KR20100122931A - 강재, 강재의 제조방법 및 강재의 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 형태에 따른 강재의 제조방법은, 고강도화 된 강재(W)에 열처리를 실시함으로써, 강재의 일부분의 경도를 상기 강재(W)의 그 외 부분의 경도보다도 낮게 하는 강재의 제조방법으로서, 상기 열처리는 유도가열 또는 직접 통전 가열에 의해 강재(W)의 표피로부터 일정 깊이까지를 급속 가열하는 가열공정과, 그 가열공정 후 소정 시간 후에, 상기 가열공정을 거친 상기 강재(W)를 급랭하는 냉각공정을 구비하고, 상기 가열공정에서의 가열온도가 Ac1 변태점 이상이다.

Description

강재, 강재의 제조방법 및 강재의 제조장치{STEEL MATERIAL, PROCESS FOR PRODUCING STEEL MATERIAL, AND APPARATUS FOR PRODUCING STEEL MATERIAL}

본 발명은 강재, 강재의 제조방법 및 강재의 제조장치에 관한 것으로, 특히 부위에 따라 경도가 다른 것에 관한 것이다.

예를 들어, 봉 또는 선의 원료가 되는 코일형 압연재(이하 압연재라고 함) 등의 강재로부터의 2차 가공(열처리)에 있어서, 내지연 파괴성을 향상시키기 위해, 예를 들어 표층부로부터 중심부에 걸쳐, 부위에 따라 인장 강도(경도)를 변화시키는 기술이 제공되고 있다.

예를 들어, 클래드강과 같이, 순철 등의 극저탄소강을 표층에 배치하고 압연하여 탈탄, 감탄을 이용하는 기술이 알려져 있다(예를 들어, 특개평4-212570호 공보 참조).

또한, 압연중에 Ac1~Ac3 온도로 가열하여, 표층에 생성시킨 탈탄층을 이용하는 기술(예를 들어, 특개소62-267420호 공보 참조)이나, 열처리 후, 표층부만 더 열처리를 재차 실시하는 기술(예를 들어, 특개평7-54441호 공보 참조)이 제공되고 있다.

아울러, 일반적으로 내지연 파괴성을 향상시키는 수단으로서, 도금이나 질화 등의 화학적인 표면처리를 실시하는 기술, 또는 내지연 파괴성이 우수한 비금속재의 코팅재를 표면에 실시하는 기술이 알려져 있다.

그러나, 상기의 기술에는 이하와 같은 문제가 있다. 즉, 압연재의 단계에서, 클래드강을 제작, 또는 Ac1~Ac3 온도로 가열하는 것에 의한 탈탄층을 만들어 넣은 후, 2차 가공(열처리)을 행하므로 전처리가 필요하다. 또한, 2차 가공(열처리)을 행한 후, 재차 표층부만을 열처리, 또는 화학적인 표면처리를 행할 필요가 있다. 따라서, 모두 공정이 복잡하며, 2차 가공(열처리) 전후로, 번잡한 처리 조건의 제어가 필요해진다.

따라서, 본 발명은 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 강재, 강재의 제조방법 및 강재의 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 형태에 따른 강재의 제조방법은, 고강도화 된 강재에 열처리를 실시함으로써 상기 강재의 일부분의 경도를 상기 강재의 그 외 부분의 경도보다도 낮게 하는 강재의 제조방법으로서, 상기 열처리는, 유도가열 또는 직접 통전 가열에 의해 상기 강재의 표피로부터 일정 깊이까지를 급속 가열하는 가열공정과, 그 가열공정 후 소정 시간 후에, 상기 가열공정을 거친 상기 강재를 급랭하는 냉각공정을 구비하고, 상기 가열공정에서의 가열온도가 Ac1 변태점 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 가열공정으로부터 상기 냉각공정까지의 시간이 강종, 선 지름, 가열온도 및 가열시간에 따라 결정되는 소정 시간 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 열처리의 처리 조건은 상기 강재의 표면 급속 가열 후의 전열 특성에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 열처리의 처리 조건은 상기 강재의 온도의 시간 적분치이며, 상기 강재의 뜨임(tempering) 진행 상태를 나타내는 뜨임 진행값에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 열처리의 처리 조건은 주파수, 입력 전기 에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간 중 적어도 두 개를 포함하는 조합으로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 강재의 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값을 산출하는 공정을 구비하고, 상기 열처리의 처리 조건은 상기 산출된 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 열처리의 처리 조건은 표층부에서의 상기 뜨임 진행값이 중심부에서의 상기 뜨임 진행값의 1.5배 이상의 값이 되도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 가열공정으로부터 상기 냉각공정까지의 시간은 표층부에서의 상기 뜨임 진행값이 중심부의 상기 뜨임 진행값의 1.5배 이상의 값이 되도록 설정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 강재는 선형 또는 봉형인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 강재에 대해 가열처리 및 냉각처리를 포함하는 담금질처리(quenching process)가 실시된 후, 뜨임처리로서 상기 가열공정 및 상기 냉각공정이 각각 한 번씩 행해지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 형태는, 상기 가열공정 및 상기 냉각공정을 거친 상기 강재로서, 그 표층부 부근의 경도와, 반경방향으로 표층으로부터 10%의 위치보다도 중심측의 경도의 차가 HV50 이상이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1420N/㎟ 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 모든 단면이 뜨임한 마르텐사이트 조직(tempered martensite structure)으로 되어 있고, 또한, 표층부의 경도가 HV380 이하이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1420N/㎟ 이상이고, 표층보다도 중심측의 경도가 균일한 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 모든 단면이 뜨임한 마르텐사이트 조직으로 되어 있고, 또한, 그 표층부의 경도가 HV420 이하이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1600N/㎟ 이상이고, 표층보다도 중심측의 경도가 균일한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 형태는 고강도화 된 강재에 열처리를 실시함으로써, 상기 강재의 일부분의 경도를 상기 강재의 그 외 부분의 경도보다도 낮게 하는 강재의 제조장치로서, 유도가열 또는 직접 통전 가열에 의해 상기 강재의 표피로부터 일정 깊이까지를 급속 가열하는 가열수단과, 그 가열 후 소정 시간 후에, 가열된 상기 강재를 급랭하는 냉각수단을 구비하고, 상기 가열공정에서의 가열온도가 Ac1 변태점 이상인 것을 특징으로 하는 강재의 제조장치이다.

본 발명은, 다른 일 형태로서, 상기 강재의 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값의 산출 결과에 근거하여 상기 열처리의 처리 조건을 제어하는 제어수단을 더 구비한 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 2는 동 실시형태의 열처리 공정을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 3은 동 실시형태에 있어서의 PC 강봉의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 4는 동 실시형태에 있어서의 PC 강봉의 성분을 나타내는 표이다.
도 5는 동 실시형태의 열처리 장치에 있어서의 코일 턴수와 선 지름의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 동 실시형태 및 종래예의 열처리 조건을 나타내는 표이다.
도 7은 동 실시형태의 PC 강봉의 전열해석에 의한 경과시간과 온도분포의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 동 실시형태의 PC 강봉의 전열해석에 의한 방랭시간과 온도분포의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 동 실시형태의 PC 강봉의 경도와 직경방향의 거리와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 동 실시형태에 있어서의 뜨임 과정에서의 표층부분으로부터 중심까지의 온도분포를 나타내는 그래프이다.
도 11은 동 실시형태에 있어서의 N 파라미터의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 12는 동 실시형태에 있어서의 표면과 중심의 N 파라미터의 비율과, 가열과정 및 방랭시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 13은 동 실시형태에 따른 열처리와, 종래의 열처리에 의해 얻어진 PC 강봉의 단면 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 14는 동 실시형태의 열처리로 제조된 PC 강봉의 축방향의 단면 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 15는 동 실시형태의 열처리에 이용하는 복수 종류의 PC 강봉의 성분을 나타내는 표이다.
도 16은 동 실시형태의 열처리와, 종래의 열처리에 의한 PC 강봉 W의 지연 파괴 시험 결과를 나타내는 표이다.
도 17은 동 지연 파괴 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 18은 동 실시형태의 PC 강봉 W1의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 19는 동 실시형태의 PC 강봉 W1의 노치의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 20은 동 실시형태의 열처리와, 종래의 열처리에 의한 PC 강봉의 지연 파괴 시험 결과를 나타내는 표이다.
도 21은 동 지연 파괴 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 22는 동 실시형태의 PC 강봉 W1에 형성된 노치의 깊이와 파단 시간과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 23은 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 열처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 설명도이다.
도 24는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이형 PC 강봉의 구성을 나타내는 측면도이다.
도 25는 동 실시형태에 있어서의 이형 PC 강봉의 성분을 나타내는 표이다.
도 26은 동 실시형태에 따른 열처리와 비교 열처리의 열처리 조건을 나타내는 표이다.
도 27은 동 실시형태에 있어서의 이형 PC 강봉의 열처리에 있어서의 경과시간과 온도변화의 전열해석에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 28은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 스프링 강선의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 29는 동 실시형태에 있어서의 스프링 강선의 성분을 나타내는 표이다.
도 30은 동 실시형태에 따른 열처리와 비교 열처리에 있어서의, 열처리 조건을 나타내는 표이다.
도 31은 동 실시형태에 따른 열처리에 있어서의 경과시간과 온도변화의 전열해석에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 32는 동 실시형태에 따른 열처리와 비교 열처리에 있어서의, 처리 후의 스프링 강선의 단면 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 33은 열처리재의 경도와 피로한도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 34는 비교 열처리재의 회전굽힘 피로시험 결과를 나타내는 표이다.
도 35는 비교 열처리재의 표층으로부터 개재물의 거리와 내구 횟수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 36은 동 실시형태에 따른 열처리에 의한 스프링 강선의 회전굽힘 피로시험 결과를 나타내는 표이다.
도 37은 동 실시형태에 따른 열처리에 의한 스프링 강선과 비교 열처리재에 의한 스프링 강선의 단면 경도, 잔류 응력 및 응력 진폭을 나타내는 그래프이다.
도 38은 다른 실시형태에 따른 스프링 강선의 성분 예를 나타내는 표이다.
도 39는 본 발명의 제4 실시형태에 따른 볼트의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 40은 동 실시형태에 따른 볼트의 성분을 나타내는 표이다.
도 41은 동 실시형태에 따른 열처리 및 비교 열처리에 있어서의 열처리 조건을 나타내는 표이다.
도 42는 동 실시형태에 있어서의 볼트 Wb의 열처리에 있어서의 경과시간과 온도변화의 전열해석에 의한 시뮬레이션 결과를 나타내는 그래프이다.
도 43은 동 실시형태에 따른 열처리와, 비교 열처리에 의해 얻어진 볼트의 단면 경도 분포를 나타내는 그래프이다.
도 44는 동 실시형태에 따른 열처리와, 비교 열처리에 의해 얻어진 볼트의 지연 파괴 시험 결과를 나타내는 표이다.
도 45는 동 실시형태에 따른 열처리와, 비교 열처리에 의해 얻어진 볼트의 누적 파단 확률과 파단 시간을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대해서 도 1 내지 도 22를 참조하여 설명한다. 도 1은 본 실시형태의 열처리 장치 10의 개념도이다. 도 2는 본 실시형태에 있어서의 PC 강봉의 제조공정의 플로차트이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 강재의 제조장치의 일예로서의 열처리 장치 10는, 강재의 일예인 PC 강봉 W를 반송하는 핀치롤 11(반송수단)과, 담금질 수단인 담금질 가열 코일 12 및 담금질 냉각 재킷 13과, 핀치롤 14(반송수단)과, 고주파 유도가열을 행하는 가열수단으로서의 뜨임 가열 코일 15과, 냉각수단으로서의 냉각 재킷 16과, 핀치롤 17(반송수단)이 직선형의 반송경로를 따라 배열되어 구성되고, PC 강봉(강재) W를 반송경로를 따라 반송하면서 가열 및 냉각하는 기능을 갖는다.

처리의 대상이 되는 PC 강봉 W는, 예를 들어 도 3에 나타낸 바와 같은 중실의 환봉형(solid round bar)이며, 축방향을 따라 연속하여 반송된다. PC 강봉 W는, 예를 들어 도 4에 나타내어진 성분을 포함하여 구성되나 이것에 한정되는 것은 아니다.

뜨임 가열 코일 15은, 사이를 통과하는 PC 강봉 W를 고주파 유도 가열하는 기능을 갖는다. 뜨임 가열 코일 15은 선 지름이나 반송속도에 맞추어 적당한 코일 턴수로 설정된다. 본 실시형태에서의 뜨임 가열 코일 15의 턴수는 예를 들어 6턴이지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 또한 비교대상으로서는, 17턴의 코일을 이용한 종래품을 예시하고 있다. 도 5에, 일반적인 코일 턴수, 선 지름, 반송속도의 관계를 나타낸다.

고주파 유도가열에 의한 뜨임에서는 PC 강봉 W 자체가 발열하나, 이 발열부의 깊이는 뜨임 가열 코일 15의 코일 턴수와 주파수, 입력 전기에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간의 조합에 의해 조절할 수 있다.

냉각 재킷 16은 통과하는 PC 강봉 W에 냉각액을 분사하여 냉각하는 기능을 갖는다.

뜨임 가열 코일 15로부터 냉각 재킷 16까지의 거리는 예를 들어 500㎜ 이하로 설정되어 있다. 또한, 통상적인 처리장치에서는 이 거리는 1900㎜ 정도이나, 본 실시형태에서는 가열처리로부터 냉각처리까지의 시간을 짧게 하기 위해서 이 사이의 거리를 짧게 설정하였다.

본 실시형태에 있어서의 열처리의 처리 조건의 일예를 도 6에 나타낸다. 이 처리 조건은, 후술하는 원리에 의해 고주파 유도 가열한 순간의 가열온도 패턴의 시간적인 변화와 강의 뜨임 특성을 이용하여 출원인이 발견한 것이다. 이 처리 조건으로 연속하여 열처리를 실시함으로써, 한 번의 뜨임으로 표층부에 저 경도의 층을 가짐과 아울러, 어느 깊이부터는 균일한 경도 분포를 가지며, 1420N/㎟ 이상의 강도 레벨이 되는 강봉 W를 제조하는 것이 가능해진다.

본 실시형태의 처리 조건은 주파수 50㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 805℃, 뜨임 가열시간 0.17s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 0.63s로 하고 있다. 여기서 이용한 PC 강봉은 직경 d(통칭) 7.1㎜의 세경 PC 강봉이며, 인장 강도가 1440N/㎟ 정도가 되도록 뜨임 가열온도를 조정하고 있다.

비교대상인 종래품의 처리 조건은 주파수 9.5㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 603℃, 뜨임 가열시간 0.59s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 3.48s이다. 이 종래품도 직경 d(통칭) 7.1㎜의 세경 PC 강봉이며, 전 단면의 평균 인장 강도가 1440N/㎟ 정도가 되도록 뜨임 가열온도를 조정하고 있다. 또한, 본 실시형태의 성분과 종래품은 동일 성분으로 한다.

즉, 본 실시형태의 뜨임 가열온도는 비교대상으로 한 종래품 보다도 높게, 또한 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간은 종래품 보다도 짧게 설정되어 있다.

또한, 뜨임 온도에 대해서는, 종래의 상식으로는 Ac1 변태점(727℃) 이상의 뜨임 온도로 가열하는 것은 “담금질이 되므로 불가능”하다고 여겨지고 있으나, 본 실시형태에서는, 고주파 유도 가열을 이용하여 표면의 급속한 가열과 가열 종료 직후의 급속한 냉각을 제어함으로써, Ac1 변태점 이상의 온도에서도, 급속한 냉각을 조합시키는 것에 의해 담금질이 되지 않도록 하는 것이 가능한 것을 발견하였다.

본 실시형태에 따른 열처리 장치 10에 있어서는, 후술하는 원리에 근거하여, 핀치롤 11 등에 의한 이송 속도, 뜨임 가열 코일 15에 의한 가열온도, 가열시간, 뜨임 가열 코일 15과 냉각 재킷 16의 거리 등을 적절하게 설정, 조절함으로써, 원하는 경도 분포를 갖는 PC 강봉 W를 얻을 수 있다.

이하, 상기 구성의 열처리 장치 10의 동작에 대해서 도 2의 흐름도를 참조하여 설명한다. 소재공정에서 인발가공되어 연속한 선형 또는 봉형의 강재인 연속선재 W0은, 핀치롤 11(반송수단)에 의해 도 1의 좌측에서 우측으로 연속 반송된다. 반송되는 연속선재 W0은, 담금질 공정에서 담금질 가열 코일 12에 의해 유도 가열에 의해 담금질 온도로 급속 가열된 후, 담금질 냉각 재킷 13에 의해 담금질 냉각액 분사에 의해 급랭되어 연속적으로 담금질된다.

담금질 처리가 실시된 연속선재 W0은 뜨임 가열 코일 15을 통과하면서 가열된다. 소정의 뜨임 온도로 가열된 연속선재 W0은, 연속적으로 냉각액이 분사되고 있는 냉각 재킷 16에 반송되고, 냉각 재킷 16에 의해 급랭이 개시된다. 냉각 재킷 16을 통과하여 연속선재 W0의 전 길이가 냉각되고 뜨임 열처리가 완료된다. 그리고, W0은 핀치롤 17에 의해 반출된다. 열처리를 완료한 후, 연속선재 W0(PC 강봉 W)은 가공ㆍ검사공정을 거쳐 완성품(PC 강봉 W)이 된다.

이어서, 열처리에 있어서의 처리 조건을 결정하기 위한 원리를 설명한다.

이하에, 처리 조건을 설정하는 기준이 되는 새로운 파라미터인 N 파라미터값(뜨임 진행값)에 대해 설명한다.

도 7에, 연속 열처리 중인 강재의 어느 단면의 가열개시로부터 0.8s까지의 경과시간과 온도변화의 유한요소 모델(FEM)을 이용한 전열해석에 의한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 표면으로부터 중심까지의 6개소에 있어서, 각각 횡축에 경과시간을, 종축에 온도를 나타내고 있다. 또한, 여기서는 가열시간을 0.17s로 하고 있으므로, 그래프 중의 0.8s까지 중, 최초(그래프 좌측)의 0.17s는 가열시간이고, 나머지 그래프 우측의 0.63s는 방랭시간이 된다.

일반적인 뜨임 파라미터로서, 장시간 가열한 경우에 성립하는 라손ㆍ밀러의 파라미터(Larson-Miller parameter) P＝T×(A＋logt)[T:온도(K), A:상수, t:시간(h)]가 알려져 있다. 이 파라미터 P의 값이 커질수록, 뜨임이 진행된 상태(저 경도)가 된다.

한편, 고주파 유도가열이 단시간 가열에서는, 예를 들어, 도 7에 나타낸 것과 같은 고주파 열처리에서의 급속 가열 과정과 급속 냉각 과정이 성립하고 있는 경우에, 어느 N 값을 파라미터로서 설정할 수 있다. 정의하는 N 값(N 파라미터값)은 PC 강봉 W의 온도의 시간 적분이며, 하기의 식(1)로 나타내어진다.

[수 1]

…(1)

여기서, T:온도(℃), t:시간(s), t0:열처리 시간(s)으로 한다.

즉, 이 N 파라미터값은 그래프에서의 각 곡선보다 아래에 둘러싸는 면적을 말한다. N 파라미터값의 값이 커질수록, 뜨임이 진행된 상태(저 경도)가 된다.

도 7에 의하면, t0을 0.8로 하였을 때, 즉 가열개시로부터 0.8s 시점으로서, 방랭시간이 0.63s의 시점에서는, 면적으로 나타내어지는 N 파라미터값을 비교하면, 표층부는 중심부의 N 파라미터값 보다 크게 되어 있고, 또한, 약 2㎜ 이상의 깊이에서는 N 파라미터의 차는 거의 변하지 않는다. 따라서, 이 시점에서 냉각하면, 도 9에 나타낸 것과 같은, 표층부가 저 경도이고, 저 경도층 종료부부터 중심부까지는 거의 균일한 경도 분포를 갖는 상태를 실현할 수 있다. 또한, 이 실시형태의 예에 있어서는 t0을 0.8로 하였으나 이것에 한정되는 것은 아니며, 선 지름이나 강종 등에 의한 각종 조건에 따라 적당한 값을 적용할 수 있다.

도 8에, FEM을 이용한 PC 강봉의 전열해석에 의한 방랭시간과 온도분포의 관계를 나타내는 그래프를 나타낸다. r(중심으로부터의 거리)/R(반경)을 횡축에, 온도를 종축에 나타낸 것을 0.3s 마다 각각 나타내고 있다. 해석 조건은 형상;중실환봉, 반경;3.65㎜, 재질;S40C, 발열층 깊이 0.154㎜, 가열시간 0.17s, 방랭시간 0.63s, 초기온도 20℃로 하였다. 또한, 그래프 중 t는 도 7과 대응한 가열개시로부터의 시간으로 나타내고 있고, 방랭을 개시하는 0.17s부터 방랭을 종료하는 0.8s까지의 해석 결과를 나타내고 있다. 따라서, t＝0.8s가 방랭시간 0.63s에 해당한다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 표층부의 발열에 의한 열은 시간과 함께 PC 강봉 중심이나 외부로 전달된다. 가열 초기는 표층부가 고온, 중심부는 저온의 온도분포를 나타내지만, 시간의 경과와 함께 표층과 중심의 온도가 균일해진다. t＝0.8s 시점에서는, 표층 온도 Ts＝430℃, 중심 온도＝429.1이 된다.

도 9는, PC 강봉 W의 단면 경도를 측정한 것이며, 횡축에 직경방향의 위치, 종축에 비커스 경도를 표시하고 있다. 경도는 인장 강도와 대응하고 있으며, 표층부가 저 경도(저 강도), 저 경도층 종료부부터 중심부까지는 거의 균일한 경도 분포를 갖는 상태를 실현하고 있다.

또한, 도 8에 의하면, 0.63s보다 후에 있어서는 균열상태가 되어 있으므로, 냉각까지의 시간이 길어지면 길어질수록, 표층부와 중심부의 N 파라미터값의 차가 없어져 가는 것을 알 수 있다.

도 10은, PC 강봉 W의 가열개시로부터 0.8s 후의 N 파라미터값과 비커스 경도를 나타낸다. N 파라미터값과 비커스 경도는 대칭 관계가 있고, 잘 일치하며, 경도는 N 파라미터로 정리할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상의 원리를 정리하면, PC 강봉 W의 인장 강도는 표면으로부터 중심까지의 뜨임 진행상태인 N 파라미터값으로 결정되므로, 규격을 만족하기 위해서는 어떤 범위가 존재한다는 것을 알 수 있다. 또한, 이 범위 내에서, 가능한 한 표층부와 중심부의 N 파라미터값의 차가 커지도록, 온도분포와 냉각까지의 시간을 제어함으로써, 원하는 특성을 갖는 강재를 얻을 수 있다는 것을 알 수 있다.

즉, 고주파 유도 가열한 순간의 가열온도 패턴의 시간적인 변화와 강의 뜨임 특성을 이용함으로써, 연속 열처리에 있어서, 한 번의 뜨임으로, 표층부에 저 경도층을, 어느 깊이부터는 균일한 경도 분포를 갖고, 인장 강도, 예를 들어 1420N/㎟ 이상의 강도를 갖는 강재의 제조방법을 실현할 수 있다.

일반적으로, 인장 강도가 낮을수록 내지연 파괴성이 우수하다는 점이 알려져 있다. 즉, 표면에 저 경도부를 갖는 PC 강봉 W는 우수한 내지연 파괴성과, 소정의 인장 강도를 아울러 갖는 PC 강봉이며, 상기의 방법에 의해 이러한 PC 강봉 W를 얻을 수 있다.

즉, 고주파 뜨임에서는, 적당한 코일과 주파수, 입력 전기 에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간을 선택함으로써 발열부의 깊이를 조절할 수 있어, 시뮬레이션으로 계산한 패턴을 실현할 수 있다. 따라서, 고주파 가열에 있어 냉각까지의 시간을 조정함으로써, PC 강봉 전체의 인장 강도를 규격에 만족시키면서, 표층부만 저 경도로 할 수 있다. 또한, 고주파 가열 이외의 로 가열과 같은 복사방식의 외부 가열은 단시간의 과정에서 승온도 균열도 하지 않고, 천천히 계속 가열하므로, 강의 뜨임 특성상, 반경방향으로 강도 차를 낼 수는 없으나, 고주파 가열의 경우는, 예를 들어 1s 이하 등의 단시간이므로, 표층부 이외의 내부 경도가 균일화된다고 하는 이점이 있다.

이 N 파라미터를 기초로 하여, 고주파 열처리 특유의 온도분포(N 파라미터의 차)를 이용하여, 한 번의 뜨임으로 표층부의 경도 분포를 조정할 수 있고, 또한, 강봉의 인장 강도의 규격치를 만족할 수 있는 연속 고주파 열처리 라인을 실현할 수 있다.

예를 들어, 표층의 N 파라미터가 중심의 N 파라미터의 1.5배 이상이 되도록 설정함으로써, 원하는 양호한 표층부 연화를 달성할 수 있다.

또한, N 파라미터는 100㎏/㎟급 이상의 강재에 대하여 적합하게 사용할 수 있고, 뜨임 온도의 제한으로부터, C:0.1mass%부터 0.5mass%의 보통강의 강이 바람직하다. N 파라미터가 원리로서 작용하기 위한 직경의 범위로서는, 예를 들어 5㎜~40㎜의 범위가 바람직하다.

즉, N 파라미터는 고강도 강의 뜨임을 이용하고 있고, 고주파 유도 가열 특유의 급속 가열에 의한 오버슈트(overshoot)와 강의 전열성에 의한 신속한 균열 가열로의 이행을 이용하고 있으므로, 상기 범위보다도 큰 선 지름이 되면, 원하는 표층부 연화를 달성할 수 있는 범위(중심과 표층의 N 파라미터가 1.5배 이상)이며, 또한, 전체가 균일하고 규격 강도 이내가 될 수 있는 뜨임을 행하는 것은 곤란해지기 때문이다. 단, 본 발명은 이 범위에 한정되는 것이 아니고, 고주파 뜨임상, 이 범위를 초과하는 큰 선 지름 이상이라도 적용 가능하다.

아울러, 이러한 점은 시간적 제약을 시사한다. 즉, N 파라미터의 효율을 나타내는 도 11에 나타낸 바와 같이, 연속 가열 라인에 있어서, 전체가 뜨임되는 상태를 고려한 단시간, 예를 들어 도 8에서의 0.8s 이하의 시간으로 냉각하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다. 즉, 오버슈트 시간은 매우 짧기 때문에, 표층부의 N 파라미터값이 중심부의 1.5배 이상이 아닌 경우에는, 뜨임은 주지된 바와 같이, 라손ㆍ밀러의 파라미터로 진행하므로, 공업적인 연속 열처리에서는 10s 이상 걸려버리면 고강도를 확보할 수 없기 때문에, 상기 N 파라미터의 시간적 제약이 발생하게 된다.

도 11에, N 파라미터와 비커스 경도의 관계를 나타낸다. N 파라미터값과 경도는 도 중의 식에 의해 결정되므로, 적당한 코일과 주파수, 입력 전기 에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간을 선택하여, 시뮬레이션에 의해 N 파라미터값을 추정해 놓으면 목적으로 하는 경도를 얻을 수 있다.

도 12에 PC 강봉 W에서의 중심과 표층부의 N 파라미터 비와 가열개시로부터의 경과시간을 나타낸다. 가열개시로부터 1s 정도까지에, 파라미터의 값이 1.5배 이상의 상태를 실현하고 있고, 표층부만 저 경도가 얻어졌다. 또한, 상기 열처리 방법에 의해 얻어진 PC 강봉 W는 전 단면 뜨임 마르텐사이트 조직이 되어 있다.

도 13에, 상기 열처리 방법에 의해 얻어진 PC 강봉 W의 단면 경도 분포를 나타낸다. 도 13에 있어서, 횡축에 표층으로부터의 거리를, 종축에 비커스 경도를 나타낸다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 통상적인 PC 강봉의 단면 경도 분포가 균일한데 반해, 본 발명에 의한 PC 강봉은 표층 부근의 경도가 낮으나, 중심부의 경도는 균일하다는 것을 확인할 수 있었다.

도 14에, 본 실시형태의 열처리로 제조된 PC 강봉의 축방향의 단면 경도 분포를 나타낸다. 표층으로부터의 거리가 다른 6개소에 대해, 각각 종축에 비커스 경도를, 횡축에 기준점으로부터 축방향에 있어서의 거리를 나타낸다. 도 14에 나타낸 바와 같이, PC 강봉 W의 경도 분포는 축방향에 대해 거의 일정하다는 것을 확인할 수 있었다.

이어서, 상기 PC 강봉 W로서, 도 15의 A, B에 나타내는 성분이 다른 2종류의 강종을 적용한 경우에 대해서, 상기 도 6에서 나타낸 조건의 열처리 방법에 의해 열처리를 실시한 경우의 지연 파괴 시험 결과를 도 16에 나타낸다. 또한, 도 15에서 나타내는 강종 A, 강종 B, 강종 C, 강종 D 중, 강종 A, B, C는 환봉의 PC 강봉, 강종 D는 이형 PC 강봉을 이용하였다. 도 17은, 도 16에 나타내는 시험 결과를 그래프로 표현한 것으로, 종축에 파단 시간, 횡축에 누적 파단 확률을 취한 것이며, 파단 시간이 길수록 내지연 파괴성이 우수하다는 것을 나타낸다.

또한, 지연 파괴 시험은 50℃로 유지한 20% NH₄SCN 용액에 침지한 상태로 1420×0.7N/㎟의 하중을 주는 것으로 행하였다.

도 17에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 의한 열처리를 실시한 각종 강봉은 통상적인 열처리를 실시한 강봉에 비해 내지연 파괴성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 17로부터, 플롯이 전체적으로 위에 있는(즉 파단 시간이 긴) 쪽이 내지연 파괴성이 우수하다는 것이 나타내어진다. 즉, 도 17에서는 본 실시형태의 조건으로 처리한 PC 강봉이 종래품보다 내지연 파괴성이 우수하다는 것을 알 수 있다.

아울러, 상기 지연 파괴 시험에서도 파단하지 않은 강종에 관해서는 노치 20를 마련한 샘플을 제작하여, 지연 파괴 시험을 행하였다. 노치 20를 마련한 PC 강봉 W1의 구성을 도 18, 19에 나타낸다.

이어서, 상기 PC 강봉 W1로서, 도 15의 C, D에 나타내는 성분이 다른 2종류의 강종을 적용한 경우에 대해서, 상기 도 6에서 나타낸 PC 강봉 W와 동일한 조건의 열처리 방법에 의해 열처리를 실시한 경우의 지연 파괴 시험 결과를 도 20에 나타낸다. 또한, 이 누적 파단 확률을 도 21에 나타낸다.

또한, 지연 파괴 시험은 50℃로 유지한 20% NH₄SCN 용액에 침지한 상태로 1420×0.8N/㎟의 하중을 주는 것으로 행하였다. 도 21은, 도 20에 나타내는 결과를 종축에 파단 시간, 횡축에 누적 파단 확률을 취한 것으로, 파단 시간이 길수록 내지연 파괴성이 우수하다는 것을 나타낸다.

도 22에, W1에 형성된 노치 20의 깊이와 파단 시간과의 관계를 나타낸다. 노치 20를 마련한 PC 강봉 W1이라도 본 열처리에 의한 강봉은 통상적인 열처리에 의한 강봉에 비해 내지연 파괴성이 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 종축에 평균 파단 시간, 횡축에 노치 20 깊이를 나타낸다. 본 실시형태에 의한 내지연 파괴성 향상 효과는 깊이 0.4㎜부터 급격하게 저하하고 있는 것을 알 수 있다. 이번에 이용한 PC 강봉 W1의 직경이 7.2㎜이므로, 표층으로부터 샘플 반경의 10%, 즉 표층으로부터 0.36㎜ 정도까지는 본 실시형태의 효과를 확인할 수 있었다.

본 실시형태에 따른 PC 강봉, PC 강봉의 열처리 방법 및 열처리 장치에 의하면, 아래와 같은 효과를 얻을 수 있다.

고주파 유도 가열에 의한 표면 가열과 강의 뜨임 성능을 융합시킴으로써, 단순한 처리로 내지연 파괴성이 우수한 PC 강봉을 얻을 수 있다. 즉, 가열한 순간의 온도 패턴의 시간적인 변화와 뜨임 특성을 이용함으로써, 소정의 처리 조건을 만족시키는 한 번의 뜨임으로, 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 강재를 얻을 수 있다.

고주파 유도 가열에 의해, 일반적으로는 담금질되기 때문에 적용되고 있지 않았던 720℃ 이상의 온도를 적용할 수 있는, 표층이 충분히 부드러운 층을 만드는 것이 가능한 조건을 발견하였다. 아울러 고주파에 의해 급속 단시간 가열하는 담금질 뜨임 열처리는 통상적인 로 가열에 의한 열처리에 비해 고강도 및 높은 인성을 얻을 수 있다.

또한, 상기와 같이 시뮬레이션 결과를 이용하여, 뜨임 특성과 전열 특성에 근거한 열처리 조건을 발견함으로써, 모든 강재에 대응하는 적절한 조건을 용이하게 발견할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태 그 자체에 한정되는 것은 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 예를 들어, 구체적인 처리 조건은 대상이 되는 강재의 강종이나, 요구하는 강도규격이나 경도의 분포, 장치의 사양 등에 따라 적당히 변경 가능하다. 또한 설정하는 열처리의 처리 조건도 상기에 한정되는 것은 아니다.

또한, 도 23에 나타내는 열처리 장치 101와 같이, 상기 제1 실시형태의 열처리 장치 10와 더불어, 처리 대상의 강재에 대한 각종 정보를 검출하는 검출수단 21, 유한요소법을 이용하여 상기 도 7, 8에서 나타낸 바와 같은 시뮬레이션 결과를 산출하는 산출수단 22, 이 시뮬레이션 결과에 따라 장치 101의 각 조건을 조정하도록 제어하는 CPU 등의 제어수단 23, 제어수단 23의 제어에 따라 각종 설정을 조정하는 조정수단 24을 구비하고, 대응하는 강재의 정보에 근거하여 열처리 조건을 제어 조절할 수 있도록 구성해도 좋다. 이 경우에는 예를 들어, 핀치롤 11, 14, 17의 이송기구의 속도나 냉각 재킷 16의 위치를 조정함으로써, 뜨임부터 냉각까지의 시간을 제어할 수 있다. 또한, 제어수단 23에 의해 가열온도나 주파수 등의 그 외의 열처리 조건도 제어할 수 있도록 구성해도 좋다. 이 경우에도 상기 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 강재의 정보에 대해서는, 유저가 입력하도록 하여도 좋다.

[제2 실시형태]

이하 본 발명의 제2 실시형태에 대해서, 도 24 내지 도 27을 참조하여 설명한다. 또한, 처리의 대상이 되는 강재를 이형 PC 강봉 Wc로 한 점 이외에 대해서는 상기 제1 실시형태와 동일하므로, 공통되는 설명을 생략한다.

또한, 본 실시형태에 따른 열처리를 표층 연화처리, 이 표층 연화처리에 의한 강재(여기서는 이형 PC 강봉 Wc)를 표층 연화재, 비교 대상이 되는 비교예로서의 열처리를 비교 열처리, 이 비교 열처리에 의한 이형 PC 강봉을 비교 열처리재라고 칭한다.

본 실시형태에 있어서는 도 24에 나타낸 바와 같이, 강재로서, 표층에 연속하는 동일한 나선형 홈을 갖는 이형 PC 강봉 Wc를 처리 대상으로 하였다. 제조장치 및 제조공정은 제1 실시형태와 동일하게, 도 1에 나타내는 열처리 장치 10를 이용하고, 도 2에 나타내는 제조공정에 의해 처리를 행하였다. 즉, 본 실시형태는 처리 대상이 되는 강재의 형상, 성분, 지름 등이 다를 뿐이므로, 제1 실시형태와 동일한 원리 및 동일한 파라미터에 의해, 열처리 조건이 결정된다.

본 실시형태에서는, 처리 대상으로서, 도 25에 나타내는 성분을 포함하는 이형 PC 강봉 Wc를 이용하는 경우에 대해서 예시하고 있으나 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 26에, 본 실시형태에 따른 이형 PC 강봉 Wc의 열처리 조건과, 비교 대상이 되는 비교 열처리의 열처리 조건을 나타낸다. 본 실시형태(표층 연화재)의 이형 PC 강봉 Wc의 열처리 조건은 주파수 50㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 805℃, 뜨임 가열시간 0.17s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 0.63s로 하고 있다. 여기서 이용한 이형 PC 강봉 Wc는 직경 db(통칭) 7.1㎜의 이형 PC 강봉이며, 전 단면 인장 강도를 1400N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다.

비교 처리 조건은 주파수 9.5㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 603℃, 뜨임 가열시간 0.59s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 3.48s이다. 이 비교 열처리재도 직경 7.1㎜의 이형 PC 강봉이며, 전 단면 평균 인장 강도가 1400N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다. 또한, 본 실시형태의 표층 연화재의 이형 PC 강봉 Wc의 성분과 비교 열처리재의 성분은 동일 성분으로 한다.

도 27에, 본 실시형태에서의 이형 PC 강봉 Wc의 열처리 경과시간과 온도변화 관계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기에서는 표면으로부터의 거리에 따른 경과시간과 온도와의 관계를 나타내고 있다.

도 27에서 알 수 있듯이, 중심부에 비해 표층부에서는, 도 중 사선부의 면적이 큰 것을 알 수 있다. 즉, 이 표층부에 있어서는 고온으로 장시간 유지된 상태가 되어, 경도가 크게 저하하게 된다.

본 실시형태에 있어서도, 상기 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉 고주파 유도 가열에 의한 표면 가열과 강의 뜨임 성능을 융합시킴으로써, 단순한 처리로 내지연 파괴성이 우수한 이형 PC 강봉을 얻을 수 있다. 즉, 가열한 순간의 온도 패턴의 시간적인 변화와 뜨임 특성을 이용함으로써, 소정의 처리 조건을 만족시키는 한 번의 뜨임으로, 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 이형 PC 강봉을 얻을 수 있다. 아울러 고주파에 의해 급속 단시간 가열하는 담금질 뜨임 열처리는 통상적인 로 가열에 의한 열처리에 비해 고강도 및 높은 인성을 얻을 수 있다.

[제3 실시형태]

이하 본 발명의 제3 실시형태에 대해서, 도 28 내지 도 37을 참조하여 설명한다. 또한, 처리의 대상이 되는 강재의 일예로서 스프링 강선 Ws를 이용한 점 이외에 대해서는 상기 제1 실시형태와 동일하므로, 공통되는 설명을 생략한다.

또한, 본 실시형태에 따른 열처리를 표층 연화처리, 이 표층 연화처리에 의한 강재(여기서는 스프링 강선 Ws)를 표층 연화재, 비교예로서의 열처리를 비교 열처리, 이 비교 열처리에 의한 스프링 강선을 비교 열처리재라고 칭한다.

본 실시형태에서는, 처리 대상이 되는 강재를, 도 28에 나타내는 스프링 강선 Ws로 하였다. 열처리 장치 및 제조공정은 제1 실시형태와 동일하며, 도 1에 나타내는 열처리 장치 10를 이용함과 아울러, 도 2에 나타내는 제조공정으로 처리를 행하였다. 즉, 본 실시형태는 처리 대상이 되는 강재의 성분, 지름 등이 다를 뿐이다. 따라서, 제1 실시형태와 동일한 원리 및 동일한 파라미터를 이용하여 열처리 조건이 결정된다.

본 실시형태에서는, 처리 대상으로서, 도 29에 나타내는 성분을 포함하여 구성되는 스프링 강선 Ws를 이용하는 경우에 대해서 예시하고 있으나, 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 30에, 본 실시형태에 따른 열처리와, 비교예로서의 비교 열처리의 열처리 조건을 나타낸다. 본 실시형태에 따른 표층 연화처리의 열처리 조건은 주파수 50㎑, 담금질 가열온도 950℃, 뜨임 가열온도 789℃, 뜨임 가열시간 0.4s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 2.6s로 한다.

여기서 이용한 스프링 강선 Ws는 직경 ds＝12.0㎜의 스프링 강선이며, 전 단면 인장 강도가 1900N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다.

비교예로서의 비교 열처리 조건은 주파수 9.5㎑, 담금질 가열온도 950℃, 뜨임 가열온도 495℃, 뜨임 가열시간 1.7s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 11.1s이다.

비교 열처리재도 직경 12.0㎜의 스프링 강선이며, 전 단면 평균 인장 강도가 1900N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다. 또한, 본 실시형태의 스프링 강선 Ws와 비교 열처리재는 동일 성분으로 한다.

도 31에, 본 실시형태에서의 스프링 강선 Ws의 열처리 경과시간과 온도변화 관계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기에서는 표면으로부터의 거리에 따른 경과시간과 온도의 관계를 나타내고 있다.

도 31에서 알 수 있듯이, 중심부에 비해 표층부에서는, 도 중 사선부의 면적이 큰 것을 알 수 있다. 즉, 이 표층부에 있어서는 고온으로 장시간 유지된 상태가 되어, 경도가 크게 저하하게 된다.

도 32에, 표층으로부터의 거리와 경도의 분포를 나타낸다. 종축에 경도[HV0.3]를 나타내고, 횡축에 표층으로부터의 거리[㎜]를 나타낸다. 도 32에서는, 비교예로서의 열처리가 이루어진 스프링 강선(비교 열처리재)과, 본 실시형태의 열처리 조건으로 처리를 행한 스프링 강선 Ws(표층 연화재)의 경도 분포를 각각 나타낸다.

비교 열처리재는 표층으로부터의 거리가 변화하여도 경도가 거의 변화하고 있지 않다. 한편, 본 실시형태에 따른 열처리를 실시한 스프링 강선 Ws에서는, 표층 부근에서, 표층으로부터의 거리가 커짐에 따라 경도가 커지도록 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 표층으로부터 1㎜의 범위에서는 Hv＜500으로 되어 있다.

또한, 도 33에 나타낸 바와 같이, 일반적으로 경도[Hv]＞500에서는, 피로 시험을 행한 경우에 개재물을 기점으로 한 조기 절손이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 본 실시형태의 열처리 조건으로 처리함으로써 표층을 연화시킨 스프링 강선 Ws(표층 연화재)에서는, 피로 특성이 개선된다.

도 34에, 비교예로서의 비교 열처리재의 회전굽힘 피로시험의 결과로서, 표층으로부터 개재물까지의 거리와 내구 횟수의 관계를 나타낸다. 도 35에, 비교 열처리재에 있어서의 표층으로부터 개재물까지의 거리와 내구 횟수의 관계를 그래프화 한 것을 나타낸다. 도 34, 도 35로부터, 비교 열처리재에서는 표층으로부터 개재물로의 거리가 클수록, 내구 횟수가 증가하는 경향이 인정된다.

도 36에, 본 실시형태에 의해 처리된 스프링 강선 Ws(표층 연화재)의 회전굽힘 피로시험의 결과로서, 스프링 강선 Ws에 있어서의 표층으로부터 개재물까지의 거리와 내구 횟수의 관계를 나타낸다.

회전굽힘 피로시험의 결과는 모두, 숏피닝(shot peening) 후, 회전굽힘 피로시험을 실시한 경우를 예시한다. 시험 조건은 응력 진폭:700MPa, 회전속도 2000rpm으로 하였다. 1000만회까지 시험을 행하였다. 그래프 중 「＞1000」은 1000만회 후에도 파단되지 않은 것을 나타낸다.

도 34와 도 36을 비교하면, 본 실시형태의 스프링 강선 Ws(표층 연화재)에서는, 비교예의 스프링 강선(비교 열처리재)에 비해 큰 폭으로 내구 횟수가 증가하고 있고, 피로 특성이 개선되고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시형태의 스프링 강선 Ws(표층 연화재)에서는 절손은 모두 표층을 기점으로 하여 발생하는 것이 인정된다.

도 37은, 단면 경도, 잔류 응력 및 응력 진폭의 분포를 나타내는 그래프이다. 횡축에 표층으로부터의 거리[㎜]를 나타낸다. 종축에 경도[HV0.3], 응력 진폭[MPa], 잔류 응력[MPa]을 나타낸다.

잔류 응력의 분포는 모두 동일한 분포로 되어 있고, 표층으로부터 0.1㎜ 부근에서 최대의 압축 응력을 나타낸 후, 0.2㎜ 이상에서는 인장 응력을 나타내고 있다.

이 그래프에서 알 수 있듯이, 비교 열처리재에서는 경도가 높고, 동일한 응력 진폭의 경우에 인성이 낮으므로 잔류 응력이 인장인 표층으로부터 0.2~1.0㎜ 범위에서, 개재물을 기점으로 한 조기 절손이 일어난다.

한편, 표층 연화재인 본 실시형태의 스프링 강선 Ws에서는 표면의 경도가 낮고 인성이 높으므로, 상기 0.2~1.0㎜ 정도의 표층에 가까운 범위에서도, 개재물을 기점으로 한 피로 균열의 발생이 억제된다. 이로 인해, 내구 횟수가 큰 폭으로 향상한다.

본 실시형태에 있어서도, 상기 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉 고주파 유도가열에 의한 표면 가열과 강의 뜨임 성능을 융합시킴으로써, 단순한 처리로 내지연 파괴성이 우수한 스프링 강선을 얻을 수 있다. 즉, 가열한 순간의 온도 패턴의 시간적인 변화와 뜨임 특성을 이용함으로써, 소정의 처리 조건을 만족시키는 한 번의 뜨임으로, 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 스프링 강선을 얻을 수 있다. 아울러 고주파에 의해 급속 단시간 가열하는 담금질 뜨임 열처리는 통상적인 로 가열에 의한 열처리에 비해 고강도 및 높은 인성을 얻을 수 있다.

또한 본 실시형태로 제조되는 스프링 강선 Ws에 의하면, 잔류 응력이 인장인 표층으로부터 0.2~1.0㎜의 범위에서 연화시킴으로써, 개재물을 기점으로 한 조기 절손을 일어나기 어렵게 하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 일예로서 도 29에 나타내는 성분을 나타내었으나, 이것에 한정되는 것은 아니다. 다른 예로서, 예를 들어 도 38에 나타낸 것과 같은 성분을 포함하는 강종 E~강종 I를 들 수 있다. 이들 강재에 있어서도, 상기와 동일한 처리에 의해 표층 부근을 연화시킬 수 있어, 고강도, 고인성을 얻을 수 있음과 아울러, 개재물을 기점으로 한 조기 절손을 방지할 수 있다. 또한, 도 38의 표 최하단은 예시한 복수의 스프링 강선에 포함되는 각 성분을 범위로 나타낸 것이다.

[제4 실시형태]

이하 본 발명의 제4 실시형태에 대해서, 도 39 내지 도 45를 참조하여 설명한다. 또한 처리의 대상이 되는 강재의 일예로서 볼트 Wb를 이용한 점 이외에 대해서는 상기 제1 실시형태와 동일하므로, 공통되는 설명을 생략한다.

또한, 본 실시형태에 따른 열처리를 표층 연화처리, 이 표층 연화처리에 의한 볼트 Wb를 표층 연화재, 비교예로서의 열처리를 비교 열처리, 이 비교 열처리에 의한 볼트를 비교 열처리재라고 칭한다.

본 실시형태에 있어서는 도 39에 나타내는 볼트 Wb를 처리 대상으로 하였다. 제조장치 및 제조공정은 제1 실시형태와 동일하며, 도 1에 나타내는 제조장치를 이용함과 아울러, 도 2에 나타내는 제조공정에 의해 처리를 행하였다. 즉, 본 실시형태는 처리 대상이 되는 강재의 형상, 성분, 지름 등이 다를 뿐이므로, 제1 실시형태와 동일한 원리 및 동일한 파라미터에 의해 열처리 조건이 결정된다.

본 실시형태에서는, 처리 대상으로서, 도 40에 나타내는 성분을 포함하는 볼트 Wb를 이용하는 경우에 대해 예시하고 있으나 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 41에, 본 실시형태에 따른 열처리와 비교 열처리에서의 볼트 Wb의 열처리 조건을 나타낸다. 본 실시형태(표층 연화재)의 열처리 조건은 주파수 50㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 780℃, 뜨임 가열시간 0.15s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 0.61s로 하고 있다.

여기서 이용한 볼트 Wb는 직경 db＝7.1㎜의 볼트이며, 전 단면 인장 강도를 1600N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다.

비교 열처리 조건은 주파수 9.5㎑, 담금질 가열온도 1000℃, 뜨임 가열온도 480℃, 뜨임 가열시간 0.61s, 뜨임 가열부터 냉각까지의 시간 3.50s이다. 이 비교 열처리재도 직경 7.1㎜의 볼트이며, 전 단면 평균 인장 강도가 1600N/㎟ 정도가 되도록 조정하고 있다. 또한, 본 실시형태의 표층 연화재의 볼트 Wb의 성분과 비교 열처리재의 성분은 동일 성분으로 한다. 또한, 어떠한 열처리도 볼트의 바(bar)재 Wb1에 나사를 전조가공하기 전에 행해지는 것으로 한다.

도 42에, 본 실시형태에 있어서의 볼트 Wb의 열처리 경과시간과 온도변화 관계의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서는 표면으로부터의 거리에 따른 경과시간과 온도와의 관계를 나타내고 있다.

도 42에서 알 수 있듯이, 중심부에 비해 표층부에서는, 도 중 사선부의 면적이 큰 것을 알 수 있다. 즉, 이 표층부에 있어서는 고온으로 장시간 유지된 상태가 되어, 경도가 크게 저하하게 된다.

도 43에, 비교예로서의 비교 열처리 조건으로 처리를 행한 볼트(비교 열처리재)와, 본 실시형태의 열처리 조건으로 처리를 행한 볼트 Wb(표층 연화재)의 경도 분포를 각각 나타낸다. 종축에 경도[HV0.3]를 나타내고, 횡축에 표층으로부터의 거리[㎜]를 나타낸다.

도 43에 있어서는, 비교 열처리재는 표층으로부터의 거리가 변화하여도 경도가 거의 변화하고 있지 않다. 한편, 본 실시형태에 따른 열처리를 실시한 볼트 Wb(표층 연화재)에서는, 표층 부근에서, 표층으로부터의 거리가 커짐에 따라 경도가 커지도록 변화하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 표층으로부터 1.0㎜의 범위에서는 Hv＜500으로 되어 있다.

본 실시형태의 열처리 조건으로 처리한 볼트 Wb(표층 연화재)에서는, 비교 열처리재에 비해 지연 파괴 특성이 개선된다.

도 44에, 본 실시형태의 볼트 Wb(표층 연화재)와 비교 열처리재와의 지연 파괴 시험 결과를 비교한 표를 나타낸다. 여기서, 지연 파괴 시험은 볼트 Wb의 바(bar)재 Wb1의 전 길이에 나사 전조가공한 후에, 시험을 실시하였다. 나사의 깊이는 0.7㎜로 하였다. 지연 파괴 시험의 조건은 20% NH₄SCN 용액에 침지시킨 상태로 하여, 시험온도:50℃로 하고, 나사부의 인장 강도 1530N/㎟×0.7의 인장력을 주었다. 시험은 재하방법(load carrying method), 균일 변형법(constant strain method)을 이용하여 200시간 경과까지 실시하였다. 도 중 「＞200」은 200시간 후에도 파단하지 않은 것을 나타낸다.

도 45는, 본 실시형태의 표층 연화재와 비교 열처리재의 누적 파단 확률과 파단 시간의 관계를 나타내는 그래프이다. 횡축에 누적 파단 확률[%]을 나타내고, 종축에 파단 시간[h]을 나타낸다.

도 44, 도 45에 의하면, 비교 열처리재에서는 30~130 시간에서 파단하고 있는데 반해, 표층 연화재에서는 모든 시료에서 200시간 이상 경과하여도 파단하고 있지 않은 것을 알 수 있다. 따라서, 표층 연화처리를 행함으로써 내지연 파괴 특성의 향상이 인정된다.

본 실시형태에 있어서도, 상기 제1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 즉 고주파 유도가열에 의한 표면 가열과 강의 뜨임 성능을 융합시킴으로써, 단순한 처리로 내지연 파괴성이 우수한 볼트를 얻을 수 있다. 즉, 가열한 순간의 온도 패턴의 시간적인 변화와 뜨임 특성을 이용함으로써, 소정의 처리 조건을 만족시키는 한 번의 뜨임으로, 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 볼트를 얻을 수 있다. 아울러 고주파에 의해 급속 단시간 가열하는 담금질 뜨임 열처리는 통상적인 로 가열에 의한 열처리에 비해 고강도 및 높은 인성을 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태에 있어서는, 일예로서 도 40에 나타내는 성분을 나타내었으나, 이것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 본 발명은 상기 각 실시형태 그 자체에 한정되는 것은 아니며, 실시 단계에서는 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 구성 요소를 변형하여 구체화할 수 있다. 예를 들어, 구체적인 처리 조건은 대상이 되는 강재의 형상, 강종, 성분, 요구하는 강도규격이나 경도의 분포, 장치의 사양 등에 따라 적당히 변경 가능하다. 또한 설정하는 열처리의 처리 조건도 상기에 한정되는 것은 아니다.

여기서는 일예로서, 제1 내지 제4 실시형태에 있어서, 각각 PC 강봉, 이형 PC 강봉, 스프링 강선, 볼트를 예시하였으나, 어떠한 것에 있어서도 동일한 원리를 이용한 처리로 동일한 결과가 얻어지고 있다. 본 발명의 개념은 이들 예시한 강종에 한정되지 않고, 다른 종류의 강재에 널리 적용할 수 있는 것이다.

또한, 각 실시형태에 있어서는 담금질 처리에 의해 고강도화 된 강재에 뜨임 처리를 행하여 표층 연화시키는 경우에 대해 설명하였으나, 이 외에, 신선, 스트레치의 강가공이나, 침탄 등의 처리에 의해 고강도화 된 강재를 이용해도 좋다.

또한, 상기 각 실시형태에 개시되어 있는 복수의 구성요소의 적당한 조합에 의해, 여러 가지 발명을 형성할 수 있다. 예를 들어, 실시형태에 나타내어지는 모든 구성요소로부터 몇 개의 구성요소를 삭제하여도 된다. 아울러, 다른 실시형태에 미치는 구성요소를 적당히 조합하여도 좋다.

본 발명에 의하면, 단순한 처리로, 부위에 따라 경도가 다른 강재, 강재의 제조방법 및 강재의 제조장치를 제공하는 것이 가능해진다.

Claims (15)

1. 고강도화 된 강재에 열처리를 실시함으로써 상기 강재의 일부분의 경도를 상기 강재의 그 외 부분의 경도보다도 낮게 하는 강재의 제조방법으로서,
   상기 열처리는, 유도가열 또는 직접 통전 가열에 의해 상기 강재의 표피로부터 일정 깊이까지를 급속 가열하는 가열공정과, 그 가열공정 후 소정 시간 후에, 상기 가열공정을 거친 상기 강재를 급랭하는 냉각공정을 구비하고,
   상기 가열공정에서의 가열온도가 Ac1 변태점 이상인 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가열공정으로부터 상기 냉각공정까지의 시간이 강종, 선 지름, 가열온도, 및 가열시간에 따라 결정되는 소정 시간 이하인 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열처리의 처리 조건은 상기 강재의 표면 급속 가열 후의 전열 특성에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리의 처리 조건은 상기 강재의 온도의 시간 적분치이며, 상기 강재의 뜨임 진행 상태를 나타내는 뜨임 진행값에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열처리의 처리 조건은 주파수, 입력 전기 에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간 중 적어도 두 개를 포함하는 조합으로 하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 강재의 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값을 산출하는 공정을 구비하고,
   상기 열처리의 처리 조건은 상기 산출된 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
7. 제4항에 있어서, 상기 열처리의 처리 조건은 표층부에서의 상기 뜨임 진행값이 중심부에서의 상기 뜨임 진행값의 1.5배 이상의 값이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열공정으로부터 상기 냉각공정까지의 시간은 표층부에서의 상기 뜨임 진행값이 중심부의 상기 뜨임 진행값의 1.5배 이상의 값이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재는 선형 또는 봉형인 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강재에 대해 가열처리 및 냉각처리를 포함하는 담금질처리가 실시된 후, 뜨임처리로서 상기 가열공정 및 상기 냉각공정이 각각 한 번씩 행해지는 것을 특징으로 하는 강재의 제조방법.
11. 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 상기 가열공정 및 상기 냉각공정을 거친 상기 강재로서,
    그 표층부 부근의 경도와, 반경방향으로 표층으로부터 10%의 위치보다도 중심측의 경도 차가 HV50 이상이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1420N/㎟ 이상인 것을 특징으로 하는 강재.
12. 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 상기 가열공정 및 상기 냉각공정을 거친 상기 강재로서,
    전 단면 뜨임 마르텐사이트 조직으로 되어 있고, 또한, 표층부의 경도가 HV380 이하이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1420N/㎟ 이상이고,
    표층보다도 중심측의 경도가 균일한 것을 특징으로 하는 강재.
13. 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 상기 가열공정 및 상기 냉각공정을 거친 상기 강재로서,
    전 단면 뜨임 마르텐사이트 조직으로 되어 있고, 또한, 그 표층부의 경도가 HV420 이하이며, 또한 JISZ2201의 2호 시험편으로 인장시험을 행한 경우의 인장 강도가 1600N/㎟ 이상이고,
    표층보다도 중심측의 경도가 균일한 것을 특징으로 하는 강재.
14. 고강도화 된 강재에 열처리를 실시함으로써, 상기 강재의 일부분의 경도를 상기 강재의 그 외 부분의 경도보다도 낮게 하는 강재의 제조장치로서,
    유도가열 또는 직접 통전 가열에 의해 상기 강재의 표피로부터 일정 깊이까지를 급속 가열하는 가열수단과,
    그 가열 후 소정 시간 후에, 가열된 상기 강재를 급랭하는 냉각수단을 구비하고,
    상기 가열공정에서의 상기 강재의 가열온도가 Ac1 변태점 이상인 것을 특징으로 하는 강재의 제조장치.
15. 제14항에 있어서, 상기 가열수단에서의 처리 종료로부터 상기 냉각수단에서의 처리 개시까지의 시간이 강종, 선 지름, 가열온도, 가열시간 등에 따라 결정되는 소정 시간 이하이며,
    상기 열처리의 처리 조건은 상기 강재의 표면 급속 가열 후의 전열 특성, 상기 강재의 뜨임 진행상태를 나타내는 뜨임 진행값, 주파수, 입력 전기 에너지, 가열온도, 가열시간, 방랭시간 중 적어도 두 개를 포함하는 조합에 근거하여 결정되고,
    상기 열처리의 처리 조건은 표층부의 상기 뜨임 진행값이 중심부의 상기 뜨임 진행값의 1.5배 이상의 값이 되도록 설정하고,
    상기 가열공정으로부터 상기 냉각공정까지의 시간은 강종, 선 지름, 가열온도, 가열시간 등에 따라 결정되는 소정 시간 이하로 설정하고,
    상기 강재는 선형 또는 봉형이며,
    상기 강재를 상기 가열수단 및 상기 냉각수단을 통과하는 소정의 경로를 따라 연속적으로 반송하는 반송수단을 더 구비하고, 상기 처리 조건은 상기 반송경로에서의 거리 및 상기 반송속도를 포함하고,
    상기 강재에 대해 가열처리 및 냉각처리를 실시하는 담금질 수단을 구비하고,
    상기 반송경로에서의 상기 담금질 수단의 하류측에 상기 가열수단 및 상기 냉각수단이 각각 하나씩 구비되고,
    상기 강재의 전열 특성 또는 상기 뜨임 진행값의 산출결과에 근거하여 상기 열처리의 처리 조건을 제어하는 제어수단을 더 구비한 것을 특징으로 하는 강재의 제조장치.

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