프레스 하드닝 강재 특성: 강도 및 성형성 기술 가이드

TL;DR

프레스 경화 강재(PHS)는 핫 스탬핑 강재 또는 붕소 강재라고도 하며, 자동차의 안전 부품을 위해 설계된 초고강도 합금(일반적으로 22MnB5)입니다. 이 소재는 가공이 쉬운 페라이트-퍼라이트 상태(항복 강도 ~300–600 MPa)로 공급되며, 약 900°C까지 가열한 후 냉각 다이에서 급냉하면 매우 단단한 마르텐사이트 구조(인장 강도 1300–2000 MPa)로 변환됩니다. 이 공정은 스프링백을 제거하고 복잡한 형상을 가능하게 하며 A필러 및 범퍼와 같은 주요 충돌 구조물의 경량화를 실현합니다.

프레스 경화 강재(PHS)란?

프레스 하드닝 강철(PHS)은 자동차 산업에서 흔히 핫 스탬핑 강철 또는 열간 성형 강철로 알려져 있으며, 특수한 열처리 및 기계적 성형 공정을 거치는 붕소 합금강의 일종을 의미한다. 상온에서 성형하는 일반적인 냉간 스탬핑 강철과 달리 PHS는 오스테나이트 상태에 도달할 때까지 가열된 후 냉각된 다이 안에서 성형과 급냉을 동시에 수행한다.

이 공정의 표준 등급은 22MnB5 이며, 탄소-망간-붕소 합금이다. 붕소를 첨가함(일반적으로 0.002–0.005%)은 강철의 경화성(hardenability)을 크게 향상시키는 중요한 요소로, 비교적 낮은 냉각 속도에서도 완전한 마르텐사이트 미세조직을 얻을 수 있도록 보장한다. 붕소가 없다면 급냉 과정 중 베이나이트나 펄라이트와 같은 더 부드러운 상으로 변질되어 목표 강도에 도달하지 못할 수 있다.

PHS의 가치를 결정하는 근본적인 변환은 미세조직 구조에 기인한다. 연약한 페라이트-펄라이트 조직 상태의 시트로 공급되는 이 소재는 절단 및 취급이 용이하다. 핫 스탬핑 공정 동안 이 소재는 오스테나이트화 온도 이상(일반적으로 약 900–950°C)으로 가열된다. 뜨거운 블랭크가 다이에서 고정될 때, 급속 냉각(초당 27°C 이상의 냉각 속도)이 이루어진다. 이러한 급속 냉각은 더 부드러운 미세조직의 생성을 우회하며 오스테나이트를 직접 마르텐사이트 마텐자이트로 전환시키는데, 이는 강철의 미세조직 형태 중 가장 단단한 형태이다.

기계적 특성: 공급 시 상태 대 경화 후 상태

엔지니어와 조달 담당자에게 있어 프레스 경화 강의 특성에서 가장 중요한 요소는 초기 상태와 최종 상태 사이의 극명한 차이이다. 이러한 이중성 덕분에 복잡한 성형을 연약한 상태에서 수행할 수 있고, 경화 후에는 극한의 성능을 발휘할 수 있다.

아래 표는 일반적인 22MnB5 등급의 프레스 경화 공정 전후 기계적 특성을 비교한 것이다.

항복강도 분석: 가공 과정에서 항복강도는 일반적으로 3배 정도 증가합니다. 공급 상태의 소재는 표준 구조용 강철과 유사한 특성을 보이지만, 완성된 부품은 강성이 높아지며 변형에 대한 저항력이 커져 침입 방지를 위한 안전 케이지에 이상적입니다.

경도 및 가공성: 최종 경도인 470–510 HV는 기계적 트리밍이나 펀칭을 극도로 어렵게 만들며 공구 마모를 유발합니다. 따라서 완성된 PHS 부품의 대부분의 트리밍 작업은 레이저 절단(참고: "SSAB 기술 자료") 또는 부품이 완전히 냉각되기 직전에 사용하는 특수 하드-트리밍 다이를 통해 수행됩니다. SSAB 기술 자료 ) 또는 부품이 완전히 냉각되기 직전에 사용하는 특수 하드-트리밍 다이를 통해 수행됩니다.

일반적인 PHS 등급 및 화학 조성

22MnB5가 여전히 산업 표준으로 널리 사용되고 있지만, 더 가볍고 강한 부품에 대한 수요 증가로 인해 여러 변종들이 개발되었습니다. 엔지니어들은 일반적으로 최대 강도와 에너지 흡수를 위한 필요한 연성 사이의 균형에 따라 등급을 선택합니다.

• PHS1500 (22MnB5): ~1500MPa의 인장 강도를 가진 표준 등급으로, 약 0.22%의 탄소, 1.2% 망간 및 미량의 붕소를 포함한다. 대부분의 안전 응용 분야에서 강도와 충분한 인성 사이의 균형을 제공한다.
• PHS1800 / PHS2000: 인장 강도를 1800 또는 2000MPa까지 끌어올리는 최신 초고강도 등급이다. 약간 증가된 탄소 함량이나 개선된 합금 성분(예: 실리콘/니오븀)을 통해 더 높은 강도를 달성하지만, 인성이 낮아질 수 있다. 범퍼 빔이나 지붕 레일과 같이 침입 저지가 유일한 우선 과제인 부품에 사용된다.
• 연성 등급 (PHS1000 / PHS1200): 프레스 퀀칭 스틸(PQS)이라고도 하며, 경화 후에도 더 높은 신율(10~15%)을 유지하도록 설계된 등급이다(예: PQS450 또는 PQS550). B필러의 '소프트 존'에서 충돌 에너지를 전달하기보다 흡수하는 데 자주 사용된다.

화학 조성은 수소 취성과 같은 문제를 방지하기 위해 특히 고강도 등급에서 엄격하게 관리된다. 용접성을 확보하기 위해 탄소 함량은 일반적으로 0.30% 이하로 유지된다.

코팅 및 부식 저항성

무코팅 강판은 900°C까지 가열 시 빠르게 산화되어 경질 스케일을 형성하며, 이는 프레스 금형을 손상시키고 성형 후 연마 청소(쇼트 블라스팅)를 필요로 한다. 이를 방지하기 위해 대부분의 현대 PHS 적용 사례에서는 프리코팅 시트를 사용한다.

알루미늄-실리콘(AlSi): 이 코팅은 다이렉트 핫 스탬핑에서 주로 사용되며, 가열 과정 중 스케일 형성을 방지하고 장벽 형태의 부식 보호 기능을 제공한다. AlSi층은 가열 단계에서 강철의 철과 합금을 형성하여 다이의 슬라이딩 마찰에도 견딜 수 있는 강력한 표면을 만든다. 아연(Zn)과 달리 갈바니식(자가 치유) 보호 기능은 제공하지 않는다.

아연(Zn) 코팅: 아연계 코팅(아연도금 또는 갈바넬드)은 카소드 부식 방지 성능이 뛰어나 로커와 같이 습한 환경에 노출되는 부품에 유리합니다. 그러나 일반적인 핫 스탬핑 공정은 액상 금속 취성화(LME) 를 유발할 수 있으며, 이는 액체 아연이 강재의 결정립 경계로 침투하여 미세 균열을 발생시키는 현상입니다. 아연도금 PHS를 안전하게 가공하기 위해서는 특수한 '간접 공법' 또는 '사전 냉각' 기술이 종종 필요합니다.

주요 엔지니어링 장점

프레스 하드닝 강재의 채택은 자동차 설계에서 발생하는 특정 엔지니어링 문제 해결을 위해 이루어졌습니다. 이 소재는 냉간 스탬핑된 고강도 저합금(HSLA) 또는 듀얼-페이즈(DP) 강재로는 달성할 수 없는 해결책을 제공합니다.

• 극한의 경량화: 1500MPa 이상의 강도를 활용함으로써 엔지니어는 안전성을 희생하지 않고도 부품 두께를 줄일 수 있습니다(다운게이징). 기존의 표준 강재로 2.0mm였던 부품이 PHS에서는 1.2mm로 줄어들 수 있어 상당한 무게 절감 효과를 얻을 수 있습니다.
• 스프링백 제로: 냉간 프레스 성형에서 고강도 강판은 다이가 열릴 때 원래 형태로 되돌아가는 '스프링백(spring back)' 현상이 발생하여 치수 정밀도를 확보하기 어렵습니다. 반면 PHS는 뜨겁고 부드러운 상태(오스테나이트)에서 성형되며, 다이 내에서 제약된 상태에서 경화되기 때문에 형상이 고정되어 거의 제로에 가까운 스프링백과 뛰어난 치수 정밀도를 달성할 수 있습니다.
• 복잡한 형상: 강판이 가공성이 좋은 상태(~900°C)에서 성형되기 때문에 단일 스트로크로 깊은 드로우와 좁은 곡률을 가진 복잡한 형상을 형성할 수 있으며, 냉간 초고강도 강판으로는 균열이나 파단이 발생할 수 있는 형상도 가능합니다.

일반적인 자동차 응용 분야

PHS는 현대 자동차의 '안전 케이지' 구조, 즉 충돌 시 객실의 변형을 방지함으로써 탑승자를 보호하는 강성 구조물에 사용되는 최적의 소재입니다.

핵심 구성 부품

표준 적용 사례에는 A필러, B필러, 지붕 레일, 터널 보강재, 록커 패널 및 도어 침입 방지 빔 등이 있습니다 . 최근에는 제조업체들이 전기차의 배터리 외함에 PHS를 통합하여 모듈을 측면 충격으로부터 보호하기 시작했습니다.

맞춤 특성

첨단 제조 기술을 통해 '맞춤형 템퍼링(Tailored Tempering)'이 가능해졌으며, 이는 B필러 하부와 같은 단일 부품의 특정 구역을 더 천천히 냉각시켜 부드럽고 연성 있게 유지하는 반면, 상단 부분은 완전히 경화되도록 합니다. 이러한 조합은 침투 저지와 에너지 흡수 모두에 부품을 최적화합니다.

이러한 첨단 소재를 도입하려는 제조업체의 경우, 전문 가공 업체와 협력하는 것이 필수적입니다. 예를 들어 소이 메탈 테크놀로지 과 같은 회사는 고톤수 요구사항(최대 600톤)을 처리할 수 있고 IATF 16949 표준에 따라 신속한 프로토타이핑에서 대량 생산에 이르기까지 복잡한 자동차 부품의 정밀 금형 요구사항을 관리할 수 있는 종합적인 자동차 스탬핑 부품 솔루션을 제공합니다.

결론

프레스 경화 강의 특성은 금속학과 제조 공정 간 중요한 시너지를 나타냅니다. 페라이트에서 마르텐사이트로의 상변태를 활용함으로써 설계자는 복잡한 형상을 구현할 수 있을 만큼 성형성이 뛰어나면서도 생명을 보호할 만큼 강도가 높은 소재를 얻을 수 있습니다. 강도 등급이 2000 MPa 이상으로 발전함에 따라 PHS는 자동차 안전성 및 경량화 전략의 핵심 기술로 계속 자리매김할 것입니다.

자주 묻는 질문

1. 핫 스탬핑과 프레스 경화의 차이점은 무엇인가요?

차이가 없습니다. 두 용어는 동일하게 사용됩니다. '프레스 경화'는 프레스 내에서 발생하는 금속학적 경화 공정을 의미하며, '핫 스탬핑'은 성형 방법을 의미합니다. 두 용어 모두 고강도 마르텐사이트 강 부품을 생산하기 위해 사용되는 동일한 제조 순서를 설명합니다.

2. 프레스 경화 강에 붕소(B)를 첨가하는 이유는 무엇인가요?

붕소는 소량(0.002–0.005%)을 첨가하여 강의 담금성(hardenability)을 크게 향상시킨다. 냉각 중에 더 부드러운 미세조직인 페라이트와 퍼라이트의 형성을 지연시켜, 산업용 프레스 성형 다이에서 달성되는 냉각 속도에서도 강이 완전히 마르텐자이트로 전변하도록 보장한다.

3. 프레스 경화 강재를 용접할 수 있나요?

네, PHS는 용접이 가능하지만 특정한 조건이 필요합니다. 이 재료는 일반적으로 약 0.22%의 탄소 함량을 가지므로 저항 스팟 용접(RSW)과 레이저 용접에 적합합니다. 그러나 용접 시 열영향부(HAZ)가 다소 연화되므로 설계 시 이를 고려해야 합니다. AlSi 코팅 강재의 경우, 용접 풀 오염을 방지하기 위해 코팅을 레이저 제거(레이저 어블레이션)하거나 용접 과정에서 주의 깊게 관리해야 합니다.