동풍 상용차를 사례로 본 베릴륨 동 합금의 자동차 프레스 성형 금형 적용
1. 서론
정상적인 프레스 작업 환경에서 자동차 차체 외판 금형의 주요 손상 형태는 금형 표면에 재료가 들러붙어 누적되는 스티킹(sticking) 현상이며, 이로 인해 프레스 제품 표면이 긁히고, 금형 표면이 반복적으로 연마되어 형상 정밀도가 저하됩니다.
차량 사용 중 차체 부식은 대개 미세한 긁힘과 스크래치에서 시작되며, 특히 차체 프레임이나 보강재와 같은 부품에서는 이러한 스크래치 부위가 응력 집중 현상을 유발해 균열의 원인이 되기도 합니다.
제품 품질을 향상시키기 위해 금형 표면을 연마하고, 제품 표면의 긁힘을 제거하는 작업이 필요하지만, 이러한 반복적인 연마와 폴리싱은 금형의 형상을 손상시키고 생산성을 저하시켜 최종적으로 제품 정밀도를 떨어뜨리고 금형 수명을 단축시킵니다.
최근 생산량 증가와 품질 요구가 높아지면서, 자동차 롱기튜디널 빔(Longitudinal Beam, 종방향 보강재) 의 표면 긁힘 문제가 더욱 심각해지고 있으며, 다수의 폴리싱 작업이 필요하고 금형의 손상도 가속화되고 있습니다.
차체 공장에서 생산되는 종방향 부품의 스크래치 발생률은 100%에 달하며, 제품 전체에 긁힘 흔적이 나타나고, 깊이는 최대 0.2mm, 밀도는 1미터당 80줄 이상에 이릅니다. 이로 인해 품질 확보를 위해 반복적인 연마 작업이 필요하며, 심한 경우에는 그라인딩까지 필요합니다. 이 과정은 비효율적이고, 보조 자재 소모가 크며, 제품 품질을 안정적으로 유지하기 어렵습니다.
2. 현황 분석
2.1 프레스 부품 성형 시 발생하는 표면 손상 문제
자동차 프레스 부품은 인장, 벤딩, 플랜징 등의 성형 과정 중에서 쉽게 표면 손상이 발생할 수 있습니다. 특히 자동차 빔 부품은 일반적으로 두꺼운 강판으로 제조되며, 경량화와 안전성 확보를 위해 고강도 강판이 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
이러한 고강도 재료를 성형하는 금형에는 매우 큰 성형 응력이 작용하며, 표면 손상 문제는 더욱 심각해집니다. 한편, 손상된 금형으로 생산을 계속하면 제품 품질은 더 악화되며, 심할 경우 균열이나 파단이 발생할 수 있습니다.
이를 해결하기 위해 금형을 정기적으로 멈추고 수리·연마해야 하며, 이로 인해 금형 치수의 변화가 발생하고, 다음과 같은 문제가 나타납니다:
대량 연속 생산 어려움
생산성 저하 및 작업 강도 증가
금형 수명 단축
제품 치수 일관성 및 외관 품질 저하
실제 현장 경험에 따르면, 열처리 또는 고경도 처리를 한 금형이라도 강철 재료로 강철 부품을 성형할 경우, 높은 마찰력 하에서는 표면 손상을 완전히 방지할 수 없습니다.
2.2 스크래치(긁힘)의 본질과 해결 방안
금형과 소재 사이에서 발생하는 긁힘은 크게 두 가지 원인으로 나눌 수 있습니다:
기계적 마모 (1차적 원인)
금형 표면의 거칠기 또는 이물질 혼입(금속 입자 등)으로 인해 발생
금형의 펀치와 다이 면을 정밀하게 연마하고, 생산 환경 청결을 유지하는 것이 중요
점착 마모 (2차적 원인, 가장 흔함)
제품과 금형 사이에 미세한 마찰이 반복되면서 원자 간의 점착이 일어나고, 재료가 한쪽에서 다른 쪽으로 전이되면서 발생
미세한 접촉 면에서 발생한 강한 접촉 응력과 미끄러짐으로 인해 표면층이 파괴되고, 콜드 웰딩(cold welding) 또는 접착 현상 발생
점착 마모가 진행되면 다음과 같은 현상이 발생합니다:
금형과 소재 간의 접촉면에서 원자 결합이 강화되고, 그 결과 재료가 마찰 부품의 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동
상대 운동이 계속되면 접착된 재료가 떨어져 나가면서 금형 표면에 심한 스크래치 또는 응착 손상 발생
응력이 임계치를 초과하면 급격한 마모 증가 → 가공면 파손 또는 뭉개짐(갤링) → 극단적인 경우에는 스틱슬립 또는 고착 현상(sticking/seizing) 발생
결론적으로, 성형 중 금형과 소재 사이의 상대운동에서 발생하는 점착 마모가 심한 스크래치와 조기 금형 손상의 주요 원인이며, 이를 방지하기 위해서는 다음과 같은 조치가 필요합니다：
금형 표면의 미세 연마와 정밀 가공
가공 재료와 금형 사이의 마찰 조건 개선
특수 코팅 및 윤활 처리 도입
고성능 금형 소재 및 표면 강화 기술 적용
생산 환경의 청결 유지 및 이물질 차단
以下是您提供的内容的韩语翻译：
3. 주요 대응 방안
프레스 성형 시 발생하는 긁힘(스크래치) 문제의 본질은 공작물과 금형 표면 사이에서 국부적으로 발생하는 점착(콜드 웰딩 또는 갤링) 현상입니다. 이를 개선하거나 방지하기 위한 기본 원칙은 마찰 쌍(friction pair)의 특성을 바꾸는 것으로, 점착이 잘 발생하지 않는 재질로 대체하는 것이 핵심입니다.
이를 위한 구체적인 방법은 다음과 같습니다:
금형 재료를 변경하거나 표면 처리를 실시
가공 대상 소재에 표면 처리를 적용 (예: 인산염 피막 처리)
금형과 소재 사이에 윤활층 또는 중간재(PVC 등)를 추가하여 분리
금형 재료 측면
초경 합금(하드메탈) 은 일반적으로 내마모성과 항갤링성이 우수하다는 평가를 받지만, 가공이 어렵고 가격이 높으며, 대형 부품용으로는 성형이 힘들기 때문에 자동차 대형 패널 금형에는 적용이 어렵습니다.
금형 표면 처리 기술
현재 국내에서 널리 사용되는 금형 표면 처리 기술은 질화(Nitriding) 및 경질 크롬 도금(Hard Chrome Plating) 입니다.
두 처리법 모두 일정 수준의 항긁힘 효과를 제공하나,
경도(HV)는 약 1000 정도로 제한적이며,
표면층이 마모되면 다시 긁힘 현상이 재발함.
특히 경질 크롬은 기계적 부착이기 때문에 고하중 성형 시 박리되기 쉽고, 박리되면 항마모 성능도 상실됩니다.
또한, PVD/PCVD 코팅(예: 티타늄 코팅) 은 경도가 HV2000~3000 이상으로 내마모성이 뛰어나지만,
기재와의 접착력이 약하여,
특히 인장성형 금형에서는 코팅이 벗겨지기 쉽고, 항긁힘 성능이 발휘되지 않거나 오히려 무효인 경우가 많아 사용에 한계가 있습니다.
TD코팅(Thermo-Diffusion Coating) 은 금형 표면에 경질 피막을 형성하여 긁힘을 방지할 수 있으나,
처리 기간이 길고,
대량 생산 체계에는 적용이 어렵다는 단점이 있습니다.
결론적으로
, 우리 회사는 기존 금형 재료인
T10A 고급 탄소공구강
을
베릴륨 동 합금(CB-2H)
으로 대체하기로 결정하였습니다.
기존 금형 재료(T10A)의 한계
T10A는 내마모성과 인성이 우수하지만 다음과 같은 단점이 있습니다：
마찰 계수 높음, 자기 윤활성 및 열전도성 낮음
성형 시 재료가 금형에 눌려 들어가며 마찰열이 급격히 발생
열전도 불량으로 인해 국부 고온이 발생하고,
이로 인해 소재가 탈락, 금형 표면에 냉간 용착, 누적된 칩(세이빙) 돌출부가 생성
이 돌출부가 스크래치의 직접적인 원인이 되어, 시간이 지날수록 긁힘의 깊이와 길이가 증가함
베릴륨 동 합금(CB-2H)의 장점
매우 낮은 마찰 계수 (0.006~0.01)
→ 마찰열 발생 억제 → 금형 수명 연장, 제품 표면 품질 향상
우수한 열전도성 (100110W/m·K, 22300℃)
→ 금형 전체 온도 균일화
→ 국부 과열로 인한 금형 균열 및 제품 표면 냉간 용착, 주름 방지
가공성 우수, 고경도, 열처리 불필요
→ 출하 상태에서 HRC42~48의 경도 확보
→ 후속 열처리로 인한 변형 발생 방지
내마모성, 내식성, 표면 매끄러움 우수
→ 금형 수명 증가
→ 성형 중 발생하는 세이빙 누적에 의한 긁힘 현상을 효과적으로 억제
T10A vs CB-2H 종합 성능 비교
항목 | T10A | CB-2H |
|---|---|---|
마찰 계수 | 0.1 | 0.006~0.01 |
열전도율 (W/m·K) | 40~60 | 100~110 |
가공성 | 어려움 | 용이함 |
경도 | HRC 60~62 | HRC 42~48 |
결론:
CB-2H 베릴륨 동 합금은 기존 T10A 강재에 비해 마찰 감소, 열 관리, 성형 안정성 및 금형 수명 측면에서 확연한 장점을 가지며, 대량 생산 현장에서 발생하는 긁힘 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 우수한 금형 재료입니다.
4. 베릴륨 동 합금 금형의 유지 관리
4.1 금형 표면 청소
프레스 1,500~2,500개 작업마다, 전용 세척액으로 금형의 작업 표면을 세척하여 오염된 윤활유, 철가루, 모래 등의 이물질을 제거한 후 압축 공기로 건조합니다.
4.2 금형 표면 연마
베릴륨 동 금형은 1,5002,500회의 프레스 작업 후 미세한 점착 현상이 발생할 수 있으며, 제품 표면에 가는 스크래치가 나타날 수 있습니다. 작업 후 초미세 오일스톤(8001200방)을 사용하여 손으로 느껴지는 점착 부위를 가볍게 밀어 연마하고, 표면이 매끄럽고 거칠지 않게 처리해야 합니다.
※ 주의: 조립 오일스톤, 사포, 연마석은 절대 사용 금지 – 주변 정상 표면을 손상시킬 수 있습니다.
이러한 미세한 돌출 또는 선형 점착은 진정한 냉간 용착 현상은 아니며, 실제로는 베릴륨 동 소재의 미세한 기공(凹坑) 부근의 날카로운 모서리에 의해 소재가 미세하게 깎여 점차적으로 메워지면서 돌출되는 형태입니다. 이들 돌출 높이는 약 0.02~0.04mm로 크지 않으며, 일정 수준 이상 되면 소재에 의해 제거됩니다.
4.3 강판 표면 청결 유지
강판이 코일 해체 후 프레스 작업장까지 이동하는 과정에서 작업 환경 청결 관리가 매우 중요합니다.
작업장 바닥은 매일 청소
사용되는 파레트 및 트레이는 정기적으로 세척
강판 보관 시 전용 방진 커버로 덮고, 운반 중에는 비닐 포장으로 이물질 차단
4.4 프레스 윤활 관리
적절한 윤활은 특히 수동 프레스 라인에서 필수입니다. 윤활 수준은 부품 구조, 재료, 프레스 속도, 강판의 청결 상태 등에 따라 결정됩니다.
자동 프레스 라인의 경우 강판 세정 및 도유 후 사용되므로 조건이 다릅니다.
※ 주의: 윤활유 필름이 아무리 우수하더라도 금형을 스크래치 낸 경질 이물질에는 무력합니다.
→ 베릴륨 동은 윤활 빈도를 줄여주며, 동일한 윤활 조건에서도 제품 표면은 연마가 필요하지 않을 정도로 양호합니다.
6. 결론
자동차 외판 부품 프레스 공정은 완성차 제조의 4대 핵심 공정 중 하나이며, 차체 품질의 기초를 형성하는 중요한 단계입니다.
베릴륨 동 합금 재료는 각종 마모로 인한 금형-부품, 또는 부품 간의 긁힘 및 과도한 마모 문제에 매우 효과적으로 대응할 수 있습니다.
특히 점착이나 냉간 용착으로 인한 긁힘(스크래치) 문제에서, 베릴륨 동 합금은 자동차 빔 부품의 해결책 중 가장 효과적인 대안입니다.
또한 마모로 인한 제품 치수 편차 문제도, 베릴륨 동 사용 후 금형 연마 주기가 줄어들며, 금형 수명이 10배 이상 연장되는 것이 일반적입니다.
긁힘 문제는 주로 점착 마모에 기인하며, 이에 대한 해결방안은 다양하지만, TD 코팅 처리 및 베릴륨 동 합금 사용은 금형의 펀치 및 다이 표면 스크래치를 해결할 수 있는 가장 경제적이고 효과적인 방법입니다.