KR20210056880A - 고탄소 냉연 강판 및 그 제조 방법 그리고 고탄소강제 기계 부품 - Google Patents

고탄소 냉연 강판 및 그 제조 방법 그리고 고탄소강제 기계 부품 Download PDF

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Abstract

단시간의 용체화 처리 후의 급랭 (??칭) 처리와 저온 템퍼링 처리 (??칭 템퍼링 처리) 후에, 양호한 충격 특성 및 경도 특성, 나아가서는 우수한 내마모성을 갖는 것이 가능하고, 또한 ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성의 저하가 적은, 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 고탄소 냉연 강판을 제공한다.
질량% 로, C : 0.85 ∼ 1.10 %, Mn : 0.60 % 미만, Si : 0.10 ∼ 0.35 %, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.60 % 미만을 포함하고, 또한 Mn + Cr 이 1.0 % 미만을 만족하고, 추가로 Nb : 0.005 ∼ 0.020 mass% 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 화학 조성을 갖는 고탄소 냉연 강판으로 한다. 이로써, 종래 강재에 비해, ??칭 템퍼링 전의 2 차 가공성의 저하가 적다. 또, 탄화물의 평균 입경이 0.2 ∼ 0.7 (㎛) 로, 구상화율이 90 % 이상인 강판 조직으로 함으로써, 3 ∼ 15 min 이라는 단시간의 ??칭 템퍼링 처리에 의해서도, 충격값이 9 J/㎠ 이상이라는 우수한 충격 특성과, 600 ∼ 750 HV 의 범위라는 충분한 경도 특성과, 우수한 내마모성을 갖는 기계 부품으로 하는 것이 가능해진다.

Description

고탄소 냉연 강판 및 그 제조 방법 그리고 고탄소강제 기계 부품
본 발명은, ??칭 템퍼링 처리에 의해 제조되는 각종 기계 부품의 소재가 되는 고탄소 냉연 강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 메리야스 바늘 등에 적용되는 판두께 1.0 ㎜ 미만의 고탄소 냉연 강판에 관한 것이다.
일반적으로, JIS 에 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재 (S××C) 나 탄소 공구강 강재 (SK) 는, 대소 각종 기계 부품에 사용되고 있다. 전신재 (展伸材) 로서 사용되는 경우에는, 타발 가공이나 각종 소성 가공을 거쳐 부품 형상으로 한 후, ??칭·템퍼링 처리를 실시함으로써 소정의 경도와 인성 (충격 특성) 이 부여된다. 그 중에서도, 니트지를 짜는 메리야스 바늘은, 고속으로 왕복 운동을 반복하면서 실을 끌어당겨 메리야스지를 짜기 때문에, 회전 구동부와 접촉하는 바늘 본체의 배트부에는 충분한 강도와 내마모성이, 또한 실과 서로 스치는 훅부에는 충분한 내마모성에 더하여 왕복 운동에 수반되는 선단부의 충격 특성이 우수한 것이 요구된다.
메리야스 바늘용 소재로서 사용되는 고탄소 냉연 강판은, 판두께가 1.0 ㎜ 이상인 경우에는 횡편기용 메리야스 바늘용이 되고, 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 경우에는 환편기나 종편기용 메리야스 바늘용으로서 사용된다. 후자의 바늘로는 가는 직경의 실을 고속으로 짜기 위해, 사용되는 소재의 판두께는 0.4 ∼ 0.7 ㎜ 가 되는 경우가 많다. 또한, 소재에는, 우수한 냉간 가공성 (2 차 가공성이라고도 한다) 에 더하여, 바늘 형상으로 2 차 가공 후, ??칭 템퍼링했을 때에 충분한 경도와 바늘 선단부에서 충분한 인성을 갖는 것이 요구된다.
또, JIS 에 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재 (S××C) 나 탄소 공구강 강재 (SK) 등의 소위 고탄소 강판은, C 량에 따라 용도가 미세하게 분류되어 있다. C 량이 0.8 질량% 미만의 영역, 즉 아공석 조성의 강판에서는, 페라이트상의 분율이 높기 때문에 냉간 가공성은 우수하지만, 충분한 ??칭 경도를 얻는 것이 어렵고, 훅부의 내마모성이나 바늘 본체의 내구성이 요구되는 메리야스 바늘 용도 등에는 적합하지 않다. 한편, 0.8 질량% 이상의 과공석 조성 중에서도 C 량이 1.1 질량% 보다 큰 고탄소 강판은 우수한 ??칭성을 갖는 반면, 다량으로 포함되는 탄화물 (시멘타이트) 때문에 냉간 가공성이 극단적으로 열등하여, 홈파기 가공 등의 정밀하고 또한 미세한 가공이 실시되는 메리야스 바늘 용도 등에는 적합하지 않고, 날붙이나 냉간 금형 등, 단순 형상이며 고경도가 요구되는 부품 용도로 한정된다.
종래, 메리야스 바늘에는, C : 0.8 ∼ 1.1 질량% 의 탄소 공구강이나 합금 공구강 또는 이들의 강 조성을 베이스로 하여 제 3 원소를 첨가한 강 조성을 갖는 소재가 널리 사용되고 있다. 이 메리야스 바늘의 제조 과정에서는, 그 소재는 타발 (전단 가공), 절삭, 신선 (伸線), 접합 고정, 굽힘 등의 다종 다양한 소성 가공에 제공된다. 따라서, 이 메리야스 바늘 제조용 소재는, 바늘 제조 공정에서의 소재 가공시에 충분한 가공성 (2 차 가공성) 을 가지고 있는 것과 함께, 바늘로서 실제로 사용할 때에 요구되는 ??칭 템퍼링 처리 후의 경도 특성이나 충격 특성 (인성) 을 구비할 필요가 있다.
메리야스 바늘의 제조에서는, 소정의 경도 특성을 확보하기 위해서, 소재에 ??칭 템퍼링 처리가 실시된다. 이 템퍼링 처리의 온도는, 200 ∼ 350 ℃ 의 저온으로 하는 경우가 일반적이다. 그러나, 경도 특성을 중시하여, ??칭성에 유효한 Mn 이나 Cr 의 함유량을 증량하거나, 또 그 밖의 제 3 원소를 다량으로 함유하면, 상기한 200 ∼ 350 ℃ 의 온도 범위에서의 저온 템퍼링 처리에서는, 마텐자이트상의 템퍼링이 충분히 이루어지지 않고, 충격 특성 (인성) 의 향상이 불충분하거나, 인성값에 편차가 있거나 하는 경우가 있었다.
한편, 메리야스 바늘의 충격 특성을 향상시키는 것을 목적으로 하여, 소재의 화학 조성 중 불순물 원소인 P 나 S 를 저감시키고, P 의 입계 편석이나 개재물 (MnS) 의 생성을 억제하고, 그들 원소의 악영향의 경감을 도모하는 것도 유효한 대책으로 되어 있다. 그러나, 제강 기술상 및 경제성의 관점에서, P 나 S 를 저감시켜 메리야스 바늘의 충격 특성의 향상을 도모하기에는 한계가 있다.
또, 충격 특성을 향상시키는 수단으로서 금속 조직의 미세화가 유효한 것은 종래부터 알려져 있다.
예를 들어, 특허문헌 1 에는, 「??칭성, 피로 특성, 인성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조 방법」이 기재되어 있다. 특허문헌 1 에 기재된 고탄소 강판은, 질량% 로, C : 0.5 ∼ 0.7 %, Si : 0.5 % 이하, Mn : 1.0 ∼ 2.0 %, P : 0.02 % 이하, S : 0.02 % 이하, Al : 0.001 ∼ 0.10 % 를 포함하고, 추가로 V : 0.05 ∼ 0.50 %, Ti : 0.02 ∼ 0.20 %, Nb : 0.01 ∼ 0.50 % 의 1 종 또는 2 종 이상을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물인 성분 조성과, 탄화물의 구상화율이 95 % 이상이고, 또한 최대 입경이 2.5 ㎛ 이하인 탄화물을 분산시킨 조직을 갖는 고탄소 강판이다. 특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 아공석강을 대상으로 하여, 탄질화물 형성 원소인 V, Ti, Nb 를 첨가하고, 미세한 탄질화물을 형성시키고, 이들 미세한 탄질화물의 피닝 효과를 이용하여 구오스테나이트립 (粒) 을 미세화하여, 인성을 향상시킨다고 하고 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 「충격 특성이 우수한 고탄소강 부재」가 기재되어 있다. 특허문헌 2 에 기재된 고탄소강 부재는, 질량% 로, C : 0.60 ∼ 1.30 %, Si : 1.0 % 이하, Mn : 0.2 ∼ 1.5 %, P : 0.02 % 이하, S : 0.02 % 이하, Fe : 실질적으로 잔부의 조성을 갖고, ??칭·템퍼링 후의 매트릭스에, 다음 식
8.5 < 15.3 × C % - Vf < 10.0
을 만족하는 체적률 (Vf) (체적%) 로 미용해 탄화물이 잔존하고, 입경 : 1.0 ㎛ 이상의 미용해 탄화물이 관측 면적 : 100 ㎛2 당 2 개 이하로 규제되어 있는 것을 특징으로 하는 고탄소강 부재이다. 특허문헌 2 에 기재된 고탄소강 부재에서는, 상기한 조성에 더하여 추가로, 질량% 로, Ni : 1.8 % 이하, Cr : 2.0 % 이하, V : 0.5 % 이하, Mo : 0.5 % 이하, Nb : 0.3 % 이하, Ti : 0.3 % 이하, B : 0.01 % 이하, Ca : 0.01 % 이하의 1 종 또는 2 종 이상을 함유해도 된다고 하고 있다. 특허문헌 2 에 기재된 기술에서는, 아공석으로부터 과공석의 광범위한 탄소 함유량의 강을 대상으로 하고 있지만, 목표 경도 : 600 ∼ 900 HV 를 유지하면서, 충격값 25 J/㎠ 이상으로 우수한 충격 특성을 나타내는 고탄소강 부재가 얻어진다고 하고 있다.
또, 특허문헌 3 에는, 「고탄소 냉연 강판 및 그 제조 방법」이 기재되어 있다. 특허문헌 3 에 기재된 고탄소 냉연 강판은, mass% 로, C : 0.85 ∼ 1.10 %, Mn : 0.50 ∼ 1.0 %, Si : 0.10 ∼ 0.35 %, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.35 ∼ 0.45 %, Nb : 0.005 ∼ 0.020 % 를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 강판 중에 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 과 구상화율 (NSC/NTC) × 100 % 가, 각각 다음 (1) 식
0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
및 다음 (2) 식
(NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
를 만족하고, 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 냉연 강판이다. 또한, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 상기한 조성에 더하여 추가로, Mo 및 V 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종을 함유하고, 각각의 함유량이 모두 0.001 % 이상 0.05 % 미만인 것이 바람직하다고 하고 있다. 그리고, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 단시간 용체화 처리와 저온 템퍼링 처리 후의 ??칭성·충격 특성 (인성) 향상에는, Nb : 0.005 ∼ 0.020 % 의 함유가 유효하다고 하고 있다.
또, 특허문헌 4 에는, 「인성이 우수한 내마모성 강판」이 기재되어 있다. 특허문헌 4 에 기재된 내마모성 강판은, 질량% 로, C : 0.60 ∼ 1.25 %, Si : 0.50 % 이하, Mn : 0.30 ∼ 1.20 %, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.30 ∼ 1.50 %, Nb : 0.10 ∼ 0.50 %, Ti : 0 ∼ 0.50 %, Mo : 0 ∼ 0.50 %, V : 0 ∼ 0.50 %, Ni : 0 ∼ 2.00 %, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖고, 페라이트상의 금속 기지 중에, 시멘타이트 입자와, Nb, Ti 의 1 종 이상을 함유하는 탄화물의 입자가 분산된 금속 조직을 갖고, 압연 방향 및 판두께 방향으로 평행한 단면 (L 단면) 에 있어서, 원상당경 0.5 ㎛ 이상의 Nb·Ti 계 탄화물 입자의 개수 밀도가 3000 ∼ 9000 개/㎟, 원상당경 1.0 ㎛ 이상의 보이드의 개수 밀도가 1250 개/㎟ 이하인 강판이다. 특허문헌 4 에 기재된 내마모성 강판은, 우수한 내마모성과 인성을 겸비한 강판이라고 하고 있다.
일본 공개특허공보 2009-24233호 일본 공개특허공보 2006-63384호 일본 공개특허공보 2017-36492호 일본 공개특허공보 2017-190494호
메리야스 바늘용 소재로서 사용되는 고탄소 냉연 강판에는, ??칭 템퍼링 처리 후에 충분한 경도와, 충분한 충격 특성 (인성) 을 갖는 것이 요구된다. 최근, 생산성 향상을 위해, 편기의 추가적인 고속화가 요구되고, 그에 따라, 메리야스 바늘에 가해지는 부하가 커져, 종래보다 단시간에 메리야스 바늘이 파단되거나 혹은 수명이 짧아지는 것이 다발하여 문제가 되고 있다. 그 때문에, 충격 특성 및 내마모성을 종래보다 향상시킨 메리야스 바늘이 요구되게 되었다. 이와 같은 메리야스 바늘은, 제 3 원소의 첨가, 혹은 Cr, Mn, Mo 등의 합금 원소를 증량함으로써 실현할 수 있다고 생각되지만, 바늘의 제조 공정에 있어서의 2 차 가공성이 저해되는 것이 우려된다. 이와 같은 점에서, 2 차 가공성을 종래보다 저하시키지 않고, ??칭 템퍼링 후의 내마모성과 충격 특성 (인성) 을 향상시킬 수 있는 메리야스 바늘용 소재가 요망되고 있다.
그러나, 특허문헌 1 에 기재된 기술은, 고경도가 요구되는 기계 부품에 대한 적용은 어렵다. 특허문헌 1 에 기재된 기술은, 아공석강 조성으로 한정된 것이고, V, Ti, Nb 등의 탄질화물 형성 원소를, 제 3 원소로서 첨가함으로써, 그들의 미세 탄질화물에 의해 구오스테나이트립을 미세화하고, 인성 향상 효과를 기대한 기술이다. 또, 특허문헌 1 에 기재된 기술은, 탄소 레벨이 아공석 조성이기 때문에, 페라이트 모상의 성형성을 개선한 기술이기도 하다.
또, 특허문헌 2 에는, 제 3 원소인, Mo, V, Ti, Nb, B 의 첨가는, 탄소 함유량이 0.67 ∼ 0.81 질량% 의 범위인 강에 대한 예밖에 나타나 있지 않다. 특허문헌 2 에 기재된 기술에서는, 아공석강의 특성 개선을 의도하여, Mo, V, Ti, Nb, B 등의 제 3 원소를 첨가하고 있다고 추찰된다. 또한, 특허문헌 2 에는, 0.81 질량% 를 초과하는 탄소 함유량의 강에 대해, Mo, V, Ti, Nb, B 등의 제 3 원소의 작용과 그 최적화에 관한 것까지의 기재는 없다.
또한, 특허문헌 1, 특허문헌 2 에는, 고탄소 냉연 강판에 대해, 3 ∼ 15 min 과 같은 단시간의 용체화 처리 후 ??칭, 200 ∼ 350 ℃ 의 저온 템퍼링을 실시하고, 원하는 충격 특성 및 소정 경도를 유리하게 향상시키는 기술에 대한 기재는 없다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 기술에서는, 단시간의 용체화 유지 후의 ??칭과 저온 템퍼링 처리 후의 ??칭성·충격 특성 (인성) 향상에는, Nb : 0.005 ∼ 0.020 % 의 함유가 유효하다고 하고 있지만, 특허문헌 3 에는, 단시간의 용체화 유지 후의 ??칭 (급랭) 과 저온 템퍼링 처리 (이하, ??칭 템퍼링 처리라고도 한다) 전의 고탄소 냉연 강판의 2 차 가공성에 대한 구체적인 언급은 없다. 특허문헌 3 에는, ??칭 템퍼링 처리 후에, 우수한 인성과 우수한 내마모성을 겸비할 수 있는 고탄소 냉연 강판이 기재되어 있지만, 그러나, 이 고탄소 냉연 강판에서는, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성이 불충분하여, 최근의 생산성 향상 요구에 대응할 수 없다는 문제가 있었다.
또, 특허문헌 4 에 기재된 기술에서는, 고탄소 냉연 강판에 있어서, ??칭 템퍼링 후의 내마모성과 인성 모두 높게 하는 것이 가능하다고 하고 있지만, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성에 대해서는 기재가 없고, 특허문헌 4 에는, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성의 저하를 수반하지 않고, ??칭 템퍼링 후의 내마모성과 인성을 향상시킬 수 있는 것까지의 언급은 없다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제를 해결하고, 단시간의 용체화 처리 후의 ??칭 (급랭) 및 저온 템퍼링 처리 (??칭 템퍼링 처리) 전의 2 차 가공성의 저하를 억제하고, 또한 단시간의 용체화 처리 후의 ??칭 (급랭) 및 저온 템퍼링 처리 (??칭 템퍼링 처리) 후에, 실제로 사용되는 판두께 근방에서의 충격 시험으로 평가하여, 충격값이 9 J/㎠ 이상이고, 경도가 600 ∼ 750 HV 의 범위를 만족하고, 또한 내마모성이 우수한, 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 고탄소 냉연 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 고탄소 냉연 강판의 조성과, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성, ??칭 템퍼링 처리 후의 경도, 충격 특성, 내마모성의 관계에 대해 예의 검토하였다. 그 결과, ??칭성, ??칭 저온 템퍼링 후의 경도, 충격 특성 등의 관점에서, 메리야스 바늘용으로서 바람직한, C 를 0.85 ∼ 1.10 질량% 의 범위로 한정하고, 또한 Nb 를 0.005 ∼ 0.020 질량% 의 범위로 특정하고, 소정의 제조 방법을 실시하는 것이, 탄화물의 평균 입경과 구상화의 정도를 조정할 수 있고, ??칭 템퍼링 처리 후의 원하는 특성을 확보하는 것에 유효한 것을 지견하였다. 그리고, 추가로 Mn 을 0.60 질량% 미만으로 하고, 또한 (Mn + Cr) 을 1.0 % 미만으로 조정함으로써, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성의 저하를 억제하고, 또한 ??칭 템퍼링 처리 후의 경도, 충격 특성 (인성), 내마모성이 원하는 특성을 만족하는 것을 지견하였다.
본 발명은, 상기한 지견에 기초하여, 더욱 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 질량% 로, C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하, Mn : 0.60 % 미만, Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.60 % 미만, Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하를 포함하고, 또한 Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 1.0 % 미만을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 조성을 갖고, 강판 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
(2) (1) 에 있어서, 상기 강판 조성을 갖고, 추가로 강판 중에 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 과 구상화율 (NSC/NTC) × 100 % 가, 각각 다음 (1) 식
0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
및 다음 (2) 식
(NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
(여기서, dav : 탄화물의 원상당경의 평균값 (평균 입경 ㎛), NTC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물의 총 개수, NSC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의, (장경 dL)/(단경 dS) 가 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물의 개수)
를 만족하는 강판 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
(3) (1) 또는 (2) 에 있어서, 상기 강판 조성 대신에, 질량% 로, C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하, Mn : 0.60 % 미만, Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.50 % 미만, Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하를 포함하고, 또한 Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 0.90 % 미만을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 있어서, 상기 강판 조성이 추가로, 질량% 로, Mo : 0.001 % 이상 0.05 % 미만, V : 0.001 % 이상 0.05 % 미만 중에서 선택된 1 종 또는 2 종을 함유하는 강판 조성인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 강판 조성을 갖는 열연 강판에, 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 반복하여 실시하고 고탄소 냉연 강판을 제조하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법에 있어서, 상기 고탄소 냉연 강판 중에 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 과, 구상화율 (NSC/NTC) 이, 각각 다음 (1) 식 및 다음 (2) 식
0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
(NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
(여기서, dav : 탄화물의 원상당경의 평균값 (평균 입경 ㎛), NTC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물의 총 개수, NSC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의, (장경 dL)/(단경 dS) 가 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물의 개수.)
를 만족하고, 상기 고탄소 냉연 강판의 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 고탄소 냉연 강판으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
(6) (5) 에 있어서, 상기 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 반복하여 실시하는 횟수가 2 ∼ 5 회인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
(7) (5) 또는 (6) 에 있어서, 상기 냉간 압연의 압하율이 25 ∼ 65 % 이고, 상기 구상화 어닐링의 온도가 640 ∼ 720 ℃ 인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
(8) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 상기 고탄소 냉연 강판을 소재로 하여, 그 소재에 2 차 가공을 실시하여 소정 형상의 기계 부품으로 한 후, 그 기계 부품에 단시간 용체화 처리 후 급랭하는 처리와 템퍼링 처리를 실시하는 기계 부품의 제조 방법으로서, 상기 단시간 용체화 처리 후 급랭하는 처리를, 760 ∼ 820 ℃ 의 범위의 온도에서, 3 ∼ 15 min 의 범위의 시간 유지한 후, 급랭하는 처리로 하고, 상기 템퍼링 처리를, 200 ∼ 350 ℃ 의 범위의 온도에서 템퍼링하는 처리로 하여, 우수한 내마모성과 우수한 인성을 겸비한 기계 부품으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소강제 기계 부품의 제조 방법.
(9) (8) 에 기재된 고탄소강제 기계 부품의 제조 방법으로 제조되어 이루어지는 고탄소강제 기계 부품.
본 발명 고탄소 냉연 강판은, 절삭성 등의 2 차 가공성의 저하를 억제하고, 타발, 스웨이징, 굽힘, 2 차 가공 등에 사용되는 공구의 수명이, 종래의 고탄소 냉연 강판과 동일한 정도이고, 또한, 단시간의 용체화 처리 후 급랭하는 처리와 저온 템퍼링 처리 (??칭 템퍼링 처리) 를 실시한 후에, 종래의 고탄소 강판에 비해, 높은 경도 특성, 우수한 충격 특성 및 우수한 내마모성을 균형있게 겸비한 기계 부품을 제조할 수 있다는, 산업상 각별한 효과를 발휘한다. 또한, 본 발명 고탄소 냉연 강판은, ??칭 템퍼링 처리 후의 충격 특성 (인성), 내마모성, 나아가서는 내피로 특성이 우수하고, 특히, 메리야스 바늘과 같은 가혹한 사용 환경하에서 우수한 내구성이 요구되는 기계 부품용 소재로서 바람직하다는 효과도 있다.
도 1 은, 엔드밀 가공 시험 (2 차 가공성 평가 시험) 의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 2 는, 마모 시험 장치의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 3 은, (a) 마모 시험편의 형상, (b) 마모 시험편의 마모 상황의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 4 는, 본 발명에서 사용하는 샤르피 충격 시험편 형상의 개략을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
도 5 는, 본 발명에서 사용하는 샤르피 충격 시험기에 대한 시험편의 설치 상황을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
본 발명 고탄소 냉연 강판은, 질량% 로, C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하, Mn : 0.60 % 미만, Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하, P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하, Cr : 0.60 % 미만, Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하를 포함하고, 또한 Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 1.0 % 미만을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 조성을 갖고, 판두께 1.0 ㎜ 미만인 고탄소 냉연 강판이다. 먼저, 강판 조성의 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하, 조성에 관련된 질량% 는 단순히 % 로 기재한다.
C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하
C 는, 열처리 (??칭 템퍼링 처리) 후에, 메리야스 바늘 등과 같은 정밀 부품에서 충분한 경도 (600 ∼ 750 HV) 를 얻기 위해서 필수의 원소이다. 열처리 (??칭 템퍼링 처리) 후에 안정적으로 600 HV 이상의 경도를 확보하기 위해서는, C 는 0.85 % 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, C 량이 증가하면, 탄화물량이 증가하여, 냉간 가공성이 저하되고, 타발, 스웨이징, 굽힘, 2 차 가공 등 다방면에 걸친 소성 가공 (냉간 가공) 에 견딜 수 없게 된다. 냉간 압연과 구상화 어닐링을 반복하고, 탄화물의 구상화 처리를 실시함으로써, 냉간 가공성은 개선되지만, 1.10 % 를 초과하여 C 를 함유하면, 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정에서의 압연 부하가 높아지고, 또 코일 단부의 균열의 빈도가 현저하게 높아지는 등, 제조 공정 상의 문제가 현재화된다. 이와 같은 점에서, C 는 0.85 % 이상 1.10 % 이하로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.95 ∼ 1.05 % 이다.
Mn : 0.60 % 미만
Mn 은, 강의 탈산에 유효하게 작용하는 원소임과 함께, 강의 ??칭성을 향상시켜 소정의 경도를 안정적으로 확보할 수 있다. 그러나, 0.60 % 이상의 함유는, MnS 개재물이 증가하고, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성에 악영향을 미친다. 청정도, 특히 dA 가 0.10 % 이상이 되면, 절삭날에 개재물이 닿을 확률이 높아지고, 절삭 저항을 증가시키고, 2 차 가공성의 악화가 현저해진다. 이 때문에, 본 발명에서는, Mn 은 dA 가 0.10 % 미만이 되는 범위로서, 0.60 % 미만으로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.50 % 이하이다. 청정도는, JIS G 0555 에 준거하여 측정하는 것으로 한다. 여기서는, 특히 A 계 개재물을 대상으로 하고 dA 에 주목하였다.
Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하
Si 는, 용강의 탈산제로서 작용하고, 청정강을 용제하는 데에 있어서 유효한 원소이다. 또, Si 는, 마텐자이트의 템퍼링 연화 저항에 기여하는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.10 % 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.35 % 를 초과하는 다량의 Si 함유는, 저온 템퍼링 처리시에, 마텐자이트의 템퍼링이 불충분해지고, 충격 특성을 열화시킨다. 이와 같은 점에서, Si 는 0.10 % 이상 0.35 % 이하의 범위로 한정하였다.
P : 0.030 % 이하, S : 0.030 % 이하
P, S 는 모두, 강 중에 불가피적으로 존재하고, 충격 특성에 악영향을 미치는 원소이며, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직한데, P 는 0.030 % 까지, S 는 0.030 % 까지의 함유는 실용적으로 문제 없다. 이와 같은 점에서, P 는 0.030 % 이하, S 는 0.030 % 이하로 한정하였다. 또한, 우수한 충격 특성을 유지한다는 관점에서는, P 는 0.020 % 이하, S 는 0.020 % 이하로 조정하는 것이 바람직하다.
Cr : 0.60 % 미만
Cr 은, 강의 ??칭성을 향상시킴과 함께, 탄화물 (시멘타이트) 중에 고용되어 탄화물을 단단하게 함으로써, 내마모성의 향상에 기여하는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 0.10 % 이상 함유하는 것이 바람직하다. Cr 은, 탄화물 (시멘타이트) 중에 고용되어 가열 단계에서의 탄화물의 재용해를 지체시키기 때문에, Cr 량의 증가에 수반하여, ??칭 템퍼링 후의 잔류 탄화물이 증가한다. 여기서, 잔류 탄화물은, ??칭 처리시의 가열 유지 중, 기지에 다 녹을 수 없었던 탄화물이, 마텐자이트 변태시키기 위한 급랭 후에 기지에 잔류한 탄화물을 말한다. 잔류 탄화물이 증가하면 내마모성은 향상된다. 그러나, Cr 을 0.60 % 이상으로 다량으로 함유하면, 잔류 탄화물이 증가하는 것에 더하여, ??칭 가열 유지 중의 탄화물의 용해를 지체시키는 영향이 커지고, ??칭성을 저해하고, 인성을 저하시킨다. 이와 같은 점에서, Cr 은 0.60 % 미만으로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.10 % 이상 0.50 % 미만이다.
Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하
Nb 는, 종래부터, 주로 저탄소강에 있어서, 열간 압연시에 강의 미재결정 온도역을 확대하고, 동시에 NbC 로서 석출되고, 오스테나이트립의 미세화에 기여하는 원소인 것이 알려져 있다. 고탄소강에 있어서도, 냉간 압연 공정 이후에 있어서의 조직의 미세화 효과를 기대하여 첨가되는 경우가 있다. 본 발명에서는, ??칭 후의 저온 템퍼링에 의한 인성 회복을 주목적으로, Nb 를 0.005 % 이상 0.020 % 이하 함유시킨다. 미량의 Nb 이면, 조직의 미세화에 기여할 정도의 NbC 는 형성되지 않고, Nb 는 희박 고용 상태로 되어 있다. Nb 가 희박 고용 상태로 되어 있음으로써, BCC 구조인 페라이트상과 마텐자이트상 중에서의 C 의 확산이 촉진되는 것이라고 생각된다. 즉, ??칭 처리에 있어서의 가열시에 탄화물로부터 페라이트상에 녹은 C 의 오스테나이트상에 대한 확산, 및 템퍼링 처리에 있어서의 가열시에 마텐자이트상 중의 과포화 고용 C 의 확산과 석출이 촉진되고, 그 결과, 단시간 가열에서의 ??칭성의 향상과 저온 템퍼링 처리에 의한 인성의 회복을 양립시킬 수 있다고 생각하고 있다. 이와 같은 효과는, 0.005 % 이상의 Nb 함유로 현저해지는데, 0.020 % 를 초과하여 Nb 를 함유하면, NbC 의 석출이 현저해지고, Nb 의 희박 고용 상태를 확보할 수 없고, Nb 의 희박 고용 상태에서 기인되는 C 확산의 촉진 효과가 확인되지 않게 된다. 이 때문에, Nb 는 0.005 % 이상 0.020 % 이하로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.015 % 이하이다.
(Mn + Cr) : 1.0 % 미만
본 발명에서는, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성의 저하를 억제하면서, ??칭 템퍼링 처리 후의 인성, 내마모성을 향상시키기 위해서, Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 를 1.0 % 미만으로 조정한다. 본 발명자들의 검토에 의하면, Mn 과 Cr 은 모두 탄화물에 고용되기 쉽기 때문에, Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 증가함에 따라, ??칭 가열시의 가열 단계에서의 탄화물의 재용해를 지체시키는 효과가 Mn 단독, Cr 단독의 경우보다 커지고, 잔류 탄화물도 증가하고, 내마모성도 증가한다. 그러나, (Mn + Cr) 이 1.0 % 이상으로 증가하면, 잔류 탄화물이 면적률로 6 % 이상이 되고, ??칭성 저하의 영향이 커지고, ??칭 템퍼링 후의 충격값 (인성) 도 저하된다. (Mn + Cr) 이 1 % 미만이면, 잔류 탄화물이 면적률로 6 % 미만이 되고, 우수한 내마모성과 인성을 겸비할 수 있다. 한편, (Mn + Cr) 이 지나치게 적으면, 잔류 탄화물이 적어지고, 원하는 내마모성을 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 잔류 탄화물은 면적률로 3 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 면적률로 3 % 이상의 잔류 탄화물량을 실현하기 위한 (Mn + Cr) 은 0.15 % 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, ??칭 템퍼링 처리 전의 2 차 가공성은, (Mn + Cr) 의 증가, 특히 Mn 의 증가에 수반하여, 2 차 가공성에 악영향을 미치는 MnS 개재물이 증가하기 때문에, 2 차 가공성의 저하를 억제하면서, 내마모성, 인성을 모두 향상시키기 위해서, 본 발명에서는 (Mn + Cr) 을 1.0 % 미만으로 한정하였다. 또한, 바람직하게는 0.90 % 미만이다.
상기한 성분이 기본 성분이지만, 기본 성분에 더하여 추가로, 선택 원소로서, Mo : 0.001 % 이상 0.05 % 미만, V : 0.001 % 이상 0.05 % 미만 중에서 선택된 1 종 또는 2 종을 함유할 수 있다.
Mo : 0.001 % 이상 0.05 % 미만, V : 0.001 % 이상 0.05 % 미만 중에서 선택된 1 종 또는 2 종
Mo, V 는 모두, 강의 ??칭성 향상이나, ??칭 템퍼링 처리 후의 충격 특성 (인성) 의 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라 선택하여 1 종 또는 2 종을, 불가피적으로 함유하는 수준 (0.001 %) 보다 많이 함유할 수 있다.
Mo 는, 강의 ??칭성 향상에 유효한 원소이지만, 함유량이 0.05 % 이상으로 많아지면, 탄화물의 용해를 늦추는 효과가 커짐으로써 오히려 ??칭성이 저하되고, 충분한 경도가 얻어지지 않게 되는 것에 더하여, Nb 의 효과가 상실되고, 저온 템퍼링 처리 후의 충격 특성이 저하된다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo 는 불가피적으로 함유하는 수준 이상인 0.001 % 이상, 0.05 % 미만으로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.01 % 이상 0.03 % 이하이다.
V 는, 강 조직을 미세화하는 것을 통하여, 충격 특성의 향상에 기여하는 원소이지만, 0.05 % 이상으로 다량으로 함유하면, 탄화물의 용해를 늦추는 효과가 커짐으로써 오히려 ??칭성이 저하되고, 충분한 경도가 얻어지지 않는 것에 더하여, Nb 의 효과가 상실되고, 저온 템퍼링 처리 후의 충격 특성이 저하된다. 이와 같은 점에서, 함유하는 경우에는, V 는 불가피적으로 함유하는 수준 이상인 0.001 % 이상, 0.05 % 미만으로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.01 % 이상 0.03 % 이하이다.
상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다.
본 발명 고탄소 냉연 강판은, 상기한 조성을 갖고, 또한 다음 (1) 식
0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
를 만족하는 평균 입경 (dav) (㎛) 과, 다음 (2) 식
(NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
를 만족하는 구상화율 (NSC/NTC) 을 갖는 탄화물이 분산된 조직을 갖는다.
여기서 (1) 식의 평균 입경 (dav) 은, 강판 단면에서 관찰되는 개개의 탄화물과 동등한 면적의 원을 상정했을 때의 개개의 원의 직경 (원상당경) 의 평균값이다. 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 이, (1) 식을 만족하는 범위에 있으면, 충격 특성이 우수하고, 또한 단시간의 용체화 처리 후 급랭 (??칭) 하는 처리에서도, 원하는 ??칭 경도를 용이하게 확보할 수 있다는 효과가 있다. 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 이, 0.2 ㎛ 미만이면, 탄화물이 미세해지고, 분산되는 탄화물의 수가 증가하므로, 바늘 형상에 대한 2 차 가공의 부하가 증대된다. 또, 평균 입경 (dav) 이 0.7 ㎛ 를 초과하면, 단시간의 용체화 처리 후 급랭하는 처리에 있어서, 원하는 ??칭 경도를 확보할 수 있기 어려워진다.
또, 본 발명에서는, 구상화율을 (2) 식의 (NSC/NTC) 로 정의하였다. 여기서, NTC 는, 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물의 총 개수이고, NSC 는, 동일 관찰 시야에서 구상화되어 있다고 간주할 수 있는 탄화물의 개수이고, dL/dS ≤ 1.4 의 조건을 만족하는 탄화물 개수로 하였다. 여기서 탄화물의 장경을 dL, 단경을 dS 로 하였다.
탄화물은, 완전한 구상으로 형성되어 있다고는 할 수 없고, 또 관찰면에 따라서도 타원형으로서 관찰되는 경우가 많기 때문에, 장경과 단경의 비 (dL/dS) 에 의해, 구상화의 정도를 규정하였다. 본 발명에서는, (dL/dS) : 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물을, 구상화되어 있는 탄화물 (구상화 탄화물) 로 하여, 그 개수를 NSC 로 하였다. 또, 경험적인 지견으로부터, 강판의 2 차 가공성을 양호하게 유지하기 위해서 구상화율 (NSC/NTC) × 100 이, 90 % 이상인 것이 필요하다.
또한, 상기한 탄화물의 평균 입경 및 구상화율의 산출은, 주사형 전자 현미경을 사용하여, 2 차 전자 이미지 (배율 : 2000 배) 를 관찰하고, 화상 해석으로 함으로써 실시하였다.
냉간 압연 후의 강판 (판두께 중앙부) 으로부터, 탄화물 관찰용 시험편을 채취하고, 수지에 매립하고, 연마하고, 부식액으로 에칭하고, 주사형 전자 현미경을 사용하여 탄화물을 관찰하고, 판두께 중앙부 부근의 관찰 면적 100 ㎛2 의 범위에서, 탄화물의 원상당경, 장경 (dL)/단경 (dS) 비, NTC, NSC 를 측정하였다. 이와 같은 측정을 5 시야 실시하고, 각각의 평균값을 산출하였다. 이들 측정 및 산출은, 시판되는 화상 해석 소프트 winroof 를 사용하였다.
본 발명 고탄소 냉연 강판은, 상기한 강판 조성 및 조직을 갖고, 절삭성 등의 2 차 가공성을 유지하면서, 타발, 스웨이징, 굽힘, 2 차 가공 등에 사용되는 공구의 수명이, 종래의 고탄소 냉연 강판과 동일한 정도이며, 또한, 단시간의 용체화 처리 후 급랭하는 처리와 저온 템퍼링 처리 (??칭 템퍼링 처리) 를 실시한 후에, 종래의 고탄소 강판에 비해, 높은 경도 특성, 우수한 충격 특성 및 우수한 내마모성을 균형있게 겸비한 기계 부품을 제조할 수 있는 고탄소 냉연 강판이다.
여기서 말하는 「2 차 가공성이 우수하다」는 것은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절삭 가공 (엔드밀 가공) 시험을 실시하여, 공구 (엔드밀) 에 가해지는 힘이, 40 N 미만인 경우 (공구 회전수가 저속 (1300 rpm)) 를, 또는 35 N 미만인 경우 (공구 회전수가 고속 (2300 rpm) 인 경우) 를 말하는 것으로 한다.
본 발명에서는, 일반적인 엔드밀 가공에 주목하여, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 강판 (피삭재) 에, 엔드밀을 사용하여 절삭 가공 (엔드밀 가공) 을 실시하고, 그 때에, 공구에 장착한 절삭 동력계 (도시 생략) 로, 공구 (엔드밀 : Φ6 ㎜ 직경) 에 가해지는 절삭 저항력으로서, X 방향 분력, Y 방향 분력, Z 방향 분력을 측정한 후 그들의 합력을 계산하여 2 차 가공성의 평가 지수로 하였다. 또한, 엔드밀 가공 시험의 조건은, 절삭 속도 : 25 m/min (저속), 45 m/min (고속), 1 날당의 이송량 : 0.016 ㎜/tooth, 절입량 : 0.2 ㎜, 공구 돌출 길이 : 25 ㎜, 절삭 거리 : 30 ㎜ 로 하고, 절삭유제는 사용하지 않는 것으로 하였다.
이와 같은 엔드밀 가공 시험을 채용함으로써, 보다 실제의 사용 환경에 가까운 상태에서 2 차 가공성을 평가할 수 있다. 공구에 가해지는 절삭 저항력이 40 N 미만 (혹은 35 N 미만) 이면, 종래의 고탄소 냉연 강판의 2 차 가공성과 동등 혹은 그 이상의 우수한 2 차 가공성을 갖는 것을 의미한다.
또, 여기서 말하는 「우수한 내마모성」이란, 도 2 에 나타내는 마모 시험 장치를 사용한 마모 시험을 실시하고, 얻어진 마모 깊이가 485 ㎛ 미만인 경우를 말하는 것으로 한다.
도 2 에 나타내는 마모 시험 장치 (10) 는, 실을 풀어내는 실 권출 수단 (11) 과, 풀어내진 실 (2) 에 원하는 장력을 부여하는 장력 조정 수단 (12) 과, 장력 부여된 실을 통과시키는 홀 (1a ∼ 1d) 을 갖는 마모 시험편 (1) 과, 실을 권취하는 실 권취 수단 (13) 을 갖고, 편물실에 의한 메리야스 바늘의 마모를, 실기 (實機) 에 가까운 상황에서 재현할 수 있는 장치이다. 또한, 마모 시험 장치 (10) 는, 실이 파단되면 장력이 영 (제로) 이 되고, 그 시점에서 장치가 자동적으로 멈추는 구조로 되어 있다.
사용하는 마모 시험편 (1) 은, 도 3(a) 에 나타내는 형상의 마모 시험편으로 하고, 보빈 (실 권출 수단) (11) 으로부터, 연속적으로 풀어내진 실 (2) 은, 장력 조정 수단 (12) 에 의해 적정한 장력이 부여된 후, 마모 시험편 (1) 에 형성된 예를 들어, 홀 (1a) 을 통과하고, 홀 (1a) 과 접촉하여 홀 (1a) 을 마모시키면서, 실 권취 수단 (13) 에 권취된다. 홀은 하나의 시험편에서 4 개 지점 (1a ∼ 1d) 형성하였다. 또한, 마모 시험의 조건은, 편물실 폴리에스테르 풀덜제 (규격 110T48) 를 사용하고, 실의 송급 속도 : 160 m/s, 장력 : 10 ± 2 N/㎝ 로 하여, 1 개의 홀에서 실의 길이 10 만 m 풀어낼 때까지 실시하고, 당해 홀에 있어서의 마모 깊이를 측정하였다. 이와 같은 마모 시험을, 하나의 마모 시험편에 형성된 4 개 지점의 홀 (1a ∼ 1d) 에서 각각 실시하고, 각 홀의 마모 깊이를 측정하고, 그들 평균값을 당해 마모 시험편의 마모 깊이 (평균) 로 하였다.
상기한 조건에서 마모 시험을 실시한 결과, 마모 깊이가 485 ㎛ 미만이면, 종래의 고탄소 냉연 강판의 내마모성과 동등 혹은 그 이상의 우수한 내마모성을 갖는 것을 의미한다. 이와 같은 마모 시험을 채용함으로써, 메리야스 바늘 훅부의 실에 의한 마모에 가까운 상태에서 내마모성을 평가할 수 있다. 또한, 이와 같은 메리야스 바늘 훅부의 실에 의한 마모에 가까운 상태에서 내마모성을 평가함으로써, 잔류 탄화물의 존재가 내마모성에 크게 영향을 주는 것을 알아냈다. 내마모성은, 잔류 탄화물의 면적률에 비례하고, 잔류 탄화물이 면적률로 3 % 미만에서는 원하는 내마모성을 확보할 수 없게 된다. 잔류 탄화물은 면적률로 3 % 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또, 여기서 말하는 「우수한 충격 특성」이란, 도 4 에 나타내는 충격 시험편 (노치폭 0.2 ㎜ 의 U 노치 시험편 (노치 깊이 2.5 ㎜, 노치 반경 0.1 ㎜)) 을 사용하고, JIS K 7077 에 기초한, 정격 용량 : 1 J 의 샤르피 충격 시험기 ((주) 도요 정기 제작소, 형식 DG-GB) 에서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 지지대간 거리를 40 ㎜ 로 하여, 실온에서 시험했을 때의 충격값이 9 J/㎠ 이상인 경우를 말하는 것으로 한다.
이와 같은 샤르피 충격 시험기를 사용함으로써, 판두께 : 1.0 ㎜ 미만의 시험편을 사용해도, 금속 재료의 샤르피 충격 시험 방법인, JIS Z 2242 에 가까운 조건에서 시험할 수 있고, 또, 이와 같은 충격 시험편을 사용함으로써, 응력 집중 계수가 높아지고, 충격 시험시의 휨을 최소한으로 하고, 안정적인 충격값이 얻어진다. 이와 같은 충격 시험 방법 및 충격 시험편을 채용함으로써, 실제의 사용 환경에 가까운 상태의 충격 특성을 평가할 수 있다. 또한, 충격값은, 잔류 탄화물량이 적은 것이 높은 값을 나타내는 경향이 있지만, 잔류 탄화물량이 면적률로 6 % 를 초과하면 충격값의 저하가 현저해지므로, 원하는 충격값을 확보하기 위해서는, 잔류 탄화물을 면적률로 6 % 미만으로 하는 것을 본 발명자들은 알아냈다.
이와 같이, 내마모성을 평가하는 새로운 마모 시험 방법을 도입하고, 또, 2 차 가공성을 평가하는 엔드밀 가공 시험 방법을 도입함으로써, 실기에 가까운 환경에서의 평가에 기초하여, 적정한 화학 성분 범위를 규정할 수 있게 되었다.
다음으로, 본 발명 고탄소 냉연 강판의 제조 방법에 대해 설명한다.
본 발명 고탄소 냉연 강판은, 열연 강판에, 필요에 따라 연화 어닐링을 실시하고, 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 반복하여 실시하여 제조된다.
본 발명에서 사용하는 열연 강판은, 통상적인 제조 조건에서 얻어지는 것이면 되고, 예를 들어 상기한 조성을 갖는 강편 (슬래브) 을, 1050 ∼ 1250 ℃ 로 가열하고, 800 ∼ 950 ℃ 의 마무리 온도에서 열간 압연하고, 600 ∼ 750 ℃ 의 권취 온도에서 코일로 함으로써 제조할 수 있다. 또한, 열연 강판의 판두께는, 원하는 냉연 강판의 판두께로부터 바람직한 냉간 압하율이 되도록 적절히 설정하면 된다.
열연 강판에, 냉간 압연과 구상화 어닐링을 복수 회 반복하여 실시함으로써, 판두께 1.0 ㎜ 미만의 고탄소 냉연 강판으로 한다. 냉간 압연과 구상화 어닐링은, 각각 2 ∼ 5 회 반복하는 것이 바람직하다.
냉간 압연의 압하율은, 25 ∼ 65 % 의 범위로 하는 것이 바람직하다. 냉간 압연의 압하율이 25 % 미만인 강판 (냉연 강판) 에, 구상화 어닐링을 실시하면, 탄화물이 조대화된다. 한편, 냉간 압연의 압하율이 65 % 초과에서는, 냉간 압연 조업의 부하가 지나치게 큰 경우가 있다. 이 때문에, 냉간 압연의 압하율은, 25 ∼ 65 % 의 범위로 한정하는 것으로 하였다. 또한, 냉간 압연 후에 구상화 어닐링을 실시하지 않는 최종의 냉간 압연에 대해서는, 압하율의 하한은 특별히 한정되지 않는다.
또, 구상화 어닐링은, 640 ∼ 720 ℃ 의 범위의 온도에서 실시하는 것이 바람직하다. 구상화 어닐링 온도가, 640 ℃ 미만에서는, 구상화가 불충분해지기 쉽고, 한편, 720 ℃ 보다 고온에서는 탄화물이 조대화되기 쉽다. 이 때문에, 구상화 어닐링은 640 ∼ 720 ℃ 의 범위의 온도에서 실시하는 것으로 하였다. 또한, 구상화 어닐링의 유지 시간은, 9 ∼ 30 hr 의 범위에서 적절히 선택하여 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 냉간 압연 (25 ∼ 65 %) 과 구상화 어닐링 (640 ∼ 720 ℃) 을 복수 회 반복하는 이유는, 탄화물의 평균 입경 (dav) 과, 구상화율 (NSC/NTC) × 100 이 각각 상기한 (1) 식 및 (2) 식을 만족하도록 제어하기 위해서이다.
먼저, 냉간 압연에 의해 탄화물에 균열이 도입되고, 구상화 어닐링에 의해 부서지기 시작한 탄화물이 구상화되어 가지만, 1 회의 구상화 어닐링만으로는, 탄화물의 구상화율을 90 % 이상까지 높이는 것은 곤란하고, 봉상 또는 판상의 탄화물이 잔류한다. 그러한 경우, ??칭성에도 악영향을 미치고, 정밀 부품에 대한 냉간 가공성을 악화시킨다. 그 때문에, 탄화물의 구상화율 (NSC/NTC) × 100 을 90 % 이상으로 하려면, 냉간 압연과 구상화 어닐링을 교대로 반복하는 것이 최적이고, 결과적으로 강판 중에 미세하고 또한 구상화율이 높은 탄화물의 분포가 얻어진다. 특히 바람직하게는, 2 ∼ 5 회의 냉간 압연과 2 ∼ 5 회의 구상화 어닐링이다. 또한, 냉간 압연 전의 열연 강판의 연화를 목적으로 하는 연화 어닐링에 대해서도, 동일한 온도 범위가 바람직하다.
이상이, 본 발명 고탄소 냉연 강판의 제조 방법이지만, 이 강판을 최종의 목적인, 메리야스 바늘과 같은 기계 부품으로 하려면, 소정의 형상으로 가공한 후, 이하의 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.
90 % 이상 구상화된 탄화물이 분포된 고탄소 냉연 강판을, 각종 기계 부품으로 가공한 후, 용체화 처리 후 급랭 (??칭) 하는 처리를 실시하고, 이어서 템퍼링 처리를 실시한다. 용체화 처리는, 가열 온도를 760 ∼ 820 ℃ 에서, 유지 시간을 단시간인 3 ∼ 15 min 으로 한다. ??칭 (급랭) 은 오일을 사용하는 것이 바람직하다. 템퍼링 처리에서는, 템퍼링 온도를 저온의 200 ∼ 350 ℃ 로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 250 ∼ 300 ℃ 이다. 이로써, 경도 600 ∼ 750 HV 를 갖는 각종 기계 부품으로 할 수 있다.
용체화 처리의 유지 시간이, 15 min 보다 길면 탄화물이 지나치게 용해되고, 오스테나이트립이 조대화됨으로써, ??칭 후의 마텐자이트상이 거칠어지고, 충격 특성이 저하된다. 한편, 유지 시간이, 3 min 보다 짧으면, 탄화물의 용해가 불충분하고, 급랭 후에, 원하는 고경도를 얻기 어려워진다. 이 때문에, 용체화 처리의 유지 시간은 3 min 이상 15 min 이하로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5 ∼ 10 min 이다.
또, 템퍼링 온도가 200 ℃ 미만에서는, 마텐자이트상의 인성 회복이 불충분해진다. 한편, 템퍼링 온도가 350 ℃ 를 초과하면, 경도가 600 HV 를 밑돌고, 충격값은 높아지는데, 내구성이나 내마모성이 저하되어, 문제가 된다. 이 때문에, 템퍼링 온도는 200 ∼ 350 ℃ 의 범위의 온도로 하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 250 ∼ 300 ℃ 이다. 템퍼링 처리의 유지 시간은, 30 min ∼ 3 hr 의 범위에서 적절히 선택하여 실시하는 것이 바람직하다.
이하에, 실시예에 기초하여, 본 발명에 대해 더욱 설명한다.
실시예
표 1 에 나타내는 화학 성분을 갖는 용강을, 진공 용해로에서 용제한 후, 주형에 붓고, 소형 강괴 (50 kgf) 로 하였다. 이들 소형 강괴를 분괴 압연하여 강편으로 한 후, 가열 온도 : 1150 ℃, 압연 마무리 온도 : 870 ℃ 의 조건에서 열간 압연하고, 열연 강판 (판두께 : 4 ㎜) 으로 하였다. 이어서, 얻어진 열연 강판에, 표 2 에 나타내는 조건에서 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 실시하여, 판두께 : 0.4 ㎜ 이상 1.0 ㎜ 미만의 냉연 강판으로 하였다.
먼저, 얻어진 냉연 강판으로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취하고, 수지에 매립하고, 연마, 부식하여, 주사형 전자 현미경의 2 차 전자 이미지 (배율 : 2000 배) 로 조직을 관찰하고, 촬상하여, 화상 해석에 의해, 탄화물의 평균 입경 (dav), 및 구상화율 (NSC/NTC) 을 산출하였다. 판두께 중앙부 부근의 관찰 면적 100 ㎛2 의 범위에서, 개개의 탄화물의 원상당경, 개개의 탄화물의 장경 (dL)/단경 (dS) 비를 구함과 함께, 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물 총수 (NTC), dL/dS : 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물의 총수 (NSC) 를 측정하였다. 이와 같은 측정을 5 시야에서 실시하고, 그들의 평균값을 각각 산출하였다. 이들 측정 및 산출은, 시판되는 화상 해석 소프트 winroof 를 사용하였다. 또, 조직 관찰용 시험편에 대해, JIS G 0555 에 준거하여, A 계 개재물을 대상으로 청정도 (dA) 를 측정하였다. 또한, 측정 시야는 60 시야로 하였다.
또한, 얻어진 냉연 강판으로부터, 시험편을 채취하고, 표 3 에 나타내는 조건에서, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 절삭성 시험 (엔드밀 가공 시험) 을 실시하고, 공구 (엔드밀 : 6 ㎜ 직경) 에 가해지는 X 방향, Y 방향, Z 방향의 힘을 측정한 후, 합력을 계산하여 절삭 저항력으로 하였다. 또한, 공구의 회전수는 저속 (1300 rpm) 고속 (2300 rpm) 의 2 종으로 하였다.
이어서, 얻어진 냉연 강판에, 표 4 에 나타내는 조건에서, 가열로에 장입하고, 단시간 용체화 처리를 실시한 후, 급랭 (오일 ??칭) 하는 처리를 실시하고, 추가로 저온 템퍼링 처리를 실시하는 열처리를 실시하였다. 열처리가 끝난 강판으로부터, 시험편을 채취하고, 잔류 탄화물 조사, 경도 시험, 충격 시험, 마모 시험을 실시하였다. 시험 방법은 다음과 같이 하였다.
(1) 잔류 탄화물 조사
열처리가 끝난 강판으로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취하고, 수지에 매립하고, 연마, 부식하여, 주사형 전자 현미경의 2 차 전자 이미지 (배율 : 2000 배) 로 조직을 관찰하고, 촬상하여, 화상 해석에 의해, 원상당경 0.1 ㎛ 이상의 크기의 잔류 탄화물을 대상으로, 잔류 탄화물의 면적률 (%) 을 산출하였다. 또한, 측정 면적은 100 ㎛2 로 하였다.
(2) 경도 시험
열처리가 끝난 강판으로부터, 압연 방향에 직각인 방향으로 경도 시험편을 잘라내고, 이것을 수지에 매립하고, 단면을 연마하고, 판두께 중앙부에서 경도 측정을 실시하였다. 경도 측정은, JIS Z 2244 의 규정에 준거하여, 비커스 경도계 (시험력 : 49.0 N) 를 사용하여, 각 5 점 측정하고, 그들의 평균값을 당해 강판의 경도로 하였다.
(3) 충격 시험
열처리가 끝난 강판으로부터 압연 방향으로 평행이 되도록, 도 4 에 나타내는 충격 시험편 (노치폭 0.2 ㎜ 의 U 노치 시험편 (노치 깊이 2.5 ㎜, 노치 반경 0.1 ㎜)) 을 채취하고, JIS K 7077 에 기초한, 정격 용량 : 1 J 의 샤르피 충격 시험기 ((주) 도요 정기 제작소 제조 형식 DG-GB) 에서, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 지지대간 거리를 40 ㎜ 로 하여, 실온에서 샤르피 충격 시험을 실시하고, 충격값 (J) 을 구하였다. 시험편은 각 5 개로 하고, 얻어진 각 충격값의 평균을 당해 강판의 충격값으로 하였다.
(4) 마모 시험
열처리가 끝난 강판으로부터, 도 3 에 나타내는 형상의 마모 시험편을 채취하고, 도 2 에 나타내는 마모 시험 장치를 사용한 마모 시험을 실시하였다. 마모 시험의 조건은, 폴리에스테르 풀덜제의 편물실 (규격 110T48) 을 사용하고, 실의 송급 속도 : 160 m/s, 장력 : 10 ± 2 N/㎝ 로 하였다. 1 개의 홀에서 실을 10 만 m 송급시킨 후, 시험 장치를 멈추고, 도 3(b) 에 나타내는 바와 같이 마모 시험편 (1) 의 홀 (여기서는 1a) 에 형성된 마모 깊이를 광학 현미경으로 측정하였다. 이와 같은 마모 시험을 각 홀 (1a ∼ 1d) 에서 각각 실시하고, 각 홀 (4 개 지점) 의 마모 깊이를 측정하여, 그들의 평균값을 구하고, 당해 마모 시험편의 마모 깊이로 하였다.
얻어진 결과를 표 5 에 나타낸다.
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
본 발명예는 모두, 공구에 가해지는 힘 (절삭 저항) 이 저속 가공으로 40 N 미만, 고속 가공으로 35 N 미만이고, 2 차 가공성이 종래의 고탄소 냉연 강판과 동등한 고탄소 냉연 강판이며, 단시간 용체화 처리 후 급랭 (오일 ??칭) 처리와 저온 템퍼링 처리를 실시한 후에, 경도가 600 ∼ 750 HV 의 범위를 만족하는 고경도 특성을 갖고, 충격값이 9 J/㎠ 이상을 만족하고 충격 특성이 우수하며, 또한 마모 깊이가 485 ㎛ 미만으로 내마모성이 우수한 고탄소 냉연 강판으로 되어 있고, 「◎」라고 평가하였다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 공구에 가해지는 힘 (절삭 저항) 이 저속 가공으로 40 N 이상, 고속 가공으로 35 N 이상이 되고, 2 차 가공성이 열등하거나, 단시간 용체화 처리 후 급랭 (오일 ??칭) 처리를 실시하고, 추가로 저온 템퍼링 처리를 실시하는 열처리 후에, 충격값이 9 J/㎠ 미만으로 충격 특성이 저하되어 있거나, 혹은 마모 깊이가 485 ㎛ 이상으로 내마모성이 저하되어 있거나, 하여 「×」라고 평가된 고탄소 냉연 강판이다.
구체적으로는, C 량이 본 발명의 범위를 낮게 벗어난 비교예 (강판 No.1) 에서는, 절삭 저항이 낮고 2 차 가공성이 우수하며, 충격값도 9 J/㎠ 이상으로 충격 특성이 우수하지만, 잔류 탄화물이 적고, 마모 깊이가 485 ㎛ 이상으로 내마모성이 저하되어 있었다. 또, C 량이 본 발명의 범위를 높게 벗어난 비교예 (강 No.12) 는, 잔류 탄화물이 많고, 마모 깊이가 485 ㎛ 미만으로 내마모성이 우수하지만, 충격값이 9 J/㎠ 미만으로 충격 특성이 저하되어 있다. 또한, (Mn + Cr) 이 1.0 % 를 초과하고, 청정도도 나쁘고, 공구에 가해지는 힘 (절삭 저항) 이 높고 2 차 가공성이 저하되어 있다. 또, (Mn + Cr) 이 1.0 % 이상으로 본 발명의 범위를 높게 초과하는 비교예 (강판 No.9, No.10, No.11) 는 모두, 잔류 탄화물이 많고, 마모 깊이가 485 ㎛ 미만으로 내마모성이 우수하지만, 충격값이 9 J/㎠ 미만으로 충격 특성이 저하되어 있다. 또한 청정도가 나쁘고, 공구에 가해지는 힘 (절삭 저항) 이 높고 2 차 가공성이 저하되어 있다. 또, V 량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나는 비교예 (강판 No.13), Mo 량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나는 비교예 (강판 No.14) 는, 잔류 탄화물이 많고, 내마모성이 우수하지만, 인성은 저하되어 있다. 또, Nb 량이 본 발명의 범위를 낮게 벗어나는 비교예 (강판 No.3, No.15), Nb 량이 본 발명의 범위를 높게 벗어나는 비교예 (강판 No.16) 는 모두, 충격값이 9 J/㎠ 미만으로 충격 특성이 저하되어 있다. 또한, (Mn + Cr) 이 0.14 % 로 낮은 본 발명예 (강판 No.19) 는, 내마모성이 다소 저하되는 경향을 나타내고, (Mn + Cr) 이 0.90 % 로 높은 본 발명예 (강판 No.20) 는, 2 차 가공성이 다소 저하되는 경향을 나타내고 있다. 또, (Mn + Cr) 이 1.0 % 를 초과하는 비교예 (강판 No.21), Cr 이 본 발명의 범위를 높게 벗어나는 비교예 (강판 No.22) 는, 잔류 탄화물이 면적률로 6 % 를 초과하고, 내마모성이 우수하지만, 충격값이 9 J/㎠ 미만으로 충격 인성이 저하되어 있다.
1 : 마모 시험편
1a, 1b, 1c, 1d : 홀
2 : 실
10 : 마모 시험 장치
11 : 실 권출 수단 (보빈)
12 : 장력 조정 수단
13 : 실 권취 수단

Claims (9)

  1. 질량% 로,
    C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하, Mn : 0.60 % 미만,
    Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하, P : 0.030 % 이하,
    S : 0.030 % 이하, Cr : 0.60 % 미만,
    Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하를 포함하고,
    또한 Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 1.0 % 미만을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 조성을 갖고, 강판 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 강판 조성을 갖고, 추가로 강판 중에 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 과 구상화율 (NSC/NTC) × 100 % 가 각각 하기 (1) 식 및 하기 (2) 식을 만족하는 강판 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
    0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
    (NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
    여기서, dav : 탄화물의 원상당경의 평균값 (평균 입경 ㎛),
    NTC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물의 총 개수,
    NSC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의, (장경 dL)/(단경 dS) 가 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물의 개수.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 강판 조성 대신에, 질량% 로,
    C : 0.85 % 이상 1.10 % 이하, Mn : 0.60 % 미만,
    Si : 0.10 % 이상 0.35 % 이하, P : 0.030 % 이하,
    S : 0.030 % 이하, Cr : 0.50 % 미만,
    Nb : 0.005 % 이상 0.020 % 이하를 포함하고,
    또한 Mn 함유량과 Cr 함유량의 합계 (Mn + Cr) 가 0.90 % 미만을 만족하고, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 강판 조성으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강판 조성이 추가로, 질량% 로, Mo : 0.001 % 이상 0.05 % 미만, V : 0.001 % 이상 0.05 % 미만 중에서 선택된 1 종 또는 2 종을 함유하는 강판 조성인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 강판 조성을 갖는 열연 강판에, 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 반복하여 실시하고 고탄소 냉연 강판을 제조하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법에 있어서, 상기 고탄소 냉연 강판 중에 분산되는 탄화물의 평균 입경 (dav) 과, 구상화율 (NSC/NTC) 이 각각 하기 (1) 식 및 하기 (2) 식을 만족하고, 상기 고탄소 냉연 강판의 판두께가 1.0 ㎜ 미만인 고탄소 냉연 강판으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
    0.2 ≤ dav ≤ 0.7 (㎛) … (1)
    (NSC/NTC) × 100 ≥ 90 % … (2)
    여기서, dav : 탄화물의 원상당경의 평균값 (평균 입경 ㎛),
    NTC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의 탄화물의 총 개수,
    NSC : 관찰 면적 100 ㎛2 당의, (장경 dL)/(단경 dS) 가 1.4 이하의 조건을 만족하는 탄화물의 개수.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉간 압연 및 구상화 어닐링을 반복하여 실시하는 횟수가 2 ∼ 5 회인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 냉간 압연의 압하율이 25 ∼ 65 % 이고, 상기 구상화 어닐링의 온도가 640 ∼ 720 ℃ 인 것을 특징으로 하는 고탄소 냉연 강판의 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 고탄소 냉연 강판을 소재로 하여, 그 소재에 2 차 가공을 실시하여 소정 형상의 기계 부품으로 한 후, 그 기계 부품에 단시간 용체화 처리 후 급랭하는 처리와 템퍼링 처리를 실시하는 기계 부품의 제조 방법으로서,
    상기 단시간 용체화 처리 후 급랭하는 처리를, 760 ∼ 820 ℃ 의 범위의 온도에서, 3 ∼ 15 min 의 범위의 시간 유지한 후, 급랭하는 처리로 하고, 상기 템퍼링 처리를, 200 ∼ 350 ℃ 의 범위의 온도에서 템퍼링하는 처리로 하여, 우수한 내마모성과 우수한 인성을 겸비한 기계 부품으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소강제 기계 부품의 제조 방법.
  9. 제 8 항에 기재된 고탄소강제 기계 부품의 제조 방법으로 제조되어 이루어지는 고탄소강제 기계 부품.
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