[논문]핫프레스포밍용 주조, 단조 금형에 대한 시간과 압력에 따른 대류열전달계수의 예측

김낙현; 강충길

doi:10.5228/kstp.2010.19.6.378

핫프레스포밍용 주조, 단조 금형에 대한 시간과 압력에 따른 대류열전달계수의 예측
The Prediction of Interfacial Heat Transfer Coefficient According to Contact Time and Pressure in Forging and Casting Die Materials for the Hot Press Forming 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.6 = no.120, 2010년, pp.378 - 386

김낙현 (부산대학교 정밀가공시스템 대학원) , 강충길 (부산대학교 기계공학부, 정밀정형 및 금형가공 연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Nowadays there has been great interest in using heat treated cast material for press dies due to several advantages like reduction in die production costs. However, in hot press forming processes H13 forged tool steel is mostly used. Cooling performance of dies in hot press forming processes is considered as an important factor of study and also the IHTC parameter between cast material die and sheet metal should be considered as an essential. In the present study, the IHTC was calculated for the sheet metal in the hot press forming process with cast and forged material dies. The temperature measurements were performed for the sheet metal, casting and forged material dies by applying various contact pressure in hot press forming. IHTC was calculated and studied by adopting the inverse heat convection method in DEFORM-2D. Each IHTC was considered as a function of contact time and contact pressure. The experimental data were compared with calculated data obtained from the proposed equation and references.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

8는 9초부터 15초까지 각 초당 압하력에 따른 계면 열전달 계수 값을 그래프로 나타내었다. 20MPa에서 단조재금형과 시험편의 계면 열전달 계수는 9초에서 10초 때 850W/m2℃였으며 11초부터 15초 때까지 500, 400, 350, 260, 200W/m²℃를 나타낸 반면 주조재금형과 시험편의 계면 열전달 계수 는 9초에서 15초까지 950, 780, 430, 380, 310, 230W/m²℃으로 계산 되었다. 시간이 지남에 따라 그 차이는 줄었지만 최대 100W/m²℃까지 차이가 남을 확인할 수 있었다.
그러나 기존의 연구들은 핫프레스 포밍 공정에 접촉시간과 압력을 동시에 고려한 계면 열전달계수 값에 관한 연구가 없었기에 본 연구는 역추적기법에 Deform 2D S/W를 사용 소재와 금형 간의 접촉시간과 접촉압력에 따른 계면 열전달계수를 구하였다. 이를 바탕으로 계면 열전달계수 값을 시간과 압력에 따른 수식을 제시하였으며, 실험을 통한 온도값과 해석으로 도출한 온도 값을 비교, 검토하였다.
시험편이 금형에 설치직후 8초때 가압을 시작하였고, 9초부터 일정하게 가압을 시작하였다. 그로부터 6초 후인 15초까지 역추적기법에 의하여 각 압력별로 시간에 따른 계면 열전달 계수를 Deform-2D해석을 통하여 구하였다.
또한 시간이 지남에 따라서 주조재금형과 단조재금형사이의 계면 열전달 계수 값의 차이가 줄고 일정한 값으로 수렴해가는 양상을 확인하였다. 단조재금형과 주조재금형 이 시험편과 접촉될 때 의 계면 열전달 계수값을 시간과 압력에 따른 함수로 표현하였다. 단조재금형과 시험편 사이의 계면 열전달 계수 값과 주조재금형과 시험편 사이의 계면 열전달 계수 값을 Fig.
프레스 압축실험 시 장치에 부착된 로드 셀을 통해 압축하중을 측정하였다. 또한 금형과 소재의 온도변화를 측정하기 위해 데이터로거(Data logger)를 설치하여 측정하였다. 소재를 가열하기 위해 사용한 10~12kW출력을 가진 전기로는 최고온도 1100℃까지 가열 가능하다.
2는 역추적기법에 의하여 압하력의 변화와 시간에 따른 계면 열전달 계수를 측정하기 위한 유한요소해석 모델 이다. 블랭크의 요소수는 100개, 상형과 하형의 요소수는 각각 6,000개 이상으로 설정하였으며 Deform-2DS/W 를 사용하여 열전달 해석을 수행하였다.
제작된 시험편을 900℃ 전기로에 6분간 가열한 후 7초 이내에 금형에 위치시킨고 일정한 압력으로 가압, 유지하였다. 이때 가압력은 20, 40, 60, 80MPa 로 단조재금형과 주조재금형에 동일 하게 적용하여 실험하였다.
그러나 기존의 연구들은 핫프레스 포밍 공정에 접촉시간과 압력을 동시에 고려한 계면 열전달계수 값에 관한 연구가 없었기에 본 연구는 역추적기법에 Deform 2D S/W를 사용 소재와 금형 간의 접촉시간과 접촉압력에 따른 계면 열전달계수를 구하였다. 이를 바탕으로 계면 열전달계수 값을 시간과 압력에 따른 수식을 제시하였으며, 실험을 통한 온도값과 해석으로 도출한 온도 값을 비교, 검토하였다.
이 장비는 용량 200ton의 유압실린더와 성형하중을 측정하기 위한 로드셀로 구성되어있다. 프레스 압축실험 시 장치에 부착된 로드 셀을 통해 압축하중을 측정하였다. 또한 금형과 소재의 온도변화를 측정하기 위해 데이터로거(Data logger)를 설치하여 측정하였다.

대상 데이터

Fig. 3에서 보이는 것처럼 시험편은 두께 1.6mm의 22MnB5의 보론강판으로부터 가로×세로=100×100mm의 블랭크를 제작하였고, Ø1.6mm 의 열전대를 시험편 중심부에 위치할 수 있게 가공하여 2개의 K-Type 열전대를 부착하였다.
1 (b)의 위치에 열전대를 부착하여 온도를 측정하였다. 소재가 접하는 부분의 금형 소재는 H13(STD61)종 단조제품과 주조제품을 동일하게 제조하여 실험하였다. Fig.
이러한 문제를 해결하기 위해 Nshama[3] 등은 빌렛형상을 이용하여 금형과 소재 사이의 IHTC(Interfacial Heat Transfer Coefficient) 값을 도출하였으며, Kim[8] 등은 이러한 방법을 알루미늄 소재에동일한 방법을 적용하였다. 이러한 열전달계수 값을 찾는 방법으로 빌렛형상 금형과 소재의 표면이나 내부의 온도를 측정하였으며[9~11], 원통형 상하 금형의 온도조건을 다르게 하고, 빌렛 및 링형상의 소재를 사용하였다[13~15]. 또한 Ham[16] 등은 역열전도기법을 정의하고 이를 이용하여 열전달계수를 예측하는 연구를 하였다.

성능/효과

(1) 시험편에 가해지는 수직압력이 증가할수록 열전달이 잘 일어나는 것을 확인할 수 있었고 또한 계면 열전달 계수 값도 증가함을 알 수 있었다.
(2) 20~60MPa 압력조건에서 주조재금형이 단조 재금형보다 높은 계면 열전달 계수 값을 가짐을 확인 할 수 있었다. 또한 주조재 금형이 가압력이 20~60MPa의 범위에서는 단조재금형 보다 압력에 의한 온도의 영향을 많이 받는 것을 확인하였다.
(3) 금형과 소재의 접촉시 소재의 초기온도가 주조재금형에서 높음을 확인할 수 있었다. 또한동일한 시간에 있어서 주조재 금형이 단조재 금형보다 빠른 열전달이 일어남을 확인하였다.
(4) 단조재금형과 시험편 사이의 계면 열전달 계수 값은 IHTCF = 11.0P-197t+851로 주조재금형과 시험편 사이의 계면 열전달 계수 값은 IHTCC =6.31P-241t+1258로 시간과 압력에 관한 함수로 나타내었다.
℃이였다.Fig. 8에서 보여주는 바와 같이 압하력이 높을수록 열전달이 잘 일어나고 또한 계면 열전달 계수도 증가함을 확인 할 수 있었다. 15초 때에 계면 열전달 계수가 200~300 W/m2 ℃로 일정한 값을 향해 수렴하였다.
4 (b)는 주조재금형 상부의 열전대 위치 ①, ②의 온도분포를 나타내었다. 단조재금형 보다 동일한 압력에서 소재와 접촉직후부터 가압되는 시간 전까지 최고 온도점은 전체적으로 더 높음을 확인 할 수 있었다. 그 이유는 일반적인 금속내부의 전도전자(자유전자)에 의한 열전달이 가장 영향이 크다[20].
시험편이 금형에 안착하고 가압 후 1초 지났을 때, 시험편의 온도는 압력에 따라 차이를 보였으며 금형의 소재에 따라 100℃ 이상 차이가 남을 확인할 수 있었다. 단조재금형 보다는 주조재금형에서 시험편의 초기 온도 강하가 적음을 확인할 수 있었다. 이는 시험편이 각각의 금형에 위치하였을 때 프레스의 압력이 균일화 되는 1초 동안에 소재와 금형사이에 접촉상태와 프레스의 압력이 영향을 미친 것으로 사료된다.
15초 때에 계면 열전달 계수가 200~300 W/m2 ℃로 일정한 값을 향해 수렴하였다. 또한 20~60MPa의 압하력에서는주조재금형이 단조재금형보다 계면 열전달 계수 값이 높았으며, 80MPa 에서는 비슷한 양상을 보였다. 또한 시간이 지남에 따라서 주조재금형과 단조재금형사이의 계면 열전달 계수 값의 차이가 줄고 일정한 값으로 수렴해가는 양상을 확인하였다.
또한 20~60MPa의 압하력에서는주조재금형이 단조재금형보다 계면 열전달 계수 값이 높았으며, 80MPa 에서는 비슷한 양상을 보였다. 또한 시간이 지남에 따라서 주조재금형과 단조재금형사이의 계면 열전달 계수 값의 차이가 줄고 일정한 값으로 수렴해가는 양상을 확인하였다. 단조재금형과 주조재금형 이 시험편과 접촉될 때 의 계면 열전달 계수값을 시간과 압력에 따른 함수로 표현하였다.
(2) 20~60MPa 압력조건에서 주조재금형이 단조 재금형보다 높은 계면 열전달 계수 값을 가짐을 확인 할 수 있었다. 또한 주조재 금형이 가압력이 20~60MPa의 범위에서는 단조재금형 보다 압력에 의한 온도의 영향을 많이 받는 것을 확인하였다. 이러한 현상은 주조재금형 내부의 열전달이 단조 재금형에 비해 빠르게 전달됨에 따라 높은 열전달 계수 값을 보이는 것으로 사료된다.
이는 단조재금형과 주조재금형 모두 공통적으로 보이는 현상이었다. 또한 주조재금형과 시험편의 계면 열전달 계수값은 시간이 지남에 따라서 단조재금형보다 동일시간에 상대적으로 압하력에 영향을 적게 받는 것으로 확인되었다.
따라서 주조재금형의 경우 단조재금형보다 전도전자의 속도가 빨라지고 소재가 접촉한 후 금형내부의 열전달이 빨라지게 되므로 최고점의 온도가 높아진 것으로 사료된다. 또한 주조재금형은 압력에 의한 온도의 영향을 많이 받는 것을 확인하였다.
(3) 금형과 소재의 접촉시 소재의 초기온도가 주조재금형에서 높음을 확인할 수 있었다. 또한동일한 시간에 있어서 주조재 금형이 단조재 금형보다 빠른 열전달이 일어남을 확인하였다.
본 논문에서 연구된 시간과 압력에 따른 계면 열전달 계수 값을 적용하였을 때, 압하력에 따른 계면 열전달 계수 값보다 유한요소해석 시에 해석 정밀도를 높일 수 있다. 또한 추후에 금형의 제조단가를 낮추기 위한 방안으로 주조재금형에서 유한요소해석 시에 필요한 보론강의 계면 열전달 계수 값을 확보함으로써 핫프레스포밍공정의 금형의 경쟁력을 높일 수 있을 것 기대된다.
10는 압하력 40MPa 일 때, 단조재금형과 주조재금형에서 시험편 온도를 각각 실험값과 제안한 수식을 Deform-2D에 적용하여 해석한 값과 참고문헌[19]의 값을 Deform-2D에 적용하여 해석한 값을 나타내었다. 본 연구에서 구한 시간과 압력에 따른 계면 열전달 계수를 적용하였을 때, 참고문헌의 압력에 따른 계면 열전달 계수를 이용하여 구한 시험편의 온도데이터보다 일치도가 높았다.
시험편의 온도 데이터를 보면 초기 전기로 에서 나와 공기 중에서 이동하는 과정에서 소재의 냉각속도는 평균 15℃/sec 였으며, 금형에 안착할 당시 시험편의 온도는 800℃전후였다. 시험편이 금형에 안착하고 가압 후 1초 지났을 때, 시험편의 온도는 압력에 따라 차이를 보였으며 금형의 소재에 따라 100℃ 이상 차이가 남을 확인할 수 있었다.
시험편의 온도 데이터를 보면 초기 전기로 에서 나와 공기 중에서 이동하는 과정에서 소재의 냉각속도는 평균 15℃/sec 였으며, 금형에 안착할 당시 시험편의 온도는 800℃전후였다. 시험편이 금형에 안착하고 가압 후 1초 지났을 때, 시험편의 온도는 압력에 따라 차이를 보였으며 금형의 소재에 따라 100℃ 이상 차이가 남을 확인할 수 있었다. 단조재금형 보다는 주조재금형에서 시험편의 초기 온도 강하가 적음을 확인할 수 있었다.
또한 가압력이 증가함에 따라 금형의 온도하강이 커짐을 알 수 있다. 접촉 후 250초 때에는 금형의 상,하부 온도가 30℃ 내외로 수렴함을 확인할 수 있었다. 이는 별도의 냉각을 하지 않은 상태의 조건이었다.
9은 Deform-2D S/W를 사용하여 각 압력별 1초 단위로 계면 열전달 계수 값을 수치화 하여서 표시하였다. 초기의 1초 때 계면 열전달 계수 값이 가장 컸으며, 시간이 지남에 따라서 점차적으로 낮아짐을 확인할 수 있었다. 이는 단조재금형과 주조재금형 모두 공통적으로 보이는 현상이었다.
12 에 실험 후 시험편의 인장시험결과를 나타내었다. 핫프레스 포밍공정에 적용되었던 제품의 일반적인 소재의 최대인장강도가 1500MPa임을 감안하면 현 소재의 최대인장강도는 모두 그 수치를 상회하므로 본 실험이 핫프레스포밍공정에 적용된 것임을 확인하였다.
7은 역추적 기법에 Deform-2D S/W를 사용하여 각 압력별로 계면 열전달 계수 값을 구하여 도출한 시험편의 시간에 따른 온도분포를 기록하였다. 해석상에서도 단조재금형이 주조재금형보다 시간대별 온도하강이 작음을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 논문에서 연구된 시간과 압력에 따른 계면 열전달 계수 값을 적용하였을 때, 압하력에 따른 계면 열전달 계수 값보다 유한요소해석 시에 해석 정밀도를 높일 수 있다. 또한 추후에 금형의 제조단가를 낮추기 위한 방안으로 주조재금형에서 유한요소해석 시에 필요한 보론강의 계면 열전달 계수 값을 확보함으로써 핫프레스포밍공정의 금형의 경쟁력을 높일 수 있을 것 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핫프레스포밍 공법은 어떻게 시작되었는가?	핫프레스포밍 공법은 급속냉각을 통하여 마르텐사이트 조직을 얻음으로써 강판의 강도를 향상시키며, 고온에서의 양호한 성형성과 스프링백량이 적은 특성이 있다. 이러한 공법은 1990년대부터 Bumper와 Door Impact Beam 등의 자동차 부품으로 개발을 하여 적용되기 시작하였으며, 현재 그 적용 영역을 보다 넓혀나가고 있는 상태이다.
	철계 주조금형에서 신장율 및 충격치 특성이 좋지 않은 이유는?	이러한 철계 주조금형에서는 열처리를 함으로써 인장강도 및 경도는 일반단조재에서 가공된 금형의 특성과 거의 동등한 품질에 달하지만, 신장율 및 충격치 에서의 특성은 주조재이기 때문에 약간 저하된 값을 나타내는 경향이 있다고 한다. 이러한 원인은 주조 조직에 있어서 탄화물이 열처리로 균일하게 고용되어있지 않기 때문이다. 해결방법은 퀜칭-템퍼링의 앞 단계에서 고용화를 돕는 열처리공정을 수행하므로써 인성을 가진 금형을 얻을 수 있다.
	핫프레스포밍 공법은 어떤 특성이 있는가?	핫프레스포밍 공법은 급속냉각을 통하여 마르텐사이트 조직을 얻음으로써 강판의 강도를 향상시키며, 고온에서의 양호한 성형성과 스프링백량이 적은 특성이 있다. 이러한 공법은 1990년대부터 Bumper와 Door Impact Beam 등의 자동차 부품으로 개발을 하여 적용되기 시작하였으며, 현재 그 적용 영역을 보다 넓혀나가고 있는 상태이다.

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표제어: PCR

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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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