KR20150089844A - 스프링 및 그 제조 방법 - Google Patents

스프링 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20150089844A KR1020140010897A KR20140010897A KR20150089844A KR 20150089844 A KR20150089844 A KR 20150089844A KR 1020140010897 A KR1020140010897 A KR 1020140010897A KR 20140010897 A KR20140010897 A KR 20140010897A KR 20150089844 A KR20150089844 A KR 20150089844A
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정희종
박철우
송상민
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현대제철 주식회사
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Abstract

스프링 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다
본 발명에 따른 스프링은 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

스프링 및 그 제조 방법 {SPRING AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 자동차 현가 장치 등에 적용되는 스프링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내구성 및 충격인성이 우수한 스프링 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
스프링은 외부에서 전달되는 충격과 진동을 흡수하여 다른 부품에 전달되지 않도록 하는 역할을 한다.
예를 들어, 자동차 현가 장치에 적용되는 차량의 주행시 노면으로부터 전해오는 충격과 진동을 효과적으로 흡수, 분산시키는 역할을 한다.
이러한 스프링은 피로에 강해야 하므로 기본적으로 높은 인장강도가 요구되며, 그 외에도 경도 및 충격인성이 우수하여야 한다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 특허등록공보 제10-0328087호(2002.04.17. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 절삭가공성이 우수한 고응력 스프링용 강 및 이 강을 이용한 스프링의 제조 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 강도, 경도 및 충격인성이 우수한 스프링 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스프링 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강선을 스프링 형상으로 성형하는 단계; 및 (b) 상기 성형된 결과물을 후처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (a) 단계는 상기 강선을 가열하여 열간에서 스프링 형상으로 성형하는 단계와, 상기 성형된 결과물을 소입 처리하는 단계와, 상기 소입 처리된 결과물을 소려 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 상기 성형된 결과물에 압축력을 가하여 1차 프리세팅(pre-setting)하는 단계와, 상기 1차 프리세팅된 결과물을 쇼트피닝(shot peening)하여 표면을 단련하는 단계와, 상기 쇼트피닝된 결과물에 압축력을 가하여 2차 프리세팅하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 스프링은 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 1950MPa 이상, 연신율 9% 이상 로크웰 경도(HRC) : 50 이상, 충격치 50J 이상을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 스프링 제조 방법에 의하면, 몰리브덴 등의 합금 성분 조절, 스프링 성형 공정 및 후처리 공정 제어를 통하여 인장강도, 경도 및 충격인성이 우수한 스프링을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 스프링은 자동차의 현가 장치 등에 유용하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스프링 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 열간 스프링 성형을 이용할 때의 스프링 제조 방법을 개략적으로 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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스프링 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
스프링
본 발명에 따른 스프링은 일 예로 코일 스프링으로서, 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하를 포함한다.
상기 합금 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 발생하는 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 스프링에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 소입성을 통하여 스프링의 강도 확보에 기여한다.
상기 탄소는 스프링 전체 중량의 0.46~0.50중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 0.46중량% 미만일 경우, 소입성이 충분하지 못한 문제점이 있다. 반대로, 탄소 함량이 0.50중량%를 초과하는 경우 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
스프링에서 실리콘의 역할은 페라이트 내에 고용되어 모재 강도를 강화시키고, 또한 입실론 카바이드 석출물 안정화를 통하여 피로특성 및 영구변형 저항성을 향상시키는데 기여한다.
상기 실리콘은 스프링 전체 중량의 2.05~2.15중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 2.05중량% 미만에서는 상기의 실리콘 첨가효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 실리콘 첨가량이 2.15중량%를 초과하는 경우, 영구변형저항성 포화 및 열처리시 표면 탈탄 발생 우려가 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 스프링 제조시 소입성을 향상시켜 강도 확보에 기여한다.
상기 망간은 스프링 전체 중량의 0.6~0.7중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간 첨가량이 0.6중량% 미만에서는 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간 첨가량이 0.7중량%를 초과하는 경우에는 충격인성 저하 문제점이 있다.
인(P), 황(S)
인(P)은 결정입계에 편석되어, 충격인성을 저하시키는 요인이 된다. 이에 본 발명에서는 인의 함량을 스프링 전체 중량의 0.01중량% 이하로 제한하였다.
황(S)은 저융점 원소로서 입계 편석되어 충격인성을 저하시키고, 유화물을 형성시켜 스프링 특성에 유해한 영향을 미친다. 이에 본 발명에서는 황의 함량을 0.005중량% 이하로 제한하였다.
크롬(Cr)
크롬은 탄소의 확산속도를 낮추어 표면탈탄을 억제하고, 소입성 향상을 통한 스프링 제조시 강도 확보에 기여한다.
상기 크롬은 스프링 전체 중량의 0.65~0.75중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.65중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.75중량%를 초과하는 경우, 취성이 증가하고 영구변형 저항성이 저하될 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 소입성 및 충격인성 향상에 기여한다.
상기 니켈은 스프링 전체 중량의 0.27~0.32중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.27중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니켈의 첨가량이 0.32중량%를 초과하는 경우에는 피로특성이 저하될 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 상온 및 고온 강도 향상, 충격인성 향상에 기여하며, 또한 영구변형 저항성 향상에 기여한다.
상기 몰리브덴은 스프링 전체 중량의 0.01~0.03중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, 스프링 제조시 성형성이 저하될 수 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 탄질화물을 형성하여 결정립 미세화에 기여한다.
상기 바나듐은 스프링 전체 중량의 0.06~0.09중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.06중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 0.09중량%를 초과하는 경우, 조대한 탄질화물 형성에 의해 스프링의 피로특성을 저하시키는 요인이 될 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 소입성 향상을 통한 강도 확보에 기여하고, 부식 피트의 생성을 방지하는 역할을 한다.
상기 구리는 스프링 전체 중량의 0.22~0.28중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.22중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 구리의 첨가량이 0.28중량%를 초과하는 경우, 표면 농화에 의해 스프링 표면 품질을 저하시킬 수 있다.
티타늄(Ti), 알루미늄(Al)
티타늄(Ti)은 탄질화물을 형성하여 결정립을 미세화시키는 역할을 한다.
상기 티타늄은 스프링 전체 중량의 0.02~0.03중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.02중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 티타늄의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, 조대한 탄질화물을 형성하는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)은 탈산제로 작용하며, 또한 티타늄과 마찬가지로 결정립 미세화에 기여한다.
상기 알루미늄은 스프링 전체 중량의 0.03~0.05중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.03중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.05중량%를 초과하는 경우 조대한 탄질화물을 형성하는 문제점이 있다.
산소(O), 질소(N)
산소(O)는 비금속개재물(산화물)이 되어 스프링의 피로특성을 저하시키는 요인이 된다. 이에 본 발명에서는 산소의 함량을 스프링 전체 중량의 0.001중량%(10중량ppm) 이하로 제한하였다.
질소(N)는 티타늄, 알루미늄 등과 결합하여 질화물을 형성하여 결정립 미세화에 기여하나, 다량 함유되면 질화물의 조대화로 인하여 피로특성을 저하시키는 문제점이 있다.
이에 본 발명에서는 질소의 함량을 스프링 전체 중량의 0.005중량%(50중량ppm) 이하로 제한하였다.
본 발명에 따른 스프링은 상기의 합금 성분과 후술하는 스프링 성형 공정 및 후처리 공정 제어에 의하여, 인장강도 1950MPa 이상, 연신율 9% 이상 로크웰 경도(HRC) : 50 이상, 충격치 50J 이상을 나타낼 수 있다.
스프링 제조 방법
이하, 본 발명에 따른 스프링 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스프링 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스프링 제조 방법은 크게, 스프링 성형 단계(S110) 및 후처리 단계(S120)를 포함한다.
스프링 성형 단계(S110)는 전술한 합금 조성을 갖는 강선을 스프링 형상, 예를 들어 코일 스프링 형상으로 성형한다. 성형은 도 2에 도시된 예와 같은 열간 성형이 적용될 수 있다.
후처리 단계(S120)는 스프링의 탄성 한도 향상 및 표면 경도 향상을 위하여 수행된다. 이러한 후처리 단계는 도 2에 도시된 예와 같은 프리세팅(pre-setting), 쇼트피닝(shot peening)이 포함될 수 있다.
도 2는 열간 스프링 성형을 이용할 때의 스프링 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 스프링 제조 방법은 열간 스프링 성형 단계(S211), 소입 처리 단계(S212), 소려 처리 단계(S213), 1차 프리세팅 단계(S221), 쇼트피닝 단계(S222) 및 2차 프리세팅 단계(S223)를 포함한다.
열간 스프링 성형 단계(S211)에서는 본 발명에 따른 합금성분을 갖는 강선을 상변태 온도 이상으로 가열하여, 열간에서 스프링 형상으로 성형한다.
열간 스프링 성형 이전에는 바이트를 이용하여 강선 표면을 절삭하여 치수 조정 및 표면결함을 제거하는 필링(peeling) 공정이 더 수행될 수 있다.
소입 처리 단계(S212)에서는 성형된 결과물의 강도 향상을 위하여 소입 처리한다. 소입 처리는 일 예로, 성형된 결과물을 850~1000℃로 가열하여 30초 내지 10분동안 유지한 후 200℃/sec 이상의 평균냉각속도로 냉각하는 방식으로 수행될 수 있다.
소려 처리 단계(S213)에서는 소입 처리에 의해 소재에 취성이 증가한 것을 해소하기 위하여, 소입 처리된 결과물을 소려 처리한다. 소려 처리는 일 예로, 소입 처리된 결과물을 350~600℃에서 1~3시간동안 유지하는 방식으로 수행될 수 있다.
1차 프리세팅 단계(S221)에서는 소입/소려 처리가 완료된 결과물에 압축하중을 인가하여 일정부분 영구변형을 일으켜 스프링의 탄성한도를 높인다.
쇼트피닝 단계(S222)에서는 1차 프리세팅된 결과물에 강 입자 등을 분사하여 소재 표면의 산화막 제거 및 표면을 단련시켜 경도를 향상시킨다.
2차 프리세팅 단계(S223)에서는 1차 프리세팅과 마찬가지로, 쇼트피닝이 완료된 결과물에 압축하중을 인가하여 일정부분 영구변형을 일으켜 스프링의 탄성한도를 높인다.
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. 스프링의 제조
표 1에 기재된 합금조성을 갖는 강선을 850℃에서 열간 스프링 성형, 950℃에서 5분간 유지 후 유냉하는 소입 처리, 400℃에서 2시간동안 유지하는 소려 처리, 1차 프리세팅, 쇼트피닝, 2차 프리세팅을 통하여 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 스프링을 제조하였다.
[표 1]
Figure pat00001

2. 물성 평가
실시예 1~2 및 비교예 1~2에 따라 제조된 시편들에 대하여 크랙 발생 여부, 인장 시험, 로크웰 경도 및 충격인성 테스트를 실시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
[표 2]
Figure pat00002
표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 합금 성분 범위를 만족하는 실시예 1 및 실시예 2에 따른 스프링의 경우, 인장강도 1950MPa 이상, 연신율 9% 이상 로크웰 경도(HRC) : 50 이상, 충격치 50J 이상을 나타내었다.
반면, 몰리브덴이 첨가되지 않은 비교예 1에 따른 스프링의 경우, 강도가 상대적으로 낮았으며, 충격치가 50J에 미치지 못하였다.
또한, 몰리브덴이 과다하게 첨가된 비교예 2에 따른 스프링의 경우, 표면에 크랙이 발생하였으며, 연신율이 9% 미만이었다.
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 (4)

  1. (a) 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강선을 스프링 형상으로 성형하는 단계; 및
    (b) 상기 성형된 결과물을 후처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 강선을 가열하여 열간에서 스프링 형상으로 성형하는 단계와,
    상기 성형된 결과물을 소입 처리하는 단계와,
    상기 소입 처리된 결과물을 소려 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 성형된 결과물에 압축력을 가하여 1차 프리세팅(pre-setting)하는 단계와,
    상기 1차 프리세팅된 결과물을 쇼트피닝(shot peening)하여 표면을 단련하는 단계와,
    상기 쇼트피닝된 결과물에 압축력을 가하여 2차 프리세팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프링 제조 방법.
  4. 중량%로, 탄소(C) 0.46~0.50%, 실리콘(Si) : 2.05~2.15%, 망간(Mn) : 0.6~0.7%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.005% 이하, 크롬(Cr) : 0.65~0.75%, 니켈(Ni) : 0.27~0.32, 몰리브덴(Mo) : 0.01~0.03%, 바나듐(V) : 0.06~0.09%, 구리(Cu) : 0.22~0.28%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.03%, 알루미늄(Al) : 0.03~0.05%, 산소(O) : 0.001% 이하, 질소(N) : 0.005% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 1950MPa 이상, 연신율 9% 이상 로크웰 경도(HRC) : 50 이상, 충격치 50J 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 스프링.
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