KR20100112566A - 철도차량용 차축과 그 제조방법 - Google Patents

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브이 앤드 엠 도 브라질 에스/에이
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Abstract

본 발명은 철도차량용으로 사용되도록 중량을 저감하고, 높은 피로강도와 향상된 항복강도 및 인장강도를 보장할 수 있는 화학조성을 갖춘 이임매 없는 튜브로부터 단조처리된 차축에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 철도차량용으로 사용되도록 중량을 저감하고, 높은 피로강도와 향상된 항복강도 및 인장강도를 갖춘 이임매 없는 튜브로부터 단조처리된 차축을 제조하는 공정을 포함하는데, 선철 혹은 고철(scrap), 주조, 로의 재가열, 빌릿(billet)의 천공, 천공된 빌릿의 연장, 중공 마무리, 단조와 최초 기계가공으로 생산되며, 나사산 구멍의 입구에 매끄러운 오목부와 단부의 검사 구멍의 내부 엣지에 지지 및 중심 챔퍼를 구비한다.

Description

철도차량용 차축과 그 제조방법{An axle from a seamless tube for railroad vehicles, and a process for manufacturing an axle from a seamless steel tube for railroad vehicles}
본 발명은 철도차량용 차축에 관한 것으로, 중량 감소를 위하여 이음매 없는 튜브로부터 단조작업으로 만들어지고, 그 화학적 조성과 제조공정은 높은 기계적 강도 및 피로강도를 확보하도록 특별히 설계된다. 본 발명은 또한 이러한 튜브형 차축을 제조하는 방법에 관한 것이다.
현재, 철도교통에서 연료의 소비 및 공해물질의 방출은, 운영비용 및 환경에 대한 관련성으로 인하여 철도분야의 주요 관심사이다. 철도차량의 차체중량(tare)은, 이러한 매개변수들에 영향을 주는 주요 요소들 중의 하나이다. 이러한 관점에서, 철도차량용 차축들은 차체중량의 10%를 지탱할 수 있고 또 현저하게 중량이 많이 나간다는 것을 주목하여야 한다.
또한, 운송시스템으로서 철도의 사용증가 결과, 철도에 의하여 운송되는 하중 및 중량은 상당히 증가하는 것이 현재 추세이고, 이는 결과적으로 철도차량용 차축들 상에 가해지는 변형률의 증가를 유발하며, 따라서 이러한 차축들의 설계에서 보다 강한 재료의 강도 및 적응을 필요로 하여, 그 결과 좋은 내구성을 갖게 된다.
철도차량 분야에서 튜브형 차축의 개념을 통해 중량을 감소시키기 위한 기술들의 탐색은, 1864년 비. 제이. 라 모드의 발명의 명칭이 "자동차 차축의 개량" 인 미국특허 제44,434호에 도시된 바와 같이, 19세기 이후로 이미 존재하였다. 이 특허는 차축이, 기계적인 간섭에 의하여 결합되고 맞춰진 다른 직경을 갖는 여러 튜브들로 구성되어야 한다고 제안한다.
1884년에 발명의 명칭이 "자동차 차축"인 미국 특허 제293,201호의 특허권자, 죠지 더블류. 스튜어트는, 균일한 섹션을 갖는 튜브형 차축의 발명을 청구하였는바, 마찰베어링들을 위한 저어널들은, 휠 영역만큼 멀리서 차축에 간섭되게 부분적으로 안내된 대형 부싱들이었다.
1886년에 발명의 명칭이 "자동차 차축"인 미국 특허 제352,657호의 특허권자, 이. 펙햄은, 개량으로서 유사한 제안을 하였는바, 이는 차축의 스핀들에 튜브형상 내부 보강을 적용하여, 그 당시에 사용된 타입의 베어링인 마찰 베어링의 시이트를 나중에 형성하도록 하는 형태로 될 수 있음을 지적하였다.
1931년에 특허된 발명의 명칭이 "중공축들 (...)에서의 개량"인 영국 특허 제360,521호의 특허권자, 어네스트 크라이시그는, 특별히 차축 또는 그 제조에 관하여 언급하지는 않았으나, 정상적인 작동조건 하에서 차축으로부터 전해지는 인장응력을 비례적으로 보상하면서, 압축응력을 받는 중공축들의 내부에서 이미 인장응력을 받고 또 그 영향 아래에 유지되는 바아(또는 튜브)에 대해 언급하고 있다.
1933년에 특허된 발명의 명칭이 "마찰방지 휠 및 차축 구조"인 미국 특허 제1,902,910호의 특허권자, 알프레드 에이치. 욀커스는, 동심상 튜브들과 대형 스핀들 및 베어링을 조합하고, 하나의 조합에서 차축이 정적(static)이 되도록 하여 차축 및 휠의 변경을 제안하였는바, 이는 차축과 휠이 함께 회전하는 종래 상황과는 달리, 단지 휠만이 회전하도록 되어있다.
1950년에 특허된 발명의 명칭이 "차량용 차축"인 미국 특허 제2,512,186호의 특허권자, 비. 에이치. 어쉘은, 배관조성의 제안에 언급하고 또 차축과 액체로 채워진 내부튜브로 형성된 환상 체임버를 갖고서 차축으로부터 주변으로 열을 전달하는 기능을 갖는 차축과 같은 다른 변형예들을 열거하고 있다.
1956년에 특허된 발명의 명칭이 "철도차량용 차축"인 미국 특허 제2,747,918호의 특허권자, 더블류. 블랙우드는, 튜브형 차축 내에 통상적인 대형 차축이 설치되고, 그 사이 공간이 고무와 같은 탄성재료들의 유닛으로 충전된 조합을 제안하였다. 이 경우, 그 목적은 충격들을 완화하고 하중들을 균일하게 분배하여 피로문제들을 방지하는 것이다.
1950년에 특허된 발명의 명칭이 "철도 차량용 차축의 제조방법"인 스위스 특허 제376,955호의 특허권자, 제이. 엘. 씨. 아드리안은, 바람직한 단부 프로파일을 갖는 3단 실린더들로써 단부들을 열간압연하는 공정을 지적하면서, 튜브형 차축들의 보다 다양한 예를 제안하였다.
철도차량용 차축을 제조하는 데 사용되는 재료에 대하여, 브라질 및 북아메리카 철도차량용 차축에 대한 예로서, 몇몇 제조자들은 미국철도협회(American Associstion of Railroads: AAR)의 기술규칙들의 표준을 준수하려고 노력한다. AAR의 규칙에 따르면, 철도차량용 차축들은 아래의 표 1에 도시된 기준들을 만족해야 한다.
철도차량용 차축의 화학조성에 대한 AAR의 기술규칙 ("표준 및 추천된 실무에 관한 AAR 매뉴얼 - 휠과 차축 - 차축, 탄소강, 열처리됨 - 사양서 M-101 -2004 개정)
차축의 열처리 기준

AAR - 등급 F
(이중 불림 및 뜨임처리)
AAR - 등급 G
(담금질 및 뜨임처리)와

AAR - 등급 H
(불림, 담금질 및 뜨임처리)
성분 최소 최대 최소 최대 단위
C 0.45 0.59 - - 중량 %
Mn 0.60 0.90 0.60 0.90 중량 %
P - 0.045 - 0.45 중량 %
S - 0.50 - 0.50 중량 %
Si 0.15 - 0.15 - 중량 %
그 이후로 철도차량용 차축 기술에 관한 새로운 개발들이 이어졌고, 현재 고속 객차, 기관차 및 화물차에 튜브형상 개념이 사용되고 있다.
현재 철도차량용 차축에 관한 종래기술은, 한편으로는 AAR의 기술규칙들을 만족하는 금속합금을 사용하는 대형 차축들의 사용을 포함하고, 이들 차축들은 빔(beam)으로 변형된 바아로부터 제작되고, 그 기계적인 성질들은 또한 AAR의 기술규칙들을 충족한다.
다른 한편으로는, 철도차량용 차축에 관한 종래기술은 또한 튜브형 차축들의 사용을 포함한다. 이러한 차축들은 절삭가공에 의하여 천공된 단조된 바아로부터 제작된다. 이러한 튜브형 차축들은, 대형 차축들의 중량 보다 20% 적은 중량을 가지나, 적은 중량감소 대신에 제조공정이 상당한 원재료 손실을 수반하고 또 높은 작동원가를 갖는다.
또한, 이음매 없는 튜브로 단조에 의하여 제조된 종래기술의 철도차량용 차축들이 있다. 이러한 차축들은, 대형 차축들 보다 약 40% 적은 중량을 갖는다.
유럽특허 제EP044783 A1호는, 튜브로부터 또는 대형 편으로부터 제작될 수 있는 철도차량용 단조된 차축을 제조하는 공정을 개시한다. 이 공정에서, 피가공물 (workpiece)은 가열된 다음, 중간부위를 업셋팅하는 단계와 함께, 폐쇄된 매트릭스로써 스핀들을 성형하는 단계를 동시에 거치게 된다. 이 특허는 튜브형 차축의 피로, 경도 및 강성을 개선하는 열처리를 기재하지 않고, 또 이러한 동일한 물성을 달성하기 위한 차축의 특별한 조성 역시 기재하지 않고 있다.
유럽특허 제EP0052308호는, 고하중의 단조강 피가공물을 개시하는바, 이는 열간단조 후 담금질하게 된다. 이 피가공물은 0.05 - 0.25 중량%의 탄소와 1.0 - 2.0 중량%의 망간 성분들을 갖는다. 이 특허는 철도차량용 튜브형 차축에 이러한 공정 또는 이러한 피가공물을 적용하는 것을 예견하지 않았고, 이러한 피가공물을 이음매 없는 튜브로 변경하기 위하여 필요한 여러 공정단계들을 개시하거나 구분하지도 않았다. 또한, 이 특허에서, 이러한 피가공물이 나타내어야 할 항복강도, 인장강도, 연신율 및 피로강도와 같은 물성의 수치범위를 예견하지않고 있다.
미국특허 제4,895,700호는, 0.40 - 0.48 중량%의 탄소와, 1.35 - 1.61 중량%의 망간, 0.16 - 0.30 중량%의 규소, 0 - 0.23 중량%의 크롬의 성분들을 가지면서 대형인 철도차량용 차축을 예시한다. 이러한 조성은, 직경이 5.33cm - 6.6cm이고 약 14.7 - 19.6 톤의 하중을 지탱하는 차축을 형성하도록 된디. 따라서, 차축과 보다 감소된 치수의 적용은 본 발명의 것과 다르고, 또 튜브형상 기하학적 구조를 갖지 않는다.
대형 차축들은 종종, 그들이 노출되는 하중을 견디기에 필요한 강도보다 더 큰 강도를 나타낸다. 이는 차축들이 필요 이상의 더 큰 중량을 가질 수 있음을 의미하고, 이는 차축을 제조함에 있어서 방지될 수 있는 재료의 소비를 야기한다.
한편, 주로 천공된 바아 차축들보다 더 작은 두께를 갖는 이음매 없는 튜브들의 경우, 그 결과로 튜브형상 개념은, 동일한 하중조건들에서 다른 차축(대형 또는 천공된 바아)들의 경우에서 보다, 차축의 일부 부위들이 보다 큰 응력을 받게되고 다른 부위들이 보다 큰 변형률을 받게 되는 것을 암시한다.
본 발명의 목적은, 보다 적은 중량을 갖고서 동시에, 그에 가해지는 높은 응력을 견딜 수 있도록하는 피로강도와 개선된 항복강도 및 인장강도를 갖는 튜브형 차축을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 차축을 만드는데 사용되는 재료를 절감할 뿐만 아니라 낮은 생산원가를 갖는 튜브형 차축과 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 최신 컴퓨터의 도움과, 제조방법 및 검사기술로써, 제조된 차축의 품질제어를 향상시키는 튜브형 차축을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 차축들이 다른 목적 및 적용에 적합한 것을 보증하기 위하여, 공정과 차축의 정해진 물성들을 통계적으로 제어할 수 있는 튜브형 차축을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은, 0.22 - 0.42 중량%의 탄소와 1.10 - 1.70 중량%의 망간을 포함하는 합금강으로 된 재료로 구성된 철도차량용 이음매 없는 강철 튜브로부터 단조된 차축에 의하여 달성되고, 얻어진 차축은 최소 항복강도 520 MPa, 최소 인장강도 750 MPa 및 최소 연신률 16%인 물성을 갖는다.
합금재료는 적어도 하나의 다음 원소성분들을 포함한다: 최대 0.020 중량%의 황, 최대 0.020 중량%의 인, 0.10 - 0.45 중량%의 알루미늄, 0.10 - 0.35 중량%의 규소, 0.10 - 0.30 중량%의 몰리브덴, 0.010 - 0.050 중량%의 니오븀, 및 0.05 - 0.27 중량%의 바나듐.
변형예로, 합금재료는 0.22 - 0.32 중량%의 탄소와 1.01 - 1.40 중량%의 망간, 또는 0.32 - 0.42 중량%의 탄소와 1.40 - 1.70 중량%의 망간을 포함한다.
합금재료는, 변형예로, 최대 0.010 중량%의 인과 최대 0.010 중량%의 황을 포함한다.
굽힘하중을 받으면서 회전됨으로써 시험된 차축 샘플은, 피로한계 120 MPa와 바람직하기에는 170 MPa를 나타내야 한다.
본 발명의 목적은 또한, 다음의 단계들을 포함하는 철도차량용 이음매 없는 강철튜브로 단조된 차축을 제조하기 위한 공정에 의하여 달성된다: 즉,
- 금속합금재료를 용융하여 강철합금을 생성하는 단계와;
- 용융된 재료를 주조하여 잉곳 형태의(ingoted)제품을 형성하는 단계;
- 천공을 위하여 재가열로에서 잉곳 제품을 재가열하는 단계;
- 잉곳 제품을 천공하는 단계;
- 천공된 제품을 연신하여 중공의 블룸(bloom)을 형성하는 단계;
- 중공을 완료하여 이음매 없는 튜브로 변경하는 단계;및
- 이음매 없는 튜브를 단조하여, 이를 이음매 없는 튜브로부터 단조된 철도차량용 차축으로 변경하는 단계;를 포함한다.
공정은 용융단계 이후에, 금속 합금의 화학조성을 조정과 칼슘-규소로서 야금학적 처리를 하는 2차 정련단계를 더 포함할 수 있을 뿐만 아니라, 2차 정련단계 후에 진공-탈가스 단계를 더 포함할 수 있다.
주조단계는, 전자기적인 교반작업하에서 수행될 수 있다. 주조단계이후, 잉곳 제품은, 880℃ - 1,300℃ 온도에서 1-48시간동안 보조적인 재가열단계를 거칠 수 있다. 보조적인 재가열단계 이후, 공정은 압연단계를 더 포함한다.
천공을 위한 재가열단계는 바람직하기에는 , 재가열로에서 1,000℃ - 1,300℃ 온도에서 수행된다.
변형예로서 공정은, 중공 마무리단계 이전에 820℃ - 980℃ 온도에서 중공 재가열 단계를 포함하고, 중공작업을 마무리한 후, 여전히 이음매 없는 튜브형태인 차축 튜브편들은 냉각베드(cooling bed)를 거친다.
바람직하기에는, 단조단계 이전에, 이음매 없는 튜브들은 불림(normalize)이 되고, 여기서 이음매 없는 튜브들은 880℃ - 950℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간(soaking time)동안 유지된 다음, 이음매 없는 튜브들은 공냉된다.
변형예로서, 단조단계에 앞서, 이음매 없는 튜브들은 담금질되고, 여기서 차축 튜브편들은 물과 기름으로부터 선정된 매체에 의하여 급냉이 된다. 이음매 없는 튜브들은, 재가열로에서 추가로 뜨임처리가 될 수 있고, 여기서 이음매 없는 튜브들은 400℃ - 700℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간 동안 유지된 다음, 차축 튜브들은 공냉된다.
변형예로서, 단조단계 이전에, 이음매 없는 튜브들은 열간정련(hot-straightened)되고 냉각베드로 이송된다. 공정은 또한, 단조단계에 앞서, 치수 및 표면결함을 비파괴적인 검사로써 튜브들을 검사하는 단계 및/또는 이음매 없는 튜브들의 전체 내면에 걸쳐 절삭가공하는 것을 포함하는 마무리 단계를 포함할 수 있다. 절삭가공 후, 이음매 없는 튜브들의 내면을 연마(grinding)하거나 또는 이음매 없는 튜브들의 내면을 버니싱(burnishing) 작업을 수행할 수 있다.
바람직하기에는, 단조단계에 앞서, 업셋팅 작업을 수행할 수 있는바, 이는 이음매 없는 튜브들이 두께가 증가되는 영역에서 800℃ - 1,300℃ 온도 사이에서 가열되고, 적어도 하나의 업셋팅 공구의 진입을 통하여 축방향으로 길이방향의 압축력이 가해지며, 이에따라 업셋된 이음매 없는 튜브가 얻어진다.
단조단계는 열간에서 이루어지고, 반경방향으로 진동하는 적어도 2개의 경로가 변화하는 매트릭스와, 보조 업셋팅 공구 및, 이음매 없는 튜브의 이송 및 회전을 위한 구동기(handler)에 의하여 800℃ - 1,300℃ 범위의 온도에서 단조단계가 수행되며, 이는 수치제어에 의하여 제어되거나, 또는 실온에서 800℃까지의 온도 범위에서 냉간 및 온간단조에 의하여 수행되거나, 아니면 튜브 단부들을 축방향 및 반경방향으로 압축하는 적어도 하나의 매트릭스에 의하여 800℃ - 1,300℃ 사이의 온도에서 열간단조에 의하여 이행되어, 단조된 차축으로 변환한다. 만일 단조작업이 열간단조라면, 공정은 단조 후에 냉각하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 냉각은 공기, 가압된 공기, 물과 기름과 같은 매질로부터 선택된 매질 내에서 수행된다.
공정은, 적어도 차축의 일부를 880℃ - 950℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간 동안 재가열하는 로를 사용하고 또 공냉함으로써 불림하는 단계 및/또는, 적어도 차축의 일부를 재가열하기 위한 로를 사용하여 880℃ - 950℃ 온도까지 적어도 10분간의 침지시간 동안 가열하여 오스테나이트화 (austenitizing)하고, 물로 급속냉각하여 담금질하는 담금질 단계, 및/또는 적어도 차축의 일부를 재가열하기 위한 로를 사용하여 400℃ - 700℃ 온도까지 적어도 10분간의 침지시간 동안 가열하여 공냉하는 뜨임(tempering)단계를 더 포함할 수 있다.
변향예로서, 마무리단계는, 적어도 다음 단계들 중의 적어도 하나를 포함한다: 즉, 튜브의 내면을 숏피이닝(shot peening)하는 단계, 튜브를 정련(straightening)하는 단계, 튜브의 2개 단부들에서 검사 구멍들을 내부가공하는 단계, 튜브의 검사구멍들의 내경 엣지에서 모서리를 깎아 절삭하는 단계 및, 적어도 2개의 나사가 형성된 구멍들과 각 단부에 매끈한 오목부를 가공하는 단계이다. 마무리 단계 이후, 적어도 단조된 차축의 일부에는 담금질 및 뜨임 열처리단계가 적용될 수 있고, 차축 튜브편의 표면 결함들을 검사하는 최종단계가 수행된다.
끝으로, 본 발명의 목적은 여기에 기술된 조성 및 물성을 갖고서, 여기에 기술된 타입의 공정에 의하여 생산된 차축에 의하여 또한 달성된다.
본 발명을 더욱 잘 이해하기 위해서, 본 발명의 특징과 이점이 각각의 식별번호와 함께 제시되고 설명될 것이다. 그리고, 본 발명의 바람직한 배열이 도시된다.
도 1은 본 발명에 따른 튜브형 철도 차축의 바람직한 실시예의 정면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따른 튜브형 철도 차축의 바람직한 실시예에서 정단면도를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 튜브형 차축의 단부에서 상세한 정단면도를 나타낸다.
도 4는 튜브형 차축의 좌측면도를 나타낸다.
도 5는 이음매 없는 튜브와 축방향으로 이동하는 업세팅 공구의 정단면도를 나타낸다.
도 6은 업세팅 공구가 작동된 후에 이음매 없는 튜브의 정단면도를 나타내고, 여기에서 단부의 두께가 점점 증가한다.
도 7은 방사형으로 진동하고 다양한 경로와 보조의 축-업세팅 공구를 구비한 2개의 개방 잉곳을 갖도록 병진운동과 회전운동하도록 되어 있는 업세팅 공구의 작업 후에, 이음매 없는 튜브의 단면도를 나타낸다.
도 8은 튜브의 단부중에 하나를 축방향으로 압축하고, 그 직경을 감소시키는 잉곳을 갖도록 업세트 작업후에, 이음매 없는 튜브의 정단면도를 나타낸다.
도 9는 진동하는 개방 잉곳이나 축방향에 대해 반만 개방되고 방사형의 압축 잉곳에 의해 한쪽 단부를 단조 작업한 후에, 이음매 없는 튜브의 정단면도를 나타낸다.
도 10은 진동하는 개방 잉곳이나 축방향에 대해 반만 개방되고 방사형의 압축잉곳에 의해 양쪽 단부를 단조 작업한 후에, 이음매 없는 튜브의 정단면도를 나타낸다.
도 11은 회색으로 강조된 본 발명에 따른 바람직한 실시예의 튜브형 철도 차축의 생산공정의 절차도를 나타낸다.
도 1과 2는 본 발명에 따른 철도 차량을 위한 이음매 없는 튜브로부터 단조된 차축의 바람직한 실시예를 나타내고, 도 11의 절차도는 이러한 차축을 생산하는 바람직한 공정을 나타낸다. 튜브형 차축의 주된 부품은 저널 또는 저널(journal, 1), 방진장치(dust guard, 2), 휠 시트(wheel seat, 3), 몸체(body, 4)이다. 도 2는 각 부품의 벽두께가 다양할 수 있다는 것을 나타낸다.
본 발명에 따른 튜브형 철도 차축의 단부는 도 3에 두드러지게 나타나 있다. 바람직하게는, 원뿔 팁의 각도(angle, 8) 사이에서 지탱하는 베어링 커버와 챔퍼(chamfer, 7)을 고정하기 위해, 차축은 각 단부에 3개의 나사산 구멍(threaded bore, 5)과 오목부(recess, 6)를 구비한다. 단부의 내부표면(inner surface, 9) 저널(1), 방진장치(2) 및, 어떤 경우에는, 휠 시트의 일부의 검사를 위해 초음파 검사장치에 연결되어 사용될 수 있다. 내부표면(10)은 휠 시트(3)와 몸체(4)를 검사하기 위해 초음파 검사장치에 연결되어 사용될 수 있다.
도 4에서, 튜브형 철도 차축의 좌측면도가 나타나 있고, 여기에는 원뿔 팁 사이에서 지탱하기 위한 3개의 나사산 구멍(5), 오목부(6) 및 홈이 나타나 있다.
차축에 하중이 더욱 크게 작용하는 지점에 더 큰 항복강도와 피로강도를 제공하기 위해서, 본 발명에 따른 이음매 없는 튜브로부터 단조된 차축은 도면에 나타난 것처럼 즉 길이방향을 따라서 재료의 다양하게 분배된 다양한 두께를 갖는 형태를 갖는다. 이러한 형태는 종래기술로부터 이미 알려져 있다.
그러나, 뛰어난 기계적 특성을 갖기 때문에, 본 발명에 따른 이음매 없는 튜브로부터 단조된 차축은 종래기술로부터 알려진 동일한 형태의 차축보다 우월한 기능을 수행한다. 이러한 기계적 특성은 본 발명에 따른 이같은 차축을 제조하는 공정에 의해 여전히 가능하게 된다. 본 발명에 따른 이음매 없는 튜브로부터 단조된 차축의 구성과 차축의 제조공정은 차축에 작용하는 다양한 하중을 보상하기 위해 재료의 특성을 적당하게 특성화하는 것을 가능하게 한다.
적용물질의 적응을 위한 발전을 고려한 화학적, 물리적 및 야금적인 특성은 화학적인 구성, 기계적인 강도(항복강도,인장강도, 피로한계, 연신율, 강도)와 미세구조(상태와 구성성분, 입자크기)이다. 이러한 특성들의 대부분은 열간압연 이음매 없는 강재 튜브, 고온단조, 열처리로 생산하는 공정의 특수화된 공정과 서로 연관되어 있다.
단조에 기초하여, 이음매 없는 튜브형 차축을 구성하는 금속 스틸 합금을 위한 화학적인 구성이 발전되어 왔고, 합금은 0.22중량% 에서 0.42중량%사이의 탄소와, 1.10중량%에서 1.70중량%사이의 망간을 포함하고, 금속 합금재료는 최소 520㎫의 항복강도, 최소 750㎫의 인장강도 및 최소 16%의 연실율을 갖는다.
추가적으로 구성성분 몰리브텐, 알루미늄, 니오븀, 바나듐 및 다른 금속의 적은 함량을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 금속합금은 0.10중량%부터 0.45중량%까지의 알루미늄 및/또는 0.10중량%부터 0.050중량%까지의 니오븀, 및/또는 0.05중량%로부터 0.27중량%까지의 바나듐을 포함할 수 있다.
본 발명의 선택적인 실시예에서, 금속합금은 0.020중량%의 황 및/또는 0.020중량%이상의 인 또는 매우 바람직하게는 0.010중량%이상의 인, 및/또는 0.010중량%의 황을 포함한다.
본 발명의 다른 선택적인 실시예에서, 튜브형 차축의 합금은 0.22중량%로부터 0.32중량%의 탄소와 1.10중량%로부터 1.40중량%의 망간을 포함하고, 0.020중량%이상의 인, 및/또는 0.020중량%이상의 황, 및/또는 0.10중량%로부터 0.35중량%의 실리콘, 및/또는 0.010중량%로부터 0.050중량%의 니오븀, 및/또는 0.05중량%로부터 0.27중량%의 바나듐을 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 튜브형 차축의 금속합금 재료는 0.32중량%로부터 0.42중량%까지의 탄소, 및 1.40중량%로부터 1.70중량%까지의 망간을 포함하고, 0.020중량%이상의 인, 및/또는 0.020중량%이상의 황, 및/또는 0.10중량%로부터 0.35중량%까지의 실리콘, 및/또는 0.10중량%로부터 0.30중량%까지의 몰리브덴, 및/또는 0.10중량%로부터 0.45중량%까지의 알루미늄, 0.010중량%로부터 0.050중량%까지의 니오븀, 및/또는 0.05중량%로부터 0.27중량%까지의 알루미늄을 추가로 포함할 수도 있다.
금속스틸 합금의 원재료는 바람직하게는 선철, 고철, 또는 선철과 고철의 어떤 비율을 갖는 혼합물이다.
아래의 표 2는 본 발명의 실시예에 따른 제품의 화학성분을 포함하는 화학조성의 비율을 나타낸다.
본 발명의 실시에에 따른 화학성분(중량비)의 비율
중량% C Mn P S Si Mo Al Nb V
최소 0.22 1.10 - - 0.10 0.10 0.10 0.010 0.05
최대 0.42 1.70 0.010 0.010 0.35 0.30 0.45 0.050 0.27
이러한 화학조성을 형성함에 있어서, 각 성분은 아래에 설명된 기준에 따라 신중히 조절된다.
고용체에서 대용 성분인 망간을 추가함으로써 강도의 증가를 제공한다.
탄소와 질소 같은 격자 성분은 고용체에서 망간의 용량을 최대화하기 위해 감소되고, 이리하여 기계적인 강도를 개선한다. 이런 의미에서, 알루미늄과 같은 성분의 주된 기능은 환원이고, 이뿐만 아니라 강도에도 기여한다. 니오븀과 몰리브덴은 망간 탄화물의 형성을 최소화하는 잉곳으로부터 격자성분을 제거하는데 공헌한다. 그러나, 탄소는 다른성분과 함께 적용하는데 필요한 강도를 보장하고 경화를 피하기 위해 매우 낮지 않아야하고, 따라서, 망간은 마텐사이트를 형성하는 온도보다 낮아야하고, 한편 알루미늄에 의해 부분적으로 보상된다.
황과 인과 같은 성분은 최하의 가능성이어야 한다. 왜냐하면 성분들은 재료의 피로강도를 감소시키는 미소함유, 미소편석, 인자들과 관련되어 있기 때문이다. 실시콘과 다른 것과 같은 다른성분이 이미 언급되었고(C,Mo,Nb), 고용체, 탄화침전, 및 결정립미세화와 같은 다양한 강도 메카니즘에 의해 기계적인 강도를 증가시키는데 기여한다.
아래의 표 3은 철도 축차와 각각의 열처리를 위한 AAR 기준에 따른 기계적인 특성과 입자크기의 특성화뿐만아니라 기계적인 특성의 및 본 발명의 실시예의 입자크기의 결과를 비교하여 나타내고 있다.("AAR 기준 및 추천예의 메뉴얼 - 휠과 차축 - 차축, 탄소강, 열처리된 - 특성 M-101 - 2004년판")
철도축차와 각각의 열처리를 위한 AAR 기준에 따른 기계적인 특성과 입자크기의 특성화와 기계적인 특성의 및 본 발명의 실시예의 입자크기의 결과
재료(열처리) 항복강도(㎫) 인장강도(㎫) 연신율(%) ASTM E112에 따른 입자크기
AAR - 등급F(두배로 담금질되고 단련됨) 345 610 22 >5
AAR- 등급G(급랭되고 단련됨) 380 620 20 >5
AAR - 등급H(담금질되고 급랭되고, 단련됨) 520 790 16 >5
본 발명의 실시예의 결과 610 840 17 7-9
재료의 피로 한계는 실온에서 회전밴드 테스트에 의해 평가될 수 있고, 많은 샘플은 재료의 압력(S) * 수명(N- 실패의 주기숫자)의 곡선을 기록하기 위해 실패율이 테스트 된다. 샘플들은 밴드 하중이 작용하는 동안 회전에 의해 테스트 된다. 이는 실물크기 축자에 나타난 것과 같은 방법으로 대체적인 밴드 압력의 결과를 발생시킨다. 만약, 밴드하중이 지속된다면, 결과적으로 최소에서 최대 압력(R) 비율은 항상 -1 이다. 재료의 압력 수명 곡선(S-N)에서 최소 압력은 주기증가의 횟수로써 어떤 실패율을 나타내지 않는 것의 아래에 나타난다는 것을 알 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 밴드하중을 받는 동안 회전에 의해 테스트되는 차축 샘플은 120㎫의 피로 한계를 나타낸다. 본 발명의 다른 실시예에서 170㎫의 피로한계를 획득할 수 있다.
이러한 각각의 화학성분에 스틸 합금재료를 포함하는 다른 물리적인 특성 때문에, 특정용도에 사용하기 위해 튜브형 축차가 갖는 특성의 기능으로 이러한 재료의 화학성분을 조절할 수 있다. 본 발명의 몇 단계의 공정이 컴퓨터에 의해서 절차적으로, 전기적으로 조절되기 때문에, 필요한 화학성분을 갖는 축차를 생산하기 위한 이러한 공정을 배열시킬 수 있다.
도 11에 나타난 절차도에서, 차축을 생산하는 공정의 바람직하고 선택적인 실시예의 주요 단계가 아래에 나타나 있고, 이러한 방법으로 생산된 축차와 함께 본 발명의 목적을 이룬다.
우선, 금속스틸 합금의 용해된 재료를 발생시키기 위해, 합금의 원재료가 용해된다. 제품에 사용된 선철, 고철 또는 어떤 비율에서 선철과 고철의 혼합물과 같은 원재료 합금의 용해재는 LD 변류기나 전기 아크 용광로(EAF)로 이송될 수 있다. LD 변류기는 블로잉(blowing)을 침수시키는 곳에 설치되어야 하고, 공정을 통해 아르곤 및/또는 질소가 사용될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 단계는 개발품의 구동으로부터 정적이고 동적인 모델을 통해 컴퓨터에 의해 전체적으로 조절된다. 블로잉과 합금 추가를 추정하는 동안 온도의 자동측정이 이러한 시스템에서 부분적으로 이루어진다. 이러한 기계적인 수법은 제품에서 필요한 인과 황의 낮은 함유율을 보장한다.
그리하여, 스틸이 2차 정련될 수 있고, 화화성분과 칼슘과 실리콘의 야금처리를 조정이 할 수 있다. 바람직하게는, 2차 정련가 용광로의 쇳물목에 이송된다. 합금의 추가, 칼슘-실리콘 처리, 아르곤 버블링 및 샘플의 수집은 이러한 장치로 만들어지고, 바람직하게는 모두 자동화된 방법에 의해 만들어진다. 이러한 공정을 통해서, 제품의 품질을 만족시키기 위한 협소한 성분비율에서 스틸 제품을 보장한다. 삽입가스의 버블링과 종합적인 슬래그의 사용의 결과로써, 황 용량이 매우 낮은 레벨로 이루어질 수 있다. 또한, 용광로의 솟물목에서의 2차정제는 미세청결을 개선한다. 즉, 비슷한 숫자와 크기의 함유물은 합금성분의 비율을 좋게 하고, 액체 스틸 온도의 조절을 좋게 한다.
용광로의 쇳물목에서 2차 정련 후에, 재료는 산소, 질소, 수소와 같은 가스의 용량을 최소화하기 위한 목적으로 진공하에서 가스가 제거될 수 있다. 이러한 장치에서, 0.2K㎩(2mbar)의 압력에 도달할 수 있고, 게다가 극도의 진공하에서 아르곤 삽입을 가능하게 한다. 그러므로, 매우 낮은 수소와 산소의 레벨에 도달할 수 있다.
공정은 재료를 용해하는 주조하고, 잉곳(ingot)된 제품을 생산하는 과정을 추가로 구비한다. 주조는 연속적이거나 통상적일 수 있다.
만약, 연속적인 주조가 수행된다면, 스틸이 연속적인 주조기계로 이끌리고, 여기에서 주조기계는 활동적인 전자석하에서 수행되는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 기계는 2중 전자기 코일을 구비하고, 성분의 분리와 중앙의 천공과의 관계에서 잉곳된 재료의 질을 더욱 좋게 하고, 또한, 재료의 피로강도에 기여한다.
이러한 경우에, 주조는 통상적인 방법으로 수행되고, 다음 생산단계에서 재료에 구멍을 내기 전에 잉곳된 바를 원형으로 변형시킬 필요가 있다.
연속적이거나 전통적인 주조후에 생산된 바 형태의 잉곳 제품은 1시간에서 48시간 사이동안 880℃에서 1300℃의 온도로 보조 재가열되는 것이 바림직하다.
또한, 연속적이거나 전통적인 주조에 의해 잉곳된 바는 빌릿에 구멍을 뚫는 작업이 이루어지기 전에 적절한 길이를 갖는 빌릿(billet)으로 잘린다.
보조 재가열된 후에, 아직까지 원형을 갖지 않는 바 또는 빌릿은 바를 원형으로 형성하기 위해 롤링 단계를 거친다.
빌릿에 구멍을 뚫는 단계 전에, 주조에 의해 잉곳된 제품은 천공을 위해 재가열 단계를 거치고, 여기에서 제품은 적당한 재가열 용광로에서 1000℃에서 1300℃사이의 온도로 가열되는 것이 바람직하다.
그리고 나서, 천공이 천공압축기 또는 공정 또는 천공압축과 피어싱 장치를 구비한 장치를 통해 경사진 롤을 갖는 고온 빌릿 피어싱 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
이러한 천공단계 후에, 천공된 빌릿의 신장이 발생하고, 이는 필거형태(pilger-type)의 장치 또는 맨드럴 장치(mandrels mill)(또는 플러그 장치), 또는 MPM-형태 장치, 또는 PQF 형태 장치, 또는 아셀 형태(Assel-type) 장치, 또는 압출기를 통해 수행 될 수 있다. 선택적으로, 천공된 빌릿의 신장이 이행될 수 있고, 단조나 시장에서 사용가능한 적당한 형태의 다른 장치를 사용하여 공동의 블룸(bloom)으로 변형시킬 수 있다.
신장 후에, 산업상 이용가능한 디자인에 따라서, 880℃와 980℃사이의 온도로 공동을 재가열하는 단계가 공동을 마무리하고, 이음매 없는 튜브로 변환시키는 단계 전에 필요할 수도 있다.
이러한 공동을 마무리하는 단계는 마무리 장치 형태의 장비(예를 들어, 사이즈 밀 형태의 계기장치, 감소 장치(Reducing Mill) 형태의 롤 감축장치, 또는 신장감소 장치, 또는 감는 형태 장치의 부드러운 롤러)를 사용하여 수행될 수 있고, 이러한 경우에, 천공된 빌릿의 신장을 형성하기 위한 맨드럴 형태장치를 사용할 수 있다. 가열된 롤링의 신장 단계 후에, 이음매 없는 튜브는 실온에서 즉시 냉각되는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 168.3 mm와 365.1mm(6인치에서 14인치)의 외직경을 갖는 튜브를 위해, 빌릿은 자동 회전장치(플러그 장치)를 통해 둥그렇게 말린다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 자동 박판기에서 빌릿은 1100℃와 1300℃사이, 또는 1000℃와 1200℃사이의 온도로 동형(walking beam) 용광로에서 재가열된다. 그리고 나서, 빌릿은 가열된 롤링기의 초기단계로 돌아오고, 경사진 롤장치에서 천공된다. 천공된 후에, 바람직한 빌릿은 공동 블룸이라고 불리고, 가열된 롤장치, 바람직하게는 플러그 장치에를 통해 신장단계로 이송되고, 최종 제품의 특성에 매우 근접한 벽두께가 형성될 때, 실린더 구명을 조절하는 것에 의해서 구멍과 맨들의 위치가 인도된다.
그리고 나서, 이러한 공정에 의해 형성된 공동은 가열 롤링기로 한번더 보내진다. 바람직하게는 부드러운 롤러 밀(Reller Mill)로 이송되고, 외부 직경의 팽창을 갖는 이음매 없는 튜브의 부드러운 내부와 외부가 형성된다.
공동은 즉시 냉각, 가열되고, 마무리 장치에서 최종 롤링기에 의해 최종 롤링된다.
이음매 없는 튜브를 생산하는 공정의 끝에서, 공동은 냉각 베드로 이끌리고, 단조를 위해 요구된 원재료의 상태에 따른 다른 방법(굴림, 담금질, 담금 및 템퍼, 또는 이들의 조합)을 따를 수 있다.
이음매 없는 튜브가 단조된 후에 여전히 구부러진 상태에 있을 때, 이음매 없는 튜브는 롤러의 세부분에 있는 회전 열간정렬 장치에서 열간 정렬 공정을 거치고, 그리고 나서 냉각 베드가 뒤따른다.
표준화된 과정을 거치는 이음매 없는 튜브는 바람직하게는 적어도 10분의 잠김시간 동안에 880℃로부터 950℃까지의 범위의 온도를 갖도록 동형 용광로에서 냉각을 위해 완전한 변형이 될 때까지 베드에 남겨진다. 그리고 나서, 축차의 튜브 부품은 공기로 냉각된다.
담금 공정을 거친 이음매 없는 튜브는 적어도 10분의 잠김 시간동안 880℃로부터 950℃의 범위의 온도를 갖도록 재가열된다. 그리고 나서, 축차의 튜브 부품은 물 또는 오일로 냉각된다.
담금 과정을 거친 이전의 구부러진 이음매 없는 튜브, 또는 담금질 또는 담금된 튜브는 급속냉각되고, 바람직하게는 물 또는 오일로 냉각된다.
뜨임 과정을 거친 이음매 없는 튜브는 재가열 용광로에서 가열되고, 여기에서 이음매 없는 튜브는 적어도 10분의 잠시시간에 400℃와 700℃사이의 온도로 유지되고나서, 공기로 냉각된다.
열처리되고, 단조되기 전에, 튜브는 예를 들어 회전 열간 정렬에서 열간정렬 처리된다.
냉각되고 직선처리된 후에, 공동 또는 이음매 없는 튜브는 치수와 불연속면을 위해 비파괴 검사 테스트기로 보내진다. 각각의 조각이 측정되고, 벽의 두께, 외부직경 및 길이와 관련된 결과가 기록된다. 외부와 내부, 종방향, 가로축,및 가능한 오빌리크(oblique)가 또한 분석된다. 허용범위를 벗어난 편차가 나타난 조각은 자동적으로 편차의 지시하는 세그멘트의 분리를 위해 표시된다. 비파괴 검사 테스트는 고정된 각도의 음파를 갖는 초음파에 의해 수행될 수 있거나, 다양한 각도의 음파를 갖는 초음파에 의해 수행될 수 있거나, 또는 와전류에 의해 수행될 수 있거나, 또는 자분(magnetic particles)에 의해 수행될 수 있다.
시각적이고 차원적인 검사의 다음 단계에서, 허용범위를 벗어나거나 편차를 나타내는 조각은 각각의 편차를 갖는 세그멘트의 분리를 위해 표시된다. 그리고 나서, 조각은 약수를 획득하고 이전에 분리를 위해 표시된 세그멘트의 제거를 위해 앞뒤로 움직인다. 트레이스 시스템은 빌릿을 재가열하고 최종산물의 약수로 절단사이의 과정을 통해 제품의 품질을 보장하기 위해 필요한 다양한 작동 파라메터를 감시하고 기록한다.
결정될 적용에 충족하도록 축의 설계 시방서에 따라, 이음매 없는 튜브를 제조하는 공정에서 보장된 가능한 한 기하학적 결함을 제거하고 내부 주름을 향상시키기 위해, 단조 이전에 중공에 마무리 단계를 수행할 필요가 있다. 이 마무리 단계는 바람직하기로 튜브의 전반적인 내부표면 혹은 일부를 기계가공하거나 튜브의 내부표면을 연마, 및/또는 단조단계를 통한 단부의 축경 전에 적당한 설비로 튜브의 내부표면을 버니싱단계로 수행된다. 이는 이러한 마무리 단계 중 독립되게 혹은 이들의 임의의 조합, 또는 동일한 튜브에 연속적으로 모든 단계를 수행할 수 있다.
내부 마무리를 갖추거나 갖추지 않고, 열간압연, 열처리 혹은 이러한 과정을 거치지 않고 생산된 이음매 없는 튜브 혹은 중공은 그런 다음에 단조 단계로 안내된다. 도 7에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단조 단계는 열간단조로 이루어지고 방사상으로 진동하고 가변경로를 갖춘 2개 이상의 개방 매트릭스(14)와, 보조 축-업셋팅 공구(15), 및 이음매 없는 튜브의 이동 및 회전을 위해 컴퓨터 응용 수치제어로 제어될 수 있는 구동기(도시하지 않음)를 수단으로 하여 800 - 1,300℃ 사이의 온도범위에서 수행된다. 이러한 방식으로, 이는 도 10에 도시된 바와 같이 2개의 단조된 단부를 갖추거나 도 9에 도시된 바와 같이 오로지 하나의 단조된 단부를 가진 블록 단조된 튜브(17)를 획득하게 된다.
선택가능하기로 그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 단조단계는 튜브의 단부들 중 적어도 하나에 축방향과 반경반향으로 압축하는 1/2 이상 개방된 매트릭스(16)를 수단으로 하여, 튜브의 직경을 줄이고 블랭크 단조된 차축으로 변환한다. 이 단계 도중에, 차축은 바람직하기로 예컨대 갈고리와 같은 지지부재로 지지된다. 이 지지부는 튜브형 차축을 형성하는 데에 작용하지 않고 오로지 튜브형 차축에 바람직한 형상을 가질 수 있게 매트릭스가 이들 단부를 압축하는 동안에 이 튜브형 차축의 고정을 돕는다. 이 단조 단계는 적당하게 생각되는 대로 냉각, 따스함, 고온에서 수행될 수 있다. 냉간단조 또는 온간단조는 대기온도와 800℃ 사이의 온도범위에서 수행되며, 열간단조는 800 - 1,300℃ 사이의 온도에서 수행된다.
단조공정은 전술된 방법을 제외하고 다른 타입의 설비로 실행될 수 있는데, 표면 마무리와 허용오차 크기가 제품에 적당하지 않을 수 있다. 열간단조가 이루어지는 경우에, 단조처리될 튜브편 혹은 중공의 단부에서 가열은 전기유도로를 통해 이루어지는 것이 바람직하나, 이는 연소로에서도 수행될 수 있다. 바람직한 온도가 달성될 때, 중공은 이송 및 회전을 위해 구동기에 위치되되, 해머로 불려지는 개방 단조 매트릭스(14)가 도 7에 도시된 바와 같이 가변적인 운동을 통해 상당한 빈도로 방사상으로 진동한다. 이러한 움직임의 조합은 도 9에 도시된 바와 같은 특정한 외형적 윤곽에 따라 중공 단부를 형성할 수 있다. 공정은 각 중공의 반대쪽 단부에서도 반복되므로, 도 10에 도시된 바와 같이 이음매 없는 튜브로부터 반제품상태(blank)의 단조된 축을 형성한다.
결정될 적용에 충족하도록 축의 설계 시방서에 따라, 국부적인 두께의 증가를 필요로 할 수 있고, 이외에도 전술된 단조작업으로 야기될 수 있다. 이러한 경우에, 단조단계에 앞서, 업셋팅 작업을 수행할 수 있는바, 이는 두께가 증가되는 영역에서 유도로를 통해 800°C - 1,300°C 온도 사이에서 이음매 없는 튜브(11)를 국부적으로 가열되고, 도 5에 도시된 바와 같이 이음매 없는 축(11) 상에 업세팅 공구의 진입을 통하여 길이방향의 압축력이 가해진다. 이러한 단계 이후에, 도 6에 도시된 바와 같이 업셋된 튜브(13)가 얻어진다.
튜브형 차축의 단조가 고온 상태이면, 단조 후에 축은 급냉단계에 영향을 받는데, 이는 공기, 강제순환식 공기, 물 또는 기름으로 수행될 수 있다.
축 빔(beam)은 본 발명의 명세서에 따라 기계적 특성과 미세구조의 조절을 위해 선광처리(beneficiation), 예컨대 단조 혹은 열처리에 필요한 이송단계에 따른 다른 방식으로 이동될 수 있다. 열처리는 다시 말하자면 전체 빔 혹은 특정 영역, 예컨대 단조처리된 단부에 위치된 부분 상에서 일체로 이루어질 수 있다. 후자의 경우에 있어, 축 몸체는 중공의 기계적 특성과 미세구조를 남겨둔다.
단조단계에서 선광처리 되어질 빔은 가공단계로 직접 안내된다. 열처리될 빔은 개별적인 노로 안내되되, 국부 영역을 처리(유도로 혹은 이러한 목적을 위해 특별하게 설계된 노)하고 전반적인 부품 전체를 처리(유도로, 연속식 노(continuous furnace) 혹은 배치노(batch furnace))한다.
양자의 경우(부분 혹은 전체)에 온도작동은 동일하다.
전체 축 혹은 축의 일부 상에 열처리하는 불림 중에, 재오스테나이트화(reaustenitization)는 튜브의 전체 혹은 이의 일부 상에서 880℃ - 950℃ 온도로 이루어진다. 노 안에서의 시간은 벽 뚜께에 종속되고 오스테나이트화 온도를 초과할 수 있게 전체 단면을 보장할 수 있도록 제한된다. 바람직하기로, 특정 온도영역에서의 침지시간은 적어도 10분간 유지된다. 급냉은 가열영역 바로 다음에 공기로 수행된다.
뜨임은 400℃ - 700℃ 온도에서 튜브형 차축의 전체 혹은 이의 일부 상에서 수행된다. 노 체류시간은 벽 두께에 종속되고 뜨임 온도에 도달할 수 있게 전체 단면을 보장할 수 있도록 제한된다. 바람직하기로, 특정 온도여역에서 침지시간은 적어도 10분간 유지된다. 급냉은 가열영역 바로 다음에 공기로 수행된다.
국부 영역 혹은 전반적인 길이부에 불림 및 뜨임처리를 거친 빔은 전술된 2개의 처리에 영향을 받는데, 연이어서, 불림 또는 뜨임처리된 빔들은 각각의 처리 중 하나만을 받게 된다.
전반적인 튜브형 차축 혹은 이의 일부에 담금질한 빔은, 단조 후에, 적어도 10분의 침지시간 동안에 우선 880℃ - 950℃ 사이의 온도영역에서 재오스테나이트화 열처리에 영향을 받는다. 재오스테나이트화 후에, 열처리된 (부분 혹은 전체) 축 영역은 스케일을 제거하고 물 혹은 기름(담금질 유체)에 담금질된다.
담금질 이후에, 튜브형 차축은 전술된 바와 같이 10분보다 길거나 이와 동시간의 침지시간 전에 뜨임단계로 필요한 강도 세기에 따라 뜨임처리될 수 있다. 뜨임은 불림 이후에 수행될 수 있다.
본 발명의 선택가능한 실시예에서, 튜브형 차축을 선광처리하기 위해서, 불림, 담금질 및 뜨임단계의 임의의 조합으로 처리된다.
담금질될 때를 제외하고, 성장된 화학조성과 통상적인 급냉속도에 의한 미세구조는 베이나이트(bainite)에 페라이트(ferrite), 펄라이트(pearlite)와 미량의 마텐자이트(martensite)를 추가하여 우세적으로 구성된다.
담금질처리되고 뜨임처리된 재료를 위해, 예고된 미세구조는 우세하게 뜨임처리된 마텐자이트로 구성되고, 벽 두께에 따라 미량의 베이나이트와 페라이트 및 펄라이트를 함유할 수 있다.
열처리된 후에, 빔은 마무리된다.
결정될 적용에 충족하도록 축의 설계 시방서에 따르고 선택가능하기로 단조 전에 적용가능한 상이한 내부 마무리에 따라서, 단조처리 후에 이는 도 3에 도시된 축의 내부표면(9,10) 상에 숏피이닝을 수행할 수 있다. 가능한 열처리에서 형성된 산화층의 제거 이외에, 숏피이닝은 잔여 압축력에 영향을 받는 냉동경화재료의 얇은 표면층을 형성한다. 이 층은 응집과 축의 피로강도에 영향을 미치는 크랙과 같은 표면 결함의 증식을 억제한다.
마무리 단계에서, 이는 튜브형 차축을 정련하는 단계와, 튜브형 차축의 단부에 검사 구멍들의 내부가공하는 단계, 튜브형 차축의 검사 구멍의 내경 엣지에서 챔퍼(7)를 가공하는 단계, 및 각 단부에서 나사산을 형성하고 매끈하게 오목한 2개의 구멍(6)을 가공하는 단계를 수행할 수 있다. 본 발명에 있어서, 이는 바람직한 제조를 위해 축의 내부면에 특징과 축의 형상에 따라 이러한 모든 마무리 단계를 수행하거나 이들 단계에서 임의의 연속 조합을 수행할 수 있다.
정련은 외경과 내경 사이의 동심축에서 가공되는 재료의 결함과 이로 인한 불균형을 방지하기 위해 수동 혹은 자동설비로 만들어진다.
재료는 설계상에서 특정화된 크기로 달성되도록 전반적인 외부표면을 가공처리하여 제거된다.
단조처리된 단부의 내부표면에서, 설계상에서 특정화된 크기에 따라 기계가공되어 재료가 제거된다. 이 영역은 커버를 수용하고, 베어링 시트 바로 아래에 축 저널(1)과 도 1에 방진 장치(2)의 섹션부에 이동 반경의 검사용 초음파 헤드의 결합을 허여한다. 내부표면에 검사는 입사각(반사각 없음)을 제공하고, 음향 빔의 짧은 경로는 주로 축 저널 영역에서 부속품의 지지와 관련된 결함에 종종 영향을 받는다. 이는 초기 단계에서 불연속적 감지를 용이하게 하는데, 이는 일반적인 방법으로는 감지되지 않는다.
추가로 이 영역에서, 축의 다른 부분은 단순히 커버를 제거하고 축소된 검사 헤드를 갖춘 탐침과 적당한 결합수단(물, 겔, 레이저 등)을 주입하여 휠 시트와 축 몸체와 같은 내부표면에서 감지될 수 있다.
통상적으로 각 단부에서 등간격으로 떨어져 있는 3개의 나사산 구멍(5)은 베어링 커버의 나사 고정을 위해 필요로 하며, 이들 구멍의 위치와 직경은 표준화되어 있다.
선단(tip)과 선반(lathe) 사이에서 축의 중심화와 고정을 위해서, 챔퍼(7)는 단부의 내경 엣지에서 만들어지고, 내부표면(10)의 전체 각도는 선반 지지부의 각도와 동일하다. 하지만, 튜브 직경이 미국철도협회(AAR) 표준규약과 같이 동등한 대형 축을 위한 표준규격보다 크게 설치되어 있기 때문에 카운터 선단의 직경은 튜브의 단부의 내경과 양립될 수 있어야 한다.
몇몇 경우에서와 같이, 축 단부 구멍의 내경은 나사산 구멍(5)으로 챔퍼(7)의 간섭을 방지할 수 있게 충분하지 않고, 선택적으로 매끈한 오목부(6)는 각각의 나사산 구멍(5)의 입구에 안내된다. 이는 현재 표준화된 커버의 적용을 보장하고 이들 축의 상호교환을 확보할 수 있다.
몇몇 표면에 특정화된 마무리는 원상태로 혹은 가공처리된 상태로 수행되되, 이들 영역은 축 저널과 방진장치의 이송반경 처럼 접지될 필요가 있어, 응력집중을 약화시키고, 크기와 불연속적 주파수를 줄이며, 피로강도를 향상시킨다.
이들 응력은 피로강도를 증가시킬 수 있기 때문에, 축의 영역과 다른 영역은 굴리기(rouletting) 혹은 숏피이닝 효과와 같은 압축잔여응력을 안내하는 기술에 영향을 받을 수 있다.
축을 마무리하는 단계 후에, 본 발명에 따른 공정은 필요시에 제품의 최종 검사 전에 수행될 수 있는 열처리단계를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하기로, 열처리는 튜브의 적어도 일부에 담금질 및 뜨임으로 이루어지며, 다시 말하자면, 이는 축의 가공처리된 단부에서만 혹은 전체 축에 걸쳐서 수행될 수 있다.
축 저널과 휠 시트는 가열용 유도로의 도움으로 국부적으로 담금질처리되고 급냉용 물을 분사시킬 수 있다. 이 기술(도로 축 저널에 이미 사용됨)은 마텐자이트를 우세하게 구비한 강재의 미세구조를 변화시켜 표면 영역의 경도와 강도를 현저하게 증가시킨다. 이 특성들은 철도 축의 감퇴에 연관되고 이들 영역에 나타나는 현상, 피로강도와 프레팅(fretting)강도를 야기한다. 담금질 때문에, 담금질처리된 영역은 뜨임처리할 필요가 있다.
불연속성 비파괴검사에 의한 최종 검사는 고정각 음향 빔을 갖춘 초음파를 수단으로 하거나, 가변각 음향 빔을 갖춘 초음파를 수단으로 하거나, 와상전류(eddy current)를 수단으로 하거나, 자분(magnetic particle)을 수단으로 하여 수행될 수 있다.
여기에 기술된 공정은 원료의 소비를 최소화할 수 있고, 추가로 본 발명의 튜브의 제작비용을 저감한다.
본 발명에 따른 고정은 속이 꽉 찬 축과 비교하여 대략 40%의 중량을 저감한 철도 축을 생산할 수 있다. 이와 동시에, 이 축의 제조에 사용되는 금속 합금의 특정 구성으로 야기되는 장점을 통해 이들 축의 제조공정의 특징으로 추가적인 유효성을 높여, 본 발명은 큰 세기와 피로강도를 갖춘 튜브형 차축을 제공하며, 중량 저감과 이로 인한 에너지 효율을 최적화한다.
축의 품질을 검사하고 축의 표면 불규칙성을 감지하는 도구를 사용하여 생산된 부품의 품질을 전반적으로 정밀하게 제어할 수 있고, 상당한 오류의 여유와 결합 튜브의 생산을 줄이고, 이러한 제작공정을 딸 축에 형성된 결정 결함을 보정하고 제거할 수 있다. 이러한 효과는 고정에 대해 상당한 정밀도를 부여하고 튜브에 결합의 갯수와 제품의 미세구조 가변성과 기계가공의 가변성을 줄이는 공정의 몇몇 단계에서 통계 컴퓨터 응용 제어를 수단으로 하여 달성된다.
본 발명에 따른 공정의 선택가능한 다른 단계에 있어서, 예컨대, 단조 전에 혹은 축의 마무리 단계에서, 본 발명에 따른 공정을 수단으로 하여, 다른 물성을 갖는 축은 철도운송에 적용될 수 있는 상이한 상황하에서도 적합해질 수 있다. 제조겅종으로 제공된 장점들과 튜브형 차축의 형상에 사용된 재료로 공급된 장점의 조합으로, 본 발명은 저비용의 축을 생산하고 바람직한 물건을 달성할 수 있으면서도, 재료의 소비를 저감하고 더 좋은 세기와 피로강도를 갖는다.

Claims (36)

  1. 철도차량용 이음매 없는 강철 튜브로부터 단조처리된 차축에 있어서,
    상기 차축은 0.22 - 0.42 중량%의 탄소와 1.10 - 1.70 중량%의 망간을 포함한 합금재료로 이루어지고, 마무리된 차축은 최소 항복강도 520MPa, 최소 인장강도 750MPa 및 최소 연신률 16%의 물성을 갖는 것을 특징으로 하는 철도차량용 차축.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금재료는 최대 0.020 중량%의 황과, 최대 0.020 중량%의 인, 0.10 - 0.45 중량%의 알루미늄, 0.10 - 0.35 중량%의 규소, 0.01 - 0.30 중량%의 몰리브덴, 0.010 - 0.050 중량%의 니오븀 및 0.05 - 0.27 중량%의 바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 차축.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금재료는 0.022 - 0.32 중량%의 탄소와 1.10 - 1.40 중량%의 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 차축.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금재료는 0.32 - 0.42 중량%의 탄소와 1.40 - 1.70 중량%의 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는 차축.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금재료는 최대 0.010 중량%의 인을 포함하는 것을 특징으로 하는 차축.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금재료는 최대 0.010 중량%의 황을 포함하는 것을 특징으로 하는 차축.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 120MPa의 피로한계를 나타내는 것을 특징으로 하는 차축.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 170MPa의 피로한계를 나타내는 것을 특징으로 하는 차축.
  9. 철도차량용 이음매 없는 강철 튜브로부터 단조처리된 차축울 제조하는 공정에 있어서,
    - 금속합금재료를 용융하여 강철합금을 생성하는 단계와;
    - 용융된 재료를 주조하여 잉곳(ingoted)형태의 제품을 형성하는 단계;
    - 천공을 위하여 재가열로에서 잉곳 제품을 재가열하는 단계;
    - 잉곳 제품을 천공하는 단계;
    - 천공된 제품을 연신하여 중공의 블룸(bloom)을 형성하는 단계;
    - 중공을 완료하여 이음매 없는 튜브로 변경하는 단계; 및
    - 이음매 없는 튜브를 단조하여, 이를 이음매 없는 튜브로부터 단조된 철도차량용 차축으로 변경하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  10. 제9항에 있어서, 상기 용융단계 이후에, 금속 합금의 화학조성을 조정과 칼슘-규소의 야금학적 처리를 수행하여 도가니로(pot furnace)에서 2차 정련단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 2차 정련단계 후에 진공-탈가스 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조단계는 전자기적인 교반작업 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 주조단계 이후에, 상기 잉곳 제품은 880 - 1,300℃ 온도에서 1 - 48시간 동안 보조 재가열단계로 처리되는 것을 특징으로 하는 공정.
  14. 제13항에 있어서, 상기 보조 재가열단계 이후에, 압연단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 잉곳 제품의 천공을 위한 재가열단계는 재가열로에서 1,000 - 1,300℃ 사이의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 820 - 980℃ 사이에서 중공을 잭가열단계는 중공 마무리단계 이전에 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  17. 제9항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마무리 단계 이후에, 상기 이음매 없는 튜브는 냉각베드(cooling bed)로 처리되는 것을 특징으로 하는 공정.
  18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계 이전에, 상기 이음매 없는 튜브들은 불림처리되고, 상기 이음매 없는 튜브들은 880- 950℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간 동안 유지된 다음, 상기 이음매 없는 튜브들은 공냉되는 것을 특징으로 하는 공정.
  19. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계 이전에, 상기 이음매 없는 튜브들은 담금질처리되고, 상기 이음매 없는 튜브들은 880- 950℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간 동안 유지된 다음, 상기 이음매 없는 튜브들은 공냉되는 것을 특징으로 하는 공정.
  20. 제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이음매 없는 튜브들은 재가열노에서 뜨임처리되고, 상기 이음매 없는 튜브들은 400 - 700℃ 온도에서 적어도 10분간의 침지시간 동안 유지된 다음, 상기 이음매 없는 튜브들은 공냉되는 것을 특징으로 하는 공정.
  21. 제9항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계 이전에, 상기 이음매 없는 튜브들은 열간정련(hot-straightened)되고 냉각베드로 이송되는 것을 특징으로 하는 공정.
  22. 제9항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계 이전에, 치수 및 표면 불연속성을 비파괴 검사로 상기 튜브를 검사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  23. 제9항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검사단계 이후에, 상기 이음매 없는 튜브의 전체 내부표면에 기계가공을 하는 마무리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  24. 제23항에 있어서, 상기 기계가공 이후에, 상기 이음매 없는 튜브들의 내부표면에 연마(grinding)단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  25. 제23항에 있어서, 상기 기계가공 이후에, 상기 이음매 없는 튜브들의 내부표면에 버니싱(burnishing)단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  26. 제9항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계 이전에, 업셋팅 (upsetting)단계가 수행되어, 상기 이음매 없는 튜브(11)는 두께가 증가되는 영역에서 800 - 1,300℃ 온도 사이에서 가열되고, 그런 다음에 길이방향의 압축력이 업셋팅 공구(12)의 진입을 통해 상기 이음매 없는 튜브(11)의 축방향으로 가해지는 것을 특징으로 하는 공정.
  27. 제9항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계는 반경방향으로 진동하고 가변경로를 갖춘 적어도 2개의 개방 매트릭스(14)와, 보조 축-업셋팅 공구(15), 및 컴퓨터 응용 수치제어로 통제될 수 있는 상기 이음매 없는 튜브(13)의 이송과 회전을 위한 구동기(handler)를 수단으로 하여 800 - 1,300℃ 사이의 온도범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  28. 제9항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단조단계는 상기 튜브의 단부들 중 적어도 하나에 축방향과 반경반향으로 압축하는 매트릭스(16)를 수단으로 하여 1,300℃의 온도범위에서 수행되어, 튜브의 직경을 줄이고 튜브를 단조된 차축으로 변환하는 것을 특징으로 하는 공정.
  29. 제9항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 만약 상기 단조단계가 열간단조라면, 상기 공정은 상기 단조단계 이후에 냉각단계를 추가로 포함하고, 상기 냉각단계는 공기, 가압된(forced) 공기, 물, 및 기름과 같은 매질로부터 선택된 매질 내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 공정.
  30. 제9항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 10분간의 침지시간 동안 880 - 950℃ 온도 이상으로 가열하는 로를 사용하고 공기로 냉각하여, 상기 차축의 적어도 일부에 불림단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  31. 제9항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 오스테나이트화를 위해 적어도 10분간의 침지시간 동안 880 - 950℃ 온도 이상으로 가열하는 로를 사용하고 담금질을 위해 물로 급속냉동하여, 상기 차축의 적어도 일부에 담금질단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  32. 제9항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 10분간의 침지시간 동안 400 - 700℃ 온도 이상으로 재가열하는 로를 사용하고 공기로 냉각하여, 상기 차축의 적어도 일부에 뜨임단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  33. 제9항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마무리 단계는 상기 튜브의 내부표면을 숏피어닝하는 단계와, 상기 튜브를 정련하는 단계, 상기 튜브의 2개의 단부들에서 검사 구멍을 내부가공하는 단계, 상이 튜브의 검사 구멍의 내경 엣지에 챔퍼(17)를 기계가공하는 단계, 및 각 단부에서 적어도 2개의 나사산을 형성하고 매끈하게 오목한 구멍(6)을 기계가공하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  34. 제9항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마무리 단계 이후에, 상기 단조된 차축의 일부에서 담금질 및 뜨임 열처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  35. 제9항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 마무리 단계 이후에, 상기 단조된 차축에 표면 결함을 검사하는 비파괴검사 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 공정.
  36. 제9항 내지 제35항 중 어느 한 항에 따른 공정으로 생산된 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 차축.
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