KR20100070386A - 파단 분할형 커넥팅 로드용 강 - Google Patents

파단 분할형 커넥팅 로드용 강 Download PDF

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KR20100070386A
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아키히로 마츠가사코
고로 아난
게이타 시이하시
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

C: 0.25 내지 0.5%(질량%의 의미, 이하 같음), Si: 0.01 내지 2.0%, Mn: 0.50 내지 2.0%, P: 0.015 내지 0.080%, S: 0.01 내지 0.2%, V: 0.02 내지 0.20%, Cr: 0.05 내지 1.0%, Ti: 0.01 내지 0.10%, 및 N: 0.01% 이하를 함유하고, 하기 수학식으로 표시되는 f값이 0.003 이상 0.04 이하이며, 또한 황화물계 개재물의 평균 종횡비가 15 이하인 것을 특징으로 하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강을 제공한다.
f=[Ti]-[N]×48/14
[상기 수학식에서, [Ti] 및 [N]은 각각 강 중에 있어서의 Ti 및 N의 함유량(질량%)을 나타낸다.]

Description

파단 분할형 커넥팅 로드용 강{STEEL FOR FRACTURE SPLIT CONNECTING RODS}
본 발명은, 자동차 엔진 등의 부품으로서 사용되는 커넥팅 로드(이하, 콘 로드(con rod)로 생략하기도 한다)의 제조에 적합하게 사용되는 강에 관한 것이다.
가솔린 엔진이나 디젤 엔진 등의 내연 기관에는, 피스톤과 크랭크 샤프트의 사이를 연결하고, 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 샤프트에 전달하여 회전 운동으로 변환하는 부품으로서 콘 로드가 사용되고 있다. 이 콘 로드는, 크랭크 샤프트에 조립 부착하기 위한 대략 원형의 관통 구멍을 갖춘 부품이며, 이의 조립 부착이나 보수에서의 떼어냄을 쉽게 하기 위해서, 관통 구멍 부분이 2개의 대략 반원으로 분리(분할)되도록 구성되어 있다. 분리된 콘 로드 중 피스톤과 직접 결합하는 쪽은 콘 로드 본체로 호칭되고, 나머지는 콘 로드 캡으로 호칭된다.
이러한 콘 로드는, 예컨대 콘 로드 본체와 콘 로드 캡을 별개로 열간 단조한 후, 절삭에 의한 접합면(mating face)의 가공을 실시하여 제조할 수 있다. 또한, 이 경우, 필요에 따라 어긋남을 방지하기 위해서, 녹 핀(knock pin) 가공이 실시되는 것도 있다. 그러나, 이러한 가공을 실시하면 재료의 수율 양(yield quantity)이 저하되는 이외에, 다수의 공정을 거치기 때문에 비용이 상승한다는 문제가 있었다.
그래서, 콘 로드를 일체로 열간 단조하고, 기계 가공(크랭크 샤프트에 조립 부착하기 위한 관통 구멍 형성 가공(구멍 뚫기 가공)이나 볼트 구멍 가공 등)을 실시한 후, 관통 구멍 부분이 2개의 대략 반원이 되도록 냉간으로 파단 분할(분할 가공(fracture splitting process))하고, 최후에 크랭크 샤프트를 끼워 파단면(fracture surface)을 감합하고, 볼트로 체결하여 조립하는 방법이 실시되고 있다. 이 방법에 의하면, 파단면에 대하여 절삭에 의한 접합면의 가공을 실시할 필요가 없어진다.
또한, 콘 로드용 강에 관해서는 피삭성(machinability)의 개선 요구가 높아지고 있다. 그러나, 피삭성과 파단 분할성의 양립은 일반적으로 곤란하다. 피삭성을 향상시키기 위해서는 합금 성분을 적게 하여 강의 경도를 낮추는 것이 생각되지만, 합금 성분을 적게 하면 강의 연성이 높아져, 파단 분할성이 저하된다. 이들은 트레이드 오프(trade-off)의 관계에 있고, 그 양립은 어렵다.
예컨대, 파단 분할성이 우수한 콘 로드용 강으로서, 특허문헌 1 내지 3이 알려져 있다. 특허문헌 1은, Si, V, P, N, A1, Ti, Nb, N, B 등의 양을 제어하여 취성 파괴(brittle fracture)를 촉진하는 것을 제안하고 있고, 특허문헌 2는, Si, V, P 등의 양을 제어하여 취성 파괴를 촉진하는 것을 제안하고 있으며, 특허문헌 3은 Al, N 등의 양을 제어하여 취성 파괴를 촉진하는 것을 제안하고 있다. 또한, 이들 특허문헌 1 내지 3은, Ti를 첨가하면 취성 파괴를 촉진할 수 있다고 한다. 그러나, 이들 콘 로드용 강은 피삭성이 나쁘다. 예컨대, 특허문헌 1에 대하여 말하면, 실시예에 있어서 C량이 0.5%보다 많거나, V나 Cr 등의 합금 원소가 지나치게 사용되고 있다. 또한, C 등의 함유량이 억제되어 있는 경우에는, 반대로 Ti를 0.10%를 넘게 사용함으로써 파단 분할성을 확보하고 있다. 또한, 특허문헌 2 및 3도 실시예에서는 Ti를 0.10%를 넘게 사용하고 있어, 피삭성이 뒤떨어진다.
일본 특허 제3235442호 공보 일본 특허 제3416868호 공보 일본 특허 제3416869호 공보
본 발명은 상기와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것이며, 그 목적은 파단 분할성과 피삭성을 양립할 수 있는 파단 분할형 콘 로드용 강을 제공하는 것에 있다.
C량이 0.25 내지 0.5%인 강에 있어서는, Ti 등의 합금 원소를 첨가하지 않으면, 파단 분할성이 매우 나빠진다(도 1의 Ti량 0.002%의 예를 참조). 강의 취성을 높여 파단 분할성을 높이기 위하여는, 합금 원소의 첨가가 유효하다(도 1의 Ti량 0.125%의 예를 참조). 그러나, Ti를 많이 첨가하면 피삭성이 저하된다. 종래 기술로부터 생각하면, 파단 분할성과 피삭성은 트레이드 오프의 관계에 있고, 이들을 양립하기 위한 구체책은 나타나지 않았었다.
그런데, 본 발명자들이 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 연구를 거듭한 결과, 유효 Ti(질화물을 형성하지 않고 있는 Ti)의 관점으로부터 Ti량을 정리했을 때, 매우 미량의 유효 Ti에서 파단 분할성이 급격히 높아지고 그 후 즉시 효과가 포화하는 것, 한편 피삭성의 저하는 완만하고 유효 Ti량(f값)이 매우 미량인 경우에는 피삭성은 거의 저하하지 않는 것(도 2 참조), 따라서 유효 Ti량(f값)의 관점에서 Ti량을 제어하면 파단 분할성과 피삭성을 양립할 수 있는 것(도 1 참조)을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.
즉, 본 발명에 따른 파단 분할형 커넥팅 로드용 강은, C: 0.25 내지 0.5%(질량%의 의미, 이하 같음, Si: 0.01 내지 2.0%, Mn: 0.50 내지 2.0%, P: 0.015 내지 0.080%, S: 0.01 내지 0.2%, V: 0.02 내지 0.20%, Cr: 0.05 내지 1.0%, Ti: 0.01 내지 0.10%, N: 0.01% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물(inevitable impurities)로 이루어지고, 하기 수학식 1로 표시되는 f값이 0.003 이상 0.04 이하이며, 강 표면으로부터 D/4(D는 강의 두께 또는 직경)의 위치에서의 종 단면에 있어서, 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물이 1mm2당 1OO 내지 4,OOO개 존재하는 동시에, 이 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 평균 종횡비(aspect ratio, 길이/폭)가 15 이하인 점에 요지를 갖는다.
[수학식 1]
f=[Ti]-[N]×48/14
[상기 수학식에서, [Ti] 및 [N]은 각각 강 중에 있어서, Ti 및 N의 함유량(질량%)을 나타낸다.]
상기 강은, 또한 Zr: 0.15% 이하, Ca: 0.005% 이하, Mg: 0.005% 이하, Te: 0.1% 이하, REM: 0.3% 이하, Al: 0.05% 이하, Nb: 0.05% 이하, Cu: 1.0% 이하, Ni: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하, Bi: 0.1% 이하의 1종 이상 등을 함유하고 있어도 좋다. 또한, Ca를 함유하는 경우, Al은 0.01% 이하로 하는 것이 추천된다.
본 발명의 강은 (a) Ti가 0.08% 이하인 것이나, (b) V: 0.10% 이하인 것도 바람직한 태양이다.
본 발명에 의하면, C량이 0.25 내지 0.5%의 강에 있어서, Ti량, N량, 유효 Ti량(f값) 등을 적절히 제어하고 있기 때문에, 콘 로드용 강의 파단 분할성과 피삭성의 양쪽의 특성을 높일 수 있다.
도 1은 유효 Ti량(f값)을 변화시켰을 때의 파단 분할성과 피삭성의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 유효 Ti량(f값)과 파단 분할성 또는 피삭성의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3(a)는 파단 분할성 시험에 이용하는 시험편의 개략적인 평면도이며, 도 3(b)는 상기 시험편의 개략 측면도이다.
도 4는 파단 분할 시험의 방법을 설명하기 위한 장치 개략도이다.
도 5는 파단 분할 시험 전후의 시험편의 개략 평면도이다.
본 발명의 강에 대하여, 우선 그 화학 성분 조성으로부터 설명한다. 본 발명의 강의 화학 성분 조성은 이하와 같다.
C: 0.25 내지 0.5%
C는 강도를 확보하기 위해서, 및 파단 분할성을 높이기 위해서 필요한 원소이다. 그래서, C량의 하한을 0.25%로 정했다. C량은 바람직하게는 0.30% 이상, 보다 바람직하게는 0.35% 이상이다. 그러나, C량이 과잉이면 피삭성이 저하된다. 그래서, C량을 0.5% 이하로 정했다. C량은 바람직하게는 0.48% 이하, 보다 바람직하게는 0.45% 이하이다.
Si: 0.01 내지 2.0%
Si는 강을 용제할 때의 탈산 원소(deoxidation element)로서 유용하다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서 Si량은, 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상, 더욱 바람직하게는 0.10% 이상이다. 그러나, Si량이 과잉이면 피삭성 및 열간 가공성이 저하된다. 그래서, Si량을 2.0% 이하로 정했다. Si량은 바람직하게는 1% 이하, 보다 바람직하게는 0.7% 이하이다.
Mn: 0.50 내지 2.0%
Mn은 용제(produce)시에 탈산 및 탈황 원소(desulfurizing element)로서 작용하는 동시에, 주조시의 균열을 방지하는 원소이다. 또한, Mn은 S와 결합하여 황화물계 개재물(예컨대, MnS 등)을 형성하고, 파단 분할시에 노치 효과(notch effect)를 발휘하여, 파단 분할성을 향상시킨다. 이들 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, Mn량을 0.50% 이상으로 정했다. Mn량은 바람직하게는 0.70% 이상, 보다 바람직하게는 0.90% 이상이다. 그러나 Mn량이 과잉이면, 금속 조직 중에 베이나이트(bainite)가 생성하여, 피삭성 및 파단 분할성이 저하된다. 그래서, Mn량을 2.0% 이하로 정했다. Mn량은 바람직하게는 1.8% 이하, 보다 바람직하게는 1.5% 이하이다.
P: 0.015 내지 0.080%
P는 입계에 편석(segregate)하여 인연성(toughness and ductility)을 저하시키기 때문에, 파단 분할성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 그래서, 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해, P량을 0.015% 이상으로 정했다. P량은 바람직하게는 0.020% 이상, 보다 바람직하게는 0.030% 이상이다. 또한, P는 지나치게 되면 강의 열간 가공성이 저하된다. 그래서, P량을 0.080% 이하로 정했다. P량은 바람직하게는 0.070% 이하, 보다 바람직하게는 0060% 이하이다.
S: 0.01 내지 0.2%
S는 황화물계 개재물(sulfide system inclusion, 예컨대 MnS 등)을 형성하고, 파단 분할시의 노치 효과를 발휘하여 파단 분할성을 향상시키는 동시에, 피삭성을 향상시키는 원소이다. 이들의 효과를 충분히 발휘시키기 위해서 S량은 0.01% 이상으로 정했다. S량은 바람직하게는 0.020% 이상, 보다 바람직하게는 0.030% 이상이다. 그러나, S량이 지나치게 되면 열간 가공성이 저하된다. 그래서, S량을 0.2% 이하로 정했다. S량은 바람직하게는 0.1% 이하, 보다 바람직하게는 0.07% 이하이다.
V: 0.02 내지 0.20%
V는 강의 강도를 확보하기 위해서, 및 파단 분할성을 향상시키기 위해서 유용한 원소이다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, V량은 바람직하게는 0.02% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상이다. 그러나, V량이 지나치게 많아도 그 효과는 포화하며, 또한 과잉 첨가는 피삭성의 저하나 비용 상승을 초래한다. 그래서, V량을 0.20% 이하로 정했다. V량은 바람직하게는 0.19%이하, 보다 바람직하게는 0.17% 이하이다.
V량에 관하여, 가장 바람직한 태양에서는 V: O.1O% 이하이다. V: O.1O% 이하이면 충분한 파단 분할성이 확보됨과 동시에, V를 지나치게 첨가하지 않은 것에 의하여 피삭성의 저하를 방해하기 때문에, Ca 등의 피삭감성 향상 원소를 첨가하지 않아도 충분한 피삭성을 확보할 수 있다. V량은 또한 바람직하게는 0.08% 이하, 특히 0.06% 이하이다.
Cr: 0.05 내지 1.0%
Cr은 내력이나 피로 강도 등의 강도 상승에 기여하는 원소이다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Cr량은 바람직하게는 0.05% 이상, 보다 바람직하게는 0.10% 이상, 더욱 바람직하게는 0.13% 이상이다. 그러나 Cr량이 지나치게 되면 강의 피삭성이 저하된다. 그래서, C량을 1.0% 이하로 정했다. Cr량은 바람직하게는 0.90% 이하, 보다 바람직하게는 0.70% 이하이다.
Ti: 0.01 내지 0.10%
Ti는 강의 파단 분할성을 향상시키기 위해서 중요한 원소이다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서 Ti량을 0.01% 이상으로 정했다. Ti량은 바람직하게는 0.018% 이상, 보다 바람직하게는 0.020% 이상이다. 그러나, Ti량을 많게 하면 강의 피삭성이 저하된다. 또한, 후술하는 유효 Ti량(f값)이 높아지도록 하여 두면, Ti를 근소하게 첨가한 것만으로 급격히 파단 분할성이 향상하며, 더욱 첨가량을 늘려도 파단 분할성은 향상하지 않는다. 따라서, Ti는 후술하는 유효 Ti량(f값)을 확보할 수 있는 한, 최대한 적게 하는 것이 바람직하다. 그래서, Ti를 0.10% 이하로 정했다. Ti량은 바람직하게는 0.08% 이하, 보다 바람직하게는 0.07% 이하, 특히 0.06% 이하이다.
N: 0.01% 이하
본 발명은 피삭성 개선을 위해 Ti 첨가량을 저감하는 한편, 이 소량의 Ti를 유효하게 이용하여 파단 분할성도 효과적으로 개선하고자 하는 것이다. 강 중의 N량을 제한함으로써 TiN의 형성을 억제할 수 있고, 소량의 Ti를 유효 이용할 수 있다. 그래서, N량을 0.01% 이하로 정했다. N량은 바람직하게는 0.009% 이하, 보다 바람직하게는 0.007% 이하이다. 한편, N량의 하한에 관해서는 특별히 한정되지 않지만, 0.002% 이상이어도 좋다.
본 발명의 콘 로드용 강의 기본 성분 조성은 상기 대로이며, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 의해서 반입되는 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다. 또한, 본 발명의 콘 로드용 강은, 필요에 따라 이하의 임의 원소를 함유하고 있어도 좋다.
Zr: 0.15%이하,
Ca: 0.005% 이하,
Mg: 0.005% 이하,
Te: 0.1% 이하,
REM: 0.3% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상
Zr, Ca, Mg, Te 및 REM은, 황화물계 개재물(MnS 등)을 구상화하여, 파단 분할성을 향상시키는 데 유용한 원소이며, 필요에 따라 강에 함유시켜도 좋다. 특히, Mn이 많아질수록 파단 분할성이 저하되기 쉽게 되기 때문에, 이 영향을 최대한 피하기 위해서는, Zr, Ca, Mg, Te 또는 REM 등을 첨가하는 것이 추천된다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, Zr량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상, Ca량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.001% 이상이며, Mg량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.001% 이상이며, Te량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.001% 이상이며, REM량은 바람직하게는 0.0001% 이상, 보다 바람직하게는 0.001% 이상이다.
그러나, 이들의 양이 지나치게 많아도 그 효과는 포화하며, 비용 상승을 초래한다. 또한, Zr량이 과잉이면 피삭성이 저하된다. 한편, Ca량, Mg량, Te량이 과잉이면 산화물계 개재물이 증가하여, 강의 피로 강도가 저하된다. 따라서, 이들 원소를 함유시키는 경우, 그 상한을 상기한 바와 같이 정했다. Zr량은 보다 바람직하게는 0.13% 이하(특히 0.12% 이하), Ca량은 보다 바람직하게는 0.004% 이하(특히 0.003% 이하), Mg량은 보다 바람직하게는 0.004% 이하(특히 0.003% 이하), Te량은 보다 바람직하게는 0.05% 이하(특히 0.03% 이하), REM량은 보다 바람직하게는 0.1% 이하(특히 0.05% 이하)이다. 한편, Zr, Ca, Mg, Te 및 REM은 각각을 단독으로 첨가할 수도 있고, 조합하여 첨가할 수도 있다.
Al: 0.05% 이하, 및
Nb: 0.05% 이하의 적어도 한쪽
Al, Nb는 탈산 및 결정립 미세화(grain refining)에 유용한 원소이며, 강도 향상에 기여한다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, Al량은 바람직하게는 0.01% 초과, 보다 바람직하게는 0.02% 이상, Nb량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상이다. 그러나, 이들의 첨가가 지나치게 많아도 그 효과는 포화하기 때문에, 그 상한을 상기한 바와 같이 정했다. Al량은 보다 바람직하게는 0.04% 이하(특히 0.035% 이하), Nb량은 보다 바람직하게는 0.045% 이하(특히 0.040% 이하)이다. 또한, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 강에 Ca를 첨가하는 경우가 있다. Ca를 첨가하면 노즐이 막히기 쉽게 되기 때문에, Ca를 첨가하는 경우에는, Al량은 바람직하게는 0.01% 이하, 보다 바람직하게는 0.007% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Cu: 1.0% 이하,
Ni: 1.0% 이하,
Mo: 1.0% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상
Cu, Ni 및 Mo는, 강의 강도 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라 강에 함유시켜도 좋다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서, Cu량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상이며, Ni량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이며, Mo량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.1% 이상이다. 그러나, Cu량이 지나치게 되면, 제조시에 강 표면에 하자(mark)가 발생한다. 또한, Ni량은 지나치게 많아도 그 효과는 포화하며, 과잉 첨가는 비용 상승을 초래한다. 또한, Mo량이 지나치게 되면 강의 피삭성이 저하된다. 그래서, 이들 원소를 함유시키는 경우, 그 상한을 상기한 바와 같이 정했다. Cu량은 보다 바람직하게는 0.5% 이하, Ni량은 보다 바람직하게는 0.5% 이하, Mo량은 보다 바람직하게는 0.7% 이하이다.
Bi: 0.1% 이하
Bi는 피삭성 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서 Bi량은 바람직하게는 0.001%이상, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다. 그러나, Bi의 첨가량이 지나치게 많아도 그 효과는 포화하기 때문에, 그 상한을 상기한 바와 같이 정했다. Bi량은 보다 바람직하게는 0.08% 이하이다.
그리고, 본 발명의 특징은 강 조성을 상기 범위로 조제(draw up)한 뒤에, 유효 Ti량(f값)도 적절히 제어하는 점에 있다. 유효 Ti량이란, 강 중의 Ti량으로부터 TiN을 뺀 나머지 Ti량을 의미하며, 본 명세서에서는 f값이라고 하는 경우도 있다. 파단 분할성을 유효 Ti량의 관점에서 정리하면, 매우 미량의 유효 Ti에서 파단 분할성이 급격히 높아지고, 그 후 즉시 효과가 포화한다. 한편, 피삭성의 저하는 완만하고 유효 Ti량(f값)이 매우 미량인 경우에는 피삭성은 거의 저하하지 않는다. 따라서, 파단 분할성이 급격히 높아지는 데 필요한 유효 Ti량(f값)을 확보할 수 있는 만큼의 Ti를 필요 최저한의 범위에서 이용함으로써, 파단 분할성과 피삭성의 양쪽을 향상할 수 있다.
유효 Ti량(f값)은 하기 수학식 1로 주어진다. 파단 분할성을 확실히 개선하기 위해서는, 유효 Ti량(f값)은 0.003 이상, 바람직하게는 0.005 이상, 더욱 바람직하게는 0.008 이상이다. 그러나, 유효 Ti량(f값)이 커지면 Ti의 첨가량이 증대하여 피삭성이 저하되기 쉽게 된다. 따라서, 유효 Ti량(f값)은 바람직하게는 0.04 이하, 더욱 바람직하게는 0.02 이하, 특히 0.015 이하이다.
[수학식 1]
f=[Ti]-[N]×48/14
[상기 수학식에서, [Ti] 및 [N]은 각각 강 중에 있어서의 Ti 및 N의 함유량(질량%)을 나타낸다.]
가장 바람직한 태양에서는, 유효 Ti량(f값)의 상기 하한값을 확실히 만족하여 파단 분할성을 확보한 뒤에, 유효 Ti량(f값)의 상한 및 강 중 Ti 함유량의 상한이 가능한 한 좁혀진다. 이와 같이 하는 것으로 파단 분할성을 확실히 높이면서, 피삭성을 가장 높일 수 있다. 유효 Ti량(f값)과 강 중 Ti 함유량을 최대한 좁힌 경우, 유효 Ti량(f값)은 0.015 이하, 강 중 Ti 함유량은 0.06% 이하이다.
또한, 본 발명의 콘 로드용 강으로서는, 황화물계 개재물(예컨대 MnS 등)의 종횡비를 작게 하는 것이 필요하다. 황화물계 개재물은 압연이나 열간 단조에 의해서 압연 방향이나 단조 방향으로 연신한다. 이 연신한 황화물계 개재물이, 강의 파단 분할시에 세로 결(longitudinal direction, 파단 분할면에 대하여 수직 방향으로 연신)로 존재하면, 크랙(crack)의 진전에 따라, 황화물계 개재물과 금속 매트릭스의 사이가 박리하여, 응력의 완화가 일어난다. 그 결과, 취성적인 파단이 저해되어 인연성 값이 향상하고, 파단 분할성의 저하를 가져온다. 이에 대하여, 황화물계 개재물의 연신을 억제하여 종횡비를 작게 하여 구상화시킨 경우는, 세로결에서 파단 분할할 때에, 황화물계 개재물의 주변에 발생하는 크랙 선단에서의 응력이 증대하여 취성적인 파단이 촉진된다. 그 결과, 소성 변형량을 낮게 할 수 있어, 강의 파단 분할성이 향상한다. 또한, 이 황화물계 개재물의 구상화에 의한 파단 분할성 향상 효과는 황화물계 개재물의 폭이 1μm 이상인 경우에 발휘된다. 황화물계 개재물의 폭이 지나치게 작으면, 황화물계 개재물 자체가 파단하여 버려, 강의 취성적인 파단을 촉진할 수 없게 된다.
이러한 파단 분할성 향상 효과를 발휘하기 위한 황화물계 개재물의 크기와 형태를 정량적으로 표현하면 이하와 같다. 즉, 본 발명의 강에서는, 강 표면으로부터 D/4(D는 강의 두께 또는 직경)의 위치의 종단면에서, 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물이 1mm2당 1OO개 이상 존재하고 있고, 이 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 종횡비(길이/폭)의 산술 평균값(arithmetic average, 평균 종횡비)이 15 이하이다.
평균 종횡비는 바람직하게 10 이하, 보다 바람직하게는 8 이하, 특히 6 이하이다. 평균 종횡비는 1에 가까울수록 바람직하고, 하한은 특별히 한정되지 않지만, 2 이상(또는 3 이상)이어도 좋다.
폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 개수는 1mm2당 바람직하게는 3OO개 이상, 보다 바람직하게는 400개 이상이다. 그러나, 황화물계 개재물의 개수가 많아지면 압연시나 열간 단조시에 균열 등의 폐해가 생기기 쉽게 된다. 따라서, 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물은 1mm2당 4,000개 이하로 했다. 바람직하게는 1mm2당 3,000개 이하, 보다 바람직하게는 2,500개 이하로 하는 것이 추천된다.
또한, 본 발명에 있어서의「황화물계 개재물」이란, 주로 MnS를 의미하는 것이지만, 그 외의 황화물 및 복합 황화물(complex sulfide)도 포함한다. 또한, 황화물계 개재물의 폭 및 평균 종횡비(길이/폭), 및 그 개수의 값은, 강 표면으로부터 D/4(D는 강의 두께 또는 직경)의 위치의 종단면에서 1mm2의 관찰 시야를 관찰 배율 1,000배에서 광학현미경을 관찰하여 구한 값이다.
또한, 황화물계 개재물의 크기와 형태는, Mn, S, 및 개재물 구상화 원소(Zr, Ca, Mg, Te 및 REM 등)의 첨가량에 따라 압연 조건을 적절히 설정하는 것으로, 소정 범위 내로 제어할 수 있다. 압연 조건에 관하여 말하면, 압연 개시 온도를 1,000℃ 이상의 범위로부터 선택하고, 압연 종료 온도를 850℃ 이상의 범위로부터 선택하는 것이 추천된다.
압연 개시 온도 및 압연 종료 온도를 높게 할수록, 황화물계 개재물의 종횡비가 작아지기 쉽고, 소정 값을 만족하기 쉽게 된다. 또한, 황화물계 개재물은 TiC나 TiN 등의 Ti의 석출물을 핵으로서 석출하기 쉽기 때문에, 강이 Ti를 포함하는 경우에는 종횡비가 작은 황화물계 개재물이 수많이 석출한다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 어느 것이나 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
실험예 1
표 1에 나타내는 화학 조성의 강을 보통의 용제 방법에 따라서 용해하여, 주조, 분괴(slabbing)한 후, 개시 온도 1,050℃, 종료 온도 900℃의 압연을 실시하여 φ50mm의 봉강을 수득했다.
수득된 봉강의 특성을 이하와 같이 하여 조사했다.
(1) 황화물계 개재물
봉강 표면으로부터 D/4(D는 직경)의 위치의 종단면에서, 1mm2의 시야를 광학현미경(1,000배)으로 관찰하여, 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 개수를 세었다. 또한, 이 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 종횡비를 측정하여, 그 산술 평균값을 구했다.
(2) 파단 분할성(치수 변화)
실험예에서 수득된 봉강을 적당한 길이로 절단한 후, 온도 1,200℃로 가열하여, 두께 25mm로 평궤(平潰) 단조 가공한 후, 공냉 처리 했다. 수득된 평판체를 절삭하여, 도 3에 나타낸 바와 같은 시험편으로 가공했다. 도 3 중, (a)는 시험편의 평면도, (b)는 시험편의 측면도를 나타내며, a는 노치, b는 볼트 구멍, c는 압연 방향을 나타내는 화살표이다. 시험편은 65mm×65mm×두께 22mm의 판상으로, 중앙은 φ43mm의 원통상의 구멍이 발취(拔取)되어 있다. 중앙의 구멍의 단부에는, 노치(a)(R 0.2mm, 깊이 0.5mm)가 설치되어 있다. 또한, 시험편에는 압연 방향을 따라 볼트 구멍(b)(φ8.3mm)이 설치되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 시험편(6)의 중앙의 구멍에 홀더(3a, 3b)를 통해서 프레스 시험기(1,600t 프레스)로 세트하고, 프레스 속도: 270mm/s에서, 시험편의 파단 분할을 했다. 또한, 시험편의 파단 속도는, 쐐기(4, 5)의 쐐기 각이 30°이기 때문에, 약 150mm/s로 계산된다. 그리고, 도 5에 나타낸 바와 같이, 파단 분할 전후의 구멍 직경 차이(difference of hole diameter, L2-L1)를 치수 변화로서 측정하고, 이 치수 변화가 0.15mm 이하인 것을 파단 분할성이 우수하다고 평가했다. 또한, 치수 변화 0.15mm 이하라는 기준은, 유럽에서 사용되고 있는 DIN 규격의 C70S6의 것과 동등하다.
(3) 피삭성(공구 수명)
실험예에서 수득된 봉강의 절단면에 프레이즈 가공한 후, 상기 프레이즈 가공면에, 하기의 조건으로 혈공(穴空) 가공하여, 공구가 파손(breakage) 또는 용융 손실(melting damage)할 때까지 가공한 거리(합계 길이)를 측정했다.
절삭 공구: SKH51(φ10 스트레이트 드릴)
절삭 속도: 30m/분
이송: 0.15mm/rev
구멍 깊이: 30mm
윤활 상태: 건식
혈공 위치: D/4(D는, 봉강의 직경)
각 봉강의 가공 거리 L을, 표 1의 강종 A1의 가공 거리 LA1을 기준으로 한 경우의 상대값으로 하여 정리하고, 공구 수명을 평가했다.
공구 수명=L/LA1
결과를 표 1 및 도 1, 도 2에 나타낸다.
Figure pct00001
표 1, 도 1, 도 2로부터 분명한 바와 같이, 유효 Ti량(f값)을 확보하면서 Ti 첨가량을 저감하면, 파단 분할성과 피삭성의 양쪽을 높일 수 있다.
실험예 2
표 2, 3에 나타내는 화학 조성의 강을 이용한 것 이외에는, 실험예 1과 같이 했다. 공구 수명에 관해서는, B 내지 H, J의 각 그룹마다, Ti 무첨가의 강종의 공구 수명을 1로 했을 때의 상대값으로 나타내었다.
결과를 표 4 내지 7에 나타낸다. 한편, 표 7에는 V를 0.160%정도로 비교적 많이 포함하는 A그룹과의 공구 수명을 대비할 수 있도록, 강종 J1의 공구 수명을 1로 했을 때의 강종 A1의 공구 수명도 합쳐서 나타내었다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
C, Si, Mn 등의 각 성분 조성 및 유효 Ti량(f값)을 적절히 제어한 강종 B4, B5, B7, C2~4, D2, E2, E3, F2, G2 내지 4, H2는 파단 분할 후의 치수 변화가 0.15 mm 이하가 되어 파단 분할성이 우수함과 동시에, 공구 수명도 우수했다. 또한, 본 발명이 바람직한 태양인, V를 0.10% 이하의 범위로 함유시킨 J3 내지 J10은 양호한 파단 분할성을 나타냄과 동시에, Ca 등의 피삭성 향상 원소를 함유하지 않아도 공구 수명이 우수했다.
실험예 3
표 2에 나타내는 강종 H2를 이용하여, 압연 개시 온도 및 압연 종료 온도를 하기 표 8에 나타내는 대로 한 것 이외에는, 실험예 1과 같이 했다.
결과를 표 8에 나타낸다.
Figure pct00008
표 8로부터 분명한 바와 같이, 압연 개시 온도 및 압연 종료 온도를 높게 할수록, 황화물계 개재물의 종횡비를 작게 할 수 있다.
1: 프레스
2: 지지대
3a, 3b: 홀더
4, 5: 쐐기
6: 시험편

Claims (7)

  1. C: 0.25 내지 0.5%(질량%의 의미, 이하 같음),
    Si: 0.01 내지 2.0%,
    Mn: 0.50 내지 2.0%,
    P: 0.015 내지 0.080%,
    S: 0.01 내지 0.2%,
    V: 0.02 내지 0.20%,
    Cr: 0.05 내지 1.0%,
    Ti: 0.01 내지 0.10%,
    N: 0.01% 이하
    를 함유하며, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지고,
    하기 수학식 1로 표시되는 f값이 0.003 이상 0.04 이하이고,
    강 표면으로부터 D/4(D는 강의 두께 또는 직경)의 위치에서의 종 단면에 있어서, 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물이 1mm2당 100 내지 4,000개 존재하는 동시에, 이 폭 1μm 이상의 황화물계 개재물의 평균 종횡비(길이/폭)가 15 이하인 것을 특징으로 하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
    [수학식 1]
    f=[Ti]-[N]×48/14
    [상기 수학식에서, [Ti] 및 [N]은 각각 강 중에 있어서의 Ti 및 N의 함유량(질량%)을 나타낸다.]
  2. 제 1 항에 있어서,
    Ti가 0.08% 이하인 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
  3. 제 1 항에 있어서,
    V: 0.10% 이하인 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
  4. 제 1 항에 있어서,
    Zr: 0.15% 이하,
    Ca: 0.005% 이하,
    Mg: 0.005% 이하,
    Te: 0.1% 이하,
    REM: 0.3% 이하
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 함유하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
  5. 제 1 항에 있어서,
    Al: 0.05% 이하, 및
    Nb: 0.05% 이하
    중 적어도 한쪽을 추가로 함유하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
  6. 제 1 항에 있어서,
    Cu: 1.0% 이하,
    Ni: 1.0% 이하,
    Mo: 1.0% 이하
    로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 함유하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
  7. 제 1 항에 있어서,
    Bi: 0.1% 이하
    를 추가로 함유하는 파단 분할형 커넥팅 로드용 강.
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