열처리 이형강선과 그 제조방법 및 제조장치 {Heat-treated modified cross-section steel wire and method and apparatus for its production}
종래에는 예컨대 이형단면의 강선을 사용한 코일스프링이, 도 5에 도시된 것과 같이 둥근 단면의 압연선재로부터 인발(引拔) 등의 방법으로 이형단면으로 신선(伸線)하도록 하고 있다. 그리고, 이러한 인발된 강선(鋼線)을 도 5a의 공정과 같이 오일템퍼 등의 방법으로 소입(燒入)하고 소려(燒戾)한 후 코일스프링의 형상으로 코일링해서 제조하거나, 또는 도 5b와 같이 코일스프링의 형상으로 코일링한 후 전기로 등으로 소입, 소려해서 제조하게 된다.
본 발명은 코일스프링이나 기타의 용도로 사용되는 각형이나 사각형 또는 사다리꼴에 가까운 단면을 한 이형단면을 가진 열처리 이형강선과 그 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선 제조장치의 구성을 나타낸 개념도, 도 2는 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선의 단면형상의 1예를 나타낸 도면, 도 3은 본 발명의 1실시예에서의 4방롤러 압연기의 롤러형상을 나타낸 도면, 도 4는 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선의 제조공정을 나타낸 흐름도, 도 5는 종래의 열처리 이형강선으로 코일스프링을 제조하는 방법을 나타낸 공정도, 도 6은 본 발명의 1실시예에 따른 압연선재의 화학성분, 도 7은 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선의 제원을 나타낸 표, 도 8은 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선 제조장치의 각 위치에서의 온도를 나타낸 도표, 도 9는 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선의 기계적 성질의 1예를 나타낸 것이다. (주요 참조부호의 설명) 1 - - - - 상하수평롤러2 - - - - 좌우수직롤러 6 - - - - 유도가열코일 (압연가열수단) 7 - - - - 4방롤러 압연기(압연수단) 8 - - - - 수냉자켓(소입냉각수단) 9 - - - - 핀치롤러(장력부가수단) 9a - - - - 토크콘버터가 장착된 모터 10 - - - - 소려가열코일11 - - - - 권취기 W1 - - - - 소재강선W2 - - - - 이형강선
그러나, 코일스프링을 제조함에 있어 상기와 같은 방법에서는, 이형신선(異形伸線)을 인발(引拔)하는 등의 공정과, 소입하고 소려하는 열처리공정의 2가지 공정을 필요로 하기 때문에, 공수(工數)가 늘어 비용을 줄이기가 곤란하다고 하는 문제가 있었다. 또, 상기 도 5a의 열처리된 강선을 코일링하는 방법에서는, 소선(素線)에 사행이나 나사, 작은 굴곡이 있게 되면 말려진 코일이 변형되어 제품의 수율(收率)이 크게 떨어지게 된다. 그리고, 종래의 신선 후 로(爐)를 가열하여 소입하고 소려한 소선(素線)에서는 이와 같은 점에서 충분한 품질을 얻을 수가 없고, 그 때문에 다시 직진성이 좋은 소입용 강선이 요구되고 있다. 한편, 직진성이 높은 소입강선을 얻기 위해 장력을 가하면서 가열소입(加熱燒入)하는 방법이 행해지고 있으나, 고온에서 가열된 강선에 장력을 가하면 강선이 늘어나 단면이 축소되어, 장력의 변동에 따라 단면치수가 변동하게 된다고 하는 문제가 있었다. 이에 본 발명은, 둥근 단면을 한 강선에서 연속적으로 이형단면으로 열간성형(熱間成形)을 함으로써 성형과 소입열처리가 동시에 이루어지도록 하여, 1공정으로 열처리된 열처리 이형강선(熱處理異形鋼線)을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그리고, 소입냉각시에 장력변동이 적은 장력소입(張力燒入)을 행함으로써, 치수정밀도가 높고 직진성이 양호하게 열처리된 열처리 이형강선을 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다. 본 발명은 특히, 고강도 코일스프링용 강선에 적합한 것이기는 하지만, 기타 각단면토션바와 같은 이형단면을 가져 직진성을 필요로 하는 열처리 이형강선 등과 같은 넓은 용도로도 사용할 수가 있게 된다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 열처리 이형강선과 그 제조방법은, 유도가열 또는/ 및 직접통전 가열수단으로 압연온도까지 급속히 단시간에 가열해서 소정의 이형단면으로 열간압연성형하고, 압연된 후에 급냉시켜 가공소입한 후 소려하는 열처리를 하는 것을 특징으로 한다. 즉, 이와 같이 열처리함으로써 급속히 단시간에 가열하게 되면, 통상의 로의 가열 등에 의한 탈탄(脫炭)과 같은 결함이 적고, 또 높은 가공소입의 효과가 얻어짐을 알 수 있었다. 그리고, 압연 직후에 급냉함으로써 결정입자의 성장이 저지되고, 또 표층부의 Ar 3 변태(變態)도 저지될 수 있게 된다. 그에 따라 표면의 냉각이 진행되어 페라이트(ferrite)조직이 석출되는 것이 방지될 수 있어서 표층부까지 충분히 소입된 조직이 얻어질 수 있게 된다. 이와 같이 압연 직후의 급냉에 따라 가공소입이 이루어지게 됨으로써 이형단면의 성형과 소입열처리가 1공정에서 이루어지게 되고, 또 가공소입에 의해 통상적인 소입보다 높은 강도롤 얻을 수 있게 된다. 상기와 같은 압연성형(壓延成形)이 4방향 압연롤러에 의해 이루어지게 되면 적은 압연스텐드에서 간단히 이형단면의 성형이 행해질 수가 있게 된다. 또, 피가공강선을 100℃/s 이상의 가열온도로 Ac3 온도 이상으로 급속히 단시간에 가열하여 Ar3 이상의 온도에서 압연롤러로 소정의 이형단면이 되도록 압연하고, 이렇게 압연한 직후에는 Ar1 이상의 온도에서 상기 압연롤러에 근접하여 나란히 배치된 소입냉각수단으로 급냉시켜 가공소입하는 것이 높은 인장강도를 얻기위해 바람직하다. 이 소입냉각수단은 될 수 있으면 상기 압연롤러에 근접시켜 배치되도록 설치하는 것이 좋은 바, 그렇게 하면 압연 직후의 급냉에 의해 결정입자의 성장을 저지하여 높은 소입경도(燒入硬度)가 얻어질 수 있게 된다. 이와 같이 이형단면을 압연롤러로 열간가공함으로써 종래의 인발가공 등과 같은 성형에 비해 긁힘 같은 것이 줄어들어 양호한 표면을 가진 스프링강선이 얻어질 수 있게 된다. 그리고, 고합금강(高合金鋼) 등은 가공경화(加工硬化)가 커서 냉간신선이 곤란하지만, 본 압연방법에 의하면 고합금강의 이형단면가공도 용이해지게 된다. 상기 가공소입은 열간압연 직후에 피가공강선에 장력을 인가하면서 급냉하는 장력가공소입을 행하는 것이 열처리강선의 직신도(直伸度)를 향상시키기 위해 바람직하다. 이 피가공강선에 인가하는 장력은, 당해 강선의 장력변동을 흡수하는 토크콘버터가 부착된 구동장치에 의해 구동되는 핀치롤러 또는 권취기, 캡스턴장치에 의해 부여되도록 하는 것이 장력변동에 의한 치수의 변동을 없도록 하기 위해 바람직하다. 앞에서 설명한 바와 같이, 코일스프링을 성형하기 위한 코일링을 할 때는 소선에 일정한 크기의 만곡이 있더라도 영향이 없으나, 소선에 사행이나 나사, 작은 만곡 등이 있게 되면 제품의 형상에 불량이 생겨 제품의 수율이 낮아지게 된다. 이에 대해 본 발명에 따른 방법에서는, 압연 후에 냉각하는 가공소입을 할 때 선재(線材)에 장력을 가하면서 급냉하게 되는 장력가공소입을 하기 때문에, 이와 같은 작은 만곡이 없는 직진성이 높은 소입스프링강선이 얻어질 수 있게 된다. 그에 따라 코일스프링을 성형함에 있어 제품의 수율이 향상되게 된다. 한편, 코일스프링 이외의 직선으로 사용되는 이형토션바와 같은 용도에서도 교정(矯正) 등의 성형공수(成形工數)가 대폭 줄어들어 비용을 줄일 수가 있게 된다. 그리고, 이렇게 소입을 할 때는 고온의 선재는 강도가 낮기 때문에, 선재에 걸려지는 장력이 변동하게 되면 단면치수에 변동이 생길 염려가 있게 된다. 이에 본 발명은, 핀치롤러와 권취기(卷取機), 캡스턴장치의 구동에 토크콘버터가 부착된 구동장치를 사용함으로써, 토크콘버터에 의한 장력의 변동을 흡수하도록 하여, 선재에 일정한 장력을 부여하면서 소입하도록 된 것을 특징으로 한다. 그에 따라, 단면치수가 균일한 치수정밀도 높은 소입스프링용 강선을 얻을 수가 있게 된다. 특히, 작은직경의 단면을 한 이형선재 등에서는 선재에 직접 장력을 인가하면 단면치수에 변동이 크지만, 본 발명의 토크콘버터를 매개로 장력을 인가함으로써, 종래에는 곤란하였던 작은직경단면의 이형선재까지도 장력소입이 가능해지게 되었다. 여기서, 토크콘버터가 부착된 구동장치라 함은, 반드시 토크콘버터와 구동장치가 일체로 된 것을 말하는 것이 아니라 토크콘버터를 매개로 구동하는 것을 모두 포함한다. 상기와 같은 가공소입을 한 후에 연속해서 유도가열로 소려온도로 가열하여 소려하는 것이 소입열처리와 소려열처리를 연속해서 행할 수가 있어 바람직한 바, 이 소려는 상기 소입냉각수단의 뒤쪽에 나란히 배치된 소려유도가열코일에 의해 연속적으로 행해지도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 제조방법은, 각형 또는 사각형, 사다리꼴에 가까운 단면을가진 이형강재의 가공을 하는데 유효한 것으로, 인장강도가 1600N/mm 2 이상인 열처리 이형강선이 쉽게 제조될 수 있게 된다. 상기와 같은 열처리 이형강선을 제조하는 본 발명에 따른 열처리 이형강선 연속제조장치는, 소재강선을 압연온도로 가열하는 유도가열 또는/ 및 직접통전으로 가열하는 압연가열수단과, 소정의 이형단면에 열간성형을 하게 되는 압연수단과, 피가공강선에 장력을 인가하면서 압연성형 직후에 급냉시켜 소입하는 소입급냉수단 및 장력부가수단이 나란히 배치되어 설치된 것을 특징으로 한다. 상기 압연수단은 4방롤러 압연기이고, 상기 장력부가수단은 토크콘버터가 장착된 구동장치에 의해 구동되는 핀치롤러나 권취기 또는 캡스턴장치인 것이 바람직한 바, 상기 소입급냉장치의 뒤쪽에는 소려온도로 가열하는 소려가열수단이 나란히 배치되어 설치됨으로써 소입과 소려가 연속적으로 이루어질 수 있도록 되어 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 해서 본 발명의 1실시예에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 1실시예에 따른 열처리 이형강선 제조장치의 전체구성을 나타낸 개념도이고, 도 2는 본 실시예에 쓰여진 열처리 이형강선의 단면형상의 1예를 나타내고, 도 3은 이형강선을 압연하는 4방롤러 압연기(압연수단)의 롤러형상을 나타낸 도면, 도 4는 본 실시예에 따른 열처리 이형강선의 제조공정을 나타낸 공정도이다. 도 1에서 도면의 좌상류쪽으로부터 압연가열수단인 압연가열코일(6), 압연수단인 4방롤러(7), 소입냉각수단인 수냉쟈켓(8), 장력부가수단인 핀치롤러(9) 및 소려가열수단인 소려가열코일(10)이 나란히 설치되고서, 마지막으로 권취기(11)가 설치되어 있다. 상기 핀치롤러(9)는 토크콘버터감속기가 붙은 모터(9a)에 의해 구동된다. 본 실시예의 열처리 이형강선은 도 2에 도시된 것과 같이 사다리꼴에 가까운 단면을 하고 있다. 그리고, 이를 압연하는 4방롤러 압연기(7)는 도 3에 도시된 것과 같이 상하 1쌍의 수평롤러(1, 1)와 좌우 1쌍의 수직롤러(2, 2)로 구성되어 있다. 또, 상하의 수평롤러(1)에 의해 사다리꼴단면의 측면이 형성되고, 좌우의 수직롤러(2)에 의해 상부면과 바닥면이 형성되도록 되어 있다. 다음에는 도 1 및 도 4를 가지고 제조공정에 대해 설명한다. 먼저, 전공정에서 소정직경을 한 압연강재의 소재표면의 녹과 같은 불순물이 제거된 후, 원형의 신선에 의해 소정직경의 원형단면을 한 소재강선(W1)으로 신선된다. 이 소재강선(W1)은 도시되지 않은 권출기(卷出機)로부터 압연가열코일(6)로공급되게 된다. 이 압연가열코일(6)에 의해 소재강선(W1)이 유도가열된 후 4방롤러 압연기(7)에 의해 도 2에 도시된 것과 같이 사다리꼴에 가까운 단면을 한 이형선재(W2)로 열간압연되고, 이렇게 열간압연된 직후에 수냉쟈켓(8)에 의해 급냉되어져 가공소입된다. 이때 핀치롤러(9)가 압연출구속도보다 조금 빠른 이송속도로 회전하고 있기 때문에, 이형선재(W2)가 핀치롤러(9)에 의해 장력이 걸려져 송출되면서 급냉시켜지게 된다. 이와 같이 장력이 걸려지면서 냉각되게 됨으로써, 직선성이 높은 소입강선이 얻어질 수 있게 된다. 또, 핀치롤러(9)가 토크콘버터감속기가 붙은 모터(9a)에 의해 구동되기 때문에, 이형강선(W2)에 과대한 장력이 작용하지 않아 선재의 치수변동이 방지될 수 있게 된다. 소입된 선재는 소려가열코일(10)에 의해 소려온도로 가열되어 소려되어 권취기(11)에 의해 권취되게 된다. 그리고, 열처리되어 코일형태로 권취된 열처리 이형강선은, 코일스프링으로 사용되는 경우에는 소정의 형상으로 코일링되어 성형되게 된다. 즉, 종래의 방법에서는 도 5에 도시된 것과 같이 이형단면으로 신선하는 공정과 소입하고 소려하는 공정의 2가지 공정에서 이루어지던 것을, 본 발명에서는 이형단면의 성형과 소입과 소려공정이 1공정에서 이루어지도록 된 점에 특징이 있다. 한편, 본 실시예에서는 핀치롤러에 의해 선재에 장력을 가하도록 하였으나, 핀치롤러 대신 캡스턴장치에 의하도록 하여도 되고, 또 권취기에 의해 장력을 가하도록 하여도 좋다. 이 경우에는 캡스턴장치나 권취기의 구동에 토크콘버터가 부착된 모터가 사용되게 된다. 또, 압연가열은 직접통전에 의해서도, 또는 유도가열과 직접통전을 병용하여도 좋다. (실시예) 도 6은 본 실시예에서 사용된 압연선재의 화학성분을 나타낸 것이다. 이 압연선재를 둥근 선재로 신선한 후, 이 소선을 가지고 도 2의 형상인 사다리꼴단면으로 압연하였다. 압연된 사다리꼴단면의 이형강선의 치수와 그에 대응하는 소재의 직경을 도 7에 나타내었다. 소선에서부터 이형강선으로의 감면율(減面率)은 약 0.9 가 된다. 각종 치수의 사다리꼴단면으로 압연된 강선은, 장력이 가해지면서 급냉되어 가공소입된 후 연속해서 소루되도록 하였다. 도 7에 나타내어진 40계, 30계, 25계와 같은 작은직경단면을 한 이형강재는 종래에는 단면치수의 변동이 크기 때문에 장력소입하기가 곤란하였으나, 본 발명은 토크콘버터가 장착된 핀치롤러로 장력을 가하기 때문에 이와 같은 작은직경단면을 한 이형강선까지도 장력소입을 할 수 있게 되었다. 다음에는 도 7의 제품 중 1예로서 L-60 의 실시예에 대해 설명한다. L-60 은 높이가 14.40mm 이고 바닥면이 7.10mm 이며 상부면이 4.70mm 인 도 2에 도시된 사다리꼴에 가까운 단면이지만, 소재의 직경이 10.80mm 인 둥근 선재를 써서 이러한 형상으로 압연하였는 바, 그 감면율은 0.9059 가 되었다. 단면치수의 오차는 0.05mm 이하의 정밀도가 높은 열처리 이형강선이 만들어질 수 있었다. 가열조건으로는 압연온도까지 7초 동안 승온하였고, 강선의 이송속도는 출구쪽에서 100mm/s 로 하였다. 열처리온도는 도 1의 가열코일쪽(①)과, 가열후 균열(均熱)된 위치(②), 롤러의 입구(③), 롤러의 출구(④), 수냉쟈켓(⑤) 및 소려가열 후의 위치(⑥)의 각 위치에서 온도를 측정하였는 바, 그 측정결과는 도 8에 나타내어져 있다. 즉, 강선이 압연가열코일(6)에 의해 Ac3 온도 이상인 약 1024℃로 가열됨으로써 γ조직으로 되어, 4방롤러(7)에 의해 850 ~ 760℃인 Ar3 이상의 온도범위에서 압연가공한다. 그리고, 압연가공된 직후에 Ar1 이상의 온도인 740℃ 에서부터 급냉시켜 소입되도록 한다. 그에 따라 미세한 마르텐사이트조직(martensitic structure)으로 된 소입조직이 만들어져 높은 강도가 얻어질 수 있게 된다. 소입되어진 강선은 소려가열코일(10)에 의해 약 500℃로 가열되어 소려되게 된다. 상기 조건에서 압연열처리된 L-60 열처리 이형강선의 기계적 성질의 1예가 도 9에 나타내어져 있다. 즉, 본 발명에 따른 열처리 이형강선은 인장강도가 1600N/mm 2 이상이고 신도(伸度)가 10% 이상으로써 높은 강도와 큰 신도가 얻어질 수 있었다. 또, 열처리된 이형강선은 작은 만곡이 전혀 나타나지 않아 높은 직진성이 얻어질 수 있었다. 이 열처리 이형강선을 써서 코일스프링을 성형한 결과, 로 등에 의해 열처리된 종래의 공정에 따른 이형강선을 사용한 경우에는 코일성형시의 불량률이 10% 에 달하는 일이 있었으나, 본 발명에 따른 열처리 이형강선을 사용함으로써 불량률이 거의 0% 로 될 수 있었다. 도 7에 나타내어진 기타 각 치수로 된 열처리 이형강선에 대해서도 압연하였으나, 그 어느 것도 모두 단면치수의 오차가 0.05mmm 이하로서 정밀도가 높은 열처리 이형강선을 얻을 수 있었다. 이렇게 해서 얻어진 열처리 이형강선의 기계적 성질의 예를 도 7에다 함께 나타내었는 바, 상기 예와 마찬가지로 직선성이 좋고 높은 인장강도와 신장도가 얻어질 수 있고, 본 발명의 모든 이형강선에서도 상기와 마찬가지로 코일성형시의 불량률이 거의 0% 로 되었다. 또, 본 실시예에서는 사다리꼴에 가까운 단면을 한 열처리 이형선재를 가지고 만든 코일스프링에 대한 효과를 확인하였다. 그러나, 본 발명은 사다리꼴단면 만 아니라 각단면 또는 사각단면을 한 열처리 이형선재에도 적용할 수 있다. 용도에 있어서도 코일스프링 뿐만 아니라 직선성이 좋기 때문에 직선형태로 사용되는 이형토션바 등에 있어서도 공수가 줄어들고 제품의 수율이 향상될 수 있게 된다. 본 발명이 기타의 용도에도 널리 적용될 수 있음은 물론이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 열처리 이형강선과 그 제조방법에 의하면, 유도가열 등에 의해 단시간에 급속히 가열되기 때문에 다른 가열방법과 같이 탈탄(脫炭)과 같은 결함이 생기지 않게 된다. 또, 이형으로 성형압연됨과 동시에 소입열처리가 되기 때문에, 열처리된 이형강선이 하나의 공정에서 만들어질 수 있게 된다. 또한, 급속가열과 가공소입에 의해 높은 강도가 얻어질 수도 있게 된다. 이 가공소입에 있어서, 피가공강선을 Ac3 온도 이상으로 급속히 가열하여, Ar3 이상의 온도범위에서 4방압연롤러로 소정의 이형형상으로 압연하고, 압연 직후에 Ar1 이상의 온도로부터 소입냉각수단으로 급냉시켜 직접 소입을 함으로써, 인장강도가 1600N/mm 2 이상인 높은 강도가 얻어질 수 있게 된다. 또, 압연롤러로 이형단면으로 열간성형을 하기 때문에, 냉간신축가공에 비해 표면이 긁히거나 해서 흠집이 줄어들어 표면이 깨끗한 열처리 이형강선이 얻어질 수 있고, 냉간신선가공이 곤란한 고합금강의 가공도 가능하게 된다. 그리고, 열간압연 후에 장력을 인가하면서 급냉시켜 장력가공소입을 하기 때문에, 사행이나 뒤틀림과 같은 작은 굴곡이 없는 높은 직진성을 가진 열처리 이형강선을 얻을 수 있게 된다. 이 소입을 할 때 인가되는 장력은, 토크콘버터가 장착된 구동장치에 의해 구동되는 핀치롤러나 권취기 또는 캡스턴장치에 의해 부여되기 때문에, 장력의 변동이 없고, 인장에 의한 단면치수의 변동도 적다고 하는 특징이 있게 된다. 그 효과는 특히 직경이 작은 선재에 대해 크기 때문에, 본 발명에 의해 종래의 곤란하였던 작은직경 이형선재의 장력소입이 가능해지게 되었다. 한편, 본 실시예에서는 압연가열이 유도가열에 의해 가열되도록 하였으나, 직접통전가열에 의하더라도 좋고, 양자를 함께 사용하여도 된다. 또, 본 실시예에서는 4방롤러 압연기의 단면을 1개의 스텐드로 하였으나, 2개의 스텐드 이상으로 하여도 좋다. 또, 열처리 이형강선의 단면형상은 본 실시예의 사다리꼴에 가까운 형상 이외에 각형이나 직사각형과 같은 여러 가지 단면형상을 하도록 하여도 된다. 이상과 같이 본 발명에 따른 열처리 이형강선과 그 제조방법 및 제조장치에 의하면, 직선성이 뛰어나고 높은 강도를 가진 열처리 이형강선이 한 공정에서 얻어질 수 있기 때문에, 코일스프링의 소선으로 쓰는 경우에 작게 굴곡됨으로 인한 코일성형시의 불량률이 거의 0 으로 낮아질 수가 있고, 이형의 스프링강선으로 코일스프링을 만드는 제조비가 대폭 낮아질 수 있게 된다. 특히, 종래에는 곤란하였던 작은 단면의 열처리 이형강선을 제조하는데 유효하게 된다. 또, 이형단면을 한 토션바와 같은 다른 용도에도 널리 사용할 수가 있게 된다. |
