KR20240002518A - Manufacturing method of alloy steel component for cold-forging - Google Patents
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Abstract
본 발명은 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법으로서, 냉간단조용 합금 강재를 냉간단조하는 단계; 및 상기 강재를 침탄 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 침탄 열처리는, 하기 수식 1로 표현되는 이상 결정립의 생성 온도(T) 미만의 온도에서 열처리가 수행될 수 있다.
[수식 1]
T = -65X + 1006℃
(상기 T는 이상 결정립 생성 온도이고, 상기 X는 냉간 가공율임)The present invention provides a method for manufacturing alloy steel parts for cold forging, comprising the steps of cold forging an alloy steel material for cold forging; and carburizing heat treatment of the steel material, wherein the carburizing heat treatment may be performed at a temperature lower than the formation temperature (T) of abnormal grains expressed by Equation 1 below.
[Formula 1]
T = -65X + 1006℃
(T is the abnormal grain formation temperature, and X is the cold working rate)
Description
본 발명은 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 성형률에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 이상 결정립 생성을 억제하는 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a manufacturing method of alloy steel parts for cold forging, and more specifically, to a manufacturing method for suppressing the generation of abnormal grains in alloy steel parts for cold forging according to the forming rate.
자동차 부품 제조를 위한 대표적 단조 공법중 하나인 냉간단조 공법은 치수 정밀도가 높고, 고생산성 및 자동화를 통한 대량 생산이 용이하여 점진적으로 확대 적용되는 추세이다. 하지만, 냉간단조시 발생되는 하중은 금형의 수명 및 부품 치수 정밀도와 직접적인 연관성을 나타내기 때문에 하중 관리를 위한 소재의 경도 물성 제어가(85HRB 이하) 필수적이다.The cold forging method, one of the representative forging methods for manufacturing automobile parts, has high dimensional precision, high productivity, and is easy to mass produce through automation, so it is gradually being applied more widely. However, because the load generated during cold forging is directly related to the life of the mold and the dimensional accuracy of the part, it is essential to control the hardness of the material (85 HRB or less) for load management.
통상적으로 냉간단조용 소재는 상온 성형성을 확보하기 위해 구상화 열처리(Spheroidizing Annealing; 이하, SA)를 필수적으로 수행한다. 한국등록특허 제10-2336758호에는 구상화 열처리 공법을 대체하기 위한 노멀라이징 및 응력완화 열처리(NR(Normalizing) 및 SR(Stress Relief)) 공법을 개발하여 구상화 열처리 소재와 동등한 수준 이상의 냉간 성형성을 구현할 수 있으며, 이와 함께, 열처리 시간을 현저히 단축시켜 CO2 발생량을 저감할 수 있는 열처리를 이용하고 있다.Typically, materials for cold forging undergo spheroidizing annealing (SA) to ensure room temperature formability. In Korean Patent No. 10-2336758, a normalizing and stress relief heat treatment (NR (Normalizing) and SR (Stress Relief)) method was developed to replace the spheroidizing heat treatment method, enabling cold formability equivalent to or higher than that of the spheroidizing heat treatment material. In addition, heat treatment is used that can reduce the amount of CO 2 generated by significantly shortening the heat treatment time.
이러한 공법으로 만들어진 자동차 부품은 단조 후 침탄 열처리를 통해 최종 부품의 기계적 물성 및 내구성을 확보한다. 하지만, 침탄 열처리시 냉간단조품은 오스테나이트 이상 결정립이 발생되어 내구성 저하 및 열변형 증대를 초래한다. 또한 열변형에 영향을 주는 주요 인자로 성형량을 꼽을 수 있는데, 성형량은 성형 시 발생된 전위 밀도 증가로 인해 온도 상승 시 결정립 조대화를 촉진시키고 이로 인해 최종 열변형 증대의 주요 원인이 된다.Automotive parts made using this method are carburized and heat treated after forging to ensure the mechanical properties and durability of the final part. However, during carburization heat treatment, austenite or abnormal grains are generated in cold forged products, resulting in decreased durability and increased thermal deformation. In addition, the main factor affecting thermal deformation is the amount of forming. The amount of forming promotes grain coarsening when the temperature rises due to the increase in dislocation density generated during forming, which is the main cause of the increase in final thermal deformation.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 냉간단조 후 침탄 열처리시 이상 결정립의 생성을 억제함으로써 부품의 품질 안정화에 기여할 수 있는 냉간단조용 합금강의 이상 결정립의 생성을 억제할 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.The present invention is intended to solve various problems including the above problems, and suppresses the generation of abnormal grains in alloy steel for cold forging, which can contribute to stabilizing the quality of parts by suppressing the generation of abnormal grains during carburizing heat treatment after cold forging. The purpose is to provide a manufacturing method that can be used. However, these tasks are illustrative and do not limit the scope of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법을 제공한다. 상기 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법은 냉간단조용 합금 강재를 냉간단조하는 단계; 및 상기 강재를 침탄 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 침탄 열처리는, 하기 수식 1로 표현되는 이상 결정립의 생성 온도(T) 미만의 온도에서 열처리가 수행될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a method for manufacturing alloy steel parts for cold forging is provided. The method for manufacturing alloy steel parts for cold forging includes cold forging an alloy steel material for cold forging; and carburizing heat treatment of the steel material, wherein the carburizing heat treatment may be performed at a temperature lower than the formation temperature (T) of abnormal grains expressed by Equation 1 below.
[수식 1][Formula 1]
T = -65X + 1006℃T = -65X + 1006℃
(상기 T는 이상 결정립 생성 온도이고, 상기 X는 냉간 가공율임)(T is the abnormal grain formation temperature, and X is the cold working rate)
또한, 본 발명에 의하면, 상기 강재는, 상기 강재를 A3 변태점 온도보다 높은 온도에서 노멀라이징(Normalizing)하는 단계; 상기 강재를 A1 변태점 온도까지 로냉하는 단계; 및 상기 강재를 A1 변태점에서 응력 완화(Stress Relief)하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조될 수 있다.In addition, according to the present invention, the steel material includes the steps of normalizing the steel material at a temperature higher than the A3 transformation point temperature; Ronaning the steel to the A1 transformation point temperature; and stress relieving the steel at the A1 transformation point.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 노멀라이징 단계, 로냉하는 단계 및 응력 완화하는 단계는 연속 열처리로에서 수행될 수 있다.Additionally, according to the present invention, the normalizing step, the furnace cooling step, and the stress relieving step can be performed in a continuous heat treatment furnace.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 노멀라이징 단계, 로냉하는 단계 및 응력 완화하는 단계에서 소요되는 열처리 시간은 8시간 이하일 수 있다.Additionally, according to the present invention, the heat treatment time required in the normalizing step, furnace cooling step, and stress relieving step may be 8 hours or less.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 강재는, 탄소(C): 0.17 ~ 0.23 중량%, 실리콘(Si): 0 초과 0.7 중량% 이하, 망간(Mn): 0.45 ~ 0.9 중량%, 크롬(Cr): 0.85 ~ 2.25 중량%, 니오븀(Nb): 0.015 ~ 0.035 중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25 중량% 이하, 붕소(B): 10 ~ 30 ppm, 질소(N): 100 ~ 160 ppm, 산소(O): 0 초과 15 ppm 및 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.In addition, according to the present invention, the steel material contains carbon (C): 0.17 to 0.23% by weight, silicon (Si): more than 0 to 0.7% by weight or less, manganese (Mn): 0.45 to 0.9% by weight, and chromium (Cr): 0.85 to 2.25% by weight, niobium (Nb): 0.015 to 0.035% by weight, nickel (Ni): greater than 0 but less than 0.25% by weight, boron (B): 10 to 30 ppm, nitrogen (N): 100 to 160 ppm, oxygen (O): May contain more than 0 to 15 ppm and the balance of iron (Fe) and other unavoidable impurities.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 노멀라이징하는 단계는, 상기 강재를 870 ~ 930 ℃에서 2 ~ 3 시간 유지하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, according to the present invention, the normalizing step may include maintaining the steel material at 870 to 930° C. for 2 to 3 hours.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 로냉하는 단계는, 상기 강재를 680 ~ 790 ℃까지 0.02 ~ 0.06 ℃/s의 냉각속도로 로냉하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, according to the present invention, the furnace-cooling step may include the step of furnace-cooling the steel material to 680-790°C at a cooling rate of 0.02-0.06°C/s.
또한, 본 발명에 의하면, 상기 응력 완화하는 단계는, 상기 강재를 680 ~ 790 ℃에서 2 ~ 3 시간 유지하는 응력 완화(Stress Relief)하는 단계를 포함할 수 있다.Additionally, according to the present invention, the stress relieving step may include a stress relieving step of maintaining the steel material at 680 to 790° C. for 2 to 3 hours.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 냉간단조 후 침탄 열처리시 오스테나이트 이상 결정립의 발생을 제어함으로써 부품의 품질 안정화에 기여할 수 있는 냉간단조용 합금강 부품의 이상 결정립 생성을 억제할 수 있는 제조방법을 이용하여 품질이 우수한 부품을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.According to an embodiment of the present invention made as described above, by controlling the generation of abnormal austenite grains during carburization heat treatment after cold forging, the generation of abnormal grains in alloy steel parts for cold forging, which can contribute to stabilizing the quality of the parts, can be suppressed. High-quality parts can be produced using existing manufacturing methods. Of course, the scope of the present invention is not limited by this effect.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실험예에 따른 냉간단조용 합금강의 압축 시험편의 압축률별 시험 결과 이미지를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 냉간단조용 합금강 샘플들의 압축률별 이상 결정립이 생성된 온도를 도시한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 결과를 토대로 냉간단조용 합금강 샘플들의 압축률별 이상 결정립이 생성된 온도 데이터를 정리한 그래프이다.1 and 2 are process flow charts schematically illustrating a method of manufacturing alloy steel parts for cold forging according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 are process flow charts schematically illustrating the manufacturing method of alloy steel parts for cold forging according to a comparative example of the present invention.
Figures 5 and 6 are diagrams schematically illustrating test result images for each compression rate of compression test specimens of alloy steel for cold forging according to an experimental example of the present invention.
Figure 7 is a diagram showing the temperature at which abnormal grains were generated according to compression ratio of alloy steel samples for cold forging according to an experimental example of the present invention.
FIG. 8 is a graph summarizing temperature data at which abnormal grains were generated by compression rate of alloy steel samples for cold forging based on the results shown in FIG. 7.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, various preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art, and the following examples may be modified into various other forms, and the scope of the present invention is as follows. It is not limited to examples. Rather, these embodiments are provided to make the present disclosure more faithful and complete and to fully convey the spirit of the present invention to those skilled in the art. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will now be described with reference to drawings that schematically show ideal embodiments of the present invention.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 비교예에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법을 개략적으로 도해하는 공정순서도이다.Figures 1 and 2 are process flow charts schematically illustrating the manufacturing method of alloy steel parts for cold forging according to an embodiment of the present invention, and Figures 3 and 4 are diagrams of alloy steel parts for cold forging according to a comparative example of the present invention. This is a process flow chart that schematically illustrates the manufacturing method.
먼저, 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 비교예에 따른 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법으로서, 제강사에서 냉간 단조성 확보를 위한 구상화 열처리(SA)를 통해 경도 저감 소재를 공급한다. 그러나 구상화 열처리는 최소 24시간 이상 소요가 되어 생산성 저하를 초래한다. First, referring to FIGS. 3 and 4, as a method of manufacturing alloy steel parts for cold forging according to a comparative example of the present invention, a steel mill supplies hardness reduction material through spheroidizing heat treatment (SA) to ensure cold forging properties. However, nodularization heat treatment takes at least 24 hours, resulting in reduced productivity.
또한, 자동차 변속기에 사용되는 합금강은 최종 침탄 열처리재의 내피로 물성을 향상시키기 위해, 크롬(Cr), 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo) 등의 원소를 첨가하는 방향으로 개발이 되었다. 상기 원소를 첨가한 합금강은 고용 강화 및 시멘타이트 확산을 저해하여 경도를 감소시키기에는 장시간의 열처리가 동반되어야 한다.In addition, alloy steel used in automobile transmissions has been developed by adding elements such as chromium (Cr), silicon (Si), and molybdenum (Mo) to improve the fatigue resistance of the final carburized heat treatment material. Alloy steel added with the above elements must be heat treated for a long time to reduce hardness by inhibiting solid solution strengthening and cementite diffusion.
또한, 단조 후 침탄 열처리를 통해 부품의 기계적 물성 및 내구성을 확보한다. 침탄 열처리시 냉간단조품은 오스테나이트 이상 결정립(austenite abnormal grain)이 발생되어 내구성 저하 및 열변형 증대를 초래한다. 상기 이상 결정립이란, 침탄 열처리시 주변 결정립에 비해 비정상적으로 크게 성장하는 결정립을 의미하며, 이러한 영향을 주는 주요 인자로는 성형량을 꼽을 수 있다. 상기 성형량은 냉간단조시 발생된 전위 밀도의 증가로 인해 온도가 상승함에 따라 오스테나이트 이상 결정립의 조대화를 촉진시키고, 이로 인해 최종 열변형 증대의 주요 원인으로 작용된다.In addition, the mechanical properties and durability of the parts are secured through carburizing heat treatment after forging. During carburizing heat treatment, austenite abnormal grains are generated in cold forged products, resulting in decreased durability and increased thermal deformation. The abnormal grains refer to grains that grow abnormally large compared to surrounding grains during carburizing heat treatment, and the main factor affecting this is the amount of molding. As the temperature rises due to the increase in dislocation density generated during cold forging, the forming amount promotes the coarsening of austenite or abnormal grains, which serves as the main cause of the increase in final thermal strain.
이를 해결하기 위해서, 본 발명에서는 냉간단조용 합금 강재를 냉간단조하는 단계 및 상기 강재를 침탄 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 침탄 열처리는, 하기 수식 1로 표현되는 이상 결정립의 생성 온도(T) 미만의 온도에서 열처리가 수행되도록 제어할 수 있다.In order to solve this problem, the present invention includes the steps of cold forging an alloy steel for cold forging and carburizing the steel, and the carburizing heat treatment is performed at a temperature lower than the formation temperature (T) of abnormal grains expressed in Equation 1 below. Heat treatment can be controlled to be performed at a temperature of
[수식 1] [Formula 1]
T = -65X + 1006℃T = -65X + 1006℃
(상기 T는 이상 결정립 생성 온도이고, 상기 X는 냉간 가공율임)(T is the abnormal grain formation temperature, and X is the cold working rate)
여기서, 상기 이상 결정립 생성 온도(T)와 관련된 상세한 내용은 실험예를 참조하여 후술한다.Here, details related to the abnormal grain generation temperature (T) will be described later with reference to experimental examples.
한편, 냉간단조용 합금 강재는 다음과 같은 제조방법으로 구현될 수 있다. 종래의 구상화 열처리(SA) 공정 대신 노멀라이징 및 응력완화 열처리(NR(Normalizing) 및 SR(Stress Relief)) 조건을 적용하여 구상화 열처리 공정을 생략하고 열처리 시간을 보다 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이하에서, 상기 노멀라이징 및 응력완화 열처리는 편의상 응력완화 열처리(NR/SR)로 표기한다. Meanwhile, alloy steel for cold forging can be implemented by the following manufacturing method. By applying normalizing and stress relief heat treatment (NR (Normalizing) and SR (Stress Relief)) conditions instead of the conventional spheroidizing heat treatment (SA) process, the spheroidizing heat treatment process can be omitted and the heat treatment time can be more effectively reduced. Hereinafter, the normalizing and stress relief heat treatment is referred to as stress relief heat treatment (NR/SR) for convenience.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간단조용 합금 강재는, 냉간단조용 합금 조성을 갖는 강재를 A3 변태점 온도(870 ~ 930℃)보다 높은 온도에서 노멀라이징(Normalizing)하는 단계, 상기 강재를 A1 변태점 온도(680 ~ 790 ℃)까지 로냉하는 단계, 및 상기 강재를 A1 변태점 온도(680 ~ 790 ℃)에서 응력 완화(Stress Relief)하는 단계를 포함한다. 상기 노멀라이징 단계, 로냉하는 단계 및 응력 완화하는 단계는 연속 열처리로에서 수행되며, 소요되는 열처리 시간은 8시간 이하로 제어될 수 있다.Referring to Figures 1 and 2, the alloy steel material for cold forging according to an embodiment of the present invention is a steel material having an alloy composition for cold forging that is normalized at a temperature higher than the A3 transformation point temperature (870 to 930°C). A step of furnace cooling the steel to the A1 transformation point temperature (680 to 790°C), and stress relieving the steel to the A1 transformation point temperature (680 to 790°C). The normalizing step, furnace cooling step, and stress relieving step are performed in a continuous heat treatment furnace, and the heat treatment time required can be controlled to 8 hours or less.
구체적으로, 소재 압연 후 균질화 및 경도 저감을 위해 870 ~ 930℃ 온도에서 2 ~ 3시간 유지하는 노멀라이징하는 단계를 수행한다. 이후에, 상변태 중에 발생되는 응력을 최소화하기 위해 680 ~ 790 ℃ 온도까지 0.02 ~ 0.06 ℃/s 냉각 속도로 로냉하는 단계를 수행한다.Specifically, after rolling the material, a normalizing step is performed by maintaining the material at a temperature of 870 to 930°C for 2 to 3 hours to homogenize and reduce hardness. Afterwards, a furnace cooling step is performed at a cooling rate of 0.02 to 0.06 °C/s to a temperature of 680 to 790 °C to minimize the stress generated during phase transformation.
로냉 후에 상변태 중에 발생되는 응력 제거 및 시멘타이트의 분절 혹은 재석출을 위해 680 ~ 790 ℃ 온도에서 2 ~ 3시간 유지하여 응력을 완화하는 단계를 수행한 후 상온까지 냉각한다.After ronin, in order to remove the stress generated during phase transformation and to segment or re-precipitate cementite, the material is maintained at a temperature of 680 to 790°C for 2 to 3 hours to relieve the stress, and then cooled to room temperature.
상술한 조건으로 연속 열처리로를 이용하여 냉간단조용 합금강에 노멀라이징(Normalizing) 열처리 및 응력 완화(Stress Relief) 열처리를 수행하면, 냉간단조 업체에서 요구하는 물성인 경도 85HRB 이하를 만족할 수 있다.If normalizing heat treatment and stress relief heat treatment are performed on alloy steel for cold forging using a continuous heat treatment furnace under the above-mentioned conditions, the hardness of 85HRB or less, which is the physical property required by cold forging companies, can be satisfied.
한편, 본 발명에서 이용되는 합금강은 냉간단조 공법에 폭넓게 적용되는 SCR420hb 강종을 사용할 수 있다. 상기 강종의 조성은 탄소(C): 0.17 ~ 0.23 중량%, 실리콘(Si): 0 초과 0.7 중량% 이하, 망간(Mn): 0.45 ~ 0.9 중량%, 크롬(Cr): 0.85 ~ 2.25 중량%, 니오븀(Nb): 0.015 ~ 0.035 중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25 중량% 이하, 붕소(B): 10 ~ 30 ppm, 질소(N): 100 ~ 160 ppm, 산소(O): 0 초과 15 ppm 및 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.Meanwhile, the alloy steel used in the present invention can be SCR420hb steel type, which is widely applied to cold forging methods. The composition of the steel type is carbon (C): 0.17 to 0.23% by weight, silicon (Si): more than 0 to 0.7% by weight, manganese (Mn): 0.45 to 0.9% by weight, chromium (Cr): 0.85 to 2.25% by weight, Niobium (Nb): 0.015 to 0.035% by weight, Nickel (Ni): greater than 0 and less than 0.25% by weight, Boron (B): 10 to 30 ppm, Nitrogen (N): 100 to 160 ppm, Oxygen (O): greater than 0 It may contain 15 ppm and the balance of iron (Fe) and other unavoidable impurities.
이하에서는, 본 발명의 일 구체예에 따른 냉간 단조용 합금강에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the role and content of each component included in the alloy steel for cold forging according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
탄소(C): 0.17 ~ 0.23 중량%Carbon (C): 0.17 to 0.23% by weight
탄소(C)는 강도와 경도를 증가시키는 원소로 과다하게 첨가할 경우 냉간 단조성이 감소하게 된다. 탄소 함량이 0.17 중량% 미만인 경우 변속기 등에 필요한 강도와 경도를 얻을 수 없고, 0.23 중량%를 초과하는 경우 인성이 감소되므로 상한을 0.23 중량%로 한정한다.Carbon (C) is an element that increases strength and hardness, and if added excessively, cold forging properties are reduced. If the carbon content is less than 0.17% by weight, the strength and hardness required for transmissions, etc. cannot be obtained, and if it exceeds 0.23% by weight, toughness is reduced, so the upper limit is limited to 0.23% by weight.
실리콘(Si): 0 초과 0.7 중량% 이하Silicon (Si): greater than 0 and less than or equal to 0.7% by weight
실리콘(Si)은 페라이트 생성 유도 원소로서, 페라이트에 고용되어 이를 강화시키고 템퍼링 연화 저항성을 높이므로 기존 대비 함량을 대폭 증가시켜 피로 강도가 향상되도록 하였다. 실리콘 함량이 0.7 중량%를 초과하면 단조 성형 저항성이 증가하여 상한을 0.7 중량%로 한정한다.Silicon (Si) is an element that induces the formation of ferrite, and is dissolved in ferrite to strengthen it and increase resistance to tempering softening, so the fatigue strength was improved by significantly increasing the content compared to the existing material. If the silicon content exceeds 0.7% by weight, forging resistance increases, so the upper limit is limited to 0.7% by weight.
망간(Mn): 0.45 ~ 0.9 중량%Manganese (Mn): 0.45 to 0.9% by weight
Mn(망간)은 기지 조직에 고용되어 연신율을 저하시킴이 없이 회전 굽힘 피로강도를 증가시키고 소입성 향상에 큰 영향을 미친다. 또한, 망간은 펄라이트를 미세화하고 페라이트를 고용 강화시켜 합금강의 항복강도를 크게 향상시킨다. 망간의 함량이 0.45 중량% 미만인 경우 상술한 효과를 구현하기 어렵고 0.9 중량%를 초과하면 합금강의 경도가 85 HRB 이하로 제어하기 어려워 상한을 0.9 중량%로 한정한다.Mn (manganese) is dissolved in the matrix structure and increases rotational bending fatigue strength without reducing elongation and has a significant effect on improving hardenability. In addition, manganese greatly improves the yield strength of alloy steel by refining pearlite and strengthening ferrite through solid solution. If the manganese content is less than 0.45% by weight, it is difficult to achieve the above-mentioned effect, and if it exceeds 0.9% by weight, it is difficult to control the hardness of the alloy steel below 85 HRB, so the upper limit is limited to 0.9% by weight.
크롬(Cr): 0.85 ~ 2.25 중량%Chromium (Cr): 0.85 to 2.25% by weight
크롬(Cr)은 시멘타이트 안정화 원소 및 소입성을 증대시키고 강도를 향상시키는 원소이다. 크롬의 함량이 0.85 중량% 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며 2.25 중량%를 초과하는 경우 강도는 증가하나 냉간 단조성이 떨어지게 되므로 크롬의 함량을 0.85 ~ 2.25 중량%로 조절한다.Chromium (Cr) is an element that stabilizes cementite and increases hardenability and improves strength. If the chromium content is less than 0.85% by weight, it is difficult to expect the above-mentioned effect, and if it exceeds 2.25% by weight, strength increases but cold forgeability deteriorates, so the chromium content is adjusted to 0.85 to 2.25% by weight.
니오븀(Nb): 0.015 ~ 0.035 중량%Niobium (Nb): 0.015 to 0.035% by weight
니오븀(Nb)은 미세한 탄화물이나 질화물, 탄질화물을 생성하여 오스테나이트 결정립을 미세화하고, 강의 냉간단조성 및 피로 강도를 높인다. 니오븀의 함량이 0.015 중량% 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며 0.035 중량%를 초과하는 경우 상기 효과는 포화되고 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, 니오븀의 함량을 0.015 ~ 0.035 중량%로 조절한다.Niobium (Nb) produces fine carbides, nitrides, and carbonitrides to refine austenite grains and improve cold forging and fatigue strength of steel. If the niobium content is less than 0.015% by weight, it is difficult to expect the above-described effect, and if it exceeds 0.035% by weight, the effect is saturated and the machinability of the steel deteriorates. Therefore, the niobium content is adjusted to 0.015 to 0.035% by weight.
니켈(Ni): 0 초과 0.25 중량% 이하Nickel (Ni): greater than 0 and less than or equal to 0.25% by weight
니켈(Ni)은 강의 조직을 미세화시키고 소입성을 증대시키는 원소이다. 다만, 니켈의 함량이 0.25 중량%보다 많으면 합금강의 인성은 향상되지만 피삭성이 저하되고 부품의 제조 원가를 높여 경제적이지 못하기 때문에 0.25 중량% 이하로 한정한다.Nickel (Ni) is an element that refines the structure of steel and increases hardenability. However, if the nickel content is more than 0.25% by weight, the toughness of the alloy steel improves, but machinability decreases and the manufacturing cost of parts increases, making it uneconomical, so it is limited to 0.25% by weight or less.
질소(N): 100 ~ 160 ppmNitrogen (N): 100 to 160 ppm
질소(N)는 니오븀과 반응하여 질화물이나 탄질화물을 생성함으로써 오스테나이트 결정립이 미세화되어 강의 냉간 단조성이나 피로 강도가 높아진다. 질소의 함량이 100 ppm 미만인 경우 이러한 효과를 기대하기 어렵다. 한편, 질소의 함량이 160 ppm을 초과하는 경우, 합금강 중에 고용되는 질소는 냉간 단조 시의 변형 저항을 크게 하며, 합금강이 붕소를 함유할 때 질소의 함량이 높으면 BN이 생성되어 붕소의 첨가효과(소입성 향상)를 저하시키므로, 질소의 함량을 100 ~ 160 ppm으로 조절하는 것이 바람직하다.Nitrogen (N) reacts with niobium to produce nitride or carbonitride, which refines the austenite grains and increases the cold forgeability and fatigue strength of the steel. If the nitrogen content is less than 100 ppm, it is difficult to expect this effect. On the other hand, when the nitrogen content exceeds 160 ppm, the nitrogen dissolved in the alloy steel increases the deformation resistance during cold forging, and when the alloy steel contains boron, if the nitrogen content is high, BN is generated and the addition effect of boron ( Since it reduces hardenability (improvement of hardenability), it is desirable to adjust the nitrogen content to 100 to 160 ppm.
산소(O): 0 초과 15 ppmOxygen (O): 0 > 15 ppm
산소(O)는, 강 중에 있어서 산화물계 개재물로서 존재하고, 피로 강도를 저하시키는 원소이기 때문에, 낮을수록 바람직하지만, 15 ppm까지는 허용될 수 있다. 통상, 산소의 함유량을 0 중량％로 하는 것은 어렵지만, 가능하면 최소화하는 것이 바람직하다.Oxygen (O) exists as oxide-based inclusions in steel and is an element that reduces fatigue strength, so the lower the oxygen (O), the more preferable it is, but up to 15 ppm is acceptable. Normally, it is difficult to set the oxygen content to 0% by weight, but it is desirable to minimize it if possible.
몰리브덴(Mo): 0.33 ~ 0.65 중량%Molybdenum (Mo): 0.33 to 0.65% by weight
몰리브덴(Mo)은 냉간 단조용 강재의 담금질성을 높이는 원소이다. 몰리브덴의 함량이 0.33 중량% 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며, 0.65 중량%를 초과하는 경우 연성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.Molybdenum (Mo) is an element that improves the hardenability of steel for cold forging. If the molybdenum content is less than 0.33% by weight, it is difficult to expect the above-mentioned effect, and if it exceeds 0.65% by weight, a problem of reduced ductility may occur.
붕소(B): 10 ~ 30 ppmBoron (B): 10 to 30 ppm
붕소(B)는 소입성 향상 효과가 탁월하고 미량 첨가하여도 소입성에 큰 영향을 미친다. 따라서, 냉간 가공성을 확보하기 위해 망간의 함량을 감소시키는 대신 붕소를 첨가하여 망간의 감소에 의해 유발된 소입성 저감을 상쇄시킬 수 있다. 또한, 붕소는 켄칭(quenching)성을 향상시키는 원소이다. 붕소의 함량이 10 ppm 미만인 경우 상술한 효과를 기대하기 어려우며, 30 ppm을 초과하면 인성을 열화시키고 생산원가가 상승하는 문제점이 있으므로, 10 ~ 30 ppm으로 조절하는 것이 바람직하다.Boron (B) has an excellent effect in improving hardenability and has a significant effect on hardenability even when added in a small amount. Therefore, instead of reducing the manganese content to ensure cold workability, boron can be added to offset the decrease in hardenability caused by the reduction of manganese. Additionally, boron is an element that improves quenching properties. If the boron content is less than 10 ppm, it is difficult to expect the above-mentioned effect, and if it exceeds 30 ppm, toughness deteriorates and production costs increase, so it is preferable to adjust it to 10 to 30 ppm.
상술한 조성을 가지는 냉간 단조용 합금강은 페라이트 및 펄라이트로 이루어지는 미세조직을 가진다. 특히, 펄라이트를 구성하는 시멘타이트는 분절된 형태를 가질 수 있다. 상기 냉간 단조용 합금강의 경도는 85 HRB 이하를 가질 수 있다.The alloy steel for cold forging having the above-described composition has a microstructure consisting of ferrite and pearlite. In particular, cementite, which constitutes pearlite, may have a segmented form. The hardness of the alloy steel for cold forging may be 85 HRB or less.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 냉간단조용 합금강 부품의 성형량에 따른 오스테나이트 이상 결정립의 생성을 억제할 수 있는 제조방법을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.Hereinafter, a manufacturing method capable of suppressing the generation of abnormal austenite grains according to the forming amount of the alloy steel part for cold forging of the present invention will be described in more detail through preferred embodiments of the present invention. However, this is presented as a preferred example of the present invention and should not be construed as limiting the present invention in any way.
본 발명의 실험예로서, SCR420HB 강종을 대상으로 도 2 및 도 4에 도시된 냉간단조용 합금강 부품의 제조방법으로 열처리를 각각 수행하여 냉간단조용 합금강 샘플을 제조하였다. 이후에 도 5에 도시된 바와 같이, 각 샘플의 반지름의 1/2 지점에 해당되는 영역에서 지름 10mm, 높이 15mm 크기로 시편을 채취한 후 도 6에 도시된 바와 같이, 각 시편의 압축률을 상이하게 제어하여 압축시편을 제조한 후 침탄 열처리를 수행하면서 오스테나이트 이상 결정립이 생성되는 온도를 각각 측정하였다.As an experimental example of the present invention, alloy steel samples for cold forging were manufactured by heat treatment of SCR420HB steel using the method for manufacturing alloy steel parts for cold forging as shown in FIGS. 2 and 4. Afterwards, as shown in Figure 5, specimens with a diameter of 10 mm and a height of 15 mm were collected from the area corresponding to 1/2 the radius of each sample, and then, as shown in Figure 6, the compression ratio of each specimen was different. After manufacturing compressed specimens under careful control, carburizing heat treatment was performed and the temperature at which abnormal austenite grains were generated was measured.
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 냉간단조용 합금강 샘플들의 압축률별 오스테나이트 이상 결정립이 생성된 온도를 도시한 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 결과를 토대로 냉간단조용 합금강 샘플들의 압축률별 오스테나이트 이상 결정립이 생성된 온도 데이터를 정리한 그래프이다.Figure 7 is a diagram showing the temperature at which abnormal austenite grains are generated according to the compression rate of alloy steel samples for cold forging according to an experimental example of the present invention, and Figure 8 is a diagram showing the compression rate of alloy steel samples for cold forging based on the results shown in Figure 7. This is a graph summarizing the temperature data at which abnormal austenite grains were generated.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 및 비교예 압축시편들의 압축률이 증가할수록 오스테나이트 이상 결정립 발생 온도가 점점 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과를 도 8에 도시된 바와 같이 그래프로 정리하였다.Referring to Figure 7, it was confirmed that as the compression ratio of the compressed specimens of the Examples and Comparative Examples of the present invention increased, the temperature at which abnormal austenite grains were generated gradually decreased. These results were summarized in a graph as shown in FIG. 8.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예 샘플들(응력완화 열처리(NR/SR) 수행 샘플)은 상술한 수식 1과 같은 1차원 방정식을 만족하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 비교예 샘플들(구상화 열처리(SA) 수행 샘플)은 수식 2와 같은 1차원 방정식을 만족하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 8, it can be seen that the samples of the embodiment of the present invention (samples subjected to stress relaxation heat treatment (NR/SR)) satisfy the one-dimensional equation such as Equation 1 described above. On the other hand, it can be confirmed that the comparative example samples of the present invention (spheroidization heat treatment (SA) performed samples) satisfy the one-dimensional equation as shown in Equation 2.
[수식 2][Formula 2]
T = -125X + 1002℃T = -125X + 1002℃
(상기 T는 이상 결정립 생성 온도이고, 상기 X는 냉간가공율임)(T is the abnormal grain formation temperature, and X is the cold working rate)
본 발명의 실시예 샘플들이나 비교예 샘플들 모두 1차원 방정식으로 표현되는 수식 1과 수식 2를 각각 만족하지만, 냉간단조 후 열처리 공정을 수행할 때 성형량에 따라 침탄 열처리 온도 범위에 대해서 선택 범위가 넓다는 측면에서 본 발명의 실시예 샘플들(응력완화 열처리(NR/SR) 수행 샘플)이 본 발명의 비교예 샘플들(구상화 열처리(SA) 수행 샘플) 대비 유리하다는 것을 확인할 수 있다.Both the example samples and the comparative examples of the present invention satisfy Equation 1 and Equation 2, respectively, expressed as one-dimensional equations, but when performing the heat treatment process after cold forging, there is a selection range for the carburization heat treatment temperature range depending on the amount of forming. In terms of breadth, it can be seen that the example samples of the present invention (samples subjected to stress relief heat treatment (NR/SR)) are advantageous compared to the comparative examples samples of the present invention (samples subjected to spheroidization heat treatment (SA)).
일반적으로 강재의 가공이 이루어질 때, 열처리 온도가 증가함에 따라 공정 시간이 단축될 수 있다. 하지만, 동일한 압축률로 성형가공이 이루어진다고 가정하면, 비교예 샘플 대비 실시예 샘플에서 오스테나이트 이상 결정립의 생성 온도 영역이 더 높기 때문에, 본 발명에 개시된 냉간단조용 합금강의 제조방법을 이용할 경우, 부품사에서 부품 가공시 열처리 온도 조건을 상당히 폭 넓게 제어할 수 있는 효과가 있다. 특히, 압축 성형량의 변화에 따른 오스테나이트 이상 결정립의 생성 온도 조건을 정리함에 따라, 부품사에서 적절한 가공 온도범위(오스테나이트 이상 결정립 생성 온도 미만으로 침탄 열처리를 수행)를 제시해줄 수 있다는 측면에서 부품 품질의 안정화에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.In general, when processing steel materials, the process time can be shortened as the heat treatment temperature increases. However, assuming that forming processing is performed at the same compression rate, the temperature range for forming austenite or higher grains is higher in the example sample compared to the comparative example sample, so when using the method for manufacturing alloy steel for cold forging disclosed in the present invention, the parts This has the effect of allowing the company to control the heat treatment temperature conditions to a fairly wide range when processing parts. In particular, by organizing the generation temperature conditions of austenite or abnormal grains according to changes in compression molding amount, parts companies can suggest an appropriate processing temperature range (carburizing heat treatment below the austenite or abnormal grain generation temperature). It is believed that this can contribute to stabilizing parts quality.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.
Claims (8)
상기 강재를 침탄 열처리하는 단계;를 포함하고,
상기 침탄 열처리는, 하기 수식 1로 표현되는 이상 결정립의 생성 온도(T) 미만의 온도에서 열처리가 수행되는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.
[수식 1]
T = -65X + 1006℃
(상기 T는 이상 결정립 생성 온도이고, 상기 X는 냉간 가공율임)Cold forging an alloy steel material for cold forging; and
Comprising: carburizing heat treatment of the steel,
The carburizing heat treatment is performed at a temperature below the formation temperature (T) of abnormal crystal grains expressed in Equation 1 below,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
[Formula 1]
T = -65X + 1006℃
(T is the abnormal grain formation temperature, and X is the cold working rate)
상기 강재는,
상기 강재를 A3 변태점 온도보다 높은 온도에서 노멀라이징(Normalizing)하는 단계;
상기 강재를 A1 변태점 온도까지 로냉하는 단계; 및
상기 강재를 A1 변태점에서 응력 완화(Stress Relief)하는 단계;를 포함하는 방법으로 제조되는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 1,
The steel material is,
Normalizing the steel at a temperature higher than the A3 transformation point temperature;
Ronaning the steel to the A1 transformation point temperature; and
Manufactured by a method comprising: stress relieving the steel at the A1 transformation point,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 노멀라이징 단계, 로냉하는 단계 및 응력 완화하는 단계는 연속 열처리로에서 수행되는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 2,
The normalizing step, furnace cooling step, and stress relieving step are performed in a continuous heat treatment furnace,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 노멀라이징 단계, 로냉하는 단계 및 응력 완화하는 단계에서 소요되는 열처리 시간은 8시간 이하인,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 2,
The heat treatment time required in the normalizing step, furnace cooling step, and stress relieving step is 8 hours or less,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 강재는,
탄소(C): 0.17 ~ 0.23 중량%, 실리콘(Si): 0 초과 0.7 중량% 이하, 망간(Mn): 0.45 ~ 0.9 중량%, 크롬(Cr): 0.85 ~ 2.25 중량%, 니오븀(Nb): 0.015 ~ 0.035 중량%, 니켈(Ni): 0 초과 0.25 중량% 이하, 붕소(B): 10 ~ 30 ppm, 질소(N): 100 ~ 160 ppm, 산소(O): 0 초과 15 ppm 및 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 1,
The steel material is,
Carbon (C): 0.17 to 0.23 wt%, Silicon (Si): greater than 0 to 0.7 wt% or less, Manganese (Mn): 0.45 to 0.9 wt%, Chromium (Cr): 0.85 to 2.25 wt%, Niobium (Nb): 0.015 to 0.035% by weight, Nickel (Ni): more than 0 and less than or equal to 0.25% by weight, Boron (B): 10 to 30 ppm, Nitrogen (N): 100 to 160 ppm, Oxygen (O): more than 0 and 15 ppm and the remainder. Containing iron (Fe) and other inevitable impurities,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 노멀라이징하는 단계는,
상기 강재를 870 ~ 930 ℃에서 2 ~ 3 시간 유지하는 단계를 포함하는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 2,
The normalizing step is,
Comprising the step of maintaining the steel at 870 to 930 ° C. for 2 to 3 hours,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 로냉하는 단계는,
상기 강재를 680 ~ 790 ℃까지 0.02 ~ 0.06 ℃/s의 냉각속도로 로냉하는 단계를 포함하는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 2,
The ronin step is,
Including the step of furnace-cooling the steel to 680 to 790 °C at a cooling rate of 0.02 to 0.06 °C/s,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
상기 응력 완화하는 단계는,
상기 강재를 680 ~ 790 ℃에서 2 ~ 3 시간 유지하는 응력 완화(Stress Relief)하는 단계를 포함하는,
냉간단조용 합금강 부품의 제조방법.According to claim 2,
The stress relieving step is,
Comprising a stress relief step of maintaining the steel at 680 to 790 ° C for 2 to 3 hours,
Manufacturing method of alloy steel parts for cold forging.
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| KR1020220079796A KR20240002518A (en) | 2022-06-29 | 2022-06-29 | Manufacturing method of alloy steel component for cold-forging |
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2022
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