[논문]초고장력강판 성형용 냉간 프레스 금형의 Ti/Cr계 PVD코팅에 대한 마모 특성 평가

허재영; 윤국태; 송재선; 강익수; 윤일채; 박춘달

doi:10.5228/kstp.2022.31.4.186

초고장력강판 성형용 냉간 프레스 금형의 Ti/Cr계 PVD코팅에 대한 마모 특성 평가
Evaluation of Wear Characteristics on Ti/Cr PVD Coatings of Cold Press Die for the Forming of UHSS 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.31 no.4, 2022년, pp.186 - 193

허재영 ((재)대구기계부품연구원 첨단공구.가공사업단) , 윤국태 ((재)대구기계부품연구원 소재부품연구본부) , 송재선 ((재)대구기계부품연구원 미래자동차사업단) , 강익수 ((재)대구기계부품연구원 첨단공구.가공사업단) , 윤일채 ((재)대구기계부품연구원 첨단공구.가공사업단) , 박춘달 ((재)대구기계부품연구원 기업성장지원본부)

Abstract ▼ AI-Helper

The application of UHSS sheet is being expanded up to 50% to reduce the weight of automobiles and improve safety. However, due to the high strength and low elongation of the ultra-high tensile strength steel sheet, product defects such as spring back and mold defects such as cracks and chippings also occur. In this study, Pin/Ring on Disc and Spiral wear tests were conducted to evaluate the durability of Ti/Cr-coated molds for forming 1.2GPa grade UHSS sheets. Component analysis and thickness were measured for each coating layer, and hardness and adhesion were investigated to determine mechanical properties. Combining the results of various wear tests, it was found that the TiAlN coating had the best wear and sticking resistance.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Measuring points of scratch test
그림 Fig. 2 Wear test equipment and operating principle
표 Table 1 Conditions of scratch test
그림 Fig. 3 Method for measuring wear area and depth of pin
그림 Fig. 4 Drawing of ring for ring on disc wear test
그림 Fig. 5 Method for measuring wear and galling of ring
표 Table 2 Conditions of abrasion test
그림 Fig. 6 Results of coating layer component and thickness
그림 Fig. 7 Hardness results by coating type
그림 Fig. 8 Critical load(LC3) and indentation photograph for delamination
그림 Fig. 9 A photograph of the wear area and sticking and depth measurement of pin
그림 Fig. 10 Measurement results of area of wear, sticking and depth after pin on disc wear test
$Fig. 11 Galling and wear fraction after ring on disc wear test$ 그림 Fig. 11 Galling and wear fraction after ring on disc wear test
그림 Fig. 12 Overlap images of before and after ring on disc wear test
그림 Fig. 13 Results of area and wear depth after spiral wear test
그림 Fig. 14 Wear track of disc after spiral wear tests

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실제 금형과 강판소재에서 발생가능한 마찰마모 메커니즘을 고려하여 점접촉과 면접촉 하의 마모시험을 고려하고, 마모 및 성형소재 소착 현상에 대한 평가 적정성을 검토하였다. 이를 위해 1.
본 연구에서는 자동차 차체에 많이 적용되고 있는 Trip 1180(1.0t) sheet를 성형하기 위한 코팅 금형의 내구성을 마모시험을 통하여 평가하였다. 코팅은 산업에서 적용되고 있는 Ti/Cr계 PVD 코팅을 실시하여 각 코팅층에 대한 성분분석, 두께 그리고 경도를 측정하였고, 모재와 코팅층 간의 접합력을 알아보기 위하여 밀착력을 측정하였다.

제안 방법

5종의 PVD 코팅에 대하여 SEM-EDS로 코팅층의 성분분석과 두께를 측정하였으며, 초미소경도 시험기로코팅층의 경도를 측정하였고, 스크래치시험을 통하여 모재와 코팅층 간의 밀착력을 측정하였다.
PVD 코팅 5종에 대한 내구성은 Pin on Disc, Ring on Disc 그리고 Spiral 마모시험을 통하여 평가하였다. Pin on Disc 및 Spiral 마모시험은 시험 후 pin의 첨단부 마모 및 소착 면적 그리고 깊이를 측정하여 비교하였고, Ring on Disc 마모시험은 마모 및 소착 등에 대한 편차 정도를 나타낸 분율로 내구성을 평가하였다.
PVD 코팅 5종에 대한 내구성은 Pin on Disc, Ring on Disc 그리고 Spiral 마모시험을 통하여 평가하였다. Pin on Disc 및 Spiral 마모시험은 시험 후 pin의 첨단부 마모 및 소착 면적 그리고 깊이를 측정하여 비교하였고, Ring on Disc 마모시험은 마모 및 소착 등에 대한 편차 정도를 나타낸 분율로 내구성을 평가하였다.
이때, Pin on Disc 마모시험의 경우 동일 트랙을 계속해서 마찰해가기 때문에 소착(sticking) 면적도 동시에 측정하여 비교 평가하였다. Spiral 마모시험은 마모 특성을 가속화하기 위하여 수직하중을 20kgf로 적용하였고, 나선 피치는 1mm, 회전반경은 R0~R22까지로 총 마모거리는 약 1.6m가 되도록 설정하여 각 코팅이 적용된 pin 한 개당 20회 반복 시험하였다.
02µm)으로 가공후 코팅을 실시하였다. 각 시험편은 코팅층 두께 측정과 성분 분석 및 이온질화 유무 등을 확인하기 위하여 미세조직 분석을 실시하였으며, 시험편은 nital 3% etchant로 부식 후 주사전자현미경(SEM-EDS) 을 통하여 코팅층의 layer 구성과 성분분석 그리고 두께를 측정하였다.
금형의 점접촉 상태에서 마모 거동을 알아보기 위하여 STD11을 모재로 pin을 제작한 후 코팅을 실 시하였으며, Trip 1180(1.0t) 판재로 disc를 제작하여 Pin on Disc 마모시험과 새로운 면을 마찰해가는 마모 거동을 알아보기 위한 Spiral 마모시험을 수행하였다. 시험 후 Fig.
본 연구에서는 선접촉 상태의 구현이 어렵기 때문에 마모시험에서 흔히 사용되는 Pin on Disc (ASTM G99) 방식의 마모시험을 통하여 점접촉 상태를 모사하였고, 성형해석을 통해 도출된 결과[8]를 참고하여 하중을 설정하였다. 또한, 면접촉 상태를 구현하기 위하여 ring 형태로 상대재를 제작하여 각 코팅에 따른 내마모성을 비교 평가하였다.
2의 마모시험기를 사용하여 Pin on Disc, Ring on Disc 그리고 Spiral 방식의 마모시험을 Table 2와 같은 조건으로 상온에서 수행하였다. 마모시험은 상부의 Pin/Ring으로 아래에 고정된 disc(sheet)에 일정한 하중을 가한 후 정해진 rpm과 직경, 시간으로 사이클을 그리며 반복하여 시험을 진행하였다.
본 연구에서는 실제 금형과 강판소재에서 발생가능한 마찰마모 메커니즘을 고려하여 점접촉과 면접촉 하의 마모시험을 고려하고, 마모 및 성형소재 소착 현상에 대한 평가 적정성을 검토하였다. 이를 위해 1.2GPa급 초고장력강판 성형용 금형의 수명향상을 목적으로 적용 가능한 PVD 코팅 5종에 대하여코팅층의 특성 평가와 다양한 방식의 내구성 평가를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
코팅은 산업에서 적용되고 있는 Ti/Cr계 PVD 코팅을 실시하여 각 코팅층에 대한 성분분석, 두께 그리고 경도를 측정하였고, 모재와 코팅층 간의 접합력을 알아보기 위하여 밀착력을 측정하였다. 최종적으로 마모 메커니즘에 따라 점접촉 방식의 Pin on Disc 마모시험, 면접촉 방식의 Ring on Disc 마모시험, 새로운 면을 계속해서 마찰해 나가는 Spiral 방식의 마모시험을 수행하여 각 코팅에 대한 내구성을 평가하였다.
0t) sheet를 성형하기 위한 코팅 금형의 내구성을 마모시험을 통하여 평가하였다. 코팅은 산업에서 적용되고 있는 Ti/Cr계 PVD 코팅을 실시하여 각 코팅층에 대한 성분분석, 두께 그리고 경도를 측정하였고, 모재와 코팅층 간의 접합력을 알아보기 위하여 밀착력을 측정하였다. 최종적으로 마모 메커니즘에 따라 점접촉 방식의 Pin on Disc 마모시험, 면접촉 방식의 Ring on Disc 마모시험, 새로운 면을 계속해서 마찰해 나가는 Spiral 방식의 마모시험을 수행하여 각 코팅에 대한 내구성을 평가하였다.

대상 데이터

동일 판재에 대하여 금형의 면접촉 상태에서 마모 거동을 알아보기 위해 STD11 모재로 Fig. 4와 같이 ring을 제작하여 코팅을 실시한 후 Ring on Disc 마모시험을 수행하였다.
모재는 STD11 냉간공구강으로 동일하게 적용하였고 표면조도는 래핑 수준(Ra 0.02µm)으로 가공후 코팅을 실시하였다
시험에 적용된 PVD 코팅은 최근 산업에서 초고장력 강판을 성형하기 위하여 금형에 많이 적용하고 있는 Cr계 multi CrN 코팅 1종과 Ti계 TiAlN, CrAlTiN, sulfur+CrAlTiN, CrWTiN 코팅 4종을 선정하였다. 모재는 STD11 냉간공구강으로 동일하게 적용하였고 표면조도는 래핑 수준(Ra 0.

데이터처리

평가방법은 아래 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 마이크로형상 및 표면측정장비(InfiniteFocus, Alicona)를 이용하여 시험 전 ring의 내경부 저면을 기준으로 높이를 스캔하고, 시험 후 접촉면을 다시 스캔하여 동일 기준점에서 overlap하여 초기 높이 대비 마모와 골링에 대한 편차 정도를 나타낸 분율(fraction, %) 데이터로 비교 평가하였다. 이때 ring의 내경부 저면을 기준하여 높이를 측정한 초기값을 initial surface로 표시하였고, initial surface 선을 기준으로 분율이 왼쪽으로 이동하면 마모가 발생하고, 오른쪽으로 이동하면 골링이 발생한 것으로 정의하였다.

이론/모형

일반적으로 프레스공법에서는 금형과 성형소재간의 접촉이 점과 선 그리고 면이 복합적으로 발생한다. 본 연구에서는 선접촉 상태의 구현이 어렵기 때문에 마모시험에서 흔히 사용되는 Pin on Disc (ASTM G99) 방식의 마모시험을 통하여 점접촉 상태를 모사하였고, 성형해석을 통해 도출된 결과[8]를 참고하여 하중을 설정하였다. 또한, 면접촉 상태를 구현하기 위하여 ring 형태로 상대재를 제작하여 각 코팅에 따른 내마모성을 비교 평가하였다.
실제 프레스 성형공정에서는 하나의 판재를 성형한 후 새로운 판재로 계속 교체하면서 성형이 이루어지므로 새로운 면에 금형과 접촉하는 마모거동을 모사하기 위하여 Spiral 방식의 마모시험을 수행하였다. Pin/Ring on Disc 방식의 마모시험은 동일 마모 트랙 위에 반복적으로 마모가 유도되지만 Spiral 방식의 마모시험은 pin이 disc의 새로운 면에 소용돌이 (vortex) 형태로 마모가 유도되는 방식이다.

성능/효과

(1) 5종의 PVD 코팅에 대하여 코팅층 성분 분석, 두께, 경도 그리고 스크래치시험을 통해 밀착력을평가하여 모재와 코팅층간의 접합력 등의 코팅 특성을 분석하였으며, 그 결과 TiAlN, CrTiAlN, CrWTiN 의 코팅이 경도가 상대적으로 높게 나타났으며, 밀착력은 sulfur+CrTiAlN 코팅이 높게 나타났다.
(2) Pin on Disc 및 Spiral 마모시험 결과 마모특성이 유사하게 나타났으며, TiAlN 및 CrWTiN 코팅이 내마모 및 내소착 특성이 우수한 것으로 나타났다.
(3) Ring on Disc 마모시험 결과 내마모성은 multi CrN, TiAlN 그리고 CrWTiN 우수하고, 내소착성은 CrTiAlN과 sulfur+CrTiAlN이 양호하였다.
(4) Pin on Disc 및 Spiral과 같이 점접촉에 의한 평가방식으로는 마모 또는 소착의 경향 파악이 다소 어려웠으나, Ring on Disc 마모시험으로 정성·정량적인 비교분석이 가능하였다
Ring on Disc 마모시험에 의한 각 코팅의 유효성을 평가한 결과 면접촉 마모거동에서는 multi CrN, TiAlN 그리고 CrWTiN을 적용하면 내마모성이 우수하고, CrTiAlN과 sulfur+CrTiAlN은 내소착성이 양호한 것으로 확인되었다.
(4) Pin on Disc 및 Spiral과 같이 점접촉에 의한 평가방식으로는 마모 또는 소착의 경향 파악이 다소 어려웠으나, Ring on Disc 마모시험으로 정성·정량적인 비교분석이 가능하였다. 또한 내마모성과 내소착성의 종합적 검토결과 비교 대상 PVD코팅층 중 TiAlN 이 가장 우수한 것으로 나타났다.

후속연구

(5) 본 연구를 통하여 Pin on Disc 및 Spiral 마모시험에 의한 점접촉 형태와 Ring on Disc 마모시험의 면접촉 방식으로 각 PVD 코팅층의 유효성 분석을 실시하였으며, 단순 마모 깊이와 마모 폭 등에 의한 상대비교에 의한 내구성 평가방법 보다는 실제 환경에서 발생될 수 있는 마모와 소착 거동에 대한 다양한 분석이 요구됨을 알 수 있었다.

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저자의 다른 논문 :

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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