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▲ 우타관 대표이사 (주)성일튜브
자동차 엔진 부품 개발의 선두주자 성일튜브
(주)성일튜브(이하 성일튜브)는 2011년에 사업을 시작하였지만, 그 전신은 1978년에 설립된 성일기계공업사이다.
성일기계공업사는 2002년에 성일에스아이엠으로 사명을 변경하였으며 파이프 고주파 벤딩에 의한 발전소 및 해양플랜트의 배관 제작 업무를 수행하고 있다.
성일에스아이엠의 사업부 중에서 각 분야의 전문성을 높이기 위해 성일엔케어, 성일튜브, 성일터빈이 차례로 분사되었다.
성일엔케어는 선박엔진용 고압파이프와 해양플랜트용 제관 및 구조물을 제작하고, 성일터빈은 초내열합금을 진공정밀주조하여 가스터빈 및 연소실 부품을 제조하고 있다.
성일튜브는 쌍용자동차의 무쏘에 자동차 엔진 부품 공급을 시작하였으며 고압연료튜브를 자체 국산화 개발하여 유로 5, 유로 6엔진에 적용하게 되었고, 일본에서 수입하던 부품을 국산 개발 및 적용하여 대일 무역적자를 감소시키고 국내 완성차사의 부품 구입비를 절감할 수 있게 되었다.
또한 성일튜브는 디젤엔진의 고압연료튜브뿐만 아니라 가솔린 GDI 엔진의 고압연료튜브도 개발하여 국내 자동차에 공급하고 있으며, 플라스틱 수지튜브, 일반 파이프를 개발하여 적용하고 있다.
기술개발 배경
고압연료튜브의 내부는 연료로 인한 부식에 노출되며 외부는 염수 분위기에 있기 때문에 부품의 내식성을 확보하는 것은 매우 중요하다.
또한 연료관 내부는 150bar 이상의 연료가 이동하기 때문에 고압에 견딜 수 있어야 한다.
최근에는 배기가스 규제 강화로 인해 연료관 내부의 압력은 250bar에서 350bar까지 점점 증가하고 있다.
한편으로 엔진 기종에 따라 연료의 이동시 맥동을 감소시키기 위해 관의 중앙부를 크게 하고 양 끝을 작게 하는 이중 관경의 고압연료관도 등장하고 있다.
이러한 형상을 가진 제품은 3개의 부품을 각각 제작하여 용접 조립하고 있다.
고압연료튜브 제작에 사용되는 하이드로포밍은 튜브의 내부에 물을 넣고 압력을 가하여 원하는 형상을 얻는 성형 기법의 한 종류이다.
여러 개의 부품을 용접하던 것을 한 개의 부품으로 성형하기 때문에 플랜지 삭제를 통한 경량화가 가능하고, 용접부 내식성 취약을 막을 수 있어 자동차 섀시 부품에 적용되고 있다.
국내 자동차 회사에서도 섀시 부품인 프런트 서브 프레임, 사이드 프레임 등에 하이드로포밍 기술을 적용하고 있다.
이러한 하이드로포밍 공법을 엔진 부품인 고압연료튜브 제조에 활용하면 좋은 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상하였다.
기존 기술의 문제점
기존의 GDI 엔진용 고압연료관은 SUS304 강관으로 제조되었다.
SUS304는 오스테나이트 스테인리스 스틸로서 내식성과 가공성이 좋아 널리 이용되고 있지만, 강도가 낮아서 압력이 높아져 가는 고압의 연료관에는 더이상 적합하지 않게 되어 강도가 높고 내식성이 우수한 새로운 강관 재료 개발의 필요성이 대두되었다.
또한 가운데를 넓게 하고 양 끝단을 좁게 하는 이중 관경의 고압 연료관을 제조하는 방식은 3개의 부품을 각각 제작하여 용접으로 붙이는 방법을 이용해 왔다.
이렇게 제조하면 용접 부위의 품질을 확인하기 위해 고가의 비용이 드는 헬륨 리크 시험을 해야 하고 용접 부위에서 가스 누출시 화재의 위험도 따른다.
이러한 위험을 원천적으로 막기 위해 하이드로포밍 확관으로 일체형 부품 개발에 착안하게 되었다.
기술의 상세 내용
고강도 강관 개발
기존 SUS304는 항복강도가 210㎫ 이상으로 스테인리스 강관 중에서 비교적 낮은 강도를 갖고 있다.
화학성분은 철에 크롬 18%, 니켈 8%를 함유하고 있다.
이에 비해 S32304는 듀플렉스 스테인리스 스틸로서 페라이트와 오스테나이트의 2상으로 되어 있다.
크롬을 23%로 증가시켜 내식성을 강화하고 니켈을 4%로 낮게 하여 제조 비용을 절감했으며, 몰리브덴을 첨가하여 내식성을 향상시키고 질소를 소량 첨가하여 강도를 향상시켰다.
이러한 성분 조정으로 강도 증가와 내식성 향상을 꾀할 수 있었다.
그림 1에서 보는 바와 같이 S32304은 동일한 염소 분위기 하에서 피팅 발생 온도가 훨씬 높아짐을 알 수 있다.
강도가 높고 내식성이 우수한 S32304 듀플렉스 스테인리스 스틸은 GDI 엔진용 고압연료관 재질로서 적합하다고 할 수 있다.
하이드로포밍 공법 개발
하이드로포밍을 하기 위해 S32304 듀플렉스 스테인리스 스틸을 그림 2와 같이 특수 제작된 금형 안에 넣고 강관의 양 끝에서 물을 넣은 다음 피딩시키면서 압력을 가해 확관한다.
피딩 없이 확관하면 강관의 두께가 얇아져서 터지기 때문이다.
또한 금형과 강관 사이의 마찰을 감소시키기 위해 그리스 타입의 윤활제를 강관 표면에 도포한다.
윤활제 도포에 의해 마찰계수를 감소시킬 수 있었다.
윤활제 도포와 피딩을 통해서 중앙부 외경을 8.0㎜에서 10㎜로 확관시킬 수 있었고 두께 감소율을 기준치 이내에서 억제시킬 수 있었다.
실링부 포밍 공정 개발
고압연료튜브는 고압펌프와 연료레일 사이에서 연료가 이동하는 경로 역할을 한다.
고압연료튜브는 고압 펌프와 연료레일 연결부위에서 실링되어 누유를 방지해야 한다.
누유가 발생되지 않기 위해서는 실링부의 각도 유지가 중요하고 실링면이 꺼지지 않아야 한다.
두께가 1.0㎜로 얇고 강도가 높은 강관의 양 끝단부 포밍시 꺼짐을 방지하기 위해 2단 포밍을 실시하였다.
2단 포밍 금형 설계와 해석에 의해 포밍 공정을 개발하였다.
그림 3에서 보는 바와 같이 2단 성형에 의해 실링면의 꺼짐을 방지할 수 있었다.
벤딩 공정 개발
새로이 개발된 S32304 듀플렉스 스테인리스 스틸은 항복강도가 450㎫ 이상으로 기존 소재 대비 2배 정도이다.
동일한 영률에서 강도가 2배 이상으로 증가되어 벤딩 후 스프링백량이 2배로 커지게 된다.
증가되는 스프링 백량을 고려하여 그림 4와 같이 CNC 벤딩 장비의 벤딩 롤러 반경을 적절하게 설계 제작하여 정확한 치수로 굽힐 수 있게 되었다.
기술의 차별성
GDI용 고압연료튜브는 전 길이가 동일하게 제작되거나, 중앙 부위를 크게 하기 위해서는 세 부분으로 각각 제작 후 용접하여 조립해 왔다.
하이드로포밍 확관을 활용하면 그림 5에서 보는 바와 같이 용접 없이 한 번에 외경이 다른 이중 관경을 제작할 수 있다.
질소 첨가 등 성분 조정에 의해 항복강도를 두 배로 증가시켰고, 이로 인해 강관의 두께를 증가시키지 않고도 250bar 이상의 고압에도 견딜 수 있게 되었다.
천만 회의 피로시험에도 파단 없이 견딜 수 있는 고압연료튜브를 개발할 수 있게 되었다.
기술의 파급효과
배기가스 규제는 해마다 강화되고 있다.
강화된 규제에 따라 PM(입자상 물질)을 적게 함유해야 한다.
GDI 엔진에서 연료 분사압력을 크게 하면 연료 분사입자가 작아지고 PM을 줄일 수 있게 된다.
압력이 증가하게 되면 기존 SUS304로는 대응하기 어려워 강도가 높은 듀플렉스 스테인리스 스틸인 S32304의 사용이 증가하게 될 것이다.
그리고 하이드로포밍 확관을 이용하여 용접 없이 일체형 강관을 제조하면 내식성 열화를 방지하고 연료의 누출을 막을 수 있게 된다.
성일튜브에서는 하이드로포밍 확관을 이용한 고압 연료튜브의 기술개발을 끝내고 올해부터 양산하여 GDI엔진에 장착하고 있다.
이번에 개발한 높은 강도의 듀플렉스 스테인리스 강관은 2019년도부터 여러 엔진에 추가적으로 적용되어 엔진 부품의 경량화에 기여하게 될 것이다.
GDI 엔진은 동일한 배기량에서 엔진의 출력을 높일 수 있고 연비가 5% 내외 향상되어 앞으로도 적용이 증가할 것이다.
성일튜브에서 제조한 GDI 엔진용 고압연료 튜브는 국내 자동차 회사뿐만 아니라 해외 자동차 회사에도 수출할 예정이다.