초록 ▼

3. 개발결과 요약

□ 최종목표
본 개발과제의 최종목표는 "120bar급 경량·고강도 분말단조 피스톤 제조기술을 개발"하는 것임

□ 개발내용 및 결과
본 과제의 최종목표는 "120bar급 경량·고강도 분말단조 피스톤 제조기술을 개발"하는 것임. 이를 위하여 1차년도에는 "경제성을 갖는 단조피스톤 및 저마찰 핀 양산화 기술과 평가 기반기술을 개발"을 목표로 하였으며,2차년도에는 "120bar급 경량·고강도 단조피스톤 제조 및 파워셀 모듈 평가"를 목표로 함.
[1차년도]
1) 고강도/고

3. 개발결과 요약

□ 최종목표
본 개발과제의 최종목표는 "120bar급 경량·고강도 분말단조 피스톤 제조기술을 개발"하는 것임

□ 개발내용 및 결과
본 과제의 최종목표는 "120bar급 경량·고강도 분말단조 피스톤 제조기술을 개발"하는 것임. 이를 위하여 1차년도에는 "경제성을 갖는 단조피스톤 및 저마찰 핀 양산화 기술과 평가 기반기술을 개발"을 목표로 하였으며,2차년도에는 "120bar급 경량·고강도 단조피스톤 제조 및 파워셀 모듈 평가"를 목표로 함.
[1차년도]
1) 고강도/고내열 합금최적화
- 양산성 및 경제성을 고려한 합금 조성 최적화
→ A17-1 합금 선정 (Al-17Si-5Fe-2Cu-Mg)
- 최종합금에 대한 물성 D/B 구축
→ 연화선도/시효경화선도 작성
→ 각 온도별 피로선도/인장특성 평가
→ 열적 특성평가
2) 피스톤 경량화 설계/해석
- 대상엔진선정
→ Theta 2.0 T-GDI
- 피스톤 경량화 설계
→ 중력 주조재 피스톤 대비 단조피스톤의 무게를 82g 경량화 실현
→ 피스톤 고강성화에 따른 핀 13g 경량화 실현
→ K-Factor(경량화계수) : 0.45이하 달성 (k=0.449)
- 분말단조 피스톤 FEA 해석
3) 경제성을 갖는 분말 Bulk화 기술
- FAST공법에 의한 양산급 프리폼 제조
→ 제조 조건별 기공률 및 미세조직 평가 (기공률 : 1% 이하)
- 분말 압출법에 의한 경제성 있는 양산급 프리폼 제조
→ 기초 공정 조건 확립 및 프리폼 제조
4) 피스톤 단조기술개발 및 시제품 제작
- 단조가공 시뮬레이션 연구
→ Input Data 설정을 위한 물성평가
→ 시뮬레이션을 위한 경계조건 설정
- 시제품급 단조금형 설계 및 제작
- 양산성 있는 단조 공정 조건 확립
→ 변형속도 및 단조온도
- 단조피스톤 시제품 제작
→ "120bar급 단조 시제품 제작" 성공
5) 저마찰 핀 양산화 기술개발
- 저마찰 핀 코팅 연구
→ 코팅 두께 2~3um 목표 달성 (코팅 두께 : 2.5um)
- 코팅 특성평가
→ 코팅 종류 및 Oil 종류 별 코팅 평가 완료
→ COF : 0.05 이하 목표 달성 (COF : 0.04)
→ 경도 : 15GPa 이상 목표 달성 (경도 : 20GPa)
→ 조도 : 0.09a 이하 목표 달성 (조도 : 0.03a)
→ 접착강도 : 25N 목표 달성 (접착강도 : 25N)
6) 파워셀 모듈 성능평가
- 대상엔진선정
→ Theta 2.0 T-GDI
- 엔진 성능평가를 위한 기초 조건 설정
→ 선정엔진 셋팅 및 기초 성능시험 완료
→ 출력, 토크, 연비, 연소압 등 시험결과 분석 완료

[2차년도]
1) 피스톤 경량화 설계/해석
- 4차년도 시험결과를 반영한 설계 변경(필요시)
- 최종 설계사양 확정
→ 피스톤 경량화 설계 : 0.45이하 달성 (k=0.449)
→ 피스톤 온도 및 구조 해석
2) 경제성을 갖는 분말 Bulk화 기술
- FAST법에 의한 양산급 프리폼 제조
- 분말 압출법에 의한 경제성 있는 양산급 프리폼 제조
→ 공정조건 표준화 Process Map 작성
- 경제성을 갖는 분말 Bulk화 방안 제시
→ 분말 수율 극대화 방안 제시
→ 제조 방법 별 양산화 방안 및 Cost 산출
3) 피스톤 단조기술개발 및 시제품 제작
- 단조가공 시뮬레이션 연구
→ 시뮬레이션 수행 및 실제 결과와 정합성 도출
- 양산성 있는 단조 공정 조건 표준화 Process Map 작성
- 경제성 있는 단조 소재 개발(주/단조 검토)
→ DM104F 개발완료
- 단조피스톤 시제품 제작
→ "120bar급 단조 시제품 제작 성공”
4) 저마찰 핀 양산화 기술개발
- 양산용 전용 치구 및 코팅 공정 개발
→ 2,500개/batch
→ 로내 코팅 두께 편차 최소화 ±15% 이하 목표 달성 (±10% 이하)
- 양산용 최종 코팅 재질 선정 및 평가
→ 저마찰 Oil 환경 하에서 코팅 특성 평가
→ COF : 0.04 이하 목표 달성 (COF : 0.035)
→ 경도 : 18GPa 이상 목표 달성 (경도 : 23.9GPa)
→ 조도 : 0.08a 이하 목표 달성 (조도 : 0.02a)
→ 접착강도 : 30N 목표 달성 (접착강도 : 30↑N)
5) 피스톤 단품 내구성평가
- Underboss 강성시험 : 관성력 (1,400kgf)의 3배이상 목표달성 (4,220kgf)
- Skirt 변형시험 : 0.5~0.8mm@80kgf/side force (0.63mm)
- 단품 내구시험 : 120bar, 4,000,000cycle, No Crack (Pmax 235bar PASS)
6) 파워셀 모듈 성능평가
- 엔진 성능 평가
→ 성능시험(연비, Blow-by, LOC) 완료
→ 내구시험 (HMC FF test mode) : No Crack/PASS
→ 최대연비 (기존대비 0.5% 저감) : HMC(9+3점)기준 O.98% 저감

□ 기술개발 배경
1. 차세대 고출력 엔진개발동향 및 중력주조 피스톤 최근 환경규제(EUR06) 및 연비향상을 목적으로 엔진의 비출력 향상 및 이에 따른 폭발압력이 증가됨에 따라 피스톤의 파손사례가 점차적으로 증대되고 있는 실정임.
2. 엔진 고출력화에 따른 피스톤의 제조기술변화엔진의 고출력화에 따른 피스톤의 파손방지를 위하여 가솔린 피스톤에 오일갤러리 및 인서트링(IR)을 삽입한 피스톤을 제조하여 이를 해결하고 있는 실정임. 그러나 이러한 제조기술은 제조원가가 기존 주조 피스톤 대비 약 1.5~2배 가량 증가될 뿐만 아니라 주조재이기 때문에 물성의 한계성에 봉착되는 실정임.
3. 본 기술개발의 배경최근 해외선진업체에서 피스톤의 경량화 및 고성능화를 달성하기 위하여 단조피스톤 개발을 진행하여 왔으며, 현재 양산화 진행 중에 있음. 또한 우리나라의 경우 자동차 산업은 IT, 철강산업 등과 함께 매우 중요한 국가의 기반산업이라 할 수 있으며, 세계시장에서 국내 자동차 산업의 입지를 더욱 강화하기 위해서는 차세대 Green 엔진개발이 필수적이라 할 수 있음. 이를 달성하기 위해서는 엔진의 핵심부품인 경량/고강도 분말단조 피스톤 개발이 절실하다고 판단되어 본 기술개발을 추진하게 되었음

□ 핵심개발 기술의 의의
1. 고강도/고내열 합금 최적화
- 전 세계적으로 분말단조용 피스톤용 신 합금은 거의 전무한 실정임.
- 본 과제를 통한 신 합금개발(1단계)은 단조피스톤 제조관련 합금(소재)에 대한 원천기술을 선점하는 의의가 있다고 할 수 있음.
- 2단계 개발에서는 경제성을 고려하여 합금조성을 최적화 함.
- 분말단조 피스톤용 Al-Si-Fe계 신 합금분말의 제조 공정조건 최적화 및 공정기술을 확보함.
2. 피스톤 경량화 설계/해석
- 자동차용 피스톤에서 고온/고압에 견디는 열적/물리적 요구특성 이외에도 "경량화" 요구가 큰 비중을 차지함. 경량화 지수인 K-Factor는 현재 개발진행 중인 Euro6급 피스톤에 매우 중요한 부분임. 이에 피스톤 개발에 대한 경량화 설계/해석에 대한 기반기술을 확보하였음.
3. 분말 Bulk화 기술 확보
- FAST법에 의한 양산급 프리폼 제조 공정기술 : FAST소결 기술은 급속 소결에 따른 결정립 성장이 거의 없는 프리폼 제조가 가능하며, 작은 결정립 크기에 기인하여 단조 시 고성형성을 나타낼 수 있는 프리폼 제조 기술임. 프리폼 제조 조건의 변수 중 전류, 압력, 시간 등을 이용하여 프리폼 제조공정 기술표준화를 하였음. 또한 Al분말을 급속 소결함으로써 생산성 및 경제성을 얻을 수 있음.
- 분말압출법에 의한 경제성 있는 양산급 프리폼 제조 공정기술 : 분말압출 기술은 가혹한 소성변형으로 기인하는 치밀한 미세조직을 갖는 프리폼 제조가 가능하며, 연속성을 동반한 생산 공정으로 대량 생산 및 경제성 있는 프리폼을 제조 할 수 있는 기술임. 99%이상의 full density를 얻을 수 있는 경제성 있는 분말압출 공정조건을 최적화 및 표준화하였음.
4. 분말단조 피스톤 제작 기술 확보 (단조기술, 가공기술, 표면처리기술)
- 경제성 있는 단조소재(CC Bar) 제작 기반기술을 확보
- 단조해석을 통한 단조 금형설계 및 제작 기반기술을 확보
- Near-net 고속성형(항온단조) 기반기술을 확보
- 신합금재 분말단조 피스톤 Anodizing, 프린팅, 정밀가공기술을 확보
5. 저마찰 핀 양산화 기술 확보
- 양산용 저마찰 핀 코팅 공정조건 확립 및 기반기술 확보
- 양산용 전용 치구 및 양산화 기술 확보
6. 분말단조피스톤 평가 기반기술 확보
- 단품내구시험 평가를 위한 시험조건 설정
- 성능시험 및 내구시험을 위한 엔진 셋팅 및 시험조건 설정
- 엔진성능시험 및 내구시험 평가 데이터 확보

□ 적용분야
1. 고출력 가솔린 엔진용 피스톤
2. Non-gallery type의 디젤 피스톤
3. 경량/고강도 자동차 부품류
4. 기타 산업으로의 파급가능 분야(분말단조기술)
- 자동차분야 : 엔진용 밸브류, 알루미늄 커넥팅로드 등
- IT분야 : 힌지 및 경량 프레임류
- 기타 산업분야 : 소결 및 압출 기술을 활용한 정밀 부품류

( 출처: 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 17
• 목차 ... 21
• 제1장 서론 ... 23
• 제1절 과제의 개요 ... 23
• 1. 기술개발의 중요성 및 필요성 ... 23
• 2. 국내·외 관련 기술의 현황 ... 26
• 3. 기술개발시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 28
• 제2장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 29
• 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 29
• 제2절 단계 목표 및 평가 방법 ... 31
• 제3절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 33
• 제4절 수행 결과의 보안등급 ... 35
• 제5절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비등) 구입 및 관리현황 ... 36
• 제3장 결과 및 사업화 계획 ... 37
• 제1절 연구개발 최종 결과 ... 37
• 1. 역누개발 추진 일정 ... 37
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 41
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 ... 43
• 제2절 연구개발 추진 체계 및 추진 내역 ... 44
• - 기술개발 추진체계 ... 44
• - 기술개발 추진내역 ... 48
• 제3절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 212
• 제4절 교용 창출 효과 ... 215
• 제5절 자체보안관리진단표 ... 216
• 끝페이지 ... 217