초고장력강

기아 스팅어(CK) 초고장력강판 적용부위

초고장력강(Advanced High Strength Steel, AHSS 또는 Ultra High Strength Steel, UHSS)의 사전적인 뜻은 연질의 조직에 경질조직을 첨가해 강도를 높인 것이다. 다양한 철 성분 중 최고 수준으로 높은 강도를 갖고 있다. 초고장력강 밑에 고장력강이, 고장력강 밑에 일반 강판이 존재한다. 초고장력은 일반강에서 탄소 비율을 2%로 줄였으며 양쪽 끝 부위에서 잡아당겨 버티는 힘인 인장강도를 향상시켰다. 세계 자동차 철강 협회(World Auto Steel)의 2021 AHSS 적용 지침에서는 AHSS 강종의 최소 인장 수준을 440 Mpa로 정했다.

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개요

초고장력 강판의 공식 국제 규격은 없다. 철강사에서 이름 붙이기 나름이다. 하지만 이렇게 되면 철강 제품들이 통일되지 못하는 문제가 발생한다. 따라서 세계 자동차 철강 협회(World Auto Steel)는 고장력 강판은 HSS(High-Strength Steels), 이보다 높은 강판(초고장력강)은 AHSS(Advanced High Strength Steel)로 정의하겠다고 공표했다. 이에 세계 최대 철강사인 아르셀로미탈 철강사를 포함한 많은 철강사들이 초고장력 강판을 AHSS로 표기하고 있다. 물론 이러한 표기법은 법적인 강제성이 없다. 때문에 일부 철강사들은 UHSS(Ultra High Strength Steel)라는 이름으로 초고장력 강판을 표기하고 있다. 얼트러(Ultra)라는 이름 때문에 어드밴스트(Advanced)보다 높은 등급 같아 보이지만 사실 동일한 개념이다. 단 수치는 보다 높은 수준을 요구하고 있는 것은 사실이다. 2016년 세계 자동차 철강 협회는 AHSS의 정의를 인장강도 590MPa, 환산시 60kg/㎟급 이상을 지칭하기로 약속했다. UHSS는 780MPa, 환산시 80kg/㎟급 강판으로 통용되고 있다. 트윕강이라고도 불리는 기가스틸의 기가는 강도를 측정하는 단위에서 따온 말로 기가스틸은 강판을 잡아당겼을 때 최대로 견딜 수 있는 인장강도가 1,000메가파스칼(MPa), 즉 1기가파스칼(Gpa) 이상인 초고강도강을 의미한다. 1기가 파스칼급 강판이라면 가로 10cm, 세로 15cm의 고작 손바닥만 한 크기로도 1톤가량의 준중형차 1,500대의 하중을 견뎌낼 수 있다는 이야기다.

강(Steel)은 ​철과 탄소를 기반으로 이루어진 합금을 말하며 탄소함량은 0.03~1.7%이며 탄소함량 2%미만인 철을 강이라 부른다. 탄소함량이 2% 미만인​ 강은 철(Iron)에 비해 성형성이 좋다. 그래서 열처리를 하거나 고강도의 첨가물을 넣어 항복, 인장 강도가 높은 강을 만든다. 그중 하나가 바로 초고력강이다. 자동차에는 여러 가지 재료가 사용되고 있는데 그 가운데서 가장 높은 비율을 차지하는 것이 바로 철이다. 이러한 철 재료는 자동차 중량의 60% 이상을 차지하고 있으며 특히 차체의 대부분이 사용하고 있다. 철은 지구상에서 많이 존재하고 가격도 안정적이며 가공성도 좋고 극소량의 성분을 추가하면 여러 가지 성질을 가진 재료를 만들어 낼 수 있는 것이 장점이다. 자동차에서는 무게가 중요한 만큼 소재 비중 대비 강도를 말하는 비강도를 중심으로 판단하는데 초고장력 강판은 알루미늄과 근접한 수준에 이를 수 있다.

항복점, 인장강도, 연신율

같은 탄소강 베이스의 철이라도 말하는 강도와 가공성에 따라 수많은 등급으로 분류가 된다. 기계적 물성치라고 부르는 것인데 쉽게 프레스 가공을 가정하여 기계(프레스)가 얼마나 힘을 주어야 가공이 가능한가를 의미한다. 기계적 물성치는 크게 3가지 요소로 구성된다. 항복점(Yield Point), 인장강도(Tensil Strength), 연신율(Elongation)을 각각 줄여서 YP, TS, EL 이라고 철강업계에서는 부른다.

항복점이란 말그대로 철강 조직이 항복을 하는 힘이다. 쉽게 말해서 프레스 가공을 위해서 필요한 최소한의 압력을 의미한다. 항복점을 넘어간 힘을 가하면 철강 조직의 비가역적 변형을 일으켜서 형태를 변형시킬 수 있다.

인장강도라는 당겨서 끊어지는 힘이다. 항복점을 넘겨서 계속 시편을 잡아당기면 어느 정도 늘어나다가 어느 순간 끊어진다. 인장강도는 바로 끊어지는 시점의 힘의 세기이다. 바꿔 말하면 프레스를 할 때 인장강도 이상의 힘을 가하면 철판이 찢어진다는 걸 말한다.

연신율이란 항복점과 인장강도 사이의 구간의 크기이다. 쉽게 말해서 원래 시편 대비 최대 몇 퍼센트 길이 방향으로 늘어날 수 있냐는 것이다. 상식적으로 생각하면 항복점과 인장강도 사이의 갭이 크다면 연신율은 그만큼 늘어날 수 있다. 연신율은 한 마디로 가공성이다. 많이 늘어날수록 그만큼 잘 늘어나고 가공이 쉽다는 뜻이다.

초고장력강 명명법

초고장력강의 원래의 명명법에는 2상용 DP와 같은 야금 유형과 최소 인장 강도(Mpa)가 모두 포함되었다. 일반적으로 철강 제조업체는 대략적인 최소 인장 강도를 기준으로 AHSS 제품을 분류하며 간결하게 하기 위해 강도 값을 반올림하는 경우가 많다. 특정 강종의 실제 값을 확인하려면 전체 강종 이름을 살펴보십시오: 예를 들어 "CR290Y490T-DP"는 실제 최소 인장 강도가 490 MPa(490T)이며 최소 항복 강도는 290MPa(290Y)인 DP500 강종을 나타낸다. 어떤 경우든 자동차 제조업체는 자사의 맞춤형 AHSS 사양 또는 특정 국내 또는 국제 AHSS 표준을 충족시킬 수 있도록 강재를 구매하며, 최소 항복 강도 및 인장 강도를 포함한 AHSS 속성을 명확하게 기술하고 있다. 또한 AHSS 강종의 이전 버전인 고장력，저합금강(또는 HSLA)은 예를 들어 HSLA 430과 같이 인장 강도가 아닌 강종의 최소 항복 강도를 참조한 명칭을 사용했다는 점에 유의해야 한다. 명명법에 있어 추가적으로 고려해야 할 사항은 HSLA 강종(제품명에서 "LA"로 약칭되기도 함)이 최소 인장 강도가 440MPa 레벨을 초과하는 수준까지 진행되었으며 그 결과 AHSS 명칭을 사용할 수 있는 자격이 있다는 점이다.

철강 제조업체들이 제3세대 AHSS 강종을 포함하여 새로운 AHSS 강종을 개발하기 위해 더욱 정교한 공정을 활용함에 따라 기존의 야금학적 카테고리가 항상 적합한 것은 아니다. 예를 들어, 일부 새로운 강종은 2개 이상의 전통적인 야금학적 범주에서 나온 특성을 갖는다. 또는 새로운 강종이 현재의 야금학적 범주에 대한 국제 표준의 정의에 부합하지 않을 수 있다. 이에 대응하기 위해 일부 강종 제조업체들은 하이 엣지(HE) 연성 또는 높은 성형성을 지닌 2상과 같은 성형성 또는 사용성과 같은 AHSS 속성을 기반으로 하는 새로운 AHSS 명칭을 제시하고 있다. AHSS 용어의 또 다른 변화는 UHSS와 같은 문구를 더 자주 사용하고 있다는 점이다. UHSS는 최소 인장 강도가 원래의 AHSS 강종의 수준인 440MPa보다 (사용자에 따라) 2~3배 더 높은 AHSS 강종을 뜻하는 약칭이 되었다.

자동차 응용분야

충격 보호 및 안전성 향상

초고장력강을 사용하면 더욱 엄격한 신종 안전 표준을 충족하거나 제품 안전에 있어 추가적인 마진을 제공할 수 있다.

경량화 및 에너지 효율

자동차 제조업체들은 점차 엄격해지는 충돌 표준을 충족하면서 경량화를 위해 차량을 더욱 최적화할 수 있도록 매년 점점 더 많은 초고장력강을 사용하고 있다. AHSS와 UHSS 강종을 이용하여 경량화하면 향후 정부 규제뿐만 아니라 현재 고객이 갖고 있는 에너지 비용 절감에 대한 요구도 충족시킬 수 있다.

차량 용량 및 성능 향상

AHSS/UHSS 강종으로 업그레이드하면 차량 강도를 높일 수 있으며 적재 용량을 높이고 내구성을 향상시킬 수 있다. AHSS 및 UHSS는 비틀림 강성도 개선하여 차량 핸들링과 반응성을 향상시킬 수 있다. 또한 두꺼운 재료를 더 얇고 강도는 더 높은 AHSS/UHSS 강종으로 대체하여 내부 공간(배선, 전자 장치 등)을 더 넓게 만들 수 있다.

지속가능성 향상

알루미늄 및 탄소 섬유 소재는 강하고 가벼우면서도 CO2 배출량이 많으며 철강보다 재활용이 어렵다. 세계에서 가장 CO2 효율적인 제철소에서 제작된 AHSS/UHSS 강종을 비철 고강도 소재보다 40%에서 400% 낮은 비용으로 지정할 수 있다.

참고자료

• 〈Docol의 초고장력강(UHSS) 정의〉, SSAB
• 〈Docol의 초고장력강(AHSS) 정의〉, SSAB
• 김선웅 기자, 〈(Tech Review) 그래서 초고장력 강판은 무엇인가?〉, 《오토뷰》, 2016-03-07
• 유광재오일&워시탑, 〈초고장력강 ‘기가스틸’〉, 《네이버 블로그》, 2020-11-06
• 오토헤럴드, 〈우리가 자동차 고장력 강판에 주목하는 이유〉, 《오토헤럴드》, 2017-08-09
• 문보경 기자, 〈자동차 차체 소재 전략 나뉘어... 초고장력강판, 알루미늄, 탄소섬유〉, 《전자신문》, 2015-11-24
• 한나 아빠, 〈(철강) 기가스틸? 초고장력강?〉, 《네이버 블로그》, 2019-11-22

같이 보기

• 철
• 강도
• 탄소
• 자동차
• 알루미늄

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