1. 서문
개발 기술의 배경 및 목적으로는, 1996년 부터 자동차 에어컨 컴프레서용 FCD700 주물 부품 (그림 1)의 생산을 시작했지만 자동차 생산 대수 및 자동차 에어컨 장착률의 증가로 수주량이 비약적으로 증가함에 따라 부품의 높은 기능성 및 높은 생산성이 필수불가결해졌다. 임시 출근 및 가동 시간 연장으로 대응하기에는 이미 한계에 이르렀고 3000만개/년 초과 대응에 대비하여 10% 이상 생산성 증가를 목표로 현행 설비(디사매틱 조형기 용해로)를 바탕으로 중자·방안 설계, 용해·용탕 처리, 조형 MCT 와 같은 전체 주조 라인을 고성능화하기 위한 기술 개발, 개량 및 개선을 실시하게 되었다.
그림 1. 컴프레서 부품 예.
2. 개발 기술 항목 및 특징
신청 그룹은 생산성 증가를 위한 아이디어로서 중자 샌드위치 방식에 의한 주형틀 1개당 주입 수 2 배를 기본으로 하고, 생산성 추가 향상 및 높은 부품 요구 품질을 보증하는 주조 기술 개발에 임했지만, 샌드위치 방식의 중자 사용은 작업 효율면 및 중자 발생 가스 등으로 인해 주물 품질을 저하시켰다. 이러한 폐해를 최소화하기 위해 최적의 중자 형상 설계, 주조 CAE를 활용한 다수형 부품 최적 배치와 탕구·압탕 가스 배출 방법 설계를 통해 24개 입/틀, 머신 사이클 타임 (MCT) 8.4 초까지 고속화시켰다. 이 MCT 와 매칭되는 용출 용탕 처리 조건을 최적화하여 주물 품질과 재질 보증, 340틀/시간의 높은 생산성을 실현했다. 본 기술 내용을 아래에 설명하겠다.
2.1 미니멈 주형 방안 설계 기술
(1) 샌드위치 중자의 형상 최적화
샌드위치 중자는 주형틀 1개당 개수는 2 배가 되지만, 중자 수납 작업이나 중자 발생 가스에 의한 불량 발생 등의 오차가 있어 생산성을 저해시켰다. 이전에는 그림 2 (왼쪽)에서 볼 수 있듯이 위, 중간, 아래의 각 단계마다 좌우 총 6 개의 중자를 가로로 배열한 2 인 작업이었다. 이로 인해 작업자 간의 간섭으로 인한 빈번한 정지 가 발생했다. 또한 박육 중자는 가열되기 쉽고 급격한 가스 발생이 주조방안에 간섭하여 가스 결함의 원인이 되기도 했다. 그림 2 (오른쪽)과 그림 3의 사진과 같이 중자 형상을 세로로 놓고 4개 수납 1인 작업으로 변경하여 중자 수납 관련 문제를 해결했다. 이로 인해 중자 가스 배출 문제가 향상되었고, 상부 가스 배출로 유도해 효과적인 가스 배출이 가능해졌다. 결과적으로 가스 결함 불량도 크게 감소했다. 이러한 작업 효율을 높이고 불량을 줄임으로써 생산성 향상을 도모할 수 있었다.
그림 2. 중자 형상과 배치 및 가스 배출 형상 (종래→개량).
그림 3. 개량 후 주형·중자 수납 상황.
(2) 주조 CAE를 통한 제품 배치 및 압탕량 최적화
다수형의 경우는 제품 레이아웃이 제품 수율을 좌우한다. (1)의 중자 형상 최적화에 맞춰 주조 CAE 유동·응고 분석을 통해 제품 배치 간격을 단축하고, 거기에 필요한 최소량의 압탕을 산출하였다. 그 결과, 그림 4와 같이 제품 간격과 최소 압탕량의 최적화를 도모할 수 있었고, 수축공 방지와 동시에 8.6%의 수율 향상을 실현, 합리적인 연속 생산이 가능해졌다.
그림 4. 주조 CAE에 의한 제품 레이아웃과 압탕량 저감.
2.2 용해·용탕 성상과 주물 품질 관리 기술
자동차 에어컨용 FCD700 부품은 다양한 곳에 납품되고 있다. 동일 소재이면서도 고객 특성 요구 (가공성, 담금질·템퍼링) 사항이 높아, 소재 단계에서 반영해야 할 필요가 있었다.
가공성이 좋은 경도를 목표로, 그 후의 담금질 템퍼링 조직을 결정짓는 펄라이트 화율 등, 고강도이면서 고절삭성의 소재를 안정적으로 유지해야만 했다. 특히, Mg 처리 용탕은 페이딩 현상이 일어나기 쉬워, 주탕 시간을 엄격하게 관리해야 한다. 따라서 라인 스피드에 맞춘 용탕량을 750kg/래들로 하고, 원탕 Si량, 미량의 황첨가방법과 구상화 처리 및 접종을 재검토하였고, 나아가서는 자동 주탕기로의 접종, 주탕류 접종과 3단계 처리에서의 페이딩 방지 및 주탕용상의 성상관리를 실시하여, FED700 부품에 요구되는 품질, 응고 조직 및 경도를 안정화하고 품질 보증을 가능하게 했다 (그림 5).
그림 5. FCD700 부품의 경도와 펄라이트 면적률.
2.3 디사매틱 고속 조형시의 MCT 안정화
유압 파형 진단을 실시하고, 그림 6에 나타낸 바와 같이 정상 조업시 공정①~⑥의 유압 파형 데이터 취득을 통해 적정치를 알아낸 후 MCT 8.4 초까지 단축시켰다. 또한, 그림 7과 같이 이상시의 주요 원인을 파악하고 대응 조치 및 관리를 수행하는 유압 파형 진단 시스템을 구축했다. 그 결과, 조업시 유압 파형을 모니터링하여 조기에 이상을 발견할 수 있게 되었다. 또한 이상시의 파형 왜곡 신호를 등록하여 공정 ①~⑥ 45 개소의 유압 전자 밸브의 하이 코더 검증을 가능하게 했고, 고속 조형시의 MCT 안정화를 도모하여 생산성 향상을 도모했다.
그림 6. 유압 파형 진단으로 MCT 단축.
그림 7. 하이코더 검증에 의한 유압 파형의 이상 판단.
2.4 오염 스크랩에 대한 모니터링
생산성과 수율 향상으로 인해 스크랩 구매량이 증가했다. 양질의 안정적인 스크랩 획득은 제조 품질에 있어 필수 불가결한 요소이다. 최근 스크랩의 절대량이 부족하여 오염 스크랩이 혼입되는 케이스가 늘어남으로 인해, 그림 8에 나타낸 바와 같이 노 벽 트러블이 축로 후 조기에 빈번히 발생하고, 통상 300 차지의 축로 간격이 40 차지에서 이상이 발생하게 되었다. 종래부터 Zn 에 의한 노 벽 손상은 알려져 있었지만, 높은 Zn 에 따른 영향은 확인되지 않았다. 노 벽에 증부착된 슬래그를 분석한 결과, 알루미나 (Al2O3)가 대부분을 차지하고 있음이 밝혀졌다. 또한, 용탕 분석에 있어서도 그림 9 와 같이 Al량 (%) 이 평상시 2배의 속도로 축적되어 있음을 알 수 있었다. 고 A1스크랩의 혼입이 노 벽에 알루미나질 슬 래그를 생성 부착시키고, 그것이 슈퍼 히트되어 노 벽을 손상시킴으로써 압탕 누출 검출 이상을 일으킨다는 것을 밝혀 냈다. 그래서 Zn과 함께 Al도 모니터링 항목에 추가하여 미량 Al%의 축적을 감시함으로써 용해로 손상에 따른 장시간 용해 정지를 방지할 수 있었다.
그림 8. 퍼니스 벽에 증착 된 알루미나 (Al2O3) 슬래그.
그림 9. 용탕 분석에 의한 A1%의 누적 추이.
3.결론
위에서 설명한 기술 구축을 통해, 그림 10에 나타내는 바와 같이 생산성을 10% 이상 향상시킬 수 있었고, 높은 요구 품질의 자동차 에어컨 컴프레서용 FCD700 부품을 3200 만개/년 (260 만개/ 월)을 생산, 자동차 에어컨을 생산하는 고객에게 제공하고 높은 신뢰를 얻을 수 있었다. 2013년부터는 구축 기술로 미국 생산을 시작하여 순조롭게 생산을 이어나가고 있다.
그림 10. 생산량 변화.