KR20140056767A - 액슬빔 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김상하
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홍석우
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현대제철 주식회사
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Abstract

합금성분 제어를 통하여, 강도가 우수하면서도 충격인성이 우수하여 상용차의 액슬빔의 소재로 활용할 수 있는 액슬빔 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 액슬빔은 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어고, 59J/cm2 이상의 충격치를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

액슬빔 및 그 제조 방법 {AXLE BEAM AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 액슬빔 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분 제어를 통하여, 단련비가 낮으면서도 충격인성이 우수한 액슬빔에 관한 것이다.
상용차 부품에 적용되는 액슬빔은 강도 및 충격인성이 우수한 것을 요구하고 있다.
이러한 액슬빔은 기존의 기계구조용 탄소강에서 실시되는 조질 열처리(Quenching - Tempering)를 생략하고도 동일한 효과의 기계적 성질을 얻음과 동시에 부품 제조시 저에너지화 및 비용 절감의 효과를 극대화 시킬 수 있다.
일반적으로, 상용차 액슬빔 소재는 바나듐을 첨가하고 있으나, 기존 액슬빔보다 더 높은 충격 인성을 갖는 액슬빔이 요구된다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2001-0048426호(2001.06.15. 공개)에 개시되어 있는 앞차축 빔용 저 탄소계 고인성 액슬빔 단조품이 있다.
본 발명의 목적은 티타늄, 알루미늄 등의 합금 성분 조절을 통하여 낮은 단련비로도 충격 인성이 우수한 액슬빔을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 액슬빔은 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량% 및 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어고, 59J/cm2 이상의 충격치를 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 액슬빔 제조 방법은 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량%및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 소재를 가열하는 단계; 상기 가열된 소재를 열간 단조하는 단계; 및 상기 열간 단조된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 액슬빔 및 그 제조 방법은 티타늄과 알루미늄을 첨가함으로써, 결정립을 미세화 할 수 있으며, 낮은 단련비로도, 충격 인성이 우수한 액슬빔을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액슬빔 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 실시예 1에 액슬빔 시편의 TIN 개재물을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 액슬빔 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
액슬빔
액슬빔은 상용차(자동차)의 프론트에 설치되며, 좌우 양측단부에 구동 바퀴가 설치된다.
본 발명에 따른 액슬빔은 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량%를 포함한다.
상기 합금 성분들 외, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 액슬빔에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
본 발명에서 탄소(C)는 제조되는 액슬빔의 강도를 확보하기 위해 첨가된다.
또한 상기 탄소(C)는 강의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소로 함량이 높을수록 강도가 증가하며, 냉간가공도의 증가에 따라 인장강도와 항복점은 증가한다. 또한 황(S)과 결합하여 탄유화물을 형성하며 피삭성을 높인다.
상기 탄소는 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.21 ~ 0.28 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소가 0.21 중량% 미만으로 첨가되면 강도 확보가 불충분하다. 반대로, 탄소의 첨가량 0.28 중량%를 초과할 경우 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
실리콘( Si )
본 발명에서 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 또한 고용 강화 효과를 향상시키는 역할을 한다.
상기 실리콘은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.15 ~ 0.35 중량%로로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.15 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 함량이 0.35 중량%를 초과할 경우 제조되는 액슬빔의 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
망간( Mn )
본 발명에서 망간(Mn)은 베이나이트 조직을 미세화하여 강도를 향상시키는데 매우 효과적인 원소이다. 또한 망간(Mn)은 고온에서 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 그리고 망간은 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.
상기 망간은 본 발명에 따른 액슬빔에서 1.40 ~ 1.70 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 망간이 1.40 중량% 미만으로 첨가될 경우, 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 상기 망간이 1.70 중량%를 초과할 경우 인성을 저하시키며, 액슬빔의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 절삭성의 향상을 위하여 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 액슬빔에서 인(P)의 함량이 0.03 중량%를 초과하여 첨가되면 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있다. 따라서, 인(P)의 함량은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.03 중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S)
황(S)은 액슬빔에서 절삭성 혹은 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.
상기 황(S)은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.03 ~ 0.07 중량%중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 황(S)의 함량이 0.03 중량% 미만일 경우 액슬빔의 절삭성 등이 불충분한 문제점이 있다. 반대로, 황(S)의 함량이 0.07 중량%를 초과할 경우 길게 연신된 MnS를 형성하게 되고, 길게 연신된 MnS는 압연이나 단조 공정 중에 고주파열처리 및 파팅라인부에 위치하여 제품의 품질을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 열간 가공성을 떨어뜨리고, 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물 형성에 의한 표면처리시 결함의 원인이 되는 문제점이 있다.
크롬( Cr )
크롬(Cr)은 망간(Mn)과 더불어 베이나이트 조직의 미세화를 통한 강도 향상에 기여한다.
상기 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.20 ~ 0.40 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.20 중량% 미만일 경우 저탄소에 따른 강도 보상 효과가 불충분하다. 반대로 크롬의 첨가량이 0.40 중량%를 초과할 경우 인성이 저하되고, 동시에 가공성이나 피삭성이 저하되는 문제점이 있다.
니켈( Ni )
니켈(Ni)은 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키기 위해 첨가된다.
상기 니켈은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.05 ~ 0.09 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.05 중량% 미만일 경우 강도 보상 효과가 불충분하다. 니켈의 첨가량이 0.09 중량%를 초과하는 경우 부품의 제조원가를 높이고 제조성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
몰리브덴( Mo )
몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성의 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.
상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.005 ~ 0.03 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 첨가량이 0.005 중량% 미만일 경우 몰리브덴 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.03 중량%를 초과할 경우 노멀라이징(Normalizing)과 같은 열처리시 경도를 현저히 상승시키며, 제조원가를 높이고 부품 가공성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.
알루미늄( Al )
알루미늄(Al)은 우수한 탈산 효과를 제공하며, 또한 질소(N)와 결합하여 입자미세화에 기여한다.
상기 알루미늄은 액슬빔 전체 중량의 0.015 ~ 0.025중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.015중량% 미만일 경우 알루미늄 첨가 효과가 불충분하다. 알루미늄의 첨가량이 0.025중량%를 초과하는 경우, 액슬빔의 인성을 저하할 수 있다.
구리( Cu )
구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여하며, 액슬빔의 절삭성을 향상시키는 역할을 한다.
구리(Cu)는 본 발명에 따른 액슬빔 전체 중량의 0.25 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.25 중량%를 초과하는 경우 인성의 현저한 저하와 열간가공에 의한 열화를 초래하는 문제점이 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 석출 강화에 의하여 강도를 향상시키는 역할을 한다.
상기 바나듐은 액슬빔 전체 중량의 0.10 ~ 0.20중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.10중량% 미만일 경우, 석출 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 0.20중량%를 초과하는 경우에는 가공성이 크게 저하될 수 있다.
티타늄( Ti )
티타늄은 상기의 알루미늄과 함께 결정립을 미세화하는 역할을 한다.
상기 티타늄은 액슬빔 전체 중량의 0.01 ~ 0.02중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우에는 티타늄 첨가 효과가 불충분하다. 티타늄의 첨가량이 0.02중량%를 초과하는 경우에는 결정립 미세화를 저하시킬 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 석출 강화에 의한 강도상승 효과와 알루미늄 등과 결합하여 질화물을 형성함으로써 오스테나이트 결정립 미세화에 따른 기계적 특성 향상에 기여한다.
상기 질소는 액슬빔 전체 중량의 0.006 ~ 0.01중량%(60~100ppm)로 함유되는 것이 바람직하다. 질소의 함량이 0.006중량% 미만일 경우 질화물 형성 효과가 불충분하다. 반대로, 질소의 함량이 0.01중량%을 초과하는 경우 열간 단조성을 저해할 수 있다.
액슬빔 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 액슬빔 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액슬빔 제조 방법은 소재 가열 단계(S110), 열간 단조 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.
소재 가열 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 소재를 열간단조하기 위한 온도로 가열한다. 이때, 소재 가열 온도는 1200~1300℃의 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 소재 가열 온도가 1300℃를 초과하는 경우에는 과도한 가열 공정으로 인해 제조 비용이 상승할 수 있다. 반대로, 소재 가열 온도가 1200℃ 미만일 경우에는 강도 확보가 어려울 수 있다.
다음으로, 열간 단조 단계(S120)는 가열된 소재를 일정한 형태를 갖도록 열간 단조한다. 이때, 열간 단조 온도는 1100~1250℃에서 실시되는 것이 바람직하다.열간 단조의 온도가 1250℃를 초과하는 경우 제조되는 비조질강의 가공성의 열화가 발생할 수 있다. 반대로, 열간 단조 온도가 1100℃ 미만일 경우 가열온도가 충분치 못하여 목표로 하는 충격치를 얻기 어려운 문제점이 있다.
또한, 열간단조는 단련비가 6~10S 인 것이 바람직하다. 단련비가 10S를 초과하는 경우 비용 대비 충격 인성이 불충분 할 수 있다. 반대로, 단련비가 6S미만인 경우에는 충격인성이 저하될 수 있다.
다음으로, 냉각 단계(S130)에서는 열간 단조된 강재를 냉각한다. 냉각은 자연냉각 및 강제냉각 모두 가능하나, 강 제조 비용 측면에서 상온까지 자연냉각하는 것이 보다 바람직하다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
표 1에 기재된 합금성분을 갖는 실시예 1 ~ 2에 따른 액슬빔 시편 및 비교예 1 ~ 2에 따른 액슬빔 시편을 마련하였다.
실시예 1 ~ 2 및 비교에 1 ~ 2에 따른 액슬빔 시편의 제조를 위하여, 표 1에 기재된 조성을 갖는 소재를 가열한 후, 1200℃에서 열간 단조 후, 상온까지 공냉하여, 직경 80mm의 시편을 제조하였다.
비교예 1, 실시예 1 및 실시예 2는 단면이 200*200mm 이며, 길이가 1m인 시편을 사용하였으며, 비교예 2는 390*510mm이며, 길이가 1m인 시편을 사용하였다.
[표 1](중량%)
Figure pat00001

2. 물성 평가
표 2는 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2의 기계적 특성을 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure pat00002

도 2는 실시예 1에 액슬빔 시편의 TIN 개재물을 나타낸 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, Ti를 첨가한 실시예 1의 경우, TiN이 형성된 것을 볼 수 있다.
일반적으로 높은 단련비의 값이 나타나면, 충격인성이 높게 나타나며, 낮은 단련비의 값이 나타나면 가격은 저렴하나 충격인성이 낮게 나오게 된다. 그러나, 본원 발명에서는 티타늄과 알루미늄을 첨가함으로써, 단련비가 8S임에도 높은 충격인성이 나오는 것을 알 수 있다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1에 따른 단련비를 나타낸 것이다.
도 2 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따른 액슬빔 시편의 경우, 인장강도 784MPa 이상, 항복강도 539MPa 이상, 연신율 15% 이상을 만족하며, 특히 단련비가 8S임에도 충격치가 84J/cm2 와 91J/cm2을 나타내었다.
그러나, 비교예 1 ~ 2의 경우, 티타늄과 알루미늄이 첨가되지 않은 결과, 인장강도, 항복강도 및 연신율은 만족하나, 비교예 1의 경우, 단련비가 8S로 낮아 충격치가 49J/cm2였으며, 비교예 2의 경우, 충격치는 62J/cm2를 나타내어, 만족할 수 있으나, 단련비가 40S로 높아 제조 비용이 상승될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 액슬빔은 티타늄 및 알루미늄 등의 첨가에 따라, 단련비가 8S임에도 불구하고 59J/cm2 이상의 높은 충격치를 나타낼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어고,
    59J/cm2 이상의 충격치를 갖는 것을 특징으로 하는 액슬빔.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액슬빔은
    인장강도(TS) : 784MPa 이상, 항복강도(YS) : 539MPa 이상 및 연신율 : 15% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 액슬빔.
  3. 탄소(C) : 0.21 ~ 0.28 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.70 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.03 ~ 0.07 중량%, 크롬(Cr) : 0.20 ~ 0.40 중량%, 니켈(Ni) :　0.05 ~ 0.09 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.005 ~ 0.03 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.025중량%, 구리(Cu) :　0.25 중량% 이하, 바나듐(V) : 0.10 ~ 0.20 중량%, 티타늄(Ti) : 0.01 ~ 0.02 중량%, 질소(N) : 0.006 ~ 0.01 중량%및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 소재를 가열하는 단계;
    상기 가열된 소재를 열간 단조하는 단계; 및
    상기 열간 단조된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액슬빔 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열간 단조는
    1100 ~ 1250℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 액슬빔 제조 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 열간 단조는
    단련비가 6 ~ 10S 인 것을 특징으로 하는 액슬빔 제조 방법.
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