KR100201565B1 - 스프링용 스테인레스 강선 - Google Patents

Abstract

스테인레스 강선의 코일스프링 성형시의 치수 편차와, 니켈도금된 스테인레스 강선의 니켈도금두께, 니켈피막과 모재 와이어의 상대적 경도 및 니켈도금에 파고든 윤활제 부착량과의 각 관계를 구하여, 스프링의 치수 불량율을 최소로 하기 위한 이들 3요인의 최적화기술이 개시되어 있다. 개시된 스프링용 스테인레스 강선은, 최종인발후 와이어의 니켈도금 두께 0.2∼2.0㎛, 도금층의 모재에 대한 경도비 0.2∼0.83, 윤활제 부착량 0.05∼0.80g/㎡의 각 값을 가진다.

Description

스프링용 스테인레스 강선{Stainless steel wire for spring}

본 발명은 스프링용 스테인레스 강선에 관한 것으로서, 특히 코일스프링에 사용되는 코일링 성형성이 우수한 스프링용 스테인레스 강선에 관한 것이다.

일반적으로 스프링용 스테인레스 강선이 코일스프링으로 자동성형가공(코일링 가공)될 때에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 와이어(8)가 교정롤러(1)에 의해 직선화된 후, 공급롤러(2)에 의해 와이어 가이드(3)로 이송되고, 코일링 핀(4)에 의해 소성가공된다. 이후 압축스프링인 경우에는 핏치(pitch)가 생기도록 핏치 핀(pitch pin;6)에 의해 약간의 비틀림 가공을 받은 후, 소정권수가 된 시점에 심금(5)과 절단칼(7)에 의해 절단되어 한 개의 압축코일스프링이 완성되게 된다.

이러한 코일링 공정에 있어서 와이어(8)를 스프링(SP)으로 성형할 때 상기 와이어(8)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코일링 핀(4)에 형성되어 상기 와이어(8)의 진행방향에 대해 α각도만큼 경사지게 새겨진 홈(4a)에 의해 극심한 마찰가공을 받게 된다. 따라서, 공구와 와이어간의 윤활(L)이 중요하게 된다. 그리고 이 윤활 상태는 코일스프링의 치수 편차(예컨대 스프링 자유길이 변동)에 직접적으로 영향을 주어 스프링 불량율의 변화로 나타나기 때문에, 생산능율 측면에서도 매우 중요시되고 있다.

그러나 KS-D-3535에 규정된 스프링용 스테인레스 강선의 제조에 있어서는, 사용자가 지정하는 강종(예컨대 SUS304, SUS316 등), 선경(線徑), 조질구분(WPA,WPB) 등에 따라, 와이어 메이커가 독자적인 제조방법(인발용 코팅 피막, 인발용 윤활제, 다이스 형상, 인발 패스 횟수, 인발속도 등)으로 제조하여, KS 규격의 편경차(偏徑差), 선경(線徑)의 허용차내로 완성시키고 있다.

그리고, KS 규격에는 지정되어 있지 않지만 스프링의 코일링 성형에서 중요한 요인이 되는 것으로서, 와이어 코일 형상 즉, 도 3a 및 도 3b에 각각 도시된 프리 코일(free coil) 직경(fd)과, 그 와이어 코일을 걸어두었을 때의 벌어짐(δ) 및 인발전에 수행되는 니켈도금피막의 존재가 스프링의 코일링 치수 편차에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 각 메이커들은 이 요인들의 관리에 주력하고 있다.

한편, 상기한 바와 같이 와이어 코일 형상(도 3a ,도 3b 참조) 외에 스프링 치수 편차(성형성)에 큰 영향을 주는 니켈도금피막에 대해서, 일본 특허공보 소(昭)44-14572호에 스테인레스 강선의 니켈도금피막에 의한 인발법이 개시된 바 있다. 그러나 상기 문헌에서는 스테인레스 강선에 니켈을 도금하여 인발 윤활을 용이하게 하는 것은 공개되어 있으나, 그 니켈피막의 두께와, 모재와 니켈피막과의 상대적 경도차(경도비)와, 인발에 의해 니켈피막 중에 파고 들어간 윤활제 부착량에 대해서는, 코일링 성능에 관한 최적 조건이 규명되어 있지 않다. 따라서 이들 3요인을 조합시킨 종합적 해석이 필요한 것이다.

그런데, 도 2에 도시된 바와 같이 재료(8)가 공구(4)에 의한 마찰가공을 받는 경우, 통상 그 마찰력의 크기는 Amontons의 법칙(F=A·τ; F:마찰력, A:진접촉면적, τ:공구와 접촉하고 있는 재료의 전단항복응력)으로 나타낼 수 있다 (F.P.Bowden and D.Tabor저, 소다노리무네(曾田範宗)역, 고체의 마찰과 윤활, P88, 소(昭)36, 마루젠(丸善)). 도 4를 참조하면, 스프링용 스테인레스 강선에 니켈도금을 한 경우와 같이, 경질가공물(H)의 표면에 그 가공물보다 연질인 금속피막(S)을 얇게 입힌 경우, 상기 금속피막(S)은 연질이므로 절단항복응력(τ)가 작고, 모재는 경질이므로 진접촉면적(A)도 작아서 결국 마찰력(F)이 작아지게 된다. 이는 연질금속피막(S)을 입히지 않은 경질가공물과 같이 진접촉면적(A)은 작고 절단항복응력(τ)은 큰 경우와는 달리 상기한 Amontons의 법칙이 성립되지 않는다. 또한 Amontons의 법칙이 성립되지 않는 이 경우에 있어서, 연질금속피막(S) 위에 윤활성분이 개재되면 마찰력(F)은 더욱 작아지리라고 예상된다.

한편 종래의 데이터에 따르면, 도 4에 도시된 마찰력(F)을 더욱 작게 하는 연질금속(S)의 최적두께로서, 공구강에 인듐을 1㎛ 코팅하는 것이 개시되어 있으나(상기 문헌 p102), 인듐은 백금, 금에 필적하는 고가의 특수 귀금속이며, 스테인레스 강선의 니켈도금에 대해서는 최적값이 불분명하다.

또한 이 연질금속의 강도(특히 모재가공물과의 상대적 강도비)와, 공구-연질금속피막간에 개재되는 윤활제 부착량에 대해서는, 어떠한 효과가 있으며, 어떤 최적값이 존재하는가가 미지의 분야이다.

본 발명은 상기한 점을 감안하여 창출된 것으로서, 스프링용 스테인레스 강선의 제조시, 니켈도금된 스프링용 스테인레스 강선의 니켈피막 두께와, 니켈피막과 모재 와이어와의 상대적 경도와, 니켈도금에 파고든 윤활제 부착량의 3요인이 코일스프링 성형시 발생되는 자유길이 등의 치수 편차(불량율)와의 관계를 구하여, 스프링 치수 불량율을 최소로 하기 위해 이들 3요인의 최적화기술을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 코일스프링의 자동성형기를 개략적으로 나타낸 기구도,

도 2는 와이어와 공구(코일링 핀)간의 마찰가공상황을 나타낸 설명도,

도 3a 및 도 3b는 와이어 코일의 형상 설명도,

도 4는 표면에 연질금속피막이 형성된 경질가공물과 공구와의 접촉상황을 나타낸 설명도,

도 5는 와이어 인발 가공시의 윤활상황을 나타낸 설명도,

도 6은 스프링 불량율에 미치는 니켈 도금 두께의 영향을 나타낸 그래프,

도 7은 스프링 불량율에 미치는 스테인레스 강선 모재와 니켈 도금의 경도비의 영향을 나타낸 그래프,

도 8은 스프링 불량율에 미치는 윤활제 부착량과의 영향을 나타낸 그래프.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

3...와이어 가이드 4...공구(코일링 핀)

5...심금 6...피치 핀

7...절단칼 8...와이어

fd...프리 코일경 δ...걸어두었을 때의 벌어짐

F...마찰력 A...진접촉면적

τ...재료의 전단 항복응력 L...윤활

J...분말윤활재 Lb...경계윤활부

Lf...유체윤활부

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 니켈도금 스프링용 스테인레스 강선은 상기 3요인의 최적화 기술로서, 최종 인발후의 와이어의 니켈도금 두께가 0.2∼2㎛, 도금층의 모재에 대한 경도비가 0.2∼0.83, 윤활제 부착량이 0.05∼0.80g/㎡ 인 값을 가지는 것을 특징으로 한다. 이것으로서 스프링 성형불량율을 낮추어 10% 이하로 억제할 수 있다.

이 경우, 상기 3요인의 범위 결정은 다음과 같이 수행되었다.

먼저, 스프링용 스테인레스 강선의 기본적인 제조공정은 다음과 같다.

우선 압연선재를 약1100℃에서 고용화(固溶化) 열처리하여 산세(酸洗) 공정을 거친 후, 그 표면에 니켈을 도금한다. 이때 도금용액으로는 설파민산 니켈을 사용한다. 이어서 인발가공을 통해 스프링용 스테인레스 강선, 즉 니켈도금 와이어를 제조하게 된다. 이를 요약하면 다음과 같다.

압연선재 → 고용화 열처리(1100℃) → 산세 → 니켈도금(설파민산 니켈) → 인발 → 스프링용 스테인레스 강선(니켈도금 와이어)

이 제조공정에 있어서 상기 3요인을 변화시켜, 자유길이의 불합격율과 각 요인과의 관계를 각각 조사하였다. 여기서 상기 자유길이란 스프링을 무하중상태로 두었을 때 측정한 길이를 말하는 것으로서, 스프링의 불량 여부를 판정하는 기준이 된다. 이하 상기 3요인의 영향을 하나씩 설명하기로 한다.

(1) 니켈도금 피막두께 변화에 대하여

전류 밀도나 설파민산 농도를 변화시키면 도금피막의 성질이 변하므로, 라인속도를 조정하여 도금시간을 변화시킴으로써 도금두께를 변화시켰다. 그리고 최종 스프링용 스테인레스 강선의 도금두께는 인발전의 두께로부터 계산하여 구하였다. 예를 들면, 스테인레스 강선이 직경 4Φ에서 2Φ로(단면감소율 75%), 3Φ에서 1Φ로(단면감소율 89%) 각각 가공되면, 이 각각의 도금두께도 인발가공전 두께의 1/2, 1/3이 되어 있는 것을 알았다. 또한 이 계산값은 광학현미경(×1000)으로도 측정하여 확인하였다. 즉, 이 측정에서 인발전에 1.7Φ, 3㎛의 니켈 와이어를 0.7Φ까지 인발(단면감소율83%, 선경(線徑)은 인발전의 41%까지 감소)하였을 때의 도금피막두께 변화에 대해서는, 선경(線徑)의 감소와 함께 도금두께가 1.2㎛가 되어 있는 것이 확인되었다.

이와 같이 니켈피막두께를 변화시킨 스프링용 스테인레스 강선 0.7Φ를, 이타야 세이사쿠쇼(板屋製作所)의 자동 코일링 장치(PC-15)를 사용하여, 하기의 표 1과 같은 사양의 압축코일스프링으로 1,500개 성형하였다.

선경(線徑)	0.7mm
자유길이	38.0mm
코일평균경	12.0mm
유효권수	10.5
스프링지수 (코일평균경/선경)	17.1

그리고, 스프링 성형중에 한 개씩 자유길이를 자동계측하고, 그 자유길이의 관리폭을 ±0.1mm로 설정하여, 이 한계를 벗어나는 스프링의 개수를 카운트하여, 도금두께와의 관계를 구하였다.(도 6 참조)

(2) 니켈도금 피막의 경도변화에 대하여

도 4에 도시된 바와 같이 Amontons법칙이 성립되지 않을 정도로 마찰력(F)을 작게 하기 위해서는 두께가 얇은 연질금속피막이 필요하나, 연질에 대한 정의가 뚜렷하지 않고, 강도가 높은 스프링용 스테인레스 강선에 대해 어느 정도의 경도를 가져야 코일링성이 양호한지가 불분명하다.

그래서 하기의 표 2와 같은 설파민산 니켈조에 탄산니켈을 첨가하여 액의 pH를 1∼5.5로 조정해서 도금층의 경도를 변화시킨 후, 같은 도금두께에서의 자유길이 불량율을 구하였다.(도7 참조)

설파민산 니켈	800g/ℓ
붕산	25g/ℓ
염화니켈	6g/ℓ
pH	1.0∼5.5 (탄산니켈을 첨가하여 변화시킴)
전류밀도	13A/d㎡

그런데, 스프링용 스테인레스 강선의 인발가공에 있어서, 니켈도금피막과 스테인레스 모재의 경도는, 도금층의 비커스 경도를 HV180에서 HV510까지 변화시킨 와이어를 1.7Φ에서 0.7Φ로 인발하여 실험한 결과, 가공도에 따라 각각 변화하지만(스테인레스 모재의 경도는 상승하고, 니켈피막의 경도는 감소하는 경향), 스프링 성형성에 관계하는 것은 최종인발가공 종료후의 스테인레스 모재와 니켈피막과의 상대적인 경도비가 된다. 또한, 니켈도금층의 경도는, 인발표면(광학현미경에 의함)의 경계윤활부라 불리는 백색의 평탄부분을 선정하여 스테인레스 모재와 같이하중 1g으로 측정하였다.

(3) 윤활제 부착량의 변화에 대하여

도 4에 도시된 Amontons의 법칙이 성립하지 않는 경우에, 공구와 연질금속 박막사이에 마찰계수를 저하시키는 윤활제가 개재되면, 상기 마찰력(F)은 더욱 작아질 것이라 생각된다.

그런데, 인발가공에 있어서는 도 5에 도시된 바와 같이, 인발중에 미분윤활제(J)가 다이스(D)에 인입되어 마찰·가공열에 의해 연화됨으로써 액상이 되고, 상기 다이스(D)와 와이어(8)간에 개재되어 그 일부가 와이어(8)에 파고 들어가 견고히 부착된다. 이때 와이어(8)에 윤활제(J)가 파고 든 부분을 유체윤활부(Lf), 파고 들어가지 않은 부분을 경계윤활부(Lb)라 한다. 이 상황을 광학현미경을 사용하여 관찰하면, 백색의 평탄한 경계윤활부(Lb)와 흑색의 유체윤활부(Lf)가 불규칙적으로 혼재하고 있다. 흑색의 유체윤활부(Lf)가 많으면, 그 와이어에는 많은 윤활제가 파고 들어가 있는 것이며 따라서 윤활제 부착량이 많게 된다.(川上平次郞, 윤활 32권 2호, 1996년 p111 ; Nakamura.Y., Wire Journal 13권 6호, 1980년 p54) 이 유체윤활부에 윤활제가 파고 들어가 있는 것은, 스프링용 스테인레스 강선 표면의 마이크로 아날라이저(micro analyzer)에 의한 선분석에 따라 칼슘(Ca)의 특성 X선 강도변화에서 분말윤활제 성분인 칼슘이 검출되는 것으로도 알 수 있다.

그래서, 니켈도금두께와, 스테인레스 모재와 도금피막의 경도비를 일정하게 하고, 다이스 각도를 7∼18。, 인발속도를 50∼300m/분, 압착롤러의 사용 등의 조건을 조합하여 와이어의 윤활제 부착량을 변화시키면서(유체윤활부가 변화됨), 그 윤활제 부착량과 스프링 성형시의 불량율과의 관계를 구했다.(도 8 참조) 또한 윤활제 부착량의 측정은, 먼저, 아세톤을 넣은 초음파 세척기에서 3시간 동안 탈지처리하고 나서, 노말핵산중에 20시간 침적시킨 후, 중량변화를 측정하여 g/㎡로 표시하였다.

이상의 테스트로부터 얻어진, 상기 3요인과 스프링 자유길이 불량율과의 관계를 나타내면 다음과 같다.

① 스프링 불량율에 미치는 니켈도금두께의 영향

도 6에 도시된 바와 같이, 도금두께가 얇은 경우와 두꺼운 경우에는 불량율이 높고, 중간 값에서 불량율이 작아지는 경향이 있다. 0.8㎛∼1.0㎛ 정도가 양호하다.

② 스프링의 불량율에 미치는 스텐레스 강선 모재와 니켈도금과의 경도비의 영향

도 7에 도시된 바와 같이, 경도비는 강한 의존성이 있으며, 도금이 연하거나 경하여도 불량율이 높은데, 특히 과도하게 경한 도금은 악영향을 미친다.

③ 스프링의 불량율에 미치는 윤활제 부착량의 영향

도 8에 도시된 바와 같이, 부착량이 적거나 많은 경우 모두 불량율이 높은데, 도 2에 도시된 와이어 가이드(3)의 구경(溝徑)이 선경(線徑;d)의 1.02∼1.015배 정도의 크기로 매우 정밀하게 가공되어 있으므로, 부착량이 특히 많은 경우에, 윤활제에 의해 구멍이 막힘으로써 코일링 작업이 정지되는 등의 사고가 발생되므로 좋지 않다.

상기한 결과를 종합하면 불량율이 10%이하(합격율 90%이상)가 되는 상기 3요인의 범위는 하기의 표 3과 같다.

니켈도금두께	0.2∼2.0㎛
경도비	0.20∼0.83
윤활제 부착량	0.05∼0.80g/㎡

또한 불량율 5%이하(합격율 95%이상)가 되는 범위는 하기의 표 4와 같다.

니켈도금두께	0.3∼1.6㎛
경도비	0.30∼0.81
윤활제 부착량	0.10∼0.70g/㎡

이하 본 발명의 실시 형태를 하기의 실시예를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, Fe - 0.07%C - 18.72%Cr - 8.51%Ni - 1.20%Mn - 0.40%Si 성분을 가진 SUS304 스테인레스 강선재 5.5Φ를 1120℃에서 가열하여 냉각한 후, 산세(酸洗) 코팅을 실시하였다. 그 후, 연속인발기에서 속도 200m/분으로 7개 다이스를 통과시켜 단면감소율 79%로 2.5Φ까지 인발하였다.

계속해서 암모니아 분해가스 분위기에서 1,130℃로 광휘소둔(光輝燒鈍)하여 고용화 열처리를 한 후, 코팅하여 1.7Φ까지 200m/분의 속도로 5개 다이스를 통과시켜 단면감소율 53.8%의 인발가공을 실시하였다.

그리고 최종 공정으로서, 스프링용 스테인레스 강선으로 마무리하기 위해 하기의 공정으로 제조하고, 제품의 니켈도금피막두께, 경도비, 윤활제 부착량을 변화시켜, 비교재와 본 발명품의 성능대비를 실시하였다.

1.7Φ중간재 → 니켈도금(설파민산 조) → 0.7Φ 인발(단면감소율 85%,8회 인발패스) → 권취(하권취방식)

① 니켈도금 피막두께의 변화

도금액 조성 및 도금조건은 하기의 표 5와 같다.

설파민산 니켈	809g/ℓ
탄산 니켈	29g/ℓ
붕산	25g/ℓ
염화니켈	5.8g/ℓ
전류밀도	12A/d㎡
pH	3.8
액온도	실온

도금두께는 선속을 1∼12m/분으로 바꾸면서 변화시켰다. 인발전의 도금두께 변화는 인발가공에 따르는 선경의 변화와 같은 비율이었으나, 광학현미경으로 실측하였다. 도금두께 0.5㎛이하는 경사 절단법으로 도금층을 결정하였다.

② 경도비의 변화

도금의 경도를 변화시키기 위해, 상기 니켈도금 조의 탄산니켈 첨가량을 변화시켜 pH를 1∼5.5로 변화시켰다.

니켈의 경우, pH 4.8 이상에서 도금 경도가 급격히 상승한다.

③ 윤활제 첨가량의 변화

윤활제는 칼슘(Ca)계 윤활제를 사용하였다. 윤활제 첨가량을 변화시키기 위해,

(a) 다이스 각도 : 7∼18。

(b) 인발속도 : 50∼300m/분

(c) 압착 롤러 사용개수의 증감 (최대로 전체 다이스 박스에 롤러 사용)

(d) 최종인발 다이스 박스 3개내에 분말윤활제 사용 유무 (최대로 마지막 3박스에 윤활제 없이 인발)

이상의 조건을 조합하여 여러 가지 부착량의 와이어를 제작하고 코일링 테스트를 실시하였다.

코일링성(성형성)을 평가하기 위해 가공한 스프링의 제원은 하기의 표 6과 같다.

선경(線徑)	0.7mm
자유길이	28.0mm
코일 평균경	12.0mm
유효권수	8.5
스프링지수	17.1
자유길이 관리폭	±0.10mm
코일링 속도	20개/분

기계는 이타야 세이사쿠쇼(板屋製作所)의 자동 코일링 장치 PC-15를 사용하였다.

코일링중 자유길이를 1개씩 자동계측하여, 관리폭을 벗어난 스프링은 별도 루트로 카운트할 수 있도록 되어 있으므로, 전체 성형 스프링 개수 1,500개에 대한 불량율을 산출하여 그 스프링 와이어의 성형성지표로 삼았다.

코일링 테스트 결과는 하기의 표 7과 같다. 시료번호 1∼17은 본 발명품, 18∼26은 비교재이다. 본 발명품은 불량율이 낮으며, 상당히 우수한 성형성을 나타내고 있다.

구분	시료번호	인장강도 (N/㎟)	니켈도금피막두께(㎛)	경도비	윤활제부착량(g/㎡)	자유길이 불량율 (%)
본발명품	1	1870	0.30	0.26	0.76	9.5
	2	1890	1.00	0.27	0.57	8.0
	3	1953	1.85	0.26	0.37	8.5
	4	1910	1.90	0.41	0.21	9.8
	5	2050	1.40	0.67	0.07	9.1
	6	1960	0.55	0.83	0.14	9.0
	7	1940	0.25	0.66	0.37	8.1
	8	1850	0.25	0.41	0.62	7.8
	9	1870	0.66	0.36	0.57	4.8
	10	1880	1.40	0.36	0.37	3.9
	11	1910	1.15	0.59	0.21	4.2
	12	1940	0.60	0.71	0.22	3.8
	13	1900	0.40	0.56	0.45	4.1
	14	1890	0.70	0.48	0.46	1.1
	15	1886	1.00	0.48	0.36	1.0
	16	1905	0.70	0.56	0.37	0.7
	17	1896	0.81	0.51	0.39	0.5
비교재	18	1850	0.15	0.26	0.81	14.5
	19	1970	2.50	0.25	0.25	12.0
	20	2058	3.00	0.34	0.03	15.8
	21	1985	2.25	0.47	0.05	13.8
	22	2018	1.40	0.75	0.03	12.1
	23	2092	0.30	0.92	0.07	38.5
	24	1950	0.18	0.85	0.22	29.1
	25	1898	0.10	0.65	0.44	13.0
	26	1852	0.10	0.32	0.76	12.2

상기한 본 발명의 스프링용 스테인레스 강선에 의하면, 종래 스프링용 스테인레스 강선의 제조에 있어서 인장강도, 선경, 평면성 등에 중점을 두었던 관리를 보다 진보시킴으로써, 와이어가 구비해야할 특성을 더욱 상세히 관리할 수 있고, 특히 본 발명에 의해 명백해진 3요인 즉, ① 니켈도금피막의 두께, ② 도금두께의 모재에 대한 경도비, ③ 윤활제 첨가량을 관리하여 목표 범위의 값을 달성하도록 하면, 스프링의 코일링 능률을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 니켈 도금된 스프링용 스테인레스 강선에 있어서,

   최종인발후의 와이어가, 니켈도금두께 0.2∼2㎛, 도금층의 모재에 대한 경도비 0.2∼0.83, 윤활제 부착량 0.05∼0.80g/㎡의 각 값을 가지는 것을 특징으로 하는 스프링용 스테인레스 강선.