Analysis Mechanism of Roll Forming Manufacturing Process using HIP (Hot Isostatic Press) Process

HIP(열간 등방압) 공정을 이용한 압연 롤 제조 공정의 해석 메커니즘

Abstract

During rolling, rolling mill rolls endure wear when shaping metal billets into a desired form, such as bars, plates, and shapes. Such wear affects the lifespan of the rolls and product quality. Therefore, in addition to rigidity, wear performance is a key factor influencing the performance of rolling mill rolls. Conventional methods such as casting and forging have been used to manufacture rolling mill rolls. However, powder alloying methods are increasingly being adopted to enhance wear resistance. These powder manufacturing methods include atomization, canning to shape the powder, hot isostatic pressing to combine the powder alloy with conventional metals, and various wear performance tests on rolls prepared with powder alloys. In this study, numerical simulations and experimental tests were used to develop and elucidate the wear analysis mechanism of rolling mill rolls. The wear characteristics of the rolls under various rolling conditions were analyzed. In addition, experimental tests (wear and surface analysis tests) and wear theory (Archard wear model) were used to evaluate wear. These tests were performed on two different materials in various powder states to evaluate the different aspects of wear resistance. In particular, this study identifies the factors influencing the wear behavior of rolling mill rolls and proposes an analytical approach based on the actual production of products. The developed wear analysis mechanism can serve the future development of rolls with high wear resistance using new materials. Moreover, it can be applied in the mechanical and wear performance testing of new products.

1. 서론

압연 공정은 다양한 산업분야에서 철근, 판재, 형재 등을 생산하는데 필수적인 공정 중 하나로 널리 사용되고 있다. 압연 공정에서 압연기 롤은 고온의 금속과 접촉하면서 심한 마모[1]에 노출된다. 이러한 마모는 제품의 품질과 생산성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 압연기 롤의 마모 현상을 이해하고 이를 제어하는 것은 압연 공정의 최적화와 제품 품질 향상에 매우 중요한 요소이다.

본 연구에서는 정통적인 압연 롤 제조 공정인 주조, 단조 등과 비교하여, 상대적으로 내마모성과 강성을 높이는 제조 방법 중 하나인 분말 합금 공정에 의한 압연 롤 제조공정을 연구한다. 특히 압연롤의 여러 특성 중 하나인 마모에 대한 실험적 연구뿐만 아니라 비용적, 시간적으로 유리한 시뮬레이션을 통하여 신뢰성 높은 제품을 제조하는 것이 목적이다.

또한 내마모성이 높은 분말 합금강[2]을 제조하기 위한 분말 합금강 전 공정에 대한 해석 메커니즘 연구와 함께 마모 성능을 검증한다.

그림 1은 분말 합금강 압연 롤을 제조하는 공정을 나타낸다.

Fig. 1 Manufacturing process of alloy metal for rolled products

분말 합금강 압연 롤 제조를 위한 전체적 공정은 첫번째 분말 제조 공정(powder manufacturing)으로, 분말을 위한 전극봉을 유도 전류에 의해 용융 시키고 그 용융 상태의 금속을 고속의 가스 혹은 물을 분사하여 분말의 형태로 만드는 공정이다. 특히 고온 공정에서 가능한 EIGA(electrode induction gas atomization)[3, 4] 장비를 사용하고, 이러한 방법으로 분말을 제조하는 공정을 Atomizing이라고 한다. Atomizing공정의 해석 메커니즘은 PDM(phase discrete model)[5]을 사용한다. 두 번째는 이러한 분분을 합금하기 위한 Canning공정이다. Canning공정은 일정한 형태의 Can안에 분말을 충진하고, 다른 금속 소재와 접합을 위한 HIP(hot isostatic press)[6] 공정의 전 단계이다. Canning공정에 대한 해석은 DEM(discrete element method)[7]을 사용한다. 세 번째는 Canning 되어진 것을 HIP공정을 통하여 분말을 고체(solid, ingot)형태로 만드는 공정이다.

HIP공정 해석은 열과 압력에 관한 해석으로, 특히 재질에 대한 물성치가 중요하다. 그 이유는 분말이 확산 접합을 통하여 고체가 되는 공정이므로, 고체가 된 후의 형상(profile)과 HIP공정 전후의 상대밀도(relative density)가 해석의 신뢰성에 큰 영향을 미친다. HIP공정에 사용되는 재질의 모델은 Porous Metal Plasticity[8] 재료 물성을 사용한다. 마지막으로 HIP 공정으로 만들어진 롤을 용도에 맞게 가공함으로써 일련의 합금강 롤이 만들어진다. 이러한 합금강 롤의 마모에 대한 검증을 위하여 고온 내마모[9] 등 여러가지 시험과 Archard Wear Model[10, 11]를 사용한 마모 해석을 통하여 압연 롤에 대한 마모 현상을 검증한다.

2. 본론

2.1 Powder Manufacturing Process

분말 제조 공정은 고체(solid)재료를 작은 입자로 만들어 필요에 따라 다양한 재료를 혼합하여 분말 형태로 제조하는 공정이다. 분말을 만드는 방법은 여러 가지 있으나, 고온 특성의 재질을 만들기 위한 방법인 Gas Atomization의 EIGA가 대표적이다.

Gas Atomization은 금속, 합금, 세라믹 등의 소재를 작은 입자로 분산시키는 공정으로, 고체 소재를 가열하여 높은 온도에서 가스를 분무하여 작은 입자로 분리시키는 방법이다. 이러한 분말 소재는 높은 표면적과 활성화를 얻어 다양한 응용 분야에 활용된다. 본 연구에서는 특히 분말 합금강을 만들기 위한 EIGA장비를 이용하여 분말을 제조한다.

그림 2는 EIGA장비와 제조된 분말(H&F-material)을 나타낸다.

Fig. 2 EIGA (electrode induction melting gas atomization) equipment & powder (H&F-material)

Atomization공정의 해석적 검증을 위하여 DPM(discrete phase model)의 해석 메커니즘을 이용한다. 간단하게 설명하면, DPM은 Lagrangian 관점과 불연속 관점에서의 입자 거동을 조사하게 된다. Lagrangian와 Euler의 차이점은 유체 거동이 추적 된다는 것이며, 미립자 흐름의 입자 추적을 기반으로 하는 반면, Euler는 유체 거동의 유체 흐름 경로에서 유한 체적 요소의 가정이다. 즉, Particle에 대해서는 Lagrangian로 계산하고, Particle를 포함한 Fluid는 Euler로 계산하는 방법이다. 이러한 DPM은 Particle를 포함한 Fluid의 유체 거동을 예측하기 위한 해석 모델이다.

본 연구에서는 Atomizing Process의 공정 변수(노즐설계, 분사 속도, 온도 등)를 제어하며, 최대한 일정한 크기의 분말을 생산할 수 있는 최적 조건 해석을 진행 중이며, 본 연구에 한하여 상세 결과는 생략한다. 그림 3은 EIGA장비의 간단한 모델을 선정하여 내부 유체와 Fluid의 Volume Fraction을 나타낸다.

Fig. 3 (a) Volume fraction of fluid A; (b) Volume fraction of fluid B

2.2 Canning Process

Canning Process는 Atomizing Process에서 만들어진 분말을 Canning, 즉 일정한 형태의 케이스에 분말을 넣어 다음 공정인 HIP Process를 하기 위한 Pre Process이다. Canning Process[12]의 중요한 요소는 각각 다른 크기를 가진 분말을 가능한 고르게 분포한 충진을 하는 것이다. 또한 충진 밀도를 높임으로써 분말이 고체가 된 후의 밀도(상대밀도)를 높일 수 있다. 높은 밀도의 고체가 상대적으로 강성 및 내마모성이 우수하게 나타난다. 특히 균일한 충진 분포를 위하여 Can에 진동을 주고, 재료 원가 및 가공 원가를 절감하기 위하여, 원하는 제품의 치수에 가깝게 Can의 치수를 정하는 것이 중요하다. 균일한 분말 충진을 검증하기 위하여 DEM (discrete element method) 해석 기법을 사용한다. DEM을 간단하게 설명하면, 입자 간 상호작용을 모델링 하여, 각 입자의 위치, 속도, 질량, 형태, 상호작용(stretching, bending, shearing, twisting)등을 개별적으로 시간에 따라 추적하는 방법이다.

그림 4의 (a)는 롤의 샤프트 주위를 분말로 충진하는 설계를 나타낸다. (b)는 Canning 한 후의 Can을 나타낸다.

Fig. 4 (a) Design of powder & shaft; (b) After canning process

그림 5는 DEM해석을 이용한 분말 충진 해석을 나타낸다.

Fig. 5 Powder filling analysis

2.3 HIP Process

HIP(hot isostatic press) 공정은, 금속, 세라믹, 복합재료 등의 고체 혹은 분말 소재를 고온과 고압에서 압축하는 공정이다. HIP은 소재를 고압 가스 환경에서 고온에서 압축하여, 물리적, 화학적, 미세 구조적인 소성과정으로 소재의 높은 밀도(상대밀도)와 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있다. 특히 HIP 공정을 통하여 소결(sintering)후 발생 가능성이 있는 기공(void)를 없앨 수 있으며, 이종 재질 간의 접합(diffusion bonding)도 가능하다. 합금강의 압연 롤 제조 공정에서 사용되는 방법 중의 하나이다. 이러한 HIP 공정을 통한 우수한 기계적 특성, 화학적 특성을 가진 재료로 항공우주, 자동차, 에너지 등 여러 산업분야에 활용하고 있다

본 연구에서는 압연 롤의 HIP 공정을 통하여, Canning을 한 HIP 공정후의 Can의 변형(profile)과 분말 충진 전 후의 밀도 차이(상대밀도)를 해석적으로 검증한다. 가능한 원래 제품의 치수에 가깝게 Can을 설계하는 NNS (near net shape)[13]는 상당히 중요하다. 그 이유는 분말에서 고체로 변하는 상태에서 원래 체적보다 줄어드는 수축이 발생하며, 이러한 수축에 의하여 원래 제품의 치수를 만들기 위한 초기 치수의 설계가 재료 절감 및 가공 공수 절감과 밀접한 관계가 있기 때문이다.

그림 6은 HIP 장비를 나타낸다. 그림 7은 롤 전체 공정 중 HIP 공정의 온도와 압력 Profile을 나타낸다. 상세 값은 공정상의 HIP 공정의 중요한 변수로 각 설비 및 제품에 따라 상이하므로 생략한다.

Fig. 6 HIP equipment

Fig. 7 Temp. & press profile of HIP process

열과 압력이 가해지는 HIP공정은 정통적인 열-구조 해석을 통하여 검증 가능하다. 단, 일반적인 재질이 아닌 분말에서 고체로 변하는 연속체를 해석하기 위하여 Porous Metal Plasticity 모델의 기계적 물성을 이용한다. Porous Metal Plasticity는 다공성 금속 소재의 변형 및 무너짐에 대하여 물리적 모델 및 현상을 규명하는데 사용된다. 공극이나 기공에 있는 구조로 인해 금속의 변형 특성이 변화하며, 특히 HIP 공정과 같은 압축 시 응력-변형의 거동이 일반적 연속체 거동과는 상이하다. 재료 함수 중 상대밀도(충진 전 체적 대비 HIP 공정 후 체적)에 대한 모델, 온도에 따른 모델이다.

본 연구에서는 HIP 공정 후의 변형 Profile과 상대밀도를 해석을 통하여 예측하여 NNS을 위한 설계 가이드로 활용하기 위하여 연구 진행 중이다. 그림 8은 Porous Metal Plasticity의 HIP공정 후 변형 Profile과 상대밀도를 나타낸다.

Fig. 8 (a) Deformation profile after HIP process; (b) Relative density

2.4 Roll Forming Process

분말부터 Canning, HIP 공정을 거쳐 만들어진 합금강 압연 롤은 철강 제조 공정에서 사용된다. 서론에서 설명한 것과 같이, 압연 롤은 마모성이 중요한 성능 중에 하나이다.

본 연구에서는 H재질과 F재질의 2가지 분말에 의해 만들어진 압연 롤의 마모 특성에 대하여 해석적 검증을 한다. 실험적으로는 2가지 재질의 고온 내마모 시험을 통하여 비교 검증하였으며, 조직 분석을 통해서도 내마모 성능을 예측한다.

먼저 그림 9는 H재질과 F재질의 Atomizing 공정후의 분말 상태를 나타낸다. H재질의 경우 F재질보다. 분말이 미세하며, 내마모성을 높이는 성분인 바나듐 카바이드(VC, vanadium carbides)가 미세하고 균일하게 분포하고 있다.

Fig. 9 Powder of H-material & F-material

그림 10은 고온 내마모 시험 후의 질량 감소량을 나타낸다. H재질은 -5.27E-03, F재질은 -9.43E-03으로 H재질은 F재질 대비 약 56% 마모 후 질량 감소량에서 우수한 성능을 나타낸다.

Fig. 10 Wear test of H-material & F-material

F재질 대비 H재질의 고온 내마모 성능 향상과 적은 동마찰 계수는 압연 롤의 내마모 성능을 향상시킬 수 있으며, 이러한 내마모 성능을 높이는 재질의 개발은 합금을 만드는 초기 단계인 Atomizing 공정에서 VC를 고르게 분산된 분말을 만들고, 이 분말로 최적의 HIP 공정을 통하여 Void가 제거된 미세 조직의 고강도&내마모성의 압연 롤을 제조 가능하다.

그림 11은 동마찰 계수의 비교를 나타낸다. 동마찰 시험에서의 값과 같이, H재질이 F재질 대비 동마찰 계수가 약 20% 정도 우수하게 나타난다.

Fig. 11 Friction Coefficient of H-material & F-material

그림 12는 고온 내마모 시험 후 재료의 표면 상태를 나타낸다. 상대적으로 H재질의 경우 F재질 보다 고온 내마모 시험후의 표면 상태가 우수한 것으로 판단되며, 압연 롤의 표면 상태로는 H 재질이 내마모성이 높다고 판단된다.

Fig. 12 SEM of H-material & F-material​​​​​​​

F재질 대비 H재질의 고온 내마모 성능 향상과 적은 동마찰 계수[14]는 압연 롤의 내마모 성능을 향상시킬 수 있으며, 이러한 내마모 성능을 높이는 재질의 개발은 합금을 만드는 초기 단계인 Atomizing 공정에서 VC를 고르게 분산된 분말을 만들고, 이 분말로 최적의 HIP 공정을 통하여 Void가 제거된 미세 조직의 고강도&내마모성의 압연 롤을 제조 가능하다.

본 연구에서는 이러한 2가지 재질의 마모 성능 검증을 위하여 Archard Wear Model을 이용한 해석을 함께 검증한다. 해석에 사용된 모델은 제철 공정의 특정 스탠드에서의 롤이다.

롤 모델은 축방향을 고려한 Axisymmetric 모델, 마모 성능을 고려해서는 Archard Wear Model, 해석 방법으로는 Dynamic Explicit[15]로 검증한다.

그림 13은 마모해석을 위한 축 대칭 모델을 나타낸다. 식 (1)은 Archard Wear Model의 식을 나타낸다. Archard Wear Model은 재료의 마모율과 적용된 하중 및 슬라이딩 거리 사이의 관계를 설명하는 널리 사용되는 경험적 모델이다. 이 모델은 마모율이 일반하중, 슬라이딩 거리 및 마모 계수로 알려진 무차원 상수에 비례한다고 가정한다. 마모 계수는 마모에 대한 재료의 저항을 나타내며 일반적으로 실험적으로 결정된다. 수학적으로 Archard Wear Model은 다음과 같이 식 (1)과 (2)로 표현할 수 있다.

Fig. 13 Axisymmetric model of rolling roll wear analysis​​​​​​​

\(\begin{aligned}Q=\frac{kLD}{H}, \; V=kHL \end{aligned}\)       (1)

\(\begin{aligned}\dot{w}=\frac{p v}{H}\end{aligned}\)       (2)

여기서 V는 마모량, H는 일반 하중, L은 미끄럼 거리, k는 마모 계수이다.

이 모델은 상대 운동에서 상호 작용하는 표면의 과학인 마찰 공학 연구에 널리 사용되었으며 기계 공학, 재료 과학 및 생체 의학 공학과 같은 다양한 분야에서 응용 프로그램을 찾았다. 다양한 작동 조건에서 재료의 마모 거동을 예측하고 마모를 최소화하기 위해 재료 특성 및 설계를 최적화하는 데 특히 유용하다. 본 연구에 사용된 LS-DYNA Dynamic해석 프로그램의 Archard Wear Model은 식(2)와 같다.

여기서 w는 표면 법선 방향으로의 Node마모 깊이이며, 표면 법선은 요소 법선의 평균으로 계산된다. K(p, v)는 접촉압력(p)과 슬라이딩 속도(v)의 함수이며 무차원 스케일 팩터이다. H(T)는 접착면의 경도이며, 온도의 함수이다. 따라서 고온 내마모의 경우 고온 상태의 경도를 확인한다. 본 연구에 사용된 2재질의 시험 값에 의한 LS-DYNA variable은 다음과 같다.

H재질: K=1.7E-05, Hs=2213, Hm=9528

F재질: K=1.7E-05, Hs=1265, Hm=6806

그림 14의 (a)는 압연 후 Billet의 Profile을 나타낸다. 그림 14의 (b)는 압연 중의 롤에 가해지는 힘(reaction force)를 나타낸다.

Fig. 14 (a) Profile of billet; (b) Reaction force of roll​​​​​​​

압연 전 후 Profile의 경우 Inlet에는 Round 타입의 원형에서 Roll의 형상(groove)에 의하여 Outlett에는 Oval 타입의 Profile로 생산하는 과정이다.

압연 롤의 설계시 중요한 인자 중에 하나가 압연롤에 가해지는 하중이다. Billet이 취입하는 과정과 압연이 되는 과정에서 가장 큰 하중이 발생한다. 이러한 하중에 의하여 롤의 강성 및 마모에 큰 영향을 준다. Billet과 Roll이 컨텍되는 방향은 Y축이므로, Y축의 힘이 가장 크게 발생하고 전 하중의 대부분이 Y축에 의한 하중으로 판단할 수 있다. 실제 압연롤을 제조하는 설계 관점에서 사전에 각 압연 공정의 스탠드에 맞는 롤의 강성 설계의 기준으로 활용한다. 그림 15는 H재질과 F재질의 압연 중 마모량(wear depth)[16]을 나타낸다. 그림과 같이 F재질 대비 H재질의 마모량이 적다.

Fig. 15 Wear depth of H&F material​​​​​​​

고온 내마모 시험의 결과와 동일하게 H재질이 F재질 대비 우수한 내마모 성능을 나타낸다. 단, 고온 내마모 시험은 Pin On Disk 타입의 마모 시험이며, 해석의 경우 실제 압연 공정의 설계 조건에서의 결과 이므로 정량적인 차이는 발생한다.

그림 16과 같이, 내마모성과 함께 압연 롤의 성능중 하나는 파손(파괴)이 되지 않는 것이다. F재질의 최대 주응력은 1786MPa, H재질의 최대 주응력은 2452MPa이다. 강성 해석의 결과 F재질은 785MPa, H재질은 950MPa로, 두 재질 모두 최대 주응력 이하이므로 파괴가 일어나지 않으며, 파괴 안전율 대비로는 F재질은 227%, H재질은 259%로 H재질이 F재질 대비 약 13%로 파괴에서도 유리하다.

Fig. 16 (a) Maximum principal stress of H-material; (b) Maximum principal stress of F-material​​​​​​​

본 연구와 같이 합금강으로 만들어지는 압연 롤 전 공정에 대하여 해석 메커니즘을 통하여 신뢰성 있는 제품 개발이 가능하다고 판단된다.

균일한 크기의 분말 생산, HIP을 하기위한 충진, HIP 공정을 통하여 만들어진 압연 롤은 필드에 적용하기 전에 압연 롤 제품에 대한 신뢰성을 사전에 검증하고 개선할 수 있다고 판단된다.

3. 결론

재료 개발에서부터 압연 롤 제작하는 것과, 실제 압연 공정에서의 필드 테스트는 상당히 시간과 비용이 발생한다. 해석을 통하여 상대적으로 빠른 시간과 적은 비용으로 제품에 대한 성능 검증 및 양산성 확보 등 많은 장점을 가지므로 각 개발품에 대하여 많은 적용을 통하여 신뢰성 있는 데이터를 확보한 후 제품 개발에 적용할 수 있다.

(1) 분말 합금강 제조 공정의 전 공정의 해석적 검증이 가능 하다: 분말 제조부터 Canning, HIP 공정까지 다양한 해석 모델을 통하여 신뢰성 있는 공정 해석이 가능하며, 이러한 해석 결과로 신뢰성 있는 압연 롤 제조가 가능하다.

(2) 각각의 공정에서 적용하는 해석 메커니즘을 확립한다: 분말에서 고체, 열&압력, 충돌, 마모 등 분말 합금강 롤의 제조 공정에는 다양한 해석 메커니즘이 필요하다. 이에 각 공정에 맞는 해석 메커니즘을 개발하여 적용할 수 있다.

(3) 마모에 대한 이론(Archard Wear Model) 적용 결과와 실 제품에서의 적용 결과를 검증 가능하다: H&F재질의 압연 롤 제품의 마모 성능을 검증하기 위하여 Archard Wear Model을 적용한다. Archard Wear Model에 대하여 시험 값을 적용하여 검증 한 결과, F재질 대비 H재질의 경우 약 2.3배 마모 성능이 높게 나타난다.

(4) 신제품 개발에 중요한 요소인 마모에 대한 해석 검증으로 활용 가능하다: 전반적 압연 공정에 대한 해석 메커니즘 적용을 통하여, H재질 개발에 적용하고 있으며 향후 H재질 보다 강성 및 내마모성이 높은 재질을 개발 중이며, 다른 여러 개발 제품에 적용 및 활용 가능하다.