극저온이 22MnB5강의 냉간 스탬핑 마모에 미치는 영향

Effects of Cryogenic Temperature on Wear Behavior of 22MnB5 Under Cold Stamping

Abstract

This paper presents the effects of cryogenic temperature on the wear behavior of 22MnB5 blank under cold stamping. After immersing the blank in liquid nitrogen (LN2) for 10 min, a strip drawing test was performed within 10 s. The hardness was measured using the Rockwell hardness test, which increased from 165 HV at 20℃ to 192 HV at cryogenic temperature. The strip drawing test with 22MnB5 blank and SKD61 tool steel shows that for the different wear mechanisms on the tool surface with respect to temperature; adhesive wear is dominant at 20℃, but abrasive wear is the main mechanism at cryogenic temperature. As the friction test is repeated, sticking gradually increases on the tool surface at 20℃, whereas the scratch increases at cryogenic temperature. For the friction behavior, the friction coefficient rapidly increases when adhesive wear occurs, and it occurs more frequently at 20℃. The results for nanoindentation near the worn blank surface indicate a difference of 1.3 GPa at 20℃ and 0.8 GPa at cryogenic temperature compared to the existing hardness, indicating increased deformation by friction at 20℃. This occurs because thermally activated energy available to move the dislocation decreases with decreasing temperature.

1. 서론

핫스탬핑 공정은 강판의 미세조직 제어를 통해 강도와 연비 향상에 뛰어난 공정으로 자동차 산업에서 각광받고 있다. 핫스탬핑 공정은 크게 열처리 및 성형기로 이루어져 있으며, 열처리 전 냉간 공정 유무에 따라 직·간접 방식으로 분류된다[1]. 성형기에서는 장착된 강판에 압력을 부하 하는데, 성형과 동시에 금형과 강판 간에 전단 응력으로 인한 마찰 또한 발생하게 된다. 결과적으로 금형 표면에는 ‘소착’이라는 접착 마모(Adhesive wear)가 발생하게 되고 해당 마모는 핫스탬핑 공정에서 해결해야 할 이슈로 여겨진다[2,3]. 이에 볼온디스크(Ball on disc)[4], 스트립드로잉(Strip drawing)[2], 딥드로잉(Deep drawing)[3] 등의 마찰 방법을 이용하여 핫스탬핑 공정에서 발생하는 마모에 대해 분석하였지만 여전히 이슈로 남아있는 실정이다.

극저온은 통상적으로 −150℃ 이하의 온도를 의미한다. −196℃의 액체 질소는 인체에 무해하며 공기 중에 희석이 되기 쉬워 다양한 산업에 적용되고 있다. 최근 연구에서는 극저온에서 기계적 특성[5], 마모 저항 특성[6] 등이 향상되는 것으로 보고되었으며, 극저온에 대한 관심은 나날이 증가하고 있는 추세이다. 극저온을 성형 공정에 적용 시 극저온 환경을 유지하는 것은 매우 어렵다. 이에 소재를 극저온에서 성형할 수 있는 디핑(Dipping) 방법이 현실적인 방안으로 제시되었다. 디핑 방법은 소재를 액체 질소 등의 극저온 물질에 담그고 특정 시간 후 꺼내어 소재가 상온으로 회복되기 전 변형을 시행하는 방법이다[7]. 하지만, 극저온의 이점이 계속해서 보고됨에도 불구하고 스탬핑 공정에 적용 사례는 거의 없으며, 극저온에서의 마찰 및 마모 거동에 대한 연구는 지속적으로 필요한 실정이다.

2. 연구방법 및 내용

본 연구에서는 표면에 코팅이 없는 22MnB5강을 이용하였으며 화학 조성은 일반적인 조성과 유사하였다[2]. 극저온 처리(Dipping)는 Fig. 1(a)와 같으며 액체 질소에 10분간 담근 후 10초 내외로 마찰 실험을 시행하였다. 극저온 처리 후 강판의 경도를 로크웰 경도계(Rockwell hardness)로 확인하였으며, 온도에 따라 5회씩 반복하여 경도 값을 비교분석 하였다. 마찰 실험은 스탬핑 공정을 모사한 스트립드로잉(Strip drawing) 방식을 이용하였고[2,3], 모식도는 Fig. 1(b)와 같으며 금형은 SKD61 공구강을 이용하였다. 마찰 실험 조건으로는 압력 5 MPa, 마찰 속도 100 mm/s, 마찰 거리 280 mm로 상온 및 극저온에 따라 3회씩 반복하였다. 이 때, 동일한 금형에 매번 새로운 강판을 성형하는 핫스탬핑 공정을 모사하기 위해 본 연구의 마찰 실험에서 금형은 동일한 금형을, 강판은 매번 마모되지 않은 새로운 강판을 사용하여 반복되는 실험에 따라 마찰 및 마모 거동을 확인하였다. 마찰 후 금형 표면에 발생한 마모를 분석하기 위하여 주사 전자현미경(SEM)을 이용하였으며 성분 분석을 위하여 에너지분산분광법(EDS)을 이용하였다. 마모된 강판의 기계적 특성 분석은 강판 단면에 대하여 나노압입실험을 시행하였다.

Fig. 1. Schematic of (a) dipping and (b) strip drawing test. The graph showed (c) the temperature behavior of 22MnB5 steel when the blank was immersed in liquid nitrogen and then put out in the air.

3. 결과 및 고찰

마찰 실험 전 22MnB5 강판의 온도 거동을 열전대로 확인하였으며 결과는 Fig. 1(c)와 같다. 이를 통해 극저온에 담근 후 마찰 실험 전 강판의 온도가 약 −172℃인 것을 확인하였으며, 경도 값은 약 192±8 HV였다.

상온 및 극저온에 따른 마찰 거동은 Fig. 2에 정리하였다. 그래프 x축은 마찰 거리를 나타낸 것이며, 각 실험 마다 마찰 거리가 280 mm이었기 때문에 금형에 3회 반복한 총 마찰 거리를 840 mm로 정리하였다. 첫번째 실험에서 극저온의 경우 마찰 계수는 안정화된 것으로 확인되었다. 하지만 상온의 경우 마찰 계수가 초반 영역에서 급격히 증가하였으며 이는 접착 마모에 의한 것으로 판단된다[8]. 두번째 실험에서는 두 온도 모두 마찰 계수가 안정한 것으로 확인된 반면, 세번째 실험에서는 모두 접착 마모로 인한 마찰 계수 증가 현상을 보였다. 마모를 비교하기 위해 금형 무게 변화를 통해 이를 정량화하였고, 금형 무게 변화는 초기 금형 무게에 대한 마찰 실험 후 금형 무게의 차를 의미하는 것이다. 상온은 실험 후 금형 무게 변화가 각각 1.43, 0.38, 0.86 mg이었으며 3회 반복 실험 후 금형 무게가 증가하였다. 하지만, 극저온의 경우 −0.01, −0.39, −0.24 mg으로 상온과는 반대되는 경향을 확인하였고, 금형 무게 변화량 또한 상온에 비해 적었다. 이를 통해 두 온도 간에는 다른 마모 메커니즘이 발생한 것으로 판단하였다.

Fig. 2. Friction behavior with respect to the blank temperature; (a) room (20℃) and (b) cryogenic temperature (−172℃). The red arrow indicates the friction coefficient behavior determined by the adhesive wear during the friction test.

마찰 실험 후 금형 표면에 대한 분석은 Fig. 3와 같다. 금형 무게가 증가한 상온의 경우 첫번째 실험 후 금형 표면에는 접착 마모가 발생하지만, 극저온의 경우 스크래치(Scratch) 등이 확인되었고 접착물은 거의 없었다. 해당 접착물은 상온 마찰 실험이 반복됨에 따라 점차 증가하였으며 극저온 마찰 실험의 경우 스크래치가 점차 증가하였다. 이를 통해 상온의 경우 접착 마모가, 극저온의 경우 연마 마모(Abrasive wear)가 주요 마모 메커니즘인 것으로 판단하였다. 이와 같이 상반된 마모 메커니즘은 온도에 따른 22MnB5강의 경도 때문이다. 경도는 상온 마찰 실험에 대해 직접적인 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[9].

Fig. 3. SEM images of tool surface after friction tests. The red arrow shows the adhesion that occurred on the tool surface, and the blue arrow indicates the scratch. EDS results were about the adhesion and tool surface, which have not existed the wear.

접착물의 성분 결과 SKD61 금형에는 없는 Mn 성분이 확인되었으며 이는 22MnB5 강판으로부터 비롯된 것으로 판단된다. Fig. 1(c)와 같이 상온과 극저온 간에 강판의 경도는 유의미한 차이가 있었으며, 비교적 경도가 높은 극저온의 경우에 접착물이 덜 발생하였다.

극저온 처리 후 저온의 강판을 상온에 노출 시 표면에 성에 등으로 이루어진 얇은 막이 생기게 된다. 이러한 막은 마찰 실험 중 윤활(Lubricant) 역할을 하는 것으로 알려져 있으며[10], 이는 내부적인 관점에서 극저온 영향에 대한 분석이 필요함을 시사한다. 따라서, 본 연구에서는 마모된 강판의 단면에 대해 나노압입실험을 시행하였으며 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4. Images of the worn blank surface after friction test according to the temperature; (a) room (20℃) and (b) cryogenic temperature (−172℃). The yellow mark shows the part where the nanoindentation was performed. The color map indicates the difference in hardness values between the 22MnB5 blank and around the worn surface, confirmed by the nanoindentation test.

Fig. 4는 각 온도 조건 별 3번째 마찰 실험 후 마찰 거리 280 mm 중 140 mm 지점의 강판 단면을 확인한 것이다. 마모된 정도는 육안으로 차이를 확인할 수 있었으며, 극저온에 비해 상온에서 마모가 더 발생하였다. 나노압입실험은 가장 깊게 파인 곳으로부터 5 µm 떨어진 곳을 기준으로 시행하였으며, 깊이 방향을 1 µm로 제어하여 7 × 2, 총 14개의 압입실험을 40 µm 간격으로 설정하였다. 각 압입으로부터 도출된 경도를 동일한 강판 단면의 중앙부 경도와 비교하여 그 차이를 컬러맵으로 나타내었다. 두 온도 모두 마모 부분과 제일 가까운 압입에서 가장 큰 경도 차이를 보였으며 상온은 약 1.3 GPa, 극저온은 약 0.8 GPa였다. 이는 상온에서 마찰 중 더 많은 표면의 변형을 수반하는 것을 의미하고, 결과적으로 마찰 실험 후 금형 표면에 잔류하는 잔류물들의 양을 증가시켜 접착 마모가 심해지는 현상을 야기할 것이다. Sohn 연구진은 22 Mn 강에 대해 상온과 극저온(−196℃)에서 인장 거동을 분석하였다[11]. 인장 강도가 상온에서는 약 997 MPa 극저온에서는 약 1509 MPa로 향상되는 것을 확인하였으며, 이는 극저온에서 전위의 이동(Dislocation movement)이 제한됨에 따라 기계적 특성이 향상된 것으로 정리하였다. Jeong 연구진 또한 22 Mn 강에 대해 상온과 극저온(−163℃)에서 인장 거동을 분석하였고[12], 인장 강도가 상온에서 1016 MPa, 극저온에서 1175 MPa로 향상되는 것을 확인하였다. 해당 연구에서는 전위 이동에 사용되는 열활성화에너지(Thermally activated energy)가 온도가 감소함에 따라 감소하여 전위의 이동이 어려워지는 것으로 보고하였다. 즉, 전위를 활성화하기 위한 응력은 열활성화에너지와 관련이 있으며, 온도의 감소는 열활성화에너지를 감소시켜 전위 이동에 요구되는 응력이 증가하게 되어 결과적으로 기계적 특성이 향상된다. 본 연구에서도 이와 같은 메커니즘으로 Fig. 1(c)와 같이 경도 등의 기계적 특성이 향상되었다. 그 결과 동일 조건 하에 상온과 극저온에 따라 SKD61금형 표면에 발생한 마모의 메커니즘이 상반되었으며, 마찰 실험 중 22MnB5 강판의 표면에서 전위의 이동 또한 극저온에서 제한된 것으로 판단된다.

4. 결론

본 연구에서는 냉간 스탬핑 공정을 모사한 스트립드로잉 실험을 이용하여 상온 및 극저온(−172℃)에서의 22 MnB5강 및 SKD61 금형에 대한 마찰 및 마모 거동을 분석하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

1. 상온 및 극저온의 경도 값은 각각 165, 192 HV였으며, 온도가 감소함에 따라 경도가 향상되었다.

2. 스트립드로잉 실험 후 금형에 발생한 마모 메커니즘은 온도에 따라 차이가 있었으며, 상온은 접착 마모(Adhesive wear), 극저온은 연마 마모(Abrasive wear)가 주 메커니즘이었다.

3. 마모된 강판 표면 주변부에 대해 나노압입실험을 시행하였으며 결과로 기존 강판의 경도와 비교하여 상온에서는 1.3 GPa, 극저온에서는 0.8 GPa만큼 차이가 확인되었다. 이는 상온 마찰에서 더 많은 변형이 강판 표면에 수반되는 것을 의미하고, 이유로는 열활성화에너지(Thermally activated energy)가 온도가 감소함에 따라 감소하여 전위의 이동(Dislocation movement)이 제한됨에 의한 것으로 판단된다.