KR101612367B1

KR101612367B1 - 물성이 향상된 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101612367B1
Application number: KR1020140017862A
Authority: KR
Inventors: 박재봉; 이창구
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2016-04-14
Also published as: US20150232972A1; KR20150096942A; DE102014224024A1; CN104846294B; CN104846294A; US10704126B2

Abstract

본 발명은 탄소(C), 실리콘(Si), 망가니즈(Mn), 황(S), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 질소(N) 및 철(Fe) 등을 포함한 비조질강 조성물과 이를 이용하여 제조한 커넥팅 로드 그리고 커넥팅 로드의 항복강도와 피로강도 등을 향상시키기 위한 열처리 기술을 포함한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 조성물 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함함으로써, 제조되는 커넥팅 로드의 하중이 집중되는 부분인 생크부는 베이나이트 조직이 함유되고 피삭성이 요구되는 대단부와 소단부는 펄라이트 조직과 페라이트의 혼합조직이 형성되어 항복강도 및 피로강도 등을 향상시킬 수 있는 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

물성이 향상된 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드 및 이의 제조방법{NON-NORMALIZED STEEL COMPOSITION WITH IMPROVED MATERIAL PROPERTIES AND THE CONNECTING ROD USING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THE CONNECTING ROD}

본 발명은 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄소(C), 실리콘(Si), 망가니즈(Mn), 황(S), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 질소(N) 및 철(Fe) 등을 포함한 비조질강 조성물과 이를 이용하여 제조한 커넥팅 로드 그리고 커넥팅 로드의 항복강도와 피로강도 등을 향상시키기 위한 열처리 기술을 포함한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 엔진용 커넥팅 로드는 피스톤에 연결되어 실린더 내를 왕복하며, 엔진의 팽창 행정에서 고온 및 고압의 가스압력을 받으며 발생한 피스톤의 직선 왕복운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환하는 엔진 시스템의 주요 구동 부품이다.

특히, 상기 커넥팅 로드는 피스톤과 크랭크축을 연결하며, 피스톤의 직선운동을 크랭크축의 회전운동으로 변환시키고, 피스톤에 작용하는 힘을 크랭크축에 전달하여 크랭크축에 회전토크가 발생하도록 하는 역할을 한다.

보다 상세하게, 상기 커넥팅 로드는 크게 세 부분으로 구분할 수 있는데, 피스톤 핀과 결합되는 소단부(small end), 크랭크 샤프트에 결합되는 대단부(big end) 및 상기 소단부와 대단부를 일체로 연결하는 생크부로 구분될 수 있다. 이와 같은, 상기 커넥팅 로드는 압축력, 인장력 및 휨 등의 하중을 지속적으로 받기 때문에 충분한 강도와 강성 등이 요구되었다.

최근에 자동차의 엔진은 고연비 및 환경규제(배출가스) 등을 만족하기 위하여 실린더 내부에 연료를 직접 분사하는 방식인 가솔린 직분사(GDI) / 터보 가솔린 직분사(TGDI) 방식의 엔진이 개발되고 있는데, 이러한 엔진은 종래 엔진에 비해 높은 연소압을 발생시키고, 상기 높은 연소압으로 인한 피스톤의 압력을 받는 커넥팅 로드는 더 높은 압축력, 인장력 및 휨 등의 하중을 받게 되었다.

한편, 상기 커넥팅 로드를 제조하는 제조 방법은 열간단조, 소결 및 주조 방법 등이 있다.

상기 열간단조 방법은 소재를 재결정 온도 이상으로 가열한 후 금형과 단조 기계로 금속 재료에 압하 하중을 가하여 성형하는 가공 방법이다. 또한, 상기 소결 방법은 금속 분말을 제조하려는 커넥팅 로드의 형상으로 냉각 압축 성형한 다음 가열로에서 소결하여 제조하는 방법이다. 또한, 상기 주조 방법은 제조하려는 커넥팅 로드의 형상에 대응되는 내부 공간을 가지는 주형에 용탕을 주입하여 응고시킴으로써 제조하는 방법이다.

상기 주조방법은 상기 열간단조 방법과 소결 방법에 비해 기계적 물성, 즉, 기계적 강도가 현저히 낮은 단점 때문에 거의 사용되지 않으며, 통상의 열간단조 방법 또는 소결 방법 등을 통해 커넥팅 로드가 제조되고 있는데, 주로 열간단조 방법으로 제조되고 있다.

그러나 종래의 열간단조 방법으로는 높은 성능의 항복강도와 피로강도 등을 확보하는데 한계가 있어서, 커넥팅 로드를 제조하는데 새로운 기술의 개발이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 조성물에 대한 최적의 구성성분 및 함량을 설정함과 아울러 상기 조성물을 이용하여 제조된 커넥팅 로드의 항복강도와 피로강도 등을 향상시키는데, 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 비조질강 조성물은 전체 조성물 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 조성물은 크로뮴(Cr) 0.2 중량% 이하를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 조성물은 인(P) 0.03중량%, 구리(Cu) 0.21중량%, 니켈(Ni) 0.07중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.008중량% 및 알루미늄(Al) 0.008중량%을 더 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 비조질강 조성물을 이용하여 제조되는 커넥팅 로드는 베이나이트 조직을 함유하는 생크부; 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 함유하는 대단부; 및 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 함유하는 소단부; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 커넥팅 로드의 제조방법은 상기 비조질강 조성물을 약 1,200~1,300℃로 가열하는 제1단계; 상기 가열된 조성물을 약 1,000~1,200℃에서 버스터(buster), 불로커(blocker), 피니셔(finisher), 트리밍(trimming) 및 피어싱(piercing) 공정을 포함하는 열간단조를 통해 단조품을 제조하는 제2단계; 상기 제조된 단조품을 염욕을 이용하여 제어냉각하는 제3단계; 상기 제어냉각된 단조품을 쇼트 블라스트하는 제4단계; 상기 쇼트 블라스트된 단조품을 냉간 코이닝하는 제5단계; 상기 냉간 코이닝된 단조품을 응력 제거 어닐링(stress relief annealing)하는 제6단계; 및 상기 어닐링된 단조품을 쇼트 블라스트하여 커넥팅 로드를 제조하는 제7단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제3단계의 염욕은 알칼리(Alkali)-질산염(Nitrate)욕, 질산염(Nitrate)욕, 수산화칼륨(KOH)욕, 수산화나트륨(NaOH)욕 염화바륨(BaCl₂)욕, 염화나트륨(NaCl)욕 또는 연(Pb)욕인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단계의 제어냉각의 냉각온도는 150~600℃인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제3단계의 제어냉각의 냉각속도는 5~20℃/sec인 것이 바람직하다.

또한, 상기 제6단계의 응력 제거 어닐링은 550~650℃의 온도에서 60분 이상 실시하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 조성물을 이용하여 제조되는 커넥팅 로드의 하중이 집중되는 부분인 생크부는 베이나이트 조직이 함유되고 피삭성이 요구되는 대단부와 소단부는 펄라이트 조직과 페라이트의 혼합조직이 형성됨으로써, 항복강도 및 피로강도 등을 향상시킬 수 있다.

도 1은 커넥팅 로드를 보여주는 사진이다.
도 2는 커넥팅 로드의 생크부의 베이나이트 조직을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 3은 케넥팅 로드의 대단부 및 소단부의 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 보여주는 전자현미경 사진이다.
도 4는 본 발명에 따른 커넥팅 로드의 제조방법을 보여주는 공정도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 표 및 도면 등을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 피로강도 등의 물성이 향상되고 열처리의 생략이 가능한 비조질강 조성물과 이를 이용한 커넥팅 로드 및 이의 제조방법에 관한 것으로 일관점에서, 본 발명은 물성이 향상된 비조질강 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 비조질강 조성물은 바나듐(V) 및 티타늄(Ti)의 복합첨가와 질소(N)의 함량을 조절함으로써 발생되는 VCN(바나듐 탄질화물)에 의한 석출강화 효과와 TiCN(티타늄 탄질화물)에 의한 결정립 미세화 효과 등에 의해 상기 비조질강 조성물의 물성을 향상시키는 것이 바람직하다.

따라서 본 발명은 필수 성분으로서 전체 조성물 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함하는 것을 특징으로 하며, 선택적으로 크로뮴(Cr) 0.2 중량% 이하를 더 포함할 수 있다. 또한, 본 발명은 전체 조성물 중량에 대하여 인(P) 0.03중량%, 구리(Cu) 0.21중량%, 니켈(Ni) 0.07중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.008중량% 및 알루미늄(Al) 0.008중량% 등을 더 포함할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 탄소(C)는 조성물의 강도와 경도 등의 향상에 큰 영향을 미치는 원소로서, 상기 탄소(C)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여, 약 0.30~0.55중량%인 것이 바람직하다. 상기 탄소(C)의 함량이 0.30중량% 미만일 경우, 조성물의 충분한 강도와 경도 등을 확보하기 어려우며, 상기 탄소(C)의 함량이 0.55중량% 초과일 경우, 조성물의 강도 등은 향상될 수 있으나 연신율이 급격히 저하되어 냉간가공성이 저하될 수 있다.

상기 실리콘(Si)은 조성물의 페라이트 기지조직을 강화하는 역할을 하며, 열간 단조로 제조되는 커넥팅 로드의 대단부의 파단분할이 용이하게 될 수 있도록 하는 역할을 한다. 상기 실리콘(Si)은 전체 조성물 중량에 대하여, 약 0.80~1.20중량%인 것이 바람직한데, 상기 함량이 0.80중량% 미만일 경우, 페라이트 기지조직 강화 효과가 저감될 수 있으며, 상기 함량이 1.20중량% 초과일 경우, 조성물의 취성이 유발될 수 있다.

상기 망가니즈(Mn)는 조성물의 탈산 또는 탈황제로서의 역할을 하며, 조성물 중에 포함되는 황(S)과 결합하여 비금속 개재물인 MnS를 형성하여 조성물의 연성이 증가할 수 있으며, 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용강화시켜 조성물의 강도를 높이는 역할을 한다.

상기 망가니즈(Mn)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여 약 0.80~1.20중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.80중량% 미만일 경우, 조성물의 강도 향상이 억제될 수 있으며, 상기 함량이 1.20중량% 초과일 경우, 조성물의 내산성과 내산화성 등이 저하될 수 있다.

상기 황(S)은 강 중에서 망간(Mn)과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 가공성을 향상시키며 조성물의 피삭성 등을 개선시키는 역할을 한다. 상기 황(S)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여 약 0.06~0.10중량%인 것이 바람직하다. 상기 황(S)의 함량이 0.06중량% 미만일 경우, 충분한 가공성 및 피삭성 등을 확보하기 어려우며, 상기 황(S)의 함량이 0.10중량% 초과일 경우, 철(Fe)과 반응하여 FeS를 형성할 수 있으며, 상기 FeS는 용융점이 낮기 때문에 열간 및 냉간 가공 시 조성물의 균열을 유도할 수 있다.

상기 바나듐(V)은 미세한 탄질화물을 석출시켜 조성물의 강도 등을 향상시키는 역할을 한다. 상기 바나듐(V)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여, 약 0.20~0.35중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.20중량% 미만일 경우, 조성물의 강도 등의 향상에 제한이 생길 수 있으며, 상기 함량이 0.35중량% 초과일 경우, 조성물의 취성이 증가하고 성능이 포화되어 경제성이 저하될 수 있다.

상기 티타늄(Ti)은 탄질화물을 생성하여 결정립 미세화에 의한 항복강도 및 피로강도 등을 향상시키는 역할을 한다. 상기 티타늄(Ti)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여 약 0.01~0.20중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.01중량% 미만일 경우, 충분한 항복강도 및 피로강도 등을 확보하기 어려울 수 있으며, 상기 함량이 0.20중량% 초과일 경우, 조성물의 취성 등이 증가할 수 있는 단점이 있다.

상기 질소(N)는 극히 미량으로 존재하더라도 조성물의 기계적 성질에 큰 영향을 미치는 원소로, 조성물의 인장강도 및 항복강도 등을 증가시키는 역할을 한다. 상기 질소(N)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여 약 0.005~0.02중량%인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.005중량% 미만일 경우, 조성물의 인장강도 및 항복강도 등의 증가가 억제될 수 있으며, 상기 함량이 0.02중량% 초과일 경우, 조성물의 연신율 등이 저하되고 취성이 증가될 수 있는 문제가 있다.

상기 크로뮴(Cr)은 조성물의 강도 및 소입성 등을 향상시키는 역할을 하며, 상기 크로뮴(Cr)의 함량은 전체 조성물 중량에 대하여, 0.2 중량% 이하인 것이 바람직하다. 상기 함량이 0.2중량% 초과일 경우, 기능의 포화로 인한 경제성의 저하를 야기할 수 있다.

본 발명에 따른 물성이 향상된 비조질강 조성물은 우수한 피로강도 등을 요구하는 자동차용 부품등에 적용되는 것이 바람직하며, 특히 자동차용 커넥팅 로드 등에 적용되는 것이 보다 바람직하다.

다른 관점에서, 본 발명은 물성이 향상된 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드에 관한 것이다.

상기 커넥팅 로드의 구성성분은 전체 커넥팅 로드 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물 등을 포함하는 것이 바람직하다.

도 1은 커넥팅 로드를 보여주는 사진이다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 상기 커넥팅 로드는 생크부(10), 대단부(20) 및 소단부(30) 등으로 구분될 수 있다. 상기 생크부(10)는 베이나이트 조직을 포함하는 것이 바람직하고 상기 대단부(20) 및 소단부(30)는 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 포함하는 것이 바람직하다.

도 2는 커넥팅 로드의 생크부의 베이나이트 조직을 보여주는 전자현미경 사진이고 도 3은 케넥팅 로드의 대단부 및 소단부의 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 보여주는 전자현미경 사진이다.

따라서, 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 포함하는 대단부(20) 및 소단부(30)는 피삭성 등이 우수하여 높은 가공성 등을 가질 수 있으며, 기계적 하중이 주로 가해지는 상기 베이나이트 조직을 포함하는 생크부(10)는 우수한 피로강도 및 항복강도 등을 가질 수 있다.

이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 물성이 향상된 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명은 상기 물성이 향상된 비조질강 조성물을 이용한 커넥팅 로드 등의 제조방법에 관한 것이며, 상기 커넥팅 로드는 단조, 특히 열간단조 등을 통해 제조되는 것이 바람직하다.

상기 커넥팅 로드를 제조하는 방법은 비조질강 조성물을 약 1,200~1,300℃로 가열하는 제1단계; 상기 가열된 조성물을 약 1,000~1,200℃에서 버스터(buster), 불로커(blocker), 피니셔(finisher), 트리밍(trimming) 및 피어싱(piercing) 공정을 포함하는 열간단조를 통해 단조품을 제조하는 제2단계; 상기 제조된 단조품을 염욕을 이용하여 제어냉각하는 제3단계; 상기 제어냉각된 단조품을 쇼트 블라스트하는 제4단계; 상기 쇼트 블라스트된 단조품을 냉간 코이닝하는 제5단계; 상기 냉간 코이닝된 단조품을 응력 제거 어닐링(stress relief annealing)하는 제6단계; 및 상기 어닐링된 단조품을 쇼트 블라스트하여 커넥팅 로드를 제조하는 제7단계; 등을 포함하는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로 도 4는 본 발명에 따른 커넥팅 로드의 제조방법을 보여주는 공정도이다. 상기 공정도에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 조성물을 1,200~1,300℃로 가열한 다음 약 1,000~1,200℃에서 버스터(buster), 불로커(blocker) 및 피니셔(finisher) 등을 수행하고 트리밍(trimming) 및 피어싱(piercing) 등의 열간단조 공정을 마친 후 냉각제어를 통한 열처리를 진행하는 것이 바람직하다.

상기 열처리는 급랭열처리와 항온상태를 유지하여 베이나이트(bainite) 조직을 형성하기 위해 염욕(salt bath)으로 ?칭하는 것이 바람직하다. 상기 베이나이트 조직은 탄소강 또는 합금강을 염욕을 이용하여 ?칭하여 등온변태(isothermal transformation)를 일으켰을 때 형성되는 조직이다.

상기 염욕은 사용하는 염의 종류에 따라 알칼리(Alkali)-질산염(Nitrate)욕, 질산염(Nitrate)욕, 수산화칼륨(KOH)욕, 수산화나트륨(NaOH)욕 염화바륨(BaCl₂)욕, 염화나트륨(NaCl)욕 또는 연(Pb)욕 등인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 염욕이 사용되는 제어냉각의 냉각 온도는 효과적인 베이나이트 조직의 형성을 위하여 600℃이하인 것이 바람직하며 150~600℃인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 제어냉각의 냉각 속도는 효과적인 베이나이트 조직의 형성을 위하여 5~20℃/sec인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제3단계의 상기 염욕이 사용되는 제어냉각 단계에서 커넥팅 로드의 생크부(10)를 형성하는 부분은 상대적으로 얇은 두께로 인하여 냉각속도가 상대적으로 높아 베이나이트 조직이 형성되기 용이하며, 반대로 커넥팅 로드의 대단부(20)와 소단부(30)를 형성하는 부분은 상대적으로 두꺼운 두께로 인하여 냉각속도가 상대적으로 낮아 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 형성하기 용이하다.

이와 같이, 열처리된 단조품의 표면을 연마하기 위하여 쇼트 블라스트(shot blast) 공정을 거치는 것이 바람직하다.

상기 쇼트 블라스트 공정을 거친 단조품은 표면 거칠기를 개선하고 교정을 위하여 냉간 코이닝(coining) 공정을 거치는 것이 바람직하다.

상기 냉간 코이닝 공정을 거친 단조품은 상기 단조품 내부의 잔류 응력을 제거하기 위해 약 550~650℃의 온도에서 약 60분 이상 응력 제거 어닐링(stress relief annealing) 공정을 거치는 것이 바람직하다. 상기 어닐링 공정을 거친 단조품의 표면을 연마하기 위하여 다시 쇼트 블라스트(shot blast) 공정을 거쳐 커넥팅 로드를 제조하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 비조질강 조성물을 이용하여 제조한 단조품인 커넥팅 로드의 실시예를 종래 비교예의 물성과 비교하여 그 우수성을 확인하였다.

구분	단위	실시예 1	비교예 1
C	중량%	0.36	0.36
Si	중량%	1.01	0.6
Mn	중량%	1.0	1.0
P	중량%	0.03	0.03
S	중량%	0.07	0.07
Cu	중량%	0.21	0.21
Ni	중량%	0.07	0.07
Cr	중량%	0.15	0.23
Mo	중량%	0.008	0.008
Al	중량%	0.008	0.008
V	중량%	0.30	0.30
Ti	중량%	0.04	-
N	중량%	0.0111	-
Fe	중량%	잔부	잔부

상기 표 1은 본 발명에 따른 구성성분 및 함량을 만족하는 실시예 1과 종래 양산되는 커넥팅 로드의 구성성분 및 함량을 만족하는 비교예 1을 비교한 표이다.

구분	단위	실시예 1	비교예 1
항복강도	MPa	857	754
인장강도	MPa	1100	984
신율	%	15.0	12.1
굽힘 피로강도	MPa	549	471
충격값	J/㎠	9.7	44.6

상기 표 2는 상기 표 1의 구성성분 및 함량을 만족하는 실시예 1과 비교예 1를 열처리 공정 없이 제조 후 항복강도, 인장강도, 신율, 굽힘 피로강도 및 충격값을 비교한 표이다.

상기 표를 통해 알 수 있듯이, 실시예 1은 비교예 1보다 항복강도는 약 14%, 인장강도는 약 12%, 신율은 약 24% 및 굽힘 피로강도는 약 17% 향상되는 반면 충격값은 반대로 약 78% 감소되었다. 상기 충격값의 감소는 실시예 1이 비교예 1보다 취성이 상당히 높다는 것을 의미하는 것으로 충격에 약하다는 것을 알 수 있었다.

구분	단위	실시예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
C	중량%	0.36	0.36	0.70	0.36	0.36
Si	중량%	1.01	1.01	1.01	1.01	1.01
Mn	중량%	1.0	1.0	1.0	1.0	1.0
P	중량%	0.03	0.03	0.03	0.03	0.03
S	중량%	0.07	0.07	0.07	0.07	0.07
Cu	중량%	0.21	0.21	0.21	0.21	0.21
Ni	중량%	0.07	0.07	0.07	0.07	0.07
Cr	중량%	0.15	0.15	0.15	0.15	0.15
Mo	중량%	0.008	0.008	0.008	0.008	0.008
Al	중량%	0.008	0.008	0.008	0.008	0.008
V	중량%	0.30	0.40	0.10	0.30	0.30
Ti	중량%	0.04	0.04	0.04	0.30	0.04
N	중량%	0.0111	0.02	0.011	0.02	0.0025
Fe	중량%	잔부	잔부	잔부	잔부	잔부

상기 표 3은 본 발명의 구성성분 및 함량을 만족하는 실시예 1과 구성성분은 같지만, 본 발명의 함량 범위를 벗어나는 비교예 2 내지 비교예 5를 비교한 표이다.

상기 표에 나타내었듯이 상기 비교예 2는 바나듐(V)의 함량이, 상기 비교예 3은 탄소(C)의 함량이, 상기 비교예 4는 티타늄(Ti)의 함량이, 상기 비교예 5는 질소(N)의 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 것을 확인하였다.

구분	단위	실시예 1	비교예 2	비교예 3	비교예 4	비교예 5
항복강도	MPa	857	872	730	894	782
인장강도	MPa	110	1131	1023	1098	987
신율	%	15.0	11.8	10.9	11.3	17.1
굽힘 피로강도	MPa	549	562	389	532	428
충격값	(J/㎠)	9.7	5.4	14.0	4.8	21.2

상기 표 4는 상기 표 3의 구성성분 및 함량을 만족하는 실시예 1과 비교예 2 내지 비교예 5의 항복강도, 인장강도, 신율, 굽힘 피로강도 및 충격값을 비교한 표이다.

본 발명에 따른 함량을 만족하는 상기 실시예 1과 비교하여 상기 비교예 2는 항복강도, 인장강도 및 굽힘 피로강도가 우수하지만 충격값이 너무 낮아 취성이 크다는 것을 알 수 있었다. 상기 비교예 3은 충격값이 높아 취성이 감쇠되었지만 전반적인 물성이 미약하다는 단점이 있었다. 상기 비교예 4는 항복강도가 우수하지만, 충겨값이 지나치게 낮아 취성이 높아 깨지기 쉽다는 것을 알 수 있었다. 마지막으로 비교예 5는 신율과 충격값이 높지만 항복강도, 인장강도 및 굽힙 피로강도가 낮은 문제가 있었다.

구분		단위	실시예 2	비교예 6	비교예 7	비교예 8	비교예 9
단조 공법	냉각방법	-	염욕	공랭	팬(fan) 냉각	팬(fan) 냉각	팬(fan) 냉각
단조 공법	냉각속도	℃/sec	12.5	2.1	6.3	8.8	7.9
조직 구성	대단부 및 소단부	-	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트
조직 구성	생크부	-	베이나이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트	페라이트 및 펄라이트
물성	항복강도	MPa	1033	807	849	883	762
	굽힘 피로강도	MPa	575	559	561	565	471
	충격값	J/㎠	31.3	9.5	9.6	8.7	42.4

상기 표 5는 상기 표 1의 구성성분 및 함량을 갖는 실시예 1에 대하여 열처리에 있어서, 냉각방법에 따라 달라지는 조직구성과 물성을 비교한 표이다. 상기 표의 냉각방법 중 팬(fan) 냉각은 냉각 팬(fan)을 이용한 냉각으로 공랭에 의한 냉각속도보다 빠르지만 염욕에 의한 냉각속도보다는 느린 특징이 있다.

상기 실시예 2는 상기 표 1의 실시예 1의 구성성분 및 함량을 가지며 본 발명에 따른 제조방법으로 제조하되, 냉각하는 방법 및 냉각속도에 따라 달라지는 조직구성과 물성을 비교예 6 내지 8을 통해 비교하였다. 또한, 현재 양산중인 상기 표 1의 비교예 1의 구성성분 및 함량을 가지며, 팬(fan) 냉각을 통해 제조되는 비교예 9의 조직구성과 물성을 함께 비교하였다.

본 발명에 따른 실시예 2는 본 발명을 만족하는 구성성분 및 함량을 포함하며, 단조공정에서 열처리 시 염욕을 이용한 냉각방법을 사용하였기 때문에, 제조된 실시예 2인 커넥팅 로드의 대단부 및 소단부는 종래와 같은 페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 포함하지만, 생크부는 종래와 달리 베이나이트 조직을 갖기 때문에 항복강도와 굽힙 피로강도는 비교예 6 내지 비교예 9 중에서 가장 높은 값을 획득할 수 있었으며, 충격값 또한 낮지 않은 값을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10 : 생크부
20 : 대단부
30 : 소단부

Claims

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전체 조성물 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량%, 크로뮴(Cr) 0.2 중량% 이하, 인(P) 0.03중량%, 구리(Cu) 0.21중량%, 니켈(Ni) 0.07중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.008중량%, 알루미늄(Al) 0.008중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 비조질강 조성물을 이용하여 제조되며,
베이나이트 조직을 함유하는 생크부;
페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 함유하는 대단부; 및
페라이트와 펄라이트의 혼합조직을 함유하는 소단부;를
포함하는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드.
전체 조성물 중량에 대하여, 탄소(C) 0.30~0.55중량%, 실리콘(Si) 0.80~1.20중량%, 망가니즈(Mn) 0.80~1.20중량%, 황(S) 0.06~0.10중량%, 바나듐(V) 0.20~0.35중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.20중량%, 질소(N) 0.005~0.02중량%, 크로뮴(Cr) 0.2 중량% 이하, 인(P) 0.03중량%, 구리(Cu) 0.21중량%, 니켈(Ni) 0.07중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.008중량%, 알루미늄(Al) 0.008중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 비조질강 조성물을 1,200℃ 내지 1,300℃로 가열하는 제1단계;
상기 가열된 조성물을 1,000℃ 내지 1,200℃ 에서 버스터(buster), 불로커(blocker), 피니셔(finisher), 트리밍(trimming) 및 피어싱(piercing) 공정을 포함하는 열간단조를 통해 단조품을 제조하는 제2단계;
상기 제조된 단조품을 알칼리(Alkali)-질산염(Nitrate)욕, 질산염(Nitrate)욕, 수산화칼륨(KOH)욕, 수산화나트륨(NaOH)욕 염화바륨(BaCl2)욕, 염화나트륨(NaCl)욕 또는 연(Pb)욕을 이용하여 제어냉각하되, 냉각온도는 150~600℃인 것을 특징으로 하고, 냉각속도는 5~20℃/sec인 것을 특징으로 하는 제3단계;
상기 제어냉각된 단조품을 쇼트 블라스트하는 제4단계;
상기 쇼트 블라스트된 단조품을 냉간 코이닝하는 제5단계;
상기 냉간 코이닝된 단조품을 응력 제거 어닐링(stress relief annealing)하되, 상기 어닐링은 550~650℃의 온도에서 60분 이상 실시하는 것을 특징으로 하는 제6단계; 및
상기 어닐링된 단조품을 쇼트 블라스트하여 커넥팅 로드를 제조하는 제7단계; 를
포함하는 것을 특징으로 하는 커넥팅 로드의 제조방법.
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