마르텐사이트 AHSS 강종이 자동차 산업에 적용되고 있습니다

자동차 설계자는 마르텐사이트 강의 제조, 성형 및 사용과 관련하여 앞으로의 발전에 대해 무엇을 알아야 할까요?

철강 산업의 40년 베테랑인 Kenneth Olsson과의 인터뷰에서는 다음을 다룹니다:

  • 더 두꺼운(최대 4 mm) 마르텐사이트 강종의 동인인 이용한 배터리 전기 자동차.
  • 1500 MPa 마르텐사이트 강으로 제작된 3D 형상의 부품 설계를 확장하는 새로운 냉간 스탬핑 (롤 성형 대신) 기술.
  • 자동차 제조업체들이 더욱 간편해진 냉간성형용 마르텐사이트 강을 이용하여 일부 PHS와 고강도 DP 강종을 대체하는 방법.
  • 1900 MPa 마르텐사이트강 개발에 대한 수요가 현재 충분히 있습니까?

Kenneth Olsson은 마르텐사이트 및 기타 AHSS 강종 개발 분야에서 근무한 10년을 포함하여 35년간 SSAB에서 일해 왔습니다. Kenneth는 현재 SSAB의 자동차 사업 개발 전문가입니다.

SSAB는 어떻게 유럽 최초로 자동차 제조업체에 마르텐사이트 초고장력강(AHSS)을 제공하게 되었습니까?

당사가 어닐링 라인에 지속적으로 투자해 온 유럽 최초의 제철업체였기 때문입니다. 당사는 그 당시 앞서 있던 일본의 어닐링 기술을 사용하기로 결정했습니다. 당사의 연속 어닐링 라인은 냉각수 퀜칭을 사용하여 냉각 속도가 매우 높고, 손쉽게 마르텐사이트 강을 만들 수 있습니다. 수년 동안 우리는 유럽에서 이러한 강종들을 개발 및 생산할 수 있는 유일한 제강사였습니다. 우리는 정말로 마르텐사이트 선구자입니다.

새로운 마르텐사이트 강에 대한 자동차 제조업체의 반응은 어땠습니까?

이 강종은 완전히 새로웠기 때문에 시장은 매우 망설였습니다. 마르텐사이트 강의 경우 미국의 한 생산업체와 SSAB만 있었습니다. 그게 전부였어요. SSAB 마르텐사이트 강의 첫 번째 용도는 예를 들어 과자 제조업체에서 사용되는 내마모성이 높은 컨베이어 벨트였습니다. 그 다음에는 발가락 보호용 안전화에 사용되었습니다.

신발 발가락 부위와 과자용 컨베이어요?

처음에는 그렇습니다. 그런데 그 다음으로 약 30여개의 세계 철강 생산업체들이 차량을 더욱 가볍고 안전하게 만들자는 공동의 목표를 위해 협력하기 시작했습니다. ULSAB, 즉 초경량 차체 프로젝트가 마르텐사이트 강을 포함하여 AHSS를 더 많이 사용하게 하는 데 실제로 커다란 도움이 되었습니다. 우리는 마르텐사이트 강이 어떻게 자동차 충돌 성능을 개선하고, 무게를 줄이며, 매우 비용 효율적인 소재가 될 수 있는지를 보여 주었습니다.

일부 자동차 제조사들이 성형성에 대한 우려 때문에 마르텐사이트 강 사용을 꺼려하는 경우가 있었습니까?

예. 최초의 SSAB 마르텐사이트 강종은 인장강도가 1400 megapascal (MPa)이고 항복강도는 1150 MPa였습니다. SSAB의 초고장력강 작업에는 실제로 두 가지가 있습니다. 첫째로 이러한 강하고 가벼운 강종을 만드는 방법을 찾아야 하며 둘째로 자동차 OEM 업체와 1차 공급업체인 소비자들에게 AHSS 설계를 시뮬레이션한 다음 성형하고 접합하는 방법에 대해 교육해야 합니다.

마르텐사이트 강 접합에 관한 자동차 제조업체들의 우려는 무엇이었습니까?

실제로 Docol® 마르텐사이트 강은 성분조성이 매우 린(lean)하지만 여전히 약간의 합금과 탄소가 함유되어 있습니다. 따라서 용접 매개변수를 적절하게 설정해야 합니다. 예를 들어 마르텐사이트 강을 사용할 때에는 연성 스폿 용접 방법을 이해해야 합니다. Docol 마르텐사이트 강은 초고장력(UHSS) 등급에 속하고 핫스탬핑 강으로도 알려진 프레스 경화강(PHS)과 일정 정도 경쟁 관계에 있습니다. 그렇지만 PHS 강종은 합금과 탄소 함유량이 더 높기 때문에 Docol 마르텐사이트 강보다 PHS 용접이 더 복잡합니다.

SSAB는 냉간성형된 마르텐사이트 강에 중점을 두기로 신중한 결정을 내렸습니다, 맞나요?

예. 그렇지만 SSAB는 물론 프레스 경화강도 제공합니다. 일부 자동차 OEM 업체들은 핫스탬핑에 더 익숙하기 때문에 고객을 확보할 수 있어 기쁩니다. 그렇지만 프레스 경화강은 프레스 라인에서, 또는 프레스 라인에 앞서 용광로에서 900°C로 가열해야 합니다. 그런 다음 핫 스탬프를 찍은 다음 공구에서 부품을 급냉시켜야 합니다. 따라서 PHS는 유사한 고강도 성능에 도달하기 위해서는 냉간성형된 마르텐사이트 부품보다 훨씬 더 복잡하고, 더 느리며, 더 비싸고, 에너지 소비가 많은 공정을 거쳐야 합니다.

그렇다면 일부 OEM 업체들은 냉간성형보다 핫스탬핑을 선호하는 이유는 무엇일까요?

PHS가 900°C로 가열되면 매우 연질이어서 매우 쉽게 성형할 수 있습니다. PHS는 프레스 경화 과정에서 마르텐사이트 강의 미세구조를 갖게 됩니다. 반면 SSAB는 정밀 제어 시스템의 제강소에서 열처리를 할 경우 장점이 있다고 생각합니다. 그런 다음 열처리된 마르텐사이트 코일을 고객에게 보내고, 고객은 이 코일을 실내 온도에서 콜드스탬핑 처리를 할 수 있습니다. 고객의 처리 단계가 줄어듭니다. 그렇지만 다른 고장력강과 마찬가지로 냉간성형용 마르텐사이트 강의 경우 고객은 스프링백을 이해하고 문제를 해결할 수 있어야 합니다 - 이 부분에서 당사는 고객에게 도움을 줄 수 있습니다.

Kenneth Olsson
Kenneth Olsson SSAN의 자동차 사업 개발 전문가.

잠시 역사를 되돌아보자면, SSAB는 1993년에 첫 번째 마르텐사이트 1400 MPa 강종을 선보였습니다. SSAB는 마르텐사이트 라인을 다른 고강도 강종들로 어떻게 확장하기로 결정했습니까?

SSAB는 1200M 제품 다음으로 1400M 제품을 개발했습니다. 미국의 경우, General Motors는 다른 OEM 업체보다 빨리 범퍼 보강재, 측면 충격 빔 및 일부 시트 구조 구성품과 같은 롤 성형된 구성품에 마르텐사이트 강을 사용하기 시작했습니다. 그렇지만 GM과 그 이후 Ford와 Chrysler는 900 MPa, 1100 MPa, 1300 MPa, 1500 MPa, 그리고 끝으로는 1700 MPa의 인장 강도를 원했습니다. 따라서 SSAB는 소재에 대한 고객의 요구사항에 맞춰 사업을 조정했습니다. 당사의 최신 강종인 1700 MPa 마르텐사이트 강은, 예를 들어 Shape Corporation에서 2020년 Ford Explorer 루프 레일을 제작하는 데 사용되었습니다.

SSAB는 마르텐사이트 강도를 더 높일 계획이 있습니까?

냉간성형이 가능한 1900 MPa 마르텐사이트 강종을 개발할 수 있지만 이에 대한 고객의 관심이 있어야 합니다. 일부 고객은 이미 1900M에 대해 당사에 이야기하고 있습니다. 그렇지만 우리는 고객들이 자동차용 AHSS 강종의 진화를 어떻게 보는지도 알고 있습니다. 당사의 현재 마르텐사이트 강종은 몇 해 전에 개발되었으며, 독일 자동차 산업 협회인 VDA와 미국 자동차 엔지니어 협회인 SAE와 같은 OEM 표준과 지역 표준을 각 강종에 맞게 정립하려면 시간이 어느 정도 시간이 필요합니다. 그렇지만 특정 강종에 대한 표준이 마침내 확정되면, 고객들은 해당 강종의 가용성에 대한 추가적인 확신을 갖게 됩니다.

자동차 OEM 업체 또는 1차 공급업체들이 1900 MPa의 마르텐사이트 강을 원하게 되는 주요 동인은 무엇입니까?

동인은 당연히 훨씬 가벼워진 무게입니다. 하지만 1700M 제품이 고객과 표준 측면 모두에서 이제 막 입지를 굳히고 있어 향후 수년 내에 1900M이 등장할 것이라고는 예상하지 않습니다. 현재 1500M에 많은 초점이 맞춰져 있는데, 이 제품은 전통적으로 직선 또는 곡선 프로파일용으로 롤 성형되었습니다. 

1500 MPa 마르텐사이트 강으로 자동차 구성품을 성형할 수 있는 다른 방법이 있습니까?

예. 일본인들은 롤 성형보다 콜드스탬핑에 더 중점을 두고 있는 경향이 있으며, 강도가 더 높은 강종을 위한 새로운 콜드스탬핑 기술을 소개하고 있습니다. 이는 큰 진전입니다. 롤 성형으로 제조된 직선 또는 곡선 프로파일보다는 콜드스탬핑된 프로파일이 일종의 3차원 제품처럼 보일 수 있습니다. 일본의 모든 자동차 OEM 업체들은 현재 개발 중인 차량에 1500 MPa의 콜드스탬핑된 부품을 적용하려고 한다고 말할 수 있습니다.

롤 성형은 불가능하지만 마르텐사이트 강으로 콜드스탬핑하여 제작할 수 있는 구성품으로는 어떤 것이 있나요?

예를 들어, B 필러 보강재는 롤 형성이 어려운 형상으로 되어 있습니다. 그리고 힌지 필러 보강재는 일반적으로 냉간 스탬핑은 가능하지만 롤 성형은 불가능한 3D 형상으로 되어 있습니다.

SSAB는 Docol 1500M 제품을 콜드스탬핑과의 호환성을 개선시킬 계획을 갖고 있습니까?

예, 약간 수정된 버전이 나올 수도 있습니다. 롤 성형에서는 인장 강도에 비해 항복 강도가 더 높은 것이 유리합니다. 콜드스탬핑에서는 형상을 갖춘 부품의 곡선 부분에서 스프링백을 제어하기 위해 항복 강도가 더 낮은 것이 더 좋습니다.

따라서 SSAB는 고객이 당사의 철강을 어떻게 성형하고자 하는지 완벽하게 이해해야 합니다.

맞습니다. 그렇기 때문에 우리는 항상 고객에게 우리를 고객의 설계 과정에 조기에 참여시키도록 권장하고 있습니다, 이를 통해 우리는 고객의 우려 사항을 보다 잘 이해하게 되고, 고객의 요구사항을 충족시킬 수 있습니다. 예를 들어, 일부 자동차 제조업체는 마르텐사이트 강, 특히 전기아연 도금 마르텐사이트 강을 사용하는 데 있어 다소 보수적이었는데, 그 이유는 수소 취성으로 알려진 지연 파괴에 대해 우려하고 있었기 때문입니다. SSAB의 전기아연 도금 마르텐사이트 강은 매우 특별한 장점을 갖고 있습니다. 우리는 조성성분을 매우 린(lean)하게 시작하면서 아연도금 공정을 매우 정밀하게 제어하여 지연 파괴의 가능성을 방지합니다. 당사의 기술은 매우 안전하고 인정받고 있습니다.

자동차 설계에서 마르텐사이트 강은 알루미늄과 어떻게 경쟁합니까?

알루미늄은 고급 자동차를 만드는 OEM에게 매우 인기가 많았습니다. 그렇지만 알루미늄과 마르텐사이트 강과 같은 초고장력강의 조합을 흔히 볼 수 있습니다. 다시 말해서 최적화된 차체는 충돌 에너지를 흡수하지 않는 노출된 패널에는 알루미늄을 사용하고, 충돌 및 에너지 흡수 부품에는 최대한 강한 AHSS 강종을 사용하는 조합으로 이뤄져 있습니다.

고급 차량이 아닌 양산 차량은 어떻습니까?

AHSS 강종을 사용하면 무게는 알루미늄과 거의 동일하지만 비용의 절반도 채 되지 않습니다. 비용이 핵심이 되는 차량 모델에서는 OEM 업체들은 각 모델에 점점 더 많은 AHSS 강종을 사용하고 있습니다.

SSAB의 Docol 마르텐사이트 강은 그 외의 다른 강종들과 어떻게 다른가요?

장기간에 걸친 마르텐사이트 강 개발 및 생산 경험을 통해, 우리는 합금 성분을 가장 적게 사용할 수 있도록 최고의 냉각 속도를 적용하는 기술을 포함한 당사의 공정 기술을 완벽하게 구현할 수 있게 되었습니다. Docol 마르텐사이트 강의 화학적 조성은 대부분의 경쟁사들보다 훨씬 더 린(lean)하여 보다 수월하게 용접할 수 있고 지연 파괴에 대한 내구성도 더 강합니다. 앞서 언급했듯이 Docol 마르텐사이트 강의 아연 도금 강종은 지연 파괴 문제를 해결하는 것으로 높은 평가를 받고 있습니다. 그뿐만 아니라 SSAB에는 제품 개발 분야에서도 매우 숙련된 전문가들이 많이 있으며, 고객들의 마르텐사이트 강 사용 방법에 대한 이해를 돕기 위해 KSC(지식 서비스 센터)를 두고 있습니다. 예를 들어 자동차 구성품의 성형 시뮬레이션 방법에 대해 알려 줍니다. 또는 마르텐사이트 접합 방법도 알려 줍니다.

자동차 OEM 업체들은 마르텐사이트 강을 사용하기 위해 제조 공정을 어떻게 발전시키고 있습니까?

1000 Mpa 이하의 2상 조직강을 사용했던 몇몇 OEM 업체들이 강도를 높이기 위해 곧장 핫스탬핑으로 전환하는 경우도 있었습니다. 그렇지만 이제 이 업체들은 마르텐사이트 강 콜드스탬핑을 사용하고 있습니다.

그밖에도 현재 개발중인 Docol 마르텐사이트 강이 있습니까?

앞서 강도 향상에 대해 얘기한 바 있지만 제품을 개선하는 방법으로 마르텐사이트 강을 더 두껍게 만드는 방법도 있습니다. 당사의 냉간압연 및 연속 어닐링 처리된 기존의 마르텐사이트 강은 최대 두께가 2.1 mm입니다. 당사의 열간 강대 설비에 최근에 설치된 냉각 라인을 사용하여, 열간 성형 공정에서 바로 퀜칭되는 열간압연 마르텐사이트 강도 생산할 수 있으며, 이때 두께를 최대 4 mm까지 만들 수 있습니다. 두께가 4 mm인 1200 MPa Docol 마르텐사이트 강은 현재 고객에게 공급할 수 있습니다. 그리고 그 다음으로 더 두꺼운 열간압연 1500M 제품을 개발하고 있습니다.

Ford용 Shape 루프 박스
Ford용 Shape 루프 레일.
Shape MonoLeg 범퍼 빔
Shape MonoLeg 범퍼 빔.

자동차 설계자는 두께가 더 두꺼운 새로운 Docol 마르텐사이트 강을 어떻게 사용할 수 있을까요?

배터리 전기 자동차에서 BEV, 배터리 및 보호 인클로저는 무게가 최대 800 kg에 달할 수 있습니다. 따라서 전기차는 더 강력한 보호 빔이 필요합니다. 전기차는 사용되는 강재의 강도를 높이거나 강재 두께를 늘리거나, 아니면 두 방법 모두 사용하면 더 강하게 만들 수 있습니다.

두꺼운 마르텐사이트 강을 사용할 수 있는 그 외 다른 분야는?

또한 몇몇 새롭고 더욱 엄격한 충돌 규정도 있기 때문에, 예를 들어 범퍼에 더 두꺼운 마르텐사이트 강을 사용하는 것이 유익할 수 있습니다. 그러나 전기 자동차의 무거운 무게는 더 두꺼운 마르텐사이트 강종을 사용하게 되는 주요 동인이 됩니다 - 충돌과 관련된 모든 자동차 부품은 더 강하게 제작되어야 합니다. 따라서 일부 부품 설계에는 최대 2.1 mm인 기존 두께의 경우 (인장) 강도가 더 높은 마르텐사이트 강종이 필요합니다. 현재 1200 Mpa의 인장 강도로 구입할 수 있고, 두께가 더 두꺼운(최대 4 mm) 새로운 마르텐사이트 강종을 사용하거나 현재 개발중이고 두께가 더 두꺼운 1500M 제품을 사용하면 다른 설계에도 유용할 수 있습니다.

EV 배터리 인클로저 프로토타입.
EV 배터리 인클로저 프로토타입.

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