KR100706005B1 - 피로 강도가 우수한 고강도 강재 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
모재 강도가 1000MPa 이상이고 회전 굽힘 피로 강도가 550MPa 이상인, 우수한 강도와 피로 강도를 겸비한 고강도 강재를 제공한다. C: 0.3∼0.8질량%, Si: 0.01∼0.9질량% 및 Mn: 0.01∼2.0질량% 를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물의 조성으로 함과 함께, 강 조직을 입경 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직, 또는 입경 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한다. 그리고, 고주파 담금질 후의 표층부를 구오스테나이트 입경 12㎛ 이하인 마르텐사이트 조직으로 한다. 또는, 질화 처리 후의 표층부의 페라이트 조직의 입경이 10㎛ 이하인 미세 조직으로 한다.
Description
본 발명은 조강(條鋼)을 사용한 자동차 부품, 예를 들어 등속 조인트, 드라이브 샤프트, 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 및 허브 등에 적용하여 바람직한, 피로 강도가 우수한 고강도 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
커넥팅 로드 및 허브 등의 제품은, 열간 단조 또는 전조를 실시하고 그 후 절삭 가공하여 제조되어 왔다. 등속 조인트, 드라이브 샤프트, 크랭크 샤프트 및 허브 등의 제품은 기계 가공성을 높이기 위한 어닐링, 또는 구형화 어닐링 후 열간 단조 또는 전조를 실시하고, 그 후 부분적 또는 전체적으로 고주파 담금질 또는 질화 처리하여 제조되어 왔다. 이러한 용도의 제품에 대해서는, 차체 경량화를 위해 고강도화와 고피로수명화가 요구되고 있다.
종래부터 피로 강도를 향상시키기 위해서는 개재물의 최대직경을 작게 하는 것 및 개재물의 수를 감소시키는 것이 가장 유효하다고 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는 Al, N, Ti, Zr 및 S 등의 각 성분을 적절히 조정한 후에 황화물의 최대직경을 10㎛ 이하로, 또 청정도를 0.05% 이상으로 함으로써 피로 강도를 향상시키는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 특히 고강도재에서 는 반복 응력을 받으면 입계 파괴가 발생하기 쉬워져, 목표로 하는 피로 강도가 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.
또, 예를 들어 특허문헌 2 에는 선형 또는 막대형 압연강재에서 축심과 평행하고 또 축심에서 직경의 1/4 떨어진 위치의 단위면적 100㎟ 중에 존재하는 산화물 및 황화물을 20개 이하로 억제함으로써 피로 특성 및 전동 피로 특성을 개선하는 방법이 제안되어 있다. 그러나, 이 방법에서는, 피로 강도의 최대치는 770MPa 정도에 지나지 않아, 최근의 굽힘 피로 강도에 대한 요구에는 응할 수 없었다.
특허문헌 1 일본 공개특허공보 평11-302778호
특허문헌 2 일본 공개특허공보 평11-1749호
(발명의 개시)
본 발명은 상기 현상을 감안하여 개발된 것으로, 성분조정과 함께 조직을 적절히 제어함으로써, 강도가 1000MPa 이상이고 회전 굽힘 피로 강도가 550MPa 이상인, 우수한 강도와 피로 강도를 겸비한 고강도 강재를, 그 유리한 제조방법과 함께 제안하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 모재 조직과 표층부 조직을 적절히 제어함으로써, 모재 강도가 1000MPa 이상이고 고주파 담금질 후 또는 질화 후의 회전 굽힘 피로 강도가 800MPa 이상인, 우수한 강도와 피로 강도를 겸비한 고강도 강재를, 그 유리한 제조방법과 함께 제안하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은 상기 목적을 달성하기 위하여 예의연구를 거듭한 결과, 이하에 서술하는 지견을 얻었다.
(1) 강재의 결정입경을 미세하게 하면 강도 및 피로 강도가 함께 향상되지만, 단순히 결정입경을 미세하게만 해서는 본 발명이 목표로 하는 피로 강도는 얻어지지 않는다.
(2) 성분을 조정하여 강 조직을 미세입자 페라이트뿐만 아니라 미세입자 세멘타이트가 생성되도록 하면, 피로 강도가 효과적으로 향상된다. 또한, 이 미세분산 세멘타이트는 균일 신장을 크게 하는 작용이 있기 때문에, 재료의 가공성이 향상된다.
(3) 강 조직을 미세 페라이트와 미세 세멘타이트를 갖는 조직으로 하기 위해서는, 강의 성분 조정에 더하여 550∼700℃ 의 온도역에서 변형 1.0 이상의 가공을 실시하는 것이 효과적이다.
(4) 강재의 결정입경을 미세하게 하면 강도 및 피로 강도가 함께 향상되지만, 단순히 결정입경을 미세하게만 해서는 그 후의 고주파 담금질에 의해 결정입자가 조대화되기 때문에, 본 발명이 목표로 하는 피로 강도는 얻어지지 않는다.
(5) 성분을 조정하여 강 조직을 미세 페라이트뿐만 아니라 미세 세멘타이트가 생성되도록 하면, 이 미세분산 세멘타이트 및 모재 페라이트 입자계가 고주파 가열시에 오스테나이트화의 핵으로 작용하여 다수의 핵으로부터 오스테나이트화가 일어나게 되기 때문에, 최종적으로 얻어지는 마르텐사이트의 구오스테나이트(prior austenite) 입경도 미세화된다. 그 결과, 고주파 담금질 후에도 강도 및 피로 강도가 각별히 향상된다.
(6) 고주파 담금질에서는 비교적 저온으로 하는 것이 개선효과는 크다.
(7) 강재의 결정입경을 미세하게 하면 강도 및 피로 강도가 함께 향상되지만, 그 후 표층부에 질화 처리를 실시하는 경우에는, 단순히 결정입경을 미세하게만 해서는 그 후의 질화 처리에 의해 결정립이 조대화되기 때문에, 본 발명이 목표로 하는 피로 강도는 얻어지지 않는다.
(8) 성분을 조정하여 강 조직을 미세 페라이트뿐만 아니라 미세 세멘타이트가 생성되도록 하면, 이 미세분산 세멘타이트가 질화시에 피닝의 역할을 하여 페라이트의 입자 성장을 억제한다. 그 때문에, 최종적으로 얻어지는 표층부의 페라이트 입경도 미세해진다. 그 결과, 질화 처리 후에서도 강도 및 피로 강도가 각별히 향상된다.
(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)
즉, 본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. C: 0.3∼0.8질량%,
Si: 0.01∼0.9질량% 및
Mn: 0.01∼2.0질량%
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물의 조성이 되고, 조직은 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직, 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
2. 1 의 강재에 있어서, 추가로,
Mo: 0.05∼0.6질량%
를 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
3. 2 의 강재에 있어서, 추가로
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni: 1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
4. 1, 2 또는 3 에 있어서, 세멘타이트의 조직분율이 4vol% 이상인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
5. 2 의 강재에 있어서, 추가로 고주파 담금질 후의 표층부가 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 마르텐사이트 조직이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
6. 5 의 강재에 있어서, 추가로
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni :1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
7. 2 의 강재에 있어서, 추가로,
질화 처리 후의 표층부의 페라이트 입경이 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 강재의 표층부에 질화 처리에 의한 경화층을 갖추는 고강도 강재.
8. 7 의 강재에 있어서, 추가로,
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni: 1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하, 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
9. 7 또는 8 에 있어서, 모재 조직 중에서의 세멘타이트의 조직분율이 4vol% 이상인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
10. C: 0.3∼0.8질량%,
Si: 0.01∼0.9질량% 및
Mn: 0.01∼2.0질량%
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물의 조성이 되는 강소재를 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
11. 10 에 있어서, 강소재가, 추가로
Mo: 0.05∼0.6질량%
를 함유하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조법.
12. 11 에 있어서, 강소재가, 추가로
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni: 1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
13. 11 에 있어서,
강소재를, 550∼700℃
의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하고, 그 후에 고주파 담금질을 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
14. 13 에 있어서, 강소재가, 추가로,
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni: 1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
15. 11 에 있어서,
강소재를, 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하고, 그 후에 표층부에 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
16. 15 에 있어서, 강소재가, 추가로
Al: 0.015∼0.06질량%,
Ti: 0.005∼0.030질량%,
Ni: 1.0질량% 이하,
Cr: 1.0질량% 이하,
V: 0.1질량% 이하,
Cu: 1.0질량% 이하,
Nb: 0.05질량% 이하,
Ca: 0.008질량% 이하 및
B: 0.004질량% 이하
중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다. 먼저, 본 발명에서 강재의 성분 조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대하여 설명한다.
C: 0.3∼0.8질량%
C 는 모재의 강도를 상승시킴과 함께 필요량의 세멘타이트를 확보하기 위해 필요한 원소이다. 여기에서, C 함유량이 0.3질량% 가 되지 않으면 상기 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.8질량% 를 초과하면 피삭성이나 피로 강도, 단조성의 저하를 초래하기 때문에, C 량은 0.3∼0.8질량% 의 범위로 한정하였다.
Si: 0.01∼0.9질량%
Si 는 탈산제로서 작용할 뿐만 아니라 강도의 향상에도 효과적으로 기여하지만, 함유량이 0.01질량% 가 되지 않으면 그 첨가효과가 떨어지고, 한편 0.9질량% 를 초과하면 피삭성 및 단조성의 저하를 초래하기 때문에, Si 량은 0.01∼0.9질량% 의 범위로 한정하였다.
Mn: 0.01∼2.0질량%
Mn 은 강도의 향상뿐만 아니라 피로 강도의 향상에 효과적으로 기여하지만, 함유량이 0.01질량% 가 되지 않으면 그 첨가효과가 떨어지고, 한편 2.0질량% 를 초과하면 피삭성이나 단조성을 열화시키기 때문에, Mn 량은 0.01∼2.0질량% 의 범위로 한정하였다.
이상 기본 성분에 대하여 설명하였는데, 본 발명에서는 그 외에도 이하에 서술하는 원소를 적절히 함유시킬 수 있다.
Mo: 0.05∼0.6질량%
Mo 는 페라이트 입자의 성장을 억제하는 데에 있어서 유용한 원소이고, 그러기 위해서는 적어도 0.05질량% 를 필요로 하지만, 0.6질량% 를 초과해 첨가하면 피삭성의 열화를 초래하기 때문에, Mo 량은 0.05∼0.6질량% 의 범위로 한정하였다.
Al: 0.015∼0.06질량%
Al 은 강의 탈산제로서 작용한다. 그러나, 함유량이 0.015질량% 가 되지 않으면 그 첨가효과가 떨어지고, 한편 0.06질량% 를 초과하면 피삭성 및 피로 강도의 저하를 초래하기 때문에, Al 량은 0.015∼0.06질량% 의 범위로 한정하였다.
Ti: 0.005∼0.030질량%
Ti 는 TiN 의 피닝 효과에 의해 결정입자를 미세화하기 위해 유용한 원소이고, 이 효과를 얻기 위해서는 적어도 0.005질량% 의 첨가를 필요로 하지만, 0.030질량% 을 초과해 첨가하면 피로 강도의 저하를 초래하기 때문에, Ti 량은 0.005∼0.030질량% 의 범위로 한정하였다.
Ni: 1.0질량% 이하
Ni 는 강도상승 및 Cu 첨가시의 균열 방지에 효과적이지만, 1.0질량% 를 초과해 첨가하면 담금질 균열을 일으키기 쉬워지므로, 1.0질량% 이하로 한정하였다.
Cr: 1.0질량% 이하
Cr 은 강도상승에 효과적이지만, 1.0질량% 를 초과해 첨가하면 탄화물을 안정화시켜 잔류 탄화물의 생성을 촉진하고 입계 강도를 저하시키며, 또 피로 강도의 저하도 초래하기 때문에, 1.0질량% 이하로 한정하였다.
V: 0.1질량% 이하
V 는 탄화물이 되어 석출됨으로써 피닝에 의한 조직미세화 효과를 발휘하는 유용원소이지만, 0.1질량% 를 초과해 첨가해도 효과가 포화되기 때문에, 0.1질량% 이하로 한정하였다.
Cu: 1.0질량% 이하
Cu 는 고용강화 및 석출강화에 의해 강도를 향상시키는 유용원소이고, 또한 담금질성의 향상에도 효과적으로 기여하지만, 함유량이 1.0질량% 를 초과하면 열간 가공시에 균열이 발생하기 쉬워 제조가 곤란해지기 때문에, 1.0질량% 이하로 한정하였다.
Nb: 0.05질량% 이하
Nb 는 석출에 의해 페라이트 입자를 피닝하는 효과가 있지만, 0.05질량% 를 초과해 첨가해도 그 효과는 포화되기 때문에, 0.05질량% 이하로 한정하였다.
Ca: 0.008질량% 이하
Ca 는 개재물을 구형화하여 피로 특성을 개선하는 유용원소이지만, 0.008질량% 를 초과해 첨가하면 개재물이 조대화되고, 반대로 피로 특성을 열화시키는 경향이 있기 때문에, 0.008질량% 이하로 한정하였다.
B: 0.004질량% 이하
B 는 입계 강화에 의해 피로 특성을 개선할 뿐만 아니라 강도를 향상시키는 유용원소이지만, 0.004질량% 를 초과해 첨가해도 그 효과는 포화되기 때문에, 0.004질량% 이하로 한정하였다.
이상 적합 성분 조성에 대하여 설명하였지만, 본 발명에서는 성분 조성을 상기 범위로 한정하는 것만으로는 불충분하며, 이하에 서술하는 바와 같이 강 조직의 조정도 중요하다.
조직이, 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직
조직이, 7㎛ 이하의 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 7㎛ 이하의 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직이 아니면, 본 발명에서 목표인 강도 ≥ 1000MPa 가 얻어지지 않는다. 따라서, 페라이트 입경은 7㎛ 이하로 한정하였다. 보다 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
모재 조직, 즉 고주파 담금질 전의 조직 (고주파 담금질 후의 표층부 담금질 조직 이외의 부분에 상당) 이, 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직이 아니면, 본 발명에서 목표인 1000MPa 이상의 모재 강도가 얻어지지 않는다. 또한, 페라이트 입경이 7㎛ 이하가 아니면, 그 후에 고주파 담금질을 적용한 경우 고주파 담금질 적용부의 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하가 되지 않아 피로 강도가 향상되지 않는다. 따라서, 모재의 페라이트 입경은 7㎛ 이하로 한정하였다. 보다 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
모재 조직, 즉 질화 처리 전의 조직 (질화 처리 후의 표층부 질화층 이외의 부분에 상당) 이, 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직, 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직이 아니면, 본 발명에서 목표인 1000MPa 이상의 모재 강도가 얻어지지 않는다. 또한, 페라이트 입경이 7㎛ 이하가 아니면, 그 후에 질화 처리를 실시한 경우 질화층의 페라이트 입경이 10㎛ 이하가 되지 않는다. 따라서, 모재의 페라이트 입경은 7㎛ 이하로 한정하였다. 보다 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
또, 페라이트 입경이 2㎛ 이하가 되면 펄라이트 조직이 소실되어 페라이트-세멘타이트 조직이 되는 경우가 있는데, 이것은 본 발명을 저해하는 것은 아니다.
또한, 석출되는 세멘타이트의 양 (조직분율) 은 체적분율 (vol%) 로 4% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 세멘타이트는 피로 강도의 향상에 기여하는 것 외에, 다량으로 미세하게 석출함으로써 균일 신장을 크게 하여 재료의 가공성을 향상시키는 효과도 있다. 여기에서, 석출된 세멘타이트의 크기는 약 1㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.5㎛ 이하이다. 그리고, 석출되는 펄라이트량은 약 20vol% 이하로 하는 것이 바람직하다. 이 펄라이트는 상기 서술한 바와 같이 전혀 석출되지 않아도 된다. 또, 세멘타이트, 펄라이트 이외의 잔부 조직은 페라이트이다. 이 페라이트량은, 가공성 확보의 관점에서 40vol% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, 상기한 바와 같은 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직은, 강재의 제조공정 중 온간 단조 공정에서 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시함으로써 바람직하게 얻을 수 있다.
고주파 담금질 후의 표층부가 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 마르텐사이트 조직
구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하가 아니면, 본 발명에서 목표인 800MPa 이상이라는 높은 굽힘 피로 강도를 얻을 수 없다. 그 때문에, 고주파 담금질 후의 조직에서의 구오스테나이트 입경은 12㎛ 이하로 한정하였다. 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
또, 상기한 고주파 담금질 후의 조직은 모재 조직을 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한 후에, 후술하는 조건으로 고주파 담금질을 실시함으로써 얻을 수 있다.
질화 처리 후의 표층부의 페라이트 입경이 10㎛ 이하
질화 처리 후의 표층부, 즉 질화층의 페라이트 입경이 10㎛ 이하가 아니면, 본 발명에서 목표인 800MPa 이상이라는 높은 굽힘 피로 강도를 얻을 수 없다. 그 때문에, 질화 처리 후의 표층부 조직에서의 페라이트 입경은 10㎛ 이하로 한정하였다. 바람직하게는 5㎛ 이하이다.
또, 상기한 질화 처리 후의 표층부 조직은, 모재 조직을, 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직, 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한 후에, 후술하는 조건으로 질화 처리함으로써 얻을 수 있다.
다음으로, 본 발명 강의 제조조건에 대하여 설명한다.
먼저, 소정 성분 조성으로 조정한 강재를 선봉 압연(wire rod rolling)한 후 온간 단조(warm forging)한다. 온간 단조한 강재를 모재로 한다. 온간 단조한 강재에 절삭 등의 마무리 가공을 실시하여 제품화한다. 또는, 온간 단조한 강재에 필요에 따라 냉견(cold drawing) 공정을 실시한 후 고주파 담금질을 실시하여 제품으로 한다. 또는, 온간 단조한 강재에 필요에 따라 절삭 등의 공정을 실시한 후 질화 처리하여 제품화한다.
상기 온간 단조 공정에서, 페라이트 입경을 7㎛ 이하로 하기 위해서는 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하는 것이 유리하다. 여기에서, 가공온도가 550℃ 미만이면 조직이 가공조직 그대로이며 미세화되지 않는다. 한편, 가공온도가 700℃ 를 초과하면 결정입경이 7㎛ 를 초과하여 역시 미세화되지 않는다. 또한, 가공량이 변형에서 1.0미만이면 가공이 불충분하고 작은 각 입계(angle boundaries)가 대부분을 차지하게 되기 때문에, 강도는 물론 피로 특성이 향상되지 않는다.
상기 모재 조직으로 한 후, 고주파 담금질을 실시하여 표층부를 경화시킨다. 이 때의 고주파 담금질 조건은 가열온도: 800∼1000℃, 주파수: 0.3∼400kHz 를 채용할 수 있다. 가열온도가 800℃ 가 되지 않으면 오스테나이트화가 불충분하고, 한편 1000℃ 를 초과하면 오스테나이트 입경이 조대해진다. 또한, 주파수가 0.3kHz 가 되지 않으면 급속하고 충분한 온도상승이 얻어지지 않고, 한편 400kHz 를 초과하면 담금질 깊이가 얕아져, 굽힘 피로 강도가 향상되지 않는다.
상기한 모재 조직으로 한 후 질화 처리하고 표층부를 경화시켜, 내마모성을 향상시킨다. 이 때의 질화 처리 조건은 500∼650℃ 의 온도범위에서 1∼100시간, 질화 분위기 중에 유지하는 것이다. 이 질화 처리에서는 질소의 원료가 기체이어도 되고 액체이어도 된다.
질화온도가 500℃ 가 되지 않으면 질소가 강 속에 들어가기 어려워 충분한 질화를 바랄 수 없다. 한편, 650℃ 를 초과하면 모재의 입자 성장을 억제하기 어려워 페라이트 입자가 조대화된다. 또한, 질화시간이 1h 이 되지 않으면 질소가 충분히 강 속에 들어가지 않기 때문에 질화의 효과가 작고, 한편 100h 를 초과하여 질화 처리해도 그 효과는 포화된다.
실시예 1
표 1 에 나타내는 성분 조성이 되는 강재를 봉 압연한 후, 표 2 에 나타내는 조건으로 온간 단조하여 60×60×120㎜ 의 제품을 얻었다. 이 제품에서 인장시험편, 회전 굽힘 피로 시험편 및 피삭성 시험편을 채취하였다. 제품의 페라이트 결정 입경, 세멘타이트량 및 펄라이트량 및 인장강도, 회전 굽힘 피로 강도 및 피삭성에 대해 조사한 결과를 표 2 에 병기한다. 또, 온간 단조시의 변형량은 유한요소해석법에 의해 단조면의 마찰계수를 0.3 으로 하여 산출하였다. 또, 피삭성은 외주 선삭 시험에서의 공구수명이 JIS G5101 의 SC 재와 동등 또는 그 이상인 경우를 ○, SC 재보다도 떨어지는 경우를 × 로 하여 평가하였다.
표 2 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 조직을 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한 발명예는 모두 강도 ≥ 1000MPa 라는 우수한 강도가 얻어질 뿐만 아니라 회전 굽힘 피로 강도 ≥ 550MPa 라는 우수한 피로 강도를 얻을 수 있었다.
이에 반하여, 단조시의 변형량이 작은 No.6 의 비교예에서는, 페라이트 입자 가 미세화되지 않아 회전 굽힘 피로 강도가 낮다. 또한, 단조 온도가 낮은 No.7 의 비교예에서는 조직이 가공조직이 되고, 한편 단조 온도가 높은 No.8 의 비교예에서는 페라이트 입자가 미세화되지 않으며, 그 때문에 회전 굽힘 피로 강도가 낮다.
또한 Mo 량이 과잉인 No.13 의 비교예에서는 피삭성이 저하하였다. 그리고, C 량이 부족한 No.14 의 비교예에서는 강도가 부족하고, 한편 C 가 과잉인 No.15 의 비교예에서는 피삭성의 저하를 초래하였다.
실시예 2
표 3 에 나타내는 성분 조성이 되는 강재를 봉 압연한 후, 표 4 에 나타내는 조건으로 온간 단조하여 60×60×120㎜ 의 모재를 얻었다. 이 모재에서 인장 시험편, 회전 굽힘 피로 시험편 및 피삭성 시험편을 채취하였다. 이어서, 회전 굽힘 피로 시험편에는 가열온도: 900℃, 주파수: 12kHz 의 조건으로 고주파 담금질을 하였다. 모재의 페라이트 결정 입경, 세멘타이트량, 펄라이트량, 인장강도 및 피삭성 그리고 고주파 담금질 후의 담금질 조직의 구오스테나이트 결정 입경 및 고주파 담금질 후의 시험편의 회전 굽힘 피로 강도에 대하여 조사한 결과를 표 4 에 병기한다. 또, 온간 단조시의 변형량은 유한요소해석법에 의해 단조면의 마찰계수를 0.3 으로 하여 산출하였다. 또, 피삭성은 외주 선삭 시험에서의 공구수명이 통상의 SC 재와 동등 또는 그 이상인 경우를 ○, SC 재보다도 떨어지는 경우를 × 로 하여 평가하였다.
표 4 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 모재 조직을 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한 발명예는 모두 모재 강도가 1000MPa 이상이라는 우수한 강도가 얻어질 뿐만 아니라, 고주파 담금질 후의 표층부 조직도 구오스테나이트 입경이 12㎛ 이하인 미세한 마르텐사이트 조직이 되어, 회전 굽힘 피로 강도가 800MPa 이상이라는 우수한 피로 강도를 얻을 수 있었다.
이에 반하여, 모재의 페라이트 입경이 7㎛ 을 초과하고 있으면 모재 강도가 부족함과 함께 고주파 담금질 후의 구오스테나이트 입경도 조대화되어 회전 굽힘 피로 강도도 불충분하였다.
특히 단조 온도가 낮은 No.7 의 비교예에서는 조직이 가공조직이 되고, 한편 단조 온도가 높은 No.8 의 비교예에서는 페라이트 입자가 미세화되지 않았다. 또한, 그러한 조대인 페라이트 조직에 고주파 담금질을 하더라도, 얻어지는 마르텐사이트의 구오스테나이트 입경은 12㎛ 이하로는 되지 않았다.
또한, Mo 를 첨가하지 않은 No.12 의 비교예에서는, 모재 페라이트 입자는 미세화되었지만 고주파 담금질 후의 구오스테나이트 입경이 조대해졌다. 한편, Mo 량이 과잉인 No.13 의 비교예에서는 피삭성이 저하하였다.
그리고, C 량이 부족한 No.14 의 비교예에서는 담금질되지 않고, 한편 C 가 과잉인 No.15 의 비교예에서는 피삭성의 저하를 초래하였다.
실시예 3
표 5 에 나타내는 성분 조성이 되는 강재를 봉 압연한 후, 표 6 에 나타내는 조건으로 온간 단조하여 60×60×120㎜ 의 모재를 얻었다. 이 모재에서 인장 시험편, 회전 굽힘 피로 시험편 및 피삭성 시험편을 채취하였다. 이어서, 회전 굽힘 피로 시험편에 대해서는 표 6 에 나타내는 조건으로 질화 처리하였다. 모재의 페라이트 결정 입경, 세멘타이트량, 펄라이트량, 인장강도, 그리고 피삭성 및 질화 처리 후 표층부의 페라이트 입경 및 회전 굽힘 피로 강도에 대해 조사한 결과를 표 6 에 병기한다. 또, 온간 단조시의 변형량은 유한요소해석법에 의해 단조면의 마찰계수를 0.3 으로 하여 산출하였다. 또, 피삭성은 외주 선삭 시험에서의 공구수명이 통상의 SC 재와 동등 또는 그 이상인 경우를 ○, SC 재보다도 떨어지는 경우를 × 로 하여 평가하였다.
표 6 에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따라 모재 조직을 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직으로 한 발명예는 모두 모재 강도가 1000MPa 이상이라는 우수한 강도가 얻어질 뿐만 아니라, 질화 처리 후의 표층부 조직도 페라이트 입경이 10㎛ 이하인 미세한 조직이 되어, 회전 굽힘 피로 강도 ≥ 800MPa 라는 우수한 피로 강도를 얻을 수 있었다. 또한, 피삭성도 우수하였다.
이에 반하여, 모재의 페라이트 입경이 7㎛ 을 초과하고 있으면 질화 처리 후의 페라이트 입경도 조대화되어 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다.
특히, 단조 온도가 낮은 No.6 의 비교예에서는 조직이 가공조직이 되고, 한편 단조 온도가 높은 No.7 및 단조시의 변형량이 작은 No.8 의 비교예에서는 페라이트 입자가 미세화되지 않았다. 또, 그러한 조대인 페라이트 조직에 질화 처리를 하더라도, 질화 영역의 페라이트 입경은 10㎛ 이하로는 되지 않았다.
또한, Mo 를 첨가하지 않은 No.13 의 비교예에서는, 모재 페라이트 입자는 미세화되었지만 질화 처리 후의 페라이트 입경이 커져 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 그리고, C 량이 부족한 No.1 의 비교예에서는 질화 처리 후의 페라이트 입경이 조대해지고 모재 강도 및 회전 굽힘 피로 강도가 불충분하였다. 한편 C 가 과잉인 No.4 의 비교예에서는 피삭성의 저하를 초래하였다. 또, 질화 처리하지 않은 No.9 의 비교예에서는 충분한 회전 굽힘 피로 강도가 얻어지지 않았다.
본 발명에 의하면, 모재 강도가 1000MPa 이상이고 회전 굽힘 피로 강도가 550MPa 이상, 또는 회전 굽힘 피로 강도가 800MPa 이상인, 우수한 강도와 피로 강도를 겸비한 고강도 강재를 안정적으로 얻을 수 있다.
Claims (16)
- C: 0.3∼0.8질량%,Si: 0.01∼0.9질량% 및Mn: 0.01∼2.0질량%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물의 조성이 되고, 조직은 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트 조직, 또는 입경이 7㎛ 이하인 페라이트와 세멘타이트와 펄라이트 조직인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 1 항에 있어서, 추가로,Mo: 0.05∼0.6질량%를 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 2 항에 있어서, 추가로Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni: 1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 세멘타이트의 조직분율이 4vol% 이상인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 2 항에 있어서, 추가로 고주파 담금질 후의 표층부가 구오스테나이트(prior austenite) 입경이 12㎛ 이하인 마르텐사이트 조직이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 5 항에 있어서, 추가로Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni :1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 2 항에 있어서, 추가로,질화 처리 후의 표층부의 페라이트 입경이 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 강재의 표층부에 질화 처리에 의한 경화층을 구비하는 고강도 강재.
- 제 7 항에 있어서, 추가로,Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni: 1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하, 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 모재 조직 중에서의 세멘타이트의 조직분율이 4vol% 이상인 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재.
- C: 0.3∼0.8질량%,Si: 0.01∼0.9질량% 및Mn: 0.01∼2.0질량%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물의 조성이 되는 강소재를 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
- 제 10 항에 있어서, 강소재가, 추가로Mo: 0.05∼0.6질량%를 함유하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조법.
- 제 11 항에 있어서, 강소재가, 추가로Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni: 1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,강소재를, 550∼700℃의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하고, 그 후에 고주파 담금질을 가열온도 : 800∼1000℃, 주파수 : 0.3∼400kHz 에서 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 강소재가, 추가로,Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni: 1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서,강소재를, 550∼700℃ 의 온도역에서 변형이 1.0 이상인 가공을 실시하고, 그 후에 표층부에 질화 처리를 500∼650℃ 의 온도범위에서 1∼100 시간 실시하는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
- 제 15 항에 있어서, 강소재가, 추가로Al: 0.015∼0.06질량%,Ti: 0.005∼0.030질량%,Ni: 1.0질량% 이하,Cr: 1.0질량% 이하,V: 0.1질량% 이하,Cu: 1.0질량% 이하,Nb: 0.05질량% 이하,Ca: 0.008질량% 이하 및B: 0.004질량% 이하중에서 선택한 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성이 되는 것을 특징으로 하는 피로 강도가 우수한 고강도 강재의 제조방법.
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