KR20160104026A

KR20160104026A - 피로 특성이 우수한 스프링용 강선재 및 스프링

Info

Publication number: KR20160104026A
Application number: KR1020167020516A
Authority: KR
Inventors: 도모코 스기무라; 마사키 시마모토; 요스케 신도; 마사키 가이즈카; 아키히로 오와키; 세이 기무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-01-29
Filing date: 2015-01-29
Publication date: 2016-09-02
Also published as: MX2016009761A; CN105940132B; EP3101148A1; WO2015115574A1; JP2018193615A; JP2015163735A; CN105940132A; US20180320255A1; US20160348221A1; EP3101148A4; KR101815410B1

Abstract

C, Si, Mn, Cr, Al, Ca 및 Ti를 각각 특정량 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물이 CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO, MnO 및 TiO₂를 각각 특정량 포함함과 함께, CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시키고, 또한 상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 스프링용 강선재.

Description

피로 특성이 우수한 스프링용 강선재 및 스프링 {STEEL WIRE FOR SPRINGS HAVING EXCELLENT FATIGUE PROPERTIES, AND SPRING}

본 발명은, 피로 특성이 우수한 스프링용 강선재 및 스프링에 관한 것이다.

자동차 등의 경량화나 고출력화의 요망이 높아짐에 따라, 밸브 스프링이나 현가 스프링 등의 스프링에는, 피로 특성의 향상이 요구되고 있다. 그 소재가 되는 압연재나, 당해 압연재를 신선 가공한 신선재 등의 스프링용 강선재에 있어서도, 피로 특성의 가일층의 향상이 요구되고 있다. 특히, 밸브 스프링용 강선재에서는 피로 특성 향상의 요청은 매우 강하다.

높은 피로 강도가 요구되는 스프링용 강선재에서는, 단선이나 피로 절손의 기점이 되는 비금속 개재물을 최대한 저감시키거나, 그 사이즈를 소형화할 필요가 있다. 예를 들어, 밸브 스프링 강에 있어서는, 피로 특성에 유해한 Al₂O₃을 생성시키지 않도록, Si를 사용하여 탈산하는 소위 Si 킬드강을 사용하여, 개재물을 SiO₂-Al₂O₃-CaO-MgO-MnO 등을 포함하는 계로 제어하고, 미세화하는 기술이 제안되어 있다. 그 밖에, 비금속 개재물의 조성을 저융점 영역으로 제어하여 미세화하는 방법, 열간 압연 시에 개재물을 연신하여 분단시키는 방법 등이 제안되어 있다.

예를 들어, 비특허문헌 1에는, 밸브 스프링용 강에서는, 개재물의 조성을 CaO-Al₂O₃-SiO₂계나 MnO-Al₂O₃-SiO₂계의 비정질 안정 조성으로 제어함으로써 열간 가공 시의 변형이 촉진되고, 피로 파괴의 기점으로 되지 않아 피로 특성이 향상되는 것이 기재되어 있다.

본 발명자들도, 피로 특성 등이 우수한 스프링용 강선재를 다양하게 제안하고 있다. 예를 들어 특허문헌 1에는, 개재물 전체가 저융점에서 변형되기 쉽게 함과 함께, 열연 전이나 열연 중의 가열 시에 상 분리되어도 경질인 SiO₂가 생성되기 어려운 기술을 제안하고 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 개재물 중에 미세한 결정을 다수 생성시킴으로써, 열연 시의 개재물의 분단이 촉진되어, 미세화를 촉진시키는 기술을 제안하고 있다. 또한, 특허문헌 3에는, 생성되는 복합 산화물계 개재물의 융점과 점성을 저하시켜, 최종적으로 미세화하기 위해, LiO₂, Na₂O, K₂O 중 1종 이상을 적극적으로 함유시키는 기술을 제안하고 있다.

그 밖에, 특허문헌 4에는, 종래에 없는 산화물 성분으로서 ZrO₂를 첨가하면, 비정질 상의 유지에 기여하는 것이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 5에는, B₂O₃을 복합계 산화물(예를 들어, CaO-Al₂O₃-SiO₂계 복합 산화물이나 CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO계 복합 산화물 등)에 함유시킴으로써, 산화물계 개재물은 미세하게 분단되어, 신선 가공성이나 피로 강도를 현저하게 향상시킬 수 있는 것이 기재되어 있다.

일본 특허 제4134204호 공보 일본 특허 제4347786호 공보 일본 특허 제4423050호 공보 일본 특허 공개 제2010-202905호 공보 일본 특허 공개 제2009-263704호 공보

미무라 츠요시, 182·183회 니시야마 기념 기술 강좌 「개재물 제어와 고청정도 고 제조 기술」, 사단법인 일본 철강 협회 편, 2004년, p.125

그러나, 예를 들어 상기 특허문헌 3에서는, 탈산력이 강한 Li를 산화물계 개재물 생성 기원으로서 적극 첨가시키고 있지만, Li는 증발하기 쉽기 때문에, Li₂O 농도의 제어가 어렵다고 하는 문제가 있다. 또한, 상기 특허문헌 3에는, 「개재물 중의 Li₂O 농도는 종래의 EPMA(Electron Probe X-ray Micro Analyzer)로는 측정할 수 없으므로, SIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry)에 의한 분석법을 독자적으로 개발하였다」라고 기재되어 있는 바와 같이, 제조상의 어려움이 있다. 또한, 상기 특허문헌 4에 기재된 ZrO₂, 상기 특허문헌 5에 기재된 B₂O₃은, 본 발명자들의 실험 결과에 의하면, 반대로 피로 특성을 악화시킬 우려가 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은, 피로 특성이 매우 우수한 스프링용 강선재 및 스프링을 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있는 본 발명에 관한 피로 특성이 우수한 스프링용 강선재는,

C: 0.2∼1.2％(％는 질량％의 의미, 이하, 특별히 언급하지 않는 한, 동일함),

Si: 1.0∼3％,

Mn: 0.1∼2％,

Cr: 3％ 이하(0％를 포함하지 않음),

Al: 0.0002∼0.005％,

Ca: 0.0002∼0.002％,

Ti: 0.0003∼0.010％

를 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고,

강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로,

CaO: 35％ 이하(0％를 포함함), Al₂O₃: 40％ 이하(0％를 포함함), SiO₂: 30∼95％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시킴과 함께 상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 것에 요지를 갖는다.

특히, 산화물계 개재물의 평균 조성이, CaO: 10∼35％, Al₂O₃: 10∼40％, SiO₂: 30∼70％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시킴과 함께, 상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 것이 바람직하다.

상기 스프링용 강선재는, 또한, 상기 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로, ZrO₂: 1％ 미만(0％를 포함하지 않음), Na₂O: 5％ 미만(0％를 포함하지 않음)이어도 된다.

상기 스프링용 강선재는, Ni: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cu: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유해도 된다.

상기 스프링용 강선재는, V: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유해도 된다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 피로 특성이 우수한 스프링은, 상기 스프링용 강선재를 사용하여 얻어지는 스프링인 것에 요지를 갖는다.

본 발명에 따르면, 스프링용 강선재의 화학 성분, 및 산화물계 개재물의 조성 및 개수가 적절하게 제어되어 있으므로, 피로 특성이 매우 우수한 스프링용 강선재를 얻을 수 있다.

본 발명자들은, 상기 특허문헌 1∼3 등을 개시한 후에도, 피로 특성이 매우 우수한 스프링용 강선재를 제공하기 위해, 검토를 거듭해 왔다. 종래부터, 피로 특성의 향상에는, 열간 압연 시에 산화물계 개재물을 연신 분단시켜 미세화시키는 것이 유효하고, Si 탈산에 의해 얻어지는 산화물계 개재물의 조성을, 비교적 비정질이 안정된 SiO₂를 포함하는 조성, 예를 들어 SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-MnO 등으로 제어하는 방법이 제안되어 있다. 그 경우에 있어서, 당해 개재물이 결정화된 경우에도 미세화를 실현하는 수단으로서, 결정화 상태를 제어하는(완전하게는 결정화시키지 않고, 미세 결정상을 석출시키는) 방법으로서, 특허문헌 2의 기술을 제안하고 있다.

그런데, 본 발명자들의 그 후의 연구에 의해, 통상 거의 파괴의 기점이 되지 않는 미소한 사이즈라도, 결정화 형태에 따라서는, 모상인 강과 산화물계 개재물의 계면에 공극이 발생하여, 더욱 엄격한 시험 조건 하에서는, 파괴의 기점이 될 수 있는 것을 발견하였다. 게다가, 상기 특허문헌에 보고되어 있는 바와 같은 SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-MnO를 베이스로 한 산화물계 개재물에 TiO₂를 함유시킴으로써, 산화물계 개재물의 비정질을 더욱 안정적으로 유지할 수 있어, 높은 피로 특성이 얻어지는 것을 발견하였다. 이에 의해, 높은 피로 특성을, 산화물계 개재물의 분석이나 제어가 한층 용이한 성분으로 실현할 수 있었다. 또한, 여기서 SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-MnO를 기초로 TiO₂를 함유시킨 산화물계 개재물은, 평균 조성이 질량％로, CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시키는 것이다. 이들을 합계로 80％ 이상 함유함으로써, 상기 특허문헌에서 보고되어 있는 바와 같은 SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-MnO를 베이스로 한 산화물계 개재물에 의한 효과 외에, TiO₂에 의한 효과가 발휘되는 것이다.

그리고, 상기 TiO₂에 의한 효과를 발휘시키기 위해서는, 강 중 성분으로서 Ti를 0.0003∼0.010％의 범위 내에서 함유시키는 것이 유용한 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명에 있어서, 상기 산화물계 개재물 중에 소정량의 TiO₂를 함유시킴으로써 피로 특성이 향상되는 이유는, 상세하게는 불명확하지만, 이하와 같이 생각된다.

즉, Si 탈산에 의해 얻어지는 산화물계 개재물 중에 TiO₂가 포함됨으로써, TiO₂ 농화 상(A상)과 SiO₂ 농화 상(B상)의 2상으로 분리된다. 2상으로 분리되는 이유는, 용강 단계에서 TiO₂는, SiO₂와의 2 액상으로 분리되는 성질이 있기 때문이라고 생각된다. 그 결과, SiO₂ 농화 상(B상) 중의 SiO₂ 농도가 상승하여, Si 탈산 강에 있어서 발생하기 쉬운 겔레나이트(Gehlenite), 스피넬(Spinel, MgO·Al₂O₃) 등의 결정질화가 억제된다. 한편, TiO₂ 농화 상(A상)도, 산화물계 개재물 중에 TiO₂가 포함됨으로써, 액상선 온도도 저하되어, 결정질화가 억제된다. 그 결과, 산화물계 개재물의 비정질 안정성을 높이는 것이 가능해졌다고 추정된다.

이에 반해, 전술한 특허문헌 1∼5에는, 본 발명의 상기 특징 부분은 개시되어 있지 않다. 예를 들어 상기 특허문헌 4에는, 개재물의 불순물로서 TiO₂가 예시되어 있지만, 본 발명과 같이, TiO₂량을 소정 범위로 제어함으로써 피로 특성이 향상되는 것은 전혀 기재되어 있지 않다. 실제로, 상기 특허문헌 4의 실시예에는 모두, FeO, TiO₂ 등의 불순물을 1.0％로 포함하는 예밖에 개시되어 있지 않고, 이것으로는, TiO₂ 첨가에 의한 피로 특성 향상 효과는 얻어지지 않는다(후기하는 표의 No.14를 참조). 애당초 상기 특허문헌 4에서는, ZrO₂를 1％ 이상 함유하는 점에서, 본 발명과는 산화물계 개재물의 조성이 상이하다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 강 중 성분으로서 Ti를 0.0003∼0.010％의 범위 내에서 포함하고, 또한 상기 SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO-MnO의 산화물계 개재물 중에 TiO₂를 3∼10％의 범위 내에서 함유하는 것에 특징이 있다.

본 명세서에 있어서, 스프링용 강선재라 함은, 압연 후의 강재(압연재) 및 당해 압연재를 신선 가공한 신선재가 모두 포함된다. 본 발명에서는, 이들을 통합하여 「강선재」라고 칭한다.

본 명세서에 있어서 산화물계 개재물이라 함은, Ca, Al, Si, Ti, Mn, Mg, Na, Cr, Zr 등의 산화물 형성 원소와 산소가 결합된 산화물 개재물을 의미한다. 상기 산화물계 개재물은, 전자 현미경으로 관찰하고, 에너지 분산형 X선 분석 장치(Energy Dispersive X-ray spectrometry; EDX)나 파장 분산형 X선 분석 장치(Wavelength-Dispersive X-ray spectrometry; WDX)에 의해 측정할 수 있다. 측정 방법의 상세는 후술한다.

먼저, 산화물계 개재물의 조성에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이 본 발명에서는, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물에 대해, 강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로, CaO: 35％ 이하(0％를 포함함), Al₂O₃: 40％ 이하(0％를 포함함), SiO₂: 30∼95％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시키고, 바람직하게는 CaO: 10∼35％, Al₂O₃: 10∼40％, SiO₂: 30∼70％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시키고, 상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 것이 바람직하다.

먼저, 산화물계 개재물의 조성에 대해 설명한다. 전술한 바와 같이 본 발명에서는, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물에 대해, 강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로, CaO: 35％ 이하(0％를 포함함), Al₂O₃: 40％ 이하(0％를 포함함), SiO₂: 30∼95％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시키고, 상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 것에 특징이 있다.

[CaO: 35％ 이하]

CaO는 염기성 산화물이며, 산성 산화물인 SiO₂에 포함되면, 산화물의 액상선 온도가 내려가, 산화물계 개재물의 결정화를 억제하는 효과가 있으므로, 개재물 중에 함유해도 된다. 바람직하게는, 10％ 이상, 더욱 바람직하게는 15％ 이상이다. 그러나, CaO 함유량이 지나치게 높으면, 산화물계 개재물이 결정화되어 버리므로, 그 상한을 35％ 이하로 한다. CaO 함유량의 상한은, 바람직하게는 30％ 이하이다.

[SiO₂: 30∼95％]

SiO₂는 산성 산화물이며, 산화물계 개재물을 비정질화시키기 위해 불가결한 성분이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, SiO₂ 함유량의 하한을 30％ 이상으로 한다. SiO₂ 함유량의 하한은, 바람직하게는 40％ 이상이다. 그러나, SiO₂ 함유량이 95％를 초과하면 상기 개재물의 연신성은 저하되어 공동도 생성되기 쉬워져, 피로 특성이 악화된다. 그로 인해, SiO₂ 함유량의 상한은 95％ 이하로 하고, 바람직하게는 70％ 이하, 더욱 바람직하게는 50％ 이하이다.

[Al₂O₃: 40％ 이하]

Al₂O₃은 양성 산화물이며, 산성 산화물인 SiO₂에 포함되면, 산화물의 액상선 온도가 내려가, 산화물의 결정화를 억제하는 효과가 있으므로, 개재물 중에 포함해도 된다. 바람직하게는 10％ 이상, 더욱 바람직하게는 20％ 이상이다. 한편, Al₂O₃ 함유량의 상한이 40％를 초과하면, 용강 중 및 응고 과정에서 코런덤 등의 Al₂O₃ 결정상이 정출되거나, MgO와 함께 스피넬 등의 MgO·Al₂O₃ 결정상이 정출된다. 또한, 압연 온도 영역에서, 이들 결정상이 생성된다. 이들 고상은 경질이며, 조대한 개재물로서 잔류하여, 피로 특성을 악화시킨다. 이러한 관점에서, Al₂O₃ 함유량의 상한은 40％ 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 30％ 이하이다.

[MgO: 8％ 이하(0％를 포함함)]

MgO는, 본 발명에 있어서 필수적인 산화물은 아니지만, SiO₂계 산화물을 최적인 조성으로 제어하여, 그 융점을 저하시키는 효과가 있다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, MgO 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.2％ 이상이다. 단, MgO 함유량이 지나치게 많아지면, SiO₂계 산화물의 융점이 높아지거나, MgO계의 결정이 생성되므로, 그 상한을 8％ 이하로 한다. 바람직하게는 5％ 이하, 더욱 바람직하게는 3％ 이하이다.

[MnO: 5％ 이하(0％를 포함함)]

MnO도 상기 MgO와 마찬가지로, 본 발명에 있어서 필수적인 산화물은 아니지만, MnO는, SiO₂계 산화물의 융점을 저하시키는 효과가 있다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, MnO 함유량의 하한은, 바람직하게는 0.1％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.5％ 이상이다. 단, 본 발명과 같이 Si를 1.0％ 이상 포함하는 고Si 강에 있어서 MnO를 지나치게 고농도로 제어하는 것은 현실적이지 않으므로, MnO 함유량의 상한은 5％ 이하로 한다.

[TiO₂: 3∼10％]

TiO₂는, 본 발명을 특징짓는 산화물 성분이다. 전술한 바와 같이 TiO₂가 산성 산화물인 SiO₂에 포함되면, TiO₂ 농화 상(A상)과 SiO₂ 농화 상(B상)의 2상으로 분리되고, 양쪽 상 모두, 결정질화 억제 작용을 갖는다. 그 결과, Si 탈산 강에서 얻어지는 SiO₂ 함유 산화물계 개재물의 열간 가공 시의 결정화의 억제, 강과 산화물계 개재물의 계면에 발생하는 공동의 억제를 실현할 수 있어, 피로 특성이 한층 향상된다. 이러한 효과는, TiO₂ 함유량의 하한을 3％ 이상으로 제어함으로써 얻어지므로, TiO₂ 함유량은 3％ 이상으로 한다. 바람직하게는 4％ 이상, 더욱 바람직하게는 5％ 이상이다. 그러나, TiO₂ 함유량이 지나치게 많아지면, TiO₂계 산화물이 결정상으로서 단독으로 생성되므로, 피로 특성이 저하된다. 그로 인해, TiO₂ 함유량의 상한을 10％ 이하로 한다. 바람직하게는 8％ 이하, 더욱 바람직하게는 7％ 이하이다.

[CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％]

본 발명에서는, 각 산화물의 함유량을 상기한 바와 같이 제어함과 함께, 이들 함유량의 합계를 80％ 이상으로 제어하는 것이 필요하고, 이에 의해, 산화물계 개재물의 비정질이 유지되어, 피로 특성이 향상된다. 상기 산화물의 합계량은 많을수록 좋고, 바람직하게는 90％ 이상이다. 가장 바람직하게는 100％이다.

상술한 바와 같이 본 발명의 스프링용 강선재에 포함되는 산화물계 개재물은, 기본적으로 CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO, MnO 및 TiO₂이고, 잔부는 불순물이다. 상기 불순물로서는, 예를 들어 제조 과정 등에서 불가피적으로 포함되는 불순물을 들 수 있다. 상기 불순물은, 산화물계 개재물의 결정화 상태나 형태 등에 악영향을 미치지 않고, 원하는 피로 특성이 얻어지는 한도에 있어서 포함될 수 있다. 단, 상기 산화물계 개재물의 합계량과의 관계에서, 당해 불순물의 합계량은, 최대라도 20％ 이상으로 제어되어 있을 필요가 있다.

상기 불순물로서는, 예를 들어 ZrO₂, Na₂O, Cr₂O₃ 등을 들 수 있다. 이 중 ZrO₂는, 산화물계 개재물 중의 농도가 높아지면, 상기 개재물의 결정화가 촉진되어 피로 특성이 악화되므로, 최대한 적게 하는 것이 바람직하다. ZrO₂의 바람직한 함유량은 1％ 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.5％ 이하이고, 포함되지 않는 것이 가장 바람직하다. 또한, Na₂O는, 상기 ZrO₂에 비해 허용량이 넓고, 5％ 정도이면 포함되어도 상관없다.

[강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는, 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수: 0.002개/㎟ 초과]

본 발명에서는, 상기한 바와 같이 각 산화물의 함유량 및 합계량을 제어함과 함께, 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과를 만족시킬 필요가 있다. 이에 의해, 높은 피로 특성이 확보되고, 균질성도 향상된다. 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수는, 바람직하게는 0.005개/㎟ 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01개/㎟ 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.05개/㎟ 이상이다. 여기서, 상기 「산화물계 개재물」이라 함은, 전술한 바와 같이, Ca, Al, Si, Ti, Mn, Mg, Na, Cr, Zr 등의 산화물 형성 원소와 산소가 결합된 산화물 개재물을 의미하고, 상술한 산화물(CaO, Al₂O₃, SiO₂, MgO, MnO, TiO₂)에 한정되지 않는다. 또한, 상기 산화물계 개재물 중, 특히 「짧은 직경 2㎛ 이상」을 규정한 것은, 짧은 직경 2㎛ 미만의 산화물계 개재물은, 피로 특성에 대한 악영향이 비교적 적기 때문이다.

다음으로, 강 중 성분에 대해 설명한다.

[C: 0.2∼1.2％]

C는, 소정의 강도를 확보하기 위해 필요한 원소이며, 이러한 특성을 유효하게 발휘시키기 위해서는, C의 함유량은 0.2％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.5％ 이상이다. 단, C 함유량이 과잉으로 되면 스프링용 강선재가 취화되어, 실용적이지 않게 되므로, 그 상한을 1.2％ 이하로 한다. C량의 바람직한 상한은 0.8％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.7％ 이하이다.

[Si: 1.0∼3％]

Si는, 스프링용 강선재의 고강도화 및 피로 특성의 향상에 기여하는 중요한 원소이다. 또한, 연화 저항을 높여, 내 세틀링성의 향상에도 유용한 원소이다. 또한, 원하는 산화물계 개재물의 조성으로 제어하기 위해서도 Si는 필수적인 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Si 함유량을 1.0％ 이상으로 한다. 바람직한 Si 함유량은, 1.4％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.8％ 이상이다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되면, 응고 중에 경질인 순 SiO₂가 생성될 우려가 있어, 표면 탈탄이나 표면 흠집이 증가하여 피로 특성이 저하되는 경우가 있다. 그로 인해, Si량의 상한을 3％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.4％ 이하, 더욱 바람직하게는 2.2％ 이하이다.

[Mn: 0.1∼2％]

Mn은, 탈산제로서 작용하는 것 외에, 켄칭성을 높여 강도 향상에도 기여하는 원소이다. 이러한 작용을 유효하게 발휘시키기 위해, Mn 함유량의 하한을 0.1％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.5％ 이상이다. 단, Mn량이 과잉으로 되면, 인성이나 연성이 저하되므로, 그 상한을 2％ 이하로 한다. 더욱 바람직하게는 1％ 이하이다.

[Cr: 3％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Cr은, 고용 강화에 의해 스프링용 강선재의 매트릭스 강도를 향상시키는 원소이다. 또한 Cr은, Mn과 마찬가지로, 켄칭성 향상에도 유효하게 작용한다. Cr량은, 바람직하게는 0.5％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.9％ 이상이다. 그러나, Cr이 과잉이면 스프링용 강선재가 취화되기 쉬워져 산화물계 개재물의 감수성이 증대되므로, 피로 특성이 저하된다. 따라서 Cr량의 상한을 3％로 한다. Cr량의 바람직한 상한은 2％ 이하, 더욱 바람직하게는 1％ 이하이다.

[Al: 0.0002∼0.005％]

Al 함유량이 많아져, 특히 0.005％를 초과하면, Al₂O₃을 주체로 하는 경질의 산화물의 생성량이 많아지고, 또한 압하한 후에도 조대한 산화물로서 잔존하므로, 피로 특성이 저하된다. 따라서, Al의 함유량을 0.005％ 이하로 하고, 바람직하게는 0.002％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0015％ 이하이다. 단, Al 함유량을 0.0002％ 미만으로 하면, 산화물계 개재물 중의 Al₂O₃ 함유량이 지나치게 적어져, SiO₂를 많이 포함하는 결정상이 생성된다. 따라서, Al 함유량의 하한은 0.0002％ 이상으로 하고, 바람직하게는 0.0005％ 이상이다.

[Ca: 0.0002∼0.002％]

Ca는, 산화물계 개재물 조성 제어를 위한 슬래그 정련에 의해, 선강재 중에 함유되는 성분이다. 본 발명에 있어서는, 산화물계 개재물 중의 CaO 함유량을 제어하여, 산화물계 개재물의 결정화를 억제하고, 피로 특성의 개선에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해, Ca 함유량은 0.0002％ 이상으로 하고, 바람직하게는 0.0003％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0005％ 이상이다. 그러나, Ca 함유량이 과잉으로 되어 0.002％를 초과하면, CaO의 비율이 지나치게 높아져, 산화물이 결정화되어 버린다. 따라서, Ca 함유량은 0.002％ 이하로 하고, 바람직하게는 0.001％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0008％ 이하이다.

[Ti: 0.0003∼0.010％]

Ti는, 본 발명을 특징짓는 원소이다. 소정량의 Ti를 첨가하고, 산화물계 개재물 중의 TiO₂ 함유량을 적절하게 제어함으로써, 상기 개재물의 비정질 안정성이 더욱 높아져, 피로 특성이 한층 향상된다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ti 함유량은 0.0003％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.0005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0008％ 이상이다. 단, Ti의 함유량이 많아져 0.010％를 초과하면, TiO₂계 산화물이 결정상으로서 단독으로 생성되어 버린다. 따라서, Ti 함유량은 0.010％ 이하로 한다. 바람직하게는, 0.0050％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0030％ 이하이다.

본 발명에 사용되는 강 중 원소는 상기한 바와 같으며, 잔부는 철 및 불가피적 불순물이다. 상기 불가피적 불순물로서, 예를 들어 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 반입되는 원소, 예를 들어 S, P, H, N 등을 들 수 있다.

또한 본 발명에서는, 이하의 선택 성분을 함유해도 된다.

[Ni: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Ni는, 스프링용 강선재 제조 시의 열간 압연이나 스프링 제조 시의 열처리 시에 발생하는 페라이트 탈탄의 억제에 유효한 원소이다. 또한 Ni는, 켄칭·템퍼링 후의 스프링의 인성을 높이는 작용을 갖는다. 바람직한 Ni량의 하한은, 0.05％ 이상, 보다 바람직하게는 0.15％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.2％ 이상이다. 한편, Ni량이 과잉으로 되면, 켄칭·템퍼링 처리에서 잔류 오스테나이트량이 증대되어, 인장 강도가 저하된다. 따라서 Ni량의 상한은, 바람직하게는 0.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.3％ 이하로 한다.

[Cu: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Cu는, 스프링용 강선재 제조 시의 열간 압연이나 스프링 제조 시의 열처리 시에 발생하는 페라이트 탈탄의 억제에 유효한 원소이므로, 0.05％ 이상 포함해도 된다. 상한은, 바람직하게는 0.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.3％ 이하로 한다.

[V: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

V는, 탄소나 질소 등과 결합하여 미세한 탄화물이나 질화물 등을 형성하여, 내 수소 취성이나 피로 특성의 향상에 유용한 원소이다. 또한 V는, 결정립 미세화 효과에 의해, 스프링의 인성, 내력, 내 세틀링성 등의 향상에 기여하는 원소이다. V량의 하한은, 바람직하게는 0.05％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.10％ 이상이다. 그러나, V량이 과잉으로 되면, 켄칭 가열 시에 오스테나이트 중에 고용되지 않는 탄화물량이 증대되어, 충분한 강도나 경도가 얻어지기 어려워지는 것 외에, 질화물의 조대화를 초래하여, 피로 절손이 발생하기 쉬워진다. 또한 V량이 과잉으로 되면, 잔류 오스테나이트량이 증가하여, 스프링의 경도가 저하된다. 따라서, V량의 바람직한 상한을 0.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.4％ 이하로 한다.

다음으로, 본 발명의 스프링용 강선재를 제조하는 방법에 대해 설명한다. 본 발명에서는, 원하는 산화물계 개재물의 조성 및 개수가 얻어지도록, 특히 용제 공정, 열간 가공의 각 공정에 유의하여 제조하는 것이 중요하다. 단, 그 이외의 공정은 특별히 한정되지 않고, 스프링용 강선재의 제조에 통상 이용되는 방법을 적절하게 선택하여 이용할 수 있다.

본 발명에 이용되는 바람직한 용제 공정 및 열간 공정은, 이하와 같다.

(용제 공정)

먼저, Si에 의한 탈산을 실시하고, 본 발명에서 규정하는 조성으로 되도록 C, Si, Mn, Cr, Ti, Al, Ni, V를 첨가한 후, 통상법에 따라서, CaO-SiO₂계 슬래그를 사용하여 슬래그 정련을 실시하여, CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-MnO-TiO₂의 조성으로 제어한다. 이때, 상기 슬래그를 용강에 충분히 현탁함으로써, 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수를 소정의 범위로 할 수 있다. 또한, 본 발명에서는, 산화물계 개재물로서 소정량의 TiO₂를 함유하지만, 이 제어 방법도 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 기술분야에서 통상 이용되는 방법에 기초하여, 용제 시에, 강 중의 Ti량이 0.0003∼0.010％의 범위 내로 제어되도록 Ti를 첨가하면 된다. Ti의 첨가 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 Ti를 함유하는 철계 합금을 첨가하여 조정해도 되고, 혹은 슬래그 조성의 제어에 의해 용강 중의 Ti 농도를 제어해도 상관없다.

(열간 공정)

얻어진 주조편을, 가열로에 있어서 1100∼1300℃로 가열한 후, 900∼1200℃에서 분괴 압연을 실시한다. 그 후, 800∼1100℃에서 압연하여, 원하는 직경까지 열간 압연을 실시한다.

이와 같이 하여 본 발명의 스프링용 강재가 얻어지지만, 상기 열간 압연 후, 다시 신선 가공하여 스프링용 강선재로 해도 된다. 신선 조건은 특별히 한정되지 않고, 통상 이용되는 방법을 채용할 수 있다.

본 발명의 스프링용 강선재는, 높은 피로 특성이 요구되는 가공품의 소재로서 매우 유용하다. 상기 가공품으로서, 예를 들어 자동차의 엔진이나 서스펜션 등에 사용되는 밸브 스프링, 클러치 스프링, 브레이크 스프링, 현가 스프링 등의 스프링류; 스틸 코드 등의 강선류 등을 들 수 있다.

상기 스프링의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 통상의 방법에 의해 제조할 수 있다. 구체적으로는, 상기 스프링용 강선재를, 필요에 따라서 어닐링 처리한 후, 피삭 처리, 납 페이턴팅 처리, 신선 가공, 오일 템퍼 처리를 행하여 스프링이 제조된다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않고, 상기·후기하는 취지에 적합할 수 있는 범위에서 변경을 가하여 실시하는 것이 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예

[주조편의 제조]

용량 150㎏/1ch의 소형 용해로를 사용하여, 하기 표 1에 나타내는 각종 화학 성분의 공시강을 용제하고, φ245㎜×480㎜의 주조편을 제작하였다. 용제에 있어서는, 용제 시에 MgO계 내화물의 도가니를 사용하여, C, Si, Mn 및 Cr 외에, 필요에 따라서 Ni 및 V 중 적어도 1종을 첨가하여 소정의 농도로 조정한 후, Ti→Ca의 순서로 투입하여, Ti 및 Ca의 각 농도를 조정하였다. 본 실시예에서는, 용강에 첨가하는 Ca로서 Ni-Ca 합금을, Ti원으로서 Fe-Ti 합금을, 각각 사용하였다. 이와 같이 하여 얻어진 주조편의 화학 성분을 표 1에 나타낸다.

얻어진 주조편을, 가열로에 있어서 1100∼1300℃의 온도로 가열한 후, 900∼1200℃에서 분괴 압연을 행하였다. 그 후, 830∼1100℃에서 열간 압연함으로써, 직경: 8.0㎜의 열간 압연재를 얻었다.

(산화물계 개재물의 조성 및 개수의 측정)

이와 같이 하여 얻어진 열간 압연재(직경: 8.0㎜)에 대해, 당해 열간 압연재의 중심축을 포함하도록, 길이 방향(압연 방향에 상당)으로 20㎜L(L은 압연 방향 길이) 이상의 마이크로 시료를 1개 잘라내어, 상기 중심축을 포함하는 단면을 연마하였다. 이 연마면을, 니혼 덴시 데이텀사제의 전자선 마이크로 프로브 X선 분석계(Electron Probe X-ray Micro Analyzer; EPMA, 상품명 「JXA-8500F」)를 사용하여 관찰하여, 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물에 대해 성분 조성을 정량 분석하였다. 연마면의 관찰 면적은 100∼1000㎟로 하고, 산화물계 개재물의 중앙부에서의 성분 조성을 특성 X선의 파장 분산 분광에 의해 정량 분석하였다. 분석 대상 원소는, Ca, Al, Si, Ti, Mn, Mg, Na, Cr, Zr로 하고, 기지 물질을 사용하여 각 원소의 X선 강도와 원소 농도의 관계를 미리 검량선으로서 구해 두고, 분석 대상으로 하는 상기 산화물계 개재물로부터 얻어진 X선 강도와 상기 검량선으로부터 각 시료에 포함되는 원소량을 정량하여, 산화물 환산함으로써 산화물계 개재물의 평균 조성을 구하였다. Ti 산화물은 복수의 가수를 취할 수 있지만, 모두 TiO₂로 하여 계산하였다.

또한, 상기 연마면 중에 존재하는 산화물계 개재물 중, 짧은 직경이 2㎛ 이상인 산화물계 개재물의 개수를, 상기 관찰 면적(100∼1000㎟)으로 제산한 값을, 산화물계 개재물의 개재물 개수(개/㎟)로 하였다.

[피로 강도 시험(절손율)]

상기 열간 압연재(직경: 8.0㎜)를 피삭하고, 직경: 7.4㎜까지 신선한 후, 페이턴팅을 행하여, 직경: 4.0㎜까지 냉간 신선 가공하였다. 이어서, 오일 켄칭과, 약 450℃의 납욕에서의 템퍼링을 연속해서 행하여 오일 템퍼 처리를 행한 후, 직경 4.0㎜×길이 650㎜의 와이어를 얻었다. 이와 같이 하여 얻어진 와이어에 대해, 400℃에서 변형 제거 어닐링 상당 처리를 행한 후, 숏피닝을 행하고, 200℃의 저온 어닐링을 행하여, 피로 강도 측정용 시험편을 제작하였다.

상기 시험편에 대해, 나카무라식 회전 굽힘 시험기를 사용하여, 공칭 응력: 970㎫, 회전수: 4000∼5000rpm, 중지 횟수: 2×10⁷회로 시험을 행하였다. 파단된 시험편 중 개재물을 기점으로 하여 절손된 시험편의 개수 A, 및 소정의 중지 횟수에 도달하였기 때문에 상기 시험을 중지한 시험편의 개수 B를 각각 측정하여, 하기 식에 의해 절손율을 구하였다.

절손율(％)＝[A/(A＋B)]×100

이들의 결과를 표 2에 기재한다. 또한 표 2의 시험 No.는, 동일한 숫자의 표 1의 공시강 No.를 사용한 것을 나타낸다.

표 2의 시험 No.1∼11, 17, 18은, 모두 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성 및 산화물 조성을 만족시키는 것이며, 피로 특성이 우수한 것을 알 수 있다.

이에 반해, 시험 No.12∼16은, 본 발명의 어느 하나의 요건을 만족시키지 않으므로, 피로 특성이 저하되었다.

시험 No.12는, Si량 및 Al량은 본 발명의 범위 내이지만, Si량도 Al량도 비교적 낮으므로, 산화물계 개재물 중의 CaO량이 많아져, 피로 특성이 저하되었다.

시험 No.13은, Ti량 및 Al량은 본 발명의 범위 내이지만, 그들의 양이 다른 실시예보다 비교적 많이 포함되어 있으므로, 산화물계 개재물 중의 SiO₂량이 적어져, 피로 특성이 저하되었다.

시험 No.14는, Ti량이 적으므로, 산화물계 개재물 중의 TiO₂량이 적어져, 피로 특성이 저하되었다.

시험 No.15는, Ti량이 많으므로, 산화물계 개재물 중의 TiO₂량이 많아져, 피로 특성이 저하되었다.

시험 No.16은, 슬래그 정련 시의 교반을, 다른 예보다 약교반으로 하였으므로, 현탁이 불충분해지고, 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 적어져, 피로 특성이 저하되었다.

본 발명을 상세하게 또한 특정 실시 양태를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하는 일 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다.

본 출원은, 2014년 1월 29일에 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2014-014633호)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

본 발명의 스프링용 강선은, 지금까지보다 피로 특성이 우수하여, 밸브 스프링이나 현가 스프링 등에 적합하다.

Claims

C: 0.2∼1.2％(％는 질량％의 의미, 이하, 특별히 언급하지 않는 한, 동일함),
Si: 1.0∼3％,
Mn: 0.1∼2％,
Cr: 3％ 이하(0％를 포함하지 않음),
Al: 0.0002∼0.005％,
Ca: 0.0002∼0.002％,
Ti: 0.0003∼0.010％
를 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
강재의 길이 방향과 평행한 단면에 존재하는 짧은 직경이 1㎛ 이상인 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로,
CaO: 35％ 이하(0％를 포함함), Al₂O₃: 40％ 이하(0％를 포함함), SiO₂: 30∼95％, MgO: 8％ 이하(0％를 포함함), MnO: 5％ 이하(0％를 포함함), TiO₂: 3∼10％, 및 CaO＋Al₂O₃＋SiO₂＋MgO＋MnO＋TiO₂≥80％를 만족시킴과 함께,
상기 단면에 존재하는 짧은 직경 2㎛ 이상의 산화물계 개재물의 개수가 0.002개/㎟ 초과인 것을 특징으로 하는 피로 특성이 우수한, 스프링용 강선재.
제1항에 있어서,
또한, 상기 산화물계 개재물의 평균 조성이 질량％로, ZrO₂: 1％ 미만(0％를 포함하지 않음), Na₂O: 5％ 미만(0％를 포함함)인, 스프링용 강선재.
제1항 또는 제2항에 있어서,
Ni: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), Cu: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음), 및 V: 0.5％ 이하(0％를 포함하지 않음) 중 적어도 하나를 더 함유하는, 스프링용 강선재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 스프링용 강선재를 사용하여 얻어지는, 스프링.