KR100957306B1

KR100957306B1 - 냉간 단조강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100957306B1
Application number: KR1020070123244A
Authority: KR
Inventors: 김혁
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: KR20090056195A

Abstract

본 발명은 냉간 단조강 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 특별한 추가 열처리없이 냉간 단조 성형이 가능하고, 부품 냉간 단조 후 기존의 조질강 부품과 동등한 수준의 강도 및 인성을 갖는 냉간 단조강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050% 이하, 알루미늄 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량%가 함유된 냉간단조강 소재 및; 이 소재를 가열하여, 950℃에서 수초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와, 수냉후 재가열하여 700℃에서 수초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시한 다음, 수냉 처리한 것을 특징으로 하는 냉간단조강 제조 방법을 제공한다.

냉간단조강, 제조 방법, 고주파 담금질, 고온 템퍼링

Description

냉간 단조강 및 그 제조 방법{Forging steel using high frequency heat treatment and method for manufacturing the same}

자동차 부품에 있어서 원가절감 및 환경문제로 열처리를 생략하거나 가공 과정을 삭제하는 공법의 개발이 많이 이루어지고 있다.

특히, 열간단조에서 냉간단조로 공법 변경시, 치수정밀도가 높아져 일부 가공 공정을 삭제할 수 있으며 원소재 가열 공정이 없으므로 환경문제도 해결할 수 있다.

그러나, 냉간단조를 위해서는 대부분의 소재를 구상화 소둔을 실시하고 있기 때문에 냉간단조성은 좋아지나 강도가 저하되기 때문에 조질처리를 실시해서 부품 으로 사용하고 있다.

최근들어 자동차 업체에서는 원가절감 및 환경보전 등의 목적으로 부품 제조시 열처리를 생략하거나, 혹은 열처리에 따른 치수 변형을 보정하기 위한 후속 가공을 삭제하는 신공법을 개발하고 있다.

특히, 자동차 부품중 로어암이나 프로펠러 샤프트 요크(도 1 사진 참조) 등의 단조품의 경우, 열간 단조로 제조한 것에 비해 냉간 단조로 공법을 변경하게 되면, 그 열처리 생략 및 이에 따른 치수 변형의 문제가 없어 원가절감 및 환경문제 대응의 두 가지 면에서 상당히 유리하다.

그러나, 냉간 단조를 위해서는 소재의 연성확보가 우선되어야 한다.

일반적으로 강을 포함한 금속은 강도가 높은 경우 연성이 낮아 냉간 단조에 적합하지 않는 경우가 대부분이다.

이를 위해, 대부분 단조강은 구상화 소둔을 실시해 연성을 확보하기는 하나, 강도 저하 문제를 해결하기가 곤란하므로, 추가로 조질열처리를 실시하여 부품제작을 하고 있지만, 이는 냉간 단조의 본연의 목적인 열처리 생략 및 환경 문제 대응에 큰 효과를 보이지 않고 있는 것이 현재의 기술 수준이다.

일반적인 강의 경우 강도와 연성은 반비례 관계가 있어 강도가 높아질 경우 연성이 낮아지고, 가공을 극심하게 받아 강도가 높아진 냉간단조품의 경우에 재질을 연하게 하는 구상화 소둔을 대부분 실시하고 있다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이 기존에는 탄소강으로서 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.42∼0.48중량%, 실리콘(Si) 0.15∼0.35중량%, 망간(Mn) 0.60∼0.90중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.035중량% 이하를 함유한 소재를 가열하여 구상화 어닐링을 실시하는 단계와; 서냉후 냉간단조를 실시하는 단계와; 재가열하여 850℃에서 90분동안 담금질(quenching)을 실시하고, 수냉후 550∼650℃에서 120분동안 뜨임(tempering)을 실시하여 방냉시키는 열처리 단계를 통하여 냉간단조강을 제조하였다.

이와 같이, 종래에는 냉간단조전 구상화 어닐링을 실시하고, 냉간단조후 열처리를 실시하며, 열처리 후에 숏 블라스트(shot blast)를 실시하였다.

이는 기지조직(matrix)내에 시멘타이트가 구상화(spherodizing)되면서 단단한 시멘타이트에 의하여 불연속적으로 분포한 연한 페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고, 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상 시멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다.

또한, 침상으로 존재하던 시멘타이크가 구상화되면서 기지조직내 노치(notch)가 사라지게 되어 인성이 더 좋아지게 되고, 이에 의해 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해진다.

즉, 구상화 풀림에 의해 과공석강은 절삭성이 향상되고, 아공석강에서는 냉간단조성 등의 소성가공성이 좋아지게 되는 것이다.

일반 단조강은 위와 같은 기구(mechanism)으로 인해 냉간단조를 통한 자동차 부품 제조가 가능하기는 하나, 앞서 기술한 바와 같이 원가절감 등의 목적을 충분히 달성한다고 볼 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구된 결과물로서, 특별한 추가 열처리없이 냉간 단조 성형이 가능하고, 부품 냉간 단조 후 기존의 조질강 부품과 동등한 수준의 강도 및 인성을 갖는 냉간 단조강 및, 구상화 소둔 대신 단시간내에 가열되는 고주파 열처리를 이용하여 담금질(quenching) 열처리를 한 후, 고온 뜨임(tempering)을 하여 기지조직을 미세립화시키고 동시에 탄화물을 구상화시켜서, 우수한 냉간단조성을 갖는 냉간단조강 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량% 및 철(Fe)로 이루어진 잔량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간단조강을 제공한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량% 및 철(Fe)로 이루어진 잔량부를 포함하는 소재를 가열하여, 950℃에서 수초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와; 수냉후 재가열하여, 700℃에서 수초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시하는 단계와; 수냉후 냉간단조를 실시하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간단조강 제조 방법을 제공한다.

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

본 발명에 따른 냉간단조강으로 제조한 자동차 부품의 경우, 추가 조질 열처리가 없으므로 열처리 변형이 없고, 별도의 추가 교정 공정없이 가공이 이루어지므로 공정 단축으로 인한 원가절감이 가능하며, 환경문제에 보다 적극적으로 대응할 수 있는 장점을 제공한다.

기존의 구상화 소둔 대신, 본 발명은 단시간내에 가열되는 고주파 열처리를 실시한 후, 담금질(급랭) 및 고온 템퍼링을 실시하여 기지조직을 미세립화시키는 것고 동시에 탄화물을 구상화시켜서 우수한 냉간단조성을 제공할 수 있다.

또한, 특별한 추가 열처리없이 냉간 단조 성형이 가능하고, 부품 냉간 단조 후 기존의 조질강 부품과 동등한 수준의 강도 및 인성을 갖는 냉간 단조강을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

일반적인 강의 경우 강도와 연성은 반비례 관계가 있어 강도가 높아질 경우 연성이 확보되지 않아 냉간단조품의 경우에 재질을 연하게 하는 구상화 소둔을 대부분 실시하고 있다.

구상화 소둔을 실시하는 이유는 기지조직내에 시멘타이트가 구상화되면 단단한 시멘타이트에 의하여 차단된 연한 페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고, 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상 시멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다.

따라서, 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해진다.

이에 비해, 본 발명은 냉간단조를 위한 특별한 열처리 없이도 단조성형이 가능하며, 더불어 냉간단조후 조질 합금강 재질과 동등한 강도 및 인성을 보유하는 냉간단조강 및 그 제조 방법을 제공하고자 한 것으로서, 아래의 표 1에 기존재와 비교하여 기재된 바와 같이 본 발명의 냉간단조강 소재는 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050% 이하, 알루미늄 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구 리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량%가 함유된 것을 특징으로 하며, 각 성분의 첨가 및 함량 한정 이유는 다음과 같다.

(1) 탄소(C) 0.20∼0.30중량%

탄소는 화학성분중 가장 강력한 침입형 기지강화 원소로 첨가되는 것으로서, 탄소량이 높을수록 강도가 향상되며, 고주파 열처리시 소입성을 증대시켜 표면 경도를 우수하게 한다.

본 발명에서는 탄소원소 함량을 0.20∼0.30중량%로 조절한다.

(2) 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%

실리콘은 강도의 상승 뿐만아니라 내산화/내식성을 향상시키는 바, 본 발명에서는 실리콘을 0.40∼0.60중량%로 유지시킨다.

(3) 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%

망간은 기지안에 고용되어 굽힘피로강도의 향상을 도모하고자 첨가되고, 기존 탄소강 대비 강도 증가를 목적으로 첨가되며, 과도한 경우 담금질시 크랙에 민감하므로, 이에 본 발명에서는 망간의 함량을 1.00∼1.60중량%로 조정한다.

(4) 인(P) 0.030중량% 이하

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

(5) 황(S) 0.010∼0.050중량%

황은 일반 합금강에서는 개재물로 인식되어 그 함량을 최소로 억제하고 있으 며, 0.010중량% 이상일 경우에는 망간계 비금속개재물(MnS)의 함량이 높아져 강도를 저하시키므로, 0.050중량% 이하로 억제시키는 것이 좋다.

(6) 알루미늄(Al) 0.005∼0.050중량%

알루미늄은 탈산을 위해 첨가하고, 또한 알루미늄 질화물(AlN)을 형성시켜 오스테나이트를 미세화하여 강의 충격인성을 개선시키기 위해 첨가하는 바, 그 첨가량이 적으면 필요로 하는 효과를 얻지 못하고, 첨가량이 많으면 효과가 포화되므로, 첨가량은 0.005∼0.050%로 제한하는 것이 바람직하다.

(7) 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%

페라이트 강화 원소이며, 탄화물로 형성될 경우 변형저항 및 가공경화율을 향상시키고, 과도한 경우 변형저항성이 커지므로, 본 발명에서는 유사한 기능을 수행하는 실리콘 첨가량을 고려해 0.10∼0.15중량%로 조절하였다.

(8) 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%

TiN 석출물 원소로 석출강화 및 결정립미세화를 위해 첨가되며, 과도한 경우 재료의 연신률 및 충격특성이 저하되므로, 본 발명에서는 0.005∼0.050중량%로 한정하였다.

(9) 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%

석출경화 원소로서, 소입성 향상을 위해 첨가되며, 특히 0.5중량%이상 함유되어 있을 때에는 적열취성의 원인으로 되며, 이것은 고온가열시에 Fe보다 Cu의 산화속도가 작으므로 강표면에 편재하여 열간가공중에 강재 내부로 침투하기 때문이지만 Ni이나 Mo의 첨가로서 이 현상을 개선할 수 있다.

이에, 본 발명에서는 0.20∼0.30중량%로 한정하기로 한다.

(10) 보론(B) 0.005∼0.050중량%

보론은 미량첨가로 솔루블(Soluble B) 상태에서 소입성 향상시킬 수 있으며, 10~20ppm 수준만으로도 충분한 효과가 나타하며, 과도하게 첨가되면 Fe₂B를 일으켜, 적열 취성의 원인이 된다.

또한, 탄소 및 몰리브덴과 함께 소입성을 증대시키며, 표면경도의 확보에 유리한 원소이며, 또한 0.005∼0.050중량% 범위로 제어하면, 표면 경화깊이가 최대로 깊어지도록 하고, 표면에 잔류응력의 영향도 배제시킬 수 있다.

(11) 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량%

칼슘은 미량 첨가시, MnS와 결합하여 절삭성능을 개선할 수 있고, 과도한 경우 강중의 알루미나와 결합하여 거대개재물로 생성되므로, 본 발명에서는 0.0005∼0.0020중량%로 한정하기로 한다.

본 발명은 구상화 소둔 대신 단시간내에 가열되는 고주파 열처리를 이용하여 담금질(quenching) 열처리를 한 후, 고온 뜨임(tempering)을 하여 기지조직을 미세립화시키고 동시에 탄화물을 구상화시켜서, 우수한 냉간단조성을 갖는 냉간단조강 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

즉, 첨부한 도 4의 공정도를 참조하면, 표 1에 기재된 본 발명의 소재를 가열하여, 950℃에서 수초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하고, 수냉후 재가열하여, 700℃에서 수초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시한 다음, 냉간단조를 실시할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

이와 같이, 본 발명은 냉간단조전 열처리를 실시하되, 고주파 열처리로 아주 짧은 시간내에 소입을 실시하므로 결정립 성장이 일어나지 않고, 또한 고온 뜨임으로 탄화물이 미립화되어, 결국 도 6의 제조 순서도에서 보는 바와 같이 기존의 냉간단조후의 열처리 공정을 삭제하는 동시에 숏 블라스트 공정을 삭제할 수 있는 잇점을 제공하게 된다.

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

실시예

철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.30중량%, 실리콘(Si) 0.50중량%, 망간(Mn) 1.30중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.030중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.030중량%, 크롬(Cr) 0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.020중량%, 구리(Cu) 0.25중량%, 보론(B) 0.0020중량%, 칼슘(Ca) 0.0020중량%가 함유된 소재를 가열하여, 950℃에서 10초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와; 수냉후 재가열하여, 700℃에서 10초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시하는 단계와; 수냉후 냉간단조를 실시하여 시편을 제작하였다.

비교예

기존재 즉, 탄소강(S45C)으로서 철(Fe)을 주성분으로 하고, 여기에 탄소(C) 0.45중량%, 실리콘(Si) 0.25중량%, 망간(Mn) 0.80중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.035중량% 이하를 함유한 소재를 가열하여 구상화 어닐링을 실시하는 단계와; 서냉후 냉간단조를 실시하는 단계와; 재가열하여 850℃에서 90분동안 담금질(quenching)을 실시하고, 수냉후 600℃에서 120분동안 뜨임(tempering)을 실시하여 방냉시키는 열처리 단계를 통하여 냉간단조강 시편을 제조하였다.

시험예1

시험예1로서, 비교예에 따른 기존재의 경우 냉간단조전 구상화어닐링을 실시한 구상화조직과, 실시예에 따른 발명재의 경우 고온 템퍼링후 탄화물이 기지내에서 미세하게 구상화된 상태임을 전자 현미경을 통하여 관찰하였는 바, 도 2의 사진에서 보는 바와 같이 본 발명재의 경우 탄화물 기지내에 미세하게 구상화가 된 것을 알 수 있었다.

시험예2

시험예2로서, 실시예 및 비교예에 따른 시편(공시재 Φ25mm 기준, 인장시편 KS 4호(Φ14mm), 충격시편 KS 3호(2mm- U 노치))에 대하여 기계적 성질을 통상의 장비를 이용하여 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 2에 기재된 바와 같다.

실시예에 따른 발명재의 경우, 소입 및 소려를 실시하지 않고도 비교예에 따른 기존재 동등 이상의 기계적성질을 나타냄을 알 수 있었다.

시험예3

실시예 및 비교예에 따른 시편에 대한 저온충격 시험후 파단면 비교를 하였다.

즉, 저온 -40℃에서 샤르피 충격시험을 실시한 후, 충격파단면을 전자현미경으로 관찰한 결과, 도 3의 사진에서 보는 바와 같이 실시예에 따른 발명재의 파면은 비교예에 따른 기존재의 파면에 비해 연성파면인 미세한 딤플(dimple)을 이루고 있고, 연성파괴가 일어난다는 것은 충격에너지를 연신이 일어나는만큼 더 흡수하는것을 의미하며, 이러한 이유로 실시예에 따른 발명재의 경우 상온 및 저온 충격특성이 우수함을 알 수 있었다.

도 1은 냉간단조 사용 부품으로서, 자동차용 프로펠러 샤프트 요크를 나타내는 사진,

도 2는 종래 냉간단조강의 구상화 조직과, 본 발명의 고온 템퍼링 후 냉간단조강의 조직을 대비한 전자현미경 사진,

도 3은 본 발명의 냉간단조강 및 종래의 냉간단조강간의 저혼 충격 시험후 파단면을 관찰한 전자현미경 사진,

도 4는 본 발명의 냉간단조강에 대한 제조 방법을 설명하는 공정도,

도 5는 종래의 냉강단조강에 대한 제조 방법을 설명하는 공정도,

도 6은 본 발명의 냉간단조강과 종래의 냉간단조강을 제조하는 순서를 대비한 제조순서도.

Claims

탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량% 및 철(Fe)로 이루어진 잔량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간단조강.
탄소(C) 0.20∼0.30중량%, 실리콘(Si) 0.40∼0.60중량%, 망간(Mn) 1.00∼1.60중량%, 인(P) 0.030중량% 이하, 황(S) 0.010∼0.050중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.005∼0.050중량%, 크롬(Cr) 0.10∼0.15중량%, 티타늄(Ti) 0.005∼0.050중량%, 구리(Cu) 0.20∼0.30중량%, 보론(B) 0.0005∼0.0050중량%, 칼슘(Ca) 0.0005∼0.0020중량% 및 철(Fe)로 이루어진 잔량부를 포함하는 소재를 가열하여, 950℃에서 10초 동안 고주파 담금질(quenching)을 실시하는 단계와;

수냉후 재가열하여, 700℃에서 10초동안 고온 뜨임(tempering)을 실시하는 단계와;

수냉후 냉간단조를 실시하는 단계; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 냉간단조강 제조 방법.