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두꺼운 차량용 강판,「직수냉각 성형」으로 냉각시간 1/5로 줄인다

생기원, 3㎜ 이상의 두꺼운 강판에 적용 가능한‘직수냉각 핫스탬핑 기술’개발

금형 표면에 냉각수 분사하는 직접냉각 방식, 다이냉각보다 냉각성능↑․성형시간↓

□ 최근 자동차에 대한 환경규제가 강화되고 연비 개선 요구가 증가하면서 차체 경량화 연구가 전 세계적으로 활발하다.

ㅇ 특히 장거리 운행이 필요한 친환경 차량의 경우, 배터리팩 무게가 더욱 증가함에 따라 부품 경량화 문제가 보다 중요해진다.

ㅇ 그 해결책으로, 자동차 업계에서는 초경량·고강도 부품을 제조할 수 있는 ‘핫스탬핑(Hot Stamping)’ 기술의 적용 확대를 모색하고 있다.

□ 한국생산기술연구원(이하 생기원, 원장 이낙규)이 3㎜ 이상의 두꺼운 강판에도 적용 가능하고 냉각성능도 3배 이상 향상시킨 ‘직수냉각 핫스탬핑 기술’을 개발했다.

ㅇ ‘핫스탬핑’ 기술이란 약 950℃로 고온 가열한 금속소재를 금형에 넣고 프레스 성형한 후, 금형 속에서 꺼내지 않고 급속 냉각시키는 공법이다.

ㅇ 이 기술을 적용하면, 강판의 강도를 2~3배가량 높이면서도 강판 두께는 오히려 줄일 수 있어 부품 경량화에 매우 유리하다.

□ 기술을 개발한 생기원 탄소소재응용연구그룹 권의표 그룹장 연구팀은 냉각수를 금형 내에서만 순환시키는 기존 ‘다이(Die:금형)냉각 핫스탬핑’ 기술의 한계점에 주목했다.

ㅇ 기존 다이냉각 기술은 간접냉각 방식이어서 냉각속도가 비교적 느리고, 강판이 두꺼울 경우 열전달이 어려워 냉각성능도 크게 떨어졌다.

ㅇ 이를 보완하기 위해, 연구팀은 냉각수를 금형 내부뿐만 아니라 표면에 새겨진 유로(流路, 물길)에도 동시에 흐르게 할 수 있는 혼합 방식의 ‘직수유로분사’ 냉각법을 새롭게 고안해냈다.

ㅇ 아울러 냉각수 공급량을 최적 수준으로 제어해주는 냉각수 분사·배출 장치까지 제작해 일련의 직수냉각성형 시스템을 구축해냈다.

□ 개발된 시스템은 3.2㎜ 두께로 두꺼운 강판 핫스탬핑 성형 시험에서 기존 방식보다 최대 78%가량 시간(33초→7초)이 단축돼 초당 89℃의 뛰어난 냉각속도와 인장강도 1,600 MPa(메가파스칼)급 초고강도를 구현해냈다.

ㅇ 그 비결은 냉각수가 직수냉각 펀치(Punch)* 금형 표면의 유로를 따라 흐르면서 판재와 직접 접촉해 급속 냉각할 수 있기 때문이다.

* 금속 판재를 직가공하는 프레스 금형 부품

ㅇ 또한 냉각수가 유로 위를 고르게 흐르기 때문에 냉각성능이 균일하고, 냉각 후 가열된 물이 배출장치로 나오기 때문에 금형 내부에 고여 냉각성능을 저해할 우려도 적다.

ㅇ 나아가, 연구팀은 이 기술을 기반으로 자동차 부품기업 ‘동해금속㈜(대표 서동해)’와 함께 공동연구에 착수, 2020년 12월 친환경 버스 프레임 제작에 사용되는 사이드 멤버(Side member)* 부품까지 개발해냈다.

* 자동차 차체의 뒤틀림과 구부러짐을 막기 위해 사이드로 길게 뻗어 있는 부품

□ 권의표 그룹장은 “생기원 대표기술 ‘키-테크(Key-Tech)*’ 성과 중 하나로, 버스 프레임 이외에 경량화 및 고강도가 요구되는 트럭, 특장차, 항공기 등 다양한 분야에 활용 가능할 것”이라며, “냉각속도가 빨라야 후열처리 과정에서 강도가 향상되는 고강도 알루미늄 소재 성형기술로도 적용이 기대된다.”고 밝혔다.

* ‘키-테크(Key-Tech)*’ 국가 R&D혁신을 주도하고 소·부·장 독립을 뒷받침할 수 있는 생기원 대표기술로, 뿌리산업 등 전통 제조업의 공정개선부터 4차 산업혁명 기반의 차세대 생산시스템까지 다양한 분야의 143개 기술들로 구성

ㅇ 한편, 이번 기술개발은 생기원 수요기반생산기술실용화사업(2017년)과 산업통상자원부 광역협력권산업육성사업(2018~2020년)의 지원을 받아 4년간 진행됐다.