KR102024662B1 - 차량 부품 제조용 금형 - Google Patents

Abstract

냉각 성능이 우수한 핫스탬핑용 금형(10)이 소개된다. 이 금형(10)은 성형면(1)을 갖는 복수 개의 블록(11)으로 구성되며 각 블록(11)은 복수 개의 플레이트(20)가 중첩되어 구성된다. 금형(10)의 서로 인접한 플레이트(20) 간의 접촉면(21) 상에 서로 대응하는 그루브(22)를 형성함에 의해 냉각채널이 마련되고, 해당 냉각채널에는 서로 이격된 다수의 스폿 코팅(40)이 저온 스프레이 코팅법에 의해 형성된다.

Description

차량 부품 제조용 금형{DIE FOR MANUFACTURING VEHICLE PARTS}

본 발명은 차량 부품 제조용 금형, 특히 냉각 성능이 우수한 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 1490535호에서 최초 소개된 바 있다.

핫스탬핑은 강판을 가열로에서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 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 우수하다. 또한 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하며, 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴 등의 문제를 감소시킬 수 있다는 장점도 있다.

핫스탬핑 부품의 품질이나 생산성은 금형의 냉각속도에 의존한다. 강판 열의 신속한 방출이 가능해야 부품의 급냉이 가능하며, 프레스 금형의 스트로크간 대기시간의 단축이 가능하다. 금형의 열전달계수나 냉각채널에서의 열전달효율의 향상이 필요하다.

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, 과다한 비용 상승이 문제된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 냉각 성능이 우수한 개선된 핫스탬핑용 금형을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 열전달계수가 높은 고비용 소재를 사용하지 않고도 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 핫스탬핑용 금형을 제공하고자 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑용 금형은 성형면을 갖는 복수 개의 블록으로 구성되며 각 블록은 복수 개의 플레이트가 중첩되어 구성된 핫스탬핑용 금형을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 상기 금형의 서로 인접한 플레이트 간의 접촉면 상에 서로 대응하는 그루브를 형성함에 의해 냉각채널이 마련되고, 해당 냉각채널에는 서로 이격된 다수의 스폿 코팅이 형성된다. 다수의 스폿 코팅은 열전도성 소재의 분말을 저온 스프레이 코팅함에 의해 형성된다.

금형의 냉각효율을 향상시키는 방법 중 하나로 금형의 냉각채널에 방열효율이 우수한 소재를 코팅하는 것이 고려될 수 있을 것이다. 이러한 방열코팅은 냉각채널에 전체적으로 이루어질 수 있는데, 본 발명에 의하면 방열코팅은 연속적인 형태가 아닌 스폿 형태로 이루어진다.

본 발명에 의한 다수의 스폿 코팅은 우수한 냉각 성능을 보인다. 이러한 결과에 의하면 스폿 코팅이라는 경제적이며 생산성이 높은 방식으로 냉각 성능이 우수한 금형을 제공할 수 있다.

본 발명에 의하면 열전달계수가 높은 고비용의 소재를 사용하지 않고 기존의 금형을 그대로 사용하면서도 냉각 성능이 향상된 금형을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑용 금형을 개략적으로 보인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬피용 금형의 블록을 개략적으로 보인 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑용 금형의 플레이트를 개략적으로 보인 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금형 블록 내의 냉각채널을 보인 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 구리(Cu) 플레이트에 스폿 코팅을 한 예를 보인 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스폿 코팅의 형태를 모식화하여 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 한 스폿 코팅의 전자주사현미경(Scanning Electron Microscope: SEM) 사진을 보인 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 냉각성능 시험 장비의 구성을 개략적으로 보인 도면,
도 9는 도 8에 도시된 장비를 이용하여 여러 코팅 예에 대해 냉각성능을 시험한 결과를 보인 그래프이다.

이하 본 발명의 여러 특징적인 측면을 이해할 수 있도록 실시예를 들어 보다 상세히 살펴보기로 한다. 첨부된 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시되며, 도면들은 본 발명의 특징에 대한 명확한 이해와 설명을 위해 과장되게 그리고 개략적으로 도시될 수 있다.

본 발명에 대한 설명에서, 특별한 한정이 없는 한, 제2 요소가 제1 요소 '상'에 배치되거나 두 요소가 서로 '연결'된다고 하는 것은, 두 요소가 서로 직접 접촉 혹은 연결된 것은 물론 제3 요소의 개재를 통해 제1 및 제2 요소가 서로 관계를 맺는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표현은 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.

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(10)은 4개의 블록(11a,11b,11c,11d: 11)으로 구성된다. 각 블록(11)의 상면은 부품에 형상을 부여하기 위한 성형면(1)을 이루며, 하부는 클램프(12)에 의해 고정될 수 있다.

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 형성될 수 있으며, 냉각성능 향상을 위해서는 성형면(1)에 최대한 근접되게 형성되는 것이 좋을 것이다.

그루브(22)가 형성된 어느 플레이트(20)의 일면(21)에 인접 플레이트를 중첩시키면, 해당 그루브(22)는 반원형의 냉각채널이 된다. 인접 플레이트들(20) 간의 중첩 면에 동일한 패턴으로 각각 그루브(22)를 형성하면, 겹쳐진 그루브(22)는 원형의 냉각채널을 형성하게 된다.

실시예에 의하면 냉각채널은 인접 플레이트들(20) 간의 중첩면에는 원형의 냉각채널을 이루도록 서로 대응하는 그루브(22)가 형성된다. 플레이트(20)의 양면에 그루브(22)가 형성될 수 있다. 그루브(22)의 폭방향 양측 가장자리를 따라서는 냉각채널의 실링을 위한 실링홈(미도시) 마련되며, 이 실링홈에 링이 삽입된다.

도 2에서 보듯이, 다른 블록(11)과 접하는 면, 즉 블록(11)의 양 사이드면에는 그루브(22), 즉 냉각채널이 형성되지 않는다. 블록들(11)간의 조립 편의와 냉각채널의 실링 등을 고려하여, 블록(11)의 양 사이드면에는 냉각채널이 형성되지 않을 수 있다.

도 4에는 서로 중첩하는 면에 그루브(22)가 형성된 복수의 플레이트(20)를 결합하여 얻어질 수 있는 블록(11')의 예가 도시되어 있다. 블록(11') 내에는 플레이트(20)의 면을 따라, 특히 면의 가장자리를 따라, 특히 성형면(1)에 되도록 가깝게 냉각채널이 형성된다.

도 4에 도시된 블록(11')의 냉각채널은 플레이트(20)의 각 면마다 채널 입구와 출구가 마련된 형태로 도시되어 있다. 보다 바람직한 실시예로서 블록(11')에 마련된 냉각채널의 입구와 출구는 각각 1개씩일 수 있다. 말하자면, 도 4에서 블록(11')의 제일 왼쪽 플레이트에 냉각채널의 입구가 마련되고, 제일 오른쪽 플레이트에 냉각채널의 출구가 마련될 수 있다. 이 경우 플레이트(20)의 일면에 형성된 냉각채널이 해당 플레이트의 타면에 형성된 냉각채널에 연결될 수 있도록 플레이트(20)에는 연결홀(미도시)이 마련될 수 있을 것이다.

도 5에는 실시예에 따른 스폿 코팅의 예가 도시되어 있다.

도 5에 보듯이, 스폿 코팅은 서로 이격되어 다수 형성된다. 서로 이격되는 정도 및 이와 관련될 수 있는 스폿의 크기 등에 관해 추가적인 검증과 최적화는 필요하다. 실시예에 의하면 스폿 코팅은 의도적으로 서로 중첩되지 않으며 또 그러할 필요가 없다. 이격 거리를 조금 더 촘촘히 하고자 스폿의 경계부에서 부분적으로 중첩이 허용될 수 있을 것이나, 패스(path)를 그리는 형태로 노즐을 일정한 속도로 이동하면서 열전도성 소재의 분말을 분사하는 연속 코팅은 의도되지 않는다. 스폿 코팅에 비해 연속 코팅은 효과에 비해 분말 소모량이 과다하며, 패스 간에 의도하지 않는 단차가 발생하거나 열적 균열이 발생하는 문제가 따른다.

도 5의 (a) 내지 (c)는 입경 1~3㎛의 구리 분말을 이용하여 구리 플레이트에 저온 스프레이 코팅법에 의해 스폿 코팅을 한 예로서, (a)는 스폿 코팅을 평균 약 300㎛의 높이로 형성한 예(분사 시간 1초), (b)는 평균 약 500㎛의 높이로 형성한 예(분사 시간 2초), (c)는 평균 약 700㎛의 높이로 형성한 예(분사시간 3초)이다. 코팅 조건으로, 메인 가스는 550℃로 프리 히팅되었으며 공급압력은 4bar, 구리 플레이트와 노즐 간의 거리는 30mm, 구리 분말의 공급 유량은 3g/min이었다. 코팅은 노즐을 30mm/sec의 속도(traverse speed)로 이송하면서, 제1 위치에서 정지해서 수초, 예로서 1~3초간 분말을 분사하여 제1의 스폿 코팅을 형성 후, 다시 이동 및 제2 위치에서 정지해서 제2의 스폿 코팅을 형성하는 방식으로 수행되었다. 플레이트와 노즐 간의 거리가 너무 가까우면 임팩트가 너무 강하고 반대의 경우 너무 약해져서, 스폿 코팅의 형성이 어려울 수 있다.

도 6을 참조하면, 위와 같은 저온 스프레이 코팅에 의한 스폿 코팅은 대략 밑면이 넓고 윗면이 좁은 원뿔대의 형태로 되는 것이 좋다. 스폿 코팅의 밑면 폭은 약 1.2mm 정도이며, 높이는 코팅 시간, 분말의 공급 유량 등에 따라 차이가 발생할 수 있으나, 700~800㎛의 높이까지는 형성할 수 있다. 그러나 스폿 코팅의 두께를 크게 하는 경우, 스폿 코팅의 상면이 원뿔 형태로 뾰족해지며 균일한 형상을 얻기 어렵고, 또 균열로 인해 상부가 떨어져 나가는 현상이 발생되며, 열전달 성능에도 좋지 않은 영향을 미친다. 실시예에 의하면 스폿 코팅의 적정 높이는 500㎛ 수준이다.

도 7은 도 5의 (b)에 도시된 스폿 코팅의 SEM 사진을 보인 것이다. 스폿 코팅에 대한 관찰 결과, 스폿 코팅의 높이가 300㎛ 수준인 경우 조대 균열 및 미세 기공이 관찰되며 코팅이 없는 경우보다는 우수하지만 냉각 효율이 만족할만큼 향상되지는 않았으며, 스폿 코팅의 높이가 500㎛ 수준 이상인 경우 미세 기공만이 관찰되며 냉각 효율 또한 좋은 것으로 나타났다. 한편 도 5의 (c)에서와 같이 스폿 코팅의 높이가 700㎛ 수준인 경우 코팅의 상부가 일부 떨어져나가는 등 결함이 발생되었고 냉각 성능은 도 5의 (b)에서와 같이 높이 500㎛ 수준의 스폿 코팅보다 저하되는 결과를 보인다. 실시예에 의하면 스폿 코팅의 높이는 400~650㎛, 더 좋게는 450~600㎛ 정도로 보인다.

도 8은 실시예에 따른 스폿 코팅의 냉각성능을 확인하기 위한 시험장비를 개략적으로 보인 것이다.

핫스탬핑 금형을 모사하여 앞서 도 5에서와 같은 스폿 코팅이 된 구리 플레이트에 냉각수가 흐를 수 있도록 히트싱크(100)를 구성하고, 히트싱크(100)의 저부에서 히터(200)를 이용하여 열을 공급한다. 히트싱크(100)에는 냉각수 공급기(300)로부터 냉각수가 공급되며, 전력공급장치(400)로부터 히터(200)에 전류가 공급되고, 구리 플레이트의 중앙부에 온도 검출을 위한 센서(미도시)가 설치된다. 검출된 온도는 온도 리코더(500)에 기록된다.

도 9에는 도 8에 도시된 것과 같은 시험장비를 이용한 여러 시험 데이터 중 일부 결과가 도시되어 있다.

도 9에서 Bare는 아무 코팅이 되지 않은 구리 플레이트를 사용한 경우의 온도 프로파일을 보인 것이다.

실시예 1은 구리 플레이트에 구리를 전기 도금 후 그 위에 열전달 특성이 좋은 나노 와이어를 연속 코팅한 경우의 온도 프로파일이다. Bare 경우보다는 열전달 성능이 좋기는 하나, 냉각 성능의 개선은 미미한 정도이다.

실시예 5는 구리 분말을 이용하여 구리 플레이트에 높이 500㎛ 수준의 스폿 코팅(저온 스프레이 코팅)을 한 경우의 온도 프로파일이다. 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, 냉각성능이 가장 탁월하다.

실시예 2는 구리 분말을 이용하여 구리 플레이트에 연속 코팅(패스를 그리며 1회 코팅 후 다시 해당 패스를 따라 연속 분사하는 방식으로 코팅할 수 있음, 저온 스프레이 코팅)을 한 경우의 온도 프로파일이다. 금속의 연속 코팅은 나노 와이어와 같은 재료의 코팅보다 어렵고 코팅 시간도 오래 걸리는 것에 비해, 얻을 수 있는 냉각 효율은 스폿 코팅의 경우보다 다소 열악하게 나타난다. 균일한 형상이나 구조를 원하는 바대로 얻기가 다소 어려운 연속 코팅보다 높이 500㎛ 수준의 원뿔대 형태로 스폿 코팅을 하는 것이 표면적의 증가나 냉각 성능에 더 도움이 된다고 보여진다.

실시예 3은 실시예 5에서와 같이 구리 분말을 이용하여 구리 플레이트에 높이 500㎛ 수준의 스폿 코팅(저온 스프레이 코팅, 실시예 5와 동일 조건)을 한 후, 그 위에 은나노 와이어를 연속 코팅한 경우의 온도 프로파일을 보인 것이다. 도 9에서 확인할 수 있듯이, 냉각성능이 그리 좋지는 않다. 이는 아마도 서로 다른 재료의 코팅으로 인해 물질 간의 접촉저항(contact resistance)가 증가하고 그에 따라 냉각 성능이 저하되는 것이 아닌가 한다.

실시예 4는 구리 플레이트에 구리를 전기 도금을 한 경우의 온도 프로파일이다. 도금에 의해서는 비약적인 냉각 성능의 향상은 기대하기 어려운 것으로 판단된다.

실시예 6은 구리 플레이트에 은나노 와이어를 연속 코팅한 경오의 온도 프로파일이다. Bare 와 구리를 스폿 코팅한 실시예 5와 중간 정도의 냉각 성능을 보일 뿐이다.

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 11: 블록
20: 플레이트 22: 그루브(냉각채널)
30: 구리 플레이트 40: 스폿 코팅
100: 히트싱크 200: 히터
300: 냉각수 공급기 400: 전력공급장치
500: 온도 리코더

Claims (2)

1. 성형면을 갖는 복수 개의 블록으로 구성되며 각 블록은 복수 개의 플레이트가 중첩되어 구성된 핫스탬핑용 금형으로서,
   서로 인접한 플레이트 간의 접촉면 상에 서로 대응하는 그루브를 형성함에 의해 냉각채널이 마련되고, 이 냉각채널에는 서로 이격되어 배열된 다수의 스폿 코팅이 마련되며,
   스폿 코팅은 열전도성 소재의 분말을 저온 스프레이 코팅함에 의해 형성되며, 저온 스프레이 코팅은 노즐을 제1 위치에서 정지해서 제1의 스폿 코팅을 한 후 이동하여 제2 위치에서 정지해서 제2의 스폿 코팅을 하는 방식으로 수행되며, 제1 위치에서 제2 위치로 노즐이 이동하는 중 분말은 분사되지 않으며, 스폿 코팅은 밑면이 넓고 윗면이 좁은 원뿔대의 형태로 형성되고 그 높이는 400~650㎛인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 스폿코팅의 높이는 400~600㎛이며, 열전도성 소재는 금속인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑용 금형.

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