KR20100103243A - 초고강도 스프링강 - Google Patents

Abstract

인장강도 2550MPa 이상, 피로강도 1450MPa 이상인 초고강도 스프링으로서, 중량%로, C: 0.6~0.7%, Si: 2~3%, Mn: 0.5~0.9%, Mo: 0.05~0.15%, Cr: 0.8~1.5%, Ni: 0.2~0.4%, V: 0.1~0.2%, Ti: 0.001~0.01%, Al: 0.001~0.01%, B: 0.001~0.005%, N: 0.01%이하, P: 0.015%이하, S: 0.015%이하, Nb: 0.015~0.045%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 초고강도 스프링강이 소개된다.

스프링강, 선재, 강도, 피로강도

Description

초고강도 스프링강{ULTRA HIGH-STRENGTH SPRING STEEL}

본 발명은 초고강도 스프링강에 관한 것으로, 특히 엔진 밸브스프링용으로 사용 가능하며 인장강도 2550MPa 이상, 피로강도 1450MPa 이상인 초고강도 스프링강에 관한 것이다.

화석연료 매장량의 한계점 도달, 국제 유가의 지속적인 급등 및 급변으로 인하여 차량 연비향상에 대한 관심이 지대하게 높아져 가고 있다.

연비 향상을 위해서는 차체 경량화나 각 시스템 링크부의 마찰저감에 의한 동력손실 최소화뿐만 아니라, 엔진자체의 연소제어 시 동특성 향상에 의한 출력효율 극대화 또한 중요한데, 이에 엔진헤드부내 동적거동 수행부품들의 경량화를 통해 동적하중을 감소시켜 연비를 향상시키고자 하는 노력들이 기울여지고 있다.

동적거동 부품들 중 엔진 밸브스프링은 동적하중을 직접 제어하므로 경량화 시 연비효과가 높은 부품이다. 종래 밸브스프링 재질로는 인장강도 1900MPa급의 CrSi강, 2100MPa급의 CrSiV강이 주로 사용되고 있으며, 나아가 기존의 CrSiV강에 합금원소를 첨가하여 인장강도 2300MPa급 고강도 스프링강의 개발 노력이 이루어지고 있다.

본 발명은 상술된 바와 같은 요구에 기초한 것으로, 합금 설계를 통해 종래보다 우수한 인장강도 및 피로강도를 갖는 초고강도 스프링강을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고강도 스프링강은, 중량%로, 탄소(C): 0.6~0.7%, 실리콘(Si): 2~3%, 망간(Mn): 0.5~0.9%, 인(P): 0.015%이하, 황(S): 0.015%이하, 크롬(Cr): 0.8~1.5%, 몰리브덴(Mo): 0.05~0.15%, 니켈(Ni): 0.2~0.4%, 바나듐(V): 0.1~0.2%, 티타늄(Ti): 0.001~0.01%, 알루미늄(Al): 0.001~0.01%, 보론(B): 0.001~0.005%, 질소(N): 0.01%이하, 니오브(Nb): 0.015~0.045%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는다.

상기된 본 발명에 따르면, 인장강도 2550MPa 이상의 고강도를 가질 뿐만 아니라 피로강도 1450MPa 이상의 우수한 물성을 갖는 초고강도 스프링강이 얻어진다.

본 발명에 따른 스프링강의 설계 및 조성한정의 이유를 살펴본다.

탄소(C)는 0.6~0.7중량% 포함된다. 강 중의 탄소 함량은 강도상승과 비례하는데, 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 탄소 함량이 0.6중량% 미만일 경우, 열처리 시 소입성 부족으로 강도상승이 미미하고, 0.7중량% 초과시 소입시 마르텐사이 트 조직이 형성, 피로강도가 저하되고 인성이 감소한다. 상기 범위 내에서는 고강도 및 연성확보가 가능하다.

실리콘(Si)은 2~3중량% 포함된다. 실리콘은 페라이트 내 고용되어 강도상승 및 소려연화 저항성을 높인다. 그 함량이 2중량%보다 적은 경우 소려연화 저항성이 낮으며, 3중량%보다 많은 경우 탈탄 현상이 열처리시 발생하는 문제가 있다.

망간(Mn)은 0.5~0.9중량% 포함된다. 망간은 기지내 고용되어 굽힘피로강도 향상 및 소입성을 증가시키는데, 0.5중량% 미만일 경우 소입성 확보가 난이하고, 0.9중량%를 초과하는 경우 인성 저하가 문제되므로, 망간의 함량은 상기 범위로 제한된다.

몰리브덴(Mo)은 0.05~0.15중량%는 마르텐사이트를 생성하는 원소로 석출 강화용으로 사용되며, 소입성이 높다. 본 발명에 따른 스프링강에는 몰리브덴 이외에 Nb, V, Ti, Al와 같은 고강도화 합금원소를 함께 첨가되는데, 이들 원소과의 관계를 고려함과 아울러 몰리브덴이 다소 고가인 점을 고려하여 그 함량은 0.05~0.15중량%로 제한한다.

크롬(Cr)은 0.8~1.5중량% 포함된다. 크롬은 인성 확보용으로 Mo와 흡사하게 석출 강화용으로 사용되는데, Nb, V, Si, BN과 같이 복합적으로 강도를 향상시키며 결정립 미세화, 인성 향상에 기여한다. 소려연화, 탈탄, 소입성, 내식성 측면에서 0.8중량% 이상에서 우수한 효과를 발휘하며 1.5중량% 초과 시 입계 탄화물이 과대 생성되고, 강도저하 및 취성문제를 초래한다.

니켈(Ni)은 0.2~0.4중량% 포함된다. 니켈은 인성 향상용 고가 합금원소로서, 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 0.2중량% 미만으로 함유될 경우 목표로 하는 인성의 확보 어려우며, Nb, V, Ti, Al, Mo등의 강도 강화 원소들과의 관계를 고려할 때 그 최대 함량은 0.4중량%로 제한될 필요가 있다.

바나듐(V)은 0.1~0.2중량% 포함된다. 바나듐은 결정립 미세화를 통해 강도를 상승시키고, Cr, Si, Nb, BN과 같이 복합적으로 강도를 향상시키며, 결정립 미세화, 인성 향상에 기여한다. 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 바나듐의 결정립 미세화로 인한 석출강화 효과는 0.1중량% 미만일 시 미미하고, 0.2중량% 초과시 그 효과가 포화된다.

티타늄(Ti)은 0.001~0.01중량% 포함된다. 티타늄은 Nb, Al등과 같이 결정립 재결정을 방지하고 성장을 억제한다. 또한 질소와 반응, TiN을 생성하여 결정립성장을 억제하고, 질소와 결합하는 보론을 방해, BN의 소입성 저하를 최소화 한다. Nb, Al과 함께 티타늄이 첨가되는 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 티타늄의 함량이 0.001중량% 미만일 경우 소입성 효과가 미미하며, 0.01중량% 초과시 효과가 포화된다.

알루미늄(Al)은 0.001~0.01중량% 포함된다. 알루미늄은 질소와 반응, AlN을 형성하여 오스테나이트를 미세화, 강도 및 충격인성을 향상시킨다. 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 알루미늄은 Nb, Ti, Mo와 함께 첨가되어 고가원소인 결정립 미세화용 바나듐, 인성 확보용 니켈의 첨가량의 절감을 가능하게 한다.

보론(B)은 0.001-0.005중량% 포함된다. 보론은 질소/산소제어, 피로수명 저하억제 및 취성방지, 미량첨가로도 소입성 향상에 효과적이다. 0.001중량%보다 많 이 함유되는 경우 그 효과가 미미하고, 0.005중량%보다 많이 함유되는 경우 탄질화물의 조대화 및 표면 인장 잔류응력의 발생을 야기하여 피로수명이 저하된다.

질소(N)의 함량은 0.01중량% 이하로 제한된다. 질소는 Al, Ti와 반응하여 AlN, TiN을 형성함으로써 결정립 미세화 효과를 발휘하며, 또한 TiN 형성으로 보론의 소입성을 극대화 시킨다. 그러나, 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 질소의 함량이 0.01중량%를 초과할 경우, 보론과의 반응으로 인해 강의 소입성이 악화된다.

인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.015중량% 이하로 제한된다. 이 두 원소는 불순물로서 강의 피로수명을 저하시키고 취성발생을 유발한다. 특히, 황은 망간과 결합, 비금속개재물 MnS를 생성하여 강의 강도를 저하시키는데, 이 MnS는 또한 열팽창률이 높아 국부적인 응력을 발생시켜 피로수명을 저하시키는데 기여한다. 따라서, 인 및 황의 함량을 최소화 하는 것이 고강도 고청정강 제조에 필수적이며, 본 발명에서 또한 통상적인 제강에서의 인, 황 관리 수준인 상기 범위 이내로 그 함량을 제어한다.

니오브(Nb)는 0.015~0.045중량% 포함된다. 니오브는 Ti, Al등과 같이 결정립 재결정을 방지하고 성장을 억제한다. 니오브는 Cr, Si, V, BN과 복합적으로 강도를 상승시키고, 결정립 미세화 및 인성 향상에 기여한다. 본 발명에 따른 스프링강에 있어, 니오브는 Mo, Ti, Al 등 타원소의 함량 및 이들과의 복합적 기능을 고려할 때, 그 함량이 0.015중량% 미만일 경우 강의 물성향상에 기여하는 바가 미미하고, 0.045중량% 초과시 효과가 포화된다.

본 발명에 따른 초고강도 스프링강을 이용한 강선 제조공정을 살펴본다.

도 1을 참조하면, 상기된 바와 같은 본 발명에 따른 조성을 갖도록 제강공정을 통해 제조된 선재는 항온 열처리, 신선, 소입-소려 및 납조소입을 순차적으로 거쳐 강선으로 제조된다.

구체적으로, 상기 선재는 940~960℃에서 3~5분간 유지된 후 640~660℃로 급냉되어 이 온도에서 2~4분간 유지된 다음, 0.5~1.5분 동안 18~22℃로 냉각된다. 이러한 항온 열처리는 후공정인 신선이 용이하게 이루어지도록 실시되는 것으로, 이 열처리를 통해 선재에는 펄라이트가 생성된다.

항온 열처리된 선재는 몇단계의 신선 공정을 거쳐 목표로 하는 선경으로 제작된다. 본 발명에 따르면 항온 열처리된 선재는 2~3단계, 예를 들어 D8→(D6→)D4.5→D3mm의 3단계로 약 2분간 신선된다. 동일 조건에서 종래의 경우 D8→D6.7→D5.6→D4.7→D3mm의 5단계로 약3분간 신선됨에 비해, 공정의 축소 및 시간 단축이 가능해진다.

신선된 선재는 다시 가열(6~12분간)되어 상기 항온 열처리 온도에서 3~5분간 유지된 후, 45~55℃로 급냉(소입)되어 0.5~1.5분간 소려된다. 이후 선재는 540~560℃로 가열되어 2~4분간 유지 후 급냉시키는 납조소입 처리된다. 소입소려를 통해 선재에는 마르텐사이트가 형성되어 강도가 확보되며, 납조소입을 통해 표면에는 템퍼드 마르텐사이트가 형성되어 강도 및 인성이 확보된다.

본 발명에 따른 초고강도 스프링강의 물성 확인을 위한 시험예를 살펴본다.

아래의 표 1에 기재된 같이 실시예 및 비교예 1~3의 조성을 갖는 스프링강으로부터 시험편들을 제작하여, 인장강도, 경도, 피로강도, 성형성 및 결정입도를 측 정하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	Ni
실시예	0.65	2.5	0.7	0.006	0.007	1.25	0.11	0.32
비교예 1	0.55	1.4	0.7	0.01	0.008	0.68	-	-
비교예 2	0.59	2.0	0.8	0.008	0.009	0.95	-	0.29
비교예 3	0.66	2.2	0.7	0.007	0.007	0.89	0.07	0.28
구분	V	Ti	Al	B (ppm)	N (ppm)	Nb	Fe
실시예	0.15	0.006	0.005	30	85	0.03	Bal.
비교예 1	-	-	-	-	-	-	Bal.
비교예 2	0.09	-	-	-	-	-	Bal.
비교예 3	0.14	-	-	30	-	-	Bal.

인장강도의 측정은 KS B0802에 따라 20Ton 시험기로 선경 4mm의 시험편들에 대하여 실시되었으며, 경도는 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 300gf로 측정하였고, 피로강도는 KS B ISO 1143에 따라 선경 4mm의 시험편들에 대한 회전 굽힘 피로시험을 통해 측정하였으며, 성형성은 직경/선경 6.5, 권선수 8의 밸브스프링들을 제작하되 1000개 성형시 파손이 발생되지 않으면 정상으로 판정하였다. 일례로서, 이와 같은 측정 결과의 아래의 표 2에 기재된 바와 같다. 실시예의 경우 인장강도는 2550Mpa이 넘고, 피로강도는 1450Mpa이 넘는 것으로 나타났다.

구분	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	경도(HV)	피로강도(MPa)	성형성
실시예	2553	2075	748	1456	정상
비교예 1	1922	1557	583	849	정상
비교예 2	2172	1781	631	1049	정상
비교예 3	2324	1861	696	1235	정상

한편, 결정입도의 측정 결과는 도 2, 도 3a 내지 도 3c에 도시된 바와 같다. 도 2는 실시예에 따른 시편의 미세조직 및 결정입도 관찰 사진으로서, 비교예 1 내지 3에 대응하는 도 3a 내지 도 3c의 사진에서와 비교하여, 탄화물 및 결정입자가 상당히 미세함을 확인할 수 있다.

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 본 발명의 실시예에 따른 강선 제조공정도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스프링강의 미세조직 및 결정입도 관찰 사진,

도 3a 내지 도 4c는 비교예에 따른 스프링강들의 미세조직 및 결정입도 관찰 사진이다.

Claims (1)

1. 중량%로, 탄소(C): 0.6~0.7%, 실리콘(Si): 2~3%, 망간(Mn): 0.5~0.9%, 몰리브덴(Mo): 0.05~0.15%, 크롬(Cr): 0.8~1.5%, 니켈(Ni): 0.2~0.4%, 바나듐(V): 0.1~0.2%, 티타늄(Ti): 0.001~0.01%, 알루미늄(Al): 0.001~0.01%, 보론(B): 0.001~0.005%, 질소(N): 0.01%이하, 인(P): 0.015%이하, 황(S): 0.015%이하, 니오브(Nb): 0.015~0.045%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 초고강도 스프링강.

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