KR101096888B1

KR101096888B1 - 스프링용 강선

Info

Publication number: KR101096888B1
Application number: KR1020067016315A
Authority: KR
Inventors: 요시로 후지노; 노조무 카와베; 테루유키 무라이; 노리히토 야마오; 타카유키 시와쿠
Original assignee: 스미토모 덴코 스틸 와이어 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2006-08-14
Publication date: 2011-12-22
Also published as: JP2005220392A; EP1731625A4; CN100449026C; WO2005075695A1; EP1731625A1; US20080271824A1; EP1731625B1; KR20060129019A; CN1914347A; JP4357977B2

Abstract

본 발명 스프링용 강선은, 담금질 뜨임(quenching tempering)에 의해 뜨임 마텐자이트(tempering martensite) 조직을 가지는 스프링용 강선이다. 이 강선은, 단면수축값이 40%이상이며, 420℃이상 480℃이하에서 2시간 이상 열처리를 실시한 후의 강선의 전단항복응력이 1000MPa이상이다. 이 강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것, 혹은 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것이 바람직하다.

Description

스프링용 강선{STEEL WIRE FOR SPRING}

본 발명은, 담금질 뜨임(quenching tempering)에 의해 뜨임 마텐자이트(tempered martensite) 조직을 가지는 스프링용 강선, 이 스프링용 강선의 제조에 적합한 스프링용 강선의 제조방법, 및 이 강선에 의해 제조된 스프링에 관한 것이다. 특히, 자동차의 엔진 밸브 스프링이나 변속기(transmission) 내부 등에 이용되는 스프링에 적합한 고강도로 피로특성이 우수한 고인성(高靭性)의 스프링용 강선에 관한 것이다.

자동차의 저연비화(低燃費化)에 대응해서, 최근, 자동차의 엔진이나 변속기 등의 부품의 소형 경량화가 진행되고 있다. 그것에 수반하여, 엔진의 밸브 스프링이나 변속기용 스프링 등의 스프링에 부하되는 응력은 매년 심해지고 있으며, 이용되는 스프링재료에도 한층 더 피로특성의 향상이 요구되고 있다. 이들 엔진의 밸브 스프링이나 변속기용 스프링에는, 종래, 실리콘크롬계의 오일템퍼선(oil tempered steel wire)이 이용되고 있으며, 예를 들면, 특허문헌 1~3에 기재된 것이 공지되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특허제2842579호 공보

[특허문헌 2]

일본국 특개2002-194496호 공보

[특허문헌 3]

일본국 특허제3045795호 공보

그러나, 엔진의 밸브 스프링이나 변속기용 스프링 등의 스프링에 요구되는 특성은, 최근 엄격해지고 있으며, 스프링용 강선 및 스프링에 대해서 가일층의 개선이 요구되고 있다. 특히, 스프링용 강선 및 스프링은, 피로특성과 인성을 보다 밸런스 있게 구비하는 것이 요망되고 있다.

한편, 최근, 피로강도(피로한도) 향상의 요망에 수반하여, 스프링 가공한 후에 스프링에 고온(구체적으로는 420~480℃정도)의 열처리(질화처리)가 실시되고 있다.

특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 강선의 C(탄소)의 함유량을 0.3-0.5중량%로 함으로서 인성의 향상을 도모하고 있다. 그러나, 탄소의 함유량을 0.50중량%미만이라고 하는 저량으로 함으로서 내열성이 저하되기 때문에, 가령, 이 강선을 스프링 가공한 스프링에 상기 고온의 질화처리를 실시하는 것으로 하면, 피로강도가 저하되어서, 스프링으로서 사용했을 때, 내부 절손(折損)의 원인이 된다.

특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 담금질 후의 오스테나이트(austenite)의 평균결정입경을 1.0~7.0㎛라고 하는 미세화 조직으로 함으로서 피로강도의 향상을 도모하고 있다. 그러나, 오스테나이트 결정입경을 보다 작게 하기 위해서, 담금질할 때의 온도를 저온으로 하면, 미고용(未固溶)탄화물이 잔존해서, 인성을 저하시키는 요인이 된다. 또, 인성이 저하됨으로서, 강선의 스프링 가공 시에 절손이 생기기 쉬워지며, 스프링의 양산성에 악영향을 미친다.

특허문헌 3에 기재된 기술에서는, 오일템퍼 시에 의도적으로 강선의 표면을 탈탄(脫炭)시킴으로서 표면경도를 저하시켜서 스프링 가공성의 향상을 도모하는 것이지만, 표면에 균일한 탈탄층을 얻는 것은 곤란하며, 강선이나 스프링의 대량생산에 부적당하다. 또, 강선의 가열 시(오일템퍼 시)에 산소농도를 제어해야 하며, 비용의 상승을 수반한다.

또한, 어느 문헌에 기재된 기술도, 강선의 스프링 가공 후에 실시되는 질화처리 후에 있어서 재료(스프링) 내부의 비틀림방향의 내력(耐力), 즉, 스프링의 전단항복응력에 대해서 검토되어 있지 않다.

그래서, 본 발명의 주된 목적은, 피로강도와 인성과의 쌍방이 우수한 고강도의 스프링 강선을 제공하는 데에 있다. 또, 본 발명의 다른 목적은, 상기 스프링용 강선에 의해 제작된 스프링, 및 상기 스프링용 강선의 제조에 적합한 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명 스프링용 강선은, 담금질 뜨임 후의 강선의 단면수축값과, 상기 담금질 뜨임 후에 질화처리에 상당하는 열처리를 실시한 강선의 전단항복응력을 특정의 값으로 규정함으로서 상기의 목적을 달성한다.

즉, 본 발명은, 담금질 뜨임에 의해 뜨임 마텐자이트 조직을 가지는 스프링용 강선이다. 이 스프링용 강선은, 단면수축값이 40%이상이며, 420℃이상 480℃이 하에서 2시간 이상의 열처리를 실시한 후의 강선의 전단항복응력이 1000MPa이상인 것을 특징으로 한다.

상기 스프링용 강선은, 특히 이하의 1~6 중 어느 하나의 화학성분으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.

1. 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

2. 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

3. 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

4. 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%와, 질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

5. 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, 질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

6. 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소와, 질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물

또, 상기 본 발명 스프링용 강선의 제조에 적합한 제조방법으로서, 이하를 제안한다. 즉, 본 발명 스프링용 강선의 제조방법은, 이하의 (A)~(C) 중 어느 하나에 기재된 화학성분의 강재(鋼材)를 패턴팅(patenting)하는 공정과, 상기 패턴팅된 강재를 신선가공하는 공정과, 상기 신선가공된 강선에 담금질 뜨임을 실시하는 공정을 구비한다. 상기 패턴팅은, 900~1050℃에서 60~180초 동안 가열하는 오스테나이트화 공정과, 상기 오스테나이트화 공정 후에 600~750℃에서 20~100초 동안 가열하는 항온변태(恒溫變態)공정을 구비하는 것으로 한다.

(A) 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재

(B) 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재

(C) 질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재

상기 (A)~(C)의 화학성분에 부가해서, 강재는, 또한, 질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20% 로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고 있어도 된다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(피로특성의 향상)

스프링의 피로특성을 향상시키기 위해서는, 스프링의 피로파괴를 억제하는 것이 요망된다. 스프링을 반복 사용하는 경우, 이 스프링에는, 인장방향 및 압축방향과 동시에 전단방향으로 반복 응력이 부가된다. 이와 같이 외적으로 부가되는 반복 응력에 의해서, 스프링은, 국소적, 혹은 집중적으로 반복해서 미끄러짐 변형(소성변형)을 일으키고, 스프링의 표면 근방에 요철을 생성하여 균열이 발생되어서 파괴에 이르는, 즉, 피로파괴로 된다. 따라서, 스프링의 피로파괴를 억제하기 위해서는, 상기 국소적, 혹은 집중적인 소성변형을 억제하는 것이 효과적이다. 이와 같은 소성변형을 억제하기 위해서, 종래, 강선을 스프링 가공한 후에 질화처리 등의 열처리를 실시하여 스프링의 표면경도를 높여서, 피로한도를 향상시키는 것이 실시되고 있다. 그러나, 스프링에 큰 응력이 부가되는 상태로 사용되도록 되어 온 요즈음, 단지 피로한도를 높게 한 것만으로, 스프링이 영구변형되어서 사용할 수 없는 경우가 있다. 이것은, 상기 질화처리 등의 열처리에 의해 형성된 스프링 표층의 고경도의 질화층이 영구변형되지 않아도, 상기 큰 응력에 의해 스프링 내부의 강도가 저하되어서 영구변형되어 버리기 때문이라고 사료된다. 그런 연유로, 스프링은, 고강도인 데에 부가해서, 피로한도뿐만이 아니라, 비틀림내력, 즉, 전단항복응력 그 자체를 향상시키는 것이 요망된다. 그래서, 본 발명자들이 여러 가지 검토한바, 상기 질화처리 등의 열처리 후에 있어서, 재료(스프링) 내부가 적절한 비틀림내력이 있으면 됨을 알게 되었다. 구체적으로는, 상기 질화처리 등의 열처리를 실시한 후에 스프링의 전단항복응력이 1000MPa이상이면, 스프링의 피로특성을 향상시킬 수 있음을 알게 되었다. 이 식견에 의거하여, 본 발명 스프링용 강선은, 담금질 뜨임 후에 특정한 열처리를 실시한 후의 강선의 전단항복응력을 1000MPa이상으로 규정한다.

(고인성)

강선이 아무리 고강도이어도, 인성이 낮으면 스프링 가공 시에 강선이 절손을 일으켜서, 스프링의 양산성을 저해하게 된다. 또, 재료가 되는 강선의 인성 저하에 의해, 스프링의 피로특성도 저하되어 버린다. 그래서, 본 발명자들이 여러 가지 검토한바, 담금질 뜨임 후의 강선의 단면수축값을 40%이상으로 하는 것이 스프링 가공 시에 있어서의 강선의 절손의 방지에 효과적이며, 스프링의 양산성이 우수하다고 하는 식견을 얻었다. 이 식견에 의거하여, 본 발명은, 강선의 단면수축값을 40%이상으로 규정한다. 단면수축값이 40%미만에서는, 스프링 가공 시에 강선의 절손을 일으키기 쉽고, 스프링의 양산성에 지장을 초래할 우려가 있다. 또한, 단면수축값은, 담금질 뜨임 후에 강선에 상기 질화처리에 상당하는 420℃이상 480℃이하에서 2시간 이상이라고 하는 특정한 열처리를 실시함으로서, 약간 저하하는 경우도 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, 단면수축값이 40%이상이면, 상기 열처리 후에 있어서도, 강선은, 단면수축값을 35%이상으로 유지할 수 있으며, 이 강선에 의해 얻어진 스프링은, 높은 피로특성을 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명 스프링용 강선은, 단면수축값, 및 이 강선에 질화처리에 상당하는 열처리를 실시한 후의 전단항복응력을 규정함으로서, 본 발명 강선이나 본 발명 강선에 의해 얻어지는 스프링의 고피로강도와 고인성과의 양립을 도모한다.

상기 피로특성과 인성과의 쌍방이 우수한 본 발명 스프링용 강선 및 스프링을 얻기 위하여, 이 강선의 최적인 화학성분 및 제조조건, 특히 패턴팅 조건을 규정한다.

<화학성분>

우선, 강선을 스프링 가공한 후에 스프링에 실시되는 질화처리 등의 열처리에 의해, 스프링의 표면경도를 향상시킴으로서 스프링의 피로한도를 향상시킬 수 있는 반면, 스프링의 내부 경도가 저하됨으로서, 사용 시에 내부 절손이 생기는 경우가 있다. 그래서, 본 발명에서는, 스프링에 가공되는 강선의 모상(母相)의 내열성을 향상시키기 위하여, C, Si를 소정의 범위(질량%) 함유하는 것으로 한다. 또, 강선에 뜨임을 실시했을 때에, 강선 조직 중에 탄화물을 형성시켜서 강선의 연화저항을 높이기 위해서 Cr을 소정량 함유한다. 연화저항의 증대에는, Cr을 소정량 함유하는 데에 부가해서, 또한 Mo, V, Nb, W, Ti를 소정량 함유하는 것도 효과적이다. 그리고, 본 발명 강선이나 본 발명 강선에 의해 얻어지는 스프링의 전단항복응력의 향상에는, Co: 0.02~1.00질량%를 함유하거나, 또는 Mn을 넉넉히 함유하는(0.7초과~1.5질량%) 것이 유효함을 발견하였다. 그래서, Mn, Co의 함유량을 규정한다. 상세한 성분범위 및 범위의 한정 이유는, 후술한다.

<제조조건>

본 발명 스프링용 강선은, 상기 화학성분을 가지는 강재에 용제 → 열간단조(熱間鍛造) → 열간압연 → 패턴팅 → 신선 → 담금질 뜨임을 실시함으로서 얻어진다.

(패턴팅 조건)

본 발명에서는, 신선가공 전에 있어서 특정조건의 패턴팅을 실시함으로서, 강재 조직을 충분히 오스테나이트화해서, 미고용탄화물을 용해시키는 동시에, 적절한 항온변태에 의해 균일적인 펄라이트(perlite) 조직을 얻는다. 오스테나이트화가 불충분하면, 강선의 인성이나 전단항복응력을 저하시키는 요인이 된다. 그래서, 충분히 오스테나이트화하기 위해서는, 900~1050℃의 온도에서 60~180초 동안 가열하는 것이 적합하다. 가열온도가 900℃미만인 경우, 또는 가열온도가 900~1050℃에서 가열시간이 60초 미만인 경우, 충분한 오스테나이트화를 하지 못하고, 미고용탄화물이 잔존해 버린다. 또, 가열온도가 1050℃보다 높은 경우, 또는 가열온도가 900~1050℃에서 가열시간이 180초보다 긴 경우는, 오스테나이트입자가 조대화(粗大化)되어 버려서, 변태 시에 마텐자이트가 생성되기 쉬워지며, 신선가공 시, 그 신선성을 저해시켜 버린다.

오스테나이트화 후에 실시하는 강재의 항온변태는, 600~750℃에서 20~100초 동안 가열하는 것이 적합하다. 가열온도가 750℃보다 높은 경우, 또는 가열온도가 600~750℃에서 가열시간이 100초보다 긴 경우는, 강재 조직에 있어서 시멘타이트(cementite)가 구상화(球狀化)되어서, 강재의 신선성을 저해시키는 요인이 된다. 한편, 가열온도가 600℃보다 낮은 경우, 또는 가열온도가 600~750℃에서 가열시간이 20초보다 짧은 경우, 펄라이트에의 변태가 완료되지 않고, 마텐자이트가 생성됨으로서, 신선성을 저해시켜 버리는 요인이 된다.

(담금질, 뜨임)

상기 패턴팅이 실시된 강재를 신선해서 얻어진 강선에 담금질을 실시할 때의 온도가 너무 낮으면, 강선 조직에 미고용탄화물이 잔존해서 강선의 인성을 저하시킨다. 반대로, 담금질 시의 온도가 너무 높으면, 오스테나이트 결정립이 성장되어서 대형화함으로서, 이 강선이나 이 강선에 의해 얻어진 스프링의 피로한도를 저하시킨다. 따라서, 담금질 시의 온도는, 850℃초과 1050℃미만으로 하는 것이 바람직하다.

<조직>

본 발명 스프링용 강선은, 뜨임 마텐자이트 조직을 가지는 것으로 한다. 또, 담금질 뜨임 후의 강선의 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)을 미세화하면, 이 강선이나 이 강선에 의해 얻어진 스프링은, 반복 응력이 부가되어도, 국소적, 집중적으로 미끄러짐 변형이 생기기 어려워진다. 즉, 강선이나 스프링의 전단항복응력을 향상시킬 수 있기 때문에, 결과적으로 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)을 미세화하는 것은, 피로특성의 향상에 기여시킬 수 있다.

구체적으로는, 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균결정입경을 3.0~7.0㎛로 하는 것이 바람직하다. 평균결정입경은, 강재에 실시하는 패턴팅의 온도를 변화시킴으로서 변화시킬 수 있다. 보다 상세하게는, 패턴팅에 있어서 오스 테나이트화할 때의 온도를 낮게 하면, 결정입경은 작아지며, 동일온도를 높게 하면 결정입경은 커지는 경향이 있다. 평균결정입경이 3.0㎛미만에서는, 오스테나이트화의 온도가 낮기 때문에, 미고용탄화물이 잔존해서 강선의 인성이 저하되기 쉽다. 또, 평균결정입경이 7.0㎛초과에서는, 강선이나 강선에 의해 얻어진 스프링의 피로한도가 향상되기 어렵다. 또한, 평균결정입경은, 신선한 강선에 담금질 뜨임 후에 측정한 값으로 한다

이하, 본 발명에 있어서의 구성원소의 선정 및 성분범위를 한정하는 이유를 서술한다. 또한, 원소의 근처에 기재되는 수치의 단위는, 질량%이다.

C: 0.50~0.75

C는 강철의 강도를 결정하는 중요한 원소이며, 탄소의 함유량이 강철 전체에 대해서 0.50질량%미만에서는 충분한 강도의 강선을 얻지 못하고, 0.75질량%를 초과하면 인성을 손상시키기 때문에, 탄소의 함유량은, 0.50질량%이상 0.75질량%이하로 한다.

Si: 1.80~2.70

Si는 강재의 용해정련(溶解精鍊) 시에 탈산제로서 사용된다. 또, Si는, 페라이트(ferrite) 속에 고용해서 내열성을 향상시키고, 스프링 가공 후에 스프링에 실시되는 응력제거소둔이나 질화처리 등의 열처리에 의한 강선(스프링) 내부의 경도 저하를 방지하는 효과가 있다. 내열성을 유지하기 위해서는 1.80질량%이상 필요하며, 2.70질량%를 초과하면 인성이 저하되기 때문에, Si의 함유량은, 1.80질량%이상 2.70질량%이하로 한다.

Mn: 0.1~1.5

Mn은 Si와 마찬가지로 용해정련 시의 탈산제로서 사용된다. 그런 연유로, 탈산제에 필요한 Mn의 함유량으로서 하한을 0.1질량%로 한다. 또, Mn은, 강선의 담금질성을 향상시키고, 강선의 강도를 높이는 동시에, 강선이나 강선에 의해 얻어진 스프링의 전단항복응력을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Mn의 함유량이 강철 전체에 대해서 1.5질량%초과이면, 패턴팅 시에 강재에 마텐자이트가 생성되기 쉬워지며, 신선 시에 단선(斷線)의 원인이 되기 때문에, Mn의 함유량의 상한을 1.5질량%로 한다. 특히, 강철에 후술하는 Co를 함유하는 경우, Mn의 함유량은 0.1~0.7질량%로 낮게 하고 있어도 되며, Co를 함유하지 않는 경우, 0.7초과~1.5질량%로서, Mn을 넉넉히 함유하는 것이 바람직하다. Mn을 넉넉히 함유하는 동시에 Co를 함유해도 된다.

Cr: 0.70~1.50

Cr은 강철의 담금질성을 향상시키고, 연화저항을 증가시키기 때문에, 스프링 가공 후, 스프링에 템퍼처리나 질화처리 등의 열처리를 실시할 때의 스프링의 연화방지에 유효하다. Cr의 함유량이 강철 전체에 대해서 0.70질량%미만이면 연화방지에 충분한 효과를 얻을 수 없기 때문에, Cr의 함유량은 0.70질량%이상으로 하고, 1.50질량%를 초과하면, 패턴팅 시에 마텐자이트가 발생하기 쉬워지며, 신선 시에 단선의 원인이 되는 동시에, 패턴팅(오일템퍼) 후의 강재의 인성을 저하시키는 요인이 된다. 따라서 Cr의 함유량은, 0.70~1.50%로 규정한다.

Co: 0.02~1.00

Co는, 강철에 소량 함유시킴으로써, 강선이나 스프링의 전단항복응력을 향상시킨다. 또, Co는, 내열성을 향상시키는 효과가 있으며, 스프링 가공 후 템퍼처리나 질화처리한 스프링의 연화방지에 효과가 있다. 또한, Co의 함유가 소량인 경우, 강선의 인성을 저하시키지 않는다. Co의 함유량이 0.02질량%미만에서는, 상기 강선이나 스프링의 전단항복응력의 향상이나 강선의 내열성의 향상 등과 같은 효과가 얻어지기 어렵고, Co의 함유량이 1.00질량% 초과 부가해도, 1.00질량%이하 함유시켰을 경우와 비교해서 Co를 함유시킨 것에 의한 효과는 변함없이, 강선 제조나 스프링 제조가 고비용으로 되기 때문에, Co의 함유량은, 0.02질량%이상 1.00질량%이하로 한다. 또한, 강철에 Co를 함유하는 경우, 상술한 바와 같이 Mn의 함유량을 0.1~0.7질량%로 낮게 해도 된다.

Ni: 0.1~1.0

Ni를 강철에 함유시킴으로써, 강선의 내식성 및 인성을 향상시키는 효과가 있다. Ni의 함유량이 0.1질량%미만에서는, 상기 강선 효과가 얻어지기 어렵고, Ni의 함유량이 1.0질량%를 초과해도 강선 제조가 고비용으로 될 뿐으로, 강선의 인성의 가일층의 향상효과를 얻을 수 없다. 그런 연유로, Ni의 함유량은, 0.1질량%이상 1.0질량%이하로 한다.

Mo, V: 0.05~0.50

W, Nb: 0.05~0.15

이들 원소는, 강선의 뜨임 시에 강선 조직에 있어서 탄화물을 형성하고, 강선의 연화저항을 증가시키는 경향이 있다. Mo의 함유량, V의 함유량, W의 함유량, Nb의 함유량이 각각 강철 전체에 대해서 0.05질량%미만에서는 상기 효과가 얻어지기 어렵다. 또, Mo의 함유량이 0.50질량%를 초과하는 경우, V의 함유량이 0.50질량%를 초과하는 경우, W의 함유량이 0.15질량%를 초과하는 경우, Nb의 함유량이 0.15질량%를 초과하는 경우는, 모두 강선의 인성을 저하시키기 쉽다.

Ti: 0.01~0.20

Ti는, 뜨임 시에 탄화물을 형성하고, 강선의 연화저항을 증가시키는 효과가 있다. Ti의 함유량이 0.01질량%미만에서는 상기 효과를 얻지 못하고, Ti의 함유량이 0.20질량%초과에서는 강선 조직에 있어서 고융점의 비금속개재물 TiO가 형성되어서, 강선의 인성을 저하시키기 쉽다. 따라서, Ti의 함유량은, 0.01질량%이상 0.20질량%이하로 한다.

본 발명 스프링용 강선의 강선 긴쪽방향(신선방향)으로 수직인 횡단면의 형상은, 원형은 물론이거니와, 타원, 사다리꼴, 정사각형, 직사각형과 같은 이형(異形) 단면의 형상이어도 된다.

본 발명 스프링은, 상기 스프링용 강선에 코일링(coiling) 등의 스프링 가공을 실시함으로써 얻을 수 있다. 특히, 본 발명 스프링용 강선을 스프링 가공한 후, 얻어진 스프링에 질화처리 등의 열처리를 실시함으로서, 스프링의 표면경도가 향상되어서 우수한 피로한도를 가질 수 있다.

<발명의 실시의 형태>

이하, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.

표 1에 나타낸 화학성분과 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재를 진공용해로에 의해 용제하고, 열간단조, 열간압연에 의해 ø6.5㎜의 선재를 제작하였다. 그 후, 이 선재에 패턴팅(오스테나이트화 → 항온변태), 필링(peeling), 소둔, 신선가공을 실시함으로써 ø3.0㎜의 와이어를 얻었다. 표 2에 패턴팅 조건을 나타낸다. 본 예에 있어서 ø6.5㎜의 선재에 대해서 실시한 패턴팅은, 표 2에 나타낸 바와 같이 선재를 오스테나이트화하는 조건으로서, 선재의 가열시간 및 유지시간이 다른 복수의 조건을 준비하고, 선재를 오스테나이트화한 후에 선재를 항온변태시키는 조건으로서, 선재의 가열시간 및 유지시간이 다른 복수의 조건을 복수 준비하였다.

얻어진 와이어(ø3.0㎜)에 담금질 뜨임을 실시하였다. 담금질은, 표 3에 나타낸 조건으로 실시하고, 뜨임은, 어느 와이어에 있어서나 가열온도를 450~530℃로서 실시하였다. 담금질 뜨임 후의 와이어에 있어서 단면수축값(RA) 및 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균결정입경(평균γ입경)을 측정하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다. 또한, 와이어의 담금질온도를 변화시킴으로서, 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균결정입경을 변화시켰다. 오스테나이트 결정립의 평균결정입경은, JIS G0552에 규정되어 있는 절단(切斷)법에 의해 산출하였다.

또, 담금질 뜨임 후, 이 와이어에 질화처리에 상당하는 열처리(420℃×2시간, 또는 480℃×2시간)를 실시한 강선에 대해서, 전단항복응력 및 피로특성(피로한도)을 측정하였다. 표 3에 그 결과를 나타낸다. 상기 열처리를 실시한 강선의 전단항복응력은, 샘플길이 10Od(d: 샘플직경)로 연회시험을 실시하고, 토크(torque)-θ곡선으로부터 구하였다. 피로한도는, 나카무라식 회전굽힘 피로시험에 의해 평가를 실시하였다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 단면수축값(RA)이 40%이상, 질화처리에 상당하는 열처리 후의 전단항복응력이 1000MPa이상인 시료 No.13~21의 강선은, 모두 피로한도가 높음을 알 수 있다. 또, 이들 강선은, 전단항복응력이 높기 때문에, 영구변형에도 우수하다고 사료된다. 따라서, 본 발명 스프링용 강선은, 높은 인성을 구비하면서, 피로특성이 우수함을 알 수 있다.

이것에 대하여, 시료 No.1~4, 6, 8은, 질화처리에 상당하는 열처리 후의 전단항복응력이 낮고, 피로한도가 낮은 결과로 되었다. 특히, 시료 No.2, 4는, 단면수축값도 낮고, 인성이 뒤떨어졌다. 또, 시료 No.5, 7은, 패턴팅 시에 선재 조직에 마텐자이트가 발생하고, 다음 공정의 필링에 의해 단선이 다수 발생되었기 때문에 실험을 중지하였다. 시료 No.11은, 열처리 후의 전단항복응력이 낮을 뿐만 아니라,강철 전체에 대한 V의 함유량이 많기 때문에, 강선의 단면수축이 저하되어서, 피로한도가 낮아졌다. 시료 No.12는, 열처리 후의 전단항복응력이 낮을 뿐만 아니라, Ti의 함유량이 많기 때문에 Ti계 개재물에 의한 절손 때문에 피로한도가 저하되었다.

시료 No.9는, 열처리 후의 전단항복응력이 낮을 뿐만 아니라, 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균입경이 작았기 때문에, 단면수축도 낮아졌다. 한편, 시료 No.10은, 열처리 후의 전단항복응력이 낮을 뿐만 아니라, 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균입경이 컸기 때문에 피로한도가 저하되었다.

표 1의 샘플 K의 화학성분을 가지는 강재에 대해서, 상기와 마찬가지로, ø6.5㎜의 선재를 제작하고, 상기와 마찬가지로 해서 ø3.0㎜의 와이어를 준비하였다. 이때, 패턴팅의 조건을 표 2에 나타낸 바와 같이 변화시켰다. 얻어진 와이어에 담금질 뜨임을 실시하고(담금질: 940℃, 뜨임: 450~530℃), 얻어진 와이어의 단면수축값(RA) 및 오스테나이트 결정립(구오스테나이트 결정립)의 평균입경을 측정하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다. 또, 와이어에 담금질 뜨임을 실시한 후, 질화처리에 상당하는 열처리(420℃×2시간, 또는 480℃×2시간)를 실시한 강선에 대해서, 전단항복응력, 피로특성(피로한도)을 측정하였다. 그 결과도 아울러서 표 4에 나타낸다. 각 물성의 측정은, 상기와 마찬가지로 해서 실시하였다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 특정조건(오스테나이트화: 900~1050℃에서 60~180초 동안, 항온변태: 600~750℃에서 20~100초 동안)으로 패턴팅을 실시한 시료 No.22, 23은 모두, 피로한도가 높음을 알 수 있다.

이것에 대하여, 시료 No.25, 27~29는 모두, 패턴팅했을 때에 선재 조직에 마텐자이트가 발생하고, 신선 공정에서 단선이 다수 발생되었기 때문에, 실험을 중지하였다. 시료 No.24, 26은, 미고용탄화물이 잔존했기 때문에, 와이어의 단면수축이 저하되어 피로한도가 저하되었다. 또, 시료 No.24, 26은, 전단항복응력도 낮았다. 시료 No.30, 31은, 선재 조직에 있어서 시멘타이트가 구상화되었기 때문에, 미고용탄화물이 잔존하게 되며, 단면수축이 저하되는 동시에, 강선의 전단항복응력도 작았다.

본 발명 스프링용 강선은, 피로특성 및 인성이 우수하기 때문에, 피로강도가 요구되는 부위에 사용되는 스프링의 재료에 최적이다.

Claims

담금질 뜨임(quenching tempering)에 의해 뜨임 마텐자이트(tempering martensite) 조직을 가지는 스프링용 강선으로서,

단면수축값이 40%이상이며,

420℃이상 480℃이하에서 2시간 이상 열처리를 실시한 후의 강선의 전단항복응력이 1000MPa이상인 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와,

질량%로 Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%와,

질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와,

질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항에 있어서,

강선은, 질량%로, C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, 질량%로 Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소와, 질량%로 V: 0.05~0.50%, Mo: 0.05~0.50%, W: 0.05~0.15%, Nb: 0.05~0.15%, 및 Ti: 0.01~0.20%로 이루어지는 5개의 원소군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,

강선의 오스테나이트(austenite) 결정립(구(舊)오스테나이트 결정립)의 평균결정입경이 3.0~7.0㎛인 것을 특징으로 하는 스프링용 강선.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 기재된 스프링용 강선을 이용해서 제작한 것을 특징으로 하는 스프링.
제 8항에 기재된 스프링용 강선을 이용해서 제작한 것을 특징으로 하는 스프링.
질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.1~0.7%, Cr: 0.70~1.50%, Co: 0.02~1.00%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재(鋼材)를 패턴팅(patenting)하는 공정과,

상기 패턴팅된 강재를 신선(伸線)가공하는 공정과,

상기 신선가공된 강선에 담금질 뜨임을 실시하는 공정을 구비하고,

상기 패턴팅은,

900~1050℃에서 60~180초 동안 가열하는 오스테나이트(austenite)화 공정과,

상기 오스테나이트화 공정 후에 600~750℃에서 20~100초 동안 가열하는 항온변태(恒溫變態)공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선의 제조방법.
질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재를 패턴팅하는 공정과,

상기 패턴팅된 강재를 신선가공하는 공정과,

상기 신선가공된 강선에 담금질 뜨임을 실시하는 공정을 구비하고,

상기 패턴팅은,

900~1050℃에서 60~180초 동안 가열하는 오스테나이트화 공정과,

상기 오스테나이트화 공정 후에 600~750℃에서 20~100초 동안 가열하는 항온변태공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선의 제조방법.
질량%로 C: 0.50~0.75%, Si: 1.80~2.70%, Mn: 0.7초과~1.5%, Cr: 0.70~1.50%와, Ni: 0.1~1.0% 및 Co: 0.02~1.00% 중 적어도 한쪽의 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진 강재를 패턴팅하는 공정과,

상기 패턴팅된 강재를 신선가공하는 공정과,

상기 신선가공된 강선에 담금질 뜨임을 실시하는 공정을 구비하고,

상기 패턴팅은,

900~1050℃에서 60~180초 동안 가열하는 오스테나이트화 공정과,

상기 오스테나이트화 공정 후에 600~750℃에서 20~100초 동안 가열하는 항온변태공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 스프링용 강선의 제조방법.