KR0180748B1 - 고강도 고인성 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

경량화의 요구에 대응할 수 있는 고강도 고인성 스프링용 오일 템퍼 강선재료를 얻는 연속 열처리법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

이 열처리법은, 기름 담금질만으로는 마텐사이트 변태가 실질적으로 완료되지 않는 중탄소 저합금강으로 이루어진 스프링용 오일 템퍼 강선 재료를 연속적으로 담금질·뜨임(오일 템퍼)할 때에, 먼저 기름 담금질에 의하여 담금질한 후, 신속하게 물담금질하는 2단 가속 담금질을 하고, 계속하여 뜨임 처리하는 것을 특징으로 하고 있다.

중탄소 저합금강으로서는, C를 0.40~0.65% 함유함과 동시에 Si 및 Mn을 필수성분으로 하며, 또한 Cr, Ni, Mo 및 V중의 적어도 1종류 이상을 함유하고 Mf점이 80℃이하(바람직하게는 10~70℃)의 화학 성분을 가지는 강이 적합하다.

기름 담금질을 한 후, 와이핑에 의하여 강선 표면에 부착한 유분을 제거하고 나서 물담금질을 하는 것이 바람직하다.

Description

고강도 고인성 스프링 오일 템퍼 강선 재료의 연속 열처리 방법

본 발명은, 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 제조법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코일 스프링등의 고강도 고인성의 스프링용 오일 템퍼 강선 재료를 연속적으로 오일 템퍼하는 열처리 방법에 관한 것이다.

오일 템퍼 강선을 사용한 스프링은, 일반적으로 선형상으로 가공된 강선 소재에 대하여, 기름 담금질, 뜨임(통상, 염욕 사용)을 연속적으로 행하는 열처리를 한 후, 스프링에 성형 가공(2차 가공)하여서 제조되고 있다.

또, 일부의 스프링에 대해서는, 강선 소재를 열간으로 스프링에 성형 가공한 상태로 기름 담금질, 뜨임을 연속적으로 행하는 열처리를 하여 제조하고 있다.

여기서, 담금질법으로서 기름 담금질이 채용되는 것은, 이러한 종류의 용도의 강종(鋼種)은, JIS G 48이 규격으로 규정되어 있는 SUP6, SUP7(SI-Mn강선:0.56~0.64%C), SUP12(SI-Cr강선:0.51~0.59%C)와 같이, 물담금질에 의해서는 담금질 균열이 발생하는 강종이므로 실용상 문제가 있기 때문이다.

또, 기름 담금질과 뜨임을 연속적으로 행하는 것은, 생산성의 향상을 도모하기 위해서이다.

즉, 일반적으로 담금질이라는 것은 Ac₃변태점보다 높은 온도로 유지하고, 탄화물 등을 고용(固溶)시켜서 오스테나이트화한 후, 여러 가지 냉각 매체에 의하여 급속히 냉각하여 마텐사이트 조직을 얻는 것을 말하는 것으로서, 냉각매체의 종류에 따라서는, 담금질 이상이나 담금질 균열 등의 이상이 생기는 일이 있어, 각각 대책이 강구되고, 실시되어 왔다.

예컨대, ① 담금질 할 때, 이상의 발생이 적은 냉매로서는, 광유(鑛油)를 베이스로 여러 가지 특성이 있는 첨가물을 가함으로써, 냉각 온도와 시간의 관계의 조정을 도모하고, 개개에 적합한 냉각 능력을 가지는 담금질 기름이 많이 사용되고 있다.

그 담금질 기름의 최적 사용온도는 점도(粘度)등을 고려하여 80℃ 전후가 좋다고 되어 있다.

② 또, 최근에는 물에 기름을 에멀션화한 냉각액이 개발되어, 담금질 기름에 가까운 냉각 능력의 것도 사용되고 있다.

그러나, 고온으로부터 단번에 급속하게 상온 가까이 까지 냉각하면, 재료의 냉각에 따른 수축 일그러짐과 마텐사이트 변태에 따른 팽창 일그러짐의 차가 크고, 내외의 일그러짐의 차를 발생시키고, 담금질 등의 원인이 되기 때문에, 상온보다 높은 액온, 또는 재료의 온도가 높은 상태에서 추출하도록 하여, 현상태에서 사용되고 있는 것이 일반적이다.

③ 한편, 스프링용강의 분야가 아니고, 후판(厚板)의 고장력강의 분야이지만, 저온인성의 향상책으로서, 동일한 냉매(물)에 있어서 담금질 효과를 콘트롤 하기 위하여 1차 담금질 및 2차 담금질을 하는 담금질법이 제안되고 있으나, 이 담금질법은, 말하자면 2단 완속 담금질법이라고 할 수 있다.

그런데, 최근 자동차의 경량화 움직임 속에서, 스프링의 고응력화가 진전되고 있고, 보다 고강도의 스프링용 강선의 필요성이 나오고 있다.

그를 위하여는, 고강도로 하여도 인성의 열화가 적은 강재가 필요하게 된다.

일반적으로 강이 고강도로 되면, 그 인성이 열화하는데, 고강도이면서 또한 인성을 확보하기 위해서는, 강재 중의 탄소(C)를 적게 하고, 필요한 담금질성은 여러 가지의 합금 원소를 첨가함으로써 얻는 재료 설계를 생각할 수 있다.

그러나, 종래의 스프링용 오일 탬퍼 강선은 기름 담금질, 뜨임을 연속적으로 행하는 열처리법이기 때문에, C함유량을 좀 높은 듯하게 하고, 합금 원소가 적은 강종에 대해서는 기름 담금질만이라도 충분한 담금질 효과를 얻을 수 있고, 또 약간 담금질 효과가 충분히 않더라도 소망의 강도의 요구에 대응할 수 있었다.

그러나, 상술한 바와 같이, 보가 고강도이고 또한 인성을 확보하기 위하여 비교적 C량을 저감하고 또한 합금 원소의 첨가에 의하여 담금질성을 높인 강종에 대해서는 기름 담금질에 의해서 충분한 담금질 효과를 얻을 수 없고, 따라서 뜨임 상태로 인성을 유지하면서, 고강도(예컨대 200N/mm²이상)의 스프링을 얻는 것이 불가능하였다.

본 발명은, 상술한 재료 설계면으로 부터의 요청에 응할 수 있고, 높은 인성을 유지하면서 고강도의 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 열처리(오일템퍼) 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.

최근 경량화의 요구에 의하여 스프링용강의 분야에 있어서도 재료의 고강도화가 한층 더 진행하고 있고 이에 대하여 재료 설계면에 있어서, 합금 원소의 첨가량을 증가하거나 새로운 합금 원소를 첨가하여 대처하고자 시도해보더라도 종래의 기름 담금질법으로는 충분한 양의 마텐사이트 조직을 얻을 수 없게 되었다.

그래서, 본 발명자들은, 고강도이면서 또한 인성을 확보하기 위하여 비교적 C량을 저감함과 동시에 담금질성을 높인 스프링용 오일 템퍼 강선(중탄소 저합금강)에 대하여, 연속적인 열처리 라인에 있어서, 담금질 균열등의 이상을 발생하지 않고, 충분한 담금질 효과를 얻을 수 있는 방책에 대하여 예의 연구를 거듭하였다.

그 결과, 새로운 재료 설계에 대응할 수 있는 연속 열처리법으로서, 종래의 기름 담금질 후에, 보다 저온(상온 이하)의 2단째의 냉각대를 마련함으로써, 1단째에서 담금질 임계 구역을 급냉하고, 위험 구역을 서서히 냉각하여 내외의 온도차를 적게 안정시키고(내외의 일그러짐의 차를 억제함) 그후, 잔류하고 있는 오스테나이트 조직을 2단째의 냉각에 의하여 마텐사이트 조직화를 촉진시키고, 결과로서 내외의 일그러짐의 차가 적고 안전한, 그 위에 충분한 마텐사이트 조직이 안정되어 얻어짐으로 보다 재료의 고강도화가 가능하게 되는 것을 알게 되었다.

본 발명은 요컨대, 기름 담금질만으로는 마텐사이트 변태가 실질적으로 완료되지 않는 중탄소 저합금강으로 이루어진 스프링용 오일 템퍼 강선 재료를 연속적으로 담금질한 후, 뜨임을 할 때에, 먼저 기름 담금질에 의하여 담금질하고, 신속하게 물담금질하는 2단 가속 담금질을 하고, 계속하여 뜨임 처리하는 방법이다.

먼저, 본 발명에서는 스프링용 오일 탬퍼 강선의 강종으로서, 기름 담금질만으로는 마텐사이트 변태가 완료되지 않는 중탄소 저합금강을 대상으로 하는 것이다.

상술한 바와 같이, 기름 담금질에 사용하는 담금질 기름은, 점도 등으로부터의 제약 때문에 최적 사용온도는 80℃전후이고, 종래 이와 같이 성능의 냉매에 의해서 충분한 양의 마텐사이트 조직을 얻을 수 없다는 것은, 강의 Mf(마텐사이트 변태 종료 온도)이 80℃보다도 낮은 화학 성분을 가지고 있기 때문이다.

따라서, 기름 담금질만으로 마텐사이트 변태가 완료되지 않는 중탄소 저합금강은, 바꿔말하면 Mf점이 80℃이하(바람직하게는 10~70℃)인 강종이라고 할 수 있다.

또한, 고강도 고인성의 스프링을 얻을 수 있는 중탄소 저합금강종으로서는, 중탄소량(0.40~0.66%)을 함유하고, Si, Mn을 필수성분으로 하는 것 이외에 또한, Cr, Ni, Mo 및 V중의 적어도 1종류 이상을 함유하고 있는 성분 조성이다.

여기서, 강의 Mf점은, 공지의 방법에 의하여 산출할 수 있다. 예컨대, Mf=285-333×Mn(%)-35×V(5)-20×Cr(5)-17×Ni(%)-11×Mo(5)-10×Cu(5)-5×W(%)+15×Co(%)+30×Al(%)의 식을 사용할 수 있다.

이와 같은 강종으로 이루어지는 스프링용 강선 소재의 경우, 종래의 열처리법에 의한 연속적인 기름 담금질, 뜨임 처리에는, 기름 담금질에 의하여 많은 마텐사이트 조직과 일부 잔류 오스테나이트 조직이 발생한다.

그리고, 뜨임에 의하여, 이 마텐사이트 조직을 솔바이트 조직으로 분해하는데, 잔류 오스테나이트로부터는, 어중간한 베이나이트 조직의 일부 석출과 미변태의 오스테나이트 조직의 잔류 때문에, 충분한 인성을 얻을 수 없고, 내피로성이 부족한 재료를 얻게 되고, 필연적으로 강도도 높게 하는 것이 곤란하게 된다.

이에 대하여, 본 발명의 연속 열처리 방법에 의하면, 2단 담금질에 의하여 잔류 오스테나이트 조직이 적고(10% 이하), 또한 잔부가 안정적으로 생성한 충분한 양의 마텐사이트 조직을 다음의 뜨임 처리에 의하여 이 마텐사이트 조직으로부터 탄화물 등을 충분히 석출한 최적의 솔바이트 조직을 얻을 수 있고, 높은 인성을 유지하면서 재료의 고강도화를 도모할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 먼저, 1단째의 담금질로서 종래의 기름 담금질을 하고, 이에 의하여 마텐사이트 조직과 일부 잔류 오스테나이트 조직이 발생한다.

담금질에 사용하는 냉매로서는 종래와 같이, 여러 가지의 냉각능을 가지는 담금질 기름이 사용되고, 그 최적 사용온도는 80℃전후이다.

또한, 물에 기름을 에멀션화한 냉각액도 함유된다. 담금질 가열 온도는 강의 Ac₃변태점 이상이다.

또한 기름 담금질을 하면, 표면에 유분이 부착되고, 다음의 물담금질의 담금질 효과를 손상할 염려가 있기 때문에, 브러시등을 사용한 와이핑에 의하여 유분을 제거하는 것이 바람직하다.

그리고, 이 1단째의 기름 담금질 후, 신속히 2단째의 담금질로서 물담금질을 한다.

여기서, 물담금질이라는 것은 적당 수온(냉각 속도)으로 재료의 Mf점 이하까지 냉각하는 것이다.

이 물담금질에 의하여 충분한 마텐사이트 조직(마텐사이트 조직만, 또는 마텐사이트 조직에 약간의 잔류 오스테나이트 조직을 포함함)이 안정되게 생성한다. 마텐사이트 조직의 최적의 생성량에 대하여는 2단째의 물담금질의 액온도를 조정함으로써, 대응이 가능하고, 재료의 종류(Mf점)의 변화에도 간단히 대응할 수 있다.

이어서, 이 2단째의 담금질에 연속하여 뜨임 처리를 함으로써, 고강도 고인성 스프링에 최적의 솔바이트 조직을 얻는다.

또한, 뜨임 온도는 대략 종래와 동일하게 하는 것이 좋으나 300~500℃가 적당하다.

또한, 본 발명의 연속적 열처리 법의 대상(피열처리재)인 소재의 형상으로서는, 강선 소재 그대로(즉, 스프링 성형가공하지 않은 소재)하는 것 외에 열간으로 스프링 성형 가공한 스프링 소재도 가능하다.

전자의 강선 소재 그대로 본 발명을 적용하면, 본 발명에 따라 연속적으로 2단 담금질, 뜨임 처리하고 나서 2차 성형 가공을 하여서 스프링으로 얻게 된다.

또, 후자와 같이 열간으로 스프링 성형 가공한 스프링 소재에 본 발명을 적용하면, 본 발명에 따라 이 스프링을 연속적으로 2단 담금질, 뜨임 처리하게 된다.

다음에, 본 발명의 실시예 1를 나타낸다. 물론, 본 발명은, 이 실시예에만 한정되지 않는 것은 말한 것도 없다.

[실시예]

표 1에 나타낸 화학 성분(Mf점)을 가지는 강을 상법에 의하여 용제, 주조, 가공하여 얻어진 스프링용 강선(11.0mmΦ)에 대하여 표 2에 나타낸 열처리 조건으로 연속적으로 담금질, 뜨임 처리를 실시하였다.

얻어진 재료에 대하여 기계적 성질 등을 조사한 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에서 분명한 바와 같이, 본 발명법에 의하면, 특히 Mf점이 낮은 합금강에 있어서, 2단 가속 담금질에 의하여 충분한 마텐사이트 조직이 얻어지므로, 뜨임 처리에 의하여 높은 인성(교축치:약 20% 이상)을 유지하면서 고강도(TS:약 2000N/mm²)가 얻어지는 것을 알 수 있다.

따라서, 이 재료를 사용하여 성형 가공한 스프링이 고강도 고인성을 구비하는 것은 명백하며, 확인되었다.

한편, 담금질법이 기름 담금질만의 종래법에서는, 탄소강 뿐 아니라 Mf점이 낮은 합금강에 있어서도 높은 강도가 얻어지지 않는다.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, C량을 저감하여 합금원소를 첨가한 재료 설계의 스프링용 중탄소 저합금 강선 재료에 대하여 2단 가속 담금질법을 적용하여 연속적인 담금질·뜨임 처리(오일 템퍼)를 함으로써, 용이하게 고강도 고인성의 스프링용 재료를 얻을 수 있으므로 경량화의 요구에 따른 스프링용 재료의 고강도화에 기여하는 효과는 크다.

Claims (2)

1. 고강도 고인성을 가지는 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 담금질 및 뜨임을 위한 방법으로서, Mf점이 80℃이하의 화학성분을 갖는 중탄소 저합금 스프링 강선을 고온에서 가열하고, C를 0.40~0.65질량% 함유하고, Si, Mn를 필수성분으로 하며 Cr, Ni, Mo 및 V로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고, 기름 담금질만으로는 마텐사이트 변태가 실질적으로 완료되지 않으며, 가열된 스프링 강선을 기름 담금질하고, 그 강선으로부터 유분을 와이핑 하고, 경화 강선을 제조하기 위하여 신속하게 물담금질을 하는 것으로 구성하여 2단 가속 담금질을 수행하고, 실질적으로 뜨임된 강선을 제조하기 위하여 경화 강선에 뜨임 처리를 수행하는 것을 포함하여 구성하며, 뜨임은 300~500℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성을 가지는 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 담금질 및 뜨임을 위한 방법.
2. 고강도 고인성을 가지는 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 담금질 및 뜨임을 위한 방법으로서, Mf점이 80℃이하의 화학성분을 갖는 중탄소 저합금 스프링 강선을 고온에서 가열하고, C를 0.40~0.65질량% 함유하고, Si, Mn를 필수성분으로 하며 Cr, Ni, Mo 및 V로 구성된 군에서 선택된 하나 이상을 포함하고 기름 담금질만으로 마텐사이트 변태가 실질적으로 완료되지 않으며, 가열된 스프링 강선을 기름 담금질하고, 그 강선으로부터 유분을 와이핑 하고, 경화 강선을 제조하기 위하여 신속하게 물담금질을 하는 것으로 구성하여 2단 가속 담금질을 수행하고, 실질적으로 뜨임된 강선을 제조하기 위하여 경화 강선에 뜨임 처리를 수행하는 것을 포함하여 구성하며, 뜨임은 300~500℃의 온도에서 수행되고, 2단 가속 담금질은 경화강이 잔류 오스테나이트가 10% 이하이고, 주로 안정한 마텐사이트로 구성되는 것으로 수행되며, 뜨임은 뜨임된 강이 뜨임된 마텐사이트로 구성되는 것으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 고인성을 가지는 스프링용 오일 템퍼 강선 재료의 연속 담금질 및 뜨임을 위한 방법.