TL;DR

이상(DP) 강은 고강도 기질 내에 마르텐사이트 상이 분산된 미세조직을 가진 첨단 고강도 강(AHSS)입니다. 이 독특한 조합은 낮은 항복인장비율(~0.6)과 높은 초기 가공경화율(n-value)을 제공하여 성형성과 충돌 안전성을 모두 요구하는 복잡한 자동차 프레스 성형 부품에 이상적입니다. 그러나 성공적인 프레스 성형을 위해서는 스프링백 및 엣지 균열 위험을 철저히 관리해야 합니다. 일반적으로 펀치 클리어런스를 12–14%로 증가시키고, TiC 또는 CrN과 같은 고급 코팅을 적용한 보다 강성 있는 금형을 사용하여 높아진 톤수와 마모율을 처리해야 합니다.

미세조직 및 기계적 특성

이상(Dual Phase) 강철의 공학적 가치는 그 독특한 이중 상 미세구조에 있다. 침전 경화에 의존하는 고강도 저합금(HSLA) 강철과 달리, DP 강철은 연성을 제공하는 연약한 페라이트 기지와 강도를 제공하는 분산된 경질 마르텐사이트 섬으로 구성된 복합 구조로부터 특성을 도출한다. 변형 시, 마르텐사이트 주변의 더 부드러운 페라이트 상에서 변형이 집중되어 높은 초기 가공경화율(n-value)을 나타낸다.

이러한 미세구조는 냉간 성형에 특별히 최적화된 기계적 거동 특성을 만들어 낸다. HSLA 등급은 일반적으로 약 0.8의 항복강도-인장강도(YS/TS) 비율을 나타내는 반면, DP 강철은 약 0.6의 훨씬 낮은 비율을 유지한다. 이 낮은 항복점 덕분에 소성 변형이 더 일찍 시작되어 재료가 인장 한계에 도달하기 전에 복잡한 형상을 형성하는 것이 용이해진다. 가공업체에서 참고 사항 이 높은 n값은 낮은 변형 범위(4–6%)에서 특히 두드러지며, 부품 전체에 걸쳐 변형을 균일하게 분포시켜 프레스 스트로크 초반에 국부적인 네킹(necking)이 발생하는 것을 방지한다.

DP590, DP780 및 DP980과 같은 일반적인 상용 등급은 최소 인장 강도(MPa 기준)로 정의된다. 마르텐사이트의 체적 비율이 증가함에 따라 인장 강도는 높아지지만 연성은 자연스럽게 감소한다. 엔지니어들은 이러한 요소들을 균형 있게 고려해야 하며, 깊은 그루핑 가공 부품에는 낮은 마르텐사이트 비율을 선택하고 침입 방지 성능이 중요한 구조 레일에는 높은 비율을 선택하는 경우가 많다.

프레스 성형의 과제: 스프링백 및 엣지 크랙

DP 강판의 장점이자 특징인 높은 가공경화율은 주요 제조 결함인 스프링백을 유발한다. 이 소재는 변형 중에 급격히 경화되기 때문에, 부품 내부에 저장된 탄성 회복 응력이 연강 대비 현저히 높아진다. 이로 인해 다이에서 부품을 분리한 후 사이드 월 컬링 및 각도 변화가 발생하며, 조립 시 치수 정확도에 어려움을 초래한다.

스프링백을 완화하기 위해 공정 엔지니어는 여러 금형 설계 전략을 사용한다. 오버-크라우닝 금형 표면을 설계함으로써 소재가 올바른 형상으로 완화될 수 있도록 한다. 추가적으로, 벽 비드 또는 보강재를 설계하면 형상을 고정시킬 수 있다. 보다 고급 기술로는 프레스 스트로크 종료 시점에 고변형률을 부여하여 잔류 압축 응력을 줄이는 방법이 있으며, 이는 형상을 효과적으로 '고정'하는 역할을 한다.

가변 가장자리 균열은 스트레치 플랜징 공정 중 특히 중요한 고장 모드이다. 부드러운 페라이트와 단단한 마르텐사이트 사이의 경도 차이로 인해 전단된 가장자리에서 응력이 집중되며, 이는 미세 기공을 생성하고 최종적으로 균열로 합쳐질 수 있다. SSAB은 딥 드로잉이나 늘어진 가장자리가 요구되는 형상에 대해 특수한 "듀얼 페이즈 고효성(DH) 등급"의 사용을 제안한다. 이러한 3세대 고강도 성형용 철강(AHSS) 등급은 잔류 오스테나이트를 포함하는 TRIP 보조 미세구조를 사용하여 높은 변형률 조건에서도 성형성을 유지하며, 일반적인 DP 등급 대비 가장자리 균열 저항성이 우수하다.

금형 및 다이 설계 가이드라인

듀얼 페이즈 강판의 스탬핑은 연강 또는 고장력 저합금강(HSLA)에 사용되는 표준 금형 파라미터를 근본적으로 재고찰해야 한다. 가장 중요한 조정 사항은 펀치 클리어런스이다. 금속 두께의 약 9% 정도인 표준 클리어런스는 DP 강의 높은 전단 강도로 인해 심각한 가장자리 분리 현상을 유발할 수 있다.

데이터 출처 타타 스틸 펀치 클리어런스를 증가시키면 12–14%가장자리 품질이 상당히 향상된다는 것을 보여줍니다. 한 사례 연구에서, 클리어런스를 9%에서 12%로 증가시킴으로써 부품의 갈라짐 발생률이 22%에서 거의 제로 수준으로 감소했습니다. 이와 같은 더 큰 간격은 절단 에지에서의 응력 상태를 변화시켜 플랜지로 미세 균열이 전파될 가능성을 줄입니다.

공구 마모 또한 가속화됩니다. DP 강판을 성형하기 위해 필요한 높은 접촉 압력—종종 구조 부품의 경우 600톤을 초과함—은 금형의 찰착 및 급속한 열화를 유발할 수 있습니다. 공구강은 서비스 주기를 연장하기 위해 탄화티타늄(TiC) 또는 질화크롬(CrN)과 같은 단단하고 마찰 계수가 낮은 표면 코팅으로 처리되어야 합니다. 또한 프레스 자체가 이러한 고하중 하에서도 변형되지 않을 만큼 충분한 강성을 가져야 하며, 그렇지 않으면 부품의 허용오차가 해칠 수 있습니다.

이러한 높아진 장비 요구 조건에 직면한 제조업체의 경우, 전문화된 가공 업체와 협력하는 것이 종종 가장 효율적인 해결책입니다. 소이 메탈 테크놀로지(Shaoyi Metal Technology)는 포괄적인 스탬핑 솔루션을 제공합니다 시제품 제작에서 대량 생산까지의 갭을 해소하는 데 기여합니다. 최대 600톤의 프레스 능력과 IATF 16949 인증을 보유함으로써, 컨트롤 암 및 서브프레임과 같은 핵심 부품용 DP 및 DH 등급의 고강도 철강재가 요구하는 엄격한 톤수와 정밀도 요구사항을 충족할 수 있습니다.

베이크 하드닝 및 최종 성능

듀얼 위상 강판(Dual Phase steel)의 숨겨진 이점 중 하나는 "베이크 하드닝"(Bake Hardening, BH) 효과입니다. 이 현상은 일반적으로 170°C에서 20분 정도 지속되는 자동차 도장 소성 공정 중에 발생합니다. 이 열처리 과정에서 강판 미세조직 내의 자유 탄소 원자가 확산되어 성형 중 생성된 전위를 고정(fix)하게 됩니다.

이 메커니즘은 부품의 치수에 영향을 주지 않으면서 항복 강도를 크게 향상시키며, 일반적으로 50~100MPa 증가한다. 이러한 정적 강도 향상은 자동차 엔지니어들이 차량 무게를 줄이기 위해 "다운게이징"(더 얇은 소재 사용)할 수 있게 해주며, 동시에 최종 부품이 충돌 안전 기준을 충족하도록 보장한다. 프레스 공정에서의 가공 경화와 도장 공정에서의 베이크 하드닝이 결합되어 최종 부품에 뛰어난 에너지 흡수 능력을 제공하므로 DP강은 B필러, 루프 레일, 크로스 멤버와 같은 안전 케이지 구성 요소에 표준적으로 선택된다.

결론: AHSS 생산을 위한 최적화

이중상강(Dual Phase steel)은 현대 자동차 공학에서 안전 규정 준수에 필요한 강도와 제조 가능성을 위한 연성 간의 중요한 균형점을 제공한다. 이 소재는 스프링백 관리 및 금형 마모 측면에서 명확한 도전 과제를 제시하지만, 이러한 문제들은 데이터 기반 다이 설계와 적절한 프레스 선정을 통해 효과적으로 극복할 수 있다. 페라이트-마르텐사이트 미세구조의 고유한 물리적 특성을 고려하고 펀치 클리어런스를 권장 범위인 12~14%로 조정함으로써 제조업체는 이 다목적 소재가 지닌 경량화 및 성능 잠재력을 충분히 활용할 수 있다.

자주 묻는 질문

1. 이중상강(Dual Phase steel)은 HSLA 강철과 어떻게 다른가?

고강도 저합금(HSLA) 강은 미세합금 원소에 의한 석출 경화에 의존하는 반면, 듀얼 패이즈(DP) 강은 페라이트와 마르텐사이트의 2상 미세조직에 의존합니다. 이로 인해 DP 강은 HSLA 강보다 낮은 항복대인장비율(~0.6 대 ~0.8)과 더 높은 초기 가공경화율을 가지며, 동일한 인장강도에서 더 나은 성형성을 확보할 수 있습니다.

2. DP 강을 스탬핑할 때 권장되는 펀치 클리어런스는 무엇입니까?

DP 강에는 연강에 사용되는 표준 펀치 클리어런스(약 9%)가 일반적으로 너무 좁아서 가장자리 균열이 발생할 수 있습니다. 업계의 모범 사례에서는 가장자리 품질과 공구 수명을 향상시키기 위해 펀치 클리어런스를 12–14%재료 두께의 비율로 증가시킬 것을 권장합니다.

3. 듀얼 패이즈 강에서 스프링백(springback)을 일으키는 원인은 무엇입니까?

스프링백은 성형 후 소재의 높은 탄성 회복성으로 인해 발생합니다. DP 강판은 높은 가공 경화율을 가지므로 변형 중에 상당한 탄성 에너지를 저장하게 됩니다. 다이가 열릴 때 이 에너지가 방출되면서 부품이 되튕기거나 휘어지는 현상이 나타나게 됩니다. 이를 보정하기 위해 다이 설계 시 과도한 커닝(over-crowning)이나 재타격(restriking)이 필요합니다.

4. 더블 페이즈(DP) 강판을 용접할 수 있습니까?

예, 일반적으로 DP 강판은 양호한 용접성을 갖지만, 구체적인 탄소당량을 고려해야 합니다. 낮은 강도 등급(DP590)은 쉽게 점용접이 가능하지만, 높은 강도 등급(DP980 이상)은 용접 열영향부에서 취성 파손을 방지하기 위해 전극 압력 증가 또는 특정 펄스 스케줄과 같은 용접 조건 조정이 필요할 수 있습니다.