KR20160109185A - 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신선성과 성형성이 우수한 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 스프리용 강선 제조방법은, 소재 와이어 로드를 선경 2.0∼4.0㎜로 신선하는 1차 건식신선 단계와, 1차 건식신선된 강선의 열처리에 이어 선경 1.5∼3.5㎜로 신선하는 2차 건식신선 단계와, 강선의 표면에 아연과 구리 도금층을 순차적으로 형성하되 이들 아연과 구리도금층의 전체 두께는 2.0∼4.0㎛가 되도록 하는 아연-구리 도금층 형성단계와, 최종 선경이 0.5∼3.0㎜이고 상기 아연-구리 도금층의 두께가 0.2∼2.0㎛가 되도록 하는 3차 신선 단계로 이루어진다.

Description

스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING ZINC-COPPER PLATED STEEL WIRE FOR SPRING}

본 발명은 침대 매트를 비롯한 각종 기계기구나 산업 전분야에서 널리 사용되고 있는 스프링의 소재로 사용되는 강선에 관한 것으로, 보다 자세하게는 고탄소강으로 조성된 와이어 로드에 대하여 다단계 신선공정을 거쳐 스프링용 강선을 제조하는 공정에 있어서 최종 신선 전의 강선의 표면에 아연과 구리 도금층을 순차적으로 형성하고 최종 신선선에 대한 스프링 성형 후 템퍼링 단계에서 아연과 구리 도금층의 확산이 이루어지도록 하여 신선성과 스프링 성형성이 향상된 스프링용 아연-구리 도금 강선의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 스프링용 강으로는 중·고 탄소강이 주로 사용되며, 제조공정에 따라 대형물을 소입(quenching)한 후 저온 소려(tempering)하여 얻어지는 열처리 스프링과 소형물을 수십 퍼센트의 높은 냉간가공량으로 가공하여 얻어지는 가공 스프링이라는 두 종류로 나누어진다.

상기 가공 스프링은 열처리(patenting) 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 피막처리 단계에 이은 신선 및 패턴팅(patenting)을 2,3 차례 수행하여 얻어진 최종 스프링용 강선에 대하여 스프링 성형 작업을 수행함으로써 얻어지게 된다.

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

특허 제10-0353160호에는 종래 스프링용 강선에서 지적되는 상기 문제점을 해결하기 위한 방편으로, 소재 강선의 열처리에 이은 다단계의 냉간 신선 후 스프링 성형 공정 전에 구리의 함량이 특정범위로 제한된 황동 도금층을 강선 표면에 형성하여 이후의 스프링 성형공정에서 황동도금층이 윤활 역할을 하도록 하여 성형성의 개선과 함께 스프링 성형 후의 도금 공정이 생략될 수 있도록 한 황동도금 스프링용 강선이 개시되고 있다.

상기 특허에서의 스프링 제조공정은, 소재 와이어 로드의 산세 및 피막 처리에 이은 신선과 열처리를 통해 얻어진 신선선에 대하여 구리도금 후 아연도금을 행하고 500℃에서 2∼3초간 확산 열처리를 수행하여 황동도금층이 얻어지도록 한다. 이어서 황동도금층이 형성된 신선선에 대해 최종 신선을 행하여 소정 직경의 스프링용 강선을 얻고, 이를 스프링으로 성형한 후 마무리 공정으로서 템퍼링을 행함으로써 스프링의 성형이 완료된다.

그러나, 상기 특허의 스프링 제조 공정에서는 황동도금층 형성을 위한 확산 열처리 공정을 필요로 함에 따라 제조공정의 복잡화와 생산비용의 증가를 피할 수 없고, 또한 확산 열처리 공정을 거쳐 얻어진 황동도금층의 최외층에 윤활특성이 우수한 것으로 알려진 구리의 성분이 상대적으로 낮기 때문에 이어지는 후속 공정으로서의 최종 신선 공정 및 스프링 성형 공정에서 신선성과 성형성이 기대에 미치지 못하는 것으로 지적되어 이에 대한 개선이 요망되고 있다.

본 발명은 종래의 스프링용 강선에서 지적되고 있는 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소재 와이어 로드에 대한 다단계 신선의 중간에 아연에 이어 구리 도금층이 순차적으로 형성되도록 한 후에 별도의 확산 공정 없이 최종 신선을 행하여 스프링용 강선을 얻고, 이후의 스프링 성형 후 템퍼링 공정에서 상기 아연-구리 도금층의 확산에 의한 황동도금층이 생성되도록 함으로써 신선성과 성형성의 개선과 함께 스프링 제조 공정의 단순화에 따른 제조비용의 절감이 이루어질 수 있도록 한 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법을 제공하는데 발명의 목적을 두고 있다.

본 발명의 상기 목적은, 소재 와이어 로드를 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 아연과 구리 도금층을 순차적으로 형성하되 이들 아연과 구리도금층의 전체 두께는 2.0∼4.0㎛가 되도록 하는 도금층 형성단계 와, 최종 선경이 0.5∼3.0㎜이고 상기 아연-구리 도금층의 전체 두께가 0.2∼2.0㎛가 되도록 하는 3차 신선 단계로 이루어진 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조 방법에 의해서 달성된다.

이때, 상기 아연-구리 도금층의 아연 함유량은 30∼35%이고, 구리 함유량은 55∼70%로 유지되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 제조 공정을 통해서 제조된 스프링용 아연-구리도금 강선은 스프링 성형 공정을 통해 스프링 형상으로 성형된 후, 250∼350℃에서 20∼30분간 템퍼링 열처리를 행하는 과정에서 아연과 구리 간의 확산이 이루어져서 외관이 미려한 황동 도금층을 이루게 된다.

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 이루어진다. 그리고 상기 소재 강선의 인장강도는 1500∼3000MPa 범위 내인 것이 바람직하다.

본 발명의 상기 스프링용 강선 제조방법에서 3차 신선 공급선의 아연-구리 도금층 두께는 2.0∼4.0㎛ 범위가 바람직한바, 4.0㎛를 초과하게 되면 불균일한 도금층으로 형성될 가능성이 높고 도금 시간도 길어져서 비용의 증가가 불가피하게 되고, 반대로 2.0㎛ 미만의 두께로 되면 당초의 도금층 형성 목적인 신선성과 스프링 성형성 향상 효과를 기대할 수 없다.

상기 3차 신선 공급선의 표면에 형성된 아연-구리 도금층은 도금층의 최외층에 윤활특성이 우수한 구리 도금층으로 이루어져 있기 때문에 3차 신선 과정에서 강선이 신선 다이스를 통과할 때 강선의 최외층을 이루고 있는 구리 도금층이 신선 다이스와 마찰접촉을 이루게 되어 종래의 구리 함유량이 상대적으로 낮은 황동도금층에 비해서 개선된 윤활특성을 나타내어 신선성을 향상시킬 수 있다.

이에 더하여, 본 발명의 방법으로 제조된 스프링용 강선은, 그 표면의 최외층을 구성하고 있는 구리 도금층의 존재에 기인하여 스프링으로의 성형시 성형툴과 직접 접촉하게 되는 구리 도금층의 우수한 윤활특성에 따라 성형 과정에서 도금층의 손상이나 벗겨짐이 없이 원활한 성형작업이 이루어지게 되어 성형성의 향상도 아울러 기대할 수가 있다.

본 발명의 방법에서는 상기 3차 신선을 거쳐 최종 선경으로 신선되어 나온 스프링용 강선의 표면에 피복된 아연-구리 도금층의 전체 두께가 0.2∼2.0㎛ 범위 내로 유지되도록 하는 것이 바람직한바, 아연-구리 도금층의 두께가 0.2㎛ 미만으로 되면 스프링 성형시 마찰로 인한 도금층 훼손으로 소지 금속이 노출되어 내식성이 악화될 우려가 있고, 반대로 도금층의 두께가 2㎛를 초과하는 경우에는 도금층의 피막 두께 증가에 따른 내식성의 증가효과는 거의 없이 두터운 도금층 형성을 위한 제조비용의 증가만이 초래된다.

한편, 본 발명의 방법으로 제조된 스프링용 강선을 이용한 스프링 성형에서는 성형 공정의 이후에 행해지는 템퍼링 공정을 통해서 강선의 표면에 적층 형성된 아연-구리 도금층의 확산이 이루어지게 된다. 다시 말하면, 종래에는 3차 신선 전 강선에 대하여 구리와 아연 도금층을 순차적으로 형성하고 3차 신선 전에 500℃의 온도로 가열하여 이들 두 도금층의 상호 확산이 이루어지도록 하였으나, 본 발명에서는 그와 같은 확산공정을 생략한 채, 스프링의 성형 후에 수반되는 템퍼링 공정에서 아연-구리 도금층의 확산이 이루어지도록 하고 있다.

이와 같은 스프링 성형 후의 템퍼링은 250∼350℃에서 20∼30분에 걸쳐서 행해지는바, 이하의 시간으로 템퍼링 열처리를 실시하는바, 상기 템퍼링 온도 범위 자체는 종래의 스프링 성형 후에 행해지는 템퍼링시의 온도 범위와 동일하나, 아연-구리 도금층의 확산을 위하여 그 유지시간을 충분히 길게 유지한다는 점에서 차이를 보이고 있다.

본 발명의 스프링용 아연-구리도금 강선 제조방법에서는 3차 신선 전에 강선 표면에 도금층을 형성함에 있어 종래의 도금 순서와는 달리 아연 도금 후에 구리 도금을 행하여 최외층에 구리층이 존재하도록 함으로써, 이후의 3차 신선 공정 및 스프링 성형 공정에서 구리 성분의 우수한 윤활특성을 통한 신선성 및 성형성의 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명의 스프링용 강선 제조방법에서는 아연-구리 도금층의 형성 후에 곧바로 확산 열처리를 행함이 없이 후속 3차 신선을 행하여 최종 스프링용 도금 강선을 얻고, 이렇게 얻어진 강선을 소정 형태의 스프링으로 성형가공 한 후에 행해지는 템퍼링 공정에서 아연-구리 도금층의 확산에 의한 황동 도금층이 생성되도록 함으로써 공정 단순화를 통한 생산비용의 절감을 도모할 수 있다.

본 발명의 스프링용 아연-구리도금 강선의 특징적인 기술적 구성과 구체적인 제조 공정은 다음의 실시예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다.

먼저, 소재 와이어 로드로서, 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 로드를 마련하였다.

상기 소재 와이어 로드를 건식 연속 신선기로 통과시켜 1차 냉간 신선이 이루어지도록 하였다. 1차 냉간 신선된 선경이 2.0∼4.0mm 로 감소된 강선을 권취기에 권취시켰다. 상기 1차 신선된 강선을 가열로와 납 냉각조에 통과시켜 열처리(패턴팅)가 이루어지도록 하고, 후속적으로 산세, 피막형성 및 건조 공정을 거치도록 하는 일련의 열처리 과정 후에 권취기에 권취시켰다.

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, 전해산세조, 수세조를 차례로 거치면서 전처리되도록 한 후, 아연도금 욕조, 수세조, 구리도금 욕조를 거치도록 하여 두께 4㎛이하의 아연-구리 도금층이 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.

상기의 제조 공정을 통해서 얻어진 아연-구리도금 강선을 이용하여 스프링 성형을 한 후 250∼350℃ 온도에서 20∼30분간 템퍼링 열처리를 하여 아연-구리 도금층의 확산에 의한 황동도금층이 생성되도록 하였다.

상기와 같은 제조공정을 통해서 스프링 시편을 제작함에 있어서, 아연-구리 도금층(황동도금층) 중의 구리 함유량이 60%이고 아연 함유량이 40%인 경우에서 도금층의 두께에 따른 표면손상 여부 및 스프링 성형성에 대한 시험을 행하였던 바, 그 결과는 아래의 표1과 같다.

아연-구리 도금층 두께별 표면손상 및 스프링 성형성 시험 결과

구분		비교예1	실시예1	실시예2	실시예3		실시예4	실시예5	비교예2	비교예3
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
	성형성	나쁨	좋음	좋음	아주좋음		아주좋음	좋음	나쁨	나쁨

위의 표1에서와 같이, 본 발명의 구리-아연 도금층(황동도금층) 조성범위 (0.2∼2.0㎛)를 유지한 실시예 시편들(실시예1 내지 실시예5)은 표면손상이 관찰되지 않았음과 아울러 스프링 성형성도 우수함을 알 수 있으나, 그 두께 범위를 벗어난 비교예 시편들은 표면에 손상이 발견됨과 아울러 스프링 성형성도 떨어짐을 알 수 있다.

상기와 같은 제조공정을 통해서 스프링 시편을 제작함에 있어서, 아래의 표2과 같이 아연-구리 도금층을 구성하는 아연과 구리의 함유량을 변화시켜 가면서 1.3㎛ 두께의 도금층이 형성되도록 하여 얻어진 시편들에 대하여 표면손상 여부, 스프링 성형성 및 외관(광택)을 관찰하였다.

아연-구리 도금층 두께변화에 따른 표면특성 및 성형성 시험 결과

구분		비교예1	실시예1	실시예2	실시예3	실시예4	실시예5	비교예2		비교예3
시험 조건	도금층 두께	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛	1.3㎛		1.3㎛
	Cu(%)	80	75	70	65	60	55	50		45
	Zn(%)	20	25	30	35	40	45	50		55
시험 결과	표면손상	유	유	무	무	무	무	유		유
	성형성	나쁨	좋음	좋음	아주좋음	아주좋음	좋음	나쁨		나쁨
	외관(광택)	나쁨	보통	양호	양호	양호	양호	보통		보통

위의 표2에서와 같이, 본 발명의 아연-구리 도금층 조성범위를 유지한 실시예 시편들(실시예1 내지 실시예5)은 표면손상이 없고, 스프링 성형성이 우수함과 아울러 외관에 있어서도 광택을 띰에 반해서, 그 조성범위를 벗어난 비교예 시편들에서는 외관 특성과 성형성이 떨어짐이 관찰되었다.

Claims (4)

1. 소재 와이어 로드를 선경 2.0∼4.0㎜로 신선하는 1차 건식신선 단계와, 1차 건식신선된 강선의 열처리에 이어 선경 1.5∼3.5㎜로 신선하는 2차 건식신선 단계와, 강선의 표면에 아연과 구리 도금층을 순차적으로 형성하되 이들 아연과 구리도금층의 전체 두께는 2.0∼4.0㎛가 되도록 하는 아연-구리 도금층 형성단계와, 최종 선경이 0.5∼3.0㎜이고 상기 아연-구리 도금층의 두께가 0.2∼2.0㎛가 되도록 하는 3차 신선 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 스프링용 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 이루어지며, 인장강도는 1500∼3000MPa 범위 내인 것을 특징으로 하는 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 아연-구리 도금층은 구리 함유량이 60∼65%이고 아연 함유량이 40∼35%인 것을 특징으로 하는 스프링용 아연-구리도금 강선의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 스프링용 아연-구리도금 강선은 스프링으로의 성형 후 250∼350℃에서 20∼30분간 템퍼링에 의해 아연-구리 도금층이 황동 도금층으로 전환됨을 특징으로 하는 스프링용 아연-구리 도금 강선의 제조방법.