KR101491154B1 - 차량용 단조강 및 그 제조방법 - Google Patents

차량용 단조강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

탄소, 실리콘, 망간, 인, 황, 크롬, 니오븀, 및 철로 구성된 차량용 단조강 및 그 제조방법이 소개된다. 이 차량용 단조강은 단조강 조성물을 열간 단조한 후, 열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 1차 냉각하고, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 2차 냉각하며, 2차 냉각된 단조강 조성물을 상온 구간에서 5~15(℃/min) 냉각속도로 냉각 열처리하여 제조된다.
본 발명에 따르면, 저가 원소인 크롬, 니오븀을 통해 제품 원가를 절감하고, 다단의 냉각 열처리를 통해 내마모성, 피로강도, 및 가공성을 향상될 수 있다는 특유의 효과가 구현된다.
단조강, 캠샤프트, 크랭크샤프트, 커넥팅로드

Description

차량용 단조강 및 그 제조방법{FORGED STEEL FOR VEHICLES AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 크롬 및 니오븀이 첨가된 단조강 조성물을 제어 냉각하여 우수한 내마모성과 피로강도를 구현하는 차량용 단조강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
차량에는 캠샤프트, 크랭크샤프트, 커넥팅로드로 제조되는 단조강이 사용된다. 종래에는 단조품에 소입소려 열처리를 삭제하는 공냉형 비조질강이 사용되고 있다. 비조질강의 주요 첨가 원소는 바나듐(V), 티타늄(Ti), 및 브론(B) 등이 사용되고 있으며, 이 중에서 가장 대표적인 원소는 바나듐(V)이다.
그런데 이러한 단조강은 고가의 재료인 바나듐(V)이 사용됨에 따라, 단조강의 제조에 많은 비용이 소요된다는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 저가 원소를 사용하면서 내마모성, 피로강도, 및 가공성을 향상시킬 수 있는 차량용 단조강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 차량용 단조강의 제조방법은, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조를 실시한 후 냉각 열처리하여 제조되는 차량용 단조강의 제조방법으로서, 열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 하여 1차 냉각하고, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 하여 2차 냉각하며, 2차 냉각된 단조강 조성물을 상온 구간에서 5~15(℃/min) 냉각속도로하여 냉각 열처리하는 것을 특징으로 한다. 상기 단조강 조성물은 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 차량용 단조강은, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조를 실시한 후, 열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 하여 1차 냉각하고, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 하여 2차 냉각하며, 2차 냉각된 단조강 조성물을 상온 구간에서 5~15(℃/min) 냉각속도로하여 냉각 열처리하여 제조되는 것을 특징으로 한다. 상기 단조강 조성물은 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 저가 원소인 크롬, 니오븀을 통해 제품 원가를 절감하고, 다단의 냉각 열처리를 통해 미세조직을 저온 변태 생성물인 베이타이트화하여, 비조질강과 비교하여 내마모성, 피로강도, 및 가공성을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 니오 븀(Nb), 및 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조한 후 다단으로 냉각 열처리하여, 저가 원소를 사용하면서 내마모성, 피로강도, 및 가공성을 향상시킬 수 있다는 점에 가장 큰 특징이 있다.
이를 구현하기 위한 구성을 구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 단조강 조성물은, 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성되어, 차량의 캠샤프트, 크랭크샤프트, 커넥팅로드 등에 적용된다.
이러한 구성의 단조강에 있어서, 탄소(Carbon)은 원하는 기계적 강도를 확보하고, 실리콘(Si)은 기지 강화 요소를 구현하는 등, 단조강을 구성하는 각각의 구성요소는 독자의 특성이 있다.
따라서, 이들 구성요소들의 특성을 살리면서 내마모성, 피로강도, 및 가공성이 우수한 단조강을 제조하기 위해, 이들 구성요소들을 적절한 비율로 조합하는 것이 요구된다. 그 적절한 조합비를 구하기 위하여, 본 발명자는 수많은 시행착오를 거쳤으며, 그 결과 상기 비율의 구성이 가장 적합함을 발견하게 되었다.
이하, 본 발명에 따른 이지알쿨러의 조성 한정 이유를 살펴보면 다음과 같다.
(ⅰ) 탄소(C) 0.2~0.4 중량%
탄소는 강의 강도를 증가시키는 역할을 하는 주요 구성요소로, 탄소(C) 0.2~0.4 중량%는 원하는 기계적 강도를 확보할 수 있도록 하는 구성비이다. 탄소의 함량이 0.4 중량% 이상이면 내식성이 요구되는 부품의 성능을 저하시킬 수 있고, 탄소의 함량이 0.2 중량% 이하이면 탄소는 원하는 기계적 강도를 확보할 수 없게 될 수 있다.
(ⅱ) 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%
실리콘(Si)은 페라이트계 안정화 원소로서, 탈산제로 작용한다. 실리콘의 함량을 0.035 중량% 이상으로 적용하면 주조 도중 또는 주조 후 산화물의 형성이 많아질 수 있고, 실리콘의 함량이 0.001 중량% 이하인 경우, 고온 산화 및 부식 특성을 개선하는 효과를 기대하기 힘들다.
(ⅲ) 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%
망간(Mn)은 주조 과정에 탈산 또는 탈황제로서의 중요한 역할을 하며, MnO 또는 MnS를 형성시키기도 한다. 특히, 강 내에서 철(Fe)과 황(S)의 화합물(Inclusion)의 생성을 조기 차단함으로써, 고온 균열 발생을 억제시키는 역할을 한다. 이러한 망간은 조직 안정화 차원에서 해당 첨가량이 1.0 중량% 이상으로 많게 되면 유해한 원소로 작용될 수 있고, 망간이 0.5중량% 이하로 함유되면, 주조 과정에 탈산 또는 탈황제로서의 역활이 제대로 이루어지지 않게 될 수 있다.
(ⅳ) 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%
인(P)은 황(S)과 더불어 대표적인 저 융점 원소이고, 주조 후 냉각 존(Zone)에서 가장 늦게 응고하는 원소이기도 하다. 인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.03 중량% 이상이면, 열간 강도가 저하되거나 취성이 발생될 수 있으며, 인(P) 및 황(S)의 함량이 각각 0.001 중량% 이하이면 해당 기능이 미미해질 수 있다.
(ⅴ)크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%
크롬(Cr)은 페라이트계 스테인리스강 안정화 원소로, 부동태 피막의 균질화 및 치밀화는 크롬(Cr)의 함량과 연관이 있다. 크롬 함량이 0.2 중량% 이상일 경우에는 부동태 피막의 안정화 형성에 부작용이 예상되며, 크롬 함량이 0.05 중량% 이하일 경우에는 크롬의 기능이 미미해질 수 있다.
(ⅵ) 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%
니오븀(Nb)는 결정립 미세화 원소이며, 탄소와의 친화력이 매우 강하기 때문에 고온에서 탄화물을 우선 형성시켜 크롬 탄화물 형성에 의한 입계 예민화 현상을 사전 방지하는 효과가 있다. 특히, 공냉형 비조질강에는 일반적으로 첨가하지 않으며 소입형 강종에 쓰이는 원소로 저온 변태 생성물 중 하나인 마르텐사이트 미세조직일 때 강도 향상에 효과적이다. 이러한 니오븀은 0.5 중량% 이상의 함량에서는 응고 균열이 발생될 가능성이 커지고. 0.05 중량% 이하의 함량에서는 니오븀(Nb)의 기능이 미미해질 수 있다.
(ⅶ) 철(Fe) 잔부(殘部)
철(Fe)은 상술한 구성 성분의 나머지 부분인 잔부(殘部)로 구성되는데, 해당 철이 잔부 이상이거나 이하가 되면, 타 구성성분의 비율이 줄어들게 되어 타 구성성분을 통한 기능 구현이 미미해질 수 있다는 문제가 있다.
이와 같이, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 및 철(Fe)로 구성되는 단조강 조성물은, 열간단조된 후 냉각 열처리 공정을 통해 단조강으로 제조된다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 내마모성, 피로강도, 및 가공성 향상을 위해 크롬(Cr), 니오븀(Nb) 원소가 사용되는데, 이때, 저온 변태 생성물 조직인 베이나이트 조직을 생성하는 것이 필수적이다. 따라서, 본 실시예에서는 저가의 크롬(Cr) 및 니오븀(Nb)을 첨가한 단조강 조성물을 냉각 제어함으로써, 변태 생성물인 베이나이트 조직 생성으로 인한 Cr-석출물과 Nb-석출물 효과를 극대화하고 베이나이트 조직의 균일 생성을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 단조강의 제조방법 중에서 제어냉각 과정을 도시한 그래프이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상술한 구성의 단조강 조성물은, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 니오븀(Nb), 및 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조를 실시한 후, 냉각 열처리하여 제조되는데, 이때 냉각 제어는 3단계의 냉각 과정을 통해 이루어진다.
즉, 크롬(Cr), 니오븀(Nb)이 첨가된 단조강 조성물을 열간 단조하고, 열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 하여 1차 냉각한다. 이후, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 하여 2차 냉각한 후, 2차 냉각된 단조강 조성물을 상온 구간에서 5~15(℃/min) 냉각속도로하여 냉각 열처리한다. 이때, 3단계의 냉각과정이 이루어지지 않게 되거나 해당 냉각 조건을 만족하지 아니하면, 변태 생성물인 베이나이트 조직 생성으로 인한 Cr-석출물과 Nb-석출물 효과가 극대화될 수 없으며, 베이나이트 조직의 균일 생성을 얻을 수 없게 된다.
이로써, 본 발명은 종래 바나듐(V) 첨가 비조질강을 저가화할 수 있는 동시에, 바나듐(V) 첨가 비조질강 대비 강도 및 가공성이 증대될 수 있는 것이다.
여기서 사용되는 단조강 조성물은 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 단조강 조성물에 열간 단조를 실시한 후 냉각 제어하여 제조된 단조강의 우수성을 확인하는 시험 예1을 살펴 본다.
시험 예 1
아래의 표 1은 본 발명에 따른 조성을 갖는 단조강과, 종래 차량의 캠샤프트, 크랭크샤프트, 커넥팅로드에 적용되는 단조강을 비교하여 나타낸 것이고, 표 2는 제조된 단조강의 역학 물성치 측정하여 나타낸 것이다.
[표 1] 화학 성분함량 (중량%)
성분 C Si Mn P S Cr V Nb
실시범위 0.2
~0.4		 0.02
~0,035		 0.5
~1.0		 0.01
~0.03		 0.01
~0.03		 0.05
~0.2		 - 0.05
~0.5
실시예
(본발명)		 0.3 0.02 0.8 0.01 0.01 0.1 - 0.3
비교예
(종래)		 0.4 0.02 1.0 0.01 0.01 - 0.10 -
[표 2] 역학 물성치
구분 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 인성
(J/cm2)		 피로강도
(MPa)
실시예
(본발명)		 1000 850 60 430
비교예
(종래)		 900 680 30 380
표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명은 고가의 바나듐 대신에 저가의 크롬과 니오븀을 첨가함으로써, 제품의 원가를 절감하는 동시에, 크롬과 니오븀이 첨가된 단조강 조성물을 제어 냉각하여 베이나이트 조직 생성을 증진시킴으로써, 종래 단조강보다 인장강도, 피로강도 등 내구성을 향상시킬 수 있는 것이다.
상기에서 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 차량용 단조강의 제조방법 중에서 제어냉각 과정을 도시한 그래프.

Claims (4)

  1. 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조한 후 냉각 열처리하여 제조되는 차량용 단조강의 제조방법으로서,
    열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 1차 냉각하고, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 2차 냉각하며, 2차 냉각된 단조강 조성물을 200 내지 20℃에서 5~15(℃/min) 냉각속도로 냉각 열처리하는 것을 특징으로 하는 차량용 단조강의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 탄소(C) 0.2~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.001~0.035 중량%, 망간(Mn) 0.5~1.0 중량%, 인(P) 0.001~0.03 중량%, 황(S) 0.001~0.03 중량%, 크롬(Cr) 0.05~0.2 중량%, 니오븀(Nb) 0.05~0.5 중량%, 그리고 잔부(殘部)는 철(Fe)로 구성된 단조강 조성물을 열간 단조를 실시한 후, 열간 단조된 단조강 조성물을 1000~500℃ 구간에서 150~200(℃/min) 냉각속도로 1차 냉각하고, 1차 냉각된 단조강 조성물을 500~200℃ 구간에서 50~150(℃/min) 냉각속도로 2차 냉각하며, 2차 냉각된 단조강 조성물을 200 내지 20℃에서 5~15(℃/min) 냉각속도로 냉각 열처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 차량용 단조강.
  4. 삭제
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JP2005532480A (ja) 2002-07-11 2005-10-27 サンワ・スチール・カンパニー・リミテッド 冷間圧造特性に優れた焼入れ焼戻し熱処理鋼線
KR100610933B1 (ko) 2002-06-29 2006-08-09 현대자동차주식회사 단조 분할 커넥팅 로드의 열처리 방법

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