[논문]보론강을 이용한 CTBA의 후열처리 공정 실험 및 해석

윤석진; 박종규; 김양수; 서창희; 이경훈; 김헌영

문제 정의

본 연구에서는 Fig. 1과 같이 후륜현가 장치인 커플드 토션빔 액슬(coupled torsion beam axel) 후열처리 공정의 상변태를 고려한 유한요소해석을 통해 공정조건에 따른 형상 변화를 예측하고 냉각 지그 설계에 관한 정보를 얻고자 하였다.
공정이다. 본 연구에서는 Table 2와 냉각 시간은 동일한 조건에서 열전달 계수와 냉각시의 CTBA와 물이 닿는 면적과 시간을 고려하여 퀜칭 공정의 서로 다른 조건으로 해석의 신뢰성을 높이고자 하였다. 세가지 경우의 해석 결과는 Fig.
본 연구에서는 보론 강에 대하여 후열처리 공법을 적용한 실험을 실시하여 이에 대한 소재의 열전달, 상변태, 열변형에 대해 평가하였다. 또한 실험의 검증을 위해 변형, 상변태, 열전달을 고려한 후열처리 공정을 DEF0RM-3D V6.

제안 방법

(1) 시제품과 열전달, 상변태, 열변형 해석과의비교를 통해 해석의 신뢰성을 검중 하였다.
후열처리 공정조건에 의한 트라이 아웃을 진행하였다. 가열 온도는 실제 공정과 동일한 온도인 900℃까지 소재를 가열하였고 그 다음 소재의 온도 변화 측정을 위해 열전식 온도 지시계를 사용하였으며 열전대의 각 위치는 Fig. 6과 같다. 열전대의 각 위치는 소재 형상에 의한 가열로에서의열전달 계수 값의 차이와 퀜칭 시 CTBA 안쪽의성형된 부분의 경우 물이 가장 마지막에 닿기 때문에 열전대의 부착 위치를 서로 다르게 하여 실험하였다.
가열공정은 CTBA를 930℃ 가열로에 열전달 계수 0.1N/sec/mm/C로 360초간 가열한 것으로 20개포인트(point)를 추적하여 가열 상태를 확인 하였다. 또한 X, Y, Z축 각 방향에 대하여 열변형양을가열하기 전 기준 지점에 대하여 측정하였으며, 특히 Y방향에 대하여 10.
6과 같다. 열전대의 각 위치는 소재 형상에 의한 가열로에서의열전달 계수 값의 차이와 퀜칭 시 CTBA 안쪽의성형된 부분의 경우 물이 가장 마지막에 닿기 때문에 열전대의 부착 위치를 서로 다르게 하여 실험하였다. 실험에서의 퀜칭은 428초부터 445초까지 수행되었으며 따라서 온도 측정 종료시간은 455초이며 Fig, 7과 같이 시간 별 온도 변화 데이터를 얻었다.
또한 전체 체적은 249838mm³이었지만 가열공정 후 263537mn?으로 늘어난 것을 확인하였다. 이송 공정에서는 보론강을 930℃로 가열한 후 냉각지그에 장착하여 물에넣기 전까지의 공정으로 공기와 냉각지그에 의한열전달로 인한 열손실 및 냉각 수축 현상을 살펴보았다. 이송공정에서도 20개의 각 지점에서 15초후에 11번 지점은 867℃로 최고 온도로 나타났고 18~20번 지점은 857℃로 최저 온도로 나타났다.
2와 같으며 두께방향 요소(element) 개수는 3개이며, 대칭 조건을 고려하여 1/4 모델을 선택하였다. 해석공정은 Table 1과 Fig. 2와 같이 상온 성형 완료된 소재를 930℃로 예열된 가열로에서 가열하여 오스테나이트 상으로 변태 시킨 후, 가열로에서 이송 및 냉각 지그 체결 시의 공냉, 냉각수 내에서 퀜칭, 냉각 지그에서의 언로딩(unloading)으로 나누어 해석을 진행하였다.
후열처리 공정조건에 의한 트라이 아웃을 진행하였다. 가열 온도는 실제 공정과 동일한 온도인 900℃까지 소재를 가열하였고 그 다음 소재의 온도 변화 측정을 위해 열전식 온도 지시계를 사용하였으며 열전대의 각 위치는 Fig.

대상 데이터

또한 상온 성형이 완료된 CTBA모델은 Fig. 2와 같으며 두께방향 요소(element) 개수는 3개이며, 대칭 조건을 고려하여 1/4 모델을 선택하였다. 해석공정은 Table 1과 Fig.
열전대의 각 위치는 소재 형상에 의한 가열로에서의열전달 계수 값의 차이와 퀜칭 시 CTBA 안쪽의성형된 부분의 경우 물이 가장 마지막에 닿기 때문에 열전대의 부착 위치를 서로 다르게 하여 실험하였다. 실험에서의 퀜칭은 428초부터 445초까지 수행되었으며 따라서 온도 측정 종료시간은 455초이며 Fig, 7과 같이 시간 별 온도 변화 데이터를 얻었다.

데이터처리

또한 실험의 검증을 위해 변형, 상변태, 열전달을 고려한 후열처리 공정을 DEF0RM-3D V6.1 로 해석하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

성능/효과

(2) 후열처리 공정시 상분포를 관찰해 본 결과마르텐사이트로 변한 것으로 확인되었으며, 이는 소재의 고강도화로 인하여 자동차 부품 제조시 충돌성능 향상 및 고안전성을 실현할 수 있을 것으로 예상된다.
1N/sec/mm/C로 360초간 가열한 것으로 20개포인트(point)를 추적하여 가열 상태를 확인 하였다. 또한 X, Y, Z축 각 방향에 대하여 열변형양을가열하기 전 기준 지점에 대하여 측정하였으며, 특히 Y방향에 대하여 10.9mm의 길이 변화가 일어난 것을 확인하였다. 또한 전체 체적은 249838mm³이었지만 가열공정 후 263537mn?으로 늘어난 것을 확인하였다.
이는 냉각 지그와 접촉이 일어나는 부분이므로공기와의 첩촉되는 부분보다 더 많은 열손실이일어난 것으로 판단된다. 또한 이송공정에서의 열변형량은 가열공정에서 초기 조건 대비 X방향으로 10.9mm, 이송공정에서는 10.18mm로 각각 열팽창된 상태로 공정을 마친 것으로 마쳤으며, 체적변화는 초기 소재 대비 팽창한 것을 확인할 수있었다.
이는 오스테나이트(FCC)상에서 마르텐사이트(BCT) 상으로 변태가 일어나면서 팽창을 했기 때문이다. 또한 체적변화는 Fig. 5와 같이 퀜칭 공정 동안 262119 mm3에서 257434mm³으로 1.79% 줄어든 것을 확인하였다. 또한 퀜칭 공정이 끝난 후 상분포를 확인한 결과 모든 부분이 마르텐사이트 변태가 된 것을 알 수 있었다.
79% 줄어든 것을 확인하였다. 또한 퀜칭 공정이 끝난 후 상분포를 확인한 결과 모든 부분이 마르텐사이트 변태가 된 것을 알 수 있었다.
Tekkaya 등[6]은 열과 기계적 거동을 분리 (decoupled)하여 두 개의 유한요소 패키지(MARC 2005 및 PAM-STAMP2G)로 핫 프레스 포밍 공정을 해석함으로써 열-기계적 거동 결합 시뮬레이션의 경우에 비하여 계산 시간을 80% 이상 단축하였다. 이상의 방법들에서는 열 및 상변화를 결합한 방법들은 없었다. 핫 프레스 포밍공정의 경우, 공정 중 조직 변화가 광범위하게 일어나므로 상변태를 고려하는 것이 바람직하다.

후속연구

(3) 후열처리 냉각 지그 사용시 소재의 뒤틀림을 줄일 수 있었지만, 단면 방향의 각도 및 크기 제어를 하기 위해 추가적인 검토가 필요할 것으로 생각된다.

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