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[기술특집]WLS가 가져오는 냉간단조 금형의 수명 연장 - 성형재에 대한 기능 표면 창성

입력 : 2019.11.07 16:23

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[첨단 헬로티]


쿠마가이 이사오 (熊谷 勇雄)   마코(주)


냉간단조에서 성형재에 대한 전처리로서 현 공법에서는 일반적으로 쇼트블라스트(이하 SB)나 산세정에 의한 ‘산화 피막의 제거 처리’, 화학 약품에 의한 ‘인산염 피막+금속비누 피막’을 주로 한 ‘윤활제 피막의 형성 처리(본데라이트 처리)’가 이루어지고 있다(그림 1).

 


SB 처리에서는 철계의 고비중 투사재가 사용되어 입자 사이즈는 수백 μm 이상으로 크고, 그 형상은 구형, 혹은 CCW(컨디션드 컷 와이어)와 같이 모퉁이를 제거해 구형에 근접시키는 것이 일반적이다.


그렇기 때문에 산화 피막 제거 후의 성형재 표면조도는 크고, 단조 성형만으로 제품의 최종 형상․치수를 완성시키는 정밀 단조(네트셰이프)에서는 제품 품질(면성상, 치수 등)의 목표 달성․향상의 장해가 된다.


또한 투사재가 고비중․대경일수록 처리면 근방의 결정립 미세화(가공 경화)가 일어나, 단조 성형 시의 성형재 표층의 소성유동을 방해함으로써 성형 불량이나 금형에 대한 데미지 증가 등 여러 가지 폐해의 요인이 될 수 있다.


산세정 처리나 본데라이트 처리는 화학 약품을 이용한 처리이기 때문에 작업 환경이 악화하는 것뿐만 아니라, 배수나 폐기물의 발생․처리가 환경 보전면에서 문제시되고 있으며, 제로 이미션화 등 환경 관리에 대한 요구가 높아지는 오늘날에는 설비의 유지․신설이 어려워지고 있다.


또한 산화 피막 제거, 윤활제 피막 형성의 각 공정은 개별 장치에서 배치(여러 개 일괄) 처리되는 것이 일반적으로, 단조 공정을 포함해 공정마다 다른 공장․외주로 처리하는 경우가 많고 공정 간의 워크 반송이 필요해질 뿐만 아니라 제작 중 재고가 발생하는 등 생산 효율 면에서도 문제가 된다.


이러한 문제를 해결하기 위해 동사에서는 ‘WLS(Wet blast Lubricant System’을 개발, 장치의 시장 투입을 개시했다.


WLS의 개요


WLS는 동사의 기간 기술인 ‘웨트 블라스트(이하 WB) 처리’에 ‘윤활제 도포 처리’를 일련의 공정으로서 조합시킨 냉간단조 라인용 처리 공법이다.


즉, WB 처리는 투사재를 물과 혼합한 슬러리로서 압축 에어의 힘으로 가속․투사하는 유리 숫돌입자에 의한 표면처리 공법으로, 투사재 입자만을 에어 압력이나 임펠러의 회전력으로 투사하는 기존의 블라스트 처리와는 구분이 된다.


물을 사용함으로써 미세한 투사재(실기 사용 실적 : 3μm)에서 처리가 가능한 것과 블라스트 처리와 동시에 탈지․표면 세정을 할 수 있는 등의 특징을 갖는다.


그림 1에 나타냈듯이 WLS는 기존 공법의 SB․산세정에 의한 산화 피막 제거 처리와 인산염 피막 형성에 의한 윤활제 도포를 위한 밑바탕(요철 형성) 처리를 WB 처리만으로 대체하고 있다.


WLS에서 WB 처리는 일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강제의 고경도 투사재를 사용한다. 입자 사이즈는 100μm 전후로 SB에서 사용되는 것에 비해 작고, 형상도 다각형으로 SB의 그것과는 다르다.


절삭력이 강한 고경도․다각 현상의 투사재를 사용함으로써 입자 사이즈가 작아도 충분한 산화 피막 제거 성능을 발휘, 처리 후의 성형재 표면에 치밀하고 샤프한 조도 곡선을 가진 요철 형상을 형성한다. 그 표면조도는 일반적인 냉간단조용 강재에서 RzJIS≤15μm 정도로 SB에 비해 작다.


또한 다각 형상으로 입자 사이즈가 작기 때문에 그 충돌 에너지의 대부분이 처리면 표층의 절삭에 소비되어, 가공경화층이 발생․잔존하기 어렵다.


윤활제 피막의 형성에서는 작업․지구 환경에 친화적이고, 약알칼리․수용성의 환경대응형 윤활제를 사용한다. 비반응 타입 도포형 윤활제이기 때문에 WB 처리 후, 가온된 성형 재료에 대해 도포․건조하는 것만으로 윤활제 피막을 완료할 수 있다.


기존의 화학 약품을 이용한 처리에서는 성형재의 재질에 맞춘 약품의 조정․변경이 필요한데, WB 처리는 유리 숫돌입자에 의한 물리가공으로 이형제도 비반응 타입 도포형이기 때문에 WLS는 재질에 관계없이 처리하는 것이 가능하다.

 


WLS 장치의 특징


WLS를 기간으로 하는 냉간단조 전처리장치(이하 WLS 장치)의 일례를 그림 2에 나타냈다. 동 그림은 빌릿용 WLS 장치의 구조도이다. 그림 중의 장치 왼쪽 단부터 투입된 빌릿은 2개의 회전구동 롤러 상에서 연속 회전시키면서 반송 암에 의해 연속적으로 그림 중 오른쪽으로 반송된다.


그 사이 WB 처리로 탈지․산화 피막의 제거․표면조화가 이루어지고, 탕세정에 의해 최종 세정․가온된 후, 윤활제를 도포․건조되어 단조장치에 배출된다.

 


빌릿용 WLS 장치의 처리 실적 예는 빌릿 치수 ‘ø15×L50mm’, ‘ø45×L10mm’에서 처리 택트 ‘1.6~2.0초’이다. 동 장치의 크기는 ‘폭(빌릿 반송 방향) 약 2.5m×안길이 약 2m’로 기존 공법의 설비에 비해 콤팩트하기 때문에(그림 3) 빌릿 투입에서 배출까지의 소요 시간은 최장이라도 2분 정도로 짧다.


빌릿은 소재의 상태에서 윤활제 피막 형성까지 단시간에 연속 처리되고 단조장치에 보내지기 때문에 저스트 인 타임 생산 방식에 대응할 수 있다.


빌릿은 장치 내의 각 공정에서 개별 처리되기 때문에 배치 처리와 같이 워크끼리나 처리 용기의 충돌에 의한 타흔이 발생하지 않고, 그것에 기인하는 단조 성형 후의 품질 불량 발생을 억제할 수 있다.


윤활제는 회전 전송되는 빌릿에 대해 미세 분무함으로써 균일하게 적량 도포된다. 침적이나 한번 사용하고 버리는 윤활제 피막 도포는 피막 두께의 편차가 발생하기 쉽고, 적량에 미치지 못한 부위에서는 단조 시의 막 잘림에 의한 국부적인 마찰력 증가나 버닝의 요인이 된다.


반대로 과잉 부위에서는 성형 시에 금형 내에서 박리․잔류한 여잉분(단조 찌꺼기)가 다음 성형품 표면에 전사되어 성형 품질 불량을 일으킬 가능성이 있다. WLS에 의한 미세 분무는 이러한 리스크를 저감하는 것이 가능하다.

 


빌릿만큼 반송 자세가 안정되지 않고, 회전구동 롤러 상의 연속적인 반송이 어려운 성형재는 그림 4에 나타냈듯이 각 처리 공정마다 설정된 회전구동 롤러에 단속적으로 반송된다. 동사에서는 앞에서 말한 실적 예에서 든 사이즈 이외의 빌릿이나 그림 4에 나타낸 링 형상품 등 여러 가지 WLS 대상 성형품에 대해 처리․반송 방법이나 구성 부품 형상의 개별 설계 대응이 가능하다.


단조에 적합한 기능 표면의 창성

 

WLS 장치에서 사용하는 환경대응형 윤활제는 윤활제 메이커품을 사용하고 있다. 각 메이커는 여러 가지 성형품 재질이나 가공 강도(표면 확대율 등)에 대응하기 위해 단조 조건에 맞춘 많은 윤활제를 갖추고 있다.


환경대응형 윤활제는 환경․취급성이 우수한데, 기존의 윤활제(금속비누) 피막에 비해 강가공에 대한 추종․내성이 떨어진다. 강가공용으로 비교적 높은 내열․내하중성을 갖춘 고체 윤활제(이황화몰리브덴)를 함유하는 것도 있지만, 장치 오염이나 단조의 가스 발생에 의한 성형 불량 리스크가 높아진다.


원래 반응 타입인 기존의 윤활 피막에 대해, 환경대응형 윤활제는 도포형의 비반응 타입이기 때문에 성형재와 윤활제 피막의 밀착강도는 성형재의 표면 상태에 좌우된다.


즉, 단조 성능은 윤활제 피막의 성능에 크게 의존하는데, 아무리 윤활 성능이 높은 윤활제 피막이라도 성형재 표면이 단조 시의 과혹한 소성유동․전연 환경 하에서 피막을 유지할 수 없으면, 충분한 성능을 발휘하는 것은 불가능하다.


따라서 네트셰이프, 정밀 성형의 요구가 높아지는 오늘날 냉간단조에서는 난성형 재료나 복잡․미세 형상의 단조 성형 시에도 금형과의 마찰력을 낮게 유지하기 위해 윤활제 피막을 계속 유지할 수 있는 기능 표면을 창성하는 것이 중요하다.


그러나 윤활제끼리 어떠한 단조 조건에도 대응할 수 있는 절대적인 표면 성상은 존재하지 않고, 성형재의 재료특성이나 가공 강도에 따라 최적의 표면 성상을 만들 필요가 있다. WB 처리에서는 투사재의 형상․사이즈․재질, 투사 속도, 투사량 등의 요소를 조정함으로써 표면 성상을 형성․조정하는 것이 가능하다.

 


WB 처리에 의한 기능 표면 효과의 예를 그림 5에 나타냈다. 성형재 표면의 조도 곡선의 산술 평균조도 Ra와 요소의 평균 길이 RSm의 비율을 조정함으로써 마찰계수가 크게 저감되고 있다. 기존 공법 설비를 WLS 장치로 교체한 고객으로부터는 마찰 저감 효과에 의해 금형 수명이 몇 배 늘었다는 말을 듣고 있다.


WLS의 기간 기술인 WB 처리 기술을 향상시킴으로써 기능 표면 창성 기술을 진화시켜, 앞으로 더욱 수요가 높아질 난성형재의 단조 및 정밀 단조의 전처리로서 제안 및 전개해 갈 것이다. 이것에 의해 냉간단조의 기술 혁신에 노력, 업계․공법의 발전에 공헌하고 싶다.

/서재창 기자(prmoed@hellot.net)

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