KR101042493B1

KR101042493B1 - 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101042493B1
Application number: KR1020080095172A
Authority: KR
Inventors: 김택
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR20100035817A

Abstract

본 발명은 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는 인장강도 60 kgf/㎟ 이상의 고강도 강판을 사용하여 가공소재를 준비하는 블랭킹 공정과, 상기 블랭킹 공정에서 준비된 가공소재를 가열하여 880℃ ~ 970℃에서 3~ 10분동안 유지하는 가열 유지공정과, 상기 가열 유지공정에서 가열된 가공소재를 프레스 성형함과 동시에 냉각하는 열간 가공공정과, 상기 열간 가공공정에서 열간가공된 중간 가공소재를 냉간 가공하는 냉간 가공공정으로 휠디스크를 제조한다. 이러한 휠디스크 및 그 제조방법에 의하면, 휠디스크의 가공 작업성 및 품질을 향상시키며 고강도의 강판을 사용하여 초고강도의 휠디스크를 제조할 수 있다.

Description

차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법{Wheel disk of Road Wheel in Vehicle and manufacturing method thereof}

본 발명은 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 고온에서의 성형을 통하여 작업성 및 품질을 향상시키고 성형후 마르텐사이트 변태를 통하여 초고강도를 확보할 수 있는 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 휠디스크는 차량의 타이어가 장착되는 로드휠을 구성하는 것으로 타이어가 장착되는 원통형상의 림의 내측에 장착되어 상기 림을 지지할 수 있도록 구성된다.

도1은 일반적인 로드휠의 분해 사시도이다. 도시한 바와 같이 로드휠(1)은 림(2)과 휠디스크(4)로 구성된다.

상기 림(2)은 타이어가 직접 장착되는 부분으로, 스틸 또는 알루미늄 합금 등의 소재가 판금되어 원통형상으로 성형되며, 상기 타이어의 내측에 장착된다. 그리고, 상기 림(2)의 내측에는 휠디스크(4)가 장착된다. 상기 휠디스크(4)는 상기 림(2)의 내측을 차폐함과 동시에 상기 림(2)이 변형되지 않도록 지지하는 것으로, 상기 림(2)의 내측면 형상과 대응하는 형상으로 성형된다.

한편, 상기 휠디스크(4)는 도시하지 않은 차축에 결합된 브레이크 디스크를 감싸면서 결합되어 차축의 회전과 함께 회전하여 상기 로드휠(1)이 회전할 수 있도록 하며, 브레이크 디스크에 의해 제동될 수 있도록 한다. 상기 림(2)의 내측에는 휠디스크(4)와 브레이크 패드가 장착되며, 제동시 휠디스크(4)와 브레이크 패드의 접촉으로 상당한 열이 발생하게 된다. 이때의 열을 외부로 배출하기 위해서 상기 휠디스크(4)에 다수의 벤트홀(4a)이 천공되어 있다. 상기 휠디스크(4)의 중앙에는 허브홀(4b)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 휠디스크(4)는 평면으로 형성되는 것이 아니라 상기 브레이크 디스크와 브레이크 패드를 감싸면서 상기 림(2)에 결합될 수 있도록 대응하는 다수의 요철형상을 가지도록 성형된다.

차량용 로드휠은 연비 및 성능 향상과 미관으로 인해 종래 스틸휠에서 고가의 알루미늄 합금 휠로 대치되고 있다. 일루미늄 합금 휠은 강도는 스틸휠에 비해 떨어지지만 비중이 스틸휠의 1/3에 불과하여 경량화가 가능하고 현재 주조공법을 통하여 다양한 형상의 제조가 가능하다. 그러나 스틸휠은 알루미늄 합금 휠에 비하여 소재비가 저렴하고 프레스 성형을 통해 저렴하게 제조되므로 여전히 많이 사용되고 있다.

도2는 종래 스틸재의 휠디스크를 제조하는 공정도이다. 도시한 바와 같이, 프레스 금형을 사용한 블랭킹 공정(S1)을 통해 가공 소재를 준비한 후, 다수의 드로잉 공정(S2)과, 허브홀을 형성하는 1차 펀칭 공정(S3), 허브를 형성하는 버링 공정(S4), 및 벤트홀을 형성하는 2차 펀칭 공정(S5)을 순차적으로 거쳐 마무리하게 된다.

그런데, 종래 상기 스틸재의 휠디스크는 휠의 경량화 또는 홀 확대를 위한 형상의 변경을 위해 고강도의 강판을 사용할 경우 드로잉 작업에서 스프링백에 의한 가공불량 및 연신율의 저하로 인한 터짐으로 가공 작업성이 저하되며 강판의 장출성 저하로 인하여 버링 작업에서 홀 주의의 터짐 및 미세크랙으로 인한 문제가 발생하므로 인장강도 60 kgf/㎟ 이상의 고강도 강판에는 적용되지 못하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 스틸재의 휠디스크의 가공 작업성 및 품질을 향상시키며 고강도의 강판을 사용하여 초고강도의 휠디스크를 제조할 수 있는 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법은, 인장강도 60 kgf/㎟ 이상의 고강도 강판을 사용하여 가공소재를 준비하는 블랭킹 공정과, 상기 블랭킹 공정에서 준비된 가공소재를 가열하여 880℃ ~ 970℃에서 3~ 10분동안 유지하는 가열유지 공정과, 상기 가열유지 공정에서 가열된 가공소재를 프레스 성형함과 동시에 냉각하는 열간가공 공정과, 상기 열간가공 공정에서 열간가공된 중간 가공소재를 냉간 가공하는 냉간가공 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 냉간가공 공정 후에는 휠디스크의 표면강성을 높이도록 쇼트피닝 공정을 추가로 행한다.

상기 블랭킹 공정에 사용되는 고강도 강판은 가열후 급냉시 마르텐사이트 변태유도가 용이한 열처리형 강판으로서, 탄소(C) 0.18 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.5 ~ 2.0 중량%, 규소(Si) 0.5 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 0.5 중량 %, 크롬 0.1 ~ 0.5 중량 %, 알루미늄(Al) 0.1 중량 % 이하, 보론(B) 0.001 ~ 0.01 중량 % , 티탄 0.1 중량 % 이하를 함유하는 강판을 사용한다.

상기 몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)의 합은 0.1 ~ 1.0 중량 %로 되어 있는 강판이 바람직하다.

상기 열간가공 공정에서는 대기 중에서 마르텐사이트 변태온도까지 냉각되지 않도록 600℃로 냉각되는 최대점인 25초 이내에는 성형이 개시되도록 한다.

상기 열간가공 공정에서의 냉각은 마르텐사이트 변태가 용이하게 일어나도록 냉각속도는 27℃/Sec 이상이 되도록 급냉한다. 그리고 냉각시간은 마르텐사이트 조직이 최대한 확보되도록 2초이상 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 차량용 로드휠의 휠디스크 및 그 제조방법에 의하면, 고강도 강판의 상온 성형시 나타나는 터짐 및 스프링 백 등의 성형 가공성 문제와 홀 주위의 터짐 및 미세 크랙이 발생하지 않으며, 마르텐사이트 조직 변태 및 가공을 통해 인장강도 140 kgf/㎟ 이상의 초고강도 부품의 제조가 가능하여 휠디스크의 강도를 향상할 수 있고, 이로 인해 휠디스크의 두께를 감소시킬 수 있으므로 경량화가 가능하다는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 관해 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 차량용 로드휠의 휠디스크는, 도3에 도시한 바과 같이 인장강도 60 kgf/㎟ 이상의 고강도 강판을 사용하여 가공소재를 준비하는 블랭킹 공정(S10)과, 상기 블랭킹 공정(S10)에서 준비된 가공소재를 가열하여 880℃ ~ 970℃에서 3~ 10분동안 유지하는 가열유지 공정(S20)과, 상기 가열유지공정(S20)에서 가열된 가공소재를 프레스 성형함과 동시에 냉각하는 열간가공 공정(S30)과, 상기 열간가공 공정(S30)에서 열간가공된 중간 가공소재를 냉간 가공하는 냉간가공 공정(S40)을 통하여 제조된다. 그리고, 상기 냉간가공 공정(S40) 후에는 휠디스크의 표면강성을 높이도록 쇼트피닝 공정(S50)을 추가로 행하는 것이 바람직하다.

상기 블랭킹 공정(S10)에 사용되는 고강도 강판은 가열후 급냉시 마르텐사이트 변태유도가 용이한 열처리형 강판으로서, 열연강판, 냉연강판, 및 도금강판 모두 사용가능하다.

상기 열처리형 강판은, 탄소(C) 0.18 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.5 ~ 2.0 중량%, 규소(Si) 0.5 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 0.5 중량 %, 크롬 0.1 ~ 0.5 중량 %, 알루미늄(Al) 0.1 중량 % 이하, 보론(B) 0.001 ~ 0.01 중량 % , 티탄 0.1 중량 % 이하를 함유하는 화학조성으로 되어 있는 것이 바람직하다.

상기 탄소(C)는 열처리 경화능과 강도의 향상을 위해 0.18 ~ 0.30 중량% 첨가되고, 소량의 첨가로 열처리 경화능을 크게 향상시킬 수 있는 보론(B)을 0.001 ~ 0.01 중량 % 첨가한다. 규소(Si)는 제강시 탈산제에 의해 잔류되는 원소로서, 고용 강화에 의해 열연강판의 인장강도를 다소 향상시키지만 효과가 그리 높지 않으므로 0.5 중량 %로 제한한다. 망간(Mn)은 0.5 중량 % 이상을 첨가하여야 열처리시 오스테나이트화하여 급냉후 필요한 인장강도를 확보할 수 있지만, 2.0 중량 % 이상을 첨가할 경우에는 내식성과 용접성이 저하된다. 황(S)은 중심편석 생성에 의해 로드휠 제작시 휠디스크와 림의 용접성을 크게 저하시키므로 0.02 중량 %로 제한한다. 몰리브덴(Mo) 및 크롬(Cr)은 강의 열처리 경화능을 향상시킨다. 상기 몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)의 합하여 0.1 중량 % 이하에서는 충분한 열처리 경화능을 확보할 수 없고, 1.0 중량 % 이상에서는 열처리 경화능이 더 이상 향상되지 않으므로, 상기 몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)의 합은 0.1 ~ 1.0 중량 %로 한다.

상기 열처리형 강판을 상기 블랭킹 공정(S10)에서 블랭킹 한 후, Ar3 온도 직상 880℃ ~ 970℃ 분위기의 가열로에 투입하여 오스테나이트 변태가 완전히 일어날 수 있도록 3분 이상 유지하는 가열 유지공정(S20)을 행한다. 이때, 10분 이상 유지시에는 고온산화에 의해 비도금재, 도금재 모두 표면에 스케일 층이 생성되고 도금층이 소실되며, 성형가공시 표면결함 및 도금층박리등의 현상이 일어날 수 있으므로 3분 ~ 10분간으로 제한한다.

다음에 가열된 강판을 프레스에 투입하여 드로잉 가공 등의 열간 프레스 성형등의 열간가공 공정(S30)을 행한다. 상기 열간가공 공정(S30)에서는 대기 중에서 마르텐사이트 변태온도까지 냉각되지 않도록 600℃로 냉각되는 최대점인 25초 이내에는 성형이 개시되도록 한다. 이때, 프레스를 통해 원하는 형상으로 성형하는 동시에 냉각이 개시될 수 있도록 프레스 금형에 장착된 냉각수를 가동하여 냉각을 실 시한다. 냉각은 마르텐사이트 변태가 용이하게 일어나도록 냉각속도는 27℃/Sec 이상이 되도록 급냉한다. 그리고 냉각시간은 마르텐사이트 조직이 최대한 확보되도록 2초이상 유지한다.

다음에, 레이저 또는 프레스를 이용하여 홀(허브홀, 벤트홀등)을 가공하는 한편 버링 가공 및 트리밍 가공하는 냉간가공 공정(S40)을 행한다.

상기 냉간가공 공정(S40) 후에는 휠디스크의 표면강성을 높이도록 쇼트피닝 공정(S50)을 추가로 행할 수도 있다.

상기 쇼트피닝 공정(S50)의 쇼트피닝 가공은 강구에 의해 피가공물(휠디스크)의 외면을 타격하여 외면에 압축응력이 잔류되도록 하여 피가공물의 강도를 높이고 외부하중에 의한 신율을 증대시키며 피로균열을 억제하는 가공법으로서, 강구가 피가공물(휠디스크)의 표면에 충돌할 때, 휠디스크의 표면 온도가 상승하면서 휠디스크의 표면과 내부사이의 온도차로 인해 휠디스크에 열변형이 발생하므로 가공 중에는 휠디스크의 냉각수단에 의해 표면을 냉각한다.

도4의 (a)는 종래 방법에 의해 휠디스크를 제조한 상태의 조직사진이고, 도4의 (b)는 본 발명의 방법에 의해 휠디스크를 제조한 상태의 조직사진이다. 도4의 (b)의 사진에서는 완전한 마르텐사이트 변태를 이룬 것을 알 수 있다.

하기 표1는 종래 예와 본 발명의 예의 인장강도와 항복강도 및 연신율을 시험하여 비교한 표이다.

시험에 사용된 시편(시편1, 시편2, 시편3)은, 3.5t의 열연강판이다. 종래 예에서는 도2에 도시한 일반적 가공 공정에 의한 가공을 한 상태이며, 본 발명에서는 가열온도 950℃에서 5분간 유지하였으며, 가열유지후 프레스 성형 및 냉각하였고, 냉각은 금형내에서 5초간 유지하였으며, 프레스 성형 및 냉각 후에 냉간가공(홀 피어싱 등)을 한 후, 표면에 쇼트피닝 처리를 하였다.

[표 1]

시편	종래예			본발명			비고
시편	인장강도 (Mpa)	항복강도 (Mpa)	연신율 (%)	인장강도 (Mpa)	항복강도 (Mpa)	연신율 (%)
시편1	437	298	23.3	1542	1192	5.7
시편2	464	331	31.1	1584	1199	5.6
시편3	603	425	22.8	1488	1115	5.9

표 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 휠디스크의 인장강도(150 kgf/㎟ 이상) 및 항복강도가 현저히 높아진 것을 알 수 있다.

도1은 일반적인 차량용 로드휠의 분해 사시도,

도2는 종래 차량용 로드휠의 휠디스크의 제조방법을 나타내는 공정도,

도3은 본 발명에 의한 차량용 로드휠의 휠디스크의 제조방법을 나타내는 공정도,

도4의 (a)는 종래 제조방법으로 제조된 휠디스크의 조직사진,

도4의 (b)는 본 발명의 제조방법으로 제조된 휠디스크의 조직사진을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

S10 : 블랭킹 공정 S20 : 가열유지 공정

S30 : 열간가공 공정 S40 : 냉간가공 공정

S50 : 쇼트피닝 공정

Claims

인장강도 60 kgf/㎟ 이상의 고강도 강판을 사용하여 가공소재를 준비하는 블랭킹 공정과,

상기 블랭킹 공정에서 준비된 가공소재를 가열하여 880℃ ~ 970℃에서 3~ 10분동안 유지하는 가열유지 공정과,

상기 가열유지 공정에서 가열된 가공소재를 프레스 성형함과 동시에 냉각하는 열간가공 공정과,

상기 열간가공 공정에서 열간가공된 중간 가공소재를 냉간가공하는 냉간가공 공정을 포함하는 방법에 의해,

140kgf/㎟ 이상의 인장강도를 얻는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 냉간가공 공정 후에는 휠디스크의 표면강성을 높이도록 쇼트피닝 공정을 추가로 행하는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 블랭킹 공정에 사용되는 고강도 강판은 가열후 급냉시 마르텐사이트 변태유도가 용이한 열처리형 강판으로서,

탄소(C) 0.18 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) 0.5 ~ 2.0 중량%, 규소(Si) 0.5 중량% 이하, 황(S) 0.02 중량% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 0.5 중량 %, 크롬 0.1 ~ 0.5 중량 %, 알루미늄(Al) 0.1 중량 % 이하, 보론(B) 0.001 ~ 0.01 중량 % , 티탄 0.1 중량 % 이하를 함유하는 강판을 사용하는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)의 합은 0.1 ~ 1.0 중량 %로 되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 열간가공 공정에서는 대기 중에서 마르텐사이트 변태온도까지 냉각되지 않도록 600℃로 냉각되는 최대점인 25초 이내에는 성형이 개시되도록 하는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 5에 있어서,

상기 열간가공 공정에서의 냉각은 마르텐사이트 변태가 용이하게 일어나도록 냉각속도는 27℃/Sec 이상이 되도록 급냉하는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 6에 있어서,

상기 열간가공 공정에서의 냉각시간은 마르텐사이트 조직이 최대한 확보되도 록 2초이상 유지하는 것을 특징으로 하는 차량용 로드휠의 휠디스크 제조방법.
청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 하나의 방법으로 제조된 차량용 로드휠의 휠디스크.