KR102163359B1

KR102163359B1 - 스프링강 및 스프링

Info

Publication number: KR102163359B1
Application number: KR1020187022683A
Authority: KR
Inventors: 다카히사 스즈키; 스구루 요시다; 유타카 네이시
Original assignee: 닛폰세이테츠 가부시키가이샤
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2020-10-08
Also published as: WO2017131077A1; EP3409810A1; CN108474086A; US11390936B2; JP6693532B2; JPWO2017131077A1; KR20180099879A; EP3409810A4; US20190032177A1

Abstract

본 발명의 스프링강은, 소정의 화학 성분을 갖고, ([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0 및 [Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75를 만족시키고, 표면으로부터 직경의 1/4의 위치에서 관찰되는 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물 중, MnS의 출현 빈도가 20％ 미만이다.

Description

스프링강 및 스프링

본 발명은 스프링강에 관한 것으로, ??칭 템퍼링 후에 고강도, 고인성이며 또한 고 내식성을 갖는 현가 스프링에 적합한 스프링강에 관한 것이다.

본원은, 2016년 01월 26일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2016-012427호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차의 고성능화나 경량화에 수반하여, 자동차 부품에 사용되는 스프링도 고강도화되고 있다. 스프링의 고강도화를 위해, 이미, 열처리 후에 인장 강도 1800MPa를 초과하는 고강도강이 스프링의 제조에 제공되고 있다. 근년에는 인장 강도 2000MPa를 초과하는 강도 스프링 재료로서 사용되기 시작하고 있다.

한편, 자동차의 현가 스프링에는 고강도뿐만 아니라, 노면의 요철 등에 기인하는 충격 하중에서도 파손되지 않기 위해 고인성이 요구된다.

또한, 고강도의 스프링강은, 부식에 의해 부식 피트가 발생하거나, 주위 환경으로부터 수소가 침입하거나 하면, 피트부에 대한 응력 집중이나 수소 취화에 의해 피로 특성이 현저하게 저하됨이 알려져 있다. 그 때문에, 스프링강에는 빗물 등에 노출되는 환경에서의 내식성, 부식 피로 특성도 요구된다.

근년, 고강도와 이들 특성과의 양립을 도모하는 방법이 제안되어 있다.

예를 들어 특허문헌 1에서는, 그 입계가 취성 파괴의 기점이 되는 구 오스테나이트 입자의 입경을 미세화함으로써, 강의 고강도와 고인성을 양립시키고 있다. 구 오스테나이트 입경의 제어는, Ti 첨가에 의해 얻어지는 Ti의 질화물, 탄화물, 탄질화물을 이용하여 행해지고 있다.

또한, 특허문헌 2에서는, Ti 석출물에 수소를 트랩시킴으로써, 수소 침입에 의한 취화 및 피로 특성의 저하를 억제하고 있다.

또한, 특허문헌 3에서는, 다량의 Ni를 첨가하여 강재의 내식성을 향상시킴으로써, 수소의 침입에 기인하는 취화를 억제하고 있다.

그러나, 특허문헌 1에서는, 부식의 기점이 되는 MnS 개재물에 대한 대책은 실시되어 있지 않다. 그 때문에, 내식성이 충분하다고는 할 수 없었다. 또한, 특허문헌 2에서도, 부식 후에 침입하는 수소에 대한 대책은 검토되어 있지만, 부식의 기점이 되는 MnS 개재물에 대한 대책은 실시되어 있지 않다. 또한, Ti는 강의 취화를 초래하는 원소이므로, 특허문헌 2와 같이 Ti의 질화물, 탄화물, 탄질화물을 형성시키는 경우에도, Ti 첨가량을 억제하거나, 일정량 이상의 Ti를 첨가하는 경우에는 인성 향상을 위하여 Ni 등의 고가인 합금 원소를 다량으로(예를 들어 Ni: 0.5질량％ 이상) 함께 첨가하거나 할 필요가 있었다. 특허문헌 3에서도 내식성 향상을 위해 다량의 Ni의 첨가를 필요로 하고 있지만, 다량의 Ni를 첨가하는 것은, 강재의 원료 가격의 증가나, 강재 제조 시의 열간 균열 리스크의 증대 등에 의한 제조성의 악화로 이어진다.

일본 특허 3577411호 공보 일본 특허 공개 2001-49337호 공보 일본 특허 2839900호 공보

본 발명은 ??칭 템퍼링 등의 열처리 후에 1800MPa 이상의 인장 강도, 고인성 및 고 내식성을 갖는 스프링강의 제공을 과제로 한다.

본 발명은 다음에 나타내는 강을 요지로 한다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 스프링강은, 화학 성분이, 질량％로, C: 0.40 내지 0.60％, Si: 0.90 내지 3.00％, Mn: 0.10 내지 0.60％, Cr: 0.10 내지 1.00％, Al: 0.010 내지 0.050％ 미만, Ti: 0.040 내지 0.100％, B: 0.0010 내지 0.0060％, N: 0.0010 내지 0.0070％, V: 0 내지 1.00％, Mo: 0 내지 1.00％, Ni: 0 내지 0.45％ 미만, Cu: 0 내지 0.50％, Nb: 0 내지 0.10％를 함유하고, P: 0.020％ 미만, S: 0.020％ 미만으로 제한되며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 1 및 식 2를 만족시키고, 표면으로부터 직경의 1/4의 위치에서 관찰되는 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물 중, MnS의 출현 빈도가 20％ 미만이다.

([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0 식 1

[Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75 식 2

여기서, 상기 식 1, 식 2 중의 [Ni질량％], [Cu질량％], [Ti질량％], [N질량％] 및 [S질량％]는, 각각 단위 질량％에 의한 Ni 함유량, Cu 함유량, Ti 함유량, N 함유량 및 S 함유량을 나타낸다.

(2) 상기 (1)에 기재된 스프링강에서는, 상기 화학 성분이, 질량％로, V: 0.05 내지 1.00％, Mo: 0.10 내지 1.00％, Ni: 0.05 내지 0.45％ 미만, Cu: 0.05 내지 0.50％, Nb: 0.01 내지 0.10％의 1종 혹은 2종 이상을 함유해도 된다.

본 발명에 따르면, 제조성을 저하시키지 않고, ??칭 템퍼링 등의 열처리 후에 1800MPa 이상의 인장 강도를 가지며 또한 고인성과 고 내식성을 갖는 스프링강을 제공할 수 있다.

본 발명의 스프링강은, ??칭 템퍼링 후에 고강도, 고인성이며, 또한 고 내식성을 가지므로, 현가 스프링 등에 바람직하게 사용된다.

본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후에 고강도에서도 충분한 인성 및 내식성을 갖는 스프링강을 얻기 위한 방법에 대해 검토했다.

그 결과, 본 발명자들은 ??칭 템퍼링 후에 충분한 인성을 갖는 스프링강을 얻기 위해서는, Mn 함유량을 저하시키는 것이 유효하다는 것을 알아내었다. 단, 일반적으로, Mn은 인성 등에 악영향을 미치는 강 중의 S를 MnS로서 고정하여 무해화하기 위하여 함유되는 합금 원소이다. 그 때문에, Mn 함유량을 저하시키기 위해서는 Mn을 대신하여 S를 고정하는 원소가 필요하게 된다.

본 발명자들은, Mn을 대신하는 S 고정 원소로서 Ti에 주목하고, Ti, N 및 S의 강 중 함유량을 소정의 관계를 만족시키도록 제어함으로써, Mn 함유량을 저하시켜도 S를 무해하게 고정 가능하다는 것을 알아내었다. 또한, 일반적으로, Ti는 강재를 취화시키는 원소라고 생각되지만, 본 발명자들은, Ti와 동시에 N의 함유량을 제어하여 구 오스테나이트 입경을 미세화하는 것, 및 입계를 강화하는 B를 동시에 함유시킴으로써, 이 과제를 극복할 수 있다는 것을 알아내었다.

또한, 내식성에 대해, 강재 중의 MnS는 물과 접했을 때에 용해되어, 국부 전지를 형성하여 녹이나 부식 피트의 생성을 촉진함이 알려져 있다. 이에 반하여, Ti₄C₂S₂ 등의 Ti계 황화물은 물에 대해 안정적이므로, 본 발명의 강재의 내식성을 높일 수 있다.

그 때문에, 상술한 바와 같이 Mn 함유량을 저하시키고, 또한 Ti 함유량을 N 함유량 및 S 함유량의 관계를 만족시키도록 제어하는 것, 그리고 소정량의 B를 함유시킴으로써, 강도, 인성에 더하여 내식성도 향상시킬 수 있다는 것을 알았다. 또한, 상술한 바와 같이 각 원소의 함유량을 제어한 경우, Cu나 Ni 등의 함유량을 억제할 수 있어, 제조성이나 비용이 악화되지 않고 특성을 확보할 수 있다는 것을 알았다.

이와 같이, 본 발명자들은, Mn을 저하시키는 것에 의한 인성 향상과, Ti, N, S 함유량의 제어에 의한 S의 무해화 및 내식성 향상과, B에 의한 입계 강화를 복합적으로 활용함으로써, ??칭 템퍼링 후에 높은 인장 강도를 갖는 채로 고인성과 고 내식성을 갖는 스프링강이 얻어짐을 새롭게 알아내었다. 또한, 미량인 Ti의 함유로 내식성이 향상되므로, 내식성을 높이기 위한 고가의 Ni의 함유량을 억제 가능함도 알아내었다.

이하에, 이 지견에 기초하는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 스프링강(본 실시 형태에 관한 스프링강)에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 스프링강의 화학 성분(화학 조성)의 한정 이유에 대해 설명한다.

[C: 0.40 내지 0.60％]

C는, 강의 강도에 큰 영향을 미치는 원소이다. ??칭 템퍼링 후의 강에 충분한 강도를 부여하기 위해서는, C 함유량의 하한을 0.40％로 한다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.42％, 더 바람직한 하한은 0.45％이다. 한편, C 함유량이 과잉이면, ??칭 후의 강에 있어서 미변태 오스테나이트(잔류 오스테나이트)가 증가하여, C의 강도 상승 효과가 감소한다. 또한, 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, C 함유량의 상한을 0.60％로 한다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.58％이다.

[Si: 0.90 내지 3.00％]

Si는, 스프링강으로부터 제조되는 스프링의 강도를 상승시키는 원소이다. 또한, Si는, 스프링의 사용 중 형상 변화인 세틀링에 대한 내성(내세틀링 특성)을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Si 함유량의 하한을 0.90％로 한다. Si 함유량의 바람직한 하한은 1.20％, 더 바람직한 하한은 1.40％이다. 한편, Si 함유량이 과잉이면, 강이 현저하게 취화된다. 따라서, Si 함유량의 상한을 3.00％로 한다. Si 함유량의 바람직한 상한은 2.50％이다.

[Mn: 0.10 내지 0.60％]

Mn은, 강의 ??칭성을 향상시켜서 강의 ??칭 후의 강도를 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Mn 함유량의 하한을 0.10％로 한다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.20％, 더 바람직한 하한은 0.25％이다. 한편, Mn은 강 중의 S와 반응하여 MnS를 생성하는 원소이며, Mn 함유량이 과잉이면 조대한 MnS가 생성된다. 또한, 종래는 S를 MnS로서 고정하기 위하여 Mn을 많이 함유시키고 있었다. 그러나, MnS는 부식의 기점이 되고, 녹 발생이나 녹 발생의 결과로 생성되는 부식 피트의 원인이 된다. 이 부식 피트는 피로 파괴의 기점이 되므로, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, MnS의 생성을 억제하기 위해, Mn 함유량의 상한을 0.60％로 한다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 0.50％이다.

[Cr: 0.10 내지 1.00％]

Cr은, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 탄화물의 석출 상태를 제어하여, ??칭 템퍼링 후의 강의 강도를 확보하기 위하여 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Cr 함유량의 하한을 0.10％로 한다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.25％이다. 한편, Cr 함유량이 과잉이면, ??칭 템퍼링 후에 강이 취화된다. 따라서, Cr 함유량의 상한을 1.00％로 한다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 0.90％이다.

[Ti: 0.040 내지 0.100％]

Ti는, 강의 강도를 향상시킴과 함께, 강 중의 S와 반응하여 S를 Ti계 황화물(TiS 및/또는 Ti₄C₂S₂)로서 고정함으로써, S를 무해화하는 작용을 갖는 원소이다. 또한, Ti는 N과 결부되는 것에 의해 강 중의 N을 TiN으로서 고정하는 효과가 있다. 이 N의 고정 효과는, 후술하는 고용 B의 효과를 얻기 위하여 불가결하므로, N의 고정을 위하여 충분한 양의 Ti를 함유시킬 필요가 있다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Ti 함유량의 하한을 0.040％로 한다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.045％, 더 바람직한 하한은 0.050％이다. 한편, 과잉의 Ti는, 파괴의 기점이 되기 쉬운 조대한 TiN을 생성시킴과 함께, 강 자체도 취화시킨다. 따라서, Ti 함유량의 상한을 0.100％로 한다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.080％이다.

[Al: 0.010 내지 0.050％ 미만]

Al은 탈산 원소로서 사용되는 원소이며, 또한, 과잉 N을 AlN으로서 고정하는 효과를 가지므로, 강재의 O 함유량 및 N 함유량의 제어에 유용한 원소이다. Al은 Ti보다도 탈산력이 강하므로, 상술한 바와 같이 Ti를 질화물 및/또는 황화물로서 활용하기 위해서는, 제강시, Ti 첨가 전에 Al을 첨가하여, 충분히 탈산할 필요가 있다.

이러한 효과를 얻기 위하여, Al 함유량의 하한을 0.010％로 한다. Al 함유량이 0.010％ 미만이면 충분한 Ti계 황화물이 얻어지지 않아, MnS가 증가된다. 바람직한 Al 함유량의 하한은 0.015％, 더 바람직한 Al 함유량의 하한은 0.020％이다. 한편, 과잉의 Al은 조대 개재물이 발생되는 원인이 되어, 파괴 특성을 열화시킨다. 따라서, 그 악영향이 현저해지지 않도록, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는 Al 함유량을 0.050％ 미만으로 한다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.040％이다.

Si도 탈산 원소이지만, Ti보다도 탈산력이 낮으므로, Si에서는 상술한 효과를 얻을 수 없다. 따라서, Al 함유량을 상술한 범위로 제어할 필요가 있다.

[B: 0.0010 내지 0.0060％]

B는, 강의 ??칭성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. 또한 B는, 파괴의 기점이 되기 쉬운 구 오스테나이트 입계에 우선적으로 편석함으로써 입계에 대한 P 및 S 등의 편석을 억제하고, 결과로서 입계 강도의 상승 및 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 상술한 Ti는, 스프링강을 취화시킬 우려가 있는 원소이지만, 동시에 B를 함유시킴으로써, B의 인성 향상 효과에 의해 Ti에 의한 취화를 억제할 수 있다. 단, 이들 효과를 얻기 위해서는, BN의 생성을 억제하여, 고용 상태의 B의 양을 증가시킬 필요가 있다. ??칭성의 향상 효과 및 입계 강도의 향상 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, B 함유량의 하한을 0.0010％로 한다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0015％, 더 바람직한 하한은 0.0020％이다. 한편, 과잉으로 B를 함유시켜도 이들 효과는 포화될 뿐만 아니라, 강의 인성이 저하될 우려가 있다. 따라서, B 함유량의 상한을 0.0060％로 한다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0050％, 더 바람직한 상한은 0.0040％이다.

[N: 0.0010 내지 0.0070％]

N은, 강 중에서 각종 질화물을 생성하는 원소이다. 고온에서도 안정한 질화물 입자는, 오스테나이트 입성장의 핀 고정 효과에 의한 구 오스테나이트 입자의 미세화에 효과를 발휘한다. 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, 매우 안정된 TiN 입자를 ??칭 템퍼링 전의 강에 석출시켜 ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화하기 위하여, N 함유량의 하한을 0.0010％로 한다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0020％이다. 한편, N 함유량이 과잉이면, TiN 입자가 조대화하여 파괴 기점이 되고, 인성 및 피로 특성이 저하된다. 또한, N 함유량이 과잉인 경우, N이 B와 결부되어서 BN을 생성하여, 고용 B양을 감소시킨다. 고용 B양이 감소되면, 상술한 B에 의한 ??칭성의 향상 효과 및 입계 강도의 향상 효과가 손상될 우려가 있다. 따라서, N 함유량의 상한을 0.0070％로 한다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0060％이다.

[P: 0.020％ 미만]

P는, 불순물 원소로서 강 중에 존재하고, 강을 취화시키는 원소이다. 특히, 구 오스테나이트 입계에 편석한 P는, 입계 강도를 저하시키고 강재의 취화를 야기하는 원인이 된다. 그 때문에, P 함유량은 적은 편이 좋다. 강의 취화를 방지하기 위해서, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는 P 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.015％이다.

[S: 0.020％ 미만]

S는, P와 마찬가지로 불순물 원소로서 강 중에 존재하고, 강을 취화시키는 원소이다. S는, Mn을 함유시킴으로써 MnS로서 고정할 수 있지만, MnS는, 조대화하면 파괴의 기점으로서 작용하여, 강의 파괴 특성을 열화시킨다. 이들 악영향을 억제하기 위하여, S 함유량은 적은 편이 바람직하고, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는 S 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.015％, 더 바람직한 상한은 0.010％이다.

본 실시 형태에 관한 스프링강은, 상기 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 기본으로 한다. 그러나, Fe의 일부에 대신하여, 또한, Ni, Mo, V, Cu 및 Nb 중 1종 이상을 후술하는 범위에서 함유해도 된다. 단, Ni, Mo, V, Cu 및 Nb는 임의 원소이며, 본 실시 형태에 관한 강의 화학 성분은 이들을 함유하지 않아도 된다. 따라서, Ni, Mo, V, Cu 및 Nb 각각의 함유량의 하한은 0％이다.

불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료로부터, 또는 제조 공정의 다양한 환경으로부터 혼입되는 성분이며, 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용됨을 의미한다.

[Ni: 0 내지 0.45％ 미만]

Ni는, 강의 ??칭성을 향상시키는 원소이다. 또한, Ni는, 강의 내식성을 향상시키는 원소이며, 부식 환경 하에서의 수소의 침입을 억제하여 강의 취화 억제에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는 Ni 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, Ni 함유량이 0.45％ 이상이면 강의 열간 연성이 저하되어 제조성이 현저하게 저하된다. 그 때문에, 함유시키는 경우라도, Ni 함유량을 0.45％ 미만으로 한다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.40％이다.

[Mo: 0 내지 1.00％]

Mo는, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 템퍼링 연화를 억제함으로써, ??칭 템퍼링 후의 강의 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Mo 함유량을 0.10％ 이상으로 해도 된다. 한편, Mo 함유량이 1.00％를 초과하는 경우, 그 효과가 포화한다. Mo는 고가인 원소이고, 필요 이상으로 함유시키는 것은 바람직하지 않으므로, 함유시키는 경우라도, Mo 함유량의 상한을 1.00％로 하는 것이 바람직하다. Mo 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.60％이다.

[V: 0 내지 1.00％]

V는, ??칭성을 향상시킴과 함께, 템퍼링 연화를 억제함으로써, ??칭 템퍼링 후의 강의 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, V 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, V 함유량이 1.00％를 초과하는 경우, 조대한 미고용 석출물이 생성되어 강이 취화된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, V 함유량의 상한을 1.00％로 한다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.50％이다.

[Cu: 0 내지 0.50％]

Cu는, 열간 압연 중의 탈탄을 억제하는 효과가 있고, 또한 Ni와 마찬가지로 내식성을 향상시키는 효과도 있다. 이들 효과를 얻기 위해서, Cu 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, Cu는, 강의 열간 연성을 저하시켜, 열간 압연 시에 균열이 발생되는 원인이 될 우려가 있다. 그 때문에, 함유시키는 경우라도, Cu 함유량의 상한을 0.50％로 한다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.30％이다.

[Nb: 0 내지 0.10％]

Nb는, 질화물 및 탄화물 입자를 석출시키고, 오스테나이트 입성장의 핀 고정 효과에 의해, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자의 미세화에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위하여, Nb 함유량을 0.01％ 이상으로 해도 된다. 한편, Nb 함유량이 0.10％를 초과하는 경우, 조대한 미고용 석출물이 생성되어 강이 취화된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Nb 함유량의 상한을 0.10％로 한다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.06％이다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 스프링강은, 상기 필수 원소를 포함하며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어질 경우 또는 상기 필수 원소와 임의 원소의 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어질 경우 모두 허용된다.

또한, 본 실시 형태에 관한 스프링강은, 각 원소의 각각의 함유량 이외에도, Ti, N, S, Cu, Ni가 후술하는 관계를 만족시킬 필요가 있다.

([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0

본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, 상술한 바와 같이 Ti를 S의 고정에 활용함으로써, Mn 함유량을 저하시키는 것을 특징으로 한다. 이로 인해, 본 실시 형태에 관한 스프링강은, S를 고정시키기 위해 필요 충분한 Ti양을 확보하기 때문에, 화학 성분이 하기의 식 1을 만족시키는 것이 필요하다.

([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0…(식 1)

여기서, 식 1 중의 [Ti질량％], [N질량％] 및 [S질량％]는, 각각 강 중의 Ti 함유량, N 함유량 및 S 함유량(질량％)이다.

Ti와의 결합력은, N의 쪽이 S보다도 강하다. 그 때문에, 강 중의 Ti는 우선 N과 결합하여 TiN을 형성하고, 남은 Ti가 황화물이 된다. 식 1에서, 좌변의 분자부의 「3.43」이라는 수치는, Ti의 원자량을 N의 원자량으로 나눔으로써 얻어지는 값이다. "3.43×[N질량％]"는, TiN의 형성에 의해 소비될 수 있는 최대의 Ti양이다. 따라서 식 1의 좌변은, 「N에 의해 소비되지 않고 남아있는 Ti 함유량」과 「S 함유량」의 비이다. Ti계 황화물로서 Ti₄C₂S₂를 상정한 경우, Ti와 S의 중량비는, 분자식과 각각의 원자량으로부터, Ti:S=3:1이 되므로, 「N에 의해 소비되지 않고 남은 Ti가, Ti₄C₂S₂로서 S를 고정시키는 데 충분하다」 는 것이 되기 위해서는, 식 1의 좌변은 4.0 이상일 필요가 있고, 4.5 초과인 것이 바람직하다. 식 1의 좌변이 4.0 미만이면, Ti가 S를 충분히 고정시킬 수 없고, 결과적으로 MnS가 많이 생성된다.

본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Ti로 S를 고정하므로 MnS의 생성이 억제된다. MnS는 부식의 기점이 되므로, MnS 생성을 억제함으로써, 녹 발생이나 녹 발생에 의해 생기는 부식 피트의 발생을 억제할 수 있다.

[Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75

종래, Cu, Ni를 함유시킴으로써 내식성의 향상이 도모되어 왔다. 그러나, Ni 및 Cu를 다량으로 함유시키면, 제조 시의 열간 균열의 리스크가 높아지고, 제조성이 저하된다는 문제가 있었다. 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, 상기 MnS 생성 억제에 의해 내식성이 향상하므로, 내식성을 향상시키는 원소인 Ni 및 Cu의 함유량을 저감시킬 수 있다. Ni 및 Cu의 함유량의 저감에 의해 열간 균열 대책이 경감 가능하여, 제조성의 개선 및 제조 비용 억제로 이어진다.

본 실시 형태에 관한 스프링강은, 내식성, 제조성, 제조 비용의 모두를 충분히 확보하기 때문에, 이하의 식을 만족시킨다.

[Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75…(식 2)

여기서, 식 2 중의 [Ni질량％], [Cu질량％]는, 각각 강 중의 Ni 함유량, Cu 함유량(질량％)이다.

바람직하게는, [Ni질량％]+[Cu질량％]<0.60이다.

Ni 및 Cu는 임의 원소이기 때문에, 식 2의 좌변의 하한은 규정할 필요가 없다.

고강도 스프링강의 경우, ??칭성의 확보도 중요한 과제이다. 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, 부식 피트 생성 억제 때문에, ??칭성을 높이는 원소인 Mn을 0.60％ 이하로 제한한다. 그러나, Cr 및 B, 나아가 필요에 따라 Mo, V, Cu, Ni 등을 복합적으로 활용함으로써 ??칭성을 확보할 수 있다. 특히 B는 미량이라도 ??칭성을 높이는 효과가 크므로, 본 실시 형태에 관한 스프링강에서는 Cu, Ni의 함유량을 합계 0.75％ 이하로 해도 고강도를 달성할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 스프링강에서는, Ti로 S를 고정함으로써, MnS의 생성이 억제된다. MnS는 부식의 기점이 되므로, MnS의 생성을 억제함으로써, 녹이나 부식 피트의 발생을 억제할 수 있다. 녹이나 부식 피트의 충분한 발생 억제 효과를 얻기 위해서는, 강재가 임의의 절단면에 있어서 관찰되는 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물 중, MnS의 출현 빈도(원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물의 개수에서 차지하는 MnS의 개수의 비율)가 20％ 미만까지 저감되어 있을 것이 필요하다. MnS의 출현 빈도가 10％ 미만인 것이 보다 바람직하다. 관찰 대상을 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물로 한 것은, 일반적으로 황화물계 개재물의 원 상당 직경이 1㎛ 이상이기 때문이다. 1㎛ 이상인 개재물에 있어서의 MnS의 출현 빈도는, 강재의 절단면을 경면 연마 후에 금상 현미경(광학 현미경)으로 20개 이상의 개재물을 관찰하고, 이들 개재물의 개수에 대한 MnS의 개수로부터 산출된다. 이때, 관찰 시야는 표면으로부터 직경의 1/4의 위치(강재의 표면으로부터 중심을 향하여 강재의 직경 1/4에 상당하는 거리 이격된 위치)로 하고, 20개 이상의 개재물을 관찰하기 위하여, 예를 들어 압연 방향으로 이동하면서 관찰 배율 1000배로 10시야 이상을 관찰한다. 개재물이 MnS인지 여부의 판정은 금상 현미경 관찰 시의 색(MnS는 회색, Ti계는 백색/분홍색/황색)으로부터 추정 가능하지만, EPMA나 SEM-EDS에 의해 검증하는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 관한 스프링강은, Al 탈산된 용강으로부터 얻어진 상기 화학 성분을 갖는 주조편을 주조하고, 주조편을 열간 압연함으로써 얻어진다. 예를 들어, 상술한 성분을 갖는 강괴를 950℃ 이상 1200℃ 이하의 온도로, 120min을 초과하지 않는 시간만 가열하고, 공지된 방법으로 열간 압연함으로써 얻어진다.

본 실시 형태에 관한 스프링강은, 또한 ??칭 템퍼링 한 후에 스프링 가공을 행하거나, 혹은, 열간에서 스프링 가공 후에 ??칭 템퍼링함으로써, 스프링으로 할 수 있다.

실시예

다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이의 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.

실시예 및 비교예의 각 성분 및 ([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％](표 중에서는 (Ti-3.43×N)/S), [Cu질량％]+[Ni질량％](표 중에서는 Cu+Ni)를 표 1 및 표 2에 나타낸다. 표 1 및 표 2에서, 기호 「-」는, 그 기호에 관한 원소를 첨가되고 있지 않음을 나타낸다. 또한, 표 1, 표 2의 잔부는 Fe 및 불순물이다.

표 1, 표 2에 나타내는 성분을 갖는 강괴를 950℃ 이상 1200℃ 이하의 온도에서, 120min을 초과하지 않는 시간만 가열하여, 열간 압연함으로써, φ(직경) 12 내지 18㎜의 강(스프링강)으로 했다.

얻어진 스프링강에 대해, ??칭 템퍼링 후의 특성을 평가하기 위하여, 900℃ 이상 1050℃ 이하의 온도로 가열하여 ??칭하는 공정과, 인장 강도가 1900 내지 2000MPa가 되도록 템퍼링하는 공정을 행했다. 템퍼링 조건은, 예를 들어 예비 시험으로서 300℃, 400℃, 500℃로 템퍼링하여 강도를 측정함으로써, 소정의 강도가 되는 템퍼링 온도를 추정하여 결정했다.

얻어진 ??칭 템퍼링 후의 강으로부터 시험편을 채취하여, 인장 시험, 샤르피 충격 시험, 개재물의 관찰 및 항온 항습 시험을 행했다.

<인장 시험>

인장 시험은, 「JIS Z 2241」에 준거하여, 평행부 직경 8㎜의 14호 시험편을 제작하여 실시했다. 인장 강도가 1800MPa 이상이면, 충분한 강도가 얻어지고 있다고 판단했다.

<샤르피 충격 시험>

샤르피 충격 시험은, 「JIS Z 2242」에 준거하여, U 노치 시험편(노치 아래 높이 8㎜, 폭 5㎜ 서브 사이즈)을 제작하여 실온(23℃)에서 시험했다. 충격값(흡수 에너지)이 70.0J/㎠ 이상이면, 충분한 인성이 얻어지고 있다고 판단했다.

<개재물의 관찰>

원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물에 있어서의 MnS의 출현 빈도는, 강재를 압연 방향으로 평행으로 절단하고, 절단면을 경면 연마 후에 금상 현미경으로 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물을 20개 이상 관찰하고, 관찰한 개재물의 개수에 대한 MnS의 개수로부터 산출했다. 이때, 관찰 시야는 직경의 1/4 위치로 하고, 예를 들어 압연 방향으로 이동하면서 관찰 배율 1000배로 10시야 이상을 관찰했다. 또한 MnS의 판정은 금상 현미경 관찰 시의 색(MnS는 회색, Ti계는 백색/분홍색/황색)으로부터 추정한 뒤에, EPMA나 SEM-EDS에 의해 검증했다. MnS의 출현 빈도가 20％ 미만을 합격으로 했다.

<항온 항습 시험>

시험편을 1주일의 항온 항습(온도 35℃, 습도 95％)에 노출시켜, 녹 발생의 유무를 눈으로 조사했다. 녹 발생이 없는 경우에 내식성이 우수하다고 판단했다.

표 3 및 표 4에, 각 실시예 및 비교예의 기계적 특성(인장 강도, 충격값), 개재물 중의 MnS 출현 빈도, 1주일의 항온 항습 시험(온도 35℃, 습도 95％) 후에 있어서의 녹 발생의 유무를 나타낸다.

실시예는 모두, 1900 내지 2000MPa의 인장 강도와 70.0J/㎠ 이상의 충격값을 갖고 있으며, 높은 수준에서 강도와 인성을 양립함을 나타내고 있다. 또한, 모든 실시예에서, MnS의 출현 빈도는 20％ 미만이고, 항온 항습 시험에서의 녹 발생은 확인되지 않았다.

한편, 비교예 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 37, 39는 C 함유량, Si 함유량, Mn 함유량, P 함유량, S 함유량, Cr 함유량, Mo 함유량, V 함유량, Al 함유량, Ti 함유량, B 함유량, ([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]이 과잉이거나, 또는 부족하고, 그 결과, 강이 취화 혹은 조직이 조대화하고, 충격값이 저하되었다.

또한, 비교예 21, 22, 27은 Ti 부족 때문에, 23, 39는 ([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]의 부족 때문에, 30은 S 과잉 때문에, 36은 N 과잉 때문에, 38은 Al 부족 때문에, 내식성이 저하되어 녹 발생이 확인되었다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 관한 스프링강은, ??칭 템퍼링 후에 구 오스테나이트 입자가 미세화되므로, ??칭 템퍼링 후에 우수한 기계 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 1800MPa 이상의 고강도를 가지면서 충격값이 확보되고, 또한 내식성도 높은 스프링강을 얻을 수 있다.

Claims

화학 성분이, 질량％로,
C: 0.40 내지 0.60％,
Si: 0.90 내지 3.00％,
Mn: 0.10 내지 0.60％,
Cr: 0.10 내지 1.00％,
Al: 0.010 내지 0.050％ 미만,
Ti: 0.040 내지 0.100％,
B: 0.0010 내지 0.0060％,
N: 0.0010 내지 0.0070％,
V: 0 내지 1.00％,
Mo: 0 내지 1.00％,
Ni: 0 내지 0.45％ 미만,
Cu: 0 내지 0.50％,
Nb: 0 내지 0.10％,
를 함유하고,
P: 0.020％ 미만,
S: 0.020％ 미만,
으로 제한되며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
하기 식 1 및 식 2를 만족시키고,
표면으로부터 직경의 1/4의 위치에서 관찰되는 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물 중, MnS의 출현 빈도가 20％ 미만이고,
900℃ 내지 1050℃의 온도로 가열하여 ??칭하고, 300℃ 내지 500℃로 템퍼링하면, 인장 강도가 1800MPa 이상이고 충격값이 70.0J/㎠ 이상이 되는
것을 특징으로 하는 스프링강.
([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0 식 1
[Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75 식 2
여기서, 상기 식 1, 식 2 중의 [Ni질량％], [Cu질량％], [Ti질량％], [N질량％] 및 [S질량％]는, 각각 단위 질량％에 의한 Ni 함유량, Cu 함유량, Ti 함유량, N 함유량 및 S 함유량을 나타낸다.
제1항에 있어서, 상기 화학 성분이, 질량％로,
V: 0.05 내지 1.00％,
Mo: 0.10 내지 1.00％,
Ni: 0.05 내지 0.45％ 미만,
Cu: 0.05 내지 0.50％,
Nb: 0.01 내지 0.10％,
의 1종 혹은 2종 이상을 함유하는
것을 특징으로 하는 스프링강.
화학 성분이, 질량％로,
C: 0.40 내지 0.60％,
Si: 0.90 내지 3.00％,
Mn: 0.10 내지 0.60％,
Cr: 0.10 내지 1.00％,
Al: 0.010 내지 0.050％ 미만,
Ti: 0.040 내지 0.100％,
B: 0.0010 내지 0.0060％,
N: 0.0010 내지 0.0070％,
V: 0 내지 1.00％,
Mo: 0 내지 1.00％,
Ni: 0 내지 0.45％ 미만,
Cu: 0 내지 0.50％,
Nb: 0 내지 0.10％,
를 함유하고,
P: 0.020％ 미만,
S: 0.020％ 미만,
으로 제한되며, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
하기 식 1 및 식 2를 만족시키고,
표면으로부터 직경의 1/4의 위치에서 관찰되는 원 상당 직경 1㎛ 이상의 개재물 중, MnS의 출현 빈도가 20％ 미만이고,
인장 강도가 1800MPa 이상이고 충격값이 70.0J/㎠ 이상인
것을 특징으로 하는 스프링.
([Ti질량％]-3.43×[N질량％])/[S질량％]>4.0 식 1
[Ni질량％]+[Cu질량％]<0.75 식 2
여기서, 상기 식 1, 식 2 중의 [Ni질량％], [Cu질량％], [Ti질량％], [N질량％] 및 [S질량％]는, 각각 단위 질량％에 의한 Ni 함유량, Cu 함유량, Ti 함유량, N 함유량 및 S 함유량을 나타낸다.