KR101996744B1 - 냉간 단조용 시효 경화용 강 - Google Patents

Abstract

높은 냉간 단조성을 갖고, 냉간 단조에 의한 가공 경화 및 냉간 단조 후의 시효 경화에 의해, 높은 내구비가 얻어지는 냉간 단조 부품이며, 소정의 화학 조성을 갖고, 고용 Nb양/고용 V양이 0.03 이상이며, 조직이, 면적률로, 페라이트: 85％ 이상, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계: 5％ 이하를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉간 단조용 시효 경화용 강

본 발명은 냉간 단조용 시효 경화용 강에 관한 것이다.

자동차 부품, 산업 기계 부품 및 건설 기계부품 등 기계 구조 부품의 소재가 되는 구조용 강으로서, 기계 구조용 탄소강 및 기계 구조용 합금강이 사용되고 있다.

이들 강재로부터 부품을 제조하기 위해, 종래는 주로 「열간 단조-절삭」 공정이 채용되어 왔다. 최근에는, 생산성의 향상을 목적으로 「냉간 단조-절삭」 공정으로의 전환이 지향되고 있다. 이와 같이 「냉간 단조-절삭」 공정을 채용함으로써, 냉간 단조에 의해 니어 넷 셰이프화를 도모할 수 있고, 또한 절삭량이 감소되기 때문에, 생산성이 향상된다.

그러나, 일반적으로, 냉간 단조는, 가공도가 크기 때문에, 가공 하중이 높고 금형 수명이 짧은 부품에 균열이 발생하기 쉬운 등의 문제가 생긴다. 따라서, 소재가 되는 강재의 냉간 단조성(냉단성)을 높이는 것, 즉 냉간 단조 시의 하중을 작게 하는 것, 균열 발생을 억제하는 것이 가장 중요한 과제이다.

한편, 자동차 부품, 산업 기계 부품 및 건설 기계 부품 등의 기계 구조 부품에는, 높은 피로 강도가 요구된다. 높은 피로 강도를 달성하기 위해서는, 냉간 단조 후의 경도를 높게 하는 것이 유효하다. 그러나, 소재인 강재의 경도를 높게 함으로써, 냉간 단조 후의 경도를 높이려고 하면, 냉간 단조성을 저하시킨다. 즉, 소재의 강재에 있어서, 냉간 단조성과 피로 강도를 양립시키기는 어려웠다.

그래서, 이러한 문제를 해결하기 위해, 냉간 단조 부품의 피로 강도를 높게 하기 위해서, 냉간 단조 후에, Ac3 이상의 온도로 가열하여, ?칭 템퍼링 또는 고주파 ?칭의 열처리를 행해, 전체 또는 표면을 경화하는 것이 행해지고 있다.

그러나, 이러한 방법은, 열처리 후의 부품 경도가 높아지기 때문에, 피삭성의 저하를 피할 수 없고, 냉간 단조에 의한 생산성 향상의 장점을 향수할 수 없다는 문제가 있었다.

그래서, 절삭 가공 시에는 경도를 필요 이상으로 높이지 않고, 절삭 가공 후의 열처리에 의해 경도를 높일 용도에 적용되는, 소위 시효 경화용 강재가 있다.

특허문헌 1에는, 화학 성분이 질량％로, C: 0.01 내지 0.15％, Si: 0.05％ 이하, Mn: 0.10 내지 0.90％, P: 0.030％ 이하, S: 0.030％ 이하, Cr: 0.50 내지 2.0％, V: 0.10 내지 0.50％, Al: 0.01 내지 0.10％, N: 0.00080％ 이하 및 O: 0.0030％ 이하를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 399×C+26×Si+123×Mn+30×Cr+32×Mo+19×V≤160 이하, 20≤(669.3×logC-1959.3×logN-6983.3)×(0.067×Mo+0.147×V)≤80, 160≤140×Cr+125×Al+235×V, 90≤511×C+33×Mn+56×Cu+15×Ni+36×Cr+5×Mo+134×V≤170을 만족시키고, 조직이 페라이트·펄라이트 조직, 페라이트·베이나이트 조직 또는 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직이고, 또한, 페라이트의 면적률이 70％ 이상이며, 추출 잔사 분석에 의한 석출물 중의 V 함유량이 0.10％ 이하이고, 코어부 경도가 비커스 경도로 220 이상, 유효 경화층 깊이 0.20㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 냉단 질화용 강, 냉단 질화용 강재 및 냉단 질화 부품에 관한 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 화학 성분이 질량％로, C: 0.06 내지 0.50％, Si: 0.05％ 이하, Mn: 0.5 내지 1.0％ 이하, V: 0.10 내지 0.60％를 포함하고, 초석 페라이트와 펄라이트의 합계량이 면적률로 90％ 이상이고, 또한 상기 초석 페라이트량이 식 f=100-125[C]+22.5[V]로 나타내는 f값 이상의 면적％이며, 상기 초석 페라이트 중에 VC가 석출된 냉간 가공성이 우수한 냉간 압조용 강에 관한 기술이 개시되어 있다.

국제 공개 제2012/053541호 일본 특허 공개 제2000-273580호 공보

특허문헌 1에 개시되어 있는 기술은, 우수한 냉간 단조성 및 냉간 단조 후의 피삭성을 갖는 강 및 강재를 제공함과 함께, 냉간 단조와 질화의 처리가 실시된 부품에, 높은 코어부 경도, 높은 표면 경도 및 깊은 유효 경화층 깊이를 구비시킬 수 있다. 그러나, 피로 강도에 대해서는 언급되어 있지 않고, 내구비(피로 강도/인장 강도)의 향상에 대해서는 검토되어 있지 않다.

특허문헌 2에 개시되어 있는 기술은, 압연 상태에서 냉간 가공에 제공할 수 있는 냉간 압조용 강에 관한 것으로서, 열간 압연 중에 VC를 석출시키고, 고용 C를 감소시킴으로써 냉간 단조성을 높인 강을 제공하는 것이다. 그러나, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 피로 강도를 고려한 것이 아니다. 또한, 강도를 향상시키는 경우는, 조질 처리하는 것을 전제로 하고 있으며, 조질 처리 후의 경화된 상태에서 절삭이 필요해지며, 피삭성의 저하를 피할 수 없다.

본 발명은 상기 현상을 감안하여 이루어진 것으로, 400MPa 이상의 인장 강도, 250MPa 이상의 피로 강도를 확보하면서, 높은 냉간 단조성을 갖고, 또한, 냉간 단조에 의한 가공 경화 및 냉간 단조 후의 시효 경화에 의해, 높은 내구비가 얻어지는 냉간 단조용 시효 경화용 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위하여 다양한 검토를 실시했다. 그 결과, 하기 (A) 내지 (D)의 사항이 밝혀졌다.

(A) 우수한 냉간 단조성을 얻기 위해서는, 단조에 제공하는 소재(강)의 경도를 저감하는 것이 필요하다. 소재의 경도를 저감함으로써 단조 하중을 저하시킬 수 있다. 또한, 냉간 단조 시의 균열을 억제하기 위해서는, 소재가 되는 강의 C양을 저감하는 것이 효과적이다.

(B) 시효 경화 처리 후에 높은 피로 강도를 얻기 위해서는, V 탄질화물, Nb 탄질화물의 석출 경화를 이용하는 것, 또한, 마이크로 조직을 페라이트와 펄라이트를 주체로 한 다음 이 펄라이트 면적률을 저감하는 것이 효과적이다. 시효 경화 처리는 단순히 피로 강도를 높일 뿐만 아니라, 내구비(피로 강도/인장 강도)를 높이는 작용이 있다. 내구비가 높으면, 필요로 하는 피로 강도를 확보하면서, 인장 강도를 비교적 낮게 할 수 있기 때문에, 절삭 가공성의 저하를 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서의 높은 내구비는, 0.600 이상인 것을 가리킨다.

(C) Nb는 단독으로 함유시켜도, 시효 경화 후에 충분한 내구비 향상 효과를 얻을 수 없지만, Nb와 V를 동시에 함유시키면, 복합 탄질화물이 석출함으로써, Nb를 단독으로 함유시킨 강과 비교한 경우에는 물론이고, V를 단독으로 함유시킨 강과 비교해도 큰 내구비 향상 효과를 얻을 수 있다.

(D) 우수한 냉간 단조성을 발휘시키기 위하여 C양을 저감해도, 소재가 되는 강의 화학 조성을 적정하게 제어하면, 충분한 시효 석출을 얻을 수 있고, 강의 내구비가 향상된다.

본 발명은 상기 (A) 내지 (D)의 지견에 기초하여 완성된 것이며, 그 요지는, 이하 대로이다.

[1] 화학 조성이, 질량％로, C: 0.02 내지 0.13％, Si: 0.01 내지 0.50％, Mn: 0.20 내지 0.70％, P: 0.020％ 이하(0％를 포함함), S: 0.005 내지 0.020％, Al: 0.005 내지 0.050％, Cr: 0.02 내지 1.50％, V: 0.02 내지 0.50％, Nb: 0.005 내지 0.050％, 및 N: 0.003 내지 0.030％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이며, 고용 Nb의 함유량(질량％)이 상기 Nb의 총 함유량에 대해 25％ 이상, 고용 V의 함유량(질량％)이 상기 V의 총 함유량에 대해 50％ 이상, 하기 식 (1)로 표현되는 fn1이 0.03 이상, 하기 식 (2)로 표현되는 fn2가 13.5 이하이며, 금속 조직이, 면적률로, 페라이트: 85％ 이상, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계: 5％ 이하(0％를 포함함)를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 단조용 시효 경화용 강.

식 (1)과 식 (2)에 있어서, [V]는 고용 V의 질량％, [Nb]는 고용 Nb의 질량％, C는 강이 함유하는 C의 질량％, V는 강이 함유하는 V의 질량％, Nb는 강이 함유하는 Nb의 질량％를 나타낸다.

[2] 상기 화학 조성이, Fe의 일부에 대체하여, Cu: 0.20％ 이하, Ni: 0.20％ 이하 및 Mo: 0.20％ 이하 중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 [1]의 냉간 단조용 시효 경화용 강.

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강은, 냉간 단조성이 우수하고, 또한, ?칭 템퍼링이나 고주파 ?칭의 열처리를 행하지 않고, 시효 경화 처리에 의해 높은 내구비와 피삭성을 확보할 수 있다. 또한 본 발명의 시효 경화강을 소재로서 사용함으로써 지금까지 일반적이었던 「열간 단조-절삭」 공정 대신에, 「냉간 단조-시효 경화 처리-절삭」 공정에 의해, 자동차 부품, 산업 기계 부품, 건설 기계 부품 등 기계 구조 부품을 제조할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 식 (1)에 의해 산출되는 fn1과, 내구비(피로 강도/인장 강도)의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강(이하 「강」또는 「강재」라고도 함)의 각 요건에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 각 원소의 함유량 「％」 표시는, 특별히 단서가 없는 한 「질량％」를 의미한다.

먼저, 화학 조성에 대해 설명한다.

[C: 0.02 내지 0.13％]

C는, 기계 구조 부품으로서의 강도를 높이기 위하여 필요한 원소이다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 냉간 단조 시의 균열을 억제하기 때문에, C양을 저감시킨다. C의 함유량이 0.13％를 초과하면 냉간 단조 시에 균열이 발생되기 때문에, 그의 함유량을 0.13％ 이하로 한다. C 함유량이 0.02％ 미만이면 시효 경화 처리 후에 400MPa 이상의 인장 강도, 250MPa 이상의 피로 강도를 확보할 수 없다. 이 때문에, C의 함유량을 0.02％ 이상으로 한다. 또한, C의 함유량은, 0.03％ 이상, 0.10％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

[Si: 0.01 내지 0.50％]

Si는, 용제 시의 탈산용으로서 필요한 원소이며, 이 효과를 얻기 위하여 0.01％ 이상을 함유시킨다. 그러나, Si는 페라이트를 고용 강화하기 때문에, Si의 함유량이 0.50％를 초과하면, 냉간 단조성을 저하시킨다. 따라서, Si의 함유량을 0.50％ 이하로 한다. Si의 함유량은, 0.05％ 이상, 0.45％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Mn: 0.20 내지 0.70％]

Mn은, 고용 강화 원소로서 최종 부품의 강도를 높인다. Mn의 함유량이 0.20％ 미만에서는 최종 부품의 강도가 부족하고, 0.70％를 초과하면 냉간 단조성을 저하시킨다. 이로 인해, Mn의 함유량을 0.20 내지 0.70％로 한다. 또한, Mn의 함유량은, 0.25％ 이상, 0.65％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[P: 0.020％ 이하]

P는, 강 중에 불가피적으로 함유되는 불순물이며, 강 중에서 편석되기 쉽고, 국소적인 연성 저하의 원인이 된다. P의 함유량이 0.020％를 초과하면, 국소적인 연성 저하가 현저해진다. 따라서, 함유량을 0.020％ 이하로 제한한다. 함유량은, 0.018％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. P의 함유량은 0이어도 된다.

[S: 0.005 내지 0.020％ 이하]

S는, 피삭성을 향상시키는 원소이다. 피삭성 향상의 효과를 얻기 위해서는 0.005％ 이상을 함유할 필요가 있다. 0.020％를 초과하여 함유하면, 강 중에 조대한 황화물을 생성시켜, 냉간 단조 시의 균열 발생의 원인이 된다. 따라서, S의 함유량을 0.005 내지 0.020％로 한다. 또한, S의 함유량은, 0.018％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Al: 0.005 내지 0.050％]

Al은 강 정련 시의 탈산제이다. 탈산 효과를 얻기 위하여 0.005％ 이상 함유시킨다. 함유량이 0.050％를 초과하면, 강 중에 조대한 Al 개재물을 생성하고, 냉간 단조 시의 균열 발생의 원인이 된다. 따라서, Al의 함유량을 0.050％ 이하로 한다. 또한, Al의 함유량은, 0.045％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Cr: 0.02 내지 1.50％]

Cr은, 고용 강화 원소로서 단조 후의 피로 강도를 높이는 효과를 갖는다. 그러나, 그의 함유량이 1.50％를 초과하면, 과도하게 소재 경도를 높여서 냉간 단조성이 저하된다. 이로 인해, Cr의 함유량을 0.02 내지 1.50％로 한다. 또한, Cr의 함유량은, 0.03％ 이상, 1.30％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[V: 0.02％ 내지 0.50％]

V는, 시효 경화 처리 시에 V와 Nb의 복합 탄질화물을 형성함으로써, 피로 강도와 내구비를 높인다. 이 효과를 얻기 위해서, V를 0.02％ 이상 함유시킨다. 합금 비용의 관점에서, 상한은 0.50％로 한다. 또한, V 함유량은, 0.03％ 이상인 것이 바람직하다.

[Nb: 0.005％ 내지 0.050％]

Nb는, V와 동시에 첨가함으로써, 시효 경화 처리 시에 V와 복합적으로 탄질화물을 형성하고, 내구비를 높인다. 이 효과를 얻기 위해서, 0.005％ 이상 함유시킨다. 합금 비용의 관점에서, 상한은 0.050％로 한다. 또한, Nb의 함유량은, 0.010％ 이상이 바람직하다.

[N: 0.003 내지 0.030％ 이하]

N은, 냉간 단조 후의 시효 경화 처리에 있어서 V, Nb와 결합하고, 복합 탄질화물로서 석출함으로써 내구비를 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해서, 0.003％ 이상 함유시킨다. 그러나, 과잉으로 함유되면 냉단성 저하의 원인이 되기 때문에, 그의 함유량을 0.030％ 이하로 한다. 또한, N의 함유량은, 0.025％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화용 강은, 상기 원소 이외에, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 것이다. 불가피적 불순물이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 의미한다.

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화용 강의 화학 조성은, 상기 원소 이외에, Fe의 일부에 대체하여, Cu, Ni 및 Mo 중의 1종 이상의 원소를 함유해도 된다.

이하, 임의의 원소인 Cu, Ni 및 Mo의 작용 효과와, 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.

[Cu: 0.20％ 이하]

Cu는 강의 피로 강도를 높이는 효과를 갖기 때문에, 0.20％ 이하를 함유시켜도 된다. 0.20％를 초과하면, 냉간 단조성이 저하된다. 냉간 단조성 확보의 관점에서, 함유시키는 경우의 Cu의 양은 0.15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Ni: 0.20％ 이하]

Ni는 강의 피로 강도를 높이는 효과를 갖기 때문에, 0.20％ 이하를 함유시켜도 된다. 0.20％를 초과하면, 냉간 단조성이 저하된다. 냉간 단조성 확보의 관점에서, 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Mo: 0.20％ 이하]

Mo는 강의 피로 강도를 높이는 효과를 갖기 때문에, 0.20％ 이하를 함유시켜도 된다. 0.20％를 초과하면, 냉간 단조성이 저하된다. 냉간 단조성 확보의 관점에서, 함유시키는 경우의 Mo의 양은 0.15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

고용 Nb의 함유량(질량％)이 상기 Nb의 총 함유량에 대해 25％ 이상, 고용 V의 함유량(질량％)이 상기 V의 총 함유량에 대해 50％ 이상일 필요가 있다.

고용 V양은, 강에 함유되는 V 중, 탄질화물로서 석출되지 않은 V의 질량％이며, 고용 Nb양은, 강재에 함유되는 Nb 중, 탄질화물로서 석출되지 않은 Nb의 질량％이다.

상술한 바와 같이, Nb 및 V를 강에 동시에 첨가함으로써, 시효 경화 처리 시에 V와 복합적으로 탄질화물을 형성시키고, 내구비를 높이는 것이 가능하다. 시효 경화 처리 시에 V와 복합적으로 탄질화물을 형성시키기 위해서는, 시효 경화 처리 전의 강에서는, 적정량의 고용 Nb, 고용 V가 존재할 필요가 있다.

구체적으로는, 본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강의 성분은, 식 (1)로 정의되는 fn1이, 0.03 이상이어야만 한다. 이것은, 시효 경화 처리 시에, 내구비를 높이기 위한 적절한 양의 Nb와 V의 복합 탄질화물을 얻기 위해서이다. 또한, fn1의 상한값은 특별히 한정하지 않지만, 0.90 이하여도 된다.

단, [V]는 고용 V의 질량％, [Nb]는 고용 Nb의 질량％를 나타낸다.

고용 V양, 고용 Nb양은, 예를 들어 이하의 추출 잔사 분석법에 의해 구할 수 있다.

환봉으로 성형된 시효 경화강의 반경×0.5의 위치에서, 10㎜×10㎜×10㎜의 시료를 잘라 내어, 추출 잔사 분석용 시료로 한다. 이 시료를, 10％ AA계 용액(테트라메틸암모늄클로라이드, 아세틸아세톤, 메탄올을 1:10:100으로 혼합한 액체) 중에서 정전류 전기 분해한다.

이 때, 표면의 부착물을 제거하기 위해서, 먼저, 전류: 1000mA, 시간: 28분의 조건으로 예비 전기 분해를 행한 후, 시료 표면의 부착물을 알코올 중에서 초음파 세정하여 시료에서 제거하고, 부착물이 제거된 시료의 질량을 측정하고, 다음에 행하는 전기 분해 전의 시료의 질량으로 한다.

이어서, 전류: 173mA, 시간: 142분, 실온 조건에서 시료를 전기 분해한다. 전기 분해한 시료를 꺼내어, 시료 표면의 부착물(잔사)을 알코올 중에서 초음파 세정하여 시료에서 제거한다. 그 후, 전기 분해 후의 용액 및 초음파 세정에 사용된 용액을, 메쉬 사이즈 0.2㎛의 필터로 흡인 여과하여 잔사를 채취한다. 부착물(잔사)이 제거된 시료의 질량을 측정하고, 전기 분해 전후의 시료의 질량 측정값의 차로부터, 「전기 분해된 시료의 질량」을 구한다.

상기의 필터 상에 채취한 잔사는, 샤알레에 옮겨서 건조시키고, 질량을 측정한 후, JIS G 1258에 준거하여, ICP 발광 분석 장치(고주파 유도 결합 플라스마 발광 분광 분석 장치)에 의해 분석하고, 「잔사 중의 V 및 Nb의 질량」을 구한다.

그리고, 상기와 같이 하여 구한 「잔사 중의 V 및 Nb의 질량」을, 「전기 분해된 시료의 질량」으로 나누고, 백분율 표시한 것이, 「추출 잔사 분석에 의한 고용 V양 및 고용 Nb양」이다.

fn1에 관한 상술한 식 (1)의 도출의 근거를 설명한다.

본 발명자들은, C: 0.02 내지 0.13％, Si: 0.01 내지 0.50％, Mn: 0.20 내지 0.70％, P: 0.020％ 이하(0％를 포함함), S: 0.005 내지 0.020％, Al: 0.005 내지 0.050％, Cr: 0.02 내지 1.50％, V: 0.02 내지 0.50％, Nb: 0.005 내지 0.050％, 및 N: 0.003 내지 0.030％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물인 강에 대해서, A3점 이하로 30min 내지 60min 유지하는 시험을 실시하여 다양한 고용 V양 및 고용 Nb양을 갖는 공시 강을 제작했다. 그리고, 상술한 방법으로 고용 V양 및 고용 Nb양을 측정함과 함께, 상기 공시 강에 대해 인장 시험(JIS Z 2241 준거), 오노식 회전 굽힘 시험(JIS Z 2274 준거)을 실시하고, 내구비를 구했다.

얻어진 결과로부터, 공시 강의 고용 V양에 대한 고용 Nb양의 비율을 구하고, 내구비의 관계를 조사한 결과를 도 1에 도시한다.

도 1에서, 공시 강의 고용 V양에 대한 고용 Nb양의 비율을 0.03 이상으로 함으로써, 내구비를 0.60 이상으로 할 수 있는 것이 명백해졌다. 식 (1)로 정의되는 fn1의 값이 0.03 미만이면, 복합 탄질화물을 석출하지 않기 때문에, 내구비 향상의 효과를 얻을 수 없다. 그로 인하여, fn1의 값을 0.03 이상으로 한정한다.

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강의 마이크로 조직은, 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직을 주체로 한 것이며, 또한 페라이트의 면적률이 85％ 이상으로 한다. 펄라이트의 면적률은 작어도 되며, 0이어도 된다. 또한, 페라이트와 펄라이트 이외의 조직(잔부 조직)으로서, 베이나이트나 마르텐사이트가 생성되는 경우가 있지만, 이러한 경우에는, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계 면적률이 5％ 이하로 제한할 필요가 있다.

또한, 본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강은, 식 (2)로 정의되는 fn2가 13.5이하이어야만 한다. 또한, fn 2값은 낮으면 낮을수록 바람직하고, 그의 하한값은 특별히 한정되지 않지만, 각 원소의 함유량의 상하한값으로부터, 0.80 이상이 된다.

단, C는 강이 함유하는 C의 질량％, V는 강이 함유하는 V의 질량％, Nb는 강이 함유하는 Nb의 질량％를 나타낸다.

fn2에 관한 상술한 식 (2)의 도출 근거를 설명한다.

내구비를 향상시키기 위해서는, 페라이트의 면적률을 85％ 이상으로 할 필요가 있다. 그리고, 페라이트를 더 강화하는 것이 중요하다. V 및 Nb는, 시효 경화 처리 중에 탄질화물을 석출하고, 페라이트를 강화하는 원소이다. 식 (2)로 정의되는 fn2의 값이 13.6 이상이면, 페라이트가 충분히 강화되지 않는다. 또한, 페라이트 면적률이 85％ 이상이 되지 않는 경우가 있다. 그로 인하여, 0.60 이상의 내구비를 얻을 수 없다. 그로 인하여, 본 발명에서 구하는 내구비를 얻기 위하여 fn2를 13.5 이하로 한다.

베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직은 페라이트·펄라이트 조직과 비교하여 냉간 변형능이 저하되는 조직이며, 냉간 단조 시의 균열의 발생 원인이 된다. 따라서, 베이나이트 조직 및 마르텐사이트 조직은 합계하여, 면적률로 5％ 이하로 제한해야만 한다. 냉간 단조 시의 균열을 억제하는 관점에서, 베이나이트 조직, 마르텐사이트 조직은 그 생성량이 0이어도 상관없다.

다음으로, 본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강의 제조 방법을 설명한다.

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화강을 얻기 위해서는, 예를 들어 상술한 화학 조성을 갖는 주조편 또는 강편을 피압연재로서, 열간 압연에 의해 압연하고, 또한, 최종 압연 공정에서의 압연을 종료한 후, 실온까지 냉각하면 된다.

주조편 또는 강편을 얻는 방법은 특별히 한정되지 않고 통상의 방법에 의하면 된다. 열간 압연은, 식 (1)에서 규정한 fn1값([Nb]/[V])을 얻기 위해서, 최종 압연 공정에서의 압연 온도는 900℃ 이상으로 실시할 필요가 있다.

또한, 열간 압연 종료 후에 실온까지 냉각할 때에 상기 규정의 마이크로 조직을 얻기 위해서, 마르텐사이트, 베이나이트가 생성되도록 큰 냉각 속도가 아닌 방법, 예를 들어 방랭 등에 의해 실시할 필요가 있다. 보다 구체적으로는, 평균 냉각 속도를 0.6℃/s 이하로 할 필요가 있다.

<시효 경화 처리에 대해서>

본 발명의 시효 경화용 강은, 예를 들어 기계 구조 부품을 제조하기 위하여 사용할 수 있다. 기계 구조 부품을 제조할 때에는, 본 발명의 시효 경화용 강에, 냉간 단조, 시효 경화 처리를 순서대로 실시하고, 그 후, 절삭 등의 가공 공정에 제공한다.

냉간 단조에 이어 시효 경화 처리 후의 경화를 가능한 한 억제하면서, 높은 피로 강도를 갖는 부품을 얻기 위해서는, 원하는 부품 형상을 얻기 위한 냉간 단조를 실시한 후, 예를 들어 200℃ 내지 Ac3점 이하의 온도 영역에, 30min 이상의 재가열(시효 경화 처리)을 실시하면 된다.

가열 온도가 200℃ 미만이면, 탄질화물의 석출이 일어나지 않기 때문에, 높은 내구비를 얻지 못할 우려가 있다. 또한 Ac3점을 초과하여 가열하면, 석출물의 조대화에 의해 높은 내구비를 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 오스테나이트로 변태하기 때문에, 열처리 변형을 피할 수 없다.

가열 시간이 30min 미만이면, 탄질화물의 석출이 일어나지 않고, 높은 내구비를 얻지 못할 우려가 있다. 또한 가열 시간이 길어져도, 마찬가지 효과는 얻어지지만, 너무 길어지면 제조 비용이 높아지기 때문에, 바람직하게는 180min 이하이다.

또한, Ac3점은, 이하의 식으로 산출할 수 있다.

식 중의 원소 기호는, 강 중의 원소 함유량(질량％)을 나타낸다.

이상, 본 발명에 관한 시효 경화용 강에 대해 설명했다. 본 발명의 시효 경화용 강의 형상은 특별히 불문하고, 강판, 강관, 조강(형강, 봉강, 선재, 궤조 등)등, 어떠한 형상에도 적용할 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이하의 실시예는, 본 발명의 일례를 구체적으로 나타내는 것이며, 본 발명은 이하의 실시예에서 사용한 조건에 한정되는 것은 아니다. 또한, 표 중에 있어서, 밑줄을 친 값은, 그 값이 본 발명 외인 것을 나타낸다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A 내지 P를 진공 용해에서 150kg 잉곳에 용제하고, 1200℃ 가열 후, 1000℃ 마무리로 φ 42의 환봉에 단신 성형(열간 단조)하고, 대기 중에서 냉각했다. 또한, 후술하는 시험 번호 17은, 1050℃ 가열하여 단신을 개시하고, 780℃ 마무리로 했다.

상기의 강 A 내지 P 중 강 A 내지 J는 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 강이다. 한편, 강 K 내지 P는 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위로부터 벗어난 비교예의 강이다.

표 2에, 열간 단조 후의 강의 경도, 조직, 고용 V양, 고용 Nb양, fn1, fn2를 나타낸다. 표 2의 「마이크로 조직」에 있어서의 「F」는 페라이트, 「P」는 펄라이트, 「B」는 베이나이트, 「M」은 마르텐사이트를 나타낸다. 또한, 표 2 중의 「B, M 면적률」이란, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계의 면적률을 나타낸다.

상기의 환봉 단신재로부터 φ 14×21㎜(φ 은 직경을 나타낸다. 이하 동일함)의 원주상 시험편을 잘라내고, 냉간 프레스에 의한 압축 시험을 행하여, 냉간 단조성 평가를 실시했다.

평가 항목은, 가공율((1-가공 후 높이/가공 전 높이)×100)이 70％일 때의 균열(70％ 가공 시의 균열) 발생의 유무 및 가공율 50％ 시의 단조 하중(50％ 가공 시의 하중, (ton))으로 했다. 균열은, 5배의 확대경을 이용하여 관찰하고, 5개의 시험편에 있어서 길이 0.5㎜ 이상의 균열이 관찰되지 않는 경우에, 균열 없음이라고 판정했다. 단조 하중에 대해서는, 20ton 이하를, 충분히 낮고 양호하다고 판정했다.

또한, 상기의 φ 42㎜ 환봉 단신재를, 그 횡단면을 관찰하도록 수지에 매립한 후, 연마하고, 나이탈로 부식되어 마이크로 조직을 관찰함과 함께, 9.8N의 하중으로 비커스 경도(시험기)를 측정했다. 마이크로 조직 관찰, 비커스 경도(시험기)는, 모두 환봉 단신재의 중심 부근에서 실시했다. 비커스 경도(시험기)는 3점 평균을 측정값으로 했다.

계속해서, 상기의 환봉 단신재를 φ 36㎜로 필링 가공 후, 75％의 냉간 단조를 모의한 φ 18㎜에의 인발 가공을 실시하고, 600℃로 가열하여 60min 유지(시효 경화 처리) 후, 대기 냉각하여, 인장 시험, 오노식 회전 굽힘 시험편을 채취하고, 각각의 시험에 제공했다.

또한, 상기의 φ 42㎜ 환봉 단신재로부터 10㎜³의 추출 잔사 시험편을 잘라내고, 상술한 추출 잔사 분석법에 의해 고용 V양, 고용 Nb양을 측정했다.

표 3에, 강재 A 내지 Q를 이용한 시험 번호 1 내지 17의 냉간 단조성 평가에 있어서의 가공율 70％ 시의 균열 유무, 가공율 50％ 시의 단조 하중, φ 18㎜ 인발 후에 600℃에서 60min 유지 후의 인장 강도, 피로 강도, 내구비(피로 강도/인장 강도)를 나타낸다. 내구비에 대해서는 0.600 이상인 경우에, 양호라고 판정하고, 인장 강도에 대해서는 400MPa 이상, 피로 강도에 대해서는 250MPa 이상인 경우에 양호라고 판정했다. 표 3 중의 밑줄은, 양호라고 판정되지 않은 것을 의미한다.

또한, 내구비, 피로 강도, 50％ 가공 시의 단조 하중의 모두가 양호했던 것을 「냉단성×피로 강도」가 양호하다고 판정하고, 본 발명의 효과를 향수할 수 있는 것이라고 평가했다.

표 3으로부터, 본 발명에서 규정하는 화학 조성과 마이크로 조직의 조건을 만족시키는 시험 번호 1 내지 10의 봉강 경우, 「냉단성×피로 강도」의 평가는 「○」, 즉, 목표로 하는 70％ 가공에 있어서 균열이 없고, 50％ 가공에 있어서 단조 하중은 20ton 이하이며, 원하는 냉간 단조성이 얻어졌다. 또한, 단조 후의 시효 경화 처리에 의해, 내구비가 0.60 이상이 되고, 경도를 억제하고, 높은 피로 강도가 얻어졌다.

이에 대하여, 본 발명에서 규정하는 화학 조성과 마이크로 조직의 조건 중 적어도 어느 것에서 벗어난 시험 번호 11 내지 17의 봉강의 경우, 「냉단성×피로 강도」의 평가는 「×」이며, 원하는 냉간 단조성 혹은 피로 강도가 얻어지지 않는다.

시험 번호 11의 경우, C의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 초과하고 있기 때문에, 냉간 단조 시의 하중이 높고, 또한 균열도 확인되고, 구하는 냉간 단조성이 얻어지지 않고 있다. 또한, 페라이트의 면적률이 낮고, 또한, fn2의 값이 본 발명에서 규정하는 값을 상회하고 있기 때문에, 요구하는 내구비는 얻어지지 않는다.

시험 번호 12의 경우, C의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있기 때문에, 냉간 단조 시의 단조성은 만족시키지만, 시효 경화 처리 후의 인장 강도, 피로 강도가 낮고, 요구하는 성능이 얻어지지 않는다.

시험 번호 13의 경우, V가 첨가되지 않기 때문에, 페라이트가 강화되지 않고, 또한, 페라이트의 면적률이 낮고, 또한, fn2의 값이 본 발명에서 규정하는 값을 상회하고 있기 때문에, 요구하는 내구비가 얻어지지 않는다.

시험 번호 14의 경우, V의 첨가량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있기 때문에, 페라이트가 충분히 강화되지 않고, 또한, 페라이트의 면적률이 낮고, 또한, fn2의 값이 본 발명에서 규정하는 값을 상회하고 있기 때문에, 구하는 내구비가 얻어지지 않는다.

시험 번호 15의 경우, Nb가 첨가되지 않기 때문에, 페라이트가 강화되지 않고, 요구하는 내구비가 얻어지지 않는다.

시험 번호 16의 경우, Nb의 첨가량이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있기 때문에, 페라이트가 충분히 강화되지 않고, 또한 fn1의 값이 본 발명에서 규정하는 값을 상회하고 있기 때문에, 요구하는 내구비가 얻어지지 않는다.

시험 번호 17의 경우, 고용 Nb의 함유량과 고용 V의 함유량이 본 발명에서 규정하는 값을 하회하고 있기 때문에, 페라이트가 충분히 강화되지 않고, 요구하는 내구비가 얻어지지 않는다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명의 냉간 단조용 시효 경화용은, 높은 피로 강도를 확보할 수 있고, 냉간 단조성이 우수하므로, 지금까지 「열간 단조-절삭」 공정으로 제조하고 있던 자동차용 부품, 산업 기계용 부품, 건설 기계용 부품 등 기계 구조 부품의 니어 넷 셰이프화에 공헌할 수 있다.

Claims (2)

1. 화학 조성이, 질량％로,
   C : 0.02 내지 0.13％,
   Si: 0.01 내지 0.50％,
   Mn: 0.20 내지 0.70％,
   P : 0.020％ 이하(0％를 포함함),
   S : 0.005 내지 0.020％,
   Al: 0.005 내지 0.050％,
   Cr: 0.02 내지 1.50％,
   V : 0.02 내지 0.50％,
   Nb: 0.005 내지 0.050％, 및
   N : 0.003 내지 0.030％
   를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이며,
   고용 Nb의 함유량(질량％)이 상기 Nb의 총 함유량에 대해 25％ 이상,
   고용 V의 함유량(질량％)이 상기 V의 총 함유량에 대해 50％ 이상,
   하기 식 (1)로 표현되는 fn1이 0.03 이상,
   하기 식 (2)로 표현되는 fn2가 13.5 이하이며,
   금속 조직이, 면적률로,
   페라이트: 85％ 이상,
   베이나이트와 마르텐사이트의 합계: 5％ 이하(0％를 포함함)
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 단조용 시효 경화용 강.
   

   

   
   식 (1)과 식 (2)에 있어서, [V]는 고용 V의 질량％, [Nb]는 고용 Nb의 질량％, C는 강이 함유하는 C의 질량％, V는 강이 함유하는 V의 질량％, Nb는 강이 함유하는 Nb의 질량％를 나타낸다.
2. 제1항에 있어서, 상기 화학 조성이, Fe의 일부에 대체하여, Cu: 0.20％ 이하, Ni: 0.20％ 이하 및 Mo: 0.20％ 이하 중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 냉간 단조용 시효 경화용 강.

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