KR20050008820A

KR20050008820A - 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강

Info

Publication number: KR20050008820A
Application number: KR10-2004-7020244A
Authority: KR
Inventors: 후쿠즈미다쓰오; 히로마쓰히데노리; 사토모토유키; 하라료
Original assignee: 미쓰비시 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2002-11-21
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2005-01-21
Also published as: RU2293785C2; US8337642B2; KR100607333B1; US8197614B2; JP3763573B2; CA2486731A1; AU2003284550A1; RU2005116987A; ATE382718T1; US20120205013A1; US20050217766A1; CN1692173A; JP2004169142A; CA2486731C; US20110041962A1; WO2004046405A1; DE60318495D1; US7850794B2; DE60318495T2; EP1577411B1

Abstract

본 발명은, 담금질성에 뛰어나고, 부식환경하에서 공식발생을 억제하고, 더구나 높은 응력, 높은 인성을 달성할 수 있는 스프링용 강을 제공하는 것이다. 구체적으로는, 질량%로, C:0.40∼0.70%, Si:0.05∼0.50%, Mn:0.60∼1.00%, Cr:1.00∼2.00%, Nb:0.010∼0.050%, Al:0.005∼0.050%, N:0.0045∼0.0100%, Ti:0.005∼0.050%, B:0.0005∼0.0060%를 함유하고, 더욱 P:0.015% 이하, S:0.010% 이하로 제한하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 담금질 후 400℃ 템퍼링에 있어서의 인장강도가 1700MPa 이상, JIS 3호 2mm U노치 시험편 충격치가 40J/cm²이상을 가지며, 계수 Fce를 1.70 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강이다.

Description

담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강{STEEL FOR SPRING BEING IMPROVED IN QUENCHING CHARACTERISTICS AND RESISTANCE TO PITTING CORROSION}

종래, 현가용 스프링이나 판스프링 등의 자동차 및 각종 산업기계에 있어서 사용되는 스프링강은 JIS에서의 SUP11, SUP10, SUP9, SUP6 및 그들에 상당하는 강이 중심이지만, 근래의 자동차의 경량화지향은 현가장치인 스프링 자체의 경량화에 대한 요구를 강화하고 있다.

이를 위한 설계응력의 상승과 그에 대응할 수 있는 고응력 스프링강의 개발이 요구되어 왔다. 그 중에서, 특히 지름 30mm 이상의 굵은 지름 현가스프링 또는 판두께가 30mm 이상인 두꺼운 판스프링에 있어서는, 더욱 경도를 높일 필요가 있고, 그 때문에 충격치의 저하를 초래하여 스프링의 파손으로 연결된다고 생각된다. 또, 스프링의 고응력화는, 부식환경에서의 공식(pitting corrosion)을 기점으로 한피로강도나 수소취화균열에 대한 감수성을 증가시키는 것이 알려져 있다.

또한, 스프링강의 피로수명의 향상으로부터 내수소취성(耐水素脆性)을 방지하는 강철도 여러 가지로 존재하지만(예를 들면 일본 특허공개 2001-234277호 공보 참조), 본 발명과 같이 고응력(高應力), 고인성(高靭性)을 겸비하고 있는 강철은 아직 개발되어 있지 않다.

본 발명은 상술의 종래 기술에 비추어, 지름 30mm 이상의 굵은 지름 현가스프링 또는 판두께가 30mm 이상인 두께의 판스프링이더라도, 담금질성에 뛰어나고, 부식환경하에서 공식(pitting corrosion)발생을 억제하고, 더구나 고강도, 고인성을 달성할 수가 있는 스프링강을 제공하는 것이다.

본 발명은, 현가(懸架)용 스프링, 판스프링 등의 자동차, 및 각종 산업기계 등에서 사용되는 스프링에 있어서, 부식환경하에서도 인장강도 1700MPa 이상의 고강도와 충격치 40J/cm²이상의 높은 고인성(高靭性)을 함께 가진 담금질성과 내공식성(resistance to pitting corrosion)을 개선한 스프링용 강에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명의 강과 비교강의 (a)인장강도와 (b)충격치의 시험결과를 나타내는 그래프이다.

도 2는, 분극곡선의 공식전위(pitting potential) 측정장치의 설명도이다.

도 3은, 공식전위 측정장치의 측정예의 모식도이다.

본 발명은 하기(1)∼(3)의 구성으로 이루어진다.

(1) 질량%로, C:0.40∼0.70%, Si:0.05∼0.50%, Mn:0.60∼1.00%, Cr:1.00∼2.00%, Nb:0.010∼0.050%, Al:0.005∼0.050%, N:0.0045∼0.0100%, Ti:0.005∼0.050%, B:0.0005∼0.0060% 함유하고, 더욱 P:0.015% 이하, S:0.010% 이하로 제한하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 담금질 후 400℃ 템퍼링에서 인장강도가 1700MPa 이상, JIS 3호 2mm U노치 시험편의 충격치가 40J/cm²이상을 가지며, 계수Fce=C%+0.15Mn%+0.41Ni%+0.83Cr%+0.22Mo%+0.63Cu%+0.40V%+1.36Sb%+121B%가 1.70 이상인 것을 특징으로 하는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.

(2) 상기 (1)에 질량%로, Mo:0.05∼0.60%, V:0.05∼0.40%의 1종 또는 2종을더욱 첨가하여 이루어지는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 질량%로, Ni:0.05∼0.30%, Cu:0.10∼0.50%, Sb: 0.005∼0.05%의 1종 또는 2종 이상을 더욱 첨가하여 이루어지는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.

본 발명에 있어서의 성분의 한정이유는 다음과 같다. %는 질량%이다.

C: C는 강의 강도를 높이는 데 유효한 원소이지만, 0.40% 미만에서는 스프링강으로서의 필요한 강도를 얻을 수 없고, 0.70%를 넘으면 스프링이 지나치게 물러지기 때문에 0.40∼0.70%의 범위로 하였다.

Si: Si는 탈산(脫酸)원소로서 중요하고 충분한 탈산효과를 얻기 위해서는, 적어도 0.05% 이상 필요하지만, 0.50%를 넘으면 인성(靭性)값의 저하가 현저하기 때문에, 0.05∼0.50%의 범위로 하였다.

Mn: Mn은 강의 담금질성을 향상시키는 데 유효한 원소이고, 스프링강의 강도와 담금질성의 양면에서 적어도 0.60%를 넘게 필요하지만, 1.00%를 넘으면 인성을 저해하기 때문에, 그 범위를 0.60∼1.00%로 하였다.

Cr: Cr는 내공식성을 향상시킴과 동시에 강의 강도를 높이는 데 유효한 원소이지만, 1.00% 미만에서는 필요한 강도를 얻을 수 없고, 2.00%를 넘으면 인성이 열화하기 때문에, 그 범위를 1.00∼2.00%로 하였다.

Nb: Nb는 결정입자의 미세화 및 미세탄화물의 석출에 의해 강철의 강도와 인성을 높이는 원소이지만, 0.O10% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또한, 0.050%를 넘으면 오스테나이트중에 용해되지 않는 탄화물이 증가하여, 스프링특성을 열화시키기 때문에 그 범위를 0.010∼0.050%로 하였다.

Al: Al은 탈산제 및 오스테나이트 결정입도의 조정을 도모하기 위해서 필요한 원소이고, 0.005%를 밑도는 경우에는 결정입자의 미세화를 도모할 수 없고, 한편, 0.050%을 넘는 경우에는 주조성(鑄造性)을 저하시키기 쉬워지기 때문에, 그 범위를 0.005∼0.050%로 하였다.

N: N은 Al과 Nb와 결합하여 AlN, NbN을 형성하여, 오스테나이트 결정입도의 미세화에 효과가 있는 원소이고, 그 미세화를 통해, 인성향상에 기여한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, 적어도 0.0045% 이상 필요하다. 그러나, B를 첨가하여, 담금질성의 향상을 도모하기 위해서는 가능한 적은 쪽이 좋고, 또한, 그 지나친 첨가는 응고시의 강괴 표면에서의 기포의 발생이나 강재의 주조성의 열화를 초래한다. 이것을 피하기 위해서는 상한을 0.0100%로 규정해야 하기 때문에, 그 범위를 0.0045∼0.0100%로 하였다.

Ti: 강(鋼)중의 N은 후술하는 B와 결합하여 BN을 형성하여, B의 내공식성향상, 입계(粒界)강화, 담금질성향상 효과를 열화시키는 것을 방지하기 위해서 첨가하는 원소이다. 0.005% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없다. 또한, 다량으로 첨가하면 대형의 TiN을 생성하여 피로파괴의 기점이 될 가능성이 있기 때문에 상한을 0.050%로 하여, 그 범위를 0.005∼0.050%로 하였다.

B: B는 내공식성을 향상시킴과 동시에, 입계부근에 석출고용(析出固溶)하여 입계를 강화한다. 0.0005% 미만이면 그 효과는 충분히 기대할 수 없다. 또, 0.0060%를 넘어 첨가하더라도 그 효과는 포화함과 동시에, 물러지기 때문에 그 범위를 0.0005%∼0.0060%로 하였다.

P: 오스테나이트 입계에 석출하여 입계를 취화(脆化)함으로써 충격치를 저하하는 원소이고, 0.015%를 넘게 포함하면 이러한 폐해가 현저해지기 때문에, 그 범위를 0.015% 이하로 하였다.

S: S는 강(鋼)중에서는 MnS의 개재물(介在物)로서 존재하여, 피로수명을 저하시키는 요인이 된다. 따라서, 개재물을 줄이기 위해서 상한을 0.O10%로 한정해야 하기 때문에, 그 범위를 0.O10% 이하로 하였다.

(2)는 현가용 스프링의 굵기 또는 판스프링의 판두께가 두꺼워, 더욱 담금질성이 요구되는 경우로서, Mo, V의 조성 한정이유는 하기와 같다.

Mo: Mo는 담금질성을 확보하여, 강철의 강도와 인성을 높이는 원소이지만, 0.05% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없고 0.60%를 넘으면 효과는 포화하기 때문에, 그 범위를 0.05∼0.60%로 하였다.

V: V는 강의 강도 또는 담금질성을 높이는 원소이지만, 0.05% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또한, 0.40%를 넘으면 오스테나이트중에 용해되지 않은 탄화물이 증가하여, 스프링 특성을 열화시키기 때문에, 그 범위를 0.05∼0.40%로 하였다.

(3)은 내식성의 향상이 더욱 요구되는 경우로서, Ni, Cu, Sb의 조성 한정이유는 하기와 같다.

Ni: Ni는 강(鋼)의 내식성을 증가하는 데에 필요한 원소이지만, 0.05% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대할 수 없지만 비싸기 때문에 그 상한을 0.30%로 하여, 그 범위를 0.05∼0.30%로 하였다.

Cu: Cu는 내식성을 증가시키는 성분이고 그 효과는 0.10% 미만에서는 효과가 나타나지 않고, 0.50%를 넘으면 열간압연시 균열 등의 문제가 생기기 때문에, 그 범위를 0.10∼0.50%로 하였다.

Sb: Sb는 내식성을 증가시키는 성분이고 그 효과는 0.005% 미만에서는 효과가 나타나지 않고, 0.05%를 넘으면 인성이 저하하기 때문에, 그 범위를 0.005∼0.050%로 하였다.

본 발명에 있어서는, 담금질성과 내식성을 증가시키는 성분으로서 C, Mn, Ni, Cr, Mo, B, Cu, V, Sb를 채택하여 효율적으로 담금질성과 내식성을 증가시키기 위해, 파라미터 Fce=C%+0.15Mn%+0.41Ni%+0.83Cr%+0.22Mo%+0.63Cu%+0.40V%+1.36Sb% +121B%를 도입하였다. 따라서, 본 발명의 공식방지계수(anti-pitting factor)를 사용하는 것에 의해 성분설계를 용이하게 할 수 있게 되었다.

본 발명은, 상술의 각 원소의 성분범위를 취하는 것에 의해, 담금질성에 뛰어나고, 부식환경하에서도 공식발생을 억제하고, 더구나 경량이고 고응력, 고인성을 달성할 수 있는 스프링강을 제공할 수가 있다.

다음에 구체적인 실시예를 들어, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 표 1에는 본 발명에 의한 개발강(鋼)과, 그와 대비하기 위한 비교강의 실화로(actual furnace)에서 용융제조한 화학성분을 나타낸다. 이들 실화로(전기로)를, 지름 20mm의 둥근 막대로 압연제조하여, 종래 강과의 비교를 하였다.

이들 둥근 막대에 하기의 열처리를 한 후, 인장 및 충격 시험편을 작성하였다.

<시험편 형상치수>

인장 : JIS 3호(d=5mmØ)

충격 : JIS 4호

<열처리조건>

담금질 : 950℃ ×20분 → 유냉(油冷)

템퍼링 : 400℃ ×60분 →공냉(空冷)

표 2에 이들 시험결과를 나타내었다. 표중의 오스테나이트 결정입도는 A.G.S번호이다.

표 2로부터 명백하듯이, 본 발명의 강은 인장강도 1700MPa 이상에서도 충격치 40J/cm²이상으로 높은 값을 나타내었다. 이것은 결정입도의 미세화와 입계강화에 의한 것이다. 동일한 효과를 확인할 목적으로 SUP10을 비교강으로 하여, 본 발명강 1의 N0.5와 함께 템퍼링성능 곡선을 비교한 결과가 도 1(a)(인장강도), (b)(충격치)이다. 이것으로부터도 본 발명강쪽이 비교강보다 인성 값이 높은 것을 알 수 있다.

본 발명의 내식성의 확인에는, 포화 칼로멜(calomel) 전극을 사용하여 전류밀도 50㎂/cm²에 있어서의 내식성의 평가를 분극특성의 공식전위(pitting potential )로 측정하였다. 결과를 표 2에 나타낸다. 참고로 분극곡선의 공식전위 측정장치를 도 2에 나타낸다. 도면 중, 1이 시료이고, 2는 백금전극, 3이 포화 칼로멜 전극이다. 4는 5% NaC1수용액, 관(5)은 질소실린더로 연결되고, 30분 탈기(脫氣), 40분 방치하여, 용액중의 [O]를 제거한다. 6은 포화 KCl이 들어가 있다. 7, 8, 9는 자동분극 측정장치로 연결되는 배선이다. 도 3은 측정예의 모식도를 나타낸다. 도 3에서는 A강보다 B강쪽이 전위가 높은 것을 나타내며, B강쪽이 내식성에 우수한 것을 나타낸다.

표 2의 공식전위를 비교하면 본 발명강은 비교강에 비교해서 양의 방향, 즉 귀(貴)인 것을 나타내고 있다. 즉, 본 발명강은 내식성이 비교강보다 우수한 것을 나타낸다.

본 발명강의 담금질성에 대해서는 본 발명강을 JIS G 0561 조미니식(Jominy) 일끝단 담금질법에 기초하여, 담금질성 시험을 한 결과를 표 2에 나타낸다. 담금질 거리 J 30mm의 비교에 있어서는 비교강에 비교해서 높은 값을 나타내고, 특히 Mo, V 첨가의 본 발명강 2는 HRC 60∼62로 매우 높은 담금질성을 나타내고 있는 것이 관찰되었다.

더욱 본 발명강 3의 내식성에 대한 확인으로는, 표 2의 공식전위를 비교하면 Ni, Cu, Sb 첨가의 본 발명강 3이 본 발명강 1, 2에 비교해서 양의 방향, 즉 귀(貴)인 것을 나타내고 있다. 즉, Ni, Cu, Sb 첨가의 본 발명강은 내식성이 본 발명강 1, 2보다 더욱 우수한 것을 나타낸다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의한 스프링용 강은, 담금질성에 뛰어나고, 부식환경하에서 공식발생을 억제하여, 높은 인장강도와 인성을 가지며, 스프링의 경량화에 기여할 수 있다.

Claims

질량%로, C:0.40∼0.70%, Si:0.05∼0.50%, Mn:0.60∼1.00%, Cr:1.00∼2.00%, Nb:0.010∼0.050%, Al:0.005∼0.050%, N:0.0045∼0.0100%, Ti:0.005∼0.050%, B:0.0005∼0.0060%를 함유하고, 더욱 P:0.015% 이하, S:0.010% 이하로 제한하고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 담금질 후 400℃ 템퍼링에 있어서의 인장강도가 1700MPa 이상(49HRC 이상), JIS 3호 2mm U노치 시험편 충격치가 40J/cm²이상을 가지며, 계수 Fce=C%+0.15Mn%+0.41Ni%+0.83Cr%+0.22Mo%+0.63Cu%+0.40V%+ 1.36Sb%+121B%가 1.70 이상인 것을 특징으로 하는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.
제 1 항에 있어서, 질량%로, Mo:0.05∼0.60%, V:0.05∼0.40%의 1종 또는 2종을 더욱 첨가하여 이루어지는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 질량%로, Ni:0.05∼0.30%, Cu:0.10∼0.50%, Sb:0.005∼0.05%의 1종 또는 2종 이상을 더욱 첨가하여 이루어지는 담금질성과 내공식성을 개선한 스프링용 강.