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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.3 pp.130-134
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.3.130

Tough High Thermal-Conductivity Tool Steel for Hot Press Forming

Jongwon Kum*, Okjo Park**, Seokmoo Hong***#
*MDT. Co., Ltd
**Buil Steel Co., Ltd
***Department of Metal Mold Design Engineering, Kongju National University
Corresponding author smhong@kongju.ac.kr+82-43-521-9268, +82-43-521-9291
November 7, 2015 April 18, 2016 April 26, 2016

Abstract

Due to the need for advanced technologies in the automotive industry, the demand for lighter and safer vehicles has increased. Even though various nonferrous metals, like Aluminum, Magnesium and also Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP), have been implemented in the automotive industry, a lot of technical research and development is still focused on ferrous metals. In particular, the market volume of High Strength Steel (HSS) parts and Ultra High Strength Steel (UHSS) by hot press forming parts has expanded significantly in all countries’ automotive industries. A new tool steel, High Thermal-Conductivity Tool Steel (HTCS), for stamping punches and dies has been developed and introduced by Rovalma Company (Spain), and it is able to support better productivity and quality during hot press forming. The HTCS punches and dies could help to reduce cycle time due to their high thermal conductivity, one of the major factors in hot press forming operation. In this study, test dies were manufactured in order to verify the high thermal conductivity of HTCS material compared to SKD6. In addition, thermal deformation was inspected after the heating and cooling process of hot press forming. After heating and cooling, the test dies were measured by a 3D scanner and compared with the original geometry. The results showed that the thermal deformation and distortion were very small even though the cooling time was reduced by 2 seconds.


핫 프레스 포밍을 위한 고열전도성 금형에 대한 연구

금 종원*, 박 옥조**, 홍 석무***#
*MDT
**부일철강
***국립공주대학교 금형설계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1서 론

    최근 자동차 산업에서 핫 이슈가 되고 있는 CO2 배출량, 연비, 충돌 안전성 등은 모두가 차체와 밀 접한 관계가 있다. 차체에 필요로 하는 소재의 중 량을 최소화, 탑승자를 보호하는 공간의 안정성 확 보, 주행 안정성을 위한 차체 강성 등을 동시에 만 족하기란 어려운 일이다. 이러한 요구에 의해 이미 유럽의 경우 다종소재(철강, 알루미늄, 탄소섬유강 화 플라스틱, 마그네슘 등)를 이용하여 차체 제작을 해왔으며, 국내에서도 기존 차체용 강판에 비해, 고 장력 강판, 초고장력강판의 사용량이 증가하는 추 세이다. 특히, 초고장력강판의 경우 열간성형이라 는 새로운 프레스 성형기술과, 성형 후 1500MPa 수 준의 강판을 절단함에 있어 기존의 금형 기술로 해 결할 수 없는 다양한 기술적 문제를 가지고 있다. 소재가 고강도화 될수록 소재의 연신이 떨어지기 때문에 프레스 가공 공정에서의 파단 불량이 많아 져 이를 극복하기 위한 블랭크 홀더 제어, 윤활, 하 이드로포밍, 레이저 가공 등과 같은 신기술들이 소 개되고 있다. 그 중 핫 프레스 포밍(Hot press forming)은 B, Mo, Cr 등 경화능이 큰 원소를 첨가 하여 경화능을 향상시킨 강판을 900℃ 이상의 고온 으로 가열한 후 상온의 금형으로 성형함과 동시에 급랭하여 강도를 증가시키는 방법이다. Fig. 1에서 는 핫 프레스 포밍의 개념도를 설명하고 있다. 그 림에서 보여 지는 바와 같이 핫 프레스 포밍 공정 은 소재의 가열, 급속 이동, 금형을 이용한 열간성 형 그리고 급속냉각으로 이루어진다. 이중 열간성 형과 급속냉각에 있어서 금형은 고열전도성 및 고 인성이 필수적으로 보장되어야 한다[1-5]. Kim 등은 다이캐스팅 금형 소재 선정이 사이클 타임과 금형 마모에 미치는 영향에 관해 실험적으로 연구를 수 행하였으며, Lee 등은 해석적 접근을 통해 핫 프레 스 포밍에서 금형의 열전달이 사이클 타임을 감소 시키는데 중요한 역할을 함을 강조했고, 열전달해 석을 통해 사이클 타임을 2초 정도 감소시킬 수 있 음을 유한요소해석을 통해 보여주었다[6-7].

    본 연구에서는 핫 프레스 포밍 공정에서 생산 시간 을 줄여 원가경쟁력을 향상시키기 위해서 필요한 고열전도성과 고인성을 가진 금형의 개발과 이를 적용하여 실제 양산 제품의 축소 금형을 제작 하고 열처리 전후의 열변형량을 측정하고 그 실험결과를 정리하였다.

    2금형 소재의 특성

    2.1열간성형을 위한 고열전도성 소재

    기존의 자동차 열간 금형강의 소재는 SKD61종을 기반으로 인성 및 고온강도를 개선한 금형소재들을 주로 사용되었으며, 최근 일본, 유럽, 한국 등에서 핫 프레스 포밍 공정 적용을 위해 열전도도, 절삭 성, 인성 등이 우수한 금형 소재를 개발하여 출시 하고 있다. 핫 프레스 포밍에서 사용되는 금형의 주요 역할은 900℃ 이상으로 가열된 성형소재를 성형과 동시에 200℃ 이하로 빠른 시간 내에 냉각 시키는 것이다. 가열로를 이용하여 오스테나이트 변태 온도 이상으로 가열된 판재는 연질의 오스테 나이트 상의 기질을 갖게 된다. 프레스로 옮겨진 고온 오스테나이트 상의 판재는 성형과 동시에 금 형에 의한 냉각공정 (Die quenching)을 겪게 된다 이 과정을 통해 성형된 연질의 오스테나이트 상은 급랭에 의해 마르텐사이트(Martensite) 상으로 변태 하게 된다. 이러한 공정을 통해 초기 강도가 600MPa 정도였던 합금강 판재가 1500MPa 이상 급 의 고강도를 확보한 차체 부품으로 성형된다.

    이 과정에서 금형소재가 가지는 열전도도는 성형 소재의 열을 흡수하여 금형에 이미 확보되어 있는 냉각회로를 통해서 빼앗은 열을 배출하는데 소요되 는 시간을 결정한다. 하지만 금형이라 함은 앞서 언급한 안정적 반복성형성과 열 방출이라는 두 가 지 목적을 동시에 만족해야 한다.

    Fig. 2는 경도에 따른 금형소재의 열확산 계수를 보여준다. 열처리 후에 금형 소재의 경도와 이에 따 른 열확산계수이며, 이는 곧 열전도도와 깊은 연관성 을 가지고 있다. 핫 프레스 포밍용으로 개발된 HTCS(Rovalma, Spain)의 경우, 기존 금형 소재들에 비해 약 2~3배의 열확산계수를 가지고 있으며 이를 통해서 열간성형 시에 작업 시간이 대폭 줄기 때문 에 생산성 향상을 기대할 수 있다.

    Fig. 3은 다른 금형소재로 제작되어진 금형에서 같 은 제품을 성형한 후 금형에서 냉각속도의 차이에 대한 실험결과를 보여준다. 그래프의 x축은 냉각시 간을 의미하고, y축은 소재의 온도를 의미한다. 냉각 실험에 사용된 시편의 재질은 22MnB5이며, 160mm X 50mm의 폭과 너비를 갖으며, 두께는 1.5mm 시편 을 가지고 테스트를 수행하였다. 이때 작용 하중은 0.17MPa로 측정되었고, 공급된 냉각수 유량은 16l/min 이다. 약 800℃ 의 1.5mm 두께 핫 프레스 포 밍용 소재가 금형에서 200℃ 까지 냉각되는데, 일반 열간 공구강(SKD6)의 경우 약 6초가 필요한데 반 해 고인성, 고열전도성 소재(HTCS, Rovalma, Spain) 의 경우 약 3.5초 만에 냉각이 완료되었다. 이는 냉 각에 소요되는 시간만을 계산할 때에 2.5초가 감소 되었고, 전체 냉각의 42% 시간을 절약할 수 있음을 의미한다. 냉각 시간의 단축은 제조 현장에서 사이 클 타임(cycle time)을 단축시킬 수 있고, 빠른 열전 달로 인해 전체 소재의 균일한 마르텐사이트 구조 형성에 도움이 될 수 있다.

    2.2냉간 프레스 트리밍을 위한 고인성 소재

    일반적으로 초고장력강판은 열간성형 이후에 약 1500MPa수준의 인장강도를 가지기 때문에 냉간 프 레스 트리밍을 통해서 제품을 절단함에 있어 Fig.4 와 같이 고하중을 견딜 수 있는 금형 소재 선택이 필요하다.

    그림에서 USIBOR(Boron steel 1500MPa급), DP1000 (Dual pahse 1000MPa급), TRIP800 (800MPa 급 Trip강)그리고 ST-12(Stainless steel 금형)의 순으 로 금형에 응력이 크게 작용함을 볼 수 있다. 기존 냉간 프레스 트리밍용 금형 소재를 사용하여 트리 밍을 할 경우, 내충격성이 강할 경우 내마모성이 떨어지고, 그 반대로 내마모성이 우수하면 내충격 성이 떨어지는 것이 일반적인 현상이다. 하지만 냉 간 프레스 트리밍에 필요로 하는 소재는 일정 수준 이상의 반복적 생산성, 품질 안정성을 갖기 위해서 일정 수준 이상의 내충격성과 내마모성을 가져야만 한다. 본 실험에서 사용된 고인성 소재인 HWS(Rovalma, Spain)의 경우 아래 Fig. 5에서 보는 바와 같이 기존의 냉간 프레스 트리밍에 주로 사 용된 SKD11에 비해 인성이 약 4~5배, 내마모성이 약 7배 정도로 초고장력 강판 냉간 프레스 트리밍 에 적합한 특성을 가지고 있다. Fig. 5에서는 마르 텐사이트 조직을 가진 초고장력 강판에 있어서, Pin-on-disc 시험을 통해 요구되어지는 내충격성과 내마모성을 보여주고 있다. Fig. 5에서 보여지는 바 와 같이, 기존 상용 소재는 최소 요구되는 내충격 성 40J 이하에 위치하는데 반해, HWS 경우 약 150J의 내충격성을 보여주고 있다. 또한 우수한 내 마모성을 가지기 때문에 반복적 대량 생산에도 안 정적인 품질을 기대할 수 있다.

    3실제 금형 제작 및 열변형 측정

    본 내용을 검증하기 위하여 축소 금형이 설계 되 었고, 열처리 전후의 변형을 측정해 보았다. 축소 금형은 HTCS-230 소재를 사용하여, MBR UPR LWR(Membrane Upper) 부품 가공에 사용되는 핫프 레스 금형을 대상으로 삼았다. 본 연구에서는 실험 금형의 비용 및 열처리로의 제한 등을 고려하여 실 제 금형의 사이즈에 비해 25% 크기로 축소 (200mmX100mmX60mm)하여 진행하였다. Fig. 6에 서는 실험에 사용된 금형의 사진을 보여주고 있다. Fig. 6의 금형 부품은 HTCS-230(고열전도도 핫스탬 핑용 금형소재)로 가공되었으며, 기존 핫 프레스 포 밍에 사용되던 SKD61에 비해 열전도도가 매우 우 수한 소재이다. 또한 저온 열처리가 가능하기 때문 에 금형의 열처리 후 변형량이 매우 작다. 제공된 HTC-230의 특성은 기존 금형 소재의 특성과 비교 하여 Table 1에 정리하였다. HRC 경도에 있어 열처 리 전에는 37HRC이고 열처리 후에는 50-52로 HRC 값이 측정 되었다. Table 1에서 보여지는바와 같이 기계적, 열적 물성이 측정되었다. 열처리 시 표준 열처리 조건에 따라서 590℃ 3.5시간으로 열처리를 수행하였다. HTCS-230 소재의 경우, SKD6 금형에 비해 냉각 시간이 약 2초 정도 단축되었다.

    열처리 전과 열처리 후의 3차원 변위를 3D 스캐너 를 통해 측정하였다 (Fig. 7). 3차원 스캔 측정 장비 로는 GOM (Germany) ATOS TRIPLE SCAN 8M이 사용되었다[8]. 금형 표면에 대해서 대부분 열전달이 잘되어 대부분은 열처리 이후에도 변위가 발생하지 않았지만, 모서리부분과 좁은 돌출부위에서는 최대 +/- 0.01mm의 변형이 발생하였다. 실제 양산 금형 에서는 이와 같이 국부 열변형이 발생하는 위치를 판단하고 적절한 열처리 조건을 선택하여 열처리를 수행해야 할 것으로 판단된다. 또한 정밀도가 필요 한 부품이라면 금형 형상 자체에서 열변형을 고려 하여 잔류응력을 고려한 예측 설계를 할 필요도 있 다.

    4결 론

    핫 프레스 포밍을 위해 개발된 (HTCS, HWS) 금형강에 대한 열전도도 및 내충격성 등을 기존 산업현장에서 사용하던 SKD6 금형 소재와 비교분 석 하고, 실제 양산 제품의 축소 금형을 제작하여 열처리 전후의 열변형량을 측정하고 그 실험 결과 를 정리하였다.

    핫 프레스 포밍을 위해 개발된 고열도성의 금형소 재(HTCS)의 경우 기존 열간 금형에 사용되는 SKD6 금형 소재에 비해 열전도성이 향상되었기 때문에, 생산 사이클 타임이 감소되어 원가 경쟁 력이 향상될 것으로 판단되며, 고인성 금형 소재 (HWS)의 경우는 약 2배 이상의 인성 및 마모량 향상으로 금형 파손과 금형 마모를 감소시켜 금형 의 사용 가능한 수명을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

    Figure

    KSMPE-15-130_F1.gif
    Process of hot press forming (1) Blanking (2) Heating (3) Transfer (4) Hot Forming and die quenching (5) Finished part (Source: AP&T, sweden)
    KSMPE-15-130_F2.gif
    Thermal diffusivity of die material according to hardness[HRC]
    KSMPE-15-130_F3.gif
    Comparison of cooling time between HTCS and conventional die material (SKD6) for hot forming
    KSMPE-15-130_F4.gif
    Load during cold trimming according to different sheet materials
    KSMPE-15-130_F5.gif
    Result from Pin-on-disk test on martensite structured steel
    KSMPE-15-130_F6.gif
    MBR upper mold after heat treatment
    KSMPE-15-130_F7.gif
    Displacement after heat treatment

    Table

    Mechanical and thermal properties

    Reference

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