[논문]핫스탬핑에 의한 고강도 차체 부품 개발

이두환; 김태정; 임종대; 임희중

doi:10.5228/kspp.2009.18.4.304

핫스탬핑에 의한 고강도 차체 부품 개발
Development of High Strength Steel Body by Hot Stamping 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.18 no.4 = no.110, 2009년, pp.304 - 309

이두환 (현대자동차 금속재료연구팀) , 김태정 (현대자동차 금속재료연구팀) , 임종대 (현대자동차 금속재료연구팀) , 임희중 (하이스코 연구개발팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Quenchable boron steel is a new type of high strength steel to reduce the weight of automobiles and maintain the safety conditions. Quenchable blanks can be hot-stamped and hardened in a water-cooled tool to achieve high strength. In this paper, new alloy for hot stamping is designed based on requirement of mechanical properties and two types of surface coating are investigated in viewpoints of oxidization and exfoliation. An automotive part of center pillar is manufactured by hot-stamping using Al-Si coated sheet. The performance of developed part is compared by static compression test and side impact crash test.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

핫스탬핑용 도금소재는 Al-Si계의 사용이 대부분이며 GA도금재의 경우에는 제한적으로 연구되고 있다. 본 연구에서는 Al-Si계와 저가의 GA재를 동시에 개발하기 위해 소재를 제작하였고 도금부착량, 합금화도, 파우더링성(powdering) 등의 도금 특성을 평가하였다(Table 3).
본 연구에서는 고온에서 안정적인 Al-Si 도금재를 사용했는데 핫스탬핑 후 표면 도금층의 구조 및 성분 등을 분석하고 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 소재개발을 중심으로 도금재의 표면구조 및 특성을 분석하였으며 차체의 센터 필라(center pillar) 시제품 제작, 단품 및 실차 충돌시험에 대한 결과를 바탕으로 향후 고 안전 차체개발의 가능성을 알아본다.
본 연구에서는 현재 핫스탬핑용 소재로 사용되고 있는 해외소재의 벤치마킹 결과를 기본으로 합금설계를 하였으며 도금강판 개발을 위해 Al-Si계, GA도금재에 대한 비교평가를 통해 관련 부품에 적합한 도금재를 개발하고자 하였다.
소재 가열실험을 통해 핫스탬핑 소재로는 Al-Si 도금재를 선정하였다. 블랭크의 가열온도는 실험을 통해 표면 상태가 양호하고 오스테나이트 조직으로 존재하는 930℃를 목표로 하였다.

제안 방법

사용된 프레스는 800 톤으로 일반적인 냉간성형용에 비해 매우 작은 용량의 프레스로도 핫스탬핑이 가능하다. 또한 부품의 형상에 따라 간접, 직접 핫스탬핑으로 나누기도 하는데 본 연구에서는 예비성형 없는 직접 핫스탬핑을 하여 센터필라 부품을 제작하였다(Fig. 6). 일반적으로 핫스탬핑 공정으로 제작된 부품은 스프링백(springback) 량이 작다.
위에서 보듯이 도금층은 단일 구조가 아닌 다층 구조를 가지는 것을 알 수 있고 미소성분분석기(EDS)를 이용하여 각 층의 구성 성분을 분석하였다. 모재(#6)로부터 멀수록(#1,#2,#3) Al-Fe-Si 계, 가까울수록 (#4,#5) Fe-Al-Si 계의 화합물로 분석되어 Fe 의 확산이 있었음을 알 수 있다(Fig.
인장시편 채취가 곤란하므로 경도시험을 통해 핫스탬핑 부품의 성능을 간접적으로 확인하였다. 경험적으로 HRC 45~50 수준의 로크웰 경도값이면 인장강도 환산시 1480MPa 이상의 강도를 가진다[8].
핫스탬핑 공법으로 센터필라 부품을 제작키로 하고 GA재와 Al-Si도금재의 고온 안정성에 대한 평가를 실시하였다. 핫스탬핑을 하기 위해서는 약 0.
핫스탬핑 센터필라 부품의 단품성능을 평가하기 위해 30 톤(ton) UTM 에 전용 지그를 장착하여 3 점 압축방식의 정압축 시험을 실시하였고, 현재 양산중인 센터필라 부품을 보강재 유무에 따라 비교시험을 하였다.

대상 데이터

핫스탬핑은 블랭크 제작, 가열로 내에서 블랭크 가열, 금형내 투입, 성형후 유지(냉각) 등의 일련의 연속 공정으로 이루어진다. 사용된 프레스는 800 톤으로 일반적인 냉간성형용에 비해 매우 작은 용량의 프레스로도 핫스탬핑이 가능하다. 또한 부품의 형상에 따라 간접, 직접 핫스탬핑으로 나누기도 하는데 본 연구에서는 예비성형 없는 직접 핫스탬핑을 하여 센터필라 부품을 제작하였다(Fig.
소재 가열실험을 통해 핫스탬핑 소재로는 Al-Si 도금재를 선정하였다. 블랭크의 가열온도는 실험을 통해 표면 상태가 양호하고 오스테나이트 조직으로 존재하는 930℃를 목표로 하였다.

성능/효과

(1) 개발된 Al-Si 계 도금강판은 950℃에서도 표면산화나 도금층의 증발없이 안정된 표면품질이 유지되어 국산개발 핫스탬핑용 소재의 가능성을 인할 수 있었다. 반면, GA 강판은 도금층의 증발 또는 박리발생으로 부적합하다.
(2) 핫스탬핑 후 시제품의 부위별 경도시험 결과 HRC45 수준으로 환산 시 1480MPa 급의 인장 강도를 달성하였다.
(3) 정적 압축강도시험을 통해 핫스탬핑은 기존 프레스품 대비 4~6 배의 성능을 확인하였고 최적 설계를 할 경우 추가적인 경량화도 가능함을 알 수 있었다.
일반적으로 Fe 합금화도는 7~14%범위내에 있으므로 제작된 소재는 양호하다고 할 수 있으며 또한 파우더링은 20%미만으로 우수하게 나타나고 있다. Al-Si 재의 도금 부착량은 전면, 이면 모두에서 GA 재에 비해 다소 많은 양으로 분석되었다.
12 에 표시하였다. 기존 프레스 부품(③)과 핫스탬핑 부품(④)을 비교하면 최대하중 기준으로 567kgf 에서 2255kgf 로 398% 향상되었다. 보강재가 삽입된 경우에는 기존 프레스 부품(①)과 핫스탬핑 부품(②)을 비교하면 최대하중 기준으로 690kgf 에서 3924kgf 로 569% 강화되었다.
본 실험을 통해 GA도금재의 경우 고온에서 도금표면이 비교적 불안정하여 핫스탬핑 소재로는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 Al-Si도금재에 비해 저가소재임을 고려할 때 향후에 이를 개선하기 위한 추가 적인 연구가 필요하다.
센터필라 부품은 차량의 측면충돌 시에 승객을 보호하는 가장 중요한 구조부품이기 때문에 충돌시 변형을 최대한 억제할 수 있는 구조 및 재료 선정이 중요하다. 본 연구에서는 설계단계에서부터 핫스탬핑의 장점을 살리고 부품 수를 줄이기 위하여 기존 보강재(reinforcement)를 통합하고자 하였으며 Fig. 5 와 같이 기존의 센터필라 어셈블리(assembly)가 4 개 부품인데 비해 핫스탬핑에서는 보강재를 통합함으로써 2 개 부품으로 줄일 수 있었다.
상기 정압축시험 결과를 바탕으로 실차 충돌시험에 필요한 차량을 제작하여 북미 IIHS 측면 충돌 시험을 실시하였고, 생존공간이 50mm 이상 개선되는 것을 확인하였다. 이로 인해 앞좌석 승객의 골반 상해치가 Poor 에서 Acceptable 로 개선되고 차체 성능이 Marginal 에서 Acceptable 로 향상되었다.
보강재가 삽입된 경우에는 기존 프레스 부품(①)과 핫스탬핑 부품(②)을 비교하면 최대하중 기준으로 690kgf 에서 3924kgf 로 569% 강화되었다. 실험 결과, 핫스탬핑재는 기존 프레스품에 비해 약 4~6 배의 정압축 강도를 가지고 있음을 알 수 있다. 또한 보강재를 제거한 경우(④)에도 기존 보강재 포함된 프레스품(①) 대비 327%의 성능을 보여 향후 최적 설계를 통해 대폭적인 경량화까지 가능함을 예상할 수 있다.
상기 정압축시험 결과를 바탕으로 실차 충돌시험에 필요한 차량을 제작하여 북미 IIHS 측면 충돌 시험을 실시하였고, 생존공간이 50mm 이상 개선되는 것을 확인하였다. 이로 인해 앞좌석 승객의 골반 상해치가 Poor 에서 Acceptable 로 개선되고 차체 성능이 Marginal 에서 Acceptable 로 향상되었다. 이 같은 결과는 충돌 성능을 한 단계 상향시키는 결과로서 측면 충돌 성능이 4★에서 5★로 개선되었다.

후속연구

본 실험을 통해 GA도금재의 경우 고온에서 도금표면이 비교적 불안정하여 핫스탬핑 소재로는 부적합하다는 것을 알 수 있었다. 그러나 이러한 단점에도 불구하고 Al-Si도금재에 비해 저가소재임을 고려할 때 향후에 이를 개선하기 위한 추가 적인 연구가 필요하다.
실험 결과, 핫스탬핑재는 기존 프레스품에 비해 약 4~6 배의 정압축 강도를 가지고 있음을 알 수 있다. 또한 보강재를 제거한 경우(④)에도 기존 보강재 포함된 프레스품(①) 대비 327%의 성능을 보여 향후 최적 설계를 통해 대폭적인 경량화까지 가능함을 예상할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫스탬핑이 고온에서 이루어지기 때문에 가지는 장점은?	핫스탬핑 기술은 기존의 프레스(press) 성형이 냉간 상태에서 이루어지는 것과 달리 고온에서 이뤄진다. 고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다. 이러한 핫스탬핑을 성공적으로 개발하기 위해서는 우선 열처리성이 우수한 소재, 특히 고온가열 시 표면산화가 적고 안정적인 피막을 유지할 수 있는 도금재의 개발이 필수적이다.
	핫스탬핑을 성공적으로 개발하기 위해서는 어떤 특성을 가진 도금재의 개발이 필수적인가?	고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다. 이러한 핫스탬핑을 성공적으로 개발하기 위해서는 우선 열처리성이 우수한 소재, 특히 고온가열 시 표면산화가 적고 안정적인 피막을 유지할 수 있는 도금재의 개발이 필수적이다.
	핫스탬핑 기술은 기존의 프레스 성형과 무엇이 다른가?	핫스탬핑 기술은 기존의 프레스(press) 성형이 냉간 상태에서 이루어지는 것과 달리 고온에서 이뤄진다. 고온에서는 소재의 연신율이 대폭 증가하기 때문에 성형성에 특별한 제약을 받지 않으며 또한 열처리효과에 의해 초고강도를 달성할 수 있는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

G. Krauss, 1990, Steels, Heat treatment and processing principles, ASM international
A. R. Marder, G. Krauss, 1967, Trans. ASM, Vol. 60 (651)
A. R. Marder, G. Krauss, 1978, Hardenability Concepts with Applications to Steel, AIME, Vol. 238
A. K. Sinka, 2003, Physical Metallurgy Handbook, McGraw Hill Handbooks, pp. 1.23,13.123
L. Vaissiere, 2002, Development of Pre-Coated Boron Steel for Applications on PSA Peugeot Citroen and RENAULT Bodies in White, SAE Technical paper 2002-01-2048
X. Bano, J. P. Laurent, Heat treated boron steels in the automotive industry, 39th Mechanical working and Steel Processing Conference Proceedings, Vol. XXXV
M. Merklein, J. Lechler, 2006, Investigation of the thermo-mechanical properties of hot stamping steels, J. of Mat. Proc. Tech. Vol. 177(1-3), pp 452-455

상세보기
G. Krauss, 1998, Understanding the Heat Treatment, Microstructure and Performance of High-Strength Hardened Steels, 1stfd International Automotive Heat Treating Conference, pp. 125-131

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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