KR101203635B1 - 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법 - Google Patents

Abstract

스테인리스강의 판재 상태에서의 성형한계도를 측정함과 아울러 소재의 방향에 대한 변형량을 추가로 측정하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법이 소개된다.

상기의 방법은 스테인리스강 판재(10)의 표면 전체에 일정크기의 원(11)을 그리드 에칭하여 폭방향으로 크기가 서로 다른 시편을 다수개 제작한 후, 그 시편을 홀딩하고 시편의 표면을 가압함으로써, 단축인장모드와 평면변형모드와 장출모드를 각각 측정하는 단계; 압연방향에 대해 다양한 각도를 갖는 방향비드(21)들이 표면에 형성된 금형(20)을 제조하는 단계; 표면 전체에 일정크기의 원(11)이 그리드 에칭된 스테인리스강 판재(10)를 상기 금형(20)에 배치하고 가압하여 그 판재(10)에 변형을 가한 후 압연방향에 대한 각 각도별 그리드 변형량을 측정하는 단계;를 포함한다.

페라이트계, 스테인리스강, 성형성, 성형한계도, 금형, 비드, 장출모드

Description

페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법{VALUATION METHOD FOR FORMING CHARACTER OF FERRITE STAINLESS STEEL}

본 발명은 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 스테인리스강의 판재 상태에서의 성형한계도를 측정함과 아울러 소재의 방향에 대한 변형량을 추가로 측정하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법에 관한 것이다.

철강 소재를 이용한 신부품 개발시, 매우 다양한 부품 가공방법이 적용되는데, 가장 대표적인 가공방법으로 프레스 가공 또는 스탬핑 가공이 있다. 이 중, 프레스 가공 시 가장 문제가 되는 것은 소재의 파단 없이 원하는 형상을 얻을 수 있느냐는 것이다. 소재의 성형성은 크게 딥 드로잉성, 장출성, 굽힘가공성 및 신장플렌지성의 4가지로 분류할 수 있지만, 실제 프레스 가공에서는 상기와 같은 성형성이 복잡하게 조합되어 있다.

이에 의해 단순히 인장시험에서 평가하는 일축인장의 값인 항복강도, 인장강도, 연신율 등만으로는 프레스 가공시 받게 되는 복합응력 상태를 예측하는 것이 현실적으로 어렵다.

이에 따라, 소재의 실제 사용조건과 가장 유사한 방법으로 실험실적 시험을 통해 성형성을 평가할 필요성이 대두되었고, 1960년대 Keeler 및 Goodwin에 의해 성형한계도(Forming Limit Diagram, FLD)의 개념이 도입되었다. 그 이후 원형 그리드 해석법(Circle Grid Analysis, CGA)이 도입되었으며, Keeler 및 Goodwin에 의한 FLD 개념과 함께 소재의 성형성을 평가하는 가장 일반적인 방법으로 인식되게 되었다.

성형한계도는 일축인장으로 얻을 수 있는 소재 특성의 부족분에 대하여 소재가 받을 수 있는 변형모드별 성형성을 평가한 선도인바, 이를 통하여 소재의 판재 상태에서의 성형성을 평가하고 있다.

각 소재에 대해 이러한 성형한계도를 만들기 위하여 판재 상태에서의 냉연판을 압연방향으로는 200mm, 폭방향으로는 25, 50, 75, 100, 125, 130, 135, 150, 200mm로 9가지의 다양한 폭으로 시편을 제작한다.

각 사이즈당 3개씩 시편을 만들어 각 시편 표면에 직경 0.1인치의 원을 에칭한다. 이러한 작업을 그리드 에칭이라 하며, 이는 소재가 변형을 받을 때 발생하는 다양한 모드를 분석할 수 있는 형상을 제공한다.

이렇게 0.1인치의 원이 전 표면에 에칭된 페라이트계 스테인리스강의 소재를 프레스기를 이용하여 약 30톤으로 홀딩하고, 그 소재에 직경이 100mm인 펀치를 이용하여 변형을 가하면 압연방향으로 200mm가 고정되어 있는 시편에서 다음과 같은 세가지 형태의 변형 모드가 일어난다.

첫째, 한방향으로는 늘어나고 그에 수직한 방향으로는 줄어드는 단축인장모 드가 발생하는데, 이 단축인장모드는 시편의 폭이 작을수록 잘 발생한다.

둘째, 한방향으로는 늘어나고 그에 수직한 방향으로는 변형이 발생하지 않는 평면 변형모드가 발생하는데, 이 평면 변형모드는 시편의 중간크기인 100, 125, 130, 135mm 등에서 나타난다.

셋째, 한방향으로 늘어나고 그에 수직한 방향으로도 늘어나는 장출모드가 발생하는데, 이 장출모드는 시편의 폭이 클수록 잘 발생한다.

이와 같이 소재가 프레스기에 의해 변형을 받아 파단이 발생할 때까지 가압된 후에 그리드분석기를 이용하여 판단부 주위의 변형된 그리드 길이를 측정한다.

파단부 주위의 그리드 중에서 그리드가 파단되지 않고 연신된 그리드의 늘어난 부분의 길이와, 그에 수직한 방향으로 i)줄어들거나 ii)거의 변형이 되지 않았거나 iii)늘어난 길이를 측정하여 원래 크기였던 0.1인치에 비하여 늘어난 길이와 줄어든 길이에 대한 변형율을 산출한 것이 성형한계도이다.

상술한 바와 같은 종래의 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법은 단지 판재상태에서의 변형모드와 그에 따른 그리드 변형량을 측정하여 변형율을 구하는 방법이다.

따라서, 실질적인 성형품의 변형모드에 대한 변형량을 예측하기에는 많이 부족한 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 폐라이트계 스테인리스강의 성형성을 평가함에 있어 기존 판재상태의 성형한계도로 평가하는 방법을 보완하여, 소재의 압연방향에 대한 다양한 각도에서의 변형량과 장출모드에 대한 변형량을 추가로 측정함으로써 소재의 방향성에 대한 변형량까지 평가하여 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가의 신뢰성을 높이고자 하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위하여 본 발명은,

스테인리스강 판재의 표면 전체에 일정크기의 원을 그리드 에칭하여 폭방향으로 크기가 서로 다른 시편을 다수개 제작한 후, 그 시편을 홀딩하고 시편의 표면을 가압함으로써, 단축인장모드와 평면변형모드와 장출모드를 각각 측정하는 단계;

압연방향에 대해 다양한 각도를 갖는 방향비드들이 표면에 형성된 금형을 제조하는 단계; 표면 전체에 일정크기의 원이 그리드 에칭된 스테인리스강 판재를 상기 금형에 배치하고 가압하여 그 판재에 변형을 가한 후 압연방향에 대한 각 각도별 그리드 변형량을 측정하는 단계;를 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법을 제공한다.

여기서 상기 방향비드들은 압연방향에 대해 0 ~ 90도 범위내에서 일정각도만큼 이격되게 각각 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 방향비드들은 타원 형태인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 금형에는 한방향과 그에 수직한 방향으로 모두 늘어나는 장출모드를 측정하기 위한 장출비드가 추가로 형성된 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 장출비드는 원형인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 판재 상태에서의 성형한계도 측정의 부족함을 보완하여 성형한계도 측정외에 실물과 유사한 변형모드를 가지는 금형을 통하여 하나의 소재에 변형을 가하여 소재에서 각 방향별(소재 압연방향에 대한 각 각도별) 변형량 및 장출모드에 대한 복합적인 변형량을 추가로 측정함으로써 스테인리스강의 성형성 평가에 따른 신뢰도를 높이고 실품 성형을 용이하게 할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.

도1은 그리드 에칭된 판재를 나타낸 도면이고, 도2는 본 발명에 의하여 제조된 금형을 나타낸 사시도이며, 도3은 도2의 금형에 대한 평면도이다.

본 발명은 기존의 성형한계도 측정을 통하여 페라이트계 스테인리스강의 성형성을 평가하던 방법을 보완한 것으로, 상기 성형한계도 측정 외에 소재의 압연방향에 대한 다양한 각도에서의 변형량과 장출모드에 대한 변형량을 추가로 측정하여 페라이트계 스테인리스강의 성형성을 평가함에 있어 신뢰성을 높이기 위한 것이다.

먼저, 상기 성형한계도 측정은 스테인리스강 판재(10)의 표면 전체에 일정크기의 원(11)을 그리드 에칭하여 폭방향으로 크기가 서로 다른 시편을 다수개 제작한 후, 그 시편들을 홀딩하고 시편의 표면을 각각 가압함으로서, 단축인장모드와 평면변형모드와 장출모드를 각각 측정한다.

상기 성형한계도 측정에 대하여 좀 더 자세하게 설명하면, 배경기술에서 언급한 바와 같이 성형한계도는 일축인장으로 얻을 수 있는 소재특성의 부족분에 대하여 소재가 받을 수 있는 변형모드별 성형성을 평가한 선도인바, 이를 통하여 소재의 판재 상태에서의 성형성을 평가하는 것이다.

각 소재에 대해 이러한 성형한계도를 측정하기 위하여 판재 상태에서의 냉연판을 압연방향으로는 200mm, 폭방향으로는 25, 50, 75, 100, 125, 130, 135, 150, 200mm로 9가지의 다양한 폭으로 시편을 제작한다.

각 사이즈당 3개씩 시편을 만들어 각 시편 표면 전체에 일정크기(예컨대, 직경 0.1인치)의 원을 일정 간격으로 에칭한다. 이러한 작업을 그리드 에칭이라 하며, 이는 소재가 변형을 받을 때 발생하는 다양한 모드를 분석할 수 있는 형상을 제공한다.

이렇게 일정크기의 원이 표면 전체에 에칭된 페라이트계 스테인리스강의 판재를 프레스기를 이용하여 약 30톤으로 홀딩하고, 그 소재에 소정직경(예컨대, 직경 100mm)의 펀치를 이용하여 변형을 가하면 압연방향으로 200mm가 고정되어 있는 시편에서 다음과 같은 세가지 형태의 변형 모드가 일어난다.

첫째, 한 방향으로는 늘어나고 그에 수직한 방향으로는 줄어드는 단축인장모드가 발생하는데, 이 단축인장모드는 시편의 폭이 작을수록 잘 발생한다.

둘째, 한 방향으로는 늘어나고 그에 수직한 방향으로는 변형이 발생하지 않는 평면 변형모드가 발생하는데, 이 평면 변형모드는 시편의 중간크기인 100, 125, 130, 135mm 등에서 나타난다.

셋째, 한방향으로 늘어나고 그에 수직한 방향으로도 늘어나는 장출모드가 발생하는데, 이 장출모드는 시편의 폭이 클수록 잘 발생한다.

이와 같이 스테인리스강 소재가 프레스기에 의해 변형을 받아 파단이 발생할 때까지 가압된 후에 그리드분석기를 이용하여 판단부 주위의 변형된 그리드 길이를 측정한다.

파단부 주위의 그리드 중에서 그리드가 파단되지 않고 연신된 그리드의 늘어난 부분의 길이와, 그에 수직한 방향으로 i)줄어들거나 ii)거의 변형이 되지 않았거나 iii)늘어난 길이를 측정하여 원래 크기였던 0.1인치에 비하여 늘어난 길이와 줄어든 길이에 대한 변형율을 산출하여 성형한계도를 구한다.

한편, 본 발명은 상술한 바와 같은 판재 상태에서의 성형한계도 측정의 부족함을 보완하여 성형성 예측의 신뢰도를 높이기 위하여 성형한계도 측정외에 실물과 유사한 변형모드를 가지는 금형(20)을 통하여 소재에 변형을 가하여 소재에서 각 방향별(소재 압연방향에 대한 각 각도별) 변형량 및 장출모드에 대한 변형량을 추가로 측정한다.

이에 따라 도1 및 도2에 도시된 바와 같이 소재(판재)의 압연방향(일반적으로 압연방향은 정해져 있다)에 대해 다양한 각도를 갖는 방향비드(21)들이 표면에 형성된 금형(20)을 제조한다.

상기 금형(20)은 상부금형과 하부금형으로 통상 구분되어 그 사이에 소재가 배치되어 금형 형상대로 프레스 가공되는데, 예를 들어 도2와 같이 하부금형에 방향비드(21)가 돌출되게 형성되면 상부금형에는 상기 하부금형의 방향비드(21)가 수용될 수 있는 수용홈이 형성되어 상기 상부금형과 하부금형 사이에서 소재가 프레스가공되도록 한다.

본 발명의 도2 및 도3은 방향비드(21)가 형성된 하부금형을 예시적으로 나타낸 것으로서, 상부금형은 당업자가 충분히 예측할 수 있는 것이기 때문에 별도로 나타내지 않았다. 또한, 본 발명에서는 예시적으로 방향비드(21)가 하부금형에 형성되는 것으로 도시되었지만, 상기 방향비드(21)는 도면처럼 하부금형이 아니라 상부금형에 형성될 수도 있는바, 이는 실시자의 편의에 따라 선택 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속한다.

상기 방향비드(21)는 금형(방향비드(21)가 하부금형이나 상부금형에 선택적으로 형성될 수 있기 때문에 별도로 상, 하부를 구분하지 않고 단지 금형이라고 한다)의 바닥면으로부터 소정높이만큼 돌출된 돌출부(20a)의 상부표면에 형성된 것으로 실시되었는데, 상기 방향비드(21)는 이처럼 돌출부(20a)에 형성되지 않고 금형(20) 바닥면상에 돌출되도록 형성되어도 무방하다.

상기 금형(20)에 형성된 방향비드(21)들은 소재의 압연방향에 대하여 0 ~ 90 도 범위 내에서 일정각도만큼 이격되게 각각 형성되는바, 본 발명에서는 가장 대표적으로 0도, 45도, 90도에 대한 세 개의 방향비드(21)가 형성된 것으로 실시되었으나, 반드시 이 각도에 국한될 필요는 없다. 즉, 보다 정밀하게 소재의 방향에 대한 변형량을 측정하고 싶다면 0도, 15도, 30도, 45도, 60도, 75도, 90도에 대한 방향비드(21)를 형성하는 것도 가능하고 다른 각도를 갖는 것도 가능하다. 여기서 상기 방향비드(21)들은 방향별 변형량 측정에 유리하도록 타원 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

이와 같이 금형(20)이 제조되면 표면 전체에 일정크기(예컨대, 0.1인치)의 원(11)이 그리드 에칭된 스테인리스강 판재(10)를 상기 금형(20)에 배치하고 가압하여 그 판재(10)에 변형을 가한 후, 상기 판재(10)의 압연방향에 대한 각 각도별 방향비드(21)에 의해 판재에서 발생하는 그리드 변형량을 측정한다.

상기 하나의 금형(20)에는 각 각도별로 다수개의 방향비드(21)가 형성되어 있기 때문에 판재(10)를 프레스 가공하게 되면 하나의 판재 상에서 상기 방향비드(21)들에 의하여 각 각도별로 변형되는 양을 한 번에 측정할 수 있는 장점이 있다.

앞에서 설명한 성형한계도에 의한 측정은 판재의 압연방향(0도)에 대한 변형량만 측정되었지만, 상기 방향비드(21)에 의하여 압연방향에 대한 각 각도별로 변형량이 측정되어 소재의 보다 정밀한 각 방향별 변형량을 얻을 수 있어 성형성 평가의 신뢰도가 높아진다.

또한, 상기 금형(20)에는 한 방향(예를 들어 압연방향)과 그에 수직한 방향으로 모두 늘어나는 장출모드를 측정하기 위한 장출비드(22)가 추가로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 장출비드(22)는 도2 및 도3에 도시된 바와 같이 원형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

여기서 상기 장출비드(22)는 앞에서 설명한 성형한계도의 장출모드와 같이 판재(10)가 어느 한 방향과 그에 수직한 방향으로 모두 늘어나는 변형량을 측정하기 위한 것인데, 이 둘 사이에는 다음과 같은 차이점이 있다.

즉, 상기 성형한계도의 장출모드는 하나의 시편상에서 측정되는 변형량이기 때문에 다른 변형량에 전혀 영향을 받지 않는 독립적인 변형량이 된다. 물론, 이러한 독립적인 변형량도 스테인리스강의 성형성을 평가하는 요소가 될 수 있지만 실제로 실품에서 발생하는 변형량은 한곳에서의 변형량이 주변의 변형량에 영향을 미치는 복합적 변형이 된다.

따라서, 상기 금형에 형성된 장출비드(22)는 실품에서의 이러한 복합적 변형을 예측하기 위한 것으로, 상기 장출비드(22)가 다수개의 방향비드(21)들과 함께 형성되어 있기 때문에 판재(10)를 가압할 때 하나의 판재 상에 상기 방향비드(21)들에 의한 변형과 장출비드(22)에 의한 변형이 동시에 발생하게 되고, 상기 장출비드(22)에 의한 변형은 다른 방향비드(21)들에 의한 변형에 영향을 받는 복합적 변형이 되는바, 실품에서 좀 더 정밀한 예측을 가능하게 한다.

상기 장출비드(22)는 원형으로 이루어져 있기 때문에 상기 판재(10)를 가압하게 되면 원형의 장출비드(22)가 판재에 가압되면서 판재가 변형하게 되고, 이에 따라 판재에 형성되어 있는 그리드 에칭에 변화가 생기는데, 장출비드(22)에 의한 변형량은 한 방향과 그에 수직한 방향(실질적으로는 장출비드(22)가 원형이기 때문에 모든 방향)에 대하여 모두 늘어나는 변형이 된다.

도4는 금형에 형성된 상기 방향비드(21)와 장출비드(22)의 형상이 나타난 스테인리스강 판재를 가지고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 각각의 변형량을 측정한 도면이며, 도5는 그에 대한 각 변형률을 나타낸 도면이다.

여기서 보면, 빨간색 영역은 파단된 부분이고 노란색 영역은 연신 중 줄어들어 랙이 발생한 부분이며, 녹색과 파란색 및 분홍색 영역은 외력에 대해 변형이 되지 않는 부분이다.

이러한 데이터를 통해 스테인리스강의 성형성을 미리 평가할 수 있기 때문에 실품 성형을 용이하게 할 수 있고, 본 발명에서는 하나의 판재 상에서 방향비드(21)와 장출비드(22)에 의한 복합적인 변형을 한번에 측정할 수 있어서 스테인리스강의 성형성 평가에 따른 신뢰도를 높일 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 설명된 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위 내에서 얼마든지 구성요소의 치환과 변형이 가능한바, 이 또한 본 발명의 권리에 속하게 된다.

도1은 그리드 에칭된 판재를 나타낸 도면

도2는 본 발명에 의하여 제조된 금형을 나타낸 사시도,

도3은 도2의 금형에 대한 평면도,

도4는 금형에 형성된 상기 방향비드와 장출비드의 형상이 나타난 스테인리스강 판재를 가지고 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 그 각각의 변형량을 측정한 도면,

도5는 도5에 대한 각 변형률을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 판재(소재) 11 : 원(그리드 에칭)

20 : 금형 21 : 방향비드

22 : 장출비드

Claims (5)

1. 스테인리스강 판재(10)의 표면 전체에 일정크기의 원(11)을 그리드 에칭하여 폭방향으로 크기가 서로 다른 시편을 다수개 제작한 후, 그 시편을 홀딩하고 시편의 표면을 가압함으로써, 단축인장모드와 평면변형모드와 장출모드를 각각 측정하는 단계;

   압연방향에 대해 다양한 각도를 갖는 방향비드(21)들이 표면에 형성된 금형(20)을 제조하는 단계;

   표면 전체에 일정크기의 원(11)이 그리드 에칭된 스테인리스강 판재(10)를 상기 금형(20)에 배치하고 가압하여 그 판재(10)에 변형을 가한 후 압연방향에 대한 각 각도별 그리드 변형량을 측정하는 단계;를 포함하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 방향비드(21)들은 압연방향에 대해 0 ~ 90도 범위내에서 일정각도만큼 이격되게 각각 형성된 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 방향비드(21)들은 타원 형태인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 상기 금형(20)에는 한 방향과 그에 수직한 방향으로 모두 늘어나는 장출모드를 측정하기 위한 장출비드(22)가 추가로 형성된 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 장출비드(22)는 원형인 것을 특징으로 하는 페라이트계 스테인리스강의 성형성 평가방법.

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