KR100940674B1

KR100940674B1 - 스프링용강 선재의 제조방법

Info

Publication number: KR100940674B1
Application number: KR1020020063883A
Authority: KR
Inventors: 김경원; 임성욱; 조희정; 장광훈
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-10-18
Filing date: 2002-10-18
Publication date: 2010-02-08
Anticipated expiration: 2022-10-18
Also published as: KR20040035136A

Abstract

본 발명은 자동차 현가용 코일, 판 스프링, 토션바 및 스테빌라이져등에 사용되는 스프링용강 선재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 스프링용강 선재를 제조함에 있어서 빌레트의 가열공정을 적절히 제어하므로써, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고서도 선재표면에서의 페라이트 탈탄 및 부분탈탄을 보다 억제시킬 수 있는 스프링용강 선재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 스프링용강 선재를 제조하는 방법에 있어서,

중량%로, 탄소(C): 0.4~0.6%, 실리콘(Si): 1.3~1.6%, 망간(Mn): 0.5~0.7%, 크롬(Cr): 0.4~0.7%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 전부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌레트(Billet)을 이상영역온도구간(페라이트와 오스테나이트가 공존하는 온도구간)의 개시온도까지 10 ±5℃/min의 승온속도로 가열하고 이어서 25 ±5℃/min의 승온속도로 이상영역온도구간을 가열한 다음, 이상영역온도구간의 종료온도에서 920±30℃까지 통상적인 방법으로 가열하고, 이 온도구간에서 30∼50분동안 유지하여 균열처리한 후, 선재압연하여 스프링용강의 선재를 제조하는 방법을 그 요지로 한다.

스프링용강, 선재, 페라이트 탈탄, 부분탈탄, 승온속도, 균열, 이상역

Description

스프링용강 선재의 제조방법{Method for Manufacturing Wire Rod of Spring Steel}

본 발명은 자동차 현가용 코일, 판 스프링, 토션바 및 스테빌라이져등에 사용되는 스프링용강 선재를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 스프링용강의 선재압연을 위한 가열시 선재표면에서 일어나는 페라이트 탈탄 및 부분탈탄을 저감시킬 수 있는 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 현가용 코일, 판 스프링, 토션바 및 스테빌라이져등에 사용되는 스프링강에서 가장 중요한 특성으로는 크게 피로특성 및 영구변형저항성으로 구분되며, 피로특성은 스프링용강 선재표면 탈탄층의 정도와 연관이 있다.

즉, 탈탄층이 깊을수록 스프링 최종제품에서의 피로특성에 악영향을 미친다.

이는 선재표면에 탈탄층이 잔존하는 경우 피로특성 개선목적으로 선재표면에 압축잔류응력을 부여하는 숏피닝(Short Peening)효과가 거의 없어지기 때문이다.

또한, 선재압연시 표면탈탄 정도가 심한 경우에는 압연중 표면흠 발생가능성이 매우 높고, 또한 스프링 제조전에 표면절삭공정(Peeling)이 필요하게 되고, 이로 인하여 가공량의 증가가 초래되어 실수율 저감을 가져오게 되는 문제점이 있다.

자동차 스프링용강의 대표적인 예로는 SAE9254(SUP11)를 들수 있는데, 이 SAE9254 (SUP11)는 기존의 SUP7대비 실리콘 성분을 감소시키고 탈탄방지에 효과적인 원소인 크롬(Cr)을 첨가한 강종으로서, 스프링 특성 및 가격측면에서 매우 유리하여 현재 널리 사용되고 있다.

그러나, 상기 SAE9254 (SUP11)는 표면탈탄 조장원소인 실리콘 함유량이 1.4%수준으로 여전히 높아 이를 사용하여 선재를 제조하는 경우에는 선재표면에서 탈탄이 불가피하게 일어나게 되며, 이로 인해 스프링제조시 선재의 표면품질을 개선하기 위하여 행하는 표면절삭 가공공정인 필링공정을 필요로 하게 되며, 이로 인하여 재료의 손실이 발생되는 문제점이 있다.

최근 스프링용강의 가공공정의 단순화로 종래 표면절삭공정의 생략 또는, 가공량 절감 등의 요구로 스프링강 선재표면에 탈탄층의 두께를 더욱 감소시켜야 하는 절박한 상황에 와 있는 실정이다.

특히, SAE9254강종의 선재제조시 선재표면에 탈탄층을 개선할 수 있다면, 가격과 우수한 스프링 특성을 동시에 확보할 수 있게 될 것이다.

상기한 요구에 부응하기 위하여 스프링용강 선재의 탈탄을 억제하기 위한 방법들이 다수 제안되었다.

그 예들로는 대한민국 특허공보 92-24974호, 92-24161호 및 92-24613호와 일본 특허공보 (평)2-301514호, (평)1-31960호, 및 (소)63-16591호 등을 들수 있다.

상기 대한민국 특허공보 92-24974호 및 92-24161호에서는 니켈을 첨가하여 탈탄을 억제하는 동시에 탈탄 조장원소인 실리콘의 첨가량을 증가시켜 스프링 특성을 매우 효과적으로 개선하고 있으나, 이 방법의 경우에는 니켈 첨가에 따른 제조원가의 상승이라는 문제점이 있다.

또한, 상기 대한민국 특허공보 92-24613호에서는 납, 주석을 첨가하여 표면탈탄 발생을 억제시키고 있으나, 이 방법의 경우에는 선재의 고온충격인성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 일본특허공보에 제시된 방법들에서는 크롬 또는 납, 황, 칼슘 등을 첨가하여 탈탄을 억제시키고 있으나, 이 방법들의 경우에는 충격인성이 저하되고, 또한, 고가의 합금원소 첨가로 원가가 상승하는등의 문제점이 있다.

또한, 최근에는 스프링용강 선재제조시 빌레트의 가열조건을 적절히 제어하여 선재표면에서의 탈탄을 억제하는 방법들이 제안되었다.

이들 방법들의 예로서는 대한민국 특허출원 제1999-6328호 및 제1999-6381호등을 들수 있다.

상기 대한민국 특허출원 제1999-6328호 및 제1999-6381호에서는 스프링강 선재제조용 빌레트을 1100℃이상에서 가열하여 선재의 표면에 균일한 페라이트 탈탄층을 생성시켜 선재전체의 탈탄을 감소시키고 있으나, 이 방법의 경우에는 스프링강에 있어서 가장 큰 문제점인 페라이트 탈탄층을 생성시켜야 하는 문제점이 있고, 또한 고온에 의한 스케일 생성으로 실수율을 떨어뜨리고, 압연중 스케일이 박히는 표면흠을 유발시키는등의 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기한 종래방법들의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험 을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 스프링용강 선재를 제조함에 있어서 빌레트의 가열공정을 적절히 제어하므로써, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고서도 선재표면에서의 페라이트 탈탄 및 부분탈탄을 보다 억제시킬 수 있는 스프링용강 선재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 스프링용강의 선재압연시 빌레트의 가열조건과 함께 선재압연조건을 적절히 제어함으로써 선재표면에서의 페라이트 탈탄과 부분탈탄을 저감시킬 뿐만 아니라 급냉에 의한 저온조직의 발생을 억제시킬 수 있는 스프링용강 선재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 스프링용강 선재를 제조하는 방법에 있어서,

중량%로, 탄소(C): 0.4~0.6%, 실리콘(Si): 1.3~1.6%, 망간(Mn): 0.5~0.7%, 크롬(Cr): 0.4~0.7%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 전부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌레트(Billet)을 이상영역온도구간(페라이트와 오스테나이트가 공존하는 온도구간)의 개시온도까지 10 ±5℃/min의 승온속도로 가열하고 이어서 25 ±5℃/min의 승온속도로 이상영역온도구간을 가열한 다음, 이상영역온도구간의 종료온도에서 920±30℃까지 통상적인 방법으로 가열하고, 이 온도구간에서 30∼50분동안 유지하여 균열처리한 후, 선재압연하여 스프링용강의 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기한 가열조건으로 빌레트를 가열한 후, 800~950℃의 마무리압연조건으로 선재압연하고, 압연된 선재를 830 ±30℃까지 수냉한 다음, 2℃/min의 냉각속도로 냉각하여 스프링용강의 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 SAE9254강종의 선재압연시 선재표면에서의 탈탄을 저감시키기 위하여 깊이 있게 연구한 결과, 선재압연을 위한 빌레트 가열시(선재가열로 가열시) 이상역 (페라이트와 오스테나이트가 공존하는 온도구간)에서의 승온속도를 25±5℃ /min으로 하여 이상영역온도구간을 빠르게 통과함으로써, 빌레트 표면에서 발생되는 페라이트 탈탄을 억제할 수 있고, 또한, 부분탈탄이 급속도로 증가하는 950℃이상의 구역을 피하여 920±30℃에서 30~50min동안 균열처리한 후, 선재압연함으로써, 부분탈탄이 저감될 수 있다는 것을 인식할 수 있었으며, 이러한 연구 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 SAE9254강종의 선재압연시 빌레트 가열조건을 적절히 제어하여 빌레트 표면에서의 페라이트 탈탄을 억제하고, 또한 부분탈탄을 저감시킬 수 있는 스프링용강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 적용되는 강종은 SAE9254강종으로서, 이 강의 성분 및 성분범위를 한정하는 이유에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기 강중 C의 함량이 0.4%미만인 경우에는 소입,소려에 의한 고응력 스프링용강으로서 충분한 강도를 확보하기 어렵고, 0.6%이상인 경우에는 인성의 확보가 불충분하고 고 실리콘의 함량으로 파생되는 소재탈탄을 억제하기 어려우므로, 그 함량은 0.4~0.6%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 강중의 Si의 함량이 1.3%미만인 경우에는 실리콘이 페라이트내에 고용되어 모재의 강도를 강화시키고, 또한 변형저항성을 개선하는 효과가 충분하지 못하고, 1.6%를 초과하는 경우에는 변형저항성의 개선효과가 포화되고 열처리시 탈탄의 가능성이 높으므로, 그 함량은 1.3~1.6%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 강중의 Mn의 함량이 0.5%미만인 경우에는 스프링용강으로서 강도 및 소입성이 부족하고, 0.7%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되므로, 그 함량은 0.5~0.7%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 강중의 Cr은 페라이트 탈탄을 저감시키는 원소로서, 그 함량이 0.4% 미만인 경우에는 충분한 소입성 및 탈탄억제의 효과를 얻기 어렵고, 0.7%를 초과하는 경우에는 탈탄억제효과가 포화되므로, 그 함량은 0.4~0.7%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 강중의 인(P)은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 한정한다.

상기 강중의 황(S)은 저융점 원소로 입계에 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 스프링 특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.01%로 제한한다.

한편, 산소가 강중에 함유되는 경우에는 조대한 산화물계 비금속개재물을 용이하게 형성하여 피로수명에 유해한 영향을 미치게 되므로, 그 함량은 0.0015%이하로 한정하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강 빌레트의 선재압연시 표면에서의 탈탄반응 을 억제하기 위해 빌레트의 이상영역에서의 가열조건을 적절히 제어하여 표면에서 탄소고용도가 적은 페라이트층을 적절히 유도한다.

본 발명에 따르는 빌레트의 가열시 이상역개시온도까지의 빌레트 승온(가열)속도는 10±5℃/min으로 설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이상역온도구간에서의 급속가열을 위하여 빌레트 내외부의 온도편차를 최소화하여 빌레트 휘어짐 발생을 없애기 위함이다.

본 발명의 강성분계에 있어서 이상영역개시온도는 727 ±10℃ 정도이다.

상기한 승온속도로 빌레트를 이상역개시온도까지 승온한 후, 이상역개시온도에서 이상역 종료온도까지 즉, 이상영역구간에서의 빌레트 승온속도는 25±5℃/min 으로

설정하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이 온도구간에서의 승온속도가 20℃/min미만인 경우에는 표면 페라이트층의 두께가 증가하여 최종 선재제품에 페라이트탈탄이 발생하게 되고, 승온속도가 30℃/min을 초과하는 경우에는 페라이트 탈탄 발생이 억제되지만 빌레트 내외부의 온도편차로 빌레트 휘어짐 발생이 심화되고, 더욱이 현재 가열로의 능력으로는 이러한 승온속도 유지가 불가능하기 때문이다.

본 발명의 강성분계에 있어서 이상영역온도구간은 727±10℃ ~ 877±10℃정도이다.

상기와 같이 이상영역온도구간을 가열한 후, 이상역 종료온도에서 920±30℃까지의 빌레트 가열은 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상적인 방법에 따라 행하면 되고, 바람직한 빌레트 승온속도는 10±5℃/min이다.

상기와 같이 920±30℃의 온도로 승온된 빌레트를 이 온도에서 30∼50분동안 유지한 후, 선재압연을 실시하여 스프링용강의 선재를 제조하게 된다.

상기 온도구간에서의 유지시간이 30분 미만인 경우에는 선재압연을 위한 빌레트 내외부의 균일한 온도분포를 확보하기 어렵고, 50분을 초과하는 경우에는 고온에서 빌레트가 오래 유지되어 부분탈탄이 심화되므로, 상기 920±30℃의 온도구간에서의 유지시간은 30∼50분으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 균열(유지)온도가 890℃미만인 경우에는 열간변형저항성의 증가로 압연시 과부하로 인해 작업성이 열악해지고, 또한 페라이트 탈탄의 급속성장 영역인 이상역구간에 근접하여, 빌레트의 국부적인 페라이트 탈탄 발생으로 최종 선재제품의 전장에 대한 품질보증이 불가능하게 되고, 950℃를 초과하는 경우에는 페라이트 탈탄층이 가열로내에서 스케일생성으로 줄어들지만, 고온에서 탄소활동도가 증가하여, 표면에 부분탈탄이 증가하므로, 상기 균열(유지)온도는 920±30℃로 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따라 빌레트를 가열한 다음, 행해지는 선재압연은 특별히 한정되는 것은 아니며, 통상적인 방법에 따라 행하면 된다.

상기와 같이 가열된 빌레트를 선재압연하는 경우 마무리 압연은 800~950℃범위에서 행하는 것이 바람직한데, 그 이유는 마무리 압연온도가 800℃미만인 경우에는 소재의 압연온도 저하에 따라 열간변형 저항의 급격한 증가로 압연롤의 부하가 커지게 되어 수명이 저하하여 경제적으로 불리하고, 950℃를 초과하는 경우에는 일반 통상 압연의 경우 생성된 오스테나이트 입자경이 커서 경화능의 증가 효과를 갖게 되어 냉각시에 저온조직이 발생되기 쉽기 때문이다.

또한, 열간압연된 선재는 마무리압연후 830 ±30℃까지 수냉한 다음, 2℃/min의 냉 각속도로 냉각하는 것이 바람직한데, 그 이유는 펄라이트조직을 얻도록 하기 위함이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예1)

중량%로, C: 0.53%, Si:1.41%, Cr:0.58%, Mn:0.61%, P:0.001%, S:0.008%, 전부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 빌레트을 하기 표 1의 가열조건으로 재가열한 후 15mm의 직경을 갖는 선재로 압연하여 수냉한 다음, 830℃에서 권취한 후, 1.8℃/min의 냉각속도로 공냉하여 시편을 제조하였다.

상기와 같이 제조된 시편에 대하여 페라이트 탈탄깊이, 탈탄점유율 및 부분탈탄깊이를 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

여기서, 페라이트 탈탄깊이는 선재압연후 선재표면에 생성된 최대 탈탄깊이를 의미하고, 페라이트 탈탄 점유율은 선재압연후 선재표면의 원주를 점유한 퍼센트를 의미하고, 또한, 부분탈탄 깊이는 표면 탈탄층에서 기지조직의 탄소농도와 같은조직을 갖는 거리를 의미한다.

시편 No.		선재 가열로 조업패턴					페라이트 탈탄		부분탈탄 깊이 (mm)
시편 No.		727℃까지의 승온속도 (℃/min)	이상역 승온속도 (℃/min)	이상역종료온도에서 균열대까지의 승온속도(℃/min)	균열대 유지온도 (℃)	균열대 재로시간(min)	깊이 (mm)	점유율 (%)	부분탈탄 깊이 (mm)
발 명 재	1	10	25	10	920	38	0.000	0	0.048
	2	15	20	15	925	41	0.002	3	0.039
	3	11	29	11	914	32	0.000	0	0.034
	4	9	22	9	942	47	0.003	5	0.044
	5	13	27	13	932	36	0.000	0	0.037
비 교 재	1	18	10	18	1009	70	0.034	58	0.107
	2	19	5	19	1002	63	0.057	100	0.118
	3	20	15	20	985	58	0.029	47	0.101
	4	4	12	4	1054	60	0.042	42	0.182
	5	3	9	3	996	66	0.049	100	0.125

상기 표1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명재(1)~(5)의 경우에는 페라이트 탈탄깊이가 0.003mm이하인 반면에, 비교재(1)~(5)의 경우에는 0.029mm이상이고 원주 점유율 또한 42%이상이 되는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

중량%로, C: 0.53%, Si:1.41%, Cr:0.58%, Mn:0.61%, P:0.001%, S:0.008%, 전부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 빌레트을 승온속도를 727℃까지는 12℃/min속도로 가열하고 877℃까지는 25℃/min속도로 가열후 930℃까지 10℃/min속도로 가열한 다음, 이 온도에서 38분 동안 유지하여 균열한 후, 하기 표 2의 열간압연조건으로 열간압연하여 직경이 15mm인 선재로 제조하고, 이들 선재에 대하여 저온조직의 발생여부를 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

시편 No.		마무리 압연온도(℃)	권취 온도(℃)	냉각 속도(℃/min)	저온 조직발생여부
발명재	6	880	830	1.1	없음
	7	860	810	1.5	없음
	8	830	845	1.9	없음
비교재	6	900	912	2.8	발생
	7	1002	868	3.2	발생
	8	980	904	1.4	미소 발생

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 권취온도이하에서의 냉각속도가 2℃/min이상이거나 또는 권취온도가 860℃를 초과하는 경우에는 저온조직이 발생됨을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 선재압연의 빌레트 가열시 이상역온도구간의 승온속도를 높여 선재의 표면에서의 페라이트 탈탄층을 감소시킬 뿐만 아니라 빌레트의 균열온도를 낮추어 부분 탈탄반응을 억제시킬 수 있으므로, 선재표면에서의 페라이트 탈탄과 부분탈탄이 동시에 저감된 선재를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한, 본 발명은 빌레트의 가열조건과 함께 선재압연조건을 적절히 제어함으로써 선재표면에서의 페라이트 탈탄과 부분탈탄이 동시에 저감될 뿐만 아니라 급냉에 의한 저온조직의 발생이 억제된 선재를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

스프링용강 선재를 제조하는 방법에 있어서,

중량%로, 탄소(C): 0.4~0.6%, 실리콘(Si): 1.3~1.6%, 망간(Mn): 0.5~0.7%, 크롬(Cr): 0.4~0.7%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 전부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 빌레트(Billet)을 이상영역온도구간(페라이트와 오스테나이트가 공존하는 온도구간)의 개시온도까지 10 ±5℃/min의 승온속도로 가열하고 이어서 25 ±5℃/min의 승온속도로 이상영역온도구간을 가열한 다음, 이상영역온도구간의 종료온도에서 920±30℃까지 10 ±5℃/min의 승온속도로 가열하고, 이 온도구간에서 30∼50분동안 유지하여 빌레트를 균열처리한 후, 선재압연하는 것을 특징으로 하는 스프링용강의 선재 제조방법
제1항에 있어서, 상기 균열된 빌레트를 800~950℃의 마무리압연조건으로 선재압연하고, 압연된 선재를 830 ±30℃까지 수냉한 다음, 2℃/min의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 스프링용강의 선재 제조방법
제1항 또는 제2항에 있어서, 빌레트의 이상영역온도구간이 727±10℃ ~ 877±10℃인 것을 특징으로 하는 스프링용강의 선재 제조방법