KR101800563B1 - 고강도 강, 및 상기 고강도 강을 이용한 크랭크축 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은, 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 갖는 고강도 강, 및 상기 고강도 강을 이용한 크랭크축을 제공하는 것에 있다. 본 발명에 따른 고강도 강은, C: 0.30질량% 이상 0.50질량% 이하, Si: 0질량% 초과 0.15질량% 이하, Mn: 0.80질량% 이상 1.5질량% 이하, Ni: 0.8질량% 이상 2.4질량% 이하, Cr: 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하, Mo: 0.35질량% 이상 0.70질량% 이하, V: 0.10질량% 이상 0.25질량% 이하, Al: 0.001질량% 이상 0.040질량% 이하를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피적 불순물이며, 마텐자이트를 주체로 하고, 시멘타이트 중의 Mn 농도가 0.90질량% 이상 1.80질량% 이하이고, Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비가 5.50 이상이다.

Description

고강도 강, 및 상기 고강도 강을 이용한 크랭크축{HIGH-STRENGTH STEEL, AND CRANKSHAFT MANUFACTURED USING SAID HIGH-STRENGTH STEEL}
본 발명은 고강도 강, 및 상기 고강도 강을 이용한 크랭크축에 관한 것이다. 본 발명의 크랭크축은, 예를 들면 선박이나 발전기 등의 디젤 기관에 적합하게 이용된다.
선박이나 발전기에서 사용되는 디젤 기관은 출력 향상, 내구성 향상, 컴팩트화 등의 성능 향상이 요구되고 있다. 그 때문에 디젤 기관에 이용되는 크랭크축을 형성하는 단강품(鍛鋼品)용 강에는 고강도 및 고인성이 요구된다. 구체적으로는, 단강품용 강에는 1000MPa 이상의 인장 강도를 가질 것이 요구된다.
인장 강도가 1000MPa 이상인 단강품용 강으로서는, NiCrMo계의 고강도 강이 개발되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는, 선박이나 발전기의 디젤 기관용 크랭크축으로서 사용되는 고강도 및 고인성의 단강품용 강이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 비교적 저비용으로 제조할 수 있는 고강도의 단강품용 강이 개시되어 있다.
또한, 상기 디젤 기관의 크랭크축용 단조품용 강에는 높은 피로 강도도 요구된다. 피로 강도는 통상, 재료의 강도(경도)에 비례해서 높아지지만, 고강도가 되면 재료 내에 불가피적으로 존재하는 개재물 등의 결함 감수성이 커진다는 것이 일반적으로 알려져 있다. 이 때문에, 종래의 단강품용 강에서는 인장 강도가 1000MPa 이상이고, 피로 강도가 높은 단조품용 강을 얻는 것은 곤란하다. 따라서 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 갖는 고강도 강의 제공이 요망되고 있다.
일본 특허공개 2010-248540호 공보 일본 특허 제4332070호 공보
본 발명은 상기 사정에 착안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 갖는 고강도 강, 및 상기 고강도 강을 이용한 크랭크축을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 고강도 강은, C: 0.30질량% 이상 0.50질량% 이하, Si: 0질량% 초과 0.15질량% 이하, Mn: 0.80질량% 이상 1.5질량% 이하, Ni: 0.8질량% 이상 2.4질량% 이하, Cr: 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하, Mo: 0.35질량% 이상 0.70질량% 이하, V: 0.10질량% 이상 0.25질량% 이하, Al: 0.001질량% 이상 0.040질량% 이하를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피적 불순물이며, 마텐자이트를 주체로 하고, 시멘타이트 중의 Mn 농도가 0.90질량% 이상 1.80질량% 이하이고, Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비가 5.50 이상이다.
본 발명의 고강도 강은, 강재의 조성을 상기 범위로 하고, 마텐자이트를 주체로 하는 금속 조직을 갖고, 또 Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비를 5.50 이상으로 하는 것에 의해, 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 발휘할 수 있다. 상세하게는, 본 발명의 고강도 강은, 강재의 조성을 상기 범위로 하고, 마텐자이트 주체의 금속 조직으로 하는 것에 의해, 담금질성, 강도 및 인성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 고강도 강은, Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비를 5.50 이상으로 하는 것에 의해, 금속 조직 중에 일부 생성되는 조대한 구 오스테나이트립을 억제할 수 있어, 높은 피로 강도를 발휘할 수 있다고 생각된다.
본 발명의 고강도 강은, 시멘타이트 중의 Mn 농도가 0.90질량% 이상 1.80질량% 이하이다. 시멘타이트 중의 Mn 농도를 상기 범위로 하는 것에 의해, 피로 균열 발생원의 하나의 인자라고 생각되는 시멘타이트 주위에 적당히 부드러운 영역이 발현되고, 이 영역이 피로 균열 발생의 응력을 완화하는 기능을 가져, 피로 특성을 크게 개선할 수 있다고 생각된다. 그 결과, 보다 높은 피로 강도를 발휘하는 고강도 고인성 강이 얻어진다.
본 발명의 고강도 강은, 추가로 Cu를 0질량% 초과 2질량% 이하의 범위로 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 고강도 강에 있어서, 하기 식(1)로 표시되는 X값은 690 이상이 바람직하다. 하기 식(1)의 X를 일정값 이상으로 함으로써 대형 단조품의 담금질성을 개선할 수 있다는 것을 본 발명자들은 발견했다. X값이 상기 하한 이상이면, 우수한 담금질성을 구비하고, 보다 높은 강도를 갖는 강이 얻어진다. 한편, 하기 식(1) 중, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V는 각각 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유율을 질량%로 나타낸 값이다.
X = 1026.4×C-75.4×Si+37.7×Mn+50.6×Ni+31.7×Cr+82.5×Mo+838.4×V …(1)
또한, 상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 크랭크축은 상기 고강도 강을 이용하여 얻어진다. 본 발명의 크랭크축은 상기 고강도 강을 이용하여 얻어지기 때문에, 전술한 바와 같이 높은 강도 및 인성을 갖고, 피로 강도가 우수하다. 본 발명의 크랭크축은, 예를 들면 선박 또는 발전기 등에 사용되는 디젤 기관에 유용하다.
본 발명의 고강도 강은 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 발휘한다. 그 때문에 본 발명의 고강도 강은, 예를 들면 선박 또는 발전기 등에 사용되는 디젤 기관용 크랭크축의 소재로서 유용하다.
도 1은 피로 시험에 이용한 피로 시험편의 형상을 나타낸 측면도이다.
도 2는 피로 시험에 이용한 피로 시험편의 미소공의 확대 단면도이다.
도 3은 본 발명에서 규정하는 식(1)에 기초하여 산출되는 X값과 인장 강도 TS의 관계를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명에 따른 고강도 강의 실시형태에 대하여 설명한다.
<금속 조직>
본 발명에 있어서의 고강도 강의 금속 조직은 마텐자이트를 주체로 한다. 여기에서, 「마텐자이트를 주체로 한다」란, 전체 금속 조직에 대한 마텐자이트의 비율이 95면적% 이상을 의미한다. 마텐자이트 이외의 잔부 조직은, 예를 들면 베이나이트, 펄라이트 등을 들 수 있다.
마텐자이트 분율은 98면적% 이상이 바람직하고, 100면적%가 보다 바람직하다. 마텐자이트 주체의 금속 조직으로 하는 것에 의해, 높은 강도를 갖는 강이 얻어지고, 크랭크축의 강도도 높일 수 있다.
마텐자이트 이외의 잔부 조직은 5면적% 이하이고, 바람직하게는 2면적% 이하, 가장 바람직하게는 0면적%이다.
마텐자이트 분율은, 예를 들면 나이탈 에칭을 실시한 강의 단면을 광학 현미경으로 사진 촬영하고, 그 현미경 사진을 육안으로 관찰하여 마텐자이트와 그 이외의 금속 조직으로 나누고, 전체 금속 조직에 대한 마텐자이트의 면적 비율을 구하는 것에 의해 측정할 수 있다.
(시멘타이트 중의 Mn 농도)
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 고강도 강의 금속 조직은 마텐자이트를 주체로 하지만, 해당 마텐자이트는 시멘타이트를 포함하고 있고, 해당 시멘타이트 중의 Mn 농도는 0.90질량% 이상 1.80질량% 이하이다. 시멘타이트 중의 Mn 농도의 하한은 1.0질량%가 보다 바람직하다. 한편, Mn 농도의 상한은 1.5질량%가 보다 바람직하다. 시멘타이트 중의 Mn 농도가 상기 하한 미만이면, 시멘타이트 주위에 피로 균열 발생의 원인이 되는 응력이 집중된다고 생각되어, 피로 특성이 저하된다. 반대로 시멘타이트 중의 Mn 농도가 상기 상한을 초과하면, 시멘타이트 주위가 지나치게 연화(軟化)되어서 피로 특성이 저하된다. 시멘타이트 중의 Mn 농도를 상기 범위로 함으로써, 피로 균열 발생원의 하나의 인자라고 생각되는 시멘타이트 주위에 적당히 부드러운 영역이 발현되고, 이 영역이 피로 균열 발생의 응력 완화에 작용하여, 피로 특성을 크게 개선할 수 있다고 추정된다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 고강도, 고인성이고 보다 높은 피로 강도를 갖는 강을 얻을 수 있다. 한편, 시멘타이트 중의 합금 원소의 농도 분석은 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope; SEM) 부속의 EDX(Energy dispersive X-ray spectrometry)로 정량 분석할 수 있다. EDX는 전자선 조사에 의해 발생하는 특성 X선을 검출하여, 에너지로 분광하는 것에 의해서, 원소 분석이나 조성 분석을 행하는 수법이다.
<강의 성분 조성>
C 함유율의 하한은 0.30질량%이고, 0.32질량%가 바람직하며, 0.34질량%가 보다 바람직하다. 한편, C 함유율의 상한은 0.50질량%이고, 0.48질량%가 바람직하며, 0.46질량%가 보다 바람직하다. C 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 강도를 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로 C 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성을 극단적으로 저하시키고, 대형 주조에서는 역V편석을 조장하여, 인성이나 피로 특성을 저하시킬 우려가 있다. C 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성 및 강도를 적절히 확보할 수 있다.
Si 함유율의 하한은 0질량% 초과이다. 한편, Si 함유율의 상한은 0.15질량%이고, 0.12질량%가 바람직하며, 0.1질량%가 보다 바람직하다. Si 함유율이 0질량%이면, 강의 담금질성이 불충분해진다. 반대로 Si 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성이나 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 또한, Si 함유율이 많아져 후기하는 Mn/Si비가 작아지면, 구 오스테나이트립의 조대화가 촉진되어 인성이나 피로 강도가 저하될 우려가 있다. Si 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성을 적절히 확보할 수 있다.
Mn 함유율의 하한은 0.80질량%이다. 한편, Mn 함유율의 상한은 1.5질량%이고, 1.3질량%가 바람직하며, 1질량%가 보다 바람직하다. Mn 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 담금질성을 확보할 수 없고, 구 오스테나이트립의 조대화를 억제할 수 없을 우려가 있다. 반대로 Mn 함유율이 상기 상한을 초과하면, 역V편석을 조장하여, 인성을 저하시킬 우려가 있다. Mn 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성 및 강도를 적절히 확보할 수 있다.
Ni 함유율의 하한은 0.8질량%이고, 1질량%가 바람직하다. 한편, Ni 함유율의 상한은 2.4질량%이고, 2질량%가 바람직하며, 1.7질량%가 보다 바람직하다. Ni 함유율이 상기 하한 미만이면, 강도 및 인성이 저하될 우려가 있다. 반대로 Ni 함유율이 상기 상한을 초과하면, 강도의 과대한 상승을 초래하고, 인성을 저하시킬 우려가 있다. Ni 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 강도 및 인성을 적절히 확보할 수 있다.
Cr 함유율의 하한은 1.0질량%이고, 1.2질량%가 바람직하다. 한편, Cr 함유율의 상한은 3.0질량%이고, 2질량%가 바람직하며, 1.7질량%가 보다 바람직하다. Cr 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로 Cr 함유율이 상기 상한을 초과하면, 역V편석을 조장하여, 인성을 저하시킬 우려가 있다. Cr 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성 및 인성을 적절히 확보할 수 있다.
Mo 함유율의 하한은 0.35질량%이고, 0.45질량%가 바람직하다. 한편, Mo 함유율의 상한은 0.70질량%이고, 0.6질량%가 바람직하다. Mo 함유율이 상기 하한 미만이면, 담금질성이 저하되고 강도가 저하되는 경우가 있으며, 역V편석을 조장할 우려가 있다. 반대로 Mo 함유율이 상기 상한을 초과하면, 강괴 중의 마이크로 편석을 조장하게 된다. 또한 Mo는 무거운 원소이기 때문에, 중량 편석이 발생할 우려가 있다. 그 결과, 인성이 저하되는 경우가 있다. Mo 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성, 강도 및 인성을 적절히 확보할 수 있다.
V 함유율의 하한은 0.10질량%이다. 한편, V 함유율의 상한은 0.25질량%이고, 0.2질량%가 바람직하며, 0.17질량%가 보다 바람직하다. V 함유율이 상기 하한 미만이면, 담금질성 및 강도가 불충분해진다. 반대로 V는 평형 분배 계수가 낮기 때문에, V 함유율이 상기 상한을 초과하면, 마이크로 편석이 발생할 우려가 있다. 그 결과, 인성이 저하되는 경우가 있다. V 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 담금질성 및 강도를 적절히 확보할 수 있다.
Al 함유율의 하한은 0.001질량%이다. 한편, Al 함유량의 상한은 0.040질량%이다. Al 함유율이 상기 하한 미만이면, 탈산 원소로서 산소량 저감 작용을 유효하게 발휘할 수 없을 우려가 있다. 그 결과, 산화물이 많이 생성되어 인성이 저하된다. 반대로 Al 함유율이 상기 상한을 초과하면, 산화물의 조대화를 초래하여, 오히려 인성이나 피로 특성을 저하시킬 우려가 있다. Al 함유율을 상기 범위로 함으로써, 강의 산소량 저감 효과가 적절히 발휘된다.
본 발명의 고강도 강은 상기 성분을 포함하고, 잔부: 철 및 불가피적 불순물이다. 상기 불가피적 불순물로서는, 예를 들면 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해서 혼입되는 P, S, N, Sn, As, Pb, Ti 등의 원소를 들 수 있다.
상기 불가피적 불순물 중 P 함유율의 상한은 0.15질량%가 바람직하고, 0.1질량%가 보다 바람직하며, 0.05질량%가 더 바람직하다. P 함유율이 상기 상한을 초과하면, 입계 편석에 의한 입계 파괴를 조장할 우려가 있다.
또한, S 함유율의 상한은 0.02질량%가 바람직하고, 0.01질량%가 보다 바람직하고, 0.005질량%가 더 바람직하며, 0.0025질량%가 특히 바람직하다. S 함유율이 상기 상한을 초과하면, 황화물계 개재물이 증대되어 강도를 열화시킬 우려가 있다.
또한, N 함유율의 상한은 0.008질량%가 바람직하고, 0.007질량%가 보다 바람직하며, 0.0065질량%가 더 바람직하다. N 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성을 열화시킬 우려가 있다.
본 발명에 따른 고강도 강의 성분 조성은 상기와 같지만, 추가로 그 밖의 합금 원소를 적극적으로 함유시키는 것도 유효하다. 함유시키는 합금 원소의 종류에 의해서 강의 특성이 더 개선된다.
예를 들면, 본 발명의 고강도 강은 담금질성을 향상시키는 관점에서 Cu를 함유하는 것이 바람직하다. Cu는 0질량% 초과의 첨가로 그 효과를 발휘하지만, Cu 함유율의 하한은 0.1질량%가 바람직하다. 한편, Cu 함유율의 상한은 2질량%가 바람직하다. 반대로 Cu 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성이 저하될 우려가 있다. Cu 함유율은, 보다 바람직하게는 1.5질량% 이하, 더 바람직하게는 1질량% 이하이다.
(Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비)
또, 본 발명의 고강도 강에 있어서의 Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비(이하, 「Mn/Si」라고도 함)는 5.50 이상을 만족한다. Mn/Si가 5.50 미만이면 조대한 구 오스테나이트립이 생성되어, 피로 강도나 인성을 저하시킬 우려가 있다. 본 발명에서는, Mn/Si를 5.50 이상으로 제어하고 있기 때문에, 금속 조직 중에의 조대한 구 오스테나이트립의 생성을 억제할 수 있다. Mn/Si의 하한은 10이 바람직하고, 20이 보다 바람직하다. 한편, Mn/Si의 상한은 전술한 Si량과 Mn량에 기초하여 결정되지만, 예를 들면 30 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 28 이하, 더 바람직하게는 25 이하이다.
상기 구 오스테나이트립의 입경의 상한은 100μm가 바람직하고, 80μm가 보다 바람직하며, 50μm가 더 바람직하다. 마텐자이트를 주체로 하는 금속 조직을 갖고, 바람직하게는 금속 조직 중의 구 오스테나이트립의 입경을 상기 상한 이하로 하는 것에 의해, 구 오스테나이트립의 조대부에 걸리는 응력 집중을 완화할 수 있어, 인성을 높일 뿐 아니라, 피로 특성도 높일 수 있다. 구 오스테나이트립의 입경의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 20μm 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 25μm 이상, 더 바람직하게는 30μm 이상이다.
여기에서 구 오스테나이트립의 입경이란, 광학 현미경으로 100배에서 5시야 내에 관측되는 구 오스테나이트립의 최대 입경을 의미한다. 구 오스테나이트립의 입경은 JIS-G-0551에 게재되어 있는 「강의 페라이트 및 구 오스테나이트 결정 입계 출현 방법」으로 측정할 수 있다.
(식(1)로 표시되는 X값)
본 발명의 고강도 강에 있어서, 하기 식(1)로 표시되는 X값의 하한은 690이 바람직하고, 695가 보다 바람직하며, 700이 더 바람직하다. 하기 식(1)의 X값을 상기 하한 이상으로 함으로써, 강의 담금질성이 개선되고, 크랭크축 등의 대형 단조품의 강도가 향상된다는 것을 본 발명자들은 발견했다. 즉, X값이 상기 하한 이상이면, 강이 우수한 담금질성을 구비하고, 보다 높은 강도를 가진다. 한편, 하기 식(1)의 상한은 성분 조성에 기초하여 결정되지만, 예를 들면 1000 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 900 이하, 더 바람직하게는 800 이하이다. 한편, 하기 식(1) 중, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V는 각각 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유율을 질량%로 나타낸 값이다.
X = 1026.4×C-75.4×Si+37.7×Mn+50.6×Ni+31.7×Cr+82.5×Mo+838.4×V …(1)
본 발명에서 규정하는 X값이 커지면 단조품의 인장 강도 TS도 커진다는 것을 도 3을 이용하여 설명한다. 도 3은 후술하는 실시예 중 필수 성분만을 함유하고, 600℃의 템퍼링 온도에서 제조한 실험예의 결과를 플롯하여 작성한 것이다. 도 3 중, ■는 표 2 중, 실시예 1∼3, 8, 9의 결과를, ◇는 표 2 중, 비교예 1∼17, 19의 결과를 각각 나타낸다. 도 3으로부터, X값이 커지면 인장 강도 TS도 비례해서 커진다는 것을 알 수 있다.
<기계적 성질>
본 발명의 고강도 강에 있어서의 인장 강도 TS의 하한은 1050MPa이 바람직하고, 1100MPa이 보다 바람직하다. 인장 강도가 상기 하한 이상이면, 크랭크축에 요구되는 강도를 만족시킬 수 있다. 강도는, 예를 들면 JIS-Z-2241에 의한 인장 시험에 의해 평가할 수 있다.
본 발명의 고강도 강에 있어서의 실온에서의 흡수 에너지(ｖE)의 하한은 50J이 바람직하고, 80J이 보다 바람직하다. 흡수 에너지(ｖE)가 상기 하한 이상이면, 크랭크축에 요구되는 인성을 만족시킬 수 있다. 인성은, 예를 들면 JIS-Z-2242에 기초하는 샤르피 충격 시험에 있어서, 실온에서의 흡수 에너지(ｖE)를 측정하는 것에 의해 평가한다.
본 발명의 고강도 강에 있어서의 내구 한도비의 하한은 0.45가 바람직하고, 0.5가 보다 바람직하고, 0.52가 더 바람직하며, 0.54가 특히 바람직하다. 내구 한도비가 상기 하한 이상이면, 크랭크축에 요구되는 피로 강도를 만족시킬 수 있다. 내구 한도비는 피로 시험에서 측정한 파단 응력을 인장 시험의 최대 응력으로 나누어서 구한다. 파단 응력은, 예를 들면 JIS-Z-2274에 의한 금속 재료의 회전 굽힘 피로 시험에 의해 측정할 수 있다.
<제조 방법>
본 발명에 따른 고강도 강의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상적 방법에 따라서 용제→성분 조정→주조할 수 있다. 구체적으로는 우선, 예를 들면 고주파 용해로나 전기로, 전로 등을 이용하여 소정 화학 성분을 갖는 강을 용제한다. 이어서, 진공 정련 등에 의해 S 등의 불순 원소나 O 등의 가스 성분을 제거하여 성분 조정을 행하고, 주조하여 주괴를 얻는다. 특히, Mn/Si를 5.50 이상으로 제어하는 것에 의해서, 조대한 구 오스테나이트립의 최대 입경도 적절히 제어되기 때문에, 조대립의 생성을 억제할 수 있다. 또한, 시멘타이트 중의 Mn 농도는 강 중의 Mn량을 제어하는 것에 의해서 조정할 수 있다. 주조 방법은 특별히 한정되지 않고, 대형 단조용 강인 경우에는 주로 잉곳 주조가 채용되지만, 비교적 소형의 단강품인 경우에는 연속 주조법을 채용하는 것도 가능하다.
본 발명은 상기 강을 이용하여 얻어지는 크랭크축도 포함된다. 크랭크축의 제조 방법도 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 상기 강을 가열→소재 단조→소재 단조 후의 불량품을 중간 검사에 의해 제거하고 나서, 가열하여 크랭크축의 형상으로 단조→열처리에 의한 균질화→담금질 처리, 템퍼링 처리에 의한 경질화→마무리 기계 가공을 행하는 것에 의해 제조할 수 있다.
상기 공정에 있어서, 크랭크축 형상으로의 단조 방법도 특별히 한정되지 않고, 일반적인 방법을 채용할 수 있다. 예를 들면, 크랭크 암과 크랭크 핀을 일체로 한 블록으로서 단조하고, 가스 절단 및 기계 가공에 의해서 크랭크축 형상으로 마무리하는 자유 단조법; 크랭크축의 형상으로 단조 가공하는 R.R. 단조법 및 T.R. 단조법을 들 수 있다. 특히 후자의 단조법인 R.R. 단조법 및 T.R. 단조법을 채용하면, 크랭크축 중 샤프트 표층측을 청정도가 높은 강으로 구성할 수 있기 때문에, 강도나 피로 특성이 우수한 크랭크축이 얻어지기 쉽다.
상기 공정에 있어서, 열처리에 의한 균질화는 오스테나이트화 처리라고 불리는 경우가 있다. 오스테나이트화 처리는, 예를 들면 실온으로부터 820∼950℃의 온도 범위를 30∼100℃/hr의 평균 승온 속도로 가열하고, 820∼950℃의 온도역에서 3∼20시간 유지하는 것이 바람직하다.
유지 후, 전술한 바와 같이 담금질 처리, 템퍼링 처리를 행한다. 담금질 처리는, 예를 들면 870℃∼500℃의 온도 범위를 5∼50℃/min 평균 냉각 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 또한, 템퍼링 처리는, 예를 들면 550℃∼680℃의 온도 범위로 가열하고, 당해 온도역에서 5∼20hr 유지하고 나서 노냉하는 것이 바람직하다. 템퍼링 온도를 높게 하면, 인장 강도는 저하되기 쉬워지지만, 인성 및 피로 특성을 향상시킬 수 있다.
본원은 2013년 8월 27일에 출원된 일본 특허출원 제2013-176113호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 일본 특허출원 제2013-176113호의 명세서의 전체 내용이 본원에 참고를 위해 원용된다.
실시예
이하, 실시예에 의해서 본 발명을 더 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되지 않는다.
[시험 시료의 제작]
(실시예 1∼3, 8∼10, 비교예 1∼19)
표 1에 나타내는 성분 조성을 갖고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 원료를 고주파로에 의해 용제하고, 주조하여 직경 150mm, 길이 323mm의 강괴 50kg을 얻었다. 얻어진 강괴의 압탕 부분을 절제하고, 1230℃에서 10시간 가열한 후, 자유 단조 프레스기를 이용하여 압축 전 높이 320mm로부터 높이비로 1/2까지 압축하는 소재 단조를 행했다. 이어서, 강괴 중심선을 90° 회전시켜서 단조하여, 90mm×90mm×450mm까지 잡아늘인 후, 대기 중에서 방냉했다. 다음으로, 실온까지 방냉한 후, 소형 시뮬레이트로를 이용하여 오스테나이트화 처리를 실시했다. 오스테나이트화 처리는 평균 승온 속도 50℃/hr로 실온으로부터 870℃까지 승온하여 3시간 유지했다. 유지 후, 870℃∼500℃의 온도역을 50℃/min의 평균 냉각 속도로 냉각하여 담금질했다. 담금질 후, 600℃에서 13hr 유지하는 템퍼링 처리를 행하고 나서, 노냉하여 각 시험 시료를 제작했다. 한편, 표 1 중 「-」는 측정 한계 이하를 나타낸다.
(실시예 4, 5)
1230℃에서의 가열 시간을 5시간, 템퍼링 온도를 580℃로 한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 순서로 시험 시료를 제작했다.
(실시예 6, 7)
1230℃에서의 가열 시간을 5시간, 템퍼링 온도를 560℃로 한 것 이외에는 상기 실시예 1과 동일한 순서로 시험 시료를 제작했다.
Figure 112016023678816-pct00001
[기계적 특성의 측정]
인장 시험에 의해 상기 시험 시료의 인장 강도 TS를 측정했다. 인장 시험은 JIS-Z-2241에 기초하여 실시했다. 시험편의 형상은 JIS-Z-2201의 14호 시험편으로 φ6mm×G.30mm로 했다. 한편, G.30mm는 평행부의 길이가 30mm인 것을 의미한다.
샤르피 충격 시험에 의해 상기 시험 시료의 실온에서의 흡수 에너지(ｖE)를 측정하여, 인성을 평가했다. 샤르피 충격 시험은 JIS-Z-2242에 기초하여 실온에서 실시했다. 시험편의 형상은 JIS-Z-2202의 2mm V 노치를 채용했다.
이하의 피로 시험에 의해, 내구 한도비(피로 시험에서 측정한 파단 응력/인장 시험의 최대 응력)를 지표로 해서 피로 강도의 평가를 행했다. 피로 시험에 이용한 피로 시험편(1)의 형상을 도 1에 나타낸다. 피로 시험편(1)은 시험 시료를 2개의 원주(円柱)부(2, 4) 사이에 잘록부(3)가 접속된 형상으로 가공한 것이다. 원주부(2, 4)는 매끄러운 마무리면, 잘록부(3)는 정밀 마무리면이 되도록 축 방향으로 사포로 연마했다. 피로 시험편(1)의 전체 길이 W1은 90mm, 원주부(2)의 길이 W2는 30mm, 잘록부(3)의 길이 W3은 30mm, 원주부(4)의 길이 W4는 30mm, 원주부(2, 4) 및 잘록부(3)의 양단의 직경 D1은 12mm, 잘록부(3)의 중앙의 직경 D2는 6mm이다. 잘록부(3)는 곡률 반경 R1 39mm이고 중앙부에 걸쳐서 잘록해져 있다. 또한, 피로 시험편(1)에는, 피로 시험편(1)의 중앙 위치(5)에 개재물을 모의한 인공적인 결함으로서, 도 2에 나타내는 단면 형상의 미소공(11)을 표면에 직각으로 드릴을 이용하여 형성했다. 미소공(11)은 원주의 하부에 원추를 접속시킨 형상이다. 피로 시험편(1)의 미소공(11)의 직경 D3은 68μm, 원추의 정점까지의 깊이 H1은 68μm, 원추 단면의 정점의 각도 r1은 120°이다.
피로 시험은 주식회사 시마즈제작소의 오노식 회전 굽힘 피로 시험기 「H7형」으로 행했다. 시험 조건은 하중 10kgfm, 회전수 3000rpm, 응력비 -1로 하고, 피로 시험의 초기 응력을 440MPa로 해서 시험을 개시하고, 상기 피로 시험편(1)을 3×106회 회전시켰다. 응력을 20MPa씩 증가시켜 피로 시험을 반복하여, 3×106 돌려도 피로 시험편(1)이 파단되지 않았을 때의 공칭 응력 중 최대값을 파단 응력으로 했다. 환언하면, 3×106회 회전시키기 전에 피로 시험편(1)이 파단되었을 때에 부여된 응력의 최소값으로부터 20MPa 뺀 값을 파단 응력으로 했다.
[마텐자이트 분율]
마텐자이트 분율은 상기 시험 시료의 L(길이) 방향의 단면을 나이탈 에칭하고, 단면에 있어서의 깊이 1/4 위치를 광학 현미경으로 관찰하여, 100배에서 사진 촬영하고, 그 현미경 사진을 육안으로 마텐자이트와 그 이외의 금속 조직으로 나누어 면적 비율을 구했다.
[구 오스테나이트립의 입경]
상기 시험 시료의 깊이 1/4 위치를 광학 현미경에 의해 관찰 배율 100배로, 관찰 시야를 860μm×700μm로 해서 구 오스테나이트립의 입경을 측정했다. 관찰 시야수는 5시야로 하고, 5시야 내에서 관찰되는 구 오스테나이트립 중 가장 입경이 큰 것을 최대 입경으로 했다. 한편, 표 2의 「구 오스테나이트립의 최대 입경」의 란에 「측정 불가」라고 표기한 예는 구 오스테나이트립이 지나치게 조대하여 최대 입경을 측정할 수 없었던 것을 의미한다.
[시멘타이트 중의 Mn 농도]
상기 시험 시료의 깊이 1/4 위치를 관찰 배율 8000배, 관찰 시야 15μm×15μm로 SEM 관찰했다. 관찰된 시멘타이트 중의 Mn 농도를 SEM에 부속된 EDX로 정량 분석하는 것에 의해 측정했다. 관찰 시야수는 5시야로 해서, 평균값을 구했다.
상기 식(1)에 기초하여 구한 X값, 상기 측정에 의해 얻어진 마텐자이트 분율, 최대 입경, 시멘타이트 중의 Mn 농도, 인장 강도 TS, 실온에서의 흡수 에너지(ｖE) 및 내구 한도비의 결과를 표 2에 나타낸다.
Figure 112016023678816-pct00002
[측정 결과]
실시예 1∼10은 모두 본 발명의 요건을 만족하는 예여서, 소정의 성분 조성을 가짐과 더불어, Mn/Si는 5.50 이상이고, 또한 마텐자이트 주체의 금속 조직으로 이루어진다. 또한, Mn/Si를 5.50 이상으로 제어하고 있기 때문에, 구 오스테나이트의 최대 입경을 100μm 이하로 억제할 수 있었다. 그 결과, 이들 예는 모두, 인장 강도 TS는 1050MPa 이상, 실온에서의 흡수 에너지(ｖE)는 50J 이상, 내구 한도비는 0.45 이상으로, 고강도, 고인성 및 고피로 강도를 확보할 수 있었다.
상기 예 중 특히 실시예 2∼10은 상기 식(1)로 표시되는 X값이 690 이상으로 제어되어 있기 때문에, X값이 690 미만인 실시예 1에 비하여 인장 강도 TS가 높아졌다.
또한, 상기 예 중 실시예 2, 4, 6은 성분 조성은 동일하지만 템퍼링 온도만 바꾸어 제조한 예이다. 실시예 2, 4, 6의 순으로 템퍼링 온도를 높게 함에 따라, 인장 강도 TS는 낮아지지만, 실온에서의 흡수 에너지 및 내구 한도비는 모두 커지는 경향을 파악할 수 있다. 마찬가지의 경향이 실시예 3, 5, 7에 대해서도 보여진다.
이에 비하여, 비교예 1∼19는 본 발명에서 규정하는 어느 요건을 만족하지 않는 예이다.
비교예 1은 C량이 적은 예여서, 마텐자이트 분율이 저하되었다. 또한, 상기 X값도 690을 하회하고 있다. 그 결과, 인장 강도가 저하되었다.
비교예 2는 C량이 과잉인 예여서, 인성 및 피로 특성이 저하되었다.
비교예 3은 Si량이 과잉인 예여서, 인성 및 피로 특성이 나빠졌다.
비교예 4는 Mn량이 과잉이고, 또한 시멘타이트 중의 Mn 농도도 높은 예이다. 그 결과, 인성 및 피로 강도가 저하되었다.
비교예 5는 Ni량이 적어, 마텐자이트 분율이 저하됨과 더불어, X값이 690을 하회한 예이다. 그 결과, 강도 및 인성이 저하되었다.
비교예 6은 Ni량이 과잉인 예여서, 인성이 저하되었다.
비교예 7은 Cr량이 적어, 마텐자이트 분율이 저하됨과 더불어, X값이 690을 하회한 예이다. 그 결과, 강도가 저하되었다.
비교예 8은 Cr량이 과잉인 예여서, 인성이 저하되었다.
비교예 9는 Mo량이 적어, 마텐자이트 분율이 저하됨과 더불어, X값이 690을 하회한 예이다. 그 결과, 강도가 저하되었다.
비교예 10은 Mo량이 과잉인 예여서, 인성이 저하되었다.
비교예 11은 V량이 적어, 마텐자이트 분율이 저하됨과 더불어, X값이 690을 하회한 예이다. 그 결과, 강도가 저하되었다.
비교예 12는 V량이 과잉인 예여서, 인성이 저하되었다.
비교예 13은 Al량이 적은 예, 비교예 14는 Al량이 과잉인 예여서, 모두 인성이 저하되었다.
비교예 15 및 비교예 16은 모두 Mn/Si가 작은 예여서, 금속 조직 중에 조대한 구 오스테나이트립이 생성되어, 인성 및 피로 특성이 저하되었다.
비교예 17은 강 중의 Mn량이 낮기 때문에, Mn/Si가 작고, 시멘타이트 중의 Mn 농도가 낮은 예여서, 금속 조직 중에 조대한 구 오스테나이트립이 생성되어 인성 및 피로 특성이 저하되었다.
비교예 18은 상기 특허문헌 2의 강종 I를 모의한 예이다. 이 예에서는, Si를 0.22%로 과잉으로 함유하여, Mn/Si가 작아졌다. 그 결과, 구 오스테나이트립이 조대화되어, 피로 특성이 저하되었다.
비교예 19는 상기 특허문헌 1의 강종 A를 모의한 예이다. 이 예에서는 Ni를 과잉으로 함유하여, Mn량이 적고, Mn/Si도 작기 때문에, 피로 특성이 저하되었다.
본 발명의 고강도 강 및 이 고강도 강을 이용한 크랭크축은 강도 및 인성을 높이면서, 높은 피로 강도를 갖는다. 따라서, 본 발명의 크랭크축은, 예를 들면 선박 또는 발전기 등의 디젤 기관에 적합하게 이용된다.
1: 피로 시험편
2: 원주부
3: 잘록부
4: 원주부
5: 중앙 위치
11: 미소공

Claims (4)

  1. C: 0.30질량% 이상 0.50질량% 이하,
    Si: 0질량% 초과 0.15질량% 이하,
    Mn: 0.80질량% 이상 1.5질량% 이하,
    Ni: 0.8질량% 이상 2.4질량% 이하,
    Cr: 1.0질량% 이상 3.0질량% 이하,
    Mo: 0.35질량% 이상 0.70질량% 이하,
    V: 0.10질량% 이상 0.25질량% 이하,
    Al: 0.001질량% 이상 0.040질량% 이하를 함유하고,
    잔부: 철 및 불가피적 불순물이며,
    마텐자이트를 주체로 하고,
    시멘타이트 중의 Mn 농도가 0.90질량% 이상 1.80질량% 이하이고,
    구 오스테나이트립의 입경은 100μm 이하이고,
    Si 함유율에 대한 Mn 함유율의 비가 5.50 이상인 고강도 강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로 Cu를 0질량% 초과 2질량% 이하의 범위로 함유하는 고강도 강.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    하기 식(1)로 표시되는 X값이 690 이상인 고강도 강.
    X = 1026.4×C-75.4×Si+37.7×Mn+50.6×Ni+31.7×Cr+82.5×Mo+838.4×V …(1)
    상기 식(1) 중, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V는 각각 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V의 함유율을 질량%로 나타낸 값이다.
  4. 제 1 항에 기재된 고강도 강을 이용한 크랭크축.
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