[첨단 헬로티]
히구치 시게키(樋口 成起), 우메모리 나오키(梅林 直樹), 마스다 테츠야(增田 哲也) 大同특수강(주)
1. 서론
최근 자동차의 충돌 안전 및 연비 성능 향상 요구에 의한 적용 부품의 고강도화와 경량화를 위해 고장력강판(이하 하이텐재)의 사용률이 상승하는 동시에, 하이텐재의 가공법으로서 일본 국내에서는 지금까지 주로 냉간 프레스 공법이 적용되고 있었다. 그러나 냉간 프레스 공법으로는 1.2GPa급 하이텐재 이상의 고강도화 요구에 따라, 하이텐재 특유의 스프링백에 기인한 형상동결성의 악화나 금형의 손상(긁힘이나 결손)이 현저하게 보였다. 이에 최근 일본 국내에서 핫 스탬핑 공법이 주목받고 있다.
핫 스탬핑 공법은 강판을 오스테나이트 변태 영역까지 가열한 후에, 금형 내에서 성형과 냉각(담금질)을 동시에 하기 때문에 1.5GPa급 이상의 초하이텐재로 스프링백이 발생하지 않고 성형 가능해지고 형상동결성이 우수한 장점이 있다. 한편, 강판이 일정 온도 이하가 되기까지 프레스 하사점 유지에 의한 금형 내의 냉각이 필요하기 때문에 성형 사이클 타임이 냉간 프레스 공법보다 대폭으로 떨어지는 단점이 있다.
그렇기 때문에 핫 스탬핑 공법에서 사용되는 금형용 강에는 강판의 발열을 촉진시켜 사이클 타임을 향상시킬 목적으로 높은 열전도율이 요구된다. 동시에 금형 장수명화 요구도 존재하기 때문에 내마모성 향상의 목적으로 고경도도 요구된다.
이에 열전도율에 특화시키면서 금형에 반드시 필요한 특성을 겸비한 핫 스탬핑 금형용 강 ‘RDH395’를 개발했다.
2. 위치매김과 특성
그림 1에 RDH395의 열간 다이스강(범용강 JIS SKD61, 동사 개발강 DH31-EX), 냉간 다이스강(범용강 JIS SKD11, 동사 개발강 DC53)과의 위치매김을 나타냈다. 앞에서 말했듯이 RDH395는 열전도율에 특화하고 있으며, 열간 다이스강의 경도를 유지하면서 기존에 없는 고열전도율을 갖는 강종이다.
그림 2에 열전도율(측정 방법 : 레이저 플래시법)의 온도의존성을 나타냈다. RDH395의 열전도율은 전체 온도 영역에서 35W/(m․K) 이상으로, 기존 강과 비교해 매우 우수하다. 또한 200℃ 부근에서 극대의 경향을 나타내고 있으며, 최고 약 40W/(m․K)가 된다.
핫 스탬핑 공법에서 강판(22Mn5B 등)은 Ms점이 약 400℃, Mf점이 약 200℃에서 마르텐사이트 변태하기 때문에 급속하게 200℃ 이하로 냉각한 편이 미세한 조직을 얻을 수 있다고 생각된다. 그 점에서 RDH395의 200℃ 부근의 극대는 유효하다고 생각할 수 있다.
그림 3에 템퍼링 성능 곡선을 나타냈다. 1,030℃에서 1hr 유지 후에 급냉해 담금질한 시험편을 이용, 각 온도에서 1hr 유지 템퍼링을 2회 실시해 경도를 측정했다. RDH395의 템퍼링 경도는 최대 약 54HRC이고, 기존 강과 동등하다. 또한 400～600℃의 템퍼링 온도 사이에서 안정되어 약 54HRC가 되고, 기존 강과 비교해 2차 경화의 극대값이 명확하지 않다. 이 거동은 템퍼링에서 경도 조정을 쉽게 하기 위해 경도 불량 등의 트러블 억제에 유효하다고 생각된다.
그림 4에 600℃에서의 경화저항을 나타냈다. 담금질-템퍼링을 한 시험편을 600℃에서 각 시간 유지한 후에 실온 경도를 측정했다. 또한 초기 경도는 600℃의 템퍼링으로 얻은 경도(RDH395 : 약 54HRC, SKD61 : 약 50HRC)로 조질했다. RDH395는 100hr 유지 후에도 40HRC 이상을 갖고 있다.
기존 강이 10hr 유지 후에 약 40HRC로 연화되고 있기 때문에 RDH395의 연화저항은 기존 강 대비 10배 이상으로 매우 우수하다. 핫 스탬핑 공법에서는 테일러드 템퍼링이나 성형부하가 높은 부분에서 금형이 고온에 노출되는 경우가 있기 때문에 연화에 동반하는 마모나 소성변형 등의 금형 손상이 염려된다. RDH395의 우수한 연화저항은 그러한 손상에 대해 유효하다고 생각된다.
3. 고열전도율의 효과
그림 5에 핫 스탬핑 성형 시험에서 금형 표면의 형열림 직후의 온도를 나타냈다. 900℃에서 5min 가열한 Al 도금 강판을 연속으로 성형, 일정 숏 수 이상에서 온도가 안정된 후에 서모뷰어를 이용해 온도를 측정했다. RDH395의 표면 온도는 JIS SKD61 대비 약 20℃ 낮게 되어 있으며, 고열전도율을 가진 RDH395의 높은 냉각능을 확인했다. 이 결과로부터 RDH395의 적용으로 강판의 발열이 빨라지는 것이 시사되어, 사이클 타임 향상에 대한 공헌이 증명됐다.
4. 맺음말
RDH395는 열간 다이스강의 경도를 유지한 채로 35～40W/(m․K)의 높은 열전도율을 가진 핫 스탬핑 금형용 강이다. 높은 냉각능에 의해 핫 스탬핑 성형 시의 발열이 빨라지기 때문에 사이클 타임 향상에 공헌할 수 있다고 생각된다. 또한 연화저항도 매우 우수하며, 테일러드 템퍼링 등으로 고온에 노출된 경우에도 잘 연화하지 않고 마모나 소성변형의 억제에 유효하다고 생각된다. 이상으로부터 동사는 핫 스탬핑 금형용 강으로서 RDH395를 추천한다.
