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KR-102959146-B1 - Manufacturing method of structural parts and structural parts manufactured thereby

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Abstract

본 발명은, (a) 중량%로, C:0.38~0.53%, Si:0.20~0.30%, Mn:1.10~1.40%, P:0.020% 이하(0% 제외), S:0.010~0.030%, Cu:0.30% 이하(0% 제외), Ni:0.30% 이하(0% 제외), Cr:0.90~1.10%, Mo:0.10% 이하(0% 제외), Al:0.030% 이하(0% 제외), Ti:0.002~0.050%, B:0.0010~0.0050%, O:30ppm이하(0% 제외), N:80~180ppm이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연속주조하고 압연을 실시하는 단계; (b) 상기 압연한 강재를 열간단조하는 단계; (c) 상기 열간단조한 강재를 가공하는 단계; (d) 상기 가공한 강재를 820~900℃의 온도에서 가열하고, 300~400℃ 범위의 오일 배스(oil bath)에 넣어 냉각을 실시한 후 등온 유지하는 단계; 및 (e) 경도가 450Hv가 되는 깊이가 상기 강재의 표면에서 중심까지의 40~50%가 되도록 고주파 유도 가열하는 단계;를 포함하는 구조용 부품의 제조방법이 제공된다.

Inventors

  • 진주영
  • 박철우
  • 김민철
  • 이상원
  • 정경태

Assignees

  • 현대제철 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240111

Claims (11)

  1. (a) 중량%로, C:0.38~0.53%, Si:0.20~0.30%, Mn:1.10~1.40%, P:0.020% 이하(0% 제외), S:0.010~0.030%, Cu:0.30% 이하(0% 제외), Ni:0.30% 이하(0% 제외), Cr:0.90~1.10%, Mo:0.10% 이하(0% 제외), Al:0.030% 이하(0% 제외), Ti:0.002~0.050%, B:0.0010~0.0050%, O:30ppm이하(0% 제외), N:80~180ppm이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 용강을 연속주조하고 압연을 실시하는 단계; (b) 상기 압연한 강재를 열간단조하는 단계; (c) 상기 열간단조한 강재를 가공하는 단계; (d) 상기 가공한 강재를 820~900℃의 온도에서 가열하고, 300~400℃범위의 배스(bath)에 넣어 냉각을 실시한 후 등온 유지하는 단계; 및 (e) 경도가 450Hv가 되는 깊이가 상기 강재의 표면에서 중심까지의 40~50%가 되도록 고주파 유도 가열하는 단계;를 포함하는 구조용 부품의 제조방법이며, 상기 (d) 단계는 300Hv 이상의 경도값을 가지는 베이나이트 조직을 형성하는 단계이며, 상기 구조용 부품은 650Hv 이상의 표면 경도와, 550Hv 이상의 단면 평균경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 구조용 부품의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 (d) 단계의 등온 유지는 120~180분 간 수행되는 것을 특징으로 하는, 구조용 부품의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 용강은 Nb:0.050% 이하(0% 제외) 및 V:0.20% 이하(0% 제외) 중 1종 이상을 더 포함하는, 구조용 부품의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 선반 가공, 치절삭 가공 또는 전조 가공을 포함하는, 구조용 부품의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후, 고주파 유도 가열된 강재를 소려 후, 공냉하는 단계를 더 수행하는, 구조용 부품의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 소려는 150~200℃의 온도로 30~150 분의 시간 동안 실시되는 것을 특징으로 하는, 구조용 부품의 제조방법.
  9. 중량%로, C:0.38~0.53%, Si:0.20~0.30%, Mn:1.10~1.40%, P:0.020% 이하(0% 제외), S:0.010~0.030%, Cu:0.30% 이하(0% 제외), Ni:0.30% 이하(0% 제외), Cr:0.90~1.10%, Mo:0.10% 이하(0% 제외), Al:0.030% 이하(0% 제외), Ti:0.002~0.050%, B:0.0010~0.0050%, O:30ppm이하(0% 제외), N:80~180ppm이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재로 구성되고, 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직을 포함하고, 상기 혼합 조직은 300 Hv 이상의 경도를 가지고, 경도가 450Hv가 되는 깊이가 상기 강재의 표면에서 중심까지의 40~50%가 되며, 650Hv 이상의 표면 경도와, 550Hv 이상의 단면 평균경도를 갖는 것을 특징으로 하는, 구조용 부품.
  10. 삭제
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 혼합 조직은, 베이나이트가 20 내지 80면적%인 것을 특징으로 하는, 구조용 부품.

Description

구조용 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 구조용 부품{Manufacturing method of structural parts and structural parts manufactured thereby} 본 발명은 구조용 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 구조용 부품에 관한 것으로, 상세하게는 우수한 내구성을 가지는 친환경 구조용 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 구조용 부품에 관한 것이다. 지구 환경 보존을 위한 저탄소 친환경 제품 생산은 모든 산업에 있어 필연적으로 달성해야 할 의무사항으로, 각 기업의 존폐를 결정지을 정도로 중요한 정책으로 자리하고 있다. 특히 친환경 제품 개발 및 판매에 선도 역할을 하고 있는 자동차 산업의 경우 세계 각국의 친환경차 생산판매 경쟁이 향후 수십년간 더욱 치열해질 예상이며, 최종 부품 제조까지의 비용 절감 및 저탄소 제품의 개발이 크게 요구되고 있다. 자동차 주요 부품중 하나인 기어는 동력을 전달하는 부품 특성상 하중을 견딜 수 있는 높은 강성과 기어접촉시 표면 마모를 방지하기 위한 고경도 특성이 요구된다. 따라서 기어용 부품의 경우 대부분 침탄 공정을 통한 표면 경도를 올리고 침탄후 소입 공정을 통한 심부강도를 향상시켜 기어의 강성을 확보하여 사용하고 있다. 그러나 장시간의 침탄 열처리로 인해 공정비용이 상승하고 환경 유해 물질이 발생하는 문제가 있고, 침탄 소입 공정중 기어치 변형이 빈번한 품질 문제를 야기한다. 따라서, 부품의 비용 절감 및 품질 향상을 위해서는 침탄 공정의 관리와 개선이 반드시 필요한 상황이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 구조용 부품의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 도 2는 종래 및 본 발명의 일 실시예에 의한 구조용 부품의 제조방법의 공정을 도해하는 그래프이다. 도 3은 본 발명의 비교예 및 일 실시예에 의해 제조되는 구조용 부품의 회전굽힘 피로 시험편을 제작하여 경도를 측정한 그래프이다. 도 4는 본 발명의 비교예 및 일 실시예에 의해 제조되는 구조용 부품의 회전굽힘 피로 시험편을 제작하여 표면입도 및 심부조직을 관찰한 사진이다. 도 5는 본 발명의 비교예 및 실시예에 따른 구조용 부품의 미세조직을 관찰한 사진이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 구조용 부품의 제조방법을 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 상기 구조용 부품의 제조방법은 연속주조 및 압연단계(S10); 열간단조 단계(S20); 가공 단계(S30); 오스템퍼링 단계(S40) 및 고주파 유도 가열 단계(S50)를 포함한다. 이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 구조용 부품의 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다. 연속주조 및 압연단계(S10) 본 발명에 따른 구조용 부품의 제조방법에서, 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 반제품 상태의 블룸 혹은 빌렛을 확보할 수 있다. 재가열 및 열간압연 조건은 통상의 방법과 동일하다. 상기 용강은, 중량%로, 탄소(C): 0.38% ~ 0.53%, 실리콘(Si): 0.20% ~ 0.30%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.40%, 인(P):0.020% 이하(0% 제외), 황(S): 0.010% ~ 0.030%, 구리(Cu): 0.30% 이하(0% 제외), 니켈(Ni): 0.30% 이하(0% 제외), 크롬(Cr): 0.90% ~ 1.10%, 몰리브덴(Mo): 0.10% 이하(0% 제외), 알루미늄(Al): 0.030% 이하(0% 제외), 티타늄(Ti): 0.002% ~ 0.050%, 보론(B): 0.0010% ~ 0.0050%, 산소(O): 30ppm이하(0% 제외), 질소(N): 80~180ppm이며, 선택적으로, 니오븀(Nb):0.050% 이하, 바나듐(V): 0.20% 이하 중 1종 이상을 더 포함하고, 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 이하, 본 발명에서 첨가된 성분에 관하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 한편 여기에서 사용된 "%"는 달리 규정한 바가 없다면, 중량 "%"를 의미하다. C : 0.38 % ~ 0.53 % C는 특수강에서 강도, 경도를 결정하는 주 원소 중 하나로, 함량이 증가할수록 강도는 증가하나 인성은 저하한다. 본 발명에서 요구되는 고주파 표면 경도를 확보하기 위하여 0.38 % 이상 함유될 필요가 있다. 0.38 % 미만에서는 고주파시 표면 경도 650Hv 이상을 확보하기 어렵고, 0.53 % 초과에서는 소재 경도가 너무 높아져 기어 절삭 가공성을 저하시킨다. 따라서, 이러한 특성을 고려하여 C함량 범위를 0.38~0.53 %로 설정한다. Si : 0.20 % ~ 0.30 % Si는 탈산제의 역할을 하며, 기지에 고용되어 입계강화를 통해 피로강도를 증가시킨다. 그 함량을 0.20 % 보다 낮게 하면 강재 내 탈산이 불충분하게 일어나 가스 결함이 발생하고, 0.30 % 보다 높게 하면 단조성 및 가공성을 저하시킨다. 따라서 Si의 함량을 0.20~0.30 %로 설정한다. Mn : 1.10 % ~ 1.40 % Mn은 첨가시 강도와 인성을 올리는 원소이나, 과량 첨가시 고강도로 인해 인성이 저하될 수 있다. 또한 강내 S와 결합하여 가공성을 향상시키는 MnS 개재물을 형성하므로 1.10% 이상 첨가한다. Mn은 Ms점 저하원소로서 과첨가시 잔류 오스테나이트량이 과형성되고 고주파시 표면 경도를 떨어뜨리는 역할을 한다. 따라서, Mn 함량을 최대 1.40 % 이하로 한다. P : 0.020 % 이하 P는 입계편석 원소로 강의 충격 인성을 떨어뜨린다. 또한, 제조 공정 중 표면 크랙 발생을 유발하고, 강중 Fe3P 화합물을 형성하여 강도 저하와 열처리 2상 조직을 형성하므로, P의 상한을 0.020 %으로 제어해야 한다. S : 0.010% ~ 0.030% S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 피삭성을 개선시키는 원소이나 이는 충격인성을 떨어뜨리는 기점으로 작용하기도 한다. 과잉 첨가시 열간가공성을 떨어뜨리고, 찢어짐(tearing)을 유발하므로 강의 절삭성과 단조성을 고려하여 0.010~0.030%로 설정한다. Cu : 0.30% 이하 Cu는 강도 상승 및 내식성을 향상시키는 원소이나, 과잉 첨가시 현저한 인성 저하 및 제조공정 중 열간가공에 의한 표면 크랙발생의 주요 원인이 되므로, Cu의 상한을 0.30%로 제어한다. Ni : 0.30% 이하 Ni은 강의 인성 및 경화능을 향상시키나, 제조비용을 높이고 가공성을 떨어뜨리는 원소이므로 이를 0.30% 이하로 제어한다. Cr : 0.90% ~ 1.10% Mo, Ni 과 같은 고가 원소 대신 강의 강도를 향상시키기 위하여 Cr을 0.90% 이상 첨가한다. 그러나 과잉 첨가되면, 고주파 열처리시 펄라이트 조직 내 시멘타이트의 기지내 재고용을 저해하여 원하는 표면 경도 및 유효경화 깊이 확보를 어렵게 하므로 그 함량을 최대 1.10% 이하로 한다. Mo : 0.10% 이하 Mo은 첨가시 강도와 인성을 향상시킨다. 그러나 고가의 원소로 부품의 제조비용 향상을 유발하므로 이를 0.10% 이하로 제한한다. Al : 0.030% 이하 Al은 질소와의 결합으로 AlN과 같은 질화물을 형성하여 이로 인한 결정립의 미세화 효과를 얻을 수 있고, 강의 제조시 강력한 탄산제로 작용하여 강내 산화물성 비금속 개재물을 제어하는 역할을 한다. 그러나, 과도한 첨가로 인한 비금속개재물의 증가는 노즐막힘과 같은 제조상의 문제를 유발하므로 최대 첨가 범위를 0.030%로 제한한다. Ti : 0.002~0.050% Ti은 첨가시 탄질화물을 형성하여 고온에서 강의 결정립 조대화를 방지하며, 결정립 미세화에 따른 연성 및 인성을 개선시킨다. 고가의 원소로 제조비용 상승의 원인이 되므로 질소와 같은 타성분과의 화학량론비를 고려하여 0.002~0.050% 첨가한다. B : 0.0010~0.0050% B는 강내 고용보론 형태로 존재시 결정립계 강화에 의한 강의 충격 인성을 향상시킨다. 그러나 0.0050%에서 고용보론 효과는 최대로 되며, 충분한 탈질에 의한 BN 형태로의 존재시 이러한 효과는 사라지게 되므로 그 범위를 0.0010~0.0050%로 제한한다. O : 0.0030% 이하 O는 강력한 산화성 원소로 강중 산화물을 형성하여 기계적 성질 및 피로 특성을 저해한다. 따라서, 0.0030% 이하로 제어한다. N : 0.0080 ~ 0.0180% N은 Al, Nb, Ti 과 결합하여 각종 탄질화물을 형성하여 결정립 미세화 및 고온 이상결정립 발생을 제어하는 역할을 한다. 따라서 Al, Nb, Ti의 첨가량과 고용온도를 감안하여 0.0080~0.0180% 첨가한다. 0.0080% 미만시 충분한 탄질화물을 형성할 수 없고, 0.0180% 초과시 단조성을 떨어뜨린다. Nb : 0.050% 이하 필요시 첨가할 수 있으며, 첨가시 탄질화물을 형성에 의한 추가적인 연성 및 인성 개선 효과를 볼 수 있다. 그러나 고가의 원소로 제조비용 상승의 원인이 되므로 질소와 같은 타성분과의 화학량론비를 고려하여 0.050% 이하로 첨가한다. V : 0.20% 이하 필요시 첨가할 수 있으며, 첨가시 탄질화물을 형성에 의한 추가적인 연성 및 인성을 개선 효과를 볼 수 있다. 그러나 고가의 원소로 제조비용 상승의 원인이 되므로 질소와 같은 타성분과의 화학량론비를 고려하여 0.20% 이하로 첨가한다. 상기 조성을 가지는 용강을 연속주조한 다음, 재가열한 이후에 연속적으로 열간압연을 수행할 수 있다. 열간단조 단계(S20) 열간압연 후에는, 1150~1250℃의 온도범위에서 열간단조를 실시한다. 열간단조 온도는 1150℃보다 낮으면 가공이 어렵고, 1250℃보다 높을 경우 가