KR101365730B1 - 강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선 가공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 패스 당 감면율은 기존 신선 공정과 동일하나 구형 단면의 다이스들과 단면 형상이 구형이 아닌 다이스들을 사용하여 강선의 기계적 특성을 향상시킨 신선 가공 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 신선 가공 방법은 단면 형상이 원형이며, 단면적이 다른 복수의 원형 다이스들에 강선을 통과시키는 단계와, 단면 형상이 타원형 또는 다각형인 적어도 하나의 비원형 다이스에 강선을 통과시키는 단계를 포함한다. 본 발명에 따른 신선 가공 방법에 의하면, 종래의 원형 신선 가공용 다이스를 사용할 때와 비교 시, 최종 선경이 동일하더라도, 소재에 보다 많은 소성변형을 부가하여 강도가 향상될 뿐만 아니라, 소재 중심부와 표면부의 변형률 차이도 최소화할 수 있고 이에 따라 소재의 강도 및 비틀림 연성 등의 기계적 특성 향상을 기대할 수 있다.

Description

강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법{WIRE DRAWING PROCESS FOR IMPROVING MECHANICAL PROPERTY OF DRAWN WIRE}

본 발명은 신선 가공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 원형 단면의 다이스들과 단면 형상이 원형이 아닌 다이스들을 함께 사용하여 패스 당 감면율은 기존 신선 공정과 동일하나 강선의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 신선 가공 방법에 관한 것이다.

신선 가공 (Wire drawing)은 선재를, 각 부분 (Bell, Approach, Bearing, Relief)의 각도 (Bell radius, Approach angle, Relief angle)와 길이에 의해 정의되는 다이스 (Dies)에 통과시켜 원하는 치수로 감면시키는 것을 목적으로 한다. 신선 가공을 통해 표면품질을 향상시킬 수 있으며, 최종 제품의 기계적 특성 또한 향상시킬 수 있다.

저탄소강 소재의 신선의 경우 페라이트가 주된 미세조직이므로 소성변형이 소재에 가해질 경우 전위의 집적에 따른 가공 경화와 Hall-Petch 관계식으로 설명되는 결정립 미세화 현상 등의 원인에 의하여 소재의 강도향상이 발생한다. 또한, 고탄소강 소재의 경우는 주된 미세조직이 펄라이트이기 때문에 소재에 소성변형이 가해질 경우 펄라이트 콜로니의 재배열과 시멘타이트의 분절, 재분해 및 간극미세화 등의 기구를 통하여 소재의 기계적인 특성이 변화한다.

그러나 필요한 선경이 제한되어 있어 소성변형을 부여하는데 한계가 있으므로, 기존 신선 공정과 동일한 감면율에서도 큰 변형량이 소재에 가해질 수 있는 신선가공용 다이스 및 패스 스케줄이 요구된다.

또한, 원형의 베어링 부분을 가지는 다이스를 사용하는 기존 신선의 경우는 원하는 치수를 얻기 위해 여러 패스를 거침에 따라 소재 중심부와 표면부의 변형차이가 발생한다는 문제가 있었고, 이는 비틀림 시험 시 박리 파괴 (Delamination fracture)가 발생할 수 있는 원인이 될 수 있다.

한국공개특허 제2011-0014340호

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존의 신선공정의 다이스 형상 및 패스 스케줄을 수정 및 개선하여 기계적 특성이 향상된 강선을 제조할 수 있는 새로운 신선 가공 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신선 가공 방법은 단면 형상이 원형이며, 단면적이 다른 복수의 원형 다이스들에 강선을 통과시키는 단계와, 단면 형상이 타원형 또는 다각형인 적어도 하나의 비원형 다이스에 강선을 통과시키는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 신선 가공 방법에 의하면, 소재에 보다 많은 소성변형을 부가하여 소재의 강도가 향상될 뿐만 아니라, 소재 중심부와 표면부의 변형률 차이도 최소화할 수 있어 소재의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 신선 가공 방법은 원형 다이스들과 단면 형상이 타원형 또는 다각형인 비원형 다이스들에 번갈아가며 강선을 통과시켜 강선의 단면적을 줄이는 단계와, 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 원형 다이스들에 단면적이 줄어든 강선을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 비원형 다이스들에 강선을 통과시켜 강선의 단면적을 줄이는 단계와, 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 원형 다이스들에 단면적이 줄어든 강선을 통과시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 신선 가공 방법에 의하면, 종래의 원형 신선 가공용 다이스를 사용할 때와 비교 시, 최종 선경이 동일하더라도, 소재에 보다 많은 소성변형을 부가하여 강도가 향상된다. 또한, 소재 중심부와 표면부의 변형률 차이도 최소화할 수 있고 이에 따라 소재의 강도 및 비틀림 연성 등의 기계적 특성 향상을 기대할 수 있다.

도 1은 본 발명의 유한요소해석에서 사용된 소재의 유동응력을 나타내는 선도이다.
도 2는 실시예 1의 거리 및 패스에 따른 유효변형률을 나타낸다.
도 3은 비교예의 거리 및 패스에 따른 유효변형률을 나타낸다.
도 4는 실시예 1 및 비교예의 패스에 따른 평균 유효변형률을 나타낸다.
도 5는 실시예 1 및 비교예의 짝수패스에서 공칭응력-공칭변형률 선도를 나타낸다.
도 6은 실시예 1 및 비교예의 짝수패스에서 극한인장강도-단면감소율 관계를 나타낸다.
도 7은 실시예 1, 2 및 비교예의 11 패스를 거친 강선의 비틀림 시험결과를 나타낸다.
도 8은 실시예 1, 2 및 비교예의 12 패스를 거친 강선의 비틀림 시험결과를 나타낸다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 새로운 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

본 발명은 강선에 종래의 방법에 비해서 큰 변형량을 부여하기 위해 고안된 것으로, 여러 번의 신선을 거쳐 제조되는 경우에 강선에 적어도 한번 이상 높은 변형량을 부여하기 위한 것이다. 본 발명은 신선 공정에 사용되는 일부 다이스의 베어링부의 관통구멍의 단면이 타원형 또는 다각형이 되도록 형성하여, 강선에 높은 변형력을 부여하고자 하는 것이다.

본 발명에 사용된 타원형 신선 다이스에 관한 내용은 한국 특허출원 제10-2011-0070135호와 제10-2012-0026718호에 개시되어 있다. 상기 특허문헌들에 개시된 일체의 것들은 본 명세서에 합체되고 상기 특허문헌들에 개시된 모든 것이 본 명세서의 일부가 된다.

본 발명에 따른 강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법은 단면 형상이 원형인 원형 다이스들을 통과시키는 단계와, 단면 형상이 타원형 또는 다각형인 비원형 다이스를 통과시키는 단계를 포함한다. 종래에는 단면의 면적이 점점 줄어드는 복수의 원형 다이스들만을 이용하여 신선 가공을 하였으나, 본 발명에서는 강선에 부가되는 변형률을 높이기 위해서 비원형 다이스를 적어도 한번 통과시키는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 홀수 번째 패스에서는 관통구멍의 단면적이 점점 줄어드는 비원형 다이스를 사용하며, 짝수 번째 패스에서는 관통구멍의 단면적이 점점 줄어드는 원형 다이스를 사용할 수 있다. 비원형 다이스를 사용하는 경우에도 신선 전후의 감면율은 원형 다이스를 사용하는 경우와 동일하므로, 타원형 다이스를 사용하는 경우에는 장축의 길이는 종래의 원형의 지름에 비해서 길고, 단축의 길이는 지름에 비해서 짧게 된다.

또한, 패스 스케줄의 초기 단계에서는 비원형 다이스와 원형 다이스를 번갈아 사용하고, 마지막 단계에서는 단면적이 줄어드는 복수의 원형 다이스를 사용할 수 있다.

또한, 패스 스케줄의 초기 단계에서는 단면적이 줄어드는 복수의 비원형 다이스들을 사용하고, 마지막 단계에서는 단면적이 줄어드는 복수의 원형 다이스들을 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다.

[실시예 1]

초기 선경은 13㎜이며, 단면적이 132.73㎟인 0.82중량% 탄소 합금강을 12 패스의 신선 공정을 이용하여 가공하였다. 1 패스 신선 공정은 타원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 1 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 장축 13.5㎜, 단축 10.02㎜이며, 단면적이 106.19㎟ (감면율 20%)인 타원형이 되었다. 2 패스 신선 공정은 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 2 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름 10.40㎜이며, 단면적이 84.95㎟ (감면율 20%)인 원형이 되었다. 상기 방법을 반복하여, 10 패스까지 신선 공정을 진행하였다. 10 패스를 거친 선재의 단면은 지름이 4.26㎜이며, 단면적은 14.25㎟인 원형이다. 그리고 지름이 3.81㎜과 3.41㎜인 원형 다이스를 이용해서 11 패스와 12 패스를 수행하였다.

[실시예 2]

6 패스까지는 실시예 1과 동일하게 진행되었으며, 7 패스부터 12 패스까지는 원형 다이스를 이용하여 수행하였다.

[비교예]

초기 선경은 13㎜인 0.82중량% 탄소 합금강을 종래의 12 패스 신선 공정을 이용하여 가공하였다. 1 패스 신선 공정은 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 1 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름 11.63㎜이며, 단면적이 106.19㎟ (감면율 20%)인 원형이 되었다. 2 패스 신선 공정 역시 종래의 원형 다이스를 이용하여 진행하였다. 2 패스 신선 공정 후 선재의 단면은 지름 10.40㎜이며, 단면적이 84.95㎟ (감면율 20%)인 원형이 되었다. 상기 방법을 반복하여, 12 패스까지 신선 공정을 진행하였다.

실시예들과 비교예에서 각 패스 후 선재의 지름 또는 장단축의 길이는 아래의 표 1과 같다.

이하에서는, 상기 실시예들과 비교예에 의한 선재의 유한요소해석결과 및 비틀림 시험결과를 설명한다.

먼저, 유한요소해석결과를 설명한다. 유한요소해석 프로그램인 CAMPform3D를 이용하여, 초기 선경이 13㎜인 0.82중량% 탄소 합금강을 전술한 바와 같은 실시예 1과 비교예의 패스 스케줄 조건으로 신선 가공할 때의 패스 별 변형량에 대한 해석을 수행하였다. 이때 사용된 소재의 유동 응력 선도는 도 1에 도시된 바와 같으며, 일정전단마찰모델에서 사용된 전단마찰상수는 0.1, 신선속도는 100㎜/min의 값을 각각 사용하였다.

실시예 1과 비교예의 변형량을 유한요소해석을 이용하여 분석한 결과를 각각 도 2와 3에 나타내었다. 유한요소해석은 실시예 1과 비교예에 대하여 수행하였으며, 실시예 2에 대해서는 유한요소해석을 수행하지 않았다.

도 2와 3에 있어서, 가장 아래에 도시된 그래프는 1 패스 후를 나타내며, 가장 위에 도시된 그래프는 10 패스 후를 나타낸다. 도 2의 거리는 홀수 패스의 경우에는 장축 한쪽 끝점에서부터의 거리를 나타내고, 짝수 패스의 경우에는 선재의 단면 둘레 위의 한 점에서부터의 거리를 나타낸다. 도 3의 거리는 선재의 단면 둘레 위의 한 점에서부터의 거리를 나타낸다.

도 2와 3에서 알 수 있듯이, 비교예에 비해 실시예 1의 신선이 그 중심부와 표층부에서 모두 높은 유효변형률 분포를 보이며, 비교예의 경우에는 표면과 중심부의 유효 변형률 차이가 패스 수가 증가할수록 커지는 경향을 보인다. 실시예 1의 경우에는 표면과 중심부의 유효변형률 차이가 비교예에 비해서 작다. 즉, 실시예 1의 경우 좀 더 균일한 분포를 보인다. 이는 소재 중심부와 표층부에 균일한 변형량을 부여할 수 있다는 것을 의미한다.

도 4는 패스에 따른 평균 유효변형률을 나타낸다. 비교예의 경우에는 10 패스 후 2.58의 평균 유효변형률을 보였지만, 실시예 1의 경우에는 3.12의 평균 유효변형률을 보여 비교예에 비해 약 20% 정도 변형률이 증가하였다. 실시예 1의 경우 8 패스 후 평균 유효변형률이 2.54이므로, 종래의 변형률을 얻기 위해서는 8 패스만 진행하여도 된다는 것을 알 수 있다.

이렇게 유한요소해석을 통하여 실시예 1의 경우가 비교예의 경우보다 소재에 더욱 많은 변형률을 비교적 균일하게 부여할 수 있다는 것을 확인하였다.

이하에서는, 실제 실험을 통하여 실시예 1과 비교예의 경우를 비교하였다. 단면형상 및 치수가 동일한 실시예 1과 비교예의 짝수 패스를 거친 강선에 대해서 인장시험을 수행하였다. 인장시편은 ASTM 규격에 따라 제작되었으며, 만능재료시험기인 INSTRON 5583을 이용하여 표점거리가 25㎜인 신장계 (Extensometer)를 장착하고 1㎜/min의 시험속도로 상온에서 시험을 수행하였다. 인장시험 후 하중-변위 선도를 바탕으로 공칭응력과 공칭변형률을 계산하여 도 5에 도시하였다. 도 5에서 확인할 수 있듯이 동일한 패스에서 실시예 1의 경우가 비교예의 경우보다 극한인장강도 (UTS, Ultimate Tensile Strength)는 높은 것을 확인할 수 있었고 파단시까지의 연신율 (Elongation to fracture)은 거의 유사하거나 많이 감소하지 않음을 확인할 수 있었다. 또한, 극한인장강도와 단면감소율 (RA, Reduction of Area)의 관계를 도 6에 나타내었다. 단면감소율의 경우, 파단된 인장시편에서 최소단면적을 측정하여 초기 단면적에 대비하여 감소된 단면적 감소량을 %단위로 나타낸 것으로 아래의 수학식 1로 표현될 수 있다.

여기서, A_o와 A_f는 인장시편의 초기와 최종 단면적을 각각 나타낸다. 즉, RA 값이 클 경우는 소재의 연성이 좋은 경우이며 고탄소강 등과 같이 파단시까지의 연신율이 10% 미만으로 크지 않거나 지름이 얇아 시편가공이 어려운 강선 등의 연성을 나타내는 지표로 사용된다. 따라서 도 6에서 확인할 수 있듯이 실시예 1의 경우 짝수패스에서 극한인장강도는 비교예와 거의 비슷하거나 비교예보다 약간 낮았지만, 단면감소율의 경우는 동일 패스에서 비교예에 비해 비교적 크게 향상되었음을 확인할 수 있었다.

실시예 1과 비교예에서 사용한 고탄소강 소재의 경우 다단 신선공정을 거친 후에 주로 타이어 등에 보강재로 사용되는 코드재나 현수교나 사장교 혹은 대형 구조물에 사용되는 케이블재로 사용되게 된다. 이때, 최종제품으로 성형이 되기 위해서는 연선 (Stranding)공정을 거치게 된다. 연선 공정에서는 인장시험에서와 같이 일축인장에 의한 응력상태가 아니라 비틀림에 의한 삼축응력 상태가 소재에서 발생하게 되므로 이러한 응력상태에서의 비틀림 특성이 중요하다고 할 수 있다.

따라서 실시예들과 비교예의 비틀림 특성을 평가하기 위해 신선 가공된 강선의 비틀림 시험을 수행하였다. 비틀림 시험은 30 cycles/min의 시험속도로 8 in (=203 ㎜)의 시편을 이용하여 극한인장강도의 1% 수준의 역장력을 부가하고 상온에서 수행하였다. 실시예들과 비교예의 패스 스케줄에 따라서 10 패스, 11 패스, 12 패스가 진행된 강선을 대상으로 비틀림 시험을 진행하였다. 10 패스가 진행된 강선들을 실험한 결과, 실시예들과 비교예에 의한 강선에서 모두 박리 파괴가 발생하지 않았다.

11 패스와 12 패스가 진행된 강선들에 대한 비틀림 시험 결과를 도 7과 8에 나타내었다. 도 7은 실시예 1, 2 및 비교예의 11 패스를 거친 강선의 시험 결과를 나타낸다. 시편의 파단면을 관찰한 결과 세 가지 경우 모두 편평한 파면 (flat fracture, clear cut)이 관찰되어 세 가지 경우 모두 박리가 발생하는 임계 신선가공량에 도달하지 않았음을 확인할 수 있었다.

12 패스가 진행된 강선들에 대한 비틀림 시험을 수행한 결과, 실시예 1의 경우는 박리가 발생하지 않았으며, 비교예와 실시예 2의 경우는 박리가 발생하였다. 그러나 그 파면의 양상은 달랐는데, 비교예의 경우는 전형적인 취성파괴의 모습을 보였고 실시예 2의 경우는 편평하지만 국부적인 터짐이 표면에서 관찰되었다. 따라서 실시예 2의 경우는 비록 박리 파괴가 관찰되었으나, 그 파면의 양상이 비교예와는 다르고 오히려 박리 파괴가 발생하지 않은 실시예 1과 유사함을 확인할 수 있었다. 또한, 파면의 형상뿐만 아니라 비틀림 파괴가 발생할 때까지의 회전수는 실시예 1이 가장 많았고 비교예가 가장 적었음을 확인하였다.

이상의 실험결과에서 동일한 조건에서 기존의 원형신선의 단면형상을 비원형으로 변화시키고 이를 기존의 원형 다이스와 적절한 조합을 통하여 가공할 경우 가공된 소재의 극한인장강도, 단면감소율, 비틀림 특성 등이 향상된 소재를 제조할 수 있다는 것을 알 수 있었다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (5)

1. 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법에 있어서,
   (a) 강선을 원형 관통 구멍이 형성된 원형 다이스들과 타원형 또는 다각형 관통 구멍이 형성된 비원형 다이스들에 번갈아가며 통과시켜, 강선의 단면적이 단계적으로 줄어들도록 하는 단계와,
   (b) 상기 (a) 단계 후 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 원형 다이스들에 강선을 통과시켜 강선의 단면적을 단계적으로 줄이는 단계를 포함하는 강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법.
2. 신선 가공용 다이스를 이용한 신선 가공방법에 있어서,
   (a) 강선을 원형 관통 구멍이 형성된 원형 다이스들과 타원형 또는 다각형 관통 구멍이 형성된 비원형 다이스들에 번갈아가며 통과시켜, 강선의 단면적이 단계적으로 줄어들도록 하는 단계와,
   (c) 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 비원형 다이스들에 강선을 통과시켜 강선의 단면적을 단계적으로 줄이는 단계를 포함하는 강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법.
3. 제2항에 있어서,
   (d) 상기 (a) 및 (c) 단계 후 단면적이 순차적으로 줄어드는 복수의 원형 다이스들에 강선을 통과시켜 강선의 단면적을 단계적으로 줄이는 단계를 더 포함하는 강선의 기계적 특성 향상을 위한 신선 가공 방법.
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