고품질 선박엔진 부품용 cylinder liner

제조기술 지원

2006. 12.

지원기관 : 한국생산기술연구원

지원기업 : (주)진영캐스팅

산 업 자 원 부

[별지 제9호 서식]

관리번호:

종합기술지원사업 기술지원성과보고서

사 업 명 고품질 선박엔진 부품용 cylinder liner 제조기술 지원

지원책임자소속 : 한국과학기술원

성명 : 임 경 묵지원기간

2005. 12. 1. 부터

2006. 11. 31..까지

사업비 규모

총 160 백만원

지원기관의

참여연구원홍영명, 최석환정 부 출 연 금 :

기업부담금현금 :

현물 :

80 백만원

48 백만원

32 백만원

부품ㆍ소재종합기술지원사업운영요령 제18조의 규정에 의해 종합기술지원사업

수행에 대한 기술지원성과보고서를 제출합니다.

첨 부 : 기술지원성과보고서 5부

2006년 12월 일

(작성자) 지 원 책 임 자: 임 경 묵

(지원기관장) 한국과학기술원 총장 : 김 기 협

(확인자) 지원기업 대표: 노 실 환

한국부품소재산업진흥원장 귀하

제 출 문

산 업 자 원 부 장 관 귀 하

본 보고서를 “고품질 선박엔진 부품용 cylinder liner 제조기술 지원”(지원기간 :

2006. 12. 1~2007. 11. 30)과제의 기술지원성과보고서로 제출합니다.

2006. 12. .

지원기관 : (기관명) 한국생산기술연구원

(대표자) 김 기 협

지원기업 : (기업명) (주) 진영캐스팅

(대표자) 노 실 환

지원책임자 : 임 경 묵

참여연구원

″

: 홍 영 명

: 최 석 환

기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 12. 1 ~ 2006. 11. 30

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 고품질 선박엔진 부품용 cylinder liner 제조기술 지원

지원책임자 임 경 묵 지원연구원수

총 : 3 명

내부 : 2 명

외부 : 1 명

총

사업비

정부:

기업:

계:

80,000 천원

80,000 천원

160,000 천원

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 부산연구센터 초정밀성형가공팀

참여기업 기업명 : (주) 진영캐스팅 기술책임자 : 박 성 철

요약(연구결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서

면수

○ (주)진영 캐스팅에 적합한 선박 엔진용 cylinder linear용 합금 설계

- 기존의 낮은 기계적 특성 보완을 위한 첨가 원소 선정 : Cr, B, Ni 등

- 시험 주조 및 특성 평가를 통한 기존 합금 원소 및 첨가 원소 함량 선정

- 인장강도 > 300 MPa, 브리넬 경도 > 260 확보

○ 접종 처리 조건 확립

- 기존의 흑연 조직 개선을 위한 적종제의 선정

- 시험 주조 및 특성 평가를 통한 흑연 조직의 개선

○ 중자/주형 제조 기술 확립

- 적정 냉각속도 확보를 위한 주물사의 선정

- 시험 주조 및 특성 평가를 통한 미세조직 및 기계적 특성 개선

○ 전산모사를 통한 최적 주조 방안 설정

- 수축 결함이 발생하지 않는 주조 방안 및 주조 조건 확립

○ 시제품 제작 및 평가

- 경쟁사 제품의 특성에 버금가는 기계적 특성 확보

- 인장 강도 > , 브리넬 경도 >

색 인 어

(각 5개 이상)

한 글 실린더, 회주철, 합금설계, 접종, 냉각속도, 전산모사

영 어cylinder linear, gray iron, alloy design, innoculation, cooling rate,

simumlation

기술지원성과 요약문

1. 사업목표

지원기업은 기존 생산중인 선박 엔진용 cylinder linear의 고품질화를 도모하고

있으나, 경제적인 어려움 및 기술인력 등의 부족으로 인하여 어려움을 겪고 있

다. 본 지원과제에서는 cylinder linear의 품질을 결정하는 핵심 공정 요소에 대

한 분석, 실험, 평가를 통하여 지원기업 제품의 품질향상을 위한 기술 개발을 지

원하고자 함.

2. 기술지원내용 및 범위

□ 이론적ㆍ실험적 방법을 통한 최적 합금 설계

• 합금성분에 따른 최종 미세조직의 분석 및 제어

• 합금성분과 미세조직, 미세조직과 특성과의 상관관계 규명을 통한 최적합금조

성 확립

□ 최적의 접종 처리 조건의 확립

• 접종방법 조건의 확립

□ 외형 주형 및 중자 제조기술의 확립

• 최적의 미세조직 확보를 위한 주형 및 중자의 설계

• 주형 및 중자의 제조기술 확립

□ 전산모사를 통한 최적 주조방안 설정

• 용탕의 유동해석 및 응고해석을 통한 최적의 주조방안 설계기술 확립

• 최적 주조조건 확립

□ 주조제품 특성평가

• 화학성분 및 기계적 성질 시험

• 특성 평가 기준안 설정

3. 지원실적

지원항목지원내용

비고기술지원前 기술지원後

이론적ㆍ실험적 방법을

통한 최적 합금 설계

- 고경도 주철 소재로

서 적합하지 못한 합

금 조성

- 고경도의 확보가 가

능하고 고가 원소를

최소화한 신 합금

최적의 접종 처리

조건의 확립

- 접종 효율이 낮은

접종제 사용으로 흑연

조직 불량

- 적정 접종법 확보로

건전한 흑연 조직 확

보

외형 주형 및 중자

제조기술의 확립

-적정 냉각속도를 얻

기 어려운 주형/중자

사용

- 적정 냉각속도의 확

보가 가능한 주형/중

자 기술 확보

전산모사를 통한 최적

주조방안 설정

- 불량의 가능성이 높

은 주조 방안

- 불량 발생이 없으며

경제성을 고려한 주조

방안

주조제품 특성평가- 경쟁 제품에 비해

낮은 품질

- 경쟁 제품과 유사한

제품 품질

4. 기술지원 성과 및 효과

1) 해당기술 적용제품

o 적용제품명 : 선박 엔진용 cylinder linear

o 모 델 명 :

2) 품질 및 가격

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질브리넬 경도 > 255

인장 강도 > 280 MPa

< 230

< 280

> 260

> 300

경쟁제품 대비 가격

※ 객관화 된 DATA를 근거로 작성

3) 원가절감 효과

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 -백만원/년( %)

인건비 절감 -백만원/년( %)

계 -백만원/년( %)

※ 공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영

4) 적용제품 시장전망(매출성과)

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 2,306백만원/년 2,800백만원/년 21.5%

수 출 천달러/년 천달러/년 %

계 백만원/년 백만원/년 21.5%

참고) 1. 적용제품 주요수출국 :

2. 작성당시 환율기준 :

5) 수입대체효과

모델명 당해연도 수입액 차년도수입액 수입대체금액 비 고

천달러/년 천달러/년 천달러/년

천달러/년 천달러/년 천달러/년

계 천달러/년 천달러/년 천달러/년

6) 해당기술의 기술력 향상 효과

본 지원과제를 통하여 선박 엔진용 cylinder linear의 소재로 사용되는 고경도의

주철 소재를 제조하는 기술을 확보하였다. 세부적으로는 (주)진영캐스팅에 적합

한 저가의 합금계, 접종처리, 중자 기술을 확보하였고, 불량률을 최소화할 수 있

는 최적 주조방안을 설정하여 결과적으로 참여기업에서는 고품질의 cylinder

linear를 제조할 수 있는 기술을 확보하였다.

7) 기술적 파급효과

선박엔진 부품용 cylinder linear는 극심한 마모 환경에서 사용되는 높은 경도 및 인장강

도를 요하는 제품이나, 현재까지 점점 높아져 가는 고객사의 요구조건을 충족시키지 못

하고 있는 실정이었다. 이번 지원과제를 통하여 기술 및 시장 경쟁력을 가질 수 있는 기

술적인 토대를 갖추었다고 보며, 향후 더 많은 매출 증대 및 시장 확보가 기대된다.

5. 적용기술 인증, 지적재산권 획득여부

1) 규격, 인증획득

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

2) 지적재산권

종 류 명칭 번호발명자

(고안자)권리자 실시권자

비고

(등록, 출원)

6. 세부지원실적

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 8건

시제품제작 1건

양산화개발 건

공정개선 건

품질향상 건

시험분석 212건

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅/경영자문 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건

지원기업 방문회수 28건

기 타 건

* 상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부

7. 종합의견

박엔진 부품용 cylinder linear는 극심한 마모 환경에서 사용되는 높은 경도 및 인장장도

를 요하는 제품이나, 현재까지 점점 높아져 가는 고객사의 요구조건을 충족시키지 못하

고 있는 실정이었다. 이번 지원과제를 통하여 기술 및 시장 경쟁력을 가질 수 있는 기술

적인 토대를 갖추었다고 보며, 향후 더 많은 매출 증대 및 시장 확보가 기대된다.

□ 세부지원실적 증빙 내용

1. 지원기업 현장방문 : 28건

No. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006년 2월 8일 부품소재 기술지원사업 추진회의 및 기술정보 제공

2 2006년 2월 23일 생산 현장 진단 및 기술정보 제공

3 2006년 3월 7일기술지원 이전 생산품(주철주물)의 포성분식 시원 및

기술정보제공

4 2000년 3월 28일기술이전 생산품에 대한 기계적 특성 조사를 위한 시편

채취 및 분석

5 2006년 4월 19일 기존 주물생산품(기술지원이전)에 대한 미세조직분석

6 2006년 5월 16일 기계적 특성 향상 및 조직제어를 위한 첨가원소 선정

7 2006년 6월 1일 개량 합금 설계 및 주물 시편제작 (1차)

8 2006년 6월 12일 1차 개량합금의 시편 채취 및 기계특성 조사

9 2006년 6월 30일 1차 개량합금에 대한 미세조직 분석 및 그에 대한 협의

10 2006년 7월 11일 1차 개량 합금 대한 미세조직분석

11 2006년 7월 20일 2차 개량 합금 설계 및 주조실험

12 2006년 8월 9일 2차 개량합금의 시편 채취 및 기계특성 조사

13 2006년 8월 21일 2차 개량합금에 대한 미세조직 분석 및 그에 대한 협의

14 2006년 8월 24일 3차 개량 합금 설계 및 주조실험

15 2006년 9월 1일 3차 개량합금의 시편 채취 및 기계특성 조사

16 2006년 9월 6일 3차 개량화 합금의 미세조직 분석

17 2006년 9월 25일 공강도 주철 주물에 적합한 접종제 선정을 위한 협의

18 2006년 10월 9일 지원기업에 적합한 접종제 선정 실험

19 2006년 10월 13일 접종제 효과에 따른 주철주물의 기계적 특성 조사

20 2006년 10월 18일 접종제별 주철주물 조직분석 및 업체협의

21 2006년 10월 27일 지원기업 주형소재용 주물사 품질검사

22 2006년 10월 1일 중자용 주물사 분석 및 냉각능 조사

23 2006년 11월 16일 주물사 특성에 따른 기계적 특성 조사

24 2006년 11월 20일 주조방안 설계를 위한 전산모사

25 2006년 11월 24일 전산모사 결과에 대한 정보제공 및 협의

26 2006년 12월 4일 시제품 제작 및 분석

27 2006년 12월 11일 일본에서 상용중인 cylinder liner 조사

28 2005년 12월 22일 기술지원 내용에 최종 검토

2. 기술정보제공 : 8 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006년 2월 8일 국내외 고강도 주철 주물 시장동향 및 기술동향

2 2006년 2월 23일 용해공정 관리 및 주철 용탕관리

3 2006년 3월 7일 주철주물의 기계적 특성향상에 작용하는 합금원소

4 2006년 5월 16일 주철제조기술

5 2006년 9월 25일 접종제 기술자료

6 2006년 11월 16일 주물사 관리 기술

7 2006년 11월 20일 전산모사의 기본원리 및 적용 범위

8 2005년 12월 22일 최신 선박 부품 개발

3. 시제품제작 : 1건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005년 12월 4일 330Φ×690㎜ cylinder liner

4. 시험분석 : 212건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2006년 3월 7일 FC 30 조성 분석 (2건)

2 2006년 3월 28일 인장시험(6건) 경도(30건)

3 2006년 4월 19일 조직분석 (2건)

4 2006년 6월 12일 인장시험(3건), 경도(15건)

5 2006년 6월 30일 조직분석 (2건)

6 2006년 7월 11일 SEM(8건), EDS(4건)

7 2006년 8월 9일 인장시험(4건), 경도(20건)

8 2006년 8월 21일 조직분석(2건)

9 2006년 9월 1일 인장시험(4건), 경도(20건)

10 2006년 9월 6일 조직분석(2건)

11 2006년 10월 13일 인장시험(10건), 경도(20건)

12 2006년 10월 18일 조직분석(2건)

13 2006년 10월 27일 주물사 입도분석(5건), SEM(5건)

14 2006년 11월 16일 인장시험(12건), 경도(24건)

15 2006년 11월 24일 전산모사(3건)

16 2006년 12월 11일 FC 30 조성분석(1건)

17 2006년 12월 11일 조직분석(4건), 경도(2건)

5. 기술지원실적 업로드 : 건

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

목 차

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원 필요성

제 2 절 기술지원 목표

제 3 절 기술지원 내용

제 2 장 국내외 기술현황

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 성과

1. 기술 지원의 달성 정도

2. 기술지원의 내용

3. 기술지원에 따른 지적 재산권 도출

4. 지원내용의 기업전략에의 기여도

제 2 절 기술지원 수행

1. 기술지원 추진일정 및 수행주체들의 담당업무 성과 정도

2. 기술지원 수행과정

제 4 장 결 론

제 5 장 참고문헌

부 록

종합기술지원 일지

제 1 장 사업의 개요

제 1 절 기술지원의 필요성

MAN사가 세계 최초로 선박용 디젤 엔진을 탄생시킨 이후 디젤 엔진은 거의 모든

선박의 엔진으로 사용되고 있다. 최근 선박은 거대화, 고속화 되어 가는 추세이며,

이에 따라 선박용 디젤 엔진에는 고성능화 및 고효율화가 요구되고 있는 실정이다.

이러한 선박용 디젤 엔진의 고효율화 추세는 높은 출력과 낮은 연료 소모를 필요로

하며, 현재 디젤 엔진의 설계는 거의 완벽하게 개발되었다는 견해가 지배적이다. 따

라서 보다 높은 열효율을 얻기 위해서는 실린더 내의 최대 작동 압력 을 증가시켜

야만 한다.

실린더 내부의 최대 작동 압력을 증가시키기 위해서는 무엇보다도 이를 구현할 수

있는 cylinder liner용 소재의 존재가 필수적이다. cylinder liner용 소재에 요구되는

필수적인 특성은 고온ㆍ고압의 작동환경에서 견딜 수 있는 고강도, 내열성 및 높은

경도 값으로부터 얻을 수 있는 높은 내마모 특성이다. 현재까지 선박 엔진용

cylinder linear 소재로 가장 널리 사용되는 소재는 주철 소재이다. 실질적으로 이러

한 주철 소재는 선박 엔진용 cylinder linear 소재로서 요구되는 최소한의 기계적 특

성을 가질 뿐 충분한 정도로 높은 기계적 강도는 나타내지 못한다. 그럼에도 불구

하고 주철 소재가 가장 널리 사용되고 있는 이유는 제조가 쉽고 값이 저렴하다는

이유뿐만 아니라 불충분한 윤활 조건이나 때로는 거의 무윤활에 가까운 상황하에서

도 자기 윤활성을 어느정도 구비하고 있으며, 또한 윤활유 보지성이 풍부한 흑연이

존재하기 때문이다. 그러나, 보통 주철로는 필요한 내구성을 충족시킬 수 없기 때문

에 약 0.2~0.5% 정도의 인 (P)이 함유된 고인주철에 V, Ti, Cr, Mo, Cu, B 등을

함유시킨 회주철이 주로 이용되고 있다.

회주철 (Gray Iron)은 용도가 다양하여 주철주물중 가장 많이 생산되는 주철 소재

이다. 회주철이란 충분히 함유된 Si으로 인해 탄화물이 쉽게 분해 되고, 주철용탕이

응고될 때 흑연을 정출시켜 기지 중에 편상 흑연 (flake graphite)이 나타난 것이다.

이와 같이 편상 흑연은 초정인 austenite (γ)의 정출에 잇달아서 정출되므로

austenite의 정출로 수축된 양이 흑연정출로 보상되어, 회주철에서는 응고 수축량이

매우 적게 된다. 특히 회주철은 주형면 으로부터 주불내부로 응고층이 평면적으로

진행되는 표피 생성형 응고 (skin formation solidification)를 취하지 않는 합금이므

로 전단면에 걸쳐 mushy zone을 이루고 응고한다. 그러므로, 회주철은 다른 함금

재료와 같이 주물 중심부에 수축공이 생기지 않는다. 따라서, 회주철은 비교적 건전

한 주물을 제작하기가 쉬운 재료라 할 수 있다.

본 지원 과제를 통하여 개발하고자 하는 cylinder linear는 앞서 언급한 바와 같이

cylinder 내부의 높은 압력과 온도의 가혹한 열적, 기계적 부하에 견디는 내충격성

및 내마모성이 요구되는 제품이다. 비록 회주철 주물이 비교적 수축공과 갚은 결함

에서 자유롭다고 하여도 이러한 극한 사용 조건에서 요구되는 특성을 충족시키기

위해서는 매우 섬세한 미세조직의 제어가 필수적이다. 이는 회주철 소재의 기계적

특성이 카본 조직의 분포 및 크기, 기지 조직의 상 및 크기, 비금속 개재물의 존재

에 의해 큰 특성의 차이를 나타내고, 실제로 제품화 하였을 경우, 높은 불량률을 유

발하는 주요한 요인이기 때문이다. 그럼에도 불구하고 본 과제에서 지원하고자 하

는 (주) 진영캐스팅을 비롯한 국내의 영세한 대부분의 cylinder liner 제조업체의 경

우, 기본적인 조직 제어기법 (합금설계, 응고속도 조절 등)에 대한 이해 및 이를 구

현할 수 있는 과학적인 기술의 부족으로 인하여 나날이 높아져 가는 cylinder liner

수요업체의 요구특성을 충족시키지 못하고 있다. 또한, 고강도 및 우수한 내마모성

을 얻을 수 있는 합금 원소에 대한 지식을 가지고, 자사 제품의 특성을 향상시키기

위한 공정의 개선의 필요성을 인지하고 있다 하더라도 경제적인 문제 및 연구 인력

의 부족으로 인해 제품의 품질 개선을 위한 기술개발은 엄두도 못 내고 있는 실정

이다. 따라서, 저가의 합금 원소를 이용하고 업체에 특성을 고려한 고품질의 선박

엔진용 cylinder linear의 개발 기술 지원은 안정적인 시장 확보 및 확장에 큰 어려

움을 겪고 있는 (주) 진영캐스팅과 같은 영세한 cylinder linear 제조업체에 절실한

실정이라 하겠다.

제 2 절. 기술지원 목표

본 지원 과제에서는 저가의 합금 원소를 활용한 최적의 합금 조성을 결정하고,

cylinder linear의 특성에 큰 영향을 미치는 미세조직을 효과적로 제어하여 (주)진영

캐스팅이 고품질의 cylinder liner를 주조할 수 있는 기술을 확보하도록 하는 것을

주된 목표로 하였다. 이를 위하여 국ㆍ내외 선진 기업의 우수 제품을 B/M하고, 합

금설계, 접종공정, 주물사 조건에 따른 주조 공정 등을 최적화하기 위한 연구를 수

행하였으며, 이와 더불어 실제 제조 공정에 적용하기 위한 과학적인 주조방안 설정

과 시제품의 주조 및 평가를 함께 수행하였다.

제 3 절 기술지원 내용

□ 이론적ㆍ실험적 방법을 통한 최적 합금 설계

• 합금성분에 따른 최종 미세조직의 분석 및 제어

• 합금성분과 미세조직, 미세조직과 특성과의 상관관계 규명을 통한 최적 합금조성

확립

□ 최적의 접종 처리 조건의 확립

• 접종방법 및 처리조건의 확립

• 접종방법과 미세조직, 미세조직과 특성과의 상관관계 규명을 통한 최적 접종방법

확립

□ 외형 주형 및 중자 제조기술의 확립

• 최적의 미세조직 확보를 위한 주물사의 영향

• 주물사와 냉각속도 및 주물사와 미세조직, 미세조직과 특성과의 상관관계 규명을

통한 최적 접종 방법 확립

□ 전산모사를 통한 최적 주조방안 설정

• 용탕의 유동해석 및 응고해석을 통한 최적의 주조방안 설계기술 확립

• 최적의 탕구 및 압탕의 크기, 위치 개수 설계 기법 확립

• 응고완료시접 전산모사를 통한 적정주입온도 및 주입시간 설정

□ 최적 주조조건 확립

• 합금 성분의 균일성 확보

• 최적의 주입온도 및 주입시간 설정

• 적정 냉각속도에 따른 molding cycle 도출

□ 주조제품 특성평가

• 화학성분시험

• 기계적 성질 시험

• 특성 평가 기준안 설정

제 2 장 국내외 기술현황

일반적인 선박용 디젤엔진의 cylinder linear용 소재로 사용되는 약 0.2~0.5% 정도

의 인이 함유된 주철에 V, Ti, Cr, Mo, Cu, B 등을 함유시킨 편상흑연주철은 Hv

500~600 정도의 고경도를 나타내는 공정 인화물 (phosphide eutectic)이 형성되어

뛰어난 내마모성을 가지나, 3원 공정화합물로서 공정 온도가 950℃정도로 낮기 때

문에 공정 셀 (cell)을 따라 network 상으로 결정립계에 최후로 응고한다. 따라서

강도 및 충격치를 낮추고 재질을 취약하게 하는 결점이 있으며, 주물 두께가 변화

하는 경우에는 수축결함을 유발하기 쉽다. 이러한 공정 인화물 조직을 개선하기 위

하여 P-B 주철 및 P-V 주철이 개발되었으며 이들은 모두 균일하고 치밀한

pearlite 기지 조직에 A type의 흑연을 갖는 주철로서 약간의 B 및 V을 합금시킨

소재이다. 특히, 이들 중 B를 0.02~0.04% 첨사시킨 P-B 주철, 즉 Tarkalloy 재질

이 내마모성이 가장 우수하다고 인정되고 있으며, 현재 자동차용 디젤 엔진에도 널

리 사용되고 있다. 그리고 보통 Tarkalloy보다도 더욱 많은 B을 첨가시킨 super

Tarkalloy 재질이 개발되어 현재 자동차, 농기계 및 선박용 디젤 엔진 등에 일부 사

용되고 있다. 현재 일본의 업체들은 주로 V이 다량 함유된 P-V 주철을, 국내의 대

형 주문 업체들은 P-B 주철에 Mo, Ni 등이 다량 함유된 주철 소재를 사용하고 있

다. 실제로 이러한 소재들은 선박 엔진용 cylinder linear로 사용되기 위한 미세조직

조건인 pearlite 기지와 A type의 카본을 형성시키기 위한 고가 합금 원소인 V, B,

Mo, Ni 등을 함유한 조성의 합금으로 주조되고 있으며, 따라서 조선사에서 요구하

는 기계적 특성을 충족시키는 cylinder linear가 일본 및 국내의 대형 주철주물 업체

에서는 양산하고 있다.

이러한 일반적인 cylinder linear용 주철 소재는 linear가 사용되어야 하는 조건에

따라 다양하게 개선되어 사용되고 있다. 먼저 cylinder linear의 내마모성, 내부식성

및 윤활성의 향상을 위하여 개발된 또 다른 소재가 sliding 면을 경질 Cr 도금으로

표면 처리하는 Cr 도금 cylinder linear이다. 이 경질 Cr 도금된 cylinder linear는

Cr 도금이 표면 윤활유의 보지성을 갖지 않기 때문에 표면을 다공성으로 처리한 다

공성 Cr 도금 cylinder linear가 추가로 개발되었으며 이들은 도금하지 않은

cylinder linear에 비하여 4배 정도 높은 내마모 특성을 가진다.

통상적인 냉각 계통을 갖는 cylinder linear의 경우 그 강도는 이중 재질에 의하여,

즉 내부는 Tarkalloy와 같은 고내마모성 합금을 그리고 외부는 구상화 흑연주철을

사용히는 double-layered process에 의하여 증가시킬 수 있다. 이와 같은 cylinder

linear는 sliding부인 내부가 Tarkalloy 재질이므로 내마모성이 큰 반면, 외부는 구상

흑연주철 재질로 되어 있어 높은 기게적 강도를 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나

이러한 double-layered cylinder linear는 원심 주조에 의하여서만 제작이 가능하

며, 또한 세심한 조절이 필요하므로 가격이 높아지는 단점이 있다.

보다 저질의 연료 및 높은 압력에 견딜 수 있는 또다른 제품으로는 레이저 경화

cylinder linear를 들 수 있다. Tarkalloy 합금을 레이저 경화시킨 실험실적 예비실험

결과에 의하면, 레이저 경화층은 흑연조직의 손상없이 기지조직이 100%

Martensite화 되며, 이들의 경도는 Hv 700 정도로서 경화깊이는 1 ㎜까지 가능하

다. 레이저 경화 cylinder linear의 마모율은 원래의 Tarkalloy에 비하여 약 40% 정

도, 그리고 피스톤링의 마모율은 약 50% 정도로 감소한다. 끝으로 cylinder linear

소재의 인성을 강화시키는 CV 흑연 주철제 cylinder linear가 연구되어 개발되었다.

이 합금은 B과 P이 함유된, 그리고 100% pearlite 기지조직을 갖는 CV 흑연주철을

cylinder linear에 적용한 것으로 매우 높은 최대 작동압력하에서 사용 가능할 것으

로 기대되고 있다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 현재까지 선박 엔진용 cylinder linear 소재는 회주철에

서부터 그 용도에 따라 다양하게 처리된 많은 종류의 소재가 사용되고 있다. 본 과

제에서 개발을 지원하고자 하는 cylinder linear용 주철 소재는 앞서 언급한 바와 같

이 표면처리를 하거나 V, Mo 등 고가의 합금 원소가 첨가된 주철 소재를 목표로

하고 있지 않으며, 참여 업체의 경제적 여건을 고려하여 고가 원소를 첨가하지 않

으며, 추가적인 공정을 도입하지 않은 상태에서 업체의 여건에 맞도록 최적의 품질

을 얻을 수 있는 기술 개발을 지원하고자 한다. 이러한 기술은 현재 국내 최고 수

준의 제품을 생산하고 있는 대형 주물 업체의 기술력에 비견될 수 있을 것으로 판

단한다.

제 3 장 기술지원 수행 내용 및 결과

제 1 절 기술지원 성과

1. 기술 지원의 달성 정도

2. 기술지원의 내용

가. (주)진영 캐스팅에 적합한 cylinder linear용 합금 설계

(1) 최적 합금설계를 위한 합금원소 영향 이론적 분석

선박용 cylinder linear는 매우 극심한 고온, 고압의 마모환경에서 사용되기 때문에,

주철소재 중에서도 마모 특성이 우수한 합금이 그 소재로서 사용되어야 한다. 금속

소재의 마모 특성은 경도와 밀접한 관계를 가지며, 석 (1)과 같은 관계를 가진다.

WL : Wear loss

P : Load

H : Hardness

K : coefficient

식 (1)에서 알 수 있는 바와 같이 마모율은 금속재료의 경도와 반비례의 관계를 가

진다. 경도치가 내마모 특성의 척도가 될 수 있다는 것이다.

주철의 내마모성 및 경도치는 미세조직에 의해서 크게 영향을 받는다. 미세조직을

구성하는 주요 요소들은 흑연의 형상, 크기 및 분포, 기지조직을 구성하는 펄라이트

조직의 형성 여부 및 미세화 정도, 부가적으로 형성되는 탄화물과 인화물 등이다.

일반적으로 흑연 및 펄라이트가 미세할수록 경도가 높아지며, 최종 응고 단계에서

형성되어 입계에 분포하는 탄화물 및 인화물은 높은 경도를 나타내나 결과적으로

인장강도를 비롯한 기계적 특성에는 악영향을 미친다. 이러한 미세조직의 차이는

주조조건에 의해서 결정되기 때문에 원하는 정도의 경도를 포함한 기계적 특성을

얻기 위해서는 섬세한 조직의 제어가 필수적이며, 미세조직의 제어를 위해 가장 일

반적이며 효과적인 수단 중 하나가 합금 원소의 첨가이다. 따라서, 본 과제에서는

먼저 (주)진영 캐스팅에서 생산하는 선박용 cylinder liner의 경도 및 강도를 향상시

키기 위하여 경제성 및 특성을 고려한 최적의 합금계를 결정하고자 하였다.

(가) 선진 업체에서 제조한 고품질 cylinder liner의 합금 원소 분석

(주)진영 캐스팅에서 본 지원과제를 지원하여 수행하게 된 것은 현재 생산하고 있

는 cylinder linear 소재의 품질, 특히 낮은 경도로 인하여 국내 및 국외 선진 업체

에 많은 고객사를 잃어 가고 있기 때문이다. 따라서, cylinder linear의 경도 향상을

위해 국내ㆍ외 선진 업체 제품의 성분을 일차적으로 조사하였다. 이는 이들의 조성

을 (주)전영 캐스팅의 첨가 원소와 비교하고 각 원소의 역할을 분석하여 합금 설계

의 guide line을 결정하기 위함이었다. 표 1은 (주)진영 캐스팅 및 고품질의

cylinder linear를 생산하고 있는 국내 A, B, C사 및 일본의 D사의 성분을 나타낸

다.

표 1. (주)진영 캐스팅 및 국내ㆍ외 선진 업채의 cylinder line값 소재의 조성

[wt.%].

표 1에서 나타난 바와 같이 진영 캐스팅을 포함한 모든 업체에서 함량의 차이는 있

으나 공통적으로 Si, Mn, Cu를 함유하고 있었으며, 업체에 따라 V, V+B, 혹은

V+B+Mo+Ni 등을 추가적인 합금 원소로 활용하고 있었다. 본 과제에서는 이러한

선진 업체의 조성 분석 결과를 바탕으로 하여 먼저 회주철의 미세조직 및 기계적

특성에 미치는 각 합금 원소의 영향을 살펴보았다. 앞서 언급한 바와 같이 회주철

의 기계적 특성에 영향을 주는 주요한 미세 조직적 인자는 흑연과 기지 펄라이트의

미세화 정도이다. 따라서 응고 과정 중에 흑연의 형성과 펄라이트의 형성에 미치는

각 합금원소의 영향을 살펴보았다.

(나) 흑연의 형성에 미치는 합금 원소의 영향

흑연의 형성은 Fe-C의 공정응고에 의해서 형성된다. 공정응고는 오스테나이트와

흑연의 동시 다발적인 반응에 의해서 진행된다. 일반적으로 흑연은 편상 형태로 정

출되며, 편상 흑연립의 분포 및 크기와 형태는 응고 온도와 응고속도 및 용융금속

의 핵생성 상태와 밀접하게 연관되어 있다.

그림 1은 아공정 회주철의 상태도와 응고 곡선을 나타낸다. 그림에 나타낸 바와 같

이 주철의 응고과정 중에 일어날 가능성이 있는 공정응고는 두 가지이다. 안정한

철-흑연 공정 반응과 철-탄화물 반응이다. 응고 과정 중에 흑연이 생성되기 위해서

는 액상이 공정 온도 이하로 충분히 과냉 되어야 한다. 과냉도의 크기 (그림 1의 Δ

T)는 흑연의 생성에 필요한 흑연 핵 생성 처 (uncleation site)의 숫자를 결정하는

요소이기 때문에, 흑연의 형상 및 미세화를 결정하는 핵심적인 요소이다. 일반적으

로 흑연은 그림 2와 같이 크기와 형상에 따라 그 type을 분류할 수 있는데, 이러한

흑연 type의 차이가 나타나는 핵심적인 원인이 과냉도라는 것이다.

그림 1. 아공정 회주철의 공정응고 상태도 및 응고 곡선.

일반적으로 과냉도가 철-흑연 공정온도와 철-탄화물 공정온도의 차이 (그림 1의

T1) 이하이고, 응고가 철-탄화물 공정온도 이상에서 종류 될 때 A type의 흑연이

형성되며, 과냉도의 크기가 커감에 따라 흑연의 분포는 더욱 미세하여 지고 형태는

A → B → C → D의 순으로 점차 변화해 간다. 그리고, 과냉도의 크기가 매우 커

철-탄화물 공정 온도 이하로 과냉될 경우에는 칠 조직과 같은 탄화물 조직이 함께

나타나게 된다. 합금 원소들의 첨가가 카본의 형태 또는 탄화물의 형성에 영향을

미치는 것이 이 부분이다. 합금원소들은 철-흑연, 그리고 철-탄화물 공정의 평형

고상 온도를 변화 시킨다 (그림 3).

그림 2. 크기 및 형상에 따른 흑연의 분류.

그림 3. 철-흑연 공정온도와 철-탄화물 공정온도의 변화에 미치는 합금원소들의

영향.

합금원소들은 두 개의 공정 온도 모두를 변화시키기 때문에 두 공정 온도 사이의

간격을 변화시키고 이로 인해 같은 냉각속도 하에서도 과냉도의 크기를 조절하는

역할을 한다. 따라서, 다른 응고 조건들이 동일하다면 첨가된 합금원소의 종류와 함

량에 따라 흑연의 형태를 변화되고, 칠의 형성 경향이 강해지거나 약해지게 된다.

일반적으로 흑연화제인 Si, Ni, Cu, Co는 철-흑연 공정온도를 올림과 동시에 철-

탄화물 공정온도를 떨어뜨리는 역할을 하기 때문에 과냉도의 크기를 높이며, 탄화

물 형성 확률을 억제한다.

Cr, V, Ti과 같은 탄화물 안정화제는 철-흑연 공정온도를 저하시키는 동시에 철-탄

화물 공정온도를 상승시키는 기 때문에 두 온도 구간 사이의 간격이 좁아져 두 공

정온도 사이 구간 내이l서 과냉도의 크기 조절이 어려워지며, 탄화물의 형성이 쉬워

진다. 또한, 두 공정온도를 모두 낮추는 역할을 하는 Mn, Mo, P와 같은 원소들은

흑연이나 탄화물의 형성 경향에 큰 영향을 미치지는 않는다.

(다) 펄라이트 형성에 미치는 합금 원소의 영향

합금 원소의 주요한 첨가 목적 중 하나는 오스테나이트 상변태를 조절하는 것이다.

합금 원소들은 크게 페라이트의 생성을 조장하는 것과 펄라이트의 생성을 조장하는

것으로 나눌 수 있다. 펄라이트의 생성을 조장하는 원소들은 펄라이트를 미세화 시

킴으로써 강도 및 경도 향상에 기여한다. 응고 완료 후 냉각 과정에서 일어나는 오

스테나이트 상변태에 가장 많은 영향을 미치는 것은 냉각속도이다. 이는 그림 5에

나타난 페라이트와 펄라이트의 연속냉각변태도 (CCT)에서 알 수 있다. 펄라이트는

열역학적으로 준안정한 상이기 때문에 상대적으로 높은 냉각속도 하에서 형성되며

CCT상에서 페라이트에 비하여 변태 nose가 앞에 나와 있다. 반면, 페라이트는 평

형상이기 때문에 빠른 느린 속도를 요한다. 그림 4에서 냉각속도가 a와 같이 빨라

서 페라이트의 변태범위 내에 있을 경우에는 펄라이트가 형성되며, 느린 b와 같은

경우에는 페라이트가 형성된다. 대부분의 합금원소들은 페라이트와 펄라이트의 형

성 구역을 장시간축과 저온 쪽으로 이동시킨다. 결과적으로 서냉의 경우에도(b 곡

선) 페라이트의 형성을 막으면서 완전한 펄라이트의 조직을 얻을 수 있다. 각 합금

원소들의 펄라이트의 형성 및 미세화에 미치는 영향은 다음과 같다. Cr, Cu, Ni과

같은 원소는 펄라이트 미세화에 충분한 강화효과를 얻기 위해서는 많은 양을 첨가

해야 하며, 미세화 효과는 약하다. Mn은 경화능 효과에서는 중간정도이나, 적절한

Mn-S의 균형을 맞춰야 하기 때문에 때때로 Mn의 사용은 제한된다. V과 Mo은 경

도 증가에 가장 큰 효과가 있으므로 펄라이트의 미세화에 의해 상당한 강화효과를

얻기 위해 첨가량은 적다. 물론 이러한 원소들을 단독 첨가하는 것으로도 충분한

펄라이트 미세화를 얻을 수 있다. 그러나, 두 가지 또는 그 이상의 합금원소들의 복

합 첨가는 경화능의 증가에 상승효과를 가질 수도 있다는 것이 잘 알려져 있다.

Mo+Ni, Mo+Cu, Cr+Mo과 같은 특정 합금의 조합이 특히 효과적이라고 알려져 있

다. 이런 방법으로 합금 조합을 사용하는 것은 전체 합금량을 감소시키는데 아주

효과적이고, 합금비용을 낮추고, 합금의 편석과 탄화물의 생성 경향을 적게 할 수

있다.

그림 4. 미합금 및 합금화된 주철 연속냉각변태도 (CCT).

(라) 탄화물의 형성에 미치는 합금 원소의 영향

응고 과정 중 업계에 형성되는 탄화물은 앞서 언급한 흑연의 형성 거동과 유사하게

생각할 수 있다. 그림 3은 입계 탄화물이 형성될 수 있는 전형적인 응고 곡선을 나

다낸다. 탄화물은 응고과정의 후반기에 형성될 수 있다. 공정 응고가 진행됨에 따라

방출되는 응고 잠열은 통상적으로 온도를 상승시키기에 충분히 크다. 응고가 종료

되면서 공정반응의 속도는 감소하고 온도는 떨어지기 시작한다. 잔류하는 용탕이

그림 5에 탄화물 공정온도 이하로 냉각되면 탄화물이 정출될 수 있다. 따라서, 이

러한 탄화물의 정출은 철-흑연 공정온도 및 철-탄화물 정출온도와 밀접한 관계가

있으며, 두 공정 온도를 변화시키는 역할을 하는 합금 원소의 첨가는 탄화물의 크

기 및 양에 결정적인 역할을 한다. 그림 3에서 철-탄화물 공정 온도를 높이고, 철-

흑연의 공정 온도를 낮추는 역할을 하는 Cr, Ti, V과 같은 원소들은 탄화물의 정출

가능성을 높이는 역할을 하며, 이와 반대로 작용하는 Si, Ni, Cu, Co 등은 탄화물

형성을 억제하는 역할을 한다.

그림 5. 탄화물 생성을 위한 응고곡선.

(라) (주)진영 캐스팅의 cylinder linear용 합금 설계 방안

주철의 미세조직에 대한 분석 결과, 주철이 cylinder linear용 소재로서 적합하도록

경도와 인장강도를 높이는 데 가장 효과적인 원소는 펄라이트 미세화에 효과가 큰

V과 Mo인 것으로 판단하였다. 이것은 표 1에 제시한 바와 같이 고품질 cylinder

linear를 제조하고 있는 타 업체 제품 모두에 V이 함유되어 있다는 사실과 일치한

다. 특히 일본 D사 제품의 경우에는 여기에 더하여 Ni을 첨가하고 있는데 이는 Mo

와 Ni의 첨가가 주철의 경화능을 향상시키기 때문이다. 다만 V, Mo와 같은 원소들

은 강력한 칠 형성 원소들이고 형성된 칠 조직은 경도 향상에는 유익하나 인장 강

도 및 가공성을 고려하여 강력한 흑연화 원소인 Si, Cu 등을 진영 캐스팅에 비해

다량 첨가한 것으로 보인다. 또한, 진영 캐스팅을 제외한 모든 업체에서 0.2% 이상

의 P를 함유하고 있는데, 이는 경도가 높은 스테다이트 조직의 형성을 위한 것으로

판단하였다.

따라서, 진영 캐스팅 제품의 효과적인 경도 및 인장 강도 향상을 위해서는 V이나

Mo을 첨가하는 방향으로 합금 조성을 개량하는 것이 타당하지만, V과 Mo는 고가

의 합금 원소이기 때문에 진영 캐스팅과 같은 영세 주물 주조 업체로서는 합금화

원소로 사용하기가 어려운 실정이다. 이 때문에 본 지원과제에서는 펄라이트의 강

력한 조장 원소인 Cr을 첨가하고, 비교적 많은 양이 요구되어 지나 펄라이트의 미

세화 효과가 있는 Cu, Ni을 첨가하였으며, 앞서 언급한 이유로 Si 및 P의 함량을

증가시키는 방향으로 진영 캐스팅의 cylinder linear를 위한 합금 설계안을 설정하였

다. 이는 Cr, Ni, Cu가 비교적 저렴한 원소이기 때문이었다.

(2) 주조 실험 및 특성 분석을 통환 최적 합금계 선정

(가) 최적 합금 조성 선정을 위한 조성 선정 및 주조 실험

(주)진영 캐스팅에 적합한 합금 성분을 결정하기 위한 주조 실험은 모두 3차에 걸

쳐서 이루어 졌다. 기존 생산 조성에서 성분을 변화시킨 원소는 크게 Si, Mn, Cr,

P, B, Ni 이었으며, 최적 합금계는 1차 설계안에 대해 주조 실험을 행한 후, 그들의

특성 및 미세조직을 평가하고 목표로 하는 기계적 특성에 도달할 수 있는 방향으로

성분 조성을 2차, 3차에 걸쳐 개선해 나가는 방향으로 실험하여 결정하였다. 3차에

걸쳐 실시한 합금의 성분을 그림 6에 나타내었다. 각 개량 합금에 대해서는 다음

절에서 설명하겠다.

표 2. 기존 생산 합금 조성과 1~3차 개량 합금 조성 비교

그림 6. 기존 생산 합금 조성과 1~3차 개량 합금 조성 비교

각 주조 실험은 (주)진영 캐스팅과 협의를 거쳐 첨가 원소 및 함량을 결정하고 성

분 조성에 맞추어 용해하여 주조하였다. 주조 실험을 위한 주형은 기존 진영 캐스

팅에서 사용하고 있는 주물사를 사용하여, 지름 45㎜, 높이 200㎜로 원통형으로 조

형하여 실험하였다.

(나) 기존 합금 및 1차 개량합금의 미세조직 및 특성평가

1차 개량합금의 설계안은 기존 합금계에서 경도를 증가시키는 방향으로 이루어 졌

다. 앞서 언급한 바와 같이 주철의 조직 중 경도를 크게 향상 시키는 역할을 할 수

있는 조직은 미세화된 흑연과 펄라이트, 탄화물, 그리고 스테다이트 조직이다. 따라

서, 1차 합금 설계는 흑연상을 미세화 시킬 수 있도록 Si의 함량을 늘리고, Mn의

함량을 감소시키며, 펄라이트 형성을 촉진시키기 위하여 Cr을 첨가하였다. 또한, B

을 미량 첨가하여 탄화물에 의한 강화효과를 기대하였다. 1차 합금의 조성은 그림

6에서 제시한 바와 같다.

그림 7은 기존 합금과 1차 개량 합금의 주조 후 흑연 조직을 관찰한 조직 사진이

다. 그림 7에서 알 수 있는 바와 같이 기존 합금과 1차 개량 합금 모두 수지상 사

이에 흑연이 정출되어 있고 불균일하게 분포하고 있어, D type의 흑연 분포를 나타

냈다. 1차 합금설계 시 Si의 함량을 증가시킨 것은 Si이 철-흑연 공정온도를 높여

같은 냉각속도 하에서도 더 높은 과냉도를 유발하기 때문에, 많은 수의 미세한 흑

연조직의 형성을 기대했기 때문이었다. 또한, Mn의 경우에는 비록 오스테나이트에

대한 탄소의 용해도를 증가시킴으로서 오스테나이트를 안전하게 만들고, 이에 따라

펄라이트를 미세화 시키는 영향이 있으나, Mn의 다량 첨가는 MnS를 정출하는

Mn-S의 균형을 깨뜨릴 수 있고 핵생성 상태를 변화시킬 수 있어 공정 셀의 수가

적어지고 흑연의 미세화를 방해하는 효과가 있다. 이는 Mn이 철-흑연 공정온도를

낮추는 효과가 있어 과냉도의 크기를 감소시키기 때문이다. Mn의 이러한 효과때문

에 1차 개량 합금에서는 Mn의 함량을 소량 감소시켰다. 그러나, 그림 7의 50배 흑

연 조직에 나타난 바와 같이 기대했던 바와 같은 흑연 조직의 미세화 효과는 그리

크지 않았으며, Mn 함량의 추가적인 감소가 필요한 것으로 판단하였다.

그림 7. 기존합금과 1차 개량합금의 흑연 조직 (에칭 전).

그림 8은 기존 합금과 1차 개량 합금의 에칭 후 조직을 나타낸다. 그림에서 검게

선처럼 보이는 것이 카본이며, 희고 밝게 보이는 입자들은 입계에 탄화물이 정출된

것으로 예상할 수 있다.

그림 8. 기존합금과 1차 개량합금의 미세조직 (에칭 후).

그림 8에 나타난 탄화물의 성분을 명확히 하기 위하여 1차 개량합금의 펄라이트 기

지 조직과 탄화물 입자의 성분을 SEM EDS로 분석하였으며 그 결과를 그림 9와

10에 나타내었다. 그림 9에서 알 수 있는 바와 같이 1차 개량 합금의 기지 조직은

페라이트와 세멘타이트로 구성된 펄라이트로 구성되어 있었으며, EDS 분석 결과

Fe, Si 등 다량으로 첨가된 상분들이 검출 되었다. 그러나, 1차 개량합금에서 발견

된 여러 정출물에 대한 성분 분석을 행한 그림 10의 EDS 결과에서 Fe-Cr-C 또는

Fe-Cr-Mn-C이 검출되어 그림 8에서 찾을 수 있는 입자상이 Cr계 혹은 Cr-Mn계

탄화물임을 확인할 수 있었다. 일반적으로 Cr이나 V같은 탄화물 안정화제가 액상내

에서 증가하거나, Si이나 Ni같은 흑연화제가 액상내에서 감소함에 따라 잔류하는 액

상의 철-탄화물 공정온도는 점진적으로 증가한다. 동시에 남아있는 액상의 철-흑연

공정온도는 감소하는데 이는 흑연화제 원소들이 편석 때문에 고갈되기 때문이다.

결과적으로 응고속도는 감소하며, 응고온도 또한 감소한다. 실제로 응고편석은 응고

가 진행됨에 따라 철-탄화물 공정온도와 철-흑연 공정온도 사이의 간격을 연속적

으로 감소시킨다. 결과적으로 응고할 최종 액상의 철-탄화물 공정온도는 잔류하는

액상의 온도에 도달한다. 따라서, 응고할 최종 액상은 Fe-Cr-C과 같은 복합 탄화

물의 형태로 입계에 정출되는 것이다.

그림 8에서 알 수 있는 바와 같이 1차 개량합금의 조직에는 기존 합금에 비하여 입

계에 다량의 탄화물이 존재한다. 이는 탄화물 안정화 원소인 Cr과 B 첨가의 영향인

것으로 판단된다. 다만 그림 11에서 알 수 있는 바와 같이 기존 합금의 경우에도

일부 공정 탄화물로 보이는 입자의 존재가 관찰 되었으나 그림 11의 1차 개량합금

에서 관찰된 것과 같은 입계에 존재하는 Cr계 복합 탄화물이 존재하지는 않았다.

그림 11에서 검정색 세모로 표시된 부분은 3원계 공정 스테다이트로 판단되며, 기

존 합금에 비하여 Cr과 P이 각각 새로이 첨가된 1차 개량합금의 경우 탄화물과 3

원계 공정 인화물이 함께 정출된 것으로 나타났다. 또한, 기존 합금과 1차 개량합

금의 기지 조직인 펄라이트 조직을 살펴본 결과 1차 개량합금과 기존합금의 펄라이

트 층간간격에는 큰 변화가 발견되지 않았다. 이는 1차 개량합금에 펠라이트의 형

성을 조장하는 Ni이 소량 첨가되어 있으나, 펄라이트를 미세화할 수 있는 원소가

함유되어 있지 않으며, Ni의 경우에 미세화 효과를 얻기 위해서는 추가적으로 많은

양이 첨가되어야 하기 때문이다.

그림 9. 1차 개량합금의 기지조직에 대한 SEM EDS 분석 결과.

그림 10. 1차 개량합금의 입계 탄화물에 대한 SEM EDS 분석 결과.

그림 11. 기존 합금 및 1차 개량합금에서 나타난 탄화물.

표 3. 기존합금 및 1차 개량합금의 기계적 특성.

표 3는 기존합금과 1차 개량합금의 기계적 특성을 나타낸다. 기존합금에 비하여 브

리넬 경도값은 227에서 241로 높아졌으나, 인장강도의 경우에는 큰 차이가 나타나

지 않았다. 흑연 미세조직 및 펄라이트 층간 간격의 차이가 거의 나타나지 않았기

때문에 인장강도에는 차이가 없었던 것으로 판단되며, 경도의 경우에는 일부 정출

된 경한 조직인 Cr계 복합 탄화물과 스테다이트의 영향으로 경도값이 증가한 것으

로 사료된다. 1차 개량합금에 대한 기계적 특성 평가 결과 조직의 개선이 추가적으

로 요구되는 것으로 판단하였으며, 2차 합금은 흑연을 좀더 미세화 하고, 탄화물

및 스테다이트의 함량을 좀 더 증가시키는 방향으로 설계되었다.

(다) 2차 개량합금의 미세조직 및 특성 평가

1차 개량합금에 비하여 2차 개량합금의 경우에는 과냉도의 크기를 작게 하여 흑연

의 미세화를 방해하는 것으로 판단되는 Mn의 함량을 크게 감소시켰다. 과냉도의

크기는 증가시킬 수 있으나, 유리 페라이트의 형성을 촉진시킬 수 있는 Si의 경우

에는 2차 개량합금에서는 소량 감소시켰다. 이는 실제적으로 1차 개량합금의 분석

결과, 그 효과가 크게 없는 것으로 판단하였기 때문이다. 또한, 탄화물의 형성을 조

장하는 Cr과 스테다아트를 정출하는 P의 경우는 경도 향상을 염두에 두고 2차 개

량합금에서는 그 함량을 모두 증가시켰다. 반면, B, Ni, Cu 등 타 원소들은 1차 합

금설계 때와 같은 함량을 유지하였다.

그림 12는 2차 개량합금의 흑연조직을 관찰한 조직사진이다. 2차 개량합금 또한 기

존 및 1차 개량합금과 마찬가지로 D type의 흑연 형상을 나타냈다. 그림 12의 50

배 광학사진에서 2차 개량합금은 1차 개량합금에 비하여 흑연의 분포가 더욱 미세

해 진 것을 알 수 있다. 이는 흑연의 핵생성과 조대화에 영향이 큰 Mn의 함량이

감소하였기 때문인 것으로 판단된다. 1차 개량합금과 2차 개량합금에서 Mn의 함량

에 따라 흑연 미세화에 차이가 나타나는 것은 Mn의 첨가가 철-흑연 공정온도를 낮

추는 효과가 있어, 과냉도를 저하시키고 핵생성의 수를 감소시키는 효과가 있기 때

문이다.

그림 13은 1차 개량합금과 2차 개량합금의 에칭 후 조직을 나타낸다. 2차 개량합

금의 조직에서 1차 개량합금과 가장 크게 차이가 나타나는 것은 Cr계 복합 탄화물

과 스테다이트 정출물의 양이 크게 증가했다는 것이다. 이는 Cr과 P의 함량 증가에

서 유발된 것이다. 그러나 기지 조직을 관찰한 그림 14에서 펄라이트 층간간격은

크게 차이가 나타나지 않았다.

그림 12. 2차 개량합금의 흑연 조직 (에칭 전).

그림 13. 1차 개량함금과 2차 개량합금의 미세조직 (에칭 후).

그림 14. 1차 개량합금 및 2차 개량합금의 기지조직.

표 4. 1차 개량합금 및 2차 개량합금의 기계적 특성.

표 4은 1차 개량합금과 2차 개량합금의 기계적 특성을 나타낸다. 1차 개량합금에

비하여 브리넬 경도값은 241에서 255로 높아졌으며, 인장강도의 경우에는 276㎫에

서 278㎫로 소폭 증가하였다. 경도의 증가는 Cr 및 P의 증가로 인하여 탄화물 및

스테다이트 정출물 양의 증가와 흑연 조직의 미세화하였기 때문이며, 인장강도의

미세한 증가는 흑연의 미세화에 의한 것으로 판단되나 과도하게 정출된 탄화물 및

스테다이트의 영향으로 흑연 미세화의 효과가 상쇄된 것으로 판단된다. 과도하게

정출된 탄화물 및 스테다이트는 경도는 효과적으로 증가시킬 수 있으나, 취성을 증

가시켜 강도를 저해하기 때문이다. 따라서, 3차 합금은 Cr 및 P의 함량을 감소시켜

강한 취성을 나타내는 탄화물 및 스테다이트의 함량을 감소시키고, 경도를 증가시

키면서도 인장 강도의 감소효과가 작은 흑연을 더욱 미세화 하는 방향으로 설계되

었다.

(라) 3차 개량합금의 미세조직 및 특성 평가

3차 개량합금에는 흑연의 추가적인 미세화를 위하여 Mn의 함량을 추가적으로 감소

시켰으며, 과냉도의 크기를 증가시키는 Si의 함량을 소량 증가시켰다. 반면, 탄화물

및 스테다이트의 정출양을 감소하기 위하여 Cr과 P의 함량을 2차 개량합금의 수준

으로 감소하였다. 또한, 타 합금 원소에 대해서는 1,2차 개량합금의 수준으로 유지

하였다.

그림 15는 3차 개량합금의 흑연조직을 관찰한 조직사진이다. 50배로 조직을 관찰

한 조직사진에서 3차 개량합금은 2차 개량합금에 비하여 더욱 미세화된 흑연조직을

나타냈다. 이는 3차 개량합금 설계 시 예상하였던 Mn 감소와 Si 증가의 효과인 것

으로 판단된다. 또한, Cr 및 P의 감소 효과는 그림 16에서 볼 수 있다. 3차 개량합

금의 탄화물 및 스테다이트 정출물의 양은 1차 개량합금 수준으로 감소하였다. 또

한, 1, 2차 개량합금의 경우와 마찬가지로 3차 개량합금의 기지조직상의 펄라이트

층간간격 또한 큰 차이가 나타나지 않았다 (그림 17).

그림 15. 3차 개량합금의 흑연 조직 (에칭 전)

그림 16. 2차 개량함금과 3차 개량합금의 미세조직 (에칭 후).

그림 17. 2차 개량합금 및 3차 개량합금의 탄화물 및 기지조직.

표5. 2차 개량합금 및 3차 개량합금의 기계적 특성.

표 5는 2차 개량합금과 3차 개량합금의 기계적 특성을 나타낸다. 2차 개량합금에

비하여 브리넬 경도값은 255에서 263로 높아졌으며, 인장강도의 경우에는 278㎫에

서 312㎫로 크게 증가하였다. 2차 개량합금에 비하여 3차 개량합금 내에 정출된

탄화물 및 스테다이트 조직이 감소하였기 때문에 흑연조직의 추가적인 미세화가 경

도의 증가에 기여한 것으로 사료된다. 이러한 카본 미세화의 효과는 인장강도의 증

가에도 크게 기여한 것으로 판단된다.

이상의 1, 2, 3차 개량합금의 기계적 특성을 그림 18에 도시하였다. 본 과제에서

(주)진영 캐스팅에 적합한 합금계의 선정을 위한 개량합금의 주조실험은 기존 합금

의 특성이 점진적으로 개선되도록 설계하여 변경하였으며, 그림 18에서 나타난 바

와 같이 목표 기계적 특성에 근접한 결과를 얻었으며, 3차 개량합금 조성을 (주)진

영 캐스팅에 적합한 조성으로 결정하였다.

그림 18. 기존합금의 개량화 처리에 따른 기계적 특성.

나. 고품질 cylinder linear제조를 위한 접종제 선정

가’절에서 언급한 바와 같이 주철의 경도 및 인장강도는 기지 조직 뿐 아니라 흑연

의 형성 및 분포에 크게 영향을 받으며, 어떠한 형태의 흑연이 형성되느냐는 철-흑

연 공정에 대한 과냉도의 크기로 결정된다. 주철이 건전한 형태의 흑연 (A type)을

얻기 위해서는 가능한 한 작은 과냉도를 갖는 것이 중요하다. 그러나, 공정 흑연의

형성을 위해서는 높은 과냉도가 필요하기 때문에 낮은 과냉도 하에서 형성되는 A

type의 흑연 조직을 얻기는 쉽지가 않다. 접종제는 낮은 과냉도 하에서도 흑연이

쉽게 형성될 수 있도록 돕는 첨가제를 의미한다. 접종 처리는 흑연 형성을 위한 핵

생성처의 수를 증가시키며 철-흑연 공정 반응이 더 높은 온도에서 일어나도록 한다

(그림 19). 따라서, 충분한 접종의 효과를 얻게 되면 건전한 형태의 미세한 흑연 조

직을 얻을 수 있고 기지조직이 균일화되어 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 이

때문에 회주철의 주조 과정에서 접종처리는 매우 중요한 공정과정이다.

따라서, 본 지원과제에서는 (주)진영 캐스팅의 cylinder linear 제품의 품질 개선을

위해 적합한 접종을 위한 주조 실험 및 분석 평가 실험을 행하였다.

그림 19. 접종처리에 의한 철-흑연 공정반응 온도 상승

(가) 접종제의 종류 및 주조실험

상업적으로 사용되는 모든 접종제는 페로실리콘, 흑연 혼합물과 철계 합금 또는 페

로실리콘 혼합을 기본으로 하며, 이러한 합금들은 45~50% 또는 60~75% Si과 부

가원소 그리고 철로 구성된다. 일반적인 부가원소는 다음과 같다.

그림 20. 접종제의 종류 및 형상.

• 알루미늄 (Aluminium) : 일반적으로 Fe-Si 합금에 존재하며 접종 효과는 작다.

높은 A1 함량은 생형에서 수소핀홀 문제를 발생시키므로 접종제에서 1.5% 이하를

추천한다. 몇몇 인몰드 (in-the-mould-alloys)에서는 높은 A1 함량 (＞4%)을 가지

고 있고 이것이 효과적이다.

• 바륨 (Barium) : 강력한 흑연화 원소이며 접종의 fading 방지에 효과를 가진다.

3%까지는 유익하나 과한 경우 슬래그 결함 (slag defect)를 일으킨다. 어떤 주물에

서원만하지 못한 교축부를 가진 경우 또는 비교적 무른 주형일 경우 공정 셀의 수

가 많음에 따라 Ba의 사용은 inter-cell shrinkage을 일으킬 수 있다.

• 칼슘 (Calcium) : 중간 정도의 접종 효과를 가지며 보통 다른 원소와의 결합재로

투입된다. 바륨과 칼슘의 결합은 S 0.03~0.05%로 낮은 경우 특히 효과적이다.

• 스트론튬 (Strontium) : 중간정도나 높은 S 레벨에서 Sr 1% 정도의 함유는 회주

철에서 가장 강력한 접종효과를 가진다. 칠 방지나 박육에서 조직의 개선도 Sr 함

유 접종제는 매우효과적이다. 접종 효과 소실의 방지에도 이 합금은 효과적이다. 특

히, Sr을 함유한 페로실리콘은 다른 원소들에 비해 낮은 공정셀 수를 가지면서도

칠 감소에 강력하다.

• 지르코늄 (Zirconium) : 모든 목적에 중간정도 효과를 가지며 칠 감소에 좋은 원

소로서 특히 카본 당량이 높은 경우 흑연 형상 개선에 유효하다. Zr은 부가효가로

큰 중자 또는 쉘 조형에서 무해한 ZrN2를 형성 질소 콘트롤의 장점이 있다.

이러한 부가원소들을 함유한 페로실리콘은 가장 널리 쓰이는 접종제이며, (주)진영

캐스팅에서는 1%의 Ba이 함유된 Ba계 접종제를 0.1% 용탕에 첨가하여 사용하고

있다. 본 지원과제에서는 일반적으로 널리 사용되고 있는 접종제 중 Zr계 접종제,

진영 캐스팅에서 사용하는 접종제를 포함한 2종류의 Ba계 접종제, 그리고 Sr계 접

종제를 선정하여 실험하였다. 또한, 비교를 위하여 접종처리를 하지 않은 시험 주물

을 주조하였다. 그림 20은 접종제의 종류 및 형상을 나타낸다. 주조 실험은 그림

21에 나타난 바와 같은 크기와 형상의 주형을 사용하였으며, 주형 중심의 아래에서

40 ㎜ 위치에 themocouple을 설치하여 냉각속도를 측정하였다. 접종 처리는 각 접

종제 0.3%를 주입 과정에서 첨가하였다. 실험에 사용한 기준 조성은 기존에 (주)진

영 캐스팅에서 생산하는 cylinder linear의 조성이었다.

그림 21. 주물의 냉각속도 측정에 사용된 실험 설비 및 주형

(나) 접종제에 따른 미세조직 및 기계적 특성

(주)진영 캐스팅의 cylinder linear의 품질 향상을 위한 적합한 접종제의 선정을 위

해 서로 다른 접종제로 접종처리 한 시험 주물을 주조하고 미세조직 및 기계적 특

성을 평가하였다. 그림 22은 접종제에 따른 시험 주물의 인장강도 및 경도를 나타

낸다. 그림 22에서 인장강도의 크기는 접종처리를 하지 않은 A 주물에서 가장 낮은

값을, (주)진영 캐스팅에서 사용하는 접종제 (이하 Ba계 접종제-1)를 사용한 E 주

물에서 다음으로 낮은 인장강도를 나타냈다. 본 지원과제에서 새로이 적용한 Zr계,

Sr계 및 3%의 Ba을 첨가한 Ba계 접종제 (이하 Ba계 접종제-2)의 경우에는 3가지

접종제를 사용한 B, C, D 주물 모두 인장강도가 증가하는 경향을 보였으며, Ba계

접종제-2를 사용하여 접종 처리한 C 주물의 경우에 가장 우수한 인장강도를 얻을

수 있었다.

반면, 시험 주물의 경도는 인장강도와 반대의 경향을 나타냈다. 인장강도가 가장 낮

았던 A 주물이 가장 높은 경도를 나타냈으며, E 주물에서 다음으로 높은 경도를 얻

을 수 있었다. 높은 인장 강도를 보였던 B, C, D 주물의 경우에는 상대적으로 낮은

경도 값을 나타냈다.

그림 22. 접종제의 종류에 따른 기계적 특성 (인장강도, 경도).

그림 22에 나타난 기계적 특성의 원인을 살펴보고 접종제에 따른 접종 처리 효과를

살펴보기 위해서 각 시험 주물의 흑연 조직을 관찰하였으며, 그림 23에 그 결과를

나타냈다. 접종 처리를 하지 않은 A 주물은 미세한 D type의 흑연조직이 나타났으

며, Ba계 접종제-1을 사용한 E 주물의 경우에는 일부 A type의 흑연조직이 관찰되

었으나 대부분이 미세한 D type의 흑연조직으로 구성되어 있었다. 반면, B, C, D

주물에서는 D type의 흑연조직이 크게 감소하고 대부분이 A type의 흑연 조직을

나타내었다. 특히, C 주물의 경우에는 거의 모든 조직이 A type의 흑연으로 구성되

어 있었다. 이러한 결과는 현재 (주)진영 캐스팅에서 사용하는 0.1%의 Ba이 함유

된 Ba계 접종제의 접종효과가 거의 없음을 나타내며, Zr, Sr계 접종제 및 Ba이

4~8% 함유된 접종제의 접종효과가 우수함을 의미한다. 일반적으로 A type의 흑연

조직은 D type에 비하여 경도는 떨어지나 인장 강도, 가공성 등 우수한 기계적 특

성을 나타낸다.

그림 22에 나타난 기계적 특성의 차이는 접종 효과의 차이에서 나타나는 흑연 조직

의 차이에서 유발된 것으로 판단된다. 주철의 기계적 특성에 주요한 역할을 하는

또 한 가지 인자는 기지조직, 특히 펄라이트 기지의 주철 합금의 경우에는 펠라이

트의 미세화 여부이다. 그러나, 에칭 후 기지 조직을 관찰한 그림 24에서 알 수 있

는 바와 같이 본 실험에서 접종제의 종류는 펄라이트의 층간 간격에 큰 차이를 유

발하지 않았으며, 결과적으로 조직은 접종제에 따른 기계적 특성에 큰 영향을 미치

지 않는 것으로 판단하였다.

앞서 언급한 바와 같이 주철 조직에서 흑연 조직의 차이는 철-흑연 공정온도에 대

한 과냉도의 차이에서 유발되며, 접종의 효율성 또한 과냉도의 차이를 통해서 평가

할 수 있다. 과냉도의 크기가 작을수록 접종효과는 우수하다는 것이다. 본 지원과제

에서는 이를 평가하기 위해서 주물의 응고 시 온도변화를 살펴보았다. 그림 25는

접종제의 종류에 따른 응고 곡선을 나타낸다. 응고 곡선에서 3 온도에 걸쳐서 상변

태 구간이 나타나고 있다. 먼저 T1 온도는 오스테나이트 초정 정출 온도이며, T2

온도는 철-흑연 공정 온도를 나타내고, T3 온도는 오스테나이트-펄라이트 변태 온

도를 나타낸다. 접종제 효과의 고찰을 위해 관심을 가져야 할 부분은 T2 온도 구간

이며 그림 25의 아래 그래프에 1120℃에서 1180℃ 구간에 대한 응고 곡선을 확대

하여 나타내었다. 그림 25의 확대 응고 곡선에서 분명히 알 수 있는 바와 같이 안

정한 철-흑연 공정온도를 기준으로 하였을 때 모든 조건 (비접종 + 접종제의 종류)

에 대해서 과냉 현상이 나타나고 있으며, 다만 접종제의 종류 및 사용 여부에 따라

과냉도의 차이가 나타났다. 접종처리를 하지 않은 A 주물에서 가장 큰 과냉이 나타

났으며, Zr계 접종제 및 Ba계 접종제-2를 첨가한 B, C 주물에서 가장 낮은 과냉도

가 나타났다. 이러한 결과는 앞서 관찰한 미세조직의 변화와 일치하는 결과이다. 결

과적으로 Zr계 접종제 및 Ba계 접종제-2를 사용하여 접종할 경우에 가장 낮은 과

냉도가 나타났으며 이로 인해 이들 시험 주물에서 대부분이 A type인 흑연 조직이

나타난 것이다.

이상의 결과에서 (주)진영 캐스팅에서 제작하는 cylinder linear에 대해서 Zr계 및

Ba계 접종제가 유효한 것으로 보이며, Ba계 접종제를 지속적으로 사용하고자 할

경우에는 Ba의 함량을 4~8%로 높인 접종제가 적당한 것으로 판단하였다.

그림 23. 접종제의 종류에 따른 흑연 조직의 변화 (에칭 전).

그림 24. 접종제의 종류에 따른 기지 조직의 변화 (에칭 후).

그림 25. 접종제의 종류에 따른 시험 주물의 응고 곡선.

다. 최적 주형 및 중자 제작을 위한 주물사 선정

(1) Cylinder liner 제작에 사용되는 주물사 특성조사

(주)진영캐스팅의 경우 CO2 주형법을 이용하여 주철주물을 제작하는 공법을 사용하

고 있으며 주형소재로서 주형용 골재(주물사), binder(규산소다), catalyst(CO2)를

사용하고 있다. 이에 생산된 주철주물의 특성과 밀접한 관계에 있는 주물사에 대해

조사하였으며 또한 다양한 주물사를 이용하여 조형된 주형의 냉각능 및 이에 따른

주철주물의 특성 변화에 대해 조사하였다.

주형의 주요소재인 주물사가 갖추어야 할 조건으로서 주형제작이 쉽고, 주물 원형

의 치수와 모양을 정확하게 재현할 수 있어야 하며 주형의 취급이나 운반, 또는 주

입할 때 용탕의 압력이나 충격에 견딜 수 있는 강도를 형성해야 한다. 그 외에 요

구조건은 아래와 같다.

- 용탕과의 반응이 적고 고온특성이 우수할 것

- 통기성을 확보하여 용탕 및 주형내 발생 가스의 배출이 용이할 것

- 주입 완료 후 용탕의 응고와 수축에 대하여 수축성을 보유하며, 응고 완료 후 탈

사공정이 용이할 것

- 경제성 및 재생성이 고려될 것

주물사의 대부분을 차지하는 규사(silica sand)는 일반적으로 산지, 산출상태, 가공

상태 등에 따라 구분되며 또한 입도, 입도분포, 입형, 조성, 내화도등에 의해서도

구분한다. 그 외 특수 목적으로 사용되는 지르콘사(zirconite sand), 을리빈사

(oilivine sand), 크로마이트사(chromite sand)등은 우수한 내화도와 열팽창율이 균

일하여 주물 표면모래(facing sand)로 주로 사용되고 있다.

그림 26, 27은 (주)진영캐스팅에서 cylinder liner 주형 제작에 사용하는 주물사의

입도 및 입도분포, 입형에 대해 조사한 자료로서 두 주물사 모두 표면사로 실제 사

용되고 있다. 입도의 경우 주물사 입도시험(KS A5304)법을 이용하여 조사한 결과

각각 AFS gfn 86.6과 AFS gfn 65로서 A-Silica sand가 B-Silica sand에 비해 다

소 조대하게 나타났으며 입도분포의 경우 A가 B에 비해 양호한 입도분포를 형성하

는 것을 알 수 있었다. B-Silica sand의 경우 입도분포 조사결과 주요입도에서 벗

어난 조대 및 미세입자들을 다량 포함함으로서 주물사 흔련시 binder와의 균일한

mixing에 불리할 것으로 예측된다. 입형조사는 SEM(scanning electron

microscope)를 이용하여 각각 50배로 비교 분석하였으며 A, B주물사 모두 압각형

및 다각형의 입형으로서 인조 규사 특성을 보였다. 최근 환경규제 강화로 자연사

체취가 어려우며 경제적 측면에서도 유리하여 국내 대부분의 주철주물 사업체에서

인조규사를 선호하고 있는 실정이다.

인조규사의 경우 규산질의 암석이나 큰 알갱이의 규사를 분쇄하여 입도 및 순도에

따라 분류한 것으로서 입도 조절이 용이하며 실정에 적합한 순도를 확보할 수 있다

는 장점을 가지고 있으나 그에 반해 입형이 고르지 않고 다각형을 보임으로서 주물

사 흔련이 용이하지 않고 균일한 주형 강도를 유지하기 어렵다는 단점을 가지고 있

다.

현재 (주)진영캐스팅에서 사용하는 두가지 표면사의 비교 결과 A-Silica sand가

B-Silica sand에 비해 입도 분포 및 입형이 고르며 또한 입도가 미세하여 주물의

표면조도 향상에 기여 할 수 있을 것으로 예측된다. 그러나 cylinder liner의 특성상

piston 운동에 대한 내마모성 및 내구성 확보를 위해 치밀한 미세조직을 형성해야

함으로 냉각능이 우수한 주물사를 중자(core) 소재로 사용하는 것이 유리하다. 이에

대한 사항은 차후 주물사 냉각능 특성조사 결과에 제시될 것이다.

그림 26. A-Silica sand (AFS gfn 86.6)의 입도 및 입도분포, 입형

그림 27. B-SiIica sand (AFS gfn 65)의 입도 및 입도분포, 입형

그림 28~30은 주철주물 제작현장에서 일반적으로 사용되는 특수사로서 고온의 주

철 용탕에 의한 주물사 소착 및 융착을 방지하여 주물의 건전한 표면을 확보해 주

며 또한 고온 열팽창이 적은 내열소재들이다. 그림 28은 Olivine sand 또는

Forsterite sand 라고도 하는 감람석(橄欖石) 파쇄 인조사로서 (MgFe)2Sio4의 구조

로 되어있다. Olivine sand는 내화도가 약 1700℃로서 규사보다 높으며 열팽창률도

균일하고 작기 때문에 표면사로 사용하며 분말은 도형제로도 사용되는 소재이다.

입도지수는 조사 주물사중 가장 조대한 입자로서 AFS gfn 55.5를 보이고 있으며

입도분포는 50~100mesh에 주로 분포하고 있다. 입형은 첨각형과 다각형의 중간정

도의 형태를 보인다. 그림 29는 Zirconite sand로서 지르코늄규산염(ZrSiO4)이 90%

이상 포함되어 있는 것으로 내화도가 2200℃나 되고 열팽창률도 규사의 1/3~1/6

가량밖에 안된다는 최대 장점을 가지고 있으나 경제적 측면에서 다소 높은 가격을

유지하고 있어 주철주물에서 후육부, 주입구 부분등에 소착 및 융착, 또는 주물의

지향응고를 형성하는데 일부 사용되고 있다. 조사결과 입도는 조사 주물사중 가장

미세한 AFS gfn 148.6을 보이며 입도분포 또한 high mesh No에 집중되어 있는

것을 확인할 수 있었다. 입형의 경우 원형에 가장 가까운 형태로서 균질한 형태를

보이고 있으나 실제 주형소재로 사용하기에는 다량의 binder 소모가 예상되며 미세

한 입도에 의해 Zirconite sand의 최대 장점인 우수한 열전도도 특성이 나타나지

않을 것으로 보인다. 그림 30은 Chromite sand로서 산화크롬(Cr2O3)이 4.0~45%,

산화철(Fe2O3)이 25%, 규사(SiO2) 2.5~5%의 크롬철석 구조로 되어있다. Chromite

sand는 1970년대 이후 Zirconite sand 대응으로 널리 사용되고 있으며 내화도가

1100~1300℃로 다소 낮으나 빠른 냉각능을 보여 주철 및 주강의 cold 주형 소재

로서 각광받고 있다.

입도는 AFS gfn 86.9로서 (주)진영캐스팅에서 사용하는 표면사중 조대 silica sand

와 유사한 입도를 보였으며 입도분포에서는 다소 조대한 입자와 미세입자들이 분포

되어 있어 양호하지 못한 것을 확인할 수 있었다. 입형은 압각형태로서 파쇄이후

표면 마모과정을 거쳐 균일화하였음을 확인 할 수 있었다.

그림 28. Olivine sand (AFS gfn 55.5)의 압도 및 입도분포, 입형

그림 29. Ziconite sand (AFS gfn 148.6)의 입도 및 입도분포, 입형

그림 30. chromite sand (AFS gfn 86.9)의 입도 및 입도분포, 입형

(2) Cylinder liner 제작에 사용되는 중자(core)용 주물사 선정

(주)진영캐스팅은 선박 엔진부품 중 하나인 중대형 cylinder liner를 주 생산하고 있

는 기업으로서 사용 목적에 적합한 고강도 주철품 제작에 주력하고 있다. Cylinder

liner는 앞에서도 설명했듯이 piston의 연동 운동에 대한 내마모 특성 및 고강도 특

성을 유지해야하는 요구조건을 만족해야한다. 특히 piston과 직접적으로 접촉하는

cylinder 내부는 기타부보다 높은 경도 및 강도를 형성해야 하며 이를 위해서는 1

차적으로 미세소직의 치밀성을 보유해야한다. 그림 31은 현재 (주)진영캐스팅에서

cylinder liner제작을 위한 주형부 중 중자(core)부에 대한 사진과 개략도이다. 일반

적으로 중자는 용탕과 접촉면적이 넓음으로 내열성이 우수하고 통기성 및 내구성을

확보할 수 있어야한다. 또한 용탕 응고시 수축에 대한 자체 수축성도 보유해야하며

응고완료 이후 후가공 처리가 어려움으로 중자 표면 조도가 높으면 좋다. 마지막으

로 가장 중요한 탈사가 용이해야하는 일반적 필요조건을 가지고 있다. 그러나 (주)

진영캐스팅의 경우 고강도 주철주물 제작을 위해서는 치밀한 미세조직이 추가적으

로 요구되기에 주물의 냉각속도를 향상시킬 수 있는 주형소재 선정이 시급하다.

(주)진영캐스팅의 경우 기존 중자소재로서 앞에서 언급한 A, B Silica sand를 사용

하였으며 그로인해 cylinder liner와 piston 접촉부인 내벽면의 강도 및 경도가 향상

되지 못하는 문제점을 가지고 있었다. 이에 앞에서 조사한 국내 상용중인 특수 주

물사 3종과 기존 시용하고 있는 A, B Silica sand의 냉각 특성에 대해 조사하였다.

또한 추가적으로 A Silica sand(AFS gfn 86.5)와 shot ball(1.85(Ø) X 2.0㎜)을 각

각 70:30 부피비로 혼합하여 주형을 제작하였다.

Shot ball의 경우 경제적 측면에서 주형소재 사용시 부담이 되지 않도록 cut wire

형태를 선정하였다. 실험방법은 상기 그림 21과 동일하여 (주)진영캐스팅에서

cylinder liner 제작에 사용되었던 기존 방식을 고수, 주입 소재는 FC30을, 접종제

및 도형제는 기존 사용 기준을, 주입온도는 1400℃로 고정하였다. 주형소재는 상기

6종의 주물사를 이용하여 제작하였으며 하부로부터 4㎝ 높이에 T.C(thermocouple)

를 설치하여 각각의 주물 냉각속도를 측정하였다.

그림 32는 주물사 냉각능 조사 대상으로 선정된 6종의 주형소재의 실제 겉보기 모

습이다.

그림 31. Cylinder liner 제작에 사용되는 중자(core)

그림 32. 중자용 주물사 선정을 위한 조사대상

주물사를 소재로 하는 사형의 경우 주물의 응고과정에 참여하는 열전달 매체로서

그림 33과 같이 다양한 경로를 제시한다. 이는 사형 구조가 입자상의 주물사를 규

산소다와 같은 binder에 의해 일정 형태로 결합하는 방식으로 주물사 입자상 사이

에 공극이 형성되며 또한 결합부에 고형 binder인 규산소다가 위치하기 때문이다.

그림 33의 7가지 열전달 기구중 일반적으로 입자간 열전달과 공간내 열전달이 가

장 큰 비중을 차지하며 그 외 주형내 포함된 수분의 증발 잠열, binder의 분해 흡

열반응이 크게 작용한다. 즉 주물사 자체의 열전도도, 주형의 겉보기 밀도(공극률),

수분 및 binder 첨가량이 사형에서의 주물 냉각을 좌우하는 인자로 작용한다.

이에 조사 대상 주물사의 자체 냉각효과를 평가하기 위해 binder인 규산소다를 일

정량(10 vol%) 첨가하여 주형을 제작하였다. 그림 34는 각종 주물사의 냉각능 평가

에 대한 참고자료로서 입도가 균일할 경우 냉금 - Chromite sand - Zirconite

sand - Silica sand - Olivine sand 순으로 냉각능이 우수한 것으로 표시하고 있

다. 또한 동일 소재의 경우 주물사 입도가 미세할수록냉각능이 좋지 못한 것으로

알려져 있다.

그림 33. 주물사 주형내 열전달 모델

그림 34. 주물사 주형에서의 주물의 상대응고시간

(AFS Trans 80(1972) 129/36 자료 발취))

위와 같은 실험 과정을 통해 조사 대상 주물사 주형의 냉각능을 그림 35와 같이 나

타냈다. 측정시간은 pearlite 변태온도인 T3 이후까지 측정하여 전체 냉각곡선을 표

시하였으며 이중 일정한 냉각속도를 보이는 1000℃~800℃구간을 발취하여 동일

시점을 시작으로 냉각되는 양상을 확인 하였다. 그림 35에서 확인할 수 있듯이

Chromite sand와 Silica sand+ shot ball을 혼합한 주형이 가장 우수한 냉각능을

보였으며 이 후 Silica sand(AFS gfn 65.0) - Olivine sand(AFS gfn 55.5) -

Zircon sand(AFS gfn 148.6) - Silica sand(AFS gfn 86.5) 순서로 냉각능이 좋은

것으로 나타났다. Chromite sand는 앞에서 기술했듯이 자체 냉각능이 우수한 소재

로서 그 특성이 뚜렷이 나타났으며 Silica sand+ shot ball의 경우 30 vol%포함된

shot ball에 의해 입자간 열전도율이 향상된 것으로 사료된다. 그에 반해 Olivine

sand(AFS gfn 55.5)와 Zircon sand(AFS gfn 148.6)는 예측값과 상이한 결과를 보

여주는데 이는 입도 영향이 크게 작용한 사례로서 Olivine sand는 자체 열전도율은

낮은 소재나 입도가 조대하며 공극률도 높아 동일한 부피량으로 혼입된 규산소다

binder의 입자 coating량이 다소 많고 그로인해 binder의 분해 흡열량이 크게 작용

하여 냉각속도가 예상밖으로 빠르게 나타난 것으로 사료된다.

Zircon sand(AFS gfn 148.6)의 경우는 이와 반대의 경우로 사료된다. Silica sand

는 입도에 따라 조대할수록 냉각능이 우수한 것으로 판명되었으나 냉각 효과를 우

선하여 입도를 조대하게 설계할 경우 주형강도 저하 및 주물표면 조도에 악영향을

미칠 수 있음으로 그 사용에는 한계가 있다.

(주)진영캐스팅에서 사용하는 주철의 C함량은 3% 미만의 아공정 회주철로서 115

3℃ 부근에서 편상흑연이 정출되어 성장하게 되는데 냉각속도가 빠를 경우 흑연편

간격이 좁아지고 그 크기(길이) 또한 감소하는 것으로 알려져 있다. 그림 36, 37은

각 주물사 주형의 냉각속도 차이에 따른 정출 편상 흑영의 크기 및 간격의 변화를

보여주고 있다. 전반적으로 편상 흑연 분포는 ASTM 기준으로 D-E type으로 초정

dendrite가 형성된 후 잉여 공정부에 흑연이 정출된 형태의 조직을 보여준다. 편상

흑연의 크기 및 간격은 냉각속도에 충실히 부합되는 양상이며 특히 Chromite sand

및 Silica sand+shot ball 주형의 경우 다른 주형소재에 비해 확연히 입자 미세화

효과를 보임으로서 기계적 특성 향상결과가 기대된다. 그림 38은 기지 조직인

pearlite의 cementite 층간 간격 비교를 위해 조사한 OM 1000배 사진으로서 편상

흑연의 크기(두께)가 감소된 것은 확인할 수 있었으나 cementite 층간 간격 확인에

는 다소 무리가 있어 이 후 SEM을 이용하여 각각 2000배, 5000배로 조사 분석하

였다.

그림 35. 각 주형소재에 대한 냉각속도 비교

그림 36. 주형소재에 따른 graphite 형상 분석 (OM X50)

그림 37. 주형소재에 따른 graphite 형상 분석 (OM X100)

그림 38. 주형소재에 따른 기지조직(pearlite) 분석 (OM X1000)

그림 39~44는 pearlite 기지조직내 cementite 층간간격을 비교하고자 SEM을 이용

해 2000, 5000배로 촬영 비교하였으며 발생 시점과 과정애서 일부 발생될 수 있는

조직상 차이를 감안하여 초정 austenite 생성부위와 공정 austenite 생성부위에 대

해 각각 비교 촬영하였다. 이는 상기 기술에서 설명하였듯이 목표조성으로 설정된

주철이 아공정 합금으로서 1차적으로 초정 austenite가 생성된 이후 편상흑연과 같

이 공정 austenite 생성됨으로서 그 발생시점이 상이하며 또한 정출 편상흑연에 의

해 C농도 구배가 일부 발생될 수 있음으로 실제 cementite의 층간 간격은 시료 전

반에 균일하지 못할것으로 감안, 이와 같이 각기 위치의 편차를 주어 조사하였다.

비교 분석결과 cementite의 층간 간격은 편상 흑연의 거동과 일치하여 냉각속도가

빠를수록 층간 간격은 감소하며 이는 초정, 공정 조직 모두에서 동일 양상으로 나

타났다.

그림 39. Olivine sand(AFS gfn 55.5) 주형으로 제작된 주철 조직 분석

그림 40. Silica sand(AFS gfn 86.5) 주형으로 제작된 주철 조직 분석

그림 41. Silica sand(AFS gfn 65.0) 주형으로 제작된 주철 조직 분석

그림 42. Zircon sand(AFS gfn 148.6) 주형으로 제작된 주철 조직 분석

그림 43. Chromite sand(AFS gfn 86.9) 주형으로 제작된 주철 조직 분석

그림 44. 70%(Vol) Silica sand (AFS gfn 86.5)+ 30%(Vol) Shot ball 1.85(Ø) X

2.0㎜ 주형으로 제작된 주철 조직 분석

이와 같은 조직 미세화는 기계적 강도 및 경도등 특성에도 밀접하게 작용하여 그림

45와 같이 냉각속도가 빠른 Chromite sand와 Silica sand+shot ball 주형의 경우

경도는 약 10%향상되었으며 인장강도는 소폭 상승되는 효과를 보였다.

(주)진영캐스팅에서 생산하는 고강도 cylinder liner의 기계적 특성 향상을 위한 중

자용 주물사 선정에 가장 부합되는 소재로서는 Chromite sand와 Silica sand+shot

ball로 판단된다. 하지만 실제 생산공정에 적용하기 위해서는 Chromite sand의 경

우 silica sand보다는 고가라는 경제적 단점과 탈사시 분리 공정이 불가능함으로 지

속적인 소비문제가 발생된다는 점을 감안해야 할 것이다. 이를 해결하기 위해서는

중자의 표면사로 일부 사용하며 경제적인 표면사 최적 두께를 선정하여 사용하는

것이 유리할 것이다. Silica sand+shot ball 중자주형의 경우 탈사 이후 자력을 이

용하여 shot ball 분리가 가능하나 주물 표면으로 shot ball이 융착되는 문제 해결

과 열팽창에 의한 중자 붕괴 문제점을 해결해야 한다. 이와 같은 문제는 도형제 도

포 두께를 증대하고 silica sand를 대신해 고온특성이 우수한 주물사로 대체할 경우

충분히 해결할 수 있을 것이다.

그림 45. 주형소재에 따른 주물의 기계적 특성 평가

라. 시제품 제작을 위한 최적 주조방안 설계

새로이 선정된 합금계의 현장적용을 통한 시제품 제작을 위하여 최적 주조방안의

설계를 위한 전산모사를 수행하였다. 시제품 제작 대상 제품은 그림 46에 보이는

바와 같은 지름 370~332 × 길이 650㎜의 선박 엔진용 cylinder linear이다. 재질

은 FC 30을 기준으로 하여 3차 개량합금의 합금 성분을 선택하였으며, 주입온도는

1420℃로 하였다. 표 6는 해석에 사용한 cylinder linear의 주조조건이다.

그림 46. (주)진영캐스팅 cylinder liner Size

표 6. (주)진영 캐스팅 cylinder linear의 주조 조건.

전산모사를 통해 주조방안을 설계하기에 앞서, 제품의 배치, 중자 및 주형과의 조립

관계 등을 고려하여 주조방안을 설계해야 하며, 최적의 parting line을 결정한 후,

결정된 parting line을 기준으로 최적의 탕구방안, 압탕방안을 설계하여야 한다. 따

라서, 최종적으로 parting line을 설계한 후 여러 가지 방안에 대해 전산모사를 실

시하여 최적의 주조방안을 도출하고자 하였다. cylinder linear의 주조방안 해석은 3

가지의 타당한 방안에 대해 해석을 실시하고, (주)진영 캐스팅에 적합한 방안을 선

정하였다. 3가지 방안에 대한 해석은 동시에 이루어 졌으나 편의상 1차, 2차, 3차

로 구분하였다.

(가) cylinder linear의 1차 주조 방안

cylinder linear의 1차 주조 방안은 (주)진영 캐스팅의 기존 주조방안으로서 전산모

사를 통해 문제점을 파악하고자 하였다. 주형은 수평 방향으로 하형을 아래쪽에 배

치하고 중자를 배치한 후 상형을 합형하는 형태로 설계되었다. 주입을 위한 탕구계

는 cylinder linear 주형의 parting line에 배치되었다. Runner는 제품의 중심부와 수

평으로 위치하여 동일간격에 gate를 설치함으로서 용탕의 균일하게 유동하도록 설

계되어 있었다.

또한 압탕은 cylinder liner의 최대 후육부인 flange에 상부에 개방형으로 설치함으

로서 게재물 및 gas를 이동을 유도하였다.

① cylinder linear의 충진 해석

cylinder linear에 대해 충진 해석한 결과를 그린 47에 충진률로 나타내었다. 충진

해석 결과를 보면 gate를 통해 측면으로 주입된 용탕이 parting line에서 낙하하여

하형의 바닦부터 충진되기 시작하며, 하형의 충진이 완료된 후 parting line의 양쪽

에서 고른 속도로 상형을 충진해 가는 것을 알 수 있다. 5% 및 25% 충전 시 결과

를 보면 주입된 용탕이 parting line에서 하형의 하부로 낙하하는 형태를 취하면서

충진이 일어나기 때문에 gate 주변에서 일부 와류가 형성되나 50% 이상 충진이 진

행된 이후에는 이러한 현상 없이 충진이 진행되었다. 또한, 그림 48은 충진시 주형

내에서 용탕의 온도구배를 나타낸다. 고온의 용탕이 지속적으로 공급되는 gate 부

근에서는 용탕의 온도가 75% 충진시까지 온도의 하락이 크게 나타나지 않았으나,

gate의 반대쪽, 특히 상형 부근에서는 지속적인 온도의 하락이 나타났다. 용탕의

온도하락이 크게 나타날 경우, Misrun, flow mark와 같은 결함이 발생될 수 있으므

로, 적정온도를 유지하기 위해서는 신속한 주입 및 적정 주입온도가 요구된다. 그러

나 그림 48에서 알 수 있는 바와 같이 가장 낮은 부분의 온도가 약 1350℃ 정도로

적정 주입 온도 조건임을 확인 할 수 있다.

② cylinder linear의 응고 거동 해석

그림 49는 1차 주조방안에 따른 cylinder linear의 응고 거동을 나타내는 그림으로

서 설치된 압탕의 반대쪽 박육부로부터 응고가 진행되는 양상을 보여주고 있다. 최

종 응고부(hot point)는 압탕이며 그 주변 후육 flange부분은 냉각이 매우 늦게 진

행되는 것으로 보인다. 그로인해 cylinder liner 제품 전반에 걸쳐 기계적 강도가 가

장 낮은 부위로 판단되며 박육부의 경우 양호가 강도를 형성할 것으로 예측된다.

그 외에 gate 부근 일부가 동일 시간대 다른 부분보다 고온을 나타내는 것은 용탕

보급이 가장 늦게 최종적으로 이루어지며 gate와 runner로 둘러싸여 열이동이 원활

하지 못하여 발생된다. 이와 같은 주물내 특정 고온부는 그림 50에서 보이는 것과

같이 수축공 결함이 발생될 수 있는 요인으로 작용한다. 그림50의 첫 번째 그리인

응고 완료 시간은 각 부위별 용탕이 고상선에 도달하는 시간을 나타낸 것으로 각

부위별 고상선에 도달하는 시간을 나타낸 것으로 각 부위별 고상선에 도달하는 시

간을 통하여 응고거동을 예측할 수 있다. 그림 49에서 나타난 최종 응고 부위가 가

장 늦게 고상선에 도달하는 것을 확인할 수 있었으며, 압탕과 최종 응고 부분과는

지속적인 급탕경로를 유지하는 것으로 확인되었다.

그림 47. 1차 주조방안에 의한 cylinder linear의 중진 거동.

그림 48. 1차 주조방안에 의한 충전시 온도 구배.

그림 49. 1차 주조 방안에 의한 응고 거동.

그림 50. 1차 주조방안에 대한 응고완료 시간 및 수축결함 발생지점 전산모사

결과.

(나) cylinder linear의 2차 주조 방안

cylinder linear의 2차 주조 방안은 1차 주조 방안을 변형한 형태로 설계되었다. 1

차 주조방안에서 나타난 수축 결함을 감소시키기 위해서 압탕의 크기를 약 20% 증

가시키고, 안정적인 용탕의 주입을 위하여 gate를 6개로 증가하였다. 그 외 탕구,

게이트, 압탕의 배치는 1차 주조방안과 동일하였다.

① cylinder linear의 충진 해석

cylinder linear에 대해 충진 해석한 결과를 그림 51에 충진률로 나타내었다. 1차

설계안에 비해 gate를 6개로 늘린 2차 설계안에서 기본적인 용탕의 충진 거동에는

큰 차이가 나타나지는 않았다. 하형 하부부터 용탕이 충진 되기 시작하여 상형으로

고르게 충진되고 있는 것이 1차 주조 방안과 거의 유사하다. 다만, 4개의 gate를

사용하였던 1차 주조 방안에서 각 gate마다 용탕이 균일하게 주입되지 않고 와류의

발생이 비교적 큰 반면, 6개의 gate를 사용한 2차 주조방안에서는 각 gate 마다 균

일하고 안정적으로 용탕이 주입되었다. 그림 52에 나타난 주입시 온도구배에서도

두 주조 방안사이에 큰 차이는 나타나지 않았으며, 2차 주조 방안에서는 100% 충

진 시 온도가 낮게 나타나는 부분의 넓이가 1차 주조 방안에 비해 더 커졌다.

그림 51. 2차 주조방안에 의한 cylinder linear의 중진 거동.

그림 52. 2차 주조방안에 의한 충전시 온도 구배.

그림 53. 2차 주조 방안에 의한 응고 거동.

그림 54. 2차 주조방안에 대한 응고완료 시간 및 수축결함 발생지점 전산모사

결과.

② cylinder linear의 응고 거동 해석

그림 53는 2차 주조방안에 따른 cylinder linear의 응고 거동을 나타낸다. cylinder

linear 하부에서 응고가 시작되어 후육부로 응고가 진행되는 경향은 1차 주조방안의

경우가 유사하였다. 최종 응고 부분은 압탕이 설치된 후육부 부분인 것으로 나타났

다. 1차 주조 방안의 결과에서 일부 나타났던 parting line 부분의 일부 최종 응고

부위는 압탕의 크기를 20% 증가시킨 2차 주조방안에서는 나타나지 않았다. 이러한

결과는 그림 54에 나타낸 응고완료까지 걸리는 시간의 전산 모사 결과와 일치하는

것이다. 또한, 수축결함이 전혀 발견되지 않아, 1차 주조 방안을 개선한 2차 주조방

안이 더 효과적인 것으로 판단하였다.

(다) cylinder linear의 3차 주조 방안

cylinder linear의 3차 주조 방안은 주형을 수직으로 세운 상태로 설계되었다. 압탕

은 후육부의 상부에 1개가 설치되었고, 주입된 용탕은 하부의 gate를 따라 cylinder

linear의 하부에서 상부로 충진되도록 설계하였다.

① cylinder linear의 충진 해석

cylinder linear에 대해 충진 해석한 결과를 그림 55에 충진률로 나타내었다. 그림에

서 알 수 있는 바와 같이 용탕이 하부로부터 충진 되어 가는 3차 주조 방안에서는

용탕의 주입이 와류등의 발생이 없이 매우 안정적으로 주입되었다.

그림 56는 cylinder linear의 충전시 온도구배를 나타낸다. 25% 충진시까지 용탕의

온도는 cylinder linear의 둘레를 따라 거의 균일하게 분포하였으나 이후에는 용탕이

공급되는 gate와 반대편에서는 상대적으로 낮은 온도 구배가 나타났다.

그림 55. 2차 주조방안에 의한 cylinder linear의 충진 거동.

그림 56. 3차 주조방안에 의한 충전시 온도 구배.

그림 57. 3차 주조 방안에 의한 응고 거동.

그림 58. 3차 주조방안에 대한 응고완료 시간 및 수축결함 발생지점 전산모사

결과.

② cylinder linear의 응고 거동 해석

그림 57는 3차 주조방안에 따른 cylinder linear의 응고 거동을 나타낸다. 응고는

cylinder linear의 하부에서 시작되어 후육부인 상부로 진행되었다. 따라서 최종 응

고 부분은 압탕이 설치된 cylinder linear 상부였으며, 이는 응고완료까지의 시간구

배를 나타낸 그림 56의 결과와 같다. 또한, 수직형의 3차 주조방안에서는 수축결함

등의 발생이 없이 안정적인 주조가 가능할 것으로 판단할 수 있었다.

(마) (주) 진영 캐스팅에 적합한 주조 방안 설정

cylinder linear에 대한 3가지 주조방안의 전산모사 결과, 3차 주조방안인 수직형 주

조가 용탕의 안정적 주입, 결함 발생의 측면에서 가장 적절한 주조방안인 것으로

나타났다. 그러나, 수평형 주조 방식으로 cylinder linear를 생산하고 있는 (주) 진영

캐스팅에 적용하기는 어려움이 있었다. 이는 주조 방식을 근본적으로 바꿀 경우 소

요되는 비용이 매우 크고 현재 작업 공정에 대대적인 수정이 필요하기 때문이다.

따라서, 기존의 방식에 비해 압탕의 크기를 20%가량 키우고, gate의 수를 6개로

증가시킨 2차 주조방안이 적합한 것으로 판단하였다. 다만, 압탕의 크기를 키우는

방안은 주조시 회수율을 낮출 가능성이 있기 때문에 탕의 크기는 10%내외로 증가

시키는 것이 타당할 것으로 판단하였다.

마. 시제품 제작 및 선진 기업 제품과의 특성 비교

(1) 기술지원 평가를 위한 시제품 제작

(주) 진영캐스팅은 CO2주형법을 이용하여 선박용 중대형 엔진부품인 주철(FC30)

cylinder liner를 제작하는 전형적인 사형 주물 생산기업으로서 국내 지속적인 조선

산업 발전 및 수요에 부합하기위해 지속적으로 고강도 주물품 생산기술 확보에 심

혈을 기울이고 있다. 이는 국내 동종업계는 물론 해외의 선진 기술 보유 기업과의

경쟁에서 어깨를 나란히 할 수 있는 기반 기술이기 때문이다. 본 기술지원사업은

고강도 주철 cylinder liner 개발을 위해 주철합금 소재 개선 및 미세조직 개선을 위

한 접종제 선정, 기계적 특성 향상을 위한 주형 및 중자 주물사 선정, 주조방안 설

계 및 개선등 다양한 측면에서 기술 및 분석을 지원하였다.

위와 같은 기술지원 결과를 확인하기 위하여 표 7과 같이 주철의 성분을 개량하여

그림 46의 시제품을 제작하였으며 실제 제품에서 채취한 시편을 이용 미세조직 분

석 및 기계적 특성을 분석하였다. 그림 59는 시제품 제작 공정도로서 주입온도는

1420℃ 내외로 하였으며 도형은 기존과 동일하게 실시하였다. 접종은 기존 접종제

를 0.3%로 상향하여 ladle에서 혼입 후 주입하였다. 접종제 및 중자 주물사 교체는

지원기업의 공정 적용성을 고려, 차후에 지속적인 검토를 통해 교체하기로 하였다.

표 7. 기술지원에 의해 개량된 cylinder liner 주철성분

그림 59. (주)진영캐스팅의 cylinder liner 제작 공정

그림 59. (주)진영캐스팅의 cylinder liner 제작 공정

(2) 제작된 시제품의 제품 평가

그림 60은 (주)진영캐스팅에서 제작된 주철 cylinder liner 시제품으로서 기존에 생

산되었던 제품 및 국내 동종업체의 우수품과 비교 검토 하였다. 그림 61은 미세조

직 비교평가 자료로서 앞에서 실시한 분석용 실험결과에 비해 조직 크기 및 간격이

다소 증대된 것을 확인 할 수 있엇는데 이는 실제 중대형 cylinder liner의 경우 실

험 시편 주물에 비해 크기 및 두께가 증대됨으로서 발생된 mass effect에 기인한

것으로 판단된다. 이에 3개 비교 대상에 대해 동일 size의 cylinder liner에 동일 위

치를 설정하여 시편을 채취, 상대 비교 평가한 결과 편상 흑연 분포 및 크기가 기

존생산품에 비해 개량된 cylinder liner의 조직이 미세화 되었으며 흑연편 상호 거리

또한 감소하였음을 확인할 수 있었다. 동종업체의 우수 cylinder liner와의 비교 결

과 편상 흑연의 길이 및 분포, 거리는 상호 유사하나 초정 austenite 간격은 다소

넓게 분포한 것으로 판단된다. 기지조직의 경우 초정 austenite에서 변태된 pearlite

의 cementite 층간 간격은 기존에 비해 좁아져 기계적 특성향상이 기대되며 동종업

계 제품과는 유사한 층간간격을 보여주었다.

그림 60. (주)진영캐스팅에서 제작된 cylinder liner 완성품

그림 61. 개량된 Cylinder liner 완제품의 미세조직 비교 평가

그림 62는 기계적 특성 평가조사 자료로서 경도가 기존 제품에 비해 10%이상 향상

되었으며 동종업계 우수 제품과는 동등한 성능을 나타내었다. 그러나 최종 목표에

는 다소 미치지 못하였다. 이는 cylinder liner의 최대 후육부인 flange 부위를 조사

시편으로 채택함으로서 최종응고점에 근접하는 부위이며 기계적 특성이 가장 취약

한 부분임을 고려해야한다. 또한 mass effect에 의해 주물 조직이 가장 조대한 부

위이기도 하다. 인장강도 측정의 경우 제품이 원통형 곡면으로 이루어져 있어 시편

가공 치수를 확보하지 못하였기에 생략하였다.

그림 62. 개량된 Cylinder liner 완제품의 기계적 특성비교 평가

3. 기술지원에 따른 지적 재산권 도출

- ‘선박용 cylinder linear용 주철의 기계적 특성에 미치는 접종처리 및 냉각속도의

영향’, 한

주조공학회지 투고 예정.

- “The effects of innoculation and cooling rate on the mechanical properties

of gray iron”,

PRICM 6, 6--9 Nov., 2007, Jeju, Korea 발표 예정

4. 지원내용의 기업전략에의 기여도

진영 캐스팅은 10년 이상 선박 엔진용 cylinder linear를 내마모성 회주철로 제작하

여 왔으나, 실제로 경영 여건상 제품의 품질 향상을 위한 투자를 거의 해오지 못한

상황이었다. 최근 진영 캐스팅의 cylinder linear를 납품 받고 있는 고객사에서는 진

영 캐스팅의 cylinder linear의 품질이 타 경쟁 업체에 비해 낮은 점을 지적하고 납

품 단가를 낮추고, 타 주물 주조 업체로 납품 업체를 바꾸는 등 진영 캐스팅으로서

는 매우 큰 어려움을 겪고 있는 실정이었다. 진영 캐스팅이 본 기술 지원과제를 신

청하여 수행하려 하였던 것은 이러한 어려움을 타계하는 방법 자체가 기술 개발을

통한 cylinder linear의 품질향상 외에는 없다는 현실 인식을 하였기 때문이다.

따라서, 본 과제는 지원기관과 진영 캐스팅 사이의 긴밀한 협조를 바탕으로 하여

수행되었다. 지원 기관의 일방적인 (단지 기술적인 면만을 고려한) 기술 지도의 개

념이 아니라, 지원기관에서는 현재 진영 캐스팅의 경제적, 기술적으로 가능한 부분

을 명확히 파악하고 현장의 목소리를 최대한 반영하여 실제로 구현 가능하며, 시급

히 해결해야 할 부분에 대해 기술 지원을 실시하였다. 본 지원 과제에서 다뤘던 부

분은 실질적으로 cylinder linear의 품질을 결정하는 핵심적인 공정, 공정 내에서도

가장 주요한 요소들에 관한 것이었다.

결과적으로, 본 지원 과제를 통하여 도출된 결과들은 진영 캐스팅의 제품 생산에

적용되어 품질 향상을 통하여 제품의 납품 단가를 높여 수익성을 확보하고, 고급

선박엔진용 cylinder linear 시장을 확보하고자 하는 진영 캐스팅의 기업 경영 전략

에 큰 도움이 된 것으로 판단된다.

제 2 절 기술지원 수행

1. 기술지원 추진일정 및 수행주체들의 담당업무 성과 정도

2. 기술지원 수행과정

가. 수행 방법

나. 기자재 활용

제 4 장 결론

본 기술지원 사업은 지원기업((주)진영캐스팅)에서 주력 생산하고 있는 선박엔진 부

품용 고강도 cylinder liner제작에 필요한 기반 기술을 지원하는 것이 주목적으로서

합금설계, 접종제 선정, 중자제조기술, 전산모사를 이용한 최적 주조방안 선정등을

통해 인장강도 및 경도를 향상시키고자 하였다.

1. 선박엔진 부품중 하나인 cylinder liner는 구등 piston과 반복적으로 마찰이 일어

나는 부위로서 내마모성이 중요한 조건으로 작용하는 부품이다. 이에 일반적으로

보지성이 우수한 주철, 특히 회주철 소재가 주로 사용되며 고강도의 기계적 특성을

확보할 수 있도록 개량원소를 첨가하는 추세이다. (주)진영캐스팅에서 제작하는 주

철 cylinder liner 소재는 FC30으로서 기계적 특성을 향상시키기 위해 Si(1.75wt%),

Mn(0.7wt%), Cr(0.1wt%), P(0.19wt%), B(0.02wt%), Ni(0.11wt%)의 첨가량을 제어

하여 인장강도 및 경도를 15%이상 향상시키는 효과를 얻었다.

2. 고품질 주철주물 제작을 위해서는 접종제의 선택과 사용기술이 매우 중요한 비

중을 차지한다. 접종은 응고과정 중 공정 편상 흑연의 생성과 밀접하게 관계가 있

어 그 형태와 분포, 크기등을 좌우하며 또한 기지조직의 미세화에 영향을 미친다.

이에 고강도 cylinder liner 제작을 위해서는 적절한 접종제를 선택하여 공정 편상

흑연 분포의 균일성과 기지조직의 미세화를 유도시켜야 한다. 본 기술지원을 통해

Ba계(Ba가 4~8wt% 첨가 된 접종제) 접종제가 지원업체 현황에 적합하며 적절한

사용에 따라 편상 흑연을 균일하게 분포 시킬 수 있으것으로 판단된다.

3. Cylinder liner 제작에 있어 증자(core)는 마찰이 가장 크게 발생되는 부위를 형

성하는 부분이다. 즉 중자의 소재에 따라 cylinder liner 내벽의 미세조직 및 기계적

특성은 지대한 영향을 받는다. 이에 내화도가 우수하고 주물의 냉각속도를 빠를게

할 수 있는 소재를 선정함으로서 내벽에 발생될 수 있는 표면 결함 제어 및 기계적

특성 향상의 효과를 얻을 수 있다. 본 기술지원을 통해 확인한 결과 조사 대상 주

물사 중 크로마이트 샌드의 냉각능이 가장 우수하였으며 그로인해 미세조직 치밀화

및 기계적 특성 향상의 효과를 얻을 수 있었다.

4. 전산모사(computer simulation)를 통해 (주)진영캐스팅에서 기존에 사용하였던

주조방안의 문제점을 파악, 압탕 및 gate 방안을 일부 수정함으로서 건전한 주철

cylinder liner을 제작하였으며 대형 주물에 적합한 하주식 주입이 가능한 주조방안

을 설계 제시함으로서 이 후 제품 개발의 다양화를 축구할 수 있게 되었다.

5. 위와 같은 기술지원을 토대로 cylinder liner 시제품을 제작, 기존의 생산품과 국

내 동종업계에서 제작한 고품질의 cylinder liner를 비교 검토한 결과 기존에 비해

미세조직 및 기계적 특성이 향상되었으며 타 기업 고품질 생산품과도 동일한 특성

의 시제품이 제작되었음을 확인하였다.

제 5 장 참고문헌

〈1〉 N.K. Datta : Trans AFS, 89,(1981)547-552

〈2〉 S. Chatterjee et al.: Catings, (1976)16. 18. 20-21, 24, 27, S데-Oct

〈3〉 S. Karpel : Tin and Its Uses. NO. 156(1988)8-11

〈4〉 권해욱 : 주철의 미세조직 결합과 그 원인, 주조공학회지(2002)

〈5〉 K. Edaiati : Influence of SIC and FeSi addition on the characteristics of

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〈7〉 J.A. Sikora : Solidification of gray cast iron, Scripta Materialia

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〈8〉 Adriana Ana Perera : The influence of sulfur on the machinability of

gray cast iron FC25, Journal of Materials Processing Technology,

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〈9〉 T.T.Sudo, J.R. Braghini, R.T.Coelho, O Desgaste de Ferramentas na

Usi-nagem de FoFo Cinzento a Alta Velocidade O Mundo da Usinagem. Sao

paulo, vol.1 no. 1, 2001, pp. 27-31

〈10〉 J.M. Brion, et al, Wear 154(1992)225-239

주 의

1. 이 보고서는 산업자원부에서 시행한 부품ㆍ소재종합기술지원사업의 기

술지원보고서이다.

2. 이 기술지원내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시 산업자원부에서

시행한 부품ㆍ소재종합기술지원사업의 기술지원결과 임을 밝혀야 한다.