초록 ▼

□ 최종목표
EURO6이상급 차세대 고성능/고출력 엔진에 적용될 수 있는 “파워셀 부품모듈 제조기술을 개발”하는 것을 최종 목표로 함.
1단계 : 파워셀 부품개발 및 실용화기술 개발
2단계 : 차세대 파워셀 모듈개발 및 실용화기술개발

□ 개발내용 및 결과
1. 120bar급 경량․고강도 분말단조 피스톤 및 모듈화/평가기술
• 피스톤 경량화 설계/해석
- 최종설계사양 확정
→ 피스톤 경량화 설계 : K-factor 0.449
→ 피스톤 온도 및 구조해석
• 경제성을 갖는 분

□ 최종목표
EURO6이상급 차세대 고성능/고출력 엔진에 적용될 수 있는 “파워셀 부품모듈 제조기술을 개발”하는 것을 최종 목표로 함.
1단계 : 파워셀 부품개발 및 실용화기술 개발
2단계 : 차세대 파워셀 모듈개발 및 실용화기술개발

□ 개발내용 및 결과
1. 120bar급 경량․고강도 분말단조 피스톤 및 모듈화/평가기술
• 피스톤 경량화 설계/해석
- 최종설계사양 확정
→ 피스톤 경량화 설계 : K-factor 0.449
→ 피스톤 온도 및 구조해석
• 경제성을 갖는 분말 Bulk화 기술
- FAST법에 의한 양산급 프리폼 제조
- 분말압출법에 의한 경제성 있는 양산급 프리폼 제조 : Process Map
- 경제성을 갖는 분말 Bulk화 방안 제시
→ 분말수율 극대화, 양산화 및 Cost 산출
• 피스톤 단조기술 개발 및 시제품 제작
- 단조가공 시뮬레이션 연구
- 양산성 있는 단조공정조건 표준화 Process Map 작성
- 경제성 있는 단조소재 개발 및 시제품 제작 (120bar급)
• 저마찰 핀 양산화 기술개발
- 양산용 전용 치구 및 코팅공정 개발
→ 2,500개/batch, 두께편차 ±10%이하 달성
- 양산용 최종 코팅재질 선정 및 평가
→ 마찰계수 0.035, 경도 23.9GPa, 접착강도 30N 이상
• 피스톤 단품 내구성평가
- Underboss 강성 : 4,220kgf, Skirt 변형 : 0.63 ㎜@80㎏f/side force
- 단품내구시험 : Pmax 235bar, 4,000,000cycle PASS
• 파워셀 모듈 성능평가
- 엔진성능평가 : 내구시험완료, 최대연비 HMC 측정기준 0.98%저감
2. 0.8mm급 박폭․저장력 피스톤링 박육 제조기술 개발
• 박폭저장력 피스톤링 제조기술 개발
- 저장력링 : 합계장력 0.25N/mm
- 박폭링 : Top링 폭:1.0mm, 2^nd 링 폭:0.8mm, Oil링 폭:1.5mm
- 제조공정 개발 및 시제품 제작
• 박폭 피스톤링용 고강도 합금주철재 개발
- DCI, DCI-A, DCI-A+Ni계 공정별 열처리조건 최적화
- 양산재 열처리 공정 최적화 기술 개발 : 열처리시간 단축 33%
- 합금주철재 품질 표준화 설정 및 불량률 제어 : 1%이하
• 박폭 피스톤링용 스틸선재 제조기술 개발
- 이형압연기술개발 ; Tucks Head Roll 및 이형 다이스 개발
- 열처리 기술 개발 : 연속압연설비 개발, 표면홈 개선 및 Batch type 열처리 공법개발
- 시제품 제작
Top : 폭 1.0mm , 2^nd 링 : 폭 0.8mm, Oil 링 : 폭 1.5mm
• 박폭 피스톤링용 저마찰 코팅기술 개발
- 저마찰 코팅 합성 및 공정기술 개발
- 물성제어기술연구 : Si-DLC 코팅물성 확보 (마찰계수 0.039, 경도 23.5GPa, 밀착력 30N 이상)
- 코팅품질 시험 및 평가 : 고온경도, 기본물성 평가
- 피스톤 링 마찰부 코팅 양산기술 개발
→ 코팅 전·후 모재경도, 제품변형 없음
3. 1,200MPa급 고강성 소결 커넥팅로드 제조기술 개발
• 개발된 고강성 커넥팅 로드 현대 Theta 엔진용 4종, Lambda 3종, Tau 1종 적용 양산화 (2,000cc 이상 가솔린 엔진 전종)
- 합금조성 : Fe-1.5Cr-0.2Mo-0.5C
• 분말 단조용 고강성 합금 설계 기술 확보
- 인장강도 1,200MPa 급 합금 :　Fe-1.8Cr-0.1Mn-1.0Cu-0.7C
→ 항복강도 900MPa, 피로강도 480MPa 수준
- 개발 재질의 강도 향상에 따른 가공성 평가 및 향상 기술개발
• 금형 설계 능력 향상 및 후처리 공정 기술 확보
- Fe-Cr-Mo-C 합금 대응 단조 금형 설계 완료
→ Lambda, Tau, Gamma, Nu, Kappa 엔진용 커넥팅 로드
- Fe-Cr-Mn-V-C 합금 대응 단조 금형 설계/제작완료
→ 경량화를 위한 T-GDI 및 Tau 엔진용 커넥팅 로드
- 형상이 자유로운 열간단조공법 응용기술 개발
- 피로강도 향상을 위한 모서리부 기공 제거기술 확보
• 전산 모사를 이용한 커넥팅 로드 최적 설계
- 타 엔진 적용을 위한 개발 재질 해석 완료
→ 양산 열간 단조 재질 대비 우수 (경량화 가능)
- Turbo-GDI용 경량화 커넥팅로드를 위한 재질별 전산모사 완료
• 커넥팅로드 내구 평가기준 도출
- Theta 4종, Lambda 3종, Tau 1종 커넥팅 로드 대응 단품 내구 완료 및 수요업체와 결과 공유

□ 기술개발 배경
○ 파워밀도가 높은 고출력/소형 파워셀을 위해서는 각각의 구성부품의 한계내구를 비약적으로 향상시켜야 하기 때문에 기존의 파워셀 부품기술로는 한계점에 와 있으며, 기존 소재 및 공정기술은 새로운 소재와 그에 따른 새로운 공정기술로 변경되어야 함
○ 본 과제에서는 EURO6급 이상의 고출력 차세대 Clean엔진을 개발하기 위한 기반기술로써 가장 핵심이 되는 “고성능 파워셀 부품모듈의 제조기술을 개발”하는 것을 최종목표이며, 각 부품별 다음과 같은 기술개발 필요성이 있음
1. 고성능 분말단조 피스톤
세계시장에서 국내 자동차 산업의 입지를 더욱 강화하기 위해서는 차세대 Green 엔진개발이 필수적이라 할 수 있으며, 이를 달성하기 위해서는 엔진의 핵심부품인 경량/고강도 분말단조 피스톤 개발이 절실하다고 판단되어 본 기술개발을 추진하게 되었음
2. 저장력/박폭 피스톤링
2014년 발효되는 EURO-6를 만족하는 차세대 친환경 엔진은 출력 및 폭발압력이 매우 높으며 연비향상을 위하여 파워셀 부품은 고강도화 경량화 및 저마찰화가 요구됨. 따라서 Piston Ring의 경우 합계 장력과 폭치수를 최대한 작게하여 실린더와의 마찰손실을 줄임으로써 연비향상을 만족하게 하는 박폭 및 저장력화의 개발이 절실히 요구됨
3. 고강성 커넥팅로드
엄격한 환경규제에 따라 자동차 메이커에서는 고출력 저배기량 차량개발이 이루어지고 있으며, 파워셀 모듈 부품 중 가장 큰 중량비를 차지하는 커넥팅로드는 전 세계적으로 고강도화 연구 및 피로특성향상을 통한 내구수명 증가 연구뿐만 아니라 경량화 개발의 치열한 기술경쟁 대상인 부품으로 기술 선점이 필요함

□ 핵심개발 기술의 의의
○ 차량 핵심 부품인 파워셀 모듈의 기술 개발은 국가 R&D 사업 Total Roadmap 특성화 기술인 자동차 부품 모듈화 기술에 직접 적용되며, 나아가 환경 친화형 자동차 기술 사업에의 확산 적용이 가능함
○ 본 연구에서는 고성능 엔진 파워셀 부품모듈 제조기술을 개발함에 있어 종래의 기술에서 탈피하여 “신 합금” 및 “신 제조프로세스”를 적용함으로써 성능향상에 따른 제조비용을 저감하기 위한 기술개발을 진행하였음
○ 이를 위해 각 요소기술에 대한 대체합금 및 대체공정기술에 대한 개발 및 공정최적화 기술개발을 진행하였으며, 국내 및 국외시장을 선점할 수 있는 핵심기술로 성장할 것으로 기대됨
1. 120bar급 경량․고강도 분말단조 피스톤 및 모듈화/평가기술개발
- 고강도/고내열 합금 최적화(Al-Si-Fe계)
- 피스톤 경량화 설계/해석
- 분말 벌크화 기술 및 양산기술 확보 (FAST법, 분말압출법)
- 분말단조 피스톤 제작기술 확보 (단조, 가공, 표면처리기술)
- 저마찰 핀 양산화 기술 확보
- 분말단조 피스톤 평가기술 확보 : 시험조건 설정 및 D/B구축
2. 0.8mm급 박폭․저장력 피스톤링 박육 제조기술
- 0.25N/mm 수준의 저장력 피스톤링 제조기술 확보
- 강성이 보강된 주철재료의 열처리기술 및 제조기술 확보
- 피스톤링 스틸선재 압연 및 열처리기술 확보를 통환 국산화
- 피스톤링 저마찰 코팅기술 개발 (Si-DLC thin film)
3. 1,200MPa급 고강성 소결 커넥팅로드 제조기술
- 분말단조용 고강성 합금설계 기술확보
- 금형설계능력 향상 및 후처리 공정기술 확보
- FEA/FEM을 이용한 제품 및 금형 최적화 기술 향상
- 커넥팅로드 국산화율 확대 및 기술수출 가능성

□ 적용 분야
○ 120bar급 경량․고강도 분말단조 피스톤 제조기술
- 고출력 엔진용 가솔린 피스톤 및 피스톤 핀
- Non-gallery type의 디젤 피스톤 및 피스톤 핀
- 기타 산업으로의 파급 (분말단조기술)
․ 자동차 분야 : 엔진용 밸브류, 알루미늄 커넥팅로드
․ IT 분야 : 힌지 및 경량 프레임류
․ 기타 산업분야 : 소결기술을 활용한 정밀 부품류
○ 0.8mm급 박폭․저장력 피스톤링 박육 제조기술
- Gasoline engine용 piston ring 부품
- 저마찰 습동 부품
○ 1,200MPa급 고강성 소결 커넥팅로드 제조기술
- 고인장/고항복/고피로강도를 요구하는 자동차 엔진부품
- 고출력 디젤엔진용 커넥팅로드
- 자동차 트랜스미션 기어

(출처 : 초록)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3기술개발사업 주요 연구성과 ... 15목차 ... 22제 1 장 서론 ... 25 제 1 절 과제의 개요 ... 25 1. 연구개발 개요 ... 25 2. 개발대상 기술제품의 중요성 ... 26 3. 기술개발의 필요성 ... 30 제 2 절 국내․외 관련기술의 현황 ... 32 1. 해외 기술동향 ... 32 2. 국내 기술동향 ... 33 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적․경제적 파급효과 ... 35 1. 기술적 파급효과 ... 35 2. 경제적 파급효과 ... 35제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 (기술개발 내용 및 방법) ... 36 제 1 절 최종 목표 및 평가방법 ... 36 1. 최종목표 ... 36 제 2 절 2단계 목표 및 평가방법 ... 37 1. 2단계 개발목표 및 평가방법 ... 37 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 42 1. 2단계 1차년도 ... 42 2. 2단계 2차년도 ... 44 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 46 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 46제 3 장 기술개발 결과 및 사업화 계획 ... 47 제 1 절 연구개발 최종결과 ... 47 1. 연구개발 추진일정 ... 47 2. 각 기관/기업별 추진내역 ... 53 제 2 절 연구개발 추진체계 ... 96 1. 각 기관/기업별 역할 및 추진체계 ... 96 2. 각 기관/기업별 역할 및 추진내역 ... 98 제 3 절 시장현황 및 사업화 전망 ... 104 제 4 절 고용창출효과 ... 107 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 108끝페이지 ... 109