KR100823780B1 - 산세성(酸洗性)이 우수한 스프링용 강선재(鋼線材) - Google Patents

Abstract

본 발명의 스프링용 강선재는, C:0.35~0.7%(질량%의 의미. 이하 동일), Si:1.4~2.5%, Mn:0.05~1.0%, Cr:0.5~1.9%, P:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 S:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하고 나머지 Fe 및 불가피불순물로 구성되며 표층의 Cr농도와 강중의 Cr농도와의 차가 2.50% 이하인 것이 특징이다. Si 및 Cr을 다량 함유한 스프링용 강선재에 있어서, Mo 등의 합금성분을 필수성분으로 첨가하지 않아도 산세성이 우수하다.

Description

산세성(酸洗性)이 우수한 스프링용 강선재(鋼線材){Steel wire rod for steel spring excellent in pickling and descaling property}

(기술분야)

본 발명은 산세성이 우수한 스프링용 강선재에 관한 것으로, 구체적으로 말하면 Si 및 Cr을 합금원소로 다량 함유한 스프링용 강선재에 관한 것이다. 본 발명의 스프링용 강선재는 자동차 등의 엔진에 사용되는 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 스터비라이저, 토숀바 등의 현가스프링 등에 적절히 이용된다.

(배경기술)

밸브 스프링이나 현가스프링 등에 이용되는 스프링용 강의 화학성분은, 예컨데 JIS G 3565~JIS G 4801 등으로 규정되어 있고, 스프링 설계의 종류 등에 따라서 적절한 강종이 이용된다. 최근 배기가스나 연비의 저감화에 수반하여 스프링의 소형경량화가 진행됨에 따라 스프링의 설계응력도 높아지게 되어, 예컨데 스프링 소선(칭ㆍ템퍼링 처리재)의 인장강도가 약 1600MPa 이상인 고강도를 실현할 수 있는 스프링용 강선재의 제공을 기대할 수 있게 되었다. 또한, 스프링의 중요한 특성의 하나인 대기하에서의 내구성을 높이기 위하여 내력(耐力)의 향상도 요구되고 있고, 고용강화에 의해 내력을 향상할 수 있는 Si 및 Cr을 합금원소로 많이 함유한 강선재가 이용되는 추세이다.

일반적으로, 스프링은 강편을 가열하여 열간압연한 선재(압연선재)를 필요에 따라 표면에 윤활제를 도포하여 피막처리(표면피막처리)를 행한 후, 소정의 선직경까지 인발, 가공(열간성형 또는 냉간성형)하여 제조된다. 가열은 통상, 산화성 분위기하에서 행해지기 때문에, 열간선재의 표면에는「압연스케일」또는「스케일」이라 불리는 Fe산화물의 산화층이 생성된다. 스케일이 부착된 채로 압연선재를 이용하여 스프링을 제조하면, 표면에 흠 등이 발생하여 품질의 저하를 초래하게 되므로, 인발처리를 행하기 전에 스케일을 제거하기 위한 산세처리가 행해진다.

도 1에 Si 및 Cr을 다량 함유한 강(고Si 고Cr함유강)의 표면에 스케일이 부착된 압연선재의 단면을, Fe-SEM 장치를 이용하여 관찰한 사진을 나타내었다. 이것은, 후술하는 실시예의 No. E-1에 해당한다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 스케일은 표층측으로부터의 순으로, 헤마타이트(Fe₂O₃), 마그네타이트(Fe₃O₄), 우스타이트(FeO), 화이야라이트(2FeO·SiO₂)로 구성되어 있다. 강(지철)과 스케일과의 사이에는 Si, Cr이 농화된 서브스케일이 생성되어 있고, Cr 산화물을 주체로 한 입계산화층도 생성되어 있다.

이 중, 화이야라이트는 Si를 다량 함유한 강을 이용한 경우에 볼 수 있는 저융점산화물로서, 통상의 산세처리로는 스케일층을 박리하기 어려운 난박리성물질이다. 예컨데, 고Si, 고Cr 함유강을 화이야라이트(fayalite)와 우스타이트(wustite)와의 공정온도(共晶溫度, 약 1170℃) 이상으로 가열하면 이들의 산화물이 복잡하게 결합된 치밀한 용융층이 형성되고, 또한 1200℃ 이상으로 가열하면, 상기의 용융상과 화이야라이트에 Cr이 침입하여 지철과의 계면에 농화하여 입계산화층(상세한 설명은 후술한다)이 형성되게 된다. 일단 농화된 Cr은 그 후의 공정에 의해 제거하는 것이 극히 어렵다.

또한, 서브스케일은 산세처리에 의한 지철의 활성화를 저하시켜, 산세성의 저하를 초래한다는 것이 알려져 있다. 산세성이 저하하면 산세처리후에 서브스케일을 주체로 한 압연스케일이 잔존하게 되므로, 표면에 도포된 윤활제(표면피막처리에 이용된)와의 부착성이 저하되고, 인발가공중에 단선(斷線)할 우려가 있다. 단선까지 되지 않더라도, 인발가공중에 크랙이 발생해서 스프링성형(냉간코일링)중에 절손되는 경우가 있다. 이러한 문제는, 예컨데 산세처리시간을 길게 하고, 압연스케일을 완전히 제거하므로써 저감될 수 있지만, 산용액(酸溶液)중의 침지시간이 길어지게 되므로, 지철에의 산에 의한 공격이 격렬해져 표층거칠음(表層粗)의 열화를 초래하여, 최종적으로 대기하에서의 내구성도 저해된다. 또한, 지철에의 산에 의한 공격이 일어날 때 발생하는 수소의 일부가 강중에 빠르게 확산되어 흡수되므로, 수소흡장량이 증가하여 강재의 취화(수소취화)를 일으켜, 인발가공중에 단선이 되는 경우가 있다.

입계산화층은 Cr을 많이 함유한 강을 이용한 경우에 볼 수 있다. Cr은 산소와의 친화력이 강하고, 열간압연중에 산소가 침입하면 결정립 안(內) 보다도 결정립계의 산화속도가 커지게 되기 때문이다. 입계산화가 어느정도 진행되면 스프링성형할 때 입계산화부에서의 놋치효과때문에 스프링이 절손되어 버린다. 또한, 스프링 사용중에 입계산화부에서의 놋치효과로 인해 피로절손할 우려도 있다. 일반적으로, 입계산화층은 서브스케일의 두께가 두꺼울수록, 두꺼워지는 경향이 있다.

따라서, 강중에 Si 및 Cr을 많이 함유한 스프링용 강선재를 이용하면, 전술한 바와 같은 이유로 산세성이 저하되고, 스프링의 피로특성이 저하한다는 문제가 있다.

상기 문제를 해결하기 위해, 예컨데 특개 평6-299295호 공보에는, Mo 등의 합금원소를 첨가하여 열간압연시의 가열온도 및 압연종료온도를 제어하므로써, 스케일의 막 두께를 10㎛ 이하로 제어하는 방법이 개시되어 있다.

`(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 상기(上記)의 방법으로는 Cr 및 Si 외에 Mo 등과 같은 고가(高價)의 합금원소를 필수성분으로 첨가하지 않으면 안된다.

본 발명은, 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은 Si 및 Cr을 많이 함유한 스프링용 강선재에 대하여, Mo 등의 합금성분을 필수성분으로 첨가하지 않아도 산세성이 우수한 스프링용 강선재를 제공하는 데 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명의 스프링용 강선재는, C:0.35~0.7%(질량%의 의미. 이하 동일), Si:1.4~2.5%, Mn:0.05~1.0%, Cr:0.5~1.9%, P:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 S:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하고, 표층의 Cr농도와 강중의 Cr농도와의 차가 2.50% 이하이다.

바람직한 실시형태로서는, V:0.07~0.4%, Ti:0.01~0.1%, 및 Nb:0.01~0.1%으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어로 1종 이상을 또한 함유한다.

또한, 바람직한 실시형태로서는, Ni:0.15~0.8%를 또한 함유하는 것이다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명의 스프링은, 상기의 어떠한 스프링용 강선재를 이용해도 얻을 수 있는 것이다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

본 발명자는, Si 및 Cr을 다량 함유한 스프링용 강선재의 산세성을 높이기 위하여, 예의 검토하여 왔다. 그 결과, 후에 상세히 설명한 것과 같이, 특히 열간압연 전의 가열공정 및 균열공정을 적절히 제어하면 선재표면의 Cr 농화(특히 화이야라이트 속의 Cr 농화)가 억제되어 표층(表層)의 Cr 농도와 강중(鋼中)의Cr 농도와의 차(이하, ΔCr이라 간략히 표기하는 경우가 있다)가 현저히 낮아져 산세성이 현격히 향상되는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 스프링용 강선재는, 질량%로 C:0.35~0.7%, Si:1.40~2.5%, Mn:0.05~1.0%, Cr:0.50~1.9%, P:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음), 및 S:0.02% 이하(0%를 포함하지 않음), 잔부:Fe 및 불가피불순물로 구성되는 스프링용 강선재로서, 표층의 Cr농도와 강중의 Cr농도와의 차(ΔCr)가 2.50% 이하인 것을 특징으로 한다.

본 명세서에서「강선재」는, 강편을 가열한 후 선상에 열간압연된 강재(압연재)로서, 산세처리가 행해지기 전의 것을 의미한다.

우선, 강중성분에 대하여 설명한다.

C : 0.35 ~ 0.7 %

C는 칭ㆍ템퍼링 후의 강도(굳기)의 향상에 기여하고, 대기중에서의 내구성을 높이는 원소이다. C의 량이 0.35% 미만이면, 상기 작용을 효과적으로 발휘하는 것이 불가능하고, 한편 0.7%을 초과하면 인ㆍ연성이 열화하며, 균열이 전파되기 쉬워져 내구성이 저하한다. 또한, 밸브스프링 등과 같이 냉간코일링이 행해진 스프링에서는, 인ㆍ연성의 열화에 따라 표면의 흠을 기점으로 한 절손이 발생하는 경우가 있다. 따라서 C량은 특히 0.51% 이상, 0.61% 이하인 것이 바람직하다.

Si : 1.4 ~ 2.5 %

Si는 고용강화원소(固溶强化元素)로서 강도향상에 기여하고, 내력(耐力)도 향상시킬 수 있는 원소이다. Si가 1.4% 미만이면 매트릭스 강도가 불충분하다. 단, Si가 2.5%를 초과하여 과잉 첨가되면, A₃ 변태점을 넘은 열처리에 의해 표면에 페라이트 탈탄(脫炭)이 발생하기 쉬우므로, 고용강화작용이 유효하게 발휘되지 않는다. Si는 가급적 1.7% 이상, 2.1% 이하인 것이 바람직하다.

Mn : 0.05 ~ 1.0 %

Mn은 강중의 칭성을 높이는 원소이다. 이러한 작용을 유효히 발휘시키기 위하여 Mn의 첨가량은 0.05% 이상으로 한다. 그러나, Mn의 량이 1.0%을 초과하여 과잉 첨가되면, 칭성이 증대하여 과냉조직이 생성되기 쉬우므로, 인발가공성이 열화한다. 또한, 후술하는「스프링공정(c)」과 같이, 열간압연 후 산세처리 전에 선재의 연화(軟化)를 목적으로 아닐링공정을 행하는 경우, 높은 비용을 피할 수 없게 된다. 따라서, Mn은 0.4% 이상, 0.9% 이하인 것이 바람직하다.

Cr : 0.5 ~ 1.9 %

Cr은 고용강화에 의해 선재의 매트릭스(matrix)를 강화하는 원소이다. 또한, Mn과 같이, 칭성의 향상에도 효과적으로 작용한다. 이러한 작용을 유효히 발휘시키기 위하여, Cr을 0.5% 이상 첨가한다. 그러나, Cr이 1.9%를 넘으면, 압연후 냉간시에 과냉조직이 발생하기 쉽게되어 인발가공성이 열화한다. 따라서, Cr은 0.6% 이상, 1.75% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

P : 0.02 % 이하 (0%를 포함하지 않음)

P는 구 오스테나이트립계에 편석하고 입계를 취화시켜서 피로특성을 저하시키므로, 될 수 있는 한 적은 편이 좋다. 본 발명에서는, 공업적인 상한을 0.02%로 한다.

S : 0.02 % 이하 (0%를 포함하지 않음)

S는 구 오스테나이트립계에 편석하고 입계를 취화시켜서 피로특성을 저하시키므로, 될 수 있는 한 적은 편이 좋다. 본 발명에서는, 공업적인 상한을 0.02%로 한다.

본 발명의 스프링용 강선재는, 상기 성분을 함유하고, 잔부는 철 및 불가피불순물로 이루어진다.

본 발명에 있어서, 내수소취성(耐水素脆性)을 더욱 높이는 목적으로, V:0.07~0.4%, Ti:0.01~0.1%, 및 Nb:0.01~0.1%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 또한 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 칭ㆍ템퍼링 후의 인성을 높이는 목적으로, Ni를 함유하는 것이 바람직하다. 이하, 각 원소에 대하여 상세히 설명한다.

V : 0.07 ~ 0.4 %

V는 미세한 탄화물이나 질화물을 형성하여 내수소취성의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 피로특성도 높일 수 있다. 또한, 결정립미세화 효과에 의해 인성이나 내력이 향상하고, 내 셋팅성의 향상에도 기여한다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, V를 0.07% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, V를 0.4%를 초과하여 과잉 첨가하면, 칭 가열할 때 오스테나이트중에 고용(固溶)되지 않은 탄화물의 량이 증대하여 충분한 강도와 굳기를 얻을 수 없게될 뿐 아니라, 잔류 오스테나이트 량도 증가하여 스프링 강도가 저하한다. V는, 0.1% 이상, 0.35% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

Ti : 0.01 ~ 0.1 %

Ti는 칭ㆍ템퍼링 후의 구 오스테나이트 결정립을 미세화하고, 내수소취성의 향상에 유효한 원소이다. 또한, 대기중에서의 내구성 향상작용도 가지고 있다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, Ti를 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, Ti를 과잉 첨가하면, 조대한 질화물이 석출되기 쉬워져, 상기 대기중 내구성이 저하하게 되므로, 상한을 0.1%로 하는 것이 바람직하다. Ti는, 0.04% 이상, 0.085% 이하인 것이 보다 바람직하다.

Nb : 0.01 ~ 0.1 %

Nb는 탄화물, 질화물, 유화물 및 이들의 복합화합물로 이루어지는 미세한 석출물을 형성하여 내수소취성의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 결정립미세화 효과에 의해 인성이나 내력도 향상한다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘시키기 위해서는, Nb를 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 단, Nb를 0.1% 초과하여 과잉 첨가하면, 칭 가열시에, 오스테나이트 중에 고용되지 않는 탄화물의 량이 증대하여 소정의 인장강도를 얻을 수 없게 된다. 또한, 조대화한 질화물에 의한 피로절손도 생기기 쉽다. Nb는 0.02% 이상, 0.05% 이하인 것이 바람직하다.

Ni : 0.15 ~ 0.8 %

Ni는, 칭ㆍ템퍼링 후의 인성을 높이는 원소이다. 또한, 압연전 및 압연 중에 생기는 페라이트 탈탄을 억제하는 작용도 있다. 이러한 작용을 유효히 발휘시키기 위해서, Ni를 0.15% 이상 첨가한다. 그러나, Ni가 0.8%를 초과하면 칭성이 증대하여 압연후에 과냉조직이 생기기 쉽게 된다. 또한, 잔류 오스테나이트 량도 증대하여 스프링 강도가 저하한다. Ni는 0.25% 이상, 0.55% 이하인 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 강중성분에 대하여 설명하였다.

표층의 Cr 농도와 강중의 Cr 농도와의 차(Δ Cr ) : 2.50 % 이하

본 발명의 스프링용 강선재는, ΔCr이 2.50% 이하로 낮게 억제한다. 후술하는 실시예에 나타난 바와 같이, ΔCr가 높아지면 산세성이 저하하는데, 이것은 산세액 중에 CrO(OH)가 생성되어 지철표면에 Cr의 부동체막(不動體膜)이 생기기 때문이다. 본 발명은, 특히 열간압연 전의 가열공정 및 균열공정을 적절히 제어하여 ΔCr을 낮게 억제할 수 있다. ΔCr은 작으면 작을수록 좋은데, 예컨데 2.0% 이하인 것이 바람직하고, 1.5% 이하인 것이 보다 바람직하다. 그 하한은 특히 한정되어 있지 않지만, 실조업(實操業) 레벨을 고려하면 0.4% 이상인 것이 바람직하다.

여기에서,「표층의 Cr 농도」의 측정방법을 도 2을 이용하여 설명한다. 도 2는, 다음과 같이 하여 제조한 공시재를 이용하고, 표층부에서 내부의 중심을 향하여 0.3㎜의 범위에서 하기 조건의 EPMA라인 정량분석에 의해 측정한 도면으로서, 도 2 (a)에, Fe에 관하여 X선 강도(cps)와 표층부에서의 거리와의 관계를 나타내었고, 도 2 (b)에 Cr 농도(%)와 표층부에서의 거리와의 관계를 각각 나타내었다. 도 2 (a)에 나타난 바와 같이, Fe의 X선 강도가 최대치에 다다랐을 때의 지점을 지철계면(스케일과 지철과의 경계)이라 하여 이 영역을「표층부」로 정의하고, 해당 표층부에서의 Cr 량의 최대치를「표층의 Cr 농도」로 정의한다(도 2 (b) 참조). 상기「표층」부분은 강중성분이나 선재의 제조조건 등에 따라서도 서로 다르지만, 적어도 화이야라이트를 함유하고 있다.

EPMA 측정장치: 일본덴시제 X선 마이크로애널라이저「JXA-8800 RL」을 사용,

공시재: 스케일이 부착된 그대로의 강재를 수지에 담그고, 압연방향에 수직인 단면(측정면)을 연마제로 경면(鏡面) 마무리한 후, 전도성을 유지하기 위하여 오스미움을 이용하여 증착(蒸着)을 행하였다.

가속전압 : 15 kV

조사(照射)전류 : 0.3 ㎂

정량라인 분석 : 분포의 간격 1㎛, 합계 300점을 측정

이상, 본 발명을 가장 특징짓는 ΔCr에 대해 설명하였다.

본 발명의 스프링용 강선재는, 다음과 같이 스케일의 두께나 조성, 서브스케일의 두께가 적절히 제어되는 것이 바람직하고, 이에 따라 산세성이 더욱 높아질 수 있다.

(스케일의 두께)

스케일의 두께는 40㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이하에 자세히 설명하겠지만, 스케일 내에 발생한 균열(크랙)에 의한 스케일 박리를 고려하면, 스케일의 두께는 대체로 5㎛ 이상, 25㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

스케일 안(內)에는, 예컨데 압연후의 냉각과정이나 압연선재의 취급 중에 마이크로 레벨의 균열이 생성되는 경우가 있다. 균열이 많을수록 지철 표면으로부터의 스케일 박리가 용이하게 되므로, 산세성이 향상된다고 생각된다. 일반적으로 균열은, 스케일의 두께가 얇을수록 스케일의 강도가 저하하여 발생하기 쉽게 되는 경향이 있는데, 스케일의 두께가 너무 얇으면 스케일 자체의 연성이 증가하여 내부응력이 감소하므로, 균열은 적어진다. 따라서, 스케일의 두께는 상기 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

(스케일의 조성)

스케일의 조성은, 체적비율로 대략 화이야라이트:2~10%(보다 바람직하게는 3~7%), 우스타이트:2~20%(보다 바람직하게는 10~18%), 마그네타이트:35~70%(보다 바람직하게는 37~50%), 및 헤마타이트:20~60%(보다 바람직하게는 30~55%)의 범위를 만족하는 것이 바람직하다. 본 발명에 의하면, 난박리성의 화이야라이트의 비율이 적고, 스케일 박리성이 우수한 우스타이트나 마그네타이트의 비율이 높아지도록 스케일 조성이 제어되어 있으므로 산세성이 일층 높아지게 된다.

(서브스케일의 두께)

서브스케일의 두께는 2㎛ 이하인 것이 바람직하다. 본 발명과 같이 Cr을 함유한 강재로는, 전술한 바와 같이 스케일과 지철과의 계면에 Cr을 주체로 한 서브스케일(주로 Cr₂O₃)이 생성되는데, Cr₂O₃은 산세 중에 CrO(OH)로 변화하고, 산세액에 대해 난용성의 부동체막(不動體膜)을 생성하므로 산세성이 저하된다. 또한, 부동피막이 생성되면, 지철(地鐵)의 활성화가 저하하여 수소의 발생이 억제되므로 스케일 박리에 긴 시간을 요하게 된다. 서브스케일(sub-scale)의 두께는 얇을수록 좋고, 8㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 스프링용 강선재는, 또한 입계산화층의 두께가 다음과 같이 제어되어 있는 것이 바람직하고, 이에 따라 주로 스프링으로 성형될 때 피로특성이 높아진다.

(입계산화층의 깊이)

입계산화층의 깊이(두께)는 10㎛ 이하인 것이 바람직하다. 입계산화층의 두께는 얇을수록 좋고, 8㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.

또한, 입계산화는 상기(上記)와 같이 스프링용 강선재 뿐만 아니라 스프링으로 가공한 후(예컨데 오스테나이트영역에서 칭할 때)에 생기는 경우도 있다. 스프링으로 가공할 때의 입계산화층의 깊이는 15㎛ 이하인 것이 바람직하다.

이상, 본 발명의 스프링용 강선재에 대하여 설명하였다.

이어서, 상기 스프링용 강선재를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

스프링용 강선재의 제조방법은, (a)가열공정, (b)균열공정, (c)열간압연공정 전의 탈(脫)스케일공정, (d)열간압연 공정을 포함한다. 본 발명에서는, 표층부로의 Cr 농화를 방지하고, 입계산화를 억제하기 위하여 특히 (a)가열공정에서의 승온속도 및 가열온도, 그리고 (b)균열공정에서의 균열시간 및 균열온도를 면밀히 제어하고, 이에 따라 표층의 Cr 농도를 현저히 저감하는 것이 가능하게 되었다. 후술하는 실시예에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따르면 Si 및 Cr을 다량 함유한 강을 이용하지 않아도 표층부로의 Cr 농화가 현저히 억제되어, 스케일 및 서브스케일의 두께도 얇고, 입계산화층도 전혀 생성되지 않아, 인장강도가 약 1600MPa 이상이고, 피로특성이 우수한 스프링을 제공하는 것이 가능하게 되었다.

이하, 각 공정을 상세히 설명한다.

(ⅰ) 가열공정

여기에서는, 대략 10℃/min 이상의 승온속도로 700℃~1000℃의 온도로 가열한다. 승온속도가 10℃/min 미만인 경우, 표층부로의 Cr의 농화를 효과적으로 방지할 수 없다. 승온속도는 될 수 있는 한 빠른편이 좋고, 15℃/min 이상인 것이 바람직하다. 또한, 가열온도가 상기 범위를 넘으면, Cr의 농화가 진행되어 표층의 Cr 량이 많아진다. 한편, 가열온도가 상기 범위를 밑돌면 강재가 충분히 가열되지 않아, 조(粗)압연할 수 없다. 가열온도는, 750℃ 이상, 900℃ 이하인 것이 바람직하다.

(ⅱ) 균열공정

여기에서는, 대략 1050℃~1250℃(바람직하게는 1100℃~1200℃)의 온도에서, 20분~60분간(보다 바람직하게는 30분~50분간) 균열(均熱)한다. 이 균열조건은, 표층으로의 Cr의 농화를 방지하고, 입계산화의 진행을 억제하기 위해 결정된 것으로서, 예컨데 균열온도나 균열시간이 상기 범위를 넘으면, Cr의 농화가 진행되기 쉽게 되고, 한편 균열온도나 균열시간이 상기 범위를 밑돌면, 입계산화가 진행되게 된다.

본 발명에 있어서, 가열공정의 가열온도와 균열공정의 균열온도는, 반드시 일치해야할 필요는 없다. 예컨데 후술하는 실시예에서는, 가열온도보다도 균열온도가 약 50~150℃ 정도 높아졌는데, 이것은 가열 후, 균열 전의 체류시간 등에 의해 균열시의 온도가 상승했기 때문이다.

(ⅲ) 열간압연 전의 탈(脫)스케일 공정

본 발명의 스프링용 강선재는, 특히 상기 (ⅰ) 및 (ⅱ)의 공정에 유의하여 제조할 것이 필요하고, 다른 공정, 예컨데 (ⅲ)열간압연 전의 탈 스케일 공정이나 다음의 (ⅳ)열간압연공정은, 특히 한정되지 않지만 통상 이용되는 조건을 적절히 선택할 수 있는데, 예컨데 다음과 같이 제어할 것이 권장된다.

여기에서는 주로 화이야라이트 함유 스케일을 빠르게 제거하기 위하여, 약 80kgf/㎟(≒785MPa)~160kgf/㎟(≒1569MPa), 보다 바람직하게는 약 100kgf/㎟(≒981MPa)~120kgf/㎟(≒1176MPa)의 수압하에서 약 1초~10초간(보다 바람직하게는 3초~7초간), 고수압샤워를 행하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 후속 열간압연 공정을 빠르게 실시할 수가 있다. 샤워의 수압이 80kgf/㎟ 미만인 경우, 스케일이 두껍게 되어 열간압연 중의 물림에 의한 표면 흠의 발생이나, 표층 Cr 농도의 증가를 초래할 우려가 있다. 한편, 샤워의 수압이 160kgf/㎟을 초과하면, 열간압연 전의 빌렛트 온도가 저하하여 압연이 어렵게 된다.

또한, 열간압연 전의 탈 스케일 공정은, 상기 고수압 샤워에 한정되지 않고, 예컨데 숏트블래스트 등의 기계적인 스케일 박리를 행해도 좋다.

(ⅳ) 열간압연 공정

여기에서는, 열간압연 중에 생성된 화이야라이트로의 Cr 농화를 방지하고, 또한 스케일의 조성을 적절히 제어하기 위하여 소정의 수냉샤워를 실시한다.

구체적으로는, 조압연을 행한 후의 마무리 압연공정에 있어서, 샤워로 냉각을 행한다. 샤워의 물의 량은 대략 100t/hr 이상, 200t/hr 이하인 것이 바람직하고, 120t/hr 이상, 180t/hr 이하인 것이 보다 바람직하다. 샤워의 물의 량이 100t/hr 미만이면, 소망하는 스케일(화이야라이트) 제거작용, 및 ΔCu의 저감작용이 효과적으로 발휘되지 않는다. 한편, 샤워의 물의 량이 200t/hr을 초과하면, 강재가 과잉 냉각되어 과냉조직이 석출되어 버린다.

마무리압연 온도는, 주로 스케일의 두께나 조성을 적절히 제어하기 위하여 대략 800℃~1000℃(보다 바람직하게는 950℃~980℃)의 범위에서 행하는 것이 바람직하다.

또한 위와 같은 관점으로부터, 예컨데 마무리압연 종료 후, 약 700℃의 온도역까지 냉각속도를 4℃/sec~20℃/sec(보다 바람직하게는 6℃/sec~15℃/sec)의 범위내로 제어하는 것이 바람직하다. 상기 온도역에서의 냉각속도가 4℃/sec 미만인 경우, 스케일 두께 등이 증가하여 산세성이 저하한다. 한편, 상기 냉각속도가 20℃/sec를 초과하면, 해당 온도역의 유지시간이 짧아져, 당해 온도역에서 생성하는 우스타이트의 비율이 저하하므로, 산세성이 저하한다.

본 발명에는, 상기 스프링용 강선재 외에, 상기 강선재를 이용하여 얻을 수 있는 스프링도 포함된다. 본 발명에 따르면, 붉은 스케일이라 불리는 스케일 흠도 전혀 생기지 않아, 표면성상(表面性狀)이 매우 우수하고 피로특성도 높은 스프링을 제조하는 것이 가능하다.

스프링을 제조하는 방법은, 특히 한정되어있지 않으므로 통상 이용되는 방법을 적절히 채용하면 된다. 대표적으로는 예컨데 다음의 스프링 공정 (a)~(c)가 있는데, 어느 것을 채용해도 본 발명의 스프링을 제조할 수 있다.

(a) 산세→표면피막처리→인발→칭ㆍ템퍼링(오일템퍼)

(b) 연(鉛)파텐팅(LP)→산세→표면피막처리→인발→오일템퍼

(c) 아닐링→산세→표면피막처리→피삭(皮削:SV)→LP→산세→표면피막처리→인발→오일템퍼

후술하는 실시예에서 나타나듯이, 본 발명에 의하면 ΔCr이 낮게 억제된 압연선재를 얻을 수 있으므로, 상기 스프링 공정 (a)~(c)의 어느 방법을 이용해도, 표면성상이 매우 우수한 스프링을 얻을 수 있다. 또한, 압연선재의 입계산화층의 두께도 얇게 제어되기 때문에, 상기 어느 스프링 공정을 이용해도, 피로특성이 우수한 스프링을 얻을 수 있다. 또한, 압연선재의 입계산화층의 두께가 본 발명의 바람직한 범위를 벗어난다고 해도, 상기 스프링공정 (c)와 같이 피삭처리를 행하면 스프링 가공후의 입계산화층은 얇게 되어, 양호한 피로특성을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인하고 있다.

상기 스프링공정 (a)~(c)에 기재된 각 처리방법은 특히 한정되지 않으므로, 통상 실시되는 방법을 적절히 선택할 수 있다. 예컨데 산세처리는, 대표적으로는 60℃~90℃의 온도에서 5~25%의 H₂SO₄ 안에 침지하던가, 또는 20℃~50℃의 온도에서 5~15%의 HCl 용액속에 침지하는 것으로 행해진다.

[ 실시예 ]

이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 제한하는 것이 아니고, 전ㆍ후기의 취지를 벗어나지 않는 범위에서 적절히 변경한 것은 본 발명의 기술범위 내에 포함된다.

(스프링용 강선재의 제조)

표 1에 나타난 각각의 강(강종 A~G, 모두 본 발명에서 정한 강중성분을 만족하고 있는 것으로, 잔부는 철 및 불가피불순물로 이루어진다)을 소형 진공용해로에서 150kg 용제하고, 155cm 각의 빌렛트에 열간단조(熱間鍛造)한 후 하기에 나타난 선재공정 1~3의 가열ㆍ열간압연 조건으로 직경 7.4㎜ 경의 강선재를 제작하였다. 상기 선재공정 중, 선재공정 1 및 2는, 본발명에서 규정하는 제조조건을 모두 만족하는 본발명예이고, 선재공정 3은 가열온도 및 균열온도 양쪽이 본 발명의 범위보다도 높은 비교예이다.

(선재공정 1)

15℃/min의 가열속도로 약 1000℃까지 가열한 후, 약 1060℃로 20분간 균열하고, 100kgf/㎟(≒981MPa)의 수압하에서 약 5초간 높은 수압으로 샤워를 행하여 탈 스케일을 실시하였다. 이어서 조압연을 행한 후, 150t/hr의 샤워냉각을 행하면서 마무리압연을 행한 후(마무리압연 온도 950℃), 마무리압연 종료 후, 약 700℃까지의 범위를 6℃/sec의 냉각속도로 냉각하였다. 권취온도는 875℃로 하였다.

(선재공정 2)

20℃/min의 가열속도로 약 980℃까지 가열한 후, 약 1100℃으로 30분간 균열하고, 100kgf/㎟(≒981MPa)의 수압하에서 약 5초간 높은 수압으로 샤워를 행하여 탈 스케일을 실시하였다. 이어서 조압연을 행한 후, 150t/hr의 샤워냉각을 행하면서 마무리압연을 행한 후(마무리압연 온도 950℃), 마무리압연 종료 후, 약 700℃까지의 범위를 6℃/sec의 냉각속도로 냉각하였다. 권취온도는 875℃로 하였다.

(선재공정 3)

18℃/min의 가열속도로 약 1100℃까지 가열한 후, 약 1300℃에서 40분간 균열하고, 100kgf/㎟(≒981MPa)의 수압하에서 약 5초간 높은 수압으로 샤워를 행하여 탈 스케일을 실시하였다. 이어서 조압연을 행한 후, 150t/hr의 샤워냉각을 행하면서 마무리압연을 행한 후(마무리압연 온도 1050℃), 마무리압연 종료 후, 약 700℃까지의 범위를 4℃/sec의 냉각속도로 냉각하였다. 권취온도는 875℃로 하였다.

이렇게 하여 얻은 각 강선재에 대하여, 전술한 방법으로 ΔCr을 측정함과 아울러, 산세성을 평가하였다.

(산세성의 평가)

상기 강선재를 100㎜ 길이로 절단하고, 샘플수(n)를 3으로 하여 이하의 산세 테스트(비이커 테스트)를 실시하였다. 여기에서는, 실조업의 산세처리와 같은 조건하에서 실험을 행하였다.

산용액 : 15%의 황산

지철의 용해방지용으로 인히비터(카치온성 아민 유도체)를 0.5%

철분으로 2가철을 20g/L

침지조건 : 60℃에서 10분간

이어서, 산세 후의 스케일 박리율을 다음과 같이 하여 측정하였다. 본 실시예에서는, 원래의 스케일 부착율(후술하는 A)에 대한, 산세를 행할 때의 스케일 박리율(B)의 백분율(B/A×100(%))로「산세후의 스케일 박리율」을 정의하였다.

(1) A(%) = [(W₀-W₁)/W₀]×100

식 중,

A는 원래의 스케일 부착율(강선재의 스케일 부착율)이고,

W₀은 침지 전의 강선재(압연 그대로의 스케일 부착한)의 중량(g),

W₁은 상기 침지조건으로 침지한 후의 강선재의 중량(g)을 의미한다.

(2) B(%) = [(W₀₁-W₂)/(W₀₁)]

B는 상기 조건으로 산세한 후의 스케일 박리율이고,

W₀₁은 침지 전의 강선재(압연 그대로)의 중량(g),

W₂는 산세실험 후의 중량(g)을 의미한다.

상기 식 (1) 및 (2)에 있어서, W₀ 및 W₀₁은, 모두 압연 그대로의 강선재의 중량을 의미하지만, 「같은 조건으로 제조한 각각의 샘플(압연 그대로의 강선재)의 중량」을 명확히 하기 위하여 다른 기호를 이용하였다. 같은 샘플을 이용하여 상기 A 및 B를 측정하는 것은 불가능하기 때문이다.

본 발명에서는, 위와 같이 측정한 스케일 박리율이 100%인 것을 산세성이 우수하다(합격, ○)라고 판정하였다.

또한, 스케일, 서브스케일 및 입계산화층의 두께, 그리고 스케일의 조성을 다음과 같이 측정하였다. 이들을 측정함에 있어서는, 상기 강선재를 수지에 담궈 압연방향으로 수직인 단면(측정면)을 연마제로 경면마무리한 후, 전도성을 유지하기 위하여 오스미움을 이용하여 증착(蒸着)을 행한 것을 공시재로 이용하였다.

(스케일의 두께)

상기 공시재의 단면을 Fe-SEM 장치(히다치세이사쿠쇼 제의 S-4500 전계방사형 주사전자현미경)를 이용하여 관찰한 사진(배율:3000배)에 기하여, 스케일의 두께를 측정하고, 그 최대 두께를「스케일의 두께」로 하였다.

본 발명에서는, 위와 같이 하여 측정된 스케일의 두께가 40㎛ 이하인 것을 합격으로 판정하였다.

(스케일의 조성)

상기 공시재의 단면에 대하여, 다음 조건의 X선 회절분석을 행하여 스케일의 조성(체적비율)을 측정하였다.

장치 : 리가꾸덴끼 제 「RAD-RU300」

타겟 : Cr

타겟 출력 : 40kV-200mA

모노크로메터 수광(受光) 슬릿 : 0.6㎜

슬릿 : 발산 1°, 산활 1°, 수광 0.15㎜

주사속도 : 2°/min

측정범위(2θ) : 15° 또는 110°

샘플링 폭 : 0.02°/step

(서브스케일의 두께)

전술한 「스케일의 두께」와 같은 방법으로, Fe-SEM 사진에 기하여 서브스케일의 두께를 측정하고, 그 최대 두께를 「서브스케일의 두께」로 하였다. Fe-SEM 사진에 있어서 서브스케일은, 스케일에 비하여 검게 관찰되기 때문에(도 1 참조), 양자는 색의 농담(濃淡)으로 구별할 수 있다.

본 발명에서는, 위와 같이 하여 측정된 서브스케일의 두께가 2㎛ 이하인 것을 합격으로 판정하였다.

(입계산화층의 두께)

상기 공시재의 단면에 대하여, 광학현미경(배율 400배)을 이용하여 입계산화층을 측정하고, 그 최대 깊이를 「입계산화층의 두께」로 하였다.

본 발명에서는, 위와 같이 하여 측정된 입계산화층의 깊이가 10㎛ 이하인 것을 합격으로 판정하였다.

(스프링용 강선의 제조)

이어서, 상기 각 강선재를 이용하여 다음에 나타난 스프링 공정 (a)~(c) 중 어떤것이나 택하여 행하고, 이에 의해 직경 4.0㎜의 스프링용 강선(오일템퍼 선)을 제조하였다. 하기 공정에서 인발, 연(鉛)파텐팅(LP), 및 피삭(SV)은 모두 같은 조건으로 실시하였다.

(a) 표면피막처리→인발(건식 신선)→오일템퍼(가열온도:930℃, 칭 기름온도:70℃, 템퍼링 온도:450℃, 템퍼링 후의 냉각:수냉)

(b) LP, 930℃로 가열→600℃로 유지→산세→표면피막처리→인발→오일템퍼

(c) 아닐링(660℃로 2시간 유지)→산세→SV→LP→산세→인발→오일템퍼

(입계산화층의 깊이)

이렇게 하여 얻은 오일템퍼 선을 이용하여, 상기(上記)와 같은 방법으로 입계산화층의 깊이를 측정하였다. 본 발명에서는, 입계산화층의 깊이가 10㎛ 이하인 것을 합격으로 판정하였다.

(피로수명 (내 크랙성))

상기 오일템퍼 선을 절단한 샘플(길이 약 650㎜)을 50개 준비하고, 나카무라식 회전굽힘 피로시험을 행하였다. 각 샘플의 인장강도의 45%의 부하응력 하에서의 피로시험(10000만 회)을 행하고, 절손이 발생한 수를 측정하였다. 샘플 50개 중, 절손이 발생한 비율(절손율)을 산출하였다.

본 발명에서는, 위와 같이 하여 측정된 절손율이 5% 이하인 것을 피로특성이 우수하다(합격, ○)고 판정하였다.

이들 결과를 표 2 및 표 3에 나타내었다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

표 2 및 표 3에 있어서, 예컨데 「A-1」은, 표 1에 나타난 강종 A를 이용하여 선재공정 1으로 강선재를 제조한 예를 의미하고, 「A-2」는, 표 1에 나타난 강종 A를 이용하여 선재공정 2로 강선재를 제조한 예를 의미한다. 다른 예도 같은 방법으로 이해하면 된다. 또한, 표 3에는 오일템퍼 선을 제조할 때의 스프링공정의 종류를 병기하였다. 예컨데, 표 2 및 표 3에 있어서, No.1은 강종 A를 이용하여 선재공정 1로 강선재를 제조한 후, 스프링공정(a)에 의해 오일템퍼 선을 제조한 예이다. 다른 예도 같은 방법으로 이해하면 된다.

표 2 및 표 3으로 인해 다음과 같이 고찰할 수 있다.

우선 No.1~2, 4~5, 7~8, 10, 12, 14~15는 ΔCr이 본 발명의 범위를 만족함과 동시에, 스케일 및 서브스케일의 두께가 본 발명의 바람직한 범위를 만족하는 본발명예로서, 이들은 표 2에 나타난 바와 같이 스케일 박리율이 100%로 산세성이 극히 우수하다. 또한, 상기 선재의 스케일 조성을 X선 회절법으로 조사한 바, 모두 전술한 바람직한 범위로 제어되어 있는 것을 확인할 수 있다(표에는 나타내지 않음).

또한, 상기 선재 및 상기 선재를 이용하여 얻은 오일템퍼선에는, 모두 입계산화층의 생성은 전혀 보이지 않아 피로특성이 우수함을 알 수 있다. 또한, 상기 오일템퍼선의 인장강도를 JIS Z 2241에 기하여 측정한 바, 모두 약 1900~2100MPa 이상의 고강도를 갖고 있음이 확인되었다(표에는 나타내지 않음).

상기 본 발명예 중, No.1~2, 4~5, 7~8은 스프링공정 (a)로, No.10, 12, 14 및 15는 스프링공정 (b)로 각각 오일템퍼선을 제작하였는데, 어떠한 방법으로도 피로특성이 우수한 스프링을 얻을 수 있었다. 또한, 표에는 나타내지 않았지만, 스프링공정 (c)에 의해 오일템퍼선을 제작해도 피로특성이 우수한 스프링을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

이에 반해, No. 3, 6, 9, 11, 13은 모두 가열온도 및 균열온도가 본 발명의 범위를 벗어난 선재공정 3을 채용하여 스프링을 제조한 비교예로서, ΔCr이 본 발명의 범위를 벗어나 있으므로, 스케일 박리율이 저하하였다(표 2 참조). 또한, 상기 비교예를 이용하여 얻은 강선재 및 스프링을 입계산화층의 깊이는 모두 본발명의 바람직한 범위를 벗어나 있어, 스프링의 피로수명도 저하하였다.

또한, 상기 비교예와 같이, 강선재의 입계산화층 깊이가 본 발명의 범위를 벗어나더라도 전술한 스프링공정 (c)와 같이 피삭처리를 행하면, 스프링 가공 후의 입계산화층은 얇게 되어 우수한 피로특성을 얻을 수 있다는 것을 실험을 통해 확인할 수 있었다.

본 발명의 스프링용 강선재는, 표층부의 Cr의 농화가 현저히 억제되어 있는 것 외에도, 스케일, 서브스케일, 및 입계산화층의 두께가 모두 매우 얇기 때문에 산세성이 우수한 것이다. 본 발명의 스프링용 강선재를 이용하여 스프링을 제조하면, 산세공정에 의해 스케일이나 서브스케일이 용이하게 박리되므로, 표면성상이 우수하고 피로특성도 높아진 스프링을 제공할 수 있게 되었다.

도 1은 스케일이 부착된 압연선재의 단면을 관찰한 Fe-SEM 사진이다.

도 2는 표층의 Cr 농도를 측정하기 위하여, 소정의 공시재를 EPMA 라인 정량분석에 의하여 측정한 도면으로, 도 2 (a)는, Fe에 관하고, X선강도(cps)와 표층부로부터의 거리와의 관계를 나타낸 도면이고, 도 2 (b)는 Cr 농도(%)와 표층부로부터의 거리와의 관계를 나타낸 도면이다.

Claims (4)

1. C : 0.35 ~ 0.7 %(질량%의 의미. 이하 동일),

   Si : 1.4 ~ 2.5 %,

   Mn : 0.05 ~ 1.0 %,

   Cr : 0.5 ~ 1.9 %,

   P : 0.02% 이하(0%를 포함하지 않음), 및

   S : 0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)

   를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피불순물로 구성되며

   표층의 Cr농도와 강중의 Cr농도와의 차가 2.50% 이하인 것을 특징으로 하는 산세성이 우수한 스프링용 강선재(鋼線材).
2. 제 1항에 있어서,

   V : 0.07 ~ 0.4 %,

   Ti : 0.01 ~ 0.1 %, 및

   Nb : 0.01 ~ 0.1 %

   으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종을 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 산세성이 우수한 스프링용 강선재.
3. 제 1항에 있어서, Ni:0.15~0.8%를 또한 함유하는 것을 특징으로 하는 산세성이 우수한 스프링용 강선재.
4. 제 1항에 기재된 스프링용 강선재를 이용하여 얻을 수 있는 스프링.