KR100952010B1

KR100952010B1 - 고강도 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅로드제조방법

Info

Publication number: KR100952010B1
Application number: KR1020070115813A
Authority: KR
Inventors: 이창구
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2007-11-14
Publication date: 2010-04-08
Also published as: KR20090049642A

Abstract

본 발명은 고강도 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅로드 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존에 커넥팅로드 제조를 위한 조질강 및 비조질강을 대체하여, 원가 절감 및 피로강도 향상에 따른 경량화를 실현할 수 있도록 한 고강도 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅로드 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.30~0.40 중량%, 규소(Si) 0.50~0.80 중량%, 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%, 인(P) 0.045 중량% 이하, 황(S) 0.06~0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.20 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.040 중량% 이하, 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%, 질소(N) 0.05~0.3 중량%로 조성된 소재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정과정을 거쳐 연속적인 주조공정을 통해 주조재로 제조하는 단계와; 상기 주조재를 1100℃ 이상의 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조하는 단계와; 상기 압연재를 1200℃ 이상으로 재가열한 후, 1100℃ 이상에서 단조성형을 실시한 다음, 트리밍 가공을 실시하는 단계와; 상기 트리밍 가공후 1100℃에서 600℃ 근처까지 80~200℃/min의 냉각속도로 냉각을 하여, 페라이트+펄라이트 2상 조직이 형성되도록 제어냉각을 실시하는 단계와; 제어냉각된 단조소재를 커넥팅 로드로 가공하되, 커넥팅 로드의 대단부 내경에 노치를 주어 강제 파단을 실시하여 최종 커넥팅 로드로 제조하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 비조질강 조성물을 이용한 파단분할 커넥팅로드 제조방법을 제공한다.

비조질강, 파단분할, 커넥팅 로드, 압연재, 단조, 주조재

Description

고강도 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅로드 제조방법{High Strength Microalloyed Steel composition for Connecting Rod and Manufacturing of Fracture Splittable connecting rods using the same}

차량용 커넥팅로드의 제조를 위한 소재로서, 조질강 및 비조질강이 사용되고 있으며, 국내외 완성차 업체는 하기의 표 1 및 표 2에 기재된 성분을 갖는 조질강 및 비조질강을 사용하고 있다.

고탄소계 비조질강은 고탄소에 따른 인성의 감소와, 단조시 적절한 제어냉각으로 기지는 균일한 펄라이트 조직으로 고강도화하고, 입계는 망상 페라이트 분율을 줄여 파단분할을 용이하게 하는 것이다.

그러나, 기본적으로 탄소의 함량이 높아 고경도에 따른 가공성의 저하를 우려하여, 고강도를 위한 V, Mn 등의 성분 첨가에 한계를 가지고 있다.

따라서, 피로강도 45kgf/㎟ 이상의 고강도화가 요구되는 고출력 엔진의 적용에는 경량화를 이룰 수 없다.

더불어 기존 조질강(SCM440)은 단조분할 비조질강에 비해 대당 25% 이상의 원가상승을 초래하여 양산 적용에 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여, 기존 고탄소계 비조질강 대비 고강도화를 실현하고, 조질 합금강 대비 원가절감을 이룰 수 있는 중탄소계 단조분할 비조질강 커넥팅로드를 제공하고자 한 것으로서, 강도 향상, 파단분할성 향상, 가공성 확보 등의 효과를 얻을 수 있는 고강도 비조질강 조성물과 이를 이용한 파단분할 커넥팅로드 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.30~0.40 중량%, 규소(Si) 0.50~0.80 중량%, 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%, 인(P) 0.045 중량% 이하, 황(S) 0.06~0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.20 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.040 중량% 이하, 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%, 질소(N) 0.05~0.3 중량%가 함유된 것을 특징으로 하는 고강도 비조질강 조성물을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.30~0.40 중량%, 규소(Si) 0.50~0.80 중량%, 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%, 인(P) 0.045 중량% 이하, 황(S) 0.06~0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량% 이하, 니켈(Ni) 0.20 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.040 중량% 이하, 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%, 질소(N) 0.05~0.3 중량%로 조성된 소재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정과정을 거쳐 연속적인 주조공정을 통해 주조재로 제조하는 단계와; 상기 주조재를 1100℃ 이상의 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조하는 단계와; 상기 압연재를 1200℃ 이상으로 재가열한 후, 1100℃ 이상에서 단조성형을 실시한 다음, 트리밍 가공을 실시하는 단계와; 상기 트리밍 가공후 1100℃에서 600℃ 근처까지 80~200℃/min의 냉각속도로 냉각을 하여, 페라이트+펄라이트 2상 조직이 형성되도록 제어냉각을 실시하는 단계와; 제어냉각된 단조소재를 커넥팅 로드로 가공하되, 커넥팅 로드의 대단부 내경에 노치를 주어 강제 파단을 실시하여 최종 커넥팅 로드로 제조하는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 비조질강 조성물을 이용한 파단분할 커넥팅로드 제조방법을 제공한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

기존의 조질강을 대체하여, QT 열처리 생략에 따른 원가 절감 및 생산 싸이클 타임 감소로 25% 이상의 원가 절감을 실현할 수 있다.

기존의 비조질강을 대체하여, 피로강도 30% 향상에 따른 10% 이상 경량화 및 숏피닝 공정 생략에 따른 원가 절감을 실현할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

본 발명에 따른 비조질강은 하기의 표 1에 기존재와 대비하여 기재된 조성 성분비를 가지며, 기존 고탄소계 대비 항복강도 및 피로강도의 향상, 파단분할성 향상 및 가공성 확보를 위한 아래와 같이 성분 설계를 하였다.

① 강도 향상(피로강도, 항복강도) : 기존의 비조질강보다 강도가 우수하고 고출력 엔진에 대응하기 위해서는 SCM440급의 조질 합금강을 대체할 수 있는 45kgf/㎟ 이상의 고강도가 요구되므로 페라이트 조직을 강화하고, 결정입도 미세화를 위해 V, Si, Mn의 함량을 증가시켰다.

② 파단분할성 향상 : 양호한 파단분할 특성을 갖는 조직을 확보하기 위해서는 파단분할시에 연성파괴가 아닌 입계파괴가 일어나야 한다. 이에 V과 Si 함량을 증가시켜 페라이트를 강화하고 펄라이트와 결정입계를 취하시켜 입계파괴를 조장하고자 하였다.

③ 가공성 확보 : 가공성은 가공공정시의 비용절감과 생산성을 위해 중요하다. 기존 비조질강은 C 함량이 높아 가공성의 한계를 가지고 있었다. 이에 본 발명의 비조질강에는 C 함량을 줄이고 S 함량을 높여 기존재와 동등 이상의 가공 특성을 확보하고자 하였다.

여기서, 본 발명의 주요 구성원소 및 그 함량의 한정 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.

1) 탄소(C) 0.30~0.40 중량%

탄소는 소입성에 가장 영향을 미치는 원소로서, 강도를 증가시켜 주고 열처리를 가능하게 하는 주요 원소이나, 0.40 중량% 이상 첨가시 가공성에 악영향을 미치므로 0.30~0.40 중량%의 범위로 첨가하기로 한다.

2) 규소(Si) 0.50~0.80 중량%

규소는 페라이트 강화 효과와 피로강도를 증가시키기 위하여, 그리고 커넥팅 로드의 파단 분할을 용이하게 하는 인성 감소를 위하여 첨가하였으며, 본 발명에서는 0.50~0.80 중량%로 한정하였다.

3) 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%

망간(Mn)은 고용강화 효과에 의한 강도를 확보하기 위해서 첨가하였으며, 함량이 높아지면 편석을 생성시킬 수 있기 때문에 첨가량을 0.90~1.20 중량%로 제한하였다.

4) 인(P) 0.045 중량% 이하

인은 불순물 개념이다. 즉, 없으면 좋지만 제강기술상의 문제점 때문에 일반적으로 상한치만 규제하게 된다.

5) 황(S) 0.06~0.10 중량%

황(S)은 강중에서 Mn과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 가공성을 향상시키는 원소로서 가공성을 향상시키기 위해서 첨가하였으며, 과도하게 첨가하면 과다한 개재물을 생성하기 때문에 0.06~0.10 중량%로 한정한다.

6) 크롬(Cr) 0.30중량% 이하

크롬은 강도 향상을 위해 첨가하였으며, 본 발명에서는 0.30중량% 이하로 상한치만 한정하기로 한다.

7) 몰리브덴(Mo) 0.10 중량% 이하

몰리브덴은 강도 향상을 위해 첨가하였으며, 본 발명에서는 0.01 중량%로 한정하기로 한다.

8) 니켈(Ni) 0.20 중량% 이하

니켈은 고온물성을 향상시키는데 첨가되는 대표적인 원소로 그 첨가시, 고온에서는 강도 뿐만 아니라 연신율 및 연성을 증대시키는데 큰 영향을 주는 원소이지만, 가격이 매우 고가이므로 0.02중량 이하로 한정하기로 한다.

9) 알루미늄(Al) 0.040 중량% 이하

알루미늄 함량이 높으면 오스테나이트 조대화를 유발하기 때문에 본 발명에서는 0.040 중량% 이하로 제한하였다.

10) 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%

바나듐은 미세한 탄질화물을 석출시켜 재료의 강도를 향상시키기 때문에 첨가하였으며, 본 발명에서는 0.1~0.30 중량%로 한정하기로 한다.

11) 질소(N) 0.05~0.3 중량%

질소는 비조질강 중에서, 알루미늄과 결합하여 질화물을 형성하게 되는데, 그 함유량이 0.05중량% 미만이면 충분한 질화물이 형성되지 않고, 0.3중량%를 초과하면 고용질소량이 증가하여 인성을 해치게 되므로 그 함유량은 0.05~0.3중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기와 같은 조성으로 이루어진 본 발명의 비조질강을 이용한 커넥팅 로드 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

① 압연재 제조공정

철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 로 조성된 소재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정과정을 거쳐 연속적인 주조공정을 통해 주조재로 제조한다.

상기 주조재를 1100℃ 이상의 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조한다.

② 단조공정 : 압연재를 1200℃ 이상으로 가열한 후 1100℃ 이상에서 단조성형을 실시하고, 이어 트리밍 가공을 한다.

트리밍 후 제어냉각을 실시하는데, 1100℃에서 600℃ 근처까지 80~200℃/min의 냉각속도로 냉각을 하여 페라이트+펄라이트 2상 조직이 형성하여야 하며, 이에 따른 비조질강의 주요 강화기구인 고용강화 및 석출강화를 이룰 수 있다.

단조공정 후, 커넥팅로드의 모습은 도 1과 같다.

③ 가공공정 : 단조재를 선삭, 밀링, 드릴링 공정을 통해 요구하는 무게 및 사이즈를 맞추며, 크랭크 핀과 결합을 위해 커넥팅 로드의 대단부 내경에 노치를 주어 강제 파단을 실시한다.

파단된 커넥팅 로드는 일정한 압력에 의해 볼트를 체결하고, 최종 선삭, 밀링 등의 공정을 통해 가공 완성품을 제조하였으며, 그 최종 제조된 커넥팅 로드의 모습은 도 2와 같다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예

탄소(C) 0.35 중량%, 규소(Si) 0.70 중량%, 망간(Mn) 1.00 중량%, 인(P) 0.045 중량%, 황(S) 0.08 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량%, 니켈(Ni) 0.20 중량%, 알루미늄(Al) 0.040 중량%, 바나듐(V) 0.20 중량%, 질소(N) 0.1 중량%로 조성된 소재를 상기와 같이 압연재 제조공정, 단조공정(단조 온도 : 1100~1300 ℃, 냉각조건 : 공냉, 강제 공냉), 가공공정을 통하여 커넥팅 로드로 제조하였다.

비교예

탄소(C) 0.70 중량%, 규소(Si) 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.50 중량%, 인(P) 0.045 중량%, 황(S) 0.05 중량%, 크롬(Cr) 0.20중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량%, 니켈(Ni) 0.50 중량%, 알루미늄(Al) 0.010 중량%, 바나듐(V) 0.30 중량%로 조성된 소재를 상기와 같이 압연재 제조공정, 단조공정, 가공공정을 통하여 커넥팅 로드로 제조하였다.

실험예1

압연재 제조 공정후, 실시예 및 비교예의 공시재 즉, 일정한 크기의 시험편용 판으로 된 공시재에 대한 물성을 통상의 장비를 이용하여 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 4에 기재된 바와 같다.

위의 표 4에 기재된 내용은 압연재 상태에서 본 발명재와 기존재의 공시재 조건에 따른 기계적성질을 나타낸다.

공시재는 최적 단조 조건을 찾기 위해 가열 온도별, 냉각 조건별로 달리하여 평가하였으며, 본 발명재는 가열온도 1200℃ 급냉조건에서 피로강도에 영향을 주는 인장강도, 항복강도 및 항복비(YS/TS)가 높고, 파단분할성에 영향을 주는 연신율 및 충격값이 낮아 가장 양호한 조건이었다.

또한, 본 발명재는 기존재의 가장 양호 조건인 1200℃ 급냉조건에 비해 인장강도 약 6%, 항복강도 31.5%, 항복비 14% 이상 높음을 알 수 있었다.

실험예2

압연재 제조 공정후, 실시예 및 비교예의 공시재 즉, 일정한 크기의 시험편용 판으로 된 공시재에 대한 미세조직을 전자 현미경을 통해 관찰하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3에서, 본 발명재는 1200℃에서의 방냉 및 급냉조건에서의 미세조직과 기존재의 급냉조건에서의 미세조직이고, 냉각속도 차이에 따른 미세조직의 차이는 확연함을 알 수 있다.

급냉조건은 방냉조건 대비 결정립 크기가 미세화했으며, 페라이트 분율도 50% 이상 줄어 위의 표 4의 기계적성질 결과와 상응하고 있음을 알 수 있었다.

실험예3

압연재 제조 공정후, 실시예 및 비교예의 공시재 즉, 일정한 크기의 시험편용 판으로 된 공시재에 대한 인장압축 피로시험을 통상의 장비로 측정하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 4의 그래프에 나타낸 바와 같다.

도 4에서 보는 바와 같이, 압연재 공시재의 인장압축 피로시험결과로서, 실시예에 따른 본 발명재는 비교예에 따른 비교재에 비해 29% 피로강도 향상을 나타냄을 알 수 있었다.

실험예4

압연재 제조 공정 및 단조공정후, 실시예 및 비교예의 단조재에 대한 기계적 성질을 통상의 장비를 이용하여 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 5에 기재된 바와 같다.

위의 표 5은 표 4의 원소재에 대한 공시재 조건별 평가결과를 토대로 단조 공정 상에서 냉각 조건을 첨부한 도 5와 같이 달리하여 평가한 기계적성질 결과이다.

실시예에 따른 본 발명재의 급냉조건은 공냉조건 대비 인장강도는 8%, 항복강도는 11% 높았으며, 기존재의 급냉조건 대비해서는 인장강도 14%, 항복강도는 50% 향상된 결과를 나타내어 압연재의 공시재 평가 결과와 일치하고 있음을 알 수 있었다.

실험예5

압연재 제조 공정 및 단조공정후, 실시예 및 비교예의 단조재에 대한 조직을 관찰하였는 바, 그 결과는 첨부한 도 6의 사진에서 보는 바와 같다.

도 6은 단조후의 미세조직, 경도 및 페라이트 분율을 나타낸 결과로서, 본 발명재는 페라이트 함량이 기존재에 비해 많았지만 높은 V 함량에 따른 V(C,N)의 석출로 입내 페라이트 조직을 강화하여, 급냉, 공냉조건 모두 기존재에 비해 경도가 높았음을 알 수 있었고, 본 발명재의 급냉조직은 공냉조직에 비해 냉각속도가 빠름에 따라 결정립 미세화, 페라이트 분율 저하로 경도가 상승하여 위의 표 4와 같은 기계적성질 결과를 나타내었다.

실험예6

실시예에 따른 본 발명재 급냉품과 비교예에 따른 기존재 급냉품의 파단분할 후, 커넥팅 로드의 가공완성품 파면을 관찰하였으며, 그 결과는 도 7의 사진에서 보는 바와 같다.

본 발명재는 파단 시작부와 종료부 모두 미세결정립에 따른 미세 벽개파면이 관찰되고 있으나, 기존재는 벽개파면의 크기가 크고, 파단 종료부는 결정입계를 따라 파괴속도가 빠를시에 나타나는 미세 연성파면이 관찰되고 있다.

이는 V, Si 성분의 증가로 V(C,N) 석출에 따른 결정립 미세화와 입내 페라이트 조직강화, 입계조직 취화로 파단시 미세 벽개파면이 형성됨에 따른 것이다.

실험예7

실시예 및 비교예에 따른 커넥팅 로드에 대한 진원도를 측정하였으며, 그 결과는 표 6 및 도 8에 도시된 바와 같다.

위의 표 6은 가공 공정의 대단부 보링(a)~파단후 볼트 조립공정(d) 사이의 진원도 결과를 보여준다.

각 공정상의 편차값이 적을수록 진원도는 좋다고 할 수 있다.

본 발명재 급냉품은 상기의 표 6에서 보듯이, 개발재 공냉품과 기존재 급냉품 대비 동등 이상의 진원도를 나타냄을 알 수 있었다.

또한, 도 8에서 보듯이 개발재 급냉품이 기존재 급냉품 대비 파단후 진원도가 적었으며, 편차가 적어 양호한 양산성을 가질 수 있음으로 판단된다.

파단 분할성은 파단하중, 하중차, 시차가 작을수록 소성변형이 일어나기 어려우므로 파단이 용이하며, 파단시차가 작을수록 대단부 볼트홀 양단에서의 파단이 거의 동시에 일어나므로 파단하중의 절대값 및 하중차도 낮아진다고 알려져 있다.

이러한 시험결과로 기존재의 분할조건으로 파단분할성을 평가했음에도 본 발명재 기존재 대비 동등 이상의 결과를 나타내어 본 발명재에 적합한 분할조건을 선정한다면 소성변형이 발생하지 않은 진원에 가까운 대단부가 형성됨은 물론, 로드-캡 좌면 미스매치(mismatch) 등의 불량 가능성이 줄어드리라 판단된다.

도 1은 커넥팅 로드의 단조상태를 나타내는 사진,

도 2는 커넥팅 로드의 가공완성품을 나타내는 사진,

도 3은 실시예에 따른 본 발명재와 비교예에 따른 기존재의 압연재 공시재 미세조직 사진,

도 4는 실시예에 따른 본 발명재와 비교예에 따른 기존재의 압연재 공시재의 인장 압축 피로시험 결과를 나타내는 그래프,

도 5는 실시예에 따른 단조재의 제조 공정을 설명하는 개략도,

도 6은 실시예에 따른 본 발명재와 비교예에 따른 기존재의 단조재 조직을 나타내는 사진,

도 7은 본 발명재에 의한 파단 분할 커넥팅 로드의 파면과, 비교예에 따른 파단 분할 커넥팅 로드의 파면을 비교한 사진,

도 8은 본 발명재에 의한 파단 분할 커넥팅 로드와, 비교예에 따른 파단 분할 커넥팅 로드의 진원도를 비교한 그래프.

Claims

탄소(C) 0.30~0.40 중량%, 규소(Si) 0.50~0.80 중량%, 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%, 인(P) 0.045 중량%, 황(S) 0.06~0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량%, 니켈(Ni) 0.20 중량%, 알루미늄(Al) 0.040 중량%, 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%, 질소(N) 0.05~0.3 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것을 특징으로 하는 고강도 비조질강 조성물.
탄소(C) 0.30~0.40 중량%, 규소(Si) 0.50~0.80 중량%, 망간(Mn) 0.90~1.20 중량%, 인(P) 0.045 중량%, 황(S) 0.06~0.10 중량%, 크롬(Cr) 0.30중량%, 몰리브덴(Mo) 0.10 중량%, 니켈(Ni) 0.20 중량%, 알루미늄(Al) 0.040 중량%, 바나듐(V) 0.10~0.30 중량%, 질소(N) 0.05~0.3 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 소재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정과정을 거쳐 연속적인 주조공정을 통해 주조재로 제조하는 단계와;

상기 주조재를 1100℃ 이상의 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조하는 단계와;

상기 압연재를 1200℃ 이상으로 재가열한 후, 1100℃ 이상에서 단조성형을 실시한 다음, 트리밍 가공을 실시하는 단계와;

상기 트리밍 가공후 1100℃에서 600℃까지 80~200℃/min의 냉각속도로 냉각을 하여, 페라이트+펄라이트 2상 조직이 형성되도록 제어냉각을 실시하는 단계와;

제어냉각된 단조소재를 커넥팅 로드로 가공하되, 커넥팅 로드의 대단부 내경에 노치를 주어 강제 파단을 실시하여 최종 커넥팅 로드로 제조하는 단계;

를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 비조질강 조성물을 이용한 파단분할 커넥팅로드 제조방법.