webzine배너 잡지배너 정기구독배너
   
MFG블로그 광고문의
기사제보 미디어킷
개인정보
취급방침
문의사항
회원탈퇴 정기구독신청
서울시 영등포구 경인로 775
에이스하이테크시티 3동 206호 ㈜MFG Inc.
Tel (02)3439-0011 Fax (02)3273-0989

Copyright (c) Since 1974~2016
MFG Inc.
All right reserved.

금속 레올로지 소재성형의 산업계 동향
 
●신기술동향
 
월간 기계기술기자 | 2004.07.01 | 2004년 7월호
 
| 전체보기 | 인쇄 | 스크랩
 
현재 산업계에서 주로 이용되고 있는 부품생산 공정은 주조, 단조공정이 주로 이용되고 있다. 이러한 생산 공정은 작업시 각종 Scrap의 배출과 이형재 때문에 작업환경이 열악하여 정밀성형기술이 절대적으로 필요한 기술이다. 최근 경량화 소재의 정밀정형기술로써 고액공존성형기술이 학계 및 산업계에서 관심의 대상이 되고 있다.
  반응고 소재 제품의 개발에 있어서 중요한 요소는 반응고 소재의 재가열 방법, 기계의 사양, 공정조건의 결정 및 금형설계 기술 등이다. 반응고 다이캐스팅법에 의하여 자동차의 Suspension부품, 엔진계통에 이용되는 각종 Unit및 내마모계 압축기 습동 제품을 개발하게 되면 기공이 비교적 작은 성형제품을 얻을 수 있고, 기계가공의 공정을 획기적으로 생략할 수 있다.
  경계영역 가공기술인 반응고 가공 제품의 품질은 기존 공정에 의한 것보다 우수한 것으로 알려져 있으 나, 미국 유럽 등 선진국에 비하여 국내에서는 현재 활발하게 사업화가 되고 있지 않다. 이와 같은 이유중의 하나는 산업 계에서 반용융 소재의 원활한 수급이 어려울 뿐만 아니라 관련장비가 국내에서 생산이 되지 않기 때문에 외국업체로부터 높은 가격으로 수입을 해야 하기 때문이다.
  국내에서 반용융 성형에 대하여 본격적으로 연구가 시작된 것은 1990년대 초반이며 한국소성학회와 대한금속학회가 공동으로 고액공존금속의 심포지엄을 개최하고 있다. 국내에서는 주로 고체상태의 Billet을 재가열하여 성형하는 틱소포밍 (Thixoforming)연구에 주력하고 있다. 세계적으로 많은 연구결과가 소개되고 있으나, 국내에서는 아직까지 장치설계 및 응용기술이 초보단계이며, 국내의 경우 산업계에서 아직까지 대량생산에 응용이 되고 있는 품목이 없는 상황이다.
1. 고액공존 성형의 필요성
레올로지포밍(Rheologyforming)은 액체상태인 소재를 냉각시켜 고액공존으로 제품을 성형하는 새로운 가공기술이며, 틱소포밍(Thixoforming)은고체상태인 소재에 열을 가열해 고액공존으로 제품을 성형하는 가공기술이다.
  부품제조에 필요한 공정단축, 원가절감 및 환경친화형 생산기술 확립 등이 달성되면 그 수요가 급격히 증가할 것으로 예상한다. 그 이유는 99년도 독일에서 개최한 GIFA(세계 최대 주조 전시회) 전시 회, 2000년 2월 미국 디트로이트에서 개최한 SAE 전시회 등에서 전시된 Al화된 각종 자동차 부품 등의 예에서 보여주듯이 세계적 추세는 레올로지 (Rheology) 주/단조 공정이 주류를 이루게 될 것이다. 틱소포밍(Thixoforming)기술은 소재기술과 재가열 공정이 동시에 요구되고 있기 때문에 생산원 가와 대량생산 측면에서 문제가 되고 있다.
  따라서, 현재 세계적 연구추세는 틱소포밍 공정의 Billet제조공정과 재가열공정을 생략할 수 있는 레올로지 성형기술(Thixoforming 공정의 단점을 획기적으로 개선할 수 있는 공정)에 연구가 집중되고 있다.
  따라서, 레올로지 성형공정의 연구동향과 산업 계에서 활용이 가능하도록 하기 위한 문제점과해결방안을 소개하고자 한다.
2. 연구 동향
레오포밍(Rheoforming)은 액체상태의 소재에 Shearrate를 가하면서 반응고 상태의 온도(Al의 경우 : 570~583℃)에서 성형을 하는 기술이다. 레오 포밍 공정의 혁신기술은 성형(다이캐스팅, 단조)을위하여 금속 Slurry를 연속적으로 제조하기 위한 장비의 설계 및 소재의 제조 기술이다.
  ●Mg재료의 경우 Thixomolding M/C이 Dow chemical사에서 개발되어 현재 일본 및 대만에 약80대가 설치되어 있는 것으로 알려져 있다 <그림 1>. 성형중 스크류의 보수, 마모 및 재료의 Recycling등의 문제점 때문에 기대치만큼 활성화가 되지 않고 있다.
 
  ●Rheo die-casting 공정을 자동차 부품공정에 활용하기 위하여 일본의 Rheo-Tech 사에서 액상의 Al재료를 Sleeve내에 주입한 후 수직형으로 Casting하는 공정 <그림 2>과 Sleeve내에서 전자 교반을 한 후 수평형 다이캐스팅을 수행하는 공정<그림 3>을 개발하여 소개하고 있다. 이러한 방법은 생산 Cycletime을 공정변수와 일치시키지 못하기 때문에 사업화가 되지 않고 있다.
  <그림 4>에서 보여주는 바와 같이 일본의 Hitach Metal 사 등에서는 수직형 Sleeve내에 용융상태의 금속을 주입한 후 냉각과 전자 교반을 통하여 점성을 제어하는 장비를 개발하였다.
  <그림 5>는 UBE사 등에서는 수직형 캡슐 용융상 태의 Al을 반용융상태로 급랭한 후 캐스팅장비에 주입하기 직전에(온도 균일 및 캡슐로부터의 분리를 쉽게 하기 위하여) 다시 가열한 후 수직형 다이 캐스팅 M/C에 의하여 부품을 개발하는 장비를 판매하고 있다 <그림6>은 미국의 코넬대학에서는 Rheomolding M/C을 개발하여 레올로지(Sn-15%Pb) 소재를 제조하는 공정과 성형조건과 밀도사이의 관계 등을 규명하고 있다.
  <그림 7>은 일본의 Hitach Metal에서는 금속 Slurry를 수직형 다이캐스팅 M/C에 의하여 직접 성형하기 위하여 경사냉각 Plate를 통하여 금속 Slurry를 연속적으로 제조하는 공정을 소개하고 있다.
  <그림 8>은 영국의 Brunel University에서는 이중 Screw을 이용하여 레올로지 소재(Sn- 15wt%Pb, Mg-30wt% Zn)를 제조하는 공정을 소개하고 있다.
  <그림 9>는 일본의 대판공업대에서는 Twin- Roller Caster를 이용하여 박판을 제조하는 Model을 소개하고 있다.
  이상에서 언급한 바와 같이 레오포밍에 관한 여러 가지의 프로세스를 제안하고 있지만 현재 세계 적으로 장비를 판매하고 있는 회사는 일본의 UBE사(Al재료)와, Dow Chemical사(Mg의 Thixomolding)에 불과하다. 그 이외에 레올 로지 소재의 기초연구와 성형공정에 있어서 다음과 같은 내용이 국내외 관련 전문학술지에 다수 발표되어 있다.
  ●Rheology재료의 의가소성 전사모사 수치해석
  ●Shearrate에 따른 조직제어
  ●Rheology재료의 제조방법에 관한 실험실 규모의 기초연구
  ●Rheology소재의 점성거동 및 구성방정식 틱소포밍 공정의 단점을 획기적으로 개선할 수있는 공정이지만 레오포밍 공정이 상용화가 쉽게 되지 않는 이유는 아래와 같다.
  ●부품을 성형할 때 Cycle time에 부합되도록 일정량의 레올로지 소재를 연속적으로 공급할 수 있는 시스템의 미흡
  ●반용융상태의 금속 Slurry가 금형과 장비에 소착되는 현상을 방지할 수 있는 기술의 미확보
  ●성형공정기술의 미확립
 
  따라서 위와 같은 문제점을 해결하고, 또한 산업 계의 응용부분을 고려하여 레올로지 소재를 연속 적으로 제조하고 Cycle time을 제어할 수 있는 장치를 설계 및 제작하는 것이 필수적이다. 외국에서 틱소포밍을 위하여 대량생산에 필요한 장비 Maker, 소재성형 Maker, ReheatingMaker및 소재 Maker등이 다수 있음을 감안할 때 이러한 기술의 단점을 획기적으로 개선하면서 환경문제와 소재와 공정을 구별하지 않는 새로운 레올로지 성형 공정에 관한 연구가 다음 <표 1>에서 제시한 장단점 때문에 향후 과제로 크게 부가 될 것으로 사료된다.
 
  현재 틱소포밍에 관한 대량생산에 이용되는 소재는 A356, A357이 대부분이며 년간 14,000ton으로 알려져 있다. 다음과 같은 자동차 부품에 주로 이용되고 있다.
 
  제품
  ●Rockerarms ●Enginemounts ●Pulleys ●Brakecylinders
  ●Clutchcylinders ●Knuckles ●Suspensionarms
  ●Beltcovers ●Wheels ●Pistons ●Motorhousing
 
 이들의 단점(원자재 가격 상승, 재가열 설비 구축, 재가열 중 소재 손실, 구상화조직 제어경비, 실제품에 비하여 재료손실의 과다 및 재활용 문제)등을 획기적으로 개선할 수 있는 레올로지 성형기술이 향후 연구과제로 부각될 것으로 생각된다.
  일본 소성가공학회의 반용융·반응고가공 분과 위윈회에서는 레올로지 성형과 틱소포밍 기술에 관한 최근의 연구동향을 매년 소개하고 있다. 이들의 연구내용을 개론, 특성, 소재제조기술, 시뮬레 이션, 성형·가공기술, 상품개발 등으로 나누어 소개하고 있다.
  향후, 틱소포밍 공정의 단점을 획기적으로 개선 하여 원가절감과 환경친화적인 생산공정에 필요한 레올로지포밍 기술이 정부, 학계 및 산업계에서 관심의 대상이 될 것으로 기대한다.
.
.
.
.
.
.
.
.
3. 요약
고액공존 성형기술이 국내에서 연구가 시작된 것은 10년 전부터이다. 고액공존 성형기술의 대부 분이 알루미늄 소재를 대상으로 연구되었다. 그러나 최근에는 국내외에서도 연구범위가 확대되어 SUS, Cu재료, 주철 등으로 기초연구가 진행되고 있다. 이러한 추세에 관련기업에서는 부품의 원가 경쟁과 품질 경쟁 면에서 소재, 생산성, 초기투자비 등을 고려하지 않을 수 없는 상황이다. 따라서 고액공존 성형기술을 국내 산업계에 확산하기 위해서는 제품의 특성에 적합한 제조공정의 선정이 필수적이다. 현재 수송기계 등에서 사용되어지는 부품의 제조 공정은 다음과 같다.
 
 (1) 단조공정
 (2) Squeezecasting
 (3) Thixocasting 및 Forming
 (4) Rheologydiecasting 및 단조
 (5) Casting/Forgingprocess
 (6) 저압주조, 정밀주조 및 중력주조 위에서 열거한 6가지 공정 중에서 고액공존 공정에 해당하는 Thixoprocess와 Rheoprocess중에서 어떤 방식을 산업계에서 선택할 것인가? 아니면 어떤 방식에 의하여 부품을 대량생산할 것인가? 를 선택하지 않을 수 없다.
 그 중에서 Rheo process의 물성치가 Thixo process에 비하여 (20~30)% 정도 낮은 것으로 발표 되고 있으나, 이들 문제는 부품설계에서 해결할 수있는 문제로 생각되어 진다.
  <표 2>에서 보여주고 있는 각 공정의 특성을 고려 하면 제품의 특성과 기업의 환경에 의존할 수밖에 없다. 문제는 이들 두 공정을 자동차 현가장치 (Suspension) 부품 이외에 향후 어떤 분야로 응용을 확대해 가야 할 것인가? 저자가 평소에 생각하고 있는 응용가능성이 있는 품목은 다음과 같다.
 
 (1) 자동차 부품
  ●Fuel Rails, Rocket Pedestals
  ●A/C Compressor Housings
  ●Master Cylinders
  ●Front and Rail Rear Knuckles and Control Arms
  ●Engine and Transmission Mount Brackets
  ●BeltTensionerBrackets, FrontHousing
  ●Rear Housing, Power Steering Rear Housing
  ●Camshaft Bracket
 
 (2) 항공기 부품 분야
  ●Latch, Link
  ●Fitting
  ●Blank
  ●Lever
  ●Fording blank
  ●York, Door stop
  ●Pin
  ●Retainer
  ●Hook
  ●항공기 프레임
 
 (3) 방산 부품 분야
 
 (4) 우주항공 분야 및 기타 우주 발사체 엔진의 구조체, 중추력급 액체로켓 엔진용 연소기 부품, 원자력 발전소 가스터어빈 부품, 고온/고압 환경에서 작동하는 냉각구조용 부품, 선박용 가스 터어빈의 유사 부품, 고압 변전기, 지하철 등 고온, 고전압에서 작동하는 전기 부품, 전기 저항 용접봉 전극봉 Al, Mg 이외에 Cu-Cr, Cu-Zr, 주철재, SUS, Be동합금 등 다양한 재료에 대한 반응고 성형기술이 요구되고 있으며, 응용범 위가 향후 확대될 것으로 기대한다.
  틱소포밍과 레오포밍 기술의 응용 및 확대를 위해서는 소재관련 기술이 우선 시급히 정착되어 안정적으로 산업계에 보급되어야 하며, 또한 관련 주변장비(재가열 장비, 레올로지 소재 제조장치 및관련 부품)의 국산화도 시급하다.

 
TAG :  금속레올로지소재성형  수직형다이캐스팅  용해보온로  용탕주입  냉각  가열  슬러리반전  성형  제품
 
 
QUESTION (0)         목록보기 | 맨위로
 
Question 본 기사 내용에 대한 궁금한 사항을 적어주시면 확인 후 답변 드리도록 하겠습니다
  회원 마이페이지 또는 이메일로 답변을 확인 하실 수 있습니다.