KR20130093172A - 심레스 강관을 이용한 중공 스프링 - Google Patents

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코타로 토요타케
코지 이와야
토모유키 미나미
노리토시 타카무라
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니혼 하츠쵸 가부시키가이샤
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Abstract

높은 내구성의 심레스 강관 및 그 심레스 강관을 이용한 중공 스프링을 제공하는 것, 및, 이와 같은 심레스 강관을 생산효율 좋고, 고품질이며 저가로 제조할 수 있는 심레스 강관의 제조방법을 제공하기 위해, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 적어도, 원통 형상의 강재의 빌렛(2)을 열간 정수압 압출 가공하는 것으로 심레스 강관 중간체(1a)를 제조하는 열간 정수압 압출공정(C)을 거쳐 제조된 심레스 강관(1)에 있어서, 강관의 내주면 및 외주면에 형성된 연속흠의 깊이가, 각 면으로부터 50㎛ 이하이다. 또, 본 발명에 의한 심레스 강관의 제조방법은, 빌렛 성형공정(A)과, 제1가열공정(B)과, 열간 정수압 압출공정(C)과, 제2가열공정(D)과, 신전공정(F)/(G)과, 제3가열공정(H)과, 산세공정(I)을 포함한다.

Description

심레스 강관을 이용한 중공 스프링{HOLLOW SPRING UTILIZING SEAMLESS STEEL PIPE}
본 발명은, 원통상으로 형성된 심레스 강관을, 예를 들면, 코일스프링 등의 소재로서 사용하는 심레스 강관과 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 자동차의 경량화 추세에 따라 패널재의 알류미늄화, 섀시 및 주요보디의 하이텐(High-Tensile Steel)화(고인장강도화) 등이 진행되고 있다. 그리고, 이 경량화의 필요는, 자동차 등의 배기가스 등에 의한 지구온난화가 국제적으로 크게 대두되어, 배기가스에 포함된 CO2의 감소가 큰 과제로 주목되고 있는 시점에서, 더 높아지고 있다.
예를 들면, 자동차에서, CO2의 감소방법으로 강구되는 수단으로서는, 하이브리드엔진, 연료전지모터방식, 배터리모터방식 등의 신동력원의 개발, 또는 현행 엔진의 개량으로 나눌 수 있다.
현행 엔진의 개량 중에서 크게 대두되고 있는 수단은, 「연소방법의 개선」, 「경량화에 의한 동력원의 생력화(절감)」등을 들 수 있다. 특히 구주권에서는 2010년에 연료규제가 도입되기 때문에, 자동차 메이커 각사는, 서로 경쟁하여 즉효성 있는 자동차 전체의 경량화에 노력하고 있다.
이와 같은 요구에 부응하기 위하여, 최근에는 자동차에 사용하는 스프링의 경량화도 이루어지고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 스프링강 강재로 이루어진 소재를 가열하여 맨네스맨(Mannesmann) 천공하고, 그 후 맨드릴 밀(Mandrel mill) 압연하여 얻은 중공소관을 마무리 압연하는 스프링용 이음매 없는 강관(繼目無綱管)(본 발명의 「심레스 강관」에 상당한다)의 제조방법이 제안되어 있다.
특허문헌 1:JP 특개평 1-247532호 공보
그러나, 맨네스맨 천공에 의해 심레스 강관을 제조하는 경우, 그 압연 최소경에 한계가 있고, 상기한 중공소관으로부터 예를 들어 10mm 정도의 심레스 강관을 제조한다고 하는 경우, 다수회의 인발공정과 가열공정을 거치지 않으면 안되었다.
특히, 소재가 스프링강의 경우는 열간변형저항이 높아, 1회의 인발에 의한 감면율이 예를 들어 20%(구체적으로는 100mm2 직경의 파이프가 80mm2로 되는 것을 말함)로 통상의 연강 등에 비하여 꽤 작게 해야 한다. 그 때문에, 특허문헌 1에 기재된 제조방법에서는 생산효율이 매우 나쁘다고 하는 문제가 있었다.
더욱이, 특허문헌 1에 기재된 제조방법으로 제조된 심레스 강관의 표면에는, 반복되는 열간가공에 의해 탈탄 및 압연모양 등이 발생하기 때문에, 심레스 강관의 외주면 및 내주면의 껍질 벗김(연삭)을 어쩔 수 없이 해야 한다. 연삭을 행하면, 특히 심레스 강관의 외주면 및 내주면에 상처가 발생하는 원인이 되고 있다.
또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 제조방법에서는, 맨네스맨 천공에 의해 심레스 강관을 제조하기 때문에, 경도가 높은 소재를 이용하면 공구가 파손되는 경우가 있었다. 그 때문에, 경도가 낮은 소재만 이용할 수 밖에 없기 때문에, 내구성이 낮은 심레스 강관만 제조할 수 밖에 없다고 하는 문제도 있었다.
한편, 가열처리와 프레스 가공을 반복하는 것으로 심레스 강관을 제조하는 방법도 있으나, 예를 들면 직경이 10mm 정도의 소경의 심레스 강관을 제조하는 것은 매우 가공율이 낮아, 현실성이 떨어진다고 하는 문제가 있다.
상술의 문제로부터, 종래, 특허문헌 1 등에서 심레스 강관을 제조하는 것이 제안되었으나, 경도가 높고 소경의 심레스 강관을 제조하는 것은, 실제적으로는 행해지지 않는 것이 현상황이다.
또한, 종래의 심레스 강관을 이용한 중공 스프링의 경우, 심레스 강관 자체의 재료 강도가 낮아, 고응력에서는 스프링의 처짐(영구변형), 파손이 발생하기 때문에, 설계응력을 낮게 하지 않을 수 없어, 경량화 효과가 낮다고 하는 문제가 있다.
본 발명은, 상기 문제에 착안하여 이루어진 것으로, 높은 내구성의 심레스 강관 및 이 심레스 강관을 이용한 중공 스프링을 제공하는 것, 및, 이와 같은 심레스 강관을 생산효율 좋고, 고품질 동시에 저가로 제조할 수 있는 심레스 강관의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결한 본 발명에 의한 심레스 강관은, 원통 형상의 강재 빌렛으로부터 열간 정수압 압출하는 공정을 거쳐 성형된 심레스 강관에 있어서, 강관의 내주면 및 외주면에 형성되는 연속흠의 깊이가, 각 면으로부터 50㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 압출시에 외주면 및 내주면에 형성되는 연속흠의 깊이를, 강관의 표면(내주면 및 외주면)으로부터 50㎛ 이하로 하는 바와 같이, 매우 작게 됨으로써, 연속하여 신축 동작시킨 경우에 있어서도 파괴 등의 기점으로 되기 쉬운 개소가 거의 없는 심레스 강관을 구현할 수 있다.
본 발명의 심레스 강관은, 상기 강관의 금속 조직 중에 비금속 개재물을 포함하고, 관축과 직교방향에 있어서 상기 비금속 개재물의 최대 두께가 50㎛ 이하로 하는 것이 좋다.
이와 같이, 본 발명의 심레스 강관은, 심레스 강관의 관축과 직교방향의 비금속 개재물의 최대 두께를 50㎛ 이하로, 매우 작으므로, 연속하여 신축동작시킨 경우에 있어서도 파괴 등의 기점으로 되기 쉬운 개소를 더욱 없게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서 비금속 개재물로는, 예를 들면, CaO, SiO2, Al2O3계 등의 글래스 상 개재물을 이라는 것으로 한다.
본 발명의 심레스 강관은, 상기 강관의 내주면 및 외주면의 표면 조도가, 평균거칠기(Ra) 12.5㎛ 이하로 하는 것이 좋다.
이와 같이, 본 발명의 심레스 강관은, 그 내주면 및 외주면의 평균거칠기(Ra)를 12.5㎛ 이하로, 매우 매끄러우므로, 연속하여 신축동작시킨 경우에 있어서도 파괴 등의 기점으로 되기 쉬운 개소를 더욱 없게 할 수 있다.
본 발명의 심레스 강관은, 그 강재를 스프링강으로 하는 것이 좋다.
이와 같이, 종래 심레스 강관의 강재로서 이용될 수 없었던 스프링강을, 열간 정수압 압출 공정을 거치는 것으로, 높은 경도를 구비한 심레스 강관으로 하는 것이 가능하다.
본 발명의 심레스 강관을 이용한 중공 스프링은, 가열한 스프링강 소재를 재료 청정도 및 표면성 상태를 높게 하기 위하여 열간 정수압에 의해 압출 가공한 심레스 스프링 강관을 이용하여 코일 또는 봉 형상 또는 절곡부를 갖는 봉 형상으로 형성한 중공체에, 압축 잔류 응력을 부여하는 표면처리를 실시한 것을 가장 주요한 특징으로 한다. 이 중공 스프링에 의해, 경량화 효과와 피로강도 업(up)의 양립을 도모할 수 있다.
상기 과제를 해결한 본 발명에 의한 심레스 강관의 제조방법은, 빌렛 성형공정과, 제1가열공정과, 열간 정수압 압출공정과, 제2가열공정과, 신전(伸展)공정과, 제3가열공정과, 산세(酸洗)공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 본 발명의 심레스 강관의 제조방법은, 빌렛 성형공정으로 강재를 원통 형상의 빌렛으로 성형하고, 성형된 빌렛을 제1가열공정으로 가열하여, 다음 공정의 열간 정수압 압출 가공을 진행하여 준비를 하고, 열간 정수압 압출공정으로 열간 정수압 압출 가공하는 것으로 심레스 강관 중간체를 제조한다. 이 때, 열간 정수압 압출 가공을 진행하므로, 열간 정수압 압출 장치와 습동하여 형성되는 연속흠을 거의 형성하지 않고 심레스 강관 중간체를 제조할 수 있다. 더욱이 그 제조방법에서는, 제2가열공정으로 당해 심레스 강관 중간체를 가열하여 성형하기 쉬운 상태로 하여 신전공정으로 그 심레스 강관 중간체를 필거밀 압연 및 인발 가공 중 적어도 1개를 진행하는 것으로 신전한다. 그리고, 가공 경화를 방지하기 위해 제3가열공정에 의해, 신전된 심레스 강관 중간체를 가열하여, 산세공정으로 신전 및 가열한 심레스 강관 중간체를 산세(세정)하는 것으로, 평활한 외주면 및 내주면을 갖는 심레스 강관을 제조할 수 있다.
즉, 예를 들면, 비교적 가늘고 긴 심레스 강관을 제조하는 경우 등에, 맨네스맨 천공이나 맨드릴 밀 압연을 행할 필요가 없기 때문에, 종래보다도 제조 코스트가 들지 않으며, 생산효율 좋고, 저가로 이를 제조할 수 있다. 또, 평활한 외주면 및 내주면이 얻어지는 열간 정수압 압출 가공으로 제조하므로, 고품질 심레스 강관을 제조할 수 있다.
본 발명의 심레스 강관의 제조방법은, 상기 산세공정 후에, 산세한 상기 심레스 강관을 구부림 교정하는 교정공정을 더 포함하는 것이 좋다.
이와 같이, 구부림 교정을 행함으로써, 당해 심레스 강관을 이용하여, 예를 들면 코일 스프링 등을 제조한 경우에 있어서, 국부적으로 이상한 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있으므로, 내구성이 우수한 제품을 제조하는 것이 가능하게 된다.
본 발명의 심레스 강관의 제조방법은, 상기 제2가열공정 후, 가열한 상기 심레스 강관 중간체의 내주면을 연삭가공하는 연삭공정을 더 포함하는 것이 좋다.
또한, 본 발명의 심레스 강관의 제조방법에서는, 상기 교정공정 후에, 상기 심레스 강관의 내주면을 연삭하는 것이 좋다.
이와 같이, 가열처리에 의해 생성된 탈탄층을 연삭하는 것으로 담금질하지 않는 부분을 없게하여, 표면경도를 균일화시키는 것으로 내구성이 우수하고, 또 신뢰성이 높은 심레스 강관을 제조할 수 있다.
본 발명의 심레스 강관 제조방법에서는, 상기 열간 정수압 압출 온도가, 1050℃ 이상 1300℃ 미만인 것이 좋다.
이와 같이, 열간 정수압 압출온도를 특정 범위로 규정함으로써, 비금속 개재물의 최대 두께, 및 단위 면적당 그의 개수를 적절하게 제어할 수 있어, 우수한 내구성을 갖는 심레스 강관을 제조할 수 있다.
본 발명의 심레스 강관의 제조방법에서는, 상기 제2가열공정에 대체하여, 열간 정수압 압출 가공된 상기 심레스 강관 중간체를 서냉하는 서냉공정으로 하여도 좋다.
이와 같이, 제2가열공정에 대체하여, 열간 정수압 압출 가공된 심레스 강관 중간체를 서냉하는 것에 의해서도, 그 금속 조직 중의 탄화물을 구상화하는 처리를 행할 수 있으므로, 상기한 바와 같은 우수한 내구성 뿐만 아니고, 더욱이, 냉간 가공성, 연삭성(피삭성), 인성 등을 향상시킨 심레스 강관을 제조할 수 있다.
[발명의 효과]
본 발명의 심레스 강관은, 열간 정수압 압출 가공에 의해 제조됨으로써, 평활한 외주면 및 내주면을 갖기 때문에, 계속하여 신축동작을 행한 경우에 있어서도 파괴 등의 기점으로 되기 쉬운 개소가 없는 결과, 피로 수명 등의 내구성이 우수하다.
또한, 본 발명의 심레스 강관은, 동일 직경의 중실의 강재와 비교하여, 대략 30 ~ 40%의 경량화를 도모할 수 있다.
본 발명의 중공 스프링은, 가열한 스프링강 소재를 재료청정도 및 표면성상을 높이기 위하여 액압에 의해 압출 가공한 심레스 스프링 강관을 이용하여 코일 또는 봉 형상 또는 절곡부를 갖는 봉 형상으로 형성한 중공체에, 압축잔류응력을 부여하는 표면처리를 실시했기 때문에, 중공 스프링의 재료 강도가 높고, 고응력에서도 중공 스프링의 처짐(영구변형), 절손이 제어되기 때문에 설계응력을 높게 할 수 있어, 경량화 효과와 피로 강도 업의 양립을 도모할 수 있다.
몇개의 자동차 부품에 적용된 경우의 효과에 대해서, 이하에 설명한다.
먼저, 엔진 성능을 향상시키기 위해서는, 엔진의 한계 회전수를 높여 출력을 향상시키는 방법이나 흡배기 포트의 형상을 개선하는 등의 수단으로, 출력 특성 등을 개선한다. 그 중에서, 엔진의 한계 회전수를 결정하고 있는 요소로서, 동변계(動弁系)의 운동이 그의 큰 제한요인으로 되어 있다. 캠 경유로 전달되는 크랭크샤프트의 회전운동은 밸브의 상하운동으로 연결, 밸브 스프링은 상하운동하는 밸브를 눌러 붙여 되밀어 내는 역할을 하고 있다. 그러므로, 캠의 회전운동에 대하여 밸브 스프링 자체의 상하운동이 추종될 수 없게 된 시점이 엔진의 한계 회전수로 된다. 따라서, 성능을 향상시키기 위해서는, 스프링의 하중을 높이거나, 스프링을 포함한 밸브 등의 왕복운동부분의 관성 중량을 저감시키는 것이, 필요불가결로 된다. 상기를 만족하기 위해서는, 스프링 자체의 중량을 저감하고, 또한, 소형화를 행하며, 동시에 스프링 하중을 유지, 향상시키는 것이 바람직하다(예를 들면, 경량화에 의해 밸브 스프링 고유진동수의 상승에 동반하는, 엔진 한계 회전수의 상승).
밸브 스프링의 관성중량 경감에 의한 연비 개선효과는 큰데, 일반적으로 스프링 중량의 20% 삭감에 대하여, 약 0.5~1.0%의 연비개선이 도모되어, 큰 효과를 기대할 수 있다.
다음, 자동차 서스펜션의 현가 스프링은 승차감이나 코너 링크 등의 주행 성능에 큰 영향을 주어, 그 차의 상품성을 결정하는 큰 요인이다. 이 서스펜션 성능은 차의 기본구조 외, 현가 스프링을 포함한 서스펜션 그 것의 특성이나 타이어 부분의 스프링 하중량에 크게 의존한다. 서스펜션에 이용되는 현가 스프링은, 차의 전중량을 지지하는 것이므로 고하중 대응으로 되어 있고, 그 때문에 하중도 크게 되어 있다. 그래서, 엔진의 밸브 스프링과 동일하게 같은 부품을 경량화할 수 있으면, 스프링 하중량의 경감이 가능하다. 예를 들면, 스프링 하중량의 경량화 효과는, 보디 경량화 효과로 환산하면 10배의 효과가 얻어진다. 또한, 구조 전체의 소형화에도 연결, 승차감뿐만 아니라, 신구조품의 채용이라는 상품력을 향상시킨다.
본 발명의 심레스 강관의 제조방법에 의하면, 천공 등을 행하지 않고, 열간 정수압 압출 가공에 의해 용이하게 심레스 강관을 제조하므로, 공정수를 감소시킬 수 있다. 그 결과, 생산효율을 높이는 것이 가능함과 함께, 저가로 이것을 제조하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 심레스 강관의 제조방법은, 열간 정수압 압출 가공을 행하므로, 외주면 및 내주면이 평활하게 되어, 고품질의 심레스 강관을 제조할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 심레스 강관의 제조방법은, 맨네스맨 천공이나 맨드릴 밀 압연 등을 행하지 않으므로, 용이하게 심레스 강관을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 심레스 강관을 제조하기 위하여 이용하는 열간 정수압 압출 장치의 요부 확대 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 중공 코일 스프링의 단면도이다.
도 3은 t/D와 경량화율 및 구멍부 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 t/D와와 밀착높이 증가율 및 구멍부 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 중공 코일 스프링의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 중공 코일 스프링의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 중공 코일 스프링의 단면도로서, (a), (b), (c)는, 각 실시예의 중공 코일 스프링의 요부 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 심레스 강관의 바람직한 제조방법의 플로우를 설명하는 설명도이다.
도 9는 중공 코일 스프링의 제조공정을 나타낸 블록도이다.
도 10은 본 발명의 중공 코일 스프링의 내면 쇼트(shot)를 나타낸 개념도이다.
도 11은 표 9의 현가 스프링의 내구성 시험결과를 플롯(plot)한 그래프이다.
이하, 본 발명에 의한 심레스 강관, 심레스 강관을 이용한 중공 코일 스프링 및 그 제조방법에 대하여, 적절한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[1. 심레스 강관]
먼저, 도 1를 참조하여, 본 발명에 의한 심레스 강관에 대하여 상세하게 설명한다.
여기서, 도 1은, 본 발명에 의한 심레스 강관을 제조하기 위하여 이용하는 열간 정수압 압출 장치의 요부 확대 단면도이다.
본 발명에 의한 심레스 강관은, 도 1에 나타낸 바와 같이, 적어도, 원통 형상의 강재 빌렛(2)을 열간 정수압 압출 가공하는 것으로 심레스 강관 중간체(1a)를 제조하는 열간 정수압 압출 공정을 거쳐 제조된다.
이 심레스 강관(1)은, 열간 정수압 압출 공정으로 열간 정수압 압출 가공하는 것에 의해, 열간 가공의 단계로부터 매우 평활한 표면(외주면 및 내주면)을 구비할 수 있다.
이 열간 정수압 압출 가공은, 열간 정수압 압출 장치(10)에서 심레스 강관 중간체(1a)를 압출 가공하는 때에 점망성(粘望性)의 압력매체(17)를 사용하므로, 예를 들면, 1GPa(1만기압) 전후의 큰 압력을 걸어도 열간 정수압 압출장치(10)와 심레스 강관 중간체(1a) 사이의 마찰을 큰 폭으로 경감시키는 것이 가능하여, 연속흠이나 거칠어짐이 없고, 표면성상이 우수한 심레스 강관(1)을 제조할 수 있다.
또한, 여기서 이용되는 압력매체(17)로서는, 유지계에 흑연을 가한 윤활제를 이용하는 것이 바람직하다.
당해 심레스 강관(1)은, 그 내주면 및 외주면에 형성된 연속흠의 깊이가 표면으로부터 50㎛ 이하로 하고 있다.
또한, 연속흠이란, 심레스 강관(1)의 제조시에, 열간 정수압 압출장치의 일부와 접촉하는 등으로하여, 당해 심레스 강관(1)의 일단측으로부터 타단측을 향하여, 그 외주면이나 내주면에 길게 연속하여 형성되는 습동상처(褶動傷)를 말한다.
여기서, 예를 들면, 코일 스프링을 연속하여 신축동작시켜 절손 등이 생기는 경우, 통상, 코일 스프링 표면에 있는 연속흠 등의 표면 이상이나, 비금속 개재물 등으로부터 파손이나 균열이 생기는 것이 원인으로 되는 것이 많다.
따라서, 본 발명에서는, 이러한 연속흠의 깊이를 외주면 및 내주면의 표면으로부터 50㎛ 이하, 바람직하게는 45㎛ 이하, 더 바람직하게는 40㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 38㎛ 이하, 보다 더 바람직하게는 35㎛ 이하로 하는 것에 의해, 파괴 등의 기점으로 되기 쉬운 개소를 거의 없게 할 수 있다.
한편, 연속흠의 깊이가, 외주면 및 내주면의 표면으로부터 50㎛를 초과하면, 연속하여 신축동작시킨 경우에, 당해 연속흠으로부터 파괴나 균열이 발생하므로 바람직하지 않다.
또, 열간 정수압 압출장치(10)를 이용하면, 심레스 강관(1)의 외주면 및 내주면의 표면 조도에 대하여, 그 평균거칠기(Ra)가 12.5㎛ 이하와 같이, 낮게 하는 것이 가능하다.
이 평균거칠기(Ra)가 12.5㎛를 초과하면, 거칠어짐이 심하기 때문에, 연속하여 신축동작을 시킨 경우에 파괴나 균열의 기점으로 되기 쉬운 개소가 많이 포함되어 있게 되어, 바람직하지 않다. 또한, 평균거칠기(Ra)는 낮을수록 바람직하다. 평균거칠기(Ra)는, 예를 들면, 12.5㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 10㎛ 이하로 하는 것이 더 바람직하며, 8㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하고, 4㎛ 이하로 하는 것이 더욱 더 바람직하나, 그 하한은 없다.
또한, 표면조도(Ra)는, 심레스 강관의 내주면 및 외주면에 있어서 관축방향으로 거칠기를 측정한 것으로 규정하는 것이 바람직하다.
열간 정수압 압출장치(10)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 선부(先部)에 다이스(11)가 지지부재(12)를 매개로 설치된 컨테이너(13)와, 컨테이너(13) 내에 배치된 실 피스톤(seal piston)(14)과, 이 실 피스톤(14)을 압압하는 스템(stem)(15)과, 실 피스톤(14) 및 스템(15)을 관통하여, 심레스 강관 중간체(1a)의 내경을 형성하는 맨드렐(mandrel)(16)을 구비하는 구성으로 되어 있다.
여기서, 이 심레스 강관 중간체(1a)는, 후에 행하는 제공정을 거침으로써, 심레스 강관(1)으로 되는 것이다.
이 열간 정수압 압출장치(10)는, 미리 고온(예를 들면, 1050℃ 이상 1300℃ 미만)으로 가열하여 연화된 빌렛(2)을 컨테이너(13) 내에 배치하고, 압력매체(17)를 개재하여 실 피스톤(14)으로 빌렛(2)을 압압함으로써, 다이스(11)와 맨드렐(16)의 사이로부터 당해 빌렛(2)을 토출시켜서 심레스 강관 중간체(1a)를 제작한다.
구체적으로는, 예를 들면, 내경이 50~60mm, 외경이 140~160mm의 중공 형상의 강재 빌렛(2)을, 당해 열간 정수압 압출장치(10)를 이용하여 열간 정수압 압출 가공하는 것으로, 예를 들면, 외경이 30~60mm, 두께가 4~7mm의 심레스 강관(1)을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 상기한 빌렛(2)의 내경 및 외경이나, 심레스 강관(1)의 외경 및 두께는, 적절하게 변경할 수 있다는 것은 말할 필요도 없고, 상기 범위에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다.
여기서, 본 발명의 심레스 강관(1)을 제조하기 위하여 이용되는 강재로서는, 예를 들면, SiCr강이나 보다 고강도의 SiCrV강 등의, 소위 스프링강을 이용할 수 있다. 구체적으로는, JIS G 3560, JIS G 3561 등을 바람직하게 이용할 수 있고, 보다 구체적으로는, 주식회사 신호제강소(神戶製綱所)제 KHV12N, KHV10N, KHV6N, KHV7, CRV, HRS6, SRS600, UHS1900, UHS2000 등을 특히 바람직하게 이용할 수 있다.
이와 같은 강재로서는, 그 조성이, C:0.3~1.0질량%, 보다 바람직하게는 0.5~0.7질량% 미만, Si:0.1~3.0질량%, 보다 바람직하게는 1.0~3.0질량%, Mn:0.05~1.5질량%, 보다 바람직하게는 0.5~1.5질량%, Ni:0~2.5질량%, 보다 바람직하게는 0.05~0.5질량%, Cr:0~2.0질량%, 보다 바람직하게는 0.05~1.5질량%, Mo:0~0.8질량%, V:0~0.8질량%, 보다 바람직하게는 0.05~0.3질량%, Ti, Nb, Co, W:0~0.5질량%을 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피적 불순물인 것을 바람직하게 이용할 수 있다.
(C:0.3~1.0질량%)
C는, 신선재(伸線材), 즉 심레스 강관(심레스 강관 중간체를 포함)의 인장강도를 높여, 피로특성이나 내처짐성을 확보하기 위하여 유용한 원소이다.
C의 함유량이 1.0질량%를 초과하면 결함감수성을 증대시켜, 표면흠이나 비금속 개재물로부터의 균열을 발생하여 피로수명특성이 열화한다.
그러나, C의 함유량이 0.3질량% 미만으로 되면, 고응력 스프링으로서 필요한 인장강도를 확보할 수 없을 뿐만 아니라, 피로균열발생을 조장하는 초석(初析) 페라이트(ferrite)의 양이 많게 되어 피로수명특성을 열화시킨다.
따라서, 본 발명에 있어서 C의 함유량은, 0.3~1.0질량%로 규정하고 있다. 한편, 보다 바람직한 함유량으로써는, 0.5~0.7질량% 미만이다.
(Si:0.1~3.0질량%)
Si는, 고용강화에 의해 심레스 강관의 인장강도를 높여, 피로수명특성과 내처짐성의 개선에 공헌하는 원소이다.
Si의 함유량이 0.1질량% 미만이면, 상기한 효과를 얻을 수 없다.
그러나, Si의 함유량이 3.0질량%를 초과하여 과잉으로 되면, 표면이 탈탄하여, 흠이 증가하고 내피로성이 나쁘게 된다.
따라서, 본 발명에 있어서 Si의 함유량은, 0.1~3.0질량%로 규정하고 있다. 한편, 보다 바람직한 함유량은 1.0~3.0질량%이다.
또한, C의 함유량을 낮게 한 만큼 만 Si를 높게 함유시킬 필요가 있다.
(Mn:0.05~1.5질량%)
Mn은, 펄라이트(pearlite) 조직을 치밀화 동시에 정연화시켜, 피로특성의 개선에 공헌하는 원소이다.
Mn의 함유량이 0.05질량% 미만이면, 상기한 효과를 얻을 수 없다.
그러나, Mn의 함유량을 1.5질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, 열간 정수압 압출시 등에 있어서 베이나이트(bainite) 조직이 생성하기 쉬워져, 피로특성을 열화시킨다.
따라서, 본 발명에 있어서 Mn의 함유량은, 0.05~1.5질량%로 규정하고 있다. 한편, 보다 바람직한 함유량은 0.5~1.5질량%이다.
(Ni:0~2.5질량%)
Ni은, 함유시키지 않는 것으로 할 수도 있지만, 노치감수성을 낮게 함과 함께 인성을 높이는 효과를 가지므로, 함유시키는 편이 좋다. 또한, Ni은, 예를 들면, 스프링 감기 가공한 경우 등에 있어서 절손 트러블을 제어함과 함께, 피로수명을 향상시키는 효과를 가진다.
이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Ni을 0.05질량% 이상 함유하면 좋다.
그러나, Ni의 함유량이 2.5질량%를 초과하여 과잉으로 되면, 열간 정수압 압출시 등에 있어서, 베이나이트 조직이 생성하기 쉬워져, 역효과로 된다.
따라서, 본 발명에 있어서 Ni의 함유량은, 0~2.5질량%로 규정하고 있다. 한편, 보다 바람직하게는 0.05~0.5질량%이다.
(Cr:0~2.0질량%)
Cr은, 함유시키지 않는 것으로 할 수도 있지만, 펄라이트 러멜러(pearlite lamella) 간격을 작게하여, 열간 정수압 압출후, 또는 가열처리후의 강도를 상승시켜, 내처짐성을 향상시키므로, 함유시키는 편이 바람직하다.
이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Cr을 0.05질량% 이상 함유하면 좋다.
그러나, Cr의 함유량이 2.0질량%를 초과하여 과잉으로 되면, 패턴팅 시간이 너무 길어지고, 또 인성이나 연성이 열화한다.
따라서, 본 발명에 있어서 Cr의 함유량은, 0~2.0질량%로 규정하고 있다. 또한, 보다 바람직하게는 0.05~1.5질량%이다.
(Mo:0~0.8질량% 이하)
Mo은, 함유시키지 않는 것으로 할 수도 있지만, 담금질성을 높여 스프링강의 고강도화에 기여하므로, 함유시켜도 좋다.
이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Mo을 0.2질량% 이상 함유하면 좋다.
그러나, Mo의 함유량이, 너무 많으면 인연성(靭延性)을 극단으로 악화시키므로, 0.8질량% 이하로 억제할 필요가 있다.
따라서, 본 발명에 있어서 Mo의 함유량은 0~0.8질량% 이하로 규정하고 있다.
(V:0~0.8질량%)
V은, 함유시키지 않는 것으로 할 수도 있지만, 펄라이트 노듈 사이즈(pearlite nodule size)를 미세하게 하여 심레스 강관의 가공성을 개선하는데 유용하므로, 함유시키는 편이 바람직하다. 또, V는, 예를 들면, 스프링재 등으로 했을 경우에 있어서, 그 스프링재의 인성 및 내처짐성 등을 개선하는데 유용하다.
이와 같은 효과를 얻기 위해서는, V을 0.05질량% 이상 함유하는 것이 좋다.
V의 함유량이 0.8질량%를 초과하여 과잉으로 함유시키면, 열간 정수압 압출시 등에 있어서, 베이나이트 조직이 생성하기 쉬워져, 피로수명을 열화시키게 된다.
따라서, 본 발명에 있어서 V의 함유량은, 0~0.8질량%로 규정하고 있다. 또한, 보다 바람직하게는 0.05~0.3질량%이다.
(불가피적 불순물)
본 발명의 심레스 강관에 있어서 기본적인 성분 조성은 상기와 같고, 나머지는 실질적으로 Fe로부터 되는 것이지만, 상기의 각종 성분 이외에도 강재를 이용한 심레스 강관의 특성을 방해하지 않는 정도의 미량 성분을 포함할 수 있는 것이어서, 미량 성분을 포함한 심레스 강관도 본 발명의 범위에 포함하는 것이다. 상기 미량성분으로써는 불순물, 특히 P, S, As, Sb, Sn 등의 불가피적 불순물을 들 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 높은 경도를 갖는 스프링강을 이용하여 제조하므로, 중공재에 있어서도 종래품과 같이 일반구조용 압연강(JIS G 3101)이나 기계구조용 탄소강(JIS G 4051) 등을 이용하여 제조된 중실재와 같은 정도의 경도를 구비할 수 있다.
또, 그와 같은 견고한 강재를 이용하는 것에도 불구하고, 열간 정수압 압출 가공에 의해 심레스 강관 중간체로 제조하여, 심레스 강관을 제조하는, 즉, 천공 등을 행하지 않고서 제조할 수 있으므로, 제조가 용이하고 또 제조 코스트가 낮다. 또한, 열간 정수압 압출 후에, 적당의 냉간가공, 열처리 등을 하는 것에 의해 더욱 소망의 성질을 구비하는 것도 가능하다.
따라서, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 예를 들면, 비커스 경도로 Hv500 이상 이라는 바와 같이, 종래에서는 이루어 얻을 수 없었던 높은 경도를 구비할 수 있다. 또한, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 이 보다도 높은 경도로 할 수 있는 것은 말할 필요도 없으며, 예를 들면, 비커스 경도로 Hv550 이상으로 하는 것이나, 보다 높은 경로로서는 Hv600 이상, 더욱 높은 경도로서는 Hv650 이상으로 하는 것도 가능하다.
그리고, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 금속조직 중에 비금속 개재물을 함유하는데, 당해 심레스 강관의 관축과 직교방향에 있어서 비금속 개재물의 최대 두께가 50㎛ 이하로 하는 것이 좋다. 또한, 1천만회를 초과하는 수명(신축동작)이 요구되는 부재에 있어서는, 이에 함유되는 비금속 개재물에 대하여, 심레스 강관의 관축과 직교하는 방향에 있어서의 최대 두께가 30㎛ 미만, 동시에, 100mm2 당의 개수가 30개 미만으로 하는 것이 더 바람직하다.
관축과 직교방향의 비금속 개재물의 최대 두께가 50㎛를 초과하면, 예를 들면, 반복되는 피로부품 등에 있어서는, 응력이 집중하여 피로파괴에 미칠 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 비금속 개재물은 함유하지 않는 편이 내구성 향상의 관점에서 바람직하므로, 그 하한은 없다.
또한, 비금속 개재물의 최대 두께 및 100mm2 당의 개수는, 횡단면을 주사형 전자현미경에 의해 관찰하는 등의 종래 공지의 수단에 의해 측정할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 연속흠의 깊이, 금속조직 중에 포함된 비금속 개재물의 최대 길이, 최대 두께, 단위 면적당의 개수, 조성 성분의 범위, 및, 내주면과 외주면의 평균거칠(Ra)를 적절하게 제어함으로써, 연속하여 신축동작시킨 경우에 있어서도 절손 등 하는 것이 없기 때문에, 내구성이 뛰어나다. 또, 본 발명의 심레스 강관(1)은, 종래의 심레스 강관보다도 높은 경도를 가진다.
또, 중공재이므로, 중실재와 비교하여 30~40%의 경량화를 도모할 수 있다. 이는, 차량 부품으로서 사용하는 경우의 β티탄 합금과 대략 동등의 경량화를 실현하는 것이다.
[2.중공 스프링]
본 발명의 심레스 강관(1)은, 압축 코일 중공스프링, 인장 코일 중공 스프링, 비틀림 중공스프링 등의 중공 스프링의 소재로서 적합하게 이용할 수 있다. 특히, 상기한 바와 같이, 높은 경도의 강재(예를 들면, 스프링강)로 심레스 강관(1)을 제조하고, 이를 이용하여 중공스프링을 제작하면, 스프링 정수가 큰 압축 코일 중공스프링 등으로 하는 것이 가능하다. 보다 구체적으로는, 예를 들면, 중공의 밸브스프링, 중공의 서스펜션 스프링 등으로 하는 것을, 그 실용예로서 열거 할 수 있다. 이와 같이 하면, 종래의 중실 밸브스프링이나 서스펜션 스프링과 비교하여, 그 중량을 30~40% 경량화하는 것이 가능하다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 중공스프링을 구성하는 중공 코일 스프링의 단면도이다. 중공 코일스프링(31)은, 자동차용의 현가 스프링 또는 밸브 스프링 등으로서 이용되는 것이며, 가열한 스프링강 소재를 액압에 의해 압출 가공하여 재료청정도 및 표면성상을 높인 심레스 스프링 강관을 이용하여 코일 형상의 중공체로 형성함과 함께 압축잔류응력을 부여하는 표면처리를 실시하였다.
상기 중공 코일 스프링(31)을 구성하는 중공체의 단면 두께(t) 및 외경(D)의 비를, t/D = 0.10~0.35 바람직하게는 0.20~0.30으로 설정한다. 표 1은, t/D와 경량화율 등과의 관계를 나타낸 표, 도 3은, t/D와 경량화율 및 구멍부 응력의 관계를 나타낸 그래프, 도 4는, t/D와 밀착높이 증가율 및 구멍부 응력의 관계를 나타낸 그래프이다.









 재료경
mm		 t/D 스프링질량
g		 경량화율
%		 구멍부내경치응력
MPa		 응력비
구멍부/외주		 밀착높이
mm		 밀착높이 증가율 %
9.85 0.100 218 25.4 822 0.847 58.0 57.1
8.87 0.150 227 22.4 717 0.739 48.2 30.6
8.38 0.200 241 17.6 613 0.632 43.6 18.1
8.11 0.250 255 12.5 512 0.528 41.0 11.1
7.95 0.300 269 7.8 415 0.428 39.3 6.6
7.87 0.350 282 3.4 319 0.329 38.5 4.3
7.84 0.375 285 2.3 272 0.281 38.1 3.2
7.82 0.400 289 0.9 226 0.233 37.8 2.5
7.80 0.425 292 0.2 181 0.186 37.5 1.7
중실 7.76 0.500 292 36.9
표 1, 도 3 및 도 4와 같이, t/D를 작게하여 경량화율을 높이면, 구멍부(33)의 내경치 응력도 상대적으로 높게되고(도 3), 외경(D)의 증대에 의해, 밀착높이도 높게된다(도 4). 따라서, 밀착높이를 억제하면서 경량화율을 높이는 것이 중요하다.
여기서, 중공 코일스프링(33)의 구멍부(33)의 내표면에 압축잔류응력을 부여한 때, 피로강도는, 970MPa, 부여하지 않은 때, 600MPa이다. 따라서, 중공 코일 스프링(31)의 구멍부(33)의 내표면에 압축잔류응력을 부여하지 않은 때는, 표 1과 같이, 강도적으로 t/D = 0.25의 설정이 한계로 되어, 이 한계치에서 가장 경량으로 된다. 중공 코일스프링(31)의 구멍부(33)의 내표면에 압축잔류응력을 부여하면 t/D = 0.10의 설정도 가능하여, t/D = 0.25의 설정보다도 더 경량으로 된다. t/D = 0.35의 설정은 t/D = 0.25의 설정보다도 무겁게 되나, 종래의 것에 비교하면 경량화를 도모할 수 있어, 허용되는 범위이다.
이들을 종합적으로 판단하고, 경량화율의 변화에 변곡점이 보이는 점을 특정하여, t/D = 0.10~0.35의 범위를 결정한다.
상기 중공 코일스프링(31)은, 경도가 Hv = 500 이상으로 되어 있고, 도 2와 같이 단면외형(35)(외주원) 및 단면 내형(36)(구멍부(33)의 내주원)의 형상 및 상대위치가, 거의 원형 동심으로 되어 있다. 중공 코일스프링(31)의 단면외형(35) 및 단면내형(36)의 상대위치는, 상기 중공 코일스프링(31)을 구성하는 중공체의 코일직경과 재료경도의 설정에 의해 확보한다.
실시예의 중공 코일스프링(31)은, 가열한 스프링강 소재를 액압에 의해 압출 가공하여 재료청정도 및 표면성상을 높인 심레스 강관을 이용하여 코일 형상의 중공체로 형성함과 함께 압축잔류응력을 부여하는 표면처리를 실시했기 때문에, 압축잔류응력을 균일하게 부여하기 쉽고, 중공 스프링의 재료강도가 높으며, 고응력에서도 스프링의 처짐(영구변형), 절손이 억제되기 때문에 설계응력을 높게 할 수 있어, 경량화 효과와 피로강도 업의 양립을 도모할 수 있다.
도 5는, 본 발명의 다른 실시예에 의한 중공 코일스프링의 단면도이다.
본 실시예의 중공 코일스프링(31A)은, 단면외형(35)에 대한 단면내형(36)의 상대위치가, 중공 코일스프링(31A)를 구성하는 중공체의 코일 직경방향의 외측으로 편심되어 있다. 따라서, 중공 코일스프링(31A)의 내경측의 두께(t1)가, 외경치의 두께(t2)를 기준으로 상대적으로 두껍게 되어 있다.
이러한 중공 코일스프링(31A)의 단면외형(35) 및 단면외형(36)의 상대위치는, 상기 중공 코일스프링(31A)을 구성하는 중공체의 코일 직경과 재료경도의 설정 및 소재상태에서의 상대위치에 의해 확보한다.
따라서, 도 5의 중공 코일스프링(31A)에서는, 도 2의 중공 코일스프링(31)의 효과에 더하여, 중공 코일스프링(31A)의 외경치보다도 상대적으로 높은 응력이 활동하여 내경치의 강도를 보다 높일 수 있어, 내구성을 향상시킬 수 있다.
*도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 의한 중공 코일스프링의 단면도이다.
본 실시예의 중공 코일스프링(31B)은, 단면외형(35) 및 단면내형(36)의 형상이, 모두 타원형이고 단면이 중공 코일스프링(31B)을 구성하는 중공체에 코일 축심방향으로 편평형상으로 되어 있다. 단면외형(35) 및 단면내형(36)의 타원은 동심이다.
이러한 중공 코일스프링(31B)의 단면외형(35) 및 단면내형(36)의 상대위치는, 중공체의 코일 직경과 재료경도의 설정에 의해 확보한다. 상기 편평단면형상은, 심레스 스프링강관의 압연처리에 의해 실현한다.
따라서, 본 실시예의 중공 코일스프링(31B)에서는, 도 2의 중공 코일스프링(31)의 효과에 더하여, 중공 코일 스프링(31B)의 높이를 낮게 할 수 있고, 또한 내경치 및 외경치의 응력을 동일하게 할 수 있다.
도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예의 중공스프링을 나타낸 것으로, (a), (b), (c)는, 각 실시예의 중공 스프링의 요부 단면도이다.
도 7(a)는, 중공 코일 스프링(31C)의 단면외형(35)을 타원형의 편평형상으로 하고, 단면내형(36)을, 진원형상으로 한 것이다.
도 7(b)는, 중공 코일스프링(31D)의 단면외형(35)을 코일 내경치의 곡률반경이 작게 된 계란형상으로 하고, 단면내형(36)을, 진원형상으로 한 것이다.
도 7(c)는, 중공 코일스프링(31E)의 단면외형(35)을 타원형(또는 진원형)을 기본형상으로 하여 코일 축방향 양면을 평선으로 형성하고, 단면내형(36)을, 타원형(또는 계란형)으로 한 것이다. 단면외형(35)을 사각형으로 형성할 수도 있다.
본 발명의 실시예에 의한 중공 스프링에 있어서는, 중공 코일스프링(31B, 31C, 31D, 31E)을 구성하는 중공체의 적어도 단면외형이, 비원형 형상으로 형성된 것을 포함한다.
본 발명은, 절곡부를 갖는 봉 형상의 중공체인 중공 스태빌라이저에 적용하는 것도 가능하다. 중공 스태빌라이저는, 봉 형상의 본체부의 양단부에 아암을 구비하고 있고, 본체부 및 아암 사이에 절곡부를 가지고 있다. 본 발명은, 코일 스프링이 아닌 봉 형상 스프링으로써 절곡부를 갖지 않는 토션바로서 구성하는 것도 가능하다.
[3.심레스 강관의 제조방법]
다음, 본 발명에 의한 심레스 강관의 제조방법에 대하여 설명한다.
여기서, 도 8은, 본 발명에 의한 심레스 강관의 바람직한 제조방법의 플로우를 설명하는 설명도이다.
본 발명에 의한 심레스 강관(1)을 제조하는 방법으로서는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 예를 들면, 빌렛 성형공정(도 8A)과, 제1가열공정(도 8B)와, 열간 정수압 압출공정(도 8C)과, 제2가열공정(도 8D)과, 신전(伸展)공정(도 8F 및/또는 도 8G)과, 제3가열공정(도 8H)과, 산세(酸洗)공정(도 8I)을 포함하는 것이며, 이들 공정의 공정내용을 행함으로써, 제품으로써의 심레스 강관(1)을 제조할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 심레스 강관의 제조방법은, 도 8에 나타낸 바와 같이, 산세공정(도 8I) 후에 구부림 교정공정(도 8J)을 포함하는 것이 보다 바람직하며, 제2가열공정(도 8D) 후에 연삭공정(도 8E)을 포함하는 것이 더 바람직하다.
이하에, 가장 바람직한 태양의 본 발명에 의한 심레스 강관의 제조방법의 각 공정 내용에 대하여 차례로 설명한다.
빌렛 성형공정(A)에서는, 강재(2a)를 원통 형상의 빌렛(2)(중공 빌렛)으로 성형한다. 이러한 성형은, 단조 등을 행함으로써 이루어질 수 있다.
그리고, 제1가열공정(B)에서는, 이 빌렛(2)을 가열로에 넣어 1050℃ 이상 1300℃ 미만으로 가열처리를 행하여, 연화시킨다. 가열로는, 전기로, 가스로 등을 사용할 수 있다. 이 때의 가열시간은, 빌렛(2)을 충분히 연화시킬 수 있으면, 특별히 한정하는 것은 아니다. 또, 이 가열시간은, 빌렛(2)의 크기 등을 고려하여 적절하게 변경할 수 있다.
열간 정수압 압출공정(C)에서는, 1050℃ 이상 1300℃ 미만으로 가열한 빌렛(2)을, 상기에서 설명한 열간 정수압 압출장치(10)를 이용하여 열간 정수압 압출 가공하는 것으로 심레스 강관 중간체(1a)를 제조한다.
또한, 열간 정수압 압출공정(C)에 있어서, 빌렛(2)의 압출 온도는, 제1가열공정(B)의 가열온도, 즉, 1050℃ 이상 1300℃ 미만으로 하는 것이 좋다. 스프링의 내구성에 영향을 미치는 강 중 개재물의 개수·사이즈의 관점으로부터는, 압출온도는 1100℃ 이상 1280℃ 미만 사이가 가장 적합하나, 치공구류의 손상을 고려하면, 저온측에서 행하는 편이 치공구의 손상을 경감시킬 수 있는 잇점을 얻을 수 있다. 따라서, 압출온도의 추천범위는 하한범위를 약간내려, 1050℃ 이상 1200℃ 미만으로 설정해야 하지만, 보다 품질을 중시하는 것 이면, 1100℃ 이상 1200℃ 미만으로 설정하는 것이 좋다.
또, 금속조직 중의 비금속 개재물의 단위면적당의 개수·사이즈(최대 두께)의 관점으로부터 압출온도가 설정된 이유는 이하와 같다. 압출온도가 상승하면 비금속 개재물이 연화하여, 압출에 의해 변형·분단되어 미세화가 진행한다. 그러나, 결정화와 그에 따른 결정성장도 동시에 진행하기 때문에, 압출온도가 너무 높으면, 결정화에 의해 비금속 개재물의 조대화(粗大化)가 염려된다. 한편, 비금속 개재물의 연화온도는, 강재(예를 들면, 스프링강)의 경우에는 1100℃ 이상 1280℃ 미만이고, 연화온도 이상의 압출온도를 설정하는 것이 추천된다. 또, 금속조직의 변형에 의한 비금속 개재물의 변형·분단효과는, 비금속 개재물과 금속조직의 상대적인 강도차에 의존한다. 그 때문에, 압출온도가 너무 높아 연화한 비금속 개재물 이상으로 금속조직의 강도가 저하해 버리면 결정화의 진행과 동시에 미세화 효과가 손상된다. 따라서, 압출온도는 비금속 개재물의 연화온도 이상으로 되고, 또 가능한 한 낮은 온도로 하는 것이 바람직하다.
한편, 열간 정수압 압출 때의 금형 수명은, 압출온도가 높을수록 짧아지기 때문에, 토탈 코스트를 감안한 경우에는, 보다 낮은 압출온도로 하는 것이 좋다. 그래서, 압출온도를 50℃ 낮게 설정하여, 1050℃를 압출온도의 하한으로 한다. 이 보다도 낮은 압출온도에서는 비금속 개재물의 약영향을 무시할 수 없게 되는 것 외, 압압력도 너무 크게 되기 때문에, 품질이 나쁘게 되거나, 설비에 대한 부담이 증가 하는 등의 문제가 있어, 적절하지 않다.
또, 열간 정수압 압출가공의 특징은, 상기한 특정의 온도범위에서 열간 정수압 압출 가공을 행한 경우에, 강재와 열간 정수압 압출장치(10)의 공구의 마찰이, 통상의 압출장치에 비교하여 작기 때문에, 심레스 강관 중간체(1a)의 표면상태를 평활하게 하는 것이 가능하다는 점이다. 그 결과, 예를 들면, 심레스 강관 중간체(1a)의 표면은 미려하게 되어, 평균거칠기(Ra)를 50㎛ 이하로 하는 것이 가능한 것 외, 표면의 결정입자도 작게되는 경향이 있다. 따라서, 이에 의해 제조된 심레스 강관(1)을, 예를 들면, 코일 스프링이라는 제품으로 가공하여 사용하는 경우, 중공 스프링의 최표면에서 응력이 최대로 되기 때문에, 미세한 결정입자를 갖는 것이나 표면조도가 작은 표면결함(흠, 주름)이 적은 것은, 스프링의 장수명화로 연결된다. 상기 열간 정수압 압출공정에서는, 압출가공시에 유지계에 흑연을 가한 윤활제를 사용하면 압출 저항을 감소하여 심레스 스프링 강관을 원활하게 압출 성형할 수 있다. 따라서, 비금속 개재물이 적고 거칠어짐 없는 심레스 강관을 얻을 수 있다.
제2가열공정(D)에서는, 심레스 강관 중간체(1a)를 가열로에서 가열한다. 이 때의 가열온도는, 650~750℃로 하는 것이 좋다. 또한, 가열시간은, 당해 심레스 강관 중간체(1a) 전체가 가열되면 좋고, 특히 한정되는 것은 아니나, 예를 들면, 0.1~1시간으로 하면 좋다. 가열온도가 650℃ 미만으로 되거나, 가열시간이 0.1시간 미만으로 되게 하면, 심레스 강관 중간체(1a)의 가열이 충분하지 않기 때문에, 다음 공정의 연삭이나 신전을 스무스하게 행할 수 없다. 한편, 가열온도가 750℃를 초과하면, 담금질 온도에 도달하여 바람직하지 않다. 또, 가열시간이 1시간를 초과하여도 가열의 효과가 포화하여 경제적으로 바람직하지 않다.
연삭공정(E)에서는, 심레스 강관의 적어도 외표면을 연삭하여 표면의 탈탄, 미소한 흠을 깍아 내어, 표면성상을 보다 높인다. 이 연삭공정(E)에서는, 외표면 및 내표면 상방을 연삭하는 것도 가능하다. 또한, 연삭치수는, 사용하는 강재의 종류나 제1가열공정 및 제2가열공정에 의해 달라지므로, 미리 실험 등을 행하여, 적절한 조건을 설정하는 것이 바람직하다.
신전공정에서는, 가열된 심레스 강관 중간체(1a)를 신전시킨다. 심레스 강관 중간체(1a)의 신전은, 필거밀 압연(F) 및 인발가공(G) 중 적어도 1개에 의해 행할 수 있다.
예를 들면, 인발가공(G)에서 알맞은 압연을 행한 후에, 필거밀 압연(F)에서 다이스(11)를 이용하는 추신(抽伸)(인발)을 행하여도 좋다.
필거밀 압연(F)은, 심레스 강관 중간체(1a)를 양측으로부터 눌러 편명하게 하는 가공이지만, 이에 의해 심레스 강관 중간체(1a)가 펼쳐지므로, 다음 공정에서의 추신가공을 줄일 수 있다. 여기서, 필거밀 압연(F)은, 심레스 강관 중간체(1a)에 대하여 단순히 2방향으로부터 편평하게 압압하여 압연하는 것이 아니라, 예를 들면, 균등하게 3방향, 4방향 또는 그 이상의 방향으로부터 압압하여 압연함으로써, 보다 진원도를 높여 심레스 강관 중간체(1a)를 신전하는 것이 가능하여, 인발가공(G)을 더욱 적극적으로 생력화하는 것이 가능하다.
또한, 이 필거밀 압연(F)을, 예를 들면, 과잉으로 행하면, 추신한 경우에 심레스 강관 중간체(1a)의 원주방향으로 두께의 불균형을 발생하므로, 생략하는 것도 가능하다. 또한, 인발가공(G)을 반복하여 행하는 경우에는, 필거밀 압연(F)의 압연가공에 대용하는 것도 가능하다. 그러나, 이 경우에 있어서도, 최종적으로는 인발가공(G)에 의한 추신가공을 행하여, 감면 가공된 심레스 강관 중간체(1a)의 진원도를 확보하도록 하는 것이 바람직하다.
다음, 신전(추신)한 심레스 강관 중간체(1a)는 가공경화하여 버리므로, 제3가열공정(H)에서, 심레스 강관 중간체(1a)를 650~750℃로 가열하는 것으로 소둔(燒鈍 : annealing)한다. 제3가열처리온도가 650℃ 미만으로 하면, 소둔이 불충분하여, 바람직하지 않다. 한편, 제3가열처리온도가 750℃를 초과하면, 이미 소둔의 효과가 포화하므로 경제적으로 바람직하지 않다.
그리고, 산세공정(I)에서는, 소둔한 심레스 강관 중간체(1a)를 산세하여, 심레스 강관 중간체(1a)에 부착되어 있는 유지(압력매체(17))이나 스켈링 등을 제거한다.
인발가공(G)은, 1회당 25% 이하의 축경(縮徑)처리 밖에 할 수 없으므로, 상기한 인발가공(G), 제3가열공정(H), 산세공정(I)을 소정회수 반복하는 것으로, 원하는 직경의 심레스 강관 중간체(1a)를 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 최후에, 구부림 교정공정(J)에서 구부림 교정을 행하여, 제품으로서 심레스 강관(1)을 제조하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 심레스 강관의 제조방법에서는, 상기 제2가열공정(D)에 대체하여, 가열된 심레스 강관 중간체(1a)를 서냉하는 서냉공정(미도시)으로 하여도 좋다.
통상, 열간 정수압 압출을 행하여, 축경된 심레스 강관 중간체(1a)는, 대기에 노출되기 때문에, 상기한 1050℃ 이상 1300℃ 미만의 온도로부터 급속하게 냉각된다. 그 때문에, 당해 심레스 강관 중간체(1a)는, 담금질이 행해진 상태로 되기 때문에, 경도가 매우 높게 된다. 이와 같은 상태에 있으면, 그 후에 행해지는 제공정, 예를 들면, 연삭공정(E)이나 신전공정(필거밀 압연(F) 및/또는 인발가공(G)) 등을 행할 수 없다.
따라서, 제1가열공정(C)에서 가열하여 그 금속조직의 상태를 일단 오스테나이트 조직으로 한 후, 당해 심레스 강관 중간체(1a)를 당해 서냉공정(미도시)에서 서냉함으로써 소둔을 실시하는 것이다.
이에 의해, 잔류응력의 제거, 심레스 강광 중간체(1a)의 연화, 절삭성의 향상, 냉간가공성의 개선을 도모할 수 있으므로, 예를 들면, 제2가열공정을 실시하지 않아도 신전공정(인발가공(G) 및/또는 필거밀 압연(F))을 실시할 수 있다. 즉, 제조의 공정수를 간소화할 수 있는 점에서 잇점이 있다.
서냉은, 열간 정수압 압출을 행한 심레스 강관 중간체(1a)가 급냉하지 않도록, 온도관리·서냉속도관리의 가능한 보온장치를 이용함으로써 실시할 수 있다.
이 때의 서냉속도는, 0.1~0.3℃/초로 하는 것이 좋다. 0.3℃/초보다도 서냉속도가 빠르면, 서냉에 의한 소둔 효과를 얻을 수 없다. 한편, 0.1℃/초보다도 서냉속도가 늦으면, 신전공정으로 진입하기 까지의 시간이 길게되어, 생산효율이 나쁘게 된다.
본 발명의 심레스 강관의 제조방법에 의하면, 중공 빌렛으로 가공된 강소재를 가열하여 연화시키고, 열간 정수압 압출 가공을 행하여 심레스 강관을 제조하므로, 직경이 큰 중공 빌렛으로부터 소경(예를 들면, 30~60mm)의 심레스 강관을 제조할 수 있고, 또한, 이 심레스 강관을 소정 사이즈까지 감면가공(예를 들면, 필거밀, 인발, 추신)을 실시할 수 있다. 또, 압연과 다른 공구와의 마찰이 적은 정수압 압출 가공을 위한, 상술의 제조방법에 의해 제조된 심레스 관은, 미려하고 또한 표면결정입자가, 미세하다. 따라서, 심레스 스프링 강관(47)의 제조공정이 전체로서 간략화되고, 보다 고품질로 저가로 제조 가능하게 되어, 실제로 차량에 중공 스프링을 사용하는 것이 가능하게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 심레스강관의 제조방법에 의하면, 평활한 외주면이나 내주면을 구비한, 고품질의 심레스 강관을 제조할 수 있다. 또한, 종래와 같이, 맨네스맨 천공이나 맨드럴 밀 압연을 실시하지 않고 이를 제조할 수 있으므로, 제품완성까지의 노력을 생략화·간략화하여, 그 제조를 저가로 행할 수 있다.
[4.중공 코일 스프링의 제조공정]
도 9는, 중공 코일 스프링(31)의 제조공정을 나타낸 블록이다. 도 9와 같이, 중공 코일 스프링(31)은, 열간 정수압 압출공정(7), 피삭공정(9), 압연공정(11), 코일성형공정(13), 열처리공정(15), 단면연삭공정(17), 쇼트피이닝공정(19), 세팅(presetting)공정(21)(스프링에 미리 사용될 최대값을 초과하는 하중 또는 토르크를 가하여 어느정도의 영구변형을 발생시켜, 스프링의 탄성한계를 높이고, 내처짐성, 내구성을 향상시키는 가공을 말함:JIS B 0103의 용어 정의 참조), 도장공정(23)을 차례로 거쳐 형성된다. 도 9의 열간 정수압 압출공정(7) 및 피삭공정(9)은, 각각 상기한 열간 정수압 압출공정(도 8C) 및 연삭공정(도 8E)에 대응하는 것이며, 도 9에 있어서 열간 정수압 압출공정(7)으로부터 피삭공정(9)에 이르는 공정의 상세한 것은, 상술한 도 8의 공정과 같다.
도 9에 있어서 열간 정수압 압출공정(7)에서는, 스프링강 소재로 된 도 8의 심레스 강관(1a)을 가열하여 연화시키고, 열간 정수압 압출공정을 행하여 심레스 강관을 제조하여, 그 심레스 강관에 소정의 직경까지의 감면가공을 행한다. 즉, 열간 정수압 압출공정을 행하면, 스프링강 소재를 유동상태로 하여 형성하므로, 예를 들면, 외경이 300mm 이상의 중공 빌렛으로부터 직접 예를 들면 외경이 30~60mm의 심레스 관을 제조하는 것이 가능하게 된다. 상기 스프링강 소재는, 1050℃ 이상 1300℃ 미만으로 가열시킨 상태에서, 열간 정수압 압출 가공이 행해지는 것이 좋다. 이에 의해, 스프링강 소재는 녹지 않으나 연화상태로 되어, 초고압하에서 유동성이 확보된다.
상기 압연공정(11)에서는, 피삭후의 심레스 스프링 강관을 압연에 의해 늘린다. 이 압연공정(11)에 의해 다음 공정의 코일 성형 공정(13)에서의 가공량을 줄일 수 있다.
상기 코일 성형공정(13)에서는, 압연 후의 심레스 스프링 강관을 코일 형상의 중공체로 성형한다.
상기 열처리공정(15)에서는, 담금질, 불림(normalizing) 열처리에 의해 코일 형상의 중공체에 스프링으로서의 탄성을 부여한다. 이 공정에서, 담금질, 불림 열처리 후에 질화처리에 의해 표면처리를 행하고, 구멍부(3)의 내표면에 100MPa 정도의 압축잔류응력을 부여하는 것도 가능하다. 따라서, 본 실시예에서는, 후공정의 쇼트피이닝공정(19)과 병행하여 압축잔류응력을 부여하는 표면처리를 중공 코일 스프링(31)의 외표면 및 구멍부9(3)의 내표면에 실시한 구성으로 되어 있다. 단, 내표면의 압축잔류응력 부여는 생략할 수도 있다.
또, 열처리공정(15)에서는, 침탄 담금질·불림 열처리에 의해 구멍부(3)의 내표면에 200MPa 이하의 압축잔류응력을 부여할 수도 있다. 또는, 담금질, 불림 열처리 후에 구멍부(3)의 내표면에 후술하는 내면 쇼트를 실시하여 압축잔류응력을 부여할 수도 있다.
또, 심레스 스프링 강관을 오일 템퍼(oil distemper) 처리하고 나서 상기 코일 성형공정에 의해 코일 형상의 중공체로 형성하고, 왜곡 잡기(straightening)의 열처리 후에, 상기 담금질, 불림 열처리+질화처리, 또는 침탄 담금질·불림 열처리, 또는 담금질, 불림 열처리+내면 쇼트를 실시하여, 구멍부(3)의 내표면에 압축잔류응력을 부여할 수도 있다.
상기 단면연삭공정(17)에서는, 코일 형상의 중공체의 단면을 연삭하여 단면처리를 실시한다.
상기 쇼트 피이닝공정(19)에서는, 경질의 미소입자를 충돌시켜, 코일 형상의 중공체의 외표면에 압축잔류응력을 부여하는 표면처리를 행한다.
도 10은, 상기 내면 쇼트를 나타낸 개념도이다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 코일 형상의 중공체(49)의 단부(51)의 구멍부(53)에 대하여, 에어압을 이용한 쇼트 피이닝장치의 쇼트·노즐(55)을 향해 쇼트 피이닝을 행한다. 그 후에 쇼트 피이닝은, 중공체(49)의 타단에서도 행한다. 쇼트 입자의 직경은, 구멍부(53)의 직경의 1/3 이하로 하는 것으로, 구멍부(53)에 확실하게 잔류응력부여를 행할 수 있다.
또, 구멍부에 쇼트입자를 넣은 상태에서 초음파를 가하면, 내면부에 동일한 쇼트 피이닝 효과를 얻을 수도 있다. 상기 셋팅공정(21)에서는, 코일 형상의 중공체를 압축한 후 해방하여, 스프링으로서의 처짐을 방지한다.
상기 도장공정(23)에서는, 필요에 따라 도장을 행하여, 중공 코일 스프링(31)으로서 완성한다.
중공 스태빌라이저의 성형은, 본 실시예의 코일 성형공정에 대체하여, 아암을 형성하는 공정으로 한다. 중공 스태빌라이저의 절곡부에서의 단면형상은, 중공 코일 스프링(31, 31A, 31B)과 동일하게 설정되고, 두께의 조정은 절곡부의 곡률반경의 방향에서 행해진다. 단면의 편평은, 중공 스태빌라이저 전체에서도 좋다.
<실시예 1>
[경량화 효과]
표 2는, 코일 스프링의 경량화 효과의 비교를 나타낸 표이다. 표 2에서는, 코일 내경 : Ø=45mm, 사용최대하중 : 2750N으로 하고, SiCr강의 중실재료를 이용한 코일 스프링(중실재료), S45C 등을 이용한 종래의 중공 코일 스프링(종래 중공재), SiCr강, 고강도 SiCrV강을 이용한 실시예품의 중공 코일 스프링에 대하여 비교하였다.
코일 내경 : Ø=45mm , 사용최대하중 : 2750N
중실재료 종래중공재 실시예품
사용재료 SiCr강 SiCr강 고강도SiCrV강
불림후 경도 Hv545 Hv440 Hv545 Hv580
TS MPa 1850 1480 1850 2020
재료직경 mm 8.0 9.1 8.3 8.1
권수 5.46 7.1 5.75 5.39
두께 mm - 2.275 2.2 2.03
두께비 - 25% 26.5% 25%
자유높이 mm 81 102 85 81
밀착높이 mm 41 62 45 41

내경치응력
MPa		 외측 895 716 895 972
외측응력의TS비 48% 48% 48% 48%
구멍측 - 380 446 514
질량 g 336 439 298 255
고유진동수 Hz 293 242 306 337
표 2에 나타낸 바와 같이, 종래의 중공 코일 스프링은, 재료로 저탄소강이 이용되어 담금질 후의 경도가 Hv440, 인장강도(TS)가 1480MPa이고, 단면의 외표면측(외측)에 있어서 코일 직경의 내경측 응력을 716MPa로 하여 TS비를 48%로 설정하면, 질량은 439g으로 된다.
이에 대하여, SiCr강을 이용한 실시예품의 경우는, 경도가 Hv545, 인장강도(TS)가 1850MPa, 고강도 SiCrV강을 이용한 실시예품의 경우는, 경도가 Hv580, 인강도(TS)가 2020MPa로 되어, TS비를 48%로 설정하면, 질량은 각각 298g, 255g로 되어, 권수 등도 적게 할 수 있어, 보다 소형 경량의 중공 코일 스프링으로 할 수 있다.
이 성능은, 표 2와 같이 중실재료와 비교하여도 열화하지 않고, 오히려 보다 경량으로 되어 있다.
따라서, 본 실시예의 중공 코일 스프링에서는, 경량화 효과를 확실하게 얻을 수 있어, 고유진동수도 표 2에 나타낸 바와 같이 높아질 수 있다.
[고강도 SiCrV강의 화학성분]
표 3은, 고강도 SiCrV강의 화학성분 및 비금속 개재물의 일 예를 나타낸 표이다. A강, B강 어느 쪽도, JIS 규격의 SiCr강 이외의 것으로서 개발된 것이며, 바나듐(V) 등을 가하여, 고강도 SiCrV강으로서 상기 경량화 효과를 확실하게 얻을 수 있다. 여기서 스프링강 소재로서는, 예를 들면, 밸브스프링용으로서 사용되는 경우는 청정도에 유의하여 용제한 표 3에 나타낸 A강 등을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우의 비금속 개재물의 상태를 표 3에 맞추어 나타낸다.
고강도 SiCrV 스프링강의 화학성분 및 비금속 개재물


화학성분(질량%) 비금속개재물

C
Si
Mn
Ni
Cr
V		 최대높이 개수
(㎛) (개/100mm2)
A강 0.60 2.15 0.50 0.20 1.75 0.30 26 18
B강 0.62 2.00 0.90 0.30 1.00 0.10 18 14
<실시예 2>
다음, 본 발명의 심레스 강관 및 그 제조방법에 대하여, 본 발명의 요건을 만족하는 실시예와 본 발명의 요건을 만족하지 않는 비교예를 비교하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 강재로서 KHV10N(주식회사 신호제강소제)를 이용하여 시험 No.1~9에 의해 원통 형상의 빌렛을 제작하였다. 이들 빌렛은, 외경 143mm, 내경 52mm로 되도록 제작하였다. 그리고, 이들 빌렛을, 표 1에 나타낸 바와 같이 950~1400℃의 각 온도에서 가열하였다. 그리고, 가열한 시험 No.1~9의 빌렛을, 각각의 온도(압출온도)에서 열간 정수압 압출장치에 의해 열간 정수압 압출 가공하여 심레스 강관을 제조하였다. 그 후, 시험 N0.1~9의 심레스 강관을 680℃×16시간의 구상화 소둔 처리 후, 필거밀 압연 및 인발가공을 행하여, 외경 10.6mm, 내경 5.9mm로 신전시켰다. 그리고, 시험 No.1~9의 심레스 강관을 700℃×0.5시간 가열한 후, 이들을 산세하여, 시험 No.1~9의 심레스 강관으로 하였다.
여기서, 열간 정수압 압출을 행하는 때의 압력매체로서, 모두 합성유를 매트릭스(matrix)로 하여 이황화 몰리브덴이 든 윤활유에 흑연을 혼합한 압력매체를 이용하였다.
이와 같이 하여 제작한 시험 No.1~9의 심레스 강관에 대하여, 비금속 개재물의 최대 두께(㎛) 및 단위 면적당의 개수(개수/100mm2)를 측정하고, 또한, 압출성, 거칠어짐을 평가하였다.
비금속 개재물의 최대 두께(㎛) 및 단위 면적당의 개수(개수/100mm2)는, 횡단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰함으로써 측정하였다.
압출성의 평가는, 열간 정수압 압출 가공 때에, 이를 문제 없이 실시할 수 있었던 것을 「가능」으로 평가하고, 압출 저항이 너무 강하는 등의 이유로 열간 정수압 압출 가공을 스무스하게 실시할 없었던 것을 「N.G」로 평가하였다.
거칠어짐의 평가는, 시험 No.1~9의 심레스 강관을 목시검사 하는 것으로 하였다. 거칠어짐이 없었던 것을 「없음」로 평가하고, 거칠어짐이 발생하였던 것을 「발생」으로 평가하였다.
가열온도 조건과, 측정결과 및 평가결과를 표 4에 나타낸다.

시험 No
압출온도
(℃)		 비금속개재물
압출성
거칠어짐
비고
최대두께
(㎛)		 개수
(개수/100mm2)
1 950 - - N.G - 비교예
2 1,000 52 32 가능 없음 비교예
3 1,050 24 18 가능 없음 실시예
4 1,100 21 15 가능 없음 실시예
5 1,200 30 19 가능 없음 실시예
6 1,250 38 20 가능 없음 실시예
7 1,300 58 52 가능 발생 비교예
8 1,350 64 42 가능 발생 비교예
9 1,400 62 46 가능 발생 비교예
표 4에 나타낸 바와 같이, 시험 N0.1(950℃) 때는, 압출 저항이 강하여, 열간 정수압 압출을 행할 수 없었다(N.G).
시험 No.2(1000℃)에서는, 심레스 강관의 비금속 개재물의 최대 두께가 52㎛로 크고, 개수도 32개/100mm2로 많았다.
한편, 압출온도가 1300℃ 이상인 시험 No.7~9에서는, 심레스 강관의 비금속 개재물의 최대 두께가 58㎛ 이상으로 크거나, 또는, 비금속 개재물의 개수도 42개 이상/100mm2으로 많았다, 또, 거칠어짐도 발생하였다. 시험 No.1, 시험 No.2, 및 시험 No.7~9는 비교예이었다.
이에 대하여, 압출온도 1050℃ 이상 1300℃ 미만인 시험 No.3~6에서는, 비금속 개재물의 최대 두께가 38㎛ 이상으로 작고, 개수도 20개 이하/100mm2로 작았다. 또, 거칠어짐도 발생하지 않았다. 시험 No.3~6은, 실시예이었다.
따라서, 표면의 평활성을 높이기 위해서는, 상기한 열간 정수압 압출 공정에서의 빌렛의 압출온도를 1050℃ 이상 1300℃ 미만으로 설정하는 좋다는 것을 알았다. 특히, 예를 들면, 코일 스프링 등으로 한 경우에, 코일 스프링의 내구성에 영향을 미치는 금속조직 중의 비금속 개재물의 개수, 크기의 관점에서, 보다 확실하게는 그의 압출온도를 1050~1250℃로 설정하는 것이 적합인 것을 알았다. 또, 더욱이, 치공구의 손상을 고려하면, 저온측에서 압출 성형하는 것이 유리하고, 그 압출온도는, 1050℃ 이상 1200℃ 미만으로 설정하는 것이 좋고, 더욱이 품질을 중시하는 것이면, 1100℃ 이상 1200℃ 미만으로 설정하는 것이 바람직하다는 것을 알았다.
이와 같은 압출온도의 설정에 의해, 심레스 강관의 표면을 평활하게 할 수 있다.
<실시예 3>
다음, 본 발명의 요건을 만족하는 심레스 강관, 본 발명의 요건을 만족하지 않는 심레스 강관 및 중실의 강재를 이용하여 코일 스프링을 제작하여, 피로시험을 하였다. 여기서, 이들의 강재는, 모두 <실시예 2>와 동일한 것을 이용하였다.
먼저, 압출온도 1150℃로 열간 정수압 압출하여 심레스 강관을 제작한 후, 외경이 76.0mm, 내경이 54.8mm, 높이가 153.5mm, 권수가 6.76의 스프링 치수를 갖는 시험 No.10, 11의 코일 스프링(모두 중공품)을 제작하였다.
여기서, 시험 No.11의 코일 스프링은, 그 외주면 및 내주면에 표면흠(연속흠에 상당하는 유사흠)을 형성한 것이다.
시험 No.11의 코일 스프링은, 시험 No.10과 동일한 조건에서 심레스 강관을 제작한 후, 외주면에 줄을 쓰고, 또 내주면에 표면을 성기게 한 리라를 습동시키는 것으로, 깊이가 50㎛를 초과하는 표면흠을 형성하고, 이러한 심레스 강관을 이용하여 상기한 조건의 코일 스프링을 제작하였다.
시험 NO.12의 코일 스프링은, 금속조직 중에, 관축과 직교방향에 있어서 최대 두께가 50㎛를 초과하는 비금속 개재물을 형성한 것이다.
시험 NO.12의 코일 스프링은, 열간 정수압 압출 가공의 온도를 1350℃로 행하여 심레스 강관을 제작하고, 이러한 심레스 강관을 이용하여 상기한 조건의 코일 스프링(중공품)을 제작하였다.
또, 시험 No.13의 코일 스프링은, 종래품인 중실의 코일 스프링으로 한 것이다.
시험 No.13의 코일 스프링은, 시험 No.10~12와 동일 재질의 중실 빌렛을 사용하고, 또, 맨드릴을 이용하지 않고 시험 No.10~12와 동일 조건으로 열간 정수압 압출함으로써 중실의 강재를 제작하고, 이러한 강재를 이용하여 외경이 76.0mm, 높이가 153.5mm, 권수가 6.76의 스프링 치수를 갖는 코일 스프링(중실품)을 제작하였다.
그리고, 이들 시험 No. 10~13의 코일 스프링을 이용하여 피로시험을 하였다.
피로시험은, 단체 작동 피로시험으로 소정회수(40만회)를 신축동작시키는 것에 의해 하였다.
여기서, 시험 No. 10~13의 코일 스프링에 있어서 표면흠의 깊이, 비금속 개재물의 크기, 및 표면조도(평균거칠기 Ra)는, 주사형 전자현미경을 이용하여 측정하였다.
결과를 표 5에 나타낸다.

시험 No
표면흠(50㎛ 초과)
비금속개재물
(50㎛ 초과)		 평균조도Ra
(㎛)
단체작동피로시험결과
비고
외주면 내주면
10 없음 없음 없음 4 40만회에서 문제없음 실시예
11 있음 있음 없음 50 20만회에서 내주흠에 의해 파괴발생 비교예
12 없음 없음 있음 4 18만회에서 내부에 의해 파괴 비교예
13 없음 - 없음 4 40만회에서 문제없음 비교예
표 5에 나타낸 바와 같이, 시험 No. 10의 코일 스프링은, 본 발명의 요건을 만족하였음으로, 40만회의 신축동작을 행하여도 피로 등이 발생하지 않고, 양호한 결과를 얻을 수 있었다.
즉, 본 발명의 요건을 만족하는 중공의 코일 스프링은, 중실의 코일 스프링(시험 No. 13)과 동등의 결과를 얻을 수 있었다.
*한편, 시험 No. 11, 12는, 본 발명의 요건 모두를 만족하지 않으므로, 18~20만회의 신축동작에서 내면흠 또는 내부로부터 파괴가 생겨버려, 양호한 결과를 얻을 수 없었다.
<실시예 4>
자동차 엔진의 밸브 스프링용의 중공 코일 스프링의 내구성에 대하여 조사했다. 중공 코일 스프링에 사용한 시험재료로서 표 3의 B강을 이용하고, 표 6에 나타낸 A 내지 E의 조건에서 열간 정수압 압출을 실시한 것이다. 표 7에 내구성 시험결과를 나타낸다.

 추출온도
℃		 비금속 개재물
최대 높이(㎛) 개수(개/100㎟)
A 1050 7 8
B 1100 7 6
C 1200 11 8
D 1250 13 8
E 1300 25 26
중공 코일 스프링의 내구시험 데이터

추출조건		 내구회수(×104 회) 파손위치
No.1 No.2 No.1 No.2
A 3000 3000 미절손 미절손
B 3000 3000 미절손 미절손
C 3000 3000 미절손 미절손
D 1020 1290 개재물 개재물
E 945 1090 개재물 구멍측 표면
외측최대 선단응력 950MPa 선경 Ø5.6mm
열처리후 경도 Hv620 구멍경 Ø2.8mm(두께 1.4mm)
표 6의 밸브 스프링은, 선경 : Ø5.6mm, 구멍경 : Ø2.8mm(두께 1.4mm), 외측최대 선단응력 : 950MPa, 열처리후 경도 : Hv 620으로 가공·조정한 것이다. 표 7로부터 알듯이, 추출조건 A,B,C의 어떤 것도 3000만회의 내구에서 절손이 없고, 밸브 스프링의 요구 내구회수 1000만회를 대폭으로 향상하였다.
<실시예 5>
자동차 서스펜션의 현가 스프링용의 중공 코일 스프링의 내구성에 대하여 조사하였다.
중공 코일 스프링에 사용한 시험재료로서 표 3의 A강을 이용하여 표 6에 나타낸 A 내지 E의 조건으로 열간 정수압 압출을 실시하였다. 표 8, 표 9, 표 10 및 표 11에 내구성 시험결과를 나타낸다.
중공 코일 스프링의 내구시험 데이터
추출조건 내구회수(×104 회) 파손위치
No. 1 No. 2 No. 1 No. 2
2 50 50 미절손 미절손
3 50 50 미절손 미절손
4 50 50 미절손 미절손
5 50 50 미절손 미절손
6 50 50 미절손 미절손
7 38.5 45.9 거칠어짐 거칠어짐
8 25.3 28.3 외표면 흠 외표면 흠
9 15.4 11.2 구멍표면 흠 구멍표면 흠
외측최대 선단응력 1,100MPa 선경 Ø10.0mm
열처리후 경도 Hv620 구멍경 Ø5.0mm(두께 2.5mm)
중공 코일 스프링의 내구시험 데이터

열처리후 경도Hv		 내구회수(×104 회) 파손위치
No. 1 No. 2 No. 1 No. 2
450 0.59 0.65 외표면 외표면
480 1.45 1.88 외표면 외표면
505 19.8 21.5 외표면 외표면
535 25.2 28.6 외표면 외표면
580 40.7 47.2 구멍측표면 구멍측표면
620 50 50 미절손 미절손
660 50 50 미절손 미절손
외측최대 선단응력 1,100MPa 선경 Ø10.0mm
추출조건 E 구멍경 Ø5.0mm(두께 2.5mm)
중공 코일 스프링의 내구시험 데이터
구멍부의 잔류응력MPa 내구회수(×104 회) 파손위치
No. 1 No. 2 No. 1 No. 2
Base +10 ~ +55 40.7 47.2 구멍측표면 구멍측표면
질화처리 -70 ~ -130 50 50 미절손 미절손
침탄담금질 -20 ~ -80 50 50 미절손 미절손
쇼트 -300 ~ -520 50 50 미절손 미절손
외측최대 선단응력 1,100MPa 선경 Ø10.0mm
열처리후 경도 Hv580 구멍경 Ø5.0mm(두께 2.5mm)
표 8의 현가 스프링의 내구성 시험결과는, 표 3의 A강을 선경 : Ø10.0mm, 구멍경 : Ø5.0mm(두께 2.5mm), 외측최대 선단응력 : 1,100MPa, 열처리후 경도 Hv620으로 가공·조정한 중공 코일 스프링에 대하여 시험한 결과이다. 추출조건 2 내지 9는 각각, 표 4의 추출조건 2 내지 9에 대응하는 것이다. 추출조건 2, 3, 4, 5, 6의 어떤 것도 50만회의 내구에서 절손이 없고, 현가 스프링의 요구 내구회수 20~30만회를 대폭적으로 상회했다.
표 9의 현가 스프링의 내구성 시험결과는, 표 3의 A강을 이용하여 표 6의 E의 압출온도로 제조한 심레스 강관을 중공 코일 스프링 가공후에 열처리에 의해 경도를 변화한 중공 코일 스프링에 대하여 시험한 결과이다. 시험한 중공 코일 스프링은, 선경 : Ø10.0mm, 구멍경 : Ø5.0mm(두께 2.5mm), 외측최대 선단응력 : 1,100MPa으로 가공·조정한 것이다. 도 11은, 표 9의 내구성 시험결과를 플로트한 도면이다. 표 9 및 도 11으로부터 알 수 있듯이, Hv620 이상에서는, 50만회의 내구에서 절손이 없었다. Hv480에서는, 1회째 14,500회, 2회째 18,800회에서 외표면에 절손이 보였다. Hv505에서는 1회째 198,000회, 2회째 215,000회에서 외표면에 절손이 보였다. Hv535에서는, 1회째 252,000회, 2회째 286,000회에서 외표면에 절손이 보였다. Hv580에서는, 1회째 407,000회, 2회째 472,000회에서 구멍측표면에 절손이 보였다. 이를, 도 11와 같이 플로트하면, Hv500에 변곡점이 존재하여, 열처리후의 경도는 Hv500 이상인 것이 좋다.
표 10의 현가 스프링의 내구성 시험결과는, 표 3의 A강을 선경 : Ø10.0mm, 구멍경 : Ø5.0mm(두께 2.5mm), 외측최대 선단응력 : 1,100MPa, 열처리후 경도 Hv580으로 가공·조정한 중공 코일 스프링에 대하여 시험한 결과이다. 표 10으로부터 알 수 있듯이, 중공 코일 스프링의 구멍부의 내표면에는 압축잔류응력을 부여하지 않은 베이스의 경우, 1회째 407,000회, 2회째 472,000회에서 내표면에 절손이 보였다. 이에 대하여, 질화처리, 침탄담금질, 쇼트(내면 쇼트)에 의해 구멍부의 내표면에 압축잔류응력를 부여한 경우에는, 어떤 것도 50만회의 내구성에서 절손이 없어, 현가 스프링의 요구 내구회수 20~30만회를 대폭 상회했다.
<실시예 6>
표 11은, 중공 스태빌라이저의 내구성 시험결과를 나타낸 표이다. 본 실험결과의 실시예품은, 표 3의 A강을 선경 : Ø25.0mm, 구멍경 : Ø12.5mm(두께 6.25mm), 외측최대 주응력 : ±700MPa, 구멍측 최대 주응력 : ±450MPa로 가공·조정한 것을 시험한 결과이다.
중공 스태빌라이저(아암 붙이 토션바)의 내구시험 데이터


경도 Hv		 내구회수(×104 회) 파손위치
No. 1 No. 2 No. 1 2No. 1
종래S40C 420 8.5 9.5 외측표면 외측표면
실시예품 515 24.6 31.3 구멍측표면 구멍측표면
실시예품 550 50 50 미절손 미절손
실시예품 590 50 50 미절손 미절손
외측최대 주응력 +/-700MPa 선경 Ø25.0mm
구멍측최대 주응력+/-450MPa 구멍경 Ø12.5mm(두께 6.25mm)
표 11로부터 알 수 있듯이, 종래의 S40C를 이용한 중공 스태빌라이저는, 경도가 Hv420이고, 1회째 85,000회, 2회째 95,000회에서 외표면에 절손이 보였다. 본 발명 실시예의 중공 스태빌라이저는, 경도가 Hv515에서, 1회째 246,000회, 2회째 313,000회에서 구멍부의 내표면(구멍부 표면)에 절손이 보였는 바, 종래품에 대하여 약 3배 수명을 달성할 수 있었다. 더욱이, 경도가 Hv550, 590의 어떤 것도 50만회의 내구에서 절손은 없었다.
따라서, 중공 스태빌라이저의 경우도, 실시예 1과 동일한 효과를 성취할 수 있다.
이상, 본 발명의 심레스 강관 및 그 제조방법에 대하여, 최량의 실시 형태 및 실시예를 들어 상세히 설명하였으나, 본 발명의 내용은, 상기 기재에 한정되지 않고, 본 발명의 취지는 특허청구의 범위에 의해 해석되지 않으면 안된다. 또, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 넓게 변경·개변할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
예를 들면, 열간 정수압 압출 가공에 이용하는 압력매체(17)에 대체하여, 글래스분체를 사용하는 것으로, 열간 글래스 윤활 압출 가공을 행하여도 좋다.
본 발명의 심레스 강관을 이용한 적절한 태양으로서, 코일 스프링 등을 열거하여 설명하였지만, 스태빌라이저 등의 대략 コ자 형상의 중공의 스프링재의 소재나, 드라이브 샤프트 등의 중공봉재 또는 건축물이나 자동차 등의 프레임재로서 이용하는 것도 가능하다.

Claims (12)

  1. 원통 형상이며 스프링강인 강재 빌렛으로부터 열간 정수압 압출하는 공정을 거쳐 성형된 심레스 강관을 이용하여 코일 형상 또는 봉 형상 또는 절곡부를 갖는 봉 형상으로 형성한 중공체에 압축잔류응력을 부여하는 표면 처리를 실시한 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 압출 가공 시에, 유지계에 흑연을 가한 윤활제를 이용한 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코일 형상 또는 봉 형상 또는 절곡부를 갖는 봉 형상의 중공체의 단면의 두께(t) 및 외경(D)의 비를 t/D = 0.10 ~ 0.35로 설정한 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  4. 제3항에 있어서,
    경도가 Hv = 500 이상인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 심레스 스프링 강관의 적어도 외표면을 연삭한 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 표면처리는, 상기 중공체의 외표면 및 내표면에 실시한 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 코일 형상의 중공체의 단면 외형 및 단면 내형 또는 봉 형상의 중공체의 절곡부에 있어서 단면 외형 및 단면 내형의 상대 위치는, 원형 동심인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 코일 형상의 중공체의 단면 외형 및 단면 내형 또는 봉 형상의 중공체의 절곡부에 있어서 단면 외형 및 단면 내형의 상대 위치는, 편심되어 있는 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중공체의 적어도 단면 외형이, 비원형 형상인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 심레스 스프링 강관의 내주면 또는 외주면의 적어도 일측에 형성된 연속흠의 깊이가, 상기 내주면 또는 외주면으로부터 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 심레스 스프링 강관은, 금속조직 중에 비금속 개재물을 포함하고,
    관축과 직교방향에 있어서 상기 비금속 개재물의 최대 두께가 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 심레스 스프링 강관의 내주면 또는 외주면의 적어도 일측의 표면 조도가, 평균거칠기 Ra = 12.5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 중공 스프링.
KR1020137018976A 2007-03-14 2007-03-14 심레스 강관을 이용한 중공 스프링 KR20130093172A (ko)

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