선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안 최적화 및 열처리 공정에 … · -3-기술지원성과요약서 과제고유번호 연구기간 2005.11.1~2006.12.31

선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안

최적화 및 열처리 공정에 관한 기술지원최적화 및 열처리 공정에 관한 기술지원최적화 및 열처리 공정에 관한 기술지원최적화 및 열처리 공정에 관한 기술지원

2007. 2.2007. 2.2007. 2.2007. 2.

한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원한국생산기술연구원

한국중기공업 주한국중기공업 주한국중기공업 주한국중기공업 주( )( )( )( )

산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부산 업 자 원 부

- 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 선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안 최적화 및 열처리 공정에“

관한 기술지원 지원기간 과제의 기술지원성과보고서로 제”( : 2005. 11.~2006. 12.)

출합니다.

2007. 2. .2007. 2. .2007. 2. .2007. 2. .

지원기관 기관명 한국생산기술연구원지원기관 기관명 한국생산기술연구원지원기관 기관명 한국생산기술연구원지원기관 기관명 한국생산기술연구원: ( ): ( ): ( ): ( )

대표자 김 기 협대표자 김 기 협대표자 김 기 협대표자 김 기 협( )( )( )( )

지원기업 기업명 한국중기공업 주지원기업 기업명 한국중기공업 주지원기업 기업명 한국중기공업 주지원기업 기업명 한국중기공업 주: ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( ): ( ) ( )

대표자 정 창 근대표자 정 창 근대표자 정 창 근대표자 정 창 근( )( )( )( )

지원책임자지원책임자지원책임자지원책임자 김 정 태김 정 태김 정 태김 정 태::::

참여연구원참여연구원참여연구원참여연구원

″″″″

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이 병 준이 병 준이 병 준이 병 준::::

김 문 기김 문 기김 문 기김 문 기::::

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- 3 -

기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서기술지원성과 요약서

과제고유번호 연구기간 2005. 11. 1 ~ 2006. 12. 31

연구사업명 부품소재종합기술지원사업

지원과제명 선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안 최적화 및 열처리 공정 기술지원

지원책임자 김 정 태 지원연구원수

총 명: 3

내부 명: 1

외부 명: 2

총

사업비

정부:

기업:

계:

천원87,500

천원87,500

천원175,000

지원기관명 한국생산기술연구원 소속부서명 디지털설계센터

참여기업 기업명 한국중기공업 주: ( ) 기술책임자 임 상 규:

요약 연구결과를 중심으로 개조식 자 이내( 500 )보고서

면수88

차원 응고해석을 활용한 최적 주조방안 설계기술의 확보3○

주조방안 최적화로 대의 불량률을 대로 저감- 30 7%

유사한 형상의 기존 제품의 대 회수율을 까지 향상- 55% 75%

열처리 해석 프로그램을 활용한 최적 열처리공정의 설계○

시간의 가열공정 소요시간을 시간으로 단축- 25 17

기계적 성질을 만족하는 열처리 공정의 정착-

다양한 결함 분석지원 및 주조공정 전달을 통한 현장 작업 지침의 정착Know-how○

화학분석 조직분석을 활용한 다양한 결함 분석지원- SEM, WDX, ,

문헌 등에 수록된 관련 주조지식의 전달-

선박부품 생산 시스템의 과학화 및 체계화○

지원기업에서 독자 수행 가능한 해석시스템의 도입-

주조방안 컴퓨터 내 화- DB

년간 억원의 원가절감 경쟁제품 대비 수준의 단가 확보 억 원의 매출14 , 85% , 150○

기록

색 인 어

각 개 이상( 5 )

한 글 실린더커버 선박용 부품 주조방안 열처리공정 시뮬레이션, , , ,

영 어 cylinder cover, ship parts, casting design, heat treatment, simulation

- 4 -

기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문기술지원성과 요약문

사업목표사업목표사업목표사업목표1.1.1.1.

차원 주조방안 설계 프로그램을 활용한 압탕방안의 최적화 지원으로 압탕크3○

기의 최소화 및 생산공정의 최적화

열처리 해석 프로그램을 활용한 제품별 열처리 시간의 결정 및 목표 기계적○

성질 예측 최적 열처리 조건의 확립->

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

차원 솔리드 서피스 모델작업을 통한 제품의 모델링 기술 지원3 /●

차원 주조방안 설계 기술의 보유로 주조방안 설계 시 압탕의 위치 크기 및3 ,●

적절한 탕구 선정 기술 지원

열처리 해석 를 활용한 최적 열처리 공정의 도출S/W●

주강 제품의 품질관리 지원 각종 기계적 성질 및 주조 조직 평가:●

주조 중에 발생할 수 있는 각종 결함의 판정 및 예방 지원●

지원실적지원실적지원실적지원실적3.3.3.3.

지원항목

지원내용

비고

기술지원前 기술지원後

최적압탕방안의 설계 경험에 의존 해석 사용S/W

최적열처리 조건 결정 경험에 의존 해석 사용S/W

결함의 판정 및 예방불균일한 결함의

발생

성분분석 등에SEM,

의한 문제 해결

※ 지원항목 번항목의 기술지원내용 및 범위를 근거로 지원실적을 항목별1. : 2

로 구분하여 기재

지원내용 지원항목별로 기술지원 상황을 비교하여 기재2. : 前後ㆍ

- 5 -

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

해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품해당기술 적용제품1)1)1)1)

적용제품명 선박용 실린더 커버o :

모 델 명o : 98MC, 96C

품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격품질 및 가격2)2)2)2)

구 분 경쟁 제품해당기술적용제품

비 고지원전 지원후

경쟁제품 대비 품질두산중공업 단(

조품)

주조

공정으로

신규개발

95%

경쟁제품 대비 가격 ″ ″ 85%의 단가15%

우위확보

객관화 된 를 근거로 작성DATA※

원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과원가절감 효과3)3)3)3)

구 분 절 감 금 액 비 고

원부자재 절감 백만원 년1,400 / ( 20 %)

인건비 절감 백만원 년/ ( %)

계 백만원 년1,400 / ( 20 %)

공정개선 및 품질향상 등으로 인한 절감효과 반영※

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

구 분 당해연도 매출 차년도 예상매출 전년대비 증가비율 비고

내 수 백만원 년15,000 / 백만원 년15,000 / % 신규매출

수 출 천달러 년0 / 천달러 년0 / %

계 백만원 년15,000 / 백만원 년15,000 / %

참고) 적용제품 주요수출국1. :

작성당시 환율기준2. :

- 6 -

수입대체효과수입대체효과수입대체효과수입대체효과5)5)5)5)

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/

년 단조품의 대체로 국산화 개발을 시작하여 전량 현대중공업에 납품 년 후2005 , 2

일본 납품 가능 예상

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

최적주조방안 설계기술의 적용으로 개발기간 단축가능○

회수율 향상 및 불량 저감으로 원가 절감 효과○

최적 열처리 공정의 도출에 따른 불량요인 제거 및 에너지 절감○

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

당 과제를 통하여 지원된 최적 주조방안 설계기술과 열처리 공정 최적화 기술은

선박용 실린더 커버 부품이외의 지원기업에서 생산하는 주강제품에 공통적으로

적용될 수 있는 기술로써 신제품의 개발 시 개발기간을 단축하고 초기불량율을

조기에 줄일 수 있게 하여 원가 절감에 큰 기여를 하며 이에 따라 아직도 높은

비율을 차지하고 있는 선박용 주조제품의 수입대체 효과 및 일본으로의 수출 가

능성 또한 매우 클 것으로 예상됨

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

규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득규격 인증획득1) ,1) ,1) ,1) ,

인증명 품목 인증번호 승인기관 인증일자

주강 실린더커버

생산인증98MC 2700-2005-042.1 MAN B&W 2005.12.22

주강 실린더커버

생산인증96C E4-107.271.383 WARTSILA 2006.11.05

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

종 류 명칭 번호발명자

고안자( )권리자 실시권자

비고

등록 출원( , )

세부지원실적세부지원실적세부지원실적세부지원실적6.6.6.6.

항 목지원

건수지 원 성 과

기술정보제공 건3 현장 업무 개선 및 주조관련 정보 습득

시제품제작 건2 불량률 감소 및 회수율 증대

양산화개발 건

공정개선 건9 최적주조방안작성 가능

품질향상 건

시험분석 건7 결함의 분석 및 원인규명

수출 및 해외바이어발굴 건

교육훈련 건

기술마케팅 경영자문/ 건

정책자금알선 건

논문게재 및 학술발표 건

사업관리시스템

지원실적업로드 회수건19

지원기업 방문회수 건4

기 타 건2 실린더커버 모델링

상기 세부지원실적에 대한 세부내용 첨부*

종합의견종합의견종합의견종합의견7.7.7.7.

지원기업 기술책임자의 신기술 도입의지와 연구개발의지가 강하여 해석 프로그

램을 활용한 주조방안 설계기술의 접목으로 기존 단조에 의해 국내 생산되던 선

박용 실린더커버의 주조품 대체에 성공하였으며 대에 불과한 회수율을50% 70%

대까지 끌어올리는데 본 과제가 큰 기여를 한 것으로 자체적으로 판단되며 또한

지원한 열처리 최적화 설계기술과 함께 해당 제품 이외의 주강제품의 생산에도

폭넓게 적용할 수 있는 기술로 향후 지원기업의 새로운 제품의 개발에도 일조를

할 것으로 기대된다 초기 설정된 주조방안 이외의 제품 수매기업의 요구에 의.

한 잦은 방안 변경 등으로 과제를 개월 연장하였지만 기업에도 큰 도움이 된2

것으로 판단된다.

- 8 -

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

과학기술 연구개발 성과 해당사항 없음과학기술 연구개발 성과 해당사항 없음과학기술 연구개발 성과 해당사항 없음과학기술 연구개발 성과 해당사항 없음1. :1. :1. :1. :

논문게재 성과□

논문게재 세부사항

(9)

게재 년도

(10)

논문명

저자(11) (12)

학술지명

(13)

Vol.

(No.)

(14)

국내외

구분

(15)

SCI

구분주저자 교신 저자 공동 저자

사업화 성과 해당사항 없음사업화 성과 해당사항 없음사업화 성과 해당사항 없음사업화 성과 해당사항 없음2. :2. :2. :2. :

특허 성과□

출원된 특허의 경우○

세부사항

(9)

출원년도

(10)

특허명

(11)

출원인

(12)

출원국

(13)

출원번호

등록된 특허의 경우○

특허 세부사항

(9)

등록년도

(10)

특허명

(11)

등록인

(12)

등록국

(13)

등록번호

사업화 현황□

사업화 세부사항

사업화(9)

명

(10)

사업화

내용

사업화 업체 개요(11) (12)

기 매출액

백만원( )

(13)

당해연도

매출액

백만원( )

(14)

매출액 합계

백만원( )업체명 대표자 종업원수

사업화

형태

고용창출효과□

고용창출 세부사항

(9)

창업

명( )

(10)

사업체 확장

명( )

(11)

합계

명( )

- 9 -

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

지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건지원기업 현장방문 건1. : 41. : 41. : 41. : 4

No. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005.12.12 해석업무 협의98MC, 96C 출장신청서

2 2006.10.20 열처리해석 결과 토의 출장신청서

3 2006.11.30-12.01 시제품 주조 협의96C 출장신청서

4 2006.12.18-12.19 시제품 결과 확인 출장신청서

기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건기술정보제공 건2. : 32. : 32. : 32. : 3

NO. 일자 구체적 내용 증빙유무

1 2005.11.03 핫탑 관련자료 제공 지원실적 첨부자료

2 2006.01.26 주물사 알파세트용 자료 제공( ) 지원실적 첨부자료

3 2006.09.14 주조 관련 책자 질 전달Know-how 2 지원기업 내 비치

시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건시제품제작 건3. : 23. : 23. : 23. : 2


1 2006.05.16 시제품 제작98MC 보고서 내

2 2006.11.30 시제품 제작96C 보고서 내

시험분석 건시험분석 건시험분석 건시험분석 건4. : 74. : 74. : 74. : 7


1 2006.04.03 결함원인분석(SEM, WDX) 보고서 내

2 2006.04.17 실린더커버조직이상부분석 사진(SEM,WDX, ) 보고서 내

3 2006.04.21 열처리시편 경도측정 해석 검증용

4 2006.05.08 열처리시편 경도측정 해석 검증용

5 2006.06.08 화학성분분석 보고서 내

6 2006.06.12 실린더커버조직분석의뢰 조직사진(SEM, ) 보고서 내

7 2006.06.14 미세조직이상부 확인 조직사진( ) 보고서 내

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기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건기술지원실적 업로드 건5. : 195. : 195. : 195. : 19


1 2005.11.03 핫탑 관련자료 제공 지원실적 첨부자료

2 2005.12.12 대상제품 협의 출장

3 2006.01.19 도면입수 및 모델링

4 2006.01.26 주물사 알파세트 자료전달( ) 지원실적 첨부자료

5 2006.02.15 초기방안 해석98MC 지원실적 첨부자료

6 2006.03.09 차 수정방안 해석98MC 1 지원실적 첨부자료

7 2006.03.28 차 수정방안 해석98MC 2 지원실적 첨부자료

8 2006.04.14 최종방안 결정98MC 지원실적 첨부자료

9 2006.04.26 연소실 부 미세홀 분석 지원실적 첨부자료

10 2006.05.03 열 표면처리 국제학회 동향/ 지원실적 첨부자료

11 2006.05.11 주조 열응력 해석 지원실적 첨부자료

12 2006.05.16 시제품 주조98MC 지원실적 첨부자료

13 2006.06.09 초기방안 해석96C 지원실적 첨부자료

14 2006.06.29 편석 의심부위 분석 지원실적 첨부자료

15 2006.07.12 차 수정방안 해석96C 1 지원실적 첨부자료

16 2006.08.21 최종방안 결정96C 지원실적 첨부자료

17 2006.09.14 주조 관련 책자 질 전달Know-how 2

18 2006.10.20 열처리 공정해석 지원실적 첨부자료

19 2006.11.30 시제품 주조96MC 지원실적 첨부자료

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목 차목 차목 차목 차

제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

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 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황1111

제 절 국내 해석기술의 동향제 절 국내 해석기술의 동향제 절 국내 해석기술의 동향제 절 국내 해석기술의 동향2222

제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향3333

제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

최적주조방안 설계기술지원최적주조방안 설계기술지원최적주조방안 설계기술지원최적주조방안 설계기술지원1.1.1.1.

최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계2.2.2.2.

결함원인 분석 지원결함원인 분석 지원결함원인 분석 지원결함원인 분석 지원3.3.3.3.

제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담2.2.2.2.

시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산3.3.3.3.

제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

부 록부 록부 록부 록

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제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요제 장 사업의 개요1111

제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성제 절 기술지원 필요성1111

국내의 선박건조능력은 세계 위로 국가의 주력산업으로 발전해 왔으며 향후 년1 5

이후의 물량까지 계약이 이미 될 정도로 호황 추세이나 중국 등 후발 참여국들은

값싼 인건비를 무기로 국내 조선업계를 따라오고 있으며 핵심부품이나 엔진설계 등

과 같은 고부가가치의 제품의 경우 유럽과 일본의 벽을 쉽게 넘어서기 어려운 실정

이다.

선박용 엔진을 생산하는 국내의 기업 중 가장 높은 점유율을 차지하고 있는 현대중

공업 엔진 사업본부에서 생산되고 있는 대형디젤엔진 사업은 주조 단조를 비롯한,

최첨단 정밀 가공과 조립 시운전을 통한 제품 생산으로 시장의 를 점유하고 있35%

다 선박용 실린더 커버는 주철재 실린더 라이너 피스톤 크랭크 등의 부품과 함께. , ,

선박용 엔진의 핵심을 담당하는 부품으로 내연기관의 폭발 시 발생되는 고압과 고

열을 견디며 장시간의 수명을 보장하여야 하므로 높은 경도와 함께 인성 연성이,

동시에 요구되는 성질을 가진다.

그림 선박엔진부품 중 실린더 커버그림 선박엔진부품 중 실린더 커버그림 선박엔진부품 중 실린더 커버그림 선박엔진부품 중 실린더 커버1111

국내 대형 엔진용 실린더 커버의 기존 생산은 상기한 바와 같은 기계적 성질의 요

구에 따라 소성가공법의 일종인 단조에 의해 생산되고 있었으며 비교적 간단한 형

상임에도 커다란 부피와 높은 단중으로 전문단조장비의 보유 및 전문기술자가 필요

하여 높은 생산단가가 소요되고 있다.

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일본 사의 경우 수년 전부터 주강재의 실린더커버를 개발하여 단조품을 대치하DU

여 현재 건조되고 있는 선박의 엔진용 실린더 커버로 장착하여 고객에 납품하고 왔

으며 국내의 경우 본 과제의 지원기업이 부터 고가의 단조소재를 대처할 수2004

있는 주강소재의 실린더커버의 개발을 시작하여 고강도의 주강소재의 개발에 성공,

소형 엔진용 실린더 커버를 개발하여 국내 최초의 주강재 선박용 실린더 커버의 생

산기술을 확보하였으나 대형엔진용 실린더 커버의 개발에 많은 시일이 소요되고 생

산단가를 결정짓는 회수율이 현저히 낮은 편이며 제품의 불량률이 불균일하게 발생

되고 있는 실정이다.

선박용 실린더 커버는 제품의 형상은 단순하나 작동조건이 가혹하며 요구되는 기계

적 성질이 까다로와 과학적인 주조방안에 의한 결함의 방자가 최우선이며 열처리

공정의 최적화에 따른 목표 기계적 성질의 만족도 요구되어지는바 주조방안 및 열

처리공정의 최적설계가 필수적이라고 할 수 있다.

본 지원과제를 통하여 컴퓨터 시뮬레이션을 응용한 주조방안 설계기술과 열처리공

정 설계기술을 활용함으로써 생산원가와 절감에 의한 제품의 경쟁력을 높이고 초기

불량율을 조기에 줄임으로써 개발기간을 단축하여 아직도 높은 비율을 차지하고 있

는 선박용 부품의 생산방법 대체 및 향후 수출의 효과까지 노릴 수 있을 것으로 판

단된다.

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

차원 솔리드 서피스 모델작업을 통한 제품의 모델링 기술 지원3 /•

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차원 주조방안 설계 기술의 보유로 주조방안 설계 시 압탕의 위치 크기 및 적3 ,•

절한 탕구 선정 기술 지원

열처리 해석 를 활용한 최적 열처리 공정의 도출S/W•

주강 제품의 품질관리 지원 각종 기계적 성질 몇 주조 조직 평가:•

주조 중에 발생할 수 있는 각종 결함의 판정 및 예방 지원•

제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황제 장 국내외 기술현황2222

제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황제 절 국내외 조선업 현황1111

조선산업은 대형 주강 주물품의 주요 수요처이며 아래 그림에서와 같이 선박용o

대형 엔진구조물에 핵심이라고 할 수 있는 실린더 커버 실린더 라이너 크랭크 피, , ,

스톤 등의 제품이 주조 단조 공정에 의해 제작되고 있는 대표적인 선박용 철강제품/

으로써 제작과정의 어려움으로 제품 점유율이 선진국 몇 개 회사가 독점하고 있는

실정이며 이들 중 실린더 커버는 일본에서는 주조품으로 대체되어 장착시판되고 있

지만 국내에서는 소형 엔진을 필두로 이제 개발이 시작되는 단계임.

그림 조선업에 차지하는 주조품의 예그림 조선업에 차지하는 주조품의 예그림 조선업에 차지하는 주조품의 예그림 조선업에 차지하는 주조품의 예2222

국내 조선산업의 생산량이 세계 위를 차지하고 있는 지금 선박 건조에 있어서o 1

핵심인 주물부품 생산의 중요성이 어느때 보다 강조 되고 있음.

- 15 -

특히 조선산업은 선박수주가 년이후 물량까지 계약이 되어 있는바 선박건조에o 5

있어서 납기일을 정확히 지키는 것이 어느 산업보다 중요함 이와 같은 점 때문에.

선박 구성 부품의 원할한 공급이 매우 중요한대 몇몇 핵심 주물부품들은 몇 개의

외국업체가 독점을 하고 있기 때문에 이들 업체들의 횡포에 우리나라 전체 조선 업

계가 휘둘리는 양상을 보임.

이러한 점 때문에 핵심 주물 부품의 국내 개발 및 생산이 향후 조선산업의 발전o

과 국가 경제에 엄청나게 큰 영향을 미칠 것 이라는 것을 쉽게 예상할 수 있음.

여년 이후 세계 조선시장의 수급은 여전히 풍부한 대체수요와 세계경기 회복o 20

에 따른 해상물동량증가와 일본의 설비조정 예상 등으로 물량면의 호황추세가 지속

될 전망임.

신조선가는 엔고에 따른 일본업체들의 채산성 악화와 이에 따른 설비조정 그리고o

원화절상에 따른 한국조선업체들의 선가 상승 유도로 년부터는 본격적인 반등2000

이 시작되어 현재에 이르고 있음.

공급측면은 년 백만 의 건조능력을 보유하였던 세계 조선산업은 수요축o 75 34.8 GT

소에 따라 경쟁력이 약한 유럽 미국 등의 조선소가 상당부분 축소 폐쇄되어 년, , 90

에는 건조능력이 백만 로 축소되었지만 년대 들어 한국의 확대 등19.1 GT 90 CAPA.

을 통해서 년에는 백만 로 확대되었으며 년에 중국의 진입 등으로94 22.1 GT , 2000

건조능력이 더욱 확대되었음.

현재 우리나라는 일본과 함께 세계조선 시장 수위를 차지하고 있으며 일본과 우o ,

리나라의 수주 및 건조능력의 차이가 년대 말을 기점으로 역전되어 있음90 .

년 이후의 한국은 환율조건면에서 월등한 경쟁력 차이에 의해서 일본을 앞지o 98

르고 있어 앞으로도 당분간은 공급과잉기에 세계시장은 한국업체가 주도할 것으로

전망됨.

한편 영국의 조선 해운 시황 전문분석기관인 클락슨은 최근 발표한 전세계 조선o ,

통계를 분석하면서 최근 몇 년 동안 중국 조선업이 급속히 발전함에 따라 년2006

음 기점으로 단일국가 기준으로 일본을 제치고 세계 대 조선국으로 부상할 것으로2

예상했음 이는 조만간 한국도 중국에 추월 당할 가능성이 있는 상황을 쉽게 알 수.

있으며 경 중공업 산업전반에서 도전을 받고 있다는 것을 알 수 있음. .

- 16 -

국내 조선업계 현황을 자세히 살펴보면 수주면에서 년에 컨테이너선의 경우o 2005

증가한 반면 나머지 선종은 수주실적이 없거나 대폭 감소하였으며 건조실적16.1%

은 년 현재 전년 대비 증가하였고 특히 컨테이너선에서 의 높은2005 6.3% 35.9%

증가율을 나타내었는데 이는 현재 국내 선박 산업이 대형 고 부가가치 선박건조에,

중국을 비롯한 주변국들에 비해 큰 기술경쟁력을 보유하고 있다는 사실을 알 수 있

음.

현재 국내 조선소 및 기자재 업체는 대형 개사 중소조선소 개사 기자재 업o 9 , 177 ,

체 약 개가 있다 조선 산업 역시 자동차산업과 비슷하게 다른 산업분야에서 많170 .

은수의 부품이 공급되어야 하는 기간산업의 형태를 띠고 있으며 조선산업의 시장변

화에 따라 중소 부품업체 특히 관련 중소 주물업체에 큰 영향이 미치고 있음.

국가별 건조실적국가별 건조실적국가별 건조실적국가별 건조실적< >< >< >< >

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제 절 국내 해석 기술의 동향제 절 국내 해석 기술의 동향제 절 국내 해석 기술의 동향제 절 국내 해석 기술의 동향2222

연세대학교o

금속공학과 재료공정모델링 연구실에서는 년 이후 주조공정에 대한 컴퓨터- 1986

시뮬레이션 기술을 꾸준히 개발해 오고 있으며 열유동 응고 조직형성 현상을 시, , ,

뮬레이션하여 각종 주조공정에 적용하고 있음

금속공학과 나노재료상변태연구실에서는 년 이후 열처리 공정에 수반된 상- 2001

변태 응력의 변환 기계적 성질의 예측에 대해 연구를 진행해 오고 있으며 포스코, , ,

등과 철강소재의 개발에도 힘쓰고 있음INI steel

한국생산기술연구원 디지털설계센터o

한국생산기술연구원에서는 다이캐스팅 사형주조 정밀주조등과 같은 주조공정을- , ,

시뮬레이션할 수 있는 기술을 개발해 오고 있으며 라는 상용 소프트웨어를, Z-Cast

개발하여 국내 주물업체에 보급하고 있음

열처리공정의 해석을 위하여 내 별도 모듈을 개발하여 가열 냉각 템퍼링- Z-cast / /

공정을 망라하는 주조품의 열처리 공정을 해석할 수 있는 패키지를 개발 보유하고

있으며 이 패키지의 성능개선 및 활용한 지원사업을 수행하고 있음.

주조공정에 필요한 주조방안을 인공지능적으로 자동설계하는 지능형- Expert

기술을 중기거점 사업으로 개발하여 오고 있음System

한편 주조공정에 필요한 주물 자료 및 물성치등을 확보하여 데이터베이스화 함으-

로써 주조공정을 다양하고 정확하게 해석하는 기초 토대를 마련하고 있음

- 18 -

주조방안 시뮬레이션 해석의 고속화를 위한 병렬연산 연구가 첫단계로 응고 시뮬-

레이션에 대하여 적용 개발되고 있음/

제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향제 절 국외 해석기술의 동향3333

독일 아헨공대o - MAGMA GmbH ( )

아헨공대 주조연구소에서는 수년전부터 주조관련 프로그램을 개발해 오고 있음-

여러 주조공정에 대한 시뮬레이션 기술을 개발하여 상용 소프트웨어인 를- Magma

판매하고 있음

주조공정에 대한 인공지능 설계에 대한 기초 연구를 행하여 오고 있으며-

라는 인공지능 설계 패키지를 준비중Magma-Frontier

미국o - Opticast (Altair Engineering, Inc)

에서는 라는 응고해석 프로그램과 연계하여 기술자- Altair Engineering SOLIDCast

가 초기주조방안을 디자인했을때 컴퓨터가 최적의 수율과 품질을 생산할 수 있는

주조방안을 설계하는 소프트웨어를 개발해 오고 있음

라는 열처리 해석 소프트웨어를 자동차 부품관련회사가 연합하여 개발하- DANTE

고 세계시장에 판매하고 있음.

영국 대학o - Swansa

에 소재한 대학에서는 지난 년부터 만 영국 파운드 상- Swansa Swansa 1994 840

당의 연구비를 등 굴지의 자동차 회사에Rolls Royce, GKN, Rover, Ford, Corus

서 지원을 받아 주조공정에 대한 연구를 행하여 오고 있음

주된 연구내용으로는 주조공정에서의 최선 컴퓨터 시뮬레이션 기술 개발에 관한-

것이며 특히 주물 결함 감소를 위한 인공지능 기술개발과 혁신적인 주조공정 개발

에 관한 연구를 행하여 왔음

특히 의 분석을 통한 인공지능형 결함감소 설계- R. Ransing Cause and Effect

연구는 와 해서 지원을 받아왔으며 전통적인 기술인 주조 과정Rolls Royce EPSRC ,

을 자동화하는 연구로 진행되어오고 있음.

o ESI - Sysweld

프랑스의 대학에서 시작된 연구결과를 바탕으로 용접 시뮬레이션을 기초로 하여-

개발된 라는 패키지를 열처리 분야까지 확장하였으며 현채 해석 소프트SYSWELD

웨어 전문 회사인 에서 연수하여 전세계적으로 갖아 많은 열처리 용접 해석 서ESI ,

장을 확보하고 있음

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일본 연구소o -HITACHI

동북대학의 재료공정학과에서 주조공정에 대한 시뮬레이션 기술에 대한 개발이-

진행하여 개발된 솔버를 연구소에서 상품화하여 이라는 소프트HITACHI ADstepan

웨어명으로 일본 내의 가장 많은 주조방안 해석 사용자를 확보하고 있음.

그룹은 년대부터 고상 상변태 모델링에 대한 연구를 시작하여- Inoue 1970

등의 소프트웨어에 대한 상품화를 완성하였고 꾸준한 연구가 진행되고GRANTAS

있으나 활용도는 미진한 실정임.

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제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과제 장 기술지원 수행 내용 및 결과3333

제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행제 절 기술지원 수행1111

최적 주조방안 설계기술 지원최적 주조방안 설계기술 지원최적 주조방안 설계기술 지원최적 주조방안 설계기술 지원1.1.1.1.

가 응고해석 시스템의 기본원리가 응고해석 시스템의 기본원리가 응고해석 시스템의 기본원리가 응고해석 시스템의 기본원리....

금속은 일단 용해되어 굳는 응고과정 중에 금속의 조성 작업변수 등에 따라 여러,

가지 물리현상을 일으키게 된다 특히 액상으로부터 고상으로 변하는 변태를 우리.

는 응고과정이라 부르며 금속의 많은 기계적 성질이 이 과정 중에 결정되게 된다, .

컴퓨터에 의해 금속의 응고과정을 해석하기 위해서는 응고과정 중에 일어나는 가장

큰 현상이 열전달을 이해할 필요가 있다.

자연계에 있어서 인위적이지 않은 자연현상은 엔트로피가 증가하는 방향으로 일어

나게 되어 있고 열의 경우에 있어서도 높은 온도에서 낮은 온도로 에너지가 이동,

하게 된다 이 에너지가 열에 해당되고 열의 흐름이 열유속이 된다 이 열유속을. . 1

차원의 경우를 가정하면 법칙에 따르게 된다 차원의 경우Fourier . 1 ,

이 된다 여기서. 는 열유속 는 온도 는 좌표 는 온도 구( / ), T ( ), x ( ), T/ x㎈㎝ ℃ ㎝ ə ə

배 이고 비례상수 는 열전도도 이다 방향에 선형온도분포를 갖( / ) , K ( / ) . x℃ ㎝㎈ ℃ㆍ㎝

는 경우 온도구배는 직선형의 기울기를 가지므로 온도구배 는, T/ xə ə

이므로 열유속은 다음의 식으로 표현된다.

(X2에서 X1방향에는 q12 = K(T2-T1)!(x2-x1 의 열량이 단위시간 단위면적당 흐른) ,

다.)

- 21 -

법칙에 의해 다음 식과 같이 열에너지 보존법칙을 수식으로 나타낼 수 있Fourier

다 시간 에서 사이의 임의 영역에 축적된 열량. t (t+Dt)

Q = Qin - Qout

(where : Qin 시간에 유입된 열량: t , Qout 시간에 유출된 열량 이다: t ) .

온도 가 일정하다고 가정하면 축적된 열량 는T( ) , Q℃

또 사이의 거리를 면 및 면에서의 열유속을, ab x, aa' bb' qa, qb로 하고 사, aa', bb'

이에서 열유속이 직선적으로 변한다면 다음 관계가 성립한다.

따라서 면 면의 면적을 단위면적으로 하면aa' , bb'

따라서 윗 식들을 종합하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.

이 된다 여기서 로서 무한소요소 무한소시간 증분 을 고. V = 1 x ( x 0), ( t 0)ㆍΔ Δ → Δ →

려하면

이 식에 맨 처음의 식을 대입하면 다음 열전도 기초미분방정식이 얻어진다Fourier .

여기서 만약 열전도도 가 위치와 온도에 의해 변한다면, K ( K/ x = 0)ə ə

- 22 -

또는

이다 는 열확산율 또는 온도전도율이라 부른다. .α

차원의 경우로 확장하면2

와 같이 된다.

요소내의 응고구간 즉 고액공존역이 존재하면 발열항으로 반응열 응고잠열의 방출,

을 고려한 항이 추가되어 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 은 응고잠열 을 는 고상율을 각각 나타낸다L ( /g) , fs .㎈

여기까지 차원 열전달 및 이것을 확장한 차원에서의 열수지식을 얻을 수 있었다1 2 .

이 수지식은 열전달에 의한 수지 및 응고에 따른 잠열발생을 고려한 발열항을 반영

하고 있는 미분방정식이다 하지만 컴퓨터에 의한 열전도 기초미분방정식을 주어진.

초기조건과 경계조건하에서 직접 해석하는 것은 불가능하다 왜냐하면 미분방정식.

은 연속식인데 비하여 컴퓨터는 이산화 된 값만 취급할 수 있기 때문이다 따라서.

시간에 대해서는 미소시간 마다 장소에 대해서는 어떤 절점에 대해서Dt(time step) ,

계산하고 임의의 시간과 장소에 대해서는 내삽 또는 외삽(interpolation)

에 의해서 구할 수 있다 그러므로 기초미분방정식이나 경계조건식은(extrapolation) .

적당한 간격의 시간 장소에 관한 값을 나타내는 식 즉 이산화식 또는 차분식으로, ,

변환할 필요가 있다.

차분식은 위의 식을 테일러 전개에 의하여 푸는 것이 가능하다 이렇게 이산화 된.

차분식은 컴퓨터가 이해가능한 프로그램으로 코딩하는 것이 가능하다.

종래의 수치해석법 모두가 미분방정식을 기초로 하고 있는 것에 대하여 본 프로그

램에서 사용한 직접차분법에서는 풀어야 할 계 를 미소요소로 분할하고 각(system) ,

요소에 대하여 물리현상을 미분방정식을 경유하여 직접 컴퓨터 계산을 위한 차분방

정식으로 표현하여 수치해를 구한다 이 경우 절점과 절정영역의 개념이 중요하다. .

- 23 -

왜냐하면 온도와 고상율 등을 절점에 있어서의 값으로 이산화하고 절점영역에 있,

어서 보존 법칙을 수식으로 표현하기 때문이다 절점과 절점영역의 정의 방법에는.

내절점법과 외절점법이 있다 내절점법은 다음 그림과 같이 분할요소의 외심을 절.

점으로 하여 요소 자체를 절점영역으로 한다.

그림 직접차분법의 요소형상과 절점결정방법그림 직접차분법의 요소형상과 절점결정방법그림 직접차분법의 요소형상과 절점결정방법그림 직접차분법의 요소형상과 절점결정방법3333

위의 모델과 방법을 보면 내 절점법과 외절점법에 있어서 외절점법은 외심을 구하

여야 하고 결국은 외심을 구하기 위해서는 각 요소에서 계산요소를 다시 계산하는

결과가 되기 때문에 결국은 유한요소법에 근사한 방법으로 발전하게 된다 그에 비.

해 내절점법은 주어진 요소의 내심을 중심으로 하고 내심으로부터 각 에너지 수지,

가 일어나는 주변의 선 차원 면 차원 까지의 거리를 갖고 수지식을 주변의 접촉(2 ), (3 )

요소들과의 로 계산을 수행하기 때문에 코드제작의 간편성과 해석시간의Balance

짧음 등이 대표적인 특징으로 손꼽을 수 있다.

다음 그림에 차원에 있어서 직접차분법에 의한 열전달계산의 개략을 나타낸다2 .

그림 열전달해석을 위한 직접차분법의 개념도그림 열전달해석을 위한 직접차분법의 개념도그림 열전달해석을 위한 직접차분법의 개념도그림 열전달해석을 위한 직접차분법의 개념도4444

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그림을 보면 Sa, Sb, Sc, Sd를 통하여 열량의 이동이 있다고 가정하면 절점, a, b, i

로 대표되는 각 요소에 있어서의 에너지출입량을 계산하면 된다 먼저 면. Sb는 이물

질들이 접하고 있는 경계이고 그 사이에 발생하는 열저항을 고려한 경우로서 열저, ,

항은 요소 와 사이의 열전달계수의 역수로서 표시된다 즉 면b i . , Sb를 통과하는 열량

은 다음과 같다.

또한 경계로부터 유입되는 열량이 열유량 로서 정의되어 있는 경우(Heat flux) ( 는)

다음의 열유입량으로 나타내어진다.

그 밖에 공기온도 Tc 그리고 경계에서의 열전달계수, hc가 주어진 경우는 요소 에i

의 열유입량 Qci는 다음과 같다.

그리고 열저항이 없는 경우 동일물질사이의 열전달 인 경우는( )

이다 또한 요소 에 있어서 동안의 에너지변화량은. i Dt

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이다 이상의 식을 정리하면 다음과 같이 요소에서의 열수지식이 얻어진다. i .

또한 이 경우에 있어서 계산이 발산하지 않기 위하여 지켜야 하는 안정조건은 윗식

을 재배열함에 의하여 얻을 수 있다.

위의 식에서 취급하고 있는 응고 시 액상이 고상으로 변태하면서 액상에서 갖고 있

던 에너지를 방출하면서 생기는 용탕의 온도증가 즉 잠열발생에 대한 취급법을 생,

각해보면 다음과 같다 원래 응고잠열의 근본은 고체금속을 가열하여 액상의 금속.

으로 용융시키는 과정에서 축적된 에너지이다 즉 고체금속을 가열하면 자체의 유.

입되는 에너지를 금속고유의 비열로 나눈 것 만큼의 온도가 직선적 비열이 온도의(

함수가 아니라고 가정할 경우 으로 상승한다 하지만 어느 순간에 있어서 이 온도) . ,

상승은 직선에서 정체구간으로 변하게 된다 즉 이 부분에서 계속적인 열량의 유입.

즉 에너지가 유입되고 있지만 이 에너지는 비열에 따른 온도증가에 이용되지 않고, ,

금속이 갖고 있는 분자간의 결합고리를 끊어서 액상을 형성하게 하는 데에 사용된

다 이 과정중에 열량은 내부에 축적이 되며 완전히 고상에서 액상으로 변한 후에. ,

는 다시금 액체상태에서의 비열을 갖고 온도상승이 계속된다 이 과정을 용융금속.

으로부터 고상으로 응고시키는 반대과정으로 생각한다면 결국 잠열이라는 것은 액

상으로부터 고상으로 변태과정을 거치면서 고상 액상에서 축적된 열에너지를 방, ->

출하는 것이라 하겠다.

따라서 응고잠열은 고상율의 증가 즉 응고의 진전과 더불어 고액공존역으로 방출,

된다 따라서 고상율과 온도의 관계를 아는 것은 응고과정을 프로그램화하는데 매.

우 중요하다 일반적으로 수치해석에서 응고잠열의 방출을 취급하는 방법은 등가비.

열법 법 및 온도회복법이 있다, enthalpy .

- 26 -

본 프로그램에서 사용한 온도회복법은 우선 응고잠열의 방출을 고려하지 않고 온도

해석을 하고 시간마다 응고온도로부터 온도강하량을 구하고 아직 응고진행 중인Dt

경우에는 그 요소의 온도를 응고잠열방출에 의해 회복시키는 방법이다 따라서 시.

간 사이에 응고잠열방출량Dt Qs와 고상융의 증가량 사이에는 다음과 같은 관계Dfs

가 성립한다.

고상율이 이 될 때까 즉 완전히 액상이 고상으로 변태될 때까지 온도회복을1( fs) ,Σ

실시한다 이 방법은 주로 순금속의 경우에만 적합하다 그러나 이 방법은 응고구. . ,

간을 가진 합금에도 적용하기 위하여 그림 와 같이 취급하였다5 .

그림 는 응고구간에서 온도회복법으로 잠열을 취급하는 방법을 나타내었다5 . Step 1

은 응고잠열의 방출을 고려하여 온도변화를 나타내었고 는 응고잠열의 방출step 2

을 고려하지 않고 온도변화를 계산한 경우이다 에서 계산된 온도. Step 2 T2는 step

의 온도1 T2보다 낮을 것으로 예상된다.

그림 고액공존구간에서 온도회복법에 의한 잠열처리법의 개념도그림 고액공존구간에서 온도회복법에 의한 잠열처리법의 개념도그림 고액공존구간에서 온도회복법에 의한 잠열처리법의 개념도그림 고액공존구간에서 온도회복법에 의한 잠열처리법의 개념도5555

그림 의 경우처럼 시간 사이의 은 다음과 같이 나타낼 수 있다5 Dt step 1 .

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에 대해서는step 2

이다 에너지 보존법칙에 의해 사이의 과 는 같기 때문에 두 식을. Dt step 1 step 2

조합하면

로 되므로 시간 t2( = t1 의 온도+ Dt) T2를 구할 수 있다.

의 경우는(b)

로 온도 T2를 구할 수 있다.

의 경우도 마찬가지로(c)

로 온도 T2를 구할 수 있다.

나 주조열응력 해석의 이론나 주조열응력 해석의 이론나 주조열응력 해석의 이론나 주조열응력 해석의 이론....

에 의한 온도 해석에 의한 온도 해석에 의한 온도 해석에 의한 온도 해석(1) FDM(1) FDM(1) FDM(1) FDM

주조열응력에서 필요로 하는 열전달 해석은 기본적으로 응고해석의 열전달 원리와

동일하며 앞에서 설명한 바와 같이 차원 계를 직교좌표계의 온도장으로 이산화하3

여 법에 의하여 온도를 계산하고 그 데이터를 응력계산을 위한 솔버로 전달하FDM

는 형태를 가진다.

에 의한 주조 열응력 해석에 의한 주조 열응력 해석에 의한 주조 열응력 해석에 의한 주조 열응력 해석(2) FEM(2) FEM(2) FEM(2) FEM

열탄소성 응력 해석을 위한 전변형율 증분 은 다음과(The total incrimental strain)

같이 표현된다.

{d }={dε εe}+{dεT}+{dεp}

여기서 는 각각 탄성변형률 소성변형률 열팽창계수에 의한 열변형률e, p, T , ,ε ε ε

이다.

응력 변형률 증분관계 는 다음과 같이 표현되고- (Incremental strain-stress relation)

- 28 -

{d } = [Dσ e]{dεe} = [De]({dε}-{dεT}-{dεp})

여기서 는 등방성 재료의 탄성 행렬이다[De] .

탄소성 해석을 위해서는 항복함수 경화법칙 소성(yield function), (hardening rule),

흐름법칙 을 정의해야 하며 항복항수로 사용되는 소성 포텐셜함수(flow rule) (Plastic

는 다음과 같이 정의할 수 있다potential function), f .

여기서 는 경화법칙으로 항복곡면의 성장을 표현하며 소성변형동안 소성일의 양Wp

이 된다 따라서 다음과 같이 수식으로 표현된다. .

흐름법칙 은 시 관계로 표현되며 다음식과 같다(flow rule) Prand -Reuss .

여기서 는 비례상수 이다d .λ

미소 소성변형이 일어나는 동안의 평형조건은 이므로 앞의 식들을 이용하면df=0

다음 식을 구할 수 있다.

윗 식의 에 관련항을 대입하면 다음과 같고{d } {d }σ σ

를 구하면 다음과 같이 정리할 수 있다dλ

여기서 는 다음과 같다S .

- 29 -

상기 d , {dλ εp 그리고 앞의 식들을 이용하여 다음과 같은 관계를 얻을 수}=d f/λ σə ə

있고

각각의 항과 행렬은 다음과 같이 정의된다.

상기 식을 이용하면 간단한 수식으로 다음과 같이 표현 할 수 있다.

여기서 전변형률 는 다음과 같이 정의된다(the total incremental strain) d ' .ε

해석영역을 작은 영역인 요소로 분할한 후 어떤 한 요소내의 변위증분 는 형상, {u}

함수 를 이용하여 요소 절점의 변위증분 로 표현할 수 있다(Shape function) , {d} .

마찬가지로 변형률 증분도 다음과 같이 표현된다.

- 30 -

여기서 는 의 미분 행렬이다[B] [N] .

상기 식을 이용하여 다음과 같이 변형률 에너지를 정의할 수 있으며

여기서 는 이전식의 의 와 같다' d ' .Δε ε

증분 포텐셜 에너지 에서 외력이 작용하지 않는 순수 열응력 해석, = u+ wΔπ Δ Δ

에 대해 변분법에 의한 최소 포텐셜에너지 법칙 을(the minimum potential theory)

적용한다.

해석영역 전체의 평형방정식은 각각의 유한요소에 대한 기여분을 조합함으로써 얻

어진다.

여기서 는 강성행렬 는 변위벡터 는 절점력벡터이다 상기 식의 각[K] , { U} , { FT} .Δ Δ

항은 다음과 같이 표현된다.

여기서 는 해석영역을 구성하는 유한요소의 개수이다 위의 유한요소방정식은 동NE .

방경화성 소성거동을 표현하는 구성방정식에 기초하여 유도되었다.

과 의 해석 데이터 변환과 의 해석 데이터 변환과 의 해석 데이터 변환과 의 해석 데이터 변환(3) FDM FEM(3) FDM FEM(3) FDM FEM(3) FDM FEM

본 지원사업에 사용된 주조열응력 해석 프로그램은 한국생산기술연구원에서 자체적

으로 개발된 것으로 연계해석에 의하여 주조 및 열처리 공정의 열응력FDM/FEM

해석을 수행하고 있다 주조 공정에서는 주로 열전달과 유동 현상에 대해 을. FDM

이용하여 해석을 수행하게 되어 있으므로 연계해석 방법은 을 이용FDM/FEM FDM

하여 주조 및 열처리 공정에서 열전달 해석을 수행하고 을 이용하여 열응력해FEM

석을 수행한다.

- 31 -

그러므로 열처리 또는 주조공정에서 유환차분법을 이용하여 얻은 온도 및 조직변태

등의 해석 데이터는 응력해석을 위해 유한요소망의 절점 데이터로 변환되어야 한

다.

유한 차분 격자망으로부터 유한요소절점의 데이터를 구할 때는 유한차분 요소들의

재질의 종류에 따라 여러 가지 경우가 생기므로 일률적으로 같은 계산식을 사용하

지 못하고 각각의 경우를 고려하여 계산하여야 한다.

다음은 차원의 경우 해석 데이터의 변환 과정이다2 .

구하고자 하는 유한요소의 절점과 가장 가까운 유한차분 요소망의 네 개의 절점①

을 구한다.

구한 네 개의 절점의 물질이 해석하려는 제품의 영역에 속하는지 또는 다른 재,②

질인지의 영역에 속하는지를 판별한다.

그림 과 같이 제품의 영역에 속하는 절점의 수에 따라 다음 식을 적용하여 유6③

한 요소망의 절점데이타를 구한다.

Case (a) : T=T2

Case (b) :

Case (c) :

Case (d) :

;

그림 차원에서의 데이터 변환을 위해 고려되는 개의 경우그림 차원에서의 데이터 변환을 위해 고려되는 개의 경우그림 차원에서의 데이터 변환을 위해 고려되는 개의 경우그림 차원에서의 데이터 변환을 위해 고려되는 개의 경우6 2 46 2 46 2 46 2 4

- 32 -

차원은 차원 평면이 겹쳐있는 것으로 생각할 수 있으므로 차원 변환 알고리즘3 2 2

을 이용함으로써 구해질 수 있다.

구하고자 하는 유한요소의 절점과 가장 가까운 곳에 위치한 유한차분 격자망에①

서 여덟 개의 절점을 구한다 유한요소의 절점은 구한 여덟 개의 절점이 꼭지점을.

이루는 직육면체의 내부에 위치하게 된다.

직육면체를 구성하는 면 중 축에 수직인 개의 상 하면을 구한다Z 2 , .②

각 면에 때해 차원의 경우에 적용된 알고리즘을 적용하여 그림 의2 7 T③ u,Tl을 구

한다.

T④ u,Tl에 대해 식들을 적용하여 구하고자 하는 유한요소망의 절점데이타를 구한

다.

그림 은 상면은 개의 격자가 제품이고 하면은 개가 모두 제품인 경우에 대한7 3 , 4

그림이다.

그림 차원 변환 예그림 차원 변환 예그림 차원 변환 예그림 차원 변환 예7 3 data7 3 data7 3 data7 3 data

점성효과를 고려한 해석기술 개발점성효과를 고려한 해석기술 개발점성효과를 고려한 해석기술 개발점성효과를 고려한 해석기술 개발(4)(4)(4)(4)

탄소성 해석을 위해서는 항복함수 경화법칙 소성(yield function), (hardening rule),

흐름법칙 을 정의해야 하며 향복함수로 사용되는 소성 포텐셜함수(flow rule) (Plastic

는 다음과 같이 정의할 수 있다potential function), f .

여기서 는 경화법칙으로 항복곡면의 성장을 표현하며 소성변형동안 소성일의 양Wp

이 되며 단순 탄소성 해석에 점성 즉 변형속도, 를 고려하는 항이 추가 되었다, .

따라서 미소 소성변형이 일어나는 동안의 평형조건은 에 대한 식에도 변형 속df=0

도의 항이 추가 된다.

- 33 -

또한 변형 속도를 고려하여 를 구하면 다음과 같이 정리할 수 있다dλ

최종적인 등방 경화성재료 에 대한 유한요소방정식은(isotropic hardening material)

다음과 같다.

변형속도를 고려한 유한요소 정식화에서 요소강성 방정식에서 항이 다음과force

같이 유도된다.

합금의 응고양식을 고려한 주물의 열변형 해석합금의 응고양식을 고려한 주물의 열변형 해석합금의 응고양식을 고려한 주물의 열변형 해석합금의 응고양식을 고려한 주물의 열변형 해석(5)(5)(5)(5)

주형에 용융금속을 주입하면 결정의 핵이 생성되고 이것이 성장하면서 응고가 진행

이 되는데 거시적으로 보면 결정은 열이동의 방향과 반대방향으로 성장하게 된다, .

즉 주형에 가까운 곳에서부터 응고가 일어나게 된다 그러나 좀 더 배율을 높여서.

응고 진행상황을 보면 고상과 액상의 경계에서 고상이 평활한 평면을 가지고 고액, ,

경계가 명확히 되면서 진행되는 경우도 있고 고상과 액상이 서로 교차하면서 고액,

공존 영역으로 되어 경계의 구분이 애매한 경우도 있다.

- 34 -

전자를 표피형성형 응고 후자를 죽모양 응고(skin formation solidification), (mushy

라고 칭한다type solidification) .

통상 순금속은 표피형성형 응고를 하지만 합금은 대부분 죽모양 응고를 하는 경우

가 많다 특히 철계주물에서 생산량이 가장 많은 주철이라든가 알루미늄 합금 주물.

에서 생산량이 가장 많은 계 주물은 대표적인 죽모양 응고 합금이다AI-Si .

죽상응고를 하는 경우에는 용탕이 액체로 존재하고 있는 영역이 작고 많아지므로

압탕에서 수축이 일어나고 있는 부위로 효과적인 급탕이 어렵다 따라서 주물에는.

기공 수축공 및 고온 균열 등의 각종 주조결함이 발생하기 쉽다 또한 굽탕이 막힌, .

부위가 최종적으로 응고할 때에는 수축이 일어나므로 주물의 변형에 영향을 미칠

가능성이 크다.

본 과제에 사용된 열응력 변형 해석에서는 동일 합금에서 응고의 양식이 다르다고/

가정하여 간단한 모델을 대상으로 각 경우별로 주물의 변형 거동을 취급하였다.

가 금속의 응고 양식가 금속의 응고 양식가 금속의 응고 양식가 금속의 응고 양식( )( )( )( )

그림 전형적인 주조조직그림 전형적인 주조조직그림 전형적인 주조조직그림 전형적인 주조조직8888

합금주물을 절단하여 부식시켜 보면 그림 과 같이 칠층 주상정 등축정의 조직을8 , ,

볼 수 있다 주물의 표면부 즉 주형벽 가까운 부분에서는 결정립이 미세한 층이 형. ,

성 되는데 이것을 칠층이라 한다 그 안쪽에는 주상정이 주물 중심을 향하여 발달, .

하며 주상정은 내부로 성장해 갈수록 조대해지며 주물 중심부에는 등축정이 생긴, ,

다 이와 같이 주물의 전형적인 응고조직은 칠정 주상정 등축정부분으로 이루어진. , ,

다 그러나 합금의 종류와 주조조건에 따라서 상기한 세부분이 전부 나타나지 않을.

수도 있다 예를 들면 합금에 미세화제를 첨가하면 전단면에서 등축정만이 나타. Al

나며 얇은 주물의 경우에는 중심부의 등축정이 나타나지 않는 경우도 있다 또한, .

동일 합금계에서도 합금원소의 함량에 따라서 다양한 응고조직을 나타내는데 그림,

는 합금에서 함량에 따른 매크로조직을 나타낸다 순 에서는 주상정만9 AI-Si Si . AI

이 나타나나 함량이 로 많아질수록 등축정이 많아지며 공정인, Si 1.5%, 7% , 12%

에서도 등축정의 생성이 많은 것을 알 수 있다Si .

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그림 합금의 함량에 따른 응고 조직 순그림 합금의 함량에 따른 응고 조직 순그림 합금의 함량에 따른 응고 조직 순그림 합금의 함량에 따른 응고 조직 순9 Al-Si Si ( Al, AI-1.5% Si, AI-7% Si,9 Al-Si Si ( Al, AI-1.5% Si, AI-7% Si,9 Al-Si Si ( Al, AI-1.5% Si, AI-7% Si,9 Al-Si Si ( Al, AI-1.5% Si, AI-7% Si,

공정 조성공정 조성공정 조성공정 조성))))

나 표피형성 응고나 표피형성 응고나 표피형성 응고나 표피형성 응고( )( )( )( )

순금속은 대부분 표피형성 응고를 하지만 합금에서 이러한 응고를 하는 합금은 주,

강이 대표적이다 탄소함량이 낮은 주강은 표피형성형 응고를 하는데 표피형성형인. ,

가 죽모양 응고를 하는가는 상부가 개방된 주형에 용탕을 붓고 일정시간이 지난 후

응고가 종료되기 전에 주형을 뒤집어서 미응고용탕을 따라 내면 계면(decantation)

의 형상을 보고서 알 수 있다 즉 표피형성형응고는 고체 액체 계면이 매끄럽게 나. -

타난다 이런 경우 열이동방향과 결정성장 방향이 반대이므로 조직은 주상정이 많.

아지게 된다.

실제 주물이 응고하고 있을 때에는 반드시 주형 측의 온도가 낮고 주물 중심은 온,

도가 높아서 온도차 또는 온도 구배가 존재하게 된다 등온 단면을 보면 다수의 등.

온선이 외부로부터 내부를 향하여 지도의 등고선 또는 양파와 같이 겹쳐있는 상태

를 볼 수 있다 순금속에서는 온도가 정확히 융점과 같은 장소에서만 고상과 액상.

이 공존하므로 계면은 단 하나의 등온면과 일치하고 따라서 두께가 없는 하나의,

평면이 되며 그 바깥쪽은 고체영역 안쪽은 액체영역이 된다, , .

전술한 바와 같이 순금속은 한 온도에서 응고하지만 합금은 응고구간을 가진다 즉.

응고가 시작되는 온도인 액상선온도와 응고가 종료되는 온도인 고상선온도 사이의

응고구간이 존재하는데 표피형성형 응고를 하는 합금은 비교적 이 구간이 좁으므로

순금속과 비슷한 응고 양상을 나타내는 것이다.

다 죽모양 응고다 죽모양 응고다 죽모양 응고다 죽모양 응고( )( )( )( )

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응고온도 범위를 갖는 합금은 어느 장소에서부터 어느 장소까지의 범위에서 고액이

공존하므로 두 개의 등온면으로 둘러싸인 영역이 생긴다 이 영역은 고체가 들쑥날, .

쑥 하게 되어 액체 중에 돌진한 상태 혹은 액체의 중에 부유하고 있는 상태로 죽, ,

상영역 이라고 부른다 죽상영역을 통과할 때에 주조품에는 작은 구(mushy zone) .

멍 라든지 고온 균열 이라든지 합금원소의 편석 등 각종 주조결(porosity) (hot tear) ,

함이 발생하기 쉽다.

합금주물이 응고할 때에는 주물 표면은 열이 빨리 빼앗기므로 표면에 응고층이 먼

저 생기나 내부에는 넓은 구역에 걸쳐서 고액공존구역이 생기게 된다 따라서 고상, .

과 액상이 혼재하게 되는데 이러한 경향은 응고구간이 넓은 합금일수록 심하게 된,

다 표피형성형의 경우는 주로 주상정이 생기고 열류의 방향과 결정성장의 방향이.

반대이었으나 죽모양 응고와 같이 열류의 방향과 결정성장의 방향이 같아지는 경,

우는 과냉된 액체를 경유하여 열이 이동하게 되어 등축정이 생기기 쉽게 된다 또.

한 응고수축을 보상해 줄 수 있는 용탕의 유료가 좁아지게 되어 수축공 결함이 생

기기 쉽고 이로 인하여 최종응고부위의 수축으로 인한 주물의 변형이 발생할 가능,

성이 크다.

죽상이라고 하여도 가벼운 경우가 있고 심한 경우도 있다 그래서 죽상 영역의 폭.

거리 의 대소에 대해서 생각하여 보면 이것은 합금의 성질인 응고 온도범위( X) ,Δ

와 그 때의 온도구배 에 의하여 결정된다 그림T G ( 10).Δ

그림 응고형태와 온도구배그림 응고형태와 온도구배그림 응고형태와 온도구배그림 응고형태와 온도구배10101010

X = T/GΔ Δ

죽상영역이 좁아지는 조건을 나열해보면,

합금의 응고온도범위 가 좁다T① Δ

합금의 열전도도가 작다②

융점 액상선 고상선 이 높고 주형과의 온도차가 크다( , )③

주형의 온도가 낮다④

주형의 열흡수능력이 크다 등이다.⑤

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은 합금의 성질 는 주조조건이다 특수한 기술로서 일부러 액상 측, , , , .① ② ③ ④ ⑤

을 가열하고 고상 측을 강하게 냉각함으로써 온도구배를 크게 하여 죽상 영역을,

최대한 좁제 할 수가 있다 주형가열식 일방향응고 등( ).

대표적인 죽상 응고를 하는 것은 알루미늄 합금의 사형주물인데 이것은 응고온도,

범위가 넓은 것 알루미늄의 열전도도가 큰 것 그리고 주형인 모래의 열흡수 능력, ,

이 낮은 것 등 상기한 조건과 정반대의 조건이 겹쳐진 결과이다 저탄소강의 연속.

주조에서는 가 작고 급랭되므로 가 커서 죽상응고영역이 좁고 표피형성형 응T , G ,Δ

고에 가깝게 된다.

주조 공정의 초기 고상 액상 공존역을 고려하는 열응력 해석주조 공정의 초기 고상 액상 공존역을 고려하는 열응력 해석주조 공정의 초기 고상 액상 공존역을 고려하는 열응력 해석주조 공정의 초기 고상 액상 공존역을 고려하는 열응력 해석(6) /(6) /(6) /(6) /

주조공정에서 기존의 열응력 해석은 제품의 모든 부위가 완전 응고된 후 열응력 해

석을 수행하게 된다 즉 완전한 제품에 대한 유한 요소망 을 구성하. (FEM Mesh Net)

여 열응력 해석을 수행하게 되므로 모든 제품이 응고가 완료되어 완전한 제품의 형

상이 되어야 열응력 해석을 시작하게 된다.

하지만 대형 제품이나 냉각속도의 차아가 큰 제품에 대해서는 압탕과 같은 후육부

에서 응고가 완료되지 않은 상태애서 다른 박육 부위는 냉각이 빠르게 진행되어 모

든 제품이 응고가 완료된 후엔 박육 부위의 온도는 심하게 냉각되어 열응력 해석의

초기 응력분포가 부정확하게 된다 그러므로 고상과 액상이 공존하는 구간에서부터.

열응력 해석을 수행함으로써 초기 응력분포를 더욱 정확히 예측 할 수 있다 이러.

한 기폰 해석 방법의 단점을 보완하기 위하여 제품이 모두 응고가 완료되지 않은

상태에서 해석을 수행시키려면 현재 응고된 상태에서의 제품에 대한 유한 요소망이

필요하다 또한 이러한 유한 요소망은 응고가 진행됨에 따라 계속적으로 변화해야.

한다.

그림 고상 액상 공존역에서의 요소망 재구성그림 고상 액상 공존역에서의 요소망 재구성그림 고상 액상 공존역에서의 요소망 재구성그림 고상 액상 공존역에서의 요소망 재구성11 /11 /11 /11 /

그림 에 고상 액상 구역을 고려한 열응력 해석의 개념을 보여주고 있다 그림11 / . 11

와 같이 응고가 완료된 상태의 제품의 형상에 대한 유한 요소망을 구성하고 그(a)

림 와 같이 응고 과정에서 응고 부위에 대한 유한 요소망을 재구성하였11 (b)-(c)

다.

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이러한 과정을 계속하면서 응고가 완료되면 그림 와 같이 완전한 제품에 대11 (d)

한 유한 요소망을 사용하여 상온까지 냉각되면서 열응력 해석을 수행하게 된다.

가 요소망의 재구성가 요소망의 재구성가 요소망의 재구성가 요소망의 재구성( )( )( )( )

그림 와 같이 새로 구성된 요소망에 대해 해석 속도의 향상을 위하여 효율적인12

알고리즘을 통하여 절점의 배열을 최적화하여 를 줄여야 한다Bandwidth (Profile) .

그림 의 최적화 개념그림 의 최적화 개념그림 의 최적화 개념그림 의 최적화 개념12 Bandwidth12 Bandwidth12 Bandwidth12 Bandwidth

밴드폭을 줄이기 위해 효율적인 알고리즘을 통하여 절점의 배열을 새롭게 만든다.

절점의 각 요소에서 절점간의 차이는 밴드폭이 된다 이는 각각의 요소에서 절점간.

의 차이를 계산하여 얻어낸 결과로 행렬의 밴드폭으로 계산하게 된다 그러므로 절.

점간의 차이를 최소화 하도록 적절하게 절점을 배열하는 것이 중요하다 본 연구에.

서 번호부여는 미응고된 요소를 삭제한 후 응고부위의 요소를 통해 새롭게 배열하

여 본 프로그램에 맞도록 입력한다 이를 통해 본 프로그램에 적절한 입력파일을.

만들 수 있고 또한 밴드폭도 줄일 수 있는 장점을 얻을 수 있다 밴드폭을 줄이는.

알고리즘 중에 가장 많이 사용되어지는 것으로써 보통 RCM(Reverse

이 사용되며 본 연구에서도 을 사용하였다 대칭행렬 의 밴Cuthill-McKee) RCM . [K]

드폭 은 다음의 식으로 구할 수 있다(B) .

[A]x = b

[A] : NxN matrix which is space and has a symmetric pattern of zeros.

x : Unknown vector

b : Known vector

≤ ≤

bi : difference between i+1 and in column index of the first non-zero entry

row of [A]

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알고리즘RCMK

절점의 등급 다른 절점과 만나는 수 이 가장 많은 시작 절점 선택( ) N .①

절점의 등급이 작은 순서로 진행한다. For i=N, i =N-1, , 2② …

절점의 번호가 없는 주변 절점을 찾아 번호를 저장 찾은 반대 순서로 절점의i . i③

번호를 정한다.

우선 절점의 등급이 가장 작은 절점을 선택한다 그림 에서 보는 바와 같이. 13 (a)

최외각의 절점을 등급이 가장 작은 절점으로 선택한다 그 후 그 절점과 연결될 절.

점 간의 동위 구조를 파악하여 동위 절점 번호를 부여한다 그림 그래프 이( 13 (b)).

론으로 설명할 수 있는데 기준 절점과 연결되어 있는 절점의 거리를 계산한다 즉. ,

기준이 되는 절점에서 연결되어 있는 절점의 최단 거리를 계산하여 절점간 등급을

부여하면 된다 절점 등급이 가장 높은 수부터 번호를 차례로 부여한다 그림. ( 13

부여하는 방향을 통일하여 순차적으로 변호를 부여한다 부여된 절점 변호를(c)). .

절점 등급에 따라서 역순으로 부여한다 그림 이 때 중요한 것은 부여하면( 13 (d)).

서 각 요소 당 밴드 폭을 계산해 나가 가장 최소가 되게끔 번호를 배열하는 것이

다 이미 등급이 정해진 곳에 절점 번호는 결정아 되었으므로 본래 번호 부여를 하.

고자 하는 곳에 밴드폭이 최소가 되게 부여함과 동시에 부여된 번호가 인접 요소의

밴드폭에 얼마만큼 영향을 주는가를 계산하여 번호를 부여한다.

그림 의 번호 부여의 예그림 의 번호 부여의 예그림 의 번호 부여의 예그림 의 번호 부여의 예13 RCM13 RCM13 RCM13 RCM

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그림 는 간단한 모델에 대한 최적화 적용 결과들이다14 bandwidth .

그림 모델에 대한 최적화 결과그림 모델에 대한 최적화 결과그림 모델에 대한 최적화 결과그림 모델에 대한 최적화 결과14 Sample Bandwidth(Profile)14 Sample Bandwidth(Profile)14 Sample Bandwidth(Profile)14 Sample Bandwidth(Profile)

나 응고 구간에서의 해석 주 대상의 검색나 응고 구간에서의 해석 주 대상의 검색나 응고 구간에서의 해석 주 대상의 검색나 응고 구간에서의 해석 주 대상의 검색( )( )( )( )

현재의 열응력 해석이 개의 제품에 대해서만 해석이 수행되므로 응고 구간에서 응1

고 완료된 제품이 두 부분 이상으로 나누어져 있을 때에는 해석이 불가능하다 하.

지만 응고과정에서 응고 완료된 부위를 고립시켜보면 제품의 여려 곳에 분포하게

된다 그러므로 응고 구간에서 여려 흩어져 있는 응고완료 영역 중에서 주 해석 대.

상을 결정해야 된다 이를 위하여 응고 완료 영역의 분리된 부분을 각 영역별로 그.

룹화 시켜 가장 주된 해석 영역을 얻어내려 이를 해석하였다 그림 에 응고과정. 15

에서의 주 해석영역을 표현하였다 그림 는 완전한 제품의 모델을 보여주고. 15 (a)

있으며 응고 과정에서는 그림 의 원에서 표시한 것과 같이 응고 부위가 산발15 (b)

적으로 분포하며 이러한 응고 부위 중 주 해석 대상을 검색하여 그림 와 같15 (c)

은 해석 대상을 자동으로 검색 하였다.

그림 모델에 대한 응고 과정에서의 해석 대상 검색 결과 예그림 모델에 대한 응고 과정에서의 해석 대상 검색 결과 예그림 모델에 대한 응고 과정에서의 해석 대상 검색 결과 예그림 모델에 대한 응고 과정에서의 해석 대상 검색 결과 예15 Sample15 Sample15 Sample15 Sample

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다 해석 시스템을 활용한 최적방안 설계다 해석 시스템을 활용한 최적방안 설계다 해석 시스템을 활용한 최적방안 설계다 해석 시스템을 활용한 최적방안 설계....

이전 절에서 설명한 바 있는 해석 시스템을 활용하여 기존 방안의 문제점을 분석하

고 새로운 방안을 도출하기 위한 해석을 진행하였다 현재 지원기업에서 개발 중인.

여러 제품에 대한 해석 지원을 수행하였으나 보고서 내에는 실린더커버 제품 중 2

종류에 대한 지원사례만을 정리하가로 한다.

의 해석지원의 해석지원의 해석지원의 해석지원(1) 98MC(1) 98MC(1) 98MC(1) 98MC

가 초기방안가 초기방안가 초기방안가 초기방안( )( )( )( )

아래의 그림 에 초기 방안의 모델링 결과와 요소분할도를 함께 나타내었다 적절16 .

한 압탕의 크기와 최소한의 방안 설계로 건전한 제품의 주조가 가능한지를 확인하

기 위하여 슬리브와 압탕 만을 사용하였고 칠은 사용하지 않는 방안을 선택하였다.

해석에 사용된 요소는 로 총 개로 분할된 요소망을X:164, Y:145, Z:117 2,782,260

사용하였다 압탕 크기 외경 내경 높이 회수율.[ : 1500 650 540/ :60%]

그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안16 ( )16 ( )16 ( )16 ( )

그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안17 , ( )17 , ( )17 , ( )17 , ( )

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위의 그림 에 제품아 전체적으로 응고완료된 시점의 응고시간과 온도분포도를 나17

타내었다.

그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안18 ( )18 ( )18 ( )18 ( )

그림 은 시간의 경과에 따른 미응고 부위를 나타낸 해석결과로 시간이 경과함에18

따라 미응고부위는 제품의 하단부에서 압탕 쪽으로 이동하지만 초 후의 미응37500

고 부위의 위치에서 확인할 수 있듯이 최종 응고부위가 압탕목과 제품사이에 걸쳐

서 형성되는 것으로 보아 연소실 직상의 제품의 상단부위에 수축결함이 발생할 수

있음을 보여주고 있다.

그림 수축결함 예측 결과 초기방안그림 수축결함 예측 결과 초기방안그림 수축결함 예측 결과 초기방안그림 수축결함 예측 결과 초기방안19 ( )19 ( )19 ( )19 ( )

- 43 -

응고시간분포에 의한 결과는 제품내의 결함이 존재할 위치와 가능성에 대한 지표만

나타낼 뿐이며 정확한 수축의 크기는 표시하지 못하므로 위치와 크기에 대한 정보

는 역시 이전 절에 설명한 바 있는 수축 결함 예측에 의한 방법을 사용하였고 그

결과는 아래의 그림 에 나타내었다 압탕으로부터 수축이 시작되어 길게 제품 쪽19 .

으로 수축 형상이 연결되며 제품의 적상부에 수축결함이 산재할 것으로 예측되어진

다.

나 차 수정방안나 차 수정방안나 차 수정방안나 차 수정방안( ) 1( ) 1( ) 1( ) 1

초기방안에서 예상되는 제품상단의 수축결함을 없애기 위하여 압탕의 크기를 키우

고 제품의 하단부에 을 설치하는 수정방안을 차적으로 검토하였다 압탕의 외chill 1 .

경은 그대로 유지하면서 내경을 줄여이고 높아도 높여 압탕을 키워 회수율을 떨어

지지만 수축결함을 방지할 수 있는지를 확인하고자 하였다 아래의 그림 에는 초. 20

기방안과 마찬가지로 모델링결과와 요소분할도를 나타내었다 해석에 사용된 요소.

의 개수는 로 총 개이다 압탕 크기 외경 내경X:156, Y:145, Z:125 2,827,500 .[ : 1500

높이 회수율490 600/ :48%]

그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 차수정방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 차수정방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 차수정방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 차수정방안20 (1 )20 (1 )20 (1 )20 (1 )

확대된 압탕의 영향으로 전체적인 응고시간이 길어지고 최종응고부위도 비교적 위

쪽으로 이동하는 것을 확인되었지만 최종응고부위의 위만으로는 결함의 위치를 정

확히 판단하기에 어려움이 있어 기존 해석의 경우와 마찬가지로 수축결함 예측결과

그림 를 함께 참고하였다 수축결함은 압탕에서 압탕목으로 연결되는 부위에서( 22) .

끝나고 제품의 상부면까지 연결되지 않는 것으로 판단되며 이는 압탕의 크기를 늘

린 것과 하부에 을 사용하여 연소실 이하의 응고를 빠른 시간 내에 유도한 결chiil

과로 생각된다 차 수정방안으로 수축결함이 없는 제품의 생산이 가능할 것으로. 1

판단되지만 회수율이 너무 낮고 압탕의 내경을 줄여 압탕을 키우면서 연소실 윗부

분의 제품 형상이 실제 가공명에서 가공여유를 준 정도가 아닌 연소실의 내경과 동

일한 내경으로 그대로 적용되어 주조 후 가공사에 가공비용 등의 추가적인 문제도

함께 수반될 것으로 생각된다.

- 44 -

그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 차수정방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 차수정방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 차수정방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 차수정방안21 (1 )21 (1 )21 (1 )21 (1 )

그림 수축결함 예측 결과 차수정방안그림 수축결함 예측 결과 차수정방안그림 수축결함 예측 결과 차수정방안그림 수축결함 예측 결과 차수정방안22 (1 )22 (1 )22 (1 )22 (1 )

다 차 수정방안다 차 수정방안다 차 수정방안다 차 수정방안( ) 2( ) 2( ) 2( ) 2

수축결함이 없는 방안은 완성되었으나 설명한바와 같이 회수율의 문제와 가공상의

문제로 적용하기엔 문제가 있을 것으로 판단되는 바 회수율을 증가시키는 방안에

대해서 검토하고자 하였다 압탕의 외경을 줄이고 연소실상단 부분의 제품면에 chill

을 추가로 설치하여 새로운 해석을 진행하였다 아래의 그림 에는 모델링결과와. 23

요소 분할도틀 나타내었으며 해석에 사용된 요소는 로 총X:173, Y:308, Z:158

개로 분할된 요소망을 사용하였다 압탕 크기 외경 내경 높이8,418,872 .[ : 1300 480

회수율1680 :58%]

- 45 -


그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 차수정방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 차수정방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 차수정방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 차수정방안24 , (2 )24 , (2 )24 , (2 )24 , (2 )

위의 그림 에 제품이 전체적으로 응고완료된 시점의 응고시간과 온도분포도를 나24

타내었다.


- 46 -

그림 에는 해석결과 예측된 미응고부위의 시간렬 변화를 나타내었다 외경의 축25 .

소에 따라 최종 미응고 부위가 제품과 압탕사이의 압탕목 지정에 형성되고 그림 26

의 수축결함 결과와 함께 판단해본결과 제품의 상부면에 소량의 수축결함이 존재할

것으로 예측되어졌다 수축결함은 완전히 제거되지 않았지만 압탕의 외경을 줄이면.

서도 초기방안에 비하여 수축결함의 양을 줄인 방안으로 평가되며 이는 추가적으로

설치한 연소실부 내부 의 효과인 것으로 판단된다chill .



- 47 -

라 최종방안라 최종방안라 최종방안라 최종방안( )( )( )( )

이전의 해석 결과를 토대로 회수율을 최대한 끌어올리고 수축결함을 제거하기 위해

서는 기본적으로 압탕의 크기를 최대한 줄이고 의 사용을 적적하게 하는 것이chill

좋을 것으로 결론지어졌으며 여러번의 시행착오를 거쳐 최종적으로 완성된 주조방

안에 대한 결과를 나타내었다 외경을 까지 줄인 결과를 그대로 사용하면서 내. 1300

경을 넓히고 연소실 상부의 제품의 형상을 그대로 따라 올라가는 압탕의 크기를 선

택함으로써 회수율은 증대시키고 주조 후 가공시에도 유리할 것으로 생각되는 방안

이다 압탕의 직경이외에 높이도 함께 축소시켜 회수율을 획기적으로 증대시켰고.

줄어든 압탕의 효과를 대신하고자 제품 최외곽부에 새롭게 을 추가하고 외곽의chill

부위에도 칠을 추가하여 제품내의 응고를 전반적으로 촉진시키는 방법을 사용하고R

자 하였다 아래의 그림 에는 모델링결과와 요소분할도를 나타내었으며 해석에. 27

사용된 요소는 로 총 개로 분할된 요소망을 사용하X:173, Y:240, Z:159 6,601,680

였다 압탕 크기 외경 내경 높이 회수율.[ : 1300 650 350/ :77%]

그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종방안27 ( )27 ( )27 ( )27 ( )

그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안28 , ( )28 , ( )28 , ( )28 , ( )


타내었다.

- 48 -

그림 와 그림 의 결과로부터 압탕을 획기적으로 줄이면서도 건전한 제품을 생29 30

산할 수 있는 방안을 확정할 수 있었다 새롭게 도입된 의 영향으로 작은 압탕. chill

을 사용하면서도 제품의 최종응고부위를 끌어올리는 것이 가능해졌다.

그림 사간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종항안그림 사간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종항안그림 사간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종항안그림 사간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종항안29 ( )29 ( )29 ( )29 ( )

그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안30 ( )30 ( )30 ( )30 ( )

을 다량 사용하게 됨으로써 조형작업시의 번거로움은 증가했으나 회수율의 획chill

기적인 증대와 전체 응고시간의 단축으로 원가절감에 크게 기여할 것으로 판단된

다.

- 49 -

라 주조열응력 해석 지원라 주조열응력 해석 지원라 주조열응력 해석 지원라 주조열응력 해석 지원( )( )( )( )

의 최적주조방안을 도출하기 위해 해석을 진행하는 중 현대중공업의 요청으98MC

로 시제품을 우선 주조하게 되었고 검토된 방안은 현재 일본에서 사용하고 있는 방

안으로 알려진 하부의 과 옆면에는 소재의 을 적용하는 방steel chill graphite chill

안으로 시험주조를 시행하였으나 탈사 후 제품의 하단부에 그림 과 같이 원주방31

향으로 돌아가며 기다란 절개면이 발생하였다 수축결함인지 크랙에 의한 결함인지.

에 대한 현상 파악도 어렵다는 기업의 요청으로 파면에 대한 관찰을 한 결과 수축

결함으로는 판정되지 않고 주조 시 응력에 의한 영향으로 발생된 크랙이 탈사 후

크게 벌어진 것으로 잠정 결론을 내리고 정확한 원인 파악을 위하여 주조열응력 해

석을 실시하였다.

그림 주조 후 결함 사진그림 주조 후 결함 사진그림 주조 후 결함 사진그림 주조 후 결함 사진31313131

이전 절에서 설명한 듯이 주조열응력 해석을 위해서는 온도해석을 위해선 응FDM,

력해석을 위해선 요소가 필요로 하며 해석을 위해 사용된 각각의 요소망을 아FEM

래의 그림 에 나타내었다32 .

그림 해석에 사용된 요소분할도그림 해석에 사용된 요소분할도그림 해석에 사용된 요소분할도그림 해석에 사용된 요소분할도32 FDM/FEM32 FDM/FEM32 FDM/FEM32 FDM/FEM

요소는 로 총 개이며 요소는 대칭조건을 고려FDM X:80, Y:100, Z:100 800,000 FEM

하여 만을 요소 사면체 로 분할하여 요소수는 개 절점수로는1/4 tetra ( ) 39,693 , 7,732

개로 분할하였다.

- 50 -

요소망에서는 전체 영역을 온도해석을 하여도 온도영역을 요소망으로FDM FEM

하는 프로그램 대에서는 영역에 대해서도 자동적으로 프로그램이interpolation 1/4

환산하여준다.

응력 해석을 위해서는 구속조건과 경계조건 등을 알맞게 설정을 하여야 하며FEM

이러한 조건들의 입력은 요소분할 프로그램 내에서 간편하게 지정할 수 있도록FEM

구성되어 있다 만을 고려한 대칭 제품 해석이므로 대칭면에 대해서는 모두 구. 1/4

속 조건을 부여하였고 그림 에 그 예를 나타내었다33 .

그림 응력해석용 조건 입력 화면그림 응력해석용 조건 입력 화면그림 응력해석용 조건 입력 화면그림 응력해석용 조건 입력 화면33 FEM33 FEM33 FEM33 FEM

위와 같이 입력된 형상에 대하여 응고해석이 수행되고 응고가 진행되며 고상이 형

성되기 시작하는 도 이하의 온도에서부터 열응력 해석은 시작하여 제품의 가1412

장 높은 온도가 도에 도달할 때까지 응력해석을 수행하였다100 .

그림 응력해석 결과그림 응력해석 결과그림 응력해석 결과그림 응력해석 결과34343434

- 51 -

제품의 시험주조 후 형 해체는 일 후이며 실제 제품의 온도가 상온까지 떨어지는3

데에는 보다 긴 시간이 소요되는 것으로 판단되며 제품의 최고온도가 도에 도100

달하는 시점은 일 시간 후 정도로 이때의 값 그림 좌측 표3 8 Von Mises stress ( 34

시부 이 정도로 그리 크지 않아 크랙이 발생할 정도의 값으로 판단할 수는) 140㎫

없으나 최종온도가 상온까지 내려올때는 이 값이 더욱 커질 것이므로 크랙이 발생

한 것으로 예측된다 특히 형 해체시 제품의 최고온도는 도 정도이며 이 때 결. 330

함부의 레벨은 정도로 고온영역에서의 를 감안하여보Von Mises stress 85 UTS㎫

면 충분히 크랙이 발생될 수 있는 응력값으로 판단된다 한 형해체시 하단부부. EH

터 급격하게 냉각됨으로 인한 제품 모서리 부의 압축력에 의한 크랙의 발생소자도

많은 것으로 판단되며 방지하는 방법으로는 형 해체 시간을 좀 더 길게 일정도 하(4 )

는 것이 이와 같은 결함이 발생되지 않도록 하는 것이며 또한 칠의 강력graphite

한 냉각 효과에 의한 영향도 매우 크므로 한국중기에서 사용하고 있는 을steel chill

그대로 사용하는 것이 유리할 것이라는 판단이다.

의 해석지원의 해석지원의 해석지원의 해석지원(2) 96C(2) 96C(2) 96C(2) 96C

의 경우 의 방안설계 이후 작업이 진행되어 방안설계를 위한 해석의 반복96C 98MC

작업 횟수는 비교적 감소하였다 크기는 와 유사하나 연소실 하부의 길이가. 98MC

짧은 형상으로 전체적인 방안설계 변경은 에서 설계된 이후의 조건을 참고하98MC

여 초기방안을 결정하였고 의 영향을 바꾸어 고려하는 검토가 진행되었다chill .

가 초기방안가 초기방안가 초기방안가 초기방안( )( )( )( )

압탕의 외경을 에서 결정된 외경을 사용하며 은 하부에만 적용한 방안이98MC chill

다 아래의 그림 에 모델링 결과와 요소분할도를 함께 나타내었다 해석에 사용. 35 .

된 요소는 로 총 개로 분할된 요소망을 사용하였X:200, Y:173, Z:142 4,913,200

다 압탕 크기 외경 내경 높이 회수율.[ : 1200 450 700/ :64%]

그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 초기방안35 ( )35 ( )35 ( )35 ( )

- 52 -

그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 초기방안36 , ( )36 , ( )36 , ( )36 , ( )

위의 그림 에 제품이 전체적으로 응고완료된 시점의 옹고시간과 온도분포도를 나36

타내었다.

그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 초기방안37 ( )37 ( )37 ( )37 ( )

그림 과 그림 에 각각 시간경과에 따른 미응고부위의 변화와 수축결함 예측결37 38

과를 나타내었다 수축결함은 제품 상단부에 소량 발생될 것으로 예측되었으며 초.

기 방안에서 사용된 내경은 연소실 상부의 가공량이 매우 많아지게 되어 수축결함

이 존재하지 않더라도 변경해야할 방안이며 회수율 또한 제고가 필요할 것으로 판

단된다.

- 53 -

그림 수축결함 예측 결과 초거방안그림 수축결함 예측 결과 초거방안그림 수축결함 예측 결과 초거방안그림 수축결함 예측 결과 초거방안38 ( )38 ( )38 ( )38 ( )

나 차 수정방안나 차 수정방안나 차 수정방안나 차 수정방안( ) 1( ) 1( ) 1( ) 1

내경을 키워 가공여유정보만을 남기고 제품의 실제 형상을 유지할 수 있도록 하여

가공성을 확보하고 이에 따른 압탕의 효과가 떨어질 것을 우려하여 외경을 약간 키

우기로 하였다 은 하부칠만 사용하는 형태를 그대로 유지하여 차 수정방안을. chill 1

완성하였다 아래의 그림 에는 모델링결과와 요소분할도를 나타내었다 해석에. 39 .

사용된 요소의 개수는 로 총 개이다 압탕 크기 외경X:131, Y:153, Z:122 2,445,246 .[ :

내경 높이 회수율1270 690 700/ :65%]


- 54 -

그림 과 그림 에 미응고부위의 변화와 수축결함 예측 결과를 나타내었다 회수40 41 .

율은 약간 증대되었지만 제품 상부의 수축결함 양상이 좀 더 심해지는 것으로 나타

났다 내경 쪽의 확대가 큰 영향을 미치는 것으로 판단되며 의 사용이 절대적. chill

으로 필요할 것으로 예상되었다.



- 55 -

다 최종방안다 최종방안다 최종방안다 최종방안( )( )( )( )

와 마찬가지로 여러 차례의 방안수정이 계속된 후 최종방안을 나타내었다 회98MC .

수율 증가를 위해서는 외부 쪽으로의 사용도 절대적으로 필요한 것으로 판단chill

되며 연소실의 형상 문제로 연소실 내부면에 대한 의 사용은 불가능하며 외부chill

형상에 평탄면이 비교적 많이 존재하여 의 크기도 키울 수 있어 내부 의chill chill

사용은 없이 외부 만을 사용하도록 하였다 의 사용 효과에 큰 기대를 가지chill . chill

며 아탕의 높이를 낮추어 회수율을 증가시키고자 방안을 작성하였다 아래의 그림.

에는 모델링결과와 요소분할도를 나타내었으며 해석에 사용된 요소는42 X:159,

로 총 된 요소망을 사용하였다 압탕 크기 외경 내경Y:167, Z:122 3,239,466 .[ : 1270

높이 회수율690 500/ :71%]

그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종항안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종항안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종항안그림 해석에 사용된 모델과 요소분할도 최종항안42 ( )42 ( )42 ( )42 ( )

그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안그림 응고완료후의 응고시간 온도분포도 최종방안43 , ( )43 , ( )43 , ( )43 , ( )


타내었다 해석 시에는 압탕의 높이를 으로 검토를 하여보았다 그림 와 그림. 700 . 44

에서 확인할 수 있듯이 제품 내에는 최종응고부위와 수축결함이 모두 존재하지45

않는 것이 확인되었고 외부 의 강한 냉각효과로 외부 제품의 후육부가 빠른 응chill

고양상을 보이며 최종응고부위를 압탕의 중앙부까지 올려 보내고 수축결함도 압탕

목 부근이 아닌 위쪽에 위치하여 의 경우 이 방안을 최종방안으로 확정할 수96MC

있을 것으로 판단되며 실제 생산의 경우 압탕 쪽으로의 이중 주입을 통하여 압탕의

높이를 까지 낮추어 회수율을 까지 올릴 수 있었다500 71% .

- 56 -

그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종방안그림 시간 경과에 따른 미응고 부위의 변화 최종방안44 ( )44 ( )44 ( )44 ( )

그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안그림 수축결함 예측 결과 최종방안45 ( )45 ( )45 ( )45 ( )

- 57 -

최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계최적 열처리공정의 설계2.2.2.2.

본 지원사업의 수행을 위하여 한국생산기술연구원에서 개발하여 기존 보유중인 열

처리 해석 프로그램을 사용하여 가열 냉각과정에서의 열처리 조건에 대한 검토 및,

개선 방안을 설계 하고자 하였으며 이 열처리 해석 프로그램은 을 사용한 온도FDM

해석 상분율해석 및 을 사용한 응력 해석 프로그램으로 구성되어 진다 이 해, FEM .

석 프로그램은 가열시 승온속도와 유지시간에 따른 오스테나이트 변태를 정량적으

로 예측가능하고 다양한 냉각 방법에 따른 여러 상 페라이트 펄라이트 베이나이( , ,

트 마르텐사이트 의 조직분율을 동시에 예측가능하며 공냉 수냉시의 여려 냉매 조, ) ,

건에 따른 경도의 예측 및 제품의 열응력 및 열변형 해석을 수행할 수 있다.

가 열처리해석 시스템의 기본이론가 열처리해석 시스템의 기본이론가 열처리해석 시스템의 기본이론가 열처리해석 시스템의 기본이론....

용체화 처리용체화 처리용체화 처리용체화 처리(1)(1)(1)(1)

가열과정중의 오스테나이트 분율의 변화 해석을 위하여 새롭게 확립한 Multi-Phase

변태식을 등온가열곡선 에 적용하기 위하여 아래의(Iso- Thermal Heating Diagram)

식들을 일부 수정하고 오스테나이트 분율을 시간에 따라 계산한다.

fi(t)=Fi(T)[1-exp(-Bi(T)tNi(T))]

fγ(t)=Fγ(T)[1-exp(-Bγ(T)(t+ t)ΔNi(T))]

윗 식에서의 각 온도에서의 최대 변태율 값(Fγ 은 상태도 상에서 계산할(T)) Fe-C

수 있고 이상의 온도에서는 로 정의된다AC3 1(100%) .

그림 강의 등온가열곡선그림 강의 등온가열곡선그림 강의 등온가열곡선그림 강의 등온가열곡선46 CrMoSC146 CrMoSC146 CrMoSC146 CrMoSC1

그림 에는 강의 등온가열곡선을 데이터화한 결과를 나타내었다 가열과46 CrMoSC1 .

정에서 혼합 상으로부터 오스테나이트로의 변태율을 계산하기 위하여 상온에서의

페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 하나의 가상 로 정의를 하고 이 가상phase

가 오스테나이트 상으로 변태하는 분율을 계산한다phase .

- 58 -

오스테나이트 변태의 시작선은 그림 의 하단선이며 종료선은 중간선으로 선언할46

수 있지만 균일한 오스테나이트가 얻어지는 승온과정을 해석하기 위해서는 상단선

으로 선언하는 것이 합리적이다.

냉각냉각냉각냉각과정 중의 모델과정 중의 모델과정 중의 모델과정 중의 모델(2)(2)(2)(2)

가가가가 단단단단상상상상확확확확산변태 변태산변태 변태산변태 변태산변태 변태( ) (A( ) (A( ) (A( ) (Ausususustenite -> Pearlite )tenite -> Pearlite )tenite -> Pearlite )tenite -> Pearlite )

강을 상태로부터 냉각하면 냉각속도 또는 온도이력에 의해 상이 변화한austenite

다 이 중 변태는 확산 변태로 열적으로 활성화된 개개의 원자. Austenite-Pearlite

가 계면을 통과하여 이동함으로써 변태가 진행된다 변태의 이. Austenite-Pearlite

행방정식은 가 제시한 다음 식을 기초로 하였다Agarwal & Brimacombe .

Fpt+ tΔ= 1 - exp (-Bp(T)θj

Np(T))

그림 내에서 변태그림 내에서 변태그림 내에서 변태그림 내에서 변태율율율율의 계산의 계산의 계산의 계산47474747 TTT cuTTT cuTTT cuTTT currrrvvvveeee

여기에서 와 은 상에서 각 온도에서의 등온변태의 시작 과Bp(T) Np(T) TTT curve (s)

끝점 에 의해서 결정될 수 있으며 입력된 데이터로부터 프로그램 내에(e) TTT curve

서 그림 의 방법에 따라 아래의 두 식 과 같이 각 온도에서의 값을 계산해 낼 수47

있다 이때 변태 시작점에서의 변태율은 변태 종료는 로 정. Fs = 0.005, Fe=0.995

의 하여 프로그램 내에서는 사용하게 된다.

- 59 -

Transformation time θj은 아래의 식과 같이 정의 되며

θj=θj'+ tΔ j

여기에서 tΔ j는 현재의 이며time step θj는 다음과 같다' .

위 식에서 는 각 에서의 반복 계산 횟수를 나타낸다j time step .

이렇게 를 계산해 나가면 서 위의 식을 만족시키는 조건이 되면 변태가 시작된다j

고 가정할 수 있게 된다.

나 다상나 다상나 다상나 다상 확확확확산변태산변태산변태산변태( ) (M( ) (M( ) (M( ) (Muuuulti Phalti Phalti Phalti Phasssse Dee Dee Dee Deccccompoompoompoompossssition Model)ition Model)ition Model)ition Model)

이전까지 개발되었던 확산변태에 대한 모델은 오스테나이트에서 펄라이트로의 변태

에만 국한된 것으로 여러 상이 다양한 냉각속도에 따라 혼재하여 나올 수 있는 일

반적인 합금강의 경우에는 적용이 불가능하다 그러므로 본 연구에서는 페라이트. ,

펄라이트 베이나이트를 확산변태에 의한 상으로 규정을 하고 이를 위한,

을 개발하였다Multi-Phase Decomposition Model .

위의 가지 상의 변태는 오스테나이트의 소멸에 따라 생성되는 것으로 생각할 수3

있으므로 임의의 온도 시간에서 가지 상들 간의 관계식은 아래와 같이 정의할 수, 4

있다.

- 60 -

Fγ=1-(Fα+Fp+FB)

단 변태의 초기에 오스테나이트 전체 분율은 이고 오스테나이트에서 페라이트, 1 ,

펄라이트 베이나이트로의 변태는 비가역적반응으로 가정을 한다, .

이제 여러 상이 혼재해 있을 때의 확산 변태를 계산하기 위한 식은 등이 제안Reti

한 아래의 식을 사용하기로 한다.

fi(t)=Fi(T)[1-exp(-Bi(T)tNi(T))]

는 각 상 을 나타내며i ( ,P,B) Fα i 는 임의의 온도에서 각 상의 최대변태분율로(T)

을 만족해야 한다.

새롭게 도입된 최대 변태분율의 의미는 해당온도에서 항온변태를 진행했을 때 각

상이 가질 수 있는 최대 분율을 의미하는 것으로 곡선 상에서 변태 종료선에TTT

서 각 상의 분율을 나타낸다 그림 에는 온도에 따른 각 상의 최대변태 분율. 2.4.15

의 예 저합금강 를 나타내었다 이 최대변태 분율들은 상에서 온도에( ) . IT diagram

따른 변태분율의 정보로부터 얻어낸다 이러한 데이터를 얻어내기 위해서는 나. TTT

데이터 상에 변태의 시작과 종료선 외에 변태분율이 표시된 데이터가 필요하CCT

다.

또한 위 식의 Bi(T),Ni 는 곡선 상에서 각 온도에서의 등온변태의 시작 과(T) TTT (s)

끝점 에 의해서 결정될 수 있으며 프로그램 내에서 아래의 두 식 과 같이 각 온(e)

도에서의 값을 계산해 낼 수 있다.

그림 강의 상별 최대변태그림 강의 상별 최대변태그림 강의 상별 최대변태그림 강의 상별 최대변태율율율율곡선곡선곡선곡선48 CrMoSC148 CrMoSC148 CrMoSC148 CrMoSC1

- 61 -

이제 각각의 에서 상 별 변태량을 계산하기 위해서 식을 풀어보면time step (phase)

위 식과 같이 되고 이 식을 이용하여 변태율의 변화를 계산할 수 있고 매 time

마다 각 상의 변태 변화율을 계산하여 이를 누적해 나가면 된다step .

위 식의 물리적인 의미는 펄라이트 변태만을 고려한 식과Johnson-Mehl-Avrami

유사하지만 에서의 분율을 동시에 계산할 수 있고 처음의 식과 같이 변Multi-Phase

환 후에 이전의 계산식에서 해석과정 중의 의 계산이 필요 없이 바incubation time

로 변태율을 계산할 수 있는 관계식을 얻을 수 있게 해준다.

새롭게 얻어진 다상의 변태 기본식에 펄라이트 하나의 상만을 적용하여 프로그램을

수행하여 본 결과 이전에 개발되었던 단 상의 변태식으로 계산한 결과와 동일한 결

과를 얻을 수 있어 변태식을 성공적으로 적용할 수 있음을 확인하였Multi-Phase

다.

또한 위 식으로 정의되는 가상 시간 는 계산식에서 곡선을 데이터로 사용할t TTT

경우의 계산에 사용되는 시간항이며 이 시간의 값은 연속냉각시간과 일치하는 것이

아니므로 해석을 위한 데이터로 곡선이 사용되어CCT ts,te가 상에서 정해질CCT

때는 이 가상시간 대신 프로그램 내의 현재시간을 대입하여 계산함으로 입력데이t

터를 다양화 할 수 있도록 하였다.

다 변태다 변태다 변태다 변태( ) Marten( ) Marten( ) Marten( ) Martenssssiteiteiteite

가 확산 변태하는 것을 급랭에 의하여 저지되는 경우 는 저온에Austenite austenite

있어서 준 평형상태로 유지된다.

- 62 -

과냉도가 증가하면 가 분해되기 위한 구동력이 증가하여 다른 상으로 변austenite

태를 일으키기에 충분하며 모상의 전 영역에 걸쳐서 전단에 의하여 계면이 넓혀지

고 새로운 결정이 생성된다 이러한 변태를 무확산 변태라고 하며 변태. Martensite

가 이에 속한다 변태는 가 제시한 아래의 식. Martensite Koistinen and Marburger

을 이용하여 변태율을 예측하도록 하였다.

여기에서 는 재질에 따른 비례 상수이고 Tms는 변태 온도이다martensite .

라 모델라 모델라 모델라 모델( )( )( )( ) TTTTemperinemperinemperinemperingggg

조직분조직분조직분조직분율율율율 예측 모델예측 모델예측 모델예측 모델①①①①

템퍼링 시의 실험결과들을 살펴보면 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 상들은 매

우 빠른 가열과정 중에서도 다른 상으로의 변태가 일어난다 이전까지 확산변태를.

다루며 기본식으로 사용해온 수식은 더 이상 이러한 변태의Johnson-Mehl-Avrami

특성을 표시하는데 문제가 있다는 것이 많은 선행 연구자들의 공통된 결과이다 템.

퍼링에 관련된 파라미터들은 시간과 온도의 함수로 복잡한 양상을 나타내며 변태되

는 상들도 준안정상을 포함하여 매우 다양한 형태로 나타나게 된다.

이러한 복잡한 변태 을 수학적으로 풀기 위하여 등은 아래와 같mechanism Inoue

은 식을 제안하였고 이러한 실험식은 그와 동료들에 의해 행해진 실험과 많은 후발

연구자들의 유사한 연구결과에서 템퍼링 공정을 효과적으로 해석할 수 있음이 입증

되었다.

여기에서 템퍼링 파라미터 는 다시 아래식과 같이 정의된다.λ

여기에서 는 시간 는 활성화 에너지 은 기체상수 는 온도 는 상수이, Q , R , T , log Aτ

다.

- 63 -

표 템표 템표 템표 템퍼링퍼링퍼링퍼링 시시시시 마르텐마르텐마르텐마르텐사이사이사이사이트트트트와와와와 베베베베이나이이나이이나이이나이트트트트의 변태 상수의 변태 상수의 변태 상수의 변태 상수1111

λ0는 의 변태에 관련된 파라미터1% , λ1은 변태에 연관된 파라미터로 아래의99%

표 에는 각 준안전상 별1 λ0, λ1의 값을 나타내었다.

경도 예측 모델경도 예측 모델경도 예측 모델경도 예측 모델②②②②

전절에서 시술한 바와 같은 템퍼링 모델에 의한 조직분율 예측은 템퍼링 공정을 효

과적으로 모사할 수 있으나 실제 조직의 변화에 따라 나타나는 현상인 기계적 성질

의 예측이 쉽지 않다 알려진 바와 같이 열처리 공정에 따른 미세조직의 변화는 최.

종적인 기계적 성질에 직접적인 영향을 미치고 따라서 조직변태의 는 기계kinetics

적 성질변화의 와 밀접한 관계가 있다고 단정 할 수 있다 템퍼링 공정 중kinetics .

에 나타나는 변태조직들의 기계적 성질을 알아내어 각각의 물성을 정의한 뒤 이들

의 조직이 혼재되어 있는 상태의 기계적 성질을 유추해 내기란 매우 어려운 일이

되므로 템퍼링 모델에서의 경우에 최종적으로 얻어지는 기계적 성질은 조직분율에

의한 계산이 아닌 별도의 식을 수립하여 모델링하고 실험 데이터에 의한kinetics

파라미터들을 사용하여 예측하는 방법이 알려져 있다.

일반적인 시간 온도사이의 함수의 정의형태는 아래와 같은 식의 형태를 따- kinetic

르며 여기에서 로 표현된 파라미터는 변태 성격에 따라 아래의 식들과 같은 형태P

의 파라미터들 중 하나로 대치할 수 있게 된다.

그림 템그림 템그림 템그림 템퍼링퍼링퍼링퍼링 차차차차트트트트49494949

- 64 -

H=f4(PH)

템퍼링 공정의 경우는 이 파라미터 중 가 적합한 것으로 알려져 있Dorn parameter

으며 를 적용하여 전체식을 작성하여 보면 전체가 마르텐사이트로Dorn parameter

된 조직의 템퍼링 시 경도의 변화는 아래와 같이 등온 함수로 정의할 수 있kinetic

다.

여기에서 HV0는 퀜칭 후의 마르텐사이트 조직의 경도이며 는 여러 온도 시B, n, Q /

간에서의 실험을 통하여 축적된 데이터로부터 다항 회귀식을 사용하여 결정할 수

있는 파라미터들이 된다 참고로 와 같은 값들이. B=1273, n=0.0416, Q= 250kJ/㏖

독일규격 의 경우에 대한 파라미터로 보고되고 있다50CV 2( ) .

기존 개발된 템퍼링 경도 예측 프로그램으로 지름 의 봉상 시편에 대하여 해100㎜

석을 수행하여 본 결과 해석 결과 템퍼링 후의 경도는 초기에 급속히 감소하며 시

간이 흐를수록 변화의 양상이 둔화되는 현상을 나타내며 실제 현상을 잘 표현하고

있으며 그립 과 그림 은 이러한 해석 결과들을 보여주고 있다50 51 .

그림 템그림 템그림 템그림 템퍼링퍼링퍼링퍼링에 따른 경도의 변화에 따른 경도의 변화에 따른 경도의 변화에 따른 경도의 변화50 (400 )50 (400 )50 (400 )50 (400 )℃℃℃℃

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그림 중그림 중그림 중그림 중앙단앙단앙단앙단면에서의 템면에서의 템면에서의 템면에서의 템퍼링퍼링퍼링퍼링 시간 별 경도분포시간 별 경도분포시간 별 경도분포시간 별 경도분포51515151

일반적인 기계적 성질들도 아래의 간단한 수식들과 같이 계산 가능하다고 보고되고

있으며 이에 대한 연구도 계속 진행하고 있다.

Tensile Strength( ) : 3.412H㎫ v-64.3

Yield Stress( ) : (1.17-0.0007y㎫ m)UTS+3.72ym-484

Elongation(%) : 40-(0.03-0.0001ym)UTS

Reduction in Area(%) : 100-(0.06-0.00024ym)UTS

Charpy value(J) : 296-(0.285-0.00098ym)UTS

나 열응력 해석의 기본이론나 열응력 해석의 기본이론나 열응력 해석의 기본이론나 열응력 해석의 기본이론....

열처리 열응력 해석 절차열처리 열응력 해석 절차열처리 열응력 해석 절차열처리 열응력 해석 절차(1)(1)(1)(1)

열처리 열응력은 주조 열응력과 같이 열전달은 에 의해 수행되고 열응력은FDM ,

에 의해 수행되는 방식을 사용하고 있다 열전달과 열응력에 대한 기본FEM Hybrid .

식은 전 절에 기술되어 있다 그림 에 해석절차에 대해 나타내었다. 52 .

- 66 -

그림 열응력 해석을 위한 열처리 해석그림 열응력 해석을 위한 열처리 해석그림 열응력 해석을 위한 열처리 해석그림 열응력 해석을 위한 열처리 해석52 flow52 flow52 flow52 flow

냉각냉각냉각냉각 공정에서의 열응력 및 변태응력 해석공정에서의 열응력 및 변태응력 해석공정에서의 열응력 및 변태응력 해석공정에서의 열응력 및 변태응력 해석(2)(2)(2)(2)

가가가가 냉각냉각냉각냉각 과정에서의 열응력과정에서의 열응력과정에서의 열응력과정에서의 열응력( )( )( )( )

열처리 공정에서 냉각과정에서의 열응력은 주조 공정에서의 열응력 해석과 유사한

해석 과정을 수행한다 유한요소 식은 앞 절 주조 열응력 부분에서 자세히 논의 되.

었다.

나 변태를 고려한 열응력 해석나 변태를 고려한 열응력 해석나 변태를 고려한 열응력 해석나 변태를 고려한 열응력 해석( )( )( )( )

강의 가열과 냉각 과정에서 조직의 변태가 수반되며 이러한 조직들은 각각 서로 상

이한 밀도를 갖게 되므로 이로 인해 조직의 변태는 체적의 변화를 일으킨다 열탄.

소성 열응력 해석 모델에서 냉각 시의 변태응력을 고려한 변형률 성분은increment

다음과 같이 구성할 수 있다.

{d }={dε εe}+{dεp}+{dεT}+{dεPh}

여기서 는 각각 탄성 소성 열적 변태 증분 변형률이다de, dp, dT, d Ph , , , .ε

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오스테나이트에서 펄라이트나 마르텐사이트로 변태할 때 체적의 증가가 일어나며

이러한 변태변형률은 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서 Fi는 상의 체적 분률이고'i' , ( VΔ i 는 변태가 일어날 때의 단위체적당 체/V) 'i'

적의 변화 로 변태응력을 유발시킨다 이 체적변화률에 대해서는 다음절(dilatation) .

에서 논의 될 것이다.

변태 팽창률이 추가 되었을 때 변형률 응력 관계는 다음과 같이 나타Incremental -

낼 수 있다.

증분 포텐셜 에너지 에서 외력이 작용하지 않는 순수 열응력 해석, = u+ wΔπ Δ Δ

에 대해 변분법에 의한 최소 포텐셜에너지 법칙 을(the minimum potential theory)

적용하면 다음과 같다.

- 68 -

최종적으로 단순 탄소성 해석에서 변태팽창률을 고려 활 경우의 각 유한 요소에 대

한 요소 강성 방정식은 다음과 같이 표현된다.

여기서

다 변태다 변태다 변태다 변태 팽팽팽팽창창창창률률률률( )( )( )( )

이론적 체적변화량이론적 체적변화량이론적 체적변화량이론적 체적변화량①①①①

등의 책을 참고로 하는데 기본적으로 각 조직의 격자상수를 이용하여 체Reed-Hill ,

적변화를 구한 것으로 로의 변태 시 변태 팽창률은Austenite -> Martensite 0.043

이다 하지만 상기의 수치는 구속이 없는 하나의 격자만을 대상으로 하가에 실제.

제품에서는 격자들 사이와 기저조직과의 구속과 탄소함유량 등에 영향을 받게 된

다.

는 강의 변태응력의 수치해석과정에서 오스테나이트에서 마르텐사Woodard(1996)

이트로의 변태 체적변화률을 로 펄라이트로의 변태 체적변화율을 로 계0.043 0.007

산하였고 경화층의 두께에서는 실험결과와 잘 일치하였으나 잔류응력의 크기에서는

실험결과와 큰 차이를 나타내었다.

실온으로 냉각한 후 대부분의 마르텐사이트계 강은 향상 어느 정도의 잔류 오스테

나이트를 함유하고 있는데 그 양은 오스테나이트 속에 고용된 합금원소의 양이 많

을수록 길이나 체적증가가 더 작다 이러한 잔류오스테나이트 및 미고용 시멘타이.

트 등을 고려한 식은 다음과 같다.

- 69 -

여기서 체적변화V/V = %Δ

미고용 시멘타이트의 체적Vc = %

잔류 오스테나이트의 체적Va = %

고용된 탄소의 중량C= % (reference ASM : Heat treatment)

하지만 이 식의 사용은 오스테나이트의 잔류량과 미고용 시멘타이트 등의 양을 필

요로 하기 때문에 적용하기 까다롭다.

의 실험식의 실험식의 실험식의 실험식LLLLomaomaomaomakkkkinininin②②②②

탄소 함유량 를 갖는 여러 종류의 탄소강에 대해 실험결과를 정리하여 다음과C%

같은 식을 제안하였다.

여기서 αA, αP, αM 은 오스테나이트 펄라이트 마르텐사이트의 열팽창계수이며, , , , γ

P, γM 은 펄라이트 마르텐사이트의 일정온도에서의 선팽창을 나타낸 것이고, θ0 는

초기온도 는 탄소함량의 중량 이다, C % .

Dilatometer eDilatometer eDilatometer eDilatometer exxxxperimentperimentperimentperiment③③③③

실제로 팽창계 를 이용하여 제품에 대해 선팽창률을 계측하므로써 길이(dilatometer)

변화량을 구하는 방법이다 팽창계는 강봉을 두 개의 석영봉 사이에 끼우고 가열과.

냉각과정에서 강봉의 길이변화를 측정하도록 되어 있다.

이 실험에서는 온도 변화에 따른 열팽창계수의 영향도 포함되므로 순수 변태 체적

변화량은 열팽창계수값을 고려해 주어야 한다.

- 70 -

다 열처리 해석을 활용한 지원사다 열처리 해석을 활용한 지원사다 열처리 해석을 활용한 지원사다 열처리 해석을 활용한 지원사례례례례....

지원기업에서 소형 엔진용 실린더 커버 제품류와 기타 선박용 부품의 열처리 조건

을 참고로 하여 에 대한 열처리조건을 설정하였고 이러한 열처리 조건이98MC

의 주조 후 열처리 작업에서 현대 중공업이 원하는 기계적 성질을 만족시킬98MC

수 있을 지에 대한 검토를 하기 위하여 열처리 해석을 수행하였다 열처리 공정의.

해석을 통하여 퀜칭을 하기 위한 용체화 처리에 필요한 적절한 시간과 퀜칭 후의

잔류응력이나 변형의 문체 목표로 하는 경도값 들의 준수 여부 등을 확인할 수 있

다 아래의 표 에는 현대중공업의 요구사항인 기계적 성질에 대해서 나타내었다. 2 .

표 목표 기계적 성질 현대중공업 요구사항표 목표 기계적 성질 현대중공업 요구사항표 목표 기계적 성질 현대중공업 요구사항표 목표 기계적 성질 현대중공업 요구사항2 ( )2 ( )2 ( )2 ( )

아래의 그림 은 문헌 등의 자료를 통해서 정해진 초기 열처리조건으로 용체화를53

위한 가열조건은 시간당 도로 승온한 후 시간을 도에 유지 후 수냉하고100 15 1040

템퍼링 조건으로는 역시 시간당 도의 조건으로 가열하여 도에서 시간을100 650 15

유지한 후 공랭을 하는 것이다 이러한 열처리 후 제품의 경도는 를 만. 190~220HB

족해야하며 사제품에서 시편을 채취하여 경도 측정 및 인장시험을 통하여 목표기계

적 성질의 준수여부를 확인하고 있다.

그림 의 초기 열처리조건그림 의 초기 열처리조건그림 의 초기 열처리조건그림 의 초기 열처리조건53 98MC53 98MC53 98MC53 98MC

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용체화 해석용체화 해석용체화 해석용체화 해석(1)(1)(1)(1)

전절에서 설명한 바와 같은 방법에 의하여 용체화해석을 수행하였다 용체화 해석.

의 목적은 주어진 시간 내에 제품내에 혼재되어 있던 여러상이 균일하게 오스테나

이트화 되었는지를 확인하는 것으로 오스테나이트 분율이 이 되는 시간을 결정하1

면 용체화 처리에 필요한 시간을 결정할 수 있다 아래의 그림 와 그린 에 용. 54 55

체화 해석결과를 그래프와 단면별 분포 향상으로 나타내었다.

그림 용체화 해석 결과그림 용체화 해석 결과그림 용체화 해석 결과그림 용체화 해석 결과54545454

그림 용체화 중 위그림 용체화 중 위그림 용체화 중 위그림 용체화 중 위치치치치별별별별 오오오오스스스스테테테테나이나이나이나이트트트트 분분분분율율율율55555555

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그림 와 의 결과로부터 오스테나이트화의 시작은 여초 정도에서 시작이54 55 30000

되어 초 정도가 되면 오스테나이트화가 전부 이루어지는 것을 확인할 수 있40000

다 시간에 따른 온도변화 곡선으로부터 가열곡선에 따라 제품의 외부로부터 승온.

이 이루어져 내부로 목표온도로 확산되어 가는 것을 확인할 수 있으며 대략 60000

초 정도가 경과하면 제품전체가 균일하게 목표온도에 도달하게 된다 부위별로 오.

스테나이트화의 진행은 진행되는 데 역시 외부로부터 위치별로 온도가 대략 도800

가 되면 오스테나이트화는 시작이 되어 비교적 빠른 시간 대에 오스테나이트화는

이루어진다 초기의 승온조건은 가열에 시간 유지 시간으로 총 시간의 고온. 10 10 25

가열시간을 가지게 되는데 용체화 해석을 통하여 가열은 시간을 그대로 유지하며10

유지시간은 시간정도만 하여도 안정된 오스테나이트 조직을 얻을 수 있는 것으로7

판단이 된다 유지시간을 필요이상으로 길제 하게되면 오히려 고온에서의 오스테나.

이트 결정립의 성장이 일어나게 되어 퀜칭 과정에서 기계적 성질의 저하를 가져올

수 있고 가열을 위한 연료비의 과다 소모등의 문제가 있으므로 적절한 용체화 시간

을 결정하여 주는 것은 중요하려 해석으로부터 유지시간을 정도로 단축할 수 있1/2

음을 확인하여 실제 열처리 공정에 적용하였다.

퀜칭퀜칭퀜칭퀜칭 해석해석해석해석(2)(2)(2)(2)

용체화 해석이 종료된 후에 수냉 조건에 따른 퀜칭 해석을 수행하였다 퀜칭해석을.

통하여 수냉 시에 제품의 위치별 상분율 분포 및 경도가 예측이 가능하며 이 결과

로 부터 목표로 하는 기계적 성질이 만족되는지를 확인할 수 있다.

그림그림그림그림 퀜칭퀜칭퀜칭퀜칭 중 시간별 변화곡선중 시간별 변화곡선중 시간별 변화곡선중 시간별 변화곡선56565656

- 73 -

그림 에 퀜칭 해석의 결과를 시간에 따른 온도와 상분율 변화 곡선으로 나타내었56

다 총 곳의 위치에 대하여 시간의 경과에 따른 변화를 살펴보았고 일반적으로 공. 4

정의 후반부로 갈수록 온도의 변화나 상분율의 변화가 늦어지므로 시간축에 대해서

는 로 나타내고 있다 표면에 가까운 부위는 높은 마르텐사이트 분율을log scale .

나타내게 되고 가까 후육부의 중심은 페라이트와 베이나이트의 상분율이 상당히 높

아짐을 확인할 수 있다 위치별로 도달되는 온도도 시간차이를 나타내므로 각 변태.

의 개시시간과 분율이 많이 달라짐을 보여주고 이로 기인하여 퀜칭 후 제품의 경도

분포도 많이 달라질 것임을 예상할 수 있다.

그림그림그림그림 퀜칭퀜칭퀜칭퀜칭 후 위후 위후 위후 위치치치치별 경도 및 상분별 경도 및 상분별 경도 및 상분별 경도 및 상분율율율율57575757

위의 그림 에는 시각적으로 부위별 경도와 상분율을 확인하기 편하도록57 color

으로 처리한 결과를 나타내었다 경도 예측은 크게 상분율의 양을 평균하여graphic .

나타내는 방법과 냉각속도에 의하여 계산하는 두가지 방법이 있는데 전자의 경우는

재질별로 각 상이 일 경우의 경도 데이터 값이 요구되어 예측을 위한 실험이100%

필수적이며 해석을 위한 데이터를 얻기에 곤란한 면이 많아 새롭게 개발된 냉각속

도에 의한 경도 예측 방법을 주로 사용하고 있다.

- 74 -

퀜칭 종료 후에는 표면부에서 최대 가장 후육부에서는 최소인 의 경471Hv, 203Hv

도가 얻어질 것으로 예측되어지며 이 퀜칭 종료 후의 경도 분포를 사용하여 템퍼링

해석을 수행하면 최종 템퍼링 후의 경도 예측이 가능하지만 유사한 강종의 템퍼링

해석용 데이터를 사용하여 해석을 해본 결과 실제 결과와 상당한 오차를 보여주고

있어 환국중기의 실린더 커버의 재질에 대해서 새롭게 템퍼링 해석용 데이터를 얻

는 실험을 수행하여 재질별 데이터를 획득한 후 템퍼링 해석을 진행하여 지원을 마

무리하기로 하였다 사용되는 재질의 특성에 따라 펄라이트의 변태는 예측 되지 않.

으며 페라이트는 최대 베이나이트는 최대 마르텐사이트의 경우는 표면24%, 49%

부는 가 넘지만 대략 정도의 최대값을 나타내는 것으로 예측되어져 표면은90% 70%

강하면서도 내부는 연성과 인성을 확보할 수 있는 조건이 될 것으로 판단된다.

응력 해석응력 해석응력 해석응력 해석(3)(3)(3)(3)

그림그림그림그림 냉각냉각냉각냉각과정의 응력해석과정의 응력해석과정의 응력해석과정의 응력해석58585858

수냉의 경우 빠른 냉각속도로 표면부의 마르텐사이트를 얻는 등 경도의 상승을 위

한 여러 이점이 있지만 표면부와 내부의 온도불균일 변태상의 부위별 다른 팽창양,

상으로 인하여 제품의 형상이 복잡하거나 두께 편차가 큰 경우에는 과다한 잔류응

력이나 가공여유 이상의 변형이 발생할 수 있는 경향이 나타날 수 있으므로 수냉

과정의 응력해석을 시행하였다.

- 75 -

해석의 과정은 주조열응력과 유사하여 열처리 해석을 통하여 방법에 의하여 온FDM

도분포를 계산하고 이 결과를 응력해석에 사용되는 요소에 맞도록 하interpolation

여 법에 의하여 응력해석을 수행한다 주조열응력과의 차이점은 냉각 중의 고FEM .

상 변태 시의 변태율에 따른 부피팽창을 함께 고려하여 응력 변형해석을 하게 된/

다.

응력 해석을 위한 요소분할도를 그림 의 윗부분에 나타내었고 해석에 사용된 요58

소는 총 개로 해석소요시간은 시간 정도였다 결과에서 확인할 수 있듯이27,739 9 .

제품의 두께 차이가 심하지 않고 형상이 간단한 편으로 변형의 문제도 거의 나타나

지 않았으며 잔류응력의 경우도 위치별로 압축과 인장응력이 나타나고 있지만 표면

과 부위를 제외하면 크지 않은 분포를 나타내고 있어 잔류응력도 큰 문제를edge

나타내지 않을 것이며 부위별로 다소 크게 나타난 잔류응력도 템퍼링 시에 충분히

완화될 것으로 예측되어 응력과 변형의 문제는 열처리 공정에서 실린더 커버 제품

에 크게 문제를 일으키지 않을 것으로 결론내릴 수 있다.

결함 원인분석 지원결함 원인분석 지원결함 원인분석 지원결함 원인분석 지원3.3.3.3.

응고해석 및 열처리해석에 의한 대형엔진용 실린더 커버의 최적 주조 및 열처리 방

안의 설계지원 이외에 기존 생산하고 있던 제품군에 결함이 발생한 경우 생기원에

서 보유중인 분석장비를 활용한 결함의 원인 분석 및 대응방안을 제시하였고 두가

지 사례에 대하여 정리 하였다.

가 연소실 부 미세가 연소실 부 미세가 연소실 부 미세가 연소실 부 미세홀홀홀홀 결함결함결함결함....

그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절단단단단 사진사진사진사진59595959

- 76 -

제품의 주조 열처리 후 정삭을 하게 되면 연소실 쪽의 표면에 미세홀이 다량 발생/

하여 분석을 의뢰한 경우로 좌측의 그림 와 같이 제품의 중심라인을 따라 시료를59

채취하여 분석을 시도하였다 먼저 마크로 현미경으로 표면부위를 폴리싱 작업등도.

거치지 않고 관측을 시도한 결과를 그림 에 나타내었다 배에서 배까지60 . 100 300

배율을 변경하며 관찰한 결과 검은색으로 보이는 탄화물과 같은 형상이 다량 발견

되었으며 이것이 한국중기에서 의뢰한 미세홀인 것으로 확인되어 정확한 원인을 규

명하기 위하여 분석을 시도하였다 그림 의 원으로 표시된 부위에서SEM . 59 2 ×㎝

의 시편을 채취하여 생기원에 보유중인 장비 분석의뢰를 맡기었고 결과를2 SEM㎝

분석하였다.

그림그림그림그림 마크마크마크마크로 관로 관로 관로 관찰찰찰찰사진사진사진사진60606060

- 77 -

그림 관그림 관그림 관그림 관찰찰찰찰 사진사진사진사진61 SEM61 SEM61 SEM61 SEM

그림 에 사진을 나타내었다 배의 관측에서 이상부위로 판정된 곳은 모61 SEM . 50

두 종류의 현상을 보여주었다 마크로 관측에서 한가지의 현상으로 파악되던 검은2 .

점들은 종류의 석출물과 같은 형태를 보여주고 있다 두 종류의 이상부위에 대한2 .

배 확대사진을 아래의 두 그림에 나타내었으며 두 부분의 차이점과 현상을 규400

명하기 위하여 분석도 실시하였다WDX .

- 78 -

그림 분석결과그림 분석결과그림 분석결과그림 분석결과62626262 WWWWDDDDXXXX

그림 의 이상부위 의 결과로부터 성분상으로는 특이한 점을 발견할 수가 없었62 1

다 각 성분의 피크치 정보는 합금원소의 성분이외는 나타나지 않았고 사진. SEM

정보 상으로도 미세홀과 같은 패인 형상이 아닌 것으로 판단되어 이 부분은 음영의

차이만 나타낼 뿐 결함으로 나타나는 문제를 일으키지는 않을 것으로 판단되었다.

이상 부위 의 결과로부터는 합금 첨가원소이외에 등의 피크가 관측2 AI, Ca, S, O

되었고 그림 의 사진 결과 그림 의 각 원소 분포 결과를 종합하61 SEM , WDX , 63

여 본 결과 가운데 검은 부위로 나타나는 곳이 미세홀로 관측 되는 부위이며 밝은

색으로 나타나는 부위는 원소가 다량 존재하며 등도 이 부위에 집중Al , Ca, S, O

되고 있음을 확인했다.

- 79 -

이 석출물 부위는 탈가스에 관련된 첨가물이 용해 과정에서 문제를 일으키는 것으

로 판단되었고 기업에서 판단하고 있는 주조 시에 문제가 없다가 열처리 이후에 나

타나는 문제가 아니며 주방상태에서부터 기인된 것으로 판단되어 좀더 엄밀한 용해

과정의 관리가 필요한 것으로 조치하였다.

그림 이상원소의 분포그림 이상원소의 분포그림 이상원소의 분포그림 이상원소의 분포63636363

나 연소실 상부 내경 측나 연소실 상부 내경 측나 연소실 상부 내경 측나 연소실 상부 내경 측 편편편편석의성 결함석의성 결함석의성 결함석의성 결함....

그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절그림 분석용 제품 절단단단단 사진사진사진사진64646464

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이전 결함 분석의뢰와 유사하게 열처리 완료 후 정삭과정에서 실크랙 또는 미세홀

과 같은 결함이 연소실 상부의 내경측에 다량 검출되어 편석의 문제가 있는지 조직

사진과 함께 성분검사 크랙의 여부에 대한 검사를 종합적으로 의뢰를 하였고 이, CT

에 대한 지원 결과를 정리하기로 한다 시편은 총 개를 채취하여 이중 파란색으로. 5

표시된 번은 화학성분분석을 통하여 표면부와 내부 사이의 성분함량 차이를 분1,2

석하였고 붉은색으로 표시된 번 시편은 표면으로부터 깊이 방향으로의 미세1, 2, 3

홀의 분포 및 분석을 시도하였다SEM .

그림 미세그림 미세그림 미세그림 미세홀홀홀홀 관측관측관측관측 마크마크마크마크로 현미경로 현미경로 현미경로 현미경65 ( )65 ( )65 ( )65 ( )

그림 에 개의 시편에 대한 마크로 관찰 결과를 나타내었다 세 시편 모두 육안65 3 .

으로도 관찰 가능한 미세홀이 다량 발견되었고 표면으로부터 깊이방향으로 단면을

따라 배 현미경 사진으로 관찰한 결과 번 시편의 표면에서 가장 많은 미세홀이10 1

분포하는 것을 확인하였고 전반적으로 표면부에 좀 더 많은 미세홀이 있음을 알게

되었다 세 시편 모두 좌측이 표면부이다. .

그림 시그림 시그림 시그림 시편편편편 의 미세의 미세의 미세의 미세홀 광홀 광홀 광홀 광학현미경 사진학현미경 사진학현미경 사진학현미경 사진66 166 166 166 1

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그림 미세그림 미세그림 미세그림 미세홀홀홀홀 없는 부위의없는 부위의없는 부위의없는 부위의 광광광광학현미경 사진학현미경 사진학현미경 사진학현미경 사진67676767

그림 은 번 시편의 미세홀 부위에 대한 배율별 조직사진이며 그림 은 미세홀66 1 67

이 없는 부위의 광학현미경 조직사진 결과이다 이전의 분석 지원서의 결과와 유사.

한 증상을 보여주고 있으며 석출물과 같은 형상을 제외하고는 두 종류의 시편에서

모두 유사한 조직사진의 결과를 보여주고 있다 그림 과 그림 에는 미세혼 부. 68 69

위에 대한 분석결과를 나타내고 있다 과 의 함량이 높게 나오는 것은 유SEM . Al S

사하지만 이전의 분석지원결과와는 다르게 석출물의 부위에 의 함량이 기지조직Mn

보다 높게 나타나고 있는 것이 발견되었다.

그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석68686868 ⅠⅠⅠⅠ

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그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석그림 전자현미경 분석69696969 ⅡⅡⅡⅡ

그림 분석결과그림 분석결과그림 분석결과그림 분석결과70707070 WWWWDDDDXXXX

그림 은 분석결과이고 미세홀이 나타난 석출물에는 등의 피크가70 WDX AI, Mn, S

높게 관찰되었다 이또한 열처리 과정중의 크랙 등과 관련된 문제는 아닌 것으로.

판단되며 용해과정중의 합금원소가 응고과정 중에 석출물의 형태로 편석을 일으키

는 경향으로 나타나는 것으로 판단된다.

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편석에 대한 현상을 좀더 정확히 판단하기 위하여 성분분석을 실시하였다 우선 스.

펙트로미터로 성분분석을 실시하였고 과 는 정확한 분석을 위하여 분석기를C S CS

사용하였다 아래의 표 에는 중심부와 표면부에서 각각 채취한 시편의 각 성분 함. 3

량을 나타내었고 과 는 성분분석기에 의한 값이며 나머지는 스펙트로미터에C S CS

서 측정된 값을 기록하였다 스펙트로미터 상의 의 농도는 중심 표. P :0.0172,

면 의 농도는 중심 표면 로 의 농도는 스펙트로미터와 거:0.0225 S :0.0089, :0.0242 P

의 동일한 결과를 나타내지만 의 경우에는 스펙트로미터의 농도차이가 훨씬 큰 결S

과를 보여준다 분석의 경우 을 내어 분석을 하여 표면보다 좀더 깊은 곳까. CS Chip

지의 합금원소가 농도의 결과에 반영된 것으로 생각되며 스펙트로미터의 농도결과S

로 미루어 보아 표면부 쪽의 등의 화합물이 미세홀에서 편석되는 형태로 잔존MnS

하는 것으로 판단된다.

표 화학성분 분석결과표 화학성분 분석결과표 화학성분 분석결과표 화학성분 분석결과3333

그림 시험성적서그림 시험성적서그림 시험성적서그림 시험성적서71717171

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제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과제 절 기술지원 성과2222

기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정기술지원 추진일정1.1.1.1.

주조방안 설계 등의 지원일정은 목표에 따라 진행이 되어 최적 압탕 방안 등이※

결정되었으나 제품의 수요기업으로부터의 요청에 따른 방안 변경과 이로 인한 예기

치 않은 결함이 발생하여 이를 해결하기 위한 시일이 소요되었고 따라서 양산공정

의 안정화가 예정 보다 늦어져 과제의 기간을 개월 연장하여 지원사업을 마무리2

하였음.

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참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담참여연구원의 역할 분담2.2.2.2.

지원기관의 연구책임자는 전체적인 지원사업의 일정을 관리하여 방안설계에서부*

터 지원기업에서 필요로 하는 기술정보의 제공과 문제 발생 시 해결을 위한 분석업

무 등을 담당하며 지원기업의 기술책임자와 수시로 접촉하여 사업을 진행하였고 지

원기관의 참여연구원은 를 활용한 해석 제품의 모델링과 방안의 수정SOLIDWorks ,

해석업무의 지원을 수행하였음.

지원기업에서는 실무 연락책임을 이석기 대리로 지정하여 수시로 사업의 진행에*

따른 결과를 넘겨받아 기술책임자에게 보고하며 새로운 요청의 발생 시 지원기관의

연구책임자에게 요구하는 한편 지원기업 내에서의 업무 흐름과 시제품 생산에 차질

이 없도록 업무를 수행하였음.

과제의 원활한 수행을 위하여 직접적인 방문 위주의 지원보다 전화 등에* , E-mail

의한 지원 요청 및 자료의 전달이 수시로 이루어졌으며 분석을 위한 시편의 전달

등에도 택배 등을 활용하여 지원이 이루어졌음.

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시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산시제품의 제작 및 양산3.3.3.3.

가 의 제작 공정가 의 제작 공정가 의 제작 공정가 의 제작 공정. C. C. C. Cyyyylinderlinderlinderlinder ccccoooovvvverererer

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나 시간대 별 용해 주입과정나 시간대 별 용해 주입과정나 시간대 별 용해 주입과정나 시간대 별 용해 주입과정. ,. ,. ,. ,

용해작업 로 로 총 용해o : A 11200 , B 7500 18700㎏㎏㎏

용해시간 로 오후 송전 하여 오전 시 분 홀딩 들어감o : A 10:00 12 30

로 오전 송전 하여 오전 분 출강 함B 01:00 02:40 .

작업방법 우선 로 을 모두 용해 후 차로 을 출강하여 내o : A,B 18700 1 11200㎏㎏

린 후 탈사반 톤 호이스트로 교체 하여 이송 주입하면서 차출강 을 하15 2 7500KG

여 차 완전 주입 완료 후 탈사장으로 이동 하고 나서 대기하고 있던 차 주입을1 2

압탕부 급탕구에 주입을 실시함.

출강 후 주입시 까지의 시간 차 출강온도o : 1 : 1566℃

제품부 주입시간 분 초: 1 30

차 주업완료 시간 분 초1 : 1 55

차 압탕부 급탕주입 분 초2 : 2 50

급탕완료 후 잔탕 약 을 유도로 로 로 리턴 하여 재 용해: 1500 (B )※ ㎏

성분o

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다 후처리 및 열처리과정다 후처리 및 열처리과정다 후처리 및 열처리과정다 후처리 및 열처리과정....

주조 후 압탕의 절단에 가우징을 사용하고 제품 표면을 쇼트 처리하여 황삭을 거친

후 열처리를 실시한다 이 과정에 대한 사진을 그림 와 그림 에 나타내었다. 72 73 .

그림 주조 후 후처리 과정그림 주조 후 후처리 과정그림 주조 후 후처리 과정그림 주조 후 후처리 과정72 (98MC)72 (98MC)72 (98MC)72 (98MC)

그림 열처리 과정그림 열처리 과정그림 열처리 과정그림 열처리 과정73 (98MC)73 (98MC)73 (98MC)73 (98MC)

라 검사 과정라 검사 과정라 검사 과정라 검사 과정....

그림그림그림그림 비비비비파파파파괴괴괴괴 검사검사검사검사74 (98MC)74 (98MC)74 (98MC)74 (98MC)

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열처리 후 제품의 건전성을 확인하기 위한 테스트로 와 를 활용한다 아울러PT UT .

제품의 기계적 성질 테스트를 위한 시편채취 과정을 그림 에 나타내었다76 .

그림그림그림그림 무무무무결함 제품결함 제품결함 제품결함 제품75 P75 P75 P75 PTTTT

그림 시그림 시그림 시그림 시편편편편절절절절단단단단76 (98MC)76 (98MC)76 (98MC)76 (98MC)

마마마마 최종 제품최종 제품최종 제품최종 제품....

그림 에는 제품의 최종 정삭 가공 상태를 나타내었다77 98MC .

그림 최종가공제품그림 최종가공제품그림 최종가공제품그림 최종가공제품77777777

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제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도제 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도4444

지원기업에서 원하는 지원목표는 대형엔진용 실린더 커버 제품의 생산을 위한 최o

적 주조방안 및 최적열처리 공정의 설계에 있었으며 지원이전에는 소형엔진용 실린

더커버제품의 주조 불량은 정도 열처리 공정 등의 후가공 후 제품에 미세홀 등30%

의 결함이 많이 발생하고 있었음.

차원 응고해석을 활용한 주조방안 설계의 자원으로 불량률을 이내로 줄이고o 3 8%

압탕 크기를 최소화 하며 주조방안 이의의 불량요인을 제거하여 생산공정을 최적화

하는 것이 지원사업의 첫 번째 목표로 와 에 대한 방안설계의 지원으로98MC 96C

적절한 의 사용 압탕 크기의 최소화를 이룩함으로써 불량률을 대로 낮추었chill , 7%

으며 해당 두제품에 대한 주조방안을 확정하여 주강제품에 의한 실린더 커버 생산

기술을 확보하였고 소형엔진용 실린더 커버의 회수율이 대에 머물던 것을55% 75%

대까지 끌어올림으로써 이상의 회수율 증대를 이룩하였고 이를 통한 원가절감20%

효과를 끌어 내었음.

열처리 해석 프로그램을 활용한 최적열처리공정설계에 의하여 재질별 최적 열처o

리 조건을 확립하는 것이 두 번째 목표였으며 가열 과정에서의 소요시간을 총 시25

간에서 시간으로 단축시켜 열처리 과정에서 소요되는 원가 절감을 이룩하였고 열17

처리 공정 후의 경도 예측 등을 활용하여 목표기계적 성질을 만족하는 제품의 양산

조건을 확립하였음.

조직사전분석 화학성분 분석 등에 의한 지원 업무로 방안 이외의o SEM, WDX, ,

현장 조업 조건에 따른 결함 요인을 찾아냄으로써 대상제품 이외의 제품 생산 시에

도 적용될 수 있는 현장작업 지침을 마련할 수 있도록 하였음.

지원업체에 주조방안설계의 중요성을 인식시킴으로써 지원기업에서는 해석 시스o

템을 독자적으로 운용가능하도록 도입하였고 이의 적용을 통하여 해당 실린더 커버

이외의 타 제품에도 적용할 수 있게 되었으며 신제품의 개발 시 개발기간을 단축하

고 초기불량율을 조기에 제어할 수 있는 역량을 가지게 되었음.

년간 억원의 원가절감 효과는 물론 경쟁제품 대비 수준의 단가를 확보하O 14 85%

여 해당제품의 독점적인 국내 생산 납품을 이룩하였고 이로써 억원 가량의 매150

출을 기록하였음.

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실린더 커버 제품에 대한 기술력을 인정받아 사와 로부터o MAN B&W WÄRTSILÄ

해당제품 생산에 대한 인증을 받게 되었음

제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획제 장 기술지원결과의 활용계획5555

해당 제품에 대한 해석용 재질 데어터를 활용한 해석 시스템이 마련되었고 향후o

새로운 재질의 적용 시에는 문헌 데이터와 재질별 실험 등의 지원을 통하여 지원기

업에서 필요로 한 추가 지원을 계속 지원할 예정임.

지원기업의 현장 생산 작업지침은 완성이 되었으나 수시로 발생하는 결함들에O

대한 즉각적인 분석업무를 활용한 지원은 과제 종료 후에도 요청이 있을 시 계속

지원하기로 하였음.

실린더 커버 제품에 대해 축적된 방안설계 및 틀 기존 단조로 생산하o Know-How

고 있는 타 선박부품 크랭크 피스톤 의 주강품으로의 대체를 지원기업에서는 시도( , )

하고자 함.

향후 현재 생산하고 있는 모든 제품 신규개발품에 도입한 주조방안설계기술을o ,

적용하여 회수율을 최대로 높이고 설계된 주조방안들의 컴퓨터 내에 화 시켜 선DB

박용 주강품의 국내 생산에서 독보적인 위치를 확보하고자 계획중임.

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선박용 실린더 커버 제조를 위한 주조방안 최적화 및 열처리 공정에 … · -3-기술지원성과요약서 과제고유번호 연구기간 2005.11.1~2006.12.31