KR20000001999A

KR20000001999A - 저탈탄 스프링용강 선재의 제조방법

Info

Publication number: KR20000001999A
Application number: KR1019980022528A
Authority: KR
Inventors: 최해창
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-06-16
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2000-01-15
Also published as: KR100352591B1

Abstract

본 발명은 자동차 현가용 코일, 판 스프링, 토션바 및 스테빌라이져등에 사용되는 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 스프링용강의 선재압연을 위한 가열시 표면에 탈탄발생을 저감할 수 있는 선재의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 탄소:0.4-0.7%, 실리콘:1.8-2.1%, 망간:0.6-0.9%, 산소:0.0015%이하, 인:0.01%이하, 황:0.01%이하를 함유하고 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 15±5℃/min의 가열속도로 765±10℃의 온도범위까지 가열하고, 이어 5±3℃/min의 가열속도로 845±10℃의 온도범위까지 가열한 후 10±5℃/min의 가열속도로 990±10℃의 온도범위까지 가열하여 30-60분 유지한 다음 선재압연하는 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

저탈탄 스프링용강 선재의 제조방법

본 발명은 자동차 현가용 코일, 판 스프링, 토션바 및 스테빌라이져등에 사용되는 스프링용강 선재에 관한 것으로, 상세하게는, 선재표면에 탈탄이 저감되는 보다 개선된 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

보다 상세하게는, 스프링용강의 선재압연을 위한 가열시 표면에 탄소고용도가 낮은 페라이트층을 유도하여 표면탈탄을 저감하고자 하는 것이다.

자동차용 스프링강에서 가장 중요한 특성으로는 크게 피로특성 및 영구변형저항성으로 구분되며, 피로특성은 스프링용강 선재표면 탈탄층의 정도와 연관이 있다. 즉, 탈탄층이 깊을수록 스프링 최종제품에서의 피로특성에 악영향을 미친다. 이는 피로특성 개선목적으로 선재표면에 압축잔류응력을 부여하는 샷피닝(shot peening) 효과가 선재표면에 탈탄층이 잔존하는 경우 거의 없어지기 때문이다.

또한, 선재압연시 표면탈탄 정도에 따라서 압연중 표면흠 발생가능성이 매우 높고 스프링 제조전의 표면가공(peeling)시 불가피하게 가공량 증가를 초래하게 되는 문제점이 있다.

스프링강종중 SUP7(JIS)은 스프링특성 및 가격측면에서 매우 유리하여 현재 널리 사용되고 있는 강종중 하나이다. 그러나, SUP7은 표면탈탄 조장원소인 실리콘 함유량이 2.0%수준이어서 선재제조시 불가피하게 선재표면에 탈탄이 심화되며, 이로 인해 스프링제조시 선재표면의 품질개선 목적으로 부여하는 표면절삭 가공공정인 필링공정(peeling)에서 상당량의 재료손실(metal loss)이 발생하는 단점이 있다. 또한, 최근 스프링용강의 공정 단순화 측면에서 종래 표면가공공정의 생략 또는, 가공량 절감 등의 요구로 스프링용강 선재표면에 탈탄층의 두께를 더욱 감소시켜야 하는 절박한 상황에 와 있는 실정이다.

따라서, SUP7강종의 선재제조시 선재표면에 탈탄층을 개선할 수 있다면, SUP7강종의 장점인 가격측면과 우수한 스프링특성 측면을 동시에 확보할 수 있는 것이다.

스프링용강 선재의 탈탄을 억제하기 위한 종래의 기술로는 대한민국특허공보 92-24974호, 92-24161호와 92-24613호 및 일본특허공보 (평)2-301514호, (평)1-31960호, (소)63-16591호 등을 들 수 있다.

상기 대한민국특허공보 92-24974호, 92-24161호에는 니켈을 첨가하여 탈탄을 억제하는 동시에 탈탄 조장원소인 실리콘의 첨가량을 증가시켜 스프링특성을 매우 효과적인 개선한 바 있으나, 니켈 첨가에 따른 제조원가가 상승하는 단점이 있다. 또한, 대한민국특허공보 92-24163호에는 납, 주석을 첨가하여 표면탈탄 발생을 현저하게 억제시킨 바 있으나, 고온충격인성이 저하되는 단점이 있다.

상기 일본특허공보 (평)2-301514호에는 크롬의 함량을 1.5-3.0%까지 증가시키거나 납, 황, 칼슘 등을 첨가하는 방법이 제시되어 있으나, 충격인성이 저하되는 단점이 있다. 일본특허공보 (평)1-31960호에는 실리콘의 함량을 낮추는 방법 등이 제시되었으나, 실리콘의 함량 감소에 따른 스프링 영구변형 저항성의 향상은 기대하기 어렵다. 일본특허공보 (소)63-16591호에는 탄소함량을 낮추면서 구리, 몰리브덴, 주석, 안티몬, 비소 등을 첨가하는 방법이 제시된 바 있으나, 고가의 합금원소 첨가 및 인성저하의 단점이 있다.

본 발명은 고가의 합금원소를 첨가하지 않고서도 제반 스프링강의 특성을 확보함은 물론, 스프링용강 선재표면의 탈탄저감을 위한 깊이 있는 연구에 의해 안출된 것으로, 그 목적은 스프링용강의 선재압연을 위한 가열시 표면탈탄발생을 억제할 수 있는 선재의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스프링용강 선재의 제조방법은, 중량%로 탄소:0.4-0.7%, 실리콘:1.8-2.1%, 망간:0.6-0.9%, 산소:0.0015%이하, 인:0.01%이하, 황:0.01%이하를 함유하고 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 15±5℃/min의 가열속도로 765±10℃의 온도범위까지 가열하고, 이어 5±3℃/min의 가열속도로 845±10℃의 온도범위까지 가열한 후 10±5℃/min의 가열속도로 990±10℃의 온도범위까지 가열하여 30-60분 유지한 다음 선재압연하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자는 SUP7강종의 선재표면에 탈탄저감을 위해 깊이 있게 연구한 결과, 선재압연을 위한 빌레트 가열시(선재가열로 가열시) 이상역(페라이트+오스테나이트가 혼재되어 평형상태를 유지하는 구간)을 통과할 때의 승온속도를 기존 15±5℃/min에서 5±3℃/min으로 낮출 경우 빌레트 표면에 탄소고용도가 매우 낮은 페라이트층을 0.2-0.4mm두께로 유도할 수 있으며, 이러한 표면 페라이트층은 낮은 탄소 고용도를 갖는 이유로 석출직후 이영역을 통과하는 탄소원자의 확산은 거의 기대할 수 없기 때문에 이에 의해 탈탄반응속도를 현저하게 감소시킬 수 있다는 결과에 근거하여 얻어진 것이다.

먼저, 본 발명에 적용되는 강종은 기존의 SUP7강종으로서, 이 강조성의 한정이유를 설명하면 다음과 같다.

상기 탄소(C)의 함량을 0.4-0.7%로 한 것은, 0.4%미만에서는 소입,소려에 의한 스프링강으로서 요구되는 강도, 피로특성, 영구변형저항성, 석출물제어, 잔류 오스테나이트양 및 절삭가공성개선을 위한 흑연화조직을 확보하기 어려우며, 0.7%를 넘으면 고강도화에 따른 인성확보가 어렵고 소입시 플레이트 마르텐사이트(plate martensite) 생성에 따른 소입균열의 발생을 피하기 어렵기 때문이다.

상기 실리콘(Si)의 함량을 0.6-0.9%로 한 것은, 1.8%미만의 경우 저합금화 고응력 스프링용강으로서의 스프링 특성 즉, 피로특성 및 영구변형저항성을 확보하기 어렵고, 2.1%를 넘으면 그 효과가 포화되고 소입 소려후 모재의 인성이 저하되는 문제점이 있기 때문이다.

상기 망간(Mn)의 함량을 0.6-0.9%로 한 것은, 0.6%미만의 경우 소입성, 탈산 및 고용강화효과가 없어지고 0.9%를 넘으면 오스테나이트 영역의 확장(퍼얼라이트 변태온도 상승)으로 선재 냉각시 초석 페라이트 분율에 영향을 미쳐 선재 표면경도제어가 어렵고 고용강화 효과보다는 망간편석에 의한 조직 불균질이 스프링 특성에 더 유해한 영향을 미치기 때문이다.

상기 산소(O)의 함량을 0.0015%이하로 한 것은, 0.0015%를 넘는 경우 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명에 유해한 영향을 미치기 때문이다.

상기 인(P)은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하며, 상기 황(S)은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 스프링특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기와 같이 조성되는 강 빌레트를 선재압연시 표면에 탈탄반응을 억제하기 위해 이상역온도에서의 승온속도 및 가열조건을 제어하여 표면에 탄소고용도가 적은 페라이트층을 적절히 유도하는데 그 특징이 있다.

먼저, 이상역개시온도(Ac₁) 즉, 765±10℃까지의 승온속도는 15±5℃/min로 하는 것이 바람직한데, 그 이유는 승온속도가 10℃/min 보다 늦는 경우 빌레트 탈탄에 미치는 영향보다는 선재가열로 장입후 전체 재로시간(장입시간)이 증가하는 단점이 있고 승온속도가 20℃/min보다 빠른 경우 빌레트 내외부의 온도편차 심화로 빌레트 휘어짐이 발생하기 쉽기 때문이다.

상기와 같이 이상역개시온도까지 승온한 후 이상역종료온도(Ac₃)까지 즉, 이상역온도구간(765±10℃-845±10℃)에서 승온속도는 5±3℃/min으로 하는 것이 바람직하다.

그 이유는 승온속도가 2℃/min 보다 늦는 경우 표면 페라이트층의 두께가 필요이상으로 증가(약 0.5mm보다 커짐)하여 오히려 탈탄개선 효과를 얻기 어렵고 또한, 가열로 재로시간이 길어지는 단점이 있기 때문이며, 승온속도가 8℃/min 보다 빨라지는 경우 탈탄반응이 억제에 필요한 적정 두께의 표면 페라이트층(0.2-0.4mm)을 형성시키기가 어렵기 때문이다.

상기와 같이 이상역종료온도(845±10℃)까지 승온하고, 이어 10±5℃/min의 승온속도로 990±10℃의 온도범위의 가열유지온도까지 승온하여 30-60분 유지한 다음 선재압연하는 것이 바람직하다.

그 이유는, 이상역종료온도 이후에는 모재의 미세조직이 이상조직(페라이트+오스테나이트)에서 오스테나이트 단상조직으로 변태하게 되는데 이때 승온속도가 5℃/min 보다 늦는 경우 재로시간이 증가하기 때문이고, 승온속도가 15℃/min 보다 빠른 경우 빌레트 내외부의 온도편차 심화로 빌레트 휘어짐이 발생하기 쉽기 때문이다.

또한, 가열온도가 980℃미만의 경우 열간변형저항성의 증가로 압연시 과부하로 인해 작업성이 열악해지기 때문이며, 1000℃를 보다 높은 경우 탈탄제어를 위한 페라이트층을 표면에 석출시킬 수 없기 때문이다. 즉, 탄소고용도가 매우 낮은 표면 페라이트층을 석출시켜 탈탄반응을 급격히 감소시키기 위해서는 가열 유지온도에서 표면 페라이트층이 잔존하여야 가능하나 가열온도가 1000℃ 보다 높을 경우에는 합금성분계상(탄소 0%일 경우 Ac₃변태점은 999.4℃임) 표면에 탄소농도가 아무리 낮아진다 하더라도 가열중 페라이트 석출을 기대하기 어려워 탈탄속도를 제어할 수 없기 때문이다.

또한, 가열유지시간이 30분 미만의 경우 선재압연을 위한 빌레트 외내부의 균일한 온도 분포를 확보하기 어렵기 때문이며, 60분 이상에서는 그 효과가 포화되기 때문이다.

상기와 같이 가열한 후 선재압연하는데, 이때 선재압연은 선재의 선경이 16mm이하가 되도록 행하는 것이 보다 바람직하다. 즉, 선재가열로 추출시 빌레트의 탈탄면적은 선재압연후 선재의 탈탄면적과 동일하기 때문에 선재의 선경이 클수록 탈탄층이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에 의한 빌레트 추출시 탈탄층을 고려할 경우 선재의 선경은 16mm이하가 되도록 행하는 것이다.

[실시예 1]

중량%로, 탄소 :0.55%, 실리콘:2.03%, 망간:0.8%, 인:0.08%, 황:0.009%를 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강종의 빌레트(160sq)를 가열하여 선재압연하였는데, 이를 발명재와 비교재로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 발명재는 아래 표 1에 나타난 것 처럼, 본 발명에 따라 상기 빌레트를 15±5℃/min의 가열속도로 765±10℃의 온도범위까지 가열하고, 이어 5±3℃/min의 가열속도로 이상역범위인 845±10℃의 온도범위까지 가열한 후 10±5℃/min의 가열속도로 990±10℃의 온도범위까지 가열하여 30-60분 유지한 다음 선경16mm로 선재압연하였다.

비교재 또한, 아래 표 1과 같이, 상기 빌레트를 15±5℃/min의 가열속도로 상온에서부터 845±10℃의 온도범위까지 가열한 후 10±5℃/min의 가열속도로 990±10℃의 온도범위까지 가열하여 30-60분 유지한 다음 선경13mm로 선재압연하였다.

상기 발명재와 비교재의 선재제품을 830℃로 물분사에 의해 급속냉각하여 권취한 다음, 600℃까지 1.0℃/sec로 서냉후 공냉하였다.

상기와 같이 제조된 선재표면에 탈탄층 깊이를 KS규격(KD D0216)에 의하여 측정하였다. 이 규격에 의하면 광학현미경 관찰법과 미소경도 측정법등이 제안되고 있는데, 본 실시예에서는 미소경도 측정법을 이용하였다. 이때, 측정위치는 선재단면을 8등분한 위치에서 측정하였으며 측정값은 평균값을 기준으로 하였다. 상기와 같이 측정된 탈탄층의 깊이는 아래 표 1에 나타내었다.

구분	선재 가열로 가열패턴	선재의 전탈탄 깊이(mm)
구분	Ac₁까지의 승온속도(℃/min)	선재의 전탈탄 깊이(mm)	이상역 승온속도(℃/min)	Ac₃이후 승온속도(℃/min)	가열온도(℃)	가열시간(min)
발명재	1	15	2	10	994	30	0.03
	2	15	2	10	994	60	0.03
	3	15	4	12	985	60	0.02
	4	16	4	12	985	60	0.02
	5	17	6	12	992	50	0.03
	6	15	8	11	981	50	0.04
비교재	1	16	12	12	996	50	0.09
	2	16	15	13	991	40	0.09
	3	16	15	13	991	60	0.11
	4	15	19	11	988	30	0.07
	5	15	19	11	988	50	0.09
Ac₁은 이상역개시온도이고, Ac₃는 오스테나이트 단상역 개시온도이다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 비교재(1-5)는 탈탄층의 깊이가 0.08-0.11mm인데 반해 발명재(1-6)는 선재표면에 탈탄층의 깊이가 0.02-0.04mm범위로 선재표면에 탈탄층의 깊이가 크게 저감되는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 선재가열로 가열시 이상역 통과 승온속도를 낮추어 빌레트 표면에 균일하고 얇은 페라이트층을 석츨시킴으로서 가열시 탈탄반응을 억제시키는 효과로 저탈탄 스프링용강 선재를 제공할 수 있는 것이다.

Claims

중량%로 탄소:0.4-0.7%, 실리콘:1.8-2.1%, 망간:0.6-0.9%, 산소:0.0015%이하, 인:0.01%이하, 황:0.01%이하를 함유하고 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 15±5℃/min의 가열속도로 765±10℃의 온도범위까지 가열하고, 이어 5±3℃/min의 가열속도로 845±10℃의 온도범위까지 가열한 후 10±5℃/min의 가열속도로 990±10℃의 온도범위까지 가열하여 30-60분 유지한 다음 선재압연하는 것을 특징으로 하는 스프링용강 선재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 선재압연은 선재의 선경이 16mm이하가 되도록 행함을 특징으로 하는 방법.