18. 자동차용 재료의 종류와 적용 현황

자동차 학습/자동차 개발 및 설계 2019.02.19 02:00 Posted by 자동차 전문 교육 자동차 역사가

18. 자동차용 재료의 종류와 적용 현황

자동차에 쓰이는 재료는 강(鋼), 주철, 소결재료, 동(銅), 아연(亞鉛), 알루미늄등의 금속재료로부터 고무, 유리, 플라스틱, 접착제, 섬유등의 비금속재료까지 많은 종류가 있다.

1. 자동차재료 필요 조건

① 대량공급과 안정적인 공급이 가능할 것 

② 대량생산에 적합한 가공생산성과 품질균일성이 있을것

③ 코스트가 싸고 값이 안정적이어야 한다.

또한 설계상의 필요 특성으로 인장강도, 충격강도, 피로강도, 강성, 비중과 그밖에 사용부위에 다른 내마모성, 마찰특성, 내식성, 내후성, 열전도성, 열팽창성, 전기적특성, 자기적 특성 등이 요구된다.

한편 생산기술상의 필요 특성으로는 주조성, 단조성, 성형성, 피삭성, 열처리성, 용접성, 접합성, 공작상의 안정성 등이 요구된다.

2. 자동차 재료의 사회적 규제 필요성과 수요자의 요구 충족.

사회적 필요성으로는 안전도의 향상, 배기가스정화, 소음저감, 연료소비율의 향상 그리고 내구성 향상 등을 들 수 있고, 수요자의 요구는 좋은 외관, 승차감의 향상, 자동차의 고성능화와 고기능화에 있다.

이러한 모든 욕구를 충족시키는데 무엇보다 중요한 것은 하나가 차체구성재료의 전환을 위한 경량화와 신소재화이다.

지난 80년대 자동차의 고성능화, 고출력화 시대에서 90,2000년대에는 환경과 안전 그리고 연비향상이 엄격히 요구될 것으로 보여 소재혁명이 이루어질 것이며 신소재의 기술과제는 

경량, 고성능화, 외관향상

② 고면압력화, 피로강도 향상

③ 열피로 강도 향상

④ 내 마찰성 향상

⑤ 성형성 향상, 가공성 향상

⑥ 주물의 고밀도화

⑦ 생산성 향상

한편 자동차 구성재료의 추이는 알루미늄과 플라스틱의 비중이 증가하고 있으며, 중량구성에 있어서는 금속이 70%, 플라스틱이 약7%를 차지하고 있다. 

2. 자동차 재료의 종류

 1) 철강재료

(1) 강판(綱板)

자동차에 가장 많이 사용되는 재료인 강판은 저탄소강을 얇게 압연시킨 재료로서 알루미늄이난 강화 플라스틱에 비해 강도, 강성, 가공성, 제품 마무리성, 코스트의 종합적 우위성이 뛰어난 재료이다. 특히 패널류에서는 대체재의 개발에도 불구하고 아직도 뛰어난 우위성을 갖고 있다.

자동차에 사용되는 강판재료는 냉간압연강판, 표면처리강판, 열간압연강판으로 대별된다. 최근 자동차에서는 주행성능이나 외관 품질의 향상등의 기본적인 요구에 덧붙여 경량화, 방청성능의 향상, 진동.소음저감 등의 쾌적성 향상의 요구된다.

경량화의 수단으로서는 수지나 알루미늄드의 저비중재료를 사용하는 방법도 있지만 종래와 똑같은 공정에서 생산이 가능한 철판의 고강도화로 보다 철판의 두께를 줄이는 고장력강판(高張力鋼板: High Strength Low Alloy)의 사용과 기술개발이 이루어지고 있다.

한편 방청성능을 향상 시킨 표면처리 방청강판은 일반적으로 Zn 또는 Zn-Fe, Zn-Ni등 각종 Zn계 합금을 사용하고 있으나 최근에는 유기복합형 피막강판의 개발이 확대되고 있다.

(2) 강관(綱管)

자동차에 쓰이는 강관은 구조용강관과 배관용강관으로 크게 나누어진다. 최근 동향은 프로펠러 샤프트(Proprller Shaft), 쇽업소버(Shock Absorber), 도어 임팩트 빔(Door Impact Beam)등에 고강력 강관화가 이루어지면서 차량의 안전성을 강화했지만 차량중량은 그만큼 늘어났다. 또한 배기 매니폴드(Exhaust Manifold)도 엔진성능과 경량화에 따라 주물에서 스테인레스 강관으로 대체되고 있다.

(3) 구조용강(構造用綱)

자동차용에는 스티어링 너클(Steering Knuckle), 커넥팅 로드(Connecting Rod)를 비롯하여 각종 강도부품에 기계구조용강이 사용되고 있으며 고강도화, 저 코스트화를 위한 열간단조용 비조질강의 사용이 확대되고 있다.

(4) 주철재료(鑄鐵材料)

주철재료 전체에는 실린더 블록(Cylinder Block)의 알루미늄 합금화와 같이 경량화가 활발하게 이루어지고 있다. 특히 자동차의 고성능화에 따라 엔진의 고출력화, 고속 연비향상화에 대응하여 배기 매니폴드나 터빈하우징 등에 훼라이트계 내열 주철강이 적용되고 있다.

(5) 소결재료(燒結材料)

소결금속은 재료성분의 선택이 자유롭고 제품정밀도가 높으며 대량생산이 가능하기 때문에 고강도 부품에서 적용되고 있다.

 2) 비철금속재료

(1) 알루미늄합금

연비개선은 자동차업계의 영원한 과제이다. 이 경량화를 위한 경합금으로 알루미늄의 사용이 크게 증가하고 있으며, 특히 주물 관련부품을 중심으로 실린더블럭에서 실린더 헤드, 피스톤, 알루미늄 휠, 라디에이터, 범퍼 바디 하우징에 이르기까지 확대되고 있다.

이 밖에도 각 부품의 단품등에도 주물관련부품 등은 대부분 알루미늄으로 바뀌어가는 추세이다. 최근에는 알루미늄 차체의 스포츠카가 등장하였는데 혼다의 NSX는 바디 전체가 알루미늄으로 되어 있어 바디의 중량(210kg)을 스틸 바디보다 140kg이나 줄였다.

(2) 마그네슘합급, 티타늄합금

경량화와 고도정밀성의 요구에 따라 극히 일부 부품에 마그네슘 소재가 사용되고 있으며 우주항공분야에서 주로 쓰이던 티타늄합금이 고도정밀 가공부품에 일부 사용되기 시작하고 있다. 특히 마그네슘은 가장 경량의 실용금속재료이므로 알루미늄의 대체재가 될 가능성이 크다.

  3) 비금속재료

(1) 세라믹스

자동차용 세라믹스는 고온성, 고강도성, 내마모성, 화학적 안정성, 경량성 등으로 신소재로서 개발이 확대되고 있으며, 그 용도로서는 기능성 세라믹스와 구조용 세라믹스로 대별되고 있다. 기능성 세라믹스는 세라믹스의 전자기적 혹은 광학적 특성을 이용하여 자동차용 각종 센서나 표시장치에 적용되고 있으며 구조용 세라믹스는 경량으로 고온강도나 내마모성 등의 특징으로 디젤엔진부품으로 쓰이고 있다.

그러나 생산기술적 측면에서 양산성 성형가공이 불가능하고 세라믹의 파괴는 금속과 달리 결정적이 복잡한 2차 파괴로 나타나 설계나 접합기술상 많은 문제점을 안고 있다.

(2) 내장재

내장재 섬유소재는 나이론, 폴리에스텔, 레이온, 아크릴, 양모, 면, 견 등이 있으며 사용되는 부품에 따라 의장용, 방음용, 보안용, 완충용 등으로 분류되고 있다.

내장부품은 고급감, 실내조화감, 소재질감의 쾌적성이 요구되면서 자연소재인 피혁, 울 등의 소재사양이 증가되고 있다.

(3) 고무

자동차용에 쓰이는 고무부품은 타이어, 튜브, 방진고무, 호스, 캡, 오일씰, 링류, 웨저스트립 등 다양하고 내장에 쓰이는 우레탄 발포체까지 포함하면 차량중량의 10%를 넘는다. 이와 같이 고무재료는 사용환경이 매우 엄격하고 고도의 신뢰성을 요구하고 있어 내구성, 내열성향상이 중요한 개발과제이다.

(4) 접착제, 실링제

자동차 바디의 조립구조용 접착제로 사용되고 있는 접착제의 용도는 경량화, 바디강성향상, 내열성이 요구되고 있다.

(5) 도료

도장의 목적은 보호와 미관이다. 도장 목적은 고도화와 각종 사회적 요구에 의해 새로운 도료의 개발이 활발히 이루어 지고 있다. 도료를 크게 나누면 수지와 니스, 안료, 용제, 첨가제의 4가지 성분으로 되어 있는데 공정과 전착도료, UV경화형도료, 전자선경화 도료, 카치온형 전착도료, 불소수지도료, 메틸릭 도료 등이 새로운 도료로 개발되고 있다.

  4)플라스틱

(1) 개요

1990년대 들어 신장하고 있는 플라스틱화는 의장과 내장부품에서 구조나 가능부품으로 확대 채용되면서 이에 따라 보다 고성능화된 수지-엔지니어링 플라스틱, Plastic Alloy, 복합재료(Composite Material)등의 개발이 폭발적으로 증가하고 있다.

최근 10년간의 범용 플라스틱의 수요증가는 년 4~5%로 그 성장율이 둔화 된데 비하여 엔지니어링 플라스틱은 15~30%의 고율신장을 하고 있다. 현재 자동차산업에 있어서 플라스틱 구성재 채용은 차량 중량당 일본이 6%, 미국이 9%, 국내 5~9% 정도이나 1990년대에는 10~12%에 이를 것으로 전망된다.

이와 같이 자동차용 신소재로서 플라스틱은 그 개발전망과 가능성이 무한하며 차량중량의 경감, 연료소비 효율의 증대, 안전성/승차감의 증대, 배기가스의 저감, 코스트 저감, 고성능화, 생산성 증대, 스타일의 개량 등 어느 하나 영향을 미치지 않는 부분이 없다.

따라서 자동차용 구성재로서 플라스틱의 수요증대를 충분히 짐작하고도 남음이 있다. 선진각국에서는 제1(범용 플라스틱), 제2(엔지니어링 플라스틱), 제3(수퍼 엔지니어링플라스틱, Plastic Alloy), 제4(Composite Material)단계의 고성능화 소재들이 연구 개발되어 사용되고 있다. 그러나 우리나라 자동차 부품공장에는 주로 1단계의 범용 플라스틱과 약간의 제2단계인 엔지니어링 플라스틱을 사용하고 있을 뿐이다. 

(2) 플라스틱의 발달과정과 적용

① 금속재료에서 범용 플라스틱으로

자동차 구조재의 수지화는 1960년대 자동차의 대량생산과 대량소비시대와 함께 시작되었는데 이는 플라스틱 재료가 금속재료에 비하여 가볍고 성형가공성이 뛰어나 생산성을 높여주기 때문이었다.

② 범용 플라스틱에서 엔지니어링 플라스틱으로

범용 플라스틱은 이미 1970년대 후반부터 사용되기 시작하며 현재에 이르게 되었다.

내장이나 장식부품에 있어서의 수지화는 이미 완료되었고, 이때부터 외장부품이나 그 밖의 부품들이 그 목표가 되었으며 자동차 메이커의 요구는 기계적 강도가 높은 수지였다.

그것은 범용플라스틱보다 고성능화된 구조재료용 공업용재로서 금속대체를 목표로 하는 엔지니어링 플라스틱이다.

③ 엔지니어링 플라스틱에서 수퍼 엔지니어링 플라스틱, Plastic Alloy

보다 좋은 특성을 갖는 새로운 소재에의 요구는 제3단계의 고성능 수지를 개발케 하였다. 그것은 수퍼 엔지니어링 플라스틱과 Plastic Alloy이다.

이들은 높은 내열성과 보다 나은 기계적 강도를 갖고 있어 자동차의 주행안전성에 관계된 부품에 사용되고 있다. 특히 엔진부품은 내열성 뿐만 아니라 내유성, 내용제성, 내충격성, 내피로성들 종래의 범용 플라스틱이나 엔지니어링으로서는 그 사용한계가 넘는 물성을 요구하고 있다. 이러한 물성을 충족시켜 줄 수 있는 것이 수퍼 엔진니어링 플라스틱이다.

또한 엔지니어링 플라스틱 단일 소재로서는 얻을 수 없는 물성을 보완하기 위하여 두 가지 이상의 플라스틱 즉 범용 플라스틱이나 엔지니어링 플라스틱들의 조합에 의하여 그들의 본래 가지고 있던 단일 플라스틱의 성질보다 뛰어난 특성의 신소재가 Plastic Alloy이다

④ 복합재료(Composite Material)

복합재료란 두 종류 이상의 기재 즉 강화재와 모제(Matrix)를 복합(조합구성)하여 만든 것으로 단일재료에서는 얻을 수 없는 특성을 만든 인공재료이다.

복합재료는 그 구성재료중의 하나인 모제(Matrix)의 종류에 따라서 FRP(Fiber Reinforced Plastic), FRM(Fiber Reinforced Metal), FRC(Fiber Reinforced Concreat), FRR(Fiber Reinforced Rubber)등으로 나뉘어 진다. 그중 가장 많이 사용되고 있는 것이 GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic)이다. 자동차 공업에 처음 FRP 사용이 된 것은 1950년대 말에 미국의 시보레 코베트(Corvette)가 스템핑(Stemping)성형에 의한 모노코크 FRP로 스포츠카의 바디를 만든 것이다. 그 후 드라이브 샤프트(Drive Shaft), 리프 스프링(Leaf Spring), 범퍼(Bumper), 루프(Roof)등으로부터 이용되기 시작하여 오늘에 와서는 엔진부의 금속부품의 대체에 복합재료의 용도가 넓혀져 가고 있다.

5)자동차용 신소재

(1) 개요

자동차 개발에 요구되는 재료로서는 경량, 내열, 일렉트로닉스화 등을 들 수 있으며 대상 신소재로서는 복합재료, 내열경금속 재료, 엔지니어링 플라스틱, 파인세라믹스 등이 등장하고 있다. 또한 자동차의 급속한 대량보급에 따라 새로운 수요자 요구를 포함해서 해결해야 할 과제도 많아지게 되어 연비효율향상, 배기가스 대책, 안전 대책, 방청대책, 소음 대책, 쾌적성, 신뢰성 향상 등의 필요성이 커지고 있다. 이러한 과제나 수요자 요구는 자동차를 구성하는 재료의 변화를 초래하여 주요 재료인 철강재료에 커다란 영향을 미치고 있다.

이러한 신소재의 요구는 무엇보다 연비규제와 배기가스규제 강화에 있다. CAFE(안전 평균 연비) 규제 강화 법안 중에서 가장 강력한 미국의 "브라이언 법안"은 지구 환경 보호를 위해 각 자동차메이커들이 1988년 연비 기준으로 1995년 20%, 2001년 40%까지 연료 소비효율을 향상시킬 것을 요구하고 있어, 이에 대한 자동차 업체들의 대응이 절실하게 되었다. 자동차 업계의 시산에 의하면 "브라이언 법안"의 기준치를 넘어서기 위해서는 1989년의 차체중량을 기준으로 했을 때 1995년에는 15%의 경량화, 2001년에는 35%의 경량화가 필요하다고 한다.

따라서 연료의 경제성향상을 위한 수단으로서는 재료에 의한 효과가 매우 큼을 알 수 있다. 현재 경량화 대체재료로는 알루미늄, 플라스틱, 마그네슘 등이며 철의 경량화 개발도 진행되고 있다.

(2) 신소재별 이용현황

1) 철판재료

최근 차체용 강판재료에 있어서는 방청성능의 향상, 경량화를 위한 고장력 강판의 확대, 진동.소음을 방지하고 쾌적성을 향상시키기 위한 적층강판의 사용이 요구되고 있다.

또한 경량화와 고강성을 동시에 살리고 소음감소 효과도 있는 Paper-Honey comb으로 두 장의 강판을 접합시킨 샌드위치 구조로 된 허니컴 경량 복합 패널도 개발되었다. 이외에도 소음감소와 경량화를 목적으로 바류형 아스팔트시트를 강판에 접착시키고 패널도 개발되어 실용화되고 있다.

2) 구조용강

구조용강은 엔진, 미션, 섀시 등의 중요 부품이 재료로서 자동차의 많은 부분에 사용되고 있으며 현재 이 부분에서는 비용절감, 고강도, 고인성화에 대한 연구개발 및 응용이 한창 진행되고 있다. 일례로 열처리하지 않고 고강도를 낮은 비용으로 얻을 수 잇는 비조질강의 사용이 확대되고 있으며 저탄소화에 의해 주조가공정을 향상시키고 냉간 단조 시 가공경화를 이용한 중탄소강 및 저탄소고Mn계 재료도 엑슬레이터 부품에 응용되고 있다.

3) 알루미늄

알루미늄 재료는 철계 재료보다 경량성이 양호하므로 각종의 부품에 응용되고 또한 고성능화에 대한 경량화 요구가 높아감에 따라 그 사용량이 크게 확대되고 있다.

일본 경금속협회 추정에 의하면 1990년대 중반의 알루미늄 사용량은 현재 차체 총중량의 5% 수준에서 15%수준으로 예상되고 있다.

알루미늄 합금판재의 차체 외관에의 적용은 고성능차로부터 시작해서 경량화, 전후 중량배분의 최적화에 의한 운동성능향상을 목적으로 적용이 확대되어 1990년대에는 바디 전체가 알루미늄으로 된 차가 등장하고 있다.

4) 파인세라믹스

구조용 세라믹스는 경량으로 내연성, 내마모성이 우수하므로 디젤엔진의 글로우플러그, 터보차저용 로더들의 자동차부품에 일부 실용화 되고 있고 기능성 세라믹스는 센서류를 중심으로 히터 표시장치 등에 응용되고 있다.

5) 플라스틱 재료

차체 외판에 SMC(Sheet Molding Compound)와 R-RIM(Reaction Injection Molding)재료가 대량으로 사용되기 시작하였고 범퍼에 우레탄우레아계 재료가, 엔진이나 연료계 부품에 단층 PE 플라스틱화가, 주변부품으로 휠(Wheel), 브레이크 페달(Brake Pedal)에, 또 기능부품으로 각종 기어나 전장부품유에 신소재 플라스틱 사용이 확대되고 있다.