KR20170041917A - 볼트용 강 및 볼트 - Google Patents
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Abstract
강재로서의 강도를 유지한 채로, 냉간 단조성이 우수함과 더불어, 내지연파괴성도 우수한 고강도 볼트용 강, 및 그와 같은 볼트용 강으로부터 얻어지는 볼트를 제공한다. 본 발명의 고강도 볼트용 강은, 질량%로, C: 0.20∼0.40%, Si: 1.5∼2.5%, Mn: 0.20∼1.5%, P: 0% 초과 0.03% 이하, S: 0% 초과 0.03% 이하, Cr: 0.05∼1.5%, Al: 0.01∼0.10%, B: 0.0003∼0.01%, N: 0.002∼0.020%를 각각 함유함과 더불어, Ti: 0.02∼0.10% 및 Nb: 0.02∼0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물이다.
Description
본 발명은 자동차나 각종 산업 기계 등에 이용되는 볼트용 강, 및 이 볼트용 강을 이용하여 얻어지는 볼트에 관한 것으로, 특히 인장 강도가 1100MPa 이상이어도 우수한 내지연파괴성과 냉간 단조성을 발휘하는 볼트용 강 및 볼트에 관한 것이다.
철강 재료에 응력이 부여되고 나서 어느 시간을 경과한 후에 발생하는 지연 파괴의 원인에 대해서는, 여러 가지의 요인이 복잡하게 얽혀 있다고 생각되므로, 그 원인을 특정하는 것은 어렵다. 그러나 일반적으로는, 수소 취화 현상이 관여하고 있다는 점에서 공통의 인식을 가지고 있다.
한편, 지연 파괴 현상을 좌우하는 인자로서는, 템퍼링 온도, 조직, 재료 경도, 결정 입도, 각종 합금 원소의 영향 등이 일단 확인되고는 있지만, 지연 파괴의 방지 수단이 확립되어 있는 것은 아니고, 여러 가지의 방법이 시행 착오적으로 제안되어 있는 것에 지나지 않다는 것이 실정이다.
지금까지도 지연 파괴에 대한 특성(이하, 이것을 「내지연파괴성」이라고 부름)이 우수한 고강도 강재와 볼트에 대하여 제안되고 있다. 예를 들면 특허문헌 1∼3은, 내지연파괴성이 우수한 고강도 강재와 볼트에 관한 기술이고, 표층의 질소 농도를 높게 함으로써 우수한 내지연파괴성을 확보하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 볼트의 사용 환경에서 부식이 진행되어 질화층이 탈락한 경우에는 내지연파괴성이 크게 저하된다는 문제가 있다. 게다가, 질화층을 형성하기 위해서 특수한 열처리가 필요해져, 생산성이나 비용면에서 과제를 남기고 있다.
본 발명은 상기와 같은 사정에 비추어 이루어진 것으로, 그 목적은, 강재로서의 강도를 유지한 채로, 냉간 단조성이 우수함과 더불어, 내지연파괴성도 우수한 볼트용 강, 및 그와 같은 볼트용 강으로부터 얻어지는 볼트를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 볼트용 강이란, 질량%로, C: 0.20∼0.40%, Si: 1.5∼2.5%, Mn: 0.20∼1.5%, P: 0% 초과 0.03% 이하, S: 0% 초과 0.03% 이하, Cr: 0.05∼1.5%, Al: 0.01∼0.10%, B: 0.0003∼0.01%, N: 0.002∼0.020%를 각각 함유함과 더불어, Ti: 0.02∼0.10% 및 Nb: 0.02∼0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물인 점에 요지를 갖는다.
본 발명의 고강도 볼트용 강에는, 필요에 따라서, 추가로,
(a) Cu: 0% 초과 0.5% 이하, Ni: 0% 초과 1.0% 이하 및 Sn: 0% 초과 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상,
(b) Mo: 0% 초과 1.5% 이하,
(c) V: 0% 초과 0.5% 이하, W: 0% 초과 0.5% 이하, Zr: 0% 초과 0.3% 이하, Mg: 0% 초과 0.01% 이하 및 Ca: 0% 초과 0.01% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상,
등을 함유시키는 것도 유용하며, 이에 의해 고강도 볼트용 강의 특성이 더 개선된다.
본 발명은, 상기와 같은 화학 성분 조성을 갖고, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 볼트도 포함한다.
(L/L0)×100 ≤ 60 ···(1)
단, L: 오스테나이트 결정 입계에 석출된 두께 50nm 이상의 석출물의 합계 길이,
L0: 오스테나이트 결정 입계의 길이를 나타낸다.
본 발명에 따른 볼트는, 질화 처리층을 갖지 않는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 볼트는, 오스테나이트 결정 입도 번호가 8 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 강의 화학 성분 조성을 적절히 제어하고 있기 때문에, 볼트용 강의 냉간 단조성과 내지연파괴성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있다.
본 발명자들은, 냉간 단조성과 내지연파괴성을 양립시킬 수 있는 볼트용 강을 실현하기 위해, 특히 화학 성분 조성을 적절히 제어한다는 관점에서 검토했다. 그 결과, Si 함유량을 비교적 높게 해서 결정 입계에 석출되는 석출물을 가능한 한 적게 함과 더불어, 화학 성분 조성을 적절히 조정해 주면, 상기 목적에 적합한 볼트용 강을 실현할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.
본 발명에 따른 볼트용 강의 화학 성분 조성을 규정한 이유는 하기와 같다.
C: 0.20∼0.40%
C는 강의 강도를 확보하기 위해서 유효한 원소이다. 목표로 하는 인장 강도: 1100MPa 이상을 확보하기 위해, C는 0.20% 이상 함유시킬 필요가 있다. C량의 바람직한 하한은 0.23% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.25% 이상이다. 그러나, C 함유량이 과잉이 되면, 내지연파괴성이 열화되기 때문에, 그의 상한을 0.40% 이하로 했다. C량의 바람직한 상한은 0.35% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 0.32% 이하이다.
Si: 1.5∼2.5%
Si는 탈산제로서 작용함과 더불어, 강의 강도를 확보하기 위해서 유효한 원소이다. 또한, Si는 후술하는 G값에 영향을 주는 조대한 시멘타이트의 석출을 억제하여, 내지연파괴성을 향상시키는 작용도 발휘한다. 이들 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si는 1.5% 이상 함유시킬 필요가 있다. Si량의 바람직한 하한은 1.6% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 1.7% 이상이다. 한편, Si 함유량이 과잉이 되면, 냉간 단조성이 열화되기 때문에, 그의 상한을 2.5% 이하로 할 필요가 있다. Si량의 바람직한 상한은 2.2% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 2.0% 이하이다.
Mn: 0.20∼1.5%
Mn은 강의 강도를 확보함과 더불어, S와 화합물을 형성하여, 내지연파괴성을 열화시키는 FeS의 생성을 억제하는 작용을 발휘하는 데 유효한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn은 0.20% 이상 함유시킬 필요가 있다. Mn량의 바람직한 하한은 0.30% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.40% 이상이다. 한편, Mn 함유량이 과잉이 되면, 내지연파괴성이 열화되기 때문에, 그의 상한을 1.5% 이하로 할 필요가 있다. Mn량의 바람직한 상한은 1.3% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 1.1% 이하이다.
P: 0% 초과 0.03% 이하
P는 결정 입계에 농화됨으로써 강의 인연(靭延)성을 저하시켜, 내지연파괴성을 열화시키는 불순물 원소이다. P의 함유량을 0.03% 이하로 함으로써, 내지연파괴성이 크게 향상된다. P량은, 바람직하게는 0.015% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.010% 이하이다. P의 함유량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 제로(0)로 하는 것은 제조상 곤란하여, 0.003% 정도는 함유된다.
S: 0% 초과 0.03% 이하
S도 P와 마찬가지로, 결정 입계 상에 농화됨으로써 강의 인연성을 저하시켜, 내지연파괴성을 열화시키는 불순물 원소이다. S의 함유량을 0.03% 이하로 함으로써, 내지연파괴성이 크게 향상된다. S량은, 바람직하게는 0.015% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.010% 이하이다. S의 함유량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 제로로 하는 것은 제조상 곤란하여, 0.003% 정도는 함유된다.
Cr: 0.05∼1.5%
Cr은 강의 내식성을 향상시킴과 더불어, 내지연파괴성을 확보하기 위해서 유효한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr은 0.05% 이상 함유시킬 필요가 있다. Cr량의 바람직한 하한은 0.10% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.20% 이상이다. 한편, Cr 함유량이 과잉이 되면, 조대한 탄화물이 생성되어 냉간 단조성이 열화됨과 더불어, 비용 증가를 초래하기 때문에, 그의 상한을 1.5% 이하로 할 필요가 있다. Cr량의 바람직한 상한은 1.3% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 1.0% 이하이다.
Al: 0.01∼0.10%
Al은 탈산제로서 작용함과 더불어, 질화물을 형성하여 결정립의 미세화나 냉간 단조성을 향상시키기 위해서 유효한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Al은 0.01% 이상 함유시킬 필요가 있다. Al량의 바람직한 하한은 0.03% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.04% 이상이다. 한편, Al 함유량이 과잉이 되면, 조대한 질화물을 생성하여 냉간 단조성이 열화되기 때문에, 그의 상한을 0.10% 이하로 할 필요가 있다. Al량의 바람직한 상한은 0.08% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 0.06% 이하이다.
B: 0.0003∼0.01%
B는 강의 담금질성을 향상시킴과 더불어, 구 오스테나이트 결정 입계 상에 분산됨으로써 P나 S 등의 입계 편석 원소의 농화를 억제하고, 결정 입계를 청정화함으로써 내지연파괴성을 향상시키기 위해서 유효한 원소이다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, B는 0.0003% 이상 함유시킬 필요가 있다. B량의 바람직한 하한은 0.0008% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.001% 이상이다. 한편, B 함유량이 과잉이 되면, 조대한 화합물을 생성하여 내지연파괴성이 열화되기 때문에, 그의 상한을 0.01% 이하로 했다. B량의 바람직한 상한은 0.005% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 0.003% 이하이다.
N: 0.002∼0.020%
N은 Al, Ti 및 Nb와 질화물을 형성하여, 결정립을 미세화시키기 위해서 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, N은 0.002% 이상 함유시킬 필요가 있다. N량의 바람직한 하한은 0.003% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.0035% 이상이다. 한편, N 함유량이 과잉이 되면, 화합물을 형성하지 않고서 고용 상태가 되어 있는 N량이 증가하여 냉간 단조성이 저하되기 때문에, 상한을 0.020% 이하로 했다. N량의 바람직한 상한은 0.010% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 0.008% 이하이다.
Ti: 0.02∼0.10% 및 Nb: 0.02∼0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종
Ti와 Nb는 N과 질화물을 형성하여, 결정립을 미세화시키는 데 유효한 원소이다. 또한, Ti나 Nb의 질화물을 형성함으로써, B의 질화물이 형성되기 어려워져, 프리 B가 증가함으로써 강의 담금질성이 향상된다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti 및 Nb 중 적어도 1종을 0.02% 이상 함유시킬 필요가 있다. Ti량 및 Nb량의 바람직한 하한은 모두 0.03% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.04% 이상이다. 한편, Ti 함유량 및 Nb 함유량이 과잉이 되면, 조대한 탄질화물이 형성되어 냉간 단조성이나 내지연파괴성이 열화된다. 이러한 관점에서, 그들의 상한을 모두 0.10% 이하로 했다. Ti량 및 Nb량의 바람직한 상한은 모두 0.08% 이하이고, 보다 바람직한 상한은 0.06% 이하이다.
본 발명에 따른 볼트용 강의 기본 성분은 상기와 같고, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 혼입되는 불가피적 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다.
또한 본 발명의 볼트용 강에는, 필요에 따라서, 이하의 원소를 함유시키는 것도 유효하다.
(a) Cu: 0% 초과 0.5% 이하, Ni: 0% 초과 1.0% 이하 및 Sn: 0% 초과 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상
Cu, Ni 및 Sn은 강의 내식성을 향상시킴과 더불어, 내지연파괴성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 이들 원소는 그의 함유량이 증가함에 따라 그 효과가 증대되지만, 각각의 원소가 과잉이 되면, 하기와 같은 문제가 생긴다. 즉, Cu 함유량이 과잉이 되면, 상기 효과가 포화됨과 더불어, 열간 연성이 저하되어 강의 생산성이 저하된다. 또한, 냉간 단조성의 저하나 인성의 저하를 초래하게도 된다. 이러한 관점에서, Cu를 함유시킬 때의 상한은 0.5% 이하인 것이 바람직하다. Cu량의 보다 바람직한 상한은 0.4% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.35% 이하이다.
또한, Ni 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, Ni를 함유시킬 때의 상한은 1.0% 이하인 것이 바람직하다. Ni량의 보다 바람직한 상한은 0.8% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.7% 이하이다.
또, Sn 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, Sn을 함유시킬 때의 상한은 0.5% 이하인 것이 바람직하다. Sn량의 보다 바람직한 상한은 0.4% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.3% 이하이다.
한편, 상기의 효과를 발휘시키기 위해서는, Cu 함유량의 하한은 0.03% 이상인 것이 바람직하다. Cu량의 보다 바람직한 하한은 0.1% 이상이고, 더 바람직한 하한은 0.15% 이상이다. 또한, Ni를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.1% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.2% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.3% 이상이다. Sn에 대해서는, 바람직한 하한은 0.03% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.1% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.15% 이상이다.
(b) Mo: 0% 초과 1.5% 이하
Mo는 강의 강도를 높임과 더불어, 강 중에 미세한 석출물을 형성하여 내지연파괴성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 이들 효과는 그의 함유량이 증가함에 따라 증대되지만, Mo 함유량이 과잉이 되면 제조 비용을 열화시키기 때문에, 그의 상한은 1.5% 이하가 바람직하다. Mo량의 보다 바람직한 상한은 1.2% 이하이고, 더 바람직한 상한은 1.1% 이하이다. 한편, 상기의 효과를 발휘시키기 위해서는, Mo를 함유시킬 때의 하한은 0.03% 이상인 것이 바람직하다. Mo량의 보다 바람직한 하한은 0.10% 이상이고, 더 바람직한 하한은 0.15% 이상이다.
(c) V: 0% 초과 0.5% 이하, W: 0% 초과 0.5% 이하, Zr: 0% 초과 0.3% 이하, Mg: 0% 초과 0.01% 이하 및 Ca: 0% 초과 0.01% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상
V, W, Zr, Mg 및 Ca는 탄질화물을 형성하여, 담금질 가열 시의 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하고, 인연성을 향상시켜, 내지연파괴성을 향상시키는 데 유효하다. 이들 원소는 그의 함유량이 증가함에 따라 그 효과가 증대되지만, 각각의 원소가 과잉이 되면, 하기와 같은 문제가 생긴다. 즉, V 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, V를 함유시킬 때의 상한은 0.5% 이하가 바람직하다. V량의 보다 바람직한 상한은 0.3% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.2% 이하이다.
W 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, W를 함유시킬 때의 상한은 0.5% 이하가 바람직하다. W량의 보다 바람직한 상한은 0.3% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.2% 이하이다.
또한 Zr 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, Zr을 함유시킬 때의 상한은 0.3% 이하가 바람직하다. Zr량의 보다 바람직한 상한은 0.2% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.1% 이하이다.
Mg 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, Mg를 함유시킬 때의 상한은 0.01% 이하가 바람직하다. Mg량의 보다 바람직한 상한은 0.007% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.005% 이하이다.
Ca 함유량이 과잉이 되면 상기 효과가 포화되어 제조 비용의 증가를 초래한다. 이러한 관점에서, Ca를 함유시킬 때의 상한은 0.01% 이하가 바람직하다. Ca량의 보다 바람직한 상한은 0.007% 이하이고, 더 바람직한 상한은 0.005% 이하이다.
한편, 상기의 효과를 발휘시키기 위해서는, V 함유량의 하한은 0.01% 이상인 것이 바람직하다. V량의 보다 바람직한 하한은 0.03% 이상이고, 더 바람직한 하한은 0.05% 이상이다.
W를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.01% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.03% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.05% 이상이다.
Zr을 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.01% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.03% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.05% 이상이다.
Mg를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.0003% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.0005% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.001% 이상이다.
Ca를 함유시킬 때의 바람직한 하한은 0.0003% 이상이고, 보다 바람직한 하한은 0.0005% 이상이며, 더 바람직한 하한은 0.001% 이상이다.
상기의 화학 성분 조성을 갖는 볼트용 강은, 압연 전의 빌릿 재가열 시에 950℃ 이상으로 가열(이하, 이 온도를 「빌릿 재가열 온도」라고 부름)하고, 800∼1000℃의 온도역에서 선재 또는 봉강 형상으로 마무리 압연한 후, 3℃/초 이하의 평균 냉각 속도로 600℃ 이하의 온도까지 냉각하는 것에 의해, 압연 후의 조직이 기본적으로 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직이 된다. 상기 조건에 대하여 설명한다. 단, 본 발명의 볼트용 강은, 압연 후의 조직이 반드시 페라이트와 펄라이트의 혼합 조직일 필요는 없다.
빌릿 재가열 온도: 950℃ 이상
빌릿 재가열에서는, 결정립 미세화에 유효한 Ti나 Nb의 탄화물, 질화물 및 탄질화물(이하, 이것을 「탄·질화물」이라고 부름)을 오스테나이트에 고용시킬 필요가 있고, 그것을 위해서는 빌릿의 재가열 온도를 950℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 온도가 950℃ 미만이 되면 탄·질화물의 고용이 불충분해지고, 이후의 열간 압연에서 미세한 Ti나 Nb의 탄·질화물이 생성되기 어려워져, 담금질 시의 결정립 미세화의 효과가 감소한다. 이 온도는, 보다 바람직하게는 1000℃ 이상이다. 단, 빌릿의 재가열 온도가 1400℃를 초과하면 강의 용해 온도에 가까워지기 때문에, 재가열 온도는 1400℃ 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1300℃ 이하, 더 바람직하게는 1250℃ 이하이다.
마무리 압연 온도: 800∼1000℃
압연에서는, 빌릿 재가열 시에 고용시킨 Ti나 Nb를 미세한 탄·질화물로서 강 중에 석출시킬 필요가 있다. 그것을 위해서는, 마무리 압연 온도를 1000℃ 이하로 하는 것이 바람직하다. 마무리 압연 온도는, 보다 바람직하게는 950℃ 이하이다. 마무리 압연 온도가 1000℃보다도 높아지면, Ti나 Nb의 탄·질화물이 석출되기 어려워지기 때문에, 담금질 시의 결정립 미세화의 효과가 감소한다.
한편, 마무리 압연 온도가 지나치게 낮아지면, 압연 하중의 증가나 표면 흠집의 발생 증대가 있어, 비현실적으로 되기 때문에, 그 하한은 800℃ 이상이 바람직하다. 마무리 압연 온도는, 보다 바람직하게는 850℃ 이상이다. 여기에서, 마무리 압연 온도는 최종 압연 패스 앞 또는 압연 롤군 앞의 방사 온도계로 측정 가능한 표면의 평균 온도로 했다.
마무리 압연 후의 평균 냉각 속도: 3℃/초 이하
마무리 압연 후의 냉각에서는, 이후의 볼트 가공에서의 성형성을 향상시키기 위해, 조직을 페라이트+펄라이트의 혼합 조직으로 하는 것이 바람직하다. 그것을 위해서는, 마무리 압연 후의 평균 냉각 속도를 3℃/초 이하로 하고, 이 냉각 속도로 적어도 600℃까지 냉각하는 것이 바람직하다. 평균 냉각 속도가 3℃/초보다 빨라지면, 베이트나이트나 마텐자이트가 생성되기 때문에, 볼트 성형성이 대폭으로 열화된다. 평균 냉각 속도는, 보다 바람직하게는 2℃/초 이하이고, 더 바람직하게는 1℃/초 이하이다.
본 발명의 볼트용 강에서는, 열간 압연 시에 베이나이트나 마텐자이트가 생성되었을 때에는, 구상화 소둔 처리를 실시해도 된다.
볼트 형상으로 성형 가공한 후, 담금질 및 템퍼링 처리를 행하여, 조직을 템퍼링 마텐자이트로 하는 것에 의해, 소정의 인장 강도를 확보할 수 있음과 더불어, 우수한 내지연파괴성을 갖는 것이 된다. 이때의 담금질 및 템퍼링 처리의 적정한 조건은 하기와 같다.
담금질 시의 가열에서는, 안정적으로 오스테나이트화 처리하기 위해서, 가열 온도(이하, 이 온도를 「담금질 온도」라고 부르는 경우가 있음)를 850℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 950℃를 초과하는 고온에서 가열하면, Ti나 Nb의 탄·질화물이 용해되는 것에 의해 피닝 효과가 감소하여, 결정립이 조대화되어, 내지연파괴성이 열화되는 경우가 있다. 따라서, 결정립 조대화를 방지하기 위해, 담금질 온도는 950℃ 이하가 바람직하다. 한편, 담금질 온도의 보다 바람직한 상한은 930℃ 이하이고, 더 바람직하게는 920℃ 이하이다. 또한, 담금질 온도의 보다 바람직한 하한은 870℃ 이상이고, 더 바람직하게는 880℃ 이상이다.
담금질한 그대로의 볼트는 인성 및 연성이 낮아, 그대로의 상태로는 볼트 제품으로서 사용에 견딜 수 없으므로, 템퍼링 처리를 실시할 필요가 있다. 그것을 위해서는, 적어도 300℃ 이상의 온도에서 템퍼링 처리하는 것이 유효하다.
또한, 본 발명에서 얻어지는 볼트는 표면에 질화 처리층을 갖고 있지 않은 것이지만, 볼트 축부의 오스테나이트 결정 입계 상에 석출되는 두께 50nm 이상의 석출물의 비율을 60% 이하로 함으로써, 내지연파괴성을 더 향상시킬 수 있다. 즉, 하기 (1)식에 있어서, 좌변의 값, 즉 (L/L0)×100의 값을 G값(%)으로 했을 때에, 이 G값이 60% 이하가 된다. 상기와 같은 화학 성분 조성을 갖고, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 볼트는 내지연파괴성이 우수한 것이 된다. 이 G값은, 보다 바람직하게는 50% 이하이고, 더 바람직하게는 40% 이하이다. G값의 하한은 낮으면 낮을수록 바람직하지만, 통상 10% 이상이다. 한편, 볼트 축부의 오스테나이트 결정 입계 상에 석출되는 「석출물」은 주로 시멘타이트이지만, 이것에 한하지 않고, Cr, Ti, Nb, Al, V 등을 포함하는 탄화물이나 탄질화물 등도 포함된다.
(L/L0)×100 ≤ 60 ···(1)
단, L: 오스테나이트 결정 입계에 석출된 두께 50nm 이상의 석출물의 합계 길이, L0: 오스테나이트 결정 입계의 길이를 나타낸다.
또한 오스테나이트 결정 입계 상의 석출물을 저감하기 위해서는, 템퍼링 온도가 중요하고, 템퍼링 온도를 하기 (2)식으로 표시되는 온도 T(℃) 이하로 함으로써, G값을 60% 이하로 할 수 있다. 단, Ln은 자연대수를 나타내고, [Si]는 강 중의 질량%로의 Si 함유량을 나타낸다.
T(℃) = 68.2×Ln[Si]+480 ···(2)
상기와 같은 조건에서 담금질 및 템퍼링한 볼트에서는, 오스테나이트 결정립(즉, 구 오스테나이트 결정립)은 미세화될수록 내지연파괴성이 향상되므로 바람직하다. 이러한 관점에서, 볼트 축부에서의 오스테나이트 결정립은 JIS G 0551(2006)에서 규정되는 결정 입도 번호로 8 이상으로 하는 것이 바람직하다. 이 결정 입도 번호는, 보다 바람직하게는 9 이상이고, 더 바람직하게는 10 이상이다.
본원은 2014년 9월 30일에 출원된 일본 특허출원 제2014-201945호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 상기 일본 특허출원 제2014-201945호의 명세서의 전체 내용이 본원에 참고를 위해 원용된다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 상기, 후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
하기 표 1, 2에 나타내는 화학 성분 조성의 강종 A∼L, A1∼R1의 강재를 용제한 후, 빌릿 재가열 온도: 1000℃, 마무리 압연 온도: 850℃의 조건에서 압연을 행하여, 직경: 14mmφ의 선재로 했다. 이때, 마무리 압연 후의 평균 냉각 속도는 2℃/초로 하고, 600℃까지 냉각했다. 각 선재의 압연 후의 조직을 후기 표 3, 4에 병기한다. 얻어진 압연 소재를 염산욕, 황산욕에 침지시킴으로써 탈스케일 처리를 행하고, 석회 피막 처리 후, 신선, 구상화 소둔을 실시하고, 다시 탈스케일 및 피막 처리 후, 마무리 신선을 실시하여, 강선을 제조했다. 이때의 구상화 소둔 조건은, 균열 온도: 760℃, 균열 시간: 5시간, 균열 후의 평균 냉각 속도: 13℃/시간, 추출 온도: 685℃로 했다. 한편, 표 1, 2에 있어서, 「-」로 나타낸 개소는 무첨가인 것, 「tr.」은 측정 한계 미만인 것을 각각 의미한다.
얻어진 강선으로부터 다단 포머를 이용하여, M12mm×1.25Pmm, 길이: 100mmL의 플랜지 볼트를 냉간 압조로 제작했다. 한편, M은 축부의 직경, P는 피치를 의미한다. 그리고, 플랜지부의 깨짐의 유무에 의해 냉간 단조성을 평가했다. 냉간 단조성은, 깨짐이 생기지 않았을 때에는 OK, 깨짐이 생겼을 때에는 NG로 평가했다.
그 후, 하기 표 3, 4에 나타내는 조건에서 담금질 및 템퍼링을 실시했다. 그 밖의 담금질 템퍼링 조건에 대해서는, 담금질의 가열 시간: 20분, 담금질의 노 내 분위기: 대기, 담금질의 냉각 조건: 유냉 25℃, 템퍼링의 가열 시간: 45분으로 했다.
담금질 및 템퍼링을 행한 볼트에 대하여, 이하의 요령으로, 축부의 결정 입도, 인장 강도, 내식성, 내지연파괴성 및 G값을 평가했다.
(1) 오스테나이트 결정 입도의 측정
볼트의 축부를, 볼트의 축에 대하여 수직한 단면으로 절단 후, 축부의 직경을 D로 했을 때의 D/4 위치의 임의의 0.039mm2의 영역을, 광학 현미경으로 관찰하고(배율: 400배), JIS G 0551(2006)에 규정된 「강-결정 입도의 현미경 시험 방법」에 따라 구 오스테나이트 결정 입도 번호를 측정했다. 볼트의 축에 대하여 수직한 단면을 이하에서는 「횡단면」이라고 부른다. 측정은 4시야에 대하여 행하고, 이들의 평균값을 오스테나이트 결정 입도 번호로 했다. 한편, 냉간 단조성이 불합격이 된 것에 대해서는, 이 측정은 행하지 않았다.
(2) 인장 강도의 측정
볼트의 인장 강도는 JIS B 1051(2009)에 따라 인장 시험을 행하여 구하고, 인장 강도가 1100MPa 이상인 것을 합격으로 했다. 한편, 냉간 단조성이 불합격이 된 것에 대해서는, 이 측정은 행하지 않았다.
(3) 내식성의 평가
내식성은 15% HCl 수용액에 볼트를 30분 침지했을 때의 침지 전후의 부식 감량(질량%)에 의해 평가했다. 이 부식 감량이 0.05질량% 미만인 것을 합격으로 평가했다. 한편, 냉간 단조성이 불합격이 된 것, 또는 인장 강도가 1100MPa 미만이 된 것에 대해서는, 이 평가는 행하지 않았다.
부식 감량 = [(산 침지 전의 질량-산 침지 후의 질량)/산 침지 전의 질량]×100
(4) 내지연파괴성의 평가
내지연파괴성은, 볼트를 지그에 항복점 목표로 단단히 죈 후, (a) 지그째 1% HCl에 15분 침지, (b) 대기 중에서 24시간 폭로, (c) 파단 유무의 확인을 1사이클로 하고, 이것을 10사이클 반복함으로써 평가했다. 볼트는 1수준에 대하여 10본씩 평가하여, 1본도 파단되지 않은 것은 OK로 하고, 1본이라도 파단된 것은 NG로 했다. 한편, 냉간 단조성이 불합격이 된 것, 또는 인장 강도가 1100MPa 미만이 된 것에 대해서는, 이 평가는 행하지 않았다.
(5) G값의 측정
볼트에 대하여, 오스테나이트 결정 입계에 석출된 석출물의 관찰을 하기와 같이 행했다.
석출물의 관찰
오스테나이트 결정 입계에 석출된 석출물의 관찰은, 상기 볼트의 축부를 횡단면으로 절단 후, 집속 이온 빔 가공 장치(FIB: Focused Ion Beam Process, 히타치제작소제: 상품명 「FB-2000A」)에 의해 박막 시험편을 제작했다. 이어서, 투과형 전자 현미경(히타치제작소제: 상품명 「FEMS-2100F」)을 이용하여 1시료당 3매씩, 배율: 15만배에서 오스테나이트 결정 입계를 촬영하고, 화상 해석으로, 결정 입계에 석출된 석출물의 길이와 두께를 산출했다. 한편, 석출물의 길이는 오스테나이트 결정 입계에 대하여 평행한 방향의 길이를 의미한다. 석출물의 두께는 오스테나이트 결정 입계에 대하여 수직 방향의 길이를 의미한다.
그리고, 오스테나이트 결정 입계에 석출된 두께 50nm 이상의 석출물의 길이를 합계하여 산출한 합계 길이(L)를 오스테나이트 결정 입계의 길이(L0)로 나누고, 백분율로 나타내는 것에 의해, 오스테나이트 입계 상의 석출물의 점유율(G값)을 구했다. 3매의 사진에 대하여 각각 G값(%)을 구하고, 그의 평균값을 하기 표 3, 4에 기재했다.
이들 결과를 담금질 및 템퍼링 조건, 상기 (2)식으로 구해지는 T(℃)와 함께 하기 표 3, 4에 병기한다.
이들 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 시험 No. 1∼14는 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 발명예이며, 냉간 단조성이 우수하고, 높은 강도와 함께, 우수한 내지연파괴성을 발휘하고 있는 것을 알 수 있다.
이에 비해, 시험 No. 15∼33의 것은 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 만족하지 않는 예이고, 어느 하나의 특성이 열화되어 있다. 즉, 시험 No. 15는 템퍼링 온도가 높아져, G값이 커져 있어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 16은 C 함유량이 적은 강종 A1을 이용하고 있어, 인장 강도에서 1100MPa 이상을 확보할 수 없었다.
시험 No. 17은 C 함유량이 지나치게 많은 강종 B1을 이용하고 있어, 인연성이 저하되어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 18은 Si 함유량이 적은 강종 C1을 이용하고 있어, 조대한 석출물이 많이 석출되어 G값이 커짐과 더불어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 19는 Si 함유량이 많은 강종 D1을 이용하고 있어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 20은 Mn 함유량이 적은 강종 E1을 이용하고 있어, 황화철(FeS)이 많이 생성되어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 21은 Mn 함유량이 많은 강종 F1을 이용하고 있어, 인연성이 저하되어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 22는 P 함유량이 많은 강종 G1을 이용하고 있어, 결정 입계 상에 농화되어, 인연성이 저하됨으로써 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 23은 S 함유량이 많은 강종 H1을 이용하고 있어, 시험 No. 22의 경우와 마찬가지로 결정 입계 상에 농화되어, 인연성이 저하됨으로써 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 24는 Cr 함유량이 적은 강종 I1을 이용하고 있어, 내식성이 저하됨과 더불어 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 25는 Cr 함유량이 많은 강종 J1을 이용하고 있어, 조대한 석출물이 생성되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 26, 28은 Ti 및 Nb를 함유하지 않는 강종 K1 또는 강종 M1을 이용하고 있어, 모두 결정립이 조대화되어, 내지연파괴성이 열화되었다.
시험 No. 27은 Ti 함유량이 많은 강종 L1을 이용하고 있어, 조대한 탄질화물이 생성되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 29는 Nb 함유량이 많은 강종 N1을 이용하고 있어, 조대한 탄질화물이 생성되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 30은 Al을 함유하지 않는 강종 O1을 이용하고 있어, 압연 시에 페라이트 결정립이 조대화되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 31은 Al 함유량이 많은 강종 P1을 이용하고 있어, 조대한 질화물이 생성되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 32는 N 함유량이 적은 강종 Q1을 이용하고 있어, 질화물이 충분히 형성되지 않아, 결정립이 조대화될 것이 예상되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
시험 No. 33은 N 함유량이 많은 강종 R1을 이용하고 있어, 고용 상태의 N량이 증가할 것이 예상되어, 냉간 단조성이 열화되었다.
Claims (6)
- 질량%로,
C: 0.20∼0.40%,
Si: 1.5∼2.5%,
Mn: 0.20∼1.5%,
P: 0% 초과 0.03% 이하,
S: 0% 초과 0.03% 이하,
Cr: 0.05∼1.5%,
Al: 0.01∼0.10%,
B: 0.0003∼0.01%,
N: 0.002∼0.020%
를 각각 함유함과 더불어,
Ti: 0.02∼0.10% 및
Nb: 0.02∼0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종을 함유하고,
잔부가 철 및 불가피적 불순물인 볼트용 강. - 제 1 항에 있어서,
추가로, 하기 (a)∼(c) 중 어느 것에 속하는 1종 이상을 함유하는 볼트용 강.
(a) Cu: 0% 초과 0.5% 이하, Ni: 0% 초과 1.0% 이하 및 Sn: 0% 초과 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상
(b) Mo: 0% 초과 1.5% 이하
(c) V: 0% 초과 0.5% 이하, W: 0% 초과 0.5% 이하, Zr: 0% 초과 0.3% 이하, Mg: 0% 초과 0.01% 이하 및 Ca: 0% 초과 0.01% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상 - 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 화학 성분 조성을 갖고, 하기 (1)식의 관계를 만족하는 볼트.
(L/L0)×100 ≤ 60 ···(1)
단, L: 오스테나이트 결정 입계에 석출된 두께 50nm 이상의 석출물의 합계 길이,
L0: 오스테나이트 결정 입계의 길이를 나타낸다. - 제 3 항에 있어서,
표면에 질화 처리층을 갖지 않는 볼트. - 제 3 항에 있어서,
오스테나이트 결정 입도 번호가 8 이상인 볼트. - 제 4 항에 있어서,
오스테나이트 결정 입도 번호가 8 이상인 볼트.
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