KR101284294B1 - 비조질강 제품의 제조방법 - Google Patents

비조질강 제품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및 600℃ 이상의 온도에서 이루어지는 온간코이닝(coining)단계;를 포함하는 비조질강 제품의 제조방법이 소개된다.

Description

비조질강 제품의 제조방법 {PRODUCING METHOD FOR NON QUENCHED AND TEMPERED STEEL PRODUCT}
본 발명은 비조질강 제품의 강도를 향상시키고 제조공정을 획기적으로 단축시킬 수 있는 비조질강 제품의 제조방법에 관한 것이다.
조질 열처리를 하지 않는 비조질강 조성물로 구성된 커넥팅로드를 포함한 제품의 강도를 향상시키는 방법으로는 주로 합금성분의 첨가에 의한 방법과 단조 후 제어냉각에 의한 조직 미세화로 강도 상승을 추구하였다.
그러나 전자의 경우, 합금성분 첨가는 소재 가격의 상승을 초래해 강도 상승 원소의 첨가에 한계를 가지고 있으며, 후자의 경우는 가장 빠른 방법도 냉각속도가 5℃/s 이하로 조직 미세화에 한계를 가지고 있었다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 종래의 커넥팅로드 단조는 열간상태에서 변형이 완료되면, 숏블라스트 실시 후 냉간상태에서 코이닝(coining) 공정으로 벤딩 및 대/소단부 치수를 교정하고, 코이닝시 생성된 잔류응력을 열처리를 별도로 실시하여 제거한 후, 숏블라스트로 스케일제거 및 표면을 매끄럽게 만들었다. 하지만, 2중의 숏블라스트 공정 및 잔류응력제거열처리 공정이 추가되어 가격 상승을 초래하였다. 더불어, 공정에 의한 강도 상승은 효과면에서도 미미하였다.
종래의 경우, 단조에 의한 성형공정은 제품 형상의 상하 금형에 압연 소재를 투입하여 프레스로 압력을 가하여 형상을 만드는 공정으로서, 도 2에서 볼 수 있듯이, 통상 2~3회 프레스 공정으로 최종 형상을 만들게 되고, 3회 프레스 시에는 버스터(Buster) - 블로커(Blocker) - 피니셔(Finisher) 공정을 거치며, 최종 제품의 체적을 100%라고 할 때, 버스터 공정에서는 120~130%, 블로커 공정은 110~120%, 피니셔 공정에서는 최종 100%의 체적율을 갖도록 하였다. 참고로, 버스터 공정은 소재를 크게 압축하여 스케일을 제거하고 적절한 단조비를 유지하는 것이다. 블로커 공정은 버스터된 소재를 피니셔 형상에 가깝도록 하여 피니셔 공정을 원활하게 한다. 단계별 체적율은 금형 설계 단계에서 성형 해석 등의 simulation을 거쳐 결정하게 된다.
숏블라스트 공정은 숏 또는 그릿(grit)이라고 하는 금속,비금속의 미세한 입자를 제품 표면에 분사하여 스케일 및 흑피를 제거하는 공정이며, 냉간 코이닝은 도 3에서 볼 수 있듯이, 단조 후 냉각된 제품을 코이닝 금형에 올려 놓고 일정 압력으로 눌러 주어 굽음 교정 및 대단부, 소단부 두께를 제어하는 공정으로서, 새로운 형상의 성형이 아니라 커넥팅로드 등의 굽힘부를 개선하기 위한 작업이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 급속냉각에 의한 조직미세화와 온간코이닝에 의한 가공 경화로 강도가 상승하며, 연속적인 응력제거 공정과 숏블라스트 공정 삭제로 생산성 및 원가절감을 가져올 수 있는 비조질강 제품의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비조질강 제품의 제조방법은, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및 600℃ 이상의 온도에서 이루어지는 온간코이닝(coining)단계;를 포함할 수 있다.
또는, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 급냉하는 급냉단계; 및 600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및 600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 열간단조단계는, 강재를 버스터(buster)단계에서 체적율 140% 이하까지 가공하고, 블로커(blocker)단계에서 체적율 130% 이하까지 가공하며, 피니셔(finisher)단계에서 체적율 120% 이하까지 가공하도록 할 수 있다.
또한, 상기 온간코이닝단계는, 코이닝(coining)된 소재를 550~650℃의 온간이 유지되는 로(furnace) 내에서 이송하여 잔류응력을 제거하는 온간유지이송단계;를 더 포함하도록 할 수 있다.
그리고, 상기 온간유지이송단계는, 이송된 소재의 스케일을 제거하는 숏블라스트단계;를 더 포함하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 소재는 차량용 커넥팅로드일 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 비조질강 제품의 제조방법에 따르면, 본 발명에 의해 단조 후 냉각시 10℃/sec 이상의 급속냉각에 의한 조직미세화와 온간 코이닝에 의한 가공경화로 강도가 상승하며, 연속적인 응력제거 공정과 숏블라스트 공정 삭제로 생산성 및 원가절감을 가져올 수 있다.
도 1은 종래의 커넥팅로드의 제조방법을 나타내 도면.
도 2는 종래의 열간단조에 따라 생성되는 소재의 형상을 나타낸 도면.
도 3은 종래의 냉간코이닝 작업을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥팅로드의 제조방법을 나타낸 도면.
도 5는 도 4에 도시된 비조질강 제품의 제조방법에서 사용된 온간코이닝 장비를 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 비조질강 제품의 제조방법에 대하여 살펴본다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질강 제품의 제조방법을 나타낸 도면으로서, 그러한 비조질강 제품의 제조방법은, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및 600℃ 이상의 온도에서 이루어지는 온간코이닝(coining)단계;를 포함한다.
다른 측면에서의 비조질강 제품의 제조방법은, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 급냉하는 급냉단계; 및 600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함할 수 있다.
그리고 또 다른 측면에서의 비조질강 제품의 제조방법은, 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및 600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함할 수 있을 것이다.
즉, 본 발명의 비조질강 제품의 제조방법은, 크게 열간단조, 급속냉각, 온간코이닝으로 구성된다. 구체적인 실시에로는 차량의 부품인 커넥팅로드를 들 수 있으며, 이는 커넥팅로드의 경우 종래와 같이 굽힘부분을 잡기 위한 냉간코이닝 작업이 본 발명에 따르면 생략될 수 있어 절감효과가 크기 때문이다.
이를 위한 비조질강의 조성물은 다음과 같다. C : 0.30~0.60 wt%, Si : 0.50~2.0 wt%, Mn : 0.80~1.40 wt%, P : 0.005~0.10 wt%, S : 0.05~0.10 wt%, Al : 0 초과 0.050 wt% 이하, Cr : 0 초과 0.40 wt% 이하, V : 0.05 ~ 0.35 wt%, Ti : 0 초과 0.15wt 이하, Nb : 0 초과 0.05wt% 이하, Zr : 0.010~0.080 wt%, N : 0 초과 0.030 wt% 이하, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe) 및 불순물을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 한다.
강도 향상을 위한 제조방법은 체적율 120% 이하까지 열간단조 후 냉각시 단조재의 온도가 A1 변태점 직하 680℃가 될 때까지 고압의 질소가스를 불어주어 10℃/s 이상의 급속냉각을 통해 결정립 미세화에 의한 강도 증가와 스케일을 제거하여 종래 숏블라스트 공정의 삭제가 가능하다(도 1의 기존 공정에서는 냉간코이닝시 스케일이 존재하면 코이닝시 스케일이 소재로 말려 들어가 결함이 될 수 있으므로 숏블라스트는 반드시 필요한 공정이었음).
더불어 A1 변태점 직하가 되면, 체적율 120% 이하로 상/하/좌/우 사방면을 온간코이닝을 실시하여 치수정밀화 및 트리밍 공정에서 생긴 플래쉬를 제거하기 때문에 종래에 필요하였던 가공시 사이드부의 밀링공정 생략이 가능하다. 도 5는 이러한 온간코이닝 장비를 나타낸 것으로서, 소재의 상/하/좌/우 사방면에서 소재를 압축하며 체적율 120%에서 100%에 가깝게 소재를 가공하게 된다. 이는 종래에 굽힘부의 교정과 같이 상하로만 눌러 비교적 단순히 교정만을 행하던 코이닝 작업(도 3 참조)과는 개념이 상이한 것으로서, 온도 분위기의 가열과 사방면에서의 가공을 통해 소재의 성형적인 측면과 교정적인 측면을 동시에 수행하는 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
또한, 온간코이닝시 소성변형에 의한 가공경화 효과로 추가 강도 향상이 가능하다. 온간코이닝 후에는 가열이 가능한 벨트 컨베이어 로(furnace)에서 600℃, 20분 이상 유지하여 잔류응력을 제거하며, 이를 통해 소재를 이송함과 동시에 강화가 가능해진다. 따라서, 종래에 냉간코이닝에 의한 잔류응력제거열처리(SRA) 작업의 생략을 통해 원가절감이 가능하다.
기존 공정은 열간단조와 냉각 후 냉간코이닝, 숏블라스트, SRA 공정이 별개의 설비에서 불연속적으로 수행되어 생산성이 낮으나, 본 발명의 공정은 온간코이닝 후 온간유지공정이 연속적으로 유지되며 이송과 강화의 역할을 통시 수행하기 때문에 높은 생산성을 가질 수 있다. 본 발명은 급속냉각 공정, 온간코이닝에 의해 강도향상, 연속적인 보온 유지 구간을 통한 공정생략 및 품질 향상을 도모하는 특유의 효과가 구현된다.
구체적으로, 본 발명에 따르면, 상기 열간단조단계는, 강재를 버스터(buster)단계에서 체적율 140% 이하까지 가공하고, 블로커(blocker)단계에서 체적율 130% 이하까지 가공하며, 피니셔(finisher)단계에서 체적율 120% 이하까지 가공하도록 할 수 있다. 즉, 종래와 같이 피니셔 단계에서 체적율 100%가 아닌 120%로 가공을 하고, 나머지 20%는 추후 온간코이닝시 압축에 의해 잡아주도록 함으로써 숏블라스트, 냉간코이닝 등의 작업을 삭제할 수 있는 것이다. 그리고, 온간코이닝시의 소성변형에 의해 추가적인 강도상승의 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기 온간코이닝단계는, 코이닝(coining)된 소재를 550~650℃의 온간이 유지되는 로(furnace) 내에서 이송하여 잔류응력을 제거하는 온간유지이송단계;를 더 포함하도록 하여 이송과 잔류응력제거를 동시에 수행토록 한다. 그리고, 상기 온간유지이송단계는, 이송된 소재의 스케일을 제거하는 숏블라스트단계;를 더 포함하도록 하여 최종적으로 소재를 매끈하게 다듬는다. 즉, 본 발명에서는 종래와 달리 최종적으로 1회의 숏블라스트 작업만을 수행할 수도 있는 것이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (7)

  1. 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계;
    상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및
    600℃ 이상의 온도에서 이루어지는 온간코이닝(coining)단계;를 포함하고,
    상기 온간코이닝단계는, 코이닝(coining)된 소재를 550~650℃의 온간이 유지되는 로(furnace) 내에서 이송하여 잔류응력을 제거하는 온간유지이송단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
  2. 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계;
    상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 급냉하는 급냉단계; 및
    600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함하고,
    상기 온간코이닝단계는, 코이닝(coining)된 소재를 550~650℃의 온간이 유지되는 로(furnace) 내에서 이송하여 잔류응력을 제거하는 온간유지이송단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
  3. 강재를 1150~1250℃로 가열하여 체적율 120% 이하가 될 때까지 가공하는 열간단조단계;
    상기 열간단조단계에서 가공된 소재를 냉각속도 10℃/s 이상으로 650~700℃까지 급냉하는 급냉단계; 및
    600~680℃의 온도에서 소재의 상/하/좌/우 사방면을 코이닝하여 체적율 100~120%가 될 때까지 가공하는 온간코이닝(coining)단계;를 포함하고,
    상기 온간코이닝단계는, 코이닝(coining)된 소재를 550~650℃의 온간이 유지되는 로(furnace) 내에서 이송하여 잔류응력을 제거하는 온간유지이송단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열간단조단계는, 강재를 버스터(buster)단계에서 체적율 140% 이하까지 가공하고, 블로커(blocker)단계에서 체적율 130% 이하까지 가공하며, 피니셔(finisher)단계에서 체적율 120% 이하까지 가공하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온간유지이송단계는, 이송된 소재의 스케일을 제거하는 숏블라스트단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소재는 차량용 커넥팅로드인 것을 특징으로 하는 비조질강 제품의 제조방법.
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