TL;DR

AHSS 프레스 성형에 적합한 다이 재료를 선택하려면 기존의 공구 전략에서 근본적인 전환이 필요합니다. 590 MPa를 초과하는 고강도 강재(AHSS)의 경우, 표준 D2 공구강은 탄화물 필라멘트와 같은 미세구조의 불균일성과 충분하지 않은 인성으로 인해 자주 실패합니다. 업계의 합의는 분말야금(PM) 공구강 (예: Vanadis 4E 또는 CPM 3V)로 업그레이드하는 것으로, 균일한 입자 구조를 제공하여 칩핑 없이 높은 충격하중을 견딜 수 있습니다.

그러나 기판 재료는 문제의 절반에 불과합니다. AHSS에서 흔히 발생하는 극심한 마모 및 긁힘 현상을 방지하려면 적절한 PM 기판에 고성능 표면 코팅을 함께 사용해야 합니다—일반적으로 PVD(Physical Vapor Deposition) 정밀 유지보수용으로 TD(열확산) 최대 표면 경도를 위해. 성공적인 선정 전략은 금속판의 인장 강도를 다이 소재의 인성 및 코팅의 마모 저항성과 직접적으로 연계시킵니다.

고강도강(AHSS)의 과제: 기존 공구강이 실패하는 이유

고급 고강도강(AHSS) 스탬핑은 연강 성형에서 발생하는 힘보다 기하급수적으로 더 높은 하중을 유발합니다. 연강은 비교적 낮은 접촉 압력을 필요로 할 수 있는 반면, 이중상(DP) 및 마르텐사이트(MS) 강과 같은 AHSS 등급은 금형 표면에 막대한 압축 응력을 가합니다. 이는 성형 중 시트 소재의 급속한 가공 경화를 유도하여 스탬프된 부품이 도구 자체만큼이나 거의 동일한 경도에 이를 정도가 되는 상황을 만들어냅니다.

AISI D2와 같은 기존 냉간 작업 공구강의 주요 파손 지점은 그들의 미세조직에 있다. 전통적인 인고트 주조 강재에서는 탄화물이 '스트링거(stringers)'로 알려진 크고 불규칙한 네트워크를 형성한다. 이러한 스트링거는 980 MPa 또는 1180 MPa 강판을 절단할 때 발생하는 높은 충격하중을 받게 되면 응력 집중 지점으로 작용하여 치명적인 깨짐 또는 균열 . 마모가 서서히 진행되는 연강 스탬핑과 달리, AHSS의 경우 파손은 종종 갑작스럽고 구조적인 성격을 띈다.

또한, 높은 접촉 압력은 상당한 열을 발생시키며, 이는 일반 윤활제를 열화시켜 가ling (접착 마모)를 유발한다. 이 과정에서 판금이 도구 표면에 실제로 용접되면서 다이(die)의 미세한 조각들이 찢겨 나간다. AHSS 인사이트 인장강도가 980 MPa를 초과하는 등급의 경우, 마모 모드가 단순한 연마 마모에서 복잡한 피로 파손으로 변화하기 때문에 고속 생산 라인에서는 표준 D2가 더 이상 적합하지 않다고 지적한다.

핵심 재료 분류: D2 대 PM 대 카바이드

금형 재료 선택은 비용, 인성(파손 저항성), 그리고 마모 저항성 간의 타협이 필요하다. AHSS 적용의 경우 우선순위가 명확히 구분된다.

일반적인 공구강 (D2, A2)

D2는 낮은 비용과 적절한 마모 저항성 덕분에 연강 스탬핑의 기준으로 여전히 사용된다. 그러나 D2는 조대한 탄화물 구조로 인해 인성이 제한적이다. AHSS 응용 분야에서는 일반적으로 프로토타입 제작이나 저등급 AHSS(590 MPa 이하)의 소량 생산에만 제한적으로 사용된다. 고등급 소재에 사용할 경우, 자주 유지보수가 필요하며 초기 피로 파손이 빈번하게 발생한다.

분말야금(PM) 강재

이는 현대 AHSS 생산의 표준이다. PM 강은 용융 금속을 미세한 분말로 아톰화한 후 고온 및 고압 하에서 가공(열간 등방성 압축)하여 제조한다. 이 공정은 미세하고 균일하게 분포된 탄화물을 가진 균일한 미세 구조를 형성한다. 다음 등급들이 있다 Vanadis 4E , CPM 3V , 또는 K340 치핑을 방지하면서도 뛰어난 압축 강도를 유지하기 위해 필요한 높은 충격 인성 제공한다. 제작자 d2 다이가 컨트롤 암 부품에서 5,000회 사이클 후에 파손될 수 있는 반면, PM 강재 다이는 40,000회 이상의 사이클에서도 계속 우수한 성능을 발휘함을 입증했다.

결합 탄화물

극한 조건의 응용 분야 또는 펀치 및 다이 버튼과 같은 특정 인서트의 경우, 소결 탄화물(cemented carbide)은 뛰어난 마모 저항성을 제공한다. 그러나 매우 취약하다. 어떤 강철보다도 마모에 더 강하지만, AHSS 스냅스루(snap-through)에서 발생하는 일반적인 충격 하중에는 파손되기 쉽다. 따라서 충격이 제어되는 고마모 부위나 인장강도는 낮지만 마모성이 큰 재료 성형용으로 사용하는 것이 가장 적합하다.

코팅의 핵심적 역할: PVD, CVD 및 TD

AHSS는 매우 마모성이 강해 최고급 PM 강재라도 결국 마모된다. 코팅은 금속 간 접촉(galling)을 방지하는 단단하고 마찰 계수가 낮은 보호막을 제공하기 위해 필수적이다.

물리적 기상 증착(PVD) 정밀 다이에는 낮은 온도에서 코팅이 적용되기 때문에 종종 선호되며, 기반 재료의 열처리와 치수 정밀도를 그대로 유지할 수 있다. 날카로운 형상을 유지하는 것이 중요한 절단 날에 이상적이다.

열확산(TD) 오스테나이트화 온도에서 공정이 이루어지기 때문에, 바나듐 카바이드층을 형성하여 매우 높은 경도(3000+ HV)를 가지며, 중형 성형 작업에서 걸링(galling) 저항의 표준이 된다. 그러나 이 과정에서 공구강 자체가 탄소 공급원이 되며 재경화가 필요하다. 이로 인해 치수 변화가 발생할 수 있으며, 특히 엄격한 공차를 요구하는 부품에는 신중한 관리 없이 사용하면 위험할 수 있다.

선택 프레임워크: 재료와 AHSS 등급의 매칭

사용할 재료의 결정은 시트 금속의 특정 인장 강도에 따라 달라야 합니다. 재료 등급이 높아질수록 금형에 요구되는 특성은 단순한 마모 저항성에서 충격 인성으로 변화합니다.

• 590 MPa - 780 MPa: 낮은 생산량의 경우 기존 D2를 사용할 수 있지만, 장기간 운용을 위해서는 수정된 냉작 강재(예: 8% Cr) 또는 기본적인 PM 등급이 더 안전합니다. 마찰을 줄이기 위해 TiAlN 또는 CrN과 같은 PVD 코팅을 권장합니다.
• 980 MPa - 1180 MPa: 이 지점이 전환점입니다. D2는 대부분 안전하지 않으며, Vanadis 4 Extra 또는 그에 상응하는 강한 PM 강재를 반드시 사용해야 합니다. 닦음 현상이 발생하기 쉬운 성형 부위의 경우 TD 코팅이 매우 효과적입니다. 트리밍 에지의 경우 PM 기반재 위에 PVD 코팅을 적용하면 에지를 유지하면서도 깨짐에 저항할 수 있습니다.
• 1180 MPa 이상 (마르텐사이트/핫 스탬핑): 최고 수준의 인성 PM 등급 또는 특수 매트릭스 고속 강재만 사용해야 합니다. 표면 처리가 매우 중요하며 듀플렉스 코팅 (질화 처리 후 PVD)는 극한의 표면 하중을 지지하기 위해 자주 사용된다.

또한 재료 선택이 생산 생태계의 일부에 불과하다는 점을 인식하는 것이 중요하다. 제조업체가 프로토타입에서 대량 생산으로 확장할 때 이러한 소재를 취급할 수 있는 설비를 갖춘 스탬핑 업체와 협력하는 것은 필수적이다. 예를 들어, 소이 메탈 테크놀로지 와 같은 기업들은 고톤수 프레스(최대 600톤) 및 IATF 16949 인증 공정을 활용하여 재료 사양과 성공적인 부품 제작 사이의 간격을 해소함으로써 선택된 다이 재료가 양산 조건에서 의도된 대로 성능을 발휘하도록 보장한다.

열처리 및 표면 처리를 위한 모범 사례

기판이 올바르게 준비되지 않으면 프리미엄 코팅이 적용된 가장 고가의 PM 강철도 실패할 수 있다. 흔한 고장 양상 중 하나는 '달걀 껍데기 효과'로, 단단한 코팅이 부드러운 기판 위에 도포되는 경우를 말한다. 압력을 받으면 기판이 변형되어 취성인 코팅이 균열되고 벗겨진다.

이를 방지하기 위해, 기판은 코팅을 지지할 수 있도록 충분한 경도(일반적으로 PM 강의 경우 58-62 HRC)로 열처리되어야 한다. 삼중 템퍼링 잔류 오스테나이트를 전환하고 치수 안정성을 보장하기 위해 자주 요구된다. 또한 코팅 전의 표면 마감은 타협이 불가하다. 공구 표면은 평균 조도(Ra)가 약 0.2 µm 이상의 수준으로 연마되어야 한다. 공구에 남아 있는 연마 자국이나 흠집은 응력이 집중되는 지점이 되어 균열을 유발하거나 코팅 부착력을 저하시킬 수 있다.

마지막으로, 유지보수 전략도 적응되어야 한다. 코팅을 제거하지 않고 코팅된 공구를 단순히 연마하여 날카롭게 만들 수 없다. PVD 코팅 공구의 경우, 종종 코팅을 화학적으로 제거한 후 공구를 날카롭게 다듬고 연마하며, 그 후 재코팅하여 원래의 성능을 회복해야 한다. 이러한 수명 주기 비용은 최초 다이 소재 선정 시 반드시 고려되어야 한다.

장기 생산을 위한 최적화

AHSS로의 전환은 금형 공구에 대한 종합적인 접근 방식을 요구한다. 과거의 '안전한' 선택에 의존하는 것으로는 더 이상 충분하지 않다. 엔지니어들은 금형을 기판이 구조적 무결성을 제공하고 코팅이 마찰 성능을 제공하는 복합 시스템으로 다뤄야 한다. 제조업체들은 PM 강의 인성과 최신 코팅의 내마모성을 적절히 조합함으로써 고강도 소재의 스탬핑이라는 과제를 지속적이고 수익성 있는 공정으로 전환할 수 있다. 프리미엄 소재의 초기 비용은 거의 항상 가동 중단 시간 감소와 폐기율 감소를 통해 회수된다.

자주 묻는 질문

1. AHSS 스탬핑에 가장 적합한 다이 재료는 무엇인가?

590 MPa를 초과하는 대부분의 AHSS 응용 분야의 경우, Vanadis 4E, CPM 3V 또는 유사 등급의 분말야금(PM) 공구강이 가장 적합한 선택으로 간주된다. 전통적인 D2강과 달리, PM 강은 미세하고 균일한 미세조직을 가지며, 칩핑 저항을 위한 필요한 인성을 제공하면서도 높은 압축 강도를 유지한다.

2. D2 공구강이 AHSS에서 왜 실패하나요?

D2는 주로 '탄화물 스트링거(carbide stringers)'라 불리는 큰 탄화물 덩어리로 인해 미세조직상의 문제를 가집니다. AHSS 프레스 성형 시 높은 충격과 접촉 압력을 받으면 이러한 스트링거들이 응력 집중 지점으로 작용하여 균열 및 파편 발생을 유도합니다. 또한 D2는 고강도 소재에서 발생하는 스냅-스루(snap-through) 하중을 견딜 만큼 충분한 인성을 갖추고 있지 않습니다.

3. 프레스 다이에 사용되는 PVD와 CVD 코팅의 차이는 무엇인가요?

주된 차이는 코팅 적용 온도입니다. PVD(Physical Vapor Deposition, 물리적 기상 증착)는 낮은 온도(~500°C)에서 적용되므로 공구강이 부드러워지거나 변형되는 것을 방지할 수 있습니다. 반면 CVD(Chemical Vapor Deposition, 화학 기상 증착)와 TD(Thermal Diffusion, 열 확산)는 훨씬 높은 온도(~1000°C)에서 적용되어 더 강한 금속학적 결합과 두꺼운 코팅을 형성하지만, 도구를 재경화해야 하며 이 과정에서 치수 변형 위험이 따릅니다.

4. 프레스 성형에 있어 분말야금(PM) 강을 언제 사용해야 하나요?

인장 강도가 590 MPa를 초과하는 금속판을 프레스 성형할 때에는 언제나 PM 강으로 전환해야 하며, 강도가 낮은 재료의 장기 생산 시 유지보수 비용이 우려되는 경우에도 마찬가지입니다. 또한 다이 형상이 복잡하고 균열 위험이 높은 모든 응용 분야에서 PM 강은 필수적입니다.