KR20080019239A - 열간 단조 설비 - Google Patents

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KR20080019239A
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제이에프이 스틸 가부시키가이샤
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Abstract

과제
피로 특성 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품의 제조를 가능하게 하는 열간 단조 설비를 제공한다.
해결 수단
강 소재를 가열하는 가열로 및 가열된 강 소재에 단조를 실시하는 열간 단조기를, 반송 라인 상에 순서대로 배치한 열간 단조 설비에 있어서, 상기 열간 단조기의 출측에, 열간 단조 후의 단조품을 부분적으로 냉각하는 부분 냉각 장치를 설치한다.
Figure P1020077029744
열간 단조

Description

열간 단조 설비{HOT FORGING EQUIPMENT}
본 발명은, 강을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속 조인트 및 허브 등의 서스펜션 부품이나 크랭크 샤프트 등의 엔진 부품으로 대표되는 기계 구조 부품을 전형적인 예로 하는 열간 단조품의 제조를 담당하는 열간 단조 설비에 관한 것이다.
자동차의 서스펜션 부품이나 엔진 부품에 사용되는 강 제품은, 열간 단조를 실시하고, 그 후 절삭 가공에 의한 마무리를 실시하여 제조하는 것이 일반적이다. 이러한 부품의 제조 공정으로서, 예를 들어 비특허문헌 1 에는, 단조 생산 공정의 대표적인 프로세스, 즉, 재료를 절단, 가열 후, 단조 공정에 의해 성형하고, 필요에 따라 열처리를 실시하는 프로세스가 개시되어 있다.
그런데, 최근, 상기 용도의 제품에 대해서, 그 적용처인 자동차의 경량화를 목적으로 하는 소형화나 두께감소의 실현을 위하여, 피로 강도를 높이는 것이 요구되고 있다.
즉, 열간 단조품의 피로 강도를 높이는 기술로서, 특허문헌 1 에는, 열간 단조 후에 단조품 전체를 담금질하고, 추가로 템퍼링 처리에 의해 매트릭스를 석출 강화하는 고피로 강도 열간 단조품의 제조 방법이 개시되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 열간 단조 후에 단조품 전체의 냉각 속도 편차를 없애, 전체적인 냉각 속도를 제어하는 냉각 장치가 개시되어 있다.
비특허문헌 1 : (사) 일본 소성 가공 학회편 소성 가공 기술 시리즈 4 단조 코로나사
특허문헌 1 : 일본 특허 제3100492호
특허문헌 2 : 일본 특허 제2936198호
그러나, 특허문헌 1 에 기재된 방법에서는, 열간 단조 후에 부품 그 자체를 직접 냉각시키기 때문에, 부품 전체의 경도가 상승하고, 피로 강도가 요구되지 않는 부위의 가공성이 저하된다. 즉, 상기 용도의 기계 구조 부품은, 열간 단조에 의해 개략적인 제품 형상을 부여한 후, 이 열간 단조품의 표층을 통상적으로는 전면적으로 절삭하는 마무리 가공을 실시하여 제조된다. 따라서, 이런 종류의 기계 구조 부품의 제조에 있어서, 절삭 가공과 표면 연삭이 불가결한 바, 부품 전체의 경도가 상승하면, 필연적으로 피삭성의 저하가 큰 문제가 된다.
또, 이 방법을 실현하는 제조 설비로는, 석출 강화 처리를 위해, 별도로 템퍼링 처리를 실시하기 위한 가열 설비가 필요하기 때문에, 에너지 절약의 관점에서도 바람직하지 않다.
특허문헌 2 에 기재된 기술도 마찬가지로, 워크 전체의 냉각 속도를 제어하기 때문에, 피삭성의 저하가 큰 문제가 된다.
상기의 사정에 감안하여, 단조품의 경량화나 컴팩트화에 의한 발생 응력의 증대로부터 요구되는 피로 강도를, 종래 방법으로 얻어진 단조품에 비해 높임과 함께, 피로 강도를 필요로 하지 않는 부분은 물론, 그 이외의 부분에 대해서도 열간 단조 후에 절삭 가공이 실시되었을 때의 피삭성이 양호하고, 용이하게 마무리 가공을 실시할 수 있고, 피로 특성 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품을 제공하려는 경우, 상기 서술한 특허문헌 1 또는 2 에 기재된 설비로는, 그 실현이 곤란하였다.
그래서, 본 발명의 목적은, 피로 특성 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품의 제조를 가능하게 하는 열간 단조 설비를 제공하고자 하는 것이다.
그런데, 발명자들은, 상기의 목적을 달성하기 위하여, 특히 열간 단조 후에 부분 냉각을 실시하는 것에 관하여 예의 연구를 거듭한 결과, 이하에 나타내는 (I) ∼ (Ⅲ) 의 지견을 얻었다.
(I) 열간 단조품의 특히 피로 강도가 필요한 부분을 냉각시켜 부분적으로 담금질을 실시함으로써, 그 부분의 경도 상승률이 10% 이상이 되면, 부품으로서의 피로 강도를 20% 이상 향상시킬 수 있다는 점.
(Ⅱ) 또, 부분 냉각에 의한 부분 담금질을 실시한 부분은, 냉각되지 않은 부위의 보유 열량에 의해 자체 템퍼링되는 결과, 종래 부가 공정으로서 실시되어 온 템퍼링 처리와 동등한 효과가 얻어지는 점. 그리고, 그 효과를 얻기 위해서는, 이 자체 템퍼링이 특정한 파라미터를 만족하는 점.
(Ⅲ) 따라서, 단조품을 실온까지 냉각 후에 다시 템퍼링을 할 필요가 없기 때문에, 매우 저렴하게 고피로 강도 부품을 제조할 수 있다는 점.
나아가, 상기의 지견을 기초로 하는 기술을 실시하여, 공업적 규모에서의 제조를 가능하게 하는 설비의 구성을 예의 구명하여, 본 발명을 도출하기에 이르렀다.
본 발명은, 상기의 지견에 기초하는 것이다.
즉, 본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.
(1) 강 소재를 가열하는 가열로 및 가열된 강 소재에 단조를 실시하는 열간 단조기를, 반송 라인 상에 순서대로 배치한 열간 단조 설비로서, 상기 열간 단조기 내 및/또는 열간 단조기의 하류측에, 열간 단조 후의 단조품을 부분적으로 냉각시키는 부분 냉각 장치를 설치하여 이루어지는 열간 단조 설비.
(2) 상기 부분 냉각 장치는 단조품의 부분을 향하여 냉각액을 분사하는 노즐을 갖는 상기 (1) 에 기재된 열간 단조 설비.
(3) 상기 부분 냉각 장치를, 열간 단조기 출측의 반송 라인을 따른 위치에, 적어도 1개 형성한 상기 (1) 또는 (2) 에 기재된 열간 단조 설비.
(4) 상기 부분 냉각 장치를, 열간 단조기 출측의 반송 라인을 따른 위치에, 복수 형성한 상기 (1), (2) 또는 (3) 에 기재된 열간 단조 설비.
본 발명에 의하면, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품의 제조를 확실하게 실현하기 위한 설비를 제공할 수 있다.
도 1 은 복열에 있어서의 온도 이력의 개념도이다.
도 2 는 파라미터 H 와 (V1-V2)/V2 의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3 은 열간 단조 설비의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4 는 열간 단조의 순서를 나타내는 공정도이다.
도 5 는 부분 냉각 장치를 나타내는 도면이다.
부호의 설명
도 3, 4, 5 에 있어서의 부호의 설명은 다음과 같다.
1 가열로 2 강 소재
3 반송 라인 4 열간 단조기
5 부분 냉각 장치 20 열간 단조품
20a 플랜지 근원부 20b 축 단부
먼저, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품을 얻으려면, 열간 단조 후의 부분 냉각에 의해, 단조품의 특히 피로 강도가 요구되는 부위에 경화부를 도입하고, 그 이외에는 비경화부로 하는 것, 특히 표면에 있어서의 상기 경화부의 비커스 경도 V1 과 상기 비경화부의 비커스 경도 V2 가, 다음 식
(V1-V2)/V2 : 0.1 ∼ 0.8
을 만족하는 것이 바람직하다.
즉, 비 (V1-V2)/V2 가 0.1 미만에서는, 경화부의 강도 상승이 적어 충분한 피 로 강도의 향상 효과를 얻을 수 없다. 한편, 비 (V1-V2)/V2 가 0.8 을 초과하면, 경도가 지나치게 높아져 피삭성 등의 냉간 가공성이 대폭 저하된다. 특히, 열간 단조 후에 직접 부분 담금질을 실시함으로써, 그 후의 절삭 가공은 불가결하고, (V1-V2)/V2 를 0.8 이하로 하는 것이 추천된다. 최적의 범위는, 0.2 ∼ 0.6 이다.
이러한 경도 차이를 갖는 상기 경화부는, 마르텐사이트 조직 및/또는 베이나이트 조직으로 이루어지고, 일방의 비경화부는 페라이트 조직 및/또는 펄라이트 조직을 주체로 하고, 일부 베이나이트 조직이 혼입되는 경우도 있다.
이상의 열간 단조품은, 열간 단조 후에 직접 부분 담금질하고, 그리고 자체 템퍼링를 거쳐 얻어진 것으로서, 그 후의 절삭 마무리 가공을 거쳐 기계 구조 부품이 된다. 여기서 말하는 열간 단조란, Ac3 이상의 온도로 가열하여 단조를 실시하는 공정이다.
다음으로, (V1-V2)/V2 : 0.1 ∼ 0.8 이 되는 열간 단조품을 제조하기 위한 제조 조건에 대해 설명한다.
즉, 이 종 부품의 제조의 일반적인 것에 따라, 강 소재를 가열하여 열간 단조기로 유도하여 열간 단조를 실시하는데, 이렇게 얻은 단조품에 대해, Ac3 이상에서부터 Ac1-150℃ 이하까지 20℃/s 이상의 속도로 냉각시키는 냉각 처리를 부분적으로 실시하는 것이 중요하다. 즉, 열간 단조 후에 고피로 강도가 요구되는 부위 를, Ac3 이상에서부터 Ac1-150℃ 이하까지 20℃/s 이상의 속도로 냉각시킴으로써, 냉각 중의 페라이트 생성을 억제하고, 조직을 마르텐사이트 및/또는 베이나이트로 할 수 있다.
여기서, 열간 단조 후의 부분 냉각을 Ac3 이상에서부터 Ac1-150℃ 이하까지의 온도구역에서 실시하는 것은, 냉각 후에 충분한 복열 효과를 얻기 위해서는 Ac3 이상으로부터의 냉각이 불가결하고, Ac1-150℃ 이하로 냉각시키는 것은, 페라이트의 생성을 억제하기 때문이다.
또, 상기 온도구역에서의 냉각 속도를 20℃/s 이상으로 하는 것은, 냉각 중의 페라이트 변태를 억제하고, 조직을 마르텐사이트 및/또는 베이나이트로 하기 위해서이다.
그 후, 당해 부품이 보유하는 열량에 기초하는 복열에 의해, 연속적으로 Ac1점을 초과하지 않는 온도구역에서 템퍼링시키는 것이 중요하다. 즉, 복열에 의한 템퍼링 온도가 Ac1점을 초과하면 부분 담금질에 의해 형성된 조직이 다시 오스테나이트가 되고, 그 후의 냉각 과정에 있어서 페라이트ㆍ펄라이트 조직이 되기 때문이다. 이것을 방지하기 위해서는 Ac1점을 초과하지 않는 온도구역에서 템퍼링시키는 것이 중요하다.
또한, 상기 복열에 의한 템퍼링은, 냉각 정지 후, 복열 후의 강온 과정에서 300℃ 에 도달할 때까지에 대해, Δtn초마다 평균 온도 Tn(K) 에서부터, 하기 식 (1) 에서 정의되는 파라미터 H 가
65 ≤ H ≤ 85
를 만족하는 것이 바람직하다.
H=log10Σ10fn … (1)
단, fn=logΔtn - 1.597 × 104/Tn + 100
여기서, 도 1 에 부분 냉각부의 복열시의 온도 이력을 나타낸다. 도 1 에 나타내는 바와 같이 냉각 정지 후의 냉각 커브로부터, 각각의 Δtn 에 있어서의 평균 온도 Tn(K) 를 구하고, 이것을 상기 (1) 식에 적용함으로써 파라미터 H 가 정해진다. 이 때, 자체 템퍼링 과정에 있어서의 온도 Tn 은 연속적으로 변화하기 때문에, Δtn 은 0.5초 이하로 하여 구하는 것으로 한다.
도 2 에 전술한 비 (V1-V2)/V2 와 파라미터 H 의 관계를 나타낸다. 도 2 에 나타내는 바와 같이 파라미터 H 와 경도비는 양호한 상관이 있고, 파라미터 H 가 65 미만이 되면, 템퍼링 효과가 불충분하기 때문에, 경도비 (V1-V2)/V2 가 0.8 을 초과해 버려, 피삭성이 문제가 된다. 또, 파라미터 H 가 85 를 초과하면, 과도하게 연화되기 때문에 (V1-V2)/V2 가 0.1 미만이 되어 피로 강도의 향상 효과를 얻을 수 없다.
이상에서 서술한 바와 같이, 피로 강도 그리고 냉간 가공성이 우수한 열간 단조품을 얻으려면, 열간 단조 후의 부분 냉각을 적절히, 바람직하게는 상기 파라미터 H 에 따라, 실시할 필요가 있고, 그것을 위한 열간 단조 설비를, 도 3 에 나타내는 바에 따라 상세하게 설명한다.
즉, 도 3 에 있어서, 부호 1 은, 강 소재를 가열하는 가열로로서, 이 가열로 (1) 의 출측으로 연장되는, 가열 후의 강 소재 (2) 의 반송 라인 (3) 상에 열간 단조기 (4) 를 배치하고, 추가로 열간 단조기 (4) 의 출측의 반송 라인 (3) 을 따른 위치에 부분 냉각 장치 (5) 를 설치하여 이루어진다.
가열 후의 강 소재 (2) 는 열간 단조기 (4) 에 있어서, 원하는 형상으로 형단조된다. 예를 들어, 도 4 의 (a) 에 나타내는 강 소재 (2) 는 열간 단조기 (4) 에 있어서 도 4 의 (b) ∼ (d) 에 나타내는 공정을 거쳐, 마무리 가공 전의 제품 형상을 갖는 단조품 (20) 으로 성형된다.
그 다음으로, 단조품 (20) 은 열간 단조기 (4) 의 출측에 설치된 부분 냉각 장치 (5) 에 있어서, 특정 부분에 냉각이 실시된다. 부분 냉각 장치 (5) 에는 예를 들어 도 5 에 나타내는 바와 같이, 단조품 (20) 에 대해서, 그 원주 등분 복수 위치에 상하 2단으로 복수의 노즐 (5a) 을 형성하고, 이들 노즐 (5a) 로부터 예를 들어 단조품 (20) 의 플랜지 근원부 (20a) 를 향하여 냉각액을 분사함으로써, 플랜지 근원부 (20a) 에 국한된 냉각을 실시할 수 있다.
도 5 에 나타내는 부분 냉각 장치는 단조품 (20) 을 탑재하는 회전 테이블 (6) 을 갖고, 그 회전 테이블 (6) 은 모터 (8) 에 의해 회전할 수 있게 되어 있다. 복수의 노즐 (5a) 은 회전 테이블 (6) 에 탑재된 상태의 단조품 (20) 의 플랜지 근원부 (20a) 에 대해서 냉각수를 분사하도록 위치가 고정되어 있다. 노즐 (5a) 은 냉각수 공급관 (12) 에 접속되어 있고, 냉각수 공급관 (12) 에는 냉각수를 공급하기 위한 승압 펌프 (11), 분사량을 제어하기 위한 유량 조정 밸브 (10) 및 유량을 감시하기 위한 유량계 (9) 가 설치되어 있다. 또한, 단조품 (20) 의 플랜지 근원부 (20a) 만을 국부적으로 냉각시키고, 그 외의 부분이 냉각되는 것을 억제하기 위해, 노즐 (5a) 의 상측에는 상부 냉각수 칸막이판 (7a), 노즐 (5a) 의 하측에는 하부 냉각수 칸막이판 (7b) 이 설치되어 있다. 상부 냉각수 칸막이판 (7a), 하부 냉각수 칸막이판 (7b) 은, 모두 고리형의 칸막이판이며, 각각, 단조품 (20) 의 비냉각 대상 부분에 대한 냉각수도 누설 방편을 억제할 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 회전 테이블 (6) 에 대해서도, 단조품 (20) 의 회전 테이블 (6) 에 접촉된 부분의 열이 방출되지 않도록, 세라믹제의 테이블을 사용하고 있다.
이상과 같이 구성된 부분 냉각 장치에서는, 회전 테이블 (6) 을 회전시키면서 노즐 (5a) 에서 냉각수를 분사시키면, 플랜지 근원부 (20a) 만을 냉각시키고, 그 외의 부분은 강제 냉각되지 않기 때문에, 국부 냉각 부분, 즉 이 예에 있어서는 플랜지 근원부 (20a) 만을 담금질할 수 있게 된다. 그리고, 냉각 종료 후에는, 비국부 냉각 부분으로부터의 열에 의해 자체 템퍼링이 실시된다.
그 때, 부분 냉각을 바람직하게는 상기 서술한 파라미터 H 에 따라 실시한다.
부분 냉각 후에는 방사냉각 (radiational cooling) 한다. 이 방사냉각은 반송 라인 (3) 의 종단에 배치하는 도시하지 않은 버킷 내에서 실시할 수 있고, 반 송 라인 (3) 상에서 실시해도 된다.
이상의 열간 단조 설비를 사용함으로써, 열간 단조기를 나온 단조품에 대해서 특정 부분에 국한된 냉각을 확실하게 실시할 수 있고, (V1-V2)/V2 : 0.1 ∼ 0.8 이 되는 열간 단조품을 제조할 수 있게 된다.
또한, 상기의 설비예에서는, 부분 냉각 장치 (5) 를 반송 라인 (3) 을 따른 위치에 1개 설치하고 있지만, 부분 냉각 장치 (5) 의 복수를 반송 라인 (3) 에 따라 배치할 수도 있다. 이러한 구성에 의해, 복수의 단조품을 거의 동시에 부분 냉각시킬 수 있고, 단조 속도에 따라 동일 라인 상에서의 부분 냉각 처리를 실현할 수 있다.
또, 노즐 (5a) 은, 링형상 관의 내측에 구멍을 복수 형성한 것이어도 되고, 원주형상의 슬릿 노즐이어도 된다. 이들을 사용하는 경우에는, 회전 테이블 (6) 대신에, 비회전하는 테이블로 해도 되는데, 보다 균일성을 증가시키기 위해 회전 테이블 (6) 을 사용하는 것이 바람직하다.
또, 칸막이판 (7a) 에 대해서도, 비냉각 대상부의 온도 강하량의 허용 레벨에 따라 설치되는 것으로서, 반드시 필요로 하지 않는다.
상기 서술한 예에 있어서는, 단조기의 하류측에 부분 냉각 장치 (5) 를 배치하고 있지만, 이것은 단조기 내에 형성하여 단조 직후에 냉각시킬 수 있도록 해도 된다. 또한, 복수 패스로 단조를 실시하는 경우에, 어느 패스 사이에서 냉각시킬 수 있도록 해도 된다.
실시예
표 1 에 나타내는 화학 성분 조성의 강을 진공 용해로로 용제하고, 100kg 의 잉곳으로 주조하였다. 그 다음으로, 잉곳을 열간 단조에 의해 65 ㎜φ 의 압연 봉강으로 한 후, 도 3 에 나타낸 열간 단조 설비로 유도하였다. 먼저, 이 압연 봉강을 가열로 (1) 에서 1200℃ 로 가열 후, 810 ∼ 1200℃ 의 온도구역으로, 도 4 의 (b) ∼ (d) 에 나타낸 3 단계의 열간 단조를 열간 단조기 (4) 에 있어서 실시하고, 도 4 의 (d) 에 나타내는 플랜지를 갖는 열간 단조품 (20) 으로 성형하였다. 이 단조품 (20) 을 즉시 도 5 에 나타낸 부분 냉각 장치 (5) 에 반입하고, 여기서 플랜지 근원부 (20a) 에 국한된 부분 냉각을 유량 10 ∼ 20 ℓ/min 의 냉각수를 분사시켜, 실시한 후에, 방사냉각하였다. 부분 냉각부의 개시 온도는 780 ∼ 1150℃ 로 하였다.
이렇게 얻어진 열간 단조품에 대해, 조직 관찰, 경도 측정 및 절삭 시험을 이하의 요령으로 실시하였다. 비교하기 위해, 종래 일반적으로 사용되고 있는 열간 단조ㆍ공랭 프로세스, 및 열간 단조ㆍ전체 담금질 템퍼링 프로세스로도 단조품을 제조하였다. 전체 담금질 후, 템퍼링 온도 600℃ × 1hr 의 템퍼링 처리를 실시하였다.
먼저, 조직 관찰은, 얻어진 열간 단조품의 플랜지 근원부 (20a) 및 축 단부 (20b) 로부터 조직 관찰용 샘플을 잘라내어, 그 나이탈 (nital) 부식 조직을 광학 현미경 및 전자 현미경으로 관찰하였다.
비커스 경도 측정은, 플랜지 근원부 (20a) 및 축 단부 (20b) 로부터 각각 표 피하 1 ㎜ 부에 대해 하중 300g 으로 비커스 경도를 측정하였다.
절삭 시험에 의한 절삭성은, 외주 절삭으로 평가하였다. 즉, 초경 공구 P10 을 사용하여 절삭 속도 200 m/min, 절삭 깊이 0.25 ㎜ 및 이송 0.5 ㎜/rev 에서, 윤활제를 분무하여 실시하고, 시삭에 의해 부품 전체를 절삭하는 데 소요되는 시간으로 평가하였다. 이 때, 종래의 열간 주조ㆍ공랭 프로세스재의 절삭에 소요된 시간 t1 에 대해서 소요된 시간을 t2 로 하고, (t2-t1)/t1 로 하여 평가하였다.
Figure 112007091489844-PCT00001
Figure 112007091489844-PCT00002
표 2 에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 설비를 사용함으로써, 부분 냉각이 확실하게 실시된 결과, 냉각부의 조직이 템퍼링되어 마르텐사이트 또는 베이나이트, 혹은 그들의 혼합 조직으로, 냉각부 이외의 조직이 페라이트-펄라이트, 혹은 베이나이트 조직으로 이루어지고, 양자의 경도비 (V1-V2)/V2 가 0.14 ∼ 0.77 인 단조품을 얻을 수 있었다. 또, 절삭성의 평가 결과는, 종래 프로세스재의 1.2배 이하이며, 종래의 전체면 담금질을 실시한 단조품의 약 1/3 이하였다.

Claims (4)

  1. 강 소재를 가열하는 가열로 및 가열된 강 소재에 단조를 실시하는 열간 단조기를, 반송 라인 상에 순서대로 배치한 열간 단조 설비로서, 상기 열간 단조기 내 및/또는 열간 단조기의 하류측에, 열간 단조 후의 단조품을 부분적으로 냉각시키는 부분 냉각 장치를 설치하여 이루어지는 열간 단조 설비.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부분 냉각 장치는 단조품의 부분을 향하여 냉각액을 분사하는 노즐을 갖는 열간 단조 설비.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 부분 냉각 장치를, 열간 단조기 출측의 반송 라인을 따른 위치에, 적어도 1개 형성한 열간 단조 설비.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부분 냉각 장치를, 열간 단조기 출측의 반송 라인을 따른 위치에, 복수 형성한 열간 단조 설비.
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