최근 친환경 자동차, 항공기, 전자기기 등 다양한 산업 분야에서 제품 경량화가 핵심 과제로 부각되면서, 알루미늄 합금을 활용한 체결 부품의 적용이 빠르게 확대되고 있다. 알루미늄 합금은 철강에 비해 밀도가 낮고 가공성이 뛰어나면서도, 내식성과 재활용성이 우수하여 지속 가능한 제조기술 관점에서도 주목받고 있다. 그러나 알루미늄 합금은 낮은 탄성계수와 표면 경도, 체결 후 이완 및 손상 우려 등으로 인해 기존 체결 시스템에 바로 적용하기 어려운 특성을 갖고 있으며, 이러한 물성 차이는 설계 및 공정 단계에서의 세밀한 기술대응을 요구한다.
체결 부품에 적용되는 주요 알루미늄 합금 계알루미늄 합금을 체결 제품으로 사용하기 위해서는 먼저 충분한 강도를 확보해야 하고, 150℃의 고온에서도 그 강도의 유지가 가능한 내열성(Heat Resistance) 특성이 요구되며 또한, 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking)을 방지할 수 있는 내부식성(Corrosion Resistance)이 중요하고 마지막으로 제품 형태로 가공이 가능한 냉간 가공성 역시 요구된다.
<표 1>에는 고강도 구조용 재료로 사용되는 알루미늄 합금 2000, 6000, 7000계의 특성을 체결 제품의 요구 특성과 비교하여 나타내었는데, 강도, 가공성, 내열성 및 내식성을 고려하였을 때, 6000계 합금이 가장 적합한 계열로 평가된다. 특히 체결 부품은 필연적으로 나사를 가지고 있으며, 체결 부품 고유의 기능 즉, 체결력 유지 측면에서 항복강도 수준의 응력이 상시 부가된 상태이므로 나사의 골(Root) 부분은 Notch 효과가 집중되며, 사용 환경에 따라 발생하는 응력 부식 균열 방지에 최적화된 합금 계로 널리 알려져 있다.
반면, 강도 및 경도만을 고려한다면 7000계 알루미늄 합금이 알루미늄 계열 중 가장 높은 강도를 가지며, 실제 고강도 제품에 자주 사용된다. 그러나 7000계 합금은 내열성과 내식성 측면에서 6000계 대비 열위에 있어 응력부식균열에 취약하여 체결 제품 제조에 부적절한 것으로 알려져 있다.
그 대표적인 예로 7000계 합금 체결 부품을 매우 습도가 높은 환경에서 구조물 체결용으로 사용하던 중 파손된 경우가 보고되었는데, 사용 후 얻어낸 제품에서 파단 변형률과 연성이 감소하며 취성 거동을 보였으며, 실사용 제품 중 파손이 발생한 제품은 XRD 및 FT-IR 분석을 통해 수산화알루미늄(Al(OH)3)의 존재가 확인되었다.
또한 파단면 분석 결과, 결정립계와 결정립 내부에서 동시에 균열이 발생한 것으로 나타났으며, 약 알칼리성 수분에 장기간 노출됨에 따라 생성된 수산화알루미늄, 제조 공정 중 발생한 잔류 응력, 체결 시 부과된 응력이 복합적으로 작용해 응력부식균열이 유발되었고, 이로 인해 체결 부품의 기계적 특성이 취성화된 것으로 판단된다. 이러한 점에서 7000계 합금은 체결 제품 제조에 적절하지 않다.
알루미늄 합금 6000계 중 6065 합금은 일반 기계 공학
분야에서 강철을 대체하려는 시장의 요구에 대응하기 위해 설계된 합금으로 기계적 강도, 가공성, 인성, 내식성에 중점 두고 설계된 합금으로 6061 합금 대비 Si, Cu, Mn, Zn 함량이 다소 높으며 6056 합금의 강도는 T651 기준 Low grade steel과 동등한 수준이며 보편적으로 사용하는 6061 합금보다 15% 높은 강도를 가지고 있으며, 가공성도 우수하다
또한 2000계 대표 합금인 2024(T351)과 비교하여도 인장 강도가 동등한 강도를 가지고 있다. 내식성 측면에서도 2024 합금과 7000계 대표 합금인 7075 합금보다 우수한 내식성을 보이기 때문에 체결 제품에 가장 적합하다고 알려져 있으며, 열 저항 특성 또한 7075 합금보다 우수한 특성을 나타내며, 6056 합금의 인장강도는 7075 합금의 인장강도보다 낮으나,
내열성이 우수하여 150℃에서 장시간 잔류 후에도 6056 합금의 강도 저하가 매우 낮은 것으로 알려져 대부분의 알루미늄 합금 체결 부품은 6056 합금을 사용하며, 6061 합금도 다수 적용되고 있다.
국내/외 알루미늄 합금 체결 부품 시장 동향
글로벌 전기차 시장의 확대에 따라, 세계 알루미늄 체결부품 시장도 높은 성장세를 보이고 있다. Verified Market Research에 따르면, 2024년 기준 약 35억 달러 규모로 평가되었으며, 2026년부터 2032년까지 연평균 7.5%의 성장률을 기록해 2032년에는 약 62억 달러에 이를 것으로 전망하였다.
배터리 전기차(BEV, Battery Electric Vehicle) 시장의 지속적인 성장에 따라, 친환경 자동차용 경량 소재 시장 역시 점차 확대될 것으로 예상되고, 전기차의 비중이 증가함에 따라 기존의 철강 소재 사용은 감소할 것으로 전망되며, 이를 대체하기 위한 알루미늄, 플라스틱 등 경량 소재를 활용한 부품개발이 활발해질 것으로 보이는데, 이 중에서도 알루미늄 합금 개발이 성공할 경우, 탁월한 경량화 효과로 인해 시장 확대가 가속화될 것으로 예상된다.
북미와 유럽은 자동차 제조 중심지로서, 경량 소재에 대한 선호와 엄격한 환경 규제에 따라 알루미늄 체결 부품의 주요 시장으로 부상하고 있으며 특히, 자동차 부문에서 너트와 볼트는 다양한 부품 조립에 필수적인 요소로서 지배적인 제품범주를 형성한 상황이다.
아시아 태평양 지역은 중국과 인도 등에서 빠르게 성장하는 자동차 산업에 힘입어 높은 성장 잠재력을 보이는데, 건설산업 부문에서는 고층 건물 및 인프라 프로젝트의 확대에 따라, 가볍고 부식에 강한 구조물이 요구됨에 따라 알루미늄 체결 부품 사용이 증가하고 있다. 이에 따라 자동차 산업이 여전히 시장을 주도하는 가운데, 건설을 비롯한 기타 산업 부문에서도 향후 높은 성장세가 기대된다.
국내 알루미늄 합금 체결 부품 시장 규모는 정확한 통계 자료는 없으나, 국내 산업용 체결 부품 시장은 2024년 약 53억 달러 규모로 추산되며, 향후 연 5~5.3% 성장이 예상된다. 이 중 알루미늄 합금 체결 부품 시장은 수 억~수천만 달러규모로 추정되며, 국내 자동차사의 경량화, 자동화, 내식성 등의 트렌드에 힘입어 수요는 폭발적으로 증가할 것으로 기대된다.
최근 국내 자동차사 주도로 개최된 체결기술 컨퍼런스에서는 차체 경량소재 적용 현황이 발표되었으며, 알루미늄 합금을 포함하는 경량소재 적용 확대를 예상하였으며, 차체 일부에 적용되는 알루미늄 합금이 하이퍼캐스팅이라는 초대형 주조 공법을 도입함으로써 알루미늄 합금 체결 부품의 기술개발에 대한 수요도 지속적인 증가가 예상될 것이다.
국외 주요 기술 개발 동향 및 실 적용 사례
과거에는 알루미늄 합금 체결 부품의 사용이 자동차 산업과 체결 부품 제조업체의 연구개발(R&D) 분야 중 일부에 한정되어 있었고, 생산 현장에서의 적용 가능성은 회의적이었다. 하지만 오늘날, 완성차 업체(OEM)의 제품 개발 엔지니어들은 이 주제에 대해 집중적으로 연구하고 있으며, 알루미늄 합금 체결 부품의 생산 적용이 실제로 폭 넓게 이루어지고 있다. 그 예로, BMW의 인라인 6기통 엔진(NG6)에 알루미늄 합금 체결 부품이 적용되고 있다<그림 4>.
특히 유럽을 중심으로 내연기관 뿐만 아니라 다양한 자동차 부품 부위에 M6부터 M12까지 특징적인 알루미늄 합금 체결 부품을 적용하고 있으며, 다수의 성능 검증 연구를 통해, 알루미늄 합금 체결 부품이 실제 자동차 생산에 사용될 수 있음이 입증되었다.
적용 사례로는 Tesla<그림 5>, BMW 및 GM 등 주요 전기차 제조사들이 전기차 섀시 및 배터리 모듈 하우징 체결에 알루미늄 합금 볼트 및 리벳을 사용하고 있으며, Airbus와 Boeing 은 항공기 동체와 복합재 부품의 경량 체결을 위해 Ti-Al 이종소재용 알루미늄 체결 기술을 확대 적용하고 있다. 유럽 철도차량 업체 Alstom과 Siemens 역시 알루미늄 합금 볼트와 너트를 차량 외판, 차체 조립에 적용하여 전체 중량을 수십 kg 이상 경감한 사례가 보고되고 있다.
이처럼 해외에서는 알루미늄 합금 체결 부품을 단순한 소재 대체가 아닌, 성형성, 강도, 내식성 및 접합성까지 고려한통합 기술로 개발하고 있으며, 다양한 경량 구조물 분야에서 상용화가 빠르게 이루어지고 있다.
관련 국내 기술 개발 수준 및 동향
이에 반해 국내의 기술 개발 수준은 국외 대비 열위한 상황인데, 이것은 기술력 자체의 수준의 높고 낮음이 아니라 현재까지 국내 자동차사의 알루미늄 합금 체결 부품이 대량 적용되지 않았으며, 특히 알루미늄 합금 원재료 즉, 선재(Wirerod) 및 선(Wire)을 제조할 수 있는 인프라가 매우 열악한 상황이기 때문이다.
또한, 원자재 단가가 해외 대비 약 30% 높게 형성되어 있고, 특히 반도체 장비 등 고부가가치 분야에서는 특수 알루미늄 합금 체결 부품의 수입 의존도가 95%를 넘어서는 기술적 취약성이 극명하게 드러나 있으며, 국내 알루미늄 합금 시장 환경은 연간 300억 원 규모로 일본 시장의 5% 수준에 불과한데, 중소기업 중심의 산업구조로 인해 대규모 R&D 투자가 어려운 상황이며 자동차 및 우주 항공 분야의 해외 공급망 고착화로 신규 진입 장벽이 매우 높게 형성된 것이 현황이다.
그러나, 미래를 지향하는 측면에서 알루미늄 합금 체결 부품 제조기술은 시제품 제조 및 주요 요소기술 개발은 충분히 이루어진 상태이며, 관련 인프라 및 적정 수요 발생 시 즉시 활용 가능한 수준의 연구개발이 이루어지고 있으며, 현재 해외 자동차사의 양산 적용 중인 주요 체결 부품을 기준으로 시제품 개발 및 만족할만한 특성을 얻은 상태이다.
국내 체결 부품 시장에 있어 우위를 가지고 있는 전문 산업체에서는 자체 투자 및 연구개발을 통하여 해외 제품 대비 동등 이상 수준의 기계적 특성 및 기초 품질 확보에 성공하였으며, 향후 양산 적용 시 즉각 대응할만한 준비가 되어 있는 상태이다.
체결 부품 제조 시 다단 냉간 단조를 통하여 소성 가공되는데 이는 알루미늄 합금 6000계 선(Wire)을 이용하여 요구제품의 형상을 성형하는 과정이며, 열간 단조(Hot Forging) 대비 재료 활용률이 95% 이상으로 매우 재료 수율이 높고, ±0.01 mm 이내의 초정밀 형상 구현이 가능한 기술이며, 기본적으로는 (1) 소재 절단 → (2) 예비 성형(Preforming) → (3) 중간 성형(Intermediate Forging) → (4) 최종 성형(Final Forging)등으로 구분되며, 제품의 복잡 형상에 따라 4~5단으로 구성 되는 것이 일반적이다.
특히 알루미늄 합금의 다단 냉간단조 시 낮은 변형 저항과 가공 경화 민감성으로 인해 정밀한 냉간단조 공정 설계가 매우 중요한 요소이며, 냉간단조 하중 분산 설계를 통하여 급격한 형상 변화를 방지할 수 있는 공정 설계와 그에 따른 금형을 설계/제작하는 것이 매우 중요하며, 더불어 다단 냉간단조 중 자주 발생하는 Galling 방지 목적으로 원소재의 표면윤활 즉, 단조 윤활이 매우 중요한 요소라 할 수 있고, 열처리기술 역시 매우 중요한 요소인데, 알루미늄 6000계 합금은 주로 고객이 요구하는 기계적 특성을 얻고자 T6 열처리 즉, 석출경화 열처리가 수행된다.
이는 체결 부품의 주요 기계적 특성 중 피로파괴 저항성에 결정적 영향을 미치게 되는데, 이러한 피로 저항성 향상은 T6 열처리 과정, 특히 인공시효 과정에서 형성되는 미세한 석출물이 균열 전파를 효과적으로 방해하기 때문에 가장중요한 요소이며, 석출물의 크기(50~100nm)와 분포 밀도가 피로수명을 결정하는 핵심 변수로 작용하며, 기존 연구 결과에 의하면 과도한 시효 시간(24시간 이상)은 석출물의 과성장을 유발해 오히려 피로 강도가 15~20% 저하되는 것으로 알려져 있어 적절한 시간과 온도를 설정하는 것이 매우 중요할 것이다.
향후 나아가야 할 방향과 시사점
알루미늄 합금 체결 부품의 활용 확대를 위해서는 소재 특성에 기반한 설계 최적화, 성형성 개선, 체결 안정성 확보 등 전 주기에 걸친 기술 대응이 필요하다. 특히 체결 후 발생할 수 있는 풀림, 나사 손상, 응력 집중 등의 문제를 해결하기 위한 재료 조성 개발 및 표면 처리 기술이 핵심 과제로 떠오르고 있다. 또한, 기존 철강 부품과의 치환이 아닌 알루미늄 특성을 고려한 신규 체결 시스템 설계 접근도 병행되어야 한다.
나아가 국내 제조업 전반에서의 경량화 수요 증가와 글로벌 탄소 저감 기조에 발맞춰, 알루미늄 체결 부품의 적용 범위는 더욱 확대될 것으로 전망된다. 이에 따라 산학연 간의 유기적인 기술 협력과 실증 기반 연구 개발이 동반되어야 하며, 체계적인 신뢰성 평가 기술 확립과 국제 표준 부합도 함께 고려되어야 할 시점이다.
글 / 한성훈 (태양금속공업)
출처 / 오토저널 2025년 8월호
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