KR20020050384A

KR20020050384A - 페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법

Info

Publication number: KR20020050384A
Application number: KR1020000079520A
Authority: KR
Inventors: 김경원; 나채봉; 최해창
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-06-27
Also published as: KR100478088B1

Abstract

본 발명은 자동차 현가용 스프링강의 제조방법에 관한 것으로, 열간압연조건을 적절히 제어하여 페라이트탈탄층의 생성을 억제함으로써, 스프링강 선재의 가공시 필링공정을 생략할 수 있는 스프링강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛(Billet)을 1000~1100℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고 750~850℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 750~800℃에서 권취한 다음 600~650℃의 온도까지는 1℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 이후 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법을, 그 기술적 요지로 한다.

Description

페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING SPRING STEEL WITHOUT FERRITE DECABURIZATION}

본 발명은 자동차 현가용 스프링강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피로강도 및 변형저항성이 기존 스프링강과 유사하면서, 페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법에 관한 것이다.

스프링강의 제조시 재가열 및 열간압연에서는, 소재에 표면탈탄, 즉, 페라이트탈탄층이 생성되는데, 이것은 소재의 피로수명을 저하시키므로, 통상적으로는 표면가공, 즉, 표면을 깍아내기 위해 실시되는 공정인 필링(Peeling)공정을 수행하고 있다. 그러나, 상기한 필링공정에는 많은 비용이 소요되기 때문에, 이를 생략하면 생산량을 14% 이상 증가시킬 수 있다.

한편, 변형저항성을 크게 약화시키지 않는 성분범위에서 표면탈탄을 조장하는 실리콘(Si)을 감소시키고 탈탄방지에 효과적인 원소인 크롬(Cr)을 첨가한 SAE9254가 개발되었다. 그러나, 이 경우 페라이트 탈탄층을 완벽하게 제어하지 못하여, 스프링선재의 표면을 깍아 가공하는 공정이 통상 실시되어야 했다.

또한, 스프링제조시 발생하는 탈탄층을 억제하기 위한 종래기술로는, 일본특개(평)2-301541호, (평)1-31960호, (소)63-216591, (소)63-153240호, (소)58-67847호 및 (소)58-27956호 등을 들 수 있는데, 상기한 기술들의 경우에는, 크롬함량을 증가 시키거나 탄소함량을 낮추면서, 구리, 몰리브덴, 주석 등을 첨가하는 방법이 제시하고 있다. 그러나, 이 경우, 탈탄층의 감소에는 효과가 있었으나 완벽히 제어하지 못하였다. 또한, 고가의 합금원소첨가로 비경제적인 단점이 있었다

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 제안된 것으로, 본 발명은 열간압연조건을 적절히 제어하여 페라이트탈탄층의 생성을 억제함으로써, 스프링강 선재의 가공시 필링공정을 생략할 수 있는 스프링강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에서 이용한 선재압연설비의 개략 구성도

도 2(a),(b)는 본 발명의 발명재(2)와 종래재(3)의 페라이트탈탄조직을 나타내는 사진(배율: X200)

도 3(a),(b)는 본 발명의 발명재(2)와 종래재(3)의 페라이트탈탄조직을 나타내는 사진(배율: X500)

※ 도면의 주요부분에 대한 부호설명

1…가열로, 2…조압연기, 3…제1 중간수냉대, 4…중간사상압연기,

5…제2 중간수냉대, 6…사상압연기, 7…수냉대, 8…권취기,

9…공냉대, 10…집적기

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛(Billet)을 1000~1100℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고 750~850℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 750~800℃에서 권취한 다음 600~650℃의 온도까지는 1℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 이후 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본발명의 강성분 및 제조공정에 대하여 설명한다.

본 발명의 강 성분 중 C의 함량은, 0.4~0.6%로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 탄소의 함량이 0.4%미만인 경우에는 소입,소려에 의한 고응력 스프링용강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵고, 0.60%이상인 경우에는 인성의 확보가 불충분하고 고실리콘의 함량으로 파생되는 소재탈탄을 억제하기 어렵기 때문이다.

Si의 함량은 1.3~1.6%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 Si의 함량이 1.3%미만인 경우에는 실리콘이 페라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키며 변형저항성을 개선하는 효과가 충분하지 못하고, 1.6%이상인 경우에는 변형저항성의 개선효과가 포화되고 열처리시 탈탄의 가능성이 높기 때문이다.

Mn의 함량은 0.5~0.7%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 망간의 함량이 0.5%미만인 경우에는 스프링용강으로서 강도 및 소입성이 부족하고, 0.7%이상인 경우에는 인성이 저하하기 때문이다.

Cr은 페라이트탈탄층을 저감시키는 원소로서, 그 함량범위는 0.4~0.7% 로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 Cr의 함량이 0.4% 미만이면 충분한 소입성 및 탈탄억제의 효과를 얻기 어렵고, 0.7% 이상이면 탈탄억제효과가 포화되어 개선의 효과가 없기 때문이다.

상기와 같이 조성되는 빌렛은 재가열, 열간압연 및 권취 등의 공정을 거친 다음, 이후 스프링 용으로 사용되는데, 이하에서는 제조공정에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 상기 재가열온도는 1000~1100℃로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 재가열온도가 1100℃이상인 경우에는 탄소의 활동성이 매우 증가되어 표면에서 외부로 탄소가 빠져나가서 탈탄이 매우 조장되며, 1000℃미만인 경우에는 스프링강의 특성을 위해 첨가된 합금원소의 영향으로 조압연에서 압연부하로 인해 압연이 불가능하기 때문이다.

다음, 열간압연을 실시하는데, 이하에서는 도 1을 참조하여 본 발명의 열간압연조건에 대하여 설명한다.

도1에 나타난 바와 같이, 열간압연은 크게 조압연(2)-수냉(3)-중간사상압연(4)-수냉(5)-사상압연(6)-수냉으로 이루어지는데, 본 발명에서는 상기 열간압연의 공정 중 중간사상압연 및 사상압연의 온도조건을 제어하는데 특징이 있다. 즉, 통상의 온도범위인 950~1050℃에서 조압연된 강 슬라브를 750~850℃에서 중간사상압연하여, 가열로에서 생성되어 성장한 페라이트탈탄층의 페라이트 레이어를 원주형태(Columnar)에서 폴리고날(Polygonal)형태로 미세화한다. 그 후, 복열된 소재를 수냉하여 750~850℃의 온도범위로 한 다음 그 온도에서 사상압연을 실시하면, 미세화된 페라이트 탈탄층의 압연중 성장이 억제되어 더욱 미세화된다. 이에 따라, 페라이트가 성장하여 소재표면에 원주형태(Columnar)의 밴드를 이루는 페라이트 탈탄층은 제거되고, 압연중 또는 냉각중에 미세화된 조직을 통해 표면에서 빠져나가는 탄소의 양보다 소재내부에서 계면을 통해 확산되는 탄소량을 많게되어, 표면에 탄소량과 내부조직의 탄소량을 동일하게 유지함으로써,페라이트 탈탄층을 제거하는 효과를 얻을 수 있는 것이다.

한편, 상기 중간사상압연 및 사상압연의 온도를 750~850℃로 한정한 이유는 다음과 같다. 즉, 통상압연 방방법과는 달리 본 발명에서와 같이, 조압연된 소재를 미재결정영역까지 냉각한 후 중간사상압연을 실시하고, 이때 발생된 가공발열을 다시 수냉에 의해 제거하여 소재를 미재결정영역까지 냉각한 다음 사상압연을 실시하게 되면, 소재 내부에는 전위밀도가 급격히 증가하고, 결정립 또한 매우 미세하게 된다. 이 때, 상기 중간사상압연 및 사상압연의 온도가 미재결정역인 750~850℃을 벗어나, 850℃이상으로 높으면, 통상압연방법 대비 조직미세화의 효과는 있으나 압연중 조직미세화가 미흡하여 냉각중에 국부적으로 페라이트 그레인(Grain)이 성장하여, 소재단면에 일부 원주형(Columnar)의 페라이트 레이어가 생성된다. 이에 따라, 페라이트탈탄층이 발생되어 소재 전체에 대한 페라이트탈탄을 제어할 수 없게 된다. 또한, 750℃ 미만이면, 중간사상압연기와 사상압연기의 압연능력 부족으로 압연이 불가능하게 된다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 열간압연이 실시된 열연강판은 750~800℃로 권취하는 것이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다. 즉, 상기 권취온도가 750℃ 미만이면, 수냉장치에서 순간적으로 소재의 온도를 목표온도까지 도달하기 위해, 고압의 물로 소재를 냉각해야 하므로, 수냉 장치내에서 소재와 수냉장치와의 마찰 및 소재의 온도하락으로 인한 강성이 높아져서 발생하는 권취기와의 마찰로 인하여 표면흠을 유발하게 된다.

또한, 상기 권취온도가 800℃이상인 경우에는 열간압연후에도 많은 변형에너지를 내포하게 되어 변태가 촉진되어 CCT-곡선상에 변태시간이 빨라진다. 이에 따라, 취성조직인 베이나트, 마르텐사이트 등의 저온조직이 발생하게되는 문제가 있다.

그 후, 통상의 방법을 이용해 600~650℃의 온도까지는 1℃/s 이하의 속도로 서냉하고, 이후 상온까지는 공냉함으로써, 페라이트탈탄이 없는 스프링강으로 제조되는 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예)

중량%로, C: 0.53%, Si:1.41%, Cr:0.58%, Mn:0.61%, P:0.001%, S:0.008%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 빌렛을 하기 표 1의 온도로 재가열한 후 980~1020℃에서 조압연하고, 이후, 중간사상압연 및 사상압연, 그리고 열연권취는 하기 표 1에 나타난 온도에서 실시하였다.

이와 같이 하여 제조된 발명재 및 종래재에 대하여, 페라이트 탈탄깊이 및 점유율, 전탈탄 깊이를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 여기서, 페라이트 탈탄깊이는, 선재압연후 선재표면에 생성된 최대 깊이를 의미하며, 페라이트 탈탄 점유율은, 선재압연후 선재표면의 원주를 점유한 퍼센트를 의미한다. 또한, 전탈탄 깊이는, 표면 탈탄층에서 기지조직의 탄소농도와 같은조직을 갖는 거리를 의미한다.

또한, 오스테나이트입자크기(Austenite Grain Size; 이하 AGS라고 함) 번호 및 인장강도도 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

여기서, AGS 번호는 ASTM규격에 의하며, 번호에 따른 입자크기는 '12'일 경우 0.0056mm, '11'은 0.0079mm, '10'은 0.011mm, '9'는 0.016mm, '8'은 0.022mm를 나타낸다.

구분	재가열온도(℃)	열간압연온도(℃)	권취온도(℃)
구분	재가열온도(℃)	중간사상압연	권취온도(℃)	사상압연
발명재1	1000	800	830	780
발명재2	1100	780	800	772
발명재3	1020	810	820	790
종래재1	1010	1000	1012	800
종래재2	1020	1010	1000	792
종래재3	1030	1020	996	780

구분	페라이트탈탄깊이(mm)	페라이트탈탄점유율(%)	전탈탄깊이(mm)	AGS번호	인장강도(Kg/㎟)
발명재1	0.008	3	0.14	12	106.2
발명재2	0	0	0.12	11	104.3
발명재3	0.006	4	0.10	12	107.6
종래재1	0.04	60	0.12	9	99.8
종래재	0.05	100	0.09	8	100.3
종래재	0.06	52	0.13	9	101.6

상기 표2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명재(1)~(3)의 경우에는, 페라이트 탈탄깊이가 0.008mm이하였던 반면에, 종래재(1)~(3)은 0.04mm이상으로 되는 것을 알 수 있다. 또한, 선재표면에서 원주의 페라이트탈탄 점유비 또한 개선됨을 알 수 있다.

한편, 도2(a),(b), 및 도 3(a),(b)에는 상기 표 1의 발명재(2)와 종래재(3)의 페라이트탈탄 조직사진을 나타내었다. 도2(a),(b)는 (X200)배율로 관찰한 것이고, 도 3(a),(b)는 (X500)의 배율로 관찰한 것인데, 도 2(a),(b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명재(2)는 종래재(3) 대비, 페라이트탈탄의 깊이가 감소한 것을 확인할 수 있다. 특히, X500의 배율로 관찰한 경우, 도 3(a),(b)의 O으로 표시된 부분은, 페라이트 탈탄층을 나타내는데, 종래재(3)의 경우 발명재(2)에 비해 매우 깊은 것을 알 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 스프링가공시 필수공정인 표면적상공정을 생략할 수 있어서, 생산량을 14% 이상 향상시킴과 동시에 피로수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C):0.4~0.6%, 실리콘(Si):1.3~1.6%, 망간(Mn):0.5~0.7%, 크롬(Cr):0.4~0.7%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛(Billet)을 1000~1100℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고 750~850℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 750~800℃에서 권취한 다음 600~650℃의 온도까지는 1℃/s 이하의 속도로 냉각하고, 이후 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 페라이트탈탄이 없는 스프링강의 제조방법.