Nikkei Automotive_2023.5 특집 요약 (p36-51)

자동차 바디 개발의 새로운 단계
탈탄소와 충돌 안전 성능의 유지/강화

자동차 바디 개발이 새로운 단계에 접어들었다. 지금까지는 특히 강도가 요구되는 보디 골격 부품에 고장력 강판 Hot Stamp재(열간 프레스재)를 사용해 왔지만 앞으로는 ‘탈탄소’를 진행하면서 충돌 안전 성능을 유지/강화하는 것이 요구된다.

도요타자동차는 신형 ‘프리우스’에서 탈 핫 스탬프를 단행했다. 마쓰다는 LCA(Life Cycle Assesment) 관점에서 탈 탄소 효과를 검증하고, 핫 스탬프재와 고장력 강판의 냉간 프레스재를 구분한다.

닛산자동차는 신형 ‘세레나’의 보디 골격에 소재 제조 공정에서 이산화탄소(CO₂) 배출량을 줄인 ‘그린 강재’를 적용한다. 중장기적으로는 소재는 ‘그린 강재’, 성형법은 ‘냉간 프레스’의 조합이 늘어날 것으로 보인다.

Part 1. 소재 배틀 재연(再燃)
탈탄소와 충돌 안전 성능을 양립

탈탄소 관점에서 보디 골격에 사용하는 고장력 강판의 주도권 경쟁이 다시 치열해졌다. 충돌 안전 성능을 유지/향상시키면서 제조 공정의 탈탄소를 얼마나 진행시키느냐가 포인트다.

도요타자동차는 신형 ‘프리우스’의 하이브리드차(HEV)부터 ‘탈 핫 스탬프’를 단행했다. 골격 부품에 사용하는 소재를 만들 때 탈탄소 관점에서 ‘그린 강재’를 적용하려는 움직임도 나타났다.

자동차의 보디 골격을 만들 때 배출되는 CO₂를 어떻게 줄일 것인가? 소재(강재) 제조 공정부터 골격 부품 제조 공정까지의 ‘탈 탄소’ 관점에서 고장력 강판의 열간 프레스재(핫 스탬프재)와 이 강판의 냉간 프레스재의 주도권 다툼이 다시 격해졌다.

도요타자동차는 23년 1월에 출시한 신형 프리우스 HEV부터 탈탄소를 단행했다. 선대차의 보디 골격으로 사용하고 있던 핫 스탬프재를 냉간 프레스재로 바꿨다.

그동안 핫스탬프재는 소재를 가열한 뒤 프레스 성형해 골격 부품을 만들기 때문에 생산성은 좋지만 냉간 프레스재보다 제조 원가가 높은 것으로 알려졌다. 가열 공정이 필요 없는 냉간 프레스재는 핫스탬프재보다 제조 비용을 억제할 수 있지만 고강도 골격 부품을 만들기 어렵다는 과제가 있다. 이 때문에 제조 비용은 늘어나지만 냉간 프레스재로 만들 수 없는 골격 부품은 핫스탬프재를 사용해 왔다.

반면 도요타는 신형 프리우스의 바디 골격에 냉간 프레스재를 사용해도 제조 비용은 핫스탬프재와 크게 다르지 않은 것으로 나타났다고 한다. 비용을 줄일 수 없음에도 불구하고 제조 공정에서의 탈탄소를 중시해 핫스탬프재의 사용을 그만두는 결단을 내렸다.

-- CO2 배출량을 연간 868톤 삭감 --
신형 프리우스에서는 당김 강도가 1.5GPa급 핫스탬프재를 사용하고 있던 선대차 바디 골격 부품을 1.5GPa급 냉간 프레스재로 바꿨다. ‘탈 핫스탬프’로 인해 이 차량에서만 1년간 CO2 배출량을 868t(톤) 삭감할 수 있다고 도요타는 시산한다.

신형 프리우스는 도요타의 차량 설계/개발 기법 'TNGA(Toyota New Global Architecture)'에 기반한 플랫폼(PF) '2세대 GA-C'를 최초 적용한 차량이다. 도요타자동차 Toyota Compact Car Company TC 바디 설계부의 니와타(庭田) 씨는 “1세대 GA-C를 적용하는 차량에 대해서는 전면 개량 시기에 맞춰 탈 핫스탬프를 진행한다”고 설명했다.

-- 성형법 개량으로 과제 해결 --
또한 GA-C 적용 차량뿐만 아니라 중형차용 PF ‘GA-K’ 적용 차량 등 TNGA를 기반으로 개발한 PF를 적용하는 모든 도요타 차량이 탈 핫스탬프의 대상이다. 고급 브랜드인 렉서스 차량도 대상에 포함된다.

단지 렉서스 차량에서는 중형 SUV인 신형 ‘RX’의 센터 필러에, 2.0GPa급 핫 스탬프재를 사용하고 있다. 현시점에서 2.0GPa급 냉간 프레스재는 실용화되지 않았다. 이 점에 대해 니와타 씨는 “2.0GPa급 핫스탬프재를 사용하지 않고도 1.5GPa급 냉간 프레스재와 골격 구조 개량을 통해 세계 충돌안전기준에 대응할 수 있다”라고 밝혔다.

1.5GPa급 냉간 프레스재를 이용한 신형 프리우스 골격 부품 제조는 후타바산업과 도요타철공(아이치현)이 담당. 소재는 JFE스틸에서 조달했다. 1.5GPa급 냉간 프레스재의 최대 과제는 성형 시 스프링백을 얼마나 억제하느냐이다.

‘주름살’이나 ‘갈라짐’의 방지 대책도 필요하다. 참고로 스프링백이란 프레스 성형 후 부품이 원래의 형태로 돌아가려고 하는 현상을 말한다. 강재의 강도가 높을수록 스프링백의 양은 많아진다.

이러한 과제에 대응하기 위해서 부품 표면에 ‘비드’(홈과 같은 요철)를 붙이는 등의 방법으로 스프링백의 양을 줄여 치수 정밀도를 높였다. 니와타 씨는 “시뮬레이션 기술의 향상도 기여했다”라고 말한다.

-- CO2 줄이면서 비용을 중시 --
마쓰다는 새로운 PF인 ‘스몰’과 ‘라지’를 적용하는 신세대 상품군에서는 강판을 주체로 한 보디 골격 구조를 선택했다. 이들 차량의 골격 부품을 제조할 때 나오는 CO2의 양을 줄이면서 핫스탬프재와 냉간 프레스재를 ‘최적으로 사용하는 것’이 기본적인 생각이다.

앞에서 말한 바와 같이 핫스탬프재는 냉간 프레스재보다 생산성은 좋으나 제조 비용이 높다. 한편, 냉간 프레스재는 제조 비용을 줄일 수는 있지만 가공이 어렵기 때문에 생산성이 핫스탬프재보다 나쁘다.

마쓰다 차량개발본부 바디개발부의 야마자키(山崎) 씨는 “기본은 냉간 프레스재이지만 골격 부품 마다 핫스탬프재와 냉간 프레스재를 구분해 사용한다. 비용적인 이점이 있는 쪽을 사용한다”라고 밝힌다.

핫스탬프재에 대해서는, 열간 프레스 성형 시의 ‘다수 캐비티(Multi Cavity)’나 ‘패치워크 공법’, ‘열간 트림 가공’과 같은 비용을 억제할 수 있는 기법을 이용해 메리트를 검토하고 채택 여부를 결정한다고 한다. 이러한 생각에 근거해, 예를 들면 라지 PF를 적용하는 중형 SUV ‘CX-60’의 바디 골격에서는 부품에 따라서 핫스탬프재와 냉간 프레스재를 구분해 사용하고 있다.

한편, CO2 배출량의 관점에서 보면 핫스탬프재는 골격 부품의 성형 공정(가열 공정)에서 CO2를 배출한다. 냉간 프레스재의 경우는 가열이 필요 없기 때문에 성형 공정에서의 CO2 배출량은 핫스탬프재보다 적다. 다만 철강업체의 강재 제조 공정(필요한 강도를 내는 열처리 공정)에서 CO2를 배출한다.

그 때문에 현재로서는 강재 제조부터 골격 부품 제조까지 종합적으로 보면 ‘핫스탬프재가 냉간 프레스재보다 CO2를 많이 배출한다’고 단언할 수는 없다. 마쓰다는 이 점에 대해 철강업체와 공동으로 검증해 나갈 방침이다.

-- 강판 제조 시의 CO2 배출량을 줄인다 --
골격 부품의 제조 공정뿐만 아니라 골격 부품 용 강재를 만드는 공정부터 CO2 배출량을 줄이려는 움직임도 나타났다. 닛산자동차는 ‘그린 강재(제조 공정에서의 CO2 배출량을 줄인 강재)’를 중형 미니밴인 신형 ‘세레나’ HEV에 처음 탑재했다.

그린 강재는 향후 다른 차종의 바디 골격에도 적용할 계획이다. 핫스탬프재와 냉간 프레스재 모두 그린 강재로 만들 수 있기 때문에 기본적으로는 어느 골격 부품에도 적용은 가능하다고 한다.

닛산이 채용한 그린 강재는 고베제강소가 공급한다. 이 강재는 고베제강소가 보유한 ‘MIDREX’라는 기술을 이용해 기존 제품과 동등한 품질을 담보하면서 제조 공정의 고로에서 배출되는 CO2를 20% 줄인 소재다.

실제로 줄일 수 있는 CO2 배출량은 20%이지만 '매스 밸런스 방식'을 적용함으로써 영국의 제3자 기관으로부터 'CO2 배출량 100% 삭감'을 인정받았다. 일반 강재에 비해 재료비는 비싸지지만 닛산은 골격 부품용 소재를 만드는 공정에서 나오는 CO2 배출량의 삭감을 중시해 채택하기로 결정했다.

여기서 말하는 매스 밸런스 방식이란 강재 제조 시의 CO2 삭감 효과를 특정 강재에 할당하는 것을 말한다. 예를 들면, 1t의 강재를 만들 때 CO2 배출량을 20% 줄일 수 있다면 1t의 강재 중 20%(200kg)의 강재는 ‘CO2 배출량 제로’로 인정된다. 매스 밸런스 방식을 적용하면 200kg분의 강재가 그린 강재로 취급된다.

-- 미래에는 그린 강재와 냉간 프레스? --
고로 대기업인 일본제철과 JFE스틸도 그린 강재 양산을 추진하고 있다. 양사는 고베제강과 마찬가지로 매스 밸런스 방식에 의한 이 강재의 공급을 계획한다. 생산에는 현행 고로뿐 아니라 전로의 이용도 검토하고 있다.

자동차 회사들이 그동안 보디 골격에 핫스탬프재를 사용해온 배경에는 엄격해지는 세계의 충돌 안전 기준에 대한 대응이 깔려 있다. 충돌 시의 충격 하중으로 승무원실을 변형시키지 않기 위해 특히 강도가 필요한 골격 부품에는 핫스탬프재를 적용해왔다.

다만 앞으로는 충돌 안전 성능을 유지/향상시키면서 탈탄소를 진행해야 한다. 당장 핫스탬프재가 보디 골격에서 없어지지는 않겠지만 중장기적으로는 ‘소재는 그린 강재’ ‘가공법은 냉간 프레스’의 조합이 늘어날 것으로 보인다.

Part 2. 1.5GPa급 냉간 프레스재의 벽
4개의 대책으로 극복한다

마쓰다는 바디 골격의 제조 공정에서 탈탄소를 진행하면서 고장력 강판을 적재적소에서 사용할 계획이다. 핫스탬프재와 냉간 프레스재에 대해서는 비용이 싼 쪽을 선택하는 것이 기본적인 생각이다. 다만 고강도 냉간 프레스재를 바디 골격에 적용하려면 가공의 어려움을 극복할 필요가 있다. 마쓰다는 4가지 대책으로 그 벽을 뛰어넘어 신형차 ‘CX-60’에 1.5GPa급 냉간 프레스재를 적용했다.

Part 3. 소재 제조 시의 CO2를 줄인다
닛산, 그린 강재를 첫 적용

닛산자동차는 신형차의 바디 골격에 저탄소 강재(그린 강재)를 적용하기로 했다. 바디 골격에 사용하는 강재의 제조 공정에서 CO2 배출을 줄이는 것이 목적이다. 그린 강재는 중형 미니밴 신형 '세레나'부터 사용하기 시작해 다른 차종으로도 넓힐 계획이다. 신형 세레나에서는 그린 강재를 최초 적용하면서 바디 골격을 개량해 충돌 안전에 대응했다.

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