한국기계가공학회지, 제15 권, 제3 호, pp (2016.6) ISSN (Print) Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers,Vol.15 No.3, pp.130~

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은희 난
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1 한국기계가공학회지, 제15 권, 제3 호, pp (2016.6) ISSN (Print) Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers,Vol.15 No.3, pp.130~134(2016.6) ISSN (Online) 핫프레스포밍을위한고열전도성금형에대한연구 * MDT, ** 금종원 *, 박옥조 **, 홍석무 ***,# 부일철강, *** 국립공주대학교금형설계공학과 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 (Received 7 November 2015; received in revised form 18 April 2016; accepted 26 April 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. Key Words : Hot Press Forming( 핫프레스포밍 ), Thermal Conductivity( 열전도도 ), Toughness( 인성) 1. 서론 최근자동차산업에서핫이슈가되고있는 CO 2 배출량, 연비, 충돌안전성등은모두가차체와밀접한관계가있다. 차체에필요로하는소재의중 # Corresponding Author: smhong@kongju.ac.kr Tel: , Fax: 량을최소화, 탑승자를보호하는공간의안정성확보, 주행안정성을위한차체강성등을동시에만족하기란어려운일이다. 이러한요구에의해이미유럽의경우다종소재( 철강, 알루미늄, 탄소섬유강화플라스틱, 마그네슘등) 를이용하여차체제작을해왔으며, 국내에서도기존차체용강판에비해, 고장력강판, 초고장력강판의사용량이증가하는추세이다. 특히, 초고장력강판의경우열간성형이라는새로운프레스성형기술과, 성형후 1500MPa 수준의강판을절단함에있어기존의금형기술로해

금종원, 박옥조, 홍석무 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 결할수없는다양한기술적문제를가지고있다. 소재가고강도화될수록소재의연신이떨어지기때문에프레스가공공정에서의파단불량이많아져이를극복하기위한블랭크홀더제어, 윤활, 하이드로포밍, 레이저가공등과같은신기술들이소개되고있다.

2 금종원, 박옥조, 홍석무 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 결할수없는다양한기술적문제를가지고있다. 소재가고강도화될수록소재의연신이떨어지기때문에프레스가공공정에서의파단불량이많아져이를극복하기위한블랭크홀더제어, 윤활, 하이드로포밍, 레이저가공등과같은신기술들이소개되고있다. 그중핫프레스포밍(Hot press forming) 은 B, Mo, Cr 등경화능이큰원소를첨가하여경화능을향상시킨강판을 900 이상의고온으로가열한후상온의금형으로성형함과동시에급랭하여강도를증가시키는방법이다. Fig. 1에서는핫프레스포밍의개념도를설명하고있다. 그림에서보여지는바와같이핫프레스포밍공정은소재의가열, 급속이동, 금형을이용한열간성형그리고급속냉각으로이루어진다. 이중열간성형과급속냉각에있어서금형은고열전도성및고인성이필수적으로보장되어야한다 [1-5]. Kim 등은다이캐스팅금형소재선정이사이클타임과금형마모에미치는영향에관해실험적으로연구를수행하였으며, Lee 등은해석적접근을통해핫프레스포밍에서금형의열전달이사이클타임을감소시키는데중요한역할을함을강조했고, 열전달해석을통해사이클타임을 2초정도감소시킬수있음을유한요소해석을통해보여주었다 [6-7]. 본연구에서는핫프레스포밍공정에서생산시간을줄여원가경쟁력을향상시키기위해서필요한고열전도성과고인성을가진금형의개발과이를적용하여실제양산제품의축소금형을제작하고열처리전후의열변형량을측정하고그실험결과를정리하였다. Fig. 1 Process of hot press forming (1) Blanking (2) Heating (3) Transfer (4) Hot Forming and die quenching (5) Finished part (Source: AP&T, sweden) 금형소재의특성 열간성형을위한고열전도성소재 기존의자동차열간금형강의소재는 SKD61종을기반으로인성및고온강도를개선한금형소재들을주로사용되었으며, 최근일본, 유럽, 한국등에서핫프레스포밍공정적용을위해열전도도, 절삭성, 인성등이우수한금형소재를개발하여출시하고있다. 핫프레스포밍에서사용되는금형의주요역할은 900 이상으로가열된성형소재를성형과동시에 200 이하로빠른시간내에냉각시키는것이다. 가열로를이용하여오스테나이트변태온도이상으로가열된판재는연질의오스테나이트상의기질을갖게된다. 프레스로옮겨진고온오스테나이트상의판재는성형과동시에금형에의한냉각공정 (Die quenching) 을겪게된다이과정을통해성형된연질의오스테나이트상은급랭에의해마르텐사이트(Martensite) 상으로변태하게된다. 이러한공정을통해초기강도가 600MPa 정도였던합금강판재가 1500MPa 이상급의고강도를확보한차체부품으로성형된다. 이과정에서금형소재가가지는열전도도는성형소재의열을흡수하여금형에이미확보되어있는냉각회로를통해서빼앗은열을배출하는데소요되는시간을결정한다. 하지만금형이라함은앞서언급한안정적반복성형성과열방출이라는두가지목적을동시에만족해야한다. Fig. 2는경도에따른금형소재의열확산계수를보여준다. 열처리후에금형소재의경도와이에따른열확산계수이며, 이는곧열전도도와깊은연관성을가지고있다. 핫프레스포밍용으로개발된 HTCS(Rovalma, Spain) 의경우, 기존금형소재들에비해약 2~3배의열확산계수를가지고있으며이를통해서열간성형시에작업시간이대폭줄기때문에생산성향상을기대할수있다. Fig. 3은다른금형소재로제작되어진금형에서같은제품을성형한후금형에서냉각속도의차이에대한실험결과를보여준다. 그래프의 x축은냉각시간을의미하고, y 축은소재의온도를의미한다. 냉각실험에사용된시편의재질은 22MnB5 이며, 160mm X 50mm 의폭과너비를갖으며, 두께는 1.5mm 시편

핫프레스포밍을위한고열전도성금형에대한연구 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 클타임(cycle time) 을단축시킬수있고, 빠른열전달로인해전체소재의균일한마르텐사이트구조형성에도움이될수있다. Fig. 2 Thermal diffusivity of die material according to hardness[hrc] Fig.

5mm 두께핫프레스포밍용소재가금형에서 200 까지냉각되는데, 일반열간공구강(SKD6) 의경우약 6초가필요한데반해고인성, 고열전도성소재(HTCS, Rovalma, Spain) 의경우약 3.5 초만에냉각이완료되었다. 이는냉각에소요되는시간만을계산할때에 2.5초가감소되었고, 전체냉각의 42% 시간을절약할수있음을의미한다. 냉각시간의단축은제조현장에서사이 2.

3 핫프레스포밍을위한고열전도성금형에대한연구 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 클타임(cycle time) 을단축시킬수있고, 빠른열전달로인해전체소재의균일한마르텐사이트구조형성에도움이될수있다. Fig. 2 Thermal diffusivity of die material according to hardness[hrc] Fig. 3 Comparison of cooling time between HTCS and conventional die material (SKD6) for hot forming 을가지고테스트를수행하였다. 이때작용하중은 0.17MPa 로측정되었고, 공급된냉각수유량은 16l/min 이다. 약 800 의 1.5mm 두께핫프레스포밍용소재가금형에서 200 까지냉각되는데, 일반열간공구강(SKD6) 의경우약 6초가필요한데반해고인성, 고열전도성소재(HTCS, Rovalma, Spain) 의경우약 3.5 초만에냉각이완료되었다. 이는냉각에소요되는시간만을계산할때에 2.5초가감소되었고, 전체냉각의 42% 시간을절약할수있음을의미한다. 냉각시간의단축은제조현장에서사이 2.2 냉간프레스트리밍을위한고인성 소재 일반적으로초고장력강판은열간성형이후에약 1500MPa수준의인장강도를가지기때문에냉간프레스트리밍을통해서제품을절단함에있어 Fig.4 와같이고하중을견딜수있는금형소재선택이필요하다. 그림에서 USIBOR(Boron steel 1500MPa 급), DP1000 (Dual pahse 1000MPa 급), TRIP800 (800MPa 급 Trip 강) 그리고 ST-12(Stainless steel 금형) 의순으로금형에응력이크게작용함을볼수있다. 기존냉간프레스트리밍용금형소재를사용하여트리밍을할경우, 내충격성이강할경우내마모성이떨어지고, 그반대로내마모성이우수하면내충격성이떨어지는것이일반적인현상이다. 하지만냉간프레스트리밍에필요로하는소재는일정수준이상의반복적생산성, 품질안정성을갖기위해서일정수준이상의내충격성과내마모성을가져야만한다. 본실험에서사용된고인성소재인 HWS(Rovalma, Spain) 의경우아래 Fig. 5에서보는바와같이기존의냉간프레스트리밍에주로사용된 SKD11에비해인성이약 4~5 배, 내마모성이약 7배정도로초고장력강판냉간프레스트리밍에적합한특성을가지고있다. Fig. 5에서는마르텐사이트조직을가진초고장력강판에있어서, Tool Stress (MPa) USIBOR DP 1000 TRIP 800 ST-12 Fig. 4 Load during cold trimming according to different sheet materials

금종원, 박옥조, 홍석무 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 Table 1 Mechanical and thermal properties HTCS-230 Mechanical properties SKD61 Charpy un-notch toughness(j) >450 180 Wear resistant 220 100 Density(g/ cm3) 7.88 7.

25 Coefficient of linear thermal expansion(10-6/k) 12.7 12.6 Heat capacity (J/kg.K)(20 ) 486 460 Fig.

4 금종원, 박옥조, 홍석무 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 Table 1 Mechanical and thermal properties HTCS-230 Mechanical properties SKD61 Charpy un-notch toughness(j) > Wear resistant Density(g/ cm3) Hardness(HRc) Thermal properties Thermal conductivity (W/m.K)(20 ) Max conductivity(w/m.k) Thermal diffusivity ( mm2 /s)(20 ) Max diffusivity( mm2/s) Coefficient of linear thermal expansion(10-6/k) Heat capacity (J/kg.K)(20 ) Fig. 5 Result from Pin-on-disk test on martensite structured steel Pin-on-disc 시험을통해요구되어지는내충격성과내마모성을보여주고있다. Fig. 5에서보여지는바와같이, 기존상용소재는최소요구되는내충격성 40J 이하에위치하는데반해, HWS 경우약 150J 의내충격성을보여주고있다. 또한우수한내마모성을가지기때문에반복적대량생산에도안 정적인품질을기대할수있다. 3. 실제금형제작및열변형측정 Fig. 6 MBR upper mold after heat treatment 본내용을검증하기위하여축소금형이설계되었고, 열처리전후의변형을측정해보았다. 축소금형은 HTCS-230 소재를사용하여, MBR UPR LWR(Membrane Upper) 부품가공에사용되는핫프레스금형을대상으로삼았다. 본연구에서는실험금형의비용및열처리로의제한등을고려하여실제금형의사이즈에비해 25% 크기로축소 (200mmX100mmX60mm) 하여진행하였다. Fig. 6에서는실험에사용된금형의사진을보여주고있다. Fig. 6의금형부품은 HTCS-230( 고열전도도핫스탬핑용금형소재) 로가공되었으며, 기존핫프레스포밍에사용되던 SKD61에비해열전도도가매우우수한소재이다. 또한저온열처리가가능하기때문에금형의열처리후변형량이매우작다. 제공된 Fig. 7 Displacement after heat treatment

5 핫프레스포밍을위한고열전도성금형에대한연구 : 한국기계가공학회지제15 권, 제3호 HTC-230의특성은기존금형소재의특성과비교하여 Table 1 에정리하였다. HRC 경도에있어열처리전에는 37HRC이고열처리후에는 50-52로 HRC 값이측정되었다. Table 1에서보여지는바와같이기계적, 열적물성이측정되었다. 열처리시표준열처리조건에따라서 시간으로열처리를수행하였다. HTCS-230 소재의경우, SKD6 금형에비해냉각시간이약 2 초정도단축되었다. 열처리전과열처리후의 3차원변위를 3D 스캐너를통해측정하였다 (Fig. 7). 3차원스캔측정장비로는 GOM (Germany) ATOS TRIPLE SCAN 8M이사용되었다 [8]. 금형표면에대해서대부분열전달이잘되어대부분은열처리이후에도변위가발생하지않았지만, 모서리부분과좁은돌출부위에서는최대 +/- 0.01mm 의변형이발생하였다. 실제양산금형에서는이와같이국부열변형이발생하는위치를판단하고적절한열처리조건을선택하여열처리를수행해야할것으로판단된다. 또한정밀도가필요 한부품이라면금형형상자체에서열변형을고려 하여잔류응력을고려한예측설계를할필요도있 다. 4. 결론 핫프레스포밍을위해개발된 (HTCS, HWS) 금형강에대한열전도도및내충격성등을기존산업현장에서사용하던 SKD6 금형소재와비교분석하고, 실제양산제품의축소금형을제작하여열처리전후의열변형량을측정하고그실험결과를정리하였다. 핫프레스포밍을위해개발된고열도성의금형소재(HTCS) 의경우기존열간금형에사용되는 SKD6 금형소재에비해열전도성이향상되었기때문에, 생산사이클타임이감소되어원가경쟁력이향상될것으로판단되며, 고인성금형소재 (HWS) 의경우는약 2배이상의인성및마모량향상으로금형파손과금형마모를감소시켜금형의사용가능한수명을향상시킬수있을것으로기대된다. REFERENCES 1. Lenze, F. J., Bian, J. and Sikora, S., Einsatz pressgehärteter Stähle im Karosseriebau : Stand und Trends der Entwicklung, Erlanger Workshop Warmble chumformung, Altan, T., Hot-stamping Boron-alloyed Steels for Automotive Parts Part Ι : Process Methods and Uses, Stamping Journal, Vol. 18, pp , Karbasian, H. and Tekkaya, A. E., A Review on Hot Stamping, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, No. 15, pp , Kim, N., Kwon, K., and Kang, C., "The Study of Mechanical Property and Micro structural Evolution for 22MnB5 during Hot Stamping according to Cooling Condition", KSME Spring Conference, pp , Chae, M. S., Lee, G. D., Suh, Y. S., Lee, K. H., and Kim, Y. S., Mechanical and Forming Characteristics of High-Strength Boron-Alloyed Steel with Hot Forming, Transactions of Materials Processing, Vol. 18, No. 3, pp , Lee, S. Y., Lee, K., Lim, Y. H., and Jeong, W. C., "Study on Heat Transfer Characteristic in Hot Press Forming Process", Transactions of Materials Processing, Vol. 22, No. 2, pp , Kim, J., Hong, S., Lee, J., Study on Life Evaluation of Die Casting Mold and Selection of Mold Material, Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 7-12, GOM, ATOS Professional User s Manual, GOM mbh,

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