KR100878638B1

KR100878638B1 - 균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한오스테나이트계 고망간강의 성형방법

Info

Publication number: KR100878638B1
Application number: KR1020060137016A
Authority: KR
Inventors: 김동진; 박성호; 임지호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2009-01-15
Also published as: KR20080061865A

Abstract

균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법이 제공된다.

이 방법은 목표하는 평균 가공경화량을 선정하는 단계, 선정된 목표 평균 가공경화량에 따른 성형한 후의 평균 단면길이 변화량 (△L0)를 구하는 단계, 부품 성형조건으로 성형한 후 성형품을 일정간격으로 구분하여 각각의 영역에 대해 부품 성형조건으로 성형후 각 영역에 대하여 성형단면길이변화량 (△L)을 구하는 단계, 상기와 같이 구한 평균 단면길이 변화량(△L0)과 성형단면길이변화량(△L)을 이용하여 하기 식 2에 의하여 각각의 영역에 대해 길이 제어량(△LT)을 구하는 단계, 길이 제어량(△LT)이 양의 값인 경우 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 수축시켜 성형하고, 상기 산출된 길이 제어량(△LT)이 음의 값인 경우 그 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 신장시켜 성형하는 단계로 이루어진 부품 전체의 가공경화량을 균일하게하는 균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법.

[ 수학식 2]

△LT=△L-△L0(단, △LT는 길이 제어량, △L는 성형단면길이변화량, △L0는 평균 단면길이 변화량)

오스테나이트 고망간강, 에너지 흡수능, 충돌변화량, 자동차부품,가공경화량

Description

균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법 {Uniform high strength forming process for austenitic high manganese steel having superior formability and strengths}

도 1은 종래기술에 따른 차체 부품 제작하는 흐름도이다.

도 2는 종래기술에 따른 차체 부품의 변형율 분포도이다.

도 3은 각 강종의 응력-변형률 곡선이다.

도 4은 식 1에 따라 스탬핑전 두께를 산정한 실시예와 종래의 실시예의 가공경화량과 충돌에너지 흡수량의 관계를 도시하는 도면이다.

도 5는 식 1에 따라 스탬핑전 두께를 산정하지 않은 종래의 실시예에 따른 강종별 가공경화량과 충돌에너지 흡수량의 관계를 도시하는 도면이다.

도 6는 식 1에 따라 스탬핑전 두께를 산정한 각 강종별 가공경화량과 충돌에너지 흡수량의 관계를 도시하는 도면이다.

도 7는 식 1에 따라 스탬핑전 두께를 산정한 각 강종별 가공경화량과 충돌변형량의 관계를 도시하는 도면이다.

도 8은 단면길이 변화량을 구하는 방법을 도시하는 도면이다.

도 9는 성형품의 부분별 길이제어량을 구하는 방법을 도시하는 도면이다.

본 발명은 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성형성 및 강도가 우수한 소재 특성을 활용하여 소재의 가공경화와 이에 따른 소재의 항복강도 증가의 관계로부터 부품 성형 후의 강도를 최대화시키는 성형방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 충돌 부품은 도 1과 같이 코일로부터 특정형상으로 블랭킹(A)한 후 금형을 통하여 프레스 가공하는 스탬핑(Stamping) 공정(B)을 거치게 된다. 고강도강을 적용할 경우에는 소재의 연신율 부족으로 인하여 여러 단의 스탬핑 공정을 거치기도 한다. 이어, 상기 스탬핑 공정을 거친 성형부재를 불필요한 테두리를 제거하는 트리밍(Trimming) 공정을 수행한 다음 피어싱(Piercing) 공정으로 부품 내에 구멍 등을 만들어 최종 제품을 성형하게 된다(C). 전체 공정 중 첫 번째 행해지는 스탬핑 공정에서 대부분의 소성변형이 이루어지게 된다. 도 2는 이러한 첫 번째 스탬핑 공정 후의 변형량을 나타낸 그림으로, 스탬핑된 소재는 인장강도가 600MPa급이다. 스탬핑 후의 변형량은 D영역과 같이 국부적으로 벽부에 발생하며, 그 변형량은 약 20% 정도이나, 벽부를 제외한 나머지 부분은 약 5% 이하의 작은 변형량을 가지게 된다. 이러한 작은 변형을 받은 소재는 작은 가공경화로 인해 스탬핑 후의 소재 항복강도 증가가 작게 된다. 이러한 작은 항복강도는 자동차 부품의 충돌성능 및 강성을 저해시키게 된다. 도 3에서와 같이 같은 인장강도 600MPa인 E,F소재의 경우 가공경화가 없을 경우에는 E소재의 충돌에너지 흡수가 좋지만, 가공경화 5%을 받은 소재의 경우에는 F소재의 충돌에너지 흡수가 더 우수하다. 이러한 차이는 E, F소재의 각기 다른 가공경화 특성을 갖기 때문이다. 따라서 이러한 소재 특성을 고려하지 않을 경우 원하는 부품의 성능을 얻을 수 없기 때문에 결과적으로 차량 안전성의 저하를 일으킨다.

따라서, 오스테나이트 고망간강의 경우 소재 특성을 고려하여 일정 수준이상의 가공경화를 줄 필요가 있다. 그러나 이러한 가공경화의 정도는 제품의 성형 형태에 크게 의존하는 측면이 있어 제품의 각 형상에 따라 일정부분은 원하는 최소변형량 이상이 되고, 일정부분은 원하는 최소변형량 미만이 되는 문제점이 발생한다. 이러한 경우 자동차소재가 충격을 받을 경우 국부적인 항복강도의 저하에 의해 제품의 파단이 야기되는 문제가 생길 수 있다. 따라서 오스테나이트 고망간강의 경우 특히 이러한 점을 고려하여 부품 전 범위에 걸쳐 균일한 가공경화를 가할 필요가 있으나, 그 해결방법은 아직 없는 실정이다.

본 발명은 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 소재 특성을 활용하여 소재의 가공경화와 이에 따른 소재의 항복강도 증가의 관계로부터 부품 성형후의 강도를 균일하고 높게 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 오스테나이트계 고망간강의 성형방법은,

성형 전 초기 두께를 결정하는 단계에서 하기 식 1에 따라 성형 전 초기 두께를 산정하는 것을 특징으로 한다.

[ 수학식 1]

T = T1(1+R)

(단, T는 성형 전 초기 두께, T1은 부품의 목표두께, R은 가공경화율

또한, 목표하는 평균 가공경화량을 선정하는 단계, 선정된 목표 평균 가공경화량에 따른 성형한 후의 평균 단면길이 변화량 (△L0)를 구하는 단계, 부품 성형조건으로 성형한 후 성형품을 일정간격으로 구분하여 각각의 영역에 대해 부품 성형조건으로 성형 후 각 영역에 대하여 성형단면길이변화량 (△L)을 구하는 단계, 상기와 같이 구한 평균 단면길이 변화량(△L0)과 성형단면길이변화량(△L)을 이용하여 하기 식 2에 의하여 각각의 영역에 대해 길이 제어량(△LT)을 구하는 단계, 길이 제어량(△LT)이 양의 값인 경우 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 수축시켜 성형하고, 상기 산출된 길이 제어량(△LT)이 음의 값인 경우 그 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 신장시켜 성형하는 단계로 이루어진 부품 전체의 가공경화량을 균일하게하는 균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법이 제공된다.

[ 수학식 2]

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일반적인 부품설계의 경우 가공경화 후의 소재 두께 변화를 고려하지 않고, 초기 설계값인 소재 두께로 충돌이나 강성 평가를 통하여 이루어진다. 오스테나이트계 고망간강의 경우 가공경화가 기존 고강도강 대비 매우 높고 성형성이 좋기 때문에 높은 성형으로 인한 과도한 두께 감소를 유발시킬 수 있으며, 그에 따라 충돌 에너지 흡수량이 저하되는 문제가 발생한다. 도 4의 B는 이에 따라 가공경화량이 15%이상 될 경우 두께감소에 따라 충돌에너지가 흡수됨을 관찰할 수 있다.

따라서 오스테나이트계 고망간강의 경우에는 가공경화로 인한 충돌이나 강성 향상과 가공경화로 인한 두께 감소에 의한 충돌이나 강성 저하를 설계시 고려하여야 한다. 또한 같은 인장강도 800MPa를 가지는 다른 고강도강과 비교해보면 충돌에너지 흡수능이 낮은 것을 알 수 있다. 이러한 낮은 에너지 흡수능은 오스테나이트계 고망간강의 경우 15% 이상의 가공경화를 받아야 소재의 항복강도가 증가하여 같은 인장강도를 가지는 소재와 동등해지지만, 충돌 시편의 두께 감소로 인한 효과 때문에 충돌에너지 흡수능이 떨어진다(도 5). 따라서 오스테나이트계 고망간강을 이용한 부품 설계를 할 경우에는 기존의 일반적인 설계법과는 달리 가공경화율을 고려하여 성형 전 초기두께를 산정해야할 필요가 있다.

본 발명자는 이에 따라 성형 전 초기 두께를 결정함에 있어, 하기 식 1에 따라서 가공경화율을 고려하여 성형 전 초기 두께의 결정방법을 제시한다.

[ 수학식 1]

T = T1(1+R)

(단, T는 성형 전 초기 두께, T1은 부품의 목표두께, R은 가공경화율)

상기 식에 따라 기존의 초기두께 결정과는 다르게 가공경화율을 고려하여 성형전 초기 두께를 결정한 경우 도 4의 A와 같이 가공경화량을 증가시켜도 충돌에너지 흡수가 줄어들지 않는 특성을 보였다. 따라서, 도 4의 B와 같이 고가공의 경우에도 충돌 에너지 흡수가 줄어들지 않아, 자동차용 충돌 부품으로 보다 적합함을 알 수 있다.

도 6, 7에서 같이 가공경화가 없는 경우 오스테나이트계 고망간강은 인장강도 600MPa인 E, F 소재보다도 낮은 에너지 흡수능과 높은 충돌변형량을 나타낸다. 이러한 것은 도 3과 같이 가공경화가 없는 경우 오스테나이트계 고망간강의 항복강도가 다른 소재보다도 낮기 때문이다. 인장 강도 800MPa인 동일한 G, H와 비교할 경우 가공경화량이 15% 이상은 되어야 동등 이상의 충돌에너지 흡수 및 충돌변형량 을 가지게 된다. 이러한 높은 가공경화를 줄 경우 부품내에서 각 부분별로 가공경화량 차이에 의한 강도의 편차가 발생하게 된다. 이러한 강도의 편차는 자동차용 충돌 부품으로 사용할 경우 국부적인 파단을 초래하게되는 문제점이 있었다.

이러한 변형을 위해서는 액압성형과 같은 공정을 이용할 수도 있지만, 액압 성형의 경우 성형가능한 부품형상에 한계가 있다. 따라서 스탬핑 공정을 위한 금형설계시 금형면과 여육부에 대한 최적 설계를 통하여 균일한 변형이 이루어질 수 있도록 하여야 한다.

오스테나이트계 고망간강의 경우 기존의 낮은 연신을 가지는 고강도강을 스탬핑하는 방식으로는 소재의 특성을 극대화시킬 수 없게 되기 때문에 본 발명에서는 부품 전체에 대해 최소한의 가공경화가 이루어질 수 있도록 스탬핑을 하여야, 이에 의해 같은 인장강도 800인 소재보다 동등 이상의 특성을 가지는 부품을 제작할 수 있다.

따라서 오스테나이트계 고망간강은 부품 설계에 있어 부품 내의 부분별 가공경화량을 고려하여야 하며 본 발명자는 이에 따라 각 부분별 가공경화량을 고려하여 전체 부품의 가공경화량을 균등하게하는 오스테나이트계 고망간강의 성형방법을 도출하였다.

이 방법은, 목표하는 평균 가공경화량을 선정하는 단계, 선정된 목표 평균 가공경화량에 따른 성형한 후의 평균 단면길이 변화량 (△L0)를 구하는 단계, 부품 성형조건으로 성형한 후 성형품을 일정간격으로 구분하여 각각의 영역에 대해 부품 성형조건으로 성형 후 각 영역에 대하여 성형단면길이변화량 (△L)을 구하는 단계, 상기와 같이 구한 평균 단면길이 변화량(△L0)과 성형단면길이변화량(△L)을 이용하여 하기 식 2에 의하여 각각의 영역에 대해 길이 제어량(△LT)을 구하는 단계, 길이 제어량(△LT)이 양의 값인 경우 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 수축시켜 성형하고, 상기 산출된 길이 제어량(△LT)이 음의 값인 경우 그 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 신장시켜 성형하는 단계로 이루어져 부품 전체의 가공경화량을 균일하게할 수 있다.

[ 수학식 2]

이를 보다 상세하게 설명하면, 먼저, 목표하는 평균 가공경화량을 선정한 다음 이 목표 가공경화량이 되도록 성형을 한 후, 도 8과 같이 측정하여 평균 단면길이의 변화량 △L0를 구한다. 이는 목표하는 평균 가공경화량에 합치되는 단면길이의 변화량이다. 다음으로 부품 성형조건으로 성형한 후 성형품을 일정간격으로 구분하여 각각의 영역에 대해 부품 성형조건으로 성형을 한다. 그에 따라 예를 들어 도 9에서 도시된 바와 같이 A구역은 도면과 같이 가공이 많이 되는 부분이고 이에 대해 도8과 같이 성형 전후의 길이 변화를 측정하여 성형단면길이변화량 △L을 구한다. △L만큼 증가된 단면길이는 가공경화량과 동일한바, 목표하는 평균 가공경화량과의 차이(길이 제어량)인 △LT=△L-△L0가 양수인 경우 잉여의 가공경화량이 된다. 따라서 이를 상쇄해주기 위해서 최인접 여육부인 A′를 △LT만큼 짧게 성형하여 이를 보상한다. 이러한 A′는 여육부로 제품의 성형에 따라 조절이 가능하기 때문이다.

도 9의 B구역은 일반적으로 가공경화가 많이 일어나지 않는 부분으로 목표하는 평균 가공경화량 보다 낮은 값을 갖게 된다. 따라서 마찬가지 방식으로 평균가공경화량과의 차이인 △LT=△L-△L0가 음수인 경우 이 값을 인접여육부인 B′의 길이에 합산하여 가공경화량을 보상하여 평균가공경화량이 되도록 한다. 단, 이 경우 더해지는 △LT값은 절대값을 구하여 양수로 합산한다.

이러한 방식에 의해 평균 초과,또는 미만의 가공경화가 발생할 것이 예상되는 지점의 가공경화량 제어에 의해서 부품 전체적으로 균일한 가공경화가 일어나게 하고, 그에 의해 제품 전체의 강도 또한 향상될 수 있다.

또한 상기 부품 전체의 평균 가공경화량을 선정함에 있어서는 하기 식 3 및 식 4에 의해 구해지는 x값 중 큰 값 이상이 되도록 선정한 최소 가공경화량을 평균 가공경화량이 되도록 할 수 있다..

[ 수학식 3]

에너지 흡수능 = 141,732x³- 94,769x²+ 19,411x + 8,597

[ 수학식 4]

충돌변형량 = -1,665x³ + 1,355x²- 568x + 197

(단, x는 최소 가공경화량(%))

(실시예)

충돌 테스트는 일반적으로 사용되는 단면이 사각인 시편과 원통형인 시편을 이용하여 가공경화 및 이에 따른 두께 감소을 감안하여 충돌 테스트를 수행하여 그 결과를 비교하였다.

도 6는 본 발명의 방법에 의해 부품 전체의 가공경화량을 산정한 평균 가공경화량이 되도록 성형한 부품의 충격에너지 흡수를 나타낸 것으로 15%이상의 가공경화를 준 경우 같은 인장강도 800MPa인 소재보다 동등 이상의 성능을 나타냄을 볼 수 있다.

도 7은 본 발명의 방법에 의해 부품 전체의 가공경화량을 산정한 평균 가공경화량이 되도록 성형한 부품의 충돌 변형량을 나타내는 그래프로 본 발명예는 품품 전체에 대해 균일하게 최소 가공경화량을 넘은 경우 충돌 변형량이 작아져 충돌 시 덜 찌그러지는 효과를 나타내는 것으로 관찰되었다.

본 발명에 따라 부품 전체의 가공경화량을 균등하게 하는 경우 형상이 복잡한 부품의 고강도화가 가능해지면 충돌 및 강성 등의 특성이 향상되게 된다. 결과적으로 동일성능에 대한 부품의 두께 감소로 인한 경량화 효과를 얻을 수 있어 오스테나이트계 고망간강의 적용을 확대시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강에 있어 균일한 고강도를 유지할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims

삭제
목표하는 평균 가공경화량을 선정하는 단계, 선정된 목표 평균 가공경화량에 따른 성형한 후의 평균 단면길이 변화량 (△L0)를 구하는 단계,

부품 성형조건으로 성형한 후 성형품을 일정간격으로 구분하여 각각의 영역에 대해 부품 성형조건으로 성형후 각 영역에 대하여 성형단면길이변화량 (△L)을 구하는 단계,

상기와 같이 구한 평균 단면길이 변화량(△L0)과 성형단면길이변화량(△L)을 이용하여 하기 식 2에 의하여 각각의 영역에 대해 길이 제어량(△LT)을 구하는 단계,

길이 제어량(△LT)이 양의 값인 경우 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부 의 길이를 수축시켜 성형하고, 상기 산출된 길이 제어량(△LT)이 음의 값인 경우 그 길이 제어량(△LT) 만큼 최인접 여육부의 길이를 신장시켜 성형하는 단계로 이루어진 부품 전체의 가공경화량을 균일하게하는 균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법.

[ 수학식 2]

△LT=△L-△L0(단, △LT는 길이 제어량, △L는 성형단면길이변화량, △L0는 평균 단면길이 변화량)
제 2항에 있어서, 상기 목표하는 평균 가공경화량은 하기 식 3 및 식 4에 의해 구해지는 x값 중 큰값 이상이 되도록 선정하는 것을 특징으로하는 균일한 고강도를 유지할 수 있는 성형성 및 강도가 우수한 오스테나이트계 고망간강의 성형방법.

[수학식 3]

에너지 흡수능 = 141,732x³- 94,769x²+ 19,411x + 8,597

[수학식 4]

충돌변형량 = -1,665x³ + 1,355x² - 568x + 197

(단, x는 최소 가공경화량(%))