자동차 산업 전반에서 연비 향상과 규제 요건 충족을 위해 경량 구조 소재에 대한 관심이 증가하고 있습니다. 대부분의 자동차 제조사는 최근 고강도 강철, 초고강도 강철, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 복합재의 발전을 활용하고 있습니다. 역사적으로 알루미늄은 기존 철강에 비해 우수한 내식성을 제공하기 때문에 인기가 있었습니다. 이 글에서는 동등하게 우수한 내식성을 제공할 수도, 그렇지 않을 수도 있는 더 가벼운 소재 추구를 탐구합니다.
마그네슘은 구조적 응용 분야에 사용되는 가장 가벼운 공학 금속입니다. 그러나 마그네슘과 그 합금의 열악한 내식성으로 인해 자동차 부문에서의 마그네슘 성장은 상대적으로 제한적이었습니다. 마그네슘은 자동차 부품에 사용되는 금속 중 가장 낮고(가장 비귀한) 전기화학적 전위를 가집니다. 또한 반응성 금속인 알루미늄과 비교할 때, 마그네슘은 부식으로부터 부동태화를 제공하지 않는 다공성이고 비보호적인 표면 산화층을 가집니다.
마그네슘 합금의 내식성을 개선하는 주요 단계는 고순도 합금의 도입이었지만, 이는 마그네슘이 다른 금속 및 전해질과 접촉할 때 발생하는 갈바닉 부식 문제를 변경하지 않습니다. (이종 금속이 부식을 일으키는 이유에 대한 자세한 내용은 갈바닉 부식 기사를 참조하세요.)
차단 코팅의 사용은 마그네슘 합금 부식을 방지하기 위한 한 가지 가능한 솔루션입니다. 그러나 차단 코팅은 코팅 결함 부위에서 불리한 양극/음극 면적 비율을 생성할 잠재력도 있습니다. 이전 경험에 따르면 대부분의 현재 유기 코팅이나 에폭시 기반 코팅은 수계 전해질이 기저 마그네슘 기판으로 침투하는 것을 영구적으로 방지할 수 없습니다. 일단 수계 전해질이 마그네슘 기판에 도달하면 산소 없이도 부식 반응이 개시되어 수소 생성을 초래할 수 있습니다. 수소는 코팅 아래에 블리스터(수포) 형성을 초래하고 결국 부식 방지 시스템을 손상시킵니다.
부식 엔지니어는 일반적으로 구조적 요건을 위한 유한 요소 분석(FEA)과 주조 공정을 위한 유동 시뮬레이션에 더 초점을 맞춘 자동차 설계 초기 단계에 관여하지 않습니다. 위 문제를 해결하기 위해 다음 핵심 사항을 고려해야 합니다:
탄소는 탄소 섬유 강화 폴리머 복합재(CFRP)에서 강화 상으로 사용됩니다. CFRP는 높은 비강도를 가지며 자동차 응용 분야를 위한 경량 소재이기 때문에 엔지니어들에게 매력적입니다.
섬유 강화 복합재 단독으로는 내식성으로 간주됩니다. 그러나 금속과 결합하면 부식 문제가 발생할 수 있습니다. CFRP는 전도성이 있으며 전기화학적으로 매우 귀합니다. 따라서 금속이나 합금이 CFRP와 부적절하게 결합되어(전기적 연결이 있도록) 금속이 갈바닉 부식에 취약해집니다. (자세한 내용은 탄소 섬유 강화 폴리머에 연결된 금속의 갈바닉 부식 기사를 참조하세요.)
패스너, 볼트, 너트와 결합될 때 상황은 악화됩니다. 왜냐하면 CFRP의 넓은 표면적이 작은 금속 부품과 결합되기 때문입니다. 이러한 상황에서 높은 음극/양극 표면적 비율(Ac/Aa)로 인해 갈바닉 부식 속도가 가속화될 수 있습니다.
탄소 복합 소재와 결합된 금속의 갈바닉 부식은 1970년대부터 보고되었습니다. 그러나 적절한 소재와 적절한 소재 결합 방법 설계는 아직 결정되지 않았습니다.
자동차 응용 분야에서 CFRP에 대한 지속적인 수요는 탄소 섬유 복합재와 다양한 강철(표면 처리 범위 포함) 및 수많은 알루미늄 합금을 포함한 자동차 공학 소재 간의 갈바닉 부식에 대한 추가적인 체계적 연구를 요구합니다. 특히 다른 소재 조합, 형상, 결합 방법이 이후 부식 강도에 미치는 영향이 중요합니다.
바디 인 화이트(BIW) 단계는 자동차 제조에서 차체 부품이 결합된 단계를 말합니다. 전통적으로 전체 차량은 최종 조립 중 주로 강철 차체에 순차적으로 부착된 혼합 소재로 만들어집니다. 더 가벼운 차량과 더 높은 강성을 달성하기 위해 차체 구조에 더 복잡한 다양한 소재의 "하이브리드"가 필요합니다. (관련 자료: 새로운 재료 과학 연구가 미래의 부식 제어에 시사하는 바.)
제너럴 모터스의 첫 혼합 소재 차량인 캐딜락 CT6는 그림 1과 같이 여러 등급의 강판, 알루미늄 판, 주물, 압출재를 포함합니다. 쉐보레 말리부와 같은 다른 차량도 유사한 추세를 따릅니다.
그림 1. 쉐보레 말리부와 캐딜락 CT6의 혼합 소재 바디 인 화이트
출처: 자동차 응용 분야를 위한 경량 소재의 부식 회피
이종 소재와 합금은 갈바닉 부식과 서로 다른 열팽창 계수 측면에서 과제를 만듭니다. 수치 시뮬레이션 방법은 갈바닉 전류 분포를 예측할 잠재력을 보여주었습니다.
자동차 응용 분야에서 소재는 전해질의 얇은 막 아래에 있는 것으로 간주될 수 있습니다. 따라서 전기화학 시스템과 전도도 경로가 끊임없이 진화하거나 변화하기 때문에 부식 거동(갈바닉 부식 거동 포함)은 복잡할 것입니다.
최근 한 소프트웨어 회사에서 얇은 막 전해질 하에서 갈바닉 부식을 시뮬레이션하기 위한 얇은 막 모델이 개발되었으며, 논리적인 추가 추구는 이러한 모델의 광범위한 실험적 검증입니다. 초기 연구는 유망하며, 부품 수준에서 염수 분무 시험 결과를 예측할 전망을 나타냈습니다. 추가 개발로 이러한 결합된 모델링-실험 접근법은 전체 혼합 소재 차량의 총 전류 및 전위 분포를 시뮬레이션하는 데 유용할 수 있습니다.
부식 모델링을 통해 엔지니어는 주어진 기간 동안 모든 구성 요소의 부식 가능성을 예측할 수 있습니다. 상대 습도와 염분 부하 밀도와 같은 매개변수를 입력할 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 실제 염수 분무 시험과 비교하여 코팅 수명을 내식성 측면에서 확인하고 결과의 상관관계도 검토할 수 있습니다.
차량에는 이제 타이어 압력 모니터링 및 기타 지능형 진단 시스템과 같은 상당수의 "스마트" 기능이 통합되어 업계 표준이 되었습니다. 따라서 미래에는 부식 모니터링 시스템이 달성될 것으로 기대할 수 있습니다. 예를 들어, 임계 위치에서 부식률을 실시간으로 모니터링할 수 있는 적절한 센서는 시스템 고장 전에 경고를 제공할 수 있습니다.
또한 머신 러닝과 인공 지능은 현장 부식 데이터를 수집하고 원격 데이터 분석을 수행하여 더 정확한 실험실-현장 상관관계를 생성할 수 있습니다. 이는 개별 엔지니어의 경험을 보완하고 증대시킬 수 있는 더 넓은 부식 분야에 중요하고 관련이 있습니다.
장비 유지 보수 및 수리
자동차 산업이 변하고 있습니다. 전 세계 제조업체들은 자산 배분 최적화를 위한 전략적 파트너십을 맺고, 공급망을 더 탄력적으로 만들며, 반복 수익 스트림으로 전환하고 있습니다. 그 결과 제조업체들은 적층 제조 같은 최첨단 기술을 자동차 제조 공정에 통합하기 시작했습니다. 자동차 산업에서 3D 프린팅이 제품 개발 주기 단축, 설계 프로세스 간소화, 비용 절감 등에 어떻게 도움이 되는지 자세히 살펴보세요. 자동차 산업에서 적층 제조 사용의 이점 불과 6년 전만 해도 전체 적층 제조 지출의 16.1%가 자동차 산업에 기인했습니다. 자동차
금속 가공 공법은 최종 제품 요구 물성(강도, 전도성, 경도, 내식성)과 소재 구성에 따라 다양합니다. 절단·절곡·용접 공정으로 가전·장난감부터 로·덕트·중장비까지 폭넓게 적용됩니다. 철(Fe): 지구상 질량 기준 최다 원소. 강철 제조의 근간. 강철: 철-탄소 합금(철광석, 석탄, 석회석 등 배합). 건축·기계·병기 등 용도 무한. 탄소강: 탄소량에 따라 경도 조절 가능. 탄소↑ → 강도↑, 연성·전성·융점↓. 스테인리스강: 탄소강+크롬+알루미늄 등 합금으로 고내식성. 거울광택 은백색, 광택 지속. 의료기·주방용기·가전·세라믹·
