KR20020053398A - 고강도 베이나이트계 비조질강 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 베이나이트계 조직을 갖는 비조질강, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 부품에 관한 것으로, 구체적으로 철을 주성분으로 하고, 여기에 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 바나듐, 니켈, 티타늄이 포함된 비조질강을 연속주조를 통하여 제조한 후, 제조된 강재를 이용시 열간가공후 열처리를 생략하고 냉각과 동시에 최종제품을 제조할 수 있는 비조질강, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 부품에 관한 것으로, 본 발명의 비조질강의 종래 탄소강 제조시 사용되는 퀸칭-템퍼링 열처리(quenching-tempering)를 생략하고도, 고강도의 물성을 가지며, 상기 열처리를 생략함에 따라 제품의 생산원가 및 환경오염을 방지할 뿐만 아니라 내구수명이 증대된 제품을 제조할 수 있다.

Description

고강도 베이나이트계 비조질강{A microalloyed steel with high strength bainitic structure}
본 발명은 고강도 베이나이트계 조직을 갖는 비조질강, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 부품에 관한 것으로, 구체적으로 철을 주성분으로 하고, 여기에 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 바나듐, 니켈, 티타늄이 포함된 비조질강을 연속주조를 통하여 제조한 후, 제조된 강재를 이용시 열간가공후 열처리를 생략하고 냉각과 동시에 최종제품을 제조할 수 있는 비조질강, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 부품에 관한 것이다.
종래 자동차의 샤시부품은 탄소강을 소재로 하여 제조된다. 상기 탄소강은 C : 0.42~0.48 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 0.60~0.90 중량%, P : 0.030 중량% 이하, S : 0.03 중량% 이하이고 나머지는 Fe로 구성된 합금 조성물로 이루어져 있다.
탄소강을 이용하여 샤시부품을 제작하는 경우에는 상기 합금 조성물을 1250℃ 근처까지 가열후 해머 혹은 프레스를 사용하여 성형한 다음, 강도 및 인성증대를 위해 퀸칭 및 템퍼링 열처리를 수행한다. 이러한 열처리는 일단 성형된 샤시부품을 800℃~900℃로 가열한 후 급냉하고, 다시 400℃~600℃에서 템퍼링하여 제조한다(도 1).
그 결과 제품의 제조공정이 복잡하고, 열처리 후 급냉과정에서 냉각제의 사용으로 환경오염을 일으킬 수 있으며, 전체적인 원가 상승을 가져온다. 또한, 자동차의 성능이 점차 고기능화 및 고출력되는 추세에 있어 보다 고강도 및 고인성을 지닌 새로운 합금 조성의 부품개발이 요구된다.
이에 본 발명자들은, 상기의 문제를 해결하고자 노력한 결과 C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014 중량% 이하, S : 0.03 중량% 이하, Cr : 0.2~0.3 중량% , V : 0.15~0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 이하, Ti : 0.015 중량% 이하이고 나머지는 Fe로 구성된 합금 조성물을 연속주조공정을 통해 제조하였고, 상기 합금 조성물이 베이나이트계 비조질강 조직으로 제시되어 기계적 강도가 우수하고 제품공정이 단순화됨을 알게됨으로서, 본 발명을 완성하게 되었다.
본 발명의 목적은 제조공정 과정이 간단하면서 기계적 강도가 향상된 고강도 베이나이트계 비조질강, 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 자동차용 부품을 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 탄소강 열간단조품 제조시 이용되는 열처리 및 냉각 과정을 나타낸 것이고,
도 2는 본 발명의 고강도 베이나이트계 비조질강 단조품 제조시 이용되는 열처리 및 냉각과정을 나타낸 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2~0.3 중량% , V : 0.15~0.2 중량%, Ni : 0.015중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기와 동일하게 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물을 연속주조하여 환봉의 소재로 제조한 후, 이 소재를 이용하여 자동차용 부품제조시 고온에서 열간가공 후 열처리하지 않고 냉각과 동시에 최종부품을 제조하는방법을 제공한다.
마지막으로, 본 발명은 상기와 동일하게 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물의 원소재를 1250℃로 가열한 후 열간가공과 동시에 30℃/min 이상의 속도로 냉각하는 제어 냉각과정을 통해 제조된 부품을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2~0.3 중량% , V : 0.15~0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물을 제공한다.
베이나이트 조직은 페라이트와 시멘타이트의 2상으로 구성된 미세조직으로, 일반적으로 오스레나이트 강을 펄라이트 영역 아래의 온도와 마르텐사이트 변태 개시온도 이상의 온도 사이로 급냉하게 되면 형성된다. 이러한 베이나이트 조직은 켄칭 및 템퍼링한 조직에 비해 높은 인성을 나타낸다.
본 발명의 합금조성물은 베이나이트 조직을 갖도록 화학 조성을 제어한다. 먼저, 탄소는 강도를 결정하는 기본원소로, 베이나이트 조직을 생성 및 적정 인성확보를 위해 탄소 농도를 0.25~0.30 중량%로 조정한다. 본 발명의 합금 조성물에 포함된 탄소는 그 함량이 종래 탄소강에 비하여 적은 함량으로 제어하며, 만약 탄소의 농도가 높게 되면 용융 후 냉각시 표면에 탈탄이 발생하여 물성이 저하되어바람직하지 못하게 된다.
규소는 탈산제로 제강시 첨가되는 기본적인 함량으로 농도를 0.15~0.35 중량%로 조정한다.
망간은 베이나이트 조직의 생성을 촉진하고 적정한 강도를 확보하기 위하여 1.6~2.0 중량%로 조정한다. 망간은 열처리 능력을 향상시키는 원소로서 탄소량이 낮기 때문에 강도를 보완하기 위해 첨가하는 바, 그 함량이 1.0 중량% 미만이면 충분한 소입경도를 얻을 수 없기때문이다.
인 및 황은 불순물로 존재하며, 인의 경우는 그 함량이 0.03 중량%를 초과하면 결정입계에 편석하여 강도를 저하시키므로 0.03 중량% 미만으로 조정하였고, 황의 경우는 0.03 중량%를 초과하면 H2S를 생성하므로 역시 0.03 중량% 미만으로 조정하였다.
크롬은 베이나이트 생성 온도범위를 확장하기 위하여 0.2-0.3 중량%로 조정하며, 상기 범위를 벗어나게 되면 안정한 베이나이트조직 형성구간 확보가 어렵게 된다.
특히, 본 발명의 합금 조성물에 있어 바나듐은 비조질강에서 베이나이트 조직을 생성하기 위하여 가장 중요한 페라이트 강화 원소로서 0.05~0.25 중량%로 조정한다. 바나듐은 비조질강에 첨가되는 석출강화 원소로서 본 발명의 합금 조성물의 물성을 제어하며, 그 중 경도를 373(HV)까지 최대화 할 수 있다.
티타늄은 결정입자를 미세화시키는 원소로 첨가되며 특히 고온에서 결정성장을 억제시켜준다. 만일, 그 함량이 0.01 중량% 미만이면 미세화 효과가 미약하고, 0.03 중량%를 초과하면 미세화 효과가 포화되는 문제가 있어 결정립 미세화를 달성하기 위하여 농도를 0.015 중량% 이하로 조정한다.
또한, 본 발명은 또한, 본 발명은 C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014 중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2~0.3 중량% , V : 0.15~0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 베이나이트계 비조질강 합금 조성물은 1200℃의 용융로에서 용융한 다음, 몰드에 주입하여 성형 후 냉각속도를 30℃/min 이상으로 조절함과 동시에 열간가공하여 제조하게 된다(도 2).
열간 가공 후 냉각속도에 의해 비조질강 합금 조성물의 금속조직이 결정된다. 본 발명은 냉각 속도를 냉각 속도를 30℃/min이상 으로 조절하고, 상온까지 방냉함으로써, 베이나이트계 조직을 갖는 비조질강 합금 조성물을 제조하게 된다.
본 발명의 조성으로 이루어진 합금으로 켄칭-템퍼링 열처리를 생략하고도 기계적 강도가 향상된 베이나이트계 비조질강을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제조공정을 단축함으로써 생산 원가 절감 및 환경오염 방지의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 종래 켄칭-템퍼링 열처리가 수행된 탄소강 합금 조성물에 비하여 인장강도를 비롯한 기계적 강도 및 경도가 훨씬 우수함을 알 수 있다.
마지막으로, 본 발명은 C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014 중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2-0.3 중량% , V : 0.15-0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 원소재를 1250℃로 가열한 후 열간가공과 동시에 30℃/min 이상의 속도로 냉각하는 제어 냉각과정을 통해 제조된 부품을 제공한다.
상기와 동일한 베이나이트계 비조질강 합금 조성물을 본 발명의 제조방법에 따라 제조함으로써 승용차용 부품인 로암커넥터를 제조하였다. 본 발명에 따라 제조된 로암커넥터는 기존의 탄소강으로 제조된 부품에 비하여 인장강도, 항복강도, 피로강도, 연신율 및 경도가 향상되었다.
이하, 본 발명을 실시예에 의해 상세히 설명한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
본 발명의 열처리 공정에 따라 화학 성분이표 1의 성분으로 구성된 고강도 베이나이트계 비조질강 합금 조성물로도 2의 열처리 공정에 따라 시편을 제조하였다.
우선, 베이나이트계 비조질강 합금조성물을 1250℃로 가열한 후 열간가공하는 단계로 가열된 소재를 프레스로 성형하였다.
마지막으로, 상기 열간가공된 합금 조성물을 30℃/min이상의 속도로 냉각하였다.
<비교예 1>
종래의 열처리 공정에 따라 화학 성분이표 1의 성분으로 구성된 탄소강 합금 조성물로도 1의 열처리 공정에 따라 시편을 제조하였다.
탄소강(S45C)을 구입하여 하기 조성을 가진 탄소강 합금 조성물을 1250℃로 가열한 후 프레스로 성형하여 공기중에 방냉하였다.
다음으로, 상기 용융된 금속을 850℃로 가열한 후 급냉하였고 다시 500℃로 가열한 후 급냉하는 추가공정을 시행하였다.
중량% C Si Mn P S Cr V N Ti Fe
실시예1 0.25 0.15 1.6 0.014미만 0.03미만 0.2 0.15 0.015 미만 0.015미만 나머지
비교예 1 0.42 0.15 0.60 0.03미만 0.03미만 - - - - 나머지
<실험예 1> 기계적 강도 비교
상기 실시예 1과 비교예 1에서 제조된 시편으로 다음과 같은 기계적 강도를 비교하였다.
(1)인장강도(tensile strenth, kgf/mm2)
인장강도는 시제작품-자동차 서스펜션용 로암커넥터에서 KS 4호 인장시험편을 가공한 후 범용 인장시험기를 사용하여 측정하였고 그 결과를표 2에 나타냈다.
(2)항복강도(yield strenth, kgf/mm2)
항복강도는 상기 인장시험편 테스트후 측정된 0.2% PROOF STRESS를 항복강도로 표시하였고 그 결과를표 2에 나타냈다.
(3)피로강도(fatigue strenth, kgf/mm2)
피로강도는 회전굽힘피로시험기를 사용하여 측정하였고 그 결과를표 2에 나타냈다.
(4)연신율(elongation, %)
연신율은 상기 인장시험편 시험시 시편중앙에 익스텐서미터-extensometer-를 부착하여 측정하였고 그 결과를표 2에 나타냈다.
(5)경도(hardness, HV)
경도는 비커스경도 측정기를 사용(하중: 300 gf)하여 측정하였고 그 결과를표 2에 나타냈다.
인장강도(kgf/mm2) 항복강도(kgf/mm2) 피로강도(kgf/mm2) 연신율(%) 경도(HV)
실시예 1 121 81 44 16 373
비교예 1 82 55 38 23 210
상기표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 시편은 비교예 1의 종래기술에 의해 제조된 시편에 비교할 때, 추가의 열처리공정과정을 생략했음에도 탄소의 농도를 0.25-0.30 중량%로 조정하여 베이나이트 조직을 생성 및 적정 인성을 확보할 수 있었고, 망간의 농도를 1.6-2.0 중량%로 조정하여 베이나이트 조직의 생성을 촉진 및 적정강도를 확보할 수 있었으며, 티타늄을 0.015 중량%로 조정하여 결정립 미세화를 달성할 수 있었다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 고강도 베이나이트계 비조질강의 제조방법은 기존의 탄소강에 비하여 제조공정 과정 중 열처리 공정을 단축시킴으로써 제품 리드타임을 단축시키면서 생산원가를 절감시킬 뿐만 아니라 환경폐수 및 대기오염을 감소시킨다. 또한, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 자동차용 부품 로암커넥터는 기존의 탄소강으로 제조된 부품에 비하여 인장강도, 항복강도, 피로강도, 연신율 및 경도가 크게 향상되었다. 아울러, 탄소 농도를 0.25-0.30 중량%로 조정한 합금을 사용함으로써 인장강도, 항복강도, 경도 및 연신율을 향상시켜 기계적 강도를 전반적으로 10% 이상 상승시키면서 제품을 경량화 시킨다.

Claims (3)

  1. 비조질강 합금 조성물에 있어서, C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014 중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2~0.3 중량% , V : 0.15~0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 것을 특징으로 하는 베이나이트계 비조질강 합금 조성물.
  2. 비조질강 합금 조성물의 제조방법에 있어서, C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2-0.3 중량% , V : 0.15-0.2 중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물을, 용융한 후 열간가공과 동시에 냉각하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 베이나이트계 비조질강 합금 조성물의 제조방법.
  3. C : 0.25~0.30 중량%, Si : 0.15~0.35 중량%, Mn : 1.6~2.0 중량%, P : 0.014 중량% 미만, S : 0.03 중량% 미만, Cr : 0.2-0.3 중량% , V : 0.15-0.2중량%, Ni : 0.015 중량% 미만, Ti : 0.015 중량% 미만이고 나머지는 Fe로 구성된 베이나이트계 비조질강 합금 조성물의 원소재를 1250℃로 가열한 후 열간가공과 동시에 30℃/min 이상의 속도로 냉각하는 제어 냉각과정을 통해 제조되는 것을 특징으로 하는 자동차용 부품.
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