KR20000047935A - 피로특성이 우수한 스프링용 강 - Google Patents

Abstract

산화물 개재물로서 SiO₂, Al₂O₃, CaO 및 MgO를 함유하는 스프링용 강은, 그 산화물의 평균조성이 중량비로,

35%SiO₂ 75%, 5%Al₂O₃ 30%, 10%CaO50%, MgO

Description

피로특성이 우수한 스프링용 강 {Spring steel superior in fatigue properties}

발명 분야

본 발명은 피로특성(fatigue properties)이 우수한 스프링용 강(spring用 鋼)에 관한 것이다. 특히 그 중에서도 본 발명은 변형이 안되는 개재물 (undeformable inclusions)을 미량함유하는 피로특성이 우수한 스프링용 강(밸브스프링류 등 스프링 소재)에 관한 것이다.

종래 기술

밸브스프링에 사용되는 강으로서는 높은 내피로강도를 요구하지만, 비금속개재물이 함유되면 단단한 비금속개재물때문에 파단 또는 파괴 (fracture)로 되기 쉬운 결점이 있다. 이와 같이 단단한 개재물로 인한 파단 또는 파괴를 방지하기 위하여, 융점 1500℃ 이하의 융점을 가지도록 그 성분조성을 제어하기 위한 여러가지 방법이 제안되어 왔다. 이와 같이 단단한 경질개재물(hard inclusions)은 열간 또는 냉간압연이거나 드로잉(drawing)으로 작아지게 된다.

일본특허공보 제 74484/1994 호에는 고품위청정도(高品位淸淨度)를 가진 강이 개시되어 있다. 이 강에는 비금속개재물이 함유되어 있는데 그 평균조성(이하 중량%)은 SiO₂: 20-60중량%, MnO : 10-80중량%, CaO : 13-50중량%, 및/또는 MgO : 5-15중량%으로 되어 있다. 이들 비금속개재물은 압연된 강의 종단면에서 측정된 폭(d)에 대한 길이(l)의 비율로 특징지워지는데 l/d5로 되어 있다. 여기에는 일본특허공보 74485/1994호에 고품위청정도를 가진 강이 또한 소개되어 있는데, 이 강은 비금속개재물의 평균조성이 SiO₂: 35-75중량%, MnO : Al₂O₃:30중량%, CaO : 10-50중량%, 및/또는 MgO : 3-25중량%로 되어 있다. 이들 비금속개재물에서는 압연강의 종단면에서 측정된 폭(d)에 대한 길이(l)의 비율이 l/d5로 되어 있다.

상술한 특허에서 개시되어 있는 고품위청정도를 가진 강은 l/d5의 비율이 되도록 비금속개재물의 평균화학조성성분을 제어함으로써 피로특성을 개선하도록 한 것이다. 본 발명은 그러나 이들 종래기술들이 다음과 같은 문제를 안고 있음을 알게 되었다.

설혹 비금속개재물의 평균성분조성이 제어되어 l/d5로 되더라도, 이 한계치를 넘는 단단한 개재물이 남아있게 되면 조직파괴 등을 일으키게 된다. 더욱이, 이들 비금속개재물이 연성(ductile)이고 l/d5의 조건을 만족할 경우라도, 역시 두꺼우면 연성파괴(延性破壞)가 일어나게 되는 원인이 된다.

본 발명의 목적 및 요약

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공하는데 있다.

본 발명의 요지는 그 속에 산화물계 개재물(酸化物系介在物)이 있고 다음의 평균화학성분조성(이하 중량%)을 가지는 것으로 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공하기 위한 것이다.

35%SiO₂ 75%

5%Al₂O₃ 30%

10%CaO50%

MgO5% (0%를 제외함)

본 발명상의 바람직한 실시예에서는, 스프링용 강이 압연강재의 종단면에서 보았을 때 총 산화물계 개재물의 80%(갯수로 계산) 이상이 5㎛보다 얇은 산화물계 개재물을 갖고 있다는 특징이 있다.

더욱이, 피로특성을 개선하기 위해서는, 스프링용 강은 그 표면결함이 1.0% 직경보다 작은 깊이를 가지고, 그 총 탈탄층 깊이(總脫炭層深 : decarburized depth)는 그 직경의 1.0%보다 작은 깊이로 되는 표면결함이 되도록 제조되어야만 한다.

제 1 도는 산화물계 개재물이 5㎛ 두께보다 얇게 측정된 역을 나타내는 개략 다이아그램이다.

제 2 도는 총 산화물계 개재물에 대하여 소정의 개재물의 비율에 따라 피로수명(fatigue life)이 어떻게 달라지는가를 나타내는 그래프이다.

제 3 도는 총 산화물계 개재물에 대하여 5㎛보다 얇은 특정 개재물의 비율(갯수)에 따라 가변되는 피로수명을 나타내는 그래프이다.

제 4 도는 와이어로드 직경에 대하여 표면결함의 깊이의 비율에 따라 가변되는 피로특성을 나타내는 그래프이다.

제 5 도는 와이어로드 직경에 대한 총 탈탄화 깊이의 비율에 따라 피로특성 (fatigue properties)이 어떻게 가변되는가를 나타내는 그래프이다.

본 발명자 등은 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공하기 위하여 광범위하게 연구를 수행하였다. 그 결과, 피로특성은 산화물계 개재물(이하 간단히 "개재물"이라 함)의 평균조성성분을 제어함으로써 효과적으로 개선된다. 피로특성은 또한 강재의 종단면에 있는 개재물의 두께에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 알게 되었다.

전술한 바와 같이, 일본특허공보 제 74484/1994 호 및 제 74485/1994 호에는 비금속개재물의 평균조성이 압연강재의 종단면에서 측정된 폭(d) 대 길이(l)의 비율이 l/d5 되도록 제어되는 고청정도 품위를 가진 것이 개시되어 있다. 본 발명자들은 l/d5라는 조건 하에서는, 설혹 개재물들이 연성(ductile)을 가진다 해도 개재물로부터 파괴가 시작하기 때문에 소정의 목적이 달성되지 못함을 비교로 알게 되었다. 다시 말하면, 개재물의 폭은 피로특성의 개선에 중요한 역할을 하고 따라서 전술한 특허에서와 같이 개재물의 길이에 관하여 개재물의 폭을 단순히 만족시키는 것과 양호한 피로특성과는 뗄래야 뗄 수 없는 관계인 것이다. 본 발명자들은 이에 따라 개재물의 폭을 중점적으로 하여 조사를 수행하였다. 그 결과, 특정범위내로 두께 5㎛보다 얇은 개재물의 숫자 즉, 갯수로 제어되면 만족스러운 피로특성을 얻을 수 있음을 알게 되었다.

본 발명은 이러한 발견에 기초를 두고 있다. 본 발명상 필요사항을 다음에 설명한다.

전술한 바와 같이, 양호한 피로특성으로 스프링용 강을 개선하기 위해, 산화물계 개재물의 융점을 1500℃보다 낮게 할 필요가 있다. 본 발명이 이 필요조건을 충족해준다면, 산화물계 개재물은 평균조성(중량%)을 다음 범위내에서 가져야 한다.

35%SiO₂ 75%

5%Al₂O₃ 30%

10%CaO50%

MgO5% (0% 제외)

이는 곧 이들 성분범위가 CaO-SiO₂-Al₂O₃상 다이아그램에서 CaO농도 및 MgO 농도의 합계로 CaO농도가 표시되면 모든 개재물은 융점이 1500℃ 이하로 되도록 제어된다는 것을 의미한다.

용어 "평균조성(average composition)"이란 개재물의 평균조성이 강재에 나타난다는 것을 의미한다.

본 발명상에서의 스프링용 강은 그 속에 들어있는 산화물계 개재물이 일정 범위내에 있는 평균조성을 갖고 있다는 것이 특징이다. 사실상, 강재에 나타는 모든 개재물을 분석한다는 것은 어려운 일이다. 따라서, 본 발명에서는 가정하기를, 만일 개재물의 80% 이상이 용융점 1400℃보다 낮게 된다면, 실질적으로 모든 개재물은 1500℃보다 낮은 융점을 갖게 된다. 보다 이를 알기 쉽고 구체적으로 말한다면, 본 발명상의 스프링용 강은 모든 개재물의 80% 이상이 다음의 특정범위에 있는 조성(중량%)으로 되어야 한다.

40%SiO₂ 70%

10%Al₂O₃ 25%

15%CaO45%

MgO3% (0% 제외)

실제로, 개재물의 조사가 충분한 숫자 즉, 갯수로 성분조사가 이루어진다면, 1400℃ 이하의 융점을 가진 개재물은 80% 이상 된다는 것을 가리키고 결국 거의 모든 개재물은 즉, 1500℃ 이하의 융점을 갖게 된다고 볼 수 있는 것이다. 개재물이 1400℃ 이하의 융점을 갖는다는 것은 상기 개재물이 40%SiO₂ 70%, 10%Al₂O₃ 25%, 15%CaO45%, MgO3% (0% 제외)에 의해 특정 조성성분을 갖는다는 것과 같은 말이 된다.

스프링용 강은 그 개재물이 제어된 조성을 가진다면 모든 개재물은 작게 만들어지고 열연 또는 드로잉을 하더라도 도중에 문제가 발생되지 않는 장점을 가져다 준다. 따라서, 스프링용 강이 이렇게 하여 만들어지면, 개재물로 인해 파괴가 일어나는 일은 없게 된다.

본 발명상 중요한 인자의 하나는 개재물의 조성을 상술한 바와 같이 제어한다는 점이다. 다른 중요한 인자로 개재물의 두께를 제어한다는 점이다.

상술한 평균조성을 가진 산화물계 개재물은 5㎛ 이하의 두께를 가져야 한다. 그 비율(portion)은 압연강재의 종단면에 있는 모든 산화물계 개재물의 80%(갯수로) 이상으로 되지 않으면 안된다. 용어 "두께"라고 여기에서 사용되는 용어는 종래 기술상의 "폭"과 같은 의미를 지니고 있다. 이들 개재물은 압연방향으로 연신된 형상을 갖는다. 길이방향에 대략 수직인 방향에서 측정된 각 개재물의 사이즈는 두께로 정의된다. 보다 구체적으로는, 두께는 다음 방식으로 계산된다.

즉, 와이어로드를 길이방향으로 절단할 수 있느냐가 의문이다. 길이방향 단부로부터 측정된 D/4에 해당되는(여기에서 D는 와이어로드의 직경) 폭을 각각 가진 종단면의 2개의 역(제 1 도 빗금 그은 부분)을 선택한다. 모든 산화물계 개재물의 숫자를 1000㎟의 역에서 나타나는 것으로 세어두며, 또한 상술한 평균조성 및 5㎛보다 작은 두께를 가진 산화물 개재물의 갯수를 세어 제 1 셈에 대한 제 2 셈의 비율을 계산한다. 시험편은 현미경으로 관찰하여 10개 이상의 샘플을 소정의 역(1000㎟)에서 랜덤채취하여 그 평균값을 관찰한다.

전술한 바와 같이, 강재의 종단면에서의 개재물 두께는 피로특성 개선에 큰 영향을 준다. 이러한 이유로 본 발명은 피로특성을 개선하기 위해 개재물의 두께를 특정화한다.

피로특성을 개선하기 위해, 본 발명은 스프링용 강은 그 표면결함이 그 직경의 1.0% 이하로 되는 깊이를 갖거나/또는 총 탈탄화 깊이가 그 직경의 1.0% 이하가 될 것을 요구한다.

용어 "표면결함의 깊이"라 하는 것은 표면결함의 최대깊이값을 의미한다. 또한 "총 탈탄화 깊이(total decarburized depth)"라 하는 것은 총 탈탄층 (decarburized layer)의 최대깊이값을 의미한다.

표면결함의 깊이는 현미경으로 와이어로드의 단부의 단면을 관찰해서 측정한다. 표면결함의 깊이는 또한 피로특성에 역효과를 가져오는 것으로 알려져 있다. 이러한 이유때문에, 본 발명은 총 탈탄층 깊이가 와이어로드 직경의 1.0% 이하로 되도록 특정화해야 한다.

본 발명에 따라, 표면결함 및 총 탈탄층 깊이는 이들 결함으로 인해 생기는 파괴로부터 스프링을 보호하기 위하여 전술한 바와 같이 제어하게 된다.

본 발명상의 스프링용 강은 전술한 요구조건을 충족하는 한, 강재에서 특별히 제한조건을 설정하는 일은 없다. 통상의 스프링용 강용으로 어떠한 강재성분도 좋다. 대표적인 성분조성(중량%)은 다음과 같다.

C : 0.38-0.85%, S : 0.25-2.10%

Mn : 0.2-1.0%, P0.035%

S0.035%, 나머지는 철분과 불가피불순물이다.

또한 Cr(0.65~1.5%), Mo(0.1~0.5%), V(0.05~0.30%), Ni(0.2~ 0.5%), Nb(0.02~0.06%), Ti(0.02~0.09%), Cu(0.10~0.30%)로 이루어지는 그룹으로부터 하나 이상의 원소를 선택하되 총 함유량을 2.5% 이하로 선택적으로 함유할 수 있다.

실시예

본 발명은 다음 실시예에 의해 보다 상세히 설명된다.

이는 그러나, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 결코 아니다. 여러가지 변형과 수정이 만들어질 수 있으나 본 발명의 범위와 발명사상으로부터 떨어지지 않는 범위내에서 이루어질 수 있다.

실시예1

밸브스프링용 강을 90톤 전로를 사용하여 제조하였다. 조성의 조정을 위한 정련공정에서, Ca합금과 Al합금을 여러가지 량으로 첨가하였으며, 이에 따라 산화물계 개재물은 다음 화학조성을 갖게 되었다.

40%SiO₂ 70%

10%Al₂O₃ 25%

15%CaO45%

MgO3%

그 결과 나온 샘플로 개재물 성분과 피로수명 사이의 관계를 조사하였다. 이 때의 강재샘플의 성분은 표1에 나타나 있다. 피로수명은 다음와 같이 측정하였다.

표1

강재샘플은 와이어로드(8.0㎜ 직경)로 압연하였는데, 그런 다음 오일 템퍼링 (oil tempering)으로 와이어(4.6㎜ 직경)로 드로잉하였다. 이 와이어샘플을 로타리벤딩 피로테스트(rotary bending fatigue test : 나카무라형)로 처리하였다. 이렇게 하여 파괴를 가져오는데 필요한 반복횟수를 기록하였다. 여기에서, 오일 템퍼링한 와이어는 강도 2100MPa, 테스트 스트레스는 850MPa를 가진 것이다.

제 2 도는 총 산화물 개재물에 대한 특정 개재물의 비율에 따라 가변되는 피로수명을 나타내는 그래프이다. 제 2 도에서 이 샘플들은 이 비율이 80%보다 높으면 소정의 피로수명(10⁷사이클)을 가지는데, 그 반면 피로수명이 이 비율이 80%보다 낮으면 보다 수명은 짧아진다.

제 3 도는 총 산화물 개재물에서 5㎛보다 얇은 개재물의 비율에 따라 가변되는 피로수명을 나타낸 것이다. 주목할 것은 제 3 도에서, 샘플은 언제나 앞서의 비율이 80%를 넘을 정도로 높다면 소기의 피로수명(10⁷사이클)을 얻을 수 있다는 점이다.

개재물의 비율에 있어서는 5㎛ 이하의 얇은 것의 비율은 만일 개재물이 상술한 조성으로 되고 충분한 감면율로 적절한 온도에서 압연되어 생산된다면 그 비율은 80%를 상회할 것이다. 압연감면율은 강재제품의 단면에 대한 인곳트의 단면을 나타낸 것으로 정의된다. 보다 구체적으로 말한다면, 감면율은 100을 넘어야 하고 압연온도는 750℃를 넘어야 한다.

와이어로드의 샘플은 그 개재물이 총 산화물 개재물(oxide inclusions)의 80%(갯수로)가 두께 5㎛보다 얇은 것으로 생산되었다. 이 샘플들은 그 직경에 대한 표면결함의 깊이의 비율에 따라 피로특성이 어떻게 달라지는가를 보기 위하여 테스트에 제공되었다. 또한 이 피로특성은 그 직경에 대한 총 탈탄층 두께의 비율에 따라 어떻게 변화하는 가도 테스트하였다. 그 결과는 제 4 도 및 제 5 도에 도시되어 있는 바와 같았다.

표면결함은 가열도중에는 눌려진 스케일때문에 생기는데, 이는 가열온도와 시간에 따라 그 깊이가 달라진다. 또한, 총 탈탄층 깊이는 가열온도, 가열분위기, 시간에 따라 달라진다.

제 4 도는 와이어로드 직경에 대한 표면결함의 깊이 비율에 따라 피로특성이 어떻게 달라지는지를 보여주는 그래프이다. 제 4 도로부터 알 수 있듯이, 피로특성은 와이어로드 직경에 대한 표면결함의 깊이 비율이 1.0%를 넘으면 표면결함의 깊이에 역비례하여 감소된다. 이는 파괴가 표면결함으로부터 시작된다는 것을 암시하는 것이다.

이에 비해, 안정된, 거의 일정한 피로특성치는, 와이어로드 직경에 대한 표면결함의 깊이의 비율이 1.0% 이하로 유지된다면, 표면결함의 깊이에 관계없이 얻어진다.

제 5 도는 와이어로드 직경에 대한 총 탈탄층 깊이의 비율에 따라 어떻게 가변되는지를 보여준다. 여기 제 5 도에서 피로특성은 와이어로드 직경에 대해 총 탈탄층의 깊이가 1.0%를 넘으면 총 탈탄층에 역비례하여 그 특성치가 감소됨을 나타내고 있음에 유의할 필요가 있다. 이 또한 총 탈탄층으로부터 파괴가 시작됨을 암시하는 것이다.

이에 비하여 안정적이고, 거의 일정한 피로특성치는 와이어로드 직경에 대한 표면결함의 깊이의 비율이 1.0% 이하로 유지된다면 총 탈탄층 깊이에 관계없이 얻어진다.

본 발명은 전술한 바와 같으며, 전술한 구성으로 피로특성이 우수한 스프링용 강을 제공할 수 있게 하는 것이다.

Claims (4)

1. 압연강재로부터 스프링용 강을 제조함에 있어 산화물계 개재물의 평균조성은 중량비로,

   35%SiO₂ 75%

   5%Al₂O₃ 30%

   10%CaO50%

   MgO5% (0% 제외)

   로 되는 것을 특징으로 하는 피로특성이 우수한 스프링용 강(spring用 鋼).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압연강재의 종단면상의 총 산화물계 개재물에 대하여, 두께 5㎛ 이하의 산화물계 개재물이 80%(갯수) 이상을 점하는 스프링용 강.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강재의 직경에 대한 표면결함 깊이의 비율이 1.0% 이하로 제어되도록 한 스프링용 강.
4. 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 강재의 직경에 대한 총 탈탄층 깊이의 비율이 1.0% 이하로 제어되도록 한 스프링용 강.