KR20200049924A - 크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법 - Google Patents

크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고가 합금 원소인 바나듐의 함량을 감소시키면서도 강도를 우수하게 유지할 수 있는 크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크 샤프트용 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법{STEEL FOR CRANK SHAFT AND MANUFACTURING METHOD OF CRANK SHAFT USING THE SAME}
본 발명은 크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고가 합금 원소인 바나듐의 함량을 감소시키면서도 강도를 우수하게 유지할 수 있는 크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법에 관한 것이다.
크랭크 샤프트는 자동차 엔진의 각 실린더에서 폭발행정으로 얻어진 피스톤의 직선적 동력을 커넥팅로드를 통해 받아 회전운동으로 전환하는 수단으로서, 높은 강도가 요구되는 자동차의 중요한 부품이다.
이러한 크랭크 샤프트는 높은 강도가 요구되기 때문에 종래에는 조질강을 열간 단조로 성형하고 Q/T 열처리를 적절히 실시하여 제조하였다.
하지만, 최근에는 조질강 대비 열처리 공정을 생략할 수 있는 비조질강을 사용하여 크랭크 샤프트를 제조하여 공정상 원가를 절감하고 있다.
그러나 비조질강은 열처리 공정의 생략에 따른 강도 저하를 고가 합금원소인 바나듐(V)을 다량으로 함유시켜서 보완하기 때문에 여전히 제조 원가가 비싼 단점이 있었다.
일본 공개특허 제2000-204432호 (2000.07.25)
본 발명은 종래 적용되고 있는 페라이트와 펄라이트 조직이 형성되는 비조질강의 합금 성분 중 고가의 합금 성분을 절감하면서 나머지 합금 성분의 함량을 최적화시키는 동시에 냉각 공정에서 발생될 수 있는 비용 증가를 최대한 감소시킴으로써 종래 대비 제조 원가를 절감하면서 동등 이상의 강도를 확보할 수 있는 크랭크 샤프트용 강재 및 이를 이용한 크랭크 샤프트 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크 샤프트용 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 강재는 티타늄(Ti): 0.020% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 강재는 항복강도가 600MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 강재는 인장강도가 900MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 강재는 피로강도가 40kgf/㎟ 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 강재는 펄라이트와 페라이트 조직이 형성되고, 펄라이트의 층상간격의 평균은 0.20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 크랭크 샤프트용 강재의 제조방법은 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 준비하는 단계와; 상기 용강을 연주한 다음 압연하여 중간재를 마련하는 단계와; 상기 중간재를 열간 단조하여 성형품으로 성형하는 단계와; 상기 성형품을 공냉 조건으로 냉각하는 단계를 포함한다.
상기 용강을 준비하는 단계에서 상기 용강은 티타늄(Ti): 0.020% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 성형품으로 성형하는 단계는 상기 중간재를 1200 ~ 1300℃로 가열한 후 열간 단조하는 것을 특징으로 한다.
상기 냉각하는 단계에서 냉각된 성형품은 펄라이트와 페라이트 조직이 형성되고, 펄라이트의 층상간격의 평균은 0.20㎛ 이하이며, 항복강도는 600MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 피로강도는 40kgf/㎟ 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 합금 성분 중 고가의 합금 성분인 바나듐(V)의 함량을 감소시키면서, 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)의 함량을 최적화시킴으로써, 페라이트와 펄라이트 조직이 형성되는 비조질강의 제조 단가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 주요 함금 성분의 함량을 최적화함에 따라 제품의 성형 후 별도의 Q/T 열처리를 실시하지 않고, 공냉 방식으로만 냉각을 실시하고도 페라이트와 펄라이트 조직이 형성되는 비조질강을 제조하면서 펄라이트 층간 간격을 종래 대비 약 26% 정도 좁게 형성되도록 하여 항복강도는 600MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 피로강도는 40kgf/㎟ 이상인 크랭크 샤프트를 얻을 수 있다.
도 1a는 종래강에 따른 강재의 조직을 보여주는 SEM 사진이고,
도 1b는 실시예에 따른 강재의 조직을 보여주는 SEM 사진이며,
도 2a 및 도 2b 내지 도 4a 및 4b는 크롬(Cr)의 변화에 따른 실시예와 비교예의 CCT 커브 그래프 및 SEM 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 크랭크 샤프트용 강재는 자동차 엔진에서 얻어진 직선적 동력을 회전운동으로 전환시키는 부품으로 사용되는 크랭크 샤프트용 강재로서, 주요 합금 성분의 함량을 최적화하여 합금 원소의 원가를 절감하면서 항복강도, 인장강도 및 피로강도와 같은 물성을 향상시킨 크랭크 샤프트용 강재이다. 특히 본 발명에 따른 크랭크 샤프트용 강재는 생산성의 향상을 위하여 열간 단조 후 공냉이 가능하도록 합금 성분을 조정하였다.
구체적으로는 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 페라이트와 펄라이트 조직이 형성되는 비조질강을 대상으로 한다. 그리고 티타늄(Ti): 0.020% 이하를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같이 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성 범위의 단위로 기재된 %는 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.37 ~ 0.42%
탄소(C)는 강재의 강도를 향상시키는 중요한 원소이다.
탄소(C)를 0.37% 미만 첨가 시에는 항복강도, 인장강도 및 피로강도 측면에서 목표 물성값을 확보하기 어렸다. 반면에, 탄소(C)를 0.42% 초과 첨가 시에는 가공성이 악화되는 문제가 발생한다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.37 ~ 0.42% 범위로 제한하였다.
규소(Si): 0.55 ~ 0.70%
규소(Si)는 강재의 강도를 향상시키고 페라이트 상을 강화시키는 원소이다.
규소(Si)를 0.55% 미만 첨가 시에는 항복강도, 인장강도 및 피로강도 측면에서 목표 물성값을 확보하기 어렸다. 반면에, 규소(Si)를 0.70% 초과 첨가 시에는 탈탄 현상이 발생하는 문제가 있었다. 따라서 규소(Si)의 함량은 0.55 ~ 0.70% 범위로 제한하였다.
망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%
망간(Mn)은 규소(Si)와 마찬가지로 강재의 강도를 향상시키는 원소이다.
망간(Mn)을 1.45% 미만 첨가 시에는 항복강도, 인장강도 및 피로강도 측면에서 목표 물성값을 확보하기 어렸다. 반면에, 망간(Mn)을 1.65% 초과 첨가 시에는 유해한 편석이 형성되는 문제가 있었다. 따라서 망간(Mn)의 함량은 1.45 ~ 1.65% 범위로 제한하였다.
인(P): 0.025% 이하(0% 제외)
인(P)은 절삭성 및 가공성의 향상을 위하여 첨가되는 원소이다.
인(P)이 0.025%를 초과하여 과다 함유되는 경우에는 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있다. 따라서 인(P)의 최대 함량을 0.025%로 제한하였다.
황(S): 0.020 ~ 0.035%
황(S)은 절삭성 및 가공성의 향상을 위하여 첨가되는 원소이다.
황(S)을 0.020% 미만 첨가 시에는 절삭성 및 가공성의 향상에 대한 효과가 발휘되지 않는 문제가 있고, 황(S)을 0.035% 초과 첨가 시에는 열간 단조 후 파팅라인부에 MnS 개재물에 의해 표면 결함 민감도가 증가하는 문제가 있다. 따라서 황(S)의 함량은 0.020 ~ 0.035% 범위로 제한하였다.
크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%
크롬(Cr)은 강도 향상을 위해서 첨가되는 원소이다.
크롬(Cr)을 0.15% 미만 첨가 시에는 강도 향상에 대한 기대 효과를 달성할 수 없고, 크롬(Cr)을 0.30% 초과 첨가 시에는 인성 및 가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서 크롬(Cr)의 함량은 0.15 ~ 0.30% 범위로 제한하였다.
바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%
바나듐(V)은 미세한 탄질화물을 석출시켜 재료의 강도를 향상시키는 원소이다.
하지만, 바나듐(V)은 고가의 원소로서, 본 발명에서는 원가절감을 위하여 바나듐(V)의 함량을 0.035 ~ 0.055% 범위로 제한하였다. 이때 바나듐(V)의 소량 첨가에 따른 강도의 저하를 본 발명에서는 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)의 함량을 조절하여 보완하였다.
티타늄(Ti): 0.020% 이하
티타늄(Ti)은 규소(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 바나듐(V)과 마찬가지로 강도를 향상시키는 원소이다. 하지만 다량 첨가 피로강도가 저하되는 문제점이 있다.
티타늄(Ti)을 0.020% 초과 첨가 시에는 조대한 개재물 형성에 따른 피로강도가 감소된다. 따라서 티타늄(Ti)의 최대 함량을 0.020%로 제한하였다.
한편, 상기한 성분 이외의 잔부는 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 분순물이다.
본 발명은 크랭크 샤프트용 강재를 제조하기 위하여 상기와 같은 조성을 갖는 용강을 준비한 다음, 준비된 용강을 연주하고 압연하여 중간재를 마련한다.
압연공정이 완료된 중간재는 재가열한 다음 열간 단조하여 성형품으로 성형한다. 이때 재가열 온도는 1200 ~ 1300℃인 것이 바람직하다.
한편, 열간 단조하여 성형된 성형품은 공냉 조건으로 냉각한다.
본 발명은 합금 성분, 특히 크롬(Cr)의 함량을 조절하여 열간 단조된 성형품을 정밀한 냉각 제어를 통하지 않고도, 공냉 조건만으로도 펄라이트와 페라이트 조직이 형성되고, 펄라이트의 층상간격은 0.20㎛ 이하로 제어할 수 있다. 이에 따라 별도의 열처리 설비가 필요 없고, 단순한 공냉 조건으로도 원하는 물성 및 생산성을 확보할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 사용하여 본 발명을 설명한다.
상업 생산되는 크랭크 샤프트용 강재의 생산 조건에 따라 최종 제품을 생산하는 실험을 실시하였으며, 표 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 생상된 용강을 이용하여 연속주조된 블룸으로부터 열간 압연된 중간재를 열간 단조하여 성형품으로 성형한 다음 공냉 조건으로 냉각하였다. 이렇게 제조된 실시예 및 비교예에 따른 크랭크 샤프트용 강재의 물성을 측정하는 실험을 실시하였으며, 그 결과를 하기의 표 2에 나타내었다.
이때 인장강도 및 항복강도의 측정은 ISO 6892 상온에서의 인장시험에 따라 평가하였다.
또한, 피로강도의 측정은 ISO 1143 Metallic materials - Rotating bar bending fatigue testing에 따라 회전 굽힘 피로 평가로 측정하였다.
구분 C Si Mn P S Cr Ti V
종래강
(38MnVS6)		 0.38 0.57 1.4 0.005 0.057 0.15 - 0.1
실시예 1 0.408 0.603 1.6 0.005 0.027 0.205 - 0.048
실시예 2 0.408 0.603 1.6 0.005 0.027 0.205 0.02 0.048
비교예 1 0.40 0.61 1.56 0.0055 0.032 0.209 - -
비교예 2 0.408 0.594 1.59 0.0049 0.019 0.208 0.021 -
구분 인장강도(㎫) 항복강도(㎫) 피로강도(kgf/㎟)
종래강
(38MnVS6)		 909 638 40
실시예 1 981 662 41
실시예 2 999 675 42
비교예 1 863 538 37
비교예 2 873 501 38
표 1 및 표 2에서 알 수 있듯이, 각 성분의 함량을 전술된 바람직한 범위 내로 제어한 실시예 1 및 실시예 2는 종래강 대비 바나듐(V)의 함량을 감소시키면서, 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)의 함량을 최적화시킴으로써, 항복강도는 600MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 피로강도는 40kgf/㎟ 이상인 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 바나듐(V)의 함량을 감소시킴에 따라 생산 원가를 감소시키면서 항복강도, 인장강도 및 피로강도 측면에서 종래 대비 동등 또는 그 이상의 물성 향상을 달성할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
반면에, 비교예 1은 종래강 대비 바나듐(V)의 함유를 제외시켜서 생산 원가를 감소시켰지만, 바나듐(V)을 완전히 제외시키는 조합으로는 목표 물성을 확보할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2은 종래강 대비 바나듐(V)의 함유를 제외시켜서 생산 원가를 감소시켰지만, 바나듐(V) 제외에 따른 강도 저하를 보완하기 위하여 티타늄(Ti)을 첨가하였지만, 티타늄(Ti)의 첨가만으로는 목표 물성을 확보할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 도 1a는 종래강에 따른 강재의 조직을 보여주는 SEM 사진이고, 도 1b는 실시예에 따른 강재의 조직을 보여주는 SEM 사진으로서, 도 1a 및 도 1b에서 확인 할 수 있듯이, 종래강 대비 본 발명에 따른 실시예에서 펄라이트의 층상간격 평균이 약 26% 정도 좁아진 것을 확인할 수 있었고, 이러한 결과가 본 실시예의 물성 향상 원인으로 유추할 수 있다.
또한, 도 2a 및 도 2b 내지 도 4a 및 4b는 크롬(Cr)의 변화에 따른 실시예와 비교예의 CCT 커브 그래프 및 SEM 사진이다.
도 2a 및 도 2b 내지 도 4a 및 4b는 크롬(Cr)을 제외한 나머지 합금 원소의 함량은 실시예 1과 같이 함유하면서 크롬(Cr)의 함량을 변화시킨 실시예 및 비교예에 대한 CCT 커브 그래프로서, 도 2a 및 도 2b는 크롬(Cr)을 함량을 0.05wt%로 조정한 비교예 3이고, 도 3a 및 도 3b는 크롬(Cr)을 함량을 0.20wt%로 조정한 실시예 3이며, 도 4a 및 도 4b는 크롬(Cr)을 함량을 0.40wt%로 조정한 비교예 4이다.
비교예 3 및 4와 실시예 3에 의해 형성된 조직을 관찰하고 펄라이트 층상 간격을 확인한 결과, 비교예 3은 펄라이트 층상 간격이 0.026 ~ 0.578㎛의 분포를 보였고, 비교예 4는 펄라이트 층상 간격이 0.188 ~ 0.371㎛의 분포를 보였으며, 실시예 3은 펄라이트 층상 간격이 0.113 ~ 0.206㎛의 분포를 보였다.
비교예 3 및 4와 실시예 3의 결과와 도 2a 및 도 2b 내지 도 4a 및 4b에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 제시한 크롬(Cr) 함량을 미달하거나 초과할 경우에는 공냉 조건에서 안정적인 펄라이트와 페라이트 조직의 확보가 불가능하며, 펄라이트 층상 간격도 원하는 수준으로 확보가 어렵다는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims (11)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 크랭크 샤프트용 강재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 티타늄(Ti): 0.020% 이하를 더 포함하는 크랭크 샤프트용 강재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 항복강도가 600MPa 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트용 강재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 인장강도가 900MPa 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트용 강재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 피로강도가 40kgf/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트용 강재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 펄라이트와 페라이트 조직이 형성되고,
    펄라이트의 층상간격의 평균은 0.20㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트용 강재.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 열간 단조 후 공냉으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트용 강재.
  8. 중량%로, 탄소(C): 0.37 ~ 0.42%, 규소(Si): 0.55 ~ 0.70%, 망간(Mn): 1.45 ~ 1.65%, 인(P): 0.025% 이하(0% 제외), 황(S): 0.020 ~ 0.035%, 크롬(Cr): 0.15 ~ 0.30%, 바나듐(V): 0.035 ~ 0.055%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 준비하는 단계와;
    상기 용강을 연주한 다음 압연하여 중간재를 마련하는 단계와;
    상기 중간재를 열간 단조하여 성형품으로 성형하는 단계와;
    상기 성형품을 공냉 조건으로 냉각하는 단계를 포함하는 크랭크 샤프트 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 용강을 준비하는 단계하는 단계에서 상기 용강은 티타늄(Ti): 0.020% 이하를 더 포함하는 크랭크 샤프트 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 성형품으로 성형하는 단계는 상기 중간재를 1200 ~ 1300℃로 가열한 후 열간 단조하는 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 제조방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각하는 단계에서 냉각된 성형품은 펄라이트와 페라이트 조직이 형성되고, 펄라이트의 층상간격의 평균은 0.20㎛ 이하이며, 항복강도는 600MPa 이상이고, 인장강도는 900MPa 이상이며, 피로강도는 40kgf/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 크랭크 샤프트 제조방법.
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