KR20180004245A

KR20180004245A - 스프링강

Info

Publication number: KR20180004245A
Application number: KR1020177035319A
Authority: KR
Inventors: 다카히사 스즈키; 마나부 구보타; 슈지 고자와; 히로츠구 미야모토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2018-01-10
Also published as: US20180142333A1; US10724125B2; CN107614723B; JP6436232B2; CN107614723A; EP3296414A1; JPWO2016186033A1; EP3296414A4; EP3296414B1; WO2016186033A1; MX2017014504A

Abstract

이 스프링강은, 화학 성분이 단위 질량％로, C: 0.40 내지 0.60％, Si: 0.90 내지 2.50％, Mn: 0.20 내지 1.20％, Cr: 0.15 내지 2.00％, Ni: 0.10 내지 1.00％, Ti: 0.030 내지 0.100％, B: 0.0010 내지 0.0060％, N: 0.0010 내지 0.0070％, Cu: 0 내지 0.50％, Mo: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 0.50％, Nb: 0 내지 0.10％를 포함하고, P: 0.020％ 미만, S: 0.020％ 미만, 및 Al: 0.050％ 미만으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, [Ti] 및 [N] 각각이 Ti 함유량 및 N 함유량을 단위 질량％로 나타내는 경우, 상기 화학 성분이 ([Ti]-3.43×[N])>0.03을 충족하고, 직경이 5nm 이상 100nm 이하인 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 합계 개수 밀도가 50개/㎛³ 초과이다.

Description

스프링강

본 발명은 스프링강에 관한 것으로, 특히 ??칭 템퍼링 후에 고강도이며 또한 고인성을 갖는 현가 스프링용에 적합한 스프링강에 관한 것이다.

본원은 2015년 05월 15일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2015-100008호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차의 고성능화에 수반하여, 현가 스프링도 고강도화되어, 전단 응력 1100MPa 이상의 고강도를 갖는 스프링이 사용되고 있다. 그로 인해, 열 처리 후에 인장 강도가 1800MPa를 초과하는 스프링강이 스프링의 제조에 제공되고 있다. 예를 들어 특허문헌 1에서는, V, Nb 및 Mo 등의 원소를 강에 첨가하고, 또한 열 처리(??칭 템퍼링) 후에 강 중에 V, Nb 및 Mo 등의 원소의 미세 탄화물을 석출시켜, 그것에 의하여 전위의 움직임을 제한하고, 강의 내늘어짐 특성을 향상시킴으로써, 열 처리 후에 인장 강도가 1800MPa를 초과하는 스프링강이 제공되고 있다. 또한, 최근에는, 열 처리 후에 인장 강도가 2000MPa를 초과하는 강도, 스프링 재료로서 사용되고 있다.

가공하여 스프링으로서 사용되는 스프링강에는, 양호한 가공성을 유지하기 위한 연성(특히 교축)과, 스프링의 가혹한 사용 환경에 견딜 수 있는 파괴 특성이 요구된다. 그러나, 강도가 높아지면, 충격값(인성) 및 연성 등이 저하되는 것은 잘 알려져 있다. 상술한 특허문헌 1에 개시되는 스프링강에서는, 열 처리(??칭, 템퍼링)를 행한 후에, 인장 강도로 1800MPa 이상의 고강도가 얻어지지만, 충격값은 충분한 것은 아니다.

특허문헌 2에서는, 그 입계가 취성 파괴의 기점이 되는 구 오스테나이트의 입경을, Ti 첨가에 의해 얻어지는 Ti의 질화물, 탄화물, 탄질화물을 사용하여 미세화함으로써, ??칭 템퍼링 후에 고강도이며 또한 고인성을 갖는 스프링강이 얻어지는 것이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2의 기술에서도 일정한 효과는 얻어지지만, 최근의 한층 더한 고인성화에 대한 요구를 충족시키는 것은 어렵다.

또한, 고강도의 스프링은, 부식 등에 의해 주위 환경으로부터 수소가 침입하면, 취화되거나 피로 특성이 저하되거나 하는 것이 알려져 있다. 이에 대해, 특허문헌 3에서는, 숏 피닝 처리에 의해 표층부에 압축 잔류 응력을 부여함과 함께, Ti 석출물에 수소를 트랩시킴으로써, 수소 침입에 의한 취화 및 피로 특성의 저하를 억제한 스프링강이 개시되어 있다.

그러나, 다량의 Ti는 강의 취화를 초래하므로, Ti를 첨가할 때에는, 첨가량을 억제하거나, 인성 향상을 위하여 Ni, Mo 및 V 등의 고가의 합금 원소를 합쳐 첨가하거나 할 필요가 있었다. 또한, 특허문헌 3의 스프링강은, 제조 시에 템퍼링 온도가 340℃ 이하로 제한되므로, 열 처리 후의 교축값이 낮아, 특히 냉간 스프링 성형에 적용할 때에 스프링 가공 중의 강재 절손의 리스크가 높다.

일본 특허 공개 소57-32353호 공보 일본 특허 공개 평11-29839호 공보 일본 특허 공개 2001-49337호 공보

본 발명은 ??칭 템퍼링 등의 열 처리 후에, 1800MPa 이상의 인장 강도를 갖고, 또한 높은 교축, 높은 충격값 및 높은 내수소 취성을 갖는 스프링강의 제공을 과제로 하고 있다.

본 발명은 다음에 나타내는 강을 요지로 한다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 스프링강은, 화학 성분이 단위 질량％로, C: 0.40 내지 0.60％, Si: 0.90 내지 2.50％, Mn: 0.20 내지 1.20％, Cr: 0.15 내지 2.00％, Ni: 0.10 내지 1.00％, Ti: 0.030 내지 0.100％, B: 0.0010 내지 0.0060％, N: 0.0010 내지 0.0070％, Cu: 0 내지 0.50％, Mo: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 0.50％, Nb: 0 내지 0.10％를 포함하고, P: 0.020％ 미만, S: 0.020％ 미만 및 Al: 0.050％ 미만으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, [Ti] 및 [N] 각각이 Ti 함유량 및 N 함유량을 단위 질량％로 나타내는 경우, 상기 화학 성분이 ([Ti]-3.43×[N])>0.03을 충족하고, 직경이 5nm 이상 100nm 이하인 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 합계 개수 밀도가 50개/㎛³ 초과이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 스프링강은, 상기 화학 성분이 추가로, 단위 질량％로, Cu: 0.05 내지 0.50％를 함유하고, [Cu] 및 [Ni] 각각이 Cu 함유량 및 Ni 함유량을 단위 질량％로 나타내는 경우, 상기 화학 성분이 [Cu]<([Ni]+0.1)을 충족해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 스프링강은, 상기 화학 성분이 추가로, 단위 질량％로, Mo: 0.05 내지 1.00％, V: 0.05 내지 0.50％, Nb: 0.01 내지 0.10％의 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 스프링강은, ??칭 템퍼링 후의, 인장 강도가 1800MPa 이상이고, 교축이 40％ 이상이고, 충격값이 70J/㎠ 이상이어도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 스프링강은, ??칭 템퍼링 후의 인장 강도가 1800MPa 이상이고, 지연 파괴 강도비가 0.40 이상이어도 된다.

본 발명의 상기 형태에 의하면, 열 처리 후에 인장 강도로 1800MPa 이상의 고강도를 가지면서, 충분한 교축과 충격값(인성)이 확보되고, 또한 내수소 취성(내지연 파괴 특성)도 높은 스프링강을 얻을 수 있다. 또한, 이 스프링강은 현가 스프링용 재료로서 적합하다.

본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후에 인장 강도가 높고, 충분한 인성을 갖는 스프링강을 얻기 위한 방법에 대하여 검토하였다. 그 결과, 본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후에 충분한 인성을 갖는 스프링강을 얻기 위해서, Ti 탄질화물을 ??칭 템퍼링 전의 강 중에 미세 분산시키는 것이 유효함을 지견하였다. 즉, Ti 탄질화물은, 오스테나이트의 핀 고정 효과를 가지므로, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화시킬 수 있는 것, Ti 탄질화물을 미세 분산시킨 스프링강은, 열 처리 후에 고강도, 높은 교축 및 높은 인성을 얻는 것을 지견하였다.

또한 본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후에, 인성에 더하여 높은 내수소 취성도 병립시키는 방법을 검토하였다. 그 결과, B를 강의 화학 성분 중에 함유시키는 것이 유효함을 지견하였다. B는, 파괴 기점이 되기 쉬운 구 오스테나이트 입계를 강화하는 작용을 가지므로, B를 함유시킴으로써 ??칭 템퍼링 후의 강의 내지연 파괴 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나, 상술한 B 함유 효과는, B와 N이 결부되어서 BN이 생성되어, 고용 상태의 B(고용 B)의 양이 감소하면 손상된다. 본 발명자들은, B와 Ti의 양쪽을 함유시킴과 함께, B와 Ti의 함유량의 비를 제어하면, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물이 우선적으로 생성되어 BN을 생성하는 N의 양이 감소하여, BN의 생성 및 고용 B량의 감소를 억제할 수 있음을 지견하였다.

또한 본 발명자들은, Ti와 B의 양쪽을 함유시킴으로써, 고용 Ti에 의한 취화를 억제할 수 있음을 지견하였다. 이에 의해, 단독으로 함유시킨 경우에 취화가 문제가 될 우려가 있는 양의 Ti를, 스프링강에 함유시킬 수 있다.

본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후에 더 높은 수준의 인성을 갖는 스프링강을 얻기 위해서, Ti 탄화물(TiC)을 ??칭 템퍼링 전의 강 중에 미세 분산시키는 것이 유효함을 지견하였다. Ti 탄화물은, 오스테나이트의 핀 고정 효과를 가지므로, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화시킬 수 있다. 특히 Ti 탄화물은, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물보다도 저온에서 석출되므로, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물보다도 미세하게 또한 대량으로 석출시키는 것이 가능하여, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물보다도 높은 오스테나이트 입자 미세화 효과를 갖고 있다.

이와 같이, 본 발명자들은, B에 의한 구 오스테나이트 입계의 강화와, Ti 탄질화물에 의한 고용 B량의 확보 및 구 오스테나이트 입자의 미세화와, Ti 탄화물에 의한 구 오스테나이트 입자의 한층 더한 미세화를 사용함으로써, ??칭 템퍼링 후에 높은 인장 강도, 높은 교축, 높은 충격값 및 높은 내수소 취성을 갖는 스프링강이 얻어짐을 지견하였다.

이하에, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 스프링강(본 실시 형태에 따른 스프링강)에 대해서 설명한다. 먼저, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분에 대하여 설명한다. 특별히 언급되지 않는 한, 성분에 관한 ％는 질량％이다.

[C: 0.40 내지 0.60％]

C는, 강의 강도에 큰 영향을 미치는 원소이다. ??칭 템퍼링 후의 강에 충분한 강도를 부여하기 위해서는, C 함유량을 0.40％ 이상으로 할 필요가 있다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.45％, 보다 바람직한 하한은 0.48％이다. 한편, C 함유량이 과잉이면, ??칭 후의 강에 있어서 미변태 오스테나이트(잔류 오스테나이트)가 증가하고, C의 강도 상승 효과가 감소하고, 또한 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, C 함유량의 상한을 0.60％로 한다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.58％, 더 바람직한 상한은 0.55％이다.

[Si: 0.90 내지 2.50％]

Si는, 스프링의 강도를 상승시킨다. 또한, Si는, 스프링의 사용 중 형상 변화인 늘어짐에 대한 내성(내늘어짐 특성)을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Si 함유량을 0.90％ 이상으로 한다. Si 함유량의 바람직한 하한은 1.20％, 보다 바람직한 하한은 1.60％이다. 한편, Si 함유량이 과잉이면, 강이 현저하게 취화된다. 따라서, Si 함유량의 상한을 2.50％로 한다. Si 함유량의 바람직한 상한은 2.30％, 보다 바람직한 상한은 2.10％이다.

[Mn: 0.20 내지 1.20％]

Mn은, 강의 ??칭성을 향상시켜서 강의 ??칭 템퍼링 후의 강도를 향상시킨다. 또한, Mn은, 강 중에 존재하는 S를 MnS로서 고정함으로써 강의 취화를 억제하기 위하여 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Mn 함유량을 0.20％ 이상으로 한다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.30％, 보다 바람직한 하한은 0.40％이다. 한편, Mn 함유량이 과잉이면, 성분 편석이 조장되어서 강이 취화된다. 따라서, Mn 함유량의 상한을 1.20％로 한다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.00％, 보다 바람직한 상한은 0.60％이다.

[Cr: 0.15 내지 2.00％]

Cr은, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 탄화물의 석출 제어에 유효하므로, ??칭 템퍼링 후의 강의 강도를 확보하기 위하여 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Cr 함유량을 0.15％ 이상으로 한다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.25％, 보다 바람직한 하한은 0.45％, 더욱 바람직한 하한은 0.60％이다. 한편, Cr 함유량이 과잉이면, 강이 현저하게 취화된다. 따라서, Cr 함유량의 상한을 2.00％로 한다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 1.50％, 보다 바람직한 상한은 1.00％이다.

[Ni: 0.10 내지 1.00％]

Ni는, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 강의 내식성을 향상시키는 원소이고, 부식 환경하에서의 수소의 침입을 억제하여 내지연 파괴 특성을 향상시키기 때문에 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는 Ni 함유량을 0.10％ 이상으로 한다. Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.15％이다. 한편, Ni 함유량이 1.00％를 초과해도 이러한 효과는 포화하기 때문에, Ni량의 상한을 1.00％로 한다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.80％이다.

[Ti: 0.030 내지 0.100％]

Ti는, 강의 강도를 향상시킴과 함께, N과 결부됨으로써 Ti 질화물(TiN)을 생성하여 강 중의 N을 고정하는 효과가 있다. 이 N 고정 효과는, 후술하는 고용 B의 효과를 얻기 위하여 불가결하므로, N의 고정을 위하여 충분한 양의 Ti를 함유시킬 필요가 있다. 또한, Ti 질화물이나 Ti 탄질화물(Ti(C, N))은 핀 고정 효과에 의해 오스테나이트 입자 성장을 억제하여, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화하는 효과를 갖는다. 덧붙여, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Ti와 C를 결합시켜서 미세한 TiC를 대량으로 석출시킴으로써, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자를 더욱 미세화시킨다. 이들 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Ti의 함유량을 0.030％ 이상으로 한다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.045％, 보다 바람직한 하한은 0.050％이다. 한편, 과잉의 Ti는, 파괴의 기점이 되기 쉬운 조대한 TiN을 생성시킴과 함께, 강 자체도 취화시킨다. 따라서, Ti 함유량의 상한을 0.100％로 한다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.090％이다.

[B: 0.0010 내지 0.0060％]

B는, 강의 ??칭성을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한 B는, 파괴의 기점이 되기 쉬운 구 오스테나이트 입계에 우선적으로 편석함으로써 입계로의 P 및 S 등의 편석을 억제하고, 결과로서 입계 강도의 상승 및 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 상술한 Ti는, 스프링강을 취화시킬 우려가 있는 원소이지만, B의 인성 향상 효과에 의해 Ti에 의한 강의 취화를 억제할 수 있다. 단, 이들 효과를 얻기 위해서는, BN의 생성을 억제하여, 고용 상태의 B의 양을 증가시킬 필요가 있다. ??칭성의 향상 효과 및 입계 강도의 향상 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, B 함유량을 0.0010％ 이상으로 한다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0015％, 보다 바람직한 하한은 0.0020％이다. 한편, 과잉으로 B를 함유시켜도 이들 효과는 포화할 뿐만 아니라, 강의 인성이 손상될 우려가 있다. 따라서, B 함유량의 상한을 0.0060％로 한다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0050％, 보다 바람직한 상한은 0.0040％이다.

[N: 0.0010 내지 0.0070％]

N은, 강 중에서 각종 질화물, 또는 탄소(C)와 함께 탄질화물을 생성하는 원소이다. 고온에서도 안정된 질화물 입자 및 탄질화물 입자는, 오스테나이트 입자 성장의 핀 고정 효과에 의한, 구 오스테나이트 입자의 미세화에 효과를 발휘한다. 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, 매우 안정된 Ti 탄질화물(Ti(C, N)) 입자를 ??칭 템퍼링 전의 강에 석출시킴으로써, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화하기 위해서, N 함유량을 0.0010％ 이상으로 한다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0020％이다. 한편으로, N 함유량이 과잉이면 Ti 질화물 입자나 Ti 탄질화물 입자가 조대화하여 파괴 기점이 되고, 인성 및/또는 피로 특성이 저하된다. 또한, N 함유량이 과잉인 경우, N이 B와 결부되어서 BN을 생성하여, 고용 B량을 감소시킴으로써, 상술한 B에 의한 ??칭성의 향상 효과 및 입계 강도의 향상 효과가 손상될 우려가 있다. 따라서, N 함유량의 상한을 0.0070％로 한다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0050％이다.

[([Ti]-3.43×[N])>0.03]

본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물을 활용함으로써, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입자를 미세화한다. 특히 Ti 탄화물은, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물과 비교하여, 보다 저온에서 석출하므로, Ti 질화물, Ti 탄질화물보다도 미세하게 또한 대량으로 석출시키는 것이 가능하다. 따라서 Ti 탄화물은, Ti 질화물 및 Ti 탄질화물 이상의 구 오스테나이트 입자 미세화 효과를 갖고 있다. 이로 인해, 본 실시 형태에 따른 스프링강은, Ti 탄화물로서 석출되는 Ti를 충분히 확보하기 위해서, 화학 성분이 하기의 식 1을 충족하는 것을 특징으로 한다.

([Ti]-3.43×[N])>0.03…(식 1)

식 1에 있어서 [Ti], [N]은 단위 질량％의 Ti 함유량 및 N 함유량이고, 「3.43」이라는 수치는, Ti의 원자량을 N의 원자량으로 나눔으로써 얻어지는 값이다. "3.43×[N]"은, TiN의 형성에 의해 소비될 수 있는 최대의 Ti량이다. 화학 성분이 식 1을 충족시키는 경우, TiN 및 Ti 탄질화물로서 소비되지 않은 Ti의 양이 0.03질량％ 이상이 되므로, 오스테나이트 입자를 미세화하기 위하여 충분한 Ti 탄화물을 얻을 수 있다. ([Ti]-3.43×[N])의 바람직한 하한은 0.04질량％이다.

([Ti]-3.43×[N])의 상한은 특별히 규정할 필요가 없고, Ti 함유량의 상한인 0.100％로 해도 된다.

[P: 0.020％ 미만]

P는, 불순물 원소로서 강 중에 존재하고, 강을 취화시킨다. 특히, 구 오스테나이트 입계에 편석한 P는, 충격값의 저하나 수소의 침입에 의한 지연 파괴 등을 일으킨다. 그로 인해, P 함유량은 적은 편이 좋다. 강의 취화를 방지하기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는 P 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.015％이다.

[S: 0.020％ 미만]

S는, P와 동일하게 불순물 원소로서 강 중에 존재하고, 강을 취화시킨다. S는, Mn을 함유시킴으로써 MnS로서 고정할 수 있지만, MnS도 조대화하면 파괴 기점으로서 작용하고, 이에 의해 강의 충격값이나 내지연 파괴 특성을 열화시킨다. 이들 악영향을 억제하기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는 S 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.010％이다.

[Al: 0.050％ 미만]

Al은 탈산 원소로서 사용되는 원소이다. 그러나, Al 함유량이 과잉이면, 조대 개재물이 생성되고, 충격값이 열화된다. 따라서, 그 악영향이 현저해지지 않도록, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는 Al 함유량을 0.050％ 미만으로 제한한다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.040％이다.

본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분은, 상술한 필수 성분을 갖고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하는 것을 기본으로 한다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분은, 추가로 Cu, Mo, V 및 Nb 가운데 1종 이상을 후술하는 범위에서 함유해도 된다. 단, Cu, Mo, V 및 Nb는 임의 원소이며, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분은 이들을 함유할 필요는 없다. 따라서, Cu, Mo, V 및 Nb 각각의 함유량의 하한은 0％이다.

[Cu: 0 내지 0.50％]

Cu는, 열간 압연 중의 탈탄을 억제하는 효과를 갖는다. 또한, Ni와 동일하게 내식성을 향상시키는 효과도 있다. 이들 효과를 얻기 위해서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는 Cu 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편으로, Cu는 강의 열간 연성을 저하시켜, 열간 압연 시에 균열이 발생하는 원인이 될 우려가 있다. Ni는 Cu에 의한 취화를 억제하는 효과를 가지므로, Cu를 함유시키는 경우, 하기 식 2를 충족하도록 Cu 함유량 및 Ni 함유량을 제어하고, 또한 Cu 함유량의 상한을 0.50％로 하는 것이 바람직하다. Cu 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.30％이다.

[Cu]<([Ni]+0.1％)…(식 2)

[Mo: 0 내지 1.00％]

Mo는, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 템퍼링 연화 저항도 높이고, ??칭 템퍼링 후의 강의 강도를 높이는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서, Mo 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, Mo 함유량이 1.00％를 초과하는 경우, 그 효과가 포화한다. Mo는 고가인 원소이고, 필요 이상으로 함유시키는 것은 바람직하지 않으므로, 함유시키는 경우에는, Mo 함유량의 상한을 1.00％로 한다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.60％이다.

[V: 0 내지 0.50％]

V는, Ti와 동일하게 질화물 및 탄화물 등을 생성하여, 오스테나이트 입자 성장의 핀 고정 효과를 발휘하여, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자를 미세화하는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서, V 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, V 함유량이 0.50％를 초과하는 경우, 조대한 미고용 석출물이 생성되어 강이 취화된다. 따라서, 함유시키는 경우에는, V 함유량의 상한을 0.50％로 한다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.30％이다.

[Nb: 0 내지 0.10％]

Nb도, Ti 및 V와 동일하게 질화물 및 탄화물 등을 생성하여, 오스테나이트 입자 성장의 핀 고정 효과를 발휘하여, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자를 미세화하는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서, Nb 함유량을 0.01％ 이상으로 해도 된다. 한편, Nb 함유량이 0.10％를 초과하는 경우, 조대한 미고용 석출물이 생성되어 강이 취화된다. 따라서, 함유시키는 경우에는, Nb 함유량의 상한을 0.10％로 한다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.06％이다.

본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분은, 상술한 필수 원소를 함유하고, 상술한 임의 원소를 함유하는 경우가 있고, 그 잔부가 Fe 및 불순물을 포함한다. 상술한 원소 이외의 원소가 불순물로서, 원재료 및 제조 장치 등으로부터 강 중에 혼입되는 것은, 그 혼입량이 강의 특성에 영향을 미치지 않는 수준인 한 허용된다.

이어서, 본 실시 형태에 따른 스프링강이 포함하는 개재물(석출물)의 특징에 대하여 설명한다.

[직경이 5nm 이상 100nm 이하인 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 개수 밀도: 합계 50개/㎛³ 초과]

본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, ??칭 템퍼링 전의 강에 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물(이하, Ti계 석출물)을 미세하게 또한 대량으로 분산시킴으로써, 오스테나이트 입자 성장을 억제하여, ??칭 템퍼링 후의 강에 있어서 고강도와, 충분한 교축 및 충분한 충격값을 달성하고 있다.

오스테나이트 입자 성장을 억제하기 위해서는, Ti계 석출물의 개수 밀도를 적절하게 제어하는 것이 중요하다. 한편으로, Ti 함유량에는 상한이 있으므로, Ti계 석출물을 미세하게 분산시키는 것이, 개수 밀도의 증대로 이어지고, 나아가서는 오스테나이트 입자 성장의 억제에 기여한다.

본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, Ti계 석출물로서, Ti 질화물보다도 석출 온도가 낮고 미세하게 분산시킬 수 있는, Ti 탄질화물 및 Ti 탄화물의 한쪽 또는 양쪽의 합계 개수 밀도를 상술한 바와 같이 규정한다.

본 발명자들은, Ti계 석출물의 평균 입경과, ??칭 템퍼링 후의 강의 구 오스테나이트 입경과의 관계를 조사하였다. Ti계 석출물의 계수는, 본 실시 형태에 따른 스프링강(??칭 템퍼링 전의 강)에 대해서, 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 추출 레플리카법으로 실시한다. 구체적으로는, TEM 추출 레플리카법에서는, 단위 면적당의 석출 입자수 Ns(개/㎛²)를 측정하게 되지만, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 Ti계 석출물의 상태를 평가할 때에는, 관찰 배율 20만배로 5시야 이상을 촬영하고, 석출 입자수와 사이즈를 관찰한다. 또한, 미세한 석출 입자의 평가에는 보조적으로 관찰 배율 50만배로 촬영한 사진을 사용한다. 석출 입자가 Ti계 석출물인 것은, EDS 측정에서 확인한다. 석출 입자가 균일하게 분포하고 있다고 가정하고, 관찰된 단위 면적당의 석출 입자수 Ns와 입자의 평균 입경 d를 사용하여, 이하의 식 3으로부터 단위 부피 중의 입자수 Nv를 추정한다.

Ns/d≒Nv…(식 3)

검토 결과, 본 발명자들은 직경(원 상당 직경) 5nm 이상의 Ti계 석출물의 개수 밀도와 구 오스테나이트 입경 사이에 좋은 상관이 있는 것을 발견하였다. 한편, 이들 미세한 Ti계 석출물의 개수 밀도를 측정하는 데 있어서, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, 100nm 이상의 Ti계 석출물의 개수는 그 영향을 무시할 수 있을 만큼 적은 것도 본 발명자들은 발견하였다. 따라서 본 발명자들은, 직경 5nm 이상 100nm 이하의 Ti계 석출물의 개수 밀도를, ??칭 템퍼링 후의 오스테나이트 입자 미세화 효과를 얻기 위한 지표로서 채용하였다. 또한, 직경 5nm 미만의 Ti계 석출물은, 충분한 핀 고정 효과를 갖지 않음을 본 발명자들은 지견했으므로, 본 실시 형태에 따른 스프링강에 있어서 직경 5nm 미만의 Ti계 석출물은 고려되지 않는다.

또한, 본 발명자들은, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자를 미세화하고, 고강도이며 또한 충분한 교축 및 충분한 충격값을 갖는 스프링강을 얻기 위해서는, 직경 5nm 이상 100nm 이하의 Ti계 석출물의 개수 밀도 Nv가 50개/㎛³ 초과이면 되는 것을 확인하였다.

이상의 이유에 의해, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, 직경 5nm 이상 100nm 이하의 미세한 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 합계 개수 밀도 Nv를 50개/㎛³ 초과로 한다. 이 합계 개수 밀도 Nv의 바람직한 하한은 70개/㎛³이다. 합계 개수 밀도 Nv의 상한을 규정할 필요는 없지만, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 화학 성분을 감안하여, 합계 개수 밀도 Nv를 1000개/㎛³ 이상으로 하는 것은 곤란하다.

[??칭 템퍼링 후의 교축: 바람직하게는 40％ 이상]

[??칭 템퍼링 후의 충격값: 바람직하게는 70J/㎠ 이상]

[??칭 템퍼링 후의 인장 강도: 바람직하게는 1800MPa 이상]

[??칭 템퍼링 후의 지연 파괴 강도비: 바람직하게는 0.40 이상]

본 실시 형태에 따른 스프링강은 상술한 특징을 갖고 있으므로, Ti계 석출물의 핀 고정 효과에 의해, ??칭 템퍼링이 행해진 후에 입도 번호 10 정도의 미세한 구 오스테나이트 입경을 갖는다. 본 실시 형태에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링 후에(??칭 템퍼링에 제공된 후에), 1800MPa 이상의 인장 강도를 갖고, 또한 40％ 이상의 교축과 70J/㎠ 이상의 충격값을 갖는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 따른 스프링강은, 구 오스테나이트 입경이 미세하기 때문에, 금속 조직의 일양성이 높고 변형 시에 왜곡의 국재화가 억제되므로, ??칭 템퍼링 후에 양호한 가공 특성을 갖는다. ??칭 템퍼링 후의 인장 시험에 있어서 40％ 이상의 교축을 가지면, 종래 사용되고 있는 저강도의 재료와 동등 이상의 가공성이 얻어지므로 바람직하다.

또한, 본 실시 형태에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입경이 미세하기 때문에, ??칭 템퍼링 후에 있어서, 충격 파괴 시의 균열 전파 저항이 높다. ??칭 템퍼링 후의 샤르피 충격 시험에 있어서 70J/㎠ 이상의 충격값을 가지면, 종래 사용되고 있는 것보다 저강도의 재료와 동등 이상의 인성이 얻어지므로 바람직하다. 이들 특성을 갖는 경우, 본 실시 형태에 따른 스프링강을 사용하여 제조된 기계 부품은 높은 신뢰성을 갖는다.

또한, 본 실시 형태에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링이 행해진 후에, 1800MPa 이상의 인장 강도 및 0.40 이상의 지연 파괴 강도비를 갖는 것이 바람직하다. 이들 특성을 갖는 경우, 본 실시 형태에 따른 스프링강을 사용하여 제조된 기계 부품은 높은 신뢰성을 가짐과 함께, 고성능화에 기여한다.

지연 파괴 강도비는, 지연 파괴 시험에 의해 구할 수 있다. 지연 파괴 시험은, 평행부 φ8mm이고, 이 평행부에 환상 V 노치(깊이 1mm, 꼭지각 60°)가 형성되어 있는 시험편에 대하여, pH=3의 H₂SO₄ 수용액 중에서 음극 수소 차지(1.0mA/㎠) 하면서 정하중 시험을 실시함으로써 행할 수 있다. 또한, 지연 파괴 강도비는, 이 지연 파괴 시험에 있어서, 200시간 경과 후에 파단하지 않는 최대 하중을, 대기 중에서의 파단 하중으로 나눔으로써 구할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링이 행해진 경우에, 40％ 이상의 교축, 70J/㎠ 이상의 충격값, 1800MPa 이상의 인장 강도 및/또는 0.40 이상의 지연 파괴 강도비를 갖는 것이 바람직하다.

본 실시 형태에 따른 스프링강에 ??칭 템퍼링을 행할 때에는, 오스테나이트 입자를 충분히 미세화하기 위해서, ??칭 가열 온도를 900℃ 이상 1050℃ 이하로 하는 것이 바람직하고, 900℃ 이상 1000℃ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 템퍼링은, 템퍼링 후의 인장 강도가 1800MPa 이상이 되도록 적절히 조건을 조정하여 행하는 것이 바람직하고, 예를 들어 템퍼링 온도는 350℃ 내지 500℃이다.

본 실시 형태에 따른 스프링강은 현가 스프링 등의 재료로서 적합하고, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 일례로서는, 용제에 의해 제조한 강괴를 열간 압연하여 얻어지는 압연 선재 등을 들 수 있다.

이어서, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 바람직한 제조 방법에 대하여 설명한다. 본 실시 형태에 따른 스프링강은, 제조 방법에 한정되지 않고, 상술한 특징을 갖는 한 그 효과가 얻어진다. 그러나, 이하에 나타내는 공정을 포함하는 제조 방법에 의하면, 본 실시 형태에 따른 스프링강을 용이하게 제조할 수 있으므로, 바람직하다.

본 실시 형태에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링 전에 강 중에 미세하게 분산시킨 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물을, ??칭 열 처리 시의 오스테나이트 입자 미세화를 위하여 활용하는 것을 특징으로 한다. 미세한 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물은, 용제 후에 고상 중에서 석출하는 입자를 활용함으로써 얻어지므로, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 제조 방법에서는, 이들 입자를 조대화시키지 않도록, 용제 후의 각 공정의 온도 및 처리 시간을 관리하는 것이 중요하고, 특히 고온 공정인 강괴 가열 공정 및 열간 압연 공정의 제어가 중요하다.

통상, 강괴를 가열하여 압연할 때에는, 내부 불균일을 경감하기 위해서, 예를 들어 1250℃ 이상의 온도 범위로 180min 이상 유지하는 열 처리와 같이, 고온 또한 장시간의 가열을 행한 후에 열간 압연을 행한다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 스프링강에서는, 예를 들어 열간 압연을 위하여 강괴를 가열할 때에는, 강괴를 950℃ 이상 1100℃ 이하의 온도 범위 내로 가열하고, 30min 이상 120min 이하의 시간만큼 당해 온도 영역으로 유지할 필요가 있다. 강괴의 가열 온도가 950℃ 미만인 경우, 압연 저항이 증대하여 생산성이 저하될 우려가 있다. 또한, 강괴의 유지 시간이 30min 미만인 경우, 강괴의 균열(均熱)이 불충분하여 압연 균열의 우려가 있다. 한편, 강괴의 가열 온도가 1100℃ 초과일 경우 또는 강괴의 유지 시간이 120min 초과일 경우, 상술한 석출 입자가 조대화하여, 이에 의해 직경 5nm 이상 100nm 이하의 미세한 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 합계 개수 밀도 Nv가 부족할 우려가 있다.

상술한 조건에서 가열된 강괴를 열간 압연함으로써, 스프링용 강을 얻을 수 있다. 열간 압연 시에는, 통상, 강괴의 온도는 가열 온도 이상이 되지 않으므로, 압연 시의 강괴의 온도는 1100℃ 이하이다. 그러나, Ti계 석출 입자의 조대화를 억제하기 위해서는, 압연 시의 강괴의 온도를 1050℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

실시예

이어서, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하는데, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 하나의 조건 예이며, 본 발명은 이 하나의 조건 예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.

실시예 및 비교예의 각 성분, ([Ti]-3.43×[N]) 및 ([Cu]- [Ni])를 표 1 및 표 2에 나타내었다. 표 1 및 표 2에 있어서, 기호 「-」는, 그 기호에 관한 원소가 함유되어 있지 않은 것을 나타낸다. 표 1 및 표 2에 있어서, Cu가 포함되어 있지 않은 실시예 및 비교예의 ([Cu]-[Ni])는 산출되어 있지 않다. 이들 실시예 및 비교예는, 열간 압연 전에 강괴를 950℃ 이상 1100℃ 이하의 온도에서, 120min을 초과하지 않는 시간만큼 가열하는 공정과, 가열된 강괴를 열간 압연하는 공정과, 900℃ 이상 1050℃ 이하의 온도에서 ??칭하는 공정과, 인장 강도가 1900 내지 2000MPa가 되도록 템퍼링하는 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 제조되었다.

얻어진 실시예, 비교예의 스프링강에 대해서, Ti계 석출물의 개수 밀도, ??칭 템퍼링 후의 기계적 특성(인장 강도, 교축, 충격값 및 지연 파괴 강도비)을 조사하였다. 어느 실시예 및 비교예도, 먼저, ??칭 템퍼링 전의 시료로부터 Ti계 석출물 관찰용의 시료를 채취하고, 그 후, φ14 내지 16mm의 강을 1900 내지 2000MPa가 되도록 ??칭 템퍼링을 행하고, 기계적 특성을 측정하기 위한 시험편을 채취하였다.

Ti계 석출물의 계수는, 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 추출 레플리카법으로, ??칭 템퍼링 전의 각 시료에 대하여 실시하였다. 또한, TEM 추출 레플리카법으로는, 단위 면적당의 석출 입자수 Ns(개/㎛²)를 측정하게 되지만, 본 실시 형태에 따른 스프링강의 Ti계 석출물의 상태를 평가할 때에는, 석출 입자가 균일하게 분포하고 있다고 가정하고, 단위 면적당의 석출 입자수 Ns와, 관찰된 입자의 평균 입경 d를 사용하여, 이하의 식 3으로부터 단위 부피 중의 입자수 Nv를 추정하였다. 석출 입자가 Ti계 석출물인 것은, EDS 측정으로 확인하였다.

Ns/d≒Nv…(식 3)

인장 시험은 「JIS Z 2201」에 준거하여, 평행부 직경 8mm의 14호 시험편을 제조하여 실시하고, 인장 강도 및 교축을 얻었다. 샤르피 충격 시험은 「JIS Z 2204」에 준거하여, U 노치 시험편(노치 아래 높이 8mm, 폭 5mm 서브 사이즈)을 제조하여 실시하고, 실온(23℃)에서의 충격값을 얻었다.

지연 파괴 시험은, 평행부 φ8mm이고, 이 평행부에 환상 V 노치(깊이 1mm, 꼭지각 60°)가 형성되어 있는 시험편에 대하여, pH=3의 H₂SO₄ 수용액 중에서 음극 수소 차지(1.0mA/㎠)하면서 정하중 시험을 실시함으로써 행하였다. 각 강종에 있어서, 200시간 경과 후에 파단하지 않는 최대 하중을, 대기 중에서의 파단 하중으로 나눔으로써, 각 실시예 및 비교예의 지연 파괴 강도비를 구하고, 이에 의해 각 실시예 및 비교예의 내수소 취성(내지연 파괴 특성)을 비교하였다.

표 3 및 표 4에, 각 실시예 및 비교예의 Ti계 석출물의 개수 밀도, 기계적 특성(인장 강도, 교축, 충격값 및 지연 파괴 강도비)을 나타낸다.

실시예는 모두, Ti 석출물의 석출수가 50개/㎛³을 초과하고 있었다. 또한, 이들 실시예에서는, ??칭 템퍼링 후에, 1800MPa 이상의 인장 강도, 40％ 이상의 교축, 70J/㎠ 이상의 충격값 및 0.40 이상의 지연 파괴 강도비를 갖고 있었다.

한편, 비교예 21, 22, 25, 27, 28, 29, 33, 34, 36, 37은 각각, Ni-Ti-B 부족, C 부족, Si 과잉, P 과잉, S 과잉, Cr 과잉, Ti 과잉, N 과잉, Ti 부족, ([Ti]-3.43×[N])의 부족 때문에, 교축값이 저하되어 있다.

또한, 비교예 21, 22, 23, 25, 26, 27, 28, 30, 33, 34, 35, 36, 37은 각각, Ni-Ti-B 부족, C 부족, C 과잉, Si 과잉, Mn 부족, P 과잉, S 과잉, Ni 부족, Ti 과잉, N 과잉, B 부족, Ti 부족, ([Ti]-3.43×[N])의 부족 때문에, 취화 또는 조직이 조대화하고, 충격값이 저하되어 있다.

또한, 비교예 21, 22, 24, 26, 27, 28, 30, 32, 34, 35, 36, 37은 각각, Ni-T-B 부족, C 부족, Si 부족, Mn 부족, P 과잉, S 과잉, Ni 부족, ([Ti]-3.43×[N])의 부족, N 과잉, B 부족, Ti 부족, ([Ti]-3.43×[N])의 부족 때문에, 취화 또는 내부식성 부족 또는 조직 조대화에 의해, 내지연 파괴 특성이 저하되어 있다.

비교예 31은 Ni-Cu 함유량의 밸런스가 본 발명의 범위 밖이기 때문에 열간 연성이 저하되어, 열간 가공 시에 크랙이 발생했기 때문에 기계 시험을 실시하고 있지 않다.

비교예 38은, 압연 전에 강괴를 소정의 온도 이상으로 승온한 예이고, 가열의 영향으로 Ti 석출물이 조대화하여 석출수가 부족하다. 이로 인해, ??칭 시의 결정립 직경이 조대가 되어 교축, 충격값, 내지연 파괴 특성이 저하되어 있다.

본 발명에 따른 스프링강은, ??칭 템퍼링 후의 구 오스테나이트 입자가 미세화되어, ??칭 템퍼링 후에 우수한 기계 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따르면, 1800MPa 이상의 고강도를 가지면서 충분한 교축과 충격값이 확보되고, 또한 내수소 취성도 높은 스프링강을 얻을 수 있다.

Claims

화학 성분이 단위 질량％로,
C: 0.40 내지 0.60％,
Si: 0.90 내지 2.50％,
Mn: 0.20 내지 1.20％,
Cr: 0.15 내지 2.00％,
Ni: 0.10 내지 1.00％,
Ti: 0.030 내지 0.100％,
B: 0.0010 내지 0.0060％,
N: 0.0010 내지 0.0070％,
Cu: 0 내지 0.50％,
Mo: 0 내지 1.00％,
V: 0 내지 0.50％,
Nb: 0 내지 0.10％
를 포함하고,
P: 0.020％ 미만,
S: 0.020％ 미만, 및
Al: 0.050％ 미만
으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고,
[Ti] 및 [N] 각각이 Ti 함유량 및 N 함유량을 단위 질량％로 나타내는 경우, 상기 화학 성분이
([Ti]-3.43×[N])>0.03
을 충족하고,
직경이 5nm 이상 100nm 이하인 Ti 탄화물 및 Ti 탄질화물의 합계 개수 밀도가 50개/㎛³ 초과인
것을 특징으로 하는 스프링강.
제1항에 있어서, 상기 화학 성분이 추가로, 단위 질량％로,
Cu: 0.05 내지 0.50％
를 함유하고,
[Cu] 및 [Ni] 각각이 Cu 함유량 및 Ni 함유량을 단위 질량％로 나타내는 경우, 상기 화학 성분이
[Cu]<([Ni]+0.1)
을 충족하는
것을 특징으로 하는 스프링강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 화학 성분이 추가로, 단위 질량％로,
Mo: 0.05 내지 1.00％,
V: 0.05 내지 0.50％,
Nb: 0.01 내지 0.10％
의 1종 또는 2종 이상을 함유하는
것을 특징으로 하는 스프링강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, ??칭 템퍼링 후의, 인장 강도가 1800MPa 이상이고, 교축이 40％ 이상이고, 충격값이 70J/㎠ 이상인 것을 특징으로 하는 스프링강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, ??칭 템퍼링 후의, 인장 강도가 1800MPa 이상이고, 지연 파괴 강도비가 0.40 이상인 것을 특징으로 하는 스프링강.