KR20090026769A - 단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 피로 특성의 단조품을 얻기 위한 개재물이 미세화된 단조용 강 및 이러한 단조용 강을 제조하기 위한 유용한 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 이러한 단조용 강을 이용하여 얻어지는 양호한 피로 특성을 발휘할 수 있는 개재물이 미세화된 단조품(특히, 일체형 크랭크축)을 제공한다. 본 발명의 단조용 강은, 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm, 또한 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm인 것을 특징으로 한다.

단조용 강, 단조품, 피로 특성, 슬래그, 내구 한도비

Description

단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조품{STEEL FOR FORGING, PROCESS FOR PRODUCING THE SAME, AND FORGED ARTICLE}

본 발명은 단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품에 관한 것으로, 특히 강 중에 존재하는 개재물을 미세화시킨 단조용 강 및 그 제조 방법 및 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품에 관한 것이다. 본 발명의 단조용 강을 이용하여 제조되는 단조품은 기계, 선박, 전기 등의 산업 분야에서 널리 유효하게 활용되는 것이지만, 이하에서는 대표적인 용도예로서 선박용 구동원의 전달 부재로서 이용되는 크랭크축에 적용하는 경우를 중심으로 설명을 진행한다.

단조용 강을 이용하여 제조되는, 예를 들어 선박용 구동원의 전달 부재인 대형 크랭크축에는 가혹한 사용 환경하에서도 피로 파괴를 발생하기 어려운 우수한 피로 특성이 요구된다.

크랭크축의 피로 특성을 향상시키는 방법으로서, 비특허 문헌 1에는 가공면에서의 기술을 구사하여 피로 특성을 높인 것이 개시되어 있다. 구체적으로는, 비특허 문헌 1에는 RR(Roedere Ruget)법을 채용함으로써, 자유 단조법으로 제조한 크랭크축보다 피로 특성을 현저하게 향상시킨 것이나, 냉간 롤 가공을 실시하여 피로 강도를 향상시킨 것 등이 개시되어 있다.

또한, 비특허 문헌 2에서는 선박용 크랭크축에 채용되는 저합금강의 피로 특성 향상에 대해 검토되어 있다. 구체적으로는, 비특허 문헌 2에서는 (1) 개재물은 피로 파괴의 기점이 되기 쉽고, 강의 고강도화에 따라서 그 경향이 현저해지는 것, (2) 개재물 사이즈가 클수록 피로 강도는 저하되는 것, (3) 신장된 개재물을 포함하는 강재는 피로 강도의 이방성이 나타나기 쉬운 것 등이 개시되어 있다. 그리고 단조재의 피로 특성을 향상시키기 위해서는 개재물 형상을 구 형상으로 하고, 치수를 작게 하는 것이 유효한 취지로 결론지어져 있다.

그러나 상기 보고에는 개재물 형상을 구 형상화하고, 또한 치수를 작게 하기 위한 구체적인 수단까지 개시되어 있지 않으며, 제어할 개재물의 종류나 사이즈 등도 밝혀져 있지 않다. 따라서, 피로 특성의 향상에 유효한 개재물의 형태 제어를 구현화하기 위해서는 가일층의 검토를 필요로 한다고 생각된다.

그런데, 강 중 개재물의 형태 제어법으로서는 지금까지 다양한 방법이 제안되어 있고, 예를 들어 특허 문헌 1에는 내라멜라티어성과 내수소 유기 균열성이 우수한 구조용 저합금강을 얻기 위한 수단으로서, 황화물과 산화물을 모두 감소시키고, 또한 개재물의 형태를 컨트롤하는 방법이 제안되어 있다. 구체적으로는, 내라멜라티어성이나 내수소 유기 균열성을 저해하는 Mn 황화물의 생성을 억제하기 위해서는 S량 및 O량을 저감하고, 또한 Ca나 Mg를 첨가하면 좋은 것이 제안되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에는 Mg, Ca 첨가에 의해 열간 압연에 의해 신장되기 쉬운 MnS나 클러스터 형상으로 연속되는 Al₂O₃계 개재물의 생성을 억제하고, 형상을 바꾸 어 미세화를 도모하는 등의 개재물의 형태 제어를 행하는 것이 개시되어 있다.

특허 문헌 3이나 특허 문헌 4에는 산화물계 개재물을 초미세화함으로써, 기어재로서의 면 피로 강도나 치형부 굽힘 피로 강도를 높이는 것이 개시되어 있다. 구체적으로는, 산화물계 개재물로서, 응집 합체되기 어려운 MgO나 MgO·Al₂O₃을 생성시키는 것이 제안되어 있다. 또한, 황화물인 MnS의 일부를 (Mn·Mg)S로 하면 개재물의 연신성이 억제되어, 기계적 강도의 이방성이 저감되는 것을 밝히고 있다.

특허 문헌 5에는 피삭성이 우수한 기계 구조용 강을 얻기 위해, 황화물로서 MnS, CaS, MgS, (Ca, Mn)S, (Ca, Mg, Mn)S를 존재시킨 것이 개시되어 있다. 특허 문헌 5는, 특히 REM, Ca 및 Mg를 함유시켜 황화물의 형태를 제어하면, 기계적 성질의 이방성이 억제되는 동시에, S 함유 쾌삭강보다도 피삭성이 높여지는 것을 밝히고 있다.

그러나 이들 개재물의 형태 제어 기술은, 선박용 구동원의 전달 부재 등과 같은 가혹한 환경하에서 사용되는 단조품을 대상으로 하는 것이 아니다. 따라서, 단조품의 피로 특성을 높이기 위해, 단조품의 제조에 이용하는 단조용 강을 대상으로 독자적인 개재물 제어 방법을 검토하여 확립하는 것이 요구되고 있다.

비특허 문헌 1 : 「크랭크축의 진보 개선」, 일본 선박용 기관 학회지, 1974년 10월, 제8권, 제10호, p.54-59

비특허 문헌 2 :「고강도 크랭크축재의 피로 강도 특성에 관한 연구」, Journal of the JIME, 2001년, vol.36, No.6, p.385-390

특허 문헌 1 : 일본 특허 출원 공고 공보 : 소58-35255호

특허 문헌 2 : 일본 특허 출원 공고 공보 : 소57-59295호

특허 문헌 3 : 일본 공개 특허 공보 : 평7-188853호

특허 문헌 4 : 일본 공개 특허 공보 : 평7-238342호

특허 문헌 5 : 일본 공개 특허 공보 : 제2000-87179호

본 발명은 이러한 사정에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은 우수한 피로 특성의 단조품을 얻기 위한 개재물이 미세화된 단조용 강 및 이러한 단조용 강을 제조하기 위한 유용한 방법을 제공하는 데 있다. 본 발명의 목적은, 또한 이러한 단조용 강을 이용하여 얻어지는, 양호한 피로 특성을 발휘할 수 있는 개재물이 미세화된 단조품(특히, 일체형 크랭크축)을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 단조용 강이라 함은, 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm(이하, ppm은「질량ppm」을 나타냄)인 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm인 점에 요지를 갖는 것이다. 또한,「용존 Al 농도」 및「용존 Mg 농도」라 함은, 강 중에서 화합물을 형성하지 않고, 고용 원소로서 존재하고 있는 Al이나 Mg의 농도를 의미하고, 예를 들어 2차 이온 질량 분석법(SIMS)에 의해 측정되는 값이다.

본 발명의 단조용 강에 있어서는, (a) 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 것, (b) 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛²)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 것 등의 요건을 만족하는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

[수학식 2]

단, [MgO] 및 [Al₂O₃]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al₂O₃의 함유량(질량％)을 나타낸다.

또한, 단조용 강이나 단조품으로서 일반적으로 우수한 강도나 인성을 확보하기 위해서는, 하기 성분 조성을 만족하는 것이 바람직하다.

「C : 0.2 내지 1.0 ％(이하, ％는「질량％」를 나타냄), Si : 0.05 내지 0.6 ％, Mn : 0.2 내지 1.5 ％, Ni : 4 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Cr : 0.5 내지 4 ％, Mo : 0.1 내지 1.5 ％, V : 0.005 내지 0.3 ％를 각각 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것이다.」

본 발명은 상기 단조용 강을 이용하여 제조된 단조품도 포함하고, 특히 본 발명의 단조용 강을 이용하여 제조되는 일체형 크랭크축은 우수한 피로 특성을 발휘한다.

한편, 본 발명의 단조용 강의 제조 방법이라 함은, 단조용 강을 제조함에 있어서 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 ％ 이상으로 하는 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 제어하는 점에 요지를 갖는 것이다.

본 발명은 상기와 같이 구성되어 있고, 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 조정함으로써, 형성되는 개재물의 형태를 제어할 수 있고, 개재물이 미세화된 단조용 강을 제공할 수 있게 되었다. 이러한 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품은, 우수한 피로 특성을 기대할 수 있고, 특히 선박에서 이용되는 크랭크축 등의 대형 단조 제품으로서 매우 유용하다.

도1은 파면 개재물의 √A와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.

도2는 강 중의 용존 Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.

도3은 산화물 중의 (MgO + Al₂O₃) 농도 및 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

도4는 강 중의 용존 Al 농도가 용존 Mg 농도에 미치는 영향을, 슬러그 중 MgO 농도와의 관계로 나타낸 그래프이다.

도5는 강 중의 용존 Al 농도 및 탑 슬래그 중의 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

도6은 강 중의 Total Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은, 전술한 바와 같은 상황하, 가혹한 환경하에서 사용되는 단조품의 피로 특성을 높이는 것을 최종 목표로, 다양한 각도로부터 검토하였다. 특히, 응고 온도가 느린 대형 강괴(예를 들어, 20톤 이상)에서는, 목표로 해야 할 피로 강도가 얻어지기 어려워, 지금까지와는 다른 관점에서의 검토를 진행하였다.

그 결과, 피로 강도의 저하를 초래하는 원인은 MgS를 주성분으로 하는 조대 개재물이며, 이 조대 개재물의 생성에는 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도가 크게 관여하고 있고, 이 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 소정의 범위로 제어하면 상기 조대 개재물의 생성이 억제될 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

또한, 본 발명자들이 소형 강괴(20 ㎏) 및 대형 강괴(2톤)에 대해 검토한 바, 강괴의 크기에 상관없이 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도가 산화물 조성에 관여하고 있는 것이 판명되었다. 또한, 이들 농도를 적절한 범위로 제어하면, Al₂O₃이나 CaO·Al₂O₃ 등의 조대화되기 쉬운 개재물의 생성이 억제되고, 응집되기 어려운 MgO 함유 산화물로 조성 제어할 수 있는 것도 판명되었다.

강 중의 용존 Mg 농도를 적절한 범위로 제어하기 위해서는, 용강 처리 공정에 있어서 탑 슬래그 중의 MgO 농도 및 용강 중의 Al 농도를 적절하게 조정하면 되는 것도 알 수 있었다.

본 발명의 제조 방법에 있어서는, 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도 및 용강 중의 Al 농도를 적절하게 조정하는 것을 요지로 하는 것이지만, 이 용강 처리 공정의 기본적인 순서를 설명하면서 본 발명의 작용 효과에 대해 설명한다.

용강 처리함에 있어서는, 우선 원료를 전기로 내에 장입하여 가열 용융한 후, 산소 랜스로부터 산소를 취입하는 산소 취련에 의해 탈탄·탈인 처리를 행한다. 산소 취련의 종료 후, 용강을 레이들로 옮기고, LF(Ladle Furnace) 등의 용강 처리 장치를 이용하여 용강 처리를 행한다. 이때, 용강 처리에 앞서, CaO, MgO, Al₂O₃ 등의 슬래그 원료(조재제)를 소정의 혼합비로 용강 표면에 첨가하여 용융시키고, 용강 표면에 슬래그(탑 슬래그)를 형성시킨다.

이러한 용강 처리에 있어서는, 저취(底吹) 가스 교반 등의 수단에 의해 용강을 교반하면서 온도나 주성분을 조정하는 동시에, 탈산제를 용강에 첨가하여 탈산, 탈황 등의 처리를 행한다. 또한, 필요에 따라서 덮개 탈가스 장치, 탱크 탈가스 장치, 순환 탈가스 장치(RH 장치 등)를 이용하여 진공 탈가스 처리를 실시하고, 용강으로부터의 탈수소, 탈황을 촉진시킨다. 용강이 소정의 성분, 온도, 청정도로 된 단계에서 용강 처리 공정을 완료하고, 상주(上注)나 하주(下注) 등의 조괴 방법에 의해 강괴를 주조한다.

상기 조괴 공정에 의해 얻어진 강괴는, 그 후 열간 단조에 의해 둥근 막대 등의 중간 제품의 형상으로 성형된다. 성형 후, 성분이나 결함, 청정도 등에 대해 중간 검사를 거친 후, 다시 열간 단조를 행함으로써 일체형 크랭크축이나 저널 등의 대형 제품 형상으로 성형된다. 계속해서, 요구되는 제품 특성에 따른 열처리를 실시한 후, 기계 가공에 의한 마무리를 하여 최종 제품이 된다.

상기 강괴로부터, 일체형 크랭크축을 제조하기 위한 구체적 순서로서는 다음과 같은 공정을 들 수 있다. 즉, 응고가 완료된 강괴를 주형으로부터 취출하고, 1150 ℃ 이상으로 가열한다. 그 후, 단련비 3 이상의 열간 단조에 의해 둥근 막대 형상 혹은 단차 형상으로 가공한다. 이 강괴 단조에 있어서는 내재 결함 압축을 위해, 강괴 높이 방향으로 압축한 후에 소정 길이까지 단신(鍛伸)해도 좋다. 열간 단조의 후, 일체형 크랭크축의 형상으로 가공한다. 또한, 일체형 크랭크축의 성형 단조에 있어서는, 슬로우부를 1개씩 성형해도 좋고, 전체를 형 삽입함으로써 복수의 슬로우부를 동시에 성형해도 좋다. 성형 단조 후에는, 마무리용 기계 가공을 실시하여 소정 치수의 일체형 크랭크축으로 한다. 또한, 열간 단조에 의해 단차 형상으로 가공한 것을 기계 가공함으로써 일체형 크랭크축으로 해도 좋다.

본 발명 방법에서는, 상술한 대형 단조품의 제조 공정 중, 특히 용강 처리 공정에 있어서의 제조 조건을 적절하게 제어하는 것이며, 탑 슬래그 조성 및 탈산제로서 첨가하는 Al의 농도를 적정한 범위로 유지함으로써 강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 제어하는 것이다. 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 적정한 범위로 제어함으로써, 용강 처리 중 및 주조 중에 생성되는 산화물이 미세 분산되기 쉬운 조성으로 제어되고, 최종적으로 열간 단조 후의 제품 중의 개재물이 미세해져 제품의 피로 강도가 대폭 향상되게 된다. 이하, 본 발명에서 규정한 각 요건에 대해 설명한다.

본 발명 방법에 있어서는, 상기 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 ％ 이상으로 하고, 또한 강 중의 용존 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 조정하는 것이다. 이러한 요건을 만족시킴으로써 용강에 Mg 함유 합금을 직접 첨가하지 않아도, 강 중의 용존 Mg 농도를 0.04 내지 5 ppm으로 제어할 수 있다(후기하는 도4, 도5 참조). 또한, 탑 슬래그는 통상 CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaF₂를 주성분으로 하는 것이지만, 상기 MgO 농도는 이들 전체에 대한 비율이다.

용강에 Mg 합금을 직접 첨가하면, 단시간이면서 국소적으로 Mg 농도가 높은 영역이 용강 레이들 중에 형성되어 MgS 등의 조대한 황화물이 생성되는 경우가 있다. 이 조대한 황화물이 다른 개재물과 함께 응집되어, 제품 중에 잔류하면 단조품의 피로 특성을 현저하게 저하시킬 우려가 있다.

강 중의 용존 Al 농도가 50 ppm 미만으로 되면 용존 산소량이 상승하고, 응고 중에 정출(晶出)되는 산화물 개수가 증가하여 청정도가 악화되게 된다. 또한, 용존 농도가 500 ppm을 초과하면 용존 산소 농도가 저하되는 동시에, 강 중의 용존 Mg 농도가 증가하여 5 ppm을 초과하게 된다(후술함).

강 중의 용존 Al 농도를 상기한 범위로 제어하기 위해서는, 용강 중의 Al 농도를 분석하는 동시에 용강 중의 Al 농도와 강 중의 Al 농도의 관계를 파악해 두고, 이들을 기초로 하여 최종적인 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm의 범위로 되도록(그 농도에 따른 용강 중 Al 농도로 되도록) Al 이나 Al 합금을 용강 중에 첨가하면 좋다.

상기 방법에 의해 얻어진 단조용 강은, 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm의 범위인 것으로 되어, 강 중에 존재하는 탈산 생성물의 대부분이 스피넬 등의 MgO 함유 산화물이 되어 강의 피로 강도가 현저하게 향상되게 된다(후기하는 도2, 도4 참조). 즉, 단조용 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 ppm 미만으로 되면, 개재물 조성이 Al₂O₃-rich로 되어 응집 합체 현상이 발생하게 된다. 또한, 용존 Mg 농도가 5 ppm을 초과하면, MgS나 MgO 등이 응고 중에 다량으로 생성되어 버려 조대한 개재물로 되어 청정도를 저하시키게 된다.

상기한 바와 같이 강 중의 용존 Mg 농도를 적절한 범위로 함으로써, 후술하는 내구 한도비[피로 강도(σ_W)/인장 강도(σ_B)]로 0.42 이상의 우수한 피로 특성이 발휘되게 된다. 이 용존 Mg 농도의 바람직한 범위는, 0.1 내지 2 ppm 정도이며, 이 범위로 제어함으로써 더욱 우수한 피로 특성(상기 내구 한도비로 0.44 이상)이 발휘되게 된다.

그런데, 강 중의 Al 농도나 Mg 농도에 대해서는 습식 분석법이 일반적으로 채용되지만, 습식 분석법으로는 산화물이나 황화물의 용해를 완전히 피할 수 없어, 강 중에 원자로서 용해되어 있는 Al이나 Mg의 농도를 정확하게 정량하는 것은 곤란하다. 또한, 산화물 중의 Al을 제외한 농도로서 가용성 Al(sol.Al)을 사용하는 방법도 있지만, CaO-Al₂O₃계 산화물로부터의 Al 용출을 무시할 수 없어, 소위「sol.Al」도 결코 정확한 용존 Al 농도라고는 할 수 없는 것이다. 그래서 본 발명에서는, 개재물 제어를 위해서는 용존 원소와 산화물의 열역학 평형이 매우 중요하다는 관점에서, 용존 원소(「용존 Al 농도」및「용존 Mg 농도」)의 정확한 측정 방법으로 서 SIMS를 채용하였다.

본 발명의 단조용 강에 있어서는, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 것이 바람직하다(후기하는 도3 참조).

단, [MgO] 및 [Al₂O₃]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al₂O₃의 함유량(질량％)을 나타낸다.

상기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 산화물계 개재물 조성으로 함으로써, 개재물이 스피넬 혹은 MgO 등의 MgO 함유 산화물로 된다. 이러한 MgO 함유 산화물은 Al₂O₃에 비해 용강과의 젖음성이 양호하기 때문에, 개재물의 응집 합체 현상의 발생이 억제되어 강의 피로 특성을 열화시키는 조대 개재물의 형성을 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 단조용 강에 있어서는, 강재 중에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛²)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 것이 바람직하다(후기하는 도1 참조). 이러한 요건을 만족시키면, 강의 파괴 기점이 되는 개재물 사이즈가 작아져, 최종 제품(단조품)에 있어서의 피로 강도나 인성이 향상되게 된다. 이에 대해, 조대 황화물이나 조대 산화물의 존재는 피로 특성의 향상에는 바람직하지 않은 것이다(후기하는 도2 참조).

본 발명은 이와 같이 개재물의 미세화를 도모하기 위해, 용강 중의 용존 성분을 조정한 점에 특징을 갖고 있고, 단조용 강의 기본 조성은 특별히 제한되지 않는다. 그러나 예를 들어 크랭크축 등으로서 요구되는 강도나 인성, 또한 본 발명에서 최종 목표로 하는 피로 특성 향상을 확실한 것으로 하기 위해서는 강재가 하기 기본 조성을 만족하는 것이 바람직하다.

[C : 0.2 내지 1.0 ％]

C는 강도 향상에 기여하는 원소이며, 충분한 강도를 확보하기 위해서는 0.2 ％ 이상, 보다 바람직하게는 0.3 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.36 ％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 C량이 지나치게 많으면 인성을 열화시키므로, 1.0 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.5 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.45 ％ 이하로 억제한다.

[Si : 0.05 내지 0.6 ％]

Si는 강도 향상 원소로서 작용하고, 충분한 강도를 확보하기 위해서는 0.05 ％ 이상, 보다 바람직하게는 0.1 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2 ％ 이상 함유시키는 것이 좋다. 그러나 Si량이 지나치게 많으면 역 V편석이 현저해져 청정한 강괴가 얻어지기 어려워지므로, 0.6 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.4 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

[Mn : 0.2 내지 1.5 ％]

Mn도 켄칭성을 높이는 동시에 강도 향상에 기여하는 원소이며, 충분한 강도와 켄칭성을 확보하기 위해서는 0.2 ％ 이상, 보다 바람직하게는 0.4 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.9 ％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 그러나 Mn량이 지나치게 많으면 역 V편석을 조장하므로, 1.5 ％ 이하, 보다 바람직하게는 1.2 ％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.1 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

[Ni : 4 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음)]

Ni는 인성 향상 원소로서 유용한 원소이지만, Ni량이 과잉으로 되면 비용 상승이 되므로 4 ％ 이하, 바람직하게는 2 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

[Cr : 0.5 내지 4 ％]

Cr은 켄칭성을 높이는 동시에 인성을 향상시키는 유효한 원소이며, 그들의 작용은 0.5 ％ 이상, 바람직하게는 0.9 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 1.5 ％ 이상 함유시킴으로써 유효하게 발휘된다. 그러나 Cr량이 지나치게 많으면 역 V편석을 조장하여 고청정 강의 제조를 곤란하게 하므로, 4 ％ 이하, 보다 바람직하게는 2.5 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

[Mo : 0.1 내지 1.5 ％]

Mo는 켄칭성, 강도, 인성의 모든 향상에 유효하게 작용하는 원소이며, 그들의 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.1 ％ 이상, 보다 바람직하게는 0.15 ％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20 ％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 Mo는 평형 분배 계수가 작아 미크로 편석(정상 편석)을 발생하기 쉽게 하기 때문에, 1.5 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

[V : 0.005 내지 0.3 ％]

V는 석출 강화 및 조직 미세화 효과가 있고, 고강도화에 유용한 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해서는, V를 0.005 ％ 이상 함유시키는 것이 권장된다. 단, 과잉으로 함유시켜도 상기 효과는 포화되어 버려 경제적으로 낭비이므로, 0.3 ％ 이하, 보다 바람직하게는 0.15 ％ 이하로 억제하는 것이 좋다.

본 발명에서 사용되는 단조용 강의 바람직한 기본 성분은 상기와 같다. 잔량부는 실질적으로 Fe이지만, 상기 단조용 강 중에는 미량의 불가피 불순물의 함유가 허용되는 것은 물론, 상기 본 발명의 작용에 악영향을 미치지 않는 범위에서 또한 다른 원소를 적극적으로 함유시킨 단조용 강을 사용하는 것도 가능하다. 적극 첨가가 허용되는 다른 원소의 예로서는, 켄칭성 개선 효과를 갖는 B, 탈산 효과를 갖는 Ti, 고용 강화 원소 또는 석출 강화 원소인 W, Nb, Ta, Cu, Ce, La, Zr, Te 등을 들 수 있다. 그들은 단독으로 혹은 2종 이상을 복합 첨가할 수 있지만, 합계량으로 0.1 ％ 정도 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명은, 상기 단조용 강을 이용하여 얻어지는 단조품도 포함하는 것이지만, 그 제조 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전기로 등에서 소정 성분 조성의 강을 용제하는 공정 → 진공 정련 등에 의해 S 등의 불순 원소나 O 등의 가스 성분을 제거하는 공정 → 조괴하는 공정 → 강괴를 가열하고 나서 소재 단조를 행하는 공정 → 중간 검사 후 가열하여 제품 형상으로 단조하는 공정 → 열처리에 의해 균질화하는 동시에 켄칭 처리하여 경질화하는 공정 → 마무리 기계 가공을 행하는 공정을 차례로 실시하면 좋다.

특히, 단조품으로서 크랭크축을 제조하는 경우, 일체형 크랭크축으로서 제조하면 샤프트 표층측을 청정도가 높은 부분에서 차지하게 할 수 있어, 강도나 피로 특성이 우수한 것이 얻어지므로 바람직하다. 이 경우, 일체형 크랭크축의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 바람직한 것은 R.R. 및 T.R. 단조법(강괴의 축심이 크랭크축의 축의 중심부가 되도록 단조 가공하고, 중심 편석에 의해 특성의 열화를 일으키기 쉬운 부분을 크랭크축의 모든 축의 중심부가 되도록 일체로 단조 가공하는 방법)과 같은 방법으로 제조하는 것이다.

또한, 그 밖의 단조 가공법으로서 자유 단조법(크랭크 아암과 크랭크핀을 일체로 한 블록으로서 단조하고, 가스 절단 및 기계 가공에 의해 크랭크축 형상으로 마무리하는 방법) 등으로 제조해도 좋다.

또한, 본 발명의 단조용 강은 개재물을 극미세화함으로써 우수한 피로 특성을 발휘하므로, 크랭크축 이외에도 선박용의 중간축, 추진축, 조립형 크랭크축의 슬로우, 압력 용기, 중공 소재 등의 고강도 제품 등을 단조 성형하기 위한 소재로서도 유효하게 활용할 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전기·후기하는 취지에 적합한 범위에서 적당하게 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

전기로 내에서 20 내지 100톤(ton)의 스크럽 원료를 용해하여 레이들에 출 강(出鋼)하였다. 그 후, CaO, Al₂O₃ 및 MgO 등의 조재제를 용강 표면에 첨가하고, 소정의 조성의 탑 슬래그를 형성시켰다. 그 후, 저취 교반 장치를 구비한 레이들 가열식 정련 장치를 이용하여 용강 처리를 행하였다. 이 용강 처리 공정에서는, Al을 첨가하여 용강을 탈산하고, 또한 덮개 탈가스 장치에 의한 진공 처리에 의해 탈수소를 행하였다. 용강 처리 중에는 적절하게 용강을 샘플링하여 용강 중의 Al 농도를 측정하고, 이 Al 농도가 소정의 범위로 되도록 필요에 따라서 Al을 추가 첨가하였다.

이때, 예비 실험에 의해 2차 이온 질량 분석법(SIMS)으로 분석한 강재 중의 용존 Al 농도와, 발광 분석 장치로 신속 분석한 용강 중의 Al 농도의 대응을 미리 파악해 두고, 강재 중의 용존 Al 농도가 소정의 범위로 되도록 용강 중의 상기 농도를 제어하였다.

용강 처리가 완료된 후, 탑 슬래그의 샘플을 채취하는 동시에, 하주 조괴법에 의해 강괴(20ton, 50ton)를 주조하였다. 강괴의 응고가 완료된 후, 주형 내로부터 강괴를 발출하고, 1150 ℃ 이상으로 가열하여 열간 단조를 실시하고, 각종 크기의 둥근 막대 형상 단조품을 제조하였다. 이때, 20톤 강괴에 대해서는 열간 단조를 실시하여 직경 400 내지 500 ㎜의 둥근 막대 형상으로 마무리하고, 50톤 강괴에 대해서는 열간 단조를 실시하여 직경 500 내지 600 ㎜의 둥근 막대 형상으로 마무리하였다.

각 단조재에 있어서의 화학 성분 조성을 화학 분석에 의해 조사하는 동시에, 탑 슬래그의 샘플로부터 ICP 발광 분광 분석에 의해 MgO 농도를 조사하였다. 이들의 결과를, 용강 중의 Al 농도와 함께 하기 표1에 나타낸다.

강괴 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도를 측정하는 동시에, 단조품 중의 개재물 조성 분석, 피로 시험 및 개재물 사이즈 측정을 하기의 방법으로 행하였다. 이때, ICP-질량 분석법(ICP-MS법)에 의해 강 중의 전체 Mg 농도(Total Mg 농도)에 대해서도 조사하였다.

[강 중의 용존 Mg 농도 및 용존 Al 농도 측정]

강괴로부터 채취한 샘플을 연마하고, 2차 이온 질량 분석 장치(「ims5f」CAMECA사제)에 장전하고, 각 샘플에 대해 500 × 500(㎛²)의 영역에서 Mg, Al의 2차 이온 이미지를 관찰하고, 그 영역 내에서 Mg, Al이 농화되어 있지 않은 장소를 3군데 선택하여 깊이 방향으로 분석을 행하였다. 이때의 1차 이온원은 O²⁺이다. 그리고 깊이 방향의 농도 분포가 일정한 경우에는, 그 값을 용존 농도로 하였다. 깊이 방향 분석의 과정에서 개재물이 존재하는 경우에는 농도 분포가 크게 변동되지만, 개재물이 존재하지 않는 깊이까지 분석을 진행하여 농도 분포가 일정해진 단계에서, 그 값을 용존 농도로 하였다. 또한, 농도의 정량 방법에 대해서는 표준 시료로서 ²⁴Mg(150 keV, 1 × 10¹⁴ atoms/㎠), ²⁷Al(200 keV, 1 × 10¹⁴ atoms/㎠)을 이온 주입한 순철을 측정하고, 얻어진 상대 감도 계수(RSF)를 이용하여 원자 농도를 측정하였다.

[개재물 조성 분석]

단조 후의 둥근 막대에 있어서, 강괴 저부 상당 위치의 중심부로부터 샘플을 잘라내고, EPMA에 의한 개재물의 성분 조성 분석을 행하였다. 이때, 각 샘플에 대해 50개 이상의 개재물을 무작위로 선택하여 조성 분석을 행하고 그 평균치를 구하였다.

[피로 시험 및 개재물 사이즈 측정]

단조 후의 둥근 막대에 있어서, 강괴 저부 상당 위치의 중심부로부터 반경 방향으로 직경 : 10 ㎜ × 길이 : 30 ㎜의 평활 시험편을 채취하고, 하기의 조건에서 피로 시험을 실시하였다. 또한, 피로 시험편과 동일한 위치로부터 채취한 시험편을 이용하여 상온에서 인장 시험을 실시하였다. 그리고 피로 한도의 지표로서 내구 한도비[피로 강도(σ_W)/인장 강도(σ_B)]를 측정하였다.

시험 방법 : 회전 구부림 피로 시험(응력비 = -1, 회전수 : 3600 rpm)

피로 강도 평가 방법 : 계차법

계차 응력 : 20 ㎫

초기 응력 : 300 ㎫

시험편 개수 : 각 5개

각 시험편의 피로 강도 = (파단 응력) - (계차 응력)

또한, 피로 시험 후, 피로 파면을 주사형 현미경(SEM)으로 관찰하고, 피로 파괴면의 기점에 존재하는 개재물 사이즈를 측정하고, 개재물의 단면적의 1/2승을 √A로서 구하였다. 이때, MgS 함유 조대 개재물의 유무에 대해서도 조사하였다.

이들의 결과를 일괄적으로 하기 표2에 나타내지만, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 것에서는(강 No.1 내지 11), 개재물이 미세화되어 우수한 내구 한도비(σ_W/σ_B로 0.42 이상)가 달성되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 대해, 본 발명에서 규정하는 요건 중 어느 하나가 결여되는 것에서는(강 No.12 내지 17), 개재물의 미세화가 달성되지 않고, 내구 한도비도 낮은 값(σ_W/σ_B로 0.40 이하)밖에 얻어져 있지 않은 것을 알 수 있다.

상기 결과를 기초로 하여, 파면에 있어서의 개재물의 √A와 내구 한도비의 관계를 도1에 나타내지만, 내구 한도비를 향상시키기 위해서는 개재물 사이즈의 미세화(√A에서 160 ㎛ 이하)가 유효한 것을 알 수 있다.

강 중의 용존 Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 도2에 나타내지만, 강 중의 용존 Mg 농도가 일정값(5 질량ppm)을 초과하면, 조대 황화물(MgS)이 생성되어 내구 한도비가 저하되는 것을 알 수 있다. 또한, 강 중의 용존 Mg 농도가 일정값(0.04 질량ppm)을 하회하면, 응집되기 쉬운 산화물(그 조성에 대해서는, 상기 표2 참조)이 생성되어 역시 내구 한도비가 저하되는 것을 알 수 있다.

도3은 산화물 중의 (MgO + Al₂O₃) 농도 및 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 또한, 도3은 조대 황화물이 생성된 시험 No.16, 17에 대해서는 플롯되어 있지 않은 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 산화물 중의 (MgO + Al₂0₃) 농도 및 MgO 농도를 각각 일정값 이상으로 함으로써, 높은 내구 한도비가 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 높은 내구 한도비가 얻어진 것에서는 당연히 개재물이 미세한 것으로 된다(상기 도1 참조).

도4는 강 중의 용존 Al 농도가 용존 Mg 농도에 미치는 영향을, 슬래그 중 MgO 농도와의 관계로 나타낸 그래프이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 슬래그 중의 MgO 농도가 5 ％ 미만인 경우에는 목표로 하는 용존 Mg 농도가 얻어지지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 슬래그 중의 MgO 농도가 5 ％ 이상인 경우에는, 강 중 용존 Al 농도가 50 내지 500 질량ppm으로 되도록 제어함으로써 목표로 하는 용존 Mg 농도가 얻어져 있는 것을 알 수 있다.

도5는 강 중의 용존 Al 농도 및 탑 슬래그 중의 MgO 농도가 내구 한도비에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 질량％ 이상으로 하는 동시에, 강 중 용존 Al 농도를 50 내지 500 질량ppm의 범위로 제어함으로써 높은 내구 한도비가 얻어지는 것을 알 수 있다.

도6은 강 중의 Total Mg 농도와 내구 한도비의 관계를 나타낸 것이다. 이 결과로부터 명백한 바와 같이, Total Mg 농도와 내구 한도비는 상관 관계가 낮고, 내구 한도비를 양호하게 하기 위해서는 강 중의 용존 Mg 농도를 제어하는 것(상기 도2)이 매우 유효한 것을 알 수 있다.

Claims (7)

1. 강 중의 용존 Mg 농도가 0.04 내지 5 ppm(이하, ppm은「질량ppm」을 나타냄)인 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm인 것을 특징으로 하는 단조용 강.
2. 제1항에 있어서, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물은 그 평균 조성이 하기 수학식1 및 수학식2를 만족하는 단조용 강.

   [수학식 1]

   

   [수학식 2]

   

   단, [MgO] 및 [Al₂O₃]은 각각 산화물계 개재물 중의 MgO 및 Al₂O₃의 함유량(질량％)을 나타냄.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강에 포함되는 산화물계 개재물의 단면적을 A(㎛²)로 하였을 때, √A의 평균값이 160 ㎛ 이하인 단조용 강.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, C : 0.2 내지 1.0 ％(이하, ％는「질량％」를 나타냄), Si : 0.05 내지 0.6 ％, Mn : 0.2 내지 1.5 ％, Ni : 4 ％ 이하(0 ％를 포함하지 않음), Cr : 0.5 내지 4 ％, Mo : 0.1 내지 1.5 ％, V : 0.005 내지 0.3 ％를 각각 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 단조용 강.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 단조용 강을 이용하여 제조된 단조품.
6. 제5항에 있어서, 일체형 크랭크축인 단조품.
7. 단조용 강을 제조함에 있어서, 용강 처리 공정에 있어서의 탑 슬래그 중의 MgO 농도를 5 ％ 이상으로 하는 동시에, 강 중의 용존 Al 농도가 50 내지 500 ppm으로 되도록 용강 중의 Al 농도를 제어하는 것을 특징으로 하는 단조용 강의 제조 방법.

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