자동차용 초고장력강의 성형성과 기계적 설계 전략

자동차 산업은 경량화와 충돌 안전성이라는 상반된 목표를 동시에 달성해야 하는 과제를 안고 있습니다. 이 두 가지를 모두 만족시키기 위해 가장 주목받는 소재 중 하나가 바로 초고장력강(Ultra High Strength Steel, UHSS)입니다. 특히, 980MPa 이상의 인장강도를 갖는 제3세대 초고장력강은 기존의 연강 대비 월등한 기계적 특성과 우수한 에너지 흡수 능력을 제공하여, 차체 구조의 경량화와 충돌 안정성을 동시에 만족시킬 수 있는 재료로 부상하고 있습니다.

재료공학에서는 이러한 초고장력강의 특성을 정량적으로 분석하고, 다양한 성형 공정 및 기계적 설계에 적용하기 위한 전략을 수립하는 것이 핵심 과제로 다루어지고 있습니다.

이번 글에서는 금속재료학과 기계설계, 자동차공학, 성형공정학이 융합된 재료공학적 시각에서 초고장력강의 성형성과 설계 활용 전략을 체계적으로 정리하겠습니다.

 

 

 

재료공학에서 본 초고장력강의 분류와 조직적 특징

초고장력강(UHSS)은 일반적으로 항복강도(Yield Strength) 기준으로 550MPa 이상을 갖는 강종을 의미하며, 대표적으로 다음과 같이 분류됩니다.

• DP강(Dual Phase Steel): 페라이트와 마르텐사이트가 공존하며 높은 연신율과 항복비가 낮은 특징이 있어 에너지 흡수 능력이 우수합니다.
• TRIP강(Transformation Induced Plasticity Steel): 오스테나이트가 소성 변형 중 마르텐사이트로 변태하며 가공경화가 일어나는 고연신 강재입니다.
• CP강(Complex Phase Steel): 베이나이트, 마르텐사이트, 페라이트 등 복합조직으로 구성되어 균형잡힌 강도와 연성을 확보할 수 있습니다.
• MS강(Martensitic Steel): 마르텐사이트 조직이 주를 이루며, 매우 높은 강도를 지니지만 연성은 낮은 편입니다.
• Press Hardened Steel(PHS, 열간성형강): 열간성형 공정을 통해 1500MPa급 이상의 초고강도를 실현할 수 있으며, 복잡한 형상 성형이 가능합니다.

이러한 강재들은 모두 미세조직 제어를 통해 기계적 성능을 극대화하는 방식으로 개발되며, 재료공학적으로는 결정립 조절, 석출 강화, 고용 강화 등 다양한 기법이 병행되어 적용되고 있습니다.

 

초고장력강의 성형성 향상을 위한 공정기술 적용

초고장력강은 인장강도는 높지만 일반적인 냉간 프레스 공정에서는 균열 발생 가능성이 크고, 리턴 스프링(springback)이 심한 단점이 있습니다. 이에 따라 재료공학과 성형공정학에서는 다음과 같은 전략들이 연구되고 있습니다.

1. 열간성형(Hot Stamping)
   900~950℃로 가열된 강판을 프레스 금형에서 성형과 동시에 급랭하여 마르텐사이트를 형성시키는 공정입니다. 이 방식은 복잡한 형상 구현이 가능하고, 1500MPa 이상의 강도를 구현할 수 있어 A필러, B필러 등 충돌 하중이 집중되는 부품에 주로 적용됩니다.
2. Warm Forming
   상온과 열간 사이의 중간 온도(200~500℃)에서 성형을 진행하여 연성을 향상시키는 기술입니다. TRIP강 및 CP강에 적용될 수 있으며, 성형 균열을 줄이고 잔류 응력을 완화시킬 수 있습니다.
3. Tailor Welded Blank(TWB)
   서로 다른 강도나 두께의 강판을 용접하여 하나의 블랭크로 제작한 후 성형하는 방식입니다. 부품 내에서 필요한 위치에 따라 최적 강도를 분배할 수 있어 경량화와 충돌 성능을 동시에 달성할 수 있습니다.
4. 레이저 트리밍 및 스프링백 보정 기술
   성형 후 공차 보정을 위한 비접촉 가공 기술도 병행됩니다. 고강도 소재일수록 스프링백이 크므로 이를 제어하는 보정 해석 및 금형 설계가 필수적입니다.

 

기계공학적 시각에서 본 설계 최적화 전략

재료공학적으로 설계 최적화를 위해서는 성형성과 기계적 강도를 동시에 고려해야 합니다. 기계공학 및 자동차공학 설계 관점에서 다음과 같은 접근이 사용됩니다.

• CAE 기반 강도 해석 및 최적화
  초고장력강은 고강도 특성 때문에 기존의 연성 소재 설계 방식과는 달리, Finite Element Analysis(FEA)를 통한 고정밀 해석이 필수적입니다. 특히, 국부 좌굴(Local Buckling), 피로 균열(Fatigue Crack) 등의 발생을 예측하여 구조보강 여부를 판단해야 합니다.
• Spot Welding 및 접합 강도 고려
  강도가 높은 만큼 점용접이나 마찰교반접합(Friction Stir Welding, FSW) 등 접합 방식에서의 열영향과 강도 저하가 더 크게 작용하므로, 이들 연결부에 대한 설계 반영이 필요합니다.
• 에너지 흡수 성능 중심 설계
  차체 부품 중 충돌 에너지를 흡수해야 하는 영역은 연성이 강조되는 TRIP강, DP강을, 구조 보강을 위한 부분에는 MS강, PHS를 적용하는 방식으로 소재 분배 전략을 활용합니다.
• 리브(보강 형상) 및 곡률 최적화
  고강도 재료는 작은 반경에서도 균열이 발생할 수 있으므로, 곡률 반경(Radius of curvature)을 충분히 확보하고, 리브 설계로 보강하여 성형성 및 피로 수명을 확보하는 기법이 적용됩니다.

 

자동차 산업 내 초고장력강 적용 사례와 발전 방향

현재 초고장력강은 차체 프레임, 도어 임팩트 빔, 범퍼 빔, 차륜 하우징 등 다양한 부품에 광범위하게 적용되고 있습니다. 예를 들어 현대자동차의 고급 SUV 모델은 열간성형강(PHS)을 도입해 A필러 및 차체 골격 부위에 약 1500MPa급 강도를 구현하여 충돌 시 승객실 침입을 최소화하고 있습니다.

또한, BMW는 Tailored Blank와 레이저 용접 기술을 결합한 차체 구조 최적화를 통해 무게를 줄이면서도 측면 충돌 안정성을 향상시켰습니다. 이처럼 초고장력강은 재료공학적 고도화와 함께 자동차 설계 전략의 핵심으로 자리잡고 있고 최근에는 알루미늄 및 복합재와의 하이브리드 구조 설계 연구도 병행되고 있습니다.

향후 재료공학 분야에서는 나노결정 조직 제어, 유연한 상변태 조절(TRIP 효과 최적화), 고속 열간 프레스 공정의 자동화 등으로 초고장력강의 활용 가능성을 더욱 확장해나갈 것입니다. 특히, 전기차 시대에는 배터리 하부 충돌 안전 구조 확보를 위한 초고강도 강판 적용이 더욱 중요해질 것으로 예상됩니다.

 

초고장력강의 피로 수명과 내충돌 성능 확보 전략

초고장력강은 일반적인 정적 하중보다 반복적인 동적 하중이나 충돌 하중에서 재료 파손에 민감하게 반응합니다. 따라서 자동차 구조용 소재로 활용되기 위해서는 피로 수명(Fatigue Life) 및 충돌 시 에너지 흡수량과 잔존 변형량 등을 정량적으로 분석하는 것이 필요합니다.
재료공학에서는 이러한 내구 성능 향상을 위해 균일한 결정립 분포 및 결정립 미세화를 통해 균열 초기 발생을 억제하고, 탄화물 분포 제어 등을 통해 균열 전파 저항을 향상시키는 방식을 적용하고 있습니다. 특히, 미세조직 내 석출물이나 불균일한 응력 집중 부위가 피로 균열의 기점이 될 수 있으므로, 금속 조직의 정제(Purification) 및 강재 청정도가 중요하게 작용합니다.

실제로 DP강이나 TRIP강은 균일한 조직 및 높은 연신율 덕분에 균열 전파에 대한 저항성이 상대적으로 높고, PHS와 같은 열간성형강은 극한 하중 조건에서 매우 우수한 항복 특성을 보입니다. 이에 따라 충돌 해석 시에는 성형 후 잔류응력 및 가공경화 효과까지 반영한 비선형 동적 해석이 병행되어야 하며, 이는 기계공학과 재료공학 간 협업의 전형적인 예로 볼 수 있습니다.

 

탄소중립 시대의 재료 선택과 초고장력강의 미래 가치

최근 자동차 산업 전반에서 ESG(Environment, Social, Governance) 경영과 탄소중립(Carbon Neutrality) 목표가 가속화되면서, 소재 개발도 친환경성과 밀접한 관계를 갖게 되었습니다. 알루미늄이나 탄소섬유 강화 복합재(CFRP)는 경량화 측면에서 장점이 있지만, 제조 에너지와 재활용성 측면에서는 단점도 존재합니다.
반면 초고장력강은 기존 철강 제조 인프라를 활용하면서도 동일 강성 기준으로 더 적은 소재량으로 차체를 구성할 수 있어, 부품 수 감소, 차량 중량 절감, 연료 효율 향상 등의 친환경 효과가 있습니다.

또한, 최근에는 수소환원 제철(Hydrogen-based Steelmaking) 기술과 결합되어 초고장력강을 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 획기적으로 저감하려는 시도도 진행 중입니다. 따라서 재료공학은 이제 단순한 강도 설계뿐 아니라, 전과정평가(Life Cycle Assessment, LCA)를 통한 환경 영향 최소화까지 포함한 방향으로 확대되고 있습니다.
향후 재료공학의 역할은 자동차 경량화와 성능 확보를 넘어, 지속가능한 소재 순환 구조를 설계하는 데까지 확장될 것으로 기대됩니다.

 

 

초고장력강은 재료 자체의 강도 향상뿐 아니라, 이를 실제 부품에 적용하기 위한 가공성과 설계 전략의 융합적 최적화가 필수입니다. 재료공학은 기계적 성능의 근본이 되는 미세조직 설계와 성형 메커니즘을 규명함으로써, 자동차공학의 요구에 대응하는 혁신적 소재 개발을 견인하고 있습니다.

앞으로도 초고장력강의 진화는 단순한 강도 향상에 머무르지 않고, 열-기계적 특성의 정밀 제어와 전기차, 수소차 등 차세대 모빌리티 기술에 최적화된 형태로 진화해 나갈 것입니다. 이를 위해 재료공학, 기계설계, 생산공정기술의 통합적 협업이 더욱 강조되어야 합니다.