KR101776491B1

KR101776491B1 - 내식성이 우수한 고강도 스프링강

Info

Publication number: KR101776491B1
Application number: KR1020160046457A
Authority: KR
Inventors: 차성철; 홍승현; 김익수; 이규호
Original assignee: 현대자동차주식회사; 현대제철 주식회사
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2017-09-20
Also published as: JP6789692B2; CN107299276A; DE102016223006A1; JP2017190519A; US20170298487A1

Abstract

본 발명은 서스펜션용으로 사용 가능하도록 인장강도와 피로수명을 향상시킨 내식성이 우수한 고강도 스프링강에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 내식성이 우수한 고강도 스프링강은 차량의 서스펜션에 사용되는 코일 스프링강으로서, 중량%로, C: 0.4 ~ 0.9%, Si: 1.3 ~ 2.3%, Mn: 0.5 ~ 1.2%, Cr: 0.6 ~ 1.2%, Mo: 0.1 ~ 0.5%, Ni: 0.05 ~ 0.8%, V: 0.05 ~ 0.5%, Nb: 0.05 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.3%, B: 0.001 ~ 0.01%, W: 0.01 ~ 0.52%, Cu: 0.3% 이하(0% 제외), Al: 0.3% 이하(0% 제외), N: 0.03% 이하(0% 제외), O: 0.003% 이하(0% 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

내식성이 우수한 고강도 스프링강{HIGH STRENGTH SPRING STEEL HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE}

본 발명은 내식성이 우수한 고강도 스프링강에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서스펜션용으로 사용 가능하도록 인장강도와 피로수명을 향상시킨 내식성이 우수한 고강도 스프링강에 관한 것이다.

스프링강은 자동차에 적용되는 현가장치의 서스펜션용 스프링 등에 사용되는 것으로 높은 피로 강도가 요구된다.

최근에는 배기 가스 저감이나 연비 개선을 목적으로 하여 자동차의 경량화나 고출력화에 대한 요구조건이 높아지고 있는 실정이고, 이에 따라 엔진이나 서스펜션 등에 사용되는 코일 스프링은 고응력 설계가 지향되고 있다.

특히, 자동차의 서스펜션용 코일 스프링은 지속적인 하중에 견뎌야 하므로 강도가 우수해야 함은 물론이고 외부 환경에 노출된 상태에서 사용되므로 내식성 또한 고려된다.

이러한 서스펜션용 코일 스프링으로는 C, Si, Mn, Cr 등을 주성분으로 하여 1900Mpa 수준의 인장강도를 가지며 어느 정도의 내부식성을 갖는 스프링강이 사용되고 있으며, 나아가 합금원소의 종류 및 함량을 조절하여 피로수명을 더욱 향상시킬 수 있는 개재물 제어 기술에 대한 노력이 이루어지고 있다.

공개특허 10-2010-0004352 (2010. 01. 13)

본 발명은 Mo, Ni, V, Nb, Ti, B 및 W 함량을 최적화하여 종래보다 우수한 인장강도을 가지면서 부식환경에서의 피로수명을 향상시키는 개재물을 제어하여 내식성이 우수한 고강도 스프링강을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 내식성이 우수한 고강도 스프링강은 차량의 서스펜션에 사용되는 코일 스프링강으로서, 중량%로, C: 0.4 ~ 0.9%, Si: 1.3 ~ 2.3%, Mn: 0.5 ~ 1.2%, Cr: 0.6 ~ 1.2%, Mo: 0.1 ~ 0.5%, Ni: 0.05 ~ 0.8%, V: 0.05 ~ 0.5%, Nb: 0.05 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.3%, B: 0.001 ~ 0.01%, W: 0.01 ~ 0.52%, Cu: 0.3% 이하(0% 제외), Al: 0.3% 이하(0% 제외), N: 0.03% 이하(0% 제외), O: 0.003% 이하(0% 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 스프링강은 인장강도가 2100MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링강은 경도가 700HV 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링강은 부식흠 깊이가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링강은 굽힘 피로 시험에서 28 만회 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링강은 단품 부식피로수명 시험에서 2.5 만회 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링강은 부식 복합피로수명 시험에서 30 만회 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 인장강도 2100MPa 이상의 고강도를 가질 뿐만 아니라 개재물의 미세화를 달성하여 내식성 및 부식복합피로수명을 종래 대비 40% 향상시킨 물성을 갖는 내식성이 우수한 고강도 스프링강을 얻을 수 있다.

도 1은 실시예와 비교예의 성분을 나타내는 표이고,
도 2는 실시예와 비교예의 물성 및 성능을 나타내는 표이며,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스프링강의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스프링강의 세멘타이트 조직내 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 실시예와 비교예의 성분을 나타내는 표이고, 도 2는 실시예와 비교예의 물성 및 성능을 나타내는 표이다.

본 발명에 따른 내식성이 우수한 고강도 스프링강은 차량의 서스펜션에 사용되는 코일 스프링강으로서, 주요 합금 성분의 함량을 최적화함에 따라 인장강도 및 피로수명과 같은 물성을 향상시킨 스프링강이다. 구체적으로는, 중량%로, C: 0.4 ~ 0.9%, Si: 1.3 ~ 2.3%, Mn: 0.5 ~ 1.2%, Cr: 0.6 ~ 1.2%, Mo: 0.1 ~ 0.5%, Ni: 0.05 ~ 0.8%, V: 0.05 ~ 0.5%, Nb: 0.05 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.3%, B: 0.001 ~ 0.01%, W: 0.01 ~ 0.52%, Cu: 0.3% 이하(0% 제외), Al: 0.3% 이하(0% 제외), N: 0.03% 이하(0% 제외), O: 0.003% 이하(0% 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 스프링강을 대상으로 한다.

본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는한 조성범위의 단위로 기재된 %는 중량%를 의미한다.

탄소(C)는 0.4 ~ 0.9%를 함유하는 것이 바람직하다. 강 중의 탄소 함량은 강도상승과 비례하는데, 탄소 함량이 0.4% 미만인 경우, 열처리 시 소입성 부족으로 강도상승이 미미하고, 0.9% 초과시 소입시 마르텐사이트 조직이 형성, 피로강도가 저하되고 인성이 감소한다. 상기 범위 내에서는 고강도 및 연성확보가 가능하다.

규소(Si)는 1.3 ~ 2.3%를 함유하는 것이 바람직하다. 규소는 페라이트 내 고용되어 강도상승 및 소려연화 저항성을 높인다. 그 함량이 1.3% 미만인 경우 소려연화 저항성이 낮으며, 2.3% 초과시 탈탄 현상이 열처리시 발생하는 문제가 있다.

망간(Mn)은 0.5 ~ 1.2%를 함유하는 것이 바람직하다. 망간은 기지내 고용되어 굽힘피로강도 향상 및 소입성을 증가시키는데, 0.5% 미만인 경우 소입성 확보가 어렵고, 1.2%를 초과하는 경우 인성이 저하되는 문제가 있다.

크롬(Cr)은 0.6 ~ 1.2%를 함유하는 것이 바람직하다. 크롬은 인성 확보용으로 템퍼링시에 석출물을 형성시키며, 경화능을 개선하고 소프트닝을 억제하여 강도를 향상시키며 결정립 미세화, 인성 향상에 기여한다. 소려연화, 탈탄, 소입성, 내식성 측면에서 0.6% 이상에서 우수한 효과를 발휘하며 1.2% 초과 시 입계 탄화물이 과대 생성되고, 강도저하 및 취성문제를 초래한다.

몰리브덴(Mo)은 0.1 ~ 0.5%를 함유하는 것이 바람직하다. 몰리브덴은 Cr과 같이 미세 석출탄화물 형성하여 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시킨다. 특히, 1~5nm TiMoC을 균일하게 형성하여 내템퍼링성을 향상시키며, 내열 및 고강도를 확보시키는데, 0.1% 미만인 경우 탄화물 생성이 불가하여 강도를 충분히 확보하지 못하게 되고, 0.5% 초과인 경우 가공 및 생산성이 저하되는 반면에 석출 및 강도 상승 효과가 포화되어 비용적인 측면에서 그 이상을 함유할 필요가 없다.

니켈(Ni)은 0.05 ~ 0.8%를 함유하는 것이 바람직하다. 니켈은 내식성을 향상에 도움을 주는 원소로서, 내열성을 향상시키고 저온취성을 방지하고 경화능을 향상시키며 치수불변성 및 세트성을 향상시킨다. 그 함량이 0.05% 미만인 경우 내식성 및 고온안정성이 저하되고, 0.8% 초과 시 적열취성이 발생하는 문제가 있다.

바나듐(V): 0.05 ~ 0.5%를 함유하는 것이 바람직하다. 바나듐은 조직미세화, 내템퍼링성, 치수불변성 및 세트성을 향상시키고, 내열 및 고강도를 확보하는 원소로서, 미세 석출물인 VC를 형성하여 파괴 인성을 향상시킨다. 특히 미세 석출물인 VC는 결정입계 이동을 억제하고, 오스테나이징 시 V은 용해되어 고용되고, 템퍼링시 석출하여 2차 경화를 발생시킨다. 그 함량이 0.05% 미만인 경우 파괴인성 저하방지 효과가 저감되고, 0.05% 초과 시 석출물의 크기가 조대해지고, ??칭 후 경도가 저하되는 문제가 있다.

니오븀(Nb)은 0.05 ~ 0.5%를 함유하는 것이 바람직하다. 니오븀은 조직을 미세화시키고 질화를 통해 표면을 경화시키며 치수불변성 및 세트성을 향상시킨다. 그리고, NbC을 형성하여 강도를 향상시키고, 다른 탄화물(CrC, VC, TiC, MoC)의 생성 속도를 제어한다. 그 함량이 0.05% 미만인 경우 강도 저하 및 탄화물 불균일화의 문제가 발생하고, 0.5% 초과 시 다른 탄화물의 생성이 억제되는 문제가 있다.

티타늄(Ti)은 0.05 ~ 0.3%를 함유하는 것이 바람직하다. 티타늄은 Nb, Al 등과 같이 결정립 재결정을 방지하고 성장을 억제한다. 또한, 티타늄은 TiC, TiMoC와 같은 나노탄화물을 형성하고, 질소와 반응, TiN을 생성하여 결정립성장을 억제하고, TiB₂을 형성하여 B가 N와 결합하는 것을 방해하여 BN의 소입성 저하를 최소화 한다. 그 함량이 0.05% 미만인 경우 Al₂O₃와 같은 다른 개재물이 생성되어 피로내구가 저하되는 문제가 있고, 0.3% 초과 시 다른 합금 원소의 역할을 방해하고 원가상승을 초래한다.

붕소(B)는 0.001 ~ 0.01%를 함유하는 것이 바람직하다. 붕소는 인장강도 및 연신율을 향상시키고, 부식을 방지하며, 내식성 및 내충격성을 향상시키는 원소이다. 그 함량이 0.001% 미만인 경우 강도가 저하되고, 0.01% 초과 시 인성 저하로 인하여 내충격성이 저하되는 문제가 있다.

텅스텐(W)은 0.01 ~ 0.52%를 함유하는 것이 바람직하다. 텅스텐은 석출탄화물을 형성하여 고온내마모성 및 인성을 향상시키고, 조직성장을 억제하고, 스케일 저항성을 저하시키는 원소이다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우 고온내마모성을 원하는 수준으로 유지하고 못하고, 탄화물 생성을 저하시키는 문제가 있고, 0.52% 초과 시 WC가 과다하게 형성되어 인성의 저하를 초래한다.

구리(Cu)는 0.3% 이하(0% 제외)를 함유하는 것이 바람직하다. 구리는 퀀칭성이나 템퍼링 후의 강도를 높이고, Ni과 같이 강의 내식성을 향상시키는 원소이다. 그러나 과다 함유시 오히려 합금 비용이 상승하기 때문에 그 함량을 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 0.3% 이하(0% 제외)를 함유하는 것이 바람직하다. 알루미늄은 질소와 반응, AlN을 형성하여 오스테나이트를 미세화, 강도 및 충격인성을 향상시킨다. 특히, Nb, Ti, Mo와 함께 첨가되어 고가원소인 결정립 미세화용 바나듐, 인성 확보용 니켈의 첨가량의 절감을 가능하게 한다. 그러나 과다 함유시 강을 취약하게 하므로 그 함량을 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 0.03% 이하(0% 제외)를 함유하는 것이 바람직하다. 질소는 Al, Ti와 반응하여 AlN, TiN을 형성함으로써 결정립 미세화 효과를 발휘하며, TiN 형성으로 붕소의 소입성을 극대화 시킨다. 그러나, 과다 함유시 붕소와의 반응으로 인해 강의 소입성이 악화되므로 그 함량을 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

산소(O)는 0.003% 이하(0% 제외)를 함유하는 것이 바람직하다. 산소는 Si나 Al과 결합하여, 경질인 산화물계 비금속 개재물을 형성하고, 피로 수명 특성의 저하를 초래하기 때문에, 가능한 한 낮은 것이 좋지만, 본 발명에서는, 0.003％ 까지는 허용된다.

한편, 상기한 성분 이외의 잔부는 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물이다.

이하, 비교예 및 실시예를 사용하여 본 발명을 설명한다.

상업 생산되는 스프링강의 생산 조건에 따라 실시예 및 비교예에 따른 스프링강을 생산하는 실험을 실시하였으며, 도 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생산된 용강을 통해 제조된 선재는 항온 열처리, 신선, 소입-소려 및 납조소입을 순차적으로 거쳐 강선으로 제조된다. 구체적으로 선재는 940 ~ 960℃에서 3 ~ 5분간 유지된 후 640 ~ 660℃로 급냉되어 이 온도에서 2 ~ 4분간 유지된 다음, 0.5 ~ 1.5분 동안 18 ~ 22℃로 냉각된다. 이러한 항온 열처리는 후공정인 신선이 용이하게 이루어지도록 실시되는 것으로, 이 열처리를 통해 선재에는 펄라이트가 생성된다.

항온 열처리된 선재는 여러 단계의 신선 공정을 거쳐 목표로 하는 선경으로 제작된다. 본 발명에서는 4mm의 선재로 신선하였다.

신선된 선재는 다시 가열되어 940 ~ 960℃에서 3 ~ 5분간 유지된 후, 45 ~ 55℃로 급냉 되어 0.5 ~ 1.5분간 소려된다. 이후 선재는 440 ~ 460℃로 가열되어 2 ~ 4분간 유지 후 급냉시키는 납조소입 처리된다. 소입소려를 통해 선재에는 마르텐사이트가 형성되어 강도가 확보되며, 납조소입을 통해 표면에는 템퍼드 마르텐사이트가 형성되어 강도 및 인성이 확보된다.

다음으로, 상기와 같이 제조된 실시예 및 비교예에 따른 스프링강의 물성 확인을 위한 시험예를 살펴본다.

각각의 실시예 및 비교예에 따른 스프링강의 인장강도, 경도, 선재 피로수명, 부식흠 깊이, 단품 부식피로수명, 부식복합피로수명 및 탄소분율과 탄소 활성도의 개선 정도에 대하여 시험을 실시하였고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.

이때 인장강도의 측정은 표준인장시험편(KS B 0801)을 사용하여 KS B 0802에 따라 20ton 시험기로 선경 4mm의 시편들에 대하여 실시하였고, 경도의 측정은 KS B 0811에 따라 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 300gf로 측정하였다.

그리고 피로수명은 KS B ISO 1143에 따라 선경 4mm의 시험편들에 대한 회전 굽힘 피로시험을 통해 측정하였고, L10 수명은 기본정격수명(basic rating life)을 90% 신뢰도로 회전수 100만회 단위로 표시하였으며, 평균수명(L50 mean life) 또는 판손 사이 평균시간의 1/7이고, 부식성 피로평가는 염수분무시험방법(KS D 9502, ISO 3768 / 7263)을 이용하여 측정하였다.

또한, 탄소분율과 탄소 활성도의 개선 정도는 열역할 DB를 기반한 ThermoCalc에서 계산하였고, 특히 탄소분율은 SEM-EDX에서 원소별 분포를 맵핑하여 카운팅함으로써 측정하였다.

도 2에서 알 수 있듯이, 종래강은 Mo, Ni, V, Nb, Ti, B 및 W의 미함유로 인하여 인장강도, 경도, 선재 피로수명, 부식흠 깊이, 단품 부식피로수명, 부식복합피로수명 및 탄소분율과 탄소 활성도의 개선 정도에 대한 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키지 못하였다.

비교예 1 내지 비교예 14는 각각 본 발명에서 규정하고 있는 합금 성분의 함량을 만족하지 못하는 실시예로서, 종래강 대비 인장강도, 경도, 선재 피로수명, 부식흠 깊이, 단품 부식피로수명, 부식복합피로수명 및 탄소분율과 탄소 활성도의 개선 정도가 부분적으로 개선되었지만 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키지 못하였다.

특히, 비교예 1은 Mo의 성분이 적게 함유되어 인장강도가 충분히 확보되지 않았고, 종래강 대비 선재 피로수명이 오히려 감소하였고, 부식흠 깊이도 더 깊어졌다.

비교예 3과 비교예 11은 각각 니켈과 붕소의 함량이 규정 요건보다 적게 함유된 경우로서, 단품 부식피로수명이 종래강 대비 오히려 감소하였다.

그리고 비교예 9는 Ti의 함량이 규정 요건보다 적게 함유된 경우로서, Al₂O₃와 같은 다른 개재물이 생성되어 조장되어 피로내구가 저하됨에 따라 선재 피로수명이 종래강 대비 오히려 저하된 것을 확인할 수 있었다.

반면에, 실시예 1 내지 실시예 3은 본 발명의 규정 요건을 모두 충족시키는 발명강으로서, 모두 2100MPa급 이상의 인강강도를 나타내었고, 경도도 700HV급 이상을 나타내었다. 또한, 부식흠 깊이가 20㎛ 이하로 나타났다. 그리고 굽힘 피로 시험에서 28 만회 이상, 단품 부식피로수명 시험에서 2.5 만회 이상 및 부식 복합피로수명 시험에서 30 만회 이상을 달성하였다. 또한, 종래강 대비 탄소분율은 7% 이상의 향상을 달성하였고, 탄소 활성도는 3% 이상의 향상을 달성하였다.

한편, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 스프링강의 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스프링강의 세멘타이트 조직내 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프이다.

도 3은 Fe-1.5Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.15Ti-0.003B-0.1W-0.55C와 같은 합금조성을 갖는 실시예에 대한 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프로서, 본 발명에 따른 합금조성을 만족하는 경우에 FeMoWC, Cr₃B₂ 및 TiB₂와 같은 다양한 미세 개재물이 형성되어 강도 증대 및 피로수명 향상을 기대할 수 있다는 것을 보여준다.

또한, 도 4도 Fe-1.5Si-0.7Mn-0.8Cr-0.3Ni-0.3Mo-0.3V-0.1Nb-0.15Ti-0.005B-0.1W-0.55C와 같은 합금조성을 갖는 실시예에 대한 스프링강의 세멘타이트 조직내 온도별 상변태 계산 결과를 보여주는 그래프로서, 세멘타이트내에서 9원계 원소의 복합적 거동의 발생하는 것을 예측할 수 있고, 이에 따라 미세 탄화물이 균일하게 분포되는 것을 기대할 수 있다는 것을 보여준다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

차량의 서스펜션에 사용되는 코일 스프링강으로서,
중량%로, C: 0.4 ~ 0.9%, Si: 1.3 ~ 2.3%, Mn: 0.5 ~ 1.2%, Cr: 0.6 ~ 1.2%, Mo: 0.1 ~ 0.5%, Ni: 0.05 ~ 0.8%, V: 0.05 ~ 0.5%, Nb: 0.05 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.3%, B: 0.001 ~ 0.01%, W: 0.01 ~ 0.52%, Cu: 0.3% 이하(0% 제외), Al: 0.3% 이하(0% 제외), N: 0.03% 이하(0% 제외), O: 0.003% 이하(0% 제외), 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도가 2100MPa 이상이며, 경도가 700HV 이상인 내식성이 우수한 고강도 스프링강.
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삭제
청구항 1에 있어서,
상기 스프링강은 부식흠 깊이가 20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 고강도 스프링강.
청구항 1에 있어서,
상기 스프링강은 굽힘 피로 시험에서 28 만회 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 고강도 스프링강.
청구항 1에 있어서,
상기 스프링강은 단품 부식피로수명 시험에서 2.5 만회 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 고강도 스프링강.
청구항 1에 있어서,
상기 스프링강은 부식 복합피로수명 시험에서 30 만회 이상인 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 고강도 스프링강.