열간성형된 보론강판은 고강도특성이 필요한 자동차 부품에 널리 적용되고 있으며, 최근에는 샤시 부품에도 점차로 적용되고 있다. 샤시 부품으로 적용되기 위해서 고강도 특성뿐만 아니라 내피로특성이 동시에 요구되고 있어, 본 연구에서 열간성형된 보론강판의 저주기 피로특성을 연구하였다. 저주기 피로시험결과, 총변형률 진폭이 낮은 영역에서는 열간성형된 보론강의 피로수명이 현저히 높았지만, 높은 총변형률 진폭에서는 열간성형된 보론강의 마르텐사이트 조직특성인 낮은 연성과 파괴인성으로 인해서 보론강 원소재의 피로수명이 더 높음을 확인할 수 있었다.
열간성형된 보론강판은 고강도특성이 필요한 자동차 부품에 널리 적용되고 있으며, 최근에는 샤시 부품에도 점차로 적용되고 있다. 샤시 부품으로 적용되기 위해서 고강도 특성뿐만 아니라 내피로특성이 동시에 요구되고 있어, 본 연구에서 열간성형된 보론강판의 저주기 피로특성을 연구하였다. 저주기 피로시험결과, 총변형률 진폭이 낮은 영역에서는 열간성형된 보론강의 피로수명이 현저히 높았지만, 높은 총변형률 진폭에서는 열간성형된 보론강의 마르텐사이트 조직특성인 낮은 연성과 파괴인성으로 인해서 보론강 원소재의 피로수명이 더 높음을 확인할 수 있었다.
Boron steel sheet is suitable for fabricating automobile parts because it is very strong and has low weight. Recently, many car makers are investigating the feasibility of fabricating the chassis part of automobiles using boron steel. In order to use boron steel sheets to fabricate the chassis part ...
Boron steel sheet is suitable for fabricating automobile parts because it is very strong and has low weight. Recently, many car makers are investigating the feasibility of fabricating the chassis part of automobiles using boron steel. In order to use boron steel sheets to fabricate the chassis part of automobiles, much better material property of low cycle fatigue life as well as high formability during hot stamping is required. Therefore, the low-cycle fatigue life of hot-stamped quenched boron steel was investigated in this study. The fatigue life observed at low strain amplitude was longer than that of an as-received boron steel sheet. However, the fatigue life reduced at high strain amplitude because of the low ductility and low fracture toughness of martensite, which was produced as a result of hot stamping.
Boron steel sheet is suitable for fabricating automobile parts because it is very strong and has low weight. Recently, many car makers are investigating the feasibility of fabricating the chassis part of automobiles using boron steel. In order to use boron steel sheets to fabricate the chassis part of automobiles, much better material property of low cycle fatigue life as well as high formability during hot stamping is required. Therefore, the low-cycle fatigue life of hot-stamped quenched boron steel was investigated in this study. The fatigue life observed at low strain amplitude was longer than that of an as-received boron steel sheet. However, the fatigue life reduced at high strain amplitude because of the low ductility and low fracture toughness of martensite, which was produced as a result of hot stamping.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 보론강을 샤시 부품용 소재로 적용하기 위해서 열간성형 공정의 열처리 조건에 따른 보론강의 미세조직 및 기계적 특성 변화를 검토하였으며, 보론강 원소재와 최적의 열처리 조건을 선택하여 샤시 부품에 있어서 중요한 저주기 피로특성 변화를 검토하였다.
제안 방법
가공된 시편은 열간성형 공법과 동일한 조건을 모사하기 위해 Table 2 에 나타낸 바와 같이 850℃, 900℃ 및 950℃에서 300s 및 900s 를 유지한 다음 수냉처리를 하였다.
미세조직 관찰용 시편은 인장시편의 물림부로부터 채취하여 기계적 연마와 경면 연마한 다음 3% 나이탈 용액에서 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였다. 인장시험은 표점거리(Gauge length) 25 mm 인 연신률계를 사용하여 1 mm/min (#)의 변위제어 방식으로 상온에서 INSTRON사의 50kN 용량의 기계식 재료시험기를 사용하여 수행하였다.
저주기 피로시험시 총변형률 진폭이 클 때는 좌굴이 발생한다. 본 연구에서는 그러한 현상을 방지하기 위해 Fig. 2 와 Fig. 3 과 같이 좌굴방지장치(Anti-buckling device)를 장착하여 저주기 피로시험을 수행하였다. 시험시 시편의 피로수명은 응력진폭의 감소를 측정하여 안정화된 사이클에서 응력 진폭의 75%가 되는 시점으로 정의하였다.
본 연구에서는 보론강의 열처리 조건별 미세조직관찰, 기계적 특성평가, 저주기 피로시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
열간성형시 가열된 소재를 이송하여 성형 및 냉각까지의 온도감소와 제조공정에서 열처리 시간절약과 에너지 절감을 고려하여 최적의 보론강 열처리 조건은 900℃, 300s 로 결정하였으며, 원소재와 저주기 피로시험을 수행하여 비교 검토하였다.
이때 변형률 속도를 5×10-3/s 로 일정하게 유지하였으며, 삼각파형으로 시험하였다.
인장시험용 시편과 저주기 피로시험용 시편은 ASTM E 8 과 ASTM E 606 규격에 따라서 Fig. 1 과 같이 제작하였으며, 가공시 열에 의한 영향을 최소화하기 위해서 저속에서 밀링가공 하였다.
미세조직 관찰용 시편은 인장시편의 물림부로부터 채취하여 기계적 연마와 경면 연마한 다음 3% 나이탈 용액에서 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였다. 인장시험은 표점거리(Gauge length) 25 mm 인 연신률계를 사용하여 1 mm/min (#)의 변위제어 방식으로 상온에서 INSTRON사의 50kN 용량의 기계식 재료시험기를 사용하여 수행하였다.
저주기 피로시험은 MTS810 의 서보유압식 재료시험기(Closed loop servo-hydraulic machine)와 표점 거리 8mm 인 연신률계를 사용하여, 총변형률 진폭이 0.2% ~ 0.6% 범위에서 변형률비 -1 의 변형률 진폭 제어방식으로 수행하였다. 이때 변형률 속도를 5×10-3/s 로 일정하게 유지하였으며, 삼각파형으로 시험하였다.
좌굴방지장치의 사용 유무에 따른 시험의 신뢰성을 확보하고자 0.5% 총변형률 진폭조건에서 좌굴방지장치를 부착한 것과 부착하지 않은 것에 대해 보론강 원소재의 수명에 따른 최고응력의 차이와 히스테리시스를 비교 검토하였다.
대상 데이터
본 실험에 사용된 소재는 20ppm 의 보론을 함유한 보론강으로 그 화학조성은 Table 1 과 같으며, 두께 2.6mm 의 판재를 사용하였다.
성능/효과
(1) 박판의 경우 일정 총변형률 이상에서는 좌굴이 발생되기 때문에 좌굴방지장치의 부착이 필수적이며, 본 연구에서 개발된 좌굴방지장치가 저주기 피로시험에 미치는 영향은 거의 없음을 확인하였다.
(2) 총변형률 진폭이 0.5% 이하일 때는 원소재보다 퀜칭된 보론강의 피로수명이 높았으나, 0.5% 이상에서는 보론강 원소재의 피로수명이 높았다.
(3) 소성변형률 진폭만을 고려할 때는 보론강 원소재가 퀜칭된 보론강 보다 피로수명이 높았다.
(4) 보론강 원소재는 실험된 총변형률 진폭에서 모두 반복연화 거동을 보였으며, 퀜칭된 보론강은 미소하게 반복경화 거동을 보였다.
(5) 본 연구에서 수행된 열처리 조건에 따른 미세조직 및 기계적 특성의 변화는 크지 않았으며, 900℃ 온도에서 300s 유지하는 것이 공정의 안정성을 확보할 수 있으며, 경제적으로도 가장 효과적인 열처리 공정인 것으로 생각된다.
동일한 소성변형률 진폭 조건만을 고려할 때, 보론강 원소재가 퀜칭된 보론강 보다 장수명임을 알 수 있었다. 물속에서 급격히 냉각된 보론강은 마르텐사이트 조직으로 급격한 상변태로 인해서 내부에 변태시 발생된 응력이 크게 집중되어서 취성을 가지게 된다.
총변형률 진폭이 0.5% 이하에서는 퀜칭된 보론강의 피로수명이 원소재에 비해서 높았지만, 0.5% 이상의 총변형률 진폭에서는 보론강 원소재의 피로수명이 다소 높게 나타났다. 이는 0.
후속연구
(6) 열처리시 냉각속도가 너무 빠른 경우는 소재의 취성을 증가시켜 소성변형률 진폭에서는 피로수명을 급격히 감소시키는 원인이 되기 때문에 냉각속도의 조절을 통해서 저주기 피로 특성을 목적에 맞게 최적화 하는 연구가 요구된다.
이러한 퀜칭된 보론강의 소성변형률에 대한 수명의 취약성은 열간성형 공정에서 중요한 변수 중의 하나인 오스테나이트화 온도로 가열 후 냉각속도(Cooling rate)에 따른 소재의 강도와 저주기 피로특성에 대한 연구를 통해서 추가적으로 보완해야 할 것이며, 본 연구가 기초자료로 활용 가능하다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열간성형 기술은 언제 어디에서 개발됐는가?
열간성형 기술은 1975 년 스웨덴 SAAB Hardtech사에서 개발된 이후 고강도 특성이 필요한 센터 필라, 도어 임팩트빔, 범퍼빔 등의 자동차부품에 널리 적용되고 있으며, 최근에는 샤시 부품에도 보론강을 사용한 열간성형 기술이 점차로 적용되고 있다.
열간성형 공법은 어떤 성형 기술인가?
열간성형(Hot stamping) 공법은 경화능이 우수한 소재인 보론강을 A3 이상의 오스테나이트 온도영역에서 가열한 다음, 금형 내부로 가열된 소재를 옮겨서 성형한 후 금형을 닫은 상태에서 소재를 급냉시켜 성형성과 강도를 동시에 증가시키고 스프링백을 억제하여 초고강도 부품을 제조하는 성형기술이다.(1)
참고문헌 (10)
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Sherman, A. M. and Davies, R. G., 1981, "The Effect of Martensite Content on the Fatigue of a Dual Phase Steel," Int. J. Fatigue, January, pp. 36-40.
Chakraborti, P. C. and Mitra, M. K., 2005, “Room Temperature Low Cycle Fatigue Behaviour of Two High Strength Lamellar Duplex Ferrite Martensite (DFM) Steels,” Int. J. Fatigue, Vol.27, pp. 511-518.
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Mediratta, S.R., Ramaswami, V., Singh, V. and Rama Rao, P., 1990, “Low Cycle Fatigue of Dual Phase Steels Produced by Different Cooling Rates and a Ferrite-Pearlite Steel,” Scripta Metall, Vol. 24, pp. 793-797.
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