세계 자동차 부품시장은 브라질, 인도 등 신흥시장의 확대로 매년 3~6%씩 성장하고 있다. 자동차 부품산업은 우리나라 제조업에서 약 5%를 차지할 정도로 비중이 매우 높다.
최근 세계경제 위기 속에서도 국내 자동차 산업은 성장을 지속하고 있다. 그러나 기후변화에 대응하기 위한 환경규제가 강화되고, 유가 급변으로 고효율 저연비 차량에 대한 선호도가 증가하는 내외적 환경으로 세계 자동차 시장은 그린카(Green car) 시대로 패러다임이 바뀌고 있는 중이다.
그린카 시대 대비 차체 무게 감소 중요
이런 변화 속에 부품산업을 선도하고 있는 선진 국가들은여러 가지 규제로 자국의 원천기술을 보호하고 있다. 미래형자동차에 대비한 부품 및 원료기술이 상대적으로 취약한 우리나라 기업들은 특허 장벽으로 수입에 의존해야 하는 어려움이 많다.
특히 변속기, 커먼레일 등 첨단 기술과 부품경량화 소재에 대한 원천기술 분야에서 열세를 극복하지 못하고 있다.
성장과 패러다임의 변화 속에서 그린카 시대를 대비하는 데 가장 근간이 되는 것은 차체의 무게 감소이다.
여기에서는 부품경량화 소재로 현재 유럽의 주요 자동차 부품 소재로 주목받고 있는 Thixomaterial(틱소 소재)의 특성과 응용부품을 소개한다. 그리고 HPDC(고압다이캐스팅)과 비교하여 장단점을 요약 기술한다.
주목받는 자동차 부품 경량화 소재 ‘Semisolid-Metal Processing; Semisolid forming’으로 알려진 ‘Semisolid metalworking(세미솔리드 금속가공)’은 주조와 단조 두 가지 공법을 통합시킨 하이브리드 제조법이다. 여기서는 독특한 비수지상(nondendritic) 마이크로 구조를 형성하고 있는 세미솔리드 원료를 사용한다.
여기에는 금속 부품의 ‘near-net shape’를 위해 두 단계의 과정이 포함된다. 핵심이 되는 첫 번째 단계에서 솔리드 수지성상을 작은 소구체로 부수기 위해 고체화 단계가 용해되는 초기동안 격렬한 교반이 이뤄진다. 이 과정에 두 가지 접근 방식이 있다. ‘레오캐스팅(rheocasting)’과 ‘틱소캐스팅(thixocasting)’이다.
세미솔리드 합금 낮은 응력 보여
레오캐스팅이라는 단어는 1970년대 초 세미솔리드 기술을 발견한 MIT 연구원들에 의해 만들어졌다. 그들은 수지상 구조를 변형하고 깨뜨리는 과정에 포함되는 커다란 힘을 이해하기 위해 연구하는 중에 ‘high-temperature viscometer’를 만들었다.
용해된 납과 주석의 합금을 두개의 겹으로 된 실린더 모양의 틀에 넣고, 바깥층에 있는 실린더가 회전할 때 냉각되는 과정을 통해 힘이 전달되는 것을 측정했다. 외부 실린더가 연속적으로 회전하고 있는 중에 세미솔리드 합금이 놀랄 만큼 낮은 응력을 나타냈다.
이 독특한 성질이 신기하게도 비수지성상(nondendrtic, 즉 spheroidal)을 만드는 데 기여를 한 것이다.
이러한 아이디어들이 펼쳐져 세미솔리드 합금의 성질에 대한 연구가 발전되면서, 세미솔리드 용융과정에서 레오주조(rheocast) 비수지상(nondendrtic) 마이크로 구조를 만들기 위해 바(bars)형태로 주조될 수 있을 것이라는 전망이 나왔다.
오스트리아 잘츠부룩 렌드에 소재한 SAG 그룹(Salzburg Aluminum Group)은 1999년도에 틱소프로세스 시설을 건립했으며, 틱소 원재료부터 부품까지 양산하는 밸류 체인을 갖고 있는 이 분야의 선도적 기업이다.
틱소 기술, 높은 강도와 보존력 우수
SAG 그룹의 틱소 기술과정은 다음과 같다. 30톤 용광로에 금속을 녹여 18m 길이로 수평연속캐스팅을 한 후 틱소 빌렛을 주조할 부품에 맞게 일정한 크기로 절단, 틱소포밍을 한다. 전자기적 스터링을 가하면 틱소가 갖는 마이크로 구조는 바의 마지막 냉각과정에서 포착된다.
이 바는 나중에 장소가 다른 곳에서 특수한 이론적 특성을 개선하기 위해 세미솔리드 온도 영역에서 가열된다. 특별하게 주조된 바를 가열하여 세미솔리드를 사용하는 공정을 ‘틱소캐스팅’이라고 한다.
중간에 냉각하는 단계 없이 혼합물로부터 세미솔리드 구조 혹은 포밍파트(forming parts)를 만들어 내기 위해 사용되는 과정에서 레오캐스팅은 틱소주조와 구별된다. 틱소주조는 주조방법 중 자동차 부품제조에 널리 사용되고 있는 진공고압다이태스팅(Vacuum High Pressure Die casting)과 비교된다.
틱소주조는 상대적으로 낮은 가열온도(약 570℃)를 사용함으로 35%의 에너지를 절감할 수 있고, 무게를 감소(예를 들면 SAG그룹은 자체기술로 356.2 계열의 무게 7kg의 자동차 휠을 틱소를 사용해 4kg으로 줄여 상용화 했다)할 수 있다. 또한 높은 강도와 보존력이 우수하고 뛰어난 표면과 복잡한 성형이 필요한 곳에 적합하다.
현재는 주로 5~6인치 지름의 빌렛(무게 6.5~18.5Kg)이 사용되고 있다. 틱소주조를 통해 만들어진 부품은 자동차 산업뿐만 아니라 항공산업과 모터사이클 등에도 광범위하게 사용되고 있다. 메르체데스-벤츠의 안전벨트, 아우디 A8의 Door Knot와 Volvo C 70의 힌지 그리고 Motor Block에도 사용되고 있다.
그린카 시대 준비 위한 원천기술 선점
지금까지 세미솔리드 원료를 생산하기 위해 여러 가지 대안적인 접근이 개발돼 왔다. 몇몇 기술은 기계적인 교반을 사용하기도 하고, 냉각채널을 통해 융해된 혼합물에 격렬한 흐름을 만들기 위해 패시브 스터링(passive stirring) 기술을 사용한다.
또 다른 한 가지 방법은 굵은 입자를 야기시키기 위해 일정 온도를 유지시키기도 한다. 그러나 현재는 SAG 그룹을 포함 단지 몇 개의 회사만이 틱소주조를 통한 부품 상용화에 성공했고, 기존 자동차 부품을 조금씩 틱소로 대체하고 있다.
최근 세계적으로 하이브리드 자동차 판매가 호조를 보이고 있다. 독일을 비롯한 서유럽 국가들은 동유럽과 중남미에, 일본은 동남아시아로, 미국 또한 중남미에 공장을 건설했다.
우리나라도 2009년 5월 이후 노후 차 교체 때에 세제지원을 하고 있으며 같은 해 10월 정부에서 전기차활성화 방안을 발표했고 국내 부품제조사들도 중국과 미국 등지에 부품 생산시설을 적극적으로 확충하고 있다.
그러나 기존 자동차 내연기관에 비해 연비를 크게 줄이는 그린 카 시대가 도래함에 따라 하이브리드카, 플러그인 하이브리드, 클린디젤차. 전기차 그리고 연료전지차에 필요한 기술이 매우 중요하게 요구되고 있다.
선진 자동차 부품제조사들은 이미 그린카 시대를 준비하고 원천기술을 선점해 조용히 기다리고 있다.완성차 업체에 종속돼 기술개발에 투자할 여력과 환경이 조성되지 못한 국내기업이 눈을 크게 떠야할 시기이다.
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