KR101660616B1 - 스프링 가공성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재 및 그의 제조 방법, 및 고강도 스프링 - Google Patents

Abstract

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재는, 열간 압연 후의 강 선재이며, 소정의 화학 성분 조성을 갖고, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 또한 펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ가 각각 하기 (1)식, (2)식을 만족한다.
8.0≤Pave≤12.0 …(1)
0.0<Pσ≤0.5 …(2)

Description

스프링 가공성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재 및 그의 제조 방법, 및 고강도 스프링{STEEL WIRE ROD WITH EXCELLENT SPRING WORKABILITY FOR HIGH-STRENGTH SPRING, PROCESS FOR MANUFACTURING SAME, AND HIGH-STRENGTH SPRING}

본 발명은, 자동차의 밸브 스프링 등에 사용되고, 높은 가공성(신선성(伸線性), 코일링성, 나아가서는 후술하는 SV성)을 가진 고강도 스프링용 강 선재 및 그의 제조 방법, 및 이 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어지는 고강도 스프링(경인(硬引) 스프링, 오일 템퍼링 스프링) 등에 관한 것이다.

자동차에 사용되는 스프링에는, 주로 엔진에 사용되는 밸브 스프링이 알려져 있지만, 이 밸브 스프링은, 주로 신선 가공한 와이어를 오일 템퍼링 처리(이하, 「OT 처리」라고 부르는 경우가 있다)한 후, 스프링 특성을 향상시키기 위한 담금질-뜨임 처리를 실시하고 나서, 스프링 형상으로 가공(코일링)함으로써 제조되고 있다. 이러한 스프링의 제조 공정에 있어서, 생산 효율을 저하시키는 큰 요인으로, 신선 중의 단선과 신선 후의 코일링 중의 단선(절손)이 있다. 이들 제조 문제는 장치의 장시간의 정지를 수반하는 것이기 때문에, 생산 효율이 대폭 저하되게 된다.

그래서, 신선 중의 단선을 억제하는 기술로서, 압연재 조직, 신선 전처리, 신선 윤활제 등의 개량 기술이 다수 제안되어 있다. 또한, 코일링 중의 절손(이것을 「코일링 절손」이라고 부르는 경우가 있다)을 억제하여 코일링성을 양호하게 하는 기술도 여러 가지 제안되어 있다.

코일링성을 양호하게 하는 기술로서, 예컨대 특허문헌 1에는, OT 처리 전(즉, 신선 후)에 선재의 표면 처리를 실시하고, 또한 OT 처리 선재 제조 시의 표층 스케일을 잔존시킴으로써, 선재 표면의 흠집의 저감을 도모하여, 표층 거칠기를 저감함으로써, OT 처리 선재의 표면 거칠기를 저감하고, 코일링성을 향상시키는 것이 제안되어 있다. 그러나, 선재 표면에 크랙이 발생되어 있는 경우에는, 표면 거칠기를 제어해도 크랙을 없애는 것은 불가능하며, 이 크랙이 원인으로 코일링 절손이 생겨, 코일링성이 저하되게 된다.

또한 특허문헌 2에서는, 열처리 와이어의 질소 제어에 의해서, 미용해 탄화물을 저감함으로써 코일링성을 개선하고 있다. 그러나, 미용해 탄화물을 저감하는 것은, 조직의 인성(靭性)이나 가공성의 개선에는 유효하지만, 핸들링 흠집, 크랙 등을 기점으로 한 코일링 절손의 억제에는 한계가 있다.

그런데, 밸브 스프링의 제조에 있어서는, 열간 압연으로 소정의 선 직경의 환선(丸線)으로 가공하고, 코일 형상으로 권취하여 냉각시킨 후, 700℃ 전후에서 소둔을 가하여 연화시켜, 표층의 탈탄부를 제거하는 피삭(皮削) 공정(이하, 「SV 공정」이라고 부르는 경우가 있다)이 실시되는데, 이 SV 공정 시의 가공성(이것을 「SV성」이라고 하는 경우가 있다)도 양호할 것이 요구된다.

SV성을 양호하게 하는 기술로서, 예컨대 특허문헌 3에는, 마무리 압연 후, 코일 형상으로 재치했을 때의 링 피치(ring pitch)를 링 직경의 1/10 이하로 치밀하게 권취하여 서냉시킴으로써 압연재의 경도를 저감하고, 압연한 채로 SV 공정의 실시를 가능하게 하는 기술이 제안되어 있다. 이 방법에서는, 조직의 경도는 저감되지만, 서냉 중의 결정립의 조대화가 진행되고, 결정 입도의 격차도 커지기 때문에 가공성이 저하되어, 고강도 스프링 강의 가공으로서는 적합하지 않다. 또한, 서냉 중의 탈탄도 커져, 제품인 스프링의 품질을 저하시킨다.

일본 특허공개 2009-235523호 공보 국제 공개 제2007-114491호 일본 특허공개 평5-7912호 공보

본 발명은 이러한 종래 기술에 있어서의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 그 목적은, 스프링 제조 시에서의 신선성, 코일링성, SV성 모두 양호한 특성을 발휘할 수 있는 고강도 스프링용 강 선재 및 이와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 제조하기 위한 유용한 방법, 및 고강도 스프링용 강 선재를 소재로 해서 얻어지는 고강도 스프링 등을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 고강도 스프링용 강 선재란, 열간 압연 후의 강 선재이며, C: 0.4∼0.8%(「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일), Si: 1.5∼3.5%, Mn: 0.3∼1.5%, Cr: 0.03∼0.4% 및 Al: 0.005% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 또한 표면으로부터 0.5mm 깊이에 있어서의 펄라이트 노듈의 입도 번호(이하, 「펄라이트 노듈 입도 번호」 또는 「펄라이트 노듈 사이즈」라고 부르는 경우가 있다)의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ가 각각 하기 (1)식, (2)식을 만족한다는 점에 요지를 갖는 것이다.

8.0≤Pave≤12.0 …(1)

0.0<Pσ≤0.5 …(2)

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재에는, 필요에 따라 추가로 (a) V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 2.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, (b) Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음), (c) B: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 성분에 따라 고강도 스프링용 강 선재의 특성이 더욱 개선된다.

상기와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 제조함에 있어서는, 열간 압연 후의 강 선재를 재치 온도: 750∼1000℃로 하여 코일 형상으로 권취한 후, 냉각 컨베이어 상에서 1℃/초 이상의 냉각 속도로 750℃ 이하의 온도까지 급속하고 균일하게 선재를 냉각시키고, 이어서 행하는 서냉의 개시 온도를, 코일의 밀부(密部)와 소부(疎部) 모두 650∼750℃의 범위 내이고, 또한 코일의 밀부와 소부의 온도차가 50℃ 이하로 되도록 하면 좋다.

상기 본 발명 방법에서는, 상기 서냉시키는 영역에 있어서, 하기 (3)식으로 규정되는 냉각 속도 V를 1℃/초 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 강 선재의 서냉 영역 체재 시간 t는 50초 이상으로 하는 것이 바람직하다.

V(℃/초) = (Tin-Tout)/t …(3)

단, Tin: 서냉 영역 입구측에서의 강 선재 온도(℃), Tout: 서냉 영역 출구측에서의 강 선재 온도(℃), t: 강 선재의 서냉 영역 체재 시간(초)

본 발명에는, 상기와 같은 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어진 고강도 스프링도 포함한다.

본 발명에서는, 화학 성분 조성을 적절히 조정함과 더불어, 제조 조건을 적절히 하는 것에 의해, 펄라이트를 주체로 하는 조직으로 함과 더불어, 이 펄라이트 노듈 입도 번호의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ가 소정의 관계식을 만족하도록 했기 때문에, 스프링 제조 시에서의 신선성, 코일링성, SV성 모두 양호한 특성을 발휘할 수 있는 고강도 스프링용 강 선재가 실현될 수 있고, 이와 같은 고강도 스프링용 강 선재는 고강도 스프링을 제조하기 위한 소재로서 극히 유용하다.

도 1은 냉각 컨베이어 상의 코일의 상태를 나타내는 개략 설명도이다.
도 2는 평가용 시료의 샘플링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 펄라이트 노듈 입도 번호의 표준 편차 Pσ와 코일링성의 관계를 나타내는 그래프이다.

본 발명자들은 코일링 절손이 생기는 원인에 대하여 상세히 검토했다. 그 결과, 코일링 절손의 대부분은 선재 표면에 존재하는 미소 크랙을 기점으로 해서 발생되어 있고, 이 미소 크랙은 OT 처리 전의 신선 공정 중에 발생된다는 것이 판명된 것이다. 또한, 이와 같은 미소 크랙의 대부분은 신선 공정에 마련된 교정 롤러를 통과할 때에도 발생된다는 것, 또는 교정 롤러를 통과할 때에 크랙 깊이가 깊어진다는 것도 판명되었다.

신선 중 또는 교정 롤러 통과 중에 선재 표면에 생기는 미소 크랙을 억제하기 위해서는, 신선성을 향상시키는 기술인 다이 스케줄, 신선 속도, 신선 중의 선재 온도 등의 요건의 개선도 중요하다고 생각된다. 본 발명자들이 검토한 바, 이들 요건과는 별도로, 미소 크랙의 발생에는 신선재 표층의 펄라이트 노듈 사이즈의 격차가 크게 영향을 주고 있다는 것을 알 수 있었다.

일반적으로 스프링용 강 선재의 제조에 있어서는, 열간 압연 후의 강 선재를 코일 형상으로 권취하여, 냉각 컨베이어 상에 재치하고, 공랭 등을 행하여 냉각시킨다. 냉각 컨베이어 상의 코일의 상태를 도 1(개략 설명도)에 나타낸다. 이와 같은 상태로 냉각을 행하면, 강 선재의 비교적 치밀하게 겹쳐진 부분(이 부분을 「밀부」라고 부른다)과, 비교적 성긴 부분(이 부분을 「소부」라고 부른다)에 의해서 냉각 속도에 차이가 생겨, 냉각 후의 조직에 차이가 생기고, 이것이 스프링 가공성에 악영향을 미치는 것으로 생각된다.

본 발명자들은 고강도 스프링용 강의 압연재 조직과 스프링 가공성(신선성, 코일링성, SV성)의 관계에 대하여 검토했다. 그 결과, 압연재 조직을 미세하고 균일한 펄라이트 주체 조직으로 제어함으로써, 신선 가공 시에서의 미소 크랙의 발생이 억제되고(즉, 신선성도 양호해진다), 그 결과로서 코일링성 및 SV성도 향상된다는 것을 발견했다. 여기서, 조직의 입도 격차에 관해서는, 선재 단면 내의 격차보다도 길이 방향, 즉 코일 밀부·소부에 기인하는 격차의 쪽이 커져, 스프링 가공성에 주는 영향도 커지기 때문에, 길이 방향의 조직 격차를 저감하는 것이 중요해진다.

본 발명자들은 이러한 요건을 만족시키기 위한 조건에 대하여 더욱 검토했다. 그 결과, 펄라이트를 주체로 하는 조직으로 함과 더불어, 표면으로부터 0.5mm 깊이에 있어서의 펄라이트 노듈 입도 번호의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ가 각각 하기 (1)식, (2)식을 만족하도록 하면, 상기 목적에 적합한 고강도 스프링용 강 선재가 실현될 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

8.0≤Pave≤12.0 …(1)

0.0<Pσ≤0.5 …(2)

한편, 펄라이트 노듈 입도 번호의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ는, 바람직하게는 8.5≤Pave≤11.5, 0.0<Pσ≤0.4이다. 또한, 펄라이트를 주체로 하는 조직이란, 펄라이트를 90면적% 이상 포함하는 것과 같은 조직을 의미하고, 일부 초석 페라이트나 상부 베이나이트 등을 포함하고 있어도 본 발명의 목적이 달성된다.

밸브 스프링의 제조 공정에서는, 신선 전에 행해지는 피삭 처리(SV 처리)에 의해서 생기는 가공 경화층의 제거와, 신선성이 우수한 조직을 얻기 위해서, 신선 처리 전에는 패턴팅(patenting) 처리나 IH(고주파 가열) 설비에서의 연화 소둔 처리 등이 행해지지만, 이러한 처리를 행하는 경우에도, 선재 표층부에서의 펄라이트 노듈 입도 번호의 평균값 Pave나 표준 편차 Pσ는 거의 변화하지 않기 때문에, 신선 시의 미소 크랙의 억제에는 압연 시(열간 압연 선재)에 있어서의 조직의 제어가 극히 중요한 요건으로 된다. 또한, 상기와 같은 요건을 만족하는 선재에서는 SV성도 양호해진다.

상기와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 제조함에 있어서는, 그의 제조 조건도 적절히 제어할 필요가 있다. 고강도 스프링용 강 선재를 제조하기 위한 순서는 다음과 같다. 우선, 소정의 화학 성분 조성을 갖는 강 빌렛을 열간 압연하여, 원하는 선 직경으로 가공한다. 이 압연 시의 가열 온도에 대해서는, 특별히 한정하지 않지만, 조직 미세화의 관점에서는 가능한 한 저온에서의 가공이 바람직하다. 그러나, 저온화하면 강재의 변형 저항이 증대되어 설비 부하가 커지기 때문에, 보유하는 설비에 따라 적절히 설정하게 된다. 통상, 열간 압연 시의 가열 온도(강 빌렛 가열 온도)는 950∼1000℃ 정도이다.

계속해서, 열간 압연 후의 강 선재를 코일 형상으로 하여 냉각 컨베이어 상에 재치하는데, 이 때의 온도(재치 온도)가 1000℃를 초과하면 조직이 조대화되고, 또한 750℃ 미만으로 되면 변형 저항이 증대되어 하자 불량을 야기하기 때문에, 재치 온도는 750∼1000℃로 한다. 이 재치 온도는, 바람직하게는 775℃ 이상 950℃ 이하이다.

냉각 컨베이어 상에 재치 후, 펄라이트 변태가 개시되는 온도역까지 냉각시킨 후, 서냉시킨다. 펄라이트 변태 개시 온도역은, 온도가 지나치게 높으면 펄라이트 노듈 사이즈의 조대화가 촉진되어, 압연재의 드로잉률(감면율)이 극단적으로 나빠지고, 지나치게 낮으면 과냉이 생겨, 부분적으로 베이나이트, 마텐자이트가 생기기 쉬워진다. 이러한 점 때문에, 펄라이트 변태 개시 온도역은 650℃ 이상 750℃ 이하로 했다(바람직하게는 670℃ 이상 730℃ 이하).

압연 후에 있어서의 조직의 펄라이트 노듈 사이즈의 평균값 Pave, 표준 편차 Pσ를 소정의 범위 내로 제어하기 위해서는, 신선 가공 전의 코일 형상으로 겹쳐진 선재를 급속하고 균일하게 냉각시킬 필요가 있다. 즉, 코일의 밀부·소부를 각각 1℃/초 이상의 냉각 속도로 냉각시켜, 서냉을 개시할 때의 선재 온도를, 코일의 밀부·소부 모두 650∼750℃의 범위 내로 되고, 또한 코일의 밀부와 소부의 온도차가 50℃ 이하로 되도록 제어한다. 펄라이트 변태 개시 온도역에서의 코일의 밀부와 소부의 온도차를 50℃ 이하로 함으로써, 펄라이트 노듈 사이즈의 표준 편차 Pσ를 대폭 개선할 수 있다. 한편, 서냉을 개시할 때의 영역은, 그 영역에 서냉 커버를 설치하는 것에 의해 행해지는 것이 통상이기 때문에, 이하에서는 서냉 영역을 「서냉 커버 내」, 서냉 개시 위치를 「서냉 커버 입구」라고 부르는 경우가 있다.

압연 선재가 컨베이어 상으로 재치되었을 때부터 서냉 커버 입구에 도달했을 때까지의 코일 밀부·소부의 냉각 속도에 대해서는, 코일 밀부·소부에의 냉각용 송풍기의 풍량을 각각 조정함으로써, 서냉 영역 입구측에서의 코일 밀부·소부의 온도차를 작게 하는 것이 가능하다. 권장되는 냉각 속도의 차이는 1.0℃/초 이하이며, 바람직하게는 0.5℃/초 이하이다. 압연 선속, 컨베이어 속도 등에 의해서, 코일 밀부·소부의 냉각 속도는 변화하기 때문에, 각 압연 조건에 맞춘 풍량의 설정이 필요해진다.

이후, 서냉 커버 내에서 서냉하여 변태를 행하게 된다. 서냉 커버 내에서의 냉각 속도 V는 하기 (3)식으로 규정되게 되는데, 이 냉각 속도 V는 1℃/초 미만으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 서냉 커버 내에서의 냉각 속도 V가 (3)식을 만족하지 않으면 안되는 것은 코일의 모든 부분(밀부 및 소부를 포함함)에 대해서이다.

V(℃/초) = (Tin-Tout)/t …(3)

단, Tin: 서냉 영역 입구측에서의 강 선재 온도(℃), Tout: 서냉 영역 출구측에서의 강 선재 온도(℃), t: 강 선재의 서냉 영역 체재 시간(초)

상기와 같은 서냉 커버의 설치는 선재의 온도 격차를 억제하고, 국소적인 조직 격차를 방지하기 위해서도 유용하다. 단, 서냉 커버 내에서의 체재 시간(서냉 영역 체재 시간, 서냉 시간)이 지나치게 짧으면 변태가 완료되기 전에 서냉이 끝나 버리고, 그 후의 냉각(통상, 수냉)에 의해서 베이나이트나 마텐자이트 등의 과냉 조직을 발생시킬 우려가 있기 때문에, 상기 체재 시간은 50초 이상을 확보하는 것이 바람직하다. 또한, 히터나 유도 가열 장치 등을 설치하여, 보다 서냉을 촉진하는 것은 본 발명의 바람직한 실시형태이다.

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재는, 그의 화학 성분 조성에 대해서는, 최종 제품(고강도 스프링)으로서의 특성을 발휘시키기 위해서, 그의 화학 성분 조성을 적절히 조정할 필요가 있다. 그의 화학 성분 조성에 있어서의 각 성분(원소)에 의한 범위 한정 이유는 다음과 같다.

[C: 0.4∼0.8%]

C는 스프링 가공 후의 강도·내피로성의 상승에 유효한 원소이며, 그를 위해서는 0.4% 이상 함유시킬 필요가 있다. C 함유량의 증가에 수반하여 스프링의 강도·내피로성은 향상되지만, 과잉이 되면 연성·인성이 저하되기 때문에, 0.8% 이하로 할 필요가 있다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.5% 이상이며, 바람직한 상한은 0.7% 이하이다.

[Si: 1.5∼3.5%]

Si는 강의 탈산을 위해 필요한 원소이며, 또한 페라이트 중에 고용되어 그의 강도를 높이는 효과도 발휘한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는 1.5% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 과잉이 되면, 연성·인성을 저하시키는 것 외에, 표면의 탈탄이 증가되어 피로 특성을 저하시키기 때문에, 3.5% 이하로 할 필요가 있다. Si 함유량의 바람직한 하한은 1.7% 이상(보다 바람직하게는 1.8% 이상)이며, 바람직한 상한은 3.0% 이하(보다 바람직하게는 2.5% 이하)이다.

[Mn: 0.3∼1.5%]

Mn도 Si와 마찬가지로 강의 탈산을 위해 필요한 원소이며, 또한 담금질성을 높여 스프링 강도의 향상에 공헌한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는 0.3% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Mn 함유량이 과잉이 되면, 변태 시간이 장시간화되어 열간 압연에서의 조직 제어를 곤란하게 하기 때문에, 1.5% 이하로 할 필요가 있다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.35% 이상(보다 바람직하게는 0.40% 이상)이며, 바람직한 상한은 1.4% 이하(보다 바람직하게는 1.3% 이하)이다.

[Cr: 0.03∼0.4%]

Cr은 담금질·뜨임 처리, 및 코일링 후의 변형 제거 소둔 시에 2차 석출 경화를 일으켜 스프링 강도를 향상시키는 효과가 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는 0.03% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 과잉이 되면 연성·인성을 저하시키고, 코일링성을 저하시키기 때문에, 그의 함유량은 0.4% 이하로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.35% 이하(보다 바람직하게는 0.30% 이하)이다. 한편, 상기의 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 보다 바람직한 하한은 0.10%이다.

[Al: 0.005% 이하]

Al은 탈산 원소이지만, 강 중에서 Al₂O₃나 AlN의 개재물을 형성한다. 이들 개재물은 스프링의 피로 수명을 현저히 저감시키기 때문에, Al은 최대한 저감해야 한다. 이러한 관점에서, Al 함유량은 0.005% 이하로 할 필요가 있다. 보다 바람직하게는 0.004% 이하로 하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 고강도 스프링용 강 선재에 있어서의 기본 성분은 상기한 대로이며, 잔부는 철 및 불가피적 불순물(예컨대 P, S 등)이다. 본 발명에 따른 고강도 스프링용 강 선재에는, 필요에 따라 (a) V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 2.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, (b) Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음), (c) B: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음) 등을 함유시켜도 좋고, 함유시키는 원소의 종류에 따라 강 선재의 특성이 더욱 개선된다. 이들 원소의 바람직한 범위 설정 이유는 하기와 같다.

[V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 2.0% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

V, Nb, Ni 및 Mo은 모두 스프링이나 선재의 연성·인성을 향상시키는 효과가 있고, 이들 중 1종 이상을 소정량 함유시키는 것에 의해 그 효과가 발휘된다.

이 중, V은 열간 압연 및 담금질·뜨임 처리에서 결정립을 미세화시키는 작용이 있고, 또한 압연 후의 가공성의 증대와 스프링의 연성·인성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 스프링 성형 후의 변형 제거 소둔 시에 2차 석출 경화를 일으켜 스프링 강도의 향상에 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 강재의 주조 시에 큰 탄화물·질화물을 생성하고, 개재물을 기점으로 한 피로 절손의 증가로 이어진다. 그 때문에, V 함유량은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 상한은 0.45% 이하(더욱 바람직하게는 0.40% 이하)이다. 한편, 상기의 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 V 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.06% 이상(더욱 바람직하게는 0.07% 이상)이다.

Nb도 열간 압연 및 담금질·뜨임 처리에서 결정립을 미세화시키는 작용이 있고, 압연 후의 가공성의 증대와 스프링의 연성·인성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키더라도 그의 효과가 포화되어, 강재 가격을 압박하는 폐해의 쪽이 커진다. 그 때문에, Nb 함유량은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 상한은 0.45% 이하(더욱 바람직하게는 0.40% 이하)이다. 한편, 상기의 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.06% 이상(더욱 바람직하게는 0.07% 이상)이다.

Ni은 담금질·뜨임 처리 후의 연성·인성을 높이는 효과가 있다. 또한, 내부식성을 향상시킨다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 담금질성이 증대되고, 변태 시간이 장시간화되어 열간 압연에서의 조직 제어를 곤란하게 한다. 그 때문에, Ni 함유량은 2.0% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 상한은 1.9% 이하(더욱 바람직하게는 1.8% 이하)이다. 한편, 상기의 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.10% 이상(더욱 바람직하게는 0.15% 이상)이다.

Mo은 담금질·뜨임 처리 후의 연성·인성을 높이는 효과가 있다. 더욱이, 담금질성을 높여 스프링의 고강도화에 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 담금질성이 증대되어 조직 제어를 곤란하게 하는 것 외에, 강재 가격을 상승시킨다. 그 때문에, Mo 함유량은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 상한은 0.45% 이하(더욱 바람직하게는 0.40% 이하)이다. 한편, 상기의 효과를 유효하게 발휘시키기 위한 Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.10% 이상(더욱 바람직하게는 0.15% 이상)이다.

[Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Cu는 탈탄을 억제하는 효과가 있다. 또한, 내부식성의 향상에도 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 열간 연성을 저하시켜, 열간 압연 시에 균열을 발생시킬 위험이 있기 때문에, 0.7% 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, Cu를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.05% 이상이며, 보다 바람직한 상한은 0.6% 이하이다.

[B: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)]

B는 연성·인성을 향상시키는 작용이 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 Fe과 B의 복합 화합물이 석출되어, 열간 압연 시의 균열을 야기하기 때문에, 0.01% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0080% 이하(더욱 바람직하게는 0.0060% 이하)이다. 한편, B를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.001% 이상이며, 보다 바람직하게는 0.0015% 이상(더욱 바람직하게는 0.0020% 이상)이다.

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재는 열간 압연 후의 것을 상정한 것이지만, 이 고강도 스프링용 강 선재는 그 후 스프링 가공되는 것에 의해, 고강도 스프링로 성형되는 것이며, 양호한 특성을 발휘하는 스프링이 얻어진다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예 1

하기 표 1, 2에 나타내는 화학 성분 조성의 강괴를 전로에서 용제한 후, 이 강괴를 분괴 압연하여 단면이 155mm×155mm인 강 빌렛을 제작하고, 1000℃로 가열한 후, 선 직경: 5.0∼8.0mmφ의 환선으로 가공(열간 압연)했다. 이어서, 하기 표 3, 4에 나타낸 제조 조건으로 단중(單重) 2ton의 코일을 제조하고(시험 No. 1∼31), 그들의 조직·기계 특성·스프링 가공성(신선성, 코일링성, SV성)을 조사했다. 표 3, 4에 있어서의 냉각 속도의 조정은 컨베이어 속도를 조정하는 것에 의해 행했다.

기계 특성의 평가에서는, 각 코일의 양품부 단말로부터 1개의 링씩 잘라 내어, 도 2에 나타내는 바와 같이 원주 방향으로 8분할(선재 길이 방향으로 8분할에 상당)해서 얻은 샘플을 직선 교정해서 인장 시험하여, 최대 인장 강도 TS, 드로잉값(감면율) RA를 측정했다. 각 시험에 있어서, 1회의 측정을 행하고(n=1), 그의 평균값(8개소의 평균)을 구했다.

조직 평가에서는, 그들 8분할 샘플의 횡단면 조직을 각각 광학 현미경으로 관찰하여, 펄라이트의 면적률, 펄라이트 노듈 사이즈(P 노듈 사이즈)의 평균값 Pave, 표준 편차 Pσ를 산출했다. 또한, 펄라이트 노듈이란, 펄라이트 조직 중의 페라이트 결정립이 동일 방위를 나타내는 영역을 의미한다.

펄라이트 면적률은, 열간 압연 선재의 횡단면의 표층(4시야), D/4(4시야), D/2(1시야)의 위치(D는 선재의 직경)에 있어서, 수지 등에 매립하여 연마하고, 피르크산을 이용한 화학 부식을 실시한 후, 광학 현미경에 의해, 결정립의 방위가 서로 90°를 이루는 4개소를 배율: 400배로 200㎛×200㎛의 영역의 조직 사진을 촬영하여, 화상 해석 소프트(「이미지 프로 플러스(Image Pro Plus)」, 미디어 사이버네틱스(Media Cybemetics)사제)를 이용해 화상을 2치화한 후, 펄라이트 면적률을 구하고, 평균값을 산출했다. 한편, 표층에 탈탄층이 존재하는 경우에는, JIS G 0558의 4에서 규정되는 「전체 탈탄부」는 측정 부위로부터 제외했다. 그리고, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직을 「P」, 펄라이트 면적률이 90% 미만이고, 베이나이트나 마텐자이트가 생성되어 있는 경우에는, 「P+B」 또는 「P+B+M」으로 표기했다.

P 노듈 사이즈는 열간 압연 선재의 횡단면을 수지 등에 매립하여 연마하고, 진한 질산(62%):알코올 = 1:100(체적비)의 용액을 이용하여 부식시킨 후, 광학 현미경으로 관찰했다. P 노듈 사이즈의 측정은 JIS G 0551에 기재된 「오스테나이트 결정 입도의 측정」에 준하여 그의 입도 번호를 측정한다. 또한, 페라이트, 펄라이트의 혼상 조직이어도 마찬가지의 부식으로 초석 페라이트립을 판별하는 것이 가능하기 때문에, 페라이트 면적률이 40% 이하이면 초석 페라이트의 면적을 제외함으로써 P 노듈 사이즈를 측정할 수 있다. 각 단면의 표면으로부터 0.5mm 깊이에서의 P 노듈의 입도 번호를 측정하여, 그의 평균값을 그의 단면 표층에서의 P 노듈의 입도 번호 Pi(i=1∼8)로 하고, 추가로 P1∼P8의 평균값 Pave, 표준 편차 Pσ를 산출했다.

스프링 가공성 중, 신선성은 SV 공정 후의 코일을 600℃×3시간으로 소둔한 후, 산세(酸洗) 처리, 본더라이징(bonderizing) 처리를 실시하고, 단솥 신선기로 감면율 85%까지 신선하여, 신선 시의 단선의 유무로 평가했다. 단선이 생기지 않는 코일을 신선성이 좋음(○), 단선이 생긴 코일을 신선성이 나쁨(×)으로 평가했다.

코일링성은 신선 후의 선재에 대하여 자기직경 감김(Self-diameter winding)을 1000번 행했을 때의 절손 횟수(자기직경 감김 절손 횟수)로 평가했다. 절손 파면을 관찰하여, 미소 크랙을 기점으로 하는 절손이 생기지 않은 코일을 코일링성이 좋음, 미소 크랙을 기점으로 하는 절손이 생긴 코일을 코일링성이 나쁨으로 평가했다(하기 표 5, 6에 나타낸 절손 횟수는 미소 크랙을 기점으로 하는 것).

SV성은 코일에 열처리를 가하는 일 없이 피삭 공정(SV 공정)을 실시하여, 이 SV 공정에서의 단선의 유무로 평가했다. 단선이 생기지 않는 코일을 SV성이 좋음(○), 단선이 생긴 코일을 SV성이 나쁨(×)으로 평가했다.

이들의 평가 결과를 압연재 조직과 마찬가지로 하기 표 5, 6에 나타낸다.

표 5의 시험 No. 1∼12의 것은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예, 표 6의 시험 No. 13∼20의 것은, 화학 성분 조성은 본 발명에서 규정하는 범위를 만족하지만(강 종류 A1, A2, C1, E1, G1, J1∼J3), 제조 조건이 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하지 않는 예, 시험 No. 21∼31의 것은, 화학 성분 조성이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는(강 종류 M∼W) 것이다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 우선 시험 No. 1∼12는 모두 P 노듈이 상기 (1)식 및 (2)식으로 규정하는 요건을 만족하는 미세 펄라이트 조직으로 되어 있기 때문에, 이들 강 선재는 전부 신선성, 코일링성 및 SV성 모두 양호한 결과가 얻어졌다.

시험 No. 13은 압연 후의 재치 온도가 높기 때문에, 서냉 영역(서냉 커버 입구)까지 결정립이 성장하고, 압연재의 P 노듈 사이즈도 거칠어져, 신선성 및 코일링성이 나빠졌다. 시험 No. 14는 재치 후의 냉각이 불충분하기 때문에, 서냉 커버 입구에서의 코일 밀부의 온도가 높아져 있어, 서냉 커버 내에서 결정립이 성장하고, 압연재의 P 노듈 사이즈도 거칠어져, 신선성이 나빠졌다.

시험 No. 15는 재치 후의 냉각이 과잉이기 때문에, 서냉 커버 입구에서의 코일 소부의 온도가 낮아져 있어, 서냉 커버 입구 앞에서 부분적으로 베이나이트가 생성되고, SV 공정 시에 단선이 발생했다. 시험 No. 16은 재치 후의 냉각 속도가 느려서, 서냉 커버 입구까지 결정립이 성장하고, 압연재인 P 노듈 사이즈도 거칠어져 있어, 신선성 및 코일링성이 나빠졌다.

시험 No. 17, 18은 재치로부터 서냉 커버 입구까지의 코일 밀부와 코일 소부의 냉각 속도의 조정이 불충분하며, 냉각 속도의 차이가 2.0℃/초, 2.5℃/초로 크기 때문에, 서냉 커버 입구에서의 밀부와 소부의 온도차가 70℃로 되어 본 발명의 규정을 벗어나기 때문에, P 노듈 사이즈의 표준 편차 Pσ가 커져, 코일링성이 나빠졌다.

시험 No. 19는 서냉 커버 내에서의 냉각 속도가 빠르기 때문에, 펄라이트 단상의 조직으로는 되지 않고, 베이나이트가 생성되어, SV 시에 단선이 생겼다. 시험 No. 20은 서냉 커버 내에서의 서냉 시간이 짧기 때문에, 펄라이트 단상의 조직으로는 되지 않고, 베이나이트나 마텐자이트가 생성되어, SV 시에 단선이 생겼다.

시험 No. 21, 22, 25∼27은 각 성분(C, Si, Cr, V, Cu)의 함유량이 과잉인 강 종류(표 2의 강 종류 M, N, Q, R, S)를 이용하고 있는 예이며, 신선성 및 코일링성이 나빠졌다.

시험 No. 23, 24, 28, 29, 31은 각 성분(Mn, Ni, Mo, Nb, B)의 함유량이 과잉인 강 종류(표 2의 강 종류 O, P, T, U, W)를 이용하고 있는 예이며, 담금질성이 향상되었기 때문에, 펄라이트 단상으로는 되지 않고, 베이나이트나 마텐자이트가 생성되어, SV 시에 단선이 생겼다.

시험 No. 30은 Al 함유량이 과잉인 강 종류(표 2의 강 종류 V)를 이용하고 있는 예이며, AlN 등의 개재물이 생성되어, 이 개재물을 기점으로 한 코일링 단선이 생기기 때문에, 코일링성이 나빠졌다.

이들 결과에 기초하여, P 노듈 사이즈의 표준 편차 Pσ와 자기직경 감김 절손 횟수의 관계를 도 3에 나타낸다. 한편, 도면 중, 「◆」로 나타낸 것은 코일링성이 양호한 것, 「×」로 나타낸 것은 코일링성이 불량인 것을 의미한다. 이 결과로부터 분명한 바와 같이, P 노듈 사이즈의 표준 편차 Pσ를 소정의 관계식을 만족하도록 제어하는 것에 의해, 코일링성이 양호한 스프링용 강 선재가 얻어진다는 것을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 열간 압연 후의 강 선재이며, C: 0.4∼0.8%(「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일), Si: 1.5∼3.5%, Mn: 0.3∼1.5%, Cr: 0.03∼0.4%, Al: 0.005% 이하 및 B: 0.001∼0.01% 를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 또한 표면으로부터 0.5mm 깊이에 있어서의 펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave 및 그의 표준 편차 Pσ가 각각 하기 (1)식, (2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 스프링 가공성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재.
   8.0≤Pave≤12.0 …(1)
   0.0<Pσ≤0.5 …(2)
   (여기서, 상기 Pave 및 Pσ는 각 코일의 양품부 단말로부터 1개의 링씩 잘라내고, 원주 방향으로 8분할(선재 길이 방향으로 8분할에 상당)하여 얻은 샘플의 횡단면 조직을 관찰하여 구한 것이다.)
2. 제 1 항에 있어서,
   추가로, V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 2.0% 이하(0%를 포함하지 않음), Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 고강도 스프링용 강 선재를 제조하는 방법으로서, 열간 압연 후의 강 선재를 재치 온도: 750∼1000℃로 하여 코일 형상으로 권취한 후, 냉각 컨베이어 상에서 1℃/초 이상의 냉각 속도로 750℃ 이하의 온도까지 급속하고 균일하게 선재를 냉각시키고, 이어서 행하는 서냉의 개시 온도를, 코일의 밀부(密部)와 소부(疎部) 모두 650∼750℃의 범위 내이고, 또한 코일의 밀부와 소부의 온도차가 50℃ 이하로 되도록 하고,
   상기 서냉시키는 영역에 있어서, 하기 (3)식으로 규정되는 냉각 속도 V를 1℃/초 미만으로 하는 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 강 선재의 제조 방법.
   V(℃/초) = (Tin-Tout)/t …(3)
   단, Tin: 서냉 영역 입구측에서의 강 선재 온도(℃), Tout: 서냉 영역 출구측에서의 강 선재 온도(℃), t: 강 선재의 서냉 영역 체재 시간(초)
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 강 선재의 서냉 영역 체재 시간 t를 50초 이상으로 하는 제조 방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어진 고강도 스프링.
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