KR101413973B1 - 황동도금 스프링용 강선 - Google Patents

Abstract

본 발명은 황동도금된 스프링용 강선에 관한 것으로, 건식 신선된 선경이 0.5∼3.0mm이고, 그 표면에 구리 함유량이 55∼70%이고 아연 함유량이 30∼45%인 황동도금층이 0.2∼2.0㎛ 두께로 피복되며, 황동도금층의 경도가 100~400Hv인 스프링용 강선으로, 스프링의 외관이 미려하고, 스프링의 성형성이 우수하며, 스프링 성형 후 템퍼링 열처리에 의해 내식성이 향상되는 특징을 가진 것이다.

Description

황동도금 스프링용 강선{BRASS COATED STEEL WIRE FOR SPRING}

본 발명은 침대 매트 스프링 등의 각종 스프링으로 사용되는 황동도금된 스프링용 강선에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고탄소강 선재에 대하여 열처리를 포함한 다단계 신선공정을 거쳐서 소정 직경이 구비된 스프링용 강선을 제조하는 공정에 있어서 신선 도중에 강선의 표면에 황동 도금층을 형성한 후에 최종 신선을 행하여 최적의 도금층 경도를 확보하여, 외관이 미려하고, 스프링 성형성이 우수하면서도 내식성이 뛰어난 황동도금 스프링용 강선에 관한 것이다.

일반적으로 스프링용 강으로는 중·고 탄소강이 주로 사용되며, 제조공정에 따라 대형물을 파텐팅 열처리를 실시하는 공정과 산세 피막처리하여 소형물로 높은 냉간가공을 행하는 신선 공정으로 나뉘어진다.

상기 가공 스프링은 열처리 공정을 통해서 미세조직을 보유하게 되며, 후속되는 다단계 냉간 신선가공을 거치면서 스프링용 소재로서 적합한 인장강도와 탄성한을 갖는 선재로 된다.

즉, 종래의 가공 스프링은, 먼저 스프링용 선재에 대한 산세 및 피막 처리 단계에 이은 신선 및 파텐팅(patenting)을 2,3 차례 행하여 얻어진 최종 신선 선에 방청 및 포장을 행하여 스프링용 강선을 얻고, 이렇게 해서 얻어진 스프링용 강선에 대하여 스프링 성형 작업을 수행함으로써 얻어지게 된다.

상기 스프링의 표면에 잔류하는 피막층은 스프링 성형작업시 윤활제 역할을 하게 되는데, 냉간가공량의 증가하게 되면 피막층의 파괴가 일어나서 기계와의 마찰력이 감소되지 않아 스프링 성형성이 좋지 못하게 되기에 보조적으로 윤활 방청제의 추가적인 도포가 행해지고 있으나, 그 효과는 기대치에 미치지 못하고 있는 실정이다.

한편, 최근에는 스프링의 외관 품질 개선과 내식성 향상을 위한 차원에서 스프링 성형 공정 후 최종 공정에서 도금을 실시하는 기술이 알려지고 있다. 그러나 이 경우에는 스프링 성형 작업중에 성형 툴(기계)과 강선 표면 사이의 직접적인 마찰로 인해서 스프링 성형 툴의 손상이 초래될 수 있고, 도금 과정을 거치면서 강선의 취성 위험이 증대됨과 아울러 내식성과 외관 품질 개선 효과도 만족스럽지 못하여 이에 대한 개선이 요망되고 있다.

본 발명은 종래의 스프링용 강선에서 지적되고 있는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소재 강선의 열처리에 이은 다단계의 냉간 신선 후 스프링 성형 공정 전에 구리의 함량이 특정범위로 제한된 황동 도금층을 강선의 표면에 형성시킨후 최종 신선을 실시하여 이후의 스프링 성형공정에서 황동도금층이 윤활 역할을 하도록 하여 성형성의 개선과 함께 스프링 성형 후의 도금 공정이 생략될 수 있도록 한 황동도금 스프링용 강선을 제공하는데 발명의 목적을 두고 있다.

삭제

삭제

본 발명의 상기 목적은, 건식 신선된 선경이 0.5∼3.0㎜이고, 그 표면에 구리 함유량이 55∼70%이고 아연 함유량이 30∼45%인 황동도금층이 0.2∼2.0㎛ 두께로 피복되며, 도금층의 경도가 100~400Hv를 가진 강선으로 미려한 외관특성과 우수한 스프링 성형 특성 및 스프링 성형 후 내식성이 향상되는 특성을 가진 황동도금 스프링용 강선이 달성된다.

상기 본 발명의 스프링용 강선의 표면에 형성된 황동도금층은 구리 함유량이 55∼70%이고 아연 함유량이 30∼45%으로 제한되는바, 만일 구리 함유량이 55% 미만이거나 아연 함유량이 45%를 초과하게 되면 황동층 조직이 가공성이 좋지 않은 β상의 합금으로 되어 신선성의 저하가 초래되고 아연 함유량이 높아서 색상이 미려하지 못하게 된다.

반대로 구리 함유량이 70%를 초과하거나 아연 함유량이 30% 미만으로 되면, 구리 함유량이 높아 변색의 우려가 있고 도금 작업시 작업성이 불리하게 된다.

그리고, 본 발명의 스프링용 강선에 피복되는 황동도금층의 두께는 0.2∼2.0㎛ 가 바람직한바, 도금층의 두께가 0.2㎛ 미만으로 되면 신선 도중에 미소한 다이스 결함이 발생되더라도 표면 발청 및 변색이 발생하게 되어 제품에 악영향을 미칠 수 있으며, 또한 스프링 성형시 마찰로 인한 도금층 훼손으로 소지 금속이 노출되어 내식성을 악화시킬 우려가 있다.

반대로 도금층의 두께가 2.0㎛를 초과하는 경우에는 도금층의 피막 두께 증가에 따른 내식성의 증가효과는 증대됨이 없이 두터운 도금층 형성을 위한 제조비용의 증가만이 초래될 뿐이고, 또한 소지 금속 주변과 표층부 간의 Cu-Zn 성분 차이가 과도하게 발생하여 색상이 불균일하며 표면 산화층 제거가 쉽지 않아 신선성에 악영향을 미치므로 상기의 상한 두께치 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

그리고, 본 발명의 스프링용 강선에 피복되는 황동도금층의 경도는 100~400Hv가 바람직한바, 황동도금층의 경도가 100Hv 미만으로 되면 스프링 성형 시 황동도금층이 성형 툴(tool)과의 마찰로 인해 스프링 강선 표면에 툴 마크(tool mark)가 발생될 수 있고 황동도금층의 윤활성이 과도하여 스프링 성형시 강선이 성형 툴(tool)을 이탈하는 등 스프링 강선의 품질을 저하시킬 우려가 있다. 반대로 황동도금층의 경도가 400Hv를 초과하는 경우에는 도금층의 연성이 떨어져 스프링 성형 시 윤활 역할이 부족함으로써 강선의 도금층 깎임 현상이 발생하여 스프링 강선의 품질을 저하시킬 우려가 있다.

본 발명의 황동도금 스프링용 강선의 제조 공정은, 소재 강선을 선경 2.0∼4.0㎜로 신선하는 1차 건식신선 단계와, 1차 건식신선된 강선의 열처리에 이어 선경 1.5∼3.5㎜로 2차 건식신선하는 단계와, 강선의 표면에 구리 함유량이 55∼70%이고 아연 함유량이 30∼45%인 황동도금층을 2.0∼4.0㎛ 두께로 형성하는 단계와, 최종 선경이 0.5∼3.0㎜이고 황동도금층의 두께가 0.2∼2.0㎛가 되도록 하는 3차 신선단계로 이루어진다.

본 발명의 황동도금 스프링용 강선의 제조에 사용되는 소재 강선의 화학조성은, 질량%로, C 0.50∼1,0%, Si 0.05∼0.50%, Mn 0.1∼1,5%, P 0.05% 이하, S 0.05% 이하이며, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것이 바람직하다. 그리고 상기 소재 강선의 미세조직 특성으로서 신선 가공 펄라이트를 99% 이상의 면적률을 함유한 조직이 바람직하고, 인장강도는 1500∼3000MPa 범위가 유리하며, 그립간격이 직경*100, 인장강도*0.5%의 장력을 부여한 비틀림 시험에서의 비틀림 횟수가 30회 이상이면서 딜라미네이션이 없는 특성을 갖는 강선이 적합하다.

본 발명의 상기 스프링용 강선 제조방법에서 3차 신선공급선의 황동도금층 두께는 4.0㎛ 이하가 유지되도록 하고 3차 신선선의 황동도금층 두께가 2.0㎛ 이하로 유지되도록 하여야 하는바, 그 이유는 3차 신선 공급선의 도금층 두께가 4.0㎛를 초과한 경우, 불균일한 도금층으로 형성될 가능성이 높고 도금 시간도 길어져서 비용의 증가가 불가피하므로 상기의 신선공급선 도금층 두께 상한으로 제한한 것이다.

본 발명의 황동도금 스프링용 강선은 스프링 제품에서 요구되는 물리적, 화학적 품질특성 요건을 만족한 가운데 그 강선의 표면층을 이루고 있는 황동도금층으로 인해서 황동 특유의 미려한 외관 품질특성을 발휘하게 된다.

그리고, 본 발명의 황동도금 스프링용 강선은 스프링 성형 공정의 전 단계에서 황동도금층의 피복이 이루어지고 마지막 신선을 행하므로써 기존의 스프링 성형 후에 도금층을 형성하던 방식에 비해서 작업성의 개선이 이루어짐은 물론 황동도금층의 존재하에 행해지는 스프링 성형시 최적의 경도를 가진 황동도금층의 윤활작용으로 스프링 성형성이 향상된다.

이에 더하여, 본 발명의 황동도금 스프링 강선은 스프링 성형이 완료된 후에 템퍼링 열처리를 실시하는데 스프링 고유 특성과 더불어 내식성이 향상된 스프링을 제공할 수 있기에, 침대 매트용 스프링을 비롯한 산업 전반의 각종 스프링에 유용하게 적용될 수 있다.

본 발명 황동도금 스프링용 강선의 특징적인 기술적 구성과 구체적인 제조 공정은 다음의 실시예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 스프링용 소재 강선으로서, 5.5mm 선경을 갖는 질량%로, C 0.50∼1,0%, Si 0.05∼0.50%, Mn 0.1∼1,5%, P 0.05% 이하, S 0.05% 이하이며, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 화학조성 범위 내의 강선을 마련하였다.

상기 소재 강선을 건식 연속 신선기로 통과시켜 1차 냉간 신선이 이루어지도록 하였다. 1차 냉간 신선된 선경이 2.0∼4.0mm 로 감소된 강선은 권취기상에 권취되도록 하였다. 다음 권취기로부터 1차 신선된 강선을 가열로와 납 냉각조로 통과시켜 열처리가 이루어지도록 한 후, 이어서 염산조, 산세조, 수세조, 본데라이트조, 보락스조 및 건조로를 순차적으로 통과시킨 후 권취기에서 권취되도록 하였다.

후속 공정으로서, 상기 열처리된 강선을 다수 대의 신선 다이스가 배열된 건식 신선기로 공급하여 선경이 1.5∼3.5mm로 감소되도록 하여 권취기에 권취시켰다.

다음은 도금 공정으로서, 상기 권취된 와이어가 염산조, 산세조, 수세조를 차례로 거치면서 전처리되도록 한 후, 황동 전기도금 욕조를 거치도록 하여 두께 4㎛이하의 황동도금층이 형성되도록 한 후 수세조 및 건조로를 순차적으로 통과시킨 후 권취가 이루어지도록 하였다.

이어서, 상기 황동도금된 강선을 다수 대의 신선 다이스가 배열된 신선기를 통과시켜 최종 선경이 0.5∼3.0mm 이고, 도금층의 두께가 0.2∼2.0㎛ 이며, 인장강도가 1500∼3000Mpa인 스프링용 강선을 제조하였다.

상기와 같은 제조공정을 통해서 강선을 제작하여, 아래의 [표 1]과 같이 황동도금층을 구성하는 구리와 아연의 함유량을 변화시켜 가면서 1.3㎛ 두께의 도금층이 형성되도록 하여 얻어진 강선 시편들에 대하여 템퍼링 열처리 후의 변색여부와 색상을 관찰하였다.

구분		비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	비교예2	비교예3
시험 조건	Cu(%)	50	55	60	65	70	75	80
	Zn(%)	50	45	40	35	30	25	20
	도금층 두께	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛
시험 결과	변색	무	무	무	무	무	유	유
	색상	나쁨	좋음	좋음	아주좋음	아주좋음	나쁨	나쁨

황동도금 조성별 시편의 색상과 변색 시험 결과

상기 시편들의 선경은 공히 2mm이었으며, 본 발명의 템퍼링 온도범위인 250∼350℃에서 10분간 열처리 한 후의 변색여부와 색상을 관찰하였다.

위의 [표 1]에서와 같이, 본 발명의 황동도금층 조성범위를 유지한 실시예 시편들(실시예1 내지 실시예4)은 템퍼링 열처리 후에도 변색이 없음은 물론 색상도 양호한 상태를 유지하였음을 알 수 있다. 그러나, 본 발명의 황동도금층 조성범위를 벗어난 비교예 시편(비교예1)은 열처리 후 변색은 나타나지 않았으나, 색상이 좋지 않았으며, 구리 함유량이 과다한 또 다른 비교예 시편들(비교예2,3)은 열처리 후 변색이 일어남과 아울러 색상도 떨어짐이 관찰되었다.

다음, 황동도금층의 두께 변화에 따른 표면 품질특성을 관찰하였던바, 그 시험결과는 아래의 [표 2]와 같다.

구분		비교예4	실시예5	실시예6	실시예7	실시예8	실시예9	비교예5	비교예6
시험 조건	도금층 두께	0.1㎛	0.2㎛	0.5㎛	1.0㎛	1.5㎛	2.0㎛	2.5㎛	3.0㎛
	Cu(%)	60	60	60	60	60	60	60	60
	Zn(%)	40	40	40	40	40	40	40	40
시험 결과	표면손상	유	유	무	무	무	무	유	유
	내식성	나쁨	좋음	좋음	아주좋음	아주좋음	좋음	나쁨	나쁨

황동도금층 두께에 따른 표면 품질특성 결과

상기 시편들의 도금층 성분은 Cu 60%, Zn 40%로 동일하게 적용하였고, 선경은 공히 2mm이었으며, 본 발명의 템퍼링 온도범위인 250∼350℃에서 10분간 열처리 한 후 표면의 손상 여부를 평가하고, 염수분무시험을 통해서 내식성을 평가하였다.

위의 [표 2]에서와 같이, 본 발명의 황동도금층 두께 범위를 유지한 실시예 시편들(실시예5 내지 실시예9)은 템퍼링 열처리 후에도 표면 손상이 없음은 물론 내식성도 우수하게 나타났다. 그러나, 본 발명의 황동도금층 두께 범위를 벗어난 비교예 시편들(비교예4 내지 비교예6)은 열처리 후 표면 손상이 일어났음음 물론 내식성도 떨어지는 것으로 관찰되었다.

다음, 황동도금층의 경도 변화에 따른 스프링 성형성을 관찰하였던바, 그 시험결과는 아래의 [표 3]와 같다.

구분		비교예7	비교예8	실시예10	실시예11	실시예12	실시예13	비교예9	비교예10
시험 조건	도금층 두께	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛
	Cu(%)	60	60	60	60	60	60	60	60
	Zn(%)	40	40	40	40	40	40	40	40
	도금층 경도	50	75	100	200	300	400	450	500
시험 결과	표면손상	유	유	무	무	무	무	유	유
	성형성	나쁨	좋음	좋음	아주좋음	아주좋음	좋음	나쁨	나쁨

황동도금층 경도에 따른 스프링 성형성 결과

상기 시편들의 도금층 성분은 Cu 60%, Zn 40%로 동일하게 적용하였고, 선경은 공히 2mm이었으며, 도금층의 두께는 1.3㎛로 형성되도록 하여 얻어진 강선 시편들에 대하여 스프링 성형을 실시하여 도금층 경도에 따른 스프링 성형성 결과를 확인하였다.

위의 [표 3]에서와 같이, 본 발명의 황동도금층 경도 범위를 유지한 실시예 시편들(실시예10 내지 실시예13)은 스프링 성형 후에도 표면 손상이 없음은 물론 성형성도 우수하게 나타났다. 그러나, 본 발명의 황동도금층 경도 범위를 벗어난 비교예 시편들(비교예7 내지 비교예10)은 스프링 성형 후 표면 손상이 일어났음음 물론 성형성도 떨어지는 것으로 관찰되었다.

Claims (3)

1. 강선의 화학조성은 질량%로 C 0.50 ∼ 1.0%, Si 0.05 ∼ 0.50%, Mn 0.1 ∼ 1.5%, P 0.05% 이하(0%는 제외), S 0.05% 이하(0%는 제외) 이고 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 다단 건식 신선된 선경이 0.5 ∼ 3.0mm이고, 인장강도는 1500 ∼ 3000MPa 범위 내이며, 그 표면에 구리 함유량이 55 ∼ 70%이고 아연 함유량이 30 ∼ 45%인 황동도금층이 0.2 ∼ 2.0㎛로 피복되고, 황동도금층의 경도는 100 ∼ 400Hv인 것을 특징으로 하는 황동도금 스프링용 강선.
   
2. 삭제
3. 삭제