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연구에서 가장 중요한 지르코늄 합금으로는 지르코늄-니오븀, 지르코늄-니오븀-철-주석 합금을 포함한다. 이러한 합금들은 실험적으로 개발되었으며 핵 산업의 수요를 만족시킬 수 있었다. 산업이 더욱 발전함에 따라 높은 연소도 조건(우라늄 1t당 하루에 60-70 MW)에서 로의 안정성을 보장하고 연료 원소 수명을 6-7년 까지 연장할 수 있게 되었다. 이러한 요건이 이루어지려면 로의 조작 중에 향상된 비부식성과 기계적 특성을 가지는 물질을 생산과 개발이 발전해야 한다. 즉, 높은 수준의 방사능 안정성을 가져야 하는 것이다. 아직 이러한 합금에 Fe, Sn, Nb 원자가 있을 때 그 부식성을 적절히 또는 충분히 정확하게 묘사하는 이론은 없다.
알루미늄 합금을 사용한 휠 디스크의 제작법은 가해진 외부 하중에 따른 디스크 부분별 형성의 차분적 접근법으로 구성되어 있다. 특히, 디스크의 중앙부와 림 부위는 액체 단조로 형성된다. 림의 기다란 부분은 고온 롤링으로 제작한다. 예를 들어 주조와 같은 고전적 방법과 비교를 한다면 이 제안된 방법은 휠 디스크의 무게를 줄이는 한편 강성을 증가시킨다. 그리고 고온 단조와 비교를 한다면 제안된 방법은 금속 활용률을 증가시켜 디스크 가격을 현저히 저하시킨다.제안된 알루미늄 합금을 사용한 휠 디스크 제작법은 마운팅 및 차량 차체의 동적 하중을 줄이는 데에 사용될 수 있으며 휠과 지면과의 접촉을 향상시켜 안정성을 증가시키며 차량의 수명을 연장시킨다.
- 초기 고속 회전 금속의 입자 및 금속의 구조를 더 정교화함- 열처리 시에 입자가 커지는 것을 막고 균일한 고합금 구조로 만듬- 금속의 강도를 높이고 마모에 강하게 한다. 동시에, 고 응력-변형률 특성을 갖게 하며 금속의 미세한 입자 구조를 갖게 한다.도구의 강도는 3-4배 강하며 다시 갈아도 이상이 없다. 다음이 제안된다: 지름 25mm이하의 도구(드릴, 탭, 밀링 기계, 펀치, 리아머)의 강성을 높이는 EPT의 기술 및 장비.평면 도구의 강성을 높이는 EPT 기술 및 도구
폐캔을 이용한 알루미늄 캔용 소재 주조기술 개발, 제조된 알루미늄 캔소재의 열처리 및 미세조직 분석, 알루미늄 캔용 판재 제조기술, 알루미늄 캔 성형기술 개발알루미늄 can to can 재활용에 활용
· 알루미늄 박막 제조용 TiB2/BN계 세라믹스 증착용 Boat 제조 기술 - 비저항: 200 - 1000 μΩcm - 비저항 온도계수: 1.3 - 2.5 x 10-3 - 열팽창 계수: 4 - 6 x 10-6· 산포가 우수 · 알루미늄 박막의 부위별 두께 차이 최소화
· 유기용매중 일부를 물로 대치한 테이프 성형공정 기술 원료 입자의 분산 안정화 기술. · 고농도 슬러리의 제조기술. · 구성성분(특히, 유기물)의 임의조정에 의한 슬러리의 레올로지 특성 제어. · 성형기술 제어에 의한 소결체의 물성제어. · 유기용매의 사용을 절제하므로, 환경적 오염이 적고, 인체에 주는 위생상의 피해가 크게 감소. · 유기용제의 폭발사고를 크게 줄일 수 있음. · 그린쉬트의 제조단가, 기기 등의 세정비가 대폭 감소
- 고강도 알루미늄합금의 용해기술 - 고강도 알루미늄합금의 원소첨가기술 - 주조공정에 의한 고강도 알루미늄합금 개발( 인장강도 : 45Kg/mm2, 연신율 12%) - 시제품제작을 위한 주조방안 확립 - 시제품의 소재 특성평가철소재를 고강도 알루미늄으로 대체하므로 경량화효과가 탁월함. 주조에 의한 알루미늄합금의 인장강도 : 45Kg/mm2, 연신율 12% 이상의 고강도이므로 기존 주조와 단조공정으로 제조하던 것을 주조공정만으로 제조하므로 생산단가가 저렴하고 철소재를 알루미늄으로 대체하므로 경량화 효과가 지대함.
각 세부과제에서는 자동차용인 고성형성 판재, 철도차량용인 용접합금 소재, 항공기용 소재인 Al-Li계 합금소재, 초소성 알루미늄 합금소재를 연구하였다.1. 고성형성 고강도 알루미늄 합금소재 연구에서는 재질특성을 35-35까지 개선하였음. - 양산화 공정 연구와 차제 적용시험으로 실용화 가능성이 확인됨.2. 용접용 고강도 알루미늄 합금개발연구에서는 특허합금의 강화기구 규명과 압연재의 가공열처리법을 연구하였다. - GTAW, GMAW등의 용접법으로 우수한 용접성을 확인함. - 현재 개발소재를 생산하기 위한 압출공장을 건설중 임. 3. 저비중 고강도 알루미늄 - 리튬 합금에서는 연구합금의 재질개선과 제조법을 연구함. - 중강도의 항복강도 437MPa, 신율 8.7 %, 비중 2.54인 Al-Li계 합금을 개발함 - 러시아의 Al-Li계 합금 제조기술을 도입하여 준생산 규모 연구를 준비함. 4. 초소성 알루미늄 합금 및 성형성 개발에서는 초소성 신율이 500%이상인 초소성 신합금과 이의 제조공정조건에 대한 특허를 출원하였다. - 제조공정 단순화로 생산단가를 크게 낮출 수 있었음. 5. 압분체 압출에 의한 고강도 소재개발에 관한 연구에서는 저열팽창, 고강도 내마모성 알루미늄 합금을 연구하였다. - 회전 disk atomizing법으로 7000계 분말 압출재를 제조함. - 상용 Scroll의 중심부에 해당하는 원통형상의 건전한 압출품을 성형하는데 성공함
에너지 절약을 위한 운송수단의 경량화가 절실히 요구되는 가운데 (S가 39-1 참조) 고강도/고연성을 갖는 경량합금이 필요하게 되었다. 이에 가장 가벼운 구조용 상용합금인 마그네슘 합금이 주목을 받아왔으며, 특히 AZ91은 적절한 강도를 갖고 있고 마그네슘 합금의 문제점인 내식성의 보완으로 많은 주목을 받아왔다. 그러나, 연성의 부족에 따른 가공성 저하와 낮은 내열성과 낮은 내마모성이 그 사용을 제한하여 왔다. 이는 이 합금의 주 강화상인 Mg17Al12가 매우 취약할 뿐 만 아니라 저융점이라는 특징을 갖고 있기 때문이다. 본 연구에서는 이러한 AZ91 마그네슘 합금의 취약점을 개선을 목적으로 하였으며, 다음과 같은 합금설계 및 제조공정을 개발하였다. 공정변수가 비교적 간단하고 제조원가를 절감할 수 있는 용탕단조법을 사용하여 합금의 주조결함을 제거하고 조직의 미세화를 얻고자 하였으며, 합금설계는 취약한 Mg17Al12상을 줄이고 강하고 열적으로 안정한 Mg2Si상을 첨가하여 강도 및 내열성을 증가시키고자 하였다. 또한 미세원소 첨가에 의해서 Mg2Si상의 형태를 제어하여 강도 및 연성을 증가시키고자 하였다. 본 연구에서는 AZ91합금에 Si를 소량 첨가하고, Al을 줄이면서 여러 합금을 제조하였다. 이 합금들을 용탕단조한 후 인장성질을 평가한 결과, 강도와 연성이 가장 적절한 값을 갖는 합금은 AZ51-Si합금 이었다. 그러나 이 합금에서 Mg2Si상은 chinese script 형태로서 기지와의 계면에서 균열이 쉽게 발생하며 균열성장에 대한 저항성이 적었다. 이러한 형태를 제어하고자 AZ51-Si합금에 Ca, P를 첨가하여 용탕단조한 결과, chinese script 형태를 분산상의 형태로 제어하여, 보다 높은 강도 및 연성을 얻었으며, 이러한 기계적 성질을 AZ91에 비해 우세하였다. 본 연구에서 개발된 합금과 제조방법을 통해 현재 자동차 부품, 항공기 부품, 기타 경량화를 요구하는 제품 등에 사용되고 있는 AZ91합금을 대체하며, 아울러 보다 높은 강도를 요구하여 현재 알루미늄 합금을 사용하고 있는 여러 부품들에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
1) 특허합금의 특성연구 분야: 특허합금의 기본적 특성을 평가하는 분야로 4차년도에는 in-situ 피로시험, 전위구조 분석에 의한 변형 특성 규명, 부식특성시험 등을 수행하였다. in-situ 피로시험 결과 Mn을 함유한 특허합금은 변형이 시편 전체에 걸쳐서 균일하게 일어나며 따라서 국부적인 변형 집중이 발생하지 않기 때문에 피로 저항성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 전위구조를 TEM으로 관찰하여 분석한 결과, 특허합금의 경우 전위가 분산상과 상호작용하면서 기존의 slip plane에서 새로운 slip plane으로 이동하는 cross-slip이 발생함을 알 수 있었다. 이것으로 특허합금의 특징은 균일한 변형은 전위와 Mn-dispersoid간의 상호작용에 의해 발생하는 cross-slip에 의한 것임을 알 수 있었다. Mn을 함유하지 않는 AIZnMg 합금과 특허합금의 부식피로균열 전파 시험 결과에 의하면 pit으로부터 피로 균열 전파의 정도가 훨씬 더딘 것으로 나타났다. 이는 부식분위기에서도 특허합금의 피로 균열 전파 저항성이 크다는 것을 말해준다. 또한 마모전극 실험결과 특허합금의 부식 저항성과 pitting 저항성이 우수함을 알 수 있었다. 2) 비열처리형 알루미늄 합금 개발: 본 연구과제의 당해년도 주요 연구 성과로서 새로운 압출용 알루미늄 합금의 개발에 대한 연구를 수행하여 합금 발명에 성공하였으며 국내 특허 출원된 상태이다. Al-Mg-Si 계열의 합금에 Mn을 첨가하여 새로운 압출용 알루미늄 합금을 발명하였으며 이들 발명된 합금은 as-extruded 상태에서 상용의 알루미늄 합금에 비하여 40MPa 이상 높은 항복 강도를 나타내었으며 그러면서도 연신율은 비슷하게 나타났다. 새로이 발명된 압출용 알루미늄 합금은 국내 특허 출원 (2 건) 된 상태이다. 국내 특허 출원 번호: 96-15274, 96-47702 3) 대형 압연판재 생산기술 연구 전년도 보다 두께가 더 두꺼운 300W*800L*100T 크기의 slab 생산을 시도하여 수소 함유량이 낮고 폭방향과 두께방향으로의 편석이 거의 없는 거전한 slab을 생산할 수 있었다. 이것은 DC 주소법에 의한 특허합금 생산 기술의 확보를 의미한다. 그리고 특허합금에 대한 가공열처리 연구를 수행하여 비용접용인 Al 7075 합금에 버금가는 인장강도를 얻을 수 있었다.
플라즈마 침탄법은 CH4/H2/Ar 플라즈마를 이용하여 재료 표면에 탄소를 확산 고용시킨 후 급랭시켜 마르텐사이트 변태나 또는 석출 경화를 통하여 재료의 내부인성을 유지하면서 표면경도를 증가시키고 내마모성과 피로특성을 향상시키는 고부가가치의 기술이다. 이러한 플라즈마 침탄법은 기존의 염욕침탄이나 가스침탄법에 비해 무공해, 에너지 소비량 감축, 난침탄재의 침탄 가능, 입계산화 및 탈탄 방지의 장점 이외에도 침탄 효율이 높아 조업시간이 단축되는 등의 장점을 지니고 있어 독일, 미국, 일본 등의 선진국에서는 그 비중이 급속히 증가하고 있으며, 한 개의 플라즈마 침탄로는 플라즈마 침탄 외에 플라즈마 질화나 일반 진공열처리 공정도 수행할 수 있어 중소 열처리 업계의 다품종 소량 생산에 적합한 기술이다. 본 연구팀에서는 산학 협력으로 국내에서는 전무한 플라즈마 침탄 기술을 개발하여 난침탄재인 AISI 316L 스테인레스강의 표면 경도와 침탄 깊이, 그리고 침탄 균일도를 조절할 수 있는 기술과 장비를 확보하였다. 또한 적절한 급냉장치의 개발에 착수하여 저탄소강의 마르텐사이트 변태에 의한 표면 경화 기술을 개발하고 있다.
자동차 피스톤용 소재인 AC8A 합금재에 대한 PTA 후막경화부의 특성시험을 실시함. 사용분말은 Cu, Ni, NbC, TiC를 주로 하였으며, 각종의 분말 사용 경우에 대하여 육성용접 작업성, 합금화층의 표면 및 단면 형상, 합금화층의 미세조직 (합금성분조사, 각종 결함, EPMA, TEM 등), 합금화층의 경도분포, 합금화층의 내마모성 등이 종합적으로 조사 비교되었음. 금속 분말을 사용한 경우 Cu 분말의 작업성 및 외관이 우수하였음. 합금화층에서 Cu 농도 30% 영역에서 CuAl2(θ) 상이 형성되어 경도 및 마모성이 우수하였음. Ceramic 분말을 사용한 경우 합금화층의 표면 및 단면형상은 금속분말을 사용한 경우보다 우수하였다. Cu 분말의 경우 경도값이 210∼200Hv, Ni의 경우 150∼180Hv, NbC의 경우 130∼150Hv, TiC의 경우 130∼150Hv 정도를 나타내었음. 마모성 검사에서는 Cu 및 Ceramic 분말을 사용한 경우가 우수한 것으로 나타났음. 이상의 실험결과에서 Cu 및 NbC 분말을 실 피스톤에 응용하는 것이 유리할 것으로 판단되나 고온마모성, 절삭성 등이 실물에서 추가로 검토되어야 함.
1) 유리와같이 결정구조를 가지지 않는 비정질금속의 실용화 2) 용접 또는 용사 후 비정질로 전이를 유도하는 방법3)기계적 성질 경도 HRC 57~75 동마찰계수 0.03 정마찰계수 0.07 탄성계수 0.95이상마모나 부식으로 페기되는 제품을 재생 일반 금속에 비해 마찰계수(동마찰계수0.03,정마찰계수0.07)가 월등히 적음으로 소음절감 및 에너지 절약효과. 1에가까운 탄성계수를 이용한 골프채해드
내마모성이 필요한 내식강의 경우 일반적으로 표면 경화열처리를 하면 내식성이 떨어진다. 새로이 개발된 공정은 고온에서 질소가스를 투입하여 만들 므로 내식성도 좋고 또한 내마모성이 뛰어난 내식강을 얻을 수 있다. 이웃 일본에서는 탭핑스쿠류 나 세탁기클러치부품의 내구성 향상에 이용되고 있다. 특히 SUS304 410에 적용시 그 효과가 크다.
ㅇ절삭가공의 고속화, 고능율화 및 고경도 재료의 절삭가공화에 대한 요구 증대ㅇTiN 등의 경질피막을 공규의 표면에 합성 → 상용화 ㅇ고속절삭시 공구표면의 승온에 따른 파괴가 발생 → TiN 박막의 한계성 ㅇ고경도 및 우수한 내열성의 고경질 피막에 대한 요구 증대 → TiAlN, TiAlCN박막 합성 → 고속 절삭작업 및 공구수명의 향상을 극대화ㅇ고경도:2700∼4000HK (HSS:850HK, WC-Co:1200HK)ㅇ우수한 내열성: 약 800℃까지 안정 ( TiN: 약 600℃) ㅇ초고속 및 무윤활조건에서의 절삭 가공 가능 → 생산성 및 공구 수명 향상 -산업적 적용 분야 ㅇ내마모성, 내열성 경질 박막 ㅇHSS, 초경재질의 endmill, drill 등의 각종 절삭공구 ㅇ열간 단조, 열간 press 등의 각종 열간 금형
본 고안은 항공기가 착륙할때 바퀴가 외부로 노출되면 바퀴의 휠에 구성된 휀에 의해 항공기가 비행하면서 생기는 바람의 영향으로 바퀴가 회전하게 되는데 바퀴가 노면에서 접촉될때 바퀴의 회전력에 의해 마찰력이 감소되어 바퀴의 마모를 방지하도록 한것임
● 배경 -.습식 표면처리 산업이 공해유발업종 및 3D 업종으로 문제시 됨 -.세계적으로 지구환경보호를 위해 환경, 무역 규제( Green Round) 실시됨 -.습식 Hard Cr 의 수소 취성 및 국부 결함 → 부식 및 마모 특성 저하됨 ● 대안→PVD CrN 코팅 -.환경오염문제→PVD코팅은 플라즈마를 이용하여 폐수등의 부산물과 후가공이 필요없음 -.습식 Hard Cr 과 PVD CrN 코팅 특성비교 ·고 경도 피막: CrN(2400Hv), 습식 Hard Cr(1100Hv) ·내마모성: 낮은 마찰계수(CrN=0.35, 습식 Hard Cr=0.6) ·내식성: 낮은 부식전류밀도 (CrN=10-6A/cm2, 습식 Hard Cr=10-4A/cm2) ·내산화성: 높은 산화 개시온도(CrN=900℃, 습식 Hard Cr=800℃) ● 연구실 확보기술 -.코팅설계기술: 이온질화+CrN, Cr+CrN, TiN+CrN 등 다기능 코팅설계기술 -.Edge 코팅기술: 부품의 기능부위인 Edge 부의 코팅기술 확보 -.플라즈마 제어 및 진단기술 확보 → 최적 코팅특성 확보
- 무인헬기용 복합재료 elevator 및 cowling 제작을 위한 고온용 복합재료 금형이 보완 설계/제작되었고 이금형으로 각각의 제품을 성형개발하였다. Elevator 및 Cowling의 열응력 연구는 NISA II, Display III를 이용하여 해석 되었고 고온용 strain gage를 이용한 240°F까지의 온 도변화의 열변형 시험 결과와 매우 일치하였다. - 복합재료 수평미익 및 수직미익은 FAR23에 의거 수평/수직미익 및 조종면의 순항, 기동비 행, 돌풍조건의 극한 하중 계산하였고 성형/조립성의 향상을 위한 설계검토, 조립의 용이성 및 구조적 성능의 향상을 위한 구조개념 설정하였다. CATIA/NASTRAN/APRTAN을 이용하여 구조해석 실시, 파손강도, 좌굴강도, Bearing 강도 등의 평가되었고 엘리베이터의 Full Scale 정적구조시험을 통한 하중부가방법, 시험지그 설계/제작, 시험방법 등의 연구를 추진하였다. - 항공기용 복합재료 구조물연구에서는 복합재 구조물의 특성연구/개념 설계를 하였고 해석/구조설계는 ARGON & CATIA로 추진하였고 상세설계/성형제작도 하였다. 항공용 prepreg 제조 기술 확립연구는 수지 분석, formulation 배합 기술파악/개발하였고 특히, 저온형과 pot life가 아주긴 prepreg의 설계기술 확립 및 물성파악한 후 carbon/Ep 제작 및 coating 평가하였다. - 항공기용 복합재료 Rudder 개발연구에서는 성형공정에 따른 복합재료 구조물의 물성 비교연 구와 환경변화에 따른 복합재료 구조물의 기계적 특성분석을 하였다. 또한 H/C 샌드위치 구조 물의 Repair연구를 추진하고 Tool 및 Rudder의 시작품 모형제작을 하였다. - 항공기 부품 제작용치공구(tool)소재 분석 및 개발연구에서는 치공구 소재의 평가를 위한 Thermal Cycling 조건의 확립, 치공구 소재의 내구성 평가를 위한 측정 인자의 규명, 치공구 소재의 반응특성 연구 및 Equivalent Cycle Time (ECT)의 개발 등을 추진하였다.
본 개발은 기계가공성이 우스한 오스템퍼드 구상흑연주철(Austempered Ductile Cat Iron:ADCI) 로써 종전의 오스템퍼드 구상흑연주철은 탄소강이나 단조강에 비하여 우수한 강인성을 갖고 있지만, 기계가공성이 좋지않아 여러 가지 제품 가공에 문제점이 발생하여 자동차산업 및 다른 산엽에 사용하는데 많은 제약을 받아왔다. 그러나, 이런 가공성이 좋지 않은 재료를 오스템퍼링하기 전에 특수한 열처리로 전 조직(Prior-structure)을 부여하여주는 특수 열처리(special heat-treatment)를 실시하여 준 후 종전과 같은 일반적인 오스템퍼링을 실시하면 가공성이 상기에서 서술한 어떤 합금성분의 구상흑연주철에서도 종래보다 우수한 오스템퍼드 구상흑연주철을 얻을 수 있다. 현재의 자동차 Camshaft, Crankshaft,Pitman, Timming Gear 및 Connecting Rod 등에 현재 사용되고 있는 재료는 탄소강을 단조한 단조강으로 이들을 기계적 성질이 우수한 구상흑연주철로 대체함으로써 경량화는 물론 생산성이 증가되므로 전체적인 제조 원가가 저하될 수 있우나 가공성이 단조강에 못미치므로 단조강으 대체소지로써 그 사용이 이루어지지 않았으며 더욱이 산업화가 되지 못하였다. 그러나 본 개발된 재질은 탄소강보다 기계적인 성질이 우수할 뿐아니라, 특히 지금까지 문제되어 왔던 기계가공성이 단조강보다 우수하여 경쟁력이 있는 자동둁차부품용 대체소재로 가능하다. 또한 강도 및 경도를 유지하면서 내마모성이 우수하므로 중장비 부품소재 및 방위산업용 소재로 사용이 가능하다.
금속재료 성능의 다양화 및 고도화와 생산성 향상 및 에너지 절감에 대한 사회적 욕구가 증대함에 따라 전세계적으로 새로운 제조 공정을 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그중 가장 주목받고 있는 제조 공정 중의 하나가 금속재료의 주조공정과 열간가공공정을 결합한 반응고 가공공정(semi-solid process)이다. 반응고 가공공정은 합금의 응고시에 고액공존영역에서 강력한 기계적 또는 전자기적 교반을 행하여 일반적인 주조조직에서 관찰되는 수지상 조직 대신에 장미꽃형 또는 구형의 초정입자들이 액상 내에 고르게 분포되는 합금슬러리를 제조한 후 이를 직접 주조하여 제품을 제조하는 레오캐스팅 공정(rheocasting process)과 일단 빌렛 형태로 주조한 후 적당한 크기로 절단한 후 재가열하여 최종제품을 성형하는 틱소캐스팅(thixocasting process)으로 구분된다. 반응고 가공 공정은 교반에 의하여 주조품 내의 거시적/미시적 편석을 감소시켜 기존의 주조품에 비해 우수한 품질의 제품을 제조할 수 있다. 또한, 합금이 부분적으로 응고한 상태에서 조업이 행하여지므로 응고잠열의 방출이 적어 금형에 가해지는 열충격을 감소시켜 금형의 수명을 연장시킬 수 있으며, 응고시 수축량이 적어 복잡한 형상의 제품을 원하는 형상에 근접한 형태로 제조할 수 있는 장점이 있다. 본 연구진에서는 마그네슘합금의 반응고 가공공정을 개발하기 위하여 우선적으로 교반온도, 교반속도, 교반시간 등의 공정변수들의 변화에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화를 관찰하였으며, 이를 바탕으로 반응고 가공 제품을 제조하는 공정 개발을 위한 연구를 수행하고 있다.