고강도부품 제조를 위한

열간스탬핑 기술

2013. 9

본 분석물은 미래창조과학부 과학기술진흥기금과

복권기금을 지원받아 작성되었습니다.

2

머 리 말

최근의 자동차 산업에서는 고유가에 대응하는 연비향상과 CO2배출

량의 저감을 위한 차체의 경량화 및 충돌안전성의 향상이 기술개발

의 중요한 과제가 되고 있습니다. 이를 위한 대책으로서 고장력강

(high strength steel)의 사용 증대에 의한 차체의 경량화와 보강부품

의 고강도화를 추구하고 있습니다. 그러나 고장력강은 성형성이 불

량하여 기존의 프레스 성형법으로는 1000MPa 이상의 고강도 부품은

제조에 기술적으로 어려움이 많고 제조원가도 높아지는 문제가 있습

니다.

이에 대한 해결책으로서 독일을 위시한 유럽에서는 보통강 수준의

강도를 갖는 강재로부터 1500MPa 이상의 초고강도 부품을 제조하는

열간스탬핑(Hot Stamping) 기술을 개발하여 자동차용 보강부품의 제

조에 적용함으로써 자동차의 경량화와 충돌안전성의 향상에 크게 기

여하고 있습니다. 국내에서도 일명 핫스탬핑이라고 불리는 이 기술

이 도입되어 일부 업체에서 자동차 부품의 제조에 적용하고 있으나

기술적인 한계 때문에 응용범위가 제한되고 있는 실정입니다.

열간스탬핑은 많은 장점을 갖고 있으나 생산성이 낮고 설비투자가

크다는 이유로 그 동안 널리 보급되지 못하였으나 새로운 재료기술

과 설비기술이 개발됨에 따라 최근에는 신규설비의 도입이 세계적으

로 확대되고 있으며, 연구개발의 활성화에 의하여 생상성과 품질 및

공정개선에 기여하는 신기술도 속속 출현하고 있습니다. 이에 본 연

구원에서는 열간스탬핑 기술의 응용과 기술개발에 관한 국내외 동향

을 분석하고 국내의 기술개발전략을 검토하였습니다. 본 보고서가

열간스탬핑 기술의 응용과 연구개발에 일조하여 국내 기술의 발전과

보급에 기여하기를 바랍니다.

감사합니다.

2013년 9 월

한국과학기술정보연구원

원 장 박 영 서　

목 차

제1장 서 론 ·······················································································1

1. 연구목적 ····················································································· 1

2. 연구의 필요성 ············································································ 1

3. 연구방법 ····················································································· 3

제2장 기술의 개요 ·············································································4

1. 열간스탬핑 기술의 개발배경 ···················································· 4

2. 열간스탬핑 공정과 기술적 특징 ··············································· 5

3. 열간스탬핑의 이용과 문제점 ···················································· 7

제3장 열간스탬핑의 기술동향 ··························································10

5

1. 재료기술 ··················································································· 10

가. 적용재료의 기본조성 ·························································· 10

나. 고강도화 조직제어 ····························································· 12

다. 내산화 도금강판 ································································· 14

2. 조업기술 ··················································································· 16

가. 열간스탬핑의 공정형태 ······················································ 16

나. 가열, 성형 및 냉각조작 ····················································· 18

다. 공정 시뮬레이션 및 성형해석 기술 ·································· 21

3. 장치기술 ··················································································· 23

가. 가열장치 ·············································································· 23

나. 냉각디바이스 ······································································ 26

4. 열간스탬핑 신기술 ··································································· 27

가. 다단공정 기술 ····································································· 27

나. 맞춤형 열간스탬핑 기술 ···················································· 28

다. 가스성형법 ·········································································· 31

5. 국내의 기술현황 및 연구개발 동향 ········································ 32

가. 열간스탬 기술의 도입 및 이용현황 ·································· 32

나. 기업의 기술개발 동향 ························································ 34

다. 대학의 연구개발 활동 ························································ 36

제4장 학술정보 분석 ······································································37

6

1. 분석방법 ··················································································· 37

2. 국가별, 연도별 논문발표 추이 ················································ 38

3. 분야별 논문 발표 동향 ···························································· 41

4. 논문발표 상위 10개 국가 및 연구기관 ·································· 43

제5장 결론 ·······················································································46

1. 열간스탬핑의 기술적 특징과 전망 ·········································· 46

2. 국내외 기술현황 및 연구개발 동향 ········································ 47

가. 외국의 동향 ········································································ 47

나. 국내의 동향 ········································································ 48

3. 향후의 연구개발 과제와 기술발전 전략 ································· 49

가. 연구개발과제 ······································································ 49

나. 기술발전 전략 ····································································· 50

참고문헌 ·························································································52

표 목차

<표 3-1> 열간스탬핑용 22MnB5강의 화학성분과 기계적 특성 ············· 11

<표 4-1> 국가별 논문 발표 건수 ····························································· 40

<표 4-2> 저자의 국적별로 분류한 연도별 논문 발표 건수 ·················· 40

<표 4-3> 분야별 논문 발표 건수 ····························································· 42

<표 4-4> 논문 발표 세계 상위 10개국 ···················································· 44

<표 4-5> 논문 발표 세계 상위 10개 기관 ·············································· 45

그림 목차

<그립 2-1> 열간스탬핑 공정의 개념도 ······················································ 6

<그림 2-2> 22MnB5강의 기계적 성질(a)과 연속냉각 변태도(b) ············· 7

<그림 2-3> 열간스탬핑 부품의 승용차 적용 예 ····································· 9

<그림 3-1> TS 1800MPa급 열간스탬핑 강재의 CCT선도 ····················· 13

<그림 3-2> Al-Si도금강판 두께방향의 Fe, Al, Si 농도분포 ················· 16

<그림 3-3> 직접식 및 간접식 열간스탬핑 공정 ····································· 18

<그림 3-4> 성형다이와 냉각시스템의 설계 예 ······································· 19

<그림 3-5> 22MnB5강의 연속냉각 변태도(CCT) ··································· 20

<그림 3-6> 열간스탬핑에 의한 22MnB5강의 응력/변형률 곡선과 미세조

직의 변화 ·············································································· 20

<그림 3-7> 열적조건, 가공조건 및 미세조직의 상호관계 ······················ 21

<그림 3-8> 성형해석 모델의 구성 ··························································· 22

<그림 3-9> 열간스탬핑에 의한 B-pillar부품의 성형해석 결과 ·············· 22

<그림 3-10> 열간스탬핑 공정의 가열방식 ··············································· 23

8

<그림 3-11> 유도가열 방식의 원리 ························································· 24

<그림 3-12> 2단식 유도가열 방식 ··························································· 25

<그림 3-13> 통전가열 방식 ······································································ 26

<그림 3-14> 통전가열과 다단공정에 의한 열간스탬핑 ··························· 28

<그림 3-15> THS에 의한 B-pillar의 기계적 특성 ································· 30

<그림 3-16> 통전가열법에 의한 국부가열의 온도분포와 맞춤형 성형품31

<그림 3-17> 가스성형법의 모식도 ··························································· 32

<그림 3-18> 현대하이스코의 자동차용 열간스탬핑 부품 ······················· 33

<그림 3-19> 현대하이스코의 국부연화 맞춤형 부품의 제조방법 ·········· 35

<그림 4-1> 연도별 논문 발표 추이 ······················································· 39

<그림 4-2> 발표 논문의 분야별 구성비 ················································ 42

1

제 1장

서 론

1. 연구목적

○ 고강도 구조부품의 제조를 위하여 개발된 열간스탬핑(hot

stamping) 기술에 관한 최근의 국내외 기술개발 동향과 실용

화 현황을 분석하고, 향후의 기술개발 방향을 전망한다.

○ 열간스탬핑 기술의 문제점과 이의 해결을 위한 현재까지의 개

발성과를 분석하고, 국내의 기술발전을 위한 개발과제를 도출

하고 발전전략을 제시한다.

2. 연구의 필요성

○ 열간스탬핑이란 금형 내에서 부품성형과 동시에 경질조직으로

변태시키는 일종의 가공열처리 기술로서, 형상가공과 고강도화

2

를 동시에 달성하는 기술이다. 고장력강의 성형에는 대형 프레

스가 필요하고 금형을 자주 수정해야 하는 결점이 있으나, 열

간스탬핑에서는 보통강 수준의 재질로도 고장력강의 강도를 작

은 성형하중으로 달성할 수 있는 장점이 있다.

○ 최근 자동차 연비향상을 위한 경량화 대책으로서 차체의 골격

부재를 중심으로 하는 부품에 고장력 강판의 적용이 급증하여

인장강도가 1 GPa를 넘는 초고장력강도 개발되었다. 그러나 초

고장력강의 냉간프레스 성형에서는 성형하중과 스프링백의 증

가, 성형성의 저하와 이에 수반하는 금형수명의 저하, 지연파괴

등이 문제가 되고 있다. 특히 1.2GPa 이상의 초강력강에 대한

프레스 성형법은 아직 확립되어 있지 않은 실정이다.

○ 따라서 독일을 중심으로 하는 유럽에서는 인장강도 1500MPa급

이상의 고강도 부품은 주로 열간스탬핑으로 제조되고 있으며,

세계적으로 이의 보급이 확대되는 추세에 있다. 특히 연비절감

과 CO2배출량의 저감을 위한 차체의 경량화가 중요한 과제가

되고 있는 자동차 산업에서 열간스탬핑 기술의 적용은 차량의

경량화에 효과적으로 기여할 것이다.

○ 국내에도 최근 열간스탬핑 기술이 일부 업체에 도입되어 현재

범퍼, 도어빔, 루프레일 등과 같은 자동차 보강부품의 제조에

이용되고 있으나 기술수준은 초보단계에 있다. 열간스탬핑 기

3

술의 적용확대에는 생산성 향상기술, 적용 강종의 개발, 가공열

처리 기술 등 해결해야 할 과제가 많이 남아 있다. 본 연구에

서는 이에 관한 최근의 기술개발 동향과 실용화 사례에 관한

정보를 제공함으로써 국내의 열간스탬핑 적용확대와 당해기술

의 고도화에 기여하게 될 것이다.

3. 연구방법

○ 학술정보는 주로 Web DB의 Web of Science를 위시한 논문검

색 사이트를 통하여 수집하고, 기술정보는 WIPS, KIPRIS를

위시한 특허검색 사이트를 통하여 수집한다. 이외에 Google 검

색사이트를 이용한다.

○ 연구대상 항목은 열간스탬핑 제품의 품질개선과 생산성 향상에

기여하는 기술로서 재료기술, 공정기술, 설비 및 조업기술을 중

점적으로 조사한다.

4

제 2장

기술의 개요

1. 열간스탬핑 기술의 개발배경

○ 자동차의 연비향상을 위한 경량화 대책으로서 차체의 골격부재

를 중심으로 하는 부품에 고장력 강판의 적용이 증가하는 추세

에 있다. 이에 따라 성형성이 우수한 980MPa급 고강도 강판의

개발에 이어 1180MPa급 용융아연도금 강판이 실용되고 있으

며, 최근에는 충돌안전성 면에서 TRIP효과를 이용하여 인장강

도가 1500MPa를 초과하는 고연성 강판도 개발되고 있다.

○ 그러나 이러한 초고장력강은 성형성이 좋지 않기 때문에 냉간

프레스 성형에서 성형하중의 증가, 금형수명의 저하, 탄성회복

변형에 의한 스프링백(spring back)의 발생, 고장력강 특유의

지연파괴 등이 문제가 되고 있다. 또 1.2GPa 이상의 초고장력

강에 대한 프레스 성형법은 아직 확립되어 있지 않으며, 강도

가 1500MPa를 초과하면 형상동결성(shape fixability)이 저하하

5

고, 고탄소화에 따라 용접성의 열화도 문제가 되고 있다. 이러

한 문제점을 해결하는 기술로서 열간스탬핑(hot stamping) 기

술의 유효성이 입증되어 유럽을 중심으로 보급이 급속히 확대

되고 있다. 국내에서는 이를 “핫스탬핑”으로 부르기도 한다.

○ 열간스탬핑의 원형은 가압과 가열에 의하여 귀금속 박막을 장

식품에 전사시키는 전통공예기술에서 유래한다. 1977년에 스웨

덴의 Plannja사는 이 기술을 이용하여 톱날을 제조하는 방법을

개발하여 특허(GB 1490535 1977)를 획득한 것이 금속의 성형

기술로 발전하게 된 계기가 되었다. 이후 1984년에 Saab자동차

가 열간스탬핑 기술을 보론 첨가강을 이용하여 자동차 부품의

제조에 적용한 것을 시초로 하여 독일에서도 1990년대부터 자

동차 부품의 성형에 적용하기 시작하였다.

2. 열간스탬핑 공정과 기술적 특징

○ 열간스탬핑 공정은 <그림 2-1>과 같이 「판재의 가열→ 금형

에 의한 프레스 가공→ 금형 내에서 급냉→트리밍, 펀칭 등

후가공」의 공정으로 구성된다.1)즉 성형용 소재를 Ac3 온도

이상으로 가열하여 오스테나이트 조직으로 한 후, 이를 프레스

로 성형하고 금형 내에서 급랭하여 마르텐사이트(이후 M으로

6

표기)로 변태시키는 가공열처리(thermo-mechanical process)

기술의 일종이다.

○ 열간스탬핑에서는 금형 내의 냉각에 의해 M변태가 일어나야

하므로 여기에는 경화능(hardenability)이 좋은 강재가 이용된

다. 대표적인 강재로는 경화능에 기여하는 Mn, Cr, B를 소량

첨가한 Fe-0.23C-1.18Mn-0.16Cr-0.002B(중량%)의 조성을 갖는

22MnB5강이 열간스탬핑용으로 현재 유럽에서 가장 많이 이용

되고 있다. 22MnB5강은 <그림 2-2>에서 보는 바와 같이 통상

은 페라이트(F)+펄라이트(P)의 복합조직을 갖는 강종으로 강도

가 약 600MPa에 불과하지만, 열간스탬핑을 적용하면 강도가

1500MPa 이상으로 높아진다. 다만 이러한 강도를 얻기 위해

서는 연속냉각변태도에서 보는 바와 같이 금형 내에서 M변태

온도인 400℃까지 27℃/sec 이상의 냉각속도를 실현해야 한다.2)

<그림 2-1> 열간스탬핑 공정의 개념도

7

<그림 2-2> 22MnB5강의 기계적 성질(a)과 연속냉각 변태도(b)

○ 열간스탬핑의 가장 큰 장점은 금형 내에서 성형 후의 급랭으로

경질조직인 M상이 생성되므로 스프링백(spring back)이 없고,

형상동결성과 고강도화가 동시에 달성되는 점이다. 또 가공 시

변형저항이 냉간변형의 1/20에 불과하므로 프레스 하중의 현저

한 저감에 의해 성형프레스의 소형화가 가능하다. 이외에도 금

형의 수정이 불필요하고, 금형 내 냉각(die quenching) 효과에

의하여 보통강으로부터 1500MPa 이상의 고강도 성형부품을 제

조할 수 있는 장점이 있다.

3. 열간스탬핑의 이용과 문제점

○ 열간스탬핑 기술이 가장 많이 이용되는 분야는 충돌안전성 면

8

에서 고강도 보강재가 요구되는 자동차 부품으로, 전술한 바와

같이 1984년에 Saab자동차의 보강부품에 최초로 적용된 이래,

독일을 위시한 유럽 각국에서 적용이 증가하여 적용 부품 수는

1987년 300만 개, 1997년 800만 개, 2007년에는 1억7백만 개,

2012년 약 3억5천만 개로 급격히 증가하여 왔다. 부품의 종류

는 <그림 2-3>에서 보는 바와 같이 A-필라, B-필라, 범퍼, 루

프레일, 락커레일, 도어빔, 터널 등의 새시부품이 주류를 이룬

다.3) 현재 세계에는 약 160기의 열간스탬핑 라인이 가동 중에

있으며, 앞으로 5년간 매년 20～30라인이 증설될 것으로 예측

되고 있다.

○ 반면에 열간스탬핑의 문제점으로는 ① 가열로 등 부대시설이

필요하고, ② 냉각에 시간이 지체되고 연속작업이 곤란하여 생

산성이 낮으며, ③ 절단, 트리밍(trimming), 천공(piercing) 등의

후처리에 레이저 가공설비가 필요하고, ④ 고온성형 과정에서

생성된 산화 스케일의 제거를 위한 숏피닝(shot peening) 설비

가 필요하다. 이와 같은 결점들이 열간스탬핑의 보급에 장애가

되고 있어 이의 해결을 위해 재료기술, 장치기술, 공정기술, 성

형가공기술 등의 분야에서 적극적인 연구개발이 추진되어 새로

운 기술이 등장하고 있다. 이에 대해서는 「제3장의 기술동

향」에서 상술한다.

9

<그림 2-3> 열간스탬핑 부품의 승용차 적용 예

10

제 3장

열간스탬핑의 기술동향

1. 재료기술

가. 적용재료의 기본조성

○ 열간스탬핑에 적용하는 소재로는 저합금 탄소강이 주로 이용되

며, 기지조직인 마르텐사이트(M)의 강도가 탄소량에 의존하므

로 용접성을 저해하지 않는 범위에서 탄소함량을 제어하여 목

표로 하는 강도를 확보한다. 예를 들어 1500MPa급의 강도를

목표로 하는 경우에는 탄소함량 0.20～0.23%의 저합금강을 이

용한다. 합금원소로는 냉각속도가 느린 금형냉각에서도 M변태

가 용이하게 일어날 수 있도록 경화능(hardenability)의 향상에

기여하는 Mn, Cr, B 등의 원소가 소량 첨가된다.

○ 자동차 부품의 제조에 일찍부터 열간스탬핑을 이용하고 있는

유럽에서 현재 사용되는 강재는 Mn22B5강으로, 이의 화학성분

과 특성은 <표 3-1>과 같다.3) 자동차의 보강부품으로 이용되

11

는 BTR-165강이나 세계 최대의 제철소인 ArcelorMittal사가

제조하는 Usibor-1500강도 열간스탬핑용으로 개발된 강으로

Mn22B5강과 거의 동일한 강종이다. Mn, Cr, B는 전술한 바와

같이 M변태의 임계냉각속도(CCR)를 27℃/s로 낮추어 경화능

을 확보하는데 유효하며, Ti는 N을 TiN으로 고정시켜 BN의 생

성을 억제함으로써 기지조직에 고용되는 B농도를 증가시켜 경

화능을 높이는데 기여한다. 특히 B는 10~30ppm만 첨가해도 오

스테나이트 결정립계에 편석하여 페라이트의 핵생성을 지연시

켜 TTT(time-temperature-transformation)곡선을 우측으로 이동

시킴으로써 CCR을 감소시켜 경화능을 향상시킨다. 이와 같은

효과에 의하여 인장강도는 원소재의 600MPa급에서 1500MPa급

으로 현저하게 증가한다.

<표 3-1> 열간스탬핑용 22MnB5강의 화학성분과 기계적 특성

C Mn Cr B Ti Ni Si N Al

composition(mass %)

0.23 1.18 0.16 0.002 0.040 0.12 0.22 0.005 0.03

As delivered hot stamping

Tensilestrength(MPa)

608 1478

Yield strength(MPa)

457 1010

heattreatment

martensite transformation : Ms=410℃,critical cooling rate : 27℃/s

12

나. 고강도화 조직제어

○ 강도의 향상에는 C의 함량을 증가시키는 방법이 적용되어

0.23%C의 Mn22B5강에서는 1500MPa가 한계이지만 0.28%C에

서는 1700MPa급 강도가, 0.34%C에서는 1900MPa급 강도가 가

능하다고 보고되고 있다.4) 그러나 탄소함량의 증가는 용접성과

성형성을 저해하고 인성에도 영향을 미치므로 C의 증량에는

한계가 있다. 따라서 마이크로 알로잉(MA, microalloying)과 조

직제어에 의한 결정립 미세화를 통하여 인장강도를 향상시키는

기술이 개발되고 있다.

○ 종래의 열간스탬핑에서 마르텐사이트(M)의 입경은 30～40㎛

정도이나 가열공정에서 형성되는 모상(오스테나이트, γ상)을 미

세화하면 동일한 성분의 강에서도 강도와 인성의 향상이 가능

하다. γ립의 미세화는 방위가 다른 다수의 γ립을 생성시켜 이

의 성장을 극력 억제함으로써 달성된다. 여기에는 Nb, V, Ti와

같은 MA원소의 첨가가 유효하다. 또 냉간압연율을 증가시키거

나 열간압연 후에 시멘타이트가 미세하게 분산하는 온도에서

권취(coiling)하는 것도 M조직의 미세화에 유효하다.

○ Sumitomo Metals에서는 0.25～0.45%C강에서 MA원소로서 Mn,

Cr, V, Nb, Mo, B 등을 소량 첨가하여 오스테나이트 결정립을

13

8㎛ 이하로 미세하게 제어함으로써 인장강도(TS) 1800MPa급

열간스탬핑용 강재를 개발하였다.5)6) 오스테나이트립의 미세화

는 Nb. Mo, Ti의 탄화물 형성에 의한 피닝효과(pinning effect)

에 의하여 달성된다. <그림 3-1>의 CCT(연속냉각변태)선도에

서 보는 바와 같이 이 재료의 Ac3점은 822℃이며, M변태를 위

한 임계냉각속도는 20℃/s로서 실용재료의 27℃/s보다 낮아 냉

각조작이 용이하다. 이 재료는 인장강도 외에도 인성, 용접성,

내지연파괴성 등이 우수하여 현재 Mazda CX-5자동차의 범퍼

빔에 실용되고 있다.

<그림 3-1> TS 1800MPa급 열간스탬핑 강재의 CCT선도

14

○ 가열온도의 저온화도 조직의 미세화에 기여하므로 Ac3온도를

저하시키는 Mn의 증량이 유효하며, Mn은 열간스탬핑에서 페

라이트와 같은 연질상의 생성을 억제하는 데에도 기여한다. 또

Mn을 3%로 높인 Fe-3%Mn강은 공랭으로도 1470MPa의 고강

도가 얻어져 생산성의 향상뿐만 아니라 부위별 냉각속도의 차

이에 따른 강도의 불균일성을 완화시키는 데에도 효과가 기대

된다. 최근에는 C를 0.3% 정도로 높여 인장강도를 1800～

2000MPa로 높이는 것을 목표로 하는 연구도 수행되고 있다.7)

예를 들어, T. Senuma는 2000MPa급 열간스탬핑용 강재의 개

발을 위한 연구에서 Fe-0.28%C-3%Mn-0.3%V-0.025%Nb 조성

의 강을 「900℃ 마무리압연→50% 냉간압연→800℃(가열속도

200℃/s)→수냉」의 공정으로 처리하여 평균입경 1.5㎛의 미세

한 M조직을 얻는데 성공하였다.8)

다. 내산화 도금강판

○ 열간스탬핑에서는 가열과 성형과정에서 표면산화가 일어나며,

산화스케일은 용접성과 도장성을 저해하므로 숏 피닝(shot

peening) 처리에 의한 제거가 필요하다. 이는 설비와 공정의

추가를 의미하므로 이를 생략하기 위하여 내산화 표면처리 강

판이 개발되어 이용되고 있다. 표면처리에는 Al도금, Al-Si도

15

금, Zn도금 등이 실시되며, 룩셈부르크에 본사를 둔 세계 최대

의 제철소인 ArcelorMittal사에서는 Usibor®1500-AS(Al-Si도

금), Usibor®1500GI(Zn도금), Usibor®1500GA(ZnFe도금) 등의

도금강판을 열간스탬핑용으로 양산하고 있다.

○ Al도금의 경우 Al의 융점은 660℃로서 오스테나이트 온도역보

다 낮으므로 열간스탬핑에는 적용이 곤란하다. 그러나 Al과 Fe

사이에 상호확산이 일어나도록 가열온도를 조절하여 융점이 높

은 Fe2Al5, FeAl2와 같은 고융점 Fe-Al합금 도금층을 형성시켜

이용한다.9) 또 10%Si-3%Fe-87%Al 용융욕에서 처리한 Al-Si

도금강판은 열간스탬핑 과정에서 Fe가 확산하여 <그림 3-2>와

같이 농도구배를 갖는 Al-Si-Fe합금층이 형성된다. 이 도금층

의 표면에는 가열 시에 미세한 凹凸이 생성되므로 인산염 처리

를 하지 않아도 도장성이 우수하다.10) 그러나 Al-Si의 융점은

600℃ 정도이므로 고융점 합금층이 형성될 수 있도록 가열속도

를 제어할 필요가 있다.

○ 22MnB5강에 대한 보호피막법으로 x-tech®법이 있다.11) 이 방

법은 미크론 크기의 무기 및 유기재료 입자를 Al입자와 혼합하

여 졸겔법으로 코팅하는 것으로서 7㎛ 두께의 피막은 윤활제의

첨가가 없이도 냉간성형이 가능한 것으로 보고되고 있다.12) 최

근에는 전기로 가열과 오일을 사용하여 산화를 방지하는 방법

16

도 출현하고 있다.13) 또 가열 중에 스케일의 형성을 방지할 수

있는 표면처리법으로 Ni나 Cr에 의한 박도금(thin plating)도

검토되고 있다. 또 Ti의 DP(deep drawing)성형용 윤활제의 도

포에 의한 산화방지법의 유효성도 보고되고 있다.14) 이외에 Al,

Mg함유 졸겔 피막을 형성시킨 강판이 시판되고 있으며, 이 피

막은 냉간 프레스 가공 시에 윤활작용을 하여 DP성형성을 향

상시키고, 냉간 프레스 후의 가열에서도 스케일이 형성되지 않

는 것으로 보고되어 간접형 열간스탬핑에 적용이 기대된다.7)

<그림 3-2> Al-Si도금강판 두께방향의 Fe, Al, Si 농도분포

2. 조업기술

가. 열간스탬핑의 공정 형태

17

○ 열간스탬핑 방법에는 직접식과 간접식이 있다. 직접식은 <그림

3-3>에서 보는 바와 같이 판재를 오스테나이트 온도로 가열한

후, 프레스 성형을 실시하고 금형 내에서 그대로 급랭시키는

방법으로 통상적으로 열간스탬핑은 이와 같은 직접식을 의미한

다. 이에 대하여 간접식은 최종형상의 90～95%까지 냉간에서

예비성형을 실시하고, 예비성형품을 오스테나이트 온도로 가열

한 후 금형으로 옮겨 최종형상으로 조정한 후 급랭시키는 방법

이다. 이후의 처리로서 트리밍(trimming), 천공(piercing), 숏피

닝(shot peening) 등의 후공정은 직접식이나 간접식이나 공통적

으로 적용된다.

○ 간접식은 금형표면의 마모를 방지할 목적이나 또는 DP성형을

위한 목적으로 적용한다. 특히 열간스탬핑에서는 성형성이 우

수한 페라이트 집합조직은 생성되기 어렵고, 또 공구접촉부와

비접촉부에서 온도분포가 존재하여 고온부위에 변형이 집중되

어 피단이 일어나기 쉬우므로 DP성형이 곤란하다. 이의 해결법

으로 냉간프레스 성형 후에 열간스탬핑을 실시하여 고강도화를

달성하는 방안이 제안되고 있다.15) 그러나 이 방법은 공정이

추가될 뿐만 아니라 부품형상으로 가공된 것을 가열하므로 가

열로의 대형화가 필요하다. 이러한 문제의 해결을 위해서는 마

찰계수가 낮은 저렴한 윤화제의 개발과 함께 DP가공이 가능한

열간스탬핑 기술의 개발이 요구된다.

18

<그림 3-3> 직접식 및 간접식 열간스탬핑 공정

나. 가열, 성형 및 냉각조작

○ 가열온도는 오스테나이트가 안정하게 존재하는 온도영역으로서

이는 강재의 조성에 따라 다르나 대표적인 열간스탬핑용 재료

인 22MnB5강의 경우 950℃ 정도면 충분하다. 유지시간은 강판

의 두께에 따라 조절이 필요하나 두께 5㎜ 이하인 경우에는

5～10분으로 충분하다. 가열속도에 특별한 제한은 없으나, 융점

이 낮은 Al(660℃)이나 Al-Si(600℃) 도금강판의 경우 급가열은

도금층의 용해가 우려되므로 Fe2Al5, FeAl2 같은 고융점 금속간

화합물을 형성할 수 있도록 가열속도를 제어할 필요가 있다.

19

○ 오스테나이트 온도로 가열된 재료는 즉시 프레스로 옮겨져 M

변태가 시작되기 전에 성형되어야 한다. 성형 후에는 <그림

3-4>와 같이 프레스 다이를 성형 상태로 유지한 채 수냉 덕트

에 의해 성형체를 냉각시킨다.3) 냉각조작은 열간스탬핑의 경제

성뿐만 아니라 성형부품의 품질에 큰 영향을 미치므로 냉각 덕

트는 M변태가 일어나는 냉각속도를 효과적으로 달성할 수 있

도록 설계되어야 한다. 이를 위해서 물을 냉각매로 이용하여

성형된 부품의 윤곽선을 따라 냉각수가 흐르도록 다이에 냉각

덕트를 마련한다.

<그림 3-4> 성형다이와 냉각시스템의 설계 예

○ 성형 후의 냉각조작은 성형품의 품질을 좌우하는 가장 큰 요인

으로 CCT곡선으로부터 냉각속도에 따르는 미세조직을 제어하

는 것이 중요하다. 예를 들어, 22MnB5강에서 1600MPa의 인장

강도를 얻기 위해서는 <그림 3-5>의 CCT곡선으로부터 베이

20

나이트, 페라이트, 펄라이트변태를 억제하고 M변태가 일어날

수 있도록 27K/s보다 빠른 냉각속도가 필요하다. M변태에 수

반하여 <그림 3-6>과 같이 강도와 미세조직이 변화하며, 이때

의 특성변화, 체적변화, 잔류응력, 냉각에 따른 변형, 변태상의

체적률 등은 예측모델에 의하여 정량적으로 계산이 가능하다.16)

<그림 3-5> 22MnB5강의 연속냉각 변태도(CCT)

A : Austenite, B : Bainite, F : Ferrite, M : martensite

<그림 3-6> 열간스탬핑에 의한 22MnB5강의 응력/변형율 곡선과

미세조직의 변화

21

다. 공정 시뮬레이션 및 성형해석 기술

○ 열간스탬핑은 가공열처리에 의한 상변태를 이용하는 점에서 고

장력강 제조에 이용되는 TMCP압연과 원리적으로 유사하다. 따

라서 재료의 성분과 조성에 의존하여 온도조건과 가공조건에

따라 미세조직이 변화하며, 이들은 <그림 3-7>과 같은 상호관

계를 갖는다. 이들의 관계를 고려하여 미세조직과 기계적 특성

을 예측하는 공정시뮬레이션 모델로서 유한요소(FE)법에 기초

한 모델이 제안되고 있다.17,18)

<그림 3-7> 열적조건, 가공조건 및 미세조직의 상호관계

○ 열간스탬핑에서는 냉간가공과 달리 온도조건에 따라 성형성이

복잡하게 변화하므로 성형상태의 해명과 복잡한 형상의 성형성

예측을 위해서는 성형조건과 열적 조건을 연계시킨 해석이 필

요하다. NSC(신일본제철)에서는 프레스 성형용 범용해석 프로

그램으로 LS-DYNA에 의한 해석수법을 개발하였다.19) 드로잉

22

과 프레스 성형에 대한 해석모델의 구성은 <그림 3-8>과 같

다. 메시 사이즈가 작을수록 계산 정도는 향상되나 지나친 세

분화는 계산에 장시간이 소요된다. <그림 3-9>는 이 해석모델

을 자동차의 B필라 부품에 적용한 결과로서 열화상의 비교에

서 온도분포(a)는 실측결과와 거의 일치하고, 두께 감소율 30%

이상에서 파단부(b)가 나타나는 해석결과도 실측의 경우와 일

치하고 있다.

<그림 3-8> 성형해석 모델의 구성

<그림 3-9> 열간스탬핑에 의한 B-pillar 부품의 성형해석 결과

23

3. 장치기술

가. 가열장치

○ 열간스탬핑에서 가열과 냉각에 소요되는 시간은 생산성을 좌우

하는 요인이 된다. 가열방식으로는 롤러테이블식 가열로(roller

table furnace)나 이동식 빔 가열로(walking geam furnace)가

주로 실용되고 있다. 그러나 이들 가열로의 길이는 30～40m에

달하여 설치장소 및 설치비용의 절감과 가열시간의 단축을 위

한 새로운 가열방식이 개발되고 있다. <그림 3-10>에 현재 실

용 중인 (a)롤러테이블식 가열로와 급속가열 방식으로 제안되

고 있는 (b)유도가열법(induction heating)과 (c)전도가열법

(conduction heating)의 모식도를 나타내었다.

<그림 3-10> 열간스탬핑 공정의 가열방식

24

○ 유도가열 방식은 아직 실험실적으로 이용되는 단계에 있는데

이는 고주파 발진기와 유도코일로 구성된다. 여기에는 <그림

3-11>과 같이 유도코일의 종류에 따라 longitudinal field, cross

field, face field 의 3가지가 있다.20) longitudinal field방식은 큐

리온도(720～745℃)까지 가열효율이 93%로 높으나, 더 고온으

로 가열하려면 face field inductor가 필요하다. 이런 점을 고려

하여 <그림 3-12>와 같이 120kW longitudinal field 인덕터와

150kW face field 인덕터를 배치한 2단 가열방식이 개발되었

다.20) 1단 인더터에서 재료의 장입속도는 가열속도에 영향을 미

치며, 2단 인덕터에서 재료표면과 코일 사이의 거리는 온도를

결정하는 요인이 된다.

<그림 3-11> 유도가열 방식의 원리

25

<그림 3-12> 2 단식 유도가열 방식

○ 전도가열법은 재료의 양측을 전극으로 고정하여 재료의 전기저

항열에 의해 가열하는 방식으로 통전가열법으로 부르기도 한다.

이 경우 균일가열에는 전극접촉 방식의 설계와 접촉압력의 제

어가 매우 중요하다.21) Toyobashi대학에서 개발한 통전가열 방

식22)은 소재가 가열로에서 성형장치로 이동하는 과정과 성형공

정에서는 발생하는 열손실을 방지할 수 있어 실용화가 주목되

고 있다. 이 방법에서는 <그림 3-13>과 같이 판재는 다이 사

이에 설치되어 성형과정에서 프레스와 통전가열을 신속하게 동

기화 시킴으로써 가열이 완료되어 성형이 시작되기까지 걸리는

시간은 0.2초에 불과하다. 판재와 전극의 접촉을 충분히 유지하

기 위하여 7.4MPa의 압력을 가하며, 통전 중에 판재는 열손실

을 방지하기 위하여 다이, 홀더, 펀치 등과는 접촉하지 않도록

한다.

26

<그림 3-13> 통전가열 방식

나. 냉각 디바이스

○ 열간스탬핑으로 성형된 부품은 금형에서 냉각(die quenching)되

며, 이때 냉각시간은 M변태가 일어나도록 충분히 빨라야 한다.

냉각속도를 높이기 위해서는 부품에서 공구(die)로, 냉각매에서

공구로 열이동이 좋아야 하므로 공구재료의 선택과 냉각 덕트

의 설계가 중요하다. 다이재료의 선택에는 내마모성과 열전도

성을 고려해야 하며, 합금원소의 농도가 높으면 강도는 향상하

나 열전도도는 저하한다. 맞춤형 다이 재료로서 열전도성이 우

수한 HTCS-117강(Ni-Cr-Mo함유 다이강)은 성형사이클 시간

을 종래의 10～15초에서 4～6초로 감소시키며, Al의 다이캐스

팅용으로 개발된 HTCS-130, HTCS-150, HTCS-170 등은 2～

3초로 단축시키는 것으로 보고되고 있다.23)

27

○ 다이의 냉각성능 향상을 위해서는 열전달이 잘 이루어지도록

재료와 다이와의 접촉을 보장할 수 있는 정밀한 다이설계가 요

구된다. 이러한 다이설계 방법으로 성형다이에 드릴공을 형성

시키는 방법24), 파이프와 같은 냉각홀을 형성시키는 방법25)이

제안되고 있다. 이 외에도 금형과 재료의 접촉 불량을 없애는

방법,26) 금형을 열전도율이 높은 재질로 대체하는 방법,27) 금형

내에 직접 물을 분사하는 방법28) 등에 의하여 냉각시간은 종래

의 6～10초에서 1～4초로 단축되고 있다.

4. 열간스탬핑 신기술

가. 다단공정 기술

○ 열간스탬핑은 고강도 부품을 효율적으로 제조할 수 있는 장점

이 있는 반면에 ①트리밍, 절단, 천공가공 등을 위한 후처리 설

비가 필요한 점, ②후처리 공정이 추가되는 점, ③가열과 냉각

에 시간이 소요되어 생산성이 낮은 점 등의 결점을 갖고 있다.

이로 인한 제조원가의 상승이 열간스탬핑의 보급에 장애가 되

고 있으며, 이의 해결을 위한 방법으로서 가열공정을 제외하고

현행의 냉간프레스 공정과 같이 후처리 공정 없이 한 공정에서

열간스탬핑 부품을 제조하는 기술이 생산성을 제고시키는 신기

28

술로 주목되고 있다.7),29)

○ 이 방법에서는 <그림 3-14>와 같이 가열시간의 단축을 위하여

전술한 통전가열 방식을 적용하고, 트랜스퍼 프레스를 이용하

여 다단스탬핑으로 형상을 가공한 후 이어서 피어싱, 트리밍,

구멍확장 등의 가공을 열간에서 연속적으로 실행하는 방법이다.

이 방법은 제조시간이 냉간스탬핑과 큰 차이가 없으며, 종래의

후처리 공정이 생략되어 냉간프레스와 같은 정도의 생산성과

설비투자의 절감이 기대된다. 또 성형품을 치구에 고정하여 냉

각시키면 형상동결성이 확보된다. 다만 이 방법은 공랭으로도

M변태가 일어나는 경화능이 우수한 재료에 적용이 가능하다.

이러한 강종으로는 0.22%C-3.0%Mn-0.02%Ti-0.002%B-0.0018%N

조성의 강이 개발되어 적용성이 실증되고 있다.29)

<그림 3-14> 통전가열과 다단공정에 의한 열간스탬핑

나. 맞춤형 열간스탬핑 기술

29

○ 현재의 열간스탬핑용 재료는 1470MPa급 강도를 갖는 보강재에

용도가 제한되고 있어 적용범위가 협소하다. 이에 대하여 열간

스탬핑 기술의 확장으로서 부품 내에서 냉각조건을 다르게 변

화시켜 부위에 따라 특성을 제어하는 맞춤형 열간스탬핑(THS,

Tailored Hot Stamping) 기술이 제안되어 이의 시제품도 출현

하고 있다7). THS방법으로는 ①재료의 부위에 따라 변태점 이

상과 이하로 가열을 제어하여 재질을 분리하는 방법,7) ②부위

에 따른 냉각속도의 제어를 위해서 금형의 재질을 부위에 따라

변화시키는 방법,30) ③금형 내에 내장한 가열/냉각장치로 금형

온도를 변화시키는 방법31), 부품과 접촉하는 다이재질의 열전도

도를 변화시키는 방법23)등이 보고되고 있다.

○ THS부품의 사례로서 자동차용 B-pillar의 설계에는 충돌 안전

성을 위하여 <그림 3-15>와 같이 상부는 충돌파괴에 강한 고

강도화가, 하부는 충돌에너지의 흡수를 위한 고연성화가 시도

되고 있다. 이는 고강도 재료와 고연성 재료의 접합으로도 가

능하나 금형의 열전전도도를 변화시키는 방법으로도 가능하다.

이러한 금형재료로서 최근 나노캐스팅기술을 이용하여 열전도

도가 7～60W/m․K의 범위에서 점진적으로 또는 급격하게 변

화하는 재료가 개발되고 있다.23) 이와 같은 금형을 이용하면 열

전도도가 큰 부위와 접촉하는 부품의 부위는 급랭되어 경질조

직이, 열전도도가 작은 부위와 접촉하는 부품의 부위는 서랭되

30

어 연질조직이 생성된다.

<그림 3-15> THS에 의한 B-pillar의 기계적 특성

○ 전술한 통전가열 방법에서 양단의 전극사이에 바이패스용 전극

을 설치하면 이와 접촉하는 성형품의 부위는 저항열의 발생이

없어 성형 후에 급랭효과가 나타나지 않으므로 <그림 3-16>과

같은 온도분포를 갖게 되어 원재료의 특성을 유지한다. 국부가

열의 범위는 전극간의 거리에 의하여 제어가 가능하므로 국부

가열에 의한 THS부품의 제조가 가능하다.32) 이와 같은 국부가

열은 저면에 천공가공(piercing)을 요하는 부품의 제조에 유용

할 뿐만 아니라 전면가열에 비하여 에너지소모도 절감되는 효

과가 있다.

31

<그림 3-16> 통전가열법에 의한 국부가열의 온도분포와 맞춤형 성형품

다. 가스성형법(Gas forming)

○ 프레스 하중에 의존하지 않는 창의적인 방법으로서 가열된 가

스의 팽창압력을 이용하는 <그림 3-17>과 같은 가스성형법이

제안되고 있다.33)

이 방법에서는 초기 형상을 갖는 소재(a)나

판재(b)를 금형 내에 구속하고 고압가스를 주입하여 성형한 후

즉시 급랭시킨다. 작동가스로는 질소나 공기가 이용된다. 가스

성형법의 이점으로는 프레스에 의한 통상의 방법에 비하여 부

품의 초기성형에 제약이 없으며, 부품과 금형의 접촉시간이 짧

고 균일한 온도분포가 유지되어 성형이 균일하게 된다는 점에

서 응용의 확대가 기대되고 있다.

32

<그림 3-17> 가스성형법의 모식도

5. 국내의 기술현황 및 연구개발 동향

가. 열간스탬핑 기술의 도입 및 이용 현황

○ 국내에서 열간스탬핑 기술을 적용하여 자동차 부품을 제조하는

대표적인 기업은 현대하이스코로서 2004년부터 열간스탬핑 기

술에 대하여 소재, 공정, 시험평가법 등 전 과정에 관한 연구개

발을 추진하여 왔으며, 현재 <그림 3-18>에 나타낸 바와 같이

루프레일, 센터필러, 범퍼빔 등 최고강도 1.8GPa의 자동차 보강

부품을 양산하고 있다.

○ 또 현대하이스코는 열간스탬핑법을 활용하여 자동차 부품용 파

33

이프를 양산하는데 성공하여 도어빔, 필라빔(수직도어빔), 로

어스티프너(lower stiffner), 전방 및 후방 범퍼 보강빔 등의

제조에 적용함으로써 종래 제품에 비하여 경량화와 제조원가

의 절감을 달성하고 있다. 특히 전방범퍼 보강재의 경우 충돌

성능이 기존 제품보다 40%나 향상되어 차량 수리비의 절감에

기여하고 있으며, 후방범퍼빔은 인장강도가 120kg급으로 기존

의 범퍼빔 보다 원가 10%, 중량 30%의 절감효과가 기대된다.

현대하이스코는 2010년부터 열간성형 파이프의 양산을 시작했

으며, 현재 생산량은 적지만 차츰 물량을 확대할 계획을 세우

고 있다.34)

<그림 3-18> 현대하이스코의 자동차용 열간스탬핑 부품

34

○ 현대하이스코 외에 열간스탬핑 기술을 국내에 도입하여 적용하

고 있는 업체로는 자동차 부품의 전문제조 업체인 진일MVP,

자동차 차제모듈을 생산하는 엠에스오토텍, 스페인의 GSetam

사와 성우하이텍(주)이 공동으로 설립한 지에스핫스탬핑(주)이

있다. 현재 이들 업체의 제품은 YF쏘나타, K5, i40, HG그랜저,

밸로스터 등 거의 모든 양산차에 적용되고 있다. 특히 YF소나

타의 경우에는 62%의 새시를 열간스탬핑으로 제조함으로써 안

정성과 경량화를 동시에 달성하고 있다. 열간스탬핑에 의한 자

동차 부품의 수요는 증가 추세에 있어 엠에스오토텍의 예를 보

면, 열간스탬핑 적용 제품의 매출액은 현재의 약 200억 원에서

2015년에는 약 800억 원으로 증가될 것으로 예상하고 있다.

나. 기업의 기술개발 동향

○ 열간스탬핑 기술이 국내에 적용되기 시작한 역사는 5년 정도에

불과하지만, 기술개발은 비교적 적극적으로 이루어져 2007년부

터 지금까지 현대하이스코, 엠에스오토텍 등의 기업을 중심으

로 국내에만 약 30건의 특허기술이 제출되었다. 특기할 만한

기술로는 <그림 3-19>와 같이 고온금형과 저온금형을 조합한

금형에서 동시에 성형함으로써 고강도부와 고인성부를 일체화

시켜 충돌 시의 변형모드를 최적화하는 맞춤형 부품의 제조방

35

법,35～37) 후가공 공정을 최소화하기 위하여 열간에서 성형과

동시에 트리밍, 절단, 천공(홀가공) 등을 동시에 수행하는 방법

38) 등이 있다. 이 외에도 가열장치39)40), 금형기술41), 재료기술42)

등에 관한 특허가 제출되고 있다.

<그림 3-19> 현대하이스코의 국부연화 맞춤형 부품의 제조방법

○ 기업과 대학의 협력 연구로서 현대하이스코와 포항공대의 열간

스탬핑 B-pillar의 미세조직과 기계적 특성에 관한 연구43), 부

산대와 신영(주)의 foam type die의 사용에 의한 center-pillar

제조법 개발44)45), 경북대와 대구메카트론의 열간스탬핑 보론강

판의 저주기피로에 미치는 냉각속도의 영향46) 등이 발표되고

있다. 이 외에도 산학협력연구로서 정부주도의 “산업융합 원천

기술 개발사업”에 두산중공업과 포스코를 포함한 19개 산학연

기관이 합동으로 열간스탬핑 및 다이캐스팅용 금형(STD 61

종) 개발에 참여하여 2015년에 종료할 계획이다.

36

다. 대학의 연구개발 활동

○ 열간스탬핑에 대해서는 최근 부경대, 울산대, 포항공대, 부산대,

경북대 등 여러 대학에서 조직과 특성, 공정기술, 시뮬레이션,

다이디자인 등 다양한 분야에서 심도 있는 연구가 이루어져

2010년 이후부터 연구논문이 국내외 학술지에 적극적으로 발표

되고 있다. 국내학술지에 발표된 예를 보면 항공대의 Al-Si도

금 열간스탬핑용 22MnB5강의 TWB(tailored weld blank)적용

을 위한 레이저 용접성 연구,47) 부경대의 열간스탬핑용 보론강

판에 대한 레이저 용접부의 열처리 효과48), 울산대의 차체용 센

터필라 부품의 제조방법49)등을 들 수 있다.

○ 국외학술지에도 많은 논문이 발표되고 있다. 예를 들면 포항공

대는 부분퀜칭 열간성형법(PQ-HPF)에 의한 TWB의 상변태

특성과 유한요소 분석에 의한 수치해석50)

, 수치해석 시뮬레이션

을 통한 CTBA부품 제조 냉각채널 설계의 최적화51)에 관한 연

구결과를, 부산대는 전술한 center pillar제조법44)45)을, 한국산업

기술대학은 Al-Si도금 열간스탬핑강의 레이저 용접52)에 관한

논문을 비롯하여 20편의 논문이 발표되어 국내연구가 활발함을

보여주고 있다.

37

제 4장

학술정보 분석

1. 분석방법

○ 열간스탬핑의 연구개발에 관한 학술정보는 WEB DB의 「Web

of Science」에 의한 데이터베이스를 이용하여 1990년 이후부

터 2013년 8월 현재까지 「Science Citation Index Expanded

(SCI-EXPANDED)」와「Conference Proceedings Citation

Index- Science (CPCI-S)」에 발표된 문헌정보를 검색하여 조

사하였다.

○ 최상위 검색어의 제목(title)을 「hot stamping」으로 하고, 세

부분야를 ① 합금특성, ② 공정기술, ③ 시뮬레이션 기술, ④

장치기술의 4개 분야로 나누어 조사하였다. 검색을 위한 주제

어로서 합금특성은 property, microstructure, alloy를, 공정기술

은 process를, 시뮬레이션 기술은 modeling, simulation을, 장치

기술은 die, tool, cooling system을 입력하여 조사하였다.

38

2. 국가별, 연도별 논문발표 추이

○ 열간스탬핑 기술은 1977년에 스웨덴의 Plannja사가 특허(GB

1490535)로 출원한 것이 최초의 등장이고, 자동차 부품의 제조

에 실용적으로 응용되기 시작한 것은 1980년대 중반부터로서

기술의 역사가 짧으므로 지금까지 발표된 논문 수는 총 209건

에 불과하다. 그러나 1991년부터 3년 단위로 발표 건수의 추이

를 보면 <그림 4-1>에서 보는 바와 같이 2006년부터 급격한

증가 추세를 보이고 있다. 이는 자동차 배기가스의 CO2배출량

규제와 연비절감에 대한 요구에 부응하는 경량화 추세와 충돌

안전성을 위한 수단으로서 고강도 부품의 제조에 유효한 열간

스탬핑 기술의 적용이 증가한 결과로 해석된다.

○ 국가 별 논물 발표 건수는 <표 4-1>에서와 같이 중국 52건,

독일 27건, 일본 22건, 한국 20건, 이태리와 프랑스 각 10건 의

순이지만, 2000년 이전에는 주로 유럽 국가를 중심으로 연구개

발이 추진되어 발표논문은 이들 국가에서만 검색되고 있다. 그

러나 후술하는 바와 같이 2000년 이후에는 중국, 한국, 일본 등

아시아 국가들의 연구자에 의한 논문이 많이 발표되어 열간스

탬핑 기술이 전 세계적으로 확대되고 있음을 알 수 있다.

○ 2000년 이후 저자의 국적별로 분류한 연도별 논문 발표 건수를

39

유럽, 북미 및 아시아 3국으로 분류해 보면 <표 4-2>와 같다.

2009년까지는 독일, 이태리, 영국, 프랑스를 주축으로 하는 유

럽지역의 연구자에 의한 논문발표가 압도적으로 많다. 그러나

2009년부터는 중국, 한국, 일본의 연구자들에 의한 논문 수가

유럽지역을 능가하고 있으며, 2012～2013년에는 중국 연구자의

논문이 비약적으로 증가하고 있다.

<그림 4-1> 연도별 논문 발표 추이

40

<표 4-1> 국가별 논문 발표 건수

독일 영국 프랑스 이태리 미국 중국 한국 일본기타포함

계

2000년 이전 4 3 - - 2 1 - - 42

2000년 이후 23 6 10 10 6 52 20 22 167

합계 27 9 10 10 8 53 20 22 209

<표 4-2> 저자의 국적별로 분류한 연도별 논문 발표 건수

연도 유럽 북미1)

한국 중국2)

일본

2000-2001 16 1 - - 1

2002-2003 15 1 1 2 -

2004-2005 33 11 3 1 1

2006-2007 31 12 9 6 3

2008-2009 51 14 8 16 5

2010-2011 67 23 21 33 15

2012-2013 37 11 16 50 8

주: 1) 미국 및 캐나다, 2) 중국 및 대만

41

3. 분야별 논문 발표 동향

○ 논문발표 건수를 합금특성, 공정기술, 시뮬레이션, 장치기술로

분류하여 분야 별 발표 건수를 보면 <표 4-3>과 같이 합금조

성, 미세조직, 기계적 성질 등과 관련한 합금특성에 관한 논문

이 52건으로 가장 많고, 이어서 공정기술 47건, 모델링 및 시뮬

레이션 36건, 성형 다이나 냉각시스템을 포함하는 장치기술 32

건의 순이다. 구성비에서 보면 <그림 4-2>와 같이 모든 분야

가 17.2～24.9%의 범위에 있어 연구 활동이 전 분야에 걸쳐 균

형 있게 이루어지고 있음을 알 수 있다.

○ 특히 공정해석이나 재료특성을 예측하는 모델링과 시뮬레이션

분야에서도 다수의 논문이 발표되고 있는 것은 열간스탬핑 기

술이 이론적으로 성숙단계에 있음을 말해 준다. 또한 장치기술

측면에서 성형다이(금형)의 설계나 냉각시스템과 같은 장치기

술에 관한 연구도 많이 다루어지고 있어 설비 면에서의 개량연

구가 비중 있게 추진되고 있음을 알 수 있다.

○ 발표된 논문 중에서 인용회수가 비교적 많은 논문으로는 합금

특성 분야에서는 보론강의 미세조직과 기계적 특성에 관한 논

문,53,54)

공정기술 분야에서는 기계적 특성과 마르텐사이트 변태

에 미치는 가공열처리 효과에 관한 논문,55,56) 시뮬레이션 분야

42

에서는 고장력강 또는 보론강 열간스탬핑의 수치해석 시뮬레이

션에 관한 논문,57-59) 장치기술 분야에서는 강도분산 맞춤형 부

품 제조를 위한 퀜칭다이의 설계,60) 냉각공구 시스템의 설계61)

등을 들 수 있다.

<표 4-3> 분야별 논문 발표 건수

연구분야 검색어(논문수) 논문수 구성비(%)

합금특성property(27)microstructure(13)alloy composition(12)

52 24.9

공정기술 process(47) 47 22.5

시뮬레이션modeling(8)simulation(28)

36 17.2

장치기술die design(19)tool design(11)cooling system(12)

42 20.1

기타 32 15.3

<그림 4-2> 발표 논문의 분야별 구성비

43

4. 논문발표 상위 10개 국가 및 연구기관

○ 열간스탬핑에 관한 논문발표 건수 상위 10개국을 보면 <표

4-4>와 같다. 중국이 53건으로 1위를 차지하고, 일본과 한국도

각각 22건, 20건으로 상위를 점하고 있다. 그러나 이들 아시아

국가는 열간스탬핑 기술에 관해서는 후발국으로 연구논문은

2006년 이후에 적극적으로 발표되기 시작하였다. 독일은 1990

년대부터 Volkswagen을 위시한 자동차에 열간스탬핑 부품을

적용해 온 만큼 유럽에서는 가장 많은 논문을 발표하고 있으며,

영국, 러시아, 프랑스, 이태리, 미국 등도 건수는 많지 않으나

일찍부터 연구개발을 추진하여 왔다. 특히 세계 최대의 제철소

인 ArceloMittal사는 열간스탬핑용 강재를 다양하게 개발하여

상품화하고 있을 정도로 유럽은 열간스탬핑에 관한 연구개발

수준이 높은 것으로 평가된다.

○ 논문 발표 건수 세계 상위 10개 기관과 논문 건수는 <표 4-5>

와 같다. 중국의 Harbin대학, 독일의 Erlangen대학, 이태리의

Padua대학이 8편 이상의 논문을 발표하여 빅3에 랭크되고 있

다. 이어서 한국의 포항공대(POSTECH)와 부산대가 일본의

Toyobashi대학과 함께 7편의 논문을 발표하여 공동 4위에 랭

크되고 있는 점이 주목된다. 상위 10개 대학에는 중국 3개 대

44

학, 한국 및 독일 각각 2개 대학, 일본, 이태리, 이란이 각각 1

개 대학이 있으며, 이들 상위 10개 대학에서 발표된 논문은 72

건으로 전체의 34.5%를 차지한다.

<표 4-4> 논문발표 세계 상위 10개국

순위 국명 국명 비고

1 중국 53

2 독일. 27 구동독 포함

3 일본 22

4 한국 20

5 영국 11

6 러시아 10 구소련 포함

6 프랑스 10

6 이태리 10

9 미국 8

10 캐나다 4

45

<표 4-5> 논문발표 세계 상위 10개 기관

순위 연구기관명 국명 발표논문수

1 Harbin Inst. of Tech 중국 12

2 Univ. of Erlangen Nuremberg 독일 9

3 Univ. of Padua 이태리 8

4 POSTECH. 한국 7

4 Pusan Nat. Univ.. 한국 7

4 Toyohashi Univ. of Tech. 일본 7

7 Huazhong Univ. of Sci. Tech. 중국 6

7 RWTH Aachen Univ. 독일 6

8 Amirkabir Univ. of Tech 이란 5

8 Dalian Univ. of Tech.. 중국 5

46

제 5장

결 론

1. 열간스탬핑의 기술적 특징과 전망

○ 열간스탬핑은 강재를 오스테나이트 온도에서 성형한 후 프레스

금형 내에서 급랭(die-quenching)하여 경질조직(martensite)을

형성시키는 가공열처리 기술로서 보통강 수준의 강도를 갖는

강재로부터 1500MPa 이상의 초고강도 부품을 제조할 수 있다.

또한 고온에서 성형하므로 성형하중이 작고, 성형 후 스프링백

현상이 없어 형상동결성이 우수한 장점을 갖고 있다.

○ 열간스탬핑은 1984년에 최초로 자동차 부품에 적용된 이래 유

럽에서는 A-필라, B-필라, 범퍼, 루프레일, 도어빔, 터널 등의

새시부품에 적용이 증가하여 1997년 800만 개, 2007년 1억7백

만 개, 2012년 3억 5천만 개로 증가하여 왔다. 현재 세계에는

약 160개의 열간스탬핑 라인이 가동 중에 있으며 앞으로는 한

국, 일본, 중국 등에서도 적극적인 적용이 예상되고 있다.

47

2. 국내외 기술현황 및 연구개발 동향

가. 외국의 동향

○ 재료기술 : 현재 유럽을 중심으로 경화능이 우수한 Mn22B5강

(0.23C-0.18Mn-0.16Cr-0.005B)이 열간스탬핑용 강재로 이용되

고 있으며, 숏 피닝 공정을 생략할 수 있는 내산화 표면처리강

으로 Al-Si도금강, ZnFe도금강도 실용되고 있다. 새로운 재료

로서 공랭으로 마르텐사이트 변태가 가능하여 강도 1470MPa를

실현한 Fe-3%Mn강이 출현하였고, 강도 2000MPa를 목표로 하

는 Fe-0.28%C-3%Mn-0.3%V-0.025%Nb 조성의 강이 개발되고

있다.

○ 조업기술 : 새로운 기술로서 현행의 열간스탬핑에서 실시하는

절단, 트리밍, 피어싱 등의 후처리 공정을 성형 직후의 가열상

태에서 연속적으로 실시하여 생산성을 향상시키는 다단공정법

(multi-stage process), 하나의 부품에서 부위별로 냉각속도를

달리하여 특성을 제어하는 맞춤형 열간스탬핑(THS, tailored

hot stamping), 가스의 팽창압력을 이용하여 균일 성형을 달성

하는 가스성형법(gas forming method) 등이 개발되어 실용화

가 주목되고 있다.

48

○ 장치기술 : 현재 가열방식에는 롤러테이블식 또는 이동식 빔

가열로가 주로 실용되고 있으나 설비비의 절감과 가열의 효율

성을 위하여 전도전열을 이용하는 통전가열 방식의 유용성이

확인되고 있으며, longitudinal field 인덕터와 face field 인덕터

를 결합하는 고주파 유도가열 방식도 제안되고 있다. 또 냉각

성능의 향상을 위하여 열전도율이 우수한 금형강의 적용, 성형

재료와 금형의 접촉을 보장하는 다이설계법, 냉각시스템의 고

효율 설계법 등이 제안되어 냉각시간의 단축에 기여하고 있다.

나. 국내의 동향

○ 국내의 경우에도 몇몇 자동차 부품 제조업체에서 열간스탬핑

기술을 도입하여 기업 단독 또는 산학협력으로 자동차 부품의

제조기술을 개발하여 루프레일, 센터필라, 범퍼빔 등을 생산하

고 있다. 기술개발 활동도 비교적 활발하여 맞춤형 부품의 제

조방법, 열간에서 성형과 후가공을 동시에 수행하는 방법을 위

시하여 가열장치, 금형기술, 재료기술 등에 관한 특허도 다수

출원되고 있다.

○ 포항공대, 부산대, 부경대 등 몇 몇 대학에서도 자동차 부품의

제조기술, 조직과 특성, 공정기술, 시뮬레이션, 다이디자인 등

의 분야에서 심도 있는 연구가 이루어져 2006년 이후부터 연구

49

논문이 국내외 학술지에 적극적으로 발표되고 있다. 특기할만

한 연구사례로는 시뮬레이션을 통한 부분퀜칭 효과의 해석, 냉

각채널 설계의 수치해석, 열간스탬핑 강판의 용접성, 센터필라

의 제조법 등을 들 수 있다.

3. 향후의 연구개발 과제와 기술발전 전략

가. 연구개발 과제

○ 열간스탬핑은 보통강 수준의 강도를 갖는 강재에서 1500MPa

이상의 고강도 부품을 제조할 수 있는 장점이 있으나 생산성이

낮은 점, 성형 후에 절단, 트리밍, 피어싱, 숏피닝 등의 후공정

이 필요한 점, 가열로와 후공정 설비 등에 투자가 필요한 점

등의 결점이 보급에 장애가 되고 있다. 따라서 앞으로 열간스

탬핑에 관한 연구개발은 이러한 결점을 해결할 수 있는 기술

과제를 중심으로 추진되어야 할 것이다.

○ 생산성 향상을 위해서는 ① 성형 후에 냉각시간을 단축시킬 있

는 방안으로서 i) 수냉금형의 발열(heat dissipation) 효과를 최

대화 할 수 있는 냉각 디바이스의 설계, ii) 마르텐사이트의 변

태온도(Ms)를 높일 수 있는 열간스탬핑용 재료설계, ② 절단,

50

트리밍, 피어싱 등의 후공정을 성형 직후에 열간에서 실시하는

연속적인 다단공정기술의 개발이 필요하다.

○ 설비의 간소화를 위해서는 ① 후공정을 생략할 수 있는 전술한

다단공정기술의 개발, ② 숏피닝을 생략할 수 있는 열간스탬핑

용 내산화성 합금도금강판이 제조기술의 개발, ③ 기존의 가열

장치를 대체할 수 있는 고효율 급속가열 방식(유도가열방식 또

는 통전가열방식)의 적용 등이 필요하다.

○ 열간스탬핑 기술의 고도화와 응용범위의 확대를 위해서는 ①

강도 2000MPa급 초고강도 열간스탬핑용 강재의 개발, ② 열간

스탬핑 부품의 고강도화에 수반하는 지연파괴의 방지와 강도-

인성 밸런스의 확보, ③ 부분가열/냉각제어에 의해 강도 특성을

부분적으로 차별화하는 맞춤형 열간스탬핑 기술의 개발, ④ 열

간스탬핑 공정 및 성형해석 시뮬레이션 기술의 개발 등이 필요

하다.

나. 기술개발 전략

○ 이상의 기술개발 과제를 효과적으로 수행하기 위해서는 열간스

탬핑 기술의 주요 수요업체인 자동차 제조업체, 부품공급 업체

51

및 소재공급 업체를 포함하는 산․학․연 협력에 의한 연구개

발 체제의 구축이 필요하다. 여기에는 부품설계자, 생산기술자,

재료기술자 및 연구자의 유기적인 연대에 의한 개발과제의 도

출과 공동연구의 수행이 필요하다.

○ 국내에는 소수이기는 하지만 열간스탬핑 기술에 관한 연구개발

에 경험이 풍부한 산업체의 기술인력과 대학의 연구인력이 있

으므로, 이들을 주축으로 연구역량을 결집하면 선진국 대비 비

교우위의 경쟁력을 갖는 기술 확보가 가능할 것이다. 연구역량

을 효율적으로 결집하는 방법으로서 산․학․연 협력의 연구

컨소시엄 구축과 국책연구프로그램의 추진이 필요하다.

○ 현재 국내의 일부 자동차 부품업계에서는 열간스탬핑 부품을

제조하여 자동차 업체에 공급하고 있으며, 적용부품은 점점 확

대될 것으로 전망된다. 열간스탬핑 부품의 수요와 공급체계를

보다 확대해 나가기 위해서는 열간스탬용 소재의 안정적인 공

급이 뒷받침 될 수 있도록 철강제조업체에 의한 재료개발과

생산체제의 확립이 필요하다.

52

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61

저자소개

심재동

․한국과학기술연구원 책임연구원, 재료연구부장 역임

․홍익대학교 과학기술대학 재료공학과 초빙교수 역임

․현, 한국과학기술정보연구원 전문연구위원

․저서

「전문가를 위한 철강공학」: 도서출판 대웅, 2004.

「금속공학에서의 슬래그」: 대광문화사, 1991

「전기로 제강법」: 성안당, 1981. 7

62

요 약

최근의 자동차 산업에서는 연비향상과 CO2배출량의 저감을 위한 차

체의 경량화 및 충돌안전성의 향상이 기술개발의 중요한 과제가 되고

있으며 이에 따라 고장력강 부품의 사용이 증가하고 있다. 그러나 기존

의 프레스 성형법으로는 1000MPa 이상의 고강도 부품은 제조에 기술

적으로 어려움이 많고 제조원가도 높아지는 문제가 있다.

이에 대한 해결책으로서 보통강 수준의 강재로부터 1500MPa 이상의

초고강도 부품을 제조할 수 있는 열간스탬핑(Hot Stamping) 기술이 개

발되어 자동차용 보강부품의 제조에 적용되고 있다. 그러나 열간 스탬

핑은 생산성이 낮고 설비투자가 크다는 결점 때문에 보급에 장애가 되

고 있다. 이를 개선하는 기술로서 ①고강도화가 용이한 재료설계 및 내

산화성이 우수한 합금화 도금기술, ②공정생략형 연속화 다단공정 기술,

③가열 및 냉각장치의 고효율화, ④맞춤형 부품 제조기술 등이 개발되

어 열간스탬핑의 적용확대가 크게 기대되고 있다. 현재 세계에는 약

160기의 열간스탬핑 라인이 가동 중에 있으며, 앞으로 5년간 매년 20～

30라인이 증설될 것으로 예측되고 있다. 열간스탬핑 기술은 국내에도

일부 도입되어 자동차의 보강부품 제조에 적용되고 있다.

본 보고서는 열간스탬핑 기술의 응용과 기술개발 동향에 관한 국내외

현황을 분석한 것으로서 본 보고서가 열간스탬핑의 국내기술 발전과 보

급에 기여하기를 기대한다.