KR100360100B1

KR100360100B1 - 고응력판스프링용빌렛의제조방법

Info

Publication number: KR100360100B1
Application number: KR1019980056672A
Authority: KR
Inventors: 조선근; 남수희
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2002-12-18
Also published as: KR20000040919A

Abstract

본 발명은 대형차의 판스프링 소재에 관한 것이며, 그 목적은 대형차종의 후물 판스프링용 소재로서 유용한 빌렛의 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 고응력 판스프링용 소단면 빌렛의 제조방법은 중량%로, C: 0.58~0.62%, Si: 0.20~0.30%, Mn: 0.75~0.95%, 0<P≤0.02%, 0<S≤0.01%, Cr: 0.80~0.90%, B: 5~20ppm, Ti: 0.02~0.04%, 0<N≤60ppm, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 턴디쉬내에 적어도 1/3 정도 채운 상태에서 염기도(CaO/SiO₂) 20이상의 턴디쉬플럭스를 용강 톤당 1.67~2.5kg의 범위에서 주입한 다음, 주형내의 입출측 온도차 △T= 6.0~6.5℃의 범위로 유지하고 또한 2차냉각대에서의 비수량을 0.23~0.30ℓ/kg의 범위에서 주수하여 냉각하면서 1.70~1.75m/분의 속도로 연속주조하여 빌렛을 제조하고, 제조된 빌렛을 12~15℃/hr의 속도로 서냉함을 포함하여 구성된다.

Description

고응력 판스프링용 빌렛의 제조방법{A METHOD OF MANUFACTURING BILLETS FOR PLATE SPRING HAVING HIGH STRENGTH}

본 발명은 대형차의 판스프링 소재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 대형차종의 후물 판스프링용 소재로서 유용한 빌렛의 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 겹판 스프링은 인명과 직결되는 매우 중요한 부품중의 하나로서 내피로충격 특성이 우수하여야 한다. 특히, 적어도 두께가 18mm이상인 후물재가 사용되는 대형차의 판스프링은 피로 하중이 보다 가혹하므로 내피로 특성이 커야 함은 물론 고응력이 요구된다. 따라서, 대형차종에 적합한 소재에는 거의 B을 첨가하여 소입성을 향상시켜 숏피닝(shot peening)처리된 스프링의 경우 적어도 피로수명이 약 20만회이상을 갖는 고응력을 얻고 있다. 이러한 판스프링강에 대한 대표적인 조성은 JIS G4801에 제시된 SUP11A강종 혹은 그 유사강종을 들 수 있다.

통상 상기 고응력 판스프링강에 사용되는 반제품은 전로공정을 통해 정련된용강을 연속주조하여 통상 250mm×330mm 크기의 부룸(bloom) 주편을 사용하였다. 고응력 판스프링강에 사용되는 부룸 주편에는 붕소가 함유되어 있어 주편의 표면과 내부품질은 양호하나 주편내에 균열 발생이 심한 경향이 있다. 즉, 붕소는 입계취화에 지대한 영향을 미치는 원소로서 비교적 약 850~900℃의 저온에서 강중에 MnS와 BN의 복합화합물로 생성되어 존재하며, 이 화합물들은 오스테나이트 입계에 조밀하게 석출하여 연속주조시 응력집중으로 주편 표면에 균열을 유발하게 된다. 따라서, 연속주조에 의해 제조된 부룸을 이용하여 고응력 판스프링을 제조하는 경우 보통 부룸을 강편압연공정을 통해 빌렛(billet)으로 압연하여 부룸내의 주조조직을 치밀하게 하므로써 표면과 내부품질을 양호하게 하고, 특히 붕소첨가에 따른 균열을 억제하였다.

한편, 최근에는 고응력 판스프링을 제조할 때 부룸 주편을 빌렛으로 대체하여 강편압연을 생략하는 추세에 있다. 즉, 연속주조를 통해 약 120mm×120mm(120각) 혹은 160mm×160mm(160각) 크기의 소단면 빌렛으로 바로 연속주조한 후 강편압연을 행하지 않고 연속주조된 빌렛을 바로 고응력 판스프링강에 적용하고 있다.

고응력 판스프링에 적용되는 소단면 빌렛의 종래 제조방법을 살펴보면, 우선 강중의 B을 10~30ppm, N를 70ppm이하로 유지한 상태에서 연속주조시 비교적 2차냉각(비수량 약 0.38ℓ/kg)을 빠르게 하여 빌렛을 제조하였다. 그러나, 부룸을 이용한 종래의 방법과는 달리, 종래의 고응력 판스프링용 소단면 빌렛의 제조에 있어 가장 큰 문제는 빌렛의 내부에 결함이 다량 발생됨은 물론 상기 붕소에 의한 입계취화로 도1a와 같이, 빌렛(1)에 면가로크랙(2)이 빈번히 발생된다는 점이다. 도1b는 실제 빌렛에 발생된 면가로크랙의 일례를 보이고 있다.

이에 본 발명은 강편압연을 생략하여 판스프링강용 소단면 빌렛을 제조함에 있어 강성분과 조성을 보다 엄격하게 관리하는 동시에 연속주조조건을 적절히 제어함으로써 종래에 비하여 내부품질이 양호하며, 특히 B첨가에 따른 면가로크랙이 거의 없는 소단면 빌렛을 제공함에 그 목적이 있다.

나아가 본 발명의 다른 목적은 종래에 비하여 내부품질이 양호하며, 특히 B첨가에 따른 면가로크랙이 거의 없는, 대형차종에 적합한 후물의 소단면 빌렛을 제공함에 있다.

도1a는 면가로크랙이 생성된 빌렛의 모식도

도1b는 면가로크랙이 발생된 빌렛의 조직사진

상기 목적달성을 위한 본 발명은 판스프링용 소단면 빌렛의 제조방법에 있어서,

중량%로, C: 0.58~0.62%, Si: 0.20~0.30%, Mn: 0.75~0.95%, P: 0.020%이하, S: 0.010%이하, Cr: 0.80~0.90%, B: 5~20ppm, Ti: 0.02~0.04%, N: 60ppm이하, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 턴디쉬내에 적어도 1/3 정도 채운 상태에서 염기도(CaO/SiO₂) 20이상의 턴디쉬플럭스를 용강 톤당 1.67~2.5kg의 범위에서 주입한 다음, 주형내의 입출측 온도차 △T= 6.0~6.5℃의 범위로 유지하고 또한 2차냉각대에서의 비수량을 0.23~0.30ℓ/kg의 범위에서 주수하여 냉각하면서 1.70~1.75m/분의 속도로 연속주조하여 빌렛을 제조하고, 제조된 빌렛을 12~15℃/hr의 속도로 서냉하는, 고응력 판스프링용 빌렛의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

우선, 본 발명의 판스프링용 소단면 빌렛에 함유되는 탄소는 강도를 향상시키는 성분으로서, 그 함량이 0.58중량%(이하, 단지 `%')미만으로 되면 판스프링에 적합한 강도를 확보할 수 없으며, 0.62%를 초과하게 되면 탈탄이 심하여 바람직하지 않다.

상기 Si은 강의 탈산을 위한 성분으로서 그 함량이 0.20%미만이면 탈산효과가 미흡하고, 0.30%를 초과하면 압연판재의 가공시 표면탈탄이 심하게 되어 바람직하지 못하다.

상기 Mn은 경화능 역할을 하는데, 그 함량이 0.75%미만이면 열처리가 불량하게 되고, 0.95%를 초과하면 망간 편석에 의한 밴드(band) 상이 열처리후 잔존하여 조직 불균일에 의한 응력 불균일로 쉽게 파단이 일어나게 되어 좋지 않다.

상기 인과 황은 스프링강중에 불가피하게 함유되는 불순 성분으로 가급적 낮게 관리하는 것이 유리하므로, 각각 P: 0.020%이하, S: 0.010%이하의 범위로 제한한다.

상기 크롬은 소입성, 인성 향상에 효과적이며, C의 활동도를 낮추어 탈탄 방지 역할을 하는 성분으로서, 적어도 0.80%이상은 첨가되어야 하지만 0.90%를 초과하여 다량 함유되는 경우 탄화물 형성에 의한 조직 불균일을 초래하여 바람직하지 않다.

상기 B는 강의 소입성을 향상시켜 응력을 증대시키는 반면 N와 결합하여 입계취화를 일으키므로 B의 함량은 5~20ppm의 범위로 제한한다.

상기 Ti은 질소와 결합하여 강중의 질소를 안정화시키는 역할을 하는데, 그 함량이 0.02%미만이면 질소를 안정화하는 효과가 미흡하고, 0.04%를 초과하면 오히려 빌렛이 취화되어 바람직하지 않다.

질소는 B와 결합하여 BN 석출물을 생성하여 입계취화를 일으키므로 첨가되는 것을 막는 것이 가장 좋지만, 이것은 조업상 불가능하므로 가급적 낮은 60ppm이하의 범위로 관리함이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 용강중에 흡인되는 개재물의 제어가 중요한데, 이를 위해 우선, 턴디쉬내에 1/3 정도 채운 상태에서 턴디쉬내에 플럭스를 용강 톤당 약 1.67~2.5kg의 범위로 투입함이 필요하다. 본 발명의 소단면 빌렛과 같은 반제품을 제조하는 경우 용강중에 함유되는 개재물들은 피로응력을 받게 되면 개재물 주위에서부터 파괴의 기점으로 작용하여 조기 파괴를 일으키게 되어 최종 판스프링 제품의 피로 수명을 저하하게 된다. 본 발명의 경우 통상적인 전로 정련을 거친 용강을 턴디쉬에 적어도 1/3 정도 채운상태에서 플럭스를 투입하게 되면 용강이 대기와 산화되는 것을 방지하면서 개재물 흡수능이 우수한 슬래그가 생성되어 용강의 청정도를 개선할 수 있다. 이를 위해서 본 발명에 부합되는 플럭스로는 염기도(CaO/SiO₂) 20이상의 턴디쉬플럭스이며, 그 대표적인 조성의 일례를 표1에 나타내었다.

성분	CaO	SiO₂	Al₂O₂	MgO	염기도
조성(중량%)	49.8	2.4	41.6	0.5	21.2

이때, 플럭스의 투입량은 용강 톤당 1.67~2.5kg의 범위로 투입함이 바람직하다. 상기 플럭스의 투입량이 용강톤당 1.67kg미만이면 턴디쉬내의 슬래그를 적절히 조재할 수 없으며, 2.5kg를 초과하면 오히려 강중에 개재물이 재흡수되어 바람직하지 않다.

그 다음, 턴디쉬내의 용강을 주형에 주입하여 연속주조를 실시한다. 이때, 연속주조는 주형내의 입출측 온도차 △T= 6.0~6.5℃의 범위로 유지하고 또한 2차냉각대에서의 비수량을 0.23~0.30ℓ/kg의 범위에서 주수하여 냉각하면서 1.70~1.75m/분의 속도로 행함이 바람직하다. 본 발명의 경우 빌렛 중에 함유되는 붕소의 입계취화에 따른 면가로크랙을 최대한 억제하기 위해 BN 석출물이 석출되는 온도인 850~900℃의 구간이 빌렛 연주기의 벤드부(bending section)를 피하도록 상기한 조건으로 연속주조함에 특징이 있다.

만일 주형내의 입출측 온도차가 6.0~6.5℃의 범위를 벗어나면 주형 내 응고 불균일 및 초기 응고쉘의 형성시 미세크랙을 유발하게 되어 바람직하지 않다.

또한, 2차냉각대에서의 비수량을 0.23~0.30ℓ/kg의 범위에서 주수하지 않으면 빌렛 굽힘(camber) 및 대형 면가로 크랙을 유발할 수 있어 바람직하지 않다.

또한, 연속주조의 경우 1.70~1.75m/분의 속도를 벗어나는 경우 빌렛 중심내부 조직의 건전성이 저하되어 좋지 않다.

이와같이 최종적으로 연속주조된 빌렛은 약 12~15℃/hr의 속도로 서냉함이 필요하다. 만일 빌렛을 상기 범위로 서냉시키지 않으면 빌렛에 면가로크랙이 발생될 우려가 있다. 이같은 냉각속도를 얻기 위해서는 빌렛을 피트(pit)에 장입하여 적어도 48시간 정도 저장하는 방법을 들 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

약 250톤의 전로 출강 중에 생석회를 약 500kg, 형석을 약 100kg, 알루미늄을 약 20~60kg 투입한 후, 노외 정련공정(bubbling stand)에서 첫 charge의 용강에 대해서는 약 200mm Ca-Si 와이어로 접종하고, 후속 charge의 용강에 대해서는 약 150mm Ca-Si 와이어를 접종하고 탈가스 처리하여 표2와 같은 용강을 정련하였다.

이때, 표2의 발명강들은 전로 출강시 슬래그의 유출을 극력 억제하면서 전로로부터 용강을 출강중에 저질소 함유 가탄제를 약 400~ 450kg 첨가한 후, 탈가스 처리공정에서 Fe-B을 첨가하여 용강중의 B와 N의 함량을 적정 범위로 조성하였다.

표2와 같이 조성되는 용강을 턴디쉬내에 적어도 1/3 정도 채운 상태에서 표3과 같은 염기도(CaO/SiO₂) 20이상의 턴디쉬플럭스를 투입한 다음, 턴디쉬내의 용강을 주형에 주입하여 연속주조를 통해 160각의 빌렛을 제조하였다. 이때, 주형의 입출측 온도 차이와 비수량, 주조속도는 표3과 같이 설정하여 행하였다.

그리고, 연주된 빌렛을 10~60℃/hr의 속도로 냉각하여 소단면 빌렛을 제조하였다. 즉, 본 발명재의 경우 피트에서 약 48시간 저장하였으며, 비교재의 경우 그대로 공냉 상태에서 방치하였다.

이렇게 제조된 빌렛의 면가로크랙 발생 정도를 검사하여 그 결과를 표3에 함께 나타내었다.

표3에 나타난 바와 같이, 종래강을 사용하여 제조된 빌렛인 비교재의 경우 면가로크랙이 다량 발생된 반면 본 발명의 조건에서 생산된 빌렛인 발명재(1~4)의 경우 면가로크랙이 크게 감소되었음을 알 수 있었다.

[실시예2]

실시예1의 발명재3번 빌렛을 분괴압연하여 두께 18mm의 판스프링을 만들어 숏피닝 전후의 피로수명을 측정하고, 종래의 부룸에 의해 제조된 동일 두께의 판스프링과 비교하여 그 결과를 표4에 나타내었다. 이때, 피로수명 시험응력은 70±35kg/㎟을 가하였다.

구분	숏피닝 전	숏피닝 후	비고
발명재3	35,667회	210,350회	빌렛사용
종래재	21,514회	25만회까지 미절손	부룸사용

표4에서와 같이, 빌렛을 통해 제조되는 저급재 수준의 판스프링인 발명재3의 경우 부룸을 이용하여 제조된 고급재와 비교할 때 숏피닝 전에는 보다 우수한 피로 특성을 보이고 있으며, 또한 저급재 후물 판스프링의 피로수명 제한 규격이 20만회인 점을 고려할 때 본 발명은 고응력 판스프링으로서 매우 우수한 특성을 보이고 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 부룸을 이용한 고급 판스프링재와는 달리, 저급재의 판스프링에 매우 적합한 빌렛을 강편압연공정을 생략하면서 경제적으로 제공할 수 있으며, 이렇게 제공된 빌렛은 면가로크랙과 같은 결함을 발생시키지 않는 등 매우 우수한 품질을 제공한다.

Claims

판스프링용 소단면 빌렛의 제조방법에 있어서,

중량%로, C: 0.58~0.62%, Si: 0.20~0.30%, Mn: 0.75~0.95%, 0<P≤0.02%, 0<S≤0.01%, Cr: 0.80~0.90%, B: 5~20ppm, Ti: 0.02~0.04%, 0<N≤60ppm, 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 턴디쉬내에 적어도 1/3 정도 채운 상태에서 염기도(CaO/SiO₂) 20이상의 턴디쉬플럭스를 용강 톤당 1.67~2.5kg의 범위에서 주입한 다음, 주형내의 입출측 온도차 △T= 6.0~6.5℃의 범위로 유지하고 또한 2차냉각대에서의 비수량을 0.23~0.30ℓ/kg의 범위에서 주수하여 냉각하면서 1.70~1.75m/분의 속도로 연속주조하여 빌렛을 제조하고, 제조된 빌렛을 12~15℃/hr의 속도로 서냉함을 특징으로 하는 고응력 판스프링용 빌렛의 제조방법.