KR20190027848A - 기계 구조용 강 - Google Patents

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다카노리 이와하시
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신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
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Abstract

피삭성, 녹 발생 특성, 및 열간 연성이 뛰어난 기계 구조용 강을 제공한다. 본 실시형태에 의한 기계 구조용 강은, 질량%로, C：0.30~0.80%, Si：0.01~0.80%, Mn：0.20~2.00%, P：0.030% 이하, S：0.010~0.100%, Pb：0.010~0.100%, Al：0.010~0.050%, N：0.015% 이하, 및, O：0.0005~0.0030%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다. 강 중에 포함되는, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 특정 개재물의 총 개수가 40개/mm2 이상이다. Mn/S≥8.0 (1) 여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.

Description

기계 구조용 강
본 발명은, 강에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 기계 구조용 강에 관한 것이다.
일반 기계나 자동차의 부품 등의 구조용 및 동력 전달용으로 이용되는 기계 부품은, 기계 구조용 강을 이용하여 제조된다. 이러한 기계 부품의 제조 방법의 일례는, 다음과 같다. 기계 구조용 강을 열간 가공(열간 단조 등)하여, 중간품을 제조한다. 중간품을 기계 가공(절삭 가공, 연삭 가공)하여 기계 부품을 제조한다. 필요에 따라서, 기계 부품에 대해 열처리(불림 등), 표면 경화 열처리(고주파 담금질 등), 또는, 담금질 뜨임을 실시하는 경우도 있다. 이러한 기계 부품을 제조하기 위한 기계 구조용 강에는, 뛰어난 열간 가공성뿐만 아니라, 뛰어난 피삭성도 요구된다.
피삭성이 뛰어난 기계 구조용 강은 쾌삭강이라고도 불리며, JIS G 4804(2008)(비특허문헌 1)에 규정되어 있다. 쾌삭강은 Pb를 함유함으로써, 피삭성을 높인다.
Pb를 함유하는 기계 구조용 강은 예를 들어, 일본국 특허 공개 2000-282172호 공보(특허문헌 1)에 개시되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기계 구조용 강재는, 질량%로, C：0.05~0.55%, Si：0.50~2.5%, Mn：0.01~2.00%, S：0.005~0.080%, Cr：0~2.0%, P：0.035% 이하, V：0~0.50%, N：0.0150% 이하, Al：0.04% 이하, Ni：0~2.0%, Mo：0~1.5%, B：0~0.01%, Bi：0~0.10%, Ca：0~0.05%, Pb：0~0.12%, Ti：0~0.04% 미만, Zr：0~0.04% 미만이고, 또한, Ti(%)+Zr(%)：0~0.04% 미만, Te：0~0.05%, Nd：0~0.05%, Nb：0~0.1%, Cu：0~1.5%, Se：0~0.5%를 함유하고, 하기 식으로 표시되는 fn1의 값이 100 이하, 하기 식으로 표시되는 fn2의 값이 0 이상, 하기 식으로 표시되는 fn3의 값이 3.0 이상을 만족하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다. 또한, 면적 비율로 조직에서 차지하는 페라이트상의 비율이 10~80%이며, Hv 경도가 160~350이다. 여기서, fn1=100 C+11Si+18Mn+32Cr+45Mo+6V, fn2=-23C+Si(5-2Si)-4Mn+104S-3Cr-9V+10, fn3=3.2C+0.8Mn+5.2S+0.5Cr-120N+2.6Pb+4.1Bi-0.001α2+0.13α이다. 각 식에 있어서의 원소 기호는 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타내고, α는 조직에 있어서의 페라이트상의 면적 비율(%)을 나타낸다. 이 기계 구조용 강재는, 피삭성 및 인성이 뛰어나다고 특허문헌 1에는 기재되어 있다.
일본국 특허 공개 2000-282172호 공보
일본 공업 표준 조사회, 규격 번호：JIS G 4804(2008년), 규격 명칭：황 및 황 복합 쾌삭강 강재
그런데, 절삭 가공 등의 기계 가공은, 자동화된 제조 설비에서 실시되는 경우가 있다. 자동화된 제조 설비로 1일에 수 백개 이상 등, 대량으로 중간품을 절삭 가공하여 기계 부품을 제조하는 경우, 뛰어난 칩 처리성이 요구된다. 절삭에 수반해 배출되는 칩은 작게 분단되어 배출되는 것이 바람직하다. 칩이 길게 이어진 채인 경우, 중간품에 칩이 달라붙어, 절삭 후의 기계 부품의 표면에 흠이 발생하기 쉬워진다. 칩이 기계 부품에 달라붙은 경우에는 또한, 달라붙은 칩을 제거하기 위해서, 제조 라인을 일시적으로 정지할 필요가 있다. 이 경우, 무인으로의 제조가 곤란해져, 감시를 위한 인원 배치가 필요하게 된다. 이와 같이, 칩 처리성은, 기계 부품의 품질 및 제조 비용의 양면에 영향을 준다. 또한, 자동화된 제조 설비에 있어서, 공구의 마모가 많으면, 생산성이 저하한다. 따라서, 기계 구조용 강에서는, 공구의 마모를 억제할 수 있고, 칩 처리성이 뛰어나다는, 높은 피삭성이 요구된다.
자동화된 제조 설비를 이용한 절삭 가공에서는 또한, 기계 부품에 녹이 발생하는 경우가 있다. 자동화된 제조 설비에서는, 무인으로의 조업의 관점에서, 수용성의 절삭유가 이용된다. 그로 인해, 기계 부품에 녹이 발생하는 경우가 있다. 녹은 형상 오차를 일으키는 원인이 될 뿐만 아니라, 기계 부품에 도금 처리를 실시하는 경우에는, 품질 불량의 원인이 되기도 한다. 또한, 절삭 후의 기계 부품은, 절삭 후 다음 공정까지의 동안에, 버킷 내 등에서 장기간 대기하는 경우가 있다. 예를 들어, 국내에서 절삭 가공하고, 다음 공정이 타국의 다른 공장에서 처리되는 경우, 절삭 후, 다음 공정이 실시될 때까지, 수일~수개월의 기간이 경과하는 경우가 있다. 따라서, 기계 구조용 강에는, 피삭성뿐만 아니라, 녹의 발생을 억제하는 특성(이하, 녹 발생 특성이라고 함)도 요구된다.
본 발명의 목적은, 피삭성, 녹 발생 특성, 및, 열간 가공성이 뛰어난 기계 구조용 강을 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 기계 구조용 강은, 질량%로, C：0.30~0.80%, Si：0.01~0.80%, Mn：0.20~2.00%, P：0.030% 이하, S：0.010~0.100%, Pb：0.010~0.100%, Al：0.010~0.050%, N：0.015% 이하, O：0.0005~0.0030%, Cr：0~0.70%, Ni：0~3.50%, B：0~0.0050%, V：0~0.70%, Mo：0~0.70%, W：0~0.70%, Nb：0~0.050% 미만, Cu：0~0.50%, Ti：0~0.100%, 및, Ca：0~0.0030%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다. 강 중에 있어서, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 특정 개재물의 총 개수가 40개/mm2 이상이다.
Mn/S≥8.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
본 발명에 의한 기계 구조용 강은, 피삭성, 녹 발생 특성, 및, 열간 가공성이 뛰어나다.
도 1a는, EPMA 분석에 의해 얻어진, 관찰면 중의 S 분포를 나타내는 모식도이다.
도 1b는, EPMA 분석에 의해 얻어진, 도 1a와 동일한 관찰면 중의 Pb 분포를 나타내는 모식도이다.
도 1c는, 도 1a 및 도 1b를 합성한 화상의 모식도이다.
도 2는, 이웃하는 개재물을 1개의 개재물로 간주하는지 여부의 판단 기준을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3a는, 본 실시형태의 기계 구조용 강에 대해 EPMA 분석을 실시하여 얻어진 S 분포의 사진 화상이다.
도 3b는, 도 3a와 동일한 시야에서 EPMA를 실시하여 얻어진 Pb 분포의 사진 화상이다.
도 3c는, 도 3a 및 도 3b의 합성 화상이다.
도 4는, 주조된 소재의 횡단면도이다.
도 5는, 절삭 시험을 설명하기 위한 절삭 시험기의 모식도이다.
도 6a는, 칩의 사시도이다.
도 6b는, 칩의 평면 사진도이다.
본 발명자들은, 기계 구조용 강의 피삭성, 녹 발생 특성, 및, 열간 가공성에 대해서 조사 및 검토를 실시했다. 그 결과, 질량%로, C：0.30~0.80%, Si：0.01~0.80%, Mn：0.20~2.00%, P：0.030% 이하, S：0.010~0.100%, Pb：0.010~0.100%, Al：0.010~0.050%, N：0.015% 이하, O：0.0005~0.0030%, Cr：0~0.70%, Ni：0~3.50%, B：0~0.0050%, V：0~0.70%, Mo：0~0.70%, W：0~0.70%, Nb：0~0.050% 미만, Cu：0~0.50%, Ti：0~0.100%, 및, Ca：0~0.0030%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는 기계 구조용 강이면, 뛰어난 피삭성과, 뛰어난 열간 가공성이 얻어질 가능성이 있다고 생각했다.
강 중의 Mn은, S와 결합하여 MnS를 생성한다. MnS는, 그 생성 과정에 의해서, MnS 개재물과 MnS 석출물로 나뉜다. MnS 개재물은, 응고 전의 용강 중에 정출된다. 한편, MnS 석출물은 응고 후에 강 중에 석출된다. MnS 개재물은 용강 중에 생성된다. 그 때문에, MnS 개재물의 사이즈는, 응고 후에 생성되는 MnS 석출물과 비교해, 커지기 쉽다.
한편, 강 중의 Pb는, 강에 거의 고용되지 않고, Pb 개재물(Pb 입자)로서 존재한다. MnS 개재물 및 Pb 개재물은 모두, 강의 피삭성을 높인다.
또한, 강 중에 Mn 및 Pb가 존재하는 경우, Mn 및 Pb는, 상술한 MnS 개재물, Pb 개재물 외에, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물(이후, 단순히 「복합 개재물」이라고도 칭함)을 형성한다. 복합 개재물은, MnS 및 Pb를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어지는 개재물을 의미한다. 보다 구체적으로는, 복합 개재물은, MnS와 Pb가 서로 인접하여 구성되는 경우도 있고, MnS 중에 Pb가 고용되어 복합 개재물을 형성하는 경우도 있다. 본 명세서에 있어서 「MnS 개재물」, 「Pb 개재물」, 「복합 개재물」은, 후술하는 「특정 개재물의 개수 TN 및 복합 비율 RA의 측정 방법」의 항목에 기재된 방법으로 특정된다. 본 명세서에 있어서, MnS 개재물은, Mn과 S를 함유하고, Pb를 함유하지 않는 개재물이다. Pb 개재물은, Pb 및 불순물로 이루어지고, Mn을 함유하지 않는 개재물이다. 복합 개재물은, Mn과 S와 Pb를 함유하는 개재물이다.
MnS 개재물은, 피삭성을 높이는 개재물로서 알려져 있다. 한편, Pb 개재물의 융점은 MnS 개재물의 융점보다 낮다. 그 때문에, Pb 개재물은 절삭 시에 윤활 작용을 발휘해, 그 결과, 강의 피삭성을 높인다.
또한, 복합 개재물은, MnS 개재물, 및, Pb 개재물 단체보다, 강의 피삭성을 높인다고 생각된다. 복합 개재물 주변에서 균열이 발생한 경우, 개구된 크랙에 액상화한 Pb가 침입한다. 이에 의해, 크랙의 진전이 촉진되어, 피삭성이 높아진다. 따라서, MnS 개재물, Pb 개재물이 생성될 뿐만 아니라, 복합 개재물이 생성되면, 피삭성이 더욱 높아진다.
복합 개재물이 생성되는 기구는 다음과 같다고 생각된다. Pb는 고상보다 액상이 움직이기 쉽다. 따라서, 복합 개재물은, 강의 응고 후에 생성되는 MnS 석출물로부터는 거의 생성될 수 없고, 응고 전의 용강 중에 생성되는 MnS 개재물에 Pb가 부착됨으로써, 생성된다. 따라서, 복합 개재물을 많이 생성하기 위해서는, 응고 후에 MnS 석출물을 생성하는 것보다도, 용강 중에 있어서 MnS 개재물을 많이 생성하는 것이 바람직하다.
이상과 같이, 강의 피삭성을 높이기 위해서는, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물을 다수 생성하면 된다. 상술한 바와 같이, MnS 개재물은 정출에 의해서 용강 중에 생성된다. 또한, 상술한 바와 같이, 복합 개재물은, MnS 개재물이 많을수록 많이 생성된다. 따라서, 용강 중에 있어서, MnS 개재물을 많이 정출시키면, 강의 피삭성이 높아진다고 생각된다.
한편, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물을 함유하는 기계 구조용 강은, 녹이 발생하기 쉽다. 그러나, 기계 구조용 강의 녹 발생의 메커니즘에 대해서는, 지금까지 상세한 검토가 이루어져 있지 않았다. 그래서, 본 발명자들은, 녹 발생의 메커니즘에 대해서 조사 및 검토를 실시했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물 자체가, 녹의 기점이 된다. 여기서, 녹 발생의 용이성은, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 크기보다, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수에 의존한다. 구체적으로는, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수가 증가할수록, 강은 녹이 발생하기 쉽다. 이상의 지견에 의거해, 본 발명자들은, 뛰어난 피삭성을 얻으면서, 녹 발생을 억제하기 위해서, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감하는 것이 유효하다고 생각했다. 그래서, 본 발명자들은, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감하는 방법에 대해서 검토했다.
상술한 바와 같이, 용강 중에서 정출에 의해 생성된 MnS 개재물은, 용강 중에서 성장(조대화)하기 쉽다. 그 때문에, MnS 개재물은, 응고 후의 강 중에서 석출에 의해 생성되는 MnS 석출물보다 사이즈가 크다. 즉, MnS 석출물은 MnS 개재물보다 미세하게 석출된다. 그 때문에, Mn 함유량 및 S 함유량이 일정한 강에 있어서, MnS 개재물을 정출시키는 경우와 MnS 석출물을 석출시키는 경우를 상정한 경우, 정출에 의해 생성되는 MnS 개재물의 개수보다, 석출에 의해 생성되는 MnS 석출물의 개수가 현저히 많아진다. 따라서, 강의 녹 발생 특성을 높이기 위해서는, 용강 중에 있어서 MnS 개재물을 정출시키고, 성장(조대화)시킴으로써, MnS 석출물의 석출을 억제하면 된다.
용강 중에서 MnS 개재물을 정출시켜 성장시킴으로써, MnS 석출물의 석출을 억제하고, 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감하기 위해서는, S 함유량과 비교해 Mn 함유량을 충분히 높이면 된다. Mn 함유량이 S 함유량보다 충분히 높으면, 용강 중에 있어서 조대한 MnS 개재물이 생성되기 쉬워진다. 이 경우, 조대 MnS 개재물의 정출에 S가 소비되므로, 응고 후의 강 중의 고용 S량이 낮아진다. 그로 인해, MnS 석출물의 석출을 억제할 수 있고, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 있다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어진다.
구체적으로는, Mn 함유량 및 S 함유량은 다음의 식 (1)을 만족한다.
Mn/S≥8.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
F1=Mn/S로 정의한다. F1이 8.0 미만이면, 용강 중에 있어서 MnS 개재물이 충분히 정출되기 어렵다. 그 때문에, 응고 후의 강 중의 고용 S량을 충분히 저감할 수 없어, 응고 후에, 미세한 MnS 석출물이 다수 생성된다. 이 경우, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 없기 때문에, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. 한편, F1이 8.0 이상이면, S 함유량에 비해 Mn 함유량이 충분히 높다. 이 경우, 적절한 제조 방법을 이용함으로써, 용강 중에 있어서 MnS 개재물이 충분히 정출되고, 성장한다. 그 결과, 응고 후의 강 중의 고용 S량이 충분히 저감되고, 응고 후의 강 중에 있어서의 MnS 석출물의 석출을 억제할 수 있다. 그로 인해, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있어, 강의 녹 발생 특성이 높아진다.
여기서, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 개재물을 「특정 개재물」이라 정의한다. 본 명세서에 있어서, 원상당 직경이란, 미크로 조직 관찰에 있어서 관찰되는 개재물 또는 석출물의 면적을, 동일한 면적을 갖는 원으로 환산한 경우의 원의 직경을 의미한다. 이 경우, 본 실시형태에서는 또한, 상기 화학 조성을 갖고, 식 (1)을 만족하는 기계 구조용 강에 있어서, 특정 개재물의 총 개수가 40개/mm2 이상이다.
강 중의 특정 개재물이 40개/mm2 이상이면, 조대한 MnS 개재물이 충분히 정출되어, MnS 석출물의 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, 녹 발생의 기점이 되는 MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있다. 그로 인해, 뛰어난 피삭성과, 뛰어난 녹 발생 특성을 양립할 수 있다. 한편, 강 중의 특정 개재물이 40개/mm2 미만이면, MnS 개재물이 충분히 정출되지 않고, MnS 석출물이 다수 생성된다. 그 결과, MnS 석출물의 생성을 억제할 수 있다. 그 결과, 녹 발생의 기점이 되는 MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 없다. 그 결과, 뛰어난 피삭성은 얻어지지만, 충분한 녹 발생 특성이 얻어지지 않는다.
이상의 지견에 의거해 완성된 본 실시형태에 의한 기계 구조용 강은, 질량%로, C：0.30~0.80%, Si：0.01~0.80%, Mn：0.20~2.00%, P：0.030% 이하, S：0.010~0.100%, Pb：0.010~0.100%, Al：0.010~0.050%, N：0.015% 이하, O：0.0005~0.0030%, Cr：0~0.70%, Ni：0~3.50%, B：0~0.0050%, V：0~0.70%, Mo：0~0.70%, W：0~0.70%, Nb：0~0.050% 미만, Cu：0~0.50%, Ti：0~0.100%, 및, Ca：0~0.0030%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖는다. 강 중에 있어서, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 특정 개재물의 총 개수가 40개/mm2 이상이다.
Mn/S≥8.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상기 기계 구조용 강의 화학 조성은, Cr：0.10~0.70%, Ni：0.02~3.50%, B：0.0005~0.0050%, V：0.05~0.70%, Mo：0.05~0.70%, W：0.05~0.70%, Nb：0.001~0.050% 미만, Cu：0.05~0.50%, 및, Ti：0.003~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
상기 기계 구조용 강의 화학 조성은, Ca：0.0001~0.0030%를 함유해도 된다.
상기 기계 구조용 강에 있어서, 복합 개재물의 특정 개재물에 대한 개수 비율은, 40% 이상이어도 된다.
이하, 본 실시형태의 기계 구조용 강에 대해서 상세하게 설명한다. 화학 조성에 있어서의 「%」는, 특별히 기술하지 않는 한, 질량%를 의미한다.
[화학 조성]
본 실시형태의 기계 구조용 강의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C：0.30~0.80%
탄소(C)는, 강의 강도를 높인다. 기계 구조용 강을 이용하여 부품을 제조하는 경우, 기계 구조용 강을 단조 후, 필요에 따라서 열처리(불림 등), 표면 경화 열처리(고주파 담금질 등), 또는, 담금질 뜨임이 실시된다. 이 경우, C는 강의 강도를 높인다. C 함유량이 0.30% 미만이면, 충분한 강도가 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 0.80%를 넘으면, 뜨임 후에 잔류 오스테나이트가 많이 생성된다. 이 경우, 강도의 상승이 포화할 뿐만 아니라, 경질의 시멘타이트가 생성되어, 강의 피삭성이 저하한다. 따라서, C 함유량은 0.30~0.80%이다.
불림인 채 부품을 사용하는 경우의 C 함유량의 바람직한 하한은 0.34%이며, 더욱 바람직하게는 0.40%이다. 고주파 담금질 등의 담금질을 실시하는 경우, C 함유량의 바람직한 상한은 0.70%이다. 이 경우, C 함유량에 걸맞는 강도가 얻어진다. 또, 본 실시형태의 기계 구조용 강에서는, 담금질 시에 오스테나이트 단상이 되는 온도역이 매우 좁다. 따라서, 대량 생산하는 경우, C 함유량의 바람직한 상한은 0.60%이다.
Si：0.01~0.80%
실리콘(Si)은, 강을 탈산한다. 탈산 처리 시에 있어서, Mn을 첨가한 후에 Si를 첨가함으로써, Si는 산화물을 개질한다. 구체적으로, 용강 중에 첨가된 Si는, Mn을 주체로 하는 산화물을, Si를 주체로 하는 산화물로 개질한다. Si를 첨가한 후, Al을 첨가함으로써, 강 중에 Si 및 Al을 함유하는 복합 산화물이 생성된다. 복합 산화물은, MnS 개재물이 정출되는 핵이 된다. 그로 인해, 복합 산화물은 강의 녹 발생 특성을 높인다. Si는 또한, 뜨임 연화 저항을 높여 강도를 높인다. Si 함유량이 0.01% 미만이면, 상기 효과가 얻어지지 않는다.
한편, Si는 페라이트 생성 원소이다. Si 함유량이 0.80%를 넘으면, 강의 표층이 탈탄되는 경우가 있다. Si 함유량이 0.80%를 넘으면 또한, 페라이트 분율이 높아져 강도가 저하하는 경우가 있다. 따라서, Si 함유량은 0.01~0.80%이다. 뜨임 연화 저항을 높이기 위한 Si 함유량의 바람직한 하한은 0.10%이며, 보다 바람직하게는 0.20%이다. 페라이트분율을 억제하기 위한 Si 함유량의 바람직한 상한은 0.70%이며, 보다 바람직하게는 0.50%이다.
Mn：0.20~2.00%
망간(Mn)은 MnS 개재물과, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물을 생성해, 강의 피삭성을 높인다.
Mn은 또한, 강을 탈산한다. Mn의 탈산력은 Si나 Al에 비해 약하다. 그 때문에, Mn을 다량으로 함유해도 된다. 용강 중에 다른 강탈산 원소가 존재하지 않는 경우, 용강 중에 Mn을 주체로 하는 산화물이 생성된다. 그 후, 용강에 다른 강탈산 원소(Si, Al)가 첨가되면, 산화물 중의 Mn이 용강 중에 배출되어, 산화물이 개질된다. 이하, 개질된 산화물을 복합 산화물이라고 칭한다. 산화물로부터 용강 중에 배출된 Mn은, S와 결합하여 MnS 개재물을 형성한다. 또한, 산화물의 개질에 의해 생성한 복합 산화물은, MnS 개재물이 정출되는 핵이 되기 쉽다. 그 때문에, 복합 산화물이 생성된 경우, MnS 개재물의 정출이 촉진된다. 정출에 의해서 생성된 MnS 개재물은 또한, 복합 개재물을 생성하기 쉽다.
Mn 함유량이 0.20% 미만인 경우, MnS 개재물이 충분히 정출되기 어렵다. 그 때문에, 응고 후의 강 중에 MnS 석출물이 다수 생성된다. 이 경우, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수가 증가한다. 그 때문에, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. 한편, Mn 함유량이 2.00%를 넘으면, 강의 담금질성이 너무 높아져, 그 결과, 강의 경도가 너무 높아진다. 이 경우, 강의 피삭성이 저하한다. 따라서, Mn 함유량은 0.20~2.00%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.50%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.50%이며, 보다 바람직하게는 1.20%이다.
P：0.030% 이하
인(P)은, 불가피하게 함유된다. P는 강을 취화해, 피삭성을 높인다. 한편, P 함유량이 0.030%를 넘으면, 열간 연성이 저하한다. 이 경우, 압연흠이 발생하는 등, 생산성이 저하한다. 따라서, P 함유량은 0.030% 이하이다. 피삭성을 높이기 위한 P 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다. 이 경우, 피삭성, 특히, 칩 처리성이 높아진다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.015%이다.
S：0.010~0.100%
황(S)은, 강 중에서 MnS를 생성해, 피삭성을 높인다. MnS는 특히, 공구 마모를 억제한다. S 함유량이 0.010% 미만이면, MnS를 충분히 정출하지 않아, MnS와 Pb를 함유하는 복합 개재물이 생성되기 어렵다. 그 결과, 녹 발생 특성이 저하한다. 한편, S 함유량이 0.100%를 넘으면, S가 입계에 편석하여, 강이 취화되어, 강의 열간 가공성이 저하한다. 따라서, S 함유량은 0.010~0.100%이다. 피삭성 및 기계 특성 중, 기계 특성을 우선하는 경우의 S 함유량의 바람직한 하한은 0.015%이며, 바람직한 상한은 0.030%이다. 피삭성을 우선하는 경우의 S 함유량의 바람직한 하한은 0.030%이며, 바람직한 상한은 0.050%이다.
Pb：0.010~0.100%
납(Pb)은 단독으로 Pb 개재물(Pb 입자)을 생성해, 강의 피삭성을 높인다. Pb는 또한, MnS 개재물과 결합하여 복합 개재물을 생성해, 강의 피삭성을 높이고, 특히 칩 처리성을 높인다. Pb 함유량이 0.010% 미만이면, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Pb 함유량이 0.100%를 넘으면, 피삭성은 높아지지만, 강이 취화된다. 그 결과, 강의 열간 가공성이 저하한다. Pb 함유량이 0.100%를 넘으면 또한, Pb 개재물이 과잉으로 증가하기 때문에, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. 따라서, Pb 함유량은 0.010~0.100%이다. 복합 개재물의 생성을 촉진해, 피삭성을 높이기 위한 Pb 함유량의 바람직한 하한은 0.020%이며, 보다 바람직하게는 0.025%이다. 녹 발생 특성을 높이기 위한 Pb 함유량의 바람직한 상한은 0.050%이다.
Al：0.010~0.050%
알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. 본 발명에 의한 기계 구조용 강에서는, 응고 시의 공공(空孔) 및 표면흠의 생성을 억제하기 위해, Al 킬드에 의한 탈산을 실시한다. 후술하는 바와 같이, 용강 중에 Mn, Si에 이어서 Al을 첨가하여 탈산을 행하면, 강 중의 산화물이 개질되어, Si 및 Al을 함유하는 복합 산화물이 생성된다. 복합 산화물은 MnS 개재물의 정출핵이 되기 쉽다. 그 때문에, MnS 개재물이 분산되어 정출되고, 성장하여 조대화되기 쉽고, 또한, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물이 생성되기 쉽다. 이 경우, 강의 피삭성이 높아진다. MnS 개재물이 분산되어 정출된 경우에는 또한, 미세한 MnS 석출물의 석출이 억제된다. 이 경우, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및 복합 개재물의 총 개수가 저하한다. 그 때문에, 강의 녹 발생 특성이 높아진다. Al은 또한, N과 결합하여 AlN을 형성하여, 각종의 열처리에 있어서의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제한다. Al 함유량이 0.010% 미만이면, 상기 효과가 얻어지지 않는다.
한편, Al 함유량이 0.050%를 넘으면, 조대한 복합 산화물이 생성되기 쉽다. 복합 산화물은 조대하게 되기 쉽다. 조대한 복합 산화물이 강 중에 생성된 경우, 강에 표면흠이 발생하기 쉽다. 조대한 복합 산화물이 강 중에 생성된 경우 또한, 강의 피로 강도가 저하한다. Al 함유량이 0.050%를 넘으면 또한, 과도하게 탈산이 진행되어, 용강 중의 산소량이 저하한다. 이 경우, MnS 개재물이 형성되기 어려워, 강의 피삭성(특히, 공구 마모 억제)이 저하한다. 이 경우 또한, MnS 개재물에 Pb가 결합한 복합 개재물이 생성되기 어려워져, Pb 개재물이 단독으로 강 중에 다수 잔존한다. 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수가 증가해, 녹 발생 특성이 저하한다. 따라서, Al 함유량은 0.010~0.050%이다. AlN의 생성에 의한 결정립의 조대화를 억제하는 효과를 더욱 얻기 위한 Al 함유량의 바람직한 하한은 0.015%이며, 보다 바람직하게는 0.020%이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.035%이다. 본 명세서에서 말하는 Al 함유량은, 산가용 Al(sol.Al)의 함유량을 의미한다.
N：0.015% 이하
질소(N)는 불가피하게 함유된다. N은 Al과 결합하여 AlN을 형성하고, 열처리 시의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제해, 강의 강도를 높인다. 한편, N 함유량이 0.015%를 넘으면, 강의 절삭 저항이 높아져, 피삭성이 저하한다. N 함유량이 0.015%를 넘으면 또한, 열간 가공성이 저하한다. 따라서, N 함유량은 0.015% 이하이다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.002%이며, 보다 바람직하게는 0.004%이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.012%이며, 보다 바람직하게는 0.008%이다. 본 명세서에서 말하는 N 함유량은, 전체 N(t-N)의 함유량을 의미한다.
O：0.0005~0.0030%
산소(O)는 산화물 중에 포함될 뿐만 아니라, MnS 개재물에도 포함된다. O는, MnS 개재물의 정출핵이 되는 복합 산화물을 생성한다. O 함유량이 0.0005% 미만이면, 복합 산화물의 생성량이 부족해, 용강 중에서 MnS 개재물이 정출되기 어려워진다. 이 경우, 강의 피삭성이 저하한다. 이 경우 또한, 응고 후에 미세한 MnS 석출물이 다수 생성된다. 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수가 증가해, 녹 발생 특성이 저하한다. 한편, O 함유량이 0.0030%를 넘으면, 조대한 알루미나계 산화물이 생성되어, 절삭 공구의 마모를 촉진하기 때문에, 강의 피삭성이 저하한다. O 함유량이 0.0030%를 넘으면 또한, 파괴의 기점이 되는 조대한 산화물이 생성되는 경우가 있다. 이 경우, 기계 부품의 전동 피로 특성이 저하한다. 따라서, O 함유량은 0.0005~0.0030%이다. 강의 피삭성 및 강의 녹 발생 특성을 더욱 높이기 위한 O 함유량의 바람직한 하한은 0.0007%이며, 보다 바람직하게는 0.0010%이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0025%이며, 보다 바람직하게는 0.0020%이다. 본 명세서에서 말하는 O 함유량은, 전체 산소(t-O)의 함유량을 의미한다.
본 실시형태에 의한 기계 구조용 강의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 기계 구조용 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로 혼입되는 것이며, 본 실시형태의 기계 구조용 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
[임의 원소에 대해서]
본 실시형태의 기계 구조용 강의 화학 조성은 또한, Cr, Ni, B, V, Mo, W, Nb, Cu, 및, Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.
Cr：0~0.70%
크롬(Cr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cr은 강 중에 고용되어, 강의 담금질성 및 뜨임 연화 저항을 높여, 강의 강도를 높인다. Cr은 또한, 표면 경화 처리로서 질화 처리를 실시하는 경우, 경화층 깊이를 깊게 한다. Cr이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Cr 함유량이 0.70%를 넘으면, 담금질 뜨임을 실시하는 경우, 강 중의 시멘타이트가 조대화된다. Cr 함유량이 0.70%를 넘으면 또한, 고주파 담금질을 실시하는 경우, 강 중의 시멘타이트가 고용되지 않는다. Cr 함유량이 0.70%를 넘으면 또한, 오스테나이트가 저온에서도 안정화된다. 이 경우, 강이 취화된다. 따라서, Cr 함유량은 0~0.70%이다. 담금질성을 높이기 위한 Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.10%이며, 보다 바람직하게는 0.30%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 0.60%이다.
Ni：0~3.50%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는 강에 고용되어 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다. Ni는 또한, 매트릭스의 연성도 높인다. Ni는 또한, 강의 인성을 높인다. Ni는 또한, 강의 내식성을 높인다. Ni가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Ni 함유량이 3.50%를 넘으면, 잔류 오스테나이트가 많이 잔존한다. 이 경우, 가공 유기 변태에 의해, 잔류 오스테나이트의 일부가 마텐자이트로 변태해, 강의 연성이 저하한다. 따라서, Ni 함유량은 0~3.50%이다.
상기 효과를 안정적으로 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.02%이며, 보다 바람직하게는 0.05%이다. 잔류 오스테나이트를 더욱 억제하기 위한 Ni 함유량의 바람직한 상한은 2.50%이며, 보다 바람직하게는 2.00%이다. 인성을 우선하는 경우, Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.20%이다. 또한, Ni는 Cu를 무해화하여 인성을 높인다. 강이 Cu를 함유하는 경우, Ni 함유량의 바람직한 하한은, Cu 함유량 이상이다.
B：0~0.0050%
붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, B는 강의 담금질성을 높여 강의 강도를 높인다. B는 또한, 인성을 저하시키는 P, S의 입계로의 편석을 억제해, 파괴 특성을 높인다. B가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, B 함유량이 0.0050%를 넘으면, BN이 다량으로 생성되어 강이 취화된다. 따라서, B 함유량은 0~0.0050%이다. 질화물 생성 원소인 Ti 또는 Nb를 함유한 경우의 B 함유량의 바람직한 하한은 0.0005%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0020%이다.
V：0~0.70%
바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V는 뜨임 시 및 질화 처리 시에 탄화물, 질화물, 또는 탄질화물로서 석출되어, 강의 강도를 높인다. V 석출물(질화물, 탄화물 및 탄질화물)은 또한, 오스테나이트 입자의 조대화를 억제해, 강의 인성을 높인다. V는 또한, 강에 고용되어, 강의 뜨임 연화 저항을 높인다. V가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
한편, V 함유량이 0.70%를 넘으면, V 석출물이 A3점 이상에서도 생성된다. A3점 이상에서 생성된 V 석출물은, 강에 고용되기 어렵고, 미용해 석출물로서 강 중에 잔존한다. 미용해 석출물이 잔존하는 경우, 고용 V량이 저감한다. 그 때문에, 강의 뜨임 연화 저항이 저하한다. 미용해 석출물이 잔존하는 경우 또한, 그 후의 열처리에 의해 미세한 V 석출물이 석출되기 어렵다. 이 경우, 강의 강도가 저하한다. 따라서, V 함유량은 0~0.70%이다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위한 V 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.10%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.50%이며, 보다 바람직하게는 0.30%이다.
Mo：0~0.70%
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Mo는 뜨임이나 질화 처리 등의 A1점 이하의 저온에서의 열처리에 있어서, Mo 탄화물로서 석출된다. 그 때문에, 강의 강도 및 뜨임 연화 저항이 높아진다. Mo는 또한, 강에 고용되어, 강의 담금질성을 높인다. Mo가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Mo 함유량이 0.70%를 넘으면, 강의 담금질성이 너무 높아진다. 이 경우, 압연이나, 신선(伸線) 전의 연화 열처리 등으로 과랭 조직이 생기기 쉬워진다. 따라서, Mo 함유량은 0~0.70%이다.
상기 효과를 안정적으로 얻기 위한 Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.10%이며, 더욱 바람직하게는 0.15%이다. 페라이트·펄라이트 조직을 안정적으로 얻기 위한 Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.40%이며, 보다 바람직하게는 0.30%이다.
W：0~0.70%
텅스텐(W)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, W는 강 중에서 W 탄화물로서 석출되어, 강의 강도 및 뜨임 연화 저항을 높인다. W 탄화물은, A3점 이하의 저온에서 생성된다. 그 때문에, W는, V나 Nb, Ti 등과는 달리, 미용해 석출물을 생성하기 어렵다. 그 결과, W 탄화물은, 석출 강화에 의해 강의 강도 및 뜨임 연화 저항을 높인다. W는 또한, 강에 고용되어 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다. W가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
한편, W 함유량이 0.70%를 넘으면, 과랭 조직이 생성되기 쉬워져, 강의 열간 가공성이 저하한다. 따라서, W 함유량은 0~0.70%이다. 강의 뜨임 연화 저항을 안정적으로 높이기 위한 W 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.10%이다. 페라이트·펄라이트 조직을 안정적으로 얻기 위한 W 함유량의 바람직한 상한은 0.40%이며, 보다 바람직하게는 0.30%이다.
W 및 Mo는 질화물을 생성하기 어렵다. 그 때문에, 이들 원소는, N 함유량의 영향을 받지 않고 강의 뜨임 연화 저항을 높일 수 있다. 높은 뜨임 연화 저항을 얻기 위한 W 및 Mo의 바람직한 총 함유량은 0.10~0.30%이다.
Nb：0~0.050% 미만
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는 질화물, 탄화물, 또는 탄질화물을 생성해, 담금질 시나 불림 시에 있어서 오스테나이트 입자의 조대화를 억제한다. Nb는 또한, 석출 강화에 의해 강의 강도를 높인다. Nb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Nb 함유량이 0.050%를 넘으면, 미고용 석출물이 생성되어 강의 인성이 저하한다. Nb 함유량이 0.050%를 넘으면 또한, 과랭 조직이 생성되기 쉬워져, 강의 열간 가공성이 저하한다. 따라서, Nb 함유량은 0~0.050% 미만이다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위한 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.001%이며, 보다 바람직하게는 0.005%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.030%이며, 보다 바람직하게는 0.015%이다.
Cu：0~0.50%
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는 탈탄을 방지한다. Cu는 또한, Ni와 마찬가지로 내식성을 높인다. Cu가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Cu 함유량이 0.50%를 넘으면, 강이 취화되어 압연흠이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Cu 함유량은 0~0.50%이다. 상기 효과를 안정적으로 얻기 위한 Cu 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 보다 바람직하게는 0.10%이다. Cu를 0.30% 이상 함유하는 경우, Ni 함유량이 Cu 함유량보다 많으면, 열간 연성을 유지할 수 있다.
Ti：0~0.100%
티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ti는 질화물, 탄화물, 또는 탄질화물을 생성하고, 담금질 시나 불림 시에 있어서 오스테나이트 입자의 조대화를 억제한다. Ti는 또한, 석출 강화에 의해 강의 강도를 높인다. Ti는 또한, 강을 탈산한다. Ti는 또한, B를 함유하는 경우, 고용 N과 결합하여 고용 B량을 유지한다. 이 경우, 담금질성이 높아진다. Ti가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
한편, Ti는 상기 질화물 및 황화물을 생성하기 때문에, MnS 개재물 및 복합 개재물에 영향을 준다. 구체적으로는, Ti 함유량이 0.100%를 넘으면, MnS 개재물의 정출량이 감소해, 복합 개재물의 생성도 감소한다. 이 경우, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. Ti 함유량이 너무 많으면 또한, 질화물 및 황화물을 생성해 피로 강도가 저하한다. 따라서, Ti 함유량은 0~0.100%이다. 상기 효과를 유효하게 얻기 위한 Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.003%이다. 특히, B를 함유한 경우이며, 고용 N을 저감하기 위한 Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이다. 내식성을 높이기 위한 Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.090%이며, 보다 바람직하게는 0.085%이다.
본 실시형태의 기계 구조용 강은 또한, Ca를 함유해도 된다.
Ca：0~0.0030%
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ca는 CaS 또는 (Mn, Ca)S를 생성해 MnS 개재물을 구상화(球狀化)하고, 공구 마모량을 저감한다. 그 결과, 강의 피삭성이 높아진다. Ca가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다. 한편, Ca 함유량이 0.0030%를 넘으면, 산화물계 개재물이 조대화되어, 강의 피로 강도가 저하한다. 따라서, Ca 함유량은 0~0.0030%이다. 피삭성을 보다 높이기 위한 Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이다. 피삭성보다 피로 강도를 우선하는 경우, Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0015%이며, 보다 바람직하게는 0.0003%이다.
[식 (1)에 대해서]
본 실시형태의 기계 구조용 강의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족한다.
Mn/S≥8.0 (1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
F1=Mn/S로 정의한다. F1은 S 함유량에 대한 Mn 함유량을 의미한다. F1이 8.0 미만이면, MnS 개재물이 충분히 정출되기 어렵다. 그 때문에, 응고 후의 강 중의 고용 S량을 충분히 저감할 수 없어, 응고 후에, 미세한 MnS 석출물이 다수 생성된다. 이 경우, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 없기 때문에, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. 응고 후의 강 중의 고용 S량을 충분히 저감할 수 없는 경우 또한, 응고 후의 고용 S가 결정립계에 잔류한다. 그 결과, 강의 열간 가공성이 저하하는 경우가 있다.
한편, F1이 8.0 이상이면, S 함유량에 비해 Mn 함유량이 충분히 높다. 이 경우, 용강 중에 있어서 MnS 개재물이 충분히 정출되어, 성장한다. 그 결과, 응고 후의 강 중의 고용 S량이 충분히 저감되어, 응고 후의 강 중에 있어서의 MnS 석출물의 석출을 억제할 수 있다. 그로 인해, 강 중의 MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있어, 강의 녹 발생 특성이 높아진다. 강의 녹 발생 특성을 높이기 위한 F1의 바람직한 하한은 10.0이며, 보다 바람직하게는 20.0이다.
[강의 미크로 조직에 대해서]
본 발명에 의한 기계 구조용 강의 미크로 조직은, 주로 페라이트 및 펄라이트로 이루어진다. 구체적으로, 상기 화학 조성의 기계 구조용 강은, 미크로 조직에 있어서의 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적률은, 99% 이상이다.
미크로 조직 중의 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적률은, 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 기계 구조용 강으로부터 샘플을 채취한다. 예를 들어, 기계 구조용 강이 봉강 또는 선재인 경우, 횡단면(축방향에 수직인 면) 중, 표면과 중심축을 연결하는 반경 R의 중앙부(이하, R/2부라 함)로부터 샘플을 채취한다. R/2부의 샘플의 횡단면(표면) 중, 기계 구조용 강의 중심축과 수직인 표면을 관찰면으로 한다. 관찰면을 연마한 후, 3% 질산알코올(나이탈 부식액)로 에칭한다. 에칭된 관찰면을 200배의 광학 현미경으로 관찰하여, 임의의 5시야의 사진 화상을 생성한다.
각 시야에 있어서, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 등의 각 상은, 상마다 콘트라스트가 상이하다. 따라서, 콘트라스트에 의거해, 각 상을 특정한다. 특정된 상 중, 각 시야에서의 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적(μm2)을 구한다. 각 시야에서의 합계 면적을 모든 시야(5시야)에서 합계하고, 모든 시야의 총 면적에 대한 비를 구한다. 구한 비를, 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적률(%)로 정의한다.
[특정 개재물의 개수 TN]
본 발명에 의한 기계 구조용 강은, 강 중에 있어서, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 개재물(즉, 특정 개재물)의 총 개수 TN이 40개/mm2 이상이다.
특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 이상이면, 원상당 직경이 5μm 이상인 조대한 MnS 개재물이 충분히 정출되고 있으며, 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있었다. 그로 인해, 뛰어난 피삭성과 뛰어난 녹 발생 특성을 양립할 수 있다. 한편, 강 중의 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이면, 원상당 직경이 5μm 이상인 조대한 MnS 개재물이 충분히 정출되어 있지 않고, 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 없었다. 그 때문에, 충분한 녹 발생 특성은 얻어지지 않는다. 특정 개재물의 개수 TN의 바람직한 하한은 80개/mm2이며, 보다 바람직하게는 150개/mm2이다. 특정 개재물의 개수 TN의 바람직한 상한은 300개/mm2이다. 또한, 특정 개재물의 원상당 직경의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어, 200μm이다.
[특정 개재물 중, 복합 개재물의 개수의 비(복합 비율) RA]
바람직하게는, 원상당 직경이 5μm 이상인 복합 개재물의 총 개수(개/mm2)의, 특정 개재물에 대한 개수(개/mm2)의 비(이하, 「복합 비율」이라고도 함) RA가 40% 이상이다.
상술한 바와 같이, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수가 증가할수록, 강은 녹이 발생하기 쉽다. 여기서, MnS 개재물과 Pb 개재물이 복합 개재물을 많이 생성할수록, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 있다. 특히, 강 중의 Pb 개재물의 총 개수를 저감할 수 있다. Pb 개재물은 특히, 녹 발생 특성을 저하시키기 쉽다. 복합 비율이 40% 이상이면, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 있고, 또한, 단독으로 존재하는 Pb 개재물의 개수도 저감할 수 있다. 그 결과, 강의 녹 발생 특성이 더욱 높아진다. 따라서, 바람직하게는 복합 비율 RA가 40% 이상이다. 이 경우, 강의 녹 발생 특성을 더욱 높일 수 있다. 복합 비율 RA의 보다 바람직한 하한은 60%이며, 더욱 바람직하게는 75%이다.
[특정 개재물의 개수 TN 및 복합 비율 RA의 측정 방법]
특정 개재물의 개수 TN 및 복합 비율 RA는 다음의 방법으로 측정할 수 있다. 상술한 방법으로, 기계 구조용 강으로부터 샘플을 채취한다. R/2부의 샘플의 횡단면(표면)에 대해, 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 1000배의 배율로 랜덤으로 20시야 관찰한다. 각 시야(관찰면이라 함)에 있어서, 특정 개재물(MnS 개재물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상임)을 특정한다. 특정 개재물과 다른 개재물은, 콘트라스트로 구별 가능하다. 또한, 특정 개재물 중, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물은, 각각 다음의 방법으로 특정한다.
각 관찰면에 있어서, 파장 분산형 X선 해석 장치(EPMA)에 의해, 관찰면 중의 S 분포 및 Pb 분포의 화상을 얻는다. 도 1a는, EPMA 분석에 의해 얻어진, 관찰면 중의 S 분포를 나타내는 모식도이며, 도 1b는, EPMA 분석에 의해 얻어진, 도 1a와 동일한 관찰면 중의 Pb 분포를 나타내는 모식도이다.
도 1a 중의 부호 10은, S가 존재하는 영역이다. S는 거의 MnS로서 존재하므로, 도 1a 중의 부호 10에는 MnS가 존재한다고 간주할 수 있다. 도 1b 중의 부호 20은, Pb가 존재하는 영역이다.
도 1b에 나타낸 바와 같이, Pb는 부호 20A에 나타난 바와 같이, 압연 등에 의해 분단되어, 압연 방향으로 배열되는 경우가 있다. S에 대해서도 마찬가지이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, EPMA 분석으로 얻어진 화상에 있어서, 이웃하는 개재물 IN이 모두 5μm 이상의 원상당 직경을 갖는 경우, 이웃하는 개재물 IN의 간격 D가 10μm 이내이면, 이들 개재물 IN은 1개의 개재물로 간주한다. 또한, 상술한 바와 같이, 원상당 직경이란, 각 개재물 또는 각 석출물의 면적을, 동일한 면적을 갖는 원으로 환산한 경우의 원의 직경을 의미한다. 1개의 개재물로 정의된 개재물군이어도, 원상당 직경은, 개재물군의 총 면적과 동일한 원의 직경이다.
도 1c는, 도 1a에 도 1b를 합성한 화상이다. 도 1c를 참조하여, MnS 개재물(10)에 Pb 개재물(20)이 중복되는 경우, 그 개재물은 복합 개재물(30)이라고 인정한다. 한편, 도 1c를 참조하여, MnS 개재물(10)과 Pb 개재물(20)이 중복되지 않는 경우, (도 1c 중의 영역 A1, 영역 A2 등), 그들 개재물은 MnS 개재물, Pb 개재물이라고 특정한다.
도 3a는, 본 실시형태의 기계 구조용 강에 대해 EPMA 분석을 실시하여 얻어진 S 분포의 사진 화상이며, 도 3b는, Pb 분포의 사진 화상이다. 도 3c는 도 3a 및 도 3b를 중복한 사진 화상이다. 도 3a~도 3c를 참조하여, 도 3a의 영역 A10에는 MnS 개재물(10)이 관찰되고, 도 3b의 영역 A10에는 Pb 개재물(20)이 관찰된다. 따라서, 도 3c의 영역 A10에는, 복합 개재물(30)이 존재한다고 인정할 수 있다. 또, 도 3a의 영역 A20에는 MnS 개재물(10)이 관찰되지 않고, 도 3b의 영역 A20에는 Pb 개재물(20)이 관찰된다. 그 때문에, 도 3c의 영역 A20에 존재하는 개재물은, Pb 개재물(20)로 인정할 수 있다.
이상의 방법에 의해, 주사형 현미경 및 EPMA를 이용하여, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물을 특정한다. 특정된 각 개재물의 면적을 구하고, 동일한 면적의 원의 직경을, 각 개재물의 원상당 직경(μm)으로서 구한다.
각 개재물 중, 원상당 직경이 5μm 이상인 특정 개재물을 특정한다. 특정된 특정 개재물의 총 개수(20시야에서의 개수)를 구하고, 1mm2당 개수 TN(개/mm2)으로 환산한다. 이상의 방법에 의해, 특정 개재물의 개수 TN을 구한다. 또한, 특정된 특정 개재물 중, 원상당 직경이 5μm 이상인 복합 개재물의 개수 MN(개/mm2)을 구하고, 다음의 식 (2)에 의거해, 복합 비율 RA(%)를 구한다.
RA=MN/TN×100 (2)
[제조 방법]
본 발명에 의한 기계 구조용 강의 제조 방법의 일례를 설명한다. 본 실시형태에서는, 기계 구조용 강의 일례로서, 봉강 또는 선재의 제조 방법을 설명한다. 그러나, 본 발명에 의한 기계 구조용 강은, 봉강 또는 선재로 한정되지 않는다.
제조 방법의 일례는, 용강을 정련하고, 주조하여 소재(주편 또는 잉곳)를 제조하는 제강 공정과, 소재를 열간 가공하여 기계 구조용 강을 제조하는 열간 가공 공정을 구비한다. 이하, 각각의 공정에 대해서 설명한다.
[제강 공정]
제강 공정은, 정련 공정과 주조 공정을 포함한다.
[정련 공정]
정련 공정에서는, 처음에 주지의 방법으로 제조된 용선(溶銑)에 대해, 전로(轉爐)에서의 정련(1차 정련)을 실시한다. 전로로부터 출강한 용강에 대해, 2차 정련을 실시한다. 2차 정련에 있어서, 성분 조정의 합금 첨가를 실시하여, 상기 화학 조성을 갖는 용강을 제조한다.
구체적으로, 전로로부터 출강한 용강에 대해, Mn을 첨가한다. 그 결과, 용강 중에는 Mn을 주체로 하는 산화물이 생성된다. Mn의 첨가를 완료한 후, Mn보다 탈산력이 강한 Si를 첨가한다. 그 결과, Mn을 주체로 하는 산화물은, Si를 주체로 하는 산화물로 개질된다. Si의 첨가를 완료한 후, Si보다 더 탈산력이 강한 Al을 첨가한다. 그 결과, Si를 주체로 하는 산화물은, Si 및 Al을 함유하는 복합 산화물(이후, 단순히 「복합 산화물」이라고도 칭함)로 개질된다.
이상의 정련 공정에 의해 생성한 복합 산화물은, MnS 개재물의 정출핵이 된다. 그로 인해, 복합 산화물을 생성함으로써, MnS 개재물이 충분히 정출되어, 조대하게 성장한다. 즉, 복합 산화물이 생성되면, 원상당 직경 5μm 이상의 개재물인 특정 개재물이 생성되기 쉽고, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 이상이 된다. 그 결과, 응고 후의 강 중의 고용 S량이 충분히 저감되어, 응고 후의 강 중에 있어서의 MnS 석출물의 석출을 억제할 수 있다. 그 때문에, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있어, 강의 녹 발생 특성이 높아진다.
탈산 처리를 실시한 후, 주지의 제재(除滓) 처리를 실시한다. 제재 처리 후, 2차 정련을 실시한다. 2차 정련은 예를 들어, 복합 정련을 실시한다. 예를 들어, 처음에, LF(Ladle Furnace) 또는 VAD(Vacuum Arc Degassing)를 이용한 정련 처리를 실시한다. 또한, RH(Ruhrstahl-Hausen) 진공 탈가스 처리를 실시해도 된다. 2차 정련에 있어서, Mn, Si, 및 그 외의 원소를 필요에 따라서 첨가하여, 용강의 성분 조정을 실시한다. 용강의 성분 조정 후, 주조 공정을 실시한다.
[주조 공정]
상기 정련 공정에 의해 제조된 용강을 이용하여, 소재(주편 또는 잉곳)를 제조한다. 구체적으로는, 용강을 이용하여 연속 주조법에 의해 주편을 제조한다. 또는, 용강을 이용하여 조괴(造塊)법에 의해 잉곳을 제조해도 된다. 이하, 주편 및 잉곳을 총칭하여 소재라 한다. 여기서 말하는 소재의 횡단면적은 예를 들어, 200~350mm×200~600mm이다.
주조 시의 응고 냉각 속도 RC는 100℃/분 이하이다. 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분 이하이면, 용강에 있어서 MnS 개재물이 충분히 정출되어, 성장한다. 그 때문에, 특정 개재물이 생성되기 쉽고, 그 개수 TN이 40개/mm2 이상이 된다. 그 결과, 응고 후의 강 중의 고용 S량이 충분히 저감되어, 응고 후의 강 중에 있어서의 MnS 석출물의 석출을 억제할 수 있다. 그 때문에, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 충분히 저감할 수 있어, 강의 녹 발생 특성이 높아진다.
한편, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘으면, MnS 개재물이 충분히 정출되지 않고, 또한, MnS 개재물이 충분히 성장하지 않는다. 그 때문에, 특정 개재물이 생성되기 어렵고, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이 된다. 이 경우, 응고 후의 강 중의 고용 S량을 충분히 저감할 수 없어, 응고 후에, 미세한 MnS 석출물이 다수 생성된다. 그 결과, MnS 개재물, MnS 석출물, Pb 개재물, 및, 복합 개재물의 총 개수를 저감할 수 없으므로, 강의 녹 발생 특성이 저하한다. 따라서, 응고 냉각 속도 RC는 100℃/분 이하이다.
바람직한 응고 냉각 속도 RC는 8~50℃/분 미만이다. 이 경우, MnS 개재물이 또한 정출 및 성장하기 쉽다. 응고 냉각 속도 RC가 8~50℃/분 미만이면 또한, 응고될 때까지의 시간이 길기 때문에, Pb가 용강 중을 이동해 MnS 개재물에 부착되기 위한 충분한 시간을 확보할 수 있다. 그 때문에, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물이 생성되기 쉬워져, 복합 비율 RA가 40% 이상이 된다. 응고 냉각 속도 RC의 보다 바람직한 상한은 30℃/분이다. 응고 냉각 속도 RC의 보다 바람직한 하한은 10℃/분이며, 더욱 바람직하게는 15℃/분이다.
응고 냉각 속도 RC는, 주조된 소재로부터 구할 수 있다. 도 4는, 주조된 소재의 횡단면도이다. 두께 W(mm)의 소재 중, 표면으로부터 소재 중심을 향해 W/4의 위치의 지점 P1에 있어서, 액상선 온도에서 고상선 온도까지의 냉각 속도를, 주조 공정에 있어서의 응고 냉각 속도 RC(℃/분)라 정의한다. 응고 냉각 속도 RC는 다음의 방법으로 구할 수 있다. 응고 후의 소재를 횡단 방향으로 절단한다. 소재의 횡단면 중, 지점 P1에서의 응고 조직의 두께 방향의 2차 덴드라이트 암 간격 λ2(μm)를 측정한다. 측정값 λ2를 이용하여, 다음의 식 (3)에 의거해 응고 냉각 속도 RC(℃/분)를 구한다.
RC＝(λ2/770)-(1/0.41) (3)
2차 덴드라이트 암 간격 λ2는 응고 냉각 속도 RC에 의존한다. 따라서, 2차 덴드라이트 암 간격 λ2를 측정함으로써 응고 냉각 속도 RC를 구할 수 있다.
[열간 가공 공정]
열간 가공 공정에서는 통상, 1 또는 복수회의 열간 가공을 실시한다. 각 열간 가공을 실시하기 전에, 소재를 가열한다. 그 후, 소재에 대해 열간 가공을 실시한다. 열간 가공은 예를 들어, 열간 단조나, 열간 압연이다. 복수회 열간 가공을 실시하는 경우, 최초의 열간 가공은 예를 들어, 분괴 압연 또는 열간 단조이며, 다음의 열간 가공은, 연속 압연기를 이용한 마무리 압연이다. 열간 압연기에서는, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 번갈아 일렬로 배열된다. 열간 가공 후의 소재는 공랭 등의 주지의 냉각법에 의해 냉각된다.
이상의 공정에 의해, 본 실시형태에 의한 기계 구조용 강을 제조한다. 기계 구조용 강은 예를 들어, 봉강 또는 선재이다.
이상의 방법으로 제조된 기계 구조용 강은, 피삭성 및 녹 발생 특성이 뛰어나다. 기계 구조용 강으로부터 기계 부품으로의 제조는, 예를 들어, 다음의 방법으로 실시된다.
기계 구조용 강에 대해 열간 단조를 실시하여, 조(粗)형상의 중간품을 제조한다. 중간품에 대해, 필요에 따라서 불림 처리를 실시한다. 또한, 중간품에 대해 기계 가공을 실시한다. 기계 가공은 예를 들어 절삭 가공이다. 기계 가공을 실시한 중간품에 대해 조질 처리(담금질 뜨임)를 실시해도 된다. 조질 처리한 경우, 조질 처리 후의 중간품에 대해 절삭 가공 등의 기계 가공을 실시해도 된다. 이상의 공정에 의해, 기계 부품이 제조된다. 열간 단조 대신에, 냉간 단조에 의해 기계 부품을 제조해도 된다.
실시예
표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 용강을 제조했다.
Figure pct00001
각 시험 번호의 용강은 다음의 방법으로 제조했다. 주지의 방법으로 제조된 용선에 대해 전로에서의 1차 정련을 동일한 조건으로 제조했다.
시험 번호 49 및 50 이외의 시험 번호의 용강에 대해서는, 전로로부터 출강 후, Mn, Si, Al의 순으로 첨가하여 탈산 처리를 실시했다. 시험 번호 49의 용강에 대해서는, 전로로부터 출강 후, Si, Al, Mn의 순으로 첨가하여 탈산 처리를 실시했다. 시험 번호 50의 용강에 대해서는, 전로로부터 출강 후, Mn, Al, Si의 순으로 첨가하여 탈산 처리를 실시했다.
탈산 처리 후, 제재 처리를 실시했다. 제재 처리 후, VAD를 이용한 정련 처리를 실시하고, 그 후, RH 진공 탈가스 처리를 실시했다. RH 진공 탈가스 처리 후, 합금 원소의 최종 조정을 실시했다. 이상의 공정으로, 표 1에 나타낸 화학 조성의 용강을 제조했다.
용강을 주조하여 직방체 형상의 실험용 잉곳을 제조했다. 잉곳의 횡단 형상은 직사각형상이며, 190mm×190mm였다. 각 시험 번호의 응고 냉각 속도 RC(℃/분)는 표 2에 기재된 바와 같았다. 응고 냉각 속도 RC는, 잉곳의 2차 덴드라이트 암 간격을 측정하여, 상술한 식 (3)에 의해 구했다.
Figure pct00002
제조된 실험용 잉곳에 대해 2회의 열간 가공을 실시하여, 봉강을 제조했다. 열간 가공에서는, 분괴 압연을 실시하고, 그 후, 마무리 압연(봉강 압연)을 실시했다. 제조된 실험용 잉곳에 대해 열간 단조를 실시하고, 직경 50mm의 봉강을 제조했다. 또는, 실험용 잉곳에 대해 분괴 압연을 실시하고, 그 다음에 마무리 압연을 실시하여, 직경 50mm의 봉강을 제조했다. 제조된 봉강에 대해, 800~950℃의 불림 처리를 실시했다. 불림 처리에 있어서의 냉각 방법은 방랭이었다. 이상의 제조 공정에 의해, 직경 50mm의 봉강(기계 구조용 강)을 제조했다.
[평가 시험]
[미크로 조직 관찰]
각 시험 번호의 봉강의 R/2부로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취했다. 시험편의 표면 중, 봉강의 길이 방향(즉, 압연 방향 또는 연신 방향)과 평행한 단면을 관찰면이라고 정의했다. 상술한 방법에 의거해, 페라이트 및 펄라이트의 합계 면적률(%)을 구했다. 각 시험 번호의 봉강의 미크로 조직은, 모두 합계 면적률이 99% 이상이었다. 합계 면적률이 99% 이상인 미크로 조직에 대해서, 「F+P」로 하여, 표 2에 나타낸다.
[특정 개재물의 개수 TN 및 복합 비율 RA]
각 시험 번호의 봉강의 R/2부로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취했다. 시험편의 표면 중, 봉강의 길이 방향(즉, 압연 방향 또는 연신 방향)과 평행한 단면을 관찰면이라 정의했다. 각 시험 번호의 조직 관찰용 시험편의 관찰면에 대해서, 상술한 방법에 의거해, 특정 개재물 개수 TN(개/mm2)과, 복합 비율 RA(%)를 구했다. 결과를 표 2에 나타낸다.
[비커스 경도 시험]
각 시험 번호의 봉강의 R/2부의 임의의 5점에 있어서, JIS Z 2244(1981)에 준거해 비커스 경도 시험을 실시했다. 시험력은 100N으로 했다. 얻어진 5개의 값의 평균을, 그 시험 번호의 봉강의 비커스 경도(HV)로 정의했다. 비커스 경도가 HV160 이상이면, 충분한 강도를 갖는다고 판단했다. 한편, 비커스 경도가 HV160 미만인 경우, 강도가 불충분하다고 판단했다. 표 2에 결과를 나타낸다. 어느 시험 번호에서나, 비커스 경도는 HV160 이상이며, 충분한 강도를 나타냈다.
[피삭성]
피삭성은, 공구 마모량(μm) 및 칩 처리성을 평가했다. 구체적으로는, 직경 50mm의 봉강을 소정의 길이로 절단하여 절삭 시험편으로 했다. 절삭 시험편에 대해, 도 5에 나타낸 외주 선삭(旋削)을 실시했다. 외주 선삭의 조건을 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
구체적으로는, 공구 50으로서, P20종 초경합금 공구를 이용했다. 공구 50의 노즈 R은 0.4이며, 경사각은 5°였다. 절삭 속도 V1：200m/분 , 이송 속도 V2：0.2mm/rev, 절입 깊이 D1：2mm, 길이 방향 절삭 길이 L1：200mm로 하여, 외주 선삭을 실시했다. 외주를 절삭 후, 다시 D1：2mm만큼 소경이 되도록 절입 선삭을 반복하고, 시험편 5에 대해 4분간의 상기 조건의 선삭 시험을 실시했다.
[공구 수명 평가]
1000개째의 시험편의 선삭이 완료된 후의 공구 50에 대해서, 앞쪽 여유면의 공구 마모량(mm)을 측정했다. 측정 결과를 표 2의 「공구 마모량」란에 나타낸다. 공구 마모량이 200μm 이하인 경우, 공구 수명이 뛰어나다고 판단했다. 한편, 공구 마모량이 200μm를 초과하는 경우, 공구 수명이 뛰어나지 않다고 판단했다.
[칩 처리성 평가]
1000개째의 시험편의 선삭에서는, 도 6a 및 도 6b에 나타낸 칩이 얻어졌다. 여기서, 칩의 길이 L20과, 직경 D20을 측정했다. 측정 결과에 의거해, 다음과 같이 평가했다. 칩이 직경 30mm 이하의 코일 형상인 경우, 또는 코일 형상이 아니어도 칩 길이가 50mm 미만이었던 경우, 칩 처리성이 뛰어나다고 판단했다(표 2 중의 「○」). 한편, 칩이 직경 30mm 이하의 코일 형상이 아니고, 또한, 칩 길이도 50mm 이상이었던 경우, 칩 처리성이 낮다고 판단했다(표 2 중의 「×」).
[녹 발생 특성(내식성) 평가 시험]
직경 50mm의 봉강을 소정의 길이로 절단한 녹 발생 시험편을 제작했다. 녹 발생 시험편에 대해, 상술한 절삭 시험과 동일한 조건으로 선삭 가공을 행했다. 그 후, 절삭면에 수돗물을 분무하면서, 습도 70%, 20℃의 분위기 내에 1시간 시험편을 보관했다. 보관 후, 시험편의 절삭면을 관찰해, 녹점의 개수를 측정했다. 측정 결과를 표 2의 「녹 발생 특성」란에 나타낸다. 녹점이 10점 미만이었던 경우(표 2 중의 「◎」), 및, 녹점이 10점 이상 20점 미만이었던 경우(표 2 중의 「○」), 녹 발생 특성이 뛰어나다고 판단했다. 한편, 녹점이 20점 이상이었던 경우(표 2 중의 「×」), 녹 발생 특성이 뛰어나지 않다고 판단했다.
[열간 연성 평가 시험]
통전 가열에 의한 열간 인장 시험을 실시하여, 열간 연성을 평가했다. 구체적으로는, 각 시험 번호의 주편으로부터, 직경 10mm, 길이 100mm이며, 양단이 나사 가공된 환봉 시험편을 제작했다. 환봉 시험편을 통전 가열에 의해 1100℃로 가열해, 3분 유지했다. 그 후, 방랭에 의해 환봉 시험편을 900℃까지 냉각했다. 환봉 시험편이 900℃인 상태로 인장 시험을 실시하고, 파단 시의 수축값(%)를 구했다. 각 시험 번호에 대해 3개의 환봉 시험편으로 인장 시험을 실시하고, 3개의 값의 평균을, 그 시험 번호의 수축값(%)으로 정의했다. 수축값을 표 2의 「열간 연성」의 란에 나타낸다. 수축값이 70% 이상인 경우, 열간 연성이 뛰어나다고 평가했다. 한편, 수축값이 70% 미만인 경우, 열간 연성이 뛰어나지 않다고 평가했다.
[시험 결과]
시험 번호 1~26에서는, 화학 조성이 적절하고, F1이 8.0 이상이며, 탈산 순서가 적절하고, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분 이하였다. 그 때문에, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 이상이었다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm 이하이고, 또한, 뛰어난 칩 처리성이 얻어졌다. 즉, 뛰어난 피삭성이 얻어졌다. 또한, 녹 발생 특성 평가 시험에 있어서, 모두, 녹점이 20점 미만이며, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어졌다. 또한, 열간 연성 평가 시험에 있어서, 수축값이 70% 이상이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어졌다.
시험 번호 1~6, 17, 19, 22, 및, 25에서는 또한, 응고 냉각 속도 RC가 8~50℃/분이었다. 그 때문에, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 이상일 뿐만 아니라, 복합 비율 RA가 40% 이상이었다. 그 결과, 모두, 녹점이 10점 미만이며, 시험 번호 7~16, 18, 20, 21, 23, 24, 및, 26에 비해, 더욱 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어졌다.
한편, 시험 번호 27~35에서는, 화학 조성이 적절하고, F1이 8.0 이상이며, 탈산 순서가 적절했는데, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘었다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 36 및 37에서는, 화학 조성이 적절하고, 탈산 순서가 적절하며, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분 이하였는데, F1이 8.0 미만이었다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다. 또한, 수축값이 70% 미만이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 38에서는, 화학 조성이 적절하고, 탈산 순서가 적절했는데, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘고, 또한 F1이 8.0 미만이었다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다. 또한, 수축값이 70% 미만이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 39에서는, Mn 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm를 넘고, 뛰어난 피삭성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 40에서는, Mn 함유량이 너무 낮았다. 또한 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘었다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다. 또한, 수축값이 70% 미만이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 41에서는, S 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 수축값이 70% 미만이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 42에서는, S 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 43에서는, Pb 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 44에서는, Pb 함유량이 너무 낮았다. 또한 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘었다. 그 때문에, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm를 넘고, 또한 뛰어난 칩 처리성도 얻어지지 않았다. 즉, 뛰어난 피삭성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 45에서는, Al 함유량이 너무 낮았다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 46에서는, N 함유량이 너무 많았다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm를 넘고, 뛰어난 피삭성이 얻어지지 않았다. 또한, 수축값이 70% 미만이며, 뛰어난 열간 연성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 47에서는, O 함유량이 너무 많았다. 또한 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘었다. 그 때문에, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm를 넘고, 뛰어난 피삭성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 48에서는, O 함유량이 너무 낮았다. 또한 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분을 넘었다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 공구 마모량이 200μm를 넘고, 또한 뛰어난 칩 처리성도 얻어지지 않았다. 즉, 뛰어난 피삭성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 49에서는, 화학 조성이 적절하고, F1이 8.0 이상이며, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분 이하였는데, 탈산 순서가 부적절했다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
시험 번호 50에서는, 화학 조성이 적절하고, F1이 8.0 이상이며, 응고 냉각 속도 RC가 100℃/분 이하였는데, 탈산 순서가 부적절했다. 그로 인해, 특정 개재물의 개수 TN이 40개/mm2 미만이었다. 그 결과, 뛰어난 녹 발생 특성이 얻어지지 않았다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
10：MnS 개재물
20：Pb 개재물
30：복합 개재물

Claims (4)

  1. 질량%로,
    C：0.30~0.80%,
    Si：0.01~0.80%,
    Mn：0.20~2.00%,
    P：0.030% 이하,
    S：0.010~0.100%,
    Pb：0.010~0.100%,
    Al：0.010~0.050%,
    N：0.015% 이하,
    O：0.0005~0.0030%,
    Cr：0~0.70%,
    Ni：0~3.50%,
    B：0~0.0050%,
    V：0~0.70%,
    Mo：0~0.70%,
    W：0~0.70%,
    Nb：0~0.050% 미만,
    Cu：0~0.50%,
    Ti：0~0.100%, 및,
    Ca：0~0.0030%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)을 만족하는 화학 조성을 갖고,
    강 중에 있어서, MnS 개재물, Pb 개재물, 및, MnS 및 Pb를 함유하는 복합 개재물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 특정 개재물의 총 개수가 40개/mm2 이상인, 기계 구조용 강.
    Mn/S≥8.0 (1)
    여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Cr：0.10~0.70%,
    Ni：0.02~3.50%,
    B：0.0005~0.0050%,
    V：0.05~0.70%,
    Mo：0.05~0.70%,
    W：0.05~0.70%,
    Nb：0.001~0.050% 미만,
    Cu：0.05~0.50%, 및,
    Ti：0.003~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 기계 구조용 강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Ca：0.0001~0.0030%를 함유하는, 기계 구조용 강.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 개재물의 상기 특정 개재물에 대한 개수 비율이 40% 이상인, 기계 구조용 강.
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