Characterization of Product Surface according to Tool Surface Conditions when Forming TRIP1180 Steel Sheets with PVD CrN-coated Tools

PVD CrN 코팅 금형의 TRIP1180 판재 성형 시 금형의 표면상태에 따른 제품 표면특성 평가

Abstract

This study conducted the wear tests on bending punches coated with PVD CrN and examined the surface quality of the product formed by each punch in the forming of uncoated TRIP1180 sheets. The study quantitatively estimated the surface quality of the product by measuring the roughness and imaging the product surface. The correlation between the punch wear depth and the product surface roughness was quantitatively analyzed. The results showed that before failure occurs, the product roughness was comparable with that of the as-received, and the product surface was smooth without scratches and defects. However, after failure, the punch wear is caused by fretting wear mechanism, and a punch whose coating is not completely peeled plows the product surface, resulting in severe scratches with grooves and ridges on the product surface. Severe wear on the punch surface caused by fretting wear can rapidly degrade the product surface quality as it is directly affected by the punch surface condition, and the product surface quality accurately reflects the punch wear condition.

1. 서론

최근 자동차 산업에서는 배터리 및 수소 자동차와 같은 친환경 차량에 대한 수요가 증가하면서 차량 무게 감소에 대한 요구가 커지고 있다. 차체의 경량화는 초고강도 강판(advanced high-strength steel, AHSS), 알루미늄 합금(aluminum alloys), 마그네슘 합금(magnesium alloys), 탄소 섬유 강화 플라스틱(carbon-fiber reinforced composites, CFRP), 유리섬유 복합체(glass fiber composites)와 같은 경량 소재의 대체로 이뤄질 수 있다. 이러한 경량 소재 중에서 AHSS는 차체 부품 제조 공정에서 가장 경제적이지만 가장 무겁다[1-3]. 또한, Sun 등[4]은 AHSS, 알루미늄 합금, 탄소 섬유 강화 플라스틱의 단위 무게당 온실가스 배출량을 평가하였으며 AHSS의 이산화탄소 배출량이 가장 낮다는 것을 확인하였다. Safari 등[5]은 다양한 차체 충돌 시뮬레이션을 통해 AHSS가 우수한 충돌 안전 성능을 보인 것을 확인하였다. AHSS의 무게 대비 높은 강성과 우수한 충돌 안전성능, 낮은 온실가스 배출량으로 인해 AHSS의 차체적용 비율이 최근 몇 년간 상당히 증가하였다[6]. AHSS는 낮은 균일 연신율과 높은 인장강도로 인해 성형 시 낮은 성형성과 높은 스프링백 특성을 보이며 금형 접촉면에서 높은 접촉압력으로 인해 예상보다 이른 금형 마모를 초래한다.

금형 마모는 생산성 감소, 유지보수 비용 증가, 제품 표면 품질 감소와 같은 다양한 문제를 야기시킨다. 따라서, 효율적인 금형 관리 및 마모수명 개선을 위한 다양한 연구들이 수행되어 왔다. 금형의 거친 표면이나 가공 오차는 마모에 취약하며, 마모 수명 저하에 상당한 영향을 미친다[7, 8]. 금형 표면의 충분한 연마를 통해 마모 시작 지점으로 작용할 수 있는 불균일한 표면을 제거함으로써 금형 마모 수명이 상당히 연장될 수 있다[9-11]. 금형 내마모성을 향상시킬 수 있든 다른 방법은 코팅 기술이다. 판재 성형공정에서 다양한 코팅 종들의 내마모성과 마모 특성을 비교 평가하였다[12-14]. 또한, 금형강은 판재 성형 공정에서 내마모성을 향상시키기 위해 고려해야 하는 중요한 요소이다. 기계적 합금화 시간, 합금 원소의 첨가량, 그리고 열처리 변수와 같은 다양한 변수의 제어를 통해 금형 내마모성에 미치는 영향을 확인하였으며, 최적의 조건을 제안하였다[15-20].

앞서 언급한 논문들은 금형의 내마모성에 영향을 미치는 다양한 금형 및 공정 매개변수를 조절하여 금형의 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 금형 마모를 효과적으로 지연시키고 공정의 유지보수 비용을 줄일 수 있다. 금형 마모는 금속 판재의 성형공정에서 제품 표면과 직접적인 접촉으로 인해 제품 표면 품질에 직접적인 영향을 미치며, 제품 표면은 금형과의 누적되는 상대 접촉으로 인해 품질이 저하된다. 따라서, 제품 표면 품질의 정량적인 평가 및 금형 마모 상태와의 상관관계 분석을 통해 제품 표면 품질을 통한 금형의 마모 상태를 예측할 수 있다. 그러나 금속 판재 성형 공정에서 금형 마모 특성이 제품 표면 품질에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 없다.

본 연구에서는 PVD CrN 코팅 금형의 TRIP1180 강판의 성형 공정에서 금형 표면 특성이 제품 표면 품질에 미치는 영향을 연구하였다. 프로그레시브 금형(Progressive die set)을 이용하여 연속적이고 효율적인 마모실험을 수행하였다. PVD CrN 코팅 금형으로 성형된 제품의 표면 품질 특성을 성형 타수에 따라서 정량적으로 평가하였다. 성형 타수에 따른 금형 마모 특성이 제품 표면 특성에 미치는 영향을 확인하였다.

2. 마모실험 구성

2.1 연속 마모 실험법

본 연구에서는 연속적이고 효율적인 마모 실험을 위해 프로그레시브 금형을 사용하였다. 프로그레시브 금형은 여러 세분화된 금속 가공 공정이 포함되도록 설계되며, 판재가 각 공정을 통과하면서 최종 제품 형상으로 성형된다. 따라서 추가적인 시편 가공이 필요 없으며, 일정한 작업 속도로 지속적인 성형이 가능하기 때문에 상당히 많은 시간, 판재 및 노동력이 요구되는 판재 성형 공정에서의 금형 마모 실험에 적합하다. 프로그레시브 금형의 금속 가공 공정 레이아웃은 Figs. 1(a) and (b)에 도시하였다. 금속 가공 공정은 피어싱(Piercing), 펀칭(Punching), 벤딩(Bending) 및 파팅(Parting) 공정을 포함하도록 설계하였다. 피어싱(OP1)은 원통형 전단 펀치를 이용하여 판재에 구멍을 뚫는 공정이며, 이 구멍을 통해 75.0 mm의 일정한 간격과 속도로 금형에 공급한다. 펀칭(OP2, OP4, OP5)은 직육면체 전단 펀치를 이용하여 폭 20.0 mm와 높이 57.5 mm의 블랭크 형상을 만드는 공정이다. 벤딩(OP7, OP9)은 벤딩 펀치를 이용하여 블랭크를 성형하는 공정이며, 이 과정 중에서 벤딩 펀치 표면에서 마모가 발생한다. 펀치 스트로크는 35.0 mm이며, 4가지 벤딩 펀치의 마모를 동시에 실험할 수 있도록 설계하였다. 파팅(OP10)은 전단 펀치를 이용하여 판재로부터 성형 제품을 절단하는 공정이다. 프레스 속도는 15 spm(stroke per minute)을 적용하였다. Fig. 1(c)는 설계한 금형으로 성형된 코일 판재 샘플이며, 각 공정의 이해를 돕는다. 실험 장치 및 프로그레시브 금형에 대한 자세한 정보는 Bang 등[21]의 논문을 참고하였다.

Fig. 1 Layout of progressive die set: (a) Side view; (b) Front view; (c) steel strip[21]

2.2 펀치 형상

판재 성형공정에서 접촉압력(Contact pressure)과 미끌림 거리(Sliding distance)는 금형 마모 수명에 상당한 영향을 미친다[22, 23]. 성형공정에서 금형 마모는 접촉압력과 미끌림 거리가 집중되는 금형의 곡률부에서 발생한다. 마모 실험에 사용된 벤딩 펀치의 형상은 Fig. 2와 같이 판재 성형 시 벤딩 펀치의 곡률부에 접촉압력과 미끌림 거리가 집중하도록 설계하였으며, 곡률반경은 3.0 mm이다. 벤딩 펀치의 마모측정 및 교체가 용이하도록 인서트 형태로 만들었다. 벤딩 펀치 설계에 대한 자세한 정보는 Bang 등[21]의 논문을 참고하였다.

Fig. 2 Bending punch design used for wear test[21]

2.3 재료 물성

판재는 두께가 1.2 mm인 TRIP1180이며 인장 물성은 Table 1에 정리하였다. TRIP1180 판재의 비커스 경도는 373.2±7.1 HV_0.1이다. 마모 실험에 사용된 벤딩 펀치는 POSCO 포항 제철소의 Steel Tool Die(STD)-1 금형강과 BÖHLER사의 K340 금형강을 사용하였다. STD-11과 K340 금형강의 비커스 경도는 각각 788.5±12.2 HV0_0.1과 831.3±14.4 HV_0.1이다. 벤딩 펀치의 코팅은 올리콘발저스코팅코리아(유)에서 수행하였다. 벤딩 펀치 표면에 PVD (Physical vapor deposition) 방법을 사용하여 CrN을 증착하였으며 코팅 두께는 13.4±0.4 μm이다. CrN 코팅의 비커스 경도는 2,105.9±15.5 HV0_0.08이다.

Table 1 Tensile properties of TRIP1180 1.2t steel sheet[21]

2.4 실험 조건

벤딩 펀치의 마모 특성을 평가하고, 이 마모가 제품의 표면 품질 특성에 미치는 영향을 비교 평가하였다. Table 2는 마모실험에 사용된 각 벤딩 펀치의 제작 조건을 보여준다. 서로 다른 금형강인 STD-11과 K340으로 만든 두 벤딩 펀치의 내마모성을 비교하고 벤딩 펀치의 표면상태가 제품 표면 품질에 미치는 영향을 확인하였다. 두 벤딩 펀치 모두 마모가 발생할 것으로 예상되는 곡률부의 반경은 3.0 mm이며, PVD CrN으로 코팅하였다.

Table 2 Manufacturing conditions of bending punches used in wear test

2.5 제품 표면 품질 측정

각 벤딩 펀치에 의해 성형된 제품의 표면 품질을 평가하였다. 제품 표면의 타수당 품질 변화를 평가하기 위해 500 타수마다 제품을 취득하였다. 제품의 표면 특성을 평가 하기 위해 조도를 측정하였으며, 표면 상태를 관찰하였다. 측정 장비는 3차원 이미지 처리 및 표면 프로파일링이 가능한 OLYMPUS사의 공초점 레이저 스캐닝 현미경(Confocal laser scanning microscopy, CLSM)을 사용하였다. Fig. 3은 벤딩 공정에서 펀치에 의해 성형된 제품과 조도 측정 위치를 보여준다. Fig. 3의 왼쪽 이미지에서 빨간색으로 강조된 부분은 펀치와 접촉하는 영역이며, 해당 영역의 조도를 측정하였다. 제품의 맨 아래부터 미끌림 접촉 방향으로 5 mm 간격으로 30 mm까지 조도와 이미지를 관찰하였다. 정밀한 조도 측정을 위해 50배 대물렌즈를 사용하였으며, 컷오프는 1/3을 설정하였다. 평가 영역의 크기는 가로와 세로가 모두256 μm이다. 조도 평가는 가장 널리 사용되는 Sa(Arithmetical mean height)를 사용하였으며 다음과 같다.

Fig. 3 Location of roughness measurement on product surface and examples of observed imaged at each location

\(\begin{aligned}S a=\frac{1}{A} \iint_{A}|Z(x, y)| d x d y\end{aligned}\)       (1)

As-received의 조도(Sa)는 0.582±0.018 μm이다.

3. 마모실험 결과 및 고찰

3.1 제품 표면 상태

각 벤딩 펀치로 성형된 제품의 표면 품질을 정량적으로 평가하였다. 제품 표면의 타수당 상태 변화를 확인하기 위해, 500타의 주기로 제품 샘플을 확보하였다. 마모실험은 제품 표면에 심각한 스크래치나 결함이 육안으로 확인될 때까지 수행하였다. Bang 등[24]은 판재 성형공정에서 CrN코팅 금형의 금형강 경도 특성이 내마모성에 미치는 영향을 실험을 통해 평가하였으며, 금형강의 경도가 높을수록 CrN 코팅 금형의 내마모성이 향상된다는 것을 확인하였다. 펀치1은 16,500타까지 마모실험을 수행하였으며, 펀치2의 K340 금형강은 펀치1의 STD-11금형강보다 높은 경도를 가지기 때문에, 25,500타까지 마모실험을 수행하였다. Fig. 4는 각 벤딩 펀치로 성형된 제품 표면에서 측정된 조도와 표면상태를 보여준다. 펀치 1로 성형된 제품의 경우(Fig. 4(a)), 16,000타까지 관찰된 제품 표면은 스크래치나 결함 없이 매끄러운 것을 확인할 수 있으며, 측정된 조도도 asreceived의 조도(0.582±0.018 μm)와 비슷한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 16,500타에서 성형된 제품 표면의 품질은 급격히 감소하였다. 20, 25, 30 mm의 측정위치에서 성형방향으로 스크래치가 관찰되었으며, 약 1.0 μm의 조도가 측정되었다. 펀치 2로 성형된 제품의 경우(Fig. 4(b)), 25,000타까지 관찰된 제품 표면은 스크래치 없이 우수한 표면 품질을 보이며, 조도 또한 as-received와 비슷한 수준이다. 하지만, 25,500타에서 성형된 제품 표면의 25, 30 mm에서 성형방향으로 스크래치가 발견되었으며, 약 1.0 μm의 조도가 측정되었다.

Fig. 4 Roughness and images observed on the product contact surface after forming with: (a) Punch 1; (b) Punch 2

Fig. 4와 같이, 제품 표면에 scratches가 관찰되기 전에, 5 mm의 위치에서 측정된 조도는 30 mm의 조도보다 더 높으며, 조도는 30 mm 측정위치로 갈수록 점점 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 펀치 곡률반경에서의 접촉 메커니즘을 통해 확인할 수 있다. Bang 등[25]은 본 논문과 동일한 펀치의 곡률반경에서의 접촉압력을 시뮬레이션을 통해 예측하였다. 펀치 스트로크가 약 10~13 mm일 때, 제품 표면의 5 mm 위치와 접촉을 하며, 접촉면에는 최대 접촉압력인 1.707 GPa이 작용한다. 펀치 스트로크가 약 13~35 mm 동안, 펀치는 제품 표면의 10 mm부터 30 mm까지 접촉하며, 상대적으로 낮은 접촉압력인 약 1.0 GPa가 발생한다. 따라서, 상대적으로 높은 접촉압력을 경험하는 제품의 5 mm 위치에서 높은 조도가 측정된다.

Fig. 5는 제품 표면에서 발생한 스크래치의 3차원 구조를 보여준다. 두 펀치로 성형한 제품 표면 모두에서 성형방향에 평행한 홈과 융기가 있는 스크래치가 관찰되었다. 이러한 제품 표면 특성은 마모된 펀치의 표면상태와 관련 있으며, 다음 장에서 자세하게 다루겠다.

Fig. 5 3D structures of product surface after forming with worn: (a) Punch 1; (b) Punch 2​​​​​​​

3.2 타수에 따른 제품 표면 상태 거동

성형공정 동안 판재와의 누적되는 상대 접촉으로 인해 금형 마모가 발생하며, 이는 제품 표면 품질에 직접적인 영향을 미친다. 따라서, 벤딩 펀치의 마모상태에 따른 제품 표면 품질의 변화 거동을 분석하였다. 펀치 표면의 마모상태는 Bang 등[21]의 논문에서 동일한 펀치의 타수에 따른 마모깊이 측정 결과를 참고하였다. Fig. 6은 성형타수에 따라 펀치 마모 상태가 제품 표면 품질에 미치는 영향을 보여준다. 펀치1의 경우(Fig. 6(a)), 5,000타와 10,000타에서 마모는 거의 발생하지 않았으며, 16,500타에서 펀치표면은 8.58 μm만큼 마모되었다. 이러한 경향은 제품의 조도 변화(ΔSa)와 동일하게 나타난다. 16,000타까지 성형된 제품 표면의 조도 변화(ΔSa)는 거의 없었지만, 16,500타에서 성형된 제품 표면의 조도 변화(ΔSa)는 0.487 μm이다. Fig. 6(b)와 같이 펀치2의 실험 결과에서도 동일한 경향을 확인하였다. 5,000타, 10,000타 그리고 20,000타에서 펀치의 마모는 거의 발생하지 않았다. 하지만, 25,500타에서 8.70 μm의 마모깊이가 측정되었다. 25,000타까지 성형된 제품 표면의 조도 변화(ΔSa)는 매우 적다. 하지만 25,500타에서 성형된 제품의 조도 변화(ΔSa)는 0.601 μm가 측정되었다. Bang 등[21]의 논문에 의하면 판재 성형공정에서 CrN 코팅 금형의 마모는 마찰면에서 수직하중이 작용하는 동시에 반복적인 접선방향의 접촉에 의한 프레팅 마모(Fretting wear)에 기인한다고 한다. Tricoteaux 등[26]은 프레팅 마모시험을 통해 CrN 코팅에서 프레팅 마모 메커니즘을 확인하였다. 반복되는 접선 하중이 작용하는 프레팅 접촉으로 인해 먼저 미세한 크랙이 발생하며, 지속적인 프레팅 접촉으로 인해 미세한 크랙들은 전파된다. 이러한 미세 크랙들은 서로 합쳐지게 되어 결국 CrN 코팅은 박리된다. 따라서 CrN 코팅 금형의 TRIP1180 판재 성형공정에서 CrN 코팅 금형은 지속적인 프레팅 접촉을 하면서 미세한 크랙이 발생하고 더 나아가 CrN 코팅이 박리한다. 이러한 프레팅 마모 메커니즘에 의해 펀치의 급격한 마모가 발생하였다. 또한, Fig. 6에서 알 수 있듯이, 금형의 마모 상태는 제품 표면 품질에 직접적인 영향을 주는 것을 정량적으로 확인하였다.

Fig. 6 Evolutionary behaviors of punch wear depth and product roughness with respect to stamping hits: (a) Punch 1; (b) Punch 2​​​​​​​

두 벤딩 펀치의 마모깊이는 CrN 코팅층 두께(13.4±0.4 μm)보다 작으므로 코팅층은 완전히 박리되지 않았다. CrN 코팅의 경도(2,105.9±15.5 HV0_0.08)는 TRIP1180 판재(373.2±7.1 HV_0.1)보다 상당히 높다. 따라서, 마모된 CrN 코팅 표면이 성형 동안 TRIP1180 판재의 표면과 접촉하면서 Fig. 5와 같이 제품 표면에 심각한 스크래치를 만든다.

4. 결론

PVD CrN 코팅 금형의 TRIP1180 판재 성형공정에 대한 마모 실험은 프로그레시브 금형을 이용하여 수행하였다. 제품 표면의 타수당 품질 변화를 평가하기 위해 500 타수마다 제품을 취득하였다. 성형타수에 따른 제품 표면 품질 변화는 조도 측정을 통해 정량화 하였다. 금형 마모가 제품 표면에 미치는 영향 확인을 위해, 성형 타수에 따른 금형 마모깊이와 제품 표면 조도의 상관관계를 평가하였다.

본 연구의 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다.

(1) PVD CrN 코팅 금형의 TRIP1180 판재 성형 시, 금형과 제품은 반복적으로 프레팅 접촉을 한다. 이러한 접촉에 의해 초기와 비슷한 수준의 표면상태를 유지하다가 일정한 타수 이후 급격하게 금형 마모가 발생한다.

(2) 금형에 마모가 발생하기 전의 성형 제품 표면 외관은 어떠한 스크래치나 결함 없이 매끄러우며, as-received와 비슷한 수준의 조도가 측정된다.

(3) 마모된 금형으로 성형한 제품 표면은 미끌림 접촉 방향에 평행한 스크래치가 발생하며, 제품 표면의 측정된 조도(Sa)는 약 1.0 μm이다.

(4) 제품 표면의 스크래치는 마모된 CrN 코팅 금형의 거친 표면이 판재의 표면을 긁기 때문이며, CrN 코팅의 경도가 TRIP1180 판재보다 높기 때문에 발생한다.

(5) 금형의 마모깊이와 제품의 조도의 정량적인 비교를 통해, 금형의 표면 상태가 제품 표면 품질에 직접적인 영향을 주는 것을 확인하였다.

(6) 제품 표면 품질은 금형의 마모상태를 정확하게 반영하기 때문에, 제품 표면 상태를 통해 금형 마모 상태의 유추가 가능하다.

후기

본 논문은 한국생산기술연구원 내부사업(과제번호 EH230004)과 산업통상자원부 R&D지원(과제번호 20018447)으로 수행되었습니다.