KR101267742B1

KR101267742B1 - 고강도 중공 스프링용 심리스 강관

Info

Publication number: KR101267742B1
Application number: KR1020127023010A
Authority: KR
Inventors: 다꾸야 고찌; 히또시 하따노; 고따로오 도요따께
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2013-05-27
Also published as: CN102741444A; JP2011184704A; EP2543747B1; EP2543747A1; CN104975224A; KR20120101603A; EP2543747A4; WO2011108675A1; JP5476597B2; US20120325364A1

Abstract

본 발명의 고강도 중공 스프링용 심리스 강관은, C:0.20 내지 0.70질량％, Si:0.5 내지 3.0질량％, Mn:0.1 내지 3.0질량％, P:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), S:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), N:0.02질량％ 이하(0％를 포함함), 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 고강도이고 내구성이 우수한 중공 스프링을 제조할 수 있다.

Description

고강도 중공 스프링용 심리스 강관{SEAMLESS STEEL PIPE OF HIGH-STRENGTH HOLLOW SPRING}

본 발명은, 고강도의 중공 스프링용 심리스 강관에 관한 것으로, 특히 자동차에 사용되는 중공 형상의 현가 스프링 등의 제조에 적합한 고품질의 심리스 강관에 관한 것이다.

일반적으로 코일 스프링은 중실의 소선(素線)을 권회하여 형성된 것이지만, 이것을 경량화하기 위해, 중공의 소선, 즉 관 형상의 것을 사용하는 발상은 특허 문헌 1 등에 이미 제안되어 있는 바와 같이 옛부터 알려져 있지만, 그 제조가 곤란한 것과 과거의 시장 요구도 그다지 강하지 않았던 것도 맞물려 실용화에 이르는 상황으로 되지 않았다.

한편, 최근에는 자동차를 중심으로 하는 각종 차량의 경량화에 대한 요구가 한층 더 높아지고 있고, 배기 가스 규제를 받는 가솔린 차량에 한정하지 않고, 금후 유망시되는 전기 자동차에 있어서도 소비 에너지의 삭감의 관점에서 차체 전체의 경량화는 장래에 걸쳐 필요 불가결한 테마로서 위치 부여되고, 이에 수반하여 서스펜션의 주요 부품인 현가 스프링을 중공화하는 기술에 대해서도 다시 주목받아, 그 실용화를 향한 본격적인 개발이 추진되고 있는 현상에 있다.

그런데 이 중공 현가 스프링은 직경 16㎜ 전후의 소경의 강관(단순히 파이프라 하는 경우가 있음)을 소재로 하여 열간 혹은 냉간에서 스프링 성형을 행하고, 이어서 켄칭, 템퍼링 등의 열처리를 실시하고, 최종적으로 세팅, 숏피닝 등을 행하여 제품으로 되지만, 소재로 되는 강관이 현가 스프링의 특성을 크게 좌우하므로, 이 소재 강관의 품질을 유지, 향상시키는 것이 중요해진다.

이 중공 스프링용 소재 강관으로서 당초 제조 비용의 면에서 전봉관(용접관)이 검토되었지만, 스프링용 강재(JISG4801)는 일반적으로 0.5％ 이상의 C를 함유하는 고(高)C강이고, 또한 Si나 Mn 등의 합금 원소를 포함하므로, 조관, 용접 공정을 필수로 하는 그 제조에 적합하지 않은 것이 판명되어, 심리스 강관의 적용이 검토되는 데 이르렀다.

심리스 강관의 제법에 대해서는, 특수한 천공 공정(만네스만 천공)을 필요로 하는 만네스만법이라 하는 열간 압연법, 혹은 이러한 천공 공정을 필요로 하지 않는 열간 압출법 등에 의해, 빌렛의 열간 가공을 행하고, 또한 냉간 가공을 행하여 제품 사이즈의 강관을 얻는 것이 일반적이지만, 전자의 만네스만법의 채용을 전제로 한 기술로서 특허 문헌 2에 기재된 것이 제안되어 있다. 이 기술은 만네스만 천공 전의 가열 온도 조건 및 중간 열처리 조건을 규정함으로써 일정한 품질을 확보하면서 가공성을 개선하는 것이지만, 생산성이 나쁜 데다 상기 천공이 가능한 소재를 전제로 하므로 강도가 높은 강관을 제조하는 것이 곤란하고, 또한 강관의 내주면에 표면 흠집이 발생하는 등의 문제가 있었다.

이 문제를 해소하기 위해, 후자의 열간 압출법을 이용하는 기술이 특허 문헌 3 및 4에 제안되어 있다. 양 문헌에 개시되는 기술은 모두 열간 압출법으로서 정수압 압출을 채용하는 것이다.

그러나 이들 종래 기술에 있어서 얻어지는 심리스 강관을 소재로 한 중공 스프링의 강도의 레벨은 기껏 1100㎫급에 머무는 것이며, 가일층의 경량화를 위해서는 더욱 높은 강도를 가진 내구성이 우수한 중공 스프링용 심리스 강관의 개발이 요망되고 있었다.

일본 특허 공고 소58-137666호 공보 일본 특허 제2512984호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-125588호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-127227호 공보

본 발명은, 상술한 기술 배경에 비추어 이루어진 것이며, 고강도이고 내구성이 우수한 중공 스프링을 제조하는 것이 가능한 고품질의 심리스 강관을 제공하는 것을 그 과제로 하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 이하의 내용을 요지로 하는 고강도 중공 스프링용 심리스 강관을 본 명세서에 제안한다.

(1) C:0.20 내지 0.70질량％, Si:0.5 내지 3.0질량％, Mn:0.1 내지 3.0질량％, P:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), S:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), N:0.02질량％ 이하(0％를 포함함), 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 중공 스프링용 심리스 강관.

(2) Cr:3.0질량％ 이하(0％를 포함하지 않음, 이하 동일), B:0.0150질량％ 이하, Al:0.10질량％ 이하, V:1.0질량％ 이하, Ti:0.30질량％ 이하, Nb:0.30질량％ 이하, Ni:3.0질량％ 이하, Cu:3.0질량％ 이하, Mo:2.0질량％ 이하, Ca:0.0050질량％ 이하, Mg:0.0050질량％ 이하, REM:0.020질량％ 이하, Zr:0.10질량％ 이하, Ta:0.10질량％ 이하, Hf:0.10질량％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는 상기 (1)에 기재된 고강도 중공 스프링용 심리스 강관.

본 발명에 따르면, 1150㎫급 이상의 고강도이고 내구성이 우수한 중공 스프링을 제조하는 것이 가능한 고품질의 심리스 강관을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 현가 스프링 등의 서스펜션 부품의 중공화를 추진할 수 있어, 자동차 등 차량의 가일층의 경량화를 도모할 수 있다.

본 발명자들은 상기 배경 기술에서 서술한 특허 문헌 3 및 4에 개시된 기술에 의해서도 얻어지는 심리스 강관의 강도 향상에 한계가 있는 것에 착안하고, 이 문제에 대해 예의 연구를 행한 결과, 이들 종래 기술에 있어서의 고강도화의 저해 요인이 강관의 금속 조직에 존재하는 조대 탄화물인 것을 구명하였다.

즉, 특허 문헌 3 및 4의 종래 기술에서는 심리스 강관의 제조 과정에 있어서 그 가공성을 확보하기 위해, 650 내지 750℃에서 소재를 가열하여 연화시키는 열처리[특허 문헌 3의 공보 [0060], [0063] 및 특허 문헌 4의 공보 [0031], [0039]에 기재된 가열 공정 (D), (H) 참조], 소위 구상화 어닐링을 반복 실시하고 있다. 이로 인해 제조된 강관은 조대화된 탄화물을 포함하는 조직으로 된다. 그리고 이 강관을 소재로 한 중공 스프링의 제조 공정에 있어서 켄칭 처리가 행해지지만, 상기 조대화된 탄화물은 완전히 고용하지 않고 미고용인 채로 잔존하고, 이 탄화물이 스프링의 경도를 저하시켜, 상기한 바와 같이 고강도화를 저해하고 있는 것이 명백해진 것이다.

특히, 최근, 스프링 강재의 켄칭 처리에 있어서는, 가열 시의 탈탄 방지, 구 오스테나이트 입경의 미세화에 의한 스프링 특성의 향상의 관점에서 고주파 가열 등의 급속 가열을 채용하고, 가열 시간을 단축화하는 경향에 있으므로, 이러한 켄칭 처리의 조건하에서는 강 중의 미고용의 조대 탄화물의 잔존이 현저하게 드러나게 된다.

또한, 특허 문헌 3 및 4의 종래 기술에서도, 켄칭 처리의 조건에 있어서의 열 온도를 고온으로 하여 탄화물을 완전히 고용시키는 것이 가능하지만, 그러한 경우에는, 오스테나이트 입경이 조대화되어 버려, 스프링의 피로 특성이 열화되는 문제가 발생하여 바람직하지 않다.

상기 지식을 기초로, 심리스 강관의 강 중에 있어서의 탄화물의 고용과 오스테나이트 입경의 조대화 억제를 가능하게 하는 적정한 조건에 대해 더욱 연구, 실험을 진행한 바, 강관의 금속 조직 중의 탄화물의 사이즈를 일정값 이하로 컨트롤함으로써, 상기 과제인 고강도이고 내구성이 우수한 중공 스프링을 제조할 수 있는 심리스 강관을 제공할 수 있는 것을 확인하고, 상기 해결 수단에 있어서 개시한 본 발명을 완성하는 데 이르렀다.

이하, 본 발명의 내용에 대해, 본 발명 심리스 강관의 금속 조직, 성분 및 실시예의 순으로 상세하게 서술한다.

〔1〕본 강관의 금속 조직

(1) 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하

본 발명에 있어서는 심리스 강관의 금속 조직 중에 존재하는 시멘타이트(Fe₃C) 등의 금속 원소의 탄화물(M₃C, M₇C₃, M₂₃C₆ 등)이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하인 것이 큰 특징이다. 또한, 여기서 말하는 금속 원소의 탄화물이라 함은, 상기 시멘타이트를 비롯하여, 예를 들어 Mn, Cr, V, Ti, Nb, Ta, Hf 등의 탄화물 및 이들의 복합 탄화물, 상기 탄화물이나 복합 탄화물의 일부에 Fe를 더 함유하는 탄화물 등을 의미한다. 이와 같이, 조직 중의 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하로 함으로써, 중공 스프링의 제조 시의 켄칭 처리에 있어서 탄화물을 재빠르게 완전히 고용시키고, 또한 오스테나이트 입경의 조대화도 억제되어, 20㎛ 이하로 작게 유지할 수 있고, 그 결과, 1150㎫급 이상의 고강도이고 내구성이 우수한 중공 스프링을 제조하는 것이 가능해진다.

이 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하이면 되지만, 미세할수록 켄칭 처리의 가열 시에 쉽게 고용하므로, 오스테나이트 입경을 한층 더 미세화할 수 있어 스프링의 대기 피로 특성, 즉 내구성의 향상에 유리하다. 따라서, 탄화물의 사이즈는 바람직하게는 0.80㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 0.60㎛ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.40㎛ 이하로 한다.

(2) 본 강관의 금속 조직을 얻는 제조 방법

이 본 발명의 금속 조직에 있어서의 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하로 미소화하는 방법으로서는, 본 발명이 규정하는 강 성분을 갖는 심리스 강관의 제조 방법에 있어서, 기본적으로는 최종 어닐링 공정에서의 가열 온도, 즉 어닐링 온도를 750℃ 초과로 하면 된다. 통상, 심리스 강관의 제조에 있어서는 가공성의 개선을 위해 강 중의 탄화물을 구상화하는 구상화 어닐링을 복수회 실시하지만, 본 발명에서는 이 어닐링 중 최후의 어닐링 공정에 있어서 종래의 구상화 어닐링 대신에, 그 어닐링 온도 750℃ 초과로 하여 탄화물을 용해시키는 고온 어닐링을 채용하는 것이다. 물론, 복수의 어닐링 공정이 존재하는 경우에 상기 최종 어닐링 공정뿐만 아니라 나머지 어닐링 공정의 일부 또는 전부에 있어서 그 가열 온도를 750℃ 초과의 고온으로 하여 행하는 것도 상관없는 것이다.

종래 기술에서는 상기한 바와 같이, 열처리 온도를 650 내지 750℃로 하고, 750℃ 초과로 해도 어닐링 효과가 포화하여 경제적으로 바람직하지 않다고 하고 있다. 그러나 본 발명이 대상으로 하는 강재 성분에 있어서 750℃ 이하의 온도 영역에서는, 어닐링 중에 탄화물은 용해하지 않고, 조대한 상태이다. 따라서, 본 발명에서는 750℃ 이하로 가열하는 종래 기술과는 다른 고온 어닐링의 채용에 의해 어닐링 중에 탄화물을 완전히 용해시켜, 조대 탄화물을 소멸시키는 것이다. 또한, 이 고온 어닐링에 의해 강재를 연화시킬 수 있어 가공성의 개선도 동시에 달성할 수 있는 것은 물론이다. 그리고 그 후의 냉각에 있어서, 고용한 탄화물은 재석출되지만, 재석출 탄화물은, 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하의 미세한 사이즈로 되고, 이와 같이 하여 본 발명의 금속 조직을 갖는 심리스 강관이 얻어진다.

최종 어닐링 온도가 750℃ 초과이면 탄화물은 완전히 고용하고, 본 발명이 목적으로 하는 심리스 강관을 얻을 수 있지만, 최종 어닐링 시간이 지나치게 길어지면 어닐링 중에 탈탄 등 표면 성상이 열화되므로, 어닐링 시간은 짧은 쪽이 바람직하다. 어닐링 시간의 단시간화에는 가열 온도 상승이 유효하고, 가열 온도가 높으면 탄화물의 고용은 단시간에 완료된다. 이 관점에서, 최종 어닐링 온도는 800℃ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 850℃ 이상, 더욱 바람직하게는 900℃ 이상, 한층 더 바람직하게는 925℃ 이상으로 한다. 단, 1000℃를 초과하는 고온의 어닐링에서는 냉각 과정에서 베이나이트나 마르텐사이트 등의 무른 경질 조직이 생성되므로, 어닐링 온도는 1000℃ 이하로 하는 것이 좋다.

또한, 이 최종 어닐링에 있어서의 냉각은 공냉으로 하고, 그 냉각 속도는 0.5 내지 10℃/sec로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 특징으로 하는 금속 조직을 얻기 위한 구체적인 방법은 상기한 바와 같지만, 본 심리스 강관을 제조하는 전체의 방법에 대해서는 원칙적으로는 특허 문헌 3에 개시된 방법에 의한다. 단, 열간 가공이나 냉간 가공의 방식이나 그 조건은 본 발명의 특징으로 하는 바가 아니므로, 종래부터 알려지는 가공법도 채용할 수 있고, 예를 들어 열간 가공이면, 특허 문헌 3, 4에서 제안되는 열간 정수압 압출법을 채용해도 되고, 또한 압연법 등에 의해도 된다. 그 가공 조건도 임의의 방법을 채용할 수 있다.

본 심리스 강관을 제조할 시에 권장되는 방법의 개요를 설명하면, 우선, 본 발명에 규정하는 고강도 스프링용 강의 성분 범위로 조정된 분괴 압연 빌렛을 예를 들어 외경이 143㎜, 두께가 52㎜인 강관 빌렛으로 성형한다.

성형된 원통 형상 빌렛을 1050 내지 1300℃로 가열한 후, 열간 압출 장치에 의해 열간 가공을 실시하고, 강관 제1 중간체로 한다. 다음으로 이 제1 중간체를 650 내지 750℃로 가열하여 제1 중간 어닐링을 행한다. 이 중간 어닐링을 거친 제1 중간체를 필거 밀 압연기 혹은 인발기에 의해 제1 냉간 가공을 행하여 강관 제2 중간체로 한다. 다음으로, 이 강관 제2 중간체를 제1 중간체 시와 마찬가지로 650 내지 750℃로 가열하여 제2 중간 어닐링을 행한다. 이어서, 제2 중간 어닐링을 거친 강관 제2 중간체를 필거 밀 압연기 혹은 인발기에 의해 제2 냉간 가공을 행하여 강관 제3 중간체로 한다. 그리고 이 강관 제3 중간체를 750℃ 초과 내지 1000℃의 고온으로 가열하고 최종 어닐링을 행한다. 이와 같이 하여 얻어진 강관을 교정, 산세 등의 정제를 행하여 최종적으로 예를 들어 그 외경이 16㎜, 두께가 4㎜인 제품(심리스 강관)으로 한다. 또한, 상기 열간 가공 후의 중간 어닐링은 생략할 수도 있고, 또한 상기한 각 어닐링 공정에 있어서의 본 발명의 고온 어닐링의 적용에 관한 설명과 같이, 최종 어닐링 이외의 중간 어닐링 공정에 있어서도 필요에 따라 750℃ 초과의 고온 어닐링을 채용해도 된다.

〔2〕본 강관의 성분

본 발명에 관한 강관의 성분에 대해서는 상기 해결 수단 (1) 및 (2)에 기재된 바와 같고, 해결 수단 (2)에 기재된 원소는 해결 수단 (1)에 기재된 원소에 선택적으로 더 첨가하여 고강도 스프링의 특성을 더욱 향상시키기 위한 것이다. 이들 각 성분의 규정 이유 등에 대해 설명한다. 또한, ％는 모두 질량％를 의미한다.

(1) C:0.20 내지 0.70％

C는 강재의 강도로의 영향이 크다. 고강도 스프링에 적용하기 위해서는 0.20％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, C를 증량하면, 켄칭 시에 무른 렌즈 마르텐사이트가 생성되고, 스프링 피로 특성이 열화된다. 그로 인해 0.70％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 C량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.30％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.35％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.40％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.65％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.60％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.55％ 이하이다.

(2) Si:0.5 내지 3.0％

Si는 500℃ 이하에서의 템퍼링 연화 저항이 큰 것이 알려져 있다. 비교적 저온에서 템퍼링 처리를 행하는 스프링의 강도 확보에 필요한 원소이며 0.5％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, Si 증량은 템퍼링 시의 시멘타이트 석출을 억제하고, 잔류 γ를 증가시키지만, 잔류 γ의 증가에 의해 스프링 특성이 열화되므로 3.0％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 Si량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 1.0％ 이상, 더욱 바람직하게는 1.4％ 이상, 한층 더 바람직하게는 1.7％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 2.8％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.6％ 이하, 한층 더 바람직하게는 2.4％ 이하이다.

(3) Mn:0.1 내지 3.0％

Mn은 유해 원소 S를 MnS로서 고정하여 인성 열화를 억제한다. 그것을 위해서는 0.1％ 이상의 첨가가 필요해진다. 한편, Mn은 시멘타이트에 고용되어 안정화시키지만, Mn 증량에 의해 시멘타이트 중의 Mn비가 높아지면, 가열 시에 시멘타이트가 용해되기 어려워진다. 따라서, 3.0％ 이하로 하는 것이 필요하다.

또한, 이 Mn량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.15％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.30％ 이상이며, 그 상한에 대해서는 보다 바람직하게는 2.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.0％ 이하, 한층 더 바람직하게는 1.5％ 이하이다.

(4) P:0.030％ 이하(0％를 포함함)

P는 입계 편석하여 인성을 열화시키므로 낮을수록 좋다. 고강도 스프링으로서의 특성을 확보하기 위해서는 0.030％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 P량의 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.020％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.015％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.010％ 이하이다.

(5) S:0.030％ 이하(0％를 포함함)

S는 입계 취화나 조대 황화물 형성에 의해 인성을 열화시키므로 낮을수록 좋다. 고강도 스프링으로서의 특성을 확보하기 위해서는 0.030％ 이하로 제어할 필요가 있다.

또한, 이 S량의 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.020％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.015％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.010％ 이하이다.

(6) N:0.02％ 이하(0％를 포함함)

N은 Al이나 Ti 등과 질화물을 형성하고, 조직 미세화하여 인성 향상에 기여하지만, 고용 상태로 존재하면 인성을 열화시킨다. 그로 인해 본 발명에서는, N량을 0.02％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 N량의 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.015％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.005％ 이하이다.

(7) Cr:3.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Cr은 템퍼링 후의 강도 확보나 내식성 향상에 유효하고, 스프링의 고강도화에 유리한 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 0.20％ 이상의 첨가가 바람직하다. 한편, Cr은 시멘타이트에 고용되어 안정화시키지만, Cr 증량에 의해 시멘타이트 중의 Cr비가 높아지면, 가열 시에 시멘타이트가 용해하기 어려워지므로 3.0％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 Cr량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.40％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.60％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.80％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 2.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.0％ 이하, 한층 더 바람직하게는 1.5％ 이하이다.

(8) B:0.0150％ 이하(0％를 포함하지 않음)

B는 P의 입계 편석을 경감하고, 인성 열화를 억제하는 효과가 있다. 이 효과를 발현시키기 위해서는 0.0010％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 조대한 탄붕화물을 생성하고, 강도 저하, 인성 열화를 초래하므로, 0.0150％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 B량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0015％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0020％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.0025％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0120％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0100％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.0070％ 이하이다.

(9) Al:0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Al은 N을 AlN으로서 고정하고, 고용 N에 의한 인성 열화를 억제하는 동시에, 조직 미세화하여 인성 향상에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 0.001％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 Al은 Si와 마찬가지로 템퍼링 시의 시멘타이트 석출을 억제하고, 잔류 γ를 증가시키는 효과가 있어, Al 증량하면 잔류 γ의 증가에 의해 스프링 특성이 열화된다. 이로 인해, 0.10％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 Al량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.002％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.005％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.010％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.070％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.050％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.030％ 이하이다.

(10) V:1.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)

V는 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.020％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 1.0％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 V량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.030％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.050％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.070％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.50％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.30％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.20％ 이하이다.

(11) Ti:0.30％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Ti는 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.020％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 0.30％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Ti량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.030％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.050％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.070％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.25％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.15％ 이하이다.

(12) Nb:0.30％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Nb는 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.02％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 0.30％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Nb량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.030％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.050％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.070％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.25％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.15％ 이하이다.

(13) Ni:3.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Ni는 첨가에 의해 인성을 향상시키는 것이 알려져 있고, 또한, 가열 시의 탈탄을 억제하는 효과도 있어, 스프링 내구 특성 향상에 기여한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는 0.1％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 잔류 γ를 증가시켜 스프링 특성을 열화시킨다. 따라서, 3.0％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Ni량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.20％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.40％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.60％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 2.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.0％ 이하, 한층 더 바람직하게는 1.5％ 이하이다.

(14) Cu:3.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Cu는 가열 시의 탈탄을 억제하는 효과가 있어, 스프링 내구 특성 향상에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 0.10％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 잔류 γ를 증가시켜 스프링 특성을 열화시킨다. 따라서, 3.0％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Cu량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.20％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.40％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.60％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 2.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.0％ 이하, 한층 더 바람직하게는 1.5％ 이하이다.

(15) Mo:2.0％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Mo는 P의 입계 편석을 경감하고, 인성 열화를 억제하는 효과가 있다. 또한, 탄화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성을 향상시킨다. 이들 효과를 발현시키기 위해서는 0.2％ 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과잉 첨가하면 현저한 응고 편석대를 형성하고, 인성 열화를 초래한다. 따라서, 2.0％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Mo량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.30％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.50％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.70％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 1.8％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.6％ 이하, 한층 더 바람직하게는 1.4％ 이하이다.

(16) Ca:0.0050％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Ca는 미량 첨가로 황화물을 미세화하고, 인성 향상에 기여한다. 이 효과를 발현하기 위해서는, 0.0001％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 오히려 인성 열화를 초래한다. 따라서, 0.0050％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 Ca량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0002％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0003％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.0004％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0030％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0020％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.0010％ 이하이다.

(17) Mg:0.0050％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Mg는 미량 첨가로 황화물을 미세화하고, 인성 향상에 기여한다. 이 효과를 발현하기 위해서는, 0.0001％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 오히려 인성 열화를 초래한다. 따라서, 0.0050％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 Mg량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0002％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0003％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.0004％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0030％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0020％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.0010％ 이하이다.

(18) REM:0.020％ 이하(0％를 포함하지 않음)

REM은 미량 첨가로 황화물을 미세화하고, 인성 향상에 기여한다. 이 효과를 발현하기 위해서는, 0.0001％ 이상 첨가하면 된다. 한편, 과잉 첨가하면 오히려 인성 열화를 초래한다. 따라서, 0.020％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 이 REM량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.0002％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0003％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.0004％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.010％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0050％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.0010％ 이하이다.

또한, 본 발명에서 REM이라 함은, 란타노이드 원소(La로부터 Ln까지의 15원소) 및 Sc, Y를 합한 것을 가리킨다.

(19) Zr:0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Zr은 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.010％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 0.10％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Zr량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.020％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.030％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.080％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.060％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.040％ 이하이다.

(20) Ta:0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Ta는 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.01％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 0.10％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Ta량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.020％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.030％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.080％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.060％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.040％ 이하이다.

(21) Hf:0.10％ 이하(0％를 포함하지 않음)

Hf는 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하고, 인성 향상에 유효하다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.010％ 이상 첨가하면 된다. 그러나 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화하여 인성을 열화시킨다. 이 관점에서 0.10％ 이하로 할 필요가 있다. 또한, 비용 저감의 관점에서는 필요 최소한의 첨가가 바람직하다.

또한, 이 Hf량의 하한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.020％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.025％ 이상, 한층 더 바람직하게는 0.030％ 이상이며, 그 상한에 대해서는, 보다 바람직하게는 0.080％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.060％ 이하, 한층 더 바람직하게는 0.040％ 이하이다.

〔3〕실시예

본 발명의 효과를 검증하기 위해 하기의 실험을 실시하였다.

(1) 심리스 강관의 제조

표 1에 나타내는 성분을 갖는 외경 143㎜, 두께 50㎜의 각 강관 빌렛을 1000℃로 가열하여 열간 정수압 장치에 의해 열간 가공하여, 외경 60㎜, 두께 15㎜의 소관으로 하고, 또한 이것을 인발기에 의해 냉간 가공하여 외경 16㎜, 두께 4㎜의 강관을 제작하였다. 이들 강관을 표 2에 나타내는 바와 같이 700 내지 950℃의 온도(어닐링 온도)에서 최종 어닐링을 실시하고, 산세 등의 정제 처리를 행하여 제품의 심리스 강관을 얻었다. 또한, 최종 어닐링에 있어서의 냉각은 공냉에 의해 행하고, 그 냉각 속도는 1.5℃/s로 하였다.

(2) 강관의 탄화물 사이즈의 평가

상기에서 얻어진 각 심리스 강관을 그 임의의 횡단면을 관찰면으로 하도록, 절단, 수지 매립하고, 습식 연마를 실시하고, 경면으로 마무리하였다. 그 후, 피크랄에 의해 에칭하고, SEM을 이용하여 금속 조직 관찰을 행하였다. 관찰 위치는, 파이프 두께 중앙부(t/2 위치)로 하고, 3000 내지 5000배에서 5시야 촬영하였다. 관찰 사진을 화상 처리하여, 금속 조직 중의 탄화물(시멘타이트)을 원 상당 근사하고, 그 최대값을 구하였다. 이 값을 탄화물의 사이즈로서 표 2에 기재하였다.

(3) 강관의 켄칭 처리

강관을 중공 스프링으로 한 경우의 특성을 파악하기 위해, 상기 각 심리스 강관의 켄칭 처리(켄칭, 템퍼링)를 행하였다. 켄칭은 고주파 가열에 의해 1000 내지 1150℃로 가열하고, 10초간 유지 후에 수냉하였다. 또한, 템퍼링은 전기로를 사용하여 400℃에서 60분간 유지 후 공냉하였다.

(4) 강관의 켄칭 처리 후의 내구 시험

상기 켄칭 처리를 행한 각 심리스 강관을, 최대 부하 응력 1150㎫ 및 1200㎫로 대기 내구 시험을 실시하였다. 수명 10만회 이상을 합격 라인으로 한 뒤에, 10만회 미만을 ×(불합격), 10만회 이상 30만회 미만을 △(합격), 30만회 이상 50만회 미만을 ○(합격), 50만회 이상을 ◎(합격)으로 하여 평가하였다. 이 내구 시험의 결과를 표 2에 나타냈다.

(5) 켄칭 처리 후의 구 오스테나이트 입경 조사

상기 켄칭 처리 후에 있어서의 각 심리스 강관의 임의의 횡단면을 관찰면으로 하도록, 절단, 수지 매립하고, 습식 연마를 실시하고, 경면으로 마무리하였다. 그 후, 피크르산 포화 수용액을 사용하여 에칭하여 구 오스테나이트 입계를 현출시키고, 광학 현미경을 사용하여 관찰하였다. 관찰 위치는, 파이프 두께 중앙부(t/2 위치)로 하고, 400배에서 5시야 촬영하였다. 관찰 사진으로부터 절단법에 의해 구 오스테나이트 입경의 평균값을 구하였다. 이 구 오스테나이트 입경의 값을 표 2에 나타냈다.

(6) 켄칭 처리 후의 미고용 탄화물의 조사

켄칭 처리 후에 있어서의 각 심리스 강관을 그 임의의 횡단면을 관찰면으로 하도록, 절단, 수지 매립하고, 습식 연마를 실시하고, 경면으로 마무리하였다. 그 후, 피크랄에 의해 에칭하고, SEM을 이용하여 금속 조직 관찰을 행하고, 미고용의 탄화물의 유무를 조사하였다. 이 결과에 대해서도 마찬가지로 표 2에 나타냈다.

표 2의 결과로부터, 본 발명예에 관한 심리스 강관은 비교예에 관한 상기 강관과 비교하여 우수한 품질을 구비하고 있고, 즉, 켄칭 처리 후의 강도가 1150㎫급 이상이고 또한 10만회 이상의 내구 시험에 견디는 대기 피로 특성을 갖고, 높은 강도와 내구성을 구비한 것인 것이 판명되고, 고강도 중공 스프링용 심리스 강관으로서 유리하게 적용할 수 있는 것이다. 또한, 표 2의 각 비교예에 있어서 본 발명의 상기 목적으로 하는 강도와 내구성이 얻어지지 않는 것은, 강재 No.A1-1, A5-1, A6-1, A11-1, A15-1, A28-1, A29-1, A30-1, A32-1, A34-1, A35-1, A36-1 및 A46-1은 각각 본 발명이 규정하는 강 성분의 범위를 만족하지 않고, 또한 강재 No.A7-2, A7-3, A14-2, A14-3, A18-2, A23-2, A37-2, A37-3, A42-2 및 A42-3은 본 발명이 규정하는 탄화물의 사이즈를 만족하지 않고, 또한 강재 No.A16-1 및 A35-1은 본 발명이 규정하는 강 성분 및 탄화물의 사이즈의 양쪽을 만족하지 않기 때문이다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 여러 가지 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에 있어서 명백하다.

본 출원은, 2010년 3월 4일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2010-047648호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 심리스 강관은, 자동차에 사용되는 중공 형상의 현가 스프링 등의 제조에 유용하다.

Claims

C:0.20 내지 0.70질량％, Si:0.5 내지 3.0질량％, Mn:0.1 내지 3.0질량％, P:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), S:0.030질량％ 이하(0％를 포함함), N:0.02질량％ 이하(0％를 포함함), 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 탄화물이 원 상당 직경으로 1.00㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 고강도 중공 스프링용 심리스 강관.
제1항에 있어서, Cr:3.0질량％ 이하(0％를 포함하지 않음, 이하 동일), B:0.0150질량％ 이하, Al:0.10질량％ 이하, V:1.0질량％ 이하, Ti:0.30질량％ 이하, Nb:0.30질량％ 이하, Ni:3.0질량％ 이하, Cu:3.0질량％ 이하, Mo:2.0질량％ 이하, Ca:0.0050질량％ 이하, Mg:0.0050질량％ 이하, REM:0.020질량％ 이하, Zr:0.10질량％ 이하, Ta:0.10질량％ 이하, Hf:0.10질량％ 이하로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유하는, 고강도 중공 스프링용 심리스 강관.