KR970007028B1 - 피삭성이 우수한 열간단조용 비조질강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

피삭성이 우수한 열간단조용 비조질강의 제조방법

제1도는 통상의 열간단조 부품의 제조공정도.

제2도는 발명강과 비교강의 미세조직 사진으로서 (a)는 발명강의 경우, (b)는 비교강의 경우.

제3도는 발명강과 비교강을 가공시 발생된 칩의 형상을 나타낸 사진으로서 (a)는 발명강의 경우, (b)는 비교강의 경우.

본 발명은 차량의 조향장치인 타이로드엔드(Tie Rod End), 볼 조인트(Ball Joint) 및 엔진부품인 컨넥팅 로드(Connection Rod), 크랭크 샤프트(Crank Shaft) 등의 소재로 사용되는 열간단조용강의 제조방법에 관한 것이다. 이를 보다 상세하게 설명하면, 앞에서 언급한 차량 부품들의 가공공정에서 통상적으로 수반되는 소입소려(Quenching and Tempering) 공정을 생략하고도 소입소려처리한 강과 유사한 강도 및 인성을 가지며 또 기존의 열처리강 대비 우수한 피삭성을 가지는 단조품을 제조할 수 있는 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.

상기한 자동차 부품들은 통상 첨부된 제1도에서 보여주는 바와같이 압연재를 1250℃정도의 고온으로 재가열한 후, 열간상태에서 최종 부품형상으로 열간 단조를 하고 소입소려처리를 실시하여 요구되는 강도 및 인성을 확보한다. 상기 공정중 소입 소려 열처리는 850℃ 내외로 가열 후 수냉 혹은 유냉시켜 재질을 경화시키는 소입(Quenching) 공정과 이를 다시 600℃ 내외로 가열후 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering) 처리로 구분된다. 이와같은 공정을 통하여 가공되는 종래의 열간단조 용강의 소재로는 종래 S45C, S50C와 같은 기계구조용 탄소강 또는 SCM435와 같은 기계구조용 합금강을 사용하였으며, 그중에서도 주로 하기표 1과 같은 조성을 갖는 S45C 강종을 사용하였다.

이러한 강종은 소입/소려 처리를 끝낸후 최종제품상태에서의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)이고, 그 기계적 성질은 S45C 강종의 경우 하기 표 2와 같다.

[표 1]

[표 2]

그러나 '70년대 중반부터 유럽 및 일본을 중심으로 소입소려 열처리롤 생략하여 원가절감을 획기적으로 꾀할 수 있는 열간단조용 비조질강을 연구한 결과, '80년대 중반이후 부터는 이러한 강종이 양산되고 있다.

따라서, 이와같은 열간단조용 비조질강의 제조에 관하여 종래 많은 방법들이 제안되었으며, 구중 대표적인 것으로는 일본특개소 55-138056호 및 일본특개소 56-156717, 그리고 대한민국 특허출원 93-23959호가 있다.

일본특개소 55-138056호 및 56-156717호는 석출경화형 원소인 바나듐(V)과 고용강화 및 소입성 증가효과를 나타내는 원소인 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni)이 함유된 중탄소강(0.3%-0.5% C)을 열간단조후 냉각하므로서 소입/소려 열처리를 생략할 수 있는 열간단조용 비조질강의 제조방법이다.

이때 석출경화형 원소인 바나듐은 0.1% 내외로 함유되며, 그 이유는 열간단조후 냉각과정에서 바나듐 탄질화물을 미세하게 석출시키므로서 강을 강화하여, 이후 소입/소려 열처리를 하지 않고도 소입/소려 열처리롤 마친 중탄소 기계구조용강과 유사한 강도를 연기 위함이다.

또한, 이들 비조질강은 망간(Mn)을 약 1.5%정도 함유하고 있는데, 이는 인성을 저하시키지 않고 강도를 높여주는 망간의 특성을 활용하기 위함이다.

이외에 크롬(Cr), 니켈(Ni)을 일정량 첨가하기도 하는데, 이는 강을 강화할 목적으로 첨가한다. 크롬(Cr)은 강중에 고용되어 고용강화 효과를 나타내며 또한 강의 소입성을 증가시켜 강을 강화시킨다.

그러나 상기 방법의 경우 고용강화 및 소입성 증가효과를 나타내는 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 니켈(Ni)의 첨가량을 증대시킬수록 전체적인 강도 및 경도는 증가하는 반면에, 내부소입성 증가로 인하여 드릴가공등 심부가공시 강의 가공성이 심하게 나빠져 생산성이 저감되고 가공비용이 증가하는 문제점이 있다.

대한민국 특허출원 93-23959호인 "고강도, 고인성 열간단조용 비조질강의 제조방법"의 경우 강을 강인화 시키기 위해 Cr : 0.05-0.50%, Ni : 0.02-0.10%를 함유하고 있다. 그러나 이 방법의 경우 강도와 충격치는 높지만 내부소입성 증가로 심부가공성이 좋지않아 드릴(Drill) 가공하는 제품에는 사용하기가 적절치 않은 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기와 같은 종래 비조질강의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 강종 성분과 열간가공조건 및 냉각조건을 적절히 조정하여 심부 드릴가공성등 피삭성이 우수한 열간단조용 비조질강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 중량%로, C : 0.30-0.45%, Si : 0.40-0.80%, Mn : 0.01-0.1%, V : 0.50-0.20%, Ti : 0.01-0.04%, Al : 0.01-0.10%, N : 0.005-0.030%, P : 0.030% 이하, S : 0.02-0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 환봉 또는 사각봉 형태로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열 후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃이상의 온도에서 마무리 단조를 하고, 이후 400℃까지 10-200℃/min의 냉각속도로 냉각시킨 후 공냉하여 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 강을 중량%로, C : 0.30-0.45%, Si : 0.40-0.80%, Mn : 0.8-1.3%, Mo : 0.01-0.1%, V : 0.50-0.20%, Ti : 0.01-0.04%, Al : 0.01-0.10%, N : 0.005-0.030%, P : 0.030% 이하, S : 0.02-0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되도록함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

탄소(C)는 종래의 열처리재(S45C, S50C, SCM435, SCM440) 대비 많이 낮추어 페라이트(Ferrite)의 체적 분율을 증가시킴으로서 강의 충격인성 및 연성을 증가시키나 탄소함량이 너무 낮은 경우에는 필요강도의 확보가 불가능하므로 탄소 함량은 0.30-0.45%로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 고용강화에 의한 강도 증가 및 페라이트의 분율증가 및 분포개선에 의한 인성 증가 효과를 얻기 위해 0.80%까지 첨가하나 그 이상 첨가되면 오히려 인성을 해치게 된다. 그리고 필요강도를 확보하고 또 탈산을 충분히 해주기 위해서 0.40% 이상 첨가되는 것이 바람직한다.

망간(Mn)은 소입성을 증가시키고 오스테나이트(Austenite)에서 페라이트(Ferrite)에로의 변태온도를 낮추어 주어 조직을 미세화시키는 역활을 하는데, 통상의 강중에 약 2.0%까지는 첨가하여도 인성을 떨어뜨리지 않고 강도를 증가시킨다. 그렇지만 망간함유량이 증가할수록 소입성이 증가하여 저온조직이 발생하여 이로 말미암아 피삭성을 크게 해치므로 가공성 저하없이 필요강도를 얻기 위해서는 상기 망간의 함량은 0.8-1.3%로 한정하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 강의 조직을 침상형 페라이트로 바꾸어주어 강을 강인화시키는 역활을 한다. 첨가량이 너무 작으면 효과가 충분하지 않고, 첨가량이 많으면 경제성이 없으므로 상기 몰리브덴의 함량은 0.1-0.1%로 한정하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 단조 후 냉각과정에서 미세한 탄질화물을 형성시켜 강도향상을 피하기 위해 첨가한다. 첨가량이 너무 작으면 강도증가 폭이 적고, 첨가량이 많아지면 강도는 증가하나 인성이 크게 감소함으로 첨가량을 0.05-0.20%로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 강중에서 질소와 결합하여 티타늄 질화물을 형성한다. 티타늄 질화물은 단조 전 재가열과정에서 오스테나이트 입성장을 억제시켜 강의 충격인성을 개선시킨다. 티타늄의 첨가량이 너무 적으면 티타늄질화물 절대량이 적어 효과적으로 입성장을 억제시키기가 곤란하고, 첨가량이 일정량을 넘으면 효과가 포화되므로 고가의 합금원소를 과도히 첨가할 필요는 없다. 따라서 적정 첨가량은 0.010-0.040% 범위이다.

알루미늄(Al)은 탈산 및 알루미늄질화물에 의한 입자미세화를 목적으로 첨가한다. 첨가량이 적으면 효과를 충분히 발휘하지 못하고, 첨가량이 일정량을 초과하면 효과가 포화되므로 첨가량을 0.01-0.10%로 한정하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 비조질강중에서 바나듐, 티타늄, 알루미늄과 결합하여 질화물을 형성한다. 첨가량이 0.005% 이하이면 충분한 질화물이 형성되지 않고 첨가량이 0.030% 이상이면 효과가 포화되므로 첨가량을 0.005-0.030%로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P)은 오스테나이트 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.030%로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 강중에서 망간과 결합하여 망간황화물을 형성한다. 망간황화물은 강의 피삭성을 증가시켜 주므로 비조질강의 가공성 향상을 위해 황은 최소한 0.025% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 첨가량이 많아지면 인성의 저하가 심해지므로 상한을 0.10%로 제한하는 것이 바람직한다.

본 발명에서 상기 황의 함량은 인성을 저하시킬 수 있지만, 상기 규소의 첨가로 인성을 향상시키고, 또한 후술하는 단조작업에 의해 인성을 개선시킬 수 있다. 이와같이, 본 발명에서는 통상적인 제조조건과는 달리, 피삭성 향성을 위해 Si 함량을 증가시켜 S함량을 통상의 강보다 상향조정함을 특징으로 하고 있기 때문에, 열간단조 및 냉각조건의 제어가 매우 중요하다.

즉, 본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강을 환봉 및 사각봉 형태로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열한 후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃ 이상의 온도에서 마무리 한다음 10-200℃/min(800-400℃구간 평균냉각속도)의 냉각속도로 냉각함이 바람직하여, 그 이유는 다음과 같다.

상기와 같은 조성의 강을 주조한 다음 재가열 후 환봉 또는 사각봉 형태로 열간압연을 한다. 이 과정에서 주조조직의 파괴가 이루어지므로 가열온도는 높을수록 좋고 압하비는 클수록 좋다. 봉강압연을 마친 소재는 다시 재가열하여 열간에서 형단조를 실시한다. 열간단조작업을 하기위해 재가열하는 온도는 너무 높으면 오스테나이트 입자가 과도히 성장하게 되어 인성을 떨어뜨리고, 너무 낮으면 단조온도가 낮아지게 되어 다이스의 수명을 현저히 감소시킨다. 따라서 단조 전 재가열 온도는 1200-1300℃가 적절하다. 이후 열간단조시 단조온도는, 오스테나이트 영역범위에서 낮을수륵 충격인성을 향상시키나 너무 낮으면 다이스 수명감소가 크므로 1000℃ 이상이 바람직한다. 단조 이후 냉각속도의 경우 200℃/min 이상으로 급냉이 되면 저온 조직이 생성되어 인성을 해칠수가 있고,10℃/min 이하로 서냉이 되면 입성장 및 석출물 성장이 과도하게 진행되어 강도가 감소하게 되어 목표강도를 확보하기가 어려워진다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표 3과 같은 조성의 빌렛(Billet : 크기 160mm×160mm×L)을 1200℃에서 2시간 가열후 열간에서 압연하여 지름 38mm인 봉강으로 제조하였다. 이대, 발명강(1, 2)의 봉강상태에서의 기계적 성질을 하기표 4에 나타내었다.

[표 3]

[표 4]

상기 발명강(1)을 1250℃로 재가열한 후, 하기표5와 같은 열간가공조건으로 열간에서 2단형 단조하여 자동차 조향장치 부품인 볼 조인트(Ball joint) 및 타이로드엔드(Tied Rod End)를 제조하여 미세조직을 관찰하고 기계적 성질을 조사하여, 그 결과를 각각 제2도(a)와 하기표 5에 나타내었다. 이때, 단조개시 온도 : 약 1200℃, 단조 종료온도 : 약 1000℃였으며, 이와같은 온도로 단조를 마친 소재는 공냉시켰으며 이때의 냉각속도는 약 80℃/min이었다.

발명강(2)를 1250℃로 재가열 후, 하기표 5과 같은 열간가공조건으로 열간에서 자동차 엔진부품인 컨넥팅 로드(Connection Rod)로 단조한 후, 공냉(50℃/min) 및 팬(Fan) 냉각(76℃/min)시켰으며, 이러한 단조재의 기계적 성질을 조사하여 하기 표 5에 나타내었다.

비교강(1, 2)를 하기 표 5와 같은 열간가공조건으로 열간에서 가공하여 기계적 성질을 측정하고 그 결과를 하기 표 5에, 그리고 비교강 1의 미세조직을 관찰하고 그 결과를 제2도의 (b)에 나타내었다.

그리고 비교강(3)은 봉강을 1250℃로 가열후 열간단조를 행하지 않고 방냉 후 기계적성질을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다.

[표 5]

제2도는 열간단조 후 공냉각시켰을때, 강의 미세조직사진으로서 (a)는 발명강(1)의 경우이고 (b)는 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)가 첨가된 기 발명 비조질강인 비교강(1)의 미세조직 사진이다.

제2도에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명강(1)이 비교강(1)에 비해 연질상이 페라이트(Ferrite)상의 분율이 높다. 이는 본 발명강(1)에는 비교강(1)에 첨가된 소입성 증가원소인 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)이 함유되어 있지 않고, 또한 망간(Mn) 함량도 비교강(1) 대비 감소되었기 때문이다. 따라서 발명강(1)은 연질의 메라이트(Ferrite) 분율이 커서 비교강(1) 대비 경도(특히 내부 경도)가 낮아 드릴성과 같은 피삭성이 우수한다. 또한, 본 발명강(1)에는 다량의 망간 및 기타 합금원소들이 첨가되어 있음에도 불구하고 기계가공성을 해치는 저온 조직은 포함되어 있지 않다.

상기표 5에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명강(1, 2) 강종의 경우(발명재 1-3)에는 경도값은 226-240(HB) 범위로써 열처리한 기계구조용 탄소강의 규격[201-269(HB)] 범위를 잘 만족하고 있다. 또한 발명재(1-3)을 비교강(1, 2) 강종의 경우인 비교재(1-4)에 비해 냉각속도가 빠른데도 불구하고 강도 및 경도값이 낮고 대신 연신율이 우수함을 알 수 있다. 이는 발명강(1, 2)의 경우 비교강(1, 2)에 첨가되어 있는 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 배제하고 또 망간(Mn) 함량을 줄였기 때문이다. 크롬 및 몰리브덴은 강도 향상에는 크게 기여하나 기계가공성 및 인성에는 좋지 않는 영향을 미친다.

또한, 비교강(3) 강종을 1250℃에서 가열후 방냉한 비교재(5)의 경우에는 연신율이 매우 낮게 나타남을 알 수 있다.

상기 표 5와 같은 열간가공조건으로 단조를 마친 부품중 발명강(1)과 비교강(1)을 드릴가공하여 몸체 및 머리부분을 제조하였으며, 이때 발생되는 칩(chip)의 형상을 제3도 (a),(b)에 나타내었다.

일반적으로 가공시 칩(chip)은 작게 파쇄되어야 칩처리성이 우수하다고 평가받는다.

제3도에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명강(1)의 경우가 비교강(1)에 비해 칩이 작게 파쇄됨을 알 수 있다. 그리고 가공시 비교강(1)의 경우는 내부 경도 역시 표면경도와 유사하여 내부 드릴가공시 절삭저항이 커져서 가루형태의 미세한 칩도 아울러 발생되었다.

또한 본 발명강(1)의 경우는 비교강(1)에 비해 드릴작업을 마친 구멍주위가 아주 깨끗하여 추가작업이 필요없는데 반해 비교강(1)은 구멍주위엔 완전히 멀어지지 않은 가공찌꺼기가 남아있어 드렬작업후 이것을 제거해주어야만 하였다. 따라서 본 발명강(1)으로 볼조인트(Ball Joint)를 제작하였을 때 비교강(1)과 대비하여 피삭성 향상에 의한 공구수명 개선 및 생산성 향상의 효과가 매우 큼이 입증되었다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강의 성분을 조정하고 열간가공 조건 및 냉각조건을 제어하므로서 피삭성이 우수한 열간단조용 비조질강을 제조할 수 있는 효과가 있으며, 이에 수반하여 피삭성 향상에 의한 공수수명 개선 및 생산성 향상의 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C : 0.30-0.45%, Si : 0.40-0.80%, Mn : 0.8-1.3%, Mo : 0.01-0.1%, V : 0.50-0.20%, Ti : 0.01-0.04%, Al : 0.01-0.10%, N : 0.005-0.030%, P : 0.030%이하,S : 0.02-0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 환봉 또는 사각봉 형태로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃ 이상의 온도에서 마무리 단조를 하고, 이후 400℃까지 10-200℃/min의 냉각속도로 냉각시킨 후 공냉하는 것을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 차량부품용 비조질 단조품의 제조방법.