KR20150126661A

KR20150126661A - 질화 처리용 강판 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR20150126661A
Application number: KR1020157027610A
Authority: KR
Inventors: 타카시 고바야시; 하야토 사이토; 요시마사 후나카와
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2013-04-02
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-11-12
Also published as: KR101733513B1; TWI548755B; US20160032431A1; CN105102659B; EP2955242B1; EP2955242A1; CN105102659A; TW201500560A; WO2014162677A1; MX2015013940A; EP2955242A4; JP2014201764A; JP5630523B2

Abstract

성형성 및 펀칭성이 우수한 질화 처리용 강판을 제공한다. 질량％로, C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하, Si: 0.1％ 이하, Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하, P: 0.05％ 이하, S: 0.02％ 이하, Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하, Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하, N: 0.01％ 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 페라이트를 주상(main phase)으로 하고, 펄라이트 및/또는 베이나이트를 제2상으로 하며, 상기 페라이트가 조직 전체에서 차지하는 분율이 70％ 이상, 상기 페라이트의 평균 결정 입경(average grain diameter)이 5㎛ 이상 25㎛ 이하, 상기 제2상 중에 존재하는 시멘타이트의 강판 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경(average length of major axis)이 3.0㎛ 이하인 조직을 갖는 질화 처리용 강판으로 한다.

Description

질화 처리용 강판 및 그의 제조 방법{STEEL SHEET FOR NITRIDING AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 내구성 향상을 위해 질화 처리를 행하여 사용되는 기계 부품의 소재로서 적합한 질화 처리용 강판(steel sheet for nitriding), 특히 질화 처리 전의 성형성(formability)과 펀칭성(punchability)이 우수한 질화 처리용 강판 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

자동차의 변속기 등에 이용되는 기계 부품은, 피로 강도(fatigue strength)나 내마모성(abrasion resistance)의 향상을 위해, 소재의 강재를 소망하는 부품 형상으로 성형 가공한 후에, 표면 경화 처리(surface-hardening treatment)를 행하여 사용되는 경우가 많다. 이러한 표면 경화 처리의 대표적인 것으로서, 침탄 처리(carburizing treatment)와 질화 처리(nitriding treatment)가 있다.

침탄 처리는, 가장 일반적인 표면 경화 처리이다. 그러나, 침탄 처리에서는 통상, 강의 A₃ 변태점(transformation point) 이상에서 강의 표층부에 탄소를 확산 및 침투(침탄)시킨 후에 ?칭(quenching)을 행하기 때문에, 고온으로부터의 ?칭에 수반하여 발생하는 왜곡(distortion)의 영향에 의해, 부품의 형상 정밀도(shape accuracy)의 저하를 피할 수 없다. 또한, 침탄 후 ?칭한 채의 상태에서는, 강의 인성(toughness)이 현저하게 저하되어 있다. 그 때문에, ?칭 후, 인성 회복을 위한 템퍼링(tempering) 및 부품 형상의 교정(correction)이 필수가 된다. 그 때문에, 침탄 처리를 채용하는 경우, 부품의 제조에 필요한 공정이 늘어나, 제조 비용이 높아진다는 난점이 있다.

이에 대하여, 질화 처리는, 통상, 강을 A₁ 변태점보다 낮은 500∼600℃ 정도의 온도로 가열하여, 강의 표층부에 질소를 확산 및 침투(질화)시키는 처리이며, 침탄 처리와 같이 ?칭하는 일 없이, 강의 표면 경화를 도모하는 것이다. 즉, 질화 처리는 처리 온도가 비교적 저온이며, 냉각시에 강의 상 변태(phase transformation)를 수반하지 않기 때문에, 변태 왜곡(transformation strain)에 의한 부품 형상의 정밀도의 저하가 발생하지 않는다는 이점이 있다. 또한, 질화에 의한 강재 표층부의 체적 변화(volume variation)도 작아, 부품의 형상 정밀도를 양호하게 유지하는 것이 용이하다는 이점도 있다.

암모니아 가스(a㎜onia gas)에 의한 질화의 경우, 종래, 질화에 필요로 하는 시간이 현저하게 길기 때문에, 대량 생산을 전제로 하는 자동차 부품(automotive parts) 등에는 적합하지 않았다. 그러나, 최근에는, 침탄성 분위기를 이용함으로써, 질화 반응(nitriding reaction)을 신속히 진행시키는 연질화(nitrocarburizing)라고 불리는 질화 처리가 보급되어, 종래의 질화 처리에서 과제가 되고 있던 처리 시간이 매우 길다는 문제도 해결되고 있다.

이 연질화 처리에서는, 피처리물은 550∼600℃의 처리 분위기 중에 수시간 보존유지되고, 철탄화물(iron carbide)의 생성 반응(generating reaction)을 매개로 하여, 강재 표면으로부터 강 중을 향하여 질소가 확산 도입된다. 그리고, 연질화 처리에 의하면, 처리 후에 얻어지는 표면 경도는 종래의 질화 처리보다 낮아지기는 하지만, 질화에 필요로 하는 시간은 대폭으로 단축할 수 있다. 이상의 이유에 의해, 최근에는, 침탄 처리를 대신하는 표면 경화 처리로서, 연질화 처리가 채용되는 사례가 많아지고 있다.

한편, 자동차의 변속기 등에 이용되는 기계 부품은, 종래, 주조(casting)나 단조(forging)에 의해 얻어진 중간품(intermediate product)에 기계 가공(machining)을 행하여 제조되는 것이 일반적이었다. 그러나, 최근, 기계 부품의 소재로서 박강판이 적극적으로 이용되게 되어, 박강판에 프레스 가공(press working) 등을 행하여 소망하는 형상으로 성형하여 제조되도록 되어 있다. 종래, 주조나 단조로 얻어진 중간품을 기계 가공하여 제조하고 있던 부품을, 강판의 판금 가공품(sheet-metal working products)으로 대체함으로써, 제조 공정의 단축과 제조 비용의 저감을 도모할 수 있기 때문이다. 이러한 배경으로부터, 상기한 기계 부품의 소재 강재로서, 성형성이 우수한 질화 처리용 강판의 필요성이 높아지고 있다.

성형성이 우수한 질화 처리용 강판에 관하여, 종래, 여러 가지 기술이 제안되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 중량비로 C: 0.01∼0.08％ 미만, Si: 0.005∼1.00％, Mn: 0.010∼3.00％, P: 0.001∼0.150％, N: 0.0002∼0.0100％, Cr: 0.15 초과∼5.00％, Al: 0.060 초과∼2.00％를 함유하고, 추가로, Ti, V의 1종 또는 2종을 함유하는 조성의 강을, 열간 압연 후 500℃ 이상에서 권취하거나, 그 후 50％ 이상의 압하율로 냉간 압연을 행하고, 재결정 어닐링(recrystallization annealing)을 행함으로써, 질화용 강판을 제조하는 기술이 제안되고 있다. 이들 기술에 의하면, 성형성(formability)에 악영향을 미치는 C 함유량을 0.08％ 미만으로 억제함과 함께, Al, Cr, Ti 및/또는 V의 질화 촉진 원소(nitriding accelerating elements)를 동시에 함유한 저탄소 강판으로 함으로써, 성형성 및 질화성이 우수한 질화용 강판이 얻어진다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 연질화용 강판에 관하여, 강판 조성을 C: 0.01∼0.10mass％, Si: 0.1mass％ 이하, Mn: O.1∼l.0mass％, P: 0.05mass％ 이하, S: 0.01mass％ 이하, Al: 0.01∼0.06mass％, Cr: 0.05∼0.50mass％, V: 0.01∼0.30mass％, N: 0.01mass％ 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성으로 하는 기술이 제안되고 있다. 특허문헌 3에서 제안된 기술에 의하면, 합금 원소를 저감함으로써 저비용이고 또한 성형성이 우수하고, 게다가 질화 촉진 원소인 Cr과 V를 동시 첨가함으로써 연질화 처리에 의한 표면 경화 특성(surface hardening property)도 우수한 강판으로도 우수한 연질화용 강판이 얻어진다고 되어 있다.

일본공개특허공보 평9-25513호 일본공개특허공보 평9-25543호 일본공개특허공보 2005-171331호

자동차의 변속기 등에 이용되는 기계 부품을, 소재인 박강판에 성형 가공(forming)을 행하여 제조하는 경우에는, 성형 가공에 앞서 박강판 소재를 소정의 치수로 블랭킹(blanking)하고, 또한, 성형 가공 후에도 여러 가지의 형상의 구멍을 피어싱(piercing)하는 경우가 많다. 따라서, 이들 부품의 소재 강판에는, 성형성(formability)이 우수하고, 또한 펀칭성(punchability)도 우수한 것이 요구된다. 강판의 펀칭성이 열화되면, 펀칭 가공시, 펀칭 단면(punched surface)에 발생하는 새그(sags)나 버(burrs) 등이 현저해져, 기계 부품의 치수 정밀도가 손상된다. 펀칭 단면에 미소 크랙(microcrack)이 발생하기 쉬워져, 기계 부품의 강도 특성(strength property)에도 악영향을 미치는 경우가 있다.

그러나, 상기 종래 기술에서는 모두, 강판의 펀칭성에 대해서 전혀 검토되어 있지 않다. 또한, 각각 이하에 나타내는 문제도 남아 있다.

특허문헌 1 및 2에서 제안된 기술에서는, 질화 촉진 원소로서 다량의 Al을 함유한다. 그 때문에, Al계 개재물(Al-containing inclusion)에 기인하는 내부 결함(inner defect) 및 표면 결함(surface defect)의 발생이 염려되기 때문에, Al계 슬래그(Al-containing slag)가 다량으로 발생하여 정련시의 용제 비용이 높아진다.

특허문헌 3에서 제안된 기술에서는, 질화 촉진을 위한 합금 원소를 저감해도 연질화용 강판에 충분한 경화 특성(hardening property)을 부여할 수 있다고 되어 있지만, 얻어지는 강판의 강도가 부족하고, 고부하 부품(heavily-loaded parts)으로의 적용은 곤란하다.

본 발명은, 상기 한 종래 기술의 여러 문제를 해결하고, 자동차의 변속기 등의 부품용 소재로서 널리 이용할 수 있는, 질화 처리 전의 성형성이 우수함과 함께 펀칭성도 우수한 질화 처리용 강판 및 그의 제조 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기한 과제를 해결하기 위해, 강판의 질화 처리에 의한 표면 경화 특성에 더하여, 성형성 및 펀칭성에 미치는 각종 요인에 대해서 예의 연구를 거듭했다. 그 결과, 강판의 화학 조성과 마이크로 조직(microstructure)을 소정의 범위로 조정함으로써, 질화 처리에 의한 양호한 경화 특성을 부여할 수 있는 것에 더하여, 질화 처리 전의 강판에 충분한 성형성과 펀칭성도 부여할 수 있는 것을 발견했다.

본 발명은, 상기한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이며, 본 발명의 요지는 이하와 같다.

[1]　질량％로,

C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하, Si: 0.1％ 이하,

Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하, P: 0.05％ 이하,

S: 0.02％ 이하, Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하,

Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하, N: 0.01％ 이하

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 페라이트(ferrite)를 주상(main phase)으로 하고, 펄라이트(pearlite) 및/또는 베이나이트(bainite)를 제2상으로 하며, 상기 페라이트가 조직 전체에서 차지하는 면적 분율이 70％ 이상, 상기 페라이트의 평균 결정 입경(average grain diameter)이 5㎛ 이상 25㎛ 이하, 상기 제2상 중에 존재하는 시멘타이트(cementite)의 강판 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경(average length of major axis)이 3.0㎛ 이하인 조직을 갖는 질화 처리용 강판.

[2]　상기 [1]에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하, Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하, Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 질화 처리용 강판.

[3]　질량％로,

C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하, Si: 0.1％ 이하,

Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하, P: 0.05％ 이하,

S: 0.02％ 이하, Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하,

Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하, N: 0.01％ 이하

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강 소재를, 1050℃ 이상 1250℃ 이하로 가열하고, Ar₃ 변태점 이상 (Ar₃ 변태점＋100℃) 이하의 마무리 온도로 열간 압연을 행하고, 상기 마무리 온도에서 750℃까지의 온도 범위를 40℃/s 이상 80℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각하고, 이어서 750℃에서 500℃ 이상 650℃ 이하의 냉각 정지 온도까지의 온도 범위를 15℃/s 이상 35℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각하고, 500℃ 이상 650℃ 이하의 권취 온도에서 권취하는 질화 처리용 강판의 제조 방법.

[4]　상기 [3]에 있어서, 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하, Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하, Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 질화 처리용 강판의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 성형성과 펀칭성이 우수하고, 또한 질화 처리에 의한 양호한 경화 특성을 구비한 강판이 얻어진다. 본 발명의 강판은, 자동차의 변속기 부품 등과 같이 질화 처리를 행하는 성형 부품의 소재로서 실로 적합하고, 산업상 각별한 효과를 나타낸다. 또한, 본 발명의 강판은, 가스 연질화 처리(gas nitrocarburizing treatment)나 염욕 연질화 처리(salt bath nitrocarburizing treatment)용으로 한정되는 것이 아니라, 플라즈마 질화(plasma nitriding), 가스 질화(gas nitriding), 침탄 질화(carbonitriding), 침황 질화(nitrosulphurizing) 등의 각종 질화 처리용 강판으로서도 적합하게 이용할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

우선, 본 발명 질화 처리용 강판의 조직에 대해서 설명한다.

본 발명 강판은, 주상인 페라이트(ferrite)(「폴리고날 페라이트(polygonal ferrite)」라고도 칭하는 경우가 있음)와, 제2상으로 이루어지는 조직을 갖는다. 상기 제2상은, 펄라이트 및/또는 베이나이트이다. 또한, 상기 페라이트가 조직 전체에서 차지하는 분율이 70％ 이상, 상기 페라이트의 평균 결정 입경이 5㎛ 이상 25㎛ 이하, 상기 제2상 중에 존재하는 시멘타이트의 강판 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경이 3.0㎛ 이하이다.

주상: 페라이트

본 발명 강판은, 연질인 페라이트를 주상으로 함으로써, 강판의 성형성을 확보한다. 페라이트 이외를 주상으로 하는 경우에는, 강판에 양호한 성형성을 부여할 수 없다. 단, 페라이트 단상(single-phase) 조직의 강판에서는, 자동차의 변속기 부품 등에 광범위하게 적용할 수 있는 소재 강판으로서 충분한 강도를 확보할 수 없다. 따라서, 본 발명 강판은, 주상인 페라이트와, 이하의 제2상으로 이루어지는 조직으로 한다.

제2상: 펄라이트 및/또는 베이나이트

페라이트 이외의 잔부가 되는 제2상은, 펄라이트 및 베이나이트 중에서 선택되는 1종 또는 2종으로 한다. 강판 조직 중의 제2상은, 연질인 페라이트를 주상으로 하는 강판의 강도를 보강하는 역할을 담당한다. 여기에서, 제2상을 마르텐사이트로 하여 조직 강화에 이용하는 경우에는, 질화 처리시의 승온에 의해 마르텐사이트가 연화되어, 강판의 강도 변동이 커진다. 따라서, 500∼600℃ 정도로 보존유지되는 질화 처리를 거쳐도 안정된 강판 강도를 유지하려면, 강판 조직 중의 제2상을 펄라이트 및/또는 베이나이트로 할 필요가 있다.

페라이트가 조직 전체에서 차지하는 면적 분율: 70％ 이상

강판에 양호한 성형성을 부여하려면, 주상인 페라이트의 면적 분율을 70％ 이상으로 할 필요가 있다. 페라이트의 면적 분율이 70％ 미만인 경우에는, 강판의 성형성이 불충분한 수준이 되기 쉽다. 또한, 강판의 펀칭시에 펀칭 단면의 전단면(sheared surface) 비율이 저하되는 등, 강판의 펀칭성도 저하된다. 한편, 페라이트의 면적 분율이 지나치게 높은 경우에는, 강판의 강도가 필요한 수준에 도달하지 않는 경우가 있기 때문에, 페라이트의 면적 분율은 97％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 95％ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.

페라이트의 평균 결정 입경: 5㎛ 이상 25㎛ 이하

페라이트의 평균 결정 입경이 25㎛를 초과하는 경우에는, 성형 가공시에 강판의 표면 성상이 악화되거나, 펀칭 파면의 평활성이 저하되어 강판의 펀칭성 열화에도 연결된다. 또한, 페라이트의 결정 입경이 조대화(coarse)되면, 결정립계가 감소하는 점에서, 질화 처리시의 N의 입계 확산이 억제되어, 질화 처리에 필요로 하는 시간이 길어지는 것도 염려된다. 한편, 페라이트의 평균 결정 입경이 5㎛ 미만이 되는 경우에는, 강판이 경질화되어 성형성이 저하되기 쉽다. 따라서, 페라이트의 평균 결정 입경은 5㎛ 이상 25㎛ 이하로 한다. 바람직하게는 5㎛ 이상 15㎛ 이하이다.

제2상 중에 존재하는 시멘타이트의 강판 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경: 3.0㎛ 이하

제2상 중에 존재하는 시멘타이트의 강판의 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경이 3.0㎛를 초과하면, 강판의 펀칭시, 시멘타이트와 페라이트와의 계면에서의 응력 집중도(stress concentration ratio)가 높아지고, 미세한 크랙의 발생이 용이해져 펀칭 단면에서의 파단면 비율(fracture surface ratio)이 증가하는 등, 강판의 펀칭성이 저하된다. 따라서, 상기 평균 장경은 3.0㎛ 이하로 한다. 단, 상기 시멘타이트가 극단적으로 미소해지면, 강판의 펀칭 단면에서의 미소 균열이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 상기 평균 장경은 1.0㎛ 이상인 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 질화 처리용 강판의 화학 조성의 한정 이유에 대해서 설명한다. 이하, 성분 원소 함유량의 단위인 ％는, 특별히 언급하지 않는 한 질량％를 의미하는 것으로 한다.

C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하

C는, 고용 강화(solid solution strengthening) 및 제2상의 형성을 통하여, 강을 고강도화하는 작용을 갖는 원소이다. C 함유량이 0.02％ 미만에서는, 부품 소재로서 충분한 강판 강도를 확보할 수 없다. 한편, C 함유량이 0.08％를 초과하면, 강판의 강도가 과도하게 높아져, 성형성이 저하된다. 또한, 제2상의 분율이 높아짐과 함께, 소망하는 형태의 시멘타이트도 얻기 어려워진다. 따라서, C의 함유량은 0.02％ 이상 0.08％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.04％ 이상 0.06％ 이하이다.

Si: 0.1％ 이하

Si는, 강의 탈산에 유효한 원소이며, 고용 강화에 의해 강을 강화하는 작용도 갖는다. 이들의 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량을 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Si 함유량이 0.1％를 초과하면, 열간 압연시에 난박리성(hardly eliminable) 스케일이 생성되어, 강판의 표면 성상의 악화가 현저해진다. 따라서, Si 함유량은 0.1％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.05％ 이하이다.

Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하

Mn은, 고용 강화에 의해 강을 강화하는 원소이다. 또한, 강 중에 불순물로서 존재하는 S를 석출물로서 고정하고, S에 기인하는 악영향을 저감하는 작용도 갖는다. Mn 함유량이 0.2％ 미만에서는, 상기 작용이 충분히 얻어지지 않아, 필요한 강판 강도를 확보할 수 없다. 한편, Mn 함유량이 1.8％를 초과하면, 강판의 강도가 과도하게 상승하기 때문에, 마이크로 편석(micro segregation)에 기인하는 밴드 형상의 조직이 형성되기 쉬워져, 강판의 성형성이나 펀칭성의 저하를 초래한다. 따라서, Mn 함유량은 0.2％ 이상 1.8％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.2％ 이상 1.2％ 이하이다.

P: 0.05％ 이하

P는, 강 중에 불순물로서 존재하는 원소이며, 다량으로 함유하면 강판의 성형성이나 인성이 저하된다. 따라서, P함유량은 0.05％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.03％ 이하이다.

S: 0.02％ 이하

S도, 강 중에 불순물로서 존재하는 원소이며, 다량으로 함유하면 강판의 성형성이나 인성이 저하된다. 따라서, S함유량은 0.02％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.01％ 이하이다.

Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하

Al은, 강의 탈산을 위해 첨가되는 원소이다. 강 중의 Al 함유량으로서 0.01％ 미만에서는, 충분한 탈산 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 강 중의 Al 함유량으로서 0.06％를 초과하면, 탈산 효과가 포화되기 때문에, 강 중 개재물의 증가에 의해 내부 결함 및 표면 결함이 증가할 가능성이 높아진다. 따라서, Al 함유량은 0.01％ 이상 0.06％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.02％ 이상 0.05％ 이하이다.

Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하

Cr은, 질화 처리에 의해 강 중에 질화물을 형성하여 강판 표층부의 경도를 높이는 효과가 있어, 본 발명에 있어서 중요한 합금 원소이다. 또한, 강 중의 시멘타이트를 미세화하는 작용도 갖는다. 이러한 효과를 충분히 발현하기 위해서는, Cr 함유량을 0.5％ 이상으로 할 필요가 있다. 단, Cr 함유량이 1.5％를 초과하면, 질화 처리에 의해 최표층 경화부의 현저한 취화를 초래하는 한편, 경화 깊이는 반대로 저하되는 경우가 있다. 따라서, Cr 함유량은 0.5％ 이상 1.5％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.5％ 이상 1.0％ 이하이다.

N: 0.01％ 이하

N은, 강 중에 불순물로서 존재하는 원소이다. 다량의 N은, 강판의 성형성을 저하시키기 때문에, 질화 처리 전에 Cr 등의 질화 촉진 원소와 화합하여, 질화에 의한 경화 특성을 낮출 가능성이 있다. 따라서, N 함유량은 0.01％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.005％ 이하이다.

본 발명 강판은, 상기의 성분 조성에 더하여, 추가로, V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하, Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하, Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 좋다.

V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하

V는, 질화 처리에 의해 강 중에 질화물을 형성하여 강판 표층부의 경도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 또한, V는, 탄질화물 형성 원소(carbide/ nitride forming elements)인 점에서, 입자 분산 강화(particle dispersion strengthening)(석출 강화(precipitation strengthening))에 의해, 강을 고강도화하는 작용도 갖는다. 그 때문에, 본 발명 강판에서는, 질화 처리에 의한 경화 특성을 제어하거나, 강판의 강도 수준을 조정할 목적으로, V를 함유시킬 수 있다. 상기 효과를 충분히 발현하기 위해서는, V 함유량을 0.005％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, V 함유량이 과잉해지면, 강판의 과잉한 고강도화에 의한 성형성의 저하나, 질화 처리에 의한 경화부의 취화(embrittlement)를 초래하는 것 외에, 경제적으로도 불리해진다. 따라서, V 함유량은 0.005％ 이상 0.075％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.025％ 이상 0.075％ 이하이다.

Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하

Nb는, 탄질화물 형성 원소이며, 입자 분산 강화(석출 강화)에 의해 강을 고강도화하는 작용을 갖는다. Nb 함유량이 0.005％ 미만에서는, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, Nb 함유량이 0.025％를 초과하면, 강판의 강도가 과도하게 높아져, 성형성이 저하될 우려가 있다. 따라서, Nb 함유량은 0.005％ 이상 0.025％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005％ 이상 0.015％ 이하이다.

Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하

Ti도, 탄질화물 형성 원소이며, 입자 분산 강화(석출 강화)에 의해 강을 고강도화하는 작용을 갖는다. Ti 함유량이 0.005％ 미만에서는, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다. 한편, Ti 함유량이 0.025％를 초과하면, 강판의 강도가 과도하게 높아져, 성형성이 저하될 우려가 있다. 따라서, Ti 함유량은 0.005％ 이상 0.025％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005％ 이상 0.015％ 이하이다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 또한, 불가피적 불순물로서는, Cu: 0.03％ 이하, Ni: 0.03％ 이하, Mo: 0.03％ 이하, Sn: 0.003％ 이하, Sb: 0.003％ 이하, O: 0.005％ 이하 등을 허용할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 질화 처리용 강판의 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명에 따른 강판은, 상기 화학 조성을 갖는 강 소재를, 가열하여 열간 압연한 후, 냉각하여 권취함으로써 얻어진다.

본 발명에 이용하는 강의 용제는, 전로법(converter process)이나 전로법(electric furnace process) 등, 공지의 용제 방법 중 어느 것에 의해서도 가능하다. 용제한 강은, 연속 주조 또는 조괴·분괴 압연(ingot casting and bloom rolling) 등에 의해 강 소재(슬래브(slab))로 한다. 또한 필요에 따라서, 각종 예비 처리(preliminary treatments)나 2차 정련(secondary smelting), 강 소재의 표면 처리 등을 실시할 수 있다.

강 소재의 가열 온도: 1050℃ 이상 1250℃ 이하

강 소재의 가열 온도가 1050℃ 미만에서는, 열간 압연시에 소망하는 마무리 온도를 확보하는 것이 곤란해진다. 한편, 강 소재의 가열 온도가 1250℃를 초과하면, 가열에 필요로 하는 에너지가 증대되기 때문에, 강판의 표면 성상의 불량이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 열간 압연 전의 강 소재의 가열 온도는 1050℃ 이상 1250℃ 이하로 한다. 바람직하게는 1100℃ 이상 1200℃ 이하이다.

또한, 강 소재의 가열에 있어서는, 상온까지 냉각한 강 소재를 재가열해도 좋고, 주조 후에 냉각 도중의 강 소재를 추가 가열(additional heating) 혹은 보 열해도 좋다.

본 발명에서는, 강 소재를 상기 온도 범위로 가열한 후, 조압연(rough rolling) 및 마무리 압연(열간 압연)을 행하지만, 조압연 조건에 대해서는 통상법에 따르면 좋고, 특별히 한정할 필요는 없다.

마무리 온도: Ar₃ 변태점 이상 (Ar₃ 변태점＋100℃) 이하

열간 압연 공정에서의 마무리 온도가 Ar₃ 변태점를 밑돌면, 압연 방향으로 전신한 미재결정 페라이트 조직(un-recrystallized ferrite microstructure)이나 팬케이크 형상(pancake-shaped)의 조대 페라이트 조직이 형성되어, 소망하는 입경의 페라이트가 얻어지지 않기 때문에, 강판의 성형성이나 펀칭성이 저하된다. 또한, 강판의 기계적 특성의 면 내 이방성(in-plane anisotropy)도 강해진다. 한편, 마무리 온도가 (Ar₃ 변태점＋100℃)를 초과하면, 강판의 표면 성상의 악화를 초래하기 쉽기 때문에, 페라이트 조직이 조대화되기 쉬워져, 소망하는 입경의 페라이트를 얻기 어려워진다. 따라서, 마무리 온도는 Ar₃ 변태점 이상 (Ar₃ 변태점＋100℃) 이하로 한다. 바람직하게는 (Ar₃ 변태점＋20℃) 이상 (Ar₃ 변태점＋100℃) 이하이다. 또한, 필요한 마무리 온도를 확보하기 위해, 시트 바 히터(sheet bar heater) 혹은 에지 히터(edge heater) 등의 가열 장치를 이용하여, 압연 중의 강판을 추가 가열해도 좋다.

마무리 온도에서 750℃까지의 냉각 속도: 40℃/s 이상 80℃/s 이하

열간 압연 후의 강판은, 마무리 온도에서 750℃까지의 온도 범위를 40℃/s 이상 80℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각(강제 냉각(forced cooling))한다. 바람직하게는 45℃/s 이상 75℃/s 이하이다. 이 온도 범위에서의 냉각 속도가 40℃/s 미만인 경우, 열연 강판의 조직이 조대화되기 쉬워, 소망하는 형상의 페라이트나 시멘타이트가 얻어지지 않는다. 한편, 이 온도 범위에서의 냉각 속도가 80℃/s를 초과하는 경우, 열연 강판에 마르텐사이트 혹은 과도하게 많은 베이나이트나 펄라이트가 생성되기 쉬워져, 소망하는 분율의 페라이트나 소망하는 제2상을 얻기 어려워진다.

750℃에서 냉각 정지 온도까지의 냉각 속도: 15℃/s 이상 35℃/s 이하

냉각 정지 온도: 500℃ 이상 650℃ 이하

750℃에서 냉각 정지 온도까지의 온도 범위는, 15℃/s 이상 35℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각(강제 냉각)한다. 바람직하게는 15℃/s 이상 25℃/s 이하이다. 이 온도 범위에서의 냉각 속도가 15℃/s 미만인 경우, 열연 강판의 조직이 조대화되기 쉬워, 소망하는 형상의 페라이트나 시멘타이트가 얻기 어려워진다. 한편, 이 온도 범위에서의 냉각 속도가 35℃/s를 초과하는 경우, 페라이트 변태(ferrite transformation)의 진행이 억제되어, 소망하는 분율의 페라이트가 얻어지지 않는다.

냉각 정지 온도가 500℃ 미만인 경우에는, 마르텐사이트나 과도하게 많은 베이나이트가 생성됨으로써 강판이 경질화되어, 강판의 성형성이 저하되거나, 질화 처리 후의 강판 강도가 불안정해진다. 한편, 냉각 정지 온도가 650℃를 초과하는 경우에는, 펄라이트가 조대화되어, 소망하는 형상의 시멘타이트가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 냉각 정지 온도는 500℃ 이상 650℃ 이하로 한다. 바람직하게는 500℃ 이상 600℃ 이하이다.

또한, 냉각 정지 온도에 도달할 때까지 냉각된 강판은, 즉시 권취해도 좋고, 권취기(코일러(coiler))로 권취할 때까지 단시간 방랭(allowed to cool)해도 좋다. 여기에서의 방랭이란, 주수(pouring water)에 의한 강제 냉각을 행하지 않는 대기 중에서의 공랭을 말한다. 단, 강판 상에 잔존하는 냉각수의 물기 제거를 위해, 방랭 중의 강판에 고압수(high-pressure water) 혹은 압축 공기(compressed air)를 극히 단시간 분사하는 것은, 이들에 의한 강판의 온도 저하가 미소하기 때문에 허용할 수 있다.

권취 온도: 500℃ 이상 650℃ 이하

권취 온도가 500℃ 미만인 경우에는, 마르텐사이트나 과도하게 많은 베이나이트가 생성됨으로써 강판이 경질화되어, 강판의 성형성이 저하되거나, 질화 처리 후의 강판 강도가 불안정해진다. 한편, 권취 온도가 650℃를 초과하는 경우에는, 펄라이트가 조대화되어, 소망하는 형상의 시멘타이트가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 권취 온도는 500℃ 이상 650℃ 이하로 한다. 바람직하게는 500℃ 이상 600℃ 이하이다.

권취 후의 강판은, 산세(pickling) 혹은 쇼트 피닝(shot peenig)에 의해 산화 스케일을 제거하여 사용된다. 또한, 형상 교정(shape straitening)이나 표면조도(surface roughness)의 조정을 위한 조질 압연(temper rolling)을 행해도 좋다. 이러한 산화 스케일 제거(descaling)나 조질 압연을 행함으로써, 본 발명의 효과가 손상되는 일은 없다.

실시예

표 1에 나타내는 성분 원소를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강 A∼L을 용제하여 얻은 강 소재에, 표 2에 나타내는 조건으로 열간 압연을 행하여, 판두께 2.3㎜의 열연 강판으로 했다. 이어서, 얻어진 열연 강판을 산세하여 디스케일링(descaling)한 후, 신장율(elongation) 0.5％의 조질 압연을 행했다. 조질 압연 후의 각 열연 강판으로부터 시료를 채취하고, 마이크로 조직 관찰(microstructure observation), 인장 시험 및, 펀칭 시험을 행했다. 또한, 조질 압연 후의 열연 강판에 질화 처리를 행하고, 질화 처리 후의 열연 강판에 대해서 경도 시험을 행했다.

(1) 마이크로 조직 관찰

강판의 마이크로 조직은, 질화 처리 전의 강판으로부터, 판폭 1/4 위치의 압연 방향으로 평행한 판두께 단면의 시료를 채취하고, 경면 연마(mirror polishing)하여 나이탈(nital)로 부식한 후, 광학 현미경(optical microscope) 혹은 주사형 전자 현미경(scanning electron microscope)에 의해, 판두께 1/4 위치를 500∼5000배의 적당한 배율로 촬영한 화상을 이용하여 확인했다.

마이크로 조직에 있어서의 페라이트의 분율은, 상기 화상을 이용하여, 페라이트가 차지하는 면적율을 화상 해석(image analysis)에 의해 구하여, 이것을 페라이트의 분율로 했다.

페라이트의 평균 결정 입경은, 상기 화상을 이용하여, 일본공업규격 JIS G 0551-2005에 규정된 방법에 준거하여 결정 입경(grain diameter)을 구하여, 입도 번호(grain size number)로부터 산출했다.

제2상(펄라이트 및/또는 베이나이트) 중에 존재하는 시멘타이트의 평균 장경은, 상기 화상을 이용하여, 관찰 범위 내의 개개의 시멘타이트의 장경을 구하여, 상가 평균(arithmetic average)하여 산출했다. 이들 결과를 표 2에 아울러 나타낸다.

(2) 인장 시험(성형성의 평가)

강판의 성형성에 대해서, 인장 시험에 의한 연성에 의해 평가했다. 인장 시험은, 질화 처리 전의 강판으로부터, 강판의 판폭 1/4 위치에서 시험 방향이 압연 방향이 되도록 채취한 JIS Z 2241-2011에 규정된 5호 시험편을 이용하여, JIS Z 2241-2011의 규정에 준거하여 행하고, 인장 강도(TS)와 파단 신장(elongation after fracture)(EL)을 측정하여, 강도 신장 밸런스(strength-elongation balance)(TS×EL)를 산출했다. 여기에서, 강도 신장 밸런스의 값이 16GPa·％ 이상인 강판을 양호한 성형성을 갖는 것으로 판정했다.

(3) 펀칭 시험(펀칭성의 평가)

질화 처리 전의 강판으로부터 직경 50㎜의 원판 형상의 시험편을 펀칭하여(클리어런스(clearance): 강판의 판두께의 5％), 시험편의 펀칭 단면에 있어서의 전단면 비율(sheared surface ratio)을 측정함과 함께, 파단면 영역에서의 미소 균열의 유무를 확인했다. 전단면 비율이 60％ 이상이고, 파단면 영역에 균열이 인정되지 않는 경우를, 펀칭성이 양호한 강판이라고 판정했다.

(4) 경도 시험(질화 처리에 의한 표면 경화 특성 평가)

조질 압연 후의 열연 강판에 가스 연질화 처리를 행하고, 가스 연질화 처리 후의 강판의 단면 경도(질화층 단면 경도)를 측정했다. 질화 가스에는 암모니아(NH₃)와 흡열형 변성 가스(endothermic converted gas)를 등량비(equal volume ratio)로 혼합한 가스를 이용했다. 가스 연질화 처리의 온도는 570℃, 가스 연질화 처리의 온도에 있어서의 보존유지 시간은 150분으로 하고, 보존유지 후 유냉(oil cooling)했다. 강판의 단면 경도는, 가스 연질화 처리 후의 강판의 압연 방향으로 평행한 판두께 단면의 시료를 채취하고, JIS Z 2244-2009의 규정에 준거하여, 강판의 표면으로부터 깊이 0.2㎜ 위치에서의 비커스 경도(Vickers hardness)(HV0.1)를 측정했다. 여기에서 측정한 비커스 경도의 값이 250 이상인 경우를, 강판의 질화 처리에 의한 표면 경화 특성이 양호하다고 판정했다.

이들 결과를 표 3에 나타낸다.

본 발명에 적합한 각 강판(발명예)은, 양호한 성형성을 갖고, 또한, 강판의 펀칭성도 우수하며, 질화 처리에 의한 표면 경화 특성(surface hardening property)도 우수한 강판이 되어 있다. 한편, 강의 화학 조성이나 마이크로 조직이 본 발명의 범위를 벗어나는 그 외의 각 강판(비교예)에서는, 성형성, 펀칭성 및, 질화 처리에 의한 표면 경화 특성 중 어느 특성, 혹은 모든 특성이, 불충분한 수준으로 되어 있다.

본 출원은, 2013년 4월 2일에 일본에 출원된 일본특허출원 2013-076824호에 기초하여 우선권을 주장하는 것이며, 그 내용 전부를 여기에 취입한다.

Claims

질량％로,
C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하, Si: 0.1％ 이하,
Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하, P: 0.05％ 이하,
S: 0.02％ 이하, Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하,
Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하, N: 0.01％ 이하
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성과, 페라이트를 주상(main phase)으로 하고, 펄라이트 및/또는 베이나이트를 제2상으로 하며, 상기 페라이트가 조직 전체에서 차지하는 분율이 70％ 이상, 상기 페라이트의 평균 결정 입경(average grain diameter)이 5㎛ 이상 25㎛ 이하, 상기 제2상 중에 존재하는 시멘타이트의 강판 압연 방향 단면에 있어서의 평균 장경(average length of major axis)이 3.0㎛ 이하인 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 처리용 강판.
제1항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하, Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하, Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리용 강판.
질량％로,
C: 0.02％ 이상 0.08％ 이하, Si: 0.1％ 이하,
Mn: 0.2％ 이상 1.8％ 이하, P: 0.05％ 이하,
S: 0.02％ 이하, Al: 0.01％ 이상 0.06％ 이하,
Cr: 0.5％ 이상 1.5％ 이하, N: 0.01％ 이하
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강 소재를, 1050℃ 이상 1250℃ 이하로 가열하고, Ar₃ 변태점 이상 (Ar₃ 변태점＋100℃) 이하의 마무리 온도로 열간 압연을 행하고, 상기 마무리 온도에서 750℃까지의 온도 범위를 40℃/s 이상 80℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각하고, 이어서 750℃에서 500℃ 이상 650℃ 이하의 냉각 정지 온도까지의 온도 범위를 15℃/s 이상 35℃/s 이하의 냉각 속도로 냉각하고, 500℃ 이상 650℃ 이하의 권취 온도에서 권취하는 것을 특징으로 하는 질화 처리용 강판의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, V: 0.005％ 이상 0.075％ 이하, Nb: 0.005％ 이상 0.025％ 이하, Ti: 0.005％ 이상 0.025％ 이하 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 질화 처리용 강판의 제조 방법.