KR20200004407A - 스프링강용 압연 선재 - Google Patents

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다카히사 스즈키
유타카 네이시
슈지 고자와
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

이 스프링강용 압연 선재는, 화학 성분이 질량％로, C: 0.42 내지 0.60％, Si: 0.90 내지 3.00％, Mn: 0.10 내지 1.50％, Cr: 0.10 내지 1.50％, B: 0.0010 내지 0.0060％, N: 0.0010 내지 0.0070％, Mo: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 1.00％, Ni: 0 내지 1.00％, Cu: 0 내지 0.50％, Al: 0 내지 0.100％, Ti: 0 내지 0.100％, Nb: 0 내지 0.100％를 함유하고, P: 0.020％ 미만, S: 0.020％ 미만으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 탄소 당량(Ceq)이 0.75 내지 1.00％이고, 금속 조직이 면적 분율로 90％ 이상인 템퍼링 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 인장 강도가 1350㎫ 이하, 그리고 교축값이 40％ 이상이다.

Description

스프링강용 압연 선재
본 발명은, 스프링강용 압연 선재에 관한 것이다.
본원은, 2017년 06월 15일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2017-118110호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
자동차의 고성능화와 경량화에 수반하여, 자동차 부품에 사용되는 스프링도 점차 고강도화되고 있다. 스프링의 고강도화를 위해, 이미, 열처리 후에 인장 강도 1800㎫를 초과하는 고강도강이, 스프링의 제조에 제공되고 있다. 근년에는 인장 강도 2000㎫를 초과하는 강도 스프링 재료로서 사용되기 시작하였다.
한편, 자동차의 현가 스프링에는 고강도뿐만 아니라, 노면의 요철 등에 기인하는 충격 하중에도 파손되지 않기 위한 고인성이 요구된다.
근년, 스프링에 대한 더한층의 고강도화에 대한 요구에 수반하여, 강도와 인성의 양립을 도모하는 방법이 제안되고 있다.
예를 들어 특허문헌 1에서는, 합금 원소의 첨가량을 최적화하여, ?칭 템퍼링 후의 탄화물 석출을 제어함으로써, 고강도와 고인성을 양립하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 강재의 화학 성분 및 ?칭 템퍼링 공정 이외에 대해서는 특단의 언급은 없으며, ?칭 템퍼링의 전공정인 선재 압연 공정이나 압연 선재의 마이크로 조직이, ?칭 템퍼링 후의 재질에 미치는 영향에 대해서는 언급이 없다.
또한, 특허문헌 2에서는, 압연 전의 조직에 대해 언급되어 있고, 페라이트 및 펄라이트를 주체로 하고, 마르텐사이트 및 베이나이트를 저감시킴으로써, 압연 선재의 신선 가공성이 향상되고, ?칭 템퍼링 후의 내 수소 취성이 개선되는 것이 개시되어 있다. 그러나 강도나 인성 등의 기계적 특성과, 압연 선재의 마이크로 조직의 관계에 대해서는 언급이 없다.
일본 특허 제3577411호 공보 일본 특허 공개 제2015-143391호 공보
본 발명은, ?칭 템퍼링 등의 열처리 후에 2000㎫ 이상의 인장 강도, 또한 고인성을 갖는 스프링강에 적합한, 스프링강용 압연 선재의 제공을 과제로 한다.
본 발명자들은, 검토를 행한 결과, 화학 성분뿐만 아니라, 압연 선재의 조직을 제어함으로써, 그 후의 ?칭 템퍼링 열처리에 의해 고강도이면서 고인성인 스프링강이 얻어짐을 알아냈다. 본 발명은, 다음에 나타내는 강을 요지로 한다.
(1) 본 발명의 일 태양에 관한 스프링강용 압연 선재는, 화학 성분이 질량％로, C: 0.42 내지 0.60％, Si: 0.90 내지 3.00％, Mn: 0.10 내지 1.50％, Cr: 0.10 내지 1.50％, B: 0.0010 내지 0.0060％, N: 0.0010 내지 0.0070％, Mo: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 1.00％, Ni: 0 내지 1.00％, Cu: 0 내지 0.50％, Al: 0 내지 0.100％, Ti: 0 내지 0.100％, Nb: 0 내지 0.100％를 함유하고, P: 0.020％ 미만, S: 0.020％ 미만으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 하기 식 (1)로 규정되는 탄소 당량(Ceq)이 0.75 내지 1.00％이고, 금속 조직이 면적 분율로 90％ 이상인 템퍼링 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고, 인장 강도가 1350㎫ 이하, 그리고 교축값이 40％ 이상이다.
Figure pct00001
(2) 상기 (1)에 기재된 스프링강용 압연 선재에서는, 상기 화학 성분이, 추가로, 질량％로, Mo: 0.10 내지 1.00％, V: 0.05 내지 1.00％, Ni: 0.05 내지 1.00％, Cu: 0.05 내지 0.50％, Al: 0.005 내지 0.100％, Ti: 0.005 내지 0.100％, Nb: 0.005 내지 0.100％ 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다.
본 발명의 상기 태양에 관한 스프링강용 압연 선재에 의하면, ?칭 템퍼링 등의 열처리를 행함으로써, 2000㎫ 이상의 인장 강도를 나타내고, 또한 높은 인성을 나타내는 스프링강을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 상기 태양에 관한 스프링강용 압연 선재는, 고강도이면서 고인성인 스프링강의 소재로서, 적합하게 사용할 수 있다. 특히, 현가 스프링 등의 스프링강의 소재로서 적합하게 사용할 수 있다.
도 1a는 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례를 나타내는 조직 사진(배율 400배)이다.
도 1b는 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례를 나타내는 조직 사진(배율 1000배)이다.
도 2a는 종래의 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례를 나타내는 조직 사진(배율 400배)이다.
도 2b는 종래의 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례를 나타내는 조직 사진(배율 1000배)이다.
본 발명자들은, ?칭 템퍼링 후의 인장 강도가 2000㎫ 이상의 고강도라도 충분한 인성을 갖는 스프링강을 얻기 위한 소재인, 스프링강용 압연 선재에 대해 검토하였다.
그 결과, 본 발명자들은, ?칭 템퍼링 전의 스프링강용 압연 선재의 마이크로 조직을 제어하는 것이, ?칭 템퍼링 후에 고강도와 고인성을 양립하는 스프링강을 얻기 위해 유효하다는 것을 지견하였다.
일반적으로, 스프링강(현가 스프링강)은, 압연 선재를 신선 처리하여, 진원도를 높이면서 원하는 선 직경으로 조정한 후에, ?칭 템퍼링 처리를 행함으로써, 원하는 강도로 조정한다. 이 때문에 압연 선재는, 일반적으로, 신선 처리성이 우수한 연질의 펄라이트 또는 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복상 조직으로 조정된다. 압연 선재 중에, 연질의 페라이트 및 펄라이트와, 경질의 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼재하면, 연질상, 경질상의 각각의 변형 거동이 달라, 신선 시에 단선되는 경우가 있기 때문에, 종래, 압연 선재의 조직 중에 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼재하지 않도록 제어되어 왔다.
한편, 근년, 압연 선재를 ?칭 템퍼링하여 얻어지는 현가 스프링강의 인장 강도를 향상시킬 것이 요구되고 있다. ?칭 템퍼링 후의 인장 강도를 높이기 위해서는, ?칭성을 향상시키는 Cr이나 Mo, V 등의 합금 원소를 첨가하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 ?칭성이 높아지면, 압연 후의 냉각 중에 베이나이트 및 마르텐사이트가 생성되기 쉬워져, 압연 선재 중에 연질의 페라이트 및 펄라이트와, 경질의 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼재하기 쉬워진다. 이 때문에, 종래는 압연 후의 냉각 속도를 저하시키거나, 합금 성분을 조정하거나 함으로써, 압연 선재의 조직에, 베이나이트 및 마르텐사이트의 혼재를 억제하는 방법이 채용되어 왔다.
이에 비해, 본 발명에서는, 열간 압연 후의 선재를 직접 냉각 수조에 투입하는 인라인 ?칭을 행함으로써, 베이나이트 및 마르텐사이트를 주상으로서 포함하는 조직으로 하고, 그 후에 연화 어닐링하여 신선 가공성을 확보하는 것을 특징으로 한다. 또한, 인라인 ?칭에 의해 생성된 마르텐사이트는, 연화 어닐링을 거침으로써 템퍼링 마르텐사이트가 된다. 따라서 본 발명의 스프링강용 압연 선재는, 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트를 90％ 이상 포함하는 조직을 갖는 것이 된다.
상술한 바와 같이, 종래, 압연 선재의 조직에, 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼재하는 것은 바람직하지 않다고 여겨지고 있었다. 그러나 본 발명자들은, 압연 후의 조직이 베이나이트 및 마르텐사이트를 주상으로서 포함하는 조직이라고 하더라도, 연화 어닐링에 의해, 일정 이하의 인장 강도와, 일정 이상의 교축값을 갖도록 함으로써, 조직이 펄라이트인 경우와 동등한 신선 가공성을 확보할 수 있음을 새롭게 알아냈다. 또한, 압연 후의 냉각 속도가 부족하거나, 강재의 화학 성분의 영향으로 ?칭성이 부족하거나 함으로써, 베이나이트 및 마르텐사이트와 함께 일정 이상의 페라이트나 펄라이트가 혼재하면, 신선 가공성이 저하되는 것도 지견하였다.
또한, 본 발명자들이 검토를 행한 결과, 압연 후의 조직을 베이나이트 및 마르텐사이트 주상으로 하고, 어닐링에 의해 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트를 주상으로 함으로써, 종래의 펄라이트와 비교하여, 강재 중의 탄화물을 균일 미세하게 분산할 수 있음을 알 수 있었다. 압연 선재의 조직을, 이러한 조직으로 함으로써, 스프링강용 압연 선재에 대한 ?칭 템퍼링 처리 시의 탄화물의 고용이 용이해진다. 이 결과, ?칭 온도의 저감에 의한 구 오스테나이트 입도의 미세화를 도모하면서, ?칭 후의 미용해 탄화물의 잔존도 억제할 수 있다. 즉, 본 발명자들은, 압연 선재에 대해, 압연 후의 조직을 베이나이트 및 마르텐사이트 주상으로 하고, 어닐링에 의해 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트를 주상으로 함으로써, ?칭 템퍼링 후의 인성도 향상됨을 지견하였다.
이와 같이, 본 발명자들은, 압연 후의 조직을 주로 베이나이트 및 마르텐사이트로 하고, 그 후 연화 어닐링함으로써, 스프링강을 제조하기 위해 행해지는 후공정(신선 처리)에서의 신선 가공성을 확보하면서, ?칭 템퍼링 후의 기계적 특성의 개선(고강도화 및 고인성화)을 도모하는 것이 가능해짐을 지견하였다.
이하에, 이 지견에 기초하는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재(본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재)에 대해 설명한다.
본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 화학 성분의 한정 이유에 대해 설명한다.
[C: 0.42 내지 0.60％]
C는, 강의 강도에 큰 영향을 미치는 원소이다. ?칭 템퍼링 후의 강에 충분한 강도를 부여하기 위해, C 함유량을 0.42％ 이상으로 한다. C 함유량은, 바람직하게는 0.43％ 이상, 보다 바람직하게는 0.45％ 이상이다.
한편, C 함유량이 과잉이면, ?칭 템퍼링 후의 강에 있어서 미변태 오스테나이트(잔류 오스테나이트)가 증가하여, C 함유에 의한 강도 상승 효과가 감소한다. 또한, 인성이 현저하게 저하된다. 따라서, C 함유량을 0.60％ 이하로 한다. C 함유량은 바람직하게는 0.58％ 이하이다.
[Si: 0.90 내지 3.00％]
Si는, 스프링강용 압연 선재로부터 제조되는 스프링강의 강도를 상승시키는 원소이며, 특히 ?칭 후에 행해지는 템퍼링 시의 연화를 억제한다. 또한, Si는, 스프링의 사용 중의 형상 변화인 세틀링에 대한 내성(내 세틀링 특성)을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, Si 함유량을 0.90％ 이상으로 한다. Si 함유량은 바람직하게는 1.20％ 이상, 보다 바람직하게는 1.40％ 이상이다.
한편, Si 함유량이 과잉이면, 강이 현저하게 취화된다. 따라서, Si 함유량을 3.00％ 이하로 한다. Si 함유량은, 바람직하게는 2.50％ 이하이다.
[Mn: 0.10 내지 1.50％]
Mn은, 강의 ?칭성을 향상시키는 원소이며, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻기 위해 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, Mn 함유량을 0.10％ 이상으로 한다. Mn 함유량은, 바람직하게는 0.30％ 이상이다.
한편, Mn 함유량이 과잉이면, ?칭 템퍼링 후에 연질의 잔류 오스테나이트가 증가하여 인장 강도가 저하된다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, 잔류 오스테나이트의 생성을 억제하기 위해, Mn 함유량을 1.50％ 이하로 한다. Mn 함유량은, 바람직하게는 1.00％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.70％ 이하이다.
[Cr: 0.10 내지 1.50％]
Cr은, 강의 ?칭성을 향상시킴과 함께, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻기 위해 필요한 원소이다. 또한 Cr은, 탄화물의 석출 상태를 제어하고, ?칭 템퍼링 후의 강의 강도를 확보하기 위해 필요한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, Cr 함유량을 0.10％ 이상으로 한다. Cr 함유량은, 바람직하게는 0.30％ 이상, 보다 바람직하게는 0.50％ 이상이다.
한편, Cr 함유량이 과잉이면, ?칭 템퍼링 후에 연질의 잔류 오스테나이트가 증가하여 인장 강도가 저하됨과 함께, 강재가 취화된다. 이 때문에, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, Cr 함유량을 1.50％ 이하로 한다. Cr 함유량은, 바람직하게는 1.00％ 이하이다.
[B: 0.0010 내지 0.0060％]
B는, 강의 ?칭성을 향상시킴과 함께, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻기 위해 필요한 원소이다. 또한 B는, 파괴의 기점이 되기 쉬운 구 오스테나이트 입계에 우선적으로 편석됨으로써 입계에 대한 P 및 S 등의 편석을 억제하여, 결과적으로 입계 강도의 상승 및 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과들을 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, B 함유량을 0.0010％ 이상으로 한다. B 함유량은, 바람직하게는 0.0020％ 이상이다.
한편, 과잉으로 B를 함유시켜도, 이러한 효과들이 포화될 뿐만 아니라, 입계에 Fe23(CB)6 등이 석출되어 강의 인성이 저하될 우려가 있다. 따라서, B 함유량을 0.0060％ 이하로 한다. B 함유량은, 바람직하게는 0.0050％ 이하이다.
[N: 0.0010 내지 0.0070％]
N은, 강 중에서 각종 질화물을 생성하는 원소이다. 고온에서도 안정된 질화물 입자는, 오스테나이트 입자 성장의 플럭스 피닝 효과에 의한 구 오스테나이트 입자의 미세화에 기여한다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는, N 함유량을 0.0010％ 이상으로 한다. N 함유량은, 바람직하게는 0.0020％ 이상이다.
한편, N 함유량이 과잉이면, 파괴의 기점이 되는 조대한 질화물이 형성되어, 인성 및 피로 특성이 저하된다. 또한, N 함유량이 과잉인 경우, N이 B와 결부되어 BN을 생성하여, 고용 B양을 감소시킨다. 고용 B양이 감소하면, 상술한 B에 의한 ?칭성의 향상 효과 및 입계 강도의 향상 효과가 저하될 우려가 있다. 따라서, N 함유량을 0.0070％ 이하로 한다. N 함유량은, 바람직하게는 0.0060％ 이하이다.
[P: 0.020％ 미만]
P는, 불순물 원소로서 강 중에 존재하여, 강을 취화시키는 원소이다. 특히, 구 오스테나이트 입계에 편석된 P는, 입계 강도를 저하시켜 강재의 취화를 야기하는 원인이 된다. 그 때문에, P 함유량은 적은 것이 좋다. 강의 취화를 방지하기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 P 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. P 함유량은, 바람직하게는 0.015％ 이하이다.
[S: 0.020％ 미만]
S는, P와 마찬가지로 불순물 원소로서 강 중에 존재하여, 강을 취화시키는 원소이다. S는, Mn을 함유시킴으로써 MnS로서 고정할 수 있지만, MnS는, 조대화되면 파괴 기점으로서 작용하여, 강의 파괴 특성을 열화시킨다. 이러한 악영향들을 억제하기 위해, S 함유량은 적은 것이 바람직하고, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 S 함유량을 0.020％ 미만으로 제한한다. S 함유량은, 바람직하게는 0.015％ 이하, 보다 바람직하게는 0.010％ 이하이다.
본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재는, 상기 원소를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 것을 기본으로 한다. 그러나 Fe의 일부 대신에, Mo, V, Ni, Cu, Al, Ti 및 Nb 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유해도 된다. 단, Mo, V, Ni, Cu, Al, Ti 및 Nb는 임의 원소이며, 본 실시 형태에 관한 강의 화학 성분은 이들을 함유하지 않아도 된다. 따라서, Mo, V, Ni, Cu, Al, Ti 및 Nb 각각의 함유량의 하한은 0％이다.
불순물이라 함은, 강재를 공업적으로 제조할 때, 광석 혹은 스크랩 등과 같은 원료로부터, 또는 제조 공정의 다양한 환경으로부터 혼입되는 성분이며, 강에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
[Mo: 0 내지 1.00％]
Mo는, 강의 ?칭성을 향상시킴과 함께, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻기 위해 유효한 원소이다. 또한 탄화물의 석출 상태를 제어하고, ?칭 템퍼링 후의 강의 강도를 확보하기 위해 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, Mo 함유량을 0.10％ 이상으로 해도 된다. 한편, Mo 함유량이 1.00％를 초과하는 경우, 이러한 효과들이 포화된다. Mo는 고가의 원소이며, 필요 이상으로 함유시키는 것은 바람직하지 않기 때문에, 함유시키는 경우라 하더라도, Mo 함유량을 1.00％ 이하로 한다. Mo 함유량은, 바람직하게는 0.60％ 이하이다.
[V: 0 내지 1.00％]
V는, 강의 ?칭성을 향상시킴과 함께, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻기 위해 유효한 원소이다. 또한 탄화물의 석출 상태를 제어하고, ?칭 템퍼링 후의 강의 강도를 확보하기 위해 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, V 함유량을 0.05％ 이상으로 해도 된다. 한편, V 함유량이 1.00％를 초과하는 경우, 조대한 미고용 석출물이 생성되어 강이 취화된다. 따라서, 함유시키는 경우라 하더라도, V 함유량의 상한을 1.00％ 이하로 한다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.50％ 이하이다.
[Ni: 0 내지 1.00％]
Ni는, 강의 ?칭성을 향상시키는 원소이며, 강의 내식성을 향상시키는 효과도 갖는다. 이러한 효과들을 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 Ni 함유량을 0.05％ 이상, 보다 바람직하게는 0.10％ 이상으로 해도 된다. 한편, Ni 함유량이 과잉이면, ?칭 템퍼링 후에 연질의 잔류 오스테나이트가 증가하여 인장 강도가 저하된다. 이 때문에, 함유시키는 경우라 하더라도, Ni 함유량을 1.00％ 이하로 한다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.50％ 이하이다.
[Cu: 0 내지 0.50％]
Cu는, 강의 ?칭성을 향상시키는 원소이며, 강의 내식성을 향상시키는 효과도 갖는다. 이러한 효과들을 얻기 위해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 Cu 함유량을 0.05％ 이상, 보다 바람직하게는 0.10％ 이상으로 해도 된다. 한편, Cu 함유량이 과잉이면, 강의 열간 연성이 저하되어, 열간 압연 시에 균열이 발생하는 원인이 될 우려가 있다. 이 때문에, 함유시키는 경우라 하더라도, Cu 함유량을 0.50％ 이하로 한다. Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.30％ 이하이다.
[Al: 0 내지 0.100％]
Al은 탈산 원소로서 사용되는 원소이며, 강 중의 N과 반응하여 AlN을 형성한다. 이 AlN은 열처리 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 플럭스 피닝하여 조대화를 억제하기 때문에, Al은 결정립 미세화에 유효한 원소이다. 또한, Al은, N을 고정함으로써 BN의 형성을 억제하여, B의 효과를 향상시키는 효과도 갖는다. 이러한 효과들을 얻기 위해, Al 함유량을 0.005％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상으로 해도 된다. 한편, Al 함유량이 과잉이면 조대한 AlN이 생성되어 인성이 저하된다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 Al 함유량을 0.100％ 이하로 한다. Al 함유량은, 바람직하게는 0.050％ 이하, 보다 바람직하게는 0.035％ 이하이다.
[Ti: 0 내지 0.100％]
Ti는, 강 중의 N이나 C와 반응하여 TiN이나 TiC를 형성하여, 열처리 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 플럭스 피닝하여 조대화를 억제한다. 그 때문에, Ti는, 결정립 미세화에 유효한 원소이다. 또한, Ti는, N을 고정함으로써 BN의 형성을 억제하여, B의 효과를 향상시키는 효과도 있다. 이러한 효과들을 얻기 위해, Ti 함유량을 0.005％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상으로 해도 된다. 한편, Ti 함유량이 과잉이면 조대한 TiN이 생성되어 인성이 저하된다. 그 때문에, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 함유시키는 경우라 하더라도, Ti 함유량을 0.100％ 이하로 한다. Ti 함유량은, 바람직하게는 0.070％ 이하이다.
[Nb: 0 내지 0.100％]
Nb는, 강 중의 N이나 C와 반응하여 Nb(CN)을 형성하여, 열처리 시의 오스테나이트 결정립의 성장을 플럭스 피닝하여 조대화를 억제하여, 결정립 미세화에 유효한 원소이다. 또한, Nb는, N을 고정함으로써 BN의 형성을 억제하여, B의 효과를 향상시키는 효과도 있다. 이러한 효과들을 얻기 위해, Nb 함유량을 0.005％ 이상, 보다 바람직하게는 0.010％ 이상으로 해도 된다. 한편, Nb 함유량이 과잉이면 조대한 Nb(CN)이 발생하여 인성이 저하된다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에서는 함유시키는 경우라 하더라도, Nb 함유량을 0.100％ 이하로 한다. Nb 함유량은, 바람직하게는 0.050％ 이하이다.
본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재는, 열간 압연 후의 직접 ?칭 시에 베이나이트 및 마르텐사이트를 얻는 것을 특징으로 한다. 그 때문에, ?칭성을 확보하기 위해, 이하의 식 (1)에서 계산되는 Ceq(탄소 당량)를 0.75％ 이상으로 한다. Ceq의 바람직한 하한은 0.80％ 이상이다. 또한, Ceq가 너무 높으면 ?칭 시의 ?칭 균열이나, 잔류 오스테나이트의 증가가 문제가 된다. 또한, Ceq가 너무 높으면, 스프링강용 압연 선재를 ?칭 템퍼링하였을 때 미용해 탄화물이 잔존할 우려도 있다. 따라서, Ceq의 상한은 1.00％ 이하로 한다. Ceq의 바람직한 상한은 0.90％ 이하이다. 식 (1)에 있어서의 원소 기호에는, 각 원소의 질량％를 대입한다. 즉, 예를 들어 [C％]이면, 질량％에 의한 C 함유량을 대입한다. 또한, Mo, V 또는 Ni를 적극적으로 함유하지 않는 강인 경우는, [Mo％], [V％], 또는 「Ni％」에, 0％를 대입한다.
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본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 금속 조직은, 면적 분율로 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 합계가 90％ 이상, 보다 바람직하게는 95％ 이상이 되는 조직이다. 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 합계는 100％여도 된다. 베이나이트와 템퍼링 마르텐사이트의 각각의 면적률에 대해서는 한정할 필요가 없다. 잔부 조직은 0％ 이상 10％ 미만, 보다 바람직하게는 0％ 이상 5％ 미만이다. 잔부 조직은 페라이트, 펄라이트, 잔류 오스테나이트 중 어느 1종 또는 2종 이상을 포함한다. 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트의 합계 면적률이 90％ 미만(잔부 조직이 10％ 이상)이 되면 연성이 저하되고, 인장 시험에 있어서의 교축값이 저하되어, 신선 가공성이 저하된다.
이 금속 조직은, 열간 압연 후의 급랭, 및 그 후의 강도 조정을 위한 연화 어닐링을 거침으로써 형성된다.
본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재는, 인장 강도가 1350㎫ 이하이고, 교축값은 40％ 이상이다. 인장 강도가 1350㎫를 초과하거나, 교축값이 40％ 미만이 되면, 그 후, 스프링강의 제조 시에 행해지는 신선 가공 시에 파단되기 쉬워진다. 급랭 후의 압연 선재는, 인장 강도가 높게 되어 있기 때문에, 신선 가공에 적합한 강도로 하기 위해, 인장 강도가 1350㎫ 이하가 되도록 연화 어닐링된다. 연화 어닐링에 의해, 인장 강도가 1350㎫ 이하가 되고, 교축값이 40％ 이상이 된다.
스프링강용 압연 선재의 금속 조직은, 스프링강용 압연 선재로부터 조직 관찰 시험편을 채취하여, 관찰한다. 구체적으로는 스프링강용 압연 선재를 중앙 L 단면에서 절단하고, 성형·연마 후에 3％ 나이탈(3％ 질산-에탄올 용액)로 부식시켜, L 단면 중, 압연 선재 표면으로부터 직경의 1/4만큼 내부의 위치를 관찰 위치로 하고, 배율 400배의 금상 현미경으로 다섯 시야 관찰하여, 얻어진 면적률을 평균하면 된다.
관찰된 조직은, 「베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트」, 「페라이트」, 「펄라이트」로 분리 판정하여, 「베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트」의 면적 분율을 구한다. 베이나이트와 템퍼링 마르텐사이트의 식별은 곤란하기 때문에, 양자를 통합하여 취급하면 된다.
도 1a, 도 1b는, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례이며, 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 조직이다. 이에 비해, 도 2a, 도 2b는, 종래의 스프링강용 압연 선재의 조직의 일례이며, 페라이트와 펄라이트로 이루어지는 조직이다.
인장 강도의 측정은, 「JIS Z 2241」의 인장 시험 방법에 준거하여, 환봉의 2호 시험편을 사용하여 인장 시험을 실시하고, 파단까지의 최대 인장 강도를 측정한다. 또한, 교축값은 파단 후의 최대 감면부의 직경으로부터 측정한다.
다음으로, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재의 제조 방법의 예에 대해 설명한다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재는, 제조 방법에 구애되지 않고, 상술한 구성을 갖고 있으면, 그 효과가 얻어지지만, 예를 들어 이하와 같은 제조 방법에 의하면, 안정적으로 얻어지기 때문에 바람직하다.
상술한 화학 성분을 갖는 강괴를, 예를 들어 950℃ 이상 1200℃ 이하의 온도에서, 120min을 초과하지 않는 시간만큼 가열하고, 열간 압연에 의해 선 직경 12 내지 18㎜ 정도의 압연 선재로 한다(열간 압연 공정). 적열 상태의 압연 선재를 권취에 적합한 링 형태가 되도록 가공한 후, 수조에 투입한다(냉각 공정).
열간 압연 공정에서의 압연 완료 온도는 900 내지 1000℃로 하고, 압연 완료로부터 수조 투입까지의 시간은 30s 이하로 한다.
냉각 공정에 있어서, 수조에 투입된 압연 선재는, 200℃ 이하로 냉각한다. 압연 선재가 200℃ 이하로 된 후에 냉각 후에 수조로부터 건져 올림으로써, 5 내지 30℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각한다. 강재의 가열 온도, 강재의 압연 완료 온도 및 냉각 시의 강재의 온도는, 강재의 표면 온도로 한다. 또한, 평균 냉각 속도는, 냉각 개시 시의 강재의 온도와 냉각 종료 온도의 온도 차를 분자로 하고, 냉각 개시 시각과 냉각 종료 시각의 시간 차를 분모로 하는 평균 냉각 속도이다. 또한, 냉각 개시는 수조 투입 시로 하고, 냉각 종료는 수조로부터의 건져 올림 시로 한다.
열간 압연 공정 및 그 후의 냉각 공정에 의해, 금속 조직을 베이나이트 및 마르텐사이트를 주상으로 하는 조직으로 한다. 압연 완료 온도가 900℃ 미만 또는 1000℃ 초과이거나, 냉각 시의 평균 냉각 속도가 5℃/s 미만이 되면, 페라이트나 펄라이트가 석출되기 쉬워져, 베이나이트 및 마르텐사이트의 면적 분율이 저하되어 버린다. 평균 냉각 속도는, 바람직하게는 10℃/s 이상이다. 평균 냉각 속도는 높을수록 좋지만, 30℃/s 초과이면 그 효과가 포화되기 때문에, 30℃/s 이하를 상한으로 한다.
냉각 후의 압연 선재에 대해, 신선 가능한 강도인 인장 강도로 1350㎫ 이하가 되도록, 압연 선재의 코일재를 300 내지 500℃에서 2 내지 24hr의 조건에서 연화 어닐링한다. 연화 어닐링에 의해, 마르텐사이트가 템퍼링 마르텐사이트가 된다. 이 어닐링 조건이면, 인장 강도를 1350㎫ 이하로 하고, 교축값을 40％ 이하로 할 수 있다.
이상의 제조 방법에 의해, 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재가 제조된다.
상기한 스프링강용 압연 선재로부터 스프링강을 얻으려면, 스프링강용 압연 선재를, 신선 가공 후, ?칭 및 템퍼링을 행한다. ?칭은 고주파 ?칭에 의해 실시하면 된다. 또한, ?칭 템퍼링의 조건은, 스프링강의 인장 강도가 2000㎫ 이상이 되는 조건에서 실시하면 된다. 본 실시 형태에 관한 스프링강용 압연 선재에 의하면, ?칭 템퍼링에 의해 인장 강도를 2000㎫ 이상으로 해도, 높은 인성, 예를 들어 23±5℃에서 60.0J/㎠ 이상의 샤르피 충격값을 겸비하는 스프링강을 얻을 수 있다.
실시예
다음으로, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은, 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있다.
실시예 및 비교예의 각 성분을 표 1 및 표 2에 나타낸다. 표 1 및 표 2에 있어서, 기호 「－」는, 그 기호에 관한 원소를 적극적으로 함유시키고 있지 않음을 나타낸다. 또한, 표 1, 표 2의 잔부는 Fe 및 불순물이다.
Figure pct00003
Figure pct00004
표 1, 표 2에 나타내는 성분을 갖는 강괴를 950℃ 이상 1200℃ 이하의 온도에서, 120min을 초과하지 않는 시간까지 가열하고, 열간 압연에 의해 φ(직경)12 내지 18㎜의 선재로 하였다. 최종의 열간 압연 후, 적열 상태의 압연 선재를 권취에 적합한 링 형태가 되도록 가공한 후, 벨트 컨베이어로 운반하여 수조에 투입하였다. 이때, 압연 완료 온도는 900 내지 1000℃로 하고, 압연 완료로부터 수조 투입까지의 시간은 30s 이하로 하였다. 수조에 투입된 압연 선재는, 건져 올림 시까지의 평균 냉각 속도가 10℃/s가 되도록 냉각하였다.
얻어진 압연 선재에 대해, 신선 가능한 강도인 인장 강도인 1250 내지 1350㎫가 되도록, 압연 선재의 코일재를 어닐링 온도 300 내지 500℃, 어닐링 시간 4hr의 조건에서 연화 어닐링을 행하였다. 어닐링 조건은, 예를 들어 예비 시험으로서 300℃, 400℃, 500℃에서 템퍼링한 후, 강도를 측정함으로써, 소정의 강도가 되는 템퍼링 온도를 추정하여 결정하였다. 이와 같이 하여, 스프링강용 압연 선재를 제조하였다.
또한, 얻어진 스프링강용 압연 선재에 대해, 고주파 ?칭 및 템퍼링을 행함으로써, 열처리 선재로 하였다. 이 열처리 선재는, 스프링강용 압연 선재를 소재로 하는, 스프링강에 상당하는 것이다. 고주파 ?칭은, 가열 온도 920 내지 1040℃, 가열 시간 12초의 조건으로 하였다. 또한, 템퍼링은, 360 내지 540℃, 20 내지 24초의 범위에서, 인장 강도가 2000㎫ 이상이 되도록 템퍼링 조건을 조정하였다.
<인장 시험>
연화 어닐링 후의 스프링강용 압연 선재로부터, 시험편의 길이 방향이 선재의 압연 방향이 되도록, 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 행하였다. 인장 시험은, 「JIS Z 2241」에 준거하여, 환봉인 2호 시험편을 사용하여 인장 시험을 실시하였다. 파단까지의 최대 인장 강도를 측정하고, 파단 후의 최대 감면부의 직경으로부터 교축값을 측정하였다. 이와 같이 하여, 스프링강용 압연 선재의 인장 강도 및 교축값을 측정하였다.
또한, 열처리 선재로부터 시험편의 길이 방향이 선재의 압연 방향이 되도록 인장 시험편을 채취하고, 「JIS Z 2241」에 준거하여, 환봉인 2호 시험편을 사용하여 인장 시험을 실시하였다. 파단까지의 최대 인장 강도를 측정함으로써, 열처리 선재의 인장 강도를 구하였다.
<금속 조직 관찰>
연화 어닐링 후의 스프링강용 압연 선재로부터 조직 관찰 시험편을 채취하여, 금속 조직을 관찰하였다. 연화 어닐링 후의 스프링강용 압연 선재를 중앙 L 단면에서 절단하고, 성형·연마 후에 3％ 나이탈(3％ 질산-에탄올 용액)로 부식시켜 금상 현미경으로 관찰하였다. L 단면 중, 압연 선재 표면으로부터 직경의 1/4만큼 내부의 위치를 관찰 위치로 하고, 배율 400배의 금상 현미경으로 다섯 시야 관찰하였다. 관찰된 조직은, 「베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트」, 「페라이트」, 「펄라이트」로 분리 판정하고, 「베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트」의 면적 분율을 구하였다. 연화 어닐링 후의 베이나이트와 템퍼링 마르텐사이트의 식별은 곤란하기 때문에, 양자를 통합하여 취급하였다.
<샤르피 충격 시험>
「JIS Z 2242」에 준거하여, 열처리 선재의 중심으로부터 시험편의 길이 방향이 선재의 압연 방향이 되도록, 두께 5㎜ 서브 사이즈의 2㎜ U 노치 샤르피 시험편을 채취하였다. 그리고 「JIS Z 2242」에 준거하여 샤르피 충격 시험을 실시하여, 샤르피 충격값(J/㎠)을 구하였다. 측정 온도는 23±5℃의 범위로 하였다.
Figure pct00005
Figure pct00006
결과를, 표 3과 표 4에 나타낸다. 열처리재의 인장 강도가 2000㎫ 이상을 나타내고, 또한 샤르피 충격값이 60.0J/㎠ 이상을 나타내는 경우에, 바람직한 특성이 얻어졌다고 판단하였다.
본 발명의 실시예 1 내지 20은 모두, 인장 강도를 1150 내지 1350㎫로 조정하였을 때의 교축값이 40％를 초과하여, 신선성이 충분히 확보되어 있다고 판정할 수 있다. 또한 모든 실시예에서, 마이크로 조직은 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트가 면적 분율로 90％ 이상을 차지하고 있었다.
또한 실시예의 압연 선재를 고주파 ?칭 템퍼링하면, 2000㎫ 이상의 인장 강도와 60.0J/㎠ 이상의 샤르피 충격값을 나타내는 열처리 선재가 얻어져, 높은 수준으로 강도와 인성을 양립하였다.
한편, 비교예 21, 22에서는, 탄소 당량이 0.75％ 미만이 되어, 합금 원소의 첨가량이 너무 적어 ?칭성이 부족하고, 열간 압연 후에 인라인 ?칭한 조직이 페라이트 또는 펄라이트를 베이나이트 및 마르텐사이트가 혼재하는 조직이 되어, 스프링강용 압연 선재의 교축값이 저하되었다. 또한, 열처리 선재의 샤르피 충격값이 60.0J/㎠ 미만이 되어, 인성이 부족하였다.
또한, 비교예 23에서는, 탄소 당량이 1.00％를 초과하여, 스프링강용 압연 선재에 ?칭 균열이 발생하여, 평가를 행할 수 없었다.
또한, 비교예 24에서는, 스프링강용 압연 선재의 조직은 베이나이트 및 템퍼링 마르텐사이트였다. 그러나 탄소 당량이 1.00％를 초과하였기 때문에, 고주파 ?칭 템퍼링 후에 미용해 탄화물이 잔존하여, 열처리 선재의 샤르피 충격값이 낮았다.
비교예 25, 29, 30에서는, 각각 C 함유량, Mn 함유량, Cr 함유량이 과잉이 되어, 스프링강용 압연 선재의 교축값이 낮아졌다. 또한, 고주파 ?칭 템퍼링한 열처리 선재의 샤르피 충격값도 낮았다.
비교예 26에서는, C 함유량이 부족하였다. 그 결과, 고주파 ?칭 템퍼링의 조건을 적절하게 변경해도 열처리 선재의 인장 강도를 2000㎫ 이상으로 높이지 못하였다.
비교예 27에서는, Si 함유량이 부족하였다. 그 결과, 고주파 ?칭 템퍼링 후의 인장 강도가 낮아지는 경향이 있었다. 그 때문에, 열처리 선재의 인장 강도가 2000㎫ 이상이 되도록 템퍼링 조건을 조정한 경우, 템퍼링 온도를 과잉으로 낮게 할 필요가 있어, 충분한 샤르피 충격값이 얻어지지 않았다. 즉, 비교예 27의 스프링강용 압연 선재에서는, 인장 강도와 인성이 모두 우수한 열처리 선재를 얻는 것이 곤란하였다.
비교예 28에서는, Si 함유량이 과잉이었다. 그 때문에, 냉각 후의 압연 선재를 소정의 온도 범위에서 연화 어닐링해도 인장 강도가 저하되지 않고, 인장 강도가 너무 높아, 교축값이 낮아졌다. 또한 Si 함유량이 과잉이기 때문에 ?칭 템퍼링한 열처리 선재의 샤르피 충격값도 낮았다.
비교예 31, 32에서는, 강재 성분은 본 발명 범위 내였지만, 압연 후의 평균 냉각 속도가 작았다. 그 때문에, 펄라이트와 페라이트가 혼재하여, 베이나이트 및 마르텐사이트 조직의 면적 분율이 부족하였다. 그 결과, 압연 선재의 교축값이 부족하였다. 또한, 열처리 선재의 조직도 불균일해졌기 때문에, 충분한 샤르피 충격값이 얻어지지 않았다.
본 발명에 관한 스프링강용 압연 선재는, 선재 압연 후에 직접 ?칭하여 베이나이트 및 마르텐사이트로 하고, 신선 가능한 강도로 연화 어닐링 처리함으로써, 고주파 ?칭 템퍼링 시에 탄화물이 고용되기 쉬워, 인장 강도와 샤르피 충격값을 높은 레벨로 양립시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 고주파 열처리에 의해 2000㎫ 이상의 고강도를 가지면서 충격값을 확보할 수 있는, 스프링강용 압연 선재를 얻을 수 있다. 그 때문에, 본 발명은, 산업상 이용 가능성이 높다.

Claims (2)

  1. 화학 성분이 질량％로,
    C: 0.42 내지 0.60％,
    Si: 0.90 내지 3.00％,
    Mn: 0.10 내지 1.50％,
    Cr: 0.10 내지 1.50％,
    B: 0.0010 내지 0.0060％,
    N: 0.0010 내지 0.0070％,
    Mo: 0 내지 1.00％,
    V: 0 내지 1.00％,
    Ni: 0 내지 1.00％,
    Cu: 0 내지 0.50％,
    Al: 0 내지 0.100％,
    Ti: 0 내지 0.100％,
    Nb: 0 내지 0.100％,
    를 함유하고,
    P: 0.020％ 미만,
    S: 0.020％ 미만
    으로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
    하기 식 (1)로 규정되는 탄소 당량(Ceq)이 0.75 내지 1.00％이고,
    금속 조직이 면적 분율로 90％ 이상인 템퍼링 마르텐사이트 및 베이나이트를 포함하고,
    인장 강도가 1350㎫ 이하, 그리고 교축값이 40％ 이상인, 스프링강용 압연 선재.
    Figure pct00007
  2. 제1항에 있어서,
    추가로, 질량％로, Mo: 0.10 내지 1.00％, V: 0.05 내지 1.00％, Ni: 0.05 내지 1.00％, Cu: 0.05 내지 0.50％, Al: 0.005 내지 0.100％, Ti: 0.005 내지 0.100％, Nb: 0.005 내지 0.100％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 스프링강용 압연 선재.
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