자동차용 강철의 진화와 미래: 고대 공예에서 현대 공학까지

소개: 자동차용 철강 의 중요성

철강을 사용하여 자동차 현대인들에게 기본적인 상식입니다. 그러나 많은 사람들이 자동차 철강에 대한 이해 여전히 멈추고 저탄소 강철에서 양쪽 모두 강철이지만, 오늘날의 자동차 강철은 많이 수십년 전보다 더 낫죠 지난 몇 년 동안 자동차용 철강에 대한 연구에서는 큰 발전이 있었습니다. 이제 자동차용 철강판은 더 얇습니다. 그리고 더 얇습니다. 강도와 철강의 경화 저항은 개선된 정말 많이요 - 오 카운터 새로운 재료의 영향, 많은 철강 회사들이 적극적으로 작업하고 있습니다 차량 경량 고강도 강철 개발 기업 그것 캔 경쟁할 수 있습니다 알루미늄 합금, 플라스틱 및 탄소섬유 강화 복합재료

제철소

1. 미정의 용어: "고강도 강철"

현대 자동차 시장에서 많은 브랜드들이 "고강도 강철"을 사용한다고 주장하지만, 이 용어에는 통일된 산업 표준이 없습니다. 강철 기술이 발전함에 따라 이 라벨과 관련된 강도 기준 역시 변화하고 있습니다. 상황은 "뉴", "풀 뉴", 또는 "넥스트 제네레이션" 버전으로 마케팅되는 차량 모델들과 유사합니다. 마케팅 부서에서는 300MPa 이상의 강철을 종종 "고강도"로 분류하지만, 이 범주에 속하는 다양한 강철들의 강도는 최대 100%까지 차이가 날 수 있습니다.

자동차용 강철에 대한 주제를 명확히 하기 위해서는 먼저 그 역사적 발전 과정을 이해해야 합니다.

중국 내 강철 발전

청동에서 철로: 중국의 혁신

강철은 중국의 춘추전국시대(기원전 약 770~210년)로 거슬러 올라가는 오랜 역사가 있습니다. 당시에는 청동이 주된 금속이었으나 내구성 있는 도구나 무기에는 너무 취약했습니다. 고대 중국의 공학자들은 블루밍 제련법(bloomery process)을 사용하여 부드럽고 덩어리 형태의 철을 생산하기 시작했습니다. 비록 당시 철제 도구가 청동에 비해 제한적인 장점만을 가지고 있었지만, 이는 이후의 금속공학적 혁신의 기반을 마련하게 되었습니다.

한나라 시기의 발전

한나라(기원전 202년~서기 220년)에는 풍상(벨로우즈)이 개선된 용광로를 사용하여 제련 온도를 높였고, 경도 조절을 위한 침탄 기술(carburizing technology)이 개발되었습니다. '교반 주조법(stir-casting process)'을 통해 금속공학자들이 전환로에서 용융된 철을 저어 합금 성분을 첨가할 수 있게 되었습니다. 불순물을 제거하기 위해 접합 및 단조(folding and forging) 기술과 결합된 이러한 방법들은 주로 무기에 사용되는 고품질의 철을 만들어냈습니다. 한나라 시대 무덤에서 발굴된 그러한 무기들은 광범위한 사용을 입증하고 있습니다.

당나라 시대의 숙련

당나라(서기 618–907년) 시기에 이르러 대장장이들은 철제품에 함유된 탄소량을 조절할 수 있었고, 이는 탄소 함유량이 0.5~0.6%인 강철을 제작하는 것이었으며, 이는 오늘날의 강철 정의와 일치한다. 경도와 인성을 동시에 최적화하기 위해 블레이드 샌드위치 기술과 같은 제조 기술도 개발되었다.

옥수로 된 손잡이의 철제 검

사진 속 철기 무기는 옥으로 된 손잡이를 가진 고대 중국의 철검입니다. 이는 당시 제련 기술이 매우 발달했음을 보여줍니다. 철제 무기는 널리 사용되었으며, 철검과 창, 화살 등 다양한 종류가 있었습니다. 철은 청동을 완전히 대체하였고 인류는 철기시대로 진입하게 되었습니다.

당나라 시대에 사용되던 강철 나이프 y

중국의 당나라 시기에 용광 및 단조 기술에는 변화가 없었다. 뚜렷하게 그러나 축적된 경험을 바탕으로 대장간에서는 철제품의 탄소 함유량을 조절할 수 있게 되었다. 대표적인 당나라 칼의 탄소 함유량은 약 0.5%에서 0.6% 사이로, 이는 강철의 범주에 속한다.

오늘날 제강에서는 탄소 함량 조절이 여전히 기본이다. 용도에 따라 탄소 함량을 조정하면 강철의 인성과 경도를 조절할 수 있다. 두 가지 특성을 모두 갖춘 날을 만들기 위해 고대 사람들은 클래딩(cladding) 및 샌드위치식 강철 같은 기술을 발명했다. 그러나 이는 본 문서의 범위를 벗어난다.

(제1차 산업혁명 )

제1차 산업혁명

제1차 산업혁명 입다 철 생산에서의 산업화 전환은 인간이 처음으로 철강에 대한 수요를 증가시킨 계기가 되었다. 증기기관의 발명은 인간을 무거운 육체 노동과 동력 생산에서 해방시켰으며, 연료로 구동되는 기계들은 인간의 생산성을 훨씬 더 높은 수준으로 끌어올렸다.

영국의 섬유 공장들은 증기기관과 강철로 만들어진 직기를 의존했다

(증기 기관차 )

철도 레일과 함께 증기 기관차 역시 강철의 주요 소비처 중 하나였다. 인 영국의 섬유 공장에서 여성들이 집단으로 작업하는 모습 는 대신 ~에 의해 시끄러운 철제 기계들. 유럽 대륙 전역에 걸쳐 철로가 깔리기 시작했다. 증기 기관차는 주요 교통 수단이던 그 마차를 점차 대체하기 시작했다. 도구. 그 이후로 인류는 더 이상 철 없이 생활할 수 없었고, 수요는 날로 증가하고 있다.

(제2차 산업혁명 당시 포드 모터의 첫 번째 조립 라인)

 제2차 산업혁명은 자동차와 철을 연결지었다  재질 .

(Xiaomi '새롭게 출시된 SUV: YU7)

현재 일부 고성능 차량들은 여전히 에 의한 철로 제작되고 있다. 제2차 산업혁명기에 자동차가 등장하자 철강 산업은 새로운 단계로 발전하게 되었다. 그 이후로 이 두 산업은 긴밀하게 연관되어 왔다. 현대 자동차가 더 이상 "메르세데스-벤츠 No. 1"과 비슷해 보이지 않더라도 자동차 제작에는 여전히 광범위하게 철이 사용되며, 심지어 일부 슈퍼카에도 사용된다.

자동차용 철강 강도 등급  

현대 자동차 차체에서 고장력 강판이 실제로 어떻게 사용되는지

현대 자동차에서 차체는 다양한 강도의 강판을 용접하여 제작된다. . 엔지니어들은 구조물의 각 부분이 견뎌야 할 응력 수준에 따라 적절한 강재 등급을 선택한다. 두꺼운 강철을 사용할 수 없는 고응력 부위에서는 초고강도 강판 이 적용된다. 말처럼, "가장 필요한 곳에 최고의 강철을 사용하라."

차체 강도 차트: 표시된 내용과 미표시된 내용

많은 자동차 제조사들이 고강도 강철 , 하지만 정확한 소재에 대해서까지 투명하게 공개하는 회사는 일부에 불과하다. 일부 브랜드는 차량 차체 구조도를 공개하기도 한다. , 하지만 대부분의 도표는 단지 강철이 적용된 일반적인 부위만을 강조할 뿐, 정확한 인장강도 값을 명시하지는 않습니다. 정확한 인장강도 값 . 연구개발 역량이 뛰어난 유명 브랜드일수록 그러한 기술 데이터를 공유하는 데 더욱 보수적입니다.

용어 이해하기

일본과 한국에서는 고강도 강판을 흔히 "고장력 강판"으로 언급합니다. 강판의 강도는 일반적으로 MPa(메가파스칼) 로 측정됩니다. 참고로 1MPa는 약 10kg의 힘(두 개 수박 무게)이 1제곱센티미터 넓이에 가해져도 물체가 변형되지 않는 정도의 압력입니다.

전략적 적용, 완전한 덮개 형태는 아님

차체 구조도를 분석해 보면 명확하게 알 수 있는데, 초고강도 강판 (예: 1000 MPa 이상)은 오직 충돌 방지 빔 및 핵심 보강 구역과 같은 특정 부품에만 사용됩니다. 차체의 대부분은 여전히 저항 또는 중강도 강판 으로 제작되는데, 이는 성형이 용이하고 비용 효율성이 더 높기 때문입니다. 이러한 선택적 사용은 기능적 요구사항과 제조상의 제약 조건을 모두 고려한 결과입니다. .

마케팅 슬로건에 현혹되지 마세요.

다음과 같은 문구를 접할 때에는 "당사의 차체에는 1000 MPa급 고장력 강철이 사용되었습니다." 정확하게 해석하는 것이 중요합니다. 이는 전체 차체가 그러한 고급 소재로 만들어졌다는 의미는 아닙니다. 대부분의 경우, 충돌 강도 수준이 높은 부분은 문 충격 보강대와 같은 국소적인 부위에 한정됩니다. 나머지 차체 구조는 일반적으로 안전성, 비용, 제작성을 고려하여 다양한 소재를 혼용해 설계됩니다. 문 충격 보강대 나머지 차체 구조는 일반적으로 안전성, 비용, 제작성을 고려하여 다양한 소재를 혼용해 설계됩니다.

 3, 스탬핑 공법에 적합한 신개발 강재

차체 제작에는 주로 스탬핑 방식이 사용됩니다.
스탬핑 성형 후에도 금형에 남아 있는 차체 부품

재료 강도가 증가함에 따라 가공이 어려운 문제가 발생한다. 대부분의 승용차는 프레스 성형, 즉 금형을 사용해 재료를 눌러 형태를 만드는 방식(플레이도우를 빚는 것과 유사)으로 제작된다. 그러나 자동차용 강판의 강도가 높아지면서 프레스 공정에 대한 요구사항이 보다 까다로워지고 있다. 또한 다수의 깊게 그릇 모양으로 성형하는 부품들이 있어 재료가 균열 및 주름이 생기기 쉬운 상태이다. 예를 들어, 코너 부분은 프레스 성형 시 가장 '사각지대(Dead corner)'가 발생하기 쉬운 위치이며, 이 부위에서는 찢어짐과 주름 현상이 일반적으로 일어난다. 이는 강판을 프레스할 때 신장현상과 금형과의 마찰 등의 문제가 항상 존재함을 의미한다. 이러한 요인들은 내부 응력 또는 표면 손상으로 인해 프레스 부품에 결함을 초래하게 된다.

(자동차 차체 구조용 강재)

판재 두께 감소 분포  

위와 같은 상황을 피하기 위해 제조사는 스탬핑 중 시트의 변형을 연구하여 파열을 방지해야 합니다. 하지만 항상 강판의 강도가 높을수록 .측면 패널은 전체 차량의 가장 큰 스탬핑 부품이자 은 성형이 가장 어려운 구성 요소입니다. 따라서 제조사는 스탬핑 과정에서 발생하는 강판 내부 응력을 분석하여 누적된 내부 응력을 최대한 제거하려고 합니다. 한편, 대형 스탬핑 부품의 두께를 분석하면 강판의 어느 부분이 심하게 늘어났는지, 그리고 어떤 스탬핑 깊이가 강판이 파열되지 않도록 보장할 수 있는지를 파악할 수 있습니다.

신종 강판은 소재 강도가 높아 인한 프레스 성형 및 가공이 어려운 문제를 해결할 수 있습니다. 고강도 강판의 프레스 문제를 근본적으로 해결하기 위해 자동차 차체 제작에 신종 강판이 적용되고 있습니다. 이 강판의 조직은 부드럽고 인성이 좋은 페라이트를 기반으로 하여 경도가 우수한 마르텐사이트가 내포되어 있습니다. 프레스 성형 시 비교적 용이하며, 성형된 소재는 상당한 강도를 갖습니다.

(자동차 A필라 금속 판금 부품 )

일부 열처리된 고강도 구조 부품

B필라처럼 보강이 특히 필요한 위치에는 일부 제조사들이 열처리 공정을 사용합니다. 성형된 B필라는 가열 및 담금질을 거쳐 강재 내부의 결정 조직을 더욱 완벽하게 만듭니다. 이는 도자기 제작에서 진흙으로 형태를 만들고 가마에 넣어 굽는 과정과 유사합니다. 일반적으로 이러한 열처리된 부품은 검은 색상으로 나타납니다.

3.자동차용 강판의 내식성

(자동차 제조용 강철 코일 )

자동차는 저합금강을 사용하여 제조된다.

현재 자동차용 강판은 강철의 한 분류인 저합금강에 속한다. 이 강철의 대부분은 철 원소로 구성되며, 탄소, 규소, 인, 구리, 망간, 크롬, 니켈 등의 소량의 합금 원소가 포함되어 있다. 이러한 합금 원소들의 함량은 2.5%를 초과하지 않는다.

저합금강은 우수한 가공 성능과 강도를 갖추고 있으며 부식 저항성도 양호합니다. 일반 저탄소강은 자연 환경에서 적갈색의 산화층을 형성하는데, 이 산화층은 매우 다공성이 커서 흔히 '녹(rust)'이라 불립니다. 반면, 저합금강은 갈색을 띠는 밀도 높은 산화층을 생성하여 강재 표면에 단단히 밀착되며, 외부 환경으로부터 내부 강재의 추가적인 부식을 막는 장벽 역할을 합니다. 이러한 방청 메커니즘은 알루미늄 합금 및 아연 합금의 경우와 유사하지만, 저합금강이 안정된 보호 녹층을 형성하는 데에는 수년이 걸리며, 이 녹층의 색상은 옅은 노란색에서 갈색으로 변화합니다. 반면 알루미늄 합금은 거의 즉각적으로 보호 산화층을 형성합니다.

내후성 강판은 건물 외벽에 그대로 노출되어 사용되는 경우가 많습니다.

내후성 강판은 녹슨 층이 형성된 후 특수한 예술적 효과를 나타내므로 최첨단 디자이너들이 매우 선호하는 건축 자재가 됩니다.

이러한 특성으로 인해 저합금강은 내후성 강(기상 부식 저항 강)이라고도 불립니다. 내후성 강은 일반적으로 차량, 선박, 다리, 컨테이너 등의 제작에 사용되며 표면에는 보통 페인트칠을 합니다. 하지만 건축 장식에서는 노출된 상태로 사용하는 것을 선호하는데, 그 이유는 개방된 상태에서도 관통 부식 문제가 발생하지 않기 때문입니다. 또한 이 강재가 형성하는 갈색의 녹슨 층은 독특한 예술적 효과를 만들어내며, 용접된 내후성 강판은 특수 건물 외벽에 일반적으로 선택되는 자재입니다.

강판 성능의 향상으로 인해 자동차 제조사들은 방청 처리에 점점 더 소홀해지고 있습니다.

자동차의 경우, 많은 제조사들이 현재 '차체 아머(chassis armor)'라고 일반적으로 불리는 차대 고무 코팅을 점점 적게 사용하고 있습니다. 신차들의 차대는 대부분 강판이 그대로 노출되어 있으며, 공장에서 기본으로 도장한 프라이머와 외관 색상과 동일한 컬러 페인트만 칠해져 있는 경우가 많습니다. 이는 해당 차량들이 제조 과정에서 전기영동 프라이밍(electrophoretic priming)과 컬러 페인팅 공정만 거쳤음을 의미합니다. 단 앞바퀴 뒤쪽 스패터 영역에만 얇은 두께의 부드러운 고무 코팅이 덧입혀져 있는데, 이는 바퀴에 의해 튀겨 올라간 자갈이 차대 강판에 충격을 주는 것을 방지하기 위한 목적입니다. 이러한 변화들은 제조사들이 자사 제품의 부식 저항성능에 대해 자신감을 갖고 있다는 점을 반영하는 것으로 보입니다.

(차체 아머 )

샤오미 SU7 차대 보호판

정교한 기업에서는 플라스틱 차대 보호판을 설치합니다.

보호판 아래에는 간단한 처리만 된 강판이 여전히 있습니다. 일부 꼼꼼한 제조업체는 섀시에 플라스틱 보호판을 설치합니다. 이 보호판은 섀시 강판을 자갈 충격으로부터 보호할 뿐만 아니라 섀시 아래의 공기 흐름을 원활하게 합니다. 이 플라스틱 보호판 아래에는 섀시 강판이 프라이머 한 겹만 있습니다.

자동차용 강판은 무분별하게 사용되지 않습니다. 경영진이 비용 절감을 위해 내리는 결정은 종종 큰 이점을 포기하면서까지 작은 절약을 추구하는 결과가 되며, 기술자들은 사장님의 결정을 무시할 수 없습니다.

모든 것에는 예외가 있으며, 예외는 종종 중국에서 발생합니다. 몇 년 전, 신생 국내 브랜드 중 하나가 차량 제작에 저탄소강을 사용하다 보니 2년 만에 섀시가 부식되는 사례가 발생했으며, 최근 그러한 사례가 다시 나타나고 있습니다. 가끔 갑작스러운 리더의 결정은 정말 놀라운 결과를 초래하기도 합니다. 사업가들이 기술 논의에 개입할 때면 그 결과는 언제나 예측할 수 없는 방향으로 흘러갑니다.

자동차용 강판의 미래

현재 자동차용 강판 두께는 0.6mm까지 감소했으며, 이는 이미 강판 두께의 한계에 도달했다고 생각합니다. 강판이 더 얇아진다면 고강도라 하더라도 재료가 본래 가져야 할 구조적 안정성을 잃게 될 것입니다. 자동차용 강판은 이제 신소재들의 급격한 도전을 받고 있습니다. 철(Fe)의 원자량은 그 밀도를 바꿀 수 없게 하며, 두께를 얇게 해서 무게를 줄이는 방법은 이미 한계에 다다른 듯 보입니다. 알루미늄 합금은 현재 고급 차량들에서 점점 널리 사용되고 있습니다. 전면 구조물에 알루미늄을 적용한 올 알루미늄 SUV 및 5 시리즈, A6 등의 차량들은 이러한 트렌드를 보여주고 있습니다.