일본의 PM 기술 혁신상 수상
제품, 재료 및 공정

일본 분말 야금 협회의 수상 내용입니다. JPMA 2016 Powder Metallurgy Awards는 일본 PM 업계의 Powder Metallurgy의 응용 범위가 지속적으로 개발되고 있다는 것을 보여주고 있습니다. 수상은 제품 설계 뿐만 아니라 신소재 및 Advanced 제조 공정 개발에도 수여되었습니다.

개발상: 신 제품 개발

1-1고 효율 모터용 소결 베어링으로 내경 표면에 작은 dimple이성형되어 있습니다.모터는 그 크기에 관계없이 가동 효율을 높일 필요가 있습니다. 이를 위하여 소결 베어링의마찰을 최소화 하여야 합니다.Porite 사는 모터 조립되는 볼베어링을 대체하기 위하여 내경 표면에 Dimple형상을 가진오일 함침 소결 베어링을 개발하여 수상 하게 되었습니다.일반적으로 고 효율 모터를 개발할 때, 맨 처음 마찰 특성이가장 낮은 볼 베어링을 선정하게 됩니다.어떤 경우 소결 베어링은 소결 베어링이 갖는 마찰특성이 볼 베어링에 미치지 못하여 선택할 수 없는 경우도 있습니다.베어링용 소재나 오일 함침 기술 및 샤프트와 베어링 내경간의 Clearance 최적화하더라도 아직 해결하여야 문 제가 남아 있습니다. 그래서 Porite사는 소결 베어링의 내경에 Dimple을 적용하는 Concept을 개발하였습니다. 이 기술은 이미 엔진 실린더와 유압 부품의 마찰을 감소시키기 위하여 사용되어 왔습니다 . Dimple의 크기및 깊이를 불규칙하게 함으로서 마찰력을 감소 시키는 효과를 얻을 수 있었습니다.

다층 소결 베어링 개발
1-2NTN Advanced Materials사는 유압식 굴착기와 같은 건설 장비의 조인트 부품에 사용되는 다층 베어링을 개발하여 수상하였습니다. 이 베어링은 저속, 고 하중, 진동 및 충격 부하가 발생하는 가혹한 환경에서 사용하기 위하여, 낮은 마찰력 과 내 마모 특성이 요구됩니다.대량 생산 되고 있는 일반 오일 함침 소결 베어링은 미끄럼 특성과 높은 경도를 가지는 재료로 만들어집니다. 제조 공정은 “강도와 경도를 유지하기위한 열처리 ” 공정과 “치수 정밀도 유지를 위한 최종 마무리가공” 공정이 필요합니다. 따라서 재료비와 생산 비용이 증가합니다. 또한 성능면에서는, 열처리로 인하여 충격 강도가 떨어져서 파손이 발생할 수 있는 위험이 있습니다. NTN Advanced Materials이 개발한 다층 소결 구조는 베어링은 이러한 문제를 해결할 있었습니다. 베어링의 내층은 내마모성을 향상시키기 위하여 Fe-Ni-Mo-C 합금강으로 만들었습니다. 또한 Cu는 슬라이딩 특성을 개선하고 싸이징 공정을 이용하면 치수 및 형상을 가능하게 하기 때문 에 내경을 가공하지 않기 위하여 내층에 사용되었습니다. 외층는 고강도 및 고 인성을 가지기 위하여 Fe-Cu-C 소재에 저 융점 금속을 첨가하였습니다. TN사는 다층 베어링성형을 하기위하여 각 층별 성형 금형을 사용하여, cost down 과 탁월한 슬라이딩 특성 및 높은 내마모성을 가지면서 충격에 강함 베어링을 개발하는대 성공했습니다.

1-3딤플 공정을 안정화시키기 위하여 제품의 내경 치수를 최적화한 후, 내경과 딤플을 동시에 완성 시키는 공정을 개발하였습니다. 이 공정으로 딤플링 때문에 내경 치수가 불규칙하게 가공되는 것을 피할 수 있었습니다. 또한 딤플 가공 공구의 수명을 개산하기 위하여, 사용 공구의 재질 및 표면 처리 공정 등을 최적화 하였습니다. 그리고 자동 딤플 성형 공정에 사용되는 자동 윤활 공급 장치는 공구의 수명을 연장하는데 기여하였습니다. 이러한 개선의 결과로 Porite사는 미니츄어 모터에 사용되는, 직경 5 mm 이하의 소형 베어링의 내경에 딤플을 성형할 수 있었습니다. 이 소결 베어링의 마찰계수는 딤플 내의 잔류 오일 때문에, 마찰 계수가 작아져서, 볼 베어링의 미찰 계수와 근접하게 되었습니다.

 

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부스터용 하이브리드 reactor core 재료 개발
NTN Advanced Materials사는 비정질 자성 재료로 만든 하이브리드 코어로 두 번째 상을 수상했습니다. MRI 스캐너와 같은 의료 장비의 개발과 더불어,전원회로용 초크 코일에, 몇 kW 이상으로 전류 및 전력 높이는 추세입니다. 기존의 자성 재료는 자성 포화를 쉽게 일으키기 때문에 이러한 전류 요건을 충족하기 위하여 큰 부피가 큰 제품을 사용하여야 했습니다. 이러한 어플리케이션을 위한 회로에 사용되는 높은 구동 주파수는 장비의 고속작동에 필요함에 따라 사용이 증가하고 있습니다. 그러나, 종래의 재료는높은 주파수에서 인덕턴스 및 Iron 손실과 같은 특성의 저하를 나타냅니다. NTN은 고전류 / 고주파수 사용과 초 소형화 이 두가지 목적을 모두 달성하기 위하여, 내부에 비정질 성형재료를 사용하고 외부에 비정질 재료로 채워진 자성 재료를 주입한 하이브리드 코어를 개발했습니다. 비정질 사출 코어가 인덕턴스 값을 너무 낮게 나타내는 반면에, 무정형의 dust 코어만으로는 충분한 DC 바이어스 특성을 발휘하지 못합니다. 이 제품을 구성하는 2 개의 구조로 인하여, 높은 자기장 하에서 자기 포화가 발생하지 않는 등 요구 특성을 반감시키는 효과를 갖고, 페라이트와 비교하여 ,고주파(300A)에서는 절반으로, 고주파에서는 Fe-Si에 비해 손실이 1/10로 감소합니다(100kHz). 이 외에도 장치의 최대 전류는 260A(또는 2.6A 100A)로 증가하고 회로 작동 주파수는 50kHz (또는 5x 10kHz)로 증가합니다.

개발 성 : 신 소재
향상된 내 마모성 특성을 갖는 매트릭스 강화 밸브 시트 소재 FIne Sinter사와 Toyota Motor는 미세한 경질 입자를 매트릭스에 분포 시켜서 내마모성 이 향상된 밸브 시트 재료를 개발하여 수상을 하였습니다. 자동차 엔진 용밸브 시트는 고 내마모성이 요구되며,이 요구 사항을 충족시키기 위해 “조약돌 효과”를 얻기 위하여 경질 입자를 첨가하여 매트릭스에 분포시켰습니다. 또한, 엔진 운전으로 인한 연소열은 밸브 시트의 표면에 Fe를 주성분으로하는 산화물을 생성합니다. 이러한 산화물은 밸브의 마모 방지 효과를 향상시켜 기존의 경질 입자와의 시너지 효과를 창출합니다. 그러나, 최근 엔진 고효율 기술의 개선은 Fe 산화물의 형성이 어려운 조건이 되었습니다.

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따라서, 접착 마모를 방지하기 위한 다른 수단이 필요하게 되었습니다. 높은 접착 마모 특성을 얻기 위해 보통 경질 입자 함량을 증가시키는 방법을 선택합니다. 그러나 이 옵션은 많은 양의 경질 입자로 인하여, 성형성과 가공성을 저하시키고 가공면 조도의 저하를 초래하기 때문에 아주 제한적으로 사용됩니다. 이 개발을 통하여, 메트릭스에 미세한 경질 입자를 분포 시키는 방법을 연구하였습니다. 또한, 경질 입자는 기존의 재료 대비 오스테 나이트 확산량이 증가하도록 개발되었습다. 개발 된 경질 입자 타입은 매트릭스와의 접착 성을 향상시키고 경질 입자를 분리하여 가공 면 표면 거칠기에 대한 우려를 해소하고 기존 소재에 비해 35 %의 비용 절감 효과를 제공하였습니다.

개발상 :신 소재
VVT 부품 제조 Lince, 이 가공Line에서는 green part의 hole과 groove 를 가공하고 2D barcode를 가공합니다. Sumitomo Electric사는VVT (Variable able Valve Timing) 부품제조 공정 개발 상을 수상했습니다.이 hole과 roove 를 동시에 가공하고 품질관리용 바코드 까지 가공합니다. 또한 이 라인은 성형에서 사이징 공정에 이르기까지 무 접촉 제조라인 구현에 성공했습니다. VVT 시스템은 오일 압력을 이용하여 위상을 변경시켜 밸브의 개폐 타이밍을 제어하여, 출력을 향상시키고 연료 소비를 줄입니다. VVT 부품은 급속하게 발전하고 있는데, 예를 들어, 회전자가 오일 제어 밸브와 일체화되고, 압축시 성형 할 수 없는 hole 및 groove에 대한 요구가 증가하고있습니다. 따라서, 소결 후의 디버링을 포함한 기계 가공 비용의 증가가 문제가 되고 있습니다. 이 문제를 해결하기 위하여 Sumitomo Electric 는 Green part가공을 적용하여 발생없이 신속한 가공을 가능하게 하고 비용을 절감하고자 했습니다. 그러나 지금까지의 green가공 공정에는 crack 및 칩 발생에 대한 우려가 있었습니다. 또한, 가공 line은 성형 및 소결 공정과는 연결이 되어있지 않았기 때문에 생산성 면에서 문제가 있었습니다. 따라서 회사는 hole과 groove를 한 공정으로 가공하는 multi-machining 기술을 개발하여, 높은 생산성을 구현하는 생산 라인을 구축하는데 성공했습니다. 이 생산 Line은 작업자의 수작업으로 인한 crack과 chip의 발생 위험을, 성형 공정과 가공 공정을 Inline화하여 작업자의 수 작업과
재고를 없애는 concept 입니다. 또한, 소결 전에 각 제품에 레이저 빔으로 2 차원 바코드를 가공하여 제품 품질 및 제조 정보를 추적할 수 있고, Green 가공에서 균열 및 칩의 발생을 줄였습니다.

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노력상
비 연속적인 복잡한 플레이트의 표면을 레이저를 이용하여 Quenching 가공 Sumitomo Electric는 VVT rotor의 high torque control 시스템에 사용되는 복잡 다단 형상의 sideplate를 레이져를 사용하여 quenching 하는 기술을 개발하여 노력상을 수상하였습니다. high torque는 rotor를 컨트롤 하기 위하여 필요하며, 종래의 모델에서는 위상을 제어하기 위하여 여러 개의 스프링이 rotor 자체에 부착되었습니다.

그러나, 이번 개발 된 모델에서는 장치 외부에서 위상을 제어하는 시스템이 채택되었습니다. 따라서 사이드 플레이트와 함께 sliding되는 큰 스프링이 부착되었고, 알루미늄 주물과 소결 iron부품을 교체하여야 했습니다. 제품 형상과 관련하여 스프링을 표면에 고정하기 위해 요구되는 많은 탱 (tang)과 깊은 deep oil groove 때문에 side plate의 반대편을 성형하기가 어려웠습니다.PM 사용의 이점을 극대화하기 초기 단게에서 다 단계 압축 성형에 성공하였습니다. 또한 각탱의 측면에는 스프링의 sliding 때문에 내마모성이 요구되었습니다. 표면이 고르지는 않았지만 레이저 quenching이 적용되었고, 복잡한 coil 설계가 필요한 induction harding 대신에, 간단한 Jig와 program만 이용하여 정확도를 떨어 뜨리지 않고 필요한 경도를 얻을 수 있었습니다.