KR20040027003A - 페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법 - Google Patents

페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 구동 중 충격흡수 역할을 하는 현가용 스프링에 사용되는 강의 제조방법에 관한 것으로, 그 목적은 고온에서 열간압연을 실시하고 권취후 냉각시 급냉과 서냉을 적절하게 조합함과 아울러 각각의 냉각속도를 최적화한 냉각방법을 통하여 페라이트 탈탄층의 생성을 억제하고 취성을 갖는 저온조직의 발생도 방지함으로써, 가공시 필링(peeling)공정을 생략할 수 있는 스프링용 강의 제조방법을 제공하는데 있다.
중량%로, C: 0.4~0.6%, Si: 1.3~1.6%, Mn: 0.5~0.7%, Cr: 0.4~0.7%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 900~1050℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고, 900~1100℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 780~830℃에서 권취한 다음, 700~750℃ 까지는 4~8℃/초의 속도로 냉각하고, 600~650℃까지는 1~2℃/초의 속도로 냉각하고, 200~350℃ 까지는 1℃/초 이하의 속도로 냉각한 후, 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.

Description

페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법{A manufacturing method of steel for spring without ferrite decarburization}
본 발명은 자동차 구동 중 충격흡수 역할을 하는 현가용 스프링에 사용되는 강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉각시 급냉과 서냉을 적절하게 조합함과 아울러 각각의 냉각속도를 최적화한 냉각방법을 통하여 소재내 페라이트 탈탄이 생기는 것을 방지하므로써 피로수명 및 2차가공시 생산성을 향상시킬 수 있는 스프링용 강의 제조방법에 관한 것이다.
스프링강의 제조시 재가열, 열간압연 및 냉각 과정 중에서 소재 표면에 페라이트 탈탄층이 생성된다. 상기 페라이트 탈탄층은 소재의 피로수명을 저하시키므로, 표면을 깎아내기 위한 필링(peeling) 공정이 필수적이다. 그러나, 상기 필링공정시 많은 비용이 소요되기 때문에, 이를 생략할 수 있으면 생산량을 14% 이상 증가시킬 수 있으며 이에 따른 원가절감도 가능하다.
스프링 제조시 발생하는 탈탄층을 억제하기 위한 종래기술로 표면탈탄을 조장하는 실리콘(Si)을 변형저항성을 크게 약화시키지 않는 범위에서 감소시키고 탈탄방지에 효과적인 원소인 크롬(Cr)을 첨가한 SAE9254가 있다. 그러나, 상기 종래기술은 페라이트 탈탄층을 완벽하게 제거하지 못하여, 스프링선재의 표면을 깎아 가공하는 공정이 통상적으로 실시되어야 했다.
또한, 일본 공개특허공보 (평)2-301541호, (평)1-31960호, (소)63-216591, (소)63-153240호, (소)58-67847호 및 (소)58-27956호가 있는데, 상기한 종래기술에서는 크롬함량을 증가 시키거나 탄소함량을 낮추면서, 구리, 몰리브덴, 주석 등을 첨가하는 방법이 제시되고 있다. 그러나, 상기 종래기술은 탈탄층의 감소에는 효과가 있으나, 탈탄층을 완벽하게 제거하지 못하며 고가의 합금원소 첨가로 인한 비용상승의 단점이 있다.
또한, 대한민국 특허출원 2000-79520 호에서는 750~850℃에서 중간사상 및 사상압연을 실시하여 탈탄층을 미세화하므로써 탈탄층의 성장을 억제시키며, 권취후 냉각은 600~650℃까지 1℃/초의 냉각속도로 서냉하고 있다. 하지만, 상기 종래기술은 낮은 압연온도에서의 압연에 의해 롤에 과도한 부하가 발생하여 작업성의 저하를 일으키는 단점이 있을 뿐만 아니라 탈탄층도 완전히 제거하지는 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고온에서 열간압연을 실시하고 권취후 냉각시 급냉과 서냉을 적절하게 조합함과 아울러 각각의 냉각속도를 최적화한 냉각방법을 통하여 페라이트 탈탄층의 생성을 억제하고 취성을 갖는 저온조직의 발생도 방지함으로써, 가공시 필링공정을 생략할 수 있는 페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에서 이용한 선재 압연, 냉각설비의 개략도
도 2는 본 발명에서 이용한 선재 냉각설비의 개략도
도 3은 발명재의 페라이트 탈탄 조직을 나타내는 사진(배율: 100배)
도 4는 비교재의 페라이트 탈탄 조직을 나타내는 사진(배율: 100배)
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
1. 가열로 2. 조압연기
3. 중간조압연기 4. 제1 중간수냉대
5. 중간사상압연기 6. 제2 중간수냉대
7. 사상압연기 8. 수냉대
9. 권취기 10. 냉각설비
11. 집적기
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.4~0.6%, Si: 1.3~1.6%, Mn: 0.5~0.7%, Cr: 0.4~0.7%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 900~1050℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고, 900~1100℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 780~830℃에서 권취한 다음, 700~750℃ 까지는 4~8℃/초의 속도로 냉각하고, 600~650℃까지는 1~2℃/초의 속도로 냉각하고, 200~350℃ 까지는 1℃/초 이하의 속도로 냉각한 후, 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어진다.
본 발명은 급냉과 서냉의 적절한 조합과 각각의 냉각속도를 최적화한 냉각방법을 통하여 표면에 페라이트 탈탄층이 발생하지 않는 스프링용 강의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명의 강 성분에 대하여 설명한다.
C: 0.4~0.6중량%
상기 C의 함량이 0.4중량% 미만인 경우에는 고응력 스프링용 강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵고, 0.60중량%를 초과하는 경우에는 인성의 확보가 불충분하고 실리콘의 함유로 인한 소재탈탄을 억제하기 어렵기 때문에, 그 함량을0.4~0.6중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 1.3~1.6중량%
상기 Si의 함량이 1.3중량% 미만인 경우에는 실리콘이 페라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고 변형저항성을 개선하는 효과가 충분하지 못하고, 1.6중량%를 초과하는 경우에는 변형저항성의 개선효과가 포화될 뿐만 아니라 열처리시 탈탄의 가능성이 높아지기 때문에, 그 함량을 1.3~1.6중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn: 0.5~0.7중량%
상기 Mn의 함량이 0.5중량% 미만인 경우에는 스프링용 강으로서 강도 및 소입성이 부족하고, 0.7중량%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되기 때문에, 그 함량을 0.5~0.7중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr: 0.4~0.7중량%
상기 Cr은 페라이트 탈탄층을 저감시키는 원소로서, 상기 Cr의 함량이 0.4중량% 미만이면 충분한 소입성 및 탈탄억제의 효과를 얻기 어렵고, 0.7중량%를 초과하면 탈탄억제효과가 포화되어 개선의 효과가 없기 때문에, 그 함량을 0.4~0.7중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 제조공정에 대하여 상세히 설명한다.
상기와 같이 조성되는 빌렛을 900~1050℃로 재가열한다. 상기 재가열온도가 900℃ 미만인 경우에는 스프링 강의 특성을 위해 첨가된 합금원소의 영향으로 조압연시 압연부하로 인해 압연이 불가능하게 되며, 1050℃를 초과하는 경우에는 탄소의 활동성이 매우 증가되어 표면에서 외부로 탄소가 빠져나가 탈탄이 조장되기 때문에, 재가열온도는 900~1050℃로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 재가열한 후, 통상의 온도범위인 900~1050℃에서 조압연 및 중간조압연한다.
상기와 같이 조압연한 후, 수냉한 다음 통상의 온도범위인 900~1100℃에서 중간사상압연하고 수냉한 다음, 통상의 온도범위인 900~1100℃에서 사상압연한다.
상기와 같이 사상압연한 후, 수냉하여 780~830℃의 온도범위로 권취한다. 상기 권취온도가780℃ 미만이면 사상압연 후 수냉대 구간에서 100~300℃의 냉각이 필요하게 되며, 수냉장치에서 순간적으로 소재의 온도를 목표온도까지 도달시키기 위해 고압의 물로 소재를 냉각해야 한다. 따라서, 수냉장치 내에서 소재와 수냉장치와의 마찰 및 소재의 온도하락으로 강성이 높아지고, 이로 인한 권취기와의 마찰증가로 표면흠을 유발하게 된다. 또한, 냉각수압에 의한 소재 떨림으로 압연장애가 발생할 수 있으며, 쿨링 컨베이어에서 우측 쏠림현상 발생으로 설비와의 마찰에 의한 표면흠이 증가될 우려가 있다. 그리고, 상기 권취온도가 830℃를 초과하는 경우에는 목표온도를 제어하기 위한 쿨링 컨베이어가 길어져야 하기 때문에, 상기 권취온도는 780~830℃로 제한하는 것이 바람직하다.
780~830℃의 온도로 권취된 소재를 도 2에서와 같이, 쿨링 컨베이어에서 4~8℃/초의 냉각속도로 700~750℃까지 냉각한 후, 1~2℃/초의 냉각속도로 600~650℃까지 냉각을 실시하고, 그 후 1℃/초 이하의 냉각속도로 200~350℃까지 냉각한다.
상기 4~8℃/초의 냉각속도로 700~750℃까지 냉각하는 이유는 냉각초기에 표면에서 페라이트 탈탄이 가장 심화되는 온도구간을 급속하게 통과하여 페라이트 탈탄 발생을 방지하기 위함이다. 상기 냉각속도가 4℃/초 미만이면 페라이트 생성을 억제하기 어렵고, 8℃/초를 초과하면 이후 냉각 속도에 따라서 저온조직의 발생이 용이해진다.
또한, 1~2℃/초의 냉각속도로 600~650℃까지 냉각하는 이유는 복열에 의해 표면온도가 750℃ 이상이 되면 표면에서 페라이트 탈탄이 발생할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위함이다. 상기 냉각속도가1℃/초 미만이면 복열에 의해 표면온도가 상승하여 페라이트가 생성되며, 2℃/초를 초과하면 저온조직의 발생이 가능하기 때문이다.
또한, 1℃/초 이하의 냉각속도로 200~350℃까지 냉각하는 이유는 상변태가 완료되는 온도인 200~350℃까지 표면에 저온조직의 발생없이 펄라이트(Pearlite)로 변태시키기 위함이다. 상기 냉각속도가 1℃/초를 초과하면 표면에 저온조직이 발생하게 된다.
이후, 상온까지는 공냉을 통하여 냉각하게 되는데, 변태가 완료된 후이기 때문에 조직에 영향을 미치지 않기 때문이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
[실시예]
하기 표 1과 같이 조성되는 빌렛을 재가열한 다음 조압연하고, 중간사상압연 및 사상압연한 후, 권취하는데, 각각의 조건은 하기 표 2와 같다.
강조성(중량%)
C Si Mn Cr P S Fe 및 기타 불가피한 불순물
0.53 1.41 0.61 0.58 0.001 0.008 나머지
상기 권취 후, 하기 표 2의 냉각조건으로 냉각을 실시한다. 본 발명에서는 4~8℃/초의 냉각속도를 얻기 위해서 서냉 커버를 열고 쿨링 컨베이어 하부의 블로어(blower)를 사용하여 공기를 이용한 강제냉각을 실시하였으며, 1~2℃의 냉각속도를 얻기 위해서는 블로어를 사용하지 않은 상태에서 서냉 커버만을 열어 냉각을 실시하였다. 그리고, 1℃/초 이하의 냉각속도는 블로어를 사용하지 않고 서냉 커버를 닫아 냉각을 실시함으로써 얻을 수 있었다.
상기와 같이 하기 표 2와 같은 냉각조건으로 냉각한 후, 상온까지는 공냉을 통하여 냉각하게 된다.
재가열온도(℃) 압연온도(℃) 권취온도(℃) 냉각조건
700~750℃까지의 냉각속도(℃/초) 600~650℃까지의 냉각속도(℃/초) 200~350℃까지의 냉각속도(℃/초)
비교재1 1000 900~1100 825 10 1.5 1 이하
발명재1 920 819 6 1.4
발명재2 950 822 8 1.3
발명재3 1000 817 4 1.6
비교재2 1008 824 2 1.5
비교재3 1010 823 1 이하 1 이하
비교재4 1020 830
비교재5 1015 822
상기와 같이 제조된 발명재(1~3), 비교재(1~5)에 대하여, 페라이트 탈탄깊이 및 전탈탄 깊이를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 상기 페라이트 탈탄깊이는 선재압연후 선재표면에 생성된 페라이트 탈탄층의 최대 깊이를 측정한 것이며, 전탈탄 깊이는 표면 탈탄층에서 기지조직의 탄소농도와 같은 조직을 갖는 깊이를 측정한 것이다.
페라이트 탈탄깊이(mm) 전탈탄 깊이(mm) 비고
비교재1 0 0 마르텐사이트 발생
발명재1 0 0.06 -
발명재2 0 0.05 -
발명재3 0 0.07 -
비교재2 0.02 0.08 -
비교재3 0.02 0.09 -
비교재4 0.03 0.15 -
비교재5 0.04 0.17 -
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 발명재(1~3)의 경우 페라이트 탈탄깊이가 0mm인 반면에, 비교재(2~5)는 페라이트 탈탄깊이가0.02mm이상인 것을 알 수 있다. 또한, 발명재(1~3)의 경우 전탈탄깊이가 0.05~0.07mm인데 비하여, 비교재(2~5)는 0.08~0.17mm로, 발명재가 보다 우수함을 알 수 있다. 비교재(1)은 표층부에 저온조직인 마르텐사이트(Martensite)가 발생하여 스프링용 선재로 사용할 수가 없었다.
한편, 도 3과 도 4는 상기 발명재 및 비교재의 페라이트 탈탄 조직사진으로, 발명재의 경우 비교재 대비 페라이트 탈탄의 깊이가 감소한 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강을 제공함으로써, 스프링 가공시 필수 공정인 필링(peeling)공정을 생략할 수 있게 하여 생산량을 향상시킴과 동시에 피로수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 중량%로, C: 0.4~0.6%, Si: 1.3~1.6%, Mn: 0.5~0.7%, Cr: 0.4~0.7%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 900~1050℃의 온도로 재가열한 다음 조압연하고, 900~1100℃에서 중간사상압연 및 사상압연하고, 780~830℃에서 권취한 다음, 700~750℃ 까지는 4~8℃/초의 속도로 냉각하고, 600~650℃까지는 1~2℃/초의 속도로 냉각하고, 200~350℃ 까지는 1℃/초 이하의 속도로 냉각한 후, 상온까지 공냉하는 것을 포함하여 이루어지는 페라이트 탈탄이 없는 스프링용 강의 제조방법.
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