KR101827194B1 - 단강품용 고강도강 및 단강품 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 단강품용 고강도강은, C: 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하, Si: 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하, Mn: 0.6 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Ni: 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하, Cr: 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하, Mo: 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하, V: 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하, Al: 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하, N: 30ppm 이상 100ppm 이하, O: 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하고, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수가 50개/㎛２ 이하이다.

Description

단강품용 고강도강 및 단강품{HIGH-STRENGTH STEEL FOR STEEL FORGINGS, AND STEEL FORGING}
본 발명은 단강품용 고강도강 및 단강품에 관한 것이다.
선박용 디젤 엔진이나 발전용 디젤 엔진의 출력 향상 및 컴팩트화를 실현하기 위해서, 이들 부품에 사용하는 강재에는 고 피로 강도화가 요구되며, 850㎫ 이상의 높은 인장 강도가 요구된다.
이러한 높은 인장 강도를 갖는 대형 단강품용 강으로서 NiCrMo계의 고강도강이 개발되어 있으며(일본 특허 제 3896365 호 공보 및 일본 특허 제 4332070 호 공보 참조), 이들 강은 고강도 및 고인성을 갖는다.
한편, 선박 등의 구동력 전달에 사용되는 대형 크랭크축용의 강은, 단조 및 열처리 후에, 최종 형상으로 완성하기 위해서 기계 가공이 실시된다. 이러한 경우, 이 기계 가공시에 피삭성 및 연마성(마무리 가공의 용이성)이 높은 것도 동시에 요구된다.
그러나, 대형 크랭크축용의 단조용 강은 그 인장 강도가 850㎫ 이상으로 고강도이며 절삭 저항이 크다. 그 때문에, 기계 가공에 의한 최종 형상으로의 마무리에 시간이 걸려 생산성이 저하된다. 통상, 절삭 저항은 재료의 강도(경도)에 비례하여 증가하기 때문에, 850㎫ 이상이라는 인장 강도와 우수한 피삭성 및 연마성을 양립시키는 것은 극히 곤란하다.
일본 특허 제 3896365 호 공보 일본 특허 제 4332070 호 공보
본 발명은 상술한 바와 같은 사정에 근거하여 이루어진 것으로, 고강도이며 또한 피삭성 및 연마성이 우수한 단강품용 고강도강 및 단강품의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 국면은, C(탄소): 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하, Si(규소): 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하, Mn(망간): 0.6 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Ni(니켈): 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하, Cr(크롬): 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하, Mo(몰리브덴): 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하, V(바나듐): 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하, Al(알루미늄): 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하, N(질소): 30ppm 이상 100ppm 이하, O(산소): 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하고, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수가 50개/㎛2 이하인 단강품용 고강도강이다.
도 1은 실시예에 있어서의 인장 강도와 공구 마모량의 관계를 나타내는 그래프.
본 발명자들은, 단조용 강의 고강도화와 피삭성 및 연마성 향상이라는 상반되는 특성의 양립화를 목표로 하여, 최적의 조직 형태에 대하여 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 고강도화와 피삭성 및 연마성 향상의 양립에는, 입방정계 B1형 석출물 중 직경이 30㎚ 이하인 정합 석출물의 개수를 저감하는 것이 중요하다는 것을 지견하고, 고강도화와 피삭성 및 연마성 향상을 양립할 수 있는 이하의 단강품용 고강도강의 구성을 발견했다.
즉, 본 발명의 일 실시태양인 단강품용 고강도강은, C(탄소): 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하, Si(규소): 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하, Mn(망간): 0.6 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Ni(니켈): 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하, Cr(크롬): 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하, Mo(몰리브덴): 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하, V(바나듐): 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하, Al(알루미늄): 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하, N(질소): 30ppm 이상 100ppm 이하, O(산소): 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하고, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수가 50개/㎛２ 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 단강품용 고강도강 및 단강품은, 고강도이며 또한 피삭성 및 연마성이 우수하므로, 선박 또는 발전기에 사용되는 디젤 기관용의 전달 부재 등에 호적하게 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 단강품용 고강도강 및 단강품의 실시형태에 대하여 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, "정합 석출물"이란, 모재와 원자 배열이 연속적인 석출물이며, "정합 석출물의 직경"이란, 투과형 전자 현미경(TEM)으로 확대한 조직 사진에 있어서의 정합 석출물의 정방향 접선 직경(Feret 직경)으로 한다. 또한, "주체"의 금속 조직이란, 전체 조직에 대하여 95 면적% 이상 차지하는 것을 말한다.
＜금속 조직＞
본 실시형태의 단강품용 고강도강의 금속 조직은 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 한다. 상기 주체로 하는 금속 조직의 면적 분율의 하한은, 95%이며, 98 면적%가 바람직하며, 100 면적%가 보다 바람직하다. 이와 같이 금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강이 높은 강도를 갖는다. 또한, 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직의 면적 분율의 측정 방법으로서는, 나이탈(nital) 에칭을 실시한 단강품용 고강도강의 단면을 광학 현미경으로 사진 촬영하고, 그 현미경 사진을 육안으로 베이나이트, 마르텐사이트, 베이나이트와 마르텐사이트의 혼합 조직 및 이들 이외의 금속 조직으로 나누고, 그들의 면적비를 구하는 것에 의해 실행할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 존재 개수의 상한으로서는 50개/㎛２이고, 40개/㎛２가 바람직하며, 30개/㎛２가 보다 바람직하다. 본 실시형태의 단강품용 고강도강의 금속 조직은, 주로 베이나이트, 마르텐사이트 또는 이들 혼합 조직이 되지만, 금속 조직 중의 정합 석출물의 개수를 상기 상한 이하로 함으로써 피삭성이 개선된다. 이러한 메커니즘은 명확하지는 않지만, 절삭시의 저항이 되는 입자가 저감되어 피삭성 및 연마성이 개선되고, 절삭 시간 및 연마 시간을 단축화할 수 있는 것으로 추정된다. 따라서, 정합 석출물의 개수가 상기 상한을 초과하면 충분한 피삭성 및 연마성이 얻어지지 않을 우려가 있다.
상기 정합 석출물은 다음과 같은 방법에 의해 특정할 수 있다. 시료를 직경 3㎜, 두께 0.5㎜의 원반 형상으로 절출하고, 이 시료를 사포로 30㎛까지 연마한 후, 트윈 제트법에 의해 이 시료로부터 전자 현미경 샘플을 작성한다. 이 전자 현미경 샘플을 가속 전압 200kV로 투과형 전자 현미경(TEM)으로 g1* 벡터를 여기시켜 관찰했을 때에 한쌍의 반달 형상의 콘트라스트로 나타나는 것이 정합 석출물인(예를 들면, "결정 전자 현미경학-재료 연구자를 위한" 우치다 로카쿠호 출판(제 149-151쪽) 참조). 그리고, 예를 들어 5000배로 관찰한 조직 사진 중에서, g1*벡터가 여기되어 석출물이 가장 명확히 관찰되는 점을 중심으로 하는 소정 범위를 촬영하는 것에 의해, 그 중에 포함되는 정합 석출물과 특정한 입자 중 직경이 30㎚ 이하로 관측되는 것의 개수를 카운트한다. 또한, 조직 사진 중에서, 정방향 접선 직경(Feret 직경)을 정합 석출물의 직경으로 하여 관측한다.
＜조성＞
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, C: 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하, Si: 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하, Mn: 0.6 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Ni: 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하, Cr: 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하, Mo: 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하, V: 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하, Al: 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하, N: 30ppm 이상 100ppm 이하, O: 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖는다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 C 함유율의 하한으로서는, 0.35 질량%이며, 0.37 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 C 함유율의 상한으로서는, 0.47 질량%이며, 0.40 질량%가 바람직하다. 상기 C 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 강도를 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 C 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성이 극단적으로 저하되는 동시에, 대형 주괴에서는 역 V 편석을 조장하여, 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다. 상기 C 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 담금질성 및 강도를 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Si 함유율의 하한으로서는 0 질량%이며, Si는 포함되어 있지 않아도 좋다. 한편, 상기 Si 함유율의 상한으로서는, 0.4 질량%이고, 0.3 질량%가 바람직하며, 0.2 질량%가 보다 바람직하다. 상기 Si 함유율이 상기 상한을 초과하면, 편석을 조장하여 피삭성이 저하될 우려가 있다. 상기 Si 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 피삭성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Mn 함유율의 하한으로서는, 0.6 질량%이며, 0.8 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Mn 함유율의 상한으로서는, 1.5 질량%이며, 1.0 질량%가 바람직하다. 상기 Mn 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 담금질성을 확보할 수 없을 우려가 있으며, 또한 결정 입도의 편차가 충분히 저감되지 않을 우려가 있다. 반대로, 상기 Mn 함유율이 상기 상한을 초과하면, 역 V 편석을 조장하여 피삭성이 저하될 우려가 있다. 해당 단강품용 고강도강의 Mn 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 담금질성 및 강도를 적절하게 확보할 수 있는 동시에, 결정 입도의 편차를 충분히 저감할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Ni 함유율로서는, 0 질량% 초과이다. 한편, 상기 Ni 함유율의 상한으로서는, 2.0 질량%이며, 1.6 질량%가 바람직하며, 1.2 질량%가 보다 바람직하다. 상기 Ni 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 인성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로 상기 Ni 함유율이 상기 상한을 초과하면, 충분한 피삭성을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 상기 Ni 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 강도, 인성 및 피삭성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Cr 함유율의 하한으로서는, 0.8 질량%이며, 1.0 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Cr 함유율의 상한으로서는, 2.5 질량%이며, 2.0 질량%가 바람직하며, 1.6 질량%가 보다 바람직하다. 상기 Cr 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 담금질성과 인성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 Cr 함유율이 상기 상한을 초과하면, 역 V 편석을 조장하여 피삭성이 저하될 우려가 있다. 본 실시형태의 단강품용 고강도강의 Cr 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 담금질성 및 인성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Mo 함유율의 하한으로서는, 0.10 질량%이며, 0.2 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Mo 함유율의 상한으로서는, 0.7 질량%이며, 0.5 질량%가 바람직하다. 상기 Mo 함유율이 상기 하한 미만이면, 역 V 편석을 조장하여 피삭성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 상기 Mo 함유율이 상기 상한을 초과하면, 강괴 중의 마이크로 편석(정상 편석)을 조장하여 인성 및 피삭성이 저하될 우려, 또는 중량 편석이 발생하기 쉬워질 우려가 있다. 상기 Mo 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 담금질성, 강도 및 인성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 V 함유율의 하한으로서는, 0.035 질량%이며, 0.05 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 V 함유율의 상한으로서는, 0.20 질량%이며, 0.15 질량%가 바람직하고, 0.10 질량%가 보다 바람직하다. 상기 V 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분한 강도와 담금질성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 V 함유율이 상기 상한을 초과하면, V은 평형 분배 계수가 낮으므로 마이크로 편석(정상 편석)이 발생하기 쉬워져, 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다. 상기 V 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 단강품용 고강도강의 담금질성 및 강도를 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 Al 함유율의 하한으로서는, 0.015 질량%이며, 0.019 질량%가 바람직하다. 한편, 상기 Al 함유율의 상한으로서는, 0.050 질량%이며, 0.030 질량%가 바람직하다. 상기 Al 함유율이 상기 하한 미만이면, 충분히 산소량을 저감할 수 없게 될 우려가 있다. 반대로, 상기 Al 함유율이 상기 상한을 초과하면, 산화물의 조대화를 초래하여 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다. 상기 Al 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 탈산소 효과가 적절하게 작용하여 인성 및 피삭성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서의 N 함유율의 하한으로서는, 30ppm이며, 50ppm이 바람직하다. 한편, 상기 N 함유율의 상한으로서는, 100ppm이며, 80ppm이 바람직하고, 60ppm이 보다 바람직하다. 상기 N 함유율이 상기 하한 미만이면, 선박 또는 발전기에 사용되는 디젤 기관용의 전달 부재 등에 이용하는 강으로서 요구되는 인성을 확보할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 N 함유율이 상기 상한을 초과하면, 충분한 인성 및 피삭성을 확보할 수 없게 될 우려가 있다. 상기 N 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, N가 질화물을 형성하고 결정립을 세립화하는 것에 의해 단강품용 고강도강의 인성 및 피삭성을 적절하게 확보할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 불가피적 불순물로서 O를 함유하며, O는 해당 단조용 강 중에서 산화물로서 존재한다. 상기 O 함유율의 상한으로서는, 30ppm이며, 15ppm이 바람직하고, 10ppm이 보다 바람직하다. 상기 O 함유율이 상기 상한을 초과하면, 조대한 산화물이 생성되어 피삭성이 저하될 우려가 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 상술한 기본 성분 이외에 잔부로서 Fe와 불가피적 불순물을 포함한다. 또한, 불가피적 불순물로서는, 예를 들어 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라서 반입되는 P(인), S(유황), Sn(주석), As(비소), Pb(납), Ti(티탄) 등의 원소의 혼입이 허용된다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강에 있어서, 불가피 불순물인 P의 함유율의 상한으로서는, 0.1 질량%가 바람직하고, 0.05 질량%가 보다 바람직하며, 0.01 질량%가 더욱 바람직하다. P 함유율이 상기 상한을 초과하면, 입계 편석에 의한 입계 파괴를 조장할 우려가 있다.
상기 불가피 불순물인 S 함유율의 상한으로서는, 0.02 질량%가 바람직하고, 0.01 질량%가 보다 바람직하며, 0.005 질량%가 더욱 바람직하다. S 함유율이 상기 상한을 초과하면, 황화물계 개재물이 증대되어 강도를 열화시킬 우려가 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 추가로 그 이외의 원소를 적극적으로 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 원소(화학 성분)의 종류에 따라서 단강재의 특성이 더욱 개선된다.
예를 들면, 본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 그 이외의 원소로서 Cu를 첨가하여도 좋다. Cu를 첨가하는 경우의 해당 단강품용 고강도강에 있어서의 Cu 함유율의 하한으로서는, 0.1 질량%가 바람직하며, 0.2 질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 Cu 함유율의 상한으로서는, 1.5 질량%가 바람직하고, 1.2 질량%가 보다 바람직하다. Cu 함유율이 상기 하한 미만이면, 담금질성 향상 효과가 충분히 발휘되지 않을 우려가 있다. 반대로, Cu 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다. 단강품용 고강도강의 Cu 함유율을 상기 범위로 하는 것에 의해, 담금질성 향상 효과가 유효하게 발휘되어 인성 및 피삭성이 향상된다.
또한, 본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 그 이외의 원소로서 Nb를 첨가하여도 좋다. Nb를 첨가하는 경우의 해당 단강품용 고강도강의 Nb 함유율의 상한으로서는, 0.5 질량%가 바람직하며, 0.3 질량%가 보다 바람직하다. Nb를 첨가하는 것에 의해 담금질성이 향상되지만, Nb 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다.
또한, 본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 그 이외의 원소로서 B를 첨가하여도 좋다. B를 첨가하는 경우의 해당 단강품용 고강도강의 B 함유율의 상한으로서는, 30ppm이 바람직하고, 20ppm이 보다 바람직하다. B를 첨가하는 것에 의해 담금질성이 향상되지만, B 함유율이 상기 상한을 초과하면, 인성 및 피삭성이 저하될 우려가 있다.
＜시멘타이트 중의 합금 원소 농도＞
본 실시형태의 단강품용 고강도강의 금속 조직은, 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하지만, 시멘타이트 중에 소정 농도의 Cr 또는 Mn을 포함하는 것이 바람직하다. 시멘타이트 중의 Cr 농도의 하한으로서는, 2.7 질량%가 바람직하고, 3.0 질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 시멘타이트 중의 Cr 농도의 상한으로서는, 4.0 질량%가 바람직하며, 3.5 질량%가 보다 바람직하다. 또한, 시멘타이트 중의 Mn 농도의 하한으로서는, 1.2 질량%가 바람직하며, 1.3 질량%가 보다 바람직하다. 한편, 상기 시멘타이트 중의 Mn 농도의 상한으로서는, 2.0 질량%가 바람직하고, 1.8 질량%가 보다 바람직하다. 상기 시멘타이트 중의 Cr 농도가 상기 하한 미만이며, 또한 상기 Mn 농도가 상기 하한 미만이면, 피삭성을 충분히 개선할 수 없을 우려가 있다. 반대로, 상기 시멘타이트 중의 Cr 농도가 상기 상한을 초과하거나, 또는 상기 Mn 농도가 상기 상한을 초과하면, 역 V 편석을 조장하여 피삭성이 저하될 우려가 있다. 시멘타이트 중의 Cr 농도 또는 Mn 농도를 상기 범위로 하는 것에 의해, 피로 균열 발생원의 하나의 인자라고 고려되는 시멘타이트 주위에 Mn 농도가 낮고 부드러운 영역이 발현되고, 이러한 영역이 절삭시의 응력을 완화시키는 기능을 가지며, 강재 전체적으로의 피삭성이 보다 크게 개선된다고 추정된다.
＜기계적 성질＞
본 실시형태에 있어서 단강품용 고강도강의 인장 강도(TS)의 하한으로서는, 850㎫이 바람직하다. 해당 단강품용 고강도강의 인장 강도가 상기 하한 이상이면, 선박 또는 발전기에 사용되는 디젤 기관용의 전달 부재에 요구되는 강도를 만족할 수 있다. 또한, 인장 강도는, 예를 들어 JIS-Z2241(2011)에 준거한 인장 시험에 의해 측정할 수 있다.
본 실시형태의 단강품용 고강도강의 흡수 에너지 vE(실온에서의 흡수 에너지)의 하한으로서는, 45J이 바람직하다. 해당 단강품용 고강도강의 흡수 에너지가 상기 하한 이상이면, 선박 또는 발전기에 사용되는 디젤 기관용의 전달 부재에 요구되는 인성을 만족할 수 있다. 흡수 에너지는, 예를 들어 JIS-Z2242(2005)에 준거한 샤르피 충격 시험에 의해 측정할 수 있다.
＜단강품용 고강도강 및 단강품의 제조 방법＞
본 실시형태의 단강품용 고강도강은, 예를 들면, 이하의 용해 공정, 주조 공정, 가열 공정, 단조 공정, 담금질 전처리 공정 및 열처리 공정에 의해 제조된다. 또한, 해당 단강품용 고강도강을 기계 가공 공정에 의해 가공함으로써 해당 단강품이 제조된다.
(용해 공정)
용해 공정에서는, 우선 고주파 용해로, 전기로, 전로 등을 이용하여, 상술한 소정의 조성으로 조정한 강을 용해한다. 그 후, 성분 조정 후의 용해한 강에 진공 처리를 실시하여, O(산소), H(수소) 등의 가스 성분이나 불순 원소를 제거한다.
(주조 공정)
주조 공정에서는, 대형 단조용 강의 경우는 주로 잉곳(강괴) 주조가 채용된다. 비교적 소형인 단강품의 경우는 연속 주조법을 채용하는 것도 가능하다.
(가열 공정)
가열 공정에서는, 소정의 온도로 소정 시간, 강괴를 가열한다. 저온이 되면 재료의 변형 저항이 증대되므로, 재료의 변형능이 양호한 범위에서 가공을 실행하기 위해, 가열 온도는 1150℃ 이상으로 한다. 또한, 강괴의 표면과 내부의 온도를 균일하게 하기 위해 소정의 가열 시간이 필요하며, 가열 시간을 3시간 이상으로 한다. 가열 시간은 일반적으로 피가공물의 직경의 제곱에 비례하는 것으로 고려되고 있으며, 대형재일수록 가열 보지 시간은 길어진다.
(단조 공정)
단조 공정에서는, 가열 공정으로 1150℃ 이상의 온도로 가열된 강괴를 단조 한다. 수축 공동이나 미소 공동 등의 주조 결함을 압착시키기 위해서, 단련 성형비로서는 3S 이상이 바람직하다.
(담금질 전처리 공정)
담금질 전처리 공정에서는, 단조한 강재를 대기 중에서 방랭(放冷)한 후, 소정 온도(예를 들면 550℃~650℃)까지 가열하여 소정 시간(예를 들면, 10시간 이상) 보지하고, 그 후 냉각한다. 담금질 처리를 실행하기 전에 담금질 전처리 공정을 실행하는 것에 의해, 강재 중의 정합 석출물을 감소시킬 수 있다.
(열처리 공정)
열처리 공정에서는, 담금질 처리를 실행한 후, 뜨임 처리를 실행한다. 담금질 처리는, 담금질 전처리 공정에서 냉각된 강재를, 소정 온도(예를 들면, 800℃~950℃)까지 승온시켜 소정 시간(예를 들면, 1시간 이상) 보지한 후, 소정 온도(예를 들면, 450℃~530℃)까지 냉각한다. 그 후, 뜨임 처리를 실행하는 것에 의해 본 실시형태의 단강품용 고강도강을 얻을 수 있다. 강재의 뜨임은, 소정의 온도까지 승온 속도 30~70℃/hr로 서서히 가열하고, 일정 시간(예를 들면, 5~20시간) 보지한 후, 냉각한다. 뜨임은, 강도, 연성 및 인성의 밸런스를 조정하는 동시에, 상변태로 생긴 내부 응력(잔류 응력)을 제거하기 위해서 550℃ 이상으로 실행한다. 단, 고온이 되면 탄화물의 조대화, 전위 조직의 회복 등에 의해 강재가 연화되어, 충분한 강도를 확보할 수 없기 때문에 650℃ 이하로 한다.
(기계 가공 공정)
열처리 공정 후의 해당 단강품용 고강도강의 표층에 절삭 또는 연삭을 포함하는 마무리 기계 가공을 하는 것에 의해, 단강품을 얻을 수 있다.
본 명세서는 상술한 바와 같이 여러가지 태양의 기술을 개시하고 있으며, 이하와 같은 태양으로 상술의 과제를 해결할 수 있다. 또한, 본 발명은 이하의 해결 방법에 한정되지 않으며, 본 명세서에 기재한 전체 내용을 참작 가능한 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 일 국면은, C(탄소): 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하, Si(규소): 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하, Mn(망간): 0.6 질량% 이상 1.5 질량% 이하, Ni(니켈): 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하, Cr(크롬): 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하, Mo(몰리브덴): 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하, V(바나듐): 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하, Al(알루미늄): 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하, N(질소): 30ppm 이상 100ppm 이하, O(산소): 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고, 금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하고, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수가 50개/㎛２ 이하인 단강품용 고강도강이다.
해당 단강품용 고강도강은, 강재의 각 조성의 함유량을 상기 범위로 하고, 금속 조직을 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하는 것에 의해, 예를 들어 선박 또는 발전기에 사용되는 디젤 기관용의 전달 부재 등으로서 충분한 강도를 갖는다. 또한, 해당 단강품용 고강도강은, 금속 조직에 포함되는 정합 석출물의 개수가 상기 상한 이하인 것에 의해, 절삭시 및 연마시에 저항이 되는 입자가 저감되는 것으로 고려되기 때문에, 고강도를 확보하면서 우수한 피삭성 및 연마성을 갖는다.
또한, 상기 단강품용 고강도강이, 다른 성분으로서 Cu(구리): 0 질량% 초과 1.5 질량% 이하, Nb(니오븀): 0 질량% 초과 0.5 질량% 이하, 또는 B(붕소): 0ppm 초과 30ppm 이하를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 원소를 포함하는 것에 의해, 담금질성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 단강품용 고강도강의 시멘타이트 중의 Cr(크롬) 농도가 2.7 질량% 이상, 또는 Mn(망간) 농도가 1.2 질량% 이상인 것이 바람직하다. 시멘타이트 중의 Cr 농도 또는 Mn 농도가 상기 범위인 것에 의해, 피로 균열 발생원의 하나의 인자라고 고려되는 시멘타이트 주위에 적절하게 부드러운 영역이 발현되고, 이러한 영역이 균열 발생의 응력을 완화시키는 기능을 갖고, 피로 특성이 크게 개선되는 것으로 고려된다. 그 결과, 상술의 피삭성 및 연마성을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 국면은 단강품용 고강도강을 절삭 또는 연삭하여 얻어지는 단강품이다. 해당 단강품은, 해당 단강품용 고강도강으로 이루어지므로, 상술한 바와 같이 고강도이며 우수한 피삭성 및 연마성을 갖는다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[시험 시료의 작성]
(실시예 1)
표 1의 실시예 1의 란에 나타내는 조성을 갖는 강 원료를 고주파로에 의해 용제하고, 주조하여 직경 132㎜~158㎜, 길이 323㎜의 강괴(50㎏)를 얻었다. 얻어진 강괴의 압탕 부분을 절제하고, 1230℃로 5~10시간 가열한 후, 자유 단조 프레스기를 이용하여 높이비로 1/2까지 압축하고, 강괴 중심선을 90°회전시켜 단조하여 90㎜×90㎜×450㎜까지 연신한 후, 대기 중에서 방랭했다. 다음에, 담금질 처리를 실행하기 전에, 실온까지 방랭한 소재를 가열(500℃ 이상에서는 50℃/hr 이하로 가열)하고, 650℃로 10시간 보지하고 나서 노 냉각했다(담금질 전처리). 그 후, 소형 시뮬레이트로를 이용하여 담금질 처리를 실시했다. 또한, 담금질 처리는, 소재를 승온 속도 50℃/hr로 870℃까지 승온시켜 3시간 보지한 후, 소재를 870℃~500℃의 온도역에서 평균 냉각 속도 50℃/min으로 냉각했다. 그 후, 뜨임 처리로서 소재를 600℃로 10시간 보지하고 나서 노 냉각했다. 이와 같이 하여 실시예 1의 단강품용 고강도강의 시험 시료를 작성했다. 또한, 표 1 중 "-"는 측정 한계 이하를 나타낸다.
(실시예 2~12 및 비교예 1~17)
표 1의 실시예 2~12 및 비교예 1~17의 란에 나타내는 조성으로 한 것, 상기 담금질 전처리에 있어서의 보지 온도 및 상기 뜨임 처리에 있어서의 보지 온도를 표 1에 나타내는 온도로 한 것 이외는 실시예 1과 마찬가지의 순서로 실시예 2~12 및 비교예 1~ 비교예 17의 단강품용 고강도강의 시험 시료를 작성했다. 또한, 상기 담금질 전처리에 있어서의 보지 시간은 실시예 1과 동일한 10시간으로 했다.
실시예 1~12의 시험 시료에서는, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Al, N, O의 함유율이 본 발명의 범위 내이다. 비교예 1~17의 시험 시료에서는, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Al, N, O 중 적어도 어느 하나의 함유율이 본 발명의 범위 외이다.
(비교예 18~20)
비교예 18~20의 단강품용 고강도강에 이용하는 강 원료는 표 1에 나타내는 바와 같이 동일한 조성으로 했다. 또한, 이러한 조성은, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Al, N, O의 함유율이 본 발명의 범위 내이다. 비교예 18~20의 단강품용 고강도강은, 상기 담금질 전처리에 있어서의 보지 시간을 실시예 1에 있어서의 보지 시간보다 짧은 8시간으로 하고, 상기 담금질 전처리에 있어서의 보지 온도를 각각 550℃, 600℃, 650℃로 했다.
(비교예 21~22)
비교예 21 및 22의 단강품용 고강도강의 시험 시료는, 상기 담금질 전처리를 실행하지 않는 종래의 제조 방법에 의해 작성했다. 비교예 21 및 22의 단강품용 고강도강에 이용하는 강 원료는, 일본 특허 제 3896365 호 공보 및 일본 특허 제 4332070 호 공보에서 이용되고 있는 조성의 것으로 했다. 또한, 이들 조성은 C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Al, N, O의 함유율이 본 발명의 범위 내이다.
[정합 석출물의 개수 밀도의 측정]
시험 시료를 직경 3㎜, 두께 0.5㎜의 원반 형상으로 절출하고, 사포로 30㎛까지 연마한 후, 트윈 제트법에 의해 이 시료로부터 전자 현미경 샘플을 작성했다. 이 전자 현미경 샘플을, 가속 전압 200kV로 투과형 전자 현미경(TEM)으로 확인하는 것에 의해, 정합 석출물을 특정했다. 구체적으로는, TEM으로 5000배로 관찰한 조직 사진 중에서, g1*벡터가 여기되어 석출물이 가장 명확히 관찰되는 점을 중심으로 5㎝×5㎝의 정방형으로 촬영하고, 그 중에 포함되는 정합 석출물(직경 30㎚ 이하의 것)의 개수를 카운트하여, 10 시야의 카운트한 개수의 평균값을 정합 석출물의 개수 밀도로 했다.
[시멘타이트 중의 합금 원소의 농도 분석]
시멘타이트 중의 합금 원소의 농도 분석은, 주사형 전자 현미경(SEM) 부속의 EDX에서 정량 분석하는 것에 의해 실행했다. EDX는, 전자선 조사에 의해 발생하는 특성 X선을 검출하고, 에너지로 분광하는 것에 의해 원소 분석이나 조성 분석을 실행하는 수법이다.
[기계적 성질의 측정]
열처리 후, 시험편의 길이 방향이 단조 신장 방향에 평행하게 되도록 상기 시험 시료를 가공하여 인장 시험을 실시했다. 시험편 형상은, JIS-Z2241(2011)의 14호 시험편으로 φ6×G.L.30㎜로 하여, 인장 강도(TS)를 측정했다. 본 시험에서는, 인장 강도가 850㎫ 이상의 것을 합격으로 판정했다.
또한, 샤르피 충격 시험에 의해 상기 시험 시료의 흡수 에너지(vE)(실온에서의 흡수 에너지)를 측정하고, 인성의 평가를 실행했다. 샤르피 충격 시험은 JIS-Z2242(2005)에 준거하여 실시하고, 이 때의 시험편 형상은 JIS-Z2242(2005)의 2mmV 노치를 채용했다. 본 시험에서는 흡수 에너지가 45J 이상의 것을 합격으로 판정했다.
피삭성의 평가로서, 엔드 밀 절삭 시험을 실행하고, 강재를 단속 절삭했을 때의 공구 마모량을 측정했다. 엔드 밀 절삭 시험에서는, 상기 시험 시료를 스케일 제거한 후, 표면을 약 2㎜ 연삭한 것을 엔드 밀 절삭 시험편(피삭재)으로서 이용했다. 구체적으로는, 머시닝 센터 주축에 엔드 밀 공구를 장착하고, 상기와 같이 하여 제조한 25㎜×80㎜×80㎜의 시험편을 바이스로 고정하고, 건식의 절삭 분위기하에서 다운 컷 가공을 실행했다. 보다 구체적으로는, 시험편에 대하여, 외경φ10.0㎜의 TiAlN 코팅된 하이스 엔드 밀(미쓰비시 머티리얼 가부시키가이샤의 "K-2 SL")로, 축 방향 절입량 1.0㎜, 직경 방향 절입량 1.0㎜, 이송량 0.117㎜/rev, 이송 속도 556.9㎜/min으로 절삭 길이 29m의 절삭을 실행했다. 단속 절삭을 200 커트 실행한 후, 하이스 엔드밀 표면을 광학 현미경으로 관찰 배율 100배로 관찰하여, 측면 마모량(공구 마모량)(Vb)을 측정하고 평균값을 구했다. 본 시험에서는, 측면 마모량(Vb)이 70㎛ 이하의 것을, 단속 절삭시의 피삭성이 우수한 것으로 하여 합격으로 판정했다.
본 시험에서는, 인장 강도, 흡수 에너지 및 피삭성이 모두 합격으로 판정된 것을 총합 평가 "A"로 하고, 그 이외의 것을 총합 평가 "B"로 했다. 그들 측정 결과를 표 1에 나타낸다.
[표 1]
Figure 112016068918980-pct00001
[측정 결과]
실시예 1~12의 시험 시료는 모두 고강도인 동시에 인성 및 피삭성도 우수하여 총합 평가 A였다.
이에 반하여, 비교예 1~17의 시험 시료는, 인장 강도 및 인성 중 어느 하나가 합격 범위가 되지 않아 총합 평가 B였다. 이들 시험 시료는, 본 발명의 기본 성분의 범위를 만족하지 않는 조성을 갖는 강을 이용하여 작성한 것이다. 본 발명의 기본 성분의 범위는, Al 및 N를 제외하고 강도를 향상시키는 조성을 규정하는 것이므로, 본 발명에서 규정하는 함유량의 하한 미만의 원소(Al 및 N를 제외함)를 갖는 조성의 것(비교예 1, 4, 7, 9, 11)의 인장 강도가 저하되어 있다고 말할 수 있다. 한편, 본 발명에서 규정하는 함유량의 상한을 초과하는 원소(Al 및 N를 제외함)를 갖는 조성의 것(비교예 2, 3, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 17)의 인장 강도는 향상되고 있지만, 절삭 저항이 강도에 비례하여 증가하기 때문에, 인성 및 피삭성이 저하되고 있다. 또한, Al 및 N는, 적절한 함유량으로 하는 것에 의해 인성을 향상시키는 원소이므로, 이들 원소가 본 발명에서 규정하는 함유량의 하한 미만 또는 상한을 초과하는 조성의 것(비교예 13 및 15)은 인성 및 피삭성이 저하되고 있다.
비교예 18~22의 시험 시료에서는, 인장 강도 및 인성 모두 우수하지만 피삭성이 뒤떨어져 있었다. 이것은, 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물이 많고, 그 개수 밀도가 50개/㎛２ 초과하고 있기 때문이라고 고려된다. 이러한 메커니즘은 명확하지 않지만, 정합 석출물이 많아지면 절삭시의 저항이 되는 입자가 증가하기 때문에, 피삭성이 저하된다고 추정된다. 또한, 표 1에 나타내는 결과로부터, 담금질 전처리의 보지 시간을 변화시키는 것에 의해 석출되는 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수를 제어할 수 있는 것으로 고려된다.
(인장 강도와 공구 마모량의 관계)
상기 실시예 및 비교예에서 측정한 인장 강도와 공구 마모량의 관계를 도 1에 나타낸다. 도 1로부터, 실시예 1~12에서는, 고강도이며 또한 피삭성도 우수한 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1~22에서는, 인장 강도가 850㎫ 이상인 경우에는 공구 마모량이 70㎛을 초과하고, 공구 마모량이 70㎛ 이하인 경우는 인장 강도가 850㎫ 미만으로 되고 있으며, 고강도와 피삭성이 양립하고 있지 않다는 것을 알 수 있다.
(타성분의 부가)
실시예 7의 조성은 실시예 4의 조성에 Cu를 부가한 것이다. 실시예 8의 조성은 실시예 4의 조성에 Nb을 부가한 것이다. 실시예 9의 조성은 실시예 5의 조성에 B를 부가한 것이다. 이들 각 실시예의 측정 결과를 비교하면, Cu, Nb 또는 B를 부가하는 것에 의해, 인성 및 피삭성을 충분히 확보하면서 강도를 크게 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
(시멘타이트 중의 원소 농도)
실시예 4의 조성은, 실시예 2의 조성과 대략 동일하며, 시멘타이트 중의 Cr 농도가 2.7 질량% 이상이면 실시예 2보다 크다. 이들 측정 결과를 비교하면, 실시예 4는, 실시예 2에 대하여, 피삭성을 손상시키지 않고 인장 강도가 크게 향상되고 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 10~12는 조성이 대략 동일하지만, 실시예 11만 시멘타이트 중의 Mn 농도가 1.2 질량% 이상으로 실시예 10 및 12보다 크다. 실시예 11은, 인장 강도가 실시예 10 및 12와 동등하면서, 피삭성이 실시예 10 및 12보다 향상되고 있다는 것을 알 수 있다.
본 출원은 2013년 12월 19일에 출원된 일본 특허 출원 제 2013-262720 호를 기초로 하는 것이며, 그 내용은 본원에 포함되는 것이다.
본 발명을 표현하기 위해, 전술에 있어서 도면 등을 참조하면서 실시형태를 통하여 본 발명을 적절하게 또한 충분히 설명했지만, 당업자라면 전술한 실시형태를 변경 및/또는 개량하는 것은 용이하게 할 수 있는 것이라고 인식해야 한다. 따라서, 당업자가 실시하는 변경 형태 또는 개량 형태가, 청구범위에 기재된 청구항의 권리 범위를 이탈하는 레벨의 것이 아닌 한, 해당 변경 형태 또는 해당 개량 형태는 해당 청구항의 권리 범위에 포괄되는 것으로 해석된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 선박용 단강품의 기술 분야에 있어서, 광범위한 산업상의 이용 가능성을 갖는다. 특히, 선박용 구동원의 전달 부재로서 이용되는 중간축, 추진축, 연접봉(連接棒), 러더 스톡(rudder stock), 러더 혼(rudder horn) 및 크랭크축 등의 소재로서 유용하다.

Claims (4)

  1. C: 0.35 질량% 이상 0.47 질량% 이하,
    Si: 0 질량% 이상 0.4 질량% 이하,
    Mn: 0.8 질량% 이상 1.5 질량% 이하,
    Ni: 0 질량% 초과 2.0 질량% 이하,
    Cr: 0.8 질량% 이상 2.5 질량% 이하,
    Mo: 0.10 질량% 이상 0.7 질량% 이하,
    V: 0.035 질량% 이상 0.20 질량% 이하,
    Al: 0.015 질량% 이상 0.050 질량% 이하,
    N: 30ppm 이상 100ppm 이하,
    O: 0ppm 초과 30ppm 이하의 기본 성분을 포함하며, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 조성을 갖고,
    시멘타이트 중의 Cr 농도가 2.7 질량% 이상 4.0 질량% 이하, 또는 Mn 농도가 1.2 질량% 이상 2.0 질량% 이하이고,
    금속 조직이 베이나이트, 마르텐사이트, 또는 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼합 조직을 주체로 하고,
    사포로 30㎛까지 연마한 후 투과형 전자 현미경으로 관찰했을 때에, 입방정계 B1형 석출물 중 직경 30㎚ 이하의 정합 석출물의 개수가 50개/㎛２ 이하인
    단강품용 고강도강.
  2. 제 1 항에 있어서,
    다른 성분으로서,
    Cu: 0 질량% 초과 1.5 질량% 이하,
    Nb: 0 질량% 초과 0.5 질량% 이하, 또는
    B: 0ppm 초과 30ppm 이하를 포함하는
    단강품용 고강도강.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 단강품용 고강도강을 절삭 또는 연삭하여 얻어지는
    단강품.
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