Update2024.05.03 (금)
고온용 부품, 2015년 50억불 거대시장 ‘부상’
■ 기술의 정의 및 분류
자동차 산업의 발전에 따라 자동차 업계는 최근 들어 배기가스 배출을 최소화하기 위한 부품의 경량화와 더불어 엔진의 고성능화 및 고출력화에 많은 노력을 기울이고 있다. 자동차 고온소재는 엔진의 고성능화와 고출력화에 관련한 것이며 엔진의 연소효율(엔진연비) 향상과 출력증대는 배기가스 온도와 비례하는 경향이 있다. 결과적으로 사용 환경이 보다 높은 온도에서 안정하게 사용하기 위해서는 고온에서의 내열성이 우수한 소재와 부품의 개발이 필수적으로 요구되고 있다.
고온환경에서 사용되는 자동차 부품의 경우 설계기술을 이용해 보다 낮은 온도에서 작동할 수 있도록 최적의 배기가스 흐름을 유도하기도 한다. 또한 보다 높은 온도에서 내구성을 가지는 고내열 소재를 개발해 부품으로 사용하기도 하고 코팅과 같은 표면처리 기술을 적용해 부품의 내부온도를 표면보다 낮추는 시도가 진행되고 있다.
고내열 소재를 개발해 부품으로 사용하는 경우에는 재질 자체가 내열성을 확보해야 하며, 주로 엔진 연소실에서 일어나는 연소에 의한 고온·고압의 배기가스에 노출되는 부품군(배기매니폴드·터보차져·Front Pipe·Flexible Pipe·Converter Shell·Center Pipe·머플러·Tail Pipe·Cylinder Head Gasket·촉매 콤포넌트 등)에 적용된다.
표면처리로 내열성을 높이는 기술의 경우에는 상대재와의 마찰에 의해 국소적으로 열이 발생하는 부품군 (피스톤링·밸브류·타펫 등)에 많이 적용되고 있다. 이 경우 모재 자체의 내열성 보다는 표면처리의 용이성 등이 더 중요한 기술적인 이슈라 할 수 있다.
자동차 배기계에 사용되는 부품과 소재의 분류는 아래의 표와 같다.
아울러 자동차에 사용되는 고온부품들과 이들 부품의 사용온도 조건, 주로 사용되는 소재 및 차량 1대에 소요되는 부품의 중량 등은 다음 표에 정리했다. 이 표에서 알 수 있는 것과 같이 지금까지 양산차에 사용되는 고온부품은 주로 주철과 내열 내식용 스테인리스 강재가 주로 사용되고 있음을 알 수 있다.
■ 환경변화
◇ 환경보호와 밀접한 연관성
완성차 한대는 약 2만여 개의 부품이 조립돼야 작동할 수 있기 때문에 각 부품의 생산량은 자동차 한대에 들어가는 개수에 더해 수리를 대비한 비축양도 고려하면 완성차 대수 보다 몇 배나 많은 부품을 생산해야 한다. 대표적인 자동차 부품소재로는 철강이 연상될 정도로 많은 양이 사용되고 있다.
최근에는 지구 온난화에 따른 환경문제와 에너지 절감, 소음과 공해의 절감, 생산 비용과 보수유지 비용의 감소, 내구성과 신뢰성의 증대 등과 같은 요구가 자동차 산업에 가장 중요한 화두로 등장하고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 자동차 엔진의 연비 향상과 함께 경량화에 의한 새로운 경량재료와 환경보호를 위한 내열재료의 채용이 가장 중요한 핵심기술이 됐다.
유럽과 일본 등 자동차 선진국에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 자동차 엔진의 소형화와 엔진의 작동온도를 올려서 엔진의 효율을 증대하기 위한 기술적 방법을 강구하고 있다. 엔진의 작동온도가 올라갈수록 배기가스의 온도도 올라가게 돼 (가솔린 엔진은 1050℃, 디젤 엔진은 850℃) 엔진에 사용되는 구동부품과 배기 메니폴드의 소재도 내열 스테인리스와 고온 타이타늄 합금과 같은 고온재료의 채용과 경제성이 높은 생산 공정이 고려되고 있다.
◇ 엔진작동 온도 상승에 따른 대응소재 개발
자동차의 20,000여 개의 부품 중에서 내열성이 가장 심각하게 요구되는 부분은 단연 엔진, 특히 배기계용 재료이다. 엔진의 연소효율 (엔진연비) 향상과 출력 증대는 배기가스 온도와 비례하는 경향이 있기 때문이다. 또한 최근 환경문제에 관심이 고조되면서 자동차 배기가스에 대한 규제가 날로 강화되고 있다.
이러한 규제에 대응하고 연비향상 · 고출력화를 달성하기 위해서 최근 개발되고 있는 엔진에서는 배기가스 온도를 더욱 높여가는 추세에 있으며, 이를 위해서는 엔진과 배기계 부품의 고온 안정성, 즉 고온에서 재료의 고강도화와 내산화성 및 최적의 설계디자인이 내구성 확립에 중요한 요인이 된다.
재료의 내열성과 고온 안정성을 향상시키기 위해서는 일반적으로 많이 사용돼 왔던 주철이나 주강으로는 고온에서의 내산화성 등을 유지할 수 없다. 따라서 단가는 높더라도 내열성이 일반 주철보다 우수한 스테인리스 강이나 금속간화합물과 같은 소재를 개발해야 한다. 금속간 화합물과 같은 신소재는 고온에서의 내산화성이나 고온물성은 우수하나 가공이 어렵고 고가의 소재이다. 금속간화합물은 제조 공정상의 어려움과 경제성 부족 때문에 스포츠카나 소량의 개념차에는 적용되고 있으나 일반적으로 사용되는 완성차에 적용하기에는 한계가 있다.
내열재료 Ti·STS, 환경문제 해결 소재로 각광
배기 온도 ↑, 완전연소·촉매활성화 일석이조
■ 기술의 중요성
◇ 환경규제의 강화에 대응
지구 온난화의 주범으로 지목되는 이산화탄소의 전체 발생량 중 자동차 이용으로 발생하는 부분이 20%를 차지하고 있다고 알려져 있다. 이는 자동차 배기가스로 인한 환경문제의 심각성이 어느 정도인가를 짐작하게 한다. 세계적으로 중국, 인도 등 신흥국들을 중심으로 자동차 시장이 지속적으로 성장하면서 이러한 환경문제에 대한 대책 마련이 각국 정부 및 자동차 업계에서 해결해야 하는 시급한 현안으로 떠오르고 있다. 선진 각국들은 일찍부터 환경규제 기준 (EURO IV, EURO V, ULEV, SULEV 등)을 설정하고 엄격한 규제를 실시해오고 있으며 여러 국제기구들도 심도 깊게 환경문제를 다루고 있다.
자동차 업계에서는 각국의 배기가스 관련 환경규제에 대응한 신차 출시에 많은 노력을 기울이고 있다. 배기가스의 오염원 감축을 위해서는 기본적으로 엔진에서의 완전연소에 가까운 연소효율을 얻어야 하며, 고성능 촉매를 장착해 환경오염 물질들을 효과적으로 걸러내어 대기 중으로 배출되지 않게 해야 한다.
엔진에서의 완전 연소와 촉매 활성화를 동시에 만족시킬 수 있는 가장 효과적인 방법이 배기가스 온도를 상승시키는 것이다. 따라서 완성차 업체와 부품업체들에서 배기가스 온도 상승에도 견딜 수 있는 고온소재의 개발이 중요한 이슈가 되고 있다.
◇ 경제성 향상
배기가스 온도 상승은 비단 환경오염 방지에만 국한되는 것이 아니라 엔진 출력증대와 내구 보증기간과도 밀접한 관련이 있다. 글로벌 자동차 메이커들의 경쟁에서 엔진의 출력· 연비 향상이 필수요소이며, 이를 달성하는 가장 우선적인 방법이 배기가스 온도의 상승이라 할 수 있다. 하지만 배기가스 온도를 무한정 올리게 되면 부품들의 내열성에 문제가 생기게 된다. 부품의 내열성에서 취약점이 생기면 각 자동차 회사에서 내세우는 보증 수명을 만족시키기 어렵기 때문이다.
특히 우리나라의 현대 기아 자동차의 경우 북미 시장에서 엔진 및 변속기 부품의 보증기간을 10년/10만 마일로 늘려 사실상 해당 부품의 무한수명을 추구하고 있는 점을 감안하면 소재의 내열성이 강할수록 배기가스 온도의 상한 값을 충분히 높일 수 있다. 따라서 환경규제를 만족시키고, 차량의 성능을 극대화하기 위해 엔진 배기 부품에 사용되는 고온소재의 개발하고, 자동차 부품으로 활용할 수 있는 가격 경쟁력을 확보하는 것이 필연적이다.
■ 자동차 배기 시스템의 개요
자동차 내열 부품 중에서도 배기계 부품은 엔진의 가동과 정지에 따른 잦은 온도변화에 기인하는 체적 팽창과 수축에 의해 높은 굽힘 응역을 받게 된다. 이로 인한 조기 파손현상이 자주 보고되므로 다른 부품보다도 우수한 고온내식성 및 고온 강도가 요구된다. 배기계는 배기 매니폴드·터보차져·촉매로 조금 더 세분화 할 수 있는데, 각 부품에 적용하는 재료는 고온강도·열피로 특성·고온 내산화성·재료비 등을 종합적으로 고려해 결정하게 된다. 배기 매니폴드는 엔진 헤드에 장착돼 있으며, 연소실에서 고온·고압으로 배출되는 연소가스를 촉매를 거쳐 머플러로 보내는 통로 역할을 한다.
배기 매니폴드는 엔진 구동 시 구속 상태(Hold)에서 반복적인 열팽창과 수축을 받게 돼 피로균열이 생성되고 균열부가 선택적으로 산화돼 균열이 진전되면서 파단에 이르게 된다. 또한 환경규제 강화로 인해 배기가스의 오염물질을 걸러주는 촉매담체의 cell수도 과거 400cell에서 600cell, 900cell로 꾸준히 증대되면서 산화스케일 박리에 의한 촉매담체 파손 및 막힘 현상도 자주 문제가 되고 있는 실정이다.
배기매니폴드는 형상적인 특징으로 말미암아 엔진의 각 기통으로부터 빠져나온 배기가스들이 한데 모이는 합류부의 온도 변화가 가장 심하고 이에 따라 응력이 집중된다. 엔진의 구동 및 정지를 반복하게 되면 응력 집중부는 급속히 가열 및 냉각이 반복되게 돼 저주기 피로 (Low Cycle Fatigue) 혹은 열기계적 피로 (Thermo-Mechanical Fatigue) 모드로 균열이 생성된다. 이와 같은 현상을 다음과 같이 요약했다.
■ 자동차 고온재료의 성장성
자동차 고온재료의 수요는 세계적인 자동차 시장 확대 및 대내외 환경변화 (즉, 환경규제, 회사별 연비 및 성능경쟁 등)에 따라 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 다음 그림에 나타낸 것과 같이 자동차 선진 메이커들에서는 이미 배기가스 온도를 900℃ 이상으로 상승시켜 시장에 출시하고 있다.
이는 엔진의 다운사이징이라는 엔진 기술개발 추세에 따른 것으로 앞으로도 고출력 저배기량엔진의 자동차의 개발은 지속적으로 이루어질 전망이다. 또한 자동차 시장의 측면에서도 세계적인 경기의 침체에 따라 2009년 자동차 시장은 전년 대비 약 13.4%가 감소됐지만 2012년경에는 경기 호황기였던 2007년 규모로 자동차 시장이 회복되고 다시 꾸준한 성장 기조를 이어갈 것으로 전문기관들은 예측하고 있다.
우리나라의 자동차 등록대수는 1,600만 대를 상회 (2009년) 하고 있고 국내 생산대수는 2009년에 3,51만3,000대에 이르러 세계 5위의 위치에 있다. 우리나라의 대표적인 자동차 메이커인 현대/기아차도 2009년에 478만 대를 생산 (외국에서 생산하는 양 포함) 해 회사규모로는 세계 6위에 위치하고 있다.
■ 자동차 고온재료에서 소재의 역할과 위상
고온에 노출되는 자동차 재료는 고온 내피로성 및 내산화성을 확보해야 한다. 엔진의 가속과 정지에 따른 온도변화에 수반되는 재질의 열팽창이나 수축이 구조상의 관계에서 구속되면(Hold) 재료 내부에 그 변형량에 대응한 응력이 발생한다. 아래의 그림에서는 실제 측정한 배기매니폴드의 취약부에서 온도 변화 (즉, 엔진의 구동과 정지)에 따른 온도-응력 및 응력-변형률 관계를 보여주고 있다. 응력 변형률의 관계는 전형적인 열기계적 피로 혹은 저주기 피로 시 흔히 관찰되는 히스테라시스 곡선(Hysteresis Curve)와 유사하게 나타나게 된다.
고온에 장시간 노출되는 배기 부품의 고온 내산화성은 합금원소제어를 통해 구현될 수 있다. 예를 들면, 구철재질의 경우 Si, 스테인리스의 경우 Cr 합금을 하게 되면 부식 환경으로부터 모재인 금속을 보호하는 안정되고 치밀한 보호막 (주철의 경우 Si 산화물, 스테인리스의 경우 Cr 산화물)이 형성되게 된다.
금속의 산화가 진행되는 경우 반응 생성물인 산화물이 금속의 표면을 덮게 된다. 산화가 진행되기 위해서는 산소가 이 산화물을 통과해 금속과 산화물의 경계면에 도달한 후 금속과 반응해야한다. 또는 금속 이온이 산화물 속을 통과해 산화물 표면에 도달해 산소 이온과 결합해 산화물이 돼야 한다. 하지만 치밀하고 안정적인 산화막이 형성되게 되면 산소나 금속이온의 이동이 억제돼 내산화성을 지니게 된다.
■ 자동차 고온부품 기술개발 동향
자동차 고온 재료는 전통적으로 경제성이 우수한 고 Si 구상흑연주철 또는 주강이 주로 사용돼져 왔다. 그러나 주철과 주강은 내열성이 불충분하고 경량화가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서 연비와 내구성 향상과 더불어 경량화와 내열성이 우수한 스테인리스 강으로 대체되고 있다. 스테인리스강으로 제조된 배기 매니폴더는 주철재에 비해 약 40%의 경량화가 가능하며, 열용량이 상대적으로 적기 때문에 촉매에 의한 온도 상승이 개선돼 엔진시동 후 메탄가스 배출량이 약 15% 감소된다고 보고돼 있다.
그동안 페라이트계 스테인리스가 가장 많이 사용돼 왔고, 현재는 오스테나이트계 스테인리스 재질이 적용범위를 확대하고 있다. 오스테나이트계 스테인리스 강은 우수한 내식성 및 가공성 그리고 고온강도를 가지고 있으나 페라이트계에 비해 열팽창계수가 높고 고가이므로 경제성이 낮다는 문제를 가지고 있다. 미래에는 철강재료 보다 내열성이 보다 향상된 특수합금의 적용 가능성도 높아지고 있다.
자동차 부품에 고온재료가 주로 사용되는 부품을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 이들 부품에 사용되고 있는 재료의 변화추이를 기술했다.
◇ 배기 메니폴더
기존의 양산차에서는 주로 주철을 많이 사용해 왔다. 그러나 배기가스의 온도가 상승함에 따라 보다 높은 온도에서 견딜 수 있는 스테인리스 강으로 소재가 대체되고 있다. 이에 더해 박육정밀주조 공법이 개발됨에 따라 두께를 2 mm 이하까지 박육화 할 수 있게 됨에 따라 무게도 50% 정도로 감소시킬 수 있게 돼 최근에 개발되는 양산차에는 주조용 스테인리스 강이 주로 사용된다. 이 부품에 사용되는 소재는 내열성은 물론 내식성도 우수해야 하기 때문에 주로 Cr 양이 많이 함유된 소재가 선호된다. 이에 더해 고온강도, 고온 피로강도를 높이기 위해 Mo, Nb 등이 첨가된 강재를 개발해 사용하고 있다.
◇ 머플러와 배기 파이프
이들 부품의 내면에는 연료에서부터 연소된 암모니아, 유황산 등의 배기가스 성분의 응축과 가열/냉각 사이클에 의한 농축화에 의해 가혹한 부식 환경에 노출되기 때문에 주로 SUS436L과 같은 스테인리스 강이 사용된다. 또한 겨울철에 눈을 녹이기 위해 노면에 뿌려지는 염화칼슘 등에 의한 외면의 부식을 방지하기 위해 Type 409, SUS436L 등의 스테인리스 강의 표면에 용융알루미늄도금을 실시한 강재나 강관을 사용하고 있다.
◇ 메탈 가스켓
실린더 헤드 가스켓 재료로는 그간 석면이 사용돼져 왔다. 최근 들어 석면의 사용규제와 엔진의 고출력화에 따른 가스 밀봉성의 향상이 요구돼져 왔기 때문에 가솔린 엔진 자동차에는 주로 그라파이트가 사용되고, 디젤엔진 자동차에는 스테인리스 강재의 메탈 가스켓이 주로 사용되고 있다. 메탈 가스켓은 석면에 비해 내열성, 내압축성 등이 우수해 성능 향상과 내구성이 증대됐다.
◇ 메탈 담체
배기가스 정화용 촉매에는 주로 세라믹 담체가 사용된다. 그러나 최근에는 내열충격성, 저열용량, 저압력손실 등이 우수한 메탈 담체의 사용이 증가하고 있다. 메탈 담체의 허니컴 코어에는 20Cr-5Al-REM 강으로 구성된 50μm의 금속박판 형태로 사용되고 있다.
■ 자동차 고온 재료 연구개발 동향
앞에서 기술한 고온재료가 사용되는 부품들의 주요 소재는 크게 △구상흑연주철 △스테인리스 강 △고온 타이타늄 소재 △금속간화합물 등이 연구개발 되고 있다. 이들 고온소재로 사용되는 재료와 공정기술에 대해 보다 상세히 서술했다.
◇ 구상흑연주철
자동차 배기부품용 구상흑연주철에는 내열성을 향상시키기 위해 페라이트계 구상흑연주철에 Si을 3.5~4.5wt.%, Mo을 최대 1.0wt.% 정도 첨가한다. 이 경우 페라이트 기지에 펄라이트와 Mo탄화물이 형성된다. 탄소와 실리콘의 함량은 탄소 당량 (Carbon Equivalent (C.E.) = %C+%Si/3)으로 표현되며 이를 통해 흑연의 형상을 예측할 수 있다. C.E가 4.8 이상의 과공정에서는 탄소가 부유하거나 수축이 발생할 수 있다. 반면, C.E 값이 낮으면 수축과 칠(Chill)이 생성될 경향이 높아진다. 또한, 내산화성 향상을 위해 Si함량을 현저히 증가시키면 탄소의 양은 2.8~3.7wt.%정도로 제한되는 것이 일반적이다.
실리콘이 주철에 첨가됐을 때 기지를 페라이트화해 승온시 열변형을 최소화하고 표면에 고온산화를 방지하는 안정적인 산화층 (SiO2)을 형성해 내산화성을 증가시킨다. 문헌에 따르면 실리콘 첨가량이 증가함에 따라 산화증량이 감소했고, 실리콘 함량이 4wt.% 이상 첨가된 경우 시간이 경과해도 산화증량에는 변화가 없었다. 일반적으로, 4wt.% 이상의 Si 첨가는 산화량이 증가하는 것을 방지할 수 있으나 과다 첨가될 경우 상온 충격 특성이 취약해지고 경도가 높아 양산 및 가공성에서 문제가 된다.
또한 과다한 Si의 첨가는 열균열을 쉽게 야기 시키기도 한다. 주철재에 Mo을 0.5~2wt.% 첨가했을 때 상 경계에 Mo 탄화물을 형성해 고온강도와 내크립성이 향상된다. 그러나 결정립계에 생성된 카바이드는 인성을 감소시키고 수축결함이 발생할 가능성이 있으므로 1wt.%로 제한하는 것이 좋다.
배기가스 온도가 850℃ 이상의 고출력엔진의 경우에는 오스테나이트 기지의 구상흑연주철 (일반적으로 Ni-resist 혹은 D5S라고 불리는데, Ni을 35~40wt.% 첨가해 기지를 오스테나이트화 시킴)을 적용한 사례가 일부 있다. 하지만 과도한 Ni 첨가로 인해 주조성이 좋지 않고 원가가 상승해 널리 사용되지는 못하는 실정이다.
◇ 스테인리스 강
스테인리스 강은 850℃ 이상의 고출력엔진에 적용된다. 제작방법에 따라 프레스 공정 후 용접하는 판재 사양과 주조 사양 (주강) 두 가지가 있다. 판재 사양은 주로 400계열의 페라이트계 스테인리스 강을 사용하고, 제한적으로 300계열의 오스테나이트계도 적용된 사례가 있다. 주강의 경우 오스테나이트계 (ACI (Alloy Casting Institute) HF 및 HH계열 강종을 주로 사용함)를 사용하게 된다.
스테인리스 강의 경우 판재와 주강 모두 공통적으로 내열성 향상을 위해 Nb성분을 합금해 사용하는 것이 특징이다. 특히, 주강의 경우 판재보다 탄소(C) 함량이 비교적 높게 첨가되는데, 이는 배기계 부품의 작동 환경 특성상 국부적인 내부식성(Sensitization)이 크게 요구되지 않고 주조를 수월하게 할 수 있기 때문이다.
스테인리스 강의 고온 강도는 주철재 보다 높지만, 판재사양의 경우 용접부가 열충격에 취약해질 수 있고, 주강의 경우에는 박육화에 한계가 있어 중량이 많이 나가는 단점이 있다. 주강의 이런 단점을 극복할 수 있는 박육주조 공법 개발이 꾸준히 이루어지고 있다. 하지만 이런 단점에도 불구하고 스테인리스강은 탁월한 내산화성과 고내열성을 바탕으로 최근에는 고출력 엔진용 배기 매니폴드와 터빈 하우징으로 적용 범위를 넓혀가고 있다.
Cr·Mo·Nb 첨가강재, 내열·내식·피로강도 우수
경제성·생산성·안정성 우수한 제품개발 요구
◇ 고온 타이타늄 합금
타이타늄 합금으로 제조된 자동차 부품 중에서 가장 많이 활용되는 부품은 엔진 실린더에 사용되는 흡기용 및 배기용 밸브이다. 미국에서는 자동차 타이타늄 합금 밸브만 전문적으로 생산하는 업체가 다수 있을 정도로 경제성이 있는 일반화된 부품이다.
밸브가 경량화 되면 왕복 운동 중에 관성 질량이 감소되고 밸브의 응답성이 높아져 엔진의 소형화 또는 경량화가 가능해 진다. 이에 따라 엔진의 연비가 향상되고 자동차의 정숙성이 개선되며, 엔진의 고출력이 가능해지는 연쇄적인 효과가 나타난다.
현재 승용차에 사용되는 내열강 밸브 한 개의 무게는 100g이나 타이타늄 합금으로 대체하는 경우에는 60g 정도로 밸브 한 개당 40g 정도의 무게 감소가 가능하다. 따라서 동적 중량이 감소돼 10~15%의 고속성능이 증대된다. 또한 타이타늄 합금은 고온 내식성이 우수하기 때문에 수명이 2~3배 연장돼 경제성과 신뢰성의 증대가 예상된다. 실제로 타이타늄 밸브를 V-8 엔진에 채용한 경우에 캠축의 형상 설계 변경과 함께 약 800rpm 정도의 엔진 회전수가 증대되고, 토크(Torque) 증가가 보고되고 있다.
흡기용 밸브의 경우에는 작동온도가 300℃ 이내로 낮기 때문에 Ti-6Al-4V 합금이 사용된다. 배기용 밸브의 경우에는 고온의 배기가스와의 접촉에 의해 온도 영역이 흡기용 밸브보다 높기 때문에 고온용 타이타늄 합금인 Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo-0.2Si (Ti-6242S)가 사용되고 있다.
그러나 이러한 고온 타이타늄 합금도 기존에 사용되고 있는 SUH35 강 (21-4N 밸브 강) 등에 비해 충분한 내열성을 가지지 못하기 때문에 사용온도 영역이 더 높은 Ti-6Al-2.7Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si (TIMETAL1100), Ti-6Al-4Sn-3.5Zr-3Mo-1Nb (DAT 54), IMI 834 합금 등의 채용이 고려된다.
최근에는 보다 고온물성이 향상된 MMC (타이타늄 금속기 복합재료, Ti-6Al-4V/SiC)나 TiAl기 감마 금속간화합물 등이 이용되고 있다. 실제로 감마기 금속간화합물 배기 밸브가 도요타 알테자에 사용됐다.
타이타늄 밸브를 사용하는 경우에 밸브 축 면과 가이드 사이에서 빠른 왕복운동에 의한 마찰열에 의해 축 부위의 표면이 용융돼 달라붙은 경우가 생기기 때문에 표면처리가 필수적으로 요구된다. 따라서 밸브의 축 부위에는 30~40㎛의 경질 크롬 도금을 하거나, Mo용사·Tiduran법과 같은 표면처리 방법에 의한 특수 처리가 반드시 선행돼야 한다.
또한 밸브의 끝 부위는 Rocker Arm과의 마찰에 의해 철강재보다 연한 타이타늄 밸브가 쉽게 손상되기 때문에 철강재 Cap (Lash Cap)을 밀착시키거나, Stellite 은납 Brazing 처리에 의한 철강재 Cap을 용접시켜 사용해야 한다. 그러나 밸브의 마개 (Seat) 부위는 왕복 운동에 의한 마모가 그다지 큰 문제를 야기 시키지 않기 때문에 특수한 표면처리 없이도 사용이 가능하다.
고온의 엔진 내부에서 작동하는 밸브를 사용하는 동안에 발생하는 여러 가지 금속적인 문제들을 살펴보면 밑면은 고온 크립, 마개의 측면은 고온산화와 부식, 축의 하단부는 피로, 중앙부는 마모, 윗부분은 캠축과의 마모에 의해 파괴에 이르기 때문에 타이타늄 밸브의 가공열처리를 통해 이와 같은 작동 조건에서 보다 오래 사용할 수 있도록 후처리가 고려돼야 한다.
아직까지 타이타늄 밸브가 상용차에 광범위하게 사용되지 못하고 있는 이유는 역시 고가의 타이타늄에 의한 낮은 경제성에 있다. 실제로 타이타늄 밸브는 기존의 철강 밸브보다 약 5배 이상의 고가이다. 따라서 보다 저가의 타이타늄 밸브를 개발하기 위해서는 소재 가격을 낮추는 시도와 아울러 저가의 가공 공정에 의한 다양한 비용 절약 노력이 이루어져야 한다.
타이타늄 소재 가격을 낮추기 위해서는 불순물이 엄격하게 규제된 항공기 부품 제작 목적의 고가 스폰지를 사용해 압연재를 만드는 대신에 품질관리가 덜 엄격한 (또는 불순물의 영향이 최소화 하는 허용치가 높은 압연재) 자동차 타이타늄 소재를 채용하는 것도 한 방법이다.
밸브 제조 공정에 있어서도 기존의 업셋 단조 대신에 추출 단조법을 채택함으로써 투입 재료 자체를 비싼 세봉에서 조금 더 직경이 큰 (따라서 재료의 가공 코스트, 수익 면에서도 유리한) 환봉으로 대체해 제조할 수 있는 공정의 개발도 필요하다. 표면처리도 고가의 내마모 Mo 용사 대신에 OD처리(Oxygen Diffusion Treatment) 등을 채용함으로써 가격을 낮출 수가 있다면 보다 다양한 자동차 밸브가 사용 돼질 것이다.
◇ TiAl 금속간화합물
주로 미국, 일본 등에서 연구 개발된 감마 TiAl 금속간화합물을 이용해 600℃에서 1,000℃ 범위에서의 자동차와 항공기 엔진의 고온부품으로 사용하고자 하는 시도가 꾸준히 수행돼 왔다. TiAl계 금속간화합물은 비중이 낮고 (4.2g/cm3) 고온에서의 내열성과 내산화성이 우수하기 때문에 자동차 터보챠져와 배기밸브로 개발돼 양산차에 사용되고 있다.
그러나 TiAl 금속간화합물은 상온에서의 낮은 연성과 파괴인성, 그리고 가공성 등이 낮기 때문에 모든 차량에 채용되기에는 아직도 망설여지고 있다. 가격 또한 가공과 성형의 난점으로 인해 상대적으로 고가이기 때문에 일부 한정된 자동차의 고온 부품으로 사용되고 있다. 그러나 가격경쟁이 덜 한 항공기 엔진에는 보다 많은 부품이 채용되고 있다.
일본에서는 Daido특수강에서 TiAl 벨브를 생산해 Mitsubishi 자동차의 터보챠져 로타에 사용하고 있다. 이들 금속간화합물의 물성 향상과 대량생산에 의한 가격이 낮아지면 보다 많은 고온 부품에 사용돼 질 것으로 예측된다.
■ 자동차 고온소재기술 개발의 핵심 이슈
◇ 고온 저주기 피로
배기계 부품은 앞에서 언급한 바와 같이 엔진의 구동 및 정지를 반복하다 보면 배기가스가 합류되는 지점의 온도 변화가 가장 커지게 된다. 이로 인해 재료의 열팽창 수축이 히스테라시스(Hysteresis)형태로 반복되게 되고 결과적으로 열변형(Thermal Stain)이 발생해 파손에 이르게 된다.
이러한 거동은 저주기 피로 혹은 열기계적 피로 양상과 매우 유사하다. 따라서 완성차 업체와 배기부품 개발 업체에서는 이 두 가지 평가를 실시해 재질의 내구 수명 예측에 활용하고 있다. 이들 두 가지 평가요소 중에서 저주기 피로 시험이 열기계적 피로 시험보다 평가 결과를 보다 손쉽게 얻을 수 있기 때문에 주로 활용되고 있다.
다음 그림은 800℃에서 주철과 스테인리스 강의 고온 저주기 피로 평가 결과를 Coffin-Manson식을 이용해 도식화 한 것이다. 시편상태에서 얻어진 소성변형률 범위 값과 실차의 엔진 구동 상태에서 실시간 얻어진 실측값을 바탕으로 열응력 해석 (CAE)을 수행해 배기계 부품의 내구 수명을 예측하는 자료로 활용한다.
이상과 같이 자동차용 고온소재 개발에서는 고온 저주기 피로수명이 오래가는 소재 연구개발이 중요한 이슈이다.
◇ 고온 강도 및 내산화성
고온부품들이 공기 중의 고온에서 작동되고 그리고 연료에 포함돼 배기가스로 배출되는 황(S) 등의 고온 산화성 분위기 때문에 이들 고온부품은 고주기 피로성질 보다도 더 중요하게 고온 내산화성이 고려돼야 한다. 이러한 관점에서 그간 경제성이 우선한 주철과 같은 소재가 대부분 내열 내식용 스테인리스 강 소재로 변경되고 있다. 이러한 고온에서의 내열 내식성을 증대시키기 위한 소재개발에 관해 다양한 실험이 수행되고 있다.
