핫 프레스 포밍 공정

왜 배우는가: 핫 프레스 포밍은 초고장력강 차체 부품을 만드는 대표 열간 성형 공법이므로, 고강도 강판 성형의 한계와 그 해결 원리를 설명하는 데 쓰인다. 열처리와 성형이 한 공정에서 이루어지는 구조를 알아야 일반 냉간 프레스와 공정·금형 설계가 어떻게 다른지 답할 수 있다. 같은 주제가 여러 교시에서 반복해 출제되었으므로 용어와 원리를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제132회 4교시 1번, 제126회 1교시 1번, 제94회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

핫 프레스 포밍은 고온으로 가열한 판재를 금형 안에서 성형과 동시에 급냉하여 마르텐사이트 조직을 얻는 열간 판재 성형 공법이다.

핫 프레스 포밍은 같은 공법을 여러 이름으로 부른다. 산업계에서는 핫 스탬핑(hot stamping)이나 프레스 경화(press hardening)라고도 쓴다. 이름은 달라도 가열, 금형 성형, 금형 내 급냉이라는 구조는 같다. 이 세 단계를 하나의 공정으로 묶는 점이 일반 냉간 프레스와 구별되는 출발점이다.

핵심 키워드

• 열간 성형
• 오스테나이트화
• 금형 담금질
• 마르텐사이트
• 초고장력강
• 스프링백
• 22MnB5

2. 개념 풀이

핫 프레스 포밍은 붕소가 첨가된 초고장력강 판재를 900~950℃ 범위로 가열하여 오스테나이트 조직으로 만든 뒤, 상온의 금형에 넣어 프레스로 성형하고 금형 안에서 급냉하여 부품을 완성하는 열간 성형 공법이다. 성형과 열처리가 한 공정에서 함께 이루어지므로 성형 뒤에 별도의 담금질 공정을 두지 않는다.

원리는 고온에서 얻는 연성과 급냉에 의한 조직 변화의 결합이다. 상온에서 초고장력강을 냉간으로 성형하면 변형 저항이 커서 복잡한 형상을 만들기 어렵고, 성형 뒤 스프링백이 커서 치수 정밀도도 확보하기 어렵다. 고온의 오스테나이트 영역에서는 소재가 연해 변형 저항이 작아지므로 복잡한 형상을 성형할 수 있다. 성형이 끝난 뒤 금형이 소재를 누른 상태에서 임계 냉각 속도보다 빠르게 식히면 오스테나이트가 펄라이트나 베이나이트 대신 마르텐사이트로 변태한다. 이 변태는 확산 없이 일어나는 무확산 변태이며, 부품의 1.5GPa급 인장강도는 이 조직에서 나온다.

강도는 성형 힘이 아니라 금형 안 급냉으로 얻는 마르텐사이트 조직에서 나온다.

오스테나이트화는 강을 오스테나이트 단상 영역으로 가열하는 처리이다. 가열 온도가 낮아 페라이트가 남으면 급냉해도 마르텐사이트가 충분히 생기지 않는다. 마르텐사이트 변태는 임계 냉각 속도 이상으로 급냉할 때 오스테나이트가 마르텐사이트로 바뀌는 변태이며, 강도를 가장 크게 높이는 조직 변화이다.

금형 담금질은 금형을 냉각 매체로 쓰는 담금질 방식이다. 금형 내부 냉각수 유로로 금형 온도를 낮추고, 금형과 접한 판재의 열을 빼앗아 냉각 속도를 확보한다.

공정 조건은 세 가지로 정리된다.

• 가열 온도는 소재가 오스테나이트 단상이 되도록 정한다. 가열이 불충분하면 변태가 불완전해져 강도가 떨어진다.
• 금형 내 유지 시간은 판재 온도가 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도 이하로 떨어질 만큼 충분해야 한다. 짧으면 부품을 금형에서 꺼낼 때 변형이 생긴다.
• 냉각 속도는 판재와 금형 사이의 접촉 열전달로 결정된다. 접촉 압력과 금형 온도가 열전달을 좌우하므로 금형 설계에서 냉각 채널을 배치한다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차 차체는 충돌 안전성과 연비 개선을 동시에 요구받는다. 두 요구를 맞추려면 강도가 높은 강판을 얇게 써서 무게를 줄이는 경량화가 필요하다. 그런데 강도가 높아질수록 상온 프레스에서 파단과 스프링백이 커지고 금형 마모도 심해진다. 고온에서 성형하여 변형 저항을 낮추는 방법이 이 한계를 해결하기 위해 도입되었다.

핫 프레스 포밍은 충돌 시 승객실을 보호해야 하는 A·B 필러와 도어 보강재 등 차체 구조 부품에 주로 적용된다. 이 부품들은 형상이 복잡하면서 강도 요구가 높아 상온 냉간 성형만으로는 두 조건을 함께 만족하기 어렵다. 이 공법은 성형성과 강도를 한 공정에서 함께 얻는다는 점에서 차체 설계 요구와 맞는다.

국내에서는 현대제철이 차체용 강종을 개발해 공정을 개선하고 있다. 현대제철은 프리미엄 핫스탬핑강을 세계 최초로 양산하였다. 프리미엄 핫스탬핑강은 기존 핫스탬핑 공법보다 가열 온도를 50℃ 이상 낮춘 기술이다. 프리미엄 핫스탬핑강은 기존 1.5GPa 핫스탬핑강 대비 인장강도를 20% 향상시킨다. 가열 온도를 낮추면 가열에 드는 에너지와 표면 산화 스케일 발생을 줄일 수 있다.