이륜자동차용 엔진부품 제조를이륜자동차용 엔진부품 제조를이륜자동차용 엔진부품 제조를이륜자동차용 엔진부품 제조를

위한 공정 애로기술 지원위한 공정 애로기술 지원위한 공정 애로기술 지원위한 공정 애로기술 지원

년 월 일년 월 일년 월 일년 월 일2004 7 312004 7 312004 7 312004 7 31

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원한국기계연구원

지원기업지원기업지원기업지원기업 :::: SINTERNETSINTERNETSINTERNETSINTERNET

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 2 -

제 출 문제 출 문제 출 문제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 이륜자동차용 엔진부품 제조를 위한 공정 애로기술지원에 관한 기술본 보고서를 이륜자동차용 엔진부품 제조를 위한 공정 애로기술지원에 관한 기술본 보고서를 이륜자동차용 엔진부품 제조를 위한 공정 애로기술지원에 관한 기술본 보고서를 이륜자동차용 엔진부품 제조를 위한 공정 애로기술지원에 관한 기술““““

지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다” ( : 2003. 8. ~ 2004. 7.) .” ( : 2003. 8. ~ 2004. 7.) .” ( : 2003. 8. ~ 2004. 7.) .” ( : 2003. 8. ~ 2004. 7.) .

2004. 7. 31.2004. 7. 31.2004. 7. 31.2004. 7. 31.

지원기관지원기관지원기관지원기관 :::: 기관명 한국기계연구원기관명 한국기계연구원기관명 한국기계연구원기관명 한국기계연구원( )( )( )( )

대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅대표자 황 해 웅( )( )( )( ) 인인인인( )( )( )( )

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대표자 정 행 웅대표자 정 행 웅대표자 정 행 웅대표자 정 행 웅( )( )( )( )

지원책임자 이 구 현지원책임자 이 구 현지원책임자 이 구 현지원책임자 이 구 현ːːːː

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원ːːːː

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- 3 -

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

제 장 본론제 장 본론제 장 본론제 장 본론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명1.1.1.1.

기술지원 달성정도기술지원 달성정도기술지원 달성정도기술지원 달성정도2.2.2.2.

기술지원의 내용기술지원의 내용기술지원의 내용기술지원의 내용3.3.3.3.

가 충격 및 소음절감을 위한 정밀 기어제조기술가 충격 및 소음절감을 위한 정밀 기어제조기술가 충격 및 소음절감을 위한 정밀 기어제조기술가 충격 및 소음절감을 위한 정밀 기어제조기술....

나 접랍조건의 최적화나 접랍조건의 최적화나 접랍조건의 최적화나 접랍조건의 최적화....

다 소결체의 침탄 열처리 기술다 소결체의 침탄 열처리 기술다 소결체의 침탄 열처리 기술다 소결체의 침탄 열처리 기술....

라 소결체의 기계적 특성 평가라 소결체의 기계적 특성 평가라 소결체의 기계적 특성 평가라 소결체의 기계적 특성 평가....

지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도4.4.4.4.

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

- 4 -

제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론제 장 서 론1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

국민의 생활수준 향상으로 국내의 이륜자동차 시장은 많이 위축되었으(motorcycle)

나 개발도상국을 중심으로 세계적으로 생산되고 있는 이륜자동차는 연간 약, 2000

만대 이상이다 이륜자동차의 주 생산국은 중국 인도 및 대부분은 동남아 국가 인. , (ㆍ

도네시아 태국 및 베트남 등 들이며 아직 이륜차 제조 기술이 미비한 경우가 대부, ) ,

분으로 아주 거대한 시장이 바로 옆에 놓여있다고 해도 과언이 아니다 현재 국내.

의 이륜자동차 부품의 제조 기술은 선진기술인 일본과 큰 차이가 나지 않을 정도로

높은 수준에 와 있으며 동남아 등 이륜자동차의 주 소비국에서 높은 인지도를 갖,

고 있다.

이륜자동차에서 엔진이 차지하는 비중은 상당하다 금액으로 보아서도 전체의 이륜.

자동차의 약 정도 차지하고 있다 특히 이윤자동차의 경우 자동차의 엔진과 달40% .

리 높은 엔진의 회전속도와 엔진부피의 제약으로 부품이 소형이며 우수한 기계적

특성을 갖추어야하기 때문에 부품제조에 높은 기술력이 필요하다고 하겠다.

이륜자동차엔진 부품은 지금까지는 주로 주 단조 후 기계가공공정에 의해 제작되ㆍ

고 있다 따라서 국내의 높은 인건비로 인해 부품의 가격 경쟁력이 현저히 낮아지.

고 있는 실정이다 국내의 부품 업계는 동남아 국가들의 낮은 인건비로 제작된 저.

가품의 크나큰 도전을 받고 있으며 동남아 시장에서 차지하는 국산 부품 시장도,

많이 위축되어 있다.

- 5 -

이를 극복하기 위해서는 높은 제조기술을 바탕으로 제조공정을 개선하여 가격경쟁

력을 높이면서 품질이 우수한 부품의 생산만이 국내 부품산업의 활로라 생각되며,

거대한 해외 이륜자동차 부품시장 확보가 이루어지리라 생각된다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 제조공정의 변화가 절실하다 부품의 제조공정에서.

대량 생산에 적합한 분말야금법을 이용한 부품의 제조가 최근 몇몇 업체에서 실시

되고 있다.

분말야금 공정은 단순한 부품을 대량으로 제조하는 최적의 공정 기술로서 특히 자

동차부품 및 기어류에 많이 적용되고 있는 것이다 분말야금의 경우 제조공정은 원.

료분말의 혼합에서 성형 소결 및 열처리 등의 다양한 공정들로 이루어져 있어 각,

각의 공정간 자동화에 의한 공정 설계가 어렵다 특히 영세한 소규모의 제조업체의.

경우 이러한 제조공정을 완벽하게 이해하지 못하기 때문에 부품의 많은 불량이 발

생되고 있으며 또한 엔진부품 등과 같이 높은 정밀도를 요구하는 부품의 제조에는,

접근조차 곤란한 실정이다.

최근 국내의 부품 소재 산업은 저가의 중국 제품으로 인해 내수 및 수출 시장에서ㆍ

많은 고전을 면치 못하고 있다 특히 국내의 부품제조업은 대부분 기술력이 부족한.

중소기업에서 생산되고 있는 실정에서 동남아 및 중국 등의 저가 제품과 선진국의

품질이 우수한 제품 사이에서 운신의 폭이 자꾸 줄어드는 침체기에 접어들었다고

해도 과언이 아니라 생각된다 이러한 중소 부품제조업의 활로는 기술개발에 따른.

제품의 품질개선과 제조공정개선에 따른 부품의 가격경쟁력을 확보하는 것이 급선

무라 하겠다.

따라서 본 종합기술지원 사업은 기존은 복잡하고 많은 제조공정을 요하는 이륜차

부품을 대량생산에 적합한 분말야금 공정을 적용하여 부품을 제조 생산하는 업체가

가지는 많은 제조 공정상의 문제 및 제품의 신뢰성을 확보하기 위해 필요한 전문인

력 및 장비를 지원하는 사업이었다.

- 6 -

본 과제에서 지원한 기업은 이륜차 부품을 생산을 위해 창업하여 아직 생산 공정

이 완전히 정립되지 못해 제품생산에 많은 애로 사항을 가진 업체로서 생산 공정,

의 확립과 제품의 품질 수준을 향상 시키면 앞으로 이륜차 부품제조 및 분말야금

응용부품의 제조에 탁월한 성과가 기대된다 즉 신 제조공정을 도입으로 품질이 우.

수하면서도 저렴한 이륜자동차 엔진 부품을 생산하고자 하는 과정에서 발생되는 기

술애로 사항 즉 체계적이고 원활한 부품 개발공정기술 부족 장비 및 자체 연구인, ,

력부족 등의 문제점을 해결하기 위해 본 과제를 시행하게 되었다.

- 7 -

제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표제 절 기술지원 목표2222

분말야금법을 이용한 제조공정은 단순한 형상을 대량으로 제조하는데 가장 적절한

제조공정이라 할 수 있다 금속분말을 원하는 형태로 성형하고 이를 다시 고온의.

로에서 소결하여 제조하는 것으로 형상이 단순하고 제품의 수량이 대량일 때 아주

유효하다 그리고 제품의 형상이 성형하기 곤란하더라도 그 수량이 많으면 소결 및.

접합공정을 이용하여 제조하므로서 제조 단가를 낮출 수 있는 장점도 있다.

이륜차의 엔진 부품도 단순한 기어형상의 제품과 복잡한 형상의 제품으로 단순성형

소결로 제조할 수 있는 것과 접합공정을 부가적으로 이용하여 제조 할 수 있는 제

품으로 구분할 수 있다 또한 분말야금법을 적용 될 수 있는 단순한 형태의 부품이.

라도 소형이면서 충격 및 높은 엔진회전수에서 나타나는 소음 문제 등의 아주 정밀

성을 요하는 이륜차 엔진 부품을 분말야금법을 이용하여 제조에 있어서 높은 신뢰

성을 확보하기 위한 제조공정 최적화가 가장 우선적으로 이루어져야 한다 분말야.

금 공정은 제품을 대량생산에 적합한 제조공정이지만 기계가공공정과 달리 초기 재

료선정과 성형기술 및 소결기술 등의 다양한 제조공정 기술이 요하는 제조법이다.

따라서 최적의 기계적 특성 및 정밀도를 가지고 제품을 제조 생산하기 위해 제조공

정 문제점 도출과 현재 조업되고 있는 공정간 문제점 및 미비점을 보완 검토하여

최적의 제품을 생산 할 수 있도록 제조공정 최적화를 목표로 하는 본 과제의 세부

적인 사항은 아래에 나타내었다.

소결부품 제조를 위한 공정설계 기법 확립▪

최적 기계적 특성을 만족할 수 있는 합금 성분 확보- (Fe base)

소결품 제조를 위한 다양한 공정간 설계기술 확립-

복합소결공법을 응용하기 위한 금형설계-

- 8 -

소결 접합 및 접합공정 설계 및 특성평가▪

저온 및 고온 접합에서 나타날 수 있는 미세조직 관리-

접합체의 기계적특성 및 특성평가 데이터 확보-

기술지원 목표▪

소결품의 치수 정밀도 급 상당- : JIS 4

소결 밀고- : 7.1-7.3g/㎤

고온접합기술 안정화-

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제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용제 절 기술지원 내용3333

가격경쟁력을 갖춘 고품질의 이륜자동차 엔진부품을 제조공정을 변화시켜 생산하고

있는 업체에서 공정변화에 따른 제조 공정상의 문제점을 요약하면 아래와 같다.

분말야금법을 응용한 최적 제조공정기술 미확보▪

고기능성 분말 소결체를 얻기 위한 원료분말 설계기술과 금형 설계기술 부족▪

분말 소결체의 접합기술 등을 응용한 복합 소결공법에 대한 이해 부족▪

분말제품에 대한 제품의 신뢰성 평가 방법 및 능력 부족▪

이러한 많은 문제점을 갖고 이륜자동차 부품을 제조하는 지원대상 기업의 제조 공,

정의 개선하고 우수한 부품을 제조하기 위한 최적의 제조공정을 설정하기 위해 기

술지원을 하였으나 그 내용은 다음과 같다.

이륜차 엔진 부품 제조를 위한 최적 공정설계 기술▪

기존 제품의 물성 및 기계적 특성을 평가하여 개발 제품의 합금조성을 확정- ,

제조공정을 결정하고 각 공정에 적합한 금형설계의 기본 방안 설정- ,

시제품 제작을 통한 특성평가▪

각 제조공정별 기계적 특성 평가 및 미세조직 관찰을 통해 최적 공정 도출-

시제품의 특성평가를 통해 제품의 신뢰성 확립-

구축 및 기타 엔진 부품의 제조기술 적용성 검토DB▪

제조 공정별 평가자료 화- DB

공정관리자 및 현장 작업자의 교육자료로 활용-

- 10 -

제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론제 장 본 론2222

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과1111

부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명부품의 상세한 설명1.1.1.1.

본 기술지원사업에 적용된 이륜차 엔진의 단면과 부품의 사진 및 상세도를 그림 1

과 에 나타내었다 일차구동기어 는 원웨이 방식의2 . (primary drive gear) (one-way)

기어와 클러치가 내장된 부품으로 피스톤에서 발생되는 동력을 변속(transmission)

에 전달하는 역할을 하는 부품이다 이 일차구동기어는 내부에 원웨이 방식의 부품.

을 내장하고 있어 크랭크축의 회전 방향을 일정하게 하고 또한 클러치 역할도 겸하

게 되어 있다 그리고 이부품은 크랭크축으로부터 전해지는 높은 회전속도와 충격.

하중 등의 악조건에서 작동되는 것으로 충격 및 진동에 의한 소음을 최소화하도록

아주 정밀하게 제작되어 있다.

이러한 이륜자동차 엔진 부품은 최근까지 전면 기계가공에 의해 제작되고 있었지만

지원대상 업체인 에서 기존의 제조방식에서 탈피하여 대량생산에 적합SINTERNET

한 분말야금법과 접합법을 응용한 신공법으로 제조하고 있다 이 신제조공정은 그.

림 의 상세도에 나타난 것처럼 소결기어와 단조소제를 접합하여 제조하는 것이며3 ,

기존의 제조공정과 비교하면 표 에 나타낸 것과 같이 기계가공이 대폭 절감되어1

제품의 단가를 낮출 수 있는 제조방법이다.

아래 공정비교 표 에 보인 것처럼 일차구동기어의 부품은 단조에서부터 기어가공1

까지 전 공정이 기계가공에 의해 생산되는데 비해 소결 및 접합 공법을 응용하면

기계가공 공정의 감소 능률의 증가 소결 접합제조 기술력 축적 제품의 가격절감, , , ,

등의 다양한 효과를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다 따라서 제품의 생산에 기술적.

가격적인 면에서 높은 시장경쟁력을 확보할 수 있는 제조공정이라 하겠다.

- 11 -

신 제조공정으로 제조되고 있는 일차구동기어의 제조 공정을 간략하게 설명하면,

표 에 설명된 것처럼 을 열간 및 냉간 성형으로 가공하고 기어는 금속1 main shaft ,

분말을 일정한 금형에서 성형한 후 소결과정을 거친다 소결된 후 용침 과정을 통.

해 기어의 치밀화와 밀도를 높인다 용침된 소결기어와 의 결합은. main shaft

을 실시한다brazing ,

하지만 이러한 신제조공은 다양한 공정의 혼합되어 있어 많은 문제점이 노출되어

있다 이를 나열하면 다음과 같다. .

충격하중 및 소음 절감을 위한 정밀 기어제작을 위한 기어 성형금형의 설계기술①

및 합금설계기술

접합부의 비틀림 응력을 높이기 위해 소결체를 효과적으로 을 하기 위한brazing②

기술brazing

그리고 최적의 기계적 특성을 갖추기 위한 함침된 소결체의 침탄 열처리 기술③

등이 해결하기 어려운 문제점으로 나타나 있었다.

따라서 이러한 문제점을 극복할 수 있도록 기술지원을 함으로서 신제조공정의 안정

화로 부품의 가격 및 기술 경쟁력을 확보하여 세계적인 이륜차 엔진부품 전문기업

으로 거듭날 수 있을 것으로 생각된다.

- 12 -

그림 이륜자동차 엔진의 단면 과 일차구동기어 부품 사진1. (a) (b)

그림 일차구동기어의 부품과 원웨이 클러치 형상 및 조립도2. (one-way) .

일차구동기어 원웨이(a) (b) (oneway)

- 13 -

그림 일차 구동기어의 제작 개략도3.

표 기존 기계가공 제품과 신제조공정의 공정비교1.

- 14 -

기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도기술지원의 달성정도2.2.2.2.

본 기술지원과제에서 제조공정의 문제점을 보완 및 제품의 균일성 그리고 신제조공

정의 안정성 확보 등이며 이의 목적에 따라 진행된 기술지원내용의 달성도를 아래,

의 표 에 나타내었다2 .

표 기술지원의 세부내용 및 달성도2.

세 부 기 술 지 원 내 용달성도

%

충격하중 및

소음 절감을

위한 정밀

기어

제조기술

분말야금 및 금형재료의 자료제공▪

최적 기계적 특성을 만족할 수 있는 원료분말의 합금설계▪

용침을 포함한 정밀 소결기어를 확보하기 위한 금형설계▪

용침을 포함한 정밀 소결기어를 확보하기 위한 금형 설계▪

진동 및 고속회전에서 소음 최소화를 위한 기어제조 지원▪

제조 공정별 평가자료 화DB▪

100

Brazing

조건 최적화

소결체 및 가공품의 집합 공정 문제점 확인▪

최적 접합공정을 위한 공정변수 확보▪

소결 기어의 전처리 조건 변화에 따른 접합력 시험▪

소결체의 접합조업 최적화 지원▪

100

소결체의

침탄 열처리

기술

최적의 기계적 특성을 갖추기 위한 함침된 소결체의 최적 침▪

탄열처리 조업기술 지원

침탄열처리에 의한 변형 및 열처리 불량원인분석 워▪

100

각종 시험법

및 분석

방법 지원

소결 밀도 접합강도 및 기어파단강도 시험기술 지원,▪

각종 시험설비 및 이론적 접근방법 지원▪100

- 15 -

기술지원의 내용기술지원의 내용기술지원의 내용기술지원의 내용3.3.3.3.

가 충격 및 소음절감을 위한 정밀 기어제조기술.

원료분말 선정 및 금형설계1)

기어의 초기 설계단계에서는 거의 모든 설계인자들을 설계자가 결정해야만 한다.

이러한 기어 기본 규격은 주로 감속비나 강도와 관련되어 결정되어지며 만일 소음, ,

진동이 중요시되는 기계라면 기어의 규격 변화가 소음 진동 변화에 유리하도록 설,

계되어야 한다 본 기술지원과제의 대상부품인 일차구동기어는 상대편 클러치의 기.

어와 맞물려 작동하는 것으로서 고속의 회전 에서는 높은 소음과(rpm5,000~8,000)

진동에 의한 영향을 고려하여 설계하여야 한다 따라서 성형 및 소결에 의해 제작.

된 기어는 원료분말 및 금형의 설계가 무엇보다 중요하다.

기계가공에 의해 제작되는 기어와 달리 소결 기어는 성형 및 소결 과정에서 치수의

변형이 따른다 즉 가압 성형체가 소력 과정에서 수축 또는 팽창이 일어나면서 치.

밀화가 일어난다 즉 사용하는 원료분말의 종류에 따라 소결과정에서 치수의 변화.

가 심하게 나타나는 것과 그렇지 않는 것이 있다 본 과제에서는 기어의 치수 안정.

성 내충격성 기계적 특성 및 접합 특성을 고려하여 원료분말을 성정하였다 철계, , .

구조용 합금분말로 많이 사용되고 있는 것 중에 대표적인 것을 아래의 표 에 나타3

내었다 아래 표 에 제시된 것은 늘 계와 계로서 자동차엔진용 기어. 3 5030 SMF9060

부품 등에 많이 이용하고 있는 원료분말이다 이러한 원료분말은 합금원소의 첨가.

량에 따라 그 규격은 아주 다양하게 변화된다.

본 기술지원 사업의 대상 기어부품에 사용되는 원료분말은 내충격성을 위해 의Ni

량이 풍부하고 기계적특성 및 치수의 안정성을 위해 및 의 량이 적절한C Cu

계열의 분말을 사용하였다 계열은 단조용 기어소재로 많이 이용SMF9060 . SMF9060

되고 있는 강재에 대응하는 원료분말로서 강재와 분말소SCM415 SCM415 SMF9060

재의 인장특성을 비교하여 표 에 나타내었으며 표 에 나타난 것처럼 분말 소결체4 , 4

의 기계적 특성이 소결과 침탄 열처리 된 경우 거의 유사한 특성을 나타내고 있다.

- 16 -

그리고 또한 소결 후 접합과정에서 재소결이 일어나는 경우 소결기어의 수축율과

용침재인 의 첨가로 인한 팽창률을 감안하여 선정한 것이다 그림 와 에 원료Cu . 4 5

분말의 전자현미경 조직사진과 입자 분포에 대한 자료를 나타내었다.

금형의 설계는 상기의 분말을 사용하여 성형 및 소결과정에서의 치수변화와 용침

및 열처리과정에서 나타나는 치수변화 등을 고려하여 제작하였다 그 상세한 사항.

은 기업의 기밀사항에 해당되므로 여기서는 제시하지 않았다.

표 철계구조용 합금분말의 화학조성 및 열처리 후 치수변화3. (QT)

표 강재와 분말 소재의 화학조성 및 인장특성4. SCR415 SMF9060

- 17 -

그림 분말의 전자현미경 사진4. SMF9060

그림 분말의 입도분포5. SMF9060

- 18 -

소결조건 변화에 따른 경도변화2)

분말야금의 제조공정은 성형과 소결 그리고 후처리로 크게 구분 할 수 있다 특히.

소결과정은 치수변화가 많이 나타나며 제품의 특성을 결정하는데 아주 주요한 역,

할을 한다 이러한 소결공정의 최적화는 무엇보다 중요하다고 하겠다 따라서 최적. .

소결공정 조건을 확보하고 소결에 대한 기초 자료를 얻기 위해 의, 1050 ~1150℃ ℃

온도 구역에서 소결을 실시하였다 표 에 소결 온도 변화에 따른 밀도 및 경도값. 5

변화를 나타내었다 소결체의 밀도 및 경도시험에서 에서는 밀도와 경도값이. 1050℃

낮게 나타났으며 의 온도에서는 높은 소결 밀도와 경도값을 얻을 수 있었, 1150℃

다 그리고 의 소결체에서는 보다는 낮은 밀도와 경도값을 얻었지만. 1100 1150℃ ℃

작업용 로의 조업조건과 요구되는 기계적 특성을 만족할 수 있는 값을 얻을 수 있

었기 때문에 에서 소결하는 것으로 하여 소결을 실시하였다 또한 이 분말은1100 .℃

높은 탄소함량을 갖고 있으므로 소결 중 탈탄의 위험성을 방지하기 위해 분위기,

가스중의 탄소동도를 적절하게 조절하여 소결온도에서 탈탄이 일어나지 않도록 조

절하였다.

표 소결 온도변호에 따른 밀도 및 경도 변화5

- 19 -

나 접합 조건의 최적화.

소결기어의 접합공정1)

일차구동기어를 접합하는 공정은 앞선 그림 에서 나타낸 것처럼 소결기어와 열간3

단조 후 가공된 를 침탄 열처리 온도보다 높은 온도 구간에서 접합하고 이를shaft ,

원하는 형상 및 치수를 만족하도록 다시 기계가공을 실시한다 기계가공이 완료된.

부품은 다음 공정인 침탄열처리를 실시한다 따라서 저합공정은 후 공정인 침탄 열.

처리온도 보다 높은 온도에서 실시하여야 한다 그림 에 접합하기 전 가공된. 6

와 소결기어의 형상을 나타내었으며 그림 은 접합만 완료한 부품과 접합 후shaft , 7

열처리와 가공을 완료한 부품을 나타낸 것이다.

일차구동기어의 접합 공정에는 법을 이용하고 있다 은 열과 용융삽brazing . Brazing

입재 이하 용가재 를 사용하여 모재를 접합하는 용접 방법중의 하나이며( “ ”) , 450℃

를 기준으로 과 구분된다 즉 이상의 녹는점 온도를 가진 용가재를soldering . 450℃

사용하여 모재의 녹는점 이하의 열을 가하여 모재를 접합하는 것을 이라 통brazing

칭하고 있는 것이다.

의 접합원리는 일반적인 용접과는 크게 다르다 온도는 일반적으로Brazing . Brazing

용가재의 녹는점과 모재의 녹는점 사이에서 설정되기 때문에 이 시작되면brazing

모재는 녹지 않는 반면 용가재는 녹아 모세관 현상에 의해 모재 사이를 채우게 된

다 이때 액상의 용가재는 모재 접합면사이에서 모종의 금속학적 결합을 일으키는.

데 이것이 접합이 되는 원리이다 용가재는 이런 금속학적 접합이 잘 일어날 수 있.

으며 넓은 면에 걸쳐 잘 퍼질 수 있도록 흐름성이 좋은 재료를 사용해야 한다, .

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따라서 본 과제의 일차구동기어의 접합에는 모재와 접합성 및 흐름성이 좋고 고온,

의 침탄 열처리 공정을 감안하여 고온 용가재인 를 사용하여 고온 을 실Cu brazing

시하였다 의 경우 녹는점이 로 비교적 높고 와 젖음성 이 좋. Cu 1083 Fe (wetability)℃

아 많이 이용하는 재료이다 그러나 일반 강재의 접합과는 달리 소결체의 경우 미.

세한 기공이 다량 약 존재하므로 접합재로 사용된 가 접합면에서 접합( 10vol%) Cu

재로의 역할보다 미세한 기공으로 모세관력에 의해 침투해 들어가 접합부엔 의Cu

부족으로 인한 불량의 확룰이 상당하다.

그림 에 접합면에 접합재인 가 존재하지 않아 접합이 되지 않은 경우와 접합부8 Cu

가 양호한 상태를 비교하여 나타내었다 따라서 이러한 불량률을 낮추고 또한 양호.

한 접합면을 얻기 위해 소결 과정에 을 이용하여 개기공을 채우는 용침 공정 및Cu

수증기처리 공정을 추가할 필요가 있다 이러한 공정의 상세한 설명은 다음에 설명.

하였다.

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그림 일차구동기어의 접합전 소결 기어와 기계가공6 shaft

가공부 및 소결기어 접합 후 단면(a) shaft (b)

그림 일차구동기어 접합공정에 의한 완성품 시작품7 ( )

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그림 일차구동기어 접합면의 조직관찰8

접합면 불량 양호한 접합면(a) (b)

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용침2) (infilteation)

소결 금속의 다공성 구조는 완전한 불투과성 밀폐성 이 요구되는 부품에 있어서는( )

문제가 된다 따라서 이러한 경우 골격금속보다 저융점의 금속을 용침 시킴으로서.

상호 연결된 기공들이 이들 금속으로 채워지도록함으로써 완전 조밀한 부품으로 얻

을 수 있다 액체 금속은 모세관 현상에 의해서 기공이 채워지게 되는데 철계에선.

가 주로 사용된다 용침이 되면 다소간의 치수변화가 생기며 밀도는 크게 증가되Cu .

며 소결부품의 강도가 크게 향상된다 이와 같이 소결체는 높은 소결밀도를 얻을.

수 있다 따라서 소결체의 기계적 특성은 상당히 개선된다. .

용침 공정은 융점이 낮은 재료를 이용하여 소결제내에 존재하는 기공을 거하여w[

거의 진밀도 이론밀도 에 가깝게 제작하는 방법으로서 용침 후 소결체는 기계적 특( ) ,

성이 개선되고 접합공정에서 발생될 수 있는 용가재 부족현상을 미리 억제하는 효

과도 있다.

그림 는 용침 전후의 단면 조직사진 나타낸 것이다 사진 에 나타난것처럼 용침9 . 9

한 시료의 경우가 용침을 하지 않은 시료보다 기공 검은 점 의 숫자가 아주 적게( )

나타났다 소결 후 밀도를 측정한 결과 약 사이의 값을 나타내었고. 639~7.1g/ ,㎤

소결 후 용침한 재료의 밀도는 약 정도의 값을 나타내었다 또한 이7.2~7.9g/ .㎤

그림에서 부식 전 저배율의 조직에서 용침한 시료의 경우 밝게 보이는 것이 용침재

인 액상이 분말의 소결체의 빈 공간을 체우고 있기 때문이다Cu .

용침에 따른 기계적 특성을 관찰하기 위해 이 두 시료의 경도값을 비교해 보았다.

소결 후 용침하지 않은 시료는 약 정도 이었으나 용침 후의 경도값은 약Hv=370 ,

정도의 높은 값을 나타내었다 이 경도값은 현재 사용되고 있는 단조소재Hv=455 .

의 열처리 후 경도값인 정도보다 높은 값을 나타내고 있다Hv=350 .

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그림 분말 소결시료 및 소결 후 용침한 시료의 부식 전 조직 사진9 SMF9060

수증기처리3) (steam treatment)

수증기처리는 철계 소결재료의 내식 내마모성을 향상시키기 위해 수증기중에서,

의 온도범위에서 처리하는 것으로 제품의 표면에 산화철 피막을 형성450 ~500℃ ℃

시키는 처리법이다.

피막의 두께는 약 정도이고 기공을 통해 제품의 내부에서 피막이 형성시켜 기공5 ,㎛

을 제거하는 효과가 있다 산화피막의 형성과정을 그림 에 나타낸 것처럼 표면. 11

및 개기공을 통해 유입된 산화물 층으로 인해 기공이 막히는 효과를 볼 수 있다.

이러한 산화물층이 형성되는 과정은 다음의 반응에 의해 나타나며 온도에 의해 형,

성되는 기구는 조금씩 차이가 난다.

이상570℃

이하570℃

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접합공정에서 앞의 그림 에 나타난 것처럼 용가재가 소결체 표면부의 개기공을 따8

라 소결체 내부로 침투하여 접합면에 용가재가 거의 남아 있지 않는다 따라서 이.

러한 불량률을 낮추고 접합을 원활하게 하기 위해 소결체의 표면 개기공을 폐기공

으로 만드는 방법으로 수증기 처리를 하였다 그림 에서 보인 것처럼 수증기 처. 11

리로 소결체 표면층의 기공을 산화물로 막을 수 있다.

따라서 본 사업에서 접합을 원활하게 하기 위해 용침과 수증기 처리를 동시해 하는

방법을 택하였다 그림 는 수증기 처리하여 접합한 일차구동기어의 단면과 소결. 12

기어의 단면을 나타낸 것이다 그림 에 보인 것처럼 양호한 접합면을 얻을 수 있. 12

었다.

그림 수증기처리 전 후의 소결체 표면의 기공의 변화11.

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그림 수증기 처리한 소결체 기어를 이용한 일차구동기어 접합면12.

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다 소결체의 침탄 열처리 기술.

기어들의 내마모성을 개선하기 위해 사용되고 있는 열처리 법으로는 일반적으로 침

탄 열처리가 많이 적용되고 있다 본 과제에서도 이와 같은 침탄 열처리를 실시하.

였으며 침탄 열처리는 동안 침탄 후 급랭하여 에서 템, 850 -2hr 180 1hr30min℃ ℃

퍼링 하였다 이때 로내 분위기중의 탄소농도는 의 농도가 되도록 변성가스. 0.9%℃

를 이용하여 침탄 열처리를 실시하였다.

그림 에 열처리 전후의 분말 소결체의 조직 사진을 나타내었다 그림 의 소13 . 13(a)

결만 한 시료와 의 소결과 용침을 동시에 한 시료를 비교하여 보면 앞의 그림(c) 9

에 보인 것처럼 용침제인 가 입자사이의 공간 자리하고 있는 것이 뚜렷하게Cu (void)

관찰되고 있으며 용침된 조직 사진이 좀 붉게 보이는 것은 에 의한 것이라 생각, Cu

된다 또한 조직사진에서 보면 펄라이트라고 생각되어지는 검은 영역이 뚜렷하게.

나타나는데 이는 본 과제에서 사용된 늘 분말은 탄소가 함유되지 않은 합금분, 9060

말 에 약 의 탄소를 혼합하여 사용한 것으로서 소결과(prealloyed powder) 0.5%wt

정에 탄소의 확산이 완전하게 일어나지 못해 탄소 분말이 있었던 영역의 조직이 좀

더 검게 나타나고 있는 것이라 생각되어진다.

소결체 그림 의 침탄 조직은 표면에 탄화물형상의 입자가 나타나고 표면층이( 13(b))

내부보다 좀더 치밀화 되어 있는 것 같다 용침 후 침탄한 시료 그림 의 경우. ( 13(b))

또한 침탄 효과로 표면층과 심부 조직에 뚜렷한 차이가 보이고 있다 특히 소결체.

의 경우 소결 후의 조직과 달리 조직이 초기 입자크기보다tempered martensite

더 크게 나타나는 것으로 보아 침탄 열처리 과정에서 입자의 성장이 일어난 것을

볼 수 있다 그러나 용침한 시료의 경우 계면에 위치한 입자의 역할로 소결체보. Cu

다 입자성장이 억제되어 열처리 전후의 입자들의 크기가 유사하게 보인다.

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소결체 표면층의 치밀화가 일어나는 현상을 좀더 명확하게 관찰하기 위해 표면부를

부식하지 않고 광학현미경과 전자 현미경으로 관찰하여 보았으며 이를 그림 에, 14

보였다 그림 의 저 배율사진에서 표면층이 내부보다 치밀화가 많이 일어나. 14(a)

있는 것을 볼 수 있다 이러한 치밀화가 일어나는 것은 일반적인 침탄 열처리 과정. ,

에서 침입형 탄소원자의 과포로 인한 기지의 부피 팽창이 일어나는데 소결체의 경

우에도 표면층의 높은 탄소 함량 에 따른 부피 팽창이 표면층을 치밀화 시켰다고

생각되어진다.

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그림 침탄열처리한 소결체기어의 광학현미경 조직사진13

소결 소결 침탄 소결 용침 소결 용침 침탄(a) (b) + (c) + (d) + +

그림 소결체의 침탄부 광학 및 전자현미경 조직관찰14

표면부 광학현미경 조직 침탄부 전자현미경 조직(a) (b)

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라 소결체의 기계적 특성 평가.

제조공정별 소결 기어의 기계적 특성을 얻을 수 있는 자료를 수집하기 위해 제조방

법을 다양하게 하여 인장시험을 실시하였다 소결처리만한 시료 및 소결 후 용침재.

그리고 침탄 열처리한 시료의 인장시험 결과를 표 에 보였다 표 에 보인 것처럼6 . 6

접합공정과 관련하여 용침한 시료가 강재보다 더 우수한 인장특성을 나타SCM415

내는 것으로 나타났다 즉 일차구동기어에 철계 소결함금을 이용하였을 때 용침공.

정의 추가가 기어의 강도측면에서도 아주 적절한 재료선정과 공정선택이라 하겠다.

그림 는 기존의 제조법으로 제작된 기어와 분말야금 공정으로 제작된 시료의 경15

도변화를 나타내었다 그림 에 보인 것과 같이 분말야금법으로 제조된 시료의 경. 15

우는 전체적으로 기공이 많은 소결체와 용침에 의해 기공이 적은 소결체의 경우 침

탄 열처리 효과가 다르게 나타날 것으로 생각되어 각각의 시료에 대해 침탄 후 경

도값를 비교하여 나타낸 것이다 소결한 시료가 기지의 높은 탄소 함량으로 인해.

단조 소재보다 전제적으로 높은 경도갑을 유지하고 있다 특히 소결만 단독으로 처.

리한 시료의 경우가 소결과 용침을 한 시료에 비해 더 높은 경도값을 보이고 있는

것은 그림 에 보인 것처럼 전체적으로 기공이 많이 존재하기 때문에 침탄 분, 13(a)

위기에서 분위가스 중에 탄소의 확산이 용이하기 때문에 나타나는 현상이라 생각된

다 즉 단조소재의 경우 탄소의 확산에 의해 침탄이 일어나지만 소결체의 경우 탄.

소의 확산이 자유표면을 따라 일어나기 때문에 확산의 유속은 일반적인 단조소재의

유속보다 빠를 것이다 그러므로 전체적인 경화층 및 확산층이 일반 단조소재보다.

깊고 경도값도 높게 나타난 것이라 생각된다.

분말야금 부품의 경도값비교와 더불어 소결체의 접합력과 소결기어의 치강도 또한

이 부품이 갖는 신뢰성을 확보하기 위해 필요하다 따라서 이러한 접합력과 강도를.

측정하기 위해 를 이용하여 강도 및 접합력을 얻었으며 그 결과를 표 에 나타JIG 7

내었다.

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표 강재와 소결체의 인장특성6 SCM415

구분 항복강도, MPa 인장강도, MPa

SCM415 QT 434 827

SMF9060

소결 378 591

소결 용침+ 571 641

소결 침탄+ 465 704

소결 용침 침탄+ + 689 840

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그림 침탄처리된 강재 및 소결체의 경도값 변화15 SCM415

표 의 접합력 및 치강도 시험 결과7. Primary drive gear

구 분 접합력, kg/㎟ 치강도, kg/㎟

침탄전 15.19 13.00

침탄후 17.64 38.40

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지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도지원 내용의 기업 전략에의 기여도4.4.4.4.

본 기술지원 사업은 현재 이륜자동차 부품을 신제조공정인 분말야금법을 응용하는

제조하는 전문 부품제조 업체이다 그러나 제조공정의 안정화가 부족하여 아직 고.

부가 제품을 생산하는 량은 적으며 제품의 신뢰성이 확보되지 않은 관계로 시장,

점유율은 미비한 실정이다.

세계적으로 만대 년 이상으로 생산되는 거대한 이륜자동차 자동차 부품 시장2,000 /

에서 저가의 중국산과 고가의 일본산 사이에서 그 시장을 자꾸만 일어가는 현실을

탈피할 수 있는 방법은 고기능 저단가의 부품을 제조하는 길 밖에는 없으며 분말,ㆍ

야금법을 이용한 부품의 생산은 획기적이라 하겠다 따라서 이륜차 부품을 생산하.

는 이 가진 공정간의 문제점을 기술지원으로 해결하고 계속적인 기술SINTERNET ,

지도를 통해 신공정이 확립되면 기타의 고부가 엔진 부품의 제조에도 크나큰 도움

이 될 것이다.

현재 의 제조공정상 문제점으로 대두되고 있는 소결체의 접합기술에 대SINTERNET

한 기본적인 이론교육과 다양한 접합 전처공정에서 나타날 수 있는 문제점에 대한

교육을 통해 다른 부품의 접합공정에도 적용할 수 있도록 했다 따라서 이러한 공.

정을 타 부품에 적용할 경우 약 이상의 절약 효과가 있을 것으로 생각되며 시50% ,

장경쟁력의 확보에 매우 유리한 위치를 선점한다고 생각된다.

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제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행2222

본 기술지원사업에서 제조공정의 문제점을 보완 및 제품의 균일성 그리고 신제조공

정의 안정성 확보 등의 기술지원 목표를 달성하기 위하여 본 연구원과 지원대상 기

업인 의 적극적인 협조로 많은 성과를 얻을 수 있었으며 진행된 기술SINTERNET ,

지원 수행과정에 대한 간략한 내용은 다음과 같다.

세부기술 구 분 세부업무담당 주요장비

충격하중 및

소음 절감을

위한 정밀

기어제조기술

KIMM

원료분말의 분석-

금형 및 침탄 열처리에 관한 자료제공-

소결체 밀도 및 물성측정-

전자현미경

광학현미경

정밀저울

SINTERNET

원료분말의 혼합 성형 소결 기초자료 준비- , , :

용 시험편 제작

금형제작-

믹서

성형프레스

소결로

조건Brazing

최적화

KIMM접합면 분석-

접합강도 및 접합공정 적절성 결정-

전자현미경

광학현미경

SINTERNET고온 시료 및 시작품 제작- brazing

다양한 접합 방법에 따른 시험편 제작-

Brazing

기계가공

소결체의 침탄

열처리 기술

KIMM

소결합금의 침탄 열처리 조건 설정-

침탄 열처리 특성 파악-

소결체 및 단조가공제와의 비교 분석-

전자현미경

광학현미경

SINTERNET 소결체 및 접합체의 침탄 열처리-침탄

열처리

각종 시험법 및

분석방법 지원

KIMM인장 및 접합력 시험-

치강도 시험 등의 기처자료 화- DB

만능재료시

험기

광학현미경

SINTERNET인장시험 용 시험편제작 소결시험편- :

각종 제작- JIG

성형기

소결로

기계가공

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

신제조공정에 의해 제조되고 있는 이륜차 엔진부품의 제조공정 최적화를 위해

과 협조하에 다양한 시험 및 시작품 제작을 통해 얻은 결과는 다음과SINTERNET

같다.

이륜차 엔진용 정밀 기어제작에 필요한 기초자료를 화하고 이를 바탕으로 최1. DB ,

적의 최적의 금형설계기술과 원료분말을 선정할 수 있었으며 원료분말을 이용하여,

소결 및 용침 등을 통해 밀도 이상의 소결밀도를 갖고 급상당의 기어를7.2g/ 4㎤

제조할 수 있었다.

이륜차 엔진부품인 일차구동기어를 제조하기 위한 접합공정인 법을 이용2. brazing

하기 위한 전처리 공정으로 용침과 수증기 처리한 소결체에서 가장 우수한 접합면

을 얻을 수 있었다 또한 접합의 불량률을 크게 줄일 수 있는 공정의 개선을 가져.

왔다.

소결 기어와 단조 후 가공된 의 접합체을 침탄 열처리한 결과 소결기어의3. shaft

경도특성이 단조소재보다 우수하게 나타났다.

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