KR100881833B1 - 관 소재를 이용한 초고강도 자동차용 부품의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형 또는 사각 프로파일등 다양한 형상을 가지는 관 부품을 전기유도방식을 이용한 가열을 통하여 약 900~950℃ 까지 부품의 온도를 상승시키고, 프레스의 금형으로 이송되어진 부품을 금형으로 누른 직후 양쪽 끝단의 축상 펀치(axial punch)를 파이프ㆍ튜브 안으로 삽입하고, 금형 내에 물 또는 기름을 분사하여 급냉효과를 부여함으로써 부품의 강도를 1000~1500 MPa 까지 상승시키는 것을 목적으로 하는 파이프ㆍ튜브형의 자동차용 부품 제조 방법을 제공하는 것을 요지로 하는 발명이다.

Description

관 소재를 이용한 초고강도 자동차용 부품의 제조 방법{Using pipes, Special Hot forming process for ultra high strength automotive parts}

도 1은 본 발명상의 공정 개념도

도 2a은 하형 금형위에 가열된 관 소재가 올라가면 상형 금형이 내려오고, 축상펀치(axial punch)가 양쪽끝단에서 전진하여 성형할 때의 끝단부 형상을 나타낸 본 발명상의 파이프ㆍ튜브로 되는 관 소재와 이 소재에 축상펀치를 관류하여 흐르는 냉각수 등의 냉매가 분사되는 것을 나타내는 공정개념도

도 2b는 본 발명 일실시예로서 제작된 자동차용 토션빔(torsion beam)용 파이프 부품 사진

도 3은 도 2에 도시된 부품의 중간 부위를 절단한 때의 단면 형상 사진

도 4는 도 2에 도시된 부품의 끝단 부위의 단면 형상 사진

도 5는 금형 내 벤딩성형과 급냉처리로 제조된 본 발명의 실시예로서의 자동차용 A-필러보강품(A-Pillar reinforce) 형상 사진

도 6은 본 발명에 적용된 금형 내 부품성형시의 냉각속도 그라프(TTT 곡선)

도 7은 본 발명의 일실시예로서 15℃~60℃의 냉각수를 이용하여 상기 가열성형된 파이프 부품을 급냉하였을 때의 마르텐사이트 조직 사진

도 8은 본 발명의 다른 일실시예로서의 100℃~150℃의 오일을 이용하여 상기 가열성형된 파이프 부품을 냉각하였을 때의 베이나이트ㆍ마르텐사이트의 혼합상 조직사진

본 발명은 다양한 단면 형상을 가진 액체를 흐르게 하는 파이프(pipe) 또는 튜브(tube) 등의 관 소재를 이용하여 초고강도 자동차용 부품을 제조할 수 있도록 한 초고강도 자동차용 부품의 제조방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 원형 또는 사각 프로파일등 다양한 형상을 가지는 관 부품을 전기유도방식을 이용한 가열을 통하여 약 900~950℃ 까지 가열온도를 상승시키고, 프레스의 금형으로 이송되어진 부품을 금형으로 누른 직후 양쪽 끝단의 축상 펀치(axial punch)를 파이프ㆍ튜브 내에 삽입하며, 이 축상펀치를 관류하거나 또는 축상펀치 주위로 물 또는 기름을 관 소재 내에 분사하여 급냉효과를 부여함으로써 관소재, 즉 자동차용 부품의 강도를 1000~1500 MPa 까지 상승시키는 것을 목적으로 하는 파이프ㆍ튜브형의 자동차용 부품 제조 방법을 요지로 하는 발명이다.

종래의 핫포밍은 일반적으로 뜨겁게 달군 금속소재를 금형으로 눌러 부품을 제조하는 열간 단조(forging)의 형태로 많이 발전해왔다. 특히 알루미늄이나 철강 소재를 이용하여 높은 성형성이 요구되는 부품을 만들어야 할 경우에 통상 적용되어 왔다.

또 이와 유사한 방법으로는 도어 임팩트 빔과 같이 연속된 라인에서 긴 직선 길이를 가진 파이프나 튜브가 유도 가열에 의해 가열되고, 가열된 파이프나 튜브는 물에 의해 급냉이 되면서 나선형 형태로 회전과 동시에 둥근 원형의 금형을 통과되도록 하는 방법을 이용함으로써 치수가 정확한 직선 형태의 초고강도 파이프 또는 튜브를 제조해왔다.

그러나 종래의 이들 방법은, 직선형의 파이프나 튜브만 만들수 있는 한계를 갖고 있다. 또한 급냉을 통한

칭효과로 파이프의 강도를 확보하기 위해 단순히 수조에 침지(dipping)를 하거나, 냉각수를 분사하는 방법을 이용하고 있지만 이때 급냉으로 자연스럽게 금속조직이 수축되기 때문에 인해 치수 허용 공차를 벗어나는 불량품의 다량 발생은 피할 수 없는 문제였다.

따라서, 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 다양한 파이프ㆍ튜브(이하 "파이프"라 칭함) 형상의 부품을 제조할 수 있도록 한 공정개발에 초점을 두었다. 아울러, 고온에서 금형의 형상에 따라 성형 가능하게 되는 단조(forging) 효과와 급냉을 통한 초고강도 확보가 동시에 가능하도록 한 데에도 중점을 두었다(인장강도 1000MPa 이상).

또한, 치수의 정밀도를 위하여 금형으로 잡아주는 공정이 급냉과 동시에 실시되도록 하였기 때문에, 성형ㆍ급냉에 따른 파이프의 심한 형상과 칫수상의 스프링 백(spring back) 발생을 방지하여 치수의 정밀도 또한 상당한 수준으로 확보하 는데에 중점을 두었다.

즉, 본 발명의 목적은 초고강도 확보와 칫수정밀도 확보가 가능한 다양한 형상의 파이프ㆍ튜브 관련제품을 제조하는데 목적이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같이, 다양한 단면 형상을 가진 파이프ㆍ튜브를 가공하고 금형내에서 급냉하여 자동차용 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 기본적으로, 파이프 소재를 850~950℃ 로 유도 가열하여 프레스 금형 안으로 옮긴 후, 하형금형 위에 놓인 가열된 소재를 상형금형이 내려와 소정의 형태로 프레스성형하고, 성형과 동시에 양 끝단 축상펀치(axial punch)를 상기 파이프 소재 안으로 삽입하여 파이프 소재 양 끝단과 중간부위를 상 ㆍ하금형과 더불어 고정시켜 형상 자유로이 성형함과 아울러, 상기 축상펀치를 관류하여 냉매를 분사시켜서 용도에 따라 이에 대응되는 냉각속도로 부품소재를 냉각시켜 고강도의 관 소재를 이용한 초고강도 자동차용 부품의 제조방법을 제공하는 데 요지가 있다.

본 발명을 이하에 상세히 설명한다. 우선 파이프 소재를 850~950℃로 유도가열한다. 가열된 소재는 도 1에서 도시한 바와 같이 프레스금형 내로 이송한다. 가열소재가 금형 내로 이송되어 하형금형 위에 안치되면, 곧 상형의 금형이 내려와 파이프 성형을 가하게 되는데 이와 동시에 파이프 양끝단에 축상펀치(axial punch)를 삽입한 후 냉각수 등의 냉매를 분사시킨다. 냉매가 분사될 때에는 이미 금형이 완전히 닫혀있으므로 파이프의 진동을 방지하게 되어 파이프를 고정되게 한다. 이에 따라 파이프는 원하는 형상 확보 뿐만 아니라, 급냉을 통해 조직변태가 이루어지게 되어 고강도를 확보할 수 있다. 또한, 축상펀치의 삽입후 닫혀진 금형 내에서 축상펀치의 중심부에 냉각수 통로를 형성시켜 냉매를 분사시키거나(도 2a 참조) 축상펀치 주위로 냉매를 분사시켜 파이프소재를 냉각시킬 수 있다.

소재는 강도 향상을 위하여 탄소가 0.18wt%~0.30wt% 의 일반 탄소강 소재를 이용하며, 여기에 보론을 20ppm~30ppm 을 함유한다. 이 보론(B)을 첨가한 소재를 이용하는 이유는 도어임팩트빔과 같이 급냉후 초고강도 1200MPa~ 1600MPa 강도를 얻기 위한 것이다. 본 발명의 일실시예로서 사용한 파이프소재의 화학성분조성은 표 1과 같았다.

일반적으로 원형의 폐(閉) 단면을 가진 파이프는 전기 유도 가열에 의해 온도가 급속히 상승한다. 이때의 가열장치에 특별히 무산화 분위기와 같은 환원성 분위기 등을 조성할 필요는 없다. 일반 열처리로를 이용한 종래의 가열방식은 분위기 가스의 가열을 통하여, 소재를 가열하는데 간접가열 방식으로 최종 가열 온도인 900℃ 까지는 약 5분 이상의 시간이 소요되므로, 그 사이에 소재의 표면에 산화 스케일이 발생하는 일이 일반적이다. 그러나 본 발명에서는 전기 코일에 의한 유도 가열 방식을 사용하되 온도 상승속도를 빨리하여 산화 스케일이 일어나는 시간을 주지 않는다. 본 발명에서는 소재를 약 900~950℃까지 가열한다. 평균 900℃ 이상으로 소재 가열시 소요시간은 대략 14초 내, 즉 대략 가열속도 70℃/sec 이하로 급가열하게 되므로, 소재표면에 탈탄과 산소의 흡착시간이 짧다. 14초 이내로 급가열하는 이유는 금속표면의 탈탄과 산화작용이 거의 보이지 않기 때문이다.

이 가열된 파이프는 프레스에 옮겨지고 프레스 금형위에 놓이게 된다. 상형금형은 아래로 내려오면서 파이프의 형상을 구현하게 된다. 이때 상형금형이 내려오는 속도는 프레스 램(ram) 속도와 같은데, 빠른 시간내에 금형이 내려와서 성형을 하여야 한다. 가열된 소재는 온도가 하강하고, 특히 하형금형에 소재가 얹히는 순간 소재는 더욱 급격히 냉각이 된다. 따라서 상형금형은 파이프 소재가 냉각하여 딱딱해지기 전에 빨리 성형을 하여야 한다. 소재가 굳어버린후 성형에 들어가면 금형에 상당한 무리가 오고 마모가 되어버리기 때문이다.

상형 금형은 닫힌 상태에서 그대로 유지된 상태에서 파이프의 양 끝단에 축상펀치(axial punch)로부터 또는 그 주위로부터 물 또는 기름이 분출된다. 양 끝단에서 분출된 냉각수로 인해 가열된 소재는 15℃~60℃/sec의 냉각속도로 급냉하여야 완전한

칭 효과를 확보할 수 있다. 15℃/sec 미만으로 냉각할 경우 소정의 항복강도, 인장강도가 확보되지 않는다. 도 6에서도 냉각속도가 느릴수록 연약한 조직인 페라이트 조직이 나타나는 것을 알 수 있다. 한편 60℃/sec를 초과하면 조직이 취약한 마르텐사이트만의 조직으로 되어 취성파괴에 이르게 된다.

한편, 축상펀치(axial punch)는 단지 냉각수 분출의 기능뿐만 아니라 튜브 끝단에 형상을 주는 역할도 수행 가능하다. 예를 들어 축상펀치가 그 끝단에 소정 형상의 단면을 가진 펀치일 경우 프레싱 단계에서 튜브 끝단에 그 형상 그대로 성형이 가능하게 된다.

일반적으로 강 소재 급냉시의 가장 큰 문제는 치수 허용공차를 벗어나는 일이다. 본 발명 방법은 금형이 성형 및 급냉 대상물을 잡고 있기 때문에 치수 허용공차의 문제가 발생치 않는 것이 본 방법의 핵심이다. 그리고 냉각수의 종류를 물 또는 기름으로 사용가능하여 본 자동차용 부품의 강도까지 조정 가능하다.

빠른 냉각 속도를 얻기 위한 냉매로서 대략 30℃ 이하의 물을 이용하였을 때 성형된 후의 소재에는 풀 마르텐사이트(full martensite) 조직이 관찰된다. 이때 그 강도는 표 2에서와 같이 초고강도 1500MPa 부근까지 강도확보가 가능하였다. 이와 달리 20~150℃의 기름을 냉매로 사용하였을 경우 냉각속도가 좀 느려지는 효과로 인해 도 8에서와 같이 베이나이트와 마르텐사이트 조직이 동시에 관찰된다. 이를 통해서 냉각수의 종류와 냉각수 온도 제어를 통해서 금속 조직의 조절이 가능하고 원하는 부품의 강도와 그에 따른 연신율의 조절이 가능함을 확인할 수 있었다.

도 6은 본 발명에 적용된 금형 내 파이프 소재부품 성형시의 냉각속도 그래프(TTT 곡선:time-temperature Diagram)를 나타낸 것이다. 이 냉각속도에 따른 조직상 변화곡선이 여기에 나타나 있다. 여기에서 볼 수 있는 바와 같이, 냉각속도 15℃~60℃/sec인 경우에는 마르텐사이트 조직영역과 베이나이트 조직영역이 같이 나타나게 되어 소정의 물리적 성질을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 아울러 온도가 낮은 물을 사용하여 냉각속도가 30℃/sec 이상이 되면 초고강도가 확보 가능한 마르텐사이트(full martensite) 조직을 확실히 얻을 수 있음이 확인되었다.

이 그래프에서 냉각속도가 빠른 좌측 곡선들은 마르텐사이트(M), 또는 오스테나이트(A)+마르텐사이트(M) 조직을 얻는 것을 나타내고 있다. 반대로 우측으로 갈수록 그 냉각곡선의 냉각속도는 느려지고, 이에 따라 오스테나이트(A)+페라이트(F), 또는 오스테나이트(A)+펄라이트(P) 조직이 나타남을 알 수 있다.

냉매로 오일(oil)을 사용할 때에는 마르텐사이트, 베이나이트, 페라이트 등과 같은 복합 상들이 관찰되고, 완전 마르텐사이트 조직은 아니나 어느 정도의 고강도와 좋은 연신율 확보 가능하다.

실시예

본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 다음 표 1의 화학성분조성을 가진 파이프 소재를 이용하여 920℃로 통상의 전기유도로에서 전기 유도가열하고, 가열딘 파이프 소재를 도 1에서와 같이 금형 내에 넣고 안치시킨 다음, 축상펀치를 삽입하고 금형을 닫고 파이프 소재를 고정한 다음, 상기 파이프 소재를 압축성형하면서 금형 내 냉각수 분사에 의해 냉각속도 20℃/sec로 급냉하였다.

상기 금형 내에서의 성형 가공단계는 도 2에서와 같이 끝단 단면 2-A와 중간단면 2-B으로 이루어지도록 그 중심축 방향으로 축상펀치(axial punch)(4)를 삽입하여 프레스 금형(2)(3)으로 성형하고, 아울러 이 축상펀치(4)에 그 중심부를 관통하는 펀치 횡축(11) 방향으로 냉각수(L) 통로(도시안됨)를 형성시켜 파이프 압축성형과 동시에 소정온도로 준비된 냉각수 또는 냉각용 오일을 관류시킴으로써 성형과 동시에 금속조직을 냉각시켰다.

이 때, 냉매로 25℃의 물을 사용하였다. 그 결과 얻어진 마르텐사이트 조직은 도 7의 사진과 같았다. 아울러 성형 후 얻어진 본 발명 성형제품의 시편에서 테스트한 기계적 성질은 표 3과 같았다.

이 사진에서 볼 수 있는 바와 같이, 침상의 마르텐사이트 조직을 확인할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 마르텐사이트 조직을 가진 강 성형품의 다수샘플로 기계적 성질을 측정한 결과는 표 4와 같았다.

도 8은 본 발명의 또다른 일실시예로서의 강 조직 사진으로서, 100℃~150℃의 오일을 냉매로 사용하였을 때의 상기 성형된 파이프 부품을 냉각하였을 때의 마르텐사이트, 베이나이트 상 혼합조직 사진으로서, 그 조직상태를 확인할 수 있다. 이렇게 하여 얻어진 혼합상 조직을 가진 강 성형품의 다수 샘플로 기계적 성질을 측정한 결과는 표 5와 같았다.

재차 확인을 위해 100℃의 오일을 냉매로 사용한 경우 조직의 기계적 성질을 측정한 결과는 다음 표 3과 같았다(이 경우 세가지로 나누어 테스트하였다). 표 3에서와 같이 TS 120㎏/㎟ 이상, YP 75㎏/㎟ 이상, El. 9.5% 이상의 고강도 강을 얻 을 수 있었다.

표 4의 결과에 비해 표 5 및 표 6의 결과는 인장강도와 항복강도가 상대적으로 떨어지지만, 연신율이 현저히 향상됨을 알 수 있다. 다시말해, 부품의 용도에 따라 목표로 하는 인장강도와 항복강도를 정하고, 여기에 맞추어 냉각속도 제어, 냉매 선택 사용 등을 결정할 수 있음이 확인된 것이다.

이상과 같이, 본 발명에 의한 파이프 소재 등의 성형시, 프레스 금형 내에서의 자유로운 형상을 성형으로 얻을 수 있을 뿐 아니라, 일정한 화학성분조성 내의 소재를 적정한 냉매의 사용으로 소정의 기계적 성질을 얻도록 냉각속도 제어에 의해 달성할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명을 통하여, 파이프에 형상을 자유롭게 줄 수 있다.

단면 파이프 끝단 형상은 축상펀치(axial punch)로 구현하고, 중간 부위는 금형으로 성형을 함으로서 다양한 단면 확보가 가능 하다. 또한 급냉 과정중 발생하는 비틀림이나 치수 공차를 금형내에서 잡아줄 수 있기 때문에 인장강도 1000MPa 급 이 상의 강도 확보는 물론 치수의 정확도를 동시에 구현할 수 있다. 또 강도와 연신율을 냉각수의 조절 즉 냉각속도의 제어를 통해서도 구현 가능하다.

또 고온의 달구어진 소재와 접촉하는 금형의 온도 상승은 축상펀치에서 발사되는 냉매의 제어온도 때문에 자유로이 냉각되어 온도 상승에 따른 금형의 변형과 이에 따른 성형소재의 변형을 걱정할 필요가 없게 되었다.

Claims (3)

1. 파이프 소재를 850~950℃ 유도 가열하여 프레스 금형내로 옮긴 후, 하부금형 위에 놓인 상기 가열된 파이프 소재쪽으로 상부금형을 하강시켜 상부ㆍ하부금형으로 이 파이프 소재를 소정의 형태로 고정한 상태에서 성형을 하는 도중에, 양 끝단 축상펀치(axial punch)를 상기 파이프 소재 안으로 삽입하고 상기 파이프 소재 양 끝단과 중간부위를 상 ㆍ하금형과 더불어 고정시켜 자유로운 형상으로 성형하는 단계를 포함하며,

   이때 상기 축상펀치는 상기 파이프 소재 양끝단을 성형하는 기능과 상기 축상펀치 끝단에서 냉각수가 금형내부로 분출되어 성형 이후 곧바로 상기 파이프 소재의 냉각이 이루어지도록 하는 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 초고강도 자동차용 부품의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 냉매의 종류와 가열속도, 냉각속도를 부품소재와 용도에 따라 가변시켜 금속조직을 제어함으로써 강도, 1000MPa~1500MPa, 연신율 6~12%를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 초고강도 자동차용 부품의 제조방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 파이프 소재의 가열시, 상기 가열온도에 이르기까지의 가열시간을 14초 내로 가열한 후, 곧 프레스금형에서 성형할 때 15℃~60℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 성형되는 것을 특징으로 하는 초고강도 자동차용 부품의 제조방법.

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