KR20040083545A - 피로강도 및 내 새그성이 우수한 경인발스프링용 강선 및경인발스프링 - Google Patents

Abstract

C : 0.5 ~ 0.7 %

Si : 1.0 ~ 1.95 %

Mn : 0.5 ~ 1.5 %

Cr : 0.5 ~ 1.5 %

를 각각 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피불순물로 이루어지고, 또한 원상당직경으로 0.1 ㎛ 이상의 탄화물이 5개 / 100 ㎛²이하인 스프링용강선을 이용하므로써 오일템퍼선을 이용한 스프링과 동등이상의 피로강도와 내 새그(sag)성을 발휘하는 경인발 스프링을 개시한다.

Description

피로강도 및 내 새그성이 우수한 경인발스프링용 강선 및 경인발스프링{Steel wire for hard-drawn spring excellent in fatique strength and sag resistance, and hard-drawn spring}

도 1은 탄화물갯수와 인장강도(신선후)와의 관계 그라프

도 2는 탄화물갯수와 잔류전단스트레인과의 관계그라프

도 3은 탄화물갯수와 피로수명과의 관계를 나타낸 그라프이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명자들은 상기 목적을 달성할 수 있는 경인발스프링용 강선의 실현을 위해 여러가지 각도에서 검토한 결과, 강선의 화학성분조성을 엄밀히 규정하고, 강선중의 탄화물의 형태를 적절히 제어하면, 피로강도와 내 새그성이 개선될 수 있다는 착상이 얻어졌다. 즉, 파텐팅(patenting)후에 비교적 큰 석출물(탄화물)이 석출되어 있으면, 신선가공이 생각처럼 얻어지지 않을 뿐 아니라, 피로강도와 내 새그성이 저하함이 판명되었다. 구체적으로도 원(圓)상당직경으로 0.1 ㎛ 이하인 탄화물의 갯수를, 단면시야 100 ㎛²당 5개이하가 되도록 제어하면, 피로강도와 내새그성이 현저히 향상될 수 있음을 알아내므로써 본 발명을 완성하게 된 것이다.

여기에서, 본 발명에서 대상으로 하는 탄화물은, 석출물로 존재하는 입상(粒 狀)의 것을 의미하고, 세멘타이트상(相)은 포함하고 있지 않다. 또한, 상기 「원상당직경」이라 함은 탄화물의 크기에 착안하여, 그 면적이 같아지도록 상정한 원의 직경을 구한 것이다.

본 발명 스프링용 강선은, 화학성분조성도 적절히 조정할 필요가 있으나, 그 범위한정이유는 다음과 같다.

C ; 0.5 ~ 0.7 %

C는 신선재의 인장강도를 높이고, 피로강도와 내 새그성을 확보하기 위해 유용한 원소이고, 통상의 피아노선에는 0.8%전후 함유되어 있으나, 본 발명에서 목적으로 하는 바는 고강도의 신선재에 있어, C의 함유량이 0.7%를 초과하면 가공시 꺾이거나 부러지기 쉽고, 또한 표면홈과 개재물로부터의 균열을 발생시켜 피로수명이 열화하므로, 0.7% 이하로 하였다. 그러나, C 함유량이 너무 적어지면, 고응력 스프링에 필요한 인장강도가 확보될 수 없을 뿐 아니라, 피로강도와 내 새그성이 열화되므로, C 함유량은 그 열화임계치인 0.5 % 이상으로 할 필요가 있다.

한편, C 함유량은 바람직스럽게도 0.63%이상, 가급적 0.68%로 상한치를 잡는게 좋다.

Si : 1.0 ~ 1.95 %

Si 은 제강시의 탈산제로 필요한 원소이다. 또한 페라이트중에 고용하여 템퍼링 연화저항성을 높이고, 내 새그성을 향상시키는 효과를 발휘한다. 이와 같은 효과를 발휘시키기 위해서는 1.0 % 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 1.95% 를 초과하여 잉여로 되면, 인성과 연성이 악화될 뿐 아니라, 표면의 탈탄과 홈 등이 증가하여 내 피로강도가 악화된다. 이에 따라, Si 함유량의 바람직한 하한치는 1.2 % 정도이고, 바람직한 상한은 1.6 % 정도이다.

Mn : 0.5 ~ 1.5 %

Mn 은 제강시의 탈산에 유효한 원소이다. 또한 퍼얼라이트 조직을 치밀하고도 정연화(整然化)시켜 피로특성의 개선에 공헌하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘하기 위해서는 Mn 은 적어도 0.5 %이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나 과잉으로 함유시키면, 열간압연시와 파텐팅처리시에 베이나이트등의 과냉조직이 생성되기 쉽게되고, 신선성을 현저히 악화시키므로 1.5 %이하로 해야한다. 또한 Mn 함유량의 바람직한 하한치는 0.6 %정도이며, 바람직한 상한치는 1.0 % 정도이다.

Cr : 0.5 ~ 1.5 %

Cr 은 퍼얼라이트(pearlite) 층상간격을 작게하여, 압연 후 또한 열처리후의 강도를 상승시키고, 내 새그성을 향상시키는데 유용한 원소이다. 이와같은 효과를 발휘시키기 위해서는 Cr 함유량은 0.5 % 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 과잉이 되면, 파텐팅중에 베이나이트(bainite)조직이 생성되기 쉽게 되고,또한 조대한 탄화물을 석출하기 쉽게 되어, 피로강도 및 내 새그성이 열화되므로, 1.5 % 이하로 할 필요가 있다. 또한 Cr 함유량의 바람직한 하한치는 0.7 % 정도이고, 바람직한 상한치는 1.0 % 정도이다.

본 발명의 스프링용 강선재에서 기본적인 화학성분조성은 상기와 같고, 잔부는 실질적으로 Fe로부터 이루어지는 것인데, 필요에 따라 소정량의 Ni 와 Mo 을 함유시키는 것도 유효하다. 이들을 함유시킬 때의 범위한정이유는 다음과 같다.

Ni ; 0.05 ~ 0.5 %

Ni 은 쿠엔칭(quenching)성을 높임과 아울러 인성을 높이고 스프링가공시의 절손트러블을 억제함과 아울러 피로강도를 향상시키는데 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘하기 위해서는 Ni 함유량이 0.05 % 이상으로 하는것이 바람직하다. 그러나, 과잉으로 함유되면 열간압연시와 파텐팅시에 베이나이트 조직이 생성되고, 신선가공성을 현저히 악화시키므로 그 상한치는 0.5 %로 하는 것이 바람직스럽다.

Mo ; 0.3 % 이하(0%를 포함하지 않음)

Mo 은 쿠엔칭(quenching)성을 확보함과 아울러 연화저항을 향상시키므로 내 새그성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이와 같은 효과는 그 함유량이 많아짐에 따라 커지게 되나, 과잉으로 함유되면 파텐팅의 처리시간이 지나치게 길게 되게 되고, 또한 연성도 열화하므로 그 상한치는 0.3 % 로 하는 것이 바람직스럽다.

본 발명의 스프링용 강선에는, 상기 각종 성분이외에도 스프링용강의 특성을저해하지 않을 정도의 미량성분을 함유할 수 있는 것이고, 이와 같은 강선재도 본 발명범위에 포함된다.

상기 미량성분으로서는 불순물, 특히 P, S, As, Sb, Sn 등의 불가피 불순물을 들 수 있다.

본 발명의 스프링용 강선에서는 상술한 바와 같이 원상당직경으로 0.1 ㎛ 이하인 탄화물이 100 ㎛²당 5개이하로 하는 것이 중요한 요건이다. 파텐팅후에 관찰되는 탄화물(Fe₃C 등) 중, 비교적 사이즈가 작은 것은, 석출경화로 강도를 상승시키게 된다. 그러나, 큰 사이즈의 석출물이 석출되어 있는 경우에는 마트릭스중의 탄소가 이 탄화물에 의해서 빼앗기고, 그 량이 본래 함유하고 있던 것보다 적어진다. 파텐팅후의 강도와 신선가공후의 강도의 상승은 탄소량에 의해 영향받는 부위가 커지고, 마트릭스중의 C 량이 적어지게 되면, 파텐팅후와 신선후에 생각한 정도로 강도가 얻어지지 않고, 피로강도와 내 새그성도 저하함이 판명되었다.

그러므로, 본 발명자등은 탄화물의 형태가 피로강도와 내 새그성에 미치는 영향에 대해 검토한 바, 특히 그 크기(원상당직경)가 0.1 ㎛ 이상이 되는 큰 탄화물이, 관찰시야 100 ㎛²당 5개를 초과하여 존재하면 피로강도와 내 새그성이 극단적으로 저하하게 됨이 판명되었다.

본 발명의 스프링용 강선에서 탄화물을 상기와 같은 형태로 제어하는데는, 열간압연의 가열온도를 1100 ℃이상으로하여 탄화물이 녹도록 촉진함과 아울러, 압연후 탄화물의 석출온도역인 400 ~ 600 ℃ 의 온도범위를 5℃/sec 이상의 냉각속도록 가능한한 빨리 냉각하는 것이 유효하다. 단, 이 때의 냉각속도가 너무 빠르면 베이나이트가 생성하여 가공성이 열화하므로, 냉각속도는 10℃/sec이하로 하는 것이 바람직스럽다.

또한, 파텐팅(patenting)시에는 그 가열온도를 880 ~ 950 ℃(바람직스럽게는 900 ~ 940 ℃정도)로 제어함에 의해 탄화물의 석출을 감소시킬 수가 있다. 이 때의 가열온도를 950 ℃ 보다도 높게 하면, 오스테나이트 결정입도가 조대화하고, 인성과 연성이 한층 저하하는 외에도, 쿠엔칭(quenching)성이 증대하여 과냉조직이 생기게 된다. 또한, 미고용 탄화물이 녹아들도록 하기 위해서는 소정의 가열온도로의 보지시간을 50초 이상으로 하는 것이 권장된다.

상술한 스프링용강선을 이용하여 신선가공 및 스프링감기 가공을 시행하므로써, 희망하는 특성을 발휘하는 스프링(경인발스프링)이 얻어지는 것인데, 본 발명의 경인발스프링에서는, 스프링성형후(코일링 후)에 있어서의 스프링 내측과 스프링 외측의 잔류응력차 (이하 간단히 "잔류응력차"라 함)를 500MPa이하로 제어하므로써 더욱 우수한 피로강도가 달성될 수 있음을 알 수 있게 된 것이다.

이와 같은 요건을 규정한 이유는 다음과 같다.

스프링 성형(코일링)에 의해 부여되는 잔류응력은, 스프링 내측과 외측에서 바란스를 이루고 있으므로, 코일링 후의 상기 잔류 응력차가 크면, 그만큼 내측의 인장 잔류응력이 높아진다. 인장잔류응력이 높아지면 피로균열의 발생과 진전을 조장하게 되고, 피로강도가 저하하여 버리게 된다. 또한, 쇼트피닝에 의해 부여되는 압축잔류가 작아져 버린다.

상술한 점에 비추어, 본 발명자들은 스프링 내측과 외측의 잔류응력차[(R₊)-(R_-)]와 피로강도와의 관계를 조사한 바, 그 차가 500MPa 이하로 되도록 하면, 피로강도가 현저히 개선되는 일이 판명된 것이다.

그러므로, 스프링을 성형한 때에는, 스프링 내측에는 인장방향의 잔류응력(인장 잔류응력)이 생기게 되고, 스프링 외측에는 그 제조조건에 따라서는 인장 잔류응력이 생기는 경우와 압축방향의 잔류응력(압축잔류응력)이 생기는 경우가 있다. 따라서 본 발명에서의 잔류 응력차를 측정할 때에는 이와 같은 점까지도 고려할 필요가 있다.

즉, 양측의 표면잔류응력이 인장잔류응력인 경우에는, 단순히 그 차이를 측정하면 되지만, 스프링 외측의 잔류응력(R_-)이 압축잔류응력인 경우에는, 그 잔류응력을 마이너스로 하여 뺀 값이 된다. 예컨데, 스프링 내측의 인장 잔류응력이 150MPa, 외측의 압축잔류응력이 50MPa인 경우에는 그 잔류응력의 차[(R₊)-(R_-)]는(150)-(-50)=200MPa 라고 하는 것이 된다.

상기와 같이 본 발명에서는, 코일링후의 스프링 내측과 스프링 외측의 잔류응력차를 500MPa 이하로 함에 따라 경인발스프링의 피로강도가 향상된다. 피로강도를 평가하는 지표로서 상기 잔류응력차를 규정한 이유는 다음과 같다.

스프링에 걸리는 응력(전단응력)은 내측과 외측에서 같은 것이 아니고, 오히려 스프링 내측의 응력이 외측보다도 높게 걸린다. 예컨데, 스프링 직경D와 선경d의 비(D/d : 이하 "스프링지수"라 함)가 2.0 ~ 9.0 이면, 다음 (1)식에서 나타나는왈의 수정계수(Wahl correction factor)A₁은 1.16 ~ 2.06 으로 되어, 1.16 ~ 2.06 배만큼 높은 응력이 걸리게 된다. (예컨데 "스프링" 스프링기술연구회 편, 마루젠 발행)

A₁= [(4c - 1)/(4c - 4)]+[0.615/c] ㆍㆍㆍ(1)

단, c : 스프링 지수(D/d)

한편, 스프링외측에 관한 스프링 수정계수 A₂는 다음 (2)식에 나타나 있다. 이 식에 따르면, 스프링외측에 걸리는 응력은 스프링 지수가 2.0 인 때 0.443 배가 된다.

A₂= [(4c + 1)/(4c + 4)]+[0.615/c] ㆍㆍㆍ(2)

단, c : 스프링 지수(D/d)

이와같이, 스프링내측에는 큰 전단응력이 걸리고, 또한 인장잔류응력이 높아지면, 다시 스프링 특성은 악화된다. 이와 같은 관점에서 보면, 스프링내측의 잔류응력을 규정하면 좋다. 신선한 상태로도 표면은 인장잔류응력을 가지게 되고, 이 값은 신선가공조건과 재질에 따라서도 표면의 인장잔류응력은 변화되므로, 스프링의 코일링후에도 그 가산효과에 의해 표면의 인장잔류응력은 변화하게 되어 잔류응력으로 규정하는 것은 곤난하다. 따라서, 본 발명에서는 스프링내측과 스프링외측의 잔류응력차를 규정하므로써, 피로강도의 지표로 하였다.

위 잔류응력차를 500MPa 이하로 하기 위한 조건으로서는 예컨데 코일링후의 스트레인(strain)제거 소둔온도를 400℃ 이상이 되도록 제어하면 좋다. 종래의 피아노선에서는 스트레인제거 소둔온도를 400℃ 이상으로 행하면 강도가 저하하고, 피로강도와 내 새그성이 저하하여 버리게 되나, 본 발명의 경인발스프링에서는 내열성이 양호한 결과를 주는 Si 을 다량 함유하는 강선을 소재로 하게 되므로, 400℃ 이상에서 스트레인 제거소둔(strain relief annealing)을 행하여도 강도저하가 거의 없고, 코일링 스트레인을 제거할 수 있다.

본 발명의 경인발스프링에서의 효과를 보다 유효히 발휘시키기 위해서는 그 표면에 2회이상 쇼트피닝을 행하는 것이 유효하다. 밸브스프링과 이에 준하는 고응력 스프링은 쇼트피닝에 따라 표층에 압축잔류응력이 부여된 상태로 사용되는 것이 일반적이다. 이 쇼트피닝은 고경도의 경구(硬球 : 쇼트립자)을 고속으로 피처리재료표면에 투사하여 압축잔류응력을 부여하고, 표면균열의 발생을 억제하고, 피로강도를 향상시키는데 유효한 수단이다.

또한, 상기와 같은 쇼트피닝은 스프링 표면에 압축잔류응력을 부여하여 피로균열의 진전을 억제하는데 효과가 있다. 쇼트피닝을 행하도록 하는 스프링은 특히 고응력에서 사용되므로, 보다 높은 압축잔류응력이 필요하게 되고, 상기 잔류응력차를 보다 엄밀히 관리하지 않으면 안된다. 그를 위해, 상기 잔류응력차이는 300MPa 이하인 것이 바람직하다.

따라서, 스프링의 표면조도가 크면, 이를 기점으로하여 피로파괴가 발생하기 쉽게 되고, 피로강도가 저하하게 된다. 따라서 피로강도를 향상시키고저 하는 관점에서 보면, 스프링의 표면거칠기 Ry(최대 높이 : JIS B 0601)을 10 ㎛ 이하로 함이 바람직하다. 예를 들면, 상기와 같은 2회이상의 고강도의 쇼트피닝을 행하면, 표면이 변형하여 표면조도가 커지게 되는 경우가 있다. 특히, 경인발선과 같은 재료에 있어서는 최약부(最弱部)인 페라이트가 보다 크게 변형하여, 표면조도가 커지는 일이 있다. 표면조도를 상기와 같이 조정하는 수단에 대해서는 한정되는 것은 아니나, 예컨데 쇼트피닝 조건을 제어하므로써 이를 달성할 수가 있다.

이와 같은 표면조도 Ry 의 제어도 고려하였다. 바람직한 쇼트피닝 조건은 다음과 같다. 1회째의 쇼트피닝에서는 입경 : 1.0 ~ 0.3 ㎜인 쇼트립(shot particles)을 이용하여, 입속도 : 30 ~ 100 m/sec, 투사시간 : 20 ~ 200분으로 하여 행한다. 이 때 이용되는 쇼트립의 경도는 빅카스 경도(Hv)로 500이상인 것이 바람직스럽다.

다음, 2회째 이후의 쇼트피닝에서는, 1회째보다도 작은 쇼트립을 이용하여 실시한다. 이 때 이용되는 쇼트립의 크기는, 1회째 쇼트립경의 1/10이하인 것이 바람직스럽다. 또한, 시간은 10 ~ 200분정도로 한다. 이와 같이 2회째 이후의 쇼트피닝에 따라 표면조도를 작게 할 수 있고, 이와 동시에 표면의 압축잔류응력을 크게 할 수 있으며, 피로강도를 또한 향상시킬 수가 있다. 한편, 본 발명자에 의하면, 경인발스프링으로는 ,쿠엔칭(quenching)ㆍ템퍼링한 오일템퍼선보다도 2회째 이후의 쇼트피닝효과가 큰 것이 확인되고 있다.

본 발명의 경인발스프링에서는, 특히 가혹한 응력조건으로 사용되는 것이 예상되는 경우에는 그 표면에 질화처리를 행하는 것도 유효하다. 이와같은 질화처리를 행하므로써 피로강도를 한층 더 개선할 수가 있다. 상기 질화처리에 관해서는 오일템퍼선으로 제조된 밸브스프링에 대해서는 종래 그 처리가 행해져 왔으나, 경인발스프링에 대해서는 전적으로 행해지지 않았다. 이는 통상의 경인발선의 화학성분으로는 질화처리를 해도 효과가 그리 기대할 정도가 못되었고, 질화시 신선시에 도입된 스트레인이 개방되어 강도가 극단적으로 저하한다고 생각되어 왔던 것등이 그 원인이다.

이에 대하여 본 발명에서 규정하는 화학성분조성을 가지는 강선을 경인발한후, 질화처리를 하면, 스프링의 피로수명이 보다 개선되게 된다. 이러한 효과가 발휘되는 이유는 다음과 같이 생각할 수가 있다. 즉, 본 발명에 이용되는 강선에서는 페라이트를 Si, Cr 등의 합금원소로 강화하므로써 선재의 강도가 페라이트(Ferrite) 자신의 강도에 의존하는 상태가 되므로, 질화에 의해 페라이트 강도를 높이는 것이 피로강도의 직접적인 개선에 도움이 된다고 생각된다. 또한, 질화처리에 의해 제조된 스프링 표면경도는 0.02 ㎜ 깊이의 위치에서, 빅카스경도(Hv)가 600이상, 바람직스럽게는 700이상인 것이 좋으나, 요구되는 피로강도에 따라서는 Hv 500~600정도라도 좋다.

상기 질화처리를 행하는 방법에 대해서는 특히 한정되는 것은 아니나, 가스질화, 액체(염욕)질화외에도, 이온질화등이 채용되는데, 예를 들면, 가스질화시 바람직한 조건은 다음과 같다. 즉, 암모니아가스 100% 분위기, 또는 암모니아가스를 주체로하여 질소가스 50%이하 및 2 산화탄소가스 10% 이하인 분위기에서, 350 ~ 470℃ × 1 ~ 6 시간의 조건으로 질화처리를 행하면 좋다.

본 발명의 효과는 상기 스프링지수(D/d)가 9.0이하인 소직경 스프링에 적용할 때에 일층 발휘된다. 스프링에서는 상기 D/d는 스프링 지수를 나타내는 것이지만, 이 비(D/d)로 되는 스프링에서는, 소망하는 하중응답을 얻을 때의 스프링내측과 외측의 응력차가 크고, 스프링내측에 높은 응력이 걸린다. 이와 같은 고응력의 사용환경하에서도 본 발명의 스프링에서는 그 기능을 유지할 수가 있다. 또한 그 효과는 (D/d)가 작아지면 작아질수록 커지게 되나, 2.0 보다도 작게 되면 쇼트피닝등의 표면가공효과가 얻어지기 어렵게 되므로, 그 하한치는 2.0 인 것이 바람직스럽다.

실시예

이하, 본 발명을 실시예에 따라 다시 상세히 설명하겠으나, 다음 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것은 아니고, 전ㆍ후기의 취지에 비추어 설계변경하는 것은 그 어느것이나 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

실시예1

다음 표 1에 나타나는 화학성분조성의 강(A~K)을 용제하고, 열간압연하여 직경(선경) : 8.0 ㎜의 선재를 제조하였다. 이 때의 열간압연조건은 가열온도 : 1150℃, 압연 후 냉각속도 : 6.3 ℃/sec 로 하였다. 그 후 피삭(皮削)하고, 파텐팅처리 및 신선처리를 행하여 선직경 : 3.1 ㎜의 강선으로 하였다. 이 때의 파텐팅(patenting)은 다음 표 2에 나타낸 가열온도로 오스테나이트화한 후, 각 각종에 따라 550 ~ 650 ℃의 연욕(鉛浴)중에 항온 변태시켰다.

또한, 파텐팅시의 가열시간에 따라서는 다음 표 2의 No.2에 대해서는 130초, No.3 에 대해서는 100초, 그 이외에 대해서는 240초로하여, 탄화물량을 조정하였다.

표 1

강종 E 는 JIS - SWP - V 상당강

얻어진 강선(신선재)에 대해서는, 탄화물의 크기와 갯수를 측정하였다. 이 때의 측정은 강선의 횡단면에서 샘플링하고, 주사형현미경(SEM)에서 D/4의 위치 D는 직경)을 5000배의 배율로 사진촬영하고, 얻어진 사진 100 ㎛²중에서 원상당직경이 0.1 ㎛이상의 탄화물의 갯수를 측정하였다. 또한, 신선후의 인장강도 TS에 대해 측정하였다.

상기 신선재를 상온에서 스프링성형하고, 스트레인제거 소둔(400℃ × 20분),좌연마(座硏磨), 2단쇼트피닝, 저온소둔(230℃ × 20분) 및 냉간세팅을 행하였다. 또한, 스트레인 제거소둔상당의 템퍼를 가한 후의 인장강도 TS 에 대해 측정하였다. 또한, 일부의 것(다음 표 2의 No.3)에 대해서는 NH₃80% + N₂20% 400℃ × 2 시간의 조건하에 가스질화처리를 행하였다.

얻어진 각 스프링에 588 ± 441 MPa 의 부하응력하에서 피로시험을 행하고, 파단수명을 측정하였다. 또한, 120 ℃, 1000 MPa 의 응력하에, 48시간체부(締付)한 후, 잔류전단스트레인을 측정하고, 내 새그성의 지표(잔류전단스트레인이 작을수록 내 새그성은 양호)로 하였다.

이들 결과를, 각 제조조건(파텐팅 가열온도), 강선의 인장강도 TS(신선후 및 스트레인제거소둔후), 탄화물의 갯수, 표면조도 Ry, 질화의 유무등을 다음 표 2에 나타내었다. 또한, 이들 결과에 따라, 탄화물갯수와 인장강도(신선후)와의 관계를 도 1에, 탄화물갯수와 잔류전단스트레인의 관계를 도 2에, 탄화물 갯수와 피로수명의 관계를 도 3에 각각 도시하였다.

표 2

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 먼저, No.1 ~ 7, No.14 및 No.15의 것은 본 발명에서 규정하는 요건의 어느 것이라도 만족하는 것이고, 피로강도와 내 새그성의 어느 것이라도 우수한 것으로 되어 있다. 특히, 소정크기의 탄화물의 갯수를 5개/100㎛²이하로 함에 따라 우수한 특성이 발휘하는 것임을 알 수 있다.

이에 대해, No.8 ~ No.12 의 것은, 본 발명에서 규정하는 요건의 어느 것인가를 결여하고 있고, 무엇인가 특성이 열화한 것으로 되어있다. 즉, No.8 의 것에서는 화학성분조성은 No.1 ~ 4 의 것과 같은 것이나, 파텐팅시의 가열온도가 낮아지므로써 탄화물의 석출량이 많아지게 되므로, 신선후에 충분한 강도가 확보될 수 없고, 피로수명이 짧고, 또한 잔류전단스트레인도 커져 있다.

No.9 의 것은 JIS - SWP - V 상당강(피아노선)인데, C 함유량이 많아지게 되므로, 개재물을 기점으로 한 조기절손이 발생하고, 피로수명이 짧아진다. 또한, Si 함유량이 적어지므로 템퍼링연화저항이 작아지게 되어, 그러면서도 Cr 이 함유되지 않으므로 잔류전단스트레인이 커지게 된다.

No.10 의 것은, No.9 보다도 더욱 C 함유량이 많은데, No.9 와 같이 개재물을 기점으로 한 조기절손이 발생하고, 피로수명이 더욱 짧다. 또한 Si 함유량이 적으므로 템퍼링연화저항이 작게되며 그러면서도 Cr 가 함유되지 않으므로 잔류전단스트레인이 커져 있다.

No.11 의 것에서는, C 함유량이 많아지므로, 개재물을 기점으로 한 조기절손이 발생되고, 피로수명도 짧아져 있다.

No.12 의 것은 C 함유량이 적은 것으로, 파텐팅 후의 강도가 낮아지고, 신선 후에 충분한 강도가 얻어지지 않으며, 피로수명이 짧으며 또한 잔류전단스트레인도 커지게 된다.

No.13 의 것은 Cr 함유량이 많아지고 있으므로, 파텐팅시에 탄화물이 충분히 고용되지 않고, 신선후에 충분한 강도가 확보되지 않으며, 피로수명이 짧고, 또한, 내 새그성이 매우 떨어진다.

실시예 2

다음 표 3에 나타나 있는 화학성분조성이 강(L~U)을 용제하고, 열간압연하여 직경(선직경) : 8.0 ㎜ 의 선재를 제조하였다. 그 후, 피삭하고, 파텐팅처리 및 신선처리를 행하여 선직경 : 3.1 ㎜의 강선으로 하였다. 이 때의 파텐팅은 오스테나이트화 온도를 910℃로 하고, 각 강종에 따라, 550 ~ 650℃의 연욕중에 항온변태시켰다. 또한 파텐팅시의 보지시간에 대해서는, 다음 표 5, 표 6의 No.20, No.31에 대해서는 300초, No.30 에 대해서는 300초, 그 외에 대해서는 120초로하여 탄화물량을 조정하였다.

표 3

얻어진 강선(신선재)중, 강종 L, M, N 의 신선재에 대해 스프링성형하고(스프링지수 : 6.81), 스트레인제거소둔(350, 380, 410℃ × 20분), 좌연마 및 냉간셋팅을 행하여 스프링으로 하였다.

얻어진 각 스프링에 588 ± 441MPa의 부하응력하에 피로시험을 행하고, 파단수명을 측정함과 아울러, 스프링내측의 잔류응력(R₊)과 스프링외측의 잔류응력(R_-)을 X선회절로 측정하여 잔류응력차[(R₊)-(R_-)]을 구하였다. 또한, 신선재의 인장강도(신선후 및 스트레인제거소둔후)에 대해서도 측정함과 동시에, 그 표면조도 Ry 에 대해서도 측정하였다. 그 결과를 스트레인제거소둔온도와 같이 다음 표4에 나타내었다.

표4

위 결과로부터, 명확히 알 수 있는 바와 같이, 잔류응력차가 500MPa 이하의 것에서도 (No.18 ~ No.20)우수한 피로강도가 달성되고 있음을 알 수 있다. 이에 대해, 잔류응력차가 500MPa 를 초과하는 것에서는(No.16, No.17) 피로강도가 현저히 열화되고 있음을 알 수 있다.

실시예 3

실시예 2와 같이하여 얻어진 각 신선재(강종 L~U)에 대해서, 여러가지 스프링지수의 스프링을 성형하고, 스트레인제거소둔(350, 380, 410℃ × 20분), 좌연마, 2단 쇼트피닝, 저온소둔(230℃ × 20분) 및 냉간셋팅(presetting)을 행하였다. 이 때 강종 N에 대해서는 좌연마 후, 질화처리를 NH₃80 % + N₂20% 의 분위기하에서, 420 ℃ × 2 시간의 조건하에서 행하고, 2단 쇼트피닝, 저온소둔(230 ℃ × 20분)및 냉간셋팅을 행한 것(후기 표 5의 No. 26)도 준비하였다.

얻어진 각 스프링에 실시예 1과 같이하여 피로시험을 행하고, 파단수명을 측정함과 아울러, 잔류전단스트레인을 측정하였다. 또한 스프링성형후(쇼트피닝 전)에 있어서, 스프링내측의 잔류응력(R₊)와 스프링외측의 잔류응력(R_-), 및 쇼트피닝후에서의 스프링내측의 잔류응력(Rs₊)와 스프링외측의 잔류응력(Rs_-)을 X선회절로 측정하고, 각각의 잔류응력차 [(R₊)-(R_-)] 및 [(Rs₊)-(Rs_-)]을 구하였다.

또한, 실시예 2와 같이하여, 신선재의 탄화물갯수와 인장강도(신선후 및 스트레인제거소둔후)에 대해서도 측정함과 아울러, 그 표면조도 Ry 에 대해서도 측정하였다. 이들 결과를 스프링 지수 및 스트레인 제거소둔온도와 같이 다음 표 5,표 6에 나타내었다.

표 5

표 6

이 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 우선, No.23 ~ No.28, No.32, No.33 의 것은 본 발명에서 규정하는 요건 중 어느 것이나, 만족하는 것으로, 피로강도 및 내 새그성이 우수한 것임을 알 수 있다.

이에 대하여 No.21, No.22, No.29, No.31 의 것에는, 본 발명에서 규정하는 요건의 어느 것인가가 결여되어 있고 , 어느 것인가의 특성이 열화한 것으로 되어 있다. 즉, No.21, No.22 의 것에서는 스프링내측과 스프링외측의 잔류응력의 차(스프링성형후 및 쇼트피닝후)가 커지게 되어 있으므로 피로강도가 현저히 열화되어 있다.

또한, No.29 의 것은, C 함유량이 많아지게 되므로, 결함감수성이 높아지게 되고, 또한 Si - 함유량이 낮아지게 되므로, 스트레인제거소둔후에 충분한 강도가 얻어지지 않고, 피로수명이 짧아지고, 또한 내 새그성도 악화되어 있다.

No.31 의 것은, C 함유량이 적은 것으로 파텐팅후의 강도가 낮아지고, 신선 후에도 충분한 강도가 얻어지지 않으며, 피로수명이 짧아지며, 또한 내 새그성도 나빠져 있다.

No.32 의 것은 Cr 함유량이 많아져 있으므로, 파텐팅시에 베이나이트가 생성되고, 신선중에 단선이 생긴 경우다.

(기술분야)

본 발명은 강한 냉간인발가공을 행하여 사용되는 스프링(가공스프링)의 소재로 유용한 스프링용 강선 및 스프링용 강선을 사용한 스프링에 관한 것으로, 특히 신(伸線)까지 쿠엔칭(quenching)템퍼링처리하지 않고도 우수한 피로강도와 내 새그성(sag resistance)이 우수한 스프링을 얻을 수 있는 경인발스프링용 강선(steel wire) 및 이와 같은 특성을 발휘할 수 있는 경인발스프링(hard drawn spring)에 관한 것이다.

(배경기술)

자동차등의 경량화와 고출력화에 따라, 엔진 및 서스펜죤등에 사용되는 밸브스프링과 현가스프링에 있어서도 고응력화(高應力化)가 지향되고 있다. 또한, 스프링에의 부하응력의 증대에 따라, 프로강도 및 쳐짐에 대한 저항성인 내 새그(sag)성(性)이 우수한 스프링이 요구되고 있다.

근년, 밸브스프링과 현가스프링등의 대부분은 오일템퍼선(線) 이라 불리우는 쿠엔칭(quenching)·템퍼링을 거친 강선을 상온에서 스프링 감기 가공하여 제조되고 있는 것이 일반적이다.

상기와 같은 오일템퍼선(線)에서는, 템퍼마르텐사이트 조직이므로, 고강도를 얻는데 적합하고, 또한 피로강도와 내 새그성(sag + 性)이 우수한 잇점이 있긴 하나, 쿠엔칭(quenching)·템퍼링 등의 열처리에 대규모 설비와 그에 따른 처리코스트를 요한다고 하는 결점이 있다.

한편, 부하응력이 비교적 낮게 설계된 일부 스프링에는 (페라이트 + 퍼얼라이트)조직 또는 퍼얼라이트 조직의 탄소강을 신선가공하여 강도를 높인 선재("경인 발선"이라 부름)을 상온에서 스프링 감기(卷) 가공으로 한 것이 사용되고 있다.

이와 같은 스프링으로서, JIS 규격에는 피아노선(JIS G 3522)중에 특히 "밸브스프링 또는 이에 준하는 스프링용"으로서 "피아노선 SWP-V 종(種)"을 정하고 있다.

상기와 같은 경인발선에 의해 제조되는 스프링(이하 "경인발스프링"이라 부름)은 열처리를 필요로 하지 않으므로 저코스트로 되는 이점이 있다. 그러나, 이와 같은 경인발선에서 제조된 스프링으로는 피로강도와 내새그성이 낮다고하는 결점이 있어, 근년 필요성이 높아지고 있는 고응력 스프링을 제조할 수가 없다.

저코스트로 제조될 수 있는 이 점이 있는 경인발스프링에 있어서, 보다 고응력화를 도모하는 기술도 여러가지 검토되고 있고, 이와 같은 기술로서 예컨데 특개평 11-199981 호에는 "오일 템퍼선과 동등의 특성을 구비한 피아노선"으로서 공석 ~ 과공석강 퍼얼라이트의 신선가공방법을 연구하여, 특정세멘타이트 형상을 얻는 방법이 제안되고 있다. 그러나 이러한 방법으로도 신선방향을 바꾸어야 하는 등 공정의 복잡화로 제조코스트의 상승을 피할 수 없었다.

본 발명은 이러한 상황하에서 이루어진 것으로, 그 목적은 오일템퍼-선을 이용한 스프링과 동등이상의 피로강도와 내 새그성을 발휘하는 경인발스프링을 제조하기 위한 스프링용강선, 및 이와 같은 경인발스프링을 제공하는 데 있다.

(발명의 개시)

상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명상의 경인발스프링용 강선은 질량 %로,

C : 0.5 ~ 0.7 %

Si : 1.0 ~ 1.95 %

Mn : 0.5 ~ 1.5 %

Cr : 0.5 ~ 1.5 % 를 각각 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한 원 상당직경으로 0.1 ㎛ 이상의 탄화물이 5개 / 100 ㎛²이하인 점에 요지를 두고 있다. 이와 같은 스프링용 강선에 있어서는, 또한

(a)Ni : 0.05 ~ 0.5 %

(b)Mo : 0.3 % 이하(0 %를 함유하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유효하다.

상술한 스프링용 강선을 이용하여 스프링 성형하여 제조하므로써 우수한 피로강도와 내새그성을 발휘할 수 있는 경인발스프링강이 얻어진다. 또한 이와 같은 경인발스프링에서는 스프링 내측에서의 표면잔류응력(R₊)와 스프링 외측에서의 표면잔류응력(R_-)의 차[(R₊)-(R_-)]가 500MPa 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명 경인발스프링에서는, 다음(1)~(5)의 요건을 만족할 것이 요망된다.

(1)표면에 2회이상의 쇼트피닝(shot peening) 시행된 것일 것

(2)상기 쇼트피닝 후의 스프링내측에서의 표면잔류응력(R_S+)와 스프링외측에서의 표면잔류응력(R_S-)와의 차[(R_S+)-(R_S-)]가 300MPa 이하일 것.

(3)표면거칠기가 최대 높이 Ry 로 10㎛ 이하일 것

(4)표면에 질화처리가 시행된 것일 것

(5)스프링경 D 와 선직경 d 의 비(D/d) 가 9.0 이하일 것

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있고, 신선까지 오일템퍼선을 이용한 스프링과 동등이상의 피로강도와 내 새그성을 발휘하는 경인발스프링을 제조하기 위한 스프링용강선, 및 이와 같은 경인발스프링이 얻어질 수 있었다.

Claims (10)

1. C : 0.5 ~ 0.7 % (질량 %, 이하 같음)

   Si : 1.0 ~ 1.95 %

   Mn : 0.5 ~ 1.5 %

   Cr : 0.5 ~ 1.5 %

   를 각각 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피불순물로 이루어지고, 또한 원상당직경으로 0.1㎛ 이상의 탄화물이 5개/100㎛²이하인 것을 특징으로 하는 피로강도 및 내 새그(sag)성이 우수한 경인발스프링용 강선.(A steel wire for hard - drawn spring)
2. 제 1 항에 있어서, 또한 Ni : 0.05 ~ 0.5 % 를 함유하는 경인발스프링용강선.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 또한 Mo : 0.3 %(0%를 포함하지 않음)이하를 함유하는 경인발스프링용강선.
4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 기재된 스프링용강선을 스프링성형하여 제조되는 것을 특징으로 하는 피로강도 및 내 새그성이 우수한 경인발스프링(A hard drawn spring)
5. 제 4 항에 있어서, 상기 스프링의 내측에서의 표면잔류응력(R₊)과 스프링외측에서의 표면잔류응력(R_-)의 차 [(R₊)-(R_-)]가 500MPa 이하인 경인발스프링.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 표면에 2회 이상의 쇼트피닝(shot peening)이 행해지도록 한 경인발스프링.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 쇼트피닝후의 스프링내측에서의 표면잔류응력(Rs₊)와 스프링외측에서의 표면잔류응력(Rs_-)의 차[(Rs₊)-(Rs_-)]가 300MPa 이하인 경인발스프링.
8. 제 4 항에 있어서, 표면조도가 최대높이 Ry 로 10㎛이하인 경인발스프링.
9. 제 4 항에 있어서, 표면에 질화처리가 행해지도록 한 경인발스프링.
10. 제 4 항에 있어서, 스프링직경 D와 선직경 d와의 비(D/d)가 9.0 이하인 경인발스프링.