TL;DR

최적의 선택을 위한 자동차 스탬핑 다이 코팅 은 도구 손상을 방지하기 위해 경도, 윤활성 및 가공 온도를 균형 있게 조절해야 하는 중요한 공학적 결정입니다. 비록 PVD(Physical Vapor Deposition) —특히 AlTiN 및 TiAlN—은 낮은 가공 온도(<500°C)와 높은 인성을 이유로 고급 고장력 강판 (AHSS) 에 있어 현대의 표준으로 자리 잡았지만, TD(열확산) 은 스테인리스강 적용 분야에서 극한의 갈링 저항성을 요구할 때 여전히 최고 수준의 기준으로 남아 있습니다. 가장 높은 하중을 견뎌야 하는 엄격한 상황에서는 듀플렉스 코팅 (플라즈마 질화 후 PVD 처리)이 '에그셸 효과'를 방지하는 뛰어난 지지를 제공합니다. 이 가이드를 활용하여 작업 물 재질과 생산량에 맞는 코팅 사양을 선택하세요.

주요 코팅 기술: PVD 대 CVD 대 TD

자동차 스탬핑 산업에서는 세 가지 주요 표면 처리 기술이 사양 선정을 두고 경쟁하고 있습니다. 이들 사이의 열역학적 및 기계적 차이점을 이해하는 것은 금형 수명과 치수 안정성을 예측하는 데 필수적입니다.

1. PVD(물리적 기상 증착)

PVD는 현재 정밀 자동차 공구용으로 가장 다용도인 기술이다. 이 기술은 진공 상태에서 비교적 낮은 온도(일반적으로 800°F–900°F / 425°C–480°C)에서 금속 증기(티타늄, 크롬, 알루미늄 등)가 공구 표면에 응축되는 방식이다. 이 처리 온도는 D2 또는 M2와 같은 대부분의 공구강의 템퍼링 온도 이하이므로, PVD는 기판의 경도와 치수 정밀도를 유지한다.

에 따르면 아이펠러 , 고급 PVD 변형인 AlTiN(알루미늄 티타늄 질화물) 는 3,000 HV를 초과하는 경도와 최대 900°C까지의 산화 저항성을 제공하여 AHSS 스탬핑 시 발생하는 고온 환경에 이상적이다.

2. CVD(화학 기상 증착)

CVD는 표면에서 화학 반응을 통해 코팅을 형성하며, 일반적으로 훨씬 더 높은 온도(~1,900°F / 1,040°C)를 필요로 한다. 이러한 고온은 진공 열처리 공정 주기를 요구하게 된다. 후 공구의 핵심 경도를 회복시키기 위한 코팅으로, 치수 왜곡의 상당한 위험을 수반한다. 그러나 CVD는 우수한 접착성을 제공하며 PVD의 시야 기반 공정에서 놓칠 수 있는 맹공(닫힌 구멍)을 포함한 복잡한 형상을 균일하게 코팅할 수 있다.

3. TD (열확산)

종종 "도요타 확산(Toyota Diffusion)" 공정이라고 불리는 TD(또는 TRD)는 염욕 확산 공정을 통해 탄화바나듐층을 형성한다. 다음에 의해 언급된 바와 같이, 제작자 tD 코팅은 극도로 높은 경도(~3,000–4,000 HV)를 달성하며 화학적으로 불활성 상태이므로 스테인리스강 또는 두꺼운 고장력 저합금(HSLA) 강판 성형 시 유착 마모(갈링)에 거의 완전히 저항한다. CVD와 마찬가지로 높은 처리 온도로 인해 코팅 후 열처리가 필요하다.

코팅과 가공재료 매칭

프레스 성형 작업의 성공은 종종 코팅과 시트금속 사이의 마찰학적 적합성에 달려 있습니다. 잘못 매칭할 경우 급속한 치명적인 고장이 발생할 수 있습니다.

고급 고장력 강판 (AHSS)

AHSS(인장 강도 >980 MPa)를 프레스 성형할 경우 국부적으로 매우 높은 압력과 열이 발생합니다. 표준 TiN 코팅은 이러한 조건에서 자주 실패합니다. 업계에서 선호하는 것은 PVD AlTiN 또는 TiAlN 알루미늄을 추가하면 사용 중 표면에 단단한 산화알루미늄층이 형성되어 내열성을 실제로 향상시킵니다. AHSS Guidelines 데이터에 따르면 크롬 도금은 약 5만 회의 타격을 견딜 수 있는 반면, 적절히 선택된 PVD 또는 듀플렉스 코팅은 공구 수명을 120만 회 이상으로 연장할 수 있습니다.

알루미늄 합금(5xxx/6xxx 계열)

알루미늄은 부드러운 알루미늄이 공구 표면에 달라붙는 '접착 마모'로 유명하며, 이 현상을 냉간 용접(cold welding)이라고 합니다. AlTiN은 여기서 부적절한 선택인데, 코팅에 포함된 알루미늄이 알루미늄 시트와 친화력을 가지기 때문입니다. 대신 DLC(다이아몬드 유사 탄소) 또는 CrN(크롬 나이트라이드) dLC는 매우 낮은 마찰 계수(0.1–0.15)를 제공하여 알루미늄이 붙지 않고 자유롭게 미끄러지도록 해줍니다.

도금강철

아연도금 시트를 스탬핑할 때 아연 물질의 섭취(zinc pickup)가 주요 고장 원인입니다. 표준 PVD 코팅은 표면 거칠기가 너무 높은 경우 이를 악화시킬 수 있습니다. 이온질화 또는 특별히 연마된 CrN 코팅 은 아연층과의 화학 반응에 저항하기 위해 권장됩니다.

이러한 재료 조합을 다루기 위해서는 올바른 코팅뿐 아니라 정밀하게 전체 생산 주기를 수행할 수 있는 제조 파트너가 필요합니다. 전 세계 표준을 엄격히 준수해야 하는 자동차 프로그램의 경우, 소이 메탈 테크놀로지 iATF 16949 인증 공정을 활용하여 급속 시제품 제작부터 대량 스탬핑에 이르기까지 모든 과정을 관리함으로써, 이러한 첨단 코팅의 이론적 이점이 실제 생산에서 실현되도록 보장합니다.

"에그쉘 효과(Eggshell Effect)" 및 기판 선택

흔한 오해 중 하나는 더 단단한 코팅이 부드러운 금형을 해결해 준다는 것입니다. 실제로 초고경 코팅(3000 HV)을 일반적인 연성 공구강(예: 무처리 D2)에 적용하면 '에그쉘 효과'가 발생합니다. 자동차 스탬핑에서 발생하는 높은 접촉 하중 하에서 연약한 기판이 탄성 변형되면서 위의 취성적인 경질 코팅이 깨지고 붕괴되는 현상으로, 마치 달걀 껍데기가 내부의 내용물을 압축할 때 깨지는 것과 유사합니다.

해결책: 복합 코팅(Duplex Coatings).
이를 방지하기 위해 엔지니어들은 "듀플렉스(Duplex)" 처리를 지정한다. 이 공정은 플라즈마 이온 질화처리 로 시작되며, 공구강 기재의 표면을 약 0.1–0.2mm 깊이까지 경화시켜 지지층을 형성한다. 그 위에 PVD 코팅을 추가로 입히게 되며, 이 강화된 하부층이 코팅을 지지하여 고속 스탬핑에서 발생하는 극심한 충격에 견딜 수 있도록 한다.

또한 표준 D2 공구강은 파손 지점으로 작용할 수 있는 큰 탄화물 구조를 포함하고 있다. 코팅된 공구의 경우 MetalForming Magazine 업그레이드를 권장한다 분말야금(PM) 강재 (예: CPM M4 또는 Vanadis). PM 강철의 미세하고 균일한 탄화물 분포는 코팅에 우수한 결합력을 제공하며 인성도 크게 향상시킨다.

성능 지표 및 파손 분석

식별 어떻게 공구가 파손되고 있다는 것은 올바른 코팅 보정을 선택하기 위한 첫 번째 단계이다. MISUMI 엔지니어링 연구에서는 세 가지 뚜렷한 파손 양상을 나타낸다:

• 마모 손상: 공구 표면이 물리적으로 긁히거나 마모되는 현상이다. 수리 방법: 코팅 경도 증가 (TiN에서 AlTiN 또는 TD로 전환).
• 접착 마모(찌그러짐, galling): 가공물 재료가 공구에 용접됨. 수리 방법: 윤활성 증가/마찰 감소 (DLC로 전환하거나 WS2 건식 윤활제 상단 코팅 추가).
• 파편 발생/균열: 코팅 또는 공구 엣지가 파손됨. 수리 방법: 코팅이 너무 두꺼울 수 있거나 기재가 너무 취약함. 더 강한 코팅(알루미늄 함량 낮은) 또는 더 강한 PM 강철 기재 위의 듀플렉스 처리로 전환.

공구 수명 최적화

모든 자동차 다이에 대해 단일한 '최고'의 코팅은 존재하지 않습니다. 최적의 선택은 항상 방지하려는 고장 모드와 성형 중인 재료에 따라 달라집니다. 일반적인 AHSS 스탬핑의 경우, PM 강철 기재 위의 PVD AlTiN이 산업 표준입니다. 스테인리스강에서 극심한 갈링(galling) 문제가 발생할 경우 TD가 여전히 최고입니다. 코팅 특성—경도, 마찰 계수, 열 안정성—을 특정 제조 변수와 체계적으로 매칭함으로써 공구 수명을 유지보수 문제에서 경쟁 우위로 전환할 수 있습니다.

자주 묻는 질문

1. 고강도 스틸 프레스 성형에 가장 적합한 코팅은 무엇인가요?

대부분의 첨단 고강도 강판(AHSS) 응용 분야에서 AlTiN(알루미늄 티타늄 질화물) 또는 TiAlN PVD 코팅이 선호됩니다. 이 코팅은 높은 경도(~3400 HV)와 우수한 열 안정성을 제공합니다. 가장 극심한 조건의 응용(1180 MPa 이상의 강재)의 경우, 기재 붕괴를 방지하기 위해 PM 공구강 기재 위에 듀플렉스 코팅 (질화처리 + PVD)을 적용하는 것이 권장됩니다.

2. 프레스 다이에 사용하는 PVD 코팅의 두께는 얼마여야 하나요?

프레스 가공용 표준 PVD 코팅은 일반적으로 3~5마이크론 (0.0001–0.0002인치) 두께로 도포됩니다. 이보다 두꺼운 코팅은 내부 압축 응력이 높아 박리될 위험이 있으며, 너무 얇은 코팅은 초기 마모가 발생할 수 있습니다. 다층 코팅은 접착력을 해치지 않고 약간 더 두껍게 적용할 수 있는 경우도 있습니다.

3. 스탬핑 다이를 벗겨내지 않고 재코팅이 가능한가요?

일반적으로 그렇지 않습니다. 적절한 접착력과 치수 정확도를 확보하기 위해 기존 코팅은 새로운 층을 도포하기 전에 화학적으로 제거해야 합니다. 마모된 오래된 코팅 위에 PVD 코팅을 적용하면 벗겨짐이 발생하고 성능이 떨어지는 경우가 많습니다. 그러나 대부분의 PVD 코팅은 공구강 기재를 손상시키지 않고 화학적으로 제거할 수 있으므로 여러 번의 수명 주기를 허용합니다.