KR101121342B1

KR101121342B1 - 단조품, 및 상기 단조품으로부터 제조되는 크랭크축

Info

Publication number: KR101121342B1
Application number: KR1020090092086A
Authority: KR
Inventors: 다까시 아비꼬; 미찌오 니시하라; 에이지 오오쯔끼; ？스께 호리; 도모야 시노자끼; 데쯔시 데우라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-04-12
Also published as: JP4964211B2; ES2542516T3; CN101713489A; PL2169082T3; US20100081004A1; EP2169082B1; KR20100036973A; EP2169082A1; JP2010082662A; US8343255B2; DK2169082T3; CN101713489B

Abstract

본 발명은, 단조품의 양단부에 있어서 피로 강도가 높고, 게다가 단조품의 반경 방향에 있어서 피로 강도의 편차가 적고, 피로 특성이 우수한 단조품, 및 상기 단조품으로부터 제조되는 크랭크축을 제공하는 것에 관한 것이다.

이를 해결하기 위해, 단조품의 축 방향에 수직한 단면의 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)를 70개/㎠ 이하로 하고, 또한 단조품의 반경을 R로 했을 때 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 하기 수학식 1을 만족시킨다.

<수학식 1>

단조품, 크랭크축, 디젤 기관, 열간 단조, 피로 강도

Description

단조품, 및 상기 단조품으로부터 제조되는 크랭크축 {FORGING AND CRANKSHAFT MANUFACTURED FROM THE SAME}

본 발명은, 강괴를 열간 단조하여 얻어진 단조품, 및 이것을 사용하여 얻어지는 크랭크축에 관한 것이며, 특히 강중에 존재하는 개재물의 분산 상태를 제어한 단조품에 관한 것이다.

기계나 선박, 발전기 등에서는, 구동원의 에너지를 전달하는 부재로서 회전 운동 부품(예를 들어, 크랭크축)이 사용된다. 회전 운동 부품은, 예를 들어 조괴법에 의해 제조되는 강괴를 열간 단조하여 얻어진 단조품을 사용하여 제조되며, 가혹한 사용 환경 하에서도 피로 파괴를 발생하기 어려운 피로 특성이 요구된다.

선박용 크랭크축에 채용되는 저합금 강에 대해서, 비특허 문헌1에는, (1) 개재물은 피로 파괴의 기점이 되기 쉽고, 강의 고강도화에 수반하여 그 경향이 현저해지는 것, (2) 개재물 사이즈가 클수록 피로 특성은 저하되는 것, (3) 신장된 개재물을 포함하는 강재는, 피로 강도의 이방성이 나타나기 쉬운 것, 등이 기재되어 있다. 그리고, 단조품의 피로 특성을 향상시키기 위해서는, 개재물의 형상을 구형으로 하여 치수를 작게 하는 것이 유효한 것이 기재되어 있다.

그런데, 선박 등에서 사용되는 대형의 크랭크축을 제조하기 위해서는, 당연히 대형의 강괴가 필요하게 된다. 대형의 강괴를 조괴법에 의해 제조하면, 강괴의 저부(중력 방향의 단부를 의미한다)에 침전정 대(sedimental zone)가 형성된다. 침전정(sediment)이란, 주형에 용강을 주입하는 동안이나 주입 후에 용탕 표면(보온재나 산화 방지제와 용강의 계면)에서 생성된 강의 결정핵이, 주형 내의 용강 대류에 의해 그 근원으로부터 용융되고, 물리적으로 분단되어, 용강과의 밀도차에 의해 용강 내를 침강해 가는 결정핵을 가리킨다. 이 결정핵이 용강 내를 침강해 가는 동안에 용강 중의 개재물의 일부가 말려들어, 강괴의 저부에 개재물이 편석되어 버린다. 이렇게 하여 형성된 침전정과 개재물이 집합된 것이 침전정 대이다. 침전정 대가 생성되면, 강괴의 저부에 있어서의 피로 특성이 열화되는 원인이 된다. 또한, 이 침전정 대는, 연속 주조법으로 제조되는 강괴에는 확인되지 않는 것이다.

침전정 대에 있어서의 개재물의 집적을 경감?억제하는 기술로서, 특허 문헌1에는 하주법 또는 상주법에 의해 킬드 강을 제조하는 데 있어서, 용강의 주입 중 또는 그 직후에 조기 연소형 고칼로리 보온제로 주형내 탕면 위를 피복하는 것이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌2에는 강괴의 보텀부에 개재물이 집중되어 잔류되지 않도록 단열성의 헤드부 보온제겸 산화 방지제를 사용하여 용강의 주입 온도를 융점 이상 75 내지 100℃의 범위로 하고, 또한 상기 헤드부 보온제겸 산화 방지제의 90％ 이상을 용강의 주입 전 또는 전체 주입 시간의 60％ 이내에 첨가하는 것이 기재되어 있다.

<비특허 문헌1> 「고강도 크랭크축재의 피로 강도 특성에 관한 연구」, Journal of the JIME, 2001년, Vol.36, No.6, p.385-390

<특허 문헌1> 일본 특허 출원 공개 소49-35232호 공보

<특허 문헌2> 일본 특허 출원 공개 소59-178153호 공보

상기 특허 문헌1이나 특허 문헌2와 같이 침전정 대의 생성을 억제하기 위해서는, 강괴의 상부(저부와는 반대측의 단부를 의미한다)를 보온하는 것이 유효하나, 강괴의 상부와 저부에 있어서의 피로 강도에 편차가 발생할 경우가 있어, 균질한 단조품이 얻어지지 않는 경우가 있었다. 또한, 강괴의 축 위치와, 상기 축 위치로부터 반경 방향으로 이격된 주변부의 피로 강도를 측정하면 측정 위치에 따라 피로 강도에 차가 인정된다.

본 발명은, 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 단조품의 양단부에 있어서 피로 강도가 높고, 게다가 단조품의 반경 방향에 있어서 피로 강도의 편차가 적고, 피로 특성이 우수한 단조품, 및 상기 단조품으로부터 제조되는 크랭크축을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 따른 단조품은, C : 0.15 내지 0.75％(「질량％」의 의미. 이하 동일), Si : 0.1 내지 0.6％, Mn : 0.3 내지 1.4％, Ni : 0.1 내지 2％, Cr : 0.5 내지 2.5％, Mo : 0.1 내지 0.5％, V : 0.01 내지 0.20％, Al : 0.015 내지 0.04％를 각각 함유하고, Ti : 0.003％ 이하(0％를 포함하지 않는다), S : 0.0006％ 이하(0％를 포함하지 않는다), N : 0.01％ 이하(0％를 포함하지 않는다), O : 0.002％ 이하(0％를 포함하지 않는다)를 만족하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강괴를 열간 단조하여 얻어진 기둥 형상 의 단조품으로서, 단조품의 축 방향에 수직한 단면의 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하이며, 또한, 단조품의 반경을 R로 했을 때에 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 하기 수학식 1을 만족하는 점에 요지를 갖는다.

상기 단조품은 원기둥 형상이며, 상기 단조품의 양단부면에 있어서 상기 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에는, 상기 단조품으로부터 제조되는 크랭크축도 포함된다. 이 크랭크축의 축 직경은 200㎜ 이상이어도 좋고, 예를 들어 발전용 또는 선박용의 디젤 기관에 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단조품의 피로 특성에 영향을 주는 인자 중 긴 직경이 5㎛를 초과하는 조대한 개재물에 주목하여, 이 조대한 개재물을 단조품 내에 균일하게 분산시키고 있기 때문에, 단조품의 피로 강도가 크고, 게다가 주조품의 축 위치와, 상기 축 위치로부터 반경 방향으로 이격된 주변부에 있어서의 피로 강도의 차가 적고, 피로 특성이 우수한 단조품을 제공할 수 있다. 이 단조품으로부터 제조되는 크랭크축은, 피로 특성이 우수한 것으로 된다.

상기 특허 문헌1이나 특허 문헌2에 개시되어 있는 바와 같이, 강괴 상부의 보온을 강화함으로써 강괴 저부에 생성되는 침전정 대를 저감시켜도 강괴의 상부와 저부에 있어서의 피로 강도에는 편차가 발생하는 것을 알았다. 그로 인해 이 강괴로부터 얻어지는 단조품에 대해서도, 양단부에 있어서의 피로 강도에 차가 발생하였다. 또한, 단조품의 축 위치와, 상기 축 위치로부터 이격된 주변부에 있어서도 피로 강도에 차가 있으며, 이 차는 단조품이 커질수록 현저해지는 것을 알았다.

따라서 본 발명자들은 단조품의 양단부에 있어서 피로 강도가 높고, 게다가 단조품의 피로 강도를 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 측정했을 때에도 피로 강도의 편차가 적고, 피로 특성이 우수한 단조품을 제공하기 위하여 예의 검토를 거듭해 왔다. 그 결과, 긴 직경이 5㎛를 초과하는 조대한 개재물을 단조품 내에 균일하게 분산시키면, 단조품의 피로 강도를 균일화할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명의 단조품은, 축 방향에 수직한 단면을 관찰했을 때에, 하기 (A)와 (B)의 요건을 만족하고 있는 점에 특징이 있다.

(A) 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하인 것.

(B) 단조품의 반경을 R로 했을 때에 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 하기 수학식 1을 만족하고 있는 것.

[수학식 1]

각 요건에 대하여 설명하기 전에, 본 발명의 단조품의 형상에 대하여 설명한다. 본 발명의 단조품은 반경이 R인 기둥 형상이며, 본 명세서에서는 단조품의 축 위치를 「0R 위치」, 단조품의 표면을 「R 위치」로 표기한다. 따라서 R/3 위치란, 축 위치로부터 단조품 표면을 향하여 R/3의 길이 이격된 위치를 가리킨다. 또한, 본 명세서에서는, 0(제로)R 위치를 「축 위치」, R/3 위치를 「주변부」라고 칭하기로 한다. 또한, 기둥 형상이란, 그 축 방향에 수직한 단면 형상이 진원일 필요는 없고, 다소 편평하거나, 다각형이어도 좋다. 바람직하게는 원기둥 형상이다.

[(A)에 대하여]

본 발명자들이 검토한 바, 단조품의 축 위치를 관찰했을 때에 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하이면, 단조품의 피로 특성이 향상되는 것을 알 수 있었다. 단조품의 축 위치에 있어서의 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠를 초과하면, 단조품의 축 위치에 편석되는 조대한 개재물이 많아지기 때문에, 이 조대한 개재물이 피로 파괴의 기점으로 되어, 축 위치에서 피로 파괴가 발생되어 단조품의 피로 특성이 열화되기 때문이다. 따라서 개재물의 밀도(D_O)는 70개/㎠ 이하로 한다. 바람직하게는 60개/㎠ 이하, 보다 바람직하게 50개/㎠ 이하이다.

단조품의 축 위치에는 개재물이 편석되기 쉽다. 그 원인은, 단조품의 제조 공정에 있다. 즉, 단조품을 제조할 때에 사용되는 단조 전의 강괴는, 용강을 주입하여 제조되기 때문에, 이 용강은 주위부터 응고되어, 강괴의 축 위치(중심부)는 마지막에 응고된다. 그로 인해, 강괴의 상부에서는, 정편석에 의한 영향을 받고, 저부에서는 침전정 대의 생성이 원인이 되어, 축 위치에 있어서의 개재물의 밀도는 주변부에 있어서의 개재물의 밀도보다도 증가되는 경향이 있다. 이 경향은, 강괴의 크기(반경)가 커질수록 현저해진다.

단조품의 축 위치에 있어서의 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)의 하한은, 후술하는 수학식 1을 만족하는 범위이면 되지만, 단조품의 축 위치에 있어서의 밀도(D_O)가 너무 작아져, 40개/㎠을 크게 하회하면, 나머지의 개재물은 주변부에 편석되게 된다. 그로 인해, 주변부에 있어서의 피로 특성이 열화된다. 따라서, 단조품의 축 위치에 있어서의 개재물의 밀도(D_O)는 40개/㎠ 이상인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 50개/㎠ 이상이다.

[(B)에 대하여 ]

상기 (A)에서는, 단조품의 축 위치에 있어서의 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)를 규정했지만, 이 밀도(D_O)를 작게 하는 것만으로는 단조품의 피로 특성을 충분히 향상시킬 수 없다. 단조품의 축 위치에 있어서의 조대한 개재물의 밀도(D_O)를 70개/㎠ 이하로 억제했다고 해도 단조품의 주변부(R/3 위치)에 조대한 개재물이 많이 존재하면 주변부에 편석된 조대한 개재물이 피로 파괴의 기점으로 되어, 피로 파괴가 발생하여 단조품 전체의 피로 특성이 저하되기 때문이다. 예를 들어, 단조품 내에 포함되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 조대한 개재물 중, 축 위치에 있어서의 조대한 개재물의 밀도(D_O)가 작아지면, 그 반면 주변부에 있어서의 조대한 개재물의 밀도(D_R)가 커진다. 그로 인해, 조대한 개재물의 반경 방향에 있어서의 분산 밸런스가 나빠져, 단조품 전체의 피로 특성이 나빠지는 것이다.

따라서 본 발명의 단조품은, 반경을 R로 했을 때, 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)를 측정하여, 이 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 하기 수학식 1을 만족할 필요가 있다.

[수학식 1]

D_R/D_O의 값이 0.5를 하회하면, 단조품의 축 위치에 조대한 개재물이 치우쳐 존재하게 되어, 축 위치의 피로 특성이 열화된다. 그로 인해, 주변부의 피로 특성은 향상되나, 단조품 전체적인 피로 특성은 나빠진다. 따라서 D_R/D_O의 값은 0.5 이상으로 한다. 바람직하게는 0.6 이상, 보다 바람직하게는 0.7 이상이다. 한편, D_R/D_O의 값이 1.50를 초과하면, 단조품의 주변부에 조대한 개재물이 치우쳐 존재하게 되어, 주변부의 피로 특성이 열화된다. 그로 인해, 축 위치의 피로 특성은 향 상되나, 단조품 전체적인 피로 특성은 나빠진다. 따라서 D_R/D_O의 값은 1.50 이하로 한다. 바람직하게는 1.4 이하, 보다 바람직하게는 1.3 이하이다.

상기 (A)와 (B)의 요건은, 단조품의 양단부면에서 만족시키고 있는 것이 바람직하다. 단조품의 상부와 저부의 단부면에 있어서, 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하이고, 또한 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 상기 수학식 1을 만족하면, 단조품의 높이 방향 및 반경 방향 중 어느 방향에 있어서도 조대한 개재물이 균일하게 분산되어 있기 때문에, 축 위치와 주변부에 있어서의 피로 강도의 편차가 적어, 단조품 전체의 피로 특성이 향상된다.

단조품의 축 위치와 주변부에 있어서의 개재물의 밀도는, 예를 들어 주사형 전자 현미경과 EPMA를 사용하여 측정하면 된다. 개재물의 밀도는, 분석 대상 원소를 Al, S, Mn, Ti, Si, O, N, Mg, Ca로 하고, 이들 원소의 산화물, 황화물, 질화물, 혹은 어느 하나를 포함하는 복합 개재물을 관찰 대상으로 하는 개재물로 하고, 관찰되는 개재물 중 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 개수를 측정하여, 이것을 관찰 시야 면적으로 나눔으로써 산출할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 측정 대상으로 하는 개재물의 크기는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 것으로 한다. 긴 직경이 5㎛ 이하인 미세한 개재물은, 피로 파괴의 기점으로 되기 어렵기 때문에, 축 위치나 주변부에 편석되어도 단조품의 피로 특성에는 크게 영향을 미치지 않는다고 생각하고 있기 때문이다.

단조품의 축 위치와 주변부에 있어서의 조대한 개재물의 밀도의 밸런스를 적절하게 제어하기 위해서는, 강괴의 저부에 있어서의 개재물을 저감시키기 위해 주형에 용강을 주입한 후, 강괴의 상부를 보온하면서 용강을 응고시킨 후, 강괴 저부의 일부를 절단 제거하는 동시에, 강괴 상부에 있어서의 개재물의 분포 상태를 파악한 후, 강괴 상부의 일부를 절단 제거하면 된다. 강괴 저부와 강괴 상부에 있어서의 잘라내는 양을 많게 할수록, 강괴 저부에 있어서의 침전정 대나 강괴 상부에 있어서의 조대한 개재물이 응집된 부분을 확실하게 제거할 수 있으나, 잘라내는 양을 많게 할수록 수율이 나빠지고, 고비용이 된다.

따라서 본 발명에서는, 조괴법으로 제조된 강괴를 단조하여 얻어진 단조재에 대해, 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하이며, 상기 D_R/D_O의 값이 0.5 내지 1.50의 범위로 되도록 단부로부터의 잘라내는 양을 결정하면 된다. 구체적으로는, 우선 단조재의 단부를 수 개소에서 절단하고, 각 절단면에 있어서 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도를 측정하여 상기 개재물의 밀도가 70개/㎠ 이하이고, 상기 D_R/D_O의 값이 0.5 내지 1.50의 범위가 되도록 절단했을 때의 절단 부분의 중량을 측정해 둔다. 이어서 단조재를 절단할 때는, 이 중량으로 되도록 단조재의 직경과 비중으로부터 절단 위치를 결정하면 된다.

한편, 주변부에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 상기 수학식 1을 만족하도록 조대한 개재물을 분산시키기 위해서는, 캐스팅 완료 직후의 강괴 상부(압탕)의 보온을 강화하면 된다. 즉, 압탕의 보온을 강화시킴으로써 강괴 상부에 있어서, 급냉 응고에 의한 초정의 생성을 억제할 수 있다. 이 초정의 생성이 억제됨으로써, 침전정이 저감되어, 강괴의 저부에 침전정 대가 생성되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 강괴의 저부에 있어서는, 침전정 대의 생성에 의한 조대한 개재물의 생성이 억제되기 때문에 조대한 개재물은 축 위치에 편석되는 일 없이, 주변부로도 균일하게 분산되도록 석출된다.

압탕의 보온을 강화시키기 위해서는, 캐스팅 완료 직후의 강괴 상부 위에 탑재하는 보온재의 두께를 종래보다도 2 내지 3배 정도 두껍게 하면 좋다. 즉, 보온재 두께는, 강괴의 사이즈에 따라 다르나, 종래 60 내지 200㎜였던 보온재 두께를 150 내지 400㎜로 하면 좋다. 구체적으로는, 65톤 레벨의 강괴를 제조할 때는 종래에는 보온재의 두께를 약 75㎜로 하고 있었으나, 본 발명에서는 보온재의 두께를 350㎜ 정도로 하면 된다.

본 발명에서 사용할 수 있는 보온재의 종류는 특별히 한정되지 않고 공지의 것을 사용할 수 있다. 예를 들어, 왕겨나 탄화 왕겨, 발열성의 보온재, 단열성의 보온재, 팽창성의 보온재 등이다.

<강의 화학 성분>

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 단조품은 긴 직경이 5㎛를 초과하는 조대한 개재물의 분산 상태를 적절하게 제어한 점에 특징을 갖고 있으며, 강의 기본 조 성은 특별히 제한되지 않지만, 예를 들어 크랭크축 등으로 하여 구해지는 강도나 인성, 또한 피로 특성을 만족하기 위해서는, 강재의 일반적 기술 수준에 비추어 하기 기본 조성을 만족하는 것이 바람직하다.

[C : 0.15 내지 0.75％]

C는 단조품의 강도 향상에 기여하는 원소로서, 충분한 강도를 확보하기 위해서는 0.15％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.30％ 이상, 보다 바람직하게는 0.34％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 C양이 너무 많으면 단조품의 인성을 열화시키므로 0.75％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.6％ 이하, 보다 바람직하게는0.5％ 이하이다.

[Si : 0.1 내지 0.6％]

Si는 단조품의 강도를 향상시키는 원소로서 작용하여 충분한 강도를 확보하기 위해 0.1％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.15％ 이상, 보다 바람직하게는0.20％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.25％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Si양이 너무 많으면 역V 편석이 현저해져 청정한 강괴가 얻어지기 어려워지므로, 0.6％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.4％ 이하, 보다 바람직하게는 0.35％ 이하로 하는 것이 좋다.

[Mn : 0.3 내지 1.4％]

Mn은 켄칭성을 높이는 동시에 강도 향상에 기여하는 원소로서, 충분한 켄칭성과 강도를 확보하기 위해서는 0.3％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.8％ 이상, 보다 바람직하게는 0.9％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나 Mn양이 너무 많 으면 역V 편석을 조장하므로 1.4％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.2％ 이하, 보다 바람직하게는 1.1％ 이하로 한다.

[Ni : 0.1 내지 2％]

Ni는 인성 향상 원소로서 유용한 원소로서, 0.1％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.2％ 이상 함유시킨다. 그러나 Ni양이 과잉으로 되면 비용이 상승되므로, 2％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.75％ 이하이다.

[Cr : 0.5 내지 2.5％]

Cr은 켄칭성을 높이는 동시에 인성을 향상시키기 위하여 유효한 원소로서, 그들의 작용은 0.5％ 이상 함유시킴으로써 발휘된다. 바람직하게는 0.7％ 이상, 보다 바람직하게는 1％ 이상, 더욱 바람직하게는 1.75％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 너무 많으면 역V 편석을 조장하여 고청정 강철의 제조를 곤란하게 하므로, 2.5％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.0％ 이하로 한다.

[Mo : 0.1 내지 0.5％]

Mo는 켄칭성, 강도, 인성의 모두를 향상시키는데 유효하게 작용하는 원소로서, 그들의 작용을 발휘시키기 위해서는 0.1％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.2％ 이상, 보다 바람직하게는 0.25％ 이상으로 한다. 그러나, Mo는 평형 분배 계수가 작아, 마이크로 편석(정상 편석)을 발생하기 쉽게 하므로 0.5％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.35％ 이하이다.

[V : 0.01 내지 0.20％]

V는 석출 강화 및 조직을 미세화하여 고강도화에 유용한 원소이다. 이러한 작용을 발휘시키기 위해서는 0.01％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.035％ 이상 함유시킨다. 단, 과잉으로 함유시켜도 상기 작용은 포화되어버려 경제적으로 낭비가 되므로 0.20％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.17％ 이하, 보다 바람직하게는 0.15％ 이하로 한다.

[Al : 0.015 내지 0.04％]

Al은 제강 공정에 있어서의 탈산 원소로서 유효하게 작용하고, 또한 강의 내균열성에도 유효하게 작용한다. 따라서, Al은 0.015％ 이상 함유시킨다. 바람직하게는 0.02％ 이상으로 한다. 그러나, Al양이 많아지면 개재물로서 Al₂O₃이 생성되고, 이 개재물이 응고 시에 편석?응집되어 조대한 개재물을 생성하여, 단조품의 피로 특성이 악화된다. 따라서 상한은 0.04％로 한다. 바람직하게는 0.03％ 이하이다.

[Ti : 0.003％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

Ti는 TiN이나 TiC, Ti₄C₂S₂와 같은 미세 개재물을 형성하여 강중에 분산되어, 고용 한계를 초과한 강중의 잉여 수소를 흡장 포착함으로써, 강의 내수소 균열성을을 개선하는 원소이다. 그러나 Ti양이 과잉으로 되면 개재물로서 조대한 질화물을 형성하여 단조품의 피로 강도를 저하시켜 버린다. 따라서, Ti는 0.003％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0025％ 이하, 보다 바람직하게는 0.002％ 이하로 한다.

Ti양은, 예를 들어 부원료 중의 불순물 Ti양이 많은 합금(저품위 합금)과, 불순물 Ti양이 적은 합금(고품위 합금)의 사용량비를 조절함으로써 조정할 수 있 다.

[S : 0.0006％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

S는 불가피하게 함유하는 원소로서, 응고 시의 편석에 의해 개재물로서 조대한 황화물을 형성하여, 단조품의 피로 강도를 저하시키는 원소이다. 따라서 S양은 0.0006％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0005％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0004％ 이하로 한다.

S양은, 예를 들어 용제 시의 슬래그 조성을 제어함으로써 조정할 수 있다. 구체적으로는, 슬래그의 염기도(슬래그 내의 CaO 농도와 SiO₂ 농도의 비, CaO/SiO₂, 이하, 「C/S」로 기재하는 경우가 있다)를 높게 함으로써 용강 중의 S양을 저하시킬 수 있다. S양을 적게 하려는 경우에는, 용강과 슬래그의 반응을 촉진시키는 것을 목적으로 하여 용강 중에 슬래그를 적극적으로 말려들게 하면 된다. 반대로, S양을 많게 하려는 경우에는 C/S가 작아지도록 슬래그 조성을 조정하는 동시에, 용강과 슬래그의 반응을 억제하기 위해 용강의 교반을 약화시키면 된다. 용강 중에 슬래그를 말려들게 하는 수단으로서는, 진공 탈가스 처리를 실시하는 것이 매우 유효하다. 특히, 레이들 탈가스 장치에 의한 처리는, 슬래그와 용강을 동시에 교반 하는 것이 가능하기 때문에, S양을 적게 하려는 경우에 매우 유효한 수단으로 된다. 또한, 이 진공 탈가스 처리를 적절하게 복수회 실시함으로써, S양을 더욱 적게 할 수 있다.

그 밖에 보충적 수단으로서, 슬래그의 CaO 농도와 Al₂O₃ 농도의 비(CaO/Al₂O₃, 이하 「C/A」로 기재하는 경우가 있다)를 높게 함으로써, 강중의 S양을 저하시킬 수 있다. 반대로, S양을 많게 하려는 경우는 「C/S」 및 / 또는 「C/A」가 작아지도록 슬래그 조성을 조정하면 된다.

[N : 0.01％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

N은 불가피적으로 함유하는 원소로서, 응고 시의 편석에 의해 조대한 질화물을 형성하여 단조품의 피로 강도를 저하시키는 원소이다. 따라서 N양은 0.01％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.007％ 이하, 보다 바람직하게는 0.005％ 이하로 한다.

N양은, 용제 시의 진공 탈가스 처리 시간을 제어함으로써 조정할 수 있고, 조괴 시에 대기가 혼입되는 것을 방지함으로써, N양의 증가를 억제할 수 있다.

[O : 0.002％ 이하(0％를 포함하지 않는다)]

O(산소)는 SiO₂, Al₂O₃, MgO, CaO 등의 산화물계 개재물을 형성하여 단조품의 피로 강도를 저하시키는 원소이다. 따라서 O양은 최대한 저감시키는 것이 바람직하고, 토탈 산소량은 0.002％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0015％ 이하, 보다 바람직하게는 0.001％ 이하로 한다.

본 발명의 단조품에 사용되는 기본 성분은 상기한 바와 같으며, 잔량부 성분은 실질적으로 철이지만, 미량의 불가피적 불순물의 함유가 허용된다.

또한, 본 발명의 작용 효과에 악영향을 주지 않는 범위에서 다른 원소를 적극적으로 더 함유시키는 것도 가능하다. 적극적인 첨가가 허용되는 다른 원소의 예로서는, 켄칭성 개선 효과를 갖는 B(붕소)나, 고용 강화 원소 또는 석출 강화 원 소인 W, Nb, Ta, Cu, Ce, Zr, Te 등을 들 수 있고, 그들은 단독으로 혹은 2종 이상을 복합 첨가할 수 있다. 이들 첨가 원소는, 예를 들어 합계량으로 0.1％ 정도 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 단조품은, 크랭크축(특히, 일체형 크랭크축)을 제조하는 용도로 바람직하게 사용된다. 크랭크축으로서는, 특히 축 직경이 200㎜ 이상이며, 발전용 또는 선박용의 디젤 기관의 용도로 바람직하게 사용된다. 본 발명의 단조품은, 기계, 선박, 발전기 등의 산업 분야에서 널리 유효하게 활용되는 것이며, 특히 회전 운동 부품과 같이 높은 피로 강도가 요구되는 부품에 적합하다.

<실시예>

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니고, 전?후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경하여 실시하는 것도 가능하여, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[시험 강재의 제조]

전극 아크 가열 기능과 진공 탈가스 처리 기능을 구비하는 용강 처리 설비에 의해 표 1에 나타내는 화학 성분의 강(잔량부는 철 및 불가피 불순물)을 용제한 후, 용강을 하주 조괴법에 의해 조괴한 강괴를 단조함으로써 시험 강재를 제조하였다. 구체적으로는, 성분 조정한 용강을 하주 조괴법에 의해 30 내지 64톤급(전체 높이는 2 내지 4m)의 주형에 부어 캐스팅하였다. 캐스팅 완료 후, 강괴의 상부(압탕) 위에 보온재를 탑재하여 강괴를 보온했다. 보온재로서는, 발열제로서 금속 Al 을 포함하고, Al₂O₂을 주성분으로 한 것을 사용하였다. 이 보온재는, 팽창성을 갖고 있어, 팽창 후의 보온재의 두께가 80 내지 370㎜로 되도록 압탕 위에 보온재를 탑재했다. 강괴의 질량과, 팽창 후의 보온재의 두께를 하기 표 2에 나타낸다.

강괴의 질량에 대하여, 보온재의 두께가 종래 정도이면 「보온 효과없음 (×)」, 종래보다도 두꺼운 경우에는 「보온 효과있음(○)」으로 하여 하기 표 2에 나타낸다. 보온재의 두께의 기준은 다음과 같다.

<기준>

강괴가 30톤인 경우에는 보온재의 두께는 150㎜ 정도

강괴가 40톤인 경우에는 보온재의 두께는 180㎜ 정도

강괴가 50톤인 경우에는 보온재의 두께는 200㎜ 정도

강괴가 60톤인 경우에는 보온재의 두께는 300㎜ 정도

강괴가 70톤인 경우에는 보온재의 두께는 400㎜ 정도

주형으로부터 응고되어 얻어진 강괴를 탈형한 후, 약 1200℃까지 가열하고, 열간 단조를 실시하여 단면 직경이 200 내지 700㎜인 단조재로 마무리했다. 열간 단조는, 강괴 본체를 프레스기에 의해 신장시킨 후, 전용 공구를 사용하여 둥근 단면으로 성형함으로써 행했다. 얻어진 단조재의 양단부(강괴 상부와 강괴 저부)로부터 단조재의 일부를 잘라내어 본체부(제품)와 분리했다.

하기 표 2에 단조재를 절단한 위치를 나타낸다. 또한, 절단한 위치는, 단조재의 전체 길이를 100％로 하고 상기 단조재의 저면(중력 방향의 최하 단부면)으로 부터의 거리를 백분률로 나타냈다. 즉, 단조재의 저면은 0％이며, 최상면은 100％로 된다.

강괴 상부와 강괴 저부에 있어서, 잘라낸 단조재의 절단면(제품측의 절단면)으로부터 시험 강재를 채취하여 개재물의 밀도와 피로 강도를 다음 수순으로 측정했다.

[시험 강재의 평가]

<EDS에 의한 개재물의 밀도의 측정>

강괴 상부와 강괴 저부로부터 잘라낸 단조재의 절단면에 있어서, 축 위치(0R 위치)와 주변부(R/3 위치)로부터 시료를 채취하여, 이것을 수지에 매립하여 검경 연마 처리를 실시한 후, 주사형 전자 현미경으로 400배의 배율로 관찰을 행했다.

<EDS에 의한 개재물의 동정>

상기한 직경 200 내지 700㎜의 단조재의 단부의 중심 부위로부터 시료를 채취하여, 수지에 매립하여 검경 연마 처리를 실시한 후, 주사형 전자 현미경으로 100 내지 200배의 배율로 강 단면의 관찰을 행했다. 각 시료에 있어서, 10㎜×10㎜의 관찰 에어리어 내에 존재하는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물에 대해 EPMA를 사용하여 성분 조성을 측정하고, 개재물의 수를 측정했다. 상세하게는, EPMA(일본 전자 주식회사 제품 JXA-8900RL)에 부설된 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer : 특성 X선의 에너지 분산형 X선 분광기 일본 전자 주식회사 제품 XM-Z0043T)를 사용하여 전자선의 조사 조건을 가속 전압 : 15kV, 빔 전류 : 1.70× 10^-9A, 빔 직경=1㎛로 하여 개재물의 무게 중심 위치에서 정량 분석했다. 분석 시간(빔을 쏘이는 시간)은 1점당 10초, 데드 타임은 20％를 기준으로 하였다. 이상과 같이 개재물의 성분 조성을 측정하여 개재물을 동정하고 개재물의 개수를 측정하여 단위 면적당의 존재 개수를 산출했다.

축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도를 D_O, 주변부에 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도를 D_R로 하여 강괴 상부와 강괴 저부에 관하여 각각 측정한 결과를 하기 표 3에 나타낸다. 또한, 강괴 상부와 강괴 저부에 있어서의 D_R와 D_O의 비(D_R/D_O)를 각각 산출하여 결과를 하기 표3에 나타낸다.

<피로 강도>

강괴 상부와 강괴 저부로부터 잘라낸 단조재의 절단면에 있어서, 축 위치(0R 위치)로부터 피로 강도 측정용 시험편을 채취하여 이하에 나타내는 조건으로 회전 굽힘 피로 시험을 행하였다.

시험편 : 직경 10㎜의 평활 시험편

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

피로 강도 평가 방법 : 계차법

층차 응력 : 20MPa

시험편 개수 : 각 5개

각 시험편의 피로 강도=(파단 응력)-(계차 응력)

강괴 상부와 강괴 저부로부터 잘라낸 단조재로부터 각각 채취한 5개의 시험편을 사용하여 피로 강도를 측정하고, 측정 결과의 평균값을 하기 표 3에 나타낸다. 또한, 표 3에는 강괴 상부의 피로 강도와 강괴 저부의 피로 강도의 차를 산출하여 나타냈다.

표3로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 No.21 내지 29는 강괴 상부와 강괴 저부의 피로 강도의 차가 작아, 50MPa 이내로 되어 있다. 한편, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하지 않는 No.1, 4 내지 7, 9 내지 12, 14, 15, 18 내지 20은 강괴 상부와 강괴 저부의 피로 강도의 차가 크게 되어 있다. 또한, No.2, 3, 8, 13, 16, 17도 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하지 않는 예이지만, 강괴 상부와 강괴 저부의 피로 강도의 차는 작아, 50MPa 이내로 되어 있다. 그러나, No.2, 3, 16, 17은 강괴 상부에 있어서의 축 위치(D_O)에 조대한 개재물이 많이 생성되어 있기 때문에, 피로 강도 자체가 낮게 되어 있다. No.8과 13은 강괴 저부에 있어서의 D_R/D_O의 값이 적절하게 제어되어 있지 없기 때문에 강괴 저부의 피로 강도가 낮게 되어 있다.

다음에, 강괴 상부에 있어서의 D_R와 D_O의 비(D_R/D_O)와, 강괴 상부에 있어서의 피로 강도의 관계를 도 1에 나타낸다. 도 1 중 ◆는 표 3의 No.1 내지 20, □는 표 3의 No.21 내지 29의 결과를 각각 나타내고 있다. 표 3과 도 1로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이 강괴의 상부에 있어서는 D_R과 D_O의 비(D_R/D_O)와 피로 강도에는 거의 상관 관계가 인정되지 않는 것을 알 수 있다.

다음에, 강괴 저부에 있어서의 D_R와 D_O의 비(D_R/D_O)와, 강괴 저부에 있어서의 피로 강도의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2 중, ◆는 표 3의 No.1 내지 20, □는 표 3의 No.21 내지 29의 결과를 각각 나타내고 있다. 표 3과 도 2로부터 명백히 알 수 있는 바와 같이 강괴의 저부에 있어서는 D_R과 D_O의 비(D_R/D_O)를 0.5 내지 1.50의 범위로 제어함으로써 피로 강도를 높일 수 있는 것을 알 수 있다.

도 1은 강괴 상부에 있어서의 D_R와 D_O의 비(D_R/D_O)와 피로 강도의 관계를 나타내는 그래프.

도 2는 강괴 저부에 있어서의 D_R와 D_O의 비(D_R/D_O)와 피로 강도의 관계를 나타내는 그래프.

Claims

C : 0.15 내지 0.75％(「질량％」의 의미. 이하 동일),

Si : 0.1 내지 0.6％,

Mn : 0.3 내지 1.4％,

Ni : 0.1 내지 2％,

Cr : 1 내지 2.5％,

Mo : 0.1 내지 0.5％,

V : 0.01 내지 0.20％,

Al : 0.015 내지 0.04％를 함유하고,

Ti : 0.003％ 이하(0％를 포함하지 않는다),

S : 0.0006％ 이하(0％를 포함하지 않는다),

N : 0.01％ 이하(0％를 포함하지 않는다),

O : 0.002％ 이하(0％를 포함하지 않는다)을 만족하고,

잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강괴를 열간 단조하여 얻어진 기둥 형상의 단조품이며,

단조품의 축 방향에 수직한 단면의 축 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_O)가 70개/㎠ 이하이며, 또한

단조품의 반경을 R로 했을 때에 축 위치로부터 반경 방향을 향하여 R/3 위치에서 관찰되는 긴 직경이 5㎛를 초과하는 개재물의 밀도(D_R)와 상기 밀도(D_O)의 비가 하기 수학식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 단조품.

<수학식 1>
제1항에 있어서, 상기 단조품은 원기둥 형상이며, 상기 단조품의 양단부면에 있어서 상기 수학식 1을 만족하는 것인, 단조품.
제1항 또는 제2항에 기재된 단조품으로부터 제조되는, 크랭크축.
제3항에 있어서, 축 직경이 200㎜ 이상이며, 발전용 또는 선박용의 디젤 기관에 사용되는, 크랭크축.