KR20020079818A - 경인스프링용 강선재, 경인스프링용 신선재와 경인스프링및 경인스프링의 제조방법 - Google Patents

Abstract

C : 0.5∼0.7 질량% 미만, Si : 1.4∼2.5 질량%, Mn : 0.5∼1.5 질량%, Cr : 0.05∼2.0 질량% 및 V : 0.05∼0.40 질량% 를 각각 함유함과 동시에 펄라이트조직의 면적율 Rp 가 하기 (1)식을 만족하므로써, 오일파텐팅선을 이용한 스프링과 동등 이상의 피로강도, 내 영구변형성을 발휘하는 경인스프링하기 위한 스프링용 강선재를 개시한다.

Rp(면적%) ≥55 ×[C] + 61 ‥‥(1)

단, [C] 는 C 의 함유량(질량%)을 나타낸다.

Description

경인스프링용 강선재, 경인스프링용 신선재와 경인스프링 및 경인스프링의 제조방법{Steel wire rod for hard drawn spring, drawn wire rod for hard drawn spring and hard drawn spring, and method for producing hard drawn spring}

자동차등의 경량화(輕量化)나 고출력화(高出力化)에 따라 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링등에 있어서도 고응력화(高應力化)가 지향되고, 피로강도 및 내 영구변형성(耐 permanent set in fatigue)이 우수한 스프링이 요구되고 있다. 특히, 밸브 스프링의 고응력화에 대한 요구가 강한 추세인 것이 현실이다.

최근, 밸브 스프링의 대부분은 오일템퍼선(oil temper 線)이라 불리우는칭(燒入)·템퍼링(燒戾)이 실시된 강선을 상온에서 스프링감기 가공하여 제조하는것이 일반적이다. 이러한 스프링의 제조방법으로서, 예를 들면 JIS 규격에서는 일반적인 오일템퍼선 (JIS G 3560)과는 별도로 밸브 스프링용 오일템퍼선(JIS G 3561)을 규정하고 있고, 강종, 불순물정도, 흠집깊이등을 보다 엄격하게 관리하도록 요구하고 있다.

상기와 같은 오일템퍼선에서는 템퍼링 마르텐사이트조직이므로 높은 강도를 얻기쉽고, 또한 피로강도와 내 영구변형성이 우수하다고 하는 이점이 있기는 하지만,칭(燒入)·템퍼링(燒戾)등의 열처리를 위해 규모가 큰 설비와 처리비용을 필요로 한다고 하는 결점이 있다.

한편, 부하응력(負荷應力)이 비교적 낮은 설계된 일부 밸브 스프링에는 페라이트·펄라이트조직 또는 펄라이트조직의 탄소강을 신선가공하여 강도를 높인 선재(「경인선(硬引線)」이라 불리운다)를 상온에서 스프링감기 가공한 것이 사용되고 있다. 이러한 스프링으로서, JIS 규격에는 피아노선(JIS G 3522) 중에서 특히「밸브 스프링 또는 이것에 준하는 스프링용」으로서「피아노선 V 종」을 규정하고 있다.

상기와 같은 경인선에 따라 제조되는 스프링(이하에서는 이 스프링을「경인스프링」이라 부른다)은 열처리를 필요로 하지 않으므로 저비용이라는 이점이 있다. 그러나, 페라이트·펄라이트조직 또는 펄라이트조직을 신선한 선재에는 피로특성이나 내 영구변형성이 낮다고 하는 결점이 있어, 이러한 선재를 소재로 사용하여도 최근의 요구만큼의 높은 고응력 스프링은 실현할 수 없다.

저비용으로 제조할 수 있다고 하는 이점이 있는 경인스프링에 있어서, 보다 높은 고응력화를 꾀하는 기술도 여러가지로 검토되고 있으며, 이러한 기술로서 예를 들면, 특개평 11-199981 호에는 오스템퍼선과 동등한 특성을 구비한 피아노선으로서, 공석(共析)∼과공석강(過共析鋼) 펄라이트의 신선가공방법으로 특정 세멘타이트형상을 얻는 방법이 제안되고 있다. 그러나, 이러한 방법에 있어서도 신선방향을 바꾸는 등, 공정의 복잡화에 따른 제조비용의 상승은 피할 수 없다.

본 발명은 이러한 상황하에서 이루어진 것으로, 그 목적은 오일템퍼선을 이용한 스프링과 동등이상의 피로강도 및 내 영구변형성을 발휘하는 경인스프링을 제조하기 위한 스프링용 강선재, 스프링용 신선재 및 이와 같은 경인스프링 및 이러한 경인스프링을 저비용으로 제조하기 위한 유용한 방법등을 제공하는 데 있다.

이 발명은 자동차 엔진의 밸브 스프링, 클러치 스프링 및 브레이크 스프링등의 소재로서 유용한 경인스프링용 강선재 및 이 스프링용 강선재를 사용한 경인스프링용 신선재나 스프링 및 이러한 경인스프링을 제조하기 위한 유용한 방법등에 관한 것이다.

도 1 은 강중의 탄소함유량과 펄라이트 면적율의 관계를 나타낸 그래프이다.

발명의 개시

상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 경인스프링용 강선재는 C : 0.5∼0.7 질량% 미만, Si : 1.4∼2.5 질량%, Mn : 0.5∼1.5 질량%, Cr : 0.05∼2.0 질량% 및 V : 0.05∼0.40 질량% 를 각각 함유함과 아울러 펄라이트조직의 면적율 Rp 이 하기 (1)식을 만족하는 점에 요지를 갖는다.

Rp(면적%) ≥55 ×[C] + 61 ‥‥(1)

단, [C] 는 C 의 함유량(질량%)을 나타낸다.

이 경인스프링용 강선재에 있어서는 (a) Ni : 0.05∼0.5 질량% 를 함유시키는 것이나, (b) 펄라이트조직중의 페라이트에 원(圓)상당 직경으로 50㎚ 이하의 V, Cr 탄화물, 탄질화물 및 V 와 Cr 의 복합탄화물, 복합탄질화물이 합계 10 개/μ㎡ 이상인 요건을 만족시킬 것이 필요하며, 이에 따라 경인스프링의 특성을 더욱 개선할 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 경인스프링용 신선재로는 C :0.5∼0.7 질량% 미만, Si : 1.4∼2.5 질량%, Mn : 0.5∼1.5 질량%, Cr : 0.05∼2.0 질량% 및 V : 0.05∼0.40 질량% 를 각각 함유함과 아울러 펄라이트조직의 면적율 Rp 이 하기 (1)식을 만족하고 또한, 선재의 인장강도 TS 가 하기 (2)식을 만족하는 점에 요지를 갖는다.

Rp(면적%) ≥55 ×[C] + 61 ‥‥(1)

단, [C] 는 C 의 함유량(질량%)을 나타낸다.

- 13.1d³+ 160d²- 671d + 3200 ≥TS ≥- 13.1d³+ 160d²- 671d + 2800

‥‥(2)

단, d : 선재의 직경(㎜)[1.0 ≤d ≤10.0]

이 경인스프링용 신선재에 있어서는 Ni : 0.05∼0.5 질량% 를 함유시키는 것도 유효하다.

상술한 바와 같이 스프링용 강선재 또는 스프링용 신선재를 이용하므로써 고응력을 발휘하는 경인스프링을 얻을 수 있다. 또한, 이 경인스프링에 있어서는 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장으로 변하는 깊이가 0.05㎜ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 이 깊이가 0.15㎜ 이상인 것이다. 또한, 이 경인스프링에는 그 표면에 질화처리를 한 것도 유효하다.

상기 경인스프링을 제조하기에 있어, 숏 피닝(shot peening)후에 실온이상의 온도에서 하기 (3)식을 만족하는 응력 τ(MPa)을 적어도 1 회 이상 부여하도록 하면 좋다. 그리고, 이 제조방법에 있어서 응력 τ을 부여할 때의 온도는 120℃ 이상이 바람직하다.

τ≥선재의 인장강도 TS(MPa) ×0.5 ‥‥(3)

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

본 발명자들은 상기 목적을 달성할 수 있는 경인스프링용 강의 실현을 위해 여러 각도에서 검토를 하였다. 그 결과, 강선재의 화학성분조성을 엄밀히 규정함과 동시에 선재중의 펄라이트조직 면적율을 함유탄소량과의 관계에서 적절한 범위(상기 (1)식으로 규정하는 범위)로 제어한 강선재에서는, 오일템퍼선을 이용한 스프링과 동등이상의 피로강도 및 내 영구변형성을 발휘하는 경인스프링을 얻을 수 있음을 밝혀내고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 스프링용 강선재에서는 화학성분조성을 적절히 조정할 필요가 있는데 그 범위한정이유는 하기와 같다.

C : 0.5∼0.7 질량% 미만

C 는 신선재의 인장강도를 높이고, 피로특성이나 내 영구변형성을 확보하기 위하여 유용한 원소로서, 통상의 피아노선에서는 0.8 질량% 전후 함유되어 있지만 본 발명에서 목적으로 하고 있는 것과 같은 고강도의 신선재에 있어서는 C 의 함유량이 0.7 질량% 이상이 되면, 결함감수성(缺陷感受性)을 높여 표면흠이나 개재물로부터의 균열을 발생시켜 피로수명이 열화되는 것을 알았으므로 0.7 질량% 미만으로 한정하였다. 단, C 함유량이 0.5 질량% 미만이 되면, 고응력 스프링으로서 필요한 인장강도를 확보할 수 없을 뿐만 아니라 피로균열발생을 조장하는 초석페라이트의 양이 많아져 피로특성을 열화시키므로, C 함유량의 하한은 0.5 질량% 로 할 필요가 있다.

Si : 1.4∼2.5 질량%

Si 는 고용강화에 따라 신선재의 인장강도를 높이고, 피로특성과 내 영구변형성의 개선에 공헌하는 원소이다. C 함유량을 낮게 한 분량만큼 Si 를 높게 함유시킬 필요가 있으며, 이러한 관점에서 그 하한은 1.4 질량% 로 하였다. 그러나, Si 함유량이 2.5 질량% 를 넘어 너무 많아지게 되면, 표면의 탈산이나 흠등이 증가하여 피로특성이 나빠진다. 또한, Si 함유량의 바람직한 하한은 1.7 질량% 정도이며, 바람직한 상한은 2.2 질량% 정도이다.

Mn : 0.5∼1.5 질량%

Mn 은 펄라이트조직을 치밀화(緻密化) 또는 정연화(整然化)시키고, 피로특성의 개선에 공헌하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 Mn 은 적어도 0.5 질량% 이상 함유시킬 필요가 있는데, 너무 많이 함유시키면 열간압연시나 파텐팅 (patening)처리시에 베이나이트조직이 발생하기 쉽게 되고, 피로특성을 열화시키므로 1.5 질량% 이하로 해야 한다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.7 질량% 정도이며, 바람직한 상한은 1.0 질량% 정도 이다.

Cr :0.05∼2.0 질량%

Cr 은 펄라이트 층상간격을 작게 하여 압연후 또는 열처리후의 강도를 상승시키고 내 영구변형성을 향상시키는데 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘하기 위해서는 Cr 함유량은 0.05 질량% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 너무 많아지게 되면 파텐팅 처리시간이 너무 길어지게 되며, 또는 인성과 연성이 열화되므로 2.0 질량% 이하로 할 필요가 있다.

V : 0.05∼0.40 질량%

V 는 펄라이트 노듈(nodule)사이즈를 미세하게 하여 신선가공성, 스프링의 인성 및 내 영구변형성등을 개선하기에 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서 V 는 0.05 질량% 이상을 함유시킬 필요가 있으며, 바람직하게는 0.10 질량% 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나, 0.40 질량% 를 넘겨 너무 많이 함유시켜도 열간압연시나 파텐팅처리시에 베이나이트조직을 생성하기 쉽게 되고, 피로수명을 열화시키게 된다.

본 발명의 스프링용 강선재에 있어서 기본적인 화학성분조성은 상기와 같지만, 필요에 따라서는 0.05∼0.5 질량% 의 Ni 를 함유시키는 것도 유용하다. Ni 를 함유시킬 때의 범위 및 그 이유는 하기와 같다.

Ni : 0.05∼0.5 질량%

Ni 는 절결감수성(切缺感受性)을 낮춤과 동시에 인성을 높이고, 스프링감기 가공시의 절손트러블을 억제시킴과 동시에 피로수명을 향상시키는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 0.05 질량% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Ni 를 너무 많이 함유시키면 열간압연시나 파텐팅처리시에 베이나이트조직이 생성하기 쉽게 되어, 역효과가 나므로 0.5 질량% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, Ni 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.15 질량% 이며, 더욱 바람직한 상한은 0.30 질량% 이다.

본 발명 스프링용 강선재에 있어서, 상기에서 설명한 화학성분조성 이외에(잔부)는 실질적으로 Fe 로 이루어진 것으로 상기 각종 성분이외에도 스프링용 강의특성을 저해하지 않는 정도의 미량성분을 함유할 수 있는 것으로 이러한 강선재도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다. 상기 미량성분으로서는 예를 들면, 담금질성 향상을 위하여 첨가되는 것인 Mo : 0.5 질량% 이하 정도나, 제강시의 탈산제로서 함유되는 Al : 0.05 질량% 이하 정도를 들 수 있고, 또한 불순물, 특히 P, S, As, Sb, Sn 등의 불가피불순물(P 나 S 에서 0.02 % 이하 정도, As, Sb, 및 Sn 에서 0.01 % 이하 정도)을 들 수 있다.

본 발명 스프링용 강선재에 있어서는, 선재중의 펄라이트조직 면적율을 함유탄소량과의 관계에서 적절한 범위[상기 (1)식에서 규정하는 범위]로 규정할 필요가 있고, 그 이유는 다음과 같다.

본 발명에 사용되는 강재의 C 함유량은 상술한 바와 같이, 0.5∼0.7 질량% 미만과 공석성분보다도 낮게 하지 않으면 안 되는데, 이와 같은 강재로부터 선재를 통상의 방법으로 제조하면 초석페라이트조직이 발생하고, 이 초석페라이트조직은 피로파괴의 기점이 되어 피로수명을 열화시키게 된다. 이러한 불합리를 회피하기 위해서는 초석페라이트를 가능한 한 적게 하고, 펄라이트조직분율(分率)을 높게 할 필요가 생긴다.

도 1 은 강중의 탄소함유량과 펄라이트 면적율의 관계를 나타낸 것이다. 일반적인 탄소강에서는 펄라이트 면적율이 비교적 낮은 조직이지만, 본 발명 강선재에서는 상술한 관점에서 펄라이트 면적율이 탄소함유량과의 관계에서 비교적 높은 조직이 되어 있다.

상기 (1)식을 만족하는 조직을 얻기 위해서는 열간압연시 또는 파텐팅처리시에 Ae₃변태점(오스테나이트와 페라이트가 균형있게 공존할 수 있는 상한온도)보다 높은 온도에서 Ae₁변태점(페라이트와 세멘타이트가 공존할 수 있는 상한온도) 이하의 온도로 가능한 한 급속하게 냉각할 것이 유효하다. 구체적으로는 열간압연의 경우에는 콘베이어상의 냉각조건을 상기 온도영역에서 냉각온도를 5℃/sec 이상, 바람직하게는 10℃/sec 이상으로 관리하는 것이 유효하다. 단, 필요이상으로 냉각을 속생하는 것은 정밀한 펄라이트조직을 얻을 수 없게 하고, 베이나이트와 같은 과냉조직을 혼입하게 하여 인성을 열화시키므로 냉각조건을 콘베이어의 위치마다 관리하고, 선재의 온도가 약 550℃ 이하의 영역까지는 냉각을 완만하게 할 것이 권장된다.

파텐팅처리에 있어서는 Ae₃변태점으로부터 Ae₁변태점까지의 냉각이 비교적 빨라지지만, 항온보지에 이용하는 매체로서는 열전도율이 높은 것을 선정하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 예를 들면, 유동조(流動槽)보다도 연욕(鉛浴)이나 염욕 (鹽浴)을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각을 빠르게 하기 위해서는 오스테나이트화 가열로(加熱爐)로부터 항온보지로 들어가는 사이의 프로세스에 냉각공정을 개입시키고, 이 냉각공정에 따라 강제냉각을 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각속도를 크게 하기 위해서는 선재의 송급(送給)속도를 가능한 한 크게 하는 것도 유효하다. 그리고, 펄라이트 면적율 Rp 에 대해서는 신선가공이나 그 후의 스프링감기 가공에 따라서도 크게 변화하지 않으므로, 면적율의 측정은 신선가공후의 선재나 스프링제품에서 실시하여도 좋다.

상술한 스프링용 강선재에서, 펄라이트중에서 가장 약한 부분인 페라이트를 강화하면, 내 영구변형성을 개선할 수 있으므로 바람직하다. 그리고 페라이트를 강화시키기 위해서는 페라이트중에 미세한 석출물을 석출시킬 것, 구체적으로는 원상당 직경으로 50㎚ 이하의 V, Cr 의 탄화물, 탄질화물 및 V 와 Cr 의 복합탄화물, 복합탄질화물(이하, 이들을 총칭하여「복합탄질화물등」으로 부르는 일이 있다)이 10 개/μ㎡ 이상이 되도록 하는 일이다. 또한,「원상당 직경」은 해당되는 석출물의 크기에 착안하여 그 면적이 동등하게 되도록 상정한 원의 직경을 구한 것이다.

본 발명의 스프링용 강선재에 있어서는, 상기의 요건을 만족하는 한 크기가 원상당 직경으로 50㎚ 을 넘는 복합탄화물등을 일부에 함유하여도 좋지만, 복합탄화물등은 그 대부분 또는 전부가 50㎚ 이하의 것이 바람직하다. 또한, 복합탄화물등의 크기의 하한에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 실제 문제로서 예를 들면 15 만배의 투과형 현미경으로 확인할 수 있는 크기의 한계는 약 10㎚ 이므로 이 수치가 실질적인 하한이 된다.

그런데, 페라이트중에 미세석출물을 다량으로 분산시켜 상기의 조건을 만족시키기 위해서는 예를 들면, (1)압연종료후, 800∼900℃ 근방의 오스테나이트 온도영역을 2℃/sec 이상으로 냉각하고(오스테나이트 영역에서는 별로 석출시키지 않음), 750∼400℃ 의 온도역을 0.5∼1℃/sec 의 냉각속도로 냉각하거나, (2)900℃ 로 가열하여 640℃ 에서 변태시킨 후, 400℃ 까지의 온도역을 0.5∼1℃/sec 의 냉각속도로 냉각하도록 하면 좋다.

상기와 같은 스프링용 강선재를 이용하여 신선가공 및 스프링감기 가공을 실시하므로써, 희망하는 특성을 발휘하는 스프링을 얻을 수 있지만, 이러한 효과를 보다 유효하게 발휘시키기 위해서는 신선가공선재(스프링용 신선재)가 상기 (2)식의 관계를 만족하는 것이 유효하다.

상기 (2)식에 관련하여 JIS G 3522-SWP-V 에 대해서는 인장강도가 선재의 직경에 따라 규정되어 있지만, 일반 스프링용의 SWP-B 등 보다도 낮은 TS 로 규정되어 있다. 그 이유는 인장강도를 너무 높게 하면 결함감수성의 증가나 인·연성의 저하등을 초래하고, 신선중의 단선, 스프링 가공중의 절손, 피로파괴, 취성(脆性)파괴등의 문제가 생길 가능성이 있기 때문이라 생각된다.

이에 반해 본 발명에서는, 결함감수성을 낮추어 인·연성을 높이므로써, 상기 (2)식 우변의 수치 이상의 TS 영역에서의 스프링의 제조와 사용에 적절한 것으로 하였다. 단, 이 인장강도 TS 를 너무 높게 하면, 결함감수성이나 인·연성의 저하에 의한 악영향을 방지할 수 없으므로, 그 상한을 상기 (2)의 좌변의 수치까지로 하였다. 이러한 요건을 만족하는 신선재는 종래의 신선설비에 의해 신선하므로써도 가능하지만, 특히 고강도의 선재를 소성(塑性)가공하게 되므로, 단선이 일어나지 않도록 그 조건을 적절히 고려할 것이 요구된다. 이러한 관점에서, (1)신선전 처리로서 인산염 피막을 실시한 상태에서 윤활제에는 금속비누를 사용할 것, (2)신선다이스 각각의 감면율은 15∼25% 의 범위로 할 것(단, 잔류응력제어를 위해서 최종 다이스만 감면율을 낮춰도 좋다), (3)신선중의 온도상승을 방지하기 위하여 신선속도를 너무 높이지 않도록 한다 등에 주의하여야 한다.

본 발명에 관련되는 스프링에 있어서, 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장으로 바뀌는 깊이가 0.05㎜ 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 이 깊이가 0.15㎜ 이상인 것이다. 통상, 밸브 스프링이나 그것에 준하는 고응력 스프링에는 숏 피닝에 의해 표층에 압축잔류응력이 부여된 상태로 사용되지만, 표층(스프링 내측부분의 표층)으로부터 깊이방법 압축잔류응력을 순차측정하여 나가면, 어떤 깊이에서 부터는 인장강도로 전환된다. 그리고, 이 깊이(이하,「크로싱 포인트」라 부른다)는 숏 피닝조건, 재료의 굳기, 숏 피닝전의 모재의 잔류응력 분포등에 의존한다. 통상의 경인선(硬引線)의 표층에는 신선가공에 의한 인장잔류응력이 생기기 때문에 숏 피닝후의 잔류응력의 크로싱 포인트는 오일템퍼선등에 비하여 작아지는 경향이 있다. 이에 반하여 본 발명의 선재에는 일반적으로 경인스프링보다도 고응력에서의 사용을 상정한 것이므로, 오일템퍼선제 스프링에서 행해지는 조건보다도 강한 숏 피닝을 실시하고, 크로싱 포인트를 의도적으로 0.05㎜ 이상, 보다 바람직하게는 0.15㎜ 이상이 되도록 관리하는 것이 바람직하다.

또한, 크로싱 포인트가 상기의 범위가 되도록 하기 위해서는 신선가공의 인장잔류응력을 저감시키기 위하여 (a)신선시의 최종 다이스의 면적율을 10% 이하, 바람직하게는 3∼6% 정도로 할 것, (b)스프링감기 가공의 왜취소둔(歪取燒鈍)온도를 360℃ 이상으로 올릴 것, (c)숏 피닝공정에 있어서 평균직경 0.3㎜ 이상, 바람직하게는 0.6㎜ 이상의 짧은 알맹이에 의한 투사(投射)를 적어도 1 번 행할 것 등이 유효하다.

본 발명의 스프링에는 특히 가혹한 응력조건하에서 사용되는 일이 예상되는 경우에는 그 표면에 질화처리를 하는 것도 유효하다. 이러한 질화처리를 하면, 피로강도를 더욱 개선할 수 있게 된다. 이러한 질화처리에 관해서는 오일템퍼선의 밸브 스프링에 대해서는 종래부터 그 처리가 되어지고 있었지만, 경인스프링에 대해서는 전혀 이루어 지지 않았었다. 이것은 경인스프링에는 그 만큼 가혹한 조건에서 사용되는 일이 없었다는 것과, 통상의 경인선의 화학성분으로는 질화처리를 실시하여도 효과를 별로 기대할 수 없었음이 그 요인이다.

이에 반하여, 본 발명에서 규정하는 화학성분조성을 가지는 선재를 경인한 후 질화처리를 실시하면, 피로수명이 개선 된다. 이러한 효과가 발휘되는 이유는 다음과 같이 생각할 수 있다. 즉, 본 발명의 스프링은 C 함유량이 낮은 것이므로, 펄라이트조직을 구성하는 세멘타이트상에 대하여 페라이트상의 체적이 높아 지며, 또한, 페라이트를 Si, V, Cr 등의 합금원소로 강화시키므로써 선재의 강도가 페라이트 자체의 강도에 의존하는 상태가 되므로 질화에 의해 페라이트의 강도를 높이는 것이 피로강도의 직접적인 개선으로 연결된다고 생각할 수 있다. 그리고, 본 발명자들이 확인한 바에 의하면, 질화처리를 실시함에 따른 효과는 특히 표층 10㎛ 위치에서 HV 600 이상(바람직하게는 HV 700 이상)이 되도록 처리하였을 때에 큰 것임이 판명되었다.

한편, 본 발명의 스프링을 제조하기에 있어, 숏 피닝후에 실온이상 바람직하게는 120℃ 이상의 온도로, 상기 (3)식을 만족하는 응력 τ을 적어도 1 회 이상 부여하는 것이 유효하다. 일반적으로 경인스프링은 오일템퍼선제 스프링에 비하여 내 영구변형성이 낮다. 본 발명에서는 강재성분이나 선재인장강도의 상승에 따라 내 영구 변형성의 개선을 꾀하는 것이지만, 그 사용목적이나 사용조건에 따라서는 더욱 높은 내 영구변형성이 요구되는 경우가 있다. 이러한 경우에는 실온이상(바람직하게는 120℃ 이상의 온도)으로 상기 응력 τ을 적어도 1 회 이상 부여하는 것이 유효하다. 이에 따라, 신선가공으로 도입된 전위를 고착하고, 소성변형에 대한 저항을 높일 수 있다고 생각한다. 또한, 상기 (3)식에 있어서의 선재의 인장강도 TS 는 신선가공재일 때에 측정되는 수치이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 다시 상세히 설명하겠지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아닌 것이며, 전·후기의 취지에 따라 설계변경하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1 에 나타낸 화학성분조성의 강(A∼I)을 용제하고, 열간압연하여 직경 : 9.0㎜ 의 강선재를 제작하였다. 이 단계에서 각 강선재에 대하여, 펄라이트조직에 있어서의 페라이트중에 석출되는 화합물의 크기를 측정하였다. 화합물의 측정은 얇은 막 레플러커(replica)법에 의해 추출한 화합물을 투과형 전자현미경(TEM)으로 가속전압 : 200 KV, 15 만배의 촬영을 하였다. 그리고, 페라이트 1 μ㎡ [15 만배의 배율로 (150㎟)]중에 석출되는 50㎚ 이하의 미세석출물의 개수를 측정하였다. 이 때의 측정부위에 대해서는 (a)표면부분이 스프링의 최대응력 위치일 것, (b)압연재는 압연후, SV 처리에 의해 표면을 깍아 낮추므로써 표면으로부터 0.2㎜ 의 깊이 위치로 하였다. 또한, 탄·질화물의 측정은 TEM 으로 관찰되는 복합탄질화물등을 눈으로 판단하고, 눈으로 판단할 수 없는 미세한 복합탄질화물등에 대해서는 X 선회절 패턴에 의해 복합탄질화물등임을 확인하고, 15 만배로 10∼50㎚ 크기의 복합탄질화물등의 개수를 측정하였다. 그리고, 측정은 각 강재에 대하여 임의의 3 시야로 행하고, 그 평균치를 구하였다(후술할 표 2 참조).

그 후, 강 F 이외에 대해서는 모두 연화소둔(軟化燒鈍)을 실시하고 또한 모든 강종(鋼種)에 있어서는 피삭(皮削)하며, 파텐팅처리 및 신선처리를 하여 각 선의 직경으로 하였다. 이 때, 파텐팅처리는 오스테나이트화 가열온도를 940℃ 로 하고, 선속도를 8.0m/min 로 비교적 빠르게 함과 동시에, No. 1∼10, 12, 15 에 대해서는 펄라이트 면적율을 높이기 위하여 620℃ 의 연로(鉛爐)와의 사이에 강제적으로 고압공기를 내뿜어 급냉후에 연로에 넣도록 하였다. 연로에서 항온보지후, No. 10 을 제외한 샘플은 모두 400℃ 까지 0.5∼1℃/sec 의 냉각속도로 냉각하였다. 한편, No. 10 은 연로에서 항온보지후, 400℃ 까지 3℃/sec 의 냉각속도로 냉각하였다.

신선은 다이스 매수 8 매의 연속신선기를 사용하고, 최종 다이스 이외의 각 다이스의 감면율을 15∼25%, 최종 다이스를 5% 로 설정하고, 최종 다이스의 신선속도를 200m/min 으로 실시하였다. 또한, 신선에 수반하는 선재의 온도상승을 방지하기 위해서, 선재를 직접수냉하면서 냉각하는 냉각신선을 실시하였다.

신선재를 상온에서 스프링성형하고, 왜취소둔(歪取燒鈍)(400℃ ×20 분), 좌연마(座硏磨), 이단 숏 피닝, 저온소둔(230℃ ×20 분) 및 셋팅(τ_max= 1200MPa 상당)을 하였다. No. 4∼9 의 샘플은 셋팅을 저온소둔의 여열(余熱)을 이용하여 180℃ 정도의 온도로 실시하였다. 또한, No. 5, 6 의 것은 460℃ 에서 5 시간의 질화처리도 하였다. 펄라이트 면적율은 파텐팅후의 강선의 단면적에 있어서 광학현미경 사진(400 배 ×10 시야)을 컴퓨터로 화상해석하여 평가하였다.

표 1

얻어진 각 스프링에 637 ±588 MPa 의 부하응력하에서 피로시험을 행하고, 파단수명을 측정하였다. 또한, 120℃, 882 MPa 의 응력하에서 48 시간 조인 후, 잔류전단왜(斷歪)를 측정하고, 내 영구변형성의 지표(잔류전단왜가 작을 수록 내 영구변형성은 양호)로 하였다.

이 들의 결과를 각 제조조건, 선재의 인장강도 TS, (2)식의 우변 및 좌변의 수치, 크로싱 포인트, 10㎛ 위치(깊이)의 굳기 및 석출물의 개수등과 함께 하기 표 2 에 나타내었다.

또한, 10㎛ 위치에서의 굳기는 시료를 이미 알고 있는 각도로 기울여 수지에 묻고, 연마한 샘플위에 빅카스경도(하중 300g)를 측정하고, 수직방향으로 환산하는 소위「코드법」을 따랐다. 또한, 잔류응력에 대해서는 X 선회절법을 따랐다. 깊이방향의 프로필에 대해서는 화학연마로 표층을 제거하고, X 선회절 측정을 행하므로써 평가하였다.

표 2

이 들의 결과로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. 우선, No. 1 은 상기 (1)식을 만족하는 것이지만, 신선시의 감면율이 낮기 때문에 경인선의 TS 가 상기 (2)식의 낮은 쪽으로 벗어나 있다. 이 결과, 내 영구변형성의 면에서는 다른 것보다도 뒤떨어진 결과를 낳았지만, 피로수명에 대해서는 다른 실시예에 필적하는 긴 수명을 나타내고 있다.

No. 2∼9 및 11, 12 는 상기 (1)식 및 (2)식 모두 만족하고, 또한, 50㎛ 이하의 석출물의 개수의 요건을 만족하는 것으로, 피로수명 및 내 영구변형성 모두 우수하다. 그 중, No. 2 는 No. 3 과 같은 강선을 사용하고 있지만, 숏 피닝조건을 변화(첫번째 단의 숏 알갱이를 작게 한 것)시킨 것으로, 크로싱 포인트가 얕아지고 있다. 이에 따라 No. 2 의 피로수명은 No. 3 에 비해 뒤떨어지고 있지만, 내 영구변형성은 동등한 레벨이다.

No. 4 는 No. 3 에 대하여 120℃ 이상에서의 응력부여를 실시한 것으로, 내 영구변형성은 향상되어 있으나 피로수명은 같은 레벨이다. No. 5 는 No. 4 에 대하여 질화처리를 실시한 것으로, 내 영구변형성은 동등하지만 피로수명이 향상되어 있다. No. 6 은 소재나 처리내용은 No. 5 와 같지만, 신선가공도나 선재직경이 다른 것으로 2113 MPa 의 높은 인장강도를 얻을 수 있고, 피로수명도 향상되어 있다. No. 7 은 C 함유량이 비교적 낮은 강종을 사용한 것이며, 또한, No. 8 은 반대로 C 함유량이 높은 강종을 사용한 것이지만, 둘다 모두 양호한 내 영구변형성과 피로특성을 나타내고 있다. No. 11 및 12 는 Cr 이나 V 를 비교적 많이 함유시킨 것으로, 50㎛ 이하의 석출물의 개수가 더욱 증가함과 아울러 내 영구변형성 및 피로수명이더욱 향상되어 있다.

No. 10 은 상기 (1)식 및 (2)식의 모두를 만족하지만, 파텐팅시의 항온변태 보지후(恒溫變態保持後) 400℃ 까지의 냉각속도가 빠르고, 석출물의 양이 적어졌기 때문에 50㎛ 이하의 석출물의 개수가 10 개 미만이 되고, 그 결과 No. 2∼9 에 비하여 내 영구변형성이 약간 뒤떨어지지만, 피로수명에 대해서는 다른 실시예에 필적하는 긴 수명을 나타내고 있다.

이에 대하여 No. 13∼17 은 본 발명에서 규정하는 요건중 어느것인 가가 부족한 비교예로, 어느것의 특성이 열화되어 있는 가를 알 수 있다. No. 13 은 화학성분조성은 No. 1∼6 과 같은 것이지만, 파텐팅처리시에 가스냉각을 하지 않았기 때문에 초석페라이트가 발생하여 펄라이트 면적율이 본 발명에서 규정하는 범위보다도 낮아진 것이다. 이러한 것으로부터, 인장강도 TS 에 대하여는 No. 7 과 같은 정도의 수치를 얻을 수 있는 지의 여부에 관계없이 피로수명이 눈에 띄게 낮아지고 있다.

No. 14 는 JIS G 3502-SWRS 92 B 에 상당하는 강으로, 내 영구변형성, 피로수명과 함께 실시예보다도 뒤떨어져 있다. 피로수명이 뒤떨어지는 것은 C 함유량이 높아져 결함감수성이 높아지고, 피로기점이 조기에 형성되기 때문이라 생각할 수 있다. 또한, 내 영구변형성이 뒤떨어지는 것은 Si, Cr, V 등의 함유량이 적었기 때문이라 생각할 수 있다.

No. 15 는 Si 함유량이 높고 Cr 과 V 도 함유하고 있으나, C 함유량이 높아진 강종을 사용한 것으로 내 영구변형성은 양호하지만, 피로수명은 뒤떨어져 있다.

No. 16 은 No. 15 보다도 Si 함유량이 약간 적은 것으로, 내 영구변형성이 낮아지고 있다. 또한, No. 17 은 C 함유량은 본 발명에서 규정하고 있는 범위내에 있지만, Si 함유량이 약간 적어 피로특성은 No. 14∼17 보다 조금 좋지만, 본 발명예만큼의 성능은 얻을 수 없고, 그리고 내 영구변형성이 매우 뒤떨어져 있다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있고, 오일템퍼선을 이용한 스프링과 동등 이상의 피로강도 및 내 영구변형성을 발휘하는 경인스프링을 제조하기 위한 스프링용 강선재, 스프링용 신선재 및 이와 같은 경인스프링 및 이러한 경인스프링을 저비용으로 제조할 수 있는 유용한 방법이 본 발명으로 실현되었다.

Claims (17)

1. C : 0.5∼0.7 질량% 미만, Si : 1.4∼2.5 질량%, Mn : 0.5∼1.5 질량%, Cr : 0.05∼2.0 질량% 및 V : 0.05∼0.40 질량% 를 각각 함유함과 동시에 펄라이트조직의 면적율 Rp 가 하기 (1)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 경인스프링용 강선재(鋼線材)

   Rp(면적%) ≥55 ×[C] + 61 ‥‥(1)

   단, [C] 는 C 의 함유량(질량%)을 나타낸다.
2. 제 1 항에 있어서, 또한 Ni : 0.05∼0.5 질량% 를 함유하는 경인스프링용 스프링
3. 제 1 항에 있어서, 펄라이트조직중의 페라이트에, 원(圓)상당 직경으로 50㎚ 이하의 V, Cr 의 탄화물, 탄질화물 및 V 와 Cr 의 복합탄화물, 복합탄질화물이 합계로 10 개/μ㎡ 이상인 경인스프링용 강선재
4. C : 0.5∼0.7 질량% 미만, Si : 1.4∼2.5 질량%, Mn : 0.5∼1.5 질량%, Cr : 0.05∼2.0 질량% 및 V : 0.05∼0.40 질량% 를 각각 함유함과 동시에 펄라이트조직의 면적율 Rp 가 하기 (1)식을 만족하고, 또한 선재의 인장강도 TS 가 하기 (2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 경인스프링용 신선재(伸線材)

   Rp(면적%) ≥55 ×[C] + 61 ‥‥(1)

   단, [C] 는 C 의 함유량(질량%)을 나타낸다.

   - 13.1d³+ 160d²- 671d + 3200 ≥TS ≥- 13.1d³+ 160d²- 671d + 2800

   ‥‥(2)

   단, d : 선재의 직경(㎜)[1.0 ≤d ≤10.0]
5. 제 4 항에 있어서, 또한 Ni : 0.05∼0.5 질량% 를 함유하는 경인스프링용 신선재
6. 제 1 항의 스프링용 강선재를 이용하여 제조되는 경인스프링(硬引 spring)
7. 제 4 항의 스프링용 신선재를 이용하여 제조되는 경인스프링
8. 제 6 항에 있어서, 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장(引張)으로 바뀌는 깊이가 0.05㎜ 이상인 경인스프링
9. 제 7 항에 있어서, 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장으로 바뀌는 깊이가 0.15㎜ 이상인 경인스프링
10. 제 8 항에 있어서, 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장으로 바뀌는 깊이가 0.15㎜ 이상인 경인스프링
11. 제 9 항에 있어서, 스프링 내측에서의 표층잔류응력이 압축에서 인장으로 바뀌는 깊이가 0.15㎜ 이상인 경인스프링
12. 제 6 항에 있어서, 표면에 질화처리가 실시되는 경인스프링
13. 제 7 항에 있어서, 표면에 질화처리가 실시되는 경인스프링
14. 제 6 항에 기재되어 있는 경인스프링을 제조하기에 있어, 숏 피닝(shot peening)후에 실온이상의 온도에서 하기 (3)식을 만족하는 응력 τ(MPa)을 적어도 1 회 부여하도록 하는 것을 특징으로 하는 경인스프링의 제조방법

    τ≥선재의 인장강도 TS(MPa) ×0.5 ‥‥(3)
15. 제 14 항에 있어서, 상기 응력 τ을 부여할 때의 온도가 120℃ 이상인 경인스프링의 제조방법
16. 제 7 항에 기재되어 있는 경인스프링을 제조하기에 있어, 숏 피닝(shot peening)후에 실온이상의 온도에서 하기 (3)식을 만족하는 응력 τ(MPa)을 적어도 1 회 부여하도록 하는 것을 특징으로 하는 경인스프링의 제조방법

    τ≥선재의 인장강도 TS(MPa) ×0.5 ‥‥(3)
17. 제 16 항에 있어서, 상기 응력 τ을 부여할 때의 온도가 120℃ 이상인 경인스프링의 제조방법