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우리가 자동차 고장력 강판에 주목하는 이유
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승인 2017.08.09  08:15:13
   
 

자동차에는 여러 가지 재료가 사용되고 있는데 그 가운데서 가장 높은 비율을 차지하는 것이 바로 철(鐵) 재료입니다. 이러한 철 재료는 자동차 중량의 60% 이상을 차지하고 있으며, 특히 차체의 대부분이 사용하고 있습니다.

철은 지구상에서 많이 존재하고, 가격도 안정적이며, 가공성도 좋고, 극소량의 성분을 추가하면 여러 가지 성질을 가진 재료를 만들어 낼 수 있는 것이 장점입니다. 예를 들어 엔진 블록과 패널에 사용되는 철은 같은 철이라도 성질이 매우 다릅니다. 

일반적으로 가공하지 않은 철에서 불순물을 제거하고, 탄소 등 극소량의 성분을 추가한 것을 강이라 부르며, 강을 잡아당겨 늘려서 얇은 판 모양으로 한 것을 강판으로 부릅니다.

자동차 차체에 사용되는 강판은 바깥쪽 판재의 경우 두께가 약 0.6~0.8mm, 안쪽 판의 경우 0.8~1.4mm 정도의 냉간 압연 강판을 사용합니다. 냉간 압연 강판은 상온에서 압력을 가해 끌어당겨 늘린 얇은 강판으로 표면이 깨끗하고 상당히 얇은 판을 만들 수 있습니다.

이것을 800°C 이상의 고온에서 끌어당겨 늘린 것을 열간 압연 강판이라 부릅니다. 엔진 블록이나 블레이크 캘리퍼 등에 사용되는 철은 주철이라 불리는 철로, 탄소가 많이 함유 되어 있으며, 강판과 같은 탄력성은 없지만 단단하고 튼튼한 것이 장점입니다.

   
 

또한 스프링 등에 사용되는 철은 사용목적에 따라서 성분이 조정되어 있는 철이며, 특수강이라 불립니다. 한편 강도(剛度)와 강성(剛性)은 모두 ‘강함’을 나타내는 말이며, 혼동하여 사용되고 있는 경우가 많습니다.

일반적으로 강도란 간단히 말하면 부서지기 어려운 것 즉, 어느 정도의 힘에 견딜 수 있는가와 같이 주로 재료의 성질을 말할 때 사용되며, 견딜 수 있는 힘의 크기로 객관적으로 측정해 나타낼 수도 있습니다.

반면 강성이란 견고하게 느끼는 것으로 어느 정도 추상적이고 ‘높고 낮은, 크고 작은’ 정도로 밖에 표현할 수 없는데 주로 가공품에 사용됩니다. 참고로 강도는 같은 재료라면 어떤 모양이라도 항상 같지만 강성은 모양에 따라 그리고 어떻게 편성하는가에 따라 변화하는 것이 특징입니다.

일반적으로 자동차용 강판으로 주로 사용되는 연강(Mild Steel)은 저탄소부터 극탄소까지 포함하는 인장강도 340MPa 미만의 철 소재로 일반가공용부터 심가공용까지 있으며 연신율에 따른 성형범위가 넓은 것이 특징입니다. 

주로 자동차 부품에 많이 사용되고 있으며, 주요 주품으로는 높은 성형성이 요구되는 리어 플로어(Rear floor) 또는 사이드 보디 아우터(Side body outer) 등이 있습니다.

한편 최근 자동차는 갈수록 강화되고 있는 환경규제 및 연비규제에 대한 대응 및 차체강성 강화를 위해 다양한 소재가 적용되고 있습니다. 철강소재도 연강은 물론 고장력 및 초고장력강판 사용비중을 차체의 50~70% 이상 적용한 차들이 잇달아 출시되는 등 적용비중이 증가하고 있습니다.

자동차의 차체에 고장력 강판을 사용하게 된 것은 오일쇼크로 인한 저연비화, 경량화가 강하게 요구된 시점부터입니다. 고장력 강판(High Strength Steel)은 동일한 두께에서 보다 더 강도가 높은 강판으로서 인장강도가 40~50kg/mm² 이상이며, 충돌 안전구조를 사용하는 차체에는 일부에 100kg/mm² 이상의 초고장력 강판(Ultra High Strength Steel)도 사용됩니다.

   
 

고장력 강판은 인장강도뿐만 아니라 항복점 및 탄성한계가 높은 것이 특징으로, 항복점과 인장강도의 힘의 비율(항복비 = 항복점/인장강도)이 매우 높습니다. 따라서 동일한 두께의 일반 강판보다 강도가 크기 때문에 강도를 필요로 하는 부품에 얇은 판을 사용할 수 있습니다.

얇은 강판으로 부품이 제작된다는 것은 그만큼 가벼우면서도 강한 부품을 만들 수 있다는 것을 의미합니다. 고장력 강판은 인장강도가 높고 항복비도 높다는 성질이 있기 때문에 프레스 성형성이 나쁘고, 용접강도가 나오지 않는 것 등으로 인해 그동안 차체용으로는 사용되지 않았지만 최근 들어 프런트 팬더나 쿼터패날 등 차체의 바깥 판(외판)에도 적용되고 있습니다.

초창기의 자동차용 고장력 강판은 사고시 변형량이 크고(찌그러진 상태), 용접성이 나쁜 것도 있었지만 최근에는 수리성에서 거의 일반 강판과 차이가 없는 것이 특징입니다. 고장력 강판은 강판의 강도와 성질을 좌우하는 첨가원소에 따라 소부경화강(Bake Hardening Steel)과 저합금 고강도강(HSLA), 재인화강(Rephosphorized Steel), IF 고강도강(IF HSS), 자동차 구조강(Automobile Structural steel)으로 구분할 수 있습니다.

그리고 초고장력 강판 의 경우 DP강(Dual Phase Steel), 트립강(Transformation Induced Plasticity Steel), CP강 (Complex Phase Steel), FB강(Ferrite-Bainite Steel), 트윕강(TWinning Induced Plasticity Steel) 등으로 구분합니다.

소부경화강은 극저탄소강에 침입형 원소를 적절히 포함해, 도장 소부한 다음 항복강도가 증가 하도록 설계, 제조하는 철소재로 일반강에 비해 내덴트성(Dent Resistance)이 높기 때문에 일반강판에 비해 강판 두께를 얇게 만들 수 있으며, 후드(Hood), 도어 아우터(Door outer) 등 높은 내덴트성과 성형성이 필요한 부품에 널리 사용되고 있습니다.

저합금 고강도강은 저탄소강에 석출강화 원소인 티타늄(Ti), 니오븀(Nb)을 첨가해 항복강도와 내충격성을 향상시킨 것이 특징이며, 비교적 저렴한 비용으로 고강도를 쉽게 얻을 수 있기 때문에 사이드 실(Side sill)이나 센터 멤버(Center member), 프런트 및 리어 서스펜션 모듈 (Front/Rear Suspension module)과 같은 높은 강도를 요구하는 자동차 보강재에 적용되고 있습니다.

재인화강(Rephosphorized Steel)은 저탄소강에 합금원소인 인(P), 망간(Mn)을 첨가한 것으로 내부응력을 증가시켜 높은 강도를 얻을 수 있어, 카울(Cowl)이나 휠 에이프런(Wheel apron), 프런트 사이드멤버(Front side member) 등 고강도가 요구되는 부품에 주로 사용됩니다.

IF 고강도강은 극저탄소강에 탄질화물 형성 원소인 티타늄(Ti)을 첨가해 심가공성을 부여하고 치환형 고용원소인 인(P), 망간(Mn)을 복합 첨가해 고강도를 얻는 것이 특징이며, 리어 플로어 사이드 멤버, 리어 플로어, 강화 A필러 아우터(Reinf. A-piller), 강화 플로어 사이드 리어 어 퍼(Reinf. floor side rear upper) 등 주로 고강도와 심가공성을 요구하는 부품에 적용되고 있습니다.

자동차 구조강(ATOS)은 고강도 열간압연 판재로 높은 인장강도는 물론 우수한 내충격특성 및 안정된 피로특성을 보이는 것이 특징으로 각종 자동차 구조부재와 상용차 프레임, 중장비의 붐 암(Boom arm) 등에 적용되고 있습니다.

또한 초고장력 강판인 DP강은 약 0.5~0.6 수준의 낮은 항복비를 가지므로 쉽게 가공할 수 있고, 트립강(TRIP강) 다음으로 높은 연신율을 갖추고 있습니다. 따라서 주로 도어 아우터, 시트 레일(Seat rail), 시트벨트, 서스펜션, 암, 휠 디스크 등에 적용됩니다.

트립(TRIP)강은 0.57~0.67 범위의 항복비로 우수한 성형성(연신율)을 갖춰 멤버, 루프, 시트벨트, 범퍼레일 등과 같은 고성형성을 요구하는 부품에 적합합니다. 또한 CP강은 저항복비와 높 은 연신율 또는 높은 항복비와 굽힘가공성을 가진 강재를 통해 사이드 패널, 언더보디 보강재 등에 적용되며, FB강은 구멍 확장성이 우수해 주로 서스펜션 로어암이나 휠디스크 등에 적 용됩니다.

자동차용 강재로 사용되는 트윕(TWIP)강은 가공경화율이 높고, 강도-연신율이 우수한 것이 특징으로 980MPa급에 달하는 인장강도는 물론 연신율이 65%로 철강소재에서는 구현하기 어려운 물성을 가지고 있는 것이 특징입니다. 

   
 

이에 따라 A-필러, 프런트 사이드 멤버, 휠 하우징, 휠 디스크, 범퍼 빔 등 충돌에너지 경감부품이나 복잡한 구조로 성형이 어려운 부품에 적용되고 있습니다.

한편 최근 국산차에 적용이 확대되고 있는 이른바 핫 스템핑(Hot stamping)은 핫프레스포밍 (Hot Press Forming : HPF), 프레스 하드닝(Press hardening), 다이 퀀칭(Die quenching) 등으로도 불리는 후열처리 공법입니다.

핫 스템핑은 강판을 프레스로 성형하기 전에 가열된 강판을 이용하는 것으로 고온에서 성형 때, 강판은 매우 연질이므로 성형이 어려운 형상을 쉽게 얻을 수 있는 것이 장점입니다. 또한 가열된 강판은 성형하는 동안에 금형 내에서 급격히 냉각되고, 그 결과 가공된 부품이 매우 높은 강도를 갖게 됩니다.

일반적으로 강판의 경화능을 향상시키기 위해 보론(B, 붕소라고도 함)을 첨가하며, 알루미늄(AI) 도금은 고온으로 가열하는 동안 강판의 고온 산화를 방지하기 위해 채택됩니다. 이러한 핫 스템핑 강판은 주로 멤버, 보강재, 시트밸트, 범퍼레일 등에 사용 되고 있습니다.

이외에도 후열처리강은 성형과정에서 보론(B)이나 크롬(Cr) 등을 첨가해 후열 처리 후 약 1500MPa 이상의 인장강도를 쉽게 얻을 수 있으며, 자동차의 도어 임팩트 빔(Door impact beam)과 스테빌라이저(Stabilizer)로 사용됩니다.

이밖에 윤활강판(Lubricant Steel), 연료탱크강판( Fuel Tank Steel), 프리 실드(Pre-sealed) 강판, 부품용 수지피복 강판, GI-ACE(Aerosols charged with electrostatic) 강판 등 다양한 고기능성 강판이 자동차에 사용되고 있습니다. <김아롱 기자=카테크>


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