KR20100096827A

KR20100096827A - 10ｔ급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100096827A
Application number: KR1020090015889A
Authority: KR
Inventors: 박철우; 홍석우
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-09-02
Also published as: KR101159999B1

Abstract

본 발명은 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 인(P) 0.030wt%이하, 황(S) 0.010~0.040wt%, 구리(Cu) 0.30wt%이하, 니켈(Ni) 0.30wt%이하, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 몰리브덴(Mo) 0.10wt%이하, 알루미늄(Al) 0.050wt%이하, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 산소(O) 30ppm이하, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 함유한다. 본 발명에 의하면 조질 열처리를 생략하고도 종래의 조질 열처리강과 동일한 수준의 인장강도가 확보되는 자동차용 10T급 볼트용 비조질강을 제조하는 것이 가능하다. 따라서 제조공정 단순화로 인한 비용절감과 생산성 향상의 효과를 가진다.

비조질강, 조질 열처리

Description

10Ｔ급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법{Microalloy steel for 10Ｔ bolt, and method for producing the same}

본 발명은 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조질 열처리를 실시하지 않고도 조질 열처리강과 동등 수준의 기계적 성질을 갖는 자동차용 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차용 허브볼트는 자동차의 차바퀴를 장착하는 허브장치에서 허브와 브레이크디스크를 결합시켜 주는 부품이다. 이와 같은 허브볼트는 주행 환경에 따른 각종 피로나 마모하중에 견딜수 있도록 고강도와 인성이 요구된다.

따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 허브볼트는 탄소강 또는 합금강과 같은 압연재를 신선, 구상화소둔, 냉간압조(냉간성형)하고, 그 후 조질(QT) 열처리를 실시하여 필요한 강도와 인성을 확보한다.

조질 열처리는 강을 850℃ 내외로 가열한 후 급냉하여 재질을 경화시키는 소입(Quenching) 열처리와 이를 다시 600℃ 내외의 온도로 가열하고 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering) 열처리로 구분된다.

그리고, 조질 열처리 후에는 허브와 결합시 발생하는 허브볼트의 세레이션 마모를 줄이기 위한 고주파 열처리 및 전조, 도금 과정을 더 수행하여 허브볼트를 제조하고 있다.

하지만 최근에는 원가절감 차원에서 조질 열처리를 생략하고자 냉간압조 후 바로 고주파 열처리를 실시하고 기계가공하여 제품화하는 비조질강이 개발되고 있다.

그러나 종래 비조질강은 강도면에서 탄소강을 대체하는 수준이 8T급에 머물고 있어 자동차용 허브볼트와 같은 10T급 합금강을 대처하기에는 아직 강도가 부족한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 합금강에서 시행중인 조질 열처리 생략이 가능하며, 강도면에서 조질합금강과 동등한 강도를 갖는 자동차용 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 황(S) 0.010~0.040wt%, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 함유한다.

상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt% 이하, 구리(Cu) 0.30wt%는 이하, 니켈(Ni)은 0.30wt% 이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt% 이하, 알루미늄(Al)은 0.050wt% 이하, 산소(O)는 30ppm 이하로 함유한다.

탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 황(S) 0.010~0.040wt%, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 함유하는 열간 압연재를 신선하고 소둔 열처리한다.

본 발명에 의하면 조질 열처리를 생략하고도 종래의 조질 열처리강과 동일한 수준의 인장강도가 확보되는 자동차용 10T급 볼트용 비조질강을 제조하는 것이 가능하다. 따라서 제조공정 단순화로 인한 비용절감과 생산성 향상의 효과를 가진다.

이하 본 발명에 의한 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 비조질강 중 인장강도 1000MPa 이상의 자동차용 10T급 허브볼트용 비조질강을 예로 들어 설명한다. 도 2는 본 발명에 의한 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법의 바람직한 실시예가 제조공정도가 도시되어 있다.

합금조성은 탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 인(P) 0.030wt%이하, 황(S) 0.010~0.040wt%, 구리(Cu) 0.30wt% 이하, 니켈(Ni) 0.30wt% 이하, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 몰리브덴(Mo) 0.10wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.050wt%이하, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 산소(O) 30ppm이하, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.

보다 상세하게는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 황(S) 및 크롬(Cr)의 정확한 조성범위와 더불어 조직 미세화와 강도향상에 효과적인 바나듐(V)을 첨가하여 조질 열처리가 필요없는 자동차용 10T급 허브볼트용 비조질강을 제조하는 것이다.

상기 합금성분을 포함하는 10T급 허브볼트용 비조질강의 제조공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 고로 - 주조 - 열간압연 - 신선 - 소둔 열처리- 냉간압조(냉간성형) - 고주파 열처리 - 전조 - 도금 공정을 거쳐 제조한다.

즉, 상기 합금성분을 갖는 열간 압연재를 소둔 열처리를 실시한 후 공냉을 통해 비조질강으로 제조하고 냉간압조, 고주파 열처리, 전조, 도금 공정을 통해 최종 허브볼트로 제조하는 것이다.

소둔 열처리는 신선 공정에서 가공된 재료의 응력을 제거하여 그 다음 공정인 냉간압조공정이 가능하도록 해주는 열처리 공정이며, 통상, 840~880℃의 온도범위에서 1~2시간 동안 유지시킨 뒤 공냉하는 것에서 미세조직을 페라이트 + 펄라이트 조직이 되도록 한다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.

탄소(C) 0.28~0.45wt%

탄소(C)는 강의 강도와 경도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소는 함량이 높을 수록 강도가 증가하나 인성은 저하하며, 냉간가공도의 증가에 따라 인장강도와 항복점은 증가하고 연신율은 감소하게 된다. 따라서 상한치를 0.45wt%로 한정한다. 그리고 허브볼트 제조 공정상 허브와 볼트의 체결부위인 세레이션부의 고주파 특성을 고려하여 하한치를 0.28wt%로 한정한다.

실리콘(Si) 0.10~0.50wt%

실리콘(Si)은 페라이트 기지 강화 및 제강시 유효한 탄산제로 사용된다. 실 리콘은 0.10wt% 미만이면 강의 탈산 효과가 불충분하고, 0.50wt%를 초과하면 페라이트 변태를 촉진시켜 인성을 저하시키므로 적정 함량의 첨가가 중요하다. 따라서 실리콘의 함량은 인성의 적정 비율을 감안하여 0.10~0.50wt% 범위로 설정한다.

망간(Mn) 1.30~2.00wt%

망간(Mn)은 소입성과 강도를 향상시키는 원소이다. 특히, 망간은 유해성분인 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.

본 발명강의 경우 망간은 고가의 합금원소인 몰리브덴(Mo) 미첨가에 따른 강도 보상을 위해 1.30wt%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 과잉으로 첨가하면 오히려 인성을 저하시키므로 망간의 함유량을 1.30~2.00wt% 범위로 설정한다.

인(P) 0.030wt%이하

인(P)은 편석성 원소로서 Fe₃P라는 화합물을 형성하여 강의 인성을 저하시키고, 충격 저항을 저하시키므로 함량을 0.030wt% 이하로 제한한다.

황(S) 0.010~0.040wt%

황(S)은 MnS를 형성하여 강의 피삭성을 개선한다. 황은 함유량이 과다하면 열간 가공성을 저하시키고 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물을 형성하여 표면처리시 결함의 원인이 된다.

여기서, 황은 불가피한 불순물이 아닌 강의 피삭성 향상을 위해 첨가되며, 결함 등을 고려하여 그 함량을 0.010~0.040wt% 범위로 설정한다.

구리(Cu) 0.30wt%이하

구리(Cu)는 강도 상승의 효과가 있지만 과다 첨가되면 인성의 현저한 저하와 열간가공성의 열화를 초래하므로 0.30wt% 이하로 제한한다.

니켈(Ni) 0.30wt%이하

니켈(Ni)은 강의 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키는 효과를 가진다. 하지만 니켈은 과다 첨가되면 부품의 제조원가를 높여 비용증가를 초래하는 원소이므로 0.30wt% 이하로 제한한다.

크롬(Cr) 0.30~1.00wt%

크롬(Cr)은 망간과 더불어 강의 강도를 높이며 펄라이트 콜로니를 세분화하고 연성을 향상시킨다. 그러나 과다하게 첨가되면 강의 인성이 저하되고 동시에 가공성과 피삭성이 저하된다. 따라서 적정함량 범위를 0.30~1.00wt%로 설정한다.

몰리브덴(Mo) 0.10wt% 이하

몰리브덴(Mo)은 강도와 인성의 향상에 효과가 크다. 그러나 과다 첨가되면 열처리시 경도를 현저히 상승시켜 부품 가공성을 떨어뜨리고, 고가의 원소로 제조원가를 높인다. 따라서 몰리브덴은 함유량을 0.10wt% 이하로 제한한다.

알루미늄(Al) 0.050wt% 이하

알루미늄(Al)은 강력한 탈산제로 강 중의 질소와 결합하여 결정입자를 미세화한다. 하지만 알루미늄의 과도한 첨가는 오히려 Al₂O₃와 같은 비금속개재물의 양을 증가시켜 슬라브 품질저하 및 주편터짐의 문제를 유발하므로 0.050wt% 이하로 제한한다.

바나듐(V) 0.10~0.30wt%

바나듐(V)은 비조질 처리에 따른 항복비(YS/TS)의 하락을 개선하기 위해 첨가된다. 바나듐은 탄,질화물 형성원소로 질소와 결합하여 강 중에 VN을 석출하여 강도를 향상시키고 고온 결정립 미세화에 기여한다. 또한 일부는 강 중의 탄소 및 황과 결합하여 탄유화물을 형성하여 강의 절삭성에 기여하기도 한다.

하지만 바나듐은 고가의 합금원소로서 0.10% 미만에서는 효과가 미비하고, 0.30% 초과 첨가시 제조비용의 상승을 초래하므로 그 함유량을 0.10~0.30% 범위로 설정한다.

산소(O) 30ppm 이하

산소(O)는 강 중의 산화성 원소와 결합하여 비금속개재물을 형성하여 강의 기계적 성질 및 피로특성을 저해하므로 그 함량을 30ppm 이하로 제한한다.

질소(N) 80~150ppm

질소(N)는 비조질강에서 알루미늄 및 바나듐과 결합하여 질화물을 형성하여 오스테나이트 결정립을 미세화하므로 마모특성을 향상시킨다. 그러나 과다하게 첨가되면 고용질소량이 증가하여 냉간 성형성을 떨어뜨리므로 강도, 피삭성 및 가공성을 고려하여 적정함량 범위를 80~150 ppm로 제한한다.

이하, 상술한 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.

[실시예]

표 1의 합금설계에 따라 진공유도용해로에서 용해/응고한 후 재가열하여 균질화 처리하고 파일럿(Pilot)압연기에서 φ25의 공시재로 압연하였다. 그리고 압연재를 다시 1200℃에서 60분 동안 균질화 처리한 후 공냉하는 HTN(High Temperature Normalizing)를 실시하고 인장시험편(KS4호)으로 가공하였다. 여기서, 인장시험편은 10T급 허브볼트의 중간재에 해당된다.

그리고 압연재를 1200℃에서 60분 동안 균질화 처리하는 이유는 실제 양산시 와 유사한 조건을 적용하기 위한 것이다.

그리고 비교예는 종래 비조질강으로 본 발명의 실시예와 비교하기 위해 φ11의 양산품을 조질 열처리한 후 인장시험편으로 가공한 것이다. 이는 종래 기술을 적용한 10T급 허브볼트의 중간재에 해당된다.

(잔부 Fe, wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	Al	V	O	N
비교예1	0.37	0.20	0.65	0.021	0.012	0.13	0.06	1.17	0.19	0.034	-	0.002	0.010
실시예1	0.40	0.28	1.43	0.011	0.015	0.16	0.08	0.48	0.02	0.028	0.16	0.002	0.013
실시예2	0.35	0.25	1.50	0.022	0.032	0.15	0.07	0.51	0.01	0.023	0.20	0.002	0.012

구분	기계적 성질(kgf/mm2)						시험조건
구분	TS	YS	EL(%)	HRC	QT	조직	시험조건
비교예1	109.3	92.1	21	34.2	84	Tempered Martensite	φ11→860℃×60분, 540℃×90분, A,C
실시예1	101.9	68.9	19	28.5	69	Ferrite+Perlite	φ25→1200℃×1Hr/inch, A,C
실시예2	103.5	71.2	18	30.0	71	Ferrite+Perlite	φ25→1200℃×1Hr/inch, A,C

[TS:인장강도, YS:항복강도, EL(%):연신율, HRC:경도, QT(%):항복비(항복강도/인장강도), A,C:Air Cooling]

표 1과 표 2를 살펴보면, 실시예1과 실시예2의 기계적 성질이 조질 열처리를 실시하지 않았음에도 불구하고 인장강도가 비교예1과 동등한 수준을 나타내고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 통상적으로 수반되는 조질 열처리 공정을 생략하고도 기계적 성질이 우수한 10T급 허브볼트용 비조질강을 제조할 수 있으므로 생산성 향상 및 비용절감의 효과가 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

도 1은 조질강을 이용한 10T급 허브볼트의 제조방법을 보인 제조공정도.

도 2는 본 발명에 의한 10T급 볼트용 비조질강 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 보인 제조공정도.

Claims

탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 황(S) 0.010~0.040wt%, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 함유하는 것을 특징으로 하는 10T급 볼트용 비조질강.
청구항 1에 있어서.

상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt% 이하, 구리(Cu) 0.30wt%는 이하, 니켈(Ni)은 0.30wt% 이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt% 이하, 알루미늄(Al)은 0.050wt% 이하, 산소(O)는 30ppm 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 10T급 볼트용 비조질강.
탄소(C) 0.28~0.45wt%, 실리콘(Si) 0.10~0.50wt%, 망간(Mn) 1.30~2.00wt%, 황(S) 0.010~0.040wt%, 크롬(Cr) 0.30~1.00wt%, 바나듐(V) 0.10~0.30wt%, 질소(N) 80~150ppm 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 함유하는 열간 압연재를

신선하고 소둔 열처리하는 것을 특징으로 하는 10T급 볼트용 비조질강의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt% 이하, 구리(Cu) 0.30wt%는 이하, 니켈(Ni)은 0.30wt% 이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt% 이하, 알루미늄(Al)은 0.050wt% 이하, 산소(O)는 30ppm 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 10T급 볼트용 비조질강의 제조방법.