KR20120133746A

KR20120133746A - 내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120133746A
Application number: KR1020110052564A
Authority: KR
Inventors: 서동림; 박진우
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-06-01
Filing date: 2011-06-01
Publication date: 2012-12-11

Abstract

Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법 {COIL-SPRING HAVING FORTIFIED ANTI-CORROSIVENESS AND PRODUCING METHOD THEREOF}

본 발명은 차량 구조상 부식에 항상 노출되어 있고, 연간 필드 클레임 비용의 상당부분을 차지하는 서스펜션용 코일스프링의 소재와 제조방법으로서, 강도 및 부식 특성을 개선함으로써 자동차의 내구성 및 수익성 향상에 기여할 수 있는 내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법에 관한 것이다.

스프링 소재는 일반적으로 그 작동 응력(FULL BUMP 시)에 따라 Grade를 명명한다. 기존에는 국내외 자동차 메이커들이 110K(kgf)급 일반강을 주로 적용하였으나, 2000년대 이후 차량 연비개선에 따른 경량화 니즈로 인해 120K급 고응력 코일스프링을 적용하고 있으며, 현재에는 130K급 고응력 코일스프링까지 양산 적용되고 있다.

소재가 110K ~ 130K로 고강도화 될수록, 선경/권수를 축소함으로써 자동차의 경량화를 가능케 하지만, 치핑/도장박리 후 부식에 의한 민감도가 증대되며, 선경을 축소함으로써 설계적 마진 미확보로 인한 강도 부족 및 파손 진행 시 완전한 절손에 이르기까지의 진행속도가 빨라지는 위험부담이 있다.

이에 현재에는 이러한 위험을 줄이고자 일부 부식취약지역에 한하여 듀얼코팅 도장 등을 적용하고 있으나, 이는 근본적인 해결책은 아니며, 특히나 재료(도료)비 과다상승이라는 부작용을 포함한다. 따라서, 이와 같은 소재 강도/부식문제 개선을 통한 내구성 증대는 자동차산업이 현 시점에서 꼭 풀어야 할 숙제라고 할 수 있다.

최근의 자동차는 고성능, 고출력 및 고효율화가 되기 때문에 부품의 고강도화 및 경량화가 요구되고 있으며, 서스펜션용 철강재의 경우 기존과 같은 차량하중/부식조건 하에서 경량화를 해야 하기 때문에 재질의 강성과 부식내구성 확보는 필수적이다.

특히 스프링강의 경우 소재가 고응력화 될수록 주행 중 치핑(자갈등에 의한 찍힘) 및 부식환경 노출에 의한 응력부식파손(SCC)이 크게 우려되므로 이에 대한 근본 개선책 마련이 시급하다고 할 수 있다. 본 발명은 스프링 부품의 설계(형상)적 변경 없이 소재의 부식 내구 특성을 큰 폭으로 향상하고자, 기존 소재의 강도를 한 단계 상승시켜 설계적 강도마진을 확보하면서, 내부식성을 개선하는 소재 조성비/공법 확립에 초점을 맞추었다.

본 발명을 통해 코일스프링의 부식 내구성능을 개선할 수 있으며, 이는 양산차량의 필드 클레임을 사전에 방지하고, 기존의 부식성능 부족으로 인한 안전장치 (듀얼코팅 등)를 삭제함으로써 수익성을 크게 개선하고 브랜드 이미지 재고에도 기여할 수 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스프링 부품의 설계(형상)적 변경 없이 소재의 부식 내구 특성을 큰 폭으로 향상하고자, 기존 소재의 강도를 한 단계 상승시켜 설계적 강도마진을 확보하면서, 내부식성을 개선하는 소재의 조성비 및 제조공법을 확립하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 내부식성이 강화된 코일스프링은, Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법은, Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 강재의 선재가공 및 필링공정; 상기 선재를 일정고온에서 일정시간 동안 유지한 후 공랭함으로써 결정립을 미세화하고 조직을 균질화 하는 제어열처리공정; 및 상기 균질화된 선재에 강도와 인성을 부여하는 담금질 및 뜨임공정;을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제어열처리공정은 850~900 ℃에서 행해지도록 할 수 있으며, 시간의 측면에서는 상기 제어열처리공정은 0.5~1 시간 동안 행해지도록 할 수 있다.

상술한 바와 같은 내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법에 따르면, 코일스프링의 강도 및 부식 민감도를 개선함으로써 차량주행 및 기후/환경적 악조건인 지역에 대한 코일스프링 부식내구성을 개선하여 경량화와 동시에 차량제품의 신뢰도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 코일스프링과 종래의 코일스프링의 피로한을 비교한 그래프.
도 3은 내 치핑(chipping) 자갈투석 시험의 개략도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 내부식성이 강화된 코일스프링 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명의 내부식성이 강화된 코일스프링은, Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된다.

상기한 목적을 만족하기 위해서, 본 발명의 코일스프링을 제조하는 강재의 구성은 Fe에 Si 1.3 ~ 1.8 wt%, Ni 1.5~3.0 wt%, Cr 1.0~1.2 wt%, Mo 0.1~0.3 wt%, Cu 0.3~0.4 wt%, Nb 0.02~0.04 wt%, B 0.005~0.025 wt%가 포함된 서스펜션용 코일스프링 강재이다.

여기서, Si는 소재의 강도를 결정짓는 주요 성분이지만, 다량 사용할 경우 소재 가공성 및 성형성을 저하시키는 요인이 되므로 본 발명의 강종에서는 1.8 wt% 이하를 첨가하여 성형성을 확보하였다.

Ni은 강의 내식성을 좋게 하고, 조직을 미세화 함으로서 기지강화 및 충격인성을 개선한다.

Cr은 내산화성을 향상시키지만, 다량 첨가할 경우 템퍼링 취성을 조장하므로, 본 강종에서는 1.2 wt% 이내로 제한한다.

Mo은 적당량 첨가로 템퍼링 취성을 방지하며, Cr과 함께 경화능 향상에 크게 기여한다. Cu는 강의 내식성을 향상시키는 효과가 있으나, 다량 사용할 경우 열간가공성을 저하시키며, 특히 0.5 wt%이상 함유 시 적열취성의 원인이 되므로 0.4 wt% 이내로 제한하였다.

Nb은 소재 내에서 Nb carbide를 형성하는데, 이는 소재의 입계부식을 방지하여 입계파괴를 지연시키는 효과를 보인다. 한편 Nb은 결정립 미세화에도 기여하며 템퍼링 취성을 방지하지만, 첨가량에 따라 경화능 저하의 원인이 되므로 성분 효과를 볼 수 있는 범위 내에서 최대한 소량 첨가하였으며, B은 극소량 함유로 강의 경화능을 현저히 개선시키는 효과가 있으므로 첨가하였다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법을 나타낸 도면으로서, 130K급의 강도를 만족시키고, 부식 발생시 그 속도를 저하시킬 수 있는 미세 결정립을 가진 소재를 제조하기 위해 본 발명은 고주파유도가열 전 결정립 제어 열처리를 행하는 공법을 제시한다.

코일스프링 제조 공정 중의 고주파 담금질 및 뜨임 열처리(이하 Q/T라 칭한다)는 소재의 조직을 재결정하는데, 원소재의 초기 결정립 사이즈, 탄화물, 미세조직의 영향에 따라 그 효과가 다르게 나타난다. 초기 결정립 사이즈가 작아질 경우 고주파Q/T 로 인한 재결정시 핵생성 사이트가 증가되어 최종 결정립이 미세화된다.

탄화물은 소재 조직에 균질하게 분산될 경우, 결정립 성장을 방해하여 최종 결정립을 미세화시키는 효과가 있다. 본 공법은 고주파Q/T 전 원소재 조직 최적화를 위해 850 ~ 900 ℃의 오스테나이트화 분위기에서 0.5~1 시간 유지한 후 공냉하는 원소재 결정립 제어 열처리를 통해 초기 결정립 미세화, 조직의 불균일 제거, 탄화물의 균질화 및 효과적인 분산 등을 유도하여 소재가 기존 공법 대비 더욱 균질하고 미세한 결정립을 갖도록 한다.

이렇게 만들어진 미세 결정립은 소재의 강도/인성을 향상 시키며, 응력 부식 파손(SCC) 발생 시 파단의 STEP을 세분화 함으로서, 그 속도를 지연시키는 효과가 있다.

본 발명의 제조방법은 크게 Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 강재의 선재가공 및 필링공정; 상기 선재를 일정고온에서 일정시간 동안 유지한 후 공랭함으로써 결정립을 미세화하고 조직을 균질화 하는 제어열처리공정; 및 상기 균질화된 선재에 강도와 인성을 부여하는 담금질 및 뜨임공정;을 포함한다.

그리고, 담금질이나 뜨임 전 특수 제어열처리공정을 통하여 소재의 결정립을 미세화하고 조직을 표준화하여 결과론적으로 내부식성이 강화되며 고응력을 나타내게 되는데, 이러한 제어열처리공정은 850~900 ℃에서 행해지는 것을 특징으로 할 수 있으며, 특히 상기 제어열처리공정은 0.5~1 시간 동안 행해지는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 조성으로 이루어진 강재와 비교예로서의 강재의 성능을 비교한 시험결과에 관하여 설명한다. 먼저, 두 강재의 성분을 대비하면 아래와 같다.

구분

C

Si

Mn

Ni

Cr

Mo

Cu

Nb

Al

V

Ti

B

실시예

0.46
~0.55

1.3
~1.8

0.6
~0.8

1.5
~3.0

1.0
~1.2

0.1
~0.3

0.3
~0.4

0.02
~0.04

0.02
~0.06

0.05
~0.10

0.01
~0.04

5~25
PPM

비교예

0.46
~0.50

2.0
~2.2

0.6
~0.8

0.25
~0.35

0.6
~0.8

-

0.2
~0.3

-

0.02
~0.06

0.05
~0.10

0.01
~0.04

-

도 2는 본 발명의 코일스프링과 종래의 코일스프링의 피로한을 비교한 그래프로서, 비교 그래프에서 볼 수 있듯이, 열처리 전 소재(선재) 상태에서의 회전 굽힘 피로시험 결과 본 발명의 실시예 강종의 피로수명이 420 MPa 로서, 400 MPa 인 비교예 강종 대비 5% 향상된 수준임을 확인할 수 있다.

구분	인장강도 (kgf/mm²)	연신율 (%)	충격인성 (kgf/cm²)	경도 (HV)
실시예	220	9	6.5	600
비교예	200	9	5.3	530

상기 표 2는 양 발명의 성능을 나타낸 표로서, 인장강도, 충격인성 및 비커스 경도의 측면에서 모두 본 발명의 실시예에 따른 강재가 우월하다는 점을 알 수 있다.

하기의 표 3은 내구력에 대한 테스트의 결과를 나타낸다.

구분	내구 응력 조건	단품 한계 내구	내치핑 내구
실시예	30 ~ 130Kgf	평균 60만회	평균 23만회
비교예	20 ~ 120Kgf	평균 59만회	평균 15만회

상기 실시예와 비교예의 대비에서 볼 수 있듯이, 내구응력조건에서 본 발명의 실시예가 앞서며, 한계내구의 측면에서도 더욱 강한 것을 알 수 있다. 또한, 내피치 내구의 측면에서도 실시예가 비교예보다 더 많이 견디는 것을 알 수 있다. 내피치 내구란, 도 3에 도시된 바와 같이 스프링 강재를 회전모터로 회전시키며 자갈을 투사하여 표면을 깎은 후, 염수를 분무하여 부식이 발생토록 하는 시험을 말하는 것으로서 회수가 클수록 내부식성이 그만큼 강하다는 것을 말한다.

참고로, 내치핑 내구 방법은, 자갈투석 -> 염수분무 -> 단품내구의 순으로 진행되며, 조건으로는 자갈투석의 경우 투사압은 480 ± 20 Kpa, 20초간 회전하며 전구간 투사하는 것이고, 염수분무는, 투사용액 5% NaCl, 챔버온도 35℃, 부식시간 360 hour이고, 단품내구는, 단품 한계내구 조건과 동등하다.

위의 시험에서 본 발명의 부식개선재는 기계적물성 평가 결과 인장강도 10%,연신율 동등수준, 충격인성 20%, 경도 15% 개선된 효과를 보였다. 한편, 단품 한계 내구에서는 더 높은 응력에 적용하여 기존재 동등 이상수준, 내치핑 내구에서는 55%의 개선효과를 보이는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 서술한 바와 같이 본 발명의 강종은 코일스프링의 강도 및 부식 민감도를 개선함으로써, 차량주행 및 기후/환경적 악조건인 지역에 대한 코일스프링 부식내구성을 개선하여, 경량화 되어가는 차량/제품의 신뢰도를 높일 수 있다는 것을 보여주고 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 내부식성이 강화된 코일스프링.
Fe를 주성분으로 하고, Si : 1.3~1.8 wt%, Ni : 1.5~3.0 wt%, Cr : 1.0~1.2 wt%, Mo : 0.1~0.3 wt%, Cu : 0.3~0.4 wt%, Nb : 0.02~0.04 wt%, B : 0.005~0.025 wt% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하여 구성된 강재의 선재가공 및 필링공정;
상기 선재를 일정고온에서 일정시간 동안 유지한 후 공랭함으로써 결정립을 미세화하고 조직을 균질화 하는 제어열처리공정; 및
상기 균질화된 선재에 강도와 인성을 부여하는 담금질 및 뜨임공정;을 포함하는 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제어열처리공정은 850~900 ℃에서 행해지는 것을 특징으로 하는 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제어열처리공정은 0.5~1 시간 동안 행해지는 것을 특징으로 하는 내부식성이 강화된 코일스프링의 제조방법.