KR100436516B1 - 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법 - Google Patents

자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 조향장치의 부품으로 사용되는 기존 소재의 제조시에 미량의 합금원소를 첨가하여 기계적 특성을 향상시킨 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 관한 것으로,
통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 성분에 강도의 상승 효과를 나타내는 성분인 V 0.1-0.2wt% 및 인성을 향상시키는 Ni 0.3-0.5wt%을 동시에 첨가시켜 강도 및 충격인성을 향상시키거나,
통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 성분에 냉간가공시 가공경화를 억제하는 원소인 Ni 0.10-0.30wt% 및 Mn 0.70-1.60wt%를 동시에 첨가시켜 고속압축시험 후 최대응력값을 낮추어 냉간 가공성을 향상시키고, 강도 및 충격인성을 동시에 개선시키는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법 {Manufacturing method of material for vehicle steering equipment}
본 발명은 자동차 조향장치의 부품으로 사용되는 기존 소재의 제조시에 미량의 합금원소를 첨가하여 기계적 특성을 향상시킨 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 관한 것이다.
강도 및 충격인성을향상시키기위해 합금원소를 첨가한 인성 및 강도가 우수한 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자동차 조향장치 부품용 소재의 합금원소중강도의향상을 부여하는 원소와인성의 향상을부여하는 원소를 동시에 첨가함으로써 소재 제조 후 강도와 인성의 향상이 동시에 가능한, 전체적으로 기계적 성질이 우수하게 되는 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 0.45%C, 0.24%Si, 1.19%Mn, 0.016%P, 0.044%S, 및 100ppm의 N2를 함유한 자동차 조향장치 부품용으로 사용되는 소재의 제조공정은 다음과 같다. 제강공장의 래들(ladle) 내에서 강환원성 분위기를 유지하여 정련함으로써 비금속개재물의 양을 낮추어 주고, N2버블링(Bubbling) 및 RH 저진공처리를 통해 산소의 함량을 낮춘 상태에서 정련한다. 이후 블룸(Bloom) 연주시 주조속도를 0.9m/min으로 조정하고, 용강가열도를 25℃ 이하로 관리한 후, EMS를 가동하여 편석의 생성을 최대한 억제시켜 준다. 그 후 선재공장에서 선재의 압연시 소재를 연화시켜 주기 위해 약 980℃에서가열로에서 꺼내어압연한 다음, 약 50%의 송풍량으로 냉각한 후 30의 소재(wire rod)로 생산된다. 그 후 서냉조업 패턴을 거쳐 소재로 생산된다. 생산된 소재는 샷 블래스트(Shot Blast), 1차 신선, 바(Bar) 가공 후 절단공정을 거쳐 고주파열처리후 자동차의 핸들과 휠의 구동을 연결하는 자동차 조향장치의 기어 샤프트용 소재로 제조된다.
그러나, 이러한 공정으로 생산된 자동차 조향장치용 부품은 인성이 낮아 충격에 대한 저항성이 작을 뿐만 아니라, 그레인 사이즈(Grain Size)가 조대하여 강도가 낮아 사용 중 조기에 파손되는 경우가 빈번하다.
이러한 결점을 보완해 주기 위하여 일본 스미도모(Smitomo)에서는 강도 상승효과 원소인 Cr을 첨가하여 강도를 향상시켜 주는 동시에, 그레인 사이즈 감소효과가 있는 Ti을 복합적으로 첨가하여, 바 압연시 1000℃ 이하의 저온압연 및 압연 후 소재의 냉각시 제어냉각을 통해 펄라이트(perlite)양을 증가시켜 강도를 향상시켜 주는 동시에, 페라이트(Ferrite) 그레인 사이즈를 미세화시킴으로써 인성을 향상시켜 주고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래기술에서는 조업시 1000℃ 이하에서가열로에서 꺼내어저온압연에 의한 밀 파워(mill power) 용량 증가 및 압연 후 냉각 라인에서의 평균냉각속도를 15℃/sec 이상 가능하게 제어냉각시설을 보강하여 송풍량 조정에 의한 제조공정을 사용하고 있으므로 별도의 시설 및 공정이 필요한 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 화학성분을 갖는 자동차 조향장치용 부품의 소재는 냉간단조시 가공경화가 많아 냉간 가공시 변형 저항응력이 커져 피가공체의 마모를 촉진할 뿐 아니라 가공 중 파손되는 경우가 빈번하다.
이러한 결점을 보완해 주기 위하여 일본 산요(Sanyo)에서는 그레인 사이즈 감소 효과가 있는 Ti를 첨가하여, 바 압연시 1000℃ 이하의 저온압연 및 압연 후소재의 냉각시 제어냉각을 통해 펄라이트양을 증가시켜 강도를 향상시켜 주는 동시에, 페라이트 그레인 사이즈를 미세화시킴으로써 인성을 향상시켜 주고 있다. 또한 경도의 상승이 더 요구되는 부품의 경우에는 V 및 Nb 등 냉각 후 석출경화를 이용한 합금원소를 첨가한 소재를 이용하여 부품을 생산하고 있다.
그러나, 이와 같은 Ti, Nb, V를 첨가한 소재 및 펄라이트양을 증가시켜 경도를 향상시킨 종래의 소재의 경우 냉간가공시 가공경화를 일으킴으로써 변형저항을 향상시켜 피가공체의 마모를 촉진할 뿐 아니라 가공중 파손되는 경우가 빈번하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 인성 및 강도의 향상이 가능한 미량의 합금원소(Ni, V)의 첨가에 의해 저온압연 및 압연 후 제어냉각의 과정을 거치지 않고 통상의 조업조건 즉, 1050℃ 부근에서가열로에서 꺼내어압연 후 냉각 라인에서의 평균냉각속도를 10℃/sec 부근으로 조업하더라도 강도와 인성을 동시에 향상시키는 것이 가능한 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 자동차 조향장치의 부품으로 사용되는 기존 소재의 냉간가공성의 향상을 위해 미량의 합금원소(Ni, Mn)를 첨가하여 고속 압축시험 후 최대 응력값을 낮추는 동시에 강도를 향상시키는 냉간가공성이 우수한 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예의 발명재와 비교재의 충격치를 비교하여 나타낸 그래프,
도 2는 본 발명의 제1실시예의 발명재와 비교재의 인장강도를 비교하여 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명의 제1실시예의 발명재와 비교재의 인장강도 및 충격인성의 밸런스를 비교하여 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 제2실시예의 발명재와 비교재의 충격인성을비교하여나타낸 그래프,
도 5는 본 발명의 제2실시예의 발명재와 비교재의 미세경도를 비교하여 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 제2실시예의 발명재와 비교재의 고속압축 시험후 최대 응력값을 비교하여 나타낸 그래프.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법은, 통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 성분에 강도의 상승 효과를 나타내는 성분인 V 0.1-0.2wt% 및 인성을 향상시키는 Ni 0.3-0.5wt%을 동시에 첨가시켜 강도 및 충격인성을 향상시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 성분에 냉간가공시 가공경화를 억제하는 원소인 Ni 0.10-0.30wt% 및 Mn 0.70-1.60wt%를 동시에 첨가시켜 고속압축시험 후 최대응력값을 낮추어 냉간 가공성을 향상시키고, 강도 및 충격인성을 동시에 개선시키는 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명자들은 통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조공정을 깊이 있게 연구한 결과, 통상의 소재의 화학성분에 강도의 상승 효과를 나타내는 성분인 바나듐(Vanadium, V)을 0.1-0.2wt% 첨가시키고, 인성을 향상시키는 니켈(Nickel, Ni) 0.3-0.5wt%을 동시에 첨가시키면 저온압연 및 압연 후 제어냉각의 과정을 거치지 않고 통상의 조업조건 즉, 1050℃부근에서 추출 압연 후 및 냉각 라인에서의 평균냉각속도를 10℃/sec 부근으로 조업하더라도 기존소재 대비 강도 및인성이우수하다는 결과를 알아 내었다.
이하에서는 이와 같은 본 발명의 제1실시예인 통상의 소재의 성분에 V 및 Ni을 첨가시킨 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 대하여 미량 합금원소의 첨가이유 및 수치한정이유에 대하여 상세히 설명한다.
자동차 조향장치 부품용 소재의 제조시에 V를 첨가하는 이유는 강도를 향상시키기 위한 것으로, 수치한정이유는 다음과 같다. V의 첨가량이 0.2wt% 이상인 경우에는 소재 제조 후 바나듐 탄화물(Vanadium Carbide) 및 바나듐 질화물(Vanadium Nitride) 등이 과다로 형성되어 충격인성이 저하되고, V의 첨가량이 0.1wt% 이하인 경우에는 바나듐 탄화물 및 바나듐 질화물 등의 형성이 너무 작아 강도 상승의 효과가 없기 때문에 V은 0.1-0.2wt%의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, Ni는 인성을 향상시키기 위하여 첨가되는 것으로, 수치한정이유는 다음과 같다. Ni의 첨가량이 0.5wt% 이상인 경우에는 Ni의 과다 첨가로 인한 경제성 상실과 함께 강도가 저하되고, Ni의 첨가량이 0.3wt% 이하인 경우에는 인성의 상승효과가 없기 때문에 Ni은 0.3-0.5wt%의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 제1실시예의 발명재와 비교재의 구체적 비교를 통해 본 발명의 효과에 대하여 상세히 설명한다.
비교재와 발명재의 합금성분은 다음의 표 1에 나타낸 바와 같다.
C Si Mn P S V Ni N2(ppm)
비교재1 0.45 0.24 1.19 0.016 0.044 - - 50
비교재2 0.45 0.24 1.19 0.016 0.044 0.3 0.15 100
비교재3 0.45 0.24 1.19 0.016 0.044 0.05 0.7 100
발명재 0.45 0.24 1.19 0.016 0.044 0.2 0.4 100
도 1은 본 발명 제1실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 충격치를 비교한 것으로, V 0.2wt% 및 Ni 0.4wt%를 첨가한 본 발명재의 경우 통상 소재의 비교재 1 및 V 0.3wt% 및 Ni 0.15wt%를 첨가한 비교재 2에 비해 충격 인성이 우수하였으며, V 0.05wt% 및 Ni 0.7wt%를 첨가한 비교재 3과 유사한 충격인성의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 2는 본 발명 제1실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 인장강도값을 비교한 것으로, V 0.2wt% 및 Ni 0.4wt%를 첨가한 본 발명재의 경우 통상 소재인 비교재 1 및 V 0.05wt% 및 Ni 0.7wt%를 첨가한 비교재 3에 비해 인장강도값이 우수하였으며, V 0.3wt% 및 Ni 0.15wt%를 첨가한 비교재 2와 유사한 인장강도값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명 제1실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 인장강도 및 충격인성의 밸런스를 비교한 것으로, 본 발명재의 경우 비교재들에 비해 인장강도 및 충격인성이 우수함을 알 수 있다.
또한, 본 발명자들은 통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조공정을 깊이 있게 연구한 결과, 통상 소재의 화학성분에 냉간가공시 가공경화의 최소화가 가능한 원소인 Ni 0.10-0.30wt%, Mn 0.70-1.60wt%를 첨가시키면 통상의 압연조건인 980℃에서가열로에서 꺼내어압연한 다음, 약 50%의 송풍량으로 냉각한 다음 30의 소재(wire rod)로 생산된 소재의 경우, 부품 제조시 냉간단조 공정에서 가공경화가 통상의 소재보다 작게 되어 냉간 가공성을 향상시킬 뿐만 아니라, 기존소재 대비 강도 및 연성이 우수하다는 결과를 알아 내었다.
이하에서는 이와 같은 본 발명의 제2실시예인 통상의 소재의 성분에 Ni 및 Mn을 첨가시킨 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 대하여 미량 합금원소의 첨가이유 및 수치한정이유에 대하여 상세히 설명한다.
Ni 및 Mn은 냉간가공시의 가공경화를 최소화시키기 위하여 첨가되는 것으로, 수치한정의 이유는 다음과 같다. 우선, Ni의 첨가량이 0.30wt% 이상인 경우에는 통상적인 소재 제조 조건을 통해 소재를 제조한 경우 냉각시 경화능을 향상시켜 소재에 마르텐사이트(Martensite)가 생성되어 냉간가공시 가공경화가 더 촉진되어 냉간가공성을 저해할 뿐만 아니라, 1차 신선시 크랙을 유발하고, Ni의 첨가량이 0.10wt% 이하인 경우에는 냉간가공시 가공경화의 억제 및 인성의 개선효과가 상실되기 때문에 Ni은 0.10-0.30wt% 범위내에서 첨가되는 것이 바람직하다.
또한, Mn의 첨가량이 1.60wt% 이상인 경우에는 통상적인 소재 제조 조건을 통해 소재를 제조한 경우 Mn에 의해 연속 냉각곡선이 오른쪽으로 이동되어 마르텐사이트가 생성되어 냉간가공시 가공경화가 더 촉진되어 냉간가공성을 저해할 뿐만 아니라, 신선시 크랙을 유발하고, Mn의 첨가량이 0.70wt% 이하인 경우에는 냉간가공시 가공경화의 억제 및 인성의 개선 효과가 상실되고 매트릭스(matrix)의 강도가 현저히 저하되기 때문에 Mn은 0.70-1.60wt% 범위내에서 첨가되는 것이 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 제2실시예의 발명재와 비교재의 구체적 비교를 통해 본 발명의 효과에 대하여 상세히 설명한다.
비교재와 발명재의 합금성분은 다음의 표 1에 나타낸 바와 같다.
C Si Mn P S V Ni N2(ppm)
비교재1 0.45 0.24 0.64 0.016 0.041 - - 100
비교재2 0.45 0.24 1.63 0.016 0.044 0.22 0.34 130
비교재3 0.45 0.26 1.72 0.016 0.040 0.30 0.40 110
발명재 0.45 0.25 0.82 0.018 0.038 0.21 0.15 120
도 4는 본 발명 제2실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 충격치를 비교한 것으로, Ni 0.15wt% 및 Mn 0.82wt%를 첨가한 본 발명재의 경우 통상 소재인 비교재 1, Ni 0.34wt% 및 Mn 1.63wt%를 첨가한 비교재 2 및 Ni 0.40wt% 및Mn 1.72wt%를 첨가한 비교재 3에 비해 우수한 충격인성의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명 제2실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 중심부위의 미세경도를 비교한 것으로, Ni 0.15wt% 및 Mn 0.82wt%를 첨가한 본 발명재의 경우 통상 소재인 비교재 1보다 미세경도의 값이 우수하였으며, Ni 0.34wt% 및 Mn 1.63wt%를 첨가한 비교재 2 및 Ni 0.40wt% 및 Mn 1.72wt%를 첨가한 비교재 3과 유사한 미세경도의 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
도 5는 본 발명 제2실시예의 효과를 나타내기 위해 비교재와 발명재의 고속압축 시험후 최대 응력값을 비교한 것으로 Ni 0.15wt% 및 Mn 0.82wt%를 첨가한 본 발명재의 경우 통상 소재인 비교재 1, Ni 0.34wt% 및 Mn 1.63wt%를 첨가한 비교재 2 및 Ni 0.40wt% 및 Mn 1.72wt%를 첨가한 비교재 3보다 낮은 최대응력값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의하면, 통상의 소재 성분에 인성 및 강도의 향상이 가능한 미량의 합금원소(Ni, V)의 첨가에 의해 저온압연 및 압연 후 제어냉각의 과정을 거치지 않고 통상의 조업조건 즉, 1050℃ 부근에서가열로에서 꺼내어압연 후 냉각 라인에서의 평균냉각속도를 10℃/sec 부근으로 조업하더라도 강도와 인성을 동시에 향상시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 제2실시예에 의하면, 통상의 소재 성분에 냉간가공성의 향상을 위해 미량의 합금원소(Ni, Mn)를 첨가하여 고속 압축시험 후 최대 응력값을낮추는 동시에 강도를 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (2)

  1. 0.45%C, 0.24%Si, 1.19%Mn, 0.016%P, 0.044%S, 및 100ppm의 N 2 를 함유한 통상의 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법에 있어서,
    강도의 상승 효과를 나타내는 성분인 V 0.1-0.2wt% 및 인성을 향상시키는 Ni 0.3-0.5wt%을 동시에 첨가시키고,1050℃부근에서 가열로에서 꺼내어 압연 후 냉 각 라인에서의 평균냉각속도를 10℃/sec로 하여, 강도 및 충격인성을 동시에 향상시키는것을 특징으로 하는 자동차 조향장치 부품용 소재의 제조방법.
  2. 삭제
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