KR20150034210A - 켄칭 강관 부재, 켄칭 강관 부재를 사용한 자동차용 액슬 빔 및 켄칭 강관 부재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 켄칭 강관 부재는, GI 아연 도금 강관으로 형성되고, 상기 GI 아연 도금 강관의 길이 방향의 중앙부에 있어서의, 상기 길이 방향에 수직인 단면이, 상기 GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부를 포함하는 대략 V자 형상을 갖고, 상기 접촉부가, Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되고, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가, 상기 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도의 95％ 이상이다.

Description

켄칭 강관 부재, 켄칭 강관 부재를 사용한 자동차용 액슬 빔 및 켄칭 강관 부재의 제조 방법 {HARDENED STEEL TUBE MEMBER, AUTOMOBILE AXLE BEAM USING HARDENED STEEL TUBE MEMBER, AND METHOD FOR MANUFACTURING HARDENED STEEL TUBE MEMBER}

본 발명은, 켄칭 강관 부재, 켄칭 강관 부재를 사용한 자동차용 액슬 빔 및 켄칭 강관 부재의 제조 방법에 관한 것이다. 본원은, 2012년 9월 20일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-207249호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차용 액슬 빔은 좌우의 차축을 연결하는 부재로, 주행 중에 반복 하중이 가해지므로, 높은 피로 특성이 요구된다.

따라서 특허문헌 1에 개시되는 바와 같이, 강관을 프레스 성형 후에 켄칭을 행함으로써 고강도화하여, 피로 특성을 확보하는 자동차용 액슬 빔의 제조 방법이 제안되어 있다.

그러나, 이 방법에서는 로(爐)에서 켄칭을 행하기 때문에 가열 시간이 길고, 부재의 최표층면이 탈탄되어 연화되어 버려, 충분한 피로 특성을 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.

또한, 이 표층 연화를 억제하기 위해, 특허문헌 2에 개시하는 바와 같이 강관 표면에 아연 도금을 실시한 후 가열을 행함으로써, 강재 표면에 탄소 농화층을 형성시켜, 켄칭 후의 표층을 경화시키는 기술이 제안되어 있다.

그러나, 이 방법도 로에서 가열을 행하기 때문에 장시간 가열을 해야 하고, 그동안에 아연이 휘발된다. 따라서, 휘발되어 버리는 분도 포함하여 아연을 여분으로 도금해야 해, 막대한 비용이 든다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 3에는, 소정의 프레스 조건에서 강관을 단면 V자 형상으로 프레스 성형함으로써 얻어지는 피로 특성이 우수한 액슬 빔이 개시되어 있다.

그러나, 이 특허문헌 3에서는, 켄칭 등의 열처리를 행하지 않아도 우수한 피로 특성을 발휘할 수 있는 액슬 빔을 제공하는 것을 목적으로 하고 있고, 상술한 바와 같은 열처리에 의한 최표면의 탈탄에 관해서는 전혀 언급하고 있지 않다.

일본 특허 공개2005-171337호 공보 일본 특허 공개2006-45592호 공보 일본 특허 공개2009-274077호 공보

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 피로 특성이 우수하고, 또한 저비용의 켄칭 강관 부재, 자동차용 액슬 빔 및 켄칭 강관 부재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 개요는 하기와 같다.

(1) 본 발명의 제1 형태는, GI 아연 도금 강관으로 형성되고, 상기 GI 아연 도금 강관의 길이 방향의 중앙부에 있어서의, 상기 길이 방향에 수직인 단면이, 상기 GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부를 포함하는 대략 V자 형상을 갖고, 상기 접촉부가, Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되고, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가, 상기 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도의 95％ 이상인 켄칭 강관 부재이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 켄칭 강관 부재에서는, 상기 GI 아연 도금 강관의 상기 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가, 500Hv 이상이어도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 켄칭 강관 부재에서는, 상기 접촉부가, 상기 GI 아연 도금 강관의 전체 길이의 50％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되어 있어도 된다.

(4) 본 발명의 제2 형태는, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재를 사용한 자동차용 액슬 빔이다.

(5) 본 발명의 제3 형태는, GI 아연 도금 강관에 대해, 상기 GI 아연 도금 강관의 길이 방향의 중앙부에 있어서의 상기 길이 방향에 수직인 단면이 상기 GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부를 포함하는 대략 V자 형상을 갖도록 프레스 성형하는 프레스 성형 공정과, 아연 도금량 A(g/㎡)와, 850℃ 이상의 최고 가열 온도 T(℃)와, 최고 가열 온도 유지 시간 t(hr)가 하기 (I)식을 만족시키는 조건에서, 프레스 성형된 상기 GI 아연 도금 강관을 가열 유지하는 가열 유지 공정과, 가열 유지된 GI 아연 도금 강관을 수냉에 의해 냉각함으로써, 상기 접촉부를 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화시키는 냉각 공정을 구비하는 켄칭 강관 부재의 제조 방법이다.

(6) 상기 (5)에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 냉각 공정에서는, 가열 유지된 상기 GI 아연 도금 강관을 30℃/s 이상의 냉각 속도로 200℃ 이하까지 수냉해도 된다.

(7) 상기 (5) 또는 (6)에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 아연 도금량 A가 60g/㎡ 이상이어도 된다.

(8) 상기 (5) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 프레스 성형 공정에 있어서, 상기 접촉부가, 상기 GI 아연 도금 강관의 전체 길이의 50％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되도록 상기 GI 아연 도금 강관을 프레스 성형해도 된다.

(9) 상기 (5) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 가열 유지 공정에 있어서, 상기 GI 아연 도금 강관을 통전 가열해도 된다.

(10) 상기 (5) 내지 (9) 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 가열 유지 공정에 있어서, 프레스 성형된 상기 GI 아연 도금 강관을 강재의 Ac3점 이상의 온도 영역에 3초 이상, 30초 이하 유지하도록 통전 가열해도 된다.

(11) 상기 (5) 내지 (10) 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재의 제조 방법에서는, 상기 GI 아연 도금 강관이, Ac3점이 850℃ 이하인 성분계를 가져도 된다.

상술한 켄칭 강관 부재에 따르면, GI 아연 도금 강관에 의해 형성되므로, 아연 도금에 의해 표층의 탈탄이 억제됨으로써, 높은 표층 경도를 확보할 수 있어, 피로 특성이 향상된다.

또한, GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부가 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되어 있으므로, 접촉부의 마찰에 의한 피로 수명의 저하를 억제할 수 있어, 피로 특성이 향상된다. 이로 인해, 박육 경량화가 가능해져, 대폭의 저비용화를 도모할 수 있다.

또한, 상술한 켄칭 강관 부재의 제조 방법에 따르면, (I)식을 만족시키는 조건에서 GI 아연 도금 강관을 가열 유지함으로써, 최저한의 아연 도금량으로 표층의 탈탄을 억제하는 것이나, 가열 유지 설비에 맞추어 아연 도금량을 조정하여 표층의 탈탄을 억제할 수 있다. 따라서, 대폭의 저비용화를 도모할 수 있다.

도 1a는 본 실시 형태에 관한 자동차용 액슬 빔의 평면도이다.
도 1b는 동 자동차용 액슬 빔의 사시도이다.
도 1c는 도 1a의 IC-IC 단면도이다.
도 1d는 도 1a의 ID- ID 단면도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 켄칭 강관 부재를 제조하기 위한 공정 설명도이다.
도 3은 Fe-Zn 합금의 상태도이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 자동차용 액슬 빔(이하, 액슬 빔이라 칭함)에 대해 상세하게 설명한다. 하기의 설명에서는, 켄칭 강관 부재의 구체예로서 액슬 빔을 들고 있지만, 본 발명에 관한 켄칭 강관 부재는 이것에 한정되는 것은 아니며, 산업 기계용 구조 부재나 건축용 구조 부재 등, 높은 피로 특성이 요구되는 다양한 켄칭 강관 부재를 포함한다.

도 1a, 도 1b는, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)을 도시하는 평면도 및 사시도이다. 도 1c는 도 1a의 IC-IC 단면도이고, 도 1d는 도 1a의 ID- ID 단면도이다.

도 1a, 도 1b에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)은 GI 아연 도금 강관(10)을, 그 길이 방향에 수직인 단면(이하, 수직 단면이라 칭함)이 대략 V자 형상으로 되도록 프레스 성형함으로써 형성된다.

또한, 도 1c에 도시하는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)은, 그 길이 방향의 중심부에 있어서 내주면끼리가 접촉하는 접촉부(11)를 갖는다.

이 접촉부(11)는, GI 아연 도금 강관(10)의 내주면의 아연 도금끼리가 접촉한 상태에서 켄칭 처리가 행해짐으로써, Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되어 있다.

이러한 구성에 따르면, 액슬 빔(1)의 강성을 높이는 효과에 더하여, GI 아연 도금 강관(10)의 내주면끼리의 마찰에 의한 피로 수명의 저하를 억제할 수 있어, 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 1d에 도시하는 바와 같이, 중심부로부터 길이 방향으로 이격된 부위에 있어서는, 내주면끼리가 접촉하고 있지 않아도 된다. 즉, 접촉부(11)는 GI 아연 도금 강관(10)의 길이 방향의 중심부에 있어서만 접촉하고 있으면 된다.

단, 피로 특성을 향상시키는 효과를 보다 적합하게 발휘시키기 위해서는, 접촉부(11)가 GI 아연 도금 강관(10)의 전체 길이의 50％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하고, 70％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)은, GI 아연 도금 강관(10)을 프레스 성형 후에 켄칭 처리를 실시함으로써 얻어지므로, 아연 도금의 효과에 의해 표층으로부터의 탈탄을 억제하면서 켄칭 처리를 실시할 수 있고, 이에 의해 액슬 빔(1) 전체의 경도를 높일 수 있다. 즉, 액슬 빔(1)의 표층 부분에서는 탈탄이 억제됨으로써 판 두께(두께) 중심 부분과 동등한 경도를 확보할 수 있고, 이에 의해 피로 특성을 높일 수 있다.

보다 구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)에 있어서는, 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도를 X, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도를 Y로 하여, (Y/X)×100의 값이 95 이상으로 되어 있다. 또한, 마이크로 비커스 경도는 하중 50g에서 측정한다.

(Y/X)×100의 값이 95 미만이면, 표층으로부터의 피로 균열에 의해 피로 수명을 저하시킬 우려가 있다. (Y/X)×100의 값은, 바람직하게는 96 이상이고, 보다 바람직하게는 97 이상이다.

또한, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도 Y는, 마이크로 비커스 경도로 500Hv 이상으로 하는 것이, 높은 피로 특성을 확보하기 위해 바람직하고, 540Hv 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

이와 같이, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)에 의하면, GI 아연 도금 강관(10)에 의해 형성되므로, 아연 도금의 효과에 의해 표층의 탈탄이 억제됨과 함께, 표층의 경도가 향상되어 피로 특성이 향상되는 효과가 얻어지고, GI 아연 도금 강관(10)의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부(11)가 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되어 있으므로, 내주면끼리의 마찰에 의한 피로 수명의 저하를 억제할 수 있어, 피로 특성을 상승적으로 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 박육 경량화가 가능해져, 대폭의 저비용화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서는, GI 아연 도금 강관(10)의 강재의 화학 성분은, 특별히 제한되는 것은 아니지만, 바람직한 성분 조성에 대해 설명한다. 이하, 화학 성분의 함유량에 관한 ％는, 질량％를 의미한다.

GI 아연 도금 강관(10)의 강재의 화학 성분은, C, Si, Mn, Ti, B를 하기의 범위에서 함유해도 된다.

C:0.15∼0.30％

C는, 액슬 빔(1)의 강도를 결정하는 원소이다. 충분한 피로 특성을 갖기 위한 강도를 확보하기 위해서는, C 함유량을 0.15％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.20％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 경도를 Hv500 이상으로 하기 위해서는, 0.24％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 켄칭 크랙의 발생을 억제하기 위해서는, C 함유량을 0.30％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.25％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Si:0.05∼0.35％

Si는, 탈산 원소이며, 또한 고용 강화에 기여한다. 그들 효과를 얻기 위해서는 0.05％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한, Si를 0.35％ 이하로 함으로써 인성을 확보할 수 있다. Si 함유량의 하한은, 보다 바람직하게는 0.20％이고, Si 함유량의 상한은, 보다 바람직하게는 0.30％이다.

Mn:0.5∼2.0％

Mn은, 켄칭성을 향상시키는 원소로, Mn 함유량을 0.5％ 이상으로 함으로써 켄칭성의 향상 효과를 충분히 확보할 수 있으므로 바람직하다. 또한, Mn 함유량을 2.0％ 이하로 함으로써 지연 파괴 특성의 열화를 억제할 수 있고, MnS의 석출을 억제할 수 있고, 전봉 용접부 근방의 피로 강도 저하를 회피할 수 있으므로, 바람직하다.

Mn 함유량의 하한은 보다 바람직하게는 1.0％이고, Mn 함유량의 상한은 보다 바람직하게는 1.7％ 미만이다.

Ti:0.005∼0.05％

Ti는, 강 중 N을 TiN으로서 고정하여 BN의 석출을 억제함으로써, B 첨가에 의한 켄칭성을 안정적이고 또한 효과적으로 향상시키기 위해 작용한다. 따라서, TiN의 화학 양론에 알맞도록, N 함유량의 3.42배 이상으로 첨가하는 것이 바람직하고, N 함유량의 범위로부터 Ti 함유량의 바람직한 범위도 자동적으로 결정된다.

그러나, 탄화물로서 석출되는 분도 있으므로, N의 고정을 보다 확실하게 하기 위해, 이론값보다도 약간 높은 0.005∼0.05％의 범위로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는, 0.01∼0.02％이다.

B:0.0005∼0.005％

B는, 미량의 첨가로 강재의 켄칭성을 대폭 향상시키는 원소이다. B 함유량을 0.0005％ 이상으로 함으로써 켄칭성을 향상시키는 효과가 적합하게 얻어지므로 바람직하고, 0.001％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, B를 0.005％ 이하로 하면, 조대한 B 함유 석출물의 생성을 억제할 수 있고, 또한 취화를 억제할 수 있으므로 바람직하고, 0.002％ 이하로 하면 보다 바람직하다.

또한, GI 아연 도금 강관(10)의 강재 화학 성분은, Al, P, S, N, O를 하기의 범위로 제한해도 된다.

Al:0.08％ 이하

Al은, 용강의 탈산재로서 유용한 원소로, 0.01％ 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, Al은 N을 고정하는 원소이기도 하므로, Al량은 결정 입경이나 기계적 성질에 큰 영향을 미친다. Al 함유량을 0.08％ 이하로 함으로써, 비금속 개재물에 의한 제품 표면 흠집의 발생을 억제할 수 있으므로, 바람직하다. Al 함유량은, 보다 바람직하게는, 0.05％ 이하이다.

P:0.05％ 이하

P는, 내 용접 균열성 및 인성에 악영향을 미치는 원소이므로, 0.05％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.03％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

S:0.0030％ 미만

S는, 인성을 열화시킴과 함께, MnS의 석출에 의해 전봉 용접부 근방의 피로 강도를 저하시키므로, S 함유량은 0.0030％ 미만으로 하는 것이 바람직하고, 0.0026％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

또한, MnS의 석출을 억제하기 위해, S 함유량만의 억제가 아닌, Mn 함유량과의 관계에서 억제하는 것이 바람직하고, 구체적으로는, Mn 함유량과 S 함유량의 곱의 값을 0.0025 이하로 하는 것이 바람직하다. Mn 함유량과 S 함유량의 곱의 값을 0.0025 이하로 함으로써, 전봉 용접부 근방의 피로 강도를 충분히 확보할 수 있다.

N:0.006％ 이하

N은, 질화물 또는 탄질화물을 석출시켜, 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, B 첨가 강에 있어서는 BN의 석출에 의한 켄칭성의 저하나, 전술한 바와 같이, BN의 석출을 방지시키기 위해 첨가되는 Ti에 의해, TiN의 석출에 의한 열간 가공성이나 피로 강도의 저하, 나아가서는 인성의 저하가 문제로 된다. 한편, TiN은 고온시에서의 γ 입경의 조대화를 억제하여 인성을 향상시키는 효과도 갖는다. 그로 인해, 열간 가공성, 피로 강도 및 인성의 밸런스를 최적의 것으로 하기 위해, N 함유량은 0.006％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, N 함유량은, 보다 바람직하게는, 0.001∼0.005％, 더욱 바람직하게는 0.002∼0.004％이다.

O:0.004％ 이하

O는, CaO로 되어 Ca의 첨가 효과를 손상시키는 원소이므로, O 함유량은 0.004％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, GI 아연 도금 강관(10)의 강재 화학 성분은, 선택 원소로서 Mo, Cr, Nb, V, Ni 중 1종 이상을 필요에 따라서 하기의 범위로 함유해도 된다.

Mo:0.05∼0.5％

Mo는, 켄칭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. Mo 함유량이 0.05％ 미만에서는 이들 효과를 충분히 기대할 수 없고, 한편, Mo 함유량이 0.5％를 초과하면 합금 비용이 상승하므로, Mo 함유량은 0.05∼0.5％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

Cr:0.05∼1.0％

Cr은, 필수적인 첨가 원소는 아니지만, 켄칭성을 향상시킬 목적으로 첨가되는 원소이다. 켄칭성의 향상 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cr 함유량을 0.05％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.10％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, Cr 함유량을 1.0％ 이하로 하는 것이, 전봉 용접시의 결함 발생을 억제하는 점에서 바람직하고, 0.8％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Nb:0.01∼0.1％

Nb는, Nb 탄질화물에 의한 석출 강화의 효과를 갖는 것에 더하여, 강재의 결정 입경을 미세화하여, 인성을 향상시키는 효과를 갖고 있다. Nb 함유량이 0.01％ 이상이면, 강도·인성의 향상 효과를 충분히 얻을 수 있다. 한편, Nb 함유량이 0.1％를 초과하여 함유해도, 그 이상의 향상 효과는 기대할 수 없고, 비용의 상승을 초래하는 것에 불과하므로, Nb 함유량은 0.01∼0.1％의 범위로 하는 것이 바람직하다.

V:0.01∼0.1％

V는, V 탄질화물에 의한 석출 강화의 효과를 갖는 원소이다. V 함유량을 0.01％ 이상으로 함으로써, 이들의 효과를 적합하게 발휘할 수 있어 바람직하다. 한편, V 함유량을 0.1％를 초과하여 함유시켜도, 그 이상의 향상 효과는 기대할 수 없고, 합금 비용의 상승을 초래하는 것에 불과하므로, V 함유량은 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni:0.1∼1.0％

Ni는, 켄칭성 및 인성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. Ni 함유량을 0.1％ 이상으로 함으로써, 그 효과를 적합하게 발휘할 수 있어 바람직하다. 한편, Ni 함유량이 1.0％를 초과하면 합금 비용이 상승하므로, Ni 함유량은, 1.0％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

즉, GI 아연 도금 강관(10)의 강재 화학 성분은, C, Si, Mn, Ti, B를 상기 범위에서 함유하고, Al, P, S, N, O가 상기 범위로 제한되고, 선택 원소로서 Mo, Cr, Nb, V, Ni 중 1종 이상을 필요에 따라서 상기 범위에서 함유하고, 잔량부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 화학 성분이면 된다.

또한, 본 발명에서는, 켄칭에 의해, 액슬 빔(1)의 조직을 마르텐사이트로 하기 위해, 소재의 켄칭성을 충분히 확보할 필요가 있다. 켄칭성의 지표로서는, 예를 들어 「철과 강, 74(1988) P.1073」에 의해 종래부터 알려져 있는, 임계 냉각 속도 Vc90(℃/s)을 사용하면 된다. 이것은, 하기 (식A)로 나타내어지는 지표이며, 마르텐사이트의 체적률이 90％ 이상으로 되는 냉각 속도를 의미하고 있다. 따라서, Vc90이 낮을수록 켄칭성이 높아, 냉각 속도가 느려져도 마르텐사이트 조직이 얻어진다.

단, β＝2.7C＋0.4Si＋Mn＋0.8Cr＋2.0Mo＋0.45Ni이다.

또한, B(붕소)가 포함되지 않는 경우, (식A)는 (식A')로 바뀐다.

단, β'＝2.7C＋0.4Si＋Mn＋0.8Cr＋Mo＋0.45Ni이다.

다음으로, 상술한 액슬 빔(1)의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 2의 흐름도에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)의 제조 방법은, 프레스 성형 공정과, 가열 유지 공정과, 냉각 공정을 적어도 갖는다. 이하, 각 공정에 대해 상세하게 설명한다.

(프레스 성형 공정)

우선, 프레스 성형 공정에서는, GI 아연 도금 강관(10)을, 그 길이 방향을 따라 외측으로부터 내측을 향하는 변위를 부여함으로써 대략 V자 형상으로 프레스 성형하여, 액슬 빔(1)의 형상으로 한다. 즉, GI 아연 도금 강관(10)에 대해, 그 길이 방향의 중앙부에 있어서의 길이 방향에 수직인 단면이 GI 아연 도금 강관(10)의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부(11)를 포함하는 대략 V자 형상을 갖도록 프레스 성형한다.

구체적인 형상은 도 1a∼도 1d에 도시하는 바와 같으며, 도 1c에 도시하는 바와 같이 길이 방향의 중앙부에서는 강관 내면끼리가 접촉하는 접촉부(11)가 형성되어 있다. 또한, 양단부는 강관이 편평하게 찌부러진 형상으로 되어 있다.

(가열 유지 공정)

가열 유지 공정에서는, 이와 같이 프레스 성형된 GI 아연 도금 강관(10)을 하기 (1)식을 만족시키는 조건에서 가열 유지한다.

(1)식에 있어서, A는 GI 아연 도금 강관(10)의 아연 도금량(g/㎡)이고, T는 850℃ 이상의 최고 가열 온도(℃)이고, t는 최고 가열 온도 유지 시간(hr)이다. 또한, 본 명세서에 있어서는, 가열 조건에 관한 (T＋273.15)×(logt＋20)을 열처리 파라미터 B라 칭한다.

이 (1)식을 만족시키도록 아연 도금량 A와 열처리 파라미터 B를 설계함으로써, 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도를 X, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도를 Y로 하여, (Y/X)×100의 값을 95 이상으로 할 수 있다.

또한, 최고 가열 온도를 850℃ 이상으로 하고 있으므로, 켄칭 조직을 마르텐사이트로 하는 것이 가능해진다. 한편, 최고 가열 온도가 850℃보다도 저온이면, 2상 영역으로 되어 버려, 켄칭되지 않는 부분이 발생하여 피로 특성이 급격하게 저하된다.

즉, 상술한 (1)식을 만족시키는 조건에서 GI 아연 도금 강관(10)을 가열 유지함으로써, 표층 탈탄의 억제에 의한 피로 특성의 향상 효과와 접촉부(11)의 합금화에 의한 피로 특성의 향상 효과에 의해 피로 특성을 상승적으로 향상시키는 것이 가능해진다.

GI 아연 도금 강관(10)의 아연 도금량 A는 60g/㎡ 이상으로 하는 것이, 보다 확실하게 가열 유지 공정에 있어서의 표층 탈탄을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다.

가열 유지 공정에 있어서의 가열 방법으로서는, 예를 들어 통전 가열, 인덕션 가열, 로 가열이면 된다. 단, 생산성을 고려하면 통전 가열이 보다 바람직하다.

최고 가열 온도의 상한은 특별히 규정되는 것은 아니지만, 과잉으로 고온이면 아연이 강관의 표면으로부터 휘발될 우려가 있다. 따라서, 보다 확실하게 표층 탈탄을 억제하기 위해, 1100℃를 상한으로 해도 된다.

유지 시간은, Ac3점 이상의 온도 영역에서 3초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 유지 시간을 3초 이상으로 하면, 온도 편차가 보다 확실하게 억제됨으로써, 켄칭 후의 경도 편차를 저하시킬 수 있다. 또한, 철을 확실하게 아연 도금층으로 확산시킬 수 있으므로, 안정적으로 Fe-Zn 합금상에 의해 접촉부(11)를 일체화할 수 있다.

또한, 유지 시간은 30초 이하로 하는 것이 바람직하다. 유지 시간을 30초 이하로 함으로써 철이 아연 도금층으로 과잉으로 확산되는 것을 억제할 수 있기 때문이다.

또한, GI 아연 도금 강관(10)을 통전 가열에 의해 가열하면 전류가 편류하여 온도 편차가 발생하는 것이 우려되지만, 유지 시간을 3∼30초로 하면 균일하게 켄칭되는 온도 범위 내로 가열할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)의 제조 방법에서는 850℃ 이상의 최고 가열 온도로 가열 유지하기 위해, 강재의 Ac3점을 최대한 낮추어 두는 것이 유지 가능한 온도 영역이 확대되어, 생산이 용이해지므로, Ac3점이 850℃ 이하인 성분계의 강관을 사용하는 것이 바람직하다.

여기서, Ac3점은 하기 (2)식에 의해 산출할 수 있다.

또한, 켄칭성(Vc90)이 70℃/초 이하로 되는 강재의 성분계는, 하기 (3)식 및 (4)식에 의해 나타낼 수 있다. Vc90은, 90％ 이상이 마르텐사이트로 되는 냉각 속도를 의미한다.

GI 아연 도금 강관(10)을 상기한 조건에서 유지하면, 강관 표면의 아연 도금상은 도 3의 상태도 중에 해칭을 부여한 영역으로 들어가고, 여기로부터 급냉하면 Fe-Zn 합금상으로 되어 V자 단면 형상 부위의 접촉부(11)가 일체화된다. 이 결과, GI 아연 도금 강관(10)의 내주면끼리의 마찰에 의한 피로 수명의 저하를 억제할 수 있어, 피로 강도가 향상된다. 상기한 바와 같이, 도금상으로의 철의 확산이 불충분하면 해칭한 영역보다도 좌측으로 시프트되어, 급냉해도 철-아연 합금상과 철의 혼상으로 되어 버려 바람직하지 않다.

(냉각 공정)

냉각 공정에서는, 가열 유지된 GI 아연 도금 강관(10)을 수냉함으로써, 접촉부(11)를 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화시킨다.

냉각 공정에 있어서는, 30℃/s 이상의 냉각 속도로 200℃ 이하로 될 때까지 냉각하면, 마르텐사이트화에 의해 피로 특성을 더욱 향상시킬 수 있으므로 바람직하다. 냉각 속도를 50℃/s 이상으로 하면 보다 바람직하다.

냉각 방법으로서는, 스프레이 냉각, 침수 냉각, 기수(氣水) 냉각 등이면 되지만, 생산성을 고려하면 스프레이 냉각이 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어진 본 실시 형태에 관한 액슬 빔(1)은, 접촉부(11)가, Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되고, 또한 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가, 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도의 95％ 이상이므로, 표층 탈탄의 억제에 의한 피로 특성의 향상 효과와 접촉부(11)의 합금화에 의한 피로 특성의 향상 효과에 의해 피로 특성을 상승적으로 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 아연 도금을 GA가 아닌 GI로 하고 있는 이유는, GA는 이미 합금화가 진행되어 있으므로 단시간의 가열로도 GI를 장시간 가열한 것과 동일한 상태로 되어, 냉각 후에 철-아연 합금상과 철의 혼상으로 되어 버려, 접촉부(11)를 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화시키는 효과가 불충분해져 버리기 때문이다.

실시예

이하에 실시예를 나타낸다.

발명예 1∼6 및 비교예 1∼3으로서, 0.24％C-0.2％Si-1.2％Mn-0.02％Ti-10ppmB의 성분의 GI 강판을 전봉 용접 후, 프레스 가공, 통전 가열 및 스프레이 냉각을 행함으로써 액슬 빔을 제조하고, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도, 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도 및 피로 특성을 측정하였다. 또한, 발명예 1∼6 및 비교예 1, 2에 관해서는, 접촉부를 합금화에 의해 일체화시켰다.

표 1에 각종 설정 조건과 측정 결과를 나타낸다. A는 도금량(g/㎡), T는 최고 가열 온도(℃), t는 유지 시간(hr), B는 열처리 파라미터, X는 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도, Y는 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도를 의미한다.

B/A의 값이 본 발명의 범위를 만족시키는 발명예 1∼6에서는, 표층으로부터의 탈C가 억제된 효과에 의해, Y/X의 값을 95％ 이상으로 할 수 있어, 접촉부의 합금화에 의한 피로 특성의 향상 효과와의 상승 효과에 의해 높은 피로 특성을 얻을 수 있었다. 발명예 1∼6 중, 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치에 있어서의 마이크로 비커스 경도가 500Hv 이상인 발명예 1∼5에 관해서는, 발명예 6과 비교하여 한층 더 양호한 피로 특성이 얻어졌다.

한편, B/A의 값이 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 비교예 1, 2에 있어서는, 표층으로부터의 탈탄에 의해 표층부의 경도가 저하되게 되어, 접촉부의 합금화에 의한 피로 특성의 향상 효과와의 상승 효과가 얻어지지 않아, 높은 피로 특성을 얻을 수 없었다.

또한, 도금을 실시하지 않은 비교예 3에서는, 표층으로부터의 탈탄에 의해 표층부의 경도가 저하될 뿐만 아니라, 접촉부의 합금화에 의한 피로 특성의 향상 효과조차 얻어지지 않으므로, 역시 높은 피로 특성을 얻을 수 없었다.

상기한 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 피로 특성이 우수하고, 또한 저비용의 액슬 빔을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 피로 특성이 우수하고, 또한 저비용의 켄칭 강관 부재, 자동차용 액슬 빔 및 켄칭 강관 부재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

1 : 액슬 빔
10 : GI 아연 도금 강관
11 : 접촉부
A : 아연 도금량
B : 열처리 파라미터
t : 유지 시간
T : 최고 가열 온도
X : 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도
Y : 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도

Claims (11)

1. GI 아연 도금 강관으로 형성되고,
   상기 GI 아연 도금 강관의 길이 방향의 중앙부에 있어서의, 상기 길이 방향에 수직인 단면이, 상기 GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부를 포함하는 대략 V자 형상을 갖고,
   상기 접촉부가, Fe-Zn 합금상에 의해 일체화되고,
   모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가, 상기 모재 표층으로부터 200㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도의 95％ 이상인 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 GI 아연 도금 강관의 상기 모재 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 마이크로 비커스 경도가 500Hv 이상인 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 접촉부가, 상기 GI 아연 도금 강관의 전체 길이의 50％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 켄칭 강관 부재를 사용한 것을 특징으로 하는, 자동차용 액슬 빔.
5. GI 아연 도금 강관에 대해 상기 GI 아연 도금 강관의 길이 방향의 중앙부에 있어서의 상기 길이 방향에 수직인 단면이 상기 GI 아연 도금 강관의 내주면끼리가 접촉하는 접촉부를 포함하는 대략 V자 형상을 갖도록 프레스 성형하는 프레스 성형 공정과,
   아연 도금량 A(g/㎡)와, 850℃ 이상의 최고 가열 온도 T(℃)와, 최고 가열 온도 유지 시간 t(hr)가 하기 (1)식을 만족시키는 조건에서, 프레스 성형된 상기 GI 아연 도금 강관을 가열 유지하는 가열 유지 공정과,
   가열 유지된 GI 아연 도금 강관을 수냉에 의해 냉각함으로써, 상기 접촉부를 Fe-Zn 합금상에 의해 일체화시키는 냉각 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
   

   
6. 제5항에 있어서,
   상기 냉각 공정에서는, 가열 유지된 상기 GI 아연 도금 강관을 30℃/s 이상의 냉각 속도로 200℃ 이하까지 수냉하는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 아연 도금량 A가 60g/㎡ 이상인 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 프레스 성형 공정에서는, 상기 접촉부가, 상기 GI 아연 도금 강관의 전체 길이의 50％ 이상의 길이에 걸쳐 형성되도록 상기 GI 아연 도금 강관을 프레스 성형하는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
9. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 가열 유지 공정에서는, 상기 GI 아연 도금 강관을 통전 가열하는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
10. 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 유지 공정에서는, 프레스 성형된 상기 GI 아연 도금 강관을 강재의 Ac3점 이상의 온도 영역에 3초 이상, 30초 이하 유지하도록 통전 가열하는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.
11. 제5항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 GI 아연 도금 강관이, Ac3점이 850℃ 이하인 성분계를 갖는 것을 특징으로 하는, 켄칭 강관 부재의 제조 방법.

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