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[기술특집]난가공재에 유체 윤활로 대응하는 'IHP 처리'의 특징과 프레스 금형에 대한 응용

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[첨단 헬로티]


오카 마사토시 (岡 正俊)   ㈜일본크로스압연


동사는 치바(千葉)현 모바라(茂原)시의 금속 재료 메이커로, 주로 프레스 가공 부품의 소재가 되는 스테인리스 등 니켈합금의 롤재를 제조하고 있다. 최근 동사에서 제조하는 금속 재료는 일반재에서 기능재로 빠르게 넘어가고 있으며, 일반적인 규격에서 돌출된 기계특성 재료가 증가함으로써 가공 조건은 기존에 비해 복잡해졌다.


예를 들면, 고장력강(하이텐)은 해마다 강도가 높아져, 현재는 1,500MPa를 상회하는 것이 나오고 있다. 니오브 등 고활성 재료는 중간 어닐링 처리가 불가능하고, 후판에서 박까지 스트레이트로 가공하는 방법밖에 없어 긁힘이나 버닝의 대책을 세울 수 없다.


특히 티탄재의 수요는 증가하고 있으며, 화학 플랜트나 촉매 등의 산업용에서 장식, 아웃도어 용품 등 광범위하게 용도가 확대되고 있다. 그래서 이 글에서는 동사에 의한 티탄재 가공의 대응과 그 과정에서 개발한 표면처리 ‘IHP 처리’의 특징, 프레스 금형에 대한 응용 예를 소개한다.


압연가공에서 표면처리의 중요성


압연가공은 금속 재료를 롤로 압축해 얇게 늘리는 가공(그림 1)으로, 동사는 여러 가지 금속 재료를 두께 0.03~50mm의 범위에서 제조한다. 압연가공한 재료는 연속 어닐링 처리, 슬릿 가공을 거치고, 주로 프레스 메이커에 출하되어 부품이 된다.

 


압연가공에 사용하는 롤은 ‘롤 금형’이라고도 부르며, 프레스용 금형과 마찬가지로 금속 재료를 탄성변형시키기 위해 큰 응력이 발생하고 국부적으로 고온․고압이 된다. 따라서 가압력, 이송 속도 등의 가공 조건, 롤 경도, 표면처리는 중요한 과제이다.


기존 롤에는 양산이나 고속가공에 대응하는 내마모성이 요구되고 있었다. 그렇기 때문에 질화티탄이나 DLC 등 고경도의 표면처리나 초경합금제 롤을 사용하는 등 고경도에 의한 내마모성을 중시하고 있었다. 그러나 최근에는 양산 효율뿐만 아니라, 버닝, 긁힘, 융착 등에 대응하기 위해 경도 이외의 기능적인 요소도 중요해지고 있다.


티탄재 가공의 대응


티탄은 육방정이라는 구조를 가지며, 아래의 이유로부터 난가공재라고 할 수 있다.


① 변형저항이 비교적 크기 때문에 가공열이 발생하기 쉽다.
② 열전도가 낮기 때문에 발생한 가공열의 냉각성이 낮고, 열이 축적된다.
③ 화학적 활성이 강하고, 다른 금속과의 친화력이 강하기 때문에 가공열에 의해 합금이 생성된다.
④ 영률이 작고, 선반가공 시에 휨이 발생해 표면 정도나 치수 정도가 악화한다.


이러한 이유 때문에 티탄은 소성가공이나 절삭이 어렵다. 알고 있듯이 몇 개 가공한 것만으로 티탄화합물에 의해 금형의 표면은 새하얗게 되고, 긁힘이 발생한다. 티탄을 가공하기 위해서는 이 티탄화합물의 생성을 억제하는 것이 필요하다.


동사가 티탄재의 생산을 개시한 당시, 티탄화합물의 생성을 억제할 목적으로 저속 운전 가공하고 있었다. 그런데 소성가공은 응력이 크고 저속에서도 발열하기 때문에 티탄화합물의 생성을 완전하게는 방지할 수 없었다.


그렇기 때문에 거친가공, 중간가공, 다듬질가공 등 가공마다 티탄화합물이 부착한 롤을 연마품과 교환할 필요가 있었다. 생산성과 코스트 문제에서 생산 기술을 개선할 필요가 있었다.


개선의 하나로서 대응한 티탄재의 양극 산화처리는 우수한 효과를 얻을 수 있었다. 양극 산화피막에 의해 롤과 티탄재가 직접 접촉하지 않기 때문에 티탄화합물의 생성을 방지할 수 있었다. 결과, 쉽게 압연가공이 가능해지고 생산성은 대폭으로 개선됐다. 반면, 용도에 따라 가공 후에 양극 산화피막을 제거할 필요가 있는 점이 과제였다.


세라믹제의 롤을 이용한 가공에서는 매우 흥미 깊은 현상을 볼 수 있었다. 세라믹 롤의 특징은 양산에 대응하는 우수한 내마모성인데, 세라믹 롤로 티탄을 가공하면 불가사의하게 티탄화합물의 생성을 억제할 수 있고 쉽게 가공을 할 수 있었다.


세라믹 롤은 SKD제와 비교해 약 10배 가까운 코스트이고, 또한 자사 메인티넌스가 불가능하기 때문에 채용에는 이르지 못했지만, 이 세라믹 롤의 특성 해석이 IHP 처리의 초석이 되어 티탄재 등 긁히기 쉬운 재료의 가공이 가능해졌다.


마이크로 딤플과 유체 윤활


순티탄재의 경도는 230HV 정도이고, 소성가공에 의한 경화도 적어 스테인리스에 비해 경질이다. 그런데 앞에서 말한 대로 난가공재이고 윤활유의 유막 절삭으로 티탄재와 롤이 직접 접촉하는 상태=‘경계 윤활’이 되면, 즉시 롤 표면에 티탄화합물이 생성된다.


그러나 윤활 유막에 의해 티탄재와 롤이 직접 접촉하지 않는 상태=‘유체 윤활’이라면 일반재와 같이 쉽게 가공할 수 있다.


세라믹제의 롤이 티탄화합물의 생성을 억제하는 현상은 세라믹스 표면에 존재하는 0.2~0.5μm 정도의 마이크로 딤플에 의해 일어난다. 마이크로 딤플이 소성가공 시에 윤활유를 끌어넣음으로써 유막이 형성되고 유체 윤활 상태를 유지한다.


반대로 일반적인 연마 표면은 표면 조도가 낮기 때문에 윤활유의 인입이 약하고, 또한 와이퍼와 같이 윤활유를 긁어내기 때문에 워크와 롤 사이에 유막을 유지할 수 없어 경계 윤활이 된다.


IHP 처리의 마이크로 딤플


IHP 처리는 동사 사양에 개량한 쇼트피닝 장치에 의해 금속 표면에 몰리브덴 등 고비중의 입자를 초고속으로 충돌시킴으로써 세라믹스의 마이크로 딤플을 재현하는 표면처리이다. 마이크로 딤플 기술 자체는 예전부터 있었는데, 그 기술은 계속 발전해 내구성은 물론이고 용도나 목적에 따라 여러 가지 기술이 개발되고 있다. IHP 처리는 금속의 소성가공이 목적이므로 특히 극압 조건에서 최적으로 효과를 발휘한다.

 


HIP 처리가 극압 하에서도 유체 윤활을 유지하는 구조는 마이크로 딤플의 기밀성에 있다. IHP 처리의 마이크로 딤플은 골프공의 딤플과 같이 얕고 매끄러운 형상으로, 흡반이 흡착될 정도로 기밀성이 있다(그림 2). 극압 상태가 되면, 이 기밀성이 딤플 내의 윤활유 통로를 막아 유압이 상승해 반작용이 발생한다.


이 유압이 롤과 워크의 접촉을 방지하고, 강고한 유막을 유지한다. 유체 윤활 상태에서 소성가공을 하면, 롤과 워크가 닿지 않기 때문에 광택을 얻을 수 없어 뿌옇게 된 것 같은 무광택이 되는 특징이 있다.


IHP 처리의 기술 요소


기존의 마이크로 딤플 처리는 내구성에 과제가 있었다. 긴 띠재를 가공하면, 재료의 끝단과 후단에서 제품의 표면 컬러가 변화한다. 이것은 마이크로 딤플의 마모가 원인이었다. 마모에 의한 딤플의 소멸을 방지할 목적으로, 깊은 딤플을 형성하기 위해 고경도의 분체를 사용하면 롤의 표면을 갉아 버려 딤플 형상이 예각이 된다. 부분적으로 워크와의 접촉이 발생, 딤플의 소모는 개선되지 않았다.


마모하지 않는 딤플 형상을 추구한 결과 IHP 처리는 고비중으로 연질인 분체를 사용, 롤 표면을 갉지 않고 단조의 요령으로 골프공과 같은 얕고 매끄러운 딤플을 형성했다(그림 3). 딤플면의 컬러는 표면이 절삭되면 하얗게 되는데, 절삭하지 않기 때문에 광택 있는 금속 컬러가 된다.


매끄러운 요철 형상의 마이크로 딤플은 기밀성이 우수하고 유막 끊김을 방지한다. 또한 딤플의 마모를 방지해 내구성이 대폭으로 개선되고 장기간의 사용을 견딜 수 있는 성능이 얻어졌다.

 


IHP 처리의 코스트는 쇼트피닝의 응용으로 단순한 처리이기 때문에 다이스강이나 바이스강제의 금형 표면에 쉽게 저코스트로 처리할 수 있다(그림 4). 그렇기 때문에 딤플이 마모했을 때의 재처리도 간단하다. 금형의 표면을 절삭하지 않기 때문에 처리를 반복해도 형상의 변화는 적지만, 딤플의 기밀성을 고려하면 재처리 전의 표면조도는 1S 이하인 것이 바람직하다.


IHP 처리의 부차적 효과


IHP 처리에는 금형의 피로강도를 향상시키는 효과가 있다. 마이크로 딤플을 성형하는 공정에서 연질의 고비중 입자를 사용하기 때문에 효율적으로 입자의 충돌 에너지가 금형 표면에 축적된다. 그렇기 때문에 단조 효과로 금형 표면의 금속 조직이 미세화된다. 미세화된 금속 조직은 마이크로 크랙이 발생하는 기점이 감소하기 때문에 금형의 수명이 향상된다(그림 5).

 


또한 IHP 처리는 금형의 표면을 경화시키는  효과도 있다. 쇼트피닝에서도 입자를 고속으로 금속 표면에 충돌시킴으로써 금속 표면이 경화된다. 한편 IHP 처리는 입자의 비중이 높고, 충돌 에너지에 의해 극표면이 재결정해 표면경도는 다이스강에서 58~70HRC 가까이까지 된다.


이것에 의해 내마모성이 향상되고, 마이크로 딤플의 소모를 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 극표면이기 때문에 내마모성을 높이는 효과는 있지만, 금형의 기계강도는 변화하지 않는다.


IHP 처리의 과제


IHP 처리의 딤플은 2μm 정도의 크기로 세라믹스에 비하면 딤플의 사이즈가 크고, 가공된 제품의 표면은 광택면이 아니라 칙칙한 컬러가 된다. 딤플의 사이즈를 작게 할 목적으로 입자의 입도를 내리면, 충돌 시의 에너지가 감소해 단조 효과가 감소한다. 현재는 고무 숫돌로 표면을 가볍게 연마해 표면조도를 컨트롤하는데, 재현성이나 연마 얼룩 등 과제가 있다.


또한 IHP 처리는 무윤활이라면 현저하게 특성이 저하한다. 마이크로 딤플에 의한 유체 윤활의 효과로, 물리적으로 워크와 금형의 접촉을 방지함으로써 내마모 효과가 발휘된다. 따라서 무윤활 상태에서는 내마모 효과는 얻을 수 없다.


IHP 처리에 사용하는 입자는 범용품이 아니기 때문에 코스트가 높고, 또한 경질이므로 입자의 소모도 빠르다. 일반적인 마이크로 딤플 처리에 비해 높은 코스트가 된다.


IHP 처리의 프레스 금형에 대한 응용


이하에 프레스 금형에 대한 응용 예를 든다. 또한 동사는 프레스 가공 메이커가 아니기 때문에 지급된 금형의 IHP 처리에 대한 피드백 정보인 것에 유의하기 바란다.


1. 티탄재의 가공


IHP 처리를 실시함으로써 일반적인 SUS용 금형을 유용해 쉽게 드로잉 가공이 가능하다. 금형 표면의 티탄화합물 생성을 억제 수 있어 제품의 표면 상태는 양호하지만, 광택이 없는 약간 칙칙한 컬러가 된다. 보통의 금형에서 양극 산화처리를 실시한 재료를 드로잉 가공하면 광택면이 얻어지는데, 양극 산화 컬러가 남기 때문에 연마 공정이 필요하다.


2. 하이텐의 가공


하이텐의 가공은 시제작이나 소량 생산의 실적만 있기 때문에 검증 수가 적고 불확정 요소가 많은데, 1,000MPa 이하의 강도 재료는 유체 윤활을 유지할 수 있어 양호하다. 그러나 1,500MPa 클래스에서는 SKD제 금형은 응력의 집중부에 이상 마모가 발생했기 때문에 하이스강 등으로 금형 소재를 변경할 필요가 있다.


3. 알루미늄합금의 가공


알루미늄계 재료의 소성가공은 비교적 용이하지만, 금형이 마모하기 쉽고 또한 윤활유가 알루미늄 가루로 오염되어 컨태미네이트의 원인이 된다. IHP 처리로 금형의 마모, 알루미늄 가루의 발생을 억제할 수 있다. 그러나 제품의 완성된 표면은 무광택이 되기 때문에 분체 선정의 과제가 있다.


4. 프레스 펀치 용도


프레스 펀치 용도에서는 전단에 가까운 영역에서도 유체 윤활이 유지된다. 프레스 펀치는 국부적으로 경계 윤활이 되고 문지름으로써 색 얼룩이 발생하는데, 유체 윤활의 효과로 색 얼룩이 감소하고 금형의 마모도 감소됐다. 한편 IHP 처리의 입자로 금형의 예각부가 쳐져 버려 금형의 형상에 따라서는 사용할 수 없다. 여러 가지 형상에 대응하기 위해서는 현재의 IHP 처리로는 입자가 크기 때문에 조금 더 입자를 줄일 필요가 있다.


기존에는 내구성의 문제 때문에 마이크로 딤플계의 표면처리는 피하는 경향이었다. 그러나 최근 수년 간에 내구성이 대폭으로 향상되고, 더구나 소재의 다양성에 대응할 수 있어 다시 주목을 받게 됐다. 아직 IHP 처리의 프레스 금형에 대한 응용은 실적이 적고 불확정 요소가 많은 상황이지만, 동사는 IHP 처리로 난가공재 가공의 가능성에 앞으로도 대응해 갈 것이다.










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