KR101709883B1

KR101709883B1 - 시효 경화성 강

Info

Publication number: KR101709883B1
Application number: KR1020157023522A
Authority: KR
Inventors: 마사토 유야; 마사시 히가시다; 히토시 마츠모토; 다츠야 하세가와; 유타카 네이시; 다이조 마키노
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2017-02-23
Also published as: CN105164297A; EP2985361A1; KR20150110804A; JP5880795B2; EP2985361A4; JPWO2015050151A1; EP2985361B1; US20160201175A1; WO2015050151A1; HUE037998T2; CN105164297B

Abstract

C：0.05~0.20%, Si：0.01~0.50%, Mn：1.5~2.5%, S：0.005~0.08%, Cr：0.03~0.50%, Al：0.005~0.05%, V：0.25~0.50%, Mo：0~1.0%, Cu：0~0.3%, Ni：0~0.3%, Ca：0~0.005% 및 Bi：0~0.4%와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P≤0.03%, Ti<0.005% 및 N<0.0080%이며,〔C＋0.3Mn＋0.25Cr＋0.6Mo≥0.68〕,〔C＋0.1Si＋0.2Mn＋0.15Cr＋0.35V＋0.2Mo≤0.85〕및〔－4.5C＋Mn＋Cr－3.5V－0.8Mo≥0.00〕인 화학 조성을 가지는 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하이고, 시효 처리에 의한 경화량이 25HV 이상 또한 피로 강도가 350MPa 이상이며, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상이 되기 때문에, 기계 부품의 소재로서 매우 적절하다.

Description

시효 경화성 강{AGE-HARDENING STEEL}

본 발명은, 시효 경화성 강에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 열간 단조와 절삭 가공에 의해 소정의 형상으로 가공된 후, 시효 경화 처리(이하, 간단히 「시효 처리」라고 한다)가 실시되고, 상기 시효 처리에 의해 원하는 강도와 인성을 확보하는 일이 행해지는 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 제조하기 위한 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있는 강에 관한 것이다.

엔진의 고출력화, 연비 향상을 목표로 한 경량화 등의 관점으로부터, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품에는, 높은 피로 강도가 요구되고 있다. 강에 높은 피로 강도를 구비시키는 것만이라면, 합금 원소 및/또는 열처리를 이용하여 강의 경도를 올림으로써, 용이하게 달성할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 상기의 기계 부품은, 열간 단조에 의해 성형되고, 그 후, 절삭 가공에 의해 소정의 제품 형상으로 마무리된다. 이로 인해, 상기 기계 부품의 소재가 되는 강은 높은 피로 강도와 더불어 충분한 피삭성을 동시에 구비하지 않으면 안 된다. 일반적으로는, 피로 강도는 소재의 경도가 높은 것일수록 뛰어나다. 한편, 피삭성 중, 절삭 저항과 공구 수명은, 소재의 경도가 높은 것일수록 뒤떨어지는 경향이 있다.

그래서, 피로 강도와 피삭성을 양립시키기 위해, 양호한 피삭성이 요구되는 성형 단계에서는 경도를 낮게 억제할 수 있으며, 한편, 그 후에 시효 처리를 실시하여 강도가 요구되는 최종의 제품 단계에서는 경도를 높일 수 있는, 여러 가지의 기술이 개시되어 있다.

예를 들어, 특허 문헌 1에는 다음의 시효 경화 강이 개시되어 있다.

즉, 질량%로, C：0.11~0.60%, Si：0.03~3.0%, Mn：0.01~2.5%, Mo：0.3~4.0%, V：0.05~0.5% 및 Cr：0.1~3.0%를 함유하고, 필요에 따라, Al：0.001~0.3%, N：0.005~0.025%, Nb：0.5% 이하, Ti：0.5% 이하, Zr：0.5% 이하, Cu：1.0% 이하, Ni：1.0% 이하, S：0.01~0.20%, Ca：0.003~0.010%, Pb：0.3% 이하 및 Bi：0.3% 이하 중 1종 이상을 포함하며, 잔부가 Fe와 불가피적 불순물로 이루어지고, 각 성분 사이에서는,

4C＋Mn＋0.7Cr＋0.6Mo－0.2V≥2.5,

C≥Mo/16＋V/5.7,

V＋0.15Mo≥0.4

를 만족하는 관계가 성립되어 있으며, 압연, 단조, 또는 용체화 처리 후에, 온도 800℃부터 300℃의 사이는 0.05~10℃/초의 평균 냉각 속도로 냉각되고, 시효 처리 전에 있어서는, 베이나이트 조직의 면적률이 50% 이상이고, 또한 경도는 40HRC 이하이며, 시효 처리에 의해, 경도가 시효 처리 전의 경도보다 7HRC 이상 높아지는 것을 특징으로 하는 「시효 경화 강」이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는 다음의 베이나이트 강이 개시되어 있다.

즉, 질량%로, C：0.14~0.35%, Si：0.05~0.70%, Mn：1.10~2.30%, S：0.003~0.120%, Cu：0.01~0.40%, Ni：0.01~0.40%, Cr：0.01~0.50%, Mo：0.01~0.30%, 및, V：0.05~0.45%를 함유하고, 필요에 따라, Ti：0.001~0.100%, 및, Ca：0.0003~0.0100%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,

13[C]＋8[Si]＋10[Mn]＋3[Cu]＋3[Ni]＋22[Mo]＋11[V]≤30,

5[C]＋[Si]＋2[Mn]＋3[Cr]＋2[Mo]＋4[V]≤7.3,

2.4≤0.3[C]＋1.1[Mn]＋0.2[Cu]＋0.2[Ni]＋1.2[Cr]＋1.1[Mo]＋0.2[V]≤3.1,

2.5≤[C]＋[Si]＋4[Mo]＋9[V],

[C]≥[Mo]/16＋[V]/3

을 만족하는 것을 특징으로 하는 「베이나이트 강」이 개시되어 있다.

또, 특허 문헌 3 및 특허 문헌 4에는, 소정의 화학 조성 또는 조직을 가지는 시효 경화성 강이 개시되어 있고, 특허 문헌 5 및 특허 문헌 6에는, 기계 구조용 강 부품을 얻는 방법으로서, 강재를 열간 단조 후 소정의 속도로 냉각하고, 그 후 소정의 온도 범위에서 시효 처리를 실시하는 방법이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개 2006-37177호 공보 일본국 특허 공개 2011-236452호 공보 국제 공개 제2010/090238호 국제 공개 제2011/145612호 국제 공개 제2012/161321호 국제 공개 제2012/161323호

그런데, 시효 처리에 의해 강 중에 미세한 이차상을 석출시킴으로써 높은 강도를 얻으려고 하면, 강의 인성은 열화한다.

인성이 열화한 강은 절결 감수성이 높아진다. 절결 감수성이 높아지면, 강의 피로 강도는 미세한 표면 상처의 영향을 받기 쉬워진다.

또, 인성이 낮은 강은 일단 피로 균열이 발생하면, 균열의 진전이 빨라지고, 또한 파괴도 대규모인 것이 된다.

또한, 열간 단조로 발생한 변형을 냉간으로 교정하려고 한 경우, 강의 인성이 너무 낮아지면, 냉간으로도 교정이 어려워지는 경우도 있다.

특허 문헌 1에 개시된 강은, 시효 처리 전의 경도가 40HRC까지 허용되어 있어, 경도가 매우 높기 때문에, 피삭성의 확보가 어렵고, 구체적으로는 절삭 저항이 높으며, 공구 수명이 짧아지기 때문에, 절삭 비용이 커져 버린다. 구체적인 예로서 개시되어 있는 강에는, 시효 처리 전의 경도가 40HRC를 밑도는 것도 포함되어 있으나, 그것들은 1.4% 이상의 Mo를 함유하고 있는데다가, 인성이 전혀 고려되어 있지 않다.

특허 문헌 2에 개시된 강은, 합금 원소의 함유량을, 특정의 파라미터식을 만족하도록 조정함으로써, Mo의 함유량을 비교적 줄이면서, 시효 처리 전(열간 단조 후)의 경도가 300HV 이하이고, 시효 처리 후의 경도가 300HV 이상으로 되어 있다. 그런데, 시효 처리 후의 인성을 높이는 방법이 충분히 알려져 있지 않다.

그래서, 본 발명의 목적은, 하기의 <1>~<3>을 만족하는 시효 경화성 강을 제공하는 것에 있다.

<1> 절삭 저항 및 공구 수명과 관계되는 열간 단조 후의 경도가 충분히 낮은 것. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 열간 단조 후의 경도를, 「시효 처리 전의 경도」라고 한다.

<2> 시효 처리에 의해 경화하고, 기계 부품에 원하는 피로 강도를 구비시킬 수 있는 것.

<3> 시효 처리 후의 인성이 높은 것.

구체적으로는, 본 발명의 목적은, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하이며, 시효 처리에 의해 경도가 HV로 25 이상 경화하고, 또한 후술하는 피로 강도가 350MPa 이상이며, 더욱이 JIS Z 2242에 기재된, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상이 되는 시효 경화성 강을, 강 중의 Mo함유량이 1.0질량% 이하의 화학 조성으로 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해, 우선, 화학 조성을 여러 가지로 조정한 강을 이용하여, 조사를 실시했다. 그 결과, 하기 (a)~(c)의 지견을 얻었다.

(a) V는, 고온으로부터의 방랭시의 탄화물의 석출 피크가 750~700℃ 정도이다. 예를 들어, 0.3질량%의 V와 0.1질량%의 C를 포함하는 강에 있어서는, V는 일단 매트릭스 중에 고용하면 850℃ 부근까지는 석출되지 않기 때문에, 열간 단조 중의 석출을 억제하는 것이 비교적 용이하다.

(b) V의 탄화물은, 오스테나이트가 페라이트로 변태할 때에 상 계면에서 석출되기 쉽다. 따라서, 열간 단조 후의 냉각 중에 초석 페라이트가 다량으로 생성된 경우에는, V의 탄화물이 상 계면에서 석출되어, 고용 V의 양이 감소하므로, 시효 처리 중에 석출되고 경화하는데 필요한 양의 고용 V를 확보할 수 없게 된다.

(c) 따라서, 시효 처리 전의 단계에서 고용 V를 확보하기 위해서는, 열간 단조 후의 조직에 있어서, 주상을 베이나이트로 하는 것이 필요하다.

그래서 다음에, 본 발명자들은, 0.25질량% 이상의 V를 포함하는 강에 대해, 강의 화학 조성을 여러 가지로 변화시키고, 조직의 베이나이트의 면적률이 안정적으로 높아지기 위한 조건을 조사했다. 또한, 그들 강에 시효 처리를 실시했을 때의 시효 경화 능력을 조사했다. 그 결과, 하기 (d)~(f)의 지견을 얻었다.

(d) 열간 단조 후의 조직은, C, Mn, Cr 및 Mo의 함유량과 밀접한 상관을 가진다. 즉, 상기 원소의 함유량이, 후술하는 담금질성의 지표를 나타내는 (1)식으로 표시되는 값이 특정 범위가 되도록 제어되고 있으면, 고용 V의 확보에 유해한 초석 페라이트의 다량의 석출이 억제된다. 이로 인해, 용이하게, 베이나이트를 주상으로 하는 조직, 즉, 면적률로 70% 이상이 베이나이트인 조직이 되어, 충분한 양의 고용 V를 확보할 수 있다.

(e) C, Mn, Cr 및 Mo의 함유량이, 상기 (d)에서 서술한 (1)식이 특정 범위가 된다고 하는 조건을 만족하는 것 만으로는, 고용 강화 등의 작용에 의해, 시효 처리 전의 경도가 높아지므로 절삭시의 절삭 저항이 상승하고, 공구 수명이 저하하는 경우가 있다.

(f) 한편, C, Si, Mn, Cr, V 및 Mo의 함유량이, 후술하는 (2)식으로 표시되는 값이 특정 범위가 되도록 제어되고 있으면, 상기 시효 처리 전의 경도를 낮게 유지할 수 있다.

그래서 또한, 본 발명자들은, 0.25질량% 이상의 V를 포함하고, C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V의 함유량이 상기의 (d) 및 (f)에서 서술한 조건을 함께 만족하는 강을 열간 단조한 후에 시효 처리를 실시하며, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상이 되는 조건을 조사했다. 그 결과, 하기의 (g)~(i)의 지견을 얻었다.

(g) 시효 처리 후의 인성을 열화시키는 원소는 C, V, Mo 및 Ti이다. 이 중, Ti는, N 및/또는 C와 결합함으로써, TiN 및/또는 TiC를 형성한다. TiN 및/또는 TiC가 석출되면, 피로 강도는 높아지는 경우도 있는데, 인성을 큰 폭으로 저하시킨다. Ti의 인성을 열화시키는 작용의 힘은, 같은 석출 강화 원소인 V 및 Mo와 비교하면, 매우 크다. 그로 인해, Ti는 극력 제한해야만 한다. C는, 강 중에서 시멘타이트를 형성시켜, 벽개 파괴의 기점이 될 수 있다. C량에 대해 과잉인 양의 V나 Mo를 함유한 강을 시효 처리한 경우여도, 일부의 시멘타이트는 잔존한다. V와 Mo도, 시효 처리에 의해 매트릭스의 동일한 결정면에 탄화물을 석출함으로써, 벽개 파괴의 진전을 조장하여 인성을 열화시킨다. 따라서, 인성을 높이기 위해서는, C, V 및 Mo의 함유량을 줄일 필요가 있다.

(h) 또, 인성을 높이기 위해서는, 베이나이트 조직을 미세화시킬 필요가 있다. 베이나이트 조직을 미세화하기 위해서는, 오스테나이트로부터의 베이나이트의 변태 온도를 낮추면 된다. 베이나이트의 변태 온도를 낮추기 위해서는, 베이나이트 변태 개시 온도를 저하시키는 Mn 및 Cr의 함유량을 많게 하면 된다.

(i) 이상의 것으로부터, 높은 강도를 가지는 시효 경화성 강에 충분한 인성을 부여하기 위해서는, C, Mn, Cr, V 및 Mo의 함유량에 대해, 후술하는 시효 처리 후의 인성의 지표를 나타내는 (3)식으로 표시되는 값이 특정의 값 이상이 되도록 제어할 필요가 있고, 또한, 강 중에 인성에 유해한 개재물 및 석출물이 포함되지 않도록, Ti의 함유량을 특정의 값 이하로 할 필요가 있다.

본 발명은, 상기의 지견을 바탕으로 하여 이루어진 것으로, 그 요지는, 하기에 개시하는 시효 경화성 강에 있다.

(1) 질량%로, C：0.05~0.20%, Si：0.01~0.50%, Mn：1.5~2.5%, S：0.005~0.08%, Cr：0.03~0.50%, Al：0.005~0.05%, V：0.25~0.50%, Mo：0~1.0%, Cu：0~0.3%, Ni：0~0.3%, Ca：0~0.005% 및 Bi：0~0.4%와,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,

불순물 중의 P, Ti 및 N이, P：0.03% 이하, Ti：0.005% 미만 및 N：0.0080% 미만이며,

또한, 하기의, (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 0.85 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.00 이상인 화학 조성을 가지는, 시효 경화성 강.

F1=C＋0.3Mn＋0.25Cr＋0.6Mo …(1)

F2=C＋0.1Si＋0.2Mn＋0.15Cr＋0.35V＋0.2Mo …(2)

F3=－4.5C＋Mn＋Cr－3.5V－0.8Mo…(3)

상기의 (1)~(3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

(2) 화학 조성이, 질량%로, 하기의 <1>~<3>에 나타내는 원소로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 상기 (1)에 기재된 시효 경화성 강.

<1> Mo：0.05~1.0%

<2> Cu：0.1~0.3% 및 Ni：0.1~0.3%, 및

<3> Ca：0.0005~0.005% 및 Bi：0.03~0.4%

(3) 주상이 베이나이트이며, 상기 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60㎛인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 시효 경화성 강.

(4) 경도가 290HV 이하인, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 시효 경화성 강.

본 발명의 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하가 된다. 게다가, 본 발명의 시효 경화성 강을 이용하면, 절삭 가공 후에 실시되는 시효 처리에 의해 경도가 HV로 25 이상 경화함과 더불어, 350MPa 이상의 피로 강도와, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상이라고 하는 뛰어난 인성을 확보할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 시효 경화성 강은, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품의 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있다.

도 1은 실시예에서 이용한 한축의 인장 압축형의 피로 시험편의 형상을 도시하는 도이다. 도면 중의 수치는 치수(단위：mm)를 나타낸다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

C：0.05~0.20%

C는, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. C는, V와 결합하여 탄화물을 형성하고, 강을 강화한다. 그러나, C의 함유량이 0.05% 미만에서는, V의 탄화물이 석출되기 어려워지기 때문에, 원하는 강화 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C의 함유량이 너무 많아지면, V나 Mo와 결합하지 않는 C가 Fe와 탄화물(시멘타이트)을 형성하는 양이 증가하기 때문에, 인성을 열화시켜 버린다. 따라서, C의 함유량을 0.05~0.20%로 했다. C의 함유량은, 0.08% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.10% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, C의 함유량은 0.18% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.16% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

Si：0.01~0.50%

Si는, 제강시의 탈산 원소로서 유용함과 동시에, 매트릭스에 고용하여 강의 강도를 향상시키는 작용을 가진다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, Si는 0.01% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Si의 함유량이 과잉이 되면, 강의 열간 가공성을 저하시키고, 또 시효 처리 전의 경도가 높아진다. 따라서, Si의 함유량을 0.01~0.50%로 했다. Si의 함유량은, 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, Si의 함유량은, 0.45% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.35%를 밑도는 것이 한층 바람직하다.

Mn：1.5~2.5%

Mn은, 담금질성을 향상시키고, 조직의 주상을 베이나이트로 하는 효과를 가진다. 또한, 베이나이트 변태 온도를 저하시킴으로써, 베이나이트 조직을 미세화시켜 매트릭스의 인성을 높이는 효과도 가진다. 또, Mn은, 강 중에서 MnS를 형성하고 절삭시의 부스러기 처리성을 향상시키는 작용을 가진다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mn은 적어도 1.5%의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Mn은 강의 응고시에 편석하기 쉬운 원소이기 때문에, 함유량이 너무 많아지면, 열간 단조 후의 부품 내의 경도의 편차가 커지는 것을 피할 수 없다. 따라서, Mn의 함유량을 1.5~2.5%로 했다. Mn의 함유량은, 1.6% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.7% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, Mn의 함유량은, 2.3% 이하로 하는 것이 바람직하고, 2.1% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

S：0.005~0.08%

S는, 강 중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 절삭시의 부스러기 처리성을 향상시키므로, 0.005% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, S의 함유량이 많아지면, 조대한 MnS가 증가하여 인성과 피로 강도를 열화시킨다. 따라서, S의 함유량을 0.005~0.08%로 했다. S의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, S의 함유량은, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.03% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

Cr：0.03~0.50%

Cr은, Mn과 마찬가지로 담금질성을 높이고, 조직의 주상을 베이나이트로 하는 효과를 가진다. 또한, 베이나이트 변태 온도를 저하시킴으로써, 베이나이트 조직을 미세화시켜 매트릭스의 인성을 높이는 효과도 가진다. 그러나, Cr의 함유량이 0.50%를 초과하면, 담금질성이 커지고, 부품의 크기나 부위에 따라서는 시효 처리 전의 경도가 290HV를 초과하는 경우가 있다. 따라서, Cr의 함유량을 0.03~0.50%로 했다. Cr의 함유량은, 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.15% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다.

Al：0.005~0.05%

Al은 탈산 작용을 가지는 원소이며, 이 효과를 얻기 위해 0.005% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Al을 과잉으로 함유하면, 조대한 산화물이 생성되게 되고, 인성이 저하한다. 따라서, Al의 함유량을 0.005~0.05%로 했다. Al의 함유량은, 0.04% 이하로 하는 것이 바람직하다.

V：0.25~0.50%

V는, 본 발명의 강에 있어서의 가장 중요한 원소이다. V는, 시효 처리시에 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성함으로써, 피로 강도를 높이는 작용이 있다. 또, 강 중에 Mo를 함유한 경우, V에는, 시효 처리에 의해, Mo와 복합하여 석출하고, 시효 경화 능력을 한층 높이는 효과도 있다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, V는 0.25% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, V의 함유량이 과잉이 되면, 열간 단조시의 가열에 있어서도 미고용의 탄질화물이 남기 쉬워져 인성의 저하를 초래한다. 게다가, V의 함유량이 과잉이 되면, 시효 처리 전의 경도가 높아져 버리는 경우가 있다. 따라서, V의 함유량을 0.25~0.50%로 했다. V의 함유량은, 0.45%를 밑도는 것이 바람직하고, 0.40% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, V의 함유량은, 0.27% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mo：0~1.0%

Mo는 V와 마찬가지로, 탄화물의 석출 온도가 비교적 낮아, 시효 경화에 활용하기 쉬운 원소이다. Mo는, 담금질성을 높이고, 열간 단조 후의 조직의 주상을 베이나이트로 함과 더불어, 그 면적률을 크게 하는 작용을 가진다. Mo는, V와 복합적으로 탄화물을 형성하고, 시효 경화 능력을 크게 하는 작용도 가진다. 이로 인해, 필요에 따라 Mo를 함유시켜도 된다. 그러나, Mo는 매우 고가의 원소이기 때문에, 함유량이 많아지면 강의 제조 비용이 증대하고, 또한 인성도 저하한다. 따라서, Mo를 함유시키는 경우에는, 그 양을 1.0% 이하로 했다. Mo의 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.40% 이하로 하는 것이 한층 바람직하며, 0.30%를 밑도는 것이 보다 한층 바람직하다.

한편, 상기의 Mo의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.10% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다.

Cu 및 Ni는, 모두, 피로 강도를 높이는 작용을 가진다. 이로 인해, 보다 큰 피로 강도를 얻고 싶은 경우에는, 이들 원소를 이하에 서술하는 범위로 함유시켜도 된다.

Cu：0~0.3%

Cu는, 피로 강도를 향상시키는 작용을 가진다. 이로 인해, 필요에 따라 Cu를 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 많아지면, 열간 가공성이 저하한다. 따라서, Cu를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.3% 이하로 했다. Cu의 함유량은, 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 Cu의 피로 강도를 높이는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ni：0~0.3%

Ni는, 피로 강도를 향상시키는 작용을 가진다. 또한, Ni는, Cu에 의한 열간 가공성의 저하를 억제하는 작용도 가진다. 이로 인해, 필요에 따라 Ni를 함유시켜도 된다. 그러나, Ni의 함유량이 많아지면, 비용이 커지는 것에 더해 상기의 효과도 포화한다. 따라서, Ni를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.3% 이하로 했다. Ni의 함유량은, 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 Ni의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기의 Cu 및 Ni는, 그 중의 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 함유시키는 경우의 상기 원소의 합계 함유량은, Cu 및 Ni의 함유량이 각각의 상한값인 경우의 0.6%여도 된다.

Ca 및 Bi는, 모두, 절삭시의 공구 수명을 장수명화하는 작용을 가진다. 이로 인해, 공구 수명을 한층 길게 하고 싶은 경우에는, 이들 원소를 이하에 서술하는 범위로 함유시켜도 된다.

Ca：0~0.005%

Ca는, 공구 수명을 장수명화하는 작용을 가진다. 이로 인해, 필요에 따라 Ca를 함유시켜도 된다. 그러나, Ca의 함유량이 많아지면, 조대한 산화물을 형성하고, 인성을 열화시킨다. 따라서, Ca를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.005% 이하로 했다. Ca의 함유량은, 0.0035% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 Ca의 공구 수명을 장수명화하는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ca의 함유량을 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Bi：0~0.4%

Bi는, 절삭 저항을 저하시켜 공구 수명을 장수명화시키는 작용을 가진다. 이로 인해, 필요에 따라 Bi를 함유시켜도 된다. 그러나, Bi의 함유량이 많아지면, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 따라서, Bi를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.4% 이하로 했다. Bi의 함유량은, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기의 Bi의 공구 수명을 장수명화하는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Bi의 함유량을 0.03% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기의 Ca 및 Bi는, 그 중의 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 함유시키는 경우의 이들 원소의 합계 함유량은, Ca 및 Bi의 함유량이 각각의 상한값인 경우의 0.405%여도 상관없으나, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 시효 경화성 강은, 상기 서술한 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, Ti 및 N이, P：0.03% 이하, Ti：0.005% 미만 및 N：0.0080% 미만이며, 또한, 상기의, (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 0.85 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.00 이상인 화학 조성을 가지는 강이다.

또한, 불순물이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩 또는 제조 환경 등으로부터 혼입하는 것을 가리킨다.

P：0.03% 이하

P는, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서 바람직하지 않은 원소이다. 즉, P는, 입계에 편석함으로써 인성을 저하시킨다. 따라서, P의 함유량을 0.03% 이하로 했다. P의 함유량은, 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti：0.005% 미만

Ti는, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서 특히 바람직하지 않은 원소이다. 즉, Ti는, N 및/또는 C와 결합함으로써, TiN 및/또는 TiC를 형성하여 인성의 저하를 초래하고, 특히 그 함유량이 0.005% 이상이 되면, 크게 인성을 열화시킨다. 따라서, Ti의 함유량을 0.005% 미만으로 했다. 양호한 인성을 확보하기 위해서는, Ti의 함유량은, 0.0035% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N：0.0080% 미만

N은, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서는, V를 질화물로서 고정해 버리는 바람직하지 않은 원소이다. 즉, 질화물로서 석출된 V는 시효 경화에 기여하지 않게 되기 때문에, 질화물의 석출을 억제하기 위해, N의 함유량은 낮게 해야만 한다. 그러기 위해서는, N의 함유량은 0.0080% 미만으로 할 필요가 있다. N의 함유량은, 0.0070% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.0060% 미만으로 하는 것이 한층 바람직하다.

F1：0.68 이상

본 발명의 시효 경화성 강은,

F1=C＋0.3Mn＋0.25Cr＋0.6Mo…(1)

로 표시되는 F1이, 0.68 이상이어야만 한다.

이미 서술했던 대로, 상기의 (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F1은, 담금질성에 대한 지표이다. 강에 포함되는 각 합금 원소의 양이 상기 서술한 범위 내이면, F1이 상기의 조건을 만족하면, 열간 단조 후의 조직이 베이나이트를 주상으로 하는 것이 된다.

F1이 0.68 미만인 경우, 열간 단조 후의 조직에 초석 페라이트가 혼입하여, V의 탄화물이 상 계면에서 석출되기 때문에, 시효 처리 전의 경도가 상승하거나, 시효 경화 능력이 작아진다.

F1은, 0.70 이상인 것이 바람직하고, 0.72 이상인 것이 한층 바람직하다. 또, F1은, 1.0 이하인 것이 바람직하고, 0.98 이하인 것이 한층 바람직하다.

F2：0.85 이하

본 발명의 시효 경화성 강은,

F2=C＋0.1Si＋0.2Mn＋0.15Cr＋0.35V＋0.2Mo…(2)

로 표시되는 F2가, 0.85 이하이어야만 한다.

이미 서술했던 대로, 상기의 (2)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F2는, 시효 처리 전의 경도를 나타내는 지표이다. 본 발명의 시효 경화성 강이, 상기의 F1의 조건을 만족하는 것 만으로는, 시효 처리 전의 경도가 너무 높아져, 절삭 가공시의 절삭 저항이 커지고, 공구 수명도 단수명화하는 경우가 있다.

즉, F2가 0.85를 초과하면 시효 처리 전의 경도가 너무 높아진다. 시효 처리 전의 경도를 290HV 이하로 하기 위해서는, 상기한 각 합금 원소의 함유량을 규정한 범위 내로 하고, 또한, F1의 조건을 만족한 후에, F2의 조건을 만족할 필요가 있다.

F2는, 0.82 이하인 것이 바람직하고, 0.80 이하인 것이 한층 바람직하다. 또, F2는, 0.55 이상인 것이 바람직하고, 0.60 이상이면 한층 바람직하다.

F3：0.00 이상

본 발명의 시효 경화성 강은,

F3=－4.5C＋Mn＋Cr－3.5V－0.8Mo…(3)

로 표시되는 F3이, 0.00 이상이어야만 한다.

이미 서술했던 대로, 상기의 (3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F3은, 시효 처리 후의 인성을 나타내는 지표이다. 즉, F1 및 F2의 조건을 만족하는 것 만으로는, 시효 처리 후의 인성이 저하하여 목표로 하는 인성을 확보할 수 없는 경우가 있다.

즉, F3이 0.00 미만인 경우, 시효 처리 후의 인성이 저하한다. 목표로 하는 인성을 확보하기 위해서는, 상기한 각 합금 원소의 함유량을 규정한 범위 내로 하고, 또한, F1의 조건, 및, F2의 조건을 만족한 후에, F3의 조건을 만족할 필요가 있다.

F3은, 0.01 이상인 것이 바람직하다.

또한, F1이 0.68 이상, 또한 F2가 0.85 이하이면, F3의 상한에 대해 특히 한정을 설치할 필요는 없다.

본 발명의 시효 경화성 강은, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60㎛인 것이 바람직하다. 본 발명에서 베이나이트의 「블록」이란, EBSD(Electron BackScatter Diffraction)법에 의해, 조직의 방위 해석을 실시한 경우에, 방위차가 15°이상의 경계로 둘러싸인 영역을 말한다. 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 클수록, 시효 전의 경도가 낮기 때문에, 양호한 피삭성이 얻어진다. 한편, 평균 블록 사이즈가 너무 크면, 인성이 낮아진다. 평균 블록 사이즈는, 20㎛ 이상이 보다 바람직하다. 또, 평균 블록 사이즈는, 45㎛ 이하가 보다 바람직하고, 30㎛ 이하가 보다 한층 바람직하다.

본 발명의 시효 경화성 강의 제조 방법은 특별히 한정하는 것이 아니며, 일반적인 방법으로 용제하여 화학 조성을 조정하면 된다.

이하에, 상기와 같이 하여 제조한 본 발명의 시효 경화성 강을 소재로 하여, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 제조하는 방법의 일례를 개시한다.

우선, 화학 조성을 상기 서술한 범위로 조정한 강으로부터, 열간 단조에 제공하는 재료(이하, 「열간 단조용 소재」라고 한다)를 제작한다.

상기의 열간 단조용 소재로서는, 잉곳을 분괴 압연한 빌릿, 연속 주조재를 분괴 압연한 빌릿, 혹은 이들 빌릿을 열간 압연 또는 열간 단조한 봉강 등, 어떤 것이어도 상관없다.

이어서, 상기의 열간 단조용 소재를 열간 단조하고, 또한 절삭 가공하여 소정의 부품 형상으로 마무리한다.

또한, 상기의 열간 단조는, 예를 들어, 열간 단조용 소재를 1100~1350℃로 0.1~300분 가열한 후, 마무리 단조 후의 표면 온도가 900℃ 이상이 되도록 하여 단조를 행하고, 그 후, 800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도를 10~90℃/분 (0.2~1.5℃/초)로 하여 실온까지 냉각한다. 이와 같이 하여 냉각한 후, 또한 절삭 가공하여, 소정의 부품 형상으로 마무리한다.

800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도는, 빠를수록 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 작아진다. 이 평균 냉각 속도의 하한은 20℃/분이 바람직하고, 상한은 80℃/분이 바람직하다.

마지막으로, 시효 처리를 실시하여, 원하는 특성을 구비하는 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 얻는다.

또한, 상기의 시효 처리는, 예를 들어, 540~700℃의 온도역, 바람직하게는 560~680℃의 온도역에서 행한다. 이 시효 처리의 유지 시간은, 예를 들어, 30~1000분으로 하는 등, 기계 부품의 사이즈(질량)에 의해 적당히 조정한다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더 상세하게 설명한다.

실시예 1

표 1 및 표 2에 기재하는 화학 조성의 강 A~AG를 50kg 진공 용해로에 의해 용제했다.

표 1 및 표 2에 있어서의 강 A~W는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 강이다. 한편, 표 2에 있어서의 강 X~AG는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 강이다.

또한, Ti의 란에 있어서의 「＜0.001」은, 불순물로서의 Ti의 함유량이 0.001%를 밑도는 것인 것을 나타낸다.

[표 1]

[표 2]

각 강의 잉곳은, 1250℃로 가열한 후, 직경 60mm의 봉강에 열간 단조했다. 열간 단조한 각 봉강은, 일단 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다. 그 후, 또한, 1250℃로 30분 가열하고, 부품 형상으로의 단조를 상정하며, 마무리시의 단조재의 표면 온도를 950~1100℃로 하여, 직경 35mm의 봉강에 열간 단조했다. 열간 단조 후는, 모두 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다. 대기 중에서 방랭했을 때의 냉각 속도는, 상기의 조건으로 열간 단조한 봉강의 R/2 부근(「R」은 봉강의 반경을 나타낸다)에 열전대를 넣어, 재차 열간 단조의 마무리 온도 부근의 온도까지 승온시키고 나서, 대기 중에서 방랭하여 측정했다. 이와 같이 하여 측정한 단조 후의 800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도는 약 40℃/분(0.7℃/초)였다.

각 시험 번호에 대해, 열간 단조로 상기의 직경 35mm로 마무리한 후에 실온까지 냉각한 봉강 중 일부는, 시효 처리를 실시하지 않은 상태(즉, 냉각인 상태)로, 봉강의 양단부를 100mm씩 잘라 떨어뜨린 후, 남은 중앙부로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 전의 경도와 조직의 베이나이트의 면적률의 조사를 행했다.

한편, 각 시험 번호에 대해, 열간 단조한 봉강의 나머지는, 610~630℃로 60~180분 유지하는 시효 처리를 실시하며, 봉강의 양단부를 100mm씩 잘라 떨어뜨린 후, 남은 중앙부로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 후의 경도의 조사를 행했다. 또, 각 시험 번호에 대해, 봉강으로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지와 피로 강도의 조사를 행했다.

경도 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 우선, 봉강을 횡단하고, 절단면이 피검면이 되도록 수지 매설하며 경면 연마하여 시험편을 준비했다. 이어서, JIS Z 2244(2009)에 있어서의 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 피검면의 R/2부(「R」은 반경을 나타낸다) 부근 10점에 대해, 시험력을 9.8N으로 하여 경도 측정을 실시했다. 상기 10점의 값을 산술 평균하여 비커스 경도로 했다. 시효 처리 전의 경도는 290HV 이하인 경우에, 충분히 낮다고 판단되며, 이것을 목표로 했다. 또, 시효 처리 후의 경도와 시효 처리 전의 HV에서의 경도의 차(이하, 「△HV」라고 한다)가 25 이상이 된 경우에, 경화량이 충분히 높다고 판단되며, 이것을 목표로 했다.

조직의 베이나이트의 면적률의 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 경도 측정에 이용한 수지 매설하고 경면 연마한 시험편을, 나이탈로 에칭했다. 에칭 후의 시험편에 대해, 광학 현미경을 이용하여, 배율 200배로 조직을 촬영했다. 촬영한 사진으로부터 화상 해석에 의해, 베이나이트의 면적률을 측정했다. 베이나이트의 면적률이 70% 이상인 경우에, 조직이 충분히 베이나이트화했다고 판단되며, 이것을 목표로 했다.

인성은, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상인 경우에, 충분히 높다고 판단되며, 이것을 목표로 했다.

피로 강도는, 한축의 인장 압축형의 피로 시험편을 채취하여 조사했다. 즉, 도 1에 도시하는 평행부의 직경과 길이가 각각, 3.4mm와 12.7mm의 형상의 평활 피로 시험편을, 봉강의 R/2부로부터 단조 방향에 평행(봉강의 길이 방향)하게 채취하여, 실온, 대기 중, 응력비 0.05, 시험 속도 10Hz의 조건으로 피로 시험을 행했다. 상기의 조건 하에서, 응력 부가 반복수 10⁷회에 있어서 파단하지 않는 최대의 응력을 피로 강도로 했다. 피로 강도가 350MPa 이상인 경우에, 피로 강도가 충분히 높다고 판단되며, 이것을 목표로 했다.

표 3에, 상기의 각 조사 결과를 기재한다. 또한, 베이나이트의 면적률이 70% 이상에서 목표를 달성한 것 및 70% 미만에서 목표에 미달인 것을 각각, 「베이나이트화」란에 있어서 「○」 및 「×」로 기재했다. 또, 표 3에서는 「샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지」를 「샤르피 흡수 에너지」라고 표기했다.

[표 3]

표 3으로부터 명백하듯이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 가지는 시험 번호 A1~A23의 「본 발명예」의 경우, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하이고, 시효 처리에 의해 경도가 HV로 25 이상 경화하며, 또한 피로 강도가 350MPa 이상, 더욱이 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지도 16J 이상이 되어 목표를 달성하고 있으며, 시효 처리 후의 강도 및 인성이 양립되어 있다. 또한 시효 처리 전의 경도가 낮은 것으로부터, 절삭 저항의 저하 및 공구 수명의 장수명화를 기대할 수 있는 것을 안다.

이에 비해, 본 발명의 규정으로부터 벗어난 시험 번호 B1~B10의 「비교예」의 경우에는, 목표로 하는 성능이 얻어져 있지 않다.

시험 번호 B1은, 이용한 강 X의 F1이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 작기 때문에, 담금질성이 작고, 면적률로 30%를 초과하는 초석 페라이트가 생성되어 있으며, 베이나이트의 면적률은 70% 미만이었다. 그로 인해, 시효 경화하기 어렵고, 시효 처리 후의 피로 강도가 낮다.

시험 번호 B2는, 이용한 강 Y의 F2가 본 발명의 규정으로부터 벗어나 크기 때문에, 시효 처리 전의 경도가 311HV가 되어, 딱딱하다.

시험 번호 B3은, 이용한 강 Z의 F3이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 작기 때문에, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 작고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B4는, 이용한 강 AA의 F3이 본 발명의 규정을 만족하고 있지만, C량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 많기 때문에, 인성 열화가 현저하다. 그로 인해, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 작고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B5는, 이용한 강 AB의 Mn량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 낮기 때문에, 초석 페라이트가 석출되어 있으며, 조직의 베이나이트부도 충분히 미세화되어 있지 않다. 그로 인해, 시효 경화하기 어렵고, 시효 처리 후의 피로 강도가 낮다. 또, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 작고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B6은, 이용한 강 AC의 S량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 많기 때문에, 조대한 MnS가 증가하며, 인성의 열화가 현저하다. 그로 인해, 시효 처리 후의, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 작고, 인성이 뒤떨어진다. 또, 피로 강도도 낮다.

시험 번호 B7은, 이용한 강 AD의 V량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 낮기 때문에, 시효 처리에 의해 석출되는 V탄화물량이 적다. 그로 인해, 시효 경화하기 어렵고, 시효 처리 후의 피로 강도도 낮다.

시험 번호 B8은, 이용한 강 AE의 Ti량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 높기 때문에, 조대한 TiN이 증가하며, 인성 열화가 현저하다. 그로 인해, 시효 처리 후의, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 작고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B9는, 이용한 강 AF의 N량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 높기 때문에, 열간 단조 중에 V의 질화물이 석출되어 버린다. 그로 인해, 시효 경화하기 어렵고, 시효 처리 후의 피로 강도도 낮다.

시험 번호 B10은, 이용한 강 AG의 N량이 본 발명의 규정으로부터 벗어나 높기 때문에, 열간 단조 중에 V의 질화물이 석출되어 버린다. 그로 인해, 시효 처리 후의 피로 강도가 낮다. 단, 강 AF에 비해 N량이 적기 때문에, 열간 단조 중에 석출되는 V의 질화물이 적어, 강 AF보다 시효 경화는 진행되어 있다.

실시예 2

실시예 1에서 열간 단조하고, 실온까지 냉각함으로써 제작한 강 P 및 강 Y의 직경 60mm의 봉강의 일부를 잘라냈다. 잘라낸 봉강은, 더욱이, 1250℃로 30분 가열하고, 부품 형상으로의 단조를 상정하며, 마무리시의 단조재의 표면 온도를 950~1100℃로 하여, 직경 35mm의 봉강에 열간 단조했다. 열간 단조 후는, 대기 중에서의 방랭에 의해, 또는 송풍기 및 미스트를 이용하여, 여러 가지의 냉각 속도로 400℃ 이하의 온도까지 냉각했다.

각 시험 번호에 대해, 열간 단조로 상기의 직경 35mm로 마무리한 후, 송풍기 및 미스트를 이용하여 400℃ 이하의 온도까지 냉각하고, 더욱이 실온까지 냉각한 봉강 중 일부를 이용하여, 시효 처리 전의 경도를 측정했다.

한편, 각 시험 번호에 대해, 열간 단조한 봉강의 나머지는, 630℃로 60분 유지하는 시효 처리를 실시했다. 시효 처리를 실시한 봉강으로부터 채취한 시험편을 이용하여, 시효 처리 후의 경도, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지, 피로 강도, 및 베이나이트 조직의 블록 사이즈의 조사를 행했다.

시효 처리 전의 경도, 및 시효 처리 후의 경도, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지, 및 피로 강도의 조사는, 실시예 1과 같은 조건으로 실시했다. 또, 이들의 목표 값은 실시예 1과 마찬가지로 했다.

베이나이트 조직의 블록 사이즈의 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 경도 측정에 이용한 수지 매설한 시험편을, 콜로이달 실리카를 이용하여 재차 연마했다. 연마한 시험편에 대해, EBSD법에 의해, 조직의 방위 해석을 실시했다. 방위차가 15°이상의 경계로 둘러싸인 영역을 「블록」이라고 정의하고, 각 블록의 면적을 화상 해석에 의해 구했다.

블록들의 계면은, 요철이 있는 복잡한 형상이다. 그로 인해, 블록의 요철 단부 부근을 잘라내도록 조직의 관찰면이 작성된 경우에는, 마치 하나의 블록에 내포된 다른 블록이 있는 것처럼 관찰되는 경우가 있다. 이 경우, 블록의 면적의 측정 정밀도가 저하한다. 이러한, 영향을 제거하기 위해, 단면상 상에 있어서, 어느 블록이 다른 블록에 완전하게 내포되어 있는 경우에는, 단일의 블록으로 간주하여, 내포되어 있는 작은 쪽의 블록은 무시하고, 큰 쪽의 블록만으로 면적을 구했다.

이와 같이 하여 면적을 측정한 각 블록에 대해, 같은 면적을 가지는 원의 직경을 그 블록의 사이즈라고 정의했다. EBSD법에 의해 해석한 30000㎛²의 영역 중의 각 블록의 사이즈로부터, 평균 블록 사이즈를 산출했다.

평균 블록 사이즈를 산출할 때에는, 각 블록의 사이즈에 대해, 그 블록의 면적에 의한 가중치 평가를 행했다. 즉, 해석 영역 중의 n개의 블록 1~n에 대해, 각각의 사이즈를 D1, D2, …, Dn(㎛), 각각의 면적을 S1, S2, …, Sn(㎛²)으로 한 경우, 평균 블록 사이즈는 (D1×S1＋D2×S2＋…＋Dn×Sn)/30000으로 했다. 평균 블록 사이즈는, 15~60㎛를 목표로 했다.

표 4에, 상기의 각 조사 결과를 기재한다. 시험 번호 C1은, 표 3의 시험 번호 A16이다. 표 4에 기재하는 냉각 속도는, 직경 35mm의 봉강에 열간 단조한 후의 냉각시의 800~400℃의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도이다. 이 평균 냉각 속도의 측정 방법은, 실시예 1과 마찬가지로 했다.

[표 4]

표 4로부터 명백하듯이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 가지는 시험 번호 C1~C6의 「본 발명예」의 경우, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60㎛의 목표 범위 내이며, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하였다. 그로 인해, 양호한 피삭성을 기대할 수 있다. 시효 처리에 의해 경도가 HV로 25 이상 경화하고, 또한 피로 강도가 350MPa 이상, 더욱이 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지도 16J 이상이 되어 목표를 달성하고 있으며, 시효 처리 후의 강도 및 인성이 양립되어 있다. 또한, 시험 번호 C1~C6에서는, 시효 처리 전에 있어서의 베이나이트의 면적률이 70% 이상이며, 목표를 달성하고 있었다.

본 발명예 중, 시험 번호 C1~C4는, 평균 냉각 속도가 상기 서술한 본 발명의 시효 경화성 강의 제조 방법의 일례로서 개시한 평균 냉각 속도(10~90℃/분, 즉 0.2~1.5℃/초)를 만족하고 있었다. 시험 번호 C5 및 C6는, 이 평균 냉각 속도의 일례보다 평균 냉각 속도가 빨랐다. 시험 번호 C1~C6을 비교하면, 평균 냉각 속도가 느릴수록, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 큰 것을 안다. 또, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 클수록, 시효 처리 전의 경도가 낮아, 양호한 피삭성을 기대할 수 있는 것을 안다.

이에 비해, 본 발명의 규정으로부터 벗어난 시험 번호 D1의 「비교예」의 경우에는, 목표로 하는 성능이 얻어져 있지 않다. 즉, 시험 번호 D1은, 이용한 강 Y의 F2가 본 발명의 규정으로부터 벗어나 컸다. 그로 인해, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 9.9㎛로 작고, 시효 처리 전의 경도가 320HV가 되어, 딱딱하다. 그로 인해, 피삭성이 뒤떨어진다고 생각된다. 또, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 12J로 작고, 인성이 뒤떨어진다.

산업상의 이용 가능성

본 발명의 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 290HV 이하이며, 절삭 저항의 저하와 공구 수명의 장수명화를 기대할 수 있다. 게다가, 본 발명의 시효 경화성 강을 이용하면, 절삭 가공 후에 실시되는 시효 처리에 의해 경도가 HV로 25 이상 경화함과 더불어, 350MPa 이상의 피로 강도와, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U 노치 부착된 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 16J 이상이라고 하는 뛰어난 인성을 확보할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 시효 경화성 강은, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품의 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있다.

Claims

질량%로, C：0.05~0.20%, Si：0.01% 이상 0.35% 미만, Mn：1.5~2.05%, S：0.005~0.08%, Cr：0.03~0.50%, Al：0.005~0.05%, V：0.25~0.50%, Mo：0~1.0%, Cu：0~0.3%, Ni：0~0.3%, Ca：0~0.005% 및 Bi：0~0.4%와,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
불순물 중의 P, Ti 및 N이, P：0.03% 이하, Ti：0.005% 미만 및 N：0.0080% 미만이며,
또한, 하기의, (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 0.85 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.00 이상인 화학 조성을 가지고,
면적률로 70% 이상이 베이나이트인 조직을 가지는, 시효 경화성 강.
F1=C＋0.3Mn＋0.25Cr＋0.6Mo …(1)
F2=C＋0.1Si＋0.2Mn＋0.15Cr＋0.35V＋0.2Mo …(2)
F3=－4.5C＋Mn＋Cr－3.5V－0.8Mo …(3)
상기의 (1)~(3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.
청구항 1에 있어서,
화학 조성이, 질량%로, 하기의 <1>~<3>에 나타내는 원소로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 시효 경화성 강.
<1> Mo：0.05~1.0%
<2> Cu：0.1~0.3% 및 Ni：0.1~0.3%, 및
<3> Ca：0.0005~0.005% 및 Bi：0.03~0.4%
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60㎛인, 시효 경화성 강.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
경도가 290HV 이하인, 시효 경화성 강.
청구항 3에 있어서,
경도가 290HV 이하인, 시효 경화성 강.