KR20140129262A

KR20140129262A - 피삭성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재 및 고강도 스프링

Info

Publication number: KR20140129262A
Application number: KR1020147026596A
Authority: KR
Inventors: 히로시 오우라; 나오 요시하라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2013-03-25
Publication date: 2014-11-06
Also published as: JP2013213238A; EP2832891A4; CN104169453A; MX2014011610A; WO2013146675A1; CN104169453B; KR101601582B1; JP5796782B2; EP2832891A1; EP2832891B1

Abstract

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재는, 열간 압연 후의 강 선재이며, 소정의 화학 성분 조성을 갖고, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave가 하기 (1)식을 만족함과 더불어, 표층의 전체 탈탄층 깊이가 0.20mm 이하이고, 또한 Cr계 합금 탄화물량이 상기 강 선재 전체 질량에 대하여 7.5% 이하이다.
6.0≤Pave≤12.0 …(1)
고강도 스프링용 강 선재, 및 이와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 소재로 하여 얻어지는 고강도 스프링은, 피삭성 및 절삭 부스러기 배출성이 양호한 것에 더하여, SV 처리 시에 단선이 생기지 않는 것과 같은, 양호한 SV 처리성을 발휘한다.

Description

피삭성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재 및 고강도 스프링{STEEL WIRE ROD WITH EXCELLENT SHAVABILITY FOR HIGH-STRENGTH SPRING, AND HIGH-STRENGTH SPRING}

본 발명은, 자동차의 클러치, 엔진, 연료 분사 장치, 현가(懸架) 기구 등에 사용되는 고강도 스프링(특히 밸브 스프링)의 소재로서 유용한 고강도 스프링용 강 선재, 및 고강도 스프링에 관한 것으로, 특히 피삭(皮削) 공정에서 양호한 피삭성을 발휘할 수 있는 고강도 스프링용 강 선재, 및 이 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어지는 고강도 스프링에 관한 것이다.

상기와 같은 환경 하에서 사용되는 스프링은, 장기간에 걸쳐 고응력으로 사용되기 때문에, 높은 레벨의 내피로특성이 요구된다. 내피로특성을 개선하기 위해서는, 우수한 표면 성상이나 우수한 개재물 제어가 요구된다. 이 중 표면 성상에 대해서는, 스프링 성형 후에 쇼트 피닝(shot peening)이나 질화 처리 등으로 평탄화 및 경화 처리가 행해지지만, 겨우 수십 미크론 정도의 흠집이 잔존하거나 또는 발생한 경우는, 스프링의 사용 중에 표면 흠집을 기점으로 한 파손이 생긴다.

그래서, 압연 후의 선재 표층의 탈탄부 및 선재 표층의 미세 흠집을 제거하는 피삭 처리(이하, 「SV 처리」라고 부르는 경우가 있다)가 실시된다. 이 SV 처리는, 칩퍼(chipper) 다이스를 이용하여 선재의 표층 전체 둘레를 깊이 방향으로 수백 미크론 정도 삭취(削取)하는 처리이지만, SV 처리성(피삭 처리성)이 나쁜 선재에서는, SV 처리 중에 단선이 생기는 것 외에, 칩퍼 다이스의 깨짐, 선재 표면의 흐트러짐, 공구 수명이 짧아짐 등의 문제가 있다. 또한, SV 처리성이 나쁜 선재에서는, 절삭 부스러기를 잘게 분단하여, 절삭 부스러기 배출성을 높이기 위한 브레이커에 절삭 부스러기가 얽혀, 브레이커를 구동하기 위한 모터 부하가 과대해져, 장치가 정지함으로써 수율이 저하된다는 문제도 생긴다.

SV 처리성을 향상시킴으로써 대폭적인 수율의 향상 및 품질의 향상이 가능해진다. SV 처리성을 향상시키는 기술로서는, 조직 제어나 개재물 조성 제어 등이 주류이지만, 이러한 기술은 이미 여러 가지 제안되어 있다.

예컨대 특허문헌 1에는, 오스테나이트 결정 입도를 거칠게 함으로써 피삭성을 개선하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 스프링 강으로 고피로강도를 실현하기 위해서는, 미세한 결정립이 필요로 되어 있고, 또한 SV 처리, 신선 가공 등의 제조성을 고려하면, 미세한 결정 입도인 것이 바람직하다.

특허문헌 2에서는, 산화물계 개재물의 조성, 및 표층에 존재하는 산화물계 개재물의 사이즈, 분포 밀도를 규정함으로써 SV 처리성을 향상시키고 있다. 그러나, SV 처리성을 저하시키는 요인은, 조직의 연성, 인성을 좌우하는 합금계 탄화물, 질화물 등의 영향이 크다는 것이 현 상태이다.

한편, 특허문헌 3에서는, 기계적 특성을 규정함으로써 SV 처리성을 높이고 있지만, 이 기술에서는 합금 첨가량이 많아져 있어, 합금계 탄화물이나 질화물 등의 석출이 많은 스프링 강에서는, 기계적 특성을 만족시키는 것만으로는 SV 처리성을 개선할 수 없다는 것이 현 상태이다.

일본 특허공개 2000-256785호 공보 일본 특허공개 2010-222604호 공보 일본 특허공개 2000-239797호 공보

특히 밸브 스프링에서는, 고피로강도, 고피로수명일 것이 필요하다. 이들 특성을 만족시키기 위해서는, 스프링의 표면 성상이 양호할 것이 요구되어, 압연재의 탈탄층이나 표면 흠집을 제거하기 위해서, SV 처리가 실시된다. 이 SV 처리에서는, 압연재의 진원성을 높여 편삭(片削)을 방지하기 위한 스킨 패스(skin pass) 공정과, 칩퍼 다이스를 이용한 피삭 공정으로 구성되어 있으며, 스킨 패스 공정에서의 단선을 방지하기 위해서는 압연 시에 컨베이어 상에서의 냉각 조건을 적정히 제어하여, 압연재 조직에 과냉 조직(베이나이트나 마텐자이트)이 포함되지 않도록 할 것이 요구된다.

또한, 칩퍼 다이스에서의 피삭 공정에서는, 2톤(ton) 코일의 전체 길이가 피삭 가능하고, 또한 다이스 마크 등이 없는, 안정된 선피(線肌) 품질이 요구된다. 그 때문에, 압연재 조직에, 단선의 원인으로 되기 쉬운 과냉 조직이 포함되지 않는 것에 더하여, 칩퍼 다이스에 깨짐이 발생하기 어렵고, 공구에 대한 부하가 작은 등, 피삭성이 우수한 압연재일 것이 필요하다. 게다가, 칩퍼 다이스에서의 피삭 시에 생기는 절삭 부스러기는, 브레이커로 잘게 분단된 후에 배출되지만, 브레이커로 분단되기 쉬운 절삭 부스러기일 것, 즉 절삭 부스러기의 배출성이 양호할 것도 필요시 된다.

본 발명은 이러한 종래 기술에 있어서의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 그 목적은, 피삭성 및 절삭 부스러기 배출성이 양호한 것에 더하여, SV 처리 시에 단선이 생기지 않는 것과 같은, 양호한 SV 처리성을 발휘할 수 있는 고강도 스프링용 강 선재, 및 이와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 소재로 하여 얻어지는 고강도 스프링을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 고강도 스프링용 강 선재란, 열간 압연 후의 강 선재이며, C: 0.4% 이상 1.2% 미만(「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일), Si: 1.5∼3.0%, Mn: 0.5∼1.5%, Cr: 0.02∼0.5% 및 Al: 0.010% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave가 하기 (1)식을 만족함과 더불어, 표층의 전체 탈탄층 깊이가 0.20mm 이하이고, 또한 Cr계 합금 탄화물량이 상기 강 선재 전체 질량에 대하여 7.5% 이하인 점에 요지를 갖는 것이다.

6.0≤Pave≤12.0 …(1)

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재에는, 필요에 따라 추가로 (a) V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)와 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 한쪽, (b) Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), (c) Ni: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), (d) Cu: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), (e) B: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음) 등을 함유시키는 것도 유효하며, 함유되는 성분에 따라 고강도 스프링용 강 선재의 특성이 더욱 개선된다.

본 발명에는, 상기와 같은 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어진 고강도 스프링도 포함한다.

본 발명에서는, 화학 성분 조성을 적절히 조정하고 제조 조건을 적절히 하는 것에 의해, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직으로 함과 더불어, 펄라이트 노듈 입도 번호의 평균값 Pave가 소정 범위로 되도록 하고, 또한 표층 전체 탈탄층 깊이나 Cr계 합금 탄화물량을 적절히 제어하도록 했기 때문에, 피삭성 및 절삭 부스러기 배출성이 양호한 것에 더하여, SV 처리 시에 단선이 생기지 않는 것과 같은, 양호한 SV 처리성을 발휘할 수 있는 고강도 스프링용 강 선재가 실현될 수 있으며, 이와 같은 고강도 스프링용 강 선재는 고강도 스프링을 제조하기 위한 소재로서 매우 유용하다.

도 1은 평가용 시료의 샘플링 방법(링 분할 위치)을 나타내는 설명도이다.
도 2는 선재의 조직 관찰 위치를 모식적으로 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 선재의 표면 탈탄 관찰 위치를 모식적으로 나타내는 횡단면도이다.
도 4는 시험 No. 2(발명예)에 있어서의 브레이커 전류값의 변위를 나타낸 그래프이다.
도 5는 시험 No. 27(비교예)에 있어서의 브레이커 전류값의 변위를 나타낸 그래프이다.

본 발명자들은 상기 목적에 들어맞는 고강도 스프링용 강 선재를 실현하고자 다양한 각도에서 검토했다. 그 결과, 압연재를 구성하는 화학 성분 조성, 조직, 펄라이트 노듈의 입도 번호, 표층 탈탄 깊이, 및 압연재 표층의 Cr계 합금 탄화물량 등을 적절히 제어함으로써, 피삭성 및 절삭 부스러기 배출성이 양호한 것에 더하여, SV 처리 시에 단선이 생기지 않는 것과 같은, SV 처리성이 비약적으로 향상된다는 것을 밝혀냈다. 한편, 이하에서는, 피삭성 및 절삭 부스러기 배출성을 포함해서, 「SV 처리성」이라고 부르는 경우가 있다. 다음으로, 본 발명에서 규정하는 각 요건에 대하여 설명한다.

[펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직]

본 발명의 강 선재(열간 압연 후의 강 선재: 압연 선재)는, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이다. 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직을 갖는 압연 선재란, 압연 선재 횡단면에서 차지하는 베이나이트, 마텐자이트의 과냉 조직 및 페라이트의 면적률이 10% 이하인 압연 선재를 의미한다. 펄라이트 면적률이 90% 이상인 압연 선재는, SV 처리 시에 단선되는 일 없이 SV 처리가 가능해지지만, 베이나이트, 마텐자이트 등의 과냉 조직이 면적률로 10% 이상 생긴 압연 선재에서는, 연성, 인성이 부족해져, SV 처리 시에 단선이 생기는 등, SV 처리성이 나빠진다.

또한 페라이트는, 베이나이트나 마텐자이트 등의 과냉 조직만큼 SV 처리성을 저하시키는 것은 아니며, 일부 포함하고 있어도 되지만, 그 양이 과잉으로 되면 조직이 불균일해지기 때문에 SV 처리성에는 바람직하지 않다. 이러한 관점에서 본 발명의 강 선재에서는, 펄라이트의 면적률이 90면적% 이상인 것이 바람직하다. 펄라이트의 면적률은, 보다 바람직하게는 92면적% 이상(더 바람직하게는 95면적% 이상)이다.

[펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave: 6.0≤Pave≤12.0]

펄라이트 노듈의 입도 번호(이하, 「펄라이트 노듈 사이즈」라고 부르는 경우가 있다)의 평균값 Pave는 압연 선재의 연성에 큰 영향을 미친다. 펄라이트 노듈 사이즈가 작은 압연 선재는 연성이 부족하여, SV 처리 중의 단선 원인으로 된다. 또한, 펄라이트 노듈 사이즈는 클수록 연성은 향상되지만, 펄라이트 노듈을 극도로 미세하게 하기 위해서는, 열간 압연에서의 재치 온도를 극단적으로 저하시키고, 또한 급냉을 위해서 과대한 냉각 설비가 필요해지기 때문에, 현실적으로 제조는 어렵다. 이러한 관점에서, 펄라이트 노듈 사이즈의 평균값 Pave는 6.0≤Pave≤12.0으로 했다. 바람직하게는 7.0≤Pave≤11.0이다.

[표층의 전체 탈탄층 깊이: 0.20mm 이하]

표층의 탈탄은, 통상 SV 처리에 의해서 제거되지만, 표층 전체 탈탄층이 깊으면, SV 처리 시에 생기는 절삭 부스러기의 연성이 높아지기 때문에, 칩 브레이커에 의한 절삭 부스러기의 분단성이 나빠지고, 절삭 부스러기 배출성이 저하되어, SV 처리성이 저하된다. 또한 표층 전체 탈탄층이 깊은 경우에는, SV 처리 후에도 표층 전체 탈탄층이 잔존하여, 스프링의 피로 강도를 현저히 저하시키게 되기도 한다. 그 때문에, 표층 전체 탈탄층 깊이는 0.20mm 이하로 했다. 바람직하게는 0.15mm 이하(보다 바람직하게는 0.10mm 이하)이다.

[강 선재 전체 질량에 대한 Cr계 합금 탄화물량≤7.5질량%]

Cr계 합금 탄화물은, 철계 탄화물에 비하여 현저히 단단하기 때문에, 소량의 석출로 칩퍼 칼날 끝의 깨짐, 칩퍼 다이스의 수명 저하 및 절단 부스러기 배출성의 악화 등을 야기하여, SV 처리성을 저하시킨다. 그 때문에, 강 선재 전체 질량에 대한 Cr계 합금 탄화물량의 상한을 7.5%로 했다. Cr계 합금 탄화물량은, 바람직하게는 5.0% 이하(보다 바람직하게는 4.0% 이하)이다. 한편, 본 발명에서 대상으로 하는 Cr계 합금 탄화물은, 기본적으로 Cr을 주체로서 포함하는 탄화물이지만, V, Nb, Mo 등의 탄화물 형성 원소를 함유하는 경우에는, 이들과의 복합 합금 탄화물도 포함한다는 주지(主旨)이다. 또한, Cr계 합금 탄화물량에는, 미량의 질화물이나 탄질화물이 포함되는 경우가 있다.

상기와 같은 고강도 스프링용 강 선재를 제조함에 있어서는, 그의 제조 조건도 적절히 제어할 필요가 있다. 고강도 스프링용 강 선재를 제조하기 위한 순서는 다음과 같다. 우선, 소정의 화학 성분 조성을 갖는 강 빌렛을 열간 압연하여, 원하는 선 직경으로 가공한다. 이 압연 시의 가열 온도에 대해서는, 지나치게 높으면 구(舊) 오스테나이트 결정 입도의 조대화에 수반하는 조직 취화(脆化)의 원인으로 되어, SV 처리성을 저하시킨다. 가열 온도가 지나치게 낮으면, 강재의 변형 저항이 높아지기 때문에, 압연기의 부하가 높아져 제조성을 저하시킨다. 그 때문에, 압연 전의 가열 온도는 900℃ 이상 1100℃ 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 950℃ 이상 1050℃ 이하이다.

계속해서, 열간 압연 후의 강 선재를 코일 형상으로 하여 냉각 컨베이어 상에 재치하는데, 이때의 온도(재치 온도)가 1100℃를 초과하면 구 오스테나이트 결정 입도가 조대화되어, 펄라이트 노듈 사이즈의 조대화에 수반하는 조직 취화의 원인으로 되고, 또한 860℃ 미만이 되면 깊은 표층 탈탄이 생기기 쉬우며, 또한 변형 저항이 높아져, 권취 형상 불량이 생기기 쉬워진다. 이러한 것 때문에 재치 온도는 860∼1100℃인 것이 바람직하고, 이러한 온도 범위로 제어함으로써, 펄라이트 노듈 사이즈의 조대화 및 표층 탈탄을 억제할 수 있다. 재치 온도는 보다 바람직하게는 900℃ 이상 1050℃ 이하이다.

컨베이어 재치 후, 펄라이트 변태의 종료 온도역인 600℃까지의 평균 냉각 속도를 1.0℃/초 이상(바람직하게는 3.5℃/초 이상) 10℃/초 이하(바람직하게는 8℃/초)로 하여, 펄라이트 주체의 조직이고, 또한 펄라이트 노듈 사이즈의 조대화를 억제한 압연재 조직이 얻어진다. 또한 600℃ 미만으로부터 400℃까지의 평균 냉각 속도를 3℃/초 이상(바람직하게는 3.5℃/초 이상) 10℃/초 이하(바람직하게는 8℃/초 이하)로 하여, 400℃ 이하(바람직하게는 375℃ 이하)까지 냉각시킴으로써, 펄라이트 주체의 조직 중에 Cr계 합금 탄화물의 석출을 억제한, SV 처리성이 우수한 압연 선재가 얻어진다.

본 발명의 고강도 스프링용 강 선재는, 최종 제품(고강도 스프링)으로서의 특성을 발휘시키기 위해서, 그의 화학 성분 조성을 적절히 조정할 필요가 있다. 그의 화학 성분 조성에 있어서의 각 성분(원소)에 따른 범위 한정 이유는 다음과 같다.

[C: 0.4% 이상 1.2% 미만]

C는 강재에 있어서의 기본적인 강도를 확보하여, 스프링의 강도·내피로성의 상승에 유효한 원소이며, 그를 위해서는 0.4% 이상 함유시킬 필요가 있다. C 함유량의 증가에 수반하여 스프링의 강도·내피로성은 향상되지만, 과잉으로 되면 조대 시멘타이트가 다량으로 석출되고, 연성·인성이 저하되어, 스프링 가공성이나 스프링 특성에 악영향을 미치게 된다. 이러한 관점에서, C 함유량은 1.2% 미만으로 할 필요가 있다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.5% 이상이며, 바람직한 상한은 1.0% 이하이다.

[Si: 1.5∼3.0%]

Si는 강의 탈산을 위해서 필요한 원소이며, 또한 스프링의 강도, 경도와 내피로성을 확보하기 위해서도 필요한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Si는 1.5% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되면, 재료를 경화시킬 뿐만 아니라, 연성·인성을 저하시키는 것 외에, 표면의 탈탄이 증가하여 SV 처리성 및 피로 특성을 저하시키기 때문에, 3.0% 이하로 할 필요가 있다. Si 함유량의 바람직한 하한은 1.6% 이상(보다 바람직하게는 1.7% 이상)이며, 바람직한 상한은 2.8% 이하(보다 바람직하게는 2.5% 이하)이다.

[Mn: 0.5∼1.5%]

Mn도 Si와 마찬가지로, 강의 탈산을 위해서 필요한 원소이며, 또한 강 중의 S를 MnS로서 고정하는 것에 더하여, 담금질성을 높여 스프링 강도의 향상에 공헌한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, 0.5% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Mn 함유량이 과잉으로 되면, 담금질성이 과도하게 높아져, 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 때문에, Mn 함유량은 1.5% 이하로 할 필요가 있다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.6% 이상(보다 바람직하게는 0.7% 이상)이며, 바람직한 상한은 1.4% 이하(보다 바람직하게는 1.3% 이하)이다.

[Cr: 0.02∼0.5%]

Cr은 담금질성 및 뜨임 연화 저항을 향상시켜, 스프링 강도를 향상시키는 것에 더하여, C의 활량을 저하시켜 압연 시나 열처리 시의 탈탄을 방지하는 효과가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 과잉으로 되면, Cr계 합금 탄화물, 질화물, 탄질화물의 석출이 과잉으로 되어, SV 처리성을 저하시킨다. 그 때문에, Cr 함유량은 0.5% 이하로 할 필요가 있다(바람직한 상한은 0.45% 이하(보다 바람직하게는 0.40% 이하)이다). 상기 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 0.02% 이상이다. Cr 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.05% 이상(더 바람직하게는 0.10% 이상)이다.

[Al: 0.010% 이하]

Al은 탈산 원소이지만, 강 중에서 Al₂O₃나 AlN의 개재물을 형성한다. 이들 개재물은 스프링의 피로 수명을 현저히 저감시키기 때문에, Al은 최대한 저감해야 한다. 이러한 관점에서, Al 함유량은 0.010% 이하, 바람직하게는 0.008% 이하로 할 필요가 있다. 보다 바람직하게는 0.005% 이하로 하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 고강도 스프링용 강 선재에 있어서의 기본 성분은 상기한 바와 같으며, 잔부는 철 및 불가피 불순물(예컨대 P, S 등)이다. 본 발명에 따른 고강도 스프링용 강 선재에는, 필요에 따라 (a) V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)와 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 한쪽, (b) Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), (c) Ni: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음), (d) Cu: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), (e) B: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음) 등을 함유시켜도 좋고, 함유시키는 원소의 종류에 따라, 강 선재의 특성이 더욱 개선된다. 이들 원소의 바람직한 범위 설정 이유는 하기하는 바와 같다.

[V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)와 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 한쪽]

V 및 Nb는 모두 열간 압연 및 담금질 뜨임 처리에서 결정립을 미세화시키는 작용이 있어, 연성, 인성을 향상시킨다. 이 중 V는, 스프링 성형 후의 변형 교정 소둔 시에 2차 석출 경화를 일으켜 스프링의 강도의 향상에 기여하는 효과도 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키면, Cr과, V나 Nb의 복합 합금 탄화물의 석출이 과잉으로 되어, SV 처리성을 저하시킨다. 그 때문에, 모두 함유량은 0.5% 이하가 바람직하다. 상기 효과를 발휘시키기 위한 바람직한 하한은 모두 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.10% 이상)이며, 보다 바람직한 상한은 모두 0.45% 이하(더 바람직하게는 0.40% 이하)이다.

[Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Mo는 스프링 성형 후의 변형 교정 소둔 시에 2차 석출 경화를 일으켜 스프링의 강도의 향상에 기여한다. 그러나, Mo 함유량이 과잉으로 되면, Cr과 Mo의 복합 합금 탄화물의 석출이 과잉으로 되어, SV 처리성을 저하시킨다. 그 때문에, Mo 함유량은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하다. 상기 효과를 발휘시키기 위한 바람직한 함유량은 0.05% 이상이다. Mo 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.10% 이상이며, 보다 바람직한 상한은 0.45% 이하(더 바람직하게는 0.40% 이하)이다.

[Ni: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Ni는 열간 압연 시의 탈탄을 억제하는 것 외에, 담금질 뜨임 후의 연성, 인성 및 내부식성의 향상에 기여한다. 그러나, 함유량이 과잉으로 되면 담금질성이 과도하게 향상되기 때문에, 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 또한, OT선(오일 템퍼링선)의 제조 공정인 담금질 뜨임에서 잔류 오스테나이트가 과도하게 생성되기 때문에, 스프링의 내피로성을 현저히 저하시킨다. 그 때문에, Ni 함유량은 1.0% 이하로 하는 것이 바람직하다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.10% 이상)이며, 보다 바람직한 상한은 0.9% 이하(더 바람직하게는 0.8% 이하)이다.

[Cu: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Cu는 열간 압연 시의 탈탄을 억제하는 것 외에, 내부식성의 향상에 기여한다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 열간 연성을 저하시켜, 열간 압연 시에 균열을 발생시킬 위험이 있다. 그 때문에, Cu 첨가량은 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하다. Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.05% 이상(보다 바람직하게는 0.1% 이상)이며, 보다 바람직한 상한은 0.45% 이하(더 바람직하게는 0.40% 이하)이다.

[B: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)]

B는 담금질성의 향상과 오스테나이트 결정 입계의 청정화에 의한 연성·인성의 향상 효과가 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 Fe와 B의 복합 화합물이 석출되어, 열간 압연 시의 균열을 야기할 위험이 있다. 또한, 담금질성이 과도하게 향상되기 때문에, 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 때문에, B 함유량은 0.010% 이하로 하는 것이 바람직하다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0010% 이상(보다 바람직하게는 0.0015% 이상, 더 바람직하게는 0.0020% 이상)이며, 보다 바람직한 상한은 0.0080% 이하(더 바람직하게는 0.0060% 이하)이다.

본 발명의 고강도 강 선재는, 열간 압연 후의 것을 상정한 것이지만, 이 고강도 강 선재는, 그 후 피삭 처리, 소둔, 신선 전처리(산세(酸洗) 처리), 신선, 코일링, 담금질 뜨임 처리, 표면 처리 등이 실시되는 것에 의해, 고강도 스프링으로 성형된다. 이렇게 하여 얻어지는 고강도 스프링은 양호한 특성을 발휘하는 것으로 된다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1, 2에 나타내는 화학 성분 조성의 강괴를 전로에서 용제한 후, 이 강괴를 분괴 압연하여 단면이 155mm×155mm인 강 빌렛을 제작하고, 1000℃로 가열한 후, 열간 압연하여, 하기 표 3, 4에 나타내는 컨베이어 재치 온도(압연 후의 재치 온도), 평균 냉각 속도(재치 온도로부터 600℃까지, 및 600℃ 미만으로부터 400℃까지의 평균 냉각 속도)로 냉각시키고, 선 직경: 8.0mmφ, 단중(單重) 2ton의 코일을 제조했다(시험 No. 1∼31).

얻어진 각 코일의 펄라이트 면적률, 펄라이트 노듈 사이즈, 전체 탈탄층 깊이, Cr계 합금 탄화물량, SV 처리성을 조사했다. SV 처리성의 조사는 2톤 코일 전체량을 이용했다. SV 처리성의 조사 외에는, 각 가공성 조사용의 2톤 코일의 단말로부터 1개의 링씩 잘라내어, 도 1에 나타내는 바와 같이 원주 방향으로 8분할(선재 길이 방향의 8분할에 상당)해서 채취한 샘플을 사용하고, 각각의 측정값을 평균하는 것에 의해, 각 코일의 대표값을 구했다.

펄라이트 면적률은, 압연 선재의 상기 8부위에 있어서, 도 2(조직 관찰 위치를 모식적으로 나타낸 횡단면도)에 나타내는 바와 같이, 각 표층(2시야), 표면으로부터 1/4D 위치(D는 선재 직경: 2시야), 1/2D(D/4∼D/4의 중앙 영역: 1시야)의 부분에 있어서(합계 5시야), 광학 현미경을 이용하여 측정했다. 열간 압연 선재의 횡단면을 매립하여 연마하고, 피르크산을 이용한 화학 부식을 실시한 후, 광학 현미경에 의해, 배율 400배로 200㎛×200㎛의 영역의 조직 사진을 촬영하여, 화상 해석 소프트(「Image Pro Plus」, Media Cybemetics사제)를 이용해 화상을 2치화한 후, 펄라이트 면적률을 구하고, 평균값을 산출했다. 8부위에서 각각 5시야의 펄라이트 면적률을 구하고, 그들을 평균함으로써, 코일마다의 펄라이트 면적률을 산출했다. 한편, 표층에 탈탄층이 존재하는 경우에는, JIS G 0558의 4에서 규정되는 전체 탈탄부는 측정 부위로부터 제외했다. 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직을 P, 펄라이트가 90% 미만이고 베이나이트나 마텐자이트가 생성되어 있는 경우에는 「P+B+M」 또는 「B+M」이라고 표기했다.

펄라이트 노듈 사이즈의 측정은, 열간 압연 선재의 8부위에 있어서, 상기 도 2에 나타낸 바와 같이, 각 표층(2시야), 표면에서 1/4D 위치(D는 선재 직경: 2시야), 1/2D(D/4∼D/4의 중앙 영역: 1시야)의 부분에 있어서(합계 5시야), 광학 현미경을 이용하여 측정했다. 여기서, 펄라이트 노듈이란, 펄라이트 조직 중의 페라이트 결정립이 동일 방위를 나타내는 영역을 나타내고, 그의 측정 방법은 이하와 같다. 우선 열간 압연 선재의 횡단면을 매립하여 연마하고, 진한 질산(62%):알코올 = 1:100(체적비)의 용액을 이용하여 부식시킨 후(페라이트 입자의 결정면에 대한 부식량의 차로 인해 펄라이트 노듈 입자가 떠올라 관찰된다), 펄라이트 노듈의 입도 번호를 측정했다. 8부위에서 각각 5시야의 펄라이트 노듈의 입도 번호를 측정하고, 그들을 평균함으로써, 코일마다의 펄라이트 노듈 사이즈의 평균값 Pave를 산출했다. 펄라이트 노듈의 입도 번호의 측정은 JIS G 0551에 기재된 「오스테나이트 결정 입도의 측정」에 준하여 그의 입도 번호를 측정했다.

전체 탈탄층 깊이의 측정은, 열간 압연 선재의 8부위에 있어서, 도 3(탈탄 관찰 위치를 모식적으로 나타낸 횡단면도)에 나타내는 바와 같이, 각 표층 8개소에서, 광학 현미경을 이용하여 측정했다. 열간 압연 선재의 횡단면을 매립하여 연마하고, 피르크산을 이용한 화학 부식을 실시한 후에 관찰을 행하여, 8개소의 최대 깊이를 각 부위에서 측정하고, 8부위에서 가장 깊은 전체 탈탄층 깊이를, 그 코일의 전체 탈탄층 깊이로 했다. 측정은 JIS G 0558에 기재된 「강의 탈탄층 깊이 측정 방법」에 준하여 그의 전체 탈탄층 깊이를 구했다.

Cr계 합금 탄화물량은 전해 추출법에 의해서 구했다. 우선, 압연 선재의 스케일을 샌드 페이퍼로 제거하고, 아세톤으로 세정한 후, 이 샘플을 전해액(아세틸 아세톤을 10질량% 함유하는 에탄올 용액) 중에 침지시켜(선재 표층으로부터 전해량을 0.4∼0.5g 정도로 한 후, 샘플을 취출했음), 모상의 금속 Fe를 전기 분해하여, 전해액에 존재하는 강 중의 합금 석출물(탄화물, 및 미량의 질화물, 탄질화물을 포함함)을 잔사(殘渣)로서 채취하고, 그의 잔사 질량을 전해량으로 나눔으로써, Cr계 합금 탄화물량(질량%)을 구했다. 측정되는 합금 석출물은, 주로 Cr계의 합금 탄화물이지만, 선택 원소를 첨가했을 때에는, Cr과, V, Nb, Mo 등의 복합 합금 탄화물을 포함한다. 한편, 잔사를 채취하기 위한 필터로서, 메시 직경 0.1㎛의 필터[어드밴테크동양(주)(Advantec Toyo Kaisha, Ltd.)제 멤브레인 필터 등]를 사용했다.

SV 처리성은, 코일에 열처리를 가하는 일 없이 SV 처리를 실시하여, 이 SV 처리에서의 단선의 유무, 칩퍼 다이스의 입구측에 세팅되어 있는 절삭 부스러기를 분단하는 브레이커의 부하, 칩퍼 다이스의 깨짐의 유무 등으로 평가했다.

[SV 처리성의 평가 기준]

(1) 단선의 유무: 2톤 코일 전체량을 SV 처리했을 때에, 단선이 생기지 않은 코일을 SV 처리성이 좋음: ○, 단선이 1회 이상 생긴 코일을 SV 처리성이 나쁨: ×라고 평가했다.

(2) 브레이커의 부하: 브레이커의 전류값의 변위(0∼10A)를 데이터 로거로 샘플링 간격 1초로 측정하고, SV 처리 시의 TOP, BOT의 각 단말 10kg을 제외한 데이터를 사용했다. 측정 데이터의 60점 평균 이동선의 일부의 값이 9A를 초과하지 않는 코일을 SV 처리성이 좋음: ○, 60점 평균 이동선의 일부의 값이 9A를 초과하는 코일을 SV 처리성이 나쁨: ×라고 평가했다(후기 도 4, 5 참조).

(3) 칩퍼 다이스의 깨짐: 2톤 코일 전체량을 SV 처리한 후, 칩퍼 다이스를 떼어내, 실체 현미경으로 칩퍼 다이스의 와이어 접촉 부분의 깨짐을 확인했다. 칩퍼 다이스의 와이어 접촉 부분에 깨짐(칩퍼 깨짐)이 없었던 코일을 SV 처리성이 좋음: ○, 와이어 접촉 부분에 깨짐이 발생한 코일을 SV 처리성이 나쁨: ×라고 평가했다.

이들 평가 결과를, 압연 선재 조직(펄라이트 면적률, 펄라이트 노듈 사이즈의 평균값 Pave), Cr계 합금 탄화물량과 함께, 하기 표 5, 6에 나타낸다.

시험 No. 1∼15의 것(표 5)은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예, 시험 No. 16∼23의 것(표 6)은, 화학 성분 조성은 만족하지만(강종 B1, B2, C1, C2, E1, G1, G2, L1), 본 발명의 강재를 얻는 데 필요한 제조 조건이 만족되어 있지 않은 예, 시험 No. 24∼31의 것(표 6)은, 화학 성분 조성이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것(강종 P∼W)이다.

이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 우선 시험 No. 1∼15는 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하고 있어, 이들 강 선재는 SV 처리성의 모든 항목(단선의 유무, 브레이커 부하, 칩퍼 깨짐)에 있어서 양호한 결과가 얻어졌다.

이에 반하여, 시험 No. 16은 압연 후의 재치 온도가 높기 때문에, 압연재의 펄라이트 노듈 사이즈가 거칠어져 있어, SV 처리에서 단선이 발생했다. 시험 No. 17은 압연 후의 재치 온도가 낮기 때문에, 압연 선재 표층의 전체 탈탄층이 깊어져 있어, 브레이커의 부하가 상승했다.

시험 No. 18, 21은 컨베이어 재치 후 600℃까지의 평균 냉각 속도가 느리기 때문에, 압연재의 펄라이트 노듈 사이즈가 거칠어져 있어, SV 처리에서 단선이 발생했다. 시험 No. 19, 22는 600℃ 미만으로부터 400℃까지의 평균 냉각 속도가 느리기 때문에, Cr계 합금 탄화물량이 증가하여, 브레이커에서의 부하가 커짐과 더불어, 칩퍼에서의 깨짐이 발생했다.

시험 No. 20은 컨베이어 재치 후 600℃까지의 평균 냉각 속도가 빠르기 때문에, 펄라이트 단상의 조직으로는 되지 않고, 마텐자이트나 베이나이트가 생성되어, SV 처리 시에 단선이 생겼다. 시험 No. 23은 600℃ 미만으로부터 400℃까지의 평균 냉각 속도가 빠르기 때문에, 펄라이트 단상의 조직으로는 되지 않고, 마텐자이트나 베이나이트가 생성되어, SV 처리 시에 단선이 생겼다.

시험 No. 24는 Si 함유량이 과잉인 강종(표 2의 강종 P)을 이용한 예이며, 압연 선재 표층의 전체 탈탄층이 깊어져 있어, 브레이커의 부하가 상승했다.

시험 No. 25, 26, 31은 각 성분(Mn, Ni, B)의 함유량이 과잉인 강종(표 2의 강종 Q, R, W)을 이용한 예이며, 담금질성이 과도하게 상승했기 때문에, 펄라이트 단상으로는 되지 않고, 베이나이트나 마텐자이트가 생성되어, SV 처리 시에 단선이 생겼다.

시험 No. 27∼30은 각 성분(Cr, V, Mo, Nb)의 함유량이 과잉인 강종(표 2의 강종 S, T, U, V)을 이용한 예이며, Cr계 합금 탄화물량이 증가하여, 브레이커에서의 부하가 커짐과 더불어, 칩퍼에서의 깨짐이 발생했다.

도 4는 시험 No. 2(발명예)에서의 브레이커 전류값의 변위를 나타낸 것으로, 전류값이 안정되어 있다는 것을 알 수 있다. 이에 반하여, 도 5는 시험 No. 27(비교예)에서의 브레이커 전류값의 변위를 나타낸 것으로, 브레이커의 부하가 부분적으로 높아져 있다는 것을 알 수 있다(파선으로 둘러싼 부분의 브레이커 부하가 높고, 전류값이 크다).

Claims

열간 압연 후의 강 선재이며, C: 0.4% 이상 1.2% 미만(「질량%」의 의미, 화학 성분 조성에 대하여 이하 동일), Si: 1.5∼3.0%, Mn: 0.5∼1.5%, Cr: 0.02∼0.5% 및 Al: 0.010% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 펄라이트 면적률이 90% 이상인 조직이고, 펄라이트 노듈의 입도 번호의 평균값 Pave가 하기 (1)식을 만족함과 더불어, 표층의 전체 탈탄층 깊이가 0.20mm 이하이고, 또한 Cr계 합금 탄화물량이 상기 강 선재 전체 질량에 대하여 7.5% 이하인 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재.
6.0≤Pave≤12.0 …(1)
제 1 항에 있어서,
V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)와 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 적어도 한쪽을 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
제 1 항에 있어서,
Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
제 1 항에 있어서,
추가로 Ni: 1.0% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
제 1 항에 있어서,
추가로 Cu: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
제 1 항에 있어서,
추가로 B: 0.010% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하는 고강도 스프링용 강 선재.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 고강도 스프링용 강 선재로부터 얻어진 고강도 스프링.