Nikkei Automotive_2019.12 특집 요약 (p38-53)

2030년의 차세대 자동차 Body
보다 가볍고 보다 강하게

도요타자동차나 혼다, 마쓰다, 미쓰비시자동차 등 자동차업체는 차세대 바디를 소형차에 적용하는데 속도를 내고 있다. 그 배경에는 2030년을 대비해 엄격해지는 세계의 연비규제 및 충돌안전규제에 대한 대응이 있다. 바디를 보다 가볍고 강하게 만들기 위해 골격의 주요 재료인 고장력 강판에서는 핫 스탬프(열간 프레스재)가 공세를 강화하고 있다. 고강도에 성형성이 뛰어난 냉간 프레스재도 개발한다. 차세대 바디에 대한 채용을 목표로 신소재 개발 경쟁도 격화되기 시작했다.

Part 1. 고뇌하는 소형차 개발
3개의 벽을 뛰어넘다

2030년에 대비한 차세대 바디 개발의 경쟁 축은 소형차에 대한 대응이다. 환경규제, 충돌안전규제, 비용억제라는 3개의 장벽을 어떻게 극복할 것인가? 자동차업체는 바디 골격에 대한 초고장력 강판(980MPa급 이상)의 용도에 지혜를 짜내고 있다. 골격 자체의 구조도 재검토해 비용을 억제하면서 경량과 강도의 양립을 경쟁한다.

엄격해지는 세계의 연비규제와 충돌안전규제에 어떻게 대응해 나갈 것인가? 소형차에는 중형차처럼 비용도 투입하기 어렵다. 자동차업체는 소형차 개발에서 ‘연비규제’ ‘충돌안전규제’ ‘비용억제’라는 3개의 과제를 해결해야 한다.

바디 골격의 경량화와 고강도를 양립하기 위해 유럽업체는 알루미늄(AI) 합금이나 탄소섬유강화수지(CFRP)와 같은 경량 소재를 사용한다. 그러나 이는 중대형 고급차가 대상이다. 가격이 싼 소형차에 고가의 AI합금이나 CFRP를 사용하는 것은 현실적이지 않다.

소형차의 바디 골격은 앞으로도 강판이 중심이 된다. ‘초고장력 강판’을 사용해 바디 골격을 경량화해 연비규제에 대응한다. 동시에 바디 골격의 강도를 높여 충돌안전에 대응한다. 또한 초고장력 강판을 우선 순위에 따라서 한정적으로 사용함으로써 비용을 억제한다. 이것이 3개 과제를 해결하는 최적의 해답이다.

-- 가볍게 하면서 충돌 안전에 대응 --
3개의 과제 중 충돌 안전에 대한 대응은 자동차업체에 공통된다. 예를 들면 전면 충돌에서는 차량의 앞 부분이 찌그러지면서 충돌 에너지를 흡수한다. 한편, 승원실(乗員室)에 가까운 부분은 고강도의 고장력 강판을 사용해 변형되지 않도록 한다. 충돌의 전달 루트(Load Path)를 늘려 충돌 에너지를 차량 전체에 잘 퍼지도록 한다.

측면 충돌에서는 승원실이 변형되지 않도록 하기 위해 차량 중앙부의 골격에 초고장력 강판을 많이 사용한다. 또한 골격을 환상 구조로 해서 골격 자체의 강도를 높인다. 후면 충돌에서는 차량 후부 전체를 변형시켜 충돌 에너지를 효율적으로 흡수한다. 측면 충돌이나 후면 충돌에서도 전방 충돌과 마찬가지로 로드패스를 늘린다.

바디 골격의 경량화와 비용 억제라는 2개의 과제에 대해서는 초고장력 강판의 용도에 지혜를 짜낸다. 비용이 비싼 초고장력 강판은 센터 필러나 사이드 실 등 차량 중앙부의 골격에 한정해 배치한다. 그러나 초고장력 강판의 적용 부위를 한정해도 비용 증가는 피하기 어렵다. 바디 골격의 비용 증가분은 차량 전체에서 흡수해 대응한다.

-- 보다 고강도의 고장력 강판이 소형차에 --

Part 2. 차세대 바디 골격 가시화
앞서는 혼다를 도요타가 급 추격

소형차도 초고장력 강판을 사용하지 않으면 연비규제와 충돌안전에 대한 대응이 어려워졌다. 소형차에 대한 핫 스탬프의 적용에서 앞서 온 혼다를 도요타자동차가 추격한다. 비용 억제를 중시하는 마쓰다는 보다 강도가 높은 냉간 프레스재의 사용에 중심을 둔다. 미쓰비시자동차의 신흥국용 차량은 고장력 강판의 용도에서 독자적인 색을 내고 있다.

예방안전시스템이 표준 탑재되면서 소형차의 질량은 증가하고 있다. 차량 질량의 증가는 세계의 연비규제에 대한 대응을 어렵게 한다. 또한 ‘저연비’라는 소형차의 매력을 저하시킨다.

또한 소형차는 충돌 사고 시의 사람의 피해가 중대형차보다 커지기 쉽다. 중대형차 수준의 충돌 안전성이 요구된다. 소형차의 바디도 인장 강도가 1.5GPa급 이상의 초고장력 강판을 사용하지 않으면 연비규제와 충돌안전규제에 대한 대응이 어려워지기 시작했다.

혼다는 소형차에 대한 초고장력 강판의 적용에서 앞서고 있다. 13년에 발매한 현행 ‘피트(3대)’의 바디 골격에 1.5GPa급의 초고장력 강판의 열간 프레스재(핫 스탬프)를 채용했다.

도요타자동차가 앞서는 혼다를 추격한다. 도요타는 20년 2월 중순 발매하는 소형차 ‘야리스’(현 비츠)의 바디 골격에 2.0GPa급의 핫 스탬프를 적용한다.

마쓰다는 비용 억제를 중시한다. 비용 증가의 원인이 되는 1.5GPa급 핫 스탬프의 골격에 대한 사용은 필요 최저한으로 억제하고, 보다 강도가 높은 초고장력 강판의 냉간 프레스재의 적용에 중심을 둔다.

한편 신흥국에서 만드는 자동차는 현시점에서는 980MPa급 이하의 고장력 강판의 사용이 중심이다. 초고장력 강판을 현지에서 조달해 골격을 만드는 체제가 정비되지 않았기 때문이다. 그래서 미쓰비시자동차의 소형 SUV ‘이클립스 크로스’나 중형 SUV ‘아웃랜더’는 980MPa급 이하의 냉간 프레스재의 용도에 지혜를 짜낸다.

● 도요타자동차
소형차에도 2.0GPa급의 핫 스탬프

도요타의 신형 야리스는 질량의 증가를 억제하면서 충돌 안전에 대응하기 위해 2.0GPa급의 핫 스탬프를 바디 골격에 적용했다. 도요타는 18년부터 19년에 걸쳐 순차 발매한 신형 ‘카롤라’ 3차종의 바디 골격에도 2.0GPa급의 핫 스탬프를 사용하고 있다. 이들 3차종은 도요타의 차량설계∙개발방법 ‘TNGA(Toyota New Global Architecture)’에 근거한 C세그멘트용 플랫폼 ‘GA-C’를 적용한 중형차다.

신형 야리스는 TNGA에 근거한 B세그멘트용 플랫폼 ‘GA-B’를 적용한 소형차에 속한다. 소형차의 바디 골격에 2.0GPa급의 핫 스탬프를 사용하는 것은 일본 자동차업체에서는 이번이 처음이다.

-- 모든 좌석의 골격을 중점적으로 강화 --

● 혼다
신형 피트로 야리스에 대항

혼다의 현행 피트는 혼다의 소형차용 플랫폼 ‘Global compact’를 적용한 차량이다. 타사가 소형자에 590MPa급의 냉간 프레스재를 주로 사용하고 있던 무렵에 측면 충돌에 대응하기 위해 센터 필러에 1.5GPa급의 핫 스탬프를 적용했다.

19년 10월에 열린 ‘도쿄모터쇼 2019’에서 세계 첫 공개한 신형 피트는 현행 차와 같은 플랫폼을 개량해 적용했다. 1.5GPa급 핫 스탬프의 적용을 센터 필러 이외의 부위로 확대했다. 또한 1.5GPa급 이상의 핫 스탬프도 사용하고 있는 것으로 보인다. 이러한 대책으로 야리스에 대항한다.

한편, 중형차용 플랫폼 ‘Global mid-size’를 적용하는 차량에서는 타사에 앞서 골격 부품의 장소에 따라서 강도를 바꿀 수 있는 ‘부분 핫 스탬프’를 센터 필러에 사용한다. 스페인 Gestamp Automocion이 자사 공장에서 제조해 혼다에 공급한다.

-- 부분 핫 스탬프로 생산 비용 억제 --

● 마쓰다
소형차에 1.3GPa급의 냉간 프레스재

마쓰다의 소형 SUV ‘CX-30’은 마쓰다의 새로운 플랫폼 ‘스몰’을 바탕으로 개발한 차세대 바디를 적용했다. 바디 골격 전체에 대한 초고장력 강판(980MPa급 이상)의 사용 비율(질량비)은 30%, 내역은 1.5GPa급의 핫 스탬프가 7%, 1.3GPa급의 냉간 프레스재가 5%, 1.2GPa급의 냉간 프레스재가 10%, 980MPa급의 냉간 프레스재가 8%다.

동격의 소형 SUV ‘CX-3’의 경우, 초고장력 강판의 사용 비율은 18%(1.2GPa급이 2%, 980MPa급이 16%)였다. CX-30은 초고장력 강판의 사용 비율을 CX-3의 약 1.6배로 늘렸다. 또한 CX-3에서는 사용하지 않았던 1.5GPa급의 핫 스탬프와 1.3GPa급의 냉간 프레스재를 사용했다. 1.3GPa급의 냉간 프레스재를 바디 골격에 사용하는 것은 마쓰다의 중형 세단∙해치백 ‘마쓰다3’를 잇는 2차종째다.

CX-30의 초고장력 강판의 용도를 구체적으로 보면, 측면 충돌에서 차내 사람을 보호하기 위해 센터 필러에 1.5GPa급의 핫 스탬프를 사용했다. 프런트 필러의 밑, 루프 레일, 앞 자리 밑의 크로스 멤버 등에는 1.3GPa급의 냉간 프레스재를 사용한다.

-- 센터 필러의 구조를 재검토 --
-- 바디 골격을 다방향의 환상 구조로 쇄신 --

● 미쓰비시자동차
신흥국용은 980MPa급 이하가 중심

도요타나 혼다, 마쓰다는 최신 바디 골격에서 1.0GPa급 이상의 초고장력 강판의 사용을 늘렸다. 그러나 신흥국을 주력 시장으로 하는 미쓰비시자동차의 차량은 980MPa급 이하의 고장력 강판의 적용이 중심이 되고 있다. 소형 SUV 이클립스 크로스뿐 아니라 중형 SUV 아웃랜더도 1.0GPa급 이상의 초고장력 강판은 사용하지 않는다.

이클립스 크로스의 바디 골격에서 고장력 강판의 사용 방법을 보면, 프런트 필러나 루프 레일, 사이드 실, 플로어 크로스 멤버는 980MPa급의 냉간 프레스재지만 센터 필러나 프런트 필러의 하부 등에는 590MPa급의 냉간 프레스재를 사용한다. 그 외의 바디 골격에 사용하는 440MPa급의 냉간 프레스재에 그친다. 핫 스탬프는 사용하지 않았다.

타사의 차량은 측면 충돌의 안전성을 강화하기 위해 센터 필러 등에 고강도의 핫 스탬프를 사용한다. 이에 대해 이클립스 크로스는 590MPa급으로 대응한다. 이러한 고장력 강판의 용도에서는 측면 충돌에 대한 대응이 어렵다고 생각되지만 이클립스 크로스는 일본의 신차 평가 프로그램인 JNCAP에서 최신(18년도) 측면 충돌 시험에서 최고점을 획득했다.

도요타나 혼다, 마쓰다의 사례에서 보듯이 센터 필러의 강도가 지나치게 높으면 충돌 시에 변형이 일어나 밑 부분이 부러질 가능성이 있다. 이를 방지하기 위해 타사는 센터 필러의 밑에 강도가 낮은 냉간 프레스재나 부분 핫 스탬프를 사용하거나 센터 필러의 구조를 재검토하는 방법으로 대응했다.

미쓰비시자동차의 이클립스 크로스의 경우는 강도나 낮은 590MPa급의 냉간 프레스재를 센터 필러 전체에 사용함으로써 밑 부분이 부러지는 것을 방지했다. 그리고 도어 하부의 프레임(사이드 실과 접하는 부분)에 보강재를 넣었다. 980MPa급의 냉간 프레스재로 만든 사이드 실과, 도어 하부의 보강재로 측면 충돌의 충격 에너지를 흡수하는 구조로 했다. 이를 통해 비용을 억제하면서 초고장력 강판을 사용하는 경우와 동등한 측면 충돌에 대한 안전성을 보호할 수 있다고 한다.

Part 3. 차세대 냉간 프레스재 양산
1.5GPa로 590MPa의 성형성

핫 스탬프에 대항하는 차세대 냉간 프레스재 개발이 진행 중이다. 1.5GPa급의 인장 강도와 590MPa급의 성형성을 양립하는 것이 목적이다. 일본의 철강업체 3사는 이미 기초연구를 마치고 양산 기술의 개발을 서두른다. 실용화에는 ‘수소액화’라는 고강도재 특유의 과제도 해결해야 한다.

일본 철강업체의 차세대 고장력 강판 개발이 새로운 단계에 들어섰다. 각 사의 개발 목표는 고장력 강판의 냉간 프래스재에서 1.5GPa 이상의 인장 강도와 20%의 신장(연성, 성형성 지표의 하나)을 양립하는 것이다. 20%라는 신장은 590MPa급의 냉간 프레스재의 수치에 상당하며 1.5GPa급의 냉간 프레스재의 약 3배에 달한다.

닛폰제철 등 철강기업 3사는 18년 말까지 기초연구에서 목표를 달성해 19년부터 양산 기술을 개발. 세계의 연비규제가 엄격해지는 22년 이후에 자동차의 바디 골격에 대한 채용을 목표한다.

현재 양산차의 바디 골격에는 고강도의 고장력 강판이 다용되고 있다. 바디 골격용 고장력 강판에는 냉간 프레스재와 핫 스탬프가 있지만, 현재 실용화되어 있는 냉간 프레스재로서는 1.3GPa급이 최고강도다.

한편 1.3GPa급 이상의 강도가 요구되는 바디 골격에서는 핫 스탬프의 채용이 늘고 있다. 또한 1.5GPa급의 핫 스탬프는 차량 가격이 싼 경자동차에 대한 채용도 추진된다. 다이하쓰공업의 신형 경자동차 ‘TanTo’나 혼다의 신형 상용밴 ‘N-VAN’은 슬라이드 도어의 수직 방향 프레임에 1.5GPa급의 핫 스탬프를 사용한다.

-- 1.5GPa급의 핫 스탬프에 대항 --
고장력 강판의 냉간 프레스재는 강도가 올라갈수록 신장이 적어져 성형성이 나빠진다. 센터 필러 등의 복잡한 모양의 부품을 1.3GPa급 이상의 냉간 프레스재로 만드는 것은 현시점에서는 어렵다.

때문에 복잡한 모양의 부품을 1.3GPa급 이상의 고장력 강판으로 만들 경우에는 핫 스탬프를 사용한다. 핫 스탬프로 부품을 만들기 위해서는 소재를 가열해 부드럽게 한 후에 고온에서 프레스 성형한다. 그리고 급속 냉각시켜 강도를 높인다. 고온에서 성형하기 때문에 복잡한 모양의 바디 골격 부품을 만들기 쉽다.

그러나 핫 스탬프로 부품을 만들려면 가열로 등의 새로운 설비가 필요하다. 부품마다 가열∙급냉을 하기 때문에 전력료가 들어 냉간 프레스재에 비해 제조 비용이 증가하는 문제가 있다.

1.5GPa급의 강도와 590MPa급의 성형성을 냉간 프레스재로 양립시킬 수 있다면 통상의 프레스 성형기를 사용해 고강도 바디 골격 부품을 저비용으로 만들 수 있다. 고강도로 가공하기 쉬운 냉간 프레스재에 대한 자동차업체의 수요는 크기 때문에 철강업체 3사는 양산 기술 개발을 서두르고 있다.

-- 3사의 각기 다른 개발 어프로치 --
-- 수소액화의 발생 메커니즘 해명 --

 -- 끝 --