무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화 · 2011. 12....

무중자 금형주조에 의한 동 및무중자 금형주조에 의한 동 및무중자 금형주조에 의한 동 및무중자 금형주조에 의한 동 및

동합금 파이프 제조 기술 상용화동합금 파이프 제조 기술 상용화동합금 파이프 제조 기술 상용화동합금 파이프 제조 기술 상용화

2006.7.312006.7.312006.7.312006.7.31

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주: ( ): ( ): ( ): ( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

관리번호:

종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화

지원책임자소속 한국생산기술연구원:

성명 이 진규:지원기간

부터2004. 12. 1.

까지2006. 5. 31.

사업비 규모

총 백만원350,000

지원기관의

참여연구원

배정찬

김휘준

류재영

정 부 출 연 금 백만원:175,000

기업부담금현금 백만원:105,000

현물 백만원: 70,000

부품 소재종합기술지원사업운영요령 제 조의 규정에 의해 종합기술지원사업 수행에18ㆍ

대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 기술지원성과보고서 부: 5

년 월 일2006 7 31

작성자 지 원 책 임 자 이 진규 인( ) : ( )

지원기관장 한국생산기술연구원장 김 기협 직인( ) : ( )

확인자 큐플러스 주 대표 최 상민 인( ) ( ) : ( )

부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하부품 소재통합연구단장 귀하ㆍㆍㆍㆍ

- 1 -

편집순서 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 무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화에 관본 보고서를 무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화에 관본 보고서를 무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화에 관본 보고서를 무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화에 관““““

한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로”( : 2004. 12. 1~2006. 5. 31)”( : 2004. 12. 1~2006. 5. 31)”( : 2004. 12. 1~2006. 5. 31)”( : 2004. 12. 1~2006. 5. 31)

제출합니다제출합니다제출합니다제출합니다....

2006. 7. 31.2006. 7. 31.2006. 7. 31.2006. 7. 31.

지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원지원기관 한국생산기술연구원::::

대표자 김 기 협 인대표자 김 기 협 인대표자 김 기 협 인대표자 김 기 협 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주지원기업 큐플러스 주: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 최 상 민 인대표자 최 상 민 인대표자 최 상 민 인대표자 최 상 민 인( ) ( )( ) ( )( ) ( )( ) ( )

지원책임자 이 진 규지원책임자 이 진 규지원책임자 이 진 규지원책임자 이 진 규::::

참여연구원 배 정 찬참여연구원 배 정 찬참여연구원 배 정 찬참여연구원 배 정 찬::::

김 휘 준김 휘 준김 휘 준김 휘 준::::〃〃〃〃

류 재 영류 재 영류 재 영류 재 영::::〃〃〃〃

김 영 균김 영 균김 영 균김 영 균::::〃〃〃〃

최 상 민최 상 민최 상 민최 상 민::::〃〃〃〃

이 영 찬이 영 찬이 영 찬이 영 찬::::〃〃〃〃

- 2 -

편집순서 3

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

최적 냉각금형 설계 및 응고속도 정밀 제어를 통해 파이프를 연속적으로 제조할 수 있

는 공정기술에Freezing-up technology of continuous- iterative casting (FTCIC)『』

대한 원천기술을 도입하여 고력황동 파이프 제조에 활용함으로써 내마모성 고력황동 부

품을 개발하여 상용화하고자 한다.

기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위기술지원내용 및 범위2.2.2.2.

원천기술 검증원천기술 검증원천기술 검증원천기술 검증□□□□

금형설계 기술· freezing up casting

냉각시스템 설계 기술·

응고 파라미터 제어 기술·

파이프 두께편차 저감 기술·

상용화 기술상용화 기술상용화 기술상용화 기술□□□□

고력황동 및 백동의 액상특성 평가기술·

고력황동 및 백동의 응고속도 제어 기술·

파이프 차수편차 저감 기술·

파이프 특성평가 및·

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

두께편차 이하±10mm 4~5mm

인장강도 이상450MPa 451~492.5MPa

연신율 이상12% 25~33%

경도 이상140HB 140~143HB

주조수율 이상80% 98%

※ 지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별로 구분1. : 2

하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : 前後・

- 3 -

기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과기술지원 성과 및 효과4.4.4.4.

해당기술 적용계품해당기술 적용계품해당기술 적용계품해당기술 적용계품1)1)1)1)

적용제품명 고력황동 파이프 및 백동 파이프o :

모 델 명o : HBSC1, HBSC4

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술 적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질 HBSC1, HBSC4 90% 120% 품질경쟁력확보

경쟁제품 대비 가격 HBSC1, HBSC4 90% 80% 이상 경제적10%

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년300 / ( %)

인건비 절감 백만원 년20 / ( %)

계 백만원 년320 / ( %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과적용제품 시장전망 매출성과4) ( )4) ( )4) ( )4) ( )

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출전년대비

증가비율비고

내 수 백만원 년/ 백만원 년3,000 / %

수 출 천달러 년/ 천달러 년5,000 / %

계 백만원 년/ 백만원 년80,000 / %

참고) 적용제품 주요수출국1. :

작성당시 환율기준2. :

- 4 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

백동 파이프 천달러 년/ 천달러 년3,000 / 천달러 년3,000 /

천달러 년/ 천달러 년/ 천달러 년/

계 천달러 년/ 천달러 년3,000 / 천달러 년3,000 /

해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과해당기술의 기술력 향상 효과6)6)6)6)

무중자 방향성 주조법에 의한 동합금 중공빌렛의 제조에 관한 원천기술 확보-

공정개선 보다 높은 주조회수율의 적용- : freezing up casting

투께편차 이하 주조수율 이상: 5mm , : 98%・・

기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과기술적 파급효과7)7)7)7)

기대 효과기대 효과기대 효과기대 효과□□□□

의 우수한 주조수율의 동 및 동합금 파이프의 제조기술 확보98%○

국내 및 해외 시장 진출을 통해 조 천억원의 수출시장 진입1 6○

우수한 내마모 및 내식 특성의 경제적인 동 및 동합금 파이프의 공급을 통해 국내○

자동차 수송기계 조선 및 산업기계산업의 경쟁력 제고, ,

높은 주조수율의 제조기술을 활용하여 전세계 시장에서의 경쟁력 우위를 확보함으로○

써 관련 국내 산업규모 및 고용효과 증대

적용분야적용분야적용분야적용분야□□□□

자동차 및 소재용 고력 황동 파Synchronizer Ring, Bearing End Bearing Bushing○

이프에 적용

해수 및 선박용 백동 파이프에 확대적용○

적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부적용기술 인증 지적재산권 획득여부5. ,5. ,5. ,5. ,

규격 인증획득 해당사항 없음규격 인증획득 해당사항 없음규격 인증획득 해당사항 없음규격 인증획득 해당사항 없음1) , :1) , :1) , :1) , :

지적재산권 해당사항 없음지적재산권 해당사항 없음지적재산권 해당사항 없음지적재산권 해당사항 없음2) :2) :2) :2) :

- 5 -

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건10

시제품제작 건5

양산화개발 건

공정개선 건3

품질향상 건2

시험분석 건5

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 건30

기 타 건

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부※

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

공정의 원천기술의 검증 공정의 개량 및 특성평가를 고력황동 파Freezing-Up Casting ,

이프를 제조하는데 있어 공정은 현재 상용된 파이프 제조공정 중Freezing-Up Casting

에서 가장 생산속도가 빠른 연속주조공정에 비해 이상 우수한 생산속도를 확보할700%

수 있으며 길이방향으로의 두께편차도 이하로 제어할 수 있고 회수율도 이상, 6mm , 95%

유지할 수 있는 매우 경제적 공정임을 확인할 수 있었다.

향후 본 연구결과를 활용하여 주관기관 및 참여기업에서는 고력황동은 물론 백동 등의,

고부가 가치의 내마모성 내식 동합금 소재의 파이프 제조에 있어 국제경쟁력을 확보하,

여 상용화할 계획이다.

- 6 -

연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과연구과제 세부과제 성과( )( )( )( )□□□□

과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과과학기술 연구개발 성과1.1.1.1.

논문게재 성과 해당사항 없음:□

사업화 성과사업화 성과사업화 성과사업화 성과2.2.2.2.

특허 성과 해당사항 없음:□

사업화 현황□

주 사업화 업체 개요의 사업화 형태는 연구책임자 창업 기술이전에 의한 창11) 1. , 2.

업 창업지원 기존업체에서 상품화 중에서 선택하여 번호 기입, 3. , 4.

고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과고용창출 효과□□□□

주 창업의 경우는 사업화 성과 에서 사업화 현황의 종업원 수를 기입9) “2. ”

사업체 확장에 의한 고용창출은 국가연구개발사업을 통해서 기업체의 팀이나 부서10)

의 신규 생성 및 확대에 의한 것을 의미하며 확인된 강우만 기입

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세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용세부지원실적 증빙 내용□□□□

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건1. : 101. : 101. : 101. : 10

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2004. 12. 10 공정Freezing Up Casting 유

2 2005. 1. 14 고력황동 종의 제조가능 검토서1 유

3 2005. 2. 5 개략도면Freezing Up Casting 유

4 2005. 3. 18 고력황동관련 규격 유

5 2005. 3. 24 규격Synchronizer Ring 유

6 2005. 5. 20 과 응고조직 연관성mushy Zone 유

7 2005. 8. 9 백동 파이프의 규격 유

8 2005. 11. 11 시작품제작 방안 및 일정 유

9 2006. 1. 25 고력황동 종 파이프 시작품 특성1 유

10 2006. 5. 24 실험결과ITM 유

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건2. : 52. : 52. : 52. : 5


1 2006. 1. 5-13 고력황동 종 파이프1 유

2 2006. 2. 13-17 고력황동 종 파이프2 유

3 2006. 3. 6-10 고력황동 종 파이프3 유

4 2006. 3. 20-22 고력황동 종 파이프4 유

5 2006. 4. 10-13 백동 종 파이프1 유

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건3. : 53. : 53. : 53. : 5


1 2006. 1. 5-13 고력황동 종 파이프 미세구조1 유

2 2006. 2. 13-17 고력황동 종 파이프 미세구조2 유

3 2006. 3. 6-10 고력황동 종 파이프 미세구조3 유

4 2006. 3. 20-22 고력황동 종 파이프 미세구조4 유

5 2006. 4. 10-13 백동 종 파이프 미세구조 및 경도1 유

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편집순서 4

목 차목 차목 차목 차

제 장 서론제 장 서론제 장 서론제 장 서론1111

제 절 기술지원 필요제 절 기술지원 필요제 절 기술지원 필요제 절 기술지원 필요1111

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

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

동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정1.1.1.1.

원천기술의 검증원천기술의 검증원천기술의 검증원천기술의 검증2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting

공정에 의한 파이프의 치수편차 저감 기술공정에 의한 파이프의 치수편차 저감 기술공정에 의한 파이프의 치수편차 저감 기술공정에 의한 파이프의 치수편차 저감 기술3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting

동합금 파이프의 특성평가동합금 파이프의 특성평가동합금 파이프의 특성평가동합금 파이프의 특성평가4.4.4.4.

제 장 결론제 장 결론제 장 결론제 장 결론3333

제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과1111

제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항2222

제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과3333

부 록부 록부 록부 록

RESEARCH REPORTRESEARCH REPORTRESEARCH REPORTRESEARCH REPORT

ITM (INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF METALS,ITM (INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF METALS,ITM (INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF METALS,ITM (INSTITUTE OF TECHNOLOGY OF METALS,

National Academy of Sciences of Belarus, State Scientific Institution)National Academy of Sciences of Belarus, State Scientific Institution)National Academy of Sciences of Belarus, State Scientific Institution)National Academy of Sciences of Belarus, State Scientific Institution)

- 9 -

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

일반적으로 파이프 형태의 주물의 경우 중자 를 사용한 정적주조 또는 원심주(core)

조방법에 의해 제조되고 있으나 중자로부터의 오염 및 기포발생 생산저하 등의 문, ,

제점이 있다 이를 해결하기 위해 선진국에서는 연속주조 또는 빌렛주조 후 압출을.

통해 대량 생산하는 공정을 채택하고 있다.

그러나 연속주조 및 압출에 의한 파이프 제조는 시설투자비가 많이 들고 동일 크,

기의 파이프를 대량으로 생산하기 때문에 소량 다품종의 생산에는 적합하지 않는

단점이 있다 한편 중자를 사용하지 않고 응고속도의 제어만으로 파이프를 연속적. ,

으로 주조할 수 있는 Freezing-up technology of continuous-iterative casting『

공정 기술이 벨라루스 에서 개발(FTCIC) ITM(Institute of Technology of Metals)』

되어 현재 주철 및 청동 파이프 제조에 적용되고 있다.

본 연구에서는 이 분야에 오랫동안 연구를 집중해 온 벨라루스 과 무중자 방, ITM 『

향성 주조법에 의한 동합금 중형 빌렛의 제조 에 관한 원천 기술을 공동 연구하』

여 최적 냉각금형 설계 및 응고속도 정밀 제어기술을 개발하고 연속적인 고력황동,

파이프 제조에 활용함으로써 내마모성 고력황동 부품을 개발하여 상용화하고자 한

다.

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

최적 냉각금형 설계 및 응고속도 정밀 제어를 통해 파이프를 연속적으로 제조할 수

있는 공정 기freezing-up technology of continuous- iterative casting (FTCIC)』

술에 대한 원천기술을 도입하여 고력황동 파이프 제조에 활용함으로써 내마모성 고

력황동 부품을 개발하여 상용화하고자 한다.

- 10 -

두께편차 이하· : ±10mm

인장강도 이상· : 450MPa

연신율 이상· : 12%

경도 이상· : 140HB

주조수율 이상· : 95%

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

원천기술 검증원천기술 검증원천기술 검증원천기술 검증1.1.1.1.

의 관련 기술의 유용성 및 상용화 가능성 검증 요소기술 확보ITM ,

가 금형설계 기술. freezing up casting

나 냉각시스템 설계 기술.

다 응고 파라미터 제어 기술.

라 파이프 두께편차 저감 기술.

상용화 기술상용화 기술상용화 기술상용화 기술2.2.2.2.

가 고력황동 및 백동의 액상특성 평가기술 고력황동 및 백동의 액상에서의 온도. :

별 점성특성 및 응고속도에 대한 평가기술 확립

나 고력황동 및 백동의 응고속도 제어 기술 용 냉각시스템. : Freezing up casting

최적 설계 및 파라미터의 정밀 제어 기술 확립

다 파이프 치수편차 저감 기술 에 의해 제조된 파이프의 상. : Freezing up casting

부 및 하부의 두께편차를 최소화 할 수 있는 용탕의 온도 취출시간 용탕유동 등에, ,

대한 최적화 및 작업 표준화

라 파이프 특성평가 및 양산화 기술 고력황동 및 백동 파이프의 미세구조 기계. : ,

적 특성 및 마찰특성 등의 평가방안 및 기준의 확립

- 11 -

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

본 연구에서는 냉각금형 설계 및 응고속도 정밀 제어를 통해 파이프를 연속적으로

제조할 수 있는 Freezing-up technology of continuous- iterative casting『

공정기술에 대한 원천기술을 도입하여 고력황동 파이프 제조에 활용함으(FTCIC)』

로써 내마모성 고력황동 부품을 개발하여 상용화하기 위하여 의, Belarus

에서 보유하고 있는 원천기술의 유효성을ITM(Institute of Technology of Metals)

공동연구를 통해 검증하고 고력황동 및 백동 소재의 파이프 연속생산에 적합하도,

록 파이프 치수저감 기술 및 양산화 기술의 개선을 수행하여 다음과 같은 성과를

얻었다.

목표대비 개발성과목표대비 개발성과목표대비 개발성과목표대비 개발성과

항 목 계 획 실 적 달성도(%)

개발목표

최적 냉각금형 설계 및 응고속도 정

밀 제어를 통해 파이프를 연속적으

로 제조할 수 있는 Freezing-up

공정기술에 대한 원천기술을casting

도입하여 고력황동 파이프제조에 활

용함으로써 내마모성 고력황동 부품

을 개발하여 상용화

기존 고력황동 및 백동

소재의 파이프 제조 공

정에 비해 두께편차를,

이하로 유지하면±10mm

서 주조수율이, 119kg

용해시 용82%, 1000kg

해시 로 획기적으로98%

향상시킬 수 있는 제조

기술 확보

100

세부개발내

용 및

목표치

두께편차1. 이하±10mm 4~5mm 100

인장강도2. 450MPa 451~492.5MPa 100

연신율3. 이상12% 25~33% 100

경도4. 이상140HB 140~143HB 100

주조수율5. 이상95% 98% 100

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

동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정1.1.1.1.

고속전철 항공기 전철 자동차 정밀로봇 정밀공작기 등의 산업에서 사용되는 내, , , , ,

마모성 동합금 소재는 주로 그림 에서 보는 바와 같이 베어링 리테이너나 부싱류1

의 파이프 형태로 사용되는데 제품의 가공 정밀도는 물론 소재의 내마모성과 내소,

착성 및 정밀가공이나 구동시 내변형성을 동시에 요구하는 기능성 부품으로써 소재

특성이 부품의 기능을 이상 좌우하는 고난도의 동합금 소재 제조 기술를 요구70%

한다.

참여기업에서 수행하고 있는 기존의 동 및 동합금 파이프 제조방법으로는 그림 에2

서 보는 바와 같이 수평원심주조 또는 데빌주조에 의한 빌렛제조 후 열간압출에,

의한 방법 등이 있다 수평원심주조법의 경우 타기업에서는 제조되는 파이프의 길.

이가 에 불가하고 직경 이하에서 생산이 가능하나 참여기업에서는300mm 300mm ,Φ

지속적인 개발로 파이프의 길이는 일본경쟁사의 생산 가능 기장은1,350mm(

임 직경은 까지 제조하고 있다 한편 데빌주조 및 열간압출에800mm ), 1,000mm . ,Φ

의해서는 까지 동 및 동합금 파이프의 제조가 가능하다6000mm .

그러나 수평원심주조의 경우 외경 및 내경의 기계가공에 의한 주조수율이 정, 80%

도이고 생산속도가 느려 대량생산에는 한계가 있으며 데빌주조 및 연간압출 공정,

의 경우 복잡한 공정이외에도 데빌주조 빌렛의 상부 의 제거 열간압출 후hot top ,

디스카드에 의한 손실 등으로 주조수율이 에도 미치지 못하고 있는 실정이다70% .

이에 내마모성 동합금 소재 파이프재 시장의 국제 경쟁력 확보를 위해서는 주조수,

율이 높고 생산성이 우수한 동 및 동합금 파이프 제조의 획기적인 공정의 개발 및

양산화가 절실히 요구된다.

그림 수송기기 및 산업용 기계부품에 사용되는 내마모성 동합금 파이프의 형상그림 수송기기 및 산업용 기계부품에 사용되는 내마모성 동합금 파이프의 형상그림 수송기기 및 산업용 기계부품에 사용되는 내마모성 동합금 파이프의 형상그림 수송기기 및 산업용 기계부품에 사용되는 내마모성 동합금 파이프의 형상1111

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그림 동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정 설비 및 제품 형상그림 동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정 설비 및 제품 형상그림 동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정 설비 및 제품 형상그림 동 및 동합금 파이프의 기존 제조공정 설비 및 제품 형상2222

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원천기술의 검증원천기술의 검증원천기술의 검증원천기술의 검증2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting2. Freezing-up casting

본 연구에서는 벨라루스 연구소에서 보유하고 있는 공정ITM Freezing Up Casting

기술을 검증하기 위해 주관기관 및 참여기업연구원들이 을 방문하여 고력 황동ITM

종 소재에 대해 외경 두께 길이 의 파이프를 연1 (HBSC1) 230mm,. 30mm, 240mm

속적으로 제조하는 공정에 대한 연구를 수행했다.

파이프 제조를 위해 그림 에서 보는 바와 같이 에서 보유하고 있는HBSC1 3 ITM

설비를 사용하였는데 수냉 측면부 및 하단부로 구성Freezing Up Casting , Mold ( ),

취출장치 등으로 구성되어 있다 용탕온도 의 을 에 주Sprue, . 1100 HBSC1 Sprue℃

입하여 취출된 후까지의 온도변화를 측정하기 위해 그림 과 같이 개의 열전대가4 6

내 각 위치에 설치하였으며 취출된 파이프의 표면온도를 그림 처럼 시간별Sprue , 7

로 측정하여 총 개 부위의 온도변화를 그림 에 나타냈다7 5, 6, 7 .

용해로에서 였던 용탕이 에 주입된 후 실험이 완료되는 초동안1100 Sprue 500℃

이상 유지가 되었으며 입구와 입구에서의 온도차이는 최대 이900 , Sprue Mold 15℃ ℃

하였다 한편 취출된 파이프는 취출직후 에서 까지 약 분이상. , HBSC1 800 300 40℃ ℃

걸려 서서히 냉각됨으로써 주조응력발생을 최소화했다.

용탕을 에 주입을 시작하면서부터 외경 두께 길이HBSCR1 Sprue 230mm, 30mm,

의 첫 번째 파이프를 취출하는데 걸리는 시간은 초였으며 이후 초240mm 16 , 12~14

간격으로 이후의 파이프를 연속적으로 취출했다 이러한 의 취. 900~1200mm/min,

출속도는 일반적인 동 및 동합금 연속주조 속도인 에 비해120~150mm/min. 700%

이상 빠른 제조공정으로 획기적임을 확인할 수 있었다.

제조된 파이프의 내경 형상은 용탕의 온도 냉각속도 등에 따라 그림 에HBSC1 , 8

서 보는 바와 같이 내경이 삼각형에서 원형으로 변하였으며 길이방향으로의 두께,

편차도 주조조건에 따라 큰 편차를 나타내고 있다.

용탕의 온도변화 및 냉각속도가 준평형상태를 이룬 세 번째 취출 파이프부터는 그

림 에서 보는 바와 같이 내경이 매끄러운 원형이었으며 길이방향으로의 두께편차8 ,

도 최대 이하로 목표치를 달성하였으며 이상의 결과로부터6mm , Freezing Up

원천기술이 제조된 파이프의 특성 및 생산속도에 있어서 다른 경쟁 공정에Casting

비해 우수함을 확인할 수 있었다.

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그림 파이프의 제조를 통한 공정 검증시험그림 파이프의 제조를 통한 공정 검증시험그림 파이프의 제조를 통한 공정 검증시험그림 파이프의 제조를 통한 공정 검증시험3 HSBC1 Freezing-up Casting3 HSBC1 Freezing-up Casting3 HSBC1 Freezing-up Casting3 HSBC1 Freezing-up Casting

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그림 용탕온도 의 주입 후 에서 온도 측정 위치그림 용탕온도 의 주입 후 에서 온도 측정 위치그림 용탕온도 의 주입 후 에서 온도 측정 위치그림 용탕온도 의 주입 후 에서 온도 측정 위치4 1100 Sprue4 1100 Sprue4 1100 Sprue4 1100 Sprue℃℃℃℃

그림 의 입구 및 입구 에서의 온도변화그림 의 입구 및 입구 에서의 온도변화그림 의 입구 및 입구 에서의 온도변화그림 의 입구 및 입구 에서의 온도변화5 Freezing-up Casting Sprue (2) Mold (1)5 Freezing-up Casting Sprue (2) Mold (1)5 Freezing-up Casting Sprue (2) Mold (1)5 Freezing-up Casting Sprue (2) Mold (1)

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그림 공정 중 의 위치별 온도변화그림 공정 중 의 위치별 온도변화그림 공정 중 의 위치별 온도변화그림 공정 중 의 위치별 온도변화6 Freezing-Up Casting Gate6 Freezing-Up Casting Gate6 Freezing-Up Casting Gate6 Freezing-Up Casting Gate

그림 에 의해 제조된 파이프의 취출 후 온도변화그림 에 의해 제조된 파이프의 취출 후 온도변화그림 에 의해 제조된 파이프의 취출 후 온도변화그림 에 의해 제조된 파이프의 취출 후 온도변화7 Freezing-Up Casting HBSC17 Freezing-Up Casting HBSC17 Freezing-Up Casting HBSC17 Freezing-Up Casting HBSC1

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그림 에 의해 제조된 파이프의 형상 및 단면그림 에 의해 제조된 파이프의 형상 및 단면그림 에 의해 제조된 파이프의 형상 및 단면그림 에 의해 제조된 파이프의 형상 및 단면8 Freezing-Up Casting HBSC18 Freezing-Up Casting HBSC18 Freezing-Up Casting HBSC18 Freezing-Up Casting HBSC1

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공정에 의한 파이프 치수편차 저감기술공정에 의한 파이프 치수편차 저감기술공정에 의한 파이프 치수편차 저감기술공정에 의한 파이프 치수편차 저감기술3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting3. Freezing-up casting

앞에서 언급한 바와 칼이 벨라루스 에서의 공동연구를 통해ITM Freezing-Up

기술이 고력황동 종 파이프의 제조에 있어 파이프의 특성 및 생산속도에서Casting 1

경쟁력이 충분히 있는 기술임을 확인하였는데 첫 번째 및 두 번째 파이프의 경우,

에서와 같이 주형내에서 용탕온도의 분포에 따라 길이방향으로 두께 편차가 발생할

가능성이 존재하고 있으며 길이 이상의 파이프를 제조하기 위해서는 파이, 240mm

프 치수편차 저감을 위한 추가적인 공정개선이 요구된다.

이에 본 연구에서는 문헌조사 및 추가적인 연구를 통해 기술, Freezing-Up casting

의 개선을 수행하였다 우선 문헌조사를 통해 길이방향의 두께편차에 영향을 주는. ,

인자를 제어하는 방안을 찾았는데 합금조성에 따라 필연적으로 고상과 액상 영역,

의 중간의 에서의 온도구배 냉각속도 에 의해 내부표면의 조도 및Mushy Zone (G), (v)

길이방향으로의 편차가 결정됨을 확인할 수 있었다.

합금조성의 경우 요구제품 사양에 의해 결정되기 때문에 변화가 불가능하며 따라,

서 미세구조를 제어할 수 있는 변수로는 온도구배 및 냉각속도를 제어할 수 있는

용탕의 온도와 용탕내에서 유동 즉 대류 이 있다 현재 에서는 용탕(convection) . ITM

내부의 대류를 유도하기 위한 어떠한 방안도 취하고 있지 않아 본 연구에서는 용,

탕내부의 안정적인 대류를 통해 상부와 하부 전체에 걸쳐 일정한 온도분포를 유도

할 수 있도록 정 역 회전 를 추가로 설치한 공정 개선· Impeller Freezing up casting

안을 개발하여 그림 와 그림 에서 보는 바와 개량된 장비9 10 Freezing up casting

를 설계하였으며 실험을 통해 내부표면의 개선 및 두께편차의 저감 가능성을 확인,

하여 특허출원을 준비 중에 있다, .

용탕내부에서의 강제 대류를 원천기술에 접목시켜 개선할 경Freezing-up Casting

우 이 넓은 합금계의 파이프 제조도 가능하며 보다 긴 치수의 파이프mushy zone ,

도 제조할 수 있어 이 공정에 의해 제조할 수 있는 합금계 및 치수에 대한 선택의,

폭이 확대될 수 있을 것으로 기대되며 그림 에서 보는 바와 같이 상방향으로의, 11

연속생산도 충분히 가능할 것으로 판단된다.

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그림 개량된 의 설계도그림 개량된 의 설계도그림 개량된 의 설계도그림 개량된 의 설계도9 Freezing-Up Casting System9 Freezing-Up Casting System9 Freezing-Up Casting System9 Freezing-Up Casting System

그림 개량된 용 의 설계도그림 개량된 용 의 설계도그림 개량된 용 의 설계도그림 개량된 용 의 설계도10 Freezing-Up Casting System Sprue10 Freezing-Up Casting System Sprue10 Freezing-Up Casting System Sprue10 Freezing-Up Casting System Sprue

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그림 연속작업용 의 개념도 및 공정 사진그림 연속작업용 의 개념도 및 공정 사진그림 연속작업용 의 개념도 및 공정 사진그림 연속작업용 의 개념도 및 공정 사진11 Freezing-Up Casting System11 Freezing-Up Casting System11 Freezing-Up Casting System11 Freezing-Up Casting System

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동 및 동합금 파이프의 특성평가동 및 동합금 파이프의 특성평가동 및 동합금 파이프의 특성평가동 및 동합금 파이프의 특성평가4.4.4.4.

고력황동 종 파이프를 공정에 의해 제조한 다음 부록의1 Freezing-Up Casting ITM

보고서에서 보는 바와 같이 목표특성인 이상의 인장강도 이상의 연신450MPa , 12%

율 그리고 이상의 경도 등을 모두 충족시켰음을 확인하였다, 140HB .

본 연구에서는 공정에 의해 제조된 고력황동 종 파이프의 길Freezing-Up Casting 1

이방향 및 원주방향의 위치별 주조결함 두께편차 미세조직 및 경도변화를 조사하, ,

여 그림 에 나타냈으며 경도의 변화는 표 과 표 에 정리했다12, 13, 14, 15, 16 , 1 2 .

우선 제조된 파이프의 길이방향 및 원주방향의 위치별 주조결함 조사를 통해 기공,

불순물 혼입 균열 등의 주조결함을 확인할 수 없었어 매우 건전한 주조품이라고, ,

판단된다.

미세구조의 경우 길이방향 및 원주방향의 모든 위치에서 수지상 의 상 흰(dendrite) (α

색 이 유사한 크기로 균일하게 분포하고 있으며 이하의 미세한 금속간 화합물) , 10㎛

들이 균일하게 석출되었다 이와 같은 균일한 미세구조의 분포는 표 및 표 에. 1 2

정리한 경도측정 결과와도 일치하고 있는데 길이 방향으로의 경도변화는, 1~2HRB

이내였으며 원주방향으로의 최대 경도차이도 이내로 모든 위치에 있어, 2~4HRB

균일한 기계적 특성을 갖고 있음을 확인할 수 있었다.

이상에서 언급한 연구결과부터 공정의 원천기술의 검증 공Freezing-Up Casting ,

정의 개량 및 특성평가를 통해 고력황동 파이프를 제조하는데 있어 Freezing-Up

공정은 현재 상용화된 파이프 제조공정 중에서 가장 생산속도가 빠른 연속Casting

주조공정에 비해 이상 우수한 생산속도를 확보할 수 있으며 길이방향으로의700% ,

두께편차도 이하로 제어할 수 있고 회수율도 이상 유지할 수 있는 매우6mm , 95%

경제적인 공정임을 확인할 수 있었다.

향후 본 연구결과를 활용하여 주관기관 및 참여기업에서는 고력황동은 물론 백동,

등의 고부가 가치의 내마모성 내식 동합금 소재의 파이프 제조에 있어 국제 경쟁,

력을 확보하여 상용화할 계획이다.

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그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의12 Freezing-Up Casting System HBSC112 Freezing-Up Casting System HBSC112 Freezing-Up Casting System HBSC112 Freezing-Up Casting System HBSC1

하단부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직하단부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직하단부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직하단부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직

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중앙부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직중앙부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직중앙부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직중앙부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직

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상부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직상부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직상부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직상부 형상 및 원주방향의 위치별 미세조직

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그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의그림 에 의해 제조된 파이프의15 Freezing-Up Casting HBSC115 Freezing-Up Casting HBSC115 Freezing-Up Casting HBSC115 Freezing-Up Casting HBSC1

위치별 원주방향의 경도측정 위치위치별 원주방향의 경도측정 위치위치별 원주방향의 경도측정 위치위치별 원주방향의 경도측정 위치

표 에 의해 제조된 파이프의표 에 의해 제조된 파이프의표 에 의해 제조된 파이프의표 에 의해 제조된 파이프의1 Freezing-Up Casting System HBSC11 Freezing-Up Casting System HBSC11 Freezing-Up Casting System HBSC11 Freezing-Up Casting System HBSC1

위치별 원주방향의 경도값위치별 원주방향의 경도값위치별 원주방향의 경도값위치별 원주방향의 경도값

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그림 에 의해 제조된 파이프그림 에 의해 제조된 파이프그림 에 의해 제조된 파이프그림 에 의해 제조된 파이프16 Freezing-Up System HBSC116 Freezing-Up System HBSC116 Freezing-Up System HBSC116 Freezing-Up System HBSC1

중앙부 시험편의 원주방향별 경도측정 위치중앙부 시험편의 원주방향별 경도측정 위치중앙부 시험편의 원주방향별 경도측정 위치중앙부 시험편의 원주방향별 경도측정 위치

표 에 의해 제조된 파이프표 에 의해 제조된 파이프표 에 의해 제조된 파이프표 에 의해 제조된 파이프2 Freezing-Up Casting System HBSC12 Freezing-Up Casting System HBSC12 Freezing-Up Casting System HBSC12 Freezing-Up Casting System HBSC1

중앙부 시험편의 원주방향별 경도값중앙부 시험편의 원주방향별 경도값중앙부 시험편의 원주방향별 경도값중앙부 시험편의 원주방향별 경도값

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제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론제 장 결 론3333

제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과제 절 계획대비 실적 및 성과1111

본 연구에서는 냉각금형 설계 및 응고속도 정밀 제어를 통해 파이프를 연속적으로

제조할 수 있는 freezing-up technology of continuous-iterative casting (FTCI

공정기술에 대한 원천기술을 도입하여 고력황동 파이프 제조에 활용함으로써C)』

내마모성 고력황동 부품을 개발하여 상용화하기 위하여 의, Belarus ITM(Institute of

에서 보유하고 있는 원천기술의 유효성을 공동연구를 통해Technology of Metals)

검증하고 고력황동 및 백동 소재의 파이프 연속생산에 적합하도록 파이프 치수저,

감 기술 및 양산화 기술의 개선을 수행하여 다음과 같은 성과를 얻었다.

목표대비 개발성과목표대비 개발성과목표대비 개발성과목표대비 개발성과

항 목 계 획 실 적 달성도(%)

개발목표

최적 냉각금형 설계 및 응고속도 정

밀 제어를 통해 파이프를 연속적으

로 제조할 수 있는 Freezing-up

공정기술에 대한 원천기술을casting

도입하여 고력황동 파이프제조에 활

용함으로써 내마모성 고력황동 부품

을 개발하여 상용화

기존 고력황동 및 백동

소재의 파이프 제조 공

정에 비해 두께편차를,

이하로 유지하면±10mm

서 주조수율이, 119kg

용해시 용82%, 1000kg

해시 로 획기적으로98%

향상시킬 수 있는 제조

기술 확보

100

세부개발내

용 및

목표치

두께편차1. 이하±10mm 4~5mm 100

인장강도2. 450MPa 451~492.5MPa 100

연신율3. 이상12% 25~33% 100

경도4. 이상140HB 140~143HB 100

주조수율5. 이상95% 98% 100

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제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항제 절 향후 개선 사항2222

고력황동 및 백동 파이프 양산설비 구축○

내마모 및 내식 동합금 소재의 사용환경 및 크기에 따른 Freezing-up casting○

공정 파라미터들의 최적화 및 양산화

제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과제 절 적용분야 및 기대효과3333

기대효과기대효과기대효과기대효과3.1.3.1.3.1.3.1.

의 우수한 주조수율의 동 및 동합금 파이프의 제조기술 확보98%○

국내 및 해외 시장 진출을 통해 조 천억원의 수출시장 진입1 6○

우수한 내마모 및 내식 특성의 경제적인 동 및 동합금 파이프의 공급을 통해 국○

내 자동차 수송기계 조선 및 산업기계산업의 경쟁력 제고, ,

높은 주조수율의 제조기술을 활용하여 전세계 시장에서의 경쟁력 우위를 확보함○

으로써 관련 국내 산업규모 및 고용효과 증대

적용분야적용분야적용분야적용분야3.2.3.2.3.2.3.2.

자동차 및 소재용 고력황동Synchronizer Ring, Bearing End Bearing Bushing○

파이프에 적용

해수 및 선박용 백동 파이프에 확대적용○

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편집순서 6

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이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품 소재・・・・

종합기술지원사업의 기술지원 보고서입니다종합기술지원사업의 기술지원 보고서입니다종합기술지원사업의 기술지원 보고서입니다종합기술지원사업의 기술지원 보고서입니다....

무중자 금형주조에 의한 동 및 동합금 파이프 제조 기술 상용화 · 2011. 12....

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