KR20210038192A - 단조품 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

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KR20210038192A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조방법은, 소재를 열간단조하고, 상기 열간단조된 소재를 설정된 제1설정온도까지 가열하며, 상기 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시할 수 있다.

Description

단조품 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS OF MANUFACTURING FORGED COMPONENT}
본 발명은 단조품 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 기계적 물성, 코이닝 품질, 및 가공품질 등을 개선할 수 있는 단조품 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 커넥팅로드, 크랭크 축 등과 같은 엔진의 무빙계 부품은 단조공법을 통해 만들어진 단조품이다.
커넥팅로드 등과 같이 대칭적인 형상을 가진 차량용 단조품은 열간 단조를 실행한 이후에 냉간(실온) 상태에서 냉간 코이닝(coining)을 실시하고, 이러한 냉간 코이닝 시에 단조품 내에 형성된 잔류응력을 제거하기 위하여 SRA(Stress Relief Annealing) 등과 같은 열처리를 실시한다.
최근 자동차의 엔진 개발 트렌트인 고성능화, 경량화 등에 대응하기 위하여 커넥팅로드 등과 차량용 단조품에도 고강도 소재가 적용되고 있다.
이와 같이, 커넥팅로드 등에 고강도 소재가 사용됨에 따라 냉간 코이닝을 적용할 경우에, 스프링백 현상으로 인해 커넥팅로드의 벤딩량이 증가할 수 있고 냉간 코이닝 시에 커넥팅로드의 대단부 등에서 터짐이 발생할 수 있는 단점이 있었다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 스프링 백으로 인한 벤딩량을 감소하고, 코이닝으로 인한 터짐 등을 방지함으로써 기계적 물성, 코이닝 품질, 및 가공품질 등을 개선할 수 있는 단조품 제조방법 및 단조품 제조장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조방법은, 소재를 열간단조하고, 상기 열간단조된 소재를 설정된 제1설정온도까지 가열하며, 상기 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시할 수 있다.
상기 소재를 열간단조하기 이전에 상기 소재를 설정된 제2설정온도까지 가열하고, 상기 제2설정온도까지 가열된 소재를 열간단조하며, 상기 제2설정온도는 상기 제1설정온도 보다 높을 수 있다.
상기 열간단조된 소재를 설정된 냉각속도로 설정된 제3설정온도까지 제어냉각하고, 상기 제어냉각된 소재를 제1설정온도까지 가열하며, 상기 제3설정온도는 상기 제1설정온도와 동일하거나 낮을 수 있다.
상기 설정된 냉각속도는 1~4℃/s일 수 있다.
상기 제어냉각된 소재를 고주파 유도가열에 의해 5~10분 동안 상기 설정된 제1설정온도까지 가열할 수 있다.
상기 소재를 제1설정온도까지 가열한 직후에 바로 온간 코이닝을 실시할 수 있다.
상기 열간 단조된 소재를 트리밍 및 피어싱하고, 상기 트리밍되고 피어싱된 소재를 설정된 제3설정온도까지 설정된 냉각속도로 제어냉각할 수 있다.
상기 제2설정온도는 1100~1300℃의 온도 범위일 수 있다.
상기 온간 코이닝처리된 소재의 표면에 쇼트 블라스트(short blast)를 실시할 수 있다.
상기 단조품은 차량의 엔진에 이용되는 커넥팅로드일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조장치는, 단조품을 제조하기 위한 소재를 열간 단조하는 열간 단조기구; 상기 열간 단조기구에 의해 열간 단조된 소재를 설정된 제1설정온도까지 가열하는 고주파 유도가열기; 및 상기 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시하는 온간 코이닝기구를 포함할 수 있다.
상기 소재가 가열된 직후에 바로 온간 코이닝되도록 상기 온간 코이닝기구는 상기 고주파 유도가열기에 근접하도록 배치될 수 있다.
상기 온간 코이닝기구는 상부 코이닝금형 및 상기 상부 코이닝금형의 아래에 위치한 하부 코이닝금형을 포함하고, 상기 상부 코이닝금형 및/또는 하부 코이닝금형은 상기 단조품의 형상에 부합하는 캐비티를 가질 수 있다.
상기 고주파 유도가열기는 고주파교류가 인가되는 가열코일에 의해 소재를 상기 제1설정온도까지 가열하도록 구성될 수 있다.
상기 열간 단조기구는 버스터금형, 블로커금형, 피니셔금형을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 열간 단조된 소재에 대해 가열(고주파 유도가열) 및 온간 코이닝을 적용함으로써 스프링 백으로 인한 벤딩량을 감소하고, 냉간 코이닝으로 인한 발생하는 터짐 등을 방지함으로써 기계적 물성(내구성), 코이닝 품질, 및 가공품질 등을 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조장치를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단조품 제조방법에서 단조품을 제조하기 위하여 소재에 대해 열간단조를 실시한다(S2). 주지된 바와 같이, 열간단조는 금속의 재결정온도 보다 높은 온도에서 실시되는 단조공정이다.
그리고, 열간단조된 소재를 제1설정온도까지 가열하고(S5), 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시한다(S6). 제1설정온도는 온간코이닝온도(temperature for warm coining)로 지칭될 수 있다.
한편, 소재를 열간단조하기(S2) 이전에 소재를 설정된 제2설정온도(예컨대, 1100~1300 ℃의 온도 범위)에서 가열한다(S1). 그 이후에, 제2설정온도로 가열된 소재를 열간 단조한다(S2). 여기서, 제2설정온도는 열간단조온도(temperature for hot forging)로 정의될 수 있고, 제2설정온도는 제1설정온도 보다 높을 수 있다.
열간 단조는, 소재가 열간 단조기구(1)에 투입되면 압력이 열간 단조기구(1)에 인가됨으로써 의도한 형상으로 만들어지는 공정으로, 통상 2~3회 프레스 공정으로 최종형상이 만들어질 수 있다. 열간 단조기구(1)는 열간 단조품의 형상에 부합하는 캐비티를 가진 상부금형 및 하부 금형으로 구성될 수 있다.
일 예에 따르면, 열간 단조기구(1)는 버스터금형(2), 블로커금형(3), 피니셔금형(4)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 소재에 대해 버스터금형(2)에 의한 버스터(Buster)공정과, 블로커금형(3)에 의한 블로커(Blocker)공정과, 피니셔금형(4)에 의한 피니셔(Finisher) 공정이 실행된다. 최종 제품의 체적을 100%라고 할 때, 버스터 공정에서는 120~130%, 블로커 공정은 110~120%, 피니셔 공정에서는 최종 100%의 체적율을 갖도록 할 수 있다. 버스터 공정은 버스터 금형(2, buster-die)를 이용하여 소재를 크게 압축하여 스케일을 제거하고 적절한 단조비를 유지하는 공정이다. 블로커 공정은 블로커 금형(3, blocker-die)를 이용하여 버스터된 소재를 피니셔 형상에 가깝도록 가공하는 공정이다. 피니셔 공정은 피니셔 금형(4, fininsher-die)를 이용하여 최종 형상을 가공하는 공정이다. 단계별 체적율은 금형 설계 단계에서 성형 해석 등의 simulation을 거쳐 결정하게 된다.
그 후, 열간 단조된 소재를 트리밍하고 피어싱한다(S3). 트리밍(trimming)은 플래시(Flash)나 여분의 금속을 제거하는 공정이고, 피어싱(piercing)은 펀치 등을 이용하는 공정이다.
그 다음, 트리밍 및 피어싱된 소재를 설정된 제3설정온도까지 설정된 냉각속도로 제어냉각을 실시한다(S4). 제3설정온도는 냉각온도(cooling temperature)로 정의될 수 있고, 제3설정온도는 제1설정옴도와 동일하거나 낮을 수 있다. 일 예에 따르면, 트리밍 및 피어싱된 소재를 설정된 제3설정온도(예컨대, 400~600℃)까지 1~4℃/s의 냉각 속도로 제어냉각를 실시한다.
그 후, 제어냉각된 소재(5)를 설정된 제1설정온도까지 단시간에 상승시키도록 가열한다(S5).
구체적인 실시예에 따르면, 제어냉각된 소재(5)를 고주파 유도가열에 의해 5~10분 동안 설정된 제1설정온도(예컨대, 600~700℃의 온도범위)까지 가열한다. 제어냉각된 소재는 고주파 유도가열기(10)에 의해 실행되는 고주파 유도가열을 통해 설정된 제1설정온도까지 가열될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1설정온도(온간코이닝온도)는 600~700℃일 수 있으며, 제2설정온도(단조온도)는 1100~1300℃일 수 있고, 제3설정온도(냉각온도)는 400℃~600℃일 수 있다. 제2설정온도(단조온도)가 제1설정온도(온간코이닝온도) 보다 높으며, 제3설정온도(냉각온도)는 제1설정온도와 동일하거나 낮을 수 있다.
도 2를 참조하면, 고주파 유도가열기(10)는 가열코일(11)을 포함할 수 있고, 고주파 교류가 가열코일(11)에 인가되고 소재(5)가 가열코일(11) 내에 위치함으로써 가열코일(11)에 의해 설정된 제1설정온도(온간코이닝온도)까지 가열될 수 있다.
그 다음, 가열된 소재(5)를 교정하도록 온간 코이닝(warm coining)을 실시한다(S6). 가열된 소재(5)는 온간 코이닝기구(20)에 투입되고, 온간 코이닝기구(20)는 상부 코이닝금형(21) 및 하부 코이닝금형(22)을 포함한 단조 프레스 설비일 수 있고, 하부 코이닝금형(22)은 상부 코이닝금형(21)의 아래에 위치할 수 있다. 상부 코이닝금형(21) 및 하부 코이닝금형(22)은 단조품의 형상에 부합하는 캐비티를 가질 수 있다. 도 2를 참조하면, 단조품이 커넥팅로드이며, 상부 코이닝금형(21) 및 하부 코이닝금형(22)은 커넥팅로드의 형상에 부합하는 캐비티를 가질 수 있다. 가열된 소재(5)는 온간 코이닝기구(20)에 의해 실행되는 온간 코이닝을 통해 가열된 소재(5)의 두께 및 벤딩 등이 보정될 수 있다.
도 2를 참조하면, 온간 코이닝기구(20)는 고주파 유도가열기(10)의 하류 측에 근접하게 배치됨으로써 고주파 유도가열기(10)에 가열된 소재(5)를 바로 온간 코이닝할 수 있고, 이를 통해 코이닝품질, 기계적 물성 등을 대폭 개선할 수 있다. 특히, 온간 코이닝기구(20)는 고주파 유도가열기(10)의 하류 측에 연속적으로 배치됨으로써 고주파 유도가열기(10)에 의해 설정된 온간코이닝온도까지 가열된 소재(5)가 그 직후에 바로 온간 코이닝되도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 온간 코이닝처리된 소재의 표면에 쇼트 블라스트(short blast)를 실행한다(S7). 산화로 인해서 생성된 산화 스케일(Oxide scale) 등이 쇼트 블라스트를 통해 코이닝 소재로부터 제거됨으로써 단조품이 완성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단조품은 차량의 엔진에 이용되는 커넥팅로드일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 단조품의 소재는 비조질강일 수 있고, 비조질강은 기존의 기계 구조용 탄소강에서 실시되는 조질 처리(담금질 및 뜨임)를 생략하고도 동일한 효과의 기계적 성질이 얻어지는 소재이다.
다른 실시예에 따르면, 단조품의 소재는 바나듐(V)을 포함한 비조질강일 수 있다. 바나듐(V)을 첨가함으로써 바나듐계 탄화물(VC)의 석출에 의해 강도를 개선할 수 있다. 예컨대, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C), 규소(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 바나듐(V), 질소(N) 등으로 조성될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, 열간단조된 소재에 대해 가열(고주파 유도가열) 및 온간 코이닝을 실시함으로써 종래기술에 따른 SRA(Stress Relief Annealing) 등과 같은 열처리 및 냉간 코이닝을 생략할 수 있고, 이를 통해 스프링 백으로 인한 벤딩량을 감소하고, 냉간 코이닝 시에 발생하는 터짐 등을 방지함으로써 기계적 물성, 코이닝 품질, 및 가공품질 등을 개선할 수 있다.
아래의 표 1은 본 발명의 실시예(고주파 유도가열 및 온간 코이닝을 통해 제조된 단조품)의 기계적 물성, 코이닝 품질, 가공품질 등을 종래기술의 비교예 1, 2와 비교한 결과를 나타낸다. 비교예 1은 냉각 코이닝 및 SRA 열처리를 통해 제조된 단조품이고, 비교예 2는 냉간코이닝을 통해 제조된 단조품이다.
구분 기계적 물성 코이닝 품질 가공 품질
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 신율(%) 벤딩량(mm) 잔류응력(MPa) 코이닝 터짐 재체결원통도(㎛)
본 발명의 실시예 861 1,146 14.0 0.17 5.8 없음 6.9
비교예1 877 1,124 12.8 0.55 -88 터짐 발생 11.3
비교예2 872 1,151 13.9 0.52 198.8 터짐 발생 12.9
커넥팅로드의 대단부(big end)는 크랭크핀이 연결되는 크랭크핀 보어(crank pin bore)를 가지고, 대단부에 2개의 볼트가 체결됨에 따라 크랭크핀 보어의 최종형상 및 최종치수가 결정될 수 있다. 그리고, 2개의 볼트가 재체결될 때(re-fastened) 크랭크핀 보어의 원통도(cylindricity)를 재체결원통토(Re-fastening cylindricity)라 한다.표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예는 비교예1, 2에 비해, 항복강도, 인장강도, 신율 등과 기계적 물성이 개선되고, 코이닝 공정 시에 터짐(예컨대, 커넥팅로드의 대단부 터짐 등)이 발생하지 않으므로 코이닝품질 등이 개선됨을 확인할 수 있었다. 또한, 본 발명의 실시예는 온간 코이닝을 통해 스프링백현상이 저감되므로 비교예1에 비해 벤딩량이 60% 수준으로 저감되고, 본 발명의 실시예는 비교예2에 비해 잔류응력이 97% 수준으로 감소되며, 커넥팅로드의 재체결원통도(re-fastening cylindricity)가 대략 50%로 저감됨을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 의해 제조된 단조품은 잔류응력 및 재체결원통도 등이 비교예 1의 수준까지 감소하므로 SRA 열처리 공정이 생략될 수 있음을 검증하였다. 참고로, 잔류응력이 커질수록 가공 공정의 파단 분할 공정에서의 파단 불량율이 증가할 수 있고, 단조품이 커넥팅로드인 경우에 커넥팅로드의 재체결원통도가 증가할 수록 엔진 내구성이 저하될 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 의하면, SRA 열처리 및 쇼트블라스트 등과 같은 후처리 공정이 1회 이상으로 삭제될 수 있으므로 원가를 대폭 절감할 수 있고, 공정의 생략에도 불구하고 종래기술과 동등한 수준의 기계적 물성(내구성) 및 가공품질(재체결원통도 등)를 안정적으로 확보할 수 있는 장점이 있다.
상술한 제조방법 및 제조장치에 의하면, 0~0.4mm 이하의 벤딩량 및 -50~50MPa의 잔류응력을 가진 커넥팅로드를 제조할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 단조기구
2: 버스터 금형
3: 블로커 금형
4: 피니셔 금형
10: 고주파 유도가열기
11: 가열코일
20: 온간 코이닝기구
21: 상부 코이닝금형
22: 하부 코이닝금형

Claims (15)

  1. 소재를 열간단조하고,
    상기 열간단조된 소재를 설정된 제1설정온도까지 가열하며,
    상기 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시하는 단조품 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소재를 열간단조하기 이전에 상기 소재를 설정된 제2설정온도까지 가열하고, 상기 제2설정온도까지 가열된 소재를 열간단조하며, 상기 제2설정온도는 상기 제1설정온도 보다 높은 단조품 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열간단조된 소재를 설정된 냉각속도로 설정된 제3설정온도까지 제어냉각하고, 상기 제어냉각된 소재를 제1설정온도까지 가열하며, 상기 제3설정온도는 상기 제1설정온도와 동일하거나 낮은 단조품 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 설정된 냉각속도는 1~4℃/s인 단조품 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어냉각된 소재를 고주파 유도가열에 의해 5~10분 동안 상기 설정된 제1설정온도까지 가열하는 단조품 제조방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 소재를 제1설정온도까지 가열한 직후에 바로 온간 코이닝을 실시하는 단조품 제조방법.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 열간 단조된 소재를 트리밍 및 피어싱하고,
    상기 트리밍되고 피어싱된 소재를 설정된 제3설정온도까지 설정된 냉각속도로 제어냉각하는 단조품 제조방법.
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2설정온도는 1100~1300℃의 온도 범위인 단조품 제조방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 온간 코이닝처리된 소재의 표면에 쇼트 블라스트(short blast)를 실시하는 단조품 제조방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단조품은 차량의 엔진에 이용되는 커넥팅로드인 단조품 제조방법.
  11. 단조품을 제조하기 위한 소재를 열간 단조하는 열간 단조기구;
    상기 열간 단조기구에 의해 열간 단조된 소재를 설정된 제1설정온도까지 가열하는 고주파 유도가열기; 및
    상기 가열된 소재를 교정하도록 온간 코이닝을 실시하는 온간 코이닝기구를 포함하는 단조품 제조장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 소재가 제1설정온도까지 가열된 직후에 바로 온간 코이닝되도록 상기 온간 코이닝기구는 상기 고주파 유도가열기에 근접하도록 배치되는 단조품 제조장치.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 온간 코이닝기구는 상부 코이닝금형 및 상기 상부 코이닝금형의 아래에 위치한 하부 코이닝금형을 포함하고,
    상기 상부 코이닝금형 및/또는 하부 코이닝금형은 상기 단조품의 형상에 부합하는 캐비티를 가지는 단조품 제조장치.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 고주파 유도가열기는 고주파교류가 인가되는 가열코일에 의해 소재를 상기 제1설정온도까지 가열하도록 구성되는 단조품 제조장치.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 열간 단조기구는 버스터금형, 블로커금형, 피니셔금형을 포함하는 단조품 제조장치.
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