KR101830023B1

KR101830023B1 - 스프링강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101830023B1
Application number: KR1020167032291A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 하시무라; 준야 야마모토; 가즈미 미즈카미; 나오츠구 요시다; 마사후미 미야자키; 겐이치로 미야모토
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2014-04-23
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2018-02-19
Also published as: EP3135785A1; WO2015162928A1; CN106232849B; US10202665B2; BR112016023912B1; JP6179667B2; EP3135785B1; KR20160145763A; JPWO2015162928A1; BR112016023912A2; CN106232849A; EP3135785A4; US20170044633A1

Abstract

스프링강에는, 피로 강도, 인성, 냉간에서의 연성이 요구된다.
본 실시 형태에 의한 스프링강은, 질량%로, C：0.4~0.7%, Si：1.1~3.0%, Mn：0.3~1.5%, P：0.03% 이하, S：0.05% 이하, Al：0.01~0.05%, 희토류 원소：0.0001~0.002%, N：0.015% 이하, O：0.0030% 이하, Ti：0.02~0.1%을 함유하고, 임의 원소로서, Ca, Cr, Mo, W, V, Nb, Ni, Cu, 및, B를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가진다. 스프링강 중에 있어서, Al계 산화물, REM, O 및 Al을 함유하는 복합 산화물, 및, REM, O, S 및 Al을 함유하는 복합 산황화물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물의 개수가 0.2개/mm² 이하이다. 또한, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치가 40μm 이하이다.

Description

스프링강 및 그 제조 방법{SPRING STEEL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, 스프링강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

스프링강은, 자동차 또는 일반 기계에 사용된다. 예를 들어, 자동차의 현가 스프링으로서 스프링강이 이용되는 경우, 스프링강에는 높은 피로 강도가 요구된다. 최근, 연비 개선을 목적으로 한 자동차의 경량화, 고출력화가 요구되고 있다. 그 때문에, 엔진 또는 서스펜션에 이용되는 스프링강은, 더 높은 피로 강도가 요구된다.

강재 중에는, 알루미나로 대표되는 산화물계 개재물이 존재하는 경우가 있다. 산화물계 개재물이 조대하면, 피로 강도가 저하된다.

알루미나는, 정련 공정에 있어서 용강을 탈산할 때에 생성된다. 래들 등은 알루미나계 내화물을 포함하는 경우가 많다. 그 때문에, Al탈산 뿐만이 아니라, Al 이외의 원소(예를 들면 Si, Mn 등)로 탈산한 경우여도, 용강 중에 알루미나가 생성되는 경우가 있다. 용강 중의 알루미나는 응집되기 쉬워, 클러스터화되기 쉽다. 즉, 알루미나는 조대화되기 쉽다.

알루미나로 대표되는 산화물계 개재물을 미세화하는 기술이 일본국 특허공개 평5-311225호 공보(특허 문헌 1), 일본국 특허공개 2009-263704호 공보(특허 문헌 2), 일본국 특허공개 평9-263820호 공보(특허 문헌 3), 및, 일본국 특허공개 평11-279695호 공보(특허 문헌 4)에 개시되어 있다.

특허 문헌 1에는, 다음 사항이 기재되어 있다. 용강 중에 Mg합금을 첨가한다. 이것에 의해, 알루미나가 감소하고, 대신에, 스피넬(MgO·Al₂O₃) 또는 MgO가 생성된다. 그 때문에, 알루미나의 응집에 의한 알루미나의 조대화가 억제된다.

그러나, 특허 문헌 1의 제조 방법의 경우, 연속 주조 장치에 있어서 노즐이 막히는 경우가 있다. 이 경우, 용강에 조대 개재물이 혼입되기 쉽다. 이 경우, 강의 피로 강도가 낮아진다.

특허 문헌 2에는, 다음 사항이 기재되어 있다. 강선재의 길이 방향 단면에 있어서의 SiO₂-Al₂O₃-CaO계 산화물의 평균 화학 조성을, SiO₂：30~60%, Al₂O₃：1~30%, CaO：10~50%로 하고, 상기 산화물의 융점을 1400℃ 이하로 제어한다. 또한 이들 산화물에, 0.1~10%의 B₂O₃를 함유시킨다. 이것에 의해, 산화물계 개재물이 미세 분산된다.

그러나, B₂O₃는 상술한 산화물에는 유효한 것이지만, 알루미나의 클러스터화를 억제하기 어려운 경우가 있다. 이 경우, 피로 강도가 낮아진다.

특허 문헌 3에는, 다음 사항이 기재되어 있다. Al킬드강의 제조에 있어서, 용강 중에 Ca, Mg 및 희토류 원소(REM)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 2종 이상과 Al로 이루어지는 합금을 투입하여 탈산한다.

그러나, 스프링강에 있어서 상기 합금을 투입해도, 산화물계 개재물이 미세화되지 않는 경우가 있다. 이 경우, 스프링강의 피로 강도가 낮아진다.

특허 문헌 4에는, 다음 사항이 기재되어 있다. 베어링용 강선재에 있어서, 0.010% 이하의 REM(실시예에서는 0.003%)를 함유함으로써, 개재물을 구상화한다.

그러나, 스프링강에 있어서는, 상기 함유량의 REM을 함유해도, 산화물계 개재물이 미세화되지 않는 경우가 있다. 이 경우, 스프링강의 피로 강도가 낮아진다.

또한, 현가 스프링은, 주행 중의 노면의 요철에 의한 차체의 진동을 흡수하는 역할을 가진다. 따라서, 스프링강은, 피로 강도뿐만이 아니라, 높은 인성도 요구된다.

또, 스프링의 제조 방법에는 열간 성형과 냉간 성형이 있다. 냉간 성형에서는 냉간에서 코일링하여 스프링을 제조한다. 따라서, 스프링강은 냉간에서의 높은 연성도 요구된다.

일본국 특허공개 평5-311225호 공보 일본국 특허공개 2009-263704호 공보 일본국 특허공개 평9-263820호 공보 일본국 특허공개 평11-279695호 공보

본 발명의 목적은, 피로 강도, 인성, 및, 연성이 우수한 스프링강을 제공하는 것이다.

본 실시 형태에 의한 스프링강은, 질량%로, C：0.4~0.7%, Si：1.1~3.0%, Mn：0.3~1.5%, P：0.03% 이하, S：0.05% 이하, Al：0.01~0.05%, 희토류 원소：0.0001~0.002%, N：0.015% 이하, O：0.0030% 이하, Ti：0.02~0.1%, Ca：0~0.0030%, Cr：0~2.0%, Mo：0~1.0%, W：0~1.0%, V：0~0.70%, Nb：0~0.050% 미만, Ni：0~3.5%, Cu：0~0.5%, 및, B：0~0.0050%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가진다. 스프링강 중에 있어서, Al계 산화물, REM, O 및 Al을 함유하는 복합 산화물, 및, REM, O, S 및 Al을 함유하는 복합 산황화물 중 어느 하나이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물의 개수가 0.2개/mm² 이하이다. 또한, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치가 40μm 이하이다.

본 실시 형태에 의한 스프링강은, 피로 강도, 인성, 및, 연성이 우수하다.

도 1은, 본 실시 형태의 스프링강 중의, Al과 O(산소)와 REM(본 예는 Ce)와 S를 함유한 복합 산황화물의 SEM 화상이다.
도 2는, 주조 공정에 있어서의 주편의 냉각 속도의 측정 방법을 설명하기 위한 주편의 횡단면도이다.
도 3a는, 초음파 피로 시험편의 측면도이다.
도 3b는, 도 3a에 나타내는 초음파 피로 시험편의 소재가 되는 조(粗)시험편의 채취 위치를 나타내는 모식도이다.

본 실시 형태에 의한 스프링강은, Al계 산화물, 복합 산화물(REM을 함유하고, Al, O를 함유하는 개재물), 및, 복합 산황화물(REM을 함유하고, Al, O, S를 함유하는 개재물) 중 어느 하나인 산화물계 개재물이 미세 분산된다. 그 때문에, 피로 강도가 높다. 또한, 본 실시 형태의 스프링강은 Ti를 함유하기 때문에, 높은 인성을 가진다. 그 때문에, 본 실시 형태에 의한 스프링강은 연성이 우수하다.

상기 스프링강의 화학 조성은, Ca：0.0001~0.0030%를 함유해도 된다. 상기 스프링강의 화학 조성은, Cr：0.05~2.0%, Mo：0.05~1.0%, W：0.05~1.0%, V：0.05~0.70%, Nb：0.002~0.050% 미만, Ni：0.1~3.5%, Cu：0.1~0.5%, 및, B：0.0003~0.0050%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다.

본 실시 형태의 스프링강의 제조 방법은, 상기 화학 조성을 가지는 용강을 정련하는 공정과, 정련 후의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 주편을 제조하는 공정과, 주편을 열간 가공하는 공정을 구비한다. 용강을 정련하는 공정은, 래들 정련 시에, Al을 이용하여 용강을 탈산하는 공정과, Al을 이용한 탈산 후, REM을 이용하여 용강을 5분 이상 탈산하는 공정을 포함한다. 주편을 제조하는 공정은, 주형 내에서 용강을 교반하여 수평 방향으로 0.1m/분 이상의 유속으로 선회시키는 공정과, 1~100℃／분의 냉각 속도로 주입(鑄入) 중의 주편을 냉각하는 공정을 포함한다.

정련 공정에 있어서, 래들 정련 시에, Al탈산, REM 탈산의 순서로 실시하고, 또한, REM 탈산을 5분 이상 실시한다. 또한, 연속 주조 공정에서 상술한 유속으로 선회시켜, 상술한 냉각 속도로 냉각한다. 이 제조 방법에 의해, 상술한 조대 산화물계 개재물의 개수 및 조대 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치를 만족하는 스프링강을 제조할 수 있다.

이하, 본 실시 형태의 스프링강에 대해서 상세하게 설명한다. 각 원소의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

［화학 조성］

본 실시 형태에 의한 스프링강의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.

C：0.4~0.7%

탄소(C)는, 강의 강도를 높인다. C함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C함유량이 너무 높으면, 열간 압연 후의 냉각 과정에서 초석(初析) 세멘타이트가 과잉하게 생성된다. 이 경우, 강의 신선(伸線) 시의 가공성이 저하된다. 따라서, C함유량은 0.4~0.7%이다. C함유량의 바람직한 하한은 0.4% 보다 높고, 더 바람직하게는 0.45%이며, 더 바람직하게는 0.5%이다. C함유량의 바람직한 상한은 0.7% 미만이며, 더 바람직하게는 0.65%이며, 더 바람직하게는 0.6%이다.

Si：1.1~3.0%

실리콘(Si)은, 강의 담금질성을 높여, 강의 피로 강도를 높인다. Si는 또한, 내(耐)주저앉음성을 높인다. Si함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Si함유량이 너무 높으면, 펄라이트 중의 페라이트의 연성이 저하된다. Si함유량이 너무 높으면 또한, 압연, 담금질 및 뜨임의 공정에 있어서 탈탄이 조장되어, 강의 강도가 저하된다. 따라서, Si함유량은 1.1~3.0%이다. Si함유량의 바람직한 하한은 1.1% 보다 높고, 더 바람직하게는 1.2%이며, 더 바람직하게는 1.3%이다. Si함유량의 바람직한 상한은 3.0% 미만이며, 더 바람직하게는 2.5%이며, 더 바람직하게는 2.0%이다.

Mn：0.3~1.5%

망간(Mn)은 강을 탈산한다. Mn은 또한, 강의 강도를 높인다. Mn함유량이 너무 낮으면, 이러한 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Mn함유량이 너무 높으면, 편석이 생긴다. 편석부에는 미크로마르텐사이트가 생성된다. 미크로마르텐사이트는, 압연 공정에서의 흠의 발생 요인이 된다. 미크로마르텐사이트는 또한, 강의 신선 시의 가공성을 저하시킨다. 따라서, Mn함유량은 0.3~1.5%이다. Mn함유량의 바람직한 하한은 0.3% 보다 높고, 더 바람직하게는 0.4%이며, 더 바람직하게는 0.5%이다. Mn함유량의 바람직한 상한은 1.5% 미만이며, 더 바람직하게는 1.4%이며, 더 바람직하게는 1.2%이다.

P：0.03% 이하

인(P)은, 불순물이다. P는 결정 입계에 편석되어 강의 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, P함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. P함유량은 0.03% 이하이다. P함유량의 바람직한 상한은 0.03% 미만이며, 더 바람직하게는 0.02%이다.

S：0.05% 이하

유황(S)은, 불순물이다. S는 조대한 MnS를 형성하여, 강의 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, S함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. S함유량은 0.05% 이하이다. S함유량의 바람직한 상한은 0.05% 미만이며, 더 바람직하게는 0.03%이며, 더 바람직하게는 0.01%이다.

Al：0.01~0.05%

알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. Al은 또한, 강의 결정립을 조정한다. Al함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Al함유량이 너무 높으면, 상기 효과가 포화된다. Al함유량이 너무 높으면 또한, 알루미나가 다수 잔존한다. 따라서, Al함유량은 0.01~0.05%이다. Al함유량의 바람직한 하한은 0.01% 보다 높다. Al함유량의 바람직한 상한은 0.05% 미만이며, 더 바람직하게는 0.035%이다. 본 명세서에서 말하는 Al함유량은, 이른바 전체 Al(Total Al)의 함유량을 의미한다.

REM：0.0001~0.002%

희토류 원소(REM)는, 강을 탈황 및 탈산한다. REM은 또한, Al계 산화물과 결합하여, 산화물계 개재물을 미세화시킨다. 이하, 이 점에 대해서 설명한다.

본 명세서에 있어서, 산화물계 개재물은, 알루미나로 대표되는 Al계 산화물, 복합 산화물, 및, 복합 산황화물 중 어느 1종 이상이다. Al계 산화물, 복합 산화물, 복합 산황화물은 다음과 같이 정의된다.

Al계 산화물은, 30% 이상의 O(산소)와, 5% 이상의 Al을 함유한다. Al계 산화물은 또한, Mn, Si, Ca, Mg 등의 탈산 원소 중 적어도 1종 이상을 함유해도 된다. Al계 산화물 중의 REM 함유량은 1% 미만이다.

복합 산화물은, 30% 이상의 O(산소)와, 5% 이상의 Al과, 1% 이상의 REM을 함유한다. 복합 산화물은 또한, Mn, Si, Ca, Mg 등의 탈산 원소 중 적어도 1종 이상을 함유해도 된다.

복합 산황화물은, 30% 이상의 O(산소)와, 5% 이상의 Al과, 1% 이상의 REM과, S를 함유한다. 복합 산황화물은 또한, Mn, Si, Ca, Mg 등의 탈산 원소 중 적어도 1종 이상을 함유해도 된다.

REM은, 강 중의 Al계 산화물과 반응하여, 복합 산화물을 형성한다. 복합 산화물은 또한, S와 반응하여 복합 산황화물을 형성하는 경우가 있다. 이와 같이, REM은 Al계 산화물을 복합 산화물 또는 복합 산황화물로 바꾼다. 이 경우, Al계 산화물이 용강 중에서 응집하여 클러스터가 되는 것을 억제할 수 있어, 미세한 산화물계 개재물을 강 중에 분산시킬 수 있다.

도 1은, 본 실시 형태의 스프링강 중의 복합 산황화물의 일례를 나타내는 SEM 화상이다. 도 1 중의 복합 산황화물의 원상당 직경은 5μm 미만이다. 도 1 중의 복합 산황화물의 화학 조성은, 64.4%의 O(산소)와, 18.4%의 Al과, 5.5%의 Mn과, 4.6%의 S와, 3.8%의 Ce(REM)를 함유한다.

도 1로 대표되는 복합 산화물 및 복합 산황화물의 원상당 직경은 1~5μm 정도이며 미세하다. 또한, 복합 산화물 및 복합 산황화물은 연신하여 조대화되거나 클러스터화되지 않는다. 따라서, 복합 산화물 및 복합 산황화물은 피로 파괴의 기점이 되기 어렵다. 그 때문에, 스프링강의 피로 강도가 높아진다.

본 실시 형태의 스프링강은, 바람직하게는, 산화물계 개재물 중, 적어도 복합 산황화물을 함유한다. 이 경우, S는 복합 산황화물에 고정된다. 그 때문에, MnS의 석출이 억제되어, 입계에서의 TiS의 석출도 억제된다. 그 결과, 스프링강의 연성이 높아진다.

REM 함유량이 너무 낮으면, 이러한 효과가 얻어지지 않는다. 한편, REM 함유량이 너무 높으면, 연속 주조에 있어서 REM을 함유하는 개재물이 노즐을 폐색하는 경우가 있다. REM을 함유하는 개재물이 노즐을 폐색하지 않는 경우여도, REM을 함유하는 조대한 개재물이 강 중에 함유되어, 강의 피로 강도가 저하된다. 따라서, REM 함유량은 0.0001~0.002%이다. REM 함유량의 바람직한 하한은 0.0001% 보다 높고, 더 바람직하게는 0.0002%이며, 더 바람직하게는 0.0003% 보다 높다. REM 함유량의 바람직한 상한은 0.002% 미만이며, 더 바람직하게는 0.0015%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이며, 더 바람직하게는, 0.0005%이다.

본 명세서에서 말하는 REM은, 원자 번호 57의 란탄(La)으로부터 원자 번호 71의 루테튬(Lu)까지의 란타노이드, 원자 번호 21의 스칸듐(Sc), 및, 원자 번호 39의 이트륨(Y)의 총칭이다.

N：0.015% 이하

질소(N)는 불순물이다. N은 질화물을 형성하여, 강의 피로 강도를 저하시킨다. N은 또한, 변형 시효를 일으켜, 강의 연성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, N함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. N함유량은 0.015% 이하이다. N함유량의 바람직한 상한은 0.015% 미만이며, 더 바람직하게는 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.008%이며, 더 바람직하게는 0.006%이다.

O：0.0030% 이하

산소(O)는 불순물이다. O는, Al계 산화물, 복합 산화물 및 복합 산황화물을 형성한다. 산소 함유량이 너무 높으면, 조대한 Al계 산화물이 다수 발생하여, 강의 피로 수명이 저하된다. 따라서, O함유량은 0.0030% 이하이다. O함유량의 바람직한 상한은 0.0030% 미만이며, 더 바람직하게는 0.0020%이며, 더 바람직하게는 0.0015%이다. 본 명세서에서 말하는 O함유량은, 이른바 전체 산소량(T. O)이다.

Ti：0.02~0.1%

티탄(Ti)은, A₃점 이상의 오스테나이트 온도역에 있어서, 미세한 Ti탄화물 및 Ti 탄질화물을 형성한다. 담금질을 위한 가열 시에 있어서, Ti탄화물 및 Ti 탄질화물은 오스테나이트립에 대해 핀 고정 효과를 발휘하여, 결정립을 미세하고 또한 균일하게 한다. 이 때문에, Ti는 강의 인성을 높인다.

일반적으로, Ti가 함유된 경우, Ti탄화물, Ti 탄질화물이 형성되고, 또한 TiS가 입계에 석출된다. TiS는 MnS와 마찬가지로, 강의 연성을 저하시킨다.

그러나, 상술한 대로, 본 실시 형태의 스프링강에서는, S는 REM과 결합하여 복합 산황화물을 형성한다. 그 때문에, 입계에 S가 편석하지 않고, TiS 및 MnS가 생성되기 어렵다. 따라서, 본 실시 형태에서는, Ti가 함유됨으로써, 인성이 높아지고, 높은 연성도 얻어진다. Ti함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다.

한편, Ti함유량이 너무 높으면, 조대한 TiN이 생성된다. TiN은 파괴 기점이 되기 쉽고, 수소의 트래핑 사이트로도 되기 쉽다. 그 때문에, 강의 피로 강도가 저하된다. 따라서, Ti함유량은 0.02~0.1%이다. Ti함유량의 바람직한 하한은 0.02% 보다 높고, 더 바람직하게는 0.04%이다. Ti함유량의 바람직한 상한은 0.1% 미만이며, 더 바람직하게는 0.08%이며, 더 바람직하게는 0.06%이다.

본 실시의 형태에 의한 스프링강의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 실시 형태의 스프링강의 효과에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.

본 실시의 형태에 의한 스프링강의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Ca를 함유해도 된다.

Ca：0~0.0030%

칼슘(Ca)은, 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. Ca가 함유되는 경우, Ca는 강을 탈황한다. 한편, Ca함유량이 너무 높으면, 저융점에서 조대한 Al-Ca-O산화물이 형성된다. Ca함유량이 너무 높으면 또한, 복합 산황화물이 Ca를 흡수한다. Ca를 흡수한 복합 산황화물은 조대화되기 쉽다. 이들 조대한 산화물은, 강의 파괴 기점이 되기 쉽다. 따라서, Ca함유량은 0~0.0030%이다. Ca함유량의 바람직한 하한은 0.0001% 이상이며, 더 바람직하게는 0.0003%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이다. Ca함유량의 바람직한 상한은 0.0030% 미만이며, 더 바람직하게는 0.0020%이며, 더 바람직하게는 0.0015%이다.

본 실시의 형태에 의한 스프링강의 화학 조성은 또한, Fe의 일부 대신에, Cr, Mo, W, V, Nb, Ni, Cu, 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두, 강의 강도를 높인다.

Cr：0~2.0%

크롬(Cr)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cr은 강의 강도를 높인다. Cr은 또한, 강의 담금질성을 높여, 강의 피로 강도를 높인다. Cr은 또한, 뜨임 연화 저항을 높인다. 한편, Cr함유량이 너무 높으면, 강의 경도가 너무 높아져, 연성이 저하된다. 따라서, Cr함유량은 0~2.0%이다. Cr함유량의 바람직한 하한은 0.05%이다. 뜨임 연화 저항을 높이는 경우, Cr함유량의 바람직한 하한은 0.5%이며, 더 바람직하게는 0.7%이다. Cr함유량의 바람직한 상한은 2.0% 미만이다. 냉간에서 코일링하여 스프링강재를 제조하는 경우, Cr함유량의 더 바람직한 상한은 1.5%이다.

Mo：0~1.0%

몰리브덴(Mo)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Mo는 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다. Mo는 또한, 강의 뜨임 연화 저항을 높인다. Mo는 또한, 미세한 탄화물을 형성하여, 결정립을 미세화시킨다. Mo탄화물은, V탄화물과 비교해, 저온에서 석출된다. 그 때문에, Mo는, 저온에서 뜨임하는 고강도의 스프링강의 결정립 미세화에 유효하다.

한편, Mo함유량이 너무 높으면, 열간 압연 후의 냉각 과정에서 과냉 조직이 생성되기 쉬워진다. 과냉 조직은, 시즌 크랙 및 가공 시의 균열의 원인이 된다. 따라서, Mo함유량은 0~1.0%이다. Mo함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.10%이다. Mo함유량의 바람직한 상한은 1.0% 미만이며, 더 바람직하게는 0.75%이며, 더 바람직하게는 0.50%이다.

W：0~1.0%

텅스텐(W)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, W는 Mo와 마찬가지로, 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다. W는 또한, 강의 뜨임 연화 저항을 높인다. 한편, W함유량이 너무 높으면, Mo와 마찬가지로 과냉 조직이 생성된다. 따라서, W함유량은 0~1.0%이다. 높은 뜨임 연화 저항을 얻는 경우, W함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.1%이다. W함유량의 바람직한 상한은 1.0% 미만이며, 더 바람직하게는 0.75%이며, 더 바람직하게는 0.50%이다.

V：0~0.70%

바나듐(V)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V는 미세한 질화물, 탄화물 및 탄질화물을 형성한다. 이들 석출물은 강의 뜨임 연화 저항을 높여, 강의 강도를 높인다. 이들 석출물은 또한, 결정립을 미세화시킨다. 한편, V함유량이 너무 높으면, V질화물, V탄화물 및 V탄질화물이 담금질 시의 가열로도 충분히 용해되지 않는다. 미용해의 V질화물, V탄화물 및 V탄질화물은 조대화되어 강 중에 잔존하여, 강의 연성 및 피로 강도를 저하시킨다. V함유량이 너무 높으면 또한, 과냉 조직이 생성된다. 따라서, V함유량은 0~0.70%이다. V함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는 0.06%이며, 더 바람직하게는 0.08%이다. V함유량의 바람직한 상한은 0.70% 미만이며, 더 바람직하게는 0.50%이며, 더 바람직하게는 0.30%이며, 가장 바람직한 상한은 0.25%이다.

Nb：0~0.050% 미만

니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, V와 마찬가지로, 질화물, 탄화물 및 탄질화물을 형성하여, 강의 강도, 뜨임 연화 저항을 높여 결정립을 미세화시킨다. 한편, Nb함유량이 너무 높으면, 강의 연성이 저하된다. 따라서, Nb함유량은 0~0.050% 미만이다. Nb함유량의 바람직한 하한은 0.002%이며, 더 바람직하게는 0.005%이며, 더 바람직하게는 0.008%이다. 냉간 코일링에 의해 스프링을 제조하는 경우, Nb함유량의 바람직한 상한은 0.030% 미만이며, 더 바람직하게는 0.020% 미만이다.

Ni：0~3.5%

니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ni는 Mo와 마찬가지로, 강의 강도 및 담금질성을 높인다. Cu가 함유되는 경우, Ni는 또한, Cu와 합금상을 형성하여 강의 열간 가공성의 저하를 억제한다. 한편, Ni함유량이 너무 높으면, 잔류 오스테나이트량이 너무 증가하기 때문에, 담금질 후의 강의 강도가 저하된다. 잔류 오스테나이트는 또한, 사용에 의해 마르텐사이트 변태하여 팽창한다. 그 때문에, 제품 형상의 정밀도가 저하된다. 따라서, Ni함유량은 0~3.5%이다. Ni함유량의 바람직한 하한은 0.1%이며, 더 바람직하게는 0.2%이며, 더 바람직하게는 0.3%이다. Ni함유량의 바람직한 상한은 3.5% 미만이며, 더 바람직하게는 2.5%이며, 더 바람직하게는 1.0%이다. Cu가 함유되는 경우, 바람직하게는, Ni함유량은 Cu함유량 이상이다.

Cu：0~0.5%

구리(Cu)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Cu는 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다. Cu는 또한, 강의 내식성을 높여, 강의 탈탄을 억제한다. 한편, Cu함유량이 너무 높으면 열간 가공성이 저하된다. 이 경우, 주조, 압연 및 단조 등의 제조 과정에 있어서 흠이 발생하기 쉬워진다. 따라서, Cu함유량은 0~0.5%이다. Cu함유량의 바람직한 하한은 0.1%이며, 더 바람직하게는 0.2%이다. Cu함유량의 바람직한 상한은 0.5% 미만이며, 더 바람직하게는 0.4%이며, 더 바람직하게는 0.3%이다.

B：0~0.0050%

붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, B는 강의 담금질성을 높여, 강의 강도를 높인다.

B는 또한, 강 중에 고용하여 입계에 편석한다. 이 고용 B는 P, N, S 등의 입계를 취화시키는 원소의 입계 편석을 억제한다. 그 때문에, B는 입계를 강화시킨다. 본 실시 형태의 스프링강에서는, Ti, REM과 함께 B를 함유하면, 입계에서의 S편석이 현저하게 억제된다. 그 때문에, 강의 피로 강도 및 인성이 높아진다.

한편, B함유량이 너무 높으면, 마르텐사이트 또는 베이나이트 등의 과냉 조직이 생성된다. 따라서, B함유량은 0~0.0050%이다. B함유량의 바람직한 하한은 0.0003% 이상이며, 더 바람직하게는 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.0008%이다. B함유량의 바람직한 상한은 0.0050% 미만이며, 더 바람직하게는 0.0030%이며, 더 바람직하게는 0.0020%이다.

［미크로 조직］

［조대 산화물계 개재물의 개수 TN］

상술한 화학 조성을 가지는 스프링강 중에 있어서, Al계 산화물, 복합 산화물, 및 복합 산황화물 중 어느 하나의 산화물계 개재물이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물의 개수 TN은 0.2개/mm²이다.

원상당 직경이란, 산화물계 개재물(Al계 산화물, 복합 산화물, 및 복합 산황화물)의 면적을, 동일 면적의 원으로 환산한 경우의, 원의 직경을 의미한다. 이하, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물을 「조대 산화물계 개재물」로 정의한다. 조대 산화물계 개재물의 개수 TN은 다음의 방법으로 구해진다.

봉형상 또는 선형상 스프링강을 축방향을 따라 절단한다. 단면을 경면 연마한다. 연마된 단면에 대해 선택적 정전위 전해 에칭(SPEED법)을 실시한다. 에칭된 단면 상에 있어서, 스프링강의 표면으로부터 R/2깊이(R은 스프링강의 반경)의 위치를 중심으로 하여, 반경 방향으로 2mm폭, 축방향으로 5mm폭의 사각형의 영역인 임의의 시야를 5개 선택한다.

에너지 분산형 X선 마이크로 애널라이저(EDX)를 구비한 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 각 시야를 2000배로 관찰하고, 시야의 화상을 얻는다. 시야 중의 개재물을 특정한다. EDX를 이용하여, 특정된 각 개재물의 화학 조성(개재물 중의 Al함유량, O함유량, REM 함유량, S함유량 등)을 분석한다. 분석 결과에 의거하여, 개재물 중, 산화물계 개재물(Al계 산화물, 복합 산화물, 복합 산황화물)을 특정한다.

특정된 각 산화물계 개재물(Al계 산화물, 복합 산화물, 복합 산황화물)의 원상당 직경을 화상 처리에 의해 구하여, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물(조대 산화물계 개재물)을 특정한다.

5시야의 조대 산화물계 개재물의 총수를 구하여, 다음의 식에 의해, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN(개/mm²)를 구한다.

TN=5시야의 조대 산화물계 개재물의 총수/5시야의 총면적

본 실시 형태의 스프링강에서는, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN은 0.2개/mm² 이하이다. 적량의 REM을 적절한 제조 조건으로 함유함으로써, Al계 산화물을 미세한 복합 산화물 또는 복합 산황화물로 바꾼다. 이것에 의해, 개수 TN을 낮게 억제할 수 있다. 그 때문에, 높은 피로 강도가 얻어진다.

［산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax］

본 실시 형태의 스프링강에서는 또한, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm 이하이다.

최대치 Dmax는, 다음의 방법에 의해 구한다. 상술한 개수 TN의 측정 시에, 5시야에 있어서, 산화물계 개재물의 원상당 직경을 구한다. 구한 원상당 직경 중 최대치를, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax로 정의한다.

본 실시 형태의 스프링강에서는, 최대치 Dmax가 40μm 이하이다. 적량의 REM을 함유함으로써, Al계 산화물을 미세한 복합 산화물 또는 복합 산황화물로 바꿈으로써, 최대치 Dmax를 낮게 억제할 수 있다. 그 때문에, 높은 피로 강도가 얻어진다.

［제조 방법］

상술한 스프링강의 제조 방법의 일례를 설명한다. 본 실시 형태의 스프링강은, 용강을 정련하는 공정(정련 공정)과, 정련 후의 용강을 이용하여 연속 주조법에 의해 주편을 제조하는 공정(주조 공정)과, 주편을 열간 가공하여 스프링강을 제조하는 공정(열간 가공 공정)을 구비한다.

［정련 공정］

정련 공정에서는, 용강을 정련한다. 처음에, 용강에 대해 래들 정련을 실시한다. 래들 정련은 주지의 래들 정련을 실시하면 된다. 래들 정련은 예를 들어, RH(Ruhrstahl-Heraeus)를 이용한 진공 탈가스 처리이다.

래들 정련의 실시 중에, 용강에 Al을 투입하고, 용강을 Al탈산한다. 바람직하게는, Al탈산 후의 용강 중의 O함유량(전체 산소량)을 0.0030% 이하로 한다.

Al탈산 후, REM을 용강에 투입하여 REM 탈산을 5분 이상 탈산한다.

REM 탈산 후, 진공 탈가스 처리를 포함하는 래들 정련을 더 실시해도 된다. 이상의 정련 공정에 의해, 상기 화학 조성의 용강을 제조한다.

상기 정련 공정에 있어서는, Al탈산 후, REM 탈산을 5분 이상 실시한다. 이 경우, Al계 산화물이 복합 산화물 및 복합 산황화물로 변화되어 미세화된다. 그 때문에, 종래의 Al계 산화물의 조대화(클러스터화)가 억제된다.

REM 탈산이 5분 미만이면, Al계 산화물이 복합 산화물 및 복합 산황화물로 충분히 변화되지 않는다. 그 때문에, 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘거나, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm를 넘는다.

또, REM 탈산 전에, Al 이외의 다른 원소로 탈산하면, Al계 산화물이 복합 산화물 및 복합 산황화물로 충분히 변화되지 않는다. 그 때문에, 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘거나, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm를 넘는다.

REM 탈산에는 예를 들어, 미쉬 메탈(REM의 혼합물)을 이용해도 된다. 이 경우, 덩어리 형상의 미쉬 메탈을 용강에 첨가하면 된다. 정련 말기에, Ca-Si합금, 또는, CaO-CaF₂ 플럭스 등을 용강에 첨가하고, 탈황을 실시해도 된다.

［주조 공정］

래들 정련 후의 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해 주편을 제조한다.

래들 정련 후에 있어서도, 용강 중에서 REM과 Al계 산화물이 반응하여 복합 산황화물 및 복합 산화물을 형성한다. 따라서 용강을 주형 내에서 선회시킨 것이, REM과 Al계 산화물이 보다 반응하기 쉬워진다.

그래서, 주조 공정에 있어서, 주형 내의 용강을 수평 방향으로 0.1m/분 이상의 유속으로 교반하여 선회시킨다. 이 경우, REM과 Al계 산화물의 반응이 촉진되어, 복합 산화물 및 복합 산황화물이 생성된다. 그 때문에, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN이 0.2개/mm² 이하가 되고, 산화물계 개재물의 최대치 Dmax가 40μm 이하가 된다. 한편, 유속이 0.1m/분 미만인 경우, REM과 Al계 산화물의 반응이 촉진되기 어렵다. 그 때문에, 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘거나, 최대치 Dmax가 40μm를 넘는다. 용강의 교반은 예를 들어, 전자 교반에 의해 실시된다.

또한, 주입 중의 주편의 냉각 속도 RC도, 산화물계 개재물의 조대화에 영향을 준다. 본 실시 형태에서는, 냉각 속도 RC를 1~100℃／분으로 한다. 냉각 속도란, 주편의 상면 또는 하면으로부터 T/4깊이 위치(T는 주편의 두께)에 있어서의, 액상선 온도로부터 고상선 온도까지의 냉각 시의 속도이다. 냉각 속도가 너무 낮으면, 산화물계 개재물이 조대화되기 쉽다. 그 때문에, 냉각 속도 RC가 1℃／분 미만이면, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘거나, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm를 넘는다.

한편, 냉각 속도 RC가 100℃／분을 넘으면, 주입 중에 있어서, 조대 산화물계 개재물이 부상하기 전에 강 중에 트랩된다. 그 때문에, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘거나, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm를 넘는다.

냉각 속도 RC가 1~100℃／분이면, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN이 0.2개/mm² 이하가 되고, 또한, 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치 Dmax가 40μm 이하가 된다.

냉각 속도는 다음의 방법으로 구할 수 있다. 도 2는, 주조 후의 주편의 횡단면(주편의 축방향에 수직인 단면)도이다. 도 2를 참조하여, 주편의 횡단면 중, 주입 시에 있어서의 주편의 상면 또는 하면으로부터 T/4깊이의, 임의의 점 P를 선택한다. T는 주편의 두께(mm)이다. 점 P의 응고 조직 중, 두께 T방향의 2차 덴드라이트 아암의 간격 λ(μm)을 측정한다. 구체적으로는, 두께 T방향의 2차 덴드라이트 아암 간격을 10개소 측정하고, 그 평균을 간격 λ로 정의한다.

구한 간격 λ을 식 (1)에 대입하여, 냉각 속도 RC(℃／분)를 구한다.

RC=(λ／770)^-(1/0.41) (1)

냉각 속도 RC의 바람직한 하한은 5℃／분이다. 냉각 속도 RC의 바람직한 상한은 60℃／분 미만이며, 더 바람직하게는 30℃／분 미만이다. 이상의 제조 조건에 의해, 주편이 제조된다.

［열간 가공 공정］

제조된 주편을 열간 가공하여, 선재를 제조한다. 예를 들어, 주편을 분괴 압연하여 빌릿을 제조한다. 빌릿을 열간 압연하여 선재를 제조한다. 이상의 제조 방법에 의해, 선재가 제조된다.

선재를 이용하여 스프링을 제조하는 경우, 열간 성형법을 이용해도, 냉간 성형법을 이용해도 된다. 열간 성형법은 예를 들어, 다음과 같이 실시된다. 선재를 신선하여 스프링강선으로 한다. 스프링강선을 A₃점 이상으로 가열한다. 가열 후의 스프링강선(오스테나이트 조직)을 심금에 감아 코일(스프링)로 성형한다. 성형 후의 스프링에 대해 담금질 뜨임을 실시하여, 스프링의 강도를 조정한다. 담금질 온도는 예를 들면 850~950℃이며, 유냉한다. 뜨임 온도는 예를 들면 420~500℃이다. 이상의 공정에 의해, 스프링을 제조한다.

냉간 성형법은 다음과 같이 실시된다. 선재를 신선하여 스프링강선으로 한다. 스프링강선에 대해 담금질 뜨임을 실시하여 강도가 조정된 강선을 제조한다. 담금질 온도는 예를 들면 850~950℃이며, 뜨임 온도는 예를 들면 420~500℃이다. 냉간 코일링기를 이용하여 냉간에서 코일 성형을 실시하여, 스프링을 제조한다.

본 실시 형태에 의한 스프링강은, 우수한 피로 강도와 함께, 우수한 인성 및 연성을 가진다. 그 때문에, 냉간 성형법에 의해 스프링이 성형되는 경우여도, 성형 중에 스프링강이 파단되지 않고 소성 변형되기 쉽다.

[실시예]

래들 정련을 실시하여, 표 1 및 표 2에 나타내는 화학 조성의 용강을 제조했다.

표 1 및 표 2에 나타내는 시험 번호 1~47의 용강에 대해, 표 3에 나타내는 조건으로 정련을 실시했다. 구체적으로는, 시험 번호 1~33, 35~47에서는, 처음에, 용강에 대해 래들 정련을 실시했다. 한편, 시험 번호 34의 용강에 대해서는 래들 정련을 실시하지 않았다. 표 3 중의 「래들 정련」란의 「C」는, 대응하는 시험 번호의 용강에 대해 래들 정련을 실시한 것을 나타내고, 「NC」는, 래들 정련을 실시하지 않았던 것을 나타낸다. 래들 정련의 실시 조건은 각 시험 번호에서 동일하게 했다.

구체적으로는, 래들 정련에서는, RH장치를 이용하여, 용강을 10분간 환류시켰다. 래들 정련을 실시한 후, 탈산 처리를 실시했다. 표 3의 「첨가 순서」란에는, 사용한 탈산제 및 탈산제의 첨가 순서가 나타난다. 「Al→REM」은, Al을 첨가하여 탈산한 후, 또한 REM을 첨가하여 탈산한 것을 의미한다. 「Al」은, Al탈산 만을 실시하고, 다른 탈산제(REM 등)로의 탈산 처리를 실시하지 않았던 것을 의미한다. 「REM→Al」은, REM 탈산을 실시하고, 그 후, Al탈산을 실시한 것을 의미한다. 「Al→REM→Ca」는, Al탈산을 실시하고, 다음에 REM 탈산을 실시하며, 마지막에 Ca탈산을 실시한 것을 의미한다. Al탈산에는 Al금속, REM 탈산에는 미쉬 메탈, Ca탈산에는, Ca-Si합금 및 CaO：CaF₂=50：50(질량비)의 플럭스를 사용했다. 표 3에 있어서의 환류 시간은, 최종의 탈산제를 첨가하고 나서의 환류 시간, 즉 최종 첨가한 탈산제로의 탈산 시간이다. 최종 첨가한 탈산제가 REM인 경우에는, REM 탈산 시간을 나타내고 있다.

REM 탈산을 실시한 경우, REM 첨가 후의 환류 시간(탈산 시간)은 표 3 대로였다. 이상의 공정에 의해 시험 번호 1~47의 용강을 제조했다.

제조된 용강을 이용하여, 연속 주조법에 의해, 300mm×300mm의 횡단면을 가지는 블룸(주편)을 제조했다. 이 때, 전자 교반에 의해, 주형 내의 용강을 교반했다. 교반 시의 주형 내의 용강의 수평 방향의 선회 유속(m/분)은 표 3에 나타내는 대로였다. 제조된 각 시험 번호의 블룸의 하나를 이용하여, 상술한 방법에 의해, 각 시험 번호의 블룸의 냉각 속도 RC(℃/m)를 구했다. 구한 냉각 속도 RC를 표 3에 나타낸다.

블룸을 1200~1250℃로 가열했다. 가열 후의 블룸에 대해 분괴 압연을 실시하여, 160mm×160mm의 횡단면적을 가지는 빌릿을 제조했다. 빌릿을 1100℃ 이상으로 가열했다. 가열 후, 15mm의 직경을 가지는 선재(스프링강)를 제조했다.

［평가 시험］

［초음파 피로 시험편의 제작］

각 시험 번호 마다, 도 3a에 나타내는 초음파 피로 시험편을 다음의 방법으로 제작했다. 도 3a 중의 수치는, 각 위치에서의 치수(단위는 mm)를 나타낸다. 「φ3」은 직경이 3mm인 것을 나타낸다.

도 3b는, 15mm의 직경을 가지는 선재(10)의 횡단면도(선재의 축선에 대해 수직인 단면)이다. 도 3b 중의 파선은, 초음파 피로 시험편의 조시험편(11)(도 3에 나타내는 형상보다 1mm 굵은 시험편)의 채취 위치를 나타낸다. 조시험편(11)의 길이 방향은, 선재(10)의 길이 방향으로 했다. 초음파 피로 시험편의 하중 부하 부분이, 선재의 중심 편석을 포함하지 않도록, 도 3b에 나타내는 채취 위치로부터 조시험편(11)을 채취했다.

각 시험 번호의 선재로부터 채취된 조시험편에 대해 담금질 뜨임을 실시하여, 조시험편의 비커스 경도(HV)를 500~540로 조정했다. 각 시험 번호에서의 담금질 온도는 900℃이며, 유지 시간은 20분이었다. C함유량이 0.50% 보다 높은 시험 번호의 뜨임 온도는 430℃이며, 유지 시간은 20분이었다. C함유량이 0.50% 이하의 시험 번호의 뜨임 온도는 410℃이며, 유지 시간은 20분이었다.

이상의 열처리에 의해, 조시험편은, 코일링 후의 스프링과 거의 동일한 재질이 되었다. 그 때문에, 이들 조시험편은, 스프링 성능의 평가에 제공했다.

열처리 후, 조시험편에 대해 마무리 가공을 실시하여, 도 3에 나타내는 치수의 초음파 피로 시험편을, 각 시험 번호마다 복수 제작했다.

［조대 산화물계 개재물 개수 TN 및 최대치 Dmax의 측정］

제작된 초음파 피로 시험편을, 중심축을 포함하는 단면을 형성하도록, 축방향을 따라 절단했다. 초음파 피로 시험편의 단면을 경면 연마했다. 연마된 단면에 대해 선택적 정전위 전해 에칭법(SPEED법)을 실시했다. SPEED법을 실시 후의 단면 중, 직경 10mm의 부위의 임의의 5시야를 선택했다. 각 시야는, 초음파 피로 시험편의 표면으로부터 R/2깊이(R은 반경, 본 예에서는 5mm)를 중심으로, 반경 방향으로 2mm폭, 축방향으로 5mm폭의 사각형이었다.

에너지 분산형 X선 마이크로 애널라이저(EDX)를 구비한 주사형 전자현미경(SEM)을 이용하여 각 시야를 관찰했다. 관찰은 배율 1000배로 행했다. 시야 중의 개재물을 특정했다. 다음에, EDX를 이용하여, 특정된 개재물의 화학 조성을 분석하여, Al계 산화물, REM 함유 복합 산화물, 및 REM 함유 복합 산황화물을 특정했다. 또한, 특정된 각 개재물의 원상당 직경을, 화상 해석에 의해 구했다. 개재물의 화학 조성의 분석 결과 및 각 개재물의 원상당 직경에 의거하여, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN 및 산화물계 개재물의 최대치 Dmax를 구했다.

［초음파 피로 시험］

제작된 초음파 피로 시험편을 이용하여, 초음파 피로 시험을 실시했다. 시험 장치에는, 주식회사 시마즈 제작소제의 초음파 피로 시험기 USF-2000을 사용했다. 주파수를 20kHz로 하고, 시험 응력을 850MPa~1000MPa로 했다. 각 시험 번호마다 6개의 시험편을 이용하여 초음파 피로 시험을 실시했다. 10⁷ 이상 진동 가능한 최대 하중을, 그 시험 번호의 피로 강도(MPa)로 정의했다.

［비커스 경도 시험］

제작된 초음파 피로 시험편을 이용하여, JIS Z2244에 준거한 비커스 경도 시험을 실시했다. 시험력은 10kgf=98.07N으로 했다. 초음파 피로 시험편의 직경 10mm의 부위의 임의의 3점에서 경도를 측정하고, 그 평균치를, 그 시험 번호의 비커스 경도(HV)로 정의했다.

［샤르피 충격 시험］

각 시험 번호의 선재로부터, 횡단면이 11mm×11mm의 사각형인 조시험편을 제작했다. 조시험편에 대해, 초음파 피로 시험편과 동일한 조건으로 담금질 뜨임을 실시했다. 그 후, 마무리 가공하여 JIS4호 시험편을 제작했다. 마무리 가공 시에, U노치를 형성했다. U노치의 깊이는 2mm였다. 제작된 시험편을 이용하여, JIS Z2242에 준거한 샤르피 충격 시험을 실시했다. 시험 온도는 상온(25℃)이었다.

［인장 시험］

각 시험 번호의 선재로부터, 직경 6mm의 평탄부를 가지는 환봉 시험편(JIS Z2201에 규정된 14A호 시험편에 상당)의 형상보다 1mm 굵은 조시험편을 제작했다. 조시험편에 대해, 초음파 피로 시험편과 동일한 조건으로 담금질 뜨임을 실시했다. 그 후, 마무리 가공하여 환봉 시험편을 제작했다. JIS Z2241에 준거하여, 상온(25℃)에서 인장 시험을 실시하여, 파단 연신율(%) 및 수축율(%)를 구했다.

［시험 결과］

시험 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4 중의 「주조 결과」란의 「S」는, 노즐이 막히지 않고 주조가 완료된 것을 의미한다. 「F」는, 주조 도중에 노즐이 막혔던 것을 의미한다. 「주된 개재물」란에는, SEM 관찰에 있어서의 5개의 시야에서 면적율이 5% 이상인 산화물계 개재물이 기재되어 있다. 「REM-Al-O-S」는, 복합 산황화물을 의미한다. 「Al-O」는 Al계 산화물을 의미한다. 「MnS」는 MnS를 의미한다. 또한, 시험 번호 1~32, 34~54에서는, 면적율은 5% 미만이지만, 강 중에 복합 산화물도 존재했다.

표 4를 참조하여, 시험 번호 1~32의 화학 조성은 적절했다. 또한, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN은 모두 0.2개/mm² 이하이며, 산화물계 개재물의 최대의 원상당 직경의 최대치 Dmax는 40μm 이하였다. 그 때문에, 시험 번호 1~32의 피로 강도는 모두, 950MPa 이상으로 높았다.

또한, 시험 번호 5~10 화학 조성은 B를 함유했다. 그 때문에, 시험 번호 1~4, 11~32와 비교해, 샤르피 충격치가 높고, 우수한 인성을 나타냈다.

한편, 시험 번호 33의 화학 조성은 REM을 함유하지 않았다. 그 때문에, 복합 산화물 및 복합 산황화물이 생성되지 않고, 조대 산화물계 개재물의 개수 TN이 0.2개/mm²를 넘고, 또한, 산화물계 개재물의 최대치 Dmax도 40μm를 넘었다. 그 때문에, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다. 시험 번호 33의 화학 조성은 또한, Ti를 함유하지 않았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 40×10⁴J/m² 미만이며, 인성이 낮았다. 또한, 파단 연신율이 9.5% 미만이며, 수축율이 50% 미만이었다.

시험 번호 34의 O함유량은 너무 높았다. 그 때문에, 개수 TN이 너무 높고 최대치 Dmax도 너무 컸다. 그 때문에, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 35의 화학 조성은 적절했다. 그러나, REM 탈산에 있어서의 환류 시간이 너무 짧았다. 그 때문에, 최대치 Dmax가 40μm를 넘었다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 36의 화학 조성은 적절했다. 그러나, 주형 내에서의 전자 교반이 부족하여, 주형 내의 유속이 0.1m/분 미만이었다. 그 때문에, 개수 TN이 너무 높았다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 37의 REM 함유량은 과잉하게 너무 높았다. 그 때문에, 연속 주조 중에 노즐이 막혀, 주편을 제조할 수 없었다.

시험 번호 38의 REM 함유량은 너무 높았다. 그 때문에, 강 중의 조대한 산화물계 개재물이 증가하고, 개수 TN이 너무 높았다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 39의 REM 함유량은 너무 낮았다. 그 때문에, 복합 산화물 및 복합 산황화물이 생성되지 않고, Al계 산화물이 조대화되고, 개수 TN이 너무 높았다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다. 또한, REM 함유량이 너무 낮았기 때문에, 파단 연신율이 9.5% 미만으로 낮고, 수축율도 50% 미만으로 낮았다. REM 함유량이 너무 낮았기 때문에, 입계에 TiS가 생성되어 연성이 저하되었다고 생각할 수 있다.

시험 번호 40 및 41의 Ti함유량은 너무 높았다. 그 때문에, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다. 조대한 TiN이 형성되어, 피로 강도가 저하되었다고 생각할 수 있다.

시험 번호 42의 화학 조성은 적절했지만, 연속 주조 시의 냉각 속도 RC가 너무 빨랐다. 그 때문에, 개수 TN이 너무 높고 최대치 Dmax도 너무 컸다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 43의 화학 조성은 적절했지만, 냉각 속도 RC가 너무 늦었다. 그 때문에, 개수 TN이 너무 높고 최대치 Dmax도 너무 컸다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 44~46의 화학 조성은 모두 REM을 함유하지 않았다. 그 때문에, 개수 TN이 너무 높고 최대치 Dmax도 너무 컸다. 그 결과, 피로 강도가 950MPa 미만으로 낮았다.

시험 번호 45의 화학 조성에서는 또한, Ti함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 40×10⁴J/m² 정도이며, 인성이 낮았다. 또한, 파단 연신율이 9.5% 미만이며, 수축율이 50% 미만이었다.

시험 번호 46의 화학 조성의 Ti함유량은 너무 낮았다. 그 때문에, 샤르피 충격치가 40×10⁴J/m² 미만이며, 인성이 낮았다. 또한, 파단 연신율이 9.5% 미만이며, 수축율이 50% 미만이었다.

이상, 본 발명의 실시의 형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시의 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시의 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시의 형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims

스프링강으로서,
질량%로,
C：0.4~0.7%,
Si：1.1~3.0%,
Mn：0.3~1.5%,
P：0.03% 이하,
S：0.05% 이하,
Al：0.01~0.05%,
희토류 원소：0.0001~0.002%,
N：0.015% 이하,
O：0.0030% 이하,
Ti：0.02~0.1%,
Ca：0~0.0030%,
Cr：0~2.0%,
Mo：0~1.0%,
W：0~1.0%,
V：0~0.70%,
Nb：0~0.050% 미만,
Ni：0~3.5%,
Cu：0~0.5%, 및,
B：0~0.0050%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며,
상기 스프링강 중에 있어서,
Al계 산화물,
REM, O 및 Al을 함유하는 복합 산화물, 및,
REM, O, S 및 Al을 함유하는 복합 산황화물 중 어느 하나의 산화물계 개재물이며, 원상당 직경이 5μm 이상인 산화물계 개재물의 개수가 0.2개/mm² 이하이고,
상기 산화물계 개재물의 원상당 직경의 최대치가 40μm 이하인, 스프링강.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성은,
Ca：0.0001~0.0030%를 함유하는, 스프링강.
청구항 1에 있어서,
상기 화학 조성은,
Cr：0.05~2.0%,
Mo：0.05~1.0%,
W：0.05~1.0%,
V：0.05~0.70%,
Nb：0.002~0.050% 미만,
Ni：0.1~3.5%,
Cu：0.1~0.5%, 및,
B：0.0003~0.0050%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 스프링강.
청구항 2에 있어서,
상기 화학 조성은,
Cr：0.05~2.0%,
Mo：0.05~1.0%,
W：0.05~1.0%,
V：0.05~0.70%,
Nb：0.002~0.050% 미만,
Ni：0.1~3.5%,
Cu：0.1~0.5%, 및,
B：0.0003~0.0050%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 스프링강.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 기재된 화학 조성을 가지는 용강을 정련하는 공정과,
정련된 상기 용강으로부터, 연속 주조법에 의해 주편을 제조하는 공정과,
상기 주편을 열간 가공하는 공정을 구비하고,
상기 용강을 정련하는 공정은,
상기 용강에 대해 래들 정련을 실시하는 공정과,
래들 정련 후, Al을 이용하여 상기 용강을 탈산하는 공정과,
Al을 이용한 탈산 후, REM을 이용하여 상기 용강을 5분 이상 탈산하는 공정을 포함하며,
상기 주편을 제조하는 공정은,
주형 내에서 상기 용강을 교반하여 수평 방향으로 0.1m/분 이상의 유속으로 선회시키는 공정과,
1~100℃／분의 냉각 속도로 주입(鑄入) 중인 상기 주편을 냉각하는, 스프링강의 제조 방법.