Hot Tech - 저압주조 공정을 이용한 초경량 마그네슘 휠 개발
HOT TECH에서는 최신 산업기술의 특성, 업계동향 및 향후전망 등을 살펴봅니다.
글·사진_
핸즈코퍼레이션(주) 기술연구소
고유가 시대에 발맞춘 마그네슘 휠
최근 고유가 및 지구환경을 위한 녹색성장이 화두가 되고 있다. 이에 따라 자동차의 경우 지구환경에 대한 국제적 규제에 대응하기 위해 기술개발을 통해 단계적으로 연비개선에 앞장서고 있다.
자동차의 연비향상은 고효율 엔진개발, 자동차 주행 중 바람의 저항을 줄이기 위한 디자인 개선, 자동차 경량화 방안이 있다.
하지만 엔진개발과 디자인연구는 거의 극한점에 도달하였고 실질적으로 자동차 경량화를 통한 연비향상이 가장 현실적인 대안으로 꼽히고 있다.
자동차 경량화를 통한 연비향상을 위한 방안으로 자동차부품의 경량화가 강력하게 추진되고 있다.
자동차 경량화는 자동차산업에서 항상 고민되는 문제이며 자동차의 주요부품인 철에서 알루미늄으로, 알루미늄에서 마그네슘으로 점차 변하는 것도 그 고민에 대한 결과일 것이다.
차동차 부품 중에서도 자동차 하부중량을 감소시키는 데 가장 효과적인 것이 휠 무게 절감이다. 현재 대부분의 휠은 스틸 또는 알루미늄으로 제조되고 있는데 그 한계를 극복할 수 있는 소재로 연구되고 있는 것이 바로 마그네슘이다.
자동차 부품에서의 마그네슘의 응용
마그네슘은 앞으로 지속적인 연구개발을 통해 알루미늄을 대체할 것으로 보인다. 마그네슘합금을 자동차 부품에 적용하기 위해서 유럽 등 국가별로 독자적인 연구개발 프로그램을 운영하는 동시에 공동연구도 활발하게 진행하고 있다.
자동차 부품으로 응용되는 마그네슘합금의 주요용도는 부식이 심하지 않은 내장재를 우선으로 하고 있으며, 계기판, 스티어링 핸들 및 의자 프레임 등을 들 수 있다.
1934년 Volkswagen社에서는 Kaefer(Beetle)의 Crank Case(AS41), Transmission Housing(AZ81)에 총중량 17kg의 마그네슘합금을 사용하여 주철에 비해 50kg의 경량화 효과를 얻었으며, 연간 42,000톤의 잉고트(Ingot)01 를 소비한 바 있다.
(01 제련된 금속을 나중에 압연·단조 등의 가공처리를 하거나 다시 용해를 할 목적으로 적당한 크기와 형상으로 주조한 바(Bar)형태의 원자재)
1990년대 초에는 Porsche 911과 Fiat Dino에도 각각 52kg, 26.7kg의 마그네슘합금이 사용되었는데, Porsche 911의 경우 Crank Case L/H 및 R/H 15.2kg, Wheel 22kg, Gear Box, Belt Cover 등 총 27개 부품에 적용되었으며, Dino의 경우 Wheel, Cylinder Head Cover, Oil Pump 부품 및 Bracket 부품 등 18개 부품에 적용된 바 있다.
유럽지역의 연구개발 특징은 Door Inner Panel, Roof Panel, Cowl Cross Beam, Intake Manifold, Trunk Lid 등 3,000톤 이상의 기계용량이 요구되는 대형부품에서부터 Speed Meter Ring, Navigation Parts 등 소형부품까지 폭넓은 부품으로의 적용연구가 이루어지고 있다는 것이다.
아울러 다이캐스팅02 방법이 아닌 판재 성형기술03 을 통하여 Bumper Beam, Suspension 부품으로 적용확대를 위한 연구개발이 확산되고 있다.
(02 필요한 주조형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 강제(鋼製)의 금형에 용해금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법)
(03 압연롤 사이에 가공재를 넣어서 판, 선 등을 성형하는 가공법)
특히 독일의 경우 EFM(Europaeische Forschungsgemeinschaft Magnesiumguss)에 6개 대학과, Hydro Magnesium등을 포함한 50여개 업체가 가입하여 MADICA(Magnesium Die Casting) Project, MAGUS Project, REMACAF(Recycling of Mg-Chip and Flash/Fines) 등 연구컨소시엄이 구성되어, 마그네슘합금 부품 생산을 위한 공정기술, 자동차 부품, 레저·스포츠 용품 등의 신제품 적용기술, 표면처리기술, 재활용기술, 우수한 기계적 특성을 가진 광폭·박판 다이캐스팅 소재의 생산기술, 금형주조기술, 가공기술, 용해 및 압출기술 등 폭넓은 분야에 대한 연구과제를 수행하고 있다.
이처럼 최근에는 부품 제조기술의 발전으로 인하여 대형부품의 개발 및 적용이 활발해지고 있으며, 적용분야 또한 Instrument Panel Carrier, Seat Frame, Steering Wheel Frame 등으로 다양해지고 있다.
특히 대형부품이 많은 Body 부품에 마그네슘합금 적용이 증가함에 따라 전체 자동차 부품내에서 마그네슘합금 부품이 차지하는 비중 또한 점차 증가하고 있다.
마그네슘 휠의 특성과 효과 마그네슘의 비중은 1.74로 실용금속 중 가장 가벼운 금속으로서 Al, Zn, Zr, Mn, Rare Earth 등과 합금화시킬 경우 알루미늄 합금(비중 2.7)의 약 2/3, 스틸(비중 7.8)의 약 1/4 수준의 비중을 가지게 된다.
마그네슘합금은 비강도가 우수하고 치수안정성, 기계가공성, 진동흡수성능, 전자파 차폐성 등이 뛰어나 수송기계 및 전자부품 등 구조용 재료로서 주목을 받고 있다.
이를 휠로 제조했을 때 휠이 가벼울수록 승차감 개선, 접지성 향상에 따른 로드홀딩 개선, 조정안정성 향상, 가속성능 향상, 브레이크성능 향상(방열성 양호), 연비경감 등 많은 장점이 있다.
가속성, 연비 및 승차감 등 자동차의 종합적인 성능향상에 가장 효과적인 것이 ‘스프링 하부중량’(Unsprung Weight) 경량화이다.
일반적으로 스프링 하부의 경량화는 상대적으로 스프링 위쪽의 ‘상중량’(Sprung Weight)을 가볍게 하는 역할을 하고 서스펜션의 응답성을 높여 스포티한 주행을 가능하게 하여 자동차의 운동성을 급격히 높인다.
간단히 설명하자면 모래주머니를 허리에 차고 뛰는 것과 발에 차고 뛸 때의 차이와 마찬가지다. 그래서 스프링 하부중량이 크면 도로의 요철에 늦게 반응하고 차량이 요란스럽게 움직이게 된다.
대략 휠에서 1Kg의 차이는 자동차가 달릴 때의 무게차이와 15~20kg의 격차가 있는데, 4개의 휠에서 얻게 되는 무게감소 효과는 최소 160~180Kg에 이른다.
일반적으로 차량이 10% 가벼워지면 연비는 3.2%, 가속성능은 8.5%, 핸들 조향능력은 19% 향상되는 반면, 이산화탄소 배출량은 3.2% 감소하는 것으로 알려져 있다.
무게(상중량)를 100kg정도 감량하면 연비는 약 2% 좋아진다.
예를 들어 19inch 알루미늄 휠에서 마그네슘 휠로 교체시 1개당 약 4kg이 감량되고 차량 1대에서는 총 20kg의 무게감량을 가져와 차량무게 감소효과는 약 900kg에 이르게 된다.
차량무게 100kg 감소시 2%의 연비향상에 비례하여 계산해 보면 약 18%의 연비향상을 가져온다.
이는 알루미늄 휠을 장착한 자동차 연비가 10km/ℓ일 때 마그네슘 휠을 장착하면 11.8km/ℓ로 연비가 증가하고, 가솔린 기준 리터당 2,000원으로 계산시 차량이 연간 2만km를 운행하고, 30만대가 운행한다고 가정하면 연간 약 1,831억원의 연비를 절감할 수 있다.
마그네슘 휠의 주조공정
마그네슘 휠 제조공법으로는 주조 및 단조공법이 있으며 두 공법은 장단점이 있어 타겟시장에 따라 공법을 적용해야 한다.
단조공법은 품질은 우수하나 가격이 고가를 형성하기 때문에 큰 사이즈 휠 및 스포츠카 등 특수차량용에 적합하다. 단조공법은 고압프레스기로 압력을 가해 일정형상을 만든 후 선반작업을 통해 가공하여 제작하는 방식이다.
중량이 가벼우며 치밀한 구조를 가지지만 수율이 낮고 매우 고가에 판매되는 단점이 있다.
이에 반해 주조공법은 품질은 자동차 요구품질을 만족시키면서도 단조공법에 비해 생산성을 높여 가격경쟁력이 우수하다. 일반승용차에 적용하기 용이하며 가공과정도 비교적 간단한 장점이 있다.
주조공법은 일정한 틀(Mold)에 용탕을 주입하여 제작한 후 선반가공을 통하여 제작하는 방식이다. 주조공법 중에서도 핸즈코퍼레이션에서 현재 생산되는 알루미늄 휠 제품은 모두 저압주조로 생산되고 있다.
저압주조는 용탕을 보유하고 있는 밀폐된 보온로 위에 금형을 장착하고 금형과 용탕과의 사이를 급탕 파이프로 연결하여 로(爐)에 공기압(또는 불활성 가스)을 가하면 로내에 압력작용에 의해 용탕이 파이프를 타고 금형으로 충진되게 한 주조공법이다.
이때 중력의 역방향으로 가압하여 용탕을 충진하여야 하므로 탕면과 금형 Cavity의 상단부까지의 거리에 해당하는 중력 이상의 압력으로 가압하여야 충진이 가능하고, 압탕효과를 얻기 위해서는 그 충진압력의 최대 5배까지를 더 가하게 된다.
저압주조의 장점으로는 먼저 고품질 주조부품 제조에 적합하다는 것이다.
중력과 반대방향으로 용탕을 급탕하면서 가압조건을 변화시켜 주입속도를 제어할 수 있어 층류형태로 금형충전이 이루어지고, 또한 보온로의 중심부에 위치한 가장 깨끗한 용탕이 사용되므로 산화물이나 불순물의 혼입이 적게 발생하기 때문이다.
저압주조는 통상적으로 응고속도가 느린 편이라 결정립이 조대(粗大)화되기 쉽다는 단점이 있다.
핸즈코퍼레이션은 이러한 마그네슘 주조의 한계를 극복하기 위해 오랜 연구 끝에 용탕내 가스, 수축 등으로 인한 기공발생을 줄이고 냉각 최적제어를 통해 조직을 미세하게 만들며, 용탕주입시 펌프를 이용해 용탕의 출렁거림도 최소화 하는 등 신개념 저압주조공법을 활용한 마그네슘 휠을 제작하였다.
또한 원재료에 대한 연구로 마그네슘 휠의 단점인 높은 취성(脆性)과 부식성을 보완하였다.
이러한 연구결과로 인해 핸즈코퍼레이션은 글로벌 기술경쟁력을 확보하여 알루미늄 및 마그네슘 휠의 다양한 제품군을 형성하고, 디자인, 가격, 경량화에 대한 다양한 대안을 제시할 수 있게 되었다.
국내 개발현황 및 세계시장 전망
우리나라 마그네슘 부품에 대한 연구개발은 10여년의 짧은 역사에도 불구하고 정부출연연구소 및 대학에서는 활발한 연구개발이 진행되고 있다.
자동차 경량화에 따른 마그네슘의 필요성은 이제 학문적인 단계를 뛰어넘어 자동차 업계의 설계파트와 시작(試作)차 개발단계에서 적용을 확대하려는 단계에 진입해 있다.
현재 국내 휠시장은 알루미늄 휠이 주종을 이루고 있으며, 핸즈코퍼레이션을 포함한 3개의 업체가 국내생산의 대부분을 차지하고 있다.
자동차 경량화가 국제적인 이슈화가 되면서 국내 휠 제조업체 3사 또한 대량양산 체제가 가능한 저압주조공법을 이용한 마그네슘 휠 개발에 박차를 가하고 있다. 핸즈코퍼레이션은 지속적인 연구개발을 통해 가시적 성과를 이루었으며 최초로 저압주조 방식을 이용한 마그네슘 휠을 애프터마켓에 출시하기에 이르렀다.
세계적으로 환경문제에 대한 인식이 증대되면서 공해물질 배출저감을 위한 연구와 자동차 부품소재의 리싸이클링에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그에 대한 연구로 다양한 재질변경과 공법변경을 진행 중에 있으며 대량 양산체제를 구축하기 위해 노력하고 있다.
현재 전세계적으로 마그네슘합금이 적용되어 있는 주요부품으로는 Instrument Panel Carrier, Seat Frame, Steering Wheel Frame, Transfer Case 등이 있다. 각 자동차회사가 소비하고 있는 마그네슘합금량은 전세계적으로 현재 약 5만톤 정도이나, BIG3 및 유럽의 자동차 회사별로 의장부품을 중심으로 급격히 증가하는 추세이다.
이처럼 스틸 휠에서 알루미늄 휠로 휠 재질이 대체되었듯이 알루미늄에서 마그네슘 휠로의 변화는 필연적인 것으로 생각되며 금속 주물시장에서 블루오션 영역으로 떠오르고 있다.
핸즈코퍼레이션은 알루미늄 휠 시장의 국내 1위, 세계 5위의 업체로서 알루미늄 휠 연구뿐만 아니라 세계적 추세에 발맞추기 위해 신기술, 신공법 개발을 극대화하고 있다.
또한 별도의 연구소를 통해 마그네슘 휠뿐만 아니라 업계를 선도할 수 있는 계획을 수립하고 마그네슘 휠을 자동차업체에 조기공급하기 위하여 대량양산체체를 구축하기 위한 투자와 연구를 아끼지 않고 꾸준히 진행하고 있다.