KR100516516B1 - 피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용선재 제조방법 - Google Patents

Abstract

피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용 선재 제조방법이 제공된다.

본 발명은, 중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성된 상온의 빌렛을 1000℃까지 120~150분간 가열하고, 이어, 980∼1000℃에서 추출한 후 조압연하는 단계; 상기 조압연된 빌렛을 830∼850℃까지 냉각한 후 중간 마무리압연한후, 다시 800∼830℃까지 냉각하여 최종 마무리 압연하는 단계; 상기 마무리압연된 선재를 730~770℃까지 냉각한 후 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재코일을 720℃까지 냉각하고, 이후 상온으로 공냉하는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용 선재 제조방법{A method for manufacturing spring steel without ferrite decarburization}

본 발명은 자동차 현가용 스프링강용 선재 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 피로강도 및 변형저항성이 기존의 스프링강용 선재보다 우수한 페라이트탈탄층이 없는 스프링강용 선재 제조방법에 관한 것이다.

자동차 현가용 스프링강용으로는 탄소함량이 0.4~0.6%, 실리콘함량이 1.3~ 1.6% 범위인 스프링 선재용 빌레트를 이용하는데, 이를 이용하여 선재를 제조하는 과정에서 선재표면부의 탄소가 산화성가스와 반응하여 탈출하는 탈탄현상이 발생한다. 이러한 탈탄에 따라 선재의 표면층은 탄소량이 적어지면서 스프링 가공시 인장강도,피로강도등 기계적 성질에 악영향을 미치는 페라이트(Ferrite) 탈탄층이 발생하게 되어, 스프링가공후 자동차에 장착시 스프링 수명이 급속히 단축되어 자동차 운행에 위험성을 증가시킨다.

이와 같이, 스프링강 선재 제조시에 발생하는 탈탄층을 억제하기 위한 종래의 기술로는 일본특허 (평)2-301541호, (평)1-31960호, (소)63-216591, (소)63-153240호,(소)58-67847호 및 (소)58-27956호등을 들 수 있다.

상기 특허공보에 제시된 발명들은 크롬함량을 증가시키거나, 탄소함량을 낮추면서 구리, 몰리브덴, 주석, 구리등을 첨가하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이러한 방법들은 탈탄층의 감소에는 효과가 있었으나 완벽히 제어하지 못하였으며, 아울러, 고가의 함금원소첨가로 비경제적인 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 선재를 제조시 페라이트 탈탄층이 발생하는 각각의 공정에서 페라이트 탈탄이 집중적으로 발생하는 영역을 최대한 빠른 시간내에 빨리 벗어날 수 있도록 가열시간,가열온도,압연온도,냉각온도 및 속도등을 제어함으로써 기존 스프링강 선재 대비 피로강도 및 변형저항성이 우수하며, 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용 선재 제조방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성된 상온의 빌렛(BILLET)을 1000℃까지 120~150분간 가열하고, 이어, 980∼1000℃에서 추출한 후 조압연하는 단계; 상기 조압연된 빌렛을 830∼850℃까지 냉각한 후 중간 마무리압연한 후, 다시 800∼830℃까지 냉각하여 최종 마무리 압연하는 단계; 상기 마무리압연된 선재를 730~770℃까지 냉각한 후 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재코일을 720℃까지 냉각하고, 이후 상온으로 공냉하는 단계;를 포함하여 피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

먼저, 본 발명의 강 조성성분을 설명한다.

본 발명의 이용하고 있는 강조성은, 중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성된다. 이러한 강조성은 자동차 현가용 스프링강 조성성분으로 이미 잘 알려져 있는 성분계이다.

본 발명은 이러한 조성성분을 갖는 빌렛을 이용하여 그 제조공정을 제어함으로써 피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄이 없는 스프링강 선재의 제조방법을 제공함을 그 특징으로 하는 것으로, 이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 제조공정을 상세히 설명한다.

통상 빌렛(200)이라함은 도 2와 같이 사각으로 된 강재를 말하며, 이러한 빌렛(200)에서 선재를 제조하는 선재제조공정에 대하여 설명하면 다음과 같다. 한편 , 여기서 선재라 함은 빌렛을 주문자 용도에 맞게 특정칫수와 재질을 가지도록 선재압연과 냉각에 의해 제조된 제품을 말한다.

빌렛(200)에서 선재를 제조하는 일반적인 공정은, 빌렛을 가열로(101)에서 열간압연이 가능한 온도까지 가열한후 연속압연기(102,104,106)로 열간압연한다. 이렇게 열간압연된 상태의 선재는 수냉장치(107)에 의해 급속히 냉각된후 권취기(108)에서 링(RING)형태로 낙하되어 공냉설비(109)에 의해 집적기(110)로 이송되는 과정를 거친다.

일반적으로 스프링강 선재제조과정에서 도 3에 나타난 바와 같은 페라이트 탈탄층(300) 발생에 영향을 미치는 인자로는 가열로(101)내에서는 가열온도, 추출온도, 재로시간을 들수 있으며, 또한,압연온도, 권취온도, 공냉설비(109)에서의 냉각속도를 들수 있다.

즉, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 조성된 빌렛(BILLET)을 상온에서 1000℃까지 90-150분간 가열하고, 이어, 980∼1000℃에서 추출한후 조압연한다.

여기서, 가열시간은 페라이트 탈탄층의 깊이와 상관성이 높은 인자이다. 상술하면, 가열로(101)내에서 상온의 빌레트(100)를 열간 압연이 가능한 980∼1000℃까지 가열할때 페라이트 탈탄층(300)이 집중적으로 발생하는 온도 영역대인 730에서 820℃사이를 통과하면서 필연적으로 도3과 같은 형태로 빌레트의 표면층에 페라이트 탈탄층이 집중적으로 발생한다. 이 페라이트 탈탄층(300)은 빌레트(200) 표면온도가 950℃ 도달시점에서 부터 30분∼60분 사이에서 가열과정에서 생긴 스케일(Scale)과 동시에 탈락된다.

빌레트 가열용 가열로내에서 빌레트 표면온도가 950℃도달하는데는 90분정도 시간이 소요되는 것으로 나타났다. 따라서 가열중에서 생성된 페라이트 탈탄층을 제거하기 위해서는 스케일(Scale)탈락이 용이한 950℃ 도달시점에서 부터 30분∼60분을 요하므로, 가열시간을 120분∼150분으로 제한한다. 만일 가열시간이 120분 미만이면 스케일 탈락이 않됨과 동시에 페라이트 탈탄층도 미제거 상태로 압연에 투입하게 되어 선재에 페라이트 탈탄층(300)이 발생하게 된다. 또한 150분을 초과하게되면 스케일 탈락후 또다시 페라이트 탈탄층(300)이 발생하게 되어 상기와 마찬가지로 압연후 선재에 페라이트 탈탄층이 잔류하게 된다.

이렇게 가열된 빌렛은 980∼1000℃에서 추출하는 것이 바람직한데, 이는 1000℃를 초과하면 후속하는 조압연가열시 스케일 탈락후 또다시 페라이트 탈탄층이 발생하게 되고, 980℃미만에서는 스프링강의 특성을 위해 첨가된 합금원소의 영향으로 조압연에서 압연부하로 인해 압연작업성이 매우 불리하게 작용하기 때문이다.

다음으로, 이러한 조압연된 빌렛을 다시 830∼850℃까지 냉각한후 중간 마무리압연하고, 다시 800∼830℃까지 냉각하여 최종 마무리 압연한다. 그리고 최종 마무리압연된 선재를 730~770℃까지 냉각한후 권취하는 공정을 거친다.

즉, 본 발명에서는 조압연(102)을 통과한 950~1000℃ 빌렛(200)을 제 1중간수냉대(103)을 통하여 830~850℃까지 냉각시킨후, 중간마무리압연을 실시하고, 압연중 가공발열에 의해 930-950℃까지 온도가 올라간 소재를 다시 제 2중간수냉대(105) 수냉장치에 의해 800-830℃까지 냉각후 최종 마무리압연을 한다. 그리고 마무리 압연이 끝난 선재를 다시 수냉대(107)를 통해 730~770℃까지 냉각을 실시한 후 권취기(108)를 통해 권취를 실시한다.

본 발명에서는 이와 같이 중간마무리 압연온도를 830~850℃, 최종 마무리압연온도를 800~830℃, 그리고 권취온도 730~770℃로 제한함이 중요한데, 그 이유는 다음과 같다.

첫째, 통상 탄소함량(C):0.4~0.6%, 실리콘함량(Si):1.3~1.6% 범위인 스프링강 선재에 있어서는 제조과정중 730~820℃사이에서 도 3과 같은 페라이트 탈탄층(300)이 집중적으로 발생하고 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 권취기(108)로 권취후 공냉설비(109) 냉각시 페라이트 탈탄층이 집중발생 온도영역대인 730~820℃를 최대한 신속히 통과하여 페라이트 탈탄층이 발생하지 않도록 하기 위해서는 권취온도를 730~770℃범위로 제어해야 하며, 이에 따라 중간 마무리압연온도 및 최종 마무리압연온도를 상기 범위로 제한해야만 하는 것이다.

둘째, 소재를 미재결정영역까지 냉각한후 2회에 걸쳐 제어압연을 실시하므로써 오스테나이트(austenite)결정립을 미세화하여 열간 압연상태에서 열처리 조건이나 합금원소 첨가의 효과(microalloying effect)와 동일한 피로강도 증가등 기계적 특성을 확보하기 위함이다.

이와 같이 권취된 선재코일을 다시 720℃까지 냉각하고, 이후 상온으로 공냉함으로써 피로강도가 우수하고 페라이트탈탄이 없는 스프링강 선재를 효과적으로 제조할 수 있는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

표 1과 같이 조성된 빌렛을 마련하였다. 이후, 이를 도 1에 나타난 바와 같은 선재제조 공정을 이용하여 선재를 제조하였으며, 이때 그 구체적인 제조조건은 표 2와 같이 달리 제어하였다.

이렇게 제조된 선재에 대하여 페라이트 탈탄층의 깊이를 측정하였으며, 그 결과를 또한 표 2에 나타내었다.

[표1]

구분	C	Si	Cr	Mn	P	S
중량%	0.53	1.41	0.58	0.61	0.001	0.008

[표2]

구 분		추출온도(℃)	가열시간	중간마무리온도(℃)	마무리온도(℃)	권취온도(℃)	페라이트탈탄깊이(mm)
발명재	1	995	120	830	800	750	0.0
	2	995	130	850	830	770	0.0
비교재	1	1010	140	1000	1012	880	0.04
	2	1020	155	1010	1000	870	0.05
	3	1030	160	1020	996	900	0.06

표 2에 나타난 바와 같이, 그 제조공정 및 조건이 최적화된 본 발명재(1~2)의 경우 선재의 표면에 페라이트 탈탄층이 존재하지 않는데 비하여, 비교재(1~3)은 모두 0.04mm이상의 페라이트 탈탄층 깊이를 가짐을 알 수 있다.

한편 도 4는 본 발명재와 비교재의 선재표면층의 페라이트 탈탄층 비교도로서, 본 발명재는 페라이트 탈탄층(300)이 전혀 발생하지 않았으며, 기지조직(301)도 비교재에 비해 훨씬 미세화되어 피로강도 증가등 기계적 특성을 확보할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 페라이트 탈탄층이 발생하는 온도영역을 최대한 빠른 시간내에 빨리 벗날 수 있도록 가열시간,가열온도,압연온도,냉각온도 및 속도등을 제어함으로써 기존 스프링강 선재 대비 피로강도 및 변형저항성이 우수하며, 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강용 선재를 제조함에 유용한 효과가 있다.

도 1은 본 발명을 실시하는데 이용된 선재제조장치의 구성 개략도

도 2는 본 발명을 실시하는데 이용된 빌렛(BILLET)

도 3은 본 발명을 실시하는데 이용된 선재 표면층에 페라이트 탈탄층이

생성된 상황도

도 4는 본발명재와 비교재의 선재표면층의 페라이트 탈탄층 비교도

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명*

101 가열로 102. 조압연기

103. 제1 중간수냉대 104. 중간마무리 압연기

105. 제2 중간수냉대 106. 사상마무리 압연기

107. 수냉대 108. 권취기

109. 공냉설비 110. 집적기

200. 빌렛

300. 선재에 페라이트 탈탄층이 생성된 형태

301. 선재의 기지조직

500. 가열로내에서의 페라이트 탈탄층이 생상된 형태

Claims (1)

1. 중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성된 상온의 빌렛을 1000℃까지 120~150분간 가열하고, 이어, 980∼1000℃에서 추출한 후 조압연하는 단계;

   상기 조압연된 빌렛을 830∼850℃까지 냉각한 후 중간 마무리압연한 후, 다시 800∼830℃까지 냉각하여 최종 마무리 압연하는 단계;

   상기 마무리압연된 선재를 730~770℃까지 냉각한 후 권취하는 단계; 및

   상기 권취된 선재코일을 720℃까지 냉각하고, 이후 상온으로 공냉하는 단계;를 포함하는 피로강도가 우수하고 페라이트 탈탄층이 없는 스프링강 선재 제조방법