KR20090125134A

KR20090125134A - 가공성이 우수한 표면 경화 강관과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090125134A
Application number: KR1020097019966A
Authority: KR
Inventors: 겐이치 베푸
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2009-12-03
Also published as: CN101646788B; US20100051143A1; JPWO2008123397A1; JP5126857B2; WO2008123397A1; MX2009010307A; EP2135962A1; EP2135962B1; EP2135962A4; CN101646788A; KR101113575B1

Abstract

경도가 72~80HRB로서, 성형 가공 후에, 비교적 온화한 침탄 담금질 조건에 의해 최종 제품으로 했을 때에, 침탄층이 높은 강도 및 내마모성과 충분히 높은 내충격 파괴 하중을 나타내는 표면 경화 강관은, 질량%로, C:0.1~0.25%, Si:0.2~0.4%, Mn：0.3~0.9%, P:0.02% 이하, S:0.001~0.15%, Cr：0.5~0.9%, Mo：0.15~1%, Al：0.01~0.1%, B:0.0005~0.009%, N：0.006% 미만을 포함하며, 잔부가 본질적으로 Fe로 이루어지는 강 조성을 갖는 강으로 관을 제작하고, 얻어진 강관에, 880~980℃의 온도로 균열한 후에 70℃/분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 소준을 실시하고, 소준된 강관에 냉간 가공을 행하여, 냉간 가공된 강관에 700~820℃의 온도로 소둔을 행함으로써 제조된다.

Description

가공성이 우수한 표면 경화 강관과 그 제조 방법{CASE-HARDENED STEEL PIPE EXCELLENT IN WORKABILITY AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은, 침탄 담금질 후의 파괴 하중이 높은 고강도 고인성(高靭性)의 표면 경화 강관(표면 경화강제의 강관)과 그 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 가공성이 우수한 표면 경화 강관과 그 제조 방법에 관한 것이다.

종래부터, 자동차용이나 산업 기계용 등의 각종 기계 구조 부품, 특히 샤프트, CVJ(등속 조인트), CVT(무단 변속기 연속 가변 트랜스미션), 및 톱니바퀴를 대표로 하는 표면 경화 부품의 제조에는 표면 경화강이 사용되고 있다. 소재인 표면 경화강을, 열간 단조나 냉간 단조, 또한 기계 가공에 의해 원하는 부품 형상으로 성형 가공한다. 제작된 부품은, 그 내마모성 및 피로 강도를 향상시킬 목적으로, 표면에 침탄 처리나 침탄 질화 처리 등의 표면 경화 처리를 실시하고 나서 사용에 제공된다.

이러한 기계 구조 부품에 요구되는 특성은 점점 더 고도화되고 있다. 즉, 종래부터의 요구 특성인 침탄 담금질 후의 높은 표면 경도와 굽힘 피로 강도에 더하여, 보다 우수한 내마모성이나 전동 피로 특성, 또한 충격적인 하중 부하에 대한 한층 더 높은 내충격 파괴 특성 및 인성을 구비하고 있는 것이 요망되게 되었다.

표면 경화강은, 침탄 담금질 처리시의 결정립의 이상(異常) 성장에 의한 충격 파괴 강도의 저하, 피로 특성의 저하, 치수 정밀도의 저하 등이 문제가 되는 경우가 있다. 특히, 침탄 처리의 합리화의 관점에서, 침탄 시간을 단축하기 위해 990~1090℃의 온도역에서 이른바 고온 침탄을 행하면, 조대립(粗大粒)이 발생하여, 필요한 피로 특성, 전동 피로 특성 등이 얻어지지 않는다는 문제가 발생한다.

일본 공개특허 2005－240175 공보(특허 문헌 1)에는, 강 성분이나 Ti계의 석출물을 제어함으로써, 표면 경화강의 고온 침탄에 있어서의 조대립의 발생을 억제하는 것이 제안되어 있다.

고온 침탄에 상관 없이, 비교적 온화한 침탄 담금질 조건에 의해, 침탄층에 높은 강도와 내마모성을 확보할 수 있는 강재도 검토되고 있다. 일본 공개특허 평9－53150호 공보(특허 문헌 2)에는, 침탄층 표면에 절결이 존재하는 경우에도 충분히 높은 내충격 파괴 하중을 나타내는 고강도 고인성의 표면 경화강과, 그것을 이용하여, 가공성이 우수함과 함께 침탄 담금질 후에 우수한 내충격 파괴 강도를 나타내는 고강도 고인성의 표면 경화 강관을 안정되게 제조하는 방법이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에 의하면, 종래 기술의 문제의 원인 중 하나가 불완전 담금질 조직의 생성에 있으며, 이 불완전 담금질 조직의 생성의 최대의 원인이, 침탄재를 담금질할 때에 일어나는 오스테나이트 입계 상에서의 탄화물의 석출에 있다. 그래서, 상기의 탄화물 석출을 방지하기 위해서 B를 첨가하고, B의 효과가 충분히 발현되도록, N을 가능한 한 억제하는 성분 설계가 채용되고 있다.

그러나, 특허 문헌 2에 개시되어 있는 고강도 고인성의 표면 경화 강관은, 특히 표면 경화강의 이음매 없는 강관으로서 우수한 특성을 가지지만, 비교적 경도가 높기 때문에, 수요가 단계에 있어서의 단조 가공 등의 가공성에 문제가 발생하는 경우가 있다.

또한, 특허 문헌 2에는, 표면 경화 강관의 제조 방법에 관해서, (i) 열간 제관으로 얻어진 강관에 냉간 가공을 거쳐 응력 제거 소둔을 행하는 방법［실시예 3］과, (ii) 열간 제관으로 얻어진 강관에 1차 소둔을 실시하고 나서, 냉간 가공을 거쳐 응력 제거 소둔(2차 소둔)을 행하는 방법［실시예 4 및 5］이 기재되어 있다.

특허 문헌 1：일본 공개특허 2005－240175 공보

특허 문헌 2：일본 공개특허 평9－53150호 공보

본 발명은, 가공성이 우수하고, 구체적으로는, 경도가 HRB(록웰 B스케일 경도)로 72~80의 표면 경화 강관으로서, 성형 가공 후에, 비교적 온화한 조건에서의 침탄 담금질을 실시하여 최종 제품으로 했을 때에, 침탄층이 높은 강도 및 내마모성과 충분히 우수한 내충격 파괴 특성을 나타내는 표면 경화 강관과 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명은, 이하의 지견에 기초한다.

(1) 특허 문헌 2에 기재된 열간 제관 후의 열처리 방법에서는, 냉간 가공 후에 소둔을 실시해도, 경도는 HRB로 85 이상이 되는 것이 많고, 경질로 사용자측에서의 성형 가공은 용이하지 않다.

(2) 특히 특허 문헌 2에 기재되어 있는, 상기 (ii)의 냉간 가공 전에 1차 소둔을 행하는 방법에서는, 이 때의 소둔 온도가 700℃ 정도이면, 냉간 가공 후에 특허 문헌 2에 기재된 조건으로 2차 소둔을 실시해도, 강을 연화시키는 것은 곤란하다. 이 경우, 2차 소둔 온도가 730℃ 정도라면 베이나이트 조직이 된다.

(3) 상기 (2)에서, 냉간 가공 후의 2차 소둔에 있어서 열처리 온도를 930℃ 정도까지 높여 서냉(徐冷)하면, HRB=75 전후에 강을 연화시킬 수 있다. 그러나, 이 온도 조건에서는, Ac₃점 이상의 영역에서의 상변태에 의해 냉간 가공의 영향이 해소되어 버리기 때문에, 냉간 가공도와 2차 소둔에서의 열처리 조건을 조합하여 경도를 HRB=72~80의 범위에서 자유롭게 제어할 수 없게 된다. 또, 냉간 가공 후의 고온 가열 때문에, 치수 정밀도가 저하되어, 표면 탈탄(脫炭)이 발생하는 경우가 있다. 강 조직은 페라이트＋펄라이트 조직이 되어, 조립화되기 쉽다.

(4) 특허 문헌 2는, 냉간 가공 전의 1차 소둔의 온도 조건으로서 870℃를 구체적으로 나타내고 있다. 이 열처리 조건에서는, Ac₃점보다 높은 온도로 일단 가열되기 때문에, 1차 소둔 후의 조직은 페라이트＋펄라이트 조직이 된다. 그러나, 1차 소둔 온도가 낮기 때문에, 냉간 가공 후의 2차 소둔에서 충분히 긴 시간을 들여 서냉을 행하지 않으면, 강의 연화를 기대할 수 없다.

(5) 특허 문헌 2가 개시하는 방법과는 달리, 냉간 가공 전의 열처리로서 880℃ 이상의 온도에서의 소준(燒準)(냉각 속도는 70℃／분 이하)을 행하고, 바람직하게는 단면적 감소율 20~50%의 냉간 가공 후에, 700~820℃로 소둔을 행하면, 펄라이트의 일부가 구형상화된다. 이하, 본 명세서에 있어서는, 특별한 한정이 없는 한, 「펄라이트의 구형상화」란, 펄라이트 중의 세멘타이트의 구형상화를 의미한다. 이에 의해, 원하는 경도 저감을 달성할 수 있음과 동시에, 소준 후의 냉각 속도와 2차 소둔의 온도를 조정함으로써, 바람직하게는, 또한 냉간 가공에 있어서의 단면적 감소율의 조정도 가함으로써, 경도의 조정이 가능해진다.

즉, 본 발명에서는, 침탄 담금질을 가능하게 하는 강 조성을 갖는, 열간 제관에 의해 제작된 강관에, 우선 소준(불림, normalizing)을 실시하고 나서, 냉간 가공을 행하고, 그 후에 응력 제거 소둔을 행한다. 이 소둔에 의해, 소준으로 형성된 페라이트＋펄라이트 조직에 있어서의 적어도 일부의 펄라이트의 구형상화(즉, 펄라이트 중의 세멘타이트의 구형상화)가 일어나, 강이 연질화되고, 가공성이 우수한 표면 경화 강관이 제조된다.

또, 본 발명에서는, 소준으로 발생한 페라이트＋펄라이트 조직에 대해서, 후 공정의 냉간 가공에서의 가공도와 그 후의 소둔에서의 열처리 조건을 조정함으로써, 소둔 중에 구형상화되는 펄라이트의 비율을 변화시킬 수 있고, 이렇게 하여 강재 경도의 미세 조정이 가능해진다.

본 발명은, 일면에 있어서, 질량%로, C：0.1~0.25%, Si：0.2~0.4%, Mn：0.3~0.9%, P：0.02% 이하, S：0.001~0.15%, Cr：0.5~0.9%, Mo：0.15~1%, Al：0.01~0.1%, B：0.0005~0.009%, N：0.006% 미만을 포함하고, 잔부가 본질적으로 Fe로 이루어지는 강 조성을 갖는 강으로 관을 제작하고, 얻어진 강관에 대해서, 880~980℃의 온도로 유지한 후에 880~400℃의 온도 범위를 70℃／분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 소준을 실시하고, 소준된 강관에 냉간 가공을 행하여, 냉간 가공된 강관에 700~820℃의 온도로 소둔을 행하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화 강관의 제조 방법이다.

다른 면에서는, 본 발명은, 질량%로, C：0.1~0.25%, Si：0.2~0.4%, Mn：0.3~0.9%, P：0.02% 이하, S：0.001~0.15%, Cr：0.5~0.9%, Mo：0.15~1%, Al：0.01~0.1%, B：0.0005~0.009%, N：0.006% 미만을 포함하고, 잔부가 본질적으로 Fe로 이루어지는 강 조성을 가지며, 또한 강 조직이 페라이트＋펄라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직 또는 페라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직인 것을 특징으로 하는, 냉간 마무리 표면 경화 강관이다.

상기 강 조성은, 하기 (1) 및 (2)로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 더 함유할 수 있다：

(1) 질량%로, Ni：0.3~4.0%

(2) 질량%로, Ti：0.01~0.3%, Nb：0.01~0.3%, V：0.O1~0.3%, Zr：0.01~0.3%로부터 선택된 1종 또는 2종 이상.

상기 강 조성에 있어서, B함유량은, B：0.0005~0.003%인 것이 바람직하다. 「표면 경화강」 및 「표면 경화 강관」이란, 제품(예를 들어, 상기 서술한 기계 구조 부품)의 소정 형상으로 가공하고 나서, 최종적으로 침탄 담금질을 실시하고, 표면층(침탄층)을 고경도화하고 나서 이용되는 강 및 강관이다. 말할 필요도 없지만, 상기 서술한 경도는, 표면 경화강의 경도, 즉, 부품 형상으로의 성형 가공 전의(당연히, 침탄 담금질 전의) 경도이다. 소정의 부품 형상으로의 성형 가공과 침탄 담금질은, 통상은 사용자측에서(수요가 측에서) 행해진다.

「잔부가 본질적으로 Fe로 이루어진다」란, 잔부가 불가피적 불순물을 함유할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 실시예에서 얻어진 본 발명에 관련된 표면 경화 강관의 현미경 조직 사진이다.

<발명을 실시하기 위한 최선의 형태>

본 발명에 있어서 표면 경화 강관의 강 조성을 상기와 같이 한정한 이유를, 그 작용과 함께 설명한다. 본 명세서에 있어서, 강 조성을 표시하는 「%」는 「질량%」이다.

C：

C는, 강의 경도·강도를 확보하는 기본적 성분이다. 침탄 담금질 부품의 사용 중에 변형되지 않을 만큼의 강도를 강에 확보하려면 Hv250 이상의 경도를 필요로 한다. 이 필요 경도의 확보를 위해서 C함유량을 0.1% 이상으로 한다. 한편, 0.25%를 초과하여 C를 함유시키면, 강의 심부(芯部) 인성이 열화된다. 따라서, C함유량은 0.1~0.25%이며, 바람직하게는 0.12~0.20%이다.

Si：

침탄층의 담금질에 의해 높은 내충격 파괴 특성을 실현하기 위해서, Si의 담금질성 향상 효과를 적극적으로 이용한다. Si함유량이 0.2% 미만이면, 원하는 높은 침탄층의 담금질성을 확보할 수 없다. 한편, 0.4%를 초과하여 Si를 함유시키면, 침탄시의 입계 근방에서의 Si의 산화에 의한 입계의 취약화가 현저해진다. 그래서, Si함유량을 0.2~0.4%로 한다.

Mn：

Mn도, 침탄층의 담금질성을 높이고, 높은 내충격 파괴 특성을 실현하기 위해서 첨가한다. Mn함유량을 0.3% 미만으로 저감하면, 침탄층의 담금질성이 저하되어, 원하는 높은 내충격 파괴 특성을 확보할 수 없다. 침탄시의 입계 근방에서의 Mn의 산화에 의한 입계의 취약화는, Mn함유량이 0.9%를 초과해도, 실용상 문제가 없는 것이 판명되었다. 그러나, 0.9%를 초과하여 Mn를 함유시키면, 블랭킹 가공성과 숫돌 연삭성의 열화가 현저해진다. 블랭킹 가공성이나 숫돌 연삭성과 같은 특성은, CVJ 등의 효율적인 가공에는 특히 중요하다. 따라서, Mn함유량을 0.3~0.9%로 한다.

P：

P는, 침탄 담금질시에 오스테나이트 입계 상에 세멘타이트가 석출되는 것에 의한 입계의 취약화를 현저하게 촉진하므로, 표면 경화강에 있어서는 매우 유해한 불순물 원소이다. 따라서, P함유량은 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 단, P의 저감은 원료나 정련 공정에서의 비용 증대를 수반하므로, 목표 성능과 비용의 밸런스로부터 허용값이 설계된다. 본 발명에서는, 후술하는 B의 효과를 감안하여, 허용할 수 있는 P함유량의 상한값을 0.02%로 한다.

S：

S는, 강의 인성 열화를 초래하는 한편으로, 기계 가공성(피삭성, 펀칭성)을 개선한다는 점에서는 적극적인 첨가가 요망되는 성분이기도 하다. S함유량이 0.001% 미만이면 기계 가공성 개선 효과가 현저해지지 않고, 0.15%를 초과하여 S를 함유시키면, 강의 인성 열화가 현저해진다. 그래서, S함유량을 0.001~0.15%로 한다. 기계 가공성이 그다지 요구되지 않아도 되는 사용법인 경우에는, S함유량은 낮게 억제하는 것이 유리하다.

Cr：

Cr은, 강 소지(steel base metal)(표면의 침탄층을 제외한 부분의 강)의 담금질성 확보나, 침탄층에 필요한 탄소 농도를 단시간에 달성하기 위해서 불가결한 성분이며, 그렇게 하기 위해서는 0.5% 이상의 Cr함유량이 필요하다. 그러나, Cr은 동시에, 침탄 담금질시에 오스테나이트 입계 상에 세멘타이트가 석출되는 것에 의한 입계의 취약화를 현저하게 촉진하므로, 그 함유량을 0.9% 이하로 제한한다. 단, Cr함유량을 0.9% 이하로 제한하면, 강의 담금질성, 특히 C량이 높은 침탄층 분의 담금질성이 불충분해진다. 그 때문에, 본 발명에서는, 입계의 취약화를 초래하지 않는 B, Mo, Ni의 첨가에 의해, 담금질성을 보충한다. 이와 같이, Cr함유량은 0.5~0.9%로 하지만, 바람직하게는 0.5~0.65%로 조정한다.

Mo：

Mo는, 강 소지 및 침탄층의 강도 및 인성의 향상, 그리고 침탄층에 필요한 탄소 농도를 단시간에 달성하기 위해 필수인 성분이다. Mo의 담금질성 향상 효과는 강 소지의 C함유량에 거의 영향을 받지 않기 때문에, 고탄소가 된 침탄층에 있어서도 담금질성 향상 효과는 안정되게 발휘된다.

상기와 같이, 본 발명에서는, 침탄에 수반하는 입계의 취약화를 억제하기 위해서 Cr함유량을 저감하고, B의 첨가에 의해 담금질성의 보충을 도모한다. 그와 같은 강에서는, 고탄소가 되어도 담금질성이 현저하게 저하되므로, Mo에 의한 침탄층의 담금질성 보상은 매우 중요하다. Mo함유량이 0.15% 미만에서는, 충분한 담금질성 보상을 할 수 없을 뿐만 아니라, 단시간의 침탄 처리로 침입하는 C의 양도 저하된다. 상기 효과를 부여하는 관점에서는 Mo함유량은 많은 것이 바람직하지만, 1%까지의 첨가로 충분한 효과를 얻을 수 있고, 이것을 초과하는 양의 Mo의 첨가는 경제적으로 유리하지 않다. 따라서, Mo함유량은 0.15~1%로 하고, 바람직하게는 0.2~0.7%, 보다 바람직하게는 0.2~0.6%이다.

Al：

Al은, 강의 탈산 및 결정립 미세화에 유효한 성분이다. 그 함유량이 0.01% 미만에서는 효과가 충분하지 않다. 한편, 0.1%를 초과하여 Al를 함유시키면, 인성에 유해한 개재물이 증가한다. 따라서, Al함유량은 0.O1~0.1%로 한다.

B：

B는, 침탄재를 담금질할 때에 생성되는 오스테나이트 입계 상에서의 탄화물(Cr탄화물 등)의 석출을 억제하여, 이것에 의해 침탄층의 불완전 담금질 조직의 생성을 저지하고, 또한 입계 취화를 방지하여, 침탄 담금질재에 충분한 내충격 파괴 특성, 내마모성, 전동 피로 특성 등을 확보하기 위해서 불가결한 성분이다. 특히, 본 발명에서는 침탄 담금질시에 입계 상에 탄화물이 석출됨으로써 입계의 취약화를 현저하게 촉진한다는 Cr의 폐해를 방지하기 위해서, Cr함유량을 제한하고 있 다. B는 이와 같이 Cr함유량을 저감한 결과로서 발생하는 강 소지의 담금질성 저하를 보충하고, 강심부의 담금질성을 확보하는 작용도 분담한다.

B함유량이 0.0005% 미만이면, 상기 작용에 의한 원하는 효과를 얻을 수 없다. 한편, 0.009%를 초과하여 B를 함유시키면, 반대로 B에 의한 입계 취화가 일어나게 된다. 그래서, B함유량은 0.0005~0.009%로 한다.

본 발명에서는, 후술하는 바와 같이, 냉간 가공 전에 Ac₃점 이상, 구체적으로는 880℃ 이상의 온도로 열처리(소준)를 행한다. 이 열처리는, 냉간 가공 후의 소둔에 의해 경도를 저하시킨다는 목적을 달성하기 위해서, 일단, B를 고용시키는 것을 상정하고 있다. B가 많으면, B의 고용, 따라서, 소준에서의 열처리에 시간을 필요로 하므로, B함유량은 상기 범위 중에서는 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로는, B함유량은, 0.003% 이하(즉, 0.0005~0.003%의 범위 내)가 특히 바람직하다.

N：

특허 문헌 2에도 서술되어 있는 바와 같이, 강 중의 N량은, B의 작용을 유효하게 하는데 매우 중요하다. 즉, 강 중의 N량이 0.006% 미만의 영역으로까지 저감된 경우에 비로소, B첨가에 의한 침탄재의 담금질 처리시에 일어나는 입계로의 탄화물 석출을 방지하는 효과가 현저화되고, 충분한 충격 하중 강도가 확보될 뿐만 아니라, 전동 피로 특성도 현저하게 개선된다. 강 중의 N함유량은 적을 수록 바람직하지만, 대기중에서의 공업적 생산에 있어서는, 현재의 제강 기술로 N량을 0.001% 미만으로 하는 것은 매우 곤란하다.

Ni：

본 발명의 표면 경화 강관에서는, 일반적인 자동차의 구동차축용 조인트의 이너 레이스나 볼 케이지 등에 사용되는 경우에는, Ni나, 다음에 설명하는 Ti, Nb, V 또는 Zr의 첨가를 행하지 않아도, 강도, 인성 등의 특성은 충분하다. 그러나, 조건이 가혹한 용도에 사용하는 경우에는, 이들 원소의 1종 또는 2종 이상을 함유시켜, 강도나 인성의 향상을 도모하는 것이 유효하다.

Ni는, 강 소지의 강도와 인성의 향상에 유효한 성분이며, 또 Mo와 협동하여 침탄층의 강도·인성의 향상에도 많이 기여한다. Ni함유량이 0.3% 미만에서는, 상기 효과가 불충분하다. 한편, 4.0%를 초과하여 Ni를 함유시켜도 그 효과가 포화된다. 따라서, Ni를 첨가하는 경우에는, 그 함유량을 0.3~4.0%로 한다.

Ti, Nb, V 및 Zr：

이들 원소에는, 강의 결정립을 미세화하여 인성을 향상시키는 효과가 있다. 따라서, 가혹한 사용 조건이 예상되는 경우에는, 이들의 1종 또는 2종 이상을 함유시키는 것이 바람직하다. 이들 각 성분의 함유량이 각각 0.01% 미만에서는 상기 효과가 불충분하다. 한편, 각각 0.3%를 초과하여 함유시키면, 반대로 강의 인성이나 전동 피로 특성의 열화를 초래한다. 따라서, Ti, Nb, V 및 Zr의 함유량은 각각 0.01~0.3%로 한다.

다음에 본 발명의 표면 경화 강관의 제조 조건에 대해 공정순으로 설명한다.

제관：

상기 서술한 강 조성을 갖는 강(표면 경화관)으로, 적절한 제관법에 의해, 소관(素管)이 되는 관을 제작한다. 소관은, 열간 제관된 이음매 없는 강관인 것이 바람직하다. 그러나, 이하에 서술하는 바와 같이, 소준시에 일단 Ac₃ 이상의 온도로 열처리하기 때문에, 전(前)공정에서의 가공 이력이 영향을 주지 않게 된다. 따라서, 제관법은 특별히 제한되지 않고, 예를 들면, 전봉 강관을 소관으로 하여 사용하는 것도 가능하다. 이음매 없는 강관의 열간 제관에 대해서도, 특별한 제약은 없지만, 상기 강 조성을 갖는 강을, 예를 들면 강괴를 열간 단조함으로써 빌렛의 형태로 하고 나서, 빌렛→만네스만 천공 압연→맨드릴 밀로의 연신 압연→정경(定徑) 압연에 의해, 이음매 없는 강관으로 하면 된다.

소준(normalizing)：

상기 서술한 방법 등으로 제조된 강관(소관)에 대해서, 냉간 가공 전에, 특허 문헌 1, 2에 개시되어 있는 바와 같은 1차 소둔이 아닌, 소준을 실시한다. 소준은, 예를 들면, 강관을 적절한 가열로에 장착하여 소정 온도로 유지하는 열처리(균열(均熱))와, 그 후의 냉각에 의해 행해진다. 이 소준의 목적은, 강의 조직을 페라이트＋펄라이트의 혼합 조직으로 하는 것이다. 강 조직을 일단 페라이트＋펄라이트로 하고 나서, 냉간 가공 후에 특정 온도 범위에서 소둔을 행함으로써, 표면 경화 강관에 바람직한 특성이 발현된다.

소준의 열처리 온도는 880℃ 이상, 980℃ 이하로 한다. 열처리 온도가 980℃를 초과하면, 탈탄이 진행될 가능성이 있다. 880℃의 하한 온도는, B를 단시간에 오스테나이트에 고용시켜 조직을 균일하게 하기 위해서 필요한 온도이다. B의 고용 에 의해, 강 소지의 경도를 저하시킬 수 있다. 소준시의 열처리 온도가 880℃보다 낮으면, B의 충분한 고용을 달성하지 못하고, 장시간의 온도 유지를 해도 강 소지의 경도 저하로는 연결되지 않는다.

균열 시간은, 강관의 모든 부분에 있어서 상기 온도가 되면, 30초의 단시간이여도 되지만, 특성의 편차를 억제하는 관점에서 1분 이상인 것이 바람직하다. 균열 시간이 30분을 초과하면, 탈탄이 진행될 우려가 있으므로, 30분 이하가 바람직하다.

열처리(균열) 후의 냉각은, 공냉이면 되지만, 열처리 온도로부터 400℃까지의 범위(따라서, 적어도 800~400℃의 범위)를 70℃／분 이하로 한다. 냉각 속도가 이것보다 커지면, 베이나이트가 생성되기 때문에, 본 발명의 효과를 얻을 수 없다. 냉각 속도의 하한은, 소준을 전제로 하고 있기 때문에, 공냉 정도 이상이면 특별히 한정되지 않지만, 처리 시간 등의 경제성을 고려하면 20℃／분 이상이 바람직하다.

냉간 가공：

열간 제관으로 얻어진 강관에, 미리 소준을 실시한 후, 냉간 가공을 행한다. 냉간 가공은, 강관에 소정의 치수, 치수 정밀도를 확보하기 위해서 일반적으로는 필요하지만, 본 발명에 있어서는, 냉간 가공에 계속되는 소둔에 의한 2차 열처리 단계에 있어서 펄라이트 중의 세멘타이트의 구형상화(따라서, 펄라이트의 구형상화)를 일으키게 하는 효과가 있다.

냉간 가공의 수단으로서는, 냉간 드로잉, 냉간 압연 등을 채용할 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니다. 냉간 가공의 가공도는, 단면적 감소율로 20~50%로 하는 것이 바람직하고, 또한 바람직하게는 25~50%이다. 가공도가 20% 미만에서는, 다음 공정에 있어서 펄라이트의 일부를 구형상화하는 것이 곤란하다. 가공도가 50%를 초과하면, 냉간 가공시에 공구와 재료 간에서의 소부(燒付)가 발생하기 쉬워지는 데다가, 강 소지의 뒤틀림의 축적이 증대되어, 침탄 열처리시에 오스테나이트 결정립의 이상 성장을 일으켜, 담금질 조직의 조대·혼립화를 일으킨다. 또한, 냉간 가공도가 50%를 초과하면, 가공 경화에 의한 강관의 경도 상승이 현저해지고, 그 후에 행해지는 소둔에서의 연화가 어려워져, 강관의 가공성이 열화된다.

소둔：

냉간 가공 후의 소둔은, 냉간 가공에 의해 강 소지에 축적된 뒤틀림을 개방하여 강 소지를 연화시키고, 사용자측에서 요구하는 가공성을 확보하기 위해서 일반적으로 행해지지만, 본 발명에 있어서는, 펄라이트 중의 세멘타이트의 적어도 일부를 구형상화시키는 목적도 있다. 이 목적을 위해서, 냉간 가공 후의 소둔 온도를 700~820℃의 범위로 한다. 소둔 온도가 700℃ 미만이거나, 혹은 820℃를 초과하면, 펄라이트의 구형상화가 충분히 진행되지 않는다.

소둔에 의해 펄라이트(펄라이트 중의 세멘타이트)가 모두 구형상화되면, 강 조직은 페라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직이 된다. 한편, 펄라이트의 일부가 구형상화된 경우에는, 강 조직은 페라이트＋펄라이트＋구형상화 세멘타이트 혼합 조직이 된다. 본 발명에 관련된 표면 경화 강관은, 이 강 조직과 상기 강 조성에 의해 특징 지을 수 있다.

이와 같이 펄라이트의 적어도 일부가 구형상화됨으로써, 강관의 경도가 저하 된다. 소둔에 의한 연화에 이 효과가 더해짐으로서, 본 발명에 의하면, 경도가 HRB로 72~80이라는 가공성이 양호한 표면 경화 강관을 제조할 수 있다. 이 경도는, 냉간 가공시의 가공도와 소둔 조건에 의해 펄라이트의 구형상화의 비율을 변화시킴으로써, 원하는 값으로 조절할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 표면 경화강에서는, 통상은 수요자에 있어서, 성형 가공 및 침탄 담금질 처리가 행해져, 목적으로 하는 부품이 제조된다. 본 발명에 관련된 표면 경화 강관으로 부품을 제조하는 경우, 성형 가공 및 침탄 담금질 조건에 하등 제한은 없지만, 비교적 온화한 침탄 담금질 조건을 채용하는 것이 가능하므로, 그렇게 하는 것이 바람직하다. 침탄 담금질 조건의 일예를 나타내면, 920℃×2시간의 균열에 의한 침탄과, 그 후의 870℃로부터의 담금질이다.

이하의 실시예는 본 발명의 예시를 목적으로 하며, 본 발명을 하등 제한하는 것은 아니다. 본 발명의 범위 내에 있어서 당업자이면 각종의 변경 수정을 가할 수 있다.

<실시예>

진공 용제한 용강(溶鋼)을 주조에 의해, 표 1에 나타내는 강 조성의 강괴(1톤)를 얻은 후, 이것을 둥근 강편으로 열간 단조하고, 또한 천공 압연 후, 맨드릴 밀에 의한 연신 압연, 스트레치·리듀서에 의한 정경 압연을 행하는 열간 제관에 의해, 외경 80mm(직경), 두께 6.1mm의 소관(강관)을 제작했다.

이 강관에, 표 2에 나타내는 조건으로 1차 열처리(소준)와 그 후의 냉각을 행한 후, 단면적 감소율 28.4%의 냉간 드로잉을 행하여, 외경 66.2mm(직경), 두께 5.3mm의 치수의 이음매 없는 강관으로 마무리했다. 이 강관에, 표 2에 2차 열처리로서 나타내는 조건으로 소둔을 실시했다. 2차 열처리(소둔)를 끝낸 강관으로부터, 시험편을 채취하여, 관 단면에 있어서의 록웰 B스케일 경도(HRB)를 측정했다. 그 결과를 표 2에 아울러 나타낸다.

표 2의 No.1 및 No.2는, 냉간 가공 전의 소준에서의 열처리 온도가 Ac₁점보다 낮은 700℃이며, HRB=87 이상의 경질로 마무리되었다. 한편, 냉간 가공 전의 열처리 온도가 Ac₃점을 초과하는 No.3~No.7에 있어서도, 열처리 온도가 880℃보다 낮은 경우에는, No.3을 제외하고, HRB=82 이상의 경도이며, HRB를 80 이하로 하는 연질화의 목적은 달성할 수 없었다. 열처리(균열) 후의 냉각 속도를 10℃／분으로 늦춘 No.3은, HRB가 77이며, 연질화의 목적을 달성할 수 있었지만, 냉각 과정을 포함한 열처리 시간이 길어져, 연속 처리를 상정한 경우에는 보온 설비가 장대해지기 때문에, 경제적이 아닌 것은 분명하다.

No.8~No.18은, 냉간 가공 전의 열처리를 880℃ 또는 930℃에서의 균열에 의해 행한 예이다. 균열 후의 냉각 속도가 70℃／분을 초과한 No.9 및 13과 냉간 가공 후의 소둔 온도가 너무 낮거나 너무 높은 No.14 및 16에서는, HRB가 80을 초과하여 충분히 연질화될 수 없었다. 한편, 균열 후의 냉각 속도가 70℃／분 이하이며, 냉간 가공 후의 소둔 온도가 700~820℃의 범위 내였던 본 발명예에서는, 모두 HRB 80 이하의 연질화의 목적을 달성할 수 있었다.

2차 열처리(소둔)를 끝낸 강관의 미크로 조직을 관찰하면, No.1 및 No.2는 베이나이트 조직이며, No.3~No.7은 페라이트+펄라이트 조직이었다. No.3에서는 조립화의 경향이 인정되었다.

한편, No.8~No.18에 대해서는, HRB가 80 이하인 본 발명예에서는, 페라이트＋펄라이트＋구형상화 세멘타이트 조직으로 되어 있으며, 펄라이트 조직의 세멘타이트가 일부 구형상화되어 있는 것이 확인되었다. 그러나, No.8~ No.18 중, 경도가 HRB 84를 초과한 것에서는, 구형상화 세멘타이트는 인정되지 않았다. 냉각 속도가 80℃／분이였던 No.9와 No.13에서는 일부 베이나이트가 인정되었다.

따라서, 강관에 미리 880℃ 이상에서 균열하여, 70℃／분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 소준을 실시하고, 냉간 가공 후에 700~820℃의 온도로 소둔하는 프로세스에 의해, 펄라이트＋페라이트의 혼합 조직으로부터, 펄라이트＋페라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직으로의 변화가 진행되어, 연질화의 목적을 달성할 수 있던 것으로 생각된다.

표 2의 본 발명예의 강관에 대해서, 펀칭 시험(펀치 재질：고속도강, 펀치 직경 15.7㎜, 펀칭 속도：2.5mm/초)을 실시했더니, 펀칭면의 요철이나 치수 정밀도에서 특별한 문제는 없었다. 또, 볼 케이지 모의 시험체에 의한 충격 인장 시험에 있어서도, 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 침탄 담금질 후의 특성도 양호했다.

도 1은, 표 2의 No.11에서 얻어진 강관의 현미경 조직 사진을 나타낸다. 페라이트＋펄라이트 조직 중에 있어서 탄화물(세멘타이트)이 구형상화되어 있는 것을 알 수 있다.

Claims

질량%로, C:0.1~0.25%, Si:0.2~0.4%, Mn：0.3~0.9%, P:0.02% 이하, S:0.001~0.15%, Cr：0.5~0.9%, Mo：0.15~1%, Al：0.01~0.1%, B:0.0005~0.009%, N：0.006% 미만을 포함하고, 잔부가 본질적으로 Fe로 이루어지는 강 조성을 갖는 강으로 관을 제작하고, 얻어진 강관에, 880~980℃의 온도로 유지한 후에 880~400℃의 온도 범위를 70℃／분 이하의 냉각 속도로 냉각함으로써 소준(normalizing)을 실시하고, 소준된 강관에 냉간 가공을 행하여, 냉간 가공된 강관에 700~820℃의 온도로 소둔(annealing)을 행하는 것을 특징으로 하는, 표면 경화 강관의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,

상기 강 조성이, 하기 (1) 및 (2)로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 더 함유하는, 방법.

(1) 질량%로, Ni:0.3~4.0%

(2) 질량%로, Ti:0.01~0.3%, Nb：0.01~0.3%, V:0.01~03%, Zr:0.01~0.3%로부터 선택된 1종 또는 2종 이상.
청구항 1 또는 2에 있어서,

상기 강 조성에 있어서, B:0.0005~0.003%인, 방법.
질량%로, C：0.1~0.25%, Si:0.2~0.4%, Mn：0.3~0.9%, P：0.02% 이하, S：0.001~0.15%, Cr:0.5~0.9%, Mo:0.15~1%, Al：0.01~0.1%, B:0.0005~0.009%, N：0.006% 미만을 포함하고, 잔부가 본질적으로 Fe로 이루어지는 강 조성과, (a) 페라이트＋펄라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직 및 (b) 페라이트＋구형상화 세멘타이트의 혼합 조직으로부터 선택된 강 조직을 갖는 것을 특징으로 하는, 냉간 마무리 표면 경화 강관.
청구항 4에 있어서,

상기 강 조성이, 하기 (1) 및 (2)로부터 선택된 1종 또는 2종 이상의 원소를 더 함유하는 표면 경화 강관.

(1) 질량%로, Ni：0.3~4.0%

(2) 질량%로, Ti:0.01~0.3%, Nb：0.01~0.3%, V：0.01~0.3%, Zr:0.01~0.3%로부터 선택된 1종 또는 2종 이상.
청구항 4 또는 5에 있어서,

상기 강 조성에 있어서, B：0.0005~0.003%인 표면 경화 강관.
청구항 4 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,

록웰 B스케일 경도(HRB)가 72~80인 표면 경화 강관.