KR20240012558A - Co-Ni-Cr-Mo계 합금으로 이루어진 스프링용 선 - Google Patents
Co-Ni-Cr-Mo계 합금으로 이루어진 스프링용 선 Download PDFInfo
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Abstract
스프링용 선(2)의 재질은 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이다. 이 합금은, Co : 25 질량% 이상 45 질량% 이하 Ni : 25 질량% 이상 40 질량% 이하 Cr : 15 질량% 이상 25 질량% 이하 Mo : 5 질량% 이상 15 질량% 이하 Fe : 0.5 질량% 이상 3.0 질량% 이하 Nb : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하 Ti : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하 Mn : 0 질량% 이상 0.5 질량% 이하 C : 0 질량% 이상 0.03 질량% 이하 Si : 0 질량% 이상 0.10 질량% 이하 및 불가피적 불순물을 함유한다. 이 스프링용 선(2)의 인장 강도 TS는 2200 MPa 이상이며, 0.2% 내력 PS는 1800 MPa 이상이며, 내력비(PS/TS)는 0.75 이상이다.
Description
본 발명은, 스프링의 재료인 선에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은, 그 재질이 Co-Ni-Cr-Mo계 합금인 스프링용 선에 관한 것이다.
컨택트 프로브 등의 소형 정밀 기기의 스프링에는, 고강도, 고내력, 내구성, 처짐 내성 등이 요구된다. 이 스프링에는, 탄소강, 스테인레스강, Co기 합금, Ni기 합금 등이 상용되고 있다.
일본특허공개 제2002-235148호 공보에는, 그 재질이 C, Si 및 Mn을 포함하는 탄소강인 스프링용 선이 개시되어 있다.
일본특허공개 제2004-307993호 공보에는, 그 재질이 Co-Ni계 합금인 소형 기기용 동력 스파이럴 스프링이 개시되어 있다.
고온 환경하에서 스프링이 반복 사용되면, 이 스프링이 영구 변형을 일으키는 경우가 있다. 통전되어 사용되는 스프링에서는, 발열에 의해 영구 변형이 생길 수 있다. 영구 변형이 생기기 어려운 스프링이 요구되고 있다.
본 발명의 목적은, 고온에서의 처짐 내성이 우수한 스프링을 위한 선을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 스프링용 선의 재질은 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이다.
이 합금은,
Co : 25 질량% 이상 45 질량% 이하
Ni : 25 질량% 이상 40 질량% 이하
Cr : 15 질량% 이상 25 질량% 이하
Mo : 5 질량% 이상 15 질량% 이하
Fe : 0.5 질량% 이상 3.0 질량% 이하
Nb : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Ti : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Mn : 0 질량% 이상 0.5 질량% 이하
C : 0 질량% 이상 0.03 질량% 이하
Si : 0 질량% 이상 0.10 질량% 이하
및
불가피적 불순물
을 함유한다. 이 스프링용 선의 인장 강도는 2000 MPa 이상이며, 0.2% 내력은 1800 MPa 이상이며, 인장 강도에 대한 내력의 비는 0.75 이상이다.
바람직하게는, 이 스프링용 선의 인장 강도는 2200 MPa 이상이다.
바람직하게는, 이 스프링용 선의 직경은 0.1 mm 이하이다.
바람직하게는, 이 스프링용 선의 파단 신도는 2.0% 이상이다.
바람직하게는, 이 스프링용 선의 300℃ 이상의 온도에서의 열처리가 실시된 경우의 0.2% 내력은 2300 MPa 이상이다.
본 발명에 따른 스프링용 선으로부터, 고온에서의 처짐 내성이 우수한 스프링을 얻을 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 따른 스프링용 선의 일부가 도시된 단면 사시도이다.
도 2는, 도 1의 스프링용 선의 제조 방법의 일례가 도시된 플로우차트이다.
도 3은, 도 1의 스프링용 선을 위한 미완성 선의 일부가 도시된 단면 사시도이다.
도 2는, 도 1의 스프링용 선의 제조 방법의 일례가 도시된 플로우차트이다.
도 3은, 도 1의 스프링용 선을 위한 미완성 선의 일부가 도시된 단면 사시도이다.
이하, 적절하게 도면이 참조되면서, 바람직한 실시형태에 기초하여 본 발명이 상세히 설명된다.
도 1에 도시된 스프링용 선(2)의 재질은 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이다. 이 스프링용 선(2)에 코일링 등의 소성 가공이 실시되고, 또한 열처리가 실시되어, 스프링이 얻어진다. 도 1에서 화살표 Dw는 스프링용 선(2)의 직경이다. 바람직하게는, 직경 Dw는 0.1 mm 이하이다. 이 스프링용 선(2)으로부터 미세한 스프링을 얻을 수 있다. 이 스프링은 정밀 기기 등에 적합한다.
도 2는, 도 1의 스프링용 선(2)의 제조 방법의 일례가 도시된 플로우차트이다. 이 제조 방법에서는, 먼저 원선(Basic Wire)이 준비된다(STEP1).
이 원선에 중간 열처리가 실시된다(STEP2). 중간 열처리의 바람직한 온도는 900℃ 이상 1100℃ 이하이다. 중간 열처리의 바람직한 시간은 30초 이상이다. 중간 열처리는, 아르곤 가스 분위기 또는 수소 가스 분위기에서 행해진다.
이 원선에 중간 신선이 실시된다(STEP3). 중간 신선은 냉간에서 이루어질 수 있다. 다이아몬드 다이스가 사용된 습식 신선이 채용될 수 있다.
중간 열처리(STEP2)와 중간 신선(STEP3)이 소정 횟수 반복된다. 이 반복에 의해, 원선이 서서히 세직경화하고, 또한 서서히 장척화한다. 이 반복에 의해, 미완성 선(Unfinished Wire)이 얻어진다(STEP4).
도 3은, 이 미완성 선(4)의 일부가 도시된 단면 사시도이다. 도 3에서 화살표 Du는 미완성 선(4)의 직경이다. 이 직경 Du는, 스프링용 선(2)의 직경 Dw(도 1 참조)보다 크다. 이 미완성 선(4)의 재질은 전술한 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이다.
이 미완성 선(4)에 최종 열처리가 실시된다(STEP5). 최종 열처리의 시간은 10초 이상 30초 이하가 바람직하다. 최종 열처리의 온도는 600℃ 이상 800℃ 이하가 바람직하다. 이 온도는 비교적 낮다. 따라서, 최종 열처리에 의해 미완성 선(4)에 주어지는 열에너지의 양은 작다. 바람직하게는, 최종 열처리는 아르곤 가스 분위기 또는 수소 가스 분위기에서 행해진다.
이 미완성 선(4)에 최종 신선이 실시된다(STEP6). 최종 신선은 냉간에서 이루어질 수 있다. 다이아몬드 다이스가 사용된 습식 신선이 채용될 수 있다. 최종 신선에 의해 스프링용 선(2)이 완성된다(STEP7).
이 스프링용 선(2)에, 필요에 따라 도금이 실시된다. 도금에 의해 스프링용 선(2)의 표면에 도금층이 형성된다. 도금층의 재질로서, 니켈, 금, 백금 및 백금 합금이 예시된다. 니켈의 도금층을 갖는 스프링용 선(2)은 가공성이 우수하다. 금, 백금 또는 백금 합금의 도금층을 갖는 스프링용 선(2)은 통전성이 우수하다. 도금이 미완성 선(4)에 실시되고, 이 미완성 선(4)이 최종 신선(STEP6)에 제공되어도 좋다.
본 발명에서는, 하기의 수식에 기초하여 최종 신선(STEP6)의 감면율 Re가 산출된다.
Re=(1-(Dw/Du)2)*100
본 실시형태에서는, 감면율 Re는 90% 이상이다. 바꾸어 말하면, 최종 신선(STEP6)은 고가공도의 냉간 소성 가공이다.
감면율 Re가 큰 최종 신선은, 스프링용 선(2)에 강인성을 부여한다. 이 스프링용 선(2)은, 하기의 (1)-(3)의 특성을 겸비한다.
(1) 인장 강도 TS가 2000 MPa 이상이다.
(2) 0.2% 내력 PS가 1800 MPa 이상이다.
(3) 인장 강도 TS에 대한 내력 PS의 비(PS/TS)가 0.75 이상이다.
본 발명자가 얻은 지견에 의하면, 상기 (1)-(3)의 특성을 겸비하는 스프링용 선(2)으로부터, 고온에서의 처짐 내성이 우수한 스프링을 얻을 수 있다. 그 이유는 상세한 것은 명확하지 않지만, 상기 (1)-(3)의 특성을 겸비하는 스프링용 선(2)으로부터 얻어진 스프링의 금속 조직이, 크리프 또는 피로를 억제하기 때문이라고 추측된다.
스프링용 선(2)의 인장 강도 TS는, 스프링 강도와의 상관을 갖는다. 인장 강도 TS가 큰 스프링용 선(2)으로부터 얻어진 스프링은, 반복 사용에 의해서도 꺾여서 파손되기 어렵다. 이 관점에서, 스프링용 선(2)의 인장 강도 TS는 2100 MPa 이상이 보다 바람직하고, 2200 MPa 이상이 특히 바람직하다.
스프링용 선(2)의 0.2% 내력 PS는, 스프링의 탄성률과의 상관을 갖는다. 이 내력 PS가 큰 스프링용 선(2)으로부터 얻어진 스프링은, 고하중에서의 사용에 견딜 수 있다. 이 관점에서, 스프링용 선(2)의 내력 PS는 1900 MPa 이상이 보다 바람직하고, 1950 MPa 이상이 특히 바람직하다. 0.2% 내력 PS는, 응력-왜곡 곡선에 있어서 0.2%의 소성 왜곡이 생기는 점의 응력이다. 0.2% 내력 PS는 오프셋법에 의해 도출된다.
스프링의 고온에서의 처짐 내성의 관점에서, 스프링용 선(2)의 내력비(PS/TS)는 0.78 이상이 보다 바람직하고, 0.80 이상이 특히 바람직하다.
스프링용 선(2)의 파단 신도 FE는 2.0% 이상이 바람직하다. 이 스프링용 선(2)에는, 고가공도의 소성 가공이 실시될 수 다. 이 관점에서, 파단 신도 FE는 2.5% 이상이 보다 바람직하고, 3.0% 이상이 특히 바람직하다. 본 실시형태에서는, 최종 열처리(STEP5)와 최종 신선(STEP6)에 의해, 강도와 연성이 모두 우수한 스프링용 선(2)이 얻어졌다. 일반적인 냉간 가공에서는, 가공 경화에 의해, 강도가 증가하고, 연신성이 손상된다. 본 발명에 따른 스프링용 선(2)의 제조 방법에서는, 가공 경화를 수반하는 최종 신선(STEP6)이, 큰 인장 강도 TS뿐만 아니라, 큰 파단 신도 FE에도 기여하고 있다. 그 이유는 상세한 것은 명확하지 않지만, 금속 조직의 레벨에서의, 취화를 억제하는 어떠한 메커니즘이 작용하고 있다고 추측된다.
이 스프링용 선(2)에, 300℃ 이상의 온도에서의 열처리가 더 실시된 경우의 0.2% 내력은, 2300 MPa 이상이 바람직하다. 이 스프링용 선(2)으로부터, 고온에서의 처짐 내성이 우수한 스프링을 얻을 수 있다. 이 관점에서, 300℃ 이상의 온도에서의 열처리가 실시된 경우의 0.2% 내력은 2350 MPa 이상이 보다 바람직하고, 2400 MPa 이상이 특히 바람직하다. 전형적인 열처리의 온도는 300℃이다. 전형적인 열처리의 시간은 30분이다.
인장 강도, 0.2% 내력 및 파단 신도는, 「JIS Z 2241」의 규정에 준거하여 측정된다.
본 발명에 따른 스프링용 선(2)의 재질은, 전술한 바와 같이 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이다. 이 합금은,
Co : 25 질량% 이상 45 질량% 이하
Ni : 25 질량% 이상 40 질량% 이하
Cr : 15 질량% 이상 25 질량% 이하
Mo : 5 질량% 이상 15 질량% 이하
Fe : 0.5 질량% 이상 3.0 질량% 이하
Nb : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Ti : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Mn : 0 질량% 이상 0.5 질량% 이하
C : 0 질량% 이상 0.03 질량% 이하
및
Si : 0 질량% 이상 0.10 질량% 이하
를 함유한다. 바람직하게는, 잔부는 불가피적 불순물이다. 이하, 이 합금에 포함되는 각 원소에 대해 상세하게 설명한다.
[코발트(Co)]
Co는 합금의 베이스 원소이다. Co는 안정된 fcc상(相)의 원단을 형성한다. Co의 가공 경화능은 크다. 따라서 Co는, 스프링의 피로 강도 및 고온 강도에 기여한다. 이러한 관점에서, Co의 함유율은 25 질량% 이상이 바람직하고, 30 질량% 이상이 특히 바람직하다. 과잉의 Co는 합금의 가공성을 저해한다. 가공성의 관점에서, Co의 함유율은 45 질량% 이하가 바람직하고, 40 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[니켈(Ni)]
Ni와 Co는 서로 고용(固溶)된다. Ni는 안정된 fcc상(相)의 원단을 형성한다. Ni는 또한, 스프링용 선(2)의 소성 가공성에 기여한다. 이러한 관점에서, Ni의 함유율은 25 질량% 이상이 바람직하고, 30 질량% 이상이 특히 바람직하다. 과잉의 Ni는 스프링의 기계적 강도를 저해한다. 기계적 강도의 관점에서, Ni의 함유율은 40 질량% 이하가 바람직하고, 35 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[크롬(Cr)]
Cr은 원단에 고용된다. Cr은 스프링용 선(2)의 가공 경화능에 기여한다. Cr은 또한, 스프링의 내식성에 기여한다. 이러한 관점에서, Cr의 함유율은 15 질량% 이상이 바람직하고, 18 질량% 이상이 특히 바람직하다. 과잉의 Cr은 스프링용 선(2)의 가공성 및 인성을 저해한다. 가공성 및 인성의 관점에서, Cr의 함유율은 25 질량% 이하가 바람직하고, 23 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[몰리브덴(Mo)]
Mo는 원단에 고용되어 이 원단을 강화한다. Mo는 스프링용 선(2)의 가공 경화능에 기여한다. Mo는 또한, 스프링의 내식성에 기여한다. 이러한 관점에서, Mo의 함유율은 5 질량% 이상이 바람직하고, 8 질량% 이상이 특히 바람직하다. 과잉의 Mo는 σ상(相)을 석출시킨다. 이 σ상은 스프링용 선(2)의 취화를 초래한다. 취화 억제의 관점에서, Mo의 함유율은 15 질량% 이하가 바람직하고, 12 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[철(Fe)]
Fe는 원단에 고용되어 이 원단을 강화한다. 이 관점에서, Fe의 함유율은 0.5 질량% 이상이 바람직하고, 0.8 질량% 이상이 특히 바람직하다. 과잉의 Fe는 스프링의 내산화성을 저해한다. 내산화성의 관점에서, Fe의 함유율은 3.0 질량% 이하가 바람직하고, 2.5 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[니오븀(Nb)]
Nb는 합금의 변형 시효성에 기여한다. 따라서 Nb는 스프링의 고경도에 기여할 수 있다. Nb는, C와 결합하여 결정립계에 탄화물을 석출시킨다. 이 탄화물에 의해 결정립의 조대화가 억제된다. 이 탄화물은 또한, 결정립계의 강도에도 기여한다. 이러한 관점에서, Nb의 함유율은 0.3 질량% 이상이 바람직하고, 0.5 질량% 이상이 특히 바람직하다. Nb는 필수적인 원소가 아니다. 바꾸어 말하면, Nb의 함유율은 제로여도 좋다. 과잉의 Nb는 σ상 또는 δ상을 석출시켜 스프링용 선(2)의 인성을 손상한다. 인성의 관점에서, Nb의 함유율은 2.0 질량% 이하가 바람직하고, 1.5 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[티탄(Ti)]
Ti는 용제 공정에서의 탈산제로서 첨가된다. Ti는 결정립의 조대화를 억제한다. 이러한 관점에서, Ti의 함유율은 0.1 질량% 이상이 바람직하고, 0.2 질량% 이상이 특히 바람직하다. Ti는 필수적인 원소가 아니다. 바꾸어 말하면, Ti의 함유율은 제로여도 좋다. 과잉의 Ti는, γ상을 석출시켜 합금의 가공성을 손상한다. 가공성의 관점에서, Ti의 함유율은 2.0 질량% 이하가 바람직하고, 1.0 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[망간(Mn)]
Mn은, 용제 공정에서의 탈산제 또는 탈황제로서 첨가된다. Mn은, fcc상의 안정에 기여한다. 이러한 관점에서, Mn의 함유율은 0.1 질량% 이상이 바람직하다. Mn은 필수적인 원소가 아니다. 바꾸어 말하면, Mn의 함유율은 제로여도 좋다. 과잉의 Mn은 스프링의 내식성 및 내산화성을 저해한다. 내식성 및 내산화성의 관점에서, Mn의 함유율은 0.5 질량% 이하가 바람직하고, 0.3 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[탄소(C)]
C는 원단에 고용되어 이 원단을 강화한다. C는 또한, Cr, Mo, Nb, W 등의 원소와 결합하여 탄화물을 석출시킨다. 이 탄화물에 의해 결정립의 조대화가 억제된다. 이러한 관점에서, C의 함유율은 0.01 질량% 이상이 바람직하다. C는 필수적인 원소가 아니다. 바꾸어 말하면, C의 함유율은 제로여도 좋다. 과잉의 C는 스프링용 선(2)의 인성을 저해한다. 과잉의 C는 또한, 스프링의 내식성을 저해한다. 이러한 관점에서, C의 함유율은 0.03 질량% 이하가 바람직하다.
[규소(Si)]
Si는 원단에 고용되어 이 원단을 강화한다. 이 관점에서, Si의 함유율은 0.01 질량% 이상이 바람직하다. Si는 필수적인 원소가 아니다. 바꾸어 말하면, Si의 함유율은 제로여도 좋다. 과잉의 Si는 스프링용 선(2)의 인성을 저해한다. 이 관점에서, Si의 함유율은 0.10 질량% 이하가 바람직하고, 0.05 질량% 이하가 특히 바람직하다.
[불가피적 불순물]
Co-Ni-Cr-Mo계 합금은 불가피적 불순물을 포함할 수 있다. 전형적인 불순물은 P이다. P는 결정립계에 편석한다. P는 스프링용 선(2)의 인성을 저해한다. 인성의 관점에서, P의 함유율은 0.02 질량% 이하가 바람직하다. 다른 전형적인 불순물은 S이다. S는 다른 원소와 결합하여 개재물을 형성한다. S는 스프링용 선(2)의 인성을 저해한다. 인성의 관점에서, S의 함유율은 0.02 질량% 이하가 바람직하다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명의 효과가 명확해지지만, 이 실시예의 기재에 기초하여 본 발명이 한정적으로 해석되어서는 안된다.
[실시예]
그 재질이 Co-Ni-Cr-Mo계 합금인 원선을 준비했다. 이 합금의 조성이 하기의 표 1에 나타나 있다. 이 합금은, 표 1에 나타난 원소 이외에 불가피적 불순물을 함유한다. 이 원선에, 냉간 신선과 열처리를 반복해서 실시하여 직경이 0.60 mm인 선을 얻었다. 이 선에, 온도가 1000℃이며 시간이 30초이며 분위기가 수소 가스인 열처리를 행했다. 또한, 이 선에 냉간 신성을 실시하여 미완성 선을 얻었다. 이 미완성 선의 직경은 0.20 mm였다. 이 미완성 선에, 온도가 800℃이며 시간이 10초이며 분위기가 수소 가스인 최종 열처리를 행했다. 이 미완성 선에 냉간에서 최종 신선을 실시하여 스프링용 선을 얻었다. 이 스프링용 선의 직경은 0.05 mm였다. 최종 신선의 감면율 Re는 93.8%였다. 이 스프링용 선의 인장 강도 TS는 2270 MPa이며, 0.2% 내력 PS는 1957 MPa이며, 파단 신도 FE는 2.7%였다. 열처리(300℃×30분) 후의 이 스프링용 선의 인장 강도는 2550 MPa이며, 0.2% 내력은 2362 MPa였다.
[비교예 1]
원선의 재질을 Co기 합금으로 한 것 외에는 실시예와 동일하게 하여 스프링용 선을 얻었다. 이 합금의 조성이 하기 표 1에 나타나 있다. 이 합금은, 표 1에 나타난 원소 이외에 불가피적 불순물을 함유한다. 이 스프링용 선의 인장 강도 TS는 2451 MPa이며, 0.2% 내력 PS는 1576 MPa이며, 파단 신도 FE는 2.6%였다. 열처리(300℃×30분, 서냉) 후의 이 스프링용 선의 인장 강도는 2800 MPa이며, 0.2% 내력은 2185 MPa였다.
[비교예 2]
원선으로서 피아노선(SWRS82)을 이용한 것 외에는 실시예와 동일하게 하여 스프링용 선을 얻었다. 이 피아노선은, 0.80 질량% 이상 0.85 질량% 이하의 C, 0.12 질량% 이상 0.32 질량% 이하의 Si, 및 0.30 질량% 이상 0.90 질량% 이하의 Mn을 포함한다. 잔부는 Fe 및 불순물이다. 이 스프링용 선의 인장 강도 TS는 3350 MPa이며, 0.2% 내력 PS는 3015 MPa이며, 파단 신도 FE는 2.3%였다.
[평가]
고온 환경하에서의 계속적인 사용을 상정한 촉진 시험으로서, 각 스프링용 선을 450℃의 온도하에 60분 유지하여 서냉했다. 이 스프링용 선을 인장 시험에 제공하여, 인장 강도 및 0.2% 내력을 측정했다. 이 결과가, 하기의 표 2에 나타나 있다.
표 2에 나타난 바와 같이, 실시예의 스프링용 선은, 고온 환경에 노출된 후에도, 큰 0.2% 내력을 갖고 있다. 바꾸어 말하면, 이 스프링용 선은, 고온에서의 처짐 내성이 우수하다. 이 평가 결과로부터, 본 발명의 우위성은 분명하다.
본 발명에 따른 스프링용 선으로부터, 여러가지 기기에 적합한 스프링을 얻을 수 있다.
2: 스프링용 선
4: 미완성 선
4: 미완성 선
Claims (5)
- 재질이 Co-Ni-Cr-Mo계 합금이며,
상기 합금이
Co : 25 질량% 이상 45 질량% 이하
Ni : 25 질량% 이상 40 질량% 이하
Cr : 15 질량% 이상 25 질량% 이하
Mo : 5 질량% 이상 15 질량% 이하
Fe : 0.5 질량% 이상 3.0 질량% 이하
Nb : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Ti : 0 질량% 이상 2.0 질량% 이하
Mn : 0 질량% 이상 0.5 질량% 이하
C : 0 질량% 이상 0.03 질량% 이하
Si : 0 질량% 이상 0.10 질량% 이하
및
불가피적 불순물을 함유하고 있고,
인장 강도가 2000 MPa 이상이며,
0.2% 내력이 1800 MPa 이상이며,
상기 인장 강도에 대한 상기 내력의 비가 0.75 이상인 스프링용 선. - 제1항에 있어서,
상기 인장 강도가 2200 MPa 이상인 스프링용 선. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
직경이 0.1 mm 이하인 스프링용 선. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
파단 신도가 2.0% 이상인 스프링용 선. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
300℃ 이상의 온도에서의 열처리가 실시된 경우의 0.2% 내력이 2300 MPa 이상인 스프링용 선.
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