KR20150029757A - 냉간 단조용 환강재 - Google Patents

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Abstract

구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 우수한 냉간 단조용 환강재를 제공한다.
본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 환강재에서는, 미크로 조직이 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 페라이트의 평균 결정입경이 10μm이며, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 20% 미만이다. 또한, 냉간 단조용 환강재 중 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역의 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경이 5μm 이하이며, 라멜라 간격이 200nm인 펄라이트가 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 미만이며, 구상 시멘타이트의 개수가 1.0×105개/mm2 이상이다.

Description

냉간 단조용 환강재{ROUND STEEL MATERIAL FOR COLD FORGING}
본 발명은, 환강재에 관한 것으로, 더 상세한 것은, 냉간 단조용 환강재에 관한 것이다.
구조용 강 강재는, 자동차용 부품, 산업 기계용 부품 및 건설 기계용 부품 등의 기계 구조용 부품의 소재가 된다. 구조용 강 강재로는, 기계 구조용 탄소강 강재 및 기계 구조용 합금강 강재가 이용된다.
이러한 강재로부터 부품을 제조하기 위해, 종래는 주로, 열간 단조 공정 및 절삭 공정이 실시되어 왔다. 그러나, 최근, 생산성의 향상을 목적으로, 이러한 공정 대신에, 냉간 단조 공정에 의한 부품의 제조가 검토되고 있다.
그러나, 냉간 단조의 가공도는 일반적으로 크다. 따라서, 냉간 단조 시의 강재의 균열의 발생을 억제하는 것, 바꾸어 말하면, 강재의 냉간 단조성을 높이는 것이 과제이다.
기계 구조용 탄소강 강재 및 기계 구조용 합금강 강재를 냉간 단조하는 경우, 통상, 열간 압연된 강재에 대해 연화 소둔(이하, 구상화 소둔이라고 한다.)을 실시하여 탄화물의 구상화율을 높인다. 이것에 의해, 강재의 경도가 내려가, 높은 냉간 단조성이 얻어진다. 그러나, 구상화 소둔이 실시된 강재여도 냉간 단조 시에 균열이 발생하는 경우가 있다.
구상화 소둔 후의 냉간 단조성을 높인 냉간 단조용 강재가 일본국 특허공개 2001-240940호 공보(특허 문헌 1), 일본국 특허공개 2001-11575호 공보(특허 문헌 2) 및 일본국 특허공개 2011-214130호 공보(특허 문헌 3)에 제안되어 있다.
특허 문헌 1에 개시된 냉간 단조용 봉선재(棒線材)의 화학 조성은, 질량%로, C：0.1~0.6%, Si：0.01~0.5%, Mn：0.2~1.7%, S：0.01~0.15%, Al：0.015~0.05%, N：0.003~0.025%를 함유하고, 필요에 따라, Ni：3.5% 이하, Cr：2% 이하, Mo：1% 이하, Nb：0.005~0.1%, V：0.03~0.3%, Te：0.02% 이하, Ca：0.02% 이하, Zr：0.01% 이하, Mg：0.035% 이하, Y：0.1% 이하 및 희토류 원소：0.15% 이하 중 1종 이상을 포함하고, P：0.035% 이하, O：0.003% 이하로 제한하며, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 상기 봉선재에 있어서, 표면으로부터 봉선재 반경×0.15의 깊이까지의 영역의 페라이트의 조직 면적율은 10% 이하이며, 잔부가 실질적으로 마르텐사이트, 베이나이트, 펄라이트 중 1종 또는 2종 이상으로 이루어진다. 또한, 깊이가 봉선재 반경×0.5로부터 중심까지의 영역의 평균 경도가 표층(표면으로부터 봉선재 반경×0.15의 깊이까지의 영역)의 평균 경도에 비해 20HV 이상 부드럽다.
특허 문헌 2에 개시된 기계 구조용 봉강 및 강선의 화학 조성은, 질량%로, C：0.1~0.5%, Si：0.01~0.15%, Mn：0.2~1.7%, Al：0.0005~0.05%, Ti：0.005~0.07%, B：0.0003~0.007%, N：0.002~0.02%를 함유하고, 필요에 따라, 0.003~0.15%의 S, 및/또는, 0.8% 이하이며 또한 Mn과의 합계량이 0.3~1.3%인 Cr을 포함하고, P：0.02% 이하, O：0.003% 이하이며, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 상기 봉강 및 강선의 미크로 조직은 페라이트와 구상 탄화물로 이루어지며, 페라이트의 결정입도가 8번 이상이며, 단위면적 1mm2 당 구상 탄화물의 개수가 C량에 따라 1.5×106개×C% 이하이다.
특허 문헌 3에 개시된 고주파 담금질용 압연 강재의 화학 조성은, 질량%로, C：0.38~0.55%, Si：1.0% 이하, Mn：0.20~2.0%, P：0.020% 이하, S：0.10% 이하, Cr：0.10~2.0%, Al：0.10% 이하 및 N：0.004~0.03%를 함유하고, 필요에 따라, Cu：1.0% 이하, Ni：3.0% 이하, Mo：0.50% 이하, Ti：0.10% 이하, Nb：0.10% 이하 및 V：0.30% 이하 중 1종 이상을 포함하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, fn1=C+(1/10)Si+(1/5)Mn+(5/22)Cr+1.65V-(5/7)S(단, 식 중의 C, Si, Mn, Cr, V, S는, 각각의 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.)의 값이 1.20 이하이다. 상기 압연 강재의 미크로 조직은 페라이트, 라멜라 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 페라이트의 평균 결정입경이 10μm 이하, 라멜라 펄라이트 중 라멜라 간격이 200nm 이하인 라멜라 펄라이트의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 20~50%이며, 구상 시멘타이트의 개수가 4×105개/mm2 이상이다.
특허 문헌 1에서는, 구상화 소둔 후의 연성을 높이기 위해, 열간 압연 후의 강재의 표층을, 뜨임 마르텐사이트를 주체로 한 조직 또는 베이나이트를 주체로 한 조직 등의 균일 미세한 조직으로 한다. 보다 구체적으로는, Ms점을 크게 밑도는 온도역까지 급냉을 실시하여 강재의 표층 영역을 뜨임 마르텐사이트를 주체로 한 조직으로 하거나, 혹은, 냉각 및 복열을 복수회 반복하여, 표층 영역을 베이나이트를 주체로 하는 조직으로 한다. 이 경우, 강재에는 변태에 의한 체적 변화가 생기기 때문에, 엄격한 치수 정밀도나 진직성(眞直性)이 요구되는 경우, 구상화 소둔 전에 인발 가공을 행하지 않으면 안 되는 경우가 있다.
특허 문헌 2에서는, Ar3점~Ar3점+150℃의 표면 온도의 강재를 압연한다. 특허 문헌 2에서는, Ar3점 미만의 표면 온도의 강재를 압연한 경우, 이른바 2상역에서의 압연을 실시한 경우, 미세한 페라이트 및 펄라이트를 얻지 못하여, 바람직하지 않다고 기재되어 있다. 그러나, Ar3점~Ar3점+150℃의 온도역에서 압연을 실시한 경우, 미세한 페라이트를 얻을 수 없는 경우가 있어, 강 중의 펄라이트의 비율이 커지는 경우도 있다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 강재의 냉간 단조성이 낮은 경우가 있다.
특허 문헌 3에 개시된 압연 강재는, 고주파 담금질을 행한 후, 굽힘 강도 및 충격 특성이 요구되는 랙 바 등의 부품의 소재로서 이용하는데 적합하다. 그러나, 이 압연 강재는, 라멜라 펄라이트 중, 라멜라 간격이 200nm 이하인 라멜라 펄라이트의 미크로 조직 전체에서 차지하는 비율이 20~50%로 크다. 그 때문에, 이 압연 강재를 구상화 소둔해도 반드시 충분히 연화되지 않으며, 냉간 단조용 강재에 요구되는 우수한 냉간 단조성을 얻을 수 없는 경우도 있다.
일본국 특허공개 2001-240940호 공보 일본국 특허공개 2001-11575호 공보 일본국 특허공개 2011-214130호 공보
본 발명의 목적은, 구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 우수한 냉간 단조용 환강재를 제공하는 것이다.
본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 환강재는, 질량%로, C：0.15~0.60%, Si：0.01~0.5%, Mn：0.1~2.0%, P：0.035% 이하, S：0.050% 이하, Al：0.050% 이하, Cr：0.02~0.5%, N：0.003~0.030%, Cu：0~0.5%, Ni：0~0.3%, Mo：0~0.3%, V：0~0.3%, B：0~0.0035%, Nb：0~0.050%, 및, Ti：0~0.2%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가진다. 상기 냉간 단조용 환강재의 미크로 조직은 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 페라이트의 평균 결정입경이 10μm 이하이며, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 미크로 조직 내에서 차지하는 면적 비율이 20% 미만이다. 또한, 냉간 단조용 환강재 중 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역의 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경이 5μm 이하이며, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 상기 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 미만이며, 구상 시멘타이트의 개수가 1.0×105개/mm2 이상이다.
본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 환강재는, 구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 우수하다.
도 1은, 펄라이트 콜로니의 모식도이다.
도 2a는, 실시예의 냉간 단조성 시험에서 이용한 시험편의 평면도이다.
도 2b는, 도 2a에 나타내는 시험편의 정면도이다.
이하, 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재에 대해서 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서의 각 원소의 함유량의 「%」표시는 「질량%」를 의미한다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 다양한 검토를 실시했다. 그 결과, 본 발명자들은, 다음의 (A)~(C)의 사항을 발견했다.
(A) 구상화 소둔 후의 강재의 구상화율을 높임으로써, 냉간 단조성이 높아진다. 구상화 소둔 전의 조직이 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트의 혼합 조직이며, 미크로 조직 중의 페라이트의 평균 결정입경이 10μm 이하이면, 구상화 소둔 시에 있어서의 강 중의 C의 확산 거리가 짧아진다. 그 때문에, 구상화 소둔 시에 있어서, 펄라이트 중의 시멘타이트가 구상화되기 쉬워져, 구상화율(강 중의 시멘타이트 개수에 대한 구상 시멘타이트의 개수의 비율)이 높아진다.
(B) 상기 미크로 조직에 있어서, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트(이하, 미세 펄라이트라고 한다.)의 비율이 크면, 구상화 소둔 후의 연화가 불충분해지는 경우가 있다. 미세 펄라이트의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 20% 미만이면, 구상화 소둔 후의 강재가 충분히 연화되어, 강재의 냉간 단조성이 높아진다.
(C) 냉간 단조 시의 균열은 강재의 표층으로부터 발생한다. 환강재의 경우, 적어도 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역(이하, 표층 영역이라고 한다)의 구상화율이 높아지면, 표층에 냉간 단조 균열이 발생하기 어렵다. 표층 영역의 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경이 5μm 이하이며, 미세 펄라이트의 표층 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 미만이며, 구상 시멘타이트의 개수가 1.0×105개/mm2 이상이면, 표층 영역의 구상화율이 높아져, 냉간 단조성이 더 높아진다.
상기 (A)~(C)의 지견에 의거하여 완성된 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는, 질량%로, C：0.15~0.60%, Si：0.01~0.5%, Mn：0.1~2.0%, P：0.035% 이하, S：0.050% 이하, Al：0.050% 이하, Cr：0.02~0.5%, N：0.003~0.030%, Cu：0~0.5%, Ni：0~0.3%, Mo：0~0.3%, V：0~0.3%, B：0~0.0035%, Nb：0~0.050%, 및, Ti：0~0.2%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가진다. 상기 냉간 단조용 환강재의 미크로 조직은 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 페라이트의 평균 결정입경이 10μm 이하이며, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 미크로 조직 내에서 차지하는 면적 비율이 20% 미만이다. 또한, 상기 냉간 단조용 환강재 중, 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역의 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경이 5μm 이하이며, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 상기 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 미만이며, 구상 시멘타이트의 개수가 1.0×105개/mm2 이상이다.
상기 냉간 단조용 환강재는, Cu：0.05~0.5%, Ni：0.05~0.3%, Mo：0.05~0.3%, V：0.05~0.3%, 및 B：0.0005~0.0035%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 냉간 단조용 환강재는, Nb：0.005~0.050%, 및, Ti：0.005~0.2%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유해도 된다.
이하, 본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 환강재를 상세히 서술한다.
［화학 조성］
본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 환강재의 화학 조성은, 이하의 원소를 함유한다.
C：0.15~0.60%
탄소(C)는, 강재의 강도를 높인다. C함유량이 너무 낮으면, 그 효과는 얻어지지 않는다. 한편, C함유량이 너무 많으면, 미크로 조직에서 차지하는 미세 펄라이트의 면적 비율이 높아져, 구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, C함유량은 0.15~0.60%이다. C의 함유량의 바람직한 하한은 0.20%이며, 더 바람직하게는 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.35%이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.58%이며, 더 바람직하게는 0.55%이며, 더 바람직하게는 0.53%이다.
Si：0.01~0.5%
실리콘(Si)은, 용제 시의 강을 탈산한다. Si함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, Si는 페라이트를 고용 강화된다. 그 때문에, Si함유량이 너무 많으면, 구상화 소둔 후의 강재의 경도가 너무 높아져, 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, Si함유량은 0.01~0.5%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.08%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 0.45%이며, 더 바람직하게는 0.40%이다.
Mn：0.1~2.0%
망간(Mn)은, 냉간 단조용 환강재로부터 제조되는 최종 제품(기계 구조용 부품)의 강도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 최종 제품의 강도가 부족된다. 한편, Mn함유량이 너무 많으면, 구상화 소둔 후의 강재의 경도가 충분히 낮아지지 않는다. 따라서, Mn함유량은 0.1~2.0%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.2%이며, 더 바람직하게는 0.3%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 1.8%이며, 더 바람직하게는 1.6%이며, 더 바람직하게는 1.4%이다.
P：0.035% 이하
인(P)은 불순물이다. P는 강 중에서 편석되기 쉽고, 국소적인 연성 저하의 원인이 된다. 따라서, P함유량은 낮은 것이 바람직하다. P함유량은 0.035% 이하이다. 바람직한 P함유량은 0.030% 이하이며, 더 바람직하게는 0.025% 이하이다.
S：0.050% 이하
유황(S)은, 강 중에 불가피적으로 함유된다. S는 함유되면 피삭성을 높이는 효과가 있다. 그러나, S함유량이 너무 많으면, 강 중에 조대(粗大)한 황화물이 생성된다. 조대한 황화물은 냉간 단조 시의 균열 발생의 원인이 된다. 따라서, S의 함유량은 0.050% 이하이다. 바람직한 S의 함유량은 0.045% 이하이다. 피삭성을 높이는 경우, 바람직한 S함유량은 0.015% 이상이다.
Al：0.050% 이하
알루미늄(Al)은, 강 중에 불가피적으로 함유된다. Al는 강을 탈산한다. 그러나, Al함유량이 너무 많으면, 강 중에 조대한 개재물이 생성되어, 냉간 단조 시의 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Al함유량은 0.050% 이하이다. 바람직한 Al의 함유량은 0.045% 이하이다. 탈산 효과를 높이는 경우, 바람직한 Al함유량은 0.015% 이상이다. 본 명세서에 있어서, Al함유량은 산가용 Al(sol. Al)의 함유량을 의미한다.
Cr：0.02~0.5%
크롬(Cr)은, 구상 시멘타이트를 안정화시킨다. Cr함유량이 너무 낮으면, 그 효과를 얻을 수 없다. 한편, Cr함유량이 너무 많으면, 구상화 소둔 후의 강재의 경도가 충분히 낮아지지 않는다. 따라서, Cr함유량은 0.02~0.5%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.07%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 0.45%이며, 더 바람직하게는 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.35%이다.
N：0.003~0.030%
질소(N)는, 질화물을 생성하여 결정립을 미세화한다. N함유량이 너무 낮으면, 이 효과를 얻을 수 없다. 한편, N함유량이 너무 많으면, 상기 효과는 포화되고, 제조 비용도 더 높아진다. 따라서, N함유량은 0.003~0.030%이다. N함유량의 바람직한 하한은 0.004%이며, 더 바람직하게는 0.005%이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.022%이며, 더 바람직하게는 0.020%이며, 더 바람직하게는 0.018%이다.
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재가 후술하는 B를 함유하는 경우, B가 N과 결합하면, B는 강재의 담금질성을 높이는 효과를 발휘할 수 없다. 이 경우, 다량의 Ti를 함유할 필요가 있다. 따라서, B를 함유하는 경우, N함유량은 낮은 것이 바람직하다. 이 경우의 N함유량의 바람직한 상한은 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.008%이다.
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재의 화학 조성의 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어진다. 본 명세서에 있어서, 불순물이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 의미한다.
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는 Fe의 일부 대신에, Cu, Ni, Mo, V 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다. 이러한 원소는 모두, 냉간 단조용 환강재로부터 제조되는 기계 구조용 부품의 강도를 높인다.
Cu：0~0.5%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Cu는 고용 강화에 의해 기계 구조용 부품의 강도를 높인다. 그러나, Cu함유량이 너무 많으면, 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Cu함유량은 0~0.5%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Cu함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Cu함유량의 바람직한 상한은 0.4%이며, 더 바람직하게는 0.3%이다.
Ni：0~0.3%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Ni는 고용 강화에 의해 기계 구조용 부품의 강도를 높인다. 그러나, Ni함유량이 너무 많으면, 경제성이 손상된다. 따라서, Ni함유량은 0~0.3%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Ni함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 0.25%이며, 더 바람직하게는 0.2%이다.
Mo：0~0.3%
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Mo는 고용 강화에 의해 기계 구조용 부품의 강도를 높인다. 그러나, Mo함유량이 너무 많으면, 그 효과가 포화되어, 경제성이 손상된다. 따라서, Mo함유량은 0~0.3%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 Mo함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.1%이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 0.25%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다.
V：0~0.3%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. V는 석출 강화에 의해 기계 구조용 부품의 강도를 높인다. 그러나, V함유량이 너무 많으면, 강재의 경도가 너무 높아져 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, V함유량은 0~0.3%이다. 상기 효과를 보다 유효하게 얻기 위한 V함유량의 바람직한 하한은, 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.1%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.25%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다.
B：0~0.0035%
붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. B는 강재의 담금질성을 높여, 강재로부터 제조되는 최종 제품(기계 구조용 부품)의 강도를 높인다. 그러나, B함유량이 너무 많으면, 그 효과는 포화되고, 제조 비용도 더 높아진다. 따라서, B함유량은 0~0.0035%이다. 상기 효과를 보다 높이기 위한 B함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이다. B함유량의 바람직한 상한은 0.0030%이다.
상기 서술한 대로, 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재에는 Cu, Ni, Mo, V 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상이 함유되어도 된다. 이러한 원소의 함유량의 합계는, 1.40% 이하인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는, 0.80% 이하이다.
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는 Fe의 일부 대신에, Nb 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 더 함유해도 된다. 이러한 원소는 모두, 탄질화물을 형성하여 결정립을 미세화한다.
Nb：0~0.050%
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Nb는, 탄질화물을 형성하고, 결정립을 미세화한다. 결정립의 미세화에 의해, 강재의 냉간 단조성이 높아진다. 그러나, Nb함유량이 너무 많으면, 탄질화물이 조대해진다. 조대한 탄질화물은, 냉간 단조 시에 균열의 기점이 된다. 따라서, Nb함유량은 0~0.050이다. 상기 효과를 보다 높이기 위한 Nb함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 더 바람직하게는 0.010%이다. Nb함유량의 바람직한 상한은 0.035%이며, 더 바람직하게는 0.030%이다.
Ti：0~0.2%
티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Ti는, 탄질화물을 형성하여 결정립을 미세화한다. 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재가 B를 함유하는 경우, Ti는 N과 결합하여 질화물을 형성하고, B가 N과 결합하는 것을 억제한다. 그 때문에, B는 강에 고용하여 상기 서술한 대로 강재의 담금질성을 높일 수 있다. 그러나 Ti함유량이 너무 많으면, 탄질화물이 조대화되어, 강재의 인성이 저하된다. 따라서, Ti함유량은 0~0.2%이다. 상기 효과를 보다 높이기 위한 Ti함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 더 바람직하게는 0.010%이다. Ti함유량의 바람직한 상한은 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.15%이다.
상기 서술한 대로, Ti는, B가 N과 결합하는 것을 억제한다. 그 때문에, B가 함유되는 경우, 바람직하게는 Ti도 함유된다.
［미크로 조직］
상기 서술한 화학 조성을 가지는 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재의 미크로 조직은, 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어진다. 이 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경은 10μm 이하이며, 펄라이트 중 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트(미세 펄라이트)가 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율은 20% 미만이다.
또한, 상기 환강재 중 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역(표층 영역)에서의 미크로 조직에 있어서, 페라이트의 평균 결정입경은 5μm 이하이며, 미세 펄라이트가 표층 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율은 10% 미만이다. 또한, 표층 영역의 미크로 조직에서의 구상 시멘타이트의 개수는 1.0×105개/mm2 이상이다.
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는, 상기 미크로 조직을 가진다. 그 때문에, 구상화 소둔 후에 실시되는 냉간 단조에 있어서, 강재의 표층에 있어서의 균열의 발생이 억제되어, 냉간 단조성이 높아진다. 이하, (1) 강재 전체에 있어서의 미크로 조직, 및, (2) 강재의 표층 영역에 있어서의 미크로 조직에 대해서 각각 상세히 서술한다.
［강재 전체에 있어서의 미크로 조직에 대해서］
상기 서술한 대로, 강재의 미크로 조직은, 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트(Spheroidal cementites)로 이루어지는 혼합 조직이다. 그 때문에, 미크로 조직의 경도는, 마르텐사이트나 베이나이트와 비교해 낮다.
［강재 전체의 미크로 조직에 있어서의 페라이트 평균 결정입경］
상기와 같은 혼합 조직이어도, 페라이트의 평균 결정입경이 10μm를 넘으면, 구상화 소둔 시에 있어서의 C의 확산 거리가 길어진다. 이 경우, 구상화 소둔 시에 펄라이트 중의 시멘타이트가 구상화되기 어려워진다.
본 실시 형태에서는, 상기 미크로 조직에 있어서의 페라이트의 평균 결정입경이 10μm 이하이다. 그 때문에, C의 확산 거리가 짧고, 구상화 소둔 시에 시멘타이트가 구상화되기 쉽다.
［미세 펄라이트의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율］
상기 서술한 혼합 조직이며, 페라이트립이 미세해도, 펄라이트 중 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트(미세 펄라이트)의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 많은 경우, 구상화 소둔을 실시해도 강재가 연화되기 어렵다. 본 실시 형태에서는, 미세 펄라이트의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 20% 미만이다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 강재의 냉간 단조성이 높아진다.
라멜라 간격은, 다음의 방법에 의해 구해진다. 펄라이트 중, 라멜라 방위(시멘타이트의 연재 방향)가 동일한 영역을 펄라이트 콜로니로 정의한다. 도 1에 펄라이트 콜로니의 일례를 나타낸다. 펄라이트 콜로니(1)는, 복수의 시멘타이트(2)와 복수의 페라이트(3)를 포함한다. 시멘타이트(2)와 페라이트(3)는 라멜라형상(층상)으로 교호로 배열된다. 펄라이트 콜로니 내에서는, 복수의 시멘타이트(2)는 실질적으로 평행으로 배열된다.
펄라이트 콜로니에 있어서, 임의의 3개소에서, 라멜라 간격을 구한다. 예를 들어, 도 1을 참조하여, 측정 개소 P1에 있어서, 시멘타이트(2)의 연재 방향과 수직인 방향으로 선분 L1을 긋는다. 이 때 선분 L1의 양단점 PL1, PL1을, 측정 개소 P1에 있어서, 펄라이트 콜로니(1)의 경계(10)에 가장 가까운 한 쌍의 시멘타이트(2)의 각각의 폭 중앙에 각각 배치한다. 선분 L1의 길이와, 선분 L1과 교차하는 시멘타이트의 수 N을 구하고, 측정 개소 P1에서의 라멜라 간격(nm)을 다음의 식으로 구한다.
측정 개소 P1에서의 라멜라 간격=L1/(N-1)
요컨데, 라멜라 간격이란, 서로 이웃하는 시멘타이트의 사이의 거리를 의미한다. 측정 개소 P1에서는, 선분 L1과 교차하는 시멘타이트의 수 N은 「4」이다.
마찬가지로, 측정 개소 P2에 있어서, 선분 L2를 긋는다. 이 때, 선분 L2의 양단점은, 측정 개소 P2에 있어서, 펄라이트 콜로니(1)의 경계(10)에 가장 가까운 한 쌍의 시멘타이트(2)의 각각의 폭 중앙에 각각 배치된다. 이 때의 시멘타이트수 N은 「5」이다. 상기 식에 의거하여, 측정 개소 P2에서의 라멜라 간격을 구한다. 마찬가지로, 측정 개소 P3의 라멜라 간격도 구한다.
측정 개소 P1~P3에서 구한 라멜라 간격의 평균을, 펄라이트 콜로니(1)의 「라멜라 간격」(nm)으로 정의한다. 그리고, 라멜라 간격이 200μm 미만의 펄라이트 콜로니를, 「미세 펄라이트」로 정의한다.
［표층 영역에서의 미크로 조직에 대해서］
냉간 단조 시의 균열은 강재의 표층으로부터 발생한다. 본 실시 형태에서는, 구상화 소둔 후의 표층 영역에서의 구상화율을 더 높이기 위해, 표층 영역의 미크로 조직에 있어서의 페라이트의 평균 결정입경, 미세 펄라이트의 면적 비율, 구상 시멘타이트 개수를 다음대로 규정한다.
［표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경］
표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경이 5μm를 넘으면, 표층 영역에서의 냉간 단조성이 저하되어, 냉간 단조 시에 균열이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경은 5μm 이하이다.
［미세 펄라이트의 표층 영역에서의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율］
미세 펄라이트의 표층 영역에서의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 이상인 경우, 표층 영역에서의 냉간 단조성이 저하되어, 냉간 단조 균열이 발생하는 경우가 있다. 따라서, 미세 펄라이트의 표층 영역에서의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율은 10% 미만이다.
［표층 영역의 미크로 조직에서의 구상 시멘타이트 개수］
표층 영역의 미크로 조직에서의 구상 시멘타이트의 개수는 1.0×105개/mm2 이상이다. 이 경우, 구상화 소둔 시에, 표층 영역 내의 구상 시멘타이트가 핵이 되어, 구상 시멘타이트가 생성 및 성장하기 쉽다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 표층 영역의 구상화율이 더 높아진다.
미크로 조직의 상(相)의 식별, 페라이트의 평균 결정입경, 미세 펄라이트의 면적 비율, 및, 구상 시멘타이트의 개수는 다음의 방법으로 구할 수 있다.
［미크로 조직의 상의 식별에 대해서］
환강재의 횡단면(환강재의 축방향에 수직인 단면)을 경면 연마하여 관찰면으로 한다. 경면 연마된 관찰면을 3% 질산 알코올(나이탈액)로 부식시켜 미크로 조직을 드러나게 한다. 드러난 미크로 조직을 주사형 전자현미경(SEM)으로 관찰한다.
환강재의 관찰면의 반경을 R로 정의한다. 관찰면 중, 표면으로부터 중심을 향해 반경 R×0.067깊이의 위치(이하, 위치 Q1라고 한다)와, 표면에서 반경 R×0.15깊이의 위치(이하, 위치 Q2라고 한다), 표면에서 반경 R×0.25깊이의 위치(위치 Q3이라고 한다)와, 표면에서 반경 R×0.5의 위치(위치 Q4라고 한다)와, 중심(위치 Q5라고 한다)을 특정한다. 특정된 각 위치 Q1~Q5에서 3시야씩, 합계 15시야에서 미크로 조직을 관찰하여, 상을 식별한다. 각 시야의 면적은 25μm×20μm로 한다. 각 시야의 촬영 화상을 생성하여, 촬영 화상에 의거하여 상을 식별한다.
구상 시멘타이트에 대해서는, 상기 환강재의 관찰면을 경면 연마한다. 연마 후, 관찰면을 피크린산 알코올(피크럴액)로 부식시킨다. 5000배의 SEM을 이용하여, 상기의 상의 식별과 마찬가지로, 15시야에 대해서 미크로 조직의 촬영 화상을 생성한다. 각 시야의 촬영 화상을 이용하여, 화상 처리에 의해, 각 시야 내의 각 시멘타이트의 장경 L과 단경 W를 측정한다. 관찰된 복수의 시멘타이트 중, L/W가 2.0 이하의 시멘타이트를, 구상 시멘타이트로 정의한다.
［페라이트의 평균 결정입경］
상기 환강재의 관찰면을 경면 연마한다. 연마 후, 관찰면을 3% 질산 알코올(나이탈액)로 부식시켜 미크로 조직을 드러나게 한다. 5000배의 SEM을 이용하여, 상기의 상의 식별과 마찬가지로, 15시야에 대해서 미크로 조직의 촬영 화상을 생성한다. 촬영 화상을 이용하여 화상 처리를 행하고, 상기 15시야에서의 페라이트의 평균 결정입경을 JIS G0551(2005) 부속서 2에 기재된 페라이트 결정립의 절단법에 의한 평가 방법에 의거하여 구한다. 구한 각 시야의 평균 결정입경의 평균을, 미크로 조직 전체에 있어서의 페라이트의 평균 결정입경(μm)으로 정의한다.
또한, 위치 Q1 및 위치 Q2에서의 합계 6시야에서의 페라이트의 결정입경의 평균을 구하여, 표층 영역에 있어서의 페라이트의 평균 결정입경(μm)으로 정의한다.
［미세 펄라이트의 면적 비율］
미세 펄라이트의 면적 비율은 다음의 방법으로 측정한다. 상기 15시야(25μm×20μm)의 각각에서, 펄라이트 콜로니를 특정(구분)한다. 펄라이트 콜로니의 특정은 예를 들어, 화상 처리에 의해 실시한다. 각 펄라이트 콜로니에 있어서, 상기 서술한 방법으로 라멜라 간격(nm)을 구한다. 그리고, 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트 콜로니를 「미세 펄라이트」라고 특정한다. 특정된 미세 펄라이트의 면적 Af(μm2)를 구하고, 식 (1)에 의거하여 각 시야에서의 미세 펄라이트 면적율을 구한다.
미세 펄라이트 면적율(%)=Af/시야 면적×100 (1)
여기서, 시야 면적은 25×20=500(μm2)이다. 면적 Af는 예를 들어, 도 1 중의 펄라이트 콜로니(1)의 경계(10)와 그 내부를 마킹함으로써, 주지의 화상 처리를 이용하여 구할 수 있다.
식 (1)에 의거하여 구한 각 시야의 미세 펄라이트 면적율의 평균을, 미세 펄라이트의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율(%)로 정의한다.
또한, 식 (1)에 의거하여 구한 위치 Q1 및 Q2에서의 미세 펄라이트 면적율(합계 6시야)의 평균을, 미세 펄라이트의 표층 영역에서의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율(%)로 정의한다.
［구상 시멘타이트 개수］
위치 Q1 및 Q2(합계 6시야)에서의 구상 시멘타이트(L/W가 2.0 이하의 시멘타이트)의 개수를 카운트한다. 6시야에서의 구상 시멘타이트의 총 개수에 의거하여, 면적 1mm2 당 구상 시멘타이트의 개수(개/mm2)를 산출한다. 얻어진 개수를 표층 영역에서의 미크로 조직에 있어서의 구상 시멘타이트 개수(개/mm2)로 정의한다.
본 실시 형태의 환강재 전체의 미크로 조직에 있어서의 페라이트의 바람직한 평균 결정입경은 8μm 이하이다. 표층 영역의 미크로 조직에 있어서의 페라이트의 바람직한 평균 결정입경은 4μm 이하이다. 환강재 전체 및 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경은, 모두 작을 수록 바람직하다. 그러나, 서브 미크론 오더의 결정립을 형성하려면 특수한 가공 조건 또는 설비가 필요하여, 공업적으로 실현은 곤란하다. 따라서, 환강재 전체의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경, 및, 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경에 있어서, 공업상 실현될 수 있는 하한은 1μm이다.
환강재 전체의 미크로 조직에 있어서의 미세 펄라이트가 미크로 조직에서 차지하는 바람직한 면적 비율은, 15% 미만이다. 표층 영역의 미크로 조직에 있어서의 미세 펄라이트가 표층 영역의 미크로 조직에서 차지하는 바람직한 면적 비율은, 8% 이하이다. 냉간 단조성 향상을 위해서는, 이러한 면적 비율은 모두 적을 수록 바람직하고, 0%여도 된다.
표층 영역의 미크로 조직에 있어서의 구상 시멘타이트의 바람직한 개수는, 2.0×105개/mm2 이상이다. 상기 구상 시멘타이트의 개수는 많을 수록 바람직하다. 그러나, 실질적으로는 1.0×107개/mm2가 상한이다.
미크로 조직이 혼합 조직(페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트)인 환강재에 있어서, 표층 영역의 미크로 조직에서의 구상 시멘타이트의 개수가 상기의 규정을 만족하고 있으면, 구상화 소둔 후에 우수한 냉간 단조성이 얻어진다. 이 때문에, 표층 영역 이외의 부분의 미크로 조직에 있어서의 구상 시멘타이트의 개수는 특별히 규정하지 않아도 된다.
［제조 방법］
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재의 제조 방법의 일례를 설명한다.
상기 서술한 화학 조성을 가지는 소재(예를 들면 빌릿)를 가열로에서 가열한다. 가열된 소재를 가열로로부터 추출하여, 연속 압연기를 이용하여 열간 압연하여 냉간 단조용 환강재를 제조한다. 연속 압연기는, 배열된 복수의 압연기(스탠드)를 구비한다. 냉간 단조용 환강재는, 전(全)연속식 압연 방법에 의거하여 제조된다. 전연속식 압연 방법이란, 가열로로부터 추출된 소재가, 연속 압연기의 최종 스탠드를 나와 냉간 단조용 환강재가 될 때까지의 동안, 도중에 정지하지 않고 연속적으로 압연되는 방법을 의미한다. 이하, 전연속식 압연 방법에서의 제조 조건에 대해서 설명한다.
［소재의 가열 온도］
소재를 가열하고, 열간 압연 전의 소재의 가열 온도(즉, 소재의 표면 온도)를 810℃ 이하로 한다. 이 경우, 2상역에서의 압연이 실시된다. 2상역에서의 압연을 실시함으로써, 압연 후의 환강재 중의 페라이트립을 미세하게 할 수 있다. 한편, 가열 온도가 너무 낮으면, 연속 압연기의 부하가 과대해진다. 따라서, 열간 압연 전의 바람직한 소재의 가열 온도의 하한은 670℃이다.
［전연속식 압연 방법에서의 총 감면율］
전연속식 압연 방법에서의 총 감면율을 30%보다 높게 한다. 총 감면율(%)은 식 (2)로 정의된다.
총 감면율=(소재의 횡단면적-환강재의 횡단면적)/소재의 횡단면적×100 (2)
여기서, 소재의 횡단면적(mm2)은, 소재의 중심축에 수직인 단면의 면적을 의미한다. 환강재의 횡단면적(mm2)은, 전연속식 압연 방법으로 제조된 환강재의 중심축에 수직인 단면의 면적을 의미한다.
총 감면율을 30%보다 높게 함으로써, 가공 중의 오스테나이트로부터의 페라이트의 가공 유기 석출을 촉진한다. 또한, 가공 중의 페라이트에 가공 변형이 도입되어, 동적 재결정에 의해 페라이트가 미세화된다. 또한, 가공 변형을 다수 도입함으로써, 후술하는 냉각 시에 페라이트가 미세화된다.
［최종 압연기의 출측에서의 환강재의 표면 온도］
2상역에서의 압연을 종료한 직후의 환강재의 온도, 즉, 최종의 압연기 출측에서의 환강재의 표면 온도를 Ac3점 이상으로 한다. 이 경우, 가공된 조직을 일단 역변태시킨다. 열간 압연 시에 있어서, 가공 발열에 의해 소재의 표면 온도는 상승한다. 열간 압연 중의 냉각 조건을 조정함으로써, 최종 압연기 출측의 환강재의 표면 온도를 Ac3점 이상으로 한다. 이 경우, 환강재의 조직은 일단 오스테나이트 단상이 된다. 동적 재결정에 의해 미세화한 페라이트는, 역변태에 의해 미세한 오스테나이트가 된다.
［압연 직후의 냉각 조건］
압연이 종료한 후 5초 이내에 Ar3점 이하이며 600℃를 밑돌지 않는 온도로 환강재를 냉각한다. 5초 이내에 환강재의 표면 온도를 Ar3점 이하로 하기 때문에, 환강재의 조직은 다시 변태하여, 미세한 페라이트가 생성된다. 또한, 냉각 정지 온도를 Ar3점 이하 600℃ 이상으로 함으로써, 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 경질의 조직이 생성되는 것을 억제할 수 있으며, 또한, 미세 펄라이트의 생성도 억제된다.
본 실시 형태에서는 예를 들면, 최종 압연기의 출측에 배치된 수냉 장치에 의해, 5초 이내에 환강재의 표면 온도를 Ar3점~600℃로 한다. 압연이 종료한 후 5초 이상 경과하면, 역변태로 생성한 오스테나이트는 조대화된다. 오스테나이트가 조대화되면, 그 후 환강재의 표면 온도를 Ar3점 이하로 해도, 미세한 페라이트는 얻어지지 않는다. 5초 이내이면, 냉각 시간은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 3초에 환강재의 표면 온도를 Ar3점~600℃로 해도 된다. 환강재의 표면 온도를 Ar3점~600℃로 한 후, 수냉 장치에 의한 냉각을 정지한다.
상기 서술한 대로, 전연속식 압연 방법에서의 압연을 종료한 후 5초 이내에 강재의 표면 온도를 Ar3점 이하이며, 600℃를 밑돌지 않는 온도로 냉각한 후, 수냉 장치에 의한 수냉을 정지한다. 환강재를 더 실온까지 냉각할 때에는, 마르텐사이트, 베이나이트가 생성되는 큰 냉각 속도가 아닌 방법, 예를 들면 방랭 등을 실시하면 된다.
이상의 제조 공정에 의해, 상기 서술한 미크로 조직을 가지는 냉간 단조용 환강재가 제조된다. 제조된 냉간 단조용 환강재는, 구상화 소둔된 후, 냉간 단조되어 최종 제품(구조용 기계 부품 등)이 된다. 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는, 상기 서술한 화학 조성 및 미크로 조직을 구비하기 때문에, 구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 우수하다.
[실시예]
표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강 A~H로 이루어지는 각(角) 빌릿(횡단면이 140mm×140mm이며 길이가 10m)을 준비했다.
Figure pct00001
표 1을 참조하여, 강 A~E, G 및 H의 화학 조성은 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재의 화학 조성의 범위 내였다. 한편, 강 F의 화학 조성 중, C함유량은 본 실시 형태에서 규정하는 C함유량의 범위로부터 벗어나 있었다. 표 1에는 각 강의 Ar3점과 Ac3점을 병기했다.
표 2에 나타내는 제조 조건으로 각 빌릿을 가열하고, 전연속식 압연 방법에 의해 열간 압연을 행하여, 직경 30mm의 냉간 단조용 환강재를 제조했다.
Figure pct00002
표 2 중의 「가열 온도」란에는, 가열로로부터 추출된 (연속 압연 전)의 각 빌릿(소재)의 표면 온도(℃)가 기재되어 있다. 「압연 후 온도」란에는, 연속 압연기 중 최종의 압연기(스탠드)의 출측에서의 환강재의 표면 온도(℃)가 기재되어 있다. 「압연 후 온도」는, 최종의 압연기의 출측에 배치된 방사 온도계에 의해 측정하여 얻을 수 있었다. 「냉각 후 온도」란에는, 최종 압연기를 나오고 나서 5초 후의 환강재의 표면 온도(℃)가 기재되어 있다. 「냉각 후 온도」는, 5초 경과한 시점에서 환강재의 표면 온도를 방사 온도계에 의해 측정하여 얻을 수 있었다.
어느 시험 번호에 있어서도, 식 (2)에 의해 산출된 각 빌릿(소재)로부터의 「총 감면율」은 96%였다.
시험 번호 1~8에 대해서는, 연속 압연기 내의 각 압연기(스탠드) 간에서의 수냉 조건을 조정하여, 최종의 압연기의 출측에서의 환강재의 표면 온도가 Ac3점 이상이 되도록 조정했다. 또한, 최종의 압연기에 의한 압연을 종료한 후, 수냉 장치를 이용하여 수량에 따라 냉각 속도를 제어하고, 5초 이내에 강재의 표면 온도가 Ar3점 이하이며, 또한 600℃를 밑돌지 않도록 냉각하고, 그 후, 수냉 장치에 의한 냉각을 정지했다. 수냉 장치에 의한 냉각을 정지한 후, 환강재를 대기 중에서 방랭했다.
시험 번호 9 및 시험 번호 10에 대해서는, 연속 압연 종료 후의 환강재를 수냉 장치에 의해 수냉하지 않고, 그대로 대기 중에서 방랭했다.
시험 번호 11 및 12에 대해서는, 스탠드 간에서의 수냉 조건을 조정하여, 압연 후도 수냉을 실시했다. 그러나, 시험 번호 10의 압연 후 온도는 Ac3점 미만이었다. 시험 번호 11의 수냉 후 온도는 600℃ 미만이었다.
제조된 각 시험 번호의 환강재(봉강)에 대해, 이하의 시험을 실시했다.
［미크로 조직 관찰 시험］
직경 30mm의 각 환강재로부터 길이가 20mm인 시험편을 잘라냈다. 이러한 시험편의 횡단면(환강재의 중심축에 수직인 단면)이 관찰면이 되도록 수지에 묻고, 경면 연마했다. 연마 후, 3% 질산 알코올(나이탈액)로 부식시켜 미크로 조직을 드러나게 하고, SEM을 이용하여 관찰을 행했다. 구체적으로는, 표면으로부터 1mm 깊이(반경×0.067깊이)의 위치 Q1, 표면으로부터 2.25mm 깊이(반경×0.15깊이)의 위치 Q2, 표면으로부터 3.75mm 깊이(반경×0.25깊이)의 위치 Q3, 표면으로부터 7.5mm 깊이(반경×0.5깊이)의 위치 Q4, 중앙부(중심 부근)의 위치 Q5의 합계 5개소의 조직을, 1개소당 3시야씩, 합계 15시야 관찰하여, 상기 서술한 방법으로 미크로 조직을 구성하고 있는 상의 식별을 행했다. 각 시야의 면적은 상기 서술한 대로, 25μm×20μm였다.
［페라이트의 평균 결정입경의 측정］
상기 서술한 방법에 의해, 각 시험 번호의 환강재 전체의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경과, 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경을 측정했다.
［미세 펄라이트 면적율 및 구상 시멘타이트 개수의 측정］
상기 서술한 방법에 의해, 각 시험 번호에 있어서, 환강재 전체의 미크로 조직 및 표층 영역의 미크로 조직에서 차지하는 미세 펄라이트의 면적 비율을 구했다. 또한, 상기 서술한 방법에 의해, 표층 영역의 미크로 조직에서의 구상 시멘타이트의 개수(개/mm2)를 구했다.
［구상화 소둔 후의 구상화율의 측정］
각 시험 번호의 환강재에 대해 구상화 소둔을 실시했다. 구체적으로는, 각 환강재를 735℃에서 10시간 유지했다. 그 후, 10℃／h의 냉각 속도로 상온까지 냉각했다.
구상화 소둔 후의 각 환강재로부터 길이가 20mm인 시험편을 잘라냈다. 시험편의 표면 중, 환강재의 종단면에 상당하는 표면이 관찰면이 되도록 수지에 묻고, 경면 연마했다.
연마 후, 피크린산 알코올(피크럴액)로 부식시켜, 5000배의 SEM을 이용하여, 상기의 상의 식별과 마찬가지로, 15시야에 대해서 미크로 조직의 촬영 화상을 생성했다. 상기의 미크로 조직 관찰 시험의 경우와 마찬가지로, 이 촬영 화상을 이용하여, 각 시멘타이트의 장경 L과 단경 W를 개개로 측정했다. 그리고, 촬영 화상(후술하는 각 시야) 중의 시멘타이트의 개수에 대한, L/W가 2.0 이하인 시멘타이트(즉, 구상 시멘타이트)의 개수의 비율을 구하여, 구상화율(%)로 했다.
구체적으로는, 관찰한 위치는, 표면으로부터 1mm 깊이(반경×0.067깊이)의 위치 Q1, 표면으로부터 2.25mm 깊이(반경×0.15깊이)의 위치 Q2, 표면으로부터 3.75mm 깊이(반경×0.25깊이)의 위치 Q3, 표면으로부터 7.5mm 깊이(반경×0.5깊이)의 위치 Q4, 중앙부(중심 부근)의 위치 Q5의 합계 5개소로 하고, 1개소당 3시야씩, 합계 15시야 관찰했다. 각 시야의 면적은 25μm×20μm였다.
각 시야에서 구한 구상화율 중, 위치 Q1 및 Q2의 6시야에서의 구상화율의 평균값을, 구상화 소둔 후의 표층 구상화율(%)로 정의했다. 위치 Q3~Q5의 9시야에서의 구상화율의 평균값을, 구상화 소둔 후의 내부 구상화율(%)로 정의했다.
［냉간 단조성 시험］
구상화 소둔 처리 후의 각 환강재로부터, 도 2a 및 도 2b에 나타내는 시험편을 제작했다. 도 2a는 시험편의 평면도이며, 도 2b는 시험편의 정면도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 시험편의 직경 D1은 29mm이며, 길이 L4가 44mm였다. 시험편의 외주면에는, 축방향으로 연장되는 절결부가 형성되었다. 절결부의 절결 각도 A1은 30°이며, 절결부의 홈 바닥 부분의 코너 반경 R1은 0.15mm였다. 절결부의 깊이 D2는 0.8mm였다.
시험편 및 프레스를 이용하여, 냉간(상온)에서 압축 시험을 실시했다. 압축 시험에서는, 처음에, 시험편을 축방향으로 15%까지 압축했다. 그 후, 1.5~2.5%의 축방향으로의 압축을 시험편에 부여할 때마다 제하(除荷)하여, 시험편의 균열을 관찰했다. 균열이 발생할 때까지, 압축, 제하 및 관찰을 반복했다. 미세한 균열(길이 0.5~1.0mm)이 육안, 또는 간단한 확대경을 이용하여 처음으로 관찰되었을 때, 균열이 발생했다고 인정했다. 각 시험 번호에 대해서 5개의 시험편을 제작하여, 5개의 시험편에 대해 상기의 압축 시험을 실시했다. 균열이 발생했을 때의 5개의 시험편의 압축율의 평균값을 「한계 압축율」로 했다. 한계 압축율이 50%를 넘었을 때, 냉간 단조성이 우수하다고 평가했다.
［시험 결과］
표 2에, 시험 결과를 나타낸다. 표 2 중의 「전체에서의 미크로 조직」란의 「상」란 중의 「F」는 페라이트, 「LP」는 라멜라 펄라이트, 「SC」는 구상 시멘타이트를 각각 나타낸다. 「결정입경」란에는, 각 시험 번호에서의 환강재 전체의 미크로 조직에 있어서의 페라이트 평균 결정입경(μm)이 기재되어 있다. 「미세 LP율」란에는, 미세 펄라이트의 미크로 조직 전체에서 차지하는 면적 비율(%)이 기재되어 있다.
표 2 중의 「표층 영역에서의 미크로 조직」란의 「결정입경」란에는, 각 시험 번호에서의 표층 영역에 있어서의 페라이트 평균 결정입경(μm)이 기재되어 있다. 「미세 LP율」란에는, 미세 펄라이트의 표층 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율(%)이 기재되어 있다. 「SC개수」란에는, 표층 영역의 미크로 조직에 있어서의 구상 시멘타이트의 개수(개/mm2)가 기재되어 있다.
표 2 중의 「구상화 소둔 후」란에는, 각 시험 번호의 표층 구상화율(%), 내부 구상화율(%) 및 한계 압축율(%)이 기재되어 있다.
표 2 중의 「평가」란에 있어서의 「A」는, 냉간 단조성이 우수하다고 평가한 것을 의미하고, 「NA」는, 냉간 단조성이 낮다고 평가한 것을 의미한다. 시험 번호 9 및 시험 번호 10의 구상 시멘타이트의 개수란의 「-」은, 상이 「F+LP」이며 구상 시멘타이트가 존재하고 있지 않는 것을 나타낸다.
표 2를 참조하여, 시험 번호 1~7의 강재의 화학 조성은 적절하고, 제조 조건(총 감면율, 가열 온도, 압연 후 온도, 냉각 후 온도)도 적절했다. 그 때문에, 시험 번호 1~7의 환강재의 미크로 조직은 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 환강재 전체의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경은 10μm 이하이며, 미세 LP율도 20% 미만이었다. 또한, 시험 번호 1~7의 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트의 평균 결정입경은 5μm 이하이고, 미세 LP율은 10% 미만이며, 구상 시멘타이트의 개수는 1.0×105개/mm2 이상이었다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 표층 구상화율은 80% 이상으로 높고, 내부 구상화율은 70% 이상으로 높았다. 그 결과, 시험 번호 1~7의 환강재의 한계 압축율은 50%를 넘어, 우수한 냉간 단조성을 나타냈다.
한편, 시험 번호 8에서는, 강재의 C함유량이 너무 많았다. 그 때문에, 표층 영역의 미크로 조직에서의 미세 LP율이 10% 이상이었다. 그 결과, 한계 압축율이 50% 이하가 되었다.
시험 번호 9에서는, 강재의 화학 조성은 적절했지만, 가열 온도가 너무 높아 냉각 후 온도도 너무 높았다. 그 때문에, 환강재의 미크로 조직에 있어서 구상 시멘타이트가 존재하지 않았다. 또한, 환강재 전체 및 표층 영역의 미크로 조직에서의 페라이트가 세립화되지 않아, 페라이트의 평균 결정입경이 너무 컸다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 표층 구상화율 및 내부 구상화율은 낮고, 한계 압축율은 50% 이하였다.
시험 번호 10에서는, 강재의 화학 조성은 적절했지만, 냉각 후 온도가 너무 높았다. 그 때문에, 환강재의 미크로 조직에 있어서 구상 시멘타이트가 존재하지 않고, 페라이트도 조대했다. 그 때문에, 한계 압축율이 50% 이하였다.
시험 번호 11에서는, 강재의 화학 조성은 적절했지만, 압연 후 온도가 너무 낮았다. 그 때문에, 환강재 전체 및 표층 영역의 미크로 조직에서의 미세 LP율이 너무 높았다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 표층 구상화율 및 내부 구상화율은 낮고, 한계 압축율은 50% 이하였다.
시험 번호 12에서는, 강재의 화학 조성은 적절했지만, 냉각 후 온도가 너무 낮았다. 그 때문에, 환강재 전체 및 표층 영역의 미크로 조직에서의 미세 LP율이 너무 높았다. 그 때문에, 구상화 소둔 후의 표층 구상화율 및 내부 구상화율은 낮고, 한계 압축율은 50% 이하였다.
<산업상의 이용 가능성>
본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는, 높은 구상화율을 가지며, 구상화 소둔 후의 냉간 단조성이 우수하다. 그 때문에, 우수한 냉간 단조성이 요구되는 용도로 폭넓게 적용 가능하다. 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는 특히, 지금까지 열간 단조 공정 및 절삭 공정에서 제조되고 있던 자동차용 부품, 산업 기계용 부품, 건설 기계용 부품 등의 기계 구조용 부품의 소재로서 이용할 수 있다. 이러한 용도에 이용한 경우 특히, 본 실시 형태의 냉간 단조용 환강재는, 부품의 정밀정형화에 공헌할 수 있다.

Claims (3)

  1. 냉간 단조용 환강재로서,
    질량%로,
    C：0.15~0.60%,
    Si：0.01~0.5%,
    Mn：0.1~2.0%,
    P：0.035% 이하,
    S：0.050% 이하,
    Al：0.050% 이하,
    Cr：0.02~0.5%,
    N：0.003~0.030%,
    Cu：0~0.5%,
    Ni：0~0.3%,
    Mo：0~0.3%,
    V：0~0.3%,
    B：0~0.0035%,
    Nb：0~0.050%, 및,
    Ti：0~0.2%를 함유하고,
    잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며,
    상기 냉간 단조용 환강재의 미크로 조직은, 페라이트, 펄라이트 및 구상 시멘타이트로 이루어지고, 상기 페라이트의 평균 결정입경은 10μm 이하이며, 상기 펄라이트 중 라멜라 간격이 200nm 이하인 상기 펄라이트가 상기 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율은 20% 미만이며,
    상기 냉간 단조용 환강재의 표면에서 반경×0.15깊이까지의 영역에 있어서의 미크로 조직에서는, 상기 영역에 있어서의 페라이트의 평균 결정입경이 5μm 이하이며, 상기 영역에 있어서의 라멜라 간격이 200nm 이하인 펄라이트가 상기 영역의 미크로 조직에서 차지하는 면적 비율이 10% 미만이며, 상기 영역에 있어서의 구상 시멘타이트의 개수가 1.0×105개/mm2 이상인, 냉간 단조용 환강재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    Cu：0.05~0.5%,
    Ni：0.05~0.3%,
    Mo：0.05~0.3%,
    V：0.05~0.3%, 및,
    B：0.0005~0.0035%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 냉간 단조용 환강재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    Nb：0.005~0.050%, 및,
    Ti：0.005~0.2%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는, 냉간 단조용 환강재.
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