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문제 정의
- 1 은 열처리 조건을 모식화한 것으로 1123 K, 1173 K, 1223K의 세 가지 조건에서 안정화하고, 7분간 열처리한 후, 물이 순환하는 냉각 장치 사이에서 냉각시키는 다이퀜칭 방법을 택하여 대기 시간을 달리하여 열처리 하였다. 다이퀜칭을 이용한 이유는 공정에서 핫스탬핑 후 즉시 금형 내에 냉각수를 흘리는 방법을 재현하고자 하였다.
제안 방법
- 보론 강판의 열처리에 따른 특성을 알아보기 위하여 각각 다른 열처리 조건에서 다이퀜칭한보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. Fig. 1 은 열처리 조건을 모식화한 것으로 1123 K, 1173 K, 1223K의 세 가지 조건에서 안정화하고, 7분간 열처리한 후, 물이 순환하는 냉각 장치 사이에서 냉각시키는 다이퀜칭 방법을 택하여 대기 시간을 달리하여 열처리 하였다. 다이퀜칭을 이용한 이유는 공정에서 핫스탬핑 후 즉시 금형 내에 냉각수를 흘리는 방법을 재현하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 레이저 용접된 핫스탬핑용 보론 강판에 열처리 온도를 달리하여, 다이퀜칭 조건에 따른 기계적 특성을 관찰하였고, 에릭슨 커핑 시험을 이용하여 고온 성형성을 평가하였다. 이를 통하여 보론강 TWB의 용접 특성 및 고온 성형 시 용접 건전성을 조사하였다.
- 레이저 용접은 1.4 mm 동종두께 보론 강판을 야그 레이저 용접기(모델명: 3 kW-CW Nd : YAG Laser System)를 이용하여 3 kW의 고정 출력으로 4.0 m/min의 속도로 시험편 상부에서 초점을 두고 맞대기(Butt) 용접을 실시하였다.
- 마이크로 비커스 경도기를 이용하여 2.94 N의 하중으로 10 초간 압자를 압입하여 비커스 경도를 측정하였다. 미세조직 관찰은 용착부, 열영향 부(HAZ), 모재부를 경면 연마 후 질산용액(Nitric acid) 3 % 용액으로 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였다.
- 94 N의 하중으로 10 초간 압자를 압입하여 비커스 경도를 측정하였다. 미세조직 관찰은 용착부, 열영향 부(HAZ), 모재부를 경면 연마 후 질산용액(Nitric acid) 3 % 용액으로 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였다.
- 보론 강판의 열처리에 따른 특성을 알아보기 위하여 각각 다른 열처리 조건에서 다이퀜칭한보론 강판의 기계적 특성 및 미세조직을 관찰하였다. Fig.
- 본 연구에서는 Al-Si 코팅된 핫스탬핑용 보론 강판을 동종두께로 레이저 용접하고, 다른 온도로 열처리하여 다이퀜칭 조건에 따른 인장 및 커핑 시험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 에릭슨 커핑 시험은 에릭슨사 3.84 kN 용량의 만능시험기(모델명:Erichsen 142)를 이용하여 이축 신장 변형 하에서 용접 판재의 성형성을 평가하였다. 시험편의 형상을 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 레이저 용접된 핫스탬핑용 보론 강판에 열처리 온도를 달리하여, 다이퀜칭 조건에 따른 기계적 특성을 관찰하였고, 에릭슨 커핑 시험을 이용하여 고온 성형성을 평가하였다. 이를 통하여 보론강 TWB의 용접 특성 및 고온 성형 시 용접 건전성을 조사하였다.
- 전기로를 이용하여 1223 K에서 7분 동안 가열하여 이송하여 안착하였고, 금형 온도 및 성형 속도를 각각 298, 523, 673 K, 2.5, 5, 10 mm/s로 달리하여, 보론강 TWB의 고온 성형성을 평가하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 재료는 보론강에 산화피막 발생을 방지하기 위해 Al-Si를 이용하여 코팅 처리한 SABC1470 재료로서 보론 강판 두께 1.4 mm 를 사용하였다. 사용된 보론강의 화학조성은 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- (1) 보론 강판을 오스테나이트 변태 온도 이상으로 열처리 후 급랭하였을 경우, 인장 강도는 평균 1203 MPa로 모재 대비 79 %의 인장강도를 확보하였다.
- (2) 비커스 경도는 용착부에서 300 Hv, 모재부에서 470 Hv 이상을 나타내며 마르텐사이트 조직을 보였으며, Al-Si 코팅층 용입부의 경우 200Hv 정도로 가장 낮았다.
- (3) 금형 온도에 따른 보론강 TWB의 성형성은 금형 온도 298, 523, 673 K에서 차이가 크지 않았다.
- (4) 성형속도에 따른 보론강 TWB의 성형성은 성형 속도가 증가함에 따라 성형성이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- Fig. 9(a)의 커핑 시험 결과에서 균열이 발생하는 보론강 TWB의 최대 하중은 모재(BM)보다 낮으며, 온도가 높아질수록 낮아지는 경향은 비슷하다. 이것으로 고온 성형에서 TWB의 강도는 모재보다 낮아짐을 알 수 있다.
- Fig. 9(a), (b)에서 금형온도가 높아질수록 모재의 최대하중은 낮아지고 한계높이가 높아지는 반면, 보론강 TWB의 경우는 최대하중은 낮아지나 한계높이는 비슷하였다.
- Fig. 8과 같이 금형의 온도와 관계없이 모두 펀치 코너 접선 부분에서 파단이 일어났으며, TWB 및 모재(BM)에서 동일한 양상의 파단이 시작됨을 확인할 수 있었다.
- 그리고 열처리 온도가 높아짐에 따라 냉각 시작까지 대기 시간이 길어지더라도 인장 및 항복 강도의 저하 정도가 감소하였다. 한편, Fig.
- 5은 1173 K까지 승온하여 대기시간 0초와 30초로 유지한 시험편의 비커스 경도를 나타낸다. 두 시험편 모두 용착부의 비커스 경도는 평균 300 Hv정도로 비슷하였고, 0초의 경우 모재부는 평균 470 Hv로 고강도를 이루었으나, 30초의 경우의 모재부는 평균 260 Hv로 미열처리재와 비슷한 경도를 가지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Fig.
- 4(a)에서 다이 퀜칭 후 모재의 인장강도는 1522 MPa 로 나타났으며, 다이 퀜칭되었다고 판단되는 1173 K, 0초 용접 시험편의 인장강도의 평균값은 약 1200 MPa로 모재의 약 79 % 강도를 얻었다. 따라서 3종류의 열처리 온도에서 인장강도 및 변형률을 고려하여 가장 양호한 다이 퀜칭 조건은 1173 K, 0초라 판단된다.
후속연구
- 6(a)의 용착부에서 관찰할 수 있는 Al-Si 코팅층의 용입부(비커스 경도 평균값 Hv 200)는 용접부 파단의 원인으로 인장 강도 및 연신율 저하를 초래 할 수 있다고 판단된다. 또한 용착부에서 관찰되는 검은 반점 등의 강도저하 요인을 제어함으로써 보론강의 레이저 용접부의 강도 향상 및 신뢰성을 더욱 높일 수 있을 것이라고 판단된다.
- 이에 서로 다른 재질, 두께, 강도를 갖는 소재를 레이저 용접을 통하여 맞춤 블랭크로 제조하여 활용하는 TWB (Tailor welded blank) 기술과 핫스탬핑용 보론 강판을 이용한 열간 성형 기술을 접목하여 자동차 분야에 적용될 경우 자체 부품의 경량화 및 고안전성, 생산의 자동화 및 공정 수 감소의 효과를 확보 할 수 있을 것이다.(6)
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