KR101899739B1 - 연질화 처리용 강판 및 그 제조 방법과 연질화 처리 강 - Google Patents

Abstract

화학 조성이 질량%로 C: 0.02% 이상 0.07% 미만, Si: 0.10% 이하, Mn: 1.1 내지 1.8%, P: 0.05% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.10 내지 0.45%, N: 0.01% 이하, Ti: 0.01 내지 0.10%, Nb: 0 내지 0.1%, Mo: 0 내지 0.1%, V: 0 내지 0.1%, Cr: 0 내지 0.2%, 잔부: Fe 및 불순물이고, [Mn+Al≥1.5]를 만족시키고, 강판 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량이 질량%로 0.03% 미만이고, 페라이트의 면적률이 80% 이상이고, 또한 강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 페라이트의 전위 밀도가 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁶m^-2인 금속 조직을 갖는, 연질화 처리용 강판.

Description

연질화 처리용 강판 및 그 제조 방법과 연질화 처리 강 {SOFT-NITRIDING STEEL SHEET, METHOD FOR MANUFACTURING SAME, AND SOFT-NITRIDED STEEL}

본 발명은 연질화 처리용 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 특히 프레스 가공을 행한 후에 연질화 처리를 실시하는 연질화 처리용 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 연질화 처리 강에 관한 것이며, 특히 질화 처리 전의 프레스 성형성과 질화 처리 후의 피로 저항이 우수한 연질화 처리 강에 관한 것이다.

표면 경화 처리는 강의 표면을 경화시키는 것과 동시에 강의 표면에 잔류 응력을 발생시켜 내마모성 및 내피로성을 향상시키는 처리이다. 현재 실용화되어 있는 대표적인 표면 경화 처리의 방법으로서는 침탄 처리 및 질화 처리를 들 수 있다.

침탄 처리는 강을 γ 영역까지 승온하고 강의 표면에 탄소를 확산·침투시키는 처리이며, 침탄 후에는 켄칭을 행하여 표면 경화를 도모한다. 침탄 처리에서는 고온 영역까지 승온하기 때문에 깊은 경화 경도가 얻어지지만, 침탄 후에 켄칭·템퍼링이 필요해지기 때문에 강에 변형이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 침탄 처리한 강을, 예를 들어 자동차의 트랜스미션 등, 회전을 수반하는 부분에 사용되는 부품에는 사용할 수 없다. 변형은 켄칭 후에 프레스 템퍼 처리 등의 특수 처리를 행함으로써 제거할 수는 있지만, 특수 처리에 수반되는 시간적, 비용적인 손실의 발생은 회피할 수 없다.

한편, 질화 처리는 A₁점 이하의 온도에서 질소를 확산·침투시키는 처리이다. 질화 처리에서는 가열 온도가 500 내지 550℃로 낮아, 가열에 의하여 상변태하는 일은 없기 때문에 침탄 처리와 같이 강에 변형이 발생하는 일은 없다. 그러나 그 처리 시간이 50 내지 100h로 현저히 길어, 처리 후에도 표면에 생성된 무른 화합물층을 제거할 필요가 있는 등, 이 경우에도 시간적, 비용적인 손실의 발생은 회피할 수 없다.

따라서 연질화 처리라 칭해지는 방법이 개발되어 있다. 연질화 처리에서는 강판을 A₁ 변태점 이하의 온도로 가열하여, 강판 표면으로부터 질소를 확산·침투시킨다. 이때, 침탄성 분위기를 이용함으로써 부가적으로 탄소도 확산·침투시킨다. 침탄 처리와 같이 담금질하는 일은 없으므로, 상변태에 수반되는 변형은 없다. 또한 비교적 저온에서 처리하기 때문에 열변형도 작다. 그 때문에 부품의 형상 정밀도를 저하시키지 않고 강판 표층을 경화시킬 수 있다. 더욱이 질화 처리에 비하여 그 처리 시간은 약 절반이면 된다. 그 때문에, 최근 들어 기계 구조물에 사용하는 부품의 표면 경화 처리의 방법으로서 급속히 보급되고 있다.

또한 연질화 처리는 원하는 부품 형상으로 프레스 가공한 후에 실시되는 일이 많다. 특히 자동차의 변속기 부품과 같은 기계 구조용 부품은 생산성의 관점에서 프레스 가공이 행해진다. 그 때문에, 자동차의 변속기 부품 등 기계 구조용 부품의 소재에 적합한, 성형성이 우수한 연질화 처리용 강판에 대한 요망이 높아져, 현재까지 다양한 기술이 제안되어 있다.

예를 들어 특허문헌 1에는 냉간 단조성 및 피로 저항이 우수한 질화 강 부재의 제조 방법이 개시되어 있고, 특허문헌 2에는 열처리 변형이 적은 질화 강 부재의 제조 방법이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 3 및 4에는 성형성이 우수한 질화용 강판이 개시되어 있다.

특허문헌 5에는 저렴하고 프레스 우수한 가공성이 좋은 연질화 처리용 강이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 6에는 질화 처리 후에 높은 표면 경도 및 충분한 경화 깊이가 얻어지는 질화 처리용 박강판이 개시되어 있다. 나아가 특허문헌 7에는 우수한 가공성과 피로 저항을 겸비한 연질화 처리용 강판이 개시되어 있고, 특허문헌 8에는 성형성 및 연질화 처리 후의 강도 안정성이 우수한 연질화 처리용 강판이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 평7-286257호 공보 일본 특허 공개 평8-49059호 공보 일본 특허 공개 평9-25543호 공보 일본 특허 공개 평9-25544호 공보 일본 특허 공개 제2003-105489호 공보 일본 특허 공개 제2003-277887호 공보 일본 특허 공개 제2009-68057호 공보 일본 특허 공개 제2012-177176호 공보

특허문헌 1 및 2에 개시되는 질화 강 부재는 C 함유량이 0.10% 이상으로 높고, 또한 Cr 및 V의 함유량도 높기 때문에 신장 등의 가공성이 떨어진다. 특허문헌 3에서는 C 함유량을 0.01 내지 0.08% 미만으로 하고 있고, 특허문헌 4에서는 C 함유량을 0.01% 이하로 극히 낮게 하고 있다. 그러나 특허문헌 3 및 4에 개시되는 강판에는 Cr 및 V와 같은 고가의 원소를 다량으로 함유시키기 때문에, 제조 비용이 증대된다는 문제가 있다.

또한 특허문헌 5에서는 연질화 처리 후의 표면 경도, 경화 깊이 및 밀착 굽힘성에 관한 평가를 행하여 우수한 결과가 얻어지는 것이 밝혀져 있지만, 실제로 부품에 있어서의 피로 저항에 대해서는 검토되어 있지 않아 개선의 여지가 남겨져 있다. 특허문헌 6에 기재된 기술은 내구성의 향상을 의도한 것이지만 표면 경도, 경화 깊이만의 평가밖에 행하고 있지 않으며, 피로 저항에 대해서는 충분히 고려하고 있지 않다.

또한 특허문헌 7 및 8에서는, 질화물 형성 원소로서 Cr을 함유시켜 질화층을 경화시키면서, 모재 강도를 Nb의 극미량 첨가에 의하여 조정함으로써 피로 저항을 개선하는 것으로 하고 있다. 그러나 특허문헌 7 및 8에 기재된 강판의 평면 굽힘 피로 강도는 300 내지 420㎫ 정도이며, 큰 응력이 부하된 상태에서 사용되는 기계 구조용 부품에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은, 종래 기술에서는 충분치 않은 피로 저항의 개선을 의도하며, 우수한 가공성과 연질화 처리 후의 피로 저항을 겸비한 연질화 처리용 강판과 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 생산성 저항 및 비용을 증가시키지 않고, 종래 기술에서는 충분치 않은 피로 저항의 개선을 의도하고 있으며, 연질화 처리 전에 있어서 우수한 가공성을 가지면서, 연질화 처리를 실시함으로써 높은 피로 저항을 구비한 연질화 처리 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 연질화 처리 전의 우수한 가공성과 연질화 처리 후의 피로 저항을 겸비한 연질화 처리 강을 얻는 기술에 대하여 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 이하의 지견을 얻기에 이르렀다.

(a) 연질화 처리 전의 우수한 가공성과 연질화 처리 후의 피로 저항을 양립시키기 위해서는, 연질화 처리 전에 있어서의 성형성을 손상시키지 않고 연질화 처리에 의하여 원하는 표면 경도, 경화 깊이 및 모재 경도가 얻어지도록 강판의 합금 조성 및 금속 조직을 조정할 필요가 있다.

(b) 연질화 처리 전에 있어서의 강판의 가공성을 우수하게 하기 위해서는, 페라이트가 주체인 금속 조직으로 할 필요가 있다. 강판의 성분 조성으로서 적량의 Mn 및 Al을 함유시키고, 성분 조성에 맞춘 제조 조건을 적절히 선택함으로써, 페라이트의 면적률을 소정량 이상으로 할 수 있다.

(c) Mn 및 Al의 함유량을 적절한 범위로 조정함으로써, 연질화 처리에 있어서 (Mn, Al) 질화물의 석출이 발생하여 충분한 표면 경도를 얻는 것이 가능해진다.

(d) 연질화 처리에 있어서의 질화물의 석출을 제어하는 데 있어서, 강판 표면에 있어서의 페라이트의 전위 밀도를 조정하는 것이 중요하다. 강판 표면에 있어서의 페라이트의 전위 밀도를 높임으로써 질화물의 석출을 촉진시킬 수 있기 때문이다.

(e) 또한 이때 석출되는 질화물의 결정 조성은 Mn이 주체인 M₃N₂(M은 합금 원소를 나타냄)로 된다. M₃N₂는 다른 결정 조성을 갖는 M₁N₁의 질화물보다도 질화물 형성에 필요한 질소가 적다. 그 때문에 강판의 더 깊은 위치까지 질소가 확산되게 되어 큰 경화 깊이를 얻을 수 있다.

(f) 더욱이 연질화 처리 중에 강판 내부에서 탄화물을 석출시킴으로써, 석출 강화에 의하여 모재 경도를 높게 하는 것이 가능하다. 그 때문에, 연질화 처리 전의 강판에 있어서는, 탄화물 형성 원소인 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr은 일정량 이상이 고용 상태일 필요가 있다.

(g) 연질화 처리 후에 있어서 피로 저항을 향상시키기 위해서는, 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이에 있어서의 경도가 비커스 경도로 600HV 이상이고, 또한 경화 깊이가 0.35㎜ 이상인 경화층을 형성시키는 것이 중요하다.

(h) 원하는 표면 경도 및 경화 깊이를 얻기 위해서는, 특히 강 중의 질화물 형성 원소의 함유량을 규제할 필요가 있다.

(i) 게다가 다양한 연질화 처리 강의 표층부에 대하여 투과형 전자 현미경(TEM)을 사용하여 해석한 결과, 연질화 처리에 의하여 형성되는 질화물 중에서도, 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 질화물의 석출 형태, 조성 및 개수 밀도를 제어할 필요가 있음을 발견하였다.

본 발명은 상기 지견을 기초로 하여 이루어진 것이며, 하기 강판 및 그 제조 방법과 연질화 처리 강을 요지로 한다.

[1]

화학 조성이 질량%로

C: 0.02% 이상 0.07% 미만,

Si: 0.10% 이하,

Mn: 1.1 내지 1.8%,

P: 0.05% 이하,

S: 0.01% 이하,

Al: 0.10 내지 0.45%,

N: 0.01% 이하,

Ti: 0.01 내지 0.10%,

Nb: 0 내지 0.1%,

Mo: 0 내지 0.1%,

V: 0 내지 0.1%,

Cr: 0 내지 0.2%,

잔부: Fe 및 불순물이고,

하기 (ⅰ) 식을 만족시키고,

강판 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량이 질량%로 0.03% 미만이고,

페라이트의 면적률이 80% 이상이고, 또한 강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 페라이트의 전위 밀도가 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁶m^-2인 금속 조직을 갖는 연질화 처리용 강판.

단, 식 중의 각 원소 기호는 강판 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

[2]

상기 화학 조성이 질량%로

Nb: 0.005 내지 0.1%,

Mo: 0.005 내지 0.1%,

V: 0.005 내지 0.1%,

Cr: 0.005 내지 0.2%

로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, [1]에 기재된 연질화 처리용 강판.

[3]

[1] 또는 [2]에 기재된 화학 조성을 갖는 강 소재를

1150℃ 이상의 온도까지 가열한 후에 압연을 개시하여 900℃ 이상의 마무리 온도에서 압연을 종료하고,

냉각 후, 470 내지 530℃의 온도 영역에 있어서 권취를 행함으로써 페라이트의 면적률을 80% 이상으로 하고,

그 후, 산 세정을 실시하고,

산 세정 후에, 압하율이 0.5 내지 5.0%이고, 압연기 하중을 강판 판 폭으로 나눈 선 하중 F(㎏/㎜)와 강판의 길이 방향으로 부하되는 단위 면적당 하중 T(㎏/㎟)의 비인 F/T(㎜)가 8000 이상으로 되는 조건에서 스킨 패스 압연을 실시하는, 연질화 처리용 강판의 제조 방법.

[4]

화학 조성이 질량%로

C: 0.02% 이상 0.07% 미만,

Si: 0.10% 이하,

Mn: 1.1 내지 1.8%,

P: 0.05% 이하,

S: 0.01% 이하,

Al: 0.10 내지 0.45%,

Ti: 0.01 내지 0.10%,

Nb: 0 내지 0.1%,

Mo: 0 내지 0.1%,

V: 0 내지 0.1%,

Cr: 0 내지 0.2%,

잔부: Fe 및 불순물이고,

최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서, 페라이트 결정 중의 {001}면 상에 질화물이 석출되어 있고,

각 질화물에 있어서의 최대 길이의 평균값이 5 내지 10㎚이고,

질화물의 개수 밀도가 1×10²⁴m^-3 이상인, 연질화 처리 강.

[5]

상기 화학 조성이 질량%로

Nb: 0.01 내지 0.1%,

Mo: 0.01 내지 0.1%,

V: 0.01 내지 0.1% 및

Cr: 0.01 내지 0.2%

로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, [4]에 기재된 연질화 처리 강.

[6]

질화물을 구성하는 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도가 80at% 이상인, [4]에 기재된 연질화 처리 강.

또한 본 발명에 있어서의 「연질화 처리용 강판」에는 띠형의 강인 「강대」도 포함되는 것으로 한다. 또한 연질화 처리 후의 강 표면에는, 표면 처리 조건에 따라 수십㎛ 정도의 철 질화층이 형성되는 경우가 있는데, 본 발명에 있어서의 「강의 최표면」이란, 상기 철 질화층을 포함한 강의 표면을 가리키는 것으로 한다.

본 발명에 의하면, 생산성 및 경제성을 손상시키지 않고, 연질화 처리 전에는 신장 플랜지성 및 구멍 확장성 등의 프레스 성형성이 우수한 연질화 처리용 강판을 얻을 수 있다. 또한 연질화 처리 후에는 표면으로부터 충분한 두께의 경화층이 형성된, 피로 저항이 우수한 연질화 처리 강을 얻을 수 있다. 이러한 특성을 갖는 본 발명의 연질화 처리용 강판은 소정의 부품 형상으로 가공한 후, 연질화 처리를 실시하여 자동차용 부품 등의 일반 구조용 부품으로서 사용하는 것에 적합하다. 또한 본 발명의 연질화 처리 강은 자동차용 부품 등의 일반 구조용 부품으로서 사용하는 것에 적합하다.

여기서 「프레스 가공」이란, 딥 드로잉 가공, 굽힘 가공, 아이어닝 가공, 블랭킹 가공 등을 총칭한 가공법을 말하며, 「프레스 가공성이 우수하다」는 것은, 강재에 큰 강도를 부가하지 않더라도 프레스 가공이 가능하며, 프레스 가공을 실시한 때 프레스 성형체에 실질적으로 결함으로 될 수 있는 균열 등이 발생하지 않는 것을 말한다.

도 1은 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰된 페라이트 중의 질화물의 상을 도시하는 도면이다.
도 2는 질화물 및 모상으로부터 취득한 에너지 분산형 X선 분광법(TEM-EDS)의 스펙트럼을 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대하여 상세히 설명한다.

1. 화학 조성

각 원소의 한정 이유는 하기와 같다. 또한 이하의 설명에 있어서 함유량에 관한 「%」는 「질량%」를 의미한다.

C: 0.02% 이상 0.07% 미만

C는 탄화물 형성 원소와 결합하여 탄화물을 석출시킴으로써 강도를 향상시키는 원소이며, 강의 프레스 가공성 및 연질화 처리 후의 모재 경도 향상에 기여한다. C 함유량이 낮을수록 시멘타이트의 석출 밀도가 작아져 프레스 우수한 가공성은 좋아지지만, 한편, 연질화 처리 중의 탄화물의 석출량이 적어져 연질화 처리 후의 강판에 있어서 충분한 모재 경도가 얻어지지 않게 된다. 따라서 C 함유량은 0.02% 이상으로 한다. 한편, 강에 0.07% 이상의 C가 함유되어 있는 경우에는 강의 프레스 가공성이 나빠지므로, C 함유량은 0.07% 미만으로 한다. C 함유량은 0.03% 이상인 것이 바람직하고, 0.06% 이하인 것이 바람직하다.

Si: 0.10% 이하

Si는 제강 단계에서 탈산제로서 유용한 원소이지만, 질화 처리에 있어서 표면 경도의 향상에 기여치 않으며, 경화 깊이를 얕게 한다. 그 때문에 Si 함유량은 0.10% 이하로 한다. Si 함유량은 0.05% 이하인 것이 바람직하다. 또한 탈산제로서의 효과를 얻고 싶은 경우에는 Si 함유량은 0.01% 이상인 것이 바람직하다.

Mn: 1.1 내지 1.8%

Mn은 연질화 처리에 의하여 질화물을 형성하여 표면 경도를 높이는 효과를 가져, 본 발명에 있어서 극히 중요한 원소이다. Mn 함유량이 1.1% 미만에서는, 질화물 형성에 의한 표면 경도를 높이는 효과가 충분치 않아, 연질화 처리 후에 원하는 경도 분포가 얻어지지 않아, 양호한 내마모성 및 피로 저항을 얻을 수 없다. 한편, Mn 함유량이 1.8%를 초과하면, 중심 편석의 영향이 현저히 있어 강판의 가공성을 저하시킨다. 따라서 Mn 함유량은 1.1 내지 1.8%로 한다. Mn 함유량은 1.2% 이상인 것이 바람직하고, 1.7% 이하인 것이 바람직하다.

P: 0.05% 이하

P는 용선에 포함되는 불순물이며, 입계에 편석되어, 함유량의 증가에 수반하여 인성을 저하시키는 원소이다. 이 때문에 P 함유량은 낮을수록 바람직하다. P 함유량이 0.05%를 초과하면 가공성에 악영향을 미치므로, 0.05% 이하로 제한한다. 특히 구멍 확장성 및 용접성을 고려하면, P 함유량은 0.02% 이하인 것이 바람직하다. 또한 P를 0%로 하는 것은 조업상 곤란하므로, 0%는 포함하지 않는다.

S: 0.01% 이하

S는 용선에 포함되는 불순물이며, 함유량이 지나치게 많으면 인성을 저하시키거나 열간 압연 시의 깨짐을 야기하거나 할 뿐만 아니라, 구멍 확장성을 열화시킨다. 이 때문에 S의 함유량은 최대한 저감시켜야 한다. S 함유량은 0.01% 이하이면 허용할 수 있는 범위이므로, 0.01% 이하로 제한한다. 또한 S를 0%로 하는 것은 조업상 곤란하므로, 0%는 포함하지 않는다.

Al: 0.10 내지 0.45%

Al은 연질화 처리에 있어서 질화물을 형성하여 표면 경도를 높이는 효과를 가져, 본 발명에 있어서 극히 중요한 원소이다. 그 때문에 Al 함유량은 0.10% 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Al 함유량이 0.45%를 초과하면 경화 깊이가 작아져 피로 저항이 떨어진다. 따라서 Al 함유량은 0.10 내지 0.45%로 한다. Al 함유량은 0.15% 이상인 것이 바람직하고, 0.40% 이하인 것이 바람직하다.

N: 0.01% 이하

N은 연질화 처리 전에 0.01%를 초과하여 포함되면, 강판에 있어서 Al 또는 Ti와 결합하여 질화물을 형성하여 강판의 우수한 가공성을 열화시킨다. 또한 강판에서의 고용 상태의 Ti가 적어지기 때문에 연질화 처리 후에 충분한 모재 경도가 얻어지지 않게 된다. 따라서 N 함유량은 0.01% 이하로 한다. N 함유량은 0.008% 이하인 것이 바람직하다. 또한 연질화 처리 후에는 처리 중에 N이 확산됨으로써 판 두께 방향의 농도 구배를 발생시킨다. 연질화 처리 후의 N은 Fe 중에 고용되는 것 외에, 질화 석출물을 형성하고, 석출물 밀도는 N 농도에 의존한다. 또한 피로 저항은 고용 N에 의존하지 않으며, 석출 밀도와 크기를 만족시킬 때 확보할 수 있다. 연질화 처리 강은, Fe 중에 고용되는 N과, 질화 석출물을 형성하는 N을 함유하게 된다. 단, N량이 아니라 질화물의 개수 밀도만을 청구항에 규정하였다. 또한 후술하는 표 3에는 표층으로부터 50㎛ 깊이 위치의 고용 N량(EPMA)을 기재하여, 그것에 의한 의존성이 없음을 알 수 있도록 하였다.

Ti: 0.01 내지 0.1%

Ti는 연질화 처리 중에 모재에 있어서 탄화물로서 석출되며, 모재 경도를 높이는 효과를 가져, 본 발명에 있어서 극히 중요한 성분이다. Ti 함유량이 0.01% 미만에서는 상기 효과가 충분치 않다. 한편, Ti 함유량이 0.1%를 초과하면, 열간 압연에 있어서의 Ti 탄질화물의 용체화를 위한 가열 온도가 높고 가열 시간이 길어져, 제조 비용을 상승시킨다. 따라서 Ti 함유량은 0.01 내지 0.1%로 한다. Ti 함유량은 0.02% 이상인 것이 바람직하고, 0.09% 이하인 것이 바람직하다.

Nb: 0 내지 0.1%

Mo: 0 내지 0.1%

V: 0 내지 0.1%

Cr: 0 내지 0.2%

Nb, Mo, V 및 Cr은 연질화 처리에 있어서, 모재에 있어서 탄화물을 형성하여 모재 경도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 따라서 상기 원소로부터 선택되는 1종 이상을 함유시켜도 된다. 그러나 Nb, Mo, V는 0.1%를 초과하여 함유시키면, Cr은 0.2%를 초과하여 함유시키면, 열간 압연에 있어서의 탄질화물의 용체화를 위한 가열 온도가 높고 가열 시간이 길어져, 제조 비용을 상승시킨다. 이 때문에 각 원소의 함유량은 각각 0.1% 이하로 할 필요가 있다. 상기 효과를 얻고자 하는 경우에는, 이들 원소로부터 선택되는 1종 이상의 함유량을 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 상기 원소 중 2종 이상을 복합적으로 함유시키는 경우, 그 합계 함유량은 0.005 내지 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

단, 식 중의 각 원소 기호는 강판 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

연질화 처리에 의하여 충분한 표면 경도를 얻기 위해서는, 각 원소의 함유량이 상술한 규정의 범위에 포함되는 것만으로는 불충분하며, 상기 (ⅰ) 식을 만족시킬 필요가 있다. 연질화 처리에 있어서 형성된 (Mn, Al) 질화물의 석출량이 적으면 표면 경도를 충분히 높일 수 없기 때문이다.

본 발명의 강재는, 상기 C로부터 Cr까지의 원소와, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다.

여기서 「불순물」이란, 강판을 공업적으로 제조할 때, 광석, 스크랩 등의 원료, 제조 공정의 다양한 요인에 의하여 혼입되는 성분이며, 본 발명에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

연질화 처리 전의 연질화 처리용 강판에 있어서 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량: 0.03% 미만

본 발명에 있어서, 연질화 처리 후의 강판의 피로 저항을 향상시키는 관점에 있어서, 강 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량은 중요한 지표로 된다. 피로 저항을 양호하게 하기 위해서는, 강판 표면의 경도(표면 경도)가 높을 뿐만 아니라 강판 내부의 경도(모재 경도)도 높아야 한다. 연질화 처리 중에 강판 내부에서 탄화물을 석출시킴으로써, 석출 강화에 의하여 모재 경도를 높게 하는 것이 가능하다. 그 때문에, 연질화 처리용 강판에 있어서, 탄화물 형성 원소인 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr은 일정량 이상이 고용 상태일 필요가 있다.

석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량이 질량%로 0.03% 이상이면 고용 농도가 작아져 충분한 석출 강화가 얻어지지 않아, 모재 경도가 작아지고 피로 저항도 열화된다. 따라서 본 발명에 있어서는, 강판 중에 존재하는 석출물 중의 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량을 질량%로 0.03% 미만으로 한다.

또한 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 함유량은 이하의 추출 잔사 분석에 의하여 구한다. 연질화 처리용 강판으로부터 시험편을 채취하여, 전해액(10% 아세틸아세톤-1% 염화테트라메틸암모늄-잔부 메탄올) 중에 침지시켜 정전류 전해하고, 그 후, 여과 직경 0.2㎛의 필터로 여과하여 추출 잔사(탄화물)를 얻는다. 이 추출 잔사를 용해시켜 용액화한 후, ICP 발광 분광법(ICP-OES)에 의하여 분석함으로써 용액 중의 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 농도를 각각 측정한다. 그리고 얻어진 농도를 전해한 시험편의 질량으로 나눔으로써, 강판 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 함유량을 산출한다.

2. 연질화 처리 전의 연질화 처리용 강판의 금속 조직

본 발명의 강판은, 상기 성분 조성에 추가하여, 페라이트의 면적률로 80% 이상이고, 또한 강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 페라이트의 전위 밀도가 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁶m^-2인 금속 조직을 갖는다.

페라이트의 면적률: 80% 이상

본 발명에 있어서, 강판의 가공성을 양호하게 하기 위하여 페라이트의 면적률은 중요한 지표이다. 페라이트의 다른 금속 조직이 포함되어 페라이트의 면적률이 80% 미만으로 되면, 강판의 신장 및 구멍 확장성의 양립이 곤란해진다. 그 외의 금속 조직이란, 오스테나이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트를 가리킨다. 또한 강도, 신장 및 구멍 확장성을 균형 있게 양립시키기 위해서는, 페라이트 결정 입경을 20㎛ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

강판 표면으로부터 50㎛ 위치의 페라이트 전위 밀도: 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁶m^-2

강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 페라이트의 전위 밀도는, 연질화 처리에 있어서의 질화물의 석출을 제어하는 데 있어서 극히 중요한 지표이다. 강판 표층의 전위 밀도를 높게 하면, 질화물이 전위 상에서 우선적으로 생성되어 석출을 촉진할 수 있어, 표면 경도를 크게 할 수 있다. 단, 강판 표층의 전위 밀도가 지나치게 높아지면, 가공성이 열화되어 부품 형상으로의 성형이 곤란해진다. 따라서 본 발명에 있어서는, 강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 전위 밀도를, 연질화 처리에 있어서 충분한 표면 경도를 얻기 위하여 1×10¹⁴m^-2 이상으로 하고, 강판의 우수한 가공성을 확보하기 위하여 1×10¹⁶m^-2 이하로 한다.

강판 표면의 페라이트 전위 밀도를 상승시킬 때, 전위가 판 두께 방향 중심까지 도입되면 가공성이 악화될 우려가 있다. 그 때문에, 판 두께 방향 중심에 있어서의 전위 밀도는 증가시키지 않는 것이 바람직하다.

전위 밀도는 하기와 같이 구할 수 있다. 강판을 기계 연마한 후, 전해 연마에 의하여 소정의 판 두께 방향의 위치까지 연마한다. X선 회절법으로 얻은 {110}, {211}, {220}의 피크의 적분 강도로부터 Williamson-Hall 플롯으로 격자 변형 ε을 산출한 후, 하기 식에 기초하여 전위 밀도 ρ를 산출한다. 여기서, b는 버거스 벡터이다.

Williamson-Hall 플롯은, 예를 들어 공지된 문헌인 「철과 강, Vol. 100 (2014) No. 10 다나카 외」에 개시되어 있다.

3. 연질화 처리 후의 연질화 처리 강의 질화물

상술한 바와 같이, 연질화 처리 강의 피로 저항을 향상시키기 위해서는, 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 경도가, 시험력을 0.3㎏f로 한 때의 비커스 경도로 600HV 이상이고, 또한 경화 깊이가 0.35㎜ 이상인 경화층을 형성시키는 것이 중요하다. 이러한 경화층을 형성시키기 위하여, 본 발명의 연질화 처리 강에 있어서는, 적어도 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서, 페라이트 결정 중의 {001}면 상에 판형의 질화물이 석출되어 있을 필요가 있다. 그리고 상기 질화물의 석출 형태, 조성 및 개수 밀도를, 이하에 기재한 바와 같이 규정할 필요가 있다.

페라이트 결정 중의 {001}면 상에 석출된 질화물은 형상이 판형이기 때문에, 페라이트의 결정 격자 내에서 큰 정합 변형을 생성하여 경도 상승에 유효하게 작용한다. 이 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 상기 질화물의 최대 길이를 5 내지 10㎚로 할 필요가 있다. 최대 길이가 5㎚ 미만이면 페라이트의 결정 격자 내에서 충분히 큰 정합 변형을 생성할 수 없다. 한편, 최대 길이가 10㎚를 초과하면 비정합성이 커지기 때문에 오히려 경도가 저하되어 버린다.

또한 본 발명에 있어서 질화 처리에 의하여 석출하는 질화물은 주성분으로서 Mn, Al 및 N을 함유하며, (Mn, Al)_xN_y의 결정 조성을 나타낸다. 연질화 처리 강 중에 존재하는 질화물이, η-Mn₃N₂형의 결정 구조를 갖는 (Mn, Al)₃N₂로 되어 석출되어 있는 경우, 질화물을 구성하는 Mn 및 Al을 포함하는 금속 원소 중, Mn 농도는 80at% 이상으로 된다. 이 질화물은 NaCl형의 결정 구조를 갖는 (Mn, Al)1N1과 비교하여, 강 표면으로부터 침입한 고용 N의 석출 시의 소비가 적기 때문에, 동일한 연질화 처리 시간으로도 더 깊은 곳까지 N이 침입하여 경화 깊이가 커진다. 따라서 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 존재하는 질화물의 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도는 80at% 이상으로 한다.

종래, Mn은 질화물 형성 원소로서는 약한 작용밖에 갖지 않는다고 생각되어 왔다. 그러나 질화물 형성 작용이 강한 Al과 함께 소정량을 강 중에 함유시킴으로써, Mn 및 Al을 주체로 하는 질화물의 형성이 촉진된다. 이 질화물은 극히 표면에만 형성되며, 그 후의 질소 내부로의 확산을 저해한다는 작용을 그다지 나타내지 않는다. 그 때문에, 강 표면으로부터 충분한 깊이 영역까지 유효하게 질화물을 형성시키는 것이 가능해져, 큰 경화 깊이를 얻을 수 있게 된다.

또한 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서 소정의 경도를 얻기 위해서는, 상기 석출 형태를 갖는 질화물을 표층 중에 고밀도로 분산시킬 필요가 있다. 그 때문에 상기 질화물 개수 밀도를 1×10²⁴m^-3 이상으로 한다. 또한 표층 경화에 의한 피로 저항 향상을 더 높이기 위해서는, 상기 질화물의 개수 밀도를 2×10²⁴m^-3 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한 강의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의, 상기 질화물의 최대 길이 및 개수 밀도는, 예를 들어 TEM을 사용하여 표층의 경화층 중의 석출물을 관찰하고 해석함으로써 정량할 수 있다. TEM 관찰은, 페라이트의 [001] 방향이 전자 빔의 입사 방향과 평행으로 되는 조건에서 관찰을 행하는 것이 바람직하다. 또한 최대 길이는, 관찰한 시야에 포함된 질화물의 평균값으로 평가하는 것이 바람직하다. 또한 질화물은 50㎚×50㎚의 면적의 시야를 5시야 촬영하고, 합계로 적어도 50개 이상의 질화물을 추출하여 평균값을 구하는 것이 바람직하다.

질화물의 개수 밀도를 구할 때, 페라이트 결정 중의 {001}면 상에 석출된 질화물은, (001)면 상, (100)면 상, (010)면 상의 질화물의 개수를 각각 헤아려, 그 총수로 구하는 것이 가능하다. 단, (001)면 상에 석출된 질화물은, 관찰이 곤란하면 (100)면, (010)면 상의 질화물의 개수를 헤아려, 그 총 수를 1.5배 함으로써 구하는 것이 가능하다. 또한 관찰한 영역의 TEM 시료의 두께는 EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)의 Log-ratio법을 이용하여 측정할 수 있다. 관찰된 질화물의 개수를, 관찰 시야의 면적과 두께의 곱으로 구해지는 체적으로 나눔으로써 개수 밀도를 구할 수 있다. 개수 밀도의 산출에 있어서는, 상이한 결정립으로부터 적어도 5시야 이상을 100 내지 200만 배의 배율로 촬영하여 각각의 시야에서 개수 밀도를 구하고, 각 시야에서 구해진 개수 밀도의 평균값을 채용하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 있어서, 질화물을 구성하는 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도로서는, TEM-EDS(Energy Dipersion X-ray Spectroscopy)에 의한 원소 분석에 의하여 정량한 값을 채용하는 것으로 한다.

또한 TEM 관찰에 제공하는 시료는, 전해 연마법이나 FIB lift-out법, Ar 이온 연마법 등의 일반적의 TEM 시료 조정법으로 제작하면 된다.

4. 제조 방법

본 발명에 관한 연질화 처리용 강판의 제조 방법에 대하여 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 상기 화학 조성을 갖는 강 소재에 대하여, 이하에 나타내는 처리를 실시함으로써 제조할 수 있다.

상기 강 소재를 1150℃ 이상의 온도까지 가열한 후에 압연을 개시하여 900℃ 이상의 마무리 온도에서 압연을 종료한다. 슬래브를, 가열로에서 압연 전 가열 온도를 1150℃ 이상으로 함으로써, 강 중에 함유되는 석출 원소를 충분히 용체화시킬 수 있다. 또한 가열 온도가 1300℃를 초과하면 오스테나이트 입경이 조대화되기 때문에, 가열 온도는 1300℃ 이하가 바람직하다. 또한 압연 마무리 온도가 900℃ 미만에서는 변형 저항이 커져, 압연기의 부하가 증대된다.

압연 후에, 냉각 후, 470 내지 530℃의 온도 영역에 있어서 권취를 행한다. 또한 압연 후로부터 권취까지의 사이, 냉각 개시로부터 4.0초 이내의 시간은, 냉각 속도 CR(℃/s)이, 하기 (ⅱ)식으로 정의되는 CeqⅡW의 값과의 관계에 있어서, 하기 (ⅲ)식을 만족시키는 조건에서 냉각을 하는 것이 바람직하다.

단, 식 중의 각 원소 기호는 강판 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.

냉각 공정에서의 냉각 속도 CR(℃/s)이 지나치게 낮으면, 냉각 중의 고온에서의 탄화물의 석출을 억제하는 것이 곤란해질 우려가 있고, 지나치게 높으면, 변태 온도가 지나치게 낮아져 베이나이트 변태되고 페라이트 면적률이 저하되기 때문에, 강판의 강도가 커져 가공성이 저하될 우려가 있기 때문이다.

마르텐사이트 및 베이나이트의 저온 변태 조직의 형성에 의한 성형성의 저하를 방지하기 위해서는, 권취 온도는 470℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 권취 온도가 530℃를 초과하면 페라이트 중의 탄화물의 석출이 진행되어, 이어지는 연질화 처리에서 탄화물이 조대화되기 때문에 모재 경도가 낮아진다. 그 때문에 권취 온도는 470 내지 530℃로 하는 것이 바람직하다.

강판이 냉각된 후, 산 세정을 실시한다. 산 세정은 강판 표면의 스케일 제거를 목적으로 하고 있으며, 공지된 방법에 의하여 행하면 된다.

산 세정 후의 강판에 대하여 스킨 패스 압연을 실시한다. 스킨 패스 압연의 목적은, 가동 전위를 도입함으로써 항복 신장을 억제시키는 것뿐만 아니라, 강판 표면의 전위 밀도를 증가시키는 것이다.

스킨 패스 압연에서의 압하율은 0.5 내지 5.0%로 하는 것이 바람직하다. 압하율이 0.5% 미만에서는 항복 신장을 억제할 수 없을 우려가 있고, 5.0%를 초과하면 전위가 판 두께 방향 중심까지 도입됨으로써 연성이 저하될 우려가 있기 때문이다.

또한 스킨 패스 압연에 있어서는, 압연기 하중을 강판 판 폭으로 나눈 선 하중 F(㎏/㎜)와 강판의 길이 방향으로 부하되는 단위 면적당 하중 T(㎏/㎟)의 비인 F/T(㎜)를 8000 이상으로 하는 것이 바람직하다. F/T가 8000 미만인 경우에는, 강판 표층의 전위 밀도 증가가 작아 연질화 처리 시의 질화물의 석출 촉진 효과가 충분치 않아, 원하는 표면 경도를 얻지 못할 우려가 있기 때문에이다.

다음으로, 이들 제조 방법에서 얻어진 질화 처리용 강재를 질화 처리할 때의 바람직한 처리 조건에 대하여 설명한다. 통상, 상기 질화 처리용 강재를 자동차용 부품 또는 기계 구조용 부품 등으로 프레스 성형한 후, 이 부품을 연질화 처리함으로써 표층을 경화시킨다. 본 발명에 관한 연질화 처리 강의 제조 방법에 대하여 특별히 제한은 없지만, 예를 들어 상기 제조 방법에서 얻어진 연질화 처리용 강재에 대하여 처리 조건을 조정한 연질화 처리를 실시하여, 목적으로 하는 깊이까지 소정의 석출 형태의 질화물을 생성시킴으로써 제조할 수 있다. 또한 품질이나 제조 비용의 관점에서, 연질화 처리 방법으로서는 가스 연질화 처리 방법을 채용하는 것이 바람직하다.

가스 연질화 처리는, NH₃:N₂:CO₂의 가스 분위기에 있어서 560 내지 580℃의 가열 온도 및 1 내지 3h의 처리 시간으로 행하는 것이 바람직하다. 연질화 처리 시의 가열 온도를 높은 편으로 하거나 처리 시간을 증가시키거나 하는 것은 생산성의 저하 및 비용의 증가로 이어진다. 또한 석출 질화물의 조대화 등을 초래하고, 페라이트 결정 격자 내에서의 정합 변형의 발생을 저해하여 비정합성이 드러나는 등, 오히려 경도 저하가 발생하는 원인으로 되는 일도 있다. 따라서 낮은 가열 온도에서 짧은 처리 시간으로 연질화 처리하는 것이 생산성 향상 및 비용 저감의 관점에서 바람직하다.

상기 방법을 이용함으로써, 상술한 바와 같은 석출 형태의 질화물을 고밀도로 표층으로부터 충분한 깊이 범위에 걸쳐 생성시키는 것이 가능해진다. 물론 연질화 처리는 상기와 같은 가스 연질화 처리에 한정될 필요는 없으며, 본 발명에서 규정하는 성분 조성의 강재를 연질화 처리할 때의 조건 조정에 따라, 본 발명에서 한정하는 표층 경화층을 형성할 수 있는 것이면 된다.

실시예

이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용제하고 주조하여 강 소재를 얻었다. 이들 강 소재를 표 2에 나타내는 조건에서 열간 압연을 행하여 강판을 제조한 후, 7% 염산 수용액으로 스케일을 제거하고, 표 2에 나타내는 조건에서 스킨 패스 압연을 실시하여 판 두께 2.9㎜의 강판을 제조하였다.

먼저, 상기 강판으로부터 페라이트 면적률을 측정하는 시험편을 절단기로 잘라낸 후, 기계 연마로 압연 방향에 수직인 단면을 경면(鏡面)으로 마무리한 후, 나이탈 부식으로 조직을 현출시켰다. 광학 현미경을 사용하여, 판 두께 방향으로 1/4 위치를 배율 1000배로 판 두께 방향으로 90㎛, 압연 방향으로 120㎛의 범위를 5시야 관찰하여, 촬영 시야 중의 모든 페라이트의 면적을 촬영한 전체의 면적으로부터 나눈 값을 페라이트의 면적률로서 채용하였다.

다음으로, 상기 강판으로부터 전위 밀도 측정에 제공하는 시험편을 절단기로 잘라낸 후, 방전 가공으로 세로 10㎜, 가로 10㎜로 성형하였다. 기계 연마로 표면을 경면으로 마무리한 후, 전해 연마로, 기계 연마에서 도입된 변형층을 제거하고 강판 표면으로부터 50㎛의 깊이 위치까지 연마하였다. X선 회절법으로 얻은 {110}, {211}, {220}의 피크의 적분 강도로부터 Hall 플롯에서 격자 변형 ε을 산출한 후, 하기 식에 기초하여 전위 밀도 ρ를 산출하였다. 여기서 b는 버거스 벡터이며, 0.25×10^-9m으로 하였다.

나아가 상기 강판으로부터 석출물을 평가하기 위한 시험편을 채취하여, 추출 잔사 분석에 제공하였다. 채취한 시험편을 전해액(10% 아세틸아세톤-1% 염화 테트라메틸암모늄-잔부 메탄올) 중에 침지시켜 정전류 전해하고, 그 후, 여과 직경 0.2㎛의 필터로 여과하여 추출 잔사를 얻었다. 이 추출 잔사를 용해시켜 용액화한 후, ICP 발광 분광법(ICP-OES)에 의하여 분석함으로써 용액 중의 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 농도를 각각 측정하고, 추가로, 그것을 전해한 시험편의 질량으로 나눔으로써 강판 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 함유량을 산출하였다.

그리고 상기 강판으로부터 압연 방향을 인장 방향으로 하는 JIS 5호 인장 시험편을 채취하고, JIS Z 2241(2011)에 준거한 인장 시험을 행하여, 인장 강도(TS)와 파단 신장(El)을 측정하였다. 또한 60° 원추 펀치로의 구멍 확장 시험을 행하여, 구멍 확장률(λ)을 측정하였다.

이어서, 상기 강판으로부터 경도 측정용의 시험편과 평면 굽힘 시험편을 채취하고, 이들 시험편에, 온도가 570℃에서, NH₃:N₂:CO₂=50:45:5의 분위기 가스 중에서 2h 유지한 후, 유온 80℃에서 유랭하는 가스 연질화 처리를 실시하였다.

경도 측정용 시험편을 사용하여, 연질화 처리 후의 강판 표면으로부터 50㎛의 위치 및 판 두께 중앙부에 대하여 비커스 경도의 측정을 행하였다. 경도 시험의 조건은 시험력 0.3㎏f(2.942N)로 하고, 5개소의 측정 결과의 평균값을 구하였다. 강판 표면으로부터 50㎛의 위치의 경도를 표면 경도로 하고, 판 두께 중앙의 경도를 모재 경도로 하였다. 또한 강판 표면으로부터, 모재 경도보다도 50Hv 단단한 깊이까지의 거리를 경화 깊이로 하였다.

피로 저항에 대해서는, JIS Z 2275(1978)에 기재되어 있는 금속 평판의 평면 굽힘 피로 시험에 준거하여 솅크식 평면 굽힘 피로 시험기로 평가하였다. 주파수: 25㎐, 응력비: R=-1로 하고, 피로 강도는 반복수: 10⁷회 시간 강도에 의하여 평가하였다.

페라이트 면적률, 전위 밀도, 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량 및 기계 특성의 측정 결과, 그리고 피로 저항의 평가 결과를 표 3에 나타낸다. 또한 본 실시예에서는, El이 25% 이상이고 또한 λ가 120% 이상인 것을 가공성이 양호하다고 하여 평가하였다. 또한 표면 경도가 600Hv 이상, 모재 경도가 180Hv 이상, 경화 깊이가 0.35㎜ 이상인 것을 경화 특성이 양호하다고 평가하였다. 또한 평면 굽힘 피로 시험에 대해서는, 피로 강도가 600㎫ 이상을 피로 저항이 양호(○), 600㎫ 미만을 피로 저항이 떨어진다(×)고 하였다.

표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정되는 화학 조성을 벗어나는 비교예인 시험 번호 1 내지 6은, 어느 것도 가공성 또는 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 1은 C 함유량이 낮고, 가스 연질화 처리 중의 탄화물의 석출량이 적기 때문에 모재 경도가 낮아, 피로 저항도 떨어져 있다. 시험 번호 2는 Mn 함유량이 적고, 가스 연질화에 있어서의 Mn 질화물의 석출이 불충분하기 때문에 표면 경도가 낮아, 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 3은 Mn 함유량이 많고 강판의 중심 편석이 현저하여 우수한 가공성이 떨어져 있다. 시험 번호 4는 Al 함유량이 적고 Al 질화물의 석출이 불충분하기 때문에, 표면 경도가 낮아 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 5는 Al량이 많고 경화 깊이가 작아져, 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 6은 Ti 함유량이 적고 가스 연질화 중의 탄화물의 석출량이 적기 때문에, 모재 경도가 낮아 피로 저항이 떨어져 있다.

본 발명에서 규정되는 화학 조성을 만족시키지만 금속 조직이 규정으로부터 벗어나는 비교예인 시험 번호 11 내지 16은, 어느 것도 가공성 또는 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 11은 가열 온도가 낮아 Ti를 충분히 용체화시킬 수 없었기 때문에, 가스 연질화 중의 탄화물의 석출이 적고 모재 경도가 떨어져, 결과적으로 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 12는 냉각 속도가 느려 냉각 중에 탄화물이 석출되었기 때문에, 가스 연질화 중의 모재에 있어서의 탄화물의 석출이 불충분해져, 모재 경도가 떨어져 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 13은 냉각 속도가 빨라 베이나이트 조직이 형성되어, 페라이트 면적률이 저하되었기 때문에 가공성이 떨어져 있다. 시험 번호 14는 권취 온도가 낮아 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 변태 조직이 형성되어 있어, 페라이트 면적률이 저하되었기 때문에 가공성이 떨어져 있다. 시험 번호 15는 권취 온도가 높아 권취 중에 탄화물의 석출이 진행되었기 때문에, 가스 연질화 처리 중에 탄화물이 조대해지고 모재 경도가 떨어져, 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 16은 스킨 패스 압연 조건 F/T의 값이 작고, 강판 표층의 전위 밀도가 충분히 증가하지 않았기 때문에 가스 연질화 처리에 있어서의 표면 경도가 낮으며, 그 결과, 피로 저항이 떨어져 있다.

한편, 본 발명의 요건을 모두 만족시키는 본 발명예인 시험 번호 7 내지 10은 양호한 경화 특성을 발현시키고, 또한 가스 연질화 처리에 의하여 모재 경도가 충분히 커져, 양호한 우수한 가공성과 피로 저항을 겸비하고 있음을 알 수 있다.

다음으로, 표 4에 나타내는 화학 조성을 갖는 강을 용해시켜 잉곳을 제조하였다. 이 잉곳을 1250℃에서 1h 가열한 후, 마무리 온도가 900℃, 마무리 두께가 3㎜로 되는 조건에서 열간 압연을 행하였다. 그리고 500℃의 온도에서 권취한 후, 7% 염산 수용액으로 스케일을 제거하여 강판을 제조하였다.

그리고 상기 강판으로부터 압연 방향을 인장 방향으로 하는 JIS 5호 인장 시험편을 채취하고, JIS Z 2241(2011)에 준거한 인장 시험을 행하여, 인장 강도(TS)와 파단 신장(El)을 측정하였다. 또한 프레스 성형성의 지표로서 구멍 확장성의 시험을 행하였다. 구멍 확장성 시험에 있어서는, 직경 10㎜의 펀칭 구멍의 버를 외측으로 하여 60° 원추 펀치로 확장하여, 구멍 확장률(λ)을 측정하였다. 이 결과를 표 5에 나타낸다.

표 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 성분 조성의 범위로부터 벗어나는 강 C는, 전체 신장(El)은 21%, 구멍 확장률 97%로, 어느 것도 불충분하여 프레스 성형성은 낮은 결과였다. 한편, 강 A, B 및 D 내지 F는, 본 발명에서 규정하는 성분 조성의 범위로부터 벗어나는 강이기는 하지만, 전체 신장(El)은 25% 이상, 구멍 확장률은 120% 이상이어서 프레스 성형성은 충분하였다. 또한 본 발명에서 규정하는 성분 조성의 범위 내에 있는 강 G 내지 J는, 어느 것도 전체 신장(El)이 25% 이상이고, 또한 구멍 확장률도 120% 이상으로 되어, 우수한 프레스 성형성을 갖고 있다.

다음으로, 프레스 성형성이 양호했던 강 A, B 및 D 내지 J에 대하여, 이하에 나타내는 방법에 의하여 연질화 처리를 실시한 후, 연질화 처리 강으로서의 특성을 조사하였다. 먼저, 상기 강을 사용한 강판으로부터 경도 측정용의 시험편 및 평면 굽힘 시험편을 채취하였다. 그리고 이들 시험편을, NH₃:N₂:CO₂=50:45:5의 분위기 가스 중에 있어서, 표 6에 나타내는 가열 온도 및 처리 시간의 조건에서 유지한 후, 유온 80℃에서 유랭하는 가스 연질화 처리를 실시하였다. 생산성의 관점에서 처리 시간은 2h 이하로 하였다.

상기 경도 측정용 시험편으로부터 기계 연마 또는 전해 연마에 의하여, 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 TEM 관찰용 시료를 제작하였다. 그리고 TEM을 사용하여, 질화물의 형상, 최대 길이 및 개수 밀도, 그리고 질화물을 구성하는 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도를 측정하였다. 관찰은, 페라이트의 [001] 방향이 전자 빔의 입사 방향과 평행으로 되는 조건에서 행하였다. 질화물의 최대 길이는, 관찰한 시야에 포함된 질화물의 평균값으로 평가하였다.

또한 질화물의 개수 밀도는 이하와 같이 평가하였다. 페라이트 결정 중의 {001}면 상에 석출된 질화물 중, (001)면 상에 석출된 질화물은 관찰이 곤란한 점에서, (100)면, (010)면 상의 질화물의 개수를 세어서, 그 총 수를 1.5배 하는 것으로 하였다. 관찰한 영역의 TEM 시료의 두께는 EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)의 Log-ratio법을 이용하여 측정하였다. 관찰된 질화물의 개수를, 관찰 시야의 면적과 두께의 곱으로 구해지는 체적으로 나눔으로써 개수 밀도를 구하였다.

질화물을 구성하는 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도에 대해서는, TEM-EDS에 의하여 10개의 질화물 중의 Mn 농도를 측정하여 그 평균값을 산출함으로써 구하였다. 이 결과를 표 6에 함께 나타낸다.

추가로, 경도 측정용 시험편을 사용하여, 연질화 처리 후의 강판 표면으로부터 50㎛의 위치 및 판 두께 중앙부에 대하여 비커스 경도의 측정을 행하였다. 경도 시험의 조건은 시험력 0.3㎏f(2.942N)로 하고, 5개소의 측정 결과의 평균값을 구하였다. 강판 표면으로부터 50㎛의 위치의 경도를 표면 경도로 하고, 판 두께 중앙의 경도를 모재 경도로 하였다. 또한 강판 표면으로부터, 모재 경도보다도 50Hv 단단한 깊이까지의 거리를 경화 깊이로 하였다.

피로 저항에 대해서는, JIS Z 2275(1978)에 기재되어 있는 금속 평판의 평면 굽힘 피로 시험에 준거하여 솅크식 평면 굽힘 피로 시험기로 평가하였다. 주파수: 25㎐, 응력비: R=-1로 하고, 피로 강도는 반복수:10⁷회 시간 강도에 의하여 평가하였다.

또한 본 실시예에서는, 표면 경도가 600Hv 이상, 모재 경도가 180Hv 이상, 경화 깊이가 0.35㎜ 이상인 것을 경화 특성이 양호하다고 평가하였다. 또한 평면 굽힘 피로 시험에 대해서는, 피로 강도가 600㎫ 이상을 피로 저항이 양호(○), 600㎫ 미만을 피로 저항이 떨어진다(×)고 하였다.

도 1 및 2은, 시험 번호 6의 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 TEM을 사용한 질화물의 관찰 결과를 나타낸 것이다. 도 1은, TEM에 의한 관찰 방법의 하나인 환형 암시야 STEM법으로 촬영한 상이며, 모상과 정합한 평균 6㎚의 판형 합금 질화물이 {001}면 상에 고밀도 분포되어 있는 상태가 인정된다. 또한 도 2는, 질화물 및 모상인 페라이트로부터 얻은 TEM-EDS의 스펙트럼이다. 도 2로부터, 도 1에서 관찰된 질화물이 Mn 및 Al을 주성분으로 하는 질화물임을 알 수 있다.

표 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정되는 화학 조성을 벗어나는 비교예인 시험 번호 1 내지 5는, 어느 것도 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 1은 C 함유량이 낮고 모재 중의 탄화물의 석출이 불충분했기 때문에, 모재 경도가 낮아 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 2는 Mn 함유량이 낮기 때문에, 표면으로부터 침입해 온 고용 질소가 표면 부근에서 질화물로서 소비되지 않아 경화 깊이는 충분했지만, 형성된 질화물의 크기가 작고, 또한 개수 밀도도 낮아졌다. 그 때문에, 석출 강화가 충분치 않아 표면 경도가 낮아져, 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다.

시험 번호 3은 Al 함유량이 낮고 질화물 형성의 촉진이 충분치 않았기 때문에, 개수 도가 낮아져 표층의 석출 강화가 충분치 않았다. 그 때문에, 표층 경도가 낮아져, 피로 저항이 떨어져 있다. 시험 번호 4는 Al 함유량이 높기 때문에, 상대적으로 질화물 중의 Mn 농도가 낮아져, 결정 조성이 M1N1인 질화물이 형성되었다. 그 때문에, 표면으로부터 침입해 온 고용 질소가 시료 표면 부근에서 소비되어 경화 깊이가 작아져, 피로 저항이 떨어지는 결과로 되었다. 시험 번호 5는 Ti 함유량이 낮고 모재 중의 탄화물의 석출이 불충분했기 때문에, 모재 경도가 낮고 피로 저항이 떨어져 있다.

또한 시험 번호 10 및 11은, 화학 조성은 본 발명의 규정을 만족시키지만, 연질화 처리 조건이 부적절했기 때문에, 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 질화물의 석출 형태가 본 발명의 규정으로부터 벗어나는 비교예이다. 시험 번호 10은 석출된 질화물의 크기가 작기 때문에, 질화물 형성에 수반되는 정합 변형의 크기가 충분치 않아, 석출 강화가 작았다. 그 결과, 표층 경도가 낮아져, 피로 저항이 떨어져 있다. 또한 시험 번호 11은, 석출된 질화물의 크기가 크고, 비정합화가 진행되어 버려 있으며, 또한 개수 밀도도 작기 때문에, 석출 강화가 작았다. 그 결과, 표층 경도가 낮아져, 피로 저항이 떨어져 있다.

한편, 본 발명의 요건을 모두 만족시키는 본 발명예인 시험 번호 6 내지 9는, 최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서의 경도가 600HV 이상으로 충분한 표층 경도가 얻어지고, 또한 경화 깊이도 0.35㎛ 이상으로 크고, 또한 모재 경도도 200HV를 초과하여, 양호한 피로 저항을 구비하고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 의하면, 생산성 및 경제성을 손상시키지 않고, 연질화 처리 전에는 신장 플랜지성 및 구멍 확장성 등의 프레스 성형성이 우수하고, 또한 연질화 처리 후에는 표면으로부터 충분한 두께의 경화층이 형성된, 피로 저항이 우수한 연질화 처리 강을 얻을 수 있다. 이러한 특성을 갖는 본 발명의 연질화 처리용 강판과 연질화 처리 강은 자동차용 부품 등의 일반 구조용 부품으로서 사용하는 것에 적합하다.

Claims (6)

1. 화학 조성이 질량%로
   C: 0.02% 이상 0.07% 미만,
   Si: 0.10% 이하,
   Mn: 1.1 내지 1.8%,
   P: 0.05% 이하,
   S: 0.01% 이하,
   Al: 0.10 내지 0.45%,
   N: 0.01% 이하,
   Ti: 0.01 내지 0.10%,
   Nb: 0 내지 0.1%,
   Mo: 0 내지 0.1%,
   V: 0 내지 0.1%,
   Cr: 0 내지 0.2%,
   잔부: Fe 및 불순물이고,
   하기 (ⅰ) 식을 만족시키고,
   강판 중에 석출물로서 존재하는 Ti, Nb, Mo, V 및 Cr의 합계 함유량이 질량%로 0.03% 미만이고,
   페라이트의 면적률이 80% 이상이고, 또한 강판 표면으로부터 50㎛ 위치에 있어서의 페라이트의 전위 밀도가 1×10¹⁴ 내지 1×10¹⁶m^-2인 금속 조직을 갖는, 연질화 처리용 강판.
   

   

   
   단, 식 중의 각 원소 기호는 강판 중에 포함되는 각 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다.
2. 제1항에 있어서,
   상기 화학 조성이 질량%로
   Nb: 0.005 내지 0.1%,
   Mo: 0.005 내지 0.1%,
   V: 0.005 내지 0.1%,
   Cr: 0.005 내지 0.2%
   로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 연질화 처리용 강판.
3. 삭제
4. 화학 조성이 질량%로
   C: 0.02% 이상 0.07% 미만,
   Si: 0.10% 이하,
   Mn: 1.1 내지 1.8%,
   P: 0.05% 이하,
   S: 0.01% 이하,
   Al: 0.10 내지 0.45%,
   Ti: 0.01 내지 0.10%,
   Nb: 0 내지 0.1%,
   Mo: 0 내지 0.1%,
   V: 0 내지 0.1%,
   Cr: 0 내지 0.2%,
   잔부: Fe 및 불순물이고,
   최표면으로부터 50㎛의 깊이 위치에 있어서, 페라이트 결정 중의 {001}면 상에 질화물이 석출되어 있고,
   각 질화물에 있어서의 최대 길이의 평균값이 5 내지 10㎚이고,
   질화물의 개수 밀도가 1×10²⁴m^-3 이상인, 연질화 처리 강.
5. 제4항에 있어서,
   상기 화학 조성이 질량%로
   Nb: 0.01 내지 0.1%,
   Mo: 0.01 내지 0.1%,
   V: 0.01 내지 0.1% 및
   Cr: 0.01 내지 0.2%
   로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 연질화 처리 강.
6. 제4항에 있어서,
   질화물을 구성하는 금속 원소 중에서 차지하는 Mn 농도가 80at% 이상인, 연질화 처리 강.

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