KR102208165B1 - Steel Material for Springs with Tempering Process Omitting - Google Patents

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Abstract

본 발명은 니켈(Ni) 0.003~0.2 중량%, 구리(Cu) 0.005~0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.04 중량%, 바나듐(V) 0.01~0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.001~0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.001~0.01 중량% 중에서 선택되는 1종 이상이 함유되고, 탄소(C) 0.1~0.4 중량%, 실리콘(Si) 01.~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1~1.5 중량%, 크롬(Cr) 0.1~0.7 중량%, 보론(B) 0.001~0.004 중량%, 질소(N) 0.004~0.015 중량%, 산소(O) 0.003 중량% 이하, 인(P) 0.01 중량% 이하, 황(S) 0.01 중량%이하, 잔부 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 베이나이트 조직분율이 90%이상 형성되어 담금질 및 뜨임으로 이루어지는 열처리 공정 중 뜨임 공정의 생략이 가능한 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에 관한 것이다.The present invention is nickel (Ni) 0.003 to 0.2 wt%, copper (Cu) 0.005 to 0.2 wt%, molybdenum (Mo) 0.01 to 0.5 wt%, titanium (Ti) 0.01 to 0.04 wt%, vanadium (V) 0.01 to 0.04 It contains at least one selected from 0.001 to 0.2% by weight of niobium (Nb), 0.001 to 0.01% by weight of aluminum (Al), 0.1 to 0.4% by weight of carbon (C), and 01. to 1.0 of silicon (Si). Wt%, manganese (Mn) 0.1 to 1.5 wt%, chromium (Cr) 0.1 to 0.7 wt%, boron (B) 0.001 to 0.004 wt%, nitrogen (N) 0.004 to 0.015 wt%, oxygen (O) 0.003 wt% Hereinafter, phosphorus (P) 0.01% by weight or less, sulfur (S) 0.01% by weight or less, the balance is composed of iron and other inevitable impurities, and the bainite structure fraction is formed by more than 90%, a heat treatment process consisting of quenching and tempering It relates to a steel material for a spring for omitting the tempering process in which the middle tempering process can be omitted.

Description

뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재{Steel Material for Springs with Tempering Process Omitting}Steel Material for Springs with Tempering Process Omitting}

본 발명은 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에 관한 것이다. The present invention relates to a spring steel for omitting the tempering process.

보다 구체적으로는 스프링용 강재에 적정 탄소당량을 제공하여 베이나이트 조직분율을 높이고, 이를 통해 마르텐사이트 및 펄라이트 생성량을 감소시키거나 생성을 최소화하며, 유효 보론량을 적절하게 확보하여 제조된 스프링용 강재의 강도 및 인성을 향상시킨다.More specifically, a steel for spring manufactured by providing an appropriate carbon equivalent to the spring steel to increase the bainite structure fraction, thereby reducing or minimizing the amount of martensite and pearlite produced, and properly securing the effective amount of boron. Improves strength and toughness.

이를 통해 담금질 및 뜨임으로 이루어지는 스프링 열처리 공정에서 뜨임 공정을 생략할 수 있도록 하여 스프링의 생산 효율을 향상시키는 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에 관한 것이다.This relates to a spring steel material for omitting the tempering process to improve the production efficiency of the spring by allowing the tempering process to be omitted in the spring heat treatment process consisting of quenching and tempering.

일반적으로 스프링은 외부로 부터 작용하는 충격에 의해 탄성변형되었다가 원상태로의 복귀하는 작용이 반복되기 때문에, 스프링의 성능 및 내구성을 확보하기 위하여 담금질 및 뜨임 등으로 이루어지는 열처리를 수행하게 되며, 스프링이 적용되는 구조물에 작용하는 힘의 크기에 따라 다양한 종류의 스프링용 강재를 적용하게 된다.In general, since the spring is elastically deformed by an external impact and returns to its original state, heat treatment is performed such as quenching and tempering to secure the performance and durability of the spring. Various types of spring steel are applied according to the magnitude of the force acting on the applied structure.

자동차의 현가장치 등에 사용되는 스프링의 경우 스프링의 성능 및 내구수명을 유지하기 위하여 135±5kg/㎟의 인장강도, 125±5kg/㎟의 항복강도 및 11±2%의 연신율의 조건을 만족하는 SUP9 계열의 스프링강을 주로 사용하였다. SUP9 that satisfies the conditions of a tensile strength of 135±5kg/㎟, a yield strength of 125±5kg/㎟, and an elongation of 11±2% in order to maintain the performance and durability of the spring in the case of springs used in automobile suspensions, etc. The series of spring steel was mainly used.

그러나, 기존의 뜨임 공정을 포함하는 열처리 강재의 경우 뜨임 공정을 위한 재가열 과정에서 반드시 필요로 하는 가열로에 의해 스프링 생산 공장의 생산라인이 길어지면서 공장의 공간을 효율적으로 사용하는데 어려움이 있고, 가열로에 대한 설치 비용 및 유지관리 비용이 추가적으로 발생하는 문제가 있었다.However, in the case of heat treated steel including the conventional tempering process, it is difficult to efficiently use the space of the factory as the production line of the spring production plant is lengthened by the heating furnace that is required in the reheating process for the tempering process. There was a problem that additional installation cost and maintenance cost for the furnace occurred.

특히, 최근에는 공장 자동화에 따른 생산시설 무인화 및 관리 자동화 개념의 연장선상에서 스마트 팩토리를 구축해 나아가는 실정인데, 스마트 팩토리는 과거의 단위 공정별 최적화를 이루는 공장 자동화 개념에서 벗어나 전체적인 공정이 서로 유기적으로 연계되어 발생할 수 있도록 공장내 장치들이 사물인터넷을 통해 각 공정간의 데이터를 공유하고, 수집된 데이터를 종합 분석하여 발생한 능동적 의사결정을 각 공정의 장치에 실시간으로 전달하여 이행함으로써, 다품종 복합생산에 적합한 생산공정 유연성을 확보하게 된다.In particular, in recent years, a smart factory is being built on the extension of the concept of unmanned production facilities and management automation according to factory automation, but the smart factory is a step away from the factory automation concept of optimizing each unit process in the past, and the whole process is organically linked to each other. A production process suitable for multi-species complex production by sharing data between each process through the Internet of Things so that it can occur, and delivering active decision-making generated by comprehensive analysis of the collected data to the devices of each process in real time. You get flexibility.

스마트 팩토리는 각 공정간 데이터 교환 및 분석이 원활하게 발생할 수 있도록 하기 위하여 공장 규모의 축소가 중요시되며, 공장 규모의 축소를 위해서는 생산라인 및 공정 수를 축소하는 것이 불가피하다.Smart Factory exchanges data between processes and In order to allow the analysis to occur smoothly, reduction of the factory size is important, and it is inevitable to reduce the number of production lines and processes to reduce the factory scale.

또한, 고탄소강으로 이루어지는 강재의 뜨임시 재가열 과정에서 탈탄(decarbonization)이 발생하면서 표면 경도와 내식성이 악화되는 현상을 방지하기 위해 강재 표면에 오일을 적용하게 되는데, 이러한 오일은 가열과정에서 기화되어 유독가스를 배출하고, 폐오일의 처리와 더불어 따른 환경오염 발생의 원인이 되었다. In addition, when tempering a steel made of high carbon steel, oil is applied to the steel surface to prevent decarbonization during reheating and deteriorating surface hardness and corrosion resistance.These oils are vaporized during heating and are toxic. It discharged gas and caused environmental pollution along with treatment of waste oil.

이때, 뜨임 공정을 생략하게 되면 스프링 생산 공장의 생산라인을 감축시켜 공장의 공간 활용의 효율성을 향상시키고, 뜨임에 사용되는 오일이 가열되어 생성되는 유증기 또는 폐오일의 처리시 발생하는 환경오염을 예방할 수 있을뿐만 아니라, 가열에 사용되는 전기 또는 화학 에너지를 절약하여 생산비용을 절감하고, 공정수가 감소되어 생산속도를 보다 향상시킬 수 있게 되어 스마트 팩토리 구축에 한발짝 앞으로 나아갈 수 있도록 한다.At this time, if the tempering process is omitted, the production line of the spring production plant is reduced to improve the efficiency of the plant's space utilization, and the oil used for tempering can be heated to prevent environmental pollution that occurs during the treatment of steam or waste oil. In addition to being able to save electricity or chemical energy used for heating, production costs can be reduced, and the production speed can be further improved by reducing the number of processes, enabling a step forward in smart factory construction.

위와 같은 장점에 의해 열처리 공정을 생략할 수 있는 스프링용 강재가 개발되어 왔으며, 열처리 공정 생략 강재의 발전 과정은 크게 4단계로 구분된다. Due to the above advantages, steel for springs that can omit the heat treatment process has been developed, and the development process of the steel material omitting the heat treatment process is largely divided into four stages.

제1 세대 열처리 생략 강재는 바나듐(V)을 첨가한 중탄소 강으로, 페라이트-펄라이트 조직을 형성하도록 열간성형 후 공냉을 실시하게 되며, 동급의 인장강도를 가지는 열처리 강재에 비하여 충격인성이 낮은 편이라, 작동시 과도한 충격과 부하가 걸리지 않는 자동차용 크랭크 샤프트 또는 커넥팅 로드 등에 적용되었다.The first-generation heat treatment-omitted steel is a medium carbon steel with vanadium (V) added, and is air-cooled after hot forming to form a ferrite-pearlite structure, and its impact toughness is lower than that of heat-treated steel having the same tensile strength. , It is applied to crankshafts or connecting rods for automobiles that do not apply excessive shock and load during operation.

제2 세대 열처리 생략 강재는 제1 세대 열처리 생략 강재의 낮은 충격인성을 보완할 수 있도록 탄소함량을 낮추는 동시에 실리콘(Si) 함유량을 증가시키고, 침상 페라이트 또는 페라이트-펄라이트 조직을 형성하도록 강냉을 실시하여 냉각속도를 증가시켰으며, 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti)을 첨가하여 펄라이트의 결정립을 미세화함으로써 충격인성을 향상시켰다.The second-generation heat treatment-omitted steel lowers the carbon content to compensate for the low impact toughness of the first-generation heat treatment-omitted steel, while increasing the silicon (Si) content, and performing strong cooling to form a needle-shaped ferrite or ferrite-pearlite structure. The cooling rate was increased, and the impact toughness was improved by adding molybdenum (Mo) and titanium (Ti) to refine the grains of pearlite.

제3 세대 열처리 생략 강재는 충격인성과 강도를 보다 향상시키기 위하여 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo)을 첨가하여 질량효과에 의해 마르텐사이트 종료온도를 200℃까지 상승시키고, 열간성형 직후 제어냉각을 통해 탄화물을 균일하게 분산시켜 베이나이트와 마르텐사이트의 복합조직을 형성하였다.In the 3rd generation heat treatment-omitted steel, niobium (Nb) and molybdenum (Mo) are added to further improve impact toughness and strength, increasing the martensite end temperature to 200°C by mass effect, and through controlled cooling immediately after hot forming. The carbide was uniformly dispersed to form a composite structure of bainite and martensite.

제4 세대 열처리 생략 강재는 열처리 강재와 비슷한 수준으로 충격인성과 강도 및 성형 가공성을 향상시킬 수 있도록 열간성형 직후 제어냉각을 통해 베이나이트의 조직분율을 높이는 방향으로 개발이 진행중이다.In order to improve the impact toughness, strength, and formability of the 4th generation heat treated steel at a level similar to that of heat treatment steel, development is underway in the direction of increasing the structure fraction of bainite through controlled cooling immediately after hot forming.

이러한 베이나이트의 조직을 형성하는 강재로는 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0008852호 (2003.01.29. 공개)의 자동차 샤시부품용 고강도 베이나이트계 비조질강이 있으나, 높은 망간(Mn) 함량에 의해 인성 향상에 악영향을 미치는 마르텐사이트의 생성율이 증가하고, 페라이트 형성을 지연시킬 수 있는 보론(B)이 함유되지 않아 균일한 베이나이트 조직을 형성하기 어려운 문제가 있었다. As a steel material forming the structure of such bainite, there is a high strength bainite-based non-tempered steel for automobile chassis parts of Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2003-0008852 (published on January 29, 2003), but in a high manganese (Mn) content. Accordingly, there is a problem in that the formation rate of martensite, which adversely affects the improvement of toughness, is increased, and boron (B), which can delay ferrite formation, is not contained, making it difficult to form a uniform bainite structure.

또한, 대한민국 등록특허공보 제10-0908624호 (2009.07.14. 등록)와 대한민국 등록특허공보 제10-1766567호 (2017.08.02. 등록)에는 각각 피삭성 및 인성이 향상된 프리하든강 및 그 제조방법과, 열연 강판 및 그 제조 방법에 게시되어 있으나, 뜨임 가공을 포함하는 열처리 강재의 제조 방법에 해당하기 때문에 열처리 강재의 단점인 생산 공장의 공간 효율성 저하와, 오일에 의한 환경오염 발생과, 가열을 위해 소비되는 다량의 에너지에 의한 생산비용 증가 및 공정수 증가에 따라 생산속도가 감소하는 문제가 해결되지 못하는 문제를 가지고 있었다.In addition, Korean Patent Publication No. 10-0908624 (registered on July 14, 2009) and Korean Patent Publication No. 10-1766567 (registered on August 02, 2017) contain pre-hardened steel with improved machinability and toughness, and a method for manufacturing the same, respectively. And, although it is posted in the hot-rolled steel sheet and its manufacturing method, since it corresponds to the manufacturing method of heat-treated steel including tempering, the disadvantage of heat-treated steel is reduced space efficiency in production plants, environmental pollution caused by oil, and heating. There was a problem that the problem of decreasing production speed due to an increase in production cost and an increase in the number of processes due to a large amount of energy consumed for harm was not solved.

대한민국 공개특허공보 제10-2003-0008852호 (2003.01.29. 공개)Korean Patent Application Publication No. 10-2003-0008852 (published on January 29, 2003) 대한민국 등록특허공보 제10-0908624호 (2009.07.14. 등록)Korean Registered Patent Publication No. 10-0908624 (registered on July 14, 2009) 대한민국 등록특허공보 제10-1766567호 (2017.08.02. 등록)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1766567 (registered on Aug. 2, 2017)

본 발명의 실시 예에서는 스프링용 강재의 생산과정에서 뜨임 공정을 생략한 열처리 생략 강재를 적용함으로써, 스프링의 생산 효율성을 향상시키고, 열처리 생략 강재의 충격인성과 강도 및 성형 가공성을 열처리 강재와 비슷한 수준으로 향상시키는 것을 목적으로 한다.In an embodiment of the present invention, by applying a heat treatment-omitted steel material that omits a tempering process in the production process of a steel material for a spring, the production efficiency of the spring is improved, and the impact toughness, strength, and formability of the steel material without heat treatment are similar to those of the heat treatment steel. It aims to improve by.

본 발명의 실시 예에서는 마르텐사이트 조직 생성률이 증가하는 것을 방지하여 제조된 스프링용 강재의 인성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In an embodiment of the present invention, it is an object to improve the toughness of the manufactured spring steel by preventing an increase in the martensitic structure generation rate.

본 발명의 실시 예에서는 베이나이트의 조직분율을 높여 펄라이트 생성량을 감소시키거나 생성을 최소화함으로써, 제조된 스프링용 강재의 인성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.In an embodiment of the present invention, it is an object to improve the toughness of the manufactured spring steel by increasing the structure fraction of bainite to reduce or minimize the amount of pearlite produced.

본 발명의 실시 예에서는 상부 베이나이트 조직분율의 증가를 억제하여 제조된 스프링용 강재의 인성과 강도 및 경도를 보다 향상시키는 것을 목적으로 한다.In an embodiment of the present invention, an object of the present invention is to further improve the toughness, strength, and hardness of the manufactured spring steel by suppressing the increase in the upper bainite structure fraction.

본 발명의 실시 예에 따르면 담금질 및 뜨임으로 이루어지는 열처리 공정 중 뜨임 공정의 생략이 가능하도록 제조되는 스프링용 강재에 있어서, 니켈(Ni) 0.003~0.2 중량%, 구리(Cu) 0.005~0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.04 중량%, 바나듐(V) 0.01~0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.001~0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.001~0.01 중량% 중에서 선택되는 1종 이상이 함유되고, 탄소(C) 0.1~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1~1.5 중량%, 크롬(Cr) 0.1~0.7 중량%, 보론(B) 0.001~0.004 중량%, 질소(N) 0.004~0.015 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 베이나이트 조직분율이 90%이상 형성된다.According to an embodiment of the present invention, in the spring steel material manufactured so that the tempering process can be omitted during the heat treatment process consisting of quenching and tempering, nickel (Ni) 0.003 to 0.2 wt%, copper (Cu) 0.005 to 0.2 wt%, Molybdenum (Mo) 0.01 to 0.5 wt%, titanium (Ti) 0.01 to 0.04 wt%, vanadium (V) 0.01 to 0.04 wt%, niobium (Nb) 0.001 to 0.2 wt%, aluminum (Al) 0.001 to 0.01 wt% Contains at least one selected, carbon (C) 0.1 to 0.4 wt%, silicon (Si) 0.1 to 1.0 wt%, manganese (Mn) 0.1 to 1.5 wt%, chromium (Cr) 0.1 to 0.7 wt%, boron (B) 0.001 to 0.004 wt%, nitrogen (N) 0.004 to 0.015 wt%, the balance is composed of iron and other inevitable impurities, and the bainite structure fraction is formed more than 90%.

본 발명의 실시 예에 따르면 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하며, C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15 의 공식으로 표현되는 탄소 당량(equivalent)이 0.2~0.6 범위 내에서 형성된다.According to an embodiment of the present invention, it contains molybdenum (Mo), nickel (Ni) and copper (Cu), and is expressed in the formula of C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15 The carbon equivalent (equivalent) is formed within the range of 0.2 to 0.6.

본 발명의 실시 예에 따르면 티타늄(Ti), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al)의 미량합금을 포함하며, (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66N 의 공식으로 표현되는 미량합금 첨가상수가 0.8~1.0 범위 내에서 형성된다.According to an embodiment of the present invention, a trace alloy of titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb) and aluminum (Al) is included, and (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66N The trace alloy addition constant expressed by the formula is formed within the range of 0.8 to 1.0.

본 발명의 실시 예에 따르면 [{5.25B - (7.66N2 - 1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al)/5.25}] x 10000 의 공식으로 표현되는 유효 보론량은 7~20 ppm 범위 내에서 형성된다.According to an embodiment of the invention [{5.25B - (7.66N 2 - 1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) /5.25}] effective amount of boron, which is represented by the formula: x 10000 is 7 ~ 20 ppm range Is formed from

본 발명의 실시 예에 따르면 상기 강재는 0.003 중량% 이하의 산소(O), 0.01 중량% 이하의 인(P) 및 0.01 중량% 이하의 황(S)이 포함된다.According to an embodiment of the present invention, the steel material contains 0.003 wt% or less of oxygen (O), 0.01 wt% or less of phosphorus (P), and 0.01 wt% or less of sulfur (S).

본 발명의 실시 예에 따르면 오스테나이트의 결정입도는 15~70㎛의 크기로 형성된다.According to an embodiment of the present invention, austenite has a crystal grain size of 15 to 70 μm.

본 발명의 실시 예에 따르면 오스템퍼(austempering)에 의해 형성되는 상부 베이나이트(upper-bainite)에 비해 상대적으로 저온에서 형성되는 하부 베이나이트(lower-bainite)의 조직분율이 60% 이상 형성된다.According to an embodiment of the present invention, a tissue fraction of lower-bainite formed at a relatively low temperature is formed at a rate of 60% or more than that of upper-bainite formed by austempering.

본 발명의 실시 예에 따르면 형성된 강재는 Hv410~525의 경도 , 135~185kg/mm2 인장강도, 110~155kg/mm2의 항복강도, 0.81~0.88의 항복비, 30~50%의 단면감소율, 11~16%의 연신율, 0.5~0.6의 피로한도비 범위를 만족한다.According to an embodiment of the present invention, the formed steel has a hardness of Hv410-525, of 135-185kg/mm 2 Tensile strength, yield strength of 110~155kg/mm 2 , yield ratio of 0.81~0.88, reduction ratio of 30~50%, elongation of 11~16%, and fatigue limit ratio range of 0.5~0.6 are satisfied.

본 발명의 실시 예에 따르면 스프링용 강재의 제조 과정에서 뜨임 공정을 생략함으로써, 스프링의 생산속도 향상 및 생산비용 절감을 이루고, 스프링의 재가열을 위한 가열로 설치라인을 축소를 통해 공장의 규모를 축소하여 생산라인의 동선을 최적화 할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by omitting the tempering process in the manufacturing process of spring steel, the production speed of the spring is improved and production cost is reduced, and the scale of the factory is reduced by reducing the heating furnace installation line for reheating the spring. Thus, there is an effect of optimizing the flow of the production line.

본 발명의 실시 예에 따르면 생산과정에서 뜨임 공정을 생략하여 제조된 스프링의 충격인성과 강도 및 성형 가공성을 뜨임 공정 열처리 강재와 비슷한 수준으로 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, the impact toughness, strength, and molding processability of a spring manufactured by omitting the tempering process in the production process can be improved to a level similar to that of the tempering process heat-treated steel.

본 발명의 실시 예에 따르면 적정 탄소당량을 제공하여 CCT곡선의 베이나이트 노즈(nose)가 형성되는 시간축을 조절함으로써, 베이나이트 조직분율을 높일 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, by providing an appropriate carbon equivalent to adjust the time axis in which the bainite nose of the CCT curve is formed, there is an effect of increasing the bainite structure fraction.

본 발명의 실시 예에 따르면 마르텐사이트 조직 생성률이 증가하는 것을 방지하여 제조된 스프링용 강재의 인성을 향상시키는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect of improving the toughness of the manufactured spring steel by preventing an increase in the martensitic structure generation rate.

본 발명의 실시 예에 따르면 베이나이트의 조직분율을 높여 펄라이트 생성량을 감소시키거나 생성을 최소화함으로써, 제조된 스프링용 강재의 인성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect of improving the toughness of the manufactured spring steel by increasing the texture fraction of bainite to reduce or minimize the amount of pearlite produced.

본 발명의 실시 예에 따르면 상부 베이나이트 조직분율의 증가를 억제하여 제조된 스프링용 강재의 인성과 강도 및 경도를 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect of suppressing an increase in the upper bainite structure fraction to further improve the toughness, strength, and hardness of the manufactured spring steel.

본 발명의 실시 예에 따르면 자동차 스프링용 강재의 주조시 노즐 막힘 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, there is an effect of preventing a nozzle clogging phenomenon when casting a steel material for an automobile spring.

도 1a와 도 1b는 각각 기존의 기존의 열처리 생략 강재로 제조된 스프링의 냉각 속도와 본 발명에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링 강재로 제조된 스프링의 냉각 과정을 나타내는 그래프이다.
도 2는 스프링용 강재의 냉각속도에 따른 상변태를 도시하는 연속 냉각 변태(CCT, continuous cooling transformation) 곡선을 나타내는 그래프이다.
도 3은 탄소당량에 따라 CCT곡선이 이동하면서 상전이 온도의 시작온도가 변화하는 현상을 나타내는 그래프이며, 도 3a는 탄소당량 0.2이하, 도 3b는 탄소당량 0.2~0.6 사이, 도 3c는 탄소당량 0.6 이상에서의 CCT곡선 이동을 나타낸다.
도 4는 스프링용 강재의 탄소함유량에 따른 항복강도에 영향을 미치지 않는 잔류 오스테나이트의 부피비 범위를 나타내는 그래프이다.
도 5는 페라이트 변태를 지연시켜 이상적인 베이나이트 조직을 확보하기 위한 이상적 유효 보론 범위를 나타내는 그래프이다.
도 6은 스프링의 제조과정 중 담금질 과정에서의 냉각속도에 따라 형성되는 스프링의 경도값을 나타내는 그래프이다.
1A and 1B are graphs showing a cooling rate of a spring made of a conventional steel without heat treatment and a cooling process of a spring made of a spring steel for omitting the tempering process according to the present invention, respectively.
2 is a graph showing a continuous cooling transformation (CCT) curve showing a phase transformation according to a cooling rate of a spring steel material.
3 is a graph showing a phenomenon in which the starting temperature of the phase transition temperature changes while the CCT curve moves according to the carbon equivalent, FIG. 3A is a carbon equivalent of 0.2 or less, FIG. 3B is a carbon equivalent of 0.2 to 0.6, and FIG. 3C is a carbon equivalent of 0.6 The above shows the CCT curve shift.
4 is a graph showing the range of the volume ratio of retained austenite that does not affect the yield strength according to the carbon content of the spring steel material.
5 is a graph showing an ideal effective boron range for securing an ideal bainite structure by delaying ferrite transformation.
6 is a graph showing the hardness value of a spring formed according to the cooling rate in the quenching process during the manufacturing process of the spring.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다. It will be described in detail focusing on the parts necessary to understand the operation and operation according to the present invention.

본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. In describing the embodiments of the present invention, descriptions of technical contents that are well known in the technical field to which the present invention pertains and are not directly related to the present invention will be omitted.

이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.This is to more clearly convey the gist of the present invention by omitting unnecessary description.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. In addition, in describing the constituent elements of the present invention, different reference numerals may be assigned to constituent elements of the same name according to the drawings, and the same reference numerals may be denoted even in different drawings.

그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.However, even in such a case, it does not mean that the corresponding component has different functions according to the embodiment, or that it has the same function in different embodiments, and the function of each component is the corresponding embodiment. It should be determined based on the description of each component in

또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.In addition, the technical terms used in the present specification should be interpreted in the meaning generally understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs, unless otherwise defined in this specification. It should not be construed as a meaning or an excessively reduced meaning.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In addition, the singular expression used in the present specification includes a plurality of expressions unless the context indicates otherwise.

본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. In the present application, terms such as "consist of" or "include" should not be construed as necessarily including all of the various elements or various steps described in the specification, and some of the elements or some steps It may not be included, or it should be interpreted that it may further include additional elements or steps.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재는 0.003~0.2 중량%의 니켈(Ni), 0.005~0.2 중량%의 구리(Cu), 0.01~0.5 중량%의 몰리브덴(Mo), 0.01~0.04 중량%의 티타늄(Ti), 0.01~0.04 중량%의 바나듐(V), 0.001~0.2 중량%의 니오븀(Nb), 0.001~0.01 중량%의 알루미늄(Al) 중에서 선택되는 성분이 상기 함량으로 적어도 1종 이상이 함유되고, 0.1~0.4 중량%의 탄소(C), 0.1~1.0 중량%의 실리콘(Si), 0.1~1.5 중량%의 망간(Mn), 0.1~0.7 중량%의 크롬(Cr), 0.001~0.004 중량%의 보론(B), 0.004~0.015 중량%의 질소(N), 잔부 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성된다.Spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention is 0.003 to 0.2 wt% nickel (Ni), 0.005 to 0.2 wt% copper (Cu), 0.01 to 0.5 wt% molybdenum (Mo), A component selected from 0.01 to 0.04% by weight of titanium (Ti), 0.01 to 0.04% by weight of vanadium (V), 0.001 to 0.2% by weight of niobium (Nb), and 0.001 to 0.01% by weight of aluminum (Al) contains the above content. At least one or more is contained, 0.1 to 0.4% by weight of carbon (C), 0.1 to 1.0% by weight of silicon (Si), 0.1 to 1.5% by weight of manganese (Mn), 0.1 to 0.7% by weight of chromium ( Cr), 0.001 to 0.004% by weight of boron (B), 0.004 to 0.015% by weight of nitrogen (N), balance iron and other inevitable impurities.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재를 구성하는 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물을 제외한 필수 조성 성분의 작용 및 함유량을 살펴보면 다음과 같다.Hereinafter, the action and content of essential components excluding iron and other inevitable impurities constituting a spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention are as follows.

1) 탄소(C)1) carbon (C)

상기 성분 및 함량이 함유되는 강재는 베이나이트 조직분율이 90%이상 형성되는데, 기존의 베이나이트 조직을 형성한 열처리 생략 강재는 도 1a에서 도시하는 바와 같이 p0에서 p1 과정을 거치면서 A3 변태점에서 1250℃ 사이의 오스테니이트화 온도로 가열된 강재를 p1에서 p2 과정을 거치면서 열간성형하고, 열간성형된 스프링을 p3a에서 p4 과정의 항온변태 또는 p3a에서 p4 과정의 제어냉각을 통해 베이나이트 조직을 형성하게 된다.The steel material containing the above components and contents has a bainite structure fraction of 90% or more, and the steel material without heat treatment forming the existing bainite structure undergoes a process from p0 to p1 as shown in FIG. A steel material heated to an austenitization temperature between °C is hot-formed while passing through the p1 to p2 process, and the hot-formed spring is subjected to constant temperature transformation in the p3a to p4 process, or the bainite structure is formed through controlled cooling in the p3a to p4 process. Is done.

그에 비하여 본 발명의 실시 예에서는 도 1b에서 도시하는 바와 같이 p2에서 p3c 과정의 급속냉각을 통해 베이나이트 조직을 형성하게 되는데, 기존의 베이나이트 조직을 형성한 열처리 생략 강재와 본 발명의 실시 예 모두 별도의 뜨임 공정을 요구하지 않는 공통점이 있으나, 급속냉각 과정을 수행하는 경우 제어냉각 또는 항온변태 과정에 비하여 공정을 완료하는데 소요되는 시간이 크게 단축될 수 있는 장점이 있다.In contrast, in the embodiment of the present invention, the bainite structure is formed through rapid cooling in the p2 to p3c process as shown in FIG. 1B, and both the steel material that formed the existing bainite structure and the heat treatment omitted steel material and the embodiment of the present invention Although there is a common point that a separate tempering process is not required, when the rapid cooling process is performed, there is an advantage that the time required to complete the process can be significantly reduced compared to the controlled cooling or constant temperature transformation process.

이때, 베이나이트 조직 분율이 90% 미만인 경우 제조된 스프링의 기계적 성질과 내구특성을 확보하기 어려워지므로, 베이나이트 조직 분율은 95% 이상 형성하는 것이 바람직하다.At this time, when the bainite structure fraction is less than 90%, it becomes difficult to secure the mechanical properties and durability characteristics of the manufactured spring, and thus the bainite structure fraction is preferably formed to be 95% or more.

베이나이트(bainite)는 합금의 함량 및 냉각속도에 따라 도 2의 연속 냉각 변태 곡선(CCT 곡선)에서 도시하는 바와 같이 펄라이트와 마르텐사이트가 생성되는 온도인 400~650℃의 온도 범위 내에서 형성되는 강의 미세조직으로, 오스테나이트(austenite)가 727℃의 임계온도를 넘어서 냉각될 때 형성되는 분해생성물의 하나이며, 베이나이트의 미세조직 형상 및 경도 특성은 뜨임 공정을 거친 마르텐사이트(martensite)와 유사한 구조를 가진다.Bainite is formed within a temperature range of 400 to 650°C, which is the temperature at which pearlite and martensite are generated, as shown in the continuous cooling transformation curve (CCT curve) of FIG. 2 according to the content of the alloy and the cooling rate. As the microstructure of steel, it is one of the decomposition products formed when austenite is cooled beyond the critical temperature of 727℃, and the microstructure shape and hardness characteristics of bainite are similar to those of martensite after a tempering process. Have a structure

또한, 베이나이트는 미세한 비층상(non-lamellar) 구조를 가지며, 시멘타이트 및 전위(dislocation) 풍부 페라이트(ferrite)로 이루어지는데, 페라이트에 포함되는 높은 밀집도의 전위로 인하여 통상적인 페라이트에 비하여 높은 경도를 가지게 된다.In addition, bainite has a fine non-lamellar structure and is made of cementite and dislocation-rich ferrite. Due to the high density dislocations contained in ferrite, it has a higher hardness than conventional ferrite. Will have.

또한, 베이나이트 미세조직은 페라이트와 탄화철로 구성되는 2상(phase) 구조를 가지며, 오스테나이트의 조성 및 냉각속도에 따라 상부 베이나이트(upper-bainite)와, 상부 베이나이트에 비해 상대적으로 저온에서 형성되는 하부 베이나이트(lower-bainite) 조직이 생성된다.In addition, the bainite microstructure has a two-phase structure composed of ferrite and iron carbide, and at a relatively low temperature compared to upper-bainite and upper bainite, depending on the composition and cooling rate of austenite. The resulting lower-bainite structure is created.

상부 베이나이트는 평행한 그룹을 이루어 판형 영역을 형성하는 페라이트 래스(lath)의 집합체로, 베이나이트 조직 생성 이전의 오스테나이트 입계(래스간 영역)에서 석출되는 탄화물이 탄소함량에 따라 래스간 경계 사이에 완전한 탄화물 막을 형성하면서 베이나이트 강의 인성을 저하시키는 원인이 될 수 있다.Upper bainite is an aggregate of ferrite laths forming a plate-shaped region by forming parallel groups, and carbides precipitated at the austenite grain boundary (inter-lath region) before the formation of the bainite structure are between the lath boundaries depending on the carbon content. It may be a cause of lowering the toughness of bainite steel while forming a complete carbide film.

반면에 하부 베이나이트는 페라이트와 미세한 스케일의 탄화물 집합체로 구성되며, 페라이트판 내부에서 석출되는 탄화물은 로드(rod) 또는 블레이드(blade) 형상을 가지고 있어, 뜨임 공정을 생략하더라도 충분한 강도와 인성을 확보할 수 있도록 한다.On the other hand, the lower bainite is composed of ferrite and carbide aggregates of fine scale, and the carbide precipitated inside the ferrite plate has a rod or blade shape, so even if the tempering process is omitted, sufficient strength and toughness are secured. To be able to do it.

따라서 상부 베이나이트 조직분율보다 하부 베이나이트 조직분율을 크게 형성함으로써, 제조되는 스프링의 강도, 경도 및 인성 특성을 향상시킬 수 있으며, 하부 베이나이트의 조직분율을 60% 이상 형성하는 것이 바람직하다.Therefore, by forming the lower bainite structure fraction larger than the upper bainite structure fraction, it is possible to improve the strength, hardness and toughness characteristics of the manufactured spring, and it is preferable to form the lower bainite structure fraction of 60% or more.

하부 베이나이트 조직분율이 60% 미만인 경우 상부 베이나이트 조직분율이 상대적으로 높아지면서 제조된 스프링의 인성이 저하되고, 이에 따라 스프링의 가공 공정에서 뜨임 공정에 준하는 연화열처리를 부가하여 실시하여야 하기 때문에 뜨임 공정의 생략에 의한 공정 단축 효과를 얻을 수 없기 때문이다.If the lower bainite structure fraction is less than 60%, the upper bainite structure fraction is relatively high and the manufactured spring's toughness decreases, and accordingly, a softening heat treatment similar to the tempering process must be added in the spring processing process. This is because the process shortening effect by omission of the process cannot be obtained.

하부 베이나이트의 조직분율은 도 2에 도시된 연속 냉각 변태 곡선과 같이 베이나이트 선도의 노즈(nose)에 접근하는 냉각속도에서 극대화 되고, 노즈와 멀어지는 냉각속도에서 증가되므로, 뜨임 공정의 부가 없이 하부 베이나이트의 조직분율을 높이기 위해서는 급속냉각을 수행하여야 하며, 20~150℃/sec의 냉각속도로 성형된 스프링이 상온에 도달할때까지 냉각하는 것이 바람직하다.The tissue fraction of the lower bainite is maximized at the cooling rate approaching the nose of the bainite diagram as shown in the continuous cooling transformation curve shown in FIG. 2, and is increased at the cooling rate away from the nose. In order to increase the structure fraction of bainite, rapid cooling must be performed, and it is preferable to cool the molded spring at a cooling rate of 20 to 150°C/sec until it reaches room temperature.

이때, 20~150℃/sec의 냉각속도는 급속냉각하는 스프링의 부피에 따라 다르게 적용될 수 있다.In this case, the cooling rate of 20 to 150°C/sec may be applied differently according to the volume of the spring for rapid cooling.

스프링 강재의 베이나이트 조직분율은 도 3에서 도시하는 바와 같이 탄소 당량(equivalent)에 따라 큰 영향을 받게 되는데, 탄소 당량이 낮으면 도 3a에서 도시하는 바와 같이 CCT곡선의 베이나이트 노즈가 단시간측으로 이동하면서 상부 베이나이트 조직분율이 상대적으로 증가하게 되고, 탄소 당량이 높으면 도 3c에서 도시하는 바와 같이 CCT곡선의 베이나이트 노즈가 장시간측으로 이동하면서 마르텐사이트의 생성량이 베이나이트의 생성량보다 증가하게 된다.The bainite structure fraction of the spring steel is greatly influenced by the carbon equivalent as shown in FIG. 3, but when the carbon equivalent is low, the bainite nose of the CCT curve moves to the short-time side as shown in FIG. 3A. While the upper bainite tissue fraction is relatively increased, and if the carbon equivalent is high, the amount of martensite produced increases as the bainite nose of the CCT curve moves to the long side as shown in FIG. 3C.

따라서 본 발명의 실시 예에 따른 스프링용 강재는 0.1~0.4 중량%의 탄소를 함유하도록 제한된다.Therefore, the steel material for a spring according to an embodiment of the present invention is limited to contain 0.1 to 0.4% by weight of carbon.

탄소의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우 충분한 스프링의 강도를 확보할 수 없고, 스프링용 강재 자체의 소입성(담금질 특성)이 부족하게 되어 베이나이트 조직을 형성하는데 어려움이 발생한다.When the carbon content is less than 0.1% by weight, sufficient strength of the spring cannot be secured, and the hardenability (quenching property) of the spring steel itself is insufficient, causing difficulty in forming a bainite structure.

탄소의 함량이 0.4 중량%를 초과하는 경우 제조되는 스프링의 강도를 향상시킬 수 있으나, 마르텐사이트 생성율이 급격하게 증가하면서 인성이 크게 저하되어 파손이 발생하기 쉬우므로, 탄소의 함량을 0.4 중량% 이하로 제한하여 적절한 수준의 강도 형성에 필요한 최저기준을 충족시키게 된다.If the carbon content exceeds 0.4% by weight, the strength of the manufactured spring can be improved, but the martensite generation rate increases sharply and the toughness is greatly reduced, which is liable to cause damage, so the carbon content is less than 0.4% by weight. To meet the minimum standards required to form an appropriate level of strength.

2) 실리콘(Si)2) Silicon (Si)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 실리콘이 0.1~1.0 중량% 함유되며, 실리콘 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 탈탄 및 고용 강화 효과가 충분히 발생하지 못한다. The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention contains 0.1 to 1.0% by weight of silicon, and when the silicon content is less than 0.1% by weight, the decarburization and solid solution strengthening effect cannot be sufficiently generated.

또한, 실리콘 함량이 1.0 중량%를 초과하는 경우에는 베이나이트 조직으로 된 스프링용 강재의 인성 및 소성가공성이 저하되며, 스프링용 강재의 소재 표면 탈탄이 과도하게 발생하여 제조된 스프링의 표면 경도 및 내구성이 크게 저하된다.In addition, when the silicon content exceeds 1.0% by weight, the toughness and plastic workability of the spring steel with bainite structure decreases, and the surface hardness and durability of the manufactured spring due to excessive decarburization of the material surface of the spring steel material. This is greatly degraded.

3) 망간(Mn)3) Manganese (Mn)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 망간이 0.1~1.5 중량% 함유되며, 망간은 베이나이트에 포함된 페라이트의 고용강화를 발생시켜 스프링용 강재의 강도를 향상시키고, 베이나이트 조직을 미세화하여 스프링용 강재의 인성을 향상시킨다.The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention contains 0.1 to 1.5% by weight of manganese, and manganese increases the strength of the spring steel by causing solid solution strengthening of ferrite contained in bainite, The bainite structure is refined to improve the toughness of spring steel.

이때, 망간 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 소입성 및 베이나이트 조직 형성을 촉진하는데 불충분하고, 망간 함량이 1.5 중량%를 초과하는 경우에는 소입성이 크게 증가하면서 마르텐사이트 조직 생성율이 증가하여 제조된 스프링의 인성에 악영향을 미치며, 베이나이트 조직의 균질성을 확보하기 어려워진다.At this time, when the manganese content is less than 0.1% by weight, it is insufficient to promote the hardenability and the formation of bainite structure, and when the manganese content is more than 1.5% by weight, the hardenability is greatly increased and the martensite structure production rate is increased. It adversely affects the toughness of the spring, and it becomes difficult to ensure the homogeneity of the bainite structure.

4) 크롬(Cr)4) Chrome (Cr)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 크롬이 0.1~0.7 중량% 함유되는데, 크롬은 스프링용 강재의 강도, 피로강도, 내마모성을 향상시키고, 소입성을 향상시켜 베이나이트 조직을 안정적으로 발생시키며, 몰리브덴 및 바나듐과 함께 복합탄화물을 형성하여 내충격성을 증대시킨다.The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention contains 0.1 to 0.7% by weight of chromium, which improves the strength, fatigue strength, and abrasion resistance of the steel material for spring, and improves hardenability to improve bainite. It generates a structure stably and increases impact resistance by forming a composite carbide with molybdenum and vanadium.

이때, 크롬 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 크롬 함유에 따른 효과를 얻기 어려워지고, 크롬 함량이 0.7 중량%를 초과하는 경우 마르텐사이트 조직이 발생하면서 제조된 스프링의 취성이 증가하여 스프링의 파손 발생 위험성이 증가하게 된다.At this time, when the chromium content is less than 0.1% by weight, it becomes difficult to obtain the effect of the chromium content, and when the chromium content exceeds 0.7% by weight, martensite structure is generated and the brittleness of the manufactured spring increases, resulting in the risk of damage to the spring. Will increase.

5) 보론(B)5) Boron (B)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 보론이 0.001~0.004 중량% 함유되는데, 보론이 함유되면 초석 페라이트 석출을 지연시켜 CCT 곡선을 장시간측으로 이동시키게 되며, 스프링용 강재에 함유된 원자상태의 보론이 오스테나이트 결정입계에 편석되어 결정입계 자유에너지를 낮춤으로써 초석 페라이트의 형성을 억제함으로써, 베이나이트 조직 형성을 촉진한다.The spring steel material for omitting the tempering process according to the embodiment of the present invention contains 0.001 to 0.004% by weight of boron. If boron is contained, the CCT curve is shifted to the long side by delaying the precipitation of cornerstone ferrite. The boron contained in the atomic state is segregated at the austenite grain boundary, thereby lowering the grain boundary free energy, thereby inhibiting the formation of the foundation stone ferrite, thereby promoting the formation of the bainite structure.

보론 함량이 0.001 중량% 미만인 경우 베이나이트 조직 형성 촉진 효과가 미미해지고, 보론 함량이 0.004 중량%를 초과하는 경우 질소 및 산소와 친화도가 큰 보론이 용해작업과정에서 산화물 및 질화물을 형성함으로써, 열간 압연 또는 단조 가공 온도에서 M23(CB)6 또는 Fe2B 등의 보로카바이드(borocarbide)가 형성되어 초석 페라이트 생성이 촉진되기 때문에 베이나이트 조직분율을 확보하기 어려워진다.When the boron content is less than 0.001% by weight, the effect of promoting bainite structure formation becomes insignificant, and when the boron content exceeds 0.004% by weight, boron having a high affinity with nitrogen and oxygen forms oxides and nitrides during the dissolution process. Since borocarbide such as M 23 (CB) 6 or Fe 2 B is formed at the rolling or forging temperature, the formation of cornerstone ferrite is promoted, making it difficult to secure the bainite structure fraction.

특히, 스프링의 담금질 공정을 수행할 때 냉각속도가 느리면 결정입계에 보론 질화물이 형성되고, 생성된 질화물이 페라이트의 핵생성 사이트로 작용하여 스프링의 강도와 인성을 저하시키게 된다.In particular, if the cooling rate is slow when the spring is quenched, boron nitride is formed at the grain boundaries, and the generated nitride acts as a nucleation site of ferrite, thereby reducing the strength and toughness of the spring.

따라서 보론 질화물의 생성을 방지하기 위하여 티타늄, 바나듐, 니오븀, 알루미늄 등을 첨가하여 질소와 결합하지 않고 단독의 원자상태로 존재하는 유효 보론(effective Boron)량을 적절하게 확보하여야 한다.Therefore, in order to prevent the formation of boron nitride, titanium, vanadium, niobium, aluminum, and the like must be added to appropriately secure the amount of effective boron that does not combine with nitrogen and exists in a single atomic state.

6) 질소(N)6) nitrogen (N)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 질소가 0.004~0.015 중량% 함유되는데, 질소는 스프링 강재에 함유되는 티타늄, 알루미늄 및 바나듐과 결합하여 탄질화물을 형성하고, 형성된 탄질화물이 오스테나이트 결정립을 미세화시켜 베이나이트 강재의 강도 및 인성을 향상시킨다.The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention contains 0.004 to 0.015% by weight of nitrogen, and nitrogen is combined with titanium, aluminum and vanadium contained in the spring steel to form carbonitrides, and formed carbonitrides Cargo refines austenite grains to improve the strength and toughness of bainite steel.

이때, 질소 함량이 0.004 중량% 미만인 경우에는 베이나이트 강재의 강도 및 인성 향상 효과를 얻기 힘들고, 질소 함량이 0.015 중량%를 초과하는 경우 탄질화물이 조대화(coarsening)되어 결정립 조대화에 기여하지 못한다.At this time, when the nitrogen content is less than 0.004% by weight, it is difficult to obtain the effect of improving the strength and toughness of the bainite steel, and when the nitrogen content is more than 0.015% by weight, carbonitrides are coarsened, which does not contribute to the grain coarsening. .

또한, 함유되는 질소량에 비해 티타늄, 알루미늄 및 바나듐의 함유량이 부족한 경우 질소가 스프링 강재 중에 고용되어 인성을 크게 저하시키게 된다.In addition, when the content of titanium, aluminum, and vanadium is insufficient compared to the amount of nitrogen contained, nitrogen is dissolved in the spring steel material to greatly reduce toughness.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 상기 탄소, 실리콘, 망간, 크롬, 보론, 질소 외에 스프링 제조과정에서 뜨임 공정을 생략하기 위해 스프링용 강재 조직의 특성을 변화시키거나, 제조된 스프링의 강도 또는 인성 등의 성능 향상을 위하여 니켈, 구리, 몰리브덴, 티타늄, 바나듐, 니오븀 및 알루미늄 중 1성분 이상이 선택적으로 부가되어 함유될 수 있으며, 상기 선택적 부가 성분의 작용 및 함량을 설명하면 다음과 같다.In the spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention, in addition to the carbon, silicon, manganese, chromium, boron, nitrogen, in order to omit the tempering process in the spring manufacturing process, the characteristics of the steel material structure for the spring may be changed or , In order to improve the performance of the manufactured spring, such as strength or toughness, one or more of nickel, copper, molybdenum, titanium, vanadium, niobium and aluminum may be optionally added and contained, and the action and content of the optional additional component It is as follows.

1) 니켈(Ni)1) Nickel (Ni)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 니켈이 0.003~0.2 중량% 함유될 수 있는데, 니켈은 강재의 소입성을 향상시켜 베이나이트 조직을 안정적으로 형성하게 하고, 제조된 스프링의 인성 감소 없이 강도를 증가시킬 수 있으며, 내식성을 향상시킨다.The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention may additionally contain 0.003 to 0.2% by weight of nickel. Nickel improves the hardenability of the steel to stably form a bainite structure, and manufacture Strength can be increased without reducing the toughness of the spring, and corrosion resistance is improved.

이때, 니켈 함량이 0.003 중량% 미만인 경우에는 스프링재의 강도와 내식성 향상 효과 및 저온에서의 인성 확보 효과를 얻을 수 있으며, 니켈 함량이 0.2 중량%를 초과하는 경우 효과의 임계점에 도달하여 보다 향상된 효과를 얻지 못하고, 제조원가를 상승시킬 수 있다.At this time, if the nickel content is less than 0.003% by weight, the effect of improving the strength and corrosion resistance of the spring material and the effect of securing toughness at low temperatures can be obtained.If the nickel content exceeds 0.2% by weight, the critical point of the effect is reached, resulting in a more improved effect. It cannot be obtained, and manufacturing cost can be increased.

2) 구리(Cu)2) Copper (Cu)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 구리가 0.005~0.2 중량% 함유될 수 있는데, 고용강화 및 석출강화 효과에 따라 스프링의 인장 및 항복강도를 향상시키고, 부식저항을 향상시킨다.The spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention may additionally contain 0.005 to 0.2% by weight of copper, improving the tensile and yield strength of the spring according to the solid solution strengthening and precipitation strengthening effect, and corrosion resistance. Improves.

이때, 구리 함량이 0.005 중량% 미만인 경우에는 부식저항 개선효과가 미흡하고, 구리 함량이 0.2 중량%를 초과하는 경우 효과의 임계점에 도달하여 보다 향상된 효과를 얻지 못하며, 입계 편석시 녹는점이 낮아지면서 열간압연을 위한 가열로 장입시 결정입계 취화(embrittlement)되어 제조된 스프링의 표면흠 발생 또는 인성 저하를 유발할 수 있다.At this time, when the copper content is less than 0.005% by weight, the effect of improving corrosion resistance is insufficient, and when the copper content exceeds 0.2% by weight, the critical point of the effect is reached and no improved effect is obtained, and the melting point is lowered during intergranular segregation. When charging into a heating furnace for rolling, grain boundary embrittlement may cause surface flaws or decrease in toughness of the manufactured spring.

3) 티타늄(Ti)3) Titanium (Ti)

본 발명의 실시 예에 따른 자동차 스프링용 강재에는 추가적으로 티타늄이 0.01~0.04 중량% 함유될 수 있는데, 티타늄은 보론이 첨가되는 베이나이트 강재 내의 질소와 결합하여 질소를 고정함으로써, 보론 질화물의 생성을 억제하여 원자상태의 유효 보론량을 확보할 수 있도록 한다.The steel material for automobile springs according to an embodiment of the present invention may additionally contain 0.01 to 0.04% by weight of titanium, and titanium is combined with nitrogen in the bainite steel to which boron is added to fix nitrogen, thereby suppressing the formation of boron nitride. Thus, the effective amount of boron in the atomic state can be secured.

이때, 결정립 미세화 원소 화합물 중 가장 안정된 TiN은 고온에서 고용도가 낮고, 입자 성장속도가 느려 결정립 미세화에 기여할 수 있으며, 오스테나이트 결정립계를 고정화하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제함으로써 오스테나이트 결정입도를 감소시킨다.At this time, TiN, which is the most stable of the grain refining element compounds, has a low solubility at high temperature and a slow grain growth rate, which can contribute to grain refinement, and reduces austenite grain size by inhibiting austenite grain growth by immobilizing austenite grain boundaries. .

오스테나이트 결정입도 감소에 따라 베이나이트 변태 개시온도가 감소하면서 상부 베이나이트 형성을 감소시키고, 하부 베이나이트의 분율을 증가시키게 되며, 마르텐사이트의 생성을 억제하여 하부 베이나이트 조직분율을 보다 용이하게 확보할 수 있도록 하여 제조된 스프링의 인장강도 및 항복강도를 높일 수 있다.As the austenite grain size decreases, the bainite transformation initiation temperature decreases, reducing the formation of upper bainite, increasing the fraction of lower bainite, suppressing the formation of martensite, securing the lower bainite structure more easily It is possible to increase the tensile strength and yield strength of the manufactured spring.

이때, 티타늄 함량이 0.01 중량% 미만인 경우 상기 효과가 미미해지며, 티타늄 함량이 0.04 중량%를 초과하는 경우 향상 효과가 포화상태에 이르게 되어 향상된 효과를 나타내지 못하고, 제조된 스프링의 인성 저하를 발생시키게 된다.At this time, when the titanium content is less than 0.01% by weight, the above effect becomes insignificant, and when the titanium content exceeds 0.04% by weight, the improvement effect reaches saturation, so that the improved effect is not exhibited, and the toughness of the manufactured spring is deteriorated. .

4) 몰리브덴(Mo)4) Molybdenum (Mo)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 몰리브덴이 0.01~0.5 중량% 함유될 수 있는데, 몰리브덴은 스프링 강재의 소입성을 증가시켜 베이나이트 조직을 안정적으로 얻게 하고, 몰리브덴 탄화물이 결정입도를 미세화 하여 제조된 스프링의 강도 및 인성을 향상시킨다.The spring steel material for omitting the tempering process according to the embodiment of the present invention may additionally contain 0.01 to 0.5% by weight of molybdenum, and molybdenum increases the hardenability of the spring steel to stably obtain a bainite structure, and molybdenum Carbide refines the grain size and improves the strength and toughness of the manufactured spring.

스프링의 제조과정에서 냉각속도가 느린 경우 몰리브덴이 조대한 석출물을 분산시켜 제조된 스프링의 인성이 저하될 수 있으므로, 급속냉각을 통해 베이나이트와 마르텐사이트의 변태온도 저하에 의해 탄화물의 미세화 및 조직의 치밀화를 발생시켜 스프링의 인성을 증가시킬 수 있다.If the cooling rate is slow during the manufacturing process of the spring, the toughness of the spring produced by dispersing the coarse precipitates of molybdenum may be lowered.Thus, the transformation temperature of bainite and martensite may be reduced through rapid cooling, resulting in microstructure of carbides and It can increase the toughness of the spring by generating densification.

이때, 몰리브덴이 보론과 함께 함유되는 경우 냉각시 소입성이 제어되어 인장강도와 인성간 균형을 최적화할 수 있는데, 몰리브덴 함량이 0.01 중량% 미만인 경우 함유에 따른 효과가 미미해진다.At this time, when molybdenum is contained together with boron, the quenching property is controlled during cooling to optimize the balance between tensile strength and toughness. When the molybdenum content is less than 0.01% by weight, the effect of containing it becomes insignificant.

또한, 몰리브덴 함량이 0.5 중량%를 초과하는 경우 소입성이 필요 이상으로 증가되면서 마르텐사이트 생성율을 증가시키고, 향상 효과가 더 이상 증가하지 않는 포화상태에 이르게 된다. In addition, when the molybdenum content exceeds 0.5% by weight, the hardenability increases more than necessary, increases the martensite production rate, and leads to a saturated state in which the improvement effect does not increase any more.

특히, 보론과 몰리브덴은 고가의 원소이므로 필요 이상의 함량이 함유되면 스프링의 생산비용이 크게 증가하게 되므로 필요량 이상을 함유하지 않는 것이 바람직하다.Particularly, since boron and molybdenum are expensive elements, if more than necessary content is contained, the production cost of the spring increases significantly, so it is preferable not to contain more than the required amount.

5) 바나듐(V)5) Vanadium (V)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 바나듐이 0.01~0.04 중량% 함유될 수 있는데, 바나듐은 스프링 강재 내의 탄소와 결합하여 형성한 미세 탄화물을 통해 스프링 강재의 강도를 향상시키고, 900℃ 이상의 온도에서 바나듐 탄질화물(VC,VCN)을 형성하여 오스테나이트 상의 결정립 성장을 방지하여 적정 베이나이트 조직을 확보하기 위한 소입성 제어에 중요한 역할을 한다.The spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention may additionally contain 0.01 to 0.04% by weight of vanadium, and the vanadium improves the strength of the spring steel through fine carbide formed by bonding with carbon in the spring steel. In addition, it plays an important role in controlling the hardenability to secure an appropriate bainite structure by forming vanadium carbonitride (VC,VCN) at a temperature of 900°C or higher to prevent grain growth of austenite phase.

바나듐은 스프링 강재가 냉각되는 동안 페라이트 조직 내부에 바나듐 탄질화물의 미세 석출물을 형성하면서 석출강화 및 분산강화를 통해 제조된 스프링의 강도를 향상시킨다. Vanadium forms fine precipitates of vanadium carbonitride in the ferrite structure while the spring steel is cooled, and improves the strength of the manufactured spring through precipitation and dispersion strengthening.

특히, 바나듐 탄질화물의 미세 석출물은 고온에서 불안정하므로 바나듐 탄질화물의 미세 석출물을 형성하기 위해서는 냉각속도 조절이 매우 중요하며, 스프링 강재의 강도 향상 정도는 탄소 함유량 및 냉각속도에 따라 변화한다.In particular, since the fine precipitates of vanadium carbonitride are unstable at high temperatures, it is very important to control the cooling rate in order to form the fine precipitates of vanadium carbonitride, and the degree of strength improvement of the spring steel varies depending on the carbon content and cooling rate.

이때, 바나듐의 함유량이 0.01 중량%보다 낮으면 바나듐 함유에 따른 효과발생이 미미하게 되고, 바나듐의 함유량이 0.04 중량%를 초과하는 경우 향상 효과가 더 이상 증가하지 않는 포화상태에 이르게 된다.At this time, if the content of vanadium is lower than 0.01% by weight, the effect of the vanadium content is insignificant, and when the content of vanadium exceeds 0.04% by weight, the improvement effect reaches a saturation state in which no further increase is made.

특히, 과도한 바나듐 함유량에 따라 조대한 탄질화물이 형성되면 제조된 스프링의 인성이 저하되고, 강재가 취화되므로 적정 함량 범위를 벋어나지 않도록 적정량을 함유하는 것이 바람직하다.In particular, when coarse carbonitrides are formed according to the excessive vanadium content, the toughness of the manufactured spring decreases and the steel material is embrittled, so it is preferable to contain an appropriate amount so as not to deviate from the appropriate content range.

6) 니오븀(Nb)6) Niobium (Nb)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 니오븀이 0.01~0.04 중량% 함유될 수 있는데, 니오븀은 스프링의 압연 또는 단조 등 열간성형 과정 중 니오븀 탄질화물(NbC, NbN)이 입계에 석출되면서 고정효과가 나타나 결정립을 미세화하고, 베이나이트 조직의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다.The spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention may additionally contain 0.01 to 0.04% by weight of niobium, and niobium is niobium carbonitride (NbC, NbN) during hot forming processes such as rolling or forging of the spring. As it precipitates at this grain boundary, a fixing effect appears, thereby miniaturizing the crystal grains and improving the strength and toughness of the bainite structure.

이때, 니오븀의 함량이 0.01 중량% 미만으로 함유되는 경우 니오븀 탄질화물로 인한 고정효과 및 탄소함량을 낮출때 동반하는 소입성 향상효과를 보상하기 어렵고, 베이나이트 변태가 용이하지 못하게 되며, 니오븀의 함량이 0.04 중량%를 초과하는 경우에는 조대한 니오븀 탄질화물이 형성되면서 베이나이트 조직의 인성이 저하될 수 있으므로 적정량의 니오븀을 함유하는 것이 바람직하다.At this time, if the content of niobium is less than 0.01% by weight, it is difficult to compensate for the fixing effect due to niobium carbonitride and the effect of improving the hardenability accompanying lowering the carbon content, and the bainite transformation becomes difficult, and the content of niobium When the content exceeds 0.04% by weight, the toughness of the bainite structure may be lowered while the coarse niobium carbonitride is formed, so it is preferable to contain an appropriate amount of niobium.

7) 알루미늄(Al)7) Aluminum (Al)

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에는 추가적으로 알루미늄이 0.001~0.01 중량% 함유될 수 있는데, 알루미늄은 알루미늄 산화물을 형성하면서 스프링용 강재 내에 함유된 산소를 제거하는 강력한 탈산제로 작용하고, 질소와 결합하여 베이나이트 결정립을 미세화 시키는 역할을 한다.In the spring steel material for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention, aluminum may additionally contain 0.001 to 0.01 wt%, and aluminum is a strong deoxidizing agent that removes oxygen contained in the spring steel material while forming aluminum oxide. It acts and combines with nitrogen to refine bainite grains.

이때, 알루미늄의 함량이 0.001 중량% 미만으로 함유되는 경우 탈산작용 또는 베이나이트 결정립 미세화 작용 효과가 줄어들어 바람직하지 않고, 알루미늄의 함량이 0.01 중량%를 초과하는 경우 알루미늄 산화물성 비금속 개재물 양이 증가하게 되어 제조된 스프링의 인성 저하 또는 스프링용 강재의 주조시 노즐막힘 현상 등의 원인이 될 수 있다.At this time, if the content of aluminum is less than 0.001% by weight, the deoxidation effect or the effect of the bainite grain refining effect is reduced, which is not preferable, and when the content of aluminum exceeds 0.01% by weight, the amount of aluminum oxide non-metallic inclusions increases. It may cause a decrease in the toughness of the manufactured spring or clogging of the nozzle when casting steel for spring.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재는 강재는 각각 0.003 중량% 이하의 산소(O)와, 0.01 중량% 이하의 인(P) 및 0.01 중량% 이하의 황(S)을 포함한다.In addition, the steel material for spring for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention includes 0.003 wt% or less of oxygen (O), 0.01 wt% or less of phosphorus (P), and 0.01 wt% or less of sulfur ( S).

구체적으로 인은 입계(래스간 영역)에 편석되어 스프링 강재의 인성을 떨어뜨린다.Specifically, phosphorus is segregated at the grain boundary (inter-rath region) to reduce the toughness of the spring steel.

또한, 황은 스프링 강재의 제강시 망간 및 철과 결합하여 베이나이트 강재의 인성을 저하시키는 유화물(MnS) 및 철화물(FeS)을 형성하게 되는데, 유화물은 열간가공시 연신되면서 강의 이방성을 증대시켜 스프링용 강재의 기계적 성질을 저하시키고, 철화물은 낮은 용융점에 의해 열간 또는 냉간가공시 조성물내 함유된 개재물(이물질)에 의한 표면 결함 발생 경로가 된다.In addition, sulfur combines with manganese and iron during the steelmaking of spring steels to form emulsions (MnS) and irons (FeS) that lower the toughness of bainite steels. The emulsions are elongated during hot processing and increase the anisotropy of the steel. The mechanical properties of the molten steel are deteriorated, and the iron product becomes a path for surface defects due to inclusions (foreign substances) contained in the composition during hot or cold working due to its low melting point.

또한, 산소는 스프링용 강재의 산화성 원소와 결합하여 비금속 개재물을 형성하여 베이나이트 강재의 기계적 성질 및 피로 특성을 저해하므로, 상기 함량을 초과하여 함유되지 않도록 해야 하며, 산소와 인 및 황의 함유량을 최소화 하는 것이 더욱 바람직하다.In addition, oxygen is combined with oxidizing elements of spring steel to form non-metallic inclusions, thereby impairing the mechanical properties and fatigue properties of bainite steel, so it should not be contained in excess of the above content, and the content of oxygen, phosphorus and sulfur should be minimized. It is more preferable to do it.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에서 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하는 경우 0.25~0.6 wt% 범위를 만족하는 탄소 당량(equivalent)을 형성하는 것이 바람직하다.In the case of containing molybdenum (Mo), nickel (Ni), and copper (Cu) in the spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention, a carbon equivalent satisfying the range of 0.25 to 0.6 wt% It is desirable to form.

탄소 당량은 아래의 공식에 의해 도출된다.The carbon equivalent is derived by the formula below.

탄소 당량(wt%) = C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15Carbon equivalent (wt%) = C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15

탄소 당량이 0.25(wt%) 미만인 경우, 특히 0.20(wt%)이하의 탄소 당량에서 스프링의 생산과정에서 급속냉각 수행시 스프링용 강재의 조직이 페라이트와 펄라이트로 변태함에 따라 베이나이트 조직을 확보하기 어렵고, 도 3a에서 도시하는 바와 같이 CCT곡선이 단시간측으로 이동하면서 상부 베이나이트 조직분율이 증가하게 된다.When the carbon equivalent is less than 0.25 (wt%), especially in the case of rapid cooling in the production process of the spring at a carbon equivalent of 0.20 (wt%) or less, the structure of the steel material for the spring is transformed into ferrite and pearlite to secure a bainite structure. It is difficult and, as shown in FIG. 3A, the CCT curve moves to the short-time side, and the upper bainite tissue fraction increases.

또한, 탄소 당량이 0.6(wt%)를 초과하는 경우 도 3c에서 도시하는 바와 같이 CCT곡선이 장시간측으로 이동하면서 마르텐사이트 생성량이 증가하면서 베이나이트 생성량이 감소하고, 망간의 함유에 따른 효과가 감소하게 된다.In addition, when the carbon equivalent exceeds 0.6 (wt%), as shown in FIG. 3C, the CCT curve moves to the long-term side, increasing the amount of martensite, reducing the amount of bainite, reducing the effect of the manganese content. do.

이때, 베이나이트 미세조직의 구성인자 중 상변태 후 결정입계에 분표하는 잔류 오스테나이트는 제조된 스프링의 항복강도를 크게 저하시키게 되는데, 스프링의 연속냉각에 의한 담금질 수행시 제조된 스프링의 항복강도를 저하시키지 않는 탄소 당량과 잔류 오스테나이트량간의 상관 관계를 연구한 결과 도 4의 그래프에서 도시하는 바와 같은 한계조건을 얻을 수 있었다.At this time, among the constituent factors of the bainite microstructure, the residual austenite distributed at the grain boundaries after phase transformation greatly decreases the yield strength of the manufactured spring. When quenching by continuous cooling of the spring, the yield strength of the manufactured spring decreases. As a result of studying the correlation between the amount of carbon equivalent and the amount of retained austenite, the limit conditions as shown in the graph of FIG. 4 were obtained.

구체적으로 도 4의 그래프에서 파선으로 표시된 사각 박스의 범위 내에 해당하는 5 vol% 이하의 잔류 오스테나이트량과 0.25~0.6(wt%)의 탄소 당량을 유지했을 때 제조된 스프링의 항복강도가 저하되지 않는다.Specifically, when the residual austenite amount of 5 vol% or less and the carbon equivalent of 0.25 to 0.6 (wt%) that falls within the range of the square box indicated by the broken line in the graph of FIG. 4 are maintained, the yield strength of the manufactured spring is not reduced. Does not.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에서 티타늄(Ti), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al)으로 이루어지는 미량합금 첨가상수가 0.8~1.0 사이의 범위를 만족하는 것이 바람직하며, 상기 미량합금 첨가상수는 아래의 공식으로 표현될 수 있다.In the spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention, the addition constant of a trace alloy consisting of titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb), and aluminum (Al) is within a range of 0.8 to 1.0. It is desirable to be satisfied, and the microalloy addition constant can be expressed by the following formula.

미량합금 첨가상수 = (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66NAddition constant of trace alloy = (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66N

미량합금 첨가상수가 0.8 미만인 경우 보론 첨가에 따른 효과가 저하되어 베이나이트 조직을 확보하기 어려워지며, 미량합금 첨가상수가 1.0을 초과하는 경우 보론 첨가에 따른 효과가 포화상태에 이르고, 조대한 탄질화물이 형성되면서 제조된 스프링의 인성을 저하시킬 수 있다.If the microalloy addition constant is less than 0.8, the effect of the addition of boron decreases, making it difficult to secure the bainite structure.If the microalloy addition constant exceeds 1.0, the effect of the addition of boron reaches saturation, and coarse carbonitrides While this is formed, the toughness of the manufactured spring may be reduced.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재에서 티타늄(Ti), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 경우 7~20 ppm 범위를 만족하는 유효 보론량(effective Boron)을 형성하는 것이 바람직하다.Effective boron satisfying the range of 7 to 20 ppm in the case of including titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb), and aluminum (Al) in the spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention It is desirable to form an effective Boron.

유효 보론량은 아래의 공식에 의해 도출된다.The effective boron amount is derived by the formula below.

유효 보론량(ppm) = [{5.25B - (7.66N - 1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al)/5.25}] x 10000Effective boron amount (ppm) = [{5.25B-(7.66N-1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al)/5.25}] x 10000

스프링용 강재내 유효 보론량과 제조된 스프링의 이상적인 베이나이트 결정립 크기의 관계 도 5의 그래프와 같이 나타나는데, 그래프의 파선으로 표시된 박스 범위 내의 유효 보론 함유량에서 페라이트 변태를 가장 효과적으로 지연시켜 안정적인 베이나이트 변태를 유도할 수 있도록 하며, 도 5의 파선 박스 내에 형성된 유효 보론 함유량에 따른 유효 보론량을 상기 수학식 3을 통해 구하면, 7~20 ppm 의 범위 값을 얻을 수 있다.The relationship between the effective amount of boron in the spring steel and the ideal bainite grain size of the manufactured spring is shown in the graph of Fig. 5, and it is stable bainite transformation by most effectively delaying the ferrite transformation at the effective boron content within the box range indicated by the broken line When the effective boron content according to the effective boron content formed in the broken line box of FIG. 5 is obtained through Equation 3, a value in the range of 7 to 20 ppm can be obtained.

이때, 유효 보론량이 7 ppm 미만인 경우에는 보론 첨가효과가 미미해지고, 유효 보론량이 20 ppm을 초과하는 경우에는 스프링 강재의 소입성이 감소하면서 베이나이트 조직을 확보하기 어려워진다.At this time, when the effective boron amount is less than 7 ppm, the effect of adding boron becomes insignificant, and when the effective boron amount exceeds 20 ppm, the hardenability of the spring steel decreases, making it difficult to secure a bainite structure.

본 발명의 실시 예에 따른 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재를 이용하여 스프링을 제조할 때, 스프링용 강재를 재가열한 후 압연 또는 단조 등을 수행하여 스프링 형상으로 열간성형하고, 열간성형된 자동차용 스프링을 급속냉각하여 담금질을 수행하게 된다.When manufacturing a spring using a spring steel for omitting the tempering process according to an embodiment of the present invention, the steel for the spring is reheated and then rolled or forged to be hot-formed into a spring shape, and a hot-formed automobile Quenching is performed by rapidly cooling the dragon spring.

이때, 열간성형을 위한 스프링재의 재가열은 A3 변태점으로부터 1050℃ 이하의 온도 범위 내에서 분위기(atmosphere)가열 또는 유도가열(induction heating)에 의해 수행하는 것이 바람직하다.At this time, the reheating of the spring material for hot forming is preferably performed by atmosphere heating or induction heating within a temperature range of 1050° C. or less from the A3 transformation point.

열간성형을 위한 재가열 온도가 Ac3 변태점 미만인 경우에는 이상역 페라이트가 석출되면서 베이나이트 생성 분율이 감소하게 되고, 생성된 베이나이트에서 상부 베이나이트가 차지하는 분율이 증가하게 되며, 재가열 온도가 1050℃를 초과하는 경우에는 결정립이 조대화 되어 제조된 스프링의 인성을 확보하기 어려워진다.When the reheating temperature for hot forming is less than the Ac3 transformation point, the fraction of bainite produced decreases as the abnormal ferrite precipitates, and the fraction occupied by the upper bainite in the generated bainite increases, and the reheating temperature exceeds 1050℃. In this case, it becomes difficult to secure the toughness of the manufactured spring due to the coarse grains.

또한, 담금질 과정에서는 스프링을 20~150℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각하게 되는데, 도 6의 그래프에서 도시하는 바와 같이 20℃/sec 미만의 냉각속도에서는 페라이트 또는 펄라이트 변태가 발생하면서 제조된 스프링에 높은 인성의 베이나이트의 조직을 확보하기 어렵다.In addition, in the quenching process, the spring is cooled to room temperature at a cooling rate of 20 to 150°C/sec. As shown in the graph of FIG. 6, ferrite or pearlite transformation occurs at a cooling rate of less than 20°C/sec. It is difficult to secure a structure of high toughness bainite in the spring.

또한, 150℃/sec를 초과하는 냉각속도에서는 베이나이트의 조직의 확보 향상 효과가 포화상태에 이르고, 빠르게 냉각되는 스프링 표면부와 상대적으로 느리게 냉각되는 스프링 중심부간 냉각속도 차이에 의해 제조된 스프링의 형상변형이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.In addition, at a cooling rate exceeding 150°C/sec, the effect of improving the structure of bainite reaches saturation, and the spring produced by the difference in the cooling rate between the rapidly cooled spring surface and the relatively slowly cooled spring center It is not desirable because shape deformation may occur.

또한, 스프링용 강재의 오스테나이트 결정입도는 15~70㎛ 범위의 크기로 형성하는 것이 바람직하다.In addition, the austenite grain size of the spring steel is preferably formed in a size in the range of 15 ~ 70㎛.

오스테나이트 결정입도가 15㎛ 미만인 경우 소입성이 저하되면서 제조된 스프링의 인성을 저하시키는 상부 베이나이트 분율이 증가하고, 오스테나이트 결정입도가 70㎛를 초과하는 경우 하부 베이나이트 분율 증가에 따른 향상효과가 포화상태에 이르며, 오히려 제조된 스프링의 인성이 저하될 수 있다.When the austenite grain size is less than 15㎛, the upper bainite fraction that decreases the toughness of the manufactured spring increases as the hardenability decreases. If the austenite crystal grain size exceeds 70㎛, the improvement effect due to the increase in the lower bainite fraction The saturation state is reached, and the toughness of the manufactured spring may be lowered.

성분 조성에 따른 스프링용 강재의 기계적 성질을 비교하면 아래의 표와 같다.The table below shows the mechanical properties of spring steels according to the composition of the components.

시험예에 따른 스프링용 강재들은 각각 잉곳(ingot)으로 주조후 열간압연 및 냉각을 수행하되, 오스테나이트 결정 입도의 변화를 발생시키기 위하여 압연온도를 달리 적용하였으며, 전 강재의 압연비는 80%이상으로 하였다.Each of the spring steels according to the test example was hot-rolled and cooled after casting with an ingot, but a different rolling temperature was applied to generate a change in the austenite grain size, and the rolling ratio of all steels was 80% or more. I did it.

또한, 제1~12 시험예는 900~1050℃의 온도로 1시간 동안 가열한 뒤 20~150℃/sec의 속도로 냉각하였고, 제13~24 시험예는 900~1050℃의 온도로 1시간 동안 가열한 뒤 70℃/sec의 속도로 냉각하였다. In addition, Test Examples 1 to 12 were heated at a temperature of 900 to 1050°C for 1 hour and then cooled at a rate of 20 to 150°C/sec, and Test Examples 13 to 24 were heated at a temperature of 900 to 1050°C for 1 hour. After heating, it was cooled at a rate of 70° C./sec.

시험예 별 스프링용 강재의 성분 조성 Component composition of spring steel for each test example 시험예Test example 성분 조성(%)Ingredient composition (%) CC SiSi MnMn CrCr BB NiNi CuCu MoMo TiTi VV NbNb AlAl NN 1One 0.10.1 1One 1One 0.40.4 0.00180.0018 0.050.05 0.0190.019 0.50.5 0.0250.025 0.0250.025 00 00 0.0070.007 22 0.120.12 0.60.6 0.30.3 0.10.1 0.00250.0025 0.0120.012 0.0160.016 0.30.3 0.020.02 0.010.01 0.010.01 0.0050.005 0.0070.007 33 0.10.1 0.10.1 0.30.3 0.70.7 0.00380.0038 0.0110.011 0.0210.021 0.20.2 0.0310.031 0.030.03 0.0290.029 0.0090.009 0.0150.015 44 0.20.2 0.20.2 0.490.49 0.310.31 0.0020.002 0.150.15 0.090.09 0.10.1 0.0340.034 0.0140.014 0.010.01 0.0010.001 0.0080.008 55 0.170.17 0.60.6 0.50.5 0.30.3 0.00150.0015 0.150.15 0.090.09 0.050.05 0.0150.015 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.0070.007 66 0.230.23 0.60.6 0.50.5 0.70.7 0.00130.0013 0.0150.015 0.020.02 0.10.1 0.030.03 0.0240.024 0.020.02 0.010.01 0.01180.0118 77 0.30.3 1One 0.10.1 0.10.1 0.00150.0015 0.0130.013 0.0180.018 0.050.05 0.0150.015 0.0080.008 0.0080.008 00 0.0040.004 88 0.250.25 0.60.6 0.70.7 0.10.1 0.00150.0015 0.090.09 0.050.05 0.050.05 0.010.01 0.020.02 00 0.010.01 0.0070.007 99 0.30.3 0.10.1 0.10.1 0.20.2 0.0040.004 0.080.08 0.0040.004 0.10.1 0.030.03 0.020.02 0.020.02 0.010.01 0.0130.013 1010 0.330.33 0.10.1 0.80.8 0.60.6 0.0020.002 00 00 0.050.05 0.020.02 0.010.01 0.010.01 0.0050.005 0.0070.007 1111 0.340.34 0.150.15 1.291.29 0.130.13 0.0020.002 0.050.05 0.0190.019 0.080.08 0.0290.029 0.020.02 00 00 0.0070.007 1212 0.40.4 0.10.1 0.50.5 0.50.5 0.00350.0035 0.0030.003 0.0080.008 0.010.01 0.0190.019 0.010.01 0.0090.009 0.0090.009 0.0090.009 1313 0.10.1 1One 0.20.2 0.10.1 0.0030.003 0.010.01 0.0050.005 0.050.05 0.030.03 0.0150.015 0.0150.015 0.0010.001 0.0080.008 1414 0.10.1 0.60.6 0.20.2 0.10.1 0.0020.002 0.030.03 0.0190.019 0.050.05 0.0220.022 0.020.02 0.020.02 00 0.0080.008 1515 0.10.1 0.10.1 0.20.2 0.10.1 0.0020.002 0.040.04 0.0190.019 0.10.1 0.020.02 0.010.01 0.010.01 0.0030.003 0.0070.007 1616 0.20.2 0.70.7 0.10.1 0.10.1 0.0040.004 0.0090.009 0.0190.019 0.050.05 0.020.02 0.010.01 0.010.01 00 0.0050.005 1717 0.130.13 0.60.6 0.20.2 0.50.5 0.0010.001 0.0090.009 0.0190.019 0.30.3 0.010.01 0.010.01 0.010.01 0.0040.004 0.0050.005 1818 0.350.35 0.10.1 0.60.6 0.50.5 0.0030.003 0.0090.009 0.0190.019 0.10.1 0.010.01 00 0.010.01 0.0070.007 0.0060.006 1919 0.350.35 1One 1.31.3 0.70.7 0.00350.0035 0.0090.009 0.0190.019 0.050.05 0.030.03 0.0150.015 0.0150.015 0.0010.001 0.0080.008 2020 0.330.33 0.60.6 1One 0.80.8 0.00190.0019 0.0090.009 0.0190.019 0.10.1 0.0260.026 0.010.01 0.0010.001 0.0020.002 0.0070.007 2121 0.40.4 0.10.1 1One 0.40.4 0.0020.002 0.0090.009 0.0190.019 0.40.4 0.030.03 0.010.01 0.0150.015 0.0020.002 0.0080.008 2222 0.10.1 1One 0.20.2 0.10.1 0.00330.0033 0.010.01 0.0050.005 0.050.05 0.030.03 0.030.03 0.020.02 0.010.01 0.0080.008 2323 0.20.2 0.70.7 0.10.1 0.10.1 0.0040.004 0.0090.009 0.0190.019 0.050.05 0.030.03 0.020.02 0.020.02 00 0.0050.005 2424 0.330.33 0.60.6 1One 0.80.8 0.00350.0035 0.0090.009 0.0190.019 0.10.1 0.030.03 0.020.02 0.020.02 0.010.01 0.0070.007

시험예 별 스프링용 강재의 가열 및 냉각 조건에 따른 조직형성Structure formation according to heating and cooling conditions of spring steel for each test example 탄소당량Carbon equivalent 미량합금 첨가상수Addition constant of trace alloy 유효보론
(ppm)
Effective boron
(ppm)
가열온도
(℃)
Heating temperature
(℃)
냉각속도
(℃/sec)
Cooling rate
(℃/sec)
베이나이트
(vol%)
Bainite
(vol%)
하부
베이나이트
(vol%)
bottom
Bainite
(vol%)
오스테나이트
평균 결정입도
(㎛)
Austenite
Average grain size
(㎛)
1One 0.450.45 1.001.00 17.817.8 10501050 150150 9595 7575 7070 22 0.250.25 0.910.91 15.515.5 970970 150150 9595 8080 3030 33 0.330.33 0.870.87 9.89.8 900900 150150 9595 8585 1515 44 0.380.38 0.990.99 19.019.0 10001000 100100 9595 7575 5050 55 0.340.34 0.990.99 13.513.5 970970 7070 9595 7070 3030 66 0.480.48 0.990.99 11.811.8 10001000 5050 9595 6565 2525 77 0.350.35 0.970.97 13.413.4 950950 100100 9595 7575 3030 88 0.410.41 0.950.95 10.410.4 950950 100100 9595 8080 3030 99 0.380.38 0.860.86 13.813.8 10001000 100100 9595 7575 2525 1010 0.590.59 0.910.91 10.510.5 950950 2020 9595 7575 3030 1111 0.600.60 0.990.99 19.119.1 10501050 2020 9595 7070 7070 1212 0.590.59 0.800.80 9.39.3 970970 2020 5050 7575 3030 1313 0.160.16 0.980.98 27.627.6 970970 7070 5050 1010 3030 1414 0.170.17 0.930.93 11.311.3 900900 7070 7070 3030 1010 1515 0.180.18 0.830.83 3.03.0 950950 7070 5050 2020 3030 1616 0.250.25 0.910.91 33.733.7 10501050 7070 3030 1010 7070 1717 0.330.33 0.920.92 4.04.0 950950 7070 3030 1010 3030 1818 0.570.57 0.680.68 1.91.9 950950 7070 3030 1010 3030 1919 0.720.72 0.980.98 32.632.6 950950 7070 3030 1010 3030 2020 0.680.68 0.830.83 1.41.4 950950 7070 3030 1010 3030 2121 0.730.73 0.930.93 12.012.0 950950 7070 1010 55 3030 2222 0.160.16 1.561.56 33.033.0 900900 7070 3030 1515 1515 2323 0.250.25 1.721.72 40.040.0 900900 7070 3030 1515 1515 2424 0.680.68 1.601.60 35.035.0 900900 7070 3030 1515 1515

시험예 별 스프링용 강재의 기계적 성질 및 내구특성Mechanical properties and durability characteristics of spring steel by test example 잔류
오스테나이트
(vol%)
Residual
Austenite
(vol%)
기계적 성질Mechanical properties 내구특성Durability characteristics
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
인장강도
(kg/㎟)
The tensile strength
(kg/㎟)
항복강도
(kg/㎟)
Yield strength
(kg/㎟)
항복비
(YS/TS)
Yield
(YS/TS)
단면감소율
(%)
Section reduction rate
(%)
연신율
(%)
Elongation
(%)
cycle
(1000)
cycle
(1000)
피로
한도비
fatigue
Limit
영구변형량
(mm)
Permanent deformation
(mm)
1One 4.54.5 440440 150150 125125 0.830.83 5050 1515 150150 0.50.5 33 22 0.80.8 410410 135135 110110 0.810.81 5050 1616 140140 0.550.55 33 33 1.31.3 430430 145145 120120 0.830.83 5050 1515 150150 0.550.55 33 44 1.81.8 450450 151151 132132 0.870.87 4545 1414 160160 0.60.6 22 55 0.80.8 435435 145145 127127 0.880.88 5050 1515 150150 0.550.55 33 66 44 470470 160160 137137 0.860.86 4040 1414 150150 0.550.55 22 77 1.51.5 430430 145145 125125 0.860.86 4646 1313 150150 0.550.55 33 88 22 455455 155155 135135 0.870.87 4646 1313 160160 0.550.55 22 99 1.81.8 440440 150150 130130 0.870.87 4646 1313 150150 0.550.55 22 1010 1.81.8 510510 181181 152152 0.840.84 3535 1212 170170 0.550.55 1One 1111 44 525525 185185 155155 0.840.84 3030 1111 160160 0.60.6 1One 1212 44 515515 181181 152152 0.840.84 3030 1212 160160 0.550.55 1One 1313 00 280280 9090 6060 0.670.67 5050 1515 2020 0.20.2 ≥5≥5 1414 00 310310 100100 7070 0.700.70 5050 1515 2525 0.30.3 ≥5≥5 1515 00 280280 9090 6060 0.670.67 5050 1515 2020 0.30.3 ≥5≥5 1616 1One 370370 125125 8080 0.640.64 5050 1717 3030 0.350.35 ≥5≥5 1717 1.31.3 372372 120120 8080 0.670.67 5050 1717 3030 0.350.35 ≥5≥5 1818 4.24.2 372372 125125 7575 0.600.60 5050 1717 255255 0.350.35 ≥5≥5 1919 5.25.2 510510 120120 9090 0.750.75 1010 33 2020 0.350.35 ≥5≥5 2020 66 570570 170170 130130 0.760.76 3030 1515 5050 0.30.3 55 2121 88 550550 190190 180180 0.950.95 1010 33 2020 0.350.35 1One 2222 00 310310 100100 7070 0.700.70 6060 1515 2020 0.30.3 ≥5≥5 2323 1One 315315 110110 7070 0.640.64 5050 1717 2020 0.30.3 ≥5≥5 2424 66 515515 180180 150150 0.830.83 1010 33 5050 0.350.35 55

표 4 및 5의 비교대상 스프링용 강재는 통상적으로 자동차용 스프링 제조에 적용되는 강재로, 930~970℃ 범위에서 1시간동안 가열 후 담금질한 뒤, 420~470℃ 범위에서 1시간동안 뜨임 처리를 행하였다.The comparative steels for springs in Tables 4 and 5 are generally steels applied to the manufacture of automotive springs, and after heating for 1 hour in the range of 930 to 970°C, quenching, and then tempering at 420 to 470°C for 1 hour. Done.

비교대상 스프링용 강재의 성분 조성Composition of comparable spring steel materials 비교예Comparative example 성분 조성(%)Ingredient composition (%) CC SiSi MnMn CrCr BB NiNi CuCu MoMo TiTi VV NbNb AlAl NN SUP9SUP9 0.560.56 0.230.23 0.760.76 0.750.75 00 0.0090.009 0.0190.019 00 0.0020.002 0.0020.002 0.0020.002 0.0010.001 0.0070.007 SUP9ASUP9A 0.590.59 0.250.25 0.850.85 0.860.86 00 0.0030.003 0.0030.003 00 0.0030.003 0.0020.002 0.0030.003 0.0010.001 0.0080.008 SUP9DSUP9D 0.580.58 0.250.25 0.840.84 0.840.84 00 0.0090.009 0.0180.018 00 0.0020.002 0.0010.001 0.0320.032 0.0010.001 0.0060.006 SUP11ASUP11A 0.600.60 0.250.25 0.820.82 0.860.86 0.00110.0011 0.090.09 0.0180.018 00 0.010.01 0.0060.006 0.0050.005 0.0010.001 0.0060.006

비교대상 스프링용 강재의 기계적 성질 및 내구특성Mechanical properties and durability characteristics of spring steel materials to be compared 잔류
오스테
나이트
(vol%)
Residual
Oste
Night
(vol%)
기계적 성질Mechanical properties 내구특성Durability characteristics
경도
(Hv)
Hardness
(Hv)
인장강도
(kg/㎟)
The tensile strength
(kg/㎟)
항복강도
(kg/㎟)
Yield strength
(kg/㎟)
항복비
(YS/TS)
Yield
(YS/TS)
단면
감소율
(%)
section
Reduction rate
(%)
연신율
(%)
Elongation
(%)
cycle
(1000)
cycle
(1000)
피로
한도비
fatigue
Limit
영구변형량
(mm)
Permanent deformation
(mm)
SUP9SUP9 44 410410 136136 128128 0.940.94 2323 1010 100100 0.450.45 22 SUP9ASUP9A 33 400400 134134 124124 0.930.93 2929 1111 100100 0.460.46 22 SUP9DSUP9D 44 430430 143143 11331133 0.930.93 3030 1313 110110 0.450.45 22 SUP11ASUP11A 33 435435 146146 135135 0.920.92 2626 1010 110110 0.480.48 22

열간압연된 시험소재들로부터 인장 및 충격 특성 등의 기계적 성질과 내구특성을 평가하기 위하여 시험소재의 압연방향에서 시험편을 채취하였다.In order to evaluate the mechanical properties and durability properties such as tensile and impact properties from the hot-rolled test materials, test pieces were taken from the rolling direction of the test materials.

상기 시험예와 비교예의 베이나이트 미세 조직 상분율은 스프링용 강재의 냉각 후 화상분석기를 이용하여 1000㎟의 피검면에 대하여 포인트 카운팅(point count) 방법으로 측정하였으며, 오스테나이트 결정입도는 KS규격(KS D0205)에 의해 측정하였다.The bainite microstructure phase fraction of the above test examples and comparative examples was measured by a point counting method for a 1000 mm2 test surface using an image analyzer after cooling the spring steel, and the austenite grain size was determined by the KS standard ( KS D0205).

또한, 베이나이트 조직 내의 총 잔류 오스테나이트 상분율은 X-ray(Cu radiation)를 이용하여 측정하였으며, 인장시험은 KS규격(KS B0801) 4호 시험편을 이용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5mm/min에서 시험하였다.In addition, the total residual austenite phase fraction in the bainite structure was measured using X-ray (Cu radiation), and the tensile test was performed using a test piece of KS standard (KS B0801) No. 4 at a cross head speed of 5 mm. Tested at /min.

항복점 이상의 하중을 가한 금속에 반대방향의 하중을 가하면 탄성한도 또는 항복점이 저하되는 현상인 바우싱거 효과(Bauschinger effect)를 부여하기 위하여, 냉간 세팅(cold setting)은 인장강도의 85%까지 하중을 가하는 조건 하에서 수행하였으며, 하중을 제거한 후 인장시험을 다시 실시하여 항복강도, 항복비, 단면감소율 및 연신율을 측정하였다.In order to impart the Bauschinger effect, which is a phenomenon in which the elastic limit or yield point is lowered when a load in the opposite direction is applied to a metal that has a load above the yield point, the cold setting applies a load up to 85% of the tensile strength. It was carried out under the conditions, and after removing the load, the tensile test was again conducted to measure the yield strength, yield ratio, reduction in section and elongation.

상기 시험예와 비교예의 내구 피로 특성을 평가하기 위한 시험편은 6mm(D) * 40mm(W) * 545mm(L)로 제작하여 70±35 kg/㎟의 응력으로 5회 시험하여 최대 및 최소치를 제외한 시험결과의 평균치로 평가하였다.The test pieces for evaluating the durability fatigue characteristics of the above test examples and comparative examples were manufactured in 6mm (D) * 40mm (W) * 545mm (L) and tested five times with a stress of 70±35 kg/mm2, excluding the maximum and minimum values. It was evaluated by the average of the test results.

상기 표에서 제1~12 시험예와 비교예의 영구 변형량은 쇼트피닝 실시 후 70±35 kg/㎟의 응력으로 300,000회의 피로시험 후 시험편의 아크 높이(arc height)로부터 측정하였고, 제13~24 시험예는 조기절손이 발생하였기 때문에 피로수명 100,000회에서 측정하였다.In the above table, the amount of permanent deformation of Test Examples 1 to 12 and Comparative Examples was measured from the arc height of the test piece after 300,000 fatigue tests with a stress of 70±35 kg/mm2 after shot peening was performed, and tests 13 to 24 In the example, since premature fracture occurred, the fatigue life was measured at 100,000 times.

이때, 상기 표의 피로 한도비는 스프링용 강재에 대해 쇼트피닝(shot-peening)을 시행한 후, 인장강도 대비 통상 피로수명 300,000회를 만족하는 평균 시험응력을 기준으로 도출하였으며, 피로한도 0.5는 50% 수준의 인장강도에서 300,000회의 피로수명을 만족한다는 의미이다.At this time, the fatigue limit ratio in the above table was derived based on the average test stress that satisfies the normal fatigue life 300,000 times compared to the tensile strength after shot-peening was performed on the spring steel, and the fatigue limit 0.5 was 50 It means that the fatigue life of 300,000 cycles is satisfied at the tensile strength of% level.

상기 표에 나타나는 바와 같이 제1~12 시험예는 베이나이트의 조직 분율을 극대화하는데 적절한 이상적 유효 보론량이 7~20 ppm 범위 내에서 형성되는데 비하여, 제13~24 시험예에서는 유효 보론량이 이상적 수치 범위를 벗어났으며, 이에 따라 제1~12 시험예의 스프링용 강재 미세 조직에는 90% 이상의 베이나이트 조직 분율이 형성되었고, 제13~24 시험예의 스프링용 강재 미세 조직에는 10~70% 범위의 베이나이트 조직 분율이 형성되는 것을 확인할 수 있다.As shown in the table above, in Test Examples 1 to 12, the ideal effective boron amount suitable for maximizing the tissue fraction of bainite is formed within the range of 7 to 20 ppm, whereas in Test Examples 13 to 24, the effective boron amount is in the ideal numerical range. As a result, a bainite structure fraction of 90% or more was formed in the spring steel microstructures of Test Examples 1 to 12, and the bainite structure fraction in the range of 10 to 70% in the spring steel microstructures of Test Examples 13 to 24. It can be seen that a tissue fraction is formed.

따라서 본 발명의 실시 예의 스프링 강재에 급속냉각을 실시하고, 적정 유효 보론량을 확보했을 때 베이나이트 조직 분율 측면에서 극대화할 수 있음을 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen that when rapid cooling is performed on the spring steel of the embodiment of the present invention and an appropriate effective amount of boron is secured, the bainite structure fraction can be maximized.

또한, 상기 표에 나타나는 바와 같이 제1~12 시험예는 담금질 완료 상태에서 쇼트 피닝을 수행한 후 피로수명 140,000~160,000회, 경도 Hv410~525, 인장강도 135~185kg/㎟, 항복강도110~155kg/㎟, 항복비 0.81~0.88, 단면감소율30~50%, 연신율 11~16% 범위 내의 기계적 성질 및 내구특성을 가지게 되었으며, 이러한 수치는 제13~24 시험예에 대비하여 현저하게 우수한 수치를 나타내고 있음을 알 수 있다.In addition, as shown in the table above, test examples 1 to 12 have a fatigue life of 140,000 to 160,000 times, hardness Hv410 to 525, tensile strength of 135 to 185 kg/㎟, yield strength of 110 to 155 kg after performing shot peening in a state of quenching completed. /㎟, yield ratio 0.81~0.88, cross-sectional reduction ratio 30~50%, elongation 11~16% range of mechanical properties and durability characteristics, these values represent remarkably superior values compared to test examples 13~24 You can see that there is.

또한, 담금질 열처리만을 실시한 제1~12 시험예에 따른 스프링용 강재는 담금질 및 뜨임 열처리를 함께 실시한 비교예의 스프링용 강재와 비교했을 때, 동등 이상의 기계적 성질 및 내구 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.In addition, it can be seen that the steel materials for springs according to Test Examples 1 to 12, in which only quenching heat treatment was performed, exhibits equivalent or more mechanical properties and durability characteristics, when compared with the spring steel materials of Comparative Examples in which both quenching and tempering heat treatment were performed.

본 발명에 따른 스프링용 강재를 통해 스프링 제조 과정에서 뜨임 공정을 생략함으로써, 스프링의 생산속도 향상 및 생산비용 절감을 이루고, 스프링의 뜨임을 위한 재가열을 위한 가열로 설치라인을 축소를 통해 공장의 규모를 축소하여 생산라인의 동선을 최적화 하여 스마트 팩토리를 구축하기 위한 기반을 마련할 수 있도록 한다.By omitting the tempering process in the spring manufacturing process through the spring steel material according to the present invention, the production speed of the spring is improved and the production cost is reduced, and the scale of the factory by reducing the heating furnace installation line for reheating the spring It is possible to prepare the basis for constructing a smart factory by optimizing the flow of the production line by reducing it.

상기 내용을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the above, those skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the embodiments described above are to be understood as illustrative and non-limiting in all respects, and the scope of the present invention described in the detailed description is indicated by the claims to be described later, and the meaning of the claims and It should be construed that all changes or modifications derived from the scope and equivalent concepts are included in the scope of the invention.

T: 온도
t: 시간
Fs: 페라이트 변태 개시점
Ps: 펄라이트 변태 개시점
Bs: 베이나이트 변태 개시점
Ms: 마르텐사이트 변태 개시점
T: temperature
t: time
Fs: Ferrite transformation start point
Ps: Pearlite transformation start point
Bs: Bainite transformation start point
Ms: Martensite transformation starting point

Claims (8)

담금질 및 뜨임으로 이루어지는 열처리 공정 중 뜨임 공정의 생략이 가능하도록 제조되는 스프링용 강재에 있어서,
니켈(Ni) 0.003~0.2 중량%, 구리(Cu) 0.005~0.2 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.5 중량%, 티타늄(Ti) 0.01~0.04 중량%, 바나듐(V) 0.01~0.04 중량%, 니오븀(Nb) 0.001~0.2 중량%, 알루미늄(Al) 0.001~0.01 중량% 중에서 선택되는 1종 이상이 함유되고, 탄소(C) 0.1~0.4 중량%, 실리콘(Si) 0.1~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.1~1.5 중량%, 크롬(Cr) 0.1~0.7 중량%, 보론(B) 0.001~0.004 중량%, 질소(N) 0.004~0.015 중량%, 잔부 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 베이나이트 조직분율이 90%이상 형성되고,
몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 및 구리(Cu)를 포함하며, C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15 의 공식으로 표현되는 탄소 당량(equivalent)이 0.2~0.6 범위 내에서 형성되고,
티타늄(Ti), 바나듐(V), 니오븀(Nb) 및 알루미늄(Al)의 미량합금을 포함하며, (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66N 의 공식으로 표현되는 미량합금 첨가상수가 0.8~1.0 범위 내에서 형성되고,
[{5.25B - (7.66N - 1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al)/5.25}] x 10000 의 공식으로 표현되는 유효 보론량은 7~20 ppm 범위 내에서 형성되고,
오스템퍼(austempering)에 의해 형성되는 상부 베이나이트(upper-bainite)에 비해 상대적으로 저온에서 형성되는 하부 베이나이트(lower-bainite)의 조직분율이 60% 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재.
In the steel for springs manufactured so that the tempering process can be omitted among the heat treatment processes consisting of quenching and tempering,
Nickel (Ni) 0.003 to 0.2 wt%, copper (Cu) 0.005 to 0.2 wt%, molybdenum (Mo) 0.01 to 0.5 wt%, titanium (Ti) 0.01 to 0.04 wt%, vanadium (V) 0.01 to 0.04 wt%, Niobium (Nb) 0.001 to 0.2% by weight, aluminum (Al) 0.001 to 0.01% by weight, contains at least one selected from, carbon (C) 0.1 to 0.4% by weight, silicon (Si) 0.1 to 1.0% by weight, manganese (Mn) 0.1 to 1.5% by weight, chromium (Cr) 0.1 to 0.7% by weight, boron (B) 0.001 to 0.004% by weight, nitrogen (N) 0.004 to 0.015% by weight, balance iron and other inevitable impurities And the bainite structure fraction is formed over 90%,
It contains molybdenum (Mo), nickel (Ni) and copper (Cu), and has a carbon equivalent expressed by the formula C + Mn/6 + (Cr + Mo)/5 + (Ni + Cu)/15 It is formed within the range of 0.2 to 0.6,
Contains trace alloys of titanium (Ti), vanadium (V), niobium (Nb) and aluminum (Al), and added a trace alloy expressed by the formula (1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al) / 7.66N A constant is formed within the range of 0.8 to 1.0,
[{5.25B-(7.66N-1.15Ti + 0.99V + 0.58Nb + 1.99Al)/5.25}] The effective boron amount expressed by the formula of x 10000 is formed within the range of 7-20 ppm,
Omits the tempering process, characterized in that the structure fraction of lower-bainite formed at a relatively low temperature is formed at a relatively low temperature of 60% or more compared to upper-bainite formed by austempering. Steel for springs.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 강재는 각각 0.003 중량% 이하의 산소(O)와, 0.01 중량% 이하의 인(P) 및 0.01 중량% 이하의 황(S)을 포함하는 것을 특징으로 하는 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재.
The method of claim 1,
The steel material for a spring for omitting the tempering process, characterized in that it contains less than 0.003% by weight oxygen (O), less than 0.01% by weight phosphorus (P) and less than 0.01% by weight sulfur (S) .
제1항에 있어서,
오스테나이트의 결정입도는 15~70㎛의 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재.
The method of claim 1,
Steel for springs for omitting the tempering process, characterized in that the crystal grain size of austenite is formed in a size of 15 ~ 70㎛.
삭제delete 제1항에 있어서,
형성된 강재는 Hv410~525의 경도, 135~185kg/mm2 인장강도, 110~155kg/mm2의 항복강도, 0.81~0.88의 항복비, 30~50%의 단면감소율, 11~16%의 연신율, 0.5~0.6의 피로한도비 범위를 만족하는 것을 특징으로 하는 뜨임 공정을 생략하기 위한 스프링용 강재.
The method of claim 1,
The formed steel has a hardness of Hv410~525, 135~185kg/mm 2 Tensile strength, a yield strength of 110 to 155 kg/mm 2 , a yield ratio of 0.81 to 0.88, a reduction rate of 30 to 50%, an elongation of 11 to 16%, and a fatigue limit ratio of 0.5 to 0.6. Steel for spring to skip the process.
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