KR20010034363A - 절단 가능한 기계부품 제조용 강철 및 그 제조방법 - Google Patents

절단 가능한 기계부품 제조용 강철 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 20 중량%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 가지는 분리 가능한 엔지니어링 부품을 제조하기 위한 강철에 관한 것으로서, 상기 강철은 다음의 화학 조성은 갖는다:
- 0.2 중량% ≤ C ≤ 0.4 중량%, 0.1 중량% ≤ Si ≤ 1.5 중량%, 0.3 중량% ≤ Mn ≤ 1.4 중량%, 0.2 중량% ≤ V ≤ 0.5 중량%, P ≤ 0.150 중량%, 0.005 중량% ≤ N ≤ 0.02 중량%,
- 선택적으로, 0.1 중량% 이하의 납, 0.15중량% 이하의 텔루륨, 0.15중량% 이하의 비스무트, 0.02중량% 이하의 셀레늄, 0.35중량% 이하의 황, 및 0.005 중량% 이하의 칼슘으로 이루어지는 하나 이상의 요소,
- 선택적으로, 0.05 중량% 이하의 티타늄, 0.1 중량% 이하의 니오븀, 및 0.07 중량% 이하의 알루미늄; 및
- 나머지로서 철과 제련 시에 생성되는 불순물 및 잔류물.
본 발명은 또한 절단 가능한 부품을 제조하는 방법 및 그 제조 부품에 관한 것이다.

Description

절단 가능한 기계부품 제조용 강철 및 그 제조방법{STEEL AND METHOD FOR MAKING CLEAVABLE MECHANICAL PARTS}
단조-강철 연결 로드를 이루는 강철은 쉽게 단조 및 기계화되어야 하며, 연결 로드가 장착되어 정확하게 작동될 수 있게 하는 기계적 특성을 가져야 한다. 일반적으로 요구되는 기계적 특성으로는 충분한 피로강도를 얻기 위한 210 HB 내지 360 HB 가량의 경도 및 650 MPa 내지 1200 MPa 가량의 인장강도, 및 항복점 초과에 의한 변형을 방지하기 위한 300 MPa 내지 800 MPa 가량의 항복강도가 있다. 몇몇 연결 로드에 경우에는 항복응력(Re)은 700 MPa 이상이어야 하고, 인장강도는 1100 MPa 이하이어야 한다.
두 개의 분리된 부분, 즉 본체 및 캡을 포함하는 연결 로드는 블랭크를 단조하여 제조할 수 있다. 그런 후, 블랭크를 기계화하여 소정의 평면에서 취성 파쇄를 이용하여 두 부분으로 분리한다. 분리 가능한 부품을 위한 방법으로 언급되는 이러한 방법은 몇 가지 장점을 갖는데, 특히 분배를 기계화함으로써 제조 절차를 상당히 간소화한다는 점에서 바람직하다. 반면, 상기 방법에는 "분리 가능한" 강철, 즉 취성 파쇄를 적당하게 수행할 수 있는 강철의 사용이 요구된다.
분리 가능한 연결 로드를 제조하기 위하여, 일본 특허출원 JP 8-291373에서는 0.4% 내지 0.6%의 탄소, 0.5% 내지 5%의 실리콘, 0.1% 내지 0.8%의 망간, 0.1% 내지 0.5%의 크롬, 0.1% 내지 0.5%의 바나듐, 및 0.01% 내지 0.2%, 바람직하게는 0.05% 이상의 인을 함유하며, 나머지는 철, 불순물, 및 기계능을 개선시키는 가능한 소량의 첨가제를 함유하는 강철의 용도가 제안되어 있다. 그러나, 상기 강철은 페라이트의 취화뿐 아니라 페라이트의 비율 및 질화탄소 침전(carbonitride precipitation)의 경화 효과를 제한하는 거의 완전한 펄라이트 구조를 가진다는 단점이 있다. 게다가, 이들 강철은 냉각조건에 매우 민감한 인장강도(Re및 Rm)를 가지기 때문에 부품의 대량 생산 능력이 저하된다.
또한, 프랑스 특허출원 FR 2,742,448에는 0.25% 내지 0.5%의 탄소, 0.2% 내지 1.5%의 실리콘, 0.1% 내지 2%의 망간, 0.15% 이하의 크롬, 0.15% 이하의 니켈, 0.05% 이하의 몰리브데늄, 0.35% 이하의 구리, 0% 내지 0.2%의 바나듐, 0.04% 내지 0.2%의 인, 및 0.005% 내지 0.02%의 질소를 함유하며, 밸런스로 철, 불순물, 및 기계능을 개선시키는 가능한 소량의 첨가제를 함유하는 강철의 용도가 기재되어 있다. 상기 강철은 쉽게 분리될 수 있는 페라이토-펄라이트 구조를 형성시킬 수 있는 반면, 700MPa 이상의 항복강도 및 1100 MPa 이하의 인장강도를 달성할 수 없다. 게다가, 분리능은 주로 기계화를 어렵게 하는 편석의 위험을 증가시키는 단점이 있는 인의 첨가에 의해서만 획득될 수 있다.
본 발명은 분리 가능한 엔지니어링 부품, 특히 내연기관용 연결 로드를 제조하기 위한 강철에 관한 것이다.
예를 들면, 내연기관의 연결 로드와 같은 몇몇 엔지니어링 부품은 볼트와 같은 고정수단(fastening means)에 의하여 서로 결합된 적어도 두 개의 분리 가능한 구성요소로 이루어진다. 이러한 부품은 주철, 소결 금속분말 및 단조 금속분말, 또는 단조 강철로 만들어질 수 있다. 본 발명은 단조 강철로 만들어진 부품, 특히 연결 로드에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 항복응력이 700 MPa 이상이고 인장강도가 1100 MPa 이하이며, 통상의 산업적 조건 하에서 취성 파쇄될 수 있는 우수한 기계능을 가지는 분리 가능한 단조품(folding)을 제조하는 수단을 제공하여 위와 같은 단점들을 개선하는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명은 적어도 20%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 가지는 분리 가능한 엔지니어링 부품 제조용 강철을 제공하며, 화학 조성(wndfid rlwns)은 다음과 같다:
0.2% ≤ C ≤ 0.4%,
0.1% ≤ Si ≤ 1.5%,
0.3% ≤ Mn ≤ 1.4%,
0.2% ≤ V ≤ 0.5%,
P ≤ 0.150%,
0.005% ≤ N ≤ 0.02%;
- 선택적으로, 0.1% 이하의 납, 0.15% 이하의 텔루륨, 0.15% 이하의 비스무트, 0.02% 이하의 셀레늄, 0.35% 이하의 황, 및 0.005% 이하의 칼슘으로 이루어지는 하나 이상의 구성성분,
- 선택적으로, 0.05% 이하의 티타늄, 0.1% 이하의 니오븀, 및 0.07% 이하의 알루미늄, 및
- 나머지로서 철과 제련 시에 생성되는 불순물 및 잔류물.
인의 함량은 0.03% 이하가 바람직하며, 니켈, 크롬, 및 몰리브덴과 같은 잔류물은 다음과 같은 함량이 바람직하다:
Ni + Cr ≤ 0.45%
Mo ≤ V 0.06%.
또한, 본 발명은 적어도 20%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 가지는 강철로 만들어지는 부품에 관한 것이다. 연결 로드일 수도 있는 이러한 부품은 분리 가능하다.
끝으로, 본 발명은 적어도 두 개의 분리된 부분을 포함하는 강철 부품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 다음의 단계를 포함한다:
a) 본 발명에 따르는 강철 조성을 가지는 강철로 이루어진 슬러그를 Ac3+ 150℃ 내지 1370℃의 온도로 가열하는 단계;
b) 슬러그를 단조하여 부품 블랭크를 제조하는 단계;
c) 단조 후, 온도가 거의 700℃에 도달한 순간에 0.4℃/s 내지 1.5℃/s의 속도로 부품 블랭크를 실온으로 냉각하여 적어도 20%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 부여하는 단계;
d) 부품 블랭크를 한 단계 이상으로 기계화하는 단계; 및
e) 취성 파쇄를 이용하여 제조된 부품을 적어도 두 개의 부분으로 분리하는 단계.
이하에서 본 발명은 제한하지 않는 방식으로 보다 상세하게 설명된다.
본 발명의 강철은 기계 장치를 위한 탄소 또는 저합금 강철로서, 다음과 같은 화학 조성을 갖는다:
a) 충분히 높은 기계적 강도를 부여하면서도, 냉각 조건하에서 기계적 특성의 민감성이 너무 커지는 것을 방지하고 기계화를 어렵게 하는 너무 높은 경도를 가지는 것을 피하기 위하여 0.2% 내지 0.4%, 바람직하게는 0.21% 내지 0.4%의 탄소;
b) 확실한 산소 제거를 위해서 0.1% 이상의 함량으로 첨가되어야 하는 탈산소제 성분으로서, 페라이트를 경화 및 취화시켜 양호한 기계능을 부여하고 취성 파쇄를 용이하게 하기 위한 0.1% 내지 1.5%, 바람직하게는 0.6% 내지 1.2% 함량의 실리콘;
c) 기계능에 유익하도록 적어도 30%의 페라이트, 바람직하게는 적어도 90%의 페라이트-펄라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조를 형성하기 위하여 황화 망간의 형태로 황을 고정하고 경화능을 조절하기 위한 0.3% 내지 1.4%의 망간;
d) 취성 파쇄능에 유익하도록 페라이트를 경화시키고 700 MPa 이상의 항복응력 및 0.75 이상의 항복응력/인장강도 비율을 얻기 위한 0.2% 내지 0.4%, 바람직하게는 0.21% 이상의 바나듐;
e) 0.2% 이하, 바람직하게는 0.03% 이하의 인
―여기서 인의 함량이 높아지면 취성 파쇄는 용이해지지만, 기계능에 바람직하지 못한 편석(segregation)을 제한하기 위해서는 인의 함량을 0.03%로 제한하는 것이 바람직함―;
f) 페라이트를 경화시키는 질화 바나듐을 제조하기 위한 0.005% 내지 0.02%의 질소;
g) 선택적으로, 기계능을 개선시키기 위한 0.1% 이하의 납, 0.15% 이하의 텔루륨, 0.15% 이하의 비스무트, 0.02% 이하의 셀레늄, 0.35% 이하의 황, 및 0.005% 이하의 칼슘으로 이루어지는 하나 이상의 성분;
h) 선택적으로, 단조 시 결정의 성장을 제한하기 위한 0.05% 이하의 티타늄, 0.1% 이하의 니오븀, 및 0.07% 이하의 알루미늄.
조성의 나머지는 철과 제련 시에 생성되는 불순물 및 잔류물이다. 특히, 원료 물질에 의하여 공급되는 잔류물로는 니켈, 크롬, 및 몰리브데늄이 있다. 적어도 20%, 바람직하게는 30% 이상의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조를 획득하기 위해서는, 잔류물의 함유량을 적당하게 제어하여 Ni + Cr의 전체 함량은 0.45% 이하로 몰림브덴의 함량은 0.05% 이하로 유지시켜야 한다.
또한, 구조를 정확하게 제어하기 위해서는, 망간 및 바나듐의 함유량이 Mn + 10V ≤ 5.2%가 되도록 하는 것이 좋다.
분리 가능한 부품을 제조하기 위해서는, 본 발명에 따르는 조성을 가지는 강철 스러그를 Ac3+ 150℃ 내지 1370℃의 온도로 가열하여 바나듐을 오스테나이트화 및 용액화한 다음, 부품 블랭크를 제조하기 위하여 고온 단조한다. 이때, 단조 공정은 800℃ 이상의 온도에서 종결된다. 단조 직후, 온도가 700℃에 도달했을 때에 예를 들면 공기 중에서 0.5℃/s 내지 1.5℃/s의 냉각 속도로 제어하는 방식으로 부품 블랭크를 실온으로 냉각한다. 이런 방식을 사용하면, 적어도 20%, 바람직하게는 30% 이상의 페라이트를 포함하는 본질적인 페라이토-펄라이트(즉, 적어도 90%의 페라이토-펄라이트) 구조, 700 MPa 이상의 항복응력(Re), 및 1100 MPa 이하, 바람직하게는 850 MPa 이상의 인장강도(Rm)를 가지는 강철이 제조되며, 이들의 파쇄 에너지(Kcv)는 실온에서 7 J/cm2이하이고, Re/Rm비율은 0.73 이상, 바람직하게는 0.75 이상이다. 후자의 두 조건에 의하여 흠 없는 파쇄물이 생성될 수 있으며, 종종 양호한 분리능을 한정하는 리프(lip)가 변형되지 않도록 할 수 있다. 따라서, 제조된 부품 블랭크는 기계화한 뒤, 취성 파쇄를 이용하여 두 개의 요소로 분할한다.
제1 실시예에서는 다음과 같은 화학 조성(중량%)을 가지는 본 발명의 강철을 사용하여 연결 로드를 제조하였다:
C = 0.319%
Si = 0.61%
Mn = 1.02%
V = 0.3%
Ni = 0.214%
Cr = 0.21%
Mo = 0.05%
Cu = 0.21%
S = 0.059%
P = 0.017%
Al = 0.02%
N = 0.0085%
나머지는 제련 시에 생성되는 불순물 및 철.
단조 전에 강철 슬러그를 1270℃로 가열하였다; 단조 종결 온도는 1005℃이었다. 단조 후, 온도가 700℃에 도달했을 때에 공기 중에서 평균 0.9℃/s의 냉각 속도로 블랭크를 냉각하였다. 얻어진 특성을 다음과 같다:
구조: 60%의 페라이트를 함유하는 98%의 페라이토-펄라이트 구조;
Rm= 1050 MPa;
Re= 840 MPa;
A% = 14.5%;
Kcv= 실온에서 4 J/cm2.
이어서, 블랭크를 기계화한 뒤, 취성 파쇄를 이용하여 두 개의 요소로 분리하였다. 이러한 취성 파쇄에 의한 분리는 특별한 어려움 없이 완성되었다.
제2 실시예에서는 다음과 같은 화학 조성(중량%)을 가지는 본 발명의 강철을 사용하여 연결 로드를 제조하였다:
C = 0.208%
Si = 0.605%
Mn = 1.02%
V = 0.3%
Ni = 0.212%
Cr = 0.211%
Mo = 0.05%
Cu = 0.205%
S = 0.059%
P = 0.016%
Al = 0.022%
N = 0.0077%
나머지는 제련 시에 생성되는 불순물 및 철.
단조 전에 강철 슬러그를 1270℃로 가열하였다; 단조 종결 온도는 1025℃이었다. 단조 후, 온도가 700℃에 도달했을 때에 공기 중에서 평균 0.9℃/s의 냉각 속도로 블랭크를 냉각하였다. 얻어진 특성을 다음과 같다:
구조: 60%의 페라이트를 함유하는 98%의 페라이토-펄라이트 구조;
Rm= 950 MPa;
Re= 740 MPa;
A% = 17%;
Kcv= 실온에서 4 J/cm2.
이어서, 블랭크를 기계화한 뒤, 취성 파쇄를 이용하여 두 개의 요소로 분리하였다. 이러한 취성 파쇄에 의한 분리는 특별한 어려움 없이 완성되었다.

Claims (9)

  1. 분리 가능한 엔지니어링 부품 제조용 강철에 있어서,
    a) 0.2 중량% ≤ C ≤ 0.4 중량%,
    0.1 중량% ≤ Si ≤ 1.5 중량%,
    0.3 중량% ≤ Mn ≤ 1.4 중량%,
    0.2 중량% ≤ V ≤ 0.5 중량%,
    P ≤ 0.150 중량%,
    0.005 중량% ≤ N ≤ 0.02 중량%,
    b) 선택적으로, 0.1 중량% 이하의 납, 0.15중량% 이하의 텔루륨, 0.15중량% 이하의 비스무트, 0.02중량% 이하의 셀레늄, 0.35중량% 이하의 황, 및 0.005 중량% 이하의 칼슘으로 이루어지는 하나 이상의 구성성분,
    c) 선택적으로, 0.05 중량% 이하의 티타늄, 0.1 중량% 이하의 니오븀, 및 0.07 중량% 이하의 알루미늄, 및
    d) 나머지로서 철과 제련 시에 생성되는 불순물 및 잔류물
    을 포함하는 적어도 20%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 가지는 강철.
  2. 제1항에 있어서,
    인을 0.03 중량% 이하의 함량으로 포함하는 강철.
  3. 제1항에 있어서,
    니켈, 크롬, 및 몰리브덴 잔류물을 다음과 같은 함량으로 포함하는 강철:
    Ni + Cr ≤ 0.45 중량%
    Mo ≤ V 0.06 중량%.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트의 분율이 적어도 30%인 강철.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    Re/Rm비율이 0.75 이상인 강철.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    인장강도(Rm)가 850 MPa 이상인 강철.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따르는 강철 부품.
  8. 제7항에 있어서,
    연결 로드인 강철 부품.
  9. 적어도 두 개의 분리된 부분을 포함하는 강철 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    a) 다음의 조성을 가지는 강철로 이루어진 슬러그를 Ac3+ 150℃ 내지 1370℃의 온도로 가열하는 단계:
    - 0.2 중량% ≤ C ≤ 0.4 중량%,
    0.1 중량% ≤ Si ≤ 1.5 중량%,
    0.3 중량% ≤ Mn ≤ 1.4 중량%,
    0.2 중량% ≤ V ≤ 0.5 중량%,
    P ≤ 0.150 중량%,
    0.005 중량% ≤ N ≤ 0.02 중량%,
    - 선택적으로, 0.1 중량% 이하의 납, 0.15중량% 이하의 텔루륨, 0.15중량% 이하의 비스무트, 0.02중량% 이하의 셀레늄, 0.35중량% 이하의 황, 및 0.005 중량% 이하의 칼슘으로 이루어지는 하나 이상의 수성성분,
    - 선택적으로, 0.05 중량% 이하의 티타늄, 0.1 중량% 이하의 니오븀, 및 0.07 중량% 이하의 알루미늄, 및
    - 나머지로서 철과 제련 시에 생성되는 불순물 및 잔류물;
    b) 슬러그를 단조하여 부품 블랭크를 제조하는 단계;
    c) 단조 후, 온도가 거의 700℃에 도달한 순간에 0.4℃/s 내지 1.5℃/s의 속도로 부품 블랭크를 실온으로 냉각하여 적어도 20%의 페라이트를 함유하는 본질적인 페라이토-펄라이트 구조, 1100 MPa 이하의 인장강도, 700 MPa 이상의 항복응력, 0.73 이상의 Re/Rm비율, 7 J/cm2이하의 파쇄 에너지를 부여하는 단계;
    d) 부품 블랭크를 한 단계 이상으로 기계화하는 단계; 및
    e) 취성 파쇄를 이용하여 제조된 부품을 적어도 두 개의 부분으로 분리하는 단계
    를 포함하는 제조 방법.
KR1020007008105A 1998-01-28 1999-01-19 절단 가능한 기계부품 제조용 강, 그로부터 제조된 강 부품, 및 강 부품의 제조방법 KR100560086B1 (ko)

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