KR101104662B1

KR101104662B1 - 열간 단조 부품의 냉각 방법 및 그 장치, 그리고 열간 단조 부품의 제조 방법

Info

Publication number: KR101104662B1
Application number: KR20097012983A
Authority: KR
Inventors: 가즈쿠니 하세; 히데토 기무라; 다카아키 도요오카
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2012-01-13
Also published as: TWI320004B; JP5076496B2; EP2103696A4; CN101568654A; KR20090086262A; WO2008081955A1; EP2103696A1; JP2008163429A; CN101568654B; TW200909095A

Abstract

강 소재를 사용하여, 플랜지부를 갖는 축 부품을 열간 단조에 의해 제조할 때에, 플랜지부에 양호한 냉간 가공성을 부여함과 함께, 플랜지부와 축부의 경계부에 높은 피로 강도를 부여한 열간 단조 부품을 제공한다. 플랜지부 및 축부를 갖는 열간 단조 부품을 냉각할 때에, 당해 열간 단조 부품의 열간 단조 중 혹은 열간 단조 후에, 상기 축부의 축 방향을 상하 방향으로 하여 열간 단조 부품을 지지하고, 상기 플랜지부의 하측으로부터 플랜지부와 축부의 경계부에 대해, 국부적으로 냉매를 분사한다.

열간 단조 부품

Description

열간 단조 부품의 냉각 방법 및 그 장치, 그리고 열간 단조 부품의 제조 방법{METHOD OF COOLING HOT FORGED PART, APPARATUS THEREFOR, AND PROCESS FOR PRODUCING HOT FORGED PART}

본 발명은, 강 (鋼) 을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속 조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품이나 크랭크 샤프트 등의 엔진 부품으로 대표되는 기계 구조용 부품을 전형예로 하는 단조품의, 부분 열 처리에 바람직한 열간 단조 부품의 냉각 방법 및 장치, 나아가서는, 열간 단조 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

기계 구조용 강은 통상적으로 열간 단조, 아열간 단조 혹은 온간 단조에 의해 소정의 형상으로 성형된 후, 절삭 가공에 의한 마무리 가공을 실시하여 제조하는 것이 일반적이다. 이러한 부품의 제조 공정으로서, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 단조 생산 공정의 대표적인 프로세스, 즉, 재료를 절단, 그리고 가열 후, 단조 공정에 의해 성형하고, 필요에 따라 열 처리를 실시하는 프로세스가 개시되어 있다.

그런데, 최근, 상기 용도의 제품에 대해, 그 적용처인 상기 부품의 경량화를 기대한 소형화나, 박육화의 실현을 위해서, 피로 강도를 높이는 것이 희구되고 있다. 이 점, 특허문헌 1 에는, 열간 단조 후에 부품 전체를 담금질, 추가로 뜨 임 처리에 의해 매트릭스를 석출 강화하는 고피로 강도 열간 단조 부품의 제조 방법이 개시되어 있다.

또, 특허문헌 2 에는, 열간 단조 후에 단조품 전체의 냉각 속도 불균일을 없애어, 전체 냉각 속도를 제어하는 냉각 장치가 개시되어 있다.

그러나, 특허문헌 1 에 기재된 방법에서는, 열간 단조 후에 부품 그 자체를 직접 냉각시키기 때문에, 부품 전체의 강도가 상승하여, 피로 강도가 요구되지 않는 부위에 대해서도 불필요하게 고강도화되게 된다. 소재의 강도와 가공성은 상반되기 때문에, 피로 특성이 문제가 되지 않는 부위에 대해서도 고강도화되어, 가공성이 희생되게 된다. 즉, 상기 용도의 기계 구조 부품은, 열간 단조에 의해 개략의 제품 형상을 부여한 후, 이 열간 단조 부품의 표층을, 통상적으로는 전면적으로 절삭하는 마무리 가공을 실시하여 제조된다. 따라서, 이 종류의 기계 구조 부품의 제조에 있어서, 절삭 가공과 표면 연삭이 불가결한 바, 부품 전체의 경도가 높아지면, 필연적으로 피삭성의 저하가 큰 문제가 된다.

또, 이 방법을 실현하는 제조 설비로는, 석출 강화 처리를 위해서 별도 뜨임 처리를 실시하기 위한 가열 설비가 필요하게 되므로, 에너지 절약의 관점에서도 바람직하지 않다.

다음으로, 특허문헌 2 에 기재된 기술도 마찬가지로, 워크 전체의 냉각 속도를 제어하기 위해, 절삭성의 저하가 큰 문제가 된다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공보 제3100492호

특허문헌 2 : 일본 특허 공보 제2936198호

상기의 사정을 감안하여, 단조품의 경량화나 컴팩트화에 의한 발생 응력의 증대로부터 요구되는 피로 강도를, 종래법에 의해 얻어진 단조품에 비교하여 높임과 함께, 피로 강도가 필요시되지 않는 부분은 물론, 그 이외의 부분에 대해서도 열간 단조 후에 절삭 가공이 실시되었을 때의 피삭성 (被削性) 이 양호하여 용이하게 마무리 가공을 실시할 수 있는, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조 부품의 제공을 기대했을 때, 상기한 특허문헌 1 또는 2 에 기재된 설비에서는, 그 실현이 곤란하였다.

특히, 자동차의 허브로 대표되는, 플랜지를 갖는 축 부품에 있어서는, 그 사용 상태에 있어서 반복되는 부하는, 플랜지의 밑동부, 즉, 플랜지와 축부의 경계 영역에 대해 가장 커지기 때문에, 피로 강도를 이 경계 영역에서도 높이는 것이 가장 유효해진다. 한편, 이와 같은 부품에 있어서도, 열간, 아열간 혹은 온간 단조에 의해 부품 형상으로 조 (粗) 성형된 후에는, 절삭 등의 냉간 가공이 실시되어 최종 제품이 되므로, 열간 단조 후에는 냉간 가공성이 요구된다. 당연히 플랜지부에 대해서도 냉간 가공이 실시된다. 피로 강도가 그다지 요구되지 않는 플랜지부에 대해서는, 오히려 고강도화보다 냉간 가공성을 높이는 편이 유익이다. 특히, 상기 서술한 자동차의 허브에서는, 부품의 거의 전체면이 선삭 가공되는 것이 통상적이고, 특히 플랜지부에 대해 볼트 구멍의 천공이 절삭에 의해 실시되기 때문에, 플랜지부의 냉간 가공성을 향상시키는 것이 절삭 날의 고수명화 관점에서 특히 유효해진다.

그래서, 본 발명의 목적은, 강 소재를 열간 단조에 의해, 플랜지부를 갖는 축 부품으로 제조할 때에 사용되고, 플랜지부와 축부의 경계부의 피로 강도를 향상시킬 수 있고, 또한 플랜지부에 대해서는 양호한 냉간 가공성을 부여할 수 있는 열간 단조 부품의 냉각 방법 및 그 장치, 나아가서는 열간 단조 부품의 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다.

발명자들은, 플랜지부를 갖는 축 부품을 열간 단조에 의해 제조할 때에, 플랜지부와 축부를 갖는 형상으로 성형한 후에, 플랜지부와 축부의 경계부를 국부적으로 냉각시킴으로써, 피로 특성이 우수한 경계부와 냉간 가공성이 우수한 플랜지부를 갖는 열간 단조 부품이 얻어진다는 지견 (知見) 을 얻었다. 예를 들어, 플랜지부와 축부의 경계부를 국부적으로 냉각시켜 담금질하면, 담금질 후에는 플랜지부 등의 비국부 냉각 영역으로부터의 복열에 의해 자기 뜨임 작용이 발생하여, 피로 강도가 우수한 경계부와, 냉간 가공성이 우수한 플랜지부가 얻어진다.

또, 플랜지부와 축부를 갖는 형상으로 조 성형한 후, 플랜지부와 축부의 경계부를 국부적으로 냉각시켜, 경계부의 온도를 플랜지부보다 저온화하고, 추가로 단조를 실시함으로써, 경계부의 강 조직이 그 외의 부분의 강 조직보다 미세화되어 고강도화되는 결과, 피로 강도가 우수한 경계부와 냉간 가공성이 우수한 플랜지부를 얻을 수도 있다.

여기에서, 상기의 경계부를 냉각할 때에, 플랜지부에 대해서는 고온인 채로 유지한 상태로 하는 것이, 플랜지부의 냉간 가공성을 유지하기 위해서는 중요해진다. 그리고, 플랜지부를 고온인 채로 유지한 상태에서, 경계부를 효율적으로 냉각하는 방법으로서, 축부를 그 축 방향이 상하 방향이 되도록 유지하고, 플랜지부의 하측으로부터 경계부에 대해 냉매를 분사하도록 하면, 냉매는 경계부에 닿은 후에 하측으로 흘러, 플랜지부로 냉매가 흘러 떨어지지 않게 되는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 요지 구성은, 이하에 나타내는 바와 같다.

(1) 플랜지부 및 축부를 갖는 열간 단조 부품을 냉각할 때에, 당해 열간 단조 부품의 열간 단조 중 혹은 열간 단조 후에, 상기 축부의 축 방향을 상하 방향으로 하여 열간 단조 부품을 지지하고, 상기 플랜지부의 하측으로부터 플랜지부와 축부의 경계부에 대해, 국부적으로 냉매를 분사하는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 방법.

(2) 플랜지부 및 축부를 갖는 열간 단조 부품을 냉각시키는 장치로서, 그 열간 단조 부품의 축부를 상하 방향으로 하여 지지하는 지지부와, 그 지지부에 의해 지지된 열간 단조 부품의 상기 플랜지부의 하측에 배치되고, 그 플랜지부와 축부의 경계부에 대해 냉매를 분사하는 냉각 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.

(3) 상기 냉각 노즐은, 열간 단조 부품의 둘레 방향의 복수 지점으로부터 상기 분사가 가능한 것을 특징으로 하는 상기 (2) 에 기재된 열간 단조 부품의 냉각 장치.

(4) 상기 냉각 노즐은, 상기 축부를 중심축으로 하는 고리 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 상기 (3) 에 기재된 열간 단조 부품의 냉각 장치.

(5) 상기 냉각 노즐은, 상기 열간 단조 부품의 축부를 중심축으로 한 고리 형상으로 형성한 슬릿의 1 개 혹은 2 개 이상을, 상기 냉매의 분사구로 하는 것을 특징으로 하는 상기 (2) 에 기재된 열간 단조 부품의 냉각 장치.

(6) 상기 지지부는, 상기 열간 단조 부품을 상기 축부를 중심축으로 하여 회전 지지할 수 있는 것을 특징으로 하는 상기 (2) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 열간 단조 부품의 냉각 장치.

(7) 강 소재에 열간 단조를 실시하여, 플랜지부 및 축부를 갖는 부품으로 성형하고, 그 성형 후의 부품을, 상기 축부의 축 방향을 상하 방향으로 하여 지지하고, 상기 플랜지부의 하측으로부터 플랜지부와 축부의 경계부에 대해 냉매를 분사하여 그 경계부를 국부적으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 제조 방법.

또한, 본 발명에서 말하는 열간 단조란, 800℃ 이상으로 가열하여 단조하는 공정을 의미하는 것이다.

본 발명에 의하면, 열간 단조에 의해, 플랜지부와 축부를 갖는 부품을 제조할 때에, 플랜지부와 축부의 경계부에 대해서는 높은 피로 강도를 가지고, 또한 플랜지부에 대해서는 양호한 냉간 가공성을 갖는 것으로 하는 것이 가능해진다.

도 1 은, 열간 단조 설비의 구성을 나타내는 도면이다.

도 2 의 (a), (b), (c), (d) 는, 열간 단조의 순서를 나타내는 공정도이다.

도 3 은, 본 발명의 냉각 장치의 제 1 실시형태를 나타내는 사시도이다.

도 4 는, 본 발명의 냉각 장치의 제 1 실시형태를 나타내는 평면도이다.

도 5 는, 본 발명의 냉각 장치의 제 1 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 6 은, 본 발명의 냉각 장치의 제 2 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 7a, 도 7b 는, 본 발명의 냉각 장치의 제 3 실시형태를 나타내는 도면이고, 도 7a 는 사시도, 도 7b 는 단면도이다.

도 8 은, 본 발명의 냉각 장치의 제 4 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 9 는, 본 발명의 냉각 장치의 제 5 실시형태를 나타내는 단면도이다.

도 10 은, 본 발명의 냉각 장치의 다른 실시형태를 나타내는 사시도이다.

도 11a, 도 11b 는, 비교예에 의한 냉각 장치를 설명하는 개요도이다.

도면 중의 부호의 의미는 다음과 같다.

1 : 가열로

2 : 강 소재

3 : 반송 라인

4 : 열간 단조기

5 : 냉각 장치

6 : 대좌 (台座)

6a : 대좌의 중공부

6b : 지지면

7 : 냉각 노즐

7a : 냉각수의 분출구

8 : 냉각 노즐

8a : 냉각 노즐의 분출구

9 : 유량계

10 : 유량 조정 밸브

20 : 단조품

22 : 축부

21 : 플랜지부

20a : 플랜지부와 축부의 경계부 (플랜지 밑동부)

20b : 단조품의 중공부

20c : 단조품의 내면측 플랜지 밑동부

A : 단조품의 중심축

D : 냉각수의 분사 방향

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

먼저, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조 부품을 얻기 위해서는, 열간 단조 후의 부분 냉각에 의해, 단조품의 특히 피로 강도가 요구되는 부위에 경화부를 도입하고, 그 이외에는 비경화부로 하는 것, 특히 표면에 있어서의 상기 경화부의 비커스 경도 V₁ 과 상기 비경화부의 비커스 경도 V₂ 가 다음 식을 만족하는 것이 바람직하다.

(V₁-V₂)/V₂

0.1

즉, (V₁-V₂)/V₂ 의 값이 0.1 미만에서는, 경화부의 강도 상승이 적어 충분한 피로 강도의 향상 효과가 얻어지지 않는다. 또한, (V₁-V₂)/V₂ 의 값을 크게 하기 위해서, 열간 단조 후에 부품 전체를 먼저 비경화부로 하고 (담금질을 실시하지 않는다), 그 후에, 피로 강도가 요구되는 부위에 대해서만 고주파 담금질 등을 실시하는 것은 종래 실시되고 있지만, 이 경우에는, 열간 단조 후에 별도 담금질 공정이 필요하게 되므로, 열간 단조 후의 고온인 부품에 대해, 부분 냉각에 의해 담금질을 실시하거나, 열간 단조 공정의 도중 단계에서 부분 냉각을 실시하여 강 조직을 미세화하는 본 발명의 기술은 공정 생략의 관점에서도 유익해진다.

또, 열간 단조 후에 별도 담금질 공정에 의해, 부분 담금질을 실시하는 경우에는, 비경화부에 대한 경화부의 경도 상승률을 나타내는 상기 (V₁-V₂)/V₂ 의 값이 매우 커지지만, 본 발명과 같이 열간 단조 직후, 혹은, 도중 단계에 있어서 부분 냉각에 의해 경화부를 형성시키는 경우에는, (V₁-V₂)/V₂ 의 값은 최대라도 0.8 이하 정도이다. 경화부에 대해서도, 통상적으로 마무리 가공은 실시되기 때문에, 경화부에 대해서도 경도가 지나치게 높지 않은 편이 바람직하고, 이 의미에서도 본 발명의 기술은 유익해진다.

다음으로, (V₁-V₂)/V₂ 가 0.1 ∼ 0.8 이 되는 열간 단조 및, 그 후의 냉각 조건의 일례에 대해 설명한다.

이 종류 부품 제조의 일반에 따라, 강 소재를 가열하고 열간 단조기에 유도하여 열간 단조를 실시하지만, 이렇게 하여 얻어진 단조품에 대해, Ac₃ 점 이상으로부터 Ac₁-150℃ 이하까지 20℃/s 이상의 속도로 냉각시키는 냉각 처리를 부분적으로 실시한다. 즉, 열간 단조 후에 고피로 강도가 요구되는 부위를 Ac₃ 점 이상으로부터 Ac₁-150℃ 이하까지 20℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각시킴으로써, 냉각 중의 페라이트 생성을 억제하고, 조직을 마르텐사이트 및/또는 베이나이트로 하는 것이 가능하다.

여기에서, 열간 단조 후의 부분 냉각을 Ac₃ 점 이상으로부터 Ac₁-150℃ 이하까지의 온도 역에서 실시하는 것은, 냉각 후에 충분한 복열 효과를 얻기 위해서는 Ac₃ 점 이상으로부터의 냉각이 불가결하고, Ac₁-150℃ 이하에서 냉각하는 것은 페라이트의 생성을 억제하기 위해서이다.

그 후, 당해 부품이 보유하는 열량에 기초하는 복열에 의해, 연속적으로 Ac₁ 점을 초과하지 않는 온도 역에서 뜨임시키는 것이 중요하다. 즉, 복열에 의한 뜨임 온도가 Ac₁ 점을 초과하면, 부분 담금질에 의해 형성된 조직이 다시 오스테나이트가 되고, 그 후의 냉각 과정에 있어서 페라이트·펄라이트 조직이 되기 때문이다. 이것을 방지하기 위해서는 Ac₁ 점을 초과하지 않는 온도 역에서 뜨임시키는 것이 중요하다.

이와 같이, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조 부품을 얻기 위해서는, 열간 단조 후의 부분 냉각을 적절히 실시하는 것이 유효하다. 그것을 위한 열간 단조 설비의 예를, 도 1 에 나타내는 바에 따라 상세하게 설명한다.

즉, 도 1 에 있어서, 부호 1 은, 강 소재를 가열하는 가열로이고, 이 가열로 (1) 의 출측으로 연장되는, 가열 후의 강 소재 (2) 의 반송 라인 (3) 상에 열간 단조기 (4) 를 배치하고, 추가로 열간 단조기 (4) 의 출측의 반송 라인 (3) 을 따른 위치에 부분 냉각 장치 (5) 를 설치하여 이루어진다.

가열 후의 강 소재 (2) 는 열간 단조기 (4) 에서, 원하는 형상으로 형 (型) 단조된다. 그리고, 예를 들어 도 2 의 (a), (b), (c), (d) 에 나타내는, 플랜지부 (21) 와 축부 (22) 를 갖는 부품으로 하는 경우에는, 도 2 의 (a) 에 나타내는 강 소재 (2) 를, 열간 단조기 (4) 에서, 도 2 의 (b), (c), (d) 에 나타내는 공정에 따라, 마무리 가공 전의 제품 형상을 갖는 단조품 (20) 으로 성형한다.

이어서, 단조품 (20) 은, 열간 단조기 (4) 의 출측에 설치한 부분 냉각 장치 (5) 에서, 특정 부분에 냉각이 실시된다.

또한, 도 1 에 나타낸 예는, 열간 단조 후에 부분 냉각을 실시하는 경우의 라인 레이아웃이지만, 열간 단조 프로세스 중에서 부분 냉각 장치 (5) 를 사용하여 부분 냉각하는 것도 가능하다.

본 발명은, 도 2 의 (a), (b), (c), (d) 에 나타낸, 플랜지부 (21) 와 축부 (22) 를 갖는 열간 단조 부품 (20) 의 플랜지 밑동부, 즉, 플랜지부 (21) 와 축부 (22) 의 경계부 (20a) 에 대해 냉매, 예를 들어 냉각액을 분사하여 경계부 (20a) 에 국한된 냉각을 실시하기 위한 부분 냉각 장치 (5) 에 적용하여, 특히 바람직한 냉각 방법 그리고 냉각 장치이다.

또한, 도 3, 도 4 및 도 5 는, 본 발명에 관련된 냉각 장치를 설명하는 개략도이고, 도 3 은 냉각 장치의 사시도를, 도 4 는 동 평면도를, 도 5 는 도 4 에 있어서의 B-B' 단면도를 나타내고, 또한 도 5 에서는 단조품 (20) 을 냉각 장치에 장착한 상태를 나타내었다.

이 냉각 장치 (5) 는, 단조품 (20) 을 탑재하는 대좌 (6) 와, 냉각수를 분사하는 냉각 노즐 (7) 을 갖는다. 대좌 (6) 는, 단조품 (20) 의 축부 (22) 하단을 하측으로부터, 축부 (22) 의 중심 축 (A) 의 방향이 상하 방향 (연직 방향) 이 되도록 지지하는 지지부를 담당하고 있다. 또, 냉각 노즐 (7) 은, 관을 고리형으로 형성하고, 고리의 둘레 방향을 따라 복수의 냉각수의 분출구 (7a) 가 배열되어 있다. 즉, 열간 단조 부품 둘레 방향의 복수 지점으로부터 냉각수의 분사가 가능하게 되어 있다. 그리고, 고리의 중심 축은 단조품의 축부 (22) 의 축 (A) 과 일치하도록 구성된다. 또한, 냉각 노즐 (7) 은, 단조품 (20) 을 대좌 (6) 에 탑재한 상태에서, 단조품 (20) 의 플랜지부 (21) 의 하측에 배치되도록 그 위치가 조정되어 있고, 또, 분출구는 냉각수의 분사 방향 (D) 이 플랜지 (21) 의 밑동부, 즉, 플랜지부 (21) 와 축부 (22) 의 경계부 (20a ; 이하, 플랜지의 밑동부 (20a) 라고 한다) 를 향하도록, 천공 방향이 설정되어 있다.

이와 같이, 대좌 (6) 및 냉각 노즐 (7) 을 구성함으로써, 냉각되는 부위를 플랜지 밑동부 (20a) 의 근방 (도면 중 격자상의 헤칭을 실시한 영역) 에 국한할 수 있고, 또, 단조품 (20) 의 경계부 (20a) 에 분사된 냉각수는, 경계부 (20a) 에 접촉한 후에는, 아래 방향으로 흘러 떨어진다. 따라서, 경계부 (20a) 에 접촉한 후에, 플랜지부 (21) 로 돌아 들어가는 냉각수량이 감소되어, 플랜지부가 냉각되는 것을 방지할 수 있다.

또, 지지부를 구성하는 대좌 (6) 는, 단조품 (20) 을 단조품 (20) 의 축 (A) 를 중심으로 하여 회전 지지할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성함으로써, 경계부 (20a) 를 냉각할 때에, 단조품의 둘레 방향에 걸친 냉각의 균일도를 증가시키는 것이 가능해진다. 또한 냉각 노즐 (7) 을 둘레 방향의 복수 지점으로부터 냉각수를 분사하지 않아도, 단조품의 사이즈, 냉각 노즐 (7) 로부터의 냉각수량에 따라서는, 1 지점으로부터의 냉각으로도 플랜지 밑동부의 냉각이 가능해진다. 이에, 도 6 은, 대좌 (6) 가 단조품 (20) 을 회전 지지 가능하게 되어 있는 냉각 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 단조품 (20) 을 탑재하는 대좌 (6) 는, 모터 (13) 에 의해 회전 구동 가능하게 구성되어 있고, 회전 대좌로 되어 있다. 고리형의 냉각 노즐 (7) 에 대해서는, 도 3, 도 4 및 도 5 에 나타낸 바와 동일한 구성이다. 냉각 노즐 (7) 은 냉각수 공급관 (12) 에 접속되어 있고, 냉각수 공급관에는, 냉각수를 공급하기 위한 승압 펌프 (11), 분출량을 제어하기 위한 유량 조정 밸브 (10) 및 유량을 감시하기 위한 유량계 (9) 가 형성되어 있다. 단조품의 플랜지부 (21) 와 축부 (22) 의 경계부 (20a) 에 분사한 냉각수는, 경계부 (20a) 를 냉각시킨 후에는, 파선 화살표에 나타내는 바와 같이, 하방으로 흘러 떨어진다.

또, 도 7a, 도 7b 에 나타내는 바와 같이, 단조품 (20) 의 축부 (22) 에 대해, 축 방향의 플랜지 위치 근방까지 중공부 (20b) 를 형성시키는 단조품인 경우에는, 중공부 (20b) 측으로부터 플랜지부 (21) 의 내면측 밑동부 (20c) 를 냉각시킴으로써, 플랜지부의 밑동부의 냉각 능력을 더욱 향상시키는 것이 가능해진다. 도 7a, 도 7b 는 그 예를 나타내는 것이고, 도 7a 는 사시도를, 도 7b 는 측면에서 본 단면도를 나타낸다.

도 7a, 도 7b 에 나타낸 실시형태는, 도 3 ∼ 5 에 나타낸 실시형태에 대해, 중공부 (20b) 측으로부터 내면측 밑동부 (20c) 에 대해 냉각수를 분사하는 노즐 (8) 을 추가로 형성한 것이다. 대좌 (6) 는, 단조품 (20) 을 지지할 수 있는 면 (지지면 ; 6b) 을 확보하면서, 그 축 주변에는 중공부 (6a) 가 형성되어 있다. 중공부 (6a) 는, 노즐 (8) 이 들어가고, 또한, 노즐 (8) 로부터 분출된 냉각수가 단조품 (20) 의 중공부 (20b) 내에 고이지 않고 흘러 나오기에 충분한 공간을 갖도록 설정된다. 노즐 (8) 은 복수의 냉각수의 분사구 (8a) 가, 축 (A) 을 중심으로 한 원을 따라 배열되도록 형성되어 있다. 분사구 (8a) 로의 냉각수의 공급은, 대좌 (6) 의 중공부 (6a) 를 통해 접속된 냉각수 공급관 (8b) 을 개재하여 실시된다. 분사구 (8a) 는, 냉각수의 분사 방향 (D') 이, 플랜지부의 밑동부 (20a) 의 내면측을 향하도록 되어 있다. 이들 분사구 (8a) 가, 축부의 내면측으로부터 플랜지의 밑동부 (20a) 의 내면 (20c) 을 냉각하는 냉각 노즐 (8) 을 구성하고 있다. 본 실시형태에 있어서는, 플랜지부의 밑동부 (20a) 에 대해, 축부 (20) 의 외면측으로부터는 냉각 노즐 (7) 에 의해, 축부 (20) 의 내면측으로부 터는 냉각 노즐 (8) 에 의해 냉각되기 때문에, 밑동부 (20a) 에 대한 국부적인 냉각 능력이 향상된다.

도 8 은, 도 7a, 도 7b 에 나타낸 실시형태에 있어서, 추가로 대좌 (6) 가 단조품 (20) 을 회전 지지할 수 있도록 한 예를 나타내는 것이다. 즉, 대좌 (6) 는, 회전 중심을 단조품 (20) 의 중심 축 (A) 과 맞추어 회전할 수 있도록 지지되어 있다. 대좌 (6) 는 구동 장치 (도시 생략) 에 의해 회전 구동이 가능하게 되어 있다. 노즐 (8) 의 구성은 도 7a, 도 7b 에 나타낸 노즐 (8) 의 구성과 동일하기 때문에, 설명을 생략한다.

도 8 에 나타낸 실시형태에 있어서는, 플랜지부의 밑동부 (20a) 에 대해, 축부 (20) 의 외면측으로부터는 냉각 노즐 (7) 에 의해, 축부 (20) 의 내면측으로부터는 냉각 노즐 (8) 에 의해 냉각되기 때문에, 밑동부 (20a) 에 대한 국부적인 냉각 능력이 향상되고, 또한, 대좌 (6) 를 회전시킴으로써, 단조품 (20) 을 회전시키면서 냉각을 실시할 수 있기 때문에, 밑동부의 냉각을 둘레 방향에 걸쳐서 균일하게 실시하는 것이 가능해진다.

또한, 도 9 는, 냉각 노즐로서, 슬릿형상의 냉각 노즐 (70) 을 채용한 실시형태를 나타내는 단면도이다. 또한, 냉각 노즐 (70) 이외의 구성은, 도 6 에 나타낸 것과 동일한 구성이기 때문에, 도시 혹은 설명을 생략한다.

노즐 (70) 은, 단조품 (20) 및 대좌 (6) 의 중심 축 (A) 을 축으로 하고, 대좌 (6) 및 대좌 (6) 에 지지시킨 단조품 (20) 을 둘러싸는 형상이 되는 고리형 체 (體 ; 71) 가, 대좌 (6) 에 단조품을 지지시켰을 때에 플랜지부의 하측에 배치된 다. 고리형 체 (71) 에는, 그 내부에 그 고리형 체와 동심의 고리형 냉각 수로 (72) 가 형성되어 있다. 그리고, 고리형 냉각 수로 (72) 로부터 고리형 체 (71) 내면으로 연결되는 고리형 슬릿 (73) 을 형성함으로써, 이 고리형 슬릿 (73) 이 냉각수의 분사구를 형성한다. 고리형 슬릿 (73) 은, 분사한 냉각수가 화살표 D 로 나타내는 바와 같이 단조품 (20) 의 플랜지 밑동부 (20a) 에 해당되는 구성으로 한다.

이와 같이, 냉각 노즐로서 슬릿형상의 노즐을 사용한 경우에는, 분사하는 냉각수 주입 (注入) 도 고리형으로 연속된 것이 되기 때문에, 국부 냉각을 실시할 때의 둘레 방향에 있어서의 냉각의 균일도를 보다 향상시키는 것이 가능해진다.

또한, 도 9 의 예에서는, 고리형 슬릿은 1 개만 형성한 예를 나타냈지만, 슬릿의 개수를 늘려, 냉각 능력을 증가시키거나 냉각 가능 영역에 폭을 갖게 하거나 하는 것도 가능하다.

또한, 플랜지부와 축부의 경계부에 대해 냉각수를 분사하는 노즐의 형상은, 상기 서술한 복수의 구멍 (분사구) 을 고리형으로 배열시킨 것이나, 슬릿형상에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어, 도 10 에 나타내는 바와 같이 복수의 냉각 노즐 (74) 을 플랜지의 하측에 단조품의 축을 동일하게 한 동일 원 고리형으로 배열해도 된다.

또, 상기의 실시형태에 있어서는, 냉각 노즐로부터는 냉매로서 냉각수를 분사한 예를 나타내지만, 냉매는 물에 한정되지 않고, 담금질제 (quenchant) 등을 적절히 배합하여 냉각 능력을 조정한 냉각액을 사용할 수 있다.

실시예 1

표 1 에 나타내는 화학 성분 조성의 강을 진공 핵 융합로에서 용제 (溶製) 하고, 100kg 의 잉곳으로 주조하였다. 이어서, 잉곳을 열간 단조에 의해 65mmφ 의 봉 강으로 한 후에, 도 1 에 나타낸 열간 단조 설비로 유도하였다.

먼저, 이 봉 강을 가열로 (1) 에서 1,200℃ 로 가열 후, 도 2 의 (b), (c), (d) 에 나타낸, 3 단계의 열간 단조를 열간 단조기 (4) 에서 실시하여, 도 2 의 (d) 에 나타내는 플랜지를 갖는 열간 단조 부품 (20) 으로 성형하였다. 열간 단조 부품에 있어서의 플랜지 밑동부에서의 축부의 직경은 80mm 이다. 이 단조품 (20) 을 즉시 냉각 장치에 반입하고, 플랜지 근원부 (플랜지부와 축부의 경계부 ; 20a) 에 대해 국한된 부분 냉각을 유량 25 ℓ/min 의 냉각수를 분출시킴으로써 실시한 후, 방랭하였다. 이 때, 냉각 장치로는, 발명예 1 로서 도 6 에 나타낸 냉각 장치 (5) 를, 발명예 2 로서 도 8 에 나타낸 냉각 장치 (5) 를, 발명예 3 으로서 도 9 에 나타낸 냉각 장치 (5) 를 사용하였다.

또, 비교예 1 로서 도 11a 에 나타내는 바와 같이, 단조품의 축부를 상하로 지지하고, 플랜지의 밑동부를 상측으로부터 냉각하는 경우, 및, 비교예 2 로서 도 11b 에 나타내는 바와 같이, 단조품의 축부를 수평 방향으로 지지하고, 플랜지의 옆측에 배치한 노즐에 의해 플랜지의 밑동부를 냉각하는 경우에 대해서도 실시하였다. 또한, 종래 일반적으로 사용되고 있는 열간 단조·공냉 프로세스 (종래예 1), 및 열간 단조·전체 담금질 뜨임 프로세스 (종래예 2) 에 의해서도 단조품을 제작하였다. 열간 단조·전체 담금질 뜨임 프로세스 (종래예 2) 에서는, 전체 담금질 후, 뜨임 온도 600℃×1h 의 뜨임 처리를 실시하였다. 열간 단조시의 온도 조건, 냉각 조건은 표 2 에 나타낸다.

또한, 냉각 노즐의 형상은, 발명예 1 및 2, 비교예 1 및 2 에 대해서는, 내경 23mm, 외경 27.2mmφ 의 관을 내경 120mm 의 고리 형상으로 형성하고, 구멍 직경 1mmφ 의 구멍 (냉각수의 분사구) 60 개를 고리의 둘레 방향을 따라 등 간격으로 배열시켰다. 분사구와 단조품의 플랜지 밑동부의 거리는 30mm 이다. 발명예 2 에 있어서의 내면측 밑동부 (20c) 를 냉각하기 위한 냉각 노즐 (8) 에 대해서는, 구멍 직경 1mmφ 의 구멍 (냉각수의 분사구) 40 개를, 직경 35mm 의 원 둘레 상에 등 간격으로 배열시켰다. 이 내부 냉각에 대해서도, 냉각수의 유량은 25ℓ/min 로 하였다. 발명예 3 에 대해서는, 슬릿의 폭은 0.5mm 로 하고, 슬릿과 단조품의 플랜지 밑동부의 거리는 30mm 로 하였다.

냉각에 있어서는, 플랜지의 밑동부 (20a) 에 열 전기쌍을 장착하고, 냉각시의 냉각 속도를 측정하였다. 단조품을 회전시키는 경우에는, 로터리 조인트에 접속하여, 회전시에도 온도를 측정할 수 있도록 하였다.

이렇게 하여 얻어진 열간 단조 부품에 대해, 밑동부 및 플랜지부의 조직 관찰, 경도 측정 및 절삭 시험을 이하의 요령에 의해 실시하였다.

먼저, 조직 관찰은, 얻어진 열간 단조 부품의 플랜지 밑동부 (20a) 및 플랜지부 (21) 로부터 조직 관찰용 샘플을 잘라내고, 그의 나이탈 (nital) 부식 조직을 광학 현미경 및 전자 현미경에 의해 관찰하였다.

비커스 경도의 측정은, 플랜지 밑동부 (20a) 및 플랜지부 (21) 로부터 각각 표피 하 1mm 부에 대해 하중 300gf 로 비커스 경도를 측정하였다. 또 플랜지부 (21) 에 대한 플랜지 밑동부의 경도 상승률을 플랜지 밑동부의 비커스 경도 Hv1 과 플랜지부의 비커스 경도 Hv2 로부터,

(Hv1-Hv2)/Hv2×100(%)

의 값을 구함으로써 산출하였다.

절삭 시험에 의한 절삭성은, 플랜지부의 외주를 시삭 (施削) 하여 평가하였다. 즉, 초경공구를 사용하고, 절삭 속도 200m/min, 절삭 깊이 0.25mm 및 이송 0.5mm/rev 로, 윤활제를 분무하여 실시하고, 시삭에 의해 플랜지부 전체를 절삭하는 데 필요로 하는 시간으로 평가하였다. 이 때, 동일한 강 종류·단조 조건에 대해, 종래의 열간 단조·공랭 프로세스품의 절삭에 필요로 한 시간을 t1 로 하고, 각 발명예, 비교예 및 종래예 2 에서 절삭에 필요로 한 시간을 t2 로 하여, t1 에 대한 t2 의 시간의 삭감률 (t2-t1)/t1 로서 평가하였다. 표 2 에, 얻어진 결과에 대해서도 나타내었다.

표 2 에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 냉각 장치를 사용함으로써, 플랜지 밑동부의 부분 냉각이 확실하게 실시된 결과, 냉각부의 조직이 뜨임 마르텐사이트 또는 베이나이트, 혹은 그들의 혼합 조직으로, 플랜지부의 조직이 페라이트-펄라이트, 혹은 베이나이트 조직으로 이루어지고, 양자의 경도비가 1.36 ∼ 1.45 인 단조품이 얻어졌다. 또, 플랜지부의 절삭성의 평가 결과는 종래 프로세스의 1.2 배 이하이고, 종래의 전면 담금질을 실시한 단조품의 약 1/3 이하였다.

이것에 대해, 비교예에서는, 플랜지 밑동부를 냉각할 때에, 플랜지부에 냉각수가 흘러들어간 것에서 기인하여, 플랜지부의 경도에 대해서도 상승이 확인되어, 발명예와 비교하여 절삭성의 평가 결과가 열등하였다.

Claims

플랜지부 및 축부를 갖는 열간 단조 부품을 냉각할 때에 있어서, 당해 열간 단조 부품의 열간 단조 중 혹은 열간 단조 후에, 상기 축부의 축 방향을 상하 방향으로 하여 열간 단조 부품을 지지하고, 플랜지부를 고온인 채로 유지한 상태에서, 상기 플랜지부의 하측으로부터 플랜지부와 축부의 경계부에 대해, 국부적으로 냉매를 분사하여 복열 가능하게 냉각하는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 방법.
플랜지부 및 축부를 갖는 열간 단조 부품을 냉각시키는 장치로서, 그 열간 단조 부품의 축부를 상하 방향으로 하여 지지하는 지지부와, 그 지지부에 의해 지지된 열간 단조 부품의 상기 플랜지부의 하측에 배치되고, 플랜지부를 고온인 채로 유지한 상태에서, 그 플랜지부와 축부의 경계부에 대해 냉매를 분사하여 복열 가능하게 냉각하는 냉각 노즐을 갖는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 냉각 노즐은, 열간 단조 부품의 둘레 방향의 복수 지점으로부터 상기 분사가 가능한 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.
제 3 항에 있어서, 상기 냉각 노즐은, 상기 축부를 중심축으로 하는 고리 형상으로 배열되는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 냉각 노즐은, 상기 열간 단조 부품의 축부를 중심축으로 한 고리 형상으로 형성한 슬릿의 1 개 혹은 2 개 이상을, 상기 냉매의 분사구로 하는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.
제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부는, 상기 열간 단조 부품을 상기 축부를 중심축으로 하여 회전 지지할 수 있는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 냉각 장치.
강 소재에 열간 단조를 실시하여, 플랜지부 및 축부를 갖는 부품으로 성형하고, 그 성형 후의 부품을, 상기 축부의 축 방향을 상하 방향으로 하여 지지하고, 플랜지부를 고온인 채로 유지한 상태에서, 상기 플랜지부의 하측으로부터 플랜지부와 축부의 경계부에 대해 냉매를 분사하여 그 경계부를 국부적으로 또한 복열 가능하게 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열간 단조 부품의 제조 방법.