스프링강 선정: 65Mn, 규소강 및 크롬-바나듐 강종

스프링강이 갖춰야 할 것

스프링은 수백만 번 탄성적으로 에너지를 저장합니다. 지배적인 특성은 인장 강도에 대비한 높은 탄성(항복) 한계, 피로 저항성, 그리고 영구 변형(set)에 대한 저항성이며 — 이 모든 특성은 화학 조성만이 아니라 표면 품질과 탈탄에 의해서도 강하게 영향을 받습니다.

강종 사다리

강재	강재군	대표적인 용도
65Mn	탄소-망간	저비용 평스프링 및 경량 코일 스프링, 와셔, 클립
55Si7 / SUP7급	규소-망간	판스프링, 중량 코일 스프링
SUP9급	망간-크롬	경화능이 더 필요한 코일 및 판스프링
51CrV4 / 6150	크롬-바나듐	고응력 코일, 토션 및 밸브 스프링

규소와 바나듐이 도움이 되는 이유

규소는 탄성 한계를 높이고, 중요하게는 템퍼링 저항성을 높입니다 — 규소 스프링은 일반 탄소강 스프링보다 주어진 템퍼링 온도에서 하중을 더 잘 유지하며, 이것이 Si-Mn강이 판스프링을 지배하는 이유입니다. 크롬은 두꺼운 단면의 경화능을 더하고; 바나듐은 결정립을 미세화하고 피로 강도를 더하여 51CrV4/6150을 엔진 밸브 스프링과 고급 서스펜션 용도에 적합하게 만듭니다.

65Mn은 얇은 단면에서만 경화 가능하고 열에 의해 하중을 가장 먼저 잃지만, 클립, 평스프링, 농업용 부품에서는 비용 면에서 여전히 타의 추종을 불허합니다.

경도와 온도

담금질-템퍼링된 판스프링과 코일 스프링은 일반적으로 약 42–50 HRC 범위에서 작동합니다 — 더 연하면 하중 용량을 희생하고, 더 단단하면 피로 수명을 희생하며 취성 파괴를 초래합니다. 사용 온도 한계는 합금화에 따라 대략 다음과 같습니다: 일반 탄소/망간 강종은 일반적으로 약 100–120 °C로 제한되고, 규소 강종은 약 200 °C까지, 크롬-바나듐은 약 200–250 °C까지입니다; 그 이상에서는 이완(온도에서의 하중 손실)이 지배적이 되며 특수 합금이 그 자리를 차지합니다.

피로는 표면의 게임이다

쇼트 피닝, 탈탄 한계의 관리, 매끄러운 형상 전이는 강종 업그레이드보다 더 중요한 경우가 흔합니다: 대부분의 스프링 피로 균열은 표면 결함에서 시작됩니다. 강재와 함께 표면 상태와 피닝을 지정하십시오.

공급 형태가 강종 양상을 바꾼다

스프링은 판재, 봉강, 또는 — 매우 흔하게는 — 선재 형태로 공장에 도착하며, 선재는 동일한 화학 조성군 위에 자체적인 강재 표기를 겹쳐 가집니다. 소형 정밀 스프링은 경인발 또는 페이턴팅 처리된 탄소강 선재(뮤직 와이어가 고품질 축에 속합니다)를 사용하고; 오일 템퍼링된 Si-Mn 및 Cr-V/Si-Cr 선재는 밸브 및 클러치 스프링에 사용되며, 선재가 이미 담금질-템퍼링된 상태로 공급되어 코일링 업체는 성형과 응력 제거만 수행합니다. 대형 스프링은 봉강에서 열간으로 감은 뒤, 완성된 코일 상태로 담금질-템퍼링합니다. 이러한 경로를 언급하지 않고 형태를 넘나들며 "스프링강"을 비교하면 오해의 소지가 있습니다: 밸브 스프링의 성능은 크롬-바나듐 화학 조성만큼이나 선재의 청정도와 표면 검사(솔기(seam)에 대한 와전류 탐상)에 힘입은 바가 큽니다.

세팅, 프리세팅 및 이완

완성된 스프링은 종종 프리세팅(scragging) 됩니다 — 한 번 항복점을 넘어 압축하는 것을 의도적으로 수행합니다 — 자유 길이를 안정화하고 사용 가능한 응력을 높이기 위해서입니다. 온도에서 시간이 지남에 따라 발생하는 하중 손실을 이완(relaxation)이라 하며, 이는 조용한 규격 항목입니다: 엔진 및 고온 용도에서는 측정되고 제한되며, 정적 강도가 아니라 이 이완이야말로 보통 손상되지 않은 스프링을 사용에서 은퇴시키는 요인입니다.