KR100905994B1 - 스틸 와이어 막대로부터 우수한 인장 강도 및 연신율을갖는 단조품을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

단조품 (4)을 제조하는 방법은 스틸 와이어 막대 (3)로부터 단조품 (4)을 형성하는 단계; 상기 단조품 (4)을 830 ~ 900 ℃의 온도 범위로 가열하는 단계; 상기 단조품 (4)을 상기 830 ~ 900 ℃에서의 가열 이후에 100 ~ 300 ℃의 온도 범위에서 1차 템퍼링을 하는 단계; 및, 상기 단조품 (4)을 상기 1차 템퍼링 이후에 300 ~ 400 ℃의 온도 범위에서 2차 템퍼링을 하는 단계를 포함한다. 1차 템퍼링에서, 상기 단조품 (4)은 100 ~ 300 ℃의 범위에서 온도를 가지는 염욕에 담금질 되어지고, 60 ~ 130 분 동안 템퍼링 되어진다. 2차 템퍼링에서, 상기 단조품 (4)은 300 ~ 400 ℃의 범위에서 온도를 가지는 염욕에 담금질 되어지고, 30 ~ 150 분 동안 템퍼링 되어진다.

단조, 강도, 연신율, 템퍼링

Description

스틸 와이어 막대로부터 우수한 인장 강도 및 연신율을 갖는 단조품을 제조하는 방법 { METHOD OF PRODUCING FORGINGS HAVING EXCELLENT TENSILE STRENGTH AND ELONGATION FROM STEEL WIRE RODS }

도 1은 대만 특허 번호 제I254656에 개시된 단조품을 제조하는 방법에 포함되어진 단계들을 도시한 플로우 차트이다.

도 2는 도 1의 제조 방법 동안의 시간의 흐름에 따른 온도의 변화를 도시한 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단조품을 제조하는 방법에 포함되어진 단계들을 도시한 플로우 차트이다.

도 4는 상기 바람직한 실시예의 제조 방법 동안의 시간의 흐름에 따른 온도의 변화를 도시한 다이어그램이다.

본 발명은 스틸 (steel) 와이어 (wire) 막대 (rod)들로부터 단조품 (forging)들을 제조하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이러한 단조품들이 160 kgf/㎟까지의 인장 강도 및 16 - 21 %까지의 연신율을 가지는, 스틸 (steel) 와이어 (wire) 막대 (rod)들로부터 단조품 (forging)들을 제조하는 방법에 관한 것이다.

중국 국가 표준 (CNS)의 CNS3934는 단조품들이 가져야 하는 표준 물성을 특정 한다. 강한 스크루 (Screw)들에 대한 인장 강도의 가장 높은 등급은 140 kgf/㎟이다. 그러나 오래된 재료 및 오래된 제조 방법을 사용하는 경우에 고려되어지는 한계들로 인하여 그러한 스크루를 제조하는 것은 어려운 일이다. 따라서 많은 제작자들은 인장 강도의 가장 높은 등급의 스크루들을 제작하지 못한다.

강한 스크루들에 대한 상기 기술한 표준의 관점에서, 가장 높은 인장 강도를 가지는 스크루를 제조하는 방법이 본 출원인에 의하여 개발되어져 왔고, 이는 "140 kgf/㎟까지의 인장 강도를 가지는 단조품을 제조하는 방법"으로 명칭이 붙여진 대만특허번호 I254656에 나타내어진다. 도 1 및 도 2에 도시되어진 바와 같이, 단조품들을 제조하는 방법에 포함되어지는 단계들은, 대만특허 I254656에 개시되어진 바와 같이, 아래와 같이 요약 되어진다:

(a) 합금강 와이어 막대 (1)를 구상화 어닐링 (spheroidized annealing) 과정을 겪게 하는 단계;

(b) 상기 와이어 막대 (1)를 채집 및 코팅하는 단계;

(c) 상기 와이어 막대 (1)를 중간 드로잉 (intermediate drawing)을 겪게 하는 단계;

(d) 상기 와이어 막대 (1)를 연화 어닐링 (softening annealing) 과정을 겪게 하는 단계;

(e) 두 번째로 상기 와이어 막대 (1)를 채집 및 코팅하는 단계;

(f) 상기 와이어 막대 (1)를 스킨-패스 (skin-pass) 드로잉을 겪게 하는 단계;

(g) 상기 와이어 막대 (1)를 스크루와 같은 단조품 (2) (도 1에만 단지 보여 지는 것)으로 형성하기 위하여 스탬프-단조 (stamp-forging)하고 롤-나사산가공 (roll-threading) 하는 단계;

(h) 상기 단조품 (2)을 세척하는 단계;

(i) 상기 단조품 (2)을 830 ~ 900 ℃의 온도 범위로 50 ~ 90 분간 가열하는 단계; 및,

(j) 상기 단조품 (2)을 300 ~ 400 ℃의 온도 범위에서 30 ~ 60 분간 오스템퍼링 (austempering) 처리하는 단계

단계 (i)에서의 가열 과정을 거친 후에, 상기 단조품 (2)의 구조는 펄라이트 (pearlite) 구조로부터 오스테나이트 (austenite) 구조로 변화되어지고, 상기 오스템퍼링 과정을 거친 후에, 상기 단조품 (2)의 구조는 오스테나이트 구조로부터 선호되어지는 기계적 성질, 즉 우수한 강도 및 인성을 가지는 하부 베이나이트 (lower bainite)의 침상구조로 변화되어진다.

상기 기술한 제조 방법에 의하여 제조되어진 상기 단조품 (2)은 강한 스크루 (screw)에 대한 CNS3934 표준 사양을 만족하는 140 kgf/㎟까지의 인장 강도 및 9 % ~ 14 %까지의 퍼센트 연신율을 가진다. 그러나 상기 단조품들 (2)은 다른 치수들. 예를 들면, 몇몇이 24 ㎜이상의 직경을 가지는 것과 같은, 치수를 가지기 때 문에, 상기 단조품 (2) 가열 공정 동안에, 대형 단조품들 (2)은 쉽게 "질량 효과"즉, 스틸의 안쪽 부분과 바깥쪽 부분의 경화효과가 담금질 동안에 달라지는 현상을 만들게 된다. 따라서 상기 치수가 크면 클수록, 상기 열이 상기 스틸의 안쪽 부분으로부터 바깥쪽 부분으로 균일하게 흩어지도록 하는 것이 더 어려워진다. 이와 같은 이유로 인하여, 오스템퍼링 공정 동안에, 상기 대형 단조품 (2)은 상기 하부 베이나이트 구조로 쉽게 변화되어진 바깥쪽 부분을 가지지만, 이의 중앙 부분은 여전히 페라이트 (ferrite)와 중간 펄라이트 (pearlite)가 합쳐진 구조를 가진다. 따라서 큰 치수를 가지는 상기 단조품 (2)이 140 kgf/㎟의 인장 강도를 이루는 것이 어렵고, 이에 따라 결과물인 생산품은 불충분한 경도 및 기계적 성질을 가진다.

그러므로 본 발명의 목적은 이러한 단조품들이 160 kgf/㎟까지의 인장 강도 및 16 ~ 21 %까지의 연신율을 가지고, 또한 높은 정도의 인성 및 경도를 가지도록 하는 단조품들 (forgings)을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 높은 인장 강도 및 우수한 연신율을 가지는 단조품을 제조하는 방법은 (a) 스틸 와이어 막대 (steal wire rod)로부터 단조품을 형성하는 단계; (b) 상기 단조품을 830 ~ 900 ℃의 온도 범위로 가열하는 단계; (c) 상기 단조품을 상기 830 ~ 900 ℃에서의 가열 이후에 100 ~ 300 ℃의 온도 범위에서 1차 템퍼링 (tempering)을 하는 단계; 및, (d) 상기 단조품을 상기 1차 템퍼링 이후에 300 ~ 400 ℃의 온도 범위에서 2차 템퍼링을 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면들을 참고하여 설명되어지는 아래의 바람직한 실시예의 상세한 설명에서 더욱 명확해 질 것이다.

도 3은 본 발명의 상기 바람직한 실시예에 대한 160 kgf/㎟까지의 인장 강도 및 16 ~ 21 %까지의 연신율을 가지는 단조품 (4)을 제조하는 방법에 포함되어지는 단계들을 도시한다. 이들 단계들은 아래에 보다 더 상세하게 설명되어질 것이다.

단계 (a)에서, 합금강 와이어 막대 (3)는 680 ~ 700 ℃의 온도 범위에서 1차 구상화 어닐링 과정을 겪게 되고, 이 온도는 상기 합금강 와이어 막대 (3)의 상변태 온도 보다 더 낮은 온도이다. 상기 와이어 막대 (3)는 SNCM439와 같은 니켈-크롬-몰리브데늄 강, 및 SCM445H (SAE4145H), SCM445, SCM440, 또는 SCM440H와 같은 크롬-몰리브데늄 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 경화 와이어 재료로 만들어진다. 이번 실시예에서, 상기 와이어 막대 (3)는 0.36 ~ 0.43 % C; 0.15 ~ 0.35 % Si; 0.60 ~ 0.90 % Mn; 1.60 ~ 2.00 % Ni; 0.60 ~ 1.00 % Cr; 및 0.15 ~ 0.30 % Mo의 화학적 조성을 가지는 SNCM439 (AISI4340, SAE4340에 해당하는 JIS G4103; 니켈-크롬-몰리브데늄 강)로 만들어진다. 이 재료는 CNS3935 표준의 재료 시험 규정을 따르고, 따라서 요구되어지는 경도를 달성할 수 있다.

단계 (b)에서, 상기 와이어 막대 (3)는 통상적인 방식으로 채집 및 코팅 공정을 겪게 된다.

단계 (c)에서, 상기 와이어 막대 (3)는 20 ~ 30 %의 범위에서의 드로잉 비율로 중간 드로잉을 겪게 된다.

단계 (d)에서, 상기 와이어 막대 (3)는 600 ~ 650 ℃의 온도 범위에서 2차 구상화 어닐링 공정을 겪게 된다.

단계 (e)에서, 상기 와이어 막대 (3)는 상기 단계 (d) 이후에 두 번째 채집 및 코팅 공정을 겪게 된다.

단계 (f)에서, 상기 와이어 막대 (3)는 5% 이하의 드로잉 비율로 스킨-패스 드로잉을 겪게 된다.

본 발명에 있어서, 상기 와이어 막대 (3)는 상기 구상화 어닐링 공정을 두 번 그리고 상기 드로잉 공정을 또한 두 번 겪고, 이에 따라서 상기 스틸의 탄화물 물질은 둥글고 작아져 이의 연성 (softness) 및 연신율을 증가하고, 이에 의하여 이후의 스탬프-단조 공정을 수용하도록 한다. 조성, 두께 등의 관점에서 상기 와이어 막대 (3)의 재료의 다른 조건들 때문에, 상기 어닐링 및 드로잉 공정들 동안에, 상기 공정 단계들 또는 온도는 필요에 따라 증가되어지거나 감소되어질 수도 있다.

앞서 기술되어진 구상화 어닐링 공정의 목적은 상기 스틸의 기계적 성질을 개선하기 위하여 상기 스틸 내에 존재하는 탄화물 물질의 층상 또는 그물상의 구조를 구상화하는 것이다. 반면에 상기 드로잉 공정의 목적은 상기 와이어 막대 (3)의 직경을 줄이는 것이다. 상기 드로잉 공정 동안에, 상기 시멘타이트에 평행한 상기 층상의 펄라이트 구조 및 페라이트 구조는 옮겨지고 변형되어지고, 상기 시멘타이트 몸체의 갈라진 표면을 따라 미세한 균열이 발생하고, 이에 의하여 구상화가 이루어진다.

단계 (g)에서, 상기 스킨-패스 드로잉을 겪은 이후의 상기 와이어 막대 (3) 는 단조 기계로 보내어지고, 스탬프-단조 되어져 미리 설정된 바깥쪽 외형을 가지는 단조품들을 형성한다. 상기 단조품들은 이후에 나사산 롤링 기계로 보내어져 스크루와 같은 나사산이 형성된 단조품들 (4) (단지 도 3에 도시되어진 것으로 이후로 단순하게 단조품으로 지칭함.)을 형성하기 위하여 이의 표면에 나사산이 형성된다.

단계 (h)에서, 상기 단조품들 (4)은 최초에는 기름진 때를 제거하기 위하여 더운 물을 이용하여 세척되어지고, 이후에 상기 단조품 (4)의 최종적인 헹굼을 수행하기 위하여 찬 물을 이용하여 세척되어진다.

단계 (i)로 진행하기 이전에, 상기 단조품 (4)은 30 ~ 90 분 동안에, 550 ~ 650 ℃의 온도 범위에서 열처리로 (furnace) 안에서 예열되어진다. 본 실시예에서, 상기 예열 공정은 60 분 동안에 약 600 ℃로 점차적으로 가열되어지는 열처리로에서 수행되어진다. 상기 예열 공정은 사용되어지는 장비에 따라서 수행되어지거나 수행되어지지 않을 수 있다. 예를 들면, 통상의 고정 온도 열처리로가 가열 장비로 사용되어진다면, 상기 예열 공장이 수행되어져야만 한다. 반면에, 연속 형식의, 온도-조정가능한 가열 장비가 사용되어진다면, 상기 예열 공정은 이와 함께 생략되어질 수 있다.

단계 (i)에서, 상기 단조품들 (4)은 30 ~ 120 분 동안, 830 ~ 900 ℃의 온도 범위에서 열처리로에서 가열되어진다. 상기 열처리로에서 상기 온도는 점진적으로 올려지거나 내려지거나 또는 일정하게 유지되어질 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리로는 860 ℃, 880 ℃, 880 ℃, 880 ℃, 880 ℃, 및 870 ℃과 같은 6개의 다른 온 도 레벨들로 점진적으로 가열되어질 수 있다. 상기 단조품 (4)이 완전하게 오스테나이트 구조로 변태되어질 때까지 오스테나이트 안정화 온도로 상기 단조품 (4)을 가열하기 위하여 상기 가열은 35분 동안 계속되어진다. 이는 오스테나이타이징 (austenitizing) 처리로 지시되어진다.

단계 (j)에서, 상기 가열되어진 단조품 (4)은 60 ~ 130 분 동안에, 100 ~ 300 ℃의 온도 범위로 상기 단조품 (4)의 온도를 떨어뜨리기 위하여 1차 템퍼링 공정을 겪게 된다. 이 단계에서, 상기 가열되어진 단조품 (4)은 100 ~ 300 ℃의 범위에서 온도를 가지는 염욕 (salt bath)에 담금질 되어진다. 상기 염욕의 온도는 120 분 동안 실질적으로는 일정하게 유지되어진다. 이에 따라서, 상기 단조품 (4)의 구조는 상기 오스테나이트 구조로부터 마르텐사이트 (martensite)의 체심정방정 (body-centered tetragonal, BCT) 구조와 하부 베이나이트 구조가 합쳐진 형태로 변태되어진다. 마르텐사이트로의 변태가 완전히 이루어지기 전에, 다음 공정 단계 (단계 k)가 수행되어진다. 중성 염욕에 속하는 등온 온도 염 (마르켄칭, marquenching, MQ)이 이번 실시예에서 사용되어진다.

단계 (k)에서, 상기 단조품 (4)은 30 ~ 150 분 동안에 300 ~ 400 ℃의 온도 범위에서 2차 템퍼링 공정을 겪게 된다. 상기 단조품 (4)은 상기 단조품 (4)의 구조를 변화시키기 위하여 300 ~ 400 ℃의 범위에서 온도를 가지고, 150 분 동안 실질적으로 일정하게 유지되지는 염욕에 담금질 되어진다. 이후에, 상기 단조품 (4)은 상온으로 냉각되어진다. 상기 염욕 공정 동안에, 상기 단조품 (4)의 구조는 하부 베이나이트의 침상 구조로 변태되어지고, 이는 페라이트와 미세한 시멘타이트의 비층상 구조이고, 상기 단조품 (4)의 중앙 부분에 가까운 부분과 초기에 변태되어졌던 마르텐사이트는 템퍼링 효과를 겪게 된다. 상기 단조품 (4)의 공정 단계들에 포함되어지는 시간 및 온도 사이의 관계는 도 4에 도시되어진다.

이에 따라서 냉각에 따른 응력이 해소되어지고, 페라이트와 미세한 시멘타이트의 혼합인 템퍼링된 마르텐사이트가 얻어진다. 따라서 상기 2차 템퍼링 공정 이후에, 상기 단조품 (4)의 구조는 하부 베이나이트와 템퍼링된 마르텐사이트의 혼합된 구조가 된다. 상기 혼합된 구조는 높은 강도 및 우수한 인성 (toughness)의 기계적 성질을 가진다.

SNCM439 Ni-Cr-Mo 스틸 경화 와이어 재료를 이용하여 M36 사양을 가지는 상기 단조품들 (4)을 제작하기 위하여 시험들이 수행되어졌다. 상기 단조품들 (4)의 몇몇 샘플들은 상기 앞에서 기술되어진 가열 공정 단계들을 통하여 진행하여졌다. 실제적인 시험 및 측정들을 통하여, 상기 단조품들 (4)의 경도는 50 ~ 51 HRC이고, 연신율은 16 ~ 18 %이고, 인장 강도는 160 ~ 170 kgf/㎟인 것이 밝혀졌다. 따라서 상기 단조품 (4)은 우수한 기계적 성질을 가지는 것이 확인되어졌다.

상기 앞에서 기술되어진 기술로부터, 본 발명의 이점은 다음과 같이 요약되어질 수 있다.:

상기 1차 템퍼링 공정을 통하여, 상기 단조품들 (4)의 구조는 직접적으로 하부 베이나이트 및 마르텐사이트 구조로 변태되어진다. 상기 2차 템퍼링 공정 이후에, 상기 단조품들 (4)의 구조는 하부 베이나이트 및 템퍼링된 마르텐사이트의 혼 합된 구조로 변화되어진다. 상기 하부 베이나이트의 인성, 연신율, 인장 강도 등과 같은 기계적 성질은 특별히 우수하다. 반면에 상기 템퍼링된 마르텐사이트의 구조는 강도 및 경도를 증대시킬 수 있고, 이에 따라서 상기 단조품 (4)은 우수한 인성 및 경도를 가진다. 따라서 대형 단조품이 우수한 기계적 성질을 가지면서 적절히 제작되어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

Claims (7)

1. (a) 니켈-크롬-몰리브데늄 강 및 크롬-몰리브데늄 강으로 이루어진 그룹으로부터 선택되어지는 경화된 와이어 재료로 만들어지는 스틸 와이어 막대 (3)로부터 단조품 (4)을 형성하는 단계;

   (b) 상기 단조품 (4)을 30 ~ 120 분 동안, 830 ~ 900 ℃의 온도 범위로 가열하는 단계;

   (c) 상기 단조품 (4)을 상기 830 ~ 900 ℃에서의 가열 이후에 100 ~ 300 ℃의 온도 범위에서 1차 템퍼링을 하며, 여기서 상기 단조품 (4)은 상기 1차 템퍼링 동안에 100 ~ 300 ℃의 범위에서 온도를 가지는 염욕에 담금질 되어지고, 60 ~ 130 분 동안 템퍼링 되어지는 단계; 및,

   (d) 상기 단조품 (4)을 상기 1차 템퍼링 이후에 300 ~ 400 ℃의 온도 범위에서 2차 템퍼링을 하며, 여기서 상기 단조품 (4)은 상기 2차 템퍼링 동안에 300 ~ 400 ℃의 범위에서 온도를 가지는 염욕에 담금질 되어지고, 30 ~ 150 분 동안 템퍼링 되어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 높은 인장 강도 및 연신율을 가지는 단조품 (4)을 제조하는 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 단조품 (4)이 830 ~ 900 ℃로 가열되어지기 전에, 30 ~ 90 분 동안, 550 ~ 650 ℃의 온도 범위에서 상기 단조품 (4)을 예열하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 높은 인장 강도 및 연신율을 가지는 단조품 (4)을 제조하는 방법.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,

   단계 (a)에서의 상기 단조품 (4)은

   상기 스틸 와이어 막대 (3)를 1차 구상화 어닐링 과정을 겪게 하는 단계;

   상기 1차 구상화 어닐링 이후에 상기 스틸 와이어 막대 (3)를 채집 및 코팅하는 단계;

   상기 스틸 와이어 막대 (3)의 채집 및 코팅 이후에 상기 스틸 와이어 막대 (3)를 중간 드로잉을 겪게 하는 단계;

   상기 중간 드로잉 이후에 상기 스틸 와이어 막대 (3)를 2차 구상화 어닐링 과정을 겪게 하는 단계;

   두 번째로 상기 스틸 와이어 막대 (3)를 채집 및 코팅하는 단계;

   상기 두 번째의 상기 스틸 와이어 막대 (3)의 채집 및 코팅 이후에 상기 스틸 와이어 막대 (3)를 스킨-패스 드로잉을 겪게 하는 단계; 및,

   상기 스틸 와이어 막대 (3)를 스탬프-단조하고 롤-나사산가공하고, 이에 의하여 상기 단조품 (4)을 형성하는 단계;

   를 채용하여 형성되어지는 것을 특징으로 하는 높은 인장 강도 및 연신율을 가지는 단조품 (4)을 제조하는 방법.

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