초고강도 체결 부품은 단순하게 ‘강한 볼트’라고 쉽게 생각할 수 있으며, 실제로도 인장강도 및 경도가 매우 높아 기존보다 큰 체결력을 얻을 수 있고, 강한 진동과 큰 외력에 저항할 수 있는 체결 부품 볼트, 스크류 및 스터드 등을 말한다. 고출력·고연비 엔진의 성능 향상, 차량 경량화의 요구 및 친환경 자동차의 등장과 함께 초고강도 체결 부품은 지속적으로 성능 향상이 이루어져 왔으며, 이에 따라 체결 부품이 적용되는 자동차 부품 역시 고성능 확보가 가능해지고 있다. 본 고에서는 현재 초고강도 체결 부품의 국내·외 기술개발 동향과 함께, 적용 현황 및 그 효과에 대해서 언급하고자 한다​.

체결 부품의 개요

통상 화스너(Fasteners)라로 불리는 체결 부품은 우리 생활과 매우 밀접한 관련이 있으며, 자동차, 기계 구조물 및 전자 기기 등 많은 곳에서 접할 수 있는 매우 기본적이면서 극히 중요한 부품 중에 한 가지라 할 수 있다. 대표적인 예를 들어보면, 우리가 여행하면서 볼 수 있는 파리 에펠 타워에는 철강 8,000ton이 소요되었고 이것을 체결하고자 약 2,500,000개의 체결 부품 리벳(Rivet)이 소요되었다.

이와 같이 체결 부품은 기계 구조 부품을 체결하는데 매우 유용한 수단일 뿐만 아니라, 용접 및 접착과는 달리 즉시 간단한 공구를 이용하여 접합하고 필요 시 쉽게 해체할 수 있는 장점을 가지고 있는 유용한 부품이다.

먼저 체결이라는 것은 두 물체가 외력에 의하여 상호 간 유동 및 분리가 되지 않도록 기계적으로 맞물려진 상태를 말하며, 체결 부품은 이러한 기계 구조물 즉, 피 체결물을 체결하여 고정하는 접합용 부품을 말한다. 국내에서는 흔히 ‘볼트’라고 불리고 있으나, 실제로는 <그림 2>와 같이 너트와 함께 사용하는 부품을 ‘볼트(Bolt)’라고 하며, 그 외에 형태 및 특징에 따라 볼트(Bolt), 스크류(Screw) 및 스터드(Stud)로 불린다.

체결 부품을 가장 많이 사용하는 분야는 역시 자동차 산업이 될 수가 있으며, 일반적인 차체 외에도 고압 및 고온을 경험하는 실사용 환경에서 상당히 많은 부분에 사용되고 있고, 지속적인 차량 중량 감소 및 연비 향상의 요구에 따라 거의 극한에 이르는 엔진 다운사이징이 요구되고 있는 것이 현실이다. 그러나 엔진의 중량 또는 부피 감소와는 반대로 고출력이 요구되기 때문에 엔진 부품은 높은 부하 또는 열악한 작동 환경에 놓여지게 되었다.

따라서 엔진의 주요 요소를 연결하는 체결 부품은 지속적인 중량 감소 및 높은 내구성이 요구되고 있다. 이에 따라 국내/외 주요 체결 부품 제조사는 다양한 종류의 초고강도 체결 부품 개발에 경주 중이다. 체결 부품에서 가장 중요한 요소는 최초 설계 단계 또는 구동 환경 중 가해지는 진동 및 외력에 대한 저항성 확보 및 부품의 결합 유지 목적으로 정확한 체결이 이루어져야만 한다. 그러나 정확한 체결 조건을 선정하기 위해서 해당 체결 부품의 체결 특성을 잘 이해하여야 하며, 그 체결 특성은 체결 부품의 기계적 특성으로부터 결정된다.

초고강도 체결 부품 개발 동향 및 효과

서론에 언급한 바와 같이 기본적으로 체결 부품(이하 볼트)은 두 가지의 물체를 접합 또는 결합하는 기본적 목적 외에는 체적과 중량의 최소화가 요구된다. 일반적으로는 매우 작은 크기를 가지면서 고강도를 가져야 하는 특징이 있는데, 일반 실제 볼트 단품의 경량화 또는 소형화를 통하여 얻을 수 있는 직접적인 경량화 효과는 극히 미미하며 수 g(gram)에 지나지 않으며, 소수의 볼트 경량화의 효과는 1,000~1,500kg에 육박하는 승용차의 중량 대비 미미한 수준이나, 초고강도 볼트 적용으로 단품의 크기 및 중량이 감소하는 경우 <그림 3>과​ 같이 엔진 다운사이징에 이바지할 수 있는바는 매우 크며 최대 40kg에 육박하는 경량화 효과를 얻을 수 있고, 고성능 내연기관, 수송기기 등 개발에 크게 이바지할 수 있다.

현재까지 인장강도 1,000MPa을 넘는 초고강도 체결 부품에 대한 주요 기술 수준은 해외 선진업체 대비 다소 열위한 수준으로 판단되며, 국내의 경우 주로 10.9 Class 및 소수의 12.9~14.8 Class 체결 부품이 적용되고 있는 실정이나, 유럽과 일본 수준은 매우 높은 위치에서 우위 수준을 가진 것으로 평가되고 있는 것이 현실이다. 하지만 국내 유명 철강사 및 냉간단조사를 중심으로 16.8 Class 체결 부품에 대한 정부출연연구개발사업이 이미 진행되었으며, 시제품 생산 및 평가를 통하여 매우 우수한 수준의 결과를 확보하였다고 알려져 있다.

초고강도 체결 부품 적용 시 가장 주요한 특성은 높은 체결력을 얻을 수 있고, 이에 따라 체결 계에 대한 높은 내구성 및 신뢰성을 얻을 수 있다는 것이다. 즉, 풀림에 대한 저항성이 높고 피로 파괴에 대한 저항성이 증가하게 된다. 여기서 말하는 피로 파괴에 대한 저항성은 체결 부품 단품에 대한 것을 언급하는 것은 아니며, 피체결물을 단단하게 결합하고 있는 체결 부품을 통틀어 즉, 체결계에 대한 저항성이 증가한다는 것을 말한다.

이는 체결 도표(Joint diagram)을 통하여 쉽게 이해할 수 있는데, <그림 5>의 간단한 체결계를 고려해보자. 왼쪽은 매우 일반적인 체결계의 구조를 나타내었는데, 진동 및 연소압에의 한 외력은 통상 체결 부품에 직접 작용하지 않는다. 즉 대부분 피체결물을 통하여 먼저 전달되고 이 후 체결 부품에 전달되게 된다. 이와 같은 경우 가해지는 외력은 피체결물과 체결 부품에 분배되는데(그림 5 오른쪽 위 그림), 피체결물은 대부분 부피가 크고 단면적이 크기 때문에 피로 파괴에는 상당히 안정적인 상태에 놓이게 된다. 만일 체결계의 체결력을 올리게 되면(축력을 증가하면), 같은 외력에서도 체결 부품으로 분배되는 분담하중이 감소하므로 체결 부품은 피로 파괴에 더 안정적인 상태에 놓이게 된다. 즉, 체결력을 증가시키게 되면(강하게 조이면) 체결계의 피로 저항성은 같은 외력에서도 증가하게 된다는 의미이다. ​

​그러나 인장강도가 고정되면 얻을 수 있는 체결력에 한계가 있게 되는데, 이와 같은 이유로 초고강도 체결 부품이 필요한 것이며, 기존 대비 훨씬 더 높은 체결력을 확보할 수 있기 때문이다.​

<그림 6>에는 실제 다양한 인장강도를 가진 체결 부품의 기계적 특성을 나타낸 것인데, 높은 인장강도를 가질수록 높은​ 체결력을 가질 수 있음을 직관적으로 알 수 있고, 이것이 초고강도 체결 부품을 사용하는 직접적인 이유가 될 수 있을 것이다. 예를 들어 10.9 Class 제품 대비 16.8 Class 제품은 약 180% 향상된 체결력을 얻을 수 있다는 사실이며, 운용 중 피체결물의 풀림 방지와 더불어 체결력을 향상시킬 수 있으므로 보다 안정적인 운용이 가능케 하는 것이다. ​

실제 자동차 등 수송기기 제조사 및 기계구조 부품 제조사는 이와 같은 목적으로 고강도에 대한 요구 및 실제 적용을 하고 있다. 현재 국내 시장에서 적용되고 있는 제품은 대부분 14.8 Class(인장강도 1,400MPa급)이며, 열처리(조질강, Quenching 및 Tempering)형과 비열처리형(선조질강) 두 가지 제품이 <그림 7>에서와 같이 세 분야에 널리 적용되고 있다. 그러나 16.8 Class 제품은 국외의 경우 양산 적용이 2003년부터 이루어졌으나, 국내는 아직 양산 실적이 없는 실정이다. 다만 현재 Aus-tempering 이라는 특이한 열처리를 통하여 시제품 성격으로 이미 개발 및 개발 중인 것은 세 가지 제품 정도가 있으며, 모두 매우 효과적인 기계적 특성을 가지고 있음이 증명되었다.

상기에 언급한 내용과 같이 초고강도 체결 부품을 사용하는 경우 높은 인장강도에 의한 향상된 체결력을 얻을 수 있으며, 이에 따라 구조물(피체결물)의 분리 및 풀림 방지에 매우 효과적이고 쳬결계에 대한 높은 신뢰성을 얻을 수 있을 것이다. 그러나, 수소지연파괴에 대한 우려, 체결 부품에 적용되는 원재료의 특성 및 제조 공정의 높은 난이도로 인하여 초고강도 체결 부품을 개발 및 양산 하는 것이 상당히 까다롭다고 할 수 있다.

또한 친환경차의 등장으로 내연기관과 관련된 산업 역시 매우 위협을 받고 있으며, 고성능 엔진에 사용되는 체결 부품 산업 역시 심각한 위기에 놓여 있는 상황이다. 전기차는 배터리를 사용하여 초고강도 체결 부품의 필요성이 낮다고 여겨져 왔으나, 외부 충격으로부터 내부에 장착된 배터리의 보호, 차체 강성 증대 및 증가된 배터리 중량으로 인한 관련 부품 경량화를 목적으로 초고강도 체결 부품 역시 새로운 목적으로 적용되고 있다.

따라서 현재보다 높은 수준의 기술력 확보가 중요해질 것이며, 우리의 상상보다 훨씬 높은 한계 즉, 거의 극한에 이르는 성능이 요구될 것이므로 관련 산업분야에 더욱 다양하고 수준 높은 기술 개발이 반드시 필요하다고 할 것이다.​