KR101790136B1 - 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금강의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결하기 위한 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구에 관한 것으로, 소정 형상의 합금강 부재; 및 상기 합금강 부재의 양측 단부에 축 방향으로 결합되어 열처리시 합금강 부재의 축 방향과 지름 방향의 치수변형을 최소화하는 치구;를 포함할 수 있다.

Description

합금강 부재의 치수변형 방지용 치구{STOOL FOR PREVENTING DIMENSION CHANGE OF ALLOY STEEL MEMBER}

본 발명은 합금강의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결하기 위한 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구에 관한 것이다.

합금강은 정밀한 소형 기계 부품으로부터 대형 구조물에 이르기까지 다양한 형태의 부품 또는 완성체로, 기계, 자동차, 전자, 건축, 국방 및 우주산업 등 모든 분야에서 가장 기본이 되는 기반 소재이다.

대부분의 합금강은 구조재로서 그 사용 목적에 맞게 기계적 강도와 인성이 요구되며 높은 강도를 얻기 위해 급냉을 통한 미세조직인 마르텐사이트와 베이나이트를 얻는 열처리를 통상적으로 실시한다.

그런데, 합금강은 고온에서 상온으로 온도가 변함에 따라 면심입방 원자 구조의 오스테나이트 상(phase)에서 체심입방 원자 구조의 페라이트 상(phase)으로 상 변태가 발생한다. 이때 원자의 단위 체적이 팽창을 하게 되는데 이는 냉각 중 발생하는 열 수축과 반대의 현상을 보인다.

따라서, 합금강 부재로 만든 부품은 형상이 매우 단순하고 부피 대비 표면적이 넓어서 빠른 냉각 조건에서도 시편의 부위별 온도 편차가 발생하지 않는 극히 예외적인 경우를 제외하고는 고강도의 물성을 얻기 위한 급냉 열처리 중 부위별 온도 편차로 인한 열응력과 상 변태 거동 차이로 인해 잔류 응력의 발생과 치수변형, 그리고 심한 경우 형상변형이나 파손과 같은 상태에 이르게 된다.

상기와 같은 문제는 열처리 대상의 크기가 커지고 형상이 복잡해질수록 대상 내부의 열전달이 불균일할 뿐만 아니라 표면에서 냉매를 통한 열 방출도 균일하지 못하하게 되어 치수 변형을 더욱 심화시킨다.

특히 유동성형과 같이 특정 방향으로 심한 가공을 실시한 경우에는 열처리를 실시해도 가공된 방향으로 철강 소재 부품 내부에 잔류 응력이 존재한다. 이러한 잔류 응력은 열처리 중 상 변태가 발생할 때 원자구조 변화에 의한 부피 변화 외에 응력 상태에 따라 추가적인 체적 변화를 유발한다. 이러한 현상을 변태유기소성(transformation-included plasticity)이라고 하는데, 상기 변태유기소성으로 인한 추가적인 체적의 변화도 열처리 치수변형에 치명적인 악영향을 준다.

본 발명의 목적은 합금강의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결할 수 있는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구는, 소정 형상의 합금강 부재; 및 상기 합금강 부재의 양측 단부에 축 방향으로 결합되어 열처리시 합금강 부재의 축 방향과 지름 방향의 치수변형을 최소화하는 치구;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 합금강 부재는 플로우포밍을 통해 일 방향으로 냉간 가공을 받은 연소관을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 치구는 합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 치구의 형상은 유한요소해석 방법을 통해 합금강 부재의 형상으로 인한 열팽창/수축 효과, 상 변태로 인한 체적변화 효과 및 잔류응력이 원인으로 작용하는 변태유기소성으로 인한 체적변화 효과를 분석하여 결정할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 치구는 소정의 직경과 소정 길이로 축을 따라 형성되는 주 지지대; 상기 주 지지대의 양 단부로부터 수직방향으로 연장되어, 합금강 부재의 양측 단부를 마주하도록 형성된 제1,제2보조 지지대; 및 상기 제1,제2보조 지지대에 형성되어 합금강 부재의 양측 단부와 결합되는 결합 부재;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 결합 부재는 홈 부로 형성되거나 합금강 부재의 파지 또는 끼움이 가능하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 치구는 합금강 부재에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 낮고 열처리 중 상 변태가 발생하지 않는 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구는, 소정 형상의 합금강 부재; 및 상기 합금강 부재의 양측 단부에 결합되어 열처리시 합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하여, 상기 합금강 부재의 축 방향 및 지름 방향의 치수변형을 최소화하는 치구;를 포함하며, 상기 치구는 소정의 직경과 소정 길이로 축을 따라 형성되며, 상기 합금강 부재에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 낮고 상 변태가 발생하지 않고 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따라 상기 합금강 부재는 플로우포밍을 통해 일 방향으로 냉간 가공을 받은 연소관을 포함하고, 상기 치구는 소정의 직경과 소정 길이로 축을 따라 형성되는 주 지지대; 상기 주 지지대의 양 단부로부터 수직방향으로 연장되어, 합금강 부재의 양측 단부를 마주하도록 형성된 제1,제2보조 지지대; 및 상기 제1,제2보조 지지대에 형성되어 합금강 부재의 양측 단부와 결합되는 결합 부재;를 포함할 수 있다.

본 발명은 합금강 부재의 양측 단부에 열처리시 합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하는 치구를 설치하여, 상기 합금강 부재의 축 방향 및 지름 방향의 치수변형을 최소화하고, 합금강 부재를 열처리할 때 합금강 부재의 치수변형이 일어나는 원인과 형상을 고려한 치구를 제작 및 사용함으로써 합금강의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구의 일 실시예.
도 2는 열처리시 치수변형 방지용 치구 사용 전후의 합금강 부재의 반경 변화를 나타낸 도면.
도 3은 열처리시 치수변형 방지용 치구 사용 전후의 합금강 부재의 축 방향 길이 변화를 나타낸 도면.

본 발명은 치구(tool)를 제공하여 합금강 부재의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결하는 방안을 제안한다. 상기 합금강 부재는 연소관을 대상으로 하지만 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구는 합금강 부재를 열처리할 때 축 방향으로의 형상 변화를 구속하고 이를 통해 축 방향과 지름 방향의 치수변형을 최소화할 수 있도록 형성된다. 즉, 열처리로 인한 합금강 부재의 치수 변화는 연소체의 형상으로 인한 열팽창/수축 효과, 상 변태로 인한 체적변화 효과 및 잔류응력이 원인으로 작용하는 변태유기소성으로 인한 추가적인 체적변화의 효과에 의해 좌우된다.

따라서, 본 발명은 합금강 부재의 형상으로 인한 열팽창/수축 효과, 상 변태로 인한 체적변화 효과 및 잔류응력이 원인으로 작용하는 변태유기소성으로 인한 추가적인 체적변화의 효과를 유한요소해석 방법을 통해 종합적으로 분석하여 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구의 형상을 결정할 수 있다.

즉, 해석자는 컴퓨터의 입력장치를 통하여 합금강 부재의 종류 및 형상, 열처리 방법을 입력하고, 컴퓨터는 상술한 합금강 부재의 형상으로 인한 열팽창/수축 효과, 상 변태로 인한 체적변화 효과 및 변태유기소성으로 인한 추가적인 체적변화를 분석하여 합금강 부재에 최적화된 치구의 형상을 결정한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구의 일 실시예이다.

도 1에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구는 치수변형 방지 대상인 합금강 부재(10)와, 상기 합금강 부재(10)의 축 방향으로 양측 단부에 결합 부재(30)를 통해 연결되어, 열처리시 합금강 부재(10)의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하는 치구(20)를 포함한다.

상기 합금강 부재(10)는 연소관일 수 있지만 이에 국한되는 것은 아니다.

상기 치구(20)는 소정의 직경과 합금강 부재(10)의 크기에 대응되는 길이로 회전 축을 따라 형성되는 주 지지대와, 상기 주 지지대의 양 단부로부터 수직방향으로 연장되어 상기 합금강 부재(10)의 양측 단부를 마주하도록 형성된 제1,제2보조 지지대(21,22)를 포함하며, 상기 제1,제2보조 지지대(21,22)에 결합 부재(30)가 형성된다.

바람직하게, 상기 치구(20)는 열처리 중 상변태가 발생하지 않고 합금강 부재(10)에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성될 수 있다.

상기 결합부(30)는 합금강 부재(10)의 양측 단부의 형태에 따라 홈 부로 형성되거나 대상물 파지 또는 끼움이 가능하도록 구성될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 치수변형 방지용 치구 사용 전후의 열처리시 합금강 부재의 반경(반지름) 변화를 나타낸 실험 데이터이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 치수변형 방지용 치구 사용 전후의 열처리시 합금강 부재의 축 방향 길이 변화를 나타낸 데이터이다.

본 발명은 실험 대상인 합금강 부재(10)의 일 예로 탄소함량이 0.45~0.5% 합금강인 D6ac강을 플로우포밍을 통해 일방향으로 심한 냉간 가공을 받은 연소관을 사용하였으며, 열처리는 오스테나이트 영역 온도인 900^oC에서 상온으로 유냉을 실시한다. 그리고, 열처리 전후에 길이 방향으로 각 위치(P1~P8)별로 연소관의 둘레를 측정하여 축방향의 지름 변화를 측정한다.

그 결과 도 2에 도시된 바와같이, 치구(20)가 없는 상태에서 열처리 후 연소관의 반경 변화 실험 데이터(원형표식), 치구가 없는 상태에서 열처리 후 반경 변화 해석 결과(붉은선), 치구를 사용한 상태에서 열처리 후 반경 변화 해석 결과(파란선)을 얻을 수 있다. 이때 어두운 영역은 오차밖 영역이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 치구(20)를 사용하지 않은 상태로 열처리를 실시한 결과 열처리 전과 비교하여 열처리 후 반경 방향으로 거의 모든 위치에서 수축이 발생하였고, 그 정도도 제품에서 허용하는 오차범위를 벗어났음을 알 수 있다. 또한, 길이 발향으로의 치수 변형(A)도 상당함을 알 수 있다

반면에, 치구(20)를 사용하여 동일한 열처리를 실시한 결과 치구를 사용하지 않은 경우와 비교하여 반경 방향으로의 수축 정도가 감소하여 오차범위에 포함될 수 있도록 하였으며, 동시에 길이 방향으로의 치수 변형(B)도 치구(20)를 사용하기 전보다 1/5 수준으로 억제되었음을 알 수 있다.

상술한 바와같이 본 발명은 합금강 부재의 양측 단부에 열처리시 합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하는 치구를 설치하여, 상기 합금강 부재의 축 방향 및 지름 방향의 치수변형을 최소화하고, 합금강 부재를 열처리할 때 합금강 부재의 치수변형이 일어나는 원인과 형상을 고려한 치구를 제작 및 사용함으로써 합금강의 열처리시 발생하는 치수변형 문제를 해결할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

10 : 합금강 부재 20 : 치구
30 : 결합부

Claims (9)

1. 소정 형상의 합금강 부재; 및
   열처리 전에 합금강 부재의 양측 단부에 축 방향으로 결합되어, 열처리시 합금강 부재의 축 방향의 치수 변형을 제어함에 의해 상변태와 변태유기소성으로 인한 지름 방향의 치수변형을 최소화하는 치구;를 포함하며,
   상기 치구의 형상은
   (a) 입력장치를 통해 합금강 부재의 종류 및 형상, 열처리 방법을 입력받아,
   (b) 상기 합금강 부재의 형상으로 인한 열팽창/수축 효과, 상 변태로 인한 체적변화 효과 및 잔류응력이 원인으로 작용하는 변태유기소성으로 인한 체적변화 를 유한요소해석 방법을 통해 분석하여,
   (c) 상기 열팽창/수축 효과 및 체적변화 효과를 최소화하는 형상으로 결정되는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
2. 제1항에 있어서, 상기 합금강 부재는
   플로우포밍을 통해 일 방향으로 냉간 가공을 받은 연소관을 포함하는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
3. 제1항에 있어서, 상기 치구는
   합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 치구는
   소정의 직경과 소정 길이로 축을 따라 형성되는 주 지지대;
   상기 주 지지대의 양 단부로부터 수직방향으로 연장되어, 합금강 부재의 양측 단부를 마주하도록 형성된 제1,제2보조 지지대; 및
   상기 제1,제2보조 지지대에 형성되어 합금강 부재의 양측 단부와 결합되는 결합 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
6. 제5항에 있어서, 상기 결합 부재는
   홈 부로 형성되거나 합금강 부재의 파지 또는 끼움이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
7. 제1항에 있어서, 상기 치구는
   열처리 중 상 변태가 발생하지 않고 합금강 부재에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 낮은 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
8. 소정 형상의 합금강 부재; 및
   상기 합금강 부재의 양측 단부에 결합되어 열처리시 합금강 부재의 축 방향으로의 형상 변화를 구속하여, 상기 합금강 부재의 축 방향 및 지름 방향의 치수변형을 최소화하는 치구;를 포함하며,
   상기 치구는
   소정의 직경과 소정 길이로 축을 따라 형성되는 주 지지대;
   상기 주 지지대의 양 단부로부터 수직방향으로 연장되어, 합금강 부재의 양측 단부를 마주하도록 형성된 제1,제2보조 지지대; 및
   상기 제1,제2보조 지지대에 형성되어 합금강 부재의 양측 단부와 결합되는 결합 부재;를 포함하여 구성되며,
   상기 합금강 부재에 비하여 상대적으로 열팽창 계수가 낮고 상 변태가 발생하지 않고 오스테나이트계 스테인리스강으로 형성되는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
9. 제8항에 있어서, 상기 합금강 부재는
   플로우포밍을 통해 일 방향으로 냉간 가공을 받은 연소관을 포함하는 것을 특징으로 하는 합금강 부재의 치수변형 방지용 치구.
   
   
   
   
   

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