KR101482395B1 - 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 열간 프레스 성형 방법에 관한 것으로서, 성형품의 미세 크랙 발생을 저감하고, 균일한 물성을 확보할 수 있는 열간 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 열간 프레스 성형 방법에 관한 것이다.

Description

도금 강재의 열간 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 성형 방법 {HOT-PRESS FORMING APPARATUS OF COATED STEEL AND HOT-PRESS FORMING PROCESS USING THE SAME}

본 발명은 열간 프레스 성형 장치 및 이를 이용한 열간 프레스 성형 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치와 방법에 관한 것이다.

최근, 각 자동차 제조사들은 자동차에 부품을 적용함에 있어서, 환경 친화적인 연비절감 및 경량화를 위한 사회적 요구에 대응하기 위하여, 고강도 소재의 이용을 늘려가고 있다. 그러나, 고강도 소재의 성형은 스프링백 및 치수동결성 등의 문제점을 안고 있으며, 이러한 성형의 난해성으로 인하여 그 사용이 제한적일 수 밖에 없다.

이러한 성형상 문제점은 소재를 성형성이 좋은 고온에서 성형하고, 성형과 동시에 금형 내에서 급냉하여 고강도 부품을 제조하는 방식으로 해결할 수 있다. 이러한 방식을 열간 프레스 성형(Hot Press Forming, HPF)이라고 한다. 이와 같은 공정에 의하면 1500MPa 이상의 강도를 갖는 부품을 제조할 수 있다.

상기 열간 프레스 성형은 통상 900℃ 이상으로 블랭크를 가열한 상태에서 프레스 가공을 거치게 되는데, 상기 가열시 강 소재의 블랭크 표면이 산화되어 스케일이 생성되게 된다. 따라서, 제품 성형 후, 스케일을 제거하기 위한 쇼트 블라스트와 같은 별도의 공정이 필요하게 되며, 제품의 내식성 또한 도금재에 비하여 열위하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해서, 특허문헌 1에서와 같이 강판 표면에 Al계 도금을 실시하여 가열로에서 도금층이 유지되면서 강판 표면의 산화반응을 억제하여 Al의 부동태 피막 형성을 이용하여 내식성을 증대시키는 방안이 개발되었다.

그러나, 상기 Al 도금을 이용한 경우, 고온에서의 내열성은 우수하지만 희생 양극 방식의 Zn 도금에 비하여 내식성이 열위하며, 제조 단가가 증가하게 되는 단점이 있다. 이에 따라, Zn 도금을 실시한 Zn 도금재를 이용하는 방안에 대해 관심이 높아지고 있는 실정이다.

그러나, Zn 도금재를 고온으로 가열한 후 성형하는 경우에 성형된 부품의 벽면에 약 10~30㎛ 정도의 미세한 크랙이 발생되어, 이로 인해 벤딩성이 저하되는 등 제품 성능을 저하는 문제가 있어, 그 적용이 제한적인 상황이다.

특허문헌 1: 미국등록특허 US6,296,805호

본 발명의 일측면은 도금 강재, 특히 Zn계 도금강재를 이용하여 열간 프레스 성형하는 경우에, 마이크로 크랙의 발생을 저감할 수 있고, 성형품의 균일한 물리적 특성을 확보할 수 있는 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치와 이를 이용한 열간 프레스 성형 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 열간 프레스 성형장치에 있어서,

상기 상부 금형 및 하부 금형은 블랭크의 일부를 구속하고, 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분을 성형하여 가공부를 형성하는 캠을 포함하는 도금 강재의 열간 프레스 장치를 제공한다.

본 발명의 또다른 일태양은 블랭크를 가열하는 단계;

상기 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형장치에서 성형하는 단계; 및

상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함하고,

상기 성형은 열간 프레스 성형장치의 상부 금형 및 하부 금형에 의해 상기 블랭크의 일부가 구속되고, 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분은 캠에 의해 성형되어 가공부를 형성하는 도금 강재의 열간 프레스 성형 방법을 제공한다..

본 발명에 의하면, 도금 강재 특히, Zn계 도금 강재를 열간 프레스 성형하는 경우, 성형된 부품에서 미세한 크랙의 발생을 저감하여 성형품의 벤딩성 등 가공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 제조된 성형품의 품질을 향상시킬 수 있으며, 특히 가공부에 균일한 물리적 특성을 확보할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 통상의 열간 프레스 성형 장치와 방법의 모식도임.
도 2는 통상의 열간 프레스 성형 방법에 의해 제조된 성형품의 가공부를 관찰한 것임.
도 3은 통상의 열간 프레스 성형 방법에 의해 제조된 성형품의 소성 변형률을 관찰한 모식도임.
도 4는 본 발명의 일예에 따른 열간 프레스 성형 장치 및 방법을 나타낸 모식도임.
도 5는 본 발명의 일예에 따라 제조된 성형품의 소성 변형률을 관찰한 모식도임.
도 6은 본 발명의 또다른 일예에 따른 열간 프레스 성형 장치 및 방법을 나타낸 모식도임.
도 7은 (a)는 통상의 방벙에 따라 제조된 성형품의 소성 변형률을, (b)는 본 발명의 또다른 일예에 따라 제조된 성형품의 소성 변형률을 관찰한 모식도임.
도 8(a)는 통상의 방법에 의해 제조된 성형품의 가공부를 관찰한 사진이고, 도 8(b)는 본 발명의 또다른 일예에 따라 제조된 성형품의 가공부를 관찰한 사진임.

본 발명의 발명자들은 도금 강재, 특히 Zn계 도금 강재를 이용하여 열간 프레스 성형하는 경우, 성형된 부품(성형품)에서 미세한 크랙(미소크랙 또는 마이크로 크랙 이라고 함)이 발생하는 문제, 성형품의 가공부에서 균일한 냉각이 이루어지지 않아 성형품의 균일한 물성이 나오지 않는 문제를 발견하고 이를 해결하기 위한 연구를 진행하였습니다.

이하에서는 도면을 참고하여, 본 발명에 대해 상세히 설명하나, 상기 도면은 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 도면에 의해 본 발명의 기술사상이 한정되는 것은 아니다.

도 1은 통상적인 열간 프레스 성형에 대한 모식도이다. 도 1에 나타난 바와 같이, 열간 프레스 성형은 가열된 블랭크를 상부 금형(상형이라 칭하기도 함)과 하부 금형(하형이라 칭하기도 함) 사이에 위치시킨 후, 상기 상부 금형과 하부 금형으로 블랭크에 프레싱하여 성형품을 제조한다.

도금 강재를 상기 도 1과 같은 통상의 열간 프레스 성형 방법에 의해 성형한 경우, 가공부의 표면부를 관찰하여, 이를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 통상의 방법에 의해 도금 강재를 열간 프레스 성형하는 경우, 성형품의 가공부 표면에 미세한 크랙이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

이에 대한 원인을 분석하기 위해서, 도 2와 같은 성형품의 소성 변형률을 분석하여 이를 도 3에 나타내었다. 도 3에 나타난 바와 같이, 통상의 열간 프레스 성형 장치를 이용하여 성형하는 경우에, 성형품의 가공부에서 과도한 소성 변형을 받게 되고, 이렇게 과도한 소형 변형을 받게 되는 부분에서 미세한 크랙이 발생하는 것을 알게 되었다.

즉, 미세한 크랙이 가공부의 벽부에서도 변형량 집중부인 벽부 하단부에 발생함을 알게 되었다. 이러한 변형량을 줄이기 위해서는 부품의 형상 변경을 통해서도 가능하나 설계 변경의 제약으로 적용이 쉽지 않다. 따라서 변형량을 줄이게 되면 미세한 크랙이 감소함을 생각할 수 있으며 이를 위한 방법으로 캠을 적용하는 방법을 발명하게 되었다.

또한, 상기 가공부는 상부 금형과 하부 금형에 의한 가공되면서, 그 두께가 얇아지게 되고, 이는 블랭크 소재와 금형사이에 미세한 틈이 형성되게 된다. 그 결과, 성형 후 금형냉각과정에서 균일한 냉각이 이루어지지 않아, 가공부의 물성이 저하되는 문제가 발생하는 것을 인지하게 되었다.

이에 본 발명자들은 상기와 같은 미세한 크랙이 발생하지 않고, 성형품의 균일한 물성을 확보할 수 있는 열간 프레스 성형 장치와 이를 이용한 열간 프레스 성형 방법을 발명하게 되었다.

먼저, 본 발명의 열간 프레스 성형 장치에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 열간 프레스 성형 장치는 블랭크의 일부를 구속하는 상부 금형 및 하부 금형을 포함하고, 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분을 성형하여 가공부를 형성하는 캠을 포함한다.

상기 캠은 상부 금형 및 하부 금형과 다른 운동 방향을 통해, 가공부를 형성한다.

도 4는 본 발명의 열간 프레스 성형 장치의 일예를 나타낸 모식도이다. 도 4에 나타난 바와 같이 본 발명의 열간 프레스 성형 장치는 상부 금형과 하부 금형을 포함하고, 상부 금형과 하부 금형 사이에 캠을 더 포함한다. 도 1과 같은 통상적인 열간 프레스 성형 장치는 상기 캠을 포함하지 않으며, 프레스시에 상부 금형과 하부 금형이 블랭크를 전체를 구속하면서 성형이 이루어지게 된다.

그러나, 본 발명에서의 열간 프레스 성형 장치는 프레스 성형시에 상부 금형과 하부 금형이 블랭크의 일부를 구속하게 되고, 구속되지 않은 부분은 캠에 의해 성형이 완료되면서 가공부를 형성하게 된다. 도 4의 열간 프레스 성형 장치는 수직 방향으로 운동하는 상부 금형 및 하부 금형과 별개로, 캠은 수평방향으로 운동하면서, 가공부를 형성한다.

상기 캠은 가공부를 형성하면서, 가공부에서 받게 되는 소성 변형량을 분산시키는 역할을 하게 된다. 즉, 도 4에 나타난 바와 같이, 상부 금형과 하부 금형에 의해 본 발명의 열간 프레스 성형 장치는 성형시, 상부 금형과 하부 금형이 블랭크의 일부를 구속하면서 성형되고, 구속되지 않은 부분에 대해서는 캠의 이동에 의해 성형이 완료된다.

도 4의 열간 프레스 성형 장치는 상부 금형 및 하부 금형과 구별되는 별도의 캠이 형성되어 있는 구조이다.

도 5는 상기 도 4의 열간 프레스 성형 장치로 성형한 성형품에 대한 성형 해석에 의한 소성 변형률을 측정한 결과이다. 이 결과를 도 3과 비교할 때, 본 발명의 열간 프레스 성형 장치에 의해 성형된 성형품에 비해, 가공부에 받은 소성 변형량이 현저히 감소한 것을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 열간 프레스 성형 장치에 의해 제조된 부품에서는 미세한 크랙의 발생이 저감될 수 있는 효과가 있다.

본 발명 열간 프레스 성형 장치의 또다른 일예를 도 6에 나타내었다. 도 6에서의 캠은 상부 금형 또는 하부 금형에서 분리되는 형태의 구조를 나타낸다.

상기 도 6의 열간 프레스 성형 장치는 상부 금형과 하부 금형은 블랭크를 구속하나, 이는 블랭크를 고정하는 역할을 수행하고, 실질적으로 모든 성형은 캠에 의해서 이루어지게 된다. 즉, 상기 상부 금형과 하부 금형이 블랭크를 고정하게 되고, 캠이 일정한 각도를 가지면서, 이동하여 블랭크의 성형을 완성하게 된다.

한편, 상기 도 6의 열간 프레스 성형 장치에 의해 제조된 성형품의 성형 해석에 의한 소성 변형률을 측정하여, 이를 도 7의 (b)에 나타내었다. 한편, 도 7의 (a)는 통상의 방법으로 제조한 성형품에 관한 것이다. 도 7의 (a)와 (b)를 비교하면, 통상의 방법으로 제조된 성형품(도 7(a))에 비해, 본 발명의 일예로 제조된 성형품(도 7(b))는 소성변형량이 현저히 줄여든 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기 도 6에 의해 성형된 성형품의 성형부의 표면을 관찰하여 그 결과를 도 8(a)에 나타내었고, 통상의 열간 프레스 성형 장치에 의해 형성된 성형품의 가공부 표면으로 도 8(b)에 나타내었다. 도 8(a)를 보게 되면, 본 발명의 열간 프레스 성형 장치에 의해 성형된 성형품의 표면은 소지까지 큰 크랙이 발달하지 않는 것을 확인할 수 있으나, 도 8(b)에서는 소지에 깊은 크랙을 형성하는 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서는 도금강재의 열간 프레스 성형 방법을 제공한다. 이하에서는 열간 프레스 성형 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 열간 프레스 성형 방법은 블랭크를 준비한 후, 상기 블랭크를 가열하여 열간 프레스 성형 장치에서 성형한다.

상기 도 4 및 도 6을 참고하여 성형 과정을 설명하면, 열간 프레스 성형 장치의 상부 금형과 하부 금형이 상기 블랭크의 일부를 구속하며, 열간 프레스 성형 장치의 캠이 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분을 성형하여 가공부를 형성함으로써 이루어진다.

상기 도 4는 상부 금형과 하부 금형에 의해 블랭크의 일부가 구속되는 동시에 일부에 대한 성형이 이루어지고, 구속되지 않은 부분에 대해 캠이 이동하면서, 최종적으로 성형부를 형성하게 된다. 이와 달리, 도 6은 상부 금형이 하부 금형을 구속하나, 상기 상부 금형과 하부 금형에 의해서는 성형이 이루어지지 않고, 캠이 이동하면서 가공부를 형성하면서 성형부를 형성한다.

도 1과 같이 통상적인 열간 프레스 성형 방법의 경우에는 블랭크의 가공부에서 마찰 접촉이 일어나게 되고, 이 부분에 계속적인 소성 변형량이 가해지게 된다. 따라서, 가공부에서 높은 소성 변형이 이루어지게 되고, 결국은 미세한 크랙이 발생하게 되는 문제가 있으며, 그 결과로 성형품의 벤딩성과 가공성이 열위하게 된다. 또한, 상기 가공부에만 계속적인 변형이 가해지게 되면 그 부위가 얇아지는 문제가 있다. 이는 이후 금형 냉각을 진행할 때, 상기 가공부가 금형과 균일한 접촉이 이루어지는 것을 방해하여, 균일한 냉각을 통한 물성확보를 방해하게 된다.

그러나, 상기 도 4 및 도 6과 같은 본 발명의 열간 프레스 성형에 의하면, 가공부에 계속적인 소성 변형량이 부여되는 것을 방지하여, 가공부에서 미세한 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 마찬가지로 가공부의 두께가 통상의 방법에 비해 얇아지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 캠 동작에 의한 가압을 통해 가공부가 금형과의 접촉이 향상되고 , 결국 금형 냉각에 의해 가공부의 물성이 균일하게 확보할 수 있는 기술적 장점이 있다.

한편, 상기 블랭크를 가열하는 과정은 블랭크 전체를 모두 동일한 온도 가열할 수도 있으며, 성형품에 대해 다른 강도(multi-strength)를 확보할 목적으로 블랭크의 일부는 고온으로 가열하고, 다른 부분은 보다 낮은 온도로 가열하는 방법을 채택할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 상기 가열은 블랭크 전체를 A3 이상의 온도로 가열하는 경우 또는 상기 블랭크의 일부는 A3 이상의 온도로 가열하고, 다른 부분은 A1 이하의 온도로 가열하는 경우가 있다.

전자의 경우에는 열간 프레스 성형 후 성형품 전체에 높은 강도를 확보할 수 있으며, 후자의 경우에는 성형품에서 고온으로 가열된 부분은 높은 강도를 확보하는 한편, 저온으로 가열된 부분에서는 보다 낮은 강도를 확보하여, 하나의 성형품에서 다른 강도를 갖도록 할 수 있다.

한편, 상기 가열 방식은 그 종류를 특별히 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술분야에서 강재를 가열할 수 있는 방식이면 어느 것이든 적용이 가능하다. 일예로는 가열로 내에서의 분위기 가열이 적용될 수 있고, 유도 가열 방식도 사용될 수 있다.

한편, 성형이 완료된 후 냉각한다. 상기 냉각은 열간 프레스 성형 장치에 의한 금형 냉각에 의해 행해지는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 한편, 상기 냉각 조건은 통상의 열간 프레스 성형 방법에 의한 냉각 방법이 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 상부 금형 및 하부 금형을 포함하는 열간 프레스 성형장치에 있어서,
   상기 상부 금형 및 하부 금형은 블랭크의 일부를 구속하고, 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분을 성형하여 가공부를 형성하는 캠을 포함하고,
   상기 캠은 상부 금형 및 하부 금형과 다른 운동방향을 갖는 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 캠은 상부 금형과 하부 금형 사이에 위치되어 있는 구조를 갖는 도금 강재의 열간 프레스 성형 장치.
   
4. 삭제
5. 블랭크를 가열하는 단계;
   상기 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형장치에서 성형하는 단계; 및
   상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함하고,
   상기 성형은 열간 프레스 성형장치의 상부 금형 및 하부 금형에 의해 상기 블랭크의 일부가 구속되고, 상기 블랭크의 구속되지 않은 부분은 캠에 의해 성형되어 가공부를 형성하며,
   상기 캠은 상부 금형 및 하부 금형의 운동방향과 다른 운동 방향으로 이동하면서 성형하는 도금 강재의 열간 프레스 성형 방법.
   
6. 삭제
7. 청구항 5에 있어서,
   상기 캠은 상부 금형과 하부 금형 사이에 위치되어 있는 도금 강재의 열간 프레스 성형 방법.
   
8. 삭제
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 가열은 블랭크의 전체를 A3 이상으로 가열하는 방법 또는
   블랭크의 일부는 A3이상으로 가열하고, 다른 부분은 A1 미만으로 가열하는 방법으로 행하는 도금 강재의 열간 프레스 성형 방법.

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