KR100548102B1 - 고강도 스프링용 열처리 강선 - Google Patents

Abstract

고강도에 있어서도 코일링성이 우수한 스프링용 강선을 제공하는 것으로, 질량 ％에 있어서, C : 0.75 내지 0.85 ％, Si : 1.5 내지 2.5 ％, Mn : 0.5 내지 1.0 ％, Cr : 0.3 내지 1.0 ％, P : 0.015 ％ 이하, S : 0.015 ％ 이하, N : 0.001 내지 0.007 ％, W : 0.05 내지 0.3 ％ 잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함하고, 인장 강도 2000 ㎫ 이상, 또한 검경면에 차지하는 세멘타이트계 구형 탄화물에 관하여, 원 상당 직경 0.2 ㎛ 이상의 점유 면적율이 7 ％ 이하, 원 상당 직경 0.2 내지 3 ㎛의 존재 밀도가 1개/㎛² 이하, 원 상당 직경 3 ㎛ 초과의 존재 밀도가 0.001개/㎛² 이하를 충족시키고, 구오스테나이트 입경 번호가 10번 이상, 잔류 오스테나이트가 12 질량 ％ 이하, 최대 탄화물 직경이 15 ㎛ 또한 최대 산화물 직경이 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 열처리 강선.

구형 탄화물, 하중, 측정 각도, 스프링, 강선

Description

고강도 스프링용 열처리 강선 {HEAT-TREATED STEEL WIRE FOR HIGH STRENGTH SPRING}

본 발명은 냉간에서 코일링되어, 고강도 또한 고인성을 갖는 스프링용 강선에 관한 것이다.

자동차의 경량화 및 고성능화에 수반하여, 스프링도 고강도화되어 열처리 후에 인장 강도 1500 ㎫를 넘는 고강도 강이 스프링에 제공되고 있다. 최근에는 인장 강도 1900 ㎫를 넘는 강선도 요구되고 있다. 그것은, 스프링 제조시의 왜곡 제거 소둔이나 질화 처리 등, 가열에 의해 조금 연화해도 스프링으로서 지장이 없는 재료 경도를 확보하기 위해서이다.

그 수단 방법으로서는, 일본 특허 공개 소57-32353호 공보에서는 V, Nb, Mo 등의 원소를 첨가함으로써 퀭칭하여 고체 용융하고, 템퍼링으로 석출하는 미세 탄화물을 생성시키고, 그에 의해 전위(轉位)의 움직임을 제한하여 내피로 특성을 향상시킨다고 하고 있다.

한편, 강의 코일 스프링의 제조 방법에서는 강의 오스테나이트 영역까지 가열하여 코일링하고, 그 후 퀭칭 템퍼링을 행하는 열간 코일링과, 미리 강에 퀭칭 템퍼링을 실시한 고강도 강선을 냉간에 의해 코일링하는 냉간 코일링이 있다. 냉 간 코일링에서는 강선의 제조시에 급속 가열 급속 냉각이 가능한 오일 템퍼 처리나 고주파 처리 등을 이용할 수 있기 때문에 스프링 부재의 구오스테나이트 입경을 작게 하는 것이 가능하고, 결과적으로 파괴 특성이 우수한 스프링을 제조할 수 있다. 또한, 스프링 제조 라인에 있어서의 가열로 등의 설비를 간략화할 수 있기 때문에 스프링 메이커에 있어서도 설비 비용 저감으로 이어지는 등의 이점이 있으며, 최근에는 스프링의 냉간 코일링화가 진행되고 있다.

그러나, 냉간 코일링 스프링용 강선의 강도가 커지면, 냉간 코일링시에 절손하여 스프링 형상으로 성형할 수 없는 경우도 많고, 강도와 가공성이 양립되지 않는 공업적으로는 불리하다고 할 수 있는 방법으로 코일링할 수 밖에 없었다. 통상, 밸브 스프링인 경우, 온라인에서의 퀭칭 및 템퍼링 처리, 소위 오일 템퍼 처리한 강선을 냉간으로 코일링하지만, 예를 들어 일본 특허 공개 평05-179348호 공보에서는 900 내지 1050 ℃로 가열하여 코일링하고, 그 후 425 내지 550 ℃에서 템퍼링 처리하는 등, 코일링시의 절손을 방지하기 위해 코일링시에 선재를 가열하여 변형이 용이한 온도로 코일링하고, 그 후 고강도를 얻기 위해 코일링 후의 조질 처리를 행하고 있다. 이러한 코일링시의 가열과 코일링 후의 조질 처리는 스프링 치수의 열처리 변동의 원인이 되거나, 처리 능률이 극단적으로 저하되거나 하기 때문에 비용 및 정밀도의 면에서 냉간 코일링된 스프링에 비해 떨어진다.

또한, 탄화물의 입경에 관해서는, 예를 들어 일본 특허 공개 평10-251804호 공보와 같이 Nb, V계의 탄화물의 평균 입경에 주목한 발명이 이루어져 있지만, V, Nb계 탄화물의 평균 입경 제어만으로는 강도 및 인성 모두 불충분하다는 것을 개시 하고 있다. 게다가, 이 선행 기술에서는 압연 중인 냉각수에 의해 이상 조직이 생기는 것을 우려하는 기재가 있어, 실질적으로는 건식 압연을 추천 장려하고 있다. 이것은 공업적으로는 비정상 작업이며, 통상의 압연과 분명히 다른 것이라 추정되어, 가령 평균 입경을 제어해도 주변 매트릭스 조직에 불균일을 일으키면 압연 문제가 생기는 것을 시사하고 있다.

본 발명은 냉간에서 코일링되어, 충분한 대기 강도와 코일링 가공성을 양립할 수 있는 인장 강도 2000 ㎫ 이상의 스프링용 강선을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 종래의 스프링 강선에서는 주목받고 있지 않았던 강 속 탄화물, 특히 세멘타이트의 크기를 제한함으로써 고강도와 코일링성을 양립시킨 스프링용 강선을 얻을 수 있는 것을 지견하였다. 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 질량 ％로,

C : 0.75 내지 0.85 ％,

Si : 1.5 내지 2.5 ％,

Mn : 0.5 내지 1.0 ％,

Cr : 0.3 내지 1.0 ％,

P : 0.015 ％ 이하,

S : 0.015 ％ 이하,

N : 0.001 내지 0.007 ％,

W : 0.05 내지 0.3 ％

잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함하고, 인장 강도 2000 ㎫ 이상, 또한 검경면에 차지하는 세멘타이트계 구형 탄화물에 관하여,

원 상당 직경 0.2 ㎛ 이상의 점유 면적율이 7 ％ 이하,

원 상당 직경 0.2 내지 3 ㎛의 존재 밀도가 1개/㎛² 이하,

원 상당 직경 3 ㎛ 초과의 존재 밀도가 0.001개/㎛² 이하

를 충족하고, 또한 구오스테나이트 입경 번호가 10번 이상, 잔류 오스테나이트가 12 질량 ％ 이하, 최대 탄화물 직경이 15 ㎛ 이하, 또한 최대 산화물 직경이 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 열처리 강선.

(2) 또한, 질량 ％로,

Mo : 0.05 내지 0.2 ％,

V : 0.05 내지 0.2 ％

중의 1 종류 또는 2 종류를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 고강도 스프링용 열처리 강선.

도1은 강의 퀭칭 템퍼링 조직을 나타낸 현미경 사진이다.

도2a 및 도2b는 구형 탄화물 분석예를 도시한 도면으로, 도2a는 합금계 구형 탄화물, 도2b는 세멘타이트계 구형 탄화물의 분석예를 도시한 도면이다.

도3a 및 도3b는 노치 굽힘 시험 방법의 개요를 도시한 도면으로, 도3a는 하 중 전, 도3b는 하중 후를 도시한 도면이다.

본 발명자는 고강도를 얻기 위해 화학 성분을 규정하면서 열처리에 의해 강 속 탄화물 형상을 제어함으로써, 스프링을 제조하는 데 충분한 코일링 특성을 확보한 강선을 발명하는 데 이르렀다. 그 상세를 이하에 나타낸다.

우선, 강 성분을 한정한 이유를 설명한다.

C는 강재의 기본 강도에 큰 영향을 미치는 원소이며, 종래부터 충분한 강도를 얻을 수 있도록 0.75 내지 0.85 ％로 하였다. 0.75 ％ 미만에서는 충분한 강도를 얻을 수 없다. 특히 스프링 성능 향상을 위한 질화를 생략한 경우라도 충분한 스프링 강도를 확보하기 위해서는 0.75 ％ 이상의 C가 필요하다. 0.85 ％ 초과에서는 과공석(過共析)이 되며, 조대 세멘타이트를 다량으로 석출하기 위해 인성을 현저히 저하시킨다. 이것은 동시에 코일링 특성을 저하시킨다.

Si은 스프링의 강도 및 경도와 내피로성을 확보하기 위해 필요한 원소이며, 적은 경우 필요한 강도 및 내피로성이 부족하기 때문에 1.5 ％를 하한으로 하였다. 또한 Si은 입계의 탄화물계 석출물을 구형화 및 미세화하는 효과가 있어, 적극적으로 첨가함으로써 입계 석출물의 입계 점유 면적율을 작게 하는 효과가 있다. 그러나 지나치게 다량으로 첨가하면, 재료를 경화시킬 뿐만 아니라 취화한다. 그래서 퀭칭 템퍼링 후의 취화를 막기 위해 2.5 ％를 상한으로 하였다.

Mn은 경도를 충분히 얻기 위해, 또한 강 속에 존재하는 S을 MnS으로서 고정하고, 강도 저하를 억제하기 위해 0.5 ％를 하한으로 한다. 또한 Mn에 의한 취화 를 방지하기 위해 상한을 1.0 ％로 하였다.

N는 강 속 매트릭스를 경화시키지만, Ti 및 V 등의 합금 원소가 첨가되어 있는 경우에는 질화물로서 존재하고, 강선의 성질에 영향을 준다. Ti, Nb, V을 첨가한 강에서는 탄질화물의 생성이 용이해지고, 오스테나이트 입자 미세화의 핀 고정 입자가 되는 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 석출 사이트가 되기 쉽다. 그로 인해, 스프링 제조까지 실시되는 여러 가지 열처리 조건으로 안정적으로 핀 고정 입자를 생성할 수 있어, 강선의 오스테나이트 입경을 미세하게 제어할 수 있다. 이러한 목적으로부터 0.001 ％ 이상의 N를 첨가시킨다. 한편, 지나친 N는 질화물 및 질화물을 핵으로서 생성한 탄질화물 및 탄화물의 조대화를 초래한다. 예를 들어 Ti을 첨가하는 경우에는 조대한 TiN을 석출하거나, B를 첨가하면 BN을 석출하여 파괴 특성을 손상시킨다. 그래서 그와 같은 폐해가 수반되지 않는 0.007 ％를 상한으로 한다.

P은 강을 경화시키지만, 또한 편석이 생겨 재료를 취화시킨다. 특히 오스테나이트 입계에 편석한 P은 충격치의 저하나 수소의 침입에 의해 지연되어 파괴 등을 야기시킨다. 그로 인해 적은 쪽이 좋다. 그래서 취화 경향이 현저해지는 0.015 ％ 이하로 제한하였다.

S도 P과 같이 강 속에 존재하면 강을 취화시킨다. Mn에 의해 가능한 한 그 영향을 작게 하지만, MnS도 개재물의 형태를 취하므로 파괴 특성은 저하된다. 특히 고강도 강에서는 미량의 MnS에서 파괴가 생기는 경우도 있으며, S도 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하다. 그 악영향이 현저해지는 0.015 ％를 상한으로 하였 다.

Cr은 퀭칭성 및 템퍼링 연화 저항을 향상시키기 위해 유효한 원소이지만, 첨가량이 많으면 비용 증가를 초래할 뿐만 아니라, 퀭칭 템퍼링 후에 보이는 세멘타이트를 조대화시킨다. 결과적으로 선재는 취화하기 때문에 코일링시에 절손이 생기기 쉬워진다. 그래서 퀭칭성 및 템퍼링 연화 저항의 확보를 위해 0.3 ％를 하한으로 하고, 취화가 현저해지는 1.0 ％를 상한으로 하였다. 특히, C량 0.75 ％ 이상과 공석 성분에 가까운 경우에는 Cr량을 억제한 쪽이 조대 탄화물 생성을 억제 할 수 있어, 강도와 코일링성을 양립시키기 쉽다. 한편, 질화 처리를 행하는 경우에는 Cr이 첨가되어 있는 쪽이 질화에 의한 경화층을 깊게 할 수 있다. 따라서 0.3 내지 1.0 ％로 규정하였다.

W은 퀭칭성을 향상시키는 동시에, 강 속에서 탄화물을 생성하여 강도를 높이는 작용이 있다. 따라서 가능한 한 첨가하는 쪽이 바람직하다. W의 특징은 다른 원소와는 달리, 세멘타이트를 포함하는 탄화물의 형상을 미세하게 하는 것이다. 그 첨가량이 0.05 ％ 미만에서는 효과는 보이지 않으며, 0.3 ％ 초과에서는 조대인 탄화물이 생겨 오히려 연성 등의 기계적 성질을 손상시킬 우려가 있으므로 W의 첨가량을 0.05 내지 0.3 ％로 하였다.

Mo 및 V은 강 속에서 질화물, 탄화물, 탄질화물로서 석출한다. 따라서, 이들 원소를 1 종류 또는 2 종류를 첨가하면, 이들 석출물을 생성하여 템퍼링 연화 저항을 얻을 수 있고, 고온에서의 템퍼링이나 공정에서 들어가게 되는 왜곡 제거 소둔이나 질화 등의 열처리를 경유해도 연화되지 않고 고강도를 발휘시킬 수 있다. 이것은 질화 후의 스프링 내부 경도의 저하를 억제하거나, 핫프라세팅이나 왜곡 제거 소둔을 쉽게 하기 위해, 최종적인 스프링의 피로 특성을 향상시키게 된다. 그러나, Mo 및 V은 첨가량이 지나치게 많으면, 이들의 석출물이 지나치게 커져 강 속 탄소와 결부되어 조대 탄화물을 생성한다. 이것은 강선의 고강도화에 기여해야 할 C량을 감소시켜, 첨가한 C량 상당의 강도를 얻을 수 없게 된다. 또한 조대 탄화물이 응력 집중원이 되기 때문에 코일링 속의 변형으로 파손되기 쉬워진다.

Mo은 0.05 내지 0.2 ％를 첨가함으로써 퀭칭성을 향상시키는 동시에, 템퍼링 연화 저항을 부여할 수 있다. 이것은, 강도를 제어할 때의 템퍼링 온도를 고온화시킬 수 있다. 이 점은 입계 탄화물의 입계 점유 면적율을 저하시키는 데 유리하다. 즉, 필름형으로 석출하는 입계 탄화물을 고온에서 템퍼링함으로써 구형화시켜 입계 면적율을 저감하는 데 효과가 있다. 또한, Mo은 강 속에서는 세멘타이트와는 별도로 Mo계 탄화물을 생성한다. 특히, V 등과 비교하여 그 석출 온도가 낮기 때문에 탄화물의 조대화를 억제하는 효과가 있다. 그 첨가량은 0.05 ％ 미만에서는 효과가 인정되지 않는다. 단, 그 첨가량이 많으면, 압연이나 신선 전의 연화 열처리 등에서 과냉 조직이 생기기 쉬워 깨짐이나 신선시의 단선의 원인이 되기 쉽다. 즉, 신선시에는 미리 강재를 퍼텐칭 처리에 의해 페라이트 - 파라이트 조직으로 한 후 신선하는 것이 바람직하다. 그러나, Mo이 0.2 ％를 넘으면, 파라이트 변태 종료까지의 시간이 길어지고, 통상의 퍼텐칭 설비에서는 파라이트 변태를 종료시킬 수 없으며, 강재 속의 불가피적인 미크로 편석부에 마르텐사이트의 생성을 초래한다. 이 마르텐사이트는 신선시에 단선의 원인이 되거나 혹은 단선되지 않고, 내부 균열로서 존재한 경우에는 최종 제품의 특성을 크게 열화시킨다. 그로 인해 이 마르텐사이트 조직의 생성을 억제하고, 공업적으로 안정되게 압연 및 신선이 용이한 0.2 ％를 상한으로 하였다.

또한, V에 대해서는 질화물, 탄화물, 탄질화물의 생성에 의한 오스테나이트 입경의 조대화 억제 외에 템퍼링 온도에서의 강선의 경화나 질화시 표층의 경화에 이용할 수도 있다. 그 첨가량은 0.05 ％ 미만에서는 첨가한 효과가 거의 인정되지 않는다. 또한 다량 첨가는 조대한 미고체 용융 개재물을 생성하여, 인성을 저하시키는 동시에 Mo과 마찬가지로 과냉 조직이 생기기 쉬워, 깨짐이나 신선시 단선의 원인이 되기 쉽다. 그로 인해 공업적으로 안정된 취급이 용이한 0.2 ％를 상한으로 하였다.

탄화물 규정에 관하여 설명한다. 강도와 가공성의 양립에는 강 속의 탄화물의 형태가 중요해진다. 여기서 말하는 강 속 탄화물이라 함은 열처리 후에 인정되는 세멘타이트 및 그에 합금 원소가 고체 용융한 탄화물(이후, 양자를 전체적으로 세멘타이트라 기재함) 및 Nb, V, Ti 등의 합금 원소의 탄화물 및 탄질화물인 것이다. 이들 탄화물은 강선을 경면 연마하여, 에칭함으로써 관찰할 수 있다.

도1에 전형적인 관찰예를 도시한다. 이에 의하면 강 속에는 침형과 구형 2 종류의 탄화물이 인정된다. 일반적으로 강은 퀭칭에 의해, 마르텐사이트의 침형 조직을 형성하여 템퍼링에 의해 탄화물을 생성시킴으로의 강도와 인성을 양립시키는 것이 알려져 있다. 그러나 본 발명에서는 도1에 있는 바와 같이 반드시 침형 조직뿐만 아니라, 구형 탄화물(1)도 많이 잔류하고 있는 것에 주목하여, 이 구형 탄화물의 분포가 스프링용 강선의 성능에 크게 영향을 끼치는 것을 발견하였다. 이 구형 탄화물은 오일 템퍼 처리나 고주파 처리에 의한 퀭칭 템퍼링에 있어서, 충분히 고체 용융되지 않고 퀭칭 템퍼링 공정에서 구형화 또한 성장 또는 축소된 탄화물이라 생각된다. 이 치수의 탄화물은 퀭칭 템퍼링에 의한 강도와 인성에는 전혀 기여하지 않는다. 그로 인해, 강 속 C를 고정하여 단순히 첨가 C를 낭비하고 있을 뿐만 아니라, 응력 집중원이 되기도 하므로 강선의 기계적 성질을 저하시키는 요인이 되는 것을 발견하였다.

본 재료와 같이 강을 퀭칭 템퍼링한 후 냉간 코일링하는 경우, 탄화물이 그 코일링 특성, 즉 파단까지의 굽힘 특성에 영향을 준다. 지금까지 고강도를 얻기 위해 C뿐만 아니라, Cr 및 V 등의 합금 원소를 다량으로 첨가하는 것이 일반적이었지만, 강도가 너무 높아 변형능이 부족하여, 코일링 특성을 열화시키는 폐해가 있었다. 그 원인은 강 속에 석출되어 있는 조대한 탄화물을 생각할 수 있다.

도2a 및 도2b에 SEM에 부착한 EDX에 의한 해석예를 도시한다. 이 결과는 투과 전자 현미경에서의 리플리커법으로도 같은 해석 결과를 얻을 수 있다. 종래의 발명은 V 및 Nb 등의 합금 원소계의 탄화물에만 주목하고 있고, 그 일예가 도2a이며, 탄화물 속에 Fe 피크가 매우 작은 것이 특징이다. 그러나, 본 발명에서는 종래의 합금 원소계 탄화물뿐만 아니라, 도2b에 도시한 바와 같이 원 상당 직경 3 ㎛ 이하의 Fe₃C와 그에 합금 원소가 간신히 고체 용융한, 소위 세멘타이트계 탄화물의 석출 형태가 중요한 것을 발견하였다. 본 발명과 같이, 종래 강선 이상의 고강도 와 가공성의 양립을 달성하는 경우에는 3 ㎛ 이하의 세멘타이트계 구형 탄화물이 많으면, 가공성이 크게 손상된다. 이후, 이와 같이 구형 또한 도2b에 도시한 바와 같은 Fe과 C를 주성분으로 하는 탄화물을 세멘타이트계 탄화물이라 기재한다.

이들 강 속 탄화물은 경면 연마한 샘플에 피크럴 등의 에칭을 실시함으로써 관찰 가능하지만, 그 치수 등의 상세한 관찰 평가에는 주사형 전자 현미경에 의해 3000배 이상의 고배율로 관찰할 필요가 있고, 여기서 대상으로 하는 세멘타이트계 구형 탄화물은 원 상당 직경 0.2 내지 3 ㎛ 이다. 통상, 강 속 탄화물은 강의 강도 및 템퍼링 연화 저항을 확보하는 면에서 불가결하지만, 그 유효한 입경은 0.1 ㎛ 이하이고, 반대로 1 ㎛를 넘으면 오히려 강도나 오스테나이트 입경 미세화에의 공헌은 없으며, 단순히 변형 특성을 열화시킬 뿐이다. 그러나, 종래 기술에서는 이 중요성이 그만큼 인식되지 않아, V 및 Nb 등의 합금계 탄화물에만 주목하여 원 상당 직경 3 ㎛ 이하의 탄화물, 특히 세멘타이트계 구형 탄화물은 무해하다고 생각되고, 본 발명에서 주로 대상으로 하고 있는 0.1 내지 5 ㎛ 정도의 탄화물에 관해서는 검토된 예는 발견되지 않는다.

또한, 본 발명에서 대상으로 하고 있는 3 ㎛ 이하의 세멘타이트계 구형 탄화물의 경우에는 치수뿐만 아니라, 수(數)도 큰 요인이 된다. 따라서, 그 양자를 고려하여 본 발명의 범위를 규정하였다. 즉, 원 상당 직경의 평균 입경이 0.2 내지 3 ㎛로 작아도, 그 수가 매우 많아 검경면에 있어서의 존재 밀도가 1개/㎛²를 넘으면 코일링 특성의 열화가 현저해지므로 이를 상한으로 한다.

또한, 탄화물의 치수가 3 ㎛를 넘으면 치수의 영향이 보다 커지기 때문에 검경면에 있어서의 존재 밀도가 0.001개/㎛²를 넘으면 코일링 특성의 열화가 현저해진다. 따라서, 탄화물 원 상당 직경 3 ㎛ 초과의 탄화물의 검경면에 있어서의 존재 밀도 0.001개/㎛²를 상한으로 하고, 본 발명의 범위를 그 이하로 하였다.

또한, 세멘타이트계 구형 탄화물의 치수에 상관없이, 그 검경면에 있어서의 점유 면적이 7 ％를 넘으면 코일링 특성의 열화가 현저해져, 코일링할 수 없게 된다. 그래서 본 발명에서는 검경면에 있어서의 점유 면적을 7 ％ 이하로 규정하였다.

한편, 구오스테나이트 입경은 탄화물과 나란히 강선의 기본적 성질에 큰 영향을 갖는다. 즉, 구오스테나이트 입경이 작은 쪽이 피로 특성이나 코일링성이 우수하다. 그러나, 오스테나이트 입경이 아무리 작아도 상기 탄화물이 규정 이상으로 많이 포함되어 있으면, 그 효과는 적다. 일반적으로 오스테나이트 입경을 작게 하기 위해서는 가열 온도를 낮게 하는 것이 유효하지만, 그것은 반대로 상기 탄화물을 증가시키게 된다. 따라서 탄화물량과 구오스테나이트 입경의 균형이 잡힌 강선으로 마무리하는 것이 중요하다. 여기서 탄화물이 상기 규정을 충족하고 있는 경우에 대해 구오스테나이트 입경 번호가 10번 미만이면, 충분한 피로 특성을 얻을 수 없기 때문에 구오스테나이트 입경 번호 10번 이상으로 규정하였다.

잔류 오스테나이트는 편석부나 구오스테나이트 입계 부근에 잔류하는 경우가 많다. 잔류 오스테나이트는 가공 유기 변태에 의해 마르텐사이트로 이루어지지만, 스프링 성형시에 유기 변태하면 재료에 국부적인 고경도부가 생성되어, 오히려 스프링으로서의 코일링 특성을 저하시키는 것을 발견하였다. 또한, 최근의 스프링은 쇼트 피닝이나 세팅 등 소성 변형에 의한 표면 강화를 행하지만, 이와 같이 소성 변형을 가하는 공정을 복수 포함하는 제조 공정을 갖는 경우, 빠른 단계에서 생긴 가공 유기 마르텐사이트가 파괴 왜곡을 저하시키고, 가공성이나 사용 중인 스프링의 파괴 특성을 저하시킨다. 또한, 타격 흠집 등의 공업적으로 불가피한 변형이 도입된 경우에도 코일링 중에 용이하게 절손된다. 따라서, 잔류 오스테나이트를 가능한 한 저감하여 가공 유기 마르텐사이트의 생성을 억제함으로써, 가공성을 향상시킨다. 구체적으로는 잔류 오스테나이트량이 12 ％(질량 ％)를 넘으면, 타격 흠집 등의 감수성이 높아져 코일링이나 그 밖의 취급에 있어서 용이하게 절손되므로 12 ％ 이하로 제한하였다.

특히, 본 발명과 같이 C량 0.75 ％ 이상과 같은 경우, 마르텐사이트 생성 온도[개시 온도(Ms)점 및 종료 온도(Mf)점]가 저온이 되면, 퀭칭시에 상당한 저온으로 하지 않으면 마르텐사이트가 생성되지 않아, 잔류 오스테나이트가 잔류되기 쉽다. 공업적인 퀭칭에서는 물 또는 오일이 사용되지만, 잔류 오스테나이트의 억제는 고도한 열처리 제어가 필요해진다. 구체적으로는 냉각 냉매를 저온으로 유지하거나, 냉각 후도 가능한 한 저온을 유지하여, 마르텐사이트에의 변태 시간을 길게 확보하는 등의 제어가 필요해진다. 공업적으로는 연속 라인으로 처리되기 때문에 냉각 냉매의 온도는 용이하게 100 ℃ 가까이까지 상승하지만, 60 ℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 합금 원소계 탄화물 등을 포함하는 전체 탄화물의 최대 탄화물 및 최대 산화물의 입경은 모두 15 ㎛를 넘으면 피로 특성을 저하시키기 때문에 이를 15 ㎛를 상한으로서 제한하였다.

일반적으로, 스프링 강은 연속 주조 후에 빌렛 압연 및 선재 압연을 거쳐 신선되고, 냉간 코일링 스프링에서는 오일 템퍼 처리나 고주파 처리에 의해 강도를 부여한다. 세멘타이트계 구형 탄화물을 억제하기 위해서는 오일 템퍼 처리나 고주파 처리 등의 강선의 강도를 결정하는 최종 열처리뿐만 아니라, 신선에 앞선 압연시에도 주의를 기울일 필요가 있다. 즉 세멘타이트계 구형 탄화물은 압연 등에서의 미용해의 세멘타이트나 합금 탄화물이 핵이 되어 성장하였다고 생각되므로, 압연 등의 각 가열 공정에 있어서 충분히 성분을 고체 용융시키는 것이 중요하다. 본 발명에서는 압연에 있어서도 충분히 고양할 수 있는 고온으로 가열하여 압연하고, 신선에 제공하는 것이 중요하다.

<실시예>

표 1에 Ø 4 ㎜로 처리한 경우의 본 발명과 비교 강의 화학 성분, 원 상당 직경 0.2 ㎛ 이상의 세멘타이트계 구형 탄화물 점유 면적율, 원 상당 직경 0.2 내지 3 ㎛의 세멘타이트계 구형 탄화물 존재 밀도, 원 상당 직경 3 ㎛ 초과의 세멘타이트계 구형 탄화물 존재 밀도, 최대 탄화물 직경 및 최대 산화물 직경, 구오스테나이트 입도 번호, 잔류 오스테나이트량(질량 ％), 인장 강도, 코일링 특성(노치 굽힘 각도) 및 평균 피로 강도를 나타낸다.

본 발명의 발명예1은 250 t 전로(轉爐)에 의해 정련한 것을 연속 주조에 의 해서 빌렛을 작성하였다. 또한 그 밖의 실시예는 2t - 진공 용해로에서 용제 후, 압연에 의해 빌렛을 작성하였다. 그 때, 발명예에서는 1200 ℃ 이상의 고온으로 일정 시간 확보하였다. 그 후 어떠한 경우도 빌렛으로부터 Ø 8 ㎜로 압연하고, 신선에 의해 Ø 4 ㎜로 하였다. 한편, 비교예는 통상의 압연 조건으로 압연되어 신선에 이바지하였다.

화학 성분에 의해 탄화물량 및 강도는 다르지만, 본 발명에 대해서는 인장 강도 2100 ㎫ 정도 또한 청구항에 나타낸 규정을 충족하도록 화학 성분에 맞추어 열처리하였다. 한편, 비교예에 관해서는 단순히 인장 강도를 맞추도록 열처리하였다.

퀭칭 템퍼링 처리(오일 템퍼 처리)에서는 신선재를 연속적으로 가열로를 통과시켜, 강 내부 온도가 충분히 가열되도록 가열로 통과 시간을 설정하였다. 본 실시예에서는 가열 온도 950 ℃, 가열 시간 150초, 퀭칭 온도 50 ℃(오일조)로 하였다. 또한 템퍼링 온도 400 내지 500 ℃, 템퍼링 시간 1분 동안 템퍼링하여 강도를 조정하였다. 그 결과 얻게 된 대기 분위기에서의 인장 강도는 표 1 중에 기재한 바와 같다.

이렇게 얻어진 강선은 그대로 탄화물의 평가, 인장 특성, 노치 굽힘 시험에 제공되었다. 한편, 피로 특성 평가에 관해서는 표면에 스프링 제작시의 왜곡 제거 소둔을 모방한 열처리 400 ℃ × 20분을 실시한 후, 쇼트 피닝 처리(커트 와이어 Ø 0.6 ㎜ × 20분)를 행하고, 또한 저온 왜곡 제거 180 ℃ × 20분을 실시하여 피로 시험 부재로 하였다.

탄화물의 치수 및 수의 평가는 열처리 상태의 강선의 길이 방향 단면에 경면까지 연마하고, 또한 피크인산에 의해 간신히 에칭하여 탄화물을 떠오르게 하였다. 광학 현미경 레벨에서는 탄화물의 치수 측정은 곤란하기 때문에 강선의 1/2R부를 주사형 전자 현미경으로 배율 × 5000배로 무작위로 10 시야의 사진을 촬영하였다. 주사형 전자 현미경에 부착한 X선 마이크로 분석기로 그 구형 탄화물이 세멘타이트계 구형 탄화물인 것을 확인하면서, 그 사진으로부터 구형 탄화물을 화상 처리 장치를 이용하여 2치화함으로써, 그 치수, 수, 점유 면적을 측정하였다. 전체 측정 면적은 3088.8 ㎛²이다.

잔류 오스테나이트의 측정은 직류 자화 장치에 의해 발생시킨 샘플의 자속 밀도를 측정하고, 자속 밀도를 잔류 오스테나이트량으로 환산하여 구하였다. 환산에는 미리 자속 밀도와 잔류 오스테나이트량의 관계를 구해 둔 교정 곡선을 이용하였다.

인장 특성은 JIS Z 2201 9호 시험 부재에 의해 JIS Z 2241에 준거하여 행하고, 그 파단 하중으로부터 인장 강도를 산출하였다.

노치 굽힘 시험의 개요를 도3a 및 도3b에 도시한다. 노치 굽힘 시험은 이하와 같은 순서로 행하였다. 선단부 반경 50 ㎛의 펀치에 의해 강선의 길이 방향으로 직각으로 최대 깊이 30 ㎛의 홈(노치)을 부여하고, 도3a에 도시한 바와 같이 그 홈부에 최대 인장 응력이 부하시키도록 하중(2)에 의해 3점 굽힘 변형을 가하였다. 노치부로부터 파단될 때까지 굽힘 변형을 계속 가하여, 도3b에 도시한 바와 같이 파단시의 굽힘 각도를 측정하였다. 측정 각도(3)는, 도3b에 도시한 대로 각도가 클수록 코일링 특성이 양호하다. 경험적으로는 Ø 4 ㎜의 강선에 있어서 노치 굽힘 각도 25°이하에서는 코일링은 곤란하다.

피로 시험은 나까무라식 회전 굽힘 피로 시험이며, 10개의 샘플이 50 ％ 이상의 확률로 10⁷ 사이클 이상의 수명을 나타내는 최대 부하 응력을 평균 피로 강도로 하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, Ø 4 ㎜의 강선에 관해서는 화학 성분이 규정 범위 밖이면 탄화물의 제어가 곤란해지고, 코일링성의 지표가 되는 노치 굽힘 시험에 있어서의 굽힘 각도가 작아 코일링 특성이 떨어지거나, 나까무라식 회전 굽힘 피로 강도가 떨어진다. 또한 화학 성분이 규정 범위 내라도 사전의 소둔에 의한 탄화물의 안정화나 퀭칭시의 가열 부족에 의한 미고체 용융 탄화물의 잔류 및 퀭칭의 냉각 부족 등, 열처리 조건의 불비에 의해 최대 산화물 직경이나 구오스테나이트 입경이 본 규정 범위 밖에 있는 비교재도 코일링 특성 혹은 피로 특성이 떨어진다. 한편, 탄화물에 관한 규정을 충족했다고 해도 강도가 부족하면 피로 강도가 부족하 여, 고강도 스프링에는 사용할 수 없다.

본 발명의 강선은, 냉간 코일링 스프링용 강선 중의 세멘타이트를 포함하는 구형 탄화물의 점유 면적률, 존재 밀도, 오스테나이트 입경, 잔류 오스테나이트량을 작게 함으로써 강도를 2000 ㎫ 이상으로 고강도화하는 동시에, 코일링성을 확보하여 고강도 또한 파괴 특성이 우수한 스프링이 제조 가능해진다.

Claims (2)

1. 질량 ％로,

   C : 0.75 내지 0.85 ％,

   Si : 1.5 내지 2.5 ％,

   Mn : 0.5 내지 1.0 ％,

   Cr : 0.3 내지 1.0 ％,

   P : 0.015 ％ 이하,

   S : 0.015 ％ 이하,

   N : 0.001 내지 0.007 ％,

   W : 0.05 내지 0.3 ％

   잔량부가 철 및 불가피적 불순물을 포함하고, 인장 강도 2000 ㎫ 이상, 또한 검경면에 차지하는 세멘타이트계 구형 탄화물에 관하여,

   원 상당 직경 0.2 ㎛ 이상의 점유 면적율이 7 ％ 이하 (단, 0%를 포함하지 않음),

   원 상당 직경 0.2 내지 3 ㎛의 존재 밀도가 1개/㎛² 이하,

   원 상당 직경 3 ㎛ 초과의 존재 밀도가 0.001개/㎛² 이하

   를 충족하고, 또한 구오스테나이트 입경 번호가 10번 이상, 잔류 오스테나이트가 12 질량 ％ 이하, 최대 탄화물 직경이 15 ㎛ 이하 또한 최대 산화물 직경이 15 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 열처리 강선.
2. 제1항에 있어서,

   Mo : 0.05 내지 0.2 ％,

   V : 0.05 내지 0.2 ％

   중 1 종류 또는 2 종류을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 열처리 강선.

Images