KR101876988B1 - 핫스탬핑용 금형 - Google Patents

Abstract

냉각성능이 우수하며, 국부 연화조직을 갖는 차량 부품의 제조에 사용되는 핫스탬핑용 금형이 소개된다. 냉각블록(11a,11b,11d)의 플레이트(20) 어느 일면에는 이와 마주하는 플레이트(20)가 중첩되어 냉각채널을 구성하도록 그루브(22)가 형성되며, 그루브(22)에는 은나노 와이어 또는 그래핀 중 적어도 어느 하나가 초음파 스프레이 코팅된다.

Description

핫스탬핑용 금형{MOLD FOR HOT STAMPING}

본 발명은 핫스탬핑용 금형, 특히 국부 연화조직을 갖는 차량 부품의 제조를 위한 핫스탬핑용 금형에 관한 것이다.

차량 제조업계의 가장 커다란 화두 중 하나는 경량화 및 고강도화이며, 최근 이러한 화두의 중심에 핫스탬핑 기술이 자리 잡고 있다. 핫스탬핑 기술은 스웨덴 Norrbottens Jarnverk A.B.사의 영국특허 1490535호에 자세히 서술되어 있다.

핫스탬핑은 강판을 가열로에서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형에 의해 성형과 동시에 급냉하여 고강도 부품을 제조한다. 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소, Mn, B 등이 포함된 보론강이 사용되며, 금형에는 강판의 급냉을 위한 냉각채널이 마련된다.

이러한 핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도를 향상시키며 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴가 현저하게 감소시킨다는 장점이 있다.

핫스탬핑에 의해 1500Mpa급 고강도 부품의 제조가 가능하나, 충돌에너지의 흡수를 위해 국부적으로 강도를 달리해야 하는 경우가 있다. 이를 위해 한국등록특허 제1091757호에서와 같이 국부적으로 강판 가열온도를 달리하거나, 금형내 냉각수 온도에 변화를 주는 방법이 사용될 수 있다.

핫스탬핑에 사용되는 금형은 SKD11과 같은 특수 금형 스테인리스로 제작된다. 그러나 SKD11의 열전달계수가 높지 않아 냉각속도의 제어에 한계가 있다. 냉각성능의 향상을 위해 열전달계수가 높은 소재를 사용하기도 하나, 비용 상승이 문제된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 국부 연화조직을 갖는 차량 부품을 제조할 수 있는 새로운 개념의 핫스탬핑용 금형을 제하고자 한다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑용 금형은, 성형면을 갖는 복수 개의 블록으로 구성되며 각 블록은 복수 개의 플레이트가 중첩되어 구성된 핫스탬핑용 금형으로서, 복수 개의 블록들 중 적어도 하나 이상은 발열블록이며, 나머지는 냉각블록인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 냉각블록의 플레이트 어느 일면에는 이와 마주하는 플레이트가 중첩되어 냉각채널을 구성하도록 그루브가 형성되며, 그루브에는 은나노 와이어 또는 그래핀 중 적어도 어느 하나가 초음파 스프레이 코팅될 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 발열블록의 표면에는 중량비 0.8~1.2의 구리-니켈 혼합 분말이 초음파 스프레이 코팅될 수 있다.

또한 본 발명에 의하면, 발열블록과 접하는 냉각블록의 플레이트에는 카올리나이트(Kaolinite), 벤토나이트(bentonite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite) 중 적어도 어느 하나가 코팅될 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 핫스탬핑용 금형에 의하면, 2개 이상의 서로 다른 종류 혹은 온도의 냉각채널을 운영할 필요 없이 국부 연화조직을 갖는 차량 부품을 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 핫스탬핑 금형에 의하면, 냉각성능이 우수하며 고비용의 소재를 사용하지 않고서도 고강도 및 국부 연화조직을 갖는 차량 부품을 효율적으로 제조할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 핫스탬핑 금형에 의하면, 금형에서 어느 부위에 손상이 있거나 누수가 있는 경우, 해당 부위의 플레이트를 교체함에 의해 수리가 가능하므로, 수리작업이 용이하고 비용 경제적이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑용 금형을 보인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 금형 블록을 보인 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 금형 플레이트를 보인 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 다른 발열블록과 이에 접하는 냉각블록의 플레이트를 개랴적으로 보인 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 발열블록에 코팅된 구리-니켈 코팅층의 조성에 따른 냉각효율을 보인 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 구리-니켈 코팅층의 SEM 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구리-니켈 코팅층 분말의 입경 분포도,
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시예에 따라 냉각효율의 향상을 위한 그루브 코팅층의 냉각효율 비교 그래프.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단열 코팅층의 단열 효율 비교 그래프이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

도 1에는 실시예에 따른 금형(10), 도 2에는 금형(10)을 구성하는 블록(11), 도 3에는 블록(11)을 구성하는 플레이트(20)가 도시되어 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 금형(11)은 4개의 블록(11a,11b,11c,11d)으로 구성된다. 각 블록(11)의 상면은 부품에 형상을 부여하기 위한 성형면(1)을 이루며, 하부는 클램프(12)에 의해 고정된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 각 블록(11)은 복수 개의 플레이트(20)를 중첩시켜 제작된다. 각 플레이트(20) 간에는 이들을 조립하기 위한 고정부재가 마련될 수 있으며, 각 플레이트(20)의 상면은 성형면(1)을 이룬다.

플레이트(20)의 일면(21)에는 냉각채널을 구성하는 그루브(22)가 형성된다. 그루브(22)는 반원형의 오목홈으로, 냉각성능 향상을 위해 성형면(1)에 최대한 근접되게 형성된다.

플레이트(20)의 일면(21)에 인접 플레이트를 중첩시키면 그루브(22)는 반원형의 냉각채널로 구성된다. 인접 플레이트(20) 간에 서로 중첩되는 면에 동일한 패턴으로 그루브(22)를 형성하면, 원형의 냉각채널이 구성된다. 이 경우 플레이트(20)의 양면에 그루브(22)가 형성된다.

도 2에서 보듯이, 다른 블록(11)과 접하는 면, 즉 블록(11)의 양 사이드면에는 그루브(22)가 형성되지 않는다. 블록(11)간의 조립 편의와 냉각채널의 실링 등을 고려할 때, 양 사이드면에는 냉각채널을 형성하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

도 1을 참조하면, 도 1에서 A로 표시된 블록(11c)은 발열블록이며, 나머지는 냉각블록(11a,11b,11d)이다.

발열블록(11c)은 해당 성형품 부위의 국부연화를 위해 냉각이 되지 않는 블록이다. 냉각블록(11a,11b,11d)에는 냉수를, 발열블록(11c)에는 온수를 공급할 수 있을 것이나, 2 종류 혹은 그 이상의 냉각채널을 구성하는 것은 복잡함이 따른다.

도 4에는 발열블록(11c) 및 이와 접하는 냉각블록(11)의 플레이트(20a,20b)가 도시되어 있다.

도 4에서 보듯이, 발열블록(11c)의 표면에는 중량비로 0.8~1.2의 구리-니켈 혼합 분말의 초음파 스프레이 코팅층(13)이 형성된다. 이 코팅층(13)은 고온의 강판으로부터 유입된 열을 강판에 돌려주어 강판이 성형과정에 서냉될 수 있도록 한다.

도 5는 구리-니켈 코팅층(13)의 성분 조성에 따른 방열 혹은 발열 효율을 비교한 그래프이다.

도 5에서 보듯이, 구리-니켈의 함량 50:50 부근에서 방열효율이 가능 우수하며, 공급 전력에 따라 거의 선형적인 온도 증가를 보인다. 금형(11)의 발열블록(11c)에는 중량비(구리/니켈)로 0.8~1.2의 구리-니켈 코팅층이 형성되는 것이 좋다. 도 5를 참조하면, 구리와 니켈 중량비 1:1에서 발열효율이 가장 우수하며, 중량비 2:3(구리/니켈 = 약 0.67)에서도 어느 정도 우수한 발열효율이 나타남을 확인할 수 있다.

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구리-니켈 코팅층(13)은 구리-니켈 혼합분말을 초음파 스프레이 코팅함에 의해 얻어질 수 있다. 초음파 스프레이 코팅을 이용하여 비교적 부피가 큰 금형 블록(11)에 효율적으로 코팅층을 형성할 수 있다.

도 6 및 도 7에서 보듯이, 구리-니켈 혼합분말은 각각 평균입경으로 구리는 4.5~5.5㎛, 니켈은 1~2㎛의 분말을 사용하는 것이 최상의 결과를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 냉각블록(20)에서 각채널을 구성하는 그루브(22)에는 냉각효율의 향상을 위한 나노 텍스처 코팅층(23)이 마련된다.

도 8에는 도깨비 가시(Thorny devil)로 알려진 코팅층 대비 실시예에 따른 은나노와이어 및 그래핀 코팅층의 냉각성능이 비교되어 있다.

실험은 일측에서 구리 플레이트(Cu plate)를 가열하고 타측에서는 순환 냉각수를 공급하여 냉각을 하면서, 열확산이 얼마나 잘 이루어지는가를 측정하는 방법으로 이루어졌다.

구리 플레이트에 비해 플레이트에 도깨비 가시가 코팅된 것이 냉각효율이 좋으나, 이에 비해서도 구리 플레이트에 그래핀(graphene), 은나노와이어(AgNW)가 코팅된 것이 보다 냉각효율이 우수했다. 은나노와이어 코팅층이 가장 바람직하다.

그래핀이나 은나노와이어 코팅도 초음파 스프레이 코팅에 의한다.

도 9는 은나노와이어의 코팅 두께에 따른 냉각효율을 비교하는 것이다. 은나노와이어의 코팅층(23)이 두꺼울수록(도 9에서 N 숫자가 커지는 방향) 냉각 성능은 증가한다.

도 4에서 보듯이, 발열블록(11c)과 이와 접하는 플레이트(20a,20b) 간에는 단열 코팅층(24)이 마련된다.

성형과정에 냉각속도의 제어는 얻고자 하는 성형품의 강도를 좌우하는 것이기에, 발열블록(11c)으로부터 열이 냉각블록(11a,11b,11d)으로 확산되는 것이 최대한 억제되어야 한다.

도 10을 참조하면, 실시예에 의하면 단열 코팅층(24)으로는 클레이 코팅이 가장 적합하다.

코팅되는 클레이로는 카올리나이트(Kaolinite), 벤토나이트(bentonite), 몬모릴로나이트(Montmorillonite)가 사용될 수 있으나, 몬모릴로나이트(Montmorillonite)가 가장 바람직하다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

10: 금형(하형) 11: 금형블록
20: 플레이트 22: 그루브(냉각채널)

Claims (3)

1. 성형면을 갖는 복수 개의 블록으로 구성되며 각 블록은 복수 개의 플레이트가 중첩되어 구성된 핫스탬핑용 금형으로서,
   복수 개의 블록들 중 적어도 하나 이상은 발열블록이며, 나머지는 냉각블록이고,
   냉각블록의 플레이트 어느 일면에는 이와 마주하는 플레이트가 중첩되어 냉각채널을 구성하도록 그루브가 형성되며, 그루브에는 은나노 와이어 또는 그래핀 중 적어도 어느 하나가 초음파 스프레이 코팅되고,
   발열블록과 접하는 냉각블록에는 몬모릴로나이트(Montmorillonite)의 단열 코팅층이 마련되며,
   발열블록의 표면에는 구리-니켈 혼합 분말이 초음파 스프레이 코팅되며, 코팅에 사용되는 구리 분말과 니켈 분말은 중량비로 0.8~1의 비율로 사용되며 평균입경은 각각 구리는 4.5~5.5㎛, 니켈은 1~2㎛이고,
   냉각블록의 냉각채널에는 냉각수가 공급되며, 발열블록에는 냉각수 또는 온수가 공급되지 않는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형.
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