[논문]비도금 핫스탬핑용 보론강판의 분위기 산소량에 따른 산화층 분석

이지호; 최태훈; 송정한; 배기현

doi:10.5228/kstp.2023.32.3.160

[국내논문] 비도금 핫스탬핑용 보론강판의 분위기 산소량에 따른 산화층 분석
Oxide Layer Analysis of Uncoated Boron Steel Sheet for Hot Stamping According to the Atmosphere Oxygen Content 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.32 no.3, 2023년, pp.160 - 165

이지호 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 최태훈 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 송정한 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소) , 배기현 (한국생산기술연구원 뿌리기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

As the supply of eco-friendly vehicles increases, the application rate of hot stamping components is rising to reduce vehicle weight and improve safety. Although Al-Si coated steel sheets are commonly used in hot stamping processes, their manufacturing costs are elevated due to process patents and royalties. Various hot stamping studies have been conducted to reduce these production costs. In this study, we derived a process control method for suppressing the oxide layer of hot stamping parts using uncoated boron steel sheets. Firstly, hat-shaped parts were hot stamped under atmospheric conditions to analyze the tendency of oxide layer formation by location. Then, the Gleeble system was used to observe oxide layer formation based on oxygen content under various atmospheric conditions. Finally, the oxide layer thickness was quantitatively measured using SEM images.

Keyword

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Hat-type hot stamping test with un-coated boron steel sheet
그림 Fig. 2 Investigation of the oxide layer at various positions of hat-type specimen
표 Table 1 Oxide layer thickness at various positions of hat-type specimen
그림 Fig. 3 Gleeble 3500 System for testing the oxide layer thickness of un-coated boron steel sheet
그림 Fig. 4 Gleeble test condition to describe the temperature history during the hot stamping process
그림 Fig. 5 Bar-type Gleeble specimen for securing the sufficient quenching speed to obtain full martensite micro structure
그림 Fig. 6 Atmosphere oxygen control system in Gleeble 3500 system
그림 Fig. 7 Measured result of the temperature history during the Gleeble test in various oxygen contents
그림 Fig. 8 Growth of the oxide layer during the hot stamping temperature history
그림 Fig. 9 Investigation of the oxide layer of Gleeble specimens after the heat treatment according to the atmosphere oxygen content
그림 Fig. 10 Investigation of the oxide layer according to the atmosphere oxygen content
표 Table 2 Average quenching speed in the range from 800 ˚C ~ 400 ˚C in various atmospheric oxygen contents
표 Table 3 Oxide layer thickness according to the atmospheric oxygen content
표 Table 4 Measured Result of Vickers Hardness

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 22MnB5 비도금 보론 강판의 핫스탬핑 온도이력 조건에서 산소량에 따른 산화층 발생을 정량적으로 분석한다.
이후 글리블 시험장비를 이용하여 산소량 비율에 따른 산화층 두께를 정량적으로 측정한다. 이를 통하여 산소량 분위기 제어에 따른 비도금 핫스탬핑 강판의 산화층 억제를 방법을 제시한다. 마지막으로 시편의 경도 측정을 통하여 비도금 핫스탬핑 소재의 부품 강도 확보에 이상이 없음을 확인한다.

제안 방법

우선 모자형 모사시편의 핫스탬핑 성형시험을 통하여 대기 조건에서 형상 위치별 산화층 발생 특성을 분석한다. 이후 글리블 시험장비를 이용하여 산소량 비율에 따른 산화층 두께를 정량적으로 측정한다.
대기조건에서 부품 산화층 발생 특성을 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 Top, Wall, Flange 3가지 위치에서 샘플을 채취하고 마운팅한 후 2400방 사포를 활용하여 연마한 후, Quanta 200F 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)으로 이미지를 촬영하였다. 이때 3회의 반복측정에 따른 산화층 두께의 정량적 측정 결과를 Table 1에 제시하였다.
본 연구에서는 비도금 22MnB5 1.5t 보론강판을 이용하여 산소량 분위기 제어에 따른 산화층 발생을 정량적으로 분석하였다.
분위기 제어 조건에 따른 산화층 발생량을 관찰하기 위하여 산소량 0%(진공), 2%, 4%, 6% 조건에서 핫스탬핑 온도이력에 따른 글리블 시험을 진행하였다. 산소량 제어를 위하여 챔버의 진공도를 조절하였으며, 정확한 산소량 확인을 위하여 NEWCOSMOS사의 XP3180 산소측정기를 챔버 내부에 배치한 상태에서 실험을 진행하였다.
분위기 제어 조건에 따른 산화층 발생량을 관찰하기 위하여 산소량 0%(진공), 2%, 4%, 6% 조건에서 핫스탬핑 온도이력에 따른 글리블 시험을 진행하였다. 산소량 제어를 위하여 챔버의 진공도를 조절하였으며, 정확한 산소량 확인을 위하여 NEWCOSMOS사의 XP3180 산소측정기를 챔버 내부에 배치한 상태에서 실험을 진행하였다. 분위기제어를 위한 시험관련 장치를 Fig.

대상 데이터

비도금 보론강판 22MnB5 1.5t 소재를 이용하여 단면이 모자형인 모사부품 핫스탬핑 시험을 진행하였다. 소재는 100 x 250 mm 크기로 절단하여 부품 성형시험용 시편을 준비하였으며, 1000 ˚C 이상의 가열이 가능한 접촉식 가열로를 950˚C로 가열한 후 시편을 10분간 가열하여 오스테나이즈화하였다.
5t 소재를 이용하여 단면이 모자형인 모사부품 핫스탬핑 시험을 진행하였다. 소재는 100 x 250 mm 크기로 절단하여 부품 성형시험용 시편을 준비하였으며, 1000 ˚C 이상의 가열이 가능한 접촉식 가열로를 950˚C로 가열한 후 시편을 10분간 가열하여 오스테나이즈화하였다. 이후 C타입 200톤 서보프레스에 설치된 핫스탬핑용 모사부품 금형에 5초 이내로 이송한 후 부품 성형을 수행하였다.

성능/효과

이를 통하여 산소량 분위기 제어에 따른 비도금 핫스탬핑 강판의 산화층 억제를 방법을 제시한다. 마지막으로 시편의 경도 측정을 통하여 비도금 핫스탬핑 소재의 부품 강도 확보에 이상이 없음을 확인한다.
이후 퀜칭 구간에서 산화층이 급격히 발생하는 것이 관찰되었다. 이와 같이 산화층은 퀜칭 시점에서 급격히 성장하는 것으로 판단되며, 비도금강판의 산화층 억제를 위해서는 소재 이송이후 단계에서의 분위기 제어가 중요한 것을 확인할 수 있다. Fig.
이와 같이 산소량이 증가함에 따라 산화층의 발생량이 점차 증가하는 것을 육안으로 관찰할 수 있다. 따라서 산소량에 따라 산화층의 발생량은 매우 민감하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.
통상적으로 비도금 핫스탬핑 부품의 조립, 도금 등 후공정 불량방지를 위해서는 진공상태와 유사한 수준의 산화층 억제가 필요하다. 따라서 본 시험결과 기준으로 핫스탬핑 성형부품의 양호한 표면품질 확보를 위해서는 2~4% 범위 이내의 산소량 제어가 필수적일 것으로 판단된다.
(1) 모자형 모사부품 성형시험을 통하여 금형과의 접촉조건에 따라 위치별로 산화층 두께가 상이할 수 있음을 확인하였다.
(2) 글리블 시험장비를 이용하여 비도금 핫스탬핑용 강판의 산화층 분석을 위한 온도이력, 산소량 등의 시험 조건을 정밀하게 구현하였다.
(3) 승온 과정에서 산화층이 서서히 생성되기 시작하며, 퀜칭 과정에서 산화층이 급격히 성장하는 것을 관찰하였다.
(4) 비도금 핫스탬핑 부품의 산화층 억제를 위해서는 산소량 2~4% 수준의 제어가 필요하며, 6% 이상에서는 대기 조건과 유사한 수준의 산화층이 발생하였다.
(5) 비도금 핫스탬핑 강판을 이용한 핫스탬핑 부품 제작 시 분위기 제어에 따른 소재 물성 저하는 없을 것으로 예상된다.

후속연구

Wall과 Flange에서는 각각 금형과의 접촉 및 압축에 의하여 10 μm 이하의 비교적 얇은 산화층이 관찰된다. 이와 같이 실부품 성형 시에도 소재와 금형간의 간섭 및 접촉 특성에 따라 산화층 두께에 차이가 발생할 것으로 예상되며, 후속 조립공정 시에도 이와 같이 특성을 고려한 점용접 위치 선정이 필요할 것으로 판단된다.

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