델에대하여응고해석을실시한결과이다. 용탕의흐름은중력방향을기준으로 아래에서위쪽으로순차적으로주입되는정상적인모델이며공통적으로 각제품의 양쪽끝단부위에용탕이완전히채워지지않는고립된부위가발생될것으로예상 된다. 엔진마운트브라켓의주조분석조건 재질 (Material) FCD45 주입온도 (Pouring temp) 1430 몰드 (Mold) Green sand 몰드온도 (Mold temp) 25 주입시간 (Pouring time) 18 sec 그림 6. 엔진마운트브라켓부품의주조방안설계를위한 Z-CAST 분석조건 - 26 -
그림 7. 엔진마운트브라켓주조방안에대한응고온도및응고결함예측 따라서엔진마운트브라켓의제품의신뢰성과형상을고려하여몰드제작시제품의끝단부위에가스빼기구멍을설치할필요가있음을알수있었다. 반면몰드의통기성이우수하여소량의고립된기체를흡수할수있는경우에는제품끝단부위의가스빼기구멍이없더라도고립된기체로인한결함은발생하지않을것이다. 엔진마운트브라켓의주조방안최적화를위해서제시된모델에대하여응고온도의변화와시간에따른용탕의흐름및응고거동을분석한결과그림 7 제품내부에미세한응고수축 - 27 -
공이발생할가능성이있는것으로해석되며, 미미하지만동일한위치에서최종응고된제품내부에응고수축공이발생할가능성이있음을발견하였다. 반면응고수축과함께고려해야하는중요한변수가있는데, 이는구상흑연주철의응고과정에서발생하는흑연팽창의영향이다. 본연구에서사용한응고해석프로그램은아직구상흑연주철의흑연팽창에의한영향을구현할수없지만문헌의자료를토대로흑연팽창의정도를예상해보면엔진마운트브라켓에대하여제시된주조방안은실제주조공정중흑연팽창에의해수축공이상쇄될가능성이있는것으로판단되었다. 작업성과탈사등후처리공정의효율화등실제생산라인의중요도를고려하여시험용시제품을제작하기로결정하였다. 엔진마운트브라켓의응고거등 시간에따른용탕흐름 그림 8. 엔진마운트브라켓의주입시간에따른응고거동 - 28 -
전체제품형태 그림 9. 엔진마운트브라켓의주입완료후냉각시간에따른온도구배 - 29 -
(3) 엔진마운트브라켓의주조결함예측 엔진마운트브라멧제품에대하여선정된모델을이용하여용탕주입후시간의 경과에따른용탕의흐름과온도의변화를해석하여응고결함의발생여부를확인 하였다. 그림 8은엔진마운트브라켓의주조시발생할것으로예상되는용탕의흐 름과응고거동을보여주며발생할가능성이있는결함에대하여예측한결과이다. 그림 9는엔진마운트브라켓의용탕주입이완료된후에냉각과정에서발생될가 능성이있는온도변화와이로인해발생될가능성이있는결함을예측한결과이다. 주입이약 50% 기시작하여약 완료된시점에서엔진마운트브라켓의끝단부위에용탕이채워지 89% 가채워지면실제제품내부에는용탕의주입이완료되며이때 까지의시간은약 16 초가소요될것으로예상된다. 엔진마운트브라켓의모든부위 에대하여아래에서위쪽으로용탕의흐름은순차적이며제품의끝단부위에는고립 된가스에의한결함이발생될것으로예상되었지만실제의생산라인에서는몰드의 특성과흑연팽창의영향에따라상쇄될것으로예상된다. 그림 9는용탕의주입이완료되어흐름이없는상태에서제품의냉각에따라제 품내의온도변화를해석한결과이다. 표시부의온도편차가미세하게다른부위에 비해작음을알수있다. 최종응고및냉각에따라이러한부위에수축공이발생할 가능성이있는것으로해석되었지만앞에서언급한바와같이제품의응고시발생 될것으로예상되는흑연팽창의영향을고려하면응고해석에서관찰된미미한수 축공결함은실제제품에서는발견되지않거나제품의특성에거의영향을주지않 을정도로미미할것으로판단된다. 즉 FCD 재질은응고시흑연의정출로인하여 팽창하기때문에이론상, 통상의화학성분이라면주입부터응고완료까지의체적 수치는증가하게된다. 실질적으로이러한팽창을잘활용하면압탕없이도건전한 주물이얻어지는경우가많이있다. 그러나현실에서는소물품에수축의대책으로서 압탕을사용하는경우도많이있으며제조현장에서는장기간동일의제품을계속 생산하면같은주조방안에도불구하고때에따라수축현상의발생정도가달라지는 경우도있다. 이와같이수축발생상황이변동하는것은수축되기쉬운용탕과되 기어려운용탕이있기때문이라고생각되어이러한현상을수축경향이라고하는데 구상흑연주철의경우수축경향이용탕의온도및체적과관계가있는것으로보고되 고있다. 따라서팽창시기와정도를측정하여파악하는것은건전한주물을만드는 데있어서대단히중요하다. 본과제에서이용된수축공예측방법은응고시간법과온도구배법이다. 응고시간 법은가장전통적인예측방법으로서, 응고완료혹은임계고상율이된시간을주물 단면상에등고선으로표시하여폐곡선이형성되면그위치에서결함이발생되는것 을예측하는방법이다. 온도구배법은각요소가응고할때주변요소와온도구배를 구하여그값의대소를따라응고수축에대한용탕보급의용이함을나타내는방법 으로, 온도구배의등고선을주물단면에표시하여폐곡선으로둘러싸인위치에수축 공이발생되는것을예측하는방법이다. 응고시간법은비교적큰수축공을예측할 수있고온도구배법은중심선수축과같은비교적미세한수축공도예측할수있 다. 그런데이방법들은예측파라미터에대한임계치의물리적인의미가명확하지 - 30 -
않기때문에그값을설정하기위해서는많은실험 Data 의축적과경험이필요하다. 특히구상흑연주철과같이용탕의주입과응고중구상흑연의형성과함께팽창등의 특이현상이발생하는경우한계고상율과응고속도에대한정확한예측을하기위해 서는다양한분석을통한충분한 상시키는작업이필요하다. Data와실제제품을비교해서모델의정확도를향 2. Solid 모델을이용한치수공차설계지원 엔진마운트브라켓의주조및압탕방안최적설계를위한제품솔리드모델링및 가공, 주조수축에의한치수오차고려한평가필요하였다. 또한상-하형몰드에대 한상대적부품위치및수량합리적설계및평가하였으며컴퓨터해석용초기조건 및경계조건을만족시키기위한, 기하학적복잡부위에대한공기빼기벤트설계및 분석을하였다. 치수공차는모든제품에있어서중요하지만특히엔진마운트브라켓의경우에는더욱 중요하다. 엔진마운트브라켓의치수공차에따라엔진언셈블리완성도및차체진동 이결정되므로치수공차에따른주변부품과의체결정밀성, 진동감쇄능및소음, 그리고체결성이매우뛰어나야한다. 고출력, 고진동하에서의엔진어셈블리체결 부공차의영향성및차체진동감쇄특성평가를위한공차해석필요하였다. 만약 치수공차가클경우에는엔진의고출력, 고진동이그대로운전자에게전해져좋지않 은승차감을느끼게하며, 이로안하여고객사로부터의클레임이발생하게된다. 또 한가공에대한시간과노력을더하게되어납품시간연장및고객의신뢰성을떨어 뜨리게된다. 이러한문제점을낮추기위하여솔리드모델을이용한설계를하였으 며, 그림 10,11 은솔리드모델을이용한설계화면이다. 위조건들을만족시키기위해보다효율적이고빠른대처법으로 Solid 모델을이용한 치수공차설계를전문기관의도움을받아지원하였다. 먼저 JK- 고, JK-LH의목형을 설계하여보았는데이때사용한 UG는동시설계향상으로인터페이스를생성하고 Treamcenter 에서인터페이스를게시및관리함으로써재작업을줄이고협업을향상 시키는기능을갖추고있었다. 여기에는관련구성요소에대한연결지점, 위치및 인터페이스정의하는지오메트리와수식이포함될수있는데, 엑세스는파트의정의 된인터페이스로제한될수있으며, 종속성에대한상세한정보를확인할수있었 다. 파트인터페이스를게시함으로써영향분석을간소화하고변경알림을효율화하 며동시설계변경충동을 60% 까지줄일수있었으며, 또한도면및 3D 주석과관 련한혁신기능으로 2D 도면을작성하고 3D 모델의설계및제조의도를전달하는 데필요한시간과노력을획기적으로단축하였다. 또한엔진과의체결성이중요한부품특성상정확한체결을위해정밀한치수가요구 되었다. 정밀한치수제어를위해 3 차원측정기를이용측정하였다. 검사결과가공부 쪽에서의스펙값안으로들어왔으며측정데이터값을그림 12,13,14 에나타내었다. - 31 -
JK-RH core core pattern 그림 10. JK-RH UG 설계 - 32 -
JK-RH core core pattern 그림 11. JK-LH UG 설계 - 33 -
그림 12. BOLT HOLE(10.5) 3차원측정데이터값 - 34 -
그림 13. BOLT HOLE(13.5) 3차원측정데이터값 그림 14. 볼트자리면두께(10) 3차원측정데이터값 - 35 -
그림 15. 볼트자리면두께(14) 3차원측정데이터값 3. 목형설계및제작지원 엔진마운트브라켓에대하여설계된최적의방안을이용하여응고해석결과와 실제주조제품의특성을비교평가하고미세조직특성과기계적특성등을평가하 여제품상용화의가능성을평가하기위하여각각의제품에대한목형을제작하였 다. 그림 16 은실제제품을제작하기위한목형의형태를보여주고있다. 이목형 을이용하여엔진마운트브라켓의시험을위한시작품을제작하였다. 실제제조공 정과제작된시작품의형상을그림 17과그림 18 에보여준다. - 36 -
그림 16. JK-RH, JK-LH 도면 JK-RH JK-LH 상형 하형 그림 17. 엔진마운트브라켓 JK-RH, JK-LH 목형 - 37 -
주조공정 시험용시작품 (JK-RH) 시험용시작품 (JK-LH) 그림 18. 주조공정및시험용시작품 4. 불량률감소를위한용해주조공정최적화지원 가. 구상흑연주철의일반적특성에대한고찰 구상흑연주철의성질은화학성분, 현미경조직에관계가깊고또미묘한부분에서 크게변화한다. 흑연구상화처리에의해 Mg 은 0.04% 이상 Ca, Ce은각각 0.02% 이 상함유가필요하고또뒤에서술한것처럼흑연구상화저해원소군이있어 0.001%~0.01% 에서흑연형상에영향을미친다. 이와같이미량의화학성분이조직 과성질을바꾸는재료이지만원료선, 용해법, 용탕처리법, 주조방안, 열처리등의 관리에의해품질이안정화된제품이제조가능하도록되었다. - 38 -
구상흑연주철은주조상태에서구조용강에필적하는강도를가지고주강보다강력해 서연신율도 20% 에달한다. 또항복비가높은특징이있다. 구강흑연주철의기계 적성질을응력-연신율선을비교해보면보통주철과전혀다른곡선을나타내고주 강에가깝다. 구상흑연주철의성분은대부분의경우 C=3.5%, Si=2.5% 장도의고탄소규소계주 철이다. 이것을구상화처리하면박육주물에는구상흑연이정출하기쉽고반면백선 화도쉽게된다. 또후육주물에서는냉각속도가느리게되며편상흑연조직으로되 기쉽다. 구상화처리후의용탕은시간의경과에의해흑연구상화의효과가소실되 어편상흑연으로돌아가며과공정주철임에도불구하고 나타난다. shrinkage cavity가크게 나. 구상흑연주철의조직과특성의연관성 구상흑연주철은주방상태에서기지조직은 Ferrite, Pearlite, Cementite형의 3종류 로분류된다. 일단열처리나합금원소첨가에의해기지는 Martensite 나 Bainite가 가능하고구상흑연주철의성질은극히넓은범위에서바꾸는것이가능하다. 그리 고흑연의조직은구상이이상적이지만편상흑연과구상흑연의중간조직(CV 흑연) 도 생성한다. 그리고흑연현상이구형에서멀어질수록기계적성질이저하한다. 특히 연신율의영향이크고인장강도의저하는비교적작다. 표 2에기지조직의결정요 소와성질을나타내었다. 표 2. 구상흑연주철의현미경조직의분류와성질 조직조직의결정요소성질 Ferrite 형 Ferrite가일부석출해있는 Bull's eye 조직에서기지가완전 Ferrite된것도포함 1) C, Si가많은경우특히 Si을많이함유하면 완전 Ferrite 형이된다. 2) 냉각속도가느린경우 3)Mg 최적당 4) 접종효과가충분할경우 5) Ca 계구상화제를이용한경우 6) 소둔을행한경우 1) Si이 3% 이하인경우는주방상태에서 연성이있다. 연신율은 6~20% 2) Si이 3% 이상인경우는무르다. 3) 경도는낮고절상성은좋음. B.H.N 150~200 Pearlite 형 Cementite와 Ferrite의중간 1) 강인하다. 인장강도는 60~70kgf/mm2 2) 연성이적다연신율 2% 정도 3) 경도는비교적높다. B.H.N 150~240 백선형 1) Mg 이최대인경우 2) 접종(Fe-Si 등) 불량의경우 3) C, Si 이적은경우( 특히 Si 이적은경우) 4) 냉각속도가빠른경우 1) 경도가높다. B.H.N 220 이상 2) 연성은없다. - 39 -
다. 구상흑연의핵생성및성장에미치는합금성분의영향 구상흑연의생성, 성장기구에대해서는종래설( 핵설, 과냉설, 표면에너지설, 흡착 설, 응집설, 전위설, 기포설) 들이많고보편적정설을아직도없다. 구상흑연의생 성조건으로서는많은인자가있지만기본적인것을크게분류하면야금학적조건, 화학적조건, 물리적조건등이있다. 야금학적조건인응고과정의영향으로는주철 의경우응고과정의기본은 C, Si양에의해결정되고구상흑연주철에서도이두성 분과밀접한관계를가진다. 과공정조성즉탄소당량(Carbon Equivalent C.E=C+1/3Si) 가 4.3% 을넘을경우구상흑연은용탕에서직접석출하고곧오스테 나이트에둘러싸이지만아공정(C.E<4.3%) 조성의경우는탄소가과포화된오스테나 이트안에서탄소의확산에의해간접적으로석출하고공정조성공정응고에서는양 기구를근거로석출한다. 화학적조건인미량원소의영향은구상흑연주철의경우주 철의기본상태도에거의영향없이미량성분의존재에의해흑연조직이변화한다. 주철중에함유가능성이있는미량원소는표 3 에나타내었다. 이들원소의잔유함 유량이흑연구상화에주는영향을 Mg함유량과의관계를보면 Cu, W, V등은약 0.04% 이상의잔유Mg 함유에의해완전히흑연이구상화하지만, Te, Bi, Pb등은잔 유 Mg 이많아도흑연은완전히구상화하지않는것을나타낸다. 표 3. 주철중에함유가능성이있는미량원소의성질과최대함유량 최대함유량 원소 >0.1% Ti, Cu, Cr, V 0.1~0.01% Sn, As, Mo, Al, Co 0.01~0.001% Zn, Zr, Pb, Sb, Cd, B, Mg 거의검지( 檢知 ) 안됨 W,Cb, Ta, Ge, Bi, Te, Ga, Be, Ca 이들흑연구상화저해원소군은공존하는것에의해구상화로의영향을더욱더강하게하는 것도있다. 가스중의산소는구상화를저해한다. 일단주요원소중의 S은흑연구상화에미치는 영향이크고흑연구상화를위해 S 0.02% 가필요하다. 잔유 S량과인장강도의관계에서 S가 0.02% 를넘으면보통주철레벨의강도밖에나오지않는것을알수있다. 마지막으로잔유 Mg 량은 0.04~0.10% 가적당한범위이다. 일반적으로 Mg량이 0.03% 이하에서는흑연의구상화가 불완전하고편상으로되기쉽고 1.2% 이상이되면흑연이석출하지않는백선응고를하게된다. 물리적조건인냉각속도의영향으로는구상흑연의생성은냉각속도와밀접한관계를가지고냉 각속도가크면클수록쉽게구상화한다. 특히후육주물의경우냉각속도와흑연형상의관계가 큰과제가된다. - 40 -
라. 구상흑연주철공정변수검토 구상흑연주철의제조에는보통주철과비교해서각작업공정에서특별한관리가 필요하다. 주로주의점은원료지금, 용해법( 정확한성분과온도), 흑연구상화처리와 접종, 주조방안, 열처리등이있다. 구상흑연주철의원료지금으로서는용해방법에의 해구별하면고로용선을처리해서원료용선으로하는경우와주물용선철을이용하 는경우로나눌수있다. 미량원소에대해서는앞에언급했지만주요윈소및합금원 소의효과와첨가기준은 C 및 Si는석출흑연을구상화하기위해서는 C와 Si의조성 이과공정조성의주철인것이 바람직하다. 통상전탄소량 =2.S~4.5%, Si=l~4%, Sj%/3.t+C%/4.5>1.00 을만족하는것이좋다라고알려져있다. Si이많으면주방상태 에서 Ferrite가석출하기쉽지만 3.5% 이상이되면 Ferrite가무디게되어기계적성질 은떨어지며, Mn 은다량첨가하더라도흑연구상화에해를미치지않는다. 단기지를 Pearlite로안정화시키기때문에 Ferrite 기지의높은연성을가진구상흑연주철을얻 고싶을때는 0.4% 이하가되도록할필요가있다. 최근에는 Mn을 0.2% 정도낮춘주 방 Ferrite 주물이많이제조되고있다. Pearlite 기지를원할때는 0.8% 정도이상첨 가한다. P는흑연구상화에해를미치지않는원소이지만 P를 0.1% 이상함유 Steadite(Fe-Fe3C-fe3P 의저융점삼원공정) 이입계에석출해서연성을크게떨어뜨 리게한다. S는 0.02% 이하가되지않으면흑연은구상화되지않는다. 또 Mg처리전 의용선에다량의 S 가함유된경우는우선탈황, 탈산에 Mg이소비되어회수율이나 쁘게되고 Dross( 구상화제에의한탈산생성물) 등의결함이발생한다. Cu는약 3% 까지는흑연구상화를방해하지않지만 Pearlite를안정화하는힘이대단히강해서연 신율이높은재질을원할때에는가능한적은것이좋다. Ni량은많고적음에관계없 이흑연구상화를방해하지않고오히려흑연구상화를도와준다. 그리고 Pearlite 촉진 효과도가진다. 하지만 15% 이상첨가하면오스테나이트기지가되고오스테나미트주 철이얻어진다. Cr은 0.7% 이상에서흑연구상화를방해하는보고가있지만 Cr은현 저한탄화물생성원소이고백선화하기쉽다. 그리고미량으로 Pearlite 안정화효과가 있다. Mo 역시흑연구상화를방해하지않고탄화물생성경향을가지고있으며 Pearlite 를안정화한다. Mo을 5% 이상첨가(Ni 을공존시킬때가많다) 하면기지가 Bainnite조직인 acicular 주철이얻어진다. 이상주요원소효과를기술했지만각원소 의첨가량, 상호바란스등은주물의형상, 크기등에의해각각의적당한범위가다 르기때문에주의를요하고주물의사양을근거로성분계를선택할필요가있다. 마. 구상화처리공정의제어방법 흑연구상화처리제및처리법은다수개발되어각각적당한방법이선택되어진다. 원 래의지금이잘관리되어있다면확실하게구상화가되지만페이딩( 구상화능이시간 에따라감소하는현상) 을가능한늦추는방법이가장중요한문제이다. 구상화처리제중에서가장많이이용되고있는것은순Mg과 Fe-Si-Mg 합금이다. 이 를표 4 에도시하였다. 구상화처리제의첨가방법으로는표면첨가법, 치주첨가법, 샌드위치법, 플란저법, 압력첨가 - 41 -
법등이있으며표면첨가법은도가니에철판이나내화물의뚜껑을하고표면에구 상화처리제를첨가하는방법으로수십kg 이하의소량처리에유용하다. 치주첨가법 은미리처리제를도가니밑에놓던지, 저부( 底部 ) 나저부( 底部 ) 가까운측면에끼워 상부로부터용탕을주입하는방법이다. 만들고처리제를넣고상부를철판또는 샌드위치법은도가니밑의일부에구멍을 Fe-Si으로덮고상부에서주입한용탕과 반응시키는방법이다. 플란져법은실험실에서행하는소량에서 10t이상의대량처리 까지적용되고있다. 흑연또는철판제의원통형플란져안에첨가제를채우고용 탕안에쳐넣는방법이다. 압력첨가법은비교적깊은도가니에용탕을채우고이 것을탕압( 湯壓 ) 실린터로상승시켜도가니상부에뚜껑을해서안에는순Mg을첨 가한다. Mg은기밀도가니안에서증발해상부공간부의압력이상승해 Mg이다량 으로용탕중에용해한다. 그후용탕과잘탈황된별도의도가니용탕을혼합한다. 이방법은주철관의제조에이용되고있다. 바. 접종공정의제어방법 구상화처리후일반적으로 50% 또는 75% Fe-Sighr은 Ca-Si을 0.3~0.4% 첨가하는 접종을행한다. 구상흑연주철에있어서칠화방지, 흑연입수의증가와이에동반된 페라이트화촉진, 흑연형태를정리하는것, 역칠현상( 주물내부에백선이생기는현 상) 방지에효과가있고없어서는안될공정이다. 접종에관한이론은아직해명되 지않았지만구상화처리후흑연화에필요한핵을주는현상으로추정하고있다. - 42 -
표 4. 구상화제및공정의종류에따른최적화기준 * 종류 구성및형상 함유량 (%) 사용방법 괴상, 원반상 Mg:99.9% GF, 콘바다법, 압력도가니첨가법원주상 Mg:99.9~80% 압력용기에의한압력첨가법 R:0~20% 선상3.2 wire Mg:99.9% 특수한인젝션법(N2 가스중) 분말 Mg:99.9% 불활성가스에의한인젝션법 코크스괴에Mg을침투 Mg:4.8~4.5% 프란져법, 특수도가니법 순 Mg 해금철에Mg을침투 Mg:15% 프란져법, 특수도가니법 강건조분을압축해서Mg을침투 Mgvudvks에내화물을피복해서일단을개방한것 Mg:20~25% Mg:99.9% 프란져법특수한프란져법 Ni-Mg 합금 괴상 13~16% Mg 인고트상 4.0~5.0%MG Mg:13~16% Ni 부(1부Si) Mg:4.0~5.0% Ni 잔( 殘 )(1부Fe ) 개방도가니, 샌드위치법특히 4.0~5.0Mg 잔( 殘 )Ni(Fe) 합금은매우비중이무겁기때문에(S.G.7.3~7.7) 용탕중에그대로가라안힌다, 연기의발생은작다샌드위치법, 프란져법 13~16%Mg, 잔( 殘 )Ni(Si) 합금 Fe-Si-Mg -R 합금 괴상 Mg:2.5~20% R:0.5~3% Si:40~50% Mg8% 이하는샌드위치법 Mg8% 이상은프란져법, 캔디법특히 Mg:2.5%, R2.5% 정도의합금은 MgO 의하얀연기발생이적다. 세계에서가장많이사용되고있는합금으로각종공장에서발표되고있다. 휘토류금속 (R) 괴상인고트상 ( 미쉬메탈) 미쉬메탈 R:85~90 Fe:10~15 R-Si R:30~35 Si:30~35 R-Ca-Si R:12~20 Ca:10~15 Si:50~60 개방도가니법, 샌드위치법, 콘버터법단독으로사용하는것은거의없고 Fe-Si-Mg합금또는순Mg 과병용이많다. R은 Ce 이많은것, La 이많은것이있다. ----------------------------------- * 참고문헌) 주철주조기술 (1997.12, 한국생산기술연구원발행) - 43 -
사. 핵심주조공정변수의제어 주입온도는제품에대응하는적당한온도가있고그다지높으면용탕의수축이크 고, 주형의팽창도크게된다. 주입온도가너무낮으면박육주물에서는칠화되기 쉽고흑연량이적어지고주입할때압탕효과가없고 shrinkage cavity가생기기 쉽다. 일반적으로소형주물, 박육주물에서는 1420 이상이바람직하고대형주물에서 는 1300 정도에서주입할때가많다. 주입속도는제품중량, 제품높이, 탕구단면적등의관계로서여러가지로제안되어있 지만결정된것은없고제품형상, 중량, 주조방법에의해, 적정주입속도를설정하는필 요가있지만일본에서는산화를방지하는의미에서일반적으로빠른주입속도가적용 되어지고있다. 구상흑연주철은그종류( 화학성분, 조직에의한), 형상, 주형의종류등에의해주물의 응고냉각에의한수축량에상당하는값이대단히다르다. 일단기준은다음과같지만 후육형상에의해상당히다르므로설정에주의를요한다. 전 Pearlite조직 12-13/1000, Bulls eye 조직 8-10/1000, 전 Ferrite조직 5/1000, 전소 둔조직 4/1000, 세멘타이트을많이함유한조직 15~18/1000 아. 구상흑연주철의대표적결함과대책 구상흑연주철은보통주철과주강의중간에위치하는특성을가지고있지만결함방지 배려를할필요가있다. 구상흑연주철에있어서주요결함으로는수축공(shrinkage cavity) 과기공(pin hole) 부유물(dross)3 가지가있다. 구상흑연주철의응고는보통주철과비교해보면응고개시점은거의같지만응고종료 점이늦다. 그리고응고종료시흑연화에의한급격한팽창즉 형팽창 이생기고응고 하기때문에용탕의보급이일어나지않아수축공이된다. 방지책으로다음의항목에 유의해야한다. 충분한압탕을만들고주형을단단히하며, 냉금을충분히활용하여야 한다. 구상흑연주철의기공발생은대형주물에는비교적작고박육주물에많다. 그리고건조 형보다생형에많이발생한다. 기공의발생원인으로는용탕의성분, 주입온도, 주입속 도, 탕구방안, 주형중의수분, 주형재료의종류등으로둘수있지만발생원인은다음 과같이생각되어진다. Mg 탄화물(MgC) 가철을촉매로해서주형의수분과반응해서 아세칠렌가스를발생시켜이것이더욱분해되어수소를발생시키며, 용탕중의 Mg증 기에의한다. 또한산화물이용탕중에탄소로환원되어일산화탄소가생겨탄산가스 가되고, 수증기가탄소와반응해서일산화탄소와수소가생긴다. 어느것이던수소, 일산화탄소, 탄산가스의발생이기공을생성하는원인이된다. 기공의방지법으로서는 Mg 첨가량의감소, 주형수분의감소, 용탕의산화방지, 고온주입, 주형의통기성을좋 게하며주물사에탄소계물질을배합해주형안을환원성분위기로하는대책을만든 다. 구상흑연주철의드로스는흑연의편석에의한드로스( 카본드로스) 와산화물, 황화 물의드로스 된다. 드로스부는 2 종이있지만양자가혼합된것이많다. 어느것이든강도저하에원인이 - 44 -
C,Si,Mg이건전부보다높고 Al,Ca 등도포함되어있다. 카본드로스는과공정구상흑연주철에서초정으로흑연이구상으로정출하는데있고 그외의드로스는구상화처리제에의한탈산생성물이개재물도되기때문이다. 드로스 의방지책은다음과같다. 카본드로스에대해서는탄소량을가능한적게할것, Mg첨 가를적게할것, 구상화처리에의한 Si 의급격한증가를피해야한다. 일반드로스에대해서는구상화처리전 O,S량을낮게하고 Mg 첨가량을줄일것, 용탕 의비산, 동요( 動搖 ), 산화가없는주조방안을세울것, 주형내의분위기를환원성으로 하기위해주형에탄소계물질을배합하며, 탕구에스트레이나를설치드로스가들어 가는것을방지하여야한다. 5. 공정안정화및미세조직 / 기계적특성확보 가. 미세조직특성평가및기계적특성평가 엔진마운트브라켓에서시편을채취하여 FCD45 재료의특성을발현하기위한미세조 직학적특성, 즉구상화율, 페라이트및펄라이트의분율을평가하여상용품으로서의 사용적합성을확보하였다. FCD45미만의구상흑연주철은페라이트가대부분의기지 를구성하지만 FCD45 를기준으로펄라이트의분율이증가한다. FCD45의경우에는 페라이트의분율이 80% 이상으로, 펄라이트분율은 20% 이하로규정되고있으며이 때구상화율은 80% 이상이어야한다. 구상화율에대한판정은 KS D 4302에따라측 정하였다. 주철중에나타나는흑연의형상은일반적으로편상에서구상까지매우다양하여이것 을분류하는작이필요한데, KS D 4302의기준에따르면완전한편상흑연을 Type I으 로규정하여구상모양과의유사성에따라완전한구상인 에서는 Type V, Vi Type VI 까지분류된다. KS 형상의흑연을구상흑연으로규정하여구상화율을계산하도록명 시하고있다. 보통의희주철에서는편상흑연(Flaky graphite) 이나타난다. 편상흑연의 다음단계는설상흑연(Snow-like graphite, 또는파열흑연 exploded graphite) 으로불 리는형상인데전체적으로는구상이지만내부에방사상으로 Fe 가침투된것으로, 구상 화처리한과공정주철의초정흑연이용탕중에부상한경우에이러한형상이발생되기 쉽다. 스파이크흑연(Spiky graphite) 은괴상흑연에서다수의예리한흑연이기지중 에돌출한형태로서구상화처리제가과잉으로첨가된경우에발생한다. 또한의편상 흑연(Quasi-Flaky graphite) 이라는형상이있는데이는구상화처리제의첨가량이부 족하여충분히구상화가되지않은것으로 Vermicular graphite 혹은치밀흑연 (Compacted graphite) 으로도불려지고있다. 최근이종류의흑연을주제로한주철의 특징에대한연구가많이진행되어 cast iron) 로서주목받고있다. C/V 흑연주철(Compacted/Vermicular graphite 그림 19는주철중에나타나는다양한흑연형상에대한분류를보여준다. 이밖에도 특징이있는형태의흑연이있는데, 의편상흑연이짧게형성되어한층가늘고짧게형 성된 Chunky graphite 이라고명명하는데, 후육구상흑연주철의주조공정중사형주형 내에서용탕이 - 45 -
응고할때잉고트의중심부로갈수록냉각속도가느려지는현상에의해서, 흑연과오 스테나이트의정출공정응고시간이길어지고따라서페이딩현상에의한접종효과의 감소로흑연구상화율의저하, 흑연립수의감소, 구상흑연의조대화, 흑연립부유등의 문제가발생하며, 특히이상흑연조직의하나인 chunky 흑연이발생하게된다. chunky 흑연이발생된부위의인장강도는제품의건정부에비해약 90% 정도로낮은값을가 지므로강도적인측면에서는치명적이지않지만연신율과충격치는건전부에비해서 20~30% 정도의낮은물성값을가짐에따라서제품특성에악영향을미치고각종소재 의피로수명및신뢰성에심각한타격을주므로구상흑연주철관련산업제품에서 chunky 흑연제어는가장필수적인사항이되고있다. * 그림 19. 주철중에나타나는다양한흑연형상 ----------------------------------- * 참고문헌) KS D 4302 p.10-46 -
그림 20. 엔진마운트브라켓시작품의미세조직 (x100) - 47 -
그림 21. 상분석법에의한구상화율측정화면 구상흑연주철의흑연형상은모두가구형인것이바람직하지만여러가지원인에의 해이렇게되지못하고다른형상의흑연이혼재하는경우가많이발생한다. 그래 서흑연이어는정도구상되어있는지를정량적으로표현하는방법이다양하게제 시되고있는데 KS 규격에서는현미경배율을 100배로설정하여임의로 5가지의위 치에서미세조직사진을촬영하고 KS 규격에서분류한분류표에따라 Type V, VI 형상에해당하는흑연의개수를측정하여전체흑연개수에대한비로써구상화율 을계산하도록권고하고있다. 이때 2 mm ( 실제치수 20 μm) 이하의흑연및개재물은 대상으로하지않는다. KS에서는수량측정법과동시에이미지화상처리기법도허 용하고있는데, 측정기준은동일하다. 그림 20은흑연의구상화율및입도를측정 하기위해서시험용시작품에서채취한시편의미세조직사진을보여준다. KS의흑 연형상분류에따르면대부분의흑연이 Type V 또는 VI로구상화율이매우우수 할흑연형상을포함하는것으로판단된다. KS 기준의 Type V, VI는그림 19의국 제위원회에의한흑연형상분류와동일하다. 그림 보여준다. 21은시험용시작품에서채취한시편을이용하여구상화율을측정하는화면을 구상화율은한개의미세조직사지에대하여특정크기이상의흑연에 대한각각의구상화율을측정하여평균값을취해서계산하였다. 이때동일한미세 조직사진에서최소 100 개이상의흑연에대한구상화율이측정되다. 동일한과정 을최소 율로취하였다. 5개의서로다른미세조직사진에대하여측정하여최종평균값을구상화 구상흑연주철에대한한국산업규격인 KS D 4302는 1999년개정판전에는일본의 규격 NIK 규격( 일본주물협회규격) 과유사하게형상계수(Shape factor) 를고려하 여구상화율을판정하였으나, - 48 -
현재는 ISO 규격과동일한방법으로구상화율을판정하고있다. 개정전후구상화 율판정법의큰차이점은측정방법뿐만아니라구상화율에대한합격기준이 70% 에서 80% 로크게증가된것을둘수있다. 일본의 JIS 규격에따르면흑연의구상 화율에대한합격기준은 70% 이상이며흑연형상에따라서편상(I):0, 의편상 ( Ⅲ):0.3, 소려탄소상( Ⅳ):0.7, 괴상( Ⅴ): 0.9, 구상( Ⅵ): 1.0의형상계수를부여하고 100배의현미경조직사진에폭 3 mm의양태각선대를그려서, 여기에조금이라도걸 치는흑연립을형상에따라분류한뒤각각의수와형상계수를이용하여흑연구상 화율을계산하도록규정되어있다. 이밖에도흑연구상화율을측정하는방법으로는 대상흑연의면적과그최대길이를직경으로하는원의면적을측정해서그비를 이용하여판정하는흑연면적률법, 대상흑연의면적과외주길이를측정해서흑연 형상계수를계산하는흑연형상계수법, 흑연의최대길이와두께의비를이용해서판 정하는흑연축비법등이있으나본연구에서는실질적인주조공장의품질관리와 효율성을고려하여한군산업규격의개정된내용에따라흑연구상화율를측정하였 다. 엔진마운트브라켓의제품에서채취한시료의미세조직을관찰하여흑연구상화 율을측정한결과구상화율은 다. 80% 이상으로서개발목표치를상회하는결과를얻었 시험용시작품으로부터채취한시료를이용하여구상흑연주철의페라이트분율과 펄라이트분율을측정하기위하여미세조직을분석하였다. 시료는각제품의중심 부내부에서채취하였으며경면처리된시편은 Nital 4%(4%-HNO3 + Ethyl alcohol) 시약을이용하여선택부식시켰다. 부식시간은약 5초내외로하였으며최 종준비된시편의미세조직을관찰하고상분석기를이용하여최소 5가자미세조직 사진에대하여펄라이트와페라이트의분율을측정하여평균값을취하였다. 그림 22 는페라이트와펄라이트분율을측정하기위해준비된사진중일부를보여준다. 사진에서와같이구상흑연주철은응고시흑연결정이정출되고아공정/ 과공정에따 라서오스테나이트 Dendrite가초정흑연으로부터성장하거나초정으로정출되고 즉시공정오스테나이트에의해포위된다. 회주철의경우와비슷하지만, 석출한다. 응고후의냉각에따른조직의변화는 흑연이구상이기때문에펄라이트가이를포위해서 그림 23 은상분석을통하여펄라이트분율을측정하는화면을보여준다. 미세조직 의상분율에대한목표치는펄라이트 20% 이하이며, 시험용시작품의미세조직을 관찰한결과펄라이트는 20% 께우수한미세조직특성을보유하는것을확인하였다. 이하로구성되어상용차부품시장의요구조건과함 구상화율, 페라이트및펄라이트분율에대한측정결과를표5 에요약하였다. 모든 결과는 FCD45 구상흑연주철의개발목표와 KS 산업규격의기준을만족하였다. - 49 -
그림 22. 페라이트, 펄라이트분율측정을위한미세조직사진 (x100) - 50 -
그림 23. 상분석에의한페라이트, 펄라이트분율측정화면 표 5. 구상화율, 페라이트및펄라이트측정결과 - 51 -
나. 표면경도 브리넬경도(Brinell hardness) 는지름이 D mm인강구( 講究 ) 를재료에일정한압력 으로누르고, 이때생기는우묵한자국의크기로굳기를나타낸다. 즉 P kg으로 눌렀을때지름이 D mm이고, 깊이가 h mm인우묵한자국이생겼다고하면, 브리넬굳 기 HB는 HB=P/ πdh 로표시된다. 경도라하는것은, 어떤일정한 ball을사용하여일 정한하중으로재료의표면을압입할때나타나는국부적인저항이라고정의할수있 다. 따라서탄성적및소성적저항이그재료의강도를나타내게된다.* 측정방법에는 여러가지가있지만, 크게로는압입경도측정(Indentation Hardness Test), 긋기경도 측정(Scracth Hardness Test), 반발경도측정(Rebound Hardness Test) 를들수있 다. 그중주철품에는압입경도측정방법인브리넬을이용하여측정하였다. 그림 24에 브리넬경도측정법을표시하였다. 그림 24. 브리넬경도시험 브리넬경도기 - 압자 : 동구ø5mm또는 10mm - 하중 : 500kg또는 3000 kg, 압입자국의지름이동구지름의 0.2~0.5배가되도록 설정한다. - 경도표시법 : HB = P( kg/ mm2), πxdx{d-d2-d2} 2 - 시편 : 두께 > 압입자국깊이의 10 배, 폭 > 4d, 측정점 KS B 0805, 표준시험법에따라측정된엔진마운트브라켓의경도값을그림 25,26 과표 6,7 에나타내었다. ----------------------------------- * 참고문헌) KS B 0805 규격 p.3. - 52 -
그림 25. JK-RH 경도그래프 표 6. JK-RH 경도값 - 53 -
그림 26. JK-LH 경도그래프 표 7. JK-LH 경도값 - 54 -
다. 설계공차허용치 설계공차는앞에서도언급했듯이엔진과의체결성및진동감쇄능, 소음등과매우 밀접한관계가있다. 허용치를오버할경우고객사로부터만족스럽지못한승차감 과소음등으로인하여클레임을유발할수있다. 손실과비용낭비등을초래할수있다. 최적의주조방안과 또한재가공으로인하여시간적 UG를이용한설계그리고응고해석을이용한실험으로엔진마 운트브라켓에대하여 ±0.5mm이내로공차를지원하였으며안정화시키는데성공하 였다. 설계공차의안정화로인하여가공에서시간단축은물론원부자재의사용을 줄여원가절감의효과를보았으며보다양질의제품을고객사에납품하는효과와 함께납기시간단축으로신뢰성을확보하게되었다. 시험용시작품의주요부위를절단하여치수정밀도, 변형여부등을검사하였다. 그 림 27 은단면절단에의한검사사진과내용을도시한다. 그림 27. 시험용시작품의단면절단에의한검사 - 55 -
라. 결하등급 (1) 비파괴감사법에의한결함평가 최적의주조방안에따라제조된시험용시작품을이용하여 방사선검사기준에따라결함등급을판정하였다. 동위원소인 KS D 0227의비파괴 비파괴방사선검사는방사성 Co-60을이용하여각제품의주요부위에대하여반복검사를통해조 사하였고노출시간은약 3 분, 노출거리는약 600 mm를유지하였다. 이때감도는 2.0% 이하가되며각각의부위에대하여노출회수를 4회로하여정확성을확보하 였다. 모든촬영필름에대하여기공, 슬래그혼입, 모래물림, 수축공및균열등 가능한주조결함에대하여면밀히검사하여합격여부를결정하였다. 엔진마운트브라켓의응고해석을통하여결함이발생될가능성이있는것으로판 단된주요부위와부품의기능상중점관리가필요한 파괴방사선검사를실시하였으며그림 Hole 부위등을선정하여비 28 에각제품의검사위치를도시하였다. 엔진마운트브라켓의주요부위에대하여실시한비파괴방사선검가결과와사진 을그림 29~32 에도시하였다. 그림. 28. JK-RH, JK-LH 의비파괴방사선투과시험위치 - 56 -
그림 29. 엔진마운트브라켓 JK-RH 의 A, B 부위에대한비파괴방사선검사필름 - 57 -
그림 30. 엔진마운트브라켓 JK-RH 의 C, D 부위에대한비파괴방사선검사필름 - 58 -
그림 31. 엔진마운트브라켓 JK-LH 의 A, B 부위에대한비파괴방사선검사필름 - 59 -
그림 32. 엔진마운트브라켓 JK-LH 의 C, D 부위에대한비파괴방사선검사필름 - 60 -
JK-RH의경우 A 위치에서기공에의한결함이관찰되었으나제품의특성에영향 을거의주지못하는수준으로방사선검사 1등급으로판정되었으며기타부위의 경우무결함으로방사선검사 1 등급임을확인하였다. 또한 JK-LH의경우에도 D 위 치에서기공결함이관찰되었으나 JK-RH와마찬가지로너무미미하여기타부위와 함께모든부위에서방사선검사 1 등급으로판정되었다. 관찰된기공은많은구상 흑연주철연구에참고자료가될수있도록사진으로남기려하였으나실제의필 름판독을통해서만관찰되는미미한수준이며보고서의사진을통해서는확인이 불가능하지만실제의필름판독시미미한기공이관찰된다. 마. 인장강도, 내력, 연신율측정 인장시편은 KS D 0801의표준 4호시험편으로가공하였으며 JK-RH, JK-LH에 대하여각각별도주입시편으로부터채취한시편을준비하여 KS D 0802의규정 에따라상온에서시험하였다. 시험결과는인장강도, 항복강도( 내력) 및연신율을 측정하였는데, 연신율은연신율계로측정하는동시에 Gage length의실제늘어난 길이를측정하여수동으로도계산하였으며그림 33~35, 표 8~9에이를나타내었 다. 그림 33. 인장시편파단면 - 61 -
그림 34. JK-RH 인장강도및내력 표 8. JK-RH 인장시험측정값 - 62 -
그림 35. JK-RH 연신율 표 9. JK-LH 인장시험측정값 - 63 -
바. 시제품제작여부 구상흑연주철로제조된엔진마운트브라켓을설계된최적주조방안을이용하여응고 해석결과와실제주조제품의특성을비교평가하고제품상용화의가능성을평가 하기위하여각각의제품에대한목형을제작하였다. 목형을이용하여만들어진시 작품으로기계적특성등을평가하고제작된시작품은 KS 비파괴방사선검사기 중에따라내부결함을검사한뒤실제내부를관찰하기위하여주요위치를절단 하였으며내부결함검사와함께치수정밀도및변형여부도검사하였다. 감사가 완료된시제품으로부터미세조직특성과경도, 인장강도, 내력, 연신율등의기계적 특성을평가하였으며제품과는별도로동일한용탕으로부터별도주입시편을제조 하여시험을병행하였다. 위의시험결과를바탕으로시제품을제조하였으며, 그림 36 에도시하였다. 시제품과시제품생산공정을 - 64 -
그림 36. 엔진마운트브라켓시제품제조공정 - 65 -
제 2 절기술지원성과 1. 기술지원추진일정 2006 년 11 월 - 기초문헌조사및자료제공 2006 년 12 월 - 고객규격조사및공정화방안설정지원 2007 년 1 월 - 응고해석지원및주조방안설계지원 2007 년 2 월 - Solid 모델을이용한치수공차설계지원 2007 년 3 월 - 목형설계및제작지원 2007 년 4 월 - 불량률감소를위한용해주조공정최적화지원 2007 년 5 월 - 불량률감소를위한용해주조공정최적화지원 2007 년 6 월 - 공정안정화 2007 년 7 월 - 미세조직확보 2007 년 8 월 - 기계적특성확보 2007 년 9 월 - 시제품제작지원 2007 년 10 월 - 최종보고서작성 - 66 -
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2. 담당업무성과수준 담당자담당업무성과 이상목 문병문 김봉환 과제총괄 주조방안설계 치수공차지원 제작과정에대한전반적인기술지원 공정전반에관한개선과최적화지원 주조과정에대한전반적인기술지원 최적주조방안설계및실험지원 엔진마운트브라켓에대한전반적인평가및시험분석지원 김재근시험평가지원 미세경도등기계적특성평가 김상경미세분석지원 미세조직및 SEM 등조직학적특성평가 이병준응고방안설계 응고해석및모델링 - 68 -
3. 수행방법 불량률감소를위한주조방안설계및결함제어기술, 수축공등의평가기술, 응고 미세조직제어, 기계적성질확보등은생기원을중심으로이루어졌고, 주조공정최 적화를위한목형가공및장착, 현장형용해주조공정확립, 생산성향상을위한최 적생산기술일체정립활동은참여기업인 다. ( 주) 진흥주물을중심으로활동전개하였 응고해석및최적주조방안설계와관련된기술지원은생기원의분석기술을 활용하며, 부품공차설계를위한다양한모델링분석은전문분석기관에의뢰하였 다. 각각의기술지원항목에대한구체적추진전략은다음과같다. - 주조방안최적화설계지원 ( 생기원) 생기원이자체개발한 3차원응고해석프로그램을이용한엔진마운트브라켓에대 한압탕방안최적화, 탕구, 탕도, 및주입구위치등최적화, 벤트홀등설치 - 부품공차설계지원 ( 생기원및분석기관) 가공품에비하여공차설계가어려운주물부품에대하여, 공차설계지원의뢰 - 용해주조공정최적화지원 (( 주) 진흥주물) 참여기업인 ( 주) 진흥주물의주조공정라인을활용한용해주조공정확립 전문분석기관을활용한 - 생기원이보유하고있는 X선비파괴검사기로주물각부위별결함발생확인 - 시험부품에대한기계적특성평가 ( 생기원) - 최적주조방안설계안에대한목형제작 (( 주) 진흥주물) - 결함판별및결함제거기술확립단계 ( 생기원) - 미세조직및기계적특성분석단계 ( 생기원) - 생산기술안정화단계 ( 주) 진흥주물 - 69 -
4. 기자재활용 기자재명용도활용 고주파유도로금속현미경 SEM EDS/WDS Image analyzer CM-METE R 용해실험미세조직분석미세조직분석미세조직분석미세조직분석성분분석 엔진마운트브라켓용해시험광학사진측정및각성분에대하여미세구조분석미세구조분석각성분분석사용각조성의상분석에사용엔진마운트브라켓에대하여성분분석 ATAS 용해공정엔진마운트브라켓용해공정최적화지원 PQ-DIT1, 2 고속절단기브리넬경도기 Universal test machine 용해공정 경도시험 경도시험 엔진마운트브라켓용해공정최적화지원 마모시험및기계적특성평가를위한정밀 절단 엔진마운트브라켓의동작특성을파악하기 위하여경도측정 인장시험용해실험후인장강도, 내력, 연신율측정 - 70 -
제 4 장목표달성도및관련분야에서의기여도 제 1 절목표달성도 - 71 -
제 2 절관련분야에서의기여도 국내 외모든상용차및승용차에사용되는엔진마운트브라켓은주강재질을이 용하여단조가공및용접을통하여제작되고있으나대형차가경우진동및충격으 로인한크랙발생이잦고소형차의경우경량화및엔진소음, 진동발생의문제로 인하여대체품제조기술확립이필요한실정이었다. 하지만현재는미국의 D 社를중심으로구상흑연주철(FCD45) 재질의엔진마운트 브라켓을장착하는추세에있으며, 이에따라현재지원기업인 ( 주) 진흥주물은 D 社 로부터이를의뢰받아기술개발에착수하였다. ( 주) 진흥주물은고부가가치부품생산 에대한경영진, 기술진의의지가매우강하며국내 외자동차기업의부품제조 요청에매우신속히대응하여신뢰성과품질안정성을인정받고내실있는자동차 용주물부품전문생산업체로서 ( 주) 진흥주물에기술지원이성공적으로이루어질 경우 D 社로의납품이진행되어많은부가가치를이룰수있다. 또한적적한기술지 원이이루어질경우국내는물론외국의선진자동차기업으로부터핵심고부가치 부품의지속적인납품증가가예상되며, 부품생산공정이안정화될경우 D 社의독 점양산납품이진행될예정이다. 납품이성공적으로이루어지면국내주조산업생 산기술의우수성과높은품질수준을세계적으로인정받을수있으며, 자동차 Big3)GM, Ford, Daimler chrysler) 의부품호환체제를고려해볼때자동차부품 시장에서의빠른성장이기대된다. - 72 -
제 5 장기술지원결과의활용계획 구상흑연주철소재중고강도고연성소재인 FCD45 규격의자동차주물부품제조 법개발및확산보급을위해응고해석및결함예측기술바탕으로자동차의기타 주물부품에 FCD45 소재를확산적용하고불량률을감소시킬수있는주조방안 설계가가능하게되었다. 엔진마운트브라켓의성공적인생산으로인하여국내자 동차부품시장의세계화기술을획득하고, 자동차부품전문화에도큰기여를할것 으로예상된다. 현재 ( 주) 진흥주물은여건상기술개발자금과전문인력의부족으로 핵심기술을보유하고있음에도불구하고최적의생산환경을구축하지목하고있었 다. 이번부품소재지원을통해그동안겪고있던기술적애로해소를통해응고해석 을통해최적주조방안을확립하였고불량률과 RT 2등급이상의주조결함예측기술 을확보하여자동차부품의전문화및고부가가치에기여하는엔진마운트브라켓의 성공적인생산으로인하여엔진체결안정화, 진동흡수능등의기능성을향상시키 고자동차완성도에도큰기여를할것으로기대되며, 국내자동차회사납품및 국외수출등을통해매출신장에도큰기여를할것으로예상된다. 고급 RV차량용 엔진마운트브라켓은납품의뢰량이많으며, 공정안정화에필요한기간이짧고, 동시에내부결함이없는건전부품이확보되어야하였다. ( 주) 진흥주물은엔진마운 트브라켓공정이최적화되어, 위의조건을만족시키며엔진마운트브라켓의생산 라인안정화로인해미국선진자동차기업에납품을하고있으며검증받은기술 력을바탕으로세계수출시장개척에노력을기울이고있다. 국내시장에서도역시 기술력과품질을인정받음으로써매출신장에많은이득을가져올것으로예상된 다. 미국선진자동차기업을필두로하여수출시장을확대하여국내주조산업분 야의기술경쟁력을확보하고향후국산자동차의경쟁력확보에기여할수있는원 천기술로의발전가능성이매우높은기업으로사료된다. - 73 -