KR20180087371A

KR20180087371A - 강

Info

Publication number: KR20180087371A
Application number: KR1020187018228A
Authority: KR
Inventors: 신야 데라모토; 아키라 시가
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-08-01
Also published as: WO2017110883A1; EP3395975A1; JPWO2017110883A1; KR102101233B1; JP6620822B2; EP3395975A4; CN108474068A; US20180371593A1

Abstract

본 발명의 일 형태에 관한 강은, 단위 질량％로 C: 0.10 내지 0.25％, Si: 0.60 내지 1.20％, Mn: 0.60 내지 1.00％, P: 0.040 내지 0.060％, S: 0.060 내지 0.100％, Cr: 0.05 내지 0.20％, Bi: 0.0001 내지 0.0050％, N: 0.0020 내지 0.0150％, V: 0 내지 0.010％, Al: 0 내지 0.0050％, Ti: 0 내지 0.020％, Ca: 0 내지 0.005％, Zr: 0 내지 0.005％ 및 Mg: 0 내지 0.005％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.

Description

강

본 발명은 강에 관한 것이며, 특히 파단 분리성이 우수한 열간 단조용 비조질강에 관한 것이다.

본원은, 2015년 12월 25일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2015-253563호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차 엔진용 부품 및 현가 장치용 부품은, 열간 단조로 성형을 행하고, 이어서 ?칭 템퍼링과 같은 열 처리를 행하거나(이후, 열 처리가 행해지는 부품을 조질 부품이라 칭함), 또는 열 처리를 적용하지 않고(이후, 열 처리가 행해지지 않는 부품을 비조질 부품이라 칭함), 적용하는 부품에 필요한 기계 특성을 확보한다. 최근에는 제조 공정에 있어서의 경제 효율성의 관점에서 조질을 생략한 부품, 즉 비조질 부품이 많이 보급되고 있다.

자동차 엔진용 부품의 예로서 커넥팅 로드(이후, 콘 로드라 함)를 들 수 있다. 이 부품은, 엔진 내에서 피스톤의 왕복 운동을 크랭크 샤프트에 의한 회전 운동으로 변환할 때에 동력을 전달하는 부품이다. 콘 로드는, 크랭크 샤프트의 핀부라 불리는 편심 부위를 콘 로드의 캡부와 로드부로 물어서 체결하고, 핀부와 콘 로드의 체결부가 회전 미끄럼 이동하는 기구에 의해 동력을 전달한다. 이 캡부와 로드부의 체결의 효율화를 위해, 최근 몇년간 파단 분리형 콘 로드가 많이 채용되고 있다.

파단 분리형 콘 로드란, 열간 단조 등으로 캡부와 로드부가 일체로 된 형상으로 강재를 성형한 후, 캡부와 로드부의 경계에 상당하는 부분에 절결을 넣어, 이 부분을 파단 분리하는 공법을 채용한 것이다. 이 공법에서는, 캡부 및 로드부의 맞춤면에 있어서 파단 분리된 파면끼리를 끼워 맞추기 때문에, 맞춤면의 기계 가공이 불필요할 뿐만 아니라, 위치 정렬을 위해 실시하는 가공도 필요에 따라 생략할 수 있다. 이로부터 부품의 가공 공정을 대폭 삭감할 수 있어, 부품 제조시의 경제 효율성은 대폭 향상된다. 이러한 공법으로 제조되는 파단 분리형 콘 로드에는, 파단면의 파괴 형태가 취성적이며, 파단 분리에 의한 파면 근방의 변형량이 작고, 또한 파단 분리시의 칩 발생량이 적을 것, 즉 파단 분리성이 양호할 것이 요구된다.

파단 분리형 콘 로드에 사용하는 강재로서 구미에서 보급되고 있는 것은, DIN 규격의 C70S6이다. 이것은, 0.7질량％의 C를 포함하는 고탄소 비조질강이며, 파단 분리시의 치수 변화를 억제하기 위해, 그 금속 조직을 연성 및 인성이 낮은 펄라이트 조직으로 한 것이다. C70S6은, 파단시의 파단면 근방의 소성 변형량이 작기 때문에 파단 분리성이 우수한 한편, 현행의 콘 로드용 강인 중탄소 비조질강의 페라이트·펄라이트 조직에 비해 조직이 조대하기 때문에, 항복비(=항복 강도/인장 강도)가 낮고, 높은 좌굴 강도가 요구되는 고강도 콘 로드에는 적용할 수 없다는 문제가 있다.

강재의 항복비를 높이기 위해서는 탄소량을 저감하고, 페라이트 분율을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 페라이트 분율을 증가시키면 강재의 연성이 향상되어, 파단 분리시에 소성 변형량이 커지고, 크랭크 샤프트의 핀부에 체결되는 콘 로드 미끄럼 이동부의 형상 변형이 증대되어, 진원도가 저하된다는, 부품 성능상의 문제가 발생한다.

고강도의 파단 분리형 콘 로드에 적합한 강재로서 몇 가지의 비조질강이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 강재에 Si 또는 P와 같은 취화 원소를 다량으로 첨가하여, 강재 자체의 연성 및 인성을 저하시킴으로써 강재의 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 제2상 입자의 석출 강화를 이용하여 페라이트의 연성 및 인성을 저하시킴으로써 강재의 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 5 내지 7에는, Mn 황화물의 형태를 제어함으로써 강재의 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다. 특허문헌 8에는, 강을 -60℃ 이하로 냉각한 후 파단 분리시킴으로써, 강의 파단 분리성을 개선하는 기술이 기재되어 있다.

그러나, 어느 기술도 파단 분리성에 대하여 충분히 만족하고 있다고는 할 수 없는 것이 실정이다.

특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 6에 기재된 기술에서는, 강의 강도를 높이기 위해 다량의 C를 함유시킬 것이 요구된다. 이러한 특징을 갖는 강은 파단 분리에 사용한 경우, 파단면에서의 칩 발생량이 증대되어 파단 분리성이 부족하다. 그러나 특허문헌 1, 특허문헌 2 및 특허문헌 6에서는, 칩 발생량을 억제하는 수단에 대하여 전혀 검토되지 않았다.

특허문헌 3의 기술에서는, 강의 연성을 저하시키기 위해 Mn 함유량을 소정값 미만으로 제한할 것이 요구된다. 그러나, Mn은 파단 분리에 의해 발생하는 파단면에 요철을 형성하여, 파단면의 끼워 맞춤성을 높이기 위해 유효한 원소이다. 특허문헌 3에 기재된 강은 파단 분리에 사용한 경우, 파단면에 충분한 크기 및 수의 요철이 형성되지 않기 때문에, 파단 분리성이 부족하다. 그러나 특허문헌 3에서는, 파단면의 끼워 맞춤성에 대하여 전혀 검토되지 않았다.

특허문헌 4, 특허문헌 5 및 특허문헌 7의 기술에서는, 강 중의 페라이트를 취화시켜 파단 분리성을 높이기 위해 V 및/또는 Ti를 함유할 것이 요구된다. 그러나 본 발명자들은, 페라이트를 취화시킬 정도로 V 또는 Ti를 강에 첨가한 경우, 이들 원소의 편석이 발생하고, V 또는 Ti의 농도가 높은 영역에서 칩이 발생한다는 것을 알아내었다. 특허문헌 4, 특허문헌 5 및 특허문헌 7에 기재된 강은 파단 분리에 사용한 경우, 칩 발생량을 억제할 수 없기 때문에, 파단 분리성이 부족하다. 그러나 특허문헌 4, 특허문헌 5 및 특허문헌 7에서는, V 및 Ti와 같은 페라이트 취화 원소의 편석에 대하여 전혀 검토되지 않았다.

특허문헌 8에 기재된 기술에서는, 강의 기계 특성을 높이기 위해 강의 단조 후 경도를 나타내는 지표 Ceq를 소정값 이상으로 할 것이 요구된다. 이러한 특징을 갖는 강은, 파단 분리시의 칩 발생량이 많아 파단 분리성이 손상된다. 특허문헌 8에 제시되어 있는 -60℃ 이하의 저온에서의 파단 분리는, 부품 제조시의 경제 효율성을 저하시킨다.

일본 특허 제3637375호 공보 일본 특허 제3756307호 공보 일본 특허 제3355132호 공보 일본 특허 제3988661호 공보 일본 특허 제4314851호 공보 일본 특허 제3671688호 공보 일본 특허 제4268194호 공보 일본 특허 공개2004-183094호 공보

상술한 바와 같이, 파단 분리성은 예를 들어 파단면에 있어서의 변형량, 파단면에 있어서의 취성 파면율, 파단면에 있어서의 요철의 크기 및 개수, 및 파단면에 있어서의 칩 발생량 등에 의해 평가된다. 변형량의 억제 및 취성 파면율의 향상은, 강의 인성을 저하시킴으로써 달성된다. 예를 들어, 인성의 지표인 샤르피 충격값이 낮은 강에서는, 변형량의 억제 및 취성 파면율의 향상이 달성되어 있는 것이 통상이다. 종래 기술에 의하면, V 및 Ti 등을 강에 첨가하여, 페라이트에 석출 강화를 발생시킴으로써, 강의 인성을 저하시켜 변형량의 억제 및 취성 파면율의 향상이 달성되어 왔다. 그러나, 이들 원소, 특히 V는 편석되기 쉬운 원소이다. 파단 분리성을 향상시키기 위해 필요한 양의 이들 취화 원소를 강에 첨가한 경우, 이들 원소의 편석부(이들 원소의 농도가 주위보다 높은 부분)에 있어서 취화가 과잉으로 발생하여, 파단 분리시에 칩이 발생한다. 이에 의해, 파단 분리시의 칩 발생량이 증대되어, 파단 분리성이 손상된다. 따라서, V 등과 같은 칩 발생량을 증대시키는 원소를 사용하지 않고 파단 분리성을 확보할 것이 필요로 된다.

또한, 높은 좌굴 강도가 요구되는 고강도 콘 로드와 같은 기계 부품의 재료로서 사용되는 강에는, 높은 항복비도 요구된다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여, 파단 분리성 및 항복비가 우수한 열간 단조용 비조질강을 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로는, 인성의 저하와 칩 발생량의 억제의 양쪽을 달성할 수 있으며, 또한 항복비도 우수한 강의 제공을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해, 본 발명자는 파단 분리성이 우수한 열간 단조용 비조질강을 실현하는 방책에 대하여 예의 검토한 결과, 이하의 (a), (b)의 지견을 얻었다.

(a) 강 중에 미량 Bi를 함유시킴으로써, 현저하게 인성을 저하시킨다는 것을 알아내었다. 이것은 강 중에 고용된 Bi가 페라이트를 현저하게 취화시켰기 때문이다. 이 효과에 의해 파단 분리성이 떨어진 저탄소 조성의 강재도 파단 분리용 비조질강으로서 사용 가능하게 된다.

(b) 강 중에 미량 Bi를 함유시킴으로써, 편석되기 쉬운 V를 함유시키지 않아도 인성을 저하시킬 수 있다는 것을 알아내었다. 이것은, 페라이트를 취화시키는 효과는 VC에 의한 석출 강화보다도, 고용 Bi 쪽이 현저하게 크기 때문이다.

이상과 같은 (a), (b)의 지견에 기초하여, V 등의 종래 알려진 페라이트 취화 원소를 함유시키지 않고 미량 Bi를 함유시킴으로써 저탄소 조성의 강재도 파단 분리성을 충분히 향상시킬 수 있다는 것을 알아내어, 본 발명을 이루기에 이르렀다.

본 발명이 요지로 하는 것은, 다음과 같다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 강은, 단위 질량％로 C: 0.10 내지 0.25％, Si: 0.60 내지 1.20％, Mn: 0.60 내지 1.00％, P: 0.040 내지 0.060％, S: 0.060 내지 0.100％, Cr: 0.05 내지 0.20％, Bi: 0.0001 내지 0.0050％, N: 0.0020 내지 0.0150％, V: 0 내지 0.010％, Al: 0 내지 0.0050％, Ti: 0 내지 0.020％, Ca: 0 내지 0.0050％, Zr: 0 내지 0.0050％ 및 Mg: 0 내지 0.0050％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어진다.

(2) 상기 (1)에 기재된 강은, 단위 질량％로 Ca: 0.0005 내지 0.0050％, Zr: 0.0005 내지 0.0050％ 및 Mg: 0.0005 내지 0.0050％ 중 1종 이상을 함유해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 강은, 단위 질량％로 N: 0.0020 내지 0.0090％를 함유해도 된다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 강은, 단위 질량％로 Al: 0 내지 0.0008％를 함유해도 된다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 강은, 단위 질량％로 V: 0 내지 0.004％를 함유해도 된다.

본 발명에 따르면, 인성의 저하와 칩 발생량의 억제의 양쪽이 달성되어, 파단 분리성 및 항복비가 우수한 열간 단조용 비조질강을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 형태에 관한 강의 용도의 일례인 콘 로드를 도시하는 분해 사시도이다.

<강 성분>

우선 본 실시 형태에 관한 강의 성분 조성의 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하, 강의 합금 원소의 함유량의 단위 「％」는, 특별히 언급이 없는 한 「질량％」를 의미한다.

C: 0.10 내지 0.25％

C는 강의 인장 강도를 확보하는 효과를 갖는다. 필요한 강도를 얻기 위해서는, C 함유량의 하한을 0.10％로 할 필요가 있다. 한편, C를 과잉으로 함유하면 파단면의 칩이 발생하는 빈도가 상승하기 때문에, C 함유량의 상한은 0.25％로 한다. C 함유량의 하한을 0.12％, 0.15％ 또는 0.19％로 해도 된다. C 함유량의 상한을 0.23％, 0.22％ 또는 0.21％로 해도 된다.

Si: 0.60 내지 1.20％

Si는 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 강의 연성 및 인성을 저하시키기 때문에, 강의 파단 분리성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량의 하한을 0.60％로 할 필요가 있다. 한편, Si를 과잉으로 함유하면 파단면의 칩이 발생하는 빈도가 상승하기 때문에, Si 함유량의 상한은 1.20％로 한다. Si 함유량의 하한값을 0.70％, 0.75％ 또는 0.80％로 해도 된다. Si 함유량의 상한값을 1.00％, 0.90％ 또는 0.85％로 해도 된다.

Mn: 0.60 내지 1.00％

Mn은 고용 강화에 의해 페라이트를 강화시키고, 강의 연성 및 인성을 저하시키기 때문에, 강의 파단 분리성을 향상시킨다. 또한, Mn은 S와 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 본 실시 형태의 강으로 이루어지는 강 부품을 파단 분리시킬 때에, 압연 방향으로 신장된 Mn 황화물을 따라 균열이 전파되기 때문에, Mn 황화물은 파단면의 요철을 크게 하여 파단면을 끼워 맞출 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 한편, Mn을 과잉으로 함유하는 경우, 페라이트가 지나치게 단단해져 파단면의 칩이 발생하는 빈도가 증가된다. 이것들을 감안하여, Mn 함유량의 범위는 0.60 내지 1.00％이다. Mn 함유량의 하한값을 0.70％, 0.80％ 또는 0.82％로 해도 된다. Mn 함유량의 상한값을 0.90％, 0.87％ 또는 0.85％로 해도 된다.

P: 0.040 내지 0.060％

P는 페라이트 및 펄라이트의 연성 및 인성을 저하시키고, 강을 취화시킨다. 통상은, P는 함유되는 것이 바람직하지 않은 불순물 원소로 간주된다. 파단 분리를 포함하지 않는 제조 방법에 의해 제조되는 부품의 재료가 되는 강에 있어서는, 부품의 취화를 방지하기 위해 P의 함유량을 약 0.020％ 이하로 하는 것이 통상이다. 그러나, 파단 분리성의 향상을 목적으로 하는 본 실시 형태에 관한 강에 있어서, P는 파단 분리성을 향상시키는 효과를 갖기 때문에 유익하다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 강에서는, P 함유량을 불순물로서 통상의 강에 포함되는 범위를 대폭 상회하는 0.040％ 이상으로 할 필요가 있다. 단, 과잉량의 P는 결정립계의 취화를 일으켜, 파단면의 칩이 발생되기 쉽게 한다. 이상을 고려하면, P 함유량의 범위는 0.040 내지 0.060％이다. P 함유량의 하한값을 0.042％, 0.045％ 또는 0.048％로 해도 된다. P 함유량의 상한값을 0.058％, 0.055％ 또는 0.050％로 해도 된다.

S: 0.060 내지 0.100％

S는 Mn과 결합하여 Mn 황화물을 형성한다. 본 실시 형태에 관한 강으로 이루어지는 강 부품을 파단 분리시킬 때에, 압연 방향으로 신장된 Mn 황화물을 따라 균열이 전파되기 때문에, S는 파단면의 요철을 크게 하여 파단면을 끼워 맞출 때에 위치 어긋남을 방지하는 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는 S 함유량의 하한을 0.060％로 할 필요가 있다. 한편, S를 과잉으로 함유하면 파단 분리시의 파단면 근방의 소성 변형량이 증대되어, 파단 분리성이 저하되는 경우가 있다. 이에 더하여, S를 과잉으로 함유하는 경우, 파단면의 칩을 조장하는 경우가 있다. 이상의 이유로부터, S 함유량의 범위를 0.060 내지 0.100％로 한다. S 함유량의 하한값을 0.070％, 0.075％ 또는 0.080％로 해도 된다. S 함유량의 상한값을 0.090％, 0.088％ 또는 0.085％로 해도 된다.

Cr: 0.05 내지 0.20％

Cr은, Mn과 마찬가지로 고용 강화에 의해 페라이트를 강화하고, 강의 연성 및 인성을 저하시키기 때문에, 강의 파단 분리성을 향상시킨다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유하면, 펄라이트의 라멜라 간격이 작아져, 오히려 펄라이트의 연성 및 인성이 높아지기 때문에, 강의 파단 분리성이 저하된다. 또한, Cr을 과잉으로 함유하면 베이나이트 조직이 생성되기 쉬워져, 항복비의 저하에 의한 항복 강도의 저하나, 파단 분리성의 현저한 저하가 발생한다. 따라서, Cr 함유량의 범위를 0.05 내지 0.20％로 한다. Cr 함유량의 하한값을 0.07％, 0.09％ 또는 0.10％로 해도 된다. Cr 함유량의 상한값을 0.17％, 0.16％ 또는 0.15％로 해도 된다.

Bi: 0.0001 내지 0.0050％

Bi는 본 실시 형태에 관한 강에 있어서 중요한 원소이다. 강이 미량의 Bi를 함유하는 경우, 고용 Bi가 페라이트를 취화시키고, 강의 연성 및 인성을 저하시키기 때문에, 강의 파단 분리성이 향상된다. 여기에서 착안해야 할 것은, Bi의 페라이트 취화 효과가 매우 미량으로 발현된다는 점에 있다. 본 발명자들이 알아낸 바로는, 상술한 효과를 얻기 위해서는 Bi의 함유량을 0.0001％ 이상으로 하면 된다. 이러한 미량의 Bi가 강의 파단 분리성을 향상시킨다는 취지는 지금까지 보고되지 않았다. 또한, Bi를 사용하여 페라이트를 취화시킨 경우, 칩 발생량의 증대는 확인되지 않았다. 이 원인은 불분명하지만, Bi량이 매우 미세하여, Bi 편석의 영향을 무시할 수 있을 정도로 작기 때문이라고 추정되었다.

그러나, Bi의 함유량이 0.0050％를 초과하면, Bi에 의한 페라이트의 취화 효과가 포화되고, 또한 항복 강도의 저하가 발생한다. 이들의 이유로부터, 본 실시 형태에 관한 강에서는, Bi 함유량은 0.0001％ 내지 0.0050％로 한다. Bi 함유량의 하한값을 0.0025％, 0.0028％ 또는 0.0030％로 해도 된다. Bi 함유량의 상한값을 0.0045％, 0.0042％ 또는 0.0040％로 해도 된다.

N: 0.0020 내지 0.0150％

N은 강 중에 V나 Ti가 함유되면, 이것들의 질화물 또는 탄질화물을 형성하지만, 그 이외의 N은 강 중에 고용된 상태로 존재한다. 고용 N(즉 강에 고용된 상태의 N)은 페라이트를 취화시키고, 강의 연성 및 인성을 저하시키기 때문에, 강의 파단 분리성을 향상시킨다. 이 효과를 얻기 위해서는 N 함유량의 하한을 0.0020％로 한다. N을 과잉으로 함유하면 열간 연성이 저하되어 열간 가공시에 깨짐 또는 결함이 발생하기 쉬워지는 경우가 있기 때문에, N 함유량의 상한을 0.0150％로 한다. N 함유량의 하한값을 0.0050％, 0.0070％ 또는 0.0080％로 해도 된다. N 함유량의 상한값을 0.0100％, 0.0095％ 또는 0.0090％로 해도 된다.

V: 0 내지 0.010％

V는, 탄화물 또는 탄질화물을 형성하여 페라이트에 석출 강화를 발생시키고, 페라이트의 연성 및 인성을 저하시켜, 이에 의해 파단 분리시의 변형량을 작게 하는 효과를 갖는다. 따라서 V는, 종래 기술에 의하면 높은 파단 분리성이 필요한 강에 함유되는 경우가 있다. 그러나, V를 사용하여 상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는, V 함유량을 약 0.10％ 이상으로 할 필요가 있다. 약 0.10％ 이상의 V를 강에 함유시킨 경우, V의 편석이 발생하고, V 농도가 높은 영역에서 페라이트의 연성 및 인성이 과잉으로 저하되어, 강의 파단 분리시에 칩이 발생하기 쉬워진다. 즉, V는 파단 분리시의 변형량을 작게 할 수 있지만, 파단 분리시의 칩양을 증대시킨다.

본 실시 형태에 관한 강은 상술한 미량의 Bi를 함유하기 때문에, 파단 분리성의 향상을 위해 V를 필요로 하지 않는다. 따라서 V 함유량의 하한값은 0％이다. 칩 발생량을 저감시키기 위해서는, V를 함유시키지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 스크랩을 재료로 하여 본 실시 형태에 관한 강을 제조한 경우, V가 혼입될 우려가 있다. 이 경우, 0.010％ 이하의 V는, 칩 발생량을 증대시키지 않기 때문에 허용된다. V 함유량의 상한값을 0.007％, 0.005％, 0.004％ 또는 0.002％로 해도 된다. 스크랩을 강의 재료로서 사용하지 않는다면, 불순물로서 강에 혼입되는 V의 함유량은 0.010％ 이하가 되는 것이 통상이다. 또한, 본 실시 형태에 관한 강이 속하는 기술 분야에 있어서, 0.010％ 이하의 V는, 강의 특성에 실질적인 영향을 미치지 않는 불순물로 간주되는 것이 통상이다. 밀 시트 등에서는 0.010％ 이하의 V는 함유량이 0％로 간주되어, 그 개시가 생략되는 경우가 있다.

Al: 0 내지 0.0050％

본 실시 형태에 관한 강은 Al을 포함하지 않고 그 효과를 발휘할 수 있기 때문에, Al의 함유량의 하한값은 0％이다. 또한, 0.0050％ 이상의 Al은 강 중에서 Al 산화물을 형성하고, 이 Al 산화물이 강의 피삭성을 손상시키는 경우가 있다. 이상의 이유에 의해, 본 실시 형태에 관한 강의 Al 함유량의 상한값은 0.0050％가 된다. Al 함유량의 상한값을 0.0040％, 0.0010％ 또는 0.0008％로 해도 된다. 또한, 본 실시 형태에 관한 강이 속하는 기술 분야에 있어서, 0.0050％ 이하의 Al은, 강의 특성에 실질적인 영향을 미치지 않는 불순물로 간주되는 것이 통상이다. 따라서, 밀 시트 등에서는 0.0050％ 이하의 Al은 함유량이 0％로 간주되어, 그 개시가 생략되는 경우가 있다.

Ti: 0 내지 0.020％

Ti는 상술한 V와 마찬가지로, 질화물을 형성하여 페라이트에 석출 강화를 발생시키고, 페라이트의 연성 및 인성을 저하시키고, 이에 의해 파단 분리시의 변형량을 작게 하는 효과를 갖는다. 그러나, 상술한 V와 마찬가지로, Ti는 파단 분리시의 칩양을 증대시킬 우려가 있다.

본 실시 형태에 관한 강은 상술한 미량의 Bi를 함유하기 때문에, 파단 분리성의 향상을 위해 Ti를 필요로 하지 않는다. 따라서, Ti 함유량의 하한값은 0％이다. 칩 발생량을 저감시키기 위해서는, Ti를 함유시키지 않는 것이 바람직하다. 그러나, 스크랩을 재료로 하여 본 실시 형태에 관한 강을 제조한 경우, Ti가 혼입될 우려가 있다. 이 경우, 0.020％ 이하의 Ti는, 칩 발생량을 증대시키지 않기 때문에 허용된다. Ti 함유량의 상한값을 0.010％, 0.005％ 또는 0.002％로 해도 된다. 스크랩을 강의 재료로서 사용하지 않는다면, 불순물로서 강에 혼입되는 Ti의 함유량은 0.020％ 이하가 되는 것이 통상이다. 또한, 본 실시 형태에 관한 강이 속하는 기술 분야에 있어서, 0.020％ 이하의 Ti는, 강의 특성에 실질적인 영향을 미치지 않는 불순물로 간주되는 것이 통상이다. 밀 시트 등에서는 0.020％ 이하의 Ti는 함유량이 0％로 간주되어, 그 개시가 생략되는 경우가 있다.

Ca: 0 내지 0.0050％, Zr: 0 내지 0.0050％, Mg: 0 내지 0.0050％

본 실시 형태에 관한 강은 Ca, Zr 및 Mg를 포함하지 않고 그 효과를 발휘할 수 있기 때문에, Ca, Zr 및 Mg의 함유량의 하한값은 0％이다. 그러나, Ca, Zr 및 Mg는 모두 산화물을 형성하고, MnS의 정출 핵이 되어 MnS를 균일 미세 분산시키는 효과가 있다. 본 실시 형태에 관한 강으로 이루어지는 강 부품을 파단 분리시킬 때에, 압연 방향으로 신장된 MnS를 따라 균열이 전파되기 때문에, Mn 황화물이 클수록 파단면의 요철을 커지는 한편, 연성 및 인성이 높아 파단 분리성이 낮아진다. MnS를 미세 분산함으로써 균열 진전 방향으로 전파되기 쉬워져 파단 분리성은 향상되는 효과가 얻어진다. 이 효과를 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 강은 0.0005％ 이상의 Ca, 0.0005％ 이상의 Zr 및 0.0005％ 이상의 Mg로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 한편, Ca, Zr 또는 Mg의 함유량이 0.0050％를 초과하면, 강의 열간 가공성이 열화되어, 강의 열간 압연이 곤란해진다. 이러한 점에서, Ca, Zr 및 Mg의 함유량 각각의 상한은 0.0050％로 한다.

본 실시 형태에 관한 강의 화학 성분의 잔부는 철 및 불순물을 포함한다. 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료, 또는 제조 공정의 다양한 요인에 의해 혼입되는 성분이며, 본 실시 형태에 관한 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

본 실시 형태에 관한 강의 조직은, 실질적으로 페라이트 및 펄라이트로 이루어지고, 약간 개재물 등을 포함하는 경우가 있는, 소위 페라이트·펄라이트 조직이다. 이 조직은, 강의 화학 성분을 상술한 범위 내로 제어함으로써 얻어진다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 강의 조직을 명시적으로 한정할 필요는 없지만, 예를 들어 본 실시 형태에 관한 강의 조직을 합계 99면적％ 이상의 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 조직으로 규정해도 된다.

이상 설명한 비조질강은, 종래 재료가 V를 첨가함으로써 페라이트의 취화를 도모하여 파단 분리성을 양호하게 하고 있었던 것에 비해, V를 첨가하지 않고 미량Bi 첨가 효과에 의한 페라이트의 취화를 이룰 수 있어 파단 분리성을 양호하게 하고 있다.

이상 설명된 본 실시 형태에 관한 강의 용도는 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 본 실시 형태에 관한 강은 양호한 파단 분리성을 갖기 때문에, 파단 분리하는 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어지는 기계 부품(파단 분리형 부품)의 재료로서 사용하는 것이 적합하며, 자동차 엔진의 콘 로드의 재료로서 사용하는 것이 특히 적합하다. 본 실시 형태의 비조질강으로 이루어지는 강 부품으로서의 파단 분리형 콘 로드(1)이면, 맞댐면의 새로운 가공이나 위치 결정 핀이 불필요하여, 대폭적인 제조 공정의 간략화를 이룰 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 강에 의해 형성되는 파단 분리형 콘 로드의 일례를 도시하는 분해 사시도이다.

도 1에 도시된 파단 분리형 콘 로드(1)는, 상하로 분리된 로드 부착 반원호 형의 어퍼측 절반 부재(2)와, 반원호형의 로워측 절반 부재(3)로 구성되어 있다. 어퍼측 절반 부재(2)의 반원호부(2A)의 양단측에는 각각 로워측 절반 부재(3)에 고정하기 위한 나사 홈을 갖는 나사 구멍(5)이 형성되고, 로워측 절반 부재(3)의 반원호부(3A)의 양단측에는 각각 어퍼측 절반 부재(2)에 고정하기 위한 삽입 관통 구멍(6)이 형성되어 있다.

어퍼측 절반 부재(2)의 반원호부(2A)와 로워측 절반 부재(3)의 반원호부(3A)를 원환형으로 합쳐서 상호의 양단측의 삽입 관통 구멍(6)과 나사 구멍(5)에 결합 볼트(7)를 삽입 관통하여, 나사 결합함으로써 원환형의 빅 엔드부(8)가 구성되어 있다. 어퍼측 절반 부재(2)의 로드부(2B)의 상단측에는 원환형의 스몰 엔드부(9)가 형성되어 있다.

도 1에 도시한 구조의 파단 분리형 콘 로드(1)는, 자동차 엔진 등의 내연 기관의 피스톤의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 내연 기관에 내장되며, 스몰 엔드부(9)가 도시를 생략한 피스톤에 접속되고, 빅 엔드부(8)가 내연 기관의 커넥팅 로드 저널(도시 생략)에 접속된다.

파단 분리형 콘 로드(1)의 어퍼측 절반 부재(2)의 반원호부(2A)와 로워측 절반 부재(3)의 반원호부(3A)는, 원래 하나의 원환형 부품이었던 부분을 취성 파단하여 형성된다. 일례로서, 열간 단조품의 일부에 절결을 형성하여 이 절결을 기점으로서 취성적으로 파단 분리하여 어퍼측 절반 부재(2)의 반원호부(2A)의 맞댐면(2a)과 로워측 절반 부재(3)의 반원호부(3A)의 맞댐면(3a)을 형성한다. 이들 맞댐면(2a, 3a)은, 양호한 파단 분리성을 갖는 본 실시 형태에 관한 강을 파단 분리하여 형성하고 있기 때문에, 양호한 위치 정렬 정밀도로 맞댐이 가능하게 된다.

이 구조의 파단 분리형 콘 로드(1)는 맞댐면의 새로운 가공이나 위치 결정 핀이 불필요하여, 대폭적인 제조 공정의 간략화가 이루어진다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 이하에 상세하게 설명한다. 또한, 이들 실시예는 본 발명의 기술적 의의, 효과를 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예

이하의 표 1에 나타내는 조성을 갖는 전로 용제 강을 연속 주조에 의해 제조하고, 필요에 따라 균열 확산 처리, 분괴 압연 공정을 거쳐서 한 변이 162mm인 정사각형의 압연 소재로 하였다. 이어서 압연 소재를 열간 압연함으로써, 직경이 45mm인 봉강 형상으로 하였다. 표 1의 밑줄이 그어진 값은, 본 발명의 범위 외의 값이다. 또한, 표 1의 기호 「-」은, 그 기호에 관한 원소가 제조 단계에서 첨가되지 않고, 또한 통상은 불순물로 간주되는 수준 이하의 양밖에 포함되지 않음을 나타낸다. 또한, 실시예 1 내지 23 및 비교예 a 내지 h의 V, Al 및 Ti의 함유량은, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서의 기술 상식에 의하면 불순물로 간주될 정도로 미량이었지만, 본 발명의 작용 효과를 확인하기 위해 특별히 상세하게 측정을 행하여, 그 값을 표 1에 기재하였다.

이어서, 파단 분리성, 기계적 성질 및 조직을 조사하기 위해, 단조 콘 로드 상당의 시험편을, 상기 봉강을 열간 단조함으로써 제작하였다. 구체적으로는, 직경 45mm의 소재 봉강을 1150 내지 1280℃로 가열 후, 봉강의 길이 방향과 수직으로 단조하여 두께 20mm로 하고, 충풍 냉각 장치에 의한 충풍냉에 의해 실온까지 냉각하였다. 냉각 후의 단조재로부터, JIS4호 인장 시험편 및 샤르피 충격 시험편을 가공하였다. 샤르피 충격 시험편에는, 깊이 2mm, 선단 곡률 0.25mm의 45도의 V 노치 가공을 실시하였다.

파단 분리성은, 파단면의 파괴 형태가 취성적이며, 파단 분리에 의한 파면 근방의 변형량이 작고, 또한 파단 분리시의 칩 발생량이 적은 경우에 양호하다고 여겨진다. 샤르피 충격값이 낮은 강에서는, 변형량의 억제 및 취성 파면율의 향상이 달성되어 있는 것이 통상이다. 따라서 파단면의 파괴 형태 및 파단면 근방의 변형량을 평가하는 지표로서, 본 발명자들은 샤르피 충격값을 채용하였다. 샤르피 충격 시험은, 상술한 샤르피 충격 시험편에 대하여 JIS Z 2242에 기초하여 실온에서 반복 5회 실시하고, 얻어진 5개의 값의 평균값을, 시험편의 샤르피 충격값으로 하였다. 샤르피 충격값이 9J/cm² 이하인 강을, 변형량의 억제 및 취성 파면율의 향상이 달성되어 있는 것이라고 판단하였다.

또한, 칩 발생량의 측정 방법은 이하와 같이 하였다. 80mm×80mm이면서 두께 18mm인 판이며, 그 중앙부에 직경 50mm의 구멍을 갖고, 이 구멍의 내면에, 단조 전의 소재인 봉강의 길이 방향에 대하여 ±90도의 위치 2개소에, 깊이 1mm이면서 선단 곡률 0.5mm인 45도의 V 노치를 갖는 파단 분리성 평가용 시험편을 제작하였다. 또한, 볼트 구멍으로서 직경 8mm의 관통 구멍을, 그 중심선이 노치 가공측의 측면으로부터 8mm의 개소에 위치하도록 파단 분리성 평가용 시험편으로 형성하였다. 이 파단 분리성 평가용 시험편을, 파단 분리성 평가 시험 장치를 사용하여 파단시켰다. 파단 분리성 평가의 시험 장치는, 분할 금형과 낙추 시험기로 구성되어 있다. 분할 금형은 직사각형 강재 상에 성형한 직경 46.5mm의 원기둥을 중심선을 따라 2분할한 형상이며, 한쪽이 고정되고, 다른쪽이 레일 상을 이동한다. 2개의 반원 기둥의 맞춤면에는 쐐기 구멍이 가공되어 있다. 파단 시험시에는, 시험편의 직경 50mm의 구멍을 이 분할 금형의 직경 46.5mm의 원기둥에 끼우고, 쐐기를 꽂아 낙추 상에 설치한다. 낙추는 질량 200kg이며, 가이드를 따라 낙하하는 구조이다. 낙추를 떨어뜨리면 쐐기가 타입되어, 시험편은 2개로 인장 파단된다. 또한, 파단시에 시험편이 분할 금형으로부터 유리되지 않도록, 시험편은 분할 금형에 압박되도록 주위가 고정되어 있다. 본시험에서는, 낙추 높이 100mm로 파단을 행하였다. 이에 의해 얻어진 파단면을 맞대어, 파단된 강을 20N·m의 토크로 볼트 체결하여 조립하고, 이어서 볼트를 느슨하게 하여 파단면끼리를 이격하는 작업을 10회 반복하였다. 이 작업에 의해 탈락된 파편의 총 중량을, 그 강의 칩 발생량으로 정의하였다. 칩 발생량이 1.00mg 미만인 강을, 칩 발생량이 억제된 것이라고 판단하였다.

인장 시험은, 상술한 JIS4호 인장 시험편에 대하여 JIS Z 2241에 준거하여 상온에서 20mm/min의 속도로 실시하였다. 항복비가 0.75 이상이 되는 것을, 항복비가 양호한 시료라고 판단하였다.

또한, 상기 샤르피 충격 시험편이나 인장 시험편과 동일 부위로부터 한 변이 10mm인 정사각형 샘플을 잘라내고, 나이탈 부식을 실시하여, 조직 관찰을 행하였다.

표 2에 시험 결과를 나타낸다. 강 No.1 내지 23의 본 발명예는 모두 강 화학 성분이 본 발명의 규정 범위 내였기 때문에, 샤르피 충격값을 9J/cm² 이하로 할 수 있으며, 또한 칩 발생량도 억제되었다. 즉 강 No.1 내지 23은 양호한 파단 분리성을 가졌다. 또한, 강 No.1 내지 23은 높은 항복비를 가졌기 때문에, 높은 좌굴 강도가 요구되는 기계 부품의 재료로서 사용 가능한 것이었다.

이에 비해, 비교예 a는 C의 함유량이 적기 때문에, 인장 강도가 낮고, 샤르피 충격값이 높았다.

비교예 b 내지 d는 Si, Mn 또는 P의 함유량이 적기 때문에, 페라이트의 취화 효과가 작고, 샤르피 충격값이 높았다.

비교예 e는 Cr의 함유량이 많아, 페라이트·펄라이트 조직에 더하여 일부에서 베이나이트 조직이 생성되었기 때문에, 샤르피 충격값이 높고, 또한 항복비가 손상되었다.

비교예 f는 Bi를 함유하고 있지 않기 때문에, 페라이트의 취화 효과가 없고, 샤르피 충격값이 높았다.

비교예 g는 Bi를 함유하고 있기 때문에, 페라이트의 취화 효과가 얻어지고, 샤르피 충격값은 낮지만, Bi의 함유량이 많기 때문에, 항복 강도 및 항복비가 낮았다.

비교예 h는 V의 함유량이 많기 때문에, V의 편석이 발생하고, V 농도가 높은 영역에서 페라이트의 인성이 과잉으로 저하되고, 강의 파단 분리시의 칩 발생량이 많아졌다.

본 발명에 관한 강은, 인성의 저하와, 칩 발생량의 억제의 양쪽을 달성할 수 있으며, 또한 항복비도 우수하다. 따라서, 본 발명에 관한 강은, 파단 분리 공정을 포함하는 제조 방법에 의해 얻어지는 기계 부품의 재료인 열간 단조용 비조질강으로서 사용된 경우, 높은 좌굴 강도를 갖는 기계 부품을 제조 가능하고, 또한 부품 제조시의 경제 효율성을 대폭으로 향상시킬 수 있다.

1…파단 분리형 콘 로드(강 부품)
2…어퍼측 절반 부재
2A…반원호부
2a…맞댐면
2B…로드부
3…로워측 절반 부재
3A…반원호부
3a…맞댐면
5…나사 구멍
6…삽입 관통 구멍
7…결합 볼트
8…빅 엔드부
9…스몰 엔드부

Claims

단위 질량％로
C: 0.10 내지 0.25％,
Si: 0.60 내지 1.20％,
Mn: 0.60 내지 1.00％,
P: 0.040 내지 0.060％,
S: 0.060 내지 0.100％,
Cr: 0.05 내지 0.20％,
Bi: 0.0001 내지 0.0050％,
N: 0.0020 내지 0.0150％,
V: 0 내지 0.010％,
Al: 0 내지 0.0050％,
Ti: 0 내지 0.020％,
Ca: 0 내지 0.0050％,
Zr: 0 내지 0.0050％ 및
Mg: 0 내지 0.0050％
를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강.
제1항에 있어서, 단위 질량％로
Ca: 0.0005 내지 0.0050％,
Zr: 0.0005 내지 0.0050％ 및
Mg: 0.0005 내지 0.0050％
중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 단위 질량％로
N: 0.0020 내지 0.0090％
를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 단위 질량％로
Al: 0 내지 0.0008％
를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단위 질량％로
V: 0 내지 0.004％
를 함유하는 것을 특징으로 하는 강.