KR20000040914A

KR20000040914A - 저온조직 발생을 방지하는 고강도 밸브스프링용 선재의 제조방법

Info

Publication number: KR20000040914A
Application number: KR1019980056667A
Authority: KR
Inventors: 전이욱; 임규환
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-12-21
Filing date: 1998-12-21
Publication date: 2000-07-15

Abstract

본 발명은 자동차의 엔진밸브 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 통상의 압연설비를 최대한 활용한 제어압연에 의한 오스테나이트 입자의 미세화 및 냉각설비에서의 제어냉각을 시킴으로서 저온조직의 생성을 억제시킬 수 있는 엔진밸브 스프링용 선재의 제조방법을 제공함에 있다.

이러한 목적을 갖는 본 발명은, 중량%로 C:0.63∼0.68%, Si:1.20∼1.60%, Mn:0.60∼0.80%, Cr:0.60∼0.80%, V: 0.15∼0.25%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 빌렛을 950∼1050℃의 온도에서 재가열하고, 이어 조압연 중간압연한 다음 물분사에 의해 890∼910℃로 마무리압연온도를 조절하여 열간압연하고, 물분사에 의해 740∼760℃의 온도로 급속냉각하여 코일형태로 권취한 다음, 0.3∼0.6℃/sec의 냉각속도로 550∼610℃까지 서냉하고 이어 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 저온조직발생을 방지하는 고강도 밸브 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

이러한 본 발명은 저온조직의 생성을 억제할 수 있어 신선가공공정에서 소둔열처리를 생략할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Description

저온조직 발생을 방지하는 고강도 밸브스프링용 선재의 제조방법

본 발명은 자동차의 엔진밸브의 스프링용 선재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 저온제어압연을 통해 오스테나이트에서 페라이트+펄라이트의 변태시간이 줄어들도록 하여 베이나이트+마르테사이트의 저온조직의 발생가능성을 억제하면서 냉각속도를 제어하여 신선가공성이 양호한 펄라이트+페라이트의 선재를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업에서는 자동차 연료절감의 일환으로 자동차를 경량화 시키는데 많은 노력을 기울이고 있다. 이러한 추세에 맞추어 자동차 엔진의 경량화 및 컴팩트(Compact)화를 위한 엔진밸브 스프링용 강의 고강도화에 많은 노력을 기울이고 있는 실정이다.

자동차의 엔진에 장착되는 밸브스프링은 고온압축에서 반복하중을 받으면서 사용되기 때문에 우수한 피로특성과 변형저항성이 요구되고 있다. 이러한 요구특성에 맞추어 통상적으로, SAE 1086, SAE 6150, SAE 9254강종 특히, 이중에서도 변형저항성이 우수한 고규소(Si)강인 SAE 9254 강종이 널리 사용되고 있다.

SAE 9254강종을 선재로 제조하는 종래의 방법은, 빌렛(Billet)을 가열로에서 1050-1100℃의 온도로 가열한 후 조압연기, 중간압연기, 마무리압연기를 거쳐 고속 열간압연하고, 압연된 선재제품(지름 5.5mm)에 대하여 물분사로 770-790℃까지 급속냉각하여 코일상태로 권취한 후, 0.80±0.30℃/sec 냉각속도로 650±30℃까지 냉각시킨 후 상온까지 공냉하는 방법을 이용하여 선재로 제조하고 있다.

그러나, 이러한 냉각온도 및 냉각속도는 선재냉각시 설비능력상 오스테나이트에서 페라이트+펄라이트로 변태시 변태마무리 시간의 부족으로 미변태된 잔류 오스테나이트가 선재 공냉시 저온조직(베이나이트+마르텐사이트)으로 변태하게 되어, 신선성이 양호한 페라이트+펄라이트 조직을 확보하기 어렵기 때문에 저온조직의 생성을 억제하는 것이 불가능하다.

저온조직이 형성된 선재는 용도별 선재의 선경조정 및 강도향상을 위한 신선(Drawing) 가공공정에서 그 저온조직의 주위에 응력이 집중되어 단선의 원인으로 될 수 있다. 따라서, 신선가공시 소둔열처리를 실시하여 단선을 막고 있으나, 소둔 열처리 공정의 추가되어 추가비용의 발생 및 생산성 하락을 초래하게 된다.

물론, 선재의 제조공정에서 통상의 스텔모아(Stelmor) 냉각방식 이외로, 냉각속도가 아주 느린 EDC(Easy Drawing Converyor)법, SCS(Slow Cooling System)법, DLP(Direct Lead Patenting)법 등의 특별한 제어냉각설비를 이용하거나 제어압연에 의한 오스테나이트(Austenite) 입자미세화로 선재제조공정에서 저온조직의 발생을 억제시킬 수는 있으나, 특정설비가 필요하여 제조비가 높다는 문제가 있다.

따라서, 특별한 제어냉각설비 또는 제어압연을 위한 별도의 설비를 추가로 설치 하지 않으면서, 선재의 저온조직의 생성을 막을 수 있다면 신선가공시 소둔 열처리 단계를 생략할 수 있어 에너지 절약 및 제조원가 측면에서 바람직하지만 그 해결방안이 제시되지 못하고 있다.

본 발명은 통상의 압연설비를 최대한 활용한 제어압연에 의한 오스테나이트 입자의 미세화 및 냉각설비에서의 제어냉각을 시킴으로서 저온조직의 생성을 억제시켜 소둔 열처리 생략이 가능한 엔진밸브 스프링용 선재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 선재압연설비의 일례도

도 2는 연속냉각변태곡선

도 3은 본 발명의 선재의 특정부위에 대한 기계적성질의 편차를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1.....가열로 2....선재 조압연기 3.....선재 중간압연기

4.....중간수냉대 5.....선재 마무리압연기 6.....수냉대

7.....권취기 8.....냉각콘베이어 9....집적기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고강도 밸브 스프링용 선재의 제조방법은, 중량%로 C:0.63∼0.68%, Si:1.20∼1.60%, Mn:0.60∼0.80%, Cr:0.60∼0.80%, V: 0.15∼0.25%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 빌렛을 950∼1050℃의 온도에서 재가열하고, 이어 조압연 중간압연한 다음 물분사에 의해 890∼910℃로 마무리압연온도를 조절하여 열간압연하고, 물분사에 의해 740∼760℃의 온도로 급속냉각하여 코일형태로 권취한 다음, 0.3∼0.6℃/sec의 냉각속도로 550∼610℃까지 서냉하고 이어 공냉하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 저온제어압연을 통해 오스테나이트에서 페라이트+펄라이트의 변태시간이 줄어들도록 하여 잔류오스테나이트가 존재하지 않도록 함으로써, 베이나이트+마르테사이트의 저온조직의 발생가능성을 억제하는 한편, 냉각속도를 제어하여 신선가공성이 양호한 펄라이트+페라이트의 선재를 제조하는데, 그 특징이 있다. 이러한 본 발명은 강 성분과 선재제조공정의 유기적인 결합으로 달성되는 바, 이를 다음에서 세분하여 설명한다.

[강 성분]

상기 탄소(C)는 소입, 소려를 위한 충분한 강도를 확보하기 위해 0.63%이상 첨가하나 0.68% 이상에서는 고강도화에 따른 인성확보와 고규소(Si)함량으로 파생되는 소재탈탄을 억제하기 어려으므로 탄소는 0.63∼0.68%의 범위로 첨가한다.

상기 규소(Si)는 페라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고 변형저항성을 확보하기 위해 1.20%이상 첨가하나 1.60%이상에서는 변형저항성의 개선효과가 포화되고 열처리시 탈탄의 가능성이 높아지므로 규소는 1.20∼1.60%의 범위로 첨가한다.

상기 망간(Mn)은 스프링용 강에 요구되는 강도 및 소입성을 확보하기 위해 0.60%이상 첨가하나 0.80%이상 첨가되는 경우 인성이 저하하므로 0.60∼0.80%로 첨가한다.

상기 크롬(Cr)은 충분한 소입성을 확보하기 위해 0.60%이상 첨가하나 0.80%이상 첨가하는 경우 변형저항성의 저하를 초래하므로 0.60∼0.80%로 첨가한다.

상기 바나듐(V)은 바나듐계 석출물을 형성하여 영구변형성을 개선하는데, 이를 위해서 0.15%이상 첨가하며, 0.25%이상 첨가하는 경우 바나듐이 석출하여 영구변형성 개선에 기여하는 석출물의 양보다 모재에 고용되는 양이 증가하여 비금속개재물과 같은 작용을 하여서 피로특성의 저하를 초래하므로 0.15∼0.25%의 범위로 첨가한다.

[선재 제조공정]

상기와 같이 조성되는 빌렛을 선재압연하는 방법을 도 1과 도 2를 참고로 하여 설명한다. 빌렛을 선재압연하기 위해 가열로(1)에서 950∼1050℃의 온도로 가열하는데, 이는 950℃이하에서는 조압연의 설비한계로 압연기 모터(Motor) 및 감속기어 등에 많은 부하가 발생하여 압연이 불가능하고, 1050℃이상에서는 마무리압연되는 온도가 높아져 결정립이 조대해짐에 따라 저온조직이 발생하기 때문이다.

상기와 같이 가열하고 이어 조압연, 중간압연하고 마무리압연한다. 기존에는 마무리압연 전에 물분사를 실시하지 않아 통상 1000℃이상의 온도에서 마무리압연을 실시하였으며, 이에 따라 마무리압연을 거치면서 오스테나이트는 급속하게 조대화되어 재결정이 일어나게 된다.

본 발명에서는 이를 방지하기 위해 마무리압연전에 중간수냉대(4)에서 물분사를 실시하여 마무리압연온도를 890∼910℃로 확보한다. 이와 같이 마무리압연온도를 제어하면, 마무리압연에서 가공량이 증대되고 오스테나이트 결정립이 미세화되어 도 2에서 확인할 수 있듯이, 연속변태곡선(Continuous Cooling Transformationm, 이하 'CCT'라 함)의 코(Nose)부가 좌상(Diagonal) 방향으로 당겨지도록 한다. 이에 따라, 오스테나이트에서 페라이트 + 펄라이트로의 변태시간이 줄어들게 되어 신선성에 불리한 베이나이트+마르텐사이트의 발생 가능성을 억제할 수 있다.

상기와 같이 열간압연하고 이어 수냉대(6)에서 물분사에 의해 740∼760℃까지 급속냉각하면서 권취한다. 상기 온도범위는 오스테나이트 단상 구역으로 미세한 오스테나이트 결정립을 유지할 수 있고, CCT 곡선상으로 볼 때 변태개시 온도 및 시간이 종래의 냉각개시 온도인 770∼790℃ 대비 고온 및 단시간 방향으로 이동하기 때문에 소재의 경화능 저하에 따른 저온조직의 발생 가능성을 억제하는데 유리하다.

상기와 같이 권취한 다음, 550∼610℃까지 서냉하는데, 구체적으로 냉각속도는 0.3∼0.6℃/sec가 바람직하다. 냉각속도 및 냉각정지온도를 상기와 같은 범위로 조절한 것은 선재가 코일형태로 권취한 후 냉각 콘베이어상의 선재집적상태 즉, 겹침부와 비겹침 부위의 냉각정도의 차이를 고려한 범위이다. 이러한 냉각정지온도 및 냉각속도의 조건은 신선가공성이 양호한 페라이트+펄라이트조직을 확보하기 위한 것으로 CCT곡선상의 코(Nose)의 상향 위치에 해당된다.

보다 구체적으로 냉각정지온도 및 냉각속도의 설정이유를 설명하면 다음과 같다. 먼저 610℃이상의 온도에서 냉각이 종료될 경우 냉각대에서의 적정 변태소요 시간이 불충분하게 되어 미변태 오스테나이트의 잔존으로 저온조직의 발생 가능성이 높으며, 또한, 550℃이하에서 냉각이 종료될 경우 본 발명의 서냉 냉각속도인 0.3∼0.6℃/sec 보다 냉각속도가 빨라지기 때문에 적정조직인 페라이트+펄라이트 조직의 확보가 불가능하다.

또한 서냉 냉각속도가 0.6℃/sec이상의 경우 저온조직의 발생 가능성이 높으며, 0.3℃/sec이하의 속도로 냉각될 경우 서냉 냉각설비의 한계로 인해 적정 냉각온도인 550∼610℃온도범위를 확보하기가 어려워 저온조직이 생성하기 때문이다.

상기와 같이 550∼610℃의 온도까지 서냉한 다음 공냉하는데, 이는 변태가 완료된 상태로 냉각속도의 변화가 조직에 미치는 영향이 없기 때문이다. 이와 같은 조건으로 선재를 제조하는데, 이러한 선재는 용도상 약 5.5-8mm의 직경을 갖을 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

중량%로 C:0.64%, Si:1.37%, Mn:0.71%, Cr:0.70%, V:0.20%를 함유한 빌렛(160x160mm)을 본 발명의 방법 및 비교방법으로 나누어 선재로 제조한 다음, 선재의 강도 및 저온조직 생성율을 측정하고 그 결과를 아래 표 1에 나타내었다.

표 1에서 발명재(1,2,3)은 빌렛을 가열로에서 950-1050℃의 온도범위내에서 3종류의 온도로 2시간동안 가열하여 조압연, 중간압연기를 거치고 물분사로 890-910℃까지 냉각한 후 마무리압연하여 지름 8mm의 선재를 물분사로 740-760℃까지 급속냉각하여 코일상태로 권취하였으며, 냉각 콘베이어상에서 선재냉각은 0.3∼0.6℃/sec의 냉각속도로 550∼610℃까지 서냉한 후 상온까지 공냉하여 제조한 선재이다.

비교재(1,2,3)은 본 발명재들과 동일한 화학성분을 갖는 빌렛을 가열로에서 1050-1100℃의 온도범위 내에서 3종류의 온도로 2시간동안 가열후 조압연, 중간압연을 거치면서 물분사 없이 계속 마무리압연을 실시하여 지름 8mm의 선재로 압연한 후 770-790℃까지 물분사로 급속 냉각하여 코일상태로 권취하고 냉각콘베이어 상에서의 선재냉각은 0.5∼1.1℃/sec 냉각속도로 620∼680℃까지 냉각시킨 후 상온까지 공냉하여 제조한 선재이다.

구분	제조조건	선재의 특성
구분	가열온도 (℃)	중간수냉실시여부	마무리압연온도(℃)	권취온도(℃)	냉각속도 (℃/sec)	인장강도 (㎏/㎟)	단면감소율(%)	저온조직 생성율(%)
비교재	1	1062^*	미실시	995^*	771^*	0.5∼1.1	135	7	84
	2	1070^*	미실시	998^*	779^*		141	12	87
	3	1095^*	미실시	1008^*	785^*		148	13	92
발명재	1	988	실시	901	747	0.3∼0.6	114	31	0
	2	1005	실시	911	755		119	38	0
	3	1012	실시	910	759		122	43	0
*표시는 본 발명의 조건을 벗어나는 것임.

표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 제조된 밸브스프링용 선재는 인장강도는 114-122㎏/㎟범위, 단면감소율은 31-43% 범위, 저온조직 생성율은 0%로 나타났다. 반면, 비교재(1,2,3)의 경우 인장강도는 135-148㎏/㎟ 범위, 단면감소율은 7-13%범위, 저온조직 생성율은 84-92%로 나타났다.

이상의 결과를 종합해 볼 때, 본 발명재는 비교재 대비 결정립 미세화 및 저온조직 생성억제를 통하여 신선성이 양호한 선재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 방법들에 의해 제조된 밸브스프링용 선재의 링(ring)(링의 20권째의 선재를 8등분하여 기계적성질을 측정)내의 인장강도 및 단면감소율을 나타낸 것으로서, 그 결과에서 알 수 있듯이 링내에서 소재의 기계적특성이 균일한 분포를 갖고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 저온제어압연과 냉각조건의 제어로 저온조직이 발생되지 않은 선재를 제공할 수 있으며, 이러한 선재는 소둔열처리를 하지 않더라도 신선가공할 수 있어 에너지 절약 및 제조원가 측면에서 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로 C:0.63∼0.68%, Si:1.20∼1.60%, Mn:0.60∼0.80%, Cr:0.60∼0.80%, V: 0.15∼0.25%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 빌렛을 950∼1050℃의 온도에서 재가열하고, 이어 조압연 중간압연한 다음 물분사에 의해 890∼910℃로 마무리압연온도를 조절하여 열간압연하고, 물분사에 의해 740∼760℃의 온도로 급속냉각하여 코일형태로 권취한 다음, 0.3∼0.6℃/sec의 냉각속도로 550∼610℃까지 서냉하고 이어 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 저온조직발생을 방지하는 고강도 밸브 스프링용 선재의 제조방법.