TL;DR

그 붕소강 열간 스탬핑 공정 (프레스 경화로도 알려진)은 저합금 붕소강을 페라이트-펄라이트 미세조직(~600MPa)에서 완전 마르텐자이트 상태(~1500MPa)로 변환하는 열성형 방법입니다. 일반적으로 22MnB5 —는 오스테나이트화 온도( 900–950°C )까지 블랭크를 가열한 후, 물 냉각 다이 내에서 초과하는 속도로 성형 및 급냉하여 이 변환을 달성합니다. 27°C/s 이 공정을 통해 B필러, 루프 레일과 같은 복잡하고 경량화된 자동차 부품을 초고강도와 제로 스프링백으로 생산할 수 있습니다.

열간 스탬핑의 물리학: 직접식과 간접식 방법

열간 스탬핑은 단일 공정이 아니며, 두 가지 서로 다른 방법론으로 구분됩니다— 직접 그리고 간접법 —성형이 열처리 사이클과 어떤 시점에 발생하는지에 따라 정의됨. 이러한 차이점을 이해하는 것은 특정 부품 형상에 맞는 장비를 선택하는 공정 엔지니어에게 매우 중요함.

직접 핫 스탬핑

직접 방식은 효율성 덕분에 대부분의 구조 부품에서 산업 표준임. 이 공정 순서에서 평면 블랭크를 먼저 약 900–950°C 까지 가열하여 균일한 오스테나이트 구조를 얻음. 이후 뜨거운 블랭크를 프레스로 신속하게 이동시켜(일반적으로 3초 이내) 냉각된 다이 안에서 성형과 급냉을 동시에 수행함. 이 방법은 비용 효율적이지만 고온에서의 재료 성형성 한계로 인해 제약을 받으며, 지나치게 깊은 드로잉은 두께 감소 또는 균열을 유발할 수 있음.

간접 핫 스탬핑

강철의 고온 성형성 한계를 초과하는 매우 복잡한 형상을 가진 부품의 경우, 간접 방식이 사용됨. 여기서 블랭크는 냉간 성형 가열 전에 거의 최종 형상(90–95% 완성도)으로 성형한다. 프리폼 부품은 특수 퍼니스에서 오스테나이트화된 후 프레스로 이송되어 최종 교정 및 담금질 공정을 거친다. 이 방식은 더 정교한 형상을 가능하게 하지만, 추가적인 냉간 스탬핑 공정과 3D 형상의 퍼니스 취급 시스템이 필요하므로 사이클 타임과 설비 투자 비용이 크게 증가한다.

금속조직 변화: 22MnB5를 마르텐사이트로 전환

핫 스탬핑의 핵심 가치는 22MnB5 강재의 미세조직 상변태에 있다. 원료 상태에서 이 붕소 합금 강재는 페라이트-퍼라이트 미세조직을 가지며, 약 350–550 MPa의 항복강도와 약 600 MPa의 인장강도를 갖는다. 공정 설계는 이러한 조직을 변화시키기 위해 세 가지 중요한 변수를 조절하는 데 중점을 둔다.

1. 오스테나이트화

강재는 상부 임계 온도(Ac3) 이상으로 가열되어야 하며, 일반적으로 850°C 정도이며, 공정 설정값은 보통 900°C에서 950°C 완전한 상변태를 보장하기 위해 유지합니다. 정지 시간 동안(두께와 용광로 유형에 따라 일반적으로 4~10분), 탄소가 고용체로 침입하여 오스테나이트를 형성합니다. 이 입방면심(FCC) 구조는 연성으로, 냉간 프레스 성형보다 낮은 톤수로 복잡한 성형이 가능하게 합니다.

2. 붕소의 역할과 냉각 속도

합금에는 냉각 중 페라이트 및 펄라이트의 생성을 지연시키기 위해 특별히 붕소(0.002~0.005%)가 첨가됩니다. 이러한 경화성 제어제는 강철이 관리 가능한 속도로 급냉될 수 있도록 하며, 일반적으로 >27°C/s (임계 냉각 속도)에서 베이나이트 곡선의 코를 우회하고 직접 마르텐사이트 으로 변태되도록 합니다. 냉각 속도가 이 임계값보다 낮아지면 베이나이트와 같은 더 부드러운 상이 형성되어 최종 강도가 저하됩니다.

3. Al-Si 코팅 솔루션

700°C 이상의 온도에서 베어 스틸은 빠르게 산화되어 다이를 손상시키고 후속 샷 블라스팅 공정이 필요한 단단한 스케일을 형성한다. 이를 완화하기 위해 산업 표준 자재인 Usibor 1500P 는 미리 도포된 알루미늄-실리콘(Al-Si) 코팅을 사용한다. 가열 중에 이 코팅은 기판과 합금을 이루어 Fe-Al-Si 확산층을 형성하며, 이는 스케일링과 탈탄소화를 방지한다. 이러한 혁신은 보호성 열처리 분위기 가스와 후속 세척 공정의 필요성을 없애 생산 라인을 간소화한다.

생산 라인: 핵심 설비 및 파라미터

핫 스탬핑 라인을 구현하려면 극한의 열 구배와 고톤수를 제어할 수 있는 특수 장비가 필요하다. 초기 투자 비용이 크기 때문에 프로토타입 제작 및 오버플로우 생산을 위해 전략적 제휴가 종종 요구된다.

• 용해로 기술: 롤러 헤스 굴로리는 고속 직접 핫 스탬핑 공정의 표준입니다. 기계적 특성의 일관성을 확보하기 위해 ±5°C 이내의 온도 균일성을 유지해야 합니다. 간접 공정이나 소량 생산의 경우 챔버형 굴로리를 사용할 수 있습니다. 총 정지 시간은 블랭크 두께에 따라 달라지며 일반적으로 t = (두께 × 상수) + 기본 시간 으로 계산되며, 일반적인 판재 두께에서는 4~6분이 소요되는 경우가 많습니다.
• 유압 및 서보 프레스: 냉간 스탬핑과 달리 프레스는 부품을 냉각된 다이 표면에 밀착시키기 위해 스트로크 하단에서 일정 시간 유지되어야 합니다. 유압 또는 서보-유압 프레스는 필요한 급냉 시간(5~10초) 동안 최대 톤수(일반적으로 800~1200톤)를 가하고 유지할 수 있는 능력 때문에 선호됩니다. 전체 사이클 타임은 일반적으로 10~30초 범위입니다.
• 공구 및 냉각 채널: 금형은 열교환기 역할을 한다. 고속으로 물을 순환시키기 위해 정밀한 내부 냉각 채널(일반적으로 드릴 가공 또는 3D 프린팅 방식)을 포함해야 한다. 목표는 열을 신속하게 제거하여 금형 표면 온도를 200°C 이하로 유지함으로써 효율적인 급냉을 보장하는 것이다.
• 레이저 트리밍: 완성된 부품의 인장 강도가 약 1500MPa이기 때문에 기존의 기계식 트리밍 금형은 거의 즉시 마모된다. 따라서 레이저 트리밍 (일반적으로 5축 파이버 레이저)가 성형 후 구멍 및 최종 외곽을 절단하는 표준 방법이다.

제조업체가 프로토타입에서 양산 단계로 전환할 때 이러한 장비 체인의 복잡성은 장벽이 될 수 있다. 이를 극복하기 위해 샤오이 메탈 테크놀로지의 포괄적인 스탬핑 솔루션 의 역량을 활용할 수 있다. 정밀 프레스 가공(최대 600톤)과 IATF 16949 표준 준수를 포함한 이들의 역량은 초기에 막대한 자본 투자를 하지 않고도 공정 매개변수를 검증하고 생산을 확장할 수 있는 필수 엔지니어링 인프라를 제공한다.

고급 응용 분야: 맞춤형 특성 및 소프트 존

현대 자동차의 안전 설계에서는 종종 하나의 부품이 침입 저항성(경질)과 에너지 흡수 능력(연질)이라는 두 가지 특성을 모두 가져야 합니다. 핫 스탬핑 공정은 이를 가능하게 하며 맞춤 특성 .

소프트 존 기술

금형의 특정 영역에서 냉각 속도를 제어함으로써 엔지니어는 국부적인 구역에서 마르텐사이트 변태가 일어나지 않도록 할 수 있습니다. 예를 들어, B필러는 탑승자의 머리를 보호하기 위해 완전한 마르텐사이트 상을 가진 상단부(1500MPa)가 필요할 수 있지만, 측면 충돌 시 에너지를 흡수하기 위해 연하고 인성이 높은 하단부(500–700MPa)가 필요할 수 있습니다. 이를 위해 공구의 특정 부분을 단열 처리하거나 히팅 요소를 사용하여 금형 온도를 마르텐사이트 시작(Ms) 온도 이상으로 유지함으로써 베이나이트 또는 페라이트가 형성되도록 합니다.

테일러 용접 블랭크(TWB)

또 다른 접근 방식은 핫 스탬핑 공정 전에 두 가지 서로 다른 강종 또는 두께를 레이저 용접하는 것이다. 블랭크는 붕소강 시트와 연성 HSLA 강 시트를 결합할 수 있다. 핫 스탬핑 시, 붕소강 측은 경화되는 반면 HSLA 강 측은 연성을 유지하여 복잡한 다이 가열 시스템 없이도 성능이 서로 다른 영역을 갖는 부품을 생성한다.

전략적 분석: 장점, 단점 및 비용

핫 스탬핑 도입 여부를 결정하는 것은 성능과 비용 간의 복잡한 상충 관계를 수반한다. 다음 분석은 자동차 엔지니어들을 위한 주요 의사결정 요소를 강조한다.