KR20180067758A - 코일스프링강 - Google Patents

Abstract

중량%로, 탄소(C) : 0.51~0.57%, 실리콘(Si) : 1.35~1.45%, 망간(Mn) : 0.95~1.05%, 인(P) : 0.003~0.015%, 황(S) : 0.003~0.010%, 크롬(Cr) : 0.70~0.90%, 구리(Cu) : 0.30~0.40%, 바나듐(V) : 0.10~0.15%, 알루미늄(Al) : 0.010~0.040%, 티타늄(Ti) : 0.010~0.033%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 니켈(Ni) : 0.25~0.35%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 코일스프링강이 소개된다.

Description

코일스프링강 {COIL SPRING STEEL}

본 발명은 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)의 함량 제어를 통해 피로수명이 증대되고 인장강도가 향상된 코일스프링강에 관한 것이다.

최근 국내외 생산되는 차량에는 120K급 고응력 코일스프링이 적용되고 있으며 현재에는 130K급 고응력 코일스프링까지 양산 적용되고 있다. 소재가 110K ~ 130K로 고강도화 될수록, 선경/권수를 축소함으로써 자동차의 경량화를 가능케 하지만, 치핑/도장박리 후 부식에 의한 민감도가 증대되며, 선경을 축소함으로써 설계적 마진 미확보로 인한 강도 부족 및 파손 진행 시 완전한 절손에 이르기까지의 진행속도가 빨라지는 위험부담이 있다.

이러한 위험을 줄이고자 일부 부식취약지역에 한하여 듀얼코팅 도장 등을 적용하고 있으나, 이는 근본적인 해결책은 아니며, 특히나 재료(도료)비 과다상승이라는 부작용을 포함한다. 따라서 이와 같은 소재의 강도/부식문제 개선을 통한 내구성 증대는 자동차산업이 현 시점에서 꼭 풀어야 할 숙제라고 할 수 있다. 최근의 자동차는 고성능, 고출력 및 고효율화가 되기 때문에 부품의 고강도화 및 경량화가 요구되고 있으며, 서스펜션용 철강재의 경우 기존과 같은 차량하중/부식조건 하에서 경량화를 해야 하기 때문에 재질의 강성과 내구성 확보는 필수적이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2012-0133746호

본 발명은 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)의 함량 제어를 통해 피로수명이 증대되고 인장강도가 향상된 코일스프링강을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 코일스프링강은 중량%로, 탄소(C) : 0.51~0.57%, 실리콘(Si) : 1.35~1.45%, 망간(Mn) : 0.95~1.05%, 인(P) : 0.003~0.015%, 황(S) : 0.003~0.010%, 크롬(Cr) : 0.70~0.90%, 구리(Cu) : 0.30~0.40%, 바나듐(V) : 0.10~0.15%, 알루미늄(Al) : 0.010~0.040%, 티타늄(Ti) : 0.010~0.033%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 니켈(Ni) : 0.25~0.35%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

결정립(Grain)의 크기는 29㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.

코일스프링 성형 후 단품의 전탈탄 깊이는 0.50㎛ 이하이고, 페라이트 탈탄의 깊이는 1㎛이하일 수 있다.

코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 80만회 이상이고, 부식피로수명은 50만회 이상일 수 있다.

인장강도가 2150MPa 이상일 수 있다.

개재물의 조대화를 방지하기 위해 알루미늄(Al)의 함량은 0.010~0.030%이며, 코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 85만회 이상이고, 부식피로수명은 55만회 이상일 수 있다.

석출물의 조대화를 방지하기 위해 티타늄(Ti)의 함량은 0.010~0.030%이며, 코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 85만회 이상이고, 부식피로수명은 55만회 이상일 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 코일스프링강에 따르면, 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 구리(Cu), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)의 함량을 적극 제어함에 따라 피로수명이 향상되는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 인장강도가 향상되어 그만큼 코일스프링의 중량을 줄여 결과적으로 차량의 연비향상이 가능해진다.

도 1은 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 전탈탄 깊이를 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 페라이트 탈탄 깊이를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에서 망간(Mn)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에서 망간(Mn)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명에서 망간(Mn)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에서 망간(Mn)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 11은 본 발명에서 인(P)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에서 인(P)의 함량 제어에 따른 부식홈 깊이를 나타낸 그래프.
도 13은 본 발명에서 인(P)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 14는 본 발명에서 황(S)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명에서 황(S)의 함량 제어에 따른 부식홈 깊이를 나타낸 그래프.
도 16은 본 발명에서 황(S)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 17은 본 발명에서 크롬(Cr)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 18은 본 발명에서 크롬(Cr)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 19는 본 발명에서 크롬(Cr)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 20은 본 발명에서 크롬(Cr)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 21은 본 발명에서 구리(Cu)의 함량 제어에 따른 부식속도를 나타낸 그래프.
도 22는 본 발명에서 구리(Cu)의 함량 제어에 따른 부식흠 깊이를 나타낸 그래프.
도 23은 본 발명에서 구리(Cu)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 24는 본 발명에서 구리(Cu)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 25는 본 발명에서 구리(Cu)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 26은 본 발명에서 바나듐(V)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 27은 본 발명에서 바나듐(V)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 28은 본 발명에서 바나듐(V)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 29는 본 발명에서 바나듐(V)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 30은 본 발명에서 알루미늄(Al)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 31은 본 발명에서 알루미늄(Al)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 32는 본 발명에서 알루미늄(Al)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 33은 본 발명에서 티타늄(Ti)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 34는 본 발명에서 티타늄(Ti)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 그래프.
도 35는 본 발명에서 티타늄(Ti)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 36은 본 발명에서 몰리브덴(Mo)의 함량 제어에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.
도 37은 본 발명에서 몰리브덴(Mo)의 함량 제어에 따른 충격인성을 나타낸 그래프.
도 38은 본 발명에서 몰리브덴(Mo)의 함량 제어에 따른 부식흠 깊이를 나타낸 그래프.
도 39는 본 발명에서 몰리브덴(Mo)의 함량 제어에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 그래프.
도 40은 본 발명에 따른 실시예와 기존재 및 비교예의 인장강도를 나타낸 도표.
도 41은 본 발명에 따른 실시예와 기존재 및 비교예의 충격인성을 나타낸 도표.
도 42는 본 발명에서 실시예와 기존재 및 비교예의 코일스프링 단품의 일반피로수명을 나타낸 도표.
도 43은 본 발명에서 실시예와 기존재 및 비교예의 코일스프링 단품의 부식피로수명을 나타낸 도표.
도 44는 본 발명에서 실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 페라이트 탈탄 깊이를 관찰한 사진.
도 45는 본 발명에서 알루미늄(Al)의 함량 제어에 따른 결정립(Grain) 크기 및 알루미늄 개재물을 관찰한 사진.
도 46은 본 발명에서 티타늄(Ti)의 함량 제어에 따른 결정립(Grain) 크기 및 티타늄 석출물을 관찰한 사진.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 코일스프링강은 중량%로, 탄소(C) : 0.51~0.57%, 실리콘(Si) : 1.35~1.45%, 망간(Mn) : 0.95~1.05%, 인(P) : 0.003~0.015%, 황(S) : 0.003~0.010%, 크롬(Cr) : 0.70~0.90%, 구리(Cu) : 0.30~0.40%, 바나듐(V) : 0.10~0.15%, 알루미늄(Al) : 0.010~0.040%, 티타늄(Ti) : 0.010~0.033%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 니켈(Ni) : 0.25~0.35%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 코일스프링강에 있어서, 강의 성분조건을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C) : 0.51~0.57%

탄소(C)는 강의 강도를 증가시키는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 오스테나이트에 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성시킨다. 탄소량 증가에 따라 경도를 향상시키는 반면, 인성을 저하시킨다. 철(Fe), 크롬(Cr), 바나듐(V) 등의 원소와 결합하여 탄화물을 형성하여 강도와 경도를 향상시키는 역할을 한다.

0.51% 미만 첨가 시에는 인장강도 및 피로강도가 저하된다. 반면, 0.57% 초과 첨가 시에는 인성을 저하시키고 담금질(Quenching)하기 전 경도 상승에 따라 가공성이 저하된다. 따라서 탄소(C)의 함량을 0.51~0.57% 범위로 제한하였다.

실리콘(Si) : 1.35~1.45%

실리콘(Si)은 강의 경도 및 강도를 향상시키며 펄라이트 상을 강화시키지만, 신율과 충격치를 저하시키는 원소이다. 산소와 친화적인 특징을 갖는다.

1.35% 미만 첨가 시에는 인장강도 및 피로강도가 저하된다. 반면, 1.45% 초과 첨가 시에는 탈탄 발생에 따른 피로강도를 저하시키고 담금질(Quenching)하기 전 경도 상승에 따라 가공성이 저하된다. 따라서 실리콘(Si)의 함량을 1.35~1.45% 범위로 제한하였다.

망간(Mn) : 0.95~1.05%

망간(Mn)은 담금질(Quenching)시 강의 경화능 및 강도를 향상시키지만 다량 함유될 경우 담금질균열, 열변형 및 인성저하를 유발시키게 되는 원소이다. 황(S)과의 반응으로 MnS 개재물을 형성한다.

0.95% 미만 첨가 시에는 강의 소입성 개선이 미미해진다. 반면, 1.05% 초과 첨가 시에는 가공성 및 인성이 저하되고 MnS의 과다 생성에 따른 석출로 피로수명이 악화된다. 따라서 망간(Mn)의 함량을 0.95~1.05% 범위로 제한하였다.

인(P) : 0.003~0.015%

인(P)은 강중에 균일하게 분포되어 있을 경우 문제가 되지 않으며 피삭성을 개선시키는 원소이다.

0.003% 미만 첨가 시에는 피삭성이 저하되는 문제가 생긴다. 반면, 0.015% 초과 첨가 시에는 충격저항의 저하에 따른 노치 민감도를 증대시킨다. 또한, 템퍼링 취성을 촉진시키게 된다. 따라서 인(P)의 함량을 0.003~0.015% 범위로 제한하였다.

황(S) : 0.003~0.010%

황(S)은 망간(Mn)과의 반응으로 MnS 개재물을 형성하여 강의 가공성을 향상시키는 원소이다.

0.003% 미만 첨가 시에는 가공성이 저하되는 문제가 생긴다. 반면, 0.010% 초과 첨가 시에는 MnS를 균열 기점부로 하여 피로수명을 저하시키고 부식특성을 저하시킨다. 따라서 황(S)의 함량을 0.003~0.010% 범위로 제한하였다.

크롬(Cr) : 0.60~0.80%

크롬(Cr)은 오스테나이트 내에 용해되어 경화능을 개선시키고 템퍼링 시의 연화저항성을 억제하는 원소이다. 경화능 및 강도 등의 기계적물성을 보완시키기 위해 첨가한다. 고실리콘(Si)강에서 탈탄 방지효과를 갖는다.

0.60% 미만 첨가 시에는 강도 저하에 따른 강의 영구변형이 발생하는 문제가 생긴다. 반면, 0.80% 초과 첨가 시에는 경도의 상승 및 인성의 저하로 강에 균열이 발생한다. 또한, 원가가 상승하게 된다. 따라서 크롬(Cr)의 함량을 0.60~0.80% 범위로 제한하였다.

구리(Cu) : 0.25~0.35%

구리(Cu)는 강 표면의 부식산화물 치밀성을 향상시켜 내부로 부식이 진전되는 것을 방지시켜주는 원소이다. 다만, 다량 함유될 경우 고온에서의 취성(적열취성) 원인에 따라 강에 미세 크랙이 발생하게 된다.

0.25% 미만 첨가 시에는 내식성 저하에 따른 강의 부식 및 피로수명 저하의 문제가 생긴다. 반면, 0.35% 초과 첨가 시에는 고온에서의 취성(적열취성)에 따른 균열 발생 및 원가 상승의 문제가 생긴다. 따라서 구리(Cu)의 함량을 0.25~0.35% 범위로 제한하였다.

바나듐(V) : 0.05~0.15%

바나듐(V)은 고온에서 미세 석출물 형성으로 인한 결정립계(Grain Boundary) 크기의 조대화를 조직의 미세화를 통해 방지시켜주는 원소이다. 조직의 미세화에 따라 강도의 향상 및 인성의 확보가 가능하나, 다량 함유될 경우 석출물의 조대화로 인한 인성 및 피로수명 저하가 뒤따르게 된다.

0.05% 미만 첨가 시에는 강도가 저하되고 결정립계(Grain Boundary) 크기의 조대화 문제가 생긴다. 반면, 0.15% 초과 첨가 시에는 인성이 저하되고 피로수명이 저하되며 원가가 상승하게 된다. 따라서 바나듐(V)의 함량을 0.05~0.15% 범위로 제한하였다.

알루미늄(Al) : 0.010~0.040%

알루미늄(Al)은 오스테나이트를 미세화하고 강도 및 충격인성을 향상시킨다. 특히, 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo)과 함께 첨가되어 고가원소인 결정립 미세화용 바나듐(V), 인성 확보용 니켈(Ni)의 첨가량의 절감을 가능하게 한다.

0.0010% 미만 첨가 시에는 강도 및 충격인성 향상 효과를 기대할 수 없다. 반면, 0.040% 초과 첨가 시에는 조대한 개재물(Al₂O₃)이 생성되고, 이러한 개재물이 피로기점으로 작용하여 강을 취약하게 하여 피로수명 등의 내구성을 저하시킨다. 따라서 알루미늄(Al)의 함량을 0.010~0.040% 범위로 제한하였다.

티타늄(Ti) : 0.010~0.033%

티타늄(Ti)은 결정립 재결정을 방지하고 성장을 억제한다. 또한, 티타늄(Ti)은 TiC, TiMoC와 같은 나노탄화물 형태의 석출물을 형성한다. 이에 따라 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다. 질소(N)와의 반응으로 TiN을 생성하여 결정립성장을 억제하고, TiB₂을 형성하여 B가 N와 결합하는 것을 방해하여 BN의 소입성 저하를 최소화 한다.

0.010% 미만 첨가 시에는 강도 및 파괴인성의 향상 효과를 기대할 수 없다. 반면, 0.033% 초과 첨가 시에는 원가상승을 초래하며, 각형의 석출물 형성에 따라 부품의 피로수명을 저하 시킨다. 따라서 티타늄(Ti)의 함량을 0.010~0.033% 범위로 제한하였다.

몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%

몰리브덴(Mo)은 나노탄화물인 TiMoC 등의 석출물을 형성하여 강도를 향상시키고, 파괴인성을 향상시키는 역할을 한다.

몰리브덴(Mo)의 함량이 0.05% 미만일 경우 강도 및 파괴인성의 향상효과가 크지 않게 된다. 반면, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.15%를 초과할 경우 가공성이 저하되어 이에 따라 생산성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서 몰리브덴(Mo)의 함량을 0.1~0.5% 범위로 제한한다.

니켈(Ni) : 0.25~0.35%

니켈(Ni)은 강의 조직을 미세화시키고 오스테나이트에 잘 고용되어 기지강화에 이용되는 원소이다. 우수한 경화능을 나타내며 특히 내식성 향상의 효과를 갖는다.

0.25% 미만 첨가 시에는 내식성 저하에 따른 강의 부식 및 피로수명이 저하되는 문제가 생긴다. 반면, 0.35% 초과 첨가 시에는 원가가 상승하는 문제가 발생한다. 따라서 니켈(Ni)의 함량을 0.25~0.35% 범위로 제한하였다.

( 실시예 및 비교예 )

실리콘(Si)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 1 및 도 1 내지 도 6을 통해 확인할 수 있다.

(표 1)

상기 표 1의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 실리콘(Si)만 제어변수로 하였다.

실리콘(Si)의 함량을 1.35~1.45% 범위로 제한하였으므로 비교예 1 및 비교예 2의 경우 실리콘(Si)의 함량이 1.35%에 미달하며, 비교예 3의 경우 실리콘(Si)의 함량이 1.45%를 초과한다.

도 1 및 도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이 실리콘(Si)의 함량이 증가할수록 인장강도 및 스프링 단품의 일반피로수명도 함께 상승한다. 다만, 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 실리콘(Si)의 함량이 증가할수록 충격인성은 감소하며, 1.45%와 1.53% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

인장강도의 경우 KS B 0801레 따른 표준 인장시험편을 사용하여 측정되고 충격인성의 경우 KS D ISO 148-1에 따른 표준 충격시험편을 사용하여 측정된다.

또한, 코일스프링강 단품의 일반피로수명의 경우 20~120kgf/mm³의 반복 응력하에서 수명을 평가하는 스프링 전용 피로시험 장비를 사용하여 측정된다.

도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 실리콘(Si)의 함량에 따른 스프링 단품의 부식피로수명은 함량 1.35~1.45%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 이는 부식흠에 대한 노치 효과로 인해 충격인성이 급격하게 감소하는 구간(1.45%와 1.53% 사이)에서 스프링 단품의 부식피로수명도 함께 감소하게 된다.

코일스프링강 단품의 부식피로수명의 경우 온도 35℃에서 5% NaCl 수용액의 분무가 이루어지면서 20~60kgf/mm³의 반복 응력하에서 수명을 평가하는 스프링 전용 피로시험 장비를 사용하여 측정된다.

도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 실리콘(Si)의 함량 1.35~1.45%까지는 전탈탄 깊이가 40~50㎛ 수준을 유지하다가 1.45%와 1.53% 사이를 경계로 하여 급속하게 증가한다. 전탈탄 깊이는 코일스프링강의 탄소가 열처리에 의해 손실되면서 경도가 저하되는 깊이를 의미한다. 이는 전탈탄 깊이가 깊으면 깊을수록 코일스프링 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명의 저하요인으로 작용하게 됨을 의미한다.

전탈탄의 깊이 측정은 경도법을 통해 이루어진다. 표면으로부터 경도가 급격히 증가하기 전까지의 깊이가 전탈탄의 깊이가 되는 것이다.

한편, 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 실리콘(Si)의 함량 1.35~1.45%까지는 페라이트 탈탄의 깊이가 1㎛ 이하 수준을 유지하다가 1.45%와 1.53% 사이를 경계로 하여 급속하게 증가한다. 페라이트 탈탄의 깊이는 코일스프링강의 표면에 탄소 손실 정도가 클때 나타나는 백색의 페라이트 조직을 의미하는 것으로 1㎛ 이하의 페라이트 탈탄의 깊이까지는 일반피로수명 및 부식피로수명에 큰 영향을 주지 못하나, 1㎛을 초과하게 되면 전탈탄의 깊이와 마찬가지로 코일스프링 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명의 저하요인으로 작용하게 된다.

페라이트 탈탄의 깊이 측정은 현미경법을 통해 이루어진다. 현미경을 통해 단면을 찍어 백색의 페라이트 조직의 깊이를 측정하는 것이다. 이는 도 44에서 확인할 수 있는 바와 같이 백색의 페라이트 탈탄의 깊이가 1㎛ 이하로 형성되어 백색의 페라이트 조직을 명확하게 관찰할 수 없음을 알 수 있다.

따라서 상기와 같은 이유로 실리콘(Si)의 함량은 1.35~1.45% 범위로 제한함이 타당하다.

망간(Mn)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 2 및 도 7 내지 도 10을 통해 확인할 수 있다.

(표 2)

상기 표 2의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 망간(Mn)만 제어변수로 하였다.

망간(Mn)의 함량을 0.95~1.05% 범위로 제한하였으므로 비교예 4 및 비교예 5의 경우 망간(Mn)의 함량이 0.95%에 미달하며, 비교예 6의 경우 망간(Mn)의 함량이 1.05%를 초과한다.

도 7 및 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이 망간(Mn)의 함량이 증가할수록 인장강도 및 코일스프링 단품의 일반피로수명도 함께 상승한다. 다만, 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이 망간(Mn)의 함량이 증가할수록 충격인성은 감소하는 추세이며, 1.05%와 1.17% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

도 10에서 확인할 수 있는 바와 같이 망간(Mn)의 함량에 따른 스프링 단품의 부식피로수명은 함량 0.95~1.05%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 이는 부식흠에 대한 노치 효과로 인해 충격인성이 급격하게 감소하는 구간(1.05%와 1.17% 사이)에서 스프링 단품의 부식피로수명도 함께 감소하게 되는 것이다.

한편, 전탈탄 및 페라이트 탈탄의 깊이는 망간(Mn)의 함유에 따라 거의 영향을 받지 않았다.

인(P)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 3 및 도 11 내지 도 13을 통해 확인할 수 있다.

(표 3)

상기 표 3의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 인(P)만 제어변수로 하였다.

인(P)의 함량을 0.003~0.015% 범위로 제한하였으므로 비교예 7 및 비교예 8의 경우 인(P)의 함량이 0.015%를 초과한다.

도 11에서 확인할 수 있는 바와 같이 인(P)의 함량이 증가하여도 코일스프링 단품의 일반피로수명은 약 80만회 이상을 유지한다. 이는 인(P)의 함량 제어가 코일스프링 단품의 일반피로수명에는 큰 영향을 주지 않는다는 것을 의미한다.

반면, 도 12 및 도 13에서 확인할 수 있는 바와 같이 인(P)의 함량이 증가할수록 부식흠의 깊이가 깊어지고 코일스프링 단품의 부식피로수명이 감소함을 알 수 있다. 더구나, 0.015%와 0.021% 사이를 경계로 하여 부식흠의 깊이가 급속하게 깊어지고 코일스프링 단품의 부식피로수명이 급속하게 감소하게 된다. 이는 인(P)의 함량이 경계를 넘어서면서 충격저항을 저하되고 템퍼링 취성을 촉진되기 때문이다.

부식흠의 깊이(㎛)의 경우 360시간 동안 온도 35℃에서 5% NaCl 수용액의 분무를 통해 내부식성을 평가한다. 부식흠의 깊이가 얕을수록 부식특성이 우수하다.

따라서 상기와 같은 이유로 인(P)의 함량은 0.003~0.015% 범위로 제한함이 타당하다.

황(S)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 4 및 도 14 내지 도 16을 통해 확인할 수 있다.

(표 4)

상기 표 4의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 황(S)만 제어변수로 하였다.

황(S)의 함량을 0.003~0.010% 범위로 제한하였으므로 비교예 9 및 비교예 10의 경우 황(S)의 함량이 0.010%를 초과한다.

도 14에서 확인할 수 있는 바와 같이 황(S)의 함량이 증가하여도 코일스프링 단품의 일반피로수명은 약 80만회 이상으로 동등수준을 유지하다가 0.010%와 0.021% 사이를 경계로 하여 코일스프링 단품의 일반피로수명이 급격하게 감소한다. 이는 황(S)의 함량이 경계를 넘어서면서 MnS 개재물의 영향이 커지기 때문이다.

또한, 도 15 및 도 16에서 확인할 수 있는 바와 같이 황(S)의 함량이 증가할수록 부식흠의 깊이가 깊어지고 코일스프링 단품의 부식피로수명이 감소함을 알 수 있다. 더구나, 0.010%와 0.021% 사이를 경계로 하여 부식흠의 깊이가 급속하게 깊어지고 코일스프링 단품의 부식피로수명이 급속하게 감소하게 된다. 이는 황(S)의 함량이 경계를 넘어서면서 MnS 개재물이 표면의 부식 초기 시작점 역할을 하기 때문이다.

따라서 상기와 같은 이유로 황(S)의 함량은 0.003~0.010% 범위로 제한함이 타당하다.

크롬(Cr)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 5 및 도 17 내지 도 20을 통해 확인할 수 있다.

(표 5)

상기 표 5의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 크롬(Cr)만 제어변수로 하였다.

크롬(Cr)의 함량을 0.70~0.90% 범위로 제한하였으므로 비교예 11의 경우 크롬(Cr)의 함량이 0.70%에 미달하며, 비교예 12의 경우 크롬(Cr)의 함량이 0.90%를 초과한다.

도 17 및 도 19에서 확인할 수 있는 바와 같이 크롬(Cr)의 함량이 증가할수록 인장강도 및 코일스프링 단품의 일반피로수명도 함께 상승한다. 다만, 도 18에서 확인할 수 있는 바와 같이 크롬(Cr)의 함량이 증가할수록 충격인성은 감소하는 추세이며, 0.90%와 0.94% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

도 20에서 확인할 수 있는 바와 같이 크롬(Cr)의 함량에 따른 스프링 단품의 부식피로수명은 함량 0.70~0.90%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 이는 부식흠에 대한 노치 효과로 인해 충격인성이 급격하게 감소하는 구간(0.90%와 0.94% 사이)에서 스프링 단품의 부식피로수명도 함께 감소하게 되는 것이다.

구리(Cu)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 6 및 도 21 내지 도 25를 통해 확인할 수 있다.

(표 6)

상기 표 6의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 구리(Cu)만 제어변수로 하였다.

구리(Cu)의 함량을 0.30~0.40% 범위로 제한하였으므로 비교예 13의 경우 구리(Cu)의 함량이 0.30%에 미달하며, 비교예 14의 경우 구리(Cu)의 함량이 0.40%를 초과한다.

도 21 및 도 22에서 확인할 수 있는 바와 같이 구리(Cu)의 함량이 증가할수록 부식속도 및 부식흠의 깊이가 감소한다.

부식속도(A/cm²)의 경우 온도 35℃에서 5% NaCl 수용액에 시편을 침지하여 전류밀도를 통해 내부식성을 평가한다. 전류밀도가 낮을수록 부식특성이 우수하다.

구리(Cu)의 함량이 증가할수록 최표면 부식산화물의 치밀화로 인해 부식이 내부로 진전되는 속도가 감소하게 된다. 이는 곧 부식피로수명의 증가요인으로 작용하게 된다.

도 23에서 확인할 수 있는 바와 같이 충격인성은 구리(Cu)의 함량이 증가할수록 낮아지는 추세이며 0.40%와 0.43% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

코일스프링 단품의 일반피로수명의 경우 도 24에서 확인할 수 있는 바와 같이 구리(Cu)의 함량이 증가하여도 큰 차이가 없다.

도 25에서 확인할 수 있는 바와 같이 구리(Cu)의 함량에 따른 코일스프링 단품의 부식피로수명은 함량 0.30~0.40%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 이는 구리(Cu)의 함량이 임계점을 넘으면 표면부 농화층 생성에 의한 취성이 증대되어 크랙의 발생이 많아지므로 구간(0.40%와 0.43% 사이)에서 코일스프링 단품의 부식피로수명도 급격히 감소하게 되는 것이다.

따라서 상기와 같은 이유로 구리(Cu)의 함량은 0.30~0.40% 범위로 제한함이 타당하다.

바나듐(V)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 7 및 도 26 내지 도 29를 통해 확인할 수 있다.

(표 7)

상기 표 7의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 바나듐(V)만 제어변수로 하였다.

바나듐(V)의 함량을 0.10~0.15% 범위로 제한하였으므로 비교예 15의 경우 바나듐(V)의 함량이 0.10%에 미달하며, 비교예 16의 경우 바나듐(V)의 함량이 0.15%를 초과한다.

도 26 및 도 28에서 확인할 수 있는 바와 같이 바나듐(V)의 함량이 증가할수록 인장강도 및 코일스프링 단품의 일반피로수명도 함께 상승한다. 다만, 도 27에서 확인할 수 있는 바와 같이 바나듐(V)의 함량이 증가할수록 충격인성은 감소하는 추세이며, 0.15%와 0.17% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

도 29에서 확인할 수 있는 바와 같이 바나듐(V)의 함량에 따른 스프링 단품의 부식피로수명은 함량 0.10~0.15%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 석출물 조대화에 의한 취성 및 크랙민감도 증가에 의한 충격인성이 감소하는 구간에서 동일하게 단품의 부식피로수명이 감소한다.

따라서 상기와 같은 이유로 바나듐(V)의 함량은 0.10~0.15% 범위로 제한함이 타당하다.

알루미늄(Al)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 8 및 도 30 내지 도 32를 통해 확인할 수 있다.

(표 8)

상기 표 8의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 알루미늄(Al)만 제어변수로 하였다.

알루미늄(Al)의 함량을 0.010~0.040% 범위로 제한하였고 보다 바람직하게는 0.010~0.030% 범위로 제한하였으므로 비교예 17 및 비교예 18의 경우 알루미늄(Al)의 함량이 0.10%에 미달하며, 실시예 22의 경우 알루미늄(Al)의 함량이 0.030%를 초과한다.

도 30에서 확인할 수 있는 바와 같이 알루미늄(Al)의 함량 변화에도 불구하고 인장강도에는 큰 변화가 없다.

도 31 및 도 32에서 확인할 수 있는 바와 같이 알루미늄(Al)의 함량에 따른 스프링 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명은 함량 0.010~0.030%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 알루미늄(Al)의 첨가 목적은 조직을 미세화함으로써 피로수명을 향상시키기 위함인데 알루미늄(Al) 성분이 증가될수록 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명은 증대되다가 급격히 감소하는 구간이 존재하게 된다.

단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 증대되는 구간은 알루미늄(Al)의 첨가에 의한 결정립의 미세화 효과에 의한 것이다. 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 감소하는 구간은 알루미늄(Al) 개재물의 조대화 영향에 의한 것이다.

도 45에서 확인할 수 있는 것과 같이 알루미늄(Al)의 함량이 증가할수록 결정립의 크기는 감소하나 일정 이상을 초과할 경우 개재물이 형성된다.

비교예 17은 결정립의 크기가 36㎛이고 비교예 18은 33㎛이었으나 실시예 20는 27㎛이고 실시예 21는 24㎛이다가 실시예 22로 가면서 다시 결정립의 크기는 25㎛로 증대되었다. 이에 따라 0.030%와 0.040% 사이에서 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 급격하게 감소한다.

따라서 상기와 같은 이유로 알루미늄(Al)의 함량은 0.010~0.040% 범위로, 보다 바람직하게는 0.010~0.030% 범위로 제한함이 타당하다.

티타늄(Ti)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 9 및 도 33 내지 도 35를 통해 확인할 수 있다.

(표 9)

상기 표 9의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 티타늄(Ti)만 제어변수로 하였다.

티타늄(Ti)의 함량을 0.010~0.033% 범위로 제한하였고 보다 바람직하게는 0.010~0.030% 범위로 제한하였으므로 비교예 19 및 비교예 20의 경우 티타늄(Ti)의 함량이 0.10%에 미달하며, 실시예 25의 경우 티타늄(Ti)의 함량이 0.030%를 초과한다.

도 33에서 확인할 수 있는 바와 같이 티타늄(Ti)의 함량 변화에도 불구하고 인장강도에는 큰 변화가 없다.

도 34 및 도 35에서 확인할 수 있는 바와 같이 티타늄(Ti)의 함량에 따른 스프링 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명은 함량 0.010~0.030%에서 최적구간을 형성함을 알 수 있다. 티타늄(Ti)의 첨가 목적은 조직을 미세화함으로써 피로수명을 향상시키고 입계 강화원소인 보론 효과를 극대화하기 위함인데 티타늄(Ti) 성분이 증가될수록 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명은 증대되다가 급격히 감소하는 구간이 존재하게 된다.

단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 증대되는 구간은 티타늄(Ti)의 첨가에 의한 결정립의 미세화 효과에 의한 것이다. 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 감소하는 구간은 고경도의 TiN 등과 같은 석출물의 조대화 영향에 따른 피로기점으로 작용한 효과에 의한 것이다.

도 46에서 확인할 수 있는 것과 같이 티타늄(Ti)의 함량이 증가할수록 결정립의 크기는 감소하나 일정 이상을 초과할 경우 석출물이 형성된다.

비교예 19은 결정립의 크기가 38㎛이고 비교예 20은 35㎛이었으나 실시예 23은 29㎛이고 실시예 24는 25㎛이다가 실시예 25로 가면서 다시 결정립의 크기는 26㎛로 증대되었다. 이에 따라 0.030%와 0.033% 사이에서 단품의 일반피로수명 및 부식피로수명이 급격하게 감소한다.

따라서 상기와 같은 이유로 티타늄(Ti)의 함량은 0.010~0.033% 범위로, 보다 바람직하게는 0.010~0.030% 범위로 제한함이 타당하다.

몰리브덴(Mo)의 함량 제어에 따른 효과를 구체적으로 살펴보면, 하기의 표 10 및 도 36 내지 도 39를 통해 확인할 수 있다.

(표 10)

상기 표 10의 비교예 및 실시예들은 다른 원소는 본 발명에 따른 코일스프링강의 제한범위 내에서 동등한 수준으로 제어하고 몰리브덴(Mo)만 제어변수로 하였다.

몰리브덴(Mo)의 함량을 0.05~0.15% 범위로 제한하였으므로 비교예 21 및 비교예 22의 경우 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.05%에 미달하며, 비교예 23 및 비교예 24의 경우 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.15%를 초과한다.

도 36에서 확인할 수 있는 바와 같이 몰리브덴(Mo)의 함량이 증가할수록 인장강도도 함께 상승한다. 다만, 도 37에서 확인할 수 있는 바와 같이 몰리브덴(Mo)의 함량이 증가할수록 충격인성은 감소하는 추세이며, 0.15%와 0.17% 사이를 경계로 하여 급속하게 감소하게 된다.

도 38에서 확인할 수 있는 바와 같이 몰리브덴(Mo)의 함량이 증가할수록 부식흠의 깊이가 깊어짐을 알 수 있다. 도 39에서 확인할 수 있는 바와 같이 몰리브덴(Mo)의 함량이 증가할수록 단품의 부식피로수명은 증가하다가 함량이 0.15%를 넘어가면서 향상효과가 미미해진다. 단품의 부식피로수명 증대구간은 소재 강도 향상 및 부식흠의 깊이 감소에 의한 것이고 단품의 부식피로수명 미변화구간은 부식흠의 깊이는 감소하나 충격인성 감소 동반에 따른 것이다.

본 발명에 따른 조성을 갖는 코일스프링강의 경우 기존재 및 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S) 크롬(Cr), 구리(Cu), 바나듐(V), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti) 및 몰리브덴(Mo) 등이 본 발명의 함량 미만이거나, 초과하는 경우와 비교하여 우수한 특성을 가짐을 하기 표 11 및 도 40 내지 도 43을 통해 확인할 수 있다.

(표 11)

도 40 및 도 41에서 확인할 수 있는 바와 같이 충격인성의 경우 기존재와 유사한 수준의 인성을 확보하였으나 인장강도의 경우 2150MPa 이상이 되어 기존의 코일스프링 단품당 무게를 3kg이하로 감소시킬 수 있게 됨으로써 차량에 적용 시 경량화를 이룰 수 있다.

도 42 및 도 43에서 확인할 수 있는 바와 같이 코일스프링강 단품의 일반피로수명의 경우 80만회 이상이고 부식피로수명의 경우 50만회 이상으로 형성됨을 확인할 수 있다.

내부식성을 보완하는 수단으로 우레탄호스 등을 필요로 했던 기존재와 달리 본 발명에 따른 코일스프링강의 경우 내부식성이 향상되어 별도로 우레탄호스 등을 필요로 하지 않고 이는 곧 원가절감으로 이어지게 된다.

(제조방법)

중량%로, 탄소(C) : 0.51~0.57%, 실리콘(Si) : 1.35~1.45%, 망간(Mn) : 0.95~1.05%, 인(P) : 0.003~0.015%, 황(S) : 0.003~0.010%, 크롬(Cr) : 0.70~0.90%, 구리(Cu) : 0.30~0.40%, 바나듐(V) : 0.10~0.15%, 알루미늄(Al) : 0.010~0.040%, 티타늄(Ti) : 0.010~0.033%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 니켈(Ni) : 0.25~0.35%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재의 선재가공 및 필링공정이 이루어진다.

이 후 상기 선재를 일정고온에서 일정시간 동안 유지한 후 공랭함으로써 결정립을 미세화하고 조직을 균질화 하는 제어열처리공정을 거친다. 상기 제어열처리공정은 950~1000℃에서 4~6분 유지한다. 이는 최표면 경도저하를 최소화하기 위함이다. 이 후 상기 균질화된 선재에 강도와 인성을 부여하는 담금질 및 뜨임공정을 함으로써 코일스프링이 만들어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (7)

1. 중량%로, 탄소(C) : 0.51~0.57%, 실리콘(Si) : 1.35~1.45%, 망간(Mn) : 0.95~1.05%, 인(P) : 0.003~0.015%, 황(S) : 0.003~0.010%, 크롬(Cr) : 0.70~0.90%, 구리(Cu) : 0.30~0.40%, 바나듐(V) : 0.10~0.15%, 알루미늄(Al) : 0.010~0.040%, 티타늄(Ti) : 0.010~0.033%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 니켈(Ni) : 0.25~0.35%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 코일스프링강.
2. 청구항 1에 있어서,
   결정립(Grain)의 크기는 29㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
3. 청구항 1에 있어서,
   코일스프링 성형 후 단품의 전탈탄 깊이는 0.50㎛ 이하이고, 페라이트 탈탄의 깊이는 1㎛이하인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
4. 청구항 1에 있어서,
   코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 80만회 이상이고, 부식피로수명은 50만회 이상인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
5. 청구항 1에 있어서,
   인장강도가 2150MPa 이상인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
6. 청구항 2에 있어서,
   개재물의 조대화를 방지하기 위해 알루미늄(Al)의 함량은 0.010~0.030%이며,
   코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 85만회 이상이고, 부식피로수명은 55만회 이상인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
7. 청구항 2에 있어서,
   석출물의 조대화를 방지하기 위해 티타늄(Ti)의 함량은 0.010~0.030%이며,
   코일스프링 성형 후 단품 피로수명은 85만회 이상이고, 부식피로수명은 55만회 이상인 것을 특징으로 하는 코일스프링강.
   

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