KR100764253B1

KR100764253B1 - 내수소취화 특성이 우수한 고강도 스프링용 강

Info

Publication number: KR100764253B1
Application number: KR1020060008442A
Authority: KR
Inventors: 후미오 유세; 겐지 사이토; 스시 이케다; 고이치 스기모토
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼; 가부시키가이샤 신슈 티엘오
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-10-05
Also published as: US20060169367A1; EP1686195A1; US7438770B2; EP1686195B1; ATE535624T1; KR20060087438A

Abstract

질량%로, C: 0.20 내지 0.60%, Si: 1.0 내지 3.0%, Mn: 1.0 내지 3.5%, Al: 1.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.15% 이하, S: 0.02% 이하를 만족하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로서, 전체 조직에 대한 면적율로 잔류 오스테나이트가 1% 이상, 베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트가 합계로 80% 이상, 페라이트 및 펄라이트가 합계로 10% 이하(0%를 포함한다)인 동시에, 상기 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비(장축/단축)가 5 이상이며, 또한 인장 강도가 1860MPa 이상인 것을 특징으로 하는 내수소취화 특성이 우수한 고강도 스프링용 강을 제공한다.

Description

내수소취화 특성이 우수한 고강도 스프링용 강{HIGH-STRENGTH STEEL USED FOR SPRING HAVING EXCELLENT HYDROGEN EMBRITTLEMENT RESISTANCE}

본 발명은 내수소취화 특성(耐水素脆化特性: 수소를 흡수함에 따라 금속재료가 약해지는 것을 억제할 수 있는 성능)이 우수한 고강도 스프링용 강에 관한 것으로, 특히 인장 강도가 1860MPa 이상인 스프링용 강에서 문제가 되는 수소취화나 자연 균열, 지연 파괴가 억제된 고강도 스프링용 강에 관한 것이다.

자동차 엔진의 밸브 스프링, 서스펜션의 현가 스프링 등의 고강도 스프링에 사용되는 스프링용 강의 화학 성분은 JIS G 3565 내지 3567이나 JIS G 4801에 규정되어 있고, 상기 성분 조성을 만족시키는 강재를 열간 압연 후 소정의 선 직경까지 신선 가공을 실시하고, 그 후 오일 템퍼(oil temper) 처리한 후 스프링 가공(냉간 권선 스프링)하거나, 압연재에 신선 가공을 실시한 후, 가열하여 스프링 성형하고, 그 후에 담금질 뜨임(열간 코일 스프링)을 실시하여 스프링이 제조된다.

그런데, 자동차의 경량화 등에 따라 스프링에도 추가적인 고강도화가 요구되고 있고, 인장 강도가 1800MPa 이상인 스프링도 실현되어 있지만, 이러한 스프링의 고강도화에 따라 장시간 경과하면 갑자기 균열되는 소위 지연 파괴가 문제가 되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 예컨대 일본 특허공개 공보 제1998-183302호에는 기본적인 성분에 Cr, V, Ni, Cu, B, Nb 등의 합금 원소를 첨가함으로써, 내식성을 높이고, 결정립을 미세화시켜 내지연파괴 특성을 향상시킨다고 개시되어 있다. 또한 일본 특허 공보 제 3064672호에는 기본적인 성분에 Ni, Cr, Cu, V를 함유시킴으로써 담금질 뜨임 후의 강재의 인성을 향상시키고, 또한 내식성을 높여서 내침식성이나 내수소취화 특성을 향상시킨다고 개시되어 있다.

일본 특허공개 공보 제2001-288539호에는 수소 포집사이트로서 V, Mo, Ti, Nb 및 Zr 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 산화물, 탄화물 및 질화물, 및 이들 중 2종 이상의 복합 석출물 중 1종 이상을 존재시킴으로써 내수소취화 특성을 높이고 있다. 구체적으로는 이들 석출물의 평균 입경을 0.05㎛ 이상 1.0㎛ 이하로 하면서 평균 입자 간격을 평균 입경의 3 내지 30배로 함으로써 내수소취화 특성을 높이고 있다.

그러나, 이들 기술에서 사용되고 있는 합금 원소는 고가로서, 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 스프링용 강을 염가로 공급하는 데에 한계가 있다. 또한 이들 합금 원소가 다량으로 포함되어 있으면 재활용하기 어렵다는 문제가 있다.

일본 특허공개 공보 제 2004-143482호에는 상기 합금 원소의 첨가를 필수로 하지 않고 조직을 제어함으로써 내수소취화 특성을 높일 수 있었다고 개시되어 있다. 구체적으로는 조직을 마르텐사이트 또는 베이나이트 주체로 하고, 구 오스테 나이트의 결정 입경을 미세화하는 동시에 조대한 미용해된 탄화물의 개수를 제한함으로써 고강도 스프링용 강선에 있어서 내수소취화 특성을 높이는 것이 이루어지고 있다. 그러나, 석출물의 석출 형태를 조절하더라도 수소 흡장 능력의 향상에 한계가 있어 보다 우수한 내수소취화 특성을 실현하는 것은 어렵다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 인장 강도가 1860MPa 이상으로 고강도이고, 내수소취화 특성이 현저히 높아진 고강도 스프링용 강을 제공하는 데에 있다.

본 발명에 따른 고강도 스프링용 강은 C: 0.20 내지 0.60%(질량%의 의미, 성분 조성에 대하여 이하 동일), Si: 1.0 내지 3.0%, Mn: 1.0 내지 3.5%, Al: 1.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.15% 이하, S: 0.02% 이하를 만족시키고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로서, 전체 조직에 대한 면적율로,

·잔류 오스테나이트가 1% 이상,

·베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트가 합계로 80% 이상,

·페라이트 및 펄라이트가 합계로 10% 이하(0%를 포함한다)인 동시에,

상기 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비(장축/단축)가 5 이상이며, 또한 인장 강도가 1860MPa 이상인 점에 특징이 있다(이하 "본 발명 강 1"이라 하는 경우가 있음).

본 발명에 따른 다른 고강도 스프링용 강은 C: 0.20 내지 0.60%, Si: 1.0 내 지 3.0%, Mn: 1.0 내지 3.5%, Al: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), P: 0.15% 이하, S: 0.02% 이하를 만족하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로서, 전체 조직에 대한 면적율로,

·잔류 오스테나이트가 1% 이상,

·베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트가 합계로 80% 이상,

·페라이트 및 펄라이트가 합계로 10% 이하(0%를 포함함)인 동시에,

상기 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비(장축/단축)가 5 이상이며, 인장 강도가 1860MPa 이상인 점에 특징이 있다(이하 "본 발명 강 2"라 하는 경우가 있음).

또한, 본 발명의 고강도 스프링용 강은 추가로 Nb: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음) 및/또는 Mo: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)나, Cu: 2% 이하(0%를 포함하지 않음) 및/또는 Ni: 5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하고 있을 수도 있다.

고강도 강재로서 종래부터 일반적으로 채용되고 있는 템퍼링 마르텐사이트 강이나, 마르텐사이트＋페라이트 강의 경우, 수소에 기인하는 지연 파괴는 구 오스테나이트 입계 등에 수소가 집적하여 보이드 등이 형성되고, 이 부분이 기점이 되어 발생하는 것으로 여겨지고 있으며, 지연 파괴의 감수성을 낮추기 위해서는 종래 기술로서 예를 든 바와 같이, 수소의 포집 사이트로서 탄화물 등을 균등하면서 미세하게 분산시켜서 확산성 수소 농도를 낮추는 것이 일반적인 해결 수단으로서 채용되어 왔다. 그러나, 이와 같이 수소의 포집 사이트로서 탄화물 등을 다수 분산 시키더라도 포집 능력에 한계가 있기 때문에, 수소에 기인하는 지연 파괴를 충분히 억제할 수 없다.

이에, 본 발명자들은 스프링용 강에 있어서의 사용 환경을 충분히 고려한 보다 고도한 내수소취화 특성(내지연 파괴성)을 실현시키기 위해 구체적 수단을 다시금 검토하였다.

그 결과, 입계 파괴의 기점을 감소시킴으로써 내수소취화 특성을 높이기 위해서는 스프링용 강의 모상(母相)을, 고강도 강재에 일반적으로 채용되고 있는 마르텐사이트 단상 조직으로 하는 것이 아니라, 베이니틱 페라이트가 주체인 "베이니틱 페라이트와 마르텐사이트의 2상 조직"으로 하는 것이 최적이라는 결론에 이르렀다. 상기 마르텐사이트 단상 조직의 경우에는 입계에 탄화물(예컨대 필름상 시멘타이트 등)이 석출되어 입계 파괴가 생기기 쉬운 데 반해, 베이니틱 페라이트가 주체인 "베이니틱 페라이트와 마르텐사이트의 2상 조직"으로 하면, 상기 베이니틱 페라이트가 일반적인 (폴리고날)페라이트와 달리 판상의 페라이트에서 전위 밀도가 높고, 마르텐사이트 단상의 경우와 마찬가지로 조직 전체의 강도를 용이하게 높일 수 있고, 또한, 이 전위 상에 수소가 다수 포집되기 때문에 내수소취화 특성을 높일 수도 있다. 또한, 상기 베이니틱 페라이트와 후술하는 잔류 오스테나이트를 존재시킴으로써 입계 파괴의 기점이 되는 탄화물의 생성을 방지할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 수소 포집 능력을 향상시켜 수소의 무해화를 꾀함으로써 내수소취화 특성을 높이기 위해서는 침상의 잔류 오스테나이트를 형성하는 것이 매우 유효하다 는 것도 발견하였다. 종래, 잔류 오스테나이트는 내수소취화 특성이나 피로에 악영향을 주는 것으로 여겨져 왔다. 그러나, 본 발명자들이 검토한 결과, 종래의 잔류 오스테나이트는 마이크론 사이즈의 괴상이며, 이 형태의 잔류 오스테나이트는 내수소취화 특성이나 피로에 악영향을 미치지만, 상기 잔류 오스테나이트의 형태를 서브마이크론 크기의 침상으로 제어하면, 잔류 오스테나이트가 원래 갖는 수소 흡장능이 발휘되어 수소를 다량으로 흡장·포집할 수 있어 내수소취화 특성을 대폭 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

이하, 본 발명에서 각 조직을 규정한 이유에 대하여 상술한다.

<베이니틱 페라이트(BF)＋마르텐사이트(M): 80% 이상>

본 발명에서는 베이니틱 페라이트와 마르텐사이트의 2상 조직(베이니틱 페라이트가 주체)으로 한다. 상술한 바와 같이, 베이니틱 페라이트 조직은 경질이며, 고강도가 얻어지기 쉽다. 또한, 모상의 전위 밀도가 높고, 이 전위 상에 수소가 다수 포집되는 결과, 다른 TRIP강에 비해 다량의 수소를 흡장할 수 있다는 이점도 있다. 또한, 침상의 베이니틱 페라이트의 경계에 본 발명에서 규정하는 침상의 잔류 오스테나이트가 생성되기 쉬워 매우 우수한 신장율을 얻을 수 있다는 장점도 있다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 전체 조직에 대한 면적율로 베이니틱 페라이트와 마르텐사이트를 합계로 80% 이상, 바람직하게는 85% 이상, 보다 바람직하게는 90% 이상으로 한다. 한편, 그 상한은 다른 조직(잔류 오스테나이트)과의 밸런스에 의해 결정될 수 있고, 잔류 오스테나이트 이외의 조직(페라이트 등)을 함유하지 않는 경우에는 그 상한이 99%로 제어된다.

상기 베이니틱 페라이트란 판상의 페라이트로서, 전위 밀도가 높은 하부 조직을 의미하고, 전위가 없거나 또는 매우 적은 하부 조직을 갖는 폴리고날 페라이트와는 SEM 관찰에 의해 다음과 같이 명료하게 구별된다.

베이니틱 페라이트 조직의 면적율은 다음과 같이 하여 구한다. 즉, 시료(막대형)의 반경 1/2의 위치에서의 단면을 관찰할 수 있도록 잘라낸 후 나이탈로 부식시키고, 상기 평면에 있어서의 임의의 위치의 측정 영역(약 50×50㎛)을 SEM(Scanning Electron Microscope, 주사형 전자 현미경) 관찰(배율: 1500배)함으로써 산출된다.

베이니틱 페라이트는 SEM 사진에서는 농회색을 나타내는 데(SEM의 경우, 베이니틱 페라이트와 잔류 오스테나이트나 마르텐사이트를 분리 구별할 수 없는 경우도 있음), 폴리고날 페라이트는 SEM 사진에 있어서 흑색이며, 다각형 형상으로 내부에 잔류 오스테나이트나 마르텐사이트를 포함하지 않는다.

본 발명에서 사용하는 SEM은 "EBSP(Electron Back Scattering Pattern) 검출기를 구비한 고분해능형 FE-SEM(Field Emission type Scanning Electron Microscope, Philips사 제품, XL30S-FEG)"로서, SEM 관찰한 영역을 그 자리에서 동시에 EBSP 검출기에 의해 해석할 수 있다는 장점이 있다. 여기서 EBSP법에 대하여 간단히 설명하면, EBSP은 시료 표면에 전자선을 입사시키고, 이 때에 발생하는 반사 전자로부터 수득된 기쿠치(菊池) 패턴을 해석함으로써 전자선 입사 위치의 결정 방향을 결정하는 것으로, 전자선을 시료 표면에 2차원으로 주사시키고, 소정 피치마다 결정 방향을 측정하면 시료 표면의 방위 분포를 측정할 수 있다. 이 EBSP 관 찰에 따르면, 보통의 현미경 관찰로는 동일하다고 판단되는 조직으로서 결정 방향 차이가 상이한 판 두께 방향의 조직을 색조차에 의해 식별할 수 있다는 이점이 있다.

<잔류 오스테나이트(잔류γ, γR): 1% 이상>

잔류 오스테나이트는 종래부터 알려져 있는 바와 같이 전체 신장율의 향상에 유용할 뿐 아니라, 내수소취화 특성의 향상에도 크게 기여하는 조직이기 때문에, 본 발명에서는 1% 이상 존재시킨다. 바람직하게는 2% 이상, 보다 바람직하게는 3% 이상이다. 한편, 상기 잔류 오스테나이트가 다량으로 존재하면, 원하는 고강도를 확보할 수 없게 되기 때문에 그 상한을 20%로 하는 것이 권장된다. 보다 바람직하게는 15% 이하이다.

그리고 상술한 바와 같이, 잔류 오스테나이트를 침상으로 하면, 수소 포집 능력이 탄화물보다도 압도적으로 커지고, 특히 그 형상이 평균 축비(장축/단축)로 5 이상인 경우에, 소위 대기 부식으로 침입하는 수소를 실질적으로 무해화하여 내수소취화 특성을 현저히 향상시킬 수 있음을 발견하였다. 상기 잔류 오스테나이트의 평균 축비는 바람직하게는 10 이상, 더욱 바람직하게는 15 이상이다.

상기 잔류 오스테나이트의 안정성의 관점에서는 잔류 오스테나이트 중의 C: 농도(C_γR)가 0.8% 이상인 것이 권장된다. 또한 이 C_γR을 0.8% 이상으로 제어하면 신장율 등을 유효하게 높일 수도 있다. 바람직하게는 1.0% 이상이며, 보다 바람직하게는 1.2% 이상이다. 한편, 상기 C_γR은 높을 수록 바람직하지만, 실제 조업상 조정 가능한 상한은 대략 1.6%라 생각된다.

상기 잔류 오스테나이트는 상술한 FE-SEM/EBSP법에 의해 FCC상(면심 입방 격자)로서 관찰되는 영역을 의미한다. EBSP에 의한 측정의 한 구체예로서, 상기 베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트의 관찰의 경우와 마찬가지로, 시료(막대형)의 반경 1/2 위치에서의 단면에 있어서의 임의 위치의 측정 영역(약 50×50㎛)을 대상으로 측정 간격 0.1㎛로 측정하는 것을 들 수 있다. 한편, 상기 측정면까지 연마할 때에는 잔류 오스테나이트의 변태를 막기 위해 전해 연마를 실시한다. 다음으로 상기 "EBSP 검출기를 구비한 FE-SEM"을 이용하여 SEM의 거울통 내에 세팅한 시료에 전자선을 조사한다. 스크린 상에 투영되는 EBSP 화상을 고감도 카메라(Dage-MTI Inc. 제품 VE-1000-SIT)로 촬영하여 컴퓨터에 화상으로서 삽입한다. 그리고 컴퓨터로 화상 해석을 하고, 기지의 결정계[잔류 오스테나이트의 경우에는 FCC상(면심 입방 격자)]를 이용한 시뮬레이션에 의한 패턴과의 비교에 의해 결정한 FCC상을 컬러 맵핑한다. 이렇게 하여 맵핑된 영역의 면적율을 구하고, 이를 "잔류 오스테나이트의 면적율"이라 정한다. 한편, 상기 해석에 따른 하드웨어 및 소프트웨어로서 TexSEM Laboratories Inc.의 OIM(Orientation Imaging Microscopy^TM)시스템을 이용하였다.

또한, 상기 평균 축비의 측정은 TEM(Transmission Electron Microscope)으로 관찰하고(배율 1.5만배), 임의로 선택한 3 시야에 있어서, 존재하는 잔류 오스테나이트 결정립의 장축과 단축을 측정하여 축비를 구하고, 그 평균치를 산출하여 평균 축비로 하였다.

<페라이트(F)＋펄라이트(P): 10% 이하(0% 포함함)>

본 발명의 스프링용 강은 상기 조직만(즉, 베이니틱 페라이트＋마르텐사이트와 잔류 오스테나이트와의 혼합 조직)으로 구성되어 있을 수도 있지만, 본 발명의 작용을 손상시키지 않는 범위에서, 다른 조직으로서 페라이트(한편, 여기서 말하는 "페라이트"란 폴리고날 페라이트, 즉, 전위 밀도가 없거나 혹은 매우 적은 페라이트를 의미함)나 펄라이트를 가지고 있을 수 있다. 이들은 본 발명의 제조 과정에서 필연적으로 잔존할 수 있는 조직이지만, 적으면 적을 수록 바람직하며, 본 발명에서는 10% 이하로 억제한다. 바람직하게는 5% 미만, 더욱 바람직하게는 3% 미만이다.

본 발명은 상기한 바와 같이, 특히 금속 조직을 제어하는 점에 특징이 있지만, 상기 조직을 형성하여 용이하게 내수소취화 특성과 고강도를 향상시키기 위해서는 강의 성분 조성을 하기와 같이 만족시킬 필요가 있다.

<C: 0.20 내지 0.60%>

C는 1860MPa 이상의 고강도를 확보하면서 잔류 오스테나이트를 확보하기 위해 필요한 원소이다. 구체적으로는 오스테나이트 상 중에 충분한 C량을 포함시켜 실온에서 원하는 오스테나이트 상을 잔류시키는 데에 중요한 원소로서, 0.20% 이상 함유시키는 것이 필요하다. 바람직하게는 0.25% 이상이다. 단 C량이 과잉이면 인성 저하에 의해 내수소취화 특성이 저하되기 쉬워지기 때문에 0.60% 이하로 억제한다. 바람직하게는 0.5% 이하이다.

<Si: 1.0 내지 3.0%>

Si는 잔류 오스테나이트가 분해되어 탄화물이 생성하는 것을 유효하게 억제하는 중요한 원소이면서, 재질의 경질화에 유효한 치환형 고용체 강화 원소이기도 하다. 이러한 작용을 유효하게 발현시키기 위해서는 1.0% 이상 함유하는 것이 필요하다. 바람직하게는 1.2% 이상, 보다 바람직하게는 1.5% 이상이다. 단, Si량이 과잉이면 인성 저하에 의해 내수소취화 특성이 저하되기 쉬워지기 때문에 3.0% 이하로 억제한다. 바람직하게는 2.7% 이하, 보다 바람직하게는 2.5% 이하이다.

<Mn: 1.0 내지 3.5%>

Mn은 오스테나이트를 안정화시켜 원하는 잔류 오스테나이트를 얻는 데 필요한 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 1.0% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 1.2% 이상, 보다 바람직하게는 1.5% 이상이다. 한편, Mn량이 과잉이면 편석이 현저해져 가공성이 열화되기 쉬워지기 때문에 3.5%를 상한치로 한다. 바람직하게는 3.2% 이하, 보다 바람직하게는 3.0% 이하이다.

<Al: 1.5% 이하(0%를 포함하지 않음)>(본 발명 강 1의 경우)

<Al: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)>(본 발명 강 2의 경우)

Al은 탈산을 위해 0.01% 이상을 첨가할 수도 있다. 또한 Al은 탈산 작용 뿐 아니라, 내식성 향상 작용과 내수소취화 특성 향상 작용을 갖는 원소이기도 하다.

상기 내식성 향상 작용의 기구로서는 구체적으로, 모재 그 자체의 내식성 향상과 대기 부식에 의해 발생한 생성 녹에 의한 효과를 생각할 수 있지만, 특히 후자의 생성 녹에 의한 효과가 큰 것으로 추정된다. 그 이유로서, 상기 생성 녹이 보통의 철녹보다 치밀하고 보호성이 우수하기 때문에 대기 부식이 억제되고, 결과적으로 상기 대기 부식으로 발생하는 수소량이 저감되어 수소 취화, 즉 지연 파괴가 유효하게 억제되는 것으로 생각된다.

또한, Al의 내수소취화 특성 향상 작용의 기구에 대하여 상세한 것은 불명하지만, 강재 표면에 Al이 농화됨으로써 강 내로의 수소 침입이 곤란해지는 점이나, 강 내에서의 수소의 확산 속도가 저하되어 수소의 이동이 곤란해지고, 수소 취성이 잘 일어나지 않게 되는 것으로 추정된다. 또한, Al 첨가에 의해 침상 잔류 오스테나이트의 안정성이 증가하는 점도 내수소취화 특성 향상에 기여하고 있다고 생각된다.

이러한 Al의 내식성 향상 작용과 내수소취화 특성 향상 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 Al량을 0.02% 이상, 바람직하게는 0.2% 이상, 더욱 바람직하게는 0.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

그러나, 알루미나 등의 개재물의 증가·거대화를 억제하여 가공성을 확보하는 동시에, 미세한 잔류 오스테나이트의 생성 확보, 나아가 Al 함유 개재물을 기점으로 하는 부식의 억제나, 제조상의 비용 증대의 억제를 도모하기 위해서는 Al량을 1.5% 이하로 억제할 필요가 있다. 제조상의 관점에서는 A₃점이 1000℃ 이하가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 바와 같이 Al 함유량이 증가하면, 알루미나 등의 개재물이 증가하여 지연 파괴 특성이 열화되기 때문에, 상기 알루미나 등의 개재물을 충분히 억제하고, 지연 파괴 특성이 보다 우수한 강재를 얻기 위해서는 Al량을 0.5% 이하로 억제한다. 바람직하게는 0.3% 이하, 보다 바람직하게는 0.1% 이하이다.

<P: 0.15% 이하>

P는 입계 편석에 의한 입계 파괴를 조장하는 원소이기 때문에 적은 쪽이 바람직하고, 그 상한을 0.15%로 한다. 바람직하게는 0.1% 이하, 보다 바람직하게는 0.05% 이하로 억제한다.

<S: 0.02% 이하>

S는 부식 환경하에서 스프링용 강의 수소 흡수를 조장하는 원소이기 때문에 적은 쪽이 바람직하며, 그 상한을 0.02%로 한다. 바람직하게는 0.01% 이하이다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기한 바와 같으며, 잔부 성분은 실질적으로 Fe이지만, 강 중에 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 포함되는 불가피적 불순물로서, 0.01% 이하의 N(질소) 등이 포함되는 것이 허용됨은 물론, 상기 본 발명의 작용에 악영향을 주지 않는 범위에서 하기와 같이 추가로 다른 원소를 적극적으로 함유시키는 것도 가능하다.

<Nb: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음), 및/또는 Mo: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)>

Nb는 스프링용 강의 강도 상승 및 세립화에 매우 유효한 원소로서, 특히 하기 Mo와의 복합 첨가에 의해 상기 효과가 충분히 발휘된다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 Nb를 0.005% 이상(보다 바람직하게는 0.01% 이상) 함유시키는 것이 권장된다. 단, Nb를 과잉으로 함유시키더라도 이들 효과가 포화되어 경제적으로 쓸모없기 때문에 0.1% 이하로 억제한다.

Mo는 오스테나이트를 안정화시켜 잔류 오스테나이트를 확보하고, 수소 침입을 억제하여 내수소취화 특성을 향상시키는 효과나, 스프링용 강의 담금질성을 높이는 효과를 갖는다. 또한, 입계를 강화하여 수소 취성의 발생을 억제하는 효과도 갖는다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 Mo를 0.005% 이상(보다 바람직하게는 0.01% 이상) 함유시키는 것이 권장된다. 단, Mo량이 과잉이더라도 상기 효과가 포화되어 버려 경제적으로 쓸모없기 때문에 1.0% 이하로 억제한다.

<Cu: 2% 이하(0%를 포함하지 않음), 및/또는 Ni: 5% 이하(0%를 포함하지 않음)>

Cu 및/또는 Ni를 함유시킴으로써, 수소 취화의 원인이 되는 수소의 발생을 충분히 억제하는 동시에, 발생한 수소의 스프링용 강으로의 침입을 억제할 수 있다. 그 결과, 상기 조직 제어에 의한 스프링용 강의 수소 포집 능력 향상과의 상승 효과에 의해, 스프링용 강 중의 확산성 수소 농도를 무해 수준까지 충분히 저감시킬 수 있다.

구체적으로, Cu, Ni는 강재 자체의 내식성을 향상시켜 스프링용 강의 부식에 의한 수소 발생을 충분히 억제시키는 효과를 갖는다. 또한 이들 원소는 대기중에서 생성하는 녹 중에서도 열역학적으로 안정하고 보호성이 있다고 여겨지고 있는 산화 철: α-FeOOH의 생성을 촉진시키는 효과도 가지고 있고, 상기 녹의 생성 촉진을 도모함으로써, 발생한 수소의 스프링용 강으로의 침입을 억제할 수 있고, 가혹한 부식 환경하에서 내수소취화 특성을 충분히 높일 수 있다. 상기 효과는 특히 Cu와 Ni를 공존시킴으로써 발현되기 쉽다.

상기 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu를 함유시키는 경우 0.03% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.1% 이상이다. 또한 Ni를 함유시키는 경우에는 0.03% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이다.

한편, 어느 쪽 원소도 과잉으로 함유시키면 가공성이 저하되기 때문에, Cu의 경우에는 2% 이하(보다 바람직하게는 1.5% 이하), Ni의 경우에는 5% 이하(보다 바람직하게는 3% 이하)로 억제하는 것이 바람직하다.

<Cr: 2% 이하(0%를 포함하지 않음)>

Cr은 변형능을 거의 손상시키지 않고 담금질성을 높여 고강도를 용이하게 달성할 수 있는 유용한 원소이다. 이러한 작용을 충분히 발휘시키기 위해서는 0.1% 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, 과잉으로 포함되면 시멘타이트가 생성되기 쉬워 잔류 오스테나이트가 남기 어려우므로 2% 이하의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

Ti는 상기 Cu, Ni와 마찬가지로 보호성 녹의 생성 촉진 효과를 갖는다. 상기 보호성 녹은 특별히 염화물 환경하에서 생성되어 내식성(결과적으로 내수소취화 특성)에 악영향을 미치는 β-FeOOH의 생성을 억제한다는 매우 유익한 작용을 가지고 있다. 이러한 보호성 녹의 형성은 특히 Ti와 V(또는 Zr)를 복합 첨가함으로써 촉진된다. Ti는 매우 우수한 내식성을 부여하는 원소이기도 하며, 강을 청정화하는 이점도 겸비하고 있다.

또한 V는 상술한 바와 같이 Ti와 공존하여 내수소취화 특성을 향상시키는 효과를 갖는 것 외에 스프링용 강의 강도 상승, 세립화에도 유효한 원소이다.

상기 Ti 및/또는 V의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는 합계로 0.003% 이상(보다 바람직하게는 0.01% 이상) 함유시키는 것이 바람직하다. 특히 내수소취화 특성을 향상시키는 관점에서는 Ti를 0.03% 초과하여 첨가시키는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 Ti를 0.05% 이상 첨가한다. 한편, Ti를 과잉으로 첨가하더라도 효과가 포화 상태가 되기 때문에 경제적으로 바람직하지 않고, 또한 V를 과잉으로 첨가하면 탄질화물의 석출이 많아져 가공성 및 내수소취화 특성의 저하를 초래한다. 따라서, Ti 및/또는 V는 합계 1.0% 이하의 범위내에서 첨가하는 것이 권장된다. 보다 바람직하게는 합계로 0.8% 이하이다.

<Zr: 0.003 내지 1.0%>

Zr은 스프링용 강의 강도 상승, 세립화에 유효한 원소이며, Ti와 공존하여 내수소취화 특성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기위해서는 Zr를 0.003% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, Zr이 과잉으로 포함되면, 탄질화물의 석출이 과잉으로 되어 가공성이나 내수소취화 특성이 저하되기 때문에 1.0% 이하의 범위내에서 첨가하는 것이 바람직하다.

<B: 0.0002 내지 0.01%>

B는 스프링용 강의 강도 상승에 유효한 원소로서, 0.0002% 이상(보다 바람직하게는 0.0005% 이상) 함유시키는 것이 바람직하다. 한편, B가 과잉으로 함유되어 있으면 열간 가공성이 열화되기 때문에, 0.01% 이하(보다 바람직하게는 0.005% 이하)로 억제하는 것이 바람직하다.

본 발명의 스프링용 강에는 강편, 주편 외에 이들을 열간 압연함으로써 얻어지는 선재 및 신선 가공을 실시하여 얻어지는 신선재가 포함된다.

본 발명은 제조 조건까지 규정하는 것은 아니지만, 내수소취화 특성과 강도를 동시에 향상시킬 수 있는 상기 조직을 형성하기 위해서는 신선 후에 하기 요령으로 열처리를 하는 것이 권장된다. 즉, 신선재를 A₃점 내지 (A₃점＋100℃)의 온도(T1)에서 10 내지 1800초간(t1) 가열 유지한 후, 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로(Ms 점-50℃) 내지 Bs점의 온도(T2)까지 냉각하고, 상기 온도 영역에서 60 내지 3600초간(t2) 가열 유지하는 것이 권장된다.

상기 T1이 (A₃점＋100℃)을 초과하거나, t1이 1800초를 초과하면, 오스테나이트의 입자 성장을 초래하여 조직이 조대화되기 때문에 바람직하지 않다. 한편, 상기 T1이 A₃점 보다 낮아지면 소정의 베이니틱 페라이트 조직을 얻을 수 없다. 또한, 상기 t1이 10초 미만인 경우에는 오스테나이트화가 충분히 이루어지지 않아 시멘타이트나 그 밖의 합금 탄화물이 잔존해 버리기 때문에 바람직하지 않다. 상기 T1은 바람직하게는 A₃점 이상(A₃점＋50℃) 이하이며, 상기 t1은 바람직하게는 30초이상 1500초 이하, 보다 바람직하게는 60초 이상 1200초 이하이다.

이어서 냉각시키는데, 본 발명에서는 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 (Ms점-50℃) 이상 Bs점 이하의 온도까지 냉각시키고, 상기 온도 영역에서 60 내지 3600초간 가열 유지하는 것이 권장된다.

상기한 바와 같이 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 실시하는 것은 원하는 베이니틱 페라이트 조직을 확보하는 동시에, 본 발명에 있어서 바람직하지 않은 펄라이트 조직의 생성을 피하기 위함이다. 이 평균 냉각 속도는 클 수록 바람직하며, 10℃/s 이상(보다 바람직하게는 20℃/s 이상)으로 하는 것이 권장된다.

다음으로 (Ms점-50℃) 이상 Bs점 이하의 온도까지 급냉한 후에 항온 변태시킴으로써 소정의 조직을 도입할 수 있다. 가열 유지 온도가 Bs점을 초과하면, 본 발명에 있어서 바람직하지 않은 펄라이트가 다량으로 생성되어 소정의 베이니틱 페라이트 조직을 확보할 수 없다. 한편, 가열 유지 온도가 (Ms점-50℃)을 하회하면 잔류 오스테나이트의 면적율이 적어진다.

또한, 가열 유지 시간이 3600초를 초과하면, 잔류 오스테나이트가 분해되어 시멘타이트가 생성되어 원하는 특성을 발휘시킬 수 없다. 한편, 가열 유지 시간이 60초 미만에서는 C의 확산이 충분하지 않기 때문에 잔류 오스테나이트가 형성되지 않고, 이 경우에도 원하는 특성이 얻어지지 않는다. 가열 유지 시간은 바람직하게는 100초 이상 3000초 이하, 보다 바람직하게는 180초 이상 2400초 이하이다.

본 발명의 스프링용 강은 열간 압연함으로써 얻어지는 선재를 신선하고, 상기 열 처리(오스템퍼 처리)를 실시함으로써 수득된다.

상기 신선 전에는 보통 연화 어닐링, 필링, 납 패턴화 처리 등을 실시할 수도 있다. 스프링 성형 후에는 일반적으로 실시되고 있는 바와 같이, 응력 제거 어닐링, 더블 쇼트 피닝, 저온 어닐링, 냉간 셋팅 등을 실시할 수도 있다.

본 발명에서 수득되는 스프링용 강은 고강도이면서 내수소취화 특성이 우수 하고, 또한 종래부터 요구되고 있는 피로 특성도 구비되어 있기 때문에, 예컨대 자동차 분야, 산업 기계 분야 등에서 사용되는 스프링의 제조에 유용하다. 특히, 자동차 엔진의 밸브 스프링, 서스펜션의 현가 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링 등과 같은 기계의 복원 기구에 사용하는 스프링 등에 적합하다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전체 기재의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 이들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

<실시예>

표 1에 기재된 성분 조성으로 이루어지는 No.A 내지 P의 강재를 용제한 후, 단조에 의해 115mm 사방의 빌릿을 제작하고, 12.5mmΦ까지 압연한 후, 12mmΦ까지 신선 가공하였다. 이 신선재를 길이 300mm로 절단하고 나서 열 처리(조질)를 하였다. 상기 열 처리는 (A₃점＋30℃)에서 5분간 가열 유지한 후, 표 2의 To℃까지 10℃/s로 냉각하고, 상기 온도(To℃)에서 표 2에 나타낸 바와 같이 t초간 유지하고, 그 후, 방냉하여 스프링용 강을 수득하였다.

이렇게 해서 수득된 각 스프링용 강의 금속 조직, 인장 강도(TS), 신장율[전체 신장율을 말함(El)], 내수소취화 특성, 피로 특성을 하기 요령으로 각각 조사하였다.

[금속 조직의 관찰]

수득된 시료의 반경 1/2 위치에서의 단면에 있어서의 임의 위치의 측정 영역(약 50㎛×50㎛, 측정 간격은 0.1㎛)을 관찰·촬영하여 베이니틱 페라이트(BF) 및 마르텐사이트(M)의 면적율, 잔류 오스테나이트(잔류γ)의 면적율을 상술한 방법에 따라 측정하였다. 그리고 임의로 선택한 두 시야에서 마찬가지로 측정하여 평균치를 구하였다. 또한 그 밖의 조직을, 이들 조직이 차지하는 면적율을 빼서 구하였다. 또한 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비를 상술한 방법에 따라 측정하였다.

[인장 강도의 측정]

상기 각 스프링용 강으로부터 직경 8mm의 인장 시험편을 기계 가공에 의해 제작하고, 상기 시험편을 이용하여 인장 시험을 실시하여 인장 강도(TS)를 측정하였다.

[내수소취화 특성의 평가]

상기 각 스프링용 강으로부터, 환상 절결 노치가 있는 지연 파괴 시험편(평행부의 직경 8mm, 노치부의 직경 6mm)을 기계 가공에 의해 제작하였다. 그리고, 5% 식염중에서 하중 인장 방식으로 인장 시험을 실시하여 상기 TS에 대한 본시험에서의 인장 강도의 비가 0.4 이상인 것을 내수소취화 특성이 우수하다고 평가하였다.

또한, 일부의 강종에 대해서는 수소 충전 4점 굴곡 시험도 실시하였다. 구체적으로는 상기 각 강재로부터 잘라낸 65mm×8mm의 직사각형 시험편을 (0.5mol/H₂SO₄＋0.01mol/KSCN) 용액에 침지시켜 음극 수소 충전을 실시하고, 1시간 파단하지 않는 최대 응력을 한계 파단 응력(DFL)으로서 측정하였다. 그리고, 표 2의 실험 No.1(강종 기호 A)의 DFL에 대한 비(DFL비)를 구하였다.

[피로 특성의 평가]

또한 스프링으로서 필요한 피로 특성을 조사하기 위해 다음과 같은 피로 시험을 실시하였다. 즉 상기 스프링용 강을 8.0mmΦ까지 압연한 후, 추가로 4.6mmΦ까지 신선 가공하여 OT(Oil Tempered) 와이어로 성형한 샘플을 이용하여 나카무라(中村)식 회전 굴곡 피로 시험을 실시하여 피로 한도를 측정하고, 상기 피로 한도를 상기 인장 강도로 나누어 피로 한도비를 구하였다. 그리고 이 피로 한도비가 0.30 이상인 것을 피로 특성이 우수하다고 평가하였다. 한편, 상기 피로 시험은 상기 인장 강도가 1860MPa 이상인 것을 대상으로 실시하였다. 인장 강도가 낮으면 상대적으로 피로 특성도 확보되어 있기 때문이다.

이들 결과를 표 2에 병기한다.

표 1, 2로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다(한편, 하기 No.는 표 2 중의 실험 번호를 나타낸다).

본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 No.1 내지 7, 15 내지 19는 1860MPa 이상의 고강도를 나타내면서 가혹한 부식 환경하에서의 내수소취화 특성이 우수하다. 특히, No.15 내지 19는 보다 우수한 내수소취화 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

이에 반해 본 발명의 규정을 만족하지 않는 No.8 내지 14, 20은 각각 다음의 문제점을 갖고 있다.

즉, No.8은 C량이 너무 적기 때문에 본 발명에서 규정하는 강도를 확보할 수 없었다. 또한 No.9도 Si량이 부족하기 때문에 본 발명에서 규정하는 강도를 확보할 수 없었다.

No.10은 C량이 과잉인 강종 J를 이용한 예이지만, 탄화물이 석출되었기 때문에 내수소취화 특성 및 피로 특성이 떨어졌다.

또한 No.11 내지 14는 본 발명에서 규정하는 성분 조성을 만족시키는 강재를 사용하고 있지만, 권장되는 조건으로 제조하지 않았기 때문에 원하는 조직을 확보할 수 없었다.

즉, No.11은 오스템퍼 처리 온도가 현저히 높기 때문에 베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트를 확보할 수 없었고, 고강도를 확보할 수 없었다.

No.12는 오스템퍼 처리 온도가 현저히 낮기 때문에, 또한 No.13은 오스템퍼 처리 시간이 너무 길기 때문에, 그리고 No.14는 오스템퍼 처리 시간이 너무 짧기 때문에 모두 잔류γ가 폴리고날 형상이 되어 내수소취화 특성이 떨어지는 결과가 되었다.

No.20은 본 발명 강(1)으로서 규정하는 Al량을 상회하고 있기 때문에, 소정량의 잔류 오스테나이트는 확보되었지만, 상기 잔류 오스테나이트가 본 발명에서 규정하는 평균 축비를 만족시키지 않고, 또한 원하는 모상이 되지 않았으며, 나아가 AlN 등의 개재물도 생성되었기 때문에 내수소취화 특성이 떨어졌다.

본 발명에 따르면, 외부로부터 침입한 수소가 무해화되어 내수소취화 특성이 높아진, 인장 강도 1860MPa 이상의 고강도 스프링용 강을, 고가의 원소를 첨가하지 않고도 생산성 좋게 제조할 수 있어, 지연 파괴 등이 거의 발생하지 않는 자동차용 부품으로서 이용되는 스프링을 저렴하게 공급할 수 있다. 또한 본 발명의 고강도 스프링용 강은 종래 제품보다 합금 원소량이 적기 때문에 재활용성도 우수하다.

Claims

질량%로,

C: 0.20 내지 0.60%,

Si: 1.0 내지 3.0%,

Mn: 1.0 내지 3.5%,

Al: 1.5% 이하(0%를 포함하지 않음),

P: 0.15% 이하,

S: 0.02% 이하를 만족하고,

잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로서,

전체 조직에 대한 면적율로,

잔류 오스테나이트가 1% 이상,

베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트가 합계로 80% 이상,

페라이트 및 펄라이트가 합계로 10% 이하(0%를 포함함)인 동시에,

상기 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비(장축/단축)가 5 이상이며,

또한 인장 강도가 1860MPa 이상인 것을 특징으로 하는 내수소취화 특성이 우수한 고강도 스프링용 강.
질량%로,

C: 0.20 내지 0.60%,

Si: 1.0 내지 3.0%,

Mn: 1.0 내지 3.5%,

Al: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음),

P: 0.15% 이하,

S: 0.02% 이하를 만족하고,

잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로서,

전체 조직에 대한 면적율로,

잔류 오스테나이트가 1% 이상,

베이니틱 페라이트 및 마르텐사이트가 합계로 80% 이상,

페라이트 및 펄라이트가 합계로 10% 이하(0%를 포함함)인 동시에,

상기 잔류 오스테나이트 결정립의 평균 축비(장축/단축)가 5 이상이며,

또한 강 인장 강도가 1860MPa 이상인 것을 특징으로 하는 내수소취화 특성이 우수한 고강도 스프링용 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

질량%로, Nb: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음), Mo: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 또는 둘 모두를 추가로 포함하는 고강도 스프링용 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

질량%로, Cu: 2% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 5% 이하(0%를 포함하지 않음) 또는 둘 모두를 추가로 포함하는 고강도 스프링용 강.
제 3 항에 있어서,

s질량%로, Cu: 2% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 5% 이하(0%를 포함하지 않음) 또는 둘 모두를 추가로 포함하는 고강도 스프링용 강.