KR102010684B1 - 열간 압연 봉선재, 부품 및 열간 압연 봉선재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 C: 0.05 내지 0.30%, Si: 0.30 내지 0.60%, Mn: 0.40 내지 1.0%, S: 0.008 내지 0.040% 미만, Cr: 1.60 내지 2.00%, Mo: 0.1% 이하, Al: 0.025 내지 0.05%, N: 0.010 내지 0.025%, Ti: 0.003% 이하, Bi: 0.0001 내지 0.0050%를 함유함과 함께 잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 불순물 중의 P 및 O가 각각 P: 0.025% 이하 및 O: 0.002% 이하인 화학 조성을 갖고, 조직이 페라이트·펄라이트 또는 페라이트·펄라이트·베이나이트로 이루어지고, 또한 식 (1)을 충족하는 열간 압연 봉선재를 채용한다. 1.70≤Cr+2×Mo≤2.10 … (1)

Description

열간 압연 봉선재, 부품 및 열간 압연 봉선재의 제조 방법
본 발명은 열간 압연 봉선재, 부품 및 열간 압연 봉선재의 제조 방법에 관한 것이다.
본원은 2015년 3월 31일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2015-071714호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
기어, 풀리 등의 기계 부품은 자동차 또는 산업 기계에 이용된다. 이들 기계 부품의 대부분은 다음 방법으로 제조된다. 기계 구조용 합금강으로 이루어지는 소재를 준비한다. 소재는 예를 들어 JIS 규격의 SCr420, SCM420 또는 SNCM420에 상당하는 화학 조성을 갖는 열간 압연 봉선재이다. 먼저 소재에 대하여 필요에 따라 불림을 실시한다. 이어서 소재에 대하여 절삭 가공을 실시한다. 절삭된 중간품에 대하여 표면 경화 처리를 실시한다. 표면 경화 처리는 예를 들어 침탄 ?칭, 침탄 질화 ?칭, 또는 고주파 ?칭이다. 표면 경화 처리된 중간품에 대하여 200℃ 이하의 템퍼링 온도에서 템퍼링을 실시한다. 템퍼링 후의 중간품에 대하여 필요에 따라 숏 피닝 처리를 실시한다. 이상의 공정에 의해 기계 부품이 제조된다.
최근 들어 자동차의 연비 향상이나 엔진의 고출력화에 대응하기 위해서 기계 부품이 경량화되고, 소형화되고 있다. 기계 부품에 가해지는 부하는 종래와 비교하여 증가하고 있다. 그 때문에 기계 부품에는 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도(접촉 피로 강도) 및 내마모성이 요구되고 있다.
특허문헌 1에는 Si: 0.1% 이하, P: 0.01% 이하인 기어용 강이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기어용 강은 Si 및 P를 저감함으로써 높은 강도를 갖고, 강인하며 신뢰성이 높아진다고 여겨지고 있다.
특허문헌 2에는 Cr: 1.50 내지 5.0%를 함유하고, 또한 필요에 따라 7.5%＞2.2×Si(%)+2.5×Mn(%)+Cr(%)+5.7×Mo(%)을 충족하고, Si: 0.40 내지 1.0%를 함유하는 기어용 강이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 기어용 강에서는 이러한 화학 조성을 가짐으로써 우수한 치면 강도를 갖는다고 여겨지고 있다.
특허문헌 3에는 Si: 0.35 내지 3.0% 이하, V: 0.05 내지 0.5% 등을 함유하는 침탄 기어용 강이 개시되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 침탄 기어용 강에서는 이러한 화학 조성을 가짐으로써 높은 굽힘 피로 강도와 높은 면 피로 강도를 갖는다고 여겨지고 있다.
특허문헌 4에는 황화물의 조대화를 억제하기 위해서 주조시의 응고 속도를 제어하고, 황화물을 미세하게 분산시킴으로써 피삭성을 향상시키는 기소강이 개시되어 있다.
특허문헌 5에는 Si: 0.30 내지 0.60%, Cr: 1.60 내지 2.00%를 함유하고, 또한 Cr 함유량과 Mo 함유량을 규정한 열간 단조용 봉강 및 선재가 개시되어 있다. 특허문헌 5에 기재된 열간 단조용 봉강 및 선재로는 피로 강도 및 피삭성을 양립시킨다고 여겨지고 있다.
특허문헌 6에는 합금 원소를 엄밀하게 제어하여 소성 변형 저항능과 입계 강도의 향상을 도모함으로써, 큰 왜곡을 수반하는 저 사이클 피로 강도가 우수한 기소강이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 소60-21359호 공보 일본 특허 공개 평7-242994호 공보 일본 특허 공개 평7-126803호 공보 일본 특허 제5114689호 공보 일본 특허 제5561436호 공보 일본 특허 공개 평10-259450호 공보
그러나 특허문헌 1에 기재된 기어용 강은 면 피로 강도에 대하여 검토되어 있지 않기 때문에 면 피로 강도가 낮은 경우가 있다. 또한, 특허문헌 2에 기재된 기어용 강은 굽힘 피로 강도에 대하여 검토되어 있지 않기 때문에 굽힘 피로 강도가 낮은 경우가 있다. 특허문헌 3에 기재된 침탄 기어용 강은 V를 함유하지만, V는 열간 압연 또는 열간 단조 후의 강의 경도를 높이기 때문에 열간 압연 또는 열간 단조 후의 강의 피삭성이 저하되는 경우가 있다.
또한, 특허문헌 4에 기재된 기소강은 면 피로 강도 및 굽힘 피로 강도에 대하여 검토되어 있지 않아 이들이 낮은 경우를 생각할 수 있다. 특허문헌 5에 기재된 열간 단조용 봉강은 Cr 및 Mo 함유량의 총량을 규정함으로써 높은 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 피삭성을 양립시키고 있다. 그러나 특허문헌 5에 기재된 열간 단조용 봉강에서는 편석에 대한 고려가 이루어져 있지 않기 때문에, 대규모 양산의 경우, 피삭성이 불충분해질 우려가 있다. 특허문헌 6에 기재된 기소강은 저 사이클 피로 강도 향상만 언급되어 있고, 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성, 피삭성에 대하여 검토되어 있지 않다.
이상과 같이 특허문헌 1 내지 특허문헌 6에는 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성을 가지면서 또한 우수한 피삭성을 갖는 강이 개시되어 있지 않다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 과제는 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성을 갖는 열간 압연 봉선재, 부품 및 그의 제조 방법을 제공하는 것이다.
종래, Si, Cr 및 Mo 함유량의 조정 등에 의해 침탄 또는 침탄 질화 후의 굽힘·면 피로 강도가 우수한 강재를 얻을 수 있는 것이 알려져 있었다. 그러나 일반적으로는 상반되는 굽힘·면 피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시킬 수는 없었다. 그래서 굽힘·면 피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있는 열간 압연 봉선재의 개발을 목표로 조사·연구를 거듭하고, 그 결과 하기의 지견을 얻었다.
(a) Si 함유량이 높으면 강의 면 피로 강도 및 내마모성이 높아진다. 또한, Cr 함유량 및 Mo 함유량이 높으면 강의 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성이 높아진다.
(b) Mo 함유량을 높이면 열간 압연 또는 열간 단조 후 혹은 추가로 불림을 행한 후에 페라이트 조직, 펄라이트 조직에 더하여 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어 강이 단단해지기 때문에 피삭성이 저하된다. 또한, Mo를 첨가하지 않은 경우에서도 Cr 함유량이 너무 많아지면 마찬가지로 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어 피삭성이 저하된다.
(c) 이상으로부터 열간 압연 봉선재에 있어서 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성을 얻기 위해서는 Si, Cr 및 Mo의 각 함유량의 한정에 더하여 Cr 함유량 및 Mo 함유량과의 총량을 조정하는 것이 바람직한 것을 알았다. 구체적으로는 강의 화학 조성이 하기의 식 (1)을 충족하면 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성이 얻어지는 것이 판명되었다. 식 (1) 중의 각 원소 기호에는 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
1.70≤Cr+2×Mo≤2.10 … (1)
(d) 전술한 바와 같이 열간 압연 봉선재에 있어서 피삭성을 높이기 위해서는 열간 단조 후 혹은 추가로 불림을 행한 후의 베이나이트 조직의 생성을 억제할 필요가 있다. 베이나이트 생성을 억제하기 위해서는 ?칭성을 높이는 원소인 Cr, Mo 함유량을 조정하는 것이 바람직하다.
(e) 한편, 열간 압연 봉선재의 Mn의 마이크로 편석이 큰 경우, 피삭성이 저하되는 경향이 있었다. Cr, Mo 함유량을 조정했다고 하더라도 대규모 양산의 경우, Mn의 마이크로 편석에 의해 베이나이트 생성량이 증가하여 피삭성이 불충분해질 우려가 있다.
(f) 연속 주조시에 강 중에 Mn이 마이크로 편석하고, 이 마이크로 편석이 압연, 단조시에 사라지지 않고 강 중에 존재한다. Mn이 마이크로 편석함으로써, 열간 압연 또는 열간 단조 후 혹은 추가로 불림을 행한 후에도 강 중에 있어서 페라이트 조직, 펄라이트 조직에 더하여 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어 단단해지기 때문에 피삭성이 저하된다.
(g) 용강으로부터 주조한 주조편에 있어서의 Mn의 마이크로 편석을 저감시킴으로써, 열간 압연 봉선재에 있어서 마이크로 편석에 기인한 경질의 베이나이트 조직의 생성을 억제하여 피삭성이 향상된다. 보다 구체적으로는 주조편이 다음 식 (2)를 충족하면 열간 압연 봉선재의 피삭성이 높아진다. 또한, 식 (2) 중의 Mn은 강 중의 Mn의 함유량(질량%)이고, Mnmax는 주조편의 덴드라이트의 1차 아암의 수간(樹間)의 Mn 함유율이다.
Mnmax/Mn＜2.4 … (2)
Mnmax는 다음 방법으로 구해진다. 제조한 연속 주조 주조편의 표층으로부터 두께 방향으로 폭 50mm×길이 50mm×두께 8mm의 시험편을 채취한다. 폭 50mm×길이 50mm의 표면을 「피검면」으로 한다. 시험편을 수지 매립한 후, 피검면을 경면 연마한다.
Mn 함유율의 분포의 측정에는 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer)를 사용한다. EPMA에 의한 측정시의 빔 직경은 1㎛로 하고, 주조편 표면으로부터 15mm 이격된 위치에 있어서 표면과 평행하게 50mm의 범위에서 선 분석을 행한다.
EPMA에 의한 선 분석에 의해 덴드라이트의 1차 아암 간의 Mn 함유율의 분포를 측정하고, 측정된 Mn 함유율의 최댓값을 덴드라이트 수간의 Mn 함유율로 한다. 식 (2)는 선 분석으로 측정된 덴드라이트 수간의 Mn 함유율을 미리 측정한 주조편의 Mn 평균 함유율로 제산한 값이라고 정의하였다.
식 (2)가 1.0인 경우에는 주조편의 덴드라이트의 1차 아암의 수심(樹芯)과 수간에서 Mn 함유율에 차가 없고, Mn의 편석이 없는 이상적인 상태를 나타낸다. Mn 편석비가 클수록 주조편의 덴드라이트 1차 아암의 수심과 수간의 Mn 함유율의 차가 크고, 많은 경질의 베이나이트 조직을 생성하여 피삭성이 저하되는 것을 나타낸다.
본 발명의 열간 압연 봉선재는 전술한 지견에 기초하여 완성되었다. 이하, 본 발명에 의한 열간 압연 봉선재에 대하여 상세하게 설명한다. 이하, 화학 조성을 구성하는 원소의 함유량 「%」는 「질량%」를 의미한다.
(1) 본 발명은 질량%로
C: 0.05 내지 0.30%,
Si: 0.30 내지 0.60%,
Mn: 0.40 내지 1.0%,
S: 0.008 내지 0.040% 미만,
Cr: 1.60 내지 2.00%,
Mo: 0 내지 0.1%,
Al: 0.025 내지 0.05%,
N: 0.010 내지 0.025%,
Ti: 0 내지 0.003%,
Bi: 0.0001 내지 0.0050%를 함유함과 함께
잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 불순물 중의 P 및 O가 각각
P: 0.025% 이하 및
O: 0.002% 이하인 화학 조성을 갖고, 조직이 페라이트·펄라이트 또는 페라이트·펄라이트·베이나이트로 이루어지고, 또한 식 (1)을 충족하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 봉선재에 관한 것이다.
1.70≤Cr+2×Mo≤2.10 … (1)
여기서 식 (1) 중의 원소 기호에는 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
(2) 본 발명은 Fe의 일부 대신에 질량%로 Nb: 0.08% 이하를 함유하는 (1)에 기재된 열간 압연 봉선재에 관한 것이다.
(3) 본 발명은 (1) 또는 (2)에 기재된 열간 압연 봉선재로서, 상기 Fe의 일부 대신에 Cu: 0.40% 이하 및 Ni: 0.80% 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 열간 압연 봉선재에 관한 것이다.
(4) 본 발명은 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 열간 압연 봉선재를 절삭 가공하여 얻어진 부품에 관한 것이다.
(5) 본 발명의 제조 방법은 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 화학 성분을 갖고, 또한 덴드라이트의 1차 아암의 수간의 Mn 함유율 Mnmax와 강 중의 Mn 함유율의 비(Mnmax/Mn)가 하기 식 (2)를 충족하는 주조편을 연속 주조법 또는 조괴법으로 제조하고, 상기 주조편을 열간 압연하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 봉선재의 제조 방법에 관한 것이다.
Mnmax/Mn＜2.4 … (2)
여기서 식 (2) 중의 Mn에는 강의 Mn 함유량(질량%)이 대입되고, Mnmax는 주조편의 덴드라이트의 1차 아암의 수간의 Mn 함유율이 대입된다.
본 발명의 열간 압연 봉선재는 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성을 갖는다.
도 1은 실시예에서 제작한 롤러 피칭 시험용의 소 롤러 시험편의 측면도이다.
도 2는 실시예에서 제작한 절결을 갖는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 측면도이다.
도 3은 실시예에 있어서의 침탄 ?칭 조건을 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예에 있어서의 롤러 피칭 시험용의 대 롤러의 정면도이다.
이하 본 발명의 열간 압연 봉선재를 더욱 상세하게 설명한다.
열간 압연 봉선재의 성분 원소의 함유량에 대하여 설명한다. 여기서 성분에 관한 「%」는 질량%이다.
(C: 0.05 내지 0.30%)
탄소(C)는 강의 인장 강도 및 피로 강도를 높인다. 한편, C 함유량이 너무 많으면 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.05 내지 0.30%이다. 바람직한 C 함유량은 0.10 내지 0.28%이고, 더욱 바람직하게는 0.15 내지 0.25%이다.
(Si: 0.30 내지 0.60%)
실리콘(Si)은 강의 ?칭성을 높인다. Si는 또한 강의 템퍼링 연화 저항을 높인다. 따라서, Si는 강의 면 피로 강도 및 내마모성을 높인다. 한편, Si가 과잉으로 함유되면 강의 열간 압연 또는 열간 단조 후의 강도가 과잉으로 높아진다. 그 결과, 강의 피삭성이 저하된다. Si가 과잉으로 함유되면 또한 굽힘 피로 강도가 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.30 내지 0.60%이다. 바람직한 Si 함유량의 하한은 0.30%보다도 높고, 더욱 바람직하게는 0.40% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.45% 이상이다. 바람직한 Si 함유량의 상한은 0.60% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.57% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.55% 이하이다.
(Mn: 0.40 내지 1.0%)
망간(Mn)은 강의 ?칭성을 높이고, 강의 강도를 높인다. 따라서, Mn은 침탄 ?칭 또는 침탄 질화 ?칭된 기계 부품의 코어부의 강도를 높인다. 한편, Mn이 과잉으로 함유되면 열간 압연 또는 열간 단조 후의 강의 피삭성이 저하된다. 또한, Mn은 덴드라이트 수간에서 편석하기 쉽고, 편석함으로써 경질의 베이나이트를 생성하기 쉬워 피삭성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.40 내지 1.0%이다. 바람직한 Mn 함유량의 하한은 0.50% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.55% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.60% 이상이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.0% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.95% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.9% 이하이다.
(S: 0.008 내지 0.040% 미만)
황(S)은 Mn과 결합하여 MnS를 형성한다. MnS는 강의 피삭성을 높인다. 한편, S가 과잉으로 함유되면 조대한 MnS가 형성된다. 조대한 MnS는 강의 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도가 저하된다. 따라서, S 함유량은 0.008 내지 0.040% 미만이다. 바람직한 S 함유량의 하한은 0.008% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.009% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.010% 이상이다. 바람직한 S 함유량의 상한은 0.030% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.030% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.020% 미만이다.
(Cr: 1.60 내지 2.00%)
크롬(Cr)은 강의 ?칭성 및 강의 템퍼링 연화 저항을 높인다. 그 때문에 Cr은 강의 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성을 높인다. 한편, Cr이 과잉으로 함유되면 열간 압연 후, 열간 단조 후 또는 불림 후의 강에서 베이나이트의 생성이 촉진된다. 그 때문에 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, Cr 함유량은 1.60 내지 2.00%이다. 바람직한 Cr 함유량의 하한은 1.60% 초과이고, 더욱 바람직하게는 1.70% 이상이고, 더욱 바람직하게는 1.80% 이상이다. 바람직한 Cr 함유량의 상한은 2.00% 미만이고, 더욱 바람직하게는 1.95% 이하이고, 더욱 바람직하게는 1.90% 이하이다.
(Mo: 0 내지 0.10%(0.10% 이하, 0%를 포함함))
몰리브덴(Mo)은 함유되지 않거나 함유되어도 된다. Mo는 강의 ?칭성 및 템퍼링 연화 저항을 높인다. 그 때문에 Mo는 강의 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성을 높인다. 한편, Mo가 과잉으로 함유되면 열간 압연 후, 열간 단조 후 또는 불림 후의 강에서 베이나이트 생성이 촉진된다. 그 때문에 강의 피삭성이 저하된다. 따라서, Mo 함유량은 0 내지 0.10%이다. 바람직한 Mo 함유량의 하한은 0.02% 이상이다. 바람직한 Mo 함유량의 상한은 0.10% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.08% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.05% 이하이다.
(Al: 0.025 내지 0.05%)
알루미늄(Al)은 강을 탈산한다. Al은 또한 N과 결합하여 AlN을 형성한다. AlN은 침탄 가열에 의한 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제한다. 한편, Al이 과잉으로 함유되면 조대한 Al 산화물을 형성한다. 조대한 Al 산화물은 강의 굽힘 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, Al 함유량은 0.025 내지 0.05%이다. 바람직한 Al 함유량의 하한은 0.025% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.027% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.030% 이상이다. 바람직한 Al 함유량의 상한은 0.05% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.045% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.04% 이하이다.
(N: 0.010 내지 0.025%)
질소(N)는 Al 또는 Nb와 결합하여 AlN 또는 NbN을 형성한다. AlN 또는 NbN은 침탄 가열에 의한 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제한다. 한편, N이 과잉으로 함유되면 제강 공정에서 안정되게 제조하기 어려워진다. 따라서, N 함유량은 0.010 내지 0.025%이다. 바람직한 N 함유량의 하한은 0.010% 초과이고, 더욱 바람직하게는 0.012% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.013% 이상이다. 바람직한 N 함유량의 상한은 0.025% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.020% 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.018% 이하이다.
(Ti: 0 내지 0.003%(0.003% 이하, 0%를 포함함))
티타늄(Ti)은 N과 결합하여 조대한 TiN을 형성한다. 조대한 TiN은 강의 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, Ti 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. Ti 함유량은 0 내지 0.003%이다. 바람직한 Ti 함유량의 상한은 0.003% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.002% 이하이다.
(Bi: 0.0001% 내지 0.0050% 미만)
Bi는 본 발명에 있어서 중요한 원소이다. 미량의 Bi는 응고의 접종 핵이 되어 응고시의 덴드라이트 아암 간격을 작게 하여 응고 조직을 미세화하는 작용이 있다. 그 결과, Mn 등의 편석하기 쉬운 원소의 편석을 경감하고, 마이크로 편석 기인의 베이나이트 조직의 생성을 억제하여 피삭성을 향상시킨다. 응고 조직의 미세화 효과를 얻기 위해서는 Bi의 함유율을 0.0001% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나 Bi의 함유율이 0.0050% 이상이 되면 응고 조직의 미세화 효과가 포화하고, 또한 강의 열간 가공성이 열화되어 열간 압연이 어려워진다. 이러한 점에서 본 발명에서는 Bi 함유율을 0.0001% 이상 0.0050% 미만으로 한다. 피삭성을 더욱 향상시키기 위해서는 Bi 함유율을 0.0010% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
(P: 0.025% 이하)
인(P)은 불순물이다. P는 강의 피로 강도나 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 적은 편이 바람직하다. P 함유량은 0.025% 이하이다. 바람직한 P 함유량은 0.025% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.020% 이하이다.
(O(산소): 0.002% 이하)
산소(O)는 Al과 결합하여 산화물계 개재물을 형성한다. 산화물계 개재물은 강의 굽힘 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, O 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. O 함유량은 0.002% 이하이다. 바람직한 O 함유량은 0.002% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.001% 이하이다. 제강 공정에서의 비용 상승을 초래하지 않는 범위에서 가능한 한 적게 하는 것이 더욱 바람직하다.
본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 조성은 Fe의 일부 대신에 Nb를 함유해도 된다.
(Nb: 0 내지 0.08%(0.08% 이하, 0을 포함함))
니오븀(Nb)은 선택 원소이다. Nb는 C, N과 결합하여 Nb 탄화물, Nb 질화물 또는 Nb 탄질화물을 형성한다. Nb 탄화물, Nb 질화물 및 Nb 탄질화물은 Al 질화물과 마찬가지로 침탄 가열시에 있어서 오스테나이트 결정립이 조대화되는 것을 억제한다. Nb가 조금이라도 함유되면 상기 효과가 얻어진다. 한편, Nb가 과잉으로 함유되면 Nb 탄질화물, Nb 질화물 및 Nb 탄질화물이 조대화한다. 그 때문에 침탄 가열시에 있어서 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제할 수 없다. 따라서, Nb 함유량은 0.08% 이하이다. 바람직한 Nb 함유량의 하한은 0.01% 이상이다. 바람직한 Nb 함유량의 상한은 0.08% 미만이고, 더욱 바람직하게는 0.05% 이하이다.
본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 조성의 잔부는 Fe 및 불순물이다. 여기서 말하는 불순물은 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩 또는 제조 과정의 환경 등으로부터 혼입되는 원소를 말한다. 본 실시 형태에 있어서 불순물은 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni) 등이다. 불순물인 Cu 및 Ni 함유량은 JIS G4053 기계 구조용 합금강 강재에 규정된 SCr 강 및 SCM 강 중의 Cu 및 Ni 함유량과 동일한 정도이고, Cu 함유량은 0.40% 이하이고, Ni 함유량은 0.80% 이하이다.
(Ni: 0 내지 0.8%(0.8% 이하, 0%를 포함함))
니켈(Ni)은 ?칭성을 높이는 효과가 있고, 보다 피로 강도를 높이기 위해서 유효한 원소이기 때문에 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나 Ni의 함유량이 과잉으로 함유되면 ?칭성의 향상에 의한 피로 강도를 높이는 효과가 포화할 뿐만 아니라 열간 압연 후, 열간 단조 후 또는 불림 처리 후에 있어서 강 중에 베이나이트 조직이 생성하기 쉬워진다. 그 때문에 함유시키는 경우의 Ni의 양을 0.80% 이하로 하였다. 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.60% 이하인 것이 바람직하다. 또한, Ni의 ?칭성 향상에 의한 피로 강도를 높이는 효과를 안정되게 얻기 위해서는 함유시키는 경우의 Ni의 양은 0.10% 이상인 것이 바람직하다.
(Cu: 0 내지 0.40%(0.40% 이하, 0%를 포함함))
구리(Cu)는 ?칭성을 높이는 효과가 있고, 피로 강도를 보다 높이기 위해서 유효한 원소이기 때문에 필요에 따라 함유시켜도 된다. 그러나 Cu의 함유량이 과잉으로 함유되면 열간 연성 및 열간 가공성의 저하가 현저해진다. 그 때문에 함유시키는 경우의 Cu의 양을 0.40% 이하로 하였다. 또한, 함유시키는 경우의 Cu의 양은 0.30% 이하인 것이 바람직하다. 바람직한 Cu 함유량의 하한은 0.1% 이상이다.
[식 (1)에 대하여]
본 발명의 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 조성에 있어서 또한 식 (1)로 정의되는 F1은 1.70 내지 2.10이다.
F1=Cr+2×Mo … (1)
여기서 식 F1 중의 원소 기호에는 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
전술한 바와 같이 Cr 및 Mo는 모두 강의 ?칭성 및 템퍼링 연화 저항을 높이고, 면 피로 강도 및 내마모성을 높인다. 또한, Cr 및 Mo는 강의 굽힘 피로 강도를 높인다. Mo와 Cr을 비교하여 Mo는 Cr의 절반의 함유량으로 Cr과 동일 정도의 효과(굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성의 향상)를 발휘한다. 따라서, F1=Cr+2×Mo라고 정의한다. F1 중의 각 원소 기호에는 대응하는 원소(Cr 및 Mo)의 함유량(질량%)이 대입된다.
F1이 1.70 미만이면 강의 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성 중 적어도 1종 이상이 낮아진다. 한편, F1이 2.10을 초과하면 열간 압연 후, 열간 단조 후 또는 불림 후의 강 중에서 베이나이트의 생성이 촉진된다. 그 때문에 강의 피삭성이 저하된다. F1이 1.70 내지 2.10이면 강의 피삭성의 저하를 억제하면서 강의 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 내마모성을 높일 수 있다. F1의 바람직한 하한은 1.80 이상이다. F1의 바람직한 상한은 2.00 미만이다.
[식 (2)에 대하여]
본 발명의 열간 압연 봉선재를 열간 압연에 의해 제조할 때에 이용하는 강 주조편에 있어서 Mn이 마이크로 편석하면 열간 압연 후의 강 조직 중에 있어서 경질의 베이나이트 조직의 생성을 조장하여 피삭성이 저하된다. 따라서, 강 주조편에 있어서 Mn의 마이크로 편석을 억제하는 것이 바람직하다. 식 (1)을 충족해도 Mn의 마이크로 편석이 크면 경질한 베이나이트 조직의 양이 증가하여 피삭성이 저하된다.
그래서 식 (2)를 충족하면 Mn의 마이크로 편석이 작고, 경질의 베이나이트 조직의 생성이 억제되어 피삭성이 향상된다.
Mnmax/Mn＜2.4 … (2)
식 (2)의 좌변을 F2=Mnmax/Mn이라고 정의한다. F2의 값이 식 (2)를 충족하지 않는 경우, Mn의 마이크로 편석이 크면 강재 중에 경질의 베이나이트 조직의 양이 증가하여 피삭성이 저하된다. 요컨대 F1의 값이 식 (1)을 충족해도 F2의 값이 식 (2)를 충족하지 않으면 Mn의 마이크로 편석에 의한 경질의 베이나이트 조직 생성이 조장되어 피삭성이 목표값을 충족하지 않는다.
[마이크로 조직]
열간 압연 봉선재의 조직(상)이 마르텐사이트를 포함하는 경우에는 마르텐사이트가 경질이며 연성이 낮은 것에 기인하여 열간 압연 봉강 또는 선재의 교정이나 운반시에 깨짐이 발생하기 쉬워진다. 따라서, 본 발명의 열간 압연 봉선재는 페라이트·펄라이트 조직 또는 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직으로 한다.
[제조 방법]
본 발명의 일 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 제조 방법을 설명한다.
[연속 주조 공정]
상기 화학 조성을 충족하고, 또한 덴드라이트의 1차 아암의 수간의 Mn 함유율 Mnmax와 강 중의 Mn 함유율의 비(Mnmax/Mn)가 식 (2)를 충족하는 주조편을 제조한다. 상기 화학 조성을 갖는 강을 연속 주조법에 의해 주조편으로 해도 되고, 조괴법에 의해 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주조 조건은 예를 들어 220×220mm인 사각형의 주형을 이용하여 턴디쉬 내의 용강의 슈퍼 히트를 10 내지 50℃로 하고, 주입 속도를 1.0 내지 1.5m/분으로 한다.
또한, 주조 공정에서 발생하는 Mn 편석을 억제하기 위해서 상기 화학 조성을 갖는 용강을 주조할 때에 주조편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를 100℃/min 이상 500℃/min 이하로 하는 것이 바람직하다. 주조편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도는 얻어진 주조편의 단면을 피크르산으로 에칭하고, 주조편 표면으로부터 15mm의 깊이의 위치에 있어서의 덴드라이트 1차 아암 간격 λ(㎛)를 측정하고, 다음 식에 기초하여 그 값으로부터 용강의 액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도 A(℃/min)를 구할 수 있다.
λ=710×A-0.39
상기 온도 영역에서의 평균 냉각 속도가 100℃/min 미만에서는 응고가 너무 늦기 때문에 덴드라이트 수간이 넓어지고, Mn이 편석하고, 마이크로 편석 기인의 베이나이트 조직이 너무 생성되어 피삭성이 저하된다. 한편, 500℃/min 이상에서는 응고 조직이 불균일해지고, 불균일 조직을 기인으로 한 깨짐이 발생할 우려가 있다.
액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역이란 응고 개시부터 응고 종료까지의 온도 영역이다. 따라서, 이 온도 영역에서의 평균 냉각 온도란 주조편의 평균 응고 속도를 의미한다. 상기 평균 냉각 속도는 예를 들어 주형 단면의 크기, 주입 속도 등은 적정한 값으로 제어하는 것, 또는 주입 직후에 있어서 수냉에 이용하는 냉각수량을 증대시키는 등의 수단에 의해 달성할 수 있다. 이는 연속 주조법 및 조괴법 모두에 적용 가능하다.
계속해서 제조한 주조편을 가열로에 장입하고, 1250 내지 1300℃의 가열 온도에서 10시간 이상 가열한 후, 분괴 압연하여 강편을 제조한다. 또한, 상기 가열 온도는 노 내의 평균 온도를 의미하고, 가열 시간은 재로(在爐) 시간을 의미한다.
이와 같이 하여 얻은 강편을 가열로에 장입하고, 1250 내지 1300℃의 가열 온도에서 1.5시간 이상 가열한 후, 마무리 온도를 900 내지 1100℃로 하여 열간 압연한다. 마무리 압연을 행한 후에는 대기 중에서 냉각 속도가 방냉 이하가 되는 조건으로 냉각한다.
마무리 압연을 행한 후에는 냉각 속도가 상기 방냉 이하가 되는 조건으로 실온에 이르기까지 냉각해도 상관없지만, 생산성을 높이기 위해서는 600℃에 이른 시점에서 공랭, 미스트 냉각 및 수냉 등 적당한 수단으로 냉각하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가열 온도 및 가열 시간도 각각 노 내의 평균 온도 및 재로 시간을 의미한다. 또한, 열간 압연의 마무리 온도는 복수의 스탠드를 구비하는 압연기의 최종 스탠드 출구에서의 봉선재의 표면 온도를 의미한다. 마무리 압연을 행한 후의 냉각 속도는 봉선재의 표면에서의 냉각 속도를 가리킨다.
강편으로부터 열간 압연에 의해 열간 압연 봉선재로 가공할 때, 하기의 식 (3)으로 표시되는 감면율(RD)을 87.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
RD={1-(봉강 또는 선재의 단면적/강편의 단면적)}×100 … (3)
또한, 상기 단면적은 길이 방향에 대하여 수직인 단면에 있어서의 면적, 즉 횡단면의 면적을 의미한다.
이와 같이 하여 본 실시 형태의 열간 압연 봉선재가 제조된다.
또한, 필요에 따라 열간 압연 봉선재에 불림을 행하고, 또한 표면 효과 처리를 행하고, 표면 경화 처리 후의 중간품을 기계 가공에 의해 소정의 형상으로 절삭함으로써 열간 압연 봉선재로 이루어지는 부품을 제조한다.
실시예
표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 1 내지 35를 270ton 전로에서 용제하고, 연속 주조기를 이용하여 연속 주조를 실시하여 220×220mm인 사각형의 주조편을 제조하였다. 또한, 연속 주조의 응고 도중의 단계에서 압하를 가하였다. 주조 조건은 220×220mm인 사각형의 주형을 이용하여 턴디쉬 내의 용강의 슈퍼 히트를 10 내지 50℃로 하고, 주입 속도를 1.0 내지 1.5m/분으로 하였다. 또한, 연속 주조에 있어서 주조편의 표면으로부터 15mm의 깊이의 위치에 있어서의 액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도의 변경은 주형의 냉각수량을 변경함으로써 행하였다.
표 1의 강 1 내지 15는 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 갖는 강이다. 강 16 내지 35는 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강, 평균 냉각 속도가 바람직한 범위로부터 벗어난 비교예의 강, 또는 F1의 값이나 F2의 값이 바람직한 범위로부터 벗어난 비교예의 강이다. 또한, 표 1 중의 수치의 밑줄은 본 실시 형태에 의한 열간 단조용 압연 봉선재의 범위 밖인 것을 나타낸다.
연속 주조에 의해 얻어진 주조편을 소재로 하여 분괴 압연 및 열간 압연을 행하고, 봉강(열간 압연 봉선재)의 시작을 행하였다. 본 실시예에서는 Mnmax 측정용 시험편을 채취하기 위해서 주조편을 일단 실온까지 냉각하였다.
그 후, 각 마크의 주조편을 1250℃에서 2시간 가열하였다. 가열 후의 주조편을 열간 압연하여 직경 35mm의 복수의 환봉을 제조하였다. 열간 압연 후, 환봉을 대기 중에서 방냉하였다. 이상과 같이 하여 각종 열간 압연 봉선재를 제조하였다.
또한, 분괴 압연은 제조한 주조편을 가열로에 장입하고, 1250 내지 1300℃의 가열 온도에서 10시간 이상 가열한 후, 분괴 압연하였다. 또한, 열간 압연은 분괴 압연 후의 강편을 가열로에 장입하고, 1250 내지 1300℃의 가열 온도에서 1.5시간 이상 가열한 후, 마무리 온도를 900 내지 1100℃로 하여 열간 압연하였다. 마무리 압연 후에는 대기 중에서 냉각 속도가 방냉 이하가 되는 조건으로 냉각하였다. 강편으로부터 열간 압연까지의 감면율(RD)은 87.5% 이상으로 하였다.
또한, 주조시의 표면 균열 발생의 유무를 눈으로 판정하고, 표 1에 기재하였다.
[Mnmax의 측정 방법]
Mnmax는 다음 방법으로 구하였다. 제조한 주조편의 표층으로부터 두께 방향으로 폭 50mm×길이 50mm×두께 8mm의 시험편을 채취하고, 폭 50mm×길이 50mm의 표면을 「피검면」으로 하였다. 시험편을 수지 매립한 후, 피검면을 경면 연마하였다. Mn 함유율의 분포의 측정에는 EPMA를 사용하였다. EPMA에 의한 측정시의 빔 직경은 1㎛로 하고, 주조편 표면으로부터 15mm 이격된 위치에 있어서 표면과 평행하게 50mm의 범위에서 선 분석을 행하였다. EPMA에 의한 선 분석에 의해 덴드라이트의 1차 아암 간의 Mn 함유율의 분포를 측정하고, 측정된 Mn 함유율의 최댓값을 덴드라이트 수간의 Mn 함유율(Mnmax)로 하였다. 그리고 선 분석으로 측정된 덴드라이트 수간의 Mn 함유율을 주조편의 Mn 평균 함유율로 제산한 값을 F2 값으로 하였다.
[마이크로 조직 관찰 방법]
직경 35mm의 각 봉강에 대하여 길이 방향에 수직 또한 중심부를 포함하는 단면(횡단면)을 잘라낸 후, 경면 연마하여 나이탈로 부식된 시험편을 광학 현미경을 이용하여 배율 400배로 표층의 탈탄층을 제거한 영역으로부터 랜덤하게 각 15 시야 관찰하여 조직 조사를 행하였다. 또한, 각 시야의 크기는 250㎛×250㎛이다.
[면 피로 강도 시험편 및 굽힘 피로 강도 시험편의 제작]
각 강 번호의 직경 35mm의 환봉을 기계 가공하여 도 1에 도시한 롤러 피칭 소 롤러 시험편(이하, 간단히 소 롤러 시험편이라고 함)과, 도 2에 도시한 절결을 갖는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편(도 1 및 도 2 모두 도면 중의 치수의 단위는 mm)을 제작하였다. 도 1에 도시한 소 롤러 시험편은 중앙에 시험부(직경 26mm, 폭 28mm의 원기둥부)를 구비하였다.
작성된 각 시험편에 대하여 가스 침탄로를 이용하여 도 3에 나타내는 조건으로 침탄 ?칭을 실시하였다. ?칭 후, 150℃에서 1.5시간의 템퍼링을 실시하였다. 소 롤러 시험편 및 오노식 회전 굽힘 피로 시험편에 대하여 열처리 왜곡을 제거할 목적으로 손잡이부의 마무리 가공을 실시하였다.
[면 피로 강도 시험]
롤러 피칭 시험에서는 상기 소 롤러 시험편과 도 4에 도시한 형상의 대 롤러(도면 중의 치수의 단위는 mm)를 조합하였다. 도 4에 도시한 대 롤러는 JIS 규격 SCM420(강 번호 17)의 규격을 충족하는 강으로 이루어지고, 일반적인 제조 공정, 즉 불림, 시험편 가공, 가스 침탄로에 의한 공석 침탄, 저온 템퍼링 및 연마의 공정에 의해 제작되었다.
소 롤러 시험편과 대 롤러를 이용한 롤러 피칭 시험을 표 2에 나타내는 조건으로 행하였다.
표 2에 나타내는 바와 같이 소 롤러 시험편의 회전수를 1000rpm으로 하고, 미끄럼률을 -40%, 시험 중의 대 롤러와 소 롤러 시험편의 접촉 면압을 4000MPa, 반복수를 2.0×107회로 하였다. 대 롤러의 회전 속도를 V1(m/sec), 소 롤러 시험편의 회전 속도를 V2(m/sec)로 했을 때, 미끄럼률(%)은 이하의 식에 의해 구하였다.
미끄럼률=(V2-V1)/V2×100
시험 중 윤활제(시판되는 오토매틱 트랜스미션용 오일)를 유온 90℃의 조건으로 대 롤러와 소 롤러 시험편의 접촉 부분(시험부의 표면)에 회전 방향과 반대인 방향으로부터 분사하였다. 이상의 조건으로 롤러 피칭 시험을 실시하여 면 피로 강도를 평가하였다.
각 강 번호에 대하여 롤러 피칭 시험에 있어서의 시험수는 6으로 하였다. 시험 후, 종축에 면압, 횡축에 피칭 발생까지의 반복수를 취한 S-N 선도를 작성하였다. 반복수 2.0×107회까지 피칭이 발생하지 않은 것 중 가장 높은 면압을 그 강 번호의 면 피로 강도라고 정의하였다. 또한, 소 롤러 시험편의 표면이 손상된 개소 중 최대인 것의 면적이 1mm2 이상이 된 경우를 피칭 발생이라고 정의하였다.
표 3에 시험에 의해 얻어진 면 피로 강도를 나타낸다. 표 3 중의 면 피로 강도에서는 범용 강종으로서 일반적인 JIS 규격 SCr420H의 규격을 충족하는 강 16을 침탄한 강 번호 16의 면 피로 강도를 기준값(100%)으로 하였다. 그리고 각 시험 번호의 면 피로 강도를 기준값에 대한 비(%)로 나타냈다. 면 피로 강도가 120% 이상이면 우수한 면 피로 강도가 얻어졌다고 판단하였다.
[내마모성 평가]
롤러 피칭 시험에 있어서 반복수가 1.0×106회가 된 소 롤러 시험편의 시험부의 마모량을 측정하였다. 구체적으로는 JIS B0601(2001)에 준거하여 최대 높이 조도(Rz)를 구하였다. Rz값이 작을수록 내마모성이 높은 것을 나타낸다. 마모량의 측정에는 조도계를 이용하였다. 표 3에 마모량을 나타낸다. 표 3 중의 마모량에서는 강 번호 16의 마모량을 기준값(100%)으로 하였다. 그리고 각 강 번호의 마모량을 기준값에 대한 비(%)로 나타냈다. 마모량이 80% 이하이면 우수한 내마모성이 얻어졌다고 판단하였다.
[굽힘 피로 강도 시험]
굽힘 피로 강도는 오노식 회전 굽힘 피로 시험에 의해 구하였다. 오노식 회전 굽힘 피로 시험에서의 시험수는 각 강 번호 8개로 하였다. 시험시의 회전수는 3000rpm으로 하고, 그 외는 통상의 방법에 의해 시험을 행하였다. 반복수 1.0×104회 및 1.0×107회까지 파단하지 않은 것 중 가장 높은 응력을 각각 중 사이클 및 고 사이클 회전 굽힘 피로 강도라고 정의하였다.
표 3에 중 사이클 및 고 사이클의 굽힘 피로 강도를 나타낸다. 중 사이클 및 고 사이클의 굽힘 피로 강도에서는 범용 강종으로서 일반적인 JIS 규격 SCr420H의 규격을 충족하는 강 16을 침탄한 강 번호 16의 중 사이클 및 고 사이클의 굽힘 피로 강도를 기준값(100%)으로 하였다. 그리고 각 강 번호의 중 사이클 및 고 사이클의 굽힘 피로 강도를 기준값에 대한 비(%)로 나타냈다. 중 사이클 및 고 사이클 모두 굽힘 피로 강도가 115% 이상이면 우수한 굽힘 피로 강도가 얻어졌다고 판단하였다.
[절삭 시험]
절삭 시험을 실시하여 피삭성을 평가하였다. 이하의 방법에 의해 절삭 시험편을 얻었다. 각 강 번호의 직경 70mm의 봉강을 1250℃의 가열 온도에서 30분 가열하였다. 가열된 봉강을 950℃ 이상의 마무리 온도에서 열간 단조하고, 직경 60mm의 환봉을 얻었다. 이 환봉으로부터 기계 가공에 의해 직경 55mm, 길이 450mm의 절삭 시험편을 얻었다. 절삭 시험편을 이용하여 하기 조건으로 절삭 시험을 행하였다.
절삭 시험(선삭)
칩: 모재 재질 초경 P20종 그레이드, 코팅 없음
조건: 주속 200m/분, 이송 0.30mm/rev, 절개 1.5mm, 수용성 절삭유를 사용
측정 항목: 절삭 시간 10분 후의 릴리프면의 주절삭날 마모량
표 3에 얻어진 주절삭날 마모량을 나타낸다. 표 3에서는 범용 강종으로서 일반적인 JIS 규격 SCM420H의 규격을 충족하는 강 번호 17의 주절삭날 마모량을 기준값(100%)으로 하였다. 그리고 각 강 번호의 주절삭날 마모량을 기준값에 대한 비(%)로 나타냈다. 주절삭날 마모량이 강 번호 16의 주절삭날 마모량인 70% 이하이면 우수한 피삭성이 얻어졌다고 판단하였다.
표 3에 평균 냉각 속도, F2값, 주조시의 깨짐 발생 유무, 마이크로 조직, 중 사이클 굽힘 피로 강도, 고 사이클 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 마모량 및 주절삭날 마모량을 나타낸다.
여기서 표 3 중의 밑줄은 본 발명의 식 (2)의 조건 및 목표를 충족하지 않는 것을 의미한다.
Figure 112017094480120-pct00001
Figure 112017094480120-pct00002
Figure 112017094480120-pct00003
표 1 및 표 3을 참조하여 강 1 내지 15의 강 화학 조성은 본 실시 형태에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재의 화학 조성의 범위 내이고, 또한 식 (1) 및 식 (2)를 충족하였다. 그 결과, 강 1 내지 15는 우수한 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성을 가졌다.
표 3에 나타내는 바와 같이 강 16은 JIS에 규정하는 SCR420이고, Si, Cr량, F1 및 F2값이 본 발명이 범위로부터 벗어나 있고, 강 17은 JIS에 규정하는 SCM420이고, Si, Cr, Mo량 및 F2값이 본 발명이 범위로부터 벗어나 있고, 목표로 하는 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도 및 피삭성 중 아무것도 얻어지지 않고 있다.
강 18은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Mn 함유량 및 Mo 함유량의 상한을 초과하였다. Mo 함유량이 많아 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도는 규정 이상이었다. 그러나 F1의 값이 식 (1)의 상한을 초과하고, 또한 Mn이 과잉으로 함유되었기 때문에 경질의 베이나이트가 많이 생성되어 피삭성이 저하되었다.
강 19는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Mo 함유량의 상한을 초과하고, Al 함유량의 하한 이하였다. Al 함유량이 적어 오스테나이트 결정립이 조대화되었지만, Mo 함유량이 과잉이어서 굽힘 피로 강도의 저하는 피할 수 있었다. 그러나 F1의 값이 식 (1)의 상한을 초과하여 피삭성이 낮아졌다.
강 20은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Cr 함유량을 하회하고, Mn 함유량 및 Mo 함유량의 상한을 초과하였다. 강 20은 Mo 함유량이 많아 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도는 규정 이상이었다. 그러나 F1의 값이 식 (1)의 상한을 초과하고, 또한 Mn이 과잉으로 함유되었기 때문에 경질의 베이나이트가 많이 생성되어 피삭성이 저하되었다. 강 21은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Cr 함유량의 상한을 초과하였다. 그 때문에 F1값이 식 (1)의 상한을 초과하여 피삭성이 낮아졌다.
강 22는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 성분 범위 내였다. 그러나 강 22의 F1의 값이 식 (1)의 하한을 하회하여 피로 강도가 낮아졌다.
강 23은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Cr 함유량의 하한 이하이고, 또한 Mn 함유량 및 Mo 함유량의 상한을 초과하였다. Mo가 과잉으로 함유되어 있음에도 불구하고 Cr 함유량이 하한 이하이고, F1의 값이 식 (1)의 하한을 하회하였다. 이 때문에 그 결과 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도가 낮아졌다.
강 24는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Si 함유량의 하한 이하이고, Mn 함유량이 상한을 초과하였다. 그 결과, 강 24는 면 피로 강도가 낮고, 피삭성도 낮아졌다.
강 25는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Si 함유량 및 Mn 함유량의 상한을 초과하였다. 그 결과, 강 25는 피삭성이 낮아졌다.
강 26은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Si 함유량, Mo 함유량 및 Mn 함유량의 상한을 초과하고, Al 함유량의 하한 이하였다. Al 함유량이 적어 오스테나이트 결정립이 조대화되었지만, Mo 함유량이 과잉이어서 굽힘 피로 강도의 저하는 피할 수 있었다. 그러나 F1의 값이 식 (1)의 상한을 초과하여 피삭성이 낮아졌다.
강 27 및 강 28은 Bi를 함유하지 않았다. Bi 함유량 이외는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 성분 범위 내이고, 식 (1)을 충족하였다. 그러나 식 (2)의 상한을 초과하였다. 그 결과, 피삭성이 낮았다. 구체적으로는 Bi를 함유하지 않았기 때문에 Mn의 마이크로 편석이 크고, 경질의 베이나이트가 생성되어 피삭성이 저하되었다고 추측된다.
강 29는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Mn 함유량의 하한 이하였다. 그 결과, 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도가 낮아졌다. Mn 함유량이 적기 때문에 코어부 강도가 부족하고, 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도가 저하되었다고 생각된다.
강 30은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Mn 함유량의 상한을 초과하였다. 그 결과, 굽힘 피로 강도, 면 피로 강도, 내마모성 및 피삭성이 낮았다. Mn이 과잉으로 함유되었기 때문에 침탄 이상층의 깊이가 커지고, 굽힘 피로 강도 및 면 피로 강도가 저하되고, 또한 Mn이 과잉으로 함유되었기 때문에 경질의 베이나이트가 많이 생성되어 피삭성이 저하되었다고 생각된다.
강 31은 Bi의 함유량이 본 발명 규정의 범위를 상회한 예이다. 이 때문에 열간 가공성이 저하되고, 주조시에 깨짐이 발생하였다.
강 32는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 성분 범위 내였다. 그러나 F1의 값이 식 (1)의 상한을 초과했기 때문에 피삭성이 낮아졌다.
강 33은 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 성분 범위 내였다. 그러나 평균 냉각 속도가 바람직한 상한값 이상이어서 응고 조직이 불균일해지고, 불균일 조직을 기인으로 한 깨짐이 발생할 우려가 있다. 이 때문에 열간 가공성이 저하되고, 깨짐이 발생하였다.
강 34는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 화학 성분 범위 내였다. 그러나 평균 냉각 속도가 하한 미만이어서 응고가 너무 늦기 때문에 덴드라이트 수간이 넓어지고, Mn이 편석하고, 결과적으로 F2의 값이 식 (2)의 상한을 초과하여 피삭성이 저하되었다.
강 35는 본 실시 형태에 의한 열간 압연 봉선재의 Al 함유량의 상한을 초과하였다. 이 결과, 조대한 Al 산화물이 생성되어 굽힘 피로 강도가 낮아졌다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 전술한 실시 형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 전술한 실시 형태에 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 전술한 실시 형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

Claims (6)

  1. 질량%로
    C: 0.05 내지 0.30%,
    Si: 0.30 내지 0.60%,
    Mn: 0.40 내지 1.0%,
    S: 0.008 내지 0.040% 미만,
    Cr: 1.60 내지 2.00%,
    Mo: 0 내지 0.1% 이하,
    Al: 0.025 내지 0.05%,
    N: 0.010 내지 0.025%,
    Ti: 0 내지 0.003%,
    Bi: 0.0001 내지 0.0050%를 함유함과 함께
    잔부가 Fe 및 불순물을 포함하고, 불순물 중의 P 및 O가 각각
    P: 0.025% 이하 및
    O: 0.002% 이하인 화학 조성을 갖고, 조직이 페라이트·펄라이트 또는 페라이트·펄라이트·베이나이트로 이루어지고, 또한 식 (1)을 충족하고,
    주절삭날 마모량이, SCM420H의 상기 주절삭날 마모량에 대해, 70% 이하인 열간 압연 봉선재.
    1.70≤Cr+2×Mo≤2.10 … (1)
    여기서 식 (1) 중의 원소 기호에는 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 제1항에 있어서, Fe의 일부 대신에 질량%로 Nb: 0.08% 이하를 함유하는 열간 압연 봉선재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Fe의 일부 대신에 Cu: 0.40% 이하 및 Ni: 0.80% 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 열간 압연 봉선재.
  4. 제2항에 있어서, 상기 Fe의 일부 대신에 Cu: 0.40% 이하 및 Ni: 0.80% 이하로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 열간 압연 봉선재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 열간 압연 봉선재를 절삭 가공하여 얻어진 부품.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 화학 성분을 갖고, 또한 덴드라이트의 1차 아암의 수간의 Mn 함유율 Mnmax와 강 중의 Mn 함유율의 비(Mnmax/Mn)가 하기 식 (2)를 충족하는 주조편을 주조편 표면으로부터 15mm의 깊이에 있어서의 액상선 온도부터 고상선 온도까지의 온도 영역 내의 평균 냉각 속도를 100℃/min 이상 500℃/min 이하로 하는 연속 주조법 또는 조괴법으로 제조하고, 상기 주조편을 열간 압연하는 것을 특징으로 하는 열간 압연 봉선재의 제조 방법.
    Mnmax/Mn＜2.4 … (2)
    여기서 식 (2) 중의 Mn에는 강의 Mn 함유량(질량%)이 대입되고, Mnmax는 주조편의 덴드라이트의 1차 아암의 수간의 Mn 함유율이 대입된다.
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