패스너기술/ 판 스프링 QUENCHING에 따른 변형
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판 스프링 QUENCHING에 따른 변형
1. 개요
(1) 스프링의 형상
<사진1>은 대표적인 스프링의 현상들을 나타낸 것이다.
스프링의 대표적인 것으로는 판 스프링을 구성하는 스프링판, 코일 스프링, 봉상 형태인 토션바 스프링 등이 있다.
재질은 스프링강인 SUP6 또는 SUP9가 많이 이용되며 비교적 사이즈가 큰 스프링일 경우에는 SUP11이나 SAE4161 등 일반적으로 경화능이 좋은 강이 이용되고 있다.

(2) QUENCHING변형의 양상
스프링 형상이나 종류에 따라서 나타나는 QUENCHING변형의 양상도 조금씩 다르다.
스프링판의 경우 QUENCHING으로 문제가 되는 것은 구부러짐이나 뒤틀림 변형 등이며 코일 스프링의 경우에는 스프링 높이에 차이가 생겨 불균형이 생기게 된다.
또 토션바의 경우에는 중간부분이 구부러지거나 휘는 등의 QUENCHING 변형이 발생된다.

2. QUENCHING변형의 발생원인
QUENCHING변형의 발생원인은 한마디로 복합적이다.
더우기 이것은 스프링의 형상에 의해서도 좌우되기 때문에 여기서는 모든 것을 고려해서 가장 일반적인 환봉 형상의 스프링강을 이용하여 기초적인 실험결과로부터 QUENCHING변형의 발생원인을 추적해 보았다.
이 시험에 이용된 시편은 SUP6 10.6 ø×200㎜와 SUP9 25ø×200㎜두 종류이다.

(1) 가열시 배치(놓는)방향의 영향
가열시의 배치 방향의 영향을 알아보기 위해 다음과 같이 3가지 경우로 나누어 가열을 해주었다.
ⅰ) 로 바닥과 수직으로 매단다.
ⅱ) 로 바닥으로부터 20°경사지게 매단다.
ⅲ) 로 바닥과 평행하게 놓는다.
가열 후에는 공냉을 시켜 구부러짐 양을 조사하였다. <그림1>은 이들 배치 방향에 따라 나타난 구부러짐 측정 결과치로 직경이 가는 것일수록 배치방향에 민감한 반응을 보였다.
한편 구부러짐이 가장 적게 생긴것은 직경의 크기에 관계없이 수직으로 매단 경우였으며 ⅲ)과 같이 수평으로 놓고 가열했을 때가 구부러짐이 가장 심하게 나타났다.
이것은 아마도 실제로 바닥이 평평하지 않은데 원인이 있었다고 여겨지며 따라서 수평으로 놓고 가열을 할 경우 지지대나 선반 등을 놓아 바닥의 평활도를 고려해서 처리해 준다면 변형 발생 정도를 다소 줄일 수 있다.
그림 1 그림 2
(2) QUENCHING시 투입방법의 영향
QUENCHING시 처리물의 투입 방법에 따른 영향을 알아보고자 다음과 같이 투입 방법을 4가지로 나누어 QUENCHING 후 구부러짐의 양을 조사하였다.
이때 냉매로는 oil을 사용했고 QUENCHING처리전 가열은 수직으로 매달아 행해주었다.
또 가능한 한 투입방법상의 영향만을 조사하기 위한 것이므로 교반도 시편이 완전 경화가 될 수 있을 정도로 서서히 행해주었다.
ⅰ) 수직투입(0。)
ⅱ) 10。경사
ⅲ) 30。경사
ⅳ) 수평(90。)
<그림2>는 각 네가지 방법으로 실험을 했을 때의 구부러짐 측정 결과치이다.
투입각도가 클수록 즉, 수평에 가깝게 투입할수록 구부러짐의 정도도 크게 나타나고 있으며 이런 양상은 특히 직경이 가는 재료일수록 두드러졌다.
물론 이 경우에 있어서 실험 측정값은 여기에 사용된 냉매가 욕 바닥쪽에서 교반되고 있는 상태였기 때문에 이점을 감안해서 대해야 한다.
즉, 투입각도가 클수록 (수평에 가깝게 투입된 것일수록)한쪽 면만이 강하게 냉각되며 이것은 결국 불균형한 냉각을 점차적으로 증가시키는 결과로 나타나 구부러짐 변형량도 크게 했다고 볼 수 있다.

(3) 냉각속도의 영향
위의 설명으로도 알 수 있듯이 QUENCHING변형은 냉각속도에 따라서도 많은 차이를 보인다.
여기에서는 가열시 배치방식이나 QUENCHING시 투입방식외에 냉각속도의 영향을 알아보기 위해 oil bath의 교반 정도를 변화시켜가며 이때 발생된 구부러짐 양을 비교조사하였다. 교반은 다음과 같이 3가지로 나누어 실시하였다.
ⅰ) 정지상태(무교반 상태)
ⅱ) 약 교반 상태
ⅲ) 격렬한 교반 상태

그림 4 그림 5

그 결과는 <그림3>에 나타냈는데 여기서 보듯이 직경이 큰 재료는 교반의 정도가 구부러짐에 그다지 큰 영향을 미치지 않았으나 직경이 작은 재료 즉, 가는 재료는 교반에 민감한 반응을 보여 교반이 격렬해 질수록 구부러짐의 양도 크게 증가하였다.
한편 <그림4>는 oil bath에 투입 후 Ms점 부근에서의 냉각속도에 따른 영향을 조사한 것이다.

다시 말하면 처리물을 oil에 침적한 후 그대로 냉각시키다가 온도가 Ms점 부근에 이르게 되면 그때 냉각속도를 다양하게 변화시켜가며 Ms점 부근의 냉각속도에 따른 구부러짐의 정도를 관찰한 것이다.
이결과에 의해 Ms점 부근에서 빠르게 냉각해주면 구부러짐이 증가하게 되지만 이전에 격렬하게 교반해 주었더라도 Ms점 부근에 도달할 때 다시 서서히 냉각해 주면 구부러짐을 어느정도 감소시킬 수 있음을 알 수 있었다.

<그림5>는 무교반 상태의 물을 QUENCHING 매체로 사용하여 물의 온도를 변화시켜가며 구부러짐 상태를 조사한 것이다.
물의 온도가 높아질수록 구부러짐이 작게 나타났다.
이 경우는 10.6ø크기의 시편만을 실험했는데 두께가 가늘어 냉매 온도 60℃정도에서도 경화가 되었다.
만약 똑같이 경화가 된다면 냉각속도가 느릴때 구부러짐이 보다 적게 생긴다.

3. Quenching변화의 방지대책
위의 결과로부터 환봉 형상으로 된 부품(환봉과 비슷한 형상의 부품도 포함. 예를 들어 타원 형상의 스프링 봉)의 경우에는 수직으로 매달아 가열하고 다시 수직으로 투입해서 QUENCHING하는 방법이 QUENCHING변형을 최소화하는 것임을 알 수 있었다.

또 무교반상태에서도 경화(QUENCHING)가 된다면 그대로 교반을 해주지 않고 냉각해주는 것이 QUENCHING변형면에서 효과적이며 만약 교반없이는 경화가 되지 않는 경우라면 가능한 한 담금질변형을 최소로 하면서 경화가 될 수 있도록 적당한 교반상태를 선택해야 한다.

변형을 감소시키기 위해서는 앞에서도 언급한 바와 같이 초기에는 격렬하게 교반을 해주더라도 Ms점 부근에 이르게 되면 매우 서서히 약한 교반상태에서 냉각을 해주어야 한다.
그러나 여러가지 이유로 해서 실제 처리품을 연속적으로 양상중인 공장에서 위와 같은 방법이 이용되고 있지않은 경우도 많다.
일례로 스프링 판과 코일 스프링을 생산하고 있는 한 회사에서는 두 종류 모두 프레스 QUENCHING방식을 사용해서 QUENCHING벼니형을 감소시키고 있다.

즉, 스프링판의 경우 카빙롤을 이용하여 규정한 치수대로 구부러짐 가공을 행한 후 스프링만을 단독으로 퀘칭시키는 것이 아니라 스프링을 형틀에 끼워 프레스한 상태로 담금질을 행하고 있다.
<그림6>은 스프링 판을 일반 QUENCHING했을때와 프레스Quenching방식으로 냉각했을때 구루러짐 변형의 효과를 비교한 것으로 프레스 QUENCHING 방식으로 냉각했을 때가 훨씬 고른 변형 분포를 나타내고 있다.

<사진2>는 코일 스프링을 프레스 QUENCHING하는 모습이다. 이 경우 코일의 높이와 직경, 두 방향에서 고정시켜 QUENCHING작업을 하지만 스프링판의 경우만큼 프레스 QUENCHING효과가 크지는 않다.
단지 코일의 가운데 부분(허리 부분이라고도 함)의 구부러짐변형을 방지하는데는 효과가 매우 좋다.

그림 6 사진 2

4. 결론
이상과같이 스프링의 QUENCHING변형에 미치는 영향을 여러각도로 조사해보았다. 가열방식 및 냉각방식, 냉각 속도외에도 다른 여러가지 요인에 의해 QUENCHING 변형이 발생하게 되며 특이 이들중 가장 큰 원인은 불균일 냉각에 있다고 말할 수 있다.

따라서 열처리 작업자들은 어떻게 하면 균일하게 냉각할 수 있는가에 초점을 두어 열처리 하도록 하며 이것이 QUENCHING변형을 감소시킬 수 있는 유일한 해결책이라 해도 과언이 아니다.
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