KR20070065820A

KR20070065820A - 냉간절단성과 피로 특성이 우수한 냉간 성형 스프링용강선과 그의 제조방법

Info

Publication number: KR20070065820A
Application number: KR1020060130128A
Authority: KR
Inventors: 나오 요시하라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2007-06-25
Also published as: DE602006016057D1; JP4486040B2; EP1801255B1; US20070137741A1; CN1986865A; EP1801255A1; KR100845368B1; CN100453684C; US9611523B2; JP2007169688A

Abstract

본 발명의 냉간절단성과 피로 특성이 우수한 냉간 성형 스프링용 강선은, 규정된 성분 조성을 만족시키는 것으로, 금속 조직이, 종횡비[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이하인 구상 탄화물의 평균 입경[√(ab)]: 1.0㎛ 이하, 상기 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율(면적%): (0.1 내지 3)×강중 C량(질량%), 및 상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량(질량%): [0.4×강중 Cr량(질량%)] 이하를 만족시키는 동시에, 담금질성 배수(Dic)가 110mm 이상 450mm 이하이며, 또한 인장 강도가 2000MPa 이상이다.

Description

냉간절단성과 피로 특성이 우수한 냉간 성형 스프링용 강선과 그의 제조방법{COLD FORMABLE SPRING STEEL WIRE EXCELLENT IN COLD CUTTING CAPABILITY AND FATIGUE PROPERTIES AND MANUFACTURING PROCESS THEREOF}

도 1은 구상 탄화물의 평균 입경과 냉간 시어 절단 균열 발생률의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)과 냉간 시어 절단 균열 발생률의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)과 냉간 시어 절단에서의 버(burr) 발생률의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 (Cr+ Si)와 인장 강도의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 5는 (Cr/Si)와 구상 탄화물의 평균 입경의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 6은 (Cr/Si)와 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은, 냉간절단성과 피로 특성이 우수한 냉간 성형 스프링용 강선 및 그의 제조방법에 관한 것으로, 특히, 스프링의 제조에 있어서 요구되는 냉간절단성과, 스프링의 중요한 특성인 피로 특성(대기내구성)을 겸비한 스프링용 강선, 및 상기 스프링용 강선의 제조방법에 관한 것이다. 한편, 본 발명의 스프링용 강은, 자동차 분야, 선박 분야 등의 수송기 분야나 산업 기계 분야 등의 다양한 분야에서 사용되는 스프링의 제조에 이용할 수 있지만, 이하에서는 대표적인 용도예로서, 자동차 부품에 적용한 경우에 대하여 설명한다.

스프링용 강의 화학 성분은 JIS G3565∼G3567, JIS G4801 등에 규정되어 있다. 상기 스프링용 강을 이용하여 냉간 성형 스프링을 제조하는 방법으로서는, 일반적으로 다음 방법을 들 수 있다. 즉, 상기 화학 성분을 만족시키는 강재를 열간 압연후,

(A) 연화 풀림(燒鈍; annealing)을 실시하지 않고서 직접, 소정의 선경(線徑)까지 인발 가공하는,

(B) 연화 풀림한 후에 인발 가공을 하는,

(C) 연화 풀림한 후에 표면의 표피 삭마를 실시하고, 다음으로 열처리하고 나서 인발 가공을 하는, 등의 공정에 의해 인발 가공을 종료하고, 그 후, 담금질(燒入; quenching) 뜨임(燒戾; tempering)을 행하여 소정의 인장 강도를 갖는 스프링용 강선이 되도록 하고, 냉간 성형 코일링기로 스프링 권취를 행한 후, 각개마다 일반적으로 시어(shear)로 냉간 절단한다. 잇따라 스프링 권취 후의 변형을 제거하기 위 해서 저온 풀림을 실시하고, 숏 피닝(shot peening)이나 질화 처리 등의 표면 처리를 적절히 실시하여 표면을 강화한다.

이렇게 하여 제조되는 스프링 부품은, 자동차 등의 배기 가스나 연료 소비율을 저감하기 위해서 소형 경량화가 갈망되고 있다. 상기 목적의 달성 수단으로서 스프링의 고응력화가 시도되고 있고, 예컨대 담금질 뜨임 후의 단계에서, 인장 강도: 2000MPa 이상을 나타내는 고강도 스프링용 강선을 실현하는 것이 요청되고 있다.

상기 냉간 권취 스프링용 강선에 관한 기술로서, 예컨대 일본 특허 제3453501호 공보에는, 구부림 가공시에 발생하는 잔류 응력이 작은 냉간 권취 스프링용 강을 얻기 위해서, 성분 조성의 균형을 제어하는 것이 제안되어 있다.

그런데, 스프링의 강도가 높아짐에 따라서 결함 감수성이 일반적으로 높아지는 경향이 있어, 스프링용 강선의 표면에 존재하는 반송 결함이나 신선 결함이라는, 피로 특성을 떨어뜨리지 않는 작은 결함이더라도, 거기를 기점으로 하여 냉간 시어 절단시에 균열이 발생하는 경우가 있다. 그러나, 동 문헌에 나타낸 바와 같이 성분 조성의 균형을 제어할 뿐으로는, 상기 냉간 시어 절단시의 균열을 억제하는 것은 어렵다고 생각된다.

상기 냉간 시어 절단시의 균열을 억제하는 기술에 관해서도 지금까지 제안되어 있고, 예컨대 일본 특허 제3627393호 공보에는, 냉간 시어 균열이 발생하는 원인이 절결 감수성의 높이에 있음을 지적한 뒤에, 이 절결 감수성을 저하시키도록 탄화물의 평균 입경이나 강중 체적률을 제어하고 있다. 그러나 이 기술에 의하면, Si는 가공성을 열화시키기 때문에 1.5질량% 이하로 억제하고 있지만, 상기 Si량 수준에서는 인장 강도: 2000MPa 이상을 달성하는 것이 어렵고, 동 문헌은, 고강도 영역에서 냉간절단성과 스프링의 중요한 특성인 피로 특성을 높일 수 있다고는 할 수 없다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 스프링의 제조 과정에서 우수한 냉간절단성을 발휘하는 동시에, 우수한 피로 특성을 나타내는 스프링의 제조에 유용한, 스프링용 강선과 그 제조방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 스프링용 강선은, 질량%로

C: 0.45 내지 0.70%,

Si: 1.9 내지 2.5%,

Mn: 0.15 내지 1.0%, 및

Cr: 0.7 내지 2.0%

를 함유하고,

P: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음),

S: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음),

Cr+Si: 3.0% 이상, 및

Cr/Si: 0.95 이하

를 만족시키고,

금속 조직이,

종횡비(aspect ratio)[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이하인 구상 탄화물의 평균 입경[√(ab)]: 1.0㎛ 이하,

상기 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율(면적%): (0.1 내지 3)×강중 C량(질량%), 및

상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량(질량%): [0.4×강중 Cr량(질량%)] 이하

를 만족시키고,

인장 강도가 2000MPa 이상이며, 또한

하기 수학식 1 내지 3으로 나타내는 담금질성 배수(Dic)가 110mm 이상 450mm 이하이다.

〈C: 0.45% 이상 0.55% 이하의 경우〉

〈C: 0.55% 초과 0.65% 이하의 경우〉

〈C: 0.65% 초과 0.70% 이하의 경우〉

{상기 식중, [C], [Mn], [Si], [Ni], [Cr], [Cu] 및 [V]는 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다}

상기 스프링용 강선은 추가로, 질량%로

(a) V: 0.4% 이하, Ti: 0.1% 이하, 및 Nb: 0.1% 이하로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이나,

(b) Cu: 0.70%이하 및/또는 Ni: 0.80% 이하를 포함하고 있더라도 좋다.

본 발명은, 상기 스프링용 강선을 제조하는 방법도 규정하는 것으로, 상기 제조방법에 있어서는, 상기 성분 조성을 만족시키는 강재를 이용하여 열간 압연하고, 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도를 900℃ 이상으로 하고, 냉각 개시 온도로부터 700℃까지를 10℃/초 이상의 속도로 냉각하고, 그 후 550 내지 700℃에서 풀림한다.

한편, 상기 종횡비[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이 하인 구상 탄화물의 평균 입경[√(ab)], 상기 구상 탄화물의 비율(면적%), 및 상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량(질량%)은, 후술하는 실시예에 나타내는 방법으로 측정한 값을 말하는 것으로 한다.

본 발명의 스프링용 강선을 예컨대 자동차용 스프링 부품의 제조에 이용하면, 제조 공정에서 우수한 냉간절단성을 발휘하고, 피로 특성이 우수한 자동차 엔진용의 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 안정기(stabilizer), 토션 바 및 현가(suspension) 스프링 등의 스프링 부품을 양호한 제조성으로 얻을 수 있다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명자는, 2000MPa 이상의 고강도역(域)에 있어서, 스프링 성형후의 냉간절단성과 피로 특성을 향상시킨 스프링용 강선을 실현하기 위해, 특히, 상기 냉간절단성의 저하를 초래하는 절결 감수성 증대의 요인을 조사하기 위해서 수많은 실험 검증을 실시했다. 그 결과, 고강도 영역에서 스프링 성형후의 냉간절단성과 피로 특성이 우수한 스프링용 강선으로 하기 위해서는, 강중에 다수 존재하는 종횡비[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이하인 구상 탄화물(이하, 단지 「구상 탄화물」라 할 수 있음)의 형태(구체적으로는, 상기 구상 탄화물의 평균 입경과 상기 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율), Cr량과 Si량의 균형, 및 열간 압연 선재의 조직에 영향을 주는 강재의 담금질성 배수(Dic)를 제어하는 것이 중요함을 발견하여, 이하의 지견에 이르렀다.

(1) 강중의 종횡비[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이하인 구상 탄화물의 평균 입경[√(ab)]을 저감하는 것에 의해 냉간절단성이 향상된다.

(2) 강중에 차지하는 상기 구상 탄화물의 비율(면적률)을 일정 범위로 제어함으로써 냉간절단성(냉간 시어 절단성)이 향상된다.

(3) 상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량을 일정 범위로 제어함으로써 냉간절단성과 강도를 더불어 향상시킬 수 있다.

(4) 강중 Cr량과 강중 Si량의 합을 일정치 이상으로 함으로써 고강도화를 달성할 수 있다.

(5) 강중 Si량에 대한 강중 Cr량의 비율을 일정치 이하로 하는 것에 의해, 냉간절단성과 강도를 더불어 향상시킬 수 있다.

(6) 강재의 담금질성 배수(Dic)를 어떤 일정 범위로 제어함으로써 구상 탄화물이 강중에 차지하는 비율이 본 발명에서 규정하는 하한치를 상회하도록 하는 것을 용이하게 달성할 수 있다.

이하, 상기 (1) 내지 (6)에 나타내는 탄화물의 형태 제어 및 강중 Cr량과 강중 Si량의 균형, 및 강재의 담금질성 배수(Dic)의 제어에 대하여 상세히 기술한다.

〈강선 중의 구상 탄화물의 평균 입경: 1.0㎛ 이하〉

강선의 조직을 후술하는 바와 같이 마르텐사이트 주체로 한 경우, 상기 조직중에 큰 탄화물이 존재하면 절결 감수성이 증가하여, 냉간절단성이 저하되기 쉽게 된다. 도 1은 구상 탄화물의 평균 입경과 냉간 시어 절단 균열 발생률의 관계를 나타낸 그래프이며, 후술하는 실시예의 결과를 정리한 것이지만, 이 도 1로부터, 상기 구상 탄화물의 평균 입경을 1.0㎛ 이하로 하면 냉간 시어 절단 균열 발생률을 전무하게 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, 상기 구상 탄화물의 평균 입경은, 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 배율: 2000배로 SEM 관찰하여 구한 것이고, 측정 대상은, 상기배율로 관찰할 수 있는 입경[√(ab)]: 0.05㎛ 이상의 구상 탄화물이다.

〈강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율(면적률): (0.1 내지 3)×강중 C량(질량%)〉

강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율이 증가한 경우도, 상기 조대(粗大)한 구상 탄화물이 존재하는 경우와 같이 상기 탄화물에 의한 절결 효과가 증대하기 쉬워, 냉간 시어 절단 균열이 생기기 쉽게 된다. 또한 강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율이 커지면, 강선의 인성이 열화하여, 시어 절단시의 단면(端面) 균열이라는 시어 절단 균열 이외의 불량이 생기게 된다. 이 단면 균열이란, 절단 단부로부터 강선의 축방향으로 나아가는 균열로서, 이러한 균열이 생기면, 스프링의 사용중에 단부로부터 피로 파손이 발생하는 경우가 있다.

도 2는 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)과 냉간 시어 절단 균열 발생률의 관계를 나타내는 그래프이며, 후술하는 실시예의 결과를 정리한 것이지만, 이 도 2로부터, 냉간 시어 절단 균열 발생률을 전무하게 하기 위해서는 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)을 3 이하, 즉, 강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율을 (3×강중 C량) 면적% 이하로 하면 좋음을 알 수 있다.

한편, 탄화물은, 시어 절단시의 균열의 전파 경로로 되어, 냉간절단성을 향상시키는 효과도 갖고 있고, 상기 탄화물이 지나치게 적으면 냉간 시어 절단으로 버(burr)가 생기기 쉽게 된다. 도 3은 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)과 냉간 시어 절단에서의 버 발생률의 관계를 나타내는 그래프로서, 후술하는 실시예의 결과를 정리한 것이지만, 이 도 3으로부터, 냉간 시어 절단에서의 버 발생률을 전무하게 하기 위해서는, (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)을 0.1 이상, 즉, 강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율을 (0.1×강중 C량) 면적% 이상으로 할 필요가 있음을 알 수 있다.

〈구상 탄화물을 형성하는 Cr량(질량%): [0.4×강중 Cr량(질량%)] 이하〉

Cr을 포함하는 탄화물은 딱딱하여, 강재의 매트릭스 조직의 경도와의 차이가 크고, 냉간 시어 절단시에 균열의 전파 경로가 되기 때문에, 냉간 절단시에 축선 방향에 대하여 수직으로 절단하기 어렵게 된다. 또한 단면 균열을 발생시키는 원인으로도 된다. 또한, 담금질 뜨임에 있어서 뜨임 경화에 의한 고강도화를 달성하기 위해서는 고용 Cr의 확보가 필요하지만, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량이 지나치게 많으면 상기 고강도화를 달성하는 것도 곤란하게 진다. 그래서, 본 발명에서는 구상 탄화물을 형성하는 Cr량의 상한을 (0.4×강중 Cr량) 질량%로 했다. 바람직하게는 (0.3× 강중 Cr량) 질량% 이하이다.

한편, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량의 하한은, Cr을 1.0% 이상 포함하는 본 발명의 강선에 있어서, 강중에 차지하는 탄화물의 비율을 상기한 바와 같이 (0.1×강중 C량) 면적% 이상이라고 하면, 상기 탄화물을 형성하는 Cr량의 하한은 (0.005 ×강중 Cr량) 질량% 정도로 된다.

그런데 상기 강중의 구상 탄화물을 형성하는 Cr량은, 강중 Cr량의 영향을 받아, 강중 Cr량의 증가에 따라 상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량도 증가한다. 또한, 제조 과정에서의 열간 압연후에 냉각 개시까지의 온도(스텔모어(Stelmor)에의 재치 온도 등)가 높으면, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량은 적어지는 경향이 있고, 냉각 개시 온도(900℃ 이상)로부터 700℃까지의 냉각 속도가 빠른 경우도, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량은 적어진다. 또한, 압연후에 행하는 풀림을 고온에서 행할수록, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량은 많아지는 경향이 있다. 본 발명에서는, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량에 영향을 주는 이들 인자를, 본 발명에서 규정하는 범위내로 함으로써 상기 강중의 구상 탄화물을 형성하는 Cr량을 규정 범위내로 제어할 수 있다.

〈Cr+Si: 3.0% 이상〉

〈Cr/Si: 0.95 이하〉

Cr은 상기한 바와 같이 강중에서 탄화물을 형성하기 쉬운 원소이며, 또한 탄화물의 미세화에도 유효한 원소이지만, Ac₁ 변태점 이하에서 재결정 온도 이상(500℃ 정도)의 풀림을 실시하면, 탄화물의 구상화·조대화가 촉진된다. 탄화물이 조대하게 되면, 탄화물 기점에 의한 냉간 시어 절단 균열이 생기기 쉽게 될 뿐만 아니라, 담금질시의 오스테나이트역까지 가열시에 용입이 어려워, 원하는 인장 강도를 얻을 수 없다. 따라서 Cr에 의해서만의 고강도화에는 한계가 있다.

한편 Si는 탄화물의 형성을 억제하는 페라이트 형성 원소이며, 탄화물의 미세화에 유효하다. 이 때문에 Cr과 Si를 공존시키면, 상기 조대한 탄화물을 생성시키지 않고 인장 강도를 높일 수 있다.

도 4는 (Cr+Si)과 인장 강도의 관계를 나타낸 그래프이지만, 이 도 4로부터, 인장 강도: 2000MPa 이상을 달성시키기 위해서는 Cr와 Si의 합계량을 3.0% 이상으로 할 필요가 있음을 알 수 있다. 그래서 본 발명에서는, 후술하는 바와 같이 Cr을 0.7% 이상, Si를 1.9% 이상 함유시키는 것을 전제로, Cr과 Si의 합계량을 3.0% 이상으로 하는 것에 의해, 인장 강도: 2000MPa 이상을 달성시키는 것으로 했다. 인장 강도를 2100MPa 이상보다 높이기 위해서는, 상기 Cr과 Si의 합계량을 3.5% 이상으로 하는 것이 좋다.

상술한 바와 같이 Cr은 탄화물 형성 원소이며, Si는 페라이트 형성 원소이다. 즉, Cr이 탄화물을 형성하는 경향을 Si가 억제하는 관계에 있다. 따라서, 강중 Cr량에 대한 강중 Si량의 비율을 제어한다면, Cr에 의한 탄화물량의 증대 및 상기 조대한 탄화물의 생성을 억제하여 냉간절단성을 높일 수 있다.

도 5는 (Cr/Si)와 상기 구상 탄화물의 평균 입경의 관계를 나타낸 그래프이지만, 이 도 5로부터, 상기 구상 탄화물의 평균 입경을 1.0㎛ 이하로 억제하기 위해서는 (Cr/Si)를 0.95 이하로 할 필요가 있음을 알 수 있다.

또한 도 6은 (Cr/Si)와 (강중에 차지하는 구상 탄화물의 비율/강중 C량)의 관계를 나타낸 그래프이지만, 이 도 6으로부터, (구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율/강중 C량)을 3 이하, 즉, 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율을 (3×강중 C 량) 면적% 이하로 하여도, (Cr/Si)을 0.95 이하로 할 필요가 있음을 알 수 있다.

〈하기 수학식 1 내지 3으로 나타내는 담금질성 배수(Dic): 110mm 이상 450mm 이하〉

C량의 범위별로 예시한 하기 수학식 1 내지 3의 담금질성 배수(Dic)는, 열간 압연시의 마르텐사이트나 베이나이트라는 과냉 조직이 생기기 쉬움의 지표이며, 강선을 고강도화시키는 고합금 성분계에서는 높아지는 경향이 있다.

그런데, 압연후의 풀림시에 탄화물을 형성하기 쉬운 조직은, 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트의 순이기 때문에, 압연후 풀림전의 조직을 마르텐사이트 주체(50% 이상, 바람직하게는 70% 이상)로 하여 압연후의 풀림시에 있는 정도의 탄화물을 형성시켜, 그 후의 탄화물이 감소하는 공정(담금질 등의 열처리 공정)을 지나서도, 강선 중에 차지하는 탄화물량이 상기 규정 범위내로 되도록 확보해야 한다. 마르텐사이트라고 하는, 이른바 압연 과냉각 조직을 석출시키기 위해서는, 하기 Dic의 값을 높이는 것이 좋고, 본 발명에서는, 후술하는 압연후의 냉각 조건을 설정하여, 그 범위 내에서 마르텐사이트 조직으로 되도록 Dic의 하한을 110mm로 했다. 바람직하게는 115mm 이상이다. 한편, Dic이 지나치게 높으면 담금질 뜨임시에 소할(燒割)이 생기기 쉽게 되기 때문에, 본 발명에서는 450mm를 상한으로 했다. 바람직하게는 420mm 이하이다.

〈C: 0.45% 이상 0.55% 이하의 경우〉

수학식 1

〈C: 0.55% 초과 0.65% 이하의 경우〉

수학식 2

〈C: 0.65% 초과 0.70% 이하의 경우〉

수학식 3

본 발명은, 상술한 바와 같이 특히 강중의 구상 탄화물이나, 강중 Cr량과 강중 Si량의 균형, 담금질성 배수(Dic)를 제어하는 점에 특징이 있지만, 상기 제어에 의해 냉간절단성과 피로 특성을 용이하게 높이기 위해서는, 하기와 같이 성분 조성을 제어하는 것이 필요하다.

〈C: 0.45 내지 0.70%〉

C는 강중에 필연적으로 포함되는 원소이며, 담금질 뜨임 후의 강도(경도)를 확보하는 데 필요한 원소이다. 담금질 뜨임 후의 고강도와 상기 고강도역에서의 우수한 피로 특성을 달성시키기 위해서는, C량을 0.45% 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율을 규정의 범위내로 하는 데에도 상기 C량으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.48% 이상이다. 한편, C량이 과잉이면, 냉간 시어 절단시의 절결 감수성이 높아져, 강선의 표면에 존재하는 반송 결함이나 신선 결함이라는 피로 특성을 떨어뜨리지 않는 작은 결함이 기점으로 되어 냉간 시어 절단시에 균열이 생기기 쉽게 된다. 따라서 본 발명에서는 C량을 0.70% 이하로 억제한다. 바람직하게는 0.63% 이하이다.

〈Si: 1.9 내지 2.5%〉

Si는 고용 강화 원소로서 강도 향상에 기여하며, 또한 내력의 향상에도 기여하는 원소이며, 지나치게 적으면 원하는 강도가 얻어지기 어려울 뿐만 아니라, 상기 Cr량과 Si량의 균형을 본 발명에서 규정하는 범위 내로 하기도 어렵게 된다. 따라서 본 발명에서는 Si량을 1.9% 이상(바람직하게는 2.0% 이상)으로 한다. 한편, Si량이 과잉이 되면, A₃ 변태점을 초과하는 열처리를 실시했을 때에 강재 표면에 페라이트 탈탄이 생기기 쉽고, 또한 강재 내부로 고용하기 어렵게 된다. 따라서 Si량을 2.5% 이하로 했다. 바람직하게는 2.2% 이하이다.

〈Mn: 0.15 내지 1.0%〉

Mn은 강중의 담금질성을 적극적으로 높이는 데 필요한 원소이며, 0.15% 이상함유시킨다. 바람직하게는 0.20% 이상이다. 그러나 Mn량이 과다하면, 담금질성이 높아져, 상기 Dic를 규정 범위내로 하기 어렵게 된다. 따라서 본 발명에서는 Mn량의 상한을 1.0%로 한다. 바람직하게는 0.95% 이하이다.

한편, Mn량이 증가하면, 파괴의 기점이 되는 MnS가 형성되기 쉽게 되기 때문에, S량의 저감 또는 다른 황화물 형성 원소(Cu 등)를 존재시키는 것에 의해, MnS를 극력 생성시키지 않도록 하는 것이 바람직하다.

〈Cr: 0.7 내지 2.0%〉

Cr은 고용 강화에 의해 강재의 매트릭스를 강화하는 작용을 발휘하는 원소이며, 스프링 강의 고강도화에는 불가결하다. 또한, Mn과 마찬가지로 담금질성 향상에도 유효하게 작용하는 원소이다. 이들의 작용을 유효하게 발휘시키고, 또한 Cr량과 Si량의 균형을 상기 규정 범위내로 하기 위해서는, 0.7% 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 1.0% 이상이다. 한편, Cr량이 지나치게 되면, 구상 탄화물이 필요 이상으로 증가하여, 신선 가공성의 열화를 초래한다. 따라서 본 발명에서는 Cr량의 상한을 2.0%로 한다. 바람직하게는 1.75% 이하이다.

〈P: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음)〉

P는 구(舊)오스테나이트 입계(粒界)에 편석(偏析)하여 입계를 취화시켜, 피로 특성을 저하시키기 때문에 극력 저감해야 하지만, 공업 생산상, 그 상한을 0.015%로 한다.

〈S: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음)〉

S도, 상기 P와 마찬가지로 구오스테나이트 입계에 편석하여 입계를 취화시켜, 피로 특성을 저하시키기 때문에 극력 저감해야 한다. 또한, 상술한 대로 Mn과 MnS를 형성하여 피로 파괴의 기점이 될 수 있다. 따라서 본 발명에서는, 공업 생산성도 고려하여 그 상한을 0.015%로 한다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기한 바와 같고, 잔부는 철 및 불가피한 불순물이며, 상기 불가피한 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 지니고 들어가지는 원소의 혼입이 허용되고, 그 중에는 N: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Al: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함할 수 있다. 또한, 또한 하기원소를 적극적으로 함유시키는 것도 가능하다.

〈V: 0.4% 이하, Ti: 0.1% 이하, 및 Nb: 0.1% 이하로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상〉

이들 원소는 어느 것이나 내수소취성(耐水素脆性)이나 피로 특성을 높이는 데 유용한 원소이다. V는 미세한 탄화물이나 질화물을 형성하여 내수소취성 및 피로 특성을 한층 더 높이는 작용을 발휘할 뿐만 아니라, 결정립 미세화 효과를 발휘하여 인성이나 내력, 또한 내침하성(sagging resistance)의 향상에 기여한다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, V를 0.07% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 지나치게 많으면, 담금질 가열시에 오스테나이트 중에 고용하지 않는 탄화물이 증대하여, 소정의 강도가 얻어지기 어렵게 된다. 또한, 잔류 오스테나이트량도 증가하여 스프링 경도가 저하된다. 게다가 질화물의 조대화를 초래하여, 스프링 사용 중에 상기 질화물을 기점으로 하는 피로 파손이 생길 수 있다. 따라서 V를 함유시키는 경우에도, 그 상한은 0.4%로 하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는 0.3% 이하이다.

Ti는 담금질 뜨임 후의 구오스테나이트 결정립을 미세화하여, 피로 특성 및 내수소취성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.01% 이상 함유시키는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 0.04% 이상이다. 그러나, Ti를 지나치게 함유시키더라도 조대한 질화물이 석출되기 쉽게 될 뿐이어서, 상한을 0.1%로 했다.

Nb는 탄화물, 질화물, 황화물, 및 이들의 복합 화합물로 이루어진 미세 석출물을 형성하여 내수소취성을 높이고, 또한 결정립 미세화 효과를 발휘하여 내력이나 인성을 높인다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Nb를 0.01% 이상 함유시키는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 0.02% 이상이다. 그러나 지나치게 많으면, 담금질 가열시에 오스테나이트 중에 고용하지 않는 탄화물이 증대하여, 소정의 강도가 얻어지기 어렵게 된다. 또한 질화물의 조대화를 초래하여, 조대 질화물에 의한 피로 파손이 생기기 쉽게 되기 때문에, Nb량은 0.1% 이하로 억제하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 0.05% 이하이다.

〈Cu: 0.70% 이하, 및/또는 Ni: 0.80% 이하〉

Cu는 전기화학적으로 철보다 귀한 원소이며, 내식성을 높이는 작용이 있다. 또한 열간 압연시나 스프링 가공에서의 열처리시에 생기는 페라이트 탈탄을 억제하는 효과가 있다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu를 0.05% 이상 함유시키는 것이 좋다. 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 한편, Cu가 과잉으로 포함되면, 열간 압연 균열이 생길 가능성이 있기 때문에 0.70% 이하로 억제하는 것이 좋다. 보다 바람직하게는 0.50% 이하이다.

Ni는 담금질 뜨임 후의 인성을 높이는 작용이 있다. 또한 압연전의 가열시나 압연중에 생기는 페라이트 탈탄을 억제하는 작용도 갖는다. 이들의 작용을 발휘시키기 위해서는, Ni를 0.15% 이상 함유시키는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 0.25% 이상이다. 그러나 Ni량이 0.80%를 초과하면, 담금질 뜨임 처리로 잔류 오스테나이트량이 증대하여 인장 강도가 저하된다. 바람직하게는 0.55% 이하이다.

본 발명은, 상기 스프링용 강선의 제조방법도 규정하는 것으로, 구상 탄화물이 상기 규정을 만족시키는 강선을 얻기 위해서는, 상기 성분 조성을 만족시키는 강재를 이용하여 열간 압연하고, 냉각후에 풀림을 행함에 있어서, 특히 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도, 냉각 개시 온도(예컨대 스텔모어로의 재치 온도)로부터 700℃까지의 냉각 속도, 및 압연후에 행하는 풀림의 온도를 제어해야 한다.

우선 본 발명에서는, 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도를 900℃ 이상으로 한다. 이렇게 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도를 900℃ 이상으로 함으로써, 오스테나이트 결정립을 조대화시켜 담금질성을 증가시켜, 과냉각 조직(마르텐사이트 조직)을 용이하게 석출시킬 수 있다. 바람직하게는 910℃ 이상이다. 한편, 상기 온도가 지나치게 높으면 소정량의 탄화물을 확보하기 어렵게 되기 때문에, 1100℃이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도를 900℃ 이상으로 하기 위해서는, 열간 마무리 압연 온도를 920℃ 이상으로 하는 것을 들 수 있다.

또한, 냉각 개시 온도(900℃ 이상)로부터 700℃까지의 온도역의 냉각 속도를 10℃/초 이상으로 한다. 상기 온도역에서의 냉각 속도가 이보다 느리면, 이 냉각 단계에서 구상 탄화물의 핵이 지나치게 생성되어, 다음 공정의 풀림에서 형성되는 탄화물의 양이 현저히 증대하기 때문이다.

또한, 압연후에 행하는 풀림을 550 내지 700℃에서 행할 필요가 있다. 구상 탄화물은, 풀림 온도가 높아질 수록, 또한 풀림 시간이 길게 될수록 성장하기 쉽다. 본 발명에서는, 담금질 등의 탄화물 감소 공정을 고려하여 풀림시에 충분량의 탄화물을 확보함과 함께, 과냉각 조직을 석출시킨 강재를 충분히 연화시키고, 그 후의 인발 가공이나 표피 삭마에서의 단선을 방지하기 위해, 풀림 온도를 550℃ 이상으로 한다. 바람직하게는 580℃ 이상이다. 한편, 풀림 온도가 700℃를 초과하여 Ac₃ 변태점에 가까이 가면, 탄화물의 구상화·조대화가 현저하여, 냉간절단성이 저하되기 쉽게 된다. 바람직하게는 680℃ 이하에서 풀림한다. 한편, 충분량의 탄화물을 확보하기 위해서는, 상기 온도역에서 1 내지 4시간 유지하는 것이 바람직하다.

또, 강선중에 차지하는 탄화물을, 적어도 (0.1×강중 C량) 확보하는 관점에서, 인발 전의 열처리를 하는 경우에는, 850 내지 1050℃에서 1 내지 5분간 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 인발 후의 담금질에 있어서, 850 내지 1050℃에서 1 내지 5분간 가열후에 담금질 하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 그 밖의 제조 조건까지 규정하는 것이 아니고, 열간 압연에서의 강편의 가열이나 마무리 압연에는 일반적인 조건을 채용할 수 있다. 또한 신선 이전에는, 상기 풀림 외에, 일반적으로 행하여지고 있는 대로, 풀림 후, 산 세(pickling), 석회 피막 처리, 표피 삭마, 납 파텐팅 처리(인발전 열처리), 표면 피막 처리 등을 행하더라도 좋다.

본 발명의 스프링용 강선은, 스프링의 제조 공정에 있어서, 우수한 냉간절단성을 발휘하는 동시에, 우수한 피로 특성을 발휘하기 때문에, 예컨대 자동차 분야, 산업 기계 분야 등에서 사용되는 스프링의 제조에 유용하다. 특히, 자동차 엔진용의 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 안정기, 토션 바 및 현가 스프링 등의 제조에 알맞다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니고, 전·후기의 취지에 비추어 설계 변경하는 것은 어느 것이나 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 성분 조성의 강(No. A 내지 R)을 소형 진공용해로로 150kg 용제하고, 155mm 각(角)의 빌렛(billet)으로 열간 단조한 후, 열간 압연하여 직경 10.0mm의 선재를 제작했다. 그 다음에 상기 선재에, 표 2에 나타내는 온도에서 2시간 유지하는 풀림 처리를 실시했다. 풀림 후는, 하기 공정 1 또는 공정 2에 의해 인발 가공, 담금질 뜨임 등을 행하여 직경 7.0mm의 강선을 수득했다. 그로부터, 오일 템퍼링 처리를 실시하여 2000MPa 이상의 인장 강도로 했다. 오일 템퍼링 처리에 있어서의 뜨임 온도는 430℃ 이상으로 했다.

공정 1: 풀림→산세→표면 피막 처리→인발 가공→담금질 뜨임

공정 2: 풀림→산세→석회 피막 처리→표피 삭마→인발 가공전 열처리(납 파텐팅 등)→염산에 의한 산세→표면 피막 처리→인발 가공→담금질 뜨임

이렇게 하여 수득된 강선을 이용하여, 하기와 같이 구상 탄화물의 형태의 평가, 인장 강도의 측정, 냉간절단성의 평가 및 피로 강도의 측정을 행했다.

[구상 탄화물의 형태의 평가]

〈구상 탄화물의 비율의 측정〉

강선의 축방향에 수직한 단면이 관찰될 수 있도록 수지에 매립하고, 그 표층(0.1mm 내부), D/8(D는 선재의 직경) 및 D/4에 있어서, 각각 임의의 10시야를 SEM 관찰했다. 그 때, 배율: 2000배로 사진 촬영하고, 합계 30시야에서의 구상 탄화물(탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b가 2 이하인 구상 탄화물)을, 컴퓨터에 의해 화상 해석하여 매트릭스 조직과 상별(相別)하여, 강중에 차지하는 상기 구상 탄화물의 비율(면적%)을 구했다.

〈구상 탄화물의 평균 입경의 측정〉

상기 합계 30시야에서의 상기 구상 탄화물 각각에 대하여, 입경[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 √(ab)]을 구하여, 합계 30시야에 있어서의 전구상 탄화물의 평균치를 상기 구상 탄화물의 평균 입경으로서 산출했다.

〈구상 탄화물을 형성하는 Cr량의 측정〉

상기 강선으로부터 질량 0.4 내지 0.5g의 샘플을 잘라 내어, 전해 잔사 추출법에 의해 탄화물을 채취했다. 구체적으로는, 상기 샘플을 전해액(아세틸 아세톤을 10질량% 함유하는 에탄올 용액) 중에 침지시키고, 100mA의 전류를 5시간 흐르게 하여 모상(母相)의 금속 Fe를 전기 분해하고, 전해액에 존재하는 강중 석출물을 잔사로서 채취했다. 한편, 잔사를 채취하기 위한 필터로서, 메쉬 직경 0.1㎛의 것을 사용했다.

한편, 상기 추출 잔사 중에는, AlN, MnS, Cr계 탄화물(Cr₃C, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆), Ti를 포함하는 강재의 경우에는, 추가로 Ti계 탄화물, Ti계 황화물, Ti계 질화물 또는 그들의 복합계 석출물이 포함된다.

수득된 잔사를 용액 처리하여 ICP 발광분석법으로 측정한 Cr량을, 구상 탄화물을 형성하는 Cr량이라고 정했다. 상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량은, 하기 표 2의 실험 기호마다 상기 샘플 10개를 이용하여 상기한 바와 같이 측정하여, 그 평균치를 구했다.

[인장 강도의 측정]

상기 강선(길이 400mm)(JIS Z2201의 3호 시험편)을 이용하여, JIS Z2241의 요령으로 인장 시험을 행하여 인장 강도를 측정했다.

[냉간절단성의 평가]

650mm 길이 정도의 간격으로, 상기 강선에 대하여 냉간 시어 절단을 2000회 실시하여, 시어 절단 균열, 단면 균열, 버의 발생률을 각각 조사했다.

[피로 강도의 측정]

650mm 길이 정도의 상기 강선을 이용하여 나카무라식 회전 구부림 피로 시험을 실시했다. 부하 응력을 변화시켜 1,000만회까지의 피로 강도를 구하여, 상기 피로 강도가 800MPa 이상인 경우를 피로 특성이 우수하다고 평가했다.

이들 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 표 2의 A6에서는 표피 삭마, 인발 가공을 할 수 없고, 또한 L1에서는 소할이 생기기 때문에, 상기 특성을 측정할 수 없었다.

표 1 및 2로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다(한편, 하기 No.는 표 2의 실험 기호를 나타낸다). 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 강선은, 냉간절단성이 우수하고, 또한 고강도와 우수한 피로 특성을 겸비하고 있음을 알 수 있다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 규정을 만족하지 않는 강선은, 냉간절단성이 뒤떨어지고, 냉간 시어 절단 균열이나 단면 균열, 버가 발생하거나, 피로 특성이 뒤떨어진다. 구체적으로는, A2 내지 A5, D3, E3, F2는 제조 조건이 요건을 벗어나 있기 때문에, 구상 탄화물을 규정의 형태로 할 수 없어, 냉간 시어 절단 균열이 생겼다. 또한 A6은 압연후의 풀림 온도가 지나치게 낮아 표피 삭마, 인발 가공을 할 수 없었다.

H1, H2, I1 내지 K1, N1, R1은 성분 조성이 규정 범위 밖에 있기 때문에, 구상 탄화물을 규정의 형태로 할 수 없어, 냉간 시어 절단 균열, 단면 균열, 버의 발생, 피로 강도의 저하 중 적어도 어느 하나가 생겼다.

L1은 Dic이 상한을 초과하고 있기 때문에, 담금질 뜨임할 때에 소할이 생겼다. 또한, K2는 제조 조건과 성분 조성이 모두 본 발명의 요건을 벗어나 있기 때문에, 구상 탄화물을 규정의 형태로 할 수 없어, 냉간 시어 절단 균열과 단면 균열이 생겼다.

본 발명의 스프링용 강선을 예컨대 자동차용 스프링 부품의 제조에 이용하면, 제조 공정에서 우수한 냉간절단성을 발휘하고, 피로 특성이 우수한 자동차 엔진용의 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 안정기, 토션 바 및 현 가 스프링 등의 스프링 부품을 양호한 제조성으로 얻을 수 있다.

Claims

스프링용 강선으로서, 질량%로

C: 0.45 내지 0.70%,

Si: 1.9 내지 2.5%,

Mn: 0.15 내지 1.0%, 및

Cr: 0.7 내지 2.0%

를 함유하고,

P: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음),

S: 0.015% 이하(0%를 포함하지 않음),

Cr+Si: 3.0% 이상, 및

Cr/Si: 0.95 이하

를 만족시키고,

금속 조직이,

종횡비(aspect ratio)[탄화물의 장직경을 a, 단직경을 b로 할 때의 a/b]가 2 이하인 구상 탄화물의 평균 입경[√(ab)]: 1.0㎛ 이하,

상기 구상 탄화물의 강중에 차지하는 비율(면적%): (0.1 내지 3)×강중 C량(질량%), 및

상기 구상 탄화물을 형성하는 Cr량(질량%): [0.4×강중 Cr량(질량%)] 이하

를 만족시키고,

인장 강도가 2000MPa 이상이며, 또한

하기 수학식 1 내지 3으로 나타내는 담금질성 배수(Dic)가 110mm 이상 450mm 이하인 스프링용 강선.

〈C: 0.45% 이상 0.55% 이하의 경우〉

수학식 1

〈C: 0.55% 초과 0.65% 이하의 경우〉

수학식 2

〈C: 0.65% 초과 0.70% 이하의 경우〉

수학식 3

{상기 식중, [C], [Mn], [Si], [Ni], [Cr], [Cu] 및 [V]는 각각의 원소의 함유량(질량%)을 나타낸다}
제 1 항에 있어서,

추가로, 질량%로 V: 0.4% 이하, Ti: 0.1% 이하, 및 Nb: 0.1% 이하로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 스프링용 강선.
제 1 항에 있어서,

추가로, 질량%로 Cu: 0.70% 이하 및 Ni: 0.80% 이하로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 스프링용 강선.
제 1 항에 규정된 성분 조성을 만족시키는 강재를 이용하여 열간 압연하고, 열간 압연후 냉각 개시까지의 온도를 900℃ 이상으로 하여, 냉각 개시 온도로부터 700℃까지를 10℃/초 이상의 속도로 냉각하고, 그 후 550 내지 700℃에서 풀림(annealing)하는, 제 1 항에 따른 스프링용 강선의 제조방법.