공정마다 보는 금속 부품의 수지화의 요점

제1회 금속 부품의 수지화 목적, 재료 평가·선정 시의 포인트

[첨단 헬로티]

오츠카 마사히코 (大塚 正彦) 오츠카기술사사무소

현재의 일상생활에서는 자동차, 가전제품, 정보통신단말 등이 필수품인데, 이들 제품을 구성하는 부품에는 강재, 알루미늄, 마그네슘 등의 금속이 사용되고 있다.

오늘날 지구온난화를 시작으로 환경 문제가 중시되는 가운데, 특히 자동차에서는 CO2 배출량의 저감이 급무이고 정보통신단말 등에서는 경량․소형화․저가격화, 세련된 디자인 요구 실현이 필수가 되고 있다. 이러한 과제를 해결하기 위해 수지의 채용에 의한 경량화 검토, 실용화가 추진되고 있다.

금속의 수지화에서는 기존의 형상을 수지로 대체하는 것만으로는 금속과 수지의 강도, 내열서 등의 물성값 차이에 의해 제품의 성능을 만족시키는 것은 곤란하며, 복합강화수지의 활용, 부품 형상의 변경, 금형 설계․제작, 성형법의 고도화가 필요하다.

이번 연재에서는 4회에 걸쳐 금속 부품의 수지화 포인트에 대해 해설한다. 제1회는 수지화의 목적, 수지 재료 선정, 제2회는 수지화 설계, 금형 설계․제작, 제3회는 성형법, 품질 보증, 제4회는 적용 사례와 앞으로의 동향에 대해 서술한다.

금속 부품의 수지화 목적

지구온난화의 주 요인으로서 들어지는 자동차의 CO2 배출의 경우, 경량화에 의한 CO2 배출량의 절감이 필요한데, 운전자, 동승자의 안전성을 담보해야 하며 고강도가 필요하기 때문에 금속이 다용되고 있다. 더구나 EV화의 진전에 의한 배터리 탑재에 동반하는 중량 증가가 있고, 에너지 소비 효율의 향상을 위해 경량화가 필요해진다.

다른 한편으로는 가전제품, 사무기기, 산업기기를 시작으로 많은 제품에서 에너지절감화, 소형 경량화, 디자인성 향상, 복잡한 형상의 일체성형에 의한 저가격화 등의 요구를 실현하기 위해 오랜 기간 사용해 온 금속 부품의 수지화가 급속하게 진전하고 있다.

주된 부품의 수지화 목적(예)를 나타냈다.

(1) 자동차 : ①경량화, ②저소음화, ③저가격화, ④디자인성 형상 등
(2) 가전 : ①경량화, ②박형․소형화, ③저가격화, ④디자인성 향상 등
(3) 사무기기(복사기 등) : ①경량화, ②박형․소형화, ③고속화, ④저소음화 등
(4) 정보통신단말 : ①경량화, ②박형․소형화, ③저가격화, ④디자인성 향상 등

한 예로서 타이어 휠의 수지화 예를 그림 1에 나타냈다. 이 사례의 경우, 알루미늄합금을 CFRP(탄소섬유 강화수지)로 대체함으로써 경량화율 46%를 실현하고 있다.

재료 평가·선정 시의 포인트

1. 복합강화수지의 특징

기존 많이 사용되고 있던 강재, 알루미늄 등의 금속은 수지와 비교해 기계적 강도가 높고, 하중에 대한 내구성 면에서도 우수하다. 또한 내열성이 높고 열전도성도 좋으며, 잘 타지 않고 온도에 따른 변화가 작기 때문에 치수안정성도 양호하다.

한편, 수지는 기본적으로 수지 단체로는 금속과 동등한 레벨의 강도, 내열성, 열전도성 등의 물성값을 확보하는 것이 곤란하기 때문에 수지에 유리섬유(GF)를 비롯해 탄소섬유(CF), 무기물, 산화아연 등의 강화재를 복함시켜 기계적 강도, 내열성 등의 물성을 향상시킬 필요가 있다. 복합화하는 주된 강화재의 종류와 용도, 기능의 일람을 표 1에 나타냈다.

기재한 강화재와 수지의 조합으로 소요 물성을 확보하는 복합강화수지의 개발, 실용화가 가능하다. 또한 표 2에 필러․가루․입자 모양 강화재를 첨가했을 때의 기계적 특성 등의 성능 향상 효과를 나타냈다. 동 표에서 GF, 무기물 및 GB(유리비즈)를 복합화했을 때는 비강화 시의 물성보다 인장탄성률, 열변형 온도의 향상, 성형수축률 절감을 확인할 수 있다.

2. 열경화성 복합강화수지와 열가소성 복합강화수지의 특징

수지에는 가열에 의한 수지 분자의 가교반응을 이용해 경화하는 열경화성수지, 가열해 용융한 후 냉각고화하는 열가소성수지의 2종류가 있다. 이 2종류의 수지와 GF, CF 등의 강화재와의 복합화에 의해 금속과 동등한 레벨의 물성을 가지는 금속 대체용 복합강화수지가 실용화되고 있다. 열가소성수지(PC, PA66, PPS : 3종류), 열경화성수지(BMC : 1종류, 이하 BMC)에 GF, CF를 복합화한 복합강화수지, 알루미늄 다이캐스트, 마그네슘의 물성을 표 3에 나타냈다.

BMC는 불포화폴리에스테르수지에 열가소성수지(예 : 아크릴수지의 일종인 메틸메타크릴레이트, 포화폴리에스테르 등)을 더해, 불포화 폴리에스테르가 고온에서 경화수축하는 것을 열가소성수지가 팽창하고 상쇄해 저수축화하고 있다. BMC의 특징(장점, 단점)을 이하에 나타냈다.

장점

① 치수 정도, 치수안정성이 양호. 변형이 매우 작다.
② 강성, 내열성이 우수하다. 열팽창계수가 작다.
③ 기계적 강도가 크다.

단점

① 다소 약하다.
② 비중이 크지만 내약품성이 떨어진다.
③ 버 발생이 많다.

표 3에서 열가소성수지에 CF를 복합강화한 수지는 알루미늄 다이캐스트, 마그네슘과 비교해 굽힘탄성률, 열변형 온도 이외의 물성에서는 우위성이 있고, 알루미늄 다이캐스트, 마그네슘 부품의 대체 가능성은 충분히 있다.

또한 BMC는 굽힘강도, 치수안정성이 우수하기 때문에 고정도가 요구되는 복잡한 부품을 일체성형으로 제작할 수 있는 메리트가 있고, 광학 섀시, 금융기기 부품 등의 알루미늄 다이캐스트 대체로서 사용되고 있다.

표 3으로부터 열가소성수지에서 GF, CF로 강화한 복합수지는 수지마다 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 그 이유는 섬유강화하는 각 수지의 성능이 원래 비강화 시에 다르기 때문이다. 따라서 금속 부품을 수지화할 때, 자동차, 가전제품의 부품에서는 요구 사양이 다르기 때문에 요구 사양과 물성값을 충분히 비교 검토한 후에 수지를 선정하는 것이 필요하다.

이와 같이 금속 부품의 수지화에 있어서는 강도, 내열성 등의 기본적인 물성 데이터를 우선해 검토하는데, 이와 함께 주의해야 하는 것이 제품의 스트레스 크랙성이다.

3. 스트레스 크랙의 검토

일반적으로 결정성수지는 각종 약품에 대해 내성이 있으며, 비정성수지는 내약품성이 나쁘다. 주된 수지의 스트레스 크랙성(결정성수지 : PA66, PBT, POM, 비정성수지 : PC, 변성 PPE)을 표 4에 나타냈다. 수지성형품에는 기본적으로 성형 시의 잔류응력이 존재하는데, 스트레스 크랙이란 해당 부품에 알코올 등의 약품이 닿으면 부품에 미소한 크랙이 발생하는 현상이다.

이와 같은 현상을 회피하기 위해 약품이 닿는 환경에 있는지 등 부품의 사용 환경을 충분히 고려할 필요가 있다. 이 문제는 비강화수지에 한하지 않고, 복합강화수지를 사용한 성형품이라도 마찬가지이다.

또한 수지 선정에서 주의가 필요한 포인트로서 고온 하에서 물체에 일정한 하중이 부하됨으로써 시간과 함께 부품이 변형하는 현상, 즉 크리프 특성을 들 수 있다. 크리프 특성은 BMC(에폭시, 불포화폴리에스테르 등)이 열가소성수지보다 우수하다. 주된 열가소성수지의 내크리프 특성을 확인하면 이하와 같이 된다.

(고) PEEK>PPS>POM>PET>PP>PTFE (저)

이 결과로부터 고온 환경 하에서 고정도가 필요한 부품의 경우, PEEK, PPS 등을 우선해 검토하면 된다. 이상, 금속 부품의 수지화에 대한 재료 평가·선장 시의 포인트를 설명했는데, 수지는 강도, 내열성 등의 면에서 금속에 비해 떨어지기 때문에 비강화수지만의 대체는 거의 불가능하고, GF, CF 등 강화재의 종류, 용도․기능을 확인한 후 엔지니어링플라스틱(예 : PC, PA6, PA66 등), 슈퍼엔지니어링플라스틱(예 : PPS, PAI, PEEK 등)과 복합강화할 필요가 있다.

또한 제품의 사용 조건 및 환경에 따라서는 내후성, 전기적 특성 등의 특성에 대해, 금속과 복합강화수지의 비교 검토가 반드시 필요해진다.

그러나 오늘날의 재료 개량․개질 기술의 발전에 의해 비강화수지로 금속 부품의 수지화도 가능해지고 있다. 한 예로서 그림 2에 폴리페닐렌술폰(PPSU)에 의한 안경 금속 프레임의 수지화 예를 나타냈다. PPSU는 난연성, 내충격성, 내약품성이 우수하기 때문에 금속 프레임의 대체가 가능하다.

사용하는 상황을 가정해 필요한 강도, 내구성, 안전성 등의 특성을 확인한 후, 실용 상 문제가 없으면 수지화하는 것도 가능하다. 비강화 엔지니어링플라스틱, 슈퍼엔지니어링플라스틱 단체로 금속 부품의 수지화도 가능한데, 요구 사양의 재검토 등을 할 필요가 있다.

자동차, 가전, 사무기기, 정보통신단말 등 고신뢰성이 요구되는 제품에 사용하는 부품에서는 GF, CF, 티탄산칼륨, 탄소칼슘, 탤크 등을 사용해 복합강화한 수지가 필요하다. 또한 복합화하는 엔지니어링플라스틱, 슈퍼엔지니어링플라스틱은 고가이기 때문에 금속 부품을 수지화했을 때의 부품 가격, 특히 kg당 수지 가격 혹은 부품 가격이 목표 가격 이하로 되어 있는지의 확인이 반드시 필요하다.

부품 가격에 관해서는 금속 부품의 설계 내용 수정(예 : 살두께, 형상 등), 성형법의 선정이 관계한다. 이 내용에 대해서는 제2회에서 해설하기로 한다.

오츠카 마사히코 : 소장