KR101965520B1

KR101965520B1 - 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재

Info

Publication number: KR101965520B1
Application number: KR1020177012700A
Authority: KR
Inventors: 나오키 마츠이; 유타카 네이시; 데츠시 지다; 아키히사 오바타; 쇼지 호리; 게이스케 지바
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2015-11-13
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-11-13
Also published as: US10837080B2; JPWO2016080315A1; EP3222742A1; TWI589706B; KR20170066632A; CN107002193B; MX2017005945A; EP3222742B1; CA2966479A1; EP3222742B8; CN107002193A; TW201629241A; ES2737895T3; JP6226086B2; EP3222742A4; WO2016080315A1; US20170335426A1

Abstract

이 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재는 소정의 화학 조성을 갖고, Y1＝[Mn]×[Cr]으로 표현되는 Y1과, Y2＝0.134×(D/25.4－(0.50×√[C]))/(0.50×√[C])로 표현되는 Y2가, Y1>Y2를 만족시키고, 인장 강도가 750㎫ 이하이고, 또한 내부 조직이 페라이트ㆍ펄라이트 조직이고, 상기 내부 조직에 있어서, 페라이트 분율이 40％ 이상이다.

Description

냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재 {ROLLED STEEL BAR OR ROLLED WIRE MATERIAL FOR COLD－FORGED COMPONENT}

본 발명은 냉간 단조 부품의 소재로서 적합한, 냉간 단조성 및 내조립화(耐粗粒化) 특성이 우수한 압연 봉강이나 압연 선재에 관한 것이다. 본 발명은 특히, ?칭 템퍼링 후에 HRC 경도 34 이상이 됨과 함께 ?칭 시의 이상 입자 성장을 억제할 수 있는, 고강도 냉간 단조 부품의 소재로서 적합한, 냉간 단조성이 우수한 압연 봉강이나 압연 선재에 관한 것이다.

본원은 2014년 11월 18일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2014-233973호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

냉간 단조는 단조 후의 부품의 표면 질감 및 치수 정밀도가 우수하고, 또한 냉간 단조에 의해 제조되는 부품은 열간 단조에 의해 제조되는 부품에 비해 제조 비용이 낮고, 수율도 양호하다. 그로 인해, 냉간 단조는 기어나 샤프트, 볼트 등의 자동차를 비롯한 각종 산업 기계나 건축 구조물용 부품의 제조에 널리 적용되어 있다.

최근, 자동차, 산업 기계 등에 사용하는 기계 구조용 부품에 있어서는 소형ㆍ경량화가 진행되고, 건축 구조물에 있어서는 대형화가 진행되고 있다. 이와 같은 배경으로부터, 냉간 단조에 의해 제조되는 부품에는 가일층의 고강도화가 요망되고 있다.

이들 냉간 단조 부품에는, 종래, JIS G 4051에 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재, JIS G 4053에 규정되는 기계 구조용 합금강 강재 등이 사용되고 있다. 이들 강재는 일반적으로, 봉강이나 선재의 형상으로 열간으로 제품 압연된 강재를, 구상화 어닐링, 인발이나 냉간 신선하는 공정을 반복한 후, 냉간 단조에 의해 부품 형상으로 성형하고, ?칭ㆍ템퍼링 등의 열처리에 의해 소정의 강도나 경도로 조정된다.

상기와 같은 기계 구조용 강재는 0.20 내지 0.40％ 정도의 비교적 높은 탄소량을 함유하고 있고, 조질 처리를 거쳐서 고강도 부품으로서 사용할 수 있다. 한편, 상기와 같은 기계 구조용 강재는 단조 소재가 되는 압연 강재인 봉강이나 선재의 강도가 높아진다. 그로 인해, 제조 과정에 있어서, 냉간 신선 및 그 후의 구상화 어닐링의 공정을 부가하여 강재를 연질화하지 않으면, 부품 성형을 위한 냉간 단조 시에 금형의 마모나 균열이 발생하기 쉽고, 또한 부품에 균열이 발생하는 등, 제조상의 문제가 발생한다.

특히 최근, 부품이 고강도화됨과 함께, 부품 형상이 복잡화되는 경향이 있다. 부품 형상이 복잡해질수록 균열의 발생이 염려되므로, ?칭ㆍ템퍼링에 의해 높은 강도가 얻어지는 강재를 냉간 단조 전에 더욱 연질화시킬 목적으로, 구상화 어닐링 처리를 장시간화하거나, 냉간 신선 공정 및 구상화 어닐링 공정을 복수회 반복하거나 하는 등의 대책이 취해지고 있다.

그러나, 이들 대책은 인건비나 설비비 등의 비용이 들뿐만 아니라, 에너지 손실도 크다. 그로 인해, 이 공정을 생략 혹은 단시간화할 수 있는 강재가 요망되고 있다.

이와 같은 배경 하에서, 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화할 것을 목적으로 하여, C, Cr, Mn 등의 합금 원소의 함유량을 저감하여 단조 소재가 되는 압연 강재의 강도를 저감한 후, 합금 원소의 저감에 의한 ?칭성의 저하를 붕소 첨가로 보충한 붕소강 등이 제안되어 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에는 결정립 조대화 방지 특성과 냉간 단조성이 우수한 냉간 단조용 열간 압연 강재 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에는 C:0.10 내지 0.60％, Si:0.50％ 이하, Mn:0.30 내지 2.00％, P:0.025％ 이하, S:0.025％ 이하, Cr:0.25％ 이하, B:0.0003 내지 0.0050％, N:0.0050％ 이하, Ti:0.020 내지 0.100％를 포함하고, 또한 강의 매트릭스 중에 직경 0.2㎛ 이하의 TiC 또는 Ti(CN)을 20개/100㎛² 이상을 갖는 것을 특징으로 하는, 결정립 조대화 특성과 냉간 단조성이 우수한 냉간 단조용 열간 압연 강재와 그 제조 방법이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는 냉간 가공용 기계 구조용 강 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 구체적으로는, C, Si, Mn, P, S, Al, N 및 Cr을 함유하고, 금속 조직이, 펄라이트와 초석 페라이트를 갖고, 전체 조직에 대한 펄라이트와 초석 페라이트의 합계 면적률이 90％ 이상임과 함께, 초석 페라이트의 면적률 A가, Ae＝(0.8－Ceq)×96.75(단, Ceq＝[C]+0.1×[Si]+0.06×[Mn]+0.11×[Cr]([(원소명)]은 각 원소의 함유량(질량％)을 의미함))로 표현되는 Ae와의 사이에서 A>Ae의 관계를 갖고, 초석 페라이트 및 펄라이트 중의 페라이트의 평균 입경이 15 내지 25㎛인 것을 특징으로 하는 냉간 가공용 기계 구조용 강과 그 제조 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2의 냉간 가공용 기계 구조용 강에서는 통상의 구상화 처리를 실시함으로써, 충분한 연질화를 실현할 수 있음이 개시되어 있다.

특허문헌 1에 개시되어 있는 기술에 의하면, 압연 강재의 경도를 저감할 수 있다. 그로 인해, 저비용으로 냉간 단조가 가능하고, 또한 ?칭 가열 시의 결정립 조대화 방지 특성을 구비할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1의 강재는 강의 Cr 함유량이 낮기 때문에, ?칭성이 낮고, 부품의 강도를 높이는 것에는 한계가 있다.

특허문헌 2에 개시되어 있는 냉간 가공용 기계 구조용 강은 통상의 구상화 어닐링 처리를 실시함으로써, 연질화가 가능하고, 고강도 부품에 적용 가능하다. 그러나, 강의 화학 성분의 함유량의 밸런스가 최적화되어 있지 않고, 또한 압연 강재의 조직의 페라이트 분율이 실질적으로 작다. 그로 인해 제품 압연한 상태 그대로 단시간의 구상화 어닐링 처리를 실시한 상태의 강재를, 부품의 냉간 단조 시에 사용하면 균열이 발생하고, 저비용으로 부품을 제조할 수 없는 문제가 있었다.

일본 특허 제3443285호 공보 일본 특허 공개 2013-227602호 공보

본 발명은 상기 현상황을 감안하여 이루어진 것이고, ?칭성, 냉간 단조성 및 내조립화 특성이 우수한 고강도 냉간 단조 부품용의 봉강이나 선재의 형상을 한 압연 강재를 제공하는 것을 목적으로 한다. 여기서, ?칭성이 우수하다는 것은, ?칭ㆍ템퍼링 후에 중심부의 HRC 경도가 34 이상이 되는 것을 말한다. 또한, 냉간 단조성이 우수하다는 것은, 냉간 단조 전에 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화해도 냉간 단조 시에 균열의 발생이 효과적으로 억제되는 것을 말한다. 또한, 내조립화 특성이 우수하다는 것은, ?칭 처리의 가열 시에 결정립의 이상한 조대화가 억제되는 것을 말한다.

본 발명자들은 상기한 과제를 해결하기 위해 다양한 검토를 실시했다. 그 결과, 하기의 지견을 얻었다.

(a) 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화해도, 부품의 성형이 가능할 정도로 냉간 단조성을 확보하는 경우, 제품 압연 그대로의 상태의 강재(압연 봉강 또는 압연 강재)의 인장 강도를 750㎫ 이하로 해야만 한다. 또한, 탈탄층이 생성될 가능성이 있는 표층 부분을 제외한 내부 조직은 페라이트ㆍ펄라이트 조직이고, 또한 페라이트 분율이 40％를 초과할 필요가 있다.

(b) ?칭ㆍ템퍼링에 의해 높은 부품 강도를 확보하기 위해서는, C 함유량을 증대시켜 ?칭 경도(?칭 후의 경도)를 높임과 함께, Mn, Cr 등의 합금 원소를 함유시켜 ?칭성을 높일 필요가 있다. 즉, 고강도 냉간 단조 부품으로서 사용하기 위해서는, 충분한 ?칭 경도 및 그로 인해 필요한 ?칭성을 확보해야만 한다.

(c) 냉간 단조성을 향상시킴과 함께, ?칭성의 향상에 의해 ?칭 후의 경도를 확보하고, 또한 내조립화 특성을 전부 만족시키기 위해서는, C, Si, Mn, Cr, Ti, Nb 등의 원소 함유량 및 함유량의 밸런스를 충분히 고려한 후, 내부 조직도 제어할 필요가 있다.

본 발명은 상기 지견에 기초하여 완성된 것이고, 그 요지는 하기와 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재는, 화학 조성이, 질량％로, C:0.24 내지 0.36％, Si:0.40％ 미만, Mn:0.20 내지 0.45％, S:0.020％ 미만, P:0.020％ 미만, Cr:0.70 내지 1.45％, Al:0.005 내지 0.060％, Ti:0.010％ 초과, 0.050％ 이하, Nb:0.003 내지 0.050％, B:0.0003 내지 0.0040％, N:0.0020 내지 0.0080％, Cu:0 내지 0.50％, Ni:0 내지 0.30％, Mo:0 내지 0.050％, V:0 내지 0.050％, Zr:0 내지 0.050％, Ca:0 내지 0.0050％ 및 Mg:0 내지 0.0050％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 <1>, <2>로 표현되는 Y1, Y2가 하기 식 <3>으로 표현되는 관계를 만족시키고, 인장 강도가 750㎫ 이하이고, 또한 내부 조직이 페라이트ㆍ펄라이트 조직이고, 상기 내부 조직에 있어서, 페라이트 분율이 40％ 이상이다.

단, 상기 식에 있어서의 [C], [Mn], [Cr]은 각각의 원소의 질량％로 표시한 함유량을 나타내고, D는 압연 봉강 또는 압연 선재의 단위㎜로 표시한 직경을 나타낸다.

(2) 상기 (1)에 기재된 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재는, 상기 강재의 화학 조성이, 질량％로,

Cu:0.03 내지 0.50％,

Ni:0.01 내지 0.30％,

Mo:0.005 내지 0.050％ 및

V:0.005 내지 0.050％

로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유한다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재는, 상기 화학 조성이, 질량％로, Zr:0.003 내지 0.050％, Ca:0.0005 내지 0.0050％ 및 Mg:0.0005 내지 0.0050％로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.

잔부로서의 「Fe 및 불순물」에 있어서의 「불순물」이란, 의도하지 않고 강재 중에 함유되는 성분이고, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

압연 봉강 또는 압연 선재란, 열간에서 제품 압연된 그대로의 봉강이나 선재의 형상을 갖는 압연 강재를 가리킨다. 이하, 본 발명의 명세서에서는, 「압연 봉강 또는 압연 선재」를 통합하여 「압연 봉선」 혹은 「압연 강재」라고 표현하는 경우도 있다. 또한, 열간에서의 제품 압연을, 「열간 압연」이라고 표현하는 경우도 있다.

본 발명의 상기 형태의 냉간 단조 부품용 압연 봉선(압연 봉강 또는 압연 선재)은 인장 강도가 750㎫ 이하이고, 내부의 금속 조직이 페라이트 분율 40％ 이상의 페라이트ㆍ펄라이트 조직이고, 또한 각 원소의 함유량이 제어되어 있으므로, 냉간 단조성, ?칭성 및 내조립화 특성이 우수하다. 그로 인해, 본 발명의 압연 봉선을 소재로서 사용함으로써, 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화해도, 냉간 단조에 의해 부품으로 성형할 수 있고, ?칭 및 템퍼링을 거쳐서 HRC 경도 34 이상의 고강도 냉간 단조 부품을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 압연 봉선은 ?칭 시에 오스테나이트 영역으로 가열해도 결정립의 이상 입성장이 억제되므로, 얻어진 고강도 냉간 단조 부품에 있어서, 부품 강도의 변동을 억제할 수 있다.

도 1은 실시예에서 단조 성형한 볼트의 형상을 도시하는 도면이다.
도 2는 Cr 함유량 및 Mn 함유량과, ?칭성의 관계를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재(본 실시 형태에 관한 압연 봉선이라고 하는 경우가 있음)에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서의 각 원소의 함유량의 「％」 표시는 「질량％」를 의미한다.

(A) 화학 조성(화학 성분)에 대해:

C:0.24 내지 0.36％

C는 강재의 ?칭성을 높이고, 강도 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, C 함유량을 0.24％ 이상으로 한다. 더욱 냉간 단조 부품의 ?칭 경도를 높이고 싶은 경우에는, C의 함유량을 0.26％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, C 함유량이 0.36％를 초과하면, 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, C 함유량을 0.36％ 이하로 한다. 더욱 냉간 단조성을 높이고 싶은 경우에는, C 함유량을 0.33％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si:0.40％ 미만

열간 압연 후(압연 그대로)의 압연 강재의 인장 강도를 낮추기 위해, Si 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하므로, Si 함유량은 0％여도 된다. 한편, Si는 고용 강화에 의해 페라이트를 강화하므로, 냉간 단조 부품의 템퍼링 경도를 높이는 효과를 얻는 것을 목적으로 하여, Si를 함유시켜도 된다. 그러나, Si 함유량이 0.40％ 이상이면 냉간 단조성이 현저하게 저하되므로, 함유시키는 경우라도, Si 함유량은 0.40％ 미만으로 할 필요가 있다. 냉간 단조성의 관점에서는, Si 함유량을 0.30％ 미만으로 하는 것이 바람직하고, 나아가 0.20％ 미만으로 하는 것이 보다 바람직하고, 압연 강재의 인장 강도도 고려하면, 0.10％ 이하인 것이 한층 더 바람직하다.

Mn:0.20 내지 0.45％

Mn은 강재의 ?칭성을 높이는 원소이고, 이 효과를 얻기 위해, Mn 함유량을 0.20％ 이상으로 한다. 보다 ?칭성을 높이기 위해서는, Mn은 0.25％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 한편, Mn 함유량이 0.45％를 초과하면, 마무리 압연 후의 냉각 시에 페라이트 변태의 개시 온도가 저하됨으로써, 페라이트 분율이 저하됨과 함께 베이나이트가 생성되고, 그 결과, 강재의 냉간 단조성이 저하된다. 그로 인해, Mn 함유량을 0.45％ 이하로 한다. 더욱 냉간 단조성을 향상시키고 싶은 경우에는 Mn 함유량을 0.42％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.40％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.35％ 이하로 하는 것이 한층 더 바람직하다.

S:0.020％ 미만

S는 불순물로서 함유된다. S는 냉간 단조성을 저하시키는 원소이고, 그 함유량은 적은 편이 바람직하다. 특히, S 함유량이 0.020％ 이상이 되면, MnS는 연신된 조대한 형태가 되고, 냉간 단조성이 현저하게 저하된다. 그로 인해, S 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. 바람직하게는 0.010％ 미만이다.

P:0.020％ 미만

P는 불순물로서 함유된다. P는 냉간 단조성을 저하시킬뿐만 아니라, 오스테나이트 온도 영역으로의 가열 시에 입계에 편석하여 ?칭 시의 균열 발생의 요인이 되는 원소이다. 그로 인해, P 함유량은 적은 편이 바람직하다. 특히, P 함유량이 0.020％ 이상이 되면 냉간 단조성의 저하나 균열의 발생이 현저해진다. 그로 인해, P 함유량을 0.020％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.010％ 미만이다.

Cr:0.70 내지 1.45％

Cr은 Mn과 마찬가지로, 강재의 ?칭성을 높이는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, Cr 함유량을 0.70％ 이상으로 한다. 안정적으로 높은 ?칭성을 얻기 위해서는, Cr 함유량을 0.80％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.90％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Cr 함유량이 1.45％를 초과하면, ?칭성은 높아지지만, 마무리 압연 후의 냉각 시에 페라이트 변태의 개시 온도가 저하되어 페라이트 분율이 저하되고, 베이나이트가 생성된다. 그 결과, 강재의 냉간 단조성이 저하된다. 그로 인해, Cr 함유량을 1.45％ 이하로 한다. 더욱 냉간 단조성을 높이고 싶은 경우에는, Cr 함유량을 1.30％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.20％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

Al:0.005 내지 0.060％

Al은 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또한, Al은 N과 결합하여 AlN을 형성하고, 그 피닝 효과에 의해 열간 압연 시의 오스테나이트 입자를 미세화하고, 베이나이트의 생성을 억제하는 작용을 갖는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해, Al 함유량을 0.005％ 이상으로 한다. 베이나이트의 생성을 보다 확실하게 억제하고 싶은 경우에는, Al의 함유량을 0.015％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.020％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Al 함유량이 0.060％를 초과하면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 조대한 AlN이 생성되어 냉간 단조성이 저하된다. 그로 인해, Al 함유량을 0.060％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 높이는 관점에서, Al 함유량은 0.050％ 이하인 것이 바람직하고, 0.045％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Ti:0.010％ 초과, 0.050％ 이하

Ti는 N이나 C와 결합하여, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 그들의 피닝 효과에 의해 열간 압연 시에 오스테나이트 입자를 미세화하는 효과를 갖는 원소이다. 오스테나이트 입자의 미세화는 마무리 압연 후의 냉각 과정에서의 베이나이트의 생성을 억제하여, 페라이트 분율의 향상에 기여한다. 또한, Ti는 강 중에 고용하는 N을 TiN으로서 고정하여 BN의 생성을 억제하므로, B에 의한 ?칭성 향상의 효과를 높이는 작용도 갖는다. 이들의 효과를 얻기 위해, Ti 함유량을 0.010％ 초과로 한다. Ti 함유량은 0.020％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.025％ 초과로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Ti 함유량이 0.050％를 초과하면, 마무리 압연 시에 미세한 Ti의 탄화물이나 탄질화물이 많이 석출되고, 페라이트가 강화되어 인장 강도가 과잉으로 높아진다. 그로 인해, Ti 함유량을 0.050％ 이하로 한다. Ti 함유량은 0.040％ 이하인 것이 바람직하고, 0.035％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

Nb:0.003 내지 0.050％

Nb는 C나 N과 결합하여, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하고, 또는 Ti과 함께 복합 탄질화물을 형성하고, 그들의 피닝 효과에 의해 열간 압연 시에 오스테나이트 입자를 미세화하는 효과를 갖는 원소이다. 오스테나이트 입자의 미세화는 마무리 압연 후의 냉각 과정에서의 베이나이트 생성을 억제하여, 페라이트 분율의 향상에 기여한다. 또한, Nb의 탄화물, 질화물 또는 탄질화물은 냉간 단조 부품을 ?칭할 때의 가열 시의 결정립의 이상 입성장을 억제한다. 이들 효과를 얻기 위해, Nb 함유량을 0.003％ 이상으로 한다. Nb 함유량은 0.005％ 이상인 것이 바람직하고, 더욱 안정적으로 이들 효과를 얻고 싶은 경우에는 Nb 함유량을 0.010％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, Nb 함유량이 0.050％를 초과하면, 이들의 효과가 포화될 뿐만 아니라, 냉간 단조성이 저하된다. 그로 인해, Nb 함유량을 0.050％ 이하로 한다. Nb 함유량은 0.040％ 이하인 것이 바람직하고, 0.030％ 이하인 것이 보다 바람직하다.

B:0.0003 내지 0.0040％

B는 미량의 함유로 ?칭성을 높이는 데 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, B 함유량을 0.0003％ 이상으로 한다. ?칭성을 더 높이고 싶은 경우에는, B의 함유량을 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.0010％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, B 함유량이 0.0040％를 초과하면, ?칭성 향상 효과가 포화됨과 함께, 냉간 단조성이 저하된다. 냉간 단조성을 더욱 향상시키는 경우에는, B 함유량을 0.0030％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.0025％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

N:0.0020 내지 0.0080％

N은 Al, Ti나 Nb와 결합하여 질화물이나 탄질화물을 생성하고, 열간 압연 시의 오스테나이트 입자의 미세화나 냉간 단조 부품을 ?칭할 때의 가열 시의 이상 입성장을 억제하는 효과를 갖는다. 그 효과를 얻기 위해, N 함유량을 0.0020％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.0030％ 이상이다. 한편, N 함유량이 과잉이 되면, 효과가 포화될 뿐만 아니라, N과 B가 결합하여 질화물이 생성되고, B에 의한 ?칭성 향상의 효과가 약해진다. 그로 인해, N 함유량을 0.0080％ 이하로 한다. 안정적으로 ?칭성을 향상시키기 위해서는, N 함유량을 0.0070％ 미만으로 하는 것이 바람직하고, 0.0060％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

본 실시 형태에 관한 봉선에서는 각 원소의 함유량에 더하여, 원소의 함유량의 밸런스도 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, 하기 식 <1>로 표현되는 Y1과, 식 <2>로 표현되는 Y2가, 식 <3>으로 표현되는 관계를 만족시킨다.

여기서, 식 중의 [C], [Mn], [Cr]은 각각의 원소의 질량％로 표시한 함유량을 나타내고, D는 압연 봉선의 직경(㎜)을 나타낸다.

Y1>Y2이면, 일반적인 ?칭, 템퍼링(예를 들어, 880 내지 900℃의 온도 영역으로 가열 후, 유냉에 의한 ?칭을 행하고, 400℃ 내지 600℃에서 템퍼링을 실시)에 의한 조질 처리 후, 중심부에 있어서 HRC 경도로 34 이상이 되는 ?칭성을 갖는다.

식 <1> 내지 식 <3>에 대해 설명한다.

Y1은, 상술한 바와 같이 강에 함유되는 Mn, Cr의 질량％의 곱으로 표현되는 값이고, 고강도 냉간 단조 부품용 압연 봉선에 요구되는 ?칭성의 파라미터이다.

Y2는 직경이 D(㎜)인 압연 봉선을 Ac3점 이상의 온도까지 가열하고, 유냉에 의한 ?칭 처리를 한 경우에 있어서의, 압연 봉선의 중심부인 표면으로부터 D/2(㎜) 위치에 있어서 얻어지는 마르텐사이트 조직의 분율에 영향을 미치는, D와 [C]의 관계를 나타내는 파라미터이다. 유냉에 의한 ?칭 처리의 냉각 속도는 압연 봉선의 직경 D에 의해서도 바뀌지만, 일반적으로 10 내지 40℃/sec 정도이다.

Ac3점은 화학 조성에 기초하여, 공지의 계산식, 예를 들어 Ac3＝912.0－230.5×C+31.6×Si－20.4×Mn－39.8×Cu－18.1×Ni－14.8×Cr+16.8×Mo으로부터 산출할 수 있다. 또는, 실험적으로, 가열 승온 시의 강재의 팽창률을 측정하고, 팽창률의 변화로부터 추정할 수도 있다.

?칭, 템퍼링에 의한 조질 처리 후, 중심부에 있어서 HRC 경도 34 이상을 얻기 위해서는, 압연 봉선 중심부(D/2부)에 있어서의 템퍼링을 행하기 전의 ?칭 경도가 HRC 경도로 45 이상이 되도록 제어할 필요가 있다. 그리고, ?칭 경도를 HRC 경도로 45 이상으로 하기 위해서는, ?칭 경도에 큰 영향을 미치는 C, Mn, Cr의 함유량을 조정해야만 한다.

조직이 마르텐사이트라면, 그 경도는 C 함유량으로 거의 결정됨과 함께, C 함유량이 본 실시 형태에 관한 압연 봉선의 범위 내이면 HRC 경도로 45 이상이 된다. 그로 인해, HRC 경도로 45 이상의 ?칭 경도를 확보하기 위해서는, ?칭 후의 조직을 주로(조직 분율로 90％ 이상) 마르텐사이트로 하면 된다.

본 발명자들의 검토 결과, Mn 함유량과 Cr 함유량을 소정의 값 이상으로 함으로써, 압연 봉선의 중심부에 있어서, ?칭 후에 90％ 이상의 마르텐사이트가 얻어지는 것을 알아냈다. 구체적으로는, ?칭성을 높이는 Mn 및 Cr의 함유량의 곱으로 표현되는 Y1이, 압연 봉선의 중심부에 있어서 얻어지는 마르텐사이트 조직의 분율에 영향을 미치는, D와 [C]의 관계를 나타내는 파라미터 Y2보다도 큰 경우에, ?칭 후의 압연 봉선의 중심부의 조직이 90％ 이상인 마르텐사이트를 포함하는 것을 알아냈다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 압연 봉선에서는 Y1>Y2로 한다. 한편, Y1≤Y2인 경우에는, ?칭 시에 베이나이트나 페라이트 등의 불완전 ?칭 조직이 생성되어, 마르텐사이트를 90％ 이상 확보할 수 없게 된다. 이 경우, 강도나 내수소 취화 특성이 저하된다.

도 2는 압연 봉선의 직경이 15㎜, 또한 C 함유량이 0.30％인 경우의 Cr 함유량 및 Mn 함유량과, ?칭성의 관계를 도시하는 도면이다. 도 2에 있어서는, Mn 함유량 및 Cr 함유량이, 경계선 B보다도 상측에 있는 경우에, Y1>Y2이고, ?칭 후의 압연 봉선의 중심부의 조직의 90％ 이상이 마르텐사이트가 된다.

?칭성의 구체적인 목표는 JIS G 0561 강의 켄칭성 시험 방법(일단 켄칭 방법), 소위 조미니 시험에 있어서, 적어도 ?칭단으로부터 7㎜ 위치에서의 경도 J7㎜가 HRC 경도 45 이상이면 된다.

?칭 후의 압연 봉선의 경도는 압연 봉선의 직경 D에도 의존하기 때문에, ?칭성의 관점에서는, 압연 봉선의 직경 D는 작은 것이 바람직하지만, 고강도 냉간 단조 부품에 적용하는 경우, 압연 봉선으로서는 직경 6 내지 35㎜ 정도가 바람직하고 8 내지 16㎜의 범위인 것이 보다 바람직하다.

본 실시 형태에 관한 압연 봉선은 상기 화학 성분을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물인 것을 기본으로 한다. 그러나, 잔부의 Fe의 일부 대신에, 필요에 따라 Cu, Ni, Mo, V, Zr, Ca 및 Mg에서 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 함유시켜도 된다. 단, 이들의 원소는 반드시 함유시킬 필요는 없으므로, 그 하한은 0％이다. 여기서, 「불순물」이란, 의도하지 않고 강재 중에 함유되는 성분이고, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

이하, 임의 원소인 Cu, Ni, Mo, V, Zr, Ca 및 Mg의 작용 효과와, 함유시키는 경우의 바람직한 함유량에 대해 설명한다.

Cu:0.50％ 이하

Cu는 ?칭성을 높이는 원소이고, 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Cu 함유량은 0.03％ 이상인 것이 바람직하고, 0.05％ 이상이면 보다 바람직하다. 한편, Cu 함유량이 0.50％를 초과하면, ?칭성이 지나치게 높아지고, 마무리 압연 후에 베이나이트가 생성되고, 냉간 단조성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Cu 함유량을 0.50％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서, 함유시키는 경우의 Cu 함유량은 0.30％ 이하인 것이 바람직하고, 0.20％ 이하이면 보다 바람직하다.

Ni:0.30％ 이하

Ni은 ?칭성을 높이는 원소이고, 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ni 함유량은 0.01％ 이상인 것이 바람직하고, 0.03％ 이상이면 보다 바람직하다. 한편, Ni 함유량이 0.30％를 초과하면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, ?칭성이 지나치게 높아지고, 마무리 압연 후에 베이나이트가 생성되고, 냉간 단조성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Ni 함유량을 0.30％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서 함유시키는 경우의 Ni 함유량은 0.20％ 이하인 것이 바람직하고, 0.10％ 이하이면 보다 바람직하다.

Mo:0.050％ 이하

Mo은 고용 강화에 의해 강재를 강화하는 원소이고, 강재의 ?칭성을 크게 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해, Mo을 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Mo 함유량은 0.005％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, Mo 함유량이 0.050％를 초과하면, 마무리 압연 후에 베이나이트나 마르텐사이트가 생성되고, 냉간 단조성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Mo 함유량을 0.050％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서 함유시키는 경우의 Mo 함유량은 0.030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.020％ 이하이면 보다 바람직하다.

V:0.050％ 이하

V은 C 및 N과 결합하여, 탄화물, 질화물 또는 탄질화물을 형성하는 원소이다. 또한, V은 미량의 함유로 강의 ?칭성을 향상시키는 원소이기도 하다. 이로 인해, V를 함유시켜도 된다. 이들의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, V 함유량은 0.005％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, V 함유량이 0.050％를 초과하면, 석출되는 탄화물이나 탄질화물에 의해 압연 강재의 강도가 증대하고, 냉간 단조성의 저하를 초래한다. 따라서, 함유시키는 경우라도 V 함유량을 0.050％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서 함유시키는 경우의 V 함유량은 0.030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.020％ 이하이면 보다 바람직하다.

Zr:0.050％ 이하

Zr은 미량의 함유로 강재의 ?칭성을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 그 목적으로 미량의 Zr을 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Zr 함유량은 0.003％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, Zr 함유량이 0.050％를 초과하면, 조대한 질화물이 생성되고, 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도 Zr 함유량을 0.050％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서 함유시키는 경우의 Zr 함유량은 0.030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.020％ 이하이면 보다 바람직하다.

Ca:0.0050％ 이하

Ca는 S와 결합하여, 황화물을 형성하고, MnS의 생성 핵으로 하여 작용한다. CaS을 생성 핵으로 한 MnS는 미세하게 분산되고, 마무리 압연 후의 냉각 시에 페라이트가 석출되기 위한 생성 핵이 되므로, 미세하게 분산된 MnS가 존재하면, 페라이트 분율이 향상된다. 즉, Ca를 함유시킴으로써, 페라이트 분율의 향상이 도모되므로, Ca를 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ca 함유량을 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Ca 함유량이 0.0050％를 초과해도, 상기 효과가 포화될 뿐만 아니라, Ca가 Al과 함께 강 중의 산소와 반응하여 조대한 산화물을 생성함으로써, 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Ca 함유량을 0.0050％ 이하로 한다. 냉간 단조성을 향상시키는 관점에서, 함유시키는 경우의 Ca 함유량은 0.0030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.0020％ 이하이면 보다 바람직하다.

Mg:0.0050％ 이하

Mg는 S와 결합하여, 황화물을 형성하고, MnS의 생성 핵으로서 작용하는 원소이고, MnS를 미세하게 분산시키는 효과를 갖는다. MnS가 미세하게 분산됨으로써, 마무리 압연 후의 냉각 시에 분산된 MnS를 생성 핵으로 하여 페라이트가 석출되므로, 페라이트 분율이 향상된다. 이 효과를 얻기 위해, Mg를 함유시켜도 된다. 이 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Mg 함유량을 0.0005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mg 함유량이 0.0050％를 초과해도, 그 효과는 포화된다. 또한, Mg는 첨가 수율이 나쁘고, 제조 비용을 악화시키기 때문에, 함유시키는 경우의 Mg의 양은 0.0030％ 이하인 것이 바람직하고, 0.0020％ 이하이면 보다 바람직하다.

(B) 강재의 인장 강도에 대해

본 실시 형태에 관한 압연 봉선은 냉간 단조성이 우수하다. 그로 인해, 제품 압연 후의 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 짧은 시간에 처리했다고 해도, 냉간 단조 시의 금형 수명이 짧아지거나, 성형 시에 부품에 균열이 발생하거나 하는 일은 없다. 이것은 상술한 바와 같이 조정된 강의 화학 성분뿐만 아니라, 압연 강재의 제조 조건을 컨트롤함으로써, 압연 강재의 조직이나 석출물을 냉간 단조에 적합하도록 제어하고, 강재의 강도를 저하시키고 있기 때문이다. 본 실시 형태에 있어서, 냉간 단조성이 우수하다는 것은, 예를 들어 압연 봉선으로부터 잘라낸 φ10.5㎜×40㎜L의 환봉을 도 1에 도시하는 볼트로 가공한 경우라도 균열이 발생하지 않는 것을 말한다.

인장 강도가 750㎫를 초과하는 경우, 냉간 단조 시에 부품의 균열이 발생할 가능성이 커진다. 그로 인해, 본 실시 형태에 관한 압연 봉선에서는, 후술하는 바와 같이 조직을 제어한 후, 인장 강도를 750㎫ 이하로 할 필요가 있다.

인장 강도가 750㎫를 초과해도, 20시간 정도의 장시간의 구상화 어닐링 처리 또는 복수회의 구상화 어닐링 처리(예를 들어, 10시간×2회)를 행하면, 냉간 단조 시에 부품의 균열이 발생하기 어려워진다. 그러나, 본 실시 형태에 관한 압연 봉선은 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 적어도 10시간 이내에 열처리가 완료되도록 단시간화해도 냉간 단조성을 확보할 수 있는 것을 목적으로 하고 있다. 이 목적을 달성하기 위해, 본 실시 형태에 관한 압연 봉선에서는 인장 강도에 상한을 설정한다. 압연 봉선의 인장 강도는 700㎫ 이하인 것이 바람직하고, 650㎫ 이하인 것이 보다 바람직하다.

(C) 강재의 내부 조직에 대해

본 실시 형태에 관한 압연 봉선은 냉간 단조성이 우수하다. 그로 인해, 종래 20시간 정도 필요로 했던 제품 압연 후의 구상화 어닐링 처리를 생략하거나, 또는 절반 정도의 시간에 처리하거나, 혹은 2회 이상 행했던 구상화 어닐링 처리를 1회로 하거나 했다고 해도, 냉간 단조 시의 금형 수명 저하나, 성형 부품의 균열 등의 장해가 발생하지 않는다. 이는, 강의 화학 성분의 조정뿐만 아니라, 압연 봉선의 제조 조건을 컨트롤함으로써, 압연 봉선의 금속 조직을 냉간 단조에 적합한 형태로 제어하고 있기 때문이다.

구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 압연 봉선에서는 탈탄층이 생성될 가능성이 있는, 표면으로부터 100㎛의 범위인 표층 부분을 제외한 부분의 조직(내부 조직)이, 페라이트ㆍ펄라이트 조직이며, 또한 페라이트의 분율이 40％ 이상이다. 여기서, 페라이트ㆍ펄라이트 조직이란, 면적률로 전체의 95％ 이상이 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직인 조직(페라이트의 면적률과 펄라이트의 면적률의 합계가 95％ 이상인 조직)을 말한다. 또한, 페라이트 분율의 측정에 있어서, 페라이트에는 펄라이트에 포함되는 라멜라 시멘타이트 사이의 페라이트상은 포함하지 않는다. 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직이 면적률로 전체의 95％ 이상이라는 것은, 마르텐사이트나 베이나이트 등의 페라이트 및 펄라이트 이외의 조직의 면적률의 합계가 5％ 미만인 것을 의미한다. 양호한 냉간 단조성을 얻기 위해서는, 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직이 면적률로 전체의 95％ 이상으로 할 필요가 있고, 100％인 것이 바람직하다.

내부 조직에 있어서, 페라이트 분율이 40％ 미만인 경우에는, 인장 강도가 750㎫ 이하라도 양호한 냉간 단조성을 확보할 수 없고, 성형 시에 부품에 균열이 발생하거나, 금형 수명이 짧아진다는 문제가 발생한다. 페라이트 분율은 45％ 이상인 것이 바람직하고, 50％ 이상이면 보다 바람직하다. 페라이트 분율의 상한은 특별히 규정하지 않지만, 열간 압연 그대로 페라이트 분율을 80％ 초과로 하기 위해서는, 펄라이트 조직을 형성하는 라멜라 시멘타이트를 구상화시킬 필요가 있고, 그것을 위해서는 압연 후에 장시간의 균열(均熱) 처리가 필요해지기 때문에, 비용이 늘어나, 공업적으로 실현하는 것이 곤란해진다. 따라서 페라이트 분율의 상한을 80％로 해도 된다.

또한, 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직이 면적률로 전체의 95％ 미만인 경우, 마르텐사이트나 베이나이트 등의 경질 조직에 의해, 압연 봉선의 인장 강도가 750㎫를 초과할 우려가 있다. 또한, 경질 조직이 파괴의 기점이 됨으로써, 냉간 단조성이 저하될 것이 염려된다.

각 조직의 동정 및 면적률의 산정은, 예를 들어 이하와 같이 행한다.

압연 봉선을 10㎜의 길이로 절단한 후, 횡단면이 피검면이 되도록 수지에 묻고, 경면 연마를 행한다. 계속해서, 3％ 질산 알코올(나이탈 부식액)로 표면을 부식하여 마이크로 조직을 현출시킨다. 그 후, 압연 봉강 또는 압연 선재의 D/4 위치(D: 압연 강재의 직경)에 상당하는 위치에서 배율을 500배로 하여 광학 현미경으로 5시야의 마이크로 조직 사진을 촬영하여 「상」을 동정하고, 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 각 시야의 페라이트 면적률을 페라이트 분율로서 측정하고, 평균값을 구한다. 또한, 페라이트와 펄라이트의 합계의 분율은 마찬가지로 펄라이트 분율을 구하고, 페라이트 분율과 펄라이트 분율을 합계함으로써 구한다.

(D) 바람직한 제조 프로세스에 대해

본 실시 형태에 관한 압연 봉선은 강의 화학 성분뿐만 아니라, 압연 그대로의 조직을 제어하는 것이 중요하다. 따라서, 화학 성분 및 조직 형태가 본 발명의 범위라면, 그 제조 방법에 구애되지 않고 본 실시 형태에 관한 압연 봉선에 포함된다.

그러나, 소정의 화학 성분을 갖는 강재에, 이하에 나타내는 각 공정을 포함하는 제조 프로세스를 적용하면, 압연 그대로의 조직을 안정적으로 바람직한 범위로 제어할 수 있다. 이하, 바람직한 제조 조건에 대해 상세하게 설명한다.

<강편 제조 공정>

먼저, C, Si, Mn, Cr, Nb 등의 화학 성분을 조정하여, 전로나 통상의 전기로 등에 의해 용제한 용강을 주조하여 강괴나 주조편을 얻는다. 얻어진 강괴나 주조편을, 분괴 압연하여 강편(제품 압연용 소재)으로 한다. 본 실시 형태에 관한 압연 봉선을 얻기 위해서는 후술하는 압연 전 가열 공정보다도 전의 단계에서, 1250℃ 이상으로 고온 가열하여 적어도 30min 이상의 균열 시간을 확보한 후 냉각하는, 고온 균열 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이것은, 응고 시에 생성된 Nb(C, N)나 NbC, Ti(C, N)), TiC 등의 조대한 탄질화물이나 탄화물을, 일단 강에 고용시키고, 냉각 과정에서 미세하게 재석출시키기 위해서이다. 냉각 과정에서 석출된 미세한 탄질화물이나 탄화물은 그 후에 행하는 열간에서의 제품 압연 시의 가열 시에 피닝 입자로서 작용하여, 오스테나이트 입자의 조대 성장 방지에 기여한다. 또한 그 결과, 제품 압연 후의 냉각 시에 석출되는 페라이트 조직은 미세화되어 페라이트 분율이 높아진다.

고온 균열 처리는 강괴나 주조편을 분괴 압연할 때의 가열 단계에서 행해도 되고, 강괴나 주조편을 1250℃ 미만의 온도로 가열하여 분괴 압연한 후에 분괴 압연으로 제조한 강편을, 1250℃로 재가열해도 상관없다. 어떻게 하든, 후술하는 1050℃ 이하로 가열하여 열간으로 제품 압연하는 것보다도 전의 단계에서 1250℃ 이상으로 고온 가열하고, 적어도 30min 이상의 균열 시간을 확보하는 것이 유효하다.

<압연 전 가열 공정>

그 후, 압연에 앞서, 강편을 가열한다. 이때의 가열 온도는 압연이 가능한 범위에서 1050℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 가열 온도를 지나치게 높게 하면 전술한 고온 균열 처리에 의해 재석출된 미세한 탄질화물이나 탄화물이 다시 고용되고, 제품 압연 후의 냉각 시의 페라이트 변태와 더불어 정합 석출되므로 제품 압연 후의 강도가 높아지고, 냉간 단조성이 저하될 것이 염려된다. 압연 전의 가열에 의해 고용되지 않는 Nb(C, N)나 NbC, Ti(C, N), TiC의 탄질화물이나 탄화물은 제품 압연 후의 강도에 영향을 미치지 않고, 냉간 단조성을 열화시키지 않는다. 또한, Nb의 탄질화물이나 탄화물은 냉간 단조 후의 ?칭 시에 Ac3점 이상으로 가열해도 결정립의 이상 입성장을 억제하는 효과를 갖는다.

<압연 공정>

가열 후, 마무리 압연을 포함하는 제품 압연에 의해, 소정의 직경의 봉강 또는 선재로 한다. 마무리 압연은 제품 압연의 최종 공정에 있어서의 마무리 압연기열에서 실시되는 압연이다. 마무리 압연에서는 가공 속도 Z를 5 내지 15/sec로 하고, 750 내지 850℃의 압연 온도 범위에서 행하는 것이 바람직하다. 가공 속도 Z는 마무리 압연에 의한 강재의 단면 감소율 및 마무리 압연 시간으로부터 하기 식(i)에 의해 구해지는 값이다. 또한, 마무리 압연 온도는 마무리 압연기열 출구측의 온도를, 적외선 방사 온도계 등을 사용하여 측정하면 된다. 마무리 압연의 온도, 가공 속도를 관리함으로써 페라이트 변태 전의 오스테나이트 입자가 보다 미세해지고, 페라이트 분율이 높아지므로, 소정의 인장 강도, 조직을 얻을 수 있다.

여기서, R은 마무리 압연에 의한 강재의 단면 감소율이고, t는 마무리 압연 시간(초)을 가리킨다.

단면 감소율 R은 압연 봉선의 마무리 압연 전의 단면적 A₀과 마무리 압연 후의 단면적 A로부터 R＝(A₀－A)/A₀에 의해 구해진다.

마무리 압연 시간 t는 압연 봉선이 마무리 압연기열을 통과하는 시간(초)이고, 마무리 압연기열의 최초의 압연기로부터 최후의 압연기까지의 거리를 압연 봉선의 평균 반송 속도로 나눔으로써 구할 수 있다.

마무리 압연의 온도가 750℃를 하회하거나, 마무리 압연의 가공 속도가 지나치게 큰 경우, 미재결정의 오스테나이트 입자로부터 페라이트 변태가 시작된다. 이 경우, 냉각 후의 조직이 지나치게 미세해져 강도가 과잉으로 높아지고, 냉간 단조성이 저하된다. 반대로, 마무리 압연의 온도가 850℃를 상회하거나, 가공 속도가 작은 경우, 재결정 후의 오스테나이트 입자가 조대화되고, 페라이트 변태의 개시 온도가 낮아진다. 이 경우, 냉각 후의 조직 페라이트 분율이 작아져, 냉간 단조성이 저하된다.

<냉각 공정>

마무리 압연이 완료된 후, 압연 강재의 표면 온도가 500℃가 될 때까지의 냉각 속도를 0.2 내지 5℃/sec로 하여 냉각하는 것이 바람직하다.

500℃까지의 평균 냉각 속도가 0.2℃/sec 미만이면, 오스테나이트로부터 페라이트로 변태되는 시간이 길어짐으로써, 압연 강재의 표층부에 탈탄이 발생하는 것이 염려된다. 한편, 평균 냉각 속도가 5℃/sec 초과이면, 마르텐사이트나 베이나이트 등의 경질 조직이 형성되는 것이 염려된다.

상술한 제조 공정을 포함하는 제조 프로세스라면, 고강도 냉간 단조 부품으로서 사용 가능한 레벨에서의 ?칭 경도가 얻어지는 ?칭성을 확보하면서, 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화해도 양호한 냉간 단조성을 실현할 수 있는 인장 강도, 내부 조직을 갖는 압연 봉선을 안정적으로 얻을 수 있다.

또한, 본 실시 형태에 관한 압연 봉강 또는 선재를, 냉간 단조하고, ?칭 템퍼링을 행함으로써, 고강도 냉간 단조 부품을 얻을 수 있다.

실시예

이하에 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

동일한 화학 성분의 강에서도, 제조 프로세스로 의해 조직은 바뀐다. 따라서, 본 발명의 화학 성분을 만족시키고 있어도, 본 발명의 요건을 만족시키지 않는 경우도 있다. 그래서, 먼저 화학 성분이 동일한 강을 다른 제조 조건에서 제조하여 얻어진 각 강재에 대해, 조직 및 특성을 평가했다. 이어서, 화학 성분이 다른 강괴를 용제하고, 동일 조건에서 압연 강재를 제조하여, 얻어진 각 강재에 대해 조직 및 특성을 평가했다.

구체적으로는, 먼저, 표 1에 나타내는 화학 성분의 강을 전기로에서 용제하고, 얻어진 강괴를 1200℃로 가열하고, 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편으로 분괴 압연을 행하였다. 표 1에 나타내는 화학 성분의 강에 있어서는, A0, A1, A2, A3은 동일한 화학 성분을 갖고, B0, B1, B2, B3은 동일한 화학 성분을 갖고 있다. 표 1 중의 「－」의 표기는 당해 원소의 함유량이 불순물 레벨이고, 실질적으로 함유되어 있지 않다고 판단할 수 있음을 나타낸다.

이들 강에 대해, 분괴 압연 후의 강편으로부터 소정의 직경의 선재로 제품 압연할 때까지의 공정에 대해 제조 조건을 변경하여 봉강 또는 선재를 얻었다.

즉, 표 1에 나타내는 본 발명예 A0, B0은 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편을 1280℃의 노 내에 삽입하고, 2hr 균열한 후, 노 외로 취출하여 실온까지 냉각하는 고온 균열 처리를 행하였다. 이어서 이 강편을 1040℃에서 가열한 후, 마무리 압연 온도가 820℃에서 소정의 직경이 되도록 제품 압연을 행하여, 압연 봉강 또는 압연 선재를 제작했다. 이때, 마무리 압연에 의한 가공 속도는 5 내지 15/sec의 범위이고, 마무리 압연 완료 후, 500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도 0.4℃/sec로 냉각을 행하였다.

비교예 A1, B1은 A0, B0과 각각 동일한 화학 성분인 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편을 사용하여 고온 균열 처리를 생략하고, 제품 압연을 행하였다. 압연 조건은 A0, B0과 동일하고, 1040℃에서 가열한 후, 마무리 압연 온도가 820℃에서 소정의 직경이 되도록 제품 압연을 행하여, 압연 강재를 제작했다. 이때, 마무리 압연에 의한 가공 속도는 5 내지 15/sec의 범위이고, 마무리 압연 완료 후, 500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도 0.4℃/sec로 조정 냉각을 행하였다.

비교예 A2, A3, B2, B3은 본 발명예 A0, B0과 동일한 화학 성분인 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편을 1280℃로 가열한 노 내에 삽입하고, 2hr 균열한 후, 노 외로 취출하여 실온까지 냉각하는 고온 균열 처리를 행하였다. 이어서, 표 1에 나타낸 바와 같이 제품 압연 전의 가열 온도나 마무리 압연의 온도를 설정하고, 압연 봉강 또는 압연 선재를 제작했다.

구체적으로는, 비교예 A2, B2는 제품 압연의 가열 온도를 1050℃에서 가열한 후, 압연 온도가 920 내지 940℃에서 소정의 직경이 되도록 마무리 압연을 행하여, 압연 강재를 제작했다. 이때, 마무리 압연에 의한 가공 속도는 5 내지 15/sec의 범위이고, 마무리 압연 완료 후, 500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도 0.4℃/sec로 냉각을 행하였다.

비교예 A3, B3은 제품 압연의 가열 온도를 1150℃에서 가열한 후, 압연 온도가 830℃에서 소정의 직경이 되도록 마무리 압연을 행하여, 압연 강재를 제작했다. 이때, 마무리 압연에 의한 가공 속도는 5 내지 15/sec의 범위로 하고, 마무리 압연 완료 후, 500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도 0.4℃/sec로 냉각을 행하였다.

계속해서 표 2에 나타내는 화학 성분의 강 No.1 내지 29에 대해서는 이하의 방법으로 압연 강재를 제작했다. 표 2 중의 「－」의 표기는 당해 원소의 함유량이 불순물 레벨이고, 실질적으로 함유되어 있지 않다고 판단할 수 있는 것을 나타낸다.

구체적으로는, 표 2에 나타내는 화학 성분의 강을 전기로에서 용제하고, 얻은 강괴를 1200℃로 가열하고, 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편에 분괴 압연했다. 계속해서, 한 변이 162㎜인 정사각형의 강편을 1280℃의 노 내에 삽입하고, 2hr 균열한 후, 노 외로 취출하여 실온까지 냉각하는 고온 균열 처리를 행하였다. 계속해서 제품 압연용 소재를 1030 내지 1050℃에서 가열한 후, 마무리 압연 온도가 750 내지 850℃ 사이가 되도록 조정하여 제품 압연을 행하였다. 이때, 마무리 압연에 의한 가공 속도는 모두 5 내지 15/sec의 범위이고, 마무리 압연 완료 후, 500℃가 될 때까지의 평균 냉각 속도 0.4 내지 2℃/sec로 냉각을 행하였다.

상기 방법으로 제작한 압연 봉강 또는 압연 선재의 직경, 인장 강도, 페라이트 분율, ?칭 및 템퍼링 후의 경도, 냉간 단조성, 이상 입성장의 발생 유무에 대해 조사한 결과를 표 3, 표 4에 나타낸다.

압연 봉강 또는 압연 선재의 인장 강도, 페라이트 분율, 페라이트 분율과 펄라이트 분율의 합계, ?칭 후의 경도, ?칭 및 템퍼링 후의 경도, 냉간 단조성, 이상 입성장의 발생 유무를, 하기에 기재하는 방법에 의해 조사했다.

<1> 압연 봉강 또는 압연 선재의 인장 강도의 조사:

압연 봉강 또는 압연 선재의 중심의 위치로부터, 시험편의 길이 방향이 강재의 압연 방향이 되도록, JIS Z 2241에 규정되는 14A호 시험편(단, 평행부 직경: 6㎜)을 채취했다. 그리고, 표점 거리를 30㎜로 하여 실온에서 인장 시험을 실시하여, 인장 강도를 구했다.

<2> 압연 봉강 또는 압연 선재의 페라이트 분율, 펄라이트 분율의 조사:

압연 봉강 또는 압연 선재를 10㎜의 길이로 절단한 후, 횡단면이 피검면이 되도록 수지에 묻어, 경면 연마를 행하였다. 계속해서, 3％ 질산 알코올(나이탈 부식액)로 표면을 부식하여 마이크로 조직을 현출시켰다. 그 후, 압연 봉강 또는 압연 선재의 D/4 위치(D: 압연 봉강 또는 압연 선재의 직경)에 상당하는 위치에서 배율을 500배로 하여 광학 현미경으로 5시야의 마이크로 조직 사진을 촬영하여 「상」을 동정하고, 화상 해석 소프트웨어를 사용하여 각 시야의 페라이트 면적률을 페라이트 분율로서 측정하여, 평균값을 구했다. 또한, 마찬가지로 펄라이트 분율을 구하고, 페라이트 분율과 펄라이트 분율의 합계도 구했다.

<3> ?칭 경도의 조사:

압연 봉강 또는 압연 선재를 200㎜L의 길이로 절단한 후, Ar 가스 분위기에서 880℃×60min 가열하고, 60℃의 유조에 침지하여 ?칭했다. 계속해서, ?칭한 환봉의 길이 방향 중심 위치로부터 10㎜ 길이의 시험편을 채취한 후, 횡단면을 피검면으로 하여 연마를 행하고, 횡단면의 중심부에 있어서의 HRC 경도를 측정했다.

<4> 템퍼링 경도의 조사:

상기 방법으로 ?칭한 환봉의 나머지를 대기 분위기에서 425℃×60min 가열한 후 노 외로 취출하여 냉각(대기 방냉)하는 템퍼링을 행하였다. 템퍼링 후의 환봉의 중심의 위치로부터 10㎜ 길이의 시험편을 채취한 후, 횡단면을 피검면으로 하여 연마를 행하고, 횡단면의 중심부에 있어서의 HRC 경도를 측정했다.

냉간 단조성 및 냉간 단조 후의 이상 입성장에 대해서는, 상기 압연 봉강 또는 압연 선재를 사용하여 실제로 볼트에 냉간 단조함으로써 평가했다.

<5> 냉간 단조성의 조사:

상기 압연 봉강 또는 압연 선재의 중심부에 상당하는 위치로부터, φ10.5㎜×40㎜L의 환봉을 기계 가공하여 잘라냈다. 계속해서, 탈지, 산세를 행한 후, 인산아연 처리(75℃, 침지 시간 600sec) 및 금속 비누 처리(80℃, 침지 시간 180sec)를 행하고, 표면에 인산아연 피막과 금속 비누 피막으로 이루어지는 윤활 처리막을 붙여, 볼트 단조용의 소재로 했다. 볼트 단조는 도 1에 도시한 형상으로 단조 성형할 수 있도록 1공정째의 단조로 축부를 압입 성형한 후, 2공정째에서 볼트 헤드부 및 플랜지부를 성형하는 가공을 행할 수 있도록 금형을 설계하고, 유압 단조 프레스기에 장착하여, 냉간 단조를 행하였다. 도 1 중의 수치의 단위는 ㎜이다.

냉간 단조성은 볼트 성형할 때에, 볼트 표면에 균열이 발생하였는지 여부를 눈으로 판별했다. 볼트 표면에 균열이 발생한 경우를 NG, 어느 부분에도 균열이 발생하지 않은 경우를 OK로 하여 평가했다. 볼트 표면에서의 균열은 주로 볼트 헤드부 플랜지부의 선단에서 발생했다.

<6> 재가열 시의 이상 입성장의 조사:

냉간 단조 후의 재가열 시에 있어서의 이상 입성장의 발생을 확인하기 위해, 냉간 단조로 성형한 볼트를 불활성 가스 분위기의 노에서 880℃×60min 가열한 후, 60℃의 유조에 침지하는 ?칭을 행하고, 볼트의 마이크로 조직을 관찰하여 이상 입성장의 발생 유무를 확인했다. 구체적으로는, 볼트의 플랜지와 축부가 붙어 있는 R부에 있어서의 내부 조직을 관찰할 수 있도록, ?칭한 볼트를 축방향과 평행하게 절단하여, 수지에 묻고, 경면 연마를 행한 후, 구오스테나이트 입계가 현출될 수 있도록 표면을 부식하여 볼트 플랜지부 및 축부가 붙어 있는 R부의 표면 부근의 마이크로 조직을 광학 현미경에 의해 관찰했다. 배율은 500배로 하고, 볼트 플랜지부 및 축부가 붙어 있는 R부의 표면으로부터 0.5㎜의 깊이의 위치까지 관찰하여, 모두 정립인 경우를 OK, 이상 입성장한 결정립이 관찰된 경우를 NG라고 판정했다. 또한, 정립인 조직은 모두 5 내지 30㎛ 정도의 구오스테나이트 입자를 나타내고 있고, 100㎛를 초과하고 성장한 결정립이 혼재되어 있는 강에서는, 이상 입성장이 있다고 판정했다.

표 3으로부터, 본 발명예인 시험 번호 A0, B0은 모두 화학 성분과 상기한 식 <1> 내지 <3>을 만족시키고, 또한 강재의 제조 조건이 적절한 점에서, 인장 강도가 모두 750㎫ 이하이고, 페라이트 분율이 40％ 이상인 페라이트ㆍ펄라이트 조직을 갖고 있었다. 또한, 강재 중심부의 ?칭 경도도 HRC 경도 45 이상이고, 냉간 단조성도 문제없이, 냉간 단조 후에 재가열해도 이상 입성장은 발생하지 않았다.

이에 비해, 시험 번호 A1 내지 A3, B1 내지 B3은 인장 강도, 페라이트 분율이 목표에 도달되어 있지 않고, 또한 조직이 페라이트ㆍ펄라이트 조직이 아니고, 냉간 단조성, 이상 입성장의 발생에 대해 어느 하나 이상이 목표에 도달되어 있지 않았다.

시험 번호 A1은 A0과 동일한 화학 성분이지만, 제품 압연 전의 고온 균열 처리를 생략하였으므로, 페라이트 분율이 40％ 이하로 되어 있고, 냉간 단조성이 나쁘고, 또한 이상 입성장의 발생도 억제되어 있지 않다.

시험 번호 A2는 A0과 동일한 화학 성분이지만, 마무리 압연의 온도가 940℃로 높았으므로, 인장 강도가 750㎫ 이상, 페라이트 분율이 40％ 이하가 되고, 그 결과, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 A3은 A0과 동일한 화학 성분이지만, 제품 압연의 가열 온도가 1150℃로 높았으므로, 인장 강도가 750㎫ 이상이 되고, 그 결과, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 B1은 B0과 동일한 화학 성분이지만, 제품 압연 전의 고온 균열 처리를 생략했으므로, 페라이트 분율이 40％ 이하가 되고, 그 결과, 냉간 단조성이 나쁘다. 또한, 이상 입성장의 발생도 억제되어 있지 않았다.

시험 번호 B2는 B0과 동일한 화학 성분이지만, 마무리 압연의 온도가 920℃로 높았으므로, 인장 강도가 750㎫ 이상, 페라이트 분율이 40％ 이하가 되고, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 B3은 B0과 동일한 화학 성분이지만, 제품 압연의 가열 온도가 1150℃로 높았으므로, 인장 강도가 750㎫ 이상, 페라이트 분율이 40％ 이하가 되고, 그 결과, 냉간 단조성이 나쁘다.

표 4로부터, 본 발명예인 시험 번호 1 내지 16의 압연 봉강 또는 압연 선재는 모두 화학 성분과 상기한 식 <1> 내지 <3>을 만족시키고, 또한 강재의 제조 조건이 적절한 점에서, 인장 강도가 모두 750㎫ 이하이고, 조직이, 페라이트 분율이 40％ 이상인 페라이트ㆍ펄라이트 조직이었다. 또한, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 이상, 템퍼링 경도가 HRC로 34 이상이고, 냉간 단조성도 문제가 없었다. 또한, 냉간 단조 후에 가열하고 ?칭하여 이상 입성장은 발생하지 않았다.

이에 비해, 시험 번호 17 내지 29의 압연 봉강 또는 압연 선재는 화학 성분 중 어느 것, 또는 상기 식 <1>, <2>로 나타나는 Y1, Y2의 값이 본 발명의 규정을 만족시키지 못하고, 강재 중심부의 ?칭 경도, 냉간 단조성, 이상 입성장의 발생에 대해 어느 하나 이상이 목표에 도달되지 않았다.

시험 번호 17, 18은 화학 성분은 본 발명의 규정 범위를 만족시키지만, Y1의 값이 Y2 이하이기 때문에, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 미만이고, ?칭성이 충분하지 않다. 또한, 그 결과, 템퍼링 경도가 HRC34 미만이다.

시험 번호 19는 C 함유량이 본 발명의 규정 범위를 하회하고 있기 때문에, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 미만이고, ?칭 경도가 충분하지 않다. 또한, 그 결과, 템퍼링 경도가 HRC34 미만이다.

시험 번호 20은 C의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있고, 인장 강도가 750㎫ 이상, 페라이트 분율이 40％ 이하이기 때문에, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 21은 Mn의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있고, 페라이트 변태의 개시 온도가 낮아지기 때문에, 페라이트 분율이 40％ 이하이고, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 22는 인장 강도는 750㎫ 이하, 페라이트 분율은 40％ 이상이지만, S의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있기 때문에, MnS가 조대해지고, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 23은 Cr의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 하회하고 있고, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 미만이고, ?칭성이 충분하지 않다.

시험 번호 24는 Nb가 함유되어 있지 않기 때문에, 이상 입성장의 발생이 억제되어 있지 않다.

시험 번호 25는 Ti의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 하회하고 있고, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 미만이고, ?칭성이 충분하지 않다. 또한, 그 결과, 템퍼링 경도가 HRC34 미만이다. 이는, B가 N과 반응하여 BN으로서 석출된 것이 원인이라고 생각된다.

시험 번호 26은 Ti의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있고, 인장 강도가 750㎫ 이상이고, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 27은 B의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 하회하고 있고, 강재 중심부의 ?칭 경도가 HRC45 미만이고, ?칭성이 충분하지 않다. 또한, 그 결과, 템퍼링 경도가 HRC34 미만이다.

시험 번호 28은 Cr의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있고, 베이나이트가 생성되어 있기 때문에, 인장 강도가 750㎫ 이상, 또한 페라이트 분율이 40％ 미만이고, 냉간 단조성이 나쁘다.

시험 번호 29는 V의 함유량이 본 발명의 규정 범위를 상회하고 있다. V은 미세한 탄질화물이나 탄화물로서 석출되기 때문에, 페라이트 분율은 40％ 이상이지만, 인장 강도가 750㎫ 이상이고, 냉간 단조성이 나쁘다.

본 발명의 고강도 냉간 단조 부품용 압연 봉선을 소재로서 사용함으로써, 구상화 어닐링 처리를 생략 혹은 단시간화해도, 냉간 단조에 의해 성형할 수 있고, 가열해도 결정립의 이상 입성장이 억제되어, ?칭성이 우수한 고강도 냉간 단조 부품을 얻을 수 있다.

B : 경계선

Claims

화학 조성이, 질량％로,
C:0.24 내지 0.36％,
Si:0.40％ 미만,
Mn:0.20 내지 0.45％,
S:0.020％ 미만,
P:0.020％ 미만,
Cr:0.70 내지 1.45％,
Al:0.005 내지 0.060％,
Ti:0.010％ 초과, 0.050％ 이하,
Nb:0.003 내지 0.050％,
B:0.0003 내지 0.0040％,
N:0.0020 내지 0.0080％,
Cu:0 내지 0.50％,
Ni:0 내지 0.30％,
Mo:0 내지 0.050％,
V:0 내지 0.050％,
Zr:0 내지 0.050％,
Ca:0 내지 0.0050％ 및
Mg:0 내지 0.0050％
를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고,
하기 식 <1>, <2>로 표현되는 Y1, Y2가 하기 식 <3>으로 표현되는 관계를 만족시키고,
인장 강도가 750㎫ 이하이고, 또한
내부 조직이 페라이트ㆍ펄라이트 조직이고,
상기 내부 조직에 있어서, 페라이트 분율이 40％ 이상인 것을 특징으로 하는 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재.

단, 상기 식에 있어서의 [C], [Mn], [Cr]은 각각의 원소의 질량％로 표시한 함유량을 나타내고, D는 압연 봉강 또는 압연 선재의 단위㎜로 표시한 직경을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 화학 조성이, 질량％로,
Cu:0.03 내지 0.50％,
Ni:0.01 내지 0.30％,
Mo:0.005 내지 0.050％ 및
V:0.005 내지 0.050％
로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 화학 조성이, 질량％로,
Zr:0.003 내지 0.050％,
Ca:0.0005 내지 0.0050％ 및
Mg:0.0005 내지 0.0050％
로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 냉간 단조 부품용 압연 봉강 또는 압연 선재.