KR20170118217A - 굽힘 가공성이 우수한 열처리 강선 - Google Patents

Abstract

굽힘 가공성이 우수한 열처리 강선을 제공한다. 본 발명의 열처리 강선은, 질량%로, C: 0.5∼0.8%, Si: 1.5∼2.5%, Mn: 0.5∼1.5%, P: 0% 초과 0.02% 이하, S: 0% 초과 0.02% 이하, Cr: 0.3∼0.7% 미만, V: 0.05∼0.5%, Al: 0% 초과 0.01% 이하, N: 0% 초과 0.007% 이하, O: 0% 초과 0.004% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 1.0μm 필터와 0.4μm 필터를 이용하여 전해 추출 잔사 분석을 했을 때, [1.0μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 1.0% 이상 2.80% 이하이고, 또한 1.0μm 필터로 얻어진 여과액을 이용한 잔사 분석에서 [0.4μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 0.10% 이하이다.

Description

굽힘 가공성이 우수한 열처리 강선

본 발명은 열처리 강선에 관한 것으로, 상세하게는 굽힘 가공성이 우수한 열처리 강선에 관한 것이다.

자동차의 경량화나 자동차 엔진의 고출력화에 수반해, 엔진, 클러치, 연료 분사 장치 등에 사용되는 각종 스프링에는, 고응력화가 요구되고 있다. 고응력화에 대해서는 내처짐성 및 내구성의 관점에서, 스프링 소재인 열처리 강선을 고강도화할 필요가 있다. 한편, 스프링은 일반적으로 신선재를 담금질·템퍼링 처리한 열처리 강선을 코일링해서 얻어진다. 그 때문에 열처리 강선에는 코일링 시에 절손되지 않는 굽힘 가공성이 요구되고 있다. 그러나 고강도화에 수반하여 열처리 강선의 인연성(靭延性)이 저하되기 때문에, 코일링 시에 절손되기 쉬워, 고강도이고, 또한 우수한 굽힘 가공성을 갖는 열처리 강선을 제공하는 것이 어려웠다.

그래서, 이와 같은 문제에 대해서 지금까지도 이하와 같은 기술이 제안되고 있다.

특허문헌 1에는, 소정의 화학 성분 조성을 갖고, 특히 N량을 0.007% 이하로 제어하고, 잔부가 철과 불가피적 불순물로 이루어지며, 열처리 후의 추출 잔사 분석값으로, [0.2μm 필터로 여과한 여과액 중의 V량(질량%)]≥[강 중 V량(질량%)]×0.4인 고강도 스프링용 열처리 강이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 소정의 성분 조성을 갖고, 또한 고용 C량이 0.15% 이하, Cr 함유 석출물로서 포함되는 Cr량이 0.10% 이하, 소정의 식으로 표시되는 TS값이 24.8% 이상이 되고, 구 오스테나이트 입경이 10μm 이하가 된, 내취성파괴특성이 우수한 고강도 스프링강이 개시되어 있다.

국제 공개 제2007/114491호 일본 특허공개 2002-180198호 공보

예를 들면 특허문헌 1에서는 압연 전의 가열 온도를 1250℃로 해서 미용해 탄화물을 최대한 저감하고 있다. 그러나 압연 전의 가열 온도가 지나치게 높으면 압연재의 탈탄이 생기기 쉬워지기 때문에, 후공정에서의 제거가 어렵고, 그 결과, 굽힘 가공성이 저하될 가능성이 있다. 또한 특허문헌 2에서는 분괴 압연, 선재 압연 시의 온도 조건 설정이 없어, 조대한 Cr 함유 석출물이 생성되기 때문에 충분한 굽힘 가공성이 얻어지지 않을 가능성이 있다.

본 발명은 상기와 같은 사정에 주목하여 이루어진 것으로, 그 목적은 고강도이고, 또한 우수한 굽힘 가공성을 갖는 열처리 강선을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 따른 열처리 강선은, C: 0.5∼0.8%, Si: 1.5∼2.5%, Mn: 0.5∼1.5%, P: 0% 초과 0.02% 이하, S: 0% 초과 0.02% 이하, Cr: 0.3∼0.7% 미만, V: 0.05∼0.5%, Al: 0% 초과 0.01% 이하, N: 0% 초과 0.007% 이하, O: 0% 초과 0.004% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 1.0μm 필터와 0.4μm 필터를 이용하여 전해 추출 잔사 분석을 했을 때, [1.0μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 1.0% 이상 2.80% 이하이고, 또한 상기 1.0μm 필터로 얻어진 여과액을 잔사 분석했을 때, [0.4μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 0.10% 이하인 것에 요지를 갖는다.

질량%로, 이하의 (a), (b) 중 적어도 하나를 추가로 함유하는 것도 바람직한 실시태양이다.

(a) Ni: 0% 초과 0.3% 이하

(b) B: 0% 초과 0.01% 이하

본 발명에는 상기 열처리 강선을 이용하여 얻어지는 스프링도 포함된다.

본 발명에 의하면, 열처리 강선의 성분 조성, 전해 추출법에 기초하는 Cr계 탄화물량을 규정함으로써 인장 강도 2100MPa 이상을 갖고, 또한 우수한 굽힘 가공성을 갖는 열처리 강선을 제공할 수 있다. 또한 본 발명의 열처리 강선을 이용하면 우수한 굽힘 가공을 갖는 스프링을 제공할 수 있다.

본 발명자들은 고강도 열처리 강선의 코일링 시의 절손을 억제할 수 있도록, 특히 열처리 강선의 인연성을 개선하여 굽힘 가공성의 향상을 도모할 수 있도록, 다양한 각도에서 검토했다. 열처리 강선의 코일링 시에 발생하는 코일링 절손의 빈도는 열처리 강선의 강도가 높아질수록 많아지는 경향이 있다는 것을 알 수 있었다. 그 원인에 대하여 상세히 검토한 결과, 코일링 절손의 빈도는 열처리 강선의 강도만이 아니라, Cr계 탄화물의 석출량도 관계하고 있다는 것을 밝혀냈다. 그리고 Cr계 탄화물의 석출량을 컨트롤함으로써, 고강도여도 코일링 절손을 억제할 수 있다는 것을 발견했다.

코일링 시에 절손이 생긴 열처리 강선 및 절손되지 않은 열처리 강선에 대하여 전해 추출 잔사량을 측정해서 열처리 강선 표층의 Cr계 탄화물량을 조사했다. 전해 추출 잔사를 분석함으로써, 코일링 절손의 기점이 되는 열처리 강선 표층의 탄화물의 성상 분석을 할 수 있고, 더욱이 전자 현미경에서의 조직 관찰과 비교하면, 보다 큰 검사 체적을 대상으로 해서 적절한 평가가 가능해진다.

전해 추출 잔사를 분석한 결과, 절손이 생긴 열처리 강선으로부터 얻어진 Cr계 탄화물량은 절손되지 않은 열처리 강선에 비해 필터 상의 Cr계 탄화물량이 적었다. 그래서 열처리 강선의 Cr계 탄화물량과 절손의 관계에 대하여 연구를 거듭한 결과, 전해 질량과 잔사 질량의 비율이 하기 소정의 범위 내이면 인연성이 개선되어, 우수한 굽힘 가공성이 얻어진다는 것을 알 수 있었다.

1.0μm 필터와 0.4μm 필터를 이용하여 전해 추출 잔사 분석을 했을 때, [1.0μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량](이하, 「1.0μm 필터의 잔사량/전해 질량」이라고 하는 경우가 있다): 1.0% 이상 2.80% 이하

또한

상기 1.0μm 필터로 얻어진 여과액을 잔사 분석했을 때,

[0.4μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량](이하, 「0.4μm 필터의 잔사량/전해 질량」이라고 하는 경우가 있다): 0.10% 이하

한편, 본 발명에 있어서, Cr계 탄화물이란, Cr 탄화물 외, Cr 탄질화물, 및 V 등의 탄화물 생성 원소와의 복합 탄화물 및 복합 탄질화물도 포함하는 주지이다.

상기 지견에 기초하여, Cr계 탄화물 및 성분 조성을 적절히 제어함으로써, 고강도이고, 또한 우수한 굽힘 가공성을 갖는 열처리 강선을 제공할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명에 이르렀다. 이하, Cr계 탄화물 및 성분 조성을 규정한 이유에 대하여 상세히 기술한다.

[1.0μm 필터의 잔사량/전해 질량]: 1.0% 이상 2.80% 이하

1.0μm를 초과하는 Cr계 탄화물은 코일링 절손을 유발하는 원인이 되어, 고강도 열처리 강선의 굽힘 가공성을 대폭으로 저하시킨다. 그 때문에 1.0μm 필터의 잔사량/전해 질량은 2.80% 이하, 바람직하게는 2.70% 이하, 보다 바람직하게는 2.60% 이하이다. 한편, Cr계 탄화물은 열처리 강선의 강도를 향상시키는 역할도 있기 때문에, Cr계 탄화물이 지나치게 적으면 열처리 강선의 강도가 부족하다. 1.0μm 필터의 잔사량/전해 질량은 1.0% 이상, 바람직하게는 1.20% 이상, 보다 바람직하게는 1.40% 이상이다.

[0.4μm 필터의 잔사량/전해 질량]: 0.10% 이하

0.4μm를 초과하는 Cr계 탄화물의 석출량이 증가하면, 열처리 강선의 인연성이 저하되어 굽힘 가공성이 저하된다. 따라서 0.4μm를 초과하는 Cr계 탄화물은 적을수록 좋다. 0.4μm 필터의 잔사량/전해 질량은 0.10% 이하, 바람직하게는 0.08% 이하, 보다 바람직하게는 0.06% 이하이다. 한편, 0.4μm 이하의 Cr계 탄화물은 적을수록 인연성이 우수하지만, Cr계 탄화물을 저감시키기 위해서 열처리 시의 가열 온도가 지나치게 높은 경우나 가열 유지 시간이 지나치게 긴 경우는, 구 γ 결정 입도의 조대화가 진행되어 인연성을 더 저하시키는 경우가 있다. 따라서 0.4μm 필터의 잔사량/전해 질량은 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상이다.

다음으로, 본 발명에 따른 열처리 강선에 이용되는 강 중의 화학 성분 조성에 대하여 설명한다.

[C: 0.5∼0.8%]

C는 열처리 강선의 강도 향상에 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, C 함유량은 0.5% 이상, 바람직하게는 0.55% 이상, 보다 바람직하게는 0.6% 이상이다. C 함유량의 증가에 수반하여 강도는 향상되지만, 첨가량이 과잉이 되면 조대 시멘타이트를 다량으로 석출시켜, 열처리 강선의 굽힘 가공성에 악영향을 미친다. 그 때문에 C 함유량은 0.8% 이하, 바람직하게는 0.75% 이하, 보다 바람직하게는 0.7% 이하이다.

[Si: 1.5∼2.5%]

Si는 강의 탈산 및 열처리 강선의 강도 향상에 유효한 원소이다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 1.5% 이상, 바람직하게는 1.55% 이상, 보다 바람직하게는 1.6% 이상이다. 한편, Si 함유량이 과잉이 되면, 재료를 경화시킬 뿐만 아니라, 인연성의 저하나, 표면의 탈탄량이 증가하여 스프링의 피로 특성을 저하시키는 경우가 있다. 그 때문에 Si 함유량은 2.5% 이하, 바람직하게는 2.4% 이하, 보다 바람직하게는 2.3% 이하이다.

[Mn: 0.5∼1.5%]

Mn은 강의 탈산, 강 중 S를 MnS로서 고정하는 것에 더하여, 담금질성을 높여 스프링 강도의 향상에 공헌한다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Mn 함유량은 0.5% 이상, 바람직하게는 0.6% 이상, 보다 바람직하게는 0.7% 이상이다. 한편, Mn 함유량이 과잉이 되면, 담금질성이 과도하게 향상되기 때문에, 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 때문에 Mn 함유량은 1.5% 이하, 바람직하게는 1.4% 이하, 보다 바람직하게는 1.3% 이하이다.

[P: 0% 초과 0.02% 이하]

P는 구 오스테나이트 입계에 편석하여, 조직을 취화시키기 때문에 피로 특성이 저하된다. 그 때문에 P 함유량은 0.02% 이하, 바람직하게는 0.018% 이하이다. P 함유량은 적을수록 바람직하지만, 0으로 하는 것은 제조상 곤란하고, 0.003% 정도는 불가피 불순물로서 함유하는 경우가 있다.

[S: 0% 초과 0.02% 이하]

S는 구 오스테나이트 입계에 편석하여, 조직을 취화시키기 때문에 피로 특성이 저하된다. 그 때문에 S 함유량은 0.02% 이하, 바람직하게는 0.015% 이하이다. S 함유량은 적을수록 바람직하지만, 0으로 하는 것은 제조상 곤란하고, 0.003% 정도는 불가피 불순물로서 함유하는 경우가 있다.

[Cr: 0.3∼0.7% 미만]

Cr은 담금질성을 향상시켜, 스프링 강도를 향상시키는 것에 더하여, C의 활량을 저하시켜 압연 시나 열처리 시의 탈탄을 방지하는 효과가 있다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 0.3% 이상, 바람직하게는 0.35% 이상, 보다 바람직하게는 0.4% 이상이다. 한편, Cr이 증가하면 강 중의 Cr계 탄화물이 증가할 뿐만 아니라, 조대한 Cr계 탄화물이 생겨 열처리 강선의 굽힘 가공성을 악화시킨다. 그 때문에 Cr 함유량은 0.7% 미만, 바람직하게는 0.68% 이하, 보다 바람직하게는 0.65% 이하이다.

[V: 0.05∼0.5%]

V는 열간 압연 및 담금질 템퍼링 처리에 있어서 결정립을 미세화하는 작용이 있어, 인연성을 향상시킨다. 또한, 질화 처리 등의 고온 처리 시에 2차 석출 경화를 일으켜 스프링의 강도의 향상에 기여한다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서는, V 함유량은 0.05% 이상, 바람직하게는 0.10% 이상, 보다 바람직하게는 0.15% 이상이다. 한편, V 함유량이 많으면, Cr과 V의 복합 탄화물이 증가하여 열처리 강선의 굽힘 가공성을 저하시킨다. 그 때문에 V 함유량은 0.5% 이하, 바람직하게는 0.45% 이하, 보다 바람직하게는 0.40% 이하이다.

[Al: 0% 초과 0.01% 이하]

Al은 강 중에서 Al₂O₃이나 AlN의 개재물을 형성한다. 이들 개재물은 스프링의 피로 수명을 현저하게 저하시킨다. 그 때문에 Al 함유량은 0.01% 이하, 바람직하게는 0.005% 이하이다.

[N: 0% 초과 0.007% 이하]

N은 Al과 결합하여 AlN의 개재물을 형성한다. AlN 개재물은 스프링의 피로 수명을 현저하게 저하시킨다. 그 때문에 N 함유량은 0.007% 이하, 바람직하게는 0.006% 이하, 보다 바람직하게는 0.005% 이하이다.

[O: 0% 초과 0.004% 이하]

O를 과잉으로 함유하면 조대한 비금속 개재물을 생성하여 피로 강도를 저하시킨다. 그 때문에 O 함유량은 0.004% 이하, 바람직하게는 0.003% 이하이다.

본 발명의 열처리 강선의 기본 성분은 상기와 같고, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 철 원료(스크랩을 포함한다), 부원료 등의 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 불가피적으로 혼입되는 Ca, Na 등의 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은 당연히 허용된다.

본 발명의 강재에는, 필요에 따라서 적어도 Ni 또는 B를 추가로 함유시켜도 되고, 함유시키는 원소의 종류, 함유량에 따라 열처리 강선의 특성을 더 개선할 수 있다. 이들 원소를 함유시킬 때의 바람직한 범위 설정 이유는 하기와 같다.

[Ni: 0% 초과 0.3% 이하]

Ni는 열간 압연 시의 탈탄을 억제하는 것 외, 열처리 강선의 인연성을 향상시키는 효과가 있다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Ni 함유량은 바람직하게는 0.05% 이상, 보다 바람직하게는 0.07% 이상, 더 바람직하게는 0.1% 이상이다. 한편, Ni 함유량이 많으면 비용면에서 뒤떨어질 뿐만 아니라, 담금질성이 과도하게 향상되기 때문에, 압연 시에 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 때문에 Ni 함유량은 바람직하게는 0.3% 이하, 보다 바람직하게는 0.27% 이하, 더 바람직하게는 0.2% 이하이다.

[B: 0% 초과 0.01% 이하]

B는 담금질성의 향상과 오스테나이트 결정립계의 청정화 작용이 있어, 인연성을 향상시킨다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, B 함유량은 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.0015% 이상, 더 바람직하게는 0.002% 이상이다. 한편, B를 과잉으로 함유시키면 Fe와 B의 복합 화합물이 석출되어, 열간 압연 시의 균열을 야기할 위험이 있다. 또한, 담금질성이 과도하게 향상되기 때문에, 마텐자이트, 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 그 때문에 B 함유량은 바람직하게는 0.01% 이하, 보다 바람직하게는 0.008% 이하, 더 바람직하게는 0.006% 이하이다.

본 발명의 열처리 강선의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 공지의 제조 조건을 채용할 수 있다. 예를 들면 상기 화학 성분 조성을 갖는 강을 용제, 분괴 압연한 강편을 열간 압연으로 직경 5.0∼8.0mm 정도의 선재로 가공하고, 코일상으로 권취하여 냉각한다. 그 후, 강선재(이하, 「압연 선재」라고 하는 경우가 있다)에 열처리 등을 실시함이 없이 표층의 흠집이나 탈탄부를 제거하는 피삭 처리를 실시한다. 나아가 그 후, 고주파 등으로 연화 소둔 처리, 또는 패턴팅 처리를 행한 후, 원하는 선직경, 예를 들면 밸브 스프링용의 경우에는 직경 3∼4mm 정도까지 신선 가공한다. 얻어진 신선 가공 선재는 그 후, 오일 템퍼라고 불리는 담금질, 템퍼링 처리를 실시하여 열처리 강선이 얻어진다. 밸브 스프링이나 클러치 스프링 등의 각종 스프링은 이와 같이 해서 얻어진 열처리 강선을 스프링 형상으로 가공함으로써 얻어진다.

열처리 강선의 Cr계 탄화물의 석출 사이즈, 개수를 제어하기 위해서는, 분괴 압연 시의 가열 온도, 및 선재 압연 시의 권취 후의 냉각 개시 온도, 냉각 속도 등의 압연 온도 제어에 더하여, 2차 가공에 있어서의 패턴팅 처리 및 신선 처리 후의 담금질·템퍼링 처리의 열처리 조건을 제어할 필요가 있다.

예를 들면 상기 소정의 화학 성분 조성을 만족하는 강괴를 용광로에서 용제한 후, 이 주괴를 분괴 압연하여 소정 사이즈의 빌렛을 제작한다. 분괴 압연 공정에서는 Cr계 탄화물을 충분히 고용시키기 위해, 분괴 압연 전에 빌렛을 1200℃ 이상, 바람직하게는 1210℃ 이상, 보다 바람직하게는 1220℃ 이상으로 가열할 필요가 있다. 빌렛을 고온으로 가열할수록, Cr계 탄화물을 고용할 수 있기 때문에, 가열 온도의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 가열로의 내열 온도나 가열 비용을 고려하면, 가열 온도의 상한은 1250℃ 이하, 바람직하게는 1240℃ 이하, 보다 바람직하게는 1230℃ 이하이다.

열간 압연 후에는 제어 냉각을 행할 필요가 있다. 열간 압연 후의 냉각 과정에서 Cr계 탄화물의 생성, 성장을 억제함과 더불어, 베이나이트나 마텐자이트 등의 과냉각 조직의 발생이나 과도의 탈탄을 억제하기 위해서는 압연 선재를 적절히 냉각할 필요가 있다. 구체적으로는 압연 선재를 권취한 후의 냉각 컨베이어에 재치할 때의 재치 온도, 즉 압연 권취 온도를 750℃ 이상, 바람직하게는 780℃ 이상, 보다 바람직하게는 800℃ 이상이고, 950℃ 이하, 바람직하게는 920℃ 이하, 보다 바람직하게는 900℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한 컨베이어 재치 후의 냉각 개시로부터 펄라이트 변태 종료 온도역, 즉 600℃까지의 평균 냉각 속도(이하, 「평균 냉각 속도 I」이라고 하는 경우가 있다)를 1.0℃/초 이상, 바람직하게는 2℃/초 이상이고, 6℃/초 이하, 바람직하게는 5℃/초 이하, 보다 바람직하게는 4℃/초 이하로 한다. 그 후, 600℃ 미만으로부터 300℃까지의 평균 냉각 속도(이하, 「평균 냉각 속도 II」라고 하는 경우가 있다)를 2.0℃/초 이상, 바람직하게는 3℃/초 이상이고, 8℃/초 이하, 바람직하게는 7℃/초 이하로 한다. 이와 같이 냉각 속도를 제어함으로써 Cr계 탄화물의 생성, 성장을 억제할 수 있음과 더불어, 2차 가공 처리에 적합한 펄라이트 조직으로 할 수 있다.

상기 냉각 속도 제어는, 예를 들면 압연 선속, 컨베이어 속도, 블로어 냉각, 커버 냉각 등을 적절히 조합하는 것에 의해 제어 가능하다. 한편, 상기 온도는 컨베이어 상의 복수 개소에 설치한 방사 온도계에 의해 측정할 수 있다.

그 후, 압연 선재 표층의 탈탄층, 흠집 등을 제거하는 피삭 처리, 펄라이트 조직으로 하기 위한 패턴팅 처리를 행한 후, 원하는 선직경으로 신선 가공한다. 패턴팅 시의 가열 조건을 제어함으로써 펄라이트 조직으로 할 수 있고, 또한 특히 조대한 미용해 Cr계 탄화물을 억제할 수 있다. 따라서 패턴팅 시의 가열 온도는 850℃ 이상, 바람직하게는 860℃ 이상, 보다 바람직하게는 870℃ 이상이다. 한편, 결정립 조대화에 의한 신선성의 저하를 억제하기 위해서는, 가열 온도를 900℃ 이하, 바람직하게는 890℃ 이하, 보다 바람직하게는 880℃ 이하로 한다. 또한 해당 가열 온도에서의 유지 시간은 10초 이상, 바람직하게는 15초 이상, 보다 바람직하게는 20초 이상이고, 60초 이하, 바람직하게는 55초 이하, 보다 바람직하게는 50초 이하이다. 평균 냉각 속도는 1.0℃/초 이상, 바람직하게는 2.0℃/초 이상이고, 6℃/초 이하, 바람직하게는 5℃/초 이하이다. 이와 같은 제어 냉각을 행함으로써, 후공정에 적합한 펄라이트 조직이 얻어짐과 더불어, 조대한 Cr계 탄화물의 석출을 억제할 수 있다.

그 후, 신선 가공하여 얻어진 신선 가공 선재에는 담금질 템퍼링 처리를 실시한다. 담금질 시의 가열 온도는 가열 부족에 의한 조대한 미용해 Cr계 탄화물을 억제하기 위해 850℃ 이상, 바람직하게는 860℃ 이상, 보다 바람직하게는 870℃ 이상이다. 한편, 잔류 오스테나이트 결정립이 조대화되어 인연성이 저하되는 것을 억제하는 관점에서 가열 온도는 950℃ 이하, 바람직하게는 940℃ 이하, 보다 바람직하게는 930℃ 이하이다. 또한 상기 가열 온도에서의 효과를 발휘하기 위해서는 상기 가열 온도에서의 유지 시간을 제어할 필요가 있다. 유지 시간은 5초 이상, 바람직하게는 10초 이상, 보다 바람직하게는 15초 이상이고, 50초 이하, 바람직하게는 45초 이하, 보다 바람직하게는 40초 이하이다.

소정 시간 유지한 후에 가열한 기름, 예를 들면 대략 50∼60℃ 정도의 기름으로 담금질을 행하면 된다.

담금질 후의 템퍼링은 2100MPa 이상의 인장 강도가 되도록 적절히 조정하면 된다. 단, 템퍼링 온도가 지나치게 높은 경우나 가열 유지 온도가 지나치게 긴 경우에는, 조대한 Cr계 탄화물의 잔존량이 많아져, 굽힘 가공성이 저하된다. 예를 들면 템퍼링은 가열 온도 350℃ 이상 450℃ 이하, 가열 온도에서의 유지 시간은 50초 이상 200초 이하이다.

본 발명의 열처리 강선은 후기 실시예에 나타내는 바와 같이 피로 특성이 우수한 특성을 나타낸다. 본 발명의 열처리 강선은 원하는 코일 직경, 자유 높이, 감기수로 가공하여 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 엔진 스프링, 트랜스미션 스프링 등 각종 스프링을 제조할 수 있다. 열처리 강선에는 가공할 때에 필요에 따라서 질화 처리나 진공 침탄 처리 등의 공지의 각종 처리를 실시해도 된다.

본원은 2015년 3월 31일에 출원된 일본 특허출원 제2015-070532호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2015년 3월 31일에 출원된 일본 특허출원 제2015-070532호의 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, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

표 1에 나타내는 화학 성분 조성의 강괴 150kg을 소형 진공 용해로에서 용제한 후, 분괴 온도를 모의한 1200℃에서 가열한 후, 단신 가공하여 □155mm의 강편을 제작했다. 이 강편을 열간 압연한 후, 재치 온도, 및 재치 후 600℃까지의 평균 냉각 속도 I, 및 그 후 300℃까지의 평균 냉각 속도 II를 표 2에 나타내는 바와 같이 제어하여 선직경 φ8.0mm의 압연 선재를 제조했다. 이 압연 선재를 피삭 처리하여 표층의 탈탄층, 흠집 등을 제거한 후, 표 2에 나타내는 조건에서 패턴팅 처리하여 펄라이트 조직으로 한 후, 선직경 φ4.0mm가 되도록 냉간 신선 가공했다.

계속해서 표 2에 나타내는 조건에서 담금질 템퍼링 처리를 행했다. 그때, 템퍼링 처리는 인장 강도가 2100MPa 이상이 되도록 실시했다.

인장 강도, 수축, 전해 추출법에 기초하는 Cr계 탄화물량 및 굽힘 가공성은 다음과 같이 측정해서 표 3에 기재했다.

[인장 강도, 수축]

오토그래프(시마즈제작소제)로 평가간 거리를 200mm, 변형 속도 20mm/min으로 해서 인장 시험을 행하여 인장 강도, 및 오토그래프로 측정을 행하여 파면 형상으로부터 수축을 측정했다. 수축이 45.0% 이상이면 인연성이 우수하다고 판정했다.

[전해 추출법에 기초하는 Cr계 탄화물량]

Cr계 탄화물의 전해 추출 잔사 분석을 행했다. 우선, 열처리 강선 표면의 스케일을 샌드페이퍼로 제거한 후, 아세톤으로 세정 처리를 행했다. 얻어진 샘플을 전해액인 10질량% 아세틸아세톤 함유 에탄올 용액 중에 침지시키고, 열처리 강선 표층으로부터의 전해 질량이 0.4∼0.5g 정도가 된 후, 시험편을 취출했다. 그 후, 모상의 금속 Fe를 전기 분해하여 전해액의 강 중의 Cr계 탄화물, 및 그 밖에 미량으로 존재하는 Cr계 탄화물 이외의 탄화물, 탄질화물, 질화물 등을 메쉬 직경 1.0μm 및 0.4μm의 필터[어드밴테크토요(주)제 멤브랜 필터]를 사용한 2단계의 여과를 행하여 각 필터 상에 추출 잔사로서 채취했다. 열처리 강선의 전해 전후의 질량차를 전해 질량으로 했다. 각 필터 잔사 질량을 전해 질량으로 나누어 Cr계 탄화물 질량(%)을 구했다. 구체적으로는 전해액을 1.0μm 필터로 여과한 후, 얻어진 여과액을 0.4μm 필터로 여과했다. 전해 추출 잔사 분석을 했을 때, [1.0μm 필터의 잔사량/전해 질량]이 1.0% 이상 2.80% 이하이고, 또한 상기 1.0μm 필터로 얻어진 여과액을 잔사 분석했을 때, [0.4μm 필터의 잔사량/전해 질량]이 0.10% 이하인 경우를 합격으로 했다.

[굽힘 가공성]

굽힘 가공성은 자기직경감기로 평가를 행했다. 얻어진 각 열처리 강선으로 1000회의 자기직경감기를 행하고 절손 횟수로 굽힘 가공성의 우열을 판단했다. 자기직경감기 1000회 중, 절손 횟수가 5회 미만인 경우를 굽힘 가공성이 우수하다고 평가하고, 절손 횟수가 5회 이상인 경우를 굽힘 가공성이 나쁘다고 평가했다.

시험 No. 1∼10은 본 발명에서 규정하는 요건을 만족하는 예이다. 이들은 성분 조성 및 Cr계 탄화물이 제어되어 있어, 고강도이고, 또한 우수한 굽힘 가공성을 갖고 있었다.

시험 No. 11, 12는 분괴 압연 전의 가열 온도가 낮았던 예이다. 그 때문에 Cr계 탄화물을 충분히 고용할 수 없고, 0.4μm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 13은 선재 압연 종료 시의 컨베이어 재치 온도, 즉 냉각 개시 온도가 높았던 예이다. 그 때문에 과냉각 조직이 발생하여, 피삭 처리에서 단선이 생겼기 때문에 평가를 중지했다.

시험 No. 14는 선재 압연 시의 냉각 개시로부터 600℃까지의 평균 냉각 속도 I이 느렸던 예이다. 그 때문에 Cr계 탄화물의 성장이 진행되어 담금질 템퍼링 후에 0.4μm 필터 잔사에 조대한 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 15는 300℃까지의 평균 냉각 속도 II가 느렸던 예이다. 이 예에서는 Cr계 탄화물의 성장이 진행되어 담금질 템퍼링 후에 1.0μm 필터 잔사에 조대한 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 16은 패턴팅 처리 시의 가열 온도가 낮았던 예이다. 이 예에서는 패턴팅 처리 시에 잔존한 Cr계 탄화물이 담금질 템퍼링 처리 후에도 잔존했기 때문에 1.0μm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 17은 패턴팅 처리의 가열 유지 시간이 짧았던 예이다. 이 예에서는 불완전 조직이 되어, 신선 가공 시에 단선되었기 때문에 평가를 중지했다.

시험 No. 18은 패턴팅 처리 시의 평균 냉각 속도가 느렸던 예이다. 이 예에서는 Cr계 탄화물의 성장이 진행되어 담금질 템퍼링 후에 0.4μm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 19는 담금질 시의 가열 온도가 낮았던 예이다. 이 예에서는 조대한 미용해 Cr계 탄화물이 생성되어 인연성이 저하되었다. 또한 1.0μm 필터 잔사 및 0.4mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 20은 담금질 시의 가열 유지 시간이 짧았던 예이다. 이 예에서는 1.0μm 필터 잔사 및 0.4mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 21은 템퍼링 온도가 높고, 또한 유지 시간이 짧았던 예이다. 이 예에서는 1.0mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 22는 템퍼링의 가열 유지 시간이 길었던 예이다. 이 예에서는 1.0mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 23은 C 함유량이 많고, 템퍼링 온도가 높았던 예이다. 이 예에서는 조대한 미용해 Cr계 탄화물이 생성되어 인연성이 저하되었다. 또한 1.0μm 필터 잔사 및 0.4mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 24는 Si 함유량이 많고, 템퍼링 온도가 높았던 예이다. 이 예에서는 조대한 미용해 Cr계 탄화물이 생성되어 인연성이 저하되었다. 또한 1.0mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 25는 Cr 함유량이 많았던 예이다. Cr계 탄화물의 성장이 진행되어 담금질 템퍼링 후에 1.0μm 필터 잔사 및 0.4mm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

시험 No. 26은 V 함유량이 많았던 예이다. 이 예에서는 Cr계 탄화물의 성장이 진행되어 담금질 템퍼링 후에 0.4μm 필터 잔사에 Cr계 탄화물이 많이 잔존해 있어, 굽힘 가공성이 뒤떨어져 있었다.

Claims (3)

1. 질량%로,
   C: 0.5∼0.8%,
   Si: 1.5∼2.5%,
   Mn: 0.5∼1.5%,
   P: 0% 초과 0.02% 이하,
   S: 0% 초과 0.02% 이하,
   Cr: 0.3∼0.7% 미만,
   V: 0.05∼0.5%,
   Al: 0% 초과 0.01% 이하,
   N: 0% 초과 0.007% 이하,
   O: 0% 초과 0.004% 이하를 함유하고,
   잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며,
   1.0μm 필터와 0.4μm 필터를 이용하여 전해 추출 잔사 분석을 했을 때, [1.0μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 1.0% 이상 2.80% 이하이고, 또한
   상기 1.0μm 필터로 얻어진 여과액을 잔사 분석했을 때,
   [0.4μm 필터 잔사 중의 Cr계 탄화물 질량/전해 질량]이 0.10% 이하인 굽힘 가공성이 우수한 열처리 강선.
2. 제 1 항에 있어서,
   질량%로, 이하의 (a), (b) 중 적어도 하나를 추가로 함유하는 열처리 강선.
   (a) Ni: 0% 초과 0.3% 이하
   (b) B: 0% 초과 0.01% 이하
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 열처리 강선을 이용하여 얻어지는 스프링.