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ISSN : 1225-0562(Print)
ISSN : 2287-7258(Online)
Korean Journal of Materials Research Vol.29 No.12 pp.818-824
DOI : https://doi.org/10.3740/MRSK.2019.29.12.818

The Application of Direct Water Quenching Process in Hot Stamping of Boron Steels

Hyeon Tae Park1,2, Eui Pyo Kwon1, Ik-Tae Im2
1Carbon & Light Materials Application R&D Group, Korea Institute of Industrial Technology, Jeonju 54853, Republic of Korea
2Department of Mechanical Design Engineering, Jeonbuk National University, Republic of Korea
Corresponding author E-Mail : ackep@kitech.re.kr (E. P. Kwon, KITECH)
October 29, 2019 October 29, 2019 December 1, 2019

Abstract


In this study, the direct water quenching technique is applied to validate the applicability of direct water quenching as a cooling method in the hot stamping process of 3.2 mm thick boron steel sheet. Cooling performance of conventional die quenching and direct water quenching is compared. Higher cooling rate is obtained by hot stamping with direct water quenching compared to die quenching. As the flow rate of cooling water increases, the cooling rate increases, and a high cooling rate of 71 °C/s is achieved under flow rate conditions of 0.8 L/min. Through direct water quenching, the cooling time required for sufficient cooling of the sheet is reduced. Full martensitic microstructure is obtained under flow rate condition of 0.8 L/min. Hardness increases with increasing flow rate. From these results, it is verified that the direct water quenching is applicable to the hot stamping of thick boron steel sheet.



보론강 판재 핫스탬핑시 직수분사냉각 공정의 적용성

박 현태1,2, 권 의표1, 임 익태2
1한국생산기술연구원 탄소경량소재응용그룹
2전북대학교 기계설계공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy

    Korea Institute for Advancement of Technology
    P0002314

    © Materials Research Society of Korea. 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.

    1. 서 론

    최근 자동차 산업에서는 연비 규제와 안전기준 강화, 연비 향상에 대한 요구가 증대되는 가운데 차체 부품 경 량화 및 고강도화 기술로서 핫스탬핑(hot stamping) 공 정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.1-5) 핫스탬핑은 고강도강 소재의 낮은 성형성과 과도한 스프링백의 문 제를 해결하고자 보론강(boron steels) 판재를 오스테나 이트 변태 온도 이상인 900 ºC 이상의 고온으로 가열 하여 성형성을 확보하고 금형 내에서 급속냉각을 진행 하여 마르텐사이트 조직을 생성하여 고강도를 얻는 성 형 공정으로, 높은 형상 동결 성과 고강도화가 동시에 달성됨에 따라 스프링백이 거의 없고 1,500 MPa 이상 의 고강도 부품 제조가 가능한 장점이 있다. 그러나 핫 스탬핑은 가열로 등 부대시설이 필요하며 냉각시간이 길 어 냉간성형에 비해 생산성이 낮은 문제로 인해 공법의 보급에 많은 장애가 되고 있어 이를 해결하기 위한 재 료기술, 장치기술, 금형기술, 공정기술 등의 분야에서 적 극적인 연구개발이 필요하다.

    일반적으로 판재냉각은 금형 내부 냉각채널 내로 냉각 수 순환시켜 이용하여 간접적으로 냉각시키는 다이냉각 (die quenching, DQ) 방식이 적용되고 있는데, 가열판재 를 충분히 냉각시키기 위해 금형 내 긴 유지시간(~ 10 초)을 필요로 하여 냉간 성형 공정에 비해 부품 생산성 이 떨어진다. 최근 일본 철강업체인 NIPPON STEEL & SUMITOMO METAL에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 냉각속도를 향상시키고 부품 생산성을 높일 수 있 는 직수분사냉각(direct water quenching, DWQ) 기술을 개발하였다.6) 직수분사냉각 기술은 금형 표면으로부터 냉 각수를 분사하고 즉각적으로 냉각수를 배출시켜 가열된 판재를 급랭 시키는 방식으로, 기존 다이냉각 방식에 비 해 냉각속도가 높고 약 3배 생산성 향상 효과가 있다 고 보고 되었다. 국내 연구에서는 튜브 형상의 소재에 대한 핫스탬핑 시 직수분사냉각을 적용하여 자동차용 고 강도 tubular beam을 제작하였고, 구조상 금형 접촉이 불 가능한 부위를 직수분사냉각을 통해 냉각성능을 향상시 킬 수 있다고 보고 하였다.7)

    핫스탬핑 공정 중 냉각은 마르텐사이트 변태가 일어나 도록 충분히 빨라야 하며 일반적으로 임계냉각속도인 약 27 ºC/s 이상의 냉각속도 확보가 필요하다.1) 냉각속도를 높이기 위해서는 부품에서 다이로, 다이에서 냉매로 열 이동이 좋아야 하므로 다이 재료의 선택과 냉각 채널의 설계가 중요하다. 그뿐만 아니라 판재 자체의 두께 및 크기, 제품 형상이 열 전달에 영향을 미칠 수 있기 때 문에 이러한 변수를 고려하여 냉각금형을 설계 및 냉각 공정을 최적화할 필요가 있다. 한편 일반적으로 승용차 용 핫스탬핑 부품에 적용되는 보론강 소재의 두께는 1.0 ~ 2.0 mm 내외 정도로, 일반적인 다이냉각 방식으로 도 충분히 성형이 가능하다.8-10) 그러나 버스 프레임과 같 은 상용차용 부품의 경우 구조적인 안정성 확보를 위해 매우 두꺼운 판재를 사용하기 때문에 핫스탬핑 시 기존 다이냉각 방식으로는 충분히 냉각이 되지 않을 우려가 있다. 이 경우 앞서 설명한 직수분사냉각 공법을 적용 함으로써 높은 냉각속도를 얻을 수 있을 것으로 기대된 다. 하지만 아직까지 상용차에 적용되는 두꺼운 판재에 대한 핫스탬핑 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연 구에서는 상용차용 고강도 버스 프레임 개발을 위해 “3.2 mm 두께 판재”의 핫스탬핑 시 직수분사냉각공정의 적 용성을 검토하고자 직수분사냉각 금형을 설계 제작하여 핫스탬핑 실험을 수행하였다. 냉각속도 측정과 핫스탬핑 된 소재의 미세조직 관찰 및 경도 측정을 통해 직수분 사냉각 공정의 효과를 검토하였다. 또한 직수분사냉각 시 냉각수 분사량 조절을 통해 충분한 냉각속도가 달성 가 능한 조건을 파악하였다.

    2. 실험 방법

    2.1 직수분사냉각시스템 구성 및 설계

    실험에 사용된 직수분사냉각 금형을 Fig. 1에 나타내 었다. 직수분사냉각 금형은 냉각금형(상형, 하형, 펀치), 냉각수분사장치(유량계, 물 펌프, 제어밸브)와 흡입장치(진 공펌프, 진공챔버)로 구성되어 있다. 냉각금형은 사각 컵 드로잉이 가능한 금형으로, 상형, 하형, 펀치로 구성되어 있다. 냉각칠러를 사용하여 상형, 하형, 펀치 내부의 냉 각유로 따라 냉각수를 순환시킴으로써 다이냉각이 가능 하게 하였다. 다이냉각 시 냉각수온도는 15 ºC로, 급속 냉각을 위해 상온보다 조금 낮게 설정하였다. 직수분사 냉각 실현을 위해 펀치 상부 표면의 80 mm × 80 mm 영역에 냉각수 유동을 위한 직선형 미세채널(50개)을 직 경 1 mm, 0.5 mm 간격으로 가공하여, 판재 접촉부가 냉각수에 의해 직접 냉각이 되도록 하였다. 냉각수분사 장치의 유량계를 이용하여 냉각수 분사량을 측정하였 고, 제어밸브를 이용하여 냉각수공급 유량을 제어(최대유 량 약 5 L/min) 하였다. 냉각수흡입장치는 진공펌프 및 진공챔버를 이용하여 냉각수를 흡입/배출하는 역할을 하 는 장치이며, 냉각수 공급과 동시에 흡입장치가 가동되 어 냉각수가 가열 판재를 냉각하고 빠르게 배출될 수 있 도록 하였다.

    2.2 직수분사 핫스탬핑 성형실험

    본 실험에 사용된 핫스탬핑용 소재는 3.2 mm 두께 열 연판재로, 핫스탬핑 전에는 페라이트(F)와 펄라이트(P)의 조직이며 인장강도는 약 600 MPa이다. 소재 조성(wt%) 은 Table 1에 나타내었다. 보론이 소량 첨가된 보론강으 로 합금성분 중 보론, 탄소, 망간은 오스테나이트 안정 화 원소로 냉각 중에 오스테나이트 분해 및 페라이트의 생성을 억제하여 상대적으로 느린 냉각속도에서도 마르 텐사이트 조직을 확보할 수 있게 한다.11)

    핫스탬핑 실험 공정을 Fig. 2(a)의 모식도로 나타내 었다. 먼저 소재의 오스테나이트 화가 가능한 온도 조 건인 930 ºC로 가열된 전기로에서 5분 동안 가열하였 다.12,13) 가열 후 성형 시험 장비로 판재를 이송시켜 성 형과 냉각을 진행하였다. 본 연구는 직수분사 적용성을 판단하기 위한 기초 실험이므로 30 mm/s 펀치속도로 드로잉 높이 5 mm까지만 성형하였다. 가열로부터 금 형으로의 판재이송시간은 약 5초, 성형 후 금형 내 유 지시간은 약 60초로 하였다. 성형 직후부터 냉각수를 분 사시키기 시작하여 100 ºC 이하로 충분한 판재냉각이 될 때까지 분사 시켰다. 이때 냉각수 분사량에 따른 냉 각성능을 평가하기 위해 유량을 조절하여 유량 조건별 (0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.8 L/min)로 핫스탬핑 시험을 진행 하였다. 핫스탬핑을 마친 시험편을 Fig. 2(b)에 나타내 었다.

    2.3 냉각속도 측정, 미세조직 관찰 및 기계적 특성 평가

    냉각속도 측정을 위해 홀가공(1 Ф)된 판재 측면에 고 온용 열전대를 삽입하여 가열 및 냉각공정 중 온도 변 화를 측정하였다. 냉각속도는 직수분사가 시작된 온도인 약 850 ºC로부터 마르텐사이트 변태 시작점(Ms)인 약 400 ºC 사이의 온도변화를 이용하여 측정하였다. 기계적 특성을 평가하기 위해서 직수분사냉각된 성형 편 가운 데로부터 시편을 채취하여 비커스 경도를 측정하였다. 미세조직 관찰을 위해 시편을 기계적 연마한 후 Nital etching(Ethanol 95 % + Nitric acid 5 %)였고, 광학현 미경(OM, Eclipse MA 200, Nikon)을 사용 미세조직을 관찰하였다. Table 2

    3. 결과 및 고찰

    3.1 직수분사냉각 금형 냉각성능평가

    직수분사냉각 공정에서 임계냉각속도 이상을 달성하기 위해서는 분사되는 냉각수의 유량 제어가 중요하다. 냉각 장치 냉각수 공급 라인에 설치되어 있는 냉각수 제어 밸 브를 이용하여 냉각수 유량을 조절하였으며, 유량계를 이 용하여 성형 공정 중 공급되는 냉각수 유량을 실시간으 로 측정하였다. 본 연구에서는 냉각수 유량에 따른 냉각 성능을 비교평가하기 위해 제어밸브를 조절하여 4가지 유 량 조건에서 직수분사냉각을 실시하였다. 냉각수 유량은 Fig. 3과 같이 시간에 따른 냉각수 유량 그래프로부터 구 한 평균 값으로, 0, 0.1, 0.3, 0.5, 0.8 L/min 조건으로 하였다. 냉각수는 펀치 표면에서 분사되며 표면 유로를 따 라 흘러 접촉된 판재를 냉각시킴과 동시에 흡입 장치에 의해 생성된 진공압에 의해 빠르게 배출이 된다. 이때 냉 각수 유량 및 온도는 냉각 효과를 결정짓는 중요한 변 수이므로 원하는 냉각속도를 얻기 위해서는 적정 유량 및 온도 조건으로 냉각수를 공급할 필요가 있다. 냉각수 온 도는 일반적인 산업 현장에서 사용될 수 있는 물 온도 를 고려하여 약 20 ºC로 하였다.

    냉각수 유량 조건에 따른 냉각속도 측정 결과를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)에서 볼 수 있듯이 유량이 증 가함에 따라 냉각속도가 높아지며, 0.8 L/min의 유량 조 건에서 71 ºC/s로 임계냉각속도인 27 ºC/s 이상으로 높 은 냉각속도가 달성 가능함을 확인하였다. 0.5 L/min 유 량 조건에서는 냉각속도는 22 ºC/s로 측정되었다. 따라 서 냉각수 유량은 0.5 L/min 보다 높고 0.8 L/min 이하 조건으로 할 경우 원하는 냉각속도 확보가 가능할 것으 로 판단된다.

    한편 핫스탬핑 공정의 생산성 측면에서 냉각 유지시간 을 가능하면 짧게 하는 것이 유리하다. Fig. 4(b)는 냉 각수 유량에 따른 냉각속도와 판재 온도가 100 ºC 이 하로 떨어지는 데까지 걸리는 시간, 즉 냉각시간(cooling time)을 나타낸 그래프로, 냉각수 유량이 증가함에 따라 냉각시간이 감소하는 것을 알 수 있다. 다이냉각 조건 인 냉각수를 분사하지 않은 조건(0 L/min)에서는 냉각시 간이 75초로 긴 시간 냉각이 필요하나, 직수분사 조건 에서 냉각수 유량이 증가됨에 따라 냉각시간이 단축이 되며, 0.8 L/min 조건에서 냉각시간은 11초로, 다이냉각 조건에 비해 최대 64초가 단축되는 것을 알 수 있다. 따 라서 직수분사냉각 공정을 적용할 경우 금형 내에서 짧 은 시간만 유지하여도 충분히 냉각이 가능하므로, 전체 적인 핫스탬핑 공정시간을 단축시킬 수 있어 제품 생산 성 향상이 기대된다.

    일반적으로 핫스탬핑 생산라인 생산성은 2 ~ 3 spm 정 도이며 직수분사냉각을 통해 10 spm 이상으로 향상시킬 수 있다고 보고되고 있다.1) 그러나 두꺼운 판재의 경우 얇은 판재에 비해 냉각이 쉽지 않을 뿐만 아니라 냉각 에 걸리는 시간이 길어지기 때문에 생산성이 감소될 수 있다. 따라서 두꺼운 판재에 대해서는 직수분사냉각 공 정 적용을 통해 냉각속도 향상이 필요하며, 임계냉각속 도 이상이 달성 가능하면서도 냉각시간이 단축될 수 있 도록 공정 조건 최적화가 필요하다.

    부품 생산성 평가에 있어서 사이클타임(cycle time)은 중요한 인자이다. 사이클 타임은 판재냉각시간(t1) 및 핸 들링시간(handling time, t2)의 합(t1 + t2)으로 나타낼 수 있으며, 핸들링시간은 판재의 금형 내 삽입시간, 성형 시간 및 제품추출시간 모두를 합한 시간으로 핫스탬핑 생산라인의 프레스성능 및 로봇시스템 성능과 관련된다.14)

    본 연구의 직수분사냉각 공정의 0.8 L/min 유량 조건 에서 판재 이송시간 5초, 금형 닫힘 및 성형시간 7초, 판재 추출 시간 2초, 금형 내 냉각시간 11초를 고려할 때 총 시간은 대략 25초로, 사이클타임은 2.4 spm 정도 이다. 이때 냉각시간은 전체 시간 중 44%를 차지할 정 도로 긴 시간을 차지하는 공정으로, 냉각수 유량을 더 욱 증가시키거나, 열전도도가 높은 금형 소재를 사용하 여 냉각시간을 단축함으로써 사이클타임을 더욱 향상시 킬 수 있을 것으로 판단된다.

    3.2 미세조직 및 기계적특성 평가

    본 연구에 사용된 소재에 대해 JMatPro 해석 프로그 램을 이용하여 CCT (continuous cooling transformation diagrams) 곡선을 얻었으며, 다이냉각 조건과 직수분사냉 각 조건(0.8 L/min)에 대해 실제 실험에서 측정된 냉각 속도 결과를 CCT 곡선에 같이 나타내었다(Fig. 5). 직 수분사냉각 조건에서는 냉각 시 페라이트 및 베이나이 트 곡선을 지나지 않기 때문에 완전한 마르텐사이트 조 직이 생성된다. 그러나 다이냉각 조건에서는 냉각속도가 느려 페라이트 및 베이나이트 곡선을 통과하기 때문에 상온에서 페라이트 및 베이나이트 상이 일부 마르텐사 이트 조직과 함께 생성될 것으로 예측할 수 있다.

    냉각속도에 따른 기계적 특성을 평가하기 위해 비커스 경도를 측정하였고, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 경 도는 직수분사 유량이 증가함에 따라 증가하였으며, 측 정된 경도 값은 JMatPro를 통해 예측된 경도 값과 유 사함을 알 수 있다. 다이냉각 시 경도는 345 HV로 성형 전 경도 값인 244 HV 보다 약간 상승하였으나, 직수분 사 시의 경도 값에 비해 매우 낮게 나타났다. 이것은 Fig. 7의 CCT 곡선에서도 볼 수 있듯이 다이냉각 시에 는 낮은 냉각속도로 인해 냉각곡선이 페라이트 및 베이 나이트 곡선을 통과하므로 페라이트 및 베이나이트 상 이 생성되며, 직수분사냉각 시에는 어떠한 상의 곡선도 통과하지 않고 바로 빠르게 냉각이 되어 완전한 마르텐 사이트 조직을 얻을 수 있기 때문이다. 실제로 미세조 직 관찰 결과(Fig. 7)로부터 두 냉각 조건에 따라 미세 조직이 다르게 나타냄을 알 수 있다. 핫스탬핑 전에는 미세조직 기지는 페라이트(F)와 펄라이트(P)로 구성되어 있다. 다이냉각 조건에서 핫스탬핑 한 경우 미세조직 사 진에서 밝은 색으로 보이는 영역(페라이트)와 어둡게 보 이는 영역(베이나이트 또는 마르텐사이트)이 공존하고 있 음을 알 수 있다. 또한 직수분사의 경우 침상형으로 보 이는 마르텐 사이트 조직이 조밀하게 분포되어 있는 것 을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 CCT 해석 결과 및 비커스경도 측정 결과와도 잘 일치하는 것으로, 직수분 사냉각 조건에서는 임계냉각속도(27 ºC/s) 보다 높은 냉 각속도(71 ºC/s)로 냉각되어 마르텐사이트 조직이 조밀하 게 생성되고 이로 인해 높은 경도를 나타내는 것으로 볼 수 있다. 한편, 냉각수 유량이 0.1 L/min에서 0.5 L/min 으로 증가함에 따라 경도가 다소 증가하는 것은 냉각속 도가 증가됨에 따라 마르텐사이트 조직 분율도 같이 증 가하기 때문으로 판단된다.

    본 연구에서 두꺼운 3.2 t 보론강 판재에 대해 직수 분사냉각 공정을 적용함으로써 다이냉각공정에 비해 높 은 냉각속도가 달성됨을 알 수 있었다. 특히 0.8 L/min 유량 조건에서는 임계냉각속도 이상의 높은 냉각속도가 달성되어, 조밀한 마르텐 사이트 조직이 생성되고 높은 경도를 얻을 수 있었다. 본 연구에서 냉각속도, 경도, 미 세조직 관찰에 대한 결과를 종합하여볼 때 직수분사냉 각 공정은 3.2 t의 두꺼운 보론강 판재에 대한 핫스탬 핑 시 원하는 높은 냉각성능을 얻을 수 있는 효과적인 냉각 방법이라고 판단된다.

    즉 직수분사냉각 공정이 두꺼운 보론강 판재의 핫스 탬핑에 적용 가능함을 확인할 수 있었다. 그러나 본 연 구결과는 소형시험금형을 사용하여 진행된 연구결과로 , 향후 이러한 냉각기술을 실제 대형 부품에 적용하기 위해서는 제품의 형상과 크기를 고려한 냉각금형 유로 형상 설계 및 적정 유량 조건 설정 등 냉각공정을 최 적화를 위한 추가적인 연구개발이 필요할 것으로 판단 된다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 3.2 t의 두꺼운 보론강 판재에 대한 핫스탬핑 시 직수분사냉각 공정의 적용 가능성을 확인 하기 위해 직수분사냉각 금형을 설계 제작하였고, 다이 냉각과 직수분사냉각 방법을 적용하여 핫스탬핑 비교 실 험을 진행하였다. 직수분사냉각 시 냉각수 유량이 증가 함에 따라 냉각속도가 향상되었으며, 0.8 L/min의 유량 조건에서 71 ºC/s의 높은 냉각속도가 달성되었다. 직수 분사냉각을 통해 판재냉각시간을 단축시킬 수 있었다. 미 세조직 관찰 결과 0.8 L/min의 유량 조건에서 조밀한 마르텐사이트 조직이 생성됨을 알 수 있었다. 경도는 직 수분사냉각의 경우가 다이냉각에 비해 높았으며, 유량 이 증가할수록 증가하였다. 이러한 결과로부터 직수분 사냉각이 3.2 t의 두꺼운 보론강 판재에 대한 핫스탬 핑 공정에 적용 가능한 효과적인 냉각 방법임을 확인 하였다.

    Acknowledgements

    This research was financially supported by the Ministry of Trade, Industry and Energy(MOTIE) and Korea Institute for Advancement of Technology(KIAT) through the Research Project(No. P0002314).

    Figure

    MRSK-29-12-818_F1.gif

    (a) Schematic diagram of direct water quenching die used in the hot stamping experiment. (b) Photographs showing punch.

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    (a) Schematic diagram of hot stamping process. (b) Photograph showing a hot stamped part.

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    Water flow curves with different flow rates.

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    Effect of flow rate on the (a) cooling rate and (b) cooling time.

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    CCT diagram showing the cooling curves for DQ and DWQ.

    MRSK-29-12-818_F6.gif

    Vicker’s hardness of the as-received(AS) sample and hot stamped samples with DQ and DWQ.

    MRSK-29-12-818_F7.gif

    Optical micrographs of (a) as-received sample and hot stamped samples with (b) DQ and (c) DWQ.

    Table

    Chemical compositions of the boron steel.

    Experimental condition.

    Reference

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