초고강도강(알루미늄)용 고속 열간 스탬핑 생산 라인
주요 특징
이 생산 라인은 열간 스탬핑 기술을 적용하여 자동차 부품 제조 공정을 최적화하도록 설계되었습니다. 아시아에서는 열간 스탬핑, 유럽에서는 프레스 경화라고 불리는 이 공정은 원자재를 특정 온도로 가열한 후 유압 프레스 기술을 사용하여 해당 금형에 넣고 압력을 유지하면서 원하는 형상을 얻고 금속 재료의 상변화를 유도하는 방식입니다. 열간 스탬핑 기술은 직접 열간 스탬핑과 간접 열간 스탬핑으로 분류할 수 있습니다.
장점
열간압연 구조 부품의 주요 장점 중 하나는 탁월한 성형성으로, 이를 통해 뛰어난 인장 강도를 지닌 복잡한 형상을 제작할 수 있다는 점입니다. 열간압연 부품의 높은 강도는 더 얇은 금속판을 사용할 수 있게 하여 구조적 무결성과 충돌 성능을 유지하면서 부품의 무게를 줄여줍니다. 그 외의 장점은 다음과 같습니다.
접합 작업 감소:열간 스탬핑 기술은 용접이나 체결 연결 작업의 필요성을 줄여 효율성을 높이고 제품의 완성도를 향상시킵니다.
최소화된 복원력 및 뒤틀림:핫 스탬핑 공정은 부품의 스프링백 및 뒤틀림과 같은 바람직하지 않은 변형을 최소화하여 정확한 치수 정밀도를 보장하고 추가 재작업의 필요성을 줄입니다.
부품 결함 감소:열간압연 부품은 냉간성형 방식에 비해 균열이나 갈라짐과 같은 결함이 적어 제품 품질이 향상되고 폐기물이 감소합니다.
프레스 톤수 감소:열간 스탬핑은 냉간 성형 기술에 비해 필요한 프레스 톤수를 줄여 비용 절감과 생산 효율성 향상을 가져옵니다.
재료 속성 맞춤 설정:핫 스탬핑 기술은 부품의 특정 부위에 따라 재료 특성을 맞춤화할 수 있도록 하여 성능과 기능을 최적화합니다.
향상된 미세구조 개선:핫 스탬핑은 재료의 미세 구조를 개선하여 기계적 특성을 향상시키고 제품 내구성을 높일 수 있는 기능을 제공합니다.
간소화된 생산 절차:핫 스탬핑은 중간 제조 단계를 제거하거나 줄여 생산 공정을 단순화하고 생산성을 향상시키며 리드 타임을 단축합니다.
제품 적용 분야
고강도강(알루미늄) 고속 열간 스탬핑 생산 라인은 자동차 차체 부품 제조에 널리 사용됩니다. 여기에는 승용차에 사용되는 필러 어셈블리, 범퍼, 도어 빔, 루프 레일 어셈블리 등이 포함됩니다. 또한, 열간 스탬핑을 통해 구현되는 첨단 합금은 항공우주, 방위산업, 신흥 시장 등 다양한 산업 분야에서 활용도가 높아지고 있습니다. 이러한 합금은 다른 성형 방식으로는 달성하기 어려운 고강도와 경량화라는 장점을 제공합니다.
결론적으로, 고강도 강철(알루미늄) 고속 열간 스탬핑 생산 라인은 복잡한 형상의 자동차 차체 부품을 정밀하고 효율적으로 생산할 수 있도록 보장합니다. 탁월한 성형성, 접합 공정 감소, 결함 최소화, 그리고 향상된 재료 특성을 통해 이 생산 라인은 다양한 이점을 제공합니다. 승용차용 차체 부품 제조는 물론 항공우주, 방위산업 및 신흥 시장에서도 잠재적인 이점을 제공할 수 있습니다. 고강도 강철(알루미늄) 고속 열간 스탬핑 생산 라인에 투자하여 자동차 및 관련 산업에서 탁월한 성능, 생산성 및 경량 설계의 이점을 실현하십시오.
핫 스탬핑이란 무엇인가요?
유럽에서는 프레스 경화, 아시아에서는 열간 프레스 성형이라고도 하는 열간 스탬핑은 재료를 특정 온도로 가열한 후 해당 금형 내에서 압력을 가해 스탬핑 및 담금질하여 원하는 형상을 얻고 금속 재료에 상변화를 유도하는 재료 성형 방법입니다. 열간 스탬핑 기술은 초기 강도가 500~700MPa인 붕소강판을 오스테나이트화 상태로 가열한 후, 금형으로 빠르게 이송하여 고속 스탬핑하고, 금형 내에서 27°C/s 이상의 냉각 속도로 담금질한 다음, 일정 시간 동안 압력을 가하여 유지함으로써 균일한 마르텐사이트 구조를 가진 초고강도 강 부품을 얻는 기술입니다.
핫 스탬핑의 장점
향상된 최대 인장 강도와 복잡한 형상 구현 능력.
구조적 무결성과 충돌 성능은 유지하면서 더 얇은 판금을 사용하여 부품 무게를 줄였습니다.
용접이나 체결과 같은 접합 작업의 필요성이 감소했습니다.
부품의 복원력과 뒤틀림을 최소화했습니다.
균열이나 갈라짐과 같은 부품 결함이 적습니다.
냉간 성형에 비해 프레스 톤수 요구량이 낮습니다.
특정 부품 영역에 따라 재료 특성을 맞춤 설정할 수 있는 기능.
향상된 미세구조로 더욱 뛰어난 성능을 구현합니다.
간소화된 제조 공정으로, 완제품을 얻기 위한 운영 단계를 줄였습니다.
이러한 장점들은 열간압연 구조 부품의 전반적인 효율성, 품질 및 성능 향상에 기여합니다.
핫 스탬핑에 대한 자세한 정보
1. 열간 스탬핑 vs 냉간 스탬핑
열간 스탬핑은 강판을 예열한 후 수행하는 성형 공정이며, 냉간 스탬핑은 예열 없이 강판을 직접 스탬핑하는 것을 의미합니다.
냉간 스탬핑은 열간 스탬핑에 비해 분명한 장점이 있지만, 몇 가지 단점도 있습니다. 냉간 스탬핑 공정은 열간 스탬핑에 비해 더 높은 응력을 발생시키기 때문에 냉간 스탬핑 제품은 균열이나 파손에 더 취약합니다. 따라서 냉간 스탬핑에는 정밀한 스탬핑 장비가 필수적입니다.
열간 스탬핑은 강판을 고온으로 가열한 후 금형 내에서 급랭시키는 공정입니다. 이 과정을 통해 강재의 미세구조가 마르텐사이트로 완전히 변형되어 1500~2000MPa에 달하는 높은 강도를 얻게 됩니다. 따라서 열간 스탬핑 제품은 냉간 스탬핑 제품에 비해 강도가 훨씬 높습니다.
2. 열간 스탬핑 공정 흐름도
"프레스 경화"라고도 하는 열간 스탬핑은 초기 강도가 500~600MPa인 고강도 판재를 880~950°C 사이의 온도로 가열하는 공정입니다. 가열된 판재는 금형 내에서 빠르게 스탬핑되고 담금질되어 20~300°C/s의 냉각 속도를 얻습니다. 담금질 과정에서 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되면서 부품의 강도가 크게 향상되어 최대 1500MPa의 강도를 가진 스탬핑 부품을 생산할 수 있습니다. 열간 스탬핑 기술은 직접 열간 스탬핑과 간접 열간 스탬핑의 두 가지 범주로 분류할 수 있습니다.
직접 열간 스탬핑 방식에서는 예열된 블랭크를 밀폐된 금형에 직접 투입하여 스탬핑 및 냉각 과정을 진행합니다. 이후 냉각, 모서리 다듬기, 구멍 뚫기(또는 레이저 절단), 표면 세척 등의 공정을 거칩니다.
특징 1: 핫 스탬핑 가공 모드 - 직접 핫 스탬핑
간접 열간 스탬핑 공정에서는 가열, 열간 스탬핑, 모서리 다듬기, 구멍 뚫기 및 표면 세척 단계에 들어가기 전에 냉간 성형 예비 성형 단계를 수행합니다.
간접 열간 스탬핑과 직접 열간 스탬핑 공정의 주요 차이점은 간접 방식에서는 가열 전에 냉간 성형 예비 성형 단계를 거치는지 여부에 있습니다. 직접 열간 스탬핑에서는 판금을 가열로에 직접 투입하는 반면, 간접 열간 스탬핑에서는 냉간 성형된 예비 성형품을 가열로에 투입합니다.
간접 열간 스탬핑 공정 흐름은 일반적으로 다음과 같은 단계를 포함합니다.
냉간 성형 예비 성형 - 가열 - 열간 스탬핑 - 모서리 다듬기 및 구멍 뚫기 - 표면 세척
기능 2: 핫 스탬핑 가공 모드 - 간접 핫 스탬핑
3. 열간 스탬핑의 주요 장비에는 가열로, 열간 성형 프레스 및 열간 스탬핑 금형이 포함됩니다.
난방로:
가열로는 가열 및 온도 제어 기능을 갖추고 있으며, 고강도 강판을 지정된 시간 내에 재결정 온도까지 가열하여 오스테나이트 상태를 얻을 수 있습니다. 또한 대규모 자동 연속 생산 요구 사항에 적응할 수 있어야 합니다. 가열된 빌릿은 로봇이나 기계 팔로만 취급할 수 있으므로, 높은 위치 정밀도를 갖춘 자동 적재 및 하역 시스템이 필수적입니다. 더불어 코팅되지 않은 강판을 가열할 경우, 빌릿의 표면 산화 및 탈탄을 방지하기 위해 가스 보호 장치를 설치해야 합니다.
열간 성형 프레스:
열간 성형 기술의 핵심은 프레스입니다. 빠른 성형 및 고정 능력은 물론 급속 냉각 시스템까지 갖춰야 합니다. 열간 성형 프레스의 기술적 복잡성은 기존의 냉간 성형 프레스보다 훨씬 높습니다. 현재 이러한 프레스의 설계 및 제조 기술을 습득한 해외 기업은 소수에 불과하며, 모두 수입에 의존하고 있어 가격이 비쌉니다.
핫 스탬핑 금형:
열간 스탬핑 금형은 성형 및 담금질 단계를 모두 수행합니다. 성형 단계에서는 빌릿이 금형 캐비티에 공급되면 금형이 신속하게 스탬핑 공정을 완료하여 재료가 마르텐사이트 변태를 일으키기 전에 부품 성형이 완료되도록 합니다. 그런 다음 담금질 및 냉각 단계로 넘어가는데, 이 단계에서는 금형 내부의 공작물에서 발생하는 열이 금형으로 지속적으로 전달됩니다. 금형 내부에 설치된 냉각 파이프를 통해 흐르는 냉각수를 이용하여 열을 즉시 제거합니다. 마르텐사이트-오스테나이트 변태는 공작물 온도가 425°C까지 떨어지면 시작됩니다. 마르텐사이트와 오스테나이트 사이의 변태는 온도가 280°C에 도달하면 완료되며, 공작물은 200°C에서 금형에서 꺼냅니다. 금형의 홀딩은 담금질 과정에서 발생하는 불균일한 열팽창 및 수축을 방지하여 부품의 형상과 치수 변화를 막고 불량품 발생을 방지하는 역할을 합니다. 또한, 공작물과 금형 사이의 열 전달 효율을 향상시켜 신속한 담금질 및 냉각을 촉진합니다.
요약하자면, 열간 스탬핑의 주요 장비는 원하는 온도를 얻기 위한 가열로, 빠른 스탬핑 및 고정을 위한 급속 냉각 시스템을 갖춘 열간 성형 프레스, 그리고 적절한 부품 성형과 효율적인 냉각을 보장하기 위해 성형 및 담금질 단계를 모두 수행하는 열간 스탬핑 금형으로 구성됩니다.
담금질 냉각 속도는 생산 시간뿐만 아니라 오스테나이트와 마르텐사이트 간의 상변환 효율에도 영향을 미칩니다. 냉각 속도는 형성되는 결정 구조의 종류를 결정하며, 가공물의 최종 경화 효과와도 관련이 있습니다. 붕소강의 임계 냉각 온도는 약 30℃/s이며, 냉각 속도가 이 임계 냉각 온도를 초과할 때만 마르텐사이트 구조 형성이 최대한 촉진됩니다. 냉각 속도가 임계 냉각 속도보다 낮으면 가공물의 결정 구조에 베이나이트와 같은 비마르텐사이트 구조가 나타납니다. 그러나 냉각 속도가 높을수록 좋다는 것은 아니지만, 냉각 속도가 너무 높으면 성형품에 균열이 발생할 수 있으므로, 재료 구성 및 가공 조건에 따라 적절한 냉각 속도 범위를 결정해야 합니다.
냉각관 설계는 냉각 속도와 직접적인 관련이 있기 때문에, 일반적으로 최대 열전달 효율을 고려하여 설계됩니다. 따라서 설계된 냉각관의 방향은 복잡하며, 주형 주조 완료 후 기계 가공으로 구현하기 어렵습니다. 기계 가공의 제약을 피하기 위해 주형 주조 전에 냉각수 통로를 확보하는 방법이 일반적으로 선택됩니다.
고온에서 880~950℃에 이르는 극한의 냉온 교대 조건에서 장시간 작동해야 하므로, 열간 스탬핑 금형 재질은 우수한 구조적 강성과 열전도율을 가져야 하며, 고온에서 빌릿에 의해 발생하는 강한 열 마찰과 탈착된 산화막 입자의 마모 효과에 견딜 수 있어야 합니다. 또한, 금형 재질은 냉각수에 대한 내식성도 뛰어나야 냉각관의 원활한 흐름을 보장할 수 있습니다.
다듬기 및 피어싱
열간 스탬핑 후 부품의 강도가 약 1500MPa에 달하기 때문에 프레스 절단 및 펀칭을 사용할 경우 장비 톤수가 더 많이 요구되고 금형 절단면의 마모가 심각해집니다. 따라서 모서리 및 구멍 절단에는 레이저 절단 장비가 자주 사용됩니다.
4. 열간압연강의 일반적인 등급
스탬핑 전 성능
스탬핑 후 성능
현재 일반적으로 사용되는 열간압연강은 B1500HS입니다. 압연 전 인장강도는 보통 480~800MPa이며, 압연 후에는 1300~1700MPa까지 높아질 수 있습니다. 즉, 480~800MPa의 인장강도를 가진 강판을 열간압연 성형을 통해 약 1300~1700MPa의 인장강도를 가진 부품으로 만들 수 있다는 뜻입니다.
5. 열간압연강의 사용
핫 스탬핑 부품을 적용하면 자동차의 충돌 안전성을 크게 향상시키고 차체 경량화를 실현할 수 있습니다. 현재 핫 스탬핑 기술은 차체, A필러, B필러, 범퍼, 도어 빔, 루프 레일 등 승용차의 차체 하부 부품에 적용되고 있습니다. 경량화에 적합한 부품의 예는 아래 그림 3을 참조하십시오.
그림 3: 열간압연에 적합한 백색 본체 부품
그림 4: 장동기계 1200톤 열간압착 프레스 라인
현재 장둥기계(JIANGDONG MACHINERY)의 열간압착 유압 프레스 생산 라인 솔루션은 매우 성숙하고 안정적이며, 중국 열간압착 성형 분야에서 선도적인 수준에 속합니다. 당사는 중국 공작기계협회 단조기계분과 부회장 단위이자 중국 단조기계 표준화 위원회 회원 단위로서, 국가 초고속 철강 및 알루미늄 열간압착 연구 및 응용 사업을 수행하여 중국은 물론 전 세계 열간압착 산업 발전에 크게 기여해 왔습니다.
