KR101555160B1 - 비조질 강재 - Google Patents

Abstract

이 비조질 강재는, 질량％로, C:0.20 내지 0.60％, Si:0.50 내지 2.0％, Mn:0.20 내지 2.0％, P:0.010 내지 0.15％, S:0.010 내지 0.15％, V:0.10 내지 0.50％, N:0.002 내지 0.02％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불순물을 포함하는 강 성분을 포함하고, 강재의 단면에서의, 상기 강재 중의 V 농도의 평균값에 대한 상기 강재 중의 V 농도의 최대값의 비를 V의 편석비로 했을 때, 상기 V의 편석비가 1.0 이상, 3.0 미만이다.

Description

비조질 강재{NON-HEAT TREATED STEEL}

본 발명은, 열간 단조에 의한 강 부품 성형 직후의 켄칭 템퍼링의 조질 처리를 생략해서 사용하기에 적합한 비조질 강재에 관한 것으로서, 특히 파단 분할해서 사용하는 강 부품용의 소재에 관계되는 것이다.

최근의 자동차 엔진용 단조 부품 및 언더 보디용 단조 부품에는, 조질 처리의 생략이 가능한 열간 단조용 비조질 강(이하, 비조질 강으로 함)이 적용되어 있다. 비조질 강은 열간 단조 후, 공냉 또는 풍냉인 상태라도, 즉 종래의 켄칭 템퍼링의 조질 처리를 생략해도, 우수한 기계적 성질을 실현하도록 성분 설계된 강이다.

비조질 강이 널리 적용되고 있는 부품의 하나로서, 엔진용 커넥팅 로드가 있다. 커넥팅 로드는, 엔진 내의 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 샤프트의 회전 운동으로 변환하여, 동력을 전달하는 부품이며, 캡과 로드의 2개의 부품으로 구성되어 있다. 커넥팅 로드는, 이 캡과 로드 사이에 크랭크 샤프트를 끼워 놓고, 볼트로 체결함으로써, 크랭크 샤프트에 설치되어 있다. 종래, 커넥팅 로드는, 캡과 로드를 별도로 단조한 후, 혹은 캡과 로드를 일체의 형태로 단조한 것을 기계적으로 절단한 후, 캡과 로드의 맞춤면을 기계 가공에 의해 고정밀도로 가공함으로써 제작되어 왔다. 또한, 이 맞춤면이 어긋나지 않도록 핀 가공이 행해지는 경우가 많아, 가공 공정이 더 번잡해지고, 제조 비용이 높아진다는 문제가 있었다.

이로 인해, 최근, 강재를 캡과 로드가 일체로 된 형상으로 열간 단조 성형한 후, 성형품의 대단부 내측에 절결 가공을 실시하고, 성형품에 냉간에서 충격 인장 응력을 부여해서 이를 캡과 로드로 파단 분할하고, 그 파단면을 그대로 맞춤면으로서 이용함으로써 캡과 로드를 크랭크 샤프트에 설치하는 공법이 채용되도록 되어 있다. 이 공법은, 맞춤면의 기계 가공 공정이 불필요해진다. 또한 파면의 요철을 이용함으로써 어긋남 방지를 위한 핀 가공도, 이 공법에서는 필요에 따라 생략할 수 있다. 이러한 점에서, 부품의 가공 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 핀의 폐지에 의해 맞춤면의 면적을 삭감할 수 있으므로, 커넥팅 로드 자체의 소형ㆍ경량화를 도모하는 것도 가능하게 된다.

이와 같은 파단 분할 커넥팅 로드가 널리 보급된 구미에서, 파단 분할 커넥팅 로드용 강으로서 보급되어 있는 것은, DIN 규격의 C70S6이다. 이것은 0.7중량％의 탄소를 포함하는 고탄소 비조질 강이며, 파단 분할 시의 치수 변화를 억제하기 위해, 조직의 거의 모두를 연성 및 인성이 낮은 펄라이트 조직으로 한 것이다. C70S6은, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량이 작으므로 파단 분리성이 우수한 한편, 현행의 커넥팅 로드용 강인 중탄소 비조질 강의 페라이트-펄라이트 조직에 비해 조직이 조대하므로 항복비(=항복 강도/인장 강도)가 낮고, 높은 좌굴 강도가 요구되는 고강도 커넥팅 로드에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.

항복비를 높이기 위해서는, 탄소량을 낮게 억제하고, 페라이트 분율을 증가시키는 것이 필요하다. 그러나, 페라이트 분율을 증가시키면 연성 및 인성이 향상되어, 파단 분할 시에 파면 근방의 소성 변형량이 커지고, 커넥팅 로드 대단부의 내경의 형상 변형량이 증대되어, 파단 분리성이 저하될 문제가 발생한다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 파단 분리성이 우수한 중탄소 비조질 강이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, Si 또는 P와 같은 취화 원소를 다량으로 첨가하고, 재료 자체의 연성 및 인성을 저하시킴으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 제2상 입자의 석출 강화를 이용해서 페라이트의 연성 및 인성을 저하시킴으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 5 내지 8에는, Mn 황화물의 형태를 제어함으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 9에는, 강재를 고상선, 또는 액상선에 가까운 초고온으로 가열하고, 조직을 현저하게 조대화시킴으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 이들 기술은 파단 분할한 파단면의 변형량을 작게 하는 한편, 재료를 무르게 하므로, 파단 분할 시, 혹은 파단면끼리를 맞물리게 할 때에 칩이 생긴다. 파단면의 칩은, 파단면을 맞물릴 때에 위치 어긋남이 생기므로, 고정밀도로 맞물리게 할 수 없게 되는 문제를 발생시키는 경우가 있다.

일본 특허 제3637375호 공보 일본 특허 제3756307호 공보 일본 특허 제3355132호 공보 일본 특허 제3988661호 공보 일본 특허 제4314851호 공보 일본 특허 제3671688호 공보 일본 특허 제4268194호 공보 국제 공개 제2009-107282호 팸플릿 일본 특허 제4086734호 공보 일본 특허 제4705740호 공보

본 발명은 상기의 사정을 감안하여, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 또한, 파단면의 칩 발생을 억제한, 파단 분리성이 우수한 비조질 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 종래 기술과 비교해서 다량의 V를 함유시켜 파단 분할 시의 변형량을 작게 하고, 또한 강재의 V의 편석을 저감함으로써, 파단 분할 후의 파단면의 칩을 저감할 수 있는 것을 지견하고, 본 발명을 완성시켰다. 본 발명의 요지는, 다음과 같다.

(a) 본 발명의 일 형태에 따른 비조질 강재는, 질량％로,

C:0.20 내지 0.60％,

Si:0.50 내지 2.0％,

Mn:0.20 내지 2.0％,

P:0.010 내지 0.15％,

S:0.010 내지 0.15％,

V:0.10 내지 0.50％,

N:0.002 내지 0.02％

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불순물을 포함하는 강 성분을 포함하고, 강재의 단면에서의, 상기 강재 중의 V 농도의 평균값에 대한 상기 강재 중의 V 농도의 최대값의 비를 V의 편석비로 했을 때, 상기 V의 편석비가 1.0 이상, 3.0 미만이다.

(b) 상기 (a)에 기재된 비조질 강재는, 질량％로,

Ca:0.005％ 이하,

Mg:0.005％ 이하,

Zr:0.005％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 좋다.

(c) 상기 (a) 또는 (b)에 기재된 비조질 강재는, 질량％로,

Cr:0.25％ 이하,

Ti:0.10％ 이하,

Nb:0.05％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 좋다.

본 발명의 상기 형태에 따른 비조질 강재는, 열간 단조 후에 공냉 또는 풍냉한 후 파단 분할을 행했을 때에, 파단면 근방의 소성 변형량이 작고 또한 파단면의 칩 발생이 적은, 우수한 파단 분리성을 갖는다. 파단면의 소성 변형량이 작고, 또한 칩 발생이 적다고 하는 특징에 의해, 파단면이 맞물림 시에 위치 어긋남이 생기지 않고 고정밀도로 파단면을 맞물리게 할 수 있어, 부품 제조의 수율을 향상시킨다. 또한, 이 특징에 의해, 칩을 떨어뜨리는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용의 저감에 연결되고, 이것은 산업상 매우 효과가 큰 것이다.

도 1은 파단 분리성 평가 시험에 사용한 커넥팅 로드 대단부 상당 형상의 시험편을 도시하는 도면이며, (a)는 평면도, (b)는 측면도이다.
도 2는 V의 편석비와 파단면의 칩 발생량의 관계를 나타낸 도면이다.

본 발명자들은, 파단 분할 후의 파단면 근방의 소성 변형량 및 파단면의 칩 발생에 영향을 미치는 각종 인자에 대해 예의 검토하고, 이하의 지식을 얻었다.

(1) V를 다량으로 함유함으로써, 파단 분할 후의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 할 수 있다. 열간 단조 후의 냉각 과정에 있어서, 페라이트 조직 중에 V 탄화물 및 V 탄질화물이 석출되고, 석출 강화에 의해 페라이트를 강화시킨다. 페라이트 강화에 의해, 연성 및 인성이 저하된다. 충분한 저연성화 및 저인성화에 의해, 파단 분할 후의 변형량이 작아진다. 그러나, 일반적으로 저연성화 및 저인성화에 수반하여 파단면은 무르게 되고, 이에 의해 파단면의 칩이 발생하는 경우가 있다.

(2) 강재의 V의 편석을 저감함으로써, 이와 같은 파단면의 칩 발생이 저감된다. 다량으로 V를 함유함으로써, V가 현저하게 편석되고, V량이 불균일해지고, 이에 의해 페라이트 변태 개시 온도가 강재 내에서 불균일해지므로, 강재의 마이크로 조직이 불균일해진다. 강재를 파단 분할했을 때, 불균일한 조직은 균열의 진전 방향을 크게 바꿈과 함께, 균열을 분기시켜 부균열을 발생시켜, 이것이 다량의 칩 발생의 원인이 된다.

또한, 본 발명은, 상기 「V의 편석」을 「V의 편석비」로서 규정한다. 이 「V의 편석비」란, 강재의 단면에 있어서의, 강재 중 V 농도의 평균값에 대한 강재 중 V 농도의 최대값의 비(최대값/평균값)를 말한다.

이하에, 본 실시 형태에 따른 강이 함유하는 각 원소의 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다. 성분에 대한 ％는, 질량％를 의미한다.

C:0.20 내지 0.60％

C는, 부품의 인장 강도를 확보하는 효과와, 또한 연성 및 인성이 낮은 펄라이트의 체적 분율(즉 펄라이트 분율)을 증가시켜 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고 양호한 파단 분리성을 실현하는 효과를 갖는다. 이들 효과를 얻기 위해서는, C 함유량의 하한을 0.20％로 할 필요가 있다. C 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.25％이며, 보다 바람직하게는 0.30％이다. C 함유량의 상한은, 파단 분리성을 향상시킨다고 하는 관점에서는 규정할 필요가 없다. 그러나, C를 과잉으로 함유하면, 펄라이트 분율이 과대해지고, 조직이 조대화되어 항복비가 저하되고, 좌굴 강도가 요구되는 고강도 커넥팅 로드에 적용하는 경우에는 바람직하지 않다. 따라서, C 함유량의 상한은 0.60％로 한다. C 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.50％이며, 보다 바람직하게는 0.48％이다.

Si:0.50 내지 2.0％

Si는, 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고 양호한 파단 분리성을 실현하는 효과를 갖는다. 이 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량의 하한을 0.50％로 할 필요가 있다. Si를 과잉으로 함유하면, 페라이트 분율이 과대해져, 오히려 강재의 파단 분리성이 저하되는 경우가 있으므로, Si 함유량의 상한은 2.0％로 한다. Si 함유량의 상한은, 바람직하게는 1.5％이며, 보다 바람직하게는 1.25％이다.

Mn:0.20 내지 2.0％

Mn은, 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고 양호한 파단 분리성을 실현하는 효과를 갖는다. 또한, Mn은, S와 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 강재를 파단 분할시킬 때, 압연 방향으로 연신한 Mn 황화물을 따라서 균열이 전파되므로, Mn의 함유는 파단면의 요철을 크게 하여, 파단면을 맞물릴 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Mn 함유량의 하한을 0.20％로 할 필요가 있다. Mn 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.30％이며, 보다 바람직하게는 0.45％이다. Mn을 과잉으로 함유하면, 펄라이트의 라멜라 간격이 작아지고, 펄라이트의 연성 및 인성이 높아진다. 그로 인해, 오히려 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량이 커져 파단 분리성이 저하된다. 또한, Mn을 과잉으로 함유하면, 베이나이트 조직이 생성하기 쉬워져, 파단 분리성이 대폭 저하되는 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량의 상한은 2.0％로 한다. 바람직하게는, Mn 함유량의 상한은 1.5％이며, 보다 바람직하게는 1.2％이며, 더욱 바람직하게는 1.0％이다.

P:0.010 내지 0.15％

P는, 페라이트 및 펄라이트의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 양호한 파단 분리성을 실현하는 효과를 갖는다. 이 효과를 얻기 위해서는, P 함유량의 하한을 0.010％로 할 필요가 있다. 바람직하게는, P 함유량의 하한은 0.030％이다. P를 과잉으로 함유하면, 열간 연성이 저하되고, 열간 가공 시에 균열 또는 손상이 발생하기 쉬워지는 경우가 있으므로, P 함유량의 상한은 0.15％이다. P 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.10％이며, 보다 바람직하게는 0.070％이다.

S:0.010 내지 0.15％

S는, Mn과 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 강재를 파단 분할시킬 때, 압연 방향으로 연신한 Mn 황화물을 따라서 균열이 전파되므로, S의 함유는 파단면의 요철을 크게 하고, 파단면을 맞물릴 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, S 함유량의 하한을 0.010％로 할 필요가 있다. S를 과잉으로 함유하면, 파단 분할 시의 파단면 근방의 소성 변형량이 증대되고, 파단 분리성이 저하되는 경우가 있다. 또한, S를 과잉으로 함유하면, 열간 연성이 저하되고, 열간 가공 시에 균열 또는 손상이 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 따라서, S 함유량의 상한은 0.15％이다. S 함유량의 상한은, 바람직하게는 0.12％이며, 보다 바람직하게는 0.10％이다.

V:0.10 내지 0.50％

V는, 본 실시 형태에 따른 강에 있어서 중요한 성분이다. V는, 열간 단조 후의 냉각 시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여 페라이트를 강화시키고, 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하여 강재의 파단 분리성을 양호하게 한다. 또한, V는, 탄화물 또는 탄질화물의 석출 강화에 의해, 강재의 항복비를 높인다고 하는 효과가 있는, 이들 효과를 얻기 위해서는, V 함유량의 하한을 0.10％로 할 필요가 있다. V 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.15％이며, 보다 바람직하게는 0.20％이다. 한편, V를 과잉으로 함유해도, 그 효과는 포화되므로, V 함유량의 상한은 0.50％이다. 바람직하게는, V 함유량의 상한은 0.35％이다.

N:0.002 내지 0.02％

N은, 열간 단조 후의 냉각 시에 주로 V 질화물 또는 V 탄질화물을 형성하여 페라이트의 변태 핵으로서 작용함으로써 페라이트 변태를 촉진한다. 이에 의해 강재의 파단 분리성을 대폭 손상시키는 베이나이트 조직의 생성을 억제하는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, N 함유량의 하한을 0.002％로 할 필요가 있다. N을 과잉으로 함유하면, 열간 연성이 저하되고, 열간 가공 시에 균열 또는 손상이 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 따라서, N 함유량의 상한은 0.02％이다. 바람직하게는, N 함유량의 상한은 0.01％이다.

Ca:0.005％ 이하, Mg:0.005％ 이하, Zr:0.005％ 이하 중 1종 또는 2종 이상

Ca, Mg, Zr은 모두, 산화물을 형성하고, Mn 황화물의 정출 핵 또는 석출 핵이 되고, Mn 황화물을 균일하게 미세하게 분산시킨다. 이 Mn 황화물이 파단 분할 시의 균열의 전파 경로가 되고, 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고 파단 분리성을 높이는 효과가 있다. 이들 Ca, Mg, Zr을 과잉으로 함유해도, 그 효과는 포화되므로, Ca, Mg, Zr의 함유량의 상한을 각각 0.005％로 한다. 이 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, Ca, Mg, Zr의 함유량의 하한을 각각 0.0005％로 하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 따른 강재는, Cr:0.25％ 이하, Ti:0.10％ 이하 및 Nb:0.05％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 필요에 따라서 더 함유할 수 있다.

Cr:0.25％ 이하

Cr은, Mn과 마찬가지로 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 양호한 파단 분리성을 얻는 효과가 있다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유하면, 펄라이트의 라멜라 간격이 작아져, 오히려 펄라이트의 연성 및 인성이 높아진다. 그로 인해, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량이 커져 파단 분리성이 저하된다. 또한, Cr을 과잉으로 함유하면, 베이나이트 조직이 생성하기 쉬워져, 파단 분리성이 대폭 저하되는 경우가 있다. 따라서, 상술한 효과를 얻기 위해 Cr을 함유시키는 경우, Cr 함유량을 0.25％ 이하로 한다. 바람직하게는, Cr 함유량의 상한은 0.15％이다. Cr의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량의 하한을 0.01％로 하는 것이 바람직하다.

Ti:0.10％ 이하

Ti는, 열간 단조 후의 냉각 시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 석출 강화에 의해 페라이트를 강화시키고 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 양호한 파단 분리성을 얻는 효과가 있다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유하면 그 효과가 포화되므로, 상술한 효과를 얻기 위해 Ti를 함유시키는 경우, Ti 함유량의 상한을 0.10％로 한다. Ti의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Ti 함유량의 하한을 0.005％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 Ti 함유량의 범위는, 0.010 내지 0.030％이다.

Nb:0.05％ 이하

Nb는, 열간 단조 후의 냉각 시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 석출 강화에 의해 페라이트를 강화시키고 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단 시의 파단면 근방의 소성 변형량을 작게 하고 양호한 파단 분리성을 얻는 효과가 있다. 그러나, Nb를 과잉으로 함유하면 그 효과가 포화되므로, 상술한 효과를 얻기 위해 Nb를 함유시키는 경우, Nb 함유량의 상한을 0.05％로 한다. Nb의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Nb 함유량의 하한을 0.005％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 Nb 함유량의 범위는 0.010 내지 0.030％이다.

본 실시 형태에 따른 강재의 잔량부는, 철 및 불순물이다. 불순물이란, 광석이나 스크랩 등의 원재료 및 제조 환경으로부터 혼입되는 것을 말한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 강재는, 상기 성분 외에, 본 실시 형태에 따른 강의 효과를 손상시키지 않는 범위에서, Te, Zn 및 Sn 등을 함유할 수 있다.

다음에, 강재의 V의 편석비를 1.0 이상, 3.0 미만으로 한 이유에 대해 설명한다.

V를 다량으로 함유하면, 강재가 저연성 및 저인성이 되고, 파단 분할 시의 파단면 근방의 소성 변형량이 작아진다. 그 한편, V를 다량으로 함유하면, 파단면이 무르게 되어, 칩이 발생하기 쉬워진다. V를 다량으로 함유하면, 현저한 V의 편석이 생기므로, 열간 단조 후의 조직이 불균일해지고, 이것이, 강재를 파단 분할했을 때에, 균열의 진전 방향을 크게 바꿈과 함께, 균열을 분기시켜 부균열을 발생시킨다. 이것은 다량의 칩 발생의 원인이 된다. 본 발명자들은, V의 편석비와 파단면의 칩 발생의 관계에 대해 검토했다.

C:0.38％(질량％, 이하 동일함), Si:0.88％, Mn:0.69％, P:0.054％, S:0.073％, V:0.30％, N:0.0104％, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강을, 전로에서 용제하여 연속 주조에 의해 제조하고, 열간 압연에 의해 직경이 56㎜의 봉강 형상으로 했다. 이때에, 연속 주조에 있어서의 주형 내의 전자기 교반의 실시 유무, 턴디쉬 내 용강 과열도(13 내지 52℃), 또는 최종 응고부에서의 경압하의 압하 구배(0.0 내지 3.0㎜/m)를 조정함으로써, V의 편석비를 변화시킨 복수의 강재를 준비했다.

V의 편석비는, V의 편석의 정도를 나타내는 지표이다. 여기서는 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 사용해서, 직경이 56㎜의 봉강에 대해, 열간 압연 방향에 수직인 단면 내에서 표면으로부터 중심 및 중심으로부터 표면까지 직경 방향으로 선 분석을 행하고, V 농도의 최대값과 평균값을 측정하고, 그 비(=V 농도의 최대값/평균값)를 산출했다. 따라서, 편석이 현저한 경우, 편석비의 값은 높고, 편석이 없는 경우, 편석비의 값은 1.0이 된다.

파단면의 칩 발생을 평가하기 위해, 단조 커넥팅 로드 상당의 시험편을 열간 단조에 의해 제작했다. 구체적으로는, 직경 56㎜, 길이 100㎜의 봉강을 1250℃로 가열하고, 그 후 봉강의 길이 방향에 수직으로 단조하여 두께 20㎜로 하고, 또한 공냉(대기 중에서의 방냉)에 의해 실온까지 냉각했다. 그 후, 이 봉강을 절삭 가공하고, 커넥팅 로드 대단부 상당 형상의 시험편으로 했다. 시험편은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 80㎜×80㎜ 또한 두께 18㎜의 판 형상의 중앙부에, 직경 50㎜의 구멍을 뚫은 것이며, 직경 50㎜의 구멍의 내면 상에는, 단조 전의 소재인 봉강의 길이 방향에 대해 ±90도의 위치 2개소에, 깊이 1㎜ 또한 선단 곡률 0.5㎜의 45도의 V 노치 가공을 실시했다. 또한, 볼트 구멍으로서 직경 8㎜의 관통 구멍을, 그 중심선이 노치 가공측의 측면으로부터 8㎜의 개소에 위치하도록 뚫었다.

파단 분할 장치는 분할형과 낙추 시험기로 구성되어 있다. 분할형은, 직사각형의 강재 상에 성형한 직경 46.5㎜의 원기둥을 중심선을 따라서 2분할한 형상이며, 분할된 원기둥의 한쪽이 고정되고, 다른 쪽이 레일 상을 이동한다. 2개의 반원 기둥의 맞춤면에는, 쐐기 구멍이 가공되어 있다. 시험편을 파단시킬 때에는, 시험편의 직경 50㎜의 구멍을 이 분할형의 직경 46.5㎜의 원기둥에 끼워 넣고, 쐐기를 넣어, 낙추 위에 설치한다. 낙추는 질량 200㎏이며, 가이드를 따라서 낙하하는 구조이다. 낙추를 떨어뜨리면, 쐐기가 박혀져, 시험편은 2개로 인장 파단된다. 또한, 파단 시에 시험편이 분할형으로부터 유리되지 않도록, 시험편은 분할형에 가압되도록 주위가 고정되어 있다.

본 시험에서는, 시험편을 낙추 높이 100㎜에서 파단시킨 후, 파단면을 맞대어 20Nㆍm의 토크로 볼트 체결하여 조립하는 작업과 볼트를 느슨하게 하여 파단면을 풀어놓는 작업을 10회 반복하고, 이때에 탈락된 파편의 총 중량을 파단면의 칩 발생량이라고 정의한다.

도 2에, V의 편석비와 파단면의 칩 발생량의 관계를 나타낸다. V의 편석비의 저하에 의해 파단면의 칩 발생량은 감소한다. 칩 발생량을, 칩을 떨어뜨리는 공정을 생략할 수 있는 목표인 1.0㎎ 이하로 억제하기 위해서는, V의 편석비를 3.0 미만으로 할 필요가 있다. 따라서, V의 편석비의 상한은 3.0 미만으로 했다. 보다 칩 발생량을 억제하기 위해서는, V의 편석비는 바람직하게는 2.5 이하이고, 보다 바람직하게는 2.0 이하이다.

V의 편석비의 조절은, 상술한 바와 같이, 연속 주조에 있어서의 주형 내의 전자기 교반의 실시 유무, 턴디쉬 내 용강 과열도 및 최종 응고부에서의 경압하의 압하 구배를 조정함으로써, 실현할 수 있다. 전자기 교반을 실시하고, 턴디쉬 내 용강 과열도를 13℃ 이상 40℃ 이하로 하고, 또한 최종 응고부에서의 경압하의 압하 구배를 0.5㎜/m 이상 2.0㎜/m 이하로 하면, V의 편석비를 1.0 이상, 3.0 미만으로 할 수 있다.

본 발명을 실시예에 의해 이하에 상세하게 설명한다. 또한, 이들 실시예는 본 발명의 기술적 의의 및 효과를 설명하기 위한 것이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

<실시예>

표 1에 나타내는 조성을 갖는 전로에서 용제한 강을 연속 주조함으로써 블룸을 제조하고, 이 블룸을, 분괴 압연 공정을 거쳐서 162㎜×162㎜의 빌렛으로 하고, 또한 열간 압연에 의해 직경이 56㎜의 봉강 형상으로 했다. 또한, 표 중의 「-」의 기호는, 기호가 기재된 개소에 관한 원소의 함유량이 검출 한계치 이하인 것을 나타내고 있다. 또한, 표 2에 나타내는 바와 같이 연속 주조에 있어서의 주형 내의 전자기 교반의 실시 유무, 턴디쉬 내 용강 과열도 및 최종 응고부에서의 경압하량을 조정함으로써, V의 편석비를 변화시킨 강재를 준비했다. 전자기 교반을 실시할 때, 65㎝/sec의 유속으로 교반했다. 또한 턴디쉬 내 과열도 13 내지 52℃의 범위로, 강을 주형에 주입하고, 최종 응고부에서의 경압하의 압하 구배 0 내지 1.4㎜/m의 범위에서 압하했다. 분괴 압연 전의 블룸의 가열 온도 및 가열 시간은, 각각 1270℃ 및 140min이며, 열간 압연 전의 빌렛의 가열 온도 및 가열 시간은, 각각 1240℃ 및 90min이었다. 표 1의 비교 강의 하선 부분은, 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다.

다음에, V의 편석의 정도를 조사하기 위해, 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 사용해서, 직경이 56㎜의 봉강에 대해, 압연 방향에 수직인 단면 내에서 표면으로부터 중심 및 중심으로부터 표면까지 직경 방향으로 선 분석을 행하고, V의 농도 분포를 측정하고, V 농도의 최대값과 평균값의 비인 편석비를 산출했다.

다음에, 파단 분리성 및 기계적 특성(인장 특성)을 조사하기 위해, 단조 커넥팅 로드 상당의 시험편을 열간 단조로 작성했다. 구체적으로는, 직경 56㎜, 길이 100㎜의 소재 봉강을, 1150 내지 1280℃로 가열 후, 봉강의 길이 방향에 수직으로 단조하여 두께 20㎜로 하고, 공냉(대기 중에서의 방냉)에 의해 실온까지 냉각했다. 냉각 후의 단조재로부터, JIS4호 인장 시험편과, 커넥팅 로드 대단부 상당 형상의 파단 분리성 평가용 시험편을 절삭 가공했다. JIS4호 인장 시험편은 단조재 측면으로부터 30㎜ 위치로 길이 방향을 따라서 채취했다. 파단 분리성 평가용 시험편은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 80㎜×80㎜ 또한 두께 18㎜의 판 형상의 중앙부에, 직경 50㎜의 구멍을 뚫은 것이며, 직경 50㎜의 구멍의 내면 상에는, 단조 전의 소재인 봉강의 길이 방향에 대해 ±90도의 위치 2개소에, 깊이 1㎜ 또한 선단 곡률 0.5㎜의 45도의 V 노치 가공을 실시했다. 또한, 볼트 구멍으로서 직경 8㎜의 관통 구멍을, 그 중심선이 노치 가공측의 측면으로부터 8㎜의 개소에 위치하도록 뚫었다.

파단 분리성 평가의 시험 장치는, 분할형과 낙추 시험기로 구성되어 있다. 분할형은 직사각형의 강재 상에 성형한 직경 46.5㎜의 원기둥을 중심선을 따라서 2분할한 형상으로, 한쪽이 고정되고, 한쪽이 레일 상을 이동한다. 2개의 반원 기둥의 맞춤면에는 쐐기 구멍이 가공되어 있다. 파단 시험 시에는, 시험편의 직경 50㎜의 구멍을 이 분할형의 직경 46.5㎜의 원기둥에 끼워 넣고, 쐐기를 넣어서 낙추 위에 설치한다. 낙추는 질량 200㎏이며, 가이드를 따라서 낙하하는 구조이다. 낙추를 떨어뜨리면, 쐐기가 박혀, 시험편은 2개로 인장 파단된다. 또한, 파단 시에 시험편이 분할형으로부터 유리되지 않도록, 시험편은 분할형에 가압되도록 주위를 고정되어 있다.

본 시험에서는, 낙추 높이 100㎜로 파단을 행하고, 파단 후의 시험편을 맞대어 볼트 체결하고, 파단 방향의 내경과, 파단 방향에 수직인 방향의 내경과의 차를 측정하고, 이를 파단 분할에 의한 변형량으로 했다. 그 후, 파단면을 맞대어 20Nㆍm의 토크로 볼트 체결하여 조립하는 작업과 볼트를 느슨하게 하여 파단면을 풀어놓는 작업을 10회 반복하고, 이에 의해 탈락된 파편의 총 중량을 파단면의 칩 발생량이라고 정의했다. 파단 분리성에 대해서는, 파단 분할에 의한 변형량이 100㎛를 초과하는 것, 또는 파단면의 칩 발생량이 1.0㎎을 초과하는 것은 목표 미달로 했다.

또한 항복비에 대해서는, 0.70에 충족되지 않는 것은 목표 미달로 했다. 연신률에 대해서는, 18％를 초과하는 것은 목표 미달로 했다.

시험 No.1 내지 22의 본 발명예는 모두 목표를 달성하고 있고, 우수한 파단 분리성을 갖고 있는 것을 알았다. 한편, 시험 No.23 내지 26, 28, 30은, C, Si, Mn, P, V량이 본 발명의 범위로부터 벗어나 있으므로, 페라이트 분율이 높거나, 혹은 페라이트 및 펄라이트 조직의 연성을 충분히 저하시킬 수 없어, 고연성이었으므로, 파단 분할 시의 변형량이 커서 파단 분리성이 나빴다. 시험 No.27, 31은, Mn, Cr량이 본 발명의 범위로부터 벗어나 있으므로, 베이나이트 조직이 생성되거나, 혹은 펄라이트 조직의 연성을 충분히 저하시킬 수 없어, 파단 분할의 변형량이 커서 파단 분리성이 나빴다. 시험 No.29는, S량이 본 발명의 범위로부터 벗어나 있으므로, 종횡비가 큰 Mn 황화물의 양이 증가해서 세퍼레이션이 발생하고, Mn 황화물의 연신 방향으로 평행한 균열이 발생했으므로, 파단 분할의 변형량이 커서 파단 분리성이 나빴다. 시험 No.32 내지 38은, 강 성분이 본 발명의 범위 내이지만, 연속 주조에 있어서의 주형 내의 전자기 교반을 실시하지 않고 있는, 턴디쉬 내 용강 과열도가 40℃를 상회하여 높고 또는 최종 응고부에서의 경압하의 조건이 규정 범위 외이었으므로, V의 편석비가 3.0 이상이며, 파단면의 칩 발생량이 목표 미달이었다.

본 발명의 비조질 강재는, 열간 단조 후에 공냉 또는 풍냉한 후 파단 분할을 행했을 때에, 파단면 근방의 소성 변형량이 작고 또한 파단면의 칩 발생이 적은, 우수한 파단 분리성을 갖는다. 파단면의 소성 변형량이 작고, 또한 칩 발생이 적다고 하는 특징에 의해, 파단면이 맞물릴 때에 위치 어긋남이 생기지 않고 고정밀도로 파단면을 맞물리게 할 수 있어, 부품 제조의 수율을 향상시킨다. 또한, 이 특징에 의해, 칩을 떨어뜨리는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용의 저감에 연결되고, 이것은 산업상 매우 효과가 크다.

1 : 시험편
2 : 구멍
3 : V 노치
4 : 관통 구멍

Claims (3)

1. 질량％로,
   C:0.20 내지 0.60％,
   Si:0.50 내지 2.0％,
   Mn:0.30 내지 2.0％,
   P:0.010 내지 0.15％,
   S:0.010 내지 0.15％,
   V:0.20 내지 0.50％,
   N:0.002 내지 0.02％
   를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불순물을 포함하는 강 성분을 포함하고,
   강재의 단면에서의, 상기 강재 중의 V 농도의 평균값에 대한 상기 강재 중의 V 농도의 최대값의 비를 V의 편석비로 했을 때, 상기 V의 편석비가 1.0 이상, 3.0 미만인 것을 특징으로 하는, 파단 분할해서 사용하는 비조질 강재.
2. 제1항에 있어서,
   질량％로,
   Ca:0.005％ 이하,
   Mg:0.005％ 이하,
   Zr:0.005％ 이하
   중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 파단 분할해서 사용하는 비조질 강재.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   질량％로,
   Cr:0.25％ 이하,
   Ti:0.10％ 이하,
   Nb:0.05％ 이하
   중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 파단 분할해서 사용하는 비조질 강재.

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