알루미늄 휠 전성시대, 이제는 기술의 싸움이다.

알루미늄 휠 전성시대, 이제는 기술의 싸움이다.

자동차 휠의 유행은 기술 개발은 물론 시장 소비의 성향과 함께 한다. 자동차 태동기에는 나무 휠이 사용되었다. 금속 성형 기술이 아직 부족했고, 마차의 발전 단계로 인식되었기 때문에 나무로 만드는 것이 당연한 시대였다. 하지만 타이어 없이 목재 구조물 만으로는 노면의 충격을 제대로 흡수, 분산 할 수 없었다. 이후 철의 성형, 사출 방법이 다양해지고 대중화 되며 휠에도 금속 재료가 더해지기 시작했다.

곧이어 등장한 것은 바로 철제 휠(스틸 휠)이었다. 스틸 휠은 제법 오랜 시간 동안 자동차 휠의 중심으로 사용되었고, 21세기 현재에서 사용되고 있다. 목재에 비해 우수한 강도를 자랑하지만 무거운 무게와 내식성이 약한 것이 단점으로 지적 받았다. 그리고 시대가 흘러 어느새 자동차 휠의 중심은 알루미늄 휠로 넘어왔다. 자동차 제작에서도 알루미늄을 적극적으로 사용하고 있다. 특히 유가가 치솟고 경량화, 다운사이징에 대한 추구가 알루미늄 사용의 기폭제가 되었다.

스틸 휠에 비해 경량화를 추구한 알루미늄 휠은 1960년대부터 대중 시장에 등장했고 21세기 자동차 휠의 주류를 담당하고 있다. 물론 마그네슘 휠과 극단적인 경량화와 강도 개선을 위해 카본 등과 같은 차세대 원자재를 성형해 제작하는 차세대 성형 휠이 공개 되면서 알루미늄이 대세가 된 이 시대에 휠 재료의 계보를 다음을 준비하고 있다. 그러나 아직 알루미늄 휠의 발전과 성장의 여지는 남아있고 휠 제조사는 미래를 준비함과 동시에 알루미늄 휠에 대한 기술 경쟁을 펼치고 있다.

왜 알루미늄 휠 인가?

BMW가 최근 발표한 카본 섬유의 휠과 같은 차세대 성형 휠을 제외하면 자동차 휠은 크게 스틸 휠, 알루미늄 휠 그리고 마그네슘 휠로 구분 할 수 있다. 현재 전세계 시장에서 가장 많이 소비되고 있는 것은 알루미늄 휠이다. 알루미늄 휠의 첫 등장은 1924년으로 거슬러 올라간다. 초기 알루미늄 휠은 레이스 무대에서 보다 경량화를 꾀하기 위한 대안으로 도입되었고, 1960년 이후부터 본격적으로 대중 시장을 마주하게 되었다.

알루미늄 휠은 기존까지 사용되었던 스틸 휠과 비교해 강도와 연신률이 우수하며 내식력도 우수하다. 이 때문에 스틸 휠과 달리 알루미늄 휠은 반영구적인 사용이 가능하다. 게다가 비중 또한 철의 1/3 수준이기 때문에 경량화에 큰 도움이 되었고, 성형이 쉽다는 강점을 내세웠다. 또한 휠 자체의 무게가 줄어들며 연료 효율성 개선에도 큰 도움이 되었다.

알루미늄 주조 휠의 시대

철과 알루미늄과 같은 금속 제 휠은 대개 단조와 주조 두 가지 제작 기법을 거친다. 단조는 흔히 대장간에서 철을 가열 한 후 이를 집게로 잡고 망치로 내리치고 접고 다시 내리치며 조직을 견고하면서도 얇게 성형 하는 기술이다. 근래에는 프레스 단조 기법으로 발전되었다. 단조는 제품의 두께를 얇게 만들면서 금속이 가지고 있는 강도를 극대화 시킬 수 있는 방법으로 소량 생산하는 고가의 제품에 사용되었다. 하지만 하나의 제품을 제조 하는 데까지 오랜 시간이 들며, 그로 인해 원가 상승이 이어지며 시장에서의 경쟁력이 많이 약화되었다.

단조의 물리적 제조 환경의 극복을 위해 제조사들이 선택한 것은 바로 주조 기술의 발전이었다. 국내는 물론 세계적으로 알루미늄 휠의 수요가 늘어나자 공급 물량의 확대와 시장의 유연성에 맞춰 주조 휠이 대두되었고, 약하다고 지적 받는 강도를 개선 할 수 있는 공법의 등장과 알루미늄 합금의 사용 등 다양한 방식으로 알루미늄 주조 휠 시대를 열었다.

유행의 전파 속도가 빠르고 새로운 기술 도입에 능동적인 국내 시장의 경우 2013년 기준으로 알루미늄 휠이 국내 생산 자동차의 약 60% 이상을 차지하고 있다. 아직 상용차량이나 영업용 차량 등의 휠이 스틸 휠 임을 감안하면 대부분의 일반적인 승용 차량들이 알루미늄 휠을 장착하고 있다고 말해도 무방하며 대부분의 알루미늄 휠이 주조 기법을 통해 제작되었다고 말해도 무방하다.

주조, 응고 관리 기술력의 대결

“알루미늄 휠 주조의 가장 큰 경쟁력은 효과적인 설계와 용탕 응고 관리 기술의 싸움이다.” 핸즈 코퍼레이션 김영식 부장의 말이다. 금형에 용탕을 넣고 이를 응고시켜 제작하는 주조 특성 상 용탕이 응고 되는 순서와 과정이 제품 완성도에 큰 영향을 끼친다. 용해된 알루미늄 용탕은 금형에 주입됨과 동시에 빠르게 응고 되는데 응고의 지향성이 유지 되지 않는다면 응고 상황에서 림과 디스크의 경계 부근이나 스포크와 아우터 플랜지 경계 등 면적 차이가 큰 부근에서의 응고 방향이 불규칙하게 일어난다.

지향성 응고 대신 응고 방향이 불규칙한 비지향성 응고가 일어나게 되면 용탕이 응고되며 수축 되면서 주변의 용탕을 끌어 당기고 이로 인해 응고 되는 용탕 내에 기공이 발생 할 위험이 생긴다. 이 때 발생한 기공이 제품 품질 검사에서 발견되지 않는다면 그대로 소비자에게 전달되고 휠의 다른 곳보다 강도가 떨어져 규격 기준 이하의 충격에도 파손이 일어나고 유사 시 인사 사고까지 이어질 수 있는 위험이 있다.

이를 위해 휠 제조 업체들은 응고 관리 기술에 관한 설비와 관리 기술에 투자한다. 휠 제조 업체들은 휠 금형을 제조 할 때부터 지향성 응고에 대한 고민을 담는다. 핸즈 코퍼레이션의 경우 유체 이동과 유체역학에 대한 시뮬레이션이 가능한 ‘마그마’ 소프트웨어를 통해 휠 설계자들이 설계한 휠 금형의 응고 성질이나 특성을 분석하고 오류가 있는 경우 이를 개선한다. 이후 금형 목업을 제작하여 다시 한번 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고 시제품 제작에 착수한다. 마지막으로 실 제품을 제작 해 핸즈 코퍼레이션과 ISO 규격, 각 자동차 제조사 기준에 부합하는 품질 검사를 진행한다.

또 다른 방법은 휠이 주조 되는 상황에서 강제적인 냉각을 가해 설계 상 제조사가 추구하는 지향성 응고를 가능케 하는 방법이 있다. 이를 위해 주조기 안쪽과 금형 주변에 냉각 라인을 설치해 물을 투과시켜 이상적인 지향성 응고를 이뤄낸다. 이를 통해 저압주조의 경우에는 림 부위부터 스포크, 허브 방향으로 중력주조는 허브와 스포크 그리고 림의 순서로 응고 되도록 유도한다.

중력 주조 – 주조 휠의 새로운 길을 열다.

그 동안 주조 휠의 제작 방식은 림 부터 응고 되는 저압주조 방식을 주로 사용해왔고 지난 수 십년 간 저압주조가 주조 휠 제작의 전부라는 인식이 있었다. 하지만 핸즈 코퍼레이션은 새로운 가능성을 제시했다. 주조기 아래에서 용탕을 밀어 올리는 방법이 아닌 중력 방향으로 용탕을 충진하는 중력주조 방법을 휠 제조 공정에 도입한 것이다.

중력주조는 휠을 주조하는 주조 기기의 설계부터 다시 고려 되었다. 용탕이 주조기의 상단에서 충진 되어야 하며 역시 응고 순서도 허브-스포크-림의 순서로 기존의 저압주조와는 반대의 지향성을 갖춰야 했다. 게다가 응고 시 수축을 고려해 지속적인 압탕을 진행해야 하는데 이를 위해 추가 적인 압탕 구를 새롭게 마련해야 하는 부담이 있었다. 하지만 휠의 허브와 스포크가 먼저 응고되며 기존 저압주조 휠 보다 향상 된 강도를 가질 수 있게 되었다.

이를 구현하기 위해 핸즈 코퍼레이션은 주조기의 형상과 제작 공정을 새롭게 구성했고 이 때문에 중력주조의 금형은 지면과 수직으로 서 있는 모습이다. 용탕이 투입 됨과 동시에 금형은 90도 기울여지며 지면과 평행을 이룬다. 이 때 액체 상태의 용탕은 중력의 힘을 받아 그대로 금형 안으로 밀려 들어가고 금형 상단 부의 추가적인 압탕 구를 통해 응고 수축 시 용탕 부족에 대비해 용탕을 추가적으로 충진 한다.

금형에 용탕이 자리를 잡은 이후는 기존 주조 공법인 저압주조와 같이 지향성 응고를 유도한다. 물론 저압주조와 응고 방향이 다르기 때문에 림부터 응고 되는 저압주조의 반대로 허브부터 응고를 시작해 스포크를 거쳐 림 순서로 응고가 진행된다. 저압주조와 마찬가지 중력주조도 주조기 내 냉각관을 통해 공기와 물을 분사 해 혹시 모를 비지향 응고를 방지해 휠 내에 기공과 미세 크랙이 발생할 위험을 사전에 방지한다.

중력주조는 허브와 스포크를 거쳐 림 쪽으로 응고 되기 때문에 저압주조 휠과 반대 성향을 가지고 있다. 저압주조 휠은 림부터 응고 되기 때문에 조직 분석표를 확인 했을 때 조직 크기가 제일 작다. 핸즈 코퍼레이션의 저압주조 휠은 림 부위의 수지상 거리(Dendrite Arm Spacing)를 분석하면 약 DAS 30~40 수준이며 스포크는 또한 40대 중 후반 그리고 허브 부위가 약 56 DAS 수준이다. DAS 수치가 작을수록 형상을 기억하는 성질이 강하며 항복강도와 인장강도 그리고 인장 강도 테스트 중 유연성을 판단하는 연신율도 우수하다.

저압주조와 반대 순서로 응고되는 중력주조는 저압주조의 단점인 허브와 스포크의 DAS 수치를 작게 할 수 있다. 이를 통해 허브와 스포크의 강성을 끌어 올릴 수 있다. 실제 중력주조 공정을 거친 휠은 허브와 스포크의 DAS 수치가 36과 23 수준에 지나지 않아 단조 휠과 유사한 DAS 수치를 자랑한다. 하지만 상대적으로 림 부위의 응고가 늦어 림의 조직의 DAS 수치는 다소 큰 것이 특징이다.

플로우 포밍 – 중력주조의 단점을 완벽히 개선하다.

중력주조를 통해 저압주조의 단점인 허브, 스포크의 강도를 개선했지만, 림 부위의 DAS 수치가 큰 것이 단점으로 남는다. 이를 위해 핸즈 코퍼레이션은 플로우 포밍을 적용했다. 플로우 포밍은 고속으로 회전하는 롤러를 통해 알루미늄 휠의 림 부분을 성형하는 기법으로 이를 통해 휠의 형태를 다듬고 림 부위의 강성을 확보 할 수 있게 되었다.

플로우 포밍의 기술적인 원리는 간단하다. 주조기에서 분출 된 알루미늄 휠을 플로우 포밍 공정 직전 350도까지 가열한 후 플로우 포밍 공정에 돌입한다. 플로우 포밍이 이뤄지는 자동화 기계는 기계 중앙에 알루미늄 휠은 림의 형상을 다듬은 멘드렐을 두고 이를 3개의 롤러가 둘러 싼 모습이다. 멘드렐에 플로우 포밍 공정 이후 수월한 탈착을 위해 이형제를 분사하고 알루미늄 휠을 올려 놓는다. 플로우 포밍으로 림 부위가 늘어날 것을 감안하여 플로우 포밍을 공정을 거칠 휠은 미리 주조 금형의 림 부위를 짧고 두껍게 만들어 둔다.

열을 받아 표면이 물러진 알루미늄 휠에 3개의 롤러가 부착 되어 상하로 움직이며 림 부위를 성형하며 아래로 늘린다. 플로우 포밍 시 롤러의 개수는 1개에서 최대 3개 정도를 사용하는데 핸즈 코러레이션이 3개의 롤러를 사용하는 이유는 하나의 롤러로 일정 이상의 변형을 가하게 되면 림 부위에 충격이 강도 이상으로 전해 질 수 있기 때문에 분할하여 성형을 하며 3개의 롤러로 림의 형상을 빠르게 다듬어 제작 사이클을 끌어 올리기 위함이다.

플로우 포밍을 거치며 휠 본연의 형태를 갖춘 알루미늄 휠은 저압주조로 제작 된 알루미늄 휠과는 차별화 된 강점을 가지게 된다. 우선 응고 순서에서 허브와 스포크 부분의 DAS 수치가 낮고 상대적으로 DAS 수치가 높은 림 부위는 플로우 포밍으로 전혀 다른 조직 형상을 띠게 된다. 플로우 포밍을 거친 림의 알루미늄 수지의 형상은 마치 각 수지들이 늘어나 서로 엉켜 있는 형상을 띠게 된다.

이 형상은 단조 제품의 조직면과 유사한 모습인데 실제 플로우 포밍이 단조 기법의 범주에 속하기 때문에 이 같은 형상을 띠는 것이다. 이를 통해 허브와 스포크의 강성은 물론 림 부위의 강성까지 확보하면서 알루미늄 주조 휠에서 쉽게 찾아볼 수 없는, 단조 휠에 버금가는 강도를 갖출 수 있다. 플로우 포밍을 마친 휠은 이후 열처리 과정을 거치며 기존 휠과 같은 마무리 작업을 거친다.

스퍼터링 – 휠 도색의 새로운 기준을 제안하다.

알루미늄 휠이 사랑 받는 이유는 바로 가볍지만 강성을 확보 할 수 있으며 성형의 용이하기 때문이다. 운전자들은 나날이 자신의 아이덴티티를 강조하고 자신의 소유물인 자동차의 가치를 개선하고 싶어하는 욕심이 있다. 차량의 성능을 끌어 올리거나 외관을 변형, 개선하는 튜닝이 바로 이러한 감정의 표출이라 할 수 있다. 또 이에 맞춰 제조사들은 소비자들이 원하는 디자인과 색상, 특성을 가진 실내 외 디자인 요소를 가미할 수 밖에 없다.

우수한 광택을 자랑하는 크롬 도금 휠도 이런 구매욕을 자극하는 요소였다. 하지만 크롬 도금 휠에 대한 위험성과 문제점은 꾸준히 지적되어왔다. 습식 도금 방식을 채택하는 크롬 도금의 특성 상 도금 과정에서 발생하는 오염수와 폐수가 지나치게 많고 도금 과정에서 이 폐수를 통해 중금속이 노출되는 경우가 많았다. 이러한 문제로 국내외 정부들은 크롬 도금 공정을 제한하게 되었고, 휠 제조사들은 크롬 도금 휠을 대체 할 수 있는 새로운 방안을 찾기 시작했다.

스퍼터링 역시 이런 고민의 결과로 등장했다. 건식도금 기법인 스퍼터링은 플라스틱 및 유리, 디스플레이 패널 등에 금속 박막을 증착시키는 PDC(Physical Vapor Deposition)의 대표적인 기법이다. 건식 도금의 공정의 효과적인 진행을 위해 공정은 진공 상태의 챔버 내에서 진행된다. 챔버 내에 박막 증착 될 휠과 휠 표면에 증착 될 금속 타겟를 비치하고 진공에 가까운 상태로 만든다. 이후 챔버 내에 아르곤(Ar) 가스를 주입한다.

이후 휠에는 +전압을, 증착 타겟(금속)에는 – 전압을 걸어준다. 이러면 챔버 내의 자유 전자들이 휠 쪽으로 이동하며 챔버 안에는 플라즈마가 발생한다. 챔버 내 자유 전자들이 계속 움직이며 아르곤 가스와 충돌이 계속 이어지며 이 때 아르곤 가스가 이온 화 되어 Ar+가 되어 –전압이 걸린 타겟 금속으로 이동하고 금속 타겟과 충돌하며 원자 단위로 금속을 분해하고 분해된 금속 원자는 플라즈마를 통과하며 휠에 달라 붙어 박막을 형성하며 증착이 진행된다. 증착이 완료 된 후 일반 휠 도색 공정과 마찬가지로 클리어 도료를 도포해 이물질의 오염을 방지하고 표면 광택을 살린다.

스퍼터링 과정은 습식 도금이 아니기 때문에 별도의 오염수 발생이 없으며 공정 자체의 간결함과 사용 재료의 낭비를 최소로 막을 수 있다. 이 때문에 제품 공급 가격의 절감 효과는 물론 친환경 요소를 갖춰 습식 도금을 택하고 있는 크롬 도금 휠 시장을 대체 할 수 있는 대체 제품으로 평가 받고 있다.

알루미늄 휠에 남겨진 과제

알루미늄 휠이 세상에 그 모습을 드러낸 것이 어느새 90년이 지났다. 하지만 알루미늄 휠은 여전히 기술 개발과 경쟁이 펼쳐지고 있다. 특히 수율에 대한 개선이 지속적으로 요구되고 있는데, 대중적인 저압주조의 경우 70%에 달하는 수율을 기록하지만 핸즈 코퍼레이션이 자랑하는 중력주조는 아직 50% 대 수준에 지나지 않은 모습이다. 수율의 개선은 바로 공정 비용의 절감을 기대 할 수 있으며 나날히 높은 스펙을 자랑하는 자동차에 대응 할 수 있도록 휠의 강도를 확보할 수 있는 새로운 기술이 지속적으로 요구되고 있다. 치열한 자동차 제조사 간의 경쟁 그 이상의 치열한 경쟁이 자동차 휠 제조사에서 펼쳐지고 있다.