KR20100004352A

KR20100004352A - 스프링강

Info

Publication number: KR20100004352A
Application number: KR1020080064469A
Authority: KR
Inventors: 박재홍
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2008-07-03
Publication date: 2010-01-13

Abstract

중량%로, 탄소 0.51~0.59%, 실리콘 1.20~1.60%, 망간 0.60~0.80%, P 0.035% 이하, 황 0.040% 이하, 크롬 0.40~0.60%, 알루미늄 0.02~0.06%, 보론 0.001~0.004%, 티타늄 0.01~0.04%, 질소 0.01% 이하, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어진 스프링강이 소개된다. 이러한 스프링강은 강도 및 내식성이 우수하다.

스프링강, 서스펜션, 내식성

Description

스프링강{SPRING STEEL}

본 발명은 스프링강에 관한 것으로, 특히 차량의 서스펜션 등에 사용되며 내식성이 우수한 코일 스프링강에 관한 것이다.

차량 서스펜션용 코일 스프링은 지속적인 하중에 견뎌야 하므로 강도가 우수해야 함은 물론이고 외부 환경에 노출된 상태에서 사용되므로 내부식성 또한 고려된다.

이러한 서스펜션용 코일 스프링으로서 C, Si. Mn, Cr를 주성분으로 하여 1400Mpa 이상의 인장강도를 가지며 어느 정도의 내부식성을 갖는 스프링강이 사용되고 있으나, 코일링되어 서로 인접하는 선간의 접촉 및 외부 찍힘에 의해 스프링에 도포된 도장이 박리됨으로써 부식 환경에 놓일 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 스프링이 조기에 파단되는 문제가 발생되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 1400Mpa 이상의 인장강도를 가지며 내부식성이 우수한 스프링강을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스프링강은, 중량%로, 탄소 0.51~0.59%, 실리콘 1.20~1.60%, 망간 0.60~0.80%, P 0.035% 이하, 황 0.040% 이하, 크롬 0.40~0.60%, 알루미늄 0.02~0.06%, 보론 0.001~0.004%, 티타늄 0.01~0.04%, 질소 0.01% 이하, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어진다.

상술한 바와 같은 스프링강은, 1400Mpa 이상의 우수한 인장강도를 가질 뿐만 아니라, 특히 내부식성이 우수하여 다양한 이유로 스프링 표면의 도장이 박리되더라도 조기 파단 없이 오랜 기간 사용 가능하다.

또한, 제조 비용의 면에서 종래 스프링강과 대등하여, 동일 비용으로 보다 향상된 품질의 서스펜션 제공이 가능해진다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 상기 스프링강에 대하여 구체적으로 살펴본다.

상기 스프링강의 조성 중, 탄소(C)는 0.51∼0.59중량% 포함된다. 이러한 탄소는 재료의 강도와 경도를 증가시키고 미세 합금원소가 탄화물을 석출하는데 필수적인 원소로서, 0.51중량% 미만에서 인장강도가 저하되며, 0.59중량% 초과 시에는 충격 인성이 저하된다.

실리콘(Si)은 1.20~1.60중량% 포함된다. 실리콘은 경도, 탄성계수 등을 증가시키며 펄라이트 상을 강화하는 요소이기도 하지만 신율과 충격치를 저하시키는 요소로도 기능한다. 스프링강 중 실리콘의 함유량이 1.20중량% 미만이면 강도 및 인성이 저하되며, 1.60중량%를 초과하면 초석 펄라이트 변태를 촉진시켜 인성이 저하된다.

망간(Mn)은 0.60~0.80중량% 포함된다. 망간은, 첨가 시, 펄라이트가 미세해지고 페라이트를 고용 강화시키므로 탄소강의 항복강도를 향상되기 때문에 0.60중량% 이상 첨가한다. 다만, 과다 첨가 시 비금속개재물인 MnS에 의한 피로강도 저하가 가능하므로 그 함량은 0.80중량% 이하로 제한할 필요가 있다.

인(P)은 0.035중량% 이하로 포함된다. 인은 Fe₃P라는 화합물을 형성하는데, 이 화합물은 극히 취약하고 편석되어 있어 풀림처리를 하여도 균질화되지 않고 단조 압연시 길게 늘어난다. 충격 저항을 저하시키고 템퍼링 취성을 촉진시키는 상기 화합물의 배제를 위해, 인의 함량은 0.035중량% 이하(0% 포함)로 제한 규제된다.

황(S)은 0.040중량% 이하로 포함된다. 황은 일반 합금강에서는 개재물로 인식되어 그 함량을 최소로 억제하는 것이 좋으며, Mn과 결합한 MnS가 기계 가공성을 향상시키나, 그 함유량이 증가되면, 강도 저하를 야기한다. 따라서, 그 함유량은 0.040중량% 이하(0% 포함)로 관리된다.

크롬(Cr)은 0.40∼0.60중량% 포함된다. 크롬은 함량 과다 시 취성 문제를 야기하고, 소량 첨가시 소입성 저하로 인하여 강도가 저하되므로, 그 함량은 0.40∼0.60중량% 범위로 한정된다.

알루미늄(Al)은 0.02~0.06중량% 포함된다. 알루미늄은 질소와 결합하여 질화물인 AlN을 미세 석출하여 강의 결정립을 미세화시키는데 효과적이며, 이를 이용하여 극미세 결정립을 갖는 강인강을 제조할 수 있을 뿐만 아니라 고온 산화방지의 효과가 있다. 그러나 함량 과다 시 강을 취약하게 하므로, 그 함량은 0.02~0.06중량%의 범위로 한정된다.

보론(B)은 0.001~0.004중량% 포함된다. 보론은 미량 첨가로도 소입성 향상 효과가 우수하고 입계를 강화시키기 때문에 입계를 따라 진행되는 부식에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다. 그 함량을 0.001~0.004중량% 정도가 가장 바람직하다.

티타늄(Ti)은 0.01~0.04중량% 포함된다. 보론은 질소와의 친화력이 좋아서 "BN" 형태의 질화물 상태로 기지에 존재하기 쉽다. 따라서, 적절한 양의 Ti를 첨가하여 "TiN" 형태로 만들어서 보론과 결합되는 질소의 양을 줄이고 또한 "TiN"의 디스로케이션 피닝(Dislocation peening) 효과를 이용한 결정립성장 억제 효과를 얻기 위해 첨가된다.

질소(N)는 0.01중량% 이하로 포함된다. 질소는 보론과 결합 시 보론 첨가에 의한 효과를 저해시키므로 그 함량은 0.01중량% 이하(0% 포함)로 제한된다. 위와 같은 조성범위를 갖는 코일 스프링은 통상의 공정에 따라 제조될 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 열처리 곡선에서 볼 수 있듯이, 선재를 가열하여 900~1000℃에서 열간 성형한 다음, 유체를 이용하여 40~80℃로 소입(quenching)하고 300~500℃에서 소려(tempering)한 후, 쇼트피닝 및 표면 도장을 함에 의해 제조된다.

본 발명에 따른 스프링강의 특성 확인을 위한 하나의 실험 예로서, 아래의 표 1과 같은 조성을 갖는 시편을 제작하여 인장강도, 연실율, 경도를 측정하였다. 이러한 기계적 특성치의 측정에는 통상의 시험장비가 그대로 이용되었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Al	B	Ti	N
실시예	0.5	1.4	0.7	0.01	0.01	0.5	0.04	0.03	0.03	0.005
비교예	0.5	1.4	0.7	0.01	0.01	0.7	-	-	-	-

그 결과, 아래의 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따른 내식성 향상 스프링은 요구 물성치인 인장강도, 항복강도 및 경도가 모두 비교예에 따른 기존 스프링과 거의 동등한 수준을 가지고 있음을 알 수 있었다.

구분	인장강도(MPa)	연신율(%)	경도(HB)
실시예	1455~1490	8.1	485~515
비교예	1450~1480	8.3	470~505

한편, 상기 실시예와 비교예에 대한 내식성 측정 실험을 진행하였다. 내식성 측정에는 상기된 바와 같은 통상의 기계적 특성 실험 장비가 이용하여 상기 실시예 및 비교예에 따른 시편들을 PH 2.0의 산용액(CH₃COOH +H₂O - NaCl)에 배치시킨 후 다양한 수준의 인장강도 시험을 하는 방식으로 진행되었다. 하기된 표 3에서 인장강도 비율 0.5~0.9는 상기 표 2에 기재된 실시예 및 비교예 각각의 평균 인장강도를 기준으로 하여 계산된 비율이다.

구분	인장 강도 비율(stress ratio)
구분	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9
실시예	150시간	150시간	150시간	150시간	110시간
비교예	150시간	150시간	150시간	120시간	70시간

내식성 측정 결과, 위 표 3에서 보듯이, 실시예는 인장강도 비율 0.8 이상에서 비교예 보다 내식성이 높고 인장강도 비율 0.9에서 비교예 보다 내식성이 상당히 높은 것으로 나타났다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 종래 코일 스프링이 부식으로 인하여 파단된 것을 보인 사진,

도 2는 본 발명에 따른 조성범위를 갖는 코일 스프링의 제조공정에 따른 열처리 곡선을 나타낸 도면,

도 3은 본 발명에 따른 코일 스프링의 일례를 보인 사진이다.

Claims

중량%로, 탄소 0.51~0.59%, 실리콘 1.20~1.60%, 망간 0.60~0.80%, P 0.035% 이하, 황 0.040% 이하, 크롬 0.40~0.60%, 알루미늄 0.02~0.06%, 보론 0.001~0.004%, 티타늄 0.01~0.04%, 질소 0.01% 이하, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 이루어진 스프링강.