KR20240027759A - 강재 - Google Patents
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Abstract
피삭성이 우수하고, 열간 가공 시의 균열 및 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있어, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도를 갖는 강재를 제공한다. 강재는, 질량％로 C: 0.20 내지 0.50％, Si: 0.01 내지 0.80％, Mn: 0.50 내지 2.00％, P: 0.030％ 이하, S: 0.010 내지 0.095％, Cr: 0.01 내지 1.30％, V: 0.200 초과 내지 0.300％, Bi: 0.0051 내지 0.1500％, N: 0.0030 내지 0.0200％를 함유하고, 다음 식 (1)을 충족시킨다. 강재 중에 있어서, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이고, 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이다.
Description
본 발명은 강재에 관한 것이고, 더욱 상세하게는, 기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재에 관한 것이다.
자동차 및 건설 차량의 서스펜션 부품이나 차축 등에 이용되는 기계 구조용 부품에는, 높은 피로 강도가 요구된다.
또한, 기계 구조용 부품의 제조 공정 중에 있어서, 기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재에 대하여 절삭 가공이 실시되는 경우가 있다. 그 때문에, 기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재에서는, 높은 피삭성이 요구된다.
기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재는, 예를 들어, 일본 특허 공개 소57-19366호 공보(특허문헌 1), 일본 특허 공개 제2004-18879호 공보(특허문헌 2) 및 일본 특허 공개 제2008-169411호 공보(특허문헌 3)에 개시되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 강재는, Ca를 0.001 내지 0.05％, Pb 및 Bi를 단독 또는 복합하여 0.02 내지 0.15％ 함유하고, S를 0.005％ 이하로 규제하고, 개재물을 CaS-CaO, Pb, Bi계 개재물로 하고, 또한 Al2O3 개재물을 0.001％ 미만으로 억제한다. 이 문헌에서는, 용강 중에 Ca를 다량으로 연속적으로 첨가하여, 용존하고 있는 S를 CaS로 변화시킨다. 또한, Ca에 의한 환원 반응에 의해, Al2O3를 없애거나, 또는 극히 적게 한다. 그 때문에, 개재물은 CaS-CaO계의 개재물이 된다. 그 후, 용강 중에 Pb, Bi 중 1종 또는 2종을 소량 첨가하여, Pb 또는 Bi의 단독 개재물을 생성시킨다. 이에 의해, 강재의 피삭성이 향상된다고 특허문헌 1에는 기재되어 있다.
특허문헌 2에 개시된 강재는, 질량％로 B: 0.001 내지 0.010％, N: 0.002 내지 0.010％ 및 Bi: 0.005 내지 0.10％를 함유한다. 이 냉간 단조용 강에서는, 횡단면 0.5mm×0.5mm의 시야 면적당, 직경 0.7㎛ 이상의 BN과, B를 함유하는 Bi 석출물이 총계로 15개 이상 존재한다. 이 강재에서는, BN으로서 N을 고정함으로써, 고용 N양을 저감하고, 가공 경화를 저감한다. 또한, B를 함유하는 Bi 석출물을 생성하여, 절삭 칩 처리성을 높인다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다.
특허문헌 3에 개시된 강재는, 질량％로, C: 0.15 내지 0.55％, Si: 0.01 내지 2.0％, Mn: 0.01 내지 2.5％, Cu: 0.01 내지 2.0％, Ni: 0.01 내지 2.0％, Cr: 0.01 내지 2.5％, Mo: 0.01 내지 3.0％, 및 V 및 W로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1종의 총량: 0.01 내지 1.0％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 이 강재를, 1010℃ 내지 1050℃로 균열하고, 그 후, 200℃/분 이상의 냉각 속도로 500℃ 내지 550℃까지 냉각하고, 그 후, 100℃/분 이상의 냉각 속도로 150℃ 이하까지 냉각하고, 그 후, 550℃ 내지 700℃의 온도역에서 가열한다. 이들의 열처리 및 냉각 처리가 실시된 강재의, 실온에서의 HRC 경도의 최댓값을 부여하는 LMP가 17.66 이상이다. 이 강재에서는, LMX가 17.66 이상이기 때문에, 연화 저항이 높아져, 열피로 강도가 높아진다고 특허문헌 3에서는 기재되어 있다.
그런데 강재를 소재로 한 기계 구조용 부품의 제조 공정의 일례는, 다음과 같다. 소재가 되는 강재를 열간 가공하여, 기계 구조용 부품의 조(粗) 형상을 갖는 중간품을 제조한다. 열간 가공은 예를 들어, 열간 단조이다. 제조된 중간품에 대하여 기계 가공(절삭 가공)을 실시하여, 중간품을 소정의 형상으로 한다. 절삭 가공 후의 중간품에 대하여 ??칭 템퍼링을 실시한다. 이상의 제조 공정에 의해, 기계 구조용 부품이 제조된다.
상술한 제조 공정 중의 ??칭에서는, 기계 구조용 부품의 일부의 부위의 강도를 높이기 위해서, 중간품(강재)에 대하여 고주파 ??칭을 실시하는 경우가 있다. 이 경우, 중간품(강재) 중, 강도를 높이고 싶은 부위에 대하여 고주파 유도 가열을 실시하고, 그 후, 급랭(??칭)한다.
그러나 고주파 유도 가열 시에 있어서, 중간품(강재)의 형상에 기인하여 강재가 국소적으로 과도하게 가열되는 경우가 있다. 그리고 강재의 표층 및 내부의 일부가 용융하여 균열이 발생하는 경우가 있다. 이러한 균열을 본 명세서에서는, 「용융 균열」이라고도 칭한다. 기계 구조용 부품의 제조 공정에 있어서 고주파 ??칭을 실시하는 경우, 강재에서는 용융 균열의 억제가 요구된다.
또한, 강재의 제조 공정 시, 및, 그 강재를 사용한 기계 구조용 부품의 제조 공정 시에는, 열간 가공(예를 들어, 열간 압연, 열간 단조 등)이 실시된다. 따라서, 기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재에는, 용융 균열의 억제뿐만 아니라, 열간 가공 시의 균열의 억제도 요구된다. 여기서, 열간 가공 시의 균열을, 본 명세서에서는, 「열간 가공 균열」이라고도 칭한다. 따라서, 기계 구조용 부품의 소재가 되는 강재에는, 우수한 피삭성이 요구되고, 그 강재를 기계 구조용 부품으로 한 경우에 높은 피로 강도가 얻어지는 것이 요구될 뿐만 아니라, 열간 가공 균열의 억제 및 용융 균열의 억제도 요구된다.
상술한 특허문헌 1 내지 특허문헌 3에서는, 적어도, 열간 가공 균열의 억제 및 용융 균열의 억제에 관하여, 검토되어 있지 않다.
본 발명의 목적은, 피삭성이 우수하고, 열간 가공 시의 균열을 억제할 수 있고, 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있어, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도가 얻어지는 강재를 제공하는 것이다.
본 발명에 의한 강재는,
화학 조성이, 질량％로,
C: 0.20 내지 0.50％,
Si: 0.01 내지 0.80％,
Mn: 0.50 내지 2.00％,
P: 0.030％ 이하,
S: 0.010 내지 0.095％,
Cr: 0.01 내지 1.30％,
V: 0.200 초과 내지 0.300％,
Bi: 0.0051 내지 0.1500％,
N: 0.0030 내지 0.0200％를 함유하고,
잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 충족시키고,
상기 강재 중에 있어서,
원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이며,
원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이다.
여기서, 식 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량％로 대입된다.
본 발명의 강재는, 피삭성이 우수하고, 열간 가공 시의 균열을 억제할 수 있고, 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있어, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 범위 밖인 강재를 100℃/초의 승온 속도로 1370℃까지 가열하여 15초간 유지하고, 그 후, 수냉한 후의 마이크로 조직의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 범위 내인 강재를 100℃/초의 승온 속도로 1370℃까지 가열하여 15초간 유지하고, 그 후, 수냉한 후의 마이크로 조직의 모식도이다.
도 3은 실시예에서 사용한 회전 굽힘 피로 시험편의 측면도이다.
도 2는 본 발명의 범위 내인 강재를 100℃/초의 승온 속도로 1370℃까지 가열하여 15초간 유지하고, 그 후, 수냉한 후의 마이크로 조직의 모식도이다.
도 3은 실시예에서 사용한 회전 굽힘 피로 시험편의 측면도이다.
본 발명자들은, 처음에, 피삭성이 우수하고, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도가 얻어지는 강재의 화학 조성에 대하여 검토를 행하였다. 그 결과, 본 발명자들은, 화학 조성이, 질량％로, C: 0.20 내지 0.50％, Si: 0.01 내지 0.80％, Mn: 0.50 내지 2.00％, P: 0.030％ 이하, S: 0.010 내지 0.095％, Cr: 0.01 내지 1.30％, V: 0.200 초과 내지 0.300％, N: 0.0030 내지 0.0200％, Al: 0 내지 0.060％, Mg: 0 내지 0.0100％, Ti: 0 내지 0.0200％, Nb: 0 내지 0.0200％, W: 0 내지 0.4000％, Zr: 0 내지 0.2000％, Ca: 0 내지 0.0030％, Te: 0 내지 0.0100％, B: 0 내지 0.0050％, Sn: 0 내지 0.0100％, 희토류 원소: 0 내지 0.0070％, Co: 0 내지 0.0100％, Se: 0 내지 0.0100％, Sb: 0 내지 0.0100％, In: 0 내지 0.0100％, Mo: 0 내지 0.20％, Cu: 0 내지 0.20％, Ni: 0 내지 0.20％, 및 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재라면, 우수한 피삭성이 우수하고, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도가 얻어질 가능성이 있다고 생각하였다.
그러나 강재를 상술한 화학 조성으로 하는 것만으로는, 우수한 피삭성이 얻어지고, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도가 얻어진다고는 할 수 없다. 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내여도, 강재의 경도가 높으면, 강재의 피삭성이 저하되어 버린다. 한편, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내여도, 강재의 경도가 낮으면, 그 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 피로 강도가 낮아져 버린다. 따라서, 기계 구조용 부품의 피로 강도 및 강재의 피삭성을 양립하기 위해서는, 기계 구조용 부품의 소재인 강재의 경도를 적절한 범위로 하는 것이 유효하다.
그래서 본 발명자들은 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 강재의 경도에 영향을 미치는 원소의 함유량에 대하여 검토하였다. 상술한 화학 조성 중의 원소 중, C, Si, Mn, Cr 및 V는 특히, 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 내부 경도를 높이고, 그 결과, 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. 한편, S는 내부 경도를 저하시킨다. 따라서, 본 발명자들은, 이들 원소의 함유량을 적절한 범위로 함으로써, 강재의 피삭성의 향상, 및, 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 피로 강도의 향상을 양립할 수 있다고 생각하였다. 가일층의 검토의 결과, 본 발명자들은, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내인 강재에 있어서, 식 (1)을 충족하면, 강재에 있어서, 우수한 피삭성이 얻어지고, 또한, 기계 구조용 부품으로 했을 때에 우수한 피로 강도가 얻어지는 것을 알아냈다.
여기서, 식 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량％로 대입된다.
다음으로, 본 발명자들은, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 상술한 범위 내이며, 또한 식 (1)을 충족시키는 강재에 있어서, 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있는 수단을 검토하였다. 처음에, 본 발명자들은, 고주파 ??칭 시에, 강재에 용융 균열이 발생하는 원인을 특정하기 위해서, 용융 균열이 발생한 부위의 마이크로 조직을 관찰하였다. 그 결과, 용융 균열이 발생한 부위에는, 탈탄이 발생하고 있지 않았다. 한편, 탈탄되어 있는 부위에서는, 용융 균열이 발생하지 않았다.
이 결과로부터, 본 발명자들은, 고주파 ??칭 시의 강재에 발생하는 용융 균열에는, C 함유량이 영향을 미친다고 생각하였다. 구체적으로는, 입계에 편석되는 C에 의해 용융 균열이 발생하기 쉬워진다. 그래서 본 발명자들은, 입계에 C가 편석되는 것을 억제하는 수단에 대하여 검토하였다.
검토의 결과, 상술한 화학 조성에 또한, Bi를 0.0051 내지 0.1500％ 함유함으로써, 고주파 ??칭 시의 강재의 용융 균열을 억제할 수 있는 것을, 본 발명자들은 알아냈다. 그 이유는, 다음과 같다고 생각된다. Bi를 적량 함유하면, Bi는 강재 중에서 개재물로서 존재한다. 이하, Bi를 포함하는 개재물을 Bi 입자라고 한다. Bi 입자는, 피닝 효과에 의해, 고주파 ??칭 시의 강재 중의 오스테나이트 입자의 조대화를 억제한다. Bi 입자가 미세하면, 피닝 효과가 높아진다. 고주파 ??칭 시에 있어서, 오스테나이트 입자가 미세하게 유지되면, 오스테나이트 입자의 입계 면적이 증대된다. 입계 면적이 증대되면, 단위 면적당의 오스테나이트 입계에 편석되는 C의 농도가 감소한다. 그 결과, 용융 균열의 발생이 억제된다.
이상과 같이, Bi를 적량 함유함으로써, 고주파 ??칭 시의 용융 균열의 발생은 억제된다. 그러나 강재에 대하여 열간 가공 공정을 실시하는 경우에, 균열이 발생하는 경우가 있는 것이 판명되었다. 여기에서 말하는 열간 가공은 예를 들어, 강재의 제조 공정 중에서 실시되는 열간 압연, 또는 기계 구조용 부품의 제조 공정 중에서 실시되는 열간 단조 등이다. 그래서, 열간 가공 시의 균열의 원인에 대하여 조사하였다. 그 결과 본 발명자들은, 다음의 새로운 지견을 얻었다.
용융 균열의 억제를 위하여 강재에 Bi를 함유하는 경우, 강재 중에, 원 상당 직경이 1.0㎛ 이하인 미세한 Bi 입자(Bi 개재물)와 함께, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자가 생성되는 경우가 있다. 조대 Bi 입자는, 열간 가공 시의 균열의 기점이 되기 쉽다. 그 때문에, 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 너무 높으면, 열간 가공 시에 균열(열간 가공 균열)이 발생하기 쉽다.
이상과 같이, Bi를 함유하는 강재에서는, 고주파 ??칭 시의 용융 균열이 억제되기 쉽기는 하지만, 조대 Bi 입자에 기인한 열간 가공 균열이 발생하기 쉽다. 강재 중의 Bi 입자가 미세하면, 고주파 ??칭 시의 용융 균열이 억제된다. 한편, 강재 중의 Bi 입자가 조대하면, 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
이상의 검토 결과에 기초하여, 본 발명자들은, 강재 중의 미세 Bi 입자의 개수 밀도를 어느 정도 확보하면서, 강재 중의 조대 Bi 입자의 개수 밀도를 가능한 한 억제함으로써, 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있으며, 또한 열간 가공 균열도 억제할 수 있다고 생각하였다. 그래서 이들 효과를 충분히 발휘하는 미세 Bi 입자의 개수 밀도 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도에 대해서, 더욱 조사 및 검토를 행하였다. 그 결과, 상술한 화학 조성의 강재에 있어서, 상술한 식 (1)을 충족시키는 것을 전제로, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이며, 또한 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이면 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있으며, 또한 열간 가공 균열도 억제할 수 있는 것을, 본 발명자들은 알아냈다.
이상의 지견에 기초하여 완성한 본 실시 형태에 의한 강재는, 다음의 구성을 갖는다.
[1]
강재이며,
화학 조성이, 질량％로,
C: 0.20 내지 0.50％,
Si: 0.01 내지 0.80％,
Mn: 0.50 내지 2.00％,
P: 0.030％ 이하,
S: 0.010 내지 0.095％,
Cr: 0.01 내지 1.30％,
V: 0.200 초과 내지 0.300％,
Bi: 0.0051 내지 0.1500％,
N: 0.0030 내지 0.0200％를 함유하고,
잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 충족시키고,
상기 강재 중에 있어서,
원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이고,
원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하인,
강재.
여기서, 식 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량％로 대입된다.
[2]
[1]에 기재된 강재이며,
상기 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에,
Al: 0.060％ 이하,
Mg: 0.0100％ 이하,
Ti: 0.0200％ 이하,
Nb: 0.0200％ 이하,
W: 0.4000％ 이하,
Zr: 0.2000％ 이하,
Ca: 0.0030％ 이하,
Te: 0.0100％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
Sn: 0.0100％ 이하,
희토류 원소: 0.0070％ 이하,
Co: 0.0100％ 이하,
Se: 0.0100％ 이하,
Sb: 0.0100％ 이하,
In: 0.0100％ 이하,
Mo: 0.20％ 이하,
Cu: 0.20％ 이하, 및
Ni: 0.20％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는,
강재.
이하, 본 실시 형태의 강재에 대하여 상세하게 설명한다. 원소에 관한 「％」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량％를 의미한다.
[본 실시 형태의 강재의 특징]
본 실시 형태의 강재는, 다음의 특징 1 내지 특징 4를 충족시킨다.
(특징 1)
화학 조성이, 질량％로, C: 0.20 내지 0.50％, Si: 0.01 내지 0.80％, Mn: 0.50 내지 2.00％, P: 0.030％ 이하, S: 0.010 내지 0.095％, Cr: 0.01 내지 1.30％, V: 0.200 초과 내지 0.300％, Bi: 0.0051 내지 0.1500％, N: 0.0030 내지 0.0200％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어진다.
(특징 2)
각 원소 함유량이 특징 1의 범위 내인 것을 전제로 하여, 식 (1)을 충족시킨다.
(특징 3)
강재 중에 있어서, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이다.
(특징 4)
강재 중에 있어서, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이다.
이하, 각 특징 1 내지 특징 4에 대하여 설명한다.
[(특징 1) 화학 조성에 대해서]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C: 0.20 내지 0.50％
탄소(C)는, 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 경도를 높이고, 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. C 함유량이 0.20％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, C 함유량이 0.50％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 입계에 C가 편석된다. 이 경우, 입계에서의 C 농도가 높아진다. C 농도가 높아지면, 융점이 저하된다. 그 때문에, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, C 함유량은 0.20 내지 0.50％이다.
C 함유량의 바람직한 하한은 0.21％이며, 더욱 바람직하게는 0.22％이며, 더욱 바람직하게는 0.23％이다.
C 함유량의 바람직한 상한은 0.49％이며, 더욱 바람직하게는 0.48％이며, 더욱 바람직하게는 0.47％이다.
Si: 0.01 내지 0.80％
실리콘(Si)은 제강 공정에 있어서 강을 탈산한다. Si는 또한, 기계 구조용 부품의 경도를 높이고, 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. Si 함유량이 0.01％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, Si는 C와의 친화력이 약하다. 그 때문에, Si 함유량이 0.80％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 가열 시에 있어서, C는, Si가 고용되어 있는 입자 내보다도, 입계에 편석되기 쉬워진다. 그 결과, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Si 함유량은 0.01 내지 0.80％이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.02％이며, 더욱 바람직하게는 0.05％이며, 더욱 바람직하게는 0.08％이다.
Si 함유량의 바람직한 상한은 0.75％이며, 더욱 바람직하게는 0.70％이며, 더욱 바람직하게는 0.65％이며, 더욱 바람직하게는 0.60％이다.
Mn: 0.50 내지 2.00％
망간(Mn)은 제강 공정에 있어서 강을 탈산한다. Mn은 또한, C와의 친화력이 강하다. 그 때문에, 가열 시에 있어서, C는 Mn이 고용되어 있는 입자 내에 머무른다. 그 때문에, C의 입계로의 편석이 억제되어, 고주파 ??칭 시의 용융 균열의 발생이 억제된다. Mn 함유량이 0.50％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, Mn 함유량이 2.00％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 경도가 과도하게 높아진다. 그 결과, 강재의 피삭성이 저하된다.
따라서, Mn 함유량은 0.50 내지 2.00％이다.
Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.52％이며, 더욱 바람직하게는 0.55％이며, 더욱 바람직하게는 0.57％이며, 더욱 바람직하게는 0.60％이다.
Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.98％이며, 더욱 바람직하게는 1.95％이며, 더욱 바람직하게는 1.93％이며, 더욱 바람직하게는 1.90％이다.
P: 0.030％ 이하
인(P)은 불순물이다. P는 입계에 편석된다. 그 때문에, P는 강재의 융점을 저하시킨다. 그 때문에, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, P 함유량은 0.030％ 이하이다.
P 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나 P 함유량의 과도한 저감은 제조 비용을 높인다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려하면, P 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.001％이며, 더욱 바람직하게는 0.002％이다.
P 함유량의 바람직한 상한은 0.028％이며, 더욱 바람직하게는 0.026％이며, 더욱 바람직하게는 0.023％이며, 더욱 바람직하게는 0.020％이다.
S: 0.010 내지 0.095％
황(S)은 황화물계 개재물을 형성하여, 강재의 피삭성을 높인다. S 함유량이 0.010％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, S는 강재의 융점을 저하시킨다. 그 때문에, S 함유량이 0.095％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, S 함유량은 0.010 내지 0.095％이다.
S 함유량의 바람직한 하한은 0.012％이며, 더욱 바람직하게는 0.015％이며, 더욱 바람직하게는 0.018％이며, 더욱 바람직하게는 0.020％이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.080％이며, 더욱 바람직하게는 0.075％이며, 더욱 바람직하게는 0.070％이다.
Cr: 0.01 내지 1.30％
크롬(Cr)은 강재의 ??칭성을 높인다. 그 때문에, 기계 구조용 부품의 내부 경도가 높아진다. 그 결과, 기계 구조용 부품의 피로 강도가 높아진다. Cr은 또한, C와의 친화력이 강하다. 그 때문에, 가열 시에 있어서, C는 Cr이 고용되어 있는 입자 내에 머무른다. 그 때문에, C의 입계로의 편석이 억제되어, 고주파 ??칭 시의 용융 균열의 발생이 억제된다. Cr은 또한, S와 결합하여 Cr 황화물을 형성한다. 이 경우, 조대한 FeS의 형성이 억제된다. 그 결과, 열간 가공 시의 강재의 연성이 향상되어, 열간 가공 균열이 억제된다. Cr 함유량이 0.01％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, Cr 함유량이 1.30％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 경도가 과도하게 높아진다. 그 결과, 강재의 피삭성이 저하된다.
따라서, Cr 함유량은 0.01 내지 1.30％이다.
Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.02％이며, 더욱 바람직하게는 0.04％이며, 더욱 바람직하게는 0.06％이며, 더욱 바람직하게는 0.08％이다.
Cr 함유량의 바람직한 상한은 1.28％이며, 더욱 바람직하게는 1.26％이며, 더욱 바람직하게는 1.24％이다.
V: 0.200 초과 내지 0.300％
바나듐(V)은 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 후의 냉각 과정에서, V 석출물로서 강재 중의 페라이트 중에 석출된다. V 석출물에 의해, 기계 구조용 부품의 내부 경도가 높아진다. 그 결과, 기계 구조용 부품의 피로 강도가 높아진다. 또한, V는 C와 결합하여 γ입자 내에 C를 고정한다. 그 때문에, V는, 고주파 ??칭 시에 있어서, 용융 균열의 발생을 억제한다. V 함유량이 0.200％ 이하이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, V 함유량이 0.300％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 경도가 과도하게 높아진다. 그 결과, 강재의 피삭성이 저하된다. V 함유량이 0.300％를 초과하면 또한, 상기 효과가 포화되고, 제조 비용이 높아진다.
따라서, V 함유량은, 0.200 초과 내지 0.300％이다.
V 함유량의 바람직한 하한은 0.205％이며, 더욱 바람직하게는 0.210％이며, 더욱 바람직하게는 0.215％이며, 더욱 바람직하게는 0.220％이며, 더욱 바람직하게는 0.225％이며, 더욱 바람직하게는 0.230％이다.
V 함유량의 바람직한 상한은 0.295％이며, 더욱 바람직하게는 0.290％이며, 더욱 바람직하게는 0.285％이다.
Bi: 0.0051 내지 0.1500％
비스무트(Bi)는 강재 중에 개재물(Bi 입자)을 형성한다. 그 때문에, 고주파 ??칭 시의 용융 균열이 억제된다. Bi는 또한, 강재의 피삭성을 높인다. Bi 함유량이 0.0051％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, Bi 함유량이 0.1500％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 조대한 Bi 입자가 생성된다. 조대한 Bi 입자는, 강재의 제조 공정 중의 열간 가공 시, 또는 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 시에 있어서, 균열의 기점이 되기 쉽다. 그 때문에, 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Bi 함유량은 0.0051 내지 0.1500％이다.
Bi 함유량의 바람직한 하한은 0.0080％이며, 더욱 바람직하게는 0.0100％이며, 더욱 바람직하게는 0.0120％이며, 더욱 바람직하게는 0.0140％이며, 더욱 바람직하게는 0.0160％이다.
Bi 함유량의 바람직한 상한은 0.1400％이며, 더욱 바람직하게는 0.1350％이며, 더욱 바람직하게는 0.1300％이다.
N: 0.0030 내지 0.0200％
질소(N)는 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 후의 냉각 과정에서, 질화물 및/또는 탄질화물을 형성하여 강재를 석출 강화한다. 그 결과, 기계 구조용 부품의 피로 강도가 높아진다. N 함유량이 0.0030％ 미만이면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, N 함유량이 0.0200％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 열간 가공성이 저하된다.
따라서, N 함유량은 0.0030 내지 0.0200％이다.
N 함유량의 바람직한 하한은 0.0032％이며, 더욱 바람직하게는 0.0034％이며, 더욱 바람직하게는 0.0036％이다.
N 함유량의 바람직한 상한은 0.0190％이며, 더욱 바람직하게는 0.0170％이며, 더욱 바람직하게는 0.0150％이며, 더욱 바람직하게는 0.0130％이며, 더욱 바람직하게는 0.0100％이다.
본 실시 형태에 의한 강재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 화학 조성에 있어서의 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것으로서, 본 실시 형태에 의한 강재에 악영향을 미치지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
불순물로서는, 상술한 불순물(P, S) 이외의 모든 원소를 들 수 있다. 불순물은 1종만이어도 되고, 2종 이상이어도 된다. 상술한 불순물 이외의 다른 불순물은, 예를 들어 다음과 같다. O: 0.0050％ 이하, Ta 및 Zn: 합계로 0 내지 0.01％, Pb: 0.09％ 이하.
[임의 원소(Optional Elements)]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은 또한, 이하의 제1군 내지 제5군으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두 임의 원소이다.
[제1군]
Al: 0.060％ 이하
Mg: 0.0100％ 이하
[제2군]
Ti: 0.0200％ 이하
Nb: 0.0200％ 이하
W: 0.4000％ 이하
Zr: 0.2000％ 이하
[제3군]
Ca: 0.0030％ 이하
Te: 0.0100％ 이하
B: 0.0050％ 이하
Sn: 0.0100％ 이하
희토류 원소: 0.0070％ 이하
[제4군]
Co: 0.0100％ 이하
Se: 0.0100％ 이하
Sb: 0.0100％ 이하
In: 0.0100％ 이하
[제5군]
Mo: 0.20％ 이하
Cu: 0.20％ 이하
Ni: 0.20％ 이하
이하, 이들 임의 원소에 대하여 설명한다.
[제1군: Al 및 Mg]
본 실시 형태의 강재는 또한, Fe의 일부 대신에, Al 및 Mg로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두 강을 탈산한다.
Al: 0.060％ 이하
알루미늄(Al)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Al 함유량은 0％여도 된다.
Al이 함유되는 경우, Al은 강을 탈산한다. Al이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Al 함유량이 0.060％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, Al은 조대한 산화물을 형성한다. 조대한 산화물은, 기계 구조용 부품의 피로 강도를 저하한다.
따라서, Al 함유량은 0 내지 0.060％이며, 함유되는 경우, Al 함유량은 0.060％ 이하이다.
Al 함유량의 바람직한 하한은 0％초과이며, 더욱 바람직하게는 0.001％이며, 더욱 바람직하게는 0.002％이며, 더욱 바람직하게는 0.003％이며, 더욱 바람직하게는 0.005％이며, 더욱 바람직하게는 0.010％이다.
Al 함유량의 바람직한 상한은 0.055％이며, 더욱 바람직하게는 0.050％이며, 더욱 바람직하게는 0.045％이다.
Mg: 0.0100％ 이하
마그네슘(Mg)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mg 함유량은 0％여도 된다.
Mg가 함유되는 경우, Mg는 강을 탈산한다. Mg가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Mg 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, Mg는 조대한 산화물을 형성한다. 조대한 산화물은, 기계 구조용 부품의 피로 강도를 저하시킨다.
따라서, Mg 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Mg 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Mg 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0003％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이다.
Mg 함유량의 바람직한 상한은 0.0050％이며, 더욱 바람직하게는 0.0045％이며, 더욱 바람직하게는 0.0040％이다.
[제2군: Ti, Nb, W 및 Zr]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ti, Nb, W 및 Zr로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두 석출물을 형성하여, 기계 구조용 부품의 인성을 높인다.
Ti: 0.0200％ 이하
티타늄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ti 함유량은 0％여도 된다.
Ti가 함유되는 경우, Ti는, 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 공정의 냉각 과정에 있어서, 탄화물 및/또는 탄질화물을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 기계 구조용 부품의 인성이 높아진다. Ti가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Ti 함유량이 0.0200％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 포화된다. 또한, 제조 비용이 높아진다.
따라서, Ti 함유량은 0 내지 0.0200％이며, 함유되는 경우, Ti 함유량은 0.0200％ 이하이다.
Ti 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이며, 더욱 바람직하게는 0.0050％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이다.
Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.0180％이며, 더욱 바람직하게는 0.0170％이며, 더욱 바람직하게는 0.0150％이다.
Nb: 0.0200％ 이하
니오븀(Nb)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Nb 함유량은 0％여도 된다.
Nb가 함유되는 경우, Nb는, 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 공정의 냉각 과정에 있어서, 탄화물 및/또는 탄질화물을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 기계 구조용 부품의 인성이 높아진다. Nb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Nb 함유량이 0.0200％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 포화된다. 또한, 제조 비용이 높아진다.
따라서, Nb 함유량은 0 내지 0.0200％이며, 함유되는 경우, Nb 함유량은 0.0200％ 이하이다.
Nb 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이며, 더욱 바람직하게는 0.0050％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이다.
Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.0180％이며, 더욱 바람직하게는 0.0170％이며, 더욱 바람직하게는 0.0150％이다.
W: 0.4000％ 이하
텅스텐(W)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, W 함유량은 0％여도 된다.
W가 함유되는 경우, W는, 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 공정의 냉각 과정에 있어서, 탄화물 및/또는 탄질화물을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 기계 구조용 부품의 인성이 높아진다. W가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 W 함유량이 0.4000％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 포화된다. 또한, 제조 비용이 높아진다.
따라서, W 함유량은 0 내지 0.4000％이며, 함유되는 경우, W 함유량은 0.4000％ 이하이다.
W 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0050％이며, 더욱 바람직하게는 0.0500％이다.
W 함유량의 바람직한 상한은 0.3500％이며, 더욱 바람직하게는 0.3000％이며, 더욱 바람직하게는 0.2000％이다.
Zr: 0.2000％ 이하
지르코늄(Zr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Zr 함유량은 0％여도 된다.
Zr이 함유되는 경우, Zr은, 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 공정의 냉각 과정에 있어서, 탄화물 및/또는 탄질화물을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 기계 구조용 부품의 인성이 높아진다. Zr이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Zr 함유량이 0.2000％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 상기 효과가 포화된다. 또한, 제조 비용이 높아진다.
따라서, Zr 함유량은 0 내지 0.2000％이며, 함유되는 경우, Zr 함유량은 0.2000％ 이하이다.
Zr 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이며, 더욱 바람직하게는 0.0020％이며, 더욱 바람직하게는 0.0050％이다.
Zr 함유량의 바람직한 상한은 0.1500％이며, 더욱 바람직하게는 0.1000％이며, 더욱 바람직하게는 0.0500％이며, 더욱 바람직하게는 0.0100％이다.
[제3군: Ca, Te, B, Sn 및 희토류 원소]
본 실시 형태의 강재 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ca, Te, B, Sn 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두 강재의 피삭성을 높인다.
Ca: 0.0030％ 이하
칼슘(Ca)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ca 함유량은 0％여도 된다.
Ca가 함유되는 경우, Ca는 강재의 피삭성을 높인다. Ca가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Ca 함유량이 0.0030％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 조대 산화물을 형성한다. 이 경우, 기계 구조용 부품의 피로 강도가 저하된다.
따라서, Ca 함유량은 0 내지 0.0030％이며, 함유되는 경우, Ca 함유량은 0.0030％ 이하이다.
Ca 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이며, 더욱 바람직하게는 0.0015％이다.
Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0025％이며, 더욱 바람직하게는 0.0023％이며, 더욱 바람직하게는 0.0020％이다.
Te: 0.0100％ 이하
텔루륨(Te)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Te 함유량은 0％여도 된다.
Te가 함유되는 경우, Te는 강재의 피삭성을 높인다. Te가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Te 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Te 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Te 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Te 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0003％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
Te 함유량의 바람직한 상한은 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0085％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이다.
B: 0.0050％ 이하
보론(B)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, B 함유량은 0％여도 된다.
B가 함유되는 경우, B는 강재의 피삭성을 높인다. B가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 B 함유량이 0.0050％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, B 함유량은 0 내지 0.0050％이며, 함유되는 경우, B 함유량은 0.0050％ 이하이다.
B 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
B 함유량의 바람직한 상한은 0.0040％이며, 더욱 바람직하게는 0.0035％이며, 더욱 바람직하게는 0.0030％이다.
Sn: 0.0100％ 이하
주석(Sn)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Sn 함유량은 0％여도 된다.
Sn이 함유되는 경우, Sn은 강재의 피삭성을 높인다. Sn이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Sn 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Sn 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Sn 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Sn 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
Sn 함유량의 바람직한 상한은 0.0095％이며, 더욱 바람직하게는 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0085％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이다.
희토류 원소: 0.0070％ 이하
희토류 원소(REM)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, REM 함유량은 0％여도 된다.
REM이 함유되는 경우, REM은 강재의 피삭성을 높인다. REM이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 REM 함유량이 0.0070％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, REM 함유량은 0 내지 0.0070％이며, 함유되는 경우, REM 함유량은 0.0070％ 이하이다.
REM 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
REM 함유량의 바람직한 상한은 0.0065％이며, 더욱 바람직하게는 0.0060％이며, 더욱 바람직하게는 0.0055％이다.
본 명세서에 있어서의 REM이란, 원자 번호 21번의 스칸듐(Sc), 원자 번호 39번의 이트륨(Y), 및 란타노이드인 원자 번호 57번의 란탄(La) 내지 원자 번호 71번의 루테튬(Lu)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소이다. 또한, 본 명세서에 있어서의 REM 함유량이란, 이들 원소의 합계 함유량이다.
[제4군: Co, Se, Sb 및 In]
본 실시 형태의 강재 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Co, Se, Sb 및 In으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다.
이들 원소는 임의 원소이며, 모두 강재의 탈탄을 억제한다.
Co: 0.0100％ 이하
코발트(Co)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Co 함유량은 0％여도 된다.
Co가 함유되는 경우, Co는, 열간 가공 시에 강재의 탈탄을 억제한다. Co가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Co 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Co 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Co 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Co 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
Co 함유량의 바람직한 상한은 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이며, 더욱 바람직하게는 0.0070％이다.
Se: 0.0100％ 이하
셀레늄(Se)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Se 함유량은 0％여도 된다.
Se가 함유되는 경우, Se는, 열간 가공 시에 강재의 탈탄을 억제한다. Se가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Se 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Se 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Se 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Se 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
Se 함유량의 바람직한 상한은 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이며, 더욱 바람직하게는 0.0070％이다.
Sb: 0.0100％ 이하
안티몬(Sb)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Sb 함유량은 0％여도 된다.
Sb가 함유되는 경우, 즉, Sb 함유량이 0％ 초과인 경우, Sb는, 열간 가공 시에 강재의 탈탄을 억제한다. Sb가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Sb 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Sb 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, Sb 함유량은 0.0100％ 이하이다.
Sb 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
Sb 함유량의 바람직한 상한은 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이며, 더욱 바람직하게는 0.0070％이다.
In: 0.0100％ 이하
인듐(In)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, In 함유량은 0％여도 된다.
In이 함유되는 경우, In은, 열간 가공 시에 강재의 탈탄을 억제한다. In이 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 In 함유량이 0.0100％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재에 열간 가공 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, In 함유량은 0 내지 0.0100％이며, 함유되는 경우, In 함유량은 0.0100％ 이하이다.
In 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.0001％이며, 더욱 바람직하게는 0.0005％이며, 더욱 바람직하게는 0.0010％이다.
In 함유량의 바람직한 상한은 0.0090％이며, 더욱 바람직하게는 0.0080％이며, 더욱 바람직하게는 0.0070％이다.
[제5군: Mo, Cu 및 Ni]
본 실시 형태의 강재의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Mo, Cu 및 Ni로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다.
Mo: 0.20％ 이하
몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Mo 함유량은 0％여도 된다.
Mo가 함유되는 경우, Mo는 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. Mo가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Mo 함유량이 0.20％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 강재의 경도가 과도하게 높아진다. 그 결과, 열간 가공성이 저하된다.
따라서, Mo 함유량은 0 내지 0.20％이며, 함유되는 경우, Mo 함유량은 0.20％ 이하이다.
Mo 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.01％이며, 더욱 바람직하게는 0.05％이며, 더욱 바람직하게는 0.10％이다.
Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.19％이며, 더욱 바람직하게는 0.17％이며, 더욱 바람직하게는 0.15％이다.
Cu: 0.20％ 이하
구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Cu 함유량은 0％여도 된다.
Cu가 함유되는 경우, Cu는 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. Cu가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Cu는, Si와 마찬가지로, 고주파 ??칭 시에 있어서의 용융 균열의 발생을 촉진한다. 그 때문에, Cu 함유량이 0.20％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Cu 함유량은 0 내지 0.20％이며, 함유되는 경우, Cu 함유량은 0.20％ 이하이다.
Cu 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.01％이며, 더욱 바람직하게는 0.02％이며, 더욱 바람직하게는 0.03％이다.
Cu 함유량의 바람직한 상한은 0.15％이며, 더욱 바람직하게는 0.13％이며, 더욱 바람직하게는 0.10％이다.
Ni: 0.20％ 이하
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ni 함유량은 0％여도 된다.
Ni가 함유되는 경우, Ni는 기계 구조용 부품의 피로 강도를 높인다. Ni가 조금이라도 함유되면, 상기 효과가 어느 정도 얻어진다.
그러나 Ni는, Si 및 Cu와 마찬가지로, 고주파 ??칭 시에 있어서의 용융 균열의 발생을 촉진한다. 그 때문에, Ni 함유량이 0.20％를 초과하면, 다른 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, 고주파 ??칭 시에 용융 균열이 발생하기 쉬워진다.
따라서, Ni 함유량은 0 내지 0.20％이며, 함유되는 경우, Ni 함유량은 0.20％ 이하이다.
Ni 함유량의 바람직한 하한은 0％ 초과이며, 더욱 바람직하게는 0.01％이며, 더욱 바람직하게는 0.02％이며, 더욱 바람직하게는 0.03％이다.
Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.15％이며, 더욱 바람직하게는 0.13％이며, 더욱 바람직하게는 0.10％이다.
[(특징 2) 식 (1)에 대해서]
본 실시 형태의 강재는 또한, 각 원소 함유량이 상기 범위 내인 것을 전제로 하여, 즉, 특징 1을 충족시키는 것을 전제로 하여, 식 (1)을 충족시킨다.
여기서, 식 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량％로 대입된다.
fn1=C+(Si/10)+(Mn/5)-(5S/7)+(5Cr/22)+1.65V로 정의한다. fn1은, 강재의 경도의 지표이다. C, Si, Mn, Cr 및 V는, 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품의 내부 경도를 높인다. 한편, S는, 기계 구조용 부품의 내부 경도를 저하시킨다.
강재 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, fn1이 0.80 미만이면, 기계 구조용 부품의 내부 경도가 과도하게 저하된다. 그 결과, 기계 구조용 부품의 피로 강도가 저하된다. 한편, 강재 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내여도, fn1이 1.50을 초과하면, 강재의 경도가 과도하게 높아진다. 그 결과, 강재의 피삭성이 저하된다.
따라서, fn1은 0.80 내지 1.50이다.
fn1의 바람직한 하한은 0.81이며, 더욱 바람직하게는 0.82이며, 더욱 바람직하게는 0.85이다.
fn1의 바람직한 상한은 1.48이며, 더욱 바람직하게는 1.45이며, 더욱 바람직하게는 1.43이다.
[(특징 3) 미세 Bi 입자에 대해서]
본 실시 형태의 강재에서는, 각 원소 함유량이 상기 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 충족시키는 것을 전제로 하여, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자(이하, 단순히 미세 Bi 입자라고도 함)의 개수 밀도는 80 내지 8000개/mm2이다. 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이면, 고주파 ??칭 시의 용융 균열의 발생이 억제된다.
Bi는, 강재 중에 있어서, Bi 단체의 입자 또는 Bi를 고농도로 함유하는 입자의 형태로 존재한다. 본 명세서에 있어서, Bi 단체의 입자 또는 Bi를 고농도로 함유하는 입자를 총칭하여 Bi 입자라고 정의한다. 본 명세서에 있어서, 미세 Bi 입자란, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 Bi 입자를 의미한다. Bi는 중원소이기 때문에, Bi 입자는 반사 전자 상에 있어서, 주위보다도 고휘도로 관찰된다. 미세 Bi 입자는, 다른 입자(석출물 또는 개재물)와 접촉하지 않고 강재 중에 단독으로 존재해도 된다. 또한, 미세 Bi 입자는, 다른 입자에 부착 또는 접촉하여 강재 중에 존재하고 있어도 된다.
상술한 바와 같이, 고주파 유도 가열 시에 있어서, Bi 입자는, 오스테나이트 입계를 피닝한다. Bi 입자의 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛이면, 오스테나이트 입계의 피닝 효과는 높아진다. 고주파 ??칭 시에 있어서, 오스테나이트 입자가 미세하게 유지되면, 오스테나이트 입자의 입계 면적이 증대된다. 입계 면적이 증대되면, 입계에 편석되는 C의 농도가 감소한다. 그 결과, 용융 균열의 발생이 억제된다. 강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 충족시키고, 또한 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자가 10개/mm2 이하인 경우에도, 미세 Bi 입자가 80개/mm2 미만이면, 상기 효과가 충분히 얻어지지 않는다.
한편, 강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한, 식 (1)을 충족시키고, 또한 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자가 10개/mm2 이하인 경우에도, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 8000개/mm2를 초과하면, 상기 효과가 포화되고, 또한 제조 비용이 높아진다.
따라서, 본 실시 형태의 강재에서는, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도는 80 내지 8000개/mm2이다.
미세 Bi 입자의 개수 밀도의 바람직한 하한은 90개/mm2이며, 더욱 바람직한 하한은 95개/mm2이며, 더욱 바람직한 하한은 100개/mm2이다.
미세 Bi 입자의 개수 밀도의 바람직한 상한은 7900개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 6000개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 3000개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 1000개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 900개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 800개/mm2이다.
[(특징 4) 조대 Bi 입자에 대해서]
본 실시 형태의 강재에 있어서, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 Bi 입자인 조대 Bi 입자(이하, 단순히 조대 Bi 입자라고도 함)의 개수 밀도는 10개/mm2 이하이다. 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이면, 강재의 제조 공정 중의 열간 가공 시, 또는 강재를 소재로 한 기계 구조용 부품의 제조 공정 중의 열간 가공 시의 균열(열간 가공 균열)을 억제할 수 있다. 열간 가공은 예를 들어, 열간 압연, 열간 단조 등이다.
본 명세서에 있어서, 조대 Bi 입자란, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 Bi 입자를 의미한다. 후술하는 조대 Bi 입자의 개수 밀도 측정 방법에 있어서, 입자의 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상이고, 또한 주위보다도 고휘도로 관찰되면, 그 입자를, 조대 Bi 입자라고 판단한다. 조대 Bi 입자는, 다른 입자(석출물 또는 개재물)와 접촉하지 않고 강재 중에 단독으로 존재해도 된다. 또한, 조대 Bi 입자는, 다른 입자에 부착 또는 접촉하여 강재 중에 존재하고 있어도 된다. 조대 Bi 입자의 원 상당 직경의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 본 실시 형태의 화학 조성의 경우, 조대 Bi 입자의 원 상당 직경의 상한은 50.0㎛이다.
상술한 바와 같이, 강재 중의 미세 Bi 입자에 의해, 고주파 ??칭 시의 용융 균열이 억제된다. 그러나 강재 중의 Bi는, 미세 Bi 입자가 아닌 조대 Bi 입자를 형성하는 경우가 있다. 조대 Bi 입자는, 강재의 열간 가공 균열의 기점이 될 수 있다.
강재의 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 식 (1)을 충족시키고, 또한, 미세 Bi 입자가 80 내지 8000개/mm2인 경우에도, 조대 Bi 입자가 10개/mm2를 초과하면, 강재에 열간 가공 균열이 발생하는 경우가 있다.
따라서, 본 실시 형태의 강재에서는, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도는 10개/mm2 이하이다.
조대 Bi 입자의 개수 밀도의 바람직한 상한은 8개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 7개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 6개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 5개/mm2이다.
조대 Bi 입자의 개수 밀도는 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 즉, 조대 Bi 입자의 개수 밀도는 0개/mm2인 것이 바람직하다. 그러나 조대 Bi 입자의 개수 밀도의 과도한 저감은, 제조 비용을 인상한다. 따라서, 통상의 공업 생산성을 고려하면, 조대 Bi 입자의 개수 밀도의 바람직한 하한은 1개/mm2이며, 더욱 바람직하게는 2개/mm2이다.
또한, 본 실시 형태의 강재 중에는, 상술한 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자뿐만 아니라, 1.0㎛ 초과 내지 10.0㎛ 미만의 중간 Bi 입자(이하, 단순히 중간 Bi 입자라고도 함)도 존재하는 경우가 있다. 그러나 중간 Bi 입자는, 열간 가공 균열 및 고주파 ??칭 시의 용융 균열에 영향을 미치기 어렵다. 따라서, 열간 가공 균열의 억제 및 용융 균열의 억제에 있어서, 중간 Bi 입자는 고려하지 않아도 된다.
[미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도의 측정 방법]
미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도는, 다음의 방법으로 측정할 수 있다.
강재(봉강)의 축방향(압연 방향)에 대하여 수직인 단면 중, R/2부를 포함하는 시험편을 채취한다. 여기서, R/2부란, 강재의 축방향에 수직인 단면에 있어서의, 반경 R의 중앙부를 의미한다. 채취한 시험편의 표면 중, 상기 강재의 축방향에 대하여 수직인 단면에 상당하는 표면을 관찰면으로 한다.
관찰면을 경면 연마한다. 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)을 사용하여, 1000배의 배율로, 경면 연마 후의 관찰면의 R/2부를 20시야 관찰한다. 각 시야의 면적을 100㎛×120㎛로 한다.
SEM 관찰에 의해 얻어진 각 시야의 반사 전자 상에 기초하여, 주지의 화상 해석의 입자 해석 방법을 사용하여, 조대 Bi 입자 및 미세 Bi 입자의 개수 밀도를 조사한다. 구체적으로는, 강재의 모상과 입자의 계면에 기초하여, 강재 중의 입자를 특정한다. 여기에서 말하는 입자는, 개재물 또는 석출물이다. 화상 해석을 행하여, 특정된 입자의 원 상당 직경을 구한다. 구체적으로는, 특정된 각 입자의 면적을 구한다. 구한 면적과 동일한 면적의 원에서의 직경을, 당해 입자의 원 상당 직경(㎛)으로 한다.
상술한 바와 같이, Bi는 중원소이기 때문에, 반사 전자 상에 있어서 고휘도로 관찰된다. 그 때문에, 상기 SEM 관찰에 의해 얻어진 반사 전자 상 중에서 관찰되는 입자 중, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 입자이며, 또한 주위보다도 고휘도로 관찰되는 입자를, 미세 Bi 입자라고 특정한다. 또한, SEM 관찰에 의해 얻어진 반사 전자 상에서 관찰되는 입자 중, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 입자이며, 또한, 주위보다도 고휘도로 관찰되는 입자를, 조대 Bi 입자라고 특정한다.
또한, 후술하는 실시예에 있어서, 상기 방법에 의해 특정된 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 화학 조성을, SEM에 구비된 에너지 분산형 X선 분석 장치(EDX: Energy Dispersive X-ray spectroscopy)를 사용하여 분석한 결과, 모두 Bi 입자인 것을 확인할 수 있었다. 또한, 확인했을 때의 EDX의 빔 직경은 0.1 내지 1.0㎛였다.
상기의 방법으로 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자를 특정한다. 각 시야에서 특정된 미세 Bi 입자의 총 개수와, 20시야의 총 면적(0.24mm2)에 기초하여, 미세 Bi 입자의 단위 면적당의 개수(개/mm2)를 구한다. 또한, 각 시야에서 특정된 조대 Bi 입자의 총 개수와, 20시야의 총 면적(0.24mm2)에 기초하여, 조대 Bi 입자의 단위 면적당의 개수(개/mm2)를 구한다.
[본 실시 형태의 강재의 효과]
이상과 같이, 본 실시 형태의 강재는 특징 1 내지 특징 4를 충족시킨다. 그 때문에, 본 실시 형태의 강재에는, 피삭성이 우수하고, 열간 가공 시의 균열 및 고주파 ??칭 시의 용융 균열을 억제할 수 있어, 기계 구조용 부품으로 한 경우에 우수한 피로 강도를 갖는다. 이하, 이들 효과에 대하여 설명한다.
[본 실시 형태의 강재의 바람직한 용도]
본 실시 형태의 강재는, 예를 들어, 기계 구조용 부품의 소재로서 널리 적용 가능하다. 본 실시 형태의 강재는 특히, 기계 구조용 부품의 제조 공정에 있어서, 고주파 ??칭을 실시하는 경우에 적합하다. 단, 고주파 ??칭을 실시하지 않는 경우에도, 본 실시 형태의 강재는, 기계 구조용 부품의 소재로서 적용 가능하다.
[제조 방법]
본 실시 형태의 강재 제조 방법의 일례는 다음과 같다. 본 실시 형태의 강재의 제조 방법은, 정련 공정과, 주조 공정과, 열간 가공 공정을 구비한다. 열간 가공 공정은 임의의 공정이며, 실시하지 않아도 된다. 이하, 각 공정에 대하여 설명한다.
본 실시 형태의 강재의 제조 방법의 일례는, 다음 공정을 포함한다. 또한, 공정 3은 임의의 공정이며, 실시하지 않아도 된다.
(공정 1) 정련 공정
(공정 2) 주조 공정
(공정 3) 열간 가공 공정
이하, 각 공정에 대하여 설명한다.
[(공정 1) 정련 공정]
정련 공정에서는, 상술한 특징 1 및 특징 2를 충족시키는 화학 조성을 갖는 용강을 제조한다. 정련 공정은, 1차 정련 공정과 2차 정련 공정을 포함한다.
1차 정련 공정에서는, 주지의 방법으로 제조된 용선에 대하여 전로에서의 정련을 실시한다. 2차 정련 공정에서는, 용강에 대하여 합금 원소를 첨가하여, 용강의 화학 조성이, 특징 1 및 특징 2를 충족시키도록 한다. 구체적으로는, 2차 정련 공정에서는, 주지의 정련 방법으로 용강을 교반하면서, Bi 이외의 용강의 성분 조정을 실시한다. 그 후, 용강을 교반하면서, 와이어에 의해 용강에 Bi를 첨가하여, Bi의 성분 조정을 행한다.
2차 정련 공정에서는, 다음 조건을 충족시킨다.
(조건)
용강에 Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간 T를 15분 초과 내지 60분 미만으로 한다.
2차 정련 공정에 있어서, Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간은, 15분 초과 내지 60분 미만이다.
Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간이 15분 이하인 경우, 용강 중에 Bi가 충분히 확산되지 않는다. 이 경우, 강재 중에 조대 Bi 입자가 과도하게 많이 생성된다.
Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간이 60분 이상인 경우, 미세 Bi 입자끼리가 응집하기 쉬워진다. 그 때문에, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 감소한다.
2차 정련 공정에서, Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간이 15분 초과이면, 용강 중에서 Bi가 충분히 확산된다. 그 때문에, 강재 중에 미세 Bi 입자가 충분히 생성된다. 또한, 2차 정련 공정에서, Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간이 60분 미만이면, 미세 Bi 입자끼리의 응집을 충분히 억제할 수 있다. 그 때문에, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80개/mm2 이상이 되고, 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하로 된다.
용강에 Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간의 바람직한 상한은 50분이며, 더욱 바람직하게는 40분이다. Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간의 바람직한 하한은 20분이며, 더욱 바람직하게는 30분이다.
또한, Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 용강의 온도는 1510 내지 1560℃이다.
[(공정 2) 주조 공정]
주조 공정에서는, 용강을 사용하여, 주지의 주조 방법에 의해 주편(슬래브 또는 블룸) 또는 강괴(잉곳)를 제조한다. 주조 방법은 예를 들어, 연속 주조법이나 조괴법이다.
[(공정 3) 열간 가공 공정]
열간 가공 공정은, 임의의 공정이다. 즉, 열간 가공 공정은 실시해도 되고, 실시하지 않아도 된다.
열간 가공 공정을 실시하는 경우, 열간 가공 공정에서는, 상기 주조 공정에서 제조된 주편 또는 강괴에 대하여 열간 가공을 실시하여, 본 실시 형태의 강재를 제조한다. 본 실시 형태의 강재는 예를 들어, 봉강이다. 열간 가공 공정은 예를 들어, 열간 압연이어도 되고, 열간 단조여도 된다.
열간 가공 공정에 있어서 열간 압연을 실시한 경우, 예를 들어, 조압연 공정만이어도 되고, 조압연 공정과, 마무리 압연 공정을 실시해도 된다. 조압연 공정은 예를 들어, 분괴 압연이다. 마무리 압연 공정은 예를 들어, 연속 압연기를 사용한 마무리 압연이다. 연속 압연기에서는 예를 들어, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 교호로 일렬로 배열된다. 조압연 공정 및 마무리 압연 공정에서의 가열 온도는 예를 들어, 1000 내지 1300℃이다.
이상의 제조 공정에 의해, 본 실시 형태의 강재가 제조된다. 상술한 바와 같이, 본 제조 방법은 열간 가공 공정을 생략해도 된다. 즉, 본 실시 형태의 강재는, 주조품(주편 또는 잉곳)이어도 된다. 또한, 본 실시 형태의 강재는, 열간 가공 공정을 실시하여 제조되어도 된다.
[기계 구조용 부품의 제조 방법]
상술한 바와 같이, 본 실시 형태의 강재는, 기계 구조용 부품의 소재가 된다. 기계 구조용 부품은 예를 들어, 자동차 용도의 부품이다. 기계 구조용 부품은 예를 들어, 서스펜션 부품, 차축, 크랭크 샤프트 등이다.
본 실시 형태의 강재를 소재로 하여 사용한 기계 구조용 부품은, 예를 들어 다음의 주지의 제조 방법에 의해 제조된다.
처음에, 본 실시 형태의 강재를 열간 가공하여, 기계 구조용 부품의 조 형상의 중간품을 제조한다. 열간 가공은 예를 들어, 열간 단조이다. 제조된 중간품을 기계 가공에 의해 소정의 형상으로 절삭한다. 절삭 후의 중간품에 대하여 고주파 ??칭 및 템퍼링을 실시한다. 이상의 공정에 의해, 기계 구조용 부품이 제조된다.
본 실시 형태의 강재에서는, 화학 조성 중의 각 원소 함유량이 본 실시 형태의 범위 내이며, 또한 식 (1)을 충족시킨다. 또한, 원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이며, 원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하이다. 즉, 본 실시 형태의 강재는 특징 1 내지 특징 4를 충족시킨다. 그 때문에, 본 실시 형태의 강재에서는, 우수한 피삭성이 얻어진다. 또한, 본 실시 형태의 강재를 소재로 하여 제조된 기계 구조용 부품에서는 우수한 피로 강도가 얻어진다. 또한, 강재의 제조 공정 중 또는 기계 구조용 부품의 제조 공정 중에서의 열간 가공 균열이 억제된다. 또한, 본 실시 형태의 강재를 소재로 한 기계 구조용 부품을 제조하는 경우, 고주파 ??칭을 실시해도, 용융 균열이 억제된다.
실시예
실시예에 의해 본 실시 형태의 강재의 효과를 더욱 구체적으로 설명한다. 이하의 실시예에서의 조건은, 본 실시 형태의 강재의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위하여 채용한 일 조건예이다. 따라서, 본 실시 형태의 강재는 이 일 조건예에 한정되지 않는다.
표 1 내지 표 4의 화학 조성을 갖는 강재를, 이하의 제조 공정에서 제조하였다. 또한, 어느 시험 번호에 있어서도, O(산소) 함유량은 질량％로 0.0050％ 이하였다. 또한, Ta 및 Zn의 합계 함유량은, 질량％로 0 내지 0.01％였다. 또한, Pb 함유량은, 질량％로 0.09％ 이하였다.
표 1 내지 표 4 중의 「-」 부분은, 대응하는 원소 함유량이, 실시 형태에 규정된 유효 숫자(최소 자릿수까지의 수치)에 있어서, 0％인 것을 의미한다. 바꾸어 말하면, 대응하는 원소 함유량에 있어서, 상술한 실시 형태에서 규정된 유효 숫자(최소 자릿수까지의 수치)에서의 끝수를 반올림한 경우에 0％인 것을 의미한다.
예를 들어, 본 실시 형태에서 규정된 Mo 함유량은 소수 둘째 자리까지의 수치로 규정되어 있다. 따라서, 표 2 중의 시험 번호 1에서는, 측정된 Mo 함유량이, 소수 셋째 자리에서 반올림한 경우에, 0％였던 것을 의미한다.
또한, 본 실시 형태에서 규정된 Mg 함유량은 소수 넷째 자리까지의 수치로 규정되어 있다. 따라서, 표 1 중의 시험 번호 1에서는, 측정된 Mg 함유량이, 소수 다섯째 자리에서 반올림한 경우에, 0％였던 것을 의미한다.
또한, 반올림이란, 규정된 최소 자릿수의 아래 자릿수(끝수)가 5 미만이면 버리고, 5 이상이면 올리는 것을 의미한다.
용강을 사용하고, 70톤 전로를 사용하여, 정련 공정(1차 정련 공정 및 2차 정련 공정)을 실시하였다. 1차 정련 공정에서는, 주지의 방법으로 제조된 용선에 대하여 전로에서의 정련을 실시하였다. 2차 정련 공정에서는, 합금 원소를 첨가하여, 용강의 화학 조성이, 본 실시 형태의 강재의 화학 조성을 갖는 용강을 제조하였다. 구체적으로는, 주지의 방법으로 2차 정련을 실시하여, 용강을 교반하면서, Bi 이외의 용강의 성분 조정을 실시하였다. 그 후, 용강을 교반하면서, 와이어로 Bi를 첨가하여, Bi의 성분 조정을 행하였다. 2차 정련 공정에서의 Bi를 첨가한 후, 2차 정련 공정에서의 교반 종료까지의 시간 T(분)는 표 5 및 표 6에 나타내는 바와 같았다. 또한, Bi를 첨가한 후, 교반 종료까지의 용강 온도는 1510 내지 1560℃였다. 연속 주조법에 의해 300mm×400mm의 횡단면을 갖는 주편(블룸)을 제조하였다.
제조한 주편을 가열한 후, 주편을 분괴 압연하여, 횡단면이 180mm×180mm인 빌릿을 제조하였다. 빌릿을 1250℃로 가열한 후, 열간 단조하여, 표 1의 화학 조성을 갖는 직경 80mm의 강재(봉강)를 제조하였다.
[모의 기계 구조용 부품의 중간품의 제조]
강재를 소재로 한 기계 구조용 부품의 제조 공정에 있어서의 열간 단조를 모의하는 열처리를 실시하였다. 구체적으로는, 강재를 1100℃로 가열하여 30분 유지하였다. 그 후, 강재를 대기 중에서 방랭하고, 모의 기계 구조용 부품의 중간품을 제조하였다. 각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품은, 직경 80mm의 강재(봉강)였다.
[평가 시험]
각 시험 번호의 강재 및 각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품에 대하여 다음의 평가 시험을 실시하였다.
(시험 1) 열간 가공 균열 평가 시험
(시험 2) 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도 측정
(시험 3) 용융 균열 평가 시험
(시험 4) 피삭성 시험(드릴 수명 시험)
(시험 5) 피로 강도 평가 시험(회전 굽힘 피로 시험)
이하, 시험 1 내지 시험 5에 대하여 설명한다.
[(시험 1) 열간 가공 균열 평가 시험]
제조된 강재의 표면을 눈으로 보아 관찰하였다. 눈으로 본 관찰의 결과, 강재의 표면에 있어서 강재의 축방향(압연 방향)으로 1m당 3군데 이상의 명확한 균열이 관찰되지 않은 경우, 열간 가공 균열이 충분히 억제되었다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「열간 가공 균열」란에 「E」(Excellent)로 표기).
한편, 눈으로 본 관찰의 결과, 강재의 표면에 있어서 강재의 축방향(압연 방향)으로 1m당 3군데 이상의 명확한 균열이 관찰된 경우, 열간 가공 균열이 충분히 억제되지 않았다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「열간 가공 균열」란에 「NA」(Not Accepted)로 표기).
또한, 열간 가공 균열 평가 시험에서 열간 가공 균열이 충분히 억제되지 않은 경우, 시험 3 내지 시험 5를 실시하지 않았다(표 5 및 표 6의 「용융 균열」란, 「피삭성」란, 및 「피로 강도」란에 「-」로 표기).
[(시험 2) 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도 측정]
상술한 [미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도의 측정 방법]에 기재된 방법에 기초하여, 각 시험 번호의 강재의 미세 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2), 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2)를 구하였다. 또한, 열간 단조를 모의한 열처리를 실시하기 전의 강재(봉강)로부터 시험편을 채취하였다. 얻어진 미세 Bi 입자의 개수 밀도의 결과를 표 5 및 표 6의 「미세 Bi 입자 개수 밀도(개/mm2)」란에 나타낸다. 얻어진 조대 Bi 입자의 개수 밀도의 결과를 표 5 및 표 6의 「조대 Bi 입자 개수 밀도(개/mm2)」란에 나타낸다.
또한, 모의 기계 구조용 부품의 중간품은, 직경 80mm의 강재에 대하여 열간 단조를 모의하는 열처리를 실시하고 있다. 열간 단조를 모의하는 1100℃의 열처리를 실시하는 것만으로는, 강재 중의 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도에는 영향을 미치지 않는다. 그 때문에, 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도는, 직경 80mm의 강재의 미세 Bi 입자 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도와 실질적으로 동일하다. 실제로, 상술한 [조대 Bi 입자 및 미세 Bi 입자의 개수 밀도의 측정 방법]에 기재된 방법에 기초하여, 각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 미세 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2), 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2)를 구하였다. 그 결과, 각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 미세 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2), 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2)는, 대응하는 시험 번호의 강재의 미세 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2), 및 조대 Bi 입자의 개수 밀도(개/mm2)와 대략 동일하였다.
[(시험 3) 용융 균열 평가 시험]
각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 축방향(압연 방향)에 대하여 수직인 단면의 R/2부를 포함하는, 폭 10mm, 두께 3mm, 길이 10mm의 시험편을 채취하였다. 시험편의 길이 방향은, 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 축방향(압연 방향)과 평행하였다. 또한, 시험편의 길이 방향에 평행한 중심축이, R/2부와 일치하였다.
후지 덴파 고키 가부시키가이샤제의 열 사이클 시험 장치를 사용하여, 시험편에 대하여 고주파 ??칭의 모의 시험을 실시하였다. 구체적으로는, 고주파 코일을 사용하여 시험편을 100℃/초의 승온 속도로 1370℃까지 가열하였다. 그리고 시험편을 1370℃로 15초간 유지하였다. 그 후, 시험편을 수냉하였다.
수냉 후의 시험편의 길이 방향에 대하여 수직인 단면(관찰면)을 기계 연마하였다. 기계 연마 후의 관찰면을 피크랄 시약으로 부식시켰다. 부식된 관찰면 중, R/2부에 상당하는 시야를, 400배의 광학 현미경으로 관찰하였다. 관찰한 시야에 있어서, 용융 균열의 유무를 눈으로 보아 확인하였다. 시야의 면적은, 250㎛×400㎛였다.
관찰한 시야 중의 조직의 입계에 있어서, 5㎛ 이상의 폭으로 부식되어 있는 영역(부식 영역)이 1군데라도 관찰되는 경우, 용융 균열이 충분히 억제되지 않았다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「용융 균열」란에 「E」로 표기). 입계에 있어서 5㎛ 이상의 폭의 부식 영역이란, 예를 들어, 도 1에 도시하는 대로, 시야 중의 입계(GB)에 있어서의 부식 영역(10)과 같은, 최대의 폭이 5㎛ 이상이 되는 영역을 의미한다. 한편, 도 2와 같이, 입계(GB)에 부식 영역이 관찰되지 않는 경우, 용융 균열이 충분히 억제되었다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「용융 균열」란에 「NA」로 표기).
[(시험 4) 피삭성 평가 시험(드릴 수명 시험)]
각 시험 번호의 모의 기계 구조용 부품의 중간품으로부터 피삭성 평가용 시험편을 채취하였다. 구체적으로는, 직경 80mm의 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 길이 방향에 대하여 수직인 단면 중, 강재의 외표면으로부터 21mm의 깊이 위치의 개소에 대하여 드릴 천공을 실시하였다. 가부시키가이샤 후지코시제 형식 번호 SD3.0의 드릴을 사용하고, 1회전당 이송량을 0.25mm/rev로 하였다. 또한, 1 구멍의 천공 깊이를 9mm로 하였다. 천공 중, 천공 개소에 대하여 윤활제로서 수용성의 절삭유를 계속해서 공급하였다.
상기 조건에서 드릴 천공을 행하여, 강재의 피삭성을 평가하였다. 평가 지표로서, 최대 절삭 속도 VL1000(m/분)을 사용하였다. 최대 절삭 속도 VL1000이란, 1000mm 길이의 천공이 가능한 드릴의 최속의 절삭 속도를 의미한다.
최대 절삭 속도 VL1000이 15m/분 이상인 경우, 우수한 피삭성이 얻어졌다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「피삭성」란에 「E」로 표기). 한편, 최대 절삭 속도 VL1000이 15m/분 미만인 경우, 우수한 피삭성이 얻어지지 않았다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「피삭성」란에 「NA」로 표기).
[(시험 5) 피로 강도 평가 시험(회전 굽힘 피로 시험)]
제조된 모의 기계 구조용 부품의 중간품으로부터, 회전 굽힘 피로 시험편을 채취하였다. 도 3은 각 모의 기계 구조용 부품의 중간품으로부터 채취한 회전 굽힘 피로 시험편의 측면도이다. 도 3 중의 「φ」의 수치는, 그 부위에서의 직경(mm)을 의미한다.
회전 굽힘 피로 시험편은, 평행부의 직경이 8mm, 파지부의 직경이 12mm였다. 구체적으로는, 선반 가공에 의해, 모의 기계 구조용 부품의 중간품의 표면으로부터 3.5mm의 깊이까지 절삭하여, 평행부를 제작하였다. 따라서, 평행부의 표면은, 적어도, 봉강의 표면으로부터 깊이 5mm의 범위 내에 상당하였다. 또한, 회전 굽힘 피로 시험편의 평행부의 길이 방향은 모의 기계 구조용 부품의 길이 방향과 평행하였다. 상술한 회전 굽힘 피로 시험편은, 강재를 사용한 기계 구조용 부품의 제조 공정에 있어서, 열간 가공 후의 중간품에 대하여 절삭 가공을 실시한 후의 중간품을 상정하였다. 채취한 회전 굽힘 피로 시험편의 평행부에 마무리 연마를 실시하여, 표면 조도를 조정하였다. 구체적으로는, 표면의 중심선 평균 조도(Ra)를 3.0㎛ 이내로 하고, 최대 높이(Rmax)를 9.0㎛ 이내로 하였다.
또한, 고주파 ??칭 전의 모의 기계 구조용 부품의 중간품으로부터 채취한 회전 굽힘 피로 시험편을 사용한 시험에 의해, 피로 강도가 충분히 높으면, 고주파 ??칭을 실시한 후의 기계 구조용 부품에 있어서도 우수한 피로 강도가 얻어지는 것은, 당업자에게도 주지의 기술 상식이다. 그래서 상술한 회전 굽힘 피로 시험편을 사용하여, 실온(23℃), 대기 분위기에서, 회전수 3600rpm의 등진동의 조건에서 오노식 회전 굽힘 피로 시험을 행하였다. 복수의 시험편에 대하여 가하는 응력을 바꾸어서 피로 시험을 실시하고, 107사이클 후에 파단되지 않은 가장 높은 응력을, 피로 강도(MPa)로 하였다.
얻어진 피로 강도가 550MPa 이상인 경우, 우수한 피로 강도가 얻어졌다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「피로 강도」란에 「E」로 표기).
피로 강도가 550MPa 미만인 경우, 우수한 피로 강도가 얻어지지 않았다고 판단했다(표 5 및 표 6 중의 「피로 강도」란에 「NA」로 표기).
[평가 결과]
표 1 내지 표 6을 참조하여, 시험 번호 1 내지 43의 강재는, 특징 1 내지 특징 4를 충족시켰다. 그 때문에, 열간 가공 균열이 충분히 억제되고, 용융 균열이 충분히 억제되었다. 또한, 피삭성 평가 시험에 있어서, 최대 절삭 속도 VL1000이 15m/분 이상으로, 우수한 피삭성이 얻어졌다. 또한, 피로 강도 평가 시험에 있어서, 피로 강도는 550MPa 이상으로, 우수한 피로 강도가 얻어졌다.
한편, 시험 번호 44에서는, C 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 45에서는, C 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 46에서는, Si 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 47에서는, Mn 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다.
시험 번호 48에서는, Mn 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 49에서는, P 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 50에서는, S 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 51에서는, S 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다.
시험 번호 52에서는, Cr 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다.
시험 번호 53에서는, V 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다.
시험 번호 54에서는, Bi 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2를 초과하였다. 그 때문에, 열간 가공 균열이 발생하였다.
시험 번호 55에서는, Bi 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다. 또한, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80개/mm2 미만이었다. 그 결과, 용융 균열이 발생하였다.
시험 번호 56에서는, N 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 열간 가공 균열이 발생하였다.
시험 번호 57에서는, N 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 58 및 59에서는, fn1의 값이 너무 높았다. 즉, fn1이 식 (1)을 충족시키지 않았다. 그 때문에, 강재의 피삭성이 낮았다.
시험 번호 60 및 61에서는, fn1의 값이 너무 낮았다. 즉, fn1이 식 (1)을 충족시키지 않았다. 그 때문에, 피로 강도가 낮았다.
시험 번호 62 내지 64에서는, 정련 공정에 있어서, Bi 첨가 후 교반 종료까지의 시간 T(분)가 너무 짧았다. 그 때문에, 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2를 초과하였다. 그 때문에, 열간 가공 균열이 발생하였다.
시험 번호 65 및 66에서는, 정련 공정에 있어서, Bi 첨가 후 교반 종료까지의 시간 T(분)가 너무 길었다. 그 때문에, 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80개/mm2 미만이고, 용융 균열이 발생하였다.
이상, 본 개시의 실시 형태를 설명하였다. 그러나 상술한 실시 형태는 본 개시를 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 개시는 상술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
Claims (2)
- 강재이며,
화학 조성이, 질량％로,
C: 0.20 내지 0.50％,
Si: 0.01 내지 0.80％,
Mn: 0.50 내지 2.00％,
P: 0.030％ 이하,
S: 0.010 내지 0.095％,
Cr: 0.01 내지 1.30％,
V: 0.200 초과 내지 0.300％,
Bi: 0.0051 내지 0.1500％,
N: 0.0030 내지 0.0200％를 함유하고,
잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고,
식 (1)을 충족시키고,
상기 강재 중에 있어서,
원 상당 직경이 0.1 내지 1.0㎛인 미세 Bi 입자의 개수 밀도가 80 내지 8000개/mm2이고,
원 상당 직경이 10.0㎛ 이상인 조대 Bi 입자의 개수 밀도가 10개/mm2 이하인,
강재.
여기서, 식 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량이 질량％로 대입된다. - 제1항에 있어서,
상기 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에,
Al: 0.060％ 이하,
Mg: 0.0100％ 이하,
Ti: 0.0200％ 이하,
Nb: 0.0200％ 이하,
W: 0.4000％ 이하,
Zr: 0.2000％ 이하,
Ca: 0.0030％ 이하,
Te: 0.0100％ 이하,
B: 0.0050％ 이하,
Sn: 0.0100％ 이하,
희토류 원소: 0.0070％ 이하,
Co: 0.0100％ 이하,
Se: 0.0100％ 이하,
Sb: 0.0100％ 이하,
In: 0.0100％ 이하,
Mo: 0.20％ 이하,
Cu: 0.20％ 이하, 및
Ni: 0.20％ 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는,
강재.
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