KR101121313B1

KR101121313B1 - 단조용 강괴 및 일체형 크랭크축

Info

Publication number: KR101121313B1
Application number: KR1020097020253A
Authority: KR
Inventors: 모토히로 나가오; 데츠시 데우라; 다카시 아비코
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2012-03-22
Also published as: ES2572612T3; PL2141254T3; EP2141254A4; CN101631886A; EP2141254A1; KR20090115886A; CN101631886B; WO2008120574A1; EP2141254B1

Abstract

피로특성 및 내수소균열성이 우수한 단조용 강괴 및 일체형 크랭크축을 제공한다. 주형에 의해 형성되는 단조용 강괴로서, 강괴 하부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도(D_BOT)가 10～80개/cm²이고, 강괴 상부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도(D_TOP)가 20～90개/cm²이며, 강 단면에서 관찰되는 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도가 상기 강괴 하부, 상기 강괴 상부의 쌍방에 있어서 5개/cm² 이하이고, 또한 (D_TOP)/(D_BOT)≥[S(ppm)]/18을 만족시키는 단조용 강괴를 제조한다. 이 단조용 강괴를 열간 단조함으로써 일체형 크랭크축을 제조한다.

Description

단조용 강괴 및 일체형 크랭크축{STEEL INGOT FOR FORGING AND INTEGRAL CRANKSHAFT}

본 발명은 단조용 강괴, 및 단조용 강괴로부터 제조되는 일체형 크랭크축에 관한 것이다. 본 발명의 단조용 강괴, 및 일체형 크랭크축은 기계, 선박, 발전기 등의 산업 분야에서 널리 유효하게 활용되는 것이며, 특히 회전 운동 부품과 같이 높은 피로강도가 요구되는 부품에 적합하다.

특허문헌 1(일본 특허공개 2006-336092호 공보)에는, 선박의 크랭크축의 내수소균열성을 향상시키기 위해, 강 중에 포함되는 최대 현장(弦長)이 1㎛ 이상인 개재물의 원형도 평균치(이하, 평균 원형도라고 한다)가 0.5 이상, 최대 현장이 20㎛ 이상인 개재물의 개수가 100mm²당 40개 미만이고, 그 평균 원형도가 0.25 이상 및 최대 현장이 1～10㎛인 개재물의 개수가 100mm²당 100개 이상인 단조용 강이 기재되어 있다.

특허문헌 2(일본 특허공개 2002-194502호 공보)에는, 크랭크축의 피삭성(被削性) 및 내마모성을 향상시킬 목적으로, C: 0.62～0.80%, Si: 0.60% 이하, Mn: 0.30～1.80%, S: 0.04～0.35%, Cr: 0.05～0.50%, Al: 0.005% 미만, O: 0.0020% 이하, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 열간 단조 후의 조직이 초석(初析) 페라이트 분율 3% 이하의 펄라이트 주체이며, 또한 두께 20㎛ 이하의 황화물계 개재물을 함유하는 강재가 기재되어 있다.

발명의 개시

선박용의 부품에 있어서 최근 특히 문제가 되는 것은 수소성의 결함에 의한 수소균열과, 개재물 결함에 의한 피로강도의 저하이다. 그러나 상기 종래의 기술에서는, 피삭성 및 내마모성은 우수하여도, 가혹한 사용 환경하에서도 파괴되기 어려운 충분한 피로 특성, 및 충분한 내수소균열성을 갖는 단조용의 강괴를 제조하는 데에는 이르지 못하고 있다. 본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것으로서, 피로 특성 및 내수소균열성의 쌍방이 우수한 단조용 강괴, 및 일체형 크랭크축을 제공하는 것을 목적으로 한다.

수소균열을 방지하기 위해서는, 통상은 강재 중의 수소를 포착하는 MnS계 개재물을 강재 중에 분포시킨다. 그러나, MnS계의 개재물은 내수소균열성을 향상시키는 반면, 강재의 피로강도를 저하시켜 버린다. 따라서, 이러한 상충(trade off) 관계에 있는 내수소균열성과 피로강도의 쌍방을 동시에 향상시키는 것은 매우 어렵다.

이러한 상황하에, 본 발명자들은 수소균열의 원인이 되는 강 중의 수소 농도 가, 하나의 강괴 중에서도 강괴 하부보다 강괴 상부에서 높은 것을 알아내었다. 연구를 더 진행시킨 바, 강괴 상부?하부에서의 개재물 밀도의 비와, 개재물의 형성에 관련이 깊은 S(황)의 농도가 일정한 관계를 만족시킬 때, 강괴의 피로강도를 저하시키는 일 없이 단조용 강괴의 수소균열을 방지할 수 있는 것을 밝혀내어, 본 발명을 완성시켰다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 단조용 강괴는,

주형에 의해 형성되는 단조용 강괴로서, 중력 방향의 단부(端部)이고 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위인 강괴 하부에 있어서 강 단면(斷面)에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도 D_BOT가 10～80개/cm²이고, 상기 강괴 하부의 반대측의 단부이고 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위인 강괴 상부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도 D_TOP가 20～90개/cm²이며, 강 단면에서 관찰되는 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도가 상기 강괴 하부, 상기 강괴 상부의 쌍방에 있어서 5개/cm² 이하이고, 또한 하기 수학식 1을 만족시키는 단조용 강괴이다.

단, [S]는 강 중의 S 함유량(질량ppm)을 나타낸다.

상기 단조용 강괴는,

C: 0.2～0.6%(질량%의 의미. 이하, 동일)

Si: 0.05～0.5%

Mn: 0.2～1.2%

Ni: 0.1～3.5%

Cr: 0.9～2.5%

Mo: 0.1～0.7%

V: 0.005～0.2%

Al: 0.01～0.1%

S: 0.005% 이하

Ti: 0.005% 이하

O: 0.0015% 이하

를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것이 권장된다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 일체형 크랭크축은 상기 단조용 강괴를 열간 단조함으로써 제조되는 것이다.

본 발명에 의하면, 강괴 하부에서의 미소 개재물의 밀도와, 강괴 상부에서의 미소 개재물의 밀도와, 강괴 하부?강괴 상부에서의 조대 개재물의 밀도를 조정하고, 또한 강괴 상부?하부에서의 개재물 밀도의 비와, 강 중의 S 농도가 일정한 관계를 만족시킴으로써, 피로특성 및 내수소균열성이 우수한 단조용 강괴를 제조할 수 있다. 그리고, 이 단조용 강괴를 열간 단조함으로써 피로특성 및 내수소균열성이 우수한 일체형 크랭크축을 제조할 수 있다.

예컨대, 현재의 크랭크축에는, 1실린더당 2000kW의 출력에 대응하는 부하가 상정되고 있지만, 금후의 대형 선박용 크랭크축 등에서는, 연비 향상을 목적으로 한 엔진의 소형화, 경량화의 요망에 부응하기 위해, 이것에 견디는 피로특성을 갖출 필요가 있다. 그것을 위해서는 크랭크축의 크기에 관계없이 내구한도비(피로강도/인장강도)가 0.45 이상 필요한데, 본 발명에 의해 이 요건을 만족시키는 크랭크축을 제공할 수 있다.

도 1은 주괴법(造塊法)에 의해 제조되는 강괴의 응고 상태를 나타내는 도면이다.

도 2는 주괴법에 의해 제조되는 강괴를 나타내는 도면이다.

도 3은 강 단면을 2000배로 관찰한 SEM 사진이다.

도 4는 강 단면을 200배로 관찰한 SEM 사진이다.

도 5는 강 단면을 200배로 관찰한 SEM 사진이다.

도 6은 강괴 상부 및 강괴 하부에서의 수소 농도를 나타내는 도면이다.

도 7은 강괴의 수소균열 및 내구한도비에 관한 평가 결과를 나타내는 도면으로서, 세로축에 강괴 상부 및 강괴 하부에서의 미소 개재물 밀도의 비, 가로축에 강 중 S 농도를 취한 것이다.

도 8은 강괴의 내구한도비의 양부(良否), 및 수소균열의 유무를 나타내는 도면으로서, (a)는 강괴 상부, (b)는 강괴 하부에 관한 것이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

주괴법에 의해 제조되는 강괴는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 침전 결정 대역인 강괴 하부와, 최종 응고부인 강괴 상부에서 개재물의 밀도가 높아진다. 따라서, 강괴 하부나 강괴 상부는 강괴의 내수소균열성이나 피로특성이 현저히 반영되는 부분이며, 강괴의 특성을 특정하는 부위로서 적합하다.

한편, 본 발명에 있어서는, 도 2에 나타내는 바와 같이,

강괴 하부: 강괴의 중력 방향의 단부이고, 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위(침전 결정 대역이 생성되는 경우는, 상기 부위 중에서도 침전 결정 대역 부분의 개재물도 문제 삼는다)

강괴 상부: 강괴 하부의 반대측의 단부이고, 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위

로 각각 정의한다.

(강괴 하부의 미소 개재물의 밀도(D_BOT): 10～80개/cm²)

상기와 같이, 강 중에 미소한 개재물을 분산시킴으로써 내수소균열성을 향상시킬 수 있는데, 이 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 강괴 하부의 강 단면에서 관찰되는 미소 개재물(장직경 5～10㎛)을 10개/cm² 이상(더욱 바람직하게는 20개/cm² 이상, 더 바람직하게는 30개/cm² 이상)으로 할 필요가 있다. 한편, 미소 개재물일이라 하더라도 지나치게 많이 포함하면, 도 3～도 5의 주사형 전자 현미경 사진에 나타내는 바와 같이, 개재물군을 형성하여 조대 개재물과 마찬가지로 피로 파괴의 기점이 되어 버린다. 따라서, 강 단면에서 관찰되는 미소 개재물은 80개/cm² 이하(더욱 바람직하게는 70개/cm² 이하, 더 바람직하게는 60개/cm² 이하)로 할 필요가 있다.

한편 실제로는, 5㎛ 미만의 개재물도 내수소균열성을 가지므로, 5㎛ 미만의 개재물도 미소 개재물로서 카운트하는 것도 생각된다. 그러나, 5㎛ 미만의 개재물은 5～10㎛의 개재물과 거의 같은 분포 특성을 가지므로, 5～10㎛의 개재물의 개수를 카운트하는 것만으로도 내수소균열성을 판정하기 위해서는 충분하다. 따라서, 5㎛ 미만의 개재물을 카운트의 대상으로부터 제외함으로써 추시(追試)의 편리성을 향상시켰다.

(강괴 상부의 미소 개재물의 밀도(D_TOP): 20～90개/cm²)

강괴 상부에서는, 강 단면에서 관찰되는 미소 개재물(장직경 5～10㎛)을 20개/cm² 이상(더욱 바람직하게는 30개/cm² 이상, 더 바람직하게는 40개/cm² 이상)으로 할 필요가 있다. 또한, 상기와 같이, 미소 개재물이라 하더라도 지나치게 많이 포함하면 개재물군을 형성하여 조대 개재물과 마찬가지로 피로 파괴의 기점이 되어 버린다. 따라서, 강 단면에서 관찰되는 미소 개재물은 90개/cm² 이하(더욱 바람직하게는 80개/cm² 이하, 더 바람직하게는 70개/cm² 이하)로 할 필요가 있다.

(조대 개재물의 밀도: 5개/cm² 이하)

조대 개재물은 피로 파괴의 기점이 되어 버리기 때문에, 강괴 상부 및 강괴 하부의 쌍방에 있어서 강 단면에서 관찰되는 조대 개재물(장직경 40㎛ 이상)을 5개/cm² 이하(더욱 바람직하게는 4개/cm² 이하, 더 바람직하게는 3개/cm² 이하)로 할 필요가 있다.

((D_TOP)/(D_BOT)≥[S]/18)

본 발명자들이 강괴의 수소 농도에 관하여 조사한 바, 도 6에 나타내는 바와 같이, 강괴 하부보다도 강괴 상부에서 수소 농도가 높은 것을 알아내었다. 또한, 강괴 상부에서의 내수소균열성 및 내구한도비에 관해서도 조사하였다. 그 결과를 도 7에 나타낸다. 도 7은 세로축에 (D_TOP)/(D_BOT), 가로축에 [S]를 취하고, 내수소균열성 및 내구한도비가 소정의 기준을 만족시킨 것을 (●), 만족시키지 않은 것을 (×)로 하여 각각 플롯팅한 것이다. (●/×)의 판정 기준은 후술하는 표 1～3에서의 「종합 평가」의 (●/×)의 판정 기준과 동일하다.

[S]는 강 중의 S 농도(질량ppm)를 나타내는 것이다. 도 7로부터, (D_TOP)/(D_BOT)=[S]/18로 표시되는 직선을 경계로 직선의 상측에 (●)의 케이스, 하측에 (×)의 케이스가 각각 출현하고 있는 것을 알 수 있다.

도 7에서는, 강 중의 S 농도가 높은 영역에서는, (D_TOP)/(D_BOT)의 값이 높아지면, 즉 강괴 하부와 비교하여 강괴 상부의 미소 개재물 농도가 높아지면, 강괴 상부에 있어서 수소균열이 발생해 버리는 것을 나타내고 있다. 그러나, 주목해야 할 점으로, 강 중의 S 농도가 낮은 영역에서는 (D_TOP)/(D_BOT)의 값이 높아지더라도 수소균열은 발생하지 않고 있다. 예컨대, (D_TOP)/(D_BOT)의 값이 1을 하회하는 것 같은 경우이더라도 수소균열은 발생하지 않고 있다.

예컨대, 강 중의 S 농도가 0.003%인 경우, 강괴 중에 허용되는 수소치는 1.5ppm인 데 반하여, S 농도가 0.001%가 되면, 허용되는 수소치는 1.0ppm으로 매우 낮은 값이 된다. 통상, 1개의 강괴로부터 1개의 크랭크축을 제조하는 경우, 수소치의 범위는 0.5～1.8ppm 정도이다.

후술하는 바와 같이, 본 발명자들은 수소치를 1.2ppm 이하로 억제하는 프로세스도 가능하게 하였기 때문에, S 농도를 0.003% 이하로 하더라도 수소균열을 발생시키지 않고서 단조용 강괴를 제조하는 것이 가능해졌다. 이것에 의해, S 농도를 더 저감하는 여지가 생겼다.

통상은, 피로특성을 향상시키려고 S 농도를 낮게 하면 수소균열을 일으키기 쉬워지지만, 도 7로부터는, S 농도를 낮게 하더라도 (D_TOP)/(D_BOT)≥[S]/18이라는 조건만 만족하면 내수소균열성과 피로특성은 유지되게 된다. 이것에 의해, 강괴의 피로특성과 내수소균열성의 밸런스를 종래보다도 개선할 수 있는 것으로 생각된다.

(열간 단조)

상기 주괴 공정에 의해서 얻어진 단조용 강괴는, 그 후 열간 단조에 의해서 환봉(丸棒) 등의 중간 제품의 형상으로 성형된다. 성형 후, 성분이나 결함, 청정도 등에 관하여 중간 검사를 거친 후, 다시 열간 단조를 실시함으로써 일체형 크랭크축이나 저널 등의 대형 제품 형상으로 성형된다. 계속해서, 요구되는 제품 특성에 따른 열처리를 실시한 후, 기계 가공에 의한 마무리를 하여 최종 제품이 된다.

상기 단조용 강괴로부터 일체형 크랭크축을 제조하기 위한 구체적 순서로서는, 다음과 같은 공정을 들 수 있다. 즉, 응고가 완료된 강괴를 주형으로부터 취출하고 열간 단조를 행하기 위한 준비로서, 바람직하게는 1150℃ 이상, 더욱 바람직하게는 1180℃ 이상, 더 바람직하게는 1200℃ 이상으로 가열한다. 그 후, 단련비 3 이상의 열간 단조에 의해서 환봉 형상 또는 단(段) 부착 형상으로 가공한다. 이 강괴 단조에 있어서는, 내재 결함 압축을 위해, 강괴 높이 방향으로 압축한 후에 소정 길이까지 단신(鍛伸)하여도 좋다. 열간 단조 후, 일체형 크랭크축의 형상으로 가공한다. 한편, 일체형 크랭크축의 성형 단조에 있어서는, 스로우(throw)부를 1개씩 성형하여도 좋고, 전체를 형에 넣음으로써 복수의 스로우부를 동시에 성형하여도 좋다. 성형 단조 후에는, 마무리용의 기계 가공을 실시하여 소정 치수의 일체형 크랭크축으로 한다. 또한, 열간 단조에 의해서 단 부착 형상으로 가공한 것을 기계 가공함으로써 일체형 크랭크축으로 하여도 좋다. 또한, 일체형 크랭크축의 한 끝면부 또는 양 끝면부에 플랜지를 갖는 구조로 하여도 좋다. 스로우부의 수는, 예컨대 3개 이상 12개 이하로 한다.

(강괴의 화학 성분)

본 발명은 이상 설명한 바와 같이, 강재 중에 존재하는 개재물의 크기나 밀도를 제어한 점에 특징을 갖고 있고, 강의 기본 조성은 특별히 제한되지 않지만, 예컨대 크랭크축으로서 요구되는 강도나 인성, 나아가서는 피로특성을 만족하기 위해서는, 강재의 일반적 기술 수준에 비추어 하기 기본 조성을 만족시키는 것이 바람직하다.

(C: 0.2～0.6%)

C는 강도 향상에 기여하는 원소이며, 크랭크축에 충분한 강도를 확보하기 위해서는, 예컨대 0.2% 이상, 더욱 바람직하게는 0.25% 이상, 더 바람직하게는 0.3% 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 C량이 지나치게 많으면 크랭크축의 인성을 열화시키므로, 예컨대 0.6% 이하, 더욱 바람직하게는 0.55% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 이하로 억제한다.

(Si: 0.05～0.5%)

Si는 강도 향상 원소로서 작용하고, 크랭크축에 충분한 강도를 확보하기 위해서는, 예컨대 0.05% 이상, 더욱 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.15% 이상 함유시키는 것이 좋지만, 지나치게 많으면 역 V 편석이 현저해져 청정한 강괴가 얻어지기 어려워지기 때문에, 예컨대 0.5% 이하, 더욱 바람직하게는 0.45% 이하, 더 바람직하게는 0.4% 이하로 한다.

(Mn: 0.2～1.2%)

Mn도 담금질성을 높임과 더불어 강도 향상에 기여하는 원소이며, 충분한 강도와 담금질성을 확보하기 위해서는, 예컨대 0.2% 이상, 더욱 바람직하게는 0.5% 이상, 더 바람직하게는 0.8% 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, 지나치게 많으면 역 V 편석을 조장하는 경우도 있으므로, 예컨대 1.2% 이하, 바람직하게는 1.1% 이하, 더욱 바람직하게는 1% 이하로 한다.

(Ni: 0.1～3.5%)

Ni는 인성 향상 원소로서 유용한 원소이며, 예컨대 0.1% 이상, 바람직하게는 0.2% 이상 함유시키는 것이 장려되지만, Ni량이 과잉으로 되면 비용을 상승시키므로, 3.5% 이하, 바람직하게는 3% 이하로 한다.

(Cr: 0.9～2.5%)

Cr은 담금질성을 높임과 더불어 인성을 향상시키는 유효한 원소이며, 그들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 예컨대 0.9% 이상, 바람직하게는 1.1% 이상, 더 바람직하게는 1.3% 이상 함유시킨다. 그러나 지나치게 많으면 역 V 편석을 조장하여 고청정 강의 제조를 곤란하게 하는 경우가 있으므로, 예컨대 2.5% 이하, 바람직하게는 2.3% 이하, 더욱 바람직하게는 2.1% 이하로 한다.

(Mo: 0.1～0.7%)

Mo는 담금질성, 강도, 인성의 모든 향상에 유효하게 작용하는 원소이며, 그들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, 예컨대 0.1% 이상, 더욱 바람직하게는 0.2% 이상, 더 바람직하게는 0.25% 이상 함유시킨다. 그러나, Mo는 평형 분배 계수가 작아 마이크로 편석(정상 편석)이 생기기 쉽게 하기 때문에, 예컨대 0.7% 이하, 바람직하게는 0.6% 이하, 더욱 바람직하게는 0.5% 이하로 한다.

(V: 0.005～0.2%)

V는 석출 강화 및 조직 미세화 효과가 있고, 강재의 고강도화에 유용한 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, V를 예컨대 0.005% 이상, 바람직하게 0.01% 이상은 함유시키는 것이 권장된다. 단, 지나치게 함유시키더라도 상기 효과는 포화되어 버려 경제적으로 쓸데 없기 때문에, 0.2% 이하, 더욱 바람직하게는 0.15% 이하로 한다.

(Al: 0.01～0.1%)

Al은 제강 공정에서의 탈산 원소로서 유효하며, 또한 강의 내균열성에도 유효하다. 따라서 Al량은, 예컨대 0.01% 이상, 바람직하게는 0.015% 이상 함유시키는 것이 장려된다. 한편, Al은 AlN 등의 형태로 N을 고정하여, N 및 V 등의 배합에 의한 강의 강화 작용을 저해하는 외에, 여러 가지의 원소와도 결합하여, 비금속 개재물이나 금속간 화합물을 생성하여 강의 인성을 저하시키는 경우도 있으므로, 바람직하게는 예컨대 0.1% 이하, 더욱 바람직하게는 0.08% 이하로 한다.

(S: 0.005% 이하)

S는 단조용 강 중에서 조대한 개재물을 형성하기 쉽기 때문에, 단조용 강괴 또는 크랭크축의 피로강도를 저하시키는 경우가 있다. 따라서, 강 중의 S 함유량은, 예컨대 0.005% 이하, 바람직하게는 0.0045% 이하, 더욱 바람직하게는 0.004% 이하, 더 바람직하게는 0.0035% 이하로 한다.

한편, 단조용 강 중에 미세한 S계 개재물이 일정 밀도 이상 포함되는 경우, 강 중에 다수의 응력장이 형성되어, 고용(固溶) 한계를 초과한 강 중의 잉여 수소를 포착하기 쉬워, 강의 내수소균열성을 개선하는 효과가 있다.

이러한 S계 개재물을 확보하기 위해, 강 중의 S 함유량을 바람직하게는 0.0002% 이상, 더욱 바람직하게는 0.0004% 이상, 한층 더 바람직하게는 0.0006% 이상, 더 바람직하게는 0.0008% 이상으로 한다.

S 함유량은 용제시의 슬래그 조성을 제어함으로써 조정할 수 있다. 구체적으로는, 슬래그 중의 CaO 농도와 SiO₂ 농도의 비(CaO/SiO₂: 이하, 「C/S」로 기재하는 경우가 있음)를 높게 함으로써 강 중의 S 함유량을 저하시킬 수 있다. 또한, 보충적 수단으로서, CaO 농도와 Al₂O₃ 농도의 비(CaO/Al₂O₃: 이하, 「C/A」로 기재하는 경우가 있음)도 높게 함으로써 강 중의 S 함유량을 저하시킬 수 있다. 반대로, S 함유량을 많게 하고 싶은 경우는, C/S 및/또는 C/A가 작아지도록 슬래그 조성을 조정한다.

(Ti: 0.005% 이하)

Ti는 강 중에서 조대한 질화물을 형성하여 단조용 강괴 또는 크랭크축의 피로강도를 저하시켜 버리는 경우가 있다. 따라서, 강 중의 Ti 함유량은, 예컨대 0.005% 이하, 바람직하게는 0.004% 이하, 더욱 바람직하게는 0.003% 이하로 한다. 한편, Ti는 TiN, TiC, Ti₄C₂S₂와 같은 미세 개재물을 구성하고 강 중에 분산되어, 고용 한도를 초과한 강 중의 잉여 수소를 흡장 포착하여 강의 내수소균열성을 개선하는 효과가 있다. 이러한 Ti계 개재물을 확보하는 경우는, 강 중의 Ti의 함유량을, 예컨대 0.0002% 이상, 바람직하게는 0.0004% 이상, 더욱 바람직하게는 0.0006% 이상으로 한다.

Ti 함유량에 관해서는, 부원료 중의 불순물 Ti 함유량이 많은 합금(저품위 합금)과, 불순물 Ti 함유량이 적은 합금(고품위 합금)의 사용량비를 조절함으로써 조정할 수 있다.

(O: 0.0015% 이하)

O(산소)는 SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO 등의 산화물을 형성하고, 개재물이 되어 강괴의 피로강도를 저하시키는 원소이다. 따라서, O는 극력 저감하는 것이 바람직하고, 총 산소량은 0.0015% 이하, 더욱 바람직하게는 0.001% 이하로 한다.

본 발명에서 사용되는 단조용 강의 바람직한 기본 성분은 상기와 같고, 잔부 성분은 실질적으로 Fe이지만, 이 단강 중에는 불가피적인 불순물의 함유가 허용된다. 불가피적 불순물로서는, 예컨대 P나 N 등을 들 수 있고, 예컨대 P는 0.03% 이하로 되는 것이 바람직하고, 0.02% 이하로 되는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 상기 본 발명의 작용에 악영향을 주지 않는 범위에서 다른 원소를 적극적으로 더 함유시킨 단조용 강을 사용하는 것도 가능하다.

적극 첨가가 허용되는 다른 원소의 예로서는, 담금질성 개선 효과를 갖는 B, 고용 강화 원소 또는 석출 강화 원소인 W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr, Te 등을 들 수 있고, 그들은 단독으로 또는 2종 이상을 복합하여 첨가할 수 있다. 이들 첨가 원소는, 예컨대 합계량으로 0.1% 정도 이하인 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물 론 하기 실시에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 전?후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술 범위에 포함된다.

주형에 주입하는 용강의 청정도를 높여, 강괴 하부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도(D_BOT)를 10～80개/cm² 정도, 강괴 상부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도(D_TOP)를 20～90개/cm² 정도, 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도를 5개/cm² 정도 이하로 하고, 또한 수학식 1을 만족시키도록 하기 위해서는, 다음에 설명하는 방법에 의해 강을 정련하는 것이 권장된다.

이 정련 방법은 전로 또는 전기로로부터 출강된 용강에 대하여 1회째의 2차 정련을 행하고, 이 1회째의 2차 정련 종료 후의 용강에 대하여 탈가스 처리를 행하고, 이 탈가스 처리 후의 용강에 대하여 2회째의 2차 정련을 행함으로써 고청정 강을 제조하는 것이다.

즉, 슬래그 혼입에 기인하는 개재물이 적고, 높은 청정도를 갖춘 고청정 강을 제조하기 위해서는, 전로에 의해 제조된 용강에 대하여 2차 정련 처리→탈가스 처리→2차 정련 처리라는 순서로 2회의 2차 정련을 행하는 것이 유효하다.

1회째의 2차 정련 처리는 용강 성분을 소정의 것으로 하는 처리이고, 탈가스 처리는 용강 내에 존재하는 수소 등의 가스 성분의 제거를 행하는 처리이기 때문 에, 양 처리 모두 용강 표면에 떠오르는 슬래그의 혼입을 극력 억제하면서도 교반 동력 밀도를 크게 할 필요가 있다.

한편, 2회째의 2차 정련 처리에서는, 탈가스 처리로 일단 용강 중에 혼입된 슬래그를 부상 분리시키는 기능을 주로 맡게 하고 있고, 용강을 가열 유지하면서 새로운 슬래그의 혼입이 발생하지 않도록 저교반 동력 밀도로 교반을 행할 필요성이 있다.

구체적으로는, 1회째의 2차 정련 처리에서는, 교반 동력 밀도가 5W/ton 이상(바람직하게는 10W/ton 이상), 60W/ton 이하(바람직하게는 50W/ton 이하)로 되도록 취입 가스의 유량을 조정함과 더불어, 상기 탈가스 처리 후의 슬래그 조성이 CaO/SiO₂≥3.5, CaO/Al₂O₃=1.5～3.5 및 T. Fe+MnO≤1.0질량%로 되도록 슬래그 조정을 행한다. 한편, T. Fe는 철 원자의 총량의 의미이다.

탈가스 처리에서는, 해당 탈가스 처리의 중기(도중)까지는 교반 동력 밀도가 50W/ton 이상, 바람직하게는 60W/ton 이상이고, 200W/ton 이하, 바람직하게는 180W/ton 이하로 되도록 취입 가스의 유량을 조정하고, 그 후의 탈가스 처리(중기 이후)는 교반 동력 밀도가 140W/ton 이하, 바람직하게는 120W/ton 이하(0W/ton을 제외함)로 되도록 취입 가스의 유량을 조정한다.

2회째의 2차 정련 처리에서는, 교반 동력 밀도가 25W/ton 이하, 바람직하게는 20W/ton 이하(0W/ton을 제외함)로 되도록 취입 가스의 유량을 조정한다.

보다 상세하게는, 다음의 수순에 따른다.

우선, 전로나 전기로로부터 취과(取鍋)에 출강된 용강은 2차 정련 장치로 운반되어 1회째의 2차 정련 처리(이후, LF-I로 기재하는 경우도 있음)가 실시된다. 구체적으로는, 아크 방전을 발생시킴으로써 용강을 T_L=1600℃ 정도까지 가열하면서, 플럭스 공급 수단을 이용하여 플럭스를 투입하고, 또한 가스 취입 수단으로부터 Ar 가스를 취입하여 용강을 교반한다. 용강의 교반 강도로서는, 하기 수학식 2로 계산되는 교반 동력 밀도 ε이 5～60W/ton이 되도록 Ar 가스의 유량을 조정한다.

한편, 교반 동력 밀도 ε의 계산에 있어서, 저부 취입 가스의 취입 전 온도 T_o(Ar 가스의 취입 전 온도)는 상온(298K)으로 하고, 저부 취입 후 온도 T_g(Ar 가스의 취입 후 온도)는 용강 온도 T_L로 하고 있다.

전로나 전기로로부터 수강(受鋼)한 취과를 최초로 정련하는 LF-I에 있어서는 용강의 가열 및 성분 조정이 주(主)이며, 이때에 적절한 교반을 행하지 않으면 용강 성분 및 용강 온도의 균일화를 행할 수 없다. 그러나, 과잉의 용강 교반은 성분과 온도가 균일하더라도 슬래그를 혼입시키기 쉬워, 후의 결함원이 될 수 있을 가능성이 크다. 따라서, 교반 동력 밀도 ε을 5～60W/ton으로 하고 있다. 이것에 의해, 슬래그 혼입을 방지하면서 용강의 성분, 온도의 균일화를 도모할 수 있게 된다.

ε: 교반 동력 밀도(W/ton)

T_o: 저부 취입 가스의 취입 전 온도(상온(298K))

T_L: 용강 온도(K)

M_L: 용강량(ton)

ρ_L: 용강 밀도(kg/m³)

Q_g: 저부 취입 가스 유량(Nl/min)

T_g: 저부 취입 가스의 취입 후 온도(K)

P: 분위기 압력(torr)

h_o: 용강 깊이(m)

예컨대, 1회째의 2차 정련 처리(LF-I)에 있어서, 취과의 크기나 실제의 용강 장입량 M_L 등 몇 가지 조건은 다르지만, Q_g/M_L을 0.30～3.75Nl/min?ton으로 함으로써 교반 동력 밀도 ε이 4.7～67.2W/ton으로 되고 있다.

한편, LF-I에 있어서, 플럭스의 종류나 양은 후술하는 진공 탈가스 처리 종료 후(바꿔 말하면, 2회째의 2차 정련 처리 시작 시)에서의 슬래그의 조성이,

(i) SiO₂의 질량에 대하여 CaO의 질량이 3.5배 이상으로 되고,

(ii) Al₂O₃의 질량에 대하여 CaO의 질량이 1.5～3.5배로 되고,

(iii) 슬래그 조성 중의 T. Fe의 질량과 MnO의 질량의 총합이 슬래그의 전체 질량의 1.0% 이하로 된다

는 3개의 조건을 동시에 만족시키도록, 가열 온도를 제어하거나 부원료(플럭스)의 투입량을 조정하거나 한다.

1회째의 2차 정련 처리가 완료된 용강은 취과마다 진공 탈가스 장치에 반송되고, 해당 용강에 대하여 진공 탈가스 처리(이후, VD로 기재하는 경우도 있음)가 실시된다. 상세하게는, 배기 장치를 작동시켜, 배기관을 통하여 취과 내의 용강 상방의 가스를 배기함으로써 취과 내의 분위기 압력 P를 0.5Torr 정도의 진공 상태에 가깝게 한다. 이에 더하여, 가스 취입 수단으로부터 Ar 가스를 취입하여 용강을 교반한다. 이상과 같은 방법에 의해, 용강 내에 존재하는 수소 등의 가스 성분의 제거가 행해진다.

VD의 시간은 전체로 약 20분 정도이며, 그 전반(처리 시간의 중기 이전, 전반 10분)에서는, 교반 동력 밀도 ε이 50～200W/ton으로 되도록 저부 취입 가스의 유량 Q_g를 조정하고, 후반(처리 시간의 중기 이후, 후반 10분)은 교반 동력 밀도 ε이 140W/ton 이하(0W/ton은 제외함)로 되도록 저부 취입 가스의 유량 Q_g를 조정한다.

VD에 있어서는, 성분 조정이 거의 완료된 용강으로부터 수소를 제거하는 처리가 행해지지만, 이때도 용강 내로의 슬래그 혼입 방지와 탈수소를 양립시킬 수 있는 교반 동력 밀도 ε을 채용하는 것이 바람직하다. 그래서, VD 처리 시간의 전반에서, 교반 동력 밀도 ε을 50～200W/ton으로 함으로써 슬래그의 혼입을 최소한 으로 억제하면서 탈수소를 효율적으로 행할 수 있다. 이에 더하여, VD 후반에서는, 교반 동력 밀도 ε을 140W/ton 이하로 억제하면, 혼입된 슬래그의 부상 분리가 촉진되게 된다.

또한, 본 실시형태의 경우, VD 후의 용강에 대하여 2회째의 2차 정련(이후, LF-II로 기재하는 경우도 있음)을 행함으로써 고청정 강의 제조를 가능하게 한다. 즉, 진공 탈가스 처리가 완료된 용강을 취과마다 2차 정련 처리 장치에 반송하고, 용강에 대하여 2회째의 2차 정련 처리를 실시한다. 구체적으로는, 아크 방전을 발생시킴으로써 용강을 T_L=1600℃ 정도까지 가열하면서, 가스 취입 수단으로부터 Ar 가스를 취입하여 용강을 교반한다. 용강의 교반 강도로서는, 수학식 2로 계산되는 교반 동력 밀도 ε이 2W/ton 이하(0W/ton은 제외함)로 되도록 Ar 가스의 유량 Q_g를 조정한다.

이와 같이, 다시 LF 처리(LF-II)를 행함으로써 VD 도중부터 행한 「혼입된 슬래그 및 탈산 생성물의 부상 분리」를 더욱 촉진시킬 수 있다. 이때, LF-II에서의 교반 동력 밀도 ε은, 새로운 슬래그 혼입을 방지하기 위해 25W/ton 이하인 것이 필요하다. 이 교반 동력 밀도 ε에서 용강의 가열?유지를 행함으로써 확실한 슬래그, 탈산 생성물의 부상 분리가 가능하다.

한편, 상술한 바와 같이, LF-II에서의 슬래그 성분은,

(i) 염기도, 즉 CaO/SiO₂≥3.5,

(ii) CaO/Al₂O₃=1.5～3.5,

(iii) T. Fe+MnO≤1.0질량%

이기 때문에, 슬래그 중의 산화물에 의한 용강 성분의 재산화를 확실히 방지할 수 있도록 되어 있다.

이상 기술한 고청정 강의 제조 방법을 채용함으로써 슬래그 혼입에 기인하는 개재물이 적은 고청정 강을 제조하는 것이 가능해진다.

얻어진 고청정의 용강을, 하측 주입 주괴법에 의해 10～90톤급(전체높이 2～4m)의 주형에 주입하여 강괴를 제조하였다. 응고한 강괴를 탈형한 후, 약 1300도까지 가열하고 열간 단조를 실시하여 단면 직경 150～700mm의 단조재로 마무리하였다. 열간 단조는 강괴 본체를 프레스기에 의해 늘린 후, 전용 공구를 이용하여 둥근 단면으로 성형함으로써 행하였다.

표 1～3에는, LF-I에서의 교반 동력 밀도 ε, VD 전반의 교반 동력 밀도 ε, VD 후반의 교반 동력 밀도 ε, LF-II에서의 교반 동력 밀도 ε을 여러 가지로 변경한 조건(조건 1～20)에 대하여, 염기도(CaO/SiO₂), CaO/Al₂O₃, T. Fe+MnO(질량%)의 값을 더 바꿔 행한 시험(시험 번호 1～59)의 여러 조건과, 얻어진 강괴의 상부?하부로부터 잘라낸 시험편의 물성 데이터를 나타낸다.

한편, 표 1～3 중, 「성분?온도 균일화」의 난에는, 강괴의 주입 초기～말기의 C 성분의 편차를 (ΔC), 온도의 편차를 (ΔT)로 했을 때, ΔC≤0.01%이고 또한 ΔT≤20℃인 경우는 (○)를 기입하고, 그 밖의 경우는 (×)를 기입하고 있다.

「수소의 제거」의 난에는, 정련 종료 직전에 수소 농도 [H]를 측정하고, [H]≤1.2ppm인 경우는 (○)를 기입하고, [H]>1.2ppm인 경우는 (×)를 기입하고 있다.

「슬래그 혼입」의 난에는, 용강 샘플의 검경면 관찰에 있어서 장직경 5㎛ 이상이고, 또한 Ca 농도 5% 이상인 개재물의 관찰 시야 1cm²당 개수가 30 이하인 경우는 (○)를 기입하고, 30을 초과하는 경우는 (×)를 기입하고 있다.

표 1～3에는, 각 시험편의 강 중 S 농도(질량ppm), 강괴 상부에 상당하는 부분의 미소 개재물(장직경 5～10㎛)의 밀도(D_TOP), 강괴 하부에 상당하는 부분의 미소 개재물(장직경 5～10㎛)의 밀도(D_BOT), 강괴 상부에 상당하는 부분의 조대 개재물(장직경 40㎛ 이상)의 밀도, 강괴 하부에 상당하는 부분의 조대 개재물(장직경 40㎛ 이상)의 밀도를 나타낸다. 개재물의 개수는 시험편의 검경면 1cm²당 개재물 수를 EPMA(일본전자제 JXA-8900L)에 의해서 조사하였다.

한편, 시험편의 강 중 화학 성분은 C: 0.3%, Si: 0.25%, Mn: 0.55%, Ni: 1.6%, Cr: 1.6%, Mo: 0.25%, V: 0.01%, Al: 0.03%, S: 0.002%, Ti: 0.003%, O: 0.0013%, P: 0.01%이고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물이었다.

또한, (D_BOT)/(D_TOP)×강 중 S 농도(질량ppm)의 값(이 값이 18 이하인 경우, 수학식 1이 만족됨), 최대 개재물의 크기(○는 최대 크기(φ 구 직경 환산)<0.5mm, △는 0.5mm<최대 크기≤1.0mm, ×는 최대 크기>1.0mm를 나타낸다), 청정도에 관하여 측정을 행하여 얻어진 결과에 관해서도 표 1～3에 나타낸다. 한편, 강괴의 상 부(T), 하부(B)의 구별이 기재되어 있지 않은 항목에 관해서는, 강괴 상부에 관한 시험 결과를 나타낸 것이다.

단, 청정도의 난에는, DIN 3 규격의, DIN K(3)≤15를 ○, DIN K(3)> 15를 ×로 기준을 정하고, 강괴 상부에서 ○, 또한 강괴 하부에서 ○인 경우는 청정도의 난을 ○, 어느 한쪽이 ○, 다른 쪽이 ×인 경우는 청정도의 난을 △, 쌍방 ×인 경우는 청정도의 난을 ×로 하였다.

또한, 표 1～3에는, 강괴 상부?하부에서의 내구한도비, 강괴 상부?하부에서의 수소균열의 시험 결과를 기재하고 있다.

(내구한도비)

후술하는 인장강도 시험, 피로강도 시험의 결과로부터, 내구한도비=피로강도/인장강도를 구하였다. 내구한도비는 표 1～3에 강괴 상부(T)?강괴 하부(B)별로 나타내고 있다.

또한, 내구한도비≥0.45인 경우는 (○), 0.40≤내구한도비<0.45인 경우는(△), 내구한도비<0.40인 경우는 (×)로 하여 내구한도비의 양부(良否)를 판정한 결과도 표 1～3에 아울러 기재한다.

(인장강도)

단압(鍛壓) 후의 환봉의 강재 중심부 부근으로부터 φ 6mm×게이지 길이 30mm(각 2개) 인장 시험편을 채취하여, 상온에서 인장 시험(JIS Z 2204, 2241)을 실시하였다. 시험 결과는 표 1～3에 강괴 상부(T)?하부(B)별로 단위 [MPa]로 나타내고 있다.

(피로강도)

이하에 나타내는 시험편을 이용하여 회전 굴곡 피로 시험을 행하였다. 시험 결과는 표 1～3에 강괴 상부(T)?하부(B)별로 단위 [MPa]로 나타내고 있다.

시험편 : 직경 10mm 평활 시험편

시험 방법 : 회전 굴곡 피로 시험(응력비=-1, 회전수: 3600rpm)

피로강도 평가 방법: 계차법(階差法)

계차 응역 : 20MPa

시험편 개수 : 각 5개

각 시험편의 피로강도=(파단응력)-(계차응력)

(내수소균열성)

4MHz의 주파수로 초음파 탐상 시험(UT)을 실시하였다(더욱 상게하게는, 문헌 [「단강품의 결함」, 일본 주단강회(鑄鍛鋼會), 단강연구부회편, P 32-33]). 강괴의 중간부(1/3～1/5R)로부터 수소균열을 나타내는 결함 에코(echo)가 검출된 경우는, 내수소균열성이 뒤떨어진다(×)고 하고, 검출되지 않은 경우는 내수소균열성이 우수하다(○)고 하였다. 단, 강괴 폭 방향의 측면(표층)을 0R, 중심을 1/2R로 했을 때에, 중심부(1/2～1/3R), 중간부(1/3～1/5R), 표층부(0R～1/5R)로 각 부위를 정의하였다.

「종합 평가」의 난은, 강괴 상부?하부에서의 내구한도비, 강괴 상부?하부에서의 수소균열의 시험 결과가 모두 (○)인 경우에는 (●)을 기입하고, 그 밖의 경우는 (×)를 기입하고 있다.

한편, 표 3의 시험 번호 41, 49, 55에서는, 강괴 하부의 조대 개재물의 수가 기준보다도 낮아져 있음에도 불구하고 내구한도비(B)가 (×)로 되어 있는 것은, 이들 시험편에서는 수소균열이 발생하고, 이 균열에 기인하여 피로강도가 저하되었기 때문이다.

또한, 도 8(a)는 세로축에 강괴 상부에 상당하는 부분의 미소 개재물(장직경 5～10㎛)의 밀도(D_TOP), 가로축에 강괴 상부에 상당하는 부분의 조대 개재물(장직경 40㎛ 이상)의 밀도를 취하여, 종합 평가가 (●)이었던 것을 (●)로 나타내고, 내구한도비, 수소균열의 시험 결과 중 어느 것에 있어서 (×)인 것을 (×)로 나타내었다. (D_TOP)가 20개/cm²를 하회하는 경우는 수소균열이 발생하여 (×)로 되었다.

또한, (D_TOP)가 900개/cm²를 상회하는 경우, 및 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도가 5개/cm²를 상회하는 경우는, 소정의 내구한도비가 얻어지지 않아 (×)로 되었다.

또한, 도 8(b)에는, 세로축에 강괴 하부에 상당하는 부분의 미소 개재물(장직경 5～10㎛)의 밀도(D_BOT), 가로축에 강괴 하부에 상당하는 부분의 조대 개재물(장직경 40㎛ 이상)의 밀도를 취하여, 종합 평가가 (●)이었던 것을 (●)로 나타내고, 내구한도비, 수소균열의 시험 결과 중 어느 것에 있어서 (×)인 것을 (×)로 나타내었다. (D_BOT)가 10개/cm²를 하회하는 경우는 수소균열이 발생하여 (×)로 되었다.

또한, (D_BOT)가 80개/cm²를 상회하는 경우, 및 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도가 5개/cm²를 상회하는 경우는, 소정의 내구한도비가 얻어지지 않아 (×)로 되었다.

Claims

주형에 의해 형성되는 단조용 강괴로서,

C: 0.2～0.6%(질량%의 의미. 이하, 동일)

Si: 0.05～0.5%

Mn: 0.2～1.2%

Ni: 0.1～3.5%

Cr: 0.9～2.5%

Mo: 0.1～0.7%

V: 0.005～0.2%

Al: 0.01～0.1%

S: 0.005% 이하

Ti: 0.005% 이하

O: 0.0015% 이하

를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며,

중력 방향의 단부(端部)이고 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위인 강괴 하부에 있어서 강 단면(斷面)에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도 D_BOT가 10～80개/cm²이고, 상기 강괴 하부의 반대측의 단부이고 이 단부로부터 강괴 전체높이의 20% 이내의 부위인 강괴 상부에 있어서 강 단면에서 관찰되는 장직경 5～10㎛의 개재물의 밀도 D_TOP가 20～90개/cm²이며, 강 단면에서 관찰되는 장직경 40㎛ 이상의 개재물의 밀도가 상기 강괴 하부, 상기 강괴 상부의 쌍방에 있어서 5개/cm² 이하이고, 또한 하기 수학식 1을 만족시키는 단조용 강괴.

수학식 1

단, [S]는 강 중의 S 함유량(질량ppm)을 나타낸다.
삭제
제 1 항에 기재된 단조용 강괴를 열간 단조함으로써 제조되는 일체형 크랭크축.