산업기술/제조/경영

Nikkei Monozukuri_2017.3. 특집요약 (p34~55)

금속재료의 진화
스테인레스, 3D프린팅, 신소재, 프로세스 등

금속은 가장 오래 전부터 사용되어 온 고강도 재료다. 최근에는 가볍고 강한 새로운 재료로서 섬유강화수지 등이 널리 사용되고 있지만, 아직도 금속재료만을 사용해야 하는 용도는 많다. 3D프린팅과 같은 새로운 조형 방법의 등장이나 기존에는 생각할 수 없었던 강하고 쉽게 가공할 수 있는 합금의 실현 등, 그 사용법이나 성능은 지금도 착실하게 진화하고 있다.


Part 1. 총론
주역의 자리는 양보하지 않는다 -- 금속의 실력을 파악하는 것이 최적의 선택

자동차나 항공기 등의 수송용 기기에서 연비 성능이나 운동 성능의 향상을 비롯하여, 다양한 제품에서 경량화에 대한 요구가 높아지고 있다. 그 영향으로, 기존에는 금속재료를 사용하였던 부품을 탄소섬유강화수지(CFRP)와 같은 비강도가 높은 수지재료로 변경하는 사례가 증가하고 있다. 그러나 재료에 요구되는 기능이나 성능은 비강도 뿐만은 아니다. 비용이나 내열성, 성형∙가공성, 재활용과 같은 항목도 중요한 요소다. 이러한 요소들의 경우, 지금도 금속이 수지보다도 뛰어난 부분도 있으며 금속 소재나 제조 면에서 기술혁신도 더욱 진화되었다.

물론, 수지 등의 비금속재료도 마찬가지로 진척되고 있지만,「가볍게 만들기 원한다면 수지」라는 단순한 판단은 금물이다. 적재적소의 재료를 선택하기 위해서는 금속에 대한 인식을 다시 한번 재고할 필요가 있다. 제조(모노즈쿠리)를 둘러싼 환경이 격변하고 있는 지금, 오히려 다른 재료에서 금속으로 변경하는 케이스도 나오고 있다.

-- 스테인리스가 “신재료”로서 각광 --
경기용 자전거의 프레임의 경우, CFRP의 다음 재료로서 스테인리스가 주목을 받고 있다.「Cherubim」이라는 브랜드로 경기용 자전거 등의 핸드메이드 바이크를 제공하는 곤노제작소(今野製作所, 본사는 도쿄 마치다시(町田市))에서는 최근 몇 년 사이에 스테인리스로 만든 프레임을 다루는 일이 많아졌다고 한다.

비강도 면에서는 CFRP가 승자다. 또한 일반적으로는 스테인리스는 새로운 소재가 아니다. 그럼 왜 스테인리스가 신소재로서 대두되었는가? 그 배경으로 유저의 요구에 대해 개별 대응하기 쉽다는 점을 들 수 있다. 즉 Customize하기 쉽다는 것이다.

자전거의 프레임 재료는 목재에서 시작하여, 일반 강철, 알루미늄(Al)합금, 티탄(Ti)합금, Chromium Molybdenum Steel(CRMO), 그리고 CFRP로 변천해 왔다. 유럽에서 활발한 프로 자전거 레이스에서는 CFRP제의 프레임이 전반적으로 사용되고 있다. 그러나 CFRP제의 프레임 성형에는 금형이 필요하기 때문에, 어느 정도의 대수를 양산할 필요가 있다. 이 때문에 프로용이라고는 하지만 일부 선수에게는 최적화되어 있지만, 많은 선수는 제조회사가 준비한 프레임을 사용할 수밖에 없는 실정이다. 원칙적으로는 선수 개개인의 체격이나 다리 힘에 따라 프레임을 제작하는 것이 바람직하다. 프로가 아닌 일반 경기용 자전거 유저도 자신에게 적합한 프레임을 원하는 경우가 늘었다고 한다. 그 결과, 파이프의 길이를 조절하여 최적화할 수 있는 금속제 프레임에 대한 주목도가 높아지고 있다.

또한, 강도와 체적의 관계도 중요하다. 자전거의 프레임에는 경량뿐 아니라 탄력성도 요구된다. CFRP에서는 경량은 실현할 수 있지만 강도를 유지하기 위해서는 파이프가 두꺼워진다. 이에 따라 프레임이 단단해 지고, 탄력성을 잃기 쉬웠다. 그래도 가볍고 단단한 CFRP제 프레임은 시장에서 받아들여졌지만, 이 점도 점차 재고되고 있다. 스테인리스라면 파이프를 두껍게 할 필요가 없고, 탄력성도 잃지 않는다. 스테인리스는 CRMO보다 얇은 파이프로 동일한 강도를 확보할 수 있기 때문에 경량화도 실현 가능하다.

이와 같은 스테인리스 특성은 이전부터 알려져 있었지만, 별로 보급되지 않았다. 그 이유 중 하나가「자전거의 프레임에 적합한 고성능 파이프가 없었다」(곤노제작소의 곤노(今野) 씨). 곤노제작소는 영국의 기업과 기술 제휴하여, 2종류의 파이프를 공동 개발 중이다. 또한 접합방법도 확립되었다. 프레임은 파이프 등을 은경납땜(Silver Brazing)하여 만든다. 동시에 경년변화(Secular Change)도 포함한 내구성에 관한 지식을 축적하여, 접합 방법의 확립과 함께 파이프 그 자체의 품질도 향상시켜 왔다.

경륜의 발상지인 일본에는 자전거 프레임 제조업체가 많고, 그 높은 기술력은 세계적으로 인정받고 있다. 스틸제 파이프 제조업체는 해외지만「일본의 프레임 제조업체의 의견을 잘 받아들여 준다」(곤노제작소)라고 한다. 그런 점도 금속의 진화를 지탱해 주고 있는 점이라고 할 수 있다.

-- 소형화와 Thinner화에서도 이점 --
-- 내식성이 높은 Ti는 건축재료에서 주목 --
-- 더욱 더 가볍고, 강하게 --
-- 프로세스 속에서도 고기능화 --


Part 2. 3D프린팅으로 공격
결정의 모양이나 방향을 장소 별로 변경 -- 조형과 동시에 특성을 제어

적층가공(AM: Additive Manufacturing)이라고도 불리는 3D프린팅은 새로운 제조방법으로 주목을 받고 있으며, 금속재료의 활용범위를 넓히는데 도움이 된다.

미세형상을 차곡차곡 쌓아 올리듯이 조형하는 3D프린팅에서는 모양의 빼내기 경사(Draft Angle)나 절삭공구와의 간섭을 생각하지 않아도 되기 때문에, 기존의 성형가공과 비교하여 보다 모양을 자유롭게 만들 수 있다. 또한 기존에는 복수에 걸쳐 있었던 부품의 일체화가 가능해져, 비용삭감이나 제조기간 단축 등의 효과를 얻을 수 있다. 특히, 생산이 적은 경우에 이점이 크며, 이미 금속 3D프린터를 실제의 제품제조에 사용하고 있는 사례는 등장하였다. 그러나 이와 같은 이점은 기본적으로 수지로 된 3D프린터도 마찬가지다. 금속 3D프린터만의 이점으로 들 수 있는 것이 재료의 조직 제어다.

-- 결정의 종류나 방향을 제어 --
-- 국내에서 장치나 재료의 개발도 진행 --
-- 금속분말의 품질 개선 --


Part 3. 소재로 공격
재료 고유의 매력을 무기로 강도와 경량 연마

금속은 3D프린팅과 같은 새로운 사용법뿐만 아니라,「입수하기 쉽고, 가볍고 강하다」라는 기존의 매력을 더욱 강화해야 하며, 재료로서의 특성도 계속 진화하고 있다. 예를 들면, 국내에서는 2013년에 신(新)에너지∙산업기술총합개발기구(NEDO)의 주최로 관민으로 구성되는 신(新)구조재료기술연구조직(ISMA)이 발족하였다. 자동차, 철도, 항공기와 같은 수송기기의 경량화를 타깃으로,「혁신적 신(新)구조재료 등 연구개발」로서 새로운 경량화 금속 및 그 제조∙가공 프로세스의 개발이 진행되었다.

ISMA가 타깃으로 삼고 있는 금속재료는 마그네슘(Mg)합금, 알루미늄(Al)합금, 티탄(Ti)합금, 고장력강판(High Tensile Strength Steel Sheets)이다. 각 재료의 프로젝트를 중심으로 미래를 예측하고 추진하는 재료개발의 최전선을 소개한다.

●마그네슘[Mg] :
AI함금 수준의 가공성을 실현, 신칸센의 메인 구조재를 겨냥
Mg는 지금까지 대형 구조부재로서는 채용되지 않았다. 쉽게 산화하며, 연소되기 쉽고, 가공이 어렵다는 난점이 있기 때문이다. ISMA에서는 철도차량 구체(Body Structure)로서 사용할 수 있는 난연성 Mg합금과 그 접합기술을 개발하여, 최종적으로는 실기(實機) 수준의 Mockup을 만들려고 한다. Mg합금에 의한 경량화를 이루면, 에너지 절약화나 가속성∙최고시속의 향상을 기대할 수 있다. 경량화한 만큼 진동과 소음을 효과적으로 차단시켜주는 제진재(制振材)나 방음재를 추가하여 소음을 절감하는 것도 가능하다.

-- 타지 않는 전신재(Wrought Products) 개발 --
-- Double Skin Panel을 시작(試作) --
-- 용접조건에도 목표가 서다 --

●알루미늄[Al] :
기존 대비 125%의 고강도재의 개발 -- 항공기용으로 유럽과 미국의 아성 공략
경량화 재료의 대표격인 Al합금. ISMA에서는 프로젝트 테마의 하나로서, 항공기의 골격구조부재인 스트링거(Stringer)나 프레임(Frame) 등에 이용할 수 있을 것으로 생각하고 새로운 Al합금 개발에 도전하고 있다. 그것이 알루미늄제조업체인 UACJ가 중심이 되어 추진하고 있는「고강도∙고인성(High Toughness) 알루미늄 합금의 개발」이다.

「항공기용은 특히 고강도와 신뢰성이 요구된다. 그렇기 때문에 우주나 방위와 같은 고도의 재료 특성이 필요한 다른 산업으로의 전개를 기대할 수 있다. 게다가 개발 과정에서 얻은 합금 조성이나 제조 프로세스의 지식은 자동차나 철도용 구조부재 등에도 응용하거나, 기존 Al합금에 적용할 수 있다」(UACJ 기술개발연구소 제1연구부 재료기반 연구실 주임인 하야시 미노루(林稔) 씨).

-- 현행의 25%향상을 목표한다 --
-- 고(高) Zn에서도 특성이 약화되지 않는다 --
-- 실험실 차원에서는 거의 완성 --

●티탄[Ti] :
제조프로세스 혁신으로 고비용을 해결하여 용도 확대
Ti는 비강도가 높고 내식성(Corrosion Resistance)에도 뛰어나지만 고비용이라는 점이 난점이다. 또한 최근에는 중국 및 한국 기업의 순티탄으로 된 박판(薄板)의 품질이 향상되었기 때문에「일본기업 입장에서는 안이하게는 가만히 있을 수 없다」(Toho Titanium사의 기술개발본부 부본부장인 후지이(藤井) 씨).

그래서 ISMA에서는 저비용으로 경쟁력이 있는 Ti박판을 제조하기 위한 기술개발 프로젝트를 추진하고 있다. 저비용으로 제조할 수 있는 새로운 프로세스 개발이나 스펀지Ti의 고기능화에 의해, 예를 들면 자동차의 엔진 부품이나 자동차 Muffler 부품 등, 지금까지 이상으로 광범위한 용도에서의 이용 확대를 노리려고 하는 것이다.「Ti는 원래 뛰어난 재료다. 제조 프로세스를 개선하여 용도를 더욱 확대해 가고 싶다」(Nippon Steel & Sumitomo Metal사의 티탄∙특수 스테인리스사업부 수석주임인 야마데(山出) 씨).

-- 녹이지 않고 직접 압연 --
-- 불순물 없는 고품질 원료가 필요 --
-- 용융염(Molten Salt)으로 박판을 제작 --

●고장력강판[High Tensile Strength Steel Sheets] :
1.5GPa급을 자동차의 주요 구조재료 -- 3사가 각자의 방식으로 고강도∙고연성(High Ductility) 지향
자동차의 구조재로서 사용되며,「강도」와「경량」이 장점인 고장력강판은 일본기업이 자신하는 재료다. 그러나 자동차의 경량화에 대한 요구는 여전히 높은데다가, 최근에는 한국 등의 해외기업의 추격도 상당하다. 그래서 ISMA에서는 지금 이상으로 고성능의 초고장력강판(혁신강판)을 개발하기 위해, 3대 철강기업을 중심으로 프로젝트를 추진 중이다.

그 목표 성능은 인장강도(Tensile Strength)를 기존의 주력재의 590MPa에서 1.5GPa로 2.5배로 올리면서, 신장(伸張)은 기존 재료와 동일한 20%를 확보하는 것이다. 지금도 1.5GPa급의 초고장력강판은 있지만, 신장이 6%정도로 낮기 때문에 적용할 수 있는 부재가 한정된다. 신장을 확보하여 가공성을 높일 수 있다면, 주요 구조재료로서의 이용 확대를 기대할 수 있다.

-- 가공경화(Work Hardening)의 거동 제어 --
-- 목표는 앞당겨 달성 --


Part 4. 프로세스로 공격
부품의 제조공정에서 특성 향상 -- 결정입자 미세화나 항온단조로 실현

「보다 강하게, 보다 복잡한 모양을 고정밀도로 저렴하게, 또한 높은 생산성의 제조를 추구하고 있다」. Rinascimetalli사(후쿠오카시)의 대표이며, 규슈공업대학 첨단금형센터의 나카무라(中村) 씨는 이렇게 말한다. Rinascimetalli에서는 철이나 알루미늄(Al), 동(Cu), 마그네슘(Mg), 티탄(Ti)과 같은 광범위한 금속을 대상으로 하여, 고강도화와 단조성(Forgeability)의 향상을 위해 노력하고 있다. 구체적으로는 결정입자미세화∙열처리기술「RMA-CREO」, 금형을 가열함으로써 항온단조(Isothermal Forging)∙온간단조(Warm Forging), 다축(多軸)프레스의 3개를 축으로 한다.

-- 봉재(棒材)를 비틀면서 급랭 --
-- 금형을 가열하여 단조성을 향상 --
-- 다축프레스로 복잡한 형상의 형성 정밀도 향상 --
-- 확산되기 시작한 유저기업 --

   -- 끝 --