KR0180938B1 - 인장강도, 피로강도 및 피삭성이 우수한 열간 단조 비조질 강 - Google Patents

Abstract

함유하고 추가로 특정량의 Cr, Mo, Nb, Pb 및 Ca 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 강재에 열간 단조를 실시하고 실온까지 냉각시킨 후의 금속 조직에서 베이나이트 조직의 조직율 f가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4 ≥ f ≥ 1.4C 임을 특징으로 하는, 열간 단조한 그대로 사용하는 페라이트-베이나이트형 비조질강이 기재되어 있다.

본 발명에 따라 인장강도가 높은 동시에 높은 피로강도와 피삭성을 겸비하는 열간 단조용 비조질 강을 제조할 수 있게 되어 산업상 효과가 매우 크다.

Description

[발명의 명칭]

인장강도, 피로강도 및 피삭성이 우수한 열간 단조 비조질 강

[기술분야]

본 발명은 열간 단조 후에 담금질, 뜨임 등의 조질 처리를 실시하지 않더라도 우수한 인장강도와 피로강도 및 피삭성을 동시에 갖는 열간 단조 그대로 사용하는 비조질 강(鋼)에 관한 것이다.

[배경기술]

공정 생략과 제조비용의 절감의 관점에서 자동차를 위시한 기계 구조용 부품에 대해 비조질 강의 적용이 보급되어 있다.

이들 비조질 강은 주로 높은 인장강도(또는 경도)와 항복강도 및 인성을 갖는 것을 주안점으로 하여 개발이 진행되고 있다.

따라서 예를 들면, 일본국 공개 특허공보 제(소)62-205245호 등으로부터 알 수 있는 바와 같이, 석출 강화의 대표적 원소인 V를 사용한 비조질 강이 제안되어 있다.

그러나 이러한 고강도, 고인성의 비조질 강의 기계부품에 대한 적용에 있어서 정말로 장애가 되는 것은 피로강도와 피삭성이다.

피로강도는 일반적으로 인장강도에 의존하는 것으로, 인장강도를 높게 하면 높아진다.

그러나 인장강도를 높임으로써 피삭성은 극단적으로 약화되고, 인장강도가 120㎏f/㎟ 를 초과하면 역시 통상적인 생산 능률로는 생산할 수 없게 된다.

따라서 피삭성을 약화시키지 않고 피로강도를 향상시키는 비조질 강의 구현이 요망되고 있다.

이를 위해서는 피로강도와 인장강도의 비, 즉 내구비를 향상시키는 것이 효과적인 수단이다.

따라서 예를 들면, 일본국 공개특허공보 제(평)4-176842호 등으로 부터 알수 있는 바와 같이 베이나이트 주체의 금속 조직으로 하고 조직 속의 고탄소 섬모양 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트를 감소시키는 방법들이 제안되어 있다.

그러나 이러한 개발 노력에도 불구하고, 내구비는 겨우 0.55 정도이며, 피삭성도 매우 불량한 종래형의 베이나이트 비조질 강에 비해 단지 2배 정도밖에 개선되지 않는다.

본 발명자들은 이미 피삭성이 양호한 퍼라이트 함유 조직에 착안하고 여기에 ① 우선 MnS 위에 TiN 및 VN 을 복합 석출시킴으로써 단조 가열시 오스테나이트 결정 입자를 미세화하는 동시에 당해 복합 석출물을 핵 발생 부분으로 하여 페라이트를 미세 석출시킨다음, ②퍼라이트가 석출될 때에 석출된 퍼라이트 속의 페라이트 매트릭스 바탕에 다시 V 탄화물 또는 V 탄질화물을 극도로 미세하게 석출시키는 이와 같은 2단계의 석출을 활용하는 수법을 사용하여 조직 전체가 미세하면서 동시에 석출 강화된 퍼라이트를 갖는 금속 조직을 수득하는 것을 조합시킴으로써 피로강도와 피삭성이 우수한 열간 단조 비조질 강을 발명하였다.

그러나 이러한 형태의 비조질 강에서 인장강도는 기껏해야 100㎏f/㎟ 정도가 한계이며 따라서 내구비를 향상시킨다고 해도 피로강도에 한계가 있다.

본 발명은 종래의 지조질 강에서 실현이 곤란했던 높은 피로강도 및 인장강도와 피삭성을 갖는 열간 단조 비조질 강을 제공하는 것이다.

[발병의 개시]

고피로강도를 수득하려는 경우 가장 용이한 방법은 인장강도(경도)를 높이는 것이다.

인장강도를 높이기 위해서 마르텐사이트 또는 베이나이트라는 저온 변태 조직을 도입할 수 있으며 종래 기술 부분에서 설명한 바와 같이 이러한 방법은 피삭성을 현저하게 약화시킨다.

본 발명자들은 페라이트 조직에 적당량의 베이나이트 조직이 혼재된 금속 조직을 갖는 몇 종류의 열간 단조재에 대해서 이의 피로 특성 및 피삭성에 관해 검토하였다.

그 결과 ① 조직을 미세화시킬 목적으로 MnS + TiN + VN의 복합 석출물을 페라이트의 석출 핵으로서 활용하는 점, ② 저C 및 저N화에 의해 경도를 제어하는 베이나이트 조직을 적당량 함유하는 페라이트-베이나이트 2상 조직으로 하는 점 및 ③ 베이나이트 조직 속에 V 탄화물을 석출시키는 점 등의 세 가지 점에서 인장강도와 피로강도를 향상시키는 동시에 피삭성도 현행의 절삭공정에서 허용할 수 있는 수준을 확보할 수 있는 페라이트-베이나이트형의 열간 단조 비조질 강을 발명하기에 이르렀다.

즉 본 발명의 제1 발명은 중량비로서 C : 0.10 내지 0.35%, Si : 0.15 내지 2.00%, Mn : 0.40 내지 2.00%, S : 0.03 내지 0.10%, Al : 0.0005 내지 0.050%, Ti : 0.003 내지 0.050%, N : 0.0020 내지 0.0070%, V : 0.30 내지 0.70%를 함유하고, 잔여부는 Fe 및 불순물 원소로 이루어진 조성을 가지며, 열간 단조를 시행하고 실온까지 냉각시킨 다음에 금속 조직에서 베이나이트 조직의 조직율 f 가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4 ≥ f ≥ 1.4C 임을 특징으로 하는 열간 단조한 그대로 사용하는 페라이트-베이나이트형 비조질 강이며, 제2 발명은 결정 입자 미세화와 베이나이트 조직율의 조정 및 피삭성의 또 다른 향상을 위하여, 제1 발명에 따르는 강의 성분에 다시 Cr : 0.02 내지 1.50%, Mo : 0.02 내지 1.00%, Nb : 0.001 내지 0.20%, Pb : 0.05 내지 0.30% 및 Ca : 0.0005 내지 0.010% 중의 1종 또는 2종 이상을 함유시킨 것이다.

이어서 본 발명에 페라이트-베이나이트형 비조질 강에서 화학성분과 열간 단조를 실시하고 실온까지 냉각시킨 후의 금속 조직의 한정 이유에 관해서 하기에 설명한다.

C : 베이나이트 조직율을 조정하고 나아가서는 최종 제품의 인장강도를 증가시키는 중요한 원소이지만, 과다하면 강도가 너무 증가하여 피삭성이 현저하게 약화한다.

즉 0.10% 미만인 경우 인장강도 및 피로강도가 낮아지고, 반대로 0.35% 초과인 경우 인장강도가 높아져서 피삭성이 현저하게 저하되기 때문에 0.10 내지 0.35%로 한다.

Si : 탈산 및 베이나이트 조직율을 조정하는 원소로, 0.15% 미만인 경우 그 효과가 작고, 2.00% 초과인 경우 내구비와 피삭성 모두 저하되므로, 0.15 내지 2.00%로 한다.

Mn : 베이나이트 조직율을 조정하는 동시에 MnS로 됨으로써 페라이트의 석출 부분인 복합 석출물의 기반으로 되는 원소이며, 0.40% 미만인 경우 그 효과가 작고, 2.00% 초과인 경우 마르텐사이트가 다량 발생하여 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로, 0.40 내지 2.00% 로 한다.

S : MnS로 됨으로써 페라이트의 석출 부분인 복합 석출물의 기반으로 되는 동시에 피삭성을 향상시키는 원소이며, 0.03 내지 0.10%로 한다.

Al : 탈산과 결정 입자 미세화 효과를 가지는 원소로, 0.0005% 미만인 경우 그 효과가 작고, 0.050% 초과인 경우 경질 개재물(介在物)을 형성하여 내구성과 피삭성이 모두 저하되므로, 0.0005 내지 0.050%로 한다.

Ti : MnS 위에서 질화물로 되어 석출되며 페라이트의 석출 부분으로 되는 복합 석출물을 형성하는 원소로, 0.003% 미만인 경우 그 효과가 작고, 0.050% 초과인 경우 조질의 큰 개재물의 형성을 촉진하여, 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로, 0.003 내지 0.050%로 한다.

N : Ti 및 V 와 질화물 또는 탄질화물을 형성하는 원소이며, 0.0020% 미만인 경우 그 효과가 작고, 0.0070% 초과인 경우 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로 0.0020 내지 0.0070%로 한다.

V : MnS 및 TiN 과 복합 석출물을 형성하는 동시에 베인나이트 속의 매트릭스 페라이트를 석출 강화하는 원소이며, 0.30% 미만인 경우 그 효과가 작고, 0.70% 초과인 경우 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로 0.30 내지 0.70%로 한다.

이상의 본원 제1발명에 따르는 강의 화학성분의 한정 이유이다.

본원 제2발명에 있어서는, 결정 입자 미세화와 베이나이트 조직율의 조정 및 피삭성의 또다른 향상을 위하여 제1발명에 따르는 강의 성분에 다시 Cr, Mo, Nb, Pb, 및 Ca 중의 1종 또는 2종 이상을 함유시킨다.

이들 화학성분의 한정 이유에 대하여 다음에 기재한다.

Cr : Mn과 거의 마찬가지로, 베이나이트 조직율을 조정하는 원소이며, 0.02% 미만인 경우 그 효과가 작고, 1.50% 초과인 경우 마르텐사이트가 다량 발생하여 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로 0.02 내지 1.50%로 한다.

Mo : Mn, Cr 과 거의 동일한 효과를 가지는 원소이며, 0.02% 미만인 경우 그 효과가 작고, 1.00% 초과인 경우 베이나이트가 다량 발생하여 내구비와 피삭성이 모두 저하되기 때문에 0.02 내지 1.00%로 한다.

Nb : Ti 및 V 와 거의 동일한 효과를 가진 원소이며, 0.001% 미만인 경우 그 효과는 작고, 0.20% 초과인 경우 내구비와 피삭성이 모두 저하되므로, 0.001 내지 0.20%로 한다.

Pb : 피삭성을 향상시키는 원소이며, 0.05% 미만인 경우 그 효과가 작으며, 0.30% 초과인 경우 그 효과가 포화되어 피로강도와 내구비가 저하되므로, 0.05 내지 0.30%로 한다.

Ca : Pb와 거의 동일한 효과를 가지는 원소이며, 0.0005% 미만인 경우 그 효과가 작으며, 0.010% 초과인 경우 그 효과가 포화되어 피로강도와 내구비가 저하되므로, 0.0005 내지 0.010%로 한다.

이상이 본원 제2발명에 따르는 강에 부가된 화학성분의 한정 이유이다.

다음에 본원 발명의 강에서 열간 단조 후에 실온까지 냉각시킬 때의 금속 조직의 한정 이유에 대해 기재한다.

이전에 기재한 바와 같이 페라이트-베이나이트의 2상 조직으로 하고 베이나이트가 적당량 존재하는 것이 높은 인장강도, 높은 피로강도 및 피삭성을 확보할 수 있다.

베이나이트 조직율은 강의 C 함유량과 담금질성 및 오스테나이트 영역에서의 냉각 속도로 제어할 수 있다.

베이나이트 조직을 효과적으로 활용하기 위해서는 이의 조직율 f 가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C 이상이 필요하며, 한편, 1.4C + 0.4를 초과하면 피삭성이 극단적으로 약화되므로 베이나이트 조직율 f 를 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4로 한다.

이러한 베이나이트 조직을 함유하는 금속 조직을 달성할 수 있으면, 열간 단조 후의 냉각방법은 특별히 한정되지 않으며 설비나 제조 비용의 점에서 자연 방냉이 당연히 바람직하다.

또한 베이나이트 조직율 f는 부식된 시험편을 광학 현미경 등으로 관찰하는 동시에 마이크로비커스 경도계를 사용하여 이의 조직 경도를 구하고, 최종적으로 면적율을 측정함으로써 구한다.

이하, 본 발명의 효과를 실시예에 의거하여 더욱 구체적으로 나타낸다.

[발명을 실시하기 위한 최량의 형태]

[실시예]

하기에 열거하는 각 표에 있어서, 굵은 테두리로 둘러싼 조건이 본 발명을 만족하는 실시예이고, 그 외는 비교예이다.

(1)강재 화학성분의 영향

표1에 기재된 화학성분의 강을 고주파 로에서 용해시키고, 150㎏의 강괴로 만든 다음, 이로부터 단조용 재료를 잘라내고, 일단 950℃에서 가열 방냉으로 불림(normalizing)시킨 후, 1100 내지 1250℃로 가열하여 1050 내지 1200℃의 온도로 열간 단조를 수행하고, 그 다음 방냉한다.

이 재료의 중앙부에서 JIS 4호 인장시험편, JIS 1호 회전 굴곡 시험편을 채취하고, 인장시험과 회전 굴곡 피로시험을 수행한다.

동일 재료로부터 광학 현미경 관찰 시험편을 채취하여 5% 나이탈(nital)로 부식시켜 200배로 관찰하여 베이나이트 조직율을 구한다.

다시 동일 재료에 의해 절삭 시험편을 채취하고, SKH 9제 10㎜Ø 스트레이트 생크 드릴(straight shank drill)을 사용하여 30㎜ 깊이의 블라인드 홀(blind hole)을 천공하고, 드릴이 수명 파괴되기까지의 총 천공거리에 의해 피삭성을 평가한다.

또한, 절삭 속도는 50m/min, 송출 속도는 0.35㎜/rev, 절삭유는 7L/min 의 조건으로 한다.

표2에 각 시험 제공 재료의 베이나이트 조직율 및 성능 평가 결과를 나타낸다.

우선 조질강인 제42번(비교예)의 내구비 0.47, 절삭성 1.00에 대하여, 본 발명예의 제1번 내지 제20번은 모두 내구비가 0.57 이상이고, 또한 절삭성도 제42번의 2 내지 3배에 가깝게 양호하다.

비교예의 제21번은 C 양이 적기 때문에 인장강도가 낮은 동시에 내구비도 낮으므로 피로 특성이 불량하다.

비교예의 제22번은 C 양이 너무 많기 때문에 마르텐사이트가 발생하여 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건을 만족할 수 없고, 인장강도는 높게 되지만 본 발명예에 비하여 내구비가 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제23번은 Si 양이 적기 때문에 탈산 정도가 낮고 내구비는 본 발명예에 비하여 낮다.

비교예의 제24번은 Si 양이 많기 때문에 마르텐사이트가 발생하고 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건을 만족할 수 없고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제25번은 Mn 양이 적기 때문에 복합 석출물의 석출이 적고, 내구비가 본 발명예에 비하여 낮다.

비교예의 제 26번은 Mn 양이 많기 때문에 마르텐사이트가 발생하고 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건은 만족할 수 없고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제27번은 양이 적기 때문에 복합 개재물의 석출이 적고, 내구비가 본 발명예에 비하여 낮고, 또한 MnS 의 절삭성 향상 효과를 얻을 수 없기 때문에 절삭성도 불량하다.

비교예의 제28번은 S양이 많기 때문에 MnS의 석출이 과다하게 되고, 내구비가 본 발명에 비하여 낮다.

비교예의 제29번은 Al 양이 적기 때문에 탈산 정도 및 결정 입자 미세화 효과가 작고, 내구비가 본 발명에 비하여 낮다.

비교예의 제30번은 Al 양이 많기 때문에 경질 개재물이 형성되고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제31번은 Ti 양이 적기 때문에 복합 석출물의 석출이 적고, 내구비가 본 발명예에 비하여 낮다.

비교예의 제32번은 Ti 양이 많기 때문에 경질 개재물이 형성되고, 내구비가 본 발명에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제33번은 N 양이 적기 때문에 복합 석출물의 석출이 적고, 내구비가 본 발명에 비하여 낮다.

비교예의 제34번은 N 양이 많기 때문에 매트릭스가 경화되고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제35번은 V 양이 적기 때문에 복합 석출물의 석출이 적고 매트릭스 페라이트를 석출 강화하는 효과가 적기 때문에 내구비가 본 발명예에 비하여 낮다.

비교예의 제36번은 V양이 많기 때문에, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제37번은 Cr 양이 많기 때문에 마르텐사이트가 발생하여 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건을 만족할 수 없고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제38번은 Mo 양이 많기 때문에 마르텐사이트가 발생하고 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건을 만족할 수 없고, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비고예의 제39번은 Nb 양이 많기 때문에, 내구비는 본 발명예에 비하여 낮고 절삭성도 불량하다.

비교예의 제40번은 Pb 양이 많기 때문에, 절삭성은 양호하게 되어도 내구비가 불량하다.

비교예의 제41번은 Ca 양이 많기 때문에, 절삭성은 양호하게 되어도 내구비가 불량이다.

(2) 열간 단조 후의 냉각방법에 의한 베이나이트 조직율 변화의 영향

표1에 기재된 화학성분의 강을 고주파 로에서 용해시키고 150㎏의 강괴로 만든다음, 여기에서 단조용 재료를 잘라내고 일단 950℃로 가열 방냉하여 불림시킨 다음, 1100 내지 1250℃로 가열하여 1050 내지 1200℃의 온도에서 열간 단조를 실시한 다음, 동일하게 표3에 기재된 방법으로 방냉한다.

이러한 재료의 중앙부로부터 실시예1과 동일한 방법으로 인장강도, 피로강도, 피삭성 및 베이나이트 조직율을 구한다.

표4에 각 시험 제공 재료인 베이나이트 조직율 및 성능 평가 결과를 기재한다.

제45번, 제46번, 제47번 및 제48번은 본 발명의 베이나이트 조직율의 조건인 조직율 f 가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4 내지 1.4C 를 만족시키는 본 발명예이며 모두 내구비는 0.55 이상을 확보하고 또한 절삭성도 현행 조질강인 제42번의 2.5배 정도로 양호하다.

제43번 및 제44번은 냉각 속도를 작게 한 것으로 이의 조직은 대부분이 페라이트 또는 페라이트 + 구상 세멘타이트이며 베이나이트 조직율이 작다.

따라서 인장강도 자체가 낮으며 페라이트 + 베이나이트 2상 조직화에 따른 효과가 소실되고 내구비는 0.54 이하로 낮으며 절삭성도 본 발명과 비교하여 불량하다.

한편 제49번은 냉각 속도를 높임으로써 마르텐사이트를 주로 하는 조직으로 한 것이며 인장강도는 높아지지만 내구비는 매우 낮으며 또한 절삭성도 불량하여 공구 수명도 작다.

[산업상의 이용 가능성]

상기한 바와 같이 본 발명의 강은 페라이트-베이나이트 2상 조직으로 함으로써 높은 인장강도를 얻는 동시에 피삭성을 확보하고, 다시 MnS, Ti 질화물 및 V 질화물로부터 형성된 복합 석출물을 사용하여 금속 조직의 미세화와 V 탄화물(또는 탄질화물)에 의한 베이나이트 속의 페라이트 매트릭스의 강화를 동시에 수행함으로써 피삭성을 손상시키지 않고 내구비, 즉 피로 특성을 향상시킬 수 있게 되고 종래부터 요망되던 고인장강도이면서 동시에 높은 피로강도와 피삭성의 겸비를 만족시키는 열간 단조 비조질 강을 제시할 수 있게 되어 산업상 효과가 매우 크다.

Claims (2)

1. 중량비로 C 0.10 내지 0.35%, Si 0.15 내지 2.00%, Mn 0.40 내지 2.00%, S 0.03 내지 0.10%, Al 0.0005 내지 0.050%, Ti 0.003 내지 0.050%, N 0.0020 내지 0.0070% 및 V 0.30 내지 0.70%를 함유하고 잔여부는 Fe 및 불순물 원소로 이루어진 조성을 가지며, 열간 단조를 실시하여 실온까지 냉각시킨 후에 금속 조직에서 베이나이트 조직의 조직율 f 가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4 ≥ f ≥ 1.4C 임을 특징으로 하는 열간 단조한 그대로 사용하는 페라이트-베이나이트형 비조질 강.
2. 중량비로 C 0.10 내지 0.35%, Si 0.15 내지 2.00%, Mn 0.40 내지 2.00%, S 0.03 내지 0.10%, Al 0.0005 내지 0.050%, Ti 0.003 내지 0.050%, N 0.0020 내지 0.0070%, V 0.30 내지 0.70% 및 Cr 0.02 내지 1.50%, Mo 0.02 내지 1.00%, Nb 0.001 내지 0.20%, Pb 0.05 내지 0.30% 및 Ca 0.0005 내지 0.010% 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔여부는 Fe 및 불순물 원소로 이루어진 조성을 가지며 열간 단조를 실시하여 실온까지 냉각시킨 후에 금속 조직에서 베이나이트 조직의 조직율 f 가 함유 탄소량 C(%)에 대해 1.4C + 0.4 ≥ f ≥ 1.4C 임을 특징으로 하는 열간 단조한 그대로 사용하는 페라이트-베이나이트형 비조질 강.