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■ 스프링 재료 및 특성
스프링용로 사용되는 강선은 요구특성.사용강재,제조방법에 따라 분류되며 대표적인 사용재료로는 경강선,피아노선, 오일템파선, 스테인레스강선등이 있으며, 주로 여기에 구리,니켈,아연등의 금속도금을 해서 사용한다.
■ 경강선
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원재료 |
경강선재(HSWR)-KS D 3506 |
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특 성 |
피아노선에 비해 비금속게재물.탈탄, 흠등이 많으며, 주로 정하중을 받는 스프링에 사용되어지고 성형성 및 가공성이 좋아야하며 가공후 외형상편차요인(기계적 특성치, 선버릇,표면상태)이 적어야 함과 동시에 제품으로 사용시 적정강도 유지해야만 한다 |
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종 류 |
인장강도에 따라 경강선1종(HSW1),경강선2종(HSW2),경강선3종(HSW3)-한국공업규격KS D3510 |
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열처리 |
내피로용스프링 |
일반용스프링 |
비 고 |
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온 도℃ |
시간(분) |
온 도℃ |
시간(분) |
|
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A |
300-350 |
20-30 |
200-300 |
15-20 |
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B |
200-250 |
20-30 |
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■ 피아노선
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원재료 |
피아노선재(PWR)-KS D 3502 |
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특 성 |
피아노선은 화학성분이 균일하고 편석이 없으며, 불순물이나 비금속게재물이 적어야 하므로 그 모체인 피아노선재는 인(P),황(S)등의 유해한 불순물이 적은 고급강을 원료로 한다. 그리고 파텐팅후 냉간신선을 하여 높은 인장강도와 적정한 인성을 갖게한 스프링 재료이다 |
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종 류 |
인장강도에 따라 피아노 1종(PW-1),피아노2종(PW-2),피아노3종(PW-3)- 피아노3종(PW-3)은 엔진밸브스프링용으로 특별구분된다 |
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열처리 |
내피로용스프링 |
일반용스프링 |
피아노3종 |
비 고 |
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온 도(℃) |
시간(분) |
온 도(℃) |
시간(분) |
온 도(℃) |
시간(분) |
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A |
300-350 |
20-30 |
200-300 |
15-20 |
350 |
30 |
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|
B |
200-250 |
20-30 |
■ 스테인레스선(STS)
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규 격 |
KS D 3702 |
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특 성 |
스테인레스강은 강재표면에 부동태피막을 형성시켜 산화가 진행되지 않도록 하는 강이며 보통 12%의 크롬을 함유하고 있다.그리고 녹발생이 어려운 성질외에도 일부를 제외하고는 고온에서도 높은 강도를 가지고 있어 최근 피아노선 이나 경강선의 도금에 따른 비용증가와 공해문제의 대두로 많이 사용하소 있다 |
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종 류
특 성 |
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오스테나이트계 |
페라이트계 |
마르텐사이트계 |
석출경화계 |
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대 표 강 종 |
STS304 |
STS438 |
STS410 |
STS631JI |
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개 략 조 성 |
18Cr-8NiI |
18Cr |
13Cr-0.1C |
17Cr-8Ni-1Al |
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자 성 |
없음 |
있음 |
있음 |
조금있음 |
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담금질경화성 |
없음 |
없음 |
있음 |
없음 |
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가공 경화성 |
큼 |
다소있음 |
보통 |
매우큼 |
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석출 경화성 |
없음 |
없음 |
없음 |
있음 |
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특 징 |
스프링가공에 의해 자성발생 |
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주로 스프링용 석출경화성 우수 |
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열처리 |
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내피로용스프링 |
일반용스프링 |
비 고 |
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온 도(℃) |
시간(분) |
온 도(℃) |
시간(분) |
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오스테나이트계(STS304) |
350-400 |
20-30 |
250-400 |
15-20 |
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석출경화계(STS631JI) |
460-480 |
60-120 |
- |
- |
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■ 오일템파선
오일템파선은 소정의 치수를 맞춘 후, 최종 공정에서 기름담금질 및 뜨임처리를 하여 필요로하는 기계적성질을 부여한 것이다.
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특 성 |
오일템파선은 경강선이나 피아노선에 비해 저온풀림처리의 영향이 적다. 허나 Sr-Cr강이 있어서는 온도300부근에서 2차 경화현상에 의해 강도가 높게 되는 것도 있다. |
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종 류 |
종 류 |
기 호 |
규 격 |
비 고 |
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스프링용 탄소강 |
SWO-A |
KS D 3579 |
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SWO-B |
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밸브스프링용탄소강 |
SWO-V |
KS D 3580 |
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밸브스프링용크롬바나듐강 |
SWOCV-V |
KS D 3581 |
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밸브스프링용실리콘크롬강 |
SWOSC-V |
KS D 3582 |
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스프링용실리콘망간강 |
SWOSM-A,B,C |
KS D 3591 |
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스프링용실리콘크롬강 |
SWOSC-B |
KS 없음 |
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기 타 |
일반적으로 국내에서는 SAE-9254를 많이 사용한다 |
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열처리 |
탄 소 강 |
Cr-V 강 |
Si-Cr강 |
비 고 |
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온 도(℃) |
시간(분) |
온도(℃) |
시간(분) |
온도(℃) |
시간(분) |
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300 |
30 |
400 |
30 |
400 |
30 |
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※ 열간스프링의 재료로는 SAE9254를 많이 사용한다.
■ 비철금속재료
1. 동합금계 스프링 재료
동은 다른 금속에 비하여 전기의 양도체이고, 연하고 전연성이 좋아서 가공이 쉽고 내식성이 좋으며 Zn, Sn, Ni, Au, Ag등과 쉽게 합금을 만드는 성질이 있다
◈ 황동
황동은 동과 아연의 합금 및 여기에 다른 원소를 첨가한 합금을 말하며 주조성, 가공성, 기계적 성질,내식성이 좋고 청동에 비하여 값이 싸고 색깔이 좋기 때문에 널리 이용되고 있는 합금이다, 그러나 다른 동합금에 비해 가격이 저렴한 반면 인장강도가 낮은 담점이 있으며 정밀용스프링 으로는 사용하지 않고 싼 값이 요구되는 반복응력이 가해지는 스프링에 사용된다,황동의 강도는 냉간가공에 의해 얻어지며 200℃-250℃의 저온풀림을 함으로써 강도가 향상된다.
◈ 인청동
넓은 의미로는 황동이외의 동합금을 모두 청동이라고 하나 좁은 의미에서는 Cu-Sn합금(주석 청동)을 말하고, 주석이외의 원소가 함유된 것을 특수청동이라고 한다.주석청동은 황동보다 내식성, 내마모성이 좋기 때문에 10%Sn 이내의 합금을 각종기계부품등에 사용하고 있다. 주로 인(P)성분을 많게 하여 경도, 강도, 내마모성, 인청동을 얻을 수 있다.그리고 내식성, 용접성이 좋고 자성이 없으므로 통신기등의 스위치, 릴레이, 커넥타용 고급 스프링재료로 사용된다, 냉간가공후, 250℃전후의 온도에서 저온풀림을 하면 스프링특성이 향상된다.
◈ 양백
양백은 황동에 니켈(Ni)을 첨가한 Cu-Ni-Zn합금이다.주로 스위치, 릴레이, 커넥터등의 용도로 사용되며, 양백도 저온풀림형 스프링이기 때문에 냉간 가공후 320℃-350℃의 저온풀림에 의하여 스프링특성이 많이 향상된다.
◈ 베릴륨 청동
베릴륨청동합금(Cu-Be)은 석출경화성이며, 동합금중 가장 높은 경도와 강도를 얻을수 있으나, 값이 비싸고 산화하기 쉬우며 경도가 커서 가공하기 곤란한 단점이 있다.
◈ 티타늄 청동
티타늄청동합금은 베릴륨청동보가 값이 싸면서 특성은 베릴륨청동에 가까운 합금이다. 이 재료는 커넥타, 마이크로스위치 등에 사용된다.
2. 티타늄 합금계 스프링 재료
티타늄합금은 450℃까지의 온도에서 비강도(강도/밀도)가 높고 내식성도 좋으므로 항공기엔진주위의 기체재료, 제트엔진의 콤푸레셔부품재료등에 널리 이용되고 있다. 티타늄합금으로 스프링을 제작할 때 주의할점은 코일링을 한후 시효처리에서 스프링이 변형되므로 코일링할 때에는 시효로인한 변형을 고려하여 코일링공정에서 조정해야 된다는 것과 선간 접촉시 쉽게 마모되므로 마모방지를 위해 표면경화처리(무전해니켈도금, 질화티타늄코팅, 큐빅질화붕소코팅등)를 하여야만 한다.
◈ 특성
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조 직 구 조 |
경도개선방법 |
가공법 |
기 타 |
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α합금 |
α상(조질육방형) |
열처리에의해 특성열화 |
냉간가공양호 |
용접성우수, 내크립성 우수 고온강도우수 |
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α+β합금 |
α상+β상의 혼합정 |
STA(용체화처리-시효) |
열간가공성,열처리성우수 |
상온강도우수Ti-6Al-4V (대표적Ti합금) |
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β합금 |
β상(체심입방정) |
STA(용체화처리-시효) |
냉간가공성,열처리성우수 |
상온고강도우수 , 가공성우수하여 제조에 무리없음 |
3. 코발트 합금계 스프링 재료
코발트합금계스프링재료는 고내식성, 고강도, 고탄성, 고피로강도, 결함감수성이 낮은 특성이 있기때문에 고온분위기(400℃전후)나 상당히 낮은 저온(0℃이하)에서도 변형없이 사용할 수 있는 고급 스프링용 재료이다.주로 정밀시계의 태엽용으로 사용되며 합금의 조성은 주성분으로 Co가 약 40%를차지하고, 나머지는 Ni,Cr,Mo등으로 구성된다.
4. 니켈합금계 스프링 재료
니켈합금계스프링용 재료는 크게 내식성, 내열성(고온 및 0℃이하의 저온), 비탄성의 3가지 특징을 가지고 있어 주로 자이로스코프, 지시계기류의 스프링으로 사용되지만 전기전도도가 좋지 않아서 접점스프링으로는 거의 사용치 않는다.
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합금종류 |
화 학 성 분 |
특 징 |
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Ni |
Cu |
Cr |
Fe |
기타 |
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모넬 (Monel) |
63-70 |
나머지 |
- |
〈2.5 |
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가격저렴/해수에 대한 내식성우수/비자성 -저온풀림형합금으로 200에서 열처리 |
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K모넬 (KMonel) |
63-70 |
나머지 |
- |
〈2.0 |
2-4%Al |
Monel합금에 Al을 소량 첨가한 석출경화형합금으로 스테인레스강에 가까운 강도를 얻을 수 있음. |
|
인코넬(Inconel) |
〉72 |
〈0.5 |
14-17 |
〈10 |
|
고온특성과 내식성이 우수한 비자성합금으로 밸브,터빈,제트엔진의 스프링에 사용함. |
|
인코넬X (Inconel-X) |
〉70 |
〈0.2 |
14-16 |
5-9 |
2.25-2.75%Ti 0.7-1.2% Co 0.4-1.0% Al |
인코넬에 소량의 Ti,Co,Al등의 석출경화성합금으로 가공후 650℃*4시간 경화처리함 |
|
듀라니켈(Duranickel) |
나머지 |
〈0.25 |
- |
<0.6 |
0.2-0.6%Ti 0.2-0.5%Mg |
비자성,고내식성,고강도 합금이며, 480*6시간의 경화처리를 함. 260℃이상에서는 사용하지 않음. |
■ 특수용도재료
1. 내식, 내열용스프링 재료
◈ 내식용
스프링은 대부분의 경우 도장이나 도금등의 표면처리를 실시하여 내식성을 부여하지만 이 같은 처리로는 장기간 보호하는 것이 불가능하기 때문에 내식성이 좋은 재료를 선택하게 된다. 그 재료의 선택에 있어서는 사용환경과 내식의 정도, 스프링에 요구되는 스프링의 수명 등을 충분히 고려하지 않으면 안된다. 내식성재료로는 보통 SUS304, SUS301이 선스프링이나 박판스프링에 많이 사용되어진다.
◈ 내열성
보통 200℃부근까지의 온도범위에서는 저온풀림처리한 저합금강이 사용되고 또 규격화된 오일템파선으로 사용하지만. 우리나라에서는 현재 높은 온도에서 사용되어지는 스프링강의 규격제품은 없다. 서독에서는 내열스프링용강의 규정은 있지만. 그외 나라에는 스테인레스강, 열간공구강, 고속도강을 이용하고 있는 실정이다. 이 재료들이 300℃-400℃의 경우에는 내열성이 우수하지만 400℃를 넘으면 강도가 현저히 떨어지므로 인코넬X-750 등의 초내열합금이 중심이 되고 있다.
■ 신소재
◈ 바이메탈
바이메탈의 기본원리는 팽창계수가 다른 두 종류의 얇은 금속편을 맞붙인 것으로 온도의 변화에 따라 현저하게 구부러지는 성질을 이용하여 온도변화의 검출, 온도조정등의 목적으로 널리 사용되고 있다.재료는 팽창이 적은쪽에는 니켈과 철의 합금, 팽창이 큰쪽에는 구리와 아연의 합금, 니켈.망간.철의 합금, 니켈.몰리브덴.철의합금, 망간. 니켈.구리의 합금등 여러 가지가 있다. 가장 간단한 바이메탈은 저온때에는 수평이던것이 고온이 되면 니켈.철합금쪽으로 구부러지며, 따라서 저온일 때에는 바이메탈을 통해 전류가 흐르지만 고온때는 접점이 떨어져 전류가 흐르지 않게 된다.이와 같은 성질로 보온밥통내에 장치하면 밥통안의 온도의 오르내림에 따라 접점이 떨어졌다 붙었다 하여 온도를 어느 범위내에서 유지를 할 수 있다. 그러나 바이메탈의 접점이 떨어질 때 불꽃이 발생하므로 구성을 연구하여 동작이 빨라지도록 해야 한다.가정용전기기구나 공업용. 수송용. 군사용. 등 각방면에서 사용되고 있으며, 특히 가정용 전기기구의 온도조절장치나 일반 전기기구류안에서 전류제한기, 자동개폐기등 넓은 범위에 결쳐 사용되고 있다.
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