KR20160119216A

KR20160119216A - 고강도 스프링용 압연재 및 고강도 스프링용 와이어

Info

Publication number: KR20160119216A
Application number: KR1020167024864A
Authority: KR
Inventors: 아쓰히코 다케다; 도모카즈 마스다; 쇼 다카야마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-10-12
Also published as: MX2016011156A; JP2015178673A; TWI535856B; EP3112491A4; CN106062229A; CN106062229B; TW201540845A; EP3112491A1; JP6452454B2; WO2015129403A1; KR20180112882A; US20170058376A1

Abstract

고강도 스프링용의 소재로서, 합금 원소의 첨가량을 억제하더라도 담금질 템퍼링 후에 우수한 부식 피로 특성을 발휘할 수 있는 압연재, 및 이러한 압연재로부터 얻어지는 고강도 스프링용 와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 고강도 스프링용 압연재는, C: 0.39∼0.65%, Si: 1.5∼2.5%, Mn: 0.15∼1.2%, P: 0% 초과 0.015% 이하, S: 0% 초과 0.015% 이하, Al: 0.001∼0.1%, Cu: 0.10∼0.80%, Ni: 0.10∼0.80% 및 O: 0% 초과 0.0010% 이하를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며, 평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물이, 강재 100g당 30개 이하이고, 또한 비확산성 수소량이 0.40질량ppm 이하이다.

Description

고강도 스프링용 압연재 및 고강도 스프링용 와이어{ROLLED MATERIAL FOR HIGH STRENGTH SPRING, AND WIRE FOR HIGH STRENGTH SPRING}

본 발명은 고강도 스프링용 압연재, 및 이것을 이용한 고강도 스프링용 와이어에 관한 것이다. 상세하게는, 조질, 즉 담금질 템퍼링한 상태로 사용되는 고강도 스프링의 소재로서 유용한 압연재 및 고강도 스프링용 와이어로, 특히 담금질 템퍼링 후의 부식 피로 특성이 우수한 압연재, 및 와이어 가공 후의 인장 강도가 1900MPa 이상으로 고강도이더라도 부식 피로 특성이 우수한 고강도 스프링용 와이어에 관한 것이다.

자동차 등에 이용되는 코일 스프링, 예를 들면 엔진이나 서스펜션 등에 사용되는 밸브 스프링, 현가 스프링 등은, 배기 가스의 저감이나 연비 향상을 위해서 경량화가 요구되고 있고, 고강도화가 요구되고 있다. 고강도화된 스프링은, 인연성(靭延性)이 부족하여 수소취성이 생기기 쉬워, 부식 피로 특성이 저하된다. 그 때문에, 스프링의 제조에 이용되는 고강도 스프링용 강선(이하, 강선을 와이어라고 기재하는 경우가 있음)에는 부식 피로 특성이 우수할 것이 요구된다. 부식 피로 파괴는, 부식에 의해 발생한 수소가 강 중에 침입하여, 그 수소에 의한 강재 취화가 생김으로써 일어나기 때문에, 부식 피로 특성을 개선하기 위해서는, 강재의 내식성 및 내수소취성을 개선하는 것이 필요하다.

고강도 스프링용 와이어의 부식 피로 특성을 높이는 방법으로서는, 화학 조성을 제어하는 것 등이 알려져 있다. 그러나, 이들 방법에서는, 합금 원소를 다량으로 사용하기 때문에, 제조 비용의 증가나 자원 절약의 관점에서 반드시 바람직하지는 않다.

그런데, 스프링의 제조 방법으로서는, 강선을 담금질 온도로 가열하고 스프링 형상으로 열간 성형한 후, 유냉(油冷)하여 템퍼링하는 방법과, 강선을 담금질 템퍼링한 후에 스프링 형상으로 냉간 성형하는 방법이 알려져 있다. 또한 후자의 냉간 성형 방법에서는, 성형 전의 담금질 템퍼링을 고주파 가열로 행하는 것도 알려져 있으며, 예를 들면 특허문헌 1에는, 선재를 냉간 인발(引拔)한 후, 고주파 유도 가열에 의해 담금질 템퍼링하여 조직을 조정하는 기술이 개시되어 있다. 이 기술에서는 펄라이트의 조직 분율을 30% 이하, 마텐자이트 및 베이나이트로 이루어지는 조직 분율을 70% 이상으로 하고, 그 후 소정의 감면율로 냉간 인발을 행하고, 계속해서 담금질 템퍼링을 행하는 것에 의해, 미용해 탄화물을 감소시켜, 지연 파괴 특성을 향상시키고 있다.

특허문헌 2에서는, 실시예에 있어서 압연 선재를 신선하고, 고주파 가열하여 담금질 템퍼링 처리를 하고 있다. 이 기술에서는, 고강도와, 코일링성 등의 성형성을 양립시키는 것에 주안을 두고 있고, 부식 피로 특성에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다.

특허문헌 3에서는, 실온으로부터 350℃까지 승온했을 때에 방출되는 토털 수소량으로 평가되는 강 중 수소량에 착안하여, 강(强)신선 가공 조건에서의 신선 가공성이 우수한 열간 압연 선재를 제안하고 있다. 그러나 특허문헌 3에서는, 강신선이라고 하는 특수한 가공에서의 신선성에만 주목하고 있을 뿐만 아니라, 현가 스프링 등에 있어서 가장 중요해지는 담금질 템퍼링 후의 부식 피로 특성에 대해 전혀 고려되어 있지 않다.

일본 특허공개 2004-143482호 공보 일본 특허공개 2006-183137호 공보 일본 특허공개 2007-231347호 공보

본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 열간 권취 및 냉간 권취의 고강도 스프링용의 소재로서, 합금 원소의 첨가량을 억제하더라도 담금질 템퍼링 후에 우수한 부식 피로 특성을 발휘할 수 있는 압연재, 및 이러한 압연재로부터 얻어지는 고강도 스프링용 와이어를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명의 고강도 스프링용 압연재는,

질량%로,

C: 0.39∼0.65%,

Si: 1.5∼2.5%,

Mn: 0.15∼1.2%,

P: 0% 초과 0.015% 이하,

S: 0% 초과 0.015% 이하,

Al: 0.001∼0.1%,

Cu: 0.10∼0.80%,

Ni: 0.10∼0.80% 및

O: 0% 초과 0.0010% 이하

를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며,

평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물이, 강재 100g당 30개 이하이고, 또한 비확산성 수소량이 0.40질량ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

한편, 산화물계 개재물의 평균 직경을 구하는 경우는, EPMA(Electron　Probe Micro Analyser: 전자 프로브 미소 분석기)로 관찰해서, 산화물계 개재물의 장경과 단경을 각각 측정하고, 산화물계 개재물의 장경과 단경의 평균치, 즉 장경과 단경의 합을 2로 나눈 값을 평균 직경으로 한다. 이 평균치가 25μm 이상이 되는 개재물이, 본 발명에서의 개수 측정 대상이 된다.

본 발명의 고강도 스프링용 압연재는, 질량%로 이하의 (a)∼(d)의 어느 것에 속하는 1종 이상을 추가로 함유하는 것도 바람직하다.

(a) Cr: 0% 초과 1.2% 이하

(b) Ti: 0% 초과 0.13% 이하

(c) B: 0% 초과 0.01% 이하

(d) Nb: 0% 초과 0.1% 이하 및 Mo: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종

본 발명은, 상기한 어느 것에 기재된 강의 화학 성분으로 이루어지고, 템퍼링 마텐자이트의 면적률이 80% 이상이며, 인장 강도가 1900MPa 이상인 고강도 스프링용 와이어도 포함한다.

본 발명에 의하면, 합금 원소를 다량으로 첨가하지 않더라도, 압연재 중의 산화물계 개재물을 저감함과 더불어, 비확산성 수소량을 억제하고 있기 때문에, 담금질 템퍼링 후에 있어서도 우수한 부식 피로 특성을 발휘할 수 있다. 이와 같은 압연재에서는, 강재 비용을 억제하더라도 와이어의 부식 피로 특성을 향상시킬 수 있기 때문에, 부식 피로 파괴가 극히 생기기 어려운 고강도의 스프링, 예를 들면, 자동차용 부품의 하나인 현가 스프링 등의 코일 스프링을 저렴하게 공급할 수 있다.

도 1은 압연재 중의 개재물 수나 비확산성 수소량이 부식 피로 특성에 주는 영향을 표시한 그래프이다.

와이어의 부식이 진행되면, 선재 표면에 피트가 발생함과 더불어, 부식에 의한 감육으로 선재의 선경이 가늘어진다. 또한, 부식에 의해 발생한 수소가 강 중에 침입하여 수소에 의한 강재 취화가 생긴다. 부식 피로 파괴는, 이들 부식 피트, 감육 개소, 강재 취화부를 기점으로 하여 생긴다. 그 때문에, 부식 피로 파괴는 선재의 내수소취성과 내식성을 향상시킴으로써 개선할 수 있다.

본 발명자들은, 내수소취성 및 내식성에 영향을 주는 인자에 대해 다양한 각도에서 검토했다. 그 결과, 강 중의 소정 크기의 산화물계 개재물의 개수와, 강 중 수소량 중에서도 특히 비확산성 수소량의 쌍방을 적정하게 제어한 압연재를 담금질 템퍼링 처리하면, 부식 피로 특성이 대폭으로 향상된다는 것이 분명해졌다. 강 중에 큰 산화물계 개재물이 많이 존재하면, 대기 내구성이 저하될 뿐만 아니라, 그 주위에 「변형장」을 형성해서, 수소 집적 개소가 되어, 그 주위의 입계를 특히 취화시키고, 부식 피로 특성을 저하시킨다는 것을 알아냈다.

산화물계 개재물과 수소량을 적정하게 제어함으로써, 내식성 개선 원소의 첨가량을 저감하더라도, 부식 피로 특성을 향상시킬 수 있다. 이하에, 본 발명에서 규정하는 산화물계 개재물 개수, 강 중의 비확산성 수소량, 화학 조성의 요건에 대해 설명한다.

산화물계 개재물 개수

강 중에 큰 산화물계 개재물이 존재하면, 대기 내구성이 저하될 뿐만 아니라, 그 주위에 변형장을 형성해서, 수소 집적 개소가 되어, 그 주위의 입계를 특히 취화시키고, 부식 피로 특성을 저하시킨다. 부식 피로 특성에 대한 악영향을 저감하기 위해서는, 평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물의 개수를, 강재 100g당 30개 이하(이하, 「30개/100g 이하」라고 표기하는 경우가 있음)로 할 필요가 있다. 산화물계 개재물의 개수는, 바람직하게는 20개/100g 이하이고, 보다 바람직하게는 10개/100g 이하이다. 부식 피로 특성을 향상시키기 위해서는, 산화물계 개재물의 개수의 하한을 마련할 필요는 없지만, 0개/100g으로 하기 위해서는 제조 비용이 들기 때문에, 공업 생산상, 2개/100g 이상인 것이 바람직하다. 산화물계 개재물의 평균 직경이 25μm 이상이 되면, 응력 집중원으로서 파괴 기점이 되어, 부식 피로 특성을 저하시키지만, 평균 직경이 25μm 미만인 것은, 부식 피로 특성에 악영향을 미치지 않는다.

비확산성 수소량

본 발명의 압연재에서는, 비확산성 수소량을 0.40질량ppm 이하로 할 필요가 있다. 압연재 중의 비확산성 수소량이 많으면, 담금질 템퍼링 후의 와이어에 있어서도 비확산성 수소가 많아진다. 와이어의 비확산성 수소가 많으면, 선재가 취화되기까지 더 침입하는 수소의 허용량이 줄어들어, 스프링으로서 사용 중에 침입한 소량의 수소로도 선재 취화가 생기고 조기 파괴되기 쉬워져, 내수소취성이 저하된다. 비확산성 수소량은, 바람직하게는 0.35질량ppm 이하이고, 보다 바람직하게는 0.30질량ppm 이하이다. 비확산성 수소량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 0질량ppm으로 하는 것은 곤란하고, 하한은 0.01질량ppm 정도이다.

한편, 비확산성 수소란 후술하는 실시예에 기재된 방법으로 측정되는 수소량이고, 구체적으로는, 강재를 100℃/시간으로 승온했을 때에, 300∼600℃에서 방출되는 수소량의 총량을 의미한다.

본 발명에 따른 고강도 스프링용 압연재는, 합금 원소의 함유량을 억제한 저합금강이고, 그의 화학 조성은 이하와 같다. 한편, 본 발명은, 상기 압연재를 신선한 후, 담금질 템퍼링한 와이어도 포함하고, 그의 화학 조성은 압연재의 화학 조성과 동일하다. 본 명세서에 있어서, 화학 조성은 질량%를 의미한다.

C: 0.39∼0.65%

C는 스프링용 와이어의 강도를 확보하는 데 필요한 원소임과 더불어, 수소 트랩 사이트가 되는 미세 탄화물을 생성시키기 위해서도 필요하다. 이러한 관점에서, C량을 0.39% 이상으로 정했다. C량의 바람직한 하한은 0.45% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.50% 이상이다. 그러나, C량이 과잉이 되면, 담금질 템퍼링 후에도 조대한 잔류 오스테나이트나 미고용 탄화물이 생성되기 쉬워져, 내수소취성이 오히려 저하되는 경우가 있다. 또한, C는 내식성을 열화시키는 원소이기도 하기 때문에, 최종 제품인 현가 스프링 등의 스프링 제품의 부식 피로 특성을 높이기 위해서는 C량을 억제할 필요가 있다. 이러한 관점에서, C량을 0.65% 이하로 정했다. C량의 바람직한 상한은 0.62% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다.

Si: 1.5∼2.5%

Si는 강도를 확보하는 데 필요한 원소임과 더불어, 탄화물을 미세하게 하는 효과가 있다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Si량을 1.5% 이상으로 정했다. Si량의 바람직한 하한은 1.7% 이상이고, 보다 바람직하게는 1.9% 이상이다. 한편, Si는 탈탄을 촉진시키는 원소이기도 하기 때문에, Si량이 과잉이 되면 선재 표면의 탈탄층 형성이 촉진되고, 탈탄층 삭제를 위한 필링 공정이 필요해져, 제조 비용의 증가를 초래한다. 또한, 미고용 탄화물도 많아져, 내수소취성이 저하된다. 이러한 관점에서, Si량을 2.5% 이하로 정했다. Si량의 바람직한 상한은 2.3% 이하이고, 보다 바람직하게는 2.2% 이하이며, 더 바람직하게는 2.1% 이하이다.

Mn: 0.15∼1.2%

Mn은 탈산 원소로서 이용됨과 더불어, 강 중의 유해 원소인 S와 반응해서 MnS를 형성하여, S의 무해화에 유익한 원소이다. 또한, Mn은 강도 향상에 기여하는 원소이기도 하다. 이들 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Mn량을 0.15% 이상으로 정했다. Mn량의 바람직한 하한은 0.2% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.3% 이상이다. 그러나, Mn량이 과잉이 되면 인성이 저하되어 강재가 취화된다. 이러한 관점에서, Mn량을 1.2% 이하로 정했다. Mn량의 바람직한 상한은 1.0% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.85% 이하이다.

P: 0% 초과 0.015% 이하

P는 선재 등의 압연재의 연성, 예를 들면 코일링성을 열화시키는 유해 원소이기 때문에, 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 또한, P는 입계에 편석되기 쉬워, 입계 취화를 초래하고, 수소에 의해 입계가 파괴되기 쉬워져, 내수소취성에 악영향을 미친다. 이러한 관점에서, P량을 0.015% 이하로 정했다. P량의 바람직한 상한은 0.010% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다. P량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 통상 0.001% 정도 포함된다.

S: 0% 초과 0.015% 이하

S는 상기한 P와 마찬가지로 압연재의, 코일링성 등의 연성을 열화시키는 유해 원소이기 때문에, 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 또한, S는 입계에 편석되기 쉬워, 입계 취화를 초래하고, 수소에 의해 입계가 파괴되기 쉬워져, 내수소취성에 악영향을 미친다. 이러한 관점에서, S량을 0.015% 이하로 정했다. S량의 바람직한 상한은 0.010% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.008% 이하이다. S량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 통상 0.001% 정도 포함된다.

Al: 0.001∼0.1%

Al은 주로 탈산 원소로서 첨가된다. 또한, N과 반응해서 AlN을 형성하여 고용 N을 무해화함과 더불어 조직의 미세화에도 기여한다. 이들 효과를 충분히 발휘시키기 위해, Al량을 0.001% 이상으로 정했다. Al량의 바람직한 하한은 0.002% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.005% 이상이다. 그러나, Al은 Si와 마찬가지로 탈탄을 촉진시키는 원소이기도 하기 때문에, Si를 많이 함유하는 스프링용 강에서는 Al량을 억제할 필요가 있어, 본 발명에서는 Al량을 0.1% 이하로 정했다. Al량의 바람직한 상한은 0.07% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.030% 이하, 특히 바람직하게는 0.020% 이하이다.

Cu: 0.10∼0.80%

Cu는 표층 탈탄의 억제나 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 그래서 Cu량은 0.10% 이상으로 정했다. Cu량의 바람직한 하한은 0.15% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 그러나, Cu가 과잉으로 포함되면, 열간 가공 시에 균열이 발생하거나 비용이 증가한다. 그래서, Cu량을 0.80% 이하로 정했다. Cu량의 바람직한 상한은 0.70% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다. Cu량은 0.48% 이하인 것이나, 0.35% 이하인 것이나, 0.30% 이하인 것도 바람직하다.

Ni: 0.10∼0.80%

Ni는 Cu와 마찬가지로 표층 탈탄의 억제나 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 그래서 Ni량을 0.10% 이상으로 정했다. Ni량의 바람직한 하한은 0.15% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.20% 이상이다. 그러나, Ni가 과잉으로 포함되면 비용이 증가한다. 따라서 Ni량을 0.80% 이하로 정했다. Ni량의 바람직한 상한은 0.70% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.60% 이하이다. Ni량은 0.48% 이하인 것이나, 0.35% 이하인 것이나, 0.30% 이하인 것도 바람직하다.

O: 0% 초과 0.0010% 이하

강재 중에 산소가 존재하면, Al₂O₃, SiO₂, CaO, MgO, TiO₂등의 산화물계 개재물이 형성된다. 산화물계 개재물은 경질이어서, 주위의 소지와의 경도차에 의해 산화물계 개재물의 주위에 변형이 생긴다. 이 변형에 수소가 집적하여, 주위의 입계를 취화시킨다. 그 때문에, 산소량을 저감시키는 것이 부식 피로 특성을 향상시키는 데 있어서 중요해진다. 그래서, O량의 상한은 0.0010% 이하로 정했다. 바람직하게는 0.0008% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0006% 이하이다. 한편, O량의 하한은, 공업 생산상, 일반적으로는 0.0002% 이상이다.

본 발명의 압연재의 기본 성분은 상기와 같고, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원재료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 들어가는 Ca, Mg, N 등의 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다. 본 발명의 스프링용 압연재는, 상기의 화학 조성으로, 고강도에서 우수한 코일링성과 내수소취성을 달성할 수 있지만, 용도에 따라 내식성의 향상 등을 목적으로 하여, 하기 원소를 추가로 함유시켜도 된다.

Cr: 0% 초과 1.2% 이하

Cr은 내식성의 향상에 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Cr량은 0.05% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.08% 이상, 더 바람직하게는 0.10% 이상이다. 그러나, Cr은 탄화물 생성 경향이 강하여, 강재 중에서 독자의 탄화물을 형성함과 더불어, 시멘타이트 중에 고농도로 녹아들기 쉬운 원소이다. 소량의 Cr을 함유하는 것은 유효하지만, 고주파 가열에서는 담금질 공정의 가열 시간이 단시간이 되므로, 탄화물, 시멘타이트 등을 모재에 녹아들게 하는 오스테나이트화가 불충분해지기 쉽다. 그 때문에, Cr을 많이 함유하고 있으면, Cr계 탄화물이나 금속 Cr이 고농도로 고용된 시멘타이트의 용해 잔사가 발생하여, 응력 집중원이 되어 파괴되기 쉬워, 내수소취성이 열화되게 된다. 따라서, Cr량은 1.2% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8% 이하이며, 더 바람직하게는 0.6% 이하이다.

Ti: 0% 초과 0.13% 이하

Ti는 S와 반응해서 황화물을 형성하여 S의 무해화를 도모하는 데 유용한 원소이다. 또한, Ti는 탄질화물을 형성하여 조직을 미세화하는 효과도 갖는다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Ti량은 0.02% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.05% 이상이며, 더 바람직하게는 0.06% 이상이다. 그러나, Ti량이 과잉이 되면, 조대한 Ti 황화물이 형성되어 연성이 열화되는 경우가 있다. 따라서, Ti량은 0.13% 이하가 바람직하다. 비용 저감의 관점에서는 0.10% 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.09% 이하가 보다 바람직하다.

B: 0% 초과 0.01% 이하

B는 담금질성 향상 원소이고, 또한 구 오스테나이트 결정립계를 강화하는 효과가 있어, 파괴의 억제에 기여하는 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, B량은 0.0005% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0010% 이상이다. 그러나, B량이 과잉이 되어도 상기 효과가 포화되기 때문에, B량은 0.01% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.0050% 이하, 더 바람직하게는 0.0040% 이하이다.

Nb: 0% 초과 0.1% 이하 및 Mo: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종

Nb는 C나 N과 탄질화물을 형성하여, 주로 조직 미세화에 기여하는 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Nb량은 0.003% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.005% 이상이며, 더 바람직하게는 0.01% 이상이다. 그러나, Nb량이 과잉이 되면 조대 탄질화물이 형성되어 강재의 연성이 열화된다. 그래서, Nb량은 0.1% 이하가 바람직하다. 비용 저감의 관점에서는 0.07% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo도 Nb와 마찬가지로, C나 N과 탄질화물을 형성하여, 조직 미세화에 기여하는 원소이다. 또한 템퍼링 후의 강도 확보에도 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해, Mo량은 0.15% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.20% 이상, 더 바람직하게는 0.25% 이상이다. 그러나, Mo량이 과잉이 되면, 조대 탄질화물이 형성되어 강재의 연성, 예를 들면 코일링성이 열화된다. 그래서, Mo량은 0.5% 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.4% 이하이다.

Nb 및 Mo는 각각 단독으로 함유시켜도 되고, 2종을 조합하여 함유시켜도 된다. 또한, 본 발명의 압연재는 불가피 불순물로서 N을 포함하고 있고, 이의 양은 하기 범위로 조정되어 있는 것이 바람직하다.

N: 0% 초과 0.007% 이하

N량은 불가피 불순물에 포함되는 원소이지만, 많아질수록 Ti나 Al과 함께 조대한 질화물을 형성하여, 피로 특성에 악영향을 미치기 때문에, N량은 가능한 한 적은 것이 바람직하다. N량은 예를 들면 0.007% 이하로 해도 되고, 보다 바람직하게는 0.005% 이하이다. 한편, N량을 지나치게 저감하면 생산성이 현저하게 저하된다. 또한, N은 Al과 함께 질화물을 형성하여 결정립의 미세화에 공헌한다. 이와 같은 관점에서는, N량을 0.001% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.002% 이상, 더 바람직하게는 0.003% 이상이다.

다음으로, 본 발명의 압연재의 제조 방법에 대해 설명한다. 상기 화학 조성을 갖는 강을 용제하고, 연속 주조, 분괴 압연, 열간 압연한다고 하는 일련의 공정 에 있어서, (A) 용강 단계의 수소량, (B) 분괴 압연 전의 균질화 처리 온도 및 시간, (C) 열간 압연 후의 400∼100℃까지의 냉각 속도 중 적어도 하나를 조정하는 것에 의해 압연재의 비확산성 수소량을 제어할 수 있다.

응고 후의 강 중의 수소를 저감시키기 위해서는, 강 중의 수소를 확산에 의해 제거할 필요가 있고, 강재 표면으로부터 수소를 방출시키기 위해서는, 수소의 확산 속도를 빠르게 하도록, 고온 및 장시간의 가열이 유효하다. 구체적으로는, 강 중의 수소량을 저감하는 방법으로서, 용강 단계에서의 조정, 응고 후 1000℃ 이상의 연속 주조 재료의 단계에서의 조정, 열간 압연 전의 가열 단계에서의 조정, 압연 가열 중의 단계에서의 조정, 및 압연 후의 냉각 단계에서의 조정을 들 수 있다. 그 중에서도 특히, 이하에 나타내는 (A)∼(C)의 비확산성 수소의 저감 처리를 적어도 하나 행하는 것이 유효하다.

(A) 용강 처리로 탈가스 처리를 행하여, 용강 중의 수소량을 2.5질량ppm 이하로 한다.

예를 들면, 2차 정련 공정에서 래들(取鍋; ladle) 중에 두 개의 침지관을 구비한 진공조를 장착하고, 한쪽의 침지관 측면으로부터 Ar 가스를 취입하여, 그 부력을 이용해서 용강을 진공조로 환류시키는 진공 탈가스를 행하는 것이 효과적이다. 이 방법은 수소 제거 능력이 우수하다. 용강 중의 수소량은 2.0질량ppm 이하가 바람직하고, 1.5질량ppm 이하가 보다 바람직하며, 특히 바람직하게는 1.0질량ppm 이하이다.

(B) 분괴 압연 전의 균질화 처리(가열)를, 1100℃ 이상, 바람직하게는 1200℃ 이상에서 10시간 이상 행한다.

(C) 열간 압연 후의 400∼100℃까지의 평균 냉각 속도를 0.5℃/초 이하, 바람직하게는 0.3℃/초 이하로 한다.

특히 강재의 단면적이 큰 경우는 장시간의 가열이 필요해지지만, 강재를 장시간 가열하면 탈탄이 촉진되기 때문에, 그와 같은 경우는 상기 (A)를 행하여 강 중의 수소량을 저감하는 것이 바람직하다.

또한, 열간 압연 후의 코일 권취 온도 TL이나, 권취 후의 400∼100℃의 온도 범위 이외의 냉각 조건은 특별히 한정되지 않는다.

코일 권취 온도 TL은, 예를 들면 900℃ 이상, 1000℃ 이하로 할 수 있고, 바람직하게는 910℃ 이상, 보다 바람직하게는 930℃ 이상이다. 또한, 코일 권취 온도 TL∼650℃의 평균 냉각 속도는 2℃/초 이상, 5℃/초 이하로 할 수 있다. 코일 권취 온도 TL∼650℃의 평균 냉각 속도의 하한은, 바람직하게는 2.3℃/초 이상이고, 보다 바람직하게는 2.5℃/초 이상이다. 또한, 코일 권취 온도 TL∼650℃의 평균 냉각 속도의 상한은, 바람직하게는 4.5℃/초 이하이고, 보다 바람직하게는 4℃/초 이하이다. 추가로, 650∼400℃의 평균 냉각 속도는 2℃/초 이하로 할 수 있다. 650∼400℃의 평균 냉각 속도는, 바람직하게는 1.5℃/초 이하이고, 보다 바람직하게는 1℃/초 이하이다. 해당 평균 냉각 속도의 하한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 0.3℃/초 정도이다.

산화물계 개재물의 저감

산화물계 개재물을 저감하기 위해서는, 선재의 산소 함유량을 규정치 이하로 할 필요가 있다. 또한, 알루미늄이나 실리콘으로 충분히 탈산을 행함과 더불어, 충분히 탈가스를 행함으로써 개재물을 저감하여, 고청정화를 도모할 수 있고, 산화물계 개재물을 저감할 수 있다.

예를 들면 자동차 등에 이용되는 코일 스프링을 제조하기 위해서는, 상기한 압연재를 와이어 가공, 즉 신선 가공하여 와이어를 제조할 필요가 있고, 예를 들면 냉간 권취 스프링에서는 와이어 가공 후, 고주파 가열 등으로 담금질 템퍼링을 행하는 것이며, 이와 같은 와이어도 본 발명에 포함된다.

인장 강도로 1900MPa 이상의 고강도 와이어는, 압연재를 와이어 가공, 즉 신선 가공 후, 고주파 가열 등으로 담금질 템퍼링을 행함으로써 얻어진다. 구체적으로는, 압연재를 5∼35% 정도의 감면율로 신선 가공하고, 그 후 900∼1000℃ 정도에서 담금질하고, 300∼520℃ 정도에서 템퍼링을 행한다. 담금질 온도는, 충분히 오스테나이트화시키기 위해서 900℃ 이상이 바람직하고, 결정립 조대화를 방지하기 위해서 1000℃ 이하가 바람직하다. 또한 템퍼링의 가열 온도는, 와이어 강도의 목표치에 맞추어 300∼520℃의 범위에서 적절한 온도로 설정하면 된다. 또한, 담금질 템퍼링을 고주파 가열에 의해 행하는 경우는, 담금질 템퍼링의 시간은 각각 10∼60초 정도이다.

담금질 템퍼링 후의 조직은, 템퍼링 마텐자이트 조직을 80면적% 이상으로 할 필요가 있다. 조직 중에 미고용 페라이트나, 잔류 오스테나이트의 비율이 많아지면 강도가 저하된다. 담금질 템퍼링 후의 조직은, 바람직하게는 템퍼링 마텐자이트 조직이 85면적% 이상이다. 템퍼링 마텐자이트 조직의 비율을 80면적% 이상으로 하기 위해서도, 담금질 가열 시에 900℃ 이상으로 가열하여, 충분히 오스테나이트화시키고, 그 후, 수냉 또는 유냉에 의해 100℃ 이하까지 냉각하는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 얻어지는 본 발명의 와이어는, 1900MPa 이상의 높은 인장 강도를 실현할 수 있다. 인장 강도는, 스프링 설계 강도에 맞추어 선택하면 되고, 통상, 1900MPa∼2200MPa로 선택된다. 인장 강도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 대체로 2500MPa 정도이다. 또한 본 발명의 와이어는, 본 발명의 압연재를 이용하고 있기 때문에 1900MPa 이상의 고강도에서도 우수한 부식 피로 특성을 발휘할 수 있다.

본원은 2014년 2월 28일에 출원된 일본 특허출원 제2014-039368호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2014년 2월 28일에 출원된 일본 특허출원 제2014-039368호의 명세서의 전체 내용이, 본원에 참고를 위해 원용된다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 상기, 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예

하기 표 1∼3에 나타내는 화학 성분 조성의 강재를 전로 용제로 용제하고, 연속 주조 후, 1100℃ 이상에서 균질화 처리를 행했다. 균질화 처리 후, 분괴 압연을 행하고, 1000∼1280℃에서 가열한 후, 열간 압연을 행하여, 직경 14.3mm의 압연재, 즉 선재를 얻었다. 전술한 방법에 의한 용강의 탈가스 처리의 유무, 권취 후의 냉각의 유무, 즉 압연 후의 400∼100℃에서의 냉각을 평균 냉각 속도 0.5℃/초 이하로 행했는지 여부는, 하기 표 4∼6에 나타내는 바와 같다. 또한, 표 4∼6에 나타내는 용강 중의 O량은, 알루미늄이나 실리콘으로의 탈산의 정도를 제어하는 것에 의해 조정했다.

이때, 열간 압연 후의 코일 권취 온도 TL은 950℃로 하고, 권취 후의 다른 냉각은, TL∼650℃까지는 4℃/초의 평균 냉각 속도, 650∼400℃까지는 1℃/초의 평균 냉각 속도로 냉각했다. 또한 균질화 처리의 란에 「실시」라고 기재된 시험예는, 1100℃에서의 균질화 처리를 10시간 이상 행하고 있고, 「-」라고 기재된 시험예에서는 1100℃에서의 균질화 처리의 시간이 10시간 미만이다.

얻어진 선재에 대해, 이하의 요령으로 비확산성 수소량, 산화물계 개재물의 개수를 측정했다. 그 결과를 표 4∼6에 나타낸다. 한편, 표 4∼6에 있어서, 압연재 중의 평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물의 개수는 「압연재 중의 25μm 이상의 개재물 개수」라고 표기했다.

비확산성 수소량

상기 압연재, 즉 선재로부터 폭 20mm×길이 40mm의 시험편을 잘라냈다. 가스 크로마토그래피 장치를 이용하여, 해당 시험편을 100℃/시간의 승온 속도로 승온해서 300∼600℃에서의 방출 수소량을 측정하여, 이것을 비확산성 수소량으로 했다.

산화물계 개재물의 개수

산화물계 개재물의 개수는, 50g의 압연재 샘플을 6개 조사한 결과의 평균치를 구하여, 100g당의 개수로 환산해서 산출했다. 개재물 개수는 산 용해법에 의해 조사했다. 상기 50g의 샘플을 산에 의해 용해시키고, 용해되다 남은 개재물을 여과지 상에 잔존시키고, EPMA에 의해 평균 직경이 25μm 이상인 개재물을 선별하여, EDX(Energy Dispersive X-ray spectrometry: 에너지 분산형 X선 분석)으로 분석하고, 산화물계 개재물을 선별했다. 상기한 6개의 각 샘플에 대해, 평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물의 개수를 측정하고 이들의 평균치를 구하여, 강재 100g당의 개수로 환산했다. 이때, 산에 의한 용해에는, 산화물계 개재물이 용해되지 않도록 조정한 질산을 이용했다. 산화물계 개재물의 평균 직경은, 장경과 단경의 평균치, 즉 장경과 단경의 합을 2로 나눈 값을 의미한다. 한편, 산화물 개재물 개수를 저감하기 위해서, 전로 용제 시에 충분히 진공 탈가스를 행하여, 산소 제거를 실시했다.

다음으로, 상기 선재를 직경 12.5mm까지 신선, 즉 냉간 인발 가공하고, 담금질 템퍼링을 행했다. 상기 신선 가공의 감면율은 약 23.6%이고, 담금질 템퍼링의 조건은 이하와 같다.

담금질 템퍼링 조건

·고주파 가열

·가열 속도: 200℃/초

·담금질: 950℃, 20초, 수냉각

·템퍼링: 300∼520℃의 각 온도, 20초, 수냉각

상기의 담금질 템퍼링을 행함으로써, 템퍼링 마텐자이트의 면적률이 80% 이상을 차지하는 조직을 얻을 수 있다. 이 시험에서는, 전부 템퍼링 마텐자이트의 면적률이 80% 이상인 것을 확인했다.

신선 및 담금질 템퍼링 후의 와이어에 대해, 인장 강도, 부식 피로 특성의 평가를 행했다. 그 결과를, 하기 표 4∼6에 병기한다.

인장 강도의 측정

담금질 템퍼링 후의 와이어를 소정 길이로 절단하고, 척 간 거리 200mm, 인장 속도 5mm/min으로 하여, JIS Z2241(2011)에 따라서 인장 시험을 행했다.

부식 피로 특성의 평가

부식 피로 특성은, 부식 처리를 실시한 후에, 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 행하여, 그 파단 수명으로 평가했다. 시험편은, 담금질 템퍼링한 와이어를 절삭하여, JIS Z 2274(1978)의 1호 시험편을 제작했다. 이 시험편의 평행부를 800번의 에머리지로 연마했다. 표면에 쇼트 피닝은 실시하지 않고 시험을 실시했다. 우선, 가공한 시험편에, 이하의 조건에서 부식 처리를 실시했다.

부식 처리

35℃, 5% NaCl 수용액을 이용해서, 염수 분무를 8시간 행한 후, 건조하여, 35℃, 상대 습도 60%의 습윤 환경에서 16시간 유지하고, 이것을 1사이클로 해서, 전부 10사이클 반복하여 행하여, 시험편에 대해서 부식 처리를 실시했다. 부식 처리 후의 시험편에 대해서, 회전 굽힘 시험을 실시하여, 부식 피로 특성을 평가했다. 각 시험마다 10개의 시험편을 이용하여 부하 응력 500MPa로 설정해서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 실시하여, 각 시험편이 파손될 때까지의 피로 수명을 측정했다. 10개의 시험편에 있어서의 피로 수명의 평균치를 측정하여, 피로 수명의 평균치가 10만회 이상인 것을 부식 피로 수명이 우수하다고 평가했다.

이들의 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 즉, 표 4에 나타낸 시험 No. 1∼16, 및 표 6에 나타낸 시험 No. 32∼48은, 강재의 화학 조성이 적절히 조정된 강을, 전술한 바람직한 제조 조건에 의해 제조하고 있기 때문에, 산화물계 개재물의 개수, 비확산성 수소량이 본 발명에서 규정하는 범위를 만족하고 있다. 이와 같은 선재를 신선 가공하여, 담금질 템퍼링한 후의 와이어는, 모두 1900MPa 이상의 우수한 인장 강도를 갖고 있다. 더욱이, 담금질 템퍼링 후의 와이어는, 모두 10만회 이상의 피로 수명을 발휘하고 있어, 부식 피로 특성이 우수하다.

이에 비해, 표 5에 나타낸 시험 No. 17∼31은, 본 발명에서 규정하는 강재의 화학 조성, 산화물계 개재물의 개수, 비확산성 수소량의 요건 중 적어도 어느 하나가 부적절했기 때문에, 부식 피로 특성에 있어서 뒤떨어지는 결과가 되어 있다.

시험 No. 17, 18은, Cu, Ni가 첨가되어 있지 않거나, 규정하는 하한에 미치지 않는 강종 17, 18을 이용한 예로, 부식 피로 특성이 열화됐다. 시험 No. 19∼24는, 탈산 처리가 불충분하여 강 중의 O량이 과잉이 되어 있어, 압연재 중의 산화물계 개재물의 개수가 많아져, 부식 피로 특성이 열화됐다.

시험 No. 25∼29는, 강 중의 O량은 적정한 범위로 제어되고 있지만, 상기한 비확산성 수소 저감 처리를 모두 행하고 있지 않기 때문에, 압연재 중의 비확산성 수소량이 많아져, 피로 수명이 10만회 미만이 되어 부식 피로 특성이 열화됐다.

시험 No. 30, 31은, 탈산 처리가 불충분하여 강 중의 O량이 과잉이 되어 있고, 또한 상기한 비확산성 수소 저감 처리를 모두 행하고 있지 않기 때문에, 압연재 중의 산화물계 개재물의 개수가 많아지고, 또한 압연재 중의 비확산성 수소량이 많아져, 모두 피로 수명이 10만회 미만이 되어 부식 피로 특성이 열화됐다.

이들의 결과에 기초하여, 압연재 중의 산화물계 개재물의 개수나 비확산성 수소량이 부식 피로 특성에 주는 영향을 도 1에 나타낸다. 도 1에 있어서, ○표의 발명예는, 표 4의 시험 No. 1∼16을 나타내고 있고, ×표의 비교예는, 표 5의 시험 No. 19∼31을 나타내고 있으며, 압연재 중의 산화물계 개재물의 개수는 「개재물 수」라고 표기했다. 이 결과로부터 분명한 바와 같이, 산화물계 개재물의 개수나 비확산성 수소량을 엄밀하게 규정하는 것은, 부식 피로 특성을 향상시키는 데 있어서 유효하다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 압연재 및 와이어는, 자동차 등에 이용되는 코일 스프링, 예를 들면 엔진이나 서스펜션 등에 사용되는 밸브 스프링, 현가 스프링 등에 적합하게 이용할 수 있어, 산업상 유용하다.

Claims

질량%로,
C: 0.39∼0.65%,
Si: 1.5∼2.5%,
Mn: 0.15∼1.2%,
P: 0% 초과 0.015% 이하,
S: 0% 초과 0.015% 이하,
Al: 0.001∼0.1%,
Cu: 0.10∼0.80%,
Ni: 0.10∼0.80% 및
O: 0% 초과 0.0010% 이하
를 각각 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이며,
평균 직경이 25μm 이상인 산화물계 개재물이, 강재 100g당 30개 이하이고, 또한 비확산성 수소량이 0.40질량ppm 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 압연재.
제 1 항에 있어서, 　
질량%로 이하의 (a)∼(d)의 어느 것에 속하는 1종 이상을 추가로 함유하는 고강도 스프링용 압연재.
(a) Cr: 0% 초과 1.2% 이하
(b) Ti: 0% 초과 0.13% 이하
(c) B: 0% 초과 0.01% 이하
(d) Nb: 0% 초과 0.1% 이하 및 Mo: 0% 초과 0.5% 이하 중 적어도 1종
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 강의 화학 성분으로 이루어지고, 템퍼링 마텐자이트의 면적률이 80% 이상이며, 인장 강도가 1900MPa 이상인 것을 특징으로 하는 고강도 스프링용 와이어.