KR20090010231A

KR20090010231A - 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링용 강 및 고청정도 스프링

Info

Publication number: KR20090010231A
Application number: KR20087029877A
Authority: KR
Inventors: 도모꼬 스기무라; 세이 기무라; 고오이찌 사까모또; 아쯔히꼬 요시다; 다께시 이노우에
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2009-01-29
Also published as: BRPI0712343A2; EP2028285B1; US20100111748A1; US8613809B2; US20150118097A1; KR101056868B1; BRPI0712343B1; EP2407571A2; KR101106871B1; EP2028285A4; EP2407571A3; EP2407571B1; US9441695B2; EP2028285A1; US20090194204A1; WO2007142034A1; KR20110008347A

Abstract

SiO₂계 개재물이 현저하게 억제되고, 피로 특성이 우수한 스프링의 제조에 유용한 고청정도 스프링용 강을 제공한다. C : 1.2 ％(질량 ％의 의미, 성분에 대해 이하 동일함) 이하(0 ％를 포함하지 않음), Si : 1.2 내지 4 ％, Mn : 0.1 내지 2.0 ％, Al : 0.01 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 포함하고, 잔량부 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강이며, 강 중의 개재물 중, 산소 농도가 25 질량％ 이상이고, Al₂O₃ ＋ MgO ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％(질량％의 의미, 개재물에 대해 이하 동일함)로 한 경우의 SiO₂ 함량이 70 ％ 이상인 산화물계 개재물이며, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경)가 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물, 및 L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물의 합계가 20개/500 g 이하인 것을 특징으로 하는 고청정도 스프링용 강.

비커, 질산 수용액, 시료, 히터, 멤브레인 필터, 필터대, 깔때기

Description

피로 특성이 우수한 고청정도 스프링용 강 및 고청정도 스프링{STEEL FOR HIGH-CLEANLINESS SPRING WITH EXCELLENT FATIGUE CHARACTERISTICS AND HIGH-CLEANLINESS SPRING}

본 발명은 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링용 강 및 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링에 관한 것으로, 경질이고 연성이 매우 작은 비금속 개재물이 저감되고, 피로 특성이 높여진 고청정도 스프링용 강, 및 상기 강을 사용하여 얻어지는 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링에 관한 것이다. 이 고청정도 스프링용 강으로부터 얻어지는 스프링은, 매우 높은 피로 특성이 요구되는 자동차용 엔진의 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 브레이크 스프링으로서 유용하다.

최근, 예를 들어 자동차 분야에서는, 경량화나 고출력화의 요청이 높아짐에 따라서, 엔진이나 서스펜션 등에 사용되는 밸브 스프링이나 현가 스프링, 또한 클러치 스프링 등에 있어서도 고응력 설계가 지향되고 있다. 그로 인해 이들 스프링에는, 부하 응력의 증대에 대응하기 위해 내피로성이나 내피로 영구 변형성이 우수한 것이 강하게 요구되고 있다. 특히 밸브 스프링에 대해 피로 강도 증대의 요청이 매우 강하고, 종래 강 중에서도 피로 강도가 높다고 말해지고 있는 SWOSC-V(JIS G 3566)라도 대응이 곤란해지고 있다.

높은 피로 강도가 요구되는 스프링용 강재에서는, 강재 중에 존재하는 경질의 비금속 개재물을 최대한 저감하는 것이 필요하다. 이와 같은 관점으로부터, 상기 용도에 사용되는 강재로서, 상기 비금속 개재물의 존재를 최대한 저감한 고청정 강이 사용되는 것이 일반적이다. 비금속 개재물에 기인하는 단선, 피로 절손의 위험성은, 소재의 고강도화가 진행됨에 따라서 높아지기 때문에, 그 주원인으로 되는 상기 비금속 개재물의 저감ㆍ소형화의 요구는 한층 엄격한 것으로 되어 있다.

강재 중에 있어서의 경질의 비금속 개재물의 저감ㆍ소형화를 도모한다는 관점에서, 지금까지도 다양하게 기술이 제안되고 있다. 예를 들어 비특허 문헌 1에는, 밸브 스프링용 강에서는, 융점이 1400 내지 1500 ℃ 정도보다도 낮은 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 3성분계 개재물로 제어하면, 피로 파괴의 기점으로는 되지 않고 피로 특성이 향상되는 것이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 1에는, 비금속 개재물이 열간 압연시에 잘 연신되고, 또한 냉연 압연 또는 신선 공정에서 파쇄하여 미세하게 분산되도록, 상기 비금속 개재물의 평균 조성을 규정함으로써, 냉간 가공성과 피로 특성이 높여진 고청정도 강을 실현하고 있다. 또한, 특허 문헌 2에 있어서도, 열간 압연이나 냉간 압연, 신선에 있어서 연신, 미세화되기 쉬운 비금속 개재물의 조성을 규정하고 있다.

한편, 특허 문헌 3에는, 산화물계 개재물의 융점을 1500 ℃ 이하로 정하여, 열간, 냉연 압연시에 연신하기 쉬운 저융점 조성의 개재물로 하는 기술이 개시되어 있다.

또한, 특허 문헌 4에는, 열간 압연ㆍ냉간 압연시에 연신하기 쉬운, 저융점 조성의 개재물로서, Al₂O₃-SiO₂-MnO계에 Mg0 및/또는 CaO를 포함시킨 것이 규정되어 있다.

비특허 문헌 1 :「제182ㆍ183회 니시야마 기념 기술 강좌」, (사) 일본 철강 협회편, 제131 내지 134페이지

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공개 소62-99436호 공보

특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공개 소62-99437호 공보

특허 문헌 3 : 일본 특허 출원 공개 평5-320827호 공보

특허 문헌 4 : 일본 특허 출원 공개 소63-140068호 공보

지금까지 제안되어 있는 각종 종래 기술에서는, 개재물의 평균 조성을 제어함으로써 양호한 피로 강도를 실현하는 것이 일반적이었다. 그런데, 최근 밸브 스프링에는 하기 (Ⅰ) 및 (Ⅱ)의 특성이 요구되고 있다.

(Ⅰ) 보행자 보호를 위한 충돌 안전성 확보를 위해 보닛 하부 공간을 확보하는 경향이 있고, 그로 인해 엔진 높이의 삭감, 즉 스프링 높이의 저감이 요구되고 있다.

(Ⅱ) 연비 향상을 위해, 스프링의 경량화가 요구되고 있다.

상기와 같이 스프링 높이의 저감 및 경량화를 실현하기 위해서는, 스프링용 강의 보다 한층의 고강도화가 요구되나, 종래 기술만으로는 가일층의 고강도화의 요구에 따를 수 없다. 그 이유로서, 지금까지 이미 매우 높은 레벨의 개재물 제어가 행해지고 있어, 절손 개재물은 매우 드물게밖에 존재하지 않고, 이것 이상 줄이는 것이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 경질 결정계의 개재물이 유해할 것이라는 것은 알려져 있으나, 상기 경질 결정계의 개재물 중에서, 특히 유해하지 않은 것과 그렇지 않은 것의 구별에 대해 지견이 없었다.

또한, 지금까지 제안되어 있는 각종 종래 기술에서는, 개재물 조성을 저융점 영역으로 제어하여, 미세화를 도모하는 것을 목표로 하는 것이 중심으로 되어 있으나, 그 조성 영역이 SiO₂를 포함하는 것인 경우에는, 이론적으로 상분리에 의해 SiO₂가 생성하는 일이 있다. 특히, 밸브 스프링 강에서는, 단조 후 압연 전에 가열되므로, 이때에 상분리에 의한 SiO₂ 생성이 발생할 가능성이 높아진다. 이와 같이 하여 생성하는 SiO₂는 경질이고, 압연시에 변형되기 어렵고, 최종 제품 중에 잔존하기 쉬운 것이 된다. 최종 제품 중에 잔존한 SiO₂는, 극소수라도 선재에 있어서의 절손의 원인으로 될 가능성이 있고, 보다 한층의 청정화가 요구되고 있는 최근의 요구에 대응할 수 있는 고청정도 강을 실현할 수 없는 일이 있다.

본 발명은 이러한 상황 하에 이루어진 것으로, 그 목적은 피로 특성이 우수한 스프링을 얻는데 유용한 스프링용 강, 및 피로 특성이 우수한 스프링을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은, 이하의 본 발명에 관한 고청정도 스프링용 강에 의해 달성할 수 있다. 즉, 본 발명에 관한 제1 고청정도 스프링용 강은,

C : 1.2 ％(질량％의 의미, 성분에 대해 이하 동일함) 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Si : 1.2 내지 4 ％,

Mn : 0.1 내지 2.0 ％,

Al : 0.01 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 포함하고, 잔량부 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강이며,

강 중의 개재물 중, 산소 농도가 25 질량％ 이상이고, Al₂O₃ ＋ MgO ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％(질량％의 의미, 개재물에 대해 이하 동일함)로 한 경우의 SiO₂ 함량이 70 ％ 이상인 산화물계 개재물이며, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경)가 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물, 및 L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물의 합계가 20개/500 g 이하인 것에 특징을 갖는다.

상기 제1 고청정도 스프링용 강은, 또 다른 원소로서

(a) Cr : 3 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

W : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및

Co : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

(b) V : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Nb : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및

Ti : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

(c) Cu : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및/또는 Ni : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

(d) REM을 0.1 내지 50 ppm,

(e) 알칼리 금속 원소 및/또는 알칼리 토류 금속 원소를, 합계 0.1 내지 50 ppm, 포함하고 있어도 좋다.

또한, 본 발명에 관한 제2 고청정도 스프링용 강은, 선재의 표면으로부터 직경의 1/4 깊이까지의 표층측에 존재하는, 폭 : 3 ㎛ 이상의 산화물계 개재물이, 하기 수학식1을 만족하는 동시에, MgO 농도 : 5 질량％ 이하(0 질량％를 포함함), 및 MnO 농도 : 10 질량％ 이하(0 질량％를 포함함)이고, 또한 당해 산화물계 개재물 중의 CaO, Al₂O₃ 및 SiO₂의 각 농도 [Cn], [An] 및 [Sn]을, 각각 하기 수학식2 내지 수학식4와 같이 나타냈을 때, 이들이 하기 수학식5 및 수학식6의 관계를 만족하는 동시에, 이들 CaO 농도 [Cn], Al₂O₃ 농도 [An] 및 SiO₂ 농도 [Sn]을 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 3성분계 상태도로 나타냈을 때에 산화물계 개재물의 융점이 1500 ℃ 이하인 것에 특징을 갖는 것이다. 단,「개재물의 폭」은, 선재의 축심선을 포함하는 단면에서 관찰했을 때의 축심 방향과 수직인 방향의 개재물의 직경을 의미한다.

또한, 상기 스프링용 강에 있어서, Mg0 농도 및 MnO 농도, 및 수학식1의 CaO, Al₂O₃, SiO₂는 개재물 입자 전체에 대한 질량％를 나타낸다.

상기 제2 고청정도 스프링용 강의 화학 성분 조성에 대해서는, 스프링용 강에 적합한 조성이면 특별히 한정되는 것은 아니나, 바람직한 것으로서, 예를 들어 C : 1.2 질량％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Si : 1.2 내지 4 질량％, Mn : 0.1 내지 2.0 질량％, Al : 0.01 질량％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 각각 포함하는 강재를 들 수 있다. 또한, 이 고청정도 스프링용 강은, 또한 Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, K 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이라도 좋다. 이들을 함유시킬 때의 바람직한 함유량은, Cr : 0.5 내지 3 질량％, Ni : 0.5 질량％ 이하, V : 0.5 질량％ 이하, Nb : 0.1 질량％ 이하, Mo : 0.5 질량％ 이하, W : 0.5 질량％ 이하, Cu : 0.1 질량％ 이하, Ti : 0.1 질량％ 이하, Li : 0.0005 질량％ 이하, Na : 0.0010 질량％ 이하, K : 0.0010 질량％ 이하, 및 희토류 원소 : 0.0010 질량％ 이하이다. 또한, 이들 성분의 농도는 강재 중의 농도를 나타낸다.

또한 본 발명은, 상기 제1 스프링용 강 및 제2 스프링용 강을 사용하여 얻어지는 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링도 포함한다.

본 발명에 관한 제1 고청정도 스프링용 강에 따르면, SiO₂계 개재물이 현저하게 억제되고 있기 때문에, 가혹한 신선 가공을 실시하여 고강도화를 도모할 수 있는 동시에, 피로 특성이 우수한 스프링을 용이하게 제조할 수 있는 고청정도 스프링용 강, 또한 상기 강을 사용하여 얻어지는 피로 특성이 우수한 스프링을 실현할 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 제2 고청정도 스프링용 강에 따르면, 개재물의 전체가 저융점에서 변형되기 쉽게 하는 동시에, 열연 전이나 열연 중의 가열시에 상분리해도 SiO₂가 생성되기 어려운 것으로 함으로써, 피로 특성이 우수한 스프링을 얻는 고 청정도 스프링용 강을 실현할 수 있다.

도1은 SiO₂계 개재물수(개/강 500 g)가 피로 특성(실시예에 기재된 방법에서 구하는 절손율)에 미치는 영향을 조사한 그래프이다.

도2는 실시예에 있어서의 SiO₂계 개재물의 추출 순서를 나타낸 설명도이다.

도3은 열간 전이나 열연 중의 가열시에 상분리하여 SiO₂가 생성하는 영역을 나타낸 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 3성분계 상태도이다.

도4는 본 발명에서 규정하는 개재물 조성을 나타낸 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 3성분계 상태도이다.

[부호의 설명]

1 : 비커

2 : 질산 수용액

3 : 시료

4 : 히터

5 : 멤브레인 필터

6 : 필터대

7 : 깔때기

8 : 플라스크

〔제1 실시 형태〕

본 발명자들은 우수한 피로 특성을 발휘하는 스프링의 제조에 적합한 스프링용 강을 얻기 위해 다양하게 각도로부터 검토했다. 그 결과, 경질 결정계의 개재물(엄밀하게는, 산소 농도가 25 질량％ 이상의 산화물계 개재물) 중에서도 특히 SiO₂계 개재물이 유해한 것을 발견했다. 구체적으로는, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경)가 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 개재물, 또는 L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 개재물이며, SiO₂ 또는 SiO₂의 비율이 높은 복합 개재물이, 존재 밀도는 매우 작기는 하나 피로 특성을 현저하게 저하시키기 때문에, 상기 개재물의 개수를 엄밀하게 제어하면 되는 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

더 구체적으로는, 후술하는 실시예에 나타낸 바와 같이, 강으로부터 추출하여 얻어지는 이하의 개재물의 합계가 20개/500 g 이하로 되도록 한다.

ㆍSiO₂ 함량이 70 ％ 이상(Al₂O₃ ＋ Mg0 ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％로 함, 이하 동일함. 또한, ％는 질량％의 의미, 개재물에 대해 이하 동일함)이며, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경)가 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 개재물, 및

ㆍSiO₂ 함량이 70 ％ 이상(Al₂O₃ ＋ MgO ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％로 함, 이하 동일함)이며, L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 개재물

(이하, 추출된 이들 개재물을「SiO₂계 개재물」이라 총칭하는 일이 있음)

도1은 상기 SiO₂계 개재물이 피로 특성(후술하는 실시예에 기재된 방법으로 구한 절손율)에 미치는 영향을 조사한 그래프이다. 도1에 나타낸 바와 같이, 상기 SiO₂계 개재물을 20개/500 g 이하로 억제함으로써, 상기 절손율이 현저하게 작아지는 것을 알 수 있다. 바람직하게는, 상기 SiO₂계 개재물을 12개/500 g 이하로 억제하면, 피로 특성을 더 향상시킬 수 있다.

SiO₂계 개재물이 상기와 같이 억제된 강을 얻기 위해서는, 예를 들어 진공 유도 용해에 있어서, 다음과 같은 진공 카본 탈산을 행하고, 산소 레벨을 충분히 저하(3 ppm 이하)하는 방법을 들 수 있다. 즉, 노 내를 진공(60 Torr 이하)으로 하고, 목표의 C 농도로 될 때까지 소량씩 C를 첨가한다. 지르코니아 산소 센서로 프리 산소를 측정하고, 목표 레벨 이하(3 ppm 이하)가 아니면, 다시 진공(60 Torr 이하)으로 하고(이때, 노 내의 C0 분압이 내려가기 때문에 용강 중의 C와 O가 반응하여 용강 중의 C 농도도 저하됨), 목표의 C 농도로 될 때까지 소량씩 C를 첨가한다.

본 실시 형태에 관한 스프링용 강은, 다음의 기본 성분을 만족하는 것이다. 우선 C는, 고강도를 확보하는데 유용한 원소이고, 상기 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는 C 양을 0.2 ％(질량％의 의미, 성분에 대해 이하 동일함) 이상으로 하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 0.3 ％ 이상, 더 바람직하게는 0.4 ％ 이상이 다. 그러나, C 양이 과잉이 되면 강이 취화하여 실용적이 되지 않기 때문에 1.2 ％ 이하로 억제한다.

본 실시 형태에 관한 스프링용 강에서는, Si : 1.2 ％ 이상의 강을 대상으로 한다. 단, Si가 과잉으로 포함되면 강재가 취화되기 쉬워지므로, Si는 4 ％ 이하로 억제한다.

개재물 조성을 제어하기 위해서는, 탈산 성분인 Mn을 0.1 ％ 이상 함유시킨다. 단, 이 성분이 과잉으로 함유하고 있으면 강재가 취화되기 쉬워지므로, Mn 양은 2.0 ％ 이하로 억제한다.

Al은 개재물 제어에 유용한 원소이고, 합계 Al로서 0.0001 ％ 정도는 필요하다. 그러나, 합계 Al 양이 많아지면, 개재물 중의 Al₂O₃ 농도가 높아져, 단선의 원인으로 되는 조대한 Al₂O₃가 생성될 가능성이 있으므로, 0.01 ％ 이하로 억제한다.

본 실시 형태에 관한 스프링용 강의 함유 원소는 상기와 같으며, 잔량부는 철 및 불가피 불순물이다. 상기 불가피 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해 가지고 들어가는 원소의 혼입이 허용될 수 있다. 또한, 하기 원소를 적극적으로 함유시켜 특성을 한층 높이는 것도 유효하다.

〈Cr : 3 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), W : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및 Co : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상〉

이들 원소는 연화 저항성을 향상시키는데 유효한 원소이고, 상기 효과를 발 휘시키기 위해서는, Cr의 경우 0.5 ％ 이상, Mo의 경우 0.05 ％ 이상, W의 경우 0.05 ％ 이상, Co의 경우 0.01 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이들 원소가 과잉이면, 켄칭성이 지나치게 높아져 가공시에 절손되기 쉬워지기 때문에, Cr은 3 ％ 이하, Mo는 0.5 ％ 이하, W는 0.5 ％ 이하, Co는 0.5 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

〈V : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Nb : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및 Ti : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상〉

이들 원소는 결정립의 미세화에 유효한 원소이고, 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, V의 경우 0.01 ％ 이상, Nb의 경우 0.01 ％ 이상, Ti의 경우 0.01 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이들 원소가 과잉이면, 조대한 질화물을 생성하고, 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, V는 0.5 ％ 이하, Nb는 0.1 ％ 이하, Ti는 0.1 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

〈Cu : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및/또는 Ni : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)〉

이들 원소는 저온 취화를 억제하는데 유효한 원소이고, 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, Ni의 경우 0.05 ％ 이상, Cu의 경우 0.01 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

그러나 이들 원소를 과잉으로 함유시켜도 그 효과는 포화하는 것뿐이므로, 경제적 관점에서, Ni는 0.5 ％ 이하, Cu는 0.1 ％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

〈REM : 0.1 내지 50 ppm〉

REM(희토류 원소 ; Ce, La 등)은 강 중의 비금속 개재물을 더 연질화하는 작용을 갖는다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는 0.1 ppm 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 상기 원소를 과잉으로 넣어도 효과는 포화하는 것뿐이므로, 50 ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.

〈알칼리 금속 원소 및/또는 알칼리토류 금속 원소 : 합계 0.1 내지 50 ppm〉

알칼리 금속 원소(Li, Na, K, Rb, Cs), 알칼리토류 금속 원소(Mg, Ca, Ba, Sr)는 강 중의 비금속 개재물을 더 연질화하는 작용을 갖는다. 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, 합계 0.1 ppm 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 상기 원소를 과잉으로 넣어도 효과는 포화하는 것뿐이므로, 합계 50 ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 스프링용 강은 SiO₂계 개재물이 최대한 억제되어 신선 가공성이 우수하고, 더 우수한 피로 특성을 확보할 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 스프링용 강은, 예를 들어 자동차 분야, 산업 기계 분야 등에서 사용되는 스프링의 제조에 유용하다. 특히, 매우 높은 피로 특성의 요구되는 자동차용 엔진의 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 서스펜션의 현가 스프링 등과 같은 기계의 복원 기구에 사용하는 스프링 등의 제조에 최적이다.

〔제2 실시 형태〕

다음에, 본 발명의 제2 스프링용 강에 관한 실시 형태에 대해 설명한다.

열간 압연시의 변형비가 큰 선재에서는, 개재물은 열간 압연시에 전신 분단시켜 미세화하는 것이 유용한 것은 알려져 있다. 종래에서는, 경질의 개재물을 꺼리기 때문에, 저융점 조성으로의 제어(상기 특허 문헌 3)나 어떤 조성 범위로의 제어(상기 특허 문헌 4)가 행해지고 있었다. 단, 그 주된 목적은, 저융점 조성으로의 제어였기 때문에, 이론적으로는 SiO₂가 생성되는 조성이고, 드물게는 SiO₂가 생성되고 있었다.

본 발명자들은, 이러한 상황 하에서, 응고 후의 가열, 열간 압연에 의한 개재물 형태의 변화도 고려하여, 스프링의 내피로 특성을 향상시키기 위한 개개의 개재물의 조성과 형태에 대해 다양한 각도로부터 검토했다. 그 결과, 이론적으로 SiO₂가 생성되지 않은 조성으로 제어함으로써, 압연 조건에 의하지 않고 SiO₂의 생성을 각별히 억제할 수 있는 것을 지견했다. 즉, 후기 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 저융점의 범위 내라도 SiO₂ 농도가 낮은 측보다도 높은 측의 쪽이 융점이 낮은 경우가 있다. 이로 인해, SiO₂ 농도가 낮은 측으로의 제어는 일반적은 아니었다. 따라서 본 발명자들은 소정의 영역으로의 조성의 제어를 행함으로써, 유해한 SiO₂를 각별히 제어할 수 있는 것에 부가하여, SiO₂ 농도가 낮은 측에서도 열간 압연시에 분단 가능한 것을 발견하고, 본 발명을 완성했다.

본 실시 형태의 구성에 의한 작용 효과에 대해 순차 설명한다. 본 실시 형태에 관한 스프링용 강에 있어서는, 선재의 표면으로부터 직경의 1/4 깊이까지의 표층측에 존재하는, 폭 : 3 ㎛ 이상의 산화물계 개재물이, 하기 수학식1을 만족하는 동시에, MgO 농도가 5 질량％ 이하(0 ％를 포함함) 및 MnO 농도가 10 질량％ 이하(0 질량％를 포함함)인 것이 필요하다.

[수학식 1]

여기서 대상으로 하는 개재물을「폭 : 3 ㎛ 이상」으로 한 것은, 폭 : 3 ㎛ 미만의 미세한 개재물은 피로 파괴의 기점이 되기 어렵고, 피로 강도에 현저한 영향을 미치지 않는다는 이유로부터이다. 또한 이러한 개재물의 존재 위치를「선재의 표면으로부터 직경의 1/4 깊이까지의 표층측」으로 한 것은, 이 위치에 존재하는 개재물이 피로 특성에 가장 영향을 미치기 때문이다.

선재 중에는, CaO, Al₂O₃, SiO₂, MnO 및 MgO 이외에, 불가피하게 혼입하는 불규칙적인 개재물(예를 들어 Ti, Cr의 산화물 등)이 존재한다. 이들은 양이 적으면 문제가 되지 않으나, 양이 늘어나면 피로 파괴의 기점으로 될 우려가 나온다. 이러한 관점에서, 개재물 중의 조성을 5원계(CaO, Al₂O₃, SiO₂, MnO 및 MgO)에서 보았을 때에, [CaO ＋ Al₂O₃ ＋ SiO₂]를 주체(80 질량％ 이상)로 하는 동시에, Mg0 양 및 MnO 양도 적절하게 제어할 필요가 있다.

또한, 개재물 중의 Mg0의 양이 지나치게 많아지면, Mg0-SiO₂나 스피넬 등의 경질의 산화물이 생성되게 되므로, 개재물 중의 MgO 함유량은 5 질량％ 이하로 할 필요가 있다.

또한, 약탈산 성분인 Mn의 산화물(MnO)은, 개재물 조성이 안정적으로 제어되고 있는 경우에는, 10 질량％ 이하로 된다. 이러한 관점에서, 개재물 중의 MnO 함유량이 10 질량％를 초과하고 있는 경우에는, 개재물이 바람직하지 않은 상태로 되어 있는 것을 나타내게 되므로, 개재물 중의 MnO 함유량은 10 질량％ 이하로 할 필요가 있다.

본 실시 형태에 관한 스프링용 강에서는, 상기 조건하에서, 개재물 중의 CaO, Al₂O₃ 및 SiO₂의 3성분으로 100 ％로 되도록 규격화했을 때의 Al₂O₃ 양이나, Al₂O₃와 SiO₂의 관계 등도 소정의 범위를 만족하도록 엄밀하게 규정할 필요가 있다. 즉, 산화물계 개재물 중의 CaO, Al₂O₃ 및 SiO₂를, 각각 하기 수학식2 내지 수학식4와 같이 나타냈을 때, 이들이 하기 수학식5 및 수학식6의 관계를 만족하도록 제어할 필요가 있다.

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

본 실시 형태에 관한 스프링용 강에 있어서는, 열압 전이나 열연 중의 가열시에 상분리해도 SiO₂가 생성되지 않는 것으로 하는 것이 필요하다. 예를 들어, 도3에 나타낸 3성분계 상태도에 있어서, 개재물 조성이 사선으로 나타낸 조성 범위 내에 있으면, 이론적으로 상분리하여 SiO₂가 생성되게 되므로, 이러한 영역을 제거할 필요가 있다. 도3에 나타낸 SiO₂ 생성 영역에 있어서, 라인 A는 CaO-SiO₂(Wollastonite)와 CaO-Al₂O_3-2SiO₂(Anorthite)를 연결하는 선으로 된다. 즉, 열연 전이나 열연 중의 가열시에 상분리해도 SiO₂가 생성되지 않는 것으로 하기 위해서는, 도3의 라인 A보다도 저SiO₂측(라인 A보다도 도3의 하측)으로 할 필요가 있다.

본 발명자들은 상기 라인 A보다도 저SiO₂측으로 제어하는 것이 유효한 것을 발견했다. 라인 A를 나타낸 것이 상기 수학식5이다. 즉, 상기 수학식5의 관계를 만족할 때에, 열연 전이나 열연 중의 가열시에 상분리해도 SiO₂가 생성되지 않는 것 으로 된다.

또한, 개재물 조성에 있어서, CaO, Al₂O₃ 및 SiO₂의 3성분으로 규격화했을 때의 Al₂O₃ 양(즉 상기 [An])이 30 질량％를 초과했을 때에는, 게레나이트(Ghelenite)나 아노사이트(Anorthite) 등의 경질의 결정이 생성되어, 피로 강도에 악영향을 미치게 되므로, 상기 수학식6의 관계를 만족하는 것이 필요하다.

한편, 본 발명의 스프링용 동에 있어서는, 개재물 조성이, CaO 농도 [Cn], Al₂O₃ 농도 [An] 및 SiO₂ 농도 [Sn]을 Al₂O₃-SiO₂-CaO 3성분계 상태도로 나타냈을 때에 그 융점이 1500 ℃ 이하인 것이 필요하다. 즉, 밸브 스프링 강은 열연시의 압화율이 크고, 열연시에 개재물을 미세화하여 무해화하는 것을 기대할 수 있다. 그로 인해, 개재물 수는 많아도 열연시에 변형되기 쉬운 조성으로의 제어가 지향되고 있다. 본 실시 형태에서는, 개재물은 변형되기 쉬운 저융점 조성으로 제어할 필요가 있고, 그 융점을 1500 ℃ 이하로 했다. 바람직하게는 1400 ℃ 이하로 하는 것이 좋다.

본 실시 형태에서 규정하는 개재물 조성 범위를 도4(Al₂O₃-SiO₂-CaO 3성분계 상태도)에 나타낸다. 도4에 있어서, 라인 A는 {[An] ＋ 4.29[Sn] = 221.9(질량％)}의 관계를 만족하는 것이고, 라인 C는 {([An] = 30(질량％)}의 관계를 만족하는 것이고, 라인 B는 개재물의 융점이 1500 ℃를 만족하는 것(등온선)이다. 즉, 도4에 있어서, 라인 A, B, C에 의해 둘러싸인 영역(도면 중 해칭으로 나타냄)이 본 발명에서 규정하는 범위로 된다.

상기와 같이 개재물 조성으로 하기 위해서는, 목적의 개재물 조성과 동일한 조성의 슬러그를 사용함으로써, 개재물 제어를 용이하게 실행할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 강은, 스프링용 강 등의 소재로서 유용한 고청정 강을 상정한 것이나, 그 강종에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다. 개재물 조성을 제어하기 위해서는, 탈산 성분인 Si를 1.2 질량％ 이상, Mn을 0.1 질량％ 이상 포함하는 것인 것이 바람직하다. 단, 이들 성분은 과잉으로 함유되면, 강재가 취화되기 쉬워지므로, Si에서 4 질량％ 이하, Mn에서 2 질량％ 이하로 해야 한다.

스프링용 강으로서의 기본 성분인 C 함유량에 대해서는, 1.2 질량％ 이하인 것이 바람직하다. C 함유량이 1.2 질량％를 초과하면, 강재가 취화되어, 실용적이지 않게 된다.

Al은 개재물 제어에 있어서도 유용한 원소로, 그 질량 농도에서 0.1 내지 20 ppm 정도는 필요하다. 그러나, Al 함유량이 많아지면, 개재물 중의 Al₂O₃ 농도가 높아져 단선의 원인으로 되는 조대 Al₂O₃가 생성될 가능성이 있으므로, 0.01 질량％ 이하인 것이 바람직하다.

상기 기본 성분 외에는 Fe 및 불가피 불순물이나, 필요에 따라 Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, K 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것이라도 좋다. 이들을 함유시킬 때의 바람직한 함유량은 Cr : 0.5 내지 3 질량％, Ni : 0.5 질량％ 이하, V : 0.5 질량％ 이하, Nb : 0.1 질량％ 이하, Mo : 0.5 질량％ 이하, W : 0.5 질량％ 이하, Cu : 0.1 질량％ 이하, Ti : 0.1 질량％ 이하, Li : 0.0005 질량％ 이하, Na : 0.0010 질량％ 이하, K : 0.0010 질량％ 이하, 및 REM : 0.0010 질량％ 이하이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 스프링용 강은, 개재물의 전체가 저융점으로 변형되기 쉽고, 열연 전이나 열연 중의 가열시에 상분리해도 SiO₂가 생성되기 어려운 것이므로, 피로 특성이 우수하다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 스프링용 강은, 예를 들어 자동차 분야, 산업 기계 분야 등에서 사용되는 스프링의 제조에 유용하다. 특히, 매우 높은 피로 특성의 요구되는 자동차용 엔진의 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 서스펜션의 현가 스프링자 등과 같은 기계의 복원 기구에 사용하는 스프링 등의 제조에 최적이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더 상세하게 설명하나, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니라, 전ㆍ후기의 취지에 비추어 보아 설계 변경하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

(제1 실시예)

진공 유도 용해로에서 약 150 ㎏의 강과 Si, Al, Mg 이외의 합금 성분을 용해하고, 각종 산화물의 유해도를 평가하기 위해, 유도 교반에 의해 강 중 개재물을 제거했다(합계 산소 5 pp 이하). 그리고 본 실시예에서는, 개재물의 종류가 피로 특성에 미치는 영향을 보기 위해, 표1에 나타낸 바와 같이, 상기 탈산 후에, 합금 원소나 Fe₂O₃를 첨가(또한, No.6, 10만, 규회석 슬러그를 상측 배치)하고, 다양한 개재물이 존재하도록 조제했다.

그리고 용강을 주형으로 주조하고, 얻어진 주괴에 대해 단조ㆍ열간 압연을 실시하고, 표1에 나타낸 성분 조성의 직경 : 8.0 ㎜의 선재를 얻었다.

또한, 일반적인 방법으로 정련을 행하면, 각종 산화물이 자연히 발생하고, 강 중의 산화물을 제어하는 것이 매우 곤란하기 때문에, 목적으로 하는 산화물만이 존재하고 다른 조성의 개재물을 완전히 배제한 강을 제조하는 것이 곤란해진다. 그 결과, 피로 강도에 미치는 영향을 각종 산화물에 구별하여 평가하는 것도 어렵다. 따라서, 상기와 같이 진공 유도로에서 각각의 조성의 개재물만을 포함하는 강을 제작하여, 피로 특성으로의 영향을 조사하는 것으로 했다.

얻어진 각 선재에 대해, SiO₂계 개재물의 개수의 측정, 및 검경면(檢鏡面)에 있어서의 조대 개재물의 종류를 동정하는 동시에, 피로 특성의 평가를 행했다. 이들 측정ㆍ평가 방법은 하기와 같다.

〈SiO₂계 개재물의 개수의 측정〉

상기 선재(직경 : 8.0 ㎜)의 표면의 스케일을 제거한 후, 시료(25 g)를 20개 잘라냈다. 잘라낸 시료를, 도2에 도시한 요령으로 용해하고, 개재물을 추출했다. 도2에 도시한 바와 같이, 우선 비커(1)에 질산 수용액(2)을 넣고, 히터(4)에 의해 이 질산 수용액을 가열(50 ℃ 이상)하고[도2의 (a)], 가열된 질산 수용액에 시료(3)를 투입했다. 시료(3)는 질산 수용액(2)에 의해 용해되고, 시료(3) 중에 존재하는 산화물계 개재물이 용출된다[도2의 (b)]. 용해ㆍ용출이 완료된 질산 수용액(2)은 냉각 후, 여과되고[멤브레인 필터(5), 필터대(6) 및 깔때기(7)], 질산 수용액(3)을 플라스크(8)에 저류하여 멤브레인 필터(5) 상에 잔사로서 산화물계 개재물을 추출했다[도2의 (c)]. 또한, 상기 용해는 질산(HNO₃) : 250 mL에 물을 가하여 700 mL로 한 것에, 황산을 10 mL 가한 것을 용량 2L의 비커에 조정하고, 이것에 25 g의 강재 시료를 넣어 용해했다. 여기서 사용한 비커, 깔때기 및 필터대의 재질은 폴리테트라플루오로에틸렌[PTFE : 테프론(등록상표)]이다. 또한 여과시에 사용하는 멤브레인 필터로서는, 구멍 직경 1 ㎛인 것을 사용했다.

또한, 상기 개재물의 추출시에는 반드시 블랭크 조사를 행하고, 블랭크에서의 추출물이 제로인 것을 확인했다. 블랭크 조사라 함은, 시료를 사용한 개재물의 추출ㆍ평가를 행할 때에, 샘플이 들어가 있지 않은 비커이고, 시료가 들어가 있지 않은 것 이외에는 상기와 완전히 동일한 작업을 행하고, 시료 이외로부터의 추출물이 제로인 것을 확인하는 것이다.

개재물의 정량은, 하기에 나타낸 조건에서 행했다. 또한, 상기 정량 분석은, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경; 짧은 직경은 긴 직경에 대해 가장 넓은 수직선의 폭을 말함)이 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 개재물, 및 L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 개재물을 대상으로, Al, Mn, Si, Mg, Ca, Ti, Zr, K, Na, S, O의 존재 농도를 구했다. 그리고, 산소 농도가 25 ％ 이상의 산화물계 개재물에 대해, 상기 각각의 원소가 Al₂O₃, MnO, SiO₂, MgO, CaO, TiO₂, ZrO₂, K₂O, Na₂O, S의 형태로 존재한다고 가정하여, 상기 정량에 의해 구한 각 원소 농도를 기초로, 개재물 중의 상기 산화물 또는 S의 존재 농도를 산출했다. 그리고, Al₂O₃ ＋ MgO ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％(질량％)로 한 경우의 SiO₂의 비율이 70 ％ 이상의 것의 개수를 구하고, 다음에 20개의 시료의 평균값을 구하여, 강재 500 g당의 값(개수)로 환산했다.

[분석 장치]

ㆍEPMA 장치 : 니혼 덴시제 JXA-8621MX

ㆍ분석 장치(EDS) : Tracor Northern제 TN-5500

[분석 조건]

ㆍ에너지 분산 분석

ㆍ전압(가속 전압) : 20 ㎸

ㆍ시험 전류(가속 전류) : 50 ㎁(나노암페어)

ㆍ배율 : 150배

ㆍ개재물의 분석 위치 : SPOT(강도가 최대인 장소를 1점 측정)

[촬영 조건]

ㆍ전압(가속 전압) : 20 ㎸

ㆍ시험 전류(가속 전류) : 50 ㎁(나노암페어)

ㆍ촬영 배율 : 개재물 사이즈에 따름

〈검경면에서의 조대 개재물의 조성의 측정〉

상기 각 선재의 직경을 포함하는 L 단면을 연마하고, 선재의 D/4부(D : 직경)보다도 표층측을 1000 ㎟ 관찰하고, 압연 방향에 대해 수직인 폭이 25 ㎛ 이상인 개재물에 대해 하기에 나타낸 조건에서 분석을 행하고, 상기 개재물의 종류와 그 개수를 구했다. 또한, 표2에 나타낸 MgOSiO₂는 MgO-SiO₂ 또는 2MgO-SiO₂에 가까운 조성의 것으로, SiO₂ 함량이 40 내지 65 ％이기 때문에, 규정의 SiO₂ 함량이 70 ％ 이상의 개재물과는 구별된다.

ㆍEPMA 장치 : 니혼 덴시제 JXA-8621MX

ㆍ분석 장치(EDS) : Tracor Northern제 TN-5500

ㆍ가속 전압 : 20 ㎸

ㆍ주사 전류 : 5 ㎁(나노암페어)

ㆍ측정 방법 : 에너지 분산 분석으로 정량 분석

[Pabric Scan(입자 전역을 측정)]

〈피로 특성의 평가〉

각 선재(8.0 ㎜φ)를, 표피 절삭 → 파텐팅 → 냉간선 신선 가공(신선) → 오일 템퍼 → 왜곡 제거 어닐링 상당 처리 → 숏피닝 → 왜곡 제거 어닐링을 행한 후, 시험편으로서 4.0 ㎜φ × 650 ㎜의 와이어를 채취하고, 나카무라식 회전 굽힘 시험기에 있어서, 시험 응력 : 공칭 응력 908 ㎫, 회전수 : 4000 내지 5000 rpm, 중지 횟수 : 2 × 10⁷회의 조건에서 회전 굽기 시험을 행하고, 도중에 파단한 시험편 중, 개재물이 원인으로 절손한 것(개재물에 기인하지 않고 와이어 표면 등으로부터 절손하는 경우가 있으나, 이 경우에는 대상 외로 함)의 개수를 측정하고, 하기 식에 의해 절손율을 측정했다.

절손율 = [개재물 절손 개수/(개재물 절손 개수 ＋ 중지 횟수까지 달성한 개수)] × 100 (％)

상기 SiO₂계 개재물의 개수, 검경면에 있어서의 조대 개재물의 종류와 개수, 및 피로 특성(절손율)을 표2에 나타낸다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다(또한, 하기 No.는 표 중의 실험 No.를 나타냄). 본 발명에서 규정한 바와 같이, SiO₂계 개재물의 억제된 No.1 내지 12의 강재는 피로 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 이에 반해, SiO₂계 개재물이 본 발명의 규정 범위를 초과하고 있는 No.13 내지 15의 강재는 피로 특성이 떨어진다.

또한 표2로부터 다음과 같은 것을 알 수 있다. 즉, 검경면에서의 관찰은 피검사 면적이 적고, SiO₂계 개재물과 같은 소수밖에 존재하지 않는 개재물은 검출되고 있지 않는 것에 반해, 추출법에 따르면, 상기 개재물도 검출할 수 있다. 또한, 검경면에서는 SiO₂계 개재물은 검출되고 있지 않으나, 다른 결정계 개재물은 검출되고 있기 때문에, SiO₂계 개재물보다도 다른 결정계 개재물의 쪽이 많이 존재하고 있는 것을 알 수 있다.

그리고 절손율은, SiO₂계 개재물 이외의 결정계 개재물의 개수가 아닌, SiO₂ 계 개재물의 개수와 상관이 있고, SiO₂ 계 개재물이 유해한 것, 또한 이것으로부터 절손을 억제하기 위해서는, SiO₂계 개재물 이외의 결정계 개재물의 유무에 관계없이, SiO₂계 개재물에 대해 본 발명에서 규정한 바와 같이 제어할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

(제2 실시예)

전로 출강재를 모의한 용강에 각종 플럭스를 첨가하고, 성분 조정 및 슬러그 정련을 실시하고, 주조했다. 이때, 슬러그 조성을 적절하게 조정함으로써, 개재물 조성을 적절하게 제어하고, 하기 표3에 나타낸 화학 성분을 갖는 강을 얻었다. 각 강에 있어서의 슬러그 정련 조건을 하기 표4에 나타낸다.

상기 용강에 대해, 주형으로 주조하고, 얻어진 주괴에 대해, 단조ㆍ열간 압연을 실시하여 직경 : 8.0 ㎜의 선재로 했다.

얻어진 각 열간 선재에 대해, 선재 중의 산화물계 개재물의 조성을 측정하는 동시에 피로 강도를 측정했다. 이들 측정 방법은 하기와 같다.

〈개재물 조성의 측정〉

열간 압연한 각 선재의 L 단면(축심을 포함하는 단면)을 연마하고, 선재의 표면으로부터 직경의 1/4 깊이까지의 표층측(선재의 중심으로부터 반경의 1/2의 위치보다도 표층측)에 존재하는, 폭(축심 방향과 수직인 방향의 개재물의 직경)이 3 ㎛ 이상인 산화물계 개재물 30개에 대해, EPMA로 조성 분석을 행하고, 산화물 농도로 환산했다. 이때의 EPMA의 측정 조건은 하기와 같다.

ㆍEPMA 장치 : JXA-8621MX(니혼 덴시 가부시끼가이샤제)

ㆍ분석 장치(EDS) : TN-5500(Tracor Northern사제)

ㆍ가속 전압 : 20 ㎸

ㆍ주사 전류 : 5 ㎁

ㆍ측정 방법 : 에너지 분산 분석으로 정량 분석(입자 전역을 측정)

〈피로 특성의 평가〉

각 열간 압연 선재(8.0 ㎜φ)를, 표피 절삭 → 파텐팅 → 냉간 신선 가공(신선) → 오일 템퍼 → 왜곡 제거 어닐링 상당 처리 → 숏피닝 → 왜곡 제거 어닐링을 행한 후, 시험편으로서 4.0 ㎜φ × 650 ㎜의 와이어를 채취하고, 나카무라식 회전 굽힘 시험기에 있어서, 시험 응력 : 공칭 응력 880 ㎫, 회전수 : 4000 내지 5000 rpm, 중지 횟수 : 2 × 10⁷회로 행하고, 파단한 것 중, 개재물 절손한 것에 대해, 하기 식에 의해 파단율을 측정했다.

파단율 = [개재물 절손 개수/(개재물 절손 개수 ＋ 중지한 개수)] × 100 (％)

각 선재의 개재물 조성을 하기 표5에 나타낸다. 또한 피로 강도 파단율을 하기 표6에 나타낸다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 시험 No.21 내지 26의 것에서는, 슬러그 조성이 적절하고, 개재물 조성도 적절한 범위로 제어된 것으로 되어, 양호한 피로 강도를 얻어지는 것을 알 수 있다. 이 중, 특히 시험 No.21, 22의 것에서는, 개재물 조성이 최적인 범위 내로 되어 있고, 양호한 피로 강도가 얻어지고 있다.

이에 반해, 시험 No.27 내지 30의 것에서는, 본 발명에서 규정하는 개재물 조성으로부터 벗어나는 것으로 되어 있으므로, 피로 시험 결과가 좋지 않다.

Claims

C : 1.2 ％(질량％의 의미, 성분에 대해 이하 동일함) 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Si : 1.2 내지 4 ％,

Mn : 0.1 내지 2.0 ％,

Al : 0.01 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 포함하고, 잔량부 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 강이며,

강 중의 개재물 중, 산소 농도가 25 질량％ 이상이고, Al₂O₃ ＋ MgO ＋ CaO ＋ SiO₂ ＋ MnO = 100 ％(질량％의 의미, 개재물에 대해 이하 동일함)로 한 경우의 SiO₂ 함량이 70 ％ 이상인 산화물계 개재물이며, L(개재물의 긴 직경)/D(개재물의 짧은 직경)가 4 이상이고 또한 D가 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물, 및 L/D가 4 미만이고 또한 L이 25 ㎛ 이상인 산화물계 개재물의 합계가 20개/500 g 이하인 것을 특징으로 하는 고청정도 스프링용 강.
제1항에 있어서, 또 다른 원소로서

Cr : 3 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Mo : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

W : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및

Co : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 고청정도 스프링용 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 또 다른 원소로서

V : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음),

Nb : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), 및

Ti : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 고청정도 스프링용 강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 또 다른 원소로서

Cu : 0.1 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음) 및/또는 Ni : 0.5 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 포함하는 고청정도 스프링용 강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 또 다른 원소로서 REM을 0.1 내지 50 ppm 포함하는 고청정도 스프링용 강.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 또 다른 원소로서 알칼리 금속 원소 및/또는 알칼리토류 금속 원소를, 합계 0.1 내지 50 ppm 포함하는 고청정도 스프링용 강.
선재의 표면으로부터 직경의 1/4 깊이까지의 표층측에 존재하는, 폭 : 3 ㎛ 이상의 산화물계 개재물이, 하기 수학식1을 만족하는 동시에, MgO 농도 : 5 질량％ 이하(0 질량％를 포함함), 및 MnO 농도 : 10 질량％ 이하(0 질량％를 포함함)이고, 또한 당해 산화물계 개재물 중의 CaO, Al₂O₃ 및 SiO₂의 각 농도 [Cn], [An] 및 [Sn]을, 각각 하기 수학식2 내지 수학식4와 같이 나타냈을 때, 이들이 하기 수학식5 및 수학식6의 관계를 만족하는 동시에, 이들 CaO 농도 [Cn], Al₂O₃ 농도 [An] 및 SiO₂ 농도 [Sn]을 CaO-Al₂O₃-SiO₂ 3성분계 상태도로 나타냈을 때에 산화물계 개재물의 융점이 1500 ℃ 이하인 것을 특징으로 하는 고청정도 스프링용 강.

[수학식1]

[수학식2]

[수학식3]

[수학식4]

[수학식5]

[수학식6]

단,「개재물의 폭」은, 선재의 축심선을 포함하는 단면에서 관찰했을 때의 축심 방향과 수직인 방향의 개재물의 직경을 의미함.
제7항에 있어서, C : 1.2 질량％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Si : 1.2 내지 4 질량％, Mn : 0.1 내지 2.0 질량％, Al : 0.01 질량％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)를 각각 포함하는 강재로 이루어지는 것인 고청정도 스프링용 강.
제8항에 있어서, 또한 Cr, Ni, V, Nb, Mo, W, Cu, Ti, Li, Na, K 및 희토류 원소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것인 고청정도 스프링용 강.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 고청정도 스프링용 강을 사용하여 얻어지는 피로 특성이 우수한 고청정도 스프링.