KR100311795B1 - 스프링용 강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링용 강 및 그 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 절삭가공시 요구되는 소재경도 HRC 25이하를 확보하기 위해 조직분율상을 제어함으로써, 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강을 제공하고자 하는데 그 목적이 있으며, 또한 상기 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강을 제조함에 있어 그 열처리 조건을 제어함으로써, 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용강을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로 탄소 0.4-0.7%, 실리콘 2.0-3.5%, 망간 0.3-0.8%, 크롬 0.3-0.8%, 바나듐 또는 니요븀 0.01-0.3%, 니켈 0.1-5.0%, 산소 0.0015%이하, 질소 0.005-0.03%, 인 0.01%이하, 황 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 조직 분율상 구상화조직 30-60%을 함유하고 나머지 퍼얼라이트 노듈 크기가 15㎛이하인 퍼얼라이트 조직 분율 70-40%로 복합 구성되는 스프링 용강에 관한 것을 그 요지로 하고, 또한, 본 발명은 상기와 같은 조성의 강을 780-820℃에서 1-5시간 열처리후 5℃/sec 이하의 냉각속도로 냉각하는 스프링용 강의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

스프링용 강 및 그 제조방법

본 발명은 자동차 현가용 코일 스프링 등에 사용되는 스프링용 강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스프링 제조공정중 스프링 선경조정을 위한 절삭가공시 절삭가공성이 우수한 스프링강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차 경량화 일환으로 자동차 부품의 경량화를 위해 재료의 고강도 또는 고응력화를 추진하고 있으며, 그중 현가용 스프링용 강의 고응력화는 설계최대응력 130 kg/㎟급까지 개발되어 20-35%까지 경량화가 가능한 실정이다. 여기서 설계최대응력이란 스프링 최대 부하시 스프링 단면에 걸리는 응력을 의미하며, 고응력 스프링으로 사용되기 위해서는 스프링 특성 중 가장 중요한 피로특성과 영구변형 저항성이 만족하여야 한다. 그래서 대부분 고응력 스프링용 강은 여러 가지 합금원소를 첨가하며, 그 함량 또한 상당히 높은 합금설계로 되어 있다.

한편, 자동차의 승차감 및 주행 안정성, 현가장치의 구성조건에 따라 다양한 스프링 형상을 요구하게 되는데, 이는 스프링 단면의 선경이 동일 스프링내에서 상이하며, 선경 다변화를 위한 절삭가공시 가공량이 매우 많게 된다. 따라서 스프링 선경 다변화를 위해서는 기존 원통형 스프링강 대비 상당히 우수한 절삭가공성이 요구된다.

고응력 소재에 대한 종래의 기술로는 미국특허공보 US005575973A호, US004795609A호, 독일 특허공보 EP 0 265 273 A2호, 일본국 특허공보 (평)5-59431호, (평)4 -88123호, (평)4-247824, (평)1-184259호, (소)64-39353 등을 들 수 있다.

상기 미국특허공보 US005575973호에는 스프링 특성에 유효한 실리콘 성분을 다량함유하고, 고실리콘 함유에 따른 제조공정상의 탈탄 문제점을 니켈을 첨가함으로서 해결하고, 바나듐첨가에 따른 석출강화 효과로 스프링 고응력화를 달성하였으나 스프링 설계제원 다변화를 위한 절삭가공성의 개선 방법을 제시한 바 없다.

상기 미국특허공보 US004795609A에는 몰리브덴, 바나듐 성분을 첨가하여 고온에서 안정한 석출물을 분포시켜 스프링 특성 중 특히 영구변형저항성 개선효과로 스프링 고응력화를 달성한 바 있고, 독일특허공보 EP 0 265 273 A2호, 일본국 특허공보 (평) 5-59431호, (평) 4-88123호, (평) 4-247824, (평) 1-184259호, (소) 64-39353 등 또한 스프링 고응력화는 가능하나, 절삭가공시 가공성 저하로 스프링 형상 다변화가 불가능한 단점이 있다.

한편, 기존 스프링강(SAE9254, SUP7)에 대한 절삭가공성 향상 수단으로서는 절삭가공성 750℃에서 20시간 정도 구상화 열처리를 부여하여 우수한 절삭가공성을 확보하는데 필요한 소재경도 HRC 25이하로 제조하여 사용하였으나, 고응력 스프링용강의 경우 고합금처리에 따라 구상화에 요구되는 소재경도를 HRC25이하를 확보하기 위해서는 열처리시간이 약 40시간 이상으로 상당히 오래 걸리기 때문에 이로인한 생산성의 저하 및 제조원가의 상승 등의 문제점으로 사용상 제한을 받고 있다. 따라서 합금성분계 변화없이 절삭가공성이 우수하면서 열처리 시간의 단축이 가능하다면 고응력 스프링용강의 형상 다변화에 크게 기여할 수 있게 되어 다양화 형상을 갖는 스프링 경량화를 달성할 수 있는 장점이 있는 것이다.

이에, 본 발명자는 고응력 스프링강을 제조함에 있어 열처리 시간을 단축하면서 우수한 절삭 가공성을 확보할 수 있는 조직제어 방안에 대하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로 본 발명은 절삭가공시 요구되는 소재경도 HRC 25이하를 확보하기 위해 조직분율상을 제어함으로써, 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있으며, 또한, 본 발명은 상기 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강을 제조함에 있어 그 열처리 조건을 제어함으로써, 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강을 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 발명재의 열처리전 미세조직을 광학현미경(x200)으로 관찰한 사진

도 2는 발명재의 열처리후 미세조직을 광학현미경(x200)으로 관찰한 사진

도 3(a)(b)는 절삭가공후 칩(chip) 형상을 보이는 사진

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로 탄소: 0.4-0.7%, 실리콘: 2.0-3.5%, 망간: 0.3-0.8%, 크롬: 0.3-0.8%, 바나듐 또는 니요븀: 0.01-0.3%, 니켈: 0.1-5.0%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.03%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 조직 분율상 구상화조직을 30-60% 함유하고, 나머지 퍼얼라이트 노듈 크기가 15㎛이하인 퍼얼라이트 조직을 70-40%함유하여 복합구성되는 스프링용 강에 관한 것이며,

또한, 본 발명은 스프링용 강을 제조하는 방법에 있어서, 상기와 같은 조성의 강을 780-820℃에서 1-5시간 열처리후 5℃/sec이하의 냉각속도로 냉각하는 스프링용 강의 제조방법에 관한 것이다.

다음에서, 본 발명에 이용되는 강성분의 수치한정이유를 설명하고, 강조직의 분율 한정이유를 설명한다.

상기 탄소(C)의 함량은 0.4-0.7%으로 한정한다. 0.4%이하에서는 소입, 소려에 의한 고응력 스프링 용강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵기 때문이며, 0.7%이상에서는 고강도화에 따른 인성확보의 어려움과 고실리콘 첨가에 따른 탈탄발생을 억제하기 어렵고 소입시 미세한 래스 마르텐사이트(lath martensite)를 확보할 수 없기 때문이다.

상기 실리콘(Si)의 함량은 2.0-3.5%로 한정한다. 실리콘 함량이 2.0%이하에서는 훼라이트(ferrite)내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고 템퍼링(tempering)시 석출하는 입실론 카바이드(epsilon carbide, Fe₂₄C) 석출물의 안정화에 그 효과가 미흡하여 피로특성 및 영구변형저항성을 개선하는 효과가 미흡하기 때문이며, 3.5% 이상에서는 연구변형저항성 개선효과가 포화되고 열처리시 표면탈탄이 심화되어 피로특성에 유해하기 때문이다.

상기 망간(Mn)의 함량은 0.3-0.8%로 한정한다. 그 함량이 0.3%이하에서는 스프링용 강으로서 강도 및 소입성이 부족하기 때문이며, 0.8%이상에서는 소입성 증가로 선재(wire rods) 제조시 저온조직(martensite+bainitc)의 발생이 용이하며, 편석심화에 따른 조직불균질을 초래할 수 있기 때문이다.

상기 크롬(Cr)의 함량은 0.3-0.8%로 한정한다. 그 함량이 0.3%이하에서는 열처리시 탈탄 억제효과가 미흡하기 때문이며, 0.8%이상에서는 인성저하 및 구상화 시간의 증가로 본 발명의 효과를 보이기 위한 조직 제어가 어렵기 때문이다.

상기 바나듐(V) 또는 니요븀(Nb) 의 함량은 0.01-0.3%로 한정한다. 그 함량이 0.01이하에서는 바나듐 또는 니요븀계 석출물들이 분포하여 영구변형 저항성을 개선하는 효과가 미흡하기 때문이며, 0.3%이상에서는 영구변형저항성 개선효과가 포화되고 조대한 석출물들이 증가하여 비금속개재물과 같은 작용을 하여 피로특성에 유해하기 때문이다.

상기 니켈(Ni)의 함량은 0.1-5.0%로 한정한다. 그 함량이 0.1이하에서는 소재 탈탄제어 효과와 피로특성에 유효한 적정 잔류오스테나이트양의 확보가 미흡하기 때문이며 5.0%이상에서는 소재 탈탄 개선 효과가 포화되고, 소입후 과다 잔류 오스테나이트양에 따른 템퍼링시 템퍼취성을 일으켜 인성이 저하되기 때문이다.

상기 산소(O)는 함량을 0.0015%이하로 한정한다. 그 함량이 0.0015% 이상에서는 조대한 산화물계 비금속개재물의 증가로 피로특성에 유해하기 때문에 그 이하로 관리하는 것이 바람직하다.

상기 질소(N)는 함량을 0.005-0.03%로 한다. 그 함량이 0.005%이하에서는 바나듐 또는 니요븀계질화물의 형성이 어렵고, 0.03%이상에서는 그 효과가 포하되기 때문이다.

상기 인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 상한을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하며, 황(S)은 저융점 원소로 인성을 저하시키고 조대한 유화물 형성시 피로특성에 유해하기 때문에 그 상한을 0.02%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같은 조성으로 이루어진 강의 조직이 구상화조직 30-60%, 퍼얼라이트 조직 40-70%로 구성된다.

본 발명의 미세조직분율을 구상화 조직 30-60%와 퍼얼라이트 노듈(nodule)크기를 15㎛이하인 미세한 퍼얼라이트 조직분율 70-40%의 복합조직으로 한정하는 것은 구상화조직 분율 30% 이하에서는 절삭가공시 요구되는 소재경도 HRC 25이하를 확보할 수 없기 때문이며, 60%이상에서는 절삭가공성의 개선효과는 우수하나 열처리 소요시간이 상당히 길어지는 문제점이 있으며, 경도 개선효과가 포화되기 때문이다. 한편 퍼얼라이트 노듈(nodule)의 크기가 15㎛이상에서는 절삭가공성을 개선하기 어렵기 때문에 그 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

다음에서, 상기와 같은 강조직을 갖는 스프링용 강으로의 제조방법을 상세히 설명한다.

본 발명에서 열처리온도 및 시간을 780-820℃ 및 1-5시간으로 한정하는 것은 780℃이하에서는 구상화 조직분율 30-60%를 확보하기 위한 열처리 시간이 장시간 요구되며 퍼얼라이트 노듈(nodule) 크기가 15㎛이하로 구성되는 퍼얼라이트 분율 70-40%를 확보하기 위한 오스테나이트양의 제어가 어렵기 때문이며, 820℃이상에서는 대부분 오스테나이트영역이기 때문에 구상화조직 자체를 확보할 수 없기 때문이다. 또한 열처리 시간을 1-5시간으로 한정하는 것은 1시간이하에서는 본 발명의 효과를 보이기 위한 복합 조직분율의 확보가 어렵고 5시간 이상에서는 퍼얼라이트 분율의 증가로 절삭가공성 개선효과가 미흡하기 때문이다.

한편, 냉각속도를 780-820℃유지한 후, 5℃/sec이하로 한정하는 이유는 5℃/sec를 초과하면 구상화 조직은 영향이 없으나 60-40% 오스테나이트가 퍼얼라이트로 변태하기 보다는 저온조직(martensite+bainite)의 생성으로 절삭가공성에 요구되는 소재경도를 확보할 수 없기 때문이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

실시예 1

하기 표1의 화학성분의 강을 시료로 하여 50kg 잉곳트로 주조후, 1250℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 10mm로 열간압연하였으며, 이때 마무리 온도는 950℃이상으로 하여 열간압연을 실시하였으며, 압연비는 75% 수준이었다.

성분	C	Si	Mn	Cr	V	Ni	P	S	O
함량(wt%)	0.52	2.8	0.52	0.72	0.13	1.8	0.009	0.01	12ppm

연화열처리후 경도 측정을 위한 시험편은 압연재 중간 부위에서 재취하였다. 채취된 시험편을 하기 표 2와 같은 열처리조건으로 열처리하였다.

본 발명의 효과를 보이기 위한 열처리조건은 본 발명의 조건을 만족하였으며, 비교재의 열처리조건은 통상 사용되고 있는 구상화 열처리조건을 기준으로 하여 비교하였다.

상기 열처리는 온도편차를 감소시키기 위해 염욕(salt bath)에 실시하였다. 열처리후 경도, 미세조직 관찰 및 노듈 크기를 측정하여 그 결과를 하기표 2에 나타내었다. 이때, 경도 측정은 표면연삭후 록크웰(Rockwell) 경도 시험기를 이용하여 시험하였으며, 미세조직 관찰은 광학현미경으로 조사하고, 미세조직분율은 화상분석기(Image Analyzer)를 이용하여 측정하였다. 그리고 퍼얼라이트 노듈 크기는 전자현미경(Scaning Electronic Microscope) 으로 관찰후 화상분석기를 이용하여 평균 크기를 측정하였다.

	가열온도(℃)	가열시간(hr)	냉각속도(℃/sec)	경도(HRC)	구상화분율(%)	퍼얼라이트 노듈크기(㎛)
발명재1	785	5	5	23	50	10
발명재2	795	4	5	25	32	11
발명재3	805	3	5	24	47	14
발명재4	815	2	5	25	40	12
발명재5	820	1	5	24	55	13
비교재1	730	70	0.1	21	100	-
비교재2	740	60	0.1	23	100	-
비교재3	750	50	0.1	22	100	-

상기 표 2에 나타난 바와같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명재(1-5)는 본 발명에서 목적하는 미세조직 및 우수한 물성을 나타내는 반면, 본 발명의 조건을 벗어난 비교재(1-3)은 그렇지 못하였다.

실시예 2

절삭가공성 평가는 일반적으로 사용되고 있는 방법중 가공시 생성된 칩(chip)형상을 조사함으로서 평가하였다. 절삭가공성 평가를 위한 가공조건은 절삭량 3mm, 진행속도 5m/min, 회전속도(RPM) 3,600cycle, 바이트 재질 P10(4개)로 실시하였으며, 본 절삭가공은 통상 스프링 제조시 사용되는 필링(peeling)장치를 이용하여 실시하였다.

도 1은 본 발명의 효과를 보이기 위한 발명재 1의 열처리전 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진(x200)이다. 도 1에서 보는 바와같이 일반적인 퍼얼라이트와 초석훼라이트 조직임을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 열처리조건을 부여한 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진(x200)으로써, 구상화 조직과 미세한 퍼얼라이트 조직을 갖는 복합조직으로 나타낸 것이다.

상기 표 2에서 나타낸 바와같이 본 발명재들 열처리후 경도 측정결과를 보면 HRC 25(Rockwell hardness)이하로 우수한 절삭가공성을 보이기 위해 요구되는 표면경도를 만족함을 알 수 있다. 그러나 비교재가 유사한 경도치를 보인다 하더라도 열처리 시간이 상당히 장시간 요구되고 본 발명재들과 같이 5시간 이하에서 표면경도 HRC 25를 확보하기 어려우나 본 발명재들은 열처리시간을 상당히 단축가능하면서 절삭가공성에 요구되는 표면경도를 확보할 수 있었다.

도 3(a)(b)는 상기 실시예 1에서의 발명재(1)과 비교재(1)에 대하여 절삭가공후 칩(chip) 형상을 조사한 것으로서, 발명재(1)은 비교재(1)대비, 경도치는 높으나 칩처리성은 거의 동등수준으로 나타남을 알 수 있다.

상술한 바와같이 본 발명은 고응력 스프링강에 있어, 그 성분조성 및 미세조직의 비율을 제어하여, 요구되는 경도 HRC 25 이하가 확보되는 스프링강을 제공할 수 있고, 또한 본 발명은 고응력 스프링강을 제조함에 있어 열처리 시간을 단축하면서 절삭 가공성을 위한 소재경도 HRC 25이하를 확보하는데 요구되는 열처리시간을 현저하게 단축시킬 수 있는 고응력 스프링강의 연화 열처리 방법을 제공할 수 있는 것이다.

Claims (2)

1. 중량%로 탄소: 0.4-0.7%, 실리콘: 2.0-3.5%, 망간: 0.3-0.8%, 크롬: 0.3-0.8%, 바나듐 또는 니요븀: 0.01-0.3%, 니켈: 0.1-5.0%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.03%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되고, 조직 분율상 구상화조직을 30-60% 함유하고, 나머지 퍼얼라이트 노듈 크기가 15㎛이하인 퍼얼라이트 조직을 70-40%함유하여 복합구성되는 것을 특징으로 스프링용 강.
2. 스프링용 강을 제조하는 방법에 있어서,

   중량%로 탄소: 0.4-0.7%, 실리콘: 2.0-3.5%, 망간: 0.3-0.8%, 크롬: 0.3-0.8%, 바나듐 또는 니요븀: 0.01-0.3%, 니켈: 0.1-5.0%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.03%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 780-820℃에서 1-5시간 열처리후 5℃/sec이하의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 스프링용 강의 제조방법.

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