KR20150093210A - 피로 특성이 우수한 Si 킬드 강선재 및 그것을 이용한 스프링 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 Si 킬드 강선재는, 소정의 화학 성분을 포함하고, 개수로 해서 80% 이상이 소정의 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물을 포함하는 Si 킬드 강에 있어서, 하기 (3A)를 만족하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (3B)를 만족한다.
(3A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO+Al2O3+SiO2 ≥ 80%, MnO > CaO
(3B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO: 10∼70%, Al2O3: 3∼50%, SiO2: 20∼75%

Description

피로 특성이 우수한 Si 킬드 강선재 및 그것을 이용한 스프링{Si-KILLED STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT FATIGUE PROPERTIES, AND SPRING USING SAME}
본 발명은 피로 특성이 우수한 Si 킬드 강선재 및 당해 Si 킬드 강선재로부터 얻어진 스프링에 관한 것이다. 본 발명의 Si 킬드 강선재는, 높은 피로 특성이 요구되는 가공품, 예컨대 자동차의 엔진이나 서스펜션 등에 이용되는 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 현가 스프링 등의 스프링류; 스틸 코드 등의 강선류 등의 소재로서 유용하고, 특히 스프링용 강으로서 극히 유용하다.
자동차 등의 경량화나 고출력화의 요망이 높아짐에 따라서, 밸브 스프링이나 현가 스프링 등의 스프링류에는 높은 피로 특성이 점점 요구되고 있고, 그의 소재가 되는 스프링용 강에 있어서도, 피로 특성의 가일층의 향상이 요구되고 있다. 특히, 밸브 스프링용 강에서는 피로 특성 향상의 요청은 상당히 강한 것이다.
높은 피로 강도가 요구되는 스프링용 강에서는, 강선재에 존재하여 파괴 기점이 되는 비금속 개재물을 최대한 저감할 것이 필요하며, 당해 비금속 개재물의 조성을 적절히 제어하는 것에 의해, 비금속 개재물에 기인하는 단선이나 피로 파손의 발생을 저감하는 기술이 여러 가지 제안되어 있다.
Al2O3계 개재물은 피로 특성에 유해하기 때문에, Si를 이용해 탈산하는 소위 「Si 킬드 강」을 이용하여 피로 특성을 높이는 기술이 제안되어 있다.
예컨대 비특허문헌 1에는, 밸브 스프링용 강에서는, 개재물의 조성을 CaO-Al2O3-SiO2계나 MnO-Al2O3-SiO2계의 비정질 안정 조성으로 제어함으로써 열간 가공 시의 변형이 촉진되어, 피로 파괴의 기점으로는 되지 않아 피로 특성이 향상된다는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 1에는, Ca, Mg, La+Ce 중 적어도 1종을 20ppm 이하의 범위로 첨가하고, 또한 비금속 개재물의 평균 조성에 대하여, Al2O3-SiO2-MnO계에, MgO 또는 CaO 중 적어도 1종을 함유시킨 기술이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2 및 특허문헌 3에는, 길이(l)와 폭(d)의 비(l/d)가 5 이하인 비금속 개재물의 평균 조성을 적절히 제어한 고청정도 강이 개시되어 있다. 이 중 특허문헌 2에는, 소정량의 SiO2 및 MnO에 CaO 및 MgO 중 적어도 1종을 포함하는 개재물 조성으로 하는 것에 의해서 유해한 개재물을 저감함과 더불어, 개재물을 저융점화함으로써 열연 시의 개재물 단면적을 저감(가늘고 길게 늘임)하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에는, CaO, MgO, Al2O3를 일정 범위의 SiO2와 공존시킨 개재물 조성으로 하는 것에 의해서 개재물을 저융점화하여, 열연 시의 개재물 단면적을 저감함과 더불어, 나아가 냉간 가공 시에 그들을 파괴하는 기술이 개시되어 있다.
한편, 특허문헌 4∼7은 본원 출원인에 의해서 제안된 것이다. 이 중 특허문헌 4에는, 산화물을 저융점 조성으로 제어하고, 나아가, 지금까지 거의 문제가 되고 있지 않았던 탄화물계, 질화물계 및 탄질화물의 석출물을 기점으로 하는 피로 파괴의 발생을 억제하는 것을 목적으로 해서, 이들 석출물의 크기를 특정한 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 5에는, 경질이어서 압연 시에 변형되기 어려워, 최종 제품 중에 잔존하여 파손의 원인이 될 수 있는 SiO2에 대하여, 이론적으로 SiO2를 생성하지 않는 조성으로 제어함으로써, 압연 조건에 의존하지 않고 SiO2의 생성을 현격하게 억제할 수 있는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 6은, 열간 압연을 받은 후의 개재물의 형태에 대하여 검토한 것으로, 상기 개재물 중에 미세한 결정을 다수 존재시킴으로써, 압연 시의 개재물의 분단이 촉진되어, 열연 시에 종래 이상으로 개재물을 소형화시키는 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 7에는, SiO2, Al2O3, CaO, MgO계 개재물에 추가로 적량의 LiO2, K2O 중 1종 이상을 적극적으로 포함하는 산화물계 개재물로 하는 것에 의해서 높은 연성(延性)을 확보하여, 피로 특성이나 신선(伸線) 가공성이 비약적으로 개선된 기술이 기재되어 있다.
일본 특허공고 평7-6037호 공보 일본 특허공고 평6-74484호 공보 일본 특허공고 평6-74485호 공보 일본 특허 2898472호 공보 일본 특허 4134204호 공보 일본 특허 4347786호 공보 일본 특허 4423050호 공보
미무라 다케시, 182·183회 니시야마기념강좌 「개재물 제어와 고청정도 강 제조 기술」, 니혼철강협회 편, 도쿄, 2004년, p125
전술한 바와 같이, 밸브 스프링 등의 스프링류나, 스틸 코드 등으로 대표되는 극세 강선 등의 분야에서는, 피로 특성 향상에 대한 요구 특성은 점점 높아지고 있고, Si 킬드 강선재에 있어서도, 가일층의 피로 특성의 개선이 요구되고 있다.
본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 피로 특성이 한층 더 우수한 Si 킬드 강선재 및 스프링을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 Si 킬드 강선재는, C: 1.2% 이하(0%를 포함하지 않음, 「%」는 특별히 언급하지 않는 한, 질량%를 의미한다. 이하 동일), Si: 0.2∼3%, Mn: 0.1∼2%를 함유하고, 잔부: 철 및 불가피 불순물이며,
강선재 중에 존재하는 산화물계 개재물에 대하여, 개수로 해서 80% 이상이, 하기 (1A) 및 (1B)의 조성을 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물을 포함하는 Si 킬드 강에 있어서,
(1A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO ≥ 85%
(1B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MgO+MnO ≤ 15%, CaO > MnO
상기 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (2)를 만족하고,
(2) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, CaO: 10∼60%, Al2O3: 3∼40%, SiO2: 30% 이상 85% 미만
또한,
하기 (3A)를 만족하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (3B)를 만족한다는 점에 요지를 갖는 것이다.
(3A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO+Al2O3+SiO2 ≥ 80%, MnO > CaO
(3B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO: 10∼70%, Al2O3: 3∼50%, SiO2: 20∼75%
상기 강 중 성분은, 추가로 Cr: 3% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유할 수도 있다.
상기 강 중 성분은, 추가로 Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유할 수도 있다.
상기 강 중 성분은, 추가로 V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유할 수도 있다.
상기 강 중 성분은, 추가로 Ti: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유할 수도 있다.
상기 강 중 성분은, 추가로 Zr: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Co: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), W: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), B: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), 알칼리 금속: 0.002% 이하(0%를 포함하지 않음), REM: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Ba: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Sr: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유할 수도 있다.
본 발명에는, 상기 중 어느 것에 기재된 Si 킬드 강선재로부터 얻어진 스프링도 포함된다.
본 발명에서는, 용강 중에 드물게 잔류하는 MnO-SiO2계, MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물이 파괴 기점이 될 수 있다는 지견에 기초하여, 이들 개재물을 미리 비교적 무해한 조성으로 제어하고 있기 때문에, 보다 높은 피로 특성을 얻을 수 있었다.
본 발명의 특징 부분은, 대부분의 산화물계 개재물이 CaO-Al2O3-SiO2계의 적절한 조성으로 제어되어 있는 Si 킬드 강선재에 있어서, 탈산 공정의 초기에 생성되는 MnO-SiO2계 개재물에 대해서도, 피로 특성 향상에 적합한 조성의 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물이 되도록 제어한 점에 있다. 본 발명에 의하면, 탈산 생성물인 MnO-SiO2계 또는 MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물을 종래와 같은 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물로 제어할 뿐만 아니라, 그 전의 단계에서, 열간 가공 시에 연신되기 쉬운 조성의 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물로 제어하고 있기 때문에, CaO-Al2O3-SiO2로 제어할 수 없는 개재물이 잔류한 경우에도, 피로 특성의 저하가 억제된다. 그 결과, 한층 더 우수한 Si 킬드 강선재가 얻어진다(후기하는 실시예를 참조).
이하, 본 발명에 도달한 경위를 설명한다.
전술한 특허문헌을 포함해 종래에는, 탈산 생성물인 MnO-SiO2계 및 MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물을 CaO-Al2O3-SiO2, CaO-MgO-Al2O3-SiO2 등의 적절한 조성으로 제어하는 것; 나아가서는, 상기의 개재물을 보다 엄격하게 제어하거나, 또는 보다 적절한 조성, 형태로 제어하는 것; 나아가서는, 보다 적절한 특성을 가지는 성분을 첨가하는 것 등에 의해, 상기 개재물의 연신을 촉진하여, 피로 특성이 우수한 스프링용 강을 제공하는 방법이 제안되어 왔다.
지금까지도 본 발명자들은 수많은 피로 특성 개선 기술을 제안해 왔지만, 본 발명에서는, 지금까지 유의되지 않았던, CaO-Al2O3-SiO2로 제어하기 전의 탈산 생성물(MnO-SiO2계 및 MnO-Al2O3-SiO2계)의 조성 제어에 착안했다.
피로 파괴는 강재 중에서 가장 약한 부분을 기점으로 해서 발생하기 때문에, 극히 드물게라도 유해한 개재물이 존재하면 피로 특성은 현저하게 저하된다. 따라서, CaO-Al2O3-SiO2계로 완전히 제어할 수 없는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물이 잔류한 경우에, 그들이 유해한 조성이면, 파괴 기점이 되는 경우가 있다.
본 발명은 이와 같은 사정에 비추어 검토하여 완성된 것으로, 탈산 생성물로서 생성되는 MnO-SiO2계 개재물 또는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물을 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물로 제어할 뿐만 아니라, 미리 열간 가공 시에 연신하여 미세화하기 쉬운 조성으로 제어함으로써, 파괴 기점이 되는 개재물이 강 중에 잔류할 가능성을 더욱 저감하여, 피로 특성의 가일층의 향상을 도모한 점에 기술적 의의를 갖는 것이다.
즉, 본 발명은, 탈산 생성물(MnO-SiO2계 개재물, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물)을 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물로 제어하여 피로 특성을 개선하는 기술에 있어서, MnO-SiO2계 또는 MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물이 잔류하는 경우를 상정하여 개발된 기술이다. 따라서, 본 발명은 상기의 개재물이 잔류할 가능성이 있는 모든 태양에 적용될 수 있지만, 상기의 개재물이 잔류하지 않고 강재 중에 상기의 개재물을 전혀 포함하지 않는 태양에는 적용되지 않는다. 또한, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물이 잔류하는 경우, 그의 개수는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물보다도 훨씬 적고, 대략 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 3% 이하이다.
본 발명과 같이 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물뿐만 아니라 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성도 적절히 제어된 강선재를 얻기 위해서는, 예컨대, 열간 가공 시에 연신되기 어려운 유해한 MnO-SiO2계 개재물 등이 전부, 열간 가공 시에 연신하여 미세화하기 쉬운 조성의 MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물로 변화되기까지의 시간을 확보하는 방법이 유효하다. 구체적으로는 예컨대, 후기하는 실시예에 나타내는 바와 같이, Mn, Si 등의 합금 성분 투입 후, CaO 함유 슬래그를 이용한 슬래그 정련 개시까지의 시간(연신하여 미세화하기 쉬운 조성의 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물로 변화되기까지의 유지 시간)을 충분히 확보하는 방법을 들 수 있다. 그 후, CaO 함유 슬래그를 이용한 슬래그 정련을 행하는 것에 의해, 피로 특성 향상에 유용한 조성의 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물이 얻어져, CaO-Al2O3-SiO2계로 제어되지 않고서 잔류하는 개재물이 존재한 경우에도, 잔류하는 개재물은 열연 시에 연신하기 쉽고 비교적 유해도가 낮은 것이 되어, 피로 특성이 한층 더 우수한 Si 킬드 강선재가 얻어진다.
이하, 본 발명의 Si 킬드 강선재를 구성하는 각 개재물에 대하여 상세히 설명한다.
본 명세서에 있어서, 산화물계 개재물이란, 당해 개재물 중에 포함되는 S 및 N의 농도가 각각 2% 이하인 개재물을 의미한다. 또한, 상기의 각 개재물을 구성하는 산화물의 각 함유량[이하에 상술하는 (1B), (2), (3A), (3B)], 또는 2종 혹은 3종의 산화물의 합계량[이하에 상술하는 (1B), (3A)]의 산출에 있어서는, 어느 쪽의 경우도, CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우의 수치를 의미한다.
이에 대하여, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물을 정의하는 (1A)의 함유율의 산출에 있어서는, 개재물 중에 존재하는 상기 5종의 산화물(CaO, Al2O3, SiO2, MgO, MnO) 외에, 불가피적으로 존재하는 TiO2 등의 다른 산화물종도 포함시킨 전체 산화물 질량에 대한 비율을 의미한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 「강선재」란, 열간 압연 후의 강선재뿐만 아니라, 그 후에 신선(냉간 인발)을 실시한 강선도 포함한다는 취지이다. 즉, 열간 압연 후, 신선을 실시한 강선으로서, 본 발명의 상기 요건을 만족하는 것도 본 발명의 강선재에 포함된다.
우선, 본 발명을 특징짓는 산화물계 개재물에 대하여 설명한다.
본 발명의 Si 킬드 강선재는, 강선재 중에, (1A) 및 (1B)를 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물이 개수로 해서 80% 이상 존재하고, 당해 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 (2)의 요건을 만족시킴과 더불어, (3A)를 만족하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 (3B)를 만족시키는 것이다.
상세하게는, 본 발명의 Si 킬드 강선재는, 피로 특성 향상에 적합하도록, 우선 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물이 적절히 제어되어 있는 것을 전제로 하고 있다. 그리고 본 발명에서는, 그 전제 하에, (3A)를 만족하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 (3B)의 요건을 만족하도록 구성되어 있다는 점에 특징이 있다.
[CaO-Al2O3-SiO2계 개재물에 대하여]
본 발명에서는, 강선재에 존재하는 산화물계 개재물을 후기하는 방법으로 측정하고, 측정 영역 중의 전체 산화물계 개재물의 개수를 측정했을 때, 개수로 해서 80% 이상(개수 비율)이 하기 (1A) 및 (1B)를 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물로서, 당해 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (2)를 만족하는 것을 전제로 하고 있다.
(1A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO ≥ 85%
(1B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MgO+MnO ≤ 15%, CaO > MnO
(2) [CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO]를 100%로 해서 규격화한 경우, CaO: 10∼60%, Al2O3: 3∼40%, SiO2: 30% 이상 85% 미만
이와 같은 조성으로 하는 것에 의해서 피로 특성이 향상된다는 것은 이미 알려져 있지만, 이하, 각 요건에 대하여 설명한다.
우선, 상기 (1A)에 대하여 설명한다. 상기 (1A)의 좌변: CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO는, 개재물 중에 존재하는 상기 5종의 산화물(CaO 등) 외에, 불가피적으로 존재하는 TiO2 등의 다른 산화물종도 포함시킨 전체 산화물 질량에 대한 함유율을 의미한다.
또 상기 (1B)에서는, [CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO]를 100%로 해서 규격화한 경우에 있어서의 [MgO+MnO]의 함유율을 15% 이하로 한다. 한편, 상기 (1B)에 있어서 「CaO > MnO」를 규정한 것은, 후기하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물과 명확하게 구별하기 위해서이다.
상기 (1A) 및 (1B)로 정의되는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물은, 강선재의 측정 영역 중에 존재하는 전체 산화물 중, 개수로 해서(개수 비율) 80% 이상을 차지하는 것이다.
또, 상기의 요건을 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성은 하기 (2)의 요건을 만족한다. 이에 의해, 피로 특성 향상에 적합한 조성의 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물이 된다. 한편, 여기에서 말하는 「평균 조성」이란 개개의 개재물의 조성은 아니고, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물(상기 (1A) 및 (1B)를 만족하는 개재물) 전체의 평균값이다.
(2) [CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO]를 100%로 해서 규격화한 경우, CaO: 10∼60%, Al2O3: 3∼40%, SiO2: 30% 이상 85% 미만
(2-1) CaO: 10∼60%
CaO는 산화물계 개재물을 강선재의 열연 공정에서 미세화하기 쉬운 연질인 것으로 함에 있어서 필수적인 성분이다. CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 CaO 함량이 부족하면, 고SiO2계나 SiO2·Al2O3계의 경질 개재물이 되어 열연 공정에서 미세화하기 어려워, 피로 특성이나 신선 가공성을 열화시키는 큰 원인이 된다. 따라서, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 CaO 함량은 적어도 10% 이상이고, 바람직하게는 20% 이상, 보다 바람직하게는 25% 이상이다. 그러나, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 CaO 함량이 지나치게 많아지면, 해당 개재물의 열간 변형능이 저하됨과 더불어, 경질의 고CaO계 개재물이 생성되어 파괴의 기점이 될 우려가 생기므로, CaO 함량의 상한을 60% 이하로 한다. 바람직하게는 55% 이하, 보다 바람직하게는 50% 이하이다.
(2-2) Al2O3: 3∼40%
Al2O3는 산화물계 개재물을 보다 저융점이고 또한 연질인 것으로 하는 데 유용한 성분이다. 상기 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 Al2O3 함량을 3% 이상으로 한다. 바람직하게는 5% 이상, 보다 바람직하게는 15% 이상이다. 그러나, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 Al2O3 함량이 지나치게 많아지면, 경질이어서 미세화하기 어려운 알루미나계 개재물이 되고, 역시 열연 공정에서 미세화하기 어려운 것이 되어 파괴나 파손의 기점이 되므로, 그의 상한을 40% 이하로 한다. 바람직하게는 35% 이하, 보다 바람직하게는 30% 이하이다.
(2-3) SiO2: 30% 이상 85% 미만
SiO2는 전술한 CaO 및 Al2O3와 함께, 저융점이고 연질인 산화물계 개재물을 생성시킴에 있어서 필수적인 성분이다. CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 SiO2 함량이 30% 미만이면, 당해 개재물이 CaO나 Al2O3를 주체로 하는 경질의 개재물이 되어, 파괴의 기점이 되기 때문에, 그의 하한을 30% 이상으로 한다. 바람직하게는 35% 이상, 보다 바람직하게는 40% 이상이다. 그러나, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 SiO2 함량이 지나치게 많아지면, 산화물계 개재물이 SiO2를 주체로 하는 고융점이고 또한 경질인 개재물이 되어, 단선이나 파괴의 기점이 될 가능성이 높아진다. 이와 같은 경향은 SiO2 함량이 85% 이상이 되면 극히 현저하게 나타나므로, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 중의 SiO2 함량은 85% 미만으로 한다. 바람직하게는 70% 이하, 보다 바람직하게는 65% 이하이다.
[MnO-Al2O3-SiO2계 개재물에 대하여]
다음으로, 본 발명을 특징짓는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물은 용강을 Mn, Si 등으로 탈산할 때에 생성되는 개재물(탈산 공정의 초기에 생성되는 개재물)이며, 종래에는, 이들을 CaO-Al2O3-SiO2계로 제어하는 것에 주안을 두고 있었기 때문에, 그 이전의 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성에 관한 검토는 거의 이루어져 있지 않았다. 결국, CaO-Al2O3-SiO2계로 제어하면 된다고 생각되고 있었기 때문이다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 적절한 용강 처리에 의해서, CaO-Al2O3-SiO2계로 제어하기 전의 단계에서, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성도 적절히 제어하고 있기 때문에, 그 결과, 열간 압연 중에 연신하기 어려운 개재물의 존재 확률이 보다 낮아져, 피로 특성이 현격하게 향상되게 되었다(후기하는 실시예를 참조).
상세하게는, 본 명세서에 있어서의 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물은 하기 (3A)로 정의되는 것인데, 본 발명에서는, 당해 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (3B)의 요건을 만족하는 것이다. 여기에서, (3A) 중의 「MnO > CaO」는 전술한 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물과 구별하기 위해 규정한 것이다.
(3A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO+Al2O3+SiO2 ≥ 80%, MnO > CaO
(3B) MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성은, CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO: 10∼70%, Al2O3: 3∼50%, SiO2: 20∼75%
상기 (3B)에서 규정되고 있는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성은, 열간 가공 시의 연신성이 얻어지는 조성을 규정한 것이며, 이 조성으로 제어하는 것에 의해, 열간 가공 시에 피로 파괴가 되지 않는 크기까지 연신된다. 상기 범위를 벗어난 경우, 열간 가공에서 충분히 연신되지 않고 조대한 채로 잔류하여, 파괴 기점이 되어 피로 특성을 저하시킬 우려가 있다. 한편, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물에는, 추가로 CaO, MgO 등이 포함되어 있어도 상관없다.
구체적으로는, SiO2는 개재물을 비정질로 하기 위해서 필수적인 성분이다. 또, MnO 및 Al2O3를 적절히 포함시키는 것에 의해서, 열간 가공 시에 연신되기 쉬운 조성이 된다. 이와 같은 효과를 발휘시키기 위해, SiO2 함유량은 20% 이상 75% 이하, MnO의 함유량은 10% 이상 70% 이하, Al2O3의 함유량은 3% 이상 50% 이하로 한다. 이들 조성 범위를 벗어나면, 어느 것인가의 성분 농도가 높아져, 열간 가공 시에 연신되기 어려워져서 파괴의 기점이 될 우려가 높아진다. SiO2 함유량에 대하여, 바람직한 하한은 30% 이상, 보다 바람직하게는 35% 이상이고, 바람직한 상한은 70% 이하, 보다 바람직하게는 65% 이하이다. 또한, Al2O3 함유량에 대하여, 바람직한 하한은 5% 이상, 보다 바람직하게는 10% 이상이고, 바람직한 상한은 30% 이하이다. 또한, MnO 함유량에 대하여, 바람직한 하한은 20% 이상, 바람직한 상한은 60% 이하이다.
한편, 본 발명에서는, 상기 요건을 만족하는 한, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물을 구성하는 상기 이외의 산화물(MgO, CaO)의 함유량은 전혀 한정되는 것은 아니다.
즉, 상기 요건을 만족하는 한, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물을 구성하는 MgO, CaO의 함유율은 특별히 한정되지 않지만, MgO에 대해서는, 대략 10% 이하인 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 강선재에 존재하는 산화물계 개재물에 대하여 설명했다.
다음으로, 본 발명의 강 중 성분에 대하여 설명한다.
본 발명은 스프링 등의 소재로서 유용한 Si 킬드 강선재를 상정하여 이루어진 것으로, 당해 Si 킬드 강선재에 통상 포함되는 원소를 함유할 수 있는데, 이하, 각 원소에 대하여 설명한다.
C: 1.2% 이하(0%를 포함하지 않음)
C는 소정의 강도를 확보하기 위해서 필요한 원소이며, 이와 같은 특성을 유효하게 발휘시키기 위해서는, C의 함유량은 0.2% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.4% 이상이다. 단, C 함유량이 과잉이 되면 강재가 취화되어, 실용적이지 않게 되므로, 그의 상한을 1.2% 이하로 한다. C량의 바람직한 상한은 0.8% 이하이다.
Si: 0.2∼3%
Si는 강선재의 고강도화 및 피로 특성의 향상에 기여하는 중요한 원소이다. 또, 연화 저항을 높여, 내새깅성의 향상에도 유용한 원소이다. 게다가, MnO-SiO2계 개재물 조성을 피로 특성 향상에 적합한 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물로 제어하기 위해서도 필수적인 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Si 함유량을 0.2% 이상으로 한다. 바람직한 Si 함유량은 1.2% 이상이고, 보다 바람직하게는 1.8% 이상이다. 그러나, Si 함유량이 과잉이 되면, 응고 중에 순수한 SiO2가 생성될 우려가 있고, 표면 탈탄이나 표면 흠집이 증가하여 피로 특성이 저하되는 경우가 있기 때문에, Si량의 상한을 3% 이하로 한다. 바람직하게는 2.5% 이하이고, 보다 바람직하게는 2.3% 이하이다.
Mn: 0.1∼2%
Mn은 탈산제로서 작용하는 것 외에, 담금질성을 높여 강도 향상에도 기여하는 원소이다. 이와 같은 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Mn 함유량의 하한을 0.1% 이상으로 한다. 바람직하게는 0.4% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.45% 이상이다. 단, Mn량이 과잉이 되면, 인성(靭性)이나 연성이 나빠지기 때문에, 그의 상한을 2% 이하로 한다. 바람직하게는 1.3% 이하이고, 보다 바람직하게는 1% 이하이다.
또, Si 및 Mn의 함유량은 Mn2/Si ≥ 0.1의 관계를 만족하는 것이 바람직하고, 이에 의해, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물을 원하는 조성으로 제어하는 것이 용이해진다.
본 발명은 상기 성분을 기본 성분으로서 포함하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 예컨대 P, S 등을 들 수 있다. 이 중 P는, 인성이나 연성을 저하시키는 원소이며, P량이 많아지면, 신선 공정이나 그 후의 연선 공정에서 단선이 발생할 우려가 있기 때문에, 그의 상한을 0.03% 이하(보다 바람직하게는 0.02% 이하)로 하는 것이 바람직하다. 또한, S도, 상기 P와 마찬가지로, 인성이나 연성을 열화시키는 원소이며, Mn과 결합해 MnS를 생성하여, 신선 시에서의 단선의 기점이 되기 때문에, 그의 상한을 0.03% 이하(보다 바람직하게는 0.02% 이하)로 하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에서 규정하는 개재물(CaO-Al2O3-SiO2계 및 MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물)을 구성하는 원소이고, 상기에 기재되어 있지 않은 원소(Al, Ca, Mg)의 함유량은, 상기 개재물의 양(엄밀하게는 산소의 양)에 따라서 결정되는 것이다. 이들 원소는 일반적인 슬래그 정련이나 합금 투입에 의해 제어되는 것이며, 구체적인 각 원소의 함유량(산화물계 개재물을 포함하는 강선 전체의 함유량)은 전술한 바와 같이 산소량, 즉 개재물의 함유량에 따라서도 크게 다르지만, 대략 Al은 0.0001∼0.003%, Ca는 0.0001∼0.002%, Mg는 0.001% 이하(0%를 포함함)의 범위 내로 제어되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에서는, 추가로 이하의 원소를 선택 성분으로서 함유할 수 있다.
Cr: 3% 이하(0%를 포함하지 않음)
Cr은 고용 강화에 의해 강재의 매트릭스 강도를 향상시키는 원소이다. 또 Cr은, Mn과 마찬가지로, 담금질성 향상에도 유효하게 작용한다. 그러나 Cr이 과잉이면 강재가 취화되기 쉬워져 개재물의 감수성이 증대되기 때문에, 피로 특성이 열화된다. 그래서 Cr량의 상한을 3%로 하는 것이 바람직하다. Cr은 0.1% 이상 함유시키는 것이 보다 바람직하고, 더 바람직하게는 0.5% 이상, 보다 더 바람직하게는 0.9% 이상이다. 또한 Cr량의 보다 바람직한 상한은 2% 이하, 더 바람직하게는 1.8% 이하, 보다 더 바람직하게는 1.5% 이하이다.
Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
Ni는 선재 제조 시의 열간 압연이나 스프링 제조 시의 열처리 때에 생기는 페라이트 탈탄을 억제하는 데 유효한 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 또한 Ni는, 담금질·템퍼링 후의 스프링의 인성을 높이는 작용을 갖는다. 바람직한 Ni량의 하한은 0.05% 이상, 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.25% 이상이다. 한편, Ni량이 과잉이 되면, 담금질·템퍼링 처리에서 잔류 오스테나이트량이 증대되어, 인장 강도가 저하된다. 그래서 Ni량의 바람직한 상한을 0.5% 이하(보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.3% 이하)로 한다.
V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
V는 탄소나 질소 등과 결합해 미세한 탄화물이나 질화물 등을 형성하여, 내수소취성이나 피로 특성을 높일 뿐만 아니라, 나아가서는 결정립 미세화 효과를 발휘하여, 인성, 내력, 내새깅성의 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 바람직한 V량의 하한은 0.07% 이상, 보다 바람직하게는 0.10% 이상이다. 그러나, V량이 과잉이 되면, 담금질 가열 시에 오스테나이트 중에 고용되지 않는 탄화물량이 증대되어, 충분한 강도나 경도가 얻어지기 어려워질 뿐만 아니라, 질화물의 조대화를 초래하여, 피로 파손이 생기기 쉬워진다. 또한 V량이 과잉이 되면, 잔류 오스테나이트량이 증가하여, 얻어지는 스프링의 경도가 저하된다. 그래서, V량의 바람직한 상한을 0.5% 이하(보다 바람직하게는 0.4% 이하)로 한다.
Ti: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음)
Ti는 담금질·템퍼링 후의 구 오스테나이트 결정립을 미세화하여, 대기 내구성 및 내수소취성을 향상시키는 원소이다. 그러나 Ti량이 과잉이 되면, 조대한 질화물이 석출되기 쉬워져, 피로 특성에 악영향을 미친다. 그래서 Ti량의 바람직한 상한을 0.1% 이하로 한다. 보다 바람직한 Ti량은 0.01% 이하이고, 더 바람직하게는 0.005% 이하이다.
상기의 선택 성분(Cr, Ni, V, Ti) 외에, 추가로 Zr, Cu, Nb, Mo, Co, W, B, 알칼리 금속, REM(희토류 원소), Ba 및 Sr로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종 이상의 원소를 첨가할 수도 있다. 이들 원소는 단독으로 첨가해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다. 이들 원소의 추천되는 함유량은 이하와 같다. Zr: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음), Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), Co: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), W: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음), B: 0.005% 이하, 알칼리 금속: 0.002% 이하(0%를 포함하지 않음), REM: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Ba: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Sr: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음).
이들 중, Zr은 탄질화물의 형성에 의해 미세 조직이 얻어져, 인성 향상에 유효한 원소이다. 그러나 Zr의 과잉 첨가는 탄질화물이 조대화되어, 인성을 열화시킨다. 그래서 Zr량의 상한을 바람직하게는 0.1% 이하(보다 바람직하게는 0.0005% 이하)로 한다.
Cu는, Ni와 마찬가지로, 선재 제조 시의 열간 압연이나 스프링 제조 시의 열처리 때에 생기는 페라이트 탈탄을 억제하는 데 유효한 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 이 작용에 더하여, Cu는 내식성을 높이는 작용을 갖는다. 그러나 Cu량이 과잉이 되면, 열간 압연 균열이 생길 우려가 있다. 그래서 Cu량의 바람직한 상한을 0.7% 이하(보다 바람직하게는 0.6% 이하, 더 바람직하게는 0.5% 이하)로 한다.
Nb는, V와 마찬가지로, 탄소나 질소 등과 결합해 미세한 탄화물이나 질화물 등을 형성하여, 내수소취성이나 피로 특성을 높일 뿐만 아니라, 나아가서는 결정립 미세화 효과를 발휘하여, 인성, 내력, 내새깅성의 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 바람직한 Nb량은 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.02% 이상)이다. 그러나, Nb량이 과잉이 되면, 담금질 가열 시에 오스테나이트 중에 고용되지 않는 탄화물량이 증대되어, 충분한 강도나 경도가 얻어지기 어려워질 뿐만 아니라, 질화물의 조대화를 초래하여, 피로 파손이 생기기 쉬워진다. 그래서 Nb량의 바람직한 상한을 0.5% 이하(보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게 0.3% 이하)로 한다.
Mo는 담금질성 향상에 유효한 것에 더하여, 연화 저항을 향상시켜 내새깅성의 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 바람직한 Mo량은 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.05% 이상)이다. 그러나, Mo량이 과잉이 되면, 열간 압연 시에 과냉 조직이 발생하기 쉬워지고, 또한 연성도 열화된다. 그래서 Mo를 함유시키는 경우, 그의 상한을 바람직하게는 0.5% 이하(보다 바람직하게는 0.4% 이하)로 한다.
Co는 연인성(延靭性)을 확보하여 피로 특성의 향상에 기여하는 원소이다. 바람직한 Co량은 0.001% 이상(보다 바람직하게는 0.003% 이상)이다. 그러나, Co를 과잉으로 첨가해도 상기 효과가 포화되므로, Co량의 상한을 바람직하게는 0.5% 이하(보다 바람직하게는 0.1% 이하)로 한다.
W는 강선의 내식성을 향상시키는 데 유효하게 작용하는 원소이다. 바람직한 W량은 0.01% 이상(보다 바람직하게는 0.03% 이상)이다. 그러나, W를 과잉으로 첨가해도 상기 효과가 포화되므로, W량의 상한을 바람직하게는 0.5% 이하로 한다.
B는 P의 입계 편석을 방지해 입계를 청정화하여, 내수소취성이나 연인성을 향상시키는 데 유효한 원소이며, 필요에 따라 선재 중에 함유시켜도 된다. 바람직한 B량은 0.0003% 이상(보다 바람직하게는 0.0005% 이상)이다. 그러나, B량이 과잉이 되면, Fe23(CB)6 등의 B 화합물을 형성하여 자유 B가 감소하기 때문에, P의 입계 편석의 방지 효과가 포화된다. 또, 이 B 화합물은 조대한 경우가 많기 때문에, 피로 파손의 기점이 되어 피로 특성을 저하시킨다. 그래서 B를 함유시키는 경우, 그의 상한을 바람직하게는 0.005% 이하(보다 바람직하게는 0.004% 이하)로 한다.
알칼리 금속 성분, REM(희토류 원소), Ba 및 Sr은 본 발명에서 규정하는 개재물의 조성 제어에 유효한 원소이지만, 다량으로 첨가하면, 반대로 상기 개재물의 조성 제어에 악영향을 미치기 때문에, 그의 함유량을 적절히 제어하는 것이 바람직하다.
여기에서 알칼리 금속 성분은 Li, Na, K를 의미하며, 단독으로 함유해도 되고, 2종 이상을 병용해도 된다. 알칼리 금속 성분의 바람직한 함유량은 0.00001∼0.002%(보다 바람직하게는 0.00003∼0.0008%)이다. 상기 함유량은 알칼리 금속 성분을 단독으로 포함할 때는 단독의 양이고, 2종 이상을 병용할 때는 합계량이다.
REM(희토류 원소)이란, 란타노이드 원소(주기율표에 있어서, 원자 번호 57의 La로부터 원자 번호 71의 Lu까지의 15원소)에 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 가한 원소군이며, 이들을 단독으로 또는 2종 이상을 병용할 수 있다. 바람직한 희토류 원소는 Ce, La, Y이다. REM의 첨가 형태는 특별히 한정되지 않고, Ce 및 La를 주로 포함하는 미쉬 메탈(misch metal)(예컨대 Ce: 약 70% 정도, La: 약 20∼30% 정도)의 형태로 첨가해도 되고, 또는 Ce, La 등의 단체로 첨가해도 된다. REM의 바람직한 함유량은 0.001∼0.01%이다. 상기 함유량은 REM을 단독으로 포함할 때는 단독의 양이고, 2종 이상을 병용할 때는 합계량이다.
Ba 및 Sr의 바람직한 범위는 어느 것이나 0.0003∼0.01%이다.
이상, 본 발명의 강 중 성분에 대하여 설명했다.
다음으로, 본 발명의 Si 킬드 강선재를 제조하기 위한 방법의 일례에 대하여 설명한다. 전술한 바와 같이, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성 제어를 위해서는, MnO-SiO2계 개재물 등이 원하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물로 변화되기까지의 시간을 확보하는 방법이 유효하다. 이를 위한 수단으로서, 예컨대 후기하는 실시예에 나타내는 바와 같이 Mn, Si 등의 합금 성분 투입 후, CaO-Al2O3-SiO2계에 대한 제어를 개시하기까지의 시간(MnO-Al2O3-SiO2계 개재물로 변화되기까지의 기다리는 시간)을 충분히 확보하는 방법을 들 수 있다.
종래에는, 예컨대 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 제어를 CaO를 포함하는 슬래그에 의한 정련으로 행하는 경우, 용강 중에 Si, Mn 등의 합금 성분을 투입한 후, 신속히(예컨대 후기하는 실시예와 같은 조건에서는, 대략 10분 정도로) 슬래그를 이용한 정련을 개시하고 있었다. 그러나, 이 방법에서는, 슬래그 정련에 의해 CaO-Al2O3-SiO2계로 제어되지 않는 개재물이 잔존한 경우에, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물이 열간 가공 시에 연신하기 어려운 조성인 채로 잔류할 가능성이 있다.
그래서 본 발명에서는, 종래와 같이 Mn, Si 등의 합금 성분을 용강 중에 투입 후, 신속히 CaO 함유 슬래그를 이용한 정련을 개시하는 것은 아니고, 합금 성분 투입 후, 당해 정련을 개시하기까지의 시간을 충분히 확보하는 것으로 했다. 이에 의해, Si나 Mn 등의 합금 성분을 첨가했을 때에 생성되는 유해한 초기 탈산 생성물을, 비교적 열간 가공 시에 연신되기 쉬운 조성으로의 변화를 촉진할 수 있다.
상기의 유지 시간은, 사용하는 레이들(ladle)의 사이즈나 교반 조건 등에 따라서도 상이하지만, 후기하는 실시예와 같은 조건 하에서는 약 90분간에서 효과가 확인된다.
그 후, CaO 함유 슬래그를 이용한 정련을 행하면, 피로 특성 향상에 유용한 조성의 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물이 얻어진다. CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성은 이때의 슬래그 염기도[CaO/SiO2(질량비) 등]에 따라서 변화되지만, 상기 요건을 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물을 얻기 위한 바람직한 염기도는 대략 0.5∼1.5이다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
전로(轉爐)로부터 출강(出鋼)되는 용강을 모의하여 용제(溶製)한 500kg의 용강 중에, 표 1에 나타내는 여러 가지의 합금 성분을 첨가한 후, CaO 함유 슬래그를 첨가하여 용강 처리(슬래그 정련)를 실시했다. 이때, 탈산 생성물(MnO-SiO2계, MnO-Al2O3-SiO2계의 개재물)의 조성은, 모든 합금 성분을 첨가한 후, 슬래그 정련 개시까지의 시간을 변화시키는 것에 의해서 변화시켰다(표 2를 참조). 또한, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성은, 표 2에 나타내는 바와 같이 슬래그 염기도를 제어하는 것에 의해서 변화시켰다(표 2를 참조).
다음으로, 얻어진 용강을 주조하여 강괴로 한 후, 1200℃에서 단조하여, 150mm×150mm의 형상으로 한 후, 약 900℃의 온도에서 열간 압연하여, 직경: 8.0mm의 열간 압연 선재를 얻었다.
이렇게 해서 얻어진 각 선재에 대하여, 이하의 조건에서 성분을 분석함과 더불어, 산화물계 개재물의 조성, 및 피로 특성(파손율)을 이하의 방법으로 측정하여, 평가했다.
(1) 선재 중의 성분 분석
이하의 성분에 대해서는, 하기 방법으로 측정했다.
C: 연소 적외선 흡수법
Si, Mn, Ni, Cr, V, Ti: ICP 발광 분광 분석법(시마즈제작소제의 ICPV-1017)
Al, Mg, Zr, REM, Mo, Co, Nb, Cu, W, Ba, Li: ICP 질량 분석법(세이코인스트루먼트사제의 형식 SPQ8000의 ICP 질량 분석 장치)
Ca: 프레임리스 원자 흡광 분석법
O: 불활성 가스 융해법
(2) 산화물계 개재물의 조성
각 선재의 종단면(= L 단면; 축심(軸心)을 포함하는 단면이고, 관찰 면적은 약 50000mm2)에 존재하는 단직경 1.5μm 이상의 개재물의 조성을 이하의 방법으로 측정했다.
우선, 각 선재에 대하여, 상기의 L 단면을 연마하고, 해당 연마 단면에 존재하는 모든 산화물계 개재물(1단면당, 약 300개)에 대하여, EPMA(Electron Probe Microanalyzer)로 조성 분석을 행하고, 산화물로 환산하여, 개개의 개재물의 조성을 확인함과 더불어, 상기 (1A) 및 (1B)의 조건을 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물과, 상기 (3A)의 조건을 만족시키는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균값을 구했다. 한편, 상기와 같이, 개재물 중의 S 농도 및 N 농도가 각각 2% 이하인 것을 산화물계 개재물로 했다. 이때의 EPMA의 측정 조건은 하기와 같다.
EPMA 장치: JXA-8621MX(닛폰덴시주식회사제)
분석 장치(EDS): TN-5500(Tracor Northern사제)
가속 전압: 20kV
주사 전류: 5nA
측정 방법: 에너지 분산 분석으로 정량 분석(입자 전역을 측정)
(3) 피로 강도 시험(파손율)
각 선재(직경: 8.0mm)에 대하여, 필링(직경: 7.4mm)→파텐팅(patenting)→냉간 선인 가공(직경: 4mm)→오일 템퍼링[기름 담금질과 납욕(약 450℃) 템퍼링의 연속 공정]으로 직경 4.0mm×650mm의 와이어를 제작했다.
이렇게 해서 얻어진 와이어에 대하여, 변형 교정 소둔 상당 처리(400℃)→쇼트 피닝(shot peening)→저온 소둔(400℃×20min)을 행한 후, 나카무라식 회전 굽힘 시험기를 이용하여, 공칭 응력: 880MPa, 회전수: 4000∼5000rpm, 중지 횟수: 2×107회로 피로 강도 시험을 행했다. 파단된 와이어 중 개재물이 원인으로 파손된 것(개재물 파손수)에 대하여, 하기 식에 의해 파손율(파단율)을 구했다.
파손율(%)
= [개재물 파손수/(개재물 파손수+소정 횟수에 도달하여 중지한 수)]×100
한편, 개재물이 원인으로 파손된 것은, 파단면에 개재물이 남아 있기 때문에, 개재물에 의존하지 않고서 파손된 것(표면에서 꺾인 것 등)과는, 예컨대 현미경 관찰이나 파면 형상 등으로부터, 용이하게 판별할 수 있다.
표 1에 본 실시예에서 이용한 각 선재의 화학 성분 조성(강종)을, 표 2에 각 선재의 개재물 조성 및 피로 시험(파손율)의 결과를 각각 나타낸다. 한편, 표 1 중, Al, Ca, Mg의 양은 Al: 0.0001∼0.002%, Ca: 0.002% 이하, Mg: 0.0005% 이하였다. 또한, 표 2에 있어서, CaO-Al2O3-SiO2계 개재물은 본 발명에서 규정하는 (1A) 및 (1B)의 요건을 만족하는 것이고, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물은 본 발명에서 규정하는 (3A)의 요건을 만족하는 것이다.
Figure pct00001
Figure pct00002
이들 표로부터, 소정의 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물 및 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물을 포함하는 본 발명예(표 2의 No. 1∼13)는, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 조성이 본 발명자의 요건을 만족하지 않는 비교예(No. 14∼22)에 비하여, 피로 특성이 향상된다는 것이 판명되었다. 상기 비교예에서는, 모두, 합금 성분 투입 후, 슬래그 정련 개시까지의 시간이 충분하지 않아, 본 발명예에 비하여 짧았기 때문에, MnO-Al2O3-SiO2계 개재물이 원하는 조성이 되지 않았다고 생각된다.
본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시태양을 참조하여 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 있어서 분명하다.
본 출원은 2013년 1월 15일에 출원된 일본 특허출원(특원 2013-004500)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.
본 발명의 Si 킬드 강선재는, 높은 피로 특성이 요구되는 가공품, 예컨대 자동차의 엔진이나 서스펜션 등에 이용되는 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 현가 스프링 등의 스프링류; 스틸 코드 등의 강선류 등의 소재로서 유용하고, 특히 스프링용 강으로서 극히 유용하다.

Claims (3)

  1. C: 1.2% 이하(0%를 포함하지 않음, 「%」는 특별히 언급하지 않는 한, 질량%를 의미한다. 이하 동일),
    Si: 0.2∼3%,
    Mn: 0.1∼2%
    를 함유하고,
    잔부: 철 및 불가피 불순물이며,
    강선재 중에 존재하는 산화물계 개재물에 대하여, 개수로 해서 80% 이상이, 하기 (1A) 및 (1B)의 조성을 만족하는 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물을 포함하는 Si 킬드 강에 있어서,
    (1A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO ≥ 85%
    (1B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MgO+MnO ≤ 15%, CaO > MnO
    상기 CaO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (2)를 만족하고,
    (2) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, CaO: 10∼60%, Al2O3: 3∼40%, SiO2: 30% 이상 85% 미만,
    또한,
    하기 (3A)를 만족하는 MnO-Al2O3-SiO2계 개재물의 평균 조성이 하기 (3B)를 만족하는 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한 Si 킬드 강선재.
    (3A) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO+Al2O3+SiO2 ≥ 80%, MnO > CaO
    (3B) CaO+Al2O3+SiO2+MgO+MnO를 100%로 해서 규격화한 경우, MnO: 10∼70%, Al2O3: 3∼50%, SiO2: 20∼75%
  2. 제 1 항에 있어서,
    강 중 성분에 대하여, 추가로 하기 원소 중 1종 이상을 함유하는 Si 킬드 강선재.
    Cr: 3% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Ni: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Ti: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Zr: 0.1% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Cu: 0.7% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Mo: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Co: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    W: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)
    B: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음)
    알칼리 금속: 0.002% 이하(0%를 포함하지 않음)
    REM: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Ba: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)
    Sr: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 Si 킬드 강선재로부터 얻어진 스프링.
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