KR20120010261A

KR20120010261A - 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프

Info

Publication number: KR20120010261A
Application number: KR1020117027233A
Authority: KR
Inventors: 히또시 하따노; 고따로오 도요따께
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼; 닛폰 하츠죠 가부시키가이샤; 신코 메탈 프로덕츠 카부시키카이샤
Priority date: 2009-05-15
Filing date: 2010-05-14
Publication date: 2012-02-02
Also published as: EP2434028A1; EP2434028A4; US20120070682A1; US9689051B2; WO2010131754A1; CN105483519A; JP5324311B2; BRPI1010985A2; JP2010265523A; EP2434028B1; CN102428199A; KR101386871B1

Abstract

본 발명은, 내주면이나 외주면에서의 탈탄의 발생을 최대한 저감하여, 스프링 제조시의 켄칭 단계에서, 외주면 및 내주면에서 표층부가 충분히 경화될 수 있고, 성형되는 스프링에 있어서 충분한 피로 강도를 확보할 수 있는 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프를 제공한다. 본 발명은, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프이며, C:0.2 내지 0.7질량％, Si:0.5 내지 3질량％, Mn:0.1 내지 2질량％, Al:0보다 크고 0.1질량％ 이하, P:0보다 크고 0.02질량％ 이하, S:0보다 크고 0.02질량％ 이하 및 N:0보다 크고 0.02질량％ 이하를 각각 함유하는 강재로 이루어지고, 중공 시임리스 파이프의 내주면 및 외주면에 있어서의 C 함유량이 0.10질량％ 이상인 동시에, 상기 내주면 및 외주면의 각각에 있어서의 전 탈탄층의 두께가 200㎛ 이하인 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프에 관한 것이다.

Description

고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프{HOLLOW SEAMLESS PIPE FOR HIGH-STRENGTH SPRINGS}

본 발명은, 자동차 등의 내연 기관의 밸브 스프링이나 현가 스프링 등에 사용되는 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프, 특히 그 외주면 및 내주면에 있어서의 탈탄(脫炭)을 저감한 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프에 관한 것이다.

최근, 배기 가스 저감이나 연비 개선을 목적으로 하는 자동차의 경량화나 고출력화의 요청이 높아짐에 따라, 엔진이나 클러치, 서스펜션 등에 사용되는 밸브 스프링, 클러치 스프링, 현가 스프링 등에 있어서도 고응력 설계가 지향되고 있다. 그로 인해, 이들 스프링은, 고강도화?세경화(細徑化)되어 가는 방향이며, 부하 응력이 더욱 증대되는 경향에 있다. 이러한 경향에 대응하기 위해, 내 피로성이나 내 세틀링성에 있어서도 한층 고성능의 스프링강이 강하게 요망되고 있다.

또한, 내 피로성이나 내 세틀링성을 유지하면서 경량화를 실현하기 위해, 스프링의 소재로서 지금까지 사용되고 있는 막대 형상의 선재(즉, 중실의 선재)가 아닌, 중공으로 한 파이프 형상의 강재이며 용접 부분이 없는 것(즉, 시임리스 파이프)이 스프링의 소재로서 사용되도록 되고 있다.

상기한 바와 같은 중공 시임리스 파이프를 제조하기 위한 기술에 대해서도, 지금까지 다양하게 제안되어 있다. 예를 들어, 특허 문헌 1에는, 천공 압연기의 대표라고 할 수 있는 만네스만 천공기(Mannesmann piercer)를 사용하여 천공을 행한 후(만네스만 천공), 냉간에서 맨드릴밀(Mandrel Mill) 압연(연신 압연)을 행하고, 또한 820 내지 940℃로 10 내지 30분의 조건으로 재가열하고, 그 후 마무리 압연하는 기술에 대해 제안되어 있다.

한편, 특허 문헌 2에는, 열간에서의 정수압 압출을 행하여, 중공 시임리스 파이프의 형상으로 한 후, 구상화 어닐링을 행하고, 계속해서 냉간에서 필거밀(pilger mill) 압연이나 인발 가공 등에 의해 신전(드로잉)하는 기술에 대해 제안되어 있다. 또한, 이 기술에서는 최종적으로, 소정의 온도로 어닐링을 행하는 것도 개시되어 있다.

상기한 바와 같은 각 기술에서는, 만네스만 천공이나 열간 정수압 압출을 행할 때에, 1050℃ 이상으로 가열하거나, 냉간 가공 전?후에 어닐링을 행할 필요가 있어, 열간에서의 가열 혹은 가공시에, 나아가서는 그 후의 열처리 공정에 있어서, 중공 시임리스 파이프의 내주면 및 외주면에 탈탄이 발생하기 쉽다고 하는 문제가 있다. 또한, 가열 처리 후의 냉각시에 있어서도, 페라이트와 오스테나이트 중에의 탄소의 고용량(固溶量)의 차이에 기인하는 탈탄(페라이트 탈탄)이 발생하는 경우가 있다.

상기한 바와 같은 탈탄이 발생하면, 스프링 제조시의 켄칭 단계에서, 외주면 및 내주면에서 표층부가 충분히 경화되지 않는다고 하는 사태가 발생하여, 성형되는 스프링에 있어서 충분한 피로 강도를 확보할 수 없다고 하는 문제가 발생한다. 또한, 통상의 스프링에서는 외면에 숏피닝 등에 의해 잔류 응력을 부여하여, 피로 강도를 향상시키는 것이 통상 행해지고 있지만, 중공 시임리스 파이프에 의해 성형한 스프링에서는, 내주면에 숏피닝을 할 수 없는 것 및 종래의 가공 방법에서는 내주면에서 흠집이 발생하기 쉬운 것으로부터, 내면의 피로 강도의 확보가 어려워진다고 하는 문제도 있다.

일본 특허 출원 공개 평1-247532호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-125588호 공보

본 발명은 이러한 상황하에 이루어진 것이며, 그 목적은, 내주면이나 외주면에서의 탈탄의 발생을 최대한 저감하여, 스프링 제조시의 켄칭 단계에서, 외주면 및 내주면에서 표층부가 충분히 경화될 수 있고, 성형되는 스프링에 있어서 충분한 피로 강도를 확보할 수 있는 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프를 제공하는 데 있다.

본 발명은 이하의 형태를 포함한다.

(1) 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프이며, C:0.2 내지 0.7질량％, Si:0.5 내지 3질량％, Mn:0.1 내지 2질량％, Al:0보다 크고 0.1질량％ 이하, P:0보다 크고 0.02질량％ 이하, S:0보다 크고 0.02질량％ 이하 및 N:0보다 크고 0.02질량％ 이하를 각각 함유하는 강재로 이루어지고, 중공 시임리스 파이프의 내주면 및 외주면에 있어서의 C 함유량이 0.10질량％ 이상인 동시에, 상기 내주면 및 외주면의 각각에 있어서의 전 탈탄층의 두께가 200㎛ 이하인 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.

(2) 내면 표층부에 있어서의 페라이트의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인 (1)에 기재된 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.

(3) 내주면에 존재하는 흠집의 최대 깊이가 20㎛ 이하인 (1)에 기재된 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.

(4) 내주면에 존재하는 흠집의 최대 깊이가 20㎛ 이하인 (2)에 기재된 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.

(5) 이하의 (a) 내지 (g)군 중 적어도 1군을 더 포함하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.

(a) Cr:0보다 크고 3질량％ 이하,

(b) B:0보다 크고 0.015질량％ 이하,

(c) V:0보다 크고 1질량％ 이하, Ti:0보다 크고 0.3질량％ 이하 및 Nb:0보다 크고 0.3질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

(d) Ni:0보다 크고 3질량％ 이하 및 Cu:0보다 크고 3질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

(e) Mo:0보다 크고 2질량％ 이하,

(f) Ca:0보다 크고 0.005질량％ 이하, Mg:0보다 크고 0.005질량％ 이하 및 REM:0보다 크고 0.02질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,

(g) Zr:0보다 크고 0.1질량％ 이하, Ta:0보다 크고 0.1질량％ 이하 및 Hf:0보다 크고 0.1질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상.

본 발명에서는, 소재로서의 강재의 화학 성분 조성을 적절하게 조정하는 동시에, 그 제조 조건을 엄밀하게 규정함으로써, 내주면이나 외주면에서의 페라이트 탈탄이 없고, 또한 탈탄층의 두께를 최대한 저감한 중공 시임리스 파이프를 실현할 수 있어, 이러한 중공 시임리스 파이프로부터 성형되는 스프링에 있어서 충분한 피로 강도를 확보할 수 있게 된다.

본 발명자들은, 탈탄을 발생시키지 않기 위한 조건에 대해, 여러 각도에서 검토하였다. 그 결과, 가공 후의 냉각 속도의 제어가 비교적 어려운 열간 정수압 압출이나 만네스만 천공에 의해 중공화하는 것이 아니라, 저온 압연, 제어 냉각이 가능한 통상의 열간 압연을 행하여, 탈탄이 없는 봉재(棒材)를 제조하고, 그 후에, 건드릴로 천공하여, 소정의 냉각 조건에서 냉각한 후, 냉간에서의 압연이나 드로잉(냉간 가공)에 의해 최종 형상으로 하면 되는 것이 판명되었다. 이와 같이 하여 제조 방법에 의해, 외주면 및 내주면 모두 탈탄이 없는(즉, 표면에서의 C 함유량이 0.10질량％ 이상이고, 전 탈탄층의 두께가 200㎛ 이하) 중공 시임리스 파이프의 제조가 가능해진다. 또한, 상기 전 탈탄층이라 함은, 파이프 두께의 중심부의 탄소 농도가 95％ 미만인 부분을 의미한다.

또한, 상기한 바와 같은 제조 방법에 따르면, 중공 파이프에 있어서의 조직 미세화에 의해, 스프링 켄칭시의 오스테나이트 입경을 미세화할 수 있고, 피로 강도의 개선도 가능해진다. 구체적으로는, 냉간 가공시에서의 가공률(단면 감소율)을 50％ 이상으로 한 후에, 650 내지 700℃ 정도의 비교적 저온으로 재결정 처리(어닐링)를 행함으로써, 내면 표층부에 있어서의 페라이트의 평균 결정 입경을 10㎛ 이하로 하는 것이 가능해진다. 또한, 상기 내면 표층부라 함은, 중공 시임리스 파이프의 내주면의 표면으로부터 깊이 500㎛까지의 영역을 의미한다.

또한, 상기 방법에 따르면, 건드릴로 중공화함으로써, 그 후의 냉간 가공(냉간 압연, 냉간에서의 드로잉) 공정을 짧게 할 수 있어, 만네스만 천공, 열간 정수압 압출, 혹은 냉간에서의 압연이나 드로잉에 의해 발생하고 있었던 내면 흠집을 대폭 저감할 수 있다. 종래에는, 최대 깊이 50㎛ 정도가 한계였지만, 본 발명에 따르면 최대 깊이 20㎛ 이하까지 내면 흠집을 저감할 수 있게 된다.

본 발명의 중공 시임리스 파이프는, 화학 성분 조성을 적절하게 조정한 강재에 대해(적절한 화학 성분 조성에 대해서는 후술함), 상기한 수순에 따라서 제조할 수 있다. 이 제조 방법에 있어서의 각 행정에 대해, 보다 구체적으로 설명한다.

[중공화 방법]

우선 중공화 방법으로서는, 빌릿의 가열 온도를 낮게 할 수 있고, 저온 압연, 제어 냉각이 가능한 통상의 열간 압연을 행하여, 중실의 환봉을 제작한 후, 건드릴법 등에 의해 중공화한다. 그 후, 드로잉이나 냉간 압연에 의해 소정의 직경, 길이까지 성형함으로써, 외주면, 내주면 모두 페라이트 탈탄, 총 탈탄(전 탈탄) 모두 작은 시임리스 파이프를 얻는 것이 가능하다. 또한, 이러한 공정에 의해, 냉간 가공시의 가공률을 저감할 수 있고, 내주면의 품질도 양호하게 할 수 있다(즉, 흠집을 작게 할 수 있다)고 하는 효과가 발휘된다.

[열간 압연시의 가열 온도 : 1050℃ 미만]

상기한 열간 압연 공정에 있어서, 그 가열 온도는 1050℃ 미만으로 하는 것이 권장된다. 이때의 가열 온도가 1050℃ 이상으로 되면, 총 탈탄이 많아지는 경향이 있다. 바람직하게는, 1020℃ 이하로 하는 것이 좋다.

[열간 압연시의 최저 압연 온도 : 850℃ 이상]

열간 압연시의 최저 압연 온도를 850℃ 이상으로 하는 것도 바람직하다. 이 압연 온도가 지나치게 낮아지면, 표면(외주면 및 내주면)에 페라이트가 생성되기 쉬워지는 경향이 있다. 이때의 온도는, 바람직하게는 900℃ 이상으로 하는 것이 좋다.

[압연 후의 냉각 조건 : 압연 후 720℃까지의 평균 냉각 속도를 1.5℃/초 이상, 그 후, 500℃까지의 평균 냉각 속도를 0.5℃/초 이하]

상기한 바와 같은 조건으로 열간 압연을 행한 후, 720℃까지를 강제 냉각함으로써, 표면에서의 페라이트 생성(페라이트 탈탄의 발생)을 방지할 수 있다. 이러한 냉각 효과를 발휘시키기 위해서는, 720℃까지의 평균 냉각 속도를 1.5℃/초 이상으로 하는 것이 좋다. 이때의 평균 냉각 속도는, 바람직하게는 2℃/초 이상으로 하는 것이 좋다. 이러한 강제 냉각을 행한 후에는, 500℃까지를 평균 냉각 속도:0.5℃/초 이하로 냉각한다. 상기한 강제 냉각의 종료 온도로부터, 500℃까지의 냉각 속도가 지나치게 빠르면, 강재의 경도가 높아지므로 그 후의 어닐링에서의 연화에 시간이 걸리게 된다. 이러한 관점에서, 500℃까지의 평균 냉각 속도를 0.5℃/초 이하(예를 들어, 방냉)로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.3℃/초 이하로 하는 것이 좋다.

[냉간 가공 조건]

상기한 바와 같은 제어 냉각을 행한 후(및 건드릴 천공 후)에는, 냉간 가공을 실시하는 것이지만, 이때의 냉간 가공으로서는, 드로잉이나 냉간 압연이 권장된다. 이러한 가공을 행할 때에는, 단면 감소율(RA) 50％ 이상의 가공을 가한 후에, 750℃ 이하의 저감으로 재결정(어닐링)시킴으로써, 페라이트의 평균 결정 입경을 10㎛ 이하로 할 수 있고, 스프링 제조시의 열처리시에 오스테나이트(γ) 입경이 미세화됨으로써, 스프링의 피로 수명을 개선하는 효과가 있다. 상기 냉간 가공에서는, 단면 감소율을 50％ 이상으로 하고, 어닐링을 700℃ 이하로 행하는 것이 보다 효과적이다.

[어닐링 공정]

상기한 냉간 가공 후에는, 필요에 따라 어닐링을 행하지만, 이때의 가열 온도는, 오스테나이트가 생성되는 영역까지 가열하면(구상화 어닐링), 탈탄이 발생하기 쉬워지므로, 페라이트 온도 영역에서 행하는 것이 필요하다. 또한, 상기한 바와 같이 페라이트의 평균 결정 입경을 10㎛ 이하로 한다고 하는 관점에서도, 이때의 가열 온도는 650 내지 700℃의 비교적 저온으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 중공 시임리스 파이프는, 소재로 되는 강재의 화학 성분 조성도 적정하게 조정되어 있는 것도 중요하다. 다음에, 화학 성분의 범위 한정 이유를 설명한다.

[C:0.2 내지 0.7％(「질량％」의 의미, 화학 성분 조성에 대해 이하 동일)]

C는, 고강도를 확보하는 데 필요한 원소이며, 그것을 위해서는 0.2％ 이상 함유시킬 필요가 있다. C 함유량은, 바람직하게는 0.30％ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.35％ 이상이다. 그러나 C 함유량이 과잉으로 되면, 연성(延性)의 확보가 곤란해지므로, 0.7％ 이하로 할 필요가 있다. C 함유량은, 바람직하게는 0.65％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.60％ 이하이다.

[Si:0.5 내지 3％]

Si는, 스프링에 필요한 내 세틀링성의 향상에 유효한 원소이며, 본 발명에서 대상으로 하는 강도 레벨의 스프링에 필요한 내 세틀링성을 얻기 위해서는, Si 함유량을 0.5％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 1.0％ 이상, 보다 바람직하게는 1.5％ 이상이다. 그러나 Si는 탈탄을 촉진시키는 원소이기도 하므로, Si를 과잉으로 함유시키면 강재 표면의 탈탄층 형성을 촉진시킨다. 그 결과, 탈탄층 삭제를 위한 필링 공정이 필요해지므로, 제조 비용의 면에서 적합하지 않다. 이러한 점에서, 본 발명에서는 Si 함유량의 상한을 3％로 하였다. 바람직하게는 2.5％ 이하, 보다 바람직하게는 2.2％ 이하이다.

[Mn:0.1 내지 2％]

Mn은, 탈산 원소로서 이용되는 동시에, 강재 중의 유해 원소인 S와 MnS를 형성하여 무해화하는 유익한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mn은 0.1％ 이상 함유시킬 필요가 있다. 바람직하게는 0.15％ 이상, 보다 바람직하게는 0.20％ 이상이다. 그러나 Mn 함유량이 과잉으로 되면, 편석대가 형성되어 재질의 편차가 발생한다. 이러한 점에서, 본 발명에서는 Mn 함유량의 상한을 2％로 하였다. 바람직하게는 1.5％ 이하이고, 보다 바람직하게는 1.0％ 이하이다.

[Al:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Al은, 주로 탈산 원소로서 첨가된다. 또한, N과 AlN을 형성하여 고용 N을 무해화하는 동시에 조직의 미세화에도 기여한다. 특히 고용 N을 고정시키기 위해서는, N 함유량의 2배를 초과하도록 Al을 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 Al은 Si와 마찬가지로 탈탄을 촉진시키는 원소이기도 하므로, Si를 많이 함유하는 스프링강에서는 Al의 다량 첨가를 억제할 필요가 있어, 본 발명에서는 0.1％ 이하로 하였다. 바람직하게는 0.07％ 이하, 보다 바람직하게는 0.05％ 이하이다.

[P:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

P는, 강재의 인성(靭性)이나 연성을 열화시키는 유해 원소이므로, 최대한 저감하는 것이 중요하고, 본 발명에서는 그 상한을 0.02％로 한다. 바람직하게는 0.010％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하로 억제하는 것이 좋다. 또한, P는 강재에 불가피적으로 포함되는 불순물이며, 그 양을 0％로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.

[S:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

S는, 상기 P와 마찬가지로 강재의 인성이나 연성을 열화시키는 유해 원소이므로, 최대한 저감하는 것이 중요하고, 본 발명에서는 0.02％ 이하로 억제한다. 바람직하게는 0.010％ 이하, 보다 바람직하게는 0.008％ 이하이다. 또한, S는 강에 불가피적으로 포함되는 불순물이며, 그 양을 0％로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.

[N:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

N은, Al, Ti 등이 존재하면 질화물을 형성하여 조직을 미세화시키는 효과가 있지만, 고용 상태로 존재하면, 강재의 인성?연성 및 내수소 취화 특성을 열화시킨다. 본 발명에서는, N량의 상한을 0.02％로 한다. 바람직하게는 0.010％ 이하, 보다 바람직하게는 0.0050％ 이하이다.

본 발명에서 적용하는 강재에 있어서, 상기 성분 외에(잔량부)는, 철 및 불가피적 불순물(예를 들어, Sn, As 등)로 이루어지는 것이지만, 그 특성을 저해하지 않을 정도의 미량 성분(허용 성분)도 포함할 수 있는 것이며, 이러한 강재도 본 발명의 범위에 포함되는 것이다.

또한 필요에 따라, (a) Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) B:0.015％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) V:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Nb:0.3％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, (d) Ni:3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 Cu:3％ 이하(0％를 포함하지 않음), (e) Mo:2％ 이하(0％를 포함하지 않음), (f) Ca:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 REM:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, (g) Zr:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ta:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Hf:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 등을 더 함유시키는 것도 유효하다. 이들 성분을 함유시킬 때의 범위 한정 이유는, 다음과 같다.

[Cr:3％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

냉간 가공성을 향상시키는 관점에서는, Cr 함유량은 적을수록 바람직하지만, Cr은 템퍼링 후의 강도 확보나 내식성 향상에 유효한 원소이며, 특히 고레벨의 내식성이 요구되는 현가 스프링에 중요한 원소이다. 이러한 효과는, Cr 함유량이 증대됨에 따라 커지지만, 이러한 효과를 우선적으로 발휘시키기 위해서는, Cr은 0.2％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.5％ 이상으로 하는 것이 좋다. 그러나 Cr 함유량이 과잉으로 되면, 과냉 조직이 발생하기 쉬워지는 동시에, 시멘타이트로 농화되어 소성 변형능을 저하시켜, 냉간 가공성의 열화를 초래하는 경우가 있다. 또한 Cr 함유량이 과잉으로 되면, 시멘타이트와는 다른 Cr 탄화물이 형성되기 쉬워져, 강도와 연성의 밸런스가 나빠지는 경우가 있다. 이러한 점에서, 본 발명에서 사용하는 강재에서는, Cr 함유량을 3％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 2.0％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.7％ 이하이다.

[B:0.015％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

B는, 강재의 켄칭?템퍼링 후에 있어서 구 오스테나이트 입계로부터의 파괴를 억제하는 효과가 있다. 이러한 효과를 발현시키기 위해서는, B를 0.001％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 B를 과잉으로 함유시키면, 조대한 탄붕화물을 형성하여 강재의 특성을 저해시키는 경우가 있다. 또한 B는, 필요 이상으로 함유시키면 압연재의 흠집의 발생 원인으로도 되는 경우가 있다. 이러한 점에서, B 함유량의 상한을 0.015％로 하였다. 보다 바람직하게는 0.010％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0050％ 이하로 하는 것이 좋다.

[V:1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ti:0.3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Nb:0.3％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

V, Ti 및 Nb는, C, N, S 등과 탄?질화물(탄화물, 질화물 및 탄질화물), 혹은 황화물 등을 형성하여, 이들 원소를 무해화하는 작용을 갖는다. 또한 상기 탄?질화물을 형성하여 조직을 미세화하는 효과도 발휘한다. 또한, 내지연 파괴 특성을 개선한다고 하는 효과도 갖는다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti, V 및 Nb 중 적어도 1종을 0.02％ 이상(2종 이상 함유시킬 때에는 합계 0.2％ 이상) 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 이들 원소의 함유량이 과잉으로 되면, 조대한 탄?질화물이 형성되어 인성이나 연성이 열화되는 경우가 있다. 따라서 본 발명에서는, V, Ti 및 Nb의 함유량의 상한을, 각각 1％, 0.3％, 0.3％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, V:0.5％ 이하, Ti:0.1％ 이하, Nb:0.1％ 이하이다. 나아가서는, 비용 저감의 관점에서, V:0.3％ 이하, Ti:0.05％ 이하, Nb:0.05％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[Ni:3％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및/또는 Cu:3％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Ni는, 비용 저감을 고려한 경우에는, 첨가를 줄이기 위해 그 하한을 특별히 정하지 않지만, 표층 탈탄을 억제하거나 내식성을 향상시키는 경우에는, 0.1％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 Ni 함유량이 과잉으로 되면, 압연재에 과냉 조직이 발생하거나, 켄칭 후에 잔류 오스테나이트가 존재하여, 강재의 특성이 열화되는 경우가 있다. 이러한 점에서, Ni를 함유시키는 경우에는, 그 상한을 3％로 하는 것이 바람직하다. 비용 저감의 관점에서는, 바람직하게는 2.0％ 이하, 보다 바람직하게는 1.0％ 이하로 하는 것이 좋다.

Cu는, 상기 Ni와 마찬가지로 표층 탈탄을 억제하거나 내식성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu를 0.1％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나 Cu의 함유량이 과잉으로 되면, 과냉 조직이 발생하거나, 열간 가공시에 균열이 발생하는 경우가 있다. 이러한 점에서, Cu를 함유시키는 경우에는, 그 상한을 3％로 하는 것이 바람직하다. 비용 저감의 관점에서는, 바람직하게는 2.0％ 이하, 보다 바람직하게는 1.0％ 이하로 하는 것이 좋다.

[Mo:2％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Mo는 템퍼링 후의 강도 확보, 인성 향상에 유효한 원소이다. 그러나 Mo 함유량이 과잉으로 되면 인성이 열화되는 경우가 있다. 이러한 점에서 Mo 함유량의 상한은 2％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.5％ 이하로 하는 것이 좋다.

[Ca:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음), Mg:0.005％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 REM:0.02％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

Ca, Mg 및 REM(희토류 원소)은, 모두 황화물을 형성하고, MnS의 신장을 방지함으로써, 인성을 개선하는 효과를 갖고, 요구 특성에 따라서 첨가할 수 있다. 그러나 각각 상기 상한을 초과하여 함유시키면, 반대로 인성을 열화시키는 경우가 있다. 각각의 바람직한 상한은, Ca 0.0030％, Mg 0.0030％, REM 0.010％이다. 또한, 본 발명에 있어서, REM이라 함은, 란타노이드 원소(La로부터 Ln까지의 15원소) 및 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다.

[Zr:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), Ta:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Hf:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

이들 원소는, N과 결합하여 질화물을 형성하고, 안정적으로 가열시의 오스테나이트(γ) 입경의 성장을 억제하고, 최종적인 조직을 미세화하고, 인성을 개선하는 효과가 있다. 단, 모두 0.1％를 초과하여 과잉으로 함유시키면 질화물이 조대화되어, 피로 특성을 열화시키므로 바람직하지 않다. 이러한 점에서, 모두 그 상한을 0.1％로 하였다. 보다 바람직한 상한은 모두 0.050％이고, 더욱 바람직한 상한은 0.025％이다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 성질의 것이 아니며, 상기?후기하는 취지에 비추어 보아 설계 변경하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

실시예

하기 표 1에 화학 성분 조성을 나타내는 각종 용강을, 통상의 용제법에 의해 용제하고, 이 용강을 냉각하여 분괴 압연 후에 단면 형상이 155㎜×155㎜인 슬래브로 한 후, 하기 표 2에 나타낸 조건으로 열간 압연 및 냉각을 행하여, 직경:25㎜의 봉강으로 하였다. 또한, 하기 표 1, 표 2에 있어서, REM은 La를 50％ 정도와 Ce를 25％ 정도 함유하는 미슈메탈의 형태로 첨가하였다. 하기 표 1, 표 2 중「-」는 원소를 첨가하고 있지 않은 것을 나타내고 있다. 또한, 표 2 중의 냉각 속도 1이라 함은, 열간 압연을 행한 후, 720℃까지 냉각하였을 때의 평균 냉각 속도를 의미하고, 냉각 속도 2라 함은, 상기 냉각의 종료 온도로부터, 500℃까지 냉각하였을 때의 평균 냉각 속도를 의미한다.

얻어진 봉강의 내부를, 건드릴을 사용하여, 내경:12㎜의 천공을 행하였다. 그 후, 냉간 압연을 행하여, 외경:16㎜, 내경:8㎜의 중공 시임리스 파이프를 제작하였다. 그 도중에, 일부 외경:20㎜, 내경:10㎜의 단계에서 어닐링을 실시하였다(하기 표 2의 시험 No.2 내지 4). 또한, 시험 No.2 내지 4에 대해서는, 외경:20㎜, 내경:10㎜의 단계에 있어서의 조건을 냉간 압연 조건 1 및 어닐링 온도 1로, 외경:16㎜, 내경:8㎜의 단계에 있어서의 조건을 냉간 압연 조건 2 및 어닐링 온도 2로, 각각 나누어 기재하고 있다.

또한, 비교재로서, 단면 형상이 155㎜×155㎜인 슬래브로부터 열간 단조 및 절삭에 의해, 외경:143㎜, 내경:52㎜의 원통 형상의 빌릿을 제작하고, 열간 정수압 압출(가열 온도:1150℃)을 이용하여, 외경:54㎜, 내경:38㎜의 중공 파이프도 제작하였다(하기 표 2의 시험 No.1). 이 중공 파이프는, 어닐링, 산세 후에, 드로잉, 어닐링(700℃×20시간), 산세를 8회 반복하여 행하여, 외경:16㎜, 내경:8㎜의 중공 시임리스 파이프로 하였다(드로잉 후의 어닐링 조건:750℃×10분).

얻어진 중공 시임리스 파이프의 중심부를 축 방향으로 절단하고, EPMA를 사용하여 C 함유량을 측정하여, 탈탄층(페라이트 탈탄층, 전 탈탄층)의 두께를 계측하는 동시에, EBSP에 의해 내주면 근방(표면으로부터 깊이 500㎛까지의 영역)에서의 페라이트의 평균 결정 입경을 측정하였다. 각각의 상세한 측정 조건은 하기와 같다.

(EPMA의 측정 조건)

가속 전압:15㎸

조사 전류:1㎂

라인 분석 방향:파이프 외측→내측

라인 분석은, 최소 빔 직경(3㎛ 정도)을 30㎛ 폭으로 조정하여, 측정을 행하였다. 이때, 표층부에서 C 함유량이 0.10％ 미만인 부분이 존재하는 경우에, 페라이트 탈탄층이 존재한다고 간주하여 평가를「B」로 하고, C 함유량이 0.10％ 미만인 부분이 없으면 페라이트 탈탄층이 없다고 판단하여 평가를「A」로 하였다. 또한 파이프 두께의 중심부의 탄소 농도가 95％ 미만인 부분을 전 탈탄층이라 간주하여, 그 두께를 측정하고, 탈탄층의 두께가 200㎛ 이하인 것을 평가「A」로, 200㎛를 초과하는 것을「B」로 하였다.

(EBSP의 측정 조건)

영역:300×300(㎛)

프레임 수:2

측정 피치:0.4㎛

방위차 15도 이상을 입계로 하여, 3㎛ 이하인 것은 무시하고, 평균 입경을 산출하였다.

또한, 얻어진 중공 시임리스 파이프의 중심부를 원주 방향으로 절단하고, 광학 현미경(400배)으로 전체 주위를 관찰하여, 그때의 최대 흠집의 깊이를 구하였다. 이때 3절단면을 관찰하여, 최대인 것을 최대 내주면 흠집 깊이로서 평가하였다.

상기 각 중공 시임리스 파이프를 하기 조건으로 켄칭?템퍼링을 행하여, JIS 시험편(JIS Z2274 피로 시험편)으로 가공하였다.

(켄칭?템퍼링 조건)

켄칭 조건:930℃로 20분간 유지→그 후 수냉

템퍼링 조건:430℃로 60분간 유지

[부식 피로 시험]

상기 시험편(켄칭?템퍼링한 시험편)에, 5％ NaCl 수용액을 35℃로 분무하고, 응력:784㎫, 회전 속도:100rpm으로 회전 굽힘 부식 피로 시험을 행하였다. 반복수:2.0×10⁵회까지의 파단의 유무를 조사하여, 1.0×10⁵회 이상을「B」, 2.0×10⁵회까지 파단되지 않은 것을「A」로 평가하였다(그 이내에 파단된 것은「C」).

이들 결과를, 일괄적으로 하기 표 3에 나타낸다. 이들 결과로부터 명백한 바와 같이, 적절한 제조 조건에 의해 얻어진 중공 시임리스 파이프(시험 No.5 내지 19의 것:본 발명예)에서는, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 것으로 되어, 스프링에 있어서의 피로 강도가 양호한 것이 얻어져 있는 것을 알 수 있다.

이에 대해, 시험 No.1 내지 3의 것(비교예)에서는, 제조 방법이 적절하지 않으므로, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키지 않는 것으로 되어, 스프링에 있어서의 피로 강도가 열화되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 시험 No.4의 것에서는, 바람직한 요건인 페라이트의 평균 결정 입경이 조대화되어 있어, 스프링에 있어서의 피로 강도가 약간 저하되어 있다.

본 출원을 상세하게 또한 특정 실시 형태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

본 출원은, 2009년 5월 15일 출원된 일본 특허 출원(특원 제2009-119030)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명에서는, 소재로서의 강재의 화학 성분 조성을 적절하게 조정하는 동시에, 그 제조 조건을 엄밀하게 규정함으로써, 내주면이나 외주면에서의 페라이트 탈탄이 없고, 또한 탈탄층의 두께를 최대한 저감한 중공 시임리스 파이프를 실현할 수 있고, 이러한 중공 시임리스 파이프로부터 성형되는 스프링에 있어서 충분한 피로 강도를 확보할 수 있게 된다.

Claims

고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프이며, C:0.2 내지 0.7질량％, Si:0.5 내지 3질량％, Mn:0.1 내지 2질량％, Al:0보다 크고 0.1질량％ 이하, P:0보다 크고 0.02질량％ 이하, S:0보다 크고 0.02질량％ 이하 및 N:0보다 크고 0.02질량％ 이하를 각각 함유하는 강재로 이루어지고, 중공 시임리스 파이프의 내주면 및 외주면에 있어서의 C 함유량이 0.10질량％ 이상인 동시에, 상기 내주면 및 외주면의 각각에 있어서의 전 탈탄층의 두께가 200㎛ 이하인, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.
제1항에 있어서, 내면 표층부에 있어서의 페라이트의 평균 결정 입경이 10㎛ 이하인, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.
제1항에 있어서, 내주면에 존재하는 흠집의 최대 깊이가 20㎛ 이하인, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.
제2항에 있어서, 내주면에 존재하는 흠집의 최대 깊이가 20㎛ 이하인, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 이하의 (a) 내지 (g)군 중 적어도 1군을 더 포함하는, 고강도 스프링용 중공 시임리스 파이프.
(a) Cr:0보다 크고 3질량％ 이하,
(b) B:0보다 크고 0.015질량％ 이하,
(c) V:0보다 크고 1질량％ 이하, Ti:0보다 크고 0.3질량％ 이하 및 Nb:0보다 크고 0.3질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,
(d) Ni:0보다 크고 3질량％ 이하 및 Cu:0보다 크고 3질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,
(e) Mo:0보다 크고 2질량％ 이하,
(f) Ca:0보다 크고 0.005질량％ 이하, Mg:0보다 크고 0.005질량％ 이하 및 REM:0보다 크고 0.02질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상,
(g) Zr:0보다 크고 0.1질량％ 이하, Ta:0보다 크고 0.1질량％ 이하 및 Hf:0보다 크고 0.1질량％ 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상.