열간 프레스 성형, 핫 프레스 포밍 (Hot Press Forming), 핫스탬핑(hot stamping)

<기출 정리> 

• 22-1-12 자동차 강판의 성형방법 중 열간프레스 성형(Hot press forming) 공법에 대하여 설명하시오.

 

1. 개요

 

1) 열간 프레스 성형, 핫프레스포밍, 핫스템핑 공정의 정의 및 배경 

 강판을 고온 상태 (오스테나이트 온도 이상)으로 가열한 뒤 프레스하여 성형 직후 금형 내에서 냉각하여 강도 등 기계적 성질을 확보하는 공정. 

최근 전기차 시대로 돌입하면서, 경량화가 필요하며, 그와 동시에 배터리팩의 보호, 빈 공간이 많아진 PE룸 내 충격 흡수, 단순화된 구조 (센터 터널 구조 삭제 등)에 따른 제품 강성 및 강도 보강 필요성 대두

경쟁력 확보를 위한 디자인 구현을 위해서는 고성형성 강재의 적용이 필요하며, 그와 동시에 강도를 확보해야함 

성형성과 강도를 동시에 잡을 수 있는 방법이 열간 프레스, 핫 프레스 포핑 (hot press forming) 

• 성형성 확보 : 오스테나이트 상태에서 성형을 하기 때문에 높은 수준의 성형성, 딥드로잉성 등 확보 (찢어짐이나 균열이 적음)
• 기계적 성질 확보 : 성형 후 급냉을 통해 마르텐사이트 조직 형성 및 템퍼링를 통해 (템퍼링을 하는 경우도 있고 안하는 경우도 있음, 성형성과 강도를 고려하여 선택) 원하는 기계적 성질을 확보함 

2) 열간 프레스 공정

열간 프레스 공정 개략도

① 먼저 프레스를 통해 코일 상태의 원소재를 컷팅한다 (blanking) 

② 소재를 고온(900~950도, 오스테나이트온도 이상)으로 가열한다 

③ 이후 프레스 성형기로 이송 후 성형 (forming) 

④ 금형 내에 구비되어있는 냉각회로를 통해 성형 후 바로 급냉 (열처리 효과 형성) 

⑤ 제품 취출 및 후처리(트리밍 등, 핫프레스포밍 이후는 보통 레이저컷팅 실시하며 이는 비용 증가의 원인이 됨) 

기본열처리 - 담금질 (Quenching)

 

2. 특징

 

1) 장점

• 두께를 유지하면서 강도를 2~3배 올릴 수 있음 (초고강도강, 인장강도 기준 1470MPa가 표준) 
• 기존 방식 대비 15 ~ 25% 경량화 가능

2) 단점

• 싸이클 타임이 길어짐
• 소재가 비싸짐 (보론 및 바나듐 첨가강 사용 필요) 
• 프레스 금형이 복잡하고 가격이 비싸짐 (내부 냉각회로 구성 필요, 내마모성과 내열성, 고온경도 등을 만족하는 금형강 사용 필요)
• 금형 수명이 짧아질 수 있음 

 

3. 열간 프레스 성형, 핫 프레스 포밍 공정에 대한 고찰

 

1) 핫포밍 강재 

주로 보론이 첨가된 보론 첨가강을 사용함 (경화능 증가) 

합금강, 철강, 강 합금 원소별 성분에 따른 성질과 특징 (철강 5대원소; C, P, S, Si, Mn), 합금원소(Mg,

강재 분류; 탄소강, 합금강, 특수강, 비조질강, 조질강, 듀얼페이스강, 스테인리스 강(듀플렉스강

철강재료의 선정요령, 선정 방법

 

 

 

2) 핫포밍 금형 

고급 합금공구강 중 열간금형공구강 (STD 61 등)을 사용함 

 

3) 핫 포밍 적용 사례 

• 주로 자동차 내 강도를 책임지는 보강재 등에 많이 사용됨