Update2024.05.19 (일)
단조, 고성능 금속 소재 필수 가공기술
■기술의 개요
◇ 기술의 정의 및 분류
단조기술은 여러 가지 금형 및 공구로 소재에 압축하중을 가해 성형하는 공정으로, 각종 금속소재를 다양한 크기와 형상을 가진 제품으로 성형하는데 이용된다.
간단한 단조공정은 전통적으로 대장간에서 해 온 것처럼 무거운 손 해머와 모루(앤빌, Anvil)를 사용하지만 현대화된 단조공정은 금형셋, 프레스나 기계 해머 등 관련 설비를 사용해 동일 형상의 제품을 대량생산한다.
단조기술은 작업목적에 따라 다양하게 분류할 수 있으나 대표적으로 금형 사용여부, 작업온도, 공정특성에 따라 분류하면 다음과 같다.
◇ 작동원리에 따른 단조기술
단조공정은 특성상 단류선(Metal Flow)에 의한 미세하고 치밀한 조직을 얻을 수 있어 고강도의 제품 성형이 가능하다. 따라서 내구성이 요구되는 크랭크축·커넥팅로드·터빈 디스크·기어·휠·볼트 등의 엔진부품과 수송기계·풍력발전기·선박 등의 구조 부품은 대부분 단조기술로 제조되고 있다.
일례로, 내연기관용 커넥팅 로드는 열간에서 형단조에 의해 제조된다. 임의의 성형온도로 가열된 환봉 형상의 소재(Blank)를 시작으로 두 번의 예비성형(Blocking)과 마무리 단조(Finishing)를 거친 후 플래쉬를 제거하는 트리밍(Trimming) 공정에 의해 최종 제품으로 완성된다.
일반적으로 단조 제품은 다양한 공정을 적용한 복합 단조공정으로 제조된다. 자유단조 및 형단조기술은 아주 오래된 전통적인 기술로 잘 알려져 있으므로, 여기서는 특수 단조기술의 작동원리와 적용부품에 대해 서술한다.
롤단조(Roll Forging)는 2개의 단조 롤 사이에 가열한 소재를 넣고, 롤 회전에 의해 소재를 압연해서 성형하는 가공법이다. 단조 롤은 롤의 반인 약 180도 정도는 형상이 있고 나머지는 없는 구조가 대부분이다. 따라서 롤단조는 주로 가늘고 긴 제품을 형단조하기 위한 예비공정으로 많이 사용된다.
회전단조(Radial Forging)는 금형을 회전시키면서 원하는 치수를 갖는 봉이나 포신과 같은 튜브 제품을 성형하는 공정이다. 로터리 스웨이징(Rotary Swaging)은 회전단조의 한 종류로서 아래 그림과 같이 2개 또는 4개의 해머와 금형이 주축에 의해 회전하고 위성 롤(Plnaetary Roll)이 해머의 위를 통과할 때 해머를 밀어 소재를 가압하고, 해머가 위성롤을 벗어나면 원심력으로 벌어지는 기구의 원리를 이용한 구조이다.
궤도 단조(Oribital Forging)는 수직축을 기준으로 상부 금형을 임의의 각도로 경사지게 회전시키면서 하부 금형의 소재를 점진적으로 가압해 제품을 성형하는 기술이다. 상부 금형과 소재의 접촉면적이 작기 때문에 성형하중이 낮고 진동도 적은 특징이 있는 반면, 가공시간이 길고 성형될 모양과 치수에 한계가 따른다.
링롤링(Ring Rolling)은 구동롤(Main Roll)이 회전하면서 소재를 회전시키는 역할을 하며, 압력롤(Idler, Rounding Roll)과 축롤(Edging Roll)은 각각 링의 두께와 높이를 감소시켜 단면형상을 형성한다. 링롤링은 주로 직경 2,000mm 이상의 항공기 엔진, 풍력발전의 플랜지 류의 링 제품을 제조하는데 사용되며, 임의 형상을 갖는 롤을 사용하면 프로파일 단면을 갖는 링 제조가 가능하다.
유동성형공정(Flow Forming)은 미리 설정된 소형 롤이 임의의 축을 기준으로 자전 또는 공전하면서 국부적으로 소재 유동을 발생시켜 점진적으로 원하는 형상으로 성형하는 공정이다. 일반적인 튜브 제품뿐만 아니라 최근에는 치형 형상을 갖는 복잡 형상의 기어류 성형에도 적용하고 있다.
■ 기술의 환경변화 및 중요성 고부가·친환경 단조기술 전환 시급
◇ 수송기기류 부품의 친환경단조기술 요구 증가
단조품의 가장 큰 수요처인 자동차 산업을 비롯한 수송기계 산업은 최근 지구온난화의 원인이 되고 있는 CO2 가스 배출량과 관련해서 강력한 규제를 받고 있다. 이에 따라 제품의 경량화를 통한 연비향상을 위해 친환경 단조기술에 대한 요구가 점진적으로 확대되고 있다.
◇ 고부가가치 친환경 단조기술로 전환 시급
단조기술은 자동차·항공기·기계·전자·정보통신·신재생에너지 산업 등 국가주력산업의 친환경 기술 개발과 직접적으로 연계된다. 따라서 전방수요산업의 친환경 패러다임에 대응할 수 있는 고부가가치 친환경 기술로의 전환이 시급하다.
◇ 독자적인 원천기술의 확보 경쟁 치열
특수 단조기술과 관련된 장비는 국내 원천 기술을 확보하지 못해 전량 기술 선진국에서 수입하고 있는 실정이다. 또한, 수입 장비를 활용해 새로운 제품을 생산하기에는 많은 시간과 비용 투자가 수반되고 있다. 따라서 국내 단조 산업의 경쟁력 확보를 위해서는 비단 단조기술 뿐만 아니라 장비 개발에 보다 많은 연구투자가 요구된다.
■ 기술분야별 동향
단조는 일반적으로 작업온도에 따라 상온에서 수행되는 냉간단조, 고온에서 작업되는 온간 및 열간단조로 구분된다. 작업온도가 금속소재의 녹는점을 기준으로 약 50%의 온도(재결정온도) 이하이면 온간단조, 그 이상이면 열간단조이다. 금형의 사용여부에 따라 자유단조와 형단조로 구분되기도 한다. 최근에는 공정 및 생산의 효율성을 향상시키기 위해 낮은 용량의 전용 장비를 통해 금속소재를 점진적으로 성형하는 신개념의 특수 단조기술도 개발되고 있다.
녹색성장과 더불어 최근의 단조기술 개발동향은 친환경적 단조기술 개발로 요약될 수 있다. 세부적으로 보면, 재료회수율 증대에 의한 소재 절감, 공정개선을 통한 에너지 절감, 공정 단축 및 제품 개발 기간 단축에 의한 생산성 향상, 치수정밀도 제어에 의한 기계가공량 감소, 미세조직 제어에 의한 고비강도 부품개발 및 이를 통한 경량화 등 친환경, 저비용, 에너지 절감형 단조기술이 개발되고 있다.
친환경 단조기술 개발의 측면에서의 각각의 단조기술에 대한 기술 동향은 다음과 같다.
◇ 자유단조
자유단조기술은 최근 풍력발전의 샤프트·플랜지, 선박의 샤프트 등의 대형부품을 생산하기 위해 적용되는 기술로서 일반적으로 프레스라 불리는 장비로 국부적으로 소재를 가압해 대형의 부품을 생산하기 위한 기술이다.
이 기술은 최근에 수요가 급증하고 있는 발전설비·조선·풍력발전용 단조부품을 생산하기 위한 핵심 기술로 자리매김하고 있으나, 메가급 초대형 부품의 생산을 위해서는 이에 상응하는 대용량 프레스의 개발이 시급하다.
뿐만 아니라 수 많은 공정을 거쳐 최종 단조품이 성형되므로 생산 속도가 매우 느리고, 고가의 잉곳 대비 소재 사용률이 최대 50%이므로 소재 사용률을 보다 극대화할 수 있는 공정 개발이 필요하다. 또한, 대부분의 자유단조업체에서는 프레스 작업자의 경험 및 시행착오에 의존해 부품을 성형하기 때문에 불량률이 다소 높은 실정으로 이를 최소화하기 위한 공정의 표준화, 공정 개선 및 효율화를 위한 CAE 기술에 대한 요구가 증대되고 있다.
◇ 형단조
형단조기술은 일정한 형상을 갖는 금형을 사용하므로 자유단조기술에 비해 생산성, 재료회수율 및 치수정밀도 측면에서 우수하나 상대적으로 소형의 부품 성형에 한정돼 있다. 금형 제작비가 소재비에 비해 상대적으로 높고, 금형을 조립하는 등 준비에 많은 시간이 소요되므로 대량생산용이 아니면 적용되지 않는다. 약 90% 이상의 단조품은 형단조기술에 의해 제조되고 있다.
최근에는 플래쉬 생성이 없이 금형 공동부(Die Cavity)에 소재를 완전히 채우는 폐쇄단조기술이 개발돼, 최종 제품의 치수와 거의 같거나 동일한 성형이 가능하다. 그러나 폐쇄단조기술을 적용할 경우 매우 큰 하중이 금형에 작용하므로 금형이 쉽게 파손되거나 마모돼 생산량이 많지 않으므로, 금형수명을 향상시키기 위한 공정 개선 및 금형의 표면 개질을 위한 표면처리 및 열처리 기술 개발이 함께 요구된다.
폐쇄단조와 달리 성형하중을 낮추기 위해 상하부 금형 사이의 간극에 플래쉬를 형성시키는 공정도 오래 전부터 개발돼 왔다.
그러나 플래쉬의 양과 형상에 따라 재료유동에 대한 금형의 접촉면에서의 마찰저항도 상반되게 나타난다.
예를 들면 열간 형단조기술을 적용할 경우 두께가 얇은 플래쉬는 몸체부보다 빨리 냉각되므로, 플래쉬 발생영역에서 변형에 대한 저항이 커져서 금형공동부를 잘 채울 수 있게 해준다.
따라서 플래쉬의 양과 형상에 따라 금형공동부에서의 소재의 충진 여부가 결정되므로 플래쉬를 제어하는 기술 개발도 필수적이다.
전 세계 독자적 원천기술 확보 경쟁
◇ 냉간단조
최근 냉간단조기술은 단조 후 추가적인 마무리 가공 없이 바로 조립해 사용가능한 부품을 성형하는 기술인 정밀 냉간단조기술로 발전하고 있다. 정밀 냉간단조기술은 투입 소재 중량에 대한 최종 제품의 중량비인 재료회수율을 높이고, 소재로부터 완제품에 이르는 공정을 단축 시킨다. 또한 공정단축을 통해 제조원가를 낮추고, 제품의 성능 향상이 동시에 가능하다. 따라서 정밀 냉간단조기술은 항공기·자동차 기계류 부품 및 전자부품 등 산업계 전반에 걸쳐 친환경적 제조기반기술로 그 수요가 확대되고 있다.
단조하중이 높을 경우 금형 파손이 생기거나 금형에 마모가 크므로, 금형 내부에서의 단류선(Metal Flow)을 적절히 제어해 국부적으로 금형에 하중이 작용하지 않도록 하는 금형설계가 요구된다. 특히, 금속유동선 제어에 의한 금형 수명이 크게 향상되지 않는다면 열처리나 표면 코팅 등 금형 표면의 특성 개선을 위한 기술 개발도 함께 요구된다.
냉간단조공정에서는 높은 하중으로 인한 금형의 탄성변형량이 매우 크므로 정밀한 치수를 갖는 부품생산을 위해서는 금형의 탄성변형량을 고려한 금형 가공법이 필요하다. 이와 더불어 후 열처리 공정 동안의 치수변형량을 고려한 금형 가공법도 함께 요구된다.
◇ 온간단조
온간단조기술은 냉간단조로 성형하기 어렵거나 상대적으로 무거운 중량의 부품을 제조하기 위해 재결정온도 이하에서 성형하는 기술이다. 현재까지는 냉간단조에 비해 치수정밀도는 떨어지나, 단조 후 기계가공량을 최대한으로 줄이고 소재의 재질을 개선하는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다. 또한, 온간단조공정에서는 소재 표면에 스케일이 발생하지 않기 때문에 냉간단조기술에 버금가는 치수정밀도를 갖는 부품 성형 기술 개발도 가능할 것이다.
◇ 열간단조
열간단조기술은 공정 특성 상 원소재 가열에 따른 에너지 소비가 크므로 에너지 저감형 공정 개발을 위한 다각적인 시도가 이루어지고 있다. 열간단조공정에서는 재료의 미세조직변화가 수반되므로 원하고자 하는 미세조직을 얻기 위해서는 적정한 공정온도 및 시간 설정이 요구된다.
약 20 여년 전 부터 공정 중 결정립 변화를 예측할 수 있는 수치적 모델이 개발되고 있으며, 이를 적용한 CAE기술이 보급되고 있어 열간단조공정 중의 미세조직 변화를 정량적으로 예측할 수 있게 됐다.
최근에는 후 열처리 공정 온도에서 열간단조한 후 바로 급냉처리를 함으로써 열처리 공정을 생략해 공정시간 단축 및 에너지 저감 효과를 동시에 꾀하는 기술이 개발되고 있다.
◇ 특수단조(롤단조, 궤도단조, 회전단조, 링롤링, 맨드렐 단조)
롤단조·궤도단조·회전단조·링롤링·유동성형은 금형이 회전하거나 이동하면서 소재와 점진적으로 접촉해 성형되므로, 성형하중이 낮고 가단성(Forgeability)도 증가시킬 수 있어 낮은 용량의 설비에서도 충분하다.
비교적 많은 수의 공정이 요구되는 자유단조기술과는 달리 하나의 전용장비에서 부품 성형이 가능하므로 생산성이 나쁘지 않은 편이다. 그러나 특수기능을 갖는 고가의 전용장비가 요구되므로 초기 투자비가 크며 제품 형상 변경 시 시행착오에 의존할 수 밖에 없으므로, 이에 대한 기술 축적 및 장비를 전문적으로 운용할 수 있는 기술자가 요구된다.
또한, 공정 및 제품 개발 시간을 단축하기 위해서 최근에 보편적으로 사용되는 단조 CAE 기술을 활용해 개발하고자 하는 제품별로 공정을 표준화하는 작업도 함께 요구된다.
■ 기술개발의 주요이슈
◇ 단조 대상 재료의 확대
기존의 철강재료 뿐만 아니라 알루미늄·티타늄·마그네슘 등 비철 금속과 고합금강, 내열금속, 복합재료분야, 또는 이종 재료까지 단조 대상 재료가 확대돼야 한다. 고급재질과 원가절감을 통해 우수한 성능을 발휘하는 단조품이 생산되면 단조업계는 다른 제조업계에 비해 경쟁력을 확보하게 될 것이다.
알루미늄 열간단조에 의한 컨트롤암 형단조기술이 이미 개발됐고, 최근에는 난성형 마그네슘합금을 이용한 압축기용 스크롤 로터를 제조하기 위해 냉온 단조기술까지 개발이 시도되고 있다. 심지어 골프용품 회사인 갤러웨이(Gallaway)사에서 탄소복합재료를 이용한 드라이브 헤드를 단조기술, 일명 단조형 복합재(Forged Ccomposite) 기술을 개발했고, 이를 슈퍼카의 대명사인 람보르기니(Lamborghini)의 후드 등 외장재 개발에 적용한 바 있다. 특히 단조형 복합재는 비강도가 높은 티타늄 합금에 비해 단위 질량당 굽힘 강성이 2배 이상으로 비강도가 매우 높은 것으로 보고되고 있다.
◇ 온간복합단조 공정 적용의 확대
냉·열간 단조기술에 비해 온간단조기술은 그다지 활용도가 크지 않은 편이다. 이는 온간단조기술이 실용화된 지도 약 40여년이 됐지만 공정 관리 및 단조 공정의 변경에 동반하는 위험성이 크기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 온간복합단조의 가장 큰 장점은 단조설비의 소형화가 가능하다는 것이다. 예를 들어 종래의 열간 단조 프레스로 생산하고 있는 부품도 온간복합단조에 의해 약 50% 용량의 프레스로 성형이 가능해 초기 장비 투자비가 크게 절감되는 효과를 거둘 수 있다.
두 번째로 온간단조공정에서는 열간단조와는 달리 스케일이 발생하지 않고 소재 가열 온도가 낮아 친환경적이며, 냉간단조공정에서 얻을 수 있는 준정형 제품(Near-net Shaped Product) 성형도 가능하기 때문에 기계가공비 및 소재 사용률을 극대화 할 수 있다는 장점이 있다.
◇ 초정밀 범용 단조 및 특수 장비 개발
단조공정의 핵심 기술은 소재기술, 장비기술, 금형기술, 공정설계기술, 품질관리 및 인증기술 등으로 분류되고 있다. 이 중에서 금형기술과 공정설계기술은 기술 경쟁력을 좌우하는 기술이다. 최근에는 CAD/CAM/CAE 등의 컴퓨터 응용 기술이 경쟁력을 좌우한다. 우리나라의 경우 소재기술은 비교적 경쟁력이 있는 반면, 아직 초정밀 단조 장비 설계 및 제작 기술은 발전단계에 머무르고 있어 대부분 일본, 우크라이나, 독일 등에서 장비를 수입해 사용하고 있다. 특히, 초정밀 단조품 생산을 위한 서보 프레스, 특수 성형을 위한 전용 장비, 초대형 단조품 성형을 위한 프레스 개발을 통해 국내 단조 및 장비 업체의 경쟁력 확보가 요구된다.
◇ 고수명·초정밀 단조 금형 기술
국내 단조기술은 금형기술과의 긴밀한 연계없이 발전해 왔기 때문에 헬리컬기어 성형용 금형 등 초정밀 금형분야에서 선진국에 비해 기술 경쟁력이 다소 떨어져 있다. 복잡형상의 기어금형을 제조하기 위해서는 수 μm 공차의 초정밀 방전가공기술이 필요하며, 금형 설계시 열처리 후 기어 금형의 치수변형량도 고려해야 한다. 또한, 금형수명을 향상시키기 위해서는 국부적인 응력 집중을 예방할 수 있는 공정 설계 및 금형 설계가 필요하며, 적절한 금형 재료선정 및 열처리 공정을 수행해야 한다.
◇ CAE 기술 적용 범위 확대 및 국산화
공정 및 금형설계의 효율성 증대, 미세조직 예측을 통한 제품 내부 재질의 건전성 확보, 초기 소재 형상 설계, 단조 공정 중 결함 예측, 금형수명 향상 등 다양한 관점에서 CAE 기술 적용 범위를 확대할 필요가 있다. 최근에는 다수의 단조업체에서 CAE를 활용한 기술 개발을 추진하고 있다. 그러나 관련 전문인력 부족, 단조 이론에 대한 지식 부족 등의 이유로 인해 CAE 기술은 충분히 활용되지 못하고 있다.
한편, 현재 국내에서 사용되고 있는 대표적인 단조 해석 프로그램은 DEFORM, FORGE, SUPERFORGE 등 외산이 대부분으로 대학·연구소·기업체 등 거의 모든 기관에서 이들 프로그램을 사용하고 있다. 현재 국산 단조 해석 프로그램은 CAMPform 및 AFDEX가 개발되고 있으나, 미세조직 예측분야 및 상업적 측면에서 아직까지 외산 프로그램에 비해 기능적으로 부족하다.
◇ 단조 제품군의 수요 개발 車 부품 소성가공 세계 시장규모 820조원
최근 단조기술이 적용되고 있는 수요산업의 고도화에 부응하기 위해서는 임계 성능/ 크기/기능을 갖는 단조제품 성형을 위한 기술 개발이 시급하다. 예를 들어, 경량화를 유도할 수 있는 1GPa급 이상의 초강도 철강재료를 이용한 발전/풍력/조선 산업용 제품, 또는 미래형 항공/자동차 산업용 비철 금속 및 고비강도 소재의 부품, IT/전자/의료산업용 미세부품 등 다양한 산업군에서 제품 수요 개발이 요구된다.
장기적 안목으로 하드웨어 중점 육성해야
■ 국가별 동향-미국
◇ 연구개발 현황
미국에서는 미국단조협회(FIA), 단조교육연구재단(FIERF), Energentic 사가 공동으로 단조기술로드맵을 매년 발간하고 있다. 미래의 중점 연구분야는 친환경적인 단조기술로 요약되고 있으며 주요 내용으로는 다음과 같다.
ⅰ 생산시간 단축을 위한 공정 효율화
ⅱ 금형수명 향상을 위한 나노 코팅 기술 및 고수명의 금형 소재 개발
ⅲ 로봇을 활용한 공정 자동화
ⅳ 무윤활 공정 및 윤활 최소화 기술
ⅴ 직접 담금질 및 제어 냉각 기술
ⅵ 재료비 및 에너지 절약을 위한 준정형 가공 기술
ⅶ 소재 가열 공정의 최적화 및 에너지 절약을 위한 대체에너지 개발
ⅷ 형단조 공정에서의 소재 사용율 극대화
ⅸ 고강도, 경량 소재의 개발 및 단조기술 개발
ⅹ 열처리 생략형 공정 개발
■ 국가별 동향-일본
◇ 연구개발 현황
일본은 고난위 헬리컬 기어 단조기술 및 마그네슘합금을 적용한 스크롤 로터 단조기술을 세계 최초로 개발할 만큼 단조기술에 관한 세계 최고 기술을 보유하고 있다. 일본의 단조기술 개발 현황을 살펴보면 지능형 단조기술, 에너지 저감 단조기술, 신소재를 적용한 단조기술 개발로 요약될 수 있다.
■ 국가별 동향-EU
◇연구개발 현황
유럽 공동체 내에서의 공동연구가 활성화돼 있으며 대표적인 프로젝트가 EUREKA-Factory Project이다. 단조기술이 가장 앞서 있는 독일과 이탈리아의 연구개발 동향은 단조품의 초정밀화 및 경량화, 설계 공정의 합리화, 에너지 효율 향상으로 요약될 수 있으며, 주요 연구개발 현황은 다음과 같다.
ⅰ 금형 마모 및 수명향상 연구(세라믹 금형 개발 및 표면 최적화 측면)
ⅱ 초음파을 적용한 금형과 보강링의 억지끼워 맞춤량에 관한 연구
ⅲ CAE 기술을 이용한 정형가공 공정 설계
ⅳ 단조 공정 중 결함 발생의 실시간 모니터링 기술
ⅴ 마찰 모델 개발(윤활 조건 모사)
ⅵ 친환경 냉간단조기술(냉간 단조 시 결함 여부 확인을 위한 방법 연구)
ⅶ 정밀 단조공정 시 전사적 품질 관리 시스템 구축
ⅷ 복잡 형상의 마이크로 부품 정밀 성형을 위한 기술 혁신
ⅸ 미세조직 예측 및 이를 연계한 변형 해석 프로그램
ⅹ 헬리컬 기어, 치형 부품을 위한 유동성형용 전용 특수 장비 개발
■ 국가별 동향-한국
◇ 연구개발 현황
국내의 단조기술 연구는 주로 대학 및 연구소에서 이루어지고 있다. 대학에서는 소성가공해석 프로그램 개발, 미세조직 및 변형연계 모델링, 유동응력 모델링, 쾌속성형, 미세성형 등 기초연구개발에 집중하고 있으며, 연구소에서는 기 개발된 다양한 소성가공기술 및 이론을 응용해 소성가공품의 양산기술에 적용하는 연구를 수행하고 있다. 또한 연구기관을 중심으로 원천기술 특허의 확보와 더불어 지속적인 산학연 과제 발굴 및 수행에 의한 지식재산권 확보를 위해 노력하고 있다.
◇ 기술경쟁력 분석
국내 소성가공의 기술수준은 선진국 대비 약 80% 수준으로 평가된다. 특히 정밀 냉간단조 및 유동성형 기술에서 선진국과는 상당한 기술력의 차이를 보이고 있다. 국내의 단조기술은 1970년대 자동차 산업의 발전과 함께 비약적으로 발전하기 시작했다.
최근 들어 베벨기어, 헬리컬기어 등의 복잡형상의 제품을 성형하기 위한 고난위 정밀 냉간단조기술이 개발되면서 일본·독일과의 기술격차가 좁혀지고 있다. 그러나 점진성형의 하나인 유동성형은 전용 장비를 대부분 독일이나 일본에서 수입하고 있는 실정으로 기술격차는 20년 이상 뒤떨어져 있는 것으로 평가된다.
■ 국내외 주요 기업의 생산활동
국내 소성가공에 의한 부품 생산량은 연간 26만톤으로 전 세계 시장의 약 4%에 해당되며, 현재 약 350개의 단조업체가 있는 것으로 추정된다. 이 중 약 60%의 업체가 자동차 부품을 생산하고 있으며 90% 이상이 중소기업이며, 냉간단조품을 생산하는 업체는 약 10% 이하인 것으로 추산되고 있다.
최근 10여년 간 우리나라가 조선강국으로 발전하면서 대형선박엔진의 60%를 국내에서 생산하기에 이르렀다. 이로 인해 대형단조, 즉 자유단조의 산업 기반을 구축했으며, 이를 기반으로 풍력발전장치산업과 원자력발전장치산업 분야에서 급성장을 했다. 이런 이유로 국내의 KOSDAC의 주요 기업체로 자유단조 업체(태웅, 평산, 현진소재, 마이스코, 용현 BM 등)가 부상했다. 현재 다수의 기업체가 자유단조업에 뛰어들어 과당 경쟁 상태에 놓여있다.
국내 단조업체의 가장 큰 문제점은 전용장비 기술의 낙후로 고품위 단조품 개발에는 한계에 부딪혀 있다는 점이다. 장비의존도가 비교적 높기 때문에 기존 장비 범위를 넘어서는 공정개발은 불가능하다. 둘째로 특수기술 등 고부가가치 공정 개발 능력이 매우 부족하며, R&D 기반이 매우 열악하다. IMF 이후, 해외기술 제휴를 통한 장비의 국내 생산이 이루어지면서 사업 진입은 쉬워졌으나, 기술도입이 되지 않고 있고 연구개발도 활발하지 않아 고급 기술 확보에 많은 어려움을 겪고 있는 것이 현실이다.
한편 일본의 단조업체는 산업기술전략제품혁신의 강화, 공정혁신의 재활성화를 도모하고 있다. 제품혁신강화를 위해 산학연 연대의 강화, 국제경쟁력을 갖춘 대학의 육성, 종합적인 기술혁신체제의 구축 및 기술제도의 재구축 등에 투자를 아끼지 않고 있다. 공정혁신 재활성화를 위해서는 고급기술자 및 숙련기능의 노하우를 디지털화해 지적재산화하고, 정보기술을 활용한 제조 시스템의 고도화를 도모하는 등 IT산업을 접목시키려 하고 있다. 일본은 각 지역의 독자적인 산업정책에 필요한 모범사례나 노하우 등 정보의 제공, 각 지역의 광역 연대의 코디네이터, 국가 전체의 산업 경쟁력 향상에 필요한 부분에 대한 지원 등 지역 정책에도 중점을 두고 있다.
또한, 일본·독일 등을 포함한 단조기술 선진국은 경험에 의존하는 노동집약적 소성가공산업에서 품질, 가격경쟁력을 향상시키기 위한 공정개선 노력과, 성형 후 기계가공을 최소화 하는 Near-net Shape 성형 등 고부가가치 품질 우선적인 산업으로 전환하고 있다.
■ 시장규모 및 전망
국내의 단조산업을 포함한 소성가공산업의 생산액은 1998년부터 현재까지 연평균 18%의 성장을 거듭했다. 2008년 기준 시장규모는 약 7조원 정도로 추산되며, 최고의 전방 수요산업인 자동차·발전·조선·풍력 산업의 호조로 단조산업의 생산량은 꾸준히 늘어날 전망이다.
소성가공품이 주류를 이루고 있는 자동차 부품 시장을 살펴보면, 미국과 일본을 비롯한 세계 소성가공 산업 주요국가의 세계 시장 규모는 약 820조원으로 추정된다.
일본의 경우 소성가공 부품시장은 대표적으로 자동차부품이 약 65%, 산업기계부품이 25%, 전자부품이 약 10%를 차지하고 있으며, 단조품의 90% 이상의 철계 소재로 구성돼 있다. 일본자동차 부품시장규모는 연간 17조엔으로 미국에 이어 세계2위 부품시장이며 완성차 메이커 11사에 부품을 납품하는 소성가공부품 협력업체는 수는 약 1,300개사에 달한다. 소성가공품이 주류를 이루고 있는 자동차 부품시장을 살펴보면 일본의 시장규모는 4,560억달러로 세계시장의 57%를 점유하고 있다. 특히, 일본의 냉간단조품은 매년 70만톤이 생산되고 있으며, 볼트와 너트와 같은 패스너 단조품은 200만톤에 달하고 있다.
미국의 단조협회에 의하면 2002년 단조품 출하액은 400만달러 수준으로 계속적으로 감소해 1996년 수준으로 감소했다. 단조품의 재질별 출하액을 보면 탄소강이 170만달러, 합금강이 110만달러, 비조질강 54만달러, 스테인레스강이 91만달러로 철계 소재가 전체 290만달러로 전체 72%를 차지하고 있으며, 알루미늄은 36만5,000달러, 티타늄 28만6,000달러, 동 14만5,000달러, 기타 비철이 110만달러로 비철금속이 약 80만9,000달러로 추정되고 있다.
■ 미래의 연구방향 및 대처방안
◇ 미래의 연구방향
환경 문제의 중요성이 대두됨에 따라 녹색 기술 개발에 대한 요구가 한층 강화되고 있다. 자동차 산업에 크게 의존해 왔던 단조기술은 자동차의 구조가 크게 바뀔 가능성이 높기 때문에 단조기술에 의해 제조되던 부품의 수가 대폭 줄어들 것이다. 전기자동차의 실용화는 엔진이 필요 없기 때문에 엔진에 사용되던 단조부품은 사장될 수밖에 없을 것이다. 따라서 지금까지와는 다른 새로운 분야(예를 들면, 항공산업)로 그 수요처를 확대해야 할 것이다.
이런 측면에서 항공산업 등 향후의 미래산업을 대비해 5만톤 급 이상의 초대형 장비 개발 및 특수 성형을 위한 전용 장비 개발에 대한 연구 및 투자를 서둘러야 할 것이다. 또한, 기존의 중실형 철계 부품은 중공화하고 알루미늄·마그네슘·티타늄·니켈합금·탄소복합재·이종재료 등 가볍고 비강도가 높은 소재를 발굴해 이를 적용한 부품개발에 서둘러야 할 것이다.
◇ 국내 산업이 나아갈 길
독일·일본 등은 이미 장비개발과 함께 금형기술 및 단조기술이 함께 발전해왔기 때문에 신제품 및 공정 개발에 능동적으로 대처할 수 있는 기반을 갖고 있다. 국내의 단조기술은 공정 설계, 제품 설계 면에서 CAE기술을 활용한 소프트웨어적인 단계에서는 충분한 기술력을 보유하고 있으나 장비 및 초정밀 금형 등 하드웨어적인 면에서 그 기술력은 매우 낮다고 하겠다.
현재 정부의 연구개발은 부품 개발 및 실용화, 사업화 등 단기적인 안목으로 추진되고 있기 때문에 장시간 소요되는 전용 장비 개발 투자는 거의 전무하다. 비단 부품소재 개발도 중요하지만 이를 뒷받침할 수 있는 인프라가 구축돼 있지 않기 때문에 원천 기술 확보는 한계에 부딪칠 수밖에 없다.
다행히 최근 주조·열처리·금형·용접·소성가공 등 생산기반산업인 6대 뿌리산업에 대한 정책이 정부의 주도 하에 지원되고 있는 것은 다행이다. 그러나 이러한 뿌리산업에 육성정책에 장비 개발 투자에 대한 내용이 없다는 것은 뿌리산업 기술 고도화에 한계가 있을 수밖에 없으므로 이에 대한 보완책이 필요하다.
