KR101062080B1 - 로워 컨트롤 아암의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로워 컨트롤 아암의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.18~0.30wt%, 망간(Mn) 0.5~2.0wt%, 실리콘(Si) 0 초과 0.5wt%이하, 황(S) 0 초과0.02wt%이하, 인(P): 0 초과 0.014 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.001~0.01wt%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강판 블랭크를 가열로에서 900℃이상으로 가열한 후 프레스 금형에 추출하여 열간 프레스 성형하고 상온까지 냉각한 후, 소둔 열처리하여서 인장강도가 1000MPa이상, 연신율이 8%이상이 되도록 한다. 본 발명은 강판 소재의 두께를 증가시키지 않고도 100kg 이상의 고강도 및 내구성 확보가 가능하므로 차량의 경량화를 통한 연비 절감에 기여할 수 있는 이점이 있다.

로워 컨트롤 아암, 고강도, 내구성, 경량화

Description

로워 컨트롤 아암의 제조방법{Manufacturing Method of lower control arm}

본 발명은 로워 컨트롤 아암의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 현가장치에 적용되는 로워 컨트롤 아암의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 현가장치는 차축과 차체를 연결하고, 차량의 주행 중 노면으로부터의 진동과 충격을 흡수하여 승차감과 자동차의 선회 안정성을 향상시키는 장치이다. 자동차 현가장치에 적용되는 부품인 로워 컨트롤 아암(lower control arm)은 차체에 길이방향으로 배치되어 휠을 차체와 연결하는 구조를 갖는다.

이러한 로워 컨트롤 아암은 자동차의 주행과정에서 토션(Torsion), 벤딩(Bending), 트위스팅(Twisting) 등 복잡하고 가혹한 하중을 받으므로 각종 피로나 충격 및 하중 등에 견딜 수 있도록 충분한 내구성 및 강성을 가져야 한다.

이를 위해 로워 컨트롤 아암은 도 1에 도시된 바와 같이, 두꺼운 40~60kg급 강판을 소재로 하여 냉간 프레스 성형을 통해 제작되고 있다.

종래의 로워 컨트롤 아암의 제조방법은 다음과 같다.

즉, 40~60kg급 강판 소재(s)를 준비하고(S1), 이 강판 소재(s)를 프레스 금형(P)이라 불리우는 성형장치에 안착시켜 한 번에 로워 컨트롤 아암(m)으로 가공한 다.(S2) 이때, 프레스 금형(P)에서는 하형 금형에 대해 상형 금형이 상하운동하면서 강판 소재에 힘을 가해 로워 컨트롤 아암 형태로 가공하는 것이다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

자동차용 부품에 사용되는 일반 가공용 강판은 강도가 상승하면 성형성이 낮아지는 것이 일반적이고 복잡하고 성형량이 많은 부품에는 강도가 낮으면서 연신율이 높은 강판을 주로 사용하게 된다. 따라서 로워 컨트롤 아암에 사용되는 강판은 40~60kg급 강판을 주로 사용하게 된다. 그 결과 최종 부품의 강도가 낮고, 강성 및 내구성 확보를 위해 강판 소재의 두께를 증가시키게 되어 부품의 중량이 증가한다.

하지만 최근에는 각종 환경규제와 차량의 경량화 요구가 필수항목으로 됨에 따라 강판 소재의 두께를 증가시켜 고강도와 고내구성를 충족시키는 것은 자동차의 무게를 증가시켜 연비를 낮게하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 강판 소재의 두께를 증가시키지 않고도 로워 컨트롤 아암의 경량화가 가능하도록 고강도 열경화 소재를 적용하여 고강도와 내구성을 향상시키는 로워 컨트롤 아암의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 탄소(C) 0.18~0.30wt%, 망간(Mn) 0.5~2.0wt%, 실리콘(Si) 0 초과 0.5wt%이하, 황(S) 0 초과 0.02wt%이하, 인(P): 0 초과 0.014 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.001~0.01wt%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강판 블랭크를 가열로에서 900℃이상으로 가열한 후 프레스 금형에 추출하여 열간 프레스 성형하고 상온까지 냉각한 후, 소둔 열처리하여서 인장강도가 1000MPa이상, 연신율이 8%이상이 되도록 한다.

상기 강판 블랭크는 900℃이상으로 가열한 후 25초 이내에 상기 열간 프레스 성형을 실시한다.

상기 냉각은 상기 프레스 성형과 동시에 25~100℃/s의 냉각속도로 냉각하여 상온까지 냉각한다.

상기 소둔 열처리는 450~550℃까지 재가열하여 20~40분 동안 유지하고, 상온까지 공냉한다.

본 발명은 종래의 냉간 프레스 성형을 통해 제작되던 '로워 컨트롤 아암'을 열간 프레스 성형을 통해 제작한다. 따라서 강판 소재의 두께를 증가시키지 않고도 100kg 이상의 고강도 확보가 가능하다.

또한, 본 발명의 '로워 컨트롤 아암'은 고온에서 성형을 실시함에 따라 고강도 강판의 상온 성형시 나타나는 터짐 및 형상변형(Springback)현상 등이 거의 없다.

또한, 본 발명의 '로워 컨트롤 아암'은 열간 프레스 성형 후 소둔 열처리를 실시하여 내부 응력이 제거되도록 한다. 따라서 고하중과 토션, 벤딩, 트위스팅과 같은 외력에도 견딜수 있는 충분한 내구성이 확보된다.

이에 따라 본 발명의 '로워 컨트롤 아암'은 강판 소재의 두께를 증가시키지 않고도 고강도와 내구성 확보가 가능하다. 따라서 차량의 경량화를 통한 연비 절감효과를 기대할 수 있다.

이하 본 발명에 의한 로워 컨트롤 아암의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 로워 컨트롤 아암의 제조방법을 보인 공정도이고, 도 3은 본 발명에 의해 제조된 로워 컨트롤 아암의 조직을 종래와 대비하여 나타낸 현미경 조직사진이다.

본 발명은 보론(B), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 성분 등을 첨가하여 경화능을 향상시킨 강재를 Ac3 변태점 이상인 900℃ 정도의 고온으로 가열하여 완전 오스테나이트화시킨 다음, 이 강판을 프레스 금형에서 한 번에 부품형상으로 고온성형하면서 급속냉각을 통해 마르텐사이트화하여 고강도 자동차 부품을 제조하는 공법을 사용한다.

주지된 바와 같이, 강판은 고온으로 가열되면 연성이 좋아지기 때문에 냉간가공된 강판에 비해 성형성이 우수하고 그 강도가 아주 높아 자동차의 경량화에 크게 기여할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로워 컨트롤 아암은 강판 블랭크(s) 준비(S1) - 가열(S2) - 열간 프레스 성형(S3) - 소둔 열처리(S4) - 완성의 순서로 제조된다.

본 발명의 로워 컨트롤 아암은 탄소(C) 0.18~0.30wt%, 망간(Mn) 0.5~2.0wt%, 실리콘(Si) 0 초과 0.5wt%이하, 황(S) 0 초과 0.02wt%이하, 인(P): 0 초과 0.014 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.001~0.01wt%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가진다.

이러한 강판을 강판 블랭크로 만든 후 로워 컨트롤 아암으로 가공하기 위해 열간 프레스 성형을 실시한다.(S3) 열간 프레스 성형은 강판 블랭크를 가열로(D1)에서 900℃ 이상으로 가열한 후(S1) 프레스 금형(P)에서 실시한다(S2). 냉각은 프레스 성형과 동시에 이루어진다.(도시되지는 않았지만, 강판은 열간 프레스 성형전 블랭크로 이송하여 블랭킹하는 공정이 선행된다.)

이때, 강판 블랭크(s)는 대기중에서 마르텐사이트 변태가 일어나는 온도(약 600℃)까지 냉각되지 않도록 가열한 후 25초 이내에 성형한다. 이는 강판 블랭크가 대기중에 노출되면 초당 20℃정도의 냉각이 발생되고, 열간 프레스 성형시 오스테나이트 변태온도가 낮아 강판 블랭크의 성형성이 떨어지게 되기 때문이다.

그리고, 냉각은 프레스 금형(P)에 마련된 냉각수 공급부측으로 공급되는 냉각수를 통해 25~100℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각한다. 이와 같은 냉각속도는 오스테나이트가 펄라이트 또는 베이나이트로 변태되는 것을 방지한다. 즉, 냉각속도가 25℃/s보다 느릴 경우 펄라이트나 베이나이트 변태로 마르텐사이트 변태가 어렵고, 100℃/s보다 빠를 경우 열충격으로 인하여 표면균열이 발생하거나 깨질 수 있다.

냉각을 한 후에는 가열로(D2)에서 다시 450~500℃까지 재가열하여 20~40분 동안 열처리를 실시한다.(S4) 열처리 후에는 상온까지 공냉한다. 이러한 열처리는 조직 불균일 제거 및 내부응력을 제거하여 로워 컨트롤 아암의 조직을 개선한다. 즉, 열간 프레스 성형된 로워 컨트롤 아암 내의 응력을 풀어줌으로써 내구성을 보완한다.

로워 컨트롤 아암의 경우 고하중과 토션, 벤딩, 트위스팅과 같은 외력을 받는 부품이므로 마르텐사이트화를 통해 경화된 부품을 추가 열처리를 통해 연화시킴으로써 고 내구성을 확보하는 것이다.

열처리 온도는 450~500℃까지는 강도가 증가하나 그 이상은 급감하므로 상술한 범위 내로 열처리하는 것이 바람직하다. 열처리 유지시간은 20분 미만이면 효과가 미비하고, 40분을 초과하면 로워 컨트롤 아암의 강도가 현저하게 낮아질 수 있 으므로 유의한다.

이하 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C) 0.18~0.30wt%

탄소(C)는 강판에 고강도를 부여하기 위한 불가결한 원소이다. 하지만 강판의 열처리 경화능을 향상시키기 위해서는 적절한 탄소(C) 함량 조절이 필요하다.

탄소(C)는 함량이 0.18wt% 미만이면 강의 열처리 경화능이 낮아져 열처리 후 충분한 마르텐사이트 형성을 통한 인장강도를 확보할 수 없다. 그리고 탄소(C)는 함량이 0.30 wt% 이상인 경우에는 열처리 경화능의 향상에 의하여 충분한 인장강도를 확보할 수 있으나, 강의 열처리 이전 강도가 증가되어 제품의 성형에 어려움이 있다.

망간(Mn) 0.5~2.0wt%

망간(Mn)은 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후에 강판의 강도를 안정적으로 확보하는 기능을 갖는다. 망간은 0.5wt% 이상을 첨가하여야 1000MPa 이상의 인장강도를 확보할 수 있다. 하지만 2.0wt%이상 첨가시에는 내식성과 용접성이 저하되므로 2.0wt%이상은 첨가하지는 않는 것이 바람직하다.

실리콘(Si) 0 초과 0.5wt%이하

실리콘(C)은 제강공정에서 강중의 산소를 제거하기 위한 탈산제에 의해 잔류되는 원소로, 담글질성을 향상시키는 기능도 수반한다. 하지만 과다 첨가되면 강판 표면에 산화물을 형성하여 도금특성을 저해하고 부품 제조공정에서 용융금속의 점 도를 높여 강판 절단면에 문제를 야기하므로 상한치를 0.5wt%이하로 제한한다.

황(S) 0 초과 0.02wt%이하

황(S)은 중심편석 생성에 의하여 강판의 디스크와 림의 용접 가공성을 크게 저하시키므로 극미량 제어가 필요하다. 따라서 그 상한치를 0.02wt%이하로 제한한다.

인(P): 0 초과 0.014 wt%이하

인(P)은 통상의 탈린공정 후 용강에 0.020wt%정도 함유된다. 하지만 인은 고온상태에서 강의 열간 가공성을 저하하므로 고온 가공성 향상을 위하여 극미량 제어가 필요하다. 최근의 제강기술의 발달로 인하여 0.014wt% 이하 제어가 가능하므로 최대값으로 설정한다.

몰리브덴(Mo) 0.05~0.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%

몰리브덴(Mo)과 크롬(Cr)은 강의 열처리 경화능을 향상시켜 강판의 인성을 크게 함으로써, 자동차용 부재의 충격에너지 흡수를 높일 수 있다. 몰리브덴과 크롬은 합이 0.1wt% 미만으로 첨가되면 충분한 열처리 경화능을 확보할 수 없고, 1.0wt%를 초과하여 첨가할 때는 열처리 경화능이 더 이상 향상되지 않으므로 몰리브덴(Mo)와 크롬(Cr) 두 원소의 합을 0.1~1.0wt%로 설계하는 것이 바람직하다. .

보론(B) 0.001~0.01wt%

보론(B)은 소량의 첨가로도 강의 열처리 경화능을 크게 향상시킬 수 있어 열처리 후 높은 인장강도의 제품을 얻을 수 있다. 보론은 강판의 담금질성을 높이기 위해서 0.001wt%이상은 첨가되어야 한다. 그러나 과다 첨가시 고용 보론의 증가로 연신율이 감소하며 또한 보론이 표면상에 확산하여 도금성을 저하시킬 수 있으므로 그 상한치를 0.01wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상술한 합금원소 외에도 강도향상을 목적으로 알루미늄(Al), 타타늄(Ti) 등이 0.1wt% 이하로 함유될 수 있다.

본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 질소(N),산소(O) 등 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용된다.

이하, 상술한 로워 컨트롤 아암의 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

표 1은 본 발명과 종래의 합금설계안을 비교예와 발명예로 구분하여 나타낸 것이고, 표 2는 표1의 합금설계안에 따라 제조된 로워 컨트롤 아암 부품의 기계적 성질의 결과치를 나타낸 것이다.

(단위:wt%, 잔부 Fe)

구분	C	Si	Mn	P	S	Mo	Cr	B
비교예1	0.059	0.02	0.34	0.012	0.008	0.311	-	-
비교예2	0.076	0.195	0.784	0.017	0.007	0.001	-	-
비교예3	0.076	0.024	0.935	0.017	0.007	0.044	-	-
실시예1	0.191	0.214	1.414	0.014	0.008	0.051	0.051	0.002
실시예2	0.224	0.247	1.261	0.014	0.007	0.371	0.371	0.001
실시예3	0.235	0.271	1.881	0.014	0.008	0.074	0.074	0.007

구분	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
비교예1	437	298	23.3
비교예2	464	331	31.1
비교예3	603	425	22.8
실시예1	1156	894	11.7
실시예2	1188	899	12.3
실시예3	1116	836	12.9

표 2의 비교예는 표 1의 비교예의 합금설계를 가지는 강판 블랭크를 냉간 프레스 성형을 통해 제작하였다. 그리고, 표 2의 실시예는 표 1의 실시예의 합금설계를 가지는 강판 블랭크를 900℃ 이상으로 가열한 후 25초 이내에 열간 프레스 성형을 실시하고 금형에서 냉각하였다. 이 후, 500℃에서 30분 동안 소둔 열처리를 실시하고 공냉하였다.

표 1과 표 2를 살펴보면, 보론(B), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 성분 등을 첨가하고 고온 프레스 성형을 한 실시예의 경우 1000MPa 이상의 초고강도가 확보되어 비교예 대비 2.5배 이상의 강도 향상을 보임을 확인할 수 있다.

그리고, 연신율도 10%이상 확보되어 내구성도 확보됨을 알 수 있다.

그리고, 도 3의 조직사진을 보면, 본 발명의 로워 컨트롤 아암은 조직이 고강도와 인성이 확보되는 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite) 조직을 이룬 것을 확인할 수 있다. 템퍼드 마르텐사이트 조직은 경도가 높지만 인성이 부족해 충격에 쉽게 파손되는 마르텐사이트 조직에 비해 경도는 크게 저하되지 않으면서 인성이 크게 증가되므로 고강도와 내구성을 동시에 필요로 하는 로워 컨트롤 아암에 적합한 조직이라 볼 수 있다.

그리고, 도시되지는 않았지만, 시뮬레이션 결과 실시예가 비교예에 비해 30%이상의 적용 두께 감소도 확보되었다.

상술한 과정에 의해 진행되는 열간 프레스 성형은 열연강판, 냉연강판, 도금강판 등 다양한 강판에 적용될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래 로워 컨트롤 아암의 제조방법을 나타낸 공정도.

도 2는 본 발명에 의한 로워 컨트롤 아암의 제조방법을 보인 공정도.

도 3은 본 발명에 의해 제조된 로워 컨트롤 아암의 조직을 종래와 대비하여 나타낸 현미경 조직사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

m:로워 컨트롤 아암 s:강판

P:프레스 금형 D1,D2:가열로

Claims (4)

1. 탄소(C) 0.18~0.30wt%, 망간(Mn) 0.5~2.0wt%, 실리콘(Si) 0 초과 0.5wt%이하, 황(S) 0 초과 0.02wt%이하, 인(P): 0 초과 0.014 wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.05~0.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.001~0.01wt%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강판 블랭크를

   오스테나이트 조직을 갖도록 가열로에서 900℃ 이상으로 가열하고 프레스 금형에 추출하여 열간 프레스 성형하고 상온까지 냉각한 후, 소둔 열처리하여서 인장강도가 1000MPa이상, 연신율이 8%이상이 되도록 하되,

   상기 강판 블랭크는 가열로를 벗어난 후 25초 이내에 상기 열간 프레스 성형을 실시하고,

   상기 냉각은 상기 프레스 성형과 동시에 25~100℃/s의 냉각속도로 냉각하여 상온까지 냉각하며,

   상기 소둔 열처리는 450~550℃까지 재가열하여 20~40분 동안 유지하고, 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 로워 컨트롤 아암의 제조방법.
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