KR20130128811A - 세립강의 단조 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 세립강의 단조 공법에 있어서, 상기 세립강은 스틸(steel)을 주성분으로 하되 탄소(C) 0.45 내지 0.55 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.5 중량%, 붕소(B) 0.005 내지 0.025 중량% 및 나이오븀(Nb) 0.02 내지 0.07 중량% 및 알루미늄(Al) 0.01 내지 0.05 중량%을 함유하고, 상기 세립강으로 일정한 모양과 크기를 갖는 잉곳(ingot)으로 가공하는 단계;와 상기 잉곳을 단조 공정을 통해 1차성형하는 단계;와 1차성형된 잉곳의 온도를 미리 정해진 기준온도 이상으로 유지한 상태에서 단조 공정을 통해 2차성형하는 단계; 및 경화능 향상을 위해 단조 공정이 완료된 잉곳을 열처리하는 단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성의 본 발명은, 각각의 단조 공정 사이에 실시되던 어닐링 과정을 삭제할 수 있다. 이에 따라 생산 비용이 절감되고 생산 시간이 축소될 뿐만 아니라 어닐링 과정에서 배출되던 유해물질을 발생시키지 않으므로 환경오염을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

Description

세립강의 단조 공법{Forging process of fine grain steel}

본 발명은 고성형성(high formability)을 갖는 세립강(특히, 결정립이 더욱 작은 미세립강)과 상기 세립강의 냉간 단조(Cold forging) 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가공성 및 성형성 향상을 위해 규소(Si: Silicon)과 망간(Mn: Manganese)을 적게 함유하되 소입성(Quality of quenching)이 향상되도록 붕소(B: Boron)을 함유하는 미세립강(Ultra fine grain steel);과 상기 미세립강의 어닐링(소둔: Annealing) 과정을 생략할 수 있는 단조공법;에 관한 것이다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 세립강은 ASTM 표시법으로 입도번호 (Grain Size Number) 5 이상(즉, 입자하나 당 평균 단면적이 0.0039 ㎟ 이하)의 스틸재인 것이 바람직 하나 본 발명의 권리범위는 입자의 크기에 제한받지 않음을 밝힌다. 하지만, 본 발명에 따른 세립강은 입자들의 지름이 10 ㎛ 이하인 스틸재인 것이 바람직하다.

날로 치열해지는 자동차 산업에서 수익성을 개선하기 위한 개발과 연구가 진행되고 있다.

이러한 노력의 일환으로서 제품 생산의 효율성을 도모하기 위해 생산공정을 생략하거나 또는 단축시키기 위한 연구개발 또한 지속되고 있다. 하지만, 이와 같은 공정의 개선은 내구 품질을 기존사양과 동등으로 유지하면서 공정을 최적화 하는데 그 의의가 있다.

한편, 철강재의 성형방법 중 냉간 단조 공법은 소재의 소성변형에 따른 조직의 치밀화로 내구력 강화 측면에서 크게 유리하므로 차량의 고하중 부품에 주로 적용되어 왔으나, 복잡한 공정으로 인해 공정 시간 및 생산비가 불리한 약점이 있다.

가령, 드라이브샤프트(Drive shaft)의 끝단 장착되는 벤틱스 와이스형(bendixwiess type) 등속조인트의 트라이포드하우징(Tripod-Housing)은 단조 공법을 통해 제조된다.

도 1 은 단조 공법을 통해 상기 트라이포드하우징이 성형되는 단계를 도시하였다. 도시된 바와 같이, 종래의 단조 공법은 단조를 시작하기 전에 연성(softening)을 부여하고 변형저항을 감소시키기 위해 구상화소둔(spheroidizing annealing) 과정을 필요로 하였으며, 각 단조 단계 사이에 필수적으로 어닐링 단계가 추가되었다. 상기 어닐링은, 전 단계의 단조 과정에 의해 치밀화된 조직을 미리 정해진 조건에 따라 냉각시킴으로서 조직을 연화시키기 위해 필수적으로 요구되었었다.

즉, 라운드바(round-bar)로 일컬어지며 원소재가 되는 잉곳(ingot)의 어닐링은, 단조 공정 중에 잉곳 및/또는 금형의 파단이나 변형을 방지하기 위한 필수 과정으로서 각 단계별 단조 과정 중 다수 회 실시된다. 하지만 어닐링 과정은 시간이 많이 소요되므로 원가상승 및 생산시간 증대의 원인이 되었다.

특히, 어닐링 단계와 단조 단계가 연속 공정으로 이뤄지지 않을 경우, 즉, 단일로에서 어닐링 공정을 실시하고 상기 단일로에서 떨어진 다른 장소로 잉곳을 이동시켜 단조 공정을 실시할 경우, 이동과정에서 열손실이 발생하여 제조공정의 효율성을 떨어뜨렸다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점이 발생하는 종래의 단조 공정을 최적화하기 위하여 잉곳이 성형 될 때 필수적으로 발생되는 단조발생열을 활용하여 단조 공정들 사이의 어닐링 공정을 생략할 수 있는 고성형성을 갖는 미세립강 및 상기 미세립강을 이용하여 공정수가 축소된 단조 공법을 제공하는 것을 주목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 세립강의 단조 공법에 있어서, 상기 세립강은 스틸(steel)을 주성분으로 하되 탄소(C) 0.45 내지 0.55 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.5 중량%, 붕소(B) 0.005 내지 0.025 중량% 및 나이오븀(Nb) 0.02 내지 0.07 중량% 및 알루미늄(Al) 0.01 내지 0.05 중량%을 함유하고, 상기 세립강으로 일정한 모양과 크기를 갖는 잉곳(ingot)으로 가공하는 단계;와 상기 잉곳을 단조 공정을 통해 1차성형하는 단계;와 1차성형된 잉곳의 온도를 미리 정해진 기준온도 이상으로 유지한 상태에서 단조 공정을 통해 2차성형하는 단계; 및 경화능 향상을 위해 단조 공정이 완료된 잉곳을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 잉곳을 2차성형하는 단계와 열처리하는 단계 사이에는, 미리 정해진 기준온도 이상의 온도가 유지된 상태로 이전 단조 공정에서 성형된 잉곳을 다음 단조 공정을 통해 순차적으로 성형하는 하나 이상의 단계들 선택적으로 추가된다. 즉, 3차성형하는 단계와 4차성형하는 단계 등과 같이 다수 회의 성형 단계가 순차적으로 추가될 수 있다.

그리고, 미리 정해진 상기 기준온도는 150℃ 이고, 이전 단조 공정에서 성형이 완료된 잉곳은 온도가 떨어지는 것을 방지하도록 5초 이내(바람직하게는 3초 이내)에 다음 단조 공정이 시작되도록 성형된다.

아울러, 상기 잉곳을 열처리하는 단계에서 상기 열처리는, 고주파 유전 가열(high-frequency dielectric heating) 또는 고주파 유도 가열(high-frequency induction heating)과 같은 고주파 가열(high frequency heating) 방식으로 이뤄진다.

상기와 같은 구성의 본 발명의 세립강은 종래의 세립강과 대비하여 규소와 망간은 더 적게 함유하되 붕소가 첨가되어 소입성이 향상되는 효과가 있으며, 결정립의 성장을 방해하는 나이오븀과 알루미늄이 추가적으로 첨가되어 결정립이 미세화되는 효과가 있다.

결정립이 미세화는 홀패치방정식(Hall-petch equation)에 따라 소재의 강도 및 인성(toughness)이 동시에 향상시키는 효과를 가져오며, 입계부식이 방지되어 입계파괴를 지연시키는 효과를 제공한다.

본 발명에 따른 세립강은 전술한 바와 같은 특성을 가짐으로서 각각의 단조 공정 사이에 실시되던 어닐링 과정을 삭제할 수 있으며, 이에 따라 생산 비용이 절감되고 생산 시간이 축소될 뿐만 아니라 어닐링 과정에서 배출되던 유해물질을 발생시키지 않으므로 환경오염을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1 은 종래의 단조 공법으로 트라이포드하우징을 성형하는 단계를 설명하기 위해 편집된 사진,
도 2 는 본 발명에 따른 세립강이 함유하는 성분들을 표시한 표,
도 3 는 입자의 크기가 다른 두 세립강들의 표면을 확대하여 촬영한 사진,
도 4 은 붕소 함유량에 따른 경화능(Hardenability) 향상 효과를 나타내는 그래프,
도 5 는 본 발명의 실시예에 따라 트라이포드가 단조 공법을 통해 성형되는 순서를 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 세립강은 결정입도(grain size)가 10 ㎛ 이하이되, 바람직하게는 5 ㎛ 이하의 미세립강으로서 스틸(steel)을 주성분으로 하되, 도 2 의 표에 기재된 바와 같이, 탄소(C) 0.45 내지 0.55 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.5 중량%, 붕소(B) 0.005 내지 0.025 중량%, 나이오븀(Nb) 0.02 내지 0.07 중량% 및 알루미늄(Al) 0.01 내지 0.05 중량%을 함유한다.

스틸에 있어서 규소와 망간은 소재의 강도를 결정하는 주요 성분이다. 하지만, 다량으로 사용될 경우 연성이 낮아져 가공성 및 성형성을 저하시키는 요인이 된다.

본 발명의 세립강은 규소가 0.15중량% 이하, 망간이 0.5중량% 이하로 제한됨으로서 (단조 공정시 어닐링을 생략할 수 있을 정도의) 성형성을 확보할 수 있다.

한편, 온도 변화에 따라 나이오븀은 소재 내에서 나이오븀 카바이드(Niobium carbide) 형성한다. 상기 나이오븀 카바이드의 생성은 결정립(crystal grain) 성장시 피닝효과(peening effect)를 발생시킨다. 이와 같은 피닝효과는 결정립의 성장을 억제시켜 결정립을 미세화한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 나이오븀의 함유 여부에 따라 결정립의 크기가 30㎛ 이상에서 10㎛ 이하로 미세화된 것을 확인할 수 있다.

이러한 결정립의 미세화는 (홀패치방정식에 의거) 소재의 강도와 인성을 동시 향상시킨다. 또한, 결정립의 미세화는 소재의 입계부식(integranular corrosion)을 방지함으로서 입계파괴(intergranular fracture)를 지연시키는 효과를 갖는다.

한편, 알루미늄 또한 소재의 결정립 미세화에 영향을 미친다. 하지만, 알루미늄의 다량 첨가는 알루미나성 개재물(Alumina Inclusions)을 생성할 수 있으므로, 본 발명에서는 0.05중량%이하로만 첨가된다.

그리고, 붕소는 강의 경화능을 개선시키는 효과가 있다. 도 4 는 강(steel)이 한 시간 동안 880℃ 로 가열 유지 후 오일퀸칭(oil quenching)된 조건에서 붕소의 함유량에 따른 경도 변화를 나타낸다. 도 4 에 도시된 바와 같이, 붕소는 극소량만 첨가되어도 경화능을 현저히 개선시킨다.

따라서, 규소 및 망간이 적게 함유되어도 붕소가 첨가된다면, 제품 성형 후 경화능 향상을 위한 최종적인 열처리 공정을 추가함으로서 강도저하를 방지할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기와 같은 조성비(組成比)를 갖는 세립강의 단조 공법을 제공한다.

도 5 는 드라이브샤프트 끝단에 장착되는 트라이포드하우징을 성형하는 단계를 나타낸다. 도면을 참조하면, 본 발명의 세립강은 주조 등을 통해 소정의 크기를 갖는 원통형 잉곳(또는 라운드바)으로 가공된다(a).

상기 잉곳은 전술한 바와 같이 규소 및 망간을 적게 함유하고 있으므로 연성을 부여하고 변형저항을 감소시키기 위해 구상화소둔과정이 생략되고, 재결정 온도 이하에서 단조 방식을 통해 1차성형된다(b).

1차성형 후 단조발생열에 의해 잉곳은 200℃ 이상의 열이 발생된다. 이러한 단조발생열이 냉각되기 전 최소한 150℃ 가 유지된 상태로 3초 이내에 2차성형이 시작된다(c). 마찬가지로, 2차성형 후 단조발생열에 의해 잉곳은 200℃ 이상의 열이 발생되며, 이러한 단조발생열이 냉각되기 전 최소한 150℃ 가 유지된 상태로 3초 내지 5초 이내에 3차성형이 시작된다(d).

본 발명에 따른 공법에서는, 성형되는 제품의 형성에 따라 동일한 방식으로 4차성형(e) 및 5차성형이 연속적으로 추가적으로 실시될 수 있되, 단조 공정이 완료된 후 또는 단조 공정 사이에 조직의 미세화를 위하여 노말라이징(normalizing)이 추가될 수 있다.

아울러, 단조 공정 및 노말라이징이 완료된 후, 추가적인 커팅 또는 펀칭 가공 등이 실시될 수 있되, 성형을 위한 가공이 완료된 후에는 전술한 바와 같이 경화능을 향상시키기 위한 열처리 공정이 추가된다. 본 발명에서 상기의 열처리 공정은 작업성이 용이하며 제어가 용이한 고주파가열 방식으로 실시되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서 2차성형, 3차성형 및 4차성형 또한 단조 공정으로 이뤄지되, 각 단계별 사이의 시간 및 공간 상의 간격을 최대한 줄이기 위해 각 성형장치들(1차성형장치, 2차성형장치 및 3차성형장치 등)는 연속 공정이 이뤄질 수 있도록 배치되는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (5)

1. 세립강의 단조 공법에 있어서,
   상기 세립강은 스틸(steel)을 주성분으로 하되 탄소(C) 0.45 내지 0.55 중량%, 규소(Si) 0.05 내지 0.15 중량%, 망간(Mn) 0.2 내지 0.5 중량%, 붕소(B) 0.005 내지 0.025 중량% 및 나이오븀(Nb) 0.02 내지 0.07 중량% 및 알루미늄(Al) 0.01 내지 0.05 중량%을 함유하고,
   상기 세립강으로 일정한 모양과 크기를 갖는 잉곳(ingot)으로 가공하는 단계;와
   상기 잉곳을 단조 공정을 통해 1차성형하는 단계;와
   1차성형된 잉곳의 온도를 미리 정해진 기준온도 이상으로 유지한 상태에서 단조 공정을 통해 2차성형하는 단계; 및
   경화능 향상을 위해 단조 공정이 완료된 잉곳을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 세립강의 단조 공법.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 잉곳을 2차성형하는 단계와 열처리하는 단계 사이에는, 미리 정해진 기준온도 이상의 온도가 유지된 상태로 이전 단조 공정에서 성형된 잉곳을 다음 단조 공정을 통해 순차적으로 성형하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 세립강의 단조 공법.
   
3. 제 2 항에 있어서, 미리 정해진 상기 기준온도는 150℃ 인 것을 특징으로 하는 세립강의 단조 공법.
   
4. 제 3 항에 있어서, 이전 단조 공정에서 성형이 완료된 잉곳은 5초 이내에 다음 단조 공정이 시작되도록 성형되는 것을 특징으로 하는 세립강의 단조 공법.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉곳을 열처리하는 단계에서 상기 열처리는 고주파 가열 방식으로 이뤄지는 것을 특징으로 하는 세립강의 단조 공법.
   

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