KR102218422B1 - 휠 디스크 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크는, 볼트 체결을 위한 볼트 홀을 구비하는 휠 디스크에 있어서, 상기 휠 디스크는, 볼트 홀의 둘레방향을 따라 기 설정된 폭을 가지도록 연장되어 구비된 제1 영역; 및 상기 제1 영역 이외의 제2 영역으로 구분되며, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 낮은 평균 인장강도를 가지도록 구비될 수 있다.
Description
본 발명은 휠 디스크 및 그 제조방법에 관한 것이며, 상세하게는 자동차에 적용되는 스틸 휠의 휠 디스크 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차는 원동기에서 발생한 동력을 바퀴에 전달하여 이동하는 기계를 의미한다. 최근 자동차 업계에서는 에너지 효율성 및 승객 안전성 동시 확보가 주요한 기술적 화두이며, 이와 같은 기술적 효과를 달성하기 위하여 자동차 부품의 고강도화 및 경량화를 위한 다양한 연구가 진행 중이다.
특히, 휠(wheel)과 타이어(tire)로 이루어지는 자동차 바퀴는 에너지 효율성에 큰 영향을 미치는 자동차 부품으로, 최근에는 자동차 바퀴의 경량화를 도모하기 위하여 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 또는 고강도강을 이용하여 휠을 제작하고자 하는 시도가 있다. 특히, 고강도강을 이용하여 휠을 제작하는 경우, 알루미늄 합금 또는 마그네슘 합금에 비해 높은 강도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 합금원소 이용을 억제하여 저원가 특성을 효과적으로 확보할 수 있다.
다만, 고강도강을 이용한 휠의 제작에는 다양한 기술적 난점이 존재하므로, 현재 고강도강을 이용한 휠의 제작이 활발하게 이루어지지는 않는 실정이다. 일반적으로, 스틸 휠(steel wheel)은 차축의 허브와 직접적으로 연결되는 휠 디스크(wheel disk) 및 휠 디스크의 둘레방향을 따라 구비되어 타이어와 직접적으로 연결되는 림(rim)이 용접되어 제공되나, 고강도강을 이용하여 휠 디스크(wheel disk)를 제작하는 경우, 고강도강의 열위한 성형성에 의하여 복잡한 형상의 성형이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 성형 프레스의 하중이 크게 증가되어 금형의 조기 마모가 유발될 수 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위한 하나의 대안으로, 열처리강을 냉간 성형한 후 후열처리하여 휠 디스크를 제작하는 방법을 고려할 수 있다. 열처리강은 상대적으로 낮은 강도를 가지므로, 냉간 성형이 용이한 반면, 후열처리에 의한 고강도 특성 확보가 가능하기 때문이다.
더불어, 다른 하나의 대안으로, 소재를 고온으로 가열하여 열간 성형한 후 금형 내에서 급냉하여 휠 디스크를 제작하는 방법을 고려할 수 있다. 고온에서 증가된 연신율 특성을 활용하여 보다 복잡한 형상으로 휠 디스크를 형성할 수 있으며, 성형 후 금형에서 급냉함으로써 고강도 특성을 확보함과 동시에 냉각 시 발생하는 뒤틀림 등의 변형을 최소화할 수 있기 때문이다.
다만, 상술한 제조방법은 휠 디스크 자체의 강도 향상에는 유효하지만, 이와 같은 휠 디스크의 강도 향상 효과가 휠 자체의 내구성 향상에는 실질적으로 기여하지 못하는바, 휠 디스크에 고강도강을 적용함에 있어서 휠 자체의 내구성을 효과적으로 향상 가능한 기술적 해결 방안이 필요한 실정이다.
본 발명의 한 가지 측면에 따르면 고강도 특성을 구비하면서도 내구성이 우수한 휠 디스크 및 그 제조방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크는, 볼트 체결을 위한 볼트 홀을 구비하는 휠 디스크에 있어서, 상기 휠 디스크는, 볼트 홀의 둘레방향을 따라 기 설정된 폭을 가지도록 연장되어 구비된 제1 영역; 및 상기 제1 영역 이외의 제2 영역으로 구분되며, 상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 낮은 평균 인장강도를 가지도록 구비될 수 있다.
상기 제1 영역의 평균 인장강도는 상기 제2 영역의 평균 인장강도의 1/3 내지 2/3 수준일 수 있다.
상기 제2 영역의 평균 인장강도는 980MPa 이상일 수 있다.
상기 제1 영역의 폭은 1~10mm일 수 있다.
상기 휠 디스크는 강판 휠 디스크(steel plate wheel disc)일 수 있다.
상기 제1 영역 및 제2 영역은 비접합 방식의 경계부에 의해 구분될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 성형 가공하여 휠 디스크를 제공하는 단계; 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역을 가열하고 서냉하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 성형 가공하여 휠 디스크를 제공하는 단계; 상기 휠 디스크를 가열 및 냉각하는 열처리 단계를 포함하며, 상기 냉각 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 냉각하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 서냉 조건을 적용하여 냉각하며, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 급냉 조건을 적용하여 냉각할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 가열한 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하는 단계; 상기 금형 내에서 상기 휠 디스크를 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 소재의 가열 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 소재를 가열하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 Ac1 이하의 온도로 가열하고, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 Ac3 이상의 온도로 가열할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 다른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 가열한 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하는 단계; 상기 금형 내에서 상기 휠 디스크를 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 휠 디스크의 냉각 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 휠 디스크를 냉각하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 서냉 조건을 적용하여 냉각하며, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 급냉 조건을 적용하여 냉각할 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 스틸 휠의 내구성을 효과적으로 향상 가능한 휠 디스크 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과에 국한되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 이하의 사항으로부터 용이하게 도출 가능한 기술적 효과를 포함하는 개념으로 해석될 수 있다.
도 1은 스틸 휠의 일 예를 개략적을 도시한 (a) 사시도 및 (b) 평면도이다.
도 2는 고강도강을 적용한 스틸 휠의 내구 평가 시 볼트 홀 주위에 발생한 크랙을 촬영한 사진이다.
도 3은 도 2의 스틸 휠의 크랙이 발생한 영역의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 볼트 체결 결합력을 반영하지 않은 휠 디스크의 응력 해석 결과이다.
도 5 내지 도 7은 볼트 체결 변위를 각각 0.005mm, 0.020mm 및 0.05mm 부여한 휠 디스크의 응력 해석 결과이다.
도 8은 인장강도 440MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이다.
도 9는 인장강도 1500MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크를 구비하는 스틸 휠을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 10의 (b)는 도 10(a)의 볼트 홀 주변부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 11은 소재 No.2의 제1 영역 조직을 관찰한 사진이다.
도 12는 소재 No.3에서 가열 온도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다.
도 13은 소재 No.4에서 냉각 속도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다.
도 14는 소재 No.4에 있어서, 동일한 냉각 속도를 적용한 경우 및 냉각 속도를 달리 적용한 경우 각각에 대해 CFT 평가를 실시한 후 볼트홀 주변 영역을 관찰한 사진이다.
도 2는 고강도강을 적용한 스틸 휠의 내구 평가 시 볼트 홀 주위에 발생한 크랙을 촬영한 사진이다.
도 3은 도 2의 스틸 휠의 크랙이 발생한 영역의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 볼트 체결 결합력을 반영하지 않은 휠 디스크의 응력 해석 결과이다.
도 5 내지 도 7은 볼트 체결 변위를 각각 0.005mm, 0.020mm 및 0.05mm 부여한 휠 디스크의 응력 해석 결과이다.
도 8은 인장강도 440MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이다.
도 9는 인장강도 1500MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크를 구비하는 스틸 휠을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 10의 (b)는 도 10(a)의 볼트 홀 주변부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 11은 소재 No.2의 제1 영역 조직을 관찰한 사진이다.
도 12는 소재 No.3에서 가열 온도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다.
도 13은 소재 No.4에서 냉각 속도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다.
도 14는 소재 No.4에 있어서, 동일한 냉각 속도를 적용한 경우 및 냉각 속도를 달리 적용한 경우 각각에 대해 CFT 평가를 실시한 후 볼트홀 주변 영역을 관찰한 사진이다.
본 발명은 휠 디스크 및 그 제조방법에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 스틸 휠의 일 예를 개략적을 도시한 (a) 사시도 및 (b) 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 스틸 휠(steel wheel, 1)은 차축과 직접적으로 연결되는 휠 디스크(wheel disk, 10) 및 휠 디스크(10)의 둘레방향을 따라 구비되며, 타이어가 결합되는 림(rim. 20)으로 구성되며, 훨 디스크(10)에는 차축과의 볼트 체결을 위한 복수개의 볼트 홀(12)이 관통 형성되어 있다.
본 발명의 발명자는 스틸 휠의 내구성을 향상시키는 방안으로서 스틸 휠에 고강도강을 적용하는 방안에 대해 심도 있는 연구를 수행하였으나, 단순히 고강도강을 스틸 휠에 적용하는 것 만으로는 스틸 휠의 내구성 향상에 한계가 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
도 2는 고강도강을 적용한 스틸 휠의 내구 평가 시 볼트 홀 주위에 발생한 크랙을 촬영한 사진이며, 도 3은 도 2의 스틸 휠의 크랙이 발생한 영역의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
본 발명의 발명자는 약 1000MPa 이상의 인장강도를 가지는 스틸 휠을 제작하였으며, 해당 스틸 휠에 대해 선회 피로실험(Cornering fatigue test)를 실시하였다. 이때 선회 피로실험은 1.54 kN·m 조건을 이용하였다. 고강도 강판을 적용하여 제작된 스틸 휠은 우수한 선회 피로실험 결과를 나타낼 것이라는 예상과 달리, 도 2에 도시된 바와 같이 볼트 홀 주위의 영역에 크랙이 발생하여 전파되는 현상이 발생하였다.
크랙이 발생된 영역의 휠 디스크 단면을 관찰한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 휠 디스크의 표면으로부터 사선형으로 크랙이 개시되어 진행된 것을 확인할 수 있었다. 본 발명의 발명자는 이와 같은 크랙의 진행 양상은 전형적인 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack)의 진행 양상과 유사하다는 판단 하에, 고강도강을 적용한 스틸 휠의 볼트 홀 주변 영역에서 발생하는 프레팅 피로 균열을 적극 억제하는 경우, 강도 증가분에 따른 내구성 증가 효과를 극대화할 수 있다는 점으로부터 본 발명을 도출하게 되었다.
본 발명의 발명자는 유한요소 해석 방법을 이용하여 휠 디스크에 인가되는 응력을 평가하였다. 도 4는 볼트 체결 결합력을 무시한 응력 해석 결과이며, 도 5 내지 도 7은 볼트 체결 변위를 각각 0.005mm, 0.020mm 및 0.05mm 부여한 경우의 응력 해석 결과를 나타낸다. 도 4 내지 도 7에서 파악되는 바와 같이, 볼트 홀(12)로부터 일정 간격 이격된 영역(A)에서의 응력 집중도가 가장 높으며, 도 4 내지 도 7에서 A로 표시된 영역은 도 3에서 크랙이 발생한 영역과 대응하는 영역임을 확인할 수 있다.
또한, 도 4 내지 도 7로부터, 볼트 체결 변위가 증가할수록 A로 표시된 영역의 응력 집중도가 더욱 높아지는 것을 확인할 수 있는바, 스틸 휠의 볼트 체결 시 볼트 체결력이 크랙 발생 여부의 주요 변수임을 확인할 수 있다. 다만, 통상적으로 자동차사는 스틸 휠의 볼트 체결 시 볼트 체결 토크를 특정 값으로 지정하는 관계로, 본 발명자는 볼트 체결력의 제어보다는 일정 볼트 체결력 조건 하에서 A 영역의 응력 집중을 분산시키는 방안이 크랙 발생 억제에 보다 효과적이라는 것에 착안하여 본 발명을 도출하였다.
도 8은 인장강도 440MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이며, 도 9는 인장강도 1500MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부의 3차원 응력 분포 해석 결과이다. 도 8 및 도 9의 경우, 볼트 홀의 체결 시 변위는 동일한 조건을 사용하였다.
도 8에 도시된 바와 같이, 인장강도 440MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부(특히, 도 4 내지 도 7에서 A로 표시된 영역과 대응하는 영역)에는 약 381MPa의 응력이 집중되는 반면, 도 9에 도시된 바와 같이, 인장강도 1500MPa 급 휠 디스크의 볼트 홀 주변부(특히, 도 4 내지 도 7에서 A로 표시된 영역과 대응하는 영역)에는 약 935MPa의 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 휠 디스크의 인장강도가 증가할수록, 볼트 홀 주변부의 응력 집중도가 높아지므로, 소재의 고강도화에 따른 내구성 증가 효과가 볼트 홀 주변부에 형성되는 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack)에 의해 상쇄됨을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명은 휠 디스크를 고강도화를 도모하면서도, 볼트 홀 주변 영역을 상대적으로 저강도의 소재로 구성함으로써, 볼트 홀 주변부의 응력 집중 현상을 완화하여 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack)의 발생을 적극 억제하며, 그에 따라 소재의 고강도화에 따른 스틸 휠의 내구성 향상 효과를 극대화하고자 한다.
이하, 본 발명의 휠 디스크에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 휠 디스크는 스틸 휠 디스크(steel wheel disk)일 수 있으며, 보다 구체적으로는, 강판을 이용하여 제조된 강판 휠 디스크(steel plate wheel disk)일 수 있다.
도 10의 (a)는 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)를 구비하는 스틸 휠(100)을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 10의 (b)는 도 10(a)의 볼트 홀(112) 주변부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)에는 복수의 볼트 홀들(112)이 구비될 수 있다. 복수의 볼트 홀들(112)은 휠 디스크(110)의 둘레 방향을 따라 기 설정된 간격으로 이격되어 형성될 수 있으며, 볼트 홀들(112)의 형상, 직경 및 이격 거리는 특별히 제한되는 것은 아니다.
도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)는, 볼트 홀(112)의 둘레방향을 따라 기 설정된 폭(Wa)을 가지도록 연장되어 구비되는 제1 영역(110a) 및 제1 영역(110a) 이외의 영역인 제2 영역(110b)으로 구분될 수 있다.
후술하는 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)는 단일 소재에 대해 가열 조건, 냉각 조건 또는 열처리 조건을 영역별로 상이하게 적용하여 제조되는바, 제1 영역(110a) 및 제2 영역(110b)이 물성 또는 미세조직적으로 구분될 수 있다. 다만, 제1 영역(110a) 및 제2 영역(110b)은 비접합 방식의 경계부에 의해 구분될 수 있다. 즉, 제1 영역(110a) 및 제2 영역(110b)은 단일 소재에 대해 가열, 냉각 또는 열처리 조건을 상이하게 적용하여 구분되는바, 제1 영역(110a) 및 제2 영역(110b)의 경계부는 용접 등의 접합에 의해 형성되는 경계부와는 상이한 유형으로 구비될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)에서, 제2 영역(110b)의 평균 인장강도는 980MPa 이상일 수 있으며, 바람직한 제2 영역(110b)의 평균 인장강도는 1180MPa 이상, 또는 1480MPa 이상의 수준일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)는, 볼트 홀 주변의 제1 영역(110a)을 제외한 대부분의 영역인 제2 영역(110b)을 고강도강으로 구성하므로, 스틸 휠(100)의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)에서, 제1 영역(110a)은 제2 영역(110b)보다 낮은 평균 인장강도를 가지도록 구비될 수 있다. 본 발명의 일 측면에 다른 휠 디스크(110)는, 볼트 홀(112) 주변의 제1 영역(110a)이 제2 영역(110b)에 비해 낮은 인장강도를 가지도록 구비되는바, 휠 디스크(110)에 고강도강을 적용하더라도 볼트 홀(112) 주변에서의 응력 집중 현상을 효과적으로 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크(110)는, 제2 영역(110b)에 고강도강을 적용하여 휠 디스크(110)의 강도 증가에 따른 내구성 증가 효과를 도모하는 한편, 볼트 홀(112) 주변의 제1 영역(110a)에 상대적으로 저강도강을 적용하여 볼트 홀(112) 주변에 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack)이 발생하는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크는, 휠 디스크의 소재로 고강도강을 접목함에 있어서, 강도 증가분에 따른 내구성 향상 효과가 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack)에 의해 상쇄되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크에서, 제1 영역(110a)의 평균 인장강도는 제2 영역(110b)의 평균 인장강도의 1/3 내지 2/3 수준일 수 있다. 제1 영역(110a)의 평균 인장강도가 제2 영역(110b)의 평균 인장강도에 비해 1/3 미만의 수준인 경우, 제1 영역(110a)의 인장강도가 과도하게 낮아 제1 영역(110a)의 내구성이 저하될 우려가 있으며, 제1 영역(110a)의 평균 인장강도가 제2 영역(110b)의 평균 인장강도의 2/3 초과의 수준인 경우, 제1 영역(110a)의 인장강도가 과도하게 높아 제1 영역(110a)에서의 프레팅 피로 균열(fretting fatigue crack) 발생이 우려되기 때문이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크에서, 제1 영역(110a)의 폭(Wa)은 볼트 체결 시 볼트 홀(112) 주변에서 소성 변형이 발생하는 영역에 따라 결정될 수 있으며, 보다 바람직한 제1 영역(110a)의 폭(Wa)은 1~10mm의 수준일 수 있다. 제1 영역(110a)의 폭(Wa)이 1mm 미만인 경우, 본 발명이 목적하는 볼트 홀(112) 주변 영역의 응력 집중 완화 효과를 달성할 수 없으며, 제1 영역(110a)의 폭(Wa)이 10mm를 초과하는 경우, 본 발명이 목적하는 휠 디스크(110)의 고강도화를 달성할 수 없기 때문이다. 또한, 제1 영역(110a)은 볼트 홀(112)의 둘레 방향을 따라 균일한 폭(Wa)을 가지는 것이 바람직하다. 여기서 균일한 폭(Wa)은 제1 영역(110a)의 최대 폭(Wamas)과 최소 폭(Wamin)의 차가 폴트 홀(112)의 둘레 방향을 따라 임의의 20군데 지점에 측정하여 산출된 평균 폭(Waeq)의 10% 미만인 경우를 의미할 수 있다.
이하, 본 발명의 휠 디스크 제조방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 휠 디스크 제조방법은 통상의 휠 디스크 제조에 사용되는 다양한 방법들이 이용될 수 있다. 다만, 본 발명의 휠 디스크 제조방법은, 휠 디스크의 고강도화를 도모하되, 볼트 홀 주변 영역이 다른 영역에 비해 상대적으로 낮은 인장강도를 가지도록 하는 공정 조건이 추가될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 성형 가공하여 휠 디스크를 제공하는 단계; 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역을 가열하고 서냉하는 열처리 단계를 포함할 수 있다.
상기 휠 디스크용 소재는 휠 디스크에 고강도 특성을 부여 가능한 소재이면 어떤 소재를 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 냉간 고강도강 또는 열처리강이 이용될 수 있다. 상기 소재 성형 가공 방법으로는 냉간 성형 및 열간 성형이 모두 이용될 수 있으며, 성형 후 휠 디스크를 가열 및 급냉 처리하는 공정을 추가로 구비할 수 있다.
휠 디스크의 성형 후 볼트 홀 주변 영역을 가열 및 서냉하는 풀림(annealing) 열처리가 실시될 수 있으며, 이때의 가열은 전술한 제1 영역에 대응하는 영역에 대해 실시될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크 제조 방법은, 휠 디스크 성형 후 볼트 홀 주변 영역만을 가열 및 서냉하는 열처리 공정을 구비하므로, 휠 디스크의 전반적인 고강도화를 도모함과 동시에 볼트 홀 주변 영역이 상대적으로 낮은 인장강도를 가지도록 하여 휠 디스크의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 성형 가공하여 휠 디스크를 제공하는 단계; 상기 휠 디스크를 가열 및 냉각하는 열처리 단계를 포함하며, 상기 냉각 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 냉각하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 서냉 조건을 적용하여 냉각하며, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 급냉 조건을 적용하여 냉각할 수 있다.
상기 휠 디스크용 소재는 휠 디스크에 고강도 특성을 부여 가능한 소재이면 어떤 소재를 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 열처리강이 이용될 수 있다. 상기 소재 성형 가공 방법으로는 냉간 성형 및 열간 성형이 모두 이용될 수 있으며, 성형 후 휠 디스크를 가열 및 급냉 처리하는 공정을 추가로 구비할 수 있다.
휠 디스크의 가열 및 급냉 처리 시, 볼트 홀 주변 영역(전술한 제1 영역과 대응하는 영역)과 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 냉각을 실시하되, 볼트 홀 주변 영역에 대해 상대적으로 느린 냉각속도를 부여하여 냉각을 실시할 수 있다. 즉, 급냉에 의해 휠 디스크는 전반적으로 높은 인장강도를 구비하나, 볼트 홀 주변 영역을 상대적으로 느린 냉각속도로 냉각하므로, 볼트 홀 주변 영역이 과도하게 고강도화 되는 현상을 효과적으로 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크의 가열 후 볼트 홀 주면 영역과 그 이외의 영역을 구분하여 냉각 속도를 차등 적용하여 냉각을 실시하므로, 휠 디스크의 전반적인 고강도화를 도모함과 동시에 볼트 홀 주변 영역이 상대적으로 낮은 인장강도를 가지도록 하여 휠 디스크의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 가열한 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하는 단계; 상기 금형 내에서 상기 휠 디스크를 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 소재의 가열 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 소재를 가열하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 Ac1 이하의 온도로 가열하고, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 Ac3 이상의 온도로 가열할 수 있다.
상기 휠 디스크용 소재는 휠 디스크에 고강도 특성을 부여 가능한 소재이면 어떤 소재를 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 열처리강이 이용될 수 있다.
상기 휠 디스크의 성형 방법으로는 열간 프레스 성형(hot press forming)이 이용될 수 있으며, 열간 프레스 성형을 위한 소재 가열 시, 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역(전술한 제1 영역과 대응하는 영역)과 대응하는 영역 및 그 이외의 영역의 가열 도달 온도를 구분하여 소재의 가열을 실시할 수 있다. 즉, 볼트 홀 주변 영역과 대응하는 영역은 Ac1 이하의 온도로 가열을 실시하고, 볼트 홀 주변 영역을 제외한 영역과 대응하는 영역은 Ac3 이상의 온도로 가열을 실시할 수 있다. 소재의 가열 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하며, 금형 내에서 휠 디스크의 냉각이 이루어질 수 있다. 이 때, 금형 내의 휠 디스크의 전 영역에 대해 동일한 냉각 조건을 적용하더라도 볼트 홀 주변 영역과 그 이외의 영역은 냉각 개시온도가 상이하므로, Ac1 이하의 온도로 가열되었던 영역은, Ac3 이상의 온도로 가열되었던 영역에 비해 낮은 인장강도를 가지도록 구비될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 열간 프레스 성형을 위한 소재의 가열 시, 볼트 홀 주변 영역과 대응하는 영역 및 그 이외의 영역을 구분하여 가열을 실시하므로, 휠 디스크의 전반적인 고강도화를 도모함과 동시에 볼트 홀 주변 영역이 상대적으로 낮은 인장강도를 가지도록 하여 휠 디스크의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계; 상기 소재를 가열한 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하는 단계; 상기 금형 내에서 상기 휠 디스크를 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 휠 디스크의 냉각 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 휠 디스크를 냉각하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 서냉 조건을 적용하여 냉각하며, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 급냉 조건을 적용하여 냉각할 수 있다.
상기 휠 디스크용 소재는 휠 디스크에 고강도 특성을 부여 가능한 소재이면 어떤 소재를 사용하여도 무방하나, 바람직하게는 열처리강이 이용될 수 있다.
상기 휠 디스크의 성형 방법으로는 열간 프레스 성형(hot press forming)이 이용될 수 있으며, 열간 프레스 성형 후 휠 디스크의 냉각 시 볼트 홀 주변 영역(전술한 제1 영역과 대응하는 영역)과 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여, 볼트 홀 주변 영역에 대해 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역보다 상대적으로 느린 냉각 속도를 적용할 수 있다. 즉, 볼트 홀 주변 영역은 상대적으로 느리게 냉각되므로, 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역에 비해 낮은 인장강도를 가지도록 구비될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 측면에 따른 휠 디스크의 제조방법은, 열간 프레스 성형 시, 볼트 홀 주변 영역과 대응하는 영역 및 그 이외의 영역을 구분하여 냉각을 실시하되, 볼트 홀 주변 영역에 대해 상대적으로 서냉 조건의 냉각 조건을 부여하여 냉각을 실시하므로, 휠 디스크의 전반적인 고강도화를 도모함과 동시에 볼트 홀 주변 영역이 상대적으로 낮은 인장강도를 가지도록 하여 휠 디스크의 내구성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예 1)
아래의 표 1과 같이, 다양한 제조 조건을 이용하여 휠 디스크를 제작하였으며, 각각의 휠 디스크에 대한 선회 피로실험(Cornering fatigue test)을 실시하였다. 이때, 선회 피로실험은 1.54 kN·m 조건을 이용하였다. 각각의 휠 디스크는 동일한 형상 및 크기를 가지도록 제작되었으며, 휠 디스크에 형성된 볼트 홀 역시 모두 동일한 개수 및 크기를 가지도록 제작되었다.
| 소재 No | 성형 조건 |
열처리 조건 | 제1 영역 폭 (mm) |
인장강도(MPa) | CFT 내구 성능 (Cycle) |
|
| 제1 영역 | 제2 영역 | |||||
| 1 | 냉간 가공 |
- | - | 1010 | 1010 | 22*104 |
| 400℃에서 10분 가열 및 서냉 | 8 | 605 | 1010 | 53*104 | ||
| 2 | 냉간 가공 + 열처리 |
(휠 디스크 전체) 900℃에서 6분 가열 후 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉 | - | 1523 | 1523 | 31*104 |
| (휠 디스크 전체) 900℃에서 6분 가열 후 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉 (제1 영역 대응 영역) 550℃에서 20분 가열 및 서냉(풀림 처리) |
4 | 983 | 1523 | 83*104 | ||
| 3 | HPF | (휠 디스크 전체) Ac3+50℃에서 6분 가열 후 성형 + 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉 | - | 1584 | 1584 | 32*104 |
| (제1 영역 대응 영역) Ac1-100℃에서 가열 (제2 영역 대응 영역) Ac3+50℃ 에서 가열 6분 가열 후 성형 + 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉 |
3 | 750 | 1584 | 86*104 | ||
| 4 | HPF | (휠 디스크 전체) Ac3+50℃에서 6분 가열 후 성형 + 50℃/s로 급냉 | - | 1584 | 1584 | 32*104 |
| (휠 디스크 전체) Ac3+50℃에서 6분 가열 후 성형 (제1 영역 대응 영역) 5℃/s 수준으로 서냉 (제2 영역 대응 영역) 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉 |
2 | 685 | 1587 | 85*104 | ||
표 1에 나타난 바와 같이, 볼트 홀 주변 영역에 대해 연질화를 실시한 휠 디스크의 경우, 연질화를 실시하지 않은 휠 디스크에 비해 CFT 내구 성능이 현저히 향상되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 고강도강을 이용하여 휠 디스크를 제작하되, 볼트 홀 주변 영역에 대한 연질화를 실시하는 경우, 스틸 휠의 내구 특성을 효과적으로 향상 가능함을 알 수 있다.
도 11은 소재 No.2의 제1 영역 조직을 관찰한 사진이다. 즉, 도 11의 (a)는 900℃에서 6분간 가열한 후 급냉을 실시한 제1 영역의 조직 사진이며, 도 11의 (b)는 900℃에서 6분간 가열한 후 급냉을 실시하고, 추가적으로 550℃에서 20분간 가열 및 서냉을 실시한 제1 영역의 조직 사진이다. 도 11에 나타난 바와 같이, 추가 열처리를 실시하지 않은 도 11의 (a)의 경우 마르텐사이트 조직이 주로 관찰되는 반면, 550℃에서 20분간 가열 및 서냉하는 열처리를 실시한 도 11의 (b)의 경우 템퍼드 마르텐사이트 및 세멘타이트 조직이 주로 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 소재 No.3에서 가열 온도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다. 즉, 도 12의 (a)는 (Ac1-100℃)에서 6분간 가열하여 성형한 후 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉한 제1 영역의 조직 사진이며, 도 12의 (b)는 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열하여 성형한 후 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉한 제2 영역의 조직 사진이다. 도 12에 나타난 바와 같이, (Ac1-100℃)에서 6분간 가열한 도 12의 (a)의 경우, 페라이트와 펄라이트 조직이 주로 관찰되는 반면, (Ac3+50℃)에서 6분간 가열한 도 12의 (b)의 경우, 마르텐사이트 조직이 주로 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 소재 No.4에서 냉각 속도를 달리 적용한 경우에 있어서, 제1 영역 및 제2 영역의 조직을 각각 관찰한 사진이다. 즉, 도 13의 (a)는 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열하여 성형한 후 5℃/s 수준으로 서냉한 제1 영역의 조직 사진이며, 도 13의 (b)는 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열하여 성형한 후 50℃/s 이상의 냉각속도로 급냉한 제2 영역의 조직 사진이다. 도 13에 나타난 바와 같이, 5℃/s 수준의 서냉 조건을 적용한 도 13의 (a)의 경우, 베이나이트 조직이 주로 관찰되는 반면, 50℃/s 이상의 급냉 조건을 적용한 도 13의 (b)의 경우, 마르텐사이트 조직이 주로 관찰되는 것을 확인할 수 있다.
도 14는 소재 No.4에 있어서, 동일한 냉각 속도를 적용한 경우 및 냉각 속도를 달리 적용한 경우 각각에 대해 선회 피로실험을 실시한 후 볼트홀 주변 영역을 관찰한 사진이다. 즉, 도 14의 (a)는 가열영역 전체를 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열 및 성형하고 50℃/s로 급냉한 후 CFT 평가를 실시한 휠 디스크의 볼트홀 주변 영역을 관찰한 사진이며, 도 14의 (b)는 가열영역 전체를 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열 및 성형하되, 제1 영역에 대해서는 5℃/s 수준의 서냉 조건을 적용하고, 제2 영역에 대해서는 50℃/s 이상의 급냉 조건을 적용한 후 CFT 평가를 실시한 휠 디스크의 볼트홀 주변 영역을 관찰한 사진이다.
표 1 및 도 14의 (a)에 나타난 바와 같이, 가열영역 전체를 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열 및 성형하고 50℃/s로 급냉한 휠 디스크의 경우, CFT 수명도 상대적으로 짧을 뿐만 아니라, 볼트홀 주변 영역에 크랙이 다량 발생하한 것을 확인할 수 있다. 반면, 표 1 및 도 14의 (b)에 나타나 바와 같이, 가열영역 전체를 (Ac3+50℃)에서 6분간 가열 및 성형하되, 제1 영역에 대해서는 5℃/s 수준의 서냉 조건을 적용하고, 제2 영역에 대해서는 50℃/s 이상의 급냉 조건을 적용한 휠 디스크의 경우, 상대적으로 긴 CFT 수명을 확보할 뿐만 아니라, 단 1개의 볼트홀 영역에만 크랙이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
(실시예 2)
동일한 소재를 냉간가공하여 4개의 휠 디스크를 제작하고, 각각 900℃에서 6분 간 가열한 후 50℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 각각의 휠 디스크는 동일한 크기 및 형상을 가지도록 제작되었으며, 각각의 휠 디스크에 형성된 볼트 홀 역시 동일한 개수 및 크기를 가지도록 제작되었다. 이후 볼트 홀의 주변 영역에 대해 550℃에서 20분간 가열한 후 서냉하여 연질화 하였으며, 이때 각각의 스틸 휠에 대한 가열 영역 폭을 서로 달리 적용하였다.
| 구분 | 제1 영역 폭(mm) | CFT 내구 성능 (Cycle) |
| 2-1 | 0.5 | 30*104 |
| 2-2 | 4 | 83*104 |
| 2-3 | 8 | 78*104 |
| 2-4 | 12 | 35*104 |
표 2에 나타난 바와 같이, 제1 영역의 폭이 본 발명의 범위를 만족하는 휠 디스크 2-2 및 2-3의 경우, 우수한 CFT 내구 성능이 구현되는 반면, 제1 영역의 폭이 본 발명의 범위를 만족하지 않는 휠 디스크 2-1 및 2-4의 경우, 상대적으로 낮은 CFT 내구 성능이 구현되는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 휠 디스크는 스틸 휠의 내구성 향상에 효과적으로 기여할 수 있음을 알 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
1, 100: 스틸 휠 10, 110: 휠 디스크 20, 120: 림
110a: 제1 영역 110b: 제2 영역 112: 볼트 홀
110a: 제1 영역 110b: 제2 영역 112: 볼트 홀
Claims (9)
- 볼트 체결을 위한 볼트 홀을 구비하는 휠 디스크에 있어서,
상기 휠 디스크는,
볼트 홀의 둘레방향을 따라 기 설정된 폭을 가지도록 연장되어 구비된 제1 영역; 및
상기 제1 영역 이외의 제2 영역으로 구분되며,
상기 제1 영역은 상기 제2 영역보다 낮은 평균 인장강도를 가지도록 구비되는, 휠 디스크. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 평균 인장강도는 상기 제2 영역의 평균 인장강도의 1/3 내지 2/3 수준인, 휠 디스크. - 제1항에 있어서,
상기 제2 영역의 평균 인장강도는 980MPa 이상인, 휠 디스크. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역의 폭은 1~10mm인, 휠 디스크. - 제1항에 있어서,
상기 휠 디스크는 강판 휠 디스크(steel plate wheel disc)인, 휠 디스크. - 제1항에 있어서,
상기 제1 영역 및 제2 영역은 비접합 방식의 경계부에 의해 구분되는, 휠 디스크. - 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계;
상기 소재를 성형 가공하여 휠 디스크를 제공하는 단계; 및
상기 휠 디스크에 형성된 볼트 홀 주변 영역을 연질화하는 단계를 포함하는, 휠 디스크의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 볼트 홀 주변 영역을 연질화하는 단계는,
상기 볼트 홀 주변 영역을 가열하고 서냉하여 상기 볼트 홀 주변 영역을 연질화하거나,
상기 휠 디스크를 가열 및 급냉하되, 상기 볼트 홀 주변 영역에 대해서는 서냉 조건을 적용하여 상기 볼트 홀 주변 영역을 연질화하는, 휠 디스크의 제조방법. - 휠 디스크용 소재를 준비하는 단계;
상기 소재를 가열한 후 금형을 이용하여 휠 디스크를 성형하는 단계;
상기 금형 내에서 상기 휠 디스크를 냉각하는 단계를 포함하며,
상기 소재의 가열 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 소재를 가열하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 Ac1 이하의 온도로 가열하고, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 Ac3 이상의 온도로 가열하거나,
상기 휠 디스크의 냉각 시 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역과 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역을 구분하여 상기 휠 디스크를 냉각하되, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역은 서냉 조건을 적용하여 냉각하며, 상기 휠 디스크의 볼트 홀 주변 영역 이외의 영역은 급냉 조건을 적용하여 냉각하는, 휠 디스크의 제조방법.
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