KR101776462B1 - 코일스프링강 - Google Patents

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KR101776462B1
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Abstract

중량%로, 탄소(C) : 0.4~0.9%, 실리콘(Si) : 1.3~2.3%, 망간(Mn) : 0.5~1.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 니켈(Ni) : 0.05~0.80%, 바나듐(V) : 0.05~0.50%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.50%, 티타늄(Ti) : 0.05~0.30%, 크롬(Cr) : 0.6~1.2%, 알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%, 구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 산소(O) : 0.0001~0.0030%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 코일스프링강이 소개된다.

Description

코일스프링강 {COIL SPRING STEEL}
본 발명은 탄화물의 제어를 통해 강도 및 피로수명이 향상된 코일스프링강에 관한 것이다.
최근 국내외 생산되는 차량에는 120K급 고응력 코일스프링이 적용되고 있으며 현재에는 130K급 고응력 코일스프링까지 양산 적용되고 있다.소재가 110K ~ 130K로 고강도화 될수록, 선경/권수를 축소함으로써 자동차의 경량화를 가능케 하지만, 치핑/도장박리 후 부식에 의한 민감도가 증대되며, 선경을 축소함으로써 설계적 마진 미확보로 인한 강도 부족 및 파손 진행 시 완전한 절손에 이르기까지의 진행속도가 빨라지는 위험부담이 있다.
이러한 위험을 줄이고자 일부 부식취약지역에 한하여 듀얼코팅 도장 등을 적용하고 있으나, 이는 근본적인 해결책은 아니며, 특히나 재료(도료)비 과다상승이라는 부작용을 포함한다. 따라서 이와 같은 소재의 강도/부식문제 개선을 통한 내구성 증대는 자동차산업이 현 시점에서 꼭 풀어야 할 숙제라고 할 수 있다. 최근의 자동차는 고성능, 고출력 및 고효율화가 되기 때문에 부품의 고강도화 및 경량화가 요구되고 있으며, 서스펜션용 철강재의 경우 기존과 같은 차량하중/부식조건 하에서 경량화를 해야 하기 때문에 재질의 강성과 내구성 확보는 필수적이다.
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.
KR 10-2012-0133746 A
본 발명은 탄화물의 제어를 통해 강도 및 피로수명이 향상된 코일스프링강을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 코일스프링강은 중량%로, 탄소(C) : 0.4~0.9%, 실리콘(Si) : 1.3~2.3%, 망간(Mn) : 0.5~1.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 니켈(Ni) : 0.05~0.80%, 바나듐(V) : 0.05~0.50%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.50%, 티타늄(Ti) : 0.05~0.30%, 크롬(Cr) : 0.6~1.2%, 알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%, 구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 산소(O) : 0.0001~0.0030%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
인장강도가 2150MPa 이상이고, 경도가 690HV 이상일 수 있다.
상기 코일스프링강에 의해 제조된 선재의 피로수명은 최대굴곡모멘트가 20kgfm이고 최대하중이 100kgf인 조건하에서 28만회 이상일 수 있다.
상기 코일스프링강에 의해 제조된 코일스프링 단품의 부식 복합피로수명은 50±5(g/L)의 염수가 분무되며, 최대굴곡모멘트가 20kgfm이고, 최대하중이 100kgf인 부식복합 환경하에서 36만회 이상일 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 코일스프링강에 따르면, 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나듐(V), 나오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)의 함량을 제어하여 탄화물을 생성시킴에 따라 강도 및 피로수명이 향상된 효과를 기대할 수 있다.
기존재와 비교하여 인장강도의 경우 10%가 증가하고 경도의 경우 17%가 증가할 수 있다. 이에 따라 약 15% 정도 코일스프링의 경량화가 가능해지며 연비가 0.04% 정도 향상될 수 있다. 또한, 피로수명의 경우 27%가 향상되고, 내식성과 부식 복합피로수명은 33%나 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 온도 300~1600℃ 세멘타이트(Cementite) 내에서의 Mass Fraction of component에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 온도 300~1600℃ Amount of all phases에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 코일스프링강은 중량%로, 탄소(C) : 0.4~0.9%, 실리콘(Si) : 1.3~2.3%, 망간(Mn) : 0.5~1.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 니켈(Ni) : 0.05~0.80%, 바나듐(V) : 0.05~0.50%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.50%, 티타늄(Ti) : 0.05~0.30%, 크롬(Cr) : 0.6~1.2%, 알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%, 구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 산소(O) : 0.0001~0.0030%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 코일스프링강에 있어서, 강의 성분조건을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C) : 0.4~0.9%
탄소(C)는 ??칭 후 강도를 상승시키는 역할을 한다. 템퍼링 시 CrC, VC, MoC 등의 탄화물이 생성된다. 이에 따라 내템퍼소프트닝은 개선되나 인성은 저하된다. TiMoC 나노탄화물을 형성시켜 약 300℃까지 내템퍼링성을 증대시키며, 치수불변성 및 세트성(형상보존 능력) 향상에 기여한다.
탄소(C)의 함량이 0.4% 미만일 경우 강도 상승의 효과가 크지 않고 피로강도의 저하를 초래하게 된다. 반면, 탄소(C)의 함량이 0.9%를 초과할 경우 용해되지 않는 거대 탄화물이 잔존하게 되어 피로특성이 취약해지고 내구수명이 저하된다. 또한, ??칭 전 가공성이 저하되는 문제도 존재한다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.4~0.9% 범위로 제한한다.
실리콘(Si) : 1.3~2.3%
실리콘(Si)은 연신율을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 형상이 변하는 것을 억제하여 세트성을 향상시키고 페라이트 및 마르텐사이트 조직을 경화시키며 내열성 및 경화능을 증대시킨다.
실리콘(Si)의 함량이 1.3% 미만일 경우 연신율 및 세트성 향상의 효과가 미미하게 된다. 반면, 실리콘(Si)의 함량이 2.3%를 초과할 경우 탄소(C)와 조직 내의 상호간 침투반응으로 인해 탈탄을 발생시킨다. 또한, ??칭 전 경도의 상승으로 가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 실리콘(Si)의 함량을 1.3~2.3% 범위로 제한한다.
망간(Mn) : 0.5~1.2%
망간(Mn)은 경화능 및 강도를 향상시키는 역할을 한다. 기지내 고용되어 굽힘피로강도 향상 및 소입성을 증가시키고, 산화물을 생성시키는 탈산제로서 Al2O3와 같은 개재물의 형성을 억제한다. 반면, 과량 함유 시 MnS 개재물을 형성하여 고온취성이 발생한다.
망간(Mn)의 함량이 0.5% 미만일 경우 소입성 개선이 미미하게 된다. 반면, 망간(Mn)의 함량이 1.2%를 초과할 경우 ??칭 전 가공성이 저하되는 문제가 있게 되며 중심편석 및 MnS 개재물의 석출로 피로수명이 약화된다. 따라서 망간(Mn)의 함량을 0.5~1.2% 범위로 제한한다.
몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%
몰리브덴(Mo)은 나노탄화물인 TiMoC 등의 미세 석출물을 형성하여 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다.
몰리브덴(Mo)의 함량이 0.1% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.5%를 초과할 경우 가공성이 저하되어 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량을 0.1~0.5% 범위로 제한한다.
니켈(Ni) : 0.05~0.80%
니켈(Ni)은 내식성 및 내열성을 향상시키고 저온취성을 방지해주는 역할을 한다.
니켈(Ni)의 함량이 0.05% 미만일 경우 내식성 및 내열성의 향상 효과가 크지 않다. 반면, 니켈(Ni)의 함량이 0.80%를 초과할 경우 적열취성이 발생하게 되는 문제가 있다. 따라서 니켈(Ni)의 함량을 0.05~0.80% 범위로 제한한다.
바나듐(V) : 0.05~0.50%
바나듐(V)은 미세 석출물인 VC를 형성하여 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 미세 석출물 VC는 결정입계 이동을 억제하고, 오스테나이징 시 바나듐(V)은 용해되어 고용되고, 템퍼링시 석출되어 2차 경화를 발생시킨다.
바나듐(V)의 함량이 0.05% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 바나듐(V)의 함량이 0.50%를 초과할 경우 몰리브덴(Mo)의 경우와 마찬가지로 가공성이 저하되어 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 바나듐(V)의 함량을 0.05~0.50% 범위로 제한한다.
니오븀(Nb) : 0.01~0.50%
니오븀(Nb)은 미세 석출물을 형성하여 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 조직을 미세화시키고 질화를 통해 표면을 경화시킨다.
니오븀(Nb)의 함량이 0.01% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 니오븀(Nb)의 함량이 0.50%를 초과할 경우 적열취성이 발생하게 되는 문제가 있다. 따라서 니오븀(Nb)의 함량을 0.01~0.50% 범위로 제한한다.
티타늄(Ti) : 0.05~0.30%
티타늄(Ti)은 나노탄화물인 TiMoC 등의 미세 석출물을 형성하여 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 탈산제로서, Ti2O3를 형성시켜 Al2O3의 형성을 대체한다.
티타늄(Ti)의 함량이 0.05% 미만일 경우 조대화되어 피로 저하의 주원인이 되는 Al2O3의 형성을 대체하는 효과가 크지 않게 된다. 다만, 티타늄(Ti)의 함량이 0.30%를 초과할 경우 함량 증가에 따른 효과가 포화되어 원가의 상승만 초래하게 된다. 따라서 티타늄(Ti)의 함량은 0.05~0.30% 범위로 제한한다.
크롬(Cr) : 0.6~1.2%
크롬(Cr)은 오스테나이트 조직 내에 용해되며 템퍼링 시에 CrC 탄화물을 형성시키고 경화능을 개선하며 소프트닝의 억제로 강도를 향상시키고 결정립 미세화, 인성 향상에 기여하는 역할을 한다.
크롬(Cr)의 함량이 0.6% 미만일 경우 강도 향상 및 경화능의 개선 효과가 크지 않게 된다. 다만, 크롬(Cr)의 함량이 1.2%를 초과할 경우 티타늄(Ti)과 마찬가지로 함량 증가에 따른 효과가 포화되어 원가의 상승만 초래하게 된다. 따라서 크롬(Cr)의 함량을 0.6~1.2% 범위로 제한한다.
알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%
알루미늄(Al)은 강도 및 충격인성을 향상시키는 역할을 한다. Nb, Ti, Mo와 함께 첨가되어 고가원소인 결정립 미세화용 바나듐, 인성 확보용 니켈의 첨가량의 절감을 가능하게 한다.
알루미늄(Al)의 함량이 0.0001% 미만일 경우 강도 및 충격인성 향상의 효과가 크지 않게 된다. 반면, 알루미늄(Al)의 함량이 0.3%을 초과할 경우 각형의 거대 개재물인 Al2O3의 생성하게 되고, 이는 피로기점으로 작용하게 되어 내구성이 약화된다. 따라서 알루미늄(Al)의 함량을 0.0001~0.3% 범위로 제한한다.
구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함)
구리(Cu)는 템퍼링 후의 강도를 높이고 니켈(Ni)과 같이 강의 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 다만 구리(Cu)의 함량이 0.3%를 초과할 경우 오히려 합금 비용이 상승하게 된다. 따라서 구리(Cu)의 함량은 0.3% 이하로 제한한다.
질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함)
질소(N)는 알루미늄(Al), 티타늄(Ti)과 반응하여 AlN, TiN을 형성함으로써 결정립 미세화 효과를 발휘하는 역할을 한다. 다만 질소(N)의 함량이 0.3%를 초과할 경우 강의 소입성이 악화될 수 있다. 따라서 질소(N)의 함량은 0.3% 이하로 제한한다.
산소(O) : 0.0001~0.003%
산소(O)는 실리콘(Si)이나 알루미늄(Al)과 결합하여 경질인 산화물계 비금속 개재물을 형성하며 이에 따라 피로 수명 특성의 저하를 초래하기 때문에, 산소(O)의 함량은 가능한 한 낮게 유지하는 것이 좋다.
산소(O)의 함량을 0.0001% 미만으로 제한하는 것은 현재의 제강기술로는 구현이 불가능하다. 반면, 산소(O)의 함량이 0.003%를 초과할 경우 알루미늄(Al)과의 반응으로 인해 Al2O3를 생성하게 되고, 이는 피로기점으로 작용하게 되어 내구성이 약화된다. 따라서 산소(O)의 함량을 0.0001~0.003% 범위로 제한한다.
(제조방법)
중량%로, 탄소(C) : 0.4~0.9%, 실리콘(Si) : 1.3~2.3%, 망간(Mn) : 0.5~1.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 니켈(Ni) : 0.05~0.80%, 바나듐(V) : 0.05~0.50%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.50%, 티타늄(Ti) : 0.05~0.30%, 크롬(Cr) : 0.6~1.2%, 알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%, 구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 산소(O) : 0.0001~0.0030%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재의 선재가공 및 필링공정이 이루어진다.
상기 선재를 일정고온에서 일정시간 동안 유지한 후 공랭함으로써 결정립을 미세화하고 조직을 균질화하는 제어열처리공정을 거쳐서, 상기 균질화된 선재에 강도와 인성을 부여하는 ??칭 및 템퍼링을 함으로써 코일스프링이 만들어진다.
(시험방법)
인장강도 측정의 경우 한국산업표준 규격인 KS B 0801에 따른 표준치수 선경 4mm의 표준인장시험편을 사용하여 측정하였다. 또한, KS B 0802에 따라 상기 표준인장시험편을 20ton 시험기로 측정하였다.
경도 측정의 경우 KS B 0811에 따라 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 300gf로 측정하였다.
선재 피로수명 측정의 경우 KS B ISO 1143에 따른 표준치수 선경 4mm의 표준인장시험편을 사용하여 측정하며, 최대굴곡모멘트가 20kgfm이고 최대하중이 100kgf인 굽힘피로시험기를 이용하여 측정하였다.
부식흠 깊이 측정의 경우 KS D 9502에 따라 복합환경부식시험기를 통해 측정하였다.
단품 부식피로수명 측정의 경우 염수분무 환경하에서 단품의 피로수명을 측정하였다.
부식 복합피로수명 측정의 경우 KS D 9502에 따라 50±5(g/L)의 염수가 분무되는 부식복합 환경에서 최대굴곡모멘트 20kgfm이고, 최대하중 100kgf으로 CSTM(Corrosion spring testing machine)을 이용하여 측정하였다.
( 실시예 및 비교예 )
wt% 탄소(C) 실리콘
(Si)		 망간(Mn) 몰리브덴(Mo) 니켈(Ni) 바나듐
(V)		 니오븀
(Nb)		 티타늄
(Ti)		 크롬(Cr) 알루미늄(Al) 구리(Cu) 질소(N) 산소(O)
실시예1 0.62 1.85 0.72 0.29 0.43 0.27 0.18 0.12 0.88 0.006 0.057 0.0018 0.0006
실시예2 0.64 1.89 0.78 0.35 0.48 0.30 0.23 0.16 0.92 0.018 0.061 0.0013 0.0009
실시예3 0.68 1.93 0.83 0.45 0.55 0.36 0.26 0.21 1.02 0.013 0.042 0.0019 0.0011
비교예1 0.71 1.83 0.69 0.08 0.42 0.33 0.25 0.26 0.98 0.004 0.052 0.0015 0.0005
비교예2 0.69 1.84 0.71 0.53 0.49 0.35 0.14 0.18 1.05 0.014 0.065 0.0016 0.0008
비교예3 0.72 1.81 0.86 0.36 0.03 0.29 0.29 0.10 0.99 0.011 0.046 0.0017 0.0012
비교예4 0.63 1.79 0.62 0.46 0.83 0.28 0.25 0.14 1.10 0.007 0.054 0.0011 0.0009
비교예5 0.58 1.82 0.74 0.32 0.56 0.03 0.19 0.20 0.89 0.014 0.067 0.0015 0.0006
비교예6 0.65 1.78 0.83 0.44 0.51 0.55 0.18 0.23 0.94 0.013 0.043 0.0017 0.0005
비교예7 0.67 1.81 0.71 0.33 0.45 0.25 0.008 0.17 0.95 0.011 0.046 0.0012 0.0010
비교예8 0.66 1.85 0.64 0.38 0.43 0.38 0.53 0.15 0.82 0.008 0.054 0.0011 0.0007
비교예9 0.69 1.86 0.68 0.42 0.48 0.42 0.30 0.04 1.11 0.014 0.067 0.0012 0.0011
비교예10 0.63 1.93 0.74 0.36 0.50 0.37 0.31 0.32 0.99 0.014 0.043 0.0017 0.0014
비교예11 0.58 1.92 0.81 0.39 0.55 0.28 0.25 0.24 0.57 0.006 0.041 0.0013 0.0008
비교예12 0.70 1.83 0.83 0.40 0.54 0.34 0.22 0.25 1.52 0.017 0.040 0.0014 0.0007
인장강도
(MPa)		 경도(HV) 선재 피로수명(만회) 부식흠 깊이(μm) 단품 부식피로수명
(만회)		 부식 복합피로수명
(만회)
실시예1 2150 690 28 18 2.4 36.7
실시예2 2180 700 28.5 15 2.6 37.4
실시예3 2165 697 28.2 16 2.6 37.8
비교예1 2030 620 19 25 1.8 27.4
비교예2 1955 570 21 24 1.7 27.6
비교예3 1850 580 23 26 1.6 27.3
비교예4 1790 590 22 24 1.7 26.9
비교예5 2010 610 21 25 1.8 26.5
비교예6 2025 620 24 27 1.9 29.2
비교예7 2005 630 25 27 2.1 28.2
비교예8 2050 640 21 25 2.0 28.7
비교예9 2090 650 19 23 1.8 27.3
비교예10 1800 590 18 22 1.9 26.9
비교예11 2080 640 19 23 1.7 25.5
비교예12 1820 600 22 22 2.1 30.3
상기 표 1은 실시예 및 비교예의 조성 성분 및 함량을 나타낸 것이다. 또한, 표 2는 실시예 및 비교예의 인장강도, 경도, 선재 피로수명, 부식흠 깊이, 단품 부식피로수명 및 부식 복합피로수명을 나타낸 것이다.
비교예 1과 비교예 2의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 몰리브덴(Mo)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
비교예 3과 비교예 4의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 니켈(Ni)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
비교예 5와 비교예 6의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 바나듐(V)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
비교예 7과 비교예 8의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 니오븀(Nb)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
비교예 9와 비교예 10의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 티타늄(Ti)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
비교예 11과 비교예 12의 경우 다른 성분의 함량은 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위 내에서 실시예와 동등범위로 제어한 채, 크롬(Cr)의 함량만을 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한 범위에 미달하거나 초과하도록 제어하였다.
표 2에서 확인할 수 있듯이 비교예 1 내지 비교예 12는 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)의 함량이 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위를 만족하지 못하여 인장강도 및 경도가 실시예 1 내지 실시예 3보다 낮음을 알 수 있다.
또한, 선재 피로수명, 단품 부식피로수명 및 부식 복합피로수명에 있어서 실시예 1 내지 실시예 3에 비해 내구성이 좋지 못함을 알 수 있으며, 부식흠 깊이도 실시예 1 내지 실시예 3보다 깊어 부식성능이 떨어짐을 알 수 있다.
몰리브덴(Mo), 바나듐(V), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)의 경우 탄소(C)와 반응하여 탄화물을 생성하는 원소들로서 각각 MoC, VC, NbC, TiC 및 CrC 등이 생성된다. 이러한 탄화물의 균일 분포에 따라 인장강도 및 경도는 물론 내구성과 내식성을 나타내는 선재 피로수명, 부식흠 깊이, 단품 부식피로수명 및 부식 복합피로수명이 증대된 것이다.
이는 도 1에 나타난 그래프를 통해 확인할 수 있다. 도 1은 본 발명에 따른 코일스프링강의 실시예인 Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(기타 소량의 Al, Cu, N, O 포함)의 온도 300~1600℃ 세멘타이트(Cementite) 내에서의 Mass Fraction of component에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프이다. 세멘타이트 내에서 온도별로 8원계 원소의 복합 거동이 발생하게 되어 MoC, VC, NbC, TiC 및 CrC 등의 미세 크기의 탄화물이 균일하게 분포된 것을 알 수 있다.
도 2의 경우 본 발명에 따른 코일스프링강의 실시예인 Fe-1.6Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.09Ti-0.55C(기타 소량의 Al, Cu, N, O 포함)의 온도 300~1600℃ Amount of all phases에 대한 열역학 기반 계산 결과를 나타낸 그래프이다. FCC-A1(Austenite), BCC-A2(Ferrite), Cementite 외에도 MS-ETA, M7C3 등의 다종의 탄화물이 생성되어 이로 인해 강도가 증대되고 피로수명이 향상된 것을 알 수 있다.
본 발명에 따른 코일스프링강은 상기에서 기재한 바와 같이 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 바나듐(V), 나오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 크롬(Cr)의 함량을 제어하여 탄화물을 생성시킴에 따라 강도 및 피로수명이 향상된 효과를 기대할 수 있다.
보다 상세하게는, Fe-1.45Si-0.68Mn-0.71Cr-0.23Ni-0.08V-0.03Ti-0.23Cu-0.035Al-0.55C인 기존재에 비해 인장강도의 경우 10%가 증가하고 경도의 경우 17%가 증가할 수 있다. 이에 따라 약 15% 정도 코일스프링의 경량화가 가능해지며 연비가 0.04% 정도 향상될 수 있다. 또한, 피로수명의 경우 27%가 향상되고, 내식성과 부식 복합피로수명은 33%나 개선될 수 있다.
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 (4)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.4~0.9%, 실리콘(Si) : 1.3~2.3%, 망간(Mn) : 0.5~1.2%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%, 니켈(Ni) : 0.05~0.80%, 바나듐(V) : 0.05~0.50%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.50%, 티타늄(Ti) : 0.05~0.30%, 크롬(Cr) : 0.6~1.2%, 알루미늄(Al) : 0.0001~0.3%, 구리(Cu) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 질소(N) : 0.3% 이하 (0은 불포함), 산소(O) : 0.0001~0.0030%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    피로수명은 최대굴곡모멘트가 20kgfm이고 최대하중이 100kgf인 조건하에서 28만회 이상이며, 부식 복합피로수명은 50±5(g/L)의 염수가 분무되며, 최대굴곡모멘트가 20kgfm이고, 최대하중이 100kgf인 부식복합 환경하에서 36만회 이상이고, 인장강도가 2150MPa 이상이며, 경도가 690HV 이상인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
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