보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
연구책임자 |
이호인
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발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 1994-08 |
주관부처 |
과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
등록번호 |
TRKO200200005492 |
DB 구축일자 |
2013-04-18
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초록
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한정된 에너지 자원과 날로 심각해져가는 환경오염으로 말미암아 미국, 유럽 등 선진국에서는 자동차의 연비 및 배기가스 규제를 강화시키고 있다. 연비 향상은 엔진 효율의 향상, 공기저항의 감소, 타이어 구름저항의 절감, 경량화로 가능한데 경량화를 제외한 다른 모든 방법은 이미 상당한 수준에 올라 더 이상의 대폭적인 연비개선의 여지가 어렵다고 판단되어지고 있는 만큼 경량화만이 연비를 개선하는 최고의 수단으로 인식되어져 적극적인 경량화가 추진되고 있다. 일반적으로 연비향상은 경량화에 비례하는데 차량무게의 1 %를 경량화하면 연비도 그에
한정된 에너지 자원과 날로 심각해져가는 환경오염으로 말미암아 미국, 유럽 등 선진국에서는 자동차의 연비 및 배기가스 규제를 강화시키고 있다. 연비 향상은 엔진 효율의 향상, 공기저항의 감소, 타이어 구름저항의 절감, 경량화로 가능한데 경량화를 제외한 다른 모든 방법은 이미 상당한 수준에 올라 더 이상의 대폭적인 연비개선의 여지가 어렵다고 판단되어지고 있는 만큼 경량화만이 연비를 개선하는 최고의 수단으로 인식되어져 적극적인 경량화가 추진되고 있다. 일반적으로 연비향상은 경량화에 비례하는데 차량무게의 1 %를 경량화하면 연비도 그에 따라 약 1% 향상이 가능하다고 한다. 특히 엔진 구동계의 경량화는 차량구조체의 경량화보다 탁월한 경량화 효과를 가지고 있을뿐만 아니라 엔진의 고성능, 고회전화를 촉진시켜 주는 부수적인 효과도 얻을수 있어 소비자들의 자동차 고성능화의 욕구를 충족시킬수 있다. 본 연구는 Al, Mg, Ti, 금속간화합물, MMC 등의 경량합금재료를 사용하여 엔진소재부품을 개발하여 30 - 50kg의 재료를 경량화하여, 5 - 10%의 연비를 향상시키고, 5-10%의 엔진성능을 향상시키는 것을 최종목표로 하고 있으며 Al,Mg, Ti, MMC 등의 경량합금재료를 사용하여 엔진소재부품을 개발하기 위하여 제 2 차년도(1993/1994)에는 각 경량합금소재별로 다음과 같은 연구개발이 이루어졌다. 먼저 고온 Al합금의 intake valve, spring retainer등 엔진부품으로사용가능한 개발을 최종목표로 포항공과대학에서 연구하였으며, 2차년도에서는 1차년도의 연구결과를 바탕으로 Al-Fe-V-Si-Ti, Al-Fe-V-Si-Ti-W, Al-Fe-V-Si-W 세 합금을 설계하였으며 이에 따른 제조공정을 확립하였다. 자체 개발한 합금은 기계적 특성을 평가하여 기존의 고온Al 합금과 비교하였으며, 미세조직 과 낯을 통해 기계적 특성과 의 상관관계를 규명하였다. 그리고 개발합금을 자동차부품에의 실제 적용을 위하여 시제품을 제작하여 그타당성을 조사하고 제조공정기술을 확립하였다. 또한 Al-Si 합금계를 기초로 한 Al-Si-Fe-Ti, Al-Si-Fe-V 합금을 설계 및 제조하여 이들의 기계적 특성을 평가하였다. Mg합금을 이용한 경량엔진소재개발은 서울대학교에서 수행되었으며, 마그네슘합금의 반응고가공법 기초연구로서 폭 넓은 문헌조사를 바탕으로 배취식 반응고가공기를 직접 설계 제작하여 고상율, 교반속도에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 조사하였고, 내식 마그네슘합금을 개발하기 위한 마그네슘합금의 주된 구성원소에 적당한 결정립미세화법을 조사하고, 현장적용이 용이한 carbon inoculant 중의 하나인 hexachloroethane 에 의한 결정립 미세화효과를 관찰하였으며, 용해주조 기반기술의 개발 및 산업화를 위하여 마그네슘의 응고잠열, 열팽창계수, 수축율 등을 고려하여 Cast flow software 을 이용하여 마그네슘합금용 금형을 설계 제작하고 시제품을 제작하였다. 대우정밀에서 시사출한 2차 시제품의 특성평가를 위하여 시제품의 미세조직 관찰과 결정립 크기, 부식속도, 경도측정을 하였다. 이 결과를 바탕으로 제조공정상의 문제점을 도촐하여 금형을 수정 보완하고, 외산 cylinder head cover 의 특성과 본 시제품을 비교평가하였다. 또한 고강도 내열 마그네슘 합금개발을 위한 기초연구로서 Mg-Al-Zn계 합금에 Nd, Y를 첨가하여 이에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 살펴 보았으며, 복합재료를 제조하였다. 제조공정에서는 고압하에서 응고하여 주조결함을 억제하고 미세조직을 도모할수 있는 용탕단조법을 사용하였고 여기서 얻어진 시료들의 미세조직과 기계적 특성을 조사하였으며 열처리에 따른 강화 현상도 살펴보았다. 한편 상용차엔진에 사용될 수 있는 코넥팅 로드, 밸브, 스프링 Ti 합금으로 생산하기위한 연구는 한국기계연구소(KIMM)에서 수행하였으며, 2차년도에서는 1차년도에서 미진한 부분을 보완하고, 자동차용 티타늄합금 부품을 제조? 추진하였다. 1차년도에 수행한 티타늄합금의 종류에 따른 가공조건을 재확인하여, 현재 사용중인 기존 차량의 엔진부품 형상으로 시제품을 제작하였다. 제작된 시제품(코네팅 로드, 흡기 및 배기 밸브, 엔진 스프링) 을 분석하여 수입된 외제품과 물성을 비교 평가하였고, 이에 따른 제조공정을 확립하였다. 아울러 이들 부품이 사용되기 위해서 필요한 기계적 특성을 평가(인장, 경도, 피로, 고온특성, 내마모성 등)를 수행하여 재료공학적 측면에서의 제조공정을 확립하였다. 또한 기존 철강 제품으로부터 티타늄합금 부품으로 재질변화에 따른 엔진부품의 설계 변경작업을 수행하여 재질 특성에 맞는 금형을 설계 제조하였다. 엔진 스프링을 제조하기 위한 세선 인발작업과 스프링 제조공정을 통한 기존 사용부품과 도일한 형태의 시제품을 제조하여 가공열처리와 표면처리를 통한 물성 향상을 시도하였고, 아우러 저주기 피로특성을 규명하였다. 티타늄합금의 표면 특성을 향상시키기 위한 코팅처리 및 특성평가가 아우러 수행되어 시제품 제조에 응용되었다. 본 과제년도에는 코팅물성이 가장 우수한 CrN 계를 선정하여 코팅공정의 최적화를 추구하였다. 또한 경제성이 높은 생산공정으로 자동차부품을 생산하기 위하여 티타늄합금의 용해 및 주조공정이 실험실적 규모로 연구되었다. 주조공정의 최적화를 확립하기 위하여 이 분야에 연구경험이 풍부한 북경항공재료연구소(BIAM,중국) 에서 전문가를 초청하여 관련기업 및 연구소와 국제공동연구를 수행하였다. 또한 경량금속복합재료(MMC)에 대한 연구는 한국과학기술연구원에서 수행되었으며, 지난 1차년도에서 경량금속복합재료의 제조공정으로서 용탕단조법(Squeeze Casting), 적층응고가공법(Spray Forming), 및 preform과 salt core 제조기술, 복합재의 마모특성 등에 관한 연구 및 이를 이용하여 FRM 가솔린 엔진 피스톤의 시제품을 개발하였고, 본 2차년도(1993/4)에서는 FRM엔진 피스?#abe=
Abstract
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During the past decade, considerable efforts have been made in the field of light materials research for automotive applications. Increasing restrictions on fuel consumption and pollutant emissions have placed great demands on manufacturers to produce lighter and more efficient automobiles. Light me
During the past decade, considerable efforts have been made in the field of light materials research for automotive applications. Increasing restrictions on fuel consumption and pollutant emissions have placed great demands on manufacturers to produce lighter and more efficient automobiles. Light metals, such as high temperature aluminium (HTA) alloys, magnesium alloys, titanium alloys, and metal matrix composites (MMC), are viable solutions to this challenge. Thus, the demand for these light materials is expected to continue to grow.
The main objective of this research project is to develop high performance engine parts utilizing light materials. The engine parts of interest include intake valves, spring retainers, cylinder head covers, intake manifols, valves, spring coils, pistons, pins and cylinder liners, utilizing light materials, The results of light metal substitution should be a 30-50kg weight reduction and 5-10% improvement in fuel economy and engine performance by the year 2000. In order to accomplish this objective, five sub-projects were designed. These areas are : (1) high temperature aluminium (HTA) alloys, (2) magnesium alloys, (3) titanium alloys, and (4) metal matrix composites (MMC).
목차 Contents
- 제1장 서론...31
- 제1절 연구의 목적...31
- 제2절 연구의 필요성...32
- 제3절 연구의 범위 및 방법...32
- 제2장 과제구성...36
- 제3장 세부과제별 연구결과...37
- 제1절 고온 Al합금...37
- 제2절 Mg 합금...43
- 제3절 자동차엔진용 Ti 합금 부품...49
- 제4절 경량금속 복합재료...55
- 제4장 결론...66
- 제5장 향후연구계획...67
- 첨부: 연차보고서 배포계획...68
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