KR20240045214A - 스프링용 강선 - Google Patents

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KR20240045214A
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히로무 이즈미다
테츠야 나카지마
히로토 곤타니
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

스프링용 강선은, 선상(線狀)의 형상을 갖는 강제의 본체부와, 본체부의 외주면을 덮는 산화층을 구비한다. 본체부를 구성하는 강은, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 C와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 Si와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 Mn과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 Cr과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 V를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 본체부를 구성하는 강의 조직은 템퍼링 마르텐사이트 조직이다. 산화층은, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층을 포함한다. 본체부는, 외주면을 구성하도록 배치되고, 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 두께를 갖는 입계 산화층을 포함한다.

Description

스프링용 강선
본 개시는, 스프링용 강선(steel wire for springs)에 관한 것이다.
본 출원은, 2021년 8월 5일 출원의 일본 출원 제2021-128969호에 기초하는 우선권을 주장하고, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
스프링으로의 가공성의 향상이 도모된 여러 가지의 오일 템퍼선(oil quenched and tempered wires)(스프링용 강선)이 알려져 있다(예를 들면, 일본공개특허공보 2004-115859호(특허문헌 1), 일본공개특허공보 2018-12868호(특허문헌 2) 및 일본공개특허공보 2017-115228호(특허문헌 3) 참조). 또한, 스프링의 피로 강도의 향상이 도모된 오일 템퍼선이 알려져 있다(예를 들면, 일본공개특허공보 2004-315968호(특허문헌 4), 일본공개특허공보 2006-183136호(특허문헌 5), 일본공개특허공보 2008-266725호(특허문헌 6), 국제공개 제2013/024876호(특허문헌 7), 일본공개특허공보 2012-077367호(특허문헌 8) 및 국제공개 제2015/115574호(특허문헌 9) 참조).
일본공개특허공보 2004-115859호 일본공개특허공보 2018-12868호 일본공개특허공보 2017-115228호 일본공개특허공보 2004-315968호 일본공개특허공보 2006-183136호 일본공개특허공보 2008-266725호 국제공개 제2013/024876호 일본공개특허공보 2012-077367호 국제공개 제2015/115574호
본 개시에 따른 스프링용 강선은, 선상(線狀)의 형상(line shape)을 갖는 강제의 본체부와, 본체부의 외주면을 덮는 산화층을 구비한다. 본체부를 구성하는 강은, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 C(탄소)와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 Si(규소)와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 Mn(망간)과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 Cr(크롬)과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 V(바나듐)를 함유하고, 잔부가 Fe(철) 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 본체부를 구성하는 강의 조직은 템퍼링 마르텐사이트 조직이다. 산화층은, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층을 포함한다. 본체부는, 외주면을 구성하도록 배치되고, 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 두께를 갖는 입계 산화층(intergranular oxidized layer)을 포함한다.
도 1은, 스프링용 강선의 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 스프링용 강선의 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은, 스프링용 강선의 본체부와 산화층의 경계 부근의 구조를 나타내는 개략 단면도이다.
도 4는, 스프링용 강선의 제조 방법의 개략을 나타내는 플로우차트이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
특허문헌 1∼3에 있어서도 개시되어 있는 바와 같이, 스프링용 강선에 있어서는, 스프링으로의 가공성의 향상을 목적으로 하여, 표면에 산화층이 형성되는 경우가 있다. 또한, 특허문헌 4∼9에도 개시되어 있는 바와 같이, 스프링의 피로 강도를 향상시키는 것이 가능한 스프링용 강선이 요구되고 있다. 스프링의 피로 강도를 향상시키는 방책의 하나로서, 질화 처리가 실시되는 경우가 있다.
그러나, 본 발명자들의 검토에 의하면, 스프링으로의 가공성의 향상을 목적으로 하여 표면에 산화층을 형성하면, 질화 처리를 실시한 경우에도 스프링의 피로 강도가 충분히 상승하지 않는 경향이 보인다. 그래서, 스프링으로의 가공성의 향상과 스프링의 피로 강도의 향상을 양립하는 것이 가능한 스프링용 강선을 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
상기 스프링용 강선에 의하면, 스프링으로의 가공성의 향상과 스프링의 피로 강도의 향상을 양립할 수 있다.
[본 개시의 실시 형태의 설명]
맨 처음에 본 개시의 실시 태양을 열기하여 설명한다. 본 개시의 스프링용 강선은, 선상의 형상을 갖는 강제(鋼製)의 본체부와, 본체부의 외주면을 덮는 산화층을 구비한다. 본체부를 구성하는 강은, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 C와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 Si와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 Mn과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 Cr과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 V를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 본체부를 구성하는 강의 조직은 템퍼링 마르텐사이트 조직이다. 산화층은, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층을 포함한다. 본체부는, 외주면을 구성하도록 배치되고, 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 두께를 갖는 입계 산화층을 포함한다.
본 발명자들은, 스프링으로의 가공성의 향상을 목적으로 하여 표면에 산화층을 형성하면, 질화 처리를 실시한 경우에도 스프링의 피로 강도가 충분히 상승하지 않는 원인에 대해서 검토했다. 그 결과, Si의 확산이 질화의 진행에 영향을 주고 있는 것을 발견하여, 본 발명에 생각이 이르렀다.
구체적으로는, 스프링용 강선의 표면을 산화하면, 스프링용 강선의 표면에는 Fe의 산화물로 구성되는 산화층이 형성된다. 이 때, 스프링용 강선을 구성하는 강에 포함되는 Si나 Cr은, Fe와 마찬가지로 산소와의 친화성이 높기는 하지만, Fe보다도 확산 속도가 작기 때문에, 산화층까지 도달할 수 없어, 본체부의 외주면 부근에 잔존한다. 그 결과, 본체부의 외주면 부근에는 Si 및 Cr의 농도가 높은 층이 형성된다. Si 및 Cr은, N(질소)과도 친화성이 높다. 그 때문에, 스프링용 강선이 스프링의 형상으로 가공된 후, 산화층이 제거되고, 추가로 질화 처리가 실시되면, 표면으로부터 침입한 N이 Si 및 Cr과 화합물을 형성함으로써 표면 부근에 있어서 포착되어, 내부로 침입하는 것이 저해된다. 그 결과, 피로 강도의 향상에 기여하는 질화층의 두께가 작아져, 피로 강도가 충분히 향상하지 않는다.
한편, 산화층 형성 시의 산화를 추가로 진행시키면, 본체부의 외주면 부근의 Si가 산화층으로 확산하고, 산화층 내에 고Si 농도층이 형성되어 본체부의 외주면 부근의 Si가 저감됨과 함께, 본체부에는 본체부의 외주면을 구성하도록 입계 산화층이 형성된다. 입계 산화층은, 다른 부분에 비해 원소의 확산이 빠른 구(prior)오스테나이트 결정립의 입계를 따라 산소가 침입한 층이다. 본 발명자들의 검토에 의하면, 산화층이, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층을 포함하고, 또한 입계 산화층의 두께가 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하가 되는 정도로 산화를 진행시킴으로써, 표면 부근에 있어서 N을 포착하는 Si가 산화층으로 확산함으로써 표면 부근에 있어서 충분히 저감된다. 그 결과, 질화 처리에 있어서 형성되는 질화층의 두께가 커짐으로써, 스프링의 피로 강도가 향상한다. 산화층에 있어서의 Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 미만인 경우나 입계 산화층의 두께가 0.5㎛ 미만인 경우, Si의 산화층으로의 확산이 불충분해져, 질화층의 두께가 충분히 커지지 않는다. 산화층에 있어서의 Si의 최대 농도가 본체부의 5.5배를 초과하는 경우나 입계 산화층의 두께가 2.5㎛를 초과하는 경우, 본체부의 경도의 상승에 기여하는 Cr이나 V 등이 산화층으로 확산함으로써 본체부의 경도가 저하하여, 스프링의 피로 강도가 저하한다.
본 개시의 스프링용 강선에 있어서는, 본체부를 구성하는 강의 각 구성 원소의 함유량이 적절히 설정되고, 또한 본체부를 구성하는 강이 템퍼링 마르텐사이트 조직을 갖는다. 또한, 본체부는, 스프링으로의 가공성의 향상에 기여하는 산화층으로 덮여 있다. 그리고, 산화층이, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층을 포함하고, 또한 입계 산화층의 두께가 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하가 되는 정도로 산화가 진행되어 있다. 이에 따라, 산화층 형성에 의한 스프링으로의 가공성의 향상을 달성하면서, Si에 의한 질화층의 형성의 저해를 억제하여, 스프링의 피로 강도의 향상을 달성할 수 있다. 이와 같이, 본 개시의 스프링용 강선에 의하면, 스프링으로의 가공성의 향상과 스프링의 피로 강도의 향상을 양립할 수 있다.
본체부를 구성하는 강의 성분 조성을 상기 범위로 해야 하는 이유에 대해서, 이하에 설명한다.
탄소(C): 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하
C는, 템퍼링 마르텐사이트 조직을 갖는 강의 강도에 큰 영향을 주는 원소이다. 스프링용 강선으로서 충분한 강도를 얻는 관점에서, C 함유량은 0.6질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, C 함유량이 많아지면 인성이 저하하여, 가공이 곤란해질 우려가 있다. 충분한 인성을 확보하는 관점에서, C 함유량은 0.7질량％ 이하로 할 필요가 있다.
규소(Si): 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하
Si는, 가열에 의한 연화를 억제하는 성질(연화 저항성(resistance to softening))을 갖는다. 또한, Si는, 스프링으로의 가공 후에 형성되는 질화층 이외의 영역(내부)에 있어서의 강의 경도를 상승시킨다. 스프링용 강선의 스프링으로의 가공 시 및 스프링의 사용 시에 있어서의 가열에 의한 연화를 억제하고, 또한 강의 경도를 상승시킴으로써 스프링의 피로 강도를 상승시키는 관점에서, Si 함유량은 1.7질량％ 이상으로 할 필요가 있고, 1.8질량％ 이상으로 해도 좋다. 한편, Si는 과도하게 첨가하면 인성을 저하시킨다. 충분한 인성을 확보하는 관점에서, Si 함유량은 2.5질량％ 이하로 할 필요가 있다. 인성을 중시하는 관점에서는, Si 함유량은 2.0질량％ 이하로 해도 좋다.
망간(Mn): 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하
Mn은, 강의 정련에 있어서 탈산제로서 첨가되는 원소이다. 탈산제로서의 기능을 다하기 위해, Mn의 함유량은 0.2질량％ 이상으로 할 필요가 있고, 0.3질량％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, Mn은 과도하게 첨가하면, 인성을 저하시킨다. 그 때문에, Mn 함유량은 1질량％ 이하로 할 필요가 있고, 0.5질량％ 이하로 해도 좋다.
크롬(Cr): 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하
Cr은, 강의 퀀칭성(hardenability)을 향상시키는 효과를 갖는다. 또한, Cr은, 강 중에 있어서 탄화물 생성 원소로서 기능하고, 미세한 탄화물의 생성에 의한 금속 조직의 미세화나 가열 시의 연화 억제에 기여한다. 이러한 효과를 확실히 발휘시키는 관점에서, Cr은 0.6질량％ 이상 첨가될 필요가 있고, 1.7질량％ 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 한편, Cr의 과도한 첨가는 인성 저하의 원인이 된다. 그 때문에, Cr의 첨가량은 2질량％ 이하로 할 필요가 있고, 1.9질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다.
바나듐(V): 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하
V도, 강 중에 있어서 탄화물 생성 원소로서 기능하고, 미세한 탄화물의 생성에 의한 금속 조직의 미세화나 가열 시의 연화 억제에 기여한다. V의 탄화물은 고용 온도가 높기 때문에, 강의 퀀칭 템퍼링 시에 고용되는 일 없이 존재하고, 금속 조직의 미세화(결정립의 미세화)에 특히 크게 기여한다. 또한, 스프링 가공 후에 실시되는 질화 처리에 의해 V는 질화물이 되고, 반복 응력이 스프링에 부하된 경우의 결정에 있어서의 미끄러짐의 발생을 억제하여, 피로 강도의 향상에 기여할 수 있다. 이러한 효과를 확실히 발휘시키는 관점에서, V는 0.08질량％ 이상 첨가될 필요가 있고, 0.1질량％ 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 한편, V의 과도한 첨가는 인성 저하의 원인이 된다. 그 때문에, V의 첨가량은 0.25질량％ 이하로 할 필요가 있고, 0.2질량％ 이하로 해도 좋다.
불가피적 불순물
스프링용 강선을 구성하는 강의 제조 공정에 있어서, 인(P), 황(S) 등이 불가피적으로 강 중에 혼입된다. 인 및 황은, 과도하게 존재하면 입계 편석을 발생시키거나, 개재물을 생성하거나 하여, 강의 특성을 악화시킨다. 그 때문에, 인 및 황의 함유량은, 각각 0.025질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 오스테나이트 생성 원소인 니켈(Ni), 코발트(Co)는, 퀀칭 시에 잔류 오스테나이트를 생성하는 경향이 있다. 잔류 오스테나이트에는 C가 많이 고용될 수 있기 때문에, 마르텐사이트 중의 탄소량이 감소하여, 본체부를 구성하는 강의 경도 저하를 초래할 우려가 있다. 경도의 저하는 피로 강도의 저하로 이어진다. 따라서, Ni 및 Co는 의도적으로는 첨가하지 않고, 불가피적 불순물로서 존재하는 함유량으로 한다. 또한, 탄화물 생성 원소인 티탄(Ti), 니오브(Nb), 몰리브덴(Mo)은, 신선(wire drawing) 전에 실시되는 패턴팅 처리(patenting treatment)에 있어서, 펄라이트 변태에 필요로 하는 시간을 길게 하기 때문에, 강선의 제조 효율의 저하를 초래한다. 따라서, Ti, Ni 및 Mo는 의도적으로는 첨가하지 않고, 불가피적 불순물로서 존재하는 함유량으로 한다. 불가피적 불순물로서의 Ni의 함유량은, 예를 들면 0.1질량％ 이하이다. 불가피적 불순물로서의 Co의 함유량은, 예를 들면 0.1질량％ 이하이다. 불가피적 불순물로서의 Ti의 함유량은, 예를 들면 0.005질량％ 이하이다. 불가피적 불순물로서의 Nb의 함유량은, 예를 들면 0.05질량％ 이하이다. 불가피적 불순물로서의 Mo의 함유량은, 예를 들면 0.05질량％ 이하이다.
여기에서, 산화층에 포함되는 고Si 농도층에 있어서의 Si의 최대 농도는, 예를 들면 EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)를 이용한 선 분석에 의해 측정할 수 있다. 구체적으로는, 우선 스프링용 강선을 길이 방향에 수직인 단면으로 절단한다. 당해 단면의 산화층에 있어서의 Si의 농도에 대해서, 본체부와 산화층의 계면으로부터 산화층측을 향하여 당해 계면에 수직인 방향으로 선 분석을 실시한다. 그리고, 본체부에 있어서의 Si의 농도와의 비를 산출한다. 이를, 예를 들면 3회 반복하고, 그의 평균값을 산출하여, Si의 최대 농도로 할 수 있다. 또한, 입계 산화층의 두께에 대해서는, 상기와 마찬가지의 단면에 있어서의 본체부와 산화층의 계면 부근을 SEM(Scanning Electron Microscope)에 의해 관찰하고, 예를 들면 3시야에 있어서의 입계 산화층의 두께의 최대값을 측정한다. 그리고, 이들의 평균값을 산출하여, 스프링용 강선의 입계 산화층의 두께로 할 수 있다.
상기 스프링용 강선에 있어서, 산화층의 두께는 2㎛ 이상 5㎛ 이하라도 좋다. 산화층의 두께를 2㎛ 이상으로 함으로써, 상기와 같은 고Si 농도층 및 입계 산화층을 포함하는 구조를 달성하는 것이 용이해진다. 산화층의 두께를 5㎛ 이하로 함으로써, 필요 이상의 산화층의 형성에 의한 제조 비용의 상승을 회피할 수 있다.
상기 스프링용 강선에 있어서, 산화층은, 80질량％ 이상의 Fe3O4(사산화삼철)를 포함하고 있어도 좋다. 이 구성에 의해, 스프링으로의 가공성의 향상에 의해 유효한 산화층을 얻을 수 있다.
[본 개시의 실시 형태의 상세]
다음으로, 본 개시의 스프링용 강선의 실시 형태를, 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 도면에 있어서 동일 또는 상당하는 부분에는 동일한 참조 번호를 붙이고 그의 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 스프링용 강선의 구조를 나타내는 개략도이다. 도 2는, 스프링용 강선의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 2는, 스프링용 강선의 길이 방향에 수직인 면에 있어서의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 실시 형태에 있어서의 스프링용 강선(1)은, 선상의 형상을 갖는 강제의 본체부(10)와, 본체부(10)의 외주면(10A)을 덮는 산화층(20)을 구비하고 있다. 산화층(20)의 외주면(20A)이, 스프링용 강선(1)의 외주면이다. 도 2를 참조하여, 스프링용 강선(1)의 직경 φ는, 예를 들면 1.5㎜ 이상 8.0㎜ 이하이다. 산화층(20)의 두께 t는, 예를 들면 2㎛ 이상 5㎛ 이하이다. 산화층(20)은, 80질량％ 이상의 Fe3O4를 포함하고 있다.
본체부(10)를 구성하는 강은, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 C와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 Si와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 Mn과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 Cr과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 V를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어져 있다. 본체부(10)를 구성하는 강의 조직은 템퍼링 마르텐사이트 조직이다. 본 실시 형태에 있어서의 스프링용 강선(1)은, 오일 템퍼선이다.
도 3은, 스프링용 강선의 본체부와 산화층의 경계 부근의 구조를 나타내는 개략 단면도이다. 도 3을 참조하여, 산화층(20)은, Si의 최대 농도가 본체부(10)의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층(21)을 포함하고 있다. 본체부(10)는, 외주면(10A)을 구성하도록 배치되고, 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 두께를 갖는 입계 산화층(11)을 포함하고 있다.
본 실시 형태의 스프링용 강선(1)에 있어서는, 본체부(10)를 구성하는 강의 각 구성 원소의 함유량이 적절히 설정되고, 또한 본체부(10)를 구성하는 강이 템퍼링 마르텐사이트 조직을 갖는다. 또한, 본체부(10)는, 스프링으로의 가공성의 향상에 기여하는 산화층(20)으로 덮여 있다. 그리고, 산화층(20)이, Si의 최대 농도가 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고Si 농도층(21)을 포함하고, 또한 입계 산화층(11)의 두께가 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하가 되는 정도로 산화가 진행되어 있다. 이에 따라, 산화층(20)의 형성에 의한 스프링으로의 가공성의 향상을 달성하면서, Si에 의한 질화층의 형성의 저해를 억제하여, 스프링의 피로 강도의 향상을 달성하는 것이 가능해지고 있다. 이와 같이, 본 실시 형태의 스프링용 강선(1)은, 스프링으로의 가공성의 향상과 스프링의 피로 강도의 향상을 양립하는 것이 가능한 스프링용 강선으로 되어 있다.
다음으로, 스프링용 강선(1)의 제조 방법의 일 예에 대해서, 도 4에 기초하여 설명한다. 도 4는, 본 실시 형태의 스프링용 강선(1)의 제조 방법의 개략을 나타내는 플로우차트이다. 도 4를 참조하여, 본 실시 형태의 스프링용 강선(1)의 제조 방법에 있어서는, 우선 공정 (S10)으로서 선재 준비 공정이 실시된다. 이 공정 (S10)에서는, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 C와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 Si와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 Mn과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 Cr과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 V를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강의 선재가 준비된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 공정 (S20)으로서 패턴팅 공정이 실시된다. 이 공정 (S20)에서는, 공정 (S10)에 있어서 준비된 선재에 대하여 패턴팅이 실시된다. 구체적으로는, 선재가 오스테나이트화 온도(A1점) 이상의 온도역으로 가열된 후, 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms점)보다도 높은 온도역까지 급냉되어, 당해 온도역에서 유지되는 열처리가 실시된다. 이에 따라, 선재의 조직이 라멜라(lamellar) 간격의 작은 미세 펄라이트 조직이 된다. 여기에서, 상기 패턴팅 처리에 있어서, 선재를 A1점 이상의 온도역으로 가열하는 처리는, 탈탄의 발생을 억제하는 관점에서 불활성 가스 분위기 중에서 실시되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 공정 (S30)으로서 표면층 제거 공정이 실시된다. 이 공정 (S30)에서는, 공정 (S20)에 있어서 패턴팅이 실시된 선재의 표면층이 제거된다. 구체적으로는, 예를 들면 상기 선재가 셰이빙 다이스(shaving die) 내를 통과함으로써, 패턴팅에 의해 형성된 표면의 탈탄층 등이 제거된다. 이 공정은 필수의 공정은 아니지만, 이를 실시함으로써 패턴팅에 의해 탈탄층 등이 표면에 생긴 경우에도, 이를 제거할 수 있다.
다음으로, 공정 (S40)으로서 어닐링 공정이 실시된다. 이 공정 (S40)에서는, 공정 (S30)에 있어서 표면층이 제거된 선재에 대하여 어닐링이 실시된다. 어닐링은, 선재를 연화시키기 위해 실시되는 열처리이다. 본 실시 형태에 있어서는, 이에 더하여 산화층(20) 및 입계 산화층(11)의 형성, 그리고 산화층(20) 내의 고Si 농도층(21)에 있어서의 Si의 최대 농도의 조정 및 입계 산화층(11)의 두께의 조정이 이 (S40)에 있어서 실시된다.
공정 (S40)에 있어서는, 선재의 산화를, 본체부(10)의 외주면(10A) 부근에 Si 및 Cr의 농도가 높은 층이 형성되는 상태를 넘어, 고Si 농도층(21) 및 입계 산화층(11)이 형성되는 상태로까지 진행시킬 필요가 있다. 또한, 고Si 농도층(21)에 있어서의 Si의 최고 농도를 본체부(10)의 2.5배 이상 5.5배 이하라는 좁은 범위로 조정하고, 또한 입계 산화층(11)의 두께를 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하라는 좁은 범위로 조정할 필요가 있다. 일반적인 어닐링 공정은, N, Ar(아르곤) 등의 불활성 가스 분위기 중에서 실시된다. 그러나, 상기와 같이 산화층(20) 및 입계 산화층(11)의 형성을 어닐링과 동시에 행하는 관점에서, 공정 (S40)은, 산화성 분위기 중에서 실시된다. 또한, 고Si 농도층(21) 및 입계 산화층(11)이 형성되는 상태로까지 산화를 진행시킴과 함께, 상기와 같이 고Si 농도층(21)에 있어서의 Si의 최고 농도 및 입계 산화층(11)의 두께를 엄밀하게 조정하는 관점에서, 분위기, 온도 및 시간의 선정이 중요하다. 구체적으로는, 분위기에 적절한 산화성을 부여하고, 또한 고온에서의 처리가 적합하다. 예를 들면 불활성 가스에 의도적으로 수증기를 혼입시킨 분위기가 채용되고, 650℃ 이상 700℃ 이하로 1시간 이상 3시간 이하의 시간 유지하는 열처리가 실시된다. 수증기의 농도는, 예를 들면 어닐링 처리를 실시하기 위한 로(furnace)의 용적 1㎥당, 액체 상태의 물로 환산하여 2L 이상 3L 이하의 수증기가 포함되는 농도로 해도 좋다. 로 내의 압력은, 예를 들면 대기압(1기압)으로 할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 있어서는, 제조 공정의 간략화의 관점에서, 공정 (S40)에 있어서 산화층(20)이 형성된다. 그러나, 산화층(20)은, 공정 (S40)과는 다른 독립된 공정으로 형성되어도 좋다. 즉, 공정 (S40)은 어닐링 처리만을 실시하는 관점에서 불활성 가스 분위기 중에서 실시되고, 다른 공정에 있어서 선재가 산화되어도 좋다. 이 경우, 선재의 산화 공정에 있어서, 상기 엄밀한 분위기, 온도 및 시간의 선정이 필요해진다.
다음으로, 공정 (S50)으로서, 쇼트 블래스팅 공정(shot blasting step)이 실시된다. 이 공정 (S50)에서는, 공정 (S40)에 있어서 어닐링 처리가 실시되고, 산화층(20)이 형성된 선재에 대하여 쇼트 블래스팅이 실시된다. 이 공정은 필수의 공정은 아니지만, 이를 실시함으로써, 산화층(20)의 표면에 형성된 깨지기 쉬운 Fe2O3을 제거하여, 산화층(20)에 있어서의 Fe3O4의 비율을 조정할 수 있다.
다음으로, 공정 (S60)으로서 신선 공정이 실시된다. 이 공정 (S60)에서는, 공정 (S50)에 있어서 쇼트 블래스팅이 실시된 선재에 대하여 신선 가공(인발 가공)이 실시된다. 공정 (S60)의 신선 가공에 있어서의 가공도(감면율(reduction of area))는, 적절히 설정할 수 있지만, 예를 들면 50％ 이상 90％ 이하로 할 수 있다. 여기에서, 「감면율」이란, 선재의 길이 방향에 수직인 단면에 관하여, 신선 가공 전의 단면적과 신선 가공 후의 단면적의 차를 신선 가공 전의 단면적으로 나눈 값을 백분율로 표시한 값이다.
다음으로, 공정 (S70)으로서 퀀칭 공정이 실시된다. 이 공정 (S70)에서는, 공정 (S60)에 있어서 신선 가공이 실시된 선재(강선)에 대하여, 강의 A1점 이상의 온도로 가열된 후, Ms점 이하의 온도로 급냉되는 퀀칭 처리가 실시된다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 강선에 대하여 800℃ 이상 1000℃ 이하의 온도로 가열한 후, 기름 중에 침지함으로써 급냉하는 열처리가 실시된다. 이에 따라, 본체부를 구성하는 강의 조직이 마르텐사이트 조직이 된다.
다음으로, 공정 (S80)으로서 템퍼링 공정이 실시된다. 이 공정 (S80)에서는, 공정 (S70)에 있어서 퀀칭 처리가 실시된 강선에 대하여, 강의 A1점 미만의 온도로 가열된 후, 냉각되는 템퍼링 처리가 실시된다. 강선의 가열은, 소정의 온도로 유지된 기름 중에 강선을 침지함으로써 실시된다. 보다 구체적으로는, 예를 들면 강선에 대하여 400℃ 이상 700℃ 이하의 온도로 가열하고, 0.5분간 이상 20분간 이하의 시간 유지한 후 냉각하는 열처리가 실시된다. 이에 따라, 본체부(10)를 구성하는 강의 조직이 템퍼링 마르텐사이트 조직이 된다. 이상의 순서에 따라, 본 실시 형태의 스프링용 강선(1)을 제조할 수 있다.
실시예
본 개시의 스프링용 강선을 제작하여 스프링으로 가공하고, 특성을 평가함으로써 본 개시의 스프링용 강선의 우위성을 확인하는 실험을 행했다. 실험의 순서 및 결과는 이하와 같다.
(1) 스프링용 강선의 제작
이하의 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 직경 φ4㎜의 강선을 준비하고, 상기 실시 형태의 어닐링 공정 (S40)을 실시함으로써 산화층(20)을 형성했다. 어닐링은, 로의 용적 1㎥당, 액체 상태의 물로 환산하여 2.5L의 수증기를 도입한 질소 분위기의 로 내에 있어서 675℃로 강선을 가열하는 조건으로 실시했다. 로 내의 압력은, 대기압(1기압)으로 했다. 675℃에서의 유지 시간을 0.5∼4시간의 범위에서 변화시킴으로써, 산화의 진행도를 변화시켰다. 표 1에 있어서, 수치는 모두 각 성분의 질량 비율(질량％)을 나타내고 있다. Fe 외에, 표 1에 나타난 C, Si, Mn, Cr, V 이외의 원소는 의도적으로는 첨가되어 있지 않고, 잔부는 Fe 및 불가피적 불순물이다.
그 후, 상기 실시 형태의 퀀칭 공정 (S70) 및 템퍼링 공정 (S80)을 모든 강선에 대해서 동일 조건으로 실시하여, 산화층(20)의 두께가 3.0±0.3㎛인 오일 템퍼선(스프링용 강선)의 샘플을 얻었다. 얻어진 샘플에 대해서, 산화층(20)(고Si 농도층(21))에 있어서의 Si의 최대 농도 및 입계 산화층(11)의 두께를 조사했다. Si의 최대 농도는, Carl Zeiss사 제조 SEM(GeminiSEM450)에 부속된 OXFORD사 제조 ULTIM MAX170EDX를 이용한 선 분석에 의해 조사했다. 그리고, 본체부(10)의 외주면(10A)으로부터 깊이 1.5㎛의 위치에 있어서의 Si의 농도를 본체부(10)에 있어서의 Si의 농도로서 측정하고, 당해 농도에 대한 산화층(20)에 있어서의 Si의 최대 농도의 비율을 산출했다. 선 분석은, 각 샘플에 대해서 3개소에서 실시했다. 본체부(10)에 있어서의 Si의 농도 및 산화층(20)에 있어서의 Si의 최대 농도는, 이들 3개소의 평균값으로 평가했다. 또한, 입계 산화층(11)의 두께는, 선 분석을 실시한 3개소에 대응하는 SEM의 3시야 중에 있어서의 최대값으로 평가했다. 결과를 표 2에 나타낸다. 표 2를 참조하여, 샘플 No.1∼3, 8∼10 및 15∼17이, 본 개시의 스프링용 강선의 조건을 충족하는 실시예의 샘플이다. 샘플 No.4∼7, 11∼14 및 18∼21은, 본 개시의 스프링용 강선의 조건을 충족하지 않는 비교예의 샘플이다.
(2) 경도 분포의 조사
상기표 2의 각 샘플에 대해서, 압축 스프링의 형상으로의 가공, 변형 제거 어닐링, 산화층(20)의 제거, 질화, 쇼트 피닝(shot peening), 셋팅을 실시하여, 각 샘플에 대응하는 압축 스프링을 얻었다. 질화 처리는, 질화 분위기 중에 있어서 440℃로 가열하고, 5시간 유지하는 조건으로 실시했다. 그리고, 표면에서 깊이 120㎛까지의 경도의 분포를 비커스 경도계(Vickers hardness tester)에 의해 측정했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3을 참조하여, 실시예의 샘플인 샘플 No.1∼3, 8∼10 및 15∼17에 있어서는, 강선의 내부, 특히 질화의 영향이 미치는 최대 깊이 근방의 깊이 80∼100㎛에서의 경도가 비교예의 샘플인 샘플 No.4∼7, 11∼14 및 18∼21에 비해 높게 되어 있는 것을 알 수 있다. Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 큰 비교예의 샘플인 샘플 6, 7, 13, 14, 20 및 21에 있어서는, 표면 부근을 포함하여 질화에 의한 경화가 불충분하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이는, 산화의 진행이 과잉이 되어, 경도의 상승에 기여하는 Cr이나 V 등이 산화층으로 확산함으로써 본체부의 표면 부근(스프링에 있어서의 표면 부근)의 경도가 저하했기 때문이라고 생각할 수 있다. 한편, Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 작은 비교예의 샘플인 샘플 4, 5, 11, 12, 18 및 19에 있어서는, 표면 부근의 경도는 충분하기는 하지만, 내부에 있어서의 경화가 불충분하게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이는, 산화의 진행이 불충분하고, 본체부의 표면 부근(스프링에 있어서의 표면 부근)에 N과의 친화성이 높은 Si 및 Cr의 농도가 높은 층이 형성된 것에 기인하여, 질화 처리에 있어서 표면으로부터 침입한 N이 표면 부근에 있어서 포착되어, 질화층의 두께(질소의 도달 깊이)가 작아졌기 때문이라고 생각된다.
(3) 피로 강도의 조사
다음으로, 실시예의 샘플인 샘플 No.1∼3 및 비교예의 샘플인 샘플 No.4∼7에 대해서, 각각 8개의 스프링을 제작하고, 피로 시험에 제공했다. 피로 시험은, 평균 응력 686㎫, 응력 진폭 630㎫의 조건으로 실시했다. 그리고, 반복수 5.0×107회 및 1.0×108회의 시점에서의 미절손(未折損) 스프링(unbroken springs)의 개수에 의해 피로 강도를 평가했다. 결과를 표 4에 나타낸다.
표 4를 참조하여, 실시예의 샘플인 샘플 No.1∼3은, 모두 높은 피로 강도를 갖고 있는 것을 알 수 있다. Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 작은 비교예의 샘플인 샘플 4 및 5는, 반복수가 5.0×107회의 시점에서는 절손되어 있지 않기는 하지만, 반복수가 1.0×108회의 시점에서는 반수 이상이 절손되어 있다. 이는, 표면에 있어서의 경도는 높기 때문에, 어느 정도의 피로 강도는 확보할 수 있기는 하지만, 내부에 있어서의 경도가 불충분하기 때문에, 1.0×108회라는 장기의 피로에 대해서는, 강도가 불충분하기 때문이라고 생각된다. Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 큰 비교예의 샘플인 샘플 6 및 7에 대해서도, 마찬가지로 반복수가 1.0×108회인 시점에서는 반수가 절손되어 있다. 또한, Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 큰 샘플 7에서는, 반복수가 5.0×107회인 시점에서도 절손이 발생하고 있다. 이는, Si의 최대 농도의 비율 및 입계 산화층의 두께가 큰 경우, 내부 뿐만 아니라 표면에 있어서의 경도도 불충분해지기 때문이라고 생각된다.
(4) 실험 결과의 정리
이상의 실험 결과로부터, 본 개시의 스프링용 강선에 있어서는, 스프링으로의 가공성의 향상에 기여하는 산화층이 표면에 형성되어 있음에도 불구하고, Si에 의한 질화층의 형성의 저해를 억제하여, 스프링의 피로 강도의 향상이 달성되어 있는 것이 확인된다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시로서, 어떠한 면으로부터도 제한적인 것은 아니라고 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라, 청구의 범위에 의해 규정되고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 스프링용 강선
10 : 본체부
10A : 외주면
11 : 입계 산화층
20 : 산화층
20A : 외주면
21 : 고Si 농도층

Claims (3)

  1. 선상(線狀)의 형상을 갖는 강제(鋼製)의 본체부와,
    상기 본체부의 외주면을 덮는 산화층을 구비하고,
    상기 본체부를 구성하는 강은, 0.6질량％ 이상 0.7질량％ 이하의 탄소와, 1.7질량％ 이상 2.5질량％ 이하의 규소와, 0.2질량％ 이상 1질량％ 이하의 망간과, 0.6질량％ 이상 2질량％ 이하의 크롬과, 0.08질량％ 이상 0.25질량％ 이하의 바나듐을 함유하고, 잔부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
    상기 본체부를 구성하는 강의 조직은 템퍼링 마르텐사이트 조직이고,
    상기 산화층은, 규소의 최대 농도가 상기 본체부의 2.5배 이상 5.5배 이하인 고규소 농도층을 포함하고,
    상기 본체부는, 외주면을 구성하도록 배치되고, 0.5㎛ 이상 2.5㎛ 이하의 두께를 갖는 입계 산화층을 포함하는, 스프링용 강선.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화층의 두께는 2㎛ 이상 5㎛ 이하인, 스프링용 강선.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화층은, 80질량％ 이상의 사산화삼철을 포함하는, 스프링용 강선.
KR1020247003941A 2021-08-05 2022-03-30 스프링용 강선 KR20240045214A (ko)

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