[논문]고인성 비조질강 샤시부품 개발

이시엽; 김혁

doi:10.7467/ksae.2012.20.3.001

문제 정의

기 연구 결과들을 바탕으로 본 개발에서는 단조 가열온도에서도 미고용 상태로 유지가 가능한 티타늄을 첨가하여 고온에서의 오스테나이트 결정 성장을 억제하여 결정립을 미세화 함으로써 인성을 향상시킨 고인성 비조질강을 개발하였다.^4-6)
이에 본 개발에서는 자동차 샤시부품에 많이 사용되고 있는 중탄소 조질강과 동등이상의 강도와 인성을 확보한 고인성 비조질강을 개발함으로써 열처리 생략에 의한 원가절감 및 친환경 공정으로의 전환에 일조하고자 하였다.

가설 설정

실제 단조공정에서는 냉각속도를 조절하기 위해 컨베이어 장치를 이용해야 하기 때문에 해석 공정을 Fig. 8의 개략도와 같이 가정하였고, 고온의 단조품이 컨베이어에 장입되어서 추출되기까지의 냉각 과정을 해석하였다.

제안 방법

2) 열전달 해석을 통하여 단조 후 냉각조건에 따른 미세조직 변화를 예측하고, 제어냉각 조건을 최적화 하였다.
CCT 곡선을 이용하여 냉각속도에 따른 미세조직 분율을 계산하였으며, 그 결과는 Fig. 6과 같다.
개발된 고인성 비조질강으로 실제로 너클 단조품을 제작하였으며, 단조 후 컨베이어 라인과 냉각 팬을 이용하여 제어 냉각을 실시하였다.
개발재의 기계적 특성을 평가하기 위하여 원소재를 온도별로 노말라이징 처리하였고, 시험편을 소재에서 직접 채취하였다. 인장시험편은 평행부 Φ6 봉상 표준시편을 사용하였고, 충격시험편은 2mm U-notch 시편을 사용하였다.
또한 개발품을 실차 평가 차량에 탑재하여 내구 시험을 실시하였으며 제품에 이상 없이 내구평가를 통과하였다.
본 개발에서는 기존 조질강으로 제작되는 샤시부품을 고인성 비조질강으로 개발하였고, 재질 평가, 단품 내구평가 및 가공성 평가를 실시하여 그 우수성을 검증하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
상기 가공조건으로 공시재 4개를 절삭 가공한 후공구의 마모량을 관찰하였으며 재질 당 총 3회씩 반복실시하여 평균 마모 깊이를 비교하였다.
실제 냉각과정 중에는 CCT곡선과 같이 시간에 따라 균일한 속도로 냉각되지 않으며 부품 형상에 따른 냉각속도 차이가 발생하기 때문에, 실제 냉각 속도와 형상의 영향을 고려한 최적 냉각조건을 설정하기 위하여 열전달 해석을 실시하였다.
실제 컨베이어 냉각 과정에서 측정한 온도를 이용하여 냉각 조건에 따른 열전달 계수를 설정하였고, 해석조건은 Table 3과 같다.
이에 컨베이어에 장입되는 단조품의 초기온도는 1050°C, 대기는 25°C로 설정하였고, 컨베이어를 일정한 속도로 이동하면서 냉각되는 1단계와 컨베이어 추출 후 적재된 상태로 냉각되는 2단계로 나누어 해석하였다.

대상 데이터

개발재의 가공성을 비교 평가하기 위하여 양산재인 조질강과 개발재인 고인성 비조질강 소재를 이용하여 Φ40×300mm 공시재를 제작하였으며 가공 조건은 Table 7에 나타내었다.
인장시험편은 평행부 Φ6 봉상 표준시편을 사용하였고, 충격시험편은 2mm U-notch 시편을 사용하였다.

성능/효과

1) 인성을 향상시키기 위하여 탄소함량을 낮추고, 티타늄을 첨가하여 결정립을 미세화 함으로써 조질강 단조재 동등 이상의 물성을 얻을 수 있었다.
3) 단품 정강도 평가 및 내구평가 결과, 조질강 단조품과 동등 수준 이상의 성능을 나타내었고 차량 내구평가도 통과하여 그 우수성이 검증되었다.
4) 가공성 평가 결과, 조질강 대비 낮은 마모저항성을 나타내어 우수한 절삭성을 확인하였다.
5) 기존 조질강을 사용하는 샤시 단조품을 고인성비조질강으로재질변경을제안하여 양산적용되었으며, 열처리 생략에 의한 원가절감 효과를 얻을 수 있었다.
Table 2에서 알 수 있듯이 개발된 고인성 비조질강은 열간 단조 온도인 1000~1200°C에서 냉각시켰을 경우 기존 조질강 동등 이상의 물성을 나타내었고 특히 충격치가 높아 우수한 인성을 가짐이 확인되었다.
개발품은 내구평가 모든 항목에서 목표수명을 만족하여 기존 조질강 양산품과 동등한 성능을 나타내었으며, 정강성 평가에서도 동등 이상의 파단강도를 확인할 수 있었다.
기계적 성질 및 조직 예측 결과를 미루어 보았을 때 대상 너클 단조품의 최적 제어냉각 조건은 서냉 및 공냉 조건임을 확인할 수 있었고, 강도의 안전율이 충분할 경우 인성향상을 위해서는 공냉조건보다 서냉을 하여도 무방함을 확인할 수 있었다.
동일한 가공조건에서 경도가 다소 높았음에도 불구하고 조질강 대비 공구 마모량이 적어서 고인성 비조질강이 기존재 대비 낮은 마모저항성이 있음을 알 수 있었다. 이는 기존재는 퀜칭･템퍼링 과정에서 경한 탄화물들이 균일하게 분포하게 됨에 반하여, 비조질강은 페라이트, 펄라이트 조직으로 이루어져 있어 공구에 걸리는 응력이 연한 페라이트 조직에 집중되면서 가공 부하를 줄이기 때문으로 예측된다.
상기 결과를 통해 고인성 비조질강으로 제품 개발 시 제어 냉각조건의 기준을 마련하였으며, 단조 부품의 형상이나 냉각조건이 변하였을 경우 해석을 통한 냉각조건 최적화가 가능함을 확인하였다. 또한 생산성을 고려한 최적 조건 도출이 가능함을 확인할 수 있었다.
상기 결과를 통해 고인성 비조질강으로 제품 개발 시 제어 냉각조건의 기준을 마련하였으며, 단조 부품의 형상이나 냉각조건이 변하였을 경우 해석을 통한 냉각조건 최적화가 가능함을 확인하였다. 또한 생산성을 고려한 최적 조건 도출이 가능함을 확인할 수 있었다.
9는 너클 단품의 조건별 냉각곡선 결과를 CCT 곡선 상에 나타낸 결과이다. 서냉과 공냉 조건에서 페라이트와 펄라이트 조직 생성이 예측되었으며, 급냉 조건은 냉각속도가 가장 빠른 부분에서 베이나이트 조직이 생성됨을 예측할 수 있다.

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