KR100352607B1 - Manufacturing method of high stress spring steel wire - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고응력 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는 고실리콘이 첨가된 강재의 선재압연을 위한 가열시 그 조건을 적절히 제어함으로서, 스프링용강의 표면탈탄층을 제어할 수 있는 제조방법을 제공하는데 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a high stress spring steel wire, the object of which is to control the surface decarburization layer of the spring steel by appropriately controlling the conditions during heating for wire rod rolling of high silicon added steel It is to provide a manufacturing method.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, 탄소: 0.4-0.6%, 실리콘: 2.8-4.0%, 망간: 0.1-0.3%, 크롬: 0.3-0.6%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.01%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01%이하를 함유하고, 여기서 바나듐: 0.01-0.1%, 니오븀: 0.01-0.1%, 니켈: 0.1-0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 Ac1(이상역 변태 개시온도)까지 가열속도 15±5℃/분으로 가열하고, 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지를 6±3℃/분의 가열속도로 가열하고, 이후 1050±50℃까지 가열속도 10±5℃/분으로 가열하여 30-60분 유지후, 지름 16mm이하로 선재압연하는 것을 특징으로 하는 고응력 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.The present invention for achieving the above object is by weight, carbon: 0.4-0.6%, silicon: 2.8-4.0%, manganese: 0.1-0.3%, chromium: 0.3-0.6%, oxygen: 0.0015% or less, nitrogen: 0.005 -0.01%, phosphorus: 0.01% or less, sulfur: 0.01% or less, wherein one or two selected from vanadium: 0.01-0.1%, niobium: 0.01-0.1%, and nickel: 0.1-0.3% are added , The remainder Fe and other unavoidable impurities are heated to a heating rate of 15 ± 5 ° C./minute to Ac1 (ideal phase transformation start temperature), and the range of Ac1 to Ac3 in an ideal range of 6 ± 3 ° C./minute After heating at a heating rate, and then heated to a heating rate of 10 ± 5 ℃ / min to 1050 ± 50 ℃, maintained for 30-60 minutes, the wire rod rolling to a diameter of 16 mm or less in the method of manufacturing a high stress spring steel wire Let that point be about that.

Description

고응력 스프링용강 선재의 제조방법Manufacturing method of high stress spring steel wire

본 발명은 자동차 현가용 코일 및 판 스프링, 토션바, 스테빌라이져 등에 사용되는 고응력 스프링용강 선재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 선재 표면에 탈탄이 저감되는 보다 개선된 고실리콘 첨가 고응력 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a high stress spring steel wire for use in automotive suspension coils and leaf springs, torsion bars, stabilizers, etc. More specifically, the improved high silicon-added high stress spring steel wire for reducing decarburization on the wire surface It relates to a manufacturing method of.

1990년대 초반에 들어오면서 대기오염의 심각성이 전세계적으로 대두되고, 잇따른 대형 유조선의 기름 유출사고가 발생함에 따라 세계적으로 우려의 목소리가 고조되기 시작하였으며, 석유소비 및 배기가스를 줄이기 위해, 자동차 산업에서는 자동차 경량화를 위해 많은 노력이 기울여 지고 있다. 그중 현가용 스프링은 경량화 기여도가 큰 부품중의 하나이기 때문에 스프링 경량화가 시급한 문제로 부각되었다.In the early 1990s, as the seriousness of air pollution rose around the world, and oil spill accidents of large tankers continued, voices of concern began to rise worldwide. To reduce oil consumption and emissions, the automotive industry Efforts have been made to reduce the weight of automobiles. Suspension spring is one of the components that contribute to the weight reduction, so spring weight reduction has emerged as an urgent problem.

이러한 배경으로 스프링 설계최대응력 130kg/mm2(통상재 대비 경량화률 25%가능)이 가능한 고응력 스프링강들을 개발되어 실용화 단계에 이르렀으나, 기 개발된 고응력 스프링용강의 실용화시 문제점으로는 합금설계 측면에서 고합금화를 추구하는 이유로 제조원가가 크게 높다는 것과 고합금화에 따른 선재 제조시 서냉능 부족에 기인하는 저온조직(베이나이트+마르테사이트 복합조직)이 발생한다는 것등이 알려져 있다. 상기와 같은 저온조직이 형성되면, 선재 표면경도가 증가하게 되고 이로인해 스프링 성형전 선재의 선경조정 및 표면품질 개선을 위한 필링(peeling)가공(스프링용 선재의 표면품질 개선 및 사용자 용도별 선경조정을 위한공정)이 불가능하여 필링가공시 요구되는 표면경도를 확보하기 위해 연화열처리를 불가피하게 부여하여야 한다. 이는 부가적인 열처리비용 부담으로 제조원가의 상승요인이 된다는 의미이며, 실용화시 가격 경쟁력이 저하되는 문제점이 있다.Against this backdrop, the high stress spring steels with the maximum design stress of 130kg / mm 2 (25% lighter than ordinary materials) have been developed and put into practical use.However, the problem in the practical application of the developed high stress spring steel is alloy. In terms of design, it is known that the reason for pursuing high alloying is that the manufacturing cost is high and that low-temperature structure (bainite + martesite complex structure) occurs due to the lack of slow cooling ability when wire rod is produced by high alloying. When the low temperature structure is formed as above, the surface hardness of the wire is increased, and thus, the peeling processing for improving the wire diameter and surface quality before the spring molding (improving the surface quality of the spring wire rod and adjusting the wire diameter for each user's use). Softening heat treatment must be inevitably given to secure the surface hardness required for peeling. This means that manufacturing cost increases due to additional heat treatment costs, and there is a problem that the price competitiveness is lowered during the practical use.

이러한 배경에 근거하여 통상재(SAB9254, 스프링 설계최대응력 110kg/mm2)대비 스프링 경량화가 가능하면서 기 개발 고응력 스프링강(스프링 설계최대응력 130kg/mm2)보다 가격적인 경쟁력이 있는 저 코스트형(저합금형)스프링용강의 개발 필요성이 크게 대두되기 시작하였다.Based on these backgrounds, it is possible to reduce the weight of the spring compared to conventional materials (SAB9254, spring design maximum stress 110kg / mm 2 ) and at low cost with competitive cost than developed high stress spring steel (spring design maximum stress 130kg / mm 2 ). The need to develop (low alloy) spring steel has begun to grow significantly.

고응력 소재에 대한 종래의 기술로는 미국특허공보 US005575973A호, US004795609A호, 독일특허공보 EP0265273 A2호, 일본국 특허공보(평)5-59431호,(평)4-88123호, (평)4-247824,(평)1-184259호, (소)64-39353 등을 들 수 있다.Conventional techniques for high stress materials include US Patent Publications US005575973A, US004795609A, German Patent Publication EP0265273 A2, Japanese Patent Publications (Pyung) 5-59431, (Pyung) 4-88123, (Pyung) 4 -247824, (Pyeong) 1-184259, (S) 64-39353, and the like.

상기 미국특허공보 US005575973A 호에는 스프링 특성에 유효한 실리콘 성부을 다량 함유하고, 고 실리콘 함유에 따른 제조공정상의 탈탄 문제점을 니켈을 첨가하으로서 해결하고, 바나듐 첨가에 따른 석출강화 효과로 스프링 고응력화를 달성하였으나 기존재 대비 고합금첨가에 따른 가격상승의 문제점이 있다. 상기 미국특허공보 US004795609A에는 몰리브덴, 바나듐 성분을 첨가하여 고온에서 안정한 석출물을 분포시켜 스프링 특성 중 특히 영구변형저항성 개선효과와 니켈첨가에 의한 인성개선 및 냉간성형성을 개선하여 스프링 고응력화를 달성한 바 있고, 상기 독일특허공보 EP 0265273 A2호, 일본국 특허공보(평)5-59431호,(평)4-88123호, (평)4-247824호, (평)1-184259호, (소)60-89553호 등도 역시 스프링 고응력화는 가능하나 합금성분계 특징상 고합금처리에 의해 스프링 경량화를 달성하여도 기존재 대비 제조원가가 증가하는 단점이 있다.The U.S. Patent Publication No. US005575973A contains a large amount of silicone components effective for spring characteristics, solves the problem of decarburization in the manufacturing process due to the high silicon content by adding nickel, and achieves high stress of the spring by precipitation strengthening effect by the addition of vanadium. However, there is a problem of price increase due to the addition of high alloy to existing materials. The U.S. Patent Publication US004795609A adds molybdenum and vanadium components to distribute stable precipitates at high temperatures, thereby improving the stress resistance and cold forming properties, especially the permanent deformation resistance effect among the spring properties, and the formation of high stress by the addition of nickel. German Patent Publications EP 0265273 A2, Japanese Patent Publications (Pyeong) 5-59431, (Pyeong) 4-88123, (Pyeong) 4-247824, (Pyeong) 1-184259, (Small) 60-89553 is also possible to increase the stress of the spring, but due to the characteristics of the alloy composition system, even if the weight of the spring is achieved by high alloy treatment, the manufacturing cost is increased compared to the existing material.

한편, 자동차용 스프링강에서 가장 중요한 특성으로는 크게 피로특성 및 영구변형저항성으로 구분되며 선재 표면탈탄층의 정도는 바로 스프링 최종제품에서의 피로특성에 악영향을 미친다. 이는 피로특성 개선목적으로 표면 압축잔류응력을 부여하는 샷피닝(shot peening)효과가 표면탈탄층 잔존시 거의 없기 때문이다. 또한 선재 압연시 표면탈탄 정도에 따라서 압연중 표면홈 발생가능성이 매우 높고 스프링 제조전 표면가공(peeling)시 불가피하게 가공량 증가를 초래하게 되는 문제점이 있다.On the other hand, the most important characteristics in automotive spring steel are classified into fatigue characteristics and permanent deformation resistance, and the degree of surface decarburization layer of wire rod adversely affects the fatigue characteristics of spring final products. This is because there is almost no shot peening effect in the surface decarburized layer which gives surface compressive residual stress for the purpose of improving fatigue characteristics. In addition, according to the degree of surface decarburization during wire rolling, the possibility of surface grooves during rolling is very high, and there is a problem that the amount of processing is inevitably increased during surface processing (peeling) before spring production.

저합금형 고응력 스프링강종 중 고실리콘 첨가강은 스프링특성 및 가격측면에서 매우 유리하나 선재제조를 위한 가열시 표면탈탄 조장원소인 실리콘 함유량이 2.5%이상 수준이어서 선재제조시 불가피하게 표면탈탄이 심화되며, 이로인해 스프링 제조시 표면품질 개선목적으로 부여하는 표면절삭 가공공정인 필링공정(peeling)에서 상당량의 메탈로스(metal loss)가 발생하는 단점이 있다. 또한, 최근 스프링용강의 공정 단순화 측면에서 종래 표면가공공정의 생략 또는 가공량 절감등의 요구로 스프링용 선재 표면탈탄층의 두께를 더욱 감소시켜야 하는 절박한 상황에 와 있는 실정이다.Among the low alloy type high stress spring steels, high silicon-added steel is very advantageous in terms of spring characteristics and price, but the surface decarburization is inevitably deepened when wires are manufactured because the silicon content, which is the surface decarburization promoting element during heating, is inevitably increased. As a result, a significant amount of metal loss occurs in a peeling process, which is a surface cutting process that is given to improve surface quality during spring manufacturing. In addition, in recent years, in view of simplifying the process for spring steel, there is an urgent situation in which the thickness of the spring wire decarburizing layer should be further reduced due to the omission of the conventional surface processing process or the reduction of the processing amount.

따라서, 고실리콘 첨가 스프링용강의 선재제조시 선재표면 탈탄층을 개선할 수 있다면 고실리콘 첨가강의 장점인 가격측면과 우수한 스프링 특성 측면을 동시에 확보할수 있는 것이다.Therefore, if the wire surface decarburization layer can be improved during the manufacture of wire rod for high silicon-added spring steel, it is possible to secure both the price side and the excellent spring characteristics which are advantages of the high silicon-added steel.

스프링용강 선재의 탈탄을 억제하기 위한 종래의 기술로는 대한민국특허공보 92-24974호, 92-24163호, 92-24161호, 일본국특허공보 (평)2-301514호, (평)2-301514호, (평)1-31960, (소)63-26591호 등을 들 수 있다.Conventional techniques for suppressing decarburization of spring steel wire rods include Korean Patent Publication Nos. 92-24974, 92-24163, 92-24161, Japanese Patent Publications (Pyeong) 2-301514, (Pyeong) 2-301514 (Pyeong) 1-31960, (S) 63-26591, etc. are mentioned.

상기 대한민국특허공보 92-24974호, 92-24161호에는 니켈을 첨가하여 탈탄을 억제하는 동시에 탈탄 조장원소인 실리콘의 첨가량을 증가시켜 스프링 특성을 매우 효과적으로 개선한 바 있으나, 니켈 첨가에 따른 제조원가가 상승하는 단점이 있고, 상기 대한민국특허공보 92-24163호에는 납, 주석을 첨가하여 표면탈탄 발생을 현저하게 억제시킨 바 있으나 고온 충격인성이 저하되는 단점이 있다.In the above-mentioned Korean Patent Publication Nos. 92-24974 and 92-24161, nickel is added to suppress decarburization and increase the amount of silicon, which is a decarburization promoting element, to improve the spring characteristics very effectively, but the manufacturing cost increases due to the addition of nickel. In the Republic of Korea Patent Publication No. 92-24163, the addition of lead, tin has significantly suppressed the occurrence of surface decarburization, but has a disadvantage in that high temperature impact toughness is lowered.

상기 일본국특허공보 (평)2-301514호에는 크롬의 함량을 1.5-3.0%까지 증가시키거나, 납, 황, 칼슘등을 첨가하는 방법이 제시된 바 있으나 크롬의 증가는 스프링의 영구변형저항성을 저하시키는 단점과 납, 황, 칼슘등의 첨가는 탈탄개선에는 효과있으나 충격인성이 저하되는 단점이 있고, 상기 일본국특허공보(평)1-31960에는 실리콘의 함량을 낮추는 방법등이 제시되었으나 실리콘의 함량감소에 따른 스프링영구변형저항성의 향상은 기대하기 어렵다. 또한, 상기 일본국특허공보(소)63-216591호에는 탄소함량을 낮추면서 구리, 몰리브덴, 주석, 안티몬, 비소등을 첨가하는 방법이 제시된 바 있으나 고가의 합금원소 첨가 및 인성저하의 단점이 있다.In Japanese Patent Publication No. 2-301514, a method of increasing the content of chromium to 1.5-3.0% or adding lead, sulfur, calcium, etc. has been proposed, but the increase in chromium has a permanent deformation resistance of the spring. The disadvantages of deterioration and the addition of lead, sulfur, calcium, etc. are effective in improving decarburization but have the disadvantage of deteriorating impact toughness. However, Japanese Patent Laid-Open No. 1-31960 suggests a method of lowering the content of silicon. It is difficult to expect the improvement of spring permanent strain resistance by decreasing the content of. In addition, Japanese Patent Publication No. 63-216591 discloses a method of adding copper, molybdenum, tin, antimony, and arsenic while lowering carbon content, but there are disadvantages of adding expensive alloying elements and reducing toughness. .

이에, 본 발명은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 고실리콘이 첨가된 강재의 선재압연을 위한 가열시 그 조건을 적절히 제어함으로서, 스프링용강의 표면탈탄층을 제어할 수 있는 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention is to solve the problems of the prior art, the present invention can control the surface decarburization layer of the spring steel by appropriately controlling the conditions during heating for wire rods of high silicon added steel To provide a manufacturing method, the object is.

도 1은 본 발명의 조건을 만족하여 얻어진 선재의 단면 광학현미경 사진1 is a cross-sectional optical micrograph of a wire rod obtained by satisfying the conditions of the present invention

본 발명자는 스프링 경량화가 30%정도 가능한 설계최대응력 130kg/mm2급 고응력 스프링강을 제조함에 있어, 스프링 특성의 저하없이 저합금설계에 의한 고응력 스프링강을 제조할 수 있는 방법에 대해, 실리콘 함량을 2.8-4.0%첨가할 경우, 스프링 고응력화에 요구되는 스프링 특성을 만족하면서, 미량합금원소 및 고가의 합금원소 첨가량을 생략 또는 상당히 감소시킬 수 있는 방안에 대하여 기 제안(대한민국 특허공고 97-73725)한 바 있으며, 이를 바탕으로 본 발명자는 고실리콘 첨가 스프링용강 선재의 탈탄저감을 위해 다각도로 연구한 결과, 선재압연을 위한 빌레트 가열시(선재 가열로 가열시) 이상역(ferrite-austenite가 혼재되어 평형상태를 유지하는 구간)을 통과하는 승온속도를 기존 15±5℃에서 6±3℃/min로 낮출 경우, 빌레트 표면에 탄소 고용도가 매우 낮은 페라이트층을 0.2-0.4mm두께로 균일하게 유도할 수 있으며, 이러한 표면 페라이트층은 매우 낮은 탄소 고용도를 갖는 이유로 석출직후 이영역을 통과하는 탄소원자의 확산은 거의 기대할 수 없기 때문에 이에 의해 탈탄반응속도를 현저하게 감소시킬수 있다는 점을 알아내었다.In the present inventors, in the manufacture of a design maximum stress 130kg / mm class 2 high stress spring steel, which can reduce the weight of the spring by 30%, with respect to a method that can produce high stress spring steel by low alloy design without deterioration of the spring characteristics, When the silicon content is added 2.8-4.0%, it is proposed to reduce or considerably reduce the addition amount of trace alloy element and expensive alloy element while satisfying the spring characteristics required for high stress of spring (Korea Patent Publication) 97-73725), and based on this, the present inventors conducted a multi-angle study to reduce the decarburization of high-silicon-added spring steel wire, resulting in abnormality of the ferrite during the heating of the billet for the wire rod (heating of the wire furnace). When the temperature increase rate passing through the austenite mixture is maintained at 6 ± 3 ℃ / min from 15 ± 5 ℃, the carbon solubility of the billet surface is very high. The silver ferrite layer can be induced uniformly to a thickness of 0.2-0.4mm, and since the surface ferrite layer has very low carbon solubility, diffusion of carbon atoms through this region can hardly be expected because of the very low carbon solubility. We found that we could significantly reduce the speed.

상기한 바와 같은 관점으로 부터 출발한 본 발명은 중량%로, 탄소: 0.4-0.6%, 실리콘: 2.8-4.0%, 망간: 0.1-0.3%, 크롬: 0.3-0.6%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.01%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01%이하를 함유하고, 여기서 바나듐: 0.01-0.1%, 니오븀: 0.01-0.1%, 니켈: 0.1-0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 Ac1(이상역 변태 개시온도)까지 가열속도 15±5℃/분으로 가열하고, 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지를 6±3℃/분의 가열속도로 가열하고, 이후 1050±50℃까지 가열속도 10±5℃/분으로 가열하여 30-60분 유지후, 지름 16mm이하로 선재압연하는 것을 특징으로 하는 고응력 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이다.Starting from the above point of view, the present invention is in terms of weight%, carbon: 0.4-0.6%, silicon: 2.8-4.0%, manganese: 0.1-0.3%, chromium: 0.3-0.6%, oxygen: 0.0015% or less, Nitrogen: 0.005-0.01%, phosphorus: 0.01% or less, sulfur: 0.01% or less, wherein one or two selected from vanadium: 0.01-0.1%, niobium: 0.01-0.1%, nickel: 0.1-0.3% Is added, and the steel billet composed of the balance Fe and other unavoidable impurities is heated to Ac1 (ideal phase transformation start temperature) at a heating rate of 15 ± 5 ° C / min, and the range of Ac1 to Ac3, which is an ideal range, is 6 ± 3 ° C. Of the high stress spring steel wire, which is heated to a heating rate of 10 minutes per minute, and then heated at a heating rate of 10 ± 5 ° C./minute to 1050 ± 50 ° C. for 30 to 60 minutes, and then the wire is rolled to a diameter of 16 mm or less. It relates to a manufacturing method.

이하, 본 발명을 상세히 설명하는데, 먼저 본 발명의 효과를 보이기 위한 강의 성분 및 성분범위의 한정이유에 대하여 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, the reason for limitation of the components and the range of components for showing the effects of the present invention will be described.

상기 탄소(C)의 함량은 0.4-0.6%로 하는데, 0.4%미만에서는 소입, 소려에 의한 스프링강으로서의 요구되는 강도, 피로특성, 영구변형저항성, 석출물제어, 잔류오스테나이트양, 절삭가공성 개선을 위한 흑연화 조직을 확보하기 어렵기 때문이며, 0.6%를 초과하면 고강도화에 따른 인성확보의 어려움과 선재냉각시 페라이트(ferrite) 분율 증가로 필링가공에 적합한 선재 표면경도를 확보하기 어렵고, 소입시 플레이트 마르텐사이트(plate martensite)생성에 따른 소입균열의 발생을 피하기 어렵기 때문이다.The content of carbon (C) is 0.4-0.6%, but less than 0.4% improves the required strength, fatigue properties, permanent deformation resistance, precipitate control, residual austenite amount, and machinability as spring steel by hardening and thinning. This is because it is difficult to secure graphitized tissue for the purpose.If it exceeds 0.6%, it is difficult to secure the wire surface hardness suitable for peeling due to difficulty in securing toughness due to high strength and increase of ferrite fraction during wire cooling. This is because it is difficult to avoid the occurrence of hardening cracks due to the formation of the plate martensite.

상기 실리콘(Si)의 함량은 2.8-4.0%로 한다. 이는 실리콘 함량이 2.8%미만에서는 저합금화 고응력 스프링용강으로서의 스프링 특성 즉 피로특성 및 영구변형저항성을 확보하기 어렵고, 탈탄억제원소인 니켈, 크롬원소를 저감시킬 경우 선재가열로 장입시 소재 표면탈탄이 심화될 가능성이 높고, 잔류 오스테나이트 분해시기, 템퍼취성제어, 석출물(입실론 세멘타이트, 바나듐 또는 니오븀계 석출물)제어의 어려움으로 저합금형 고응력 스프링강 제조시 스프링 특성확보가 불가능하고, 절삭가공 개선을 위한 연화 열처리시 조직연화속도가 감소하고, 또한 선재냉각시 페라이트 생성율 저하로 선재 표면경도 증가를 초래하여 연화열처리가 불가피해지기 때문이다. 또한, 4.0%를 초과하면 제강시 표면결함 발생율이 높고 스프링 특성을 부여하는 열처리시 구상화 또는 흑연화 고용시간 지연에 따른 열처리시간이 장기간 요구되는 단점이 있고, 표층하 내부산화물의 생성량 증가로 표면품질이 저하되고, 피로특성을 개선하기 위한 샷피닝(shot-peening)부여시 압축잔류응력 분포에 영향을 미치기 때문이다.The content of silicon (Si) is 2.8-4.0%. When the silicon content is less than 2.8%, it is difficult to secure spring characteristics, ie fatigue characteristics and permanent deformation resistance, as a low alloying high stress spring steel, and when the nickel and chromium elements, which are decarburization inhibiting elements, are reduced, the surface decarburization occurs when the wire is heated. Due to the high possibility of deepening, difficulty in controlling residual austenite decomposition time, temper brittleness control, and control of precipitates (epsilon cementite, vanadium or niobium-based precipitates), it is impossible to secure spring characteristics when manufacturing low alloy high stress spring steel. This is because softening heat treatment is inevitable due to a decrease in the rate of tissue softening during softening heat treatment for improvement and a decrease in ferrite production rate during wire cooling, which leads to an increase in surface hardness of wire. In addition, if it exceeds 4.0%, there is a disadvantage that high occurrence rate of surface defects during steelmaking is required, and heat treatment time is required for a long time due to the delay of spheroidization or graphitization solid solution time during heat treatment to impart spring characteristics. This is because the deterioration and the impact of the compressive residual stress distribution upon giving shot peening to improve the fatigue characteristics.

상기 실리콘의 보다 바람직한 성분범위는 3.2-3.6%로 피로특성의 경우 이성분범위에서 최대치를 보이는 성분상의 입계 사수구간이며, 영구변형저항성(잔류전단변형율)의 경우, 첨가량이 증가함에 따라 지속적으로 개선의 효과가 있고, 모재의 강도, 석출물 분포(입실론 카바이트 석출물, 바나듐 또는 니요붐석출물), 표면탈탄, 페라이트 생성시기, 피로특성, 영구변형성, 심가공에 따른 절삭가공성, 템퍼취성, 잔류 오스테나이트 분해시기, 제강시 표면결함, 열처리시 흑연화 분율등을 매우 효과적으로 제어할 수 있기 때문이다.The more preferable component range of the silicon is 3.2-3.6%, which is the grain boundary cross section of the component phase showing the maximum value in the bicomponent range in the case of fatigue characteristics, and in the case of the permanent strain resistance (resistance shear strain), it is continuously improved as the amount added is increased. Strength of the base material, distribution of precipitates (epsilon carbide precipitates, vanadium or niyo boom precipitates), surface decarburization, ferrite formation time, fatigue characteristics, permanent deformation, machinability according to deep processing, temper embrittlement, residual austenite decomposition This is because timing, surface defects during steelmaking, and graphitization fraction during heat treatment can be controlled very effectively.

상기 망가(Mn)의 함량은 0.1-0.3%로 하는데, 0.1%미만에서는 소입성, 탈산, 고용강화효과가 없기 때문이고, 0.3%를 초과하면 오스테나이트 영역의 확장(퍼얼라이트 변태온도 상승)으로 선재 냉각시 초석 페라이트 뷴율에 영향을 미쳐 선재 표면경도제어가 어렵고, 고용강화 효과보다는 망간편석에 의한 조직 불균질이 스프링 특성에 더 유해한 영향을 미친다. 따라서, 망간의 함량을 0.1-0.3%로 한정하는 것은 모재의 강도, 탈산, 고용강화, 선재냉각시 미세조직 제어, 스프링 특성(피로특성, 영구변형저항성), 편석대 생성에 따른 유해한 영향등을 고려한 범위이다.The content of manganese (Mn) is 0.1-0.3%, but less than 0.1% because it has no effect of hardening, deoxidation and solid solution, and if it exceeds 0.3%, the austenite region is expanded (perlite transformation temperature is increased). It is difficult to control the surface hardness of wire rod because it affects the cornerstone ferrite content during cooling of wire rod, and the structure heterogeneity caused by manganese segregation has more detrimental effect on the spring characteristics than the solid solution strengthening effect. Therefore, limiting the content of manganese to 0.1-0.3% means controlling the strength, deoxidation, solid solution strengthening, microstructure control of wire rod cooling, spring characteristics (fatigue characteristics, permanent strain resistance), and harmful effects of segregation. Considered range.

상기 크롬(Cr)의 함량을 0.3-0.6%로 한정한다. 이는 크롬의 함량이 0.3%미만에서는 부식저항성에 대한 개선효과가 적으며, 스프링 특성을 부여하는 열처시 표면 탈탄제어가 어렵고, 퍼얼라이트의 세멘타이트 두께제어가 어려워 구상화 열처리시 구상화시간에 영향을 미치기 때문이다. 또한, 0.6%를 초과하면 미세조직 연화속도를 증가시켜 강도확보의 어려움이 있고, 템퍼링시 세멘타이트 조기석출로 스프링 특성에 유해하기 때문이다.The content of chromium (Cr) is limited to 0.3-0.6%. It is less effective to improve corrosion resistance when the content of chromium is less than 0.3%, and it is difficult to control surface decarburization at the heat treatment to impart spring characteristics, and it is difficult to control the cementite thickness of the ferrite, affecting the nodularization time during nodular heat treatment. Because. In addition, if the content exceeds 0.6%, it is difficult to secure the strength by increasing the rate of softening of the microstructure, and it is harmful to spring characteristics due to early deposition of cementite during tempering.

상기 바나듐(V) 또는 니요븀(Nb)은 석출경화에 의한 스프링 특성 개선원소로 그 함량을 0.01-0.1%로 한정하는데, 그 함량이 0.01%미만에서는 바나듐 또는 니요븀계 석출물들이 적게 분포하여 스프링 특성(피로특성 및 영구 변형저항성)의 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 0.1%를 초과하면 석출물들에 의한 스프링 특성 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다.The vanadium (V) or niobium (Nb) is a spring property improvement element due to precipitation hardening, and the content thereof is limited to 0.01-0.1%. If the content is less than 0.01%, vanadium or niobium-based precipitates are distributed less and have spring characteristics. (Fatigue property and permanent strain resistance) is not enough to improve the effect, if it exceeds 0.1% the effect of improving the spring characteristics due to precipitates is saturated and the amount of coarse alloy carbide that does not dissolve in the base material during austenite heat treatment increases This is because it causes the same effect as the non-metallic inclusions, resulting in a decrease in fatigue characteristics.

상기 니켈(Ni)의 함량은 0.1-0.3%로 한정한다. 이는 니켈의 함량이 0.1%미만에서는 피로하중하에서의 부식피로저항성을 개선하기 어려우며, 스프링 특성을 부여하는 열처리시 탈탄제어와 인성 및 냉간가공성 개선, 잔류 오스테나이트 제어, 또한 절삭성 개선을 위한 흑연화 열처리시 흑연화 촉진효과가 없기 때문이다. 또한, 0.3%를 초과하면 선재 냉각시 초석 페라이트 생성에 영향을 미쳐 선재 표면경도 제어가 어렵고, 선재 가열로에서 빌렛(billet)재가열시 페라이트 석출온도에 영향을 미쳐 탈탄방지를 위한 표면의 페라이트층 형성온도를 상승시킴으로서 오히려 탈탄제어에 유해한 영향을 미치기 때문이다.The content of nickel (Ni) is limited to 0.1-0.3%. It is difficult to improve the corrosion fatigue resistance under fatigue load when the nickel content is less than 0.1% .It is difficult to improve the corrosion fatigue resistance under fatigue load, and to improve the decarburization control, toughness and cold workability, residual austenite control, and graphitization heat treatment to improve machinability. This is because there is no graphitization promoting effect. In addition, if the content exceeds 0.3%, it affects the formation of cornerstone ferrite during wire rod cooling, which makes it difficult to control the surface hardness of wire rod, and affects the precipitation temperature of ferrite when billet reheats in wire rod furnace to form the surface ferrite layer to prevent decarburization. This is because raising the temperature has a detrimental effect on decarburization control.

상기 산소(O)의 함량은 0.0015%이하로 한정하는데, 0.0015%를 초과하면 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하되기 때문이다.The content of oxygen (O) is limited to 0.0015% or less, because when the content exceeds 0.0015% coarse oxide-based non-metallic inclusions are easily formed to reduce the fatigue life.

상기 질소(N)의 함량은 0.005-0.01%로 한정하는데, 0.005%미만에서는 바나듐 및 니요븀계 질화물 형성에 따른 탄화물 생성율이 매우 작기 때문이며, 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화되기 때문이다.The content of nitrogen (N) is limited to 0.005-0.01%, because less than 0.005% carbide production rate due to the formation of vanadium and niobium-based nitride is very small, and if the content exceeds 0.01%, the effect is saturated.

상기 인(P) 및 황(S)의 함량을 0.01%이하로 한정하는데, 상기 인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이며, 황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 스프링 특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.The content of phosphorus (P) and sulfur (S) is limited to 0.01% or less. The phosphorus segregates at grain boundaries and lowers toughness, so the upper limit thereof is limited to 0.01%. It is preferable to limit the upper limit to 0.01% because it lowers the temperature and forms an emulsion, which adversely affects the spring characteristics.

다음에서는 상기와 같은 조성의 강 빌레트를 이용하여, 선재로 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.Next, a method for producing a wire rod using the steel billet having the composition described above will be described in detail.

본 발명에서는 Ac1(이상역 변태 개시온도)까지 가열속도 15±5℃/분으로 가열한다.In the present invention, heating is carried out at a heating rate of 15 ± 5 ° C./minute to Ac1 (ideal region transformation start temperature).

상기 Ac1까지의 가열속도가 10℃/분미만이면 산화량의 증가와 그에 따른 불균질 산화층의 분포로 인해 빌레트표면에서의 탈탄반응이 불균질하게 진행되어 본 발명의 효과를 얻기 힘들고, 20℃/분을 초과하면 빌레트 내외부의 온도편차가 심화되어 빌레트 휨(bending)현상이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.If the heating rate up to Ac1 is less than 10 ℃ / minute, the decarburization reaction on the surface of the billet due to the increase in the amount of oxidation and the distribution of heterogeneous oxide layer is difficult to achieve the effect of the present invention, 20 ℃ / It is not preferable to exceed the minutes because the temperature deviation inside and outside the billet is deepened and billet bending occurs.

또한, 본 발명에서는 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지 6±3℃/분의 가열속도로 가열한다.Moreover, in this invention, it heats at the heating rate of 6 +/- 3 degreeC / min from Ac1 to Ac3 which is an ideal range range.

상기 이상역 온도범위 통과시 승온속도가 3℃/min미만이면 표면 페라이트층의 두께가 필요 이상으로 증가(≥0.5mm)하여 오히려 탈탄개선 효과를 얻기 어려우며, 또한 가열로 재로시간(장입시간)이 길어지는 단점이 있기 때문이다. 또한, 상기 승온속도가 9℃/min을 초과하면 탈탄반응 억제에 필요한 적정 표면 페라이트층(0.2-0.4mm)을 형성시키기가 어렵기 때문이다.If the temperature increase rate is less than 3 ℃ / min when passing the above ideal temperature range, the thickness of the surface ferrite layer is increased more than necessary (≥0.5mm), rather it is difficult to obtain a decarburization improvement effect, and also the reheat time (charge time) of the furnace This is because there is a disadvantage. In addition, it is because it is difficult to form the appropriate surface ferrite layer (0.2-0.4mm) necessary for suppressing the decarburization reaction when the temperature increase rate exceeds 9 ° C / min.

또한, 본 발명에서는 1050±50℃까지 가열속도 10±5℃/분으로 가열하여 50-70분 유지후 선재압연한다.In the present invention, the wire is heated to 1050 ± 50 ℃ at a heating rate of 10 ± 5 ℃ / min and maintained for 50-70 minutes before rolling the wire.

상기 이상역 종료온도인 Ac3온도에서 가열유지온도까지 승온속도를 한정하데, 이상역 종료온도 이후에서는 모재의 미세조직은 이상조직(페라이트+오스테나이트)에서 오스테나이트 단상조직으로 변태하게 된다. 따라서, 이때 승온속도가 5℃/min미만이면 재료시간이 증가하게 되며, 15℃/min를 초과하면 빌레트 내외부의 온도편차 심화로 빌레트 휘어지이 발생하기 쉽기 때문에 가열속도를 10±5℃/분으로 한정한다.The temperature rise rate is limited from the Ac 3 temperature, which is the abnormal station termination temperature, to the heating holding temperature. After the abnormal station termination temperature, the microstructure of the base material is transformed from the abnormal structure (ferrite + austenite) to the austenite single phase structure. Therefore, at this time, if the temperature increase rate is less than 5 ℃ / min, the material time increases, and if it exceeds 15 ℃ / min, the heating rate is 10 ± 5 ℃ / min, because the billet bends easily occur due to the deep temperature deviation inside and outside the billet. It is limited.

상기 10±5℃/분의 가열속도는 선재가열로 가열온도까지 행하는데, 상기 선재가열로 가열온도는 1050±50℃범위로 한정한다. 이는 상기 선재가열로 가열온도가 1000℃미만이면 탈탄제어를 위한 빌레트 표면 페라이트층 적정두께 제어에 문제점이 있으며, 빌레트 제조시 조대하게 석출된 바나듐계 또는 니요븀계 석출물들의 재고용이 용이하지 않은것과, 열간변형저항성의 증가로 압연시 과부하로 인해 작업성이 열악해지기 때문이며, 1100℃를 초과하면 탈탄제어용 페라이트층을 표면에 석출시킬수 없기 때문이다. 즉, 탄소 고용도가 매우 낮은 표면 페라이트층이 잔존하여야 가능하나 가열온도가 1100℃를 초과할 경우에는 표면의 페라이트층이 오스테나이트로 변태하기 때문에 탈탄속도가 급격히 증가하여 이로 인해 표면탈탄이 심화되는 문제가 있는 것이다.The heating rate of 10 ± 5 ℃ / min is performed to the heating temperature by the wire rod heating, the heating temperature of the wire heating is limited to 1050 ± 50 ℃ range. This is a problem in controlling the proper thickness of the billet surface ferrite layer for the decarburization control when the heating temperature is less than 1000 ℃ by the wire heating, it is not easy to re-use the coarse precipitated vanadium-based or niobium-based precipitates, hot This is because the workability becomes poor due to the overload during rolling due to the increase in the deformation resistance, and if the ferrite layer for the decarburization control cannot be deposited on the surface when it exceeds 1100 ° C. That is, it is possible to have a surface ferrite layer with a very low carbon solubility. However, if the heating temperature exceeds 1100 ° C, the surface ferrite layer is rapidly decarburized because the surface ferrite layer transforms into austenite, thereby increasing the surface decarburization. There is a problem.

상기와 같은 선재가열로의 가열온도에서 가열유지시간은 30-60분 범위로 한정하는데, 30분미만에서는 선재압연을 위한 빌레트 외내부의 균일한 온도 분포를 확보하기 어렵기 때문이며, 60분을 초과하면 산화량이 급격하게 증가하여 빌레트 표면탈탄제어를 위한 적정 페라이트층의 확보가 어렵기 때문이다.The heating holding time at the heating temperature of the wire heating furnace as described above is limited to the range of 30-60 minutes, because in less than 30 minutes, it is difficult to secure a uniform temperature distribution inside and outside the billet for rolling the wire, and exceeds 60 minutes. This is because the amount of oxidation rapidly increases, making it difficult to secure an appropriate ferrite layer for billet surface decarburization control.

상기와 같은 방법으로 가열된 빌레트에 있어, 선재가열로 추출시 탈탄면적은 선재압연후 선재의 탈탄면적과 동일하기 때문에 선경이 클수록 증가하게 된다는 것을 의미한다. 따라서 본 발명에 의한 빌레트 추출시 탈탄층을 고려할 경우 선재 선경(지름)은 16mm이하가 바람직하다.In the billet heated by the above method, the decarburized area during extraction by wire heating is the same as the decarburized area of the wire rod after the wire rolling, which means that the wire diameter increases. Therefore, when considering the decarburization layer when extracting the billet according to the present invention, the wire diameter (diameter) is preferably 16 mm or less.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

실시예Example

중량%로, 탄소 0.55%, 실리콘 3.53%, 망간 0.3%, 크롬 0.5%, 바나듐 0.12%, 니켈 0.25%, 산소 0.001%, 질소 0.009%를 함유하고 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강종의 빌레트(160sq.)를 여러개 준비하였다.Billet of steel grade, containing 0.55% carbon, 3.53% silicon, 0.3% manganese, 0.5% chromium, 0.12% vanadium, 0.25% nickel, 0.001% oxygen, 0.009% nitrogen and consisting of balance Fe and other unavoidable impurities (160 sq.) Were prepared several.

준비된 고실리콘 첨가 스프링용강의 빌레트를 각각, 하기 표1과 같은 가열속도로 Ac1 변태점까지 가열하고, 하기 표1과 같은 가열속도로 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지 가열하고, 이후 가열로 유지온도까지 하기 표1과 같은 가열속도로 가열하였다. 이때, 상기 가열로 유지온도는 하기 표1과 같았으며, 그 유지시간 역시 하기 표1과 같았다.Each prepared billet of high-silicon-added spring steel was heated to Ac1 transformation point at the heating rate as shown in Table 1, and then heated from Ac1 to Ac3 in the ideal range at the heating rate as shown in Table 1, and then to the furnace temperature. It was heated at the heating rate as shown in Table 1. At this time, the heating furnace holding temperature was as shown in Table 1, the holding time was also as shown in Table 1.

이와같이, 가열된 빌래트를 통상의 방법으로 지름 13mm로 선재압연하였다. 고속압연한 후 압연된 지름 13mm선재제품을 830℃로 물분사에 의해 급속 냉각하여 각각을 권취하였으며, 600℃까지 1.0℃/sec로 서냉후 공냉하였다.Thus, the heated billate was wire-rolled to diameter 13mm by the conventional method. After rolling at a high speed, the rolled diameter 13 mm wire product was rapidly cooled by water spraying at 830 ° C., respectively, and wound up, and slowly cooled at 1.0 ° C./sec to 600 ° C., followed by air cooling.

상기와 같이 제조된 선재의 표면 탈탄층 깊이는 KS규격(KD D 0216)에 의하여 측정하였다. 이 규격에 의하면 광학 현미경 관찰법과 미소경도 측정법등이 제안되고 있는데, 본 실시예에서는 미소경도 측정법을 이용하였다.The surface decarburized layer depth of the wire rod manufactured as described above was measured by the KS standard (KD D 0216). According to this standard, an optical microscope observation method and a microhardness measuring method are proposed, but the microhardness measuring method was used in the present Example.

상기와 같이 측정된탈탄층 깊이는 하기표 1에 나타내었다. 이때, 측정위치는 선재단면을 8등분한 위치에서 측정하였으며 측정값은 평균값을 기준으로 하였다.The decarburized layer depth measured as described above is shown in Table 1 below. At this time, the measurement position was measured at the position where the wire rod section was divided into 8 and the measured value was based on the average value.

선재가열로 가열패턴Wire heating furnace heating pattern 선재표면탈탄깊이(mm)Wire Stripping Depth (mm) Ac1까지의승온속도(℃/min)Heating rate up to Ac1 (℃ / min) 이상역승온속도(℃/min)Ideal temperature rise rate (℃ / min) Ac3이후 승온속도(℃/min)Temperature rise rate after Ac3 (℃ / min) 가열온도(℃)Heating temperature (℃) 유지시간(min)Holding time (min) 발명예1Inventive Example 1 1515 44 1111 10501050 3030 0.060.06 발명예2Inventive Example 2 1515 55 1313 11001100 6060 0.070.07 발명예3Inventive Example 3 1515 66 1212 11001100 3030 0.040.04 발명예4Inventive Example 4 1616 77 1212 10501050 6060 0.060.06 발명예5Inventive Example 5 1717 88 1212 10501050 5050 0.050.05 발명예6Inventive Example 6 1515 1010 1111 10501050 5050 0.060.06 비교예1Comparative Example 1 1616 1212 1212 10501050 5050 0.120.12 비교예2Comparative Example 2 1616 1515 1313 10501050 4040 0.130.13 비교예3Comparative Example 3 1616 1515 1313 10501050 6060 0.150.15 비교예4Comparative Example 4 1515 1919 1111 10501050 3030 0.180.18 비교예5Comparative Example 5 1515 1919 1111 10501050 5050 0.200.20

상기 표1에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예(1-6)의 선재 표면탈탄 깊이는 0.04-0.07mm범위를 보이는 반면, 본 발명의 조건을 벗어난 비교예(1-5)의 경우는 0.12-0.20mm범위로 선재탈탄을 나타내었다. 따라서, 본 발명은 선재탈탄을 개선하는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 여기서, Ac1은 이상역 개시온도이며, Ac3은 오스테나이트 단상개시 온도역이다.As can be seen in Table 1, the surface decarburization depth of the wire rod of the invention example (1-6) that satisfies the conditions of the present invention shows a range of 0.04-0.07mm, while the comparative example outside the conditions of the present invention (1--1). 5) showed wire decarburization in the range of 0.12-0.20mm. Therefore, the present invention was found to be very effective in improving the wire decarburization. Here, Ac1 is an ideal range starting temperature and Ac3 is an austenite single phase starting temperature range.

한편, 도 1은 본 발명의 조건을 만족하는 발명예 2에 있어, 선재압연(13mmØ) 직후 수냉하여 선재단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 선재 표면에 흰 부분은 본 발명의 효과를 나타내는 페라이트층이며 내부는 마르텐사이트 조직이다.On the other hand, Figure 1 is a photograph of observation of the wire cross-section with an optical microscope in Example 2, which satisfies the conditions of the present invention by water cooling immediately after wire rod rolling (13mmØ). The white part on the wire surface is a ferrite layer exhibiting the effect of the present invention and the martensite structure inside.

도 1과 같은 사진에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명에서 추구하는 페라이트층을 균일하게 분포시킴으로서 페라이트 탈탄층 부분탈탄층의 총 깊이는 현저하게 감소되었다.As can be seen in the photograph as shown in Figure 1, by uniformly dispersing the ferrite layer pursued in the present invention, the total depth of the ferrite decarburization layer partial decarburization layer was significantly reduced.

상술한 바와같이 본 발명에 의하면, 선재가열로 가열시 이상역 통과 승온속도를 낮추어 빌레트 표면에 균일하고 얇은 페라이트층을 석출시킴으로서, 가열시 탈탄반응을 억제시키는 효과로 저탈탄 고실리콘 첨가 스프링용강 선재를 제공할 수 있는 것이다.As described above, according to the present invention, by lowering the pass-through temperature rise rate during heating by the wire rod to deposit a uniform and thin ferrite layer on the surface of the billet, it is possible to suppress the decarburization reaction during heating. It can provide.

Claims (1)

중량%로, 탄소: 0.4-0.6%, 실리콘: 2.8-4.0%, 망간: 0.1-0.3%, 크롬: 0.3-0.6%, 산소: 0.0015%이하, 질소: 0.005-0.01%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01%이하를 함유하고, 여기서 바나듐: 0.01-0.1%, 니오븀: 0.01-0.1%, 니켈: 0.1-0.3% 중에서 선택된 1종 또는 2종을 첨가하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 Ac1까지 가열속도 15±5℃/분으로 가열하고, 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지를 6±3℃/분의 가열속도로 가열하고, 이후 1050±50℃까지 가열속도 10±5℃/분으로 가열하여 30-60분 유지후, 지름 16mm이하로 선재압연하는 것을 특징으로 하는 고응력 스프링용강 선재의 제조방법By weight, carbon: 0.4-0.6%, silicon: 2.8-4.0%, manganese: 0.1-0.3%, chromium: 0.3-0.6%, oxygen: 0.0015% or less, nitrogen: 0.005-0.01%, phosphorus: 0.01% or less , Sulfur: 0.01% or less, wherein one or two selected from vanadium: 0.01-0.1%, niobium: 0.01-0.1%, nickel: 0.1-0.3% is added, and the composition is composed of the balance Fe and other unavoidable impurities. Heating the steel billet to Ac1 at a heating rate of 15 ± 5 ° C./minute, and heating the Ac1 to Ac3 in the ideal range at a heating rate of 6 ± 3 ° C./minute, and then heating speed to 101050 ± 50 ° C. Method for producing a high stress spring steel wire, characterized in that the wire is rolled to a diameter of 16mm or less after heating at 5 ℃ / min 30-60 minutes
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