[ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 24 권제 4 호, 2015 241 Transacions of Maerials Processing, Vol.24, No.4, 2015 hp://dx.doi.org/10.5228/kstp.24.4.241 시효발생한저탄소냉연강판의가공형상불량방지를위한판재교정기술활용 박기철 # Leveling of Aged Low Carbon Seel Shees in order o Preven Shape Defecs afer Samping K. C. Park (Received January 19, 2015 / Revised April 22, 2015 / Acceped May 6, 2015) Absrac In order o preven shape defecs such as fluing and srecher srains during press forming of aged low carbon seel shees, roller leveling condiions for reducing yield poin elongaion were sudied. Yield poin elongaions of leveled shees were deermined as a funcion of leveling, which is defined as he plasic fracion or he raio of plasically deformed par in shee hickness secion o he whole hickness of he shee. By adjusing his plasic fracion during leveling o more han 78%, yield poin elongaion in he leveled shees was reduced so no fluing occurred during subsequen angenial bending. Srecher srains can be avoided by leveling he shee o an 84% plasic fracion condiion. Key Words: Aging, Fluing, Srecher Srain, Bending, Samping, Leveling, Roller Leveler, Shape Defec 1. 서론가전제품의외판이나내판에사용되는내지문 ( 후처리 ) 강판이나도장강판의경우, 냉간압연과소둔및도금공정을거친후에추가로수지 (resin) 나페인트가도포된다. 그런데, 수지나페인트도포후에소부 (baking) 를하게되는데, 이때강판은시효 (aging) 가촉진되어상당한수준의항복점현상이발생하게된다 [1,2,3]. 시효가심하게발생한소재로프레스가공을하게되면굽힘변형부에서는꺾임 (fluing), 신장변형부에서는스트레쳐스트레인 (srecher srain) 이나타나게된다. 이러한형상불량의대표적인예를 Fig. 1에나타내었다. Fig. 1(a) 는접선굽힘 (angenial bending) 에서의꺾임발생상황이다. 접선굽힘은굽힘다이에소재를접선형태로접 촉시키는굽힘가공법인데, 시효가크게발생한소재에서는굽힘부에소성힌지 (plasic hinge) 가형성되어꺾임이발생된다. 그리고스트레쳐스트레인은성형부주위의평면에서 Fig. 1(b) 와같이뤼더스밴드 (Luders band) 가나타나는현상이다. 이러한불량현상은롤러레벨링 (roller leveling) 과같은교정에의해서감소시킬수있다는것은기존의문헌들 [2,3] 에정성적으로언급이되어있으나, 교정량에대한정량화와이것이형상불량에미치는영향에대한정량적인연구결과는찾아보기가어렵다. 인장력작용하에서의판재교정인텐션레벨러 (ension leveler) 기술에대한연구는교정에필요한연신율발생조건을해석적으로도출한 Kinnavy의연구 [4] 와탄소성조건에서의굽힘과폄 (bendingunbending) 공정을수치적으로해석하는방법을연 # Corresponding Auhor : POSCO Produc Applicaion Cener, E-mail: parkkc@posco.com
242 박기철 R Sress disribuion R Fluing due o plasic hinge a bend region Solue carbon (a) Fluing occurred a angenial bending process Locked disl. (a) As Annealed (b) Skin Pass or Leveled (b) Srecher srain Fig. 1 Shape defecs of samped panel due o aged shee 구하였고이를이용한해석결과를실험과비교하 여교정공정을수치해석할수있는체계를갖춘 Misaka 와 Masui[5] 의연구가대표적이다. 그리고인 장력이거의작용하지않는롤러레벨러에대해서 도 Misaka 와 Masui 의연구를응용하는활용사례도 보고되고있으며, 최근까지이들의연구를응용한 기술들이나유한요소해석으로교정을해석하는연 구들이진행되고있다 [6~8]. 인장력이작용하지않는 조건에서의교정인롤러레벨링에대해서는주로후 판에대한연구보고가있었으며, 얇은박판에대한 연구보고는거의없는실정이다. 비록대상은후 판재에대한롤러레벨러교정조건해석기술을연 구한내용이지만박판에대해서도응용할수있는 보고로 Maoba 등 [9] 의연구가대표적이다. 이들은 곡률계수로표현한소성변형비의개념을도입하였 고롤러레벨러에서의소재곡률반경계산및롤의 변형을고려하는방법과교정하중에대한예측을 하였다. 이들의연구는이후의연구에많이응용되 고있다. 롤러레벨링공정에대한유한요소해석 연구도많지는않지만몇가지사례들 [10,11] 이보고 되고있다. 본연구에서는심하게시효가발생한도장강판 에대하여, 소재를형상결함없이가공하기위한, 롤러레벨러를이용한교정기술에대하여실험적 으로검토하였다. 기존에보고된레벨러해석기술을 바탕으로강판굽힘부의꺾임과신장성형부의스트 레쳐스트레인을방지하기위한롤러레벨러교정 량의정량화와이를이용한레벨링기술활용방안 에대한연구를수행하였다. (c) Afer Baking Fig. 2 Microsrucure of low carbon seels afer annealing, skin pass rolling and baking 2. 저탄소강판의시효발생원리와레벨러교정이론 2.1 저탄소강판의시효발생원리 연속소둔된저탄소강판에서항복점현상으로 대표되는시효가발생하는이유는강중에고용된 탄소나질소가전위주위로확산하여전위의이동 을방해하기때문으로알려져있다 [1,12]. 냉간압연 후연속소둔된저탄소강판에는고용탄소가확산 되어전위주위에모여든상태인코트렐분위기 (Corell amosphere) 가형성되고 [1] 이로인해서전위 의이동이방해받게되어불연속항복현상이나 타난다. 스킨패스압연등으로소성변형을소재에 부여하면가동전위가생성되고가공전위의양이 늘어나면서연속항복현상이나타나게된다. 그런데, 도장이나수지처리후소부과정에서고용탄소나 질소는다시가동전위주변에집적하여불연속항 복문제를발생시킨다. 이를개념적인미세조직으 로나타내면 Fig. 2 와같다 [12]. 연속소둔된상태에서 는강중에고용된탄소에의해서전위가모두고착 되어있으나, 스킨패스압연이나레벨링에의해서 가동전위가생겨난다. 그러나수지나도장처리후 의소부과정에서다시가동전위가고용원소에고 착된상태가된다. 가동전위가고용원소에의해고착되는현상은 매우작은고용탄소량에서도가능하므로저탄소 강판소부과정에서는피할수없는현상으로알려
시효발생한저탄소냉연강판의가공형상불량방지를위한판재교정기술활용 243 져있다 [1]. 따라서, 소부후에적절한소성변형을 부여함에의하여항복점현상을감소시켜야가공중 의형상불량발생을방지할수있다 [2,3,12]. 2.2 롤러레벨러교정이론롤러레벨러는인장력이작용하지않거나매우 작게작용하는조건에서다수의워크롤 (work roll) 을통과하면서점진적인변형을소재에가해서형 상개선및시효가발생한소재의기계적특성을개 선시킬수있다고알려져있다 [12,13]. 본연구에서 는실험용레벌러와철강가공판매점 (coil cener) 들 에있는판재전단가공설비 (cu-o-lengh line) 의레 벨러를이용하여시효감소에대한레벨러교정조 건의영향을실험적으로연구하였다. 철강가공판매 점현장들에서사용되는레벨러에적용하기전에 실험실에서교정조건설정에사용한롤러레벨러 와레벨러의작업조건인인터메시 (inermesh, IM) 정 의는 Fig. 3 에나타내었다. 롤러레벨러는입측에서 상부와하부워크롤에의해벤딩변형을크게가 하고, 출측에서는두께정도의워크롤상ㆍ하부간 격을유지하여판재에내재되어있는형상불량및 형상편차를감소시켜서평탄한판재로만드는설 비인데, 상부워크롤의최저점과하부워크롤의최 고점이같은높이에있는때를인터메시영 (zero) 이 라고하며, 상ㆍ하부워크롤간격이이보다작아지 는경우가음수값의인터메시가적용된것으로표 현한다. 롤러레벨러에서의소재변형은다수의워크롤사이를소재가거쳐가면서나타나므로고려해야할인자가많아서엄밀하게변형을계산하는것은어렵다. 일반적으로는인터메시로결정된상부와하부롤사이에서굽힘변형을받는강판의곡률반경 (R) 은단순탄성굽힘변형으로가정하면재료역학적인고려로구할수있다. 그리고 Maoba[9] 의연구에서도롤러레벨러변형해석에이식을사용하였다. 이식은 Fig. 4(a) 에나타낸워크롤사이의거리 (L) 와인터메시 (IM) 및소재두께 () 의관계로다음 (1) 식과같이구해진다. 2 R L 24 IM (1) 교정중인소재의곡률반경이가장작은때 ( 가장인터메시값이작은때로일반적으로레벨러입측의 2번째또는 3번째롤 ) 가소재에변형이가장크게가해지게되는데, 이때소재전체두께에대해서소성변형을받는부분의면적비를소성비 (plasic fracion) 라고하여롤러레벨러기술분야에서사용하고있다 [9,13,14]. 일반적으로롤러레벨러의입측인터메시로계산한이값으로롤러레벨러교정조건을정의 [13,14] 하는데, 본연구에서도이를따라입측인터메시로구한소성비로레벨링변형의크기를정의하였다. R =-IM Plasic fracion ( Pf ) ( 2a) / Sress σ Srain Y IM En Φ45 53 IM Del. L 2 R L /(24 ) (a) Inermesh and radius of shee Plasic a Elasic Plasic (-)σ Y (b) Plasic fracion (a) Typical experimenal leveler IM=(-)a b IM=(+)b a (b) Definiion of inermesh Fig. 3 Roller leveler used for leveling experimen and definiion of inermesh (c) Shape defecs due o severe leveling Fig. 4 Definiion of plasic fracion, bending radius of shee during roller leveling and shape defecs due o severe leveling
244 박기철 Sress (MPa) 400 360 320 280 240 IM = (-)1.51/1.18 IM = (-)2.35/0.41 IM = (-)3.09/0.51 IM = (-)3.51/0.51 IM = (-)4.21/0.99 IM = (-)4.50/1.32 400ppmC UV PCM 강판(0.6) Sress (MPa) 450 410 370 330 No No Leveling(400ppm 송도연구소 B_Leveler: _80%(400ppm 송도연구소 B_Leveler: _85%(400ppm No No Leveling(200ppm Leveling 송도연구소 B_Leveler: _80%(200ppm 80% (200ppm 송도연구소 B_Leveler: _85%(200ppm 85% (200ppm 세운 Coil A_Leveler: 2-2_80% Cener_80% 80% (200ppm (200ppm B: 80%_400ppmC 0%_400ppmC B: 85%_400ppmC Sress (MPa) 200 400 360 320 280 Fig. 5 Sress-srain curves of leveled shee (0.04% a 6 differen plasic fracion condiions. Numbers in legends are En.IM/Del.IM of esed roller leveler 0 8 16 24 32 40 Srain (%) 80% 83% 0 2 4 6 8 10 Srain (%) 소성비의일반적인정의는 Fig. 4(b) 에나타내었다. 이러한소성비는위의 (1) 식으로구해지는굽힘변 형중의소재곡률반경과소재의두께 (), 항복강도 (σ y ), 탄성계수 (E) 를이용하며간단히구할수있으 며, 레벨러입측인터메시와소성비의관계는다음 (2) 식과같이된다. 72% 61% 77% IM = (-)1.51/1.18 IM = (-)2.35/0.41 IM = (-)3.09/0.51 IM = (-)3.51/0.51 IM = (-)4.21/0.99 IM = (-)4.50/1.32 84% 2 yl Plasic fracion ( Pf ) 1 12 E IM (2) 판재전단가공설비 (cu-o-lengh line) 에있는롤러 레벨러에서과도한굽힘변형이발생하는경우나 타나는표면결함예를 Fig. 4(c) 에나타내었다. 3. 시험결과및고찰 3.1 롤러레벨러교정에따른응력 - 변형률선도변화 290 250 0%_200ppmC B: 85%_200ppmC A: 80%_200ppmC B: 80%_200ppmC 0 3 6 9 12 15 Srain (%) Fig. 6 Sress-srain curves of 200ppmC and 400ppmC seel shees a differen plasic fracion condiions 0.6mm 두께의저탄소 ( 탄소함량 0.04%) 아연도금강판으로제작한도장강판 (PCM, Pre-Coaed Meal) 으로시험한인터메시에따른응력-변형률선도 (sress srain curve) 의변화를 Fig.5 에정리하였다. 교정에사용한롤러레벨러의상 하워크롤수는각각 9개와 10개인데, 워크롤사이의거리 (pich) 는 60mm 이고직경은 55mm 이다. Fig.5 에나타낸숫자는레벨러의입측 / 출측인터메시인데, 입측인터메시가 - 1.51, -2.35, -3.09, -3.51, -4.21, -4.50 은각각소성비로는 61%, 72%, 77%, 80%, 83%, 84% 에해당한다. 인장시험은 KS13B 시편에서 10mm/min 속도로시험하였다. 교정변형이작게부여되어항복점연신이매우큰경우에는전연신율 (oal elongaion) 이낮아지나, 교정이소성비 70% 이상으로되어항복점연신이다소작아지는경우는연신율에큰차이가없어지는것을알수있다. 소성변형비가 80% 미만에서는 5% 이상의항복점연신 (yield poin elongaion) 이나타나고있으나소성비 80% 수준에서는심한항복점현상은없어져서항복점연신 4% 이하가되며, 소성비가커질수록점점안정된항복거동을보이는것을알수있다. 두가지의서로다른강도강판 ( 탄소함량이 0.02% 와 0.04% 인소재 ) 과두개의서로다른레벨러로교정변형의크기를다르게하여제작한시편의응력- 변형률선도의일부예를 Fig. 6에정리하였다. 이결과에서소성비와항복점연신의관계를정리하여 Fig. 7(a) 에나타내었으며, Fig. 3의롤러레벨러로변형을심하게가하여교정한경우에나타나는표
시효발생한저탄소냉연강판의가공형상불량방지를위한판재교정기술활용 245 (a) Plasic fracion and yield poin elongaion 것을의미한다. 그리고소성비 70% 이하에서는항복점연신의변화는매우느리게발생하므로가공전위변동도크지않음을알수있다. 한편, 과도한굽힘변형이레벨러입측에서발생하는경우는굽힘가공중에작은규모의꺽임이소재에나타나는경우가있음을실험실레벨러에서심하게인터메시를가한경우의표면결함사진인 Fig. 7(b) 에서알수있다. 그리고이는생산공정중에설치된레벨러에서나타난 Fig. 4(c) 와같은불량과같은것으로보인다. 즉, 소성비가 85% 이상에서심하게교정하게되면레벨러의워크롤배열과교정속도에따라서는교정중에작은규모의꺾임이발생하여표면결함으로될수있으므로주의하여야함을알수있다. (b) Surface defecs occurred a leveled shee when plasic fracion is larger han 85% Fig. 7 Relaion beween plasic fracion and yield poin elongaion, and surface defecs due o severe leveling 면결함의예를 Fig. 7(b) 에나타내었다. 소재강도와레벨러설비구성이다르더라도소성비가동일하다면유사한수준으로교정이되는것을 2가지소재와 2가지레벨러를이용한시험결과인 Fig. 6의응력-변형률선도와 Fig. 7(a) 의소성비와항복점연신의관계에서알수있다. 접선벤딩에서꺾임이발생하지않기위해서는항복점연신이 5% 미만이되어야한다는저자의기존연구결과 [12] 를참고하여, 실험결과에서소성비와항복점연신의관계를정리한 Fig. 7(a) 를보면, 접선벤딩에서소성변형비 78% 이상은되어야꺾임과같은형상결함이없어지게되는것을알수있다. 그리고 75% 이상에서는소성비증가에따라서매우급격하게항복점연신이감소하는것을알수있다. 이는소성변형이어느수준이상이되면소성변형에따른가동전위의증가가매우급격해지는 3.2 롤러레벨러교정에의한스트레쳐스트레인방지조건프레스성형으로스트레쳐스트레인발생모사 시험을하는방법을고안하여부품의스트레쳐스 트레인방지를위한교정조건도출에활용하였다. 시편의크기는 100 100mm 의정사각형이며, 컵 드로잉을하는공구 ( 다이직경 52.6mm, 다이곡률반 경은 8mm 이다. 그리고펀치직경은 50mm 이며펀 치곡률반경은 8mm 이다.) 로얕은높이의드로잉 가공을실시하였다. 이때블랭크홀더하중은 20kN, 윤활은추가로도유를하지않는조건으로시험하 였다. 드로잉깊이에따라서가공면에스트레쳐스 트레인이발생하는지관찰하게된다. 실제로부품가공시에스트레쳐스트레인이발생 한소재로평가한결과와이소재 (0.4, 수지후처리 된저탄소강재 ) 의응력 - 변형률선도의예를 Fig. 8 에나타내었다. 드로잉높이는 7mm 이며, 소재항 복점연신은 4.9~6.5% 수준으로상당히크게발생하 였다. Fig. 8 의 (a) 에나타낸평가시편의표면에스트 레쳐스트레인이크게발생해있는것을볼수있 다. Fig. 9 와같은성형높이 1.5mm 의엠보스 (emboss) 가공부가있는부품의엠보스가공부분에서스트 레쳐스트레인이발생하지않는소재 (Good Ma.) 로 Fig. 8 에나타낸모사시험을성형높이 2.0, 2.5 그리 고 3.0mm 로시험하는경우 2.5mm 부터는스트레쳐 스트레인이발생하였다. 이때의압연방향항복점연 신은 2.2% 이다.
246 박기철 (a) Srecher srain simulaed esed specimen Sress (MPa) 400 360 320 280 240 200 0 10 20 30 40 Srain (%) (b) Sress-srain curve of esed shee Fig. 8 Srecher srain occurrence es specimen (drawing heigh=7mm case) and sress-srain curve of esed shee RD: A3 & A4 TD: A1 & A2 A1 A3 A2 A4 Table 1 Comparison of srecher srain occurrence endency of good maerial and es maerials leveled a hree differen plasic fracion condiions OK & Tes Ma. Dir. Thick. (mm) RD 0.605 328.0 270.5 57.5 2.19 12.9 Good Ma. GOOD BAD BAD TD 0.605 360.4 302.7 57.7 6.08 12.7 은절차가필요함을알수있다. 엠보스가공부분이있는부품가공에적용하는 소재에대해서는먼저해당부품가공에적합한소 재의모사시험스트레쳐스트레인발생한계를알 아낸다. 그리고다양한소성비수준의레벨링조건 으로시편을만들어스트레쳐스트레인모사성형 시험을실시한다. 시험결과를보고스트레쳐스트 레인방지에적합한적절한수준의롤러레벨링소 성비조건을구할수있다. YP (MPa) YP YP_El. Srecher Srain Tes V_bending (R15) nose radius Upper Lower (MPa) (%) DH=2.0 DH=2.5 DH=3.0 (mm) RD 0.609 355.1 286.9 68.2 4.53 8.8 Tes_82% BAD BAD BAD TD 0.609 376.2 307.5 68.8 8.16 7.9 RD 0.610 327.3 276.0 51.2 2.36 12.8 Tes_84% GOOD BAD BAD TD 0.610 363.0 303.2 59.8 5.59 12.7 RD 0.610 321.3 273.7 47.6 1.91 13.2 Tes_86% GOOD GOOD BAD TD 0.610 357.7 299.5 58.2 4.04 13.1 그리고 Table 1 의결과에서엠보스스성형높이 (DH) 가높을수록요구되는소성비 (plasic fracion) 수준은증가되는것도알수있다. 4. 결론 Fig. 9 Samped par wih emboss forming and srecher srain occurred near he emboss region 교정을하지않은도장강판평가 (es) 소재를가지고소성비를 82%, 84%, 86% 로각각레벨링해서스트레쳐스트레인모사시험한결과를 Table 1에정리하였다. 도장강판소재를 84% 소성비로롤러레벨러교정을하는경우에 Fig. 9의부품가공에서양호한소재와같은결과를얻을수있을것임을 Table 1에서알수있다. 그리고이 84% 소성비로조건으로교정한소재로부품가공한경우스트레쳐스트레인과같은형상불량이발생하지않고양호하게가공되었다. Table 1의결과를보면, 스트레쳐스트레인이문제되는부품가공용소재선정을위해서는아래와같 시효가발생한저탄소강판으로프레스가공시에발생하는접선굽힘에서의꺾임과엠보스가공되는부분이있는부품에서의스트레쳐스트레인발생을방지하기위한롤러레벨러교정조건을연구하여다음과같은결과를얻었다. (1) 롤러레벨러에서의변형부가를소성비로정량화 ( 표시 ) 하면, 롤러레벨러의종류및저탄소강판의탄소량이다른경우에도, 강판에발생한시효가레벨링후에변화되는정도는소성비의함수로나타낼수있었다. (2) 접선굽힘가공중에발생하는꺾임방지를위해서는소성비로 78% 이상의롤러레벨링변형이가해져야함을알수있었다. 그리고 75% 이상에서는소성비증가에따라서매우급격하게항복점연신이감소하며, 소성비 70% 이하에서는소성비변동에따른항복점연신의변화는매우느리게발생
시효발생한저탄소냉연강판의가공형상불량방지를위한판재교정기술활용 247 하였다. (3) 스트레쳐스트레인방지를위한레벨링변형의크기는, 스트레쳐스트레인모사시험으로해당부품에적합한소재의스트레쳐스트레인모사시험한계높이를결정하고, 다양한소성비수준으로교정한검토소재로스트레쳐스트레인모사시험을실시하여해당용도에맞는적당한교정수준 ( 소성비 ) 을찾을수있었다. (4) 엠보스가공의변형크기가증가할수록스트레쳐스트레인방지를위한레벨링변형 ( 소성비 ) 은커진다. REFERENCES [1] W. C. Leslie, 1981, The Physical Meallurgy of Seels, Inernaional Suden ed., McGraw-Hill Inernaional Book Company, pp. 74~90. [2] R. Pearce 1991, Shee Meal Forming, IOP Publishing Ld, New York, pp. 191~204. [3] W. F. Fosford, R. M. Caddell, 2007, Meal Forming 3 rd Ed., Cambridge Universiy Press, NewYork, pp. 289~295. [4] M. G. Kinnavy, 1972, Recen Developmens in Tension Leveling, Iron and Seel Engineer Year Book, pp. 605~ 610. [5] Y. Misaka, T. Masui, 1978, Shape Correcion of Seel Srip by Tension Leveller, Transacions ISIJ, Vol.18, pp. 475-484. [6] Y. Kimura, M. Ueno, Y. Sodani, 2002, Proc. 44 h MWSP Conference Proceedings Vol. XL, Iron and Seel Sociey, Orlando, Floruda, USA, pp. 1011~1021. [7] K. C.Park, Y. W. Jeon, K. J. Jeong, 1997, Analysis of Deformaion and Residual Curvaure of Seel Shees in Srip Process Lines, Trans. Maer. Process., Vol. 6, No. 2, pp. 118~135. [8] F. Yoshida, M. Urabe, 1999, Compuer-aided Process Design for he Tension Levelling of Meallic Srips, Journal of Maerials Processing Technology, Vol. 89-90, pp. 218~223. [9] T. Maoba, M. Aaka, T. Jimma, 1995, Calculaion Mehod of Roller Leveling Condiions for Seel Plaes, J. Jpn. Soc. Technol. Plas., Vol. 36, No. 418, pp. 1306~1311. [10] H. Kano, K. Kenmochi, I. Yaria, 1998, Proc. 7 h In. Conf. on Seel Rolling : Seel Rolling 98(eds. Makuhari), Iron and Seel Insiue of Japan, Chiba, Japan, pp. 313~317. [11] K. C. Park, S. M. Hwang, 2002, Developmen of a Finie Elemen Analysis Program for Roller Leveling and Applicaion for Removing Blanking Bow Defecs of Thin Sheel Shee, ISIJ Inernaional, Vol. 42, No. 9, pp. 990~999. [12] K. C. Park, J. B. Yoon, 2007, Analysis on he Mechanism of Fluing in he Bending of Low Carbon Seels, Trans. Maer. Process., Vol. 16, No. 4, pp. 317~322. [13] K. C. Park, H. J. Kim, K. S. Kim, 2006, Leveling Condiion in Cu-To-Lengh Lines o Produce Low Residual Sress Fla Plae from Ho Rolled Coils, Trans. Maer. Process., Vol. 15, No. 4, pp. 311~318. [14] E.Thesis, 2002, Everyhing You Need o Know abou Flaeners and Levelers for Coil Processing-Par2: Flaening Soluions and he Anaomy of a Bend Fla- Rolled Meals, The Fabricaor, November 7.