KR20110127241A - 특히 스프링 요소용의 조직 압연 스트립 강으로서의 마이크로 합금 탄소강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량 %로 C 0.75 - 0.85%, Si 최대 0.40%, Mn 0.20 - 0.90%, P 최대 0.035%, S 최대 0.035%, Al 최대 0.060%, Cr 최대 0.40%, N 0.003 - 0.010%, 바람직하게는 0.005 - 0.008%, 최대 0.12%의 함량을 갖는 적어도 하나의 마이크로 합금 요소, 잔부 철, 및 용해 조건부 불순물들을 포함하는 냉연 탄소강에 관한 것이다. 마이크로 합금 요소들로서, Ti, Nb, V, 및 경우에 따라 Zr이 사용될 수 있다. 그러한 탄소강은 높은 냉연 압하율로 조직 압연 스트립 강으로 냉간 압연되고, 특히 롤 스프링 또는 스프링 특성을 갖는 기타의 부품들의 재료로서 사용될 수 있다.

Description

특히 스프링 요소용의 조직 압연 스트립 강으로서의 마이크로 합금 탄소강{MICRO-ALLOYED CARBON STEEL AS TEXTURE-ROLLED STRIP STEEL, IN PARTICULAR FOR SPRING ELEMENTS}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 특히 스프링용의 조직 압연 스트립 강으로서의 탄소강에 관한 것이다.

스트립 강은 기술적 적용 분야에 있어 스프링 재료를 제조하는데 사용되고, 특히 말아질 수 있는 스프링들을 제조하는데에도 사용된다. 그러한 스프링들은 예컨대 자동차 안전 벨트에, 말아질 수 있는 줄자(tape measure), 케이블 릴(cable reel)의 재료로서, 또는 강아지 리드 줄의 롤 요소로서, 및 다수의 다른 용도들에 사용된다.

선행 기술에서, 와이어 또는 스트립 제품으로부터 출발하여 그러한 롤 스프링을 제조하는 것은 통상적으로 마르텐사이트계 스트링 강의 통상적인 정련 열처리에 의해 또는 미세 줄무늬 펄라이트 조직으로의 등온 변환 및 연이은 냉간 성형(소위 조직 압연 스트립 강)에 의해 수행된다. 그를 위해, 전형적으로 비합금 강이 사용된다. 여기서, 조직 압연 스트립 강이란 최종 상태에서 현저히 두드러진 조직, 즉 결정 배향(crystal orientation)을 갖는 모든 스트립 강들 및 특히 스프링 스트립 강들을 의미한다. 그러한 결정 배향은 스프링 특성들을 개선하고, 결정 배향을 가로질러 부식 또는 기계적 손상으로 인해 파괴될 위험을 감소시킨다. 통상적으로, 그러한 조직은 중간 어닐링 없이 압연 또는 인발에 의해 재료를 강력하게 냉간 성형함으로써 제조되게 된다.

우선, 예비 압연된 스트립(예컨대, 두께 1.5㎜)을 연속 작업식 열처리 설비에서 약 850℃로 오스테나이트화하고(탄소를 용체 중으로 가져옴), 이어서 납욕에서 약 450 내지 500℃로 급속 냉각시키며, 거기에서 등온 변환이 완전히 이뤄질 때까지 유지한다. 이때 생성되는 미세 층상 펄라이트 조직을 영국 발명자의 이름을 따라 솔비트(Sorbit) 또는 패턴팅(patenting) 조직이라 부른다. 우수한 패턴팅 조직은 약 0.1㎛의 층상 간격을 갖는다. 솔비트가 미세 줄무늬를 가지면 가질수록, 그리고 시멘타이트 층상의 간격이 작으면 작을수록 패턴팅 강도가 더욱더 높아진다.

이어서 주로 가역적으로 수행되는 냉간 압연 시에, 펄라이트의 페라이트 층상은 물론 시멘타이트 층상에서 현저한 변형이 발생한다. 그 층상이 압연 방향과 평행하게 배치된 조직 영역에서는 변형의 결과로 층상 간격이 줄어든다. 반면에, 압연 방향과 수직으로 놓인 조직 영역에서는 층상이 우선 파형으로 휘고, 더 높은 변형 시에 심지어 머리핀 모양으로까지 뒤틀린다. 그와 같이 하여 휨 지점을 제외하고 모든 조직 영역이 압연 방향과 평행하게 배치되어 버리는 즉시, 순수한 섬유 조직이 존재하게 된다.

그와 같이 비용 소모적이고 복잡한 제작 과정은 야금학적으로 다음과 같이 설명될 수 있다. 강은 성형 시에 개개의 입자들로 나눔이 없이 전체적으로 성형되어야 하기 때문에 제약들을 받는다. 그로 인해, 각각의 입자가 성형에 참여하여야 하고, 입계들을 따른 결합을 가능하게 하기 위해 각각의 입자가 그 성형을 그 인접 입자와 맞춰야 한다. 그러나 스트립 강의 입자들은 상이한 배향들을 갖는다. 압연 과정에 의해 외부 응력이 입자들에 인가되면, 우수하게 배향된 슬립계를 갖는, 즉 높은 소위 슈미드 인자(Schmid factor)(외부에서 인가된 인장 및 압축 응력 σ와 슬립 평면에서 작용하는 전단 응력 τ 사이의 환산율)를 갖는 입자들은 이미 변형된 반면에, 덜 우수하게 배향된 다른 입자들은 아직 임계 전단 응력에 도달하지 않게 된다. 즉, 개별 입자의 성형이 소성적으로 성형되지 않은 주변으로부터 분리되지 않는 변형을 가져온다. 그러한 변형은 탄성적으로 억제되고, 그것은 높은 내부 응력을 발생시키며, 그로 인해 최종적으로 인접 입자들에서도 임계 전단 응력이 도달되게 된다. 스트립 강의 모든 입자들이 소성적으로 변형된 후에야 비로소 재료의 탄성 한계에 도달하게 된다.

냉간 압연에 의해 강도를 증대시키는 전술된 메커니즘에 추가하여, 소위 고용 경화(solid solution hardening)에 의한 강도의 증대가 추가로 사용될 수 있다. 그것은 합금 원자들과 전위들(dislocations)과의 상호 작용의 결과로 그 전위들의 방해를 일으킨다. 이때, 외래 원자들이 전위들에 미치는 작용은 3가지 방식들로 일어날 수 있다.

□ 파일라스틱 상호 작용(parelastic interaction): 이러한 격자 파라미터 효과는 매트릭스 원자들에 비해 상이한 외래 원자들의 원자 크기에 의해 일어나는데, 외래 원자들이 결정 격자에 삽입됨으로써 응력들이 발생한다.

□ 다이일라스틱 상호 작용(dielastic interaction): 이러한 전단 계수 효과(shear modulus effect)는 전위의 에너지가 전단 계수 G에 비례한다는데 그 원인이 있다.

□ 화학적 상호 작용: 스즈키 효과라고도 불리는 이러한 메커니즘은 스택킹 결함(stacking fault)의 에너지가 조성에 의존한다는 사실에 기인한다.

조직 기술적 영향 변수들 이외에, 여기서 중요한 얇은 벽의 압연 강의 특성들은 표면 토포그래피(topography)에 의해서도 결정적인 영향을 받는다. 기하학적으로 이상적인, 즉 완전히 평활한 표면은 통상의 기술적 수단으로는 얻어질 수 없고, 오히려 개개의 형상 편차들(거칠기 및 기복 깊이들)이 일정하게 중첩된 기술적 표면이 생성된다. 냉간 압연은 제약이 있는 성형(평탄한 변형 상태)이다. 냉간 압연에서는, 스케일 제거되고 피클링된 열연 스트립의 배향되지 않은 표면이 패스 수(number of passes)의 증가에 따라 롤과 압연물 사이의 상대 이동에 기인하여 조직 압연 스트립으로 배향된다.

특수 롤 스탠드에서의 압연 패스들은 강의 표면을 평탄하게 한다. 거칠기 감소는 제품에 의존하여 60 내지 90%에 달한다. 거칠기 감소는 출발 거칠기, 롤 거칠기, 및 재료의 변형 저항에 의존한다. 패스 수가 증가할수록 표면의 거칠기가 한계치를 향해 달려간다. 요구되는 토포그래피를 설정하기 위한 변동 파라미터들은 특히 롤 갭 기하 형상, 압력 분포, 압연 속도, 및 스트립 텐션이다. 이때, 성형 공구로서의 작업 롤이 스트립 표면에 결정적인 영향을 미친다. 그 표면 프로파일은 롤 이동에 따라 변한다. 새로 장착된 롤의 연마 윤곽이 급속하게 줄어들고, 특히 평탄화가 시작 시에 집약적이다가 그 후에 점근선의 형태로 일정한 한계치에 도달한다.

전술한 제작 파라미터들의 고려하에 제조된 스프링 스트립 강들은 사이클 피로 수명이 매우 높으면서도 탁월한 스프링 특성들을 달성할 수 있다. 따라서, 그러한 재료는 전술한 특수한 용도들을 위해 널리 보급되어 있다.

그러나, 최대 부하 영역에서 단지 매우 얇은 스트립 두께의 롤 스프링용 스프링 재료의 경우, 예컨대 전형적으로 0.10 내지 0.19㎜의 스트립 두께의 두께 범위에 있는 강아지 리드 줄의 롤 스프링의 제조 시에, 생성된 조직에서 형성되는 조직 성분들이 약 20㎛를 넘지 못하여 스프링 강의 두께의 약 1/5 미만이어야 하는 것으로 판명되었다. 그렇지 않고 성분들 또는 함유물들이 클 경우에는, 함유물들 또는 조직 성분들에서 노치 현상(notch effect)이 발생하고, 그 노치 현상으로 인해 스트립 강의 파괴가 일어날 수 있다. 전술된 종래의 제조에 상응하는 스프링 재료의 경우에는 그러한 미립 조직을 요구되는 시트 두께에서 보장하는 데 문제가 있다.

따라서 본 발명의 과제는 매우 낮은 스트립 두께에서도 지나치게 조대한 조직 성분들에 기인한 노치 현상으로 인해 균열이 생성되는 것을 확실하게 방지하는 것이 보장되고, 공지의 조직 압연 스트립 강들에 비해 재료 특성들이 열악하지 않고, 경우에 따라서는 개선되기까지 하도록 서두에 전제된 냉간 조직 압연 스트립 강을 더 개발하는 것이다.

본 발명에 따른 과제의 해결은 전제부의 특징들과 연계된 청구항 1의 특징부의 특징들로부터 주어진다. 본 발명의 바람직한 또 다른 구성들을 종속 청구항들로부터 명확히 알아볼 수 있을 것이다.

본 발명은 중량 %로 다음의 조성을 갖는 냉연 탄소강으로부터 출발한다.

C 0.63 - 0.85%

Si 최대 0.40%

Mn 0.20 - 0.90%

P 최대 0.035%

S 최대 0.035%

Al 최대 0.060%

Cr 최대 0.40%

N 0.003 - 0.010%, 바람직하게는 0.005 - 0.008%

최대 0.12%의 함량을 갖는 적어도 하나의 마이크로 합금 요소

잔부 철 및 용해 조건부 불순물들.

적어도 하나의 마이크로 합금 요소에 의해, 조직에서의 결함들의 발생을 회피시키고, 특히 얇은 스프링 스트립에의 사용 시에 노치 현상을 방지하는 조직 미세화가 달성되는데, 그와 동시에 재료의 강도 증가와 획득 가능한 연신 및 그에 따른 성형성의 개선이 얻어진다. 마이크로 합금 요소들로서는, 티타늄 Ti, 니오븀 Nb, 바나듐 V, 경우에 따라서는 지르코늄 Zr도 개별적으로 또는 조합하여 고려될 수 있는데, 미세하게 분포된 탄화물과 질화물의 결합의 필요성으로부터 합금 비율의 상한이 주어지고, 설정되는 석출 경화로부터 합금 비율의 하한이 주어진다. 시험 결과, 설명된 바람직한 조직 형성을 달성하기 위한 마이크로 합금 요소들의 총 비율은 탄소강의 0.02 내지 0.12 중량%에 있는 것으로 판명되었다.

열연 강들의 제조 시에 생성되는 조직의 입자 크기를 감소시키는 합금 성분들을 첨가하는 것이 이미 공지되어 있다. 즉, 거기서는 열간 압연되고 이어서 냉각된 강이 미립 조직을 형성하게 하는 마이크로 합금 요소들이 첨가된다. 반면에, 열간 압연은 큰 시트 두께, 예컨대 250㎜부터 약 1㎜ 미만까지의 시트 두께 범위에 있는 큰 두께에 대한 가공 방법이다. 그보다 더 작은 시트 두께는 통상적으로 열간 압연에 의해서는 제조될 수 없는데, 그것은 얇은 시트가 개별 롤 통로들 사이에서 열간 압연 온도, 통상적으로 720℃ 이상의 온도로 확실하게 유지될 수 없기 때문이다. 따라서 그러한 마이크로 합금 열연 강의 사용은 상대적으로 큰 두께 치수의 강 제품에 한정된다. 넓은 범위에서 냉연 강의 조직과는 다른 열연 강의 조직의 변형 특성들로 인해, 그리고 높은 열적 활성화에 의거하여 열연 강의 가열 및 냉각 시에 발생하는 조직 변동으로 인해, 그러한 열간 압연에 대한 마이크로 합금 강들은 본원에서 제시되는 요건을 위해 사용될 수 없고, 특히 전술한 노치 현상 및 요구되는 표면 특성과 관련하여 사용될 수 없다. 그 대신, 놀랍게도 본 발명에 따라 조성된 강은 생성되는 미세 층상 펄라이트 조직(솔비트)에 의해 재료의 강도 증가와 획득 가능한 연신 및 그에 따른 성형성과 그로부터 제조된 스프링 부품의 사이클 피로 수명에 관한 사용 특성들 및 요구되는 표면 품질의 개선과 관련된 요건들을 특히 냉간 압연에 대해 이상적으로 충족시키는 것으로 판명되었다. 요구되는 두께 치수에서의 바로 그러한 특성들은 본 발명에 따른 조직 미세화에 의해 질적으로 매우 우수하고 경제적으로 달성될 수 있다.

조직 압연 강의 최종 강도는 열처리 강도와 성형 강화 강도의 합으로부터 정의된다. 이때, 최대 0.12 중량%까지의 함량을 갖는 마이크로 합금 성분들의 합금 함량은 석출 및 입자 미세화에 의해 강도와 인성을 증가시키고, 그에 따라 그로부터 제조된 스프링의 작용 방식 및 수명을 개선하거나 증대시키고, 특히 사이클 피로 수명의 향상을 가능하게 한다.

화학 분석의 결과는 기본적으로 오늘날 이미 사용되고 있는, 표준화되고 그 효능이 입증된 강 품질들, 예컨대 C60S 내지 C80S의 강 품질들과 같은 강 품질들에 상응할 수 있지만, 다만 바나듐, 니오븀, 또는 티타늄의 첨가 하에 경우에 따라서는 지르코늄도 마이크로 합금 성분으로서 따로 또는 합쳐서 첨가된다.

바나듐은 니오븀 및 티타늄과 유사하게 입자들과 입계들(유효 입자 간격: 5 - 10㎚)에서 미세하게 분포된 질화물, 탄화물, 또는 탄질화물을 형성한다. 바나듐은 γ-영역에서 용해될 수 있고, 석출 경화되어 유효하게 입자를 미세하게 한다.

또한, 조직 성분들의 원하는 배향을 얻기 위해 탄소강이 60% 내지 90%의 냉연 압하율을 갖는 냉간 압연 과정을 받는 것이 바람직하다.

그러한 탄소강은 자동차 안전 벨트용 롤 요소, 말아질 수 있는 줄자, 케이블 릴, 또는 강아지 리드 줄의 롤 요소 및 다양한 또 다른 반제품들 및 최종 제품들을 제조하기 위한 조직 압연 스트립 스프링강의 재료로서 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 탄소강의 예시적 조성에 있어 스트립 두께에 의존한 경화 곡선을 나타낸 그래프이다.

도 1에는, 본 발명에 따른 탄소강의 예시적 조성에 있어 한편으로 냉연 스트립 강에 대해, 다른 한편으로 냉간 압연되고 어닐링된 스트립 강에 대해 스트립 두께에 의존한 경화 곡선이 정성적으로 도시되어 있다. 그로부터 알 수 있는 바와 같이, 재료의 강도는 냉연 압하율이 증가할수록 증가하고, 0.1㎜의 스트립 두께의 범위에서 약 2450N/㎟의 범위에 있다.

Claims (9)

1. 냉연 탄소강, 특히 탄소강 C80 또는 C80S로서,
   C 0.63 - 0.85 중량%
   Si 최대 0.40 중량%
   Mn 0.20 - 0.90 중량%
   P 최대 0.035 중량%
   S 최대 0.035 중량%
   Al 최대 0.060 중량%
   Cr 최대 0.40 중량%
   N 0.003 - 0.010 중량%, 바람직하게는 0.005 - 0.008 중량%
   최대 0.12 중량%의 함량을 갖는 적어도 하나의 마이크로 합금 요소
   잔부 철 및 용해 조건부 불순물들을 포함하는 것인 탄소강.
2. 제 1 항에 있어서, 0.02 - 0.12 중량%, 바람직하게는 0.05 - 0.10 중량%의 티타늄 Ti를 마이크로 합금 요소로서 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강.
3. 제 1 항에 있어서, 0.02 - 0.12 중량%, 바람직하게는 0.05 - 0.10 중량%의 니오븀 Nb를 마이크로 합금 요소로서 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강.
4. 제 1 항에 있어서, 0.02 - 0.12 중량%, 바람직하게는 0.08 - 0.10 중량%의 바나듐 V를 마이크로 합금 요소로서 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강.
5. 제 1 항에 있어서, 0.02 - 0.12 중량%, 바람직하게는 0.08 - 0.10 중량%의 지르코늄 Zr을 마이크로 합금 요소로서 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로 합금 요소들 Ti, Nb, V, 및 Zr 중의 하나를 넘는 마이크로 합금 요소들을 0.02 - 0.12 중량%의 총 비율로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소강은 냉간 압연 후에 2400 - 3000MPa의 범위에 있는 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소강.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 조직 압연 스프링 강 스트립을 제조하는 방법에 있어서,
   60% 내지 90%의 냉연 압하율을 갖는 냉간 압연 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 탄소강을 자동차 안전 벨트용 롤 요소, 말아질 수 있는 줄자, 케이블 릴, 또는 강아지 리드 줄의 롤 요소를 제조하기 위한 조직 압연 스트립 스프링강의 재료로서 사용하는 용도.

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