더욱 강한 자동차용 강재를 완벽하게 활용할 수 있게 하는 성형 테스트

초고장력강(UHSS)은 자동차 분야에서 훨씬 더 널리 사용되고 있어 충돌 안전성은 계속 향상되고 구성품 중량은 계속 감소하며 많은 OEM이 혜택을 보게 될 것입니다. 다른 강재들의 경우에는 그렇지 않습니다. 몇몇 제조업체들은 단지 하나의 요인으로 인해 초고장력강의 잠재력을 최대한 활용하지 못하고 있습니다: 인장 테스트에서 연신율이 낮게 나타났기 때문입니다. 이는 흔히 볼 수 있는 오해입니다. 초고장력강의 성형성을 측정하는 보다 정확한 방법이 존재하며, 이를 통해 초고장력강을 복잡한 형상으로 안정적으로 성형하는 것이 가능하다는 것을 입증할 수 있습니다.

인장 테스트의 문제

초고장력강은 자동차 산업에서 널리 사용되고 있는 재료이며 일부 구조용 차체 보강재, 범퍼 보강재, 도어 임팩트 빔, 시트 프레임 및 메커니즘에 일반적으로 사용됩니다.

초고장력강은 별 5개의 충돌 등급을 달성하고 구성품 중량을 최대 40%까지 줄이는 데 기여하고 있습니다. 또한 이 강종으로 OEM 업체들은 시장 경쟁력이 우월한 보다 혁신적인 부품 설계를 개발하면서 비용을 절감하고 생산 시 효율성을 높일 수 있습니다.

많은 OEM 업체들은 이러한 장점에도 불구하고 여전히 더 부드러운 강종을 선택하여 경쟁 우위를 선택할 수 있는 기회를 놓치고 있습니다. 그 이유는 이러한 업체들은 성형성을 고려할 때 인장 시험의 연신율 결과에만 의존하기 때문입니다.

"인장 테스트는 가장 많이 사용되는 테스트"라고 SSAB의 선임 성형 전문가인 Lars Troive 박사는 설명합니다. "이 테스트의 계획은 시편을 파단될 때까지 잡아당기는 것입니다. 그런 다음 길이가 얼마나 길어졌는지 측정합니다. 이를 연신율로 간주합니다. 예를 들어, 길이가 80 mm인 테스트 표본이 균열되기까지 88 mm가 된다면 연신율은 10%가 됩니다.”

그는 계속해서 설명합니다: "인장 테스트는 강재 성형성을 판단하기 위해 오랫 동안 가장 일반적으로 시행해 온 관행이었지만, 현대적이고 더욱 강한 강종을 파악하기에는 이 방법은 맞지 않습니다. 그 이유는 이러한 강도가 더 높은 강종들은 다르게 거동하여, 기존의 연강과 비교해 볼 때 국부적 소성 변형이 더 심하게 나타나기 때문입니다.”

초고장력강의 거동을 예측하는 보다 정확한 방법은 성형 한계 곡선이라고도 하는 성형 한계 다이어그램(FLD)을 생성하는 것입니다. 하나의 단일 FLD는 다양한 시편 형상을 사용하여, 여러 차례 재료 결함 테스트, 즉 펀치 돔 테스트를 수행한 결과를 그래픽으로 설명하고 있습니다. 각각의 시편(즉 강철 블랭크)은 고유한 폭 대 길이 비율을 갖고 있어 결함이 생길 때까지 다양한 형태로 변형됩니다. 이 시편들은 자신만의 변형 경로를 따라 서로 다르게 변형됩니다.

FLD 테스트를 수행하기 전에 각 시편을 먼저 흰색으로 칠한 후, 스프레이 페인트를 이용하여 검은색 도트를 무작위로 “스펙클 패턴”으로 분산시켜 덮습니다. 검은색 패턴과 명암 대비가 잘 드러나도록 백색 베이스 색상을 적용했습니다.

테스트를 진행하는 동안 프레스에 내장된 두 대의 카메라가 스펙클 패턴을 촬영합니다. 카메라는 전체 성형 작업이 진행되는 동안 각 도트의 움직임을 캡처하며, 이를 통해 결함이 나타날 때까지의 변형 경로를 판단할 수 있게 됩니다. 각기 다른 (블랭크) 형상에서 펀치 돔 테스트를 실시할 때, 각 테스트별로 2개의 값을, 즉 주요 변형과 경미한 변형의 값을 얻게 됩니다. 그런 다음 획득한 모든 변형 값을 연결하는 하나의 선을 이용하여 X- 및 Y-다이어그램으로 FLP를 그립니다. 이 곡선은 강재가 분할(균열)될 위험이 높은 성형 한계를 나타냅니다.

랜덤 도트 스펙클 패턴
성형 한계 다이어그램에 표시된 주요 변형 및 경미한 변형

그림 1:랜덤 도트 스펙클 패턴(왼쪽 이미지) 및 성형 한계 다이어그램(FLD;오른쪽 이미지)에 표시된 주요 변형 및 경미한 변형.

다시 말해서 성형성 테스트에서는 변형 상태 및 소재가 변형되는 방식에 따라 강재가 균열되기 직전까지 성형할 수 있는 정도를 결정할 수 있습니다.

초고장력강은 연신율 값으로 알 수 있는 것 이상으로 성형할 수 있다는 증거를 확인하려면 그림 2의 인발 가공된 컵을 살펴 보십시오.

매우 연한 연강에서부터 초고장력강에 이르기까지 다양한 종류의 인발 가공된 컵

그림 2:매우 연한 연강부터 초고장력강에 이르기까지 다양한 종류의 인발 가공된 컵, 예:인장 강도가 1400 Mpa인 1400M.

보다 정확한 UHSS 성형 테스트 결과

"시각적으로, FLD 테스트의 슬림한 시편은 인장 테스트 시편과 거의 동일한 방식으로 성형된다”고 Troive는 말합니다. "인장 시험 시편처럼 잡아당기면 중앙에서 좁아집니다. 이를 '단축 변형'이라고 합니다. 그렇다면 연신율 테스트 결과가 FLD 테스트 결과와 다른 이유는 무엇일까요?”

계속해서 "인장 테스트 시편에 2 mm x 2 mm 크기의 사각형 그리드 패턴을 적용하여 간단한 테스트를 실시하여, 결함이 나타난 후 측정했다”고 Troive는 설명합니다. "2 mm의 구간에서 나타나는 것은 퍼센트 측면에서는 80 mm의 길이 전체에 걸쳐 나타나는 것과 비교해 볼 때 훨씬 더 큽니다 - 인장 테스트에서 사용되는, 밀리미터 단위의 총 연장부를 80 밀리미터로 나눈 값은 이러한 길이에 걸친 평균 연신율을 의미합니다."

2 mm를 초과하는 국부 변형

그림 3: 예를 들어 2 mm(그리드)에서의 20%의 국부 변형율은 퍼센트 측면에서는, 일반적인 인장(당김) 테스트엣와 같이, 동일한 UHSS 강종을 80 mm 범위에서 테스트했을 때 나타나는 퍼센트보다 훨씬 더 높습니다.

이는 두 테스트(인장 및 FLD)가 테스트 결과에 큰 차이를 가져, 결과적으로 UHSS 강종을 얼마나 성형할 수 있는지에 대한 매우 다른 결론을 도출하게 되는 이유를 설명합니다.

 

FLD 해석

FLD는 초고장력강의 특정 강종을 성형하는 방법에 대한 가장 정확한 데이터를 제공하기 때문에 결과를 해석하는 방법을 이해하는 것이 매우 중요합니다.

오늘날, 성형 공정의 유한 요소(FE) 시뮬레이션은 자동차 산업에서 매우 일반적으로 사용됩니다. 이를 기반으로 하여 FLD는 계산된 변형이 안전 성형 영역 내에 있는지 또는 결함에 근접한지 보여줄 수 있으므로 매우 중요한 도구입니다.

FLD는 세 부분으로 나눠질 수 있습니다:

  • 우측으로 등이축 (스트레칭).
  • 중심에서 평면 변형.
  • 좌측으로 순수 전단(드로잉).

Troive의 설명에 따르면 "FLD 다이어그램은 다양한 변형 경로를 사용한 다양한 재료 결함 테스트를 그래픽으로 설명합니다. 기본적으로, 성형 한계 곡선보다 낮은 영역은 성형 작업에 안전한 것으로 간주됩니다. 스탬핑 프로세스 또는 재료 물성의 사소한 변화로 인해, 발생 가능한 산란에 대한 여유를 갖기 위해 곡선을 약간 낮추는 것이 일반적입니다. FLD는 성형 시뮬레이션 또는 변형율 측정 시 파단 기준으로 널리 사용되고 있습니다.”

"하지만 FLD가 결함을 예측할 수 없는 경우가 몇 가지 있습니다. 그 중 하나가 컷 엣지입니다. 컷 엣지의 연성은 블랭크가 절단된 방식에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어, 올바른 절단 간극을 사용했습니까? 공구가 날카로웠습니까? 등등에 따라 다릅니다. 이러한 경우, 그 대신 실전 테스트에 의존하여 그 결과를 엣지의 변형 수준과 비교한다”고 Troive는 말합니다. (자세한 정보는 Docol® 주문형 웨비나 “AHSS 엣지 연성 문제 해결을 위한 접근 방식”을 참조하십시오)

상이한 유형의 형상 및 성형은 재료가 상이한 방식으로 변형되게끔 합니다. 일반적으로 최악의 시나리오는 부품이 순수 평면 변형 조건에서 성형되는 경우입니다. 단순한 벤딩은 이러한 유형의 성형 작업의 한 예이며, 이 경우 결함에 이르는 변형 경로가 가장 짧습니다. 경우에 따라 변형 경로를 변경할 수 있습니다. 그 한 가지 방법으로는 재료가 끼여 움직이지 않는 것을 방지하여, 늘어나는(스트레치) 대신 인발(드로우)되도록 블랭크의 형상을 최적화하는 방법이 있습니다.

 

인장 테스트와 FLD 테스트의 결과 비교

역사적으로 자동차 제조업체는 훨씬 더 연질인 강재를 사용해 왔으며, 인장 테스트와 FLD 테스트 간의 결과는 매우 유사했습니다. 이 제조업체들은 인장 테스트는 역사적으로 더 정착되어 있으며, 따라서 더 널리 사용되고 있다고 말했습니다. 인장 테스트만 사용할 경우의 위험은 강도가 더 높은 강재를 사용할 수 있는 기회를 놓칠 수 있다는 데 있습니다. Lars Troive의 설명에 따르면

"인장 테스트 데이터만 살펴보면 모든 것이 불가능하다고 생각할 수 있습니다. 대신 성형성을 살펴보자면, 성형 공정용으로 지정된 영역의 경우 10에서 20으로, 거의 100% 증가한다고 말할 수 있습니다. 자동차 분야에서는 연신율만이 아니라 성형 한계 다이어그램을 보면 매우 다양한 가능성이 등장합니다.


A80 인장 당김 테스트(백색 사각형) 및 FLD 시험 2 mm(회색 사각형)(결과는 %로 표시).

이미지 4: A80 인장 당김 테스트(백색 사각형) 및 FLD 시험 2mm(회색 사각형)(결과는 %로 표시).

인장 강도 테스트의 연신율 결과와 성형 테스트의 결과 모두 표시하면 그 차이를 강재의 강도가 증가함에 따라 쉽게 확인할 수 있습니다.

 

UHSS 성형성의 실제 증거

많은 자동차 OEM 업체들은 재료 선택 시 이미 FLD 데이터에 의존하고 있습니다. 따라서 인장 강도가 지극히 높은 초고장력강이 자동차 분야에서 성형되고 있다는 증거는 이미 존재합니다.

예를 들어 Shape Corp.은 Docol® 1700MPa 마르텐사이트 강을 3D 롤 성형하여 루프 레일 튜브와 A 필러를 훨씬 더 가볍고, 강하게, 또한 공간 효율성을 향상시켜 제작했습니다. 이러한 보다 컴팩트한 설계를 통해 Ford 2020 Explorer와 2020 Escape에서 에어백의 위치를 최적화하는 동시에 내부 공간과 운전자 가시성을 향상시켰습니다.

강도가 더 높은 강재를 활용할 때의 추가적인 장점

충돌 성능을 높이고 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 최적화된 초고장력강 선택을 통해 자동차 제조업체들은 다음과 같은 귀중한 장점을 누릴 수 있습니다:

  1. 더 적은 재료 사용: 초고장력강의 고유한 강도와 기술적 물성으로 인해 OEM 업체들은 구성품의 벽을 더 얇게 하여 차량 구성품 제조에 필요한 재료량을 줄일 수 있습니다.
  2. 재료 비용 절감: 초고장력강은 재료 비용과 성형 비용 모두를 기준으로 볼 때, 다른 고강도 경량 소재보다 훨씬 더 비용 효율적일 수 있습니다.
  3. 성형 비용 절감: 연질의 강종을 사용할 때보다 강도 높은 툴링 구성품에 투자를 해야 할 수도 있지만, UHSS 강종은 일반적으로 기존의 생산 장비를 사용하여 성형할 수 있어, 이미 보유하고 있는 기계를 활용할 수 있습니다.
  4. 보다 빠른 성형, 에너지 사용량 절감: 핫스탬핑된 보론강을 냉간성형된 AHSS 강으로 대체할 수 있습니다. 생산 시간을 단축하는 동시에 복잡한 핫스탬핑 금형(가열 및 냉각에 많은 에너지가 필요)이 필요 없어 비용을 절감할 수 있습니다.
  5. 용접성: 수많은 초고장력강은 화학적 성분조성이 린(lean)하기 때문에 표준 용접 공정을 이용하여 용접할 수 있습니다.

 

자동차 부품 설계 잠재력 극대화

자동차 구성품에 초고장력강을 선택할 때 혁신 가능성은 매우 큽니다. 그렇지만 성형성을 판단할 때 인장 테스트의 연신율 데이터에 의존할 경우에는 연질의 강종을 선택하게 되어 개선 기회를 놓칠 수 있습니다. 대신 성형 한계 다이어그램 (FLD)을 살펴보면 초고장력강을 선택하여 최대한 활용할 수 있습니다.

특정 UHSS 강종이 귀사의 자동차 적용 분야에 적합한지 여부를 판단하는데 SSAB의 전문 지식이 필요하신가요? 그렇다면 현지 Docol® 담당자에게 연락하시기 바랍니다.

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