KR100222331B1 - 중공봉강의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

환봉강을 가열한 후 피어서로 천공하여 하기식(1)을 만족하는 중공소재로 하고, 이 중공소재에 내면규제공구로서 맨드릴을 삽입하여, 패스라인 둘레에 배열 설치한 3개의 경사압연롤에 의해 하기식(2)을 만족하는 축경가공과 두께가공을 가하는 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법 및 통전가열장치, 피어서와 경사압연기를 배열한 중공봉강의 제조장치.

단, to : 중공소재의 두께,

do : 중공소재의 외경,

Rt : 두께압하율, Rt=(to-t1)/to×100

Rd : 외경축경율, Rd=(do-d1)/do×100

t1 : 중공소재 압연 후의 두께

d1 : 중공소재 압연 후의 외경

이러한 방법 및 장치에 의해, 외경이 20∼70㎜, 두께외경비(t1/d1)가 0.25∼0.4, 길이가 2∼6㎜정도의 소경의 두께가 두꺼운 장척 중공봉강을 고치수정밀도록 값싸게 제조할 수 있다.

Description

중공봉강의 제조방법 및 제조장치

제1도는 본 발명의 제조방법에서 사용하는 중공봉강의 제조장치를 도시하는 도면.

제2도는 피어서(piercer)로 제조한 중공소재에 맨드릴을 삽입하여 경사압연기로 압연하고 있는 상태를 도시하는 도면.

제3도는 종래의 기계 가공에 의한 중공봉강의 제조공정도로서, 드릴에 의해 각(角)빌릿을 천공하여 얻은 중공소재에 심금(芯金; core bar)을 삽입하여, 가열 후 공형롤열에서 압연하여 중공봉강을 제조하는 공정도.

제4도는 종래의 이음매 없는 강관의 제조방법의 공정도로서, 피어서, 아셀밀(Assel mill), 싱킹밀 및 로타리사이저(rotary sizer)를 사용한 이음매 없는 강관을 제조하는 공정을 도시하는 도면.

제5도는 아셀밀에 의한 압연중의 종단면을 도시하는 도면.

제6도는 본 발명의 제조방법에서 사용하는 통전가열장치와 냉각장치를 도시하는 도면.

제7도는 환봉강의 단부를 수냉하면서 통전가열한 경우의 환봉강 길이방향의 온도 분포를 도시하는 도면.

제8도는 환봉강의 단부를 수냉하면서 통전가열하여, 가열도중에 수냉을 정지한 경우의 환봉강의 길이방향의 승온상태의 일예를 도시하는 도면이다.

본 발명은 3롤식 경사압연에 의해 중공봉강(hollow steel bars)을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 두께외경비(두께/외경)가 0.25이상, 외경이 20∼70㎜ 및 길이가 2㎜이상의 소경의 두께가 두꺼운 장척의 중공봉강을 제조하는 방법과 제조장치에 관한 것이다.

두께외경비가 0.25이상의 소경으로 두께가 두꺼운 중공봉강은, 자동차, 산업기계 등의 구조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있다. 자동차에서는 인풋샤프트나 피니언샤프트 등의 각종 샤프트류에 사용되고 있다.

두께외경비가 0.25이상의 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강을 제조하는 방법에는, 기계 가공에 의한 방법과 소성가공에 의한 방법이 있다. 기계 가공방법으로서는 건드릴 등에 의해 기계적으로 천공하여 소경으로 두께가 두꺼운 봉강을 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 제조 비용이 높아지는 외에, 길이 1m이상의 천공은 치수정밀도가 나쁘게 된다. 그 때문에, 기계 가공에 의한 방법은 장척의 중공봉강의 공업적인 생산에는 적합하지 않다.

소성가공에 의해 중공봉강이나 이음매 없는 강관을 제조하는 주된 종래 방법으로서는, 다음의 네가지의 방법이 있다.

[1) 제1의 방법]

공형롤열(孔型 roll rolling-line)에 의하여 두께가 두꺼운 중공봉강을 제조하는 방법의 공정을 제3도에 도시한다. 이 방법은 제3(a)도에 도시하는 것 같이, 드릴(16)에 의한 기계 가공으로 각형 강편(B1)을 천공하여 각형의 중공소재(B2)를 제작하고, 이어서 제3(b)도에 나타내는 것과 같이 중공소재에 망간강 등과 같은 열팽창계수가 큰 재질의 심금(芯金)(7)을 삽입하여, 이것을 가열로(e)에서 소요온도로 가열하여 공형롤열(d)에 의해 소정의 치수로 압연하며, 냉각 후 제3(e)도에 나타내는 것과 같이 상기 심금(7)을 빼내어 중공봉강(B3)으로 하는 방법이다.

그러나, 제3도에 도시한 공형롤열에 의한 중공봉강의 제조방법에는, 이하의 문제점이 있다. 즉, 공형롤열에서의 압연시에 심금(7) 자체도 소성변형 하기 때문에 피압연재에 편육(偏肉)이 생겨 제품의 치수정밀도가 악화한다. 또한 심금(7)은 소성변형 하기 때문에 한번 쓰고 버리게 되며, 공구원 단위가 높고, 제조비용(코스트)이 높아진다고 하는 문제도 있다.

[2) 제2의 방법]

제4도는 통상 아셀밀(assel mill)압연이라고 부르고 있는 비교적 두께가 두꺼운 이음매 없는 강관을 제조하는 방법의 공정을 나타내는 도면이다.

이 방법은 내면규제공구로서 맨드릴(mandrel)을 이용하는 경사압연방법으로, 철강편람 제3권 2, p984∼996(일본철강협회편, 소57년 1월)에 상세하게 기재되어 있다. 이하, 동문헌을 참고로 하여 설명한다. 아셀밀 압연은 이음매 없는 강관 중에서는 비교적 두께가 두꺼운 강관, 특히 축받이용 강관의 제조법에 적합하다고 말해지고 있다.

제4도에 도시하는 것과 같이, 환봉재(丸棒材)(C1)는 제4(b)도의 회전로상식가열로에서 소정의 온도로 가열되고, 계속하여 제4(c)도의 피어서에 의해 천공되어 소관(C2)이 된다.

이어서, 이 소관에 제4(d)도와 같이 맨드릴(8)을 삽입하고, 험프로 불리는 특수형상을 갖는 롤(9)을 조립한 아셀밀로 외경 및 두께를 압하하여 관(C3)으로 한다. 압연 후에 맨드릴(8)은 관(C3)에서 빼내고, 제4(e)도의 재가열로에서 관(C3)을 가열한 후, 제4(f)도의 싱킹밀(sinking mill)로 외경을 축소하여 중공소재(C4)로 하고, 이어서 제4(g)도의 로타리사이저(rotary sizer)로 외경을 목표치수로 완성하여 제품(C5)을 제조한다.

제4도에 도시한 아셀밀에 의한 이음매 없는 강관의 제조방법에 의해, 두께가 두꺼운 중공봉강을 제조하는 경우도 이하와 같은 문제점이 있다.

제5도는 아세밀에 의한 압연중의 종단면을 나타내는 도면으로서, 16은 험프로 불리는 단차(h)를 갖는 롤, C2은 압연전의 소관, C3은 압연 후의 관, 8은 내면규제공구이다.

아세밀 압연의 최대의 특징은, 제5도에 도시한 험프로 불리는 단차를 갖는 롤에 의해서 압연하는 것이다. 이 험프의 작용은, 이 부분에서 급격히 감육가공(減肉加工)을 하고, 재료를 적극적으로 관축방향으로 연장하여, 외경측에 팽창을 방지하면서 압연을 하는 것이라고 말해지고 있다. 험프를 가지지 않는 롤로 큰 두께가공을 하면, 재료의 외경측에의 팽창이 크게 되어 관의 치수정밀도가 악화하고, 심한 경우에는 재료 후단부의 압연시에 단면이 삼각형상으로 되는 부풀음(triangulation)이 발생하여, 압연불능에 이르는 경우도 있다.

험프부에서의 외경이 축경과 두께의 압하량은, 험프높이(h)에 거의 같은 양이 된다고 말해지고 있다. 그 결과, 외경축경율(Rd)과 두께압하율(Rt)을 비교하면, 일반적으로 Rt의 쪽이 크게 되어 있다.

또한, 아셀밀에 의한 압연에 있어서는, 소관의 두께외경비(to/do)와 압연 후의 두께 외경비(t1/d1)는 거의 같고, 일반적으로는 압연 후의 쪽이 약간 작아진다고 말해지고 있다.

그 때문에, 두께외경비가 다른 관을 제조하는 데는, 소관의 전공단계에서의 to/do를 압연 후의 t1/d1에 가까운 치수로 천공할 필요가 있다.

따라서, 아셀밀에 의해 압연후의 t1/d1이 큰 제품을 얻는데는 천공재의 to/do를 크게 할 필요가 있다. 즉, 피어서(piercer)에 의해 천공할 때, 천공 후의 두께를 두껍게 하지 않으면 안되므로, 외경이 작은 플러그 로드를 사용하지 않으면 안된다. 그 때문에, 천공시의 쓰러스트하중에 의해 로드의 좌굴이 생기기 쉽고, 피어서에 의한 천공으로 두께가 두꺼운 소관을 제조하는 것에는 한계가 있다.

또한, 제품을 완성하기 위하여는 아셀밀에 의한 압연이 종료된 후에 관을 재가열하여 싱킹밀로 외경을 축경하고, 그 후 로타리사이저로 타원보정을 위해 외형 마무리를 하는 공정이 필요하다. 이와 같은 다공정에 의해 제조되는 제품은 당연히 비용이 높아진다.

[3) 제3의 방법]

특개소59-4905호 공보에는, 천공하여 얻은 중공 소재를 내면규제공구를 사용하는 일 없이, 3개 또는 4개의 콘형롤의 경사압연기로 중공소재의 외경과 두께를 줄여 목표치수로 마무리하는 두께가 두꺼운 중공봉강의 제조방법이 개시되어 있다. 상기 공보에 기재되어 있는 방법은, 내면규제공구를 사용하지 않고 경사압연 하는 것을 특징으로 하고 있다.

동공보에 기재되어 있는 것과 같이, 교차각과 경사각의 조합을 바꾸면 목표로 하는 치수의 소경의 두께가 두꺼운 관을 얻을 수 있다. 그러나, 본발명자들이 이방법에 대하여 상세히 실험, 연구한 결과, 내면규제공구를 사용하지 않은 경우에는, 압연중에 중공 소재의 내면은 자유로이 변형되기 때문에, 내면형상은 불안정 하게 되어 그 치수 정밀도가 악화하는 것이 명확하게 되었다. 이 방법은, 높은 치수정밀도를 필요로 하지 않는 중공봉강의 제법으로서는 우수하다. 그러나, 이 방법은 고치수 정밀도의 중공봉강의 제조에는 적합하다고는 말할 수 없다.

[4) 제4의 방법]

특개평4-135004호 공보에는, 내면규제공구로서 플러그를 사용하고, 3개의 롤을 갖는 경사압연기에 의하여 소관의 외경과 두께를 줄여 목표치수로 마무리 하는 이음매 없는 관의 경사압연방법이 개시되어 있다.

본발명자는 이 방법으로 두께외경비(t1/d1)가 0.25이상의 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강의 압연이 가능한지 실험으로 확인하였다.

재질이 S45C로 길이 2800㎜의 중공소재를 사용하여 두께압하율(Rt)과 외경축경율(Rd)과의 관계, Rt/Rd가 0.167의 조건으로 직경 14㎜의 플러그를 사용하여 외경 35㎜가 되도록 압연을 하였다. 그 결과, 압연개시점에서 길이 800㎜의 곳에서 플러그에 샌드버닝(燒付)이 생겼다. 그 원인을 조사한 결과, 플러그를 사용하면 압연에 제공되는 플러그면은 국부에 한정되기 때문에, 압연전에 플러그에 열간윤활제를 충분히 도포하였다고 해도 압연중에 윤활제가 소비되어 버리기 때문이라고 하는 것을 알았다.

따라서, 실용적인 장척의 중공봉강의 제조방법으로서는 이 방법도 적합하다고는 말할 수 없다.

본 발명은 자동차의 미션 샤프트, 드라이브 샤프ㅌ, 기타 각종 중공샤프트, 삭암용로드등에 다용되고 있는 외경이 20∼70㎜, 두께외경비(t1/d1)가 0.25∼0.4 및 길이가 2∼6㎜정도의 소경의 두께가 두꺼운 장척의 중공봉강을 고치수정밀도로 값싸게 제조할 수 있으며, 더욱 우수한 인성을 부여할 수 있는 중공봉강의 제조방법 및 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그 요지는 이하와 같다.

1)환봉강을 가열한 후, 피어서로 천공하여 하기식(1)을 만족하는 중공소재로 하고, 이 중공소재에 내면규제공구로서 맨드릴을 삽입하여, 패스라인 둘레에 배열 설치한 3개의 롤을 갖는 경사압연기에 의해, 하기식(2)을 만족하는 축경가공과 두께가공을 가하는 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.

여기서,

to : 중공소재의 두께,

do : 중공소재의 외경,

Rt : 두께압하율, Rt=(to-t1)/to×100

Rd : 외경축경율, Rd=(do-d1)/do×100

t1 : 중공소재 압연 후의 두께

d1 : 중공소재 압연 후의 외경

2)환봉강의 양단면에 압접한 凸상의 전극에서 환봉강에 직접 통전하여 환봉강을 가열하는 상기 1)의 중공봉강의 제조방법.

3)환봉강의 양단면에 凸상의 전극을 압접하고, 환봉강의 양단면 및 환봉강의 양단면에서 환봉강 외경의 0.3∼2.5배까지의 양단부의 환봉강 외주면에 냉각수로 냉각하면서 통전가열을 개시하고, 통전가열 종료전에 환봉강의 냉각부가 과냉각이 되지 않도록 냉각을 정지하여 환봉강을 목적 온도로 가열하는 상기 2)기재의 중공봉강의 제조방법.

4)환봉강의 양단면에 압접하는 凸상의 전극을 구비한 통전가열수단과, 환봉강의 단부를 냉각하기 위한 냉각수단과, 가열 후의 환봉강을 천공하여 중공소재로 하기 위한 피어서와, 맨드릴을 삽입한 중공 소재를 축경가공과 감육가공을 하기 위한 패스라인 둘레에 배열 설치한 3개의 롤을 가진 경사압연기를 구비한 중공봉강의 제조장치.

또, 상기 두께 가공이란 감육가공과 증육가공의 양쪽을 가리킨다.

본발명자는 경사압연기를 사용하여 인성이 우수한 소경의 두꺼운 중공봉강을 높은 치수 정밀도로 값싸게 제조할 수 있는 방법에 대하여 예의 실험, 검토를 거듭하였다. 그 결과, 두께외경비(t1/d1)가 0.25∼0.4인 것 같은 두께가 두꺼운 소경의 중공봉강의 경사압연에 있어서 하기의 지견을 얻었다.

A)압연중에 단면이 5각 형상으로 변형하는 모가 나는 현상의 발생을 방지하기 위해서는 두께(to)/외경(do)이 0.1이상의 중공의 소재를 사용하지 않으면 안된다.

B)치수정밀도는 두께압하율(Rt)과 외경축경율(Rd)의 비율(Rt/Rd)에 의존하며, Rt/Rd가 0.55이상으로 되면 현저하게 치수정밀도가 악화함과 동시에, 내면측에 스파이럴상의 마크가 생긴다.

C)제품이 소경으로 두께가 두껍기 때문에, 내면규제공구인 맨드릴도 소경이 되며, 또한 압연시에 맨드릴에 작용하는 하중이 매우 크게 된다. 그 때문에, Rt<0.55Rd를 만족하도록 감육가공을 축경가공에 비교하여 작게 하지 않으면 안된다.

D)두께외형경비(to/do)가 0.1이상의 중공 소재를 사용하여, 두께압하율(Rt)/외경축경율(Rd)이 0.55이하의 조건에서, 맨드릴을 사용하여 경사압연을 하면 고치수정밀도의 중공봉강이 얻어지며 그 후의 치수교정 공정이 불필요하게 된다.

E)소재인 환봉강의 가열을 종래의 가스연소방식의 가열로 대신에, 직접통전가열방식을 채용하므로서 우수한 인성을 구비한 제품이 얻어진다.

이어서, 본발명에 있어서 여러가지 조건을 한정한 이유 및 작용에 대하여 설명한다.

[(1)3개의 경사압연롤에 의해 경사압연을 한다.]

2개의 경사압연롤로 중공소재의 압연을 하면, 압연중에 피압연재가 롤에 접하고 있지 않은 부분에서 팽창한다. 그 팽창을 방지하기 위해서는 가이드슈가 필요하다. 이 가이드슈에 피압연재가 접촉하면 피압연재의 외표면에 흠이 발생하므로, 2롤 경사압연방식을 사용하는 것은 바람직하지 못하다.

또한, 4개의 롤로 압연하면 구조상 각 롤의 외경을 작게 하지 않으면 안된다. 그 때문에, 큰 하중이 걸리는 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강의 압연에는, 롤이 강도의 점에서 적합하지 않다. 피압연재의 외면에 홈을 발생시키는 일이 없이, 소경의 두께가 두꺼운 재료의 압연에 의한 고부하를 견뎌내는 것은 3롤 방식의 경사압연 뿐이었다. 따라서, 본 발명에서는 3개의 롤에 의한 압연에 한정한다.

[(2)내면규제공구로서의 맨드릴]

내면규제공구로서 맨드릴을 사용하는 것은 높은 치수정밀도로 마무리 하기 위함 및 장척의 피압연재에 발생하기 쉬운 샌드버닝을 방지하기 위함이다.

롤로 외경을 축경하면 당연히 동시에 내경도 축경된다. 이 때, 피압연재의 내면은, 내면이 맨드릴에 접촉하기까지의 사이는 자유롭게 변형하므로 축경이 일어남과 동시에, 내경은 3롤에 의한 압연으로 스파이럴상으로치수변동 한다. 이어서, 피압연재의 내면이 맨드릴에 접촉하면 맨드릴로 내면의 변형은 규제되므로 내경을 높은 치수정밀도로 마무리 할 수 있다. 또한, 압연중 맨드릴은 압연방향으로 이동한다. 그 때문에, 압연부에서 피압연재와 접하는 맨드릴의 표면은 항상 새로운 면이 되므로 샌드버닝이 발생하지 않는다.

to/do가 0.1미만이라면, 압연중에 중공소재의 단면이 5각형상으로 변형하는, 소위 모가나는 현상이 발생하므로 하한을 0.1로 한정한다. 모가 나지 않는 압연으로 하기 위해서는 to/do는 0.12이상으로 하는 것이 바람직하다. to/do의 상한은 특히 한정하지 않지만, 피어서에 의한 천공으로 두께가 두꺼운 중공소재를 얻기 위해서는 0.25정도로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 두께가 두껍게 되면 플러그 로드의 좌굴이 발생하기 쉽기 때문이다.

이 한정은 맨드릴을 사용한 고치수정밀도 압연을 실현하기 위하여 중요하다. 두께압하율(Rt)을 크게 취하면, 재료의 외경측에의 팽창이 크게 되어 치수정밀도가 악화한다. 치수정밀도는 두께압하율(Rt)과 외경축경율(Rd)의 비율(Rt/Rd)에 의존하며, Rt/Rd가 0.55이상이 되면 악화한다. 또한 내면측에 스파이럴상의 마크가 생기므로, Rt/Rd는 0.55미만(Rt<0.55Rd)으로 규제한다. 바람직하게는 Rt≤0.5Rd이다.

아셀밀에 대표되는 맨드릴을 사용하는 경사압연에 관하여는, 통상은 중공소재의 두께를 줄이는 것이 주목적으로 되어 있다. 그 때문에, 외경의 축경가공은 얼마 안되며, 후공정의 싱킹밀 등으로 축경을 하고 있다. 따라서, 종래의 맨드릴을 사용한 경사압연에서는 Rt/Rd>1.0로 되어 있다. 그 결과, 맨드릴은 열적으로도, 응력적으로도 고부하를 받고 있다. 본발명이 대상으로 하는 제품치수가 두께외경비, 두께(t1)/외경(d1)이 0.25이상, 외형 20∼70㎜와 같은 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강의 제조에서는 맨드릴의 직경이 필연적으로 작아진다. 이러한 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강의 제조에 종래와 같이 Rt/Rd>1.0의 조건에서 압연을 하면, 맨드릴이 변형해버려 높은 치수정밀도를 얻을 수 없다. 극단적인 경우, 압연을 할 수 없게 된다. 따라서, 이 관점에서도 Rt<0.55Rd로 할 필요가 있다.

이 규제에 의해, 맨드릴은 고온이 되지만, 맨드릴에 작용하는 부하응력은 낮은 레벨이 된다. 따라서, SKD61 클라스의 열간공구강을 실용에 제공할 수 있다.

[(5)凸상의 전극을 사용한 소재의 환봉강의 직접 통전에 의한 가열]

제6도는 직접 통전가열방법을 설명하기 위한 도면이다. 환봉강(A1)의 양단면(A1a)에 凸상의 전극(10)의 정부(頂部)가 압접되어 있으며, 전원(14)에서 전류가 흘러 환봉강은 전기저항에 의해 발열하여 가열된다.

통상 사용되고 있는 가스연소방식 가열로에서 환봉강을 가열하면, 목적의 온도까지 가열하는데 장시간을 요하며, 재로시간(在爐時間)이 길게 되므로 그 사이 결정립(結晶粒)의 조대화나 탈탄이 일어난다. 그 결과, 제품의 인성이 약간 열화한다. 인성이 중시되지 않는 용도용의 중공봉강을 제조하는 경우에는, 가스연소방식의 가열로에 의한 가열로 충분하다. 제품에 우수한 인성이 요구되는 경우에, 가열 시간이 매우 짧기 때문에 가열중에 결정립의 조대화나 탈탄이 발생하기 어려운 직접 통전가열을 채용하는 것이 좋다.

이어서, 피가열재와의 접촉면이 凸상인 전극을 사용하는 것이 바람직한 이유는, 전극과 환봉강과의 접촉면적이 작아지기 때문이다. 접촉면적이 크면 환봉강의 온도가 고온이 되었을 때, 환봉강의 열이 전극에 의하여 발열되어 환봉강의 단부의 온도가 낮아지고, 온도가 길이방향으로 불균일하게 된다. 凸상부가 구면(球面)인 경우에는 구면의 최적인 R의 크기는 환봉강의 직경에 따라서 달라지므로, 실험에 의해 R를 미리 구해 두는 것이 바람직하다.

전극의 凸상의 형상은 특히 한정하는 것이 아니지만 전극의 선단부가 타원이나 진원원상(眞圓圓狀)으로 되어 있는 것이 좋고, 凸상부 전체로서는 구면상이 바람직하다.

전극은 내부에 냉각수를 순환시키는 내부냉각형전극을 사용하는 것이 바람직하지만, 중실(中實) 전극으로 하여 제6도에 도시하는 것과 같이, 환봉강의 단면을 냉각하기 위한 노즐(3)로부터의 냉각수로 냉각하는 타잎이라도 된다.

[(6)직접 통전가열시의 환봉강 단면 및 외주면의 냉각]ㅇ

환봉강의 단면 및 환봉강의 단면에서 환봉강 직경의 0.3∼2.5배까지의 영역의 환봉강 외주면에 냉각수를 공급하면서 통전가열을 개시한다.

환봉강에 전극을 압접하여 가열해도 접촉부에 접촉저항이 생기므로 봉강 단부는 그 중앙부에 비해 발열량이 많아져 보통과 달리 가열된다. 봉강은 고온이 되면 전기저항도 증가하므로, 점점 발열량이 증가하여 보다 고온이 된다. 따라서, 봉강 단부의 고온화를 방지하기 위하여 환봉강의 단면 및 환봉강의 단부 외주를 수냉하는 것이 바람직하다.

냉각장치로서는, 제6도에 도시하는 것과 같은 환봉강의 단면을 냉각하기 위한 노즐(11a)과, 단부 외주면을 냉각하기 위한 노즐(12)을 설치한 구성으로 하는 것이 바람직하다. 환봉강의 단면 냉각용 노즐은, 냉각수가 전극(10)에도 분사되도록 하여 전극의 승온도 방지하는 것이 바람직하다.

환봉강의 단부의 바람직한 냉각길이를 구하기 위하여 이하의 실험을 하였다.

피가열재로서, 재질이 JIS 규격S45C의 외경 50㎜, 길이 1800㎜의 봉강을 사용하고, 냉각부 길이를 환봉강 단면에서 봉강 직경의 0.1배∼3배의 범위로 변화시켜 수냉(냉각수 유량, 단면 : 15리터/분,단부 외주면 : 2.5리터/분)하면서, 28000A의 전류로 90초간 통전가열 하였다. 통전개시 후 65초에서 수냉을 중지하여, 봉강 표면에 매립해 놓은 열전대로 환봉강의 길이방향의 온도 분포를 측정하였다.

제7도에 환봉강 길이 방향의 온도분포측정 결과를 나타낸다. 동도에서 명확한 것과 같이, 냉각역(冷却域) 길이(L)가 봉강 직경의 0.1배에서는, 단부의 온도가 중앙부의 온도보다도 제법 높아져 있다. 또한, 냉각역 길이(L)가 봉강 직경의 3배로 길어지면 현저하게 과냉각으로 되어 있다. 이러한 실험의 결과, 환봉강의 단면에서 봉강 직경의 0.3∼2.5배까지의 범위로 냉각한 경우는, 봉강 단부의 온도는 비냉각부와 거의 같은 정도로 균일한 분포가 되는 것을 확인하였다.

또, 봉강의 단면을 냉각하는 것은, 단면은 전극과의 접촉면이고, 특히 고온으로 되기 쉽기 때문이다.

[(7)가열개시시의 냉각]

냉각수를 공급하면서 통전가열을 개시한다. 냉각수를 공급하면서 통전가열을 개시하는 것은, 냉각효과를 좋게 하기 위해서이다. 즉, 통전을 개시하여 환봉강의 단부의 온도가 상승하고 나서 냉각을 개시하면, 환봉강의 표면에서 수증기막이 형성되어 냉각효과가 격감하기 때문이다. 전극과 환봉강과의 접촉저항에 의해, 봉강 단부는 단시간에 고온이 되므로, 통전개시전 부터 냉각수를 공급해 두어, 통전과 동시에 냉각이 개시될 수 있도록 해두는 것이 좋다.

[(8)가열종료시의 냉각]

통전가열 종료전에 환봉강의 냉각부가 과냉각이 되지 않도록 냉각을 정지한다. 환봉강의 단부를 수냉하면서 통전가열 하면, 수냉부는 비수냉부에 비교해 승온속도가 느려진다. 따라서, 비수냉부가 목표 온도가 될 때 까지 수냉을 속행하고 있으면, 비수냉부가 목표온도에 도달하여도 수냉부의 온도는 목표의 온도로는 되지 않는다. 따라서, 비수냉부의 온도가 목표온도에 도달함과 동시에 냉각부의 온도도 목표온도가 되도록 할 필요가 있다. 그 때문에, 비수냉부가 소정의 온도가 되면 냉각을 정지하여, 고온인 비수냉부의 열의 봉강 단부에의 열전달과, 전극과 봉강과의 접촉저항에 의한 가열등에 의해, 냉각부의 승온속도를 빨리 하는 것이다.

제8도는 환봉강의 단부를 수냉하면서 가열하고, 가열도중에 수냉을 정지한 경우의 환봉강의 길이방향의 승온상태의 일례를 도시하는 도면이다.

재질이 JIS의 S45C로 외경 50㎜, 길이 1800㎜의 환봉강을 28000A에서 90초간 통전가열 하였다. 통전개시전 부터 15리터/분의 양으로 환봉강의 단면 및 2.5리터/분의 양으로 단면에서 60㎜(외경의 1.2배)의 범위의 외주면에 냉각수를 공급하여, 통전개시 부터 65초후에 냉각을 정지하였다. 제8도는 봉강의 표면에 매립해 둔 열전대에 의해 통전개시후 20초, 45초, 75초 및 90초 경과한 시점에서의 길이방향의 온도분포를 측정한 결과이다. 통전 종료의 25초전에 냉각을 정지한 결과, 거의 환봉강의 전장에 걸쳐 목표의 가열온도 1200℃로 되어 있다. 가열도중에 수냉을 정지하는 시기는, 가열온도, 비가열재의 재질, 치수 및 비가열재와 전극의 접촉면적등의 차이에 의해 다르기 때문에, 실험에 의해 미리 구해 놓을 필요가 있다.

이하, 본 발명의 효과를 실시예에 의거하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

제1도는 본발명의 제조방법에서 사용하는 제조장치의 일례를 도시하는 도면이다. 동도에서, 가열수단으로서는 (b-2)로 나타내는 통전가열장치 및 냉각수단을 사용하는 것이 바람직하다. 통전가열장치 및 냉각수단의 상세한 것은 상기 제6도에서 설명한 것과 같고, 중공 소재 제조를 위한 피어서 및 그것을 축경가공과 감육가공 하기 위한 경사압연기를 배치하는 것도 상술한 바와 같다.

또, 본발명에서 사용하는 경사압연기의 롤의 형상은 특히 한정하는 것은 아니지만, 종래의 아세밀 롤과 같은 험프는 없는 편이 좋다. 즉 험프가 있으면 외경축경량이 험프 높이로 규제되어, 재료치수에 응한 적정한 축경량을 가하는 데는 부적합하게 된다.

본 발명에 관계되는 중공봉강의 제조방법을 실시하기 위하여 제1도에 도시하는 장치를 사용하였다. 우선, 환봉강(A1)을 가스연소방식의 가열로 (b-1) 또는 직접통전가열 (b-2)로 소정온도로 가열하여 동도(c)에 도시하는 것과 같이, 가열한 환봉강을 피어서에 의해 롤(15)과 환봉강(A1)의 중심부에 배치한 플러그(2)로 천공하여 중공소재(A2)를 성형한다. 이어서, 동도(d)에 도시되는 것과 같이, 중공소재(A2)에 윤활제를 도포한 맨드릴(3)을 삽입하여 3개의 롤(1)을 갖는 경사압연기에 의하여 연신 압연을 하여 제품인 중공봉강(A3)으로 한다.

제2도는 경사압연기를 설명하기 위한 도면으로, 제2(a)도는 중공소재(A2)의 들어가는 쪽에서 본 정면도로 중공소재(A2)의 압연중의 상태를 도시하며, 제2(b)도는 제2(a)도의 A-A선에 따른 단면도, 제2(c)도는 제2(b)도의 B-B선에서 본 측면도이다.

맨드릴(3)은 전진후퇴장치의 쓰러스트블록(13)에 회전이 자유롭게 연결되어 있으며, 맨드릴(3)을 패스라인(X-Y)에 따라 전후방향으로 이동조정 가능하게 하고 있다.

압연시에는 중공소재의 전진속도에 대하여 소정 비율의 속도로 맨드릴을 전진시킨다.

롤(1)은 축길이 방향의 중간부에 고지(gorge)부(4)를 구비하며, 그 고지부(4)에 대해 압연방향으로 들어가는 쪽은 축단을 향하여 점차 직경이 축소된 매끄러운 대략 원추대상(原錐坮牀)을 하는 입구부와 그 입구면(5), 압연방향으로 나가는 쪽은 축단을 향하여 점차 직경이 확대된 매끄러운 대략 원추대상을 하는 출구부와 그 출구면(6)을 구비하고 있다. 또한, 각 롤(1)은 각각 소정의 교차각(α), 경사각(β)으로 중공소재(A2 및 A3)의 패스라인 (X-X) 둘레에 대략 같은 간격으로 배열설치 되어, 도시하지 않은 구동원에 의해 각각 제2(a)도와 같이 화살표 방향으로 회전구동된다.

롤(1)로서는 고지부(4)의 양측, 입구면 및 출구면이 각각 축단을 향하여 점차 축경된 술통형 롤을 사용하여도 되고, 또한 고지부(4)에 대해 압연방향으로 들어가는 쪽은 축단을 향하여 점차 확경시키고, 압연방향으로 나가는 쪽은 축단을 향하여 점차 축경시킨 롤을 사용하여도 된다.

여기서, 압연중의 중공소재의 변형상태에 대하여 보충설명한다. 우선, 맨드릴을 사용하지 않은 경우는, 중공소재(A2)는 3개의 롤(1)로 외경과 내경이 축경되며, 그 때 압연 후의 두께(t1)는 일반적으로 압연전의 두께(to)보다 약간 증육하는 경향이 있다. 따라서 두께외경비(t/d)는 외경축경에 의해서 소재보다 증대하는 것으로 된다. 단지, 본발명자의 실험에 의하면, 엄밀히 말하면 t1의 변화는 to/do, Rd에 관계하며, to/do, Rd의 조합에 의해서는 t1은 to보다 감소할 때가 있다. 그러나 그 경우라도 t1/d1는 to/do보다 증대해 있다.

본 발명의 방법에서는 맨드릴을 사용하므로, 내경의 축경이 진행하면 증공소재 내면은 결국은 맨드릴에 접촉하여 두께 압하가 시작된다. 그 후, 압연의 전반부(前半部)의 축경시에 발생한 내면의 스파이럴상의 치수변동도 내면이 맨드릴에 접촉하므로써 교정되므로 치수정밀도가 개선된다.

[실시예 1]

제1도에 도시하는 가열수단이 가스연소방식(b-1)의 가열로를 사용한 장치열(裝置列)에 의해, 하기의 조건에서 본발명의 방법에 의해 중공봉강을 제조하였다. 또한 비교예로서, 본발명의 방법과 같은 조건에서 경사압연으로 내면규제공구를 사용하지 않는 방법 및 내면규제공구로서 플러그를 사용한 방법에 의해 중공봉강을 제조하였다.

[소재]

재질 : S45C의 환봉강

직경 : 50㎜, 길이 : 1800㎜

[가열]

가열수단 : 가스연소방식

가열온도 : 1200℃

[피어서에 의한 천공]

천공 후의 치수(중공소재) :

직경do : 50㎜, 두께to : 10㎜, 길이lo : 2800㎜

(to/do=0.2)

플러그재질 : SKD61

윤활제 : 플러그에 흑연윤활제를 도포

[경사압연]

롤 고지부 직경 : 180㎜

롤 회전수 : 150rpm

롤경사각β : 12°

롤 교차각α : 3°

맨드릴재질 : SKD61

맨드릴 이동속도=압연방향으로 재료속도의 25%

윤활제 : 맨드릴에 흑연윤활재를 도포

상기 조건에서 표 1에 도시하는 것과 같이 맨드릴의 직경을 4.5∼20㎜로 변화시켜, 외경이 22.5∼40㎜의 중공봉강을 제조하였다.

또한, 비교예로서 내면규제공구를 사용하지 않고 외경이 22.5∼40㎜의 중공봉강을 제조하였다. 더욱, 내면구제공구로서 직경 14㎜와 20㎜의 플러그를 사용하여 외경 35㎜와 40㎜의 중공봉강도 제조하였다. 제조한 중공봉강의 치수정밀도의 평가로서, 중공봉강을 길이방향으로 2등분하여 그 단면의 내경진원도 △d(=최대내경-최소내경)을 측정하였다. 또한 그 단면에 대하여 모가 생기는 유무를 육안으로 관찰함과 동시에, 중공봉강을 중심축을 포함하는 면에서 절단하여 내면의 표면상황을 관찰하였다.

또, 치수정밀도의 평가지표로서 내경진원도를 사용한 것은, 경사압연에서는 외경정밀도는 내경정밀도에 비교해서 제법 양호하며, 실용적으로는 내경정밀도의 양부로 판단하면 좋기 때문이다. 내표면의 관찰과 진원도 측정결과를 표 1에 나타내었다.

표 1에서 명확한 바와 같이, 본 발명 예에서는 내경치수정밀도는 양호하며, 중공봉강의 내면과 맨드릴과의 샌드버닝이 전혀 생기지 않았다.

한편, 내면규제공구를 사용하지 않은 No. 6∼10은 압연 후의 내경의 치수정밀도가 나쁘고, 그 정도는 외경축경율(Rd)이 클수록 현저하다.

또한 내면규제공구로서 플러그를 사용한 No. 11, 12에서는 내경치수정밀도는 양호하지만, 압연개시부에서 길이 약 800㎜ 부근에서 중공소재와 플러그에 샌드버닝에 생겨, 압연구동 모터가 과부하 때문에 정지할 때가 있었다. 따라서, 플러그를 사용한 압연에서는 실용상 수요가 많은 1m 이상의 장척 중공봉강의 제조는 곤란하다.

[실시예 2]

이어서, 중공소재의 두께외경비(to/do)를 0.09∼0.15로, 또한 두께감육율(肉厚減肉率)과 외경축경율과의 비(Rt/Rd)를-1.97∼0.55로 각각 변화시킨 것 외는 실시예 1과 같은 조건으로, 중공봉강을 제조하였다. 제조한 중공봉강에 대하여, 길이방향으로 2등분하여 그 단면의 내경진원도를 측정함과 동시에, 모가 나는 상황을 관찰하였다. 그후, 세로로 절단하여 내면의 표면상황도 관찰하였다.결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에서 명확한 바와 같이, 모나는 것은 to/do가 작을수록 발생하기 쉽다. 또한, 모나지 않는 안정한 압연을 실현하기 위해서는, to/do는 0.1이상으로 할 필요가 있으며, 바람직하게는 0.12이상이다.

험프를 가지지 않는 롤에서는 두께압하율(Rt)을 과대하게 하면 두께압하가 외경의 팽창변형이 되어 나타나고, 스파이럴상으로 꾸불꾸불한 치수변동이 생긴다. 치수변동을 두께압하율과 외경축경율의 비(Rt/Rd)로 정리하면, Rt/Rd가 0.55에서는 치수정밀도가 현저히 악화되어 있다.

[실시예 3]

가열수단에 직접 통전가열장치(b-2) 및 환봉강 단부의 냉각장치를 사용한 이외에는 실시예 1에 있어서의 표 1의 No.3와 같은 조건으로 천공 및 압연을 하였다. 통전가열 및 수냉의 조건은 이하와 같았다.

전극재질 : 동-텅스턴 합금

凸상 전극면 : 극율반경(極率半徑)250㎜의 구면(球面)

전극압전력 : 100kgf

부가전류, 시간 : 28000A, 90초

수냉범위 : 봉가단면(전극외면을 포함) 및 끝면에서의 60㎜의 외주(외경의 1.2배)

냉각수량 : 전극, 단면 ---15리터/분

봉강외주면 : 2.5리터/분

냉각시간 : 통전전부터 통전개시 후 65초.

이러한 조건으로 가열하여, 천공 및 경사압연 하였다.

경사압연 종료 후, 중공봉강을 산세(酸洗)하여 중앙부에서 절단하고, 내경진원도를 측정함과 동시에 내면의 표면상황과 모가 생기는 유무를 목시(目視) 관찰하였다.

중공봉강의 절반을 850℃에서 20분 유지하는 소준처리를 하였다. 소준처리재와 압연한 재료의, 각 중공봉강의 중앙부의 두께방향 중앙부에서 JIS1호(폭5㎜,높이10㎜,V노치) 충격시험편을 채취하여, 실온에서 충격시험을 하였다.

또한, 연소방식으로 가열한 No.3 및 직접통전으로 가열하여 제조한 중공소재에 대하여, 압연한 재료와 소준재의 중앙부에서 JIS1호 충격시험편을 채취하여, -80∼98℃의 범위에서 온도를 여러 가지로 바꿔 충격시험을 실시 하였다.

중공봉강의 내면관찰 및 상온에서의 충격시험 결과를 표 3에 나타낸다.

동표에서 명확한 바와 같이, 본 발명예의 직접 통전가열한 경우의 No.22는 압연한채로도 충격치는 38J/㎠정도이며, 가스연소로에서 가열한 경우의 No.3의 소준재의 충격치와 동등하다. 따라서, 직접 통전가열하여 제조한 경우 소준처리를 생략할 수 있다.

이와 같이 직접 통전가열하므로서, 인성을 큰 폭으로 향상시킬 수가 있다. 이것은 통전가열에서는 소재인 환봉강을 목표온도까지 단시간에 가열할 수가 있으며, 가열 중에 결정립의 조대화가 거의 일어나지 않기 때문이다.

본 발명의 제조방법 및 장치에 의하면, 중공소재를 내면규제공구인 맨드릴을 사용하는 경사압연기에 의해서 주로 외경을 축경함으로써 두께외경비(t1/d1)를 증가시키며, 동시에 내면규제공구로 두께압하도 가함으로서 내경을 고치수정밀도로 마무리한다. 또한, 모가 나는 것이나 스파이럴상의 치수변동이 생기지 않으므로, 치수교정공정이 불필요 하게 되고, 적은 제조공정으로 값싸게 소경의 두께가 두꺼운 중공봉강을 제조할 수 있다. 더욱, 소재인 환봉강을 직접 통전가열 함으로서 고인성의 중공봉강의 제조가 가능하게 된다.

Claims (6)

1. 환봉강을 가열한 후, 피어서(piercer)로 천공하여 하기식(1)을 만족하는 중공소재로 하고, 이 중공소재에 내면규제공구로서 맨드릴(mandrel)을 삽입하여, 패스라인 둘레에 배열 설치한 3개의 롤을 갖는 경사압연기에 의해, 하기식(2)을 만족하는 축경가공과 두께가공을 가하는 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.

   여기서,

   to : 중공소재의 두께,

   do : 중공소재의 외경,

   Rt : 두께압하율, Rt=(to-t1)/to×100

   Rd : 외경축경율, Rd=(do-d1)/do×100

   t1 : 중공소재 압연 후의 두께

   d1 : 중공소재 압연 후의 외경
2. 제1항에 있어서, 식(1)이 to/do≥0.12인 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 식(2)이 Rt<0.5Rd인 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 식(1)이 to/do≥0.12이며, 식(2)이 Rt<0.5Rd인것을 특징으로하는 중공봉강의 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 환봉강의 양단면에 압접한 凸상의 전극에서 환봉강에 직접 통전하여 환봉강을 가열하는 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.
6. 제2항에 있어서, 환봉강의 양단면에 凸상의 전극을 압접하고, 환봉강의 양단면 및 환봉강의 양단면에서 환봉강 외경의 0.3-2.5배까지의 양단부의 환봉강 외주면을 냉각수로 냉각 하면서 통전가열을 개시하고, 통전가열 종료전에 환봉강의 냉각부가 과냉각이 되지 않도록 냉각을 정지하여 환봉강을 목적의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 중공봉강의 제조방법.