금형 마모 문제 해결: 스탬핑 다이의 주요 마모 메커니즘

TL;DR

금형의 마모 메커니즘은 주로 공구와 시트 금속 사이의 강한 마찰과 압력에 의해 발생한다. 두 가지 기본 유형은 마모 경질 입자들이 다이 표면을 긁어내는 마모인 마모성 마모와 접착 마모(갈링) 표면 간의 재료 이동 및 미세 용접으로 인해 발생하는 부착 마모이다. 최근 코팅된 강판의 경우, 시트에서 떨어져 나온 단단한 코팅 잔해가 도구 표면에 응집되면서 마모를 가속화하고 금형 수명을 단축시키는 주요 메커니즘이다.

기본 메커니즘: 마모성 마모 대 부착 마모

스탬핑 다이의 수명과 성능을 이해하려면 공구-작업물 계면에서 발생하는 두 가지 주요 마모 메커니즘인 연마 마모와 접착 마모를 인식하는 것으로 시작해야 한다. 이 두 가지는 종종 동시에 발생하지만, 서로 다른 물리적 과정에 의해 유도된다. 금형의 마모는 시트 금속과 공구 표면 간의 슬라이딩 접촉 중 발생하는 마찰로 인해 직접적으로 발생하며, 이는 재료의 손실이나 변위로 이어진다.

연마 마모는 경량 입자가 표면에 가해지고 그 위를 이동함으로써 발생하는 기계적 표면 열화 현상이다. 이러한 입자는 여러 가지 출처에서 발생할 수 있으며, 판금의 미세조직 내 존재하는 경질 상, 표면의 산화물, 또는 특히 프레스 경화용 강재의 Al-Si 층과 같은 경질 코팅에서 파손된 조각 등이 있다. 이러한 입자들은 절삭 공구처럼 작용하여 더 부드러운 다이 소재에 홈과 긁힌 자국을 만든다. 공구강의 연마 마모 저항성은 그 경도와 미세조직 내 경질 탄화물의 체적 비율과 밀접한 관련이 있다.

반면 접착 마모는 두 접촉 표면 사이의 재료 이동을 포함하는 더 복잡한 현상이다. 프레스 성형 중 발생하는 막대한 압력과 열에 의해 다이와 시트 금속 표면의 미세한 요철(마루)들이 국소적인 미세 용접부를 형성할 수 있다. 표면들이 계속해서 미끄러질 때, 이러한 용접 부위가 파손되면서 더 약한 표면(일반적으로 공구)에서 작은 조각들이 찢겨 나오고 다른 쪽으로 이전된다. 이 과정은 전이된 재료가 다이에 축적되어 상당한 표면 손상, 마찰 증가 및 부품 품질 저하를 초래하는 심각한 형태로 악화될 수 있는데, 이를 가ling 라고 한다.

이 두 메커니즘은 종종 서로 얽혀 있다. 접착 마모로 인해 생성된 거친 표면은 더 많은 연마 입자를 포획하여 연마 마모를 가속화할 수 있다. 반대로, 연마 마모로 인한 홈은 잔여물이 축적되는 핵 생성 지점이 되어 접착 마모를 유발할 수 있다. 다이 수명을 효과적으로 관리하기 위해서는 이러한 두 가지 근본적인 고장 모드 모두를 해결하는 전략이 필요하다.

이들 간의 차이점을 명확히 하기 위해 다음 비교를 고려하십시오:

판재 코팅과 마모 잔여물의 응집의 중요성

기존 모델은 연마 및 접착 마모에 초점을 맞추지만, AlSi 코팅된 첨단 고강도 강철(AHSS)과 같은 현대 소재 프레스 성형에서는 더 미묘한 메커니즘이 주요 마모 원인이 된다. "MDPI"에서 발표된 상세 연구와 같은 연구 결과에 따르면, 주요 마모 메커니즘은 종종 판재 코팅으로부터 발생하는 MDPI의 윤활제 일기 에서 밝혀진 바와 같이, 주요 마모 메커니즘은 종종 판재 코팅으로부터 발생하는 느슨한 마모 잔류물의 응집 이다. 이는 마모에 대한 이해를 단순한 공구강 간 상호작용에서 벗어나 제3의 물체인 코팅 잔류물 자체가 포함된 더 복잡한 마찰학 시스템으로 전환시킨다.

프레스 경화 강재에 적용된 AlSi 코팅은 고온에서의 산화 및 탈탄소를 방지하기 위해 설계되었다. 그러나 가열 과정 중 이 코팅은 단단하고 취성인 금속간 화합물 상으로 변한다. 보고된 경도 값이 7~14GPa 범위인 이러한 금속간 층은 경화 공구강(일반적으로 약 6~7GPa)보다 훨씬 더 단단하다. 스탬핑 공정 동안 이 취성 코팅은 다이와의 강한 슬라이딩 마찰과 기저 강재 기판의 심각한 소성 변형이라는 두 가지 주요 원인으로 인해 파손된다. 이로 인해 단단한 코팅 입자로 구성된 미세하고 연마성 있는 '분진'이 발생한다.

이 잔해는 공구와 작업물의 접촉면에 갇히게 된다. 성형 주기 동안 발생하는 높은 압력과 온도 하에서, 이러한 미세한 입자들이 가공 흔적이나 초기 마모 홈과 같은 다이 표면의 미세한 불균일 부위에 밀려 들어간다. 반복적인 성형 사이클이 진행됨에 따라 이 잔해물이 점점 축적되어 조밀하고 유약처럼 생긴 층을 형성하게 되며, 이 층은 기계적으로 공구에 고정된다. 이 과정은 프레스 성형 시 마찰과 소재 변형이 최고조에 달하는 드로잉 반경과 같은 고압 구역에서 특히 심각하게 나타난다.

이 마모의 형태는 위치에 따라 달라진다. 드로잉 반경부에서는 '대량적인 재료 이전(material transfer)'으로 나타나며, 두껍고 치밀한 층을 형성하여 다이(die)의 형상을 변화시킬 수 있다. 압력이 낮은 평탄한 표면에서는 '산재한 재료 이전'으로 나타나 탁한 가장자리 또는 반점들이 생길 수 있다. 이러한 메커니즘은 마모가 순전히 화학적 문제라기보다는 종종 기계적·위상학적 문제임을 시사한다. 공구의 초기 표면 마감 상태가 매우 중요하며, 미세한 결함이라도 잔해물이 축적되기 시작하는 고정점 역할을 할 수 있다. 따라서 표면 손상의 *발생*을 방지하는 것이 이러한 공격적인 형태의 마모를 완화하는 핵심 전략이다.

다이 마모를 가속화하는 주요 요인

금형 마모는 기계적, 재료적, 공정 관련 요인의 복합적인 작용으로 가속되는 다면적인 문제입니다. AHSS와 같은 고강도 재료로의 전환은 이러한 변수들의 영향을 더욱 크게 만들었으며, 이로 인해 공정 제어가 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 이러한 요인들을 이해하는 것은 효과적인 마모 완화 전략을 수립하기 위한 첫 번째 단계입니다.

접촉 압력 및 재료 특성 은 아마도 가장 중요한 원인입니다. AHSS 성형에는 연강에 비해 훨씬 더 높은 힘이 필요하므로 금형에 가해지는 접촉 압력이 비례하여 증가합니다. 또한 일부 AHSS 등급의 경도는 도구강 자체의 경도에 근접할 수 있어 마모를 심화시키는 거의 동등한 경도 조합을 만들어냅니다. 무게를 줄이기 위해 AHSS와 함께 종종 사용되는 얇은 시트 두께는 주름 발생 경향을 증가시키며, 이를 억제하기 위해 더 높은 블랭크 홀더 힘이 필요하게 되어 국부적인 압력과 마모를 추가로 증가시킵니다.

윤활 금형과 작업물 표면을 분리하는 데 중요한 역할을 합니다. 부적절하거나 잘못된 윤활은 보호막을 형성하지 못하게 되어 금속 간 직접 접촉이 발생하게 됩니다. 이는 마찰을 급격히 증가시키고 과도한 열을 발생시키며, 부착 마모 및 긁힘 현상의 주요 원인이 됩니다. 고강도 강판(AHSS) 성형 시 발생하는 높은 압력과 온도는 일반적으로 극압(EP) 첨가제를 포함하는 고품질 윤활유를 필요로 합니다.

금형 설계 및 표면 마감 또한 중요합니다. 펀치와 다이 사이의 간격 설정이 부적절하면 절단 하중과 마모가 증가할 수 있습니다. 예를 들어, AHSS Guidelines 에 따르면, DP590 강재의 경우 권장 간격이 15%일 수 있으나, 기존 HSLA 강재의 경우 10%가 권장됩니다. 공구의 표면 마감이 좋지 않으면 미세한 돌기와 오목부가 생겨 잔류물 응집 및 긁힘의 핵 생성 지점으로 작용합니다. 이러한 앵커 포인트를 줄이기 위해 코팅 전후로 공구를 매우 매끄럽게 연마(Ra < 0.2 μm)하는 것이 바람직한 방법입니다.

다음 표는 이러한 주요 요인들과 그 영향을 요약한 것입니다:

완화 전략: 다이 수명 향상

금형의 수명을 연장하기 위해서는 고급 재료, 정교한 표면 처리 및 최적화된 공정 제어를 결합하는 종합적인 접근이 필요합니다. 최근 고강도 강재를 다룰 때는 전통적인 방법만으로는 충분하지 않은 경우가 많습니다.

주요 전략은 고급 공구강 의 선택입니다. D2와 같은 기존 공구강은 수십 년 동안 주력 소재로 사용되어 왔지만, AHSS(고급 고강도 강판) 가공 시 종종 한계에 도달합니다. 분말야금(PM) 공구강은 중요한 업그레이드 옵션입니다. 원자화된 금속 분말로부터 제조되는 PM 강은 훨씬 더 미세하고 균일한 미세조직을 가지며, 탄화물이 고르게 분포되어 있습니다. 이는 일반적으로 생산되는 강철에 비해 인성과 내마모성의 우수한 조합을 제공합니다. 다음 사례 연구에서 강조된 바와 같습니다. AHSS 인사이트 d2에서 더 강한 PM 공구강으로 교체하여 컨트롤 암을 성형할 경우 공구 수명이 약 5,000~7,000 사이클에서 40,000~50,000 사이클로 증가한다는 것이 입증되었습니다. 이러한 수준의 성능을 달성하려면 전문 기업과의 협력이 종종 필요합니다. 예를 들어, Shaoyi (Ningbo) Metal Technology Co., Ltd. 은 맞춤형 자동차 스탬핑 다이 제작에 중점을 두고 선진 소재와 공정을 활용하여 OEM 및 1차 부품 공급업체의 공구 수명을 극대화하고 있습니다.

표면 처리 및 코팅 또 다른 강력한 방어선을 제공해 줄 것입니다. 목표는 가려움증과 접착성 마모에 저항하는 단단하고 마찰력이 낮은 표면을 만드는 것입니다. 일반적인 최선 방법은 두중 처리입니다. 첫째, 이온 질소화와 같은 과정은 도구 철기 기판을 단단히 하여 단단한 토대를 제공하여 코팅 아래에서 변형되는 것을 방지합니다. 그 다음에는 물리 증기 퇴적 (PVD) 코팅이 적용됩니다. 티타늄 나이트라이드 (TiN), 티타늄 알루미늄 나이트라이드 (TiAlN), 크롬 나이트라이드 (CrN) 와 같은 PVD 코팅은 매우 단단하고 윤활성하며 마모에 저항하는 장벽을 만듭니다. PVD는 열처리 된 도어 변형 또는 부드럽게 될 위험을 피하는 낮은 온도 과정이기 때문에 화학 증기 퇴적 (CVD) 보다 종종 선호됩니다.

마지막으로, 프로세스 및 디자인 최적화 결정적인 것입니다. 이 는 올바른 펀치-투-다이 (punch-to-die) 청결 을 보장 하는 것, 고도로 닦은 도구 표면을 유지 하는 것, 그리고 견고한 윤활 계획 을 실행 하는 것 을 포함 합니다. 다이 유지 및 설치를 위한 실용적인 체크리스트에는 다음이 포함되어야 합니다.

• 마모 또는 재료 축적의 첫 번째 징후를 위해 중요한 반지름과 가장자리를 정기적으로 검사합니다.
• 마모 패턴을 모니터링하여 정렬 또는 압력 분포에 대한 잠재적 문제를 식별합니다.
• 불균형 로딩을 방지하기 위해 정밀한 프레스 및 다이 정렬을 보장합니다.
• 일관성 있고 적절한 적용을 보장하기 위해 윤활 시스템을 유지합니다.
• 발열의 초기 징후를 제거합니다.

이러한 첨단 재료, 표면 및 공정 전략을 통합함으로써 제조업체는 스탬핑 다이의 주요 마모 메커니즘을 효과적으로 퇴치하고 도구의 수명, 부품 품질 및 전반적인 생산 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

자주 묻는 질문