ASTM A109 Grade 3 1/4경질강 - 냉간압연 강판 특성 및 Grade 2 비교

개요: Grade 3 (Quarter-Hard) 특성 및 위치

ASTM A109 Grade 3 (Quarter-Hard, 1/4경질)은 풀림 상태와 반경질(Grade 2) 사이의 부드러운 템퍼 등급으로, 최대 신율 27%를 제공하여 깊은 드로잉과 복잡한 형상 성형이 요구되는 용도에 최적화되어 있습니다. Grade 2 대비 낮은 강도지만 월등한 성형성을 가집니다.

화학 성분 - Grade 2와 동일 조성

원소	함량 (%)	비고
탄소 (C)	0.25	Grade 2와 동일
망간 (Mn)	0.90	동일
인 (P)	0.03	동일
황 (S)	0.025	동일
크로뮴 (Cr)	0.15	동일
니켈 (Ni)	0.20	동일
구리 (Cu)	0.20	동일
몰리브덴 (Mo)	0.06	동일

기계적 특성 - 템퍼 등급별 상세 비교

특성	Grade 3 (Quarter-Hard)	Grade 2 (Half-Hard)	Grade 1 (Full Hard)	Annealed (풀림)	비고
인장 강도	310-450 MPa	380-520 MPa	≥ 550 MPa	270-350 MPa	Grade 3: 저강도 고연성
신율 A50	13-27%	4-16%	≤ 2%	35-45%	Grade 3: 깊은 드로잉 가능
로크웰 B 경도	60-75 HRB	70-85 HRB	≥ 90 HRB	50-60 HRB
표면 로크웰 15-T	80-85	83.5-88.5	≥ 90	70-78
표면 로크웰 30-T	56-67	63.5-73.5	≥ 75	50-60
탄성 계수	200-215 GPa				전 등급 공통
푸아송 비	0.29				전 등급 공통
전단 계수	82 GPa				전 등급 공통

물리적 특성

전 템퍼 등급 공통: 밀도 7.8-7.9 g/cm³, 열전도율 25-93 W/(m·K), 비열 465 J/(kg·K), 열팽창 계수 1.32-1.38×10⁻⁵ 1/K, 최대 사용 온도 500°C, 융점 1480-1526°C, 전기 저항률 1.43-1.74×10⁻⁷ Ω·m, 퀴리 온도 770°C.

Grade 3 (Quarter-Hard) 심층 분석

성형성 우위 정량화

• 극한 신율 27%: 일반 상용 냉연강(SPCC, 35-40%)에는 미치지 못하나, 경질 템퍼 중 최고 수준
• 가공 경화 지수(n-value): 예상 0.18-0.22로 Grade 2(0.14-0.18) 대비 우수 → 국부 박육 억제 효과
• LDR (한계 드로잉 비율): 예상 1.9-2.1로 깊은 드로잉 컵 성형 가능 (Grade 2: 1.6-1.8)
• 플랜지 주름 임계 하중: 낮은 항복 강도로 주름 발생 임계값 낮음 → 블랭크 홀더 힘 정밀 제어 필요

강도 확보 전략: 성형 후 가공 경화 활용

Grade 3은 성형 전 강도 낮으나(310-450 MPa), 깊은 드로잉/스트레칭 공정 중 가공 경화로 최종 부품 강도 400-500 MPa 수준 달성 가능. 설계 시 성형 후 강도 기준으로 안전성 검토 필요.

Grade 2 vs Grade 3 상세 비교 및 선택 기준

비교 항목	Grade 2 (Half-Hard)	Grade 3 (Quarter-Hard)	선택 가이드
최대 드로잉 깊이	얕음 (높이/직경 ≤ 0.5)	깊음 (높이/직경 ≤ 1.0)	깊은 컵/케이스 → Grade 3
플랜지 주름 저항	우수	보통 (BHF 제어 중요)	주름 민감 부품 → Grade 2
스프링백량	중간	낮음	치수 정밀도 중요 → Grade 3
성형 후 최종 강도	450-550 MPa	400-500 MPa	구조 강도 중요 → Grade 2
금형 마모	중간	낮음	대량 양산/금형 수명 → Grade 3
프레스 하중	높음	낮음	소형 프레스 사용 → Grade 3
에지 크랙 감도	높음	낮음	절단 에지 품질 나쁠 때 → Grade 3

주요 적용 분야

• 자동차: 연료 탱크, 워셔 탱크, 에어백 커버, 인스트루먼트 패널 브래킷 (깊은 드로잉)
• 가전제품: 세탁기 내조/외조, 냉장고 라이너, 전자레인지 케비티, 밥솥 내솥
• 압력 용기/탱크: 소형 압력 용기 헤드, LPG 실린더 부품, 에어 탱크
• 전자/통신: 서버/랙 케이스, 통신 장비 섀시, 배터리 케이스 (복잡 형상)
• 의료/식품: 스테인리스 대체 가능 부품 (도금 후 사용), 식품 용기 뚜껑
• 일반 용기: 페인트 캔, 에어로졸 캔, 식용유 캔, 드럼 뚜껑

깊은 드로잉 공정 최적화 가이드 (Grade 3 전용)

금형 설계

• 펀치/다이 R: 펀치 R = 4-6×t, 다이 R = 6-8×t (t: 판두께)
• 다이 간극: 1.10-1.15×t (일반 1.12-1.18×t보다 타이트하게)
• 블랭크 홀더 힘: 항복 강도 380 MPa 기준 설정, 실시간 모니터링 필수
• 드로비드: 라운드 타입, 높이 1.5-2.0×t, 간격 1.5-2.0×블랭크 직경

윤활 시스템

• 윤활제: 드로잉 전용 극압 윤활제 (염소/황 계 EP 첨가제 함유)
• 도포 방식: 롤 코팅 + 브러시 보완, 도포량 2.0-3.0 g/m² (양면)
• 윤활 필름 두께: 5-10 µm 유지, 공정 중 보충 시스템 권장

공정 파라미터

• 프레스 속도: 10-30 SPM (저속으로 마찰 열 최소화)
• 패드/쿠션: 유압 쿠션 필수, 압력 피드백 제어
• 블랭크 홀더 힘 제어: 위치 제어 → 압력 제어 전환 (드로잉 중반 이후)

소재 수령 검사 및 품질 관리

• 인장 시험: 신율 하한 13% 미달 시 깊은 드로잉 부적합 판정
• 경도 분포: 코일 폭 방향 3점(양단/중앙) 측정, 편차 ±5 HRB 이내
• 표면 품질: A급 표면(외관용) 지정 시 스크래치/롤마크 무관용
• 평탄도: 파형/에지웨이브/센터버클 ASTM A568 Level 2 이상

Grade 3 선택 시 비용 편익 분석

장점: 공정 단계 수 감소(2단→1단 드로잉), 프레스 톤수 절감, 금형 마모 감소, 스프링백 보정 단순화
단점: 소재비 동일(또는 약간 고가), 성형 후 강도 낮음(보강 설계 필요), 주름 제어 난이도 상승
BEP 판단: 연간 5만 대 이상 양산 시 공정 통합 효과로 Grade 3 채택 경제적