KR0168717B1 - 냉간성형된 고강도 강 부품 - Google Patents

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Abstract

페라이트-퍼얼라이트 미세구조를 갖고 고강도의 기계적 특성을 갖는 고강도 강 블랭크를 제공하고, 업세팅, 포징 또는 압출에 의해 블랭크를 냉간 형성함으로써 부품의 기계적 강도를 실질적으로 블랭크와 동일하거나 블랭크보다 크게 유지시키면서 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품을 제공하는, 고강도 강 부품의 제조방법이 기술되어 있 다.

Description

냉간 성형된 고강도 강 부품
지금까지, 강 부품을 제조하는 데에는 다수의 방법들이 사용되어 왔다. 이들 방법은 종종 당해 기술분야에 널리 공지되어 있는 업세팅(upsetting). 헤딩(heading) 및 압출과 같은 냉간 성형 기술을 사용한다. 업세팅 기술에서는 금속 블랭크의 일부 또는 전부의 횡단면적이 증가한다. 헤딩 기술은 블랭크가 와이어(wire), 로드(rod) 또는 바 스톡(bar stock)인 업세팅 기술의 특정 형태이다. 볼트의 헤드 부위는 종종 헤딩 기술을 사용하여 제조한다. 압출기술에서는 금속 블랭크를 목적하는 횡단면적의 특성을 갖는 다이 오리피스를 통해 강제로 통과시켜 횡단면 길이가 균일한 제품을 생산한다.
고강도 강 부품을 제조하기 위해 널리 공지되어 있는 한 가지 방법은 강 블랭크를 어닐링(annealing)시키거나 아니면 연화시켜 개시한다. 이어서, 어닐링된 강 블랭크를 위와 같은 유형의 성형 기술 중의 하나를 포함하는 방법을 사용하여 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품으로 냉간 성형한다. 새로 성형된 부품을 열 처리하여[예 : 오우스테나이트화(austenitizing)시키고, 급냉 경화시키고 탬퍼링(tempering)시킴] 목적하는 고강도의 기계적 특성을 수득한다. 수득되는 부품의 강 재료는 템퍼링된 마르텐사이트 미세구조를 갖는다. 이러한 열처리로부터 생성되는 기계적 특성은 종종 일정하지 않고 각 부품 간의 편차가 클 수 있다. 또한, 어닐링 단계와 열처리 단계는 부품을 가열할 때 대량의 에너지가 소비되므로, 고강도 강 부품을 제조하기 위한 전체 공정의 비용을 상당히 증가시킨다.
이러한 고강도 강 부품을 제조하기 위한 또 다른 방법에서는 강 블랭크를 초기에 오우스테나이트화시키고, 급냉 경화시킨 후, 위의 3가지 성형 기술 중의 하나를 포함하는 방법을 사용하여, 사후 열처리된 블랭크의 기계적 특성이 블랭크가 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품으로 연속적으로 냉간 성형될 수 있도록 하는 정도까지 템퍼링한다. 이러한 방법으로 가공된 부품의 강 재료도 또한 템퍼링된 마르텐사이트 미세구조를 갖는다. 당해 방법이 부품간의 강도 편차를 명백히 감소시킨다는 점에서는 앞서 기술한 방법보다 유리하나, 당해 방법은 여전히 고가의 열처리공정을 사용한다.
고강도 재료의 블랭크를 냉간 성형하는 방법은 공지되어 있다.
본 발명의 발명자에게 허여된 미합중국 특허 제3,904,445호에는 일정한 길이의 고강도 강 바 스톡을 U-볼트로 냉간 성형하는 방법이 기술되어 있다. 위의 미합중국 특허 제3,904,445호에는, 필수적으로 약 0.50 내지 0.55중량%의 탄소, 약 1.20 내지 1.65중량%의 망간, 약 0.03 내지 0.05중량%의 바나듐 및 실질적으로 잔여분의 철로 이루어진 조성을 갖는 강 재료로 제조된 일정한 길이의 바 스톡이 기술되어 있다. 그러나, 벤드를 일정한 길이의 바 스톡으로 냉간 성형하는 기술은 업세팅 및 압출과 같은 다른 냉간 성형 기술에 비해 정밀하지 못하다. 종래에는, 고강도의 블랭크를 업세팅 또는 압출식 기술에 의해 부품으로 냉간 성형하는 것은 가공된 고강도 강 부품에 균열이나 파쇄면을 형성하기 쉽거나, 적어도 연속적인 냉간 성형 공정들 사이에 어닐링 단계 또는 응력 감소 단계를 포함하는 일련의 냉간 성형 단계를 거쳐 부품을 순차적으로 성형해야 하는 것으로 여겨졌다. 이러한 균열이나 파쇄면은 부품을 손상시키는 것으로 보인다. 또한, 이러한 냉간 성형 단계와 어닐링 단계를 사용함으로써 고강도 강 부품을 제조하는 시간과 비용이 증가된다.
영국 특허 제1535775호에는 인장강도가 500N/㎟을 초과하고 연화 어닐링되거나 압연된 상태의, 비합금되거나 저합금된 바 또는 와이어 강으로부터 인장강도가 750N/㎟ 이상이고 항복점이 600N/㎟을 초과하는 냉간 성형된 부품을 제조하는 방법이 기술되어 있다. 강을 연신시킨 후 연신방향과 반대 방향으로 압축 업세팅 시킴으로써 냉간 가공한다. 강은 0.6% 이하의 탄소, 규소, 망간, 황 및 일례로, 크롬과 잔여분의 철을 포함한다.
본 발명에 따르는 고강도 강 부품을 제조하는 방법은 0,30 내지 0.65중량%의 탄소, 0.30 내지 2.5중량%의 망간 및 잔여분의 철을 포함하고 인장강도가 800N/㎟(120,000psi) 이상인 고강도 강 재료의 블랭크를 제공하는 단계와 블랭크를 업세팅 기술에 의해 냉간 성형하여 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품을 제공하는 단계를 포함하며, 부품의 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성이 블랭크와 실질적으로 동일하거나 블랭크보다 큰 고강도 강 부품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크가 페라이트-퍼얼라이트 미세구조를 갖고, 항복강도가 600N/㎟(90,000psi) 이상이며, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결정 미세화제를 최대 용량이 0.35중량%로 되도록 포함하고, 블랭크가 또한 포징(forging) 또는 압출에 의해 냉간 성형될 수도 있음을 특징으로 하는 방법이다.
본원에서 사용하는 용어 블랭크는 통상적인 의미, 즉 목적하는 기하학적 형상을 갖는 가공된 부품으로 냉간 성형될 금속편을 의미한다. 블랭크는 바 스톡(길이가 폭 또는 두께에 비례하는 강편)과 같은 금속편을 포함한다.
본 발명은 다음과 같은 조성을 갖고, 인장강도가 약 800N/㎟(120,000psi) 이상이고 항복강도가 약 600N/㎟(90,000psi) 이상이며, 페라이크-퍼얼라이트 미세구조를 갖는 고강도 강 재료의 블랭크로부터 고강도 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 약 0.30 내지 약 0.65중량%의 탄소, 약 0.30 내지 약 2.5중량%의 망간, 약 0.35% 이하의 유효량의, 알루미늄, 니오븀(즉, 칼럼븀), 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 결정 미세화제 및 잔여분의 철.
본 발명의 한 양태에 있어서, 업세팅, 포징 또는 압출과 같은 기술을 사용하여 블랭크를 냉간 성형함으로써 페라이트-퍼얼라이트 미세구조의 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품을 제공하고, 이로써 부품의 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성을 실질적으로 블랭크와 동일하거나 보다 크게 하는, 블랭크로부터 고강도 강 부품을 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명은 또한 이러한 기술을 사용하여 고강도 강 블랭크를 냉간 성형함으로써 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성을 실질적으로 블랭크와 동일하거나 보다 크게 하고, 이때 인장강도와 항복강도와 같은 목적하는 기계적 특성을 갖는 부품을 이의 인성(tiughness)을 개선시키는 추가의 처리단계 없이 제조함을 포함하는, 고강도 강 부품을 제조하는 방법을 포함한다. 적어도 부분적으로는 기하학적 형상에 따라, 일부 부품은 강 부품의 보다 낮은 물리적 특성(예 : 인장강도, 항복강도, 신도%, 경도, 면적감소% 등)을 높이거나, 아니면 개질하기 위해 약 230℃(450℉) 내지 약 650℃(1,200℉)의 온도 범위 내에서 응력을 감소시킬 필요가 있을 수 있다.
본 발명의 원리, 목적 및 잇점이 또한 아래의 상세한 설명을 참고로 이해될 것이다.
본 발명은 고강도 강 부품(high-strength steel parts)을 제조하는 방법에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 고강도 강의 블랭크(blank)를 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품으로 냉간 성형하여 부품의 강도가 실질적으로 블랭크와 동일하거나 보다 크게 유지되도록 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 방법은 본원에 기술되어 있는 냉간 성형 방법에 의해 성형할 수 있는 다양한 유형의 볼트(U-볼트, 아이 볼트, J-볼트, 육각 헤드 볼트, 사각 헤드 볼트 등), 액슬(exle), 캠 샤프트(cam shaft), 스크류, 스웨이바(swaybar) 및 기타 부품을 포함하는 광범위한 가공된 고강도 부품을 제조하는데 유용하다.
바람직한 양태에서, 고강도 강 부품을 제조하기 위한 본 발명의 방법을 페라이트 매트릭스 내에 미세한 처얼라이트의 미세구조를 갖으며, 인장강도가 약 800N/㎟(120,000psi) 이상, 바람직하게는 약 1,000N/㎟(150,000psi) 이상이고, 항복강도가 약 600N/㎟(90,000psi) 이상, 바람직하게는 약 900N/㎟(130,000psi) 이상인 고강도 강 재료의 블랭크를 제공함을 포함한다. 퍼얼라이트 구조는 일반적으로 이들의 박막을 약 100배로 광학 확대시켜서 해상할 수 없는 경우에 미세한 것으로 취급한다. 한가지 형태에 있어서, 블랭크로서 사용되는 고강도 강 재료를 열간 압하(hot reduction)시키고 냉간 드로잉(cold drawing)시켜 앞에서 언급한 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성을 갖는 블랭크를 제공한다.
블랭크를 제조하는데 사용되는 고강도 강 재료는 조성이 다음과 같다.
탄소 약 0.30 내지 약 0.65중량%, 망간 약 0.30 내지 약 2.5중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 철계 결정 미세화제 약 0.35중량% 이하의 유효량, 철 잔여분.
보다 바람직한 형태에서, 고강도 강 재료는 조성이 다음과 같다.
탄소 약 0.50 내지 약 0.55중량%, 망간 약 1.20 내지 약 1.65중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 철계 결정 미세화제 약 0.03 내지 약 0.15중량%의 유효량, 철 잔여분.
알루미늄, 니오븀(즉, 칼럼븀), 티탄 및 바나듐이 결정 미세화제로 작용하며, 바나듐이 가장 바람직한 결정 미세화제이다.
위에 기재한 바와 같은 조성과 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성을 갖는 블랭크를 이후 업세팅, 포징 또는 압출과 같은 기술을 사용하여 주위온도 또는 실온 내지 약 150℃(300℉) 미만의 온도에서, 바람직하게는 약 주위온도에서 냉간 성형하여 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품을 제공하고, 이로써 부품의 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성은 실질적으로 블랭크와 동일하거나 보다 크게 유지된다. 인장강도 및 항복강도와 같은 소정의 기계적 특성을 갖는 성형된 부품은 바람직하게는 최종 응력 감소단계와 같이 인성을 개선시키기 위한 추가의 처리단계 없이 제조한다. 그러나, 부품의 특정한 기하학적 형상과 용도에서는 응력 감소단계가 필요할 수 있다.
본 발명의 방법에서 출발 금속편으로서 사용되는, 인장강도가 약 800N/㎟(120,000psi) 이상이고 항복강도가 600N/㎟(90,000psi) 이상인 고강도 강 재료의 블랭크는 당해 기술분야에 공지되어 있는 적합한 방법으로 제조한다. 이러한 방법 중의 한 가지가 본 발명의 발명자에게 허여된 미합중국 특허 제3,904,445호에 기술되어 있으며 당해 명세서는 본원에서 참고로 인용되어 있다. 미합중국 특허 제3,904,455호에는 U-볼트를 포함하는 나사형 패스너를 생산하는데 특히 유용한 유형의 고강도 강 바 스톡을 생산하기 위한 가공 순서가 기술되어 있다. 기술된 방법에서, 생산된 바 스톡은 약 ASTM No. 5 내지 8의 미세 입자구조를 갖는다. 기술된 방법에서, 특정의 기술된 범위 내의 화학물질을 함유하는 강의 최종 게이지가 10 내지 15%로 되도록 통상적인 열간 압하 조작한다. 이후, 열간 압하된 바 스톡을 급속 공기 냉각시키기 위해 다양한 길이로 절단한다. 그런후, 다양한 길이의 열간 압하된 바 스톡을 최종 게이지로 냉간 가공한다. 최종 단계는 기계적 강도 특성을 증가시키는 조절된 응력 감소단계이다. 이러한 응력 감소단계는 다양한 길이의 바 스톡을 약 260 내지 450℃(500 내지 850℉)에서 약 1시간 동안 가열함을 포함하나, 필요할 수도, 필요하지 않을 수도 있다. 따라서, 추가로 응력 감소시키거나 시키지 않은 바 스톡을 사용하여 출발 고강도 강 블랭크를 형성할 수 있다.
다음의 실시예는 앞에서 언급한 미합중국 특허 제3,904,445호에 기술되어 있는 방법에 따라 생산된 고강도 강 바 스톡으로부터 육각 헤드 볼트를 제조하기 위한 발명의 실시양태를 설명한다.
직경이 1.25cm(1/2)이고 강도가 8등급인 강에 상당하는 고강도 강 바 스톡을 대략 10cm(4)의 길이로 절단한다. 당해스톡은 인장강도가 약 1,000N/㎟(150,000psi) 이상이고 항복강도가 900N/㎟(130,000psi) 이상이며 페라이트-미세 퍼얼라이트 미세구조와 미세 입자구조를 갖는다. 각각의 바 스톡 시험편의 한쪽 말단을 롤링(rolling)과 같은 공지되어 있는 나사 가공방법으로 나사가 공하여 3.8cm(1½)의 나사 형태를 제공한다. 약 실온에서 바 스톡 시험편을 사용하여 육각 헤드 볼트를, 대략 150ton의 압력을 적용하는 기계쩍인 포징 프레스를 사용하여 각각의 바 스톡 시험편의 다른 한쪽 말단을 1회 이상 육각 형상 다이로 헤딩시킴으로써 형성한다. 형성된 육각 헤드 볼트는 대략 두께가 1cm(3/8)이고, 폭이 2cm(3/4)이다. 가공된 육각 헤드 볼트 제품의 인장강도 및 항복강도와 같은 기계적 특성은 바 스톡이 본래 가지고 있던 특성과 실질적으로 동일하거나 보다 크기 때문에 추가의 강화 처리단계가 필요없다. 가공된 육각 헤드 볼트 제품은 또한 바 스톡이 본래 가지고 있던 연성(ductility)의 목적하는 기계적 특성을 충분히 가지므로, 인성을 개선시키기 위한 추가의 처리 단계가 일반적으로 생략될 수 있다. 그러나, 육각 헤드 볼트의 특정 용도에서는 응력 감소단계가 필요할 수 있다. 예를 들면, 일부 용도에서는 장력에 의해 당겨지는 경우 볼트의 헤드 하부가 파손되는 것은 바람직하지 않다. 통상적으로 볼트의 가장 취약한 지점이 나사 부분인 것이 보다 바람직하다. 이러한 경우, 응력 감소단계는 장력 하중시에 불트의 나사부분이 파손될 정도로 볼트의 인성을 개선시킨다.
열처리 방법을 사용하는 선행 방법(예 : 오우스테나이트화시키고, 급냉 경화시킨 후 템퍼링시킴)에 비해, 특히 부품의 목적하는 고강도의 기계적 특성을 수득하기 위해 냉간 성형한 후 열처리하는 경우, 본 발명에 따라 가공된 최종 부품은 보다 좁은 범위내의 기계적 특성을 균일하게 갖기가 보다 용이하다. 이러한 이론은 본 발명에 따르는 방법으로 제조한 육각 헤드 볼트 샘플과 냉간 성형 후에 수행되는 열처리 과정을 포함하는 선행 기술의 방법으로 제조한 육각 헤드 볼트 샘플에 대해 수행한 기계쩍 강도 시험의 결과로 입증된다. 예를 들면, 8등급이고 1.25×9cm(1/2×3½)인 총 50개의 열처리된 육각 헤드 볼트는 인장강도의 범위가 1,000N/㎟(150,000psi) 내지 1,180N/㎟(172,000psi)이며, 평균 1,100N/㎟(160,000psi)이다. 한편, 본 발명에 따라 제조된 8등급이고 1.25×9cm(1/2×3½)인 50개의 육각 헤드 볼트는 인장강도의 범위가 1,145N/㎟(166,000psi) 내지 1,170N/㎟(170,000psi)이며, 평균 1,160N/㎟(168,000psi)이다. 따라서, 본 발명은 고강도 강 부품을 보다 좁은 범위 내로 균일하게 수득하기가 보다 용이하다.

Claims (3)

  1. 페라이트-퍼얼라이트 미세구조를 갖고, 인장강도가 800N/㎟(120,000psi) 이상이며, 항복강도가 600N/㎟(90,000psi) 이상이고, 0.30 내지 0.65중량%의 탄소, 0.30 내지 2.5중량%의 망간, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소 0.35중량% 이하 및 잔여분의 철을 포함하는 고강도 강 재료의 블랭크를 제공하는 단계(A) 및 블랭크를 업세팅, 포징 또는 압출에 의해 주위온도 내지 150℃(300℉) 미만의 온도에서 냉간 성형하여 목적하는 기하학적 형상을 갖는 부품을 제공하는 단계(B)를 포함하며, 부품의 인장강도와 항복강도의 기계적 특성이 블랭크와 실질적으로 동일하거나 블랭크보다 큰 고강도 강 부품을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 블랭크를 구성하는 고강도 강 재료가 미리 열간 압하(hot reduction)되고 냉간 드로잉(cold drawing)되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 고강도 강 재료로 이루어진 블랭크가 페라이크 매트릭스 내의 미세 퍼얼라이트 미세 구조를 갖는 방법.
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