KR102107507B1 - 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법에 관한 것으로서,
열처리 단계가 가열(Heating)단계와, 소입(quenching)단계와, 뜨임단계(tempering)를 포함하여 쇼트볼이 템퍼드마르텐사이트 조직을 형성하고, 5,500~5,700 cycle의 내마모성을 갖도록 하며,경도, 강도 및 인성이 개선되어 쇼트볼 자체의 내구성이 개선된 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법으로 구성됨으로써,
단순한 기계적 가공만으로 제조된 쇼트볼을 사용하던 것에 비하여 원소재가 열처리됨으로써 경도 및 인성이 향상되고, 투사시의 충격에 의한 내마모성이 향상하고, 재사용할 수 있게 되며, 스프링 소재의 고강도화에 대응하게 되며, 사용수명이 약 1.6배 향상되며, 기존 열처리없이 소량 생산하던 스프링용 쇼트볼 제조방법과 달리 열처리를 단계별로 구현함으로써 스프링용 쇼트볼의 내구성을 향상시키게 된다.

Description

스프링용 쇼트볼의 열처리 방법{Development of heat treatment method for shot-peening ball}

본 발명은 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법에 관한 것으로, 특히, 스프링용 쇼트볼의 원소재를 열처리하하여 내구성을 개선한 스프링용 쇼트피닝볼(shot-peening ball,이하 쇼트볼이라 약함)의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 스프링은 강선재(鋼線材)의 탄성력을 이용하여 에너지를 흡수, 축척시켜서 완충의 목적을 달성하거나 압축 후 반발하는 복귀탄성을 이용하여 여러가지 기계요소의 운동기능을 확보하는 용도로 사용되고 있다.

그리고 이러한 스프링과 같은 일반적으로 자동차, 선박, 철도차량 등의 교통수단에 쓰이는 각 부품은 경량화를 요구하고 있고, 금속의 설계시 고려되는 금속의 고강도화는 부품의 경량화를 실현시킴으로써 재료와 연료절감이라는 잇점이 있어 경량화에 따른 소재의 고강도화를 실현하기 위한 노력이 계속되고 있다.

그러나 스프링 금속표면 또는 금속내부의 결함에 의해 항복응력 이하의 응력에서도 균열이 개시되고 서서히 안정성장하여 최종적으로 급속파괴되는 현상이 발생된다.

이러한 스프링에 소정의 특성을 갖도록 알려진 제조방법은,

스프링의 성형을 위한 코일링장치 및 가열로를 준비하는 준비단계와, 제조되는 스프링의 형상 및 크기에 대응되도록 상기 코일링장치에서 소재가 권선되는 심봉이 변경장착된 후, 소정의 길이를 가지는 소재가 가열로로 이송되는 소재이송단계와, 상기 소재의 일부분이 상기 가열로에서 순간적으로 가열되는 가열단계와, 상기 가열단계를 통과하는 소재가 상기 코일링장치에 의해 권선되어 스프링으로 성형되며, 상기 소재이송단계가 일부 진행되어, 소재는 가열로에 이송되며 동시에 코일링장치에서 권선되는 코일링단계와, 상기 코일링단계를 거친 후, 요구되는 성형품의 크기로 상기 스프링의 단부를 가공하는 스프링 가공단계와, 상기 스프링이 담금질 및 뜨임 열처리되는 열처리단계와, 상기 열처리된 스프링이 쇼트피닝되는 쇼트피닝단계(상기 스프링강의 표면부에 압축잔류응력을 형성시키기 위해 쇼트볼을 70㎧의 투사속도로 처리하는 쇼트피닝,shot peening 공정)와, 상기 쇼트피닝이 완료된 스프링의 영구변형을 감소시키는 셋팅단계로 이루어지는 제조법이 대체로 알려진 방법이다.

이중에서 특히, 쇼트피닝에 사용되는 쇼트피닝볼(이하 쇼트볼이라 함)을 제조하기 위한 재료는 연강, 경강, 공구강, 구조용강, 스프링강, 듀랄루민, 알루미늄 합금, 스테인레스, 아연, 금강사 등에 많이 사용된다.

이러한 쇼트볼 제조방법은 주강 쇼트볼 제작법과 그릿트(Cut wire)를 이용한 쇼트볼 제작공정이 있는데 두 가지 공정 모두 철로 만든 모래 알갱이 모양의 자재로써 금속표면을 거칠게 하여 도금 및 도장의 페인트의 접합성을 높일때 사용한다. 쇼트와 그릿트 모두 자동차, 건설, 조선, 단조, 철강 등 금속재를 원자재로 사용하는 산업에 주로 사용되는 일종의 투사재(投射財)이며, 다양한 형상과 성능을 만족시키는 다양한 제조방법이 알려져 있다.

즉, 등록특허공보 제10-0124392호, 등록특허 제10-0524533호, 공개특허공보 제10-2006-0110361호, 등록특허 제10-1606126호, 등록특허 제10-1497892호 등에 개시된 바 있으며, 이러한 종래의 기술들은 대부분 강선을 절단칼날이 형성된 고속회전롤러에 연속진입시켜 일정한 길이로 절단시킴으로써 쇼트볼을 제조함으로써 다량의 쇼트볼을 일괄적으로 성형하고 있다. 또한, 쇼트볼 제조방법으로 철스크랩을 유도로 등에서 용해하여 아토마이징 등의 수분사를 행한 다음에 이를 열처리 하고 체질하여 쇼트볼을 제조하거나 수분사후의 재료를 분쇄한 후 다시 열처리한 후 입도를 조절하는 방법도 있다. 또 다른 쇼트볼 제조방법으로는 철 와이어를 짧게 절단하여 쇼트볼(쇼트그릿)을 제조할 수 있다. 상기의 방법들은 어느 경우든 고가의 철을 용융하는 고온의 에너지를 이용하고 있을 뿐만 아니라 소둔처리 공정을 필요로 하기 때문에 많은 에너지를 소모하게 된다.

또한, 고로슬래그 분쇄처리 공정에서 발생한 구상의 철분을 이용하는 방법도 알려져 있으나, 이러한 쇼트볼 제조방법은 부산물로 발생되는 구상철분을 이용하므로 그 양이 소량이며 그 조성이 균일하지 않은 단점이 있다.

상기한 "쇼트볼 제조방법"들은 쇼트볼의 성형 과정에서 쇼트볼의 직경에 따른 분류오작 및 쇼트의 손실이 발생하며, 쇼트피닝 과정에서 쇼트볼이 파괴되거나 균열되는 문제점이 있었다. 또한, 쇼트볼 가공에 의하여 형성되는 스프링의 표면부 압축잔류응력에 대한 해소방안으로 쇼트볼 자체를 이용하지 않아 왔다. 따라서 쇼트볼의 내구성을 향상시키기 위한 대책도 요구되어 왔다.

대한민국 등록특허 제10-0524533호 대한민국 등록특허 제10-1676709호 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0110361호

본 발명의 실시 예에서는 스프링용 쇼트볼의 원소재를 열처리하도록 하여 내구성을 개선하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 쇼트볼을 열처리함으로써 쇼트피닝 대상인 스프링의 잔류응력을 개선할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 쇼트볼의 경도(hardness) 및 인성(toughness)을 향상하기 위하여 가열,소입,뜨임의 3단계 열처리 공정을 통하여 내구성을 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 열처리공정으로써 투사시의 충격에 의한 내마모성이 향상된 쇼트볼을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 경도 및 인성이 향상되고 내마모성이 향상된 쇼트볼로서 재사용,반복 사용을 할 수 있도록 함으로써 재료비를 절감하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 열처리를 통하여 강도가 고강도로 향상된 쇼트볼을 적용할 수 있으므로 스프링 소재의 고강도화에 대응할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 스프링 제조공정시에 쇼트볼 원소재를 대량으로 담아 스프링과 함께 가열후 뜨임을 실시할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에서는 스프링 표면에 잔류응력을 향상시키는 쇼트볼을 상기한 열처리방법으로써 개선하고자 하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따르면 스프링용 쇼트볼을 열처리하는 방법은 쇼트볼을 커팅하는 단계(공정,과정,이하 단계라 함)와, 커팅된 쇼트볼을 열처리하는 단계(이하 열처리 단계라함)를 포함하되, 열처리하는 단계는, 가열(Heating)단계와, 소입(quenching)단계; 및 뜨임단계(tempering);를 포함함으로써, 내구성이 증가되고, 경도, 강도, 내마모성 및 인성이 개선된 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 열처리하는 단계에서는 상기 쇼트볼이 템퍼드마르텐사이트 조직을 형성하고, 5,500~5,700 cycle의 내마모성을 갖는 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 열처리하는 단계중 상기 가열단계는, 900℃ 이상, 10분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 열처리하는 단계중 상기 소입단계는, 소정의 온도와 점도를 갖는 오일을 사용하여 냉각시켜 소정의 경도(硬度)와, 강도(剛度)가 확보되는 특징을 갖는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 상기 소입단계의 오일은 일정값 이상의 동점도(動粘度)(kinetmatic viscosity)를 갖는 베이스 오일에 증기막 파단제를 배합함과 동시에 유소입시에 오일의 압력을 감압 조정하여 냉각 성능을 조정할 수 있는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 상기 소입단계의 오일은 40 ℃에서의 동점도가 40 ㎟/초 이상인 베이스 오일에, 증기막 파단제를 배합함과 동시에 감압하고, 상기 베이스 오일의 열 처리 시간을 2.5초(sec) 이하로 하고, 상기 베이스 오일의 40 ℃에서의 동점도가 40 내지 300 ㎟/초인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 상기 소입단계의 오일은 상기 증기막 파단제의 배합량이 유소입 오일을 기준으로 하여 5 질량％ 이상인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에 따르면 열처리하는 단계중 상기 뜨임단계는 300~400℃로 30분 이상 뜨임(Tempering)하여 경도(硬度)가 Hv 600~630범위인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법이다.

본 발명의 실시 예에서는 종래의 쇼트피닝볼이 세선을 커팅하는 단순한 기계적 가공만으로 제조된 쇼트볼을 사용하던 것에 비하여 원소재가 열처리됨으로써 경도 및 인성이 향상되는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에서는 열처리된 쇼트볼로서 투사시의 충격에 의한 내마모성이 향상하는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에서는 재사용할 수 있게 됨으로써 반복적인 사용횟수가 증가하여 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에서는 열처리를 통하여 강도가 고강도로 향상된 쇼트볼을 적용할 수 있으므로 스프링 소재의 고강도화에 대응하는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에서는 스프링 제조 공정시에 쇼트볼 원소재를 대량으로 담아 스프링과 함께 가열공정후 뜨임공정을 실시함으로써 쇼트볼의 뜨임공정을 별도로 하지 않고 스프링 가공공정시에 쇼트볼을 함께 뜨임공정을 실시하여 별도 뜨임을 수행하기 위한 공정설비가 생략되는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면 조직의 균질화면에서 기존 패라이트와 펄라이트가 혼합된 쇼트볼에 비하여 조직의 균질화가 향상되고, 충격에 대한 경도 및 강도가 향상되어 고강도 스프링의 쇼트볼을 얻는 효과가 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면 내마모성에서 기존 쇼트볼의 3,400~3,500 사이클(cycles)에 비하여 5,500~5,700 사이클(cycles)로 사용수명이 약 1.6배 향상되는 효과가 있다.

결과적으로 본 발명의 실시 예에 따르면 기존 열처리없이 소량 생산하던 스프링용 쇼트볼 제조방법과 달리 열처리를 단계별로 구현함으로써 스프링용 쇼트볼의 내구성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이하에서는 "쇼트피닝볼(shot peening ball)"을 "쇼트볼"로, "Quenching"을 "소입"으로, "Tempering"을 "뜨임"으로 칭하기로 한다.

실시 예

본 발명은 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

일반적으로 소입은 강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마텐사이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시키는 열처리 과정중 하나이다.

소입은 강의 경도와 강도를 증가시키기 위한 것으로, 강의 소입 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 소입후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉬우므로 소입 온도에 주의해야 한다.

또한, 뜨임은 담금질한 강은 경도가 증가된 반면 취성을 가지게 되고, 표면에 잔류 응력이 남아 있으면 불안정하여 파괴되기 쉬우므로 적당한 인성을 재료에 부여하기 위해 소입후에 반드시 뜨임 처리를 해야한다.

즉 소입한 조직을 안정한 조직으로 변화시키고 잔류 응력을 감소시켜 필요로 하는 성질과 상태를 얻기 위한 것이 뜨임의 목적이다.

소입처리한 강을 적당한 온도까지 가열하여 다시 냉각시킨다.

본 발명 스프링용 쇼트볼은 쇼트볼을 제조한 후에 소정의 조직을 갖도록 열처리를 실시하며, 이 열처리를 통하여 1차 제조된 쇼트볼의 조직을 템퍼드 마르텐사이트로 변화시켜 블라스팅을 실시할 때 인성을 갖도록 한다.

실시 예 1

본 발명의 실시 예에 따르면 스프링용 쇼트볼을 열처리하는 방법은 쇼트볼을 커팅하는 단계(가)와, 커팅된 쇼트볼을 열처리 하는 열처리단계(나)로 구성되며, 조직 균질화 및 내충격성 향상과 내마모성(어빙테스트)등의 성능은 이하의 표 1 및 표 2에 따른다.

먼저, 커팅하는 단계(가)는, 강 소재를 절단하여 적당한 크기로 토막을 내는 공정으로, 이 단계는 종래에 알려져 있으므로 구체적인 설명은 생략한다.

종래의 쇼트볼 제조방법중 하나는 철스크랩을 유도로 등에서 용해하여 아토마이징 등의 수분사를 행한 다음에 이를 열처리 하고 체질하여 쇼트볼을 제조하거나 수분사후의 재료를 분쇄한 후 다시 열처리한 후 입도를 조절하는 방법이 있고, 또 다른 방법으로는 철 와이어를 짧게 절단하여 쇼트볼(쇼트그릿)을 제조할 수 있다.

상기의 방법중 전자는 어느 경우든 고가의 철을 용융하는 고온의 에너지를 이용하고 있을 뿐만 아니라 소둔처리 공정을 필요로 하기 때문에 많은 에너지를 소모하게 된다.

후자는 고로슬래그 분쇄처리 공정에서 발생한 구상의 철분을 이용하는 방법으로, 부산물로 발생되는 구상철분을 이용하므로 그 생산량이 소량이며 그 조성이 균일하지 않은 단점이 있다. 따라서 양산 투입이 가능하도록 하는 방법이 필요하다.

두 번째로 열처리단계(나)는, 가열(heating)단계와, 소입(Quenching)단계와, 뜨임(tempering)단계로 구분되며, 이하에서는 각 단계별로 구분하여 설명한다.

단계별로 구분하지만 실시 예에서는 가열단계와, 소입단계와 뜨임단계 각각을 선택적으로 하거나 모든 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르는 열처리단계(나)의 가열(Heating)단계는 900℃ 이상, 10분 동안 가열하는 단계이다.

본 발명의 실시 예에 따르는 열처리단계(나)의 소입(oil 소입) 단계는 소정의 온도와 점도를 갖는 오일을 사용하여 냉각시키는 단계이다.

일반적으로 소입은 강을 적당한 온도로 가열하여 오스테나이트 조직에 이르게 한 뒤, 마텐사이트 조직으로 변화시키기 위해 급냉시켜 강의 경도와 강도를 증가시는 열처리 과정중 하나이다.

소입 단계의 오일은 강철 (steel) 등의 금속 재료를 급냉하여 단단하게 하기 위해 행하는 단계로, 강의 소입 온도가 너무 높으면 강의 오스테나이트 결정 입자가 성장하여 소입후에도 기계적 성질이 나빠지고 균열이나 변형이 일어나기 쉬우므로 소입 온도에 주의해야 한다.

따라서 소입 오일은 냉각성이 높을 것이 요구지만, 일반적으로 소입 단계에서 소입 오일의 냉각성이 지나치게 높으면 소입 왜곡 등이 발생할 수 있으며, 소입 왜곡을 억제하면 냉각성이 불충분해져 소입 경도 부족을 초래하므로 소입 경도와 소입 왜곡등을 동시에 충분히 만족시키는 것은 곤란하다.

그 때문에, 소입 오일에는 소위 저온 오일과 고온 오일(마르템퍼링 오일: Martempering Oil)의 2종이 존재한다.

저온 오일은 통상적으로 저점도 베이스 오일을 사용하기 때문에, 냉각 속도가 빠르고 높은 냉각성을 가지지만, 증기막 단계 (vapor blanket stage)가 길기 때문에, 소입 얼룩이 발생하기 쉬우며, 소입 왜곡을 초래하기 쉽기 때문에 대부분의 경우 증기막 파단제를 배합하여 증기막 단계를 짧게 하고 있다.

이에 비해 고온 오일은 통상적으로 고점도 베이스 오일을 사용하기 때문에, 증기막 단계가 짧고 소입 왜곡이 적으나, 비점이 높고 대류 단계 개시 온도가 높기 때문에 냉각성은 낮다.

따라서, 소입품의 경도를 중시하는 경우에는 저온 오일이 사용되며, 소입품의 왜곡 억제를 중시하는 경우에는 고온 오일이 사용되고 있다.

즉, 요구하는 품질에 맞춰서 소입 오일을 선택하여 구별하여 사용할 필요가 있으며, 각 소입마다 오일 교환이 불가피해진다.

이에 대하여, 고점도의 소입 오일을 사용하여 감압하에 소입 처리함으로써, 증기막 단계를 길고 안정적으로하여 소입 왜곡을 억제하며, 냉각 성능을 변화시킬 수 있다.

본 발명은 하나의 소입 오일로 저온 오일부터 고온 오일까지 상당하는 폭넓은 범위의 냉각성을 발현할 수 있는 소입 단계를 열처리 단계에 포함하는 것이다.

본 발명의 실시 예에 따르는 소입단계의 소입 오일은 일정값 이상의 동점도(動粘度)(kinetmatic viscosity)를 갖는 베이스 오일에 증기막 파단제를 배합함과 동시에 유소압시에 오일의 압력을 감압 조정하여 냉각 성능을 조정할 수 있다.

특히, 이 소입 오일은 40 ℃에서의 동점도가 40 ㎟/초 이상인 베이스 오일에, 증기막 파단제를 배합함과 동시에 감압하고, 상기 베이스 오일의 열 처리 시간이 2.5초(sec) 이하인 것이 바람직하다.

상기 베이스 오일의 40 ℃에서의 동점도가 40 내지 300 ㎟/초가 바람직하며, 상기 증기막 파단제의 배합량이 소입 오일을 기준으로 하여 5 질량％ 이상인 것이 가장 바람직하다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따르는 소입 단계의 소입 오일에서는, 베이스 오일로서 40 ℃에서의 동점도가 40 ㎟/초 이상, 바람직하게는 40 내지 300 ㎟/초인 베이스 오일을 사용한다.

이 40 ℃에서의 동점도가 40 ㎟/초 미만의 베이스 오일인 경우에는, 증기막 단계가 길어지기 때문에 냉각성이 저하되며, 소입 얼룩이 생겨 소입 왜곡이 발생할 우려가 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르는 소입 단계에 사용하는 베이스 오일의 40 ℃에서의 동점도의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 300㎟/초 이하가 바람직하다. 이 동점도가 300 ㎟/초 이하이면, 증기막 단계의 길이를 적절하게 유지하면서, 냉각성을 광범위하게 조정할 수 있다.

또한, 본 발명에 사용하는 베이스 오일은 한국공업규격의 열 처리 오일 시험에서의 특성 시간(초)이 2.5 이하인 것이 바람직하며, 이 특성 시간(초)이란 일본공업규격(JISK2242)에서 규정하는 냉각 성능 시험에서 증기막이 붕락(崩落)하는 온도에 도달하기까지의 시간을 말하며, 증기막 단계의 길이를 정량화한 것이다.

특성 시간(초)이 2.5 이하이면 냉각성이 양호하고, 소입 얼룩이 생겨 소입 왜곡이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르는 소입단계에서 사용하는 베이스 오일은 인화점이 230 ℃ 이상, 특히 250 ℃ 이상인 것이 바람직하다.

인화점이 230 ℃ 이상이면, 베이스 오일 중에 포함되는 경질 성분의 증발에 의해 냉각성이 시간 경과에 따라 변화되는 것을 억제할 수 있으며, 안전상 양호하다.

또한, 소입단계에서 사용하는 베이스 오일은, 상기한 인화점을 높이는 것과 동일한 취지에서, 비점 400 ℃ 미만의 경질 유분이 5 질량％ 이하인 것이 바람직하다.

구체적으로 본 발명의 실시 예에 따르는 스프링용 쇼트볼의 열처리 단계중 소입단계에서 사용하는 베이스 오일로서는, 일반적으로 광유(鑛油)를 사용한다.

구체적인 광유로서는 파라핀기계 원유, 중간기계 원유, 나프텐기계 원유 및 방향족계 원유 등을 상압 증류하거나, 또는 상압증류의 잔사유를 감압 증류하여 얻어지는 유출유, 또는 이들을 통상법에 따라 정제함으로써 얻어지는 정제유, 예를 들면 용제 정제유, 수소화 정제유, 수소화 분해 정제유, 용제 탈납 또는 수소 첨가 탈납 정제유 및 백토처리유 등을 들 수 있다.

또한, 알킬벤젠, 알킬나프탈렌, α-올레핀 올리고머(PAO), α-올레핀 공중합체, 폴리부텐, 이염기산에스테르, 힌더드에스테르, 폴리옥시알킬렌글리콜, 폴리옥시알킬렌글리콜에스테르, 폴리옥시알킬렌글리콜에테르 및 실리콘 오일 등의 합성유도 사용할 수 있다.

이들 베이스 오일은 단독 또는 2종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

단, 저점도 베이스 오일과 고점도 베이스 오일을 혼합하는 경우에는, 저점도 베이스 오일의 존재에 의해 인화점을 충분히 높게 유지할 수 없는 경우나 경질 유분 (light cut)이 다량으로 존재하는 경우가 있기 때문에, 인화점이 낮아지지 않도록, 또는 400℃ 미만의 경질 유분이 많아지지 않도록 유의하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르는 스프링용 쇼트볼 열처리 단계중 소입단계의 소입 오일은 상기 베이스 오일에 증기막 파단제를 배합한다. 상기 베이스 오일에 증기막 파단제를 배합함으로써, 감압하 등에서 베이스 오일의 증기막 단계를 짧게 하여, 조정할 수 있는 냉각성의 범위를 확대하는 효과가 있다.

증기막 파단제로서는 저온 오일에 배합되어 있는 공지된 증기막 파단제를 사용할 수 있다. 구체적으로는 고분자 중합체, 예를 들면 에틸렌-α-올레핀 공중합체, 폴리올레핀, 폴리메타크릴레이트 등 또는 아스팔트 (asphaltum) 등의 고분자량 유기 화합물 또는 유분산형의 무기 화합물 등을 들 수 있다.

이들의 증기막 파단제는 1종을 단독으로 사용할 수도 있고, 2종 이상을 조합하여 사용할 수도 있다.

증기막 파단제의 배합량은 특별히 제한되지 않으며, 1 질량％ 이상일 수 있지만, 바람직하게는 5 질량％ 이상, 특히 바람직하게는 6 질량％ 이상 배합하면 효과가 현저하다.

증기막 파단제의 배합량의 상한에 대해서는 특별히 제한은 없지만, 30 질량％ 이하, 특히 20 질량％ 이하가 바람직하다.

증기막 파단제의 배합량이 30 질량％ 이하이면, 소입 오일의 점도 등의 성상 변화를 억제할 수 있다.

본 발명 쇼트볼 열처리단계의 소입단계는 소입 오일을 사용하여 열 처리로의 오일면 상의 압력을 조정하여 소입을 행하는 소입 과정이다.

즉, 진공로 또는 진공 침탄로 (vacuum carburizing furnace) 등 밀봉계 열 처리로를 사용하여, 상기 소입 오일의 오일면 상의 압력을 상압으로부터 감압까지 조정함으로써, 소입 처리의 목적에 따라 냉각성을 조정하여 소입하는 방법이다.

이 경우, 오일면 상의 압력의 조정 범위는, 상압(약 0.1MPa) 내지 13 kPa 사이에서 행하는 것이 바람직하다.

오일면 상의 압력이 상기 범위에 있으면, 증기막 파단제의 배합 효과가 양호하게 발휘된다.

상기 범위에서 오일면 상의 압력을 조정함으로써, 특성 초수를 2.5 이하로 유지하면서 냉각성을 나타내는 소입 강열도(H값)를 적어도 0.10 내지 0.14/㎝의 범위에서 조정할 수 있다.

소입 감도(quenching intensity)란, 통상적으로 H값으로 약칭되며, 냉각성을 나타내는 수치로서, 공업규격의 열 처리 오일 시험에서의 냉각 곡선으로 800 ℃ 내지 300 ℃까지 냉각할 때 필요로 되는 시간으로 부터 구해진다.

또한, 통상적인 저온 오일의 H값의 범위는 0.12 내지 0.14, 고온 오일의 H값의 범위는 0.10 내지 0.12이기 때문에, 소입 과정에 따라서는 저온 오일과 고온 오일의 H값의 범위를 포함할 수 있다.

구체적으로는 소입 오일을 저온 오일로서 사용하는 경우, 오일면 상의 압력을 낮추기 위해, 예를 들면 약 15내지 70 kPa로 조정하며, 고온 오일로서 사용하는 경우에는, 오일면 상의 압력을 높이기 위해, 예를 들면 약80 내지 101 kPa로 조정하여 소입을 행할 수 있다.

이와 같이 하나의 소입 오일을 사용하여 오일을 교환하지않고, 저온 오일로서도, 고온 오일로서도 사용이 가능하다.

또한, 본 발명 쇼트볼 열처리단계의 소입 과정의 다른 실시 예로서 하나의 소입 부품을 소입하는 경우, 소입 처리 도중에 오일면 상의 압력을 변경하여 소입하는 방법이다.

예를 들면, 증기막 단계를 감압하에 행하여, 계속해서 급격히 상압 또는 상압 근처의 감압하에 행하는 소입 과정을 들 수 있다. 이 과정에 따르면, 빠르게 비등 단계에 진입하여, 소입 왜곡을 억제하면서 냉각성을 높일 수 있다.

또한, 반대로 상압 또는 상압 근처의 감압 상태에서 소입을 개시하여, 증기막 파단과 동시에 급격히 감압하는 소입 방법도 들 수 있다. 이 방법에 따르면, 증기막 단계를 길게 하지 않아도, 비등 단계를 확대하는 효과를 높일 수 있다.

또한, 오일면 상의 압력을 조정하여 소입하지만, 이와 동시에 오일 온도를 변경하거나, 교반 유속을 변경하는 등의 방법도 도입할 수 있다. 이에 따라, 냉각성(H값)의 조정 범위를 더욱 확대할 수 있는 경우가 있다.

셋째로 본 발명 실시 예에 따르는 상기 열처리단계의 뜨임단계는 300~400℃로 30분 이상 뜨임(Tempering)하는 단계를 포함할 수 있다.

여기서 뜨임이란 열처리의 일종으로, 담금질한 강은 경도(硬度)는 높아지나 재질이 여리게 되므로 A1변태점 이하의 온도로 재가열하여 주로 경도를 낮추고, 점성(粘性)을 높이기 위한 열처리를 말한다. 뜨임 방법에는 건식, 습식, 직접 뜨임 등이 있다.

즉, 가열로에서 가열된 제품(S45C : BOLT, NUT류)을 냉각(Oil-Quenching)시키면 최고의 경도값(HRC 542)을 얻게되며, 이때 생긴 조직을 마르텐사이트(Martensite)라 한다. 마르텐사이트 조직의 특징은 강하고 인성이 전혀 없어 깨지기 쉽고, 실온에 장시간 방치해 두면 자연적인 크랙이 발생될 수 있다.

따라서 이러한 단점을 극복하기 위해 요구 경도에 맞게 뜨임(Tempering)을 실시하게 되는 것이다.

이러한 뜨임은 제품에 따라 경도를 조절하기 위한 것인데, 요구하는 경도에 따라 뜨임로의 온도를 가변할수 있어야 한다. 이때 온도를 상승하는 경우에는 히터를 통해 가열함으로써 적정 온도를 유지시킬 수 있어 문제가 없으나, 온도를 하강시키는 경우에는 그 냉각시간이 오래 걸리게 되어 작업시간에 로스(loss)가 발생하게 되고, 효율을 떨어뜨리게 되는 문제점이 발생한다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 상기 뜨임로의 온도를 급속하게 하강하기 위한 장치나 방법이 요구된다.

뜨임처리에 관련한 종래기술을 살펴보면, 등록실용신안공보 제20-0220107호는 소형 기계요소의 뜨임 열처리로에 관한 것으로, 뜨임 열처리로의 하우징내에 형성한 열처리실의 상하에 다수의 전열히터봉을 배치하고 상하의 전열히터봉사이에서 양 측벽사이에 광폭의 콘베이어 롤러를 통하여 네트 콘베이어를 순환토록 배치하며, 네트 콘베이어의 양측에 수직으로 네트측벽을 입설형성하고 네트 콘베이어의 양측에 배치된 측벽에서 경사판을 연장하여 그 단부가 네트측벽과 네트 콘베이어사이의 모서리부분을 가릴 수 있도록 하는 내용을 개시하고 있다.

한편, 조질처리(Quenching-Tempering,QT)란 변태점 (A3 ~ A1) + (30 ~ 50℃)의 적당한 온도(약 840 ~ 880℃)로 가열하여 안정된 Austenite구역으로 유지한 다음 적당한 냉매(OIL or 水)에 급냉(Quenching)시킨 후 기계적 특성에 맞게 다시 뜨임(Tempering)처리한 열처리를 말한다.

일반적으로, 자동차 부품은 부품 특성상 고강도와 고인성이 요구되며, 이러한 이유로 통상 저탄소 합금강을 침탄 열처리를 통해 표면을 경화하여 높은 내마모성을 가지면서 내부는 인성을 가지는 부품을 제조한다. 특히 침탄 열처리시의 표면 경화정도가 작고 사용되는 재질의 한계성으로 인해 표면의 침탄부 이외의 내부는 소재 원래의 페라이트+펄라이트 조직을 나타내어 피로강도가 우수한 편이 아니다.따라서 경도 개선이 필요하였다.

즉, 마르텐사이트 조직은 성형,오스테나이트역 가열, 용체화, 추출후 금형냉각 또는 소입처리를 거쳐, 최종적으로 목적하는 강도의 마르텐사이트를 얻을 수 있지만 마르텐사이트 기반의 조직강은 취성을 띠기 때문에 내구수명 향상이나 인성을 높이기 위하여 별도의 뜨임 열처리(tempering)를 행하여야 한다.

뜨임 열처리도 180~220℃의 온도범위에서 통상 열처리를 행하여 항복강도가 소입상태 대비 증가되지만 인장강도는 저하됨으로써 0.7~0.85 범위의 항복비가 얻어지며, 또한, 균일 연신율 및 총연신율은 소입 대비 다소 증가하게 된다. 따라서 고온의 뜨임 열처리의 경우 소입상태 대비 인장 및 항복강도가 저하되면서 항복비는 0.9~0.98 범위로 증가시킬 수 있다.

또한, 이들 열처리형 부품에 있어서 강도를 더욱 향상시키고자 하는 요구가 증가되고 있다. 강도를 높이는 방안으로 기존의 보론 첨가 열처리강에서 규제하는 바의 조성 즉, Mn을 0.5~1.5%,Cr을 0.1~0.3% 범위로 고정하고 열처리후 강도를 감안하여 C 함량을 높이는 경우, 소입강도는 C, Mn 등의 함량에 비례하여 증가하나, 인성 및 연성을 부여하기 위하여 종래와 같이 열처리를 행하면 항복강도 및 인장강도가 현저하게 감소하여, C, Mn 등의 첨가 효과가 반감되어 강도 상승에 비례하여 인성이 늘어나는 문제점도 있다.

본 발명의 실시 예에 따르는 소입 및 뜨임 단계는 잔류응력을 해소하고 요구되는 강도를 갖도록 처리하는 단계들로서 열처리 과정에서 발생되는 변형을 최소화할 수 있도록 마르퀀칭과 탬퍼링을 순차적으로 실시할 수 있고, 이 단계에서 쇼트볼을 적어도 1000℃ 이상의 온도로 가열한 후, 냉각 시에 발생하는 변형을 방지하기 위하여 염욕에 30~60분 동안 염욕에 침전시킨 다음, 마르텐사이트 변태를 시키기 위하여 공랭시키게 된다.

이때 바람직한 가열 온도는 1000℃ 이상이며, 너무 낮은 온도로 가열할 경우, 불필요한 에너지의 소모를 초래하므로 1000℃ 이상으로 설정되는 것이 바람직하다.

구분	종래 쇼트볼	본 발명에 의한 쇼트볼
조직
	페라이트+펄라이트	템퍼드마르텐사이트
경도	Hv 550~580	Hv 600~630

표 1로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 실시 예에서 나타나는 열처리단계중 뜨임단게는 300~400℃로 30분 이상 뜨임(Tempering)하는 단계이다. 이러한 뜨임단계는 보통 철강을 오스테나이트화 온도로 가열한 후에 급냉하여, 마르텐사이트를 생성시켜서 경화시키는 처리를 말한다. 가열온도는 아공석강에서는 Ac3점 이상 30~50℃로 한다. 마르텐사이트 조직을 얻기 위하여는 개개의 강에 특유한 임계 냉각 속도 이상의 속도로 냉각하는 것이 필요하고, 이 때문에 기름이나 물이 사용되는 수가 많다. 기름을 급냉을 필요로 하는 온도역의 냉각능력이 크고 뛰어난 냉각액이지만 화재나 공해문제에서 수용성 담금질액이 개발되어 실용화가 진행되고 있다.한편, 냉각속도가 빨라지면 변형이나 가열터짐의 위험이 커지므로 마르텐파, 오스텐파, 시간담금질등, 이 위험을 피하는 특수한 방법이 사용되는 수가 있다. 마르텐사이트조직의 경도는 강의 탄소량 증가와 함께 증대하지만, 담금질에서의 냉각속도가 충분하지 않고, 다른 조직이 혼입하면 그림에 나타낸것 같이 담금질 경도가 저하할뿐 아니라, 이것을 풀림했을 때는 인성, 피로강도 등이 낮아진다.

일반적으로 금속을 고온에서 급랭하는 조작을 말하는 수도 있다. 등록특허 10-0587761에서는 열분해 분별 증류 장치에서 순환된 급냉 오일의 점도를, 열분해 노(爐) 유출물을 0.1 - 0.5 kg/kg 의 급냉 오일 슬립 스트림과 접촉시키고, 생성된 증기-액체 혼합물을 분리하여 타르 액체를 제거하고, 잔류 증기를 분별 증류기에 공급함으로써 조절하는 기술이 소개되었다.

상기 방법에서 분별 증류기 공급물로부터 타르 액체를 제거함으로써 환류를 덜하고, 바닥 온도를 더 높게하고, 더 높은 온도에서 열을 더 회수하도록 분별 증류기를 운전할 수 있게 한다.

등록특허 10-1254782에서는 부품 특성상 고강도와 고인성이 요구될 경우 통상 저탄소 합금강을 침탄 열처리를 통해 표면을 경화하여 높은 내마모성을 가지면서 내부는 인성을 가지는 부품을 제조하는 기술이 알려져 있다.

표 2에서 보는 바와 같이 기존 쇼트볼은 열처리시의 표면 경화정도가 작고 사용되는 재질의 한계성으로 인해 표면의 침탄부 이외의 내부는 소재 원래의 페라이트+펄라이트 조직을 갖고 있으므로 피로강도가 우수한 편이 아니다.

열처리후 오일 소입을 생략하는 방법으로서, 유럽등록특허 제1098011호(An air hardenable low to medium carbon steel composion)의 경우 침탄시간을 줄이고자 탄소(C) 0.10~0.55중량% 혹은 0.39중량%로 실시하였다. 이는 비교강의 범위인 0.10~0.38중량%에서는 침탄시간을 줄이는 것으로 통상의 침탄공정을 고려할 때 불가능하다.

또한, 상기 비교강의 경화시 강도 확보를 위하여 소입, 뜨임과정을 생략하였으나 고가의 몰리브덴(Mo)를 다량 사용하고 있어, 생산 단가가 비싸진다는 단점이 있다. 따라서 템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖고, 경도가 Hv 600~630인 쇼트볼로서 본 발명의 목적을 달성할 수 있을 것이다.

구 분	종래 쇼트볼	본 발명에 의한 쇼트볼	개발효과
조직 균질화 및 내충격성 향상	원소재 조직 (페라이트+펄라이트)	균질화 조직 (템퍼드마르텐사이트)	균질화된 조직으로 충격에 대한 경도 및 강도 향상 →고강도 스프링에 사용 가능
내마모성 (어빙테스트)	3,400~3,500 cycles	5,500~5,700 cycles	사용 수명 향상 (1.6배 이상 향상)
쇼트볼 적용 다양성	-	쇼트볼 크기에 무관하게 적용 가능함.	확대 적용 가능

표 2는 본 발명 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법에 의하여 이루어진 쇼트볼과 종래 쇼트볼을 비교한 결과를 나타내는 것으로 표 3에서 기술한 바와 같이 기존 쇼트볼의 원소재가 페라이트+펄라이트로 조직을 형성하되 내마모성이 3,400~3,500 cycle이던 것을 템퍼드마르텐사이트 조직으로 ,5,500~5,700의 내마모성을 확보하게 되어 균질화된 조직으로 충격에 대한 경도 및 강도가 향상되고 사용 수명이 종래 쇼트볼 제조방법이 단순한 쇼트볼 커팅만으로 제조하던 것에 비하여 1.6배 개선되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 스프링 제조 공정시에 쇼트볼 원소재를 대량으로 담아 스프링과 함께 가열공정후 뜨임공정을 실시함으로써 쇼트볼의 뜨임공정을 별도로 하지 않고 스프링 가공공정시에 쇼트볼을 함께 뜨임공정을 실시하여 별도 뜨임을 수행하기 위한 공정설비가 생략되는 효과도 있다. 쇼트볼의 체적이 커질수록 점차 고합금강으로 사용하는 것이 질량효과 때문에 바람직하다.

특히, 상기 템퍼드 마르텐사이트는 조직을 뜨임하여 얻어지는 조직이므로 페라이트(ferrite)와 미세탄화물의 혼합조직으로 이루어지며, 층상조직인 펄라이트에 반하여 템퍼드 마르텐사이트는 미세입상의 시멘타이트가 균일 분포하며, 경도가 Hv 600~630이므로 마르텐 사이트와 비교하여 탄성한도가 높고, 인성을 개선하며, 펄라이트보다 강도가 높은 특성을 갖는다.

상기 내용을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법에 있어서,
   상기 쇼트볼을 커팅하는 단계; 및
   상기 커팅된 쇼트볼을 열처리하는 단계;
   를 포함하되, 상기 열처리하는 단계는, 가열(Heating)단계, 소입(quenching)단계 및 뜨임단계(tempering)를 포함하여 쇼트볼의 내구성이 증가되고, 경도, 강도, 내마모성 및 인성이 개선되고, 쇼트볼이 템퍼드마르텐사이트 조직을 형성하고, 5,500~5,700 cycle의 내마모성을 갖으며,
   상기 소입단계는,
   소정의 온도와 점도를 갖는 오일을 사용하여 냉각시켜 소정의 경도(硬度)와, 강도(剛度)가 확보되고,
   상기 오일은,
   40 ℃에서의 동점도가 40 ㎟/초 이상인 베이스 오일에, 증기막 파단제를 배합함과 동시에 감압하고, 상기 베이스 오일의 열 처리 시간이 2.5초(sec) 이하인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 소입 단계 및 뜨임단계에서 염욕에 30~60분 동안 침전시키는 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 가열단계는,
   900℃ 이상, 10분 동안 가열하는 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 소입 단계 및 뜨임단계에서 쇼트볼을 적어도 1000℃ 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 뜨임단계는,
   300~400℃로 30분 이상 뜨임(Tempering)하여 경도(硬度)가 Hv 600~630범위인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 오일은 40 ℃에서의 동점도가 40 내지 300 ㎟/초 인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 증기막 파단제의 배합량이 유소입 오일을 기준으로 하여 5 질량％ 이상인 것을 특징으로 하는 스프링용 쇼트볼의 열처리 방법.