KR101060851B1 - 열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성 평가방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간프레스성형(HPF : Hot Press Forming) 공정에 사용되는 비도금 열연강재의 판재성형성을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 열간프레스성형의 공정조건과 소재의 두께 및 탄소당량 등의 재질인자를 조합하여 새로운 주변형률 개념을 도입함으로써 HPF용 비도금 열연강재의 판재성형성을 간단하고 신뢰성있게 평가할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명은 HPF용 비도금 열연강재의 판재성형성을 평가하는 방법에 있어서, 임의의 HPF용 비도금 열연강판에 대하여 열간성형의 실공정과 동일한 온도이력을 갖는 성형한계실험으로 부변형률이 0일때의 주변형률값(FLDo)을 실측하여 이 실측 FLDo값과 상기 소재의 탄소당량, HPF 공정조건에 따른 균일연신률, 두께의 상관관계를 도출한 다음, 상기 상관관계를 통해 예측하고자 하는 강재의 재질특성, 즉 두께, 균일연신률 및 탄소당량만으로도 FLDo값을 예측할 수 있고 예측 FLDo값을 이용하여 그 강재의 성형성을 평가하는 방법에 관한 것이다.

열간프레스성형, HPF, 성형한계, 주변형률, FLDo

Description

열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성 평가방법{Formability Evaluating Method Of Uncoating Hot-Rolled Steel For Hot Press Forming}

본 발명은 자동차 부품성형에 사용되는 열간프레스성형(HPF : Hot Press Forming) 공정에 사용되는 비도금 열연강재의 판재성형성을 평가하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 HPF 공정을 적절한 인자에 의해 평면변형 상태하에서의 성형한계치인 FLDo값을 보다 정확하게 예측할 수 있는 열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성 평가방법에 관한 것이다.

고효율 자동차개발의 요구에 따라서 자동차의 차체 및 각종 부품의 경량화와 고강도 소재의 수요가 늘어나고 있다. 하지만, 고강도 소재는 일반적으로 성형성이 우수하지 못하며 소재를 일정 각도로 밴딩할 때 일정 각도보다 덜 접히는 현상인 스프링백 현상으로 인하여 치수동결성의 문제점이 있다.

고강도 소재의 성형성 문제와 치수동결성 문제는 성형성이 좋은 고온에서 성 형하고 성형과 동시에 금형 내에서 소재를 급냉시키면 해결이 가능하다. 이러한 가공 방법을 HPF(Hot Press Forming) 공정이라고 한다. 도 1은 일반적인 HPF공정을 거치는 소재의 온도이력의 한 예를 그래프로 나타낸 것이다.

고온에서 성형하기 때문에 성형성이 우수하지만 가공조건이 엄격하기 때문에 가공 중 가공불량이 발생할 수 있다. 이러한 가공불량이 발생할 경우에 그 원인이 소재의 특성에 기인하는 것인지 아니면 가공방법 또는 외부적 요인에 의하는 것인지 확인하는 것은 쉽지 않다. 소재의 성형성을 정확히 파악하는 것은 이와 같은 가공불량에 의한 품질불량의 원인을 정확히 파악할 수 있다.

또한 이는 HPF공정 특성상 성형성 향상을 위하여 가열로의 작업조건을 제어하거나, 성형성이 우수한 소재를 제품에 이용하거나, 가공불량이 발생하지 않는 프레스성형공법을 설정하는 것 등에 활용할 수 있다.

일반적으로 상온상태에서는 판재의 다양한 변형경로상 성형성 평가를 종합적으로 판정하기 위해 성형한계도(FLD; Forming Limit Diagram)를 많이 활용하고 있다. 소재의 치수를 변화시켜 가면서 반구형펀치에 의한 프레스가공을 함으로써 복잡한 프레스가공시에 생길 수 있는 한계를 설정한다.

판재의 성형한계를 보다 간편하게 예측하고자 여러가지 방법이 실시되었다. 그리고 성형한계도는 대부분 그 형태가 비슷하고 부변형률이 0인 경우의 주변형률값(FLDo)을 구하는 것이 가장 중요한 인자이다. 가장 근사하게 예측할 수 있는 방법으로는 소재의 인장시험에서 구한 가공경화지수와 소재의 두께의 상관관계로부터 FLDo를 예측하는 방법이다.

도2를 보면 가공경화지수에 따른 FLDo를 나타내며 이 예측은 일반적인 저탄소강에 대한 것으로서 가공경화지수의 값이 증가함에 따라서 거의 직선적으로 FLDo가 향상되고 두께가 두꺼워짐에 따라 FLDo가 좋아지는 것을 알 수 있다.

하지만 근래에는 다양한 강도의 강판 소재가 생산되고 있고 공정조건도 열이 많이 가하여지는 등 다양한 조건이 부가되고 있어서 종래에 비하여 가장 널리 통용되고 있는 상기 방법의 정확도가 떨어져 새로운 제안이 필요하게 되었다. 즉, 상기 문제점을 해결하기 위해 자동차 구조용 열연강재에 대한 FLDo를 소재의 연신률, 소재의 두께 및 첨가원소의 조합으로 구성된 식으로 예측하는 방법이 제안되었다.

그러나, 150kg급 초강도강은 일반 상온상태의 프레스공정으로 생산하지 않고 성형성 향상과 동시에 스프링백과 같은 치수동결성의 단점을 최소화하는 HPF공정에는 상기와 같은 성형성 평가방법이 없다.

또한, 가열로의 온도조건 및 작업시간 등과 같은 현장조건에 따라 성형한계 가 차이가 발생하므로 이 모든 조건을 반영하여 성형성을 평가하여야 되지만, 시간 및 비용이 기하급수적으로 늘어나 어려운 점이 있다. 그리고 설령 어렵게 도출된 실험적 성형한계는 실제 생산공정 중 공정제어조건의 변화에 따라 성형성의 예측이 정확하지 않은 단점이 있다.

따라서, 초고강도의 자동차부품을 제조할 수 있는 HPF용 비도금 열연강재의 판재성형한계를 실험실적 데이터로부터 정확하게 설정할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 실제로 생산되고 있는 소재가 규격 범위내에서 성분, 제조조건이 산포를 보이고 있으므로, 실험에 사용되었던 소재가 그 규격을 대표한다고 할 수도 없다.

따라서 HPF용 비도금 열연판재의 성형한계를 정확하게 예측할 수 있다면 그 활용가치는 매우 높을 것이다. 또한, 급속히 발전해가고 있는 컴퓨터 성형 시뮬레이션과 연계하여 HPF 부품 제조 유무를 판별할 수 있는 근거 자료로 활용될 수 있어 그 효용가치는 무척 클 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 실험결과로부터 소재의 두께, 균일연신률, 탄소당량 등의 인자 및 공정조건을 이용하여 FLDo값을 보다 정확하게 예측함으로써 HPF용 소재의 성형성을 간단하고도 신뢰성 있게 평가할 수 있는 HPF용 비도금 열연강재의 성형한계를 설정하는 방법을 제공한다.

본 발명은 HPF용 비도금 열연강재의 판재 성형성의 평가방법에 있어서, 임의의 HPF용 비도금 열연강재에 대하여 HPF공정과 동일한 온도이력을 부여하고 신장가공하여 성형한계실험으로부터 부변형률이 0일때의 주변형률값(FLDo)을 구하는 단계, 상기 소재를 HPF공정과 동일한 온도이력의 조건을 부여한 인장실험으로부터 균일연신률을 측정하는 단계, 상기 소재의 두께 및 탄소당량을 측정하고 회귀분석을 통해 상기 균일연신률, 두께, 탄소당량 및 실측된 FLDo값의 상관관계를 도출하는 단계, 예측하고자 하는 소재의 균일연신률, 두께 및 탄소당량을 측정하여 상기 상관관계에 대입하여 얻은 예측 FLDo값을 그 강재의 성형한계로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성을 평가하는 방법이다.

상기 상관관계는 FLDo = A + B * 두께 + C * 균일연신률 + D * 탄소당량 으로 나타낼 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 HPF용 비도금 열연강재를 이용한 열간프레스 공정의 성형성 유무 판별에 필요한 FLDo를 높은 신뢰도로 예측할 수 있다. 따라서, 복잡한 가공과정을 거치는 특정한 부품에 대하여 적용가능한 강재인지의 판정에 이용되는 성형해석용 시뮬레이션의 기초데이타로 사용한다면 HPF용 부품개발시 매우 유용한 기준으로 사용할 수 있다.

또한, 열간프레스 성형시 발생되는 불량에 관한 원인이 소재에 기인되는 것인지 아니면 공정조건에 기인되는 것인지를 판단하여 불량의 원인을 제거할 수 있다.

HPF공정을 통하여 소재를 가공할 경우 고강도 소재의 성형성 문제와 치수동결성 문제는 고온에서 성형을 하고 성형과 동시에 금형내에서 소재를 급냉시키면 해결이 가능하다. 본 발명은 150kg급 초강도강 등의 성형성 향상과 동시에 스프링백과 같은 치수동결성의 단점을 최소화하는 HPF 공정에서 성형성 평가방법을 제공하고자 한다. 상기 평가방법에 대하여 순차적으로 구체적인 설명을 하고자 한다.

1. 임의의 HPF용 비도금 열연강재의 판재 두께의 부변형률이 0일때의 주변형률값(FLDo)의 측정

우선, 본 발명은 성형성을 평가하고자 하는 임의의 HPF용 비도금 열연강재를 HPF 공정과 동일한 조건으로 온도이력을 부여하고 프레스 가공 중 비드에 의해 고정되도록 한 다음, 소재의 폭을 변화시켜 가면서 반구형의 펀치로 신장가공하여 다양한 변형경로를 부가하여 각각의 경우에 대한 성형한계를 측정한다.

특히, 부변형률이 0인 경우의 주변형률, 즉 FLDo는 성형한계를 결정하는 가장 중요한 인자이므로 이를 정확하게 결정하는 것이 매우 중요하다.

2. HPF공정조건과 균일연신률과의 관계

HPF공정은 온도, 시간 등의 다양한 조건이 관련이 된다. 다만 공정조건을 가장 단순화하여 수치화할 수 있는 것이 균일연신률이다. 상기 균일연신률은 총연신률과는 구별되는 값으로서, 최대하중까지의 연신률의 값을 나타낸다. 고온상태의 인장시험에서는 소재가 쉽게 늘어나므로 총연신률을 사용하는 것보다는 균일연신률을 사용하는 것이 FLDo를 더 정확히 예측할 수 있다. 온도 또는 시간에 따라서 공정조건은 다양해 지고 주변형률도 다르게 나타나므로 성형성도 다양하게 측정된다.

도1에서와 같이 가열로 내에서 소재가 오스테나이트 조직을 갖도록 충분한 온도 및 시간을 유지한 후 금형으로 이송되면서 동시에 성형이 이루어진다. 이러한 과정을 거치면 소재는 초기의 온도보다 약 100~250℃가 하강한다. 상기 온도하강의 영향과 소재의 연신률과의 관계를 연결짓는 것이 필요하다.

소재 전영역이 오스테나이트화하는 온도로부터 성형직전의 온도차이는 HPF제품 생산공정과 동일하게 온도이력을 부여한 시편의 인장시험으로부터 구한 균일연신률과 관계가 있다. 가열로의 초기 온도에서 소재를 이송하고 금형내에서 성형하는 시간이 짧을수록 온도하강이 적어 상대적으로 높은 온도에서 소재를 성형할 수 있으므로 균일연신율은 높아지고 성형한계는 향상된다.

따라서 균일연신률을 측정하면, 상기 공정 조건에 따른 변화를 반영할 수 있으므로 균일연신률과 HPF 공정조건의 변화를 주변형률값의 예측에 반영할 수 있다.

3. 소재의 두께 측정

소재의 두께가 두꺼운 경우에는 변형에 견딜 수 있는 능력이 향상되므로 소재의 두께에 대한 영향도 고려할 수 있다.

4. 탄소당량

HPF용 소재는 경화능의 효과를 발휘하기 위하여 첨가원소를 함유하고 있어서 성형성 저하가 생길 가능성이 있고 실제 강재의 생산공정에서 제조표준에 의한 강 재를 제조할 때 성분의 편차에 의한 성형한계의 차이가 발생할 수도 있으므로 탄소당량에 대한 영향도 고려할 수 있다.

탄소당량(중량%)= C + 1/6(Mn+Si) + 1/5(Cr+Mo+V) + 1/15(Ni+Cu))

본 발명은 상기 인자들의 조합에 의해 FLDo값을 예측할 수 있도록 함으로써 열간프레스 공정을 구현하기 어려운 실험을 반복적으로 행하지 않고서도 평가할 수 있음에 특징이 있다.

본 발명에 따른 HPF 공정으로 생산된 소재의 두께, 균일연신률 및 탄소당량과 상기 소재에 대한 성형한계곡선에서 얻은 FLDo값을 회귀분석을 통해 구한 결과, 상기 인자들은 하기의 상관관계로 표현이 가능할 것이다.

FLDo = A + B * 두께 + C * 균일연신률 + D * 탄소당량

(여기서, A, B, C, D는 상수, 두께의 단위는 mm, 균일연신률의 단위는 %, 탄소당량(중량%)= C + 1/6(Mn+Si) + 1/5(Cr+Mo+V) + 1/15(Ni+Cu))

따라서, 성형한계도에서 평면변형 상태하에서의 성형한계인 FLDo를 구하고, 본 발명에서와 같이 소재의 두께, 균일연신률 및 탄소당량 등의 소재인자에 의한 상관성을 도출하게 되는 경우 최종적으로 상기 소재의 인자만을 알고 이 값을 상기 에서 구한 상관관계에 대입하여 FLDo를 구하면 그 소재의 성형성을 간단하고도 신뢰성있게 평가할 수 있다.

상기 상관관계에서는 A는 24~29, B는 2.25~2.75, C는 0.81~0.99, D는 -14.5~ -11.9 의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 각각의 상수값을 상기 상관관계에 대입하여 계산하면 보다 정확한 예측 FLDo값을 구할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 통하여 구체적으로 본 발명을 설명하고자 한다.

(실시예)

HPF용 비도금 열연코일에서 길이방향으로 압연재의 중간부(middle)와 꼬리부(tail)에서 시험재를 채취한 다음, 폭방향의 성형한계를 도출하기 위해 폭방향으로 1/4위치에서 깊이 220mm의 시험재를 채취하였다. 시험재의 폭은 25mm부터 220mm까지 변화시켰으며, 소재의 표면에 원형그리드(grid)를 레이저 마킹(laser marking)하고 HPF 공정의 온도이력을 부여한 후 프레스가공 중 비드에 의해 고정되도록 한 다음 소재의 폭을 변화시켜 가면서 반구형의 펀치로 신장가공함으로서 여러가지 변형경로를 부가하고 각각의 경우에 대한 성형한계를 측정하였다.

상기에서 측정한 성형한계곡선으로부터 FLDo값과 상기 소재의 HPF공정조건에 따른 균일연신률, 두께 및 탄소당량 사이의 상관관계를 회귀분석을 통해 다음과 같 은 값을 얻었다.

FLDo = 26.5 + 2.5 * 두께 + 0.9 * 균일연신률 - 13.2 * 탄소당량

상기 상관관계에서도 알 수 있듯이, HPF용 비도금 열연강재에서는 소재내 탄소당량이 0.01% 증가함에 따라 FLDo가 0.132% 감소하게 되며, 두께가 0.1mm 증가하면 FLDo는 약 0.25% 증가하게 된다. 또한, 소재의 균일연신율이 1% 증가함에 따라 FLDo는 0.9% 증가함을 알 수 있다.

도3은 상기 상관관계식을 통해 계산된 FLDo값과 실제실험에 의해 구한 FLDo값과의 차이를 나타내고 있으며, 본 발명에 따른 예측 FLDo값과 실측 FLDo값 사이에는 하기 관계식을 만족하는 매우 좋은 상관성을 보이고 있다.

예측 FLDo값 = 0.9089 * 실측 FLDo값 + 5.85847 (R²= 0.9034)

상기 실시예에 의하여 측정한 인자를 이용하여 회귀분석을 한 결과, 실측FLDo값과 예측 FLDo값 사이에는 기울기가 0.9089였고 R-square는 0.9034였다. 상기 R-square는 실제현상을 어느 정도 반영하느냐를 나타내는 계수로써 1일 경우에는 실제현상을 의미한다. 따라서 상기 실시예에 의한 회귀분석은 90% 정도의 정확성을 나타낸다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상온상태에서만 국한되어 사용되는 종래의 방법과 달리 고온상태인 HPF 공정을 거치는 강재에 적용할 수 있으며, 예측값과 실측값 사이에 높은 상관성을 보이고 있으므로 HPF용 비도금 열연강재의 판재 성형한계를 평가하는 방법으로서 우수함을 알 수 있다.

도1은 열간프레스성형 공정을 거치는 소재의 온도이력의 일반적인 예시;

도2는 종래방법으로 상온에서 성형시 가공경화지수와 FLDo값의 상관관계를 나타내는 그래프;

도3은 실측 FLDo값과 본 발명의 일실시예에 따라 예측한 FLDo값의 상관관계를 나타내는 그래프.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. HPF용 비도금 열연강재의 판재 성형성의 평가방법에 있어서,

   임의의 HPF용 비도금 열연강재에 대하여 HPF공정과 동일한 온도이력을 부여하고 신장가공하여 성형한계실험으로부터 부변형률이 0일때의 주변형률값(FLDo)을 구하는 단계;

   상기 HPF용 비도금 열연강재를 HPF공정과 동일한 온도이력의 조건을 부여한 인장실험으로부터 균일연신률을 측정하는 단계;

   상기 HPF용 비도금 열연강재의 두께 및 탄소당량을 얻는 단계;

   회귀분석을 통해 상기 균일연신률, 두께, 탄소당량 및 실측된 FLDo값의 상관관계를 도출하는 단계; 및

   예측하고자 하는 소재의 균일연신률, 두께 및 탄소당량을 측정하여 상기 상관관계에 대입하여 얻은 예측 FLDo값을 그 강재의 성형한계로 결정하는 단계

   를 포함하고,

   상기 상관관계는

   FLDo = A + B * 두께 + C * 균일연신률 + D * 탄소당량

   (여기서, A, B, C, D는 상수, 두께의 단위는 mm, 균일연신률의 단위는 %, 탄소당량(중량%)= C + 1/6(Mn+Si) + 1/5(Cr+Mo+V) + 1/15(Ni+Cu))이며,

   상기 상관관계의 A는 24~29, B는 2.25~2.75, C는 0.81~0.99, D는 -14.5~ -11.9 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성 평가방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 상관관계의 A는 26.5, B는 2.5, C는 0.9, D는 -13.2인 것을 특징으로 하는 열간프레스성형용 비도금 열연강재의 판재 성형성 평가방법.

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