KR20190042656A - 냉간 단조용 강 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

이 냉간 단조용 강은, 소정의 화학 조성을 갖고, d+3σ≤10.0 및 SA/SB＜0.30을 만족시키고, 금속 조직 중에, 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상 포함하고, 상기 황화물끼리의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이다. 여기서, d는 원상당 직경 1.0㎛ 이상인 황화물의 원상당 직경의 평균값이고, σ는 상기 원상당 직경 1.0㎛ 이상인 황화물의 상기 원상당 직경의 표준 편차이고, SA는 원상당 직경으로 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수이고, SB는 상기 원상당 직경 1.0㎛ 이상인 상기 황화물의 개수이다.

Description

냉간 단조용 강 및 그 제조 방법

본 발명은, 냉간 단조용 강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

기계 구조용 강은, 산업용 기계, 건설용 기계, 및 자동차로 대표되는 수송용 기계 등의 기계 부품에 사용된다. 기계 구조용 강은 일반적으로, 열간 단조에 의해 조가공된 후, 절삭 가공되어 소정의 형상을 갖는 기계 부품으로 마무리된다. 그 때문에, 기계 구조용 강에는, 가공성과 피삭성이 요구된다.

냉간 단조는, 열간 단조와 비교하여 치수 정밀도가 높으므로, 단조 후의 절삭 가공량을 저감할 수 있는 것 등의 장점이 있다. 이 때문에, 근년, 상기한 조가공에 있어서, 냉간 단조에 의해 조성형되는 부품이 많아지고 있다. 그러나 냉간 단조를 행하면, 열간 단조를 행하는 경우에 비해 강재에 크랙이 발생하기 쉽다. 그 때문에, 냉간 단조에 이용되는 냉간 단조용 강에는, 피삭성과 함께, 냉간 단조 시에 크랙이 발생하기 어려운 특성(이하, 냉간 단조성이라고 함)이 요구된다.

냉간 단조에 의해 강재를 조성형하는 경우, 단조에서의 변형 저항을 낮추어 냉간 단조성을 향상시키기 위해, 단조 전에 구상화 어닐링을 실시하는 경우가 많다. 그러나 강에 구상화 어닐링을 행하면, 냉간 단조 후의 절삭 가공 시의 피삭성이 저하된다고 하는 문제가 있다.

강에 황(S)을 함유시키면, S는 강 중의 망간(Mn)과 결합되어 황화물을 주체로 하는 황화물계 개재물(이하, 황화물이라고 함)을 형성한다. 이 황화물이, 피삭성을 향상시키는 것은 잘 알려져 있다. 그 때문에, 피삭성을 높이려면, S 함유량을 높이는 것을 생각할 수 있다. 그러나 S 함유량을 높이면, 조대한 황화물(MnS, CaS 등)이 다량으로 생성되어, 냉간 단조성이 저하된다.

따라서, 종래, 냉간 단조성과 피삭성을 양립시키는 것은 곤란하였다. 종래의 냉간 단조용 강은, S 함유량을 저감함으로써 냉간 단조성이나 피로 강도의 저하를 억제하고 있고, 그 결과, 피삭성이 낮았다.

특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 황화물의 형태 제어 등에 의해, 강재의 피삭성을 향상시키는 기술이 제안되어 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에는, 황화물의 조대화를 억제하기 위해, 주조 시의 응고 속도를 제어하여, 황화물을 미세하게 분산시킴으로써 피삭성을 향상시킨 기소강이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 서브마이크로미터 레벨의 황화물을 분산시킴으로써, 피삭성을 향상시킨 기소강이 개시되어 있다.

그러나 특허문헌 1 및 특허문헌 2에서는, 열간 단조 후의 피삭성에 대해서는 검토되어 있기는 하지만, 구상화 어닐링 및 냉간 단조를 행한 후의 피삭성에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또한, 특허문헌 2에서는, 냉간 단조성에 대해서도 고려되어 있지 않다.

특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 황화물계 개재물의 입자간 거리를 작게 함으로써, 절삭분 처리성을 향상시킨 쾌삭강이 개시되어 있다.

그러나 특허문헌 3 및 특허문헌 4에 개시된 기술에 있어서는, 조대한 황화물이 존재하는 경우에는, 입자간 거리가 작으면, 오히려 냉간 단조 시의 크랙이 발생하기 쉬워, 냉간 단조성이 저하될 우려가 있다. 또한, 특허문헌 3에서는, 열간 단조 후의 피삭성에 대해서는 검토되어 있기는 하지만, 구상화 어닐링 및 냉간 단조 후의 피삭성에 대해 전혀 고려되어 있지 않다.

상술한 바와 같이, 종래, 냉간 단조성을 손상시키는 일 없이, 피삭성을 향상시킨 냉간 단조용 강은 얻지 못하였다.

일본 특허 제5114689호 공보 일본 특허 제5114753호 공보 일본 특허 공개 제2000-282171호 공보 일본 특허 제4924422호 공보

본 발명은, 상기 현 상황에 비추어 이루어졌다. 본 발명의 목적은, 냉간 단조성 및 피삭성이 우수한 냉간 단조용 강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 냉간 단조용 강에 관한 연구 및 검토를 행하여, 이하의 지견을 얻었다.

(a) 냉간 단조 전의 어닐링(구상화 어닐링)은, 강재의 냉간 단조성을 향상시키기 위해 유효하다. 그러나 어닐링을 행하면, 강재의 연성이 향상되기 때문에, 절삭하였을 때의 절삭분이 길어져, 절삭분 처리성이 나빠진다. 또한, 절삭 후의 강재의 표면 조도도 커진다.

(b) 절삭은 절삭분을 분리하는 파괴 현상이며, 그것을 촉진시키려면 매트릭스(모재)를 취화시키는 것이 유효하다. 황화물을 미세 분산시킴으로써, 파괴를 용이하게 하여, 절삭분 처리성을 향상시킬 수 있다. 또한, 황화물 사이의 입자간 거리가 짧으면, 절삭분의 분단성이 향상된다. 한편, 황화물이 크고 소수 분산되어 있으면, 절삭분 분리의 기점이 되는 황화물의 간격이 길어져, 결과적으로 절삭분이 길어지기 쉬워진다.

(c) 본 발명자들은, 황화물의 원상당 직경과 절삭분 처리성의 관계에 대해 다양한 실험을 행하였다. 그 결과, 평균 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물 중, 평균 원상당 직경이 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수 분율이 30％를 초과하면, 절삭분 처리성이 저하된다는 지견을 얻었다. 즉, 극단적으로 미세한 황화물을 저감시킴으로써, 더 적은 황화물 총량으로 우수한 피삭성을 얻을 수 있는 것을 알아냈다. 이것은, 평균 원상당 직경이 3.0㎛ 미만인 미세한 황화물은, 절삭분 분리 시의 응력 집중원으로서 유효하게 기능하기 어렵기 때문이라고 생각된다.

(d) 냉간 단조성의 지표가 되는 냉간 단조 시의 크랙은 다음과 같은 메커니즘에서 발생한다고 추측되고 있다. 즉, 조대한 황화물과 매트릭스(모상)의 경계에 보이드가 형성되고, 복수의 보이드가 연결됨으로써, 균열이 형성된다. 이 균열은, 소성 변형이 진행됨에 따라 성장한다. 그리고 균열끼리가 연결됨으로써, 크랙이 발생한다. 그 때문에, 냉간 단조성을 향상시키기 위해서는, 조대한 황화물을 저감하는 것이 중요하다.

(e) 또한, 본 발명자들은, 최대 황화물 치수와 냉간 단조성의 관계에 대해 다양한 실험을 행하였다. 그 결과, 관찰되는 황화물의 최대 원상당 직경이 10.0㎛를 초과하면, 냉간 단조성이 저하되는 것을 알아냈다.

(f) 강재 중의 황화물은, 응고 전(용강 중) 또는 응고 시에 정출되는 경우가 많고, 황화물의 크기는, 응고 시의 냉각 속도에 크게 영향을 받는다. 또한, 연속 주조 주편의 응고 조직은, 통상은 덴드라이트 형태를 나타내고 있고, 이 덴드라이트는, 응고 과정에 있어서의 용질 원소의 확산에 기인하여 형성되고, 용질 원소는, 덴드라이트의 나무 사이부에 있어서 농화된다. 즉, Mn은, 덴드라이트의 나무 사이부에 있어서 농화되고, Mn 황화물이 나무 사이에 정출된다.

(g) Mn 황화물을 미세하게 분산시키려면, 덴드라이트의 나무 사이의 간격을 짧게 할 필요가 있다. 덴드라이트의 1차 암 간격에 관한 연구는 종래부터 행해지고 있고, 하기의 비특허문헌에 의하면, 하기 (A)식으로 나타낼 수 있다.

여기서, λ: 덴드라이트의 1차 암 간격(㎛), D: 확산 계수(㎡/s), σ: 고액 계면 에너지(J/㎡), ΔT: 응고 온도 범위(℃)이다.

비특허문헌: W.Kurz and D.J.Fisher 저, 「Fundamentals of Solidification」, Trans Tech Publications Ltd., (Switzerland), 1998년, p.256

이 (A)식으로부터, 덴드라이트의 1차 암 간격 λ는, 고액 계면 에너지 σ에 의존하고 있고, 이 σ를 저감할 수 있으면 λ가 감소하는 것을 알 수 있다. λ를 감소시킬 수 있으면, 덴드라이트 나무 사이에 정출되는 Mn 황화물 사이즈를 저감시킬 수 있다.

본 발명자들은, 강에 Bi를 미량 함유시킴으로써, 고액 계면 에너지를 저감시킬 수 있어, 황화물의 사이즈를 미세화할 수 있는 것을 새롭게 알아냈다.

본 발명은, 상기한 지견에 기초하여 완성된 것이며, 그 요지는, 하기 (1) 내지 (5)와 같다.

(1) 본 발명의 일 양태에 관한 냉간 단조용 강은, 화학 성분이, 질량％로, C: 0.05 내지 0.30％, Si: 0.05 내지 0.45％, Mn: 0.40 내지 2.00％, S: 0.008 내지 0.040％ 미만, Cr: 0.01 내지 3.00％, Al: 0.010 내지 0.100％, Bi: 0.0001 내지 0.0050％, Mo: 0 내지 1.00％, Ni: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 0.30％, B: 0 내지 0.0200％, Mg: 0 내지 0.0035％, Ti: 0 내지 0.060％ 및 Nb: 0 내지 0.080％를 함유함과 함께, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 상기 불순물에 포함되는 N, P 및 O가, N: 0.0250％ 이하, P: 0.050％ 이하, O: 0.0020％ 이하이고, 하기 식(1) 및 하기 식(2)를 만족시키고, 금속 조직 중에, 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상 포함하고, 상기 황화물끼리의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이다.

식(1)에 있어서의 d는 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 원상당 직경의 평균값이고, σ는 상기 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 상기 원상당 직경의 표준 편차이고, 식(2)에 있어서의 SA는 원상당 직경이 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수이고, SB는 상기 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 상기 황화물의 개수이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 냉간 단조용 강은, 상기 화학 성분이, 질량％로, Mo: 0.02 내지 1.00％, Ni: 0.10 내지 1.00％, V: 0.03 내지 0.30％, B: 0.0005 내지 0.0200％ 및 Mg: 0.0001 내지 0.0035％로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 냉간 단조용 강은, 상기 화학 성분이, 질량％로, Ti: 0.002 내지 0.060％ 및 Nb: 0.010 내지 0.080％로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종을 함유해도 된다.

(4) 본 발명의 다른 양태에 관한 냉간 단조용 강의 제조 방법은, 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 화학 성분을 갖고, 또한 표면으로부터 15㎜의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 주편을 주조하는 주조 공정과, 상기 주편을 열간 가공하여 강재를 얻는 열간 가공 공정과, 상기 강재를 어닐링하는 어닐링 공정을 갖는다.

(5) 상기 (4)에 기재된 냉간 단조용 강의 제조 방법은, 상기 주조 공정에 있어서, 상기 주편의 상기 표면으로부터 15㎜의 깊이에 있어서의, 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를 120℃/min 이상 500℃/min 이하로 해도 된다.

본 발명의 상기 양태에 따르면, 냉간 단조성 및 피삭성이 우수한 냉간 단조용 강 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 양태에 관한 냉간 단조용 강은, 어닐링 후의 냉간 단조에 의한 조성형품을 직접적으로, 또는 필요에 따라서 노멀라이징을 행하고 나서, 절삭 가공을 실시할 때의 피삭성이 우수하다. 이 때문에, 자동차, 산업 기계용 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품의 제조 비용에 차지하는 절삭 가공 비용의 비율을 저감할 수 있고, 또한 부품의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 양태에 관한 냉간 단조용 강의 제조 방법에서는, 소정의 화학 성분을 갖는 주편을 주조함으로써 황화물의 정출핵이 되는 덴드라이트 조직을 미세화시켜, 강 중의 황화물을 미세 분산시킨다. 그 때문에, 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품의 소재가 되는, 냉간 단조 후의 피삭성, 즉, 침탄, 침탄 질화 또는 질화 전의 피삭성이 우수한 냉간 단조용 강이 얻어진다.

이하, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강(본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강)을 상세하게 설명한다.

기소강 등의 기계 구조용 강을 기어 등의 부품 형상으로 가공하는 데에는, 연속 주조한 주편을 압연한 후, 열간 단조 또는 냉간 단조를 행하고, 이어서 절삭하고, 또한 침탄 ?칭 등의 표면 경화 처리를 실시한다. 강 중의 황화물은, 냉간 단조성을 저하시키나, 피삭성의 향상에 매우 유효하다. 피삭재인 기소강 중의 황화물은, 절삭 공구의 마모에 의한 공구 변화를 억제하여, 이른바 공구 수명을 연장시키는 효과를 발현한다.

피삭성 및 냉간 단조성에 대해, 더 설명한다.

피삭성의 관점에서는, S 함유량의 증가가 중요하다. S를 함유시킴으로써, 절삭 시의 공구 수명 및 절삭분 처리성이 향상된다. 이 효과는, S 함유량의 총량으로 정해져, 황화물의 형상의 영향을 받기 어렵다. 따라서, 피삭성을 높이려면, 강 중에 황화물을 발생시키는 것이 바람직하다.

한편, 강 중의 황화물은, 냉간 단조 시에 황화물 자체가 변형되어 파괴의 기점이 된다. 특히, 조대한 황화물은, 한계 압축률 등의 냉간 단조성을 크게 저하시킨다. 구체적으로는, 광학 현미경에 의해 관찰되는 황화물의 최대 원상당 직경이 10.0㎛를 초과하면 냉간 단조 시에 크랙 발생의 기점이 되기 쉽다. 또한, 기소강을 제조하는 과정에서 열간 압연이나 열간 단조와 같은 열간 가공을 실시하면, 조대한 황화물이 연신되어 피삭성이 저하되는 경우가 많다. 그 때문에, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에서는, 황화물을 미세화하는 것이 바람직하다.

황화물의 조대화를 억제하기 위해서는, 용강 중의 고액 계면 에너지를 저감하여, 주조 후의 주편의 덴드라이트 조직을 미세화하는 것이 바람직하다. 덴드라이트 조직은, 황화물의 입경에 크게 영향을 미쳐, 덴드라이트 조직이 미세해질수록 황화물의 입경도 작아진다.

황화물을 안정적이면서 효과적으로 미세 분산시키려면, 미량의 Bi를 첨가하여, 용강 중의 고액 계면 에너지를 저감시키는 것이 바람직하다. 이것은, 고액 계면 에너지가 저감되면, 덴드라이트 조직이 미세해지고, 거기에서 정출되는 황화물이 미세화되기 때문이다.

S 함유량을 증량하면 피삭성은 향상되지만, 냉간 단조성의 저하를 초래한다. 한편, 동일한 양의 S를 포함하는 강을 비교한 경우, 황화물이 미세화된 쪽이, 더 양호한 냉간 단조성을 나타낸다. 이상의 점에서, S 함유량을 증가시키고, 또한 황화물을 미세화함으로써, 냉간 단조성과 피삭성을 양립시킬 수 있다.

그 때문에, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강은, 소정의 화학 성분을 갖고, d를 황화물의 원상당 직경의 평균값, σ를 황화물의 원상당 직경의 표준 편차, SA를 원상당 직경으로 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수, SB를 원상당 직경으로 1.0㎛ 이상인 상기 황화물의 개수로 한 경우에, d+3σ≤10.0, 또한 SA/SB＜0.30을 만족시키고, 금속 조직 중에, 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상 포함하고, 황화물끼리의 평균 거리가 30.0㎛ 미만이다.

이하, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에 대해, 더 설명한다. 먼저, 각 성분 원소의 함유량에 대해 설명한다. 여기서, 성분에 대한 「％」는 특별히 정함이 없는 한, 질량％이다.

C: 0.05 내지 0.30％

탄소(C)는, 강의 인장 강도 및 피로 강도를 높인다. 그 때문에, C 함유량을 0.05％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.10％ 이상, 더 바람직하게는 0.15％ 이상이다. 한편, C 함유량이 지나치게 많으면, 강의 냉간 단조성이 저하되고, 피삭성도 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.30％ 이하이다. 바람직하게는 0.28％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.25％ 이하이다.

Si: 0.05 내지 0.45％

실리콘(Si)은, 강 중의 페라이트에 고용되어, 강의 인장 강도를 높인다. 그 때문에, Si 함유량을 0.05％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.15％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.20％ 이상이다. 한편, Si 함유량이 지나치게 많으면, 강의 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은, 0.45％ 이하이다. 바람직하게는 0.40％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.35％ 이하이다.

Mn: 0.40 내지 2.00％

망간(Mn)은, 강에 고용되어 강의 인장 강도 및 피로 강도를 높여, 강의 ?칭성을 높인다. Mn은 또한, 강 중의 황(S)과 결합되어 Mn 황화물을 형성하여, 강의 피삭성을 높인다. 그 때문에, Mn 함유량을 0.40％ 이상으로 한다. 강의 인장 강도, 피로 강도 및 ?칭성을 높이는 경우, 바람직한 Mn 함유량은 0.60％ 이상이고, 더욱 바람직한 Mn 함유량은 0.75％ 이상이다. 한편, Mn 함유량이 지나치게 높으면, 강의 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은, 2.00％ 이하이다. 강의 냉간 단조성을 더 높이는 경우, 바람직한 Mn 함유량은 1.50％ 이하이고, 더욱 바람직한 Mn 함유량은 1.20％ 이하이다.

S: 0.008％ 이상, 0.040％ 미만

황(S)은, 강 중의 Mn과 결합되어 Mn 황화물을 형성하여, 강의 피삭성을 높인다. 그 때문에, S 함유량을 0.008％ 이상으로 한다. 강의 피삭성을 더 높이는 경우, 바람직한 S 함유량은 0.010％ 이상이고, 더욱 바람직한 S 함유량은, 0.015％ 이상이다. 한편, S를 과잉으로 함유하면, 강의 냉간 단조성이나 피로 강도가 저하된다. 따라서, S 함유량은, 0.040％ 미만이다. 강의 냉간 단조성을 더 높이는 경우, 바람직한 S 함유량은 0.030％ 미만이고, 더욱 바람직한 S 함유량은, 0.025％ 미만이다.

Cr: 0.01 내지 3.00％

크롬(Cr)은, 강의 ?칭성을 높여, 인장 강도 및 침탄 처리나 고주파 ?칭 후의 강의 표면 경도를 높인다. 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에 의해 제조되는 기계 부품은, 침탄 처리나 고주파 ?칭에 의해 강의 표면을 경화하는 경우가 있기 때문에, 이들 효과를 얻기 위해, Cr 함유량을 0.01％ 이상으로 한다. 강의 ?칭성 및 인장 강도를 더 높이는 경우, 바람직한 Cr 함유량은, 0.03％ 이상이고, 더욱 바람직한 Cr 함유량은, 0.10％ 이상이다. 한편, Cr 함유량이 지나치게 많으면, 강의 냉간 단조성이나 피로 강도가 저하된다. 따라서, Cr 함유량은, 3.00％ 이하이다. 냉간 단조성 및 피로 강도를 더 높이는 경우, 바람직한 Cr 함유량은 2.00％ 이하이고, 보다 바람직한 Cr 함유량은 1.50％ 이하이고, 더욱 바람직한 Cr 함유량은, 1.20％ 이하이다.

Al: 0.010 내지 0.100％

Al은 탈산 작용을 갖는 원소이다. 또한 Al은, N과 결합되어 AlN을 형성하여, 침탄 가열 시의 오스테나이트립 조대화 방지에 유효한 원소이다. 그러나 Al의 함유량이 0.010％ 미만이면, 안정적으로 오스테나이트립의 조대화를 방지할 수 없다. 오스테나이트립이 조대화된 경우, 굽힘 피로 강도가 저하된다. 그 때문에, Al 함유량을 0.010％ 이상으로 한다. 바람직하게는 0.030％ 이상이다. 한편, Al의 함유량이 0.100％를 초과하면, 조대한 산화물이 형성되기 쉬워져, 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Al의 함유량을 0.100％ 이하로 한다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.060％이다.

Bi: 0.0001 내지 0.0050％

Bi는, 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. 미량의 Bi를 함유함으로써, 강의 응고 조직이 미세화되고, 그 결과, 황화물이 미세 분산된다. Mn 황화물의 미세화 효과를 얻으려면, Bi의 함유량을 0.0001％ 이상으로 할 필요가 있다. 피삭성을 더욱 향상시키려면, Bi 함유량을 0.0010％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Bi의 함유량이 0.0050％를 초과하면, 덴드라이트 조직의 미세화 효과가 포화되고, 또한 강의 열간 가공성이 열화되어, 열간 압연이 곤란해진다. 그 때문에, Bi 함유량을 0.0050％ 이하로 한다. Bi 함유량은 0.0048％ 이하여도 된다.

N: 0.0250％ 이하

질소(N)는, 불순물로서 함유된다. 강 중에 고용되는 N은, 강의 냉간 단조 시의 변형 저항을 크게 하고, 또한 냉간 단조성을 저하시킨다. 또한, B를 함유시키는 경우에는, N의 함유량이 높으면 BN이 생성되어, B의 ?칭성 향상 효과를 저하시켜 버린다. 따라서, B를 포함하는 경우, Ti나 Nb를 포함하지 않는 경우에는, N 함유량은 가능한 한 적은 편이 바람직하다. 그 때문에, N 함유량을 0.0250％ 이하로 한다. 바람직한 N 함유량은, 0.0180％ 이하이고, 더욱 바람직한 N 함유량은, 0.0150％ 이하이다. N 함유량은 적은 편이 바람직하므로, 0％여도 된다.

한편, N을 Ti나 Nb와 함께 함유시키면, 질화물이나 탄질화물을 생성함으로써, 오스테나이트 결정립이 미세화되어, 강의 냉간 단조성이나 피로 강도가 높아진다. B를 포함하지 않고, 또한 Ti나 Nb를 함유하여 질화물이나 탄질화물을 적극적으로 생성하는 경우에는, 0.0060％ 이상 함유시켜도 된다.

P: 0.050％ 이하

인(P)은 불순물이다. P는 강의 냉간 단조성이나 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 적은 편이 바람직하다. P 함유량이 0.050％를 초과하면 냉간 단조성이나 열간 가공성의 저하가 특히 커지므로, P 함유량을 0.050％ 이하로 한다. 바람직한 P 함유량은 0.035％ 이하이고, 더욱 바람직한 P 함유량은, 0.020％ 이하이다. P 함유량은 적은 편이 바람직하므로, 0％여도 된다.

O: 0.0020％ 이하

O(산소)는, Al과 결합되어 경질인 산화물계 개재물을 형성하기 쉬워, 굽힘 피로 강도를 저하시킨다. 특히, O의 함유량이 0.0020％를 초과하면, 피로 강도의 저하가 현저해진다. 따라서, O의 함유량을 0.0020％ 이하로 한다. 불순물 원소로서의 O의 함유량은 0.0010％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 제강 공정에서의 비용 상승을 초래하지 않는 범위에서, 가능한 한 적게 하는 것이 더욱 바람직하고, 0％여도 된다.

본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 기본으로 한다. 여기서 말하는 불순물은, 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩, 혹은 제조 과정의 환경 등으로부터 혼입되는 원소를 말한다. 본 실시 형태에 있어서, 불순물은, 상술한 P, O, N 외에, 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이다. 불순물인 Cu 및 Ni 함유량은, JIS G4053 기계 구조용 합금강 강재에 규정된 SCr 강 및 SCM 강 중의 Cu 및 Ni 함유량과 동일한 정도이고, Cu 함유량은 0.30％ 이하, Ni 함유량은 0.25％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

[선택 원소에 대해]

본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강은, 상술한 원소 외에도, Mo, V, B, Mg, Ti, Nb로 이루어지는 군에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 후술하는 범위에서 Fe의 일부 대신에 더 함유시켜도 된다. Mo, V, B 및 Mg는 모두, 강의 피로 강도를 높이는 데에 유효하다. 또한, Ti, Nb는 강의 냉간 단조성 및 피로 강도를 높이는 데에 유효하다. 그러나 이 원소들은 반드시 함유시킬 필요는 없으므로, 하한은 0％이다.

Mo: 0 내지 1.00％

몰리브덴(Mo)은, 강의 ?칭성을 높여, 강의 피로 강도를 높인다. 또한, Mo는, 침탄 처리에 있어서, 불완전 ?칭층을 억제한다. Mo를 조금이라도 함유하면, 상기 효과가 얻어진다. Mo 함유량이 0.02％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.05％ 이상이다. 한편, Mo 함유량이 지나치게 많으면, 강의 피삭성이 저하된다. 또한, 강의 제조 비용도 높아진다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Mo 함유량은, 1.00％ 이하이다. 바람직하게는 0.50％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.30％ 이하이다.

Ni: 0 내지 1.00％

니켈(Ni)은, 강의 ?칭성을 높이는 효과가 있어, 보다 피로 강도를 높이기 위해 유효한 원소이다. 그 때문에, 필요에 따라서 함유시켜도 된다. Ni의 ?칭성 향상에 의한 피로 강도를 높이는 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, Ni 함유량은 0.10％ 이상인 것이 바람직하다. 그러나 Ni의 함유량이 1.00％를 초과하면, ?칭성의 향상에 의한 피로 강도를 높이는 효과가 포화될 뿐만 아니라, 변형 저항이 높아져 냉간 단조성의 저하가 현저해진다. 그 때문에, 함유시키는 경우의 Ni의 양을 1.00％ 이하로 한다. 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.80％ 이하인 것이 바람직하다.

V: 0 내지 0.30％

바나듐(V)은, 강 중에서 탄화물을 형성하여, 강의 피로 강도를 높인다. 바나듐 탄화물은, 페라이트 중에 석출되어 강의 코어부(표층 이외의 부분)의 강도를 높인다. V를 조금이라도 함유하면, 상기 효과가 얻어진다. V 함유량이 0.03％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.04％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.05％ 이상이다. 한편, V 함유량이 지나치게 많으면, 강의 냉간 단조성 및 피로 강도가 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, V 함유량은 0.30％ 이하이다. 바람직하게는 0.20％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.10％ 이하이다.

B: 0 내지 0.0200％

붕소(B)는, 강의 ?칭성을 높여, 피로 강도를 높인다. B가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 얻어진다. B 함유량이 0.0005％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0010％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0020％ 이상이다. 한편, B 함유량이 0.0200％를 초과하면, 그 효과는 포화된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, B 함유량은 0.0200％ 이하이다. 바람직하게는, 0.0120％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.0100％ 이하이다.

Mg: 0 내지 0.0035％

마그네슘(Mg)은, Al과 마찬가지로, 강을 탈산하여, 강 중의 산화물을 미세화한다. 강 중의 산화물이 미세화됨으로써, 조대 산화물을 파괴 기점으로 할 확률이 저하되어, 강의 피로 강도가 높아진다. Mg를 조금이라도 함유하면, 상기 효과가 얻어진다. Mg 함유량이 0.0001％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.0003％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.0005％ 이상이다. 한편, Mg 함유량이 지나치게 많으면, 상기 효과는 포화되고, 또한 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Mg 함유량은 0.0035％ 이하이다. 바람직하게는 0.0030％ 이하이고, 더욱 바람직하게는, 0.0025％ 이하이다.

Ti: 0 내지 0.060％

티타늄(Ti)은, 강 중에서 미세한 탄화물이나 질화물, 탄질화물을 생성하여, 플럭스 피닝 효과에 의해 오스테나이트 결정립을 미세화하는 원소이다. 오스테나이트 결정립이 미세화되면, 강의 냉간 단조성이나 피로 강도가 높아진다. Ti가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 얻어진다. Ti 함유량이 0.002％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.005％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.010％ 이상이다. 한편, Ti 함유량이 지나치게 많으면, 강의 피삭성 및 냉간 단조성이 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Ti 함유량은 0.060％ 이하이다. 바람직하게는 0.040％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.030％ 이하이다.

Nb: 0 내지 0.080％

니오븀(Nb)은, Ti와 마찬가지로, 미세한 탄화물이나 질화물, 탄질화물을 생성하여 오스테나이트 결정립을 미세화하고, 강의 냉간 단조성 및 피로 강도를 높인다. Nb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 얻어진다. Nb 함유량이 0.010％ 이상이면, 상기 효과가 현저하게 얻어지므로 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.015％ 이상, 더욱 바람직하게는 0.020％ 이상이다. 한편, Nb 함유량이 지나치게 많으면, 상기 효과는 포화되고, 또한 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, 함유시키는 경우라도, Nb 함유량은 0.080％ 이하이다. 바람직하게는 0.050％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.040％ 이하이다.

이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강은, 상술한 기본 원소를 포함하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성, 또는 상술한 기본 원소와, 상술한 선택 원소로부터 선택되는 적어도 1종을 포함하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다.

다음으로, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강의 조직에 대해 설명한다.

[금속 조직 중에 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상 포함한다]

황화물은, 피삭성의 향상에 유용하다. 단, S 함유량을 증가시키면 피삭성이 향상되기는 하지만, 조대한 황화물이 증가한다. 열간 압연 등에 의해 연신된 조대한 황화물은, 냉간 단조성을 손상시킨다. 그 때문에, 황화물의 사이즈, 개수 밀도를 제어할 필요가 있다. 구체적으로는, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에서는, 금속 조직 중에 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상으로 한다. 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물이 1200개/㎟ 미만이면, 절삭분의 분단에 기여하는 황화물의 개수가 충분하지 않아, 피삭성이 열화되므로 바람직하지 않다. 상한을 한정할 필요는 없지만, 2000개/㎟ 초과로 하는 것은 곤란하다. 원상당 직경이 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 대상으로 한 것은, 10.0㎛를 초과하는 황화물은 파괴의 기점이 되기 때문이고, 1.0㎛ 미만의 작은 황화물은 제어해도 냉간 단조성 및 절삭분 처리성에 효과가 없기 때문이다. 1.0㎛ 미만의 황화물의 개수 밀도 또는 10.0㎛ 초과의 황화물의 개수 밀도의 증가는, 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물의 개수 밀도의 감소로 이어지기 때문에 바람직하지 않다.

황화물의 원상당 직경은, 황화물의 면적과 동등한 면적을 갖는 원의 직경이며, 화상 해석에 의해 구할 수 있다. 마찬가지로, 황화물의 개수는, 화상 해석에 의해 구할 수 있다. 또한, 개재물이 황화물인 것은, 주사 전자 현미경에 부속되는 에너지 분산형 X선 해석에 의해 확인하면 된다.

[황화물끼리의 평균 거리가 30.0㎛ 미만]

피삭 시의 절삭분 처리성을 더욱 향상시키려면, 미세한 황화물을 분산시킬 필요가 있다. 즉, 황화물끼리의 간격을 작게 하는 것이 중요하다. 구체적으로는, 황화물끼리의 평균 거리를 30.0㎛ 미만으로 할 필요가 있다. 본 발명자들은, 황화물끼리의 평균 거리(황화물 사이의 입자간 거리)와, 절삭분 처리성의 관계에 대해 다양한 실험을 행한 결과, 황화물 사이의 입자간 거리가 30.0㎛ 미만이면, 양호한 절삭분 처리성이 얻어지는 것을 확인하였다. 한편, 황화물끼리의 평균 거리가 짧아지면, 파괴의 기점이 되기 쉬워지므로, 평균 거리는 10.0㎛ 이상인 것이 바람직하다.

황화물 사이의 입자간 거리는, 화상 해석에 의해 구할 수 있다.

[d+3σ≤10.0]

[SA/SB＜0.30]

본 실시 형태에 있어서의 냉간 단조용 강에서는, 또한 식(1) 및 (2)를 만족시킬 필요가 있다.

여기서, 식(1)에 있어서의 d는 원상당 직경 1.0㎛ 이상인 황화물의 원상당 직경의 평균값(㎛)이고, σ는 원상당 직경 1.0㎛ 이상인 황화물의 원상당 직경의 표준 편차이다. 또한, 식(2)에 있어서의 SA는 원상당 직경으로 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수이고, SB는 원상당 직경으로 1.0㎛ 이상인 황화물의 개수이다.

황화물의 원상당 직경은, 황화물의 면적과 동등한 면적을 갖는 원의 직경이며, 화상 해석에 의해 구할 수 있다. 마찬가지로, 황화물의 개수, 황화물 사이의 입자간 거리에 대해서도, 화상 해석에 의해 구할 수 있다. 구체적으로는, 이하의 순서로 구할 수 있다. 즉, 구상화 어닐링 후의 환봉의 D/4 위치를 축 방향에 대해 평행하게 절단하여, 황화물 관찰용 시험편을 채취하고, 시험편을 수지 매립한 후, 냉간 단조용 강의 길이 방향과 평행한 피검면을 경면 연마한다. 이들 연마 시험편의 소정 위치를 주사 전자 현미경에 의해 100배로 사진 촬영하여, 0.9㎟의 검사 기준 면적(영역)의 화상을 10시야분 준비한다. 즉, 황화물의 관찰 시야는, 9㎟이다. 각 관찰 영역에 있어서, 주사 전자 현미경에 의해 관찰되는 반사 전자 이미지의 콘트라스트에 기초하여 황화물을 특정하고, 그 관찰 시야(화상) 중의 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 입경 분포를 검출한다. 이 관찰 시야 화상을 화상 해석함으로써, 황화물의 개수를 구할 수 있다. 또한, 황화물의 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 나타내는 원상당 직경으로 환산하여 원상당 직경을 구할 수 있다. 또한, 황화물 사이의 평균 거리는, 황화물의 입경 분포를 검출한 관찰 시야(화상)로부터, 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 무게 중심을 구하여, 각 황화물에 대해 다른 황화물과의 무게 중심간 거리를 측정하고, 각 황화물에 대해 가장 근접하여 존재하는 황화물의 거리를 측정한다. 그리고 각 시야의 황화물 총 수를 대상으로, 최근접 황화물간 거리의 실측값을 측정하고, 그 평균 거리를 황화물 사이의 평균 거리로 한다.

[식(1)에 대해]

연속 주조 주편의 응고 조직은, 통상은 덴드라이트 형태를 나타내고 있다. 강재 중의 황화물은, 응고 전(용강 중), 또는 응고 시에 정출되는 경우가 많아, 덴드라이트 1차 암 간격에 크게 영향을 받는다. 즉, 덴드라이트 1차 암 간격이 작으면, 나무 사이에 정출되는 황화물은 작아진다. 그 때문에, 강의 주편의 덴드라이트 1차 암 간격을, 예를 들어 600㎛ 미만으로 저감하여, 덴드라이트 나무 사이로부터 정출된 미세한 황화물의 비율을 증가시키고, 10.0㎛ 초과하는 황화물을 없애면, 냉간 단조성이 향상된다. 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에서는, 관찰 시야 9㎟당 검출되는 황화물의 원상당 직경의 변동을 표준 편차 σ로서 산출하고, 이 표준 편차의 3σ에 평균 원상당 직경 d를 더한 값을 식(1)의 좌변(F1)으로 하고, F1을 다음 식(1')과 같이 정의하였다.

여기서, 식(1') 중의 d 및 σ는, 식(1)에 있어서의 d 및 σ와 동일하다. F1값은, 관찰 시야 9㎟의 범위 내에서 관찰되는 황화물의 원상당 직경 및 원상당 직경의 표준 편차로부터 예측되는, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에 존재하는 광학 현미경에 의해 관찰 가능한 황화물 중 99.7％의 개수의 황화물에 있어서의 최대 원상당 직경을 나타내고 있다. 즉, F1값이 10.0㎛ 이하이면, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강에는, 최대 원상당 직경으로 10.0㎛ 초과인 황화물은 거의 존재하지 않게 된다. 최대 원상당 직경으로 10.0㎛ 초과인 조대한 황화물이 감소함으로써, 냉간 단조성이 향상된다. 또한, 절삭분 처리성 향상을 위해 황화물 사이의 거리를 작게 하였다고 해도, 냉간 단조성은 저하되지 않는다. 관찰 대상으로 한 황화물의 원상당 직경을 1.0㎛ 이상으로 한 것은, 현실적으로 범용의 기기에서, 입자의 사이즈와 성분을 통계적으로 취급하는 것이 가능하고, 또한 이것보다 작은 황화물을 제어해도 냉간 단조성 및 절삭분 처리성에 미치는 영향이 적기 때문이다. 바람직하게는, F1의 값은 10.0㎛ 미만이다.

[식(2)에 대해]

한편, 관찰되는 황화물 중, 원상당 직경이 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수를, 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 개수로 나눈 값이 0.30 이상인 경우에, 절삭분 처리성이 저하된다. 이 개수 밀도를 식(2)의 좌변(F2)으로 하고, F2를 다음 식(2')와 같이 정의하였다.

여기서, SA 및 SB는 식(2)에 있어서의 SA 및 SB와 동일하다. F2값이 0.30 미만이면, 절삭 시의 절삭분 분단 시에 응력 집중원이 되기 어려운 미세한 황화물의 비율이 적어지기 때문에, 절삭분 처리성이 향상된다. 관찰 대상으로 한 황화물의 원상당 직경을 1.0㎛ 이상으로 한 것은, 이것보다 작은 황화물을 제어해도 냉간 단조성 및 절삭분 처리성에 효과가 없기 때문이다.

[제조 방법]

본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강의 바람직한 제조 방법을 설명한다. 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강은, 상술한 특징을 갖고 있으면, 제조 방법에 한정되지 않지만, 상기한 화학 성분을 갖고, 또한 표면으로부터 15㎜의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 주편을 연속 주조하고, 이 주편을 열간 가공하고, 또한 어닐링함으로써 안정적으로 제조되므로 바람직하다. 여기서 열간 가공은, 주편을 단조에 의해 강편으로 하는 열간 가공 공정, 및/또는 주편 또는 강편을 열간 압연하는 열간 압연 공정을 포함한다. 또한, 어닐링은 구상화 어닐링이 바람직하다.

[주조 공정]

상기 화학 조성을 만족시키는 강의 주편을 연속 주조법에 의해 제조한다. 조괴법에 의해 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주조 조건은 예를 들어, 220×220㎜의 정사각형의 주형을 사용하여, 턴디쉬 내의 용강의 슈퍼 히트를 10 내지 50℃로 하고, 주입 속도를 1.0 내지 1.5m/분으로 하는 조건을 예시할 수 있다.

또한, 덴드라이트 1차 암 간격을 600㎛ 미만으로 하기 위해, 상기 화학 조성을 갖는 용강을 주조할 때, 주편 표면으로부터 15㎜의 깊이에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를 120℃/min 이상 500℃/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 덴드라이트 1차 암 간격을 600㎛ 미만으로 하면, 황화물이 미세하게 분산되므로, 상술한 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강의 황화물을 얻는 데에 유리하다. 평균 냉각 속도가 120℃/min 미만이면, 주편 표면으로부터 15㎜의 깊이 위치에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격을 600㎛ 미만으로 하는 것이 곤란해져, 황화물을 미세 분산할 수 없을 우려가 있다. 한편, 평균 냉각 속도가 500℃/min 초과이면, 덴드라이트 나무 사이로부터 정출되는 황화물이 지나치게 미세해져, 절삭분 처리성이 저하되어 버릴 우려가 있다.

액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역이라 함은, 주편의 응고 개시로부터 응고 종료까지의 온도 영역을 말한다. 따라서, 이 온도 영역에서의 평균 냉각 온도라 함은, 주편의 평균 응고 속도를 의미한다. 상기한 평균 냉각 속도는, 예를 들어 주형 단면의 크기, 주입 속도 등은 적정한 값으로 제어하는 것, 또는 주입 직후에 있어서, 수랭에 사용하는 냉각수 양을 증대시키는 등의 수단에 의해 달성할 수 있다. 이것은, 연속 주조법 및 조괴법 모두 적용 가능하다.

상기한 주편 표면으로부터 15㎜ 깊이의 위치에서의 냉각 속도는, 얻어진 주편의 단면을 피크르산으로 에칭하고, 주편 표면으로부터 15㎜의 깊이의 위치의 각각에 대해 주입 방향으로 5㎜ 피치로 덴드라이트 2차 암 간격 λ₂(㎛)를 100점 측정하고, 다음 식(C)에 기초하여, 그 값으로부터 슬래브의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 냉각 속도 A(℃/초)를 산출하여, 산술 평균한 평균이다.

그 때문에, 예를 들어 미리 주조 조건을 변경한 복수의 주편을 제조하고, 각 주편에 있어서의 냉각 속도를 상기 식에 의해 구하여, 얻어진 냉각 속도로부터 최적의 주조 조건을 결정함으로써, 평균 냉각 속도를 제어할 수 있다.

또한, 중심 편석 저감을 위해, 연속 주조의 응고 도중의 단계에서 압하를 가해도 된다.

[열간 가공 공정]

열간 가공 공정에서는, 주편 또는 잉곳을 열간 단조 등의 열간 가공에 의해 강재로 가공하거나, 또는 주편 또는 잉곳을 열간 가공하여, 빌릿(강편)을 제조하고, 빌릿을 다시 열간 압연하여, 봉강이나 선재 등의 강재를 얻으면 된다. 열간 가공, 열간 압연은, 요구되는 기계 특성 등에 따라서, 공지의 방법으로 행하면 된다.

[어닐링 공정]

제조된 봉강 또는 선재 등의 강재에 대해, 구상화 어닐링 처리를 실시한다. 구상화 어닐링 처리에 의해, 강재의 냉간 단조성을 높일 수 있다. 구상화 어닐링은 공지의 방법으로 행하면 된다.

이와 같이 하여, 본 실시 형태에 관한 냉간 단조용 강이 얻어진다.

[기계 부품의 제조 방법]

또한, 구상화 어닐링 처리가 실시된 봉강, 선재(냉간 단조용 강)를 냉간 단조하여, 조형상의 중간품을 제조하고, 제조된 중간품에 대해, 필요에 따라서 기계 가공에 의해 소정의 형상으로 절삭하고, 또한 주지의 조건으로, 표면 경화 처리를 실시하고, 표면 경화 처리 후의 중간품을 기계 가공에 의해 소정의 형상으로 절삭함으로써 냉간 단조용 강으로 이루어지는 기계 부품이 얻어진다. 표면 경화 처리는 실시하지 않아도 되지만, 실시하는 경우에는 예를 들어, 침탄 처리나 질화 처리, 고주파 ?칭이다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 A 내지 Y를 270ton 전로에서 용제하고, 연속 주조기를 사용하여 연속 주조를 실시하여, 220×220㎜의 정사각형의 주편을 제조하였다. 또한, 연속 주조의 응고 도중의 단계에서 압하를 가하였다.

또한, 각 강의 주조에 있어서, 주편의 표면으로부터 15㎜의 깊이의 위치에 있어서의 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를, 주형의 냉각수 양을 변경함으로써 변경하였다.

표 1에 나타내는 강 A 내지 L은, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 갖는 강이다. 한편, 강 M 내지 Y는, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다. 표 1 중의 수치의 밑줄은, 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다.

연속 주조에 의해 얻어진 주편을 일단 실온까지 냉각하고, 냉각한 주편으로부터, 덴드라이트 조직 관찰용 시험편을 채취하였다.

그 후, 각 주편을 1250℃에서 2시간 가열하고, 가열 후의 주편을 열간 단조하고, 열간 단조 후에는 방랭하여, 직경 30㎜의 복수의 환봉(봉강)을 제조하였다.

다음으로, 직경 30㎜의 환봉에 대해, 구상화 어닐링 처리를 실시하였다. 구체적으로는, 상술한 환봉을, 가열로를 사용하여 1300℃에서 1시간 균열하였다. 다음으로, 환봉을 다른 가열로로 옮겨, 925℃에서 1시간 균열하고, 균열 후에 환봉을 방랭하였다. 다음으로, 환봉을 다시 가열하여, 765℃에서 10시간 균열하였다. 균열 후, 15℃/h의 냉각 속도로 환봉을 650℃까지 냉각하였다. 그 후, 환봉을 방랭하였다. 이와 같이 하여, 시험 번호 1 내지 27의 냉간 단조용 강을 제조하였다.

이것들에 대해, 마이크로 조직 및 황화물의 관찰, 냉간 단조성 시험, 피삭성 시험을 행하였다.

[응고 조직 관찰 방법]

응고 조직은, 상기한 주편의 단면을 피크르산으로 에칭하고, 주편 표면으로부터 깊이 방향으로 15㎜의 위치를 주입 방향으로 5㎜ 피치로 덴드라이트 1차 암 간격을 100점 측정하여, 평균값을 구하였다.

[마이크로 조직 관찰 방법]

구상화 어닐링 처리 후의 환봉의 마이크로 조직을 관찰하였다. 환봉의 D/4 위치를 축 방향에 대해 평행하게 절단하여, 마이크로 조직 관찰용 시험편을 채취하였다. 시험편의 절단면을 연마하여, 나이탈 부식액으로 부식시키고, 부식 후, 400배의 광학 현미경으로, 절단면의 중앙부의 마이크로 조직을 관찰하였다. 각 시험 번호의 환봉의 마이크로 조직은 모두, 페라이트에 구상 시멘타이트가 분산된 조직이었다.

또한, 마이크로 조직 관찰용 시험편을 사용하여, JIS Z2244에 규정된 비커스 경도 시험을 실시하였다. 5개소의 경도를 측정한 결과, 각 환봉의 비커스 경도는 모두 Hv100 내지 140의 범위 내이며, 각 환봉은, 동일 정도의 경도를 갖고 있었다.

[황화물 관찰 방법]

구상화 어닐링 후의 환봉의 D/4 위치를 축 방향에 대해 평행하게 절단하여, 황화물 관찰용 시험편을 채취하였다. 시험편을 수지 매립한 후, 피검면을 경면 연마하였다. 피검면은, 냉간 단조용 강의 길이 방향과 평행하다. 피검면 내의 황화물을 주사 전자 현미경과 에너지 분산형 X선 분광 분석 장치(EDS)에 의해 특정하였다. 구체적으로는, 세로 10㎜×가로 10㎜의 연마 시험편을 10개 제작하고, 이들 연마 시험편의 소정 위치를 주사 전자 현미경에 의해 100배로 사진 촬영하여, 0.9㎟의 검사 기준 면적(영역)의 화상을 10시야분 준비하였다. 즉, 황화물의 관찰 시야는, 9㎟이다. 각 관찰 영역에 있어서, 주사 전자 현미경에 의해 관찰되는 반사 전자 이미지의 콘트라스트에 기초하여 황화물을 특정하고, 소정의 황화물인지 여부를 EDS에 의해 확인하였다. 반사 전자 이미지에서는, 관찰 영역을 그레이 스케일 화상으로 표시하였다. 반사 전자 이미지 내에 있어서의 매트릭스(모상), 황화물, 산화물의 콘트라스트는 각각 상이한 것이 되었다. 그 관찰 시야(화상) 중의 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 입경 분포를 검출하였다. 이들의 치수(직경)는, 황화물의 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경을 나타내는 원상당 직경으로 환산하였다. 검출한 황화물의 입경 분포로부터, 황화물의 평균 원상당 직경 및 표준 편차를 산출하였다.

또한, 황화물 사이의 평균 거리는, 황화물의 입경 분포를 검출한 관찰 시야(화상)로부터, 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 무게 중심을 구하여, 각 황화물에 대해 다른 황화물과의 무게 중심간 거리를 측정하고, 각 황화물에 대해 가장 근접하여 존재하는 황화물의 거리를 측정하였다. 그리고 각 시야의 황화물 총 수를 대상으로 최근접 황화물간 거리의 실측값을 측정하고, 그 평균 거리를 황화물 사이의 평균 거리로 하였다.

표 2에, F1값 및 F2값, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수 밀도 및 황화물 사이의 거리를 나타낸다. 여기서, 표 2 중의 밑줄은, 본 발명의 범위 밖인 것을 의미한다.

[냉간 단조성 시험]

구상화 어닐링 후의 직경 30㎜의 환봉의 R/2 위치로부터, 환봉 시험편을 제작하였다. 환봉 시험편은, 직경 30㎜의 환봉의 R/2 위치를 중심으로 한 직경 10㎜, 길이 15㎜의 시험편이며, 환봉 시험편의 길이 방향은, 직경 30㎜의 환봉의 단신 축과 평행하였다.

각 강에 대해, 8개의 환봉 시험편을 제작하였다. 냉간 압축 시험에는, 500ton 유압 프레스를 사용하였다. 8개의 환봉 시험편을 사용하여 압축률을 단계적으로 인상하여 냉간 압축을 실시하였다. 구체적으로는, 초기 압축률로 8개의 환봉 시험편을 냉간 압축하였다. 냉간 압축 후, 각 환봉 시험편에 크랙이 발생하였는지 여부를 눈으로 보아 확인하였다. 크랙이 확인된 환봉 시험편을 배제한 후, 남은 환봉 시험편(즉, 크랙이 관찰되지 않은 환봉 시험편)에 대해, 압축률을 인상하여 냉간 압축을 다시 실시하였다. 실시 후, 크랙의 유무를 확인하였다. 크랙이 확인된 환봉 시험편을 배제한 후, 남은 환봉 시험편에 대해, 압축률을 인상하여 냉간 압축을 다시 실시하였다. 8개의 시험편 중, 크랙이 확인된 환봉 시험편이 4개가 될 때까지, 상술한 공정을 반복하였다. 8개의 시험편 중, 4개의 환봉 시험편에 크랙이 확인되었을 때의 압축률을 「한계 압축률」이라고 정의하였다. 80％의 압축률로 냉간 압축을 실시한 후, 크랙이 확인된 환봉 시험편이 4개 이하인 경우, 그 강의 한계 압축률은 「80％」로 하였다.

냉간 단조성의 목표는, 한계 압축률에 있어서 실용상 문제없는 75％ 이상으로 하였다.

[피삭성 시험]

각 강에 대해, 상기한 구상화 어닐링을 실시한 직경 30㎜의 봉강의 나머지를 사용하여, 냉간 단조 대신에 냉간에서의 인발에 의해 변형을 부여하고, 그 인발 후의 피삭성으로 냉간 단조 후의 피삭성을 평가하였다.

구체적으로는, 구상화 어닐링을 실시한 직경 30㎜의 환봉강의 나머지를, 단면 수축률 30.6％로 냉간 인발하여, 직경 25㎜의 봉강으로 하였다. 이 냉간 인발한 봉강을 길이 500㎜로 절단하여, 선삭 가공용 시험재를 얻었다.

이와 같이 하여 얻은 직경 25㎜이고 길이 500㎜의 시험재의 외주부를, NC 선반을 사용하여, 하기의 조건에서 선삭 가공하고, 피삭성으로서, 절삭분 처리성을 조사하였다.

절삭분 처리성은, 이하의 방법으로 평가하였다. 피삭성 시험 중의 10초간 배출된 절삭분을 회수하였다. 회수된 절삭분의 길이를 조사하여, 긴 것부터 차례로 10개의 절삭분을 선택하였다. 선택된 10개의 절삭분의 총 중량을 「절삭분 중량」이라고 정의하였다. 절삭분이 길게 이어진 결과, 절삭분의 총 수가 10개 미만인 경우, 회수된 절삭분의 총 중량을 측정하고, 10개의 개수로 환산한 값을 「절삭분 중량」이라고 정의하였다. 예를 들어, 절삭분의 총 수가 7개이며, 그 총 중량이 12g인 경우, 절삭분 중량은, 12g×10개/7개로 계산하였다.

<사용 칩>

모재 재질: 초경 P20종 그레이드

코팅: 없음

<선삭 가공 조건>

주속: 150m/분

이송량: 0.2㎜/rev

절입부: 0.4㎜

윤활: 수용성 절삭유를 사용

절삭분 중량이 15g 이하이면, 절삭분 처리성이 높다고 판단하였다. 절삭분 중량이 15g을 초과하는 경우, 절삭분 처리성이 낮다고 평가하였다.

표 1 및 표 2에 나타내는 바와 같이, 시험 번호 1 내지 12의 강(강 A 내지 L)의 화학 조성은, 본 발명의 냉간 단조용 강의 화학 조성의 범위 내이고, 또한 식(1), 식(2)를 만족시키고, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수 밀도 및 황화물 사이의 거리가 본 발명의 범위 내였다. 그 결과, 시험 번호 1 내지 12의 강은, 우수한 냉간 단조성 및 냉간 단조 후의 피삭성을 가졌다.

시험 번호 13의 강은, 본 발명의 화학 조성의 범위 내였다. 그러나 주조 시의 냉각 속도가 지나치게 빨랐기 때문에, 미세한 Mn 황화물이 다량으로 생성되어, 식(2)를 만족시키지 않았다. 그 결과, Mn 황화물이 절삭 시의 노치 효과의 역할을 하지 않았으므로 절삭분 중량이 15g을 초과하였다.

시험 번호 14의 강은, 본 실시 형태에 의한 냉간 단조용 강의 화학 조성의 범위 내였다. 그러나 주조 시의 냉각 속도가 느렸기 때문에, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수가 적었다. 또한, 황화물 사이의 평균 거리가 30.0㎛ 이상이었다. 그 결과, 피삭성이 낮았다.

시험 번호 15 및 시험 번호 16은, Bi를 함유하지 않고, S 함유량이 규정값의 하한 미만이었다. 그 때문에, 생성된 황화물의 원상당 직경이 작아 식(1)을 만족시켰지만, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수가 적고, 황화물 사이의 평균 거리가 30.0㎛ 이상이었기 때문에, 냉간 단조성은 높지만, 피삭성은 낮았다. 구체적으로는, 절삭분 중량이 15g을 초과하였다.

시험 번호 17 내지 20은, Bi를 함유하지 않았다. 그 때문에, 식(1)을 만족시키지 않았다. 조대한 황화물이 존재하고, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수가 적었기 때문에, 냉간 단조성이 기준값을 하회하였다.

시험 번호 21은, Bi를 함유하였지만 S 함유량이 규정값의 상한을 초과하였다. 그 결과, 덴드라이트 1차 암 간격은 규정값 이하이기는 하였지만 식(1)을 만족시키지 않았기 때문에, 냉간 단조성이 기준값을 하회하였다. S 함유량이 많고, 조대한 황화물이 존재하였기 때문에, 냉간 단조성이 기준값을 하회하였을 것이라고 추측된다.

시험 번호 22 및 시험 번호 23은, Bi를 함유하였지만 S 함유량이 규정값의 하한 이하였다. 그 결과, 식(1)을 만족시켜 냉간 단조성은 기준값 이상이기는 하였지만, 식(2)를 만족시키지 않아 원상당 직경 3㎛ 미만인 황화물이 많고, 또한 황화물 사이의 평균 거리가 30㎛ 이상이었기 때문에, 절삭분 중량이 15g을 초과하였다.

시험 번호 24 및 시험 번호 25는, Bi를 함유하였지만 S 함유량이 규정값의 상한을 초과하였다. 그 결과, 덴드라이트 1차 암 간격은 규정값 이하이기는 하였지만, 식(1)을 만족시키지 않았다. 그 때문에, 냉간 단조성이 기준값을 하회하였다.

시험 번호 26은, Bi 함유량이 규정값의 상한을 초과하였다. 그 결과, 식(1)을 만족시켜, 냉간 단조성은 규정값 이상이기는 하였지만, 식(2)를 만족시키지 않았다. 그 때문에, 원상당 직경 3㎛ 미만인 황화물이 많고, 절삭분 중량이 15g을 초과하였다.

시험 번호 27은, Bi를 함유하지 않았다. 그 때문에, 1.0 내지 10.0㎛의 황화물의 개수가 적고, 황화물 사이의 평균 거리가 30.0㎛ 이상이었다. 그 결과, 냉간 단조성이 높기는 하지만, 피삭성은 낮았다. 구체적으로는, 절삭분 중량이 15g을 초과하였다.

이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 상술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 불과하다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시 형태에 한정되는 일 없이, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절하게 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

본 발명의 냉간 단조용 강 및 그 제조 방법에 따르면, 자동차, 산업 기계용 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품의 제조 비용에 차지하는 절삭 가공 비용의 비율을 저감할 수 있고, 또한 부품의 품질을 향상시킬 수 있다. 또한, 기어, 샤프트, 풀리 등의 강제 부품의 소재가 되는, 냉간 단조 후의 피삭성, 즉, 침탄, 침탄 질화 또는 질화 전의 피삭성이 우수한 냉간 단조용 강이 얻어진다. 그 때문에, 산업상 이용가능성이 높다.

Claims (5)

1. 화학 성분이, 질량％로,
   C: 0.05 내지 0.30％,
   Si: 0.05 내지 0.45％,
   Mn: 0.40 내지 2.00％,
   S: 0.008 내지 0.040％ 미만,
   Cr: 0.01 내지 3.00％,
   Al: 0.010 내지 0.100％,
   Bi: 0.0001 내지 0.0050％,
   Mo: 0 내지 1.00％,
   Ni: 0 내지 1.00％,
   V: 0 내지 0.30％,
   B: 0 내지 0.0200％,
   Mg: 0 내지 0.0035％,
   Ti: 0 내지 0.060％ 및
   Nb: 0 내지 0.080％
   를 함유함과 함께, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
   상기 불순물에 포함되는 N, P 및 O가,
   N: 0.0250％ 이하,
   P: 0.050％ 이하,
   O: 0.0020％ 이하이고,
   하기 식(1) 및 하기 식(2)를 만족시키고,
   금속 조직 중에, 원상당 직경으로 1.0 내지 10.0㎛인 황화물을 1200개/㎟ 이상 포함하고,
   상기 황화물끼리의 평균 거리가 30.0㎛ 미만인
   것을 특징으로 하는, 냉간 단조용 강.
   

   

   
   

   

   
   식(1)에 있어서의 d는 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 원상당 직경의 평균값이고, σ는 상기 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 황화물의 상기 원상당 직경의 표준 편차이고, 식(2)에 있어서의 SA는 원상당 직경이 1.0㎛ 이상 3.0㎛ 미만인 황화물의 개수이고, SB는 상기 원상당 직경이 1.0㎛ 이상인 상기 황화물의 개수임.
2. 제1항에 있어서,
   상기 화학 성분이, 질량％로,
   Mo: 0.02 내지 1.00％,
   Ni: 0.10 내지 1.00％,
   V: 0.03 내지 0.30％,
   B: 0.0005 내지 0.0200％, 및
   Mg: 0.0001 내지 0.0035％
   로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는
   것을 특징으로 하는, 냉간 단조용 강.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 화학 성분이, 질량％로,
   Ti: 0.002 내지 0.060％, 및
   Nb: 0.010 내지 0.080％
   로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종을 함유하는
   것을 특징으로 하는, 냉간 단조용 강.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 화학 성분을 갖고, 또한 표면으로부터 15㎜의 범위 내에 있어서의 덴드라이트 1차 암 간격이 600㎛ 미만인 주편을 주조하는 주조 공정과,
   상기 주편을 열간 가공하여 강재를 얻는 열간 가공 공정과,
   상기 강재를 어닐링하는 어닐링 공정을
   갖는 것을 특징으로 하는, 냉간 단조용 강의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 주조 공정에 있어서, 상기 주편의 상기 표면으로부터 15㎜의 깊이에 있어서의, 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를 120℃/min 이상 500℃/min 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 냉간 단조용 강의 제조 방법.