핫스탬핑과 LME크랙의 상관 관계

최근 차량의 서비스 수명 동안의 안전 성능이 점점 더 주목받고 있습니다. 고강도 강철을 사용하는 핫 스탬핑 부품은 더 높은 안전 수준과 경량화를 위해 널리 사용되고 있습니다. 따라서 서비스 수명 동안의 효율성을 보장하는 방법이 중요한 이슈가 되었습니다. 핫스탬핑과 LME크랙의 상관 관계에 대해 알아보려고 합니다. 핫스탬핑 부품에 치명적인 손상 중 하나는 부식으로, 이는 미세 균열과 후속 균열 성장, 심지어 부품의 파손을 유발할 수 있습니다. 플로어 미들 채널 및 도어 실과 같은 하부 핫 스탬핑 부품은 습한 환경에 노출되므로 더 높은 부식 저항 특성을 필요로 합니다.

 

핫스탬핑 코팅

전통적으로 사용되던 코팅 없는 핫 스탬핑 부품 및 Al-Si 코팅과 비교하여, 순수 Zn 코팅(GI), Zn-Fe 코팅(GA), Zn-Ni 코팅(GA) 등을 포함한 Zn 기반 코팅이 이론적으로나 실질적으로 조사되었습니다. 이러한 코팅은 핫 성형 중 산화 방지의 장점을 제공하며, 추가적인 음극 보호를 제공합니다. 그러나 낮은 융점으로 인해, Zn 코팅 강철의 핫 스탬핑은 액체 금속 유발 취성(LME) 때문에 제한됩니다. LME 문제를 해결하는 효과적인 방법은 Voestalpine이 채택하고 특허를 받은 간접 핫 스탬핑입니다. 그러나 이 방법은 최소 두 번의 공정이 필요해 비용이 상당히 높습니다.

핫스탬핑 평가 실험

자동으로 제어되는 고정 장치를 사용하여 고압 분무를 이용한 GI의 직접 핫 스탬핑에 대한 저비용 실험을 수행했습니다. 분무 강도와 핫 스탬핑 부품의 특성 간의 관계를 연구했습니다. 두께 1.4 mm의 냉간 압연 후 핫 딥 아연 도금된 22MnB5 강철을 사용했습니다. 항복 강도는 427 MPa, 인장 강도는 621 MPa, 연신율은 27%입니다. 화학 성분은 표 1에 나와 있습니다. 재료는 도어 실 형태로 레이저 커팅되었습니다. 그런 다음 이러한 도어 실 블랭크는 주변 온도에서 약 900°C까지 가열되는 다층 서랍식 노로 옮겨졌으며, 노 안에서의 시간은 300초입니다. 재료의 내부 구조가 완전한 오스테나이트 상태가 되도록 블랭크가 설정 온도에 도달할 때까지 노 안에 머물러야 합니다. 오스테나이티화 후, 가열된 블랭크는 노에서 핫 스탬핑 다이로 옮겨집니다. 이 과정에서, 고압 분무 예냉이 가열된 블랭크에 적용되어 이전 가열 과정 중에 녹은 코팅을 빠르게 고체화합니다. 냉각 끝의 목표 온도는 약 600°C입니다. 예냉 과정이 끝나면 다이가 닫힙니다. 이후 과정은 전통적인 핫 스탬핑 과정, 즉 프레스 경화 과정과 유사합니다. 아연 코팅된 PHS 강철의 핫스탬핑에 채택된 주요 과정은 다음과 같습니다.

 

핫스탬핑과 LME크랙

이 과정의 핵심은 노에서 나온 블랭크의 온도를 제어하는 것입니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 분무 노즐은 프레스 작업판에 위치하고 있으며, 노즐과 핫 스탬핑 다이 사이의 거리 및 분사 각도는 분무 효과에 따라 조정할 수 있습니다. 빨간색을 제외한 컬러 직선은 분무 범위를 나타냅니다. 분무 매체는 압축 공기와 혼합되어 분무가 물방울을 형성하지 않도록 합니다. 블랭크의 온도 값과 분포를 모니터링하기 위해 적외선 열화상이 사용됩니다. 시트의 온도 변동을 보정하기 위해, 열화상으로 수집된 온도와 분무 매체 흐름 및 압축 가스의 압력이 제어 시스템에 통합됩니다. 이 제어 시스템을 통해 분무 과정을 자동으로 제어할 수 있습니다. 이전 연구에 따르면, 매체 흐름과 공기 압력은 분무 예냉 효과에 영향을 미치는 두 가지 주요 요소입니다. 그러나 작업량 때문에, 본 논문에서는 매체 흐름만을 변수로 변경했습니다. 실험은 7 bar의 공기 압력과 함께 50 L/h 및 100 L/h의 매체 흐름으로 수행되었습니다. 시트 전송 시간은 8초이고, 분무 예냉 시간은 약간 짧아 6초입니다. 반복성을 보장하기 위해 각 공정 매개변수는 세 번 반복되었습니다. 핫 스탬핑 후, 기계적 특성, 미세 구조 및 LME 테스트를 통해 분무 예냉 공정의 타당성을 평가했습니다. A50 인장 샘플은 그림 2에 나와 있습니다.

 

핫스탬핑과 LME 상관관계

미세 구조와 LME는 광학 현미경을 사용하여 동일한 샘플로 테스트할 수 있습니다. 샘플은 프레스 경화 부품의 필렛 영역에서 레이저로 잘라내어 검사합니다. 낮은 매체 흐름과 높은 매체 흐름 후의 미세 구조는 각각 그림 4와 그림 5에 나와 있습니다. 기본 재료의 상은 거의 마르텐사이트로, 소량의 페라이트가 혼합되어 있습니다. 표면층과 기본 재료 사이에 명확한 전이층이 보이며, 이는 그림 4와 그림 5에서 모두 확인할 수 있습니다. 그러나 낮은 매체 흐름 조건에서는 전이층을 통해 기본 재료로 침투하는 10 µm 이상의 LME 균열이 관찰되는데, 이는 BMW와 BENZ 같은 자동차 제조업체의 요구 사항에 부합하지 않습니다 . 반면, 높은 매체 흐름에서는 연속적인 전이층이 형성됩니다. 결과는 가열된 블랭크 표면에 높은 매체 흐름을 가하면 녹은 Zn-코팅을 고화시켜 LME를 크게 줄이거나 억제할 수 있음을 보여줍니다.