KR102092055B1 - 열간 압연 강재 및 강 부품 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 형태에 관한 열간 압연 강재는 0.0001 내지 0.0050mass％의 Bi를 포함하는 소정의 화학 성분을 갖고, 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되고, 압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛, 또한 상기 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 50 내지 200개/mm2이다.

Description

열간 압연 강재 및 강 부품
본 발명은, 열간 압연 강재에 관한 것이다.
본원은, 2015년 10월 19일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2015-205436호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
자동차의 엔진용 부품 및 현가 장치용 부품은, 강을 열간 단조로 성형하고, 임의로 ?칭 템퍼링과 같은 열 처리(이후, 조질이라 칭함)를 행함으로써 얻어진다. 조질이 행해진 부품을 조질 부품이라 칭하고, 조질되지 않은 부품을 비조질 부품이라 칭한다. 어느 경우에 있어서도, 적용하는 부품에 필요한 기계 특성이 확보된다. 최근에는 제조 공정에 있어서의 경제 효율성의 관점에서 조질을 생략한 부품, 즉 비조질 부품이 많이 보급되고 있다.
자동차 엔진용 부품의 예로서 커넥팅 로드(이후, 콘 로드라 함)를 들 수 있다. 이 부품은, 엔진 내에서 피스톤 왕복 운동을 크랭크 샤프트에 의한 회전 운동으로 변환할 때에 동력을 전달하는 부품이다. 콘 로드는 캡부와 로드부로 구성되며, 핀부라 불리는 크랭크 샤프트의 편심 부위를 캡부와 로드부로 물어서 체결함으로써 크랭크 샤프트에 조립되어, 핀부와 회전 미끄럼 이동하는 기구에 의해 동력을 전달한다.
캡부와 로드부의 정합성을 향상시키기 위해 통상의 콘 로드를 제조할 때에는, 캡부와 로드부의 맞춤면을 평활하게 할 필요가 있다. 또한, 핀부를 캡부와 로드부로 물어서 체결할 때에는, 캡부와 로드부를 위치 정렬할 필요가 있기 때문에, 통상의 콘 로드를 제조할 때에는 캡부와 로드부의 맞춤면에 위치 정렬용의 요철을 형성할 필요가 있다. 맞춤면을 평활하게 하고, 또한 맞춤면에 요철을 형성하기 위한 기계 가공 공정은, 콘 로드의 제조 시간 및 제조 비용을 증대시킨다. 이 요철을 형성하기 위한 기계 가공 공정을 생략하기 위해, 최근 파단 분리형 콘 로드가 많이 채용되고 있다.
파단 분리형 콘 로드란, 강에 열간 단조 등을 행함으로써 캡부와 로드부가 일체로 된 형상으로 성형한 후, 캡부와 로드부의 경계에 상당하는 부분에 절결을 형성시켜, 파단 분리하는 공법에 의해 얻어지는 것이다. 이 공법에 의해 얻어지는 캡부 및 로드부의 맞춤면은, 파단 분리에 의해 얻어진 요철을 갖는 파면이다. 파단 분리한 파면끼리를 끼워 맞춤으로써, 콘 로드를 크랭크 샤프트에 조립할 때의 위치 정렬을 행할 수 있다. 따라서, 파단 분리형 콘 로드의 제조에서는 맞춤면의 정합성을 높이기 위한 기계 가공도, 위치 정렬용의 요철을 맞춤면에 설치하기 위한 기계 가공도 생략할 수 있다. 따라서, 파단 분리형 콘 로드는 부품의 기계 가공 공정을 대폭 삭감할 수 있어, 부품 제조시의 경제 효율성을 대폭 향상시킬 수 있다.
파단 분리형 콘 로드에 사용되는 강재로서 구미에서 보급되고 있는 것은, DIN 규격의 C70S6이다. C70S6은 0.7mass％의 C를 포함하는 고탄소 비조질강이며, 파단 분리시의 치수 변화를 억제하기 위해, 그 금속 조직이 연성 및 인성이 낮은 펄라이트 조직으로 이루어진다. C70S6은 파단시의 파면 근방의 소성 변형량이 작기 때문에, 파단 분리성이 우수하다. 강의 파단 분리성이란, 강을 파단 가공함으로써 얻어진 강의 파면끼리의 끼워 맞춤성을 평가하는 지표이다. 파면 근방의 변형량이 작고, 파면의 취성 파괴 면적률이 크고, 파단 가공시의 칩 발생량이 작은 강은, 파단 분리성이 양호하다고 판단된다. 그러나, C70S6은 통상의 콘 로드용 강인 중탄소 비조질강의 페라이트-펄라이트 조직에 비해 조직이 조대하기 때문에, 항복비(항복 강도/인장 강도)가 낮고, 높은 좌굴 강도가 요구되는 고강도 콘 로드에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.
강의 항복비를 높이기 위해서는 강의 탄소량을 낮게 억제하고, 강의 페라이트 분율을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 강의 페라이트 분율을 증가시킨 경우, 강의 연성이 향상되어, 파단 분리시에 파면 근방의 소성 변형량이 커지기 때문에, 크랭크 샤프트의 핀부에 체결되는 콘 로드 미끄럼 이동부의 형상 변형이 증대되어, 진원도가 저하된다는 부품 성능상의 문제가 발생한다.
또한, 최근 몇년간 고출력 디젤 엔진 혹은 터보 엔진의 보급에 의한 엔진 출력 증대에 따라, 콘 로드의 캡부와 로드부의 어긋남 방지, 즉 끼워 맞춤성 향상 및 체결력 향상 등의 요구가 있다. 이 중 끼워 맞춤성 향상에 대해서는, 파단 분리시킨 면(파면)의 요철을 크게 하도록 강재의 조직을 제어하는 것이 유효하다.
고강도의 파단 분리형 콘 로드에 적합한 강재로서, 몇 가지의 비조질강이 제안되어 있다. 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, Si 또는 P와 같은 취화 원소를 다량으로 첨가하여, 재료 자체의 연성 및 인성을 저하시킴으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 제2상 입자의 석출강화를 이용하여 페라이트의 연성 및 인성을 저하시키고, 이에 의해 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 5 내지 7에는, 강 중의 Mn 황화물의 형태를 제어함으로써 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다.
이들 기술은 파단 분리한 부위의 변형량을 작게 하는 한편, 재료를 깨지기 쉽게 한다. 따라서, 이들 기술에 의해 얻어진 강은, 파단 분리시 혹은 파면끼리를 끼워 맞췄을 때에 칩이 발생한다. 파면의 칩이 발생하면, 끼워 맞춤부의 위치 어긋남이 발생하고, 고정밀도로 끼워 맞출 수 없다는 문제가 발생한다. 특히, 파면의 요철을 크게 하면, 파단시에 칩이나 균열이 발생하는 빈도가 높아지기 때문에, 파면 요철의 증대와, 파단시의 칩 및 균열의 발생 방지의 양쪽을 동시에 달성 가능한 강이 요구되고 있었다. 칩, 균열의 발생 방지의 해결책으로서는, 특허문헌 8에 기재된 바와 같이 V의 편석을 저감하는 것을 들 수 있다. 또한, V는 고강도화를 목적으로 하여 첨가하는 화학 성분이다.
그러나, V의 편석 이외에도 칩, 균열을 발생시키는 원인이 있다. 실제로는 파면의 요철이 과도하게 큰 경우, 칩, 균열의 발생 빈도가 높아지는 경향이 있다. 이것은 파면의 인장 방향의 요철이 형성될 때에, 파면 방향으로 진전되는 균열 또는 오목부도 형성되기 때문이다. 파면끼리를 끼워 맞춰, 파면끼리를 체결하기 위해 파면에 응력을 인가할 때, 파면 방향으로 진전된 균열 또는 오목부가 응력 집중부가 되어, 여기에서 미세한 파괴가 발생한다고 생각된다. 한편, 파면끼리의 끼워 맞춤성을 높이기 위해서는, 파면의 요철을 크게 할 필요가 있다. 이상 설명한 바와 같이, 파면 요철의 거대화에 의한 끼워 맞춤성 향상과, 칩 및 균열의 발생 방지는 배반의 관계에 있으며, 그 양쪽의 달성은 현행의 공법으로는 해결할 수 없었다.
상기에 더하여, 콘 로드 제조시에는 드릴에 의한 천공 가공 등의 절삭 가공성도 중요시된다. 절삭 가공성을 향상시킴으로써 작업이 효율화되고, 생산성이 향상됨으로써 다대한 경제 효과가 창출되기 때문이다. 즉, 파단 분할 콘 로드에 있어서는, 기계 특성을 손상시키는 일 없이 절삭 가공성을 향상시킬 필요가 있다.
일본 특허 제3637375호 공보 일본 특허 제3756307호 공보 일본 특허 제3355132호 공보 일본 특허 제3988661호 공보 일본 특허 제4314851호 공보 일본 특허 제3671688호 공보 일본 특허 제4268194호 공보 일본 특허 제5522321호 공보
본 발명은 상기한 사정을 감안하여, 파단 분리시의 파면 근방 변형량을 작게 하고, 또한 파면의 요철을 크게 하여 끼워 맞춤성을 높이는 한편, 파면의 칩 발생량을 억제하고, 또한 피삭성이 우수한 열간 압연 강재 및 강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태에 관한 열간 압연 강재는, 화학 성분이 C: 0.35 내지 0.45mass％, Si: 0.6 내지 1.0mass％, Mn: 0.60 내지 0.90mass％, P: 0.010 내지 0.035mass％, S: 0.06 내지 0.10mass％, Cr: 0.25mass％ 이하, V: 0.20 내지 0.40mass％, Zr: 0.0002 내지 0.0050mass％, N: 0.0060 내지 0.0150mass％, Bi: 0.0001 내지 0.0050mass％, Ti: 0 내지 0.050mass％, Nb: 0 내지 0.030mass％, Mg: 0 내지 0.0050mass％ 및 REM: 0 내지 0.0010mass％를 함유하며, 잔부가 철 및 불순물로 이루어지고, 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되고, 압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는, 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 상기 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 50 내지 200개/mm2인 재료.
(2) 상기 (1)에 기재된 열간 압연 강재는, 상기 화학 성분이 Ti: 0.005 내지 0.050mass％, Nb: 0.005 내지 0.030mass％, Mg: 0.0005 내지 0.0050mass％ 및 REM: 0.0003 내지 0.0010mass％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
(3) 본 발명의 다른 형태에 관한 강 부품은, 화학 성분이 C: 0.35 내지 0.45mass％, Si: 0.6 내지 1.0mass％, Mn: 0.60 내지 0.90mass％, P: 0.010 내지 0.035mass％, S: 0.06 내지 0.10mass％, Cr: 0.25mass％ 이하, V: 0.20 내지 0.40mass％, Zr: 0.0002 내지 0.0050mass％, N: 0.0060 내지 0.0150mass％, Bi: 0.0001 내지 0.0050mass％, Ti: 0 내지 0.050mass％, Nb: 0 내지 0.030mass％, Mg: 0 내지 0.0050mass％ 및 REM: 0 내지 0.0010mass％를 함유하고, 잔부가 철 및 불순물로 이루어지고, 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되고, 압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 상기 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 50 내지 200개/mm2이다.
(4) 상기 (3)에 기재된 강 부품은, 상기 강 부품을 상기 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 파면을 형성한 경우에, 상기 압연 방향에 평행인 상기 단면에서 관찰되는 상기 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖고, 상기 인장 응력에 평행인 상기 방향에 대한 각도가 45도 이하인 단차가, 상기 파면에 10mm당 2.0개소 이상의 평균 개수 밀도로 형성되고, 상기 파면에 있어서의 취성 파괴 파면이 면적률로 따져서 98％ 이상이고, 상기 압연 방향에 평행인 상기 단면에서 관찰되는 상기 인장 응력에 평행인 상기 방향에 대한 각도가 45도 초과이고, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 상기 강 부품의 내부에 진전된 균열 또는 오목부의 평균 개수 밀도가, 상기 파면에 있어서 10mm당 3.0개소 미만이어도 된다.
(5) 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 강 부품은, 상기 화학 성분이 Ti: 0.005 내지 0.050mass％, Nb: 0.005 내지 0.030mass％, Mg: 0.0005 내지 0.0050mass％ 및 REM: 0.0003 내지 0.0010mass％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
본 발명의 일 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품은, 파단 분리했을 때에 파면 근방의 소성 변형량이 작고, 또한 파면의 칩 발생이 적어진다. 이로 인해 파면을 끼워 맞추는 경우 위치 어긋남이 발생하지 않아, 고정밀도로 끼워 맞출 수 있어, 강 부품의 정밀도 향상, 수율 향상을 동시에 실현할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품은 초미량의 Bi를 함유하기 때문에, 피삭성이 높다. 또한, 본 발명의 일 형태에 관한 강재 및 강 부품을 사용함으로써, 칩을 걸러내는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있으며, 이에 의해 산업상의 경제 효율성의 향상에 큰 효과가 있다. 본 발명의 일 형태에 관한 열간 압연 강재는, 열간 단조로 성형하여 얻어지는 강 부품의 용도에 적합하고, 특히 파단 분할한 후에 다시 파면끼리를 끼워 맞춰 사용하는 용도에 적합하다.
도 1a는 파단 분리성 평가용 시험편을 도시하는 평면도이다.
도 1b는 파단 분리성 평가용 시험편을 도시하는 측면도이다.
도 2는 본 실시 형태에 관한 강 부품의 균열 진전의 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태인 열간 압연 강재 및 강 부품에 대하여 설명한다.
본 발명자는, 강 중에 존재하는 Mn 황화물의 형상을 제어함으로써, 파단 분리에 의해 얻어지는 파면의 요철의 파면 수직 방향의 크기를 바람직하게 제어하고, 칩양을 억제할 수 있다는 것을 알아내었다.
본 발명자들이 알아낸 바에 의하면, 파면의 요철 형상은 Mn 황화물의 신장화 정도 및 분포 빈도에 영향을 받는다. Mn 황화물의 신장화가 과잉인(즉 Mn 황화물의 애스펙트비가 큰) 경우에는, 요철의 파면 수직 방향의 사이즈가 현저하게 커짐으로써, 파단 분리시나 파면 끼워 맞출 때에 칩이나 균열이 파면에서 발생하여, 파면 끼워 맞출 때에 공극이 발생하여 끼워 맞춤성이 저하된다. 한편, 신장화된 Mn 황화물의 분포 빈도가 증가하면, 파면의 요철의 개수가 증가하여 끼워 맞춤성이 향상된다.
본 발명자들은, 상술한 현상은 이하의 기구에 의해 발생한 것이라고 추측하고 있다. 강 부품의 Mn 황화물은, 강 부품의 재료인 열간 압연 강재의 열간 압연시에 압연 방향으로 신장화된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압연 방향과 거의 수직인 방향으로 강 부품(10)을 파단 분리할 때, 먼저 파단 기점(13)으로부터 압연 방향에 수직으로 균열(12)이 진전된다. 그러나, 압연 방향으로 신장화된 Mn 황화물(11)에 균열(12)이 도달하면, 균열(12)의 진전 방향이 크게 변화되고, 균열(12)은 Mn 황화물과 강 부품(10)의 모상(母相)의 계면을 따라 압연 방향에 대략 평행으로 진전된다고 생각된다. 균열(12)이 Mn 황화물(12)의 단부에 도달하면, 균열(12)의 진전 방향이 응력 방향으로 변화되고, 균열(12)은 다시 압연 방향과 대략 수직으로 진전된다. 균열(12)이 압연 방향에 수직인 진전과 압연 방향에 평행인 진전을 반복하면서 파단 분리가 진행됨으로써, 파면에 요철이 형성된다고 생각된다. 본 발명자들은, 이상의 이유에 의해 Mn 황화물(11)이 많으면 요철의 개수가 많아지고, Mn 황화물(11)의 애스펙트비가 크면 요철의 압연 방향을 따른 사이즈가 커진다고 추정하였다.
또한 본 발명자들은, 강 중에 0.0001 내지 0.0050mass％의 Bi를 첨가하면, 피삭성이 향상되는 것을 알아내었다.
피삭성이란, 절삭 가공의 용이성을 나타내는 지표이다. 예를 들어, 절삭 가공되었을 때에 발생하는 절삭칩이 짧은 강은, 피삭성이 양호하다고 판단된다. 절삭칩이 긴 경우 절삭칩이 절삭 가공을 방해하기 때문에, 절삭칩이 짧은 편이 절삭 가공의 능률이 높아진다.
종래 기술에 있어서도, Bi가 피삭성을 향상시킨다는 것은 알려져 있었다. 예를 들어 약 0.1mass％ 이상의 Bi는, 절삭칩 생성 영역에서 파괴 기점으로서 작용함으로써 절삭 저항을 저하시키고, 절삭칩을 짧게 하는 효과가 있다. 단, 이러한 기구는 Bi 함유량이 약 0.1％ 미만인 경우, Bi가 파괴 기점으로서 작용하기 어려워지고, 또한 파괴 기점의 개수가 감소하기 때문에, 충분히 발현되지 않는다고 생각되어 왔다. 한편, Bi는 강의 열간 단조성을 악화시키는 원소이기도 하기 때문에, 특별한 이유가 없으면 그 함유량을 가능한 한 적게 할 필요가 있다. 따라서 종래 기술에 의하면, 피삭성이 필요로 되지 않는 열간 단조용 강의 제조에 있어서는, Bi양은 가능한 한 적게 해야 하며, Bi를 이용하여 피삭성을 향상시키는 경우에 있어서는, Bi 함유량을 약 0.1％ 이상으로 해야 한다고 알려져 있었다. 또한, 열간 단조성과 피삭성의 양쪽을 높이는 것을 Bi를 사용하여 달성하는 것을 시도한 예는 없다.
그러나 본 발명자들은, 0.0001 내지 0.0050mass％의 초미량의 Bi가 강의 피삭성을 향상시킨다는 것을 알아내었다. 초미량의 Bi 자체는, 절삭칩 생성 영역에서 파괴 기점으로서 작용하지 않는다고 생각된다. 그러나 본 발명자들은, 초미량의 Bi가 강의 결정 계면 및 모상과 개재물의 계면(이하, "계면"이라 칭함)에 편석된다는 것을 알아내었다. 계면에 Bi가 편석되면, 결정끼리의 결합력 또는 모상과 개재물의 결합력이 저하된다. 따라서, 계면에 Bi가 편석되면, 계면이 파괴 기점으로서 작용하여 절삭 저항을 저하시키고, 절삭칩을 짧게 하는 것이다. 이 초미량 Bi의 쾌삭성 향상 기구에 관한 본 발명자들의 지견에 기초하여, 본 실시 형태의 열간 압연 강재의 Bi양은, 통상의 쾌삭제로서 사용되는 양보다 훨씬 적은 0.0001 내지 0.0050mass％가 되었다. 이에 의해, 본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 열간 단조성을 손상시키는 일 없이 피삭성이 높아졌다.
이상의 지견에 기초하여 얻어진 본 발명의 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품의 화학 성분, Mn 황화물의 형태 및 파단 분할에 의해 얻어지는 파면의 형태에 대하여 설명한다. 또한, 열간 압연 강재의 화학 성분은, 열간 가공에 따라 변화되지 않는다. 또한, Mn 황화물의 사이즈는 열간 가공에 의해 부여되는 변형의 사이즈와 비교하여 매우 미소하기 때문에, 열간 압연 강재의 Mn 황화물의 형태도 열간 가공에 의해 거의 변화되지 않는다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재를 열간 가공하여 얻어지는 본 실시 형태에 관한 강 부품의 화학 성분 및 Mn 황화물의 형태는, 이하에 설명되는 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재의 그것들과 동일하다. 또한, 파단 분할에 의해 얻어지는 파면의 형태는 화학 성분 및 Mn 황화물의 형태에 따라 결정되기 때문에, 파단 분할에 의해 얻어지는 파면의 형태에 대하여, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재와 본 실시 형태에 관한 강 부품은 동일하다.
본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 화학 성분으로서 C, Si, Mn, P, S, Cr, V, Zr, N 및 Bi를 소정의 함유율로 포함하는 강재이다. 본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 이하에 설명하는 화학 성분을 포함함으로써 연성이 바람직하게 제어되고, 인장 응력에 의해 얻어지는 파면(인장 파면)에 있어서의 취성 파괴 파면의 비율을 향상시키고, 또한 Mn 황화물을 석출시켜 파면의 요철의 파면 수직 방향의 사이즈를 크게 할 수 있다. 이에 의해, 본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 파단 분할했을 때에 얻어지는 파면이 높은 끼워 맞춤성을 갖는다. 또한, 본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 화학 성분으로서 Ti, Nb, Mg, REM 중 1종 또는 2종 이상을 임의로 더 함유해도 된다.
이하, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 화학 성분의 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하 특별히 언급이 없는 한, 열간 압연 강재의 화학 성분의 한정 이유는 강 부품의 화학 성분의 한정 이유와 동등하다.
C: 0.35 내지 0.45mass％
C는 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 인장 강도를 확보하는 효과, 및 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여 양호한 파단 분리성을 실현하는 효과를 갖는다. C의 증가에 따라 펄라이트 조직의 체적 분율이 상승됨으로써, 인장 강도가 상승되고, 그리고 연성 및 인성이 저하된다. 이들 효과를 최대한으로 발휘시키기 위해, 강 중의 C 함유량을 0.35 내지 0.45mass％로 설정하였다. C 함유량이 이 상한값을 초과하면, 열간 압연 강재의 펄라이트 분율이 과대해져, 파단시의 칩의 발생 빈도가 높아진다. 또한, C 함유량이 하한값을 만족하지 않는 경우에는, 열간 압연 강재의 파면 근방의 소성 변형량이 증가하여, 파면의 끼워 맞춤성이 저하된다. 또한, C 농도의 바람직한 하한값은 0.36mass％ 또는 0.37mass％이다. C 함유량의 바람직한 상한값은 0.44mass％, 0.42mass％ 또는 0.40mass％이다.
Si: 0.6 내지 1.0mass％
Si는 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량의 하한을 0.6mass％로 할 필요가 있다. 한편, Si가 과잉으로 함유되면 파면의 칩이 발생하는 빈도가 상승하기 때문에, Si 함유량의 상한은 1.0mass％로 한다. 또한, Si 함유량의 바람직한 하한값은 0.7mass％이다. Si 함유량의 바람직한 상한값은 0.9mass％이다.
Mn: 0.60 내지 0.90mass％
Mn은 고용 강화에 의해 페라이트를 강화하고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 향상시킨다. 또한, Mn은 S와 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 본 실시 형태의 열간 압연 강재로부터 얻어지는 강 부품을 파단 분할할 때에 압연 방향으로 신장된 Mn 황화물을 따라 균열이 전파된다. 따라서, Mn은 파면의 요철을 크게 하여, 파면을 끼워 맞출 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 그러나, Mn 함유량이 부족한 경우, Mn 황화물의 석출 온도가 적정 범위인 정출 온도 영역을 하회하여, 석출 온도 영역 내가 되는 경우가 있다. 정출이란, 액상으로부터 다른 물질이 분리 생성되는 것이며, 석출이란, 고상으로부터 다른 물질이 분리 생성되는 것이다. 정출에 의해 발생하는 Mn 황화물은, 석출에 의해 발생하는 Mn 황화물보다 조대해지는 경향이 있다. Mn 황화물의 석출 온도가 석출 온도 영역 내가 되는 경우, 균열을 전파시키는 Mn 황화물의 밀도가 과잉이 되어, 인장 방향으로 일어나는 균열이 분단되고, 인장 방향으로 일어나는 단차의 성장이 저해되는 경우가 있다. 한편, Mn을 과잉으로 함유하는 경우, 페라이트가 지나치게 단단해져 파단시의 칩이 발생하는 빈도가 증가된다. 이것들을 감안하여, Mn 함유량은 0.60 내지 0.90mass％이다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 하한값은 0.65mass％, 0.70mass％ 또는 0.75mass％이다. Mn 함유량의 바람직한 상한값은 0.85mass％, 0.83mass％ 또는 0.80mass％이다.
P: 0.010 내지 0.035mass％
P는 페라이트 및 펄라이트의 연성 및 인성을 저하시키고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 향상시킨다. 단, P는 결정립계의 과잉의 취화를 일으켜, 파면의 칩이 발생되기 쉽게 한다. 따라서, P의 첨가를 이용하여 연성 및 인성을 저하시키는 방법은, 칩 방지의 관점에서 적극적으로 활용해야 하는 것은 아니다. 이상을 고려하면, P 함유량의 범위는 0.010 내지 0.035mass％가 된다. P 함유량의 바람직한 하한값은 0.012mass％, 0.013mass％ 또는 0.015mass％이다. P 함유량의 바람직한 상한값은 0.030mass％, 0.028mass％ 또는 0.025mass％이다.
S: 0.06 내지 0.10mass％
S는 Mn과 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 본 실시 형태의 열간 압연 강재로부터 얻어지는 강 부품을 파단 분할시킬 때, 압연 방향으로 신장된 Mn 황화물을 따라 균열이 전파되기 때문에, Mn 황화물은 파면의 요철의 파면 수직 방향의 사이즈를 크게 하고, 파면을 끼워 맞출 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, S 함유량의 하한을 0.06mass％로 할 필요가 있다. 한편, S가 과잉으로 함유되면, 파단 분할시의 파면 근방의 소성 변형량이 증대되고, 파단 분리성이 저하되는 경우가 발생한다. 또한, 과잉량의 S는 파면의 칩 발생을 조장하는 경우가 있다. 이상의 이유에 의해, S의 적합한 범위를 0.06 내지 0.10mass％로 한다. S 함유량의 바람직한 하한값은 0.07mass％이다. S 함유량의 바람직한 상한값은 0.09mass％이다.
Cr: 0.25mass％ 이하
Cr은, Mn과 마찬가지로 고용 강화에 의해 페라이트를 강화하고, 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 향상시킨다. 그 효과를 얻기 위해서는, Cr 함유량의 하한을 0.02mass％로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유하면 펄라이트의 라멜라 간격이 작아져, 오히려 펄라이트의 연성 및 인성이 높아진다. 그 때문에, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량이 커져, 파단 분리성이 저하된다. 또한, Cr을 과잉으로 함유하면 베이나이트 조직이 생성되기 쉬워져, 파단 분리성이 대폭 저하되는 경우가 있다. 따라서, Cr을 함유시키는 경우, 그 함유량을 0.25mass％ 이하로 한다. Cr 함유량의 바람직한 하한값은 0.05mass％, 0.06mass％, 0.08mass％ 또는 0.10mass％이다. Cr 함유량의 바람직한 상한값은 0.23mass％, 0.20mass％ 또는 0.18mass％이다.
V: 0.20 내지 0.40mass％
V는, 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성함으로써 페라이트를 강화하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재로 이루어지는 강 부품의 파단 분리성을 양호하게 한다. 또한, V는, 탄화물 또는 탄질화물의 석출 강화에 의해 열간 압연 강재의 항복비를 높인다는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, V 함유량의 하한을 0.20mass％로 할 필요가 있다. V 함유량의 하한은 바람직하게는 0.23mass％ 또는 0.25mass％이다. 한편, V를 과잉으로 함유하여도 그 효과는 포화되기 때문에, V 함유량의 상한은 0.40mass％이다. 바람직하게는 V 함유량의 상한은 0.38mass％ 또는 0.35mass％이다.
Zr: 0.0002 내지 0.0050mass％
Zr은 산화물을 형성하고, 이 Zr 산화물은 Mn 황화물의 정출 핵 또는 석출 핵이 되어, Mn 황화물을 균일하고 미세하게 분산시킨다. 이 미세 분산된 Mn 황화물이 파단 분할시의 균열의 전파 경로가 되어, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 파단 분리성을 높이는 효과가 있다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Zr 함유량의 하한을 0.0002mass％로 할 필요가 있다. 단, Zr이 과잉으로 함유되어도 그 효과는 포화되기 때문에, Zr 함유량의 상한을 0.0050mass％로 한다. Zr 함유량의 하한을 0.0005mass％ 또는 0.0010mass％로 하는 것이 바람직하다. Zr 함유량의 바람직한 상한값은 0.0045mass％, 0.0040mass％, 0.0030mass％ 또는 0.0029mass％이다.
N: 0.0060 내지 0.0150mass％
N은 열간 단조 후의 냉각시에 주로 V 질화물 또는 V 탄질화물을 형성하여 페라이트의 변태 핵으로서 작용함으로써, 페라이트 변태를 촉진한다. 이에 의해, N은, 열간 압연 강재로부터 얻어지는 강 부품의 파단 분리성을 대폭 손상시키는 베이나이트 조직의 생성을 억제하는 효과가 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, N 함유량의 하한을 0.0060mass％로 한다. N을 과잉으로 함유하면, 열간 압연 강재 및 강 부품의 열간 연성이 저하되어, 열간 가공시에 깨짐 또는 결함이 발생하기 쉬워지는 경우가 있다. 따라서, N 함유량의 상한을 0.0150mass％로 한다. 또한, N 함유량의 바람직한 하한값은 0.0065mass％, 0.0070mass％, 0.0080mass％ 또는 0.0085 mass％이다. N 함유량의 바람직한 상한값은 0.0140mass％, 0.0130mass％ 또는 0.0120mass％이다.
Bi: 0.0001 내지 0.0050mass％
Bi는 결정립계 및 모상과 개재물의 계면에 편석되어, 계면의 결합력을 저하시킴으로써, 절삭시의 변형 저항을 저하시키는 효과가 있다. 종래 기술에 의하면, Bi 자체를 절삭 변형시의 파괴 기점으로서 작용시키고, 이에 의해 피삭성을 향상시키기 위해서는, Bi 함유량을 약 0.1mass％ 이상으로 하는 것이 필요하다고 생각되어 왔다. 그러나 본 발명자들은, Bi를 절삭 변형시의 파괴 기점으로서 사용하는 것이 아니라, 계면을 취화시키는 원소로서 사용함으로써, 0.0050mass％ 이하의 Bi여도 피삭성이 향상된다는 것을 알아내었다.
상술한 효과를 발현시키기 위한 Bi 함유량의 하한을 0.0001％로 했지만, 효과를 충분히 발휘시키기 위한 바람직한 범위로서는 Bi 함유량을 0.0015mass％ 이상으로 해도 된다. 그러나, Bi양이 0.0050mass％ 초과인 경우, 열간 압연 강재 및 강 부품의 열간 단조성이 악화되는 경우가 있다. 또한, Bi양이 0.0050mass％ 초과인 경우, 계면이 과잉으로 취화되어, 파면에 칩이 발생되기 쉬워지는 경우가 있다. 따라서, Bi 함유량의 상한값은 0.0050mass％로 하였다. Bi 함유량은 0.0045mass％ 이하, 0.0040mass％ 이하, 0.0035mass％ 이하 또는 0.0030mass％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재는, 발명의 효과를 더욱 현저하게 하기 위해, Ti: 0.050mass％ 이하, Nb: 0.030mass％ 이하, Mg: 0.0050mass％ 이하 및 REM: 0.0010mass％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 선택하여 함유할 수 있다. 그러나, Ti, Nb, Mg 및 REM이 함유되지 않는 경우에도, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품은 과제를 해결할 수 있다. 따라서, Ti, Nb, Mg 및 REM의 하한값은 0mass％이다.
Ti: 0 내지 0.050mass％
Ti는 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 석출강화에 의해 페라이트를 강화하고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 이에 의해 파단 분리성을 향상시킨다. 그러나, Ti를 과잉으로 함유하면 그 효과가 포화된다. 상술한 효과를 얻기 위해 Ti를 함유시키는 경우에는, Ti 함유량의 상한을 0.050mass ％로 하는 것이 바람직하다. Ti의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Ti 함유량의 하한을 0.005mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 Ti 함유량의 하한값은 0.015mass％, 0.018mass％ 또는 0.020mass％이다. 보다 적합한 Ti 함유량의 상한값은 0.040mass％, 0.035mass％ 또는 0.030mass％이다.
Nb: 0 내지 0.030mass％
Nb는, 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여, 석출 강화에 의해 페라이트를 강화하고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 연성 및 인성을 저하시킨다. 연성 및 인성의 저하는, 파단시의 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하고, 이에 의해 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 향상시킨다. 그러나, Nb를 과잉으로 함유하면 그 효과가 포화된다. 상술한 효과를 얻기 위해 Nb를 함유시키는 경우에는, Nb 함유량의 상한을 0.030mass％로 하는 것이 바람직하다. Nb의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Nb 함유량의 하한을0.005mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 Nb 함유량의 하한값은 0.010mass％이다. 보다 적합한 Nb 함유량의 상한값은 0.0030mass％, 0.028mass％, 또는 0.025mass％이다.
Mg: 0 내지 0.0050mass％
Mg는, 산화물을 형성하여 Mn 황화물의 정출 핵 또는 석출 핵으로 되고, 이에 의해 Mn 황화물을 균일하고 미세하게 분산시킨다. 이 Mn 황화물이 파단 분할시의 균열의 전파 경로가 되어, 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 높인다. 단, Mg가 과잉으로 함유되어도 그 효과는 포화되기 때문에, Mg 함유량의 상한을 0.0050mass％로 하는 것이 바람직하다. 이 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, Mg 함유량의 하한을 0.0005mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 Mg 함유량의 하한값은 0.0006mass％이다. 보다 적합한 Mg 함유량의 상한값은 0.0045mass％, 0.0040mass％, 0.0035mass％, 0.0030mass％, 0.0025mass％ 또는 0.0015mass％이다.
REM: 0 내지 0.0010mass％
REM은, 산 황화물을 형성하여 Mn 황화물의 정출 핵 또는 석출 핵으로 되고, 이에 의해 Mn 황화물을 균일하고 미세하게 분산시킨다. 이 Mn 황화물이 파단 분할시의 균열의 전파 경로가 되어, 파면 근방의 소성 변형량을 작게 하여, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분리성을 높인다. 단, REM이 과잉으로 함유되면, 강재 제조 단계에 있어서 주조 공정에서의 노즐 막힘 등의 문제가 발생한다. 따라서, REM 함유량의 상한을 0.0010mass％로 한다. 이 효과를 충분히 발휘하기 위해서는 REM 함유량의 하한을 0.0003mass％로 하는 것이 바람직하다. 보다 적합한 REM 함유량의 하한값은 0.0004mass％ 또는 0.0005mass％이다. 보다 적합한 REM 함유량의 상한값은 0.0009mass％ 또는 0.0008mass％이다. 또한, "REM"이라는 용어는, Sc, Y 및 란타노이드로 이루어지는 합계 17 원소를 말하며, 상기 "REM의 함유량"이란, 이들 17 원소의 합계 함유량을 의미한다. 란타노이드를 REM으로서 사용하는 경우, 공업적으로는 REM은 미시 메탈(misch metal)의 형태로 첨가된다.
본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품의 화학 성분의 잔부는, 철 및 불순물이다. 불순물이란, 광석이나 스크랩 등의 원재료 및 제조 환경으로부터 혼입되는 것이며, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품의 특성에 영향을 미치지 않는 것을 말한다. 또한, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품은, 그 효과를 손상시키지 않는 범위에서 상기 성분 이외의 원소를 포함할 수 있다. 예를 들어 0 내지 0.01mass％의 Te, 0 내지 0.01mass％의 Zn 및 0 내지 0.01mass％의 Sn 등은, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품의 효과를 손상시키지 않기 때문에, 함유되어도 된다.
금속 조직: 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성된다.
본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 금속 조직은, 소위 페라이트-펄라이트 조직이 된다. 금속 조직 중에 베이나이트 등이 포함되는 경우가 있지만, 베이나이트는 파단 분할성을 손상시키기 때문에 바람직하지 않다. 그래서 본 발명자들은, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 금속 조직이 합계 90면적％ 이상인 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 것으로 규정하였다. 이 규정에 의해, 베이나이트 양이 10면적％ 이하로 제한되어, 열간 압연 강재 및 강 부품의 파단 분할성이 양호하게 유지된다. 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 금속 조직은 합계로 92면적％, 95면적％ 또는 98면적％ 이상의 페라이트 및 펄라이트를 포함해도 된다.
페라이트 및 펄라이트의 합계량이 상술한 범위 내인 한, 양자의 비율은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 페라이트 또는 펄라이트가 0면적％여도, 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트으로 구성되는 한, 양호한 파단 분할성이 유지된다. 또한, 페라이트 및 펄라이트의 합계량이 상술한 범위 내인 한, 금속 조직의 잔부의 구성은 특별히 한정되지 않는다. 금속 조직에 포함되는 페라이트 및 펄라이트의 양은, 연마 및 에칭된 단면의 광학 현미경 사진을 촬영하고, 이 사진을 화상 해석함으로써 구해진다.
(압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도: 50 내지 200개/mm2)
본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품의 내부에는 Mn 황화물이 형성된다. Mn 황화물은, 열간 압연 강재의 압연 방향을 따라 신장화되어 있다. 신장화된 Mn 황화물은, 열간 압연 강재 및 강 부품을 인장하여 파단시킴으로써 얻어진 파면에 적절한 요철 형상을 형성하기 위해 필수적인 개재물이다.
본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품에서는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 압연 방향을 장축측으로 해서 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 신장화된 Mn 황화물이 1mm2당 50개 이상 200개 이하로 분포된다. 신장화된 Mn 황화물은 압연 방향의 인장 파단에 의해 형성된 파면에 인장 방향으로 요철을 형성하여, 파면끼리의 끼워 맞춤성을 높인다. 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물은, 요철의 인장 방향의 사이즈를 적정화할 수 있다. 또한, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 개수가 50 내지 200개/mm2인 경우, 요철의 개수를 적정화할 수 있다.
애스펙트비가 10 이하인 Mn 황화물 및 원 상당 직경이 1㎛ 미만인 Mn 황화물은, 파면의 요철의 인장 방향의 사이즈를 충분히 크게 할 수 없어, 파면끼리의 끼워 맞춤성의 향상에 기여하지 않는다. 애스펙트비가 30을 초과하는 Mn 황화물 및 원 상당 직경이 5㎛ 초과인 Mn 황화물은 파면의 요철을 현저하게 하지만, 깨짐이나 칩 발생의 빈도를 증대시키기 때문에, 파면끼리의 끼워 맞춤성을 손상시킨다. 따라서, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키지 않는 Mn 황화물의 개수 밀도는 적은 편이 바람직하다. 단, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 개수 밀도가 상술한 범위 내이며, 또한 Mn 황화물의 생성원이 되는 Mn 및 S의 함유량이 상술한 범위 내인 경우, 화학 성분 중의 Mn 및 S가 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물에 의해 소비되어, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키지 않는 Mn 황화물의 생성이 충분히 억제된다. 따라서, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키지 않는 Mn 황화물의 개수 밀도는 특별히 제한되지 않는다.
상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 하한값을 만족하지 않는 경우에는, 파면의 요철의 개수가 적어지고, 파단 분리 후의 파면의 끼워 맞춤성이 불충분해진다. 또한, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 하한값을 만족하지 않는 경우, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키지 않는 Mn 황화물의 개수 밀도가 증대되어, 파단 분리성 또는 끼워 맞춤성을 손상시킬 우려가 있다. 한편, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도의 하한값을 80개/mm2, 95개/mm2 또는 110개/mm2로 해도 된다.
또한, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 상한값을 초과하는 경우에는, 파면에 있어서 깨짐, 칩이 발생하고, 이 경우에도 파면의 끼워 맞춤성이 손상된다. 또한, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 상한값을 초과하는 경우에는, 인장 방향으로 일어나는 균열이 분단되기 쉬워져, 인장 방향으로 일어나는 단차의 성장이 저해되는 경우가 있다. 한편, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도의 상한값을 195개/mm2, 180개/mm2 또는 160개/mm2로 해도 된다.
열간 압연 강재 및 강 부품 중의, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도의 측정 방법은 이하와 같다.
먼저, 열간 압연 강재 및 강 부품을 압연 방향에 평행으로 절단하고, 절단면을 연마한다. Mn 황화물은 압연 방향을 따라 연신되기 때문에, 열간 압연 강재 및 강 부품을 절단할 때에는, Mn 황화물의 연신 방향을 열간 압연 강재 및 강 부품의 압연 방향으로 간주할 수 있다.
이어서, 절단면의 확대 사진을 광학 현미경 또는 전자 현미경에 의해 촬영한다. 이 때의 배율은 특별히 한정되지 않지만, 100배 정도가 바람직하다. Mn 황화물은 거의 균일하게 분포되어 있기 때문에, 사진 촬영을 행하는 영역은 특별히 한정되지 않는다.
그리고, 사진을 화상 해석함으로써, 그 사진이 촬영된 영역에 있어서의 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 개수 밀도를 구할 수 있다. 또한, 신장화된 Mn 황화물 중에는, 분단되어 압연 방향으로 열 형상으로 응집되어 분포하는 것도 있다. 그러나, 압연 방향(신장 방향)을 따라 나란히 배열되어 있으며, 또한 단부끼리의 간격이 10㎛ 이하인 2개의 Mn 황화물은, 1개의 신장Mn 황화물로 간주한다. 이러한 2개의 Mn 황화물은, 열간 압연 강재 또는 강 부품을 인장 파단시킬 때 발생하는 균열을 인장 방향으로 전파시킨다는 점에 있어서, 1개의 Mn 황화물과 동일한 거동을 나타낸다고 생각되기 때문이다.
또한, 사진 촬영과 해석을 적어도 10회 반복하고, 이에 의해 얻어진 개수 밀도를 평균함으로써, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 구해진다.
이어서, 본 실시 형태의 열간 압연 강재의 제조 방법에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재의 제조 방법은, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재와 동일한 화학 성분을 갖는 강을 용제 및 연속 주조하여 블룸을 얻는 공정과, 블룸에 분괴 압연 등의 열간 가공을 하여 빌렛을 얻는 공정과, 빌렛을 열간 압연하여 원형봉을 얻는 공정을 포함하고, Zr이 용제에 있어서의 2차 정련의 초기 단계에서 첨가되어, 열간 압연에서의 총 감면율이 80％ 이상이며, 또한 열간 압연에서의 1000℃ 이하에서의 감면율이 50％ 이상인 것을 특징으로 한다. 본 실시 형태에 관한 강 부품의 제조 방법은, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재를 1150 내지 1280℃로 가열하여 열간 단조하는 공정 및 열간 단조된 열간 압연 강재를 실온까지 공랭 또는 충풍 냉각하는 공정, 또는 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재를 냉간 단조하는 공정과, 냉각된 열간 압연 강재를 절삭 가공하여 소정 형상을 갖는 강 부품을 얻는 공정을 갖는다.
본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재의 제조 방법의 상세한 설명은 이하와 같다. 먼저, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재와 동일한 화학 성분을 갖는 강을 전로에서 용제하고, 연속 주조함으로써 블룸을 제조한다. 전로 용제시에, 2차 정련 전 또는 2차 정련 중에 Zr을 용강에 첨가한다. 조대한 Zr 산화물을 충분히 용강으로부터 부상 분리시키고, 또한 Zr 산화물을 핵으로 해서 생성되는 Mn 황화물을 용강 중에 미세하게 분산시키기 위해, 2차 정련 초기의 단계(예를 들어 RH(Ruhrstahl-Heraeus) 등을 사용하여 용강에 탈가스 처리를 행하기 이전, 또는 RH에 의한 탈가스 처리 동안이며 처리 개시 후 15분 이내)에서 Zr을 첨가할 필요가 있다. Zr의 첨가가 RH 등을 사용한 탈가스 처리 개시 후 15분보다 후에 행해진 경우, Zr 산화물을 사용한 Mn 황화물의 미세화를 위한 시간이 불충분해지기 때문에, 블룸 중의 Mn 황화물이 조대화된다. 블룸 중의 Mn 황화물이 조대화된 경우, Mn 황화물의 원 상당 직경이 규정 범위 밖이 되고, 또한 이후의 블룸 압연 공정에 있어서 Mn 황화물이 과잉으로 연신되어, 상술한 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키지 않는 Mn 황화물이 증대된다.
얻어진 블룸을, 분괴 압연 공정 등을 더 거쳐서 빌렛으로 한다. 얻어진 빌렛을 또한 열간 압연에 의해 원형봉으로 한다. 이와 같이 하여 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재를 제조한다. 또한, 빌렛을 원형봉 형상으로 할 때의 압연 감면율은 80％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 강 중의 Mn 황화물을 신장화시킬 수 있다. 또한, Mn 황화물의 신장화를 현저하게 하기 위해, Mn 황화물의 고온 경도가 강재에 대하여 상대적으로 낮은 온도 영역, 즉 Mn 황화물의 신장이 용이하게 되는 온도 영역에서 열간 압연할 필요가 있다. 구체적으로는, 1000℃ 이하에서의 압연 감면율을 50％ 이상으로 할 필요가 있다. 이에 의해, 강 중의 Mn 황화물을 신장화시킬 수 있다. 이들 압연 조건이 만족되지 않는 경우, Mn 황화물이 충분히 연신되지 않는다. 또한, 열간 압연 후의 열간 압연 강재는 실온까지 냉각되어도 되고, 냉각 전에 또한 열간 단조에 사용되어도 된다.
본 실시 형태에 관한 강 부재의 제조 방법의 상세한 설명은 이하와 같다. 상술한 방법에 의해 얻어진 열간 압연 강재를 예를 들어 1150 내지 1280℃로 가열하여 열간 단조 하고, 공랭(강을 대기 중에 방치함으로써 냉각) 또는 충풍 냉각(강에 바람을 보내어 냉각)에 의해 실온까지 냉각한다. 냉각 후의 단조재를 절삭 가공함으로써, 소정 형상의 강 부품으로 한다. 열간 압연 강재를 단조할 때에는 열간 단조에 한하지 않고, 냉간 단조해도 된다.
본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은, 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 파면을 형성한 경우, 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는, 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖고, 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 이하인 단차가 파면에 10mm당 2.0개소 이상의 평균 개수 밀도로 형성된다. 즉, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품을 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 형성한 파면에 임의인 선분(예를 들어 파면 중심을 통과하는 선분)을 그은 경우, 그 선분 위에 있는 상술한 단차의 개수 밀도는 평균 2.0개/10mm 이상이 된다. 또한, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은, 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 파면을 형성한 경우, 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 초과이며, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 강 부품의 내부로 진전된 균열 또는 오목부의 평균 개수 밀도가 파면에 있어서 10mm당 3.0개소 미만으로 제한된다. 또한, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은, 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 파면을 형성한 경우, 파면에 있어서의 취성 파괴 파면이 면적률로 따져서 98면적％ 이상이 된다.
파면의 성상에 대하여 규정한 이유를 설명한다. 인장 파단에 의해 형성된 파면끼리를 끼워 맞춰, 파면에 수평 방향으로 응력을 가하면, 그 응력은 파면의 요철에 의해 수평 방향 및 2개의 법선 방향(면 내에서 90°의 기울기 방향 및 파면과 수직 방향)으로 3차원적으로 분산된다. 이 경우, 인가된 응력은, 파면의 요철의 인장 방향의 사이즈가 클수록 분산된다. 발명자들은, 요철에 의해 형성되는 단차가, 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 이하이고, 또한 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖는 경우에, 이 요철이 끼워 맞춤성에 기여한다고 판단하였다. 또한, 파면의 칩이 발생하지 않는 한, 파면의 단차의 인장 방향의 사이즈가 클수록, 응력 인가시의 위치 어긋남을 더욱 확실하게 방지할 수 있다.
칩 발생량은, 파면에 있어서의 인장 방향에 수직인 방향(파면 방향)으로 연신되는 균열 또는 오목부의 존재와 상관이 있다. 즉, 어떤 일정한 크기 이상의 파면 방향의 균열 혹은 파면 방향의 오목부가 많을수록, 칩의 발생량이 증가한다. 파면을 끼워 맞출 때에 파면 방향의 균열 또는 오목부가 응력 집중부로서 작용하여 미세하게 파단됨으로써, 칩이 발생한다고 생각된다. 본 발명자들은, 파면의 칩 발생량을 억제하기 위해서는, 파면 방향의 균열 혹은 오목부의 개소를 최소한으로 억제하는 것이 필요하다는 것을 알아내었다. 구체적으로는, 칩 발생량을 충분히 억제하기 위해서는, 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 초과이며, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 강 부품의 내부로 진전된 균열 또는 오목부의 평균 개수 밀도를 10mm당 3.0개소 미만으로 제한해야 한다는 것을 본 발명자들은 알아내었다.
특히 Mn 황화물의 형태 및 분산 상태가 파면 형상에 큰 영향을 미치기 때문에, 칩을 발생시키지 않는 범위에서 파면의 요철을 최대화하기 위해서는, Mn 황화물의 형태와 분산 상태를 제어하는 것이 중요하다. 보다 구체적으로는, 균열 전파의 경로가 되는 Mn 황화물을 적정한 범위 내에서 신장화시키고, 또한 다량으로 분산시키는 것이 파면의 요철의 인장 방향의 사이즈를 크게 하는 것에 기여한다. 그래서, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품에서는, 파단시에 파면의 칩을 발생시키지 않는 범위에서 실험적으로 실현 가능한 현저한 파면 요철 형상을 상기와 같이 규정하였다.
또한, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품은, 화학 조성이 바람직하게 제어되어, 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트 및 펄라이트가 되고, 또한 소정의 형태를 갖는 Mn 황화물이 내부에 분산되어 있기 때문에, 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품을 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 분할하여 얻어지는 파면의 98면적％ 이상은, 취성 파면이 된다. 연성 파면에서는 변형이 발생하기 때문에, 연성 파면은 파면의 끼워 맞춤성을 손상시킨다. 파면의 98면적％ 이상이 취성 파면인 경우, 파면의 끼워 맞춤성이 바람직하게 유지된다.
파면 형상의 평가 방법은 이하와 같다.
파면에 차지하는 취성 파면의 면적률은, 통상의 파면 해석의 방법에 따라 사진을 분석함으로써, 벽개 깨짐, 의사 벽개 깨짐 혹은 입계 깨짐 등으로 구성되는 취성 파면이 발생된 영역을 획정하고, 이 취성 파면 영역의 면적이 파면 전체의 면적에 차지하는 비율을 산출함으로써 구해진다.
파단 분할에 의한 변형량은, 파단 후의 열간 압연 강재 또는 강 부품을 맞대어 볼트로 죄어, 파단 방향의 내경과, 파단 방향에 수직인 방향의 내경의 차를 측정하고, 이 차를 파단 분할에 의한 변형량으로 간주함으로써 구해진다.
파면의 칩 발생량은, 파면을 맞대어 20N·m의 토크로 볼트 체결하여 조립하고, 이어서 볼트를 풀어서 파면을 해방시키는 작업을 10회 반복하여, 이에 의해 탈락한 파편의 총 중량을 측정하고, 이 총 중량을 파면의 칩 발생량으로 간주함으로써 구해진다.
압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖고, 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 이하인 단차(인장 방향 단차)의 개수 밀도, 및 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 초과이며, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 강 부품의 내부에 진전된 균열 또는 오목부(파면 방향 균열)의 개수 밀도는, 이하의 방법에 의해 평가된다. 먼저, 파면이 형성된 열간 압연 강재 또는 강 부품을 인장 방향에 평행으로 절단하고, 파면 형상을 인장 방향에 수직인 방향으로부터 관찰할 수 있도록 한다. 절단 전에 파면을 수지 매립함으로써, 절단시에 파면 형상이 유지되도록 해도 된다. 파면 형상을 상술한 절단면에서 관찰함으로써, 인장 방향의 요철 및 파면 방향의 요철을 관찰할 수 있다.
또한, 인장 방향 단차 및 파면 방향 균열의 개수 밀도를 측정하기 위한 절단면은, 인장 방향에 평행인 한 시험편의 임의의 장소에 형성할 수 있지만, 편의상, 절단면에서의 파면이 가능한 한 커지도록 절단면을 형성하는 것이 바람직하다. 관찰은, 절단면에서의 임의의 5시야 이상에서 실시하고, 관찰시에 각 시야에서의 인장 방향 단차 및 파면 방향 균열의 10mm당의 개수 밀도를 측정하여, 그것들의 평균값을 구한다. 이에 의해, 인장 방향 단차 및 파면 방향 균열의 개수 밀도가 구해진다.
본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품을 파단시키는 방법은 특별히 한정되지 않지만, 압연 방향에 평행인 인장 응력을 사용하여 파단시키는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에 관한 열간 압연 강재 및 강 부품의 Mn 황화물은 압연 방향에 평행으로 연신되어 있기 때문에, 압연 방향에 평행인 인장 응력을 가하여 압연 방향에 대략 수직인 파면을 형성함으로써, Mn 황화물에 의한 요철 형성 효과가 최대화된다. 또한, 파단 분리성을 향상시키기 위해, 파면을 형성하는 개소에 인장 응력을 가하기 전에 노치 가공을 실시해 두는 것이 바람직하다. 노치 가공의 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 브로치 가공 또는 레이저 가공에 의해 노치 가공을 행해도 된다.
본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은, 파단 분리되었을 때에 파면 근방의 소성 변형량이 작고, 또한 파면의 칩 발생이 적어진다. 이로 인해, 파면을 끼워 맞출 경우, 위치 어긋남이 발생하지 않아, 고정밀도로 끼워 맞출 수 있으며, 강 부품의 정밀도 향상, 수율 향상을 동시에 실현할 수 있다. 또한, 강 중에 초미량의 Bi를 함유시킴으로써, 피삭성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품을 사용함으로써, 칩을 걸러 내는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용을 저감할 수 있고, 이에 의해 산업상의 경제 효율성의 향상에 큰 효과가 있다.
실시예
본 발명을 실시예에 의해 이하에 상세하게 설명한다. 또한, 이들 실시예는 본 발명의 기술적 의의 및 효과를 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
표 1 및 표 2에 나타내는 조성을 갖는, 전로에서 용제한 강을 연속 주조함으로써 블룸을 제조하고, 이 블룸을, 분괴 압연 공정을 거쳐서 한 변이 162mm인 정사각형의 빌렛으로 하고, 또한 열간 압연에 의해 직경이 56mm인 원형봉 형상으로 하였다. 강 O1 이외의 강의 용제시에는, RH를 사용하여 용강에 탈가스 처리를 행하기 전 또는 탈가스 처리 개시 후 15분 이내에 용강에 Zr을 첨가하였다. 강 O1의 용제시에는 Zr을 첨가하지 않았다. 빌렛을 열간 압연하여 원형봉 형상으로 할 때, 총 감면율은 90％로 하고, 1000℃ 이하의 온도 영역에서의 감면율은 80％로 하였다. 또한, 표 중의 "-"이라는 기호는, 기호가 기재된 개소에 관한 원소의 함유량이 검출 한계값 이하(불순물 수준)인 것을 나타내고 있다. 분괴 압연 전의 블룸의 가열 온도 및 가열 시간은 각각 1270℃ 및 140min이며, 열간 압연 전의 빌렛의 가열 온도 및 가열 시간은 각각 1240℃ 및 90min이었다. 표 2에 있어서 밑줄이 그어진 값은, 본 발명의 범위 밖의 수치이다.
상술한 방법에 의해 얻어진 강에 포함되는, 압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이며, 또한 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도(Mn 황화물 개수 밀도)를 이하의 방법으로 산출하였다. 먼저, 강을 압연 방향에 평행으로 절단하고, 절단면을 연마하였다. 이어서, 강의 절단면의 확대 사진을 광학 현미경 또는 전자 현미경에 의해 촬영하였다. 이 때의 배율은 100배로 하였다. 그리고, 사진을 화상 해석함으로써, 그 사진이 촬영된 영역에서의 Mn 황화물 개수 밀도를 구하였다. 또한, 압연 방향을 따라 나란히 배열되어 있으며, 또한 단부끼리의 간격이 10㎛ 이하인 2개의 Mn 황화물은, 1개의 신장 Mn 황화물로 간주하였다. 또한, 사진 촬영과 해석을 10회 반복하고, 이에 의해 얻어진 개수 밀도를 평균함으로써, 강의 Mn 황화물 개수 밀도를 구하였다.
또한, 상술한 방법에 의해 얻어진 강의 조직에 포함되는 페라이트 및 펄라이트의 합계량을, 강을 절단하고, 절단면을 연마 및 에칭하고, 절단면의 광학 현미경 사진을 촬영하고, 이 사진을 화상 해석함으로써 구하였다. 또한, 상술한 공정을 4회 반복하고, 얻어진 페라이트 및 펄라이트의 합계량의 평균값을 강의 페라이트 및 펄라이트의 합계량으로 간주하였다. 측정의 결과, 모든 본 발명 강의 금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되어 있는 것이 확인되었다.
이어서, 파단 분리성을 조사하기 위해, 단조 콘 로드 상당의 시험편을 열간 단조로 제작하였다. 구체적으로는, 상술한 공정에 의해 직경 56mm, 길이 100mm의 소재 봉강이 된 강을 1150 내지 1280℃로 가열한 후, 봉강의 길이 방향에 수직으로 단조하여 두께 20mm로 하였다. 그리고, 단조된 강은 공랭 (대기 중에서 방치함에 따른 냉각) 또는 충풍 냉각(시험편으로 바람을 보내어 냉각)에 의해 실온까지 냉각하였다. 냉각 후의 단조재로부터, JIS4호 인장 시험편과, 콘 로드 대단부 상당 형상의 파단 분리성 평가용 시험편을 절삭 가공하였다. JIS4호 인장 시험편은, 단조재의 측면으로부터 30mm 위치에서 길이 방향을 따라 채취하였다. 파단 분리성 평가용 시험편은, 도 1에 도시한 바와 같이 80mm×80mm이면서 두께 18mm인 판 형상의 중앙부에 직경 50mm의 구멍을 뚫은 것이며, 직경 50mm의 구멍의 내면 상에는, 단조 전의 소재인 봉강의 길이 방향에 대하여 ±90도의 위치 2개소에, 깊이 1mm이면서 선단 곡률 0.5mm인 45도의 V 노치 가공을 실시하였다. 또한, 볼트 구멍으로서 직경 8mm의 관통 구멍을, 그 중심선이 노치 가공측의 측면으로부터 8mm의 개소에 위치하도록 뚫었다.
파단 분리성 평가의 시험 장치는, 분할 금형과 낙추 시험기로 구성되어 있다. 분할 금형은 직사각형의 강재 상에 성형된 직경 46.5mm의 원기둥을 중심선을 따라 2분할한 형상이며, 한쪽이 고정되고, 다른쪽이 레일 상을 이동한다. 2개의 반원 기둥의 맞춤면에는 쐐기 구멍이 가공되어 있다. 파단 시험시에는, 시험편의 직경 50mm의 구멍을 이 분할 금형의 직경 46.5mm의 원기둥에 끼우고, 쐐기를 꽂아 낙추 상에 설치한다. 낙추는 질량 200kg이며, 가이드를 따라 낙하하는 구조이다. 낙추를 떨어뜨리면 쐐기가 타입되어, 시험편은 2개로 인장 파단된다. 또한, 파단시에 시험편이 분할 금형으로부터 유리되지 않도록, 시험편은 분할 금형에 압박되도록 주위가 고정되어 있다.
파면에 차지하는 취성 파면의 면적률(취성 파괴 면적률)의 측정 방법은, 이하와 같이 하였다. 먼저, 낙추 높이 100mm에서 강을 파단시켜, 파면의 광학 현미경 사진을 촬영하였다. 통상의 파면 해석의 방법에 따라 사진을 분석함으로써, 벽개 깨짐, 의사 벽개 깨짐 혹은 입계 깨짐 등으로 구성되는 취성 파면이 발생된 영역을 획정하고, 이 취성 파면 영역의 면적이 파면 전체의 면적에 차지하는 비율을 산출하였다.
파단 분리시의 변형량(변형량)의 측정 방법은, 이하와 같이 하였다. 파단 후의 시험편을 맞대어 볼트로 죄고, 파단 방향의 내경과, 파단 방향에 수직인 방향의 내경의 차를 측정하였다. 이 차를 파단 분할에 의한 변형량으로 하였다.
파면의 칩 발생량(칩 발생량)의 측정 방법은, 이하와 같이 하였다. 상술한 변형량 측정을 행한 후, 파면을 맞대어 20N·m의 토크로 볼트 체결하여 조립하고, 이어서 볼트를 풀어서 파면을 해방시키는 작업을 10회 반복하였다. 이에 의해 탈락된 파편의 총 중량을 측정하고, 이 총 중량을 파면의 칩 발생량으로 하였다.
파단 분리성이 양호한 강이란, 파면의 파괴 형태가 취성적이고, 또한 파단 분리에 의한 파면 근방의 변형량이 작고, 또한 칩 발생량이 적은 강이다. 본 발명자들은, 취성 파면의 면적률이 98％ 이상이고, 파면 근방의 변형량이 100㎛ 이하이고, 또한 칩 발생량이 1.0mg 이하인 강을 양호한 파단 분리성을 갖는 강이라고 판단하였다.
또한, 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 초과이며, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 강 부품의 내부로 진전된 균열 또는 오목부의 평균 개수 밀도(파면 방향 균열수)가 10mm당 3.0개소 미만으로 제한된 파면이 형성된 강을, 파단 분리성이 양호한 강으로 간주하였다. 파면 끼리의 끼워 맞춤성을 높이기 위해서는, 파면의 요철의 인장 방향의 사이즈(즉, 요철에 의해 형성되는 단차의 사이즈)가 클 것, 또한 요철이 높은 빈도로 존재할 것이 필요하다. 본 발명자들은, 압연 방향에 평행인 단면에서 관찰되는, 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖고, 인장 응력에 평행인 방향에 대한 각도가 45도 이하인 단차(인장 방향 단차)의 개수 밀도(인장 방향 단차수)가 10mm당 2.0개소 이상인 파면이 형성된 시료를 끼워 맞춤성이 높은 시료로 간주하였다.
파면의 인장 방향 단차 및 파면 방향 균열의 개수 밀도는, 이하의 방법에 의해 측정하였다. 먼저, 시험편을 인장 방향으로 절단하고, 파면 형상을 인장 방향에 수직인 방향으로부터 관찰할 수 있도록 하였다. 파면 단면을 상술한 절단면에서 관찰함으로써, 인장 방향의 요철 및 파면 방향의 요철을 관찰하였다. 절단면은, 파면의 중심을 포함하도록 형성되었다. 관찰은, 절단면에서의 임의의 5시야에서 실시하였다. 관찰시에는, 각 시야에서의 인장 방향 단차 및 파면 방향 균열의 10mm당의 개수 밀도를 측정하고, 그것들의 평균값을 구하였다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 제조 No.1 내지 29의 본 발명예는 모두 상술한 합격 기준을 만족하고 있으며, 파단 분리성이 우수하고, 동시에 끼워 맞춤성이 양호하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 제조 No.1 내지 29에 대해서는, 강 중의 Mn 황화물 중, 본 발명의 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물은 1mm2당 50개 이상 분포하고 있었다.
한편, 표 2에 나타낸 바와 같이, 제조 No.30 내지 46은 C, Si, Mn, P, S, Cr, V, Zr, N 및 Bi 중 1종 이상의 함유량이 본 발명이 범위로부터 벗어나 있다. 이것들은 이하의 이유에 의해, 표 4에 나타낸 바와 같이 본 발명의 요건을 만족하고 있지 않다.
제조 No.30, 32, 36, 41, 44는 각각 C, Si, P, V, N의 함유량이 본 발명의 범위의 하한 미만이며, 파단 분리시의 소성 변형량이 양호한 파단 분리성의 조건인 100㎛를 초과한다.
제조 No.31, 33, 35, 37은 각각 C, Si, Mn, P의 함유량이 본 발명의 범위의 상한을 초과하고 있으며, 파단시의 칩 발생량이 1.0mg을 초과한다.
제조 No.34는 Mn의 함유량이 본 발명의 범위의 하한 미만이며, Mn 황화물의 생성 온도가 적정 온도 영역보다도 낮아졌기 때문에, Mn 황화물의 정출량이 감소하고, Mn 황화물의 석출량이 증가하였다. 그 결과, 원 상당 직경 1 내지 5㎛의 크기의 Mn 황화물의 개수 밀도가 상한값을 초과하였기 때문에, 인장 방향으로의 균열이 분단되기 쉬워져, 인장 방향으로의 단차의 성장이 저해되었기 때문에, 제조 No.34의 파면의 인장 방향 단차수가 본 발명의 요건을 만족하지 않았다.
제조 No.38은 S의 함유량이 본 발명의 범위 상한을 초과하여, 파단시의 칩 발생량이 1.0mg을 초과함과 함께, 파단 분리시의 소성 변형량이 양호한 파단 분리성의 조건인 100㎛를 초과한다.
제조 No.39는 S의 함유량이 본 발명의 범위 하한 미만이어서, Mn 황화물의 체적 분율, 신장화도가 불충분하고, 파면의 요철 개소수가 본 발명의 요건을 만족하지 않는다.
제조 No.40은 Cr의 함유량이 본 발명의 범위 상한을 초과하여, 파단 분리시의 소성 변형량이 양호한 파단 분리성의 조건인 100㎛를 초과한다.
제조 No.42는 Zr이 함유되어 있지 않으며, Mn 황화물의 분포가 성기게 분산되고, 파면의 요철 개소수가 본 발명의 요건을 만족하지 않음과 함께, 파단 분리시의 소성 변형량이 양호한 파단 분리성의 조건인 100㎛를 초과한다.
제조 No.43은 N의 함유량이 본 발명의 범위의 상한을 초과하여, 강재 제조 단계, 즉 주조 및 열간 압연 단계에서 결함을 다발시켜, 강 부품에 적용할 소재로서 부적당하게 된다.
제조 No.45는 Bi의 함유량이 본 발명의 범위의 하한 미만이다. 제조 No.45의 파단 분리성은 합격 범위 내였지만, 후술하는 피삭성이 떨어졌다.
제조 No.46은 Bi의 함유량이 본 발명의 범위의 상한을 초과하여, 강재 제조 단계, 즉 주조 및 열간 압연 단계에서 결함을 다발시켜, 강 부품에 적용할 소재로서 부적당하게 되었다.
피삭성에 관해서는, 앞서 설명한 직경 56mm의 열간 압연 강재를 직경 25mm까지 열간 단조한 후, 길이 500mm로 절단하고, NC 선반을 사용하여, 하기의 조건으로 선삭 가공함으로써 조사한 절삭칩 처리성에 기초하여 평가하였다.
절삭칩 처리성은, 이하의 방법으로 평가하였다. 피삭성 시험 중 10초 동안에 배출된 절삭칩을 회수하였다. 회수된 절삭칩의 길이를 조사하고, 긴 것부터 순서대로 10개의 절삭칩을 선택하였다. 선택된 10개의 절삭칩의 총 중량을 "절삭칩 중량"이라 정의하였다. 절삭칩을 길게 연결한 결과, 절삭칩의 총 수가 10개 미만인 경우, 회수된 절삭칩의 1개당 평균 중량을 10배한 값을 "절삭칩 중량"으로 정의하였다. 예를 들어, 절삭칩의 총 수가 7개이며, 그 총 중량이 12.0g인 경우, 절삭칩 중량은 12.0g×10개/7개=17.1g으로 계산하였다.
피삭성 평가에 사용한 칩은 이하와 같았다.
모재 재질: 초경 P20종 그레이드
코팅: 없음
또한, 선삭 가공 조건은 이하와 같았다
주속: 150m/min
전송: 0.2mm/rev
절입: 0.4mm
윤활: 수용성 절삭유 사용
각 마크의 절삭칩 중량이 15g 이하인 시료는, 절삭칩 처리성이 높다고 판단되어, 표 3 및 표 4에 "좋음"으로 기재되었다. 절삭칩 중량이 15g을 초과하는 시료는 절삭칩 처리성이 낮다고 평가되어, 표 3 및 표 4에 "나쁨"으로 기재되었다. Bi를 본 발명의 범위 내에서 첨가한 강에 대해서는 모두 절삭칩 중량이 15g 이하인 것에 비해, Bi를 첨가하지 않은 제조 No.30 내지 33 및 No.45는 절삭칩 중량이 15g을 초과하고, 피삭성이 떨어졌다.
Figure 112018035479540-pct00001
Figure 112018035479540-pct00002
Figure 112018035479540-pct00003
Figure 112018035479540-pct00004
실시예 2
표 1에 기재된 강 No.A와 동일한 화학 성분을 갖는 강 No.A-2 내지 강 No.A-4를 표 5에 기재된 조건으로 제조하고, 이들 강에 포함되는 본 발명의 원 상당 직경 규정 및 애스펙트비 규정을 만족시키는 Mn 황화물의 평균 개수 밀도(Mn 황화물 개수 밀도)를 측정하였다. 표 5의 "Zr 투입까지의 시간"은, 탈가스 처리 개시로부터 Zr 투입까지의 시간(분)이고, "총 감면율"은 열간 압연에서의 총 감면율(％)이고, "1000℃ 이하에서의 감면율"은, 열간 압연에서의 강의 온도가 1000" 이하인 기간 내의 총 감면율(％)이고, "Mn 황화물 개수 밀도"는 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 개수 밀도(개/mm2)이다. 표 3에 기재되어 있지 않은 제조 조건은, 제조 No.1 내지 46의 것과 동일하게 하였다.
Figure 112018035479540-pct00005
표 1에 나타낸 바와 같이, 강 No.A는 화학 성분 및 제조 조건 모두 본 발명의 범위 내였기 때문에, Mn 황화물 개수 밀도가 본 발명의 범위 내가 되었다. 한편, 표 5에 나타낸 바와 같이, 강 No.A-2 내지 강 No.A-4는 화학 성분이 본 발명의 범위 내였지만, 제조 조건이 본 발명의 범위 밖이었기 때문에, Mn 황화물 개수 밀도가 본 발명의 범위를 하회하였다.
강 No.A-2는, Zr이 탈가스 처리 개시로부터 15분 초과 경과한 후 첨가된 예이다. Zr 산화물이 Mn 황화물을 충분히 미세화하기 위한 시간이 확보되지 않았기 때문에, 강 No.A-2에 있어서 Mn 황화물 개수 밀도가 부족했다고 추정된다.
강 No.A-3은 열간 압연시의 총 감면율이 80％ 미만인 예이며, 강 No.A-4는 Mn 황화물이 연신되기 쉬운 온도 영역인 1000℃ 이하의 온도 영역에서의 감면율이 50％ 미만인 예이다. 열간 압연시에 Mn 황화물이 충분히 연신되지 않았기 때문에, 강 No.A-3 및 강 No.A-4에 있어서 Mn 황화물 개수 밀도가 부족했다고 추정된다.
본 실시 형태의 열간 압연 강재는, 열간 단조 후에 공랭 또는 충풍 냉각한 후, 파단 분할을 행했을 때에, 파면 근방의 소성 변형량이 작고 또한 파면의 칩 발생이 적은, 우수한 파단 분리성을 갖는다. 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은 파면의 소성 변형량이 작고, 또한 칩 발생이 적다는 특징에 의해, 파면의 끼워 맞출 때에 위치 어긋남이 발생하지 않고 고정밀도로 파면을 끼워 맞출 수 있어, 부품 제조의 수율을 향상시킨다. 또한, 이 특징에 의해, 본 실시 형태의 열간 압연 강재 및 강 부품은 칩을 걸러 내는 공정을 생략할 수 있어, 제조 비용의 저감으로 이어지고, 이것은 산업상 매우 효과가 크다. 또한, 본 실시 형태의 열간 압연 강재를 열간 단조하여 이루어지는 부품은 피삭성이 우수하기 때문에, 부품 제조시의 작업이 효율화되어, 생산성을 향상시킬 수 있다.
1…시험편
2…구멍
3…V 노치
4…관통 구멍
10…강 부품
11…Mn 황화물
12…균열
21…파면 방향 균열
22…인장 방향 단차

Claims (5)

  1. 화학 성분이
    C: 0.35 내지 0.45mass％,
    Si: 0.6 내지 1.0mass％,
    Mn: 0.60 내지 0.90mass％,
    P: 0.010 내지 0.035mass％,
    S: 0.06 내지 0.10mass％,
    Cr: 0.02 내지 0.25mass％,
    V: 0.20 내지 0.40mass％,
    Zr: 0.0002 내지 0.0050mass％,
    N: 0.0060 내지 0.0150mass％,
    Bi: 0.0001 내지 0.0050mass％,
    Ti: 0 내지 0.050mass％,
    Nb: 0 내지 0.030mass％,
    Mg: 0 내지 0.0050mass％ 및
    REM: 0 내지 0.0010mass％
    를 함유하며, 잔부가 철 및 불순물로 이루어지고,
    금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되고,
    압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는, 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 상기 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 50 내지 200개/mm2인
    것을 특징으로 하는 열간 압연 강재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 화학 성분이
    Ti: 0.005 내지 0.050mass％,
    Nb: 0.005 내지 0.030mass％,
    Mg: 0.0005 내지 0.0050mass％ 및
    REM: 0.0003 내지 0.0010mass％
    중 1종 또는 2종 이상을 함유하는
    것을 특징으로 하는 열간 압연 강재.
  3. 화학 성분이
    C: 0.35 내지 0.45mass％,
    Si: 0.6 내지 1.0mass％,
    Mn: 0.60 내지 0.90mass％,
    P: 0.010 내지 0.035mass％,
    S: 0.06 내지 0.10mass％,
    Cr: 0.02 내지 0.25mass％,
    V: 0.20 내지 0.40mass％,
    Zr: 0.0002 내지 0.0050mass％,
    N: 0.0060 내지 0.0150mass％,
    Bi: 0.0001 내지 0.0050mass％,
    Ti: 0 내지 0.050mass％,
    Nb: 0 내지 0.030mass％,
    Mg: 0 내지 0.0050mass％ 및
    REM: 0 내지 0.0010mass％
    를 함유하며, 잔부가 철 및 불순물로 이루어지고,
    금속 조직의 90면적％ 이상이 페라이트와 펄라이트로 구성되고,
    압연 방향에 평행인 단면에서 측정되는 원 상당 직경이 1 내지 5㎛이고, 또한 상기 압연 방향을 따라 연신된 애스펙트비가 10 초과 30 이하인 Mn 황화물의 평균 개수 밀도가 50 내지 200개/mm2인
    것을 특징으로 하는 강 부품.
  4. 제3항에 있어서, 상기 강 부품을 상기 압연 방향에 평행인 인장 응력에 의해 인장 파단시켜 파면을 형성한 경우에,
    상기 압연 방향에 평행인 상기 단면에서 관찰되는, 상기 인장 응력에 평행인 방향을 향해 80㎛ 이상의 고저차를 갖고, 상기 인장 응력에 평행인 상기 방향에 대한 각도가 45도 이하인 단차가 상기 파면에 10mm당 2.0개소 이상의 평균 개수 밀도로 형성되고,
    상기 파면에 있어서의 취성 파괴 파면이 면적률로 따져서 98％ 이상이고,
    상기 압연 방향에 평행인 상기 단면에서 관찰되는, 상기 인장 응력에 평행인 상기 방향에 대한 각도가 45도 초과이며, 길이 80㎛ 이상에 걸쳐서 형성되고, 그 일부가 상기 강 부품의 내부에 진전된 균열 또는 오목부의 평균 개수 밀도가 상기 파면에 있어서 10mm당 3.0개소 미만인
    것을 특징으로 하는 강 부품.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 화학 성분이
    Ti: 0.005 내지 0.050mass％,
    Nb: 0.005 내지 0.030mass％,
    Mg: 0.0005 내지 0.0050mass％ 및
    REM: 0.0003 내지 0.0010mass％
    중 1종 또는 2종 이상을 함유하는
    것을 특징으로 하는 강 부품.
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