KR20120015449A

KR20120015449A - 기계 구조용 강

Info

Publication number: KR20120015449A
Application number: KR1020117028879A
Authority: KR
Inventors: 다께히로 쯔찌다; 도모까즈 마스다; 마사끼 시마모또; 무쯔히사 나가하마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2009-06-05
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2012-02-21
Also published as: CN102439187A; EP2439303A4; CN102439187B; EP2439303A1; JP2010280973A; JP5368885B2; WO2010140596A1; US20120063945A1; US9062360B2

Abstract

본 발명은 기계 구조용 강으로서의 강도 특성을 만족시키면서, 하이스 공구에 의한 단속 절삭 및 초경 공구에 의한 연속 절삭의 양쪽에서 우수한 피삭성(특히, 공구 수명)을 발휘하는 기계 구조용 강을 얻는다. 본 발명의 기계 구조용 강은, C:0.05 내지 0.9질량％, Si:0.03 내지 2질량％, Mn:0.2 내지 1.8질량％, P:0.03질량％ 이하, S:0.03질량％ 이하, Al:0.1 내지 0.5질량％, N:0.002 내지 0.017질량％ 및 O:0.003질량％ 이하를 함유하는 동시에, Ti:0.05질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 B:0.008질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 수학식 1 내지 3을 모두 만족시킨다.
[수학식 1] : [N]-0.3×[Ti]-1.4×[B] < (0.0004/[Al])-0.002
[수학식 2] : [Ti]-[N]/0.3 < 0.005
[수학식 3] : [Ti]-[N]/0.3 < 0 일 때, [B]-([N]-0.3×[Ti])/1.4 < 0.003 이고,
[Ti]-[N]/0.3 ≥ 0 일 때, [B] < 0.003 이다.

Description

기계 구조용 강 {STEEL FOR MECHANICAL STRUCTURING}

본 발명은 절삭 가공이 실시되는 기계 부품을 제조하기 위한 기계 구조용 강에 관한 것으로, 특히 호브 가공과 같은 저속의 단속 절삭에 있어서 우수한 피삭성을 갖는 동시에, 우수한 열간 가공성을 갖는 기계 구조용 강에 관한 것이다.

자동차용 변속기나 차동 장치를 비롯한 각 마스터 기어 전달 장치에 이용되는 기어, 샤프트, 풀리나 등속 조인트 등, 또한 크랭크 샤프트, 커넥팅 로드 등의 기계 구조용 부품은 단조 등의 가공이 실시된 후, 절삭 가공이 실시됨으로써 최종 형상으로 마무리되는 것이 일반적이다. 이 절삭 가공에 필요로 하는 비용은 제작비에 차지하는 비율이 크기 때문에, 상기 기계 구조 부품을 구성하는 강재는 피삭성이 양호한 것이 요구된다. 그로 인해, 종래부터 피삭성을 개선하기 위한 기술이 개시되고 있다.

이와 같은 기술로서, 예를 들어 Pb을 첨가하는 것이나, S를 첨가하여 MnS를 생성시키는 것이 대표적이다. 그러나, Pb은 인체에 유해하므로 사용이 규제되어 왔다. 또한, 황화물에 기인하는 기계적 특성의 열화가 문제가 되는 부품에서는, S의 사용에는 한계가 있다. 또한, 특히 기어 등의 절삭 가공에 있어서는, 호브에 의한 기어 컷팅이 행해지는 것이 일반적이지만, 이 경우의 절삭은, 소위 선삭 등의 연속 절삭과는 달리, 단속 절삭이라고 불리는 양식이다. 현재에는, 호브 절삭에 있어서 피삭성을 개선하는 강재는 거의 실용화되어 있지 않다. 호브로서 사용되는 공구 소재는, 하이스(high-speed steel)이며, TiAlN 등의 코팅이 실시되어 있는 것이 일반적이다. 이 경우, 비교적 저속에서의 가공에서는 절삭과 공전을 반복함으로써, 공구 표면이 산화되면서 마모되는 것이 알려져 있다.

단속 절삭성을 개선하는 방법으로서, 특허 문헌 1에는 Al:0.04 내지 0.20％, O:0.0030％ 이하를 함유함으로써, 고속(절삭 속도:200m/min 이상)에서의 단속 절삭(공구 수명)이 우수한 강재가 기재되어 있다.

특허 문헌 2에는 C:0.05 내지 1.2％, Si:0.03 내지 2％, Mn:0.2 내지 1.8％, P:0.03％ 이하, S:0.03％ 이하, Cr:0.1 내지 3％, Al:0.06 내지 0.5％, N:0.004 내지 0.025％, O:0.003％ 이하를 각각 함유하는 동시에, Ca:0.0005 내지 0.02％ 및 Mg:0.0001 내지 0.005％를 함유하고, 강 중의 고용 N:0.002％ 이상이고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 (0.1×[Cr]＋[Al])/[O]≥150을 만족시키는 기계 구조용 강이 기재되어 있다.

또한, 특허 문헌 3에는 C:0.1 내지 0.85％, Si:0.01 내지 1.0％, Mn:0.05 내지 2.0％, P:0.005 내지 0.2％, 전체 Al:0.1％를 초과하고 0.3％ 이하, 전체 N:0.0035 내지 0.020％를 함유하는 동시에, 고용 N:0.0020％ 이하로 제한된 기계 구조용 강이 기재되어 있다.

일본 특허 출원 공개 제2001-342539호 공보 일본 특허 제4193998호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-13788호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 강재는, 저속(예를 들어, 절삭 속도 150m/min 정도)에서의 단속 절삭에 대해서는 대상으로 하고 있지 않다. 또한, Al의 함유량이 증가하면 열간에서의 연성이 저하되어, 열간 압연이나 열간 단조 등의 열간 가공에 있어서 균열이 발생하기 쉬워지는 등의 문제가 발생한다.

또한, 특허 문헌 2에서는, Mg 및 Ca를 첨가하는 것이 전제이고, Mg이나 Ca의 산화물이 연질화함으로써 단속 절삭에 있어서의 피삭성을 개선하려고 하고 있다. 그러나, Mg이나 Ca는 황화물도 생성되기 쉬우므로, 이들 황화물이 주조 시에 노즐 내부에 부착되어 노즐 폐색의 원인이 된다고 하는 문제가 있다. 또한, 특허 문헌 2에서는 강 중의 고용 N량을 0.002％ 이상 확보함으로써, 피삭성이 개선된다고 되어 있다. 그러나, 고용 N량이 많아지면, 기계 구조용 강의 열간 가공성이 저하되어 버린다.

또한 특허 문헌 3에는, 주로 AlN을 석출시킴으로써 고용 N량을 제한함으로써, 공구 마모를 개선하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 강재 제조 시의 연속 주조나 열간 단조 등에 의해 대략 1100℃ 이상으로 가열하면, AlN이 용체화되고, 그 후의 열간 가공에서의 연성이 저하된다고 하는 문제가 있다.

본 발명은 상기한 사정을 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 기계적 특성의 저하를 수반하는 S 첨가량의 증가에 따르지 않고, 또한 Ca 및 Mg의 첨가에 의하지 않고, 열간 가공성 등의 제조성을 확보하는 동시에, 하이스 공구에 있어서의 저속에서의 단속 절삭(예를 들어, 호브 가공)에 있어서 우수한 피삭성(특히 공구 수명)을 발휘할 수 있는 기계 구조용 강을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 기계 구조용 강은,

C:0.05 내지 0.9질량％, Si:0.03 내지 2질량％, Mn:0.2 내지 1.8질량％, P:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), S:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Al:0.1 내지 0.5질량％, N:0.002 내지 0.017질량％ 및 O:0.003질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하는 동시에, Ti:0.05질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 B:0.008질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 수학식 1 내지 3을 모두 만족시킨다.

단, 상기 수학식 1 내지 3에 있어서 [N], [Ti], [B], [Al]은 각각 기계 구조용 강 중의 N, Ti, B, Al의 함유량(질량％)을 나타낸다.

또한, 본 발명의 기계 구조용 강은, 필요에 따라서, Cr:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), 또는 Mo:1.0질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), 또는 Nb:0.15질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하면 바람직하다. 또한, 본 발명의 기계 구조용 강은, Zr:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Hf:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ta:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상, 또는 V:0.5질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Cu:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ni:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하면 바람직하다.

본 발명에 따르면, 기계 구조용 강의 화학 성분이 적절하게 조정되는 동시에, N, Ti, B, Al의 4원소를 특정한 관계를 만족시키도록 밸런스시킬 수 있다. 이에 의해, 기계 구조용 강으로서의 강도 특성을 만족시키는 동시에, 하이스 공구에 의한 단속 절삭 및 초경 공구에 의한 연속 절삭의 양쪽이 우수한 피삭성(특히, 공구 수명)을 발휘하는 기계 구조용 강을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서 사용한 인장 시험편의 형상을 도시하는 도면이다.

본 발명자들은 저속에서의 단속 절삭에 있어서의 피삭성을 향상시키기 위해, 다양한 각도로부터 검토하였다. 그 결과, 기계 구조용 강의 화학 성분을 적절하게 조정하는 동시에, N, Ti, B, Al의 4원소를 특정한 관계를 만족시키도록 밸런스시킴으로써 강의 피삭성(특히 공구 수명)을 향상시킬 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다. 본 발명의 기계 구조용 강에 있어서 규정되는 화학 성분 조성의 범위 한정 이유는 다음과 같다.

[C:0.05 내지 0.9질량％]

C는, 기계 구조 부품으로서 필요한 강도를 확보하기 위해 필수의 원소이므로, 0.05질량％ 이상 함유될 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 과잉으로 되면, 경도가 지나치게 상승하여, 피삭성이나 인성이 저하되므로, 0.9질량％ 이하일 필요가 있다. 또한, C 함유량의 바람직한 하한은 0.10질량％(보다 바람직하게는 0.15질량％)이고, 바람직한 상한은 0.7질량％(보다 바람직하게는 0.5질량％)이다.

[Si:0.03 내지 2질량％]

Si는, 탈산 원소로서 강재의 내부 품질을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 0.03질량％ 이상일 필요가 있고, 바람직하게는 0.07질량％ 이상(더욱 바람직하게는 0.1질량％ 이상)인 것이 바람직하다. 또한, Si 함유량이 과잉으로 되면, 침탄 시의 이상 조직이 생성되고, 또한 열간 및 냉간 가공성이 손상된다. 따라서, Si 함유량은 2질량％ 이하일 필요가 있고, 바람직하게는 1.7질량％ 이하(더욱 바람직하게는 1.5질량％ 이하)인 것이 좋다.

[Mn:0.2 내지 1.8질량％]

Mn은, 켄칭성을 향상시키고 강재의 강도 향상을 위해 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Mn 함유량은 0.2질량％ 이상(바람직하게는 0.4질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.5질량％ 이상)이다. 그러나, Mn 함유량이 과잉으로 되면, 켄칭성이 지나치게 증대되고, 노멀라이징 후라도 과냉 조직이 생성되어, 피삭성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 1.8질량％ 이하(바람직하게는 1.6질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.5질량％ 이하)이다.

[P:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

P은, 강재 중에 불가피하게 포함되는 원소(불순물)이지만, 열간 가공 시의 균열을 조장하므로, P 함유량은 가능한 한 저감되는 것이 바람직하다. 그로 인해 P 함유량은 0.03질량％ 이하(보다 바람직하게는 0.02질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.015질량％ 이하)로 정해진다. P 함유량을 0질량％로 하는 것은 공업적으로 곤란하다.

[S:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

S는 피삭성을 향상시키는 원소이지만, S가 과잉으로 함유되면 강재의 연성ㆍ인성이 저하된다. 그로 인해, S 함유량의 상한은 0.03질량％(보다 바람직하게는 0.02질량％, 더욱 바람직하게는 0.015질량％)이다. 특히, S 함유량이 과잉으로 되면, S와 Mn과 반응하여 형성되는 MnS 개재물의 양이 증대되고, 이 개재물이 압연 시에 압연 방향으로 신전(伸展)하여 압연 직각 방향의 인성(횡방향의 인성)을 열화시킨다. 단, S는 강에 불가피하게 포함되는 불순물이고, S 함유량을 0질량％로 하는 것은 공업적으로 곤란하다.

[O:0.003질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

O 함유량이 과잉으로 되면, 조대한 산화물계 개재물이 생성되어, 피삭성이나 연성ㆍ인성, 강의 열간 가공성 및 연성에 악영향을 미친다. 따라서, O 함유량의 상한은 0.003질량％(바람직하게는 0.002질량％, 보다 바람직하게는 0.0015질량％)로 정해진다.

[Al:0.1 내지 0.5질량％]

단속 절삭성을 향상시키기 위해, 종래의 표면 소성 강에 비해 Al은 많이 필요하고, 특히 고용 상태에서 0.05질량％ 이상 존재하는 것이 필요하다. 또한, Al의 일부는 N과 결합하여 침탄 처리 시의 이상 입성장을 억제하는 것 외에, 탈산제로서 기능하므로, Al은 전체적으로 0.1질량％ 이상(바람직하게는 0.15질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2질량％ 이상) 함유되는 것이 필요하다. 한편, Al이 지나치게 많으면, Al이 고온에서 N과 결합하여 AlN이 생성되기 쉬워져, 열간 가공성이 저하된다. 그로 인해, Al 함유량의 상한은 0.5질량％(바람직하게는 0.45질량％, 보다 바람직하게는 0.4질량％)이다.

[N:0.002 내지 0.017질량％]

N은, Al과 결합하여 입성장을 억제하여, 강도 향상의 효과를 발휘한다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, N 함유량은 0.002질량％ 이상(바람직하게는 0.003질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.004질량％ 이상, 한층 바람직하게는 0.005질량％ 이상)이다. 한편, N 함유량이 지나치게 많으면 고온에서 AlN을 생성하여 열간 가공성이 저하된다. 그로 인해, N 함유량은 0.017질량％ 이하(바람직하게는 0.015질량％ 이하, 보다 바람직하게는 0.013질량％ 이하, 한층 바람직하게는 0.011질량％ 이하)이다.

[Ti 및/또는 B]

Ti이 첨가되는 경우에는, TiN이 생성되어 입성장 억제에 기여한다. 또한, 첨가된 Ti의 대부분이 N과 결합함으로써, N의 고용량이 억제되어, 강재의 열간 가공성이 개선된다. Ti의 질소화물은 고온에서 안정되기 때문에, 1200℃ 이상의 가열 상태에 있어서도 재고용되는 일이 적어, 열간 가공성을 효과적으로 개선할 수 있다. 또한, Ti은 그 일부가 산화물계 개재물 중에 들어감으로써 개재물의 융점을 저하시켜, 피삭성 개선에 기여하므로, 본 발명에 있어서 중요한 역할을 발휘한다.

B가 첨가되는 경우, B는 N과 결합하여 BN를 생성하고, 이 BN이 열간 가공성과 피삭성의 개선에 기여한다. BN은 TiN에 비해 고온에서 재고용되기 쉽지만, 냉각 과정에서 다시 BN이 생성됨으로써 AlN의 생성이 억제되므로, 열간 가공성이 개선된다. 그 밖에, B는 피삭성 개선 효과도 갖기 위해 첨가되어 있고, 이들은 본 발명의 중요한 포인트이다.

이상과 같이, Ti, B 모두가 N와 결합함으로써, N의 고용량이 억제되고, 고온에서의 AlN이 억제되므로, 강재의 열간 가공성을 개선할 수 있다. 따라서, 본 발명의 기계 구조용 강은 연속 절삭성의 개선을 위해 종래 사용되고 있던 Ca 대신에, 단속 절삭성을 향상시키기 위해 Ti, B 중, 적어도 한쪽을 함유한다.

또한, 상기한 Ti, B의 함유량은 하기의 범위이다.

[Ti:0.05질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

상기한 Ti의 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Ti의 함유량이, 0.001질량％ 이상(바람직하게는 0.005질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.009질량％ 이상, 한층 바람직하게는 0.0012질량％ 이상)인 것이 바람직하다. 한편, Ti이 과잉으로 첨가되면, 조대한 TiN이 기계 구조용 강의 피삭성을 저하시킨다. 따라서, Ti의 함유량은 0.05질량％ 이하(바람직하게는 0.04질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.03질량％ 이하, 한층 바람직하게는 0.02질량％ 이하)이다. 또한, N 첨가량에 대해 어느 일정 이상의 양의 Ti이 첨가되면, TiN으로 되지 않고 남은 고용 Ti이, 기계 구조용 강의 냉각 과정에서 미세한 TiC를 다량으로 석출하므로, 피삭성이나 인성이 저하된다. 이를 회피하기 위한 조건에 대해서는 후술한다.

[B:0.008질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

상기한 B의 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, B의 함유량이, 0.0005질량％ 이상(바람직하게는 0.0006질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0007질량％ 이상, 한층 바람직하게는 0.0008질량％ 이상)인 것이 바람직하다. 한편, B가 과잉으로 첨가되면, 필요 이상으로 켄칭성이 높아지고 기계 구조용 강의 경도가 높아져, 피삭성이 저하된다. 따라서, B의 함유량은 0.008질량％ 이하(바람직하게는 0.0075％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.007질량％ 이하, 한층 바람직하게는 0.0065질량％ 이하)이다.

본 발명에서 사용되는 기계 구조용 강의 기본 성분은 상기한 바와 같고, 잔량부는 실질적으로 철이다. 그러나, 기계 구조용 강 중에 불가피적 불순물의 함유가 허용되는 것은 물론, 본 발명의 작용에 악영향을 미치지 않는 범위에서 또 다른 원소를 적극적으로 함유시킨 기계 구조용 강이 사용되어도 좋다.

본 발명에서는, 기계 구조용 강의 화학 성분을 상기 규정 범위로 조정하는 것에 추가하여, 기계 구조용 강 중의 N, Ti, B, Al의 4원소의 함유량을 하기 수학식 1 내지 3의 관계를 만족시키도록 조정하는 것이 중요하다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

수학식 1 내지 3의 내용을 설명한다. 우선, 수학식 1은 고용 N량의 억제에 관한 것이다. 고용 N은 기계 구조용 강의 냉각 과정에서 Al과의 결합에 의해 AlN을 형성하여, 기계 구조용 강의 열간 가공성을 저하시켜 버린다. 그로 인해, 본 발명에서는 고용 N량이 억제된다. 보다 상세하게는, N은 Al보다도 Ti, B와 우선적으로 결합하므로, Ti, B를 적당량 첨가하면 Ti, B의 대략 전체량이 질화물을 형성한다. 이와 같은 전제 하에, 수학식 1의 좌변은 특정 계수가 곱해진 전체 Ti량 및 전체 B량을 전체 N량으로부터 뺀(마이너스한) 값으로, 기계 구조용 강의 고용 N량에 상당하는 것이다. 또한, 수학식 1의 우변은 Al량에 의해 결정되는 고용 N의 허용량을 나타낸다.

다음에, 수학식 2는 고용 Ti량의 억제에 관한 것이다. Ti은 N의 첨가에 의해 TiN을 형성하지만, N 첨가량에 대해 어느 일정 이상의 양의 Ti를 첨가하면, 과잉으로 된 Ti(고용 Ti)이 기계 구조용 강의 냉각 과정에서 미세한 TiC을 다량으로 석출하여, 피삭성이나 인성을 저하시켜 버린다. 그로 인해, 수학식 2의 조건에 의해, 고용 Ti량은 0.005질량％ 미만(바람직하게는 0.002질량％ 미만)으로 억제된다.

마지막으로, 수학식 3은 고용 B량의 억제에 관한 것이다. B는 N의 첨가에 의해 BN을 형성하지만, 이에 의해 필요 이상으로 켄칭성이 높아지고 기계 구조용 강이 단단해져, 피삭성을 저하시켜 버린다. 그로 인해, 수학식 3에 의해, 고용 B량이 0.003질량％ 미만으로 억제된다.

여기서, 기계 구조용 강 중의 Ti량이 적기 때문에 Ti와 완전히 결합할 수 없는 N이 존재하는 경우([Ti]－[N]/0.3<0일 때), 잔존하는 고용 N은 기계 구조용 강의 냉각 과정에서 B와 결합한다. 그로 인해, 고용 B량을 제한하는 식은, [B]－([N]－0.3×[Ti])/1.4<0.003으로 나타낸다.

한편, Ti이 충분히 첨가된 것에 의해 고용 N이 잔존하지 않는 경우([Ti]－[N]/0.3≥0일 때), 고용 B량을 제한하는 식은 [B]<0.003으로 나타낸다.

본 발명의 기계 구조용 강에 있어서는, 화학 성분 조성(특히 Ti, B, N, Al의 밸런스)을 상기와 같이 적절하게 제어함으로써, 기계 구조용 강으로서의 강도가 유지되는 동시에, 저속에 의한 단속 절삭성이 향상되고 있다. 또한, 본 발명의 기계 구조용 강은, 필요에 따라서 이하의 선택 원소를 함유하고 있어도 좋다. 함유되는 원소의 종류에 따라서, 강재의 특성이 더욱 개선된다.

[Cr:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

Cr은 강재의 켄칭성을 높이고, 기계 구조용 강의 강도를 높이기 위해 유효한 원소이다. 또한, Cr은 Al과의 복합 첨가에 의해, 강재의 단속 절삭성을 높이는 데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은, 예를 들어 0.1질량％ 이상(보다 바람직하게는 0.3질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.7질량％ 이상)이다. 그러나, Cr 함유량이 과잉으로 되면, 조대 탄화물의 생성이나 과냉 조직의 발달에 의해 피삭성이 열화된다. 따라서, Cr의 함유량은 3질량％ 이하(보다 바람직하게는 2질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.6질량％ 이하)인 것이 바람직하다.

[Mo:1.0질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

Mo은 모재의 켄칭성을 확보하여, 불완전 켄칭 조직의 생성을 억제하는 데 유효한 원소로, 필요에 따라서 기계 구조용 강에 함유되어도 좋다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Mo의 함유량은, 예를 들어 0.05질량％ 이상(보다 바람직하게는 0.1질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.15질량％ 이상)이다. 이와 같은 효과는 Mo의 함유량이 증가함에 따라서 증대된다. 그러나, Mo이 과잉으로 함유되면, 노멀라이징 후라도 과냉 조직이 생성되어, 기계 구조용 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, Mo의 함유량은 1.0질량％ 이하(보다 바람직하게는 0.8질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.6질량％ 이하)인 것이 바람직하다.

[Nb:0.15질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)]

기계 구조용 강 중 특히 표면 소성 강에서는, 통상, 침탄 처리를 행하여 표면을 경화하지만, 이 처리 시에, 침탄 온도ㆍ시간, 가열 속도 등에 의해, 결정립의 이상 성장이 발생하는 경우가 있다. Nb은 이와 같은 현상을 억제하는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Nb의 함유량은, 예를 들어 0.01질량％ 이상(보다 바람직하게는 0.03질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.05질량％ 이상)이다. 이러한 효과는 Nb 함유량이 증가함에 따라서 증대된다. 그러나, Nb이 과잉으로 함유되면, 경질의 탄화물이 생성되어 피삭성이 저하된다. 따라서, Nb의 함유량은 0.15질량％ 이하(보다 바람직하게는 0.12질량％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.1질량％ 이하)인 것이 바람직하다.

[Zr:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Hf:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ta:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

Zr, Hf 및 Ta는 Nb과 마찬가지로, 결정립의 이상 성장을 억제하는 효과가 있으므로, 필요에 따라서 강에 함유되어도 좋다. 이러한 효과는, 이들 원소의 함유량(1종 이상의 합계량)이 증가함에 따라서 증대된다. 그러나, 이들의 원소가 과잉으로 함유되면, 경질의 탄화물이 생성되어 기계 구조용 강의 피삭성이 저하되므로, 각각 상기한 양을 상한으로 하는 것이 바람직하다. 이들 원소의 함유량은, 합계 0.02질량％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

[V:0.5질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Cu:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ni:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상]

이들 원소는 강재의 켄칭성을 향상시켜 고강도화시키는 데 유효하므로, 필요에 따라서 기계 구조용 강에 함유되어도 좋다. 이러한 효과는, 이들 원소의 함유량(1종 이상의 합계량)이 증가함에 따라서 증대된다. 그러나, 이들 원소가 과잉으로 함유되면, 과냉 조직이 생성되고, 또한 연성ㆍ인성이 저하되므로, 각각 상기한 양을 상한으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 기계 구조용 강은 규정된 범위 내에서 상기 합금 원소가 첨가된 용강을 주조, 단조함으로써 제조된다. 본 발명은, 특히 Ti 및/또는 B의 첨가량을 조정함으로써, 고용 Ti량, 고용 B량을 조절할 수 있는 것은 물론, 고용 N량을 조절할 수 있다.

또한, Ti를 첨가할 때, Al의 첨가 전에 Ti 첨가량 중, 예를 들어 절반을 용강 중에 투입하고, Al의 첨가 후에 남은 Ti를 투입하면, Ti의 일부를 산화물계 개재물에 함유시킬 수 있다. 이에 의해, 기계 구조용 강의 피삭성을 한층 향상시킬 수 있다. Al을 처음에 투입하고, 나중에 Ti를 첨가하면, Al의 쪽이 Ti보다도 산화력이 강하기 때문에 산소의 대부분이 Al과 결합하여, Ti의 산화물은 형성되지 않는다. 그러나, Ti의, 예를 들어 절반의 양을 Al보다 먼저 투입하면, Ti를 산화물로서 존재시킬 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예를 예로 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니다. 상기ㆍ하기의 취지에 적합한 범위에서 적당히 변경을 추가하여 본 발명을 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

[시험편의 작성]

표 1에 나타내는 화학 성분의 강 150㎏을 진공 유도로에서 용해하고, 상면에서의 직경이 245㎜, 하면에서의 직경이 210㎜이고, 길이가 480㎜인 대략 원기둥 형상의 잉곳으로 각각 주조하였다. 또한, 표 1에는 강재의 화학 성분 외에, 화학 성분량으로부터 계산되는 상기 수학식 1의 우변의 값을 좌변의 값으로부터 마이너스한 값, 수학식 2의 좌변의 값 및 수학식 3의 좌변의 값도 각각 표시되어 있다. 수학식 3의 좌변의 값은, 상기의 규정과 같이, [Ti]－[N]/0.3<0일 때에는 [B]－([N]－0.3×[Ti])/1.4의 값, [Ti]－[N]/0.3≥0일 때에는 [B]의 값이다.

계속해서, 이 잉곳을 단조하여(소킹:1250℃×3시간 정도, 단조 가열:1100℃×1시간 정도), 절단함으로써, 150㎜×150㎜×680㎜의 4각재 형상을 경유한 후에, 하기 (a), (b)의 2종류의 단조재로 가공하였다.

(a) 두께 30㎜, 폭 155㎜, 길이 100㎜의 판재

(b) 직경 80㎜, 길이 350㎜의 환봉재

얻어진 판재 및 환봉재를, 900℃에서 1시간 가열한 후 방냉하였다. 판재[단조재(a)]는 엔드밀 절삭 시험편으로서 사용되고, 환봉재[단조재(b)]는 선삭 시험편으로서 사용된다. 이들 시험편을 사용하여, (1) 단속 절삭 시의 피삭성, (2) 연속 절삭 시의 피삭성의 평가를 행하였다. 또한, 상기 환봉재의 일부로부터 열간 가공성 평가용 시험편을 잘라내어, (3) 열간 가공성의 평가도 행하였다.

(1) 단속 절삭 시의 피삭성 평가

단속 절삭 시의 피삭성을 평가하기 위해, 엔드밀 가공에 의한 공구 마모를 평가하였다. 상기 단조재(a)(노멀라이징재, 또는 노멀라이징 후 열간 단조한 것)에 대해, 스케일 및 탈탄층의 영향을 제거하기 위해 표면 약 2㎜를 절삭 제거함으로써, 두께 25㎜×폭 150㎜×길이 100㎜의 엔드밀 절삭 시험편이 제작된다. 구체적으로는, 머시닝 센터 주축에 엔드밀 공구를 설치하고, 상기와 같이 제조된 시험편을 바이스에 의해 고정하고, 건식의 절삭 분위기 하에서 다운 컷트 가공을 행하였다. 상세한 가공 조건은 표 2에 나타낸다. 단속 절삭을 200컷트 행한 후, 광학 현미경에 의해, 평균 릴리프면 마모 폭(공구 마모량)(Vb)을 측정하였다. 시험편 번호는 표 1의 시험편 번호에 대응한다. 단속 절삭 후의 Vb가 90㎛ 이하인 시험편을, 단속 절삭 시의 피삭성이 우수한 것으로서 평가하였다. 결과는 표 3에 나타낸다.

(2) 연속 절삭 시의 피삭성 평가

연속 절삭 시의 피삭성을 평가하기 위해, 상기 단조재(b)(노멀라이징재)를 스케일 제거한 후, 표면을 약 2㎜ 절삭 제거함으로써, 선삭 시험편이 제작된다. 이 시험편에 외주 선삭 가공을 행한 후, 광학 현미경에 의해, 평균 릴리프면 마모 폭(공구 마모량)(Vb)을 측정하였다. 이 마모 폭(Vb)이 100㎛ 이하인 시험편을, 피삭성이 우수한 것으로서 평가하였다. 이때의 외주 선삭 가공 조건은 하기와 같다. 그 결과도, 상기한 단속 절삭 시의 피삭성 시험의 결과와 더불어 표 3에 나타낸다. 결과는 표 3에 나타낸다.

(외주 선삭 가공 조건)

공구:초경합금 P10(JIS B4053)

절삭 속도:200m/min

이송:0.25㎜/rev

컷팅:1.5㎜

윤활 방식:건식

(3) 열간 가공성의 평가

기계 구조용 강의 열간 가공성을 평가하기 위해, 도 1에 도시되는 형상의 시험편을 제작하였다. 그리고, 900℃까지 가열된 상태의 이 시험편의 양단부를, 0.01㎜/s의 속도로, 파단될 때까지 인장하는 시험을 실시하여, 측정된 단면 감소율이 40％ 이상인 시험편을 열간 가공성이 우수하다고 평가하였다. 결과는 표 3에 나타낸다.

[고찰]

시험편 번호 1 내지 22는 모두 본 발명에 속하는 것으로, 우수한 피삭성과 열간 가공성을 갖고 있었다. 한편, 시험편 번호 23 내지 29는 화학 성분의 규정 범위, 또는 수학식 1 내지 3 중 어느 하나의 조건으로부터 벗어나는 것이고, 피삭성과 열간 가공성 중 어느 하나가 뒤떨어져 있었다. 구체적으로는, 시험편 번호 23은 B, N, Ti, Al의 밸런스가 나쁘기 때문에, 수학식 1을 만족시키지 않고, 켄칭성이 높아지고, 경도가 높아져 열간 가공성이 뒤떨어져 있었다. 시험편 번호 24는 Ti 첨가량이 많아, N, Ti의 밸런스가 나쁘기 때문에, 수학식 2의 조건을 만족시키지 않고, Ti이 탄화물로서 석출되어 경도가 높아지고, 단속 절삭성 및 연속 절삭성이 뒤떨어져 있었다. 시험편 번호 25에서는, 기계 구조용 강의 화학 성분은 일단 규정을 만족시키는 범위 내의 것이지만, B, N, Ti의 밸런스가 나쁘기 때문에, 수학식 3을 만족시키지 않고, 경도가 단단해지고, 단속 절삭성 및 연속 절삭성이 뒤떨어져 있었다. 시험편 번호 26에서는 Al이 지나치게 적기 때문에 단속 절삭성이 뒤떨어져 있었다. 반대로, 시험편 번호 27에서는 Al이 지나치게 많아, 수학식 1도 만족시키지 않고, 조대한 Al이 석출되기 때문에, 단속 절삭성도 연속 절삭성도 뒤떨어져 있고, 또한 열간 가공성도 뒤떨어져 있었다. 시험편 번호 28은 B가 많아, B, N, Ti의 밸런스가 나쁘기 때문에, 수학식 3을 만족시키지 않고, 경도가 단단해지고, 단속 절삭성도 연속 절삭성도 뒤떨어져 있고, 열간 가공성도 뒤떨어져 있었다. 시험편 번호 29는 Ti, B가 첨가되어 있지만, B, N, Ti, Al의 밸런스가 나쁘기 때문에, 수학식 1을 만족시키지 않고, 기계 구조용 강의 열간 가공성이 뒤떨어져 있었다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되지 않고, 특허청구의 범위에 기재한 것에 한하여 다양하게 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 본 출원은 2009년 6월 5일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2009-136657)에 기초하는 것으로, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

Claims

C:0.05 내지 0.9질량％,
Si:0.03 내지 2질량％,
Mn:0.2 내지 1.8질량％,
P:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음),
S:0.03질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음),
Al:0.1 내지 0.5질량％,
N:0.002 내지 0.017질량％ 및
O:0.003질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하는 동시에,
Ti:0.05질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 B:0.008질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고,
잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 수학식 1 내지 3을 모두 만족시키는, 기계 구조용 강.
[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

단, 상기 수학식 1 내지 3에 있어서 [N], [Ti], [B], [Al]은 각각 기계 구조용 강 중의 N, Ti, B, Al의 함유량(질량％)을 나타낸다.
제1항에 있어서, Cr:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하는, 기계 구조용 강.
제1항에 있어서, Mo:1.0질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하는, 기계 구조용 강.
제1항에 있어서, Nb:0.15질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)를 함유하는, 기계 구조용 강.
제1항에 있어서, Zr:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Hf:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ta:0.02질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 기계 구조용 강.
제1항에 있어서, V:0.5질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음), Cu:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음) 및 Ni:3질량％ 이하(0질량％를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 기계 구조용 강.