KR20110104118A - 피삭성이 우수한 저비중 단조용 강 - Google Patents

Abstract

열간 단조에서 성형한 직후의 조정 냉각에 의하여, 고강도이고, 우수한 피삭성을 나타내며, 통상의 단조용 강재보다 저비중의 단조용 강이고, 강의 조성을 C: 0.05 내지 0.50%, Si: 0.01 내지 1.50%, Mn: 3.0 내지 7.0%, P: 0.001 내지 0.050%, S: 0.020 내지 0.200%, Al: 3.0 내지 6.0%, Cr: 0.01 내지 1.00%, N: 0.0040 내지 0.0200%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것으로 한다.

Description

피삭성이 우수한 저비중 단조용 강{LOW-SPECIFIC GRAVITY STEEL FOR FORGING HAVING EXCELLENT MACHINABILITY}

본 발명은 자동차 부품, 기계 구조 부품 등에 사용되는 피삭성이 우수한 저비중의 단조용 강에 관한 것이다.

지구 환경의 보전이 요구되는 최근, 대기 오염, 지구 온난화의 한 원인이 되는 자동차의 배기 가스의 저감, 특히 단위 주행거리당 이산화탄소 배출량을 저감하는 것이 급선무이다. 이산화탄소 배출량을 저감하려면 연비 저감이 필수이고, 연비 저감을 위하여는 차량의 경량화가 큰 효과를 발휘한다.

자동차 부품 중에서, 엔진이나 하부에 사용되는 철강 소재의 단조 부품이나 절삭 가공 부품에는, 종래부터 탄소강, 특수강 및 V 함유의 비조질강이 사용되고 있다. 이러한 강은 그 조성의 약 97% 이상이 Fe, Mn, Cr, V 등의 비중이 Fe와 동등하거나 그 이상으로 큰 원소이기 때문에, 어느 강이나 비중이 7.8 전후이다.

지금까지의 자동차 부품의 경량화는 소재의 비중이 일정하다는 전제하에서, 강 소재의 고강도화에 의한 박육화나 부품 형상의 변경에 의하여 달성되어 왔지만, 최근에는 강 소재 그 자체의 비중을 저감하는 것도 검토되고 있고, Fe를 주체로 하는 저비중 강에 대하여도 몇 가지 제안되어 있다.

Fe를 주체로 한 저비중강의 예로서는, 예컨대 특허문헌 1, 2에 기재된 Al를 많이 함유하는 자동차용 강판이 있다.

특허 문헌 1에는 C: 0.01 초과 내지 5%, Si: 3.0% 이하, Mn: 0.01 내지 30.0%, P: 0.1% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 3.0 내지 10.0%, N: 0.001 내지 0.05%를 함유하고, 비중<7.20이고, 인장 강도: TS(MPa)와 파단 연신 El(%)의 곱의 값: TS×El이 10000MPa·% 이상인 고강도 저비중 강판이 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 2에는 특허 문헌 1의 강판과 동일한 조성을 가지고, Al을 10 초과 내지 32.0%로 하여, 더 저비중으로 한 고강도 저비중 강판이 기재되어 있다.

상기 특허 문헌 1, 2의 강판은 입계 취화 조장 원소인 P와 S를 저감한 Al 함유 강을, 950 내지 960℃ 이하로 마무리 압연하고 재결정에 의하여 결정립을 미세화하며, 또한 권취 온도를 조정하여 강판의 가공성을 향상시키는 조직 미세화 제어를 실시하여 제조되고 있다. 그 결과, 강판은 충분한 연성을 획득하고 있다.

이와 같이, 열간 압연하여 제조되는 강판에서는 압연 과정에서의 압연 조건제어에 의하여 조직의 미세화가 가능하기 때문에, 소재로서 비교적 다량의 Al를 함유하는 강을 제조할 수 있다.

한편, 열간 단조의 일반적 공정은 약 1200℃ 이상의 온도로 봉강을 가열한 후, 단조 성형을 약 1100℃까지 끝내고, 그 후에는 강재의 특성에 맞춘 냉각을 하기만 하면 된다. 이 때문에, 다량으로 Al를 함유하는 강을 열간 단조에 적용하려고 하면, 강판과 같은 치밀한 조직 제어를 할 수 없기 때문에, 단조 후의 조직은 조대화하고, 강도와 인성이 떨어지는 것이 된다.

압연 강판과 열간 단조품에는 이상과 같은 차이가 있기 때문에, 특허 문헌 1, 2에 기재된 강은 그 모두가 열간 단조용 소재로서 적용할 수 있는 것이 아니며, 또한 구조용 강으로서 필요한 피삭성에 대하여 충분한 것은 아니다.

예를 들면, 자동차용 하부 부품과 같은 단조 부품에서는 인장 강도 800 MPa 이상의 고강도가 요구되는 동시에, 대량 생산을 가능하게 하는 우수한 피삭성도 요구되는 경우도 많다. 특허 문헌 1, 2에 기재된 강에서는 피삭성에 대하여는 전혀 고려하고 있지 않으며, 특히, 기계 가공을 전제로 하였을 경우, S량은 완전히 부족하다.

또한, 다른 예로서는, 특허 문헌 3에 기재된 철 합금이 있다. 특허 문헌 3에는 Mn: 5.0 내지 15.0 (미만)%, Al: 0.5 내지 10.0%, Si: 0.5 내지 10.0%, C: 0.01 내지 1.5%로 이루어지고, α상 분율 10 내지 95%인 γ+α의 2상을 구비한 저비중 철 합금이 기재되어 있다.

이 철 합금에서는 Al를 높여 비중을 저감하고, 또한 주로 Mn를 높여 γ상을 안정화하고, 최종적으로 10 내지 95%의 α상을 가진 γ+α의 2상 조직을 형성하여, 높은 비강도와 가공성을 얻는 것이다. 특히, 우수한 냉간 가공성은 α분율 약 60% 이하에서 얻어진다.

이 철 합금의 경도와 냉간 가공율은 γ과α의 비에 크게 의존하므로, 공업적으로 사용하려면 안정적으로 γ과 α의 비를 조정할 필요가 있다.

그러나, 열 가공으로부터 시작하여 각종 열처리를 거친 후에, 목적으로 하는 γ/α비를 제대로 얻기가 어려워서, 공업적인 제조에는 적합하지 않다고 하는 문제가 있다.

또한, 이 합금은 우수한 경도를 얻는 것을 목적으로 하고 있고, S는 함유되지 않으며, 피삭성에 대하여는 전혀 고려되어 있지 않다.

이상에서는 각종 구조용 Al 함유 강에 대하여 설명하였지만, Al 함유 강 전체를 보면, 내식성, 내고온산화성 또는 제진성을 이용하는 용도가 주를 이룬다. 일례로서 특허 문헌 4를 들 수 있다. 특허 문헌 4에는 염가의 스테인리스 대체 강으로서의 Fe-Mn-Al 합금이 개시되어 있다.

특허 문헌 1 일본 공개 특허 공보 2005-15909호 특허 문헌 2 일본 공개 특허 공보 2005-120399호 특허 문헌 3 일본 공개 특허 공보 2005-325388호 특허 문헌 4 일본 공개 특허 공보 소57-181363호

본 발명은 열간 단조에 의하여 성형한 후, 그대로 조정 냉각하였을 경우에도, 고강도이고, 또한 우수한 피삭성을 나타내며, 통상의 단조용 강보다 저비중의 열간 단조용 강을 제안하는 것을 과제로 하는 것이다.

종래, 비교적 다량의 Al를 함유하는 강이 강도와 인성을 필요로 하는 단조 소재로서 적용되지 않았던 것은, 저비중화를 목적으로 하여 강에 Al를 다량으로 첨가하면, 고온에서 통상 일어나는 오스테나이트 변태가 없어지고, 그 때문에, 통상의 강과 같이 가열과 냉각시에 변태에 의하여 스스로 조직을 미세화하지 못하고, 고온으로부터 상온까지 조대한 페라이트 조직이 되어 버리기 때문이라고 생각된다.

이 조대한 페라이트 조직의 강은 열간 단조 시에 단조 균열이나 스크래치가 발생하고, 상온에서는 기계적 성질이 열화하기 때문에, 단조용으로서는 사용할 수 없다.

이에 먼저, 본 발명자들은 열간 단조 온도역인 고온에 있어서 오스테나이트가 안정적으로 발현하는 Al 함유 강의 조성을 검토하였다.

그 결과, 본 발명자들은 통상의 단조용 강과 비교하여 충분히 저비중이 되는 양의 Al를 함유하고, 열간 단조의 가열 온도역에서 오스테나이트상이 안정적으로 발현되며, 또한 구조 부품으로서의 기계적 성질을 열화시키지 않는 최적의 강 조성의 조합을 찾아내었다.

다음으로, 단조 부품으로서의 중요한 성질인 피삭성에 대하여 더 검토를 한 바, Al를 비교적 많이 함유한 강은 매우 우수한 피삭성, 즉 우수한 공구 수명을 나타내는 것도 분명해졌다.

이상과 같은 검토의 결과 이루어진 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 질량%로, C: 0.05 내지 0.50%, Si: 0.01 내지 1.50%, Mn: 3.0 내지 7.0%, P: 0.001 내지 0.050%, S: 0.020 내지 0.200%, Al: 3.0 내지 6.0%, Cr: 0.01 내지 1.00%, N: 0.0040 내지 0.0200%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 저비중 단조용 강.

(2) 추가로, 질량%로, V: 0.05 내지 0.30%, Nb: 0.05 내지 0.30%, Ti: 0.005 내지 0.050%의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 피삭성이 우수한 저비중 단조용 강.

본 발명에 의하면, 자동차 부품이나 그 밖의 기계 구조용 부품으로서 충분한 강도와 인성을 구비하고, 또한 피삭성이 우수한 저비중의 단조용 강을 제공할 수 있다.

본 발명에서는 일반적인 단조 가열 온도인 1200℃로 가열하는 과정 및 1200℃로부터 냉각하는 과정에 있어서, 강 조직의 일부가 오스테나이트 조직이 되도록, 또한, 강의 피삭성을 확보할 수 있도록 하는 관점에서, 강 조성에 대하여 검토하였다.

그 결과, 오스테나이트 조직으로 하기 위한 C, Mn, Al의 최적의 함유량 및 피삭성을 확보하기 위한 S 등의 최적의 함유량을 밝혀내었다.

이하, 본 발명의 강 조성의 한정 조건에 대하여 설명한다. 또한, %는 질량%를 의미한다.

C: 0.05 내지 0.50%,

C는 단조품의 강도를 향상시키기 위하여, 또한, 단조 가열시에 오스테나이트 단상으로 변태하는 온도역을 넓힘으로써 안정적인 가공을 가능하게 하기 위하여 필수인 원소이다. 이 목적을 위하여 0.05% 이상 필요하지만, 0.50%를 넘으면 과도하게 강도가 상승하고, 연성이 저하하기 때문에 바람직하지 않다. C의 더 바람직한 범위는 O.15 내지 0.45%이다.

Si: 0.01 내지 1.50%

Si는 0.01% 이상을 첨가하면 고용 강화 원소로서 작용한다. 다량으로 첨가하였을 경우에는 비중을 저감하는 작용도 있다. 그러나, 1.50%를 초과하여 첨가하면 인성, 연성의 저하를 초래한다. Si의 더 바람직한 범위는 0.05 내지 0.50%이다.

Mn: 3.0 내지 7.0%

Mn는 오스테나이트 형성 원소로서 알려져 있고, 본 발명에 있어서도 단조 가열시에 조직을 오스테나이트로 변태시키기 위하여 첨가한다. 조직 전체 또는 일부를 오스테나이트로 변태시키려면 3.0% 이상이 필요하다. Mn량이 많아지면 그만큼 단조 가열시의 오스테나이트 변태량도 증가하지만, Mn의 함유량이 7.0%를 넘으면, 강을 과잉으로 강화하여 피삭성을 저하시키는 원인이 되기 때문에, 그 상한을 7.0%로 한다.

P: 0.001 내지 0.050%,

P는 적지만 가열시의 오스테나이트 변태량을 저감한다. 일반적인 제조 범위인 0.050% 이하에서는 그 효과에 의한 영향이 작기 때문에, 상한을 0.050%로 한다. 또한, 제강 기술상의 제약으로부터 하한을 0.001%로 한다.

S: 0.020 내지 0.200%,

S는 본 발명의 강에서는 그 모두가 강 중에 화합물 MnS로서 분산 석출하여, 피삭성을 향상시킨다. 또한, 정출/석출한 MnS 입자는 고온 가열시의 조직 조대화를 억제하고, 강의 강도와 연성을 향상시키는 효과도 있다. 피삭성을 향상시키기 위하여 필요한 MnS 입자를 확보하려면 0.020% 이상의 S 첨가가 필요하다. 한편, 0.200%를 초과하여 첨가하면 MnS 입자를 조대화시키기 때문에, 인성의 저하를 초래한다. S의 더 바람직한 범위는 0.030 내지 0.100%이다.

Al: 3.0 내지 6.0%,

Al은 강의 비중을 저감시키는 동시에 피삭성을 향상시키는 원소이다. Al의 첨가량이 증가하면, 그에 따라 강의 비중이 저하된다. 그러나, 과도한 양을 첨가하면, 가열시에 오스테나이트 변태가 전혀 일어나지 않고, 상온으로부터 액상선 온도까지 페라이트 조직이 되어, 열간 단조 후의 페라이트 조직은 매우 조대화한다. 그 결과, 열간 단조 시에 균열이나 스크래치가 발생하기 쉬워지고, 또한 단조품의 인성이나 연성은 극히 낮은 것이 된다.

열간 단조에 사용되는 V 함유 비조질강에 대하여, 적어도 4% 이상의 비중 저감을 확보하려면, 3.0% 이상의 Al을 첨가하여야 한다. 또한, 열간 단조 후의 조직을 충분히 미세화하여 우수한 인성, 연성을 얻으려면, 일반적인 단조 가열 온도인 1200℃로 가열하는 과정에 있어서, 적어도 조직의 일부가 오스테나이트 변태할 것 필요가 있고, 그러기 위하여는 Al량은 6.0% 이하이어야 한다. 이 때문에, Al의 함유 범위는 3.0 내지 6.0%로 한다.

또한, 상기 범위의 Al를 함유하고 있는 강은 절삭 가공시의 공구 수명을 향상시키는 기능이 있다. 금속 절삭에 있어서는 절삭 중에 피삭재가 공구에 응착하여 탈락함으로써, 절삭 공구가 마모하는 것이 알려져 있으나, 본 발명의 강에서는 강 중에 포함되는 Al이 절삭 중의 공구상에 안정적인 보호막을 형성하여, 응착을 방지 하는 작용을 하고, 그 때문에 공구 수명이 늘어나는 것으로 생각할 수 있다.

Cr: 0.01 내지 1.00%,

Cr는 본 발명의 강 조성의 범위에 있어서 고용 강화 원소이며, 강의 강화를 위하여 0.01% 이상을 첨가한다. 그러나, 비용 억제를 위하여 1.0% 이하로 한정한다.

N: 0.0040 내지 0.0200%

N는 AlN를 형성하고, 가열시의 조직 조대화를 방지하여 인성, 연성을 향상시키는 작용이 있다. 조직 조대화를 방지하려면, 적어도 0.0040% 이상이 필요하다. 그러나, 보이드가 없는 건전한 주조 조직을 얻기 위하여 상한을 0.0200%로 한다.

본 발명은 이상과 같은 성분 조성을 가지고, 잔부가 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 기본으로 하지만, 또한 V: 0.05 내지 0.30%, Nb 0.05 내지 0.30%, Ti: 0.005 내지 0.050%의 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하여도 좋다.

V, Nb, Ti은 모두 탄질화물을 형성하고, 가열시의 조직 조대화를 방지한다. 조직 조대화 방지에 필요한 양의 탄질화물을 얻으려면, V는 0.05% 이상, Nb은 0.05% 이상, Ti은 0.005% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 다량으로 첨가하면 탄질화물이 조대화하여 인성, 연성을 저하시키기 때문에, 각각의 원소의 상한을, V는 0.30%, Nb은 0.30%, Ti은 0.050%로 한다.

또한, 강을 일반적인 단조 가열 온도인 1200℃ 전후로 가열하는 과정 및 1200℃ 전후로부터 냉각하는 과정에 있어서, 오스테나이트 조직의 면적율이 더 커지도록 하려면 C, Si, Mn, Al의 함유량이, 아래 (식 1)를 만족하는 범위에 있는 것이 좋다.

-3.3×%C+0.2×%Si-0.31×%Mn+0.17×%Al+0.62≤O·· (식 1)

또한, 각 원소의 계수나 정수는 실험적으로 정한 것이다.

<실시예>

표 1에 기재된 합금 원소를 함유하고, 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 진공 용해로를 사용하여 150 ㎏ 잉고트로 주조하였다.

이 잉고트들을 1230℃로 가열하여 단면 사이즈 30 mm각의 봉강으로 단신 가공으로 단신(鍛伸)하고, 시험의 출발재로 하였다. 이 출발재인 30 mm각의 봉강을 200 mm 길이로 절단하고, 열간 단조품을 재현할 목적으로 1200℃의 노에 20분 삽입하여 균열(均熱)한 후, 노로부터 꺼내어 유랭하고, 이어서 600℃에서 1시간의 템퍼링 처리를 하여 공시재로 하였다.

그 후, 공시재의 크로스 단면상, 표면으로부터 7.5 mm 깊이의 위치의 비커스 경도를 측정하고, 또한, 공시재의 길이 방향과 평행하게 인장 시험편 및 샤르피 충격 시험편(단면 10×10mm, 1.0mmR-2 mm 깊이의 노치)를 채취하여, 인장 강도와 상온 충격값을 측정하였다.

또한, 드릴 절삭용으로서 공시재를 28×28×21 mm의 시험편으로 가공하였다. 28×28 mm의 면은 단조품 길이 방향과 수평이고, 이것을 드릴 천공면으로 하였다.

드릴 천공 시험은 직경 3.0 mm의 드릴을 사용하고, 절삭 속도 1 내지 100 m/min, 전송 속도 0.25 mm/rev, 돌출량 45 mm으로 9 mm 깊이의 구멍을 뚫는 방법으로 실시하였다. 절삭제는 수용성 절삭유를 사용하였다.

드릴 공구의 수명은 누적 구멍 깊이 1000mm까지 절삭 가능한 최대 절삭 속도 VL1000 (m/min)로 평가하였다. 얻은 공시강의 공구 수명을, 공시강과 동일한 인장 강도의 탄소강(S=0.050%) 조질재를 절삭하였을 경우의 공구 수명과 비교하여, 두 경우의 비로 평가하였다. 따라서, 예컨대, 비(比)의 값이 「1.20」인 것은 동일한 1000mm를 천공하는 경우에, 공시강은 같은 경도의 조질강보다 20% 빠른 속도로 절삭할 수 있다는 것을 나타내고 있다.

이상의 측정의 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2로부터, 본 발명의 강은 비중이 7.20 내지 7.44인 것을 알 수 있다. 이 비중은 통상의 V 함유 비조질강의 비중, 예를 들면 S55CV의 7.79보다 약 5 내지 7%작은 비중으로 되어 있다.

또한, 단조를 모사한 처리 후의 기계적 성질은 800 MPa를 초과하는 인장 강도, 700 MPa를 초과하는 0.2% 내력을 나타내고 있고, 자동차용 샤시 부품에 적용하는데 충분한 샤르피 충격 값을 구비하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, VL1000로 비교한 피삭성은 동일한 경도의 조질강보다 29% 이상 우수하다.

이것에 대하여, 비교예의 강에서는 다음과 같이, 소망하는 기계적 성질을 얻을 수 없는 등의 문제가 있었다.

C가 적은 강 No.18, Mn이 적은 강 No.19에서는 내력, 인장 강도가 함께 저하되어 있다. 또한, 피삭성이 종래 강 정도의 수준이다. Si가 많은 강 No.20에서는 충격 값이 낮아지고 있다. Mn이 많은 강 No.21에서는 우수한 기계적 성질을 실현하고 있으나, Mn의 합금 비용이 비싸다. P가 많은 강 No.22 및 S가 많은 강 No.23에서는 충격값이 낮아져 있다.

Cr이 많은 강 No.24에서는 내력이 저하되어 있다. Al이 많은 강 No.25에서는 내력 및 충격값이 저하되어 있다. N가 적은 강 No.26, N이 많은 강 No.27은 모두 충격값이 저하되어 있다. 각 합금 원소의 첨가량은 적정하면서, A값이 0을 넘는 No.28에서는 내력, 충격값이 저하되어 있다. C가 많고, S이 적은 강 No.29에서는 내력이 저하되어, 피삭성의 향상이 인정되지 않는다.

<산업상 이용 가능성>

본 발명의 단조용 강은 저비중이고, 기계 구조용 부품의 경량화에 기여할 수 있는 동시에, 충분한 강도와 인성을 구비하고, 피삭성도 우수하므로, 이용 가능성이 크다.

Claims (2)

1. 질량%로,
   C: 0.05 내지 0.50%,
   Si: 0.01 내지 1.50%,
   Mn: 3.0 내지 7.0%,
   P: 0.001 내지 0.050%,
   S: 0.020 내지 0.200%,
   Al: 3.0 내지 6.0%,
   Cr: 0.01 내지 1.00%,
   N: 0.0040 내지 0.0200%를 함유하고,
   잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 저비중 단조용 강.
2. 제1항에 있어서, 추가로, 질량%로,
   V: 0.05 내지 0.30%,
   Nb: 0.05 내지 0.30%,
   Ti: 0.005 내지 0.050%의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는
   피삭성이 우수한 저비중 단조용 강.