KR20090109548A

KR20090109548A - 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강과 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품

Info

Publication number: KR20090109548A
Application number: KR1020097016019A
Authority: KR
Inventors: 마나부 구보타; 신야 데라모토
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2009-10-20
Also published as: TW200936784A; WO2009107282A1; BRPI0809532A2; US20100143180A1; EP2246451A1; CA2681788A1; CN101652493B; RU2431694C2; JP5251872B2; MY154415A; PL2246451T3; US8715428B2; US20140219858A1; EP2246451B1; TWI470089B; US9255314B2; JPWO2009107282A1; KR20120049405A; RU2009136184A; EP2246451A4

Abstract

본 발명은 제조성과 기계적 성질을 저해하지 않고, Pb 등을 첨가하지 않으며, 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강 및 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품을 제공한다.

질량%로, C: 0.35% 초과 내지 0.60%, Si: 0.50 내지 2.50%, Mn: 0.20 내지 2.00%, P: 0.010 내지 0.150%, S: 0.040 내지 0.150%, V: 0.10 내지 0.50%, Zr: 0.0005 내지 0.0050%, Ca: 0.0005 내지 0.0050%, N: 0.0020 내지 0.0200%를 함유하고, Al: 0.010% 미만으로 제한하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.

열간 단조용 비조질강, 파단 분리성, 피삭성, 열간 압연용 비조질강

Description

파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강과 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품 {NON-HEAT TREATED STEEL FOR HOT FORGING AND STEEL FOR HOT ROLLING EXCELLENT IN FRACTURE SPLITTABILITY AND MACHINABILITY, AND HOT FORGING NON-HEAT TREATED STEEL PART}

본 발명은 파단 분할하여 사용하는 강 부품에 사용되는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강과 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품에 관한 것이다.

최근의 자동차 엔진용 단조 부품 및 샤시용 단조 부품은 조질 처리(담금질-템퍼링 처리)를 생략할 수 있는 열간 단조용 비조질강이 적용되고 있다. 비조질강은 열간 단조 후, 공랭 또는 풍랭한 상태 그대로 우수한 기계적 성질을 실현하도록 성분 설계된 강이다.

비조질강이 널리 적용되고 있는 부품의 하나로서 엔진용 커넥팅 로드(이하, 커넥팅 로드라 한다)가 있다. 커넥팅 로드란, 엔진의 피스톤의 움직임을 크랭크샤프트에 전달하는 부품으로, 캡과 로드의 2개의 부품으로 구성되어 있다. 커넥팅 로드는 크랭크샤프트를 사이에 끼우고, 캡과 로드를 끼워 맞추어 대단부(大端部)로 하고, 양자를 볼트로 체결함으로써 크랭크샤프트에 장착된다. 종래에는 커넥팅 로 드는 캡과 로드를 따로따로 단조한 후, 또는 일체의 형태로 단조한 것을 기계적으로 절단한 후, 캡과 로드의 이음면을 기계 가공에 의하여 고정밀도로 가공하여 제작하였다. 또한, 이음면이 어긋나지 않도록 핀 가공을 하는 것이 많아서, 가공 공정이 더 번잡하게 되고, 제조 비용이 많이 드는 문제가 있었다.

이 때문에, 최근 캡과 로드를 일체의 형태로 단조한 후, 대단부의 내측에 절결 가공을 하고, 냉간에서 충격 인장 응력을 가하여 캡과 로드로 파단 분할하고, 그 파단면을 그대로 이음면으로 사용함으로써 크랭크샤프트에 설치하는 공법이 채용되고 있다. 이 공법은 이음면의 기계 가공 공정을 생략할 수 있고, 또한 파면의 요철을 이용함으로써, 어긋남 방지를 위한 핀 가공도 불필요하게 되기 때문에, 부품의 가공 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 핀의 폐지에 의하여 이음면의 면적을 줄일 수 있기 때문에, 커넥팅 로드 자체의 소형·경량화를 도모할 수 있게 된다.

이와 같은 파단 분할 커넥팅 로드가 널리 보급된 구미에 있어서, 파단 분할 커넥팅 로드용 강으로서 보급되어 있는 것은 DIN 규격의 C70S6이다. 이것은 0.7%C의 고탄소 비조질강인데, 파단 분리시의 치수 변화를 억제하기 위하여, 조직의 거의 전부를 연성·인성이 낮은 펄라이트 조직으로 한 것이다. C70S6은 파단시의 변형이 작기 때문에 파단 분리성이 우수한 한편, 현행의 커넥팅 로드용 강인 중탄소 비조질강의 페라이트·펄라이트 조직에 비하여 조직이 조대(粗大)하기 때문에 항복비(항복 강도/인장 강도)가 낮고, 높은 항복 강도가 요구되는 고강도 커넥팅 로드에는 적용할 수 없는 문제가 있다. 또한, 펄라이트 조직은 피삭성도 떨어지기 때문에, 보급이 진행되지 않았다.

항복비를 높이기 위하여는 탄소량을 낮게 억제하고 페라이트 분율을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 페라이트 분율을 증가시키면 연성·인성이 향상되고, 파단 분할시에 파면 근방의 소성 변형량이 커지게 되어, 커넥팅 로드 대단부의 내경의 형상 변화량이 증대되고, 파단 분리성이 저하되는 문제가 발생한다. 한편, 고강도의 비조질 커넥팅 로드용 강은 피삭성을 확보하기 위하여 Pb가 첨가되는 경우가 많지만, Pb는 환경에 부하를 가하는 물질로서, 최근에는 그 사용이 제한되고 있기 때문에 Pb가 첨가된 강은 실용화할 수 없다고 하는 문제가 있다. 즉, 파단 분할 커넥팅 로드용 강의 과제는 저탄소화(높은 항복강도)와 파단 분리성의 양립 및 Pb 등의 환경 부하 물질의 첨가를 대신하는 피삭성을 만족할 수 있는 기술의 개발에 있다.

상기 요구에 응하기 위하여, 파단 분할 부품용 재료가 제안되어 있다. 예를 들면, 일본 공개 특허 공보 2002-256394호에는 O와 Al, 그리고 O와 N의 밸런스를 조정함으로써 조직을 미세화하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 피삭성을 확보하기 위한 수단으로서 Pb 등을 사용하고 있기 때문에 문제가 있다. 일본 공개 특허 공보 2003-193184호에는 C와 V량과 페라이트 면적비를 규정함으로써 파단 분리성과 피삭성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 페라이트 면적비가 20% 이하로 낮기 때문에, 항복비가 낮아서 고강도 커넥팅 로드에는 적용할 수 없다. 또한, 펄라이트 조직의 분율이 많기 때문에 피삭성의 개선이 충분하지 않고, 피삭성을 확보하는 수단으로서 Pb 등을 사용하고 있기 때문에 문제가 있다. 일본 공개 특허 공보 2003-301238호에는 MnS의 수를 규정함으로써 조직을 미세화하여 항복 강도를 높이 고, 또한 동시에 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 이 기술은 원 상당 지름이 1 ㎛ 정도인 MnS를 다량으로 분산시키는 것이다. 그러나, 이와 같은 다량의 S의 첨가는 필연적으로 압연 방향이나 단조 방향으로 신장된, 조대하고 아스펙트비가 큰 신장 MnS의 생성을 수반한다. 이와 같은 신장된 조대 MnS가 존재하면, 세퍼레이션이라 불리는 MnS의 신장 방향과 평행하게 박리되는 것과 같은 균열이 생기고, 그 결과, 파단 분할시의 변형량이 증가하여, 오히려 파단 분리성이 저하된다. 또한, 피삭성을 확보하는 수단으로서 Pb 등을 사용하고 있기 때문에 문제가 있다. 일본 공개 특허 공보 2000-73141호에는 폭 1 ㎛ 이상의 황화물계 개재물의 수를 규정하고, 또한 아스펙트비를 규정함으로써 연성·인성을 저하시키고, 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 폭 1 ㎛ 이상의 조대한 MnS가 다량으로 분산되어 있기 때문에, 열간 단조 시의 균열 발생 확률의 증가나, 피로 특성의 저하를 초래한다. 또한, 피삭성을 확보하는 수단으로서 Pb 등을 사용하고 있기 때문에 문제가 있다. 일본 공개 특허 공보 2005-54228호에는 강재를 고상선, 액상선에 가까운 초고온으로 가열함으로써 조직을 현저하게 조대화하여 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 그러나, 이와 같은 초고온 영역에서의 단조는 가열을 위한 신규 설비 투자를 필요로 할 뿐만 아니라, 수율의 저하, 탈탄이나 스케일의 증가를 초래하기 때문에, 그 실현성에는 큰 과제를 남기고 있다.

본 발명은 상기 실정에 비추어, 제조성이나 기계적 성질을 저해하지 않고, 또한, Pb 등을 첨가하지 않으며, 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강과 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 C, V량을 적정화하여 파단 분리성을 높이고, 또한 Zr, Ca 및 Al의 3 성분의 첨가량을 동시에 제어함으로써 MnS계 개재물을 다량, 미세하게 분산시키고, 이에 의하여 기계적 성질이나 제조성을 해치지 않고 파단 분리성을 종래 기술보다 더 높이며, 동시에 Pb 등을 첨가하지 않고 피삭성을 개선할 수 있는 것을 밝혀내어 본 발명을 완성한 것으로, 그 요지는 다음과 같다. 또한, 본 발명에서 말하는 MnS계 개재물이란 MnS 외에, MnS를 주체로 하고, 그 외에 Ca, Mg 등의 황화물 형성 원소나, C 및 Ti, Zr 등의 탄황화물 형성 원소를 함유하는 개재물을 가리킨다.

(1) 질량%로, C: 0.35% 초과 내지 0.60%, Si: 0.50 내지 2.50%, Mn: 0.20 내지 2.00%, P: 0.010 내지 0.150%, S: 0.040 내지 0.150%, V: 0.10 내지 0.50%, Zr: 0.0005 내지 0.0050%, Ca: 0.0005 내지 0.0050%, N: 0.0020 내지 0.0200%를 함유하고, Al: 0.010% 미만으로 제한하고, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.

(2) 질량%로, Cr: 0.05 내지 0.25%, Nb: 0.005 내지 0.050%, Ti: 0.005 내지 0.050% 중의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 (1)에 기재된 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.

(3) 질량%로, Mg: 0.0005 내지 0.0050%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 항에 기재된 강 성분으로 이루어지고, 열간 압연 강재의 1/4 지름의 위치에 있어서, 폭 1 ㎛ 이상인 MnS계 개재물의 전체 MnS계 개재물에 대한 존재 개수의 비율이 10% 이하(0%를 포함)이고, MnS계 개재물의 평균 아스펙트비가 10 이하인 것을 특징으로 하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강 열간 압연 강재.

(5) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 항에 기재된 강 성분으로 이루어지고, 강 조직이 베이나이트 조직 분율이 3% 이하(0%를 포함)이고, 잔부 조직이 페라이트·펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조 비조질강 부품.

도 1은 강 중에서의 MnS계 개재물의 존재 상태를 나타내는 도면인데, (a)는 비교예; (b)는 본 발명예의 MnS계 개재물의 존재 상태를 나타낸다.

발명을 실시하기 위한 최선의 실시 상태

본 발명자들은 파단 분할 부품용 비조질강의 파단 분리성 및 피삭성에 미치는 각종 인자에 대하여 예의 검토하여 이하의 지견을 얻었다. 즉,

(a) 베이나이트가 생성되면 파단 분리성이 큰 폭으로 저하하기 때문에, 베이나이트의 생성을 방지하고, 조직의 거의 전부를 페라이트·펄라이트 조직으로 할 필요가 있다.

(b) C량을 적정화함으로써 파단 분리성과 항복비의 향상을 양립할 수 있다. 즉, C량이 너무 많은 경우에는 조대한 펄라이트 조직의 분율이 증가하여 항복비가 저하하고, C량이 너무 적은 경우에는 연성·인성이 높은 페라이트 조직이 증가하는 동시에 조직이 과도하게 미세화하여 파단 분리성이 저하된다.

(c) V를 비교적 다량으로 첨가함으로써 파단 분리성과 항복비의 향상을 양립할 수 있다. 즉, 열간 단조 후의 냉각 시에 V의 탄화물, 탄질화물이 석출되고, 석출 강화에 의하여 페라이트가 강화되며 페라이트의 강화에 의하여 연성·인성이 저하함으로써 양호한 파단 분리성을 얻을 수 있는 동시에 항복비를 높일 수 있다.

(d) 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시킴으로써, MnS계 개재물이 파단 분할시에 균열의 전파 경로가 되어, 파단 분리성이 향상된다. 다량·미세 분산한 폭 1 ㎛ 미만의 MnS계 개재물을 경유한 균열은 분기나 굴곡이 적고 직선적으로 성장하기 때문에, 파단 분리시의 변형량이 적어서 파단 분리성에 대하여 유리하다. 한편, 폭 1 ㎛ 이상의 조대한 MnS계 개재물의 양이 많으면 세퍼레이션이 발생하여, MnS계 개재물의 신장 방향과 평행한 균열이 발생하기 때문에 파단 분리시의 변형량이 증대되어, 파단 분리성이 저하된다.

(e) 또한, 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시킴으로써, S량이 증가하더라도 피로 특성 등의 기계적 특성을 해치지 않고 피삭성을 개선할 수 있다.

(f) 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시키고, 그것에 따른 파단 분리성 및 피삭성 향상의 효과를 효과적으로 얻으려면 Zr, Ca 및 Al의 3 성분의 첨가량을 동시에 제어하는 것이 중요하다. 즉, S량의 증가와 함께 미량의 Zr, Ca을 첨가하고, 또한 Al량을 제한하는 것이 극히 유효하다. 구체적으로는, 미량의 Zr 첨가에 의하여 용강 중에서 ZrO₂ 또는 Zr을 포함하는 산화물(이하 Zr 산화물이라 한다)이 형성되고, MnS계 개재물의 정출, 석출 핵이 된다. 이 Zr 산화물의 석출 핵으로서의 효과는 Zr 산화물 중에 Ca 산화물이 복합됨으로써 최대가 된다. 따라서, Zr 및 Ca의 동시 미량 첨가에 의하여 유효한 MnS계 개재물의 정출, 석출 사이트가 증가하고, MnS계 개재물을 균일·미세하게 분산시키는 것이 가능하게 된다. 또한, Zr, Ca은 MnS계 개재물 중에 고용되어서 복합 황화물을 형성하여 그 변형 능력을 저하시킴으로써, 압연시나 열간 단조시의 MnS계 개재물의 연신을 억제한다. 한편, Al이 첨가되면 용강 중에서 Al₂O₃가 우선적으로 형성되기 때문에, 용강 중의 0가 감소하고, MnS계 개재물을 균일·미세하게 분산시키는 효과가 있는 Zr 산화물의 생성을 저해하기 때문에, Al량은 가능하면 제한할 필요가 있다.

한편, 과잉의 Zr, Ca의 첨가는 경질인 ZrN, ZrS, CaO 등의 경질 개재물 및 그 클러스터를 다량으로 생성하고, 오히려 피삭성이나 피로 특성 등의 기계적 성질을 저하시키기 때문에, 그 첨가량을 미량의 범위로 제어할 필요가 있다. 이것에 의하여, Zr, Ca, Al의 첨가량을 동시에 제어하는 것은 MnS계 개재물의 다량, 미세 분산화에 대하여 매우 효과적이고, 이것에 의하여 파단 분리성과 피삭성을 동시에 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다. 먼저, 성분의 한정 이유에 대하여 설명한다. 또한, 성분의 함유량%는 질량%를 의미한다.

C: 0.35% 초과 내지 0.60%

C는 부품의 인장 강도를 확보하고, 또한 연성·인성이 낮은 펄라이트 조직 분율을 증가시켜 양호한 파단 분리성을 얻기 위하여 첨가하지만, 과잉으로 첨가하면 펄라이트 조직 분율이 과대(過大)해지고, 조직이 조대화하여 항복비가 저하하기 때문에 0.35% 초과 내지 0.60%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.35% 초과 내지 0.48%이다.

Si: 0.50 내지 2.50%

Si은 고용 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻기 위하여 첨가하지만, 과잉으로 첨가하면 페라이트 조직 분율이 과대해져서, 오히려 파단 분리성이 저하하기 때문에, 0.50 내지 2.50%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.60% 내지 1.50%이다.

Mn: 0.20 내지 2.00%

Mn은 고용 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻기 위하여 첨가하는데, 과잉으로 첨가하면 펄라이트의 라멜라 간격이 작아지고, 펄라이트의 연성·인성이 증가하여 파단 분리성이 저하할 뿐만 아니라, 베이나이트 조직이 생성되기 쉬워져서, 파단 분리성이 큰 폭으로 저하하기 때문에 0.20 내지 2.00%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.30 내지 1.00%이다.

P: 0.010 내지 0.150%

P은 페라이트 및 펄라이트의 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리 성을 얻기 위하여 첨가하지만, 과잉으로 첨가하면 열간 연성이 저하하고, 열간 가공시에 균열, 흠집이 발생하기 쉬워지므로 0.010 내지 0.150%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.030 내지 0.070%이다.

S: 0.040 내지 0.150%

S은 Mn과 결합하여 MnS(MnS계 개재물)를 형성하고, 첨가량을 증가시킬수록 피삭성을 향상시키는 효과가 있기 때문에, Pb의 피삭성 향상 효과를 대체하기 위하여 적극적으로 첨가한다. 또한, 후술하는 바와 같이, 미량의 Zr 및 Ca을 첨가하고, 또한 Al량을 제한하였을 경우에 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물이 강 중에 다량·미세 분산하고, 이것이 파단 분할시에 균열의 전파 경로가 됨으로써 파단 분리성이 향상되는 효과가 있다. 한편, 과잉으로 첨가하면 열간 연성이 저하하고, 열간 가공시에 균열, 흠집이 발생하기 쉬우므로 0.040 내지 0.150%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.060 내지 0.120%이다.

V: 0.10 내지 0.50%

V는 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물, 탄질화물을 형성하여 석출 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻는 동시에, 항복비를 높이는 효과가 있어서 첨가하지만, 과잉으로 첨가하면 그 효과는 포화하므로 0.10 내지 0.50%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.20 내지 0.35%이다.

Zr: 0.0005 내지 0.0050%, Ca: 0.0005 내지 0.0050%, Al: 0.010% 미만

Zr, Ca, Al의 첨가량을 동시에 제어함으로써 아스펙트비가 작은 MnS계 개재 물을 강 중에 다량·미세 분산시킬 수 있다. 이에 의하여, MnS계 개재물이 파단 분할시에 균열의 전파 경로가 되어, 파단 분리성이 향상된다. 이와 같은 미세한 MnS계 개재물을 경유한 균열은 분기나 굴곡이 적고 직선적으로 성장하기 때문에, 파단 분리시의 변형량이 적어서 파단 분리성에 대하여 유리하다. 한편, 조대한 MnS계 개재물의 양이 많으면 세퍼레이션이 발생하고, MnS계 개재물의 신장 방향과 평행한 균열이 발생함으로써 파단 분리시의 변형량이 증대하고, 파단 분리성이 저하된다. 또한, 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시킴으로써, S량을 증가하여도 피로 특성 등의 기계적 특성을 해치지 않고 피삭성을 개선할 수 있기 때문에, Zr, Ca, Al의 첨가량을 동시에 제어하는 것은 파단 분리성, 피삭성 향상 두 가지 모두에 대하여 극히 중요한 효과를 가져온다.

Zr은 탈산 원소이며, Zr 산화물을 형성한다. Zr 산화물은 MnS계 개재물의 정출, 석출 핵이 되므로, MnS계 개재물의 정출, 석출 사이트를 늘리고, MnS계 개재물을 균일·미세하게 분산시키는 효과가 있다. 또한, Zr은 MnS계 개재물에 고용하여 복합 황화물을 형성하고, 그 변형 능력을 저하시킴으로써, 압연시나 열간 단조시의 MnS계 개재물의 연신을 억제하는 효과가 있다. 따라서, Zr은 MnS계 개재물의 미세 분산화 및 이방성의 개선에 극히 유효한 원소이다. 한편, 과잉으로 첨가하면 경질인 ZrS, ZrN 등의 산화물 이외의 경질 개재물 및 그 클러스터를 다량으로 생성하여, 오히려 피삭성이나 피로 특성 등의 기계적 성질을 저하시키기 때문에, 0.0005 내지 0.0050%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.0005 내지 0.0030%, 더 좋은 범위는 0.0010 내지 0.0030, 더 좋은 범위는 0.0015 내지 0.0025%이다.

Ca은 탈산 원소이며, 연질 산화물을 생성하여 피삭성을 향상시킬 뿐만 아니라, MnS계 개재물에 고용하여 복합 황화물을 형성하고, 그 변형 능력을 저하시킴으로써, 압연할 때나 열간 단조할 때에 MnS계 개재물의 연신을 억제하는 효과가 있다. 또한, 미량의 Ca의 첨가에 의하여 Zr 산화물 중에 Ca 산화물이 복합됨으로써, 상기 Zr 산화물의 MnS계 개재물의 정출, 석출 핵으로서의 효과가 최대가 된다. 따라서, Ca은 Zr과 함께 특정 양을 첨가하였을 때에 MnS계 개재물의 이방성 개선에 유효한 원소이다. 한편, 과잉으로 첨가하면 경질의 CaO를 대량으로 생성하여, 오히려 피삭성을 저하하기 때문에, 0.0005 내지 0.0050%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.0005 내지 0.0030%, 더 좋은 범위는 0.0007 내지 0.0025, 더 좋은 범위는 0.0010 내지 0.0020%이다.

Al은 강한 탈산 원소이며, Al₂O₃를 형성한다. Zr, Ca 첨가 강에 Al이 첨가되면, Al₂O₃이 우선적으로 형성되기 때문에, MnS계 개재물을 균일, 미세하게 분산시키는 효과를 가진 Zr, Ca계의 산화물의 생성을 저해한다. 그 결과, 파단 분리성과 피로 등의 기계적 성질을 저해하는 조대한 MnS계 개재물이 많이 생성되기 때문에, Al은 극도로 저감하여야 한다. 또한, Al₂O₃은 경질이므로, 절삭 시에 공구 손상의 원인이 되고, 공구의 마모를 촉진시킨다. 따라서 Al량은 가능한 한 제한할 필요가 있고, 0.010% 미만으로 제한할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.007% 미만이다. 더 좋기로는 0.004% 이하이다. 또한, Al의 분석 가능한 하한량은 0.001%이다.

이상에 의하여, Zr, Ca 및 Al 중 어느 하나의 성분 범위가 벗어나면 아스펙 트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시키지 못하여, 파단 분리성과k피삭성을 향상시킬 수 없다.

N: 0.0020 내지 0.0200%

N는 열간 단조 후 냉각할 때에 주로 V 질화물, V 탄질화물을 형성하여 페라이트의 변태 핵으로서 작용함으로써 페라이트 변태를 촉진하고, 파단 분리성을 크게 해치는 베이나이트 조직의 생성을 억제하기 위하여 첨가하지만, 과잉으로 첨가하면 열간 연성이 저하하고, 열간 가공시에 균열, 흠집이 발생하기 쉬워지므로 0.0020 내지 0.0200%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.0040 내지 0.0100%이다.

본 발명에서는, 또한 페라이트를 강화하고 연성·인성을 저하함으로써 양호한 파단 분리성을 얻는 경우에, Cr: 0.05 내지 0.25%, Nb: 0.005 내지 0.050% 및 Ti: 0.005 내지 0.050% 중의 l종 또는 2종 이상을 필요에 따라서 첨가한다.

Cr: 0.05 내지 0.25%

Cr은 Mn과 마찬가지로 고용 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻는 효과가 있고, 이 효과를 얻으려면, 0.05% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과잉으로 첨가하면 펄라이트의 라멜라 간격이 작아지거나, 펄라이트의 연성·인성이 증가하여 파단 분리성이 저하할 뿐만 아니라, 베이나이트 조직이 생성되기 쉬워져서 파단 분리성이 큰 폭으로 저하하기 때문에 0.25% 이하로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.05 내지 0.10%이다.

Nb: 0.005 내지 0.050%

Nb은 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물, 탄질화물을 형성하고, 석출 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻기 위하여 첨가하는데, 과잉으로 첨가하여도 그 효과는 포화하므로 0.005 내지 0.050%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.010 내지 0.030%이다.

Ti: 0.005 내지 0.050%

Ti: Ti은 열간 단조 후의 냉각시에 주로 탄화물, 탄질화물을 형성하고, 석출 강화에 의하여 페라이트를 강화하고, 연성·인성을 저하시킴으로써 양호한 파단 분리성을 얻기 위하여 첨가하지만, 과잉으로 첨가하여도 그 효과는 포화할 뿐만 아니라, 오히려 피삭성이 저하하는 경우가 있으므로 0.005 내지 0.050%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.010 내지 0.030%이다.

Mg: 0.0005 내지 0.0050%

Mg은 탈산 원소이며, Mg 산화물을 형성한다. Mg 산화물은 MnS계 개재물의 정출, 석출 핵이 되므로 MnS계 개재물의 정출, 석출 사이트를 늘리고, MnS계 개재물을 균일·미세하게 분산시키는 효과가 있다. 또한, Mg은 MnS계 개재물에 고용하여 복합 황화물을 형성하고, 그 변형 능력을 저하시킴으로써, 압연 시나 열간 단조 시의 MnS계 개재물의 연신을 억제하는 효과가 있다. 따라서, Mg은 MnS계 개재물의 미세 분산화 및 이방성의 개선에 유효한 원소이다. 한편, 과잉으로 첨가하면 대형 개재물 및 그 클러스터를 다량으로 생성하고, 오히려 피로 특성 등의 기계적 성질을 저하시키기 때문에, 0.0005 내지 0.0050%의 범위로 할 필요가 있다. 적합한 범위는 0.0010 내지 0.0030%이다.

본 발명에서는 상기 성분 외에, 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 Te, Zn, Sn 등을 첨가할 수 있다.

열간 압연 강재의 1/4 지름의 위치에 있어서의, 폭 1 ㎛ 이상의 MnS계 개재물의 전체 MnS계 개재물에 대한 존재 개수의 비율을 10% 이하(0%를 포함)로 하고, MnS계 개재물의 평균 아스펙트비를 10 이하로 한 이유를 설명한다.

MnS계 개재물의 형태는 강의 파단 분리성 및 피삭성 등에 영향을 미친다. 도 1에 MnS계 개재물의 관찰 예를 나타낸다. 도 1(a)에 나타내는 비교예는 폭 1 ㎛ 이상의 MnS계 개재물이 많이 존재하고 있고, 또한 아스펙트비가 10을 넘는 것이 많다. 이것에 대하여, 도 1(b)에 나타내는 본 발명예는 MnS계 개재물이 미세하고, 폭 1 ㎛ 이상의 것은 매우 적고, 또한 아스펙트비가 작은 것이 압도적으로 많다. 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시킴으로써, MnS계 개재물이 파단 분할시에 균열의 전파 경로가 되어, 파단 분리성이 향상된다. 이와 같은 폭 1 ㎛ 미만의 미세한 MnS계 개재물을 경유한 균열은 분기나 굴곡이 적고 직선적으로 성장하기 때문에, 파단 분리시의 변형량이 적어서 파단 분리성에 대하여 유리하다. 한편, 아스펙트비가 10을 넘는 MnS계 개재물의 양이 많거나, 폭 1 ㎛ 이상의 MnS계 개재물의 양이 많으면 세퍼레이션이 발생하고, MnS계 개재물의 신장 방향과 평행하게 균열이 발생함으로써 파단 분리시의 변형량이 증대하고, 파단 분리성이 저하된다. 또한, 아스펙트비가 작은 MnS계 개재물을 강 중에 다량·미세 분산시킴으로써, S량을 증가하여도 피로 특성 등의 기계적 특성을 해치지 않고 피삭성을 개선할 수 있다. 한편, 아스펙트비가 10을 넘는 MnS계 개재물이 많이 존재하거나, 폭 1 ㎛ 이상의 MnS계 개재물이 많으면 피로 특성 등의 기계적 특성을 해친다. 따라서 열간 압연 후의 봉강의 중심과 표면과의 중앙부의 위치에 있어서, 폭 1 ㎛ 이상인 MnS계 개재물의 전체 MnS계 개재물의 존재 개수의 비율을 10% 이하, MnS계 개재물의 평균 아스펙트비를 10 이하로 제한할 필요가 있다. 적합한 범위는 각각 5% 이하, 8 이하이다. 더 좋은 MnS계 개재물의 평균 아스펙트비의 범위는 4.5 이하이다. 또한, 열간 압연 강재 중의 MnS계 개재물은 열간 단조에 앞서 실시되는 가열로 인하여 성장하지 않는다.

강 조직을, 베이나이트 조직분율을 3% 이하(0%를 포함)로 하고, 잔부 조직을 페라이트·펄라이트 조직으로 한 이유를 설명한다.

본 발명의 강은 기본적으로 통상의 온도로 열간 단조하여 공랭한 후의 부품의 조직이 페라이트·펄라이트 조직이 되는 것이고, 성분을 본 발명의 범위로 규정한 페라이트·펄라이트 조직은 연성·인성을 떨어뜨릴 수 있기 때문에, 파단 분리성이 우수하지만, 열간 단조 후의 냉각 조건 등에 의하여 베이나이트 조직이 혼입하면 실질적으로 조직이 미세화하고, 연성·인성이 높아짐으로써 파단 분리성이 큰 폭으로 저하하므로, 베이나이트 조직은 적은 것이 좋고, 열간 단조 후의 냉각 조건 등을 적정하게 하여 베이나이트의 생성을 억제하고, 베이나이트의 면적율을 3% 이하(0%를 포함)로 할 필요가 있다. 베이나이트 조직이 3% 이하인 경우에는 그 악영향은 거의 나타나지 않는다. 여기서, 페라이트 조직이란, 경면 연마한 후에 조직 현출을 위하여 나이탈 부식을 실시하였을 때, 100 내지 1000배의 광학현미경으로 관찰할 때 인근 조직과의 경계가 비교적 명료한 백색의 조직으로서, 내부에 철탄화 물이 거의 관찰되지 않는 것을 가리킨다. 펄라이트 조직이란 광학현미경으로 관찰할 때, 흑색 또는 회색의 조직이고, 1000 내지 20000배의 전자 현미경으로 관찰할 때 층상의 라멜라 조직을 나타내고 있는 것을 가리킨다. 베이나이트 조직은 상기 이외의 조직으로서, 많은 경우 광학현미경 관찰로 백색의 조직이며, 미량의 철탄화물이 석출된 부정형의 입자를 가리킨다.

본 발명의 강에 대하여는 열간 단조 부품으로 베이나이트 조직이 3%를 넘지 않는 한, 열간 단조 후에 공랭에 한정하지 않고, 충풍 냉각 등의 가속 냉각을 실시하여도 지장이 없는 것은 물론이다.

또한, Cu, Ni 및 Mo은 미량이면 본 발명의 비조질강의 재질에 대하여 특별한 영향은 미치지 않지만, 모두 그 첨가량에 따라 베이나이트 조직이 발생하기 쉽게 하는 효과가 있다. 베이나이트 조직의 발생을 방지하는 데 있어서, 불가피한 불순물로서의 Cu, Ni은 둘 다 0.15% 이하, Mo은 0.01% 이하로 제한하는 것이 좋다. 또한, O는 과잉으로 강 중에 존재하고 있으면 Si, Al, Zr과 결합하여 경질 산화물을 생성하고, 또한 그 양이 많아지므로 피삭성을 저하시키는 동시에 Zr 산화물의 미세 분산이 불가능하게 되기 때문에 0.02% 이하로 제한하는 것이 좋다.

이하에서, 실시예에 의하여 본 발명을 더 설명한다.

표 1에 나타낸 조성을 가진 전로 용제 강을 연속 주조에 의하여 제조하고, 필요에 따라서 균열 확산 처리, 분괴 압연 공정을 거쳐 162 ㎜각의 압연 소재로 하였다. 이어서 열간 압연에 의하여 직경이 45 ㎜인 봉강 형상으로 하였다. 표 1의 비교강의 밑줄 친 부분은 본 발명의 범위 외인 것을 나타낸다.

다음으로, 열간 압연 강재 중의 MnS계 개재물의 분산 상태를 조사하기 위하여, 열간 압연 후의 봉강의 중심과 표면의 중앙부의 위치로부터 조직 관찰용 시험편을 잘라내었다. 관찰면은 MnS계 개재물의 연신 상황을 측정하기 위하여, 압연 방향으로 평행한 단면으로 하였다. 관찰면을 경면 연마한 후, 영상처리장치에 의하여 MnS계 개재물을 추출하였다. 추출한 개개의 MnS계 개재물에 대하여, 압연 방향 길이, 반경 방향 두께, 아스펙트비(압연 방향 길이/반경 방향 두께)를 수치화하였다. 측정 시야는 500배, 1 시야 면적을 9000 ㎛²로 하고, 50 시야에 대하여 측정하였다. 얻은 데이터로부터 평균 아스펙트비 및 폭 1 ㎛ 이상의 MnS계 개재물의 전체 MnS계 개재물에 대한 존재 개수 비율을 산출하였다.

다음으로, 파단 분리성, 조직, 기계적 특성을 조사하기 위하여, 단조 커넥팅 로드 상당의 시험편을 열간 단조로 제작하였다. 구체적으로는, 직경 45 ㎜의 소재 봉강을 1150 내지 1280℃로 가열한 후, 봉강의 길이 방향과 수직으로 단조하여 두께 20 ㎜로 하고, 방랭에 의한 공랭 또는 충풍 냉각 장치에 의한 충풍랭에 의하여 실온까지 냉각하였다. 제조 No.5는 완충 풍랭(緩衝風冷)을, 제조 No.24는 강충 풍랭(强衝風冷)을 실시하였다. 냉각 후의 단조재로부터, JIS4호 인장시험편, 피삭성 평가용 시험편 및 커넥팅 로드 대단부 상당 형상의 파단 분리성 평가용 시험편을 가공하였다. 파단 분리성 평가용 시험편은 80 ㎜ × 80 ㎜, 두께 18 ㎜의 판 형상의 중앙부에 직경 50 ㎜의 구멍을 뚫은 것으로, 직경 50 ㎜의 구멍의 내면 위에는 단조 전의 소재 봉강의 길이 방향과 수직 방향으로 180도로 서로 마주보는 두 부분에 깊이 1 ㎜, 선단곡율 0.5 ㎜의 45도의 V 노치 가공을 실시하였다. 또한, 직경 8 ㎜의 관통 구멍을 중심선이 노치 가공측의 측면으로부터 8 ㎜의 위치가 되도록 형성하였다.

파단 분리성 평가의 시험 장치는 분할형(split mold)과 낙추시험기로 구성되어 있다. 분할형은 장방형의 강재 상에 성형한 원주를 중심선을 따라서 2 분할한 형상으로, 한쪽이 고정되어 있고, 다른 한쪽이 레일 위를 이동한다. 2개의 반원주의 맞댐면에는 쐐기 구멍이 가공되어 있다. 파단 시험시에는 시험편을 이 분할형에 끼워넣고, 쐐기를 넣고 낙추 위에 설치한다. 낙추는 무게가 200 ㎏이고, 가이드를 따라서 낙하하는 구조이다. 낙추를 떨어뜨리면, 쐐기가 박혀들어가 시험편은 2개로 인장 파단된다. 또한, 파단 시에 시험편이 분할형으로부터 유리되지 않도록, 시험편은 분할형에 눌리도록 주위가 고정되어 있다.

본 실시예에서는 낙추 높이 100 ㎜로 파단을 실시하고, 파단 후의 시험편을 서로 맞대어 볼트로 체결하여, 파단 방향 및 파단 방향과 수직 방향의 내경의 변화를 측정하였다.

또한, 파단면으로부터 5 ㎜ 떨어진 단면에 강 조직 관찰을 위하여 나이탈 부식을 실시하여 조직을 관찰하였다. 조직 관찰은 광학현미경으로 200배의 배율로 실시하고, 백색으로 미량의 탄화물이 석출된 부정형의 입자를 베이나이트 조직으로서 계수(計數)하여, 면적률을 구하였다.

피삭성 평가로서 드릴에 의한 공구 수명 특성을 이용하였다. 드릴 외주 속도를 변화시켜서 드릴 절손까지의 누적 구멍 깊이를 측정하였다. 또한, 누적 구멍 깊이 1000 ㎜ 천공 가능한 최대 외주 속도, 이른바 VL1000 (m/min.)을 피삭성의 지표로 하였다. 구체적인 평가 조건을 표 3에 나타낸다.

상기 각종 특성의 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 항복비에 대하여는 0.75에 못 미치는 것은 목표 미달로 하였다. 파단 분리성에 대하여는 변형량이 100 ㎛를 초과하는 것은 목표 미달로 하였다. 피삭성에 대하여는 VL1000이 40 m/min.에 못 미치는 것은 제조 No.22(강 No.22)의 Pb 첨가 강보다 피삭성이 큰 폭으로 저하되는 것으로 판정하고, 목표 미달로 하였다.

이들의 평가 결과를 표 2에 나타낸다. 표 2의 「MnS 폭」「MnS 평균 아스펙트비」의 란에 있어서의 MnS란, MnS계 개재물을 나타내는 것으로, 표 중에서는 편의적으로 MnS라고 표기하였다. 제조 No.1 내지 13의 본 발명예는 모두 목표를 달성하였고, 우수한 파단 분리성과 피삭성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 한편, 제조 No.14 내지 17은 Zr, Al, Ca, S량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에 MnS계 개재물의 미세 분산화가 불가능하고, MnS계 개재물의 평균 아스펙트비가 모두 본 발명의 요건을 만족하지 않기 때문에 파단 분리성이 나쁘다. No.14는 Zr이 첨가되어 있지 않기 때문에, No.15는 Al이 많이 첨가되어 있기 때문에, 미세한 Zr 산화물이 생성되지 않고, 폭 1 ㎛ 이상의 조대한 MnS계 개재물이 많이 생성되어 있어서 파단 분리성이 나쁘다. 또한, 제조 No.15, 17은 각각 경질 개재물인 Al₂O₃, ZrN 등이 많이 생성되어 공구 마모를 촉진하기 때문에 피삭성이 나쁘다. 제조 No.18은 P량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에, 파단 분리성이 목표 미달이다. 제조 No.19는 S량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에, 미세 MnS계 개재물의 양이 부족하고, 파단 분리성, 피삭성 모두 목표 미달이다. 제조 No.20은 C량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에 연성·인성이 커지게 되고, 파단 분리성이 목표 미달이다. 제조 No.21은 V량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에 V 탄질화물에 의한 석출 강화량이 부족하고, 항복비 및 파단 분리성이 목표 미달이다. 제조 No.22는 Cr량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에, 베이나이트 조직이 혼입하여, 파단 분리성이 목표 미달이다. 제조 No.23은 Pb가 첨가되어 있기 때문에 피삭성은 우수하지만, S, Zr, Al, Ca량이 본 발명의 범위에서 벗어나 있기 때문에, 파단 분리성이 목표 미달이다. 제조 No.24의 성분은 본 발명의 범위 내이지만, 강충풍 냉각으로 냉각 속도를 빠르게 하였기 때문에, 베이나이트 조직 분율이 3%를 넘어서, 파단 분리성이 목표 미달이다.

절삭 조건	드릴	기타
절삭 속도 10-70 m/min 이송 0.25 ㎜/rev 절삭유 수용성 절삭유	지름 3 ㎜ 선단 각 118도 재질 고속도강	구멍 깊이 9 ㎜ 공구 수명 절손될 때까지

본 발명의 파단 분할하여 사용하는 강 부품에 사용되는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강 및 열간 압연 강재에 의하면, 파단 분할 공법이 가능하게 되고, 또한 피삭성이 우수하기 때문에, 예를 들면 자동차용 커넥팅 로드의 제조 공정의 대폭적인 간략화, 코스트 다운 및 부품의 경량화가 가능하게 된다.

Claims

질량%로, C: 0.35% 초과 내지 0.60%, Si: 0.50 내지 2.50%, Mn: 0.20 내지 2.00%, P: 0.010 내지 0.150%, S: 0.040 내지 0.150%, V: 0.10 내지 0.50%, Zr: 0.0005 내지 0.0050%, Ca: 0.0005 내지 0.0050%, N: 0.0020 내지 0.0200%를 함유하고,

Al: 0.010% 미만으로 제한하며, 잔부가 실질적으로 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.
제1항에 있어서,

질량%로, Cr: 0.05 내지 0.25%, Nb: 0.005 내지 0.050%, Ti: 0.005 내지 0.050% 중의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.
제1항 또는 제2항에 있어서,

질량%로, Mg: 0.0005 내지 0.0050%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 기재된 강 성분으로 이루어지고, 열간 압연 강재의 1/4 지름의 위치에 있어서의, 폭 1 ㎛ 이상인 MnS계 개재물의 전체 MnS계 개재물에 대한 존재 개수의 비율이 10% 이하(0%를 포함)이고, MnS계 개재물의 평균 아스펙트비가 10 이하인 것을 특징으로 하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강 열간 압연 강재.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 기재된 강 성분으로 이루어지고, 강 조직이 베이나이트 조직 분율이 3% 이하(0%를 포함)이고, 잔부 조직이 페라이트·펄라이트 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조 비조질강 부품.