KR20100011991A - 마레이징강 및 금속 벨트용 마레이징강 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 높은 사이클 역에서의 피로 파괴의 기점이 되는 TiN을 저감할 수 있는 조성으로 하고, 또한 질화 처리를 용이하게 하여 표면 경도를 높이면서, 표면 질화층의 압축 잔류 응력을 크게 하여 굽힘 피로 강도를 향상시키고, 또한 높은 강도, 연성을 확보하기 위해 구오스테나이트 결정립을 미세화한, 금속 벨트용 마레이징강을 제공한다. 질량%로 C: 0.01% 이하, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.1% 이하, P: 0.01% 이하, S: 0.005% 이하, Ni: 17.0∼22.0%, Cr: 0.1∼4.0%, Mo: 3.0∼7.0%, Co: 7.0% 초과 20.0% 이하, Ti: 0.1% 이하, Al: 2.5% 이하, N: 0.03% 이하, O: 0.005% 이하, B: 0.01% 이하(0은 포함하지 않음), Co/3 + Mo + 4Al: 8.0∼15.0%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 마레이징강인 것을 특징으로 한다.

Description

마레이징강 및 금속 벨트용 마레이징강{MARAGING STEEL AND MARAGING STEEL FOR METALLIC BELT}

본 발명은, 우수한 피로 강도를 가지는 마레이징강과, 자동차용 무단 변속기 등에 사용되는 금속 벨트용 마레이징강에 관한 것이다.

마레이징강은, 일반적으로 2000MPa 전후의 매우 높은 인장 강도(tensile strength)를 가지기 때문에, 높은 강도가 요구되는 부재, 예를 들면 로켓용 부품, 원심분리기 부품, 항공기 부품, 자동차 엔진의 무단 변속기용 부품, 금형 등 각종 용도에 사용되고 있다. 그 대표적인 조성으로는, 18%Ni-8%Co-5%Mo-0.4%Ti-0.1%Al-bal.Fe를 들 수 있다.

그리고, 마레이징강은, 강화 원소(strengthening elements)로서 Co, Mo, Ti를 적량 포함하고 있고, 시효 처리(aging treatments)를 행함으로써, Ni₃Mo, Ni₃Ti, Fe₂Mo 등의 금속간 화합물(intermetallic compounds)을 석출시켜 높은 강도를 얻을 수 있는 강이다. 또한, 특히 자동차 엔진의 무단 변속기용 부품에 사용되는 강 스트립(steel strip)에 있어서는, 특히 높은 사이클 역에서의 피로 강도가 중요한 요구 특성이므로, 높은 강도를 가지는 마레이징강의 내부에 존재하는 TiN 등의 비금 속 개재물(nonmetallic inclusions)을 가능한 미세화할 필요가 있다. 또한, 표면에 질화 처리를 실시하여 질화층을 형성하여 피로 강도를 향상시켜서 사용되고 있다.

자동차 엔진의 무단 변속기용 금속 벨트에서는, 비금속 개재물을 기점(기점(起點))으로 하는 피로 강도 저하를 해결하는 것을 목적으로 한 개량 합금이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2, 3 참조).

특허 문헌 1: 일본 특허출원 공표번호 2004-514056호 공보

특허 문헌 2: 일본 특허출원 공개번호 2001-240943호 공보

특허 문헌 3: 일본 특허출원 공개번호 2002-167652호 공보

[발명이 해결하고자 하는 과제]

전술한 일본 특허출원 공표번호 2004-514056호 공보에 개시된 합금은, 비금속 개재물을 형성하는 Ti를 0.1% 이하로 저감하고 있다. 그러므로, 피로 파괴의 기점이 되는 TiN의 미세화의 점에서는 유리하지만, 단순하게 비금속 개재물을 형성하는 원소의 첨가를 억제하는 합금을 행하기 위해 질화 처리를 행하기 곤란한 문제가 있다.

또한, 일본 특허출원 공개번호 2001-240943호 공보에 개시된 합금도 Ti를 저감하고 있으므로, 피로 파괴의 기점이 되는 TiN의 미세화의 점에서는 유리하다. 그러나, 강화 원소의 하나인 Co를 낮게 억제하고 있으므로, 높은 인장 강도를 확보하기 곤란하다. 또한, 인장 강도를 확보하기 위해 Si, Mn을 첨가하고 있지만, 이 때문에 인성(靭性)이 저하될 가능성이 있다.

또한, 일본 특허출원 공개번호 2002-167652호 공보에 개시된 합금도 Ti를 저감하고 있으므로, 피로 파괴의 기점이 되는 TiN의 미세화의 점에서는 유리하다. 그러나, C를 적극 첨가하여 고강도화를 도모하고 있으므로 Cr, Mo 등의 탄화물이 석출되고, 이것이 피로 파괴의 기점이 되어 피로 강도가 저하되거나, 또한 적극 첨가한 C에 의해 무단 변속기 부품에 필요한 용접성이 저하될 가능성이 있다.

본 발명의 목적은, 높은 사이클 역에서의 피로 파괴의 기점이 되는 TiN을 저감할 수 있는 조성으로 하고, 또한 질화 처리를 용이하게 하여 표면 경도를 높이면서, 표면 질화층의 압축 잔류 응력을 크게 하여 굽힘 피로 강도(fatigue bending-strength)를 향상시키고, 나아가서는 높은 강도, 연성(ductility)을 확보하기 위해 구(舊)오스테나이트 결정립(austenitic grains)을 미세화한 마레이징강과, 상기 마레이징강을 사용하여 이루어지는 금속 벨트용 마레이징강을 제공하는 것이다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

본 발명자는, 피로 강도 향상에 유해한 개재물인 TiN을 저감하기 위하여, Ti, N을 함께 낮게 억제하고, Ti 저하에 의한 강도 저하를 Co, Mo를 증가시키고, 또 필요에 따라 Co, Mo에 더하여 Al도 증가시키며, 또한 Co/3 + Mo + 4Al의 값을 적정 범위로 한정함으로써 보상할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 인장 강도, 연성, 피로 강도를 향상시키기 위하여, 결정립 미세화가 효과적이지만, 이를 B의 미량 첨가로 해결할 수 있는 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자는, Ti 저하에 의한 질화 처리의 곤란을 해결하기 위해 Cr의 적량 첨가, 혹은 Cr과 Al을 적량 첨가함으로써 질화에 의한 표면 압축 잔류 응력의 절대값을 증가시킬 수 있는 것을 발견하고, 또 C를 불순물 레벨로 억제함으로써 용접성을 확보하여, 본 발명에 도달하게 되었다.

즉 본 발명은, 질량%로 C: 0.01% 이하, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.1% 이하, P: 0.01% 이하, S: 0.005% 이하, Ni: 17.0∼22.0%, Cr: 0.1∼4.0%, Mo: 3.0∼7.0%, Co: 7.0% 초과 20.0% 이하, Ti: 0.1% 이하, Al: 2.5% 이하, N: 0.03% 이하, O: 0.005% 이하, B: 0.01% 이하(0은 포함하지 않음), Co/3 + Mo + 4Al: 8.0∼15.0%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 마레이징강이다.

본 발명에 있어서는, 전술한 목적을 달성을 위하여, 바람직한 조성이 2가지 있다. 제1 바람직한 조성은, 전술한 기본 조성의 범위 내에서 Al을 적극 첨가한 것이다.

즉, 본 발명의 제1 바람직한 조성은, 전술한 조성 중, Cr과 Al을 질량%로 Cr: 0.1∼3.0%, Al: 0.15% 초과 2.5% 이하로 하는 조성의 마레이징강이다.

Al을 적극 첨가하는 조성의 바람직한 범위는, 질량%로 C: 0.008% 이하, Ni: 18.0% 초과 22.0% 이하, Mo: 5.0% 초과 7.0% 이하, Ti: 0.05% 이하, Co/3 + Mo + 4Al: 10.0∼15.0%인 마레이징강이다.

또한, 바람직하게는, 질량%로 Co: 12.0% 초과 20.0% 이하인 마레이징강이다.

또한, 본 발명에서는, 전술한 Al을 적극 첨가하는 조성 외에, 제2 바람직한 조성으로서, 전술한 기본 조성의 범위 내에서 Al을 제한하면서, Co를 약간 많이 함유하는 조성 범위로 조정하는 것이다.

즉, 본 발명의 제2 바람직한 조성은, 전술한 조성 중, Co, Ti, Al을 질량%로 Co: 10.0% 초과 20.0% 이하, Ti: 0.05% 이하, Al: 0.1% 미만, Al+Ti: 0.1% 미만으로 하는 마레이징강이다.

본 발명에 있어서는, 전술한 기본 조성, 제1 바람직한 조성 및 제2 바람직한 조성에 더하여, 질량%로 Ca: 0.01% 이하, Mg: 0.005% 이하 중에서 1종 이상을 더 함유할 수도 있다.

또한, 본 발명은 결정립도가 ASTM No.로 10 이상의 세립(fine grains)인 마레이징강이다.

또한, 본 발명은, 전술한 마레이징강을 사용하여 이루어지는 금속 벨트용 마레이징강이다.

[발명의 효과]

본 발명의 마레이징강은, 피로 파괴의 기점이 되는 TiN을 저감할 수 있고, 높은 강도와 질화 처리 후의 표면의 높은 경도 및 큰 압축 잔류 응력을 얻을 수 있으므로, 자동차용 무단 변속기에 사용되는 동력 전달용 금속 벨트와 같이 높은 피로 강도가 요구되는 부재에 사용되면 긴 피로 수명을 가질 수 있는 등, 공업적 측면에서 현저한 효과를 가질 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 Al을 적극 첨가한 마레이징강 표면의 전자 현미경 사진이다.

도 2는 본 발명의 Al의 첨가를 제한한 마레이징강 표면의 전자 현미경 사진 이다.

본 발명은, 전술한 신규한 지견에 기초하여 이루어진 것이며, 이하에서 본 발명에 있어서의 각 원소의 작용에 대하여 설명한다.

본 발명의 마레이징강에 있어서, 이하의 범위로 각각의 화학 조성을 규정한 이유는 다음과 같다. 그리고, 특별히 기재가 없는 한 질량%로 기술한다.

C는, Mo와 탄화물을 형성하여, 석출할 금속간 화합물을 감소시켜 강도를 저하시키므로, 낮게 억제할 필요가 있다. 또한, C를 적극 첨가하면, 예를 들면 무단 변속기 부품에 필요한 용접성이 저하될 위험성이 높아진다. 이와 같은 이유로 인해 C는 0.01% 이하로 하였다. 바람직한 범위는 0.008% 이하이다.

Si는, 시효 처리 시에 석출되는 금속간 화합물을 미세화하거나, Ni와 함께 금속간 화합물을 형성함으로써 Ti 저하에 의한 강도 저하분을 보충할 수 있는 원소이다. 그러나, 인성을 저하시킬 우려가 있으므로, 인성, 연성을 확보하기 위하여, 본 발명에 있어서는 낮게 억제할 필요가 있다. 0.1%를 초과하여 첨가하면 인성, 연성이 저하되므로, Si는 0.1% 이하로 하였다. 인성, 연성의 확보를 더 확실하게 행하기 위한 바람직한 범위는 0.05% 이하이다.

Mn은, 시효 처리 시에 Ni와 함께 금속간 화합물을 형성하고, 시효 경화에 기여하는 원소이므로, Ti 저하에 의한 강도 저하분을 보충할 수 있는 원소이다. 그러나, 인성을 저하시킬 우려가 있으므로, 인성, 연성을 확보하기 위하여, 본 발명에 있어서는 낮게 억제할 필요가 있다. 0.1%를 초과하여 첨가하면 인성, 연성이 저하되므로, Mn은 0.1% 이하로 하였다. 인성, 연성의 확보를 더 확실하게 하기 위한 바람직한 범위는 0.05% 이하이다.

P 및 S는, 구오스테나이트 입계에 편석(偏析)하거나, 개재물을 형성함으로써, 마레이징강을 약화시켜, 피로 강도를 저하시키는 유해한 원소이다. 그러므로, P는 0.01% 이하, S는 0.005% 이하로 하였다. P에 대해서는 0.005% 이하, S에 대해서는 0.004% 이하의 범위인 것이 바람직하다.

Cr은, 질화를 행하는 경우에 N과의 친화력이 강하고, 질화 깊이를 얕게 하고, 질화 경도를 높이거나, 질화 표면의 압축 잔류 응력을 증가시키는 원소이므로, 필수적으로 첨가한다. 그러나, 0.1%보다 적으면 효과가 없고, 한편 4.0%를 초과하여 첨가해도 더욱 많은 효과를 항상 볼 수는 없으며, 또한, 시효 후의 강도가 크게 저하되므로, Cr은 0.1∼4.0%로 하였다. 그리고, Al을 적극 첨가하는 경우에는, Cr의 상한은 3.0%이면 충분하다. Ni는, 마레이징강의 기지(基地) 조직인 저C 마텐자이트 조직을 안정적으로 형성하므로 적어도 17.0%는 필요하다. 그러나, 22.0%를 초과하면 오스테나이트 조직이 안정화되어, 마텐자이트 변태(transformation)를 쉽게 일으키지 않으므로, Ni는 17.0∼22.0%으로 하였다. Ni의 바람직한 범위는 18.0% 초과 22.0% 이하이다.

Mo는, 시효 처리 시에 Ni₃Mo, Fe₂Mo 등의 미세한 금속간 화합물을 형성하고, 석출 강화에 기여하는 중요한 원소이다. 또한, Mo는 질화에 의한 표면의 경도 및 압축 잔류 응력을 크게 하기 위해 유효한 원소이다. 이를 위한 Mo는, 3.0%보다 적 으면 인장 강도가 불충분하고, 한편 7.0%보다 많으면 Fe, Mo를 주요 원소로 하는 조대(粗大)한 금속간 화합물을 형성하기 쉬우므로, Mo는 3.0∼7.0%로 하였다. Mo의 바람직한 범위는, 5.0% 초과 7.0% 이하이다.

Co는, 매트릭스의 마텐자이트 조직의 안정성에 크게 영향을 미치지 않고, 고용화(固溶化) 처리 온도로 Mo, Al 등의 시효 석출물 형성 원소의 고용도를 증가시키고, 시효 석출 온도역에서의 Mo, Al의 고용도를 저하시킴으로써 Mo, Al을 포함하는 미세한 금속간 화합물의 석출을 촉진하여, 시효 석출 강화에 기여하는 중요한 원소이다. 그러므로, Co는 강도 면, 인성 면을 고려하여 많이 첨가할 필요가 있다. Co가 7.0% 이하에서는 Si, Mn, Ti를 저감한 마레이징강으로는 충분한 강도를 얻기 어렵고, 한편 20.0%를 초과하여 첨가하면 오스테나이트가 안정화되어 마텐자이트 조직을 얻기 어려우므로, 7.0% 초과 20.0% 이하로 하였다. 바람직한 Co의 범위는 12.0% 초과 20.0% 이하이다.

또한, Al을 제한하는 경우에는, 강화에 기여하는 Al을 제한하는 것이 되므로, Co를 약간 높이는 것이 바람직하다. 그러므로, Co의 범위를 Co: 10.0% 초과 20.0% 이하로 한다.

Ti는 본래 마레이징강에 있어서의 중요한 강화 원소의 하나이지만, 동시에 개재물인 TiN 또는 Ti(C, N)을 형성하여, 특히 초고사이클 역에서의 피로 강도를 저하시키는 유해 원소이다. 그러므로, Ti는 피로 강도를 중시하는 경우에는, 불순물로서 낮게 억제할 필요가 있다.

또한, Ti는 표면에 얇고 안정적인 산화막을 형성하기 쉽고, 이 산화막이 형 성되면 질화 반응을 저해하므로, 질화 표면의 압축 잔류 응력을 충분히 얻기 곤란하게 된다. 질화를 용이하게 하기 위하여, 또 질화 후의 표면의 압축 잔류 응력을 크게 하기 위하여, Ti는 유해한 불순물 원소이므로, 낮게 억제할 필요가 있다.

Ti는, 0.1%보다 많으면 TiN 또는 Ti(C, N)의 저감에 충분한 효과를 얻을 수 없고, 또한 안정적인 산화막을 표면에 형성하기 쉬우므로, Ti는 0.1% 이하로 하였다. 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하며, 0.01% 이하로 하는 것이 더 바람직하다.

Al은, 본 발명의 경우, 적극 첨가하는 경우와, 제한하는 경우의 2가지이다.

Al을 적극 첨가하면, 마레이징강의 강도를 향상시킬 수 있다. 그러므로, 강도를 중시할 경우에는 Al을 적극 첨가하는 것이 좋다. 적극 첨가하는 경우의 Al 함유량에 대하여 설명한다.

Al은, 통상, 탈산(脫酸)을 위해 소량 첨가되지만, 본래, 시효 처리 시에 Ni와 함께 금속간 화합물을 형성하여 강화에 기여하는 원소이다. Si, Mn, Ti를 저감한 본 발명의 금속 벨트용 마레이징강에서는 Al의 첨가에 의해 강도를 보충하는 것이 바람직하다. 또한, Ti를 저감시킨 마레이징강에 있어서 질화 처리를 용이하게 하므로 양호한 질화층을 얻기 위해서도 Al의 첨가가 필요하다. Al은, 0.15% 이하에서는 시효 처리에 의한 충분한 강화 작용을 얻지 못하고, 한편 2.5%보다 많으면 AlN, Al₂O₃ 개재물을 많이 형성하여 피로 강도를 저하시키거나, 표면에 얇고 안정적인 산화막을 형성하여 질화 반응을 저해하므로, Al은 0.15% 초과 2.5% 이하로 하였다. 그리고, Al을 적극 첨가하면, 마레이징강 표면 거칠기가 약간 거칠어지는 경 우가 있다. 그러므로, Al을 적극 첨가하는 경우의 바람직한 상한을 1.5%로 한다.

Al의 함유량을 제한하면 마레이징강 중의 비금속 개재물을 저감시킬 수 있다. 또한, Al에 의한 마레이징강 표면의 거칠기를 평탄하게 유지하기 쉬워지므로, 피로 파괴의 기점을 적게 하여, 피로 강도를 중시하는 경우에는, Al은 제한하는 것이 바람직하다. Al을 제한하는 경우의 바람직한 함유량에 대하여 설명한다.

Al은, 산소, 질소와 결합되어 비금속 개재물을 형성하고, 피로 강도를 저하시킬 우려가 있으므로, 피로 강도를 중시하는 경우에는 낮게 억제하면 된다. Al은 0.1% 이상 첨가하면 AlN, Al₂O₃ 개재물이 쉽게 형성되고, 피로 강도를 저하시키는 경우가 있으므로, Al을 0.1% 미만으로 제한해도 된다. Al의 바람직한 범위는 0.05% 이하이다.

또한, Al, Ti는 모두 비금속 개재물을 형성하는 원소이므로, Al+Ti의 총량을 낮게 억제하는 것이 피로 강도 향상에 효과적이므로, Al+Ti를 0.1% 이하로 한다. Al+Ti의 바람직한 범위는 0.07% 이하이다.

Co, Mo 및 Ti는, 모두 마레이징강에 있어서의 주요한 강화 원소이며, 또 Al도 마레이징강 시효 강화에 기여하는 원소이다. Ti를 낮게 억제하면, Ti에 의한 강도의 저하분을 Co, Mo의 첨가량을 증가시키거나, 또는 Al을 적극 첨가하는 경우에는, Co, Mo에 더하여 Al의 첨가량을 증가시킴으로써 보충할 필요가 있다. 그러나, 각 원소의 강화에 대한 기여는 동일하지는 않으며, Co 및 Al에 의한 강화분은 Mo에 의한 강화분의 각각 1/3 및 4배이다.

따라서, Co, Mo, Al에 의한 강화는 Co/3 + Mo + 4Al로 정리할 수 있다. 질량%로 Co/3 + Mo + 4Al의 값이 8.0%보다 적으면 강도가 충분하지 않고, 한편 15.0%를 초과하면 강도가 너무 높아져서, 인성 저하의 우려가 있으므로, Co/3 + Mo + 4Al은 8.0∼15.0%로 하였다. 바람직한 Co/3 + Mo + 4Al의 범위는 10.0∼15.0%이다.

N은, Ti와 결합하여 TiN 또는 Ti(C, N)의 개재물을 형성하여, 특히 초고사이클 역에서의 피로 강도를 저하시키는 불순물 원소이다. Ti를 포함하는 마레이징강에서는, 조대한 TiN 또는 Ti(C, N)의 형성을 방지하기 위하여, N를 대폭 낮게 억제할 필요가 있다. 그러나, Ti를 실질적으로 포함하지 않는 마레이징강에서는, 통상적인 진공 용해로 혼입되는 N량이라도 좋지 못한 영향을 적게 받으므로, 0.03% 이하로 하였다. 0.01% 이하의 범위가 바람직하며, 0.005% 이하의 범위가 더 바람직하다.

O는, 산화물계 개재물을 형성하여 인성, 피로 강도를 저하시키는 불순물 원소이므로, 0.005% 이하로 제한했다. 0.003% 이하가 바람직하다.

B는, 냉간 가공 후에 고용화 처리를 행할 때의 구오스테나이트 결정립을 미세화하여 강화에 기여하고, 또한 표면의 결이 거칠어 지는 것을 억제하는 효과를 가지는 원소이며, 필수적으로 첨가한다. B가 0.01%보다 많으면 인성이 저하되므로, B는 0.01% 이하(0%는 포함하지 않음)로 하였다. 0.005% 이하(0%는 포함하지 않음)가 바람직하다. 구오스테나이트 결정립을 보다 확실하게 미세화할 수 있는 바람직한 B의 하한은 0.0002%이며, 더 바람직한 하한은 0.0003%이다.

본 발명에 있어서는, Ca: 0.01% 이하, Mg: 0.005% 이하 중에서 1이상을 함유할 수 있다.

본 발명의 마레이징강은, 진공 유도 용해 또는, 진공 유도 용해 후, 또한 진공 아크 재용해 또는 일렉트로 슬래그(electro slag) 재용해를 행하는 등의 진공 분위기 중의 용해에 의해 잉곳(ingot)을 제조할 수 있다. 그러나, 이들 진공 분위기 중의 용해를 행하더라도, 완전하게 비금속 개재물을 없애는 것은 기술적으로 곤란하다.

본 발명의 경우, 강도 향상을 목적으로 하여 Al을 적극 첨가하는 경우가 있으므로, 예를 들면 25㎛를 초과하도록 한 조대하며 경질인 Al₂O₃ 개재물이 형성될 위험성이나, Al₂O₃가 클러스터화될 위험성이 있다. Al₂O₃ 개재물은 경질·고융점이며, 예를 들면 열간 소성 가공 중에서도 실질적으로 변형되지 않는다. 그러므로, 예를 들면, 냉간 압연 시의 롤에 흠을 발생시켜 금속 벨트용 마레이징강의 표면 결함을 생기게 할 가능성이 있으므로, Al₂O₃ 개재물을 다른 산화물과의 복합 개재물로 만들어, 경도를 저하시키거나 융점을 저하시키는 것이 바람직하다. 또한, 이와 동시에 클러스터화를 방지할 수 있는 원소를 첨가하여, 개재물 결함을 방지하는 것이 바람직하다.

Al₂O₃ 개재물을 복합 개재물로 만드는 데 유효한 원소로서는, Si, Mn, Ca, Mg를 들 수 있지만, 본 발명에서는 Si, Mn은 인성과 연성을 저하시키는 원소로서 첨가량을 규제한다. 그러므로 Si, Mn 이외의 Ca, Mg 중에서 1종 이상을 첨가함으 로써, Al₂O₃ 개재물을 복합 개재물로 만드는 것이 바람직하다. 또한, Ca, Mg에는 Al₂O₃ 개재물의 클러스터화를 방지하는 효과도 있다. 그러므로, 본 발명에 있어서는, Ca: 0.01% 이하, 혹은 이에 더하여 Mg: 0.005% 이하를 함유하는 것으로 했다.

그리고, 이 Ca와 Mg의 효과를 확실하게 얻으려면, Ca는 0.001%, Mg는 0.0001%를 하한으로 하면 된다.

이상, 설명한 원소 이외는, Fe 및 불가피한 불순물로 한다.

그리고, 이하의 원소는,하기의 범위에 있으면, 탈산, 탈유 등의 목적으로 첨가해도 된다.

Zr≤0.01%

본 발명의 마레이징강은, 10% 이상의 냉간 가공 후, 조성에 따른 적절한 온도, 예를 들면 780∼1000℃ 정도의 온도로 고용화 처리함으로써 구오스테나이트 결정립(여기서, 마레이징강의 경우, 결정립은 구오스테나이트 결정립을 가리킴)을 ASTM No.10 이상으로 세립화할 수 있다.

본 발명의 마레이징강에서는, 결정립을 세립화함으로써, 경도, 인장 강도, 피로 강도, 충격 인성 등을 안정적으로 높일 수 있더나, 강 스트립에 있어서는 표면의 결이 거칠어 지는 것을 경미하게 할 수 있는 등의 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 마레이징강은, 전술한 바와 같이 Al을 2.5% 이하의 범위로 함유시킨다.

본 발명의 마레이징강에서는, Al의 함유량에 따라, 마레이징강 표면의 형상 이 거칠어지는, 특징적인 현상이 생기는 것을 새로운 지견으로서 얻었다. 이는, 확산 계수가 높은 Al이, 예를 들면 고용화 열처리 등의 고온 열처리와 그 분위기에 의해, 표면에 농화됨으로써 표면 산화를 일으키는 경우가 원인으로 추측하고 있다.

표면 형상이 거칠어지면, 예를 들면 본 발명의 마레이징강을 자동차용 무단 변속기에 사용되는 동력 전달용 금속 벨트에 사용한 경우, 저사이클 측에서의 피로 파괴의 위험성이 높아진다. 그러므로, 가능한 한 Al에 의한 표면 형상을 평탄하게 유지하는 것이 바람직하다.

특히 Al을 적극 첨가한 마레이징강에 있어서는, 마레이징강의 표면을 평탄하게 하는 데는, 기계적인 연마나 화학적인 표면 에칭에 의해 표면을 평탄하게 하는 방법을 들 수 있지만, 마레이징강의 소재의 상태로, Al의 표면 농화를 최대한 억제하는 것이 중요하다.

냉간 가공 전의 소재에서는, 소재 표면에 형성된 산화층은 제거됨으로써, 표면의 Al 농화층도 제거된다고 여겨지므로, 특히, 냉간 가공 중에 행하는 고용화 처리 분위기를 산소나 질소 등으로 하여, Al과 결합하여 산화물이나 질화물이 되기 어려운 분위기로 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 진공 분위기, 수소 분위기, Ar 분위기 등이면 된다. 이 중, 냉간 압연재를 연속적으로 처리할 수 있는 수소 분위기, Ar 분위기로 하는 것이 생산성의 관점에서 바람직하다. 특히 수소는 염가이므로, 수소를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 마레이징강은, 질화를 저해할 가능성이 있는 안정적인 산화막을 표면에 형성하는 Ti를 실질적으로 포함하지 않기 때문에, 통상의 가스 질화, 가스 연질화, 침류 질화, 이온 질화, 염욕 질화 등의 각종 질화 처리를 용이하게 할 수 있다. 또한, Ti를 포함하지 않는 금속 벨트용 마레이징강에서는 저하되기 쉬운 질화층의 압축 잔류 응력의 절대값에 대해서도, 질화 경도나 질화층의 압축 잔류 응력의 절대값을 높이는 효과가 있는 Cr, Al에 의해 질화층의 압축 잔류 응력의 절대값을 높일 수 있다.

또한, 전술한 본 발명에서 규정하는 화학 조성 범위 내에 조정된 마레이징강을, 예를 들면 0.5mm 이하의 밴드형으로 형성하여 금속 벨트용 마레이징강의 강 스트립으로 만들고, 금속 벨트용 마레이징강의 강 스트립에 적절한 조건으로 질화 처리를 행하면, 질화물을 실질적으로 형성하지 않고 표면에 20∼40㎛정도의 얇은 질화층을 형성할 수 있으며, 표면에 큰 압축 잔류 응력을 부여할 수 있어서, 피로 특성의 향상을 기대할 수 있다.

그리고, 표면의 압축 잔류 응력은 높은 쪽이 피로 특성에 유리하다고 여겨지고 있고, 그 컨트롤은 질화층의 두께를 적절하게 조정함으로써 가능하게 된다.

본 발명의 금속 벨트용 마레이징강은, 높은 인장 강도, 높은 피로 강도를 가지고, 질화도 용이하므로 자동차 엔진의 무단 변속기용 금속벨트에 매우 적합하다.

[실시예]

이하의 실시예로 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 마레이징강 및 비교강을 진공 유도 용해로에서 용해하고, 10kg의 잉곳을 제작하고, 균질화 소둔(燒鈍)을 실시 후, 열간 단조했다. 또한, 열간 압연, 냉간 압연에 의해 약 0.3mm 두께의 강 스트립을 제작하고, 금속 벨트용 마레이 징강으로 만들었다. 그 후, 820∼900℃에서 고용화 처리를 행하고, 490℃에서 시효 처리를 더 행한 후에, 450∼470℃에 있어서 질화 깊이가 20∼40㎛로 되는 조건으로 가스 연질화를 행하였다.

그리고, 고용화 처리는 수소 분위기에서 실시하였다. 본 발명의 No.6 및 No.15의 0.3mm 두께의 강 스트립 표면의 전자 현미경 사진을 도 1 및 도 2에 나타낸다. 도 1은 Al을 적극 첨가한 마레이징강이며, 표면이 약간 거칠어져 있지만, 수소 분위기 중에서 고용화 처리를 행하였으므로, 파단의 기점이 되는 표면 결함은 확인할 수 없었다.

도 2는 Al을 제한한 마레이징강이며, 표면 형상이 평탄하게 되어 있는 것을 알 수 있다.

표 1에 본 발명의 마레이징강 No.1∼8(Al 적극 첨가), 강 No.11∼16(Al 제한), 종래 강 및 비교 강 No.21∼22의 화학 조성을 나타낸다. 여기서, 비교 강 No.21은 Ti를 포함하는 종래 강, 비교 강 No.22는 Ti를 포함하지 않고, 또한 Cr, Al을 무첨가로 한 마레이징강이다. 어느 쪽의 마레이징강도 C를 0.01% 이하의 범위로 조정하여, 용접성의 저하를 방지하였다. 또한, 본 발명의 강의 Al을 적극 첨가한 No.5, No.6은 Mg를 첨가했다. Mg 함유량은 No.5가 10ppm, No.6이 6ppm이었다. 또한, 본 발명의 Al을 규제한 본 발명의 강 No.15, No.16에도 Mg를 첨가했다. Mg 함유량은 No.15가 7ppm, No.16가 12ppm이었다.

그리고, 표에는 나타내지 않지만, 전술한 본 발명의 강 및 비교 강의 단면에 의해, 1000배의 시야에서 랜덤하게 10 시야를 전자 현미경과 X선 분석 장치를 사용 하여, 미세 개재물의 관찰 및 분석을 행하였다. 그 결과, 비교 강 No.21을 제외한 모든 시험편에서 3㎛를 초과하는 TiN이나 Ti(C, N)의 개재물은 관찰되지 않았다.

또한, 후술하는 피로 시험을 실시한 본 발명의 강 No.1, No.6, No.15에 대해서는, 1000배로 10 시야의 전자 현미경에 의한 단면 관찰을 행하였으나, Al₂O₃ 개재물은 관찰할 수 없었다.

또한, 표 2에 각 시료를 시효한 후의 구오스테나이트 결정립도, 인장 강도, 질화 처리 후의 내부 경도, 표면 경도, 및 질화 처리 후의 표면의 잔류 응력을 나타낸다. 여기서, 표 2의 잔류 응력의 부호는, +가 인장, -가 압축을 나타내고 있으며, 모두 압축 잔류 응력이다. 또한, 본 발명의 강 중에서, No.1, 6, 15 및 종래 강 No.21, 비교 강 No.22를 480℃에서 시효한 후의 피로 시험 결과를 표 3에 나타낸다.

피로 시험은, 회전 굽힘, 인장 압축, 비틀림의 각종 응력 부하 양식이 있지만, 본 발명의 마레이징강을 스트립재로 만들고 있으므로 휨 응력을 부하하는 평가 방법이 적합하다. 그러므로, 반복 굽힘 피로 시험에 있어서, 종래의 마레이징강이 파단하도록 높은 응력을 부여했을 때 파단되지 않으면 높은 피로 강도를 가지고 있는 것이 분명하다. 그러므로, 평균 응력이 537MPa, 최대 응력이 1016MPa로 반복 휨 응력을 부여했을 때, 파단 반복 횟수 10⁷회까지 실시하였다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

표 2로부터, 본 발명의 마레이징강을 사용한 금속 벨트용 마레이징강은 어느 쪽도 시효 후의 인장 강도가 1700MPa 이상이며, 금속 벨트 용도로서 충분한 강도를 가지고 있다. 특히, Al을 적극 첨가한 마레이징강은, 시효 후의 인장 강도가 1900MPa 이상이었다. 또한, 질화 후에 있어서도 높은 내부 경도, 표면 경도와 큰 표면 압축 잔류 응력을 가지는 것을 알 수 있고, Ti를 포함하는 종래 강 No.21과 비교해도 동등 이상의 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 발명 강은, B를 첨가한 효과에 의해, 구오스테나이트 결정립도가 ASTM No.10 이상의 세립을 유지하고 있다.

한편, Ti를 무첨가로 하고, 또한 Cr, Al을 첨가하지 않는 비교 강 No.22는, 시효 후의 인장 강도, 질화 후의 내부 경도, 표면 경도, 표면 압축 잔류 응력이 본 발명 강에 비해 낮다. 또한, B를 포함하지 않으므로, 결정립이 약간 조대해지는 결과가 되었다.

또한, 표 3에서, 본 발명의 강 No.1, 6은 시효 후의 피로 시험 결과에서 반복 파단 횟수가 10⁷회를 초과하고 있다. 또한, 본 발명의 강 No.15도 종래 강 No.21보다 우수한 피로 특성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 강은 전술한 바와 같이 종래 강과 비교하여 질화 특성이 우수하므로, 질화 처리에 의해 피로 특성의 향상을 한층 더 기대할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 마레이징강을 사용한 금속 벨트용 마레이징강은, 종래의 마레이징강보다 높은 피로 강도로 할 수 있다.

본 발명의 마레이징강은, 가혹한 조건에서 사용되는 금속 벨트에 사용할 수 있으므로, 자동차용 무단 변속기 등에 사용되는 동력 전달 금속 벨트와 같은 높은 인장 강도, 높은 피로 강도가 요구되는 부재에 적용할 수 있다.

Claims (8)

1. 질량%로 C: 0.01% 이하, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.1% 이하, P: 0.01% 이하, S: 0.005% 이하, Ni: 17.0∼22.0%, Cr: 0.1∼4.0%, Mo: 3.0∼7.0%, Co: 7.0% 초과 20.0% 이하, Ti: 0.1% 이하, Al: 2.5% 이하, N: 0.03% 이하, O: 0.005% 이하, B: 0.01% 이하(0은 포함하지 않음), Co/3 + Mo + 4Al: 8.0∼15.0%, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 마레이징강.
2. 제1항에 있어서,

   질량%로 Cr: 0.1∼3.0%, Al: 0.15% 초과 2.5% 이하인, 마레이징강.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   질량%로 C: 0.008% 이하, Ni: 18.0% 초과 22.0% 이하, Mo: 5.0% 초과 7.0% 이하, Ti: 0.05% 이하, Co/3 + Mo + 4Al: 10.0∼15.0%인, 마레이징강.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   질량%로 Co: 12.0% 초과 20.0% 이하인, 마레이징강.
5. 제1항에 있어서,

   질량%로 Co: 10.0% 초과 20.0% 이하, Ti: 0.05% 이하, Al: 0.1% 미만, Al+Ti: 0.1% 미만이고, 높은 피로 강도를 갖는, 마레이징강.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   질량%로 Ca: 0.01% 이하, Mg: 0.005% 이하 중 1종 이상을 포함하는, 마레이징강.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   결정립도가 ASTM No.로 10 이상의 세립인, 마레이징강.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 마레이징강을 사용하여 이루어진 금속 벨트용 마레이징강.

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