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자동차 금속소재 개발동향

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2009-12-17 16:57:11

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우리 인류는 석기시대를 거쳐 철기시대로 흘러 최근에는 플라스틱 복합소재 등 미래 복합 신소재 시대에 이르렀다. 자동차 재료 역시 이러한 추세에 발맞추어 다양한 소재로 구성되고 있으며, 최근 경량화와 고안전화를 중점으로 많은 발전이 진행되고 있다. 하지만, 비록 적용소재가 다양화되고 있으나, 아직까지 자동차 부품의 기본 골격은 금속소재가 주종을 이루고 있는 것이 현실이다.

글 / 이우식 (현대모비스)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2009년 12월호


본 고에서는 이러한 금속소재 관점으로 최근 자동차용 부품으로서의 주요 개발동향에 대해 간략히 소개하고자 한다.

철강재료 : 원가경쟁력이 확보된 고강도 금속재료
철강소재는 타 금속소재에 비해, 원가와 재료물성 측면에서 장점이 있어 현재까지도 자동차 부품소재의 대표주자로 각인되고 있다. 고안전화와 경량화를 위한 연구개발 활동도 철강소재에서도 예외가 될수 없으며, 주로 고장력강 및 핫프레스포밍 소재, 비조질강, ADI 주철재 등의 소재들이 대표적인 개발주역으로 자리매김하고 있다.

고장력강
불과 5년여 전까지만 해도 우리나라 자동차용 섀시부품의 기본 철강소재 인장강도는 38~45K급 수준이었다. 그러나, 철강사와 자동차 부품사와의 지속적인 공동개발을 통해, 최근에는 60K급 소재까지 상당량 적용되고 있으며, 최근에는 그 범위를 넘어 80K에서 100K급을 상회하는 소재의 적용을 위해,연구개발이 활발히 진행되고 있다. 특히 철강사 주도의 단순소재 고강도화를 넘어서, 부품사와의 협력개발을 통해 스프링백 현상을 최소화할 수 있는 신성형 공정개발 및 용접성,도장성, 피로특성 DB 구축에 이르기까지, 빠른 양산성 확보를 위해 다각적으로 공동개발이 진행되고 있다.

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핫프레스포밍 철강재
철판 소재의 단순 고강도화는 필연적으로 소재 신율 저하로 인한 성형성 문제를 함께 수반하게 되므로 실용적 부분에서 한계를 만나게 된다. 하지만 핫프레스포밍과 같은 열간성형 공법이 개발된 이후 이런 한계는 해결할 수 있게 되었다.

핫프레스포밍은 고온 열간성형을 통해 소재 신율 및 성형성의 저하를 근본적으로 해결함과 동시에, 열간상태에서 급냉처리 공정을 금형 프레스 공정에서 동시에 진행되어 소재물성 역시 140K급 이상까지 확보할 수 있는 신개발 공정이다.

최근 이 공정의 개발을 통해 자동차 차체와 섀시 고강도 요구부품에 일부 적용이 되고 있으며, 앞으로 그 대상은 더욱 확대될 것으로 예상된다.

비조질강
파워트레인 부품과 컨트롤암, 너클 등 섀시부품 고강도 부재로 주로 사용되고 있는 S45C와 같은 단조용 탄소강 소재는 웬칭-템퍼링 후열처리 공정을 통해 70K급 이상의 높은 인장강도 물성을 확보하게 된다. 그러나, 최근에는 단조강 소재의 원가 경쟁력 강화를 위해, 티타늄∙바나듐∙나이오븀 등과 같은 원소를 합금원소로 적정 첨가하여, 후열처리 공정없이 단조 후 제어냉각 공정만을 통해서도 단조강의 높은 물성이 확보가능한 비조질강이 개발되어 파워트레인 부품을 필두로 적용되고 있으며, 섀시부품 쪽
으로도 적용이 확대되고 있다.

ADI 주철재
자동차 캘리퍼와 너클 등에 사용되는 주철 소재로는 주로 FCD450 및 FCD500 계열의 구상흑연주철이 주종을 이루고 있다. 그러나, 최근에는 주조 후 적정 열처리를 통해 85K급 이상의 인장강도와 10%이상의 높은 신율까지 부가적으로 확보할 수 있는 고강도 ADI 강인 주철재 (Austempered DuctileIron)가 개발되어 부품화 적용을 앞두고 있다. 또한 기존 ADI 주철재는 소재 경도가 과도하게 높아지는 단점으로 인해 가공성 저하가 불가피하여 양산부품 적용에 한계를 가졌으나, 최근에는 과도한 경도값상승을 억제한 Machinable ADI 소재개발 연구가 진행되어 향후 적용부품 확대가 기대되고 있다.

알루미늄 : 자동차 부품 경량화를 위한 최적의 금속재료
알루미늄 재료는 철강재에 비해 가벼우면서도 내식성이 뛰어나고, 소재의 성형성도 타 경량재료 대비 우수하기 때문에 자동차 경량화를 위한 최적의 금속 재료이다. 또한 기존 철강재 대비 소재의 내식성 역시 우수하기 때문에, 전착도장과 같은 특별한 표면처리 없이도 차량 하부에 장착되는 자동차 부품까지 적용이 가능하므로 향후 자동차 경량화를 위한 최적의 소재로 자리매김하고 있다. 본 고에서는 대표적인 알루미늄 성형공법인 단조, 주조, 압출 공정을 토대로 각 공법별 최근 알루미늄 소재 개발동향에 대해 소개하고자 한다.

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알루미늄 단조재
알루미늄 성형공법 중 가장 높은 재료강도와 품질신뢰성을 확보할 수 있는 소재로 고안전 요구부품인 컨트롤암과 너클부품 대상으로 주로 적용되고 있다. 그러나 단조공법의 최대결점은 다단 성형공정상 불가피한 제품 회수율 저하에 따른 높은 소재가격이 최대 걸림돌이다. 이를 해결하기 위해 최근에는 롤포밍 공정을 활용한 프리포밍 단조기술이 개발되어 단조품 수율 향상에 큰 효과를 얻고 있으며, 단조부품 원가경쟁력확보에 일조를 하고 있다. 또한 단조 프리폼 자체를 주조공정으로 제작하여 단조공정에서의 소재 Loss를 최소화하는 주단조공법도 개발되어 양산 적용되고 있다. 주단조 공법은 주조프리폼을 사용함으로 인해 소재물성에서는 다소 약점이긴 하나, 이후 단조공정을 통해 소재내부 결함을 없애고 표면특성이 개선되므로 너클 및 캐리어와 같은 후육 고강도 부품을 위주로 현재 적용되고 있다.

알루미늄 주조재
알루미늄 소재의 철강재 대비 높은 소재원가를 해결하기 위한 방법으로 주조공법이 최적 대안으로 제시되고 있다. 주조공법은 일체화 융체성형을 통해 공정 단순화 및 가공공정 축소가 가능하므로 상대적으로 높은 알루미늄소재가 상승을 완화시킬 수 있으며, 특히 다양한 주조공법 중 다이캐스팅은 생산속도가 높아 원가경쟁력 강화효과는 배가된다. 그러나 다이캐스팅 공법의 최대결점인 주조결함 제어의 어려움은 여전히 불가 피하여 그 용도가 제한적인 것이 사실이다. 최근 이런 부분에 대한 개선을 위해 고진공 다이캐스팅 기술과 전용소재 개발이 함께 진행되어 열처리 및 용접가능한 고진공 다이캐스팅 기술이 개발되었다. 고진공 다이캐스팅은 금형실링과 고진공설비를 통해 금형 캐비티내 진공도를 50mmbar 이하로 제어하고, 주조품 내부에 3cc/100g 이하의 기포함유량으로 억제할 수 있도록 개발된 공법이다. 고진공 다이캐스팅 공법은 높은 생산성과 더불어 정밀제어된 주조결함 억제기술을 기반으로 기존 다이캐스팅 부품의 적용한계를 넘어 고안전 섀시부품까지 확대적용이 가능하게 되어 최근 다양한 부품으로 개발이 진행되고 있다.

알루미늄 압출재
건축 산업용 자재로 주로 활용되고 있는 알루미늄 압출기술은 중공형 프로파일 구조가 가능하여 부품 강성확보에 유리하고, 전신용 소재의 특징상 고강도 물성과 고품질 소재가 안정적으로 생산 가능하다는 장점이 있으나, 부품화 면에서는 설계자유도 저하로 인해 적용분야가 제한적이었다. 그러나 최근 익스트루포밍 압출성형기술, 가변곡률 압출기술 및 에어벌지포밍 기술이 개발됨에 따라 압출재의 설계자유도 제약을 다소 해결할 수 있게 되어, 자동차 부품분야에서 그 활용도가 점진적으로 확대되고 있다. 익스트루포밍 압출성형 공법은 알루미늄 T6 열처리 중 용체화 단계에서 급냉 후, 시효경화 효과가 나타나기 전에 연속적으로 압출재를 프레스 성형할 경우, 소재 성형성이 우수하다는 특성을 활용한 기술로서, 자동차 컨트롤암 및 멤버류 부품의 제작에 활용될 수 있다. 가변곡률 압출기술은 직선압출 공정에서 압출금형 출구를 나온 프로파일이 냉각되기 전에 가이딩 지그를 통해 임의 곡률로 성형하는 기술로서 압출과 동시에 곡률성형이 연속되어 목표 곡률로 자유롭게 압출이 가능한 신기술이다.

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이 기술이 개발됨에 따라 압출재의 스트레칭 벤딩 성형공정을 삭제시킬 수 있게 되어, 범퍼 및 컨트롤암 부품을 대상으로 양산개발이 진행되고 있다. 에어벌지포밍 기술은 중공형 압출재의 단면 제약성을 해결하기 위해, 약 500도 정도의 고온에서 중공 압출재 내부에 에어를 블로잉하여 외부구속 금형 내부형상으로 확관성형하는 신기술로서 고온성형을 통해 소재 성형성을 극대화하고, 설계단면 자유도를 최대로 확보할 수 있는 장점이 있다. 에어벌지포밍 기술은 최근 생산성 향상을 위한 연구가 국내에서도 지속되고 있으며, 이미 해외에서는 자동차 샤시 서브프레임 제조공법으로 적용되어 양산 적용되고 있다.

마그네슘 : 현존 실용금속 중 가장 가벼운 재료
마그네슘은 실용금속 중에 가장 가벼운 금속으로 최근 노트북 및 휴대용 단말기의 구조재로서 급격히 수요가 늘고 있는 소재이다. 마그네슘의 비중은 1.7g/㎤ 정도로서 철강재 대비 1/4.5, 알루미늄의 2/3 수준이며, 동일 부피 기준으로 볼 때, 알루미늄은 마그네슘보다 1.5배, 철은 마그네슘보다 4.4배 더 무겁다. 마그네슘은 기계가공성, 진동 흡수능이 우수하고, 기계 구조재료로 쓸 수 있는 금속재료 중 가장 가벼운 원소이다. 또한, 지구상에서 여섯번째로 많은 금속으로 자원이 풍부라고, 심지어는 해수에 포함되어 있어서 세계 어디에서나 공급이 가능한 금속으로서 21세기 꿈의 금속소재로 부각되고 있다. 그러나, 마그네슘 소재가 자동차 부품으로 활발히 적용되기까지는 실온에서의 낮은 성형성 문제로 인해 다이캐스팅과 같은 주조공법 외에는 적용하기가 힘든 점과 타 소재 대비 열세인 내식성 문제로 내장용 부품에 한정되어 주로 사용되고 있는 점 등을 해결해야 하는 숙제를 안고 있다.

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주로 양산 적용되고 있는 마그네슘 부품소재로는 판재성형 공법을 적용한 자동차 차체 내판재와 다이캐스팅 공법을 적용한 스티어링 휠코어 및 카울크로스 멤버 등이 있으며, 마그네슘 단조와 압출 분야에서도 실용성 있는 소재공정 개발을 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 특히, 상대적으로 낮은 강도를 개선하기 위한 고강도 마그네슘 소재개발이 국내에서도 개발이 진행되고 있으며, 마그네슘 높은 산화성으로 인해 주조용 보호가스로 사용되는 SF6 가스로 인한 환경오염 방지를 위해 마그네슘에 CaO첨가를 통한 친환경 에코 마그네슘 소재 개발도 국내 연구소에서 개발되어 활용이 확대될 전망이다.

또한 마그네슘 판재 성형성의 개선을 위한 온간성형 및 내식성 개선을 위한 신코팅기술 개발 등 다양한 분야에서 실용화 증대를 위한 연구개발이 진행되고 있으므로, 자동차 부품소재로서의 마그네슘 적용범위는 더욱 넓어질 것으로 예상된다.
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