KR20090010926A

KR20090010926A - 피로 특성이 우수한 용수철용 선재

Info

Publication number: KR20090010926A
Application number: KR1020080071646A
Authority: KR
Inventors: 나오 요시하라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2008-07-23
Publication date: 2009-01-30
Also published as: EP2022867A1; US7901520B2; KR101040858B1; DE602008002657D1; CN101353767B; JP4694537B2; US20090025832A1; CN101353767A; JP2009024245A; EP2022867B1

Abstract

본 발명의 피로 특성이 우수한 용수철용 선재는, 선재의 중심을 지나는 종단면에서, 소정의 1시야에 대하여, 20 이상의 시야에서 TiN계 개재물의 최대 두께를 측정하고, 이 최대 두께가, (1) 5㎛ 이하가 되는 것, (2) 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하가 되는 것, (3) 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하가 되는 것, (4) 25㎛를 초과하는 것의, 4클래스로 각 시야를 분류했을 때, 전체 시야수에 대하여, 클래스 (1)의 시야 비율이 5% 미만, 클래스 (2)의 시야 비율이 30% 이하, 클래스 (3)의 시야 비율이 70% 이상, 클래스 (4)의 시야 비율이 5% 미만이다.

Description

피로 특성이 우수한 용수철용 선재{SPRING WIRE ROD EXCELLING IN FATIGUE CHARACTERISTICS}

본 발명은, 용수철용 선재에 관한 것이고, 보다 상세하게는 밸브 용수철, 클러치 용수철, 현가 용수철 등의 용수철로 했을 때의 피로 특성을 개선하는데 유용한 용수철용 선재에 관한 것이다.

용수철 강에 있어서 경질의 비금속 개재물이 존재하면, 그 개재물을 기점으로 하여 절손이 일어나는 것이 알려져 있다. 그래서 용수철 강의 피로 특성을 향상시키기 위해, 경질 개재물을 저융점화하는 방법이 실리콘 킬드 강을 중심으로 여러 가지 제안되어 있다. 예컨대, 미국 특허 제 6328820 호는, 산화물계 개재물의 조성을, SiO₂ : 35~75중량%, Al₂O₃ : 5~30중량%, CaO : 10~50중량%, MgO : 5중량% 이하로 제어하여 융점을 1400℃ 이하로 내리고, 그 두께를 작게 함으로써 피로 특성을 향상할 수 있는 것을 교시하고 있다.

한편, 알루미늄 킬드 강에 대해서는 실리콘 킬드 강만큼 연구가 진행되어 있지 않으며, 일반적으로는, 강 중의 산소량을 저감하여 산화물계 개재물을 미세화하는 정도이다. 일본 특허 공개 제 2005-2441 호는, 알루미늄 킬드 강의 노치 피로 내성을 개선하는 것으로, 개재물(황화물, 질화물, 이들의 복합물)의 평균 입경을 7㎛ 이하로 하는 것을 제안하고 있다.

본 발명의 목적은, 보다 고도의 개재물 제어 기술을 개발하여, 용수철 강의 피로 특성을 더욱 개선하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 실리콘 킬드 강뿐만 아니라, 알루미늄 킬드 강에도 적용가능한 피로 특성의 개선 기술을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, Ti 첨가량이 적은 경우뿐만 아니라, Ti 첨가량이 증대하더라도 피로 특성을 개선할 수 있는 기술을 개발하는 데 있다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토한 결과, 개재물이 거칠고 큰 경우에 피로 특성이 열화하는 것은 당연한 것이지만, TiN계 개재물에 대하여 말하면, 의외로 두께가 지나치게 얇아진 경우에도 피로 특성이 향상되지 않고, 오히려 중용의 두께가 바람직하고, 그리고 TiN계 개재물 중 최대 두께인 것에 착안하여, 이 TiN계 개재물의 최대 두께를 5㎛ 이하, 5~10㎛, 10~25㎛, 25㎛ 초과의 4클래스로 분류하면, 이 최대 두께가 10~25㎛ 정도인 경우가 가장 바람직한 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

즉, 상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 용수철용 선재는,

C : 0.35~0.70%(질량%를 의미, 이하 동일),

Si : 1.5~2.5%,

Mn : 0.05~1.5%,

Cr : 0.1~2%,

Ti : 0.0010~0.10%, 및

Al : 0.001~0.05%

를 함유하고,

잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지며

그 선재의 중심을 지나는 종단면에서, 선재 표면으로부터 깊이 D/4(㎜)(D : 선재의 직경)까지를 1변으로 하고, 선재의 긴 방향의 길이 20(㎜)을 1변으로 하는 사변형의 관찰 영역을 선재의 양 표면측의 2부분에서 설정하여, 이 2부분의 관찰 영역을 합쳐 1시야로 하는 것으로 하고,

20 이상의 시야에서 TiN계 개재물의 최대 두께를 측정하여, 이 최대 두께가 5㎛ 이하가 되는 것, 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하가 되는 것, 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하가 되는 것, 25㎛를 초과하는 것의 4클래스로 각 시야를 분류했을 때, 각각의 클래스의 시야의 비율이, 전체 시야수에 대하여 이하와 같다.

(1) 최대 두께가 5㎛ 이하인 시야 : 5% 미만

(2) 최대 두께가 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하인 시야 : 30% 이하

(3) 최대 두께가 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하인 시야 : 70% 이상

(4) 최대 두께가 25㎛를 초과하는 시야 : 5% 미만

상기 선재에 의하면, 클래스 4(최대 두께 25㎛ 초과) 정도의 거칠고 큰 TiN계 개재물이 저감되어 있으므로, 파괴(절손) 기점이 되는 TiN계 개재물 그 자체의 크기도 작아지고 있다. 또한 이 TiN계 개재물의 종횡비도 작아지고 있다. 구체적으로는, 상기 선재로부터 채취한 시험편 50개를, 조질(담금질ㆍ뜨임)한 후, 부하 응력 750㎫에서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 행하여, TiN계 개재물을 기점으로 하여 가장 빨리 절손한 시험편의 파단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰하여, 파괴 기점 개재물의 크기를 조사했을 때, 그 장직경이 30㎛ 이하이고, 종횡비가 4.0 이하 정도이다.

상기 선재 중의 불가피한 불순물로서는, 예컨대, N, O, P, S 등을 들 수 있고, 그 허용량은, 예컨대, 이하와 같다.

N : 0.006% 이하

O : 0.001% 이하

P : 0.015% 이하

S : 0.015% 이하

본 발명의 용수철용 선재는, 이하의 선택 원소를 더 함유할 수도 있고, 함유하는 원소의 종류에 따라 선재의 특성이 더 향상된다.

(a) Cu : 0.7% 이하 및/또는 Ni : 0.8% 이하

(b) V : 0.4% 이하 및/또는 Nb : 0.1% 이하

(c) Mo : 0.5% 이하

(d) B : 0.005% 이하

또 본 발명에 있어서 TiN계 개재물이란, TiN을 주체로 하는 개재물을 의미하고, 보다 구체적으로는 금속 원자 전체를 100원자%로 했을 때의 Ti량이 50원자% 이 상(바람직하게는 80원자% 이상, 더 바람직하게는 90원자% 이상)을 유지할 수 있는 범위에서 다른 금속 원자(Al, V, Ca 등)를 함유할 수도 있고, 비금속 원자 전체를 100원자%로 했을 때의 N량이 50원자% 이상(바람직하게는 80원자% 이상, 더 바람직하게는 90원자% 이상)을 유지할 수 있는 범위에서 다른 비금속 원자(C 등)를 함유할 수도 있다. 선재 중의 비금속 개재물이 TiN계 개재물인지 여부는, EPMA(전자선 마이크로 애널라이저) 등에 의해 결정할 수 있다. 또한 TiN계 개재물은, 통상, 비교적 대형의 입방체 형상이다.

본 발명에 의하면, TiN계 개재물의 크기(두께)를 적정 범위로 조정함으로써, 용수철용 선재의 피로 특성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는, TiN계 개재물의 크기(두께)를 통계적으로 적절한 상태가 되도록 제어하고 있다. 이렇게 하여, 지나치게 미세한(지나치게 얇은) TiN계 개재물이나 지나치게 큰(지나치게 두꺼운) TiN계 개재물을 저감하고, 중용의 크기(두께)의 TiN계 개재물을 증대시킴으로써, 용수철 강의 피로 특성을 향상시킬 수 있다. 거칠고 큰 TiN계 개재물이 파괴의 기점이 되는 것은 당연하지만, 지나치게 미세한 TiN계 개재물이 늘어나더라도 피로 특성이 저하하는 것은, TiN계 개재물이 미세해지면 종횡비가 커져버려 결과, 응력 집중부로서 작용하기 때문이라 사료된다.

TiN계 개재물의 통계적 분포의 조사 방법에 대하여, 도 1을 참조하면서 설명한다. 도 1은 용수철용 선재의 중심을 지나는 종단면을 나타내고 있다. 이 도 1의 사선 부분(즉, 선재 표면으로부터 깊이 D/4(㎜)(D : 선재의 직경)까지를 1변으로 하고, 선재의 긴 방향의 길이 20(㎜)을 1변으로 하는 사변형)을 관찰 영역으로 하고, 이 관찰 영역(사선 부분)을 선재의 양 표면측의 2부분에서 설정하여, 이 2부분의 관찰 영역을 합쳐 1시야로 하여, 20 이상의 시야에서 TiN계 개재물의 최대 두께를 측정한다. 그리고 각 관찰 시야를, TiN계 개재물의 최대 두께가 5㎛ 이하이던 것, 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하이던 것, 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하이던 것, 25㎛를 초과하는 것의 4클래스로 분류한다. 본 발명의 용수철용 선재에는, 각각의 클래스의 시야의 비율이, 전체 시야수에 대하여 이하와 같다.

(1) 최대 두께가 5㎛ 이하인 시야 : 5% 미만

(2) 최대 두께가 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하인 시야 : 30% 이하

(3) 최대 두께가 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하인 시야 : 70% 이상

(4) 최대 두께가 25㎛를 초과하는 시야 : 5% 미만

상기 클래스 (4)의 시야 비율이 5% 이상이면, 선재 중에는 거칠고 큰 TiN계 개재물이 존재하게 된다. 이 거칠고 큰 개재물은, 피로 절손의 기점이 되므로, 피로 특성이 저하한다. 한편, 상기 클래스 (1)의 시야 비율이 5% 이상이 되는 경우도, 선재 중의 TiN계 개재물이 지나치게 미세화되어 있게 된다. 그 결과, 응력 집중부로서 작용하므로, 피로 특성이 저하한다. 클래스 (4) 및 클래스 (1)의 바람직한 비율은, 3% 이하, 특히 0%이다.

또한 클래스 (2)는 클래스 (1) 정도의 악영향은 주지 않지만, 최적인 클래스 (3)에 비하면 악영향을 주므로, 그 비율은 적을수록 바람직하다. 따라서 클래스 (2)의 바람직한 비율은, 20% 이하, 특히 10% 이하이다.

한편, 클래스 (3)은 피로 특성에 주는 악영향이 가장 적으므로, 그 비율은 많을수록 바람직하다. 클래스 (3)의 바람직한 비율은, 80% 이상, 특히 90% 이상이다.

또한 본 발명의 선재에서는, 클래스 (4) 정도의 거칠고 큰 TiN계 개재물이 저감되어 있으므로, 파괴(절손) 기점이 되는 TiN계 개재물 그 자체의 크기도 작아지고 있다. 또한 파괴 기점이 되기 쉬운 클래스 (1) 정도의 미세하고 종횡비가 큰 TiN계 개재물도 저감되어 있으므로, 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 종횡비도 작아지고 있다. 구체적으로는, 상기 선재로부터 채취한 시험편 50개를, 조질한 후, 부하 응력 750㎫에서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 행하여, TiN계 개재물을 기점으로 하여 가장 빨리 절손한 시험편의 파단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰하여, 파괴 기점 개재물의 크기를 조사했을 때, 그 장직경(두께)이, 예컨대, 30㎛ 이하(바람직하게는 25㎛ 이하), 종횡비가, 예컨대, 4.0 이하(바람직하게는 3.5 이하) 정도이다.

TiN계 개재물의 크기(최대 두께)를 제어하여, 각 클래스의 시야 비율을 상기 범위 내로 억제하기 위해서는(또한 이것에 의해 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물 크기와 종횡비를 작게 하기 위해서는), 공지의 수단을 적절히 조합하면 좋다. 예컨대, 연주(連鑄)에 의해 주편(鑄片)을 제조하고, 이 주편을 분괴 압연한 후, 열간 압연하여 선재를 제조하는 공정을 전제로 한 경우, 연주의 응고 단계에서의 냉각 속도가 빠를수록 TiN계 개재물이 미세해지고, 또한 종횡비가 큰 TiN계 개재물이 늘어나고, 분괴 압연 전의 가열 온도가 높고 가열 시간이 길수록 TiN계 개재물이 거칠고 커지고, 또한 종횡비가 큰 TiN계 개재물이 줄어들며, 분괴 압연 후의 냉각 속도가 느릴수록 TiN계 개재물이 거칠고 커지고, 또한 종횡비가 큰 TiN계 개재물이 줄어들므로, 이들 조건을 적절히 조합하면, TiN계 개재물의 최대 두께를 적절히 제어할 수 있고, 또한 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 크기와 종횡비도 적절히 제어할 수 있다.

바람직한 제조 조건은, 여러 가지 요인에 따라 미묘히 변화하므로, 모든 경우에 적용 가능한 절대적인 제조 조건을 설정할 수는 없지만, 하기 조건을 참고로 하면 용이하게 TiN계 개재물을 제어할 수 있다. 연속 주조의 응고시에 TiN계 개재물을 일단 지나치게 미세하게 한 후(또한 종횡비가 큰 TiN계 개재물을 늘린 후), 분괴 압연 전의 가열 온도를 높게 하고 또한 가열 시간을 길게 하고, 또한 분할 압연 후의 냉각 속도를 느리게 함으로써 TiN계 개재물을 크게 하여 감으로써(또한 종횡비가 큰 TiN계 개재물을 줄여감으로써) TiN계 개재물의 최대 두께 분포를 제어하는(또한 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 크기와 종횡비를 제어하는) 사상하에, 하기 조건을 설정하고 있다.

연속 주조 후, 온도 1500℃에서 1400℃까지의 냉각 속도는, 예컨대, 0.10~1℃/초 정도의 범위로부터 설정할 수 있고, 이 범위에서는 TiN계 개재물의 제어가 곤란한 경우에는, 그 결과에 맞추어 냉각 속도를 재설정하면 좋다. 즉, 거칠고 큰 TiN계 개재물의 비율이 늘어난 경우는(또한 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 크기가 커진 경우는), 이 냉각 속도를 빠르게 하여 재설정하면 좋고(예컨대, 0.1~0.2℃/초에서는 거칠고 커지는 경우에는, 0.2~1℃/초 정도의 범위로 재설정하여 고치면 좋고), 미세한 TiN계 개재물의 비율이 늘어난 경우(또는 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 종횡비가 커진 경우)에는 이 냉각 속도를 느리게 하여 재설정하면 좋다.

또한 이 냉각 속도가 0.1℃/초보다 늦으면, TiN계 개재물의 두께 분포가 넓어져, 바람직한 범위(10~25㎛)의 시야를 소정 비율 이상으로 하는 것이 어려워진다. 따라서 냉각 속도를 재설정하는 경우에도, 0.1℃/초 이상의 범위로 설정하는 것이 추천, 장려된다.

분괴 압연 전(즉, 균열 처리)의 가열 온도(주편의 표면 온도)는, 예컨대, 1200~1400℃ 정도의 범위로부터 설정할 수 있고, 필요에 따라 적절히 재설정하면 좋다. 또한 가열 시간은, 예컨대, 1~3시간 정도의 범위로부터 설정할 수 있다. 또 가열 온도를 높여(예컨대, 1320~1400℃ 정도) 설정하면, 거칠고 큰 TiN계 개재물의 비율이 증대하는(또는 파괴 기점이 되는 TiN계 개재물의 크기가 커지는) 경우가 있다. 이러한 경우에는, 가열 시간은 짧게(예컨대, 1~1.5시간 정도) 설정하면 좋다.

분괴 압연 후의 냉각 속도(온도 : 1200℃~800℃의 범위의 냉각 속도)는, 예컨대, 0.01~0.3℃/초 정도의 범위로부터 설정할 수 있다. 또한 방냉에서는 냉각 속도는 0.3℃/초를 초과한다. 냉각 속도를 0.3℃/초 이하로 하기 위해서는, 예컨대, 단열 시트 등으로 강편을 커버할 필요가 있다. 또 이 냉각 속도도, 부적절하 면, 적절히 재설정하면 좋다.

분해 압연 후는, 열간 압연함으로써 본 발명의 용수철용 선재를 제조할 수 있다. 본 발명의 용수철용 선재는, 압연한 그대로의 재료(비조질재)이거나, 용수철에 적용되는 경우에는, 적당한 단계(드로잉 가공하여 와이어(강선)로 한 후나, 용수철 두루마리 중 등)에서 조질한다.

본 발명의 용수철용 선재는, 화학 성분도 적정히 조정되어 있다. 각각의 성분은, 이하와 같다.

C : 0.35~0.70%

C는, 담금질ㆍ뜨임 후의 강도(경도)를 확보하기 위해 필요한 원소이다. 또한 대기 내구성을 향상시키는 작용도 있다. 그러나 C량이 과잉이 되면, 인성이 열화하고, 또한 표면의 흠이나 개재물에 대한 결함 감수성이 높아져, 피로 특성이 저하한다. 그래서 C량을, 0.35% 이상(바람직하게는 0.38% 이상, 더 바람직하게는 0.45% 이상), 0.70% 이하(바람직하게는 0.65% 이하, 더 바람직하게는 0.61% 이하)로 정했다.

Si : 1.5~2.5%

Si는, 고용 강화 원소로서 작용하고, 매트릭스 강도 및 내력을 향상시킨다. 그러나 Si량이 과잉이면, 강재 표면에서는 열처리시에 페라이트 탈탄이 발생하기 쉽고, 또한 Si의 고용이 어려워진다. 그래서 Si량을, 1.5% 이상(바람직하게는 1.6% 이상, 더 바람직하게는 1.7% 이상), 2.5% 이하(바람직하게는 2.4% 이하, 더 바람직하게는 2.2% 이하)로 정했다.

Mn : 0.05~1.5%

Mn은, 담금질성을 향상시킬 뿐만 아니라, 강 중의 고용 S를 MnS로서 트랩하여, 인성을 향상시키기 위해 유효한 원소이다. 그러나 Mn량이 과잉이면, 담금질성이 지나치게 향상되어, 용수철 제조 공정에서 담금질ㆍ뜨임할 때에 담금질 균열이 발생할 우려가 있다. 그래서 Mn량을, 0.05% 이상(바람직하게는 0.15% 이상, 더 바람직하게는 0.3% 이상), 1.5% 이하(바람직하게는 1.2% 이하, 더 바람직하게는 1.0% 이하)로 정했다.

Cr : 0.1~2%

Cr은, 고용 강화에 의해 강재의 매트릭스 강도를 향상시키는 원소이다. 또한 Cr은, Mn과 같이, 담금질성 향상에도 유효히 작용한다. 그러나 Cr이 과잉이면 강재가 취화하기 쉬워져 개재물의 감수성이 증대하므로, 피로 특성이 열화한다. 그래서 Cr량을, 0.1% 이상(바람직하게는 0.5% 이상, 더 바람직하게는 0.9% 이상), 2% 이하(바람직하게는 1.8% 이하, 더 바람직하게는 1.5% 이하)로 정했다.

Ti : 0.0010~0.10%

Ti는, 담금질ㆍ뜨임 후의 구 오스테나이트 결정립을 미세화하여, 대기 내구성 및 내수소취성을 향상시키는 원소이다. 그러나 Ti량이 과잉이 되면, 거칠고 큰 질화물이 석출되기 쉬워져, 피로 특성에 악영향을 미치게 된다. 그래서 Ti량을, 0.0010% 이상(바람직하게는 0.005% 이상, 더 바람직하게는 0.01% 이상, 특히 0.02% 이상), 0.10% 이하(바람직하게는 0.09% 이하, 더 바람직하게는 0.08% 이하)로 정했다.

Al : 0.001~0.05%

Al은, 질소와 함께 미세한 질화물을 형성하고, 이 미세 질화물의 피닝 효과에 의해 결정립을 미세화하는 원소이며, 또한 용강 처리시에는 탈산제로서 작용하는 원소이다. 그러나 Al량이 과잉이면, 산화물계 개재물량이 증대하여, 피로 특성이 저하할 수 있다. 그래서 Al량을, 0.001% 이상(바람직하게는 0.003% 이상, 더 바람직하게는 0.01% 이상), 0.05% 이하(바람직하게는 0.04% 이하, 더 바람직하게는 0.03% 이하)로 정했다.

본 발명의 용수철용 선재의 필수 성분은 이상과 같으며, 잔부는 철 및 불가피한 불순물이더라도 좋고, 다른 원소를 더 함유하고 있더라도 좋다. 불가피한 불순물이란, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 반입되는 불순물을 말하고, 예컨대, N, O, P, S 등을 예시할 수 있다. 이들 원소는, 바람직하게는 하기 범위로 억제되고 있다.

N : 0.006% 이하

N이 과잉이 되면 TiN계 개재물이 거칠고 커진다. 따라서 N은, TiN계 개재물의 크기(두께)가 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 범위에서 허용할 수 있고, 예컨대, 0.006% 이하, 바람직하게는 0.005% 이하이다. N이 적어질수록 강재 특성은 향상되지만, 지나치게 적어도 효과가 포화하는 한편으로 경제성이 저하된다. 따라서, N량의 하한은, 예컨대, 0.001% 이상, 바람직하게는 0.002% 이상이다.

O : 0.001% 이하

O는, Al 등과 결합하여 산화물계 개재물을 형성하므로, 적을수록 바람직하 다. O량은, 예컨대, 0.001% 이하, 바람직하게는 0.0008% 이하이다. 한편, O량의 하한은, 경제성의 관점에서, 예컨대, 0.0002% 이상, 바람직하게는 0.0003% 이상이다.

P : 0.015% 이하

P는, 구 오스테나이트 입계에 편석하여, 입계를 취화시켜, 피로 특성을 저하시키는 유해한 원소이며, 그 양은 적을수록 바람직하다. P량은, 예컨대, 0.015% 이하, 바람직하게는 0.013% 이하이다. 단 P는, 공업 생산상, 불가피하게 혼입되는 불순물이며, 그 양을 0%로 하는 것은 곤란하다.

S : 0.015% 이하

S는, P와 같이, 구 오스테나이트 입계에 편석하여, 입계를 취화시켜, 피로 특성을 저하시키는 유해한 원소이며, 그 양은 적을수록 바람직하다. S량은, 예컨대, 0.015% 이하, 바람직하게는 0.013% 이하이다. 단 S는, 공업 생산상, 불가피하게 혼입되는 불순물이며, 그 양을 0%로 하는 것은 곤란하다.

상기 다른 원소로서는, 이하의 선택 원소를 예시할 수 있다. 하기 선택 원소는, 단독으로 또는 적절히 조합하여 첨가할 수 있다.

Cu : 0.7% 이하 및/또는 Ni : 0.8% 이하

Cu 및 Ni는, 선재 제조시의 열간 압연이나 용수철 제조시의 열처리시에 발생하는 페라이트 탈탄을 억제하는데 유효한 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시키더라도 좋다. 이 작용에 더하여, Cu는 내식성을 높이는 작용을 갖는다. 또한 Ni는, 담금질ㆍ뜨임 후의 용수철의 인성을 높이는 작용을 갖는다. 바람직한 Cu량 은, 예컨대, 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.1% 이상, 특히 0.2% 이상)이며, 바람직한 Ni량은, 예컨대, 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.1% 이상, 특히 0.25% 이상)이다.

그러나 Cu량이 과잉이 되면, 열간 압연 균열이 발생할 우려가 있다. 한편, Ni량이 과잉이 되면, 담금질ㆍ뜨임 처리에서 잔류 오스테나이트량이 증대하여, 인장 강도가 저하된다. 그래서 이들을 함유시키는 경우, Cu량의 상한을 0.7% 이하(바람직하게는 0.6% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 이하), Ni량의 상한을 0.8% 이하(바람직하게는 0.7% 이하, 더 바람직하게는 0.55% 이하)로 정했다.

V : 0.4% 이하 및/또는 Nb : 0.1% 이하

V 및 Nb는, 탄소나 질소 등과 결합하여 미세한 탄화물이나 질화물 등을 형성하여, 내수소취성이나 피로 특성을 높일 뿐만 아니라, 더 나아가서는 결정립 미세화 효과를 발휘하여, 인성, 내력, 새그 저항성(sag resistance)의 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시키더라도 좋다. 바람직한 V량은, 0.07% 이상(보다 바람직하게는 0.10% 이상)이며, 바람직한 Nb량은, 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.02% 이상)이다.

그러나 V 및 Nb량이 과잉이 되면, 담금질 가열시에 오스테나이트 중에 고용되지 않는 탄화물량이 증대하여, 충분한 강도나 경도를 얻기 어려워질 뿐만 아니라, 질화물이 거칠고 커지는 것을 초래하여, 피로 절손이 발생하기 쉬워진다. 또한 V량이 과잉이 되면, 잔류 오스테나이트량이 증가하여, 얻어지는 용수철의 경도가 저하된다. 그래서 이들을 함유시키는 경우, V량의 상한을 0.4% 이하(바람직하 게는 0.3% 이하), Nb량의 상한을 0.1% 이하(바람직하게는 0.05% 이하)로 정했다.

Mo : 0.5% 이하

Mo는, 담금질성 향상에 유효한 것에 더하여, 연화 저항을 향상시켜 새그 저항성의 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시키더라도 좋다. Mo를, 바람직하게는 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.05% 이상)의 양으로 함유시키는 것이 추천, 장려된다. 그러나 Mo량이 과잉이 되면, 열간 압연시에 과냉 조직이 발생하기 쉬워지고, 또한 연성도 열화한다. 그래서 Mo를 함유시키는 경우, 그 상한을 0.5% 이하(바람직하게는 0.4% 이하)로 정했다.

B : 0.005% 이하

B는, P의 입계 편석을 방지하여 입계를 청정화하여, 내수소취성이나 인성과 연성을 향상시키는데 유효한 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시키더라도 좋다. B를, 바람직하게는 0.0003% 이상(보다 바람직하게는 0.0005% 이상)의 양으로 함유시키는 것이 추천, 장려된다. 그러나 B량이 과잉이 되면, Fe₂₃(CB)₆ 등의 B 화합물을 형성하여 프리 B가 감소하므로, P의 입계 편석의 방지 효과가 포화한다. 또한 이 B 화합물은 거칠고 큰 경우가 많으므로, 피로 절손의 기점이 되어 피로 특성을 저하시킨다. 그래서 B를 함유시키는 경우, 그 상한을 0.005% 이하(바람직하게는 0.004% 이하)로 정했다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이 하의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기ㆍ하기의 취지에 부합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1에 나타내는 화학 성분 조성의 강을 80톤의 전로에서 용제하여, 연속 주조함으로써, 단면이 430㎜×300㎜인 주편을 제작했다. 이 주편을 균열 처리한 후, 분괴 압연하여 155㎜각의 강편을 제작하고, 이어서 열간 압연하여 직경 15.5㎜의 선재를 제조했다. 연속 주조 후의 1500℃에서 1400℃까지의 냉각 속도, 균열 처리의 조건, 및 분괴 압연 후의 1200℃에서 800℃의 냉각 속도는, 하기 표 2와 같다.

(1) TiN계 개재물의 최대 두께의 측정

상기한 바와 같이 하여 얻어진 압연 선재를 20㎜의 길이로 절단하고 나서 수지에 매립하여, 중심까지 연마함으로써, 1시야에 대응한 관찰용 샘플을 제작했다. 이 샘플을 현미경으로 관찰하여, JIS G 0555에 준하여 TiN계 개재물의 두께를 구하여, 그 최대치를 조사했다. 보다 구체적으로는, D계 개재물(입상 산화물계 개재물로서, 변형하지 않고, 네모난 형상 혹은 원형 또는 저종횡비의 형상을 하고 있고, 흑 또는 푸른빛이 걸린 랜덤으로 분포하는 입자) 및 Ds계 개재물(개별 입상 개재물로서, 원형 또는 원형에 가까운 형상을 하고 있고, 장직경이 13㎛ 이상의 단독의 입자) 중에서 1시야 중에서 장직경이 최대가 되는 개재물에 대하여, TiN계 개재물인 것을 EPMA(전자선 마이크로 애널라이저)로 확인한 후에, 그 장직경을 당해 시야의 TiN계 개재물의 최대 두께로 했다.

20의 관찰용 샘플(시야)에 대하여 TiN계 개재물 두께의 최대치를 조사하여, 각 클래스의 시야 비율(%)을 구했다. 결과를 표 2에 나타낸다.

(2) 오노식 회전 굽힘 피로 시험

상기한 바와 같이 하여 얻어진 압연 선재를 직경 14.3㎜까지 드로잉 가공하여 직봉(길이 2m)으로 하여, 길이 70㎜로 절단하고, 925℃×10분의 가열을 행한 후, 70℃×5분의 유냉을 행함으로써 담금질하고, 다음으로 400℃에서 60분 가열하여 뜨임했다. 이 담금질ㆍ뜨임강을 절삭하여, JIS Z 2274의 1호 시험편을 제작했다. 이 시험편의 평행부를 800번의 사지(emery paper)로 연마했다. 선재마다 50개의 시험편을 이용하여, 부하 응력 750㎫, 중지 횟수를 5천만회로 설정하여 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시하여, 각 시험편이 절손되기까지의 피로 수명(회)을 측정했다. 50개의 시험편 중, 가장 빠르게 절손된 시험편의 수명(최단 피로 수명)에 근거하여, 피로 특성을 평가했다.

또한 피로 시험에서 가장 빠르게 절손된 시험편에 대하여, 피로 절손의 원인이 된 기점 개재물의 조성을, EPMA에 의해 측정했다. 기점 개재물의 최대 두께 및 그 종횡비(장직경/단직경)도 측정했다. 이들 최대 두께 및 종횡비는, 개재물 전체를 관찰할 수 있는 배율로 파단면(횡단면)을 주사형 전자 현미경(SEM)으로 관찰하여, 그 크기를 측정함으로써 결정했다. 최대 두께란, 개재물의 장직경(최대 길이)이다. 그 결과를, 표 2에 기재한다.

표 1 및 2로부터 분명하듯이, 화학 성분 조성이 적절하고 TiN계 개재물의 크기도 적절한 선재(A-1, B-1, C-1, D-1, E-1, F-1 및 G-1)는, 3,000만회까지의 오노식 회전 굽힘 피로 시험으로도 절손되지 않고, 피로 특성이 우수했다.

이에 대하여 A-2는, 균열 처리 온도가 낮고, 또한 분괴 압연 후의 냉각 속도도 지나치게 빠르므로, TiN계 개재물이 미세화하여버려, 피로 수명이 짧아졌다(C-2, F-2도 마찬가지). B-2는, 균열 처리 온도가 높게 설정되어 있고 또한 그 시간도 길게 설정되어 있으므로, TiN계 개재물이 거칠고 커져버려, 피로 수명이 짧아졌다.

C-3은, 연속 주조 후의 냉각 속도가 지나치게 느리므로, TiN계 개재물의 크기의 분포가 넓어진 결과, 미세한 개재물도 거칠고 큰 개재물도 지나치게 많아져, 피로 수명이 짧아졌다(E-3도 마찬가지).

D-2는, 균열 처리 온도가 낮고, 또한 분괴 압연 후의 냉각 속도도 빠르지만, 연속 주조 후의 냉각 속도를 느리게 한 것에 따른 영향 쪽이 강하게 나타났기 때문인지, TiN계 개재물이 거칠고 커져, 피로 수명이 짧아졌다(G-2도 마찬가지).

E-2는, 균열 온도가 지나치게 낮으므로, TiN계 개재물이 미세화하여, 피로 수명이 저하했다.

또한 H-1 및 J-1은, Ti나 N이 많고, TiN계 개재물 분포에서도 미세한 것과 거칠고 큰 것의 양쪽이 많아져, 피로 수명이 저하했다. I-1은 C가 과잉이 되어, 피로 수명이 저하했다.

상기 예 중에서도 A-2, C-2, E-2, E-3, F-2, G-2의 예는, 기점 개재물이 되는 TiN계 개재물의 종횡비가 커진 영향도 받고 있어, 피로 수명이 현저히 짧다.

도 1은 TiN계 개재물의 최대 두께를 측정하기 위한 1시야를 나타내는 도면이다.

Claims

C : 0.35~0.70%(질량%를 의미, 이하 동일),

Si : 1.5~2.5%,

Mn : 0.05~1.5%,

Cr : 0.1~2%,

Ti : 0.0010~0.10%, 및

Al : 0.001~0.05%

를 함유하고,

잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

그 선재의 중심을 지나는 종단면에서, 선재 표면으로부터 깊이 D/4(㎜)(D : 선재의 직경)까지를 1변으로 하고, 선재의 긴 방향의 길이 20(㎜)을 1변으로 하는 사변형의 관찰 영역을 선재의 양 표면측의 2부분에서 설정하여, 이 2부분의 관찰 영역을 합쳐 1시야로 하는 것으로 하고,

20 이상의 시야에서 TiN계 개재물의 최대 두께를 측정하여, 이 최대 두께가 5㎛ 이하가 되는 것, 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하가 되는 것, 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하가 되는 것, 25㎛를 초과하는 것의 4클래스로 각 시야를 분류했을 때, 각각의 클래스의 시야의 비율이, 전체 시야수에 대하여 이하와 같은 용수철용 선재.

(1) 최대 두께가 5㎛ 이하인 시야 : 5% 미만

(2) 최대 두께가 5㎛를 초과하고 10㎛ 이하인 시야 : 30% 이하

(3) 최대 두께가 10㎛를 초과하고 25㎛ 이하인 시야 : 70% 이상

(4) 최대 두께가 25㎛를 초과하는 시야 : 5% 미만
제 1 항에 있어서,

상기 선재로부터 채취한 시험편 50개를, 조질한 후, 부하 응력 750㎫에서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 행하여, TiN계 개재물을 기점으로 하여 가장 빨리 절손된 시험편의 파단면을 주사형 전자 현미경으로 관찰하여, 파괴 기점 개재물의 크기를 조사했을 때, 그 장직경이 30㎛ 이하이고, 종횡비가 4.0 이하인 용수철용 선재.
제 1 항에 있어서,

상기 불가피한 불순물에는, N, O, P, S가 포함되고, 그 허용량이 N : 0.006% 이하, O : 0.001% 이하, P : 0.015% 이하, S : 0.015% 이하인 용수철용 선재.
제 1 항에 있어서,

Cu : 0.7% 이하 및 Ni : 0.8% 이하중 적어도 한쪽을 더 함유하는 용수철용 선재.
제 1 항에 있어서,

V : 0.4% 이하 및 Nb : 0.1% 이하중 적어도 한쪽을 더 함유하는 용수철용 선 재.
제 1 항에 있어서,

Mo : 0.5% 이하를 더 함유하는 용수철용 선재.
제 1 항에 있어서,

B : 0.005% 이하를 더 함유하는 용수철용 선재.