[논문]고장력볼트 냉간압조용 비조질강 특성에 관한 연구

황범규; 정택우; 이영선; 최정묵; 문영훈

doi:10.5228/kspp.2010.19.4.210

고장력볼트 냉간압조용 비조질강 특성에 관한 연구
Mechanical Properties and Workability of Non Heat Treated Steel on Cold Forming of High Tension Bolts 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.19 no.4 = no.118, 2010년, pp.210 - 216

황범규 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 정택우 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 이영선 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 최정묵 ((주)진합, 기술연구소) , 문영훈 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The importance and interests for saving of energy and cost in industry has grown up. Therefore, process optimization to reduce the process and energy become one of the most important things. The non-heat treated steel, post-heat-treated is no necessary, has attractive points as structural materials. However, establishment of mechanical properties is necessary to apply non-heat-treated steel to structural parts. In this study, for non-heat-treated steel and pre-heat-treated steel, we have investigated microstructure, hardness, the tensile strength, compressive strength. And the FE analysis technology to predict the hardness value of forged part is developed on micro-alloyed steel forged part.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

피로한도는 인장특성과 같은 정적특성과 함께 구조부품으로 사용되는 소재의 경우에 신뢰성 향상을 위해 반드시 필요한 항목이다. 따라서 본 연구에서는 인장-인장(R=0.1)상태에서의 고주기 피로시험을 수행하여 각 소재의 피로한도를 분석하였다. 피로시험에 사용된 시험기는 250KN의 자기공명피로시험기로서 80Hz이상의 고주기에서 시험을 수행하였다.
냉간압조용 비조질강을 사용할 경우 조질강에 비해 냉간압조 전 소재 상태가 높은 경도를 유지하고 있는 만큼 금형 수명에 악 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 비조질강 및 선조질강의 공정별 응력을 비교하여 나타내었다. 그리고 각 소재 단조품의 부위별 변형률 분포와 가해지는 응력을 분석하였다.
본 연구에서는 인장강도 90kg/mm2급 고강도 볼트용 비조질강으로 개발, 일부 사용되고 있는 2가지 소재(선조질강, 비조질강)에 대해 압축 성형성을 분석함으로써 볼트 성형시 미칠 영향에 대한 연구를 수행하고 분석된 물성치를 이용하여 볼트 성형시 발생될 수 있는 문제점에 대해 고찰해 보았다. 그리고 일본에서 사용되고 있는 비조질강 소재인 LH85와 기계적 물성을 비교하였다.
또한 각 비조질강의 동적특성을 분석하기 위해 원소재 상태에서 피로시험을 수행하였다. 조질강과 비조질강과의 비교는 선행 연구 결과들[1~8]이 많이 있기 때문에 본 논문에서의 기술은 생략하고자 한다.
3에 나타나 있는 바와 같이 유동응력이 ESW85소재가 P-B소재 보다 10%정도 높기 때문으로 판단된다. 최종 제품이 무열처리 상태인 비조질강 단조품은 부위별 경도가 제품 특성에 직접적인 영향을 미치므로 수치해석을 통해 경도를 예측하고자 하였다. Fig.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 비조질강 및 선조질강의 공정별 응력을 비교하여 나타내었다. 그리고 각 소재 단조품의 부위별 변형률 분포와 가해지는 응력을 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 인장강도 90kg/mm2급 고강도 볼트용 비조질강으로 개발, 일부 사용되고 있는 2가지 소재(선조질강, 비조질강)에 대해 압축 성형성을 분석함으로써 볼트 성형시 미칠 영향에 대한 연구를 수행하고 분석된 물성치를 이용하여 볼트 성형시 발생될 수 있는 문제점에 대해 고찰해 보았다. 그리고 일본에서 사용되고 있는 비조질강 소재인 LH85와 기계적 물성을 비교하였다. LH85소재는 성형성을 향상을 위해 탄소 함량을 감소시키고 변형저항과 가공경화율을 증가시키기 위해 Mn 함량을 증가시킨 소재로 제어압연과 제어 냉각을 통해 조직을 미세화시켜 기계적 성질을 얻은 소재이다.
냉간압조용 비조질강은 현재 800MPa의 강도를 요구하는 부품, 특히 자동차용 볼트류에 널리 사용되고 있으며 900MPa이상의 고장력 볼트에 이르기 까지 개발과 함께 적용이 적극적으로 진행되고 있다. 그에 따라 비교 대상 소재들의 특성분석을 통해 적용 가능한 비조질강들의 정∙동적 특성을 정량화 하였으며, 정리하면 다음과 같다.
비조질강은 크게 열간단조용, 냉간단조용, 직접 절삭용 비조질강으로 구별할 수 있는데, 냉간 단조용 비조질강은 주로 냉간 압조에 의해서 제작되는 볼트류를 생산하기 위한 강종으로 압연재의 신선성을 높이기 위하여 통상적으로 행하여지는 구상화 열처리와 볼트 성형 후의 강도제어를 위한 조질 열처리를 생략함으로써 열처리 비용을 절감할 수 있다. 냉간단조용 비조질강에 있어서 합금성분은 탄소강에 비하여 탄소함량을 저감하고(약 0.2wt% 내외) Mn 의 함량을 증가시켜(약 1.5wt% 내외) 인성을 개선하고 제어압연과 제어냉각을 통하여 조직을 미세화시켜 압연 상태에서 필요한 강도와 인성을 확보한다. 또한 최종 제품의 강도는 신선 또는 냉간성형을 통한 가공경화를 통하여 확보되게 된다.
LH85소재는 성형성을 향상을 위해 탄소 함량을 감소시키고 변형저항과 가공경화율을 증가시키기 위해 Mn 함량을 증가시킨 소재로 제어압연과 제어 냉각을 통해 조직을 미세화시켜 기계적 성질을 얻은 소재이다. 또한 각 비조질강의 동적특성을 분석하기 위해 원소재 상태에서 피로시험을 수행하였다. 조질강과 비조질강과의 비교는 선행 연구 결과들[1~8]이 많이 있기 때문에 본 논문에서의 기술은 생략하고자 한다.
비조질강은 열처리 비용의 절감을 목적으로 1972년 독일의 Thyssen 사에서 최초로 개발되었으나 1980년대 오일 쇼크를 통하여 에너지 절감의 효율성을 인정받기 시작하여 주로 유럽과 일본을 중심으로 연구 및 개발이 심화되었다. 비조질강은 단조 후 또는 기계가공전 조질 열처리 담금질과 뜨임(Quenching and Tempering)을 통하여 기계부품의 강도를 제어하던 기존의 방식에서 벗어나 합금설계 및 제어압연/제어냉각 그리고 후속 가공공정을 통하여 부품의 강도를 확보할 수 있도록 함으로써 열처리 비용을 절약할 수 있도록 개발되었다.
LH85 소재는 제어압연을 통하여 미세한 페라이트-펄라이트 조직을 나타내고 있다. 성형된 부품의 부위별 특성차이에 대한 분석을 위해 압축 시험을 통해 압축변형량과 위치에 따른 경도변화를 정량적으로 분석하였으며 비조질강의 신뢰도에 크게 영향을 미칠 수 있는 동적특성에 대한 분석을 위해 피로시험을 수행하였다.
2에 공정별 형상을 나타내었고 강소성해석을 위해 상용프로그램인 FORGE2D&3DTM을 이용하였다. 성형해석에 사용된 조건으로 펀치속도 100mm/sec, 쿨롱 마찰계수(Coulomb Friction Coefficient) 0.08을 사용하였고, Fig. 3의 압축 시험에 의한 유동응력 곡선을 이용하여 1공정에서 3공정까지 2차원 축대칭 해석을, 마지막 4공정은 3차원 성형해석을 수행 하였다.
시제품 제조에 필요한 정보를 얻기 위해 Table 3에서 P-B, ESW85소재의 재료특성을 바탕으로 수치 해석을 수행하였다. 유한요소해석으로 실시한 후의 결과를 Von Mises 항복 조건식에 의한 유효응력(Von Mises stress)값으로 비교하여 Fig.
결국, 항복강도와 인장강도의 특성에 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 피로시험에 사용된 LH85는 저온소둔 처리 후의 소재를 이용하여 수행된 결과로서, 이와 같은 조건으로 피로한도를 알기 위해 ESW85, P-B소재를 저온소둔 처리를 하여 결과를 비교 하였다.

대상 데이터

연구에 사용된 소재는 Table 1에 나타낸 바와 같이 2가지 종류로서 저탄소강을 기반으로 Si, Mn 성분을 함유하고 있는 것이 공통적이며 Cr함량이 다소 차이를 나타내고 있다. 또한 소재 ESW85(선조질강)는 P-B(비조질강)와는 달리 냉간압조전 선조질(Pre-Quenching-Tempering) 처리를 통해 강도와 연신율을 향상시키고 선재의 부위별 재질편차를 감소시키는 효과를 도모하고 있는 것이 특징이다.
평가된 소재를 이용하여 제조된 부품은 M6 롱 볼트(Long Bolt)로서 Fig. 6와 같은 공정(절단-전방압출-전방압출-업세팅-볼트)을 거쳐 제조하였다.
1)상태에서의 고주기 피로시험을 수행하여 각 소재의 피로한도를 분석하였다. 피로시험에 사용된 시험기는 250KN의 자기공명피로시험기로서 80Hz이상의 고주기에서 시험을 수행하였다.

데이터처리

Fig. 2에 공정별 형상을 나타내었고 강소성해석을 위해 상용프로그램인 FORGE2D&3DTM을 이용하였다.

성능/효과

7(a)에서 살펴보면 1공정에서의 최고(Peak point)값은 1081MPa, 2공정 1113MPa, 3공정 1237MPa, 4공정 1334MPa로 나타났고, Fig. 7(b) P-B소재에서 1공정은 1040MPa, 2공정 1029MPa, 3공정 1098MPa, 4공정에서는 1074 MPa로 ESW85소재가 P-B소재 보다 평균 10% 이상 높은 응력값을 나타내고 있다. 응력차이는 Fig.
ESW85, P-B소재의 피로특성을 통해 동적강도를 비교하였을때 저온소둔 처리 후 LH85보다 피로한도가 조금 낮지만 유사하게 나타남을 알 수 있다. 결국 피로한도는 열처리 한 강의 경우도 정적강도와 비례함을 확인하였다.
비조질강과 선조질강의 정적강도를 비교하였을 때 인장강도는 LH85, ESW85, P-B 소재 순서로 나타났다. 그리고 저온소둔 처리 후 인장시험 결과, 항복강도 및 인장강도가 전체적으로 증가하였다. 특히 P-B소재는 다른 소재에 비해 상대적으로 크게 증가하였다.
4 에 나타내었다. 압축 전 평균값을 비교하였을 때 P-B소재는 255(Hv) ESW85소재는 263(Hv)로 ESW85소재가 조금 높게 나타났으며, 압축 후에도 두 소재 모두 전체적인 경도 값이 증가하였고, ESW85소재가 더 높게 나타남을 알 수 있다.
9와 Table 6은 볼트 단조품의 변형율과 경도 분포를 나타내고 있다. 해석 결과로부터 부위별 경도 분포 예측이 매우 정확함을 알 수 있으며 경도에 따른 기계적 물성 예측에 대한 데이터 구축을 통해 비조질강의 기계적 특성 예측 가능성을 높여 주고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비조질강은 어떻게 하여 열처리 비용을 절약할 수 있게 개발되었는가?	비조질강은 열처리 비용의 절감을 목적으로 1972년 독일의 Thyssen 사에서 최초로 개발되었으나 1980년대 오일 쇼크를 통하여 에너지 절감의 효율성을 인정받기 시작하여 주로 유럽과 일본을 중심으로 연구 및 개발이 심화되었다. 비조질강은 단조 후 또는 기계가공전 조질 열처리 담금질과 뜨임(Quenching and Tempering)을 통하여 기계부품의 강도를 제어하던 기존의 방식에서 벗어나 합금설계 및 제어압연/제어냉각 그리고 후속 가공공정을 통하여 부품의 강도를 확보할 수 있도록 함으로써 열처리 비용을 절약할 수 있도록 개발되었다.
	비교 대상 소재들의 특성분석을 통해 적용 가능한 비조질강들의 정∙동적 특성을 정량화한 결과는?	비조질강과 선조질강의 정적강도를 비교하였을 때 인장강도는 LH85, ESW85, P-B 소재 순서로 나타났다. 그리고 저온소둔 처리 후 인장시험 결과, 항복강도 및 인장강도가 전체적으로 증가하였다. 특히 P-B소재는 다른 소재에 비해 상대적으로 크게 증가하였다. 반면 압축강도는 거의 유사한 압축강도와 가공 경화지수를 나타내었다. ESW85, P-B소재의 피로특성을 통해 동적강도를 비교하였을때 저온소둔 처리 후 LH85보다 피로한도가 조금 낮지만 유사하게 나타남을 알 수 있다. 결국 피로한도는 열처리 한 강의 경우도 정적강도와 비례함을 확인하였다. 비조질강과 선조질강의 원소재와 볼트성형의 수치해석을 통해 경도와 변형율을 비교 하였을 때 압축 시험을 통해 분석된 상관 관계와 결과치와 동일한 결과를 나타내었다. 이 결과들로부터 비조질강의 경우는 데이터 정량화와 해석을 통해 경도와 기계적 성질의 예측이 가능함을 알 수 있다.
	비조질강은 어떤 목적으로 개발되었는가?	비조질강은 열처리 비용의 절감을 목적으로 1972년 독일의 Thyssen 사에서 최초로 개발되었으나 1980년대 오일 쇼크를 통하여 에너지 절감의 효율성을 인정받기 시작하여 주로 유럽과 일본을 중심으로 연구 및 개발이 심화되었다. 비조질강은 단조 후 또는 기계가공전 조질 열처리 담금질과 뜨임(Quenching and Tempering)을 통하여 기계부품의 강도를 제어하던 기존의 방식에서 벗어나 합금설계 및 제어압연/제어냉각 그리고 후속 가공공정을 통하여 부품의 강도를 확보할 수 있도록 함으로써 열처리 비용을 절약할 수 있도록 개발되었다.

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