KR101446135B1 - 고강도 및 내구수명이 우수한 현가 스프링용 강 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 C:0.50 ~ 0.70 중량%, Si:0.25 ~ 0.60 중량%, Mn:0.80 ~ 1.20 중량%, P:0.020 중량% 이하(0 미포함), S:0.015 중량% 이하(0 미포함), Ni:0.10 ~ 0.50 중량%, Cr:0.70 ~ 1.20 중량%, Mo:0.10 ~ 0.30 중량%, Al:0.010 ~ 0.040 중량%, V:0.08 ~ 0.25 중량%, Ti:0.0040 중량% 이하(0 미포함), Nb:0.010 ~ 0.050 중량% 및 N:0.0090 중량% 이하(0 미포함)를 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피 불순물 이루어진 스프링용 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 강재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정공정을 거쳐 연속주조공정을 통해 주조재를 제조하는 단계; 및 상기 주조재를 1100 ~ 1300℃의 온도로 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조하는 단계;를 포함하는 스프링용 강의 제조방법을 제공한다.

Description

고강도 및 내구수명이 우수한 현가 스프링용 강 및 이의 제조방법{STEEL FOR SUSPENSION SPRING WITH HIGH STRENGTH AND EXCELLENT FATIGUE AND METHOD PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 현가(懸架)용 스프링, 판스프링 등 자동차에 사용되는 스프링에 있어서, 부식 환경 및 일반 환경에서도 고강도, 고인성 및 높은 내구 피로 수명을 확보할 수 있는 스프링용 강에 관한 것이다.

종래, 현가용 스프링이나 판스프링 등 자동차 및 각종 산업기계에 사용되는 스프링용 강은 한국산업규격(KS)에서 SPS7, SPS6, SPS5 및 SPS4에 상당하는 강들이다. 근래의 자동차는 경량화 지향으로, 현가장치인 스프링 자체의 경량화가 요구되고 있다. 이를 위해 스프링 설계응력의 상승과 그에 대응할 수 있는 고응력 스프링강의 개발이 요구되어 왔다. 그 중에서, 특히 차량에 적용되는 판스프링의 판두께가 25 mm 이상인 두꺼운 판스프링의 경우, 경도를 더 높일 필요가 있고 고강도화가 필수적인 요건이다. 또한, 내구 피로수명의 향상 또한 절실하게 요구되고 있는 상황이다. 그러나 고강도화에 따른 소재의 인성이 저하되는 문제를 극복하는 것이 큰 과제라고 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 판간 이물질 집적에 따른 공식(pitting corrosion) 발생으로 공식을 기점으로 한 피로 파손 및 수소 취화 균열에 대한 민감성이 증가되어 내구피로수명을 저하시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 담금질성이 뛰어나고, 부식 환경 및 일반 환경에서도 고강도 및 우수한 피로수명을 달성하며, 고강도화에 따른 인성 저하를 방지하는 고내구성 스프링용 강을 제공한다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 C:0.50 ~ 0.70 중량%, Si:0.25 ~ 0.60 중량%, Mn:0.80 ~ 1.20 중량%, P:0.020 중량% 이하(0 미포함), S:0.015 중량% 이하(0 미포함), Ni:0.10 ~ 0.50 중량%, Cr:0.70 ~ 1.20 중량%, Mo:0.10 ~ 0.30 중량%, Al:0.010 ~ 0.040 중량%, V:0.08 ~ 0.25 중량%, Ti:0.0040 중량% 이하(0 미포함), Nb:0.010 ~ 0.050 중량% 및 N:0.0090 중량% 이하(0 미포함)를 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 스프링용 강을 제공한다.

바람직하게는, 상기 강은 ?칭 및 450℃에서 템퍼링을 실시한 후, 인장강도 170 kgf/㎟ 이상, 충격치 25 J 이상, 표면경도 49 HRc 이상 및 오스테나이트 결정입도가 ASTM No.9 이상일 수 있다.

바람직하게는, 상기 강은 판스프링 성형 후 3점 굽힘 동적 피로 내구 수명 시험시 최대 응력 조건 120 kgf/㎟하에서 피로수명 10만 사이클 이상일 수 있다.

또한, 본 발명은

C:0.50 ~ 0.70 중량%, Si:0.25 ~ 0.60 중량%, Mn:0.80 ~ 1.20 중량%, P:0.020 중량% 이하(0 미포함), S:0.015 중량% 이하(0 미포함), Ni:0.10 ~ 0.50 중량%, Cr:0.70 ~ 1.20 중량%, Mo:0.10 ~ 0.30 중량%, Al:0.010 ~ 0.040 중량%, V:0.08 ~ 0.25 중량%, Ti:0.0040 중량% 이하(0 미포함), Nb:0.010 ~ 0.050 중량% 및 N:0.0090 중량% 이하(0 미포함)를 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피 불순물 이루어진 강재를 용융시켜 용탕으로 만든 후, 탈산 및 탈황, 진공 탈가스 처리를 통한 청정공정을 거쳐 연속주조공정을 통해 주조재를 제조하는 단계; 및

상기 주조재를 1200 ~ 1250℃의 온도로 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조하는 단계;

를 포함하는 스프링용 강의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 압연재를 850 내지 880℃ 온도로 가열 후, 수냉으로 ?칭하는 단계; 및 420 내지 450℃ 온도에서 템퍼링하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 강은, 담금질성 향상에 따른 고강도화가 가능하며, 고강도화에 따른 인성저하를 결정립 미세화를 통해 기존 적용강재와 동등 수준을 확보할 수 있다. 또한, 부식저항 원소 첨가에 따라 부식환경내에서도 뛰어난 내구 피로수명을 확보 할 수 있다. 따라서 고강도 및 인성을 확보함에 따라 기존의 판스프링 매수를 절감하여 스프링 경량화에 기여할 수 있다.

도 1은 발명강과 비교강의 최대응력조건하 단품 피로 한계 내구 수명을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 2는 발명강과 비교강을 φ10 mm의 회전굽힘피로시험편으로 제작하여 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 3b는 발명강과 비교강의 스프링 성형온도에서 ?칭 후 오스테나이트 결정입도 크기를 나타내는 도면이다.
도 4는 발명강과 비교강의 조미니 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. 용어 약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명의 스프링용 강은 C:0.50 ~ 0.70 중량%, Si:0.25 ~ 0.60 중량%, Mn:0.80 ~ 1.20 중량%, P:0.020 중량% 이하(0 미포함), S:0.015 중량% 이하(0 미포함), Ni:0.10 ~ 0.50 중량%, Cr:0.70 ~ 1.20 중량%, Mo:0.10 ~ 0.30 중량%, Al:0.010 ~ 0.040 중량%, V:0.08 ~ 0.25 중량%, Ti:0.0040 중량% 이하(0 미포함), Nb:0.010 ~ 0.050 중량% 및 N:0.0090 중량% 이하(0 미포함)를 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피 불순물 이루어진다.

이하, 본 발명에 스프링용 강의 성분을 상세히 설명한다.

C : 0.50 ~ 0.70 중량%

C는 강의 강도를 높이는데 유효한 원소이다. C는 ?칭 전에는 가열시 오스테나이트 기지에 고용한다. ?칭 후에는 과포화된 C로 인해 강한 마르텐사이트 조직을 형성한다. C의 함량이 0.50 중량% 미만이면 스프링강으로서의 필요한 강도를 얻을 수 없고, 0.70 중량%를 초과하면 스프링이 지나치게 경해진다. 따라서, C의 함량은 0.50 ~ 0.70 중량%인 것이 바람직하다.

Si : 0.25 ~ 0.60 중량%

Si는 탈산원소로서 중요하고 충분한 탈산효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.05중량% 이상 필요하다. Si는 페라이트 강화 원소로서 페라이트에 고용되어 기계적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는다. 그러나 Si의 함량이 0.25 중량% 미만인 경우, 경화능 및 탈산에 불리하며, 0.60 중량%를 초과한 경우에는 강재의 인성을 저하시키며 소성가공성을 해친다. 따라서, Si의 함량은 0.25 ~ 0.65 중량%인 것이 바람직하다.

Mn : 0.80 ~ 1.20 중량%

Mn은 강의 담금질성을 향상시켜 강도를 증대 시키는데 주요원소 중 하나이다. 강도 확보 및 경도 증대를 위해 최소 0.80 중량% 이상 필요하다. Mn의 함량이 1.20 중량%를 초과하여 첨가될 경우 강재의 미세 밴드(Band) 조직 및 중심편석을 조장하고, 주조 후 응고시 황(S)과 결합하여 다량의 MnS 정출을 촉진하여 강재의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, Mn의 함량은 0.60 ~ 1.20 중량%인 것이 바람직하다.

P : 0.020 중량% 이하(0 미포함)

P는 오스테나이트 입계에 석출하여 입계를 취화함으로써 충격치를 저하시키는 원소이다. P는 0.020 중량%를 초과하여 함유할 경우 이러한 문제를 가속화시킬 수 있다. 따라서 P의 함량은 0.020 중량%이하인 것이 바람직하다.

S : 0.015 중량% 이하(0 미포함)

S는 강중에서는 황화 개재물로 존재하며 특히 Mn과 결합하여 MnS 정출물을 형성한다. MnS는 열간가공시 연신되어 강의 이방성을 증대시켜 기계적 성질에 악영향을 미치며, 피로수명을 저하시키는 원인이 될 수도 있다. 그러나 적정량의 첨가를 통해서 강의 피삭성을 개선 할 수 있는 이점도 있다. 따라서, S의 함량은 0.015 중량% 이하인 것이 바람직하다.

Ni : 0.10 ~ 0.50 중량%

Ni은 오스테나이트 안정화 원소로 강의 내식성을 증가시키며, 적정량 함유 시 저온에서 인성을 확보하는데 유리한 원소로 담금질성을 개선한다. Ni의 함량이 0.10 중량%이하인 경우에는 그 효과를 충분히 기대 할 수 없다. Ni는 고가의 합금원소로서 과다 함유시 제조원가가 상승한다. 따라서, Ni의 함량은 0.10 ~ 0.50 중량%인 것이 바람직하다.

Cr : 0.70 ~ 1.20 중량%

Cr은 내식성을 향상시킴과 동시에 강의 담금질성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 페라이트에 고용하여 페라이트 기지를 강화시키며 0.70 중량% 미만으로 첨가하였을때는 그 효과를 발휘 못하지만 적정 함유량을 첨가하였을때는 담금질성을 개선 할 수 있다. 그러나 1.20 중량%를 초과하여 함유 할 경우에는 입계 Cr 탄화물 형성으로 입계를 취약하게 하여 인성 열화를 촉진한다. 따라서 Cr의 함량은 0.70 ~ 1.20 중량%인 것이 바람직하다.

Mo : 0.10 ~ 0.30 중량%

Mo는 강의 담금질성을 향상시키는데 가장 강력한 원소이며, 템퍼링시 특정 온도에서 화합물 형태로 석출하여 강의 2차 경화를 촉진하는 역할을 한다. 또한, 강재의 인성을 동시에 확보 할 수 있어 특수강 제조시에 필수적인 합금원소이다. 그러나 고가의 합금원소로 적정 함량을 첨가하는 것이 중요하다. 따라서, Mo의 함량은 0.10 ~ 0.30 중량%인 것이 바람직하다.

Al : 0.010 ~ 0.040 중량%

Al은 제강시 탈산제로 널리 첨가하고 있으며, 오스테나이트 결정입도를 미세화 시키는 원소로 알려져 있다. 0.010 중량% 미만에서는 그 효과를 발휘 할 수 없으며, 0.040 중량%를 초과하면 주조성을 해치기 쉽다. 따라서, Al의 함량은 0.010 ~ 0.040 중량%인 것이 바람직하다.

Ti : 0.0040 중량% 이하(0 미포함)

일반적으로, 강의 담금질성을 증대시키기 위해서는 B을 첨가한다. 그러나 B은 제강과정 중 N와 결합하여 BN 화합물을 형성하고, 이러한 화합물은 담금질성을 저하시킨다. Ti는 강의 오스테나이트 결정입도를 미세화 시키는 원소로 널리 알려져 있으며, N와 결합하여 TiN을 형성하여 B과 N의 결합을 방지하고, 입계 석출하여 pin effect에 따라 입도가 미세화 된다. 그러나 TiN은 가장 높은 용해도 온도를 가져 높은 온도로 가열 시 입계에 잔존하는 TiN이 성장하여 조대한 TiN이 피로파괴의 기점으로 작용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 B을 첨가하지 않고, Ti의 함량을 제어하였다. Ti의 함량은 0.0040 중량%이하인 것이 바람직하다.

Nb : 0.010 ~ 0.050 중량%

Nb는 강력한 탄질화물 형성 원소로써 형성된 탄질화물이 오스테나이트 결정입계에 석출하여 높은온도에서 가열시에도 결정입도 성장을 억제 할 수 있는 원소이다. 또한, Nb의 첨가로 재결정온도가 낮아지고 재결정을 억제하여 오스테나이트 결정입을 상당히 미세화 시키는 효과가 있다. Nb를 0.050 중량%를 초과하여 함유할 경우 강재의 열간가공성이 나빠져 표면품질에 악영향을 초래한다. 따라서 Nb의 함량은 0.010 ~ 0.050 중량%인 것이 바람직하다.

V : 0.08 ~ 0.25 중량%

V은 앞서 상술한 Nb와 동일하게 강력한 탄질화물 형성원소로 강의 강도를 증대시키며 결정입자를 미세화 시킨다. V을 0.025 중량%를 초과하여 함유할 경우 강의 인성에 악영향을 미친다. 따라서, V의 함량은 0.08 ~ 0.25 중량%인 것이 바람직하다.

N : 0.0090 중량% 이하(0 미포함)

N는 Al, Nb, V과 결합하여 AlN, NbN, VN을 형성하여 오스테나이트 결정입도를 미세화 시킨다. 결정입도 미세화를 통해 인성 확보가 가능하다. 그러나, 0.0090 중량%를 초과하면 주편의 입계에 석출하여 주편 표면 품질을 악화시킨다. 따라서 N의 함량은 0.0090 중량% 이하인 것이 바람직하다.

실시예

이하에서는 구체적인 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

표 1은 발명강과 비교강의 화학성분을 중량%로 나타낸다. 실시예는 담금질성 증대를 위해 C, Si, Mn, Cr을 향상 시켰고, 담금질성과 인성을 동시에 확보키 위해 Mo를 첨가하였으며, 고강도화에 따른 인성 저하를 방지하기 결정립 미세화 원소 Nb, V을 복합 첨가하였다. 또한, 부식환경하에서 공식 발생을 억제하고 피로 저항성을 향상시키기 위해 Ni을 일정량 첨가하였다. Ni과 Cr 복합첨가로 강의 최표면층에 비정질층을 형성시켜 부식 저항성을 높이는 효과를 기대하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Al	Ti	Nb	V	N
발명강	0.55	0.40	0.99	0.014	0.004	0.18	1.05	0.16	0.026	0.004	0.024	0.16	0.0060
비교강	0.51	0.20	0.90	0.007	0.003	0.05	0.96	0.01	0.0037	0.004	0.005	0.12	0.0073

발명강과 비교강을 각각 전기로 용해 후, 연속주조하고 1200 ~ 1250℃의 온도에서 가열한 후 압연공정을 통해 빌렛으로 제작하였다. 제조된 빌렛을 1200 ~ 1250℃의 온도로 재가열 후, 조미니 실체 단조기를 통해 φ30mm의 공시재를 제작하였다.

발명강과 비교강의 공시재를 오스테나이징 가열온도 870℃로 가열 후 수냉으로 ?칭을 실시하였고, 온도별로 템퍼링 처리를 한 후 인장시험 및 충격시험을 실시하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	템퍼링온도(℃)	인장강도 (kgf/㎟)	항복강도 (kgf/㎟)	연신율 (%)	단면감소율(%)	충격치(J)	피로강도 (kgf/㎟)
비교예	480	145.2	136.8	14.4	45.6	33.0	-
	450	160.9	149.8	12.0	42.0	28.7	63.4
	400	173.6	162.7	11.4	38.2	27.7	-
실시예	480	160.7	149.7	10.3	29.9	27.7	-
	450	171.2	157.5	10.3	29.1	27.7	71.1
	400	184.9	171.1	7.2	31.9	27.7	-

발명강의 경우 비교강 대비 템퍼링 온도 450℃에서 인장강도 171.2 kgf/㎟로 목표치를 초과하고 있으며, 동일 템퍼링 온도에서 비교강 대비 6.4%가 향상되었다. 반면 충격치는 27.7 J로 비교예의 28.7 J과 유사한 충격값을 나타내었다. 따라서 동일한 템퍼링온도에서 인장 및 충격시험에서 발명강의 강도는 상승한 반면 충격치는 기존 비교강과 동등한 수준을 나타냈다.

도 1은 발명강과 비교강의 최대응력조건하 단품 피로 한계 내구 수명을 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 1은 발명강을 두께 25t로 판스프링 단품을 제작하여, 실착 테스트 전에 실시하는 단품 피로 내구 테스트를 실시한 결과를 나타낸다. 3점 동적 굽힘 피로 테스트 조건은 현재 국내 양산하고 있는 스프링강의 최대응력 120 kgf/㎟의 가혹한 조건하에서 진행되었다. 테스트 결과, 비교강 대비 단품 피로 내구 평균 사이클(cycle)이 29.1%가 상향되는 결과를 나타냈으며, 2회 테스트 모두 목표 10만 사이클 이상을 나타냈다. 상기 시험결과로 실차에 적용되는 판스프링 매수를 줄일 수 있으며, 판스프링 두께 또한 줄일 수 있어 판스프링의 설계 변경을 통하여 경량화를 할 수 있다.

도 2는 발명강과 비교강을 φ10 mm의 회전굽힘피로시험편(Rotary bending piece test)으로 제작하여 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다. 시험 조건은 회전속도 3000rpm을 기준으로 1000만 사이클을 피로한도 기준을 설정하였다. 테스트 결과, 발명강의 피로한도는 71.1kgf/㎟로 비교강의 피로한도 63.4kgf/㎟ 대비 약 27%의 피로강도가 향상 되었다. 이는 앞서 도 1에서 상술한 단품 피로 수명 테스트 결과와 유사한 상향수치를 나타내었다.

도 3a 및 3b는 발명강과 비교강의 스프링 성형온도에서 ?칭 후 오스테나이트 결정입도 크기를 나타내는 도면이다. 고강도화에 따른 인성 저하 방지를 위해 발명강은 결정립 미세화 원소인 Nb, V, Al을 복합첨가하였으며, 실제 도 2의 시험결과에서 나타난 바와 같이 동일한 오스테나이징 온도에서 ?칭했을 경우, 비교강 대비 미세한 오스테나이트 결정립 크기를 나타내었다. 앞서 상술한 결과와 같이 각각의 동일온도에서 ?칭 및 템퍼링 후 기계적 성질을 비교하면, 발명강은 비교강 대비 강도는 상승하였으며, 충격인성은 동등한 수준을 나타내었다.

도 4는 발명강과 비교강의 조미니 테스트 결과를 나타내는 그래프이다. 스프링의 경량화 목적에 따라, 강재의 고강도화는 필수적인 요건이다. 따라서, 발명강은 비교강 대비 담금질성을 향상시키는 합금원소가 첨가되었으며, 도 3에 나타난 바와 같이 비교강 대비 심부까지 경도가 높다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. C:0.50 ~ 0.70 중량%, Si:0.25 ~ 0.60 중량%, Mn:0.80 ~ 1.20 중량%, P:0.020 중량% 이하(0 미포함), S:0.015 중량% 이하(0 미포함), Ni:0.10 ~ 0.50 중량%, Cr:0.70 ~ 1.20 중량%, Mo:0.10 ~ 0.30 중량%, Al:0.010 ~ 0.040 중량%, V:0.08 ~ 0.25 중량%, Ti:0.0040 중량% 이하(0 미포함), Nb:0.010 ~ 0.050 중량% 및 N:0.0090 중량% 이하(0 미포함)를 함유하고 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진 스프링용 강으로서,
   상기 강은 ?칭 및 450℃에서 템퍼링을 실시한 후, 인장강도 170 kgf/㎟ 이상, 충격치 25 J 이상, 표면경도 49 HRc 이상 및 오스테나이트 결정입도가 ASTM No.9 이상인 것을 특징으로 하는, 스프링용 강.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 강은 판스프링 성형 후 3점 굽힘 동적 피로 내구 수명 시험시 최대 응력 조건 120 kgf/㎟ 하에서 피로수명 10만 사이클 이상인 것을 특징으로 하는, 스프링용 강.
4. 삭제
5. 삭제

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