KR101674829B1

KR101674829B1 - 피로특성이 우수한 스프링용 강 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101674829B1
Application number: KR1020150133994A
Authority: KR
Inventors: 김관호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2015-09-22
Filing date: 2015-09-22
Publication date: 2016-11-10
Also published as: CN106947920B; CN106947920A

Abstract

본 발명은 스프링용 강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 피로특성이 우수한 스프링용 강 및 이것의 제조방법에 관한 것이다.

Description

피로특성이 우수한 스프링용 강 및 이의 제조방법 {SPRING STEELS HAVING EXCELLENT FATIGUE PROPERTIES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

최근, 자동차의 연비 향상과 더불어 경량화를 위해 자동차용 강재는 고강도화되고 있는 추세이며, 특히 스프링용 강과 같이 극한 피로분위기 하에 사용되는 강재는 고강도화와 함께 노치(notch) 민감도도 같이 증가하기 때문에 피로특성에 대한 향상도 요구되고 있는 실정이다.

일반적인 스프링용 강은 다음과 같은 공정을 통해 제조된다.

먼저, 전로 또는 전기로에서 제강 후 실리콘(Si) 단독으로 탈산을 행하거나, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)에 의한 복합탈산을 실시한 다음, 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속 개재물의 양을 저감시키며, 이후 연주공정을 거쳐 블룸(Bloom)이나 빌렛(Billet)으로 주조한 후 열간압연하여 선재로 제조한다.

이와 같이 제조된 선재를 이용하여 스프링으로 성형하는 공정으로는, 선재를 신선하여 원하는 직경으로 제조한 다음, 유도가열열처리(Induction Heat Treatment)를 거쳐 가열 및 급냉, 템퍼링을 실시하여 스프링용 강선을 얻은 후 냉간에서 성형하는 공정과, 선재를 신선하여 원하는 직경으로 제조한 다음, 가열과 동시에 스프링으로 성형한 후 급냉과 템퍼링을 실시하는 열간 성형 공정이 있다.

이와 같이 제조되는 스프링용 강의 피로수명에 가장 큰 영향을 미치는 야금학적 인자는 비금속 개재물(Non-Metallic Inclusion)이다.

비금속 개재물은 탈산 공정으로 용강 중에 존재하는 산화물계 개재물이 대부분으로서 Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO 등이 단독으로 존재하거나, 둘 이상이 복합적인 형태로 존재하게 되며, 이들 산화물계 개재물 외에는 MnS 등의 유화물계 개재물이나 질화물도 다수 관찰된다.

이와 같은 비금속 개재물들은 그 크기나 개수에 따라 스프링용 강의 피로수명에 매우 치명적이어서, 스프링용 강의 피로수명을 향상시키기 위한 기존의 제강 정련 방법들은 비금속 개재물을 저감시키는 목적으로 이루어져 왔다.

일 예로, 특허문헌 1에서는 스프링용 강에 리튬(Li)을 첨가함으로써 CaO·Al₂O₃·2SiO₂계 경질 산화물계 개재물 생성을 억제하여 피로특성을 향상시킬 수 있었으나, 개재물 크기에 대한 제한은 언급되어 있지 않으며, 기존 스프링용 강 성분계에 추가적으로 Li을 첨가하여야 하므로 비용 측면에서 경제적으로 불리한 단점이 있다.

특허문헌 2에서는 전체 개재물 중 L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경) 값이 4 이상이면서 D가 25㎛ 이상 또는 L/D가 4 미만이고 L이 25㎛ 이상인 산화물계 개재물의 합계가 20개/500g 이하가 되도록 하여 우수한 피로특성의 고청정도 스프링용 강을 얻을 수 있다고 개시하고 있으나, 개재물의 L과 D 중 1 개만 그 제한을 두어서 구체적인 크기 제한이라 하기는 어렵다.

특허문헌 3에서는 희토류 원소(Rare Earth Metal, REM)를 첨가함으로써 알루미나를 REM-알루미늄-O-S 개재물로 개질하여 조대화를 방지하고, S을 REM-알루미늄-O-S 개재물로 고정화시켜 조대한 MnS의 생성을 억제하며, 상기 개재물에 TiN을 복합시켜 유해한 TiN의 개수 밀도를 줄임으로써 피로특성을 향상시킬 수 있다고 개시하고 있으나, 이는 자동차 현가용 스프링 강에 국한한 것일 뿐만 아니라, 스프링용 강 제조시 별도의 희토류 원소를 첨가하여야 하며, 개재물 크기나 개수에 대해서는 제한하고 있지 아니하다.

이에, 기존 스프링용 강 성분계를 가지면서, 개재물 크기 및 개수를 엄격히 제어함으로써 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조가 요구된다.

일본 공개특허공보 제2010-024539호 한국 공개특허공보 제2011-0008347호 일본 공개특허공보 제2013-108171호

본 발명의 일 측면은, 형성되는 개재물의 크기와 개수를 최적화함으로써 피로특성이 우수한 스프링용 강 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로 탄소(C): 0.40~0.80%, 실리콘(Si): 1.3~2.3%, 망간(Mn): 0.10~1.00%, 크롬(Cr): 0.10~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,

원 상당 직경이 10㎛ 초과하는 산화물계 개재물 중 Al₂O₃의 농도가 35중량% 이상인 개재물의 개수는 10개/g 이하, Al₂O₃의 농도가 50중량% 이상인 개재물의 개수는 2개/g 이하이면서, 산화물계 개재물의 성분조성이 하기 식(1)을 만족하는 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공한다.

식(1)

CaO + SiO₂ + MgO + ZrO₂ ≥ 95중량%

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 용강을 탈산하는 단계; 상기 탈산된 용강을 LF(Ladle Furnance) 공정 및 RH(Ruhrstahl-Heraeus) 공정을 거치는 정련단계; 상기 정련단계 후 연속주조공정을 통해 주조재를 제조하는 단계; 및 상기 주조재를 재가열한 후 열간압연하여 압연재를 제조하는 단계를 포함하고, 상기 탈산 후 용강의 슬래그 염기도(CaO/SiO₂)가 4.5~7.5인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고가원소의 첨가 없이도 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 스프링용 강은 극한의 피로 분위기가 적용되는 용도에 유리하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 2는 각각 발명재 6과 비교재 10의 전해추출분리법으로 얻은 개재물 잔사를 SEM으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 3 및 4는 각각 발명재 10과 비교재 4에서 SEM으로 관찰된 최대 크기의 개재물을 나타낸 것이다.

스프링용 강의 가장 중요한 특성인 피로수명은 강 중의 개재물이나 중심편석과 같은 소재 측면에서의 인자와 사용환경과 같은 소재 외적인 측면에서의 인자에 의한 영향을 크게 받는다.

이 중 개재물은 피로수명에 가장 직접적인 영향을 미치는 인자로 여겨지고 있어, 스프링용 강의 피로수명을 향상시키기 위하여 기존의 제강 정련 방법들은 개재물을 저감시키고자 함이 주목적이었다. 하지만, 개재물의 크기와 개수가 어느 수준으로 제어되어야 스프링용 강의 피로수명을 현저하게 향상시킬 수 있는지에 대한 구체적인 제안은 없었다.

이에, 본 발명자들은 기존 스프링용 강 성분계를 갖는 스프링용 강의 피로특성이 개재물의 크기 및 개수와 어떠한 관계가 있는지 깊이 연구한 결과, 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도에 따른 개재물의 개수를 제어하고, 산화물계 개재물의 조성 중 경질성 개재물을 최소한으로 포함되도록 제어하는 경우, 피로특성이 우수한 스프링용 강을 얻을 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면인 피로특성이 우수한 스프링용 강은, 그 성분조성이 중량%로 탄소(C): 0.40~0.80%, 실리콘(Si): 1.3~2.3%, 망간(Mn): 0.10~1.00%, 크롬(Cr): 0.10~1.00%를 포함함이 바람직하다.

이하에서는, 본 발명에서 스프링용 강의 성분조성을 상기와 같이 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 각 성분들의 함량은 특별한 언급이 없는 한 중량%를 의미한다.

C: 0.40~0.80%

탄소(C)는 스프링의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소로서, 그 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.40% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.80%를 초과하게 되면 담금질-뜨임 열처리시 쌍정(twin)형 마르텐사이트 조직이 형성되어 소재 균열이 발생하여 피로수명이 현저히 저하될 뿐만 아니라, 결함 감수성이 높아지고 부식피트가 생길 때 피로수명이나 파괴응력이 현저하게 저하되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서 C의 함량은 0.40~0.80%로 제한함이 바람직하다.

Si: 1.3~2.3%

실리콘(Si)은 페라이트 내 고용되어 모재 강도를 강화시키고, 변형저항성을 개선하는데 유리한 원소이다. 이러한 Si의 함량이 1.3% 미만이면 상술한 효과를 충분히 확보하지 못하게 되며, 반면 2.3%를 초과하게 되면 변형저항성의 개선효과가 포화되며, 열처리시 표면 탈탄을 조장하므로 바람직하지 못하다.

따라서, 본 발명에서 Si의 함량은 1.3~2.3%, 보다 바람직하게는 1.4~2.3%로 제한함이 바람직하다.

Mn: 0.10~1.00%

망간(Mn)은 강재 내에 존재할 경우 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유효한 원소이다. 이러한 Mn의 함량이 0.10% 미만이면 고강도 스프링용 소재로서 요구되는 충분한 강도 및 소입성을 확보하기 어렵고, 반면 1.00%를 초과하게 되면 인성이 저하되어 결함감수성이 높아지고 부식피트가 생겼을 때 수명이 저하되는 원인이 되므로 바람직하지 못하다.

따라서, 본 발명에서 Mn의 함량은 0.10~1.00%로 제한함이 바람직하다.

Cr: 0.10~1.00%

크롬(Cr)은 내산화성, 템퍼 연화성, 표면 탈탄 방지 및 소입성을 확보하는데 유효한 원소이다. 이러한 Cr의 함량이 0.10% 미만이면 상술한 효과를 충분히 확보하기 어려우며, 반면 그 함량이 1.00%를 초과하게 되면 변형저항성의 저하를 초래하여 오히려 강도저하로 이어질 수 있을 뿐만 아니라, 부식피크 기저의 pH를 낮춰 부식을 조장하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서 Cr의 함량은 0.10~1.00%로 제한함이 바람직하다.

본 발명의 스프링용 강은 상술한 성분 이외에도, 필요에 따라 구리(Cu), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 보론(B)으로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

이들을 포함하는 경우, 그 함유량은 중량%로 Cu: 0.5% 이하, Ni: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하, Nb: 0.1% 이하, Ti: 0.1% 이하, V: 0.5% 이하, B: 0.005% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 스프링용 강 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 스프리용 강 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상기와 같은 성분조성을 갖는 본 발명의 스프링용 강은 비금속 개재물을 포하며, 이때 원 상당 직경이 10㎛ 초과하는 산화물계 개재물 중 Al₂O₃의 농도가 35중량% 이상인 개재물의 개수는 10개/g 이하, Al₂O₃의 농도가 50중량% 이상인 개재물의 개수는 2개/g 이하이면서, 산화물계 개재물의 성분조성이 하기 식(1)을 만족하는 것이 바람직하다.

식(1)

CaO + SiO₂ + MgO + ZrO₂ ≥ 95중량%

만일, 원 상당 직경이 10㎛ 초과하는 산화물계 개재물 중 Al₂O₃의 농도가 35중량% 이상인 개재물의 개수가 10개/g 초과 또는 Al₂O₃의 농도가 50중량% 이상인 개재물의 개수가 2개/g 초과하게 되면 압연방향으로 연신되지 않는 경질 개재물의 개수가 과도하게 되어 피로특성이 저하된다.

상기 Al₂O₃ 농도가 35중량% 이상인 개재물의 개수에는 Al₂O₃의 농도가 50중량% 이상인 개재물을 중복하여 포함할 수 있다.

또한, 경질성 개재물인 Al₂O₃의 함량이 5%를 초과하게 되어 상기 식(1)을 만족하지 아니할 경우에도 압연방향으로 연신되지 않는 경질 개재물의 개수가 과도하게 되어 피로특성이 저하되는 문제가 있다.

한편, 상기 산화물계 개재물 중 CaO는 10~50중량%, SiO₂는 20~80중량%, MgO는 10중량% 이하(0% 포함), ZrO₂는 10중량% 이하(0% 포함)로 제어되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 CaO는 개재물의 저융점화를 위해 필수적인 개재물로서, 이를 위해서는 10중량% 이상으로 함유됨이 바람직하나, 그 함량이 50%를 초과하게 되면 개재물의 융점이 높아지거나, CaO 결정이 생성되어 열연시 연신 분단을 저해하는 문제가 있다.

또한, SiO₂는 연질의 개재물을 형성하는데 필수적인 개재물로서, 이를 위해서는 20중량% 이상으로 함유됨이 바람직하나, 그 함량이 80중량%를 초과하게 되면 경질상의 SiO₂가 형성되어 피로특성을 저해하므로 바람직하지 못하다.

MgO와 ZrO₂는 복합 조성의 개재물을 형성함으로써 개재물의 저융점화를 도모하는 효과가 있으나, 그 함량이 각각 10중량%를 초과하게 되면 개재물의 융점이 높아지거나 결정이 형성되어 피로특성을 저해하므로 바람직하지 못하다.

이하, 본 발명에 따른 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

간략하게, 본 발명의 스프링용 강은 전로 취련 후 얻은 용강을 탈산 - 정련 - 연속주조 - 압연의 공정을 거쳐 제조될 수 있으며, 이하 각 단계별 조건에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 상술한 성분조성을 만족하는 용강을 탈산하는 단계를 거칠 수 있다.

일반적으로 용강을 탈산하는 과정에서 다량의 개재물이 발생하며, 이때 생성된 개재물이 용강 내에 남지 않고 슬래그(slag)에 포집되어 용해됨으로써 제거되도록 슬래그의 성분을 적정 수준으로 제어할 필요가 있다.

본 발명에서는 피로수명에 악영향을 미치는 알루미나(alumina)계 개재물을 최대한 억제하기 위하여, 실리콘(Si) 단독탈산을 행하여 슬래그 중 Al₂O₃의 함량을 낮게 제어하는 한편, 슬래그의 염기도(CaO/SiO₂)를 높게 제어하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게, 용강 내 Al₂O₃ 함량을 5중량% 이하로 제어하고, 슬래그의 염기도(CaO/SiO₂)를 4.5~7.5로 제어하는 것이 바람직하다.

상기 용강 내 Al₂O₃의 함량이 5중량%를 초과하거나, 슬래그 염기도(CaO/SiO₂)가 4.5 미만이면 최종적으로 제조되는 스프링용 강 내에 경질성 개재물인 Al₂O₃계 개재물이 다량 함유되어 피로특성을 저해하는 문제가 있다.

반면, 슬래그 염기도가 7.5를 초과하게 되면 슬래그가 굳어지게 되어 유동성이 떨어지고, 그로 인해 개재물 흡수능이 저하되어 개재물이 용강 내에 다량으로 포함되는 문제가 있다.

상기와 같이, 용강 내 Al₂O₃ 함량 및 슬래그 염기도가 목표하는 바를 만족하도록 탈산을 완료한 후, 상기 용강을 출강하여 LF(Ladle Furnance) 공정 및 RH(Ruhrstahl-Heraeus) 공정을 거치는 정련단계를 행함이 바람직하다.

상기 LF 공정은 아크열을 이용하여 래들을 승온시키고, 용강 내 성분조성을 행하는 공정으로서, 이러한 LF 공정시 승온시간이 길어지게 되면 래들 내화물의 손상을 초래하고, 이는 용존산소 및 개재물의 품질을 열위하게 하는 문제가 있으므로, LF 공정시의 승온시간을 최적화하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 상기 LF 공정시 승온시간을 25분 이하로 제어함이 바람직하다.

또한, 상기 RH 공정은 진공을 이용하여 용강 중의 가스(산소, 수소 등)를 제거하고 성분을 조정하는 공정으로서, 이러한 RH 공정은 제강공정 중 마지막 공정으로 후속하는 연속주조공정을 위한 용강의 온도를 결정하는 중요한 공정으로서, RH 공정시의 처리시간을 최적화하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 상기 RH 공정시 처리시간을 25분 이상으로 제어함이 바람직하다.

상기 정련단계 후 연속주조공정을 통해 주조재를 제조한 다음, 상기 주조재를 재가열하여 압연공정을 통해 압연재로 제조할 수 있다.

이때, 상기 재가열은 1000~1250℃에서 실시할 수 있으며, 상기 압연공정은 열간압연으로서 750~1100℃에서 행할 수 있다.

상술한 일련의 공정을 통해 본 발명의 스프링용 강을 제조함에 있어서, 정련단계 후 연속주조공정을 행하기 직전까지 Ar 가스로 실링(sealing) 처리를 행하는 것이 바람직하다.

상기 Ar 가스의 실링 처리는 정련 후 연속주조 직전까지 용탕이 산소와 반응하여 재산화되는 것을 방지해주는 효과가 있으며, 이로 인해 개재물의 저감 효과가 크다. 이러한 가스 실링 처리의 유무로부터 개재물의 크기 및 개수의 제어가 가능하게 된다.

상기 제조된 압연재를 추가적으로 가열, 급냉 및 템퍼링 공정을 더 행할 수 있으며, 이때 가열은 900~1050℃에서, 급냉은 20~80℃까지, 템퍼링은 300~500℃에서 행해질 수 있다.

한편, 일반적으로 개재물의 크기나 개수는 광학현미경(Optical Microscope) 또는 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 2차원적으로 분석하므로, 이로부터 측정된 개재물의 크기나 개수가 3차원의 실제값을 정확히 대변한다고 볼 수 없다.

이에, 본 발명에서는 실제 개재물의 크기나 개수를 정확히 측정하기 위하여 전해추출분리법을 사용한다. 상기 전해추출분리법은 전해액을 사용하여 소재를 용해시킨 다음, 필터를 통과시켜 추출물을 분리해내고, 얻어진 추출물 중 잔류 Fe 및 탄소를 분리 제거하여 비금속 개재물만을 회수한 후 SEM을 이용하여 크기와 성분을 분석하는 방법이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1의 성분조성을 갖는 각각의 스프링용 용강을 제조함에 있어서, 탈산방법, 슬래그 염기도, LF 승온시간, RH 처리시간 및 Ar 가스 실링 유무에 대하여 표 2에 나타내었다.

각 조건에 따라 정련한 후 주조된 스프링용 강을 1050℃에서 90분 동안 가열한 후 750~1050℃에서 열간압연하여 직경 15㎜φ의 선재를 제조하였다. 상기 제조된 선재의 종단면에서 30×15mm²의 시편을 30개 채취한 후 전해추출분리법으로 개재물의 개수와 크기, 조성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

상기 전해추출분리법에 사용한 전해액은 메틸 알코올(methyl alcohol) 89% + 아세틸아세톤(acetylacetone) 10% + 염화테트라메틸암모늄(tetramethylammonium chloride) 1%의 조성을 갖는 용액을 이용하였으며, 전해시 가해진 전류는 0.3A이었다. 상기와 같은 전해액을 사용하여 시편을 용해시킨 다음 추출물을 분리해내고자 필터를 통과시키는데, 이때 사용된 필터의 직경은 40mm이었으며, 필터의 구멍크기는 1㎛이었다. 추출물 중 잔류 Fe 및 잔사는 자석을 이용하여 제거하였으며, 그 후 필터 그대로 알로올에 침지한 후 초음파 처리하여 탄소를 부상분리 제거하였다.

이후, 신선공정을 실시하여 직경 12.3㎜φ까지 신선한 다음, 980℃로 가열하고 60℃로 급냉한 다음 400℃에서 템퍼링을 실시하여 얻은 소재를 이용하여 회전 굽힘피로시험(Rotary bending fatigue test)을 실시하였다. 이때, 회전굽힘피로시험은 인장강도(TS)의 40%에 해당하는 하중을 가하여 시편별로 10회 실시한 후, 평균값을 도출하고, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.

시편	성분조성 (중량%)
시편	C	Si	Mn	Cr	Cu	Ni	Mo	V	Nb	Ti	B
1	0.54	1.52	0.67	0.72	0	0	0	0	0	0	0
2	0.55	1.44	0.71	0.69	0	0	0	0	0	0	0
3	0.54	1.61	0.72	0.89	0	0	0	0	0	0	0
4	0.53	1.54	0.69	0.72	0	0	0	0	0	0	0
5	0.63	1.84	0.82	0.32	0.29	0.31	0	0	0	0	0
6	0.65	1.75	0.81	0.38	0.18	0.20	0	0	0	0	0
7	0.67	1.69	0.72	0.49	0.25	0.24	0	0	0	0	0
8	0.67	1.77	0.83	0.39	0.28	0.26	0	0	0	0	0
9	0.55	1.41	0.42	0.62	0.30	0.29	0.11	0	0	0	0
10	0.61	1.55	0.33	0.48	0.27	0.29	0.08	0.11	0	0	0
11	0.57	1.59	0.53	0.57	0.32	0.31	0.13	0	0	0	0
12	0.47	2.27	0.15	0.29	0.29	0.30	0.10	0.10	0	0	0
13	0.65	1.52	0.52	0.69	0.27	0.30	0.21	0	0	0	0
14	0.59	1.58	0.71	0.68	0.31	0.28	0.12	0.12	0	0	0
15	0.54	1.54	0.70	0.74	0.30	0.29	0.16	0	0	0	0
16	0.57	1.68	0.65	0.69	0.19	0.21	0	0.09	0.02	0	0
17	0.49	1.58	0.69	0.49	0.25	0.26	0.09	0	0.02	0	0
18	0.54	1.47	0.71	0.34	0.26	0.29	0.05	0.11	0	0.02	0
19	0.57	1.53	0.65	0.66	0.24	0.23	0.07	0.10	0.01	0	0
20	0.51	1.49	0.44	0.59	0.26	0.25	0.06	0.10	0.02	0.03	0
21	0.54	1.55	0.26	0.59	0.14	0.16	0.06	0.09	0	0.02	0.002
22	0.51	1.65	0.57	0.13	0.28	0.27	0	0.10	0.02	0.03	0.003
23	0.53	1.61	0.45	0.49	0.29	0.25	0	0	0	0.05	0.004
24	0.55	1.48	0.29	0.28	0.30	0.31	0.02	0.11	0.01	0.02	0.002

시편	탈산법	슬래그 염기도 (CaO/SiO₂)	LF 승온시간 (분)	RH 처리시간 (분)	Ar 가스 실링 유무
1	Al+Si	4.8	23	25	무
2	Al+Si	3.5	25	28	유
3	Si	5.7	28	25	유
4	Si	5.6	23	27	유
5	Al+Si	6.2	24	26	유
6	Al+Si	5.5	24	22	유
7	Si	4.1	27	26	무
8	Si	4.7	23	25	유
9	Al+Si	6.2	25	21	유
10	Al+Si	3.9	22	27	유
11	Si	5.5	23	26	무
12	Si	5.4	23	27	유
13	Al+Si	6.0	24	25	무
14	Al+Si	3.8	24	28	유
15	Si	4.9	25	23	유
16	Si	5.2	25	25	유
17	Si	5.4	22	27	유
18	Si	6.5	23	26	유
19	Si	5.9	24	31	유
20	Si	6.3	25	28	유
21	Si	7.2	23	27	유
22	Si	6.1	25	29	유
23	Si	4.8	21	32	유
24	Si	5.3	24	30	유

시편	산화물계 개재물 조성 (중량%)					원 상당 직경이 10㎛ 초과하는 산화물계 개재물 수 (개/g)		상대 피로 수명	구분
시편	CaO	SiO₂	MgO	ZrO₂	식(1)	Al₂O₃ 농도 ≥ 35%	Al₂O₃ 농도 ≥ 50%	상대 피로 수명	구분
1	23	20	3	8	54	13.2	3.1	1.0	비교재 1
2	18	44	7	0	69	7.1	4.6	1.1	비교재 2
3	25	59	9	6	99	12.9	2.4	1.4	비교재 3
4	19	76	0	0	95	6.3	1.2	3.1	발명재 1
5	19	42	5	0	66	10.6	4.1	0.8	비교재 4
6	42	14	6	9	71	11.9	1.9	0.9	비교재 5
7	35	51	8	2	96	9.7	2.8	1.2	비교재 6
8	12	73	6	5	96	5.1	0.8	3.7	발명재 2
9	12	77	0	6	89	11.7	1.5	1.0	비교재 7
10	21	61	0	0	82	9.7	1.8	1.0	비교재 8
11	11	82	1	0	94	12.2	1.7	1.2	비교재 9
12	42	33	10	10	95	7.2	1.6	2.1	발명재 3
13	18	52	7	2	79	15.3	4.6	0.7	비교재 10
14	48	33	4	10	95	11.8	0.5	1.1	비교재 11
15	33	46	9	9	97	9.1	2.5	0.9	비교재 12
16	30	53	7	8	98	6.9	1.7	2.6	발명재 4
17	33	49	8	5	95	5.6	1.0	3.3	발명재 5
18	29	59	4	7	99	2.2	0.2	4.7	발명재 6
19	19	69	8	0	96	5.7	0.9	3.1	발명재 7
20	46	42	5	2	95	9.2	1.2	2.7	발명재 8
21	38	40	8	9	95	8.4	1.3	2.9	발명재 9
22	41	47	4	5	97	4.1	1.1	3.8	발명재 10
23	22	60	7	7	96	3.6	0.6	3.6	발명재 11
24	34	64	0	0	98	3.2	0.6	3.5	발명재 12

상기 표 1 내지 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명을 만족하는 발명재 1 내지 12는 모두 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 35% 이상인 개재물의 개수가 10개/g 이하이고, Al₂O₃의 농도가 50% 이상인 개재물의 개수는 2개/g 이하였으며, 산화물계 개재물의 성분조성도 본 발명에서 제안하는 범위를 모두 만족하여, 상대적 피로수명이 모두 2.0 이상으로 피로수명이 우수하였다.

반면, 비교재 1 내지 12는 상대적 피로수명이 모두 2.0 미만이었다.

그 중, 비교재 1, 4 및 10은 산화물계 개재물의 조성이나 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 35% 이상 또는 50% 이상인 개재물의 개수를 모두 만족하지 못하였다.

비교재 2는 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 50% 이상인 개재물의 개수를 만족하지 못하였으며, 본 발명에서 제안하는 산화물계 개재물의 조성도 식(1)을 불만족하였다.

비교재 3은 산화물계 개재물의 조성만 만족할 뿐, Al₂O₃ 농도에 따른 개재물의 개수를 만족하지 못하였다.

비교재 5 및 9는 산화물계 개재물의 조성과 더불어, 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 35% 이상인 개재물의 개수를 만족하지 못하였다.

비교재 6 및 12는 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 50% 이상인 개재물의 수를 만족하지 못하였다.

비교재 7 및 11은 원 상당 직경이 10㎛를 초과하는 산화물계 개재물 중에서 Al₂O₃의 농도가 35% 이상인 개재물의 수가 10을 초과하였다.

또한, 비교재 8은 개재물의 조성 관계(식(1))를 만족하지 못하였기 때문에 상대적 피로수명이 낮은 것으로 나타났다.

도 1 및 2는 각각 발명재 6과 비교재 10의 전해추출분리법으로 얻은 개재물 잔사를 관찰한 사진을 나타낸 것이며, 도 3 및 4는 각각 발명재 10과 비교재 4에서 관찰된 최대 크기의 개재물을 나타낸 것이다.

Claims

중량%로 탄소(C): 0.40~0.80%, 실리콘(Si): 1.3~2.3%, 망간(Mn): 0.10~1.00%, 크롬(Cr): 0.10~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
원 상당 직경이 10㎛ 초과하는 산화물계 개재물 중 Al₂O₃의 농도가 35중량% 이상인 개재물의 개수는 10개/g 이하, Al₂O₃의 농도가 50중량% 이상인 개재물의 개수는 2개/g 이하이면서,
산화물계 개재물의 성분조성이 하기 식(1)을 만족하는 피로특성이 우수한 스프링용 강.
식(1)
CaO + SiO₂ + MgO + ZrO₂ ≥ 95중량%
제 1항에 있어서,
상기 산화물계 개재물은 중량%로 CaO: 10~50%, SiO₂: 20~80%, MgO: 10% 이하(0% 포함), ZrO₂: 10% 이하(0% 포함)인 피로특성이 우수한 스프링용 강.
제 1항에 있어서,
상기 스프링용 강은 구리(Cu): 0.5% 이하, 니켈(Ni): 1.0% 이하, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하, 니오븀(Nb): 0.1% 이하, 티타늄(Ti): 0.1% 이하, 바나듐(V): 0.5% 이하 및 보론(B): 0.005% 이하로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것인 피로특성이 우수한 스프링용 강.
중량%로 탄소(C): 0.40~0.80%, 실리콘(Si): 1.3~2.3%, 망간(Mn): 0.10~1.00%, 크롬(Cr): 0.10~1.00%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 탈산하는 단계;
상기 탈산된 용강을 LF(Ladle Furnance) 공정 및 RH(Ruhrstahl-Heraeus) 공정을 거치는 정련단계;
상기 정련단계 후 연속주조공정을 통해 주조재를 제조하는 단계; 및
상기 주조재를 재가열한 후 열간압연하여 압연재를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 탈산 후 용강의 슬래그 염기도(CaO/SiO₂)가 4.5~7.5인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 탈산하는 단계는 실리콘(Si) 단독탈산을 행하는 것인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 LF 공정시 승온시간은 25분 이하이고, RH 공정시 처리시간은 25분 이상인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 정련단계 후 연속주조공정 직전까지 Ar 가스로 실링(sealing) 처리하는 것인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 용강은 구리(Cu): 0.5% 이하, 니켈(Ni): 1.0% 이하, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하, 니오븀(Nb): 0.1% 이하, 티타늄(Ti): 0.1% 이하, 바나듐(V): 0.5% 이하 및 보론(B): 0.005% 이하로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.
제 4항에 있어서,
상기 재가열은 1000~1250℃에서 행하고, 상기 열간압연은 750~1100℃에서 행하는 것인 피로특성이 우수한 스프링용 강의 제조방법.