KR101459775B1

KR101459775B1 - 자동차 부품용 비조질강 및 이를 이용한 스핀들 너클제조방법

Info

Publication number: KR101459775B1
Application number: KR1020080058955A
Authority: KR
Inventors: 이형국
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2014-11-10
Also published as: KR20090132797A

Abstract

본 발명은 자동차 부품용 비조질강 및 이를 이용한 스핀들 너클 제조방법에 관한 것으로서, Cu, Bi와 같은 새로운 합금 원소를 첨가하여 피삭성을 향상시킴으로써 별도의 조질 처리 없이도 단조 후 곧바로 절삭 가공을 할 수 있는 자동차 부품용 조질강을 개발하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자동차 부품용 조질강은 C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

자동차 부품, 스핀들 너클, 피삭성, 노멀라이징

Description

자동차 부품용 비조질강 및 이를 이용한 스핀들 너클 제조방법{NON-QUENCHED AND TEMPERED STEEL FOR PARTS OF AN AUTOMOBILE AND METHOD FOR MANUFACTURING SPINDLE KNUCKLE USING IT}

본 발명은 자동차 부품용 비조질강 및 이를 이용한 스핀들 너클 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비조질강의 합금 성분을 제어하여 별도의 조질 처리를 하지 않고도 우수한 피삭성을 가지도록 해주는 자동차 부품용 비조질강과 이 합금소재를 사용하여 스핀들 너클을 제조하는 방법에 대한 것이다.

자동차 부품, 예를 들어 조향 장치에 사용되는 스핀들 너클은 부품의 특성 상 열간 또는 냉간 단조 후에 홀 가공 등을 위하여 절삭 공정이 추가로 실시되어야 한다. 그러나, 열간 또는 냉간 단조 후에 별도의 조질 처리(Quenching and Tempering, 보통 "Q&T 처리"라고도 함)를 하지 아니하면, 가공 경화로 인해 인성이 떨어져 절삭면에 크랙이 발생하는 등의 문제점이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 조질 처리를 행하는 합금강 소재가 스핀들 너클 제조에 많이 사용된다. 대표적인 조질강 합금 소재가 S40MS1V이다. 이 조질강은 C 0.40 ~ 0.46중량%, Si 0.55 ~ 0.70중량%, Mn 1.40 ~ 1.60중량%, P 0.003중량% 이하, S 0.04 ~ 0.07중량%, Cr 0.10 ~ 0.20중량%, Mo 0.20 ~ 0.30중량%, 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 구성된다.

이러한 조질강은 열간 또는 냉간 단조 후에 조질 처리를 하여 절삭 가공에 필요한 강도 및 인성을 만족시켰으나, 조질 처리 공정으로 인해 시간과 비용이 추가로 발생하는 문제점이 있었다.

이를 해결하기 위해 합금 성분의 제어만으로 별도의 조질 처리 없이도 기존의 조질강과 유사한 기계적 특성을 갖는 비조질강이 개발되고 있다. 그러나, 비조질강 중에는 후속 공정에 필요한 충분한 기계적 특성을 가지지 못하는 경우가 종종 발생되고 있다. 예를 들어, 크랭크 샤프트에 사용되던 비조질강인 S40MS1V는 홀 가공을 위한 절삭 공정 중에 홀의 표면에 크랙이 발생하여 다시 구조용 조질강인 SCM440으로 환원한 적이 있다.

또한, 스핀들 너클 제조용 비조질강 중에는 피삭성을 향상시키기 위하여 납(Pb)를 첨가한 합금 소재가 개발되기도 하였으나, 납은 비용 대비 효과가 우수함에도 불구하고 전 세계적으로 환경 저해물질로서 사용이 금지되고 있는 추세이어서 활용 가능성이 낮다.

이러한 점에서 당업계에서는 새로운 합금 원소의 추가로 우수한 피삭성을 발휘할 수 있는 새로운 비조질강의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 요구를 충족시키기 위하여 개발된 것으로서, 기존의 합금 소재와 달리 Cu, Bi와 같은 새로운 합금 원소를 추가하여 피삭성을 향상시킴으로써, 단조 가공 후에 별도의 조질 처리 없이도 절삭 가공을 할 수 있는 자동차 부품용 비조질강을 개발하는데 그 목적이 있다.

또한, 새로운 비조질강을 사용하여 스핀들 너클을 제조함에 있어서 Bi와 같은 합금 원소가 결정립계에 필름 형태로 편석되어 취약해지는 문제점을 노멀라이징 처리를 통해 해결하는데 또 다른 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자동차 부품용 비조질강은 C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 자동차용 스핀들 너클은 C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 자동차 부품용 비조질강을 사용하여 열간 단조 후 제어 냉각시킨 다음에 530 ~ 680℃에서 노멀라이징 처리를 하고 홀 가공함으로써 제조된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 자동차 부품용 비조질강 및 이를 이용한 스핀들 너클 제조방법에 의하면, 조질 처리를 하지 않고도 절삭 가공에 필요한 강도와 인성을 만족시킬 수 있을 뿐만 아니라 피삭성도 향상된다.

따라서, 본 발명에 따르면 열간 또는 냉간 단조 후에도 별도의 조질 처리 없이 곧바로 절삭 가공을 할 수 있어 생산성이 크게 향상된다.

또한, 조질 처리 공정을 생략할 수 있기 때문에 시간 및 비용을 절감할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 기술구성을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 부품의 특성상 열간 또는 냉간 단조 후에 절삭 가공이 추가로 필요한 자동차용 부품의 소재로 개발된 것이다. 이러한 자동차용 부품의 대표적인 것이 조향 장치에 사용되는 스핀들 너클이다.

도 1에는 스핀들 너클을 포함한 조향 장치의 일부가 간단히 도시되어 있다. 도 1의 (a)에서 보듯이 스핀들 너클(2)은 일측에 자동차 바퀴가 장착되는 허브(1)가 스핀들 축(5)에 의해 회전 가능하게 결합되고, 타측에는 킹핀(3)을 매개로 액슬(4)의 단부가 회동 가능하게 결합된다. 이를 위해 스핀들 너클(2)은 도 1의 (b)에 보듯이 상, 하 양측에 상기 킹핀(3)이 삽입될 수 있도록 킹핀홀(6)이 형성된다.

이와 같이 구성된 스핀들 너클(2)을 제조하기 위해서는 열간 단조를 통해 전 체적인 형상을 만든 다음 킹핀홀(6)을 형성하기 위해 절삭 가공을 추가로 실시하여야 한다. 기존의 합금 소재는 열간 단조에 따른 가공 경화로 인해 절삭 가공시에 홀 표면에 크랙이 발생하는 문제가 발생하였으므로, 절삭 가공 이전에 조질 처리를 하여 필요한 강도와 인성을 가지도록 하였다는 것은 이미 상기한 바와 같다.

본 발명은 이러한 조질 처리에 따른 시간 및 비용을 절감하기 위해 합금 성분의 제어에 의해 별도의 조질 처리 없이도 절삭 가공을 할 수 있는 자동차 부품용 합금 소재를 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 위해 본 발명에 따른 비조질강은, C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

본 발명에 따른 비조질강의 합금 성분을 종래의 조질강 합금 성분과 비교 도시한 하기 표 1을 참조로 각 합금 성분의 조성 범위 및 역할을 설명한다.

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr	Mo	Bi
조질강	0.40 ~ 0.46	0.55 ~ 0.70	1.40 ~ 1.60	0.03 이하	0.04 ~ 0.07	-	0.10 ~ 0.20	0.20 ~ 0.30
비 조질강	0.38 ~ 0.42	0.15 ~ 0.50	1.40 ~ 1.60	0.03 이하	0.10 ~ 0.24	0.5 ~ 3.0	0.16 ~ 0.38	0.10 ~ 0.20	0.15 ~ 0.65

(1) C (탄소)

C는 강도 및 인성을 제어하는 대표적인 합금 성분으로서, 보다 상세하게는 강의 조직 내에 페라이트와 펄라이트의 체적 분율을 제어하여 스핀들 너클의 충격 인성 및 연성을 제어하는 역할을 한다. 상기 표 1에서 보듯이 본 발명의 비조질강에는 종래의 조질강보다 C 함량이 상대적으로 작다. 이러한 C의 함량은 실험 결과를 토대로 비조질강의 피삭성을 향상시켜주는 최적의 범위를 정한 것이다.

(2) Si (규소)

Si는 경도, 탄성계수 등을 증가시키고, 페라이트(Ferrite) 상을 강화하는 요소지만, 연신율과 충격치를 저하시키는 합금 성분이다. 따라서, 본 발명의 비조질강에서는 종래의 조질강보다 Si 함량을 크게 낮추어 연신율과 충격치를 향상시킴으로써 피삭성이 향상되도록 한 것이다. 따라서 Si 함량이 0.50중량%을 초과하면 절삭 가공시에 크랙이 발생하게 되고, 0.15중량% 미만이면 페라이트의 체적 분율이 작아져 필요한 강도를 얻을 수 없다.

(3) Mn (망간)

Mn은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태 온도를 낮추어 조직을 미세화시키는 역할을 하는 것으로 인성의 저하없이 필요한 강도를 얻기 위해서는 종래와 동일하게 1.40 ~ 1.60중량%를 유지하는 것이 바람직하다.

(4) P (인)

P는 본 발명에 따른 비조질강의 필수 합금 성분은 아니나, 도 2에서 보듯이 Cu-Bi 합금계에서 다른 원소에 비해 연신율을 향상시키는 효과가 매우 크므로 피삭성 향상을 위해서는 첨가되는 것이 바람직하다. 다만 Fe₃P는 입계에 편석하여 상온 충격치를 감소시키므로 최대 0.03중량% 범위 안에서 첨가한다.

(5) S (황)

S는 0.10중량% 이상 첨가되면 Mn과 화합물을 형성하여 점성과 윤활성을 지닌 MnS 형태로 기지 내에 존재함으로써 피삭성을 향상시킨다. 그러나, S가 0.24중량%를 초과하면 FeS 형태로 입계에 망상으로 편석되어 인장강도, 연신율, 충격치를 저하시켜서 가공시 파괴의 원인이 된다.

(6) Cu (구리)

Cu는 본 발명의 특징적인 합금 성분으로서 냉각속도에 따른 경도 차이를 감소시키고 강도 향상에 기여하는 것이므로 0.5 ~ 3.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. Cu가 3.0 중량%를 초과하면 충격치가 낮아지는 경향이 현저히 증가한다.

(7) Cr (크롬)

Cr은 경화능을 향상시키므로 스핀들 너클과 같이 크기가 큰 대물부품에는 반드시 0.16중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만 Cr이 0.38중량%를 초과하여 냉각능 향상 효과가 포화되므로 경제성이 저하된다.

(8) Mo (몰리브덴)

Mo는 Cr과 더불어 경화능 및 내열성을 향상시켜주는 합금 성분으로 0.10 ~ 0.20중량% 범위 내에서 첨가되는 것이 바람직하다.

(9) Bi (비스무스)

Bi는 본 발명의 특징적인 합금 성분으로서 절삭 가공시에 저융점 용융 윤활작용을 하여 피삭성을 향상시켜준다. 이러한 피삭성 향상 효과를 나타내기 위해서는 최소 0.15중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나, Bi가 0.65중량%를 초과하면 고가의 금속인 관계로 가격 대비 성능 향상 효과가 크지 않고, Bi 화합물이 결정립계에 형성되어 기계적 성질을 저하시킨다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 자동차 부품용 비조질강은 강도 및 인성이 높고 피삭성이 우수하여 열간 또는 냉각 단조 후에도 별도의 조질 처리 없이 절삭 가공을 곧바로 실시할 수 있다. 이상에서는 스핀들 너클의 제조를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 자동차 부품용 비조질강은 스핀들 너클 이외의 부품에도 적용 가능함은 당연하다 할 것이다.

본 발명에 따른 비조질강의 기계적 물성을 종래의 조질강과 비교하여 나타내면 다음 표 2와 같다. 참고로 표 2에서 비교예는 상기 표 1에 개시된 종래의 조질강이 가지는 평균 물성치를 나타낸 것이다.

	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr	Mo	Bi
비교예	0.40 ~ 0.46	0.55 ~ 0.70	1.40 ~ 1.60	0.03 이하	0.04 ~ 0.07	-	0.10 ~ 0.20	0.20 ~ 0.30
실시예1	0.40	0.36	1.51	0.023	0.21	1.6	0.36	0.18	0.25
실시예2 (노멀라이징)	0.41	0.36	1.52	0.022	0.21	1.6	0.35	0.18	0.22

	항복강도(Mpa)	인장강도(Mpa)	연신율(%)	충격치(J/㎠)	경도(HB)
비교예	660 이상	950 이상	6 이상	10 이상	285-341
실시예1	590	870	8	8	268-314
실시예2	630	890	8	20	256-307

표 2에서 보듯이 본 발명의 실시예는 종래의 조질강에 비해 강도 및 경도가 크게 저하되지 않는 범위 내에서 연신율 또는 충격치가 증가되었음을 알 수 있다. 이러한 연신율과 충격치의 증가는 피삭성의 향상을 가져와 별도의 조질 처리 없이도 절삭 가공을 할 수 있도록 해준다.

특히, 실시예2와 같이 본 발명에 따른 비조질강에 노멀라이징 처리를 하면 충격치가 20J/㎠ 이상으로 크게 증가되어 피삭성이 더욱 향상된다. 따라서, 스핀들 너클과 같은 대물부품의 경우에는 노멀라이징 처리를 하면 조직의 균질화와 함께 우수한 피삭성을 얻을 수 있다. 이 대물부품의 노멀라이징 처리에 대한 상세한 내용은 후술하기로 한다.

이하에서는 열간 단조, 제어 냉각, 노멀라이징 처리에 따른 온도 변화를 나타낸 도 3을 참조로 상기한 합금 성분으로 이루어진 자동차 부품용 비조질강을 사용하여 대물부품인 스핀들 너클을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에 따르면 스핀들 너클은 ① 소재 절단 - ② 열간 단조 - ③ 제어 냉각 - ④ 숏 블라스트 - ⑤ 노멀라이징 처리 - ⑥ 홀 가공 - ⑦ 방청의 단계를 거쳐 제조된다.

소재 절단 단계에서는 본 발명에 따른 비조질강 합금 소재를 단조 크기에 맞추어 절단한다. 열간 단조 단계에서는 절단된 합금 소재를 1150 ~ 1250℃에서 2분 정도 가열한 다음 150 ~ 250℃ 가열된 단조 금형을 2000톤의 프레스기로 가압하여 단조를 실시한다. 제어 냉각 단계에서는 단조된 부품을 밀폐형 자동 컨베이어에서 50℃/min 속도로 냉각시킨다. 이 제어 냉각 단계는 냉각 속도를 조절하여 합금 조직의 결정립 크기를 제어할 수 있다. 숏 블라스트 단계에서는 단조 시에 외부 공기와의 접촉에 의해 생긴 표면 산화물을 제거하고 표면에 압축응력을 주어 피로강도를 향상시킨다.

노멀라이징(Normalizing) 단계는 본 발명에 따른 가장 특징적인 제조 단계로서, 열간 단조 후 냉각된 합금 소재를 530 ~ 680℃에서 3 ~ 5분 동안 열처리한다. 이에 의해 합금 소재의 기지 및 결정립계에 필름 형태로 편석되어 있던 Bi 화합물을 확산을 통해 균질화시킴으로써 연신율과 충격치를 증가시켜 피삭성을 향상시킨다.

노멀라이징 온도가 530℃ 미만이 되면 Bi 화합물의 확산이 충분히 이루어지지 못해 입계 파단에 의한 충격 인성의 저하를 가져오고, 680℃를 초과하면 과균질화에 의해 강도가 저하된다. 같은 이유로 노멀라이징 처리 시간도 3 ~ 5분으로 제어하는 것이 바람직하다.

이 노멀라이징 처리는 스핀들 너클과 같은 대물부품에 있어서 소재 전체의 균질화와 피삭성 향상을 동시에 달성할 수 있도록 한 것이므로, 본 발명에 따른 비조질강을 소물부품인 다른 자동차 부품에 사용하는 때에는 적용하지 아니할 수도 있다.

노멀라이징 처리된 합금 소재는 충분한 강도와 인성을 가지므로 별도의 조질 처리를 할 필요 없이 킹핀홀 형성을 위한 절삭 가공을 실시하고, 마지막으로 표면에 녹 발생을 방지하기 위한 방청 처리를 실시한다.

지금까지 설명한 스핀들 너클의 제조 공정 중 상기 노멀라이징 단계를 제외한 나머지 단계는 통상적인 것이므로, 제조되는 스핀들 너클의 요구 물성에 따라 다양하게 변경될 수 있다 할 것이다.

도 1은 일반적인 스핀들 너클의 구조를 도시한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 P의 첨가 효과를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 따른 열처리 온도를 나타낸 그래프.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

1: 허브 2: 스핀들 너클

3: 킹핀 4: 액슬

5: 스핀들 축 6: 킹핀 홀

Claims

C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 부품용 비조질강.
청구항 1에 있어서,

연신율을 향상시키기 위한 합금 성분으로 P를 0.03중량% 이하(0은 불포함) 범위에서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 부품용 비조질강.
C: 0.38 ~ 0.42중량%, Si: 0.15 ~ 0.50중량%, Mn: 1.40 ~ 1.60중량%, P: 0.03중량% 이하(0은 불포함), S: 0.10 ~ 0.24중량%, Cu: 0.5 ~ 3.0 중량%, Cr: 0.16 ~ 0.38중량%, Mo: 0.10 ~ 0.20중량%, Bi: 0.15 ~ 0.65중량% 및 잔부로 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 자동차 부품용 비조질강을 사용하여 열간 단조 후 제어 냉각시킨 다음에 530 ~ 680℃에서 노멀라이징 처리를 하고 홀 가공하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스핀들 너클의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 자동차 부품용 비조질강은 연신율을 향상시키기 위한 합금 성분으로 P를 0.03중량% 이하(0은 불포함) 범위에서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스핀들 너클의 제조방법.
청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,

상기 노멀라이징 처리는 3 ~ 5분 동안 행하는 것을 특징으로 하는 자동차용 스핀들 너클의 제조방법.
청구항 3 또는 청구항 4에 의해 제조되고, 충격치가 20J/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 자동차용 스핀들 너클.