KR101253810B1 - 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선 가공용 다이스에 관한 것으로서, 신선 가공시에 감면율은 동일하면서 높은 변형량을 부여하여, 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 신선 가공용 다이스를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해서 본 발명은 신선 가공용 다이스에 있어서, 상기 신선 가공용 다이스의 내부에 하나 이상의 홈(groove)이 형성되어 있는 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스를 제공한다.

신선(drawing), 다이스(dice), 구상화(spheroidization), 홈(groove)

Description

구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스{DRAWING DICE FOR SHORTENING SPHEROIDZATION HEAT TREATMENT}

본 발명은 신선 가공용 다이스에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 다이스 내부에 홈(groove)를 형성하여 동일한 감면율로 많은 변형을 누적시켜 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 신선 가공용 다이스에 관한 것이다.

선재를 이용하여 만들어지는 제품은 각 특성에 따라서 세분화된 공정을 거치게 된다. 볼트 가공을 위한 냉간압조용 강선(CHQ)재는 신선을 거처 구상화 열처리, 산세/피막, 냉간 단조, QT(Quenching-Tempering)열처리를 거치게 된다. 베이링강의 경우에는 산세/피막, 구상화 열처리, 냉간 압조, QT열처리, 정정의 순서로 가공이 되며, 스프링강은 스케일을 제거하고 구상화 열처리, 산세/피막, 필링(peeling), 코일링, QT열처리를 거쳐 가공된다.

상기 가공 공정을 살펴보면 공통적으로 신선 전후에 구상화 열처리 공정을 행함으로서, 신선 가공(Drawing)과 구상화 열처리 공정이 필수적으로 포함되어 있음을 알 수 있다. 신선 가공(Drawing)은 소재를 도 1과 같이 각도 (approach angle, die angle, relief angle)와 길이(bell, approach, bearing, relief)에 의해 정의되는 원형 다이스에 통과시켜 원하는 치수로 감면시키는 점에 목적이 있다. 상기 신선 용도로 사용되는 소재는 가공경화(strain hardening)를 통해서 최종 제품의 강도를 증가시킬 수 있다.

구상화 열처리는 다른 열처리에 비하여 가장 긴 시간이 소요되며 적정 강도 이하로 연화(softening)시키는 공정이다. 베이링강의 경우 구상화 열처리 시간은 승온 및 냉각 시간을 포함하여 약 25~32시간이 소요된다. 또한 경우에 따라서 적정 구상화율 확보되지 않았을 경우 구상화 열처리 공정이 반복된다. 이와 같이 구상화율이 확보되지 않아 추가적인 열처리를 할 경우 에너지 비용을 증가시켜 최종 제품의 원가가 상승하게 된다.

따라서, 원하는 구상화 조직을 얻기 위해서는 신선 가공시 열처리를 촉진시킬 수 있는 충분한 변형량이 누적되어야 한다. 그러나 제품을 가공하는데 필요한 선경이 제한되어 있으므로 변형을 부여하는데 한계가 있으므로, 기존 신선 공정과 동일한 감면율에서도 큰 변형량이 소재에 발생할 수 있는 신선 가공용 다이스 형상이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 종래 신선 가공용 다이스의 문제점을 해결하고, 동일한 선경으로 감면되더라도 변형량을 증가시켜, 신선 가공후 구상화 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 신선 가공용 다이스를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 신선 가공용 다이스에 있어서, 상기 신선 가공용 다이스의 내부에 하나 이상의 홈(groove)이 형성되어 있는 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스를 제공한다.

본 발명의 신선 가공용 다이스에 의하면, 기존 원형의 신선 가공용 다이스를 사용할 때와 비교할 때, 최종 동일한 선경으로 감면되더라도 소재에 누적되는 변형률 값은 크게 증가시킬 수 있어 후속 열처리 공정, 특히 구상화 열처리 시간을 단축시킬 수 있다. 즉, 구상화의 목적은 냉간 가공을 위한 소재를 연화시키는데 목적이 있으므로 동일한 시간으로 열처리를 하더라도 우수한 구상화 조직을 얻을 수 있다. 최종적으로 열처리에 소요되는 에너지 비용을 감소시켜 제품의 원가를 감소시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 신선 가공시에 선경의 변화는 없지만, 높은 변형량을 부여하기 위해서 고안된 것으로, 여러 번의 신선을 거쳐 제조되는 경우에 한번 이상 높은 변형량을 부여하기 위한 것으로, 다이스 내부에 홈(groove)을 형성하여, 높은 변형력을 부여하고자 하는 것이다.

통상적인 신선 가공용 다이스의 단면 구조에 대하여 도 1에 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 신선 가공용 다이스는 벨(bell, 3)부와 어프로치(approach, 4)부, 베어링(bearing, 5)부 및 릴리프(relief, 6)부를 포함하여 구성되며, 상기 소재가 진입하는 벨 부는 어프로치 각(approach angle, 1)을 이루며, 어프로치 부는 다이 각(die angle, 2)을 이루고 있다.

본 발명의 신선 가공용 다이스는 통상의 신선 가공용 다이스 내부의 어프로치 부 또는 베어링 부에 하나 이상의 홈(groove)을 형성하고, 상기 홈(groove)이 형성된 본 발명의 신선 가공용 다이스는 종래 원형의 다이스와 비교할 때, 홈(groove)형성 전후의 소재의 감면율이 동일하여야 한다. 그 이유는 종래의 원형 다이스와 동일한 감면율로 감면하여야 하기 때문이다.

또한, 상기 홈(groove)은 신선 가공용 다이스의 베어링부에 형성되는 것이 바람직하며, 상기 홈(groove)은 다이스에서 소재가 진행하는 방향과 평행한 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 신선 가공용 다이스가 종래 다이스와 동일한 감면율로 신선되도록 하기 위해서 형성된 홈에 대하여 도 2를 참조하여 상세히 설명한다. 도 2는 4개의 홈(groove)을 갖고 10Φ→9Φ의 감면율을 갖는 본 발명의 신선 가공용 다이스 일예의 평면도이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 종래의 원형 다이스와 동일한 감면율로 감면하기 위해서는 홈(groove)으로 생성되는 면적이 동일해야 한다. 동일한 면적을 갖는 홈(groove) 형상을 만들기 위해서 대칭면을 기준으로 반경(R)과 깊이(d)를 갖는 곡선을 생성한다. 대칭 각도 (θ)는 180/N (N은 홈(groove)수)으로 정의되며 θ/2를 기준으로 점 11, 12, 13을 생성한다.

점 12는 9Φ원 상에 존재하고 11과 13은 각각 깊이 d로 대칭선 상에 존재하게 된다. 점 11과 12, 12와 13을 반경 R인 호로 연결하면 호 11 및 12와 9Φ원이 이루는 면적과 호12 및 13과 9Φ원이 이루는 면적이 같아져서 동일한 감면율을 유지하게 된다. 이때 원호가 만나는 점 12에서는 기울기가 동일해야 하며 이는 부드러운 형상을 생성시켜 소재 표면에 거친 가공면이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.

상기 신선 가공용 다이스 내부에 형성되는 홈(groove)의 깊이(d)는 다이스 입구의 반지름(D₀)에서 다이스 출구의 반지름(D_i)를 뺀 값의 25~50%인 것이 바람직하다. 즉, 상기 d는 (D₀-D_i)/4 ≤ d ≤ (D₀-D_i)/2의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 값이 25% 미만에서는 본 발명에서 의도하고자 하는 정도의 변형량을 부여하지 못하므로, 구상화 열처리 시간의 단축이 이루어지지 않으며, 50%를 초과하면, 홈(groove) 신선을 거친 후 원형 신선을 행할 경우에 홈(groove) 형상이 잔존할 수 있으므로, 별도의 후속의 불필요한 신선을 추가적으로 행하여야 하므로, 그 상한을 50%로 한다.

도 3에는 본 발명 신선 가공용 다이스 예들의 평면도 및 단면도를 나타내었다. 도 3(a)는 4개의 홈(groove)을 갖는 다이스이고, 도 3(b)와 (c)는 각각 8개 및 16개의 홈(groove)을 갖는 다이스를 나타낸 것이다. 다만 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

초기 선경 10㎜인 0.45중량% 탄소 합금강을 2 패스 신선 공정을 이용하여 가 공하였다. 즉, 1 패스 신선 공정은 상기 선경을 갖는 탄소 합금강을 9㎜로 종래의 일반적인 신선을 행한 경우와 본 발명의 다이스를 이용하여 홈(groove) 신선을 행하였고, 2 패스 신선 공정은 1 패스 신선을 거친 각 소재를 원형 다이스를 이용하여 8㎜로 신선을 행하였다. 그리고, 이때의 변형량을 FEM 해석 코드를 이용하여 분석한 결과를 도 4에 나타내었다.

상기 도 4에서, 도 4(a)는 종래의 원형 신선 다이스를 이용하여 신선한 경우(비교예)이고, 도 4(b)는 본 발명의 다이스로서 4개의 홈(groove)를 갖는 신선 가공용 다이스를 이용하여 신선을 행한 경우(발명예 1)이며, 도 4(c)는 8개의 홈(groove)를 갖는 경우(발명예 2)이고, 도 4(d)는 16개의 홈(groove)를 갖는 경우(발명예 3)이다.

상기 도 4의 결과에서 1 패스 신선 후에 비교예와 발명예 1 내지 3에서 그 중심부에서는 모두 비슷한 변형률을 나타내었으나, 표층부에서는 발명예 1 내지 3에서 높은 변형률이 발생한 것을 알 수 있다.

또한, 2 패스 신선 공정을 거친 후에도 발명예 1 내지 3의 표층부에서 2배 정도 높은 변형률을 가지는 것을 확인할 수 있었다.

상기 비교예와 발명예 1 내지 3에 대하여 도 5의 구상화 열처리 온도 이력으로 각각 열처리를 행하였고, 이때 상기 비교예와 발명예 1 내지 3에 대하여 구상화 열처리 하기 전 및 후의 변형률에 따른 인장강도를 측정하고, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 또한, 상기 구상화 열처리 후의 미세조직 사진을 관찰하여 그 사진을 도 7에 나타내었다.

상기 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 신선 가공용 다이스를 이용하여 신선한 발명예 1 내지 3의 경우(b, c, d)에는 종래의 일반 원형 신선 가공용 다이스를 이용하여 신선한 비교예(a)와 비교할 때, 강도의 차이는 없으나, 연신이 증가함을 알 수 있고, 도 7의 사진으로부터, 발명예의 경우(b, c, d)에서는 신선 가공 후 더 조대한 미세조직을 확인할 수 있었다.

이는 발명예 1 내지 3(b, c, d)에서와 같이 보다 많은 변형량이 부여될 경우에, 핵생성의 사이트(site)가 증가하여 새로운 입자(grain)이 많이 생성된다. 또한, 동일한 시간의 구상화 열처리시 비교예(a)와 비교할 때, 입자(grain)의 크기가 커지게 되어, 변형률은 커지고, 강도는 줄어들게 된다. 따라서, 도 6 및 도 7에 나타난 바와 같이, 발명예 1 내지 3(b, c, d)에서는 구상화 열처리시 요구되는 변형량을 신선과정을 통해 얻게되어, 변형률이 상대적으로 크고, 조직 역시 큰 입자(grain)이 생성되는 것을 확인할 수 있으므로, 구상화 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 일반적인 신선 가공용 다이스의 단면도이다.

도 2는 본 발명인 신선 가공용 다이스의 평면도이다.

도 3의 (a), (b) 및 (c)는 각각 4개, 8개 및 16개의 그루브(groove) 형성되어 있는 본 발명의 신선 가공용 다이스의 평면도이다.

도 4는 각각 비교예(a)와 발명예(b, c 및 d)의 원형 다이스 통과 후 변형률을 나타낸 그림이다.

도 5는 시간에 따른 구상화 열처리 온도의 이력을 나타낸 그래프이다.

도 6은 구상화 열처리 전 및 후의 인장강도를 측정한 그래프이다.

도 7은 비교예(a)와 발명예(b, c 및 d)의 구상화 열처리 후 조직을 나타낸 사진이다.

Claims (4)

1. 신선 가공용 다이스에 있어서,

   상기 신선 가공용 다이스의 내부에 하나 이상의 홈(groove)이 형성되어 있고, 상기 홈(groove)의 깊이(d)는 다이스 입구의 반지름(D₀)에서 다이스 출구의 반지름(D_i)를 뺀 값의 25~50%인 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 홈(groove)은 다이스에서 소재가 진행하는 방향과 평행한 방향으로 형성되어 있는 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 홈(groove)는 신선 가공용 다이스 내부의 베어링부에 형성되어 있는 구상화 열처리 단축을 위한 신선 가공용 다이스.
4. 삭제

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