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KR20070021344A - 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법 - Google Patents

고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법 Download PDF

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KR20070021344A
KR20070021344A KR1020050075495A KR20050075495A KR20070021344A KR 20070021344 A KR20070021344 A KR 20070021344A KR 1020050075495 A KR1020050075495 A KR 1020050075495A KR 20050075495 A KR20050075495 A KR 20050075495A KR 20070021344 A KR20070021344 A KR 20070021344A
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KR
South Korea
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connecting rod
heat treatment
forging
steel
cooling
Prior art date
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Withdrawn
Application number
KR1020050075495A
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English (en)
Inventor
김낙영
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020050075495A priority Critical patent/KR20070021344A/ko
Publication of KR20070021344A publication Critical patent/KR20070021344A/ko
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Abstract

본 발명은 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 기존의 고탄소계 비조질강을 그대로 사용하면서 열간단조 및 제어냉각 후 400℃의 온도로 2시간 유지 및 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시함으로써, 파단분할시의 파단성능 및 제품의 내구 피로성능을 보다 향상시킬 수 있는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 합금강 소재를 열간단조 후 냉각하는 단계를 포함하는 커넥팅 로드의 제조방법에 있어서, C 0.67 ~ 0.73 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.45 ~ 0.55 중량%, P 0.045 이하, S 0.055 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.025 ~ 0.045 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 비조질강을 소재로 사용하여 열간단조한 후, 495℃까지 90℃/분의 냉각속도로 제어냉각하고, 이어 400℃에서 2시간 유지한 후 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
자동차, 커넥팅 로드, 고탄소, 비조질강, 응력제거, 열처리, 단조, 파단분할

Description

고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법{Manufacturing method of connecting rod using microalloyed steel}
도 1은 본 발명의 제조과정에서 응력제거 열처리를 마친 커넥팅 로드 중간제품을 나타낸 사진,
도 2는 단조 및 냉각 후 실시하는 응력제거 열처리 곡선을 나타낸 도면,
도 3은 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편의 미세조직을 보여주는 사진,
도 4는 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 결정립 크기를 비교하여 나타낸 그래프,
도 5는 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 결정립 크기를 보여주는 사진,
도 6은 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 파단면 양상을 보여주는 사진,
도 7과 도 8은 각각 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 경도 및 충격치를 측정한 결과 도면,
도 9는 충격실험을 끝낸 충격시편을 이용하여 파면에 대한 형상을 측정한 결 과 도면,
도 10은 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 인장강도와 항복강도를 측정한 결과 도면,
도 11은 단조 전 원소재 및 응력제거 열처리 온도를 달리한 각 커넥팅 로드 시편에 대하여 연신율을 측정한 결과 도면,
본 발명은 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 고탄소계 비조질강을 그대로 사용하면서 열간단조 및 제어냉각 후 400℃의 온도로 2시간 유지 및 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시함으로써, 파단분할시의 파단성능 및 제품의 내구 피로성능을 보다 향상시킬 수 있는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차 엔진용 커넥팅 로드는 피스톤에 연결되는 소단부와, 크랭크 축의 크랭크 핀에 연결되는 대단부와, 상기 소단부와 대단부간을 일체로 연결하는 로드부로 구성되며, 피스톤의 직선 왕복운동을 회전운동으로 변환하는 역할을 한다.
이러한 커넥팅 로드를 제조하는 방법에는 열간단조공법과 소결공법이 있으며, 이중 열간단조공법은 크롬, 니켈, 몰리브덴 등이 함유된 단조강을 재결정 온도 이상의 온도 영역까지 가열한 후 단조하여 제조하는 방법으로, 강재의 경우 재결정 온도가 600℃이기 때문에 가공 중의 온도 저하를 감안해서 소재는 900 ~ 1200℃로 가열해 단조한다.
소결공법은 금속분말을 압축 성형한 후 가열 소결하여 제조하는 방법으로, 금속분말이 기계적으로 결합된 압분체(壓粉體)를 가열하면 보다 강한 금속적인 결합을 이루는 바, 소결시에는 보호 분위기 가스를 사용하여 분말체의 윤활제를 예열부로 분해 증발시킨 후 1000 ~ 1150℃로 가열하고 있으며, 이를 위하여 가열속도, 소결온도, 시간, 냉각속도 등을 분위기와 함께 조정할 수 있는 로(爐)를 사용한다.
한편, 최근에는 가공공수 단축 및 부품의 강성 증대를 위하여 파단분할 커넥팅 로드의 제조방식, 즉 기존의 좌면가공방식 대신 일체형 단조 후 파단분리하는 방법이 이용되고 있다.
여기서, 좌면가공방식은 단조 후에 로드 및 캡의 접합면을 기계가공하여 볼트 체결하는 방식이고, 파단 분리하는 방식은 일체형 단조 및 대단부의 노치 성형 후 쐐기를 박아 파단분할(fracture splitting)하는 방식을 말한다.
또한, 파단분할방식을 적용하기 위하여 종래에는 펄라이트 미세조직을 갖는 고탄소계 비조질강 소재를 사용하였으며, 소재를 열간단조, 냉각, 가공하는 과정을 거쳐 제조하였다.
특히, 종래에는 고탄소계 비조질강 소재를 1250℃로 가열하여 열간단조하고, 이어 600℃까지 200℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제1단계의 제어냉각과 이후 상온까지 50 ~ 100℃/분의 냉각속도로 공냉하는 제2단계의 제어냉각을 한 후, 파단분할 가공공정을 거쳐 커넥팅 로드를 제조하였다.
상기와 같이, 동등한 피로강도를 가지는 제품을 제조할 수 있으면서 더욱 원가절감을 실현하고자, 일체형 커넥팅 로드 단조품의 캡 부위에 대하여 기계 절단 후 정밀가공한 다음 조립하여 사용하던 것을, 강제적으로 파단(fracture)시킨 후 조립하여 사용하는, 즉 단조분할 공법으로 기계 절단 후 정밀가공 과정을 생략한 고탄소계 비조질강 파단형 커넥팅 로드를 적용하고 있다.
그러나, 파단분할방식에 고탄소계 비조질강을 사용함에 있어서, 연신율을 낮추고 항복강도와 최대 인장강도의 차이를 줄여 소성변형을 최소로 하고, 그로부터 파단시 파면에 대해 늘어나는 현상을 최소화시켜 재조립시 좋은 조립면을 얻고자 다양한 노력들을 기울이고 있으나, 아직 만족할 만한 결과를 얻지 못하고 있는 것이 사실이다.
특히, 종래 커넥팅 로드의 소재로 사용되던 고탄소계 펄라이트 강재는 파단성능 및 내구 피로성능 면에서 좀더 개선이 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 기존의 고탄소계 비조질강을 그대로 사용하면서 열간단조 및 제어냉각 후 응력제거 열처리를 추가로 실시함으로써, 파단분할시의 파단성능 및 제품의 내구 피로성능을 보다 향상시킬 수 있는 커넥팅 로드의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은, 합금강 소재를 열간단조 후 냉각하는 단계를 포함하는 커넥팅 로드의 제조방법에 있어서,
C 0.67 ~ 0.73 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.45 ~ 0.55 중량%, P 0.045 이하, S 0.055 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.025 ~ 0.045 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 비조질강을 소재로 사용하여 열간단조한 후 495℃까지 90℃/분의 냉각속도로 제어냉각하고, 이어 400℃에서 2시간 유지한 후 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시하여 제조하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것으로서, 소재로 기존의 고탄소계 비조질강을 그대로 사용하면서 단조 후 응력제거 열처리 과정을 추가하여 파단분할시의 파단성능 및 제품의 내구 피로성능을 보다 향상시킬 수 있는 커넥팅 로드의 제조방법에 관한 것이다.
우선, 본 발명의 제조과정에서 사용되는 커넥팅 로드의 소재로는 종래의 고탄소계 비조질강을 그대로 사용한다.
즉, 본 발명에서 사용되는 커넥팅 로드의 소재로서, 탄소(C) 0.67 ~ 0.73 중량%, 규소(Si) 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) 0.45 ~ 0.55 중량%, 인(P) 0.045 이 하, 황(S) 0.055 ~ 0.070 중량%, 니켈(Ni) 0.04 ~ 0.12 중량%, 크롬(Cr) 0.10 ~ 0.20 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.05 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0.010 중량% 이하, 바나듐(V) 0.025 ~ 0.045 중량%, 그리고 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 고탄소계 비조질강이 사용된다.
여기서, 탄소(C)는 강도를 증가시켜 주고 열처리를 가능하게 하는 주요 원소이며, 규소(Si)는 페라이트 기지조직 강화와 인성 감소를 위해 첨가되는 원소이다.
인(P)은 결정립계 인성을 감소시키고 강 속에서 Fe3P의 화합물을 형성하는 원소이며, 황(S)은 가공성 향상을 위하여 첨가되는 원소이다.
또한, 바나듐(V)은 탄소 함량 감소로 인한 강도 보강을 위하여 첨가되는 원소이다.
다음으로, 상기 조성 및 함량의 고탄소계 비조질강 소재를 사용하여 커넥팅 로드를 제조하는 과정은 열간단조(트리밍 가공 포함), 제어냉각, 응력제거 열처리(일정 온도로 가열 유지 후 냉각), 파단분할, 재조립의 순으로 진행된다.
우선, 상기 고탄소계 비조질강 합금 소재를 1150℃로 가열한 후 1100℃에서 단조성형을 실시하고, 이어 1035℃에서 트리밍 가공을 한다.
상기와 같이 트리밍 가공이 끝난 후에는 제어냉각을 실시하는데, 우선 1035℃에서 495℃까지 90℃/분의 냉각속도로 제어냉각을 한다.
여기서, 최종 냉각온도 및 냉각속도를 495℃와 90℃/분으로 제시한 것은 비조질강의 기본 조직인 페라이트와 펄라이트로 구성되는 2상 조직을 형성하고 비조 질강의 주요 강화기구인 고용강화 및 석출경화를 이루기 위해서이다.
다음으로, 이 495℃까지 냉각된 중간제품을 컨베이어를 이용해 가열로 안으로 이송시키고(컨베이어 이송속도 1.1m/분), 이어 가열로 내에서 중간제품을 소정 시간 동안 일정 온도로 유지시킨 뒤 공냉하는 응력제거 열처리를 실시한다.
이때, 내부에 넣어진 중간제품을 적절히 가열하면서 미리 설정된 온도로 일정하게 유지시킬 수 있는 가열로가 이용되어야 한다.
본 발명에서 응력제거 열처리시에는 495℃까지 냉각된 중간제품을 자연냉각이 이루어지는 동안 가열로로 이동시키고, 이어 가열로 내에서 400℃로 일정하게 2시간 동안 유지시킨 뒤 공냉하게 된다.
첨부한 도 1은 본 발명의 응력제거 열처리를 마친 커넥팅 로드 중간제품을 보여주는 사진이다.
이후, 응력제거 열처리한 커넥팅 로드 중간제품을 통상의 파단분할 가공공정 및 마무리 공정을 거쳐 최종의 커넥팅 로드를 완성하게 된다.
이와 같이 하여, 단조 후 냉각된 커넥팅 로드를 400℃의 온도로 2시간 유지시킨 뒤 공냉하는 응력제거 열처리를 실시하게 되면, 고탄소 비조질강은 펄라이트 미세조직을 가지게 되며, 우수한 파단성능이 확보됨은 물론 내구 피로성능의 향상이 가능해진다.
한편, 응력제거 열처리시의 온도를 제시하기 위하여 본 발명자는 다양한 온도에서 응력제거 열처리를 실시한 후 그 결과를 비교하였는 바, 이를 설명하면 다음과 같다.
우선, 하기 표 1은 사용된 고탄소계 비조질강 소재의 조성 및 함량을 나타낸 것이며, 하기 표 2는 단조 전 소재의 기계적 성질을 나타낸 것이다.
Figure 112005045275013-PAT00001
Figure 112005045275013-PAT00002
우선, 상기 표 1의 고탄소계 비조질강 소재를 사용하여 커넥팅 로드를 단조성형한 후 제어냉각하고, 이어 각각 20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 700℃로 온도 유지시켜 2시간 동안 열처리한 후 공기 중 냉각하여, 도 1의 형상을 가지는 커넥팅 로드 중간제품들을 제작하였다.
다음은 커넥팅 로드의 단조 및 제어냉각시 공정조건을 나타낸 것이며, 도 2는 열처리 곡선이다.
- 가열온도 : 1150℃
- 단조온도 : 1100℃
- 트리밍 온도 : 1035℃
- 냉각속도 : 1035℃에서 495℃까지 90℃/분의 속도로 냉각
- 컨베이어 이송속도 : 1.11m/분
- 재질 : 고탄소계 비조질강 사용
- 미세조직 : 펄라이트 조직
단조 전 원소재와 함께 상기와 같이 열처리를 완료한 각 커넥팅 로드를 대상으로 미세조직을 관찰하였으며, 그 결과를 도 3의 사진으로 나타내었다.
도 3을 보면 알 수 있듯이, 단조 전 원소재와 온도를 달리한 20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 700℃ 응력제거 열처리의 경우에서 페라이트 량은 5% 이하로 차이가 없었는데, 이는 펄라이트 분율이 탄소 함유량에 의존하고 있기 때문이며, 열처리 온도를 달리하더라도 조직변화는 없었다.
그리고, 결정립 크기를 관찰하여 그 결과를 도 4의 그래프와 도 5의 사진으로 나타내었다.
그 결과로서, 단조 후 오스테나이트 결정립 크기가 증가함을 보였는데, 단조 전 ASTM No 8.71에서 단조 후 ASTM No 9.7로 증가하였고, 단조 후에는 열처리 온도에 상관없이 오스테나이트 결정립 크기가 동일하였다.
한편, 단조 전 원소재와 온도를 달리한 20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 700℃ 응력제거 열처리 후 시편의 파단면을 살펴보았으며, 도 6의 사진에서 알 수 있듯이 시편의 파단면은 파단 시작부에서 연성파면이, 중간지점과 끝단지점에서 취성파괴의 전형적인 형태인 벽개파면이 관찰되었다.
또한, 단조 전 원소재와 온도를 달리한 20℃, 200℃, 400℃, 600℃, 700℃ 응력제거 열처리의 경우에 대하여 경도 및 충격치를 측정하였으며, 도 7과 도 8에 그 결과를 나타내었다.
경도의 경우, 단조 전 원소재는 HB241 정도이고, 단조 후 응력제거 열처리 결과 600℃까지는 HB269 정도로 약 HB28 정도 증가함을 알 수 있었다.
충격치는 단조 전 24.7J/㎠에서 단조 후 응력제거 결과 22.5J/㎠로 응력제거 열처리 온도 600℃까지는 약 2.2J/㎠ 정도 낮게 동일한 값을 보였으나, 700℃에서 약간 증가하였다.
그리고, 충격실험을 끝낸 충격시편을 이용하여 파면에 대한 형상을 측정한 결과, 도 9에서와 같이 충격 파면부의 최고점과 최저점 차이는 단조 전 원소재가 1.13mm로 가장 굴곡이 심한 파면을 보였고, 단조 후 400℃에서 미세조직의 변화나 기계적 성질의 감소 없이 평평한 충격 파면을 보여 가장 적당함을 알 수 있었으며, 응력제거 열처리 온도가 증가함에 따라 최고점과 최저점의 차이가 점차 증가함을 알 수 있었다.
파면 분균일과 굴곡이 심한 현상은 커넥팅 로드의 캡 부위를 노치에 의해 파괴 절단한 후 재조립할 때 불안정한 조립면을 발생시킬 수 있으며, 경우에 따라서는 파단시 인성에 의해 파면의 입자가 외부로 떨어져 나가 조립면 사이의 미세한 공극을 발생시키는 바, 이는 고하중, 고피로, 고응력을 받는 커넥팅 로드에 해로운 영향을 미치게 된다.
또한, 인장강도와 항복강도는 도 10의 결과에서 알 수 있듯이 단조 후 응력제거 열처리 온도 600℃까지는 증가하는 것으로 나타났으며, 연신율은 도 11에 나타낸 바와 같이 단조 전 원소재 13.2%에서 단조 후 응력제거 열처리 온도 600℃까지는 11.2%를 나타내었다.
이와 같이 하여, 상기한 각 실험의 결과를 볼 때, 대부분의 실험 결과가 단조 후 응력제거 열처리시에 동등한 수준을 나타내고 있지만, 응력제거 열처리 온도를 400℃로 하는 것이 파면 형상 결과를 고려할 때 가장 유리함을 알 수 있다.
이하, 본 발명을 다음의 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예 비교예
상기 표 1에 나타낸 조성 및 함량의 소재를 사용하되, 실시예의 경우 본 발명의 냉각과정 및 응력제거 열처리를, 비교예의 경우 종래의 냉각과정을 적용하여 커넥팅 로드를 제작하였으며, 이후 기계적 물성을 측정하여, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
실시예의 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 커넥팅 로드를 단조성형한 후, 트리밍 온도 1035℃에서 495℃까지 90℃/분의 냉각속도로 제어냉각하고, 이어 400℃에서 2시간 동안 온도 유지시킨 뒤 공냉하는 응력제거 열처리를 실시하여 제작하였다.
반면, 비교예의 경우, 동일 소재를 사용하되, 종래 방법에 의거 1250℃에서 열간단조한 후, 600℃까지 200℃/분의 냉각속도로 제어냉각을 실시하였으며, 이어 상온까지는 80℃/분의 냉각속도(자연냉각 속도)로 공냉하여 제작하였다.
Figure 112005045275013-PAT00003
상기 표 3의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예가 종래의 비교예 및 단조 전 원소재에 비해 인장강도 및 항복강도가 증가되어 우수한 내구 피로성능을 가짐을 알 수 있었고, 인성 및 신율, 경도 면에서도 실시예가 종래에 비해 모두 우수한 결과를 나타내었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법에 의하면, 열간단조 및 제어냉각 후 400℃의 온도로 2시간 유지 및 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시함으로써, 파단분할시의 파단성능 및 제품의 내구 피로성능을 보다 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 합금강 소재를 열간단조 후 냉각하는 단계를 포함하는 커넥팅 로드의 제조방법에 있어서,
    C 0.67 ~ 0.73 중량%, Si 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn 0.45 ~ 0.55 중량%, P 0.045 이하, S 0.055 ~ 0.070 중량%, Ni 0.04 ~ 0.12 중량%, Cr 0.10 ~ 0.20 중량%, Mo 0.05 중량% 이하, Al 0.010 중량% 이하, V 0.025 ~ 0.045 중량%, 그리고 잔량의 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 비조질강을 소재로 사용하여 열간단조한 후 495℃까지 90℃/분의 냉각속도로 제어냉각하고, 이어 400℃에서 2시간 유지한 후 공냉하는 응력제거 열처리를 추가로 실시하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고탄소계 비조질강을 이용한 커넥팅 로드의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101227616B1 (ko) * 2011-05-26 2013-01-30 (주)씬터온 고연소압 엔진 대응을 위한 고강도 커넥팅로드의 제조방법
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