KR20150114532A

KR20150114532A - 시효 경화성 강

Info

Publication number: KR20150114532A
Application number: KR1020157023518A
Authority: KR
Inventors: 마사시 히가시다; 마사토 유야; 히토시 마츠모토; 다츠야 하세가와; 유타카 네이시; 다이조 마키노
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-10-12
Also published as: WO2015050152A9; JPWO2015050152A1; EP2985362A4; CN105164296A; JP5892297B2; EP2985362B8; KR101750643B1; EP2985362B1; EP2985362A1; US10066281B2; KR101750643B9; US20160265092A1; WO2015050152A1; CN109913628A

Abstract

C:0.05~0.20%, Si:0.01~0.50%, Mn:1.5~2.5%, S:0.005~0.08%, Cr:0.50%초과~1.6%, Al:0.005~0.05%, V:0.25~0.50%, Mo:0~1.0%, Cu:0~0.3%, Ni:0~0.3%, Ca:0~0.005%및 Bi:0~0.4%와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P≤0.03%, Ti<0.005% 및 N<0.0080%로,〔C+0.3Mn+0.25Cr+0.6Mo≥0.068〕, 〔C+0.1Si+0.2Mn+0.15Cr+0.35V+0.2Mo≤1.05〕 및 〔-4.5C+Mn+Cr-3.5V-0.8Mo≥0.12〕인 화학 조성을 갖는 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하이며, 시효 처리 후에, 피로 강도가 480MPa 이상이며, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm인 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상이 되므로, 기계 부품의 소재로서 매우 적절하다.

Description

시효 경화성 강{AGE HARDENING STEEL}

본 발명은, 시효 경화성 강에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은, 열간 단조와 절삭 가공에 의해서 소정의 형상으로 가공된 후, 시효 경화 처리(이하, 단순히 「시효 처리」라고 한다)가 실시되고, 상기 시효 처리에 의해서 원하는 강도와 인성을 확보하는 것이 행해지는 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 제조하기 위한 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있는 강에 관한 것이다.

엔진의 고출력화, 연비 향상을 목표로 한 경량화 등의 관점으로부터, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품에는, 높은 피로 강도가 요구되고 있다. 강에 높은 피로 강도를 구비시킬뿐이라면, 합금 원소 및/또는 열처리를 이용하여 강의 경도를 올림으로써, 용이하게 달성할 수 있다. 그러나, 일반적으로, 상기 기계 부품은, 열간 단조에 의해 성형되고, 그 후, 절삭 가공에 의해서 소정의 제품 형상으로 완성할 수 있다. 이 때문에, 상기 기계 부품의 소재가 되는 강은 높은 피로 강도와 함께 충분한 피삭성을 동시에 구비해야 한다. 일반적으로는, 피로 강도는 소재의 경도가 높은 것일수록 뛰어나다. 한편, 피삭성 중, 절삭 저항과 공구 수명은, 소재의 경도가 높은 것일수록 뒤떨어지는 경향이 있다.

그래서, 피로 강도와 피삭성을 양립시키기 위해서, 양호한 피삭성이 요구되는 성형 단계에서는 경도를 낮게 억제할 수 있고, 한편, 그 후에 시효 처리를 실시하여 강도가 요구되는 최종의 제품 단계에서는 경도를 높게 할 수 있는, 다양한 기술이 개시되어 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1에는 다음의 시효 경화강이 개시되어 있다.

즉, 질량%로, C:0.11~0.60%, Si:0.03~3.0%, Mn:0.01~2.5%, Mo:0.3~4.0%, V:0.05~0.5% 및 Cr:0.1~3.0%를 함유하고, 필요에 따라서, Al:0.001~0.3%, N:0.005~0.025%, Nb:0.5% 이하, Ti:0.5% 이하, Zr:0.5% 이하, Cu:1.0% 이하, Ni:1.0% 이하, S:0.01~0.20%, Ca:0.003~0.010%, Pb:0.3% 이하 및 Bi:0.3% 이하 중 1종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe와 불가피적 불순물로부터 이루어지고, 각 성분간에서는,

4C+Mn+0.7Cr+0.6Mo-0.2V≥2.5,

C≥Mo/16+V/5.7,

V+0.15Mo≥0.4

를 만족시키는 관계가 성립하고 있고, 압연, 단조, 또는 용체화 처리 후에, 온도 800℃에서 300℃ 사이는 0.05~10℃／초의 평균 냉각 속도로 냉각되고, 시효 처리 전에 있어서는, 베이나이트 조직의 면적률이 50% 이상이고, 또한 경도는 40HRC 이하이며, 시효 처리에 의해서, 경도가 시효 처리 전의 경도보다도 7HRC 이상 높아지는 것을 특징으로 하는 「시효 경화강」이 개시되어 있다.

특허 문헌 2에는 다음의 베이나이트강이 개시되어 있다.

즉, 질량%로, C:0.14~0.35%, Si:0.05~0.70%, Mn:1.10~2.30%, S:0.003~0.120%, Cu:0.01~0.40%, Ni:0.01~0.40%, Cr:0.01~0.50%, Mo:0.01~0.30%, 및, V:0.05~0.45%를 함유하고, 필요에 따라서, Ti:0.001~0.100%, 및, Ca:0.0003~0.0100%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고,

13[C]+8[Si]+10[Mn]+3[Cu]+3[Ni]+22[Mo]+11[V]≤30,

5[C]+[Si]+2[Mn]+3[Cr]+2[Mo]+4[V]≤7.3,

2.4≤0.3[C]+1.1[Mn]+0.2[Cu]+0.2[Ni]+1.2[Cr]+1.1[Mo]+0.2[V]≤3.1,

2.5≤[C]+[Si]+4[Mo]+9[V],

[C]≥[Mo]/16+[V]/3

을 만족시키는 것을 특징으로 하는 「베이나이트강」이 개시되어 있다.

특허 문헌 3에는 다음의 시효 경화형 고강도 베이나이트강이 개시되어 있다.

즉, 화학 조성이, 질량%로, C:0.06~0.20%, Si:0.03~1.00%, Mn:1.50~3.00%, Cr:0.50~2.00%, Mo:0.05~1.00%, Al:0.002~0.100%, V:0.51~1.00%, N:0.0080~0.0200%를 함유하고, 필요에 따라서, Ti:0.01~0.10%, Nb:0.01~0.10%, S:0.04~0.12%, Pb:0.01~0.30%, Ca:0.0005~0.01% 및 REM:0.001~0.10%로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강을 1150~1300℃의 가열 온도로 열간 압연 또는 열간 단조 후, 800~500℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도:CV(℃／min)를, 40/(Mn%+0.8Cr%+1.2Mo%)≤CV≤500/(Mn%+0.8%Cr+1.2Mo%)로 하여 200℃ 이하의 온도까지 냉각함으로써 경도를 400HV 이하, 조직을 베이나이트율 70% 이상이고 또한 구오스테나이트 결정입경 80μm 이하로 하고, 그 후 필요에 따라서 절삭 가공 내지 소성 가공을 가하고, 또한 그 후 550~700℃의 온도로 시효 처리를 실시함으로써, 항복점 또는 0.2% 내력을 900MPa 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 시효 경화형 고강도 베이나이트강이 제안되어 있다.

또, 특허 문헌 4 및 특허 문헌 5에는, 소정의 화학 조성 또는 조직을 갖는 시효 경화성 강이 개시되어 있고, 특허 문헌 6 및 특허 문헌 7에는, 기계 구조용 강 부품을 얻는 방법으로서, 강재를 열간 단조 후 소정의 속도로 냉각하고, 그 후 소정의 온도 범위에서 시효 처리를 실시하는 방법이 개시되어 있다.

일본국 특허 공개 2006-37177호 공보 일본국 특허 공개 2011-236452호 공보 일본국 특허 공개 2000-17374호 공보 국제 공개 제2010/090238호 국제 공개 제2011/145612호 국제 공개 제2012/161321호 국제 공개 제2012/161323호

그런데, 시효 처리에 의해서 강 중에 미세한 2차상을 석출시킴으로써 높은 강도를 얻고자 하면, 강의 인성은 열화한다.

인성이 열화한 강은 절결 감수성이 높아진다. 절결 감수성이 높아지면, 강의 피로 강도는 미세한 표면흠의 영향을 받기 쉬워진다.

또, 인성이 낮은 강은 일단 피로 균열이 발생하면, 균열의 진전이 빨라지고, 또한 파괴도 대규모인 것이 된다.

또한, 열간 단조로 발생한 변형을 냉간으로 교정하고자 한 경우, 강의 인성이 너무 낮아지면, 냉간으로도 교정이 곤란해지기도 한다.

특허 문헌 1에서 개시된 강은, 시효 처리 전의 경도가 40HRC까지 허용되고 있으며, 경도가 매우 높기 때문에, 피삭성의 확보가 곤란하고, 구체적으로는 절삭 저항이 높고, 공구 수명이 짧아지므로, 절삭 비용이 커져 버린다. 구체적인 예로서 개시되어 있는 강에는, 시효 처리 전의 경도가 40HRC를 밑도는 것도 포함되어 있지만, 그들은 1.4% 이상의 Mo를 함유하고 있는데다가, 인성이 전혀 고려되어 있지 않다.

특허 문헌 2에서 개시된 강은, 합금 원소의 함유량을, 특정의 파라미터식을 만족시키도록 조정함으로써, Mo의 함유량을 비교적 적게 하면서, 시효 처리 전(열간 단조 후)의 경도가 300HV 이하이고, 시효 처리 후의 경도가 300HV 이상으로 되어 있다. 그런데, 시효 처리 후의 인성을 높이는 연구가 충분히는 이루어지지 않았다.

특허 문헌 3에서 개시된 강은, C 함유량이 0.06~0.20%로 낮게 억제되어 있지만, V 함유량이 0.51~1.00%로 매우 높기 때문에, 시효 경화에 의해서 현저하게 강화되는 반면, 인성이 뛰어난 것은 아니다.

그래서, 본 발명의 목적은, 하기 <1>~<3>을 만족시키는 시효 경화성 강을 제공하는 데 있다.

<1> 절삭 저항 및 공구 수명과 연관되는 열간 단조 후의 경도가 낮은 것. 또한, 이하의 설명에 있어서는, 상기 열간 단조 후의 경도를, 「시효 처리 전의 경도」라고 한다.

<2> 시효 처리에 의해서 기계 부품에 원하는 피로 강도를 구비시킬 수 있는 것.

<3> 시효 처리 후의 인성이 높은 것.

구체적으로는, 본 발명의 목적은, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하이며, 시효 처리 후의 후술하는 피로 강도가 480MPa 이상이며, 또한 JIS Z 2242에 기재된, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm의 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상이 되는 시효 경화성 강을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 우선, 화학 조성을 다양하게 조정한 강을 이용하여, 조사를 실시했다. 그 결과, 하기 (a)~(c)의 지견을 얻었다.

(a) V는, 고온으로부터의 방랭시의 탄화물의 석출 피크가 750~700℃ 정도이다. 예를 들면, 0.3질량%의 V와 0.1질량%의 C를 포함하는 강에 있어서는, V는 일단 매트릭스 중에 고용되면 850℃ 부근까지는 석출하지 않기 때문에, 열간 단조 중의 석출을 억제하는 것이 비교적 용이하다.

(b) V의 탄화물은, 오스테나이트가 페라이트로 변태할 때에 상(相) 계면에서 석출되기 쉽다. 따라서, 열간 단조 후의 냉각 중에 초석 페라이트가 다량으로 생성된 경우에는, V의 탄화물이 상 계면에서 석출되고, 고용 V의 양이 감소하므로, 시효 처리 중에 석출되어 경화하는데 필요한 양의 고용 V를 확보할 수 없게 된다.

(c) 따라서, 시효 처리 전의 단계에서 고용 V를 확보하기 위해서는, 열간 단조 후의 조직에 있어서, 주상을 베이나이트로 하는 것이 필요하다.

그래서 다음에, 본 발명자들은, 0.25질량% 이상의 V를 포함하는 강에 대해서, 강의 화학 조성을 다양하게 변화시켜, 조직의 베이나이트의 면적률이 안정적으로 높아지기 위한 조건을 조사했다. 또한, 그들 강에 시효 처리를 실시했을 때의 시효 경화능을 조사했다. 그 결과, 하기 (d)~(f)의 지견을 얻었다.

(d) 열간 단조 후의 조직은, C, Mn, Cr 및 Mo의 함유량과 밀접한 상관을 갖는다. 즉, 상기 원소의 함유량이, 후술하는 담금질성의 지표를 나타내는 (1)식으로 표시되는 값이 특정의 범위가 되도록 제어되고 있으면, 고용 V의 확보에 유해한 초석 페라이트의 다량의 석출이 억제된다. 이 때문에, 용이하게, 베이나이트를 주상으로 하는 조직, 즉, 면적률로 70% 이상이 베이나이트인 조직이 되어, 충분한 양의 고용 V를 확보할 수 있다.

(e) C, Mn, Cr 및 Mo의 함유량이, 상기 (d)에서 기술한 (1)식이 특정 범위가 된다고 하는 조건을 만족시키는 것만으로는, 고용 강화 등의 작용에 의해서, 시효 처리 전의 경도가 높아지므로 절삭 가공시의 절삭 저항이 상승해 공구 수명이 저하되는 일이 있다.

(f) 한편, C, Si, Mn, Cr, V 및 Mo의 함유량이, 후술하는 (2)식으로 표시되는 값이 특정 범위가 되도록 제어되고 있으면, 상기 시효 처리 전의 경도가 과잉으로 높아지는 것을 억제할 수 있다.

그래서 또한, 본 발명자들은, 0.25질량% 이상의 V를 포함하고, C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V의 함유량이 상기 (d) 및 (f)에서 기술한 조건을 함께 만족시키는 강을 열간 단조한 후에 시효 처리를 실시하고, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm인 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상이 되는 조건을 조사했다. 그 결과, 하기 (g)~(i)의 지견을 얻었다.

(g) 시효 처리 후의 인성을 열화시키는 원소는 C, V, Mo 및 Ti이다. 이 중, Ti는, N 및/또는 C와 결합함으로써, TiN 및/또는 TiC를 형성한다. TiN 및/또는 TiC가 석출되면, 피로 강도는 높아지기도 하지만, 인성을 큰 폭으로 저하시킨다. Ti의 인성을 열화시키는 작용의 강도는, 동일한 석출 강화 원소인 V 및 Mo와 비교하면, 매우 크다. 그 때문에, Ti는 최대한 제한해야 한다. C는, 강 중에서 시멘타이트를 형성하고, 벽개 파괴의 기점이 될 수 있다. C량에 대해 과잉의 양의 V나 Mo를 함유한 강을 시효 처리한 경우라도, 일부의 시멘타이트는 잔존한다. V와 Mo도, 시효 처리에 의해서 매트릭스의 동일한 결정면에 탄화물을 석출함으로써, 벽개 파괴의 진전을 조장하여 인성을 열화시킨다. 따라서, 인성을 높이기 위해서는, C, V 및 Mo의 함유량을 줄일 필요가 있다.

(h) 또, 인성을 높이기 위해서는, 베이나이트 조직을 미세화시킬 필요가 있다. 베이나이트 조직을 미세화하기 위해서는, 오스테나이트로부터의 베이나이트의 변태 온도를 낮게 하면 된다. 베이나이트의 변태 온도를 낮게 하기 위해서는, 베이나이트 변태 개시 온도를 저하시키는 Mn 및 Cr의 함유량을 많이 하면 된다.

(i) 이상으로부터, 높은 강도를 갖는 시효 경화성 강에 충분한 인성을 부여하기 위해서는, C, Mn, Cr, V 및 Mo의 함유량에 대해서, 후술하는 시효 처리 후의 인성의 지표를 나타내는 (3)식으로 표시되는 값이 특정의 값 이상이 되도록 제어할 필요가 있고, 또한 강 중에 인성에 유해한 개재물 및 석출물이 포함되지 않도록, Ti의 함유량을 특정의 값 이하로 할 필요가 있다.

본 발명은, 상기 지견을 기초로 하여 이루어진 것이며, 그 요지는, 하기에 나타내는 시효 경화성 강에 있다.

(1) 질량%로, C:0.05~0.20%, Si:0.01~0.50%, Mn:1.5~2.5%, S:0.005~0.08%, Cr:0.50%초과~1.6%, Al:0.005~0.05%, V:0.25~0.50%, Mo:0~1.0%, Cu:0~0.3%, Ni:0~0.3%, Ca:0~0.005% 및 Bi:0~0.4%와,

잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,

불순물 중의 P, Ti 및 N이, P:0.03% 이하, Ti:0.005% 미만 및 N:0.0080% 미만이며,

또한, 하기 (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 1.05 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.12 이상인 화학 조성을 갖는, 시효 경화성 강.

F1=C+0.3Mn+0.25Cr+0.6Mo…(1)

F2=C+0.1Si+0.2Mn+0.15Cr+0.35V+0.2Mo…(2)

F3=-4.5C+Mn+Cr-3.5V-0.8Mo…(3)

상기 (1)~(3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

(2) 화학 조성이, 질량%로, 하기 <1>~<3>에 나타나는 원소로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 상기 (1)에 기재된 시효 경화성 강.

<1> Mo:0.05~1.0%

<2> Cu:0.1~0.3% 및 Ni:0.1~0.3%, 및

<3> Ca:0.0005~0.005% 및 Bi:0.03~0.4%

(3) 주상이 베이나이트며, 상기 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60μm인, 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 시효 경화성 강.

(4) 경도가 310HV 이하인, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 시효 경화성 강.

(5) 화학 조성이, 질량%로, Cr:1.0초과~1.6%를 함유하는, 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 시효 경화성 강.

본 발명의 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하가 된다. 게다가, 본 발명의 시효 경화성 강을 이용하면, 절삭 가공 후에 실시되는 시효 처리에 의해서, 480MPa 이상의 피로 강도와, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm인 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상이라는 인성을 확보할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 시효 경화성 강은, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품의 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 각 요건에 대해서 자세하게 설명한다. 또한, 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

C:0.05~0.20%

C는, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. C는, V와 결합하여 탄화물을 형성하고, 강을 강화한다. 그러나, C의 함유량이 0.05% 미만에서는, V의 탄화물이 석출되기 어려워지므로, 원하는 강화 효과를 얻을 수 없다. 한편, C의 함유량이 너무 많아지면, V나 Mo와 결합하지 않는 C가 Fe와 탄화물(시멘타이트)을 형성하는 양이 증가하므로, 인성을 열화시켜 버린다. 따라서, C의 함유량을 0.05~0.20%로 했다. C의 함유량은, 0.08% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.10% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, C의 함유량은 0.18% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.16% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

Si:0.01~0.50%

Si는, 제강시의 탈산 원소로서 유용함과 동시에, 매트릭스에 고용되어 강의 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, Si는 0.01% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Si의 함유량이 과잉이 되면, 강의 열간 가공성을 저하시켜, 시효 처리 전의 경도가 높아진다. 따라서, Si의 함유량을 0.01~0.50%로 했다. Si의 함유량은, 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, Si의 함유량은, 0.45% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.35%를 밑도는 것이 한층 바람직하다.

Mn:1.5~2.5%

Mn은, 담금질성을 향상시켜, 조직의 주상을 베이나이트로 하는 효과를 갖는다. 또한, 베이나이트 변태 온도를 저하시킴으로써, 베이나이트 조직을 미세화시켜 매트릭스의 인성을 높이는 효과도 갖는다. 또, Mn은, 강 중에서 MnS를 형성하여 절삭시의 칩 처리성을 향상시키는 작용을 갖는다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, Mn은 적어도 1.5%의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Mn은 강의 응고시에 편석되기 쉬운 원소이기 때문에, 함유량이 너무 많아지면, 열간 단조 후의 부품 내의 경도의 불균일이 커지는 것을 피할 수 없다. 따라서, Mn의 함유량을 1.5~2.5%로 했다. Mn의 함유량은, 1.6% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.7% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, Mn의 함유량은, 2.3% 이하로 하는 것이 바람직하고, 2.1% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

S:0.005~0.08%

S는, 강 중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 절삭시의 칩 처리성을 향상시키므로, 0.005% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, S의 함유량이 많아지면, 조대한 MnS가 증가하여 인성과 피로 강도를 열화시키고, 특히, S의 함유량이 0.08%를 넘으면, 인성과 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, S의 함유량을 0.005~0.08%로 했다. S의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, S의 함유량은, 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.03% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.

Cr:0.50%를 넘고 1.6% 이하

Cr은, Mn과 마찬가지로 담금질성을 높이고, 조직의 주상을 베이나이트로 하는 효과를 갖는다. 또한, 베이나이트 변태 온도를 저하시킴으로써, 베이나이트 조직을 미세화시켜 모재의 인성을 높이는 효과도 가지므로, 0.50%를 넘게 함유시킬 필요가 있다. 그러나, Cr의 함유량이 1.60%를 넘으면, 담금질성이 커져, 부품의 크기나 부위에 따라서는 시효 처리 전의 경도가 310HV를 넘는 경우가 있다. 따라서, Cr의 함유량을 0.50%를 넘고 1.6% 이하로 했다. Cr의 함유량은, 0.6% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1.0%보다도 높게 하는 것이 한층 바람직하다. 또, Cr의 함유량은, 1.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Al:0.005~0.05%

Al은 탈산 작용을 갖는 원소이며, 이 효과를 얻기 위해서 0.005% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, Al을 과잉으로 함유하면, 조대한 산화물이 생성되게 되어, 인성이 저하한다. 따라서, Al의 함유량을 0.005~0.05%로 했다. Al의 함유량은, 0.04% 이하로 하는 것이 바람직하다.

V:0.25~0.50%

V는, 본 발명의 강에 있어서의 가장 중요한 원소이다. V는, 시효 처리시에 C와 결합하여 미세한 탄화물을 형성함으로써, 피로 강도를 높이는 작용이 있다. 또, 강 중에 Mo를 함유한 경우, V에는, 시효 처리에 의해서, Mo와 복합하여 석출되고, 시효 경화능을 한층 높이는 효과도 있다. 이들 효과를 충분히 얻기 위해서는, V는 0.25% 이상의 함유량으로 할 필요가 있다. 그러나, V의 함유량이 과잉이 되면, 열간 단조시의 가열에 있어서도 미고용의 탄질화물이 남기 쉬워져 인성의 저하를 초래한다. 게다가, V의 함유량이 과잉이 되면 시효 처리 전의 경도가 높아져 버리는 경우가 있다. 따라서, V의 함유량을 0.25~0.50%로 했다. V의 함유량은, 0.45%를 밑도는 것이 바람직하고, 0.40% 이하로 하는 것이 한층 바람직하다. 또, V의 함유량은, 0.27% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mo:0~1.0%

Mo는 V와 마찬가지로, 탄화물의 석출 온도가 비교적 낮고, 시효 경화에 활용하기 쉬운 원소이다. Mo는, 담금질성을 높여 열간 단조 후의 조직의 주상을 베이나이트로 함과 더불어, 그 면적률을 크게 하는 작용을 갖는다. Mo는, 0.25% 이상의 V를 함유하는 강에 있어서, V와 복합적으로 탄화물을 형성하여, 시효 경화능을 크게 하는 작용도 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라서 Mo를 함유시켜도 된다. 그러나, Mo는 매우 고가의 원소이기 때문에, 함유량이 많아지면 강의 제조 비용이 증대하고, 또 인성도 저하한다. 따라서, 함유시키는 경우에는, 그 양을 1.0% 이하로 했다. Mo의 함유량은, 0.50% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.40% 이하로 하는 것이 한층 바람직하고, 0.30%를 밑도는 것이 보다 한층 바람직하다.

한편, 상기 Mo의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.05% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.10% 이상으로 하는 것이 한층 바람직하다.

Cu 및 Ni는, 모두, 피로 강도를 높이는 작용을 갖는다. 이 때문에, 보다 큰 피로 강도를 얻고자 하는 경우에는, 이들 원소를 이하에 기술하는 범위로 함유시켜도 된다.

Cu:0~0.3%

Cu는, 피로 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라서 Cu를 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 많아지면, 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Cu를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.3% 이하로 했다. Cu의 함유량은, 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Cu의 피로 강도를 높이는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Ni:0~0.3%

Ni는, 피로 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Ni는, Cu에 의한 열간 가공성의 저하를 억제하는 작용도 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라서 Ni를 함유시켜도 된다. 그러나, Ni의 함유량이 많아지면, 비용이 커지는데다가 상기 효과도 포화된다. 따라서, Ni를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.3% 이하로 했다. Ni의 함유량은, 0.25% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Ni의 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함유량을 0.1% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 Cu 및 Ni는, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 함유시키는 경우의 상기 원소의 합계 함유량은, Cu 및 Ni의 함유량이 각각의 상한치인 경우의 0.6%여도 된다.

Ca 및 Bi는, 모두, 절삭시의 공구 수명을 장수명화하는 작용을 갖는다. 이 때문에, 공구 수명을 한층 길게 하고자 하는 경우에는, 이들 원소를 이하에서 기술하는 범위로 함유시켜도 된다.

Ca:0~0.005%

Ca는, 공구 수명을 장수명화하는 작용을 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라서 Ca를 함유시켜도 된다. 그러나, Ca의 함유량이 많아지면, 조대한 산화물을 형성하고, 인성을 열화시킨다. 따라서, Ca를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.005% 이하로 했다. Ca의 함유량은, 0.0035% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Ca의 공구 수명을 장수명화하는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ca의 함유량을 0.0005% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Bi:0~0.4%

Bi는, 절삭 저항을 저하시켜 공구 수명을 장수명화시키는 작용을 갖는다. 이 때문에, 필요에 따라서 Bi를 함유시켜도 된다. 그러나, Bi의 함유량이 많아지면, 열간 가공성의 저하를 초래한다. 따라서, Bi를 함유시키는 경우에는, 그 양을 0.4% 이하로 했다. Bi의 함유량은, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 Bi의 공구 수명을 장수명화하는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Bi의 함유량을 0.03% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 Ca 및 Bi는, 그 중 어느 1종만, 또는, 2종의 복합으로 함유시킬 수 있다. 함유시키는 경우의 이들 원소의 합계 함유량은, Ca 및 Bi의 함유량이 각각의 상한치인 경우의 0.405%여도 상관없지만, 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 시효 경화성 강은, 상술한 원소와, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, Ti 및 N이, P:0.03% 이하, Ti:0.005% 미만 및 N:0.0080% 미만이며, 또한, 상기, (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 1.05 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.12 이상인 화학 조성을 갖는 강이다.

또한, 불순물이란, 철강 재료를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것을 가리킨다.

P:0.03% 이하

P는, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서 바람직하지 않은 원소이다. 즉, P는, 입계에 편석됨으로써 인성을 저하시킨다. 따라서, P의 함유량을 0.03% 이하로 했다. P의 함유량은, 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti:0.005% 미만

Ti는, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서 특히 바람직하지 않은 원소이다. 즉, Ti는, N 및/또는 C와 결합함으로써, TiN 및/또는 TiC를 형성하여 인성의 저하를 초래하고, 특히 그 함유량이 0.005% 이상이 되면, 크게 인성을 열화시킨다. 따라서, Ti의 함유량을 0.005% 미만으로 했다. 양호한 인성을 확보하기 위해서는, Ti의 함유량은, 0.0035% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N:0.0080% 미만

N은, 불순물로서 함유되고, 본 발명에 있어서는, V를 질화물로서 고정해버리는 바람직하지 않은 원소이다. 즉, 질화물로서 석출된 V는 시효 경화에 기여하지 않게 되므로, 질화물의 석출을 억제하기 위해서, N의 함유량은 낮게 해야 한다. 그러기 위해서는, N의 함유량은 0.0080% 미만으로 할 필요가 있다. N의 함유량은, 0.0070% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.0060% 미만으로 하는 것이 한층 바람직하다.

F1:0.68 이상

본 발명의 시효 경화성 강은,

F1=C+0.3Mn+0.25Cr+0.6Mo…(1)

로 표시되는 F1이, 0.68 이상이어야 한다.

이미 기술한 바와 같이, 상기 (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F1은, 담금질성에 대한 지표이다. F1이 상기 조건을 만족시키면, 열간 단조 후의 조직이 베이나이트를 주상으로 하는 것이 된다.

F1이 0.68 미만인 경우, 열간 단조 후의 조직에 초석 페라이트가 혼입되고, V의 탄화물이 상 계면에서 석출되기 때문에, 시효 처리 전의 경도가 상승하거나, 시효 경화능이 작아지거나 한다.

F1은, 0.70 이상인 것이 바람직하고, 0.72 이상인 것이 한층 바람직하다. 또, F1은, 1.3 이하인 것이 바람직하다.

F2:1.05 이하

본 발명의 시효 경화성 강은,

F2=C+0.1Si+0.2Mn+0.15Cr+0.35V+0.2Mo…(2)

로 표시되는 F2가, 1.05 이하여야 한다.

이미 기술한 바와 같이, 상기 (2)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F2는, 시효 처리 전의 경도를 나타내는 지표이다. 본 발명의 시효 경화성 강이, 상기 F1의 조건을 만족시키는 것만으로는, 시효 처리 전의 경도가 너무 높아져, 절삭 가공시의 절삭 저항이 커져, 공구 수명도 단수명화하는 경우가 있다.

즉, F2가 1.05를 넘으면, 시효 처리 전의 경도가 너무 높아진다. 시효 처리 전의 경도를 310HV 이하로 하기 위해서는, 상기한 각 합금 원소의 함유량을 규정한 범위 내로 하고, 또한, F1의 조건을 만족시키면서, F2의 조건을 만족시킬 필요가 있다.

F2는, 1.00 이하인 것이 바람직하다. 또, F2는, 0.60 이상인 것이 바람직하고, 0.65 이상이면 한층 바람직하다.

F3:0.12 이상

본 발명의 시효 경화성 강은,

F3=-4.5C+Mn+Cr-3.5V-0.8Mo…(3)

으로 표시되는 F3이, 0.12 이상이어야 한다.

이미 기술한 바와 같이, 상기 (3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.

F3은, 시효 처리 후의 인성을 나타내는 지표이다. 즉, F1 및 F2의 조건을 만족시키는 것만으로는, 시효 처리 후의 인성이 저하되어 목표로 하는 인성을 확보할 수 없는 경우가 있다.

즉, F3이 0.12 미만인 경우, 시효 처리 후의 인성이 저하된다. 목표로 하는 인성을 확보하기 위해서는, 상기한 각 합금 원소의 함유량을 규정한 범위 내로 하고, 또한, F1의 조건, 및, F2의 조건을 만족시키면서, F3의 조건을 만족시킬 필요가 있다.

F3은, 0.30 이상인 것이 바람직하고, 0.45 이상인 것이 한층 바람직하다.

또한, F1이 0.68 이상, 또한 F2가 1.05 이하이면, F3의 상한에 대해서 특별히 한정을 둘 필요는 없다.

본 발명의 시효 경화성 강은, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60μm인 것이 바람직하다. 본 발명에서 베이나이트의 「블록」이란, EBSD(Electron BackScatter Diffraction)법에 의해, 조직의 방위 해석을 실시한 경우에, 방위차가 15°이상의 경계로 둘러싸인 영역을 말한다. 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 클수록, 시효 전의 경도가 낮기 때문에, 양호한 피삭성을 얻을 수 있다. 한편, 평균 블록 사이즈가 너무 크면, 인성이 낮아진다. 평균 블록 사이즈는, 20μm 이상이 보다 바람직하다. 또, 평균 블록 사이즈는, 45μm 이하가 보다 바람직하고, 30μm 이하가 보다 한층 바람직하다.

본 발명의 시효 경화성 강의 제조 방법은 특별히 한정하는 것이 아니라, 일반적인 방법으로 용제하여 화학 조성을 조정하면 된다.

이하에, 상기와 같이 하여 제조한 본 발명의 시효 경화성 강을 소재로 하여, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 제조하는 방법의 일례를 나타낸다.

우선, 화학 조성을 상술한 범위로 조정한 강으로부터, 열간 단조에 제공하는 재료(이하, 「열간 단조용 소재」라고 한다)를 제작한다.

상기 열간 단조용 소재로는, 잉곳을 분괴 압연한 빌릿, 연속 주조재를 분괴압연한 빌릿, 혹은 이들 빌릿을 열간 압연 또는 열간 단조한 봉강 등, 어떠한 것이어도 상관없다.

그 다음에, 상기 열간 단조용 소재를 열간 단조하고, 또한 절삭 가공하여 소정의 부품 형상으로 마무리한다.

또한, 상기 열간 단조는, 예를 들면, 열간 단조용 소재를 1100~1350℃에서 0.1~300분 가열한 후, 마무리 단조 후의 표면 온도가 900℃ 이상이 되도록 하여 단조를 행하고, 그 후, 800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도를 10~90℃／분 (0.2~1.5℃／초)로 하여 실온까지 냉각한다. 이와 같이 하여 냉각한 후, 또한 절삭 가공하여, 소정의 부품 형상으로 마무리한다.

800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도는, 빠를수록 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 작아진다. 이 평균 냉각 속도의 하한은 15℃／분이 바람직하고, 상한은 70℃／분이 바람직하다.

마지막으로, 시효 처리를 실시하여, 원하는 특성을 구비하는 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품을 얻는다.

또한, 상기 시효 처리는, 예를 들면, 540~700℃의 온도역, 바람직하게는 560~680℃의 온도역에서 행한다. 이 시효 처리의 유지 시간은, 예를 들면, 30~1000분으로 하는 등, 기계 부품의 사이즈(질량)에 따라서 적절히 조정한다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.

실시예 1

표 1 및 표 2에 나타내는 화학 조성의 강 1~35를 50kg 진공 용해로에 의해서 용제했다.

표 1 및 표 2에 있어서의 강 1~23은, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 강이다. 한편, 표 2에 있어서의 강 24~35는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 강이다.

또한, Ti의 란에 있어서의 「<0.001」은, 불순물로서의 Ti의 함유량이, 0.001%를 밑도는 것임을 나타낸다.

[0101]

각 강의 잉곳은, 1250℃에서 가열한 후, 직경 60mm의 봉강으로 열간 단조했다. 열간 단조한 각 봉강은, 일단 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다. 그 후, 또한, 1250℃로 30분 가열하고, 부품 형상으로의 단조를 상정하고, 마무리시의 단조재의 표면 온도를 950~1100℃로 하여, 직경 35mm인 봉강으로 열간 단조했다. 열간 단조 후에는, 모두 대기 중에서 방랭하여 실온까지 냉각했다. 대기 중에서 방랭했을 때의 냉각 속도는, 상기 조건으로 열간 단조한 봉강의 R/2 부근(「R」은 봉강의 반경을 나타낸다)에 열전대를 매설하여, 다시 열간 단조의 마무리 온도 부근의 온도까지 승온시키고 나서, 대기 중에서 방랭하여 측정했다. 이와 같이 하여 측정한 단조 후의 800~400℃의 온도 영역의 평균 냉각 속도는 약 40℃／분(0.7℃／초)이었다.

각 시험 번호에 대해서, 열간 단조로 상기 직경 35mm로 마무리한 후에 실온까지 냉각한 봉강 중 일부는, 시효 처리를 실시하지 않은 상태(즉, 냉각인 채의 상태)에서, 봉강의 양단부를 100mm씩 잘라버린 후, 남은 중앙부로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 전의 경도와 조직의 베이나이트의 면적률의 조사를 행했다.

한편, 각 시험 번호에 대해서, 열간 단조한 봉강의 나머지는, 610~630℃에서 60~180분 유지하는 시효 처리를 실시하고, 봉강의 양단부를 100mm씩 잘라버린 후, 남은 중앙부로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 후의 경도의 조사를 행했다. 또, 각 시험 번호에 대해서, 봉강으로부터 시험편을 잘라내어, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지와 피로 강도의 조사를 행했다.

경도 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 우선, 봉강을 가로로 잘라, 절단면이 피검사면이 되도록 수지 포매하여 경면 연마하여 시험편을 준비했다. 그 다음에, JIS Z 2244(2009)에 있어서의 「비커스 경도 시험-시험 방법」에 준거하여, 피검사면의 R/2부(「R」은 반경을 나타낸다) 부근 10점에 대해서, 시험력을 9.8N으로 하여 경도 측정을 실시했다. 상기 10점의 값을 산술 평균하여 비커스 경도로 했다. 시효 처리 전의 경도는 310HV 이하인 경우에, 경도가 낮다고 판단하고, 이것을 목표로 했다.

조직의 베이나이트의 면적률의 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 경도 측정에 이용한 수지 포매하여 경면 연마한 시험편을, 나이탈로 에칭했다. 에칭 후의 시험편에 대해, 광학 현미경을 이용하여, 배율 200배로 조직을 촬영했다. 촬영한 사진으로부터 화상 해석에 의해, 베이나이트의 면적률을 측정했다. 베이나이트의 면적률이 70% 이상인 경우에, 조직이 충분히 베이나이트화했다고 판단하고, 이것을 목표로 했다.

인성은, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm인 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상인 경우에, 충분히 높다고 판단하고, 이것을 목표로 했다.

피로 강도는, 평행부의 직경이 8mm, 길이가 106mm인 오노식 회전 굽힘 피로 시험편을 제작하여 조사했다. 즉, 피로 시험편의 중심이 봉강의 R/2부가 되도록 상기 시험편을 채취하고, 시험수를 8로 하여, 실온, 대기 중에서, 응력비가 -1이 되는 조건으로 오노식 회전 휨피로 시험을 실시했다. 반복수가 1.0×10⁷회까지 파단되지 않았던 것 중에서의 응력 진폭의 최대치를 피로 강도로 했다. 피로 강도가 480MPa 이상인 경우에, 피로 강도가 충분히 높다고 판단하고, 이것을 목표로 했다.

표 3에, 상기 각 조사 결과를 나타낸다. 또한, 베이나이트의 면적률이 70% 이상으로 목표를 달성한 것 및 70% 미만으로 목표로 미달인 것을 각각, 「베이나이트화」란에 있어서 「○」 및 「×」로 나타냈다. 또, 표 3에서는 「샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지」를 「샤르피 흡수 에너지」라고 표기했다. 또한, 표 3에, 시효 처리 후의 경도와 시효 처리 전의 HV에서의 경도의 차를 「경화량[ΔHV]」로서 병기했다.

표 3으로부터 분명한 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 갖는 시험 번호 A1~A23의 「본 발명예」의 경우, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하이며, 시효 처리에 의해서 피로 강도가 480MPa 이상, 또한 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지도 12J 이상이 되어 목표를 달성하고 있고, 시효 처리 후의 강도와 인성이 양립되어 있다. 또한 시효 처리 전의 경도가 낮다는 점에서, 절삭 저항의 저하 및 공구 수명의 장수명화를 기대할 수 있음을 알 수 있다.

이에 대해, 본 발명의 규정으로부터 벗어난 시험 번호 B1~B12의 「비교예」의 경우에는, 목표로 하는 성능이 얻어지지 않았다.

시험 번호 B1은, 이용한 강 24의 C 함유량이 0.25%로 많고, 게다가 F3이 0.01으로 낮기 때문에, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 9.6J로 낮고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B2는, 이용한 강 25의 Ti 함유량이 0.028%로 높기 때문에, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 6.4J로 낮고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B3은, 이용한 강 26의 Mn 함유량이 1.35%로 낮기 때문에, 베이나이트 조직에 추가해 페라이트가 생성되어, 시효 처리 전의 경도가 318HV로 높고, 또 피로 강도가 450MPa로 낮고, 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B4는, 이용한 강 27의 C 함유량이 0.04%로 낮기 때문에, 시효 처리 후의 경도가 290HV로 낮고, 피로 강도도 440MPa이며 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B5는, 이용한 강 28의 V 함유량이 0.11%로 낮기 때문에, 시효 처리 후의 경도가 305HV로 낮고, 피로 강도도 430MPa이며 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B6는, 이용한 강 29의 F3이 0.04로 낮기 때문에, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 11.2J이며, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B7은, 이용한 강 30의 F2가 1.09로 높기 때문에, 시효 처리 전의 경도가 335HV로 높고, 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B8은, 이용한 강 31의 V 함유량이 0.63%로 높기 때문에, 시효 처리 전의 경도가 313HV로 높고, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 8J로 낮고, 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B9는, 이용한 강 32의 Mo 함유량이 1.23%로 높기 때문에, 시효 처리 후의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지가 9.6J로 낮고, 인성이 뒤떨어진다.

시험 번호 B10은, 이용한 강 33의 F1이 0.66으로 낮기 때문에, 베이나이트 조직에 추가해 페라이트가 생성되어, 시효 처리 전의 경도가 323HV로 높고, 또한 피로 강도가 460MPa로 낮고, 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B11은, 이용한 강 34의 N 함유량이 0.0181%로 본 발명의 규정으로부터 벗어나 너무 높기 때문에, 열간 단조 중에 V의 질화물이 석출되어 버린다. 그 때문에 ΔHV가 20으로 시효 경화되기 어려워, 시효 처리 후의 경도가 292HV로 낮다. 시효 처리 후의 피로 강도도 450MPa로 낮고, 목표에 도달하지 않았다.

시험 번호 B12는, 이용한 강 35의 N 함유량이 0.0119%로 높기 때문에, 열간 단조 중에 V의 질화물이 석출되어 버린다. 그 때문에 ΔHV가 24로 시효 경화되기 어려워, 시효 처리 후의 경도가 291HV로 낮다. 시효 처리 후의 피로 강도도 445MPa로 낮고, 목표에 도달하지 않았다.

실시예 2

실시예 1에서 열간 단조하고, 실온까지 냉각함으로써 제작한 강 21~23 및 강 30의 직경 60mm의 봉강의 일부를 잘라냈다. 잘라낸 봉강은, 또한, 1250℃로 30분 가열하고, 부품 형상으로의 단조를 상정하고, 마무리시의 단조재의 표면 온도를 950~1100℃로 하여, 직경 35mm의 봉강으로 열간 단조했다. 열간 단조 후에는, 대기 중에서의 방랭에 의해, 또는 송풍기 및 미스트를 이용하여, 다양한 냉각 속도로 400℃ 이하의 온도까지 냉각했다.

각 시험 번호에 대해서, 열간 단조로 상기 직경 35mm로 마무리한 후, 송풍기 및 미스트를 이용하여 400℃ 이하의 온도까지 냉각하고, 또한 실온까지 냉각한 봉강 중 일부를 이용하여, 시효 처리 전의 경도를 측정했다.

한편, 각 시험 번호에 대해서, 열간 단조한 봉강의 나머지는, 630℃에서 60분 유지하는 시효 처리를 실시했다. 시효 처리를 실시한 봉강으로부터 채취한 시험편을 이용하여, 시효 처리 후의 경도, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지, 피로 강도, 및 베이나이트 조직의 블록 사이즈의 조사를 행했다.

시효 처리 전의 경도, 및 시효 처리 후의 경도, 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지, 및 피로 강도의 조사는, 실시예 1과 동일한 조건으로 실시했다. 또, 이들 목표치는 실시예 1과 동일하게 했다.

베이나이트 조직의 블록 사이즈의 측정은, 다음과 같이 하여 실시했다. 경도 측정에 이용한 수지 포매한 시험편을, 콜로이달 실리카를 이용하여 다시 연마했다. 연마한 시험편에 대해서, EBSD법에 의해, 조직의 방위 해석을 행했다. 방위차가 15° 이상의 경계로 둘러싸인 영역을 「블록」이라고 정의하고, 각 블록의 면적을 화상 해석에 의해서 구했다.

블록끼리의 계면은, 요철이 있는 복잡한 형상이다. 그 때문에, 블록의 요철 단부 부근을 잘라내도록 조직의 관찰면이 제작된 경우에는, 마치 1개의 블록에 내포된 다른 블록이 있는 것 같이 관찰되는 경우가 있다. 이 경우, 블록의 면적의 측정 정밀도가 저하된다. 이러한, 영향을 없애기 위해, 단면상 상에 있어서, 어떤 블록이 다른 블록에 완전하게 내포되어 있는 경우에는, 단일의 블록으로 간주하고, 내포되어 있는 작은 쪽의 블록은 무시하고, 큰 쪽의 블록만으로 면적을 구했다.

이와 같이 하여 면적을 측정한 각 블록에 대해서, 같은 면적을 갖는 원의 직경을 그 블록의 사이즈라고 정의했다. EBSD법에 의해 해석한 30000μm²의 영역 중의 각 블록의 사이즈로부터, 평균 블록 사이즈를 산출했다.

평균 블록 사이즈를 산출할 때에는, 각 블록의 사이즈에 대해, 그 블록의 면적에 의한 가중을 행했다. 즉, 해석 영역 중의 n개의 블록 1~n에 대해, 각각의 사이즈를 D1, D2, …, Dn(μm), 각각의 면적을 S1, S2, …, Sn(μm²)으로 한 경우, 평균 블록 사이즈는(D1×S1+D2×S2+…+Dn×Sn)/30000으로 했다. 평균 블록 사이즈는, 15~60μm를 목표로 했다.

표 4에, 상기 각 조사 결과를 나타낸다. 시험 번호 C1~C3은, 각각 표 3의 시험 번호 A21~A23이다. 표 4에 나타내는 냉각 속도는, 직경 35mm의 봉강으로 열간 단조한 후의 냉각시의 800~400℃의 온도 영역에 있어서의 평균 냉각 속도이다. 이 평균 냉각 속도의 측정 방법은, 실시예 1과 동일하게 했다.

표 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 갖는 시험 번호 C1~C6의 「본 발명예」의 경우, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60μm의 목표 범위 내이며, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하였다. 그로 인해, 양호한 피삭성을 기대할 수 있다. 시효 처리에 의해서 피로 강도가 480MPa 이상, 또한 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지도 12J 이상이 되어 목표를 달성하고 있어, 시효 처리 후의 강도 및 인성이 양립되어 있다. 또한, 시험 번호 C1~C6에서는, 시효 처리 전에 있어서의 베이나이트의 면적률이 70% 이상이며, 목표를 달성하고 있었다.

또, 시험 번호 C1~C6은, 평균 냉각 속도가 상술한 본 발명의 시효 경화성 강의 제조 방법의 일례로서 나타낸 평균 냉각 속도(10~90℃／분, 즉 0.2~1.5℃／초)를 만족시키고 있었다. 시험 번호 C1~C6 중, 강 22를 사용한 시험 번호 C2 및 C4~C6를 비교하면, 평균 냉각 속도가 늦을수록, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 크다는 것을 알 수 있다. 또, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 클수록, 시효 처리 전의 경도가 낮고, 양호한 피삭성을 기대할 수 있음을 알 수 있다.

이에 대해, 본 발명의 규정으로부터 벗어난 시험 번호 D1의 「비교예」의 경우에는, 목표로 하는 성능이 얻어지지 않았다. 즉, 시험 번호 D1은, 이용한 강 30의 F2가 본 발명의 규정으로부터 벗어나 컸다. 그 때문에, 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 9.6μm로 작고, 시효 처리 전의 경도가 346HV가 되어, 단단하다. 그 때문에, 피삭성이 뒤떨어진다고 생각된다.

본 발명의 시효 경화성 강은, 시효 처리 전의 경도가 310HV 이하이며, 절삭 저항의 저하와 공구 수명의 장수명화를 기대할 수 있다. 게다가, 본 발명의 시효 경화성 강을 이용하면, 절삭 가공 후에 실시되는 시효 처리에 의해서, 480MPa 이상의 피로 강도와, 노치 깊이 2mm 및 노치 바닥 반경 1mm인 U형 노치를 갖는 표준 시험편을 이용하여 실시한 샤르피 충격 시험으로 평가한 시효 처리 후의 20℃에서의 흡수 에너지가 12J 이상이라는 인성을 확보할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 시효 경화성 강은, 자동차, 산업 기계, 건설 기계 등의 기계 부품의 소재로서 매우 적절하게 이용할 수 있다.

Claims

질량%로, C:0.05~0.20%, Si:0.01~0.50%, Mn:1.6~2.5%, S:0.005~0.08%, Cr:0.50%초과~1.6%, Al:0.005~0.05%, V:0.25~0.50%, Mo:0~1.0%, Cu:0~0.3%, Ni:0~0.3%, Ca:0~0.005% 및 Bi:0~0.4%와,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
불순물 중의 P, Ti 및 N이, P:0.03% 이하, Ti:0.005% 미만 및 N:0.0080% 미만이며,
또한, 하기, (1)식으로 표시되는 F1이 0.68 이상, (2)식으로 표시되는 F2가 1.05 이하, 또한 (3)식으로 표시되는 F3이 0.12 이상인 화학 조성을 갖는, 시효 경화성 강.
F1=C+0.3Mn+0.25Cr+0.6Mo…(1)
F2=C+0.1Si+0.2Mn+0.15Cr+0.35V+0.2Mo…(2)
F3=-4.5C+Mn+Cr-3.5V-0.8Mo…(3)
상기 (1)~(3)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 의미한다.
청구항 1에 있어서,
화학 조성이, 질량%로, 하기 <1>~<3>에 나타내는 원소로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 시효 경화성 강.
<1> Mo:0.05~1.0%
<2> Cu:0.1~0.3% 및 Ni:0.1~0.3%, 및
<3> Ca:0.0005~0.005% 및 Bi:0.03~0.4%
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
주상이 베이나이트며, 상기 베이나이트의 평균 블록 사이즈가 15~60μm인, 시효 경화성 강.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
경도가 310HV 이하인, 시효 경화성 강.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
화학 조성이,질량%로 Cr:1.0초과~1.6%를 함유하는, 시효 경화성 강.