KR100633661B1 - 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 가공성 향상을 위해 탄소의 함량을 줄이는 동시에 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하고, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하며, 강도 보강을 위해 바나듐의 함량을 증가시켜 구성한 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용하되 열간단조 후 냉각공정을 개선함으로써 우수한 파단성능이 확보될 수 있으면서 절삭성 및 내구성의 향상이 가능해지는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

자동차, 엔진, 커넥팅 로드, 비조질강, 열처리, 단조, 냉각

Description

커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법{Manufacturing method of connecting rod using microalloyed steel composition for connecting rodthe same}

도 1은 본 발명의 제조방법에서 열간단조 및 냉각공정을 나타낸 도면,

도 2는 실시예와 비교예의 가공성 평가 결과를 나타낸 도면,

도 3은 종래의 열간단조 및 냉각공정을 나타낸 도면.

본 발명은 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가공성 향상을 위해 탄소의 함량을 줄이는 동시에 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하고, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하며, 강도 보강을 위해 바나듐의 함량을 증가시켜 구성한 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용하되 열간단조 후 냉각공정을 개선함으로써 우수한 파단성능이 확보될 수 있으면서 절삭성 및 내구성의 향상이 가능해지는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 엔진용 커넥팅 로드는 피스톤에 연결되는 소단부와, 크랭크 축의 크랭크 핀에 연결되는 대단부와, 상기 소단부와 대단부간을 일체로 연결하는 로드부로 구성되며, 피스톤의 직선 왕복운동을 회전운동으로 변환하는 역할을 한다.

이러한 커넥팅 로드를 제조하는 방법에는 열간단조공법과 소결공법이 있으며, 이중 열간단조공법은 크롬, 니켈, 몰리브덴 등이 함유된 단조강을 재결정 온도 이상의 온도 영역까지 가열한 후 단조하여 제조하는 방법으로, 강재의 경우 재결정 온도가 600℃이기 때문에 가공 중의 온도 저하를 감안해서 소재는 900 ~ 1200℃로 가열해 단조한다.

소결공법은 금속분말을 압축 성형한 후 가열 소결하여 제조하는 방법으로, 금속분말이 기계적으로 결합된 압분체(壓粉體)를 가열하면 보다 강한 금속적인 결합을 이루는 바, 소결시에는 보호 분위기 가스를 사용하여 분말체의 윤활제를 예열부로 분해 증발시킨 후 1000 ~ 1150℃로 가열하고 있으며, 이를 위하여 가열속도, 소결온도, 시간, 냉각속도 등을 분위기와 함께 조정할 수 있는 로(爐)를 사용한다.

한편, 최근에는 가공공수 단축 및 부품의 강성 증대를 위하여 파단분할 커넥팅 로드의 제조방식, 즉 기존의 좌면가공방식 대신 일체형 단조 후 파단분리하는 방법이 이용되고 있다.

여기서, 좌면가공방식은 단조 후에 로드 및 캡의 접합면을 기계가공하여 볼트 체결하는 방식이고, 파단 분리하는 방식은 일체형 단조 및 대단부의 노치 성형 후 쐐기를 박아 파단분할(fracture splitting)하는 방식을 말한다.

또한, 파단분할방식을 적용하기 위하여 종래에는 펄라이트 미세조직을 갖는 고탄소 비조질강 소재를 사용하였으며, 소재를 열간단조, 냉각, 가공하는 과정을 거쳐 제조하였다.

특히, 종래에는 도 3에 도시한 바와 같이 소재를 1250℃로 가열하여 열간단조하고, 이어 600℃까지 200℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제1단계의 제어냉각과 이후 상온까지 50 ~ 100℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제2단계의 제어냉각을 한 후, 파단분할 가공공정을 거쳐 커넥팅 로드를 제조하였다.

그러나, 종래 커넥팅 로드의 소재로 사용되던 고탄소계열 펄라이트 강재는 파단성능은 우수하나 절삭성이 좋지 못하고, 내구 피로성능이 상용의 조질재 또는 비조질재에 비해 열세에 있다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 가공성 향상을 위해 탄소의 함량을 줄이는 동시에 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하고, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하며, 강도 보강을 위해 바나듐의 함량을 증가시켜 구성한 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용하되 열간단조 후 냉각공정을 개선함으로써 우수한 파단성능이 확보될 수 있으면서 절삭성 및 내구성의 향상이 가능해지는 커넥팅 로드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 커넥팅 로드용 비조질강 조성물은,

C 0.33 ~ 0.38 중량%, Si 1.80 ~ 2.20 중량%, Mn 0.20 ~ 0.30 중량%, P 0.05 ~ 0.15 중량%, S 0.040 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.08 ~ 0.12 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.20 ~ 0.30 중량%, Ca 0.001 ~ 0.004 중량%, Bi 0.10 ~ 0.30 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 커넥팅 로드의 제조방법은,

C 0.33 ~ 0.38 중량%, Si 1.80 ~ 2.20 중량%, Mn 0.20 ~ 0.30 중량%, P 0.05 ~ 0.15 중량%, S 0.040 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.08 ~ 0.12 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.20 ~ 0.30 중량%, Ca 0.001 ~ 0.004 중량%, Bi 0.10 ~ 0.30 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 탄소강을 1250℃에서 열간단조한 후 냉각하는 과정을 포함하되, 상기 냉각하는 과정이, 1250℃에서 650℃까지 200℃/분의 냉각속도로 냉각하는 제1단계 냉각과정과, 이어 650℃에서 550℃까지 10℃/분의 냉각속도로 서냉하는 제2단계 냉각과정과, 이어 550℃에서 상온까지 50 ~ 100℃/분의 냉각속도로 냉각하는 제3단계 냉각과정으로 진행되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같 다.

본 발명은 커넥팅 로드용 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 가공성 향상을 위해 탄소의 함량을 줄이는 동시에 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하고, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하며, 강도 보강을 위해 바나듐의 함량을 증가시켜 구성한 커넥팅 로드용 비조질강 조성물과; 이를 이용하되 열간단조의 냉각공정을 개선하여 절삭성 및 내구성의 향상이 가능해지는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

다음의 표 1은 본 발명에 따른 조성 및 함량을 종래의 고탄소형 비조질강과 비교하여 나타내었다.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 커넥팅 로드용 비조질강 조성물은, 탄소(C) 0.33 ~ 0.38 중량%, 규소(Si) 1.80 ~ 2.20 중량%, 망간(Mn) 0.20 ~ 0.30 중량%, 인(P) 0.05 ~ 0.15 중량%, 황(S) 0.040 ~ 0.070 중량%, 니켈(Ni) 0.04 ~ 0.12 중량%, 크롬(Cr) 0.08 ~ 0.12 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.010 중량% 이하, 바나듐(V) 0.20 ~ 0.30 중량%, 칼슘(Ca) 0.001 ~ 0.004 중량%, 비스무스(Bi) 0.10 ~ 0.30 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 구성된다.

절삭가공시 선단부분의 최대 온도는 1300℃까지 올라갈 수 있으며, 절삭가공성을 향상시키기 위해서는 가공성 향상 원소를 첨가해야 하는 바, 본 발명에서는 탄소의 함량을 줄이고 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하여 가공성을 향상시켰다.

또한, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하여 단조분할공법에 보다 유리하게 적용될 수 있도록 하였다.

먼저, 본 발명의 비조질강 조성물에 있어서, 탄소(C)는 강도를 증가시켜 주고 열처리를 가능하게 하는 주요 원소이지만, 너무 높으면 취성 및 경도가 증대되어 부작용이 발생되므로, 가공성 향상을 위해 첨가량을 낮추었으며, 다른 원소를 복합 첨가함에 따라 0.33 ∼ 0.38 중량%를 포함시켰다.

여기서, 탄소의 함량이 0.38 중량%에 비해 높으면 가공성 향상의 효과가 미흡해진다.

규소(Si)는 페라이트 기지조직 강화와 인성 감소를 위해 함량을 크게 하였으며, 본 발명에서는 1.80 ~ 2.20 중량%를 첨가한다.

이때, 규소의 함량을 1.80 중량% 미만으로 하는 경우 페라이트 강화효과가 떨어지는 문제가 있고, 2.20 중량%를 초과하여 첨가하는 경우 인성의 급격한 감소로 취화되는 문제가 있어 바람직하지 않다.

또한, 망간(Mn)은 펄라이트 취화 및 인성 감소를 위하여 그 함량을 축소하였으며, 본 발명에서는 0.20 ~ 0.30 중량%를 첨가한다.

이때, 0.20 중량% 미만에서는 MnS 화합물이 적게 생성되는 문제점이 있고, 0.30 중량%를 초과하면 인성 증가로 파단성능 확보가 어려운 문제점이 있어 바람직하지 않다.

또한, 인(P)은 결정립계 인성을 감소시키고 강 속에서 Fe₃P의 화합물을 형성하는 원소로, 그 함량을 증가시켜 0.05 ~ 0.15 중량%를 첨가하며, 이때 0.05 중량% 미만으로 첨가하는 경우 인성 감소의 효과가 미흡해지고, 0.15 중량%를 초과하여 첨가하는 경우 개재물의 증가로 인해 강도가 떨어지는 문제점이 있어 바람직하지 않다.

황(S)은 가공성 향상을 위하여 첨가하는 원소로, 0.040 ~ 0.070 중량%를 첨가하며, 상기 범위 초과시 취성을 증가시키므로 바람직하지 않다.

또한, 니켈(Ni)은 종래와 동일하게 0.04 ~ 0.12 중량%를 첨가하였다.

크롬(Cr)은 펄라이트 취화 및 인성 감소를 위하여 그 함량을 0.08 ~ 0.12 중량%로 축소하였으며, 0.08 중량% 미만에서는 강도가 저하되는 문제점이 있고, 0.12 중량%를 초과하면 인성 감소로 파단성능 확보가 어려운 문제점이 있어 바람직하지 않다.

그리고, 몰리브덴(Mo)과 알루미늄(Al)은 종래와 동일하게 각각 0.05 중량% 이하, 0.010 중량% 이하로 제한하였다.

또한, 바나듐(V)은 탄소 함량 감소로 인한 강도 보강을 위하여 0.20 ~ 0.30 중량%로 함량을 증가시켰으며, 상기 범위 미만으로 첨가할 경우 만족할 만한 강도 향상의 효과를 얻을 수 없고, 과다 첨가시에는 취성을 증가시키므로 바람직하지 않다.

또한, 본 발명에서는 가공성 향상을 위한 원소로서, 칼슘(Ca) 0.001 ~ 0.004 중량%와 비스무스(Bi) 0.10 ~ 0.30 중량%를 새로이 첨가하였다.

여기서, 칼슘을 상기 범위 미만으로 첨가하는 경우 가공성 향상의 효과를 확보하기 어려운 문제가 있고, 상기 범위를 초과하여 첨가하는 경우 개재물의 생성으로 인한 강도 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다.

또한, 비스무스를 상기 범위 미만으로 첨가하는 경우 가공성 향상의 효과를 확보하기 어려운 문제가 있고, 상기 범위를 초과하여 첨가하는 경우 개재물의 생성으로 인한 강도 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다.

위와 같이 본 발명에서 칼슘을 첨가함으로써 칼슘 산화물(예, Ca-Al-Si-O계 산화물)이 절삭가공시 공구보호피막을 생성하게 되는데, 이 공구보호피막 생성으로 공구의 마모를 억제할 수 있게 되고, 가공성 향상의 효과도 얻을 수 있게 된다.

또한, 비스무스는 융점이 272℃로 납 328℃ 보다 낮으며, 주기율표상에 납에 인접해 있으므로 납과 유사한 역할을 하게 된다.

납의 경우 저융점 합금원소로서 윤활효과가 크지만 중금속이므로 사용이 규제되어 국내에서는 사용이 불가한 원소이다.

한편, 본 발명의 커넥팅 로드 제조방법은 상기 조성의 중탄소강을 사용하되 냉각공정을 개선한 것으로, 우수한 파단성능을 확보하면서 절삭성 및 내구성(강도) 향상을 도모하기 위한 것이다.

우선, 상기 조성의 탄소강을 사용하여 1250℃로 가열한 후 단조성형을 실시하고, 이어 3단계로 구분되는 제어냉각을 실시한다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이, 1250℃에서 650℃까지 200℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제1단계 제어냉각을 실시하고, 이어 650℃에서 550℃까지 10℃/분의 냉각속도로 서냉하는 제2단계 제어냉각을 실시한 후, 이어 550℃에서 상온까지 50 ~ 100℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제3단계 제어냉각을 실시한다.

상기와 같이 650℃ ~ 550℃의 구간에서 10℃/분의 속도로 제2단계 냉각을 실시함으로써, 바나듐 화합물의 안정화를 통해 강도 향상의 효과를 극대화 할 수 있게 된다.

상기 제2단계의 냉각과정은 제어냉각 덕트에서 냉각기를 멈춘 후 냉각하는 방법으로 실시할 수 있다.

이후, 파단분할 가공공정을 거쳐 커넥팅 로드를 완성하게 된다.

이와 같이 하여, 상기와 같이 개선된 소재 및 냉각방법을 이용하게 되면 우수한 파단성능을 확보할 수 있으면 절삭성능 및 내구 피로성능의 향상이 가능해진다.

또한, 적정량의 규소, 황, 칼슘, 비스무스가 첨가된 본 발명의 중탄소강은 상기의 냉각공정을 거침으로써 페라이트와 펄라이트 미세조직을 가지게 된다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

하기 표 2에 나타낸 조성 및 함량의 소재를 사용하되, 종래의 냉각과정(비교예)과 본 발명의 냉각과정(실시예)을 실시하였으며, 이후 기계적 물성을 측정하였는 바, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

비교예의 경우 표 2의 소재를 사용하여 1250℃에서 열간단조한 후 500℃까지 200℃/분의 냉각속도로 공냉을 실시하였으며, 이어 상온까지는 80℃/분의 냉각속도로 공냉을 실시하였다.

실시예의 경우 표 2의 소재를 사용하여 1250℃에서 열간단조한 후 650℃까지 200℃/분의 냉각속도로 공냉을 실시하였으며, 이어 550℃까지 10℃/분의 냉각속도로 서냉한 후 상온까지 80℃/분의 냉각속도로 공냉을 실시하였다.

표 3의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예가 종래의 비교예에 비해 열간단조 후 인성이 감소되어 단조분할공법에 보다 유리하게 적용될 수 있음을 확인하였으며, 반면 인장강도 및 항복강도가 증가되어 내구 피로성능이 향상됨을 알 수 있었다.

또한, 첨부한 도 2은 가공성 평가의 결과를 나타낸 것으로, 이는 드릴 가공시 1개의 드릴툴로 가공할 수 있는 홀의 수를 축정하는 방법으로 실시하였다.

그 결과로서, 본 발명의 실시예에서 종래의 비교예에 비해 가공성이 우수함을 알 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 의하면, 가공성 향상을 위해 탄소 함량을 줄이는 동시에 황, 칼슘, 비스무스를 적정량 첨가하고, 인성 감소를 위해 규소와 인의 함량을 크게 하는 동시에 망간과 크롬의 함량을 축소하며, 강도 보강을 위해 바나듐의 함량을 증가시켜 구성한 비조질강 소재와 개선된 냉각공정을 이용함으로써, 우수한 파단성능을 확보할 수 있으면서 절삭성능 및 내구 피로성능의 향상이 가능해지는 효과가 있게 된다.

Claims (2)

1. 삭제
2. C 0.33 ~ 0.38 중량%, Si 1.80 ~ 2.20 중량%, Mn 0.20 ~ 0.30 중량%, P 0.05 ~ 0.15 중량%, S 0.040 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.08 ~ 0.12 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.20 ~ 0.30 중량%, Ca 0.001 ~ 0.004 중량%, Bi 0.10 ~ 0.30 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 탄소강을 1250℃에서 열간단조한 후 냉각하는 과정을 포함하되, 상기 냉각하는 과정이, 1250℃에서 650℃까지 200℃/분의 냉각속도로 냉각하는 제1단계 냉각과정과, 이어 650℃에서 550℃까지 10℃/분의 냉각속도로 서냉하는 제2단계 냉각과정과, 이어 550℃에서 상온까지 50 ~ 100℃/분의 냉각속도로 냉각하는 제3단계 냉각과정으로 진행되는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드용 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법.

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