KR950013194B1 - 저탈탄 고인성 스프링 용강 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

저탈탄 고인성 스프링 용강

제 1 도는 스프링 용강중 Si 함량변화에 따른 스프링 특성변화를 나타내는 그래프.

본 발명은 자동차 현가용 코일 및 판 스프링 용으로 사용되는 저탈탄 고인성 스프링 용강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 열간가공 및 스프링의 특성을 부여하는 열처리 공정시에 발생되는 훼라이트(ferrite)탈탄층의 생성이 억제되는 저탈탄 고인성 스프링 용강에 관한 것이다.

자동차 산업에서의 에너지 절감은 자동차 경량화에 의해 연료를 절약하는 방법이 주류를 이루고 있는 실정이며 특히 자동차 현가용 스프링(automotive suspension spring)은 자동차의 수많은 부품중 경량화에 대한 기여도가 큰 부품중에 하나로 고려되어 왔다. 그러나 현가용 스프링의 그 중량자체를 경량화하기 위해서는 스프링의 고응력화가 우선 고려되어야 하는데 이러한 스프링의 고응력화는 피로강도의 향상보다 변형 저항성(영구변형성, 또는 잔류 전단 변형율)의 향상에 있다. 이는 자동차 무게에 의해 코일 스프링의 영구변형성 저하로 차체가 범퍼(bumper)와 맞닿는 문제점을 방지하기 위한 수단으로 변형저항성이 우수한 재료가 필요하기 때문이다.

이러한 추세에 부응하여 기존에 널리 사용되던 SAE 6150(Cr-V) 합금강보다 변형저항성이 우수한 Si첨가강이 주목받기 시작하였으며 그중 SAE 9260(1.8-2.2% Si, SUP7)은 변형저항성이 우수한 재료로 개발되었으나 제조공정상의 표면탈탄에 의한 피로수명 저하와 표면가공에 소요되는 비용 등이 문제점으로 발생되었다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서 변형저항성을 크게 약화시키지 않는 성분범위에서 표면탈탄을조장하는 실리콘(Si)을 감소시키고 탈탄방지에 효과적인 원소인 크롬(Cr)을 첨가한 SAE 9254가 개발되었다. 그러나 날로 심각해지는 자동차 경량화 추세로 인해 기존의 스프링강에 비하여 변형저항성이 우수한 재료가 절실히 요구되어지고 있는 실정이며 이에 부응하여 스프링의 변형저항성에 유효한 효과를 나타내는 V를 SAE 9254 강종에 소량 첨가시킨 SRS 60강을 개발하여 변형저항성 및 강도의 향상을 이루었으나 탈탄 및 인성의 개선에는 큰 기여를 못하고 있는 실정이다.

이러한 상황으로 볼때 자동차 경량화의 추세에 부응하여 현가용 스프링의 무게를 절감하기 위해서는 변형저항성이 우수한 스프링 재료가 절실히 요구되어지며 이에 따라 고실리콘 첨가량이 필요하며 이러한 강종을 사용할 경우 고실리콘 첨가에 따른 스프링의 제조공정중 열간가공이나 스프링의 특성을 부여하는 열처리시에 소재의 표면에 발생하는 탈탄의 문제점과 고강도화에 따른 스프링 용강의 인성이 저하되는 문제점들을 우선적으로 해결해야 할 필요성이 있다.

일반적으로 제철소에서 강을 생산할때 사용되는 탈탄의 억제방법으로는 크게 다음 4가지로 대별할 수 있는데, 첫째, 가열온도를 낮추고 가열시간을 단축하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법의 경우에는 열간압연이나 열처리설비와 함께 고려해주어야 하므로 가열온도 및 시간의 변화에 어려운 문제점이 있으며, 둘째로는 가열분위기를 조절하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법의 경우에는 분위기 가스중의 일산화탄소의 농도를 크게 높여야 하고 가열로의 밀폐가 요구되므로 열간압연을 실시하는 가열로에 적용하기 힘든 문제점이 있고, 셋째로는 소재의 표면을 도표시켜 가열로 분위기가스와 소재의 접촉을 차단시켜 탈탄을 방지하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법의 경우에는 소재를 전부 도표시켜야 한다는 것과 제조단가의 상승을 유발한다는 문제점이 있고, 넷째로는 소량의 합금원소를 첨가하는 방법을 들 수 있는데, 이 방법의 경우에는 합금원소의 첨가에 따른 비용상승효과는 있으나 첨가되는 원소의 양이 소량이고 탈탄의 억제효과가 큰 경우에는 기존의 가열설비를 그대로 이용할 수 있다는 장점이 있어 바람직한 방법이라고 볼 수 있다.

이와같이 스프링 용강에 있어 합금원소를 첨가하여 탈탄을 억제시키기 위한 종래기술로는 일본특허공개(평) 2-301541호, (평) 1-31960호, (소) 63-216591호,(소) 63-153240호, (소) 58-67847호, (소) 58-27956호 등을 들 수 있다.

상기 일본특허공개 (평) 2-301541호 및, (소) 63-153240호에는 크롬의 함량을 증가(1.5-3.0%)시키거나, 납, 황, 칼슘 등을 첨가하는 방법이 제시되었으나 크롬함량의 증가에 따른 스프링의 변형저항 특성이 저하되는 단점이 있으며, 일본특허공개(소) 62-274058의 경우에는 스프링강의 특성중 변형저항성에 유효한 실리콘의 함량에 있어서 극대화(실리콘 2.5%)를 가져오지 못하는 단점이 있다. 또한, 일본특허공개 (평)1-31960호 및, (소)58-27956호에는 실리콘의 함량을 낮추는 방법 등이 제시되었으나 실리콘의 함량감소에 따른 변형저항성의 향상은 기대하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 일본특허공개 (소) 63-216591호 및, (소) 58-67847호에는 구리(Cu), 주석(Sn), 안티몬(Sb) 및 비소(As) 등을 첨가하여 탈탄억제의 효과를 관찰한 바 있으나, 인성개선의 효과는 없다.

본 발명자들은 스프링특성중 중요한 성질인 변형저항성 및 탈탄에 미치는 각종 원소의 영향에 대해 연구한 결과, Si함량을 증가시키고 Cr 함량을 감소시키는 것이 변형저항성에 효과적이며 스프링 용강의 탈탄억제를 위한 크롬의 함량을 증가하는 것은 소재탈탄의 억제에는 유효한 점은 있으나 크롬의 함량이 다량첨가시 스프링강의 변형저항성의 저하를 초래하기 때문에 탈탄을 억제하면서 변형저항성을 향상시키는 효과를 극대화하기가 어렵다는 결과를 얻었다. 그러나 니켈을 2% 이상 첨가할 경우 스프링강의 변형저항성에 유효한 화학성분(실리콘)의 효과를 극대화하면서 고실리콘 첨가에 따른 스프링의 제조공정상에서 발생하는 소재탈탄의 문제점을 해결할 수 있음을 확인할 수 있었으며 고강도에 따른 인성저하를 해결하기 위한 수단으로 니켈의 첨가가 매우 효과적이라는 결과를 얻었다.

본 발명은, 상기한 연구결과에 근거하여 제안된 것으로서, 스프링강의 변형저항성에 유효한 화학성분(실리콘)의 효과를 극대화하면서 고실리콘 첨가에 따른 스프링의 제조공정상에서 발생하는 소재탈탄 및 인성저하의 문제점을 함께 해결한 저탈탄 고인성 스프링 용강을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다. 이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은, 중량%로, 탄소(C) : 0.3-0.6%, 실리콘(Si) : 2.51-3.50, 망간(Mn) : 0.4-1.5%, 크롬(Cr) : 0.4-1.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.05-2.0%, 바나듐(V) 또는 니오븀(Nb) : 0.05-0.5%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.02% 이하, 니켈(Ni) : 2.0-5.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 저탈탄 고인성 스프링 용강에 관한 것이다.

이하, 상기 성분범위의 한정이유에 대하여 설명한다.

상기 탄소의 함량을 0.3-0.6%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.3% 이하에서의 소입, 소려에 의한 고응력 스프링 용강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵고, 0.6% 이상인 경우에는 인성의 저하 및 고실리콘의 함량으로 파생되는 소재탈탄을 억제하기 어렵기 때문이다.

상기 실리콘의 함량이 2.0% 이하에서는 Si이 훼라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고 변형저항성을 개선하는 효과가 충분하지 못하므로 실리콘 함량을 2.0% 이상 함유되도록 해야 하는데 보다 큰 변형저항성 및 스프링 소재의 경량화를 위해서는 2.50%를 초과하여 함유되는록 하는 것이 보다 바람직하다. 그러나, 실리콘이 3.5% 이상에서는 변형저항성의 개선효과가 포화되고 열처리시 탈탄의 가능성이 높기 때문에 바람직하지 않다.

상기 망간의 함량을 0.4-1.5%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.4% 이하에서는 스프링 용강으로서 강도 및 소입성이 부족하고 1.50% 이상에서는 인성이 저하하기 때문이다.

상기 크롬의 함량은 0.4-1.5%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.4% 이하에서는 충분한 소입성효과가 없고, l.5% 이상에서는 변형저항성의 저하를 초래하기 때문이다.

상기 몰리브덴의 함량은 0.05-2.0%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.05% 이하에서는 변형저항성 개선의 효과가 충분하게 나타나지 않고, 2.0% 이상에서는 그 효과가 포화되어 오스테나이트 중에 용해되지 않은 복합탄화물을 형성하게 되고, 이러한 복합탄화물량이 증가하여 조대한 괴상이 될 경우에는 비금속 개재물과 같은 영향을 미쳐 피로강도의 저하를 초래하기 때문이다.

상기 니켈은 본 발명강에서는 탈탄억제 및 인성을 개선하는 원소로서, 그 함량을 2.0-5.0%로 제한한 이유는 2.0% 이하에서는 탈탄억제 및 인성개선의 효과가 충분하지 못하고 5.0% 이상에서는 이러한 효과가 포화되어 잔류 오스테나이트의 양이 증가하고, 이에 따른 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다.

바나듐 또는 니오븀의 함량은 0.05-0.5%로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 0.05% 이하에서는 변형저항성의 개선효과가 충분하지 못하고, 0.5% 이상에서는 그 효과가 포화하여 오스테나이트중에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속개재물과 같은 작용을 하므로 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다.

상기 인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하며, 상기 황(S)은 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 스프링 특성에 유해한 영향을 미치므로, 그 상한을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기표 1과 같이 조성되는 강들을 시료로 하여 주조후 1200℃에서 2시간 가열한 후, 압연마무리 온도 950℃으로 하여 열간압연을 실시하였으며 이때의 압연비는 70% 이상으로 하였다. 얻어진 소재는 20mm×30mm×10mm의 크기로 절단하여 탈탄거동을 관찰하기 위한 시험편으로 사용하였다.

상기 탈탄시험은 열처리온도 900℃, 1000℃, 1100℃에서 각각 2시간 동안 열처리하였으며 훼라이트 탈탄층의 깊이를 측정하기 위하여 열처리 이후 노냉하였다. 충격인성의 평가를 위한 소입소려 열처리 조건은 850℃에서 30분간 열처리한 후 유냉하여 소려온도(300℃, 400℃) 별로 염욕(salt bath)에 열처리하였다. 상기 경도측정은 록그웰(Rockwell, 150kg) 경도기를 이용하여 측정하였다. 충격시험은 샤르피(charpy) 시험기를 이용하여 측정하였으며 이때 노치 조건은 2mm-U (notch)였다.

시험편에 대한 탈탄층의 깊이는 KS규격(KS D 0216)에 의하여 측정하였다. 이 규격에 의하면, 광학현미경 관찰법과 미소경도 측정법 등이 제안되고 있는데 본 실시예에서 훼라이트 탈탄층의 깊이 측정은 광학현미경 관찰법을 이용하였다.

상기와 같이 측정된 훼라이트 탈탄깊이, 경도 및 충격치는 하기표 2에 나타내었다.

[표 1]

(단위 : 중량%)

[표 2]

상기 표 2에 나타난 바와같이, 현재 통용되고 있는 강인 종래재(1)의 경우 실리콘 함량이 1.5% 수준으로 본 시험온도 범위에서 탈탄층은 0.19-0.44mm, 충격인성은 1.0-2.6kg-m/cm²인 반면에 본 발명재(1-3)의 경우에 실리콘 성분이 2.51-3.5%수준에서 탈탄층 0.01-0.14mm, 충격인성은 4.1-6.5kg-m/cm²의 분포를 갖고 있는 바, 본 발명재(1-3)은 종래재(1)에 비하여 실리콘 함량이 극대화되면서도 훼라이트 탈탄층의 생성이 현저하게 억제되고, 또한 충격인성에 있어서도 우수함을 알 수 있다.

한편, 경도치는 유사수준으로 나타났다.

그리고, 비교재(17)의 경우에는 발명재(1-J)에 비해 탈탄층 및 충격인성은 전반적으로 동등한 수준으로 나타내고 있지만, 비교재(1-7)의 경우에는 실리콘 성분의 범위가 1.0-2.50%이고 발명재(1-3)의 경우에는 2.51-3.50%인 점을 고려해 볼때 본 발명재들은 고실리콘 첨가에 따른 열처리시 소재 탈탄 및 인성을 개선하면서도 스프링 특성(빈형 저항성)에 유효한 실리콘 함량의 극대화는 물론 스프링 소재의 경량화가 가능함을 알 수 있다.

반면에 비교재(8-9)의 경우에는 실리콘 성분이 3.5% 이상으로 첨가하는 바람직하지 않음을 알 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1의 비교재(2, 3, 6, 7, 8, 9) 및 발명재(2-3)과 같은 조성을 갖는 강종을 이용하여 실리콘 함량이 다른 지름 13mm의 선재를 제조한 후, 직경 11mm, 높이 355mm, 유효권수 3.69의 코일 스프링을 제작하였다. 제조된 각 스프링에 대하여 스프링 특성(잔류전단변형율, 피로특성)을 측정하고 그 결과를 제 1 도에 나타내었다. 이때, 잔류전단변형율은 130kg/mm²의 응력하의 80℃의 고온에서 72시간 유지후 측정하였으며, 피로시험은 시험응력을 93±36kg/mm²으로 하여 한 강종당 6회에 걸친 시험을 한 다음 평균값을 취했다.

제 1 도에 나타난 바와같이, 스프링 용강에 실리콘 성분이 증가할수록 잔류전단 변형율은 더욱 작으며, 특히 실리콘함량이 2.50%를 초과하는 경우에는 잔류전단 변형율에 거의 변화가 없는데, 이는 스프링강중 실리콘의 함량이 상기 범위에서 Ni 첨가에 의하여 훼라이트 탈탄층의 생성이 억제되는 실시예 1의 결과와 일치하고 있다.

한편, 스프링에 대한 피로특성 시험결과 스프링 용강층 실리콘의 함량이 2.50-3.50%의 범위에서는 피로수명이 40만회 이상이 되며 약 3%의 Si을 함유하는 경우 피로특성이 최대가 됨을 알 수 있다. 결국 본 발명의 스프링 용강은 실리콘성분의 극대화를 통해서 변형저항성이 극히 우수할 뿐만 아니라 피로수명이 우수함을 알 수 있다.

상기한 바와같이, 본 발명은 적정량의 니켈을 첨가하므로서 스프링강의 변형저항에 유효한 화학성분(실리콘)의 효과를 극대화하면서 고실리콘 첨가에 따른 스프링의 제조공정상에서 발생하는 소재탈탄의 문제점을 완전히 해결하고 고강도 변화에 따른 인성저하의 문제점을 해결한 저탈탄 고인성 스프링 용강을 제공하는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로, 탄소 : 0.3-0.6%, 실리콘 : 2.51-3.50%, 망간 : 0.4-1.5%, 크롬 : 0.4-1.5%, 몰리브덴 : 0.05-2.0%, 바나듐 또는 니오븀 : 0.05-0.5%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.02% 이하, 니켈 : 2.0-5.0%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성됨을 특징으로 하는 저탈탄 고인성 스프링 용강.