KR20130108403A

KR20130108403A - 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재

Info

Publication number: KR20130108403A
Application number: KR1020137013666A
Authority: KR
Inventors: 요시히로 다이토; 히데키 이마타카; 마사유키 호리모토; 아키라 시가
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-10-02
Also published as: WO2012073896A1; US9200354B2; CN103228810B; CN103228810A; US20130243641A1; JP5333682B2; JPWO2012073896A1

Abstract

부품의 굽힘·면피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있는, 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재를 제공한다. 본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, 질량%로, C：0.1~0.25%, Si：0.01~0.10%, Mn：0.4~1.0%, S：0.003~0.05%, Cr：1.60~2.00%, Mo：0.10% 이하(0%를 포함함), Al：0.025~0.05%, N：0.010~0.025%를 함유하고, (1)식으로 표시되는 fn1이 1.82≤fn1≤2.10을 만족시키고, 불순물 중의 P, Ti 및 O가 각각, P：0.025% 이하, Ti：0.003% 이하, O(산소)：0.002% 이하이며, 횡단면에 있어서, 1시야당 면적을 62500μm²로 하여, 랜덤으로 15시야 관찰 측정했을 때의, 페라이트 평균 입경의 최대값/최소값이 2.0 이하이다. fn1=Cr+2×Mo…(1)

Description

열간 단조용 압연 봉강 또는 선재{ROLLED STEEL BAR OR WIRE FOR HOT FORGING}

본 발명은 톱니바퀴, 풀리 등의 부품의 소재가 되는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 침탄 또는 침탄 질화 전의 피삭성이 뛰어나고, 또한 침탄 또는 침탄 질화 후의 부품의 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도가 뛰어난, 열간 단조로 조(粗) 성형되는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재에 관한 것이다.

종래, 자동차나 산업 기계의 톱니바퀴, 풀리 등의 강제의 부품은, JIS 규격의 SCr420, SCM420나 SNCM420 등의 기계 구조용 합금강의 열간 압연 봉강 또는 선재를 소재로 하여, 열간 단조, 혹은 냉간 단조에 의해 조 성형된 후에, 필요에 따라서 불림을 행한 후, 절삭 가공을 하고, 그 후에, 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질을 실시하고, 그 후, 200℃ 이하의 뜨임을 행하고, 또한, 필요에 따라서 숏 피닝 처리를 실시함으로써 제조되며, 접촉 피로 강도, 굽힘 피로 강도나 내마모성 등, 각각의 부품에 요구되는 특성을 확보하는 것이 이루어지고 있다.

그러나, 근년, 자동차의 연비 향상이나 엔진의 고출력화에 대응하기 위해서 부품의 경량·소형화가 진행되고, 이에 수반하여, 부품에 걸리는 부하가 증가하는 경향이 있다. 한편, 비용 저감의 관점으로부터 침탄 담금질 후의 숏 피닝 등의 부가적인 표면 처리를 생략하고자 하는 요망도 크다. 또 부품의 가공 비용에서 차지하는 절삭 가공 비용의 비율이 크므로, 피삭성의 향상에 대한 요망도 크다.

부품의 피로 강도를 향상시키기 위해서는, 일반적으로 합금 원소를 많이 첨가하는 경우가 많은데, 그렇게 하면 피삭성이 저하되는 경우가 많다. 따라서, 부품의 굽힘·접촉 피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시키는 것이 요망되고 있다.

또한 상기한 「접촉 피로」에는 「면피로」, 「선피로」및 「점피로」가 포함되는데, 실제로는 「선」접촉이나 「점」접촉이 되는 일은 거의 없으므로, 접촉 피로 강도로서 「면피로 강도」를 취급한다.

또한, 「피칭」은, 면피로의 파괴 형태의 하나이며, 톱니바퀴의 치면, 풀리 등에 있어서의 면피로의 손상 형태는 주로 피칭이다. 그래서, 피칭 강도를 향상시키는 것이, 상기 면피로 강도의 향상에 대응하게 되므로, 이하, 「면피로」로서의 「피칭」에 대해서 설명하고, 「피칭 강도」를 「면피로 강도」라 한다.

일본국 특허 공개 소 60-21359호 공보, 일본국 특허 공개 평 7-242994호 공보 및 일본국 특허 공개 평 7-126803호 공보는, 톱니바퀴용 강의 개선에 대해서 제안하고 있다. 구체적으로는, 일본국 특허 공개 소 60-21359호 공보에는, Si：0.1% 이하, P：0.01% 이하 등을 규정한, 강도가 높고, 강인하며 신뢰성이 높은 톱니바퀴를 제공하는 톱니바퀴용 강이 개시되어 있다. 또, 일본국 특허 공개 평 7-242994호 공보에는, Cr：1.50~5.0%, 또한 필요에 따라서 7.5%＞2.2×Si(%)+2.5×Mn(%)+Cr(%)+5.7×Mo(%), 또는 Si：0.40~1.0% 등을 규정한 치면 강도가 뛰어난 톱니바퀴용 강, 톱니바퀴 및 톱니바퀴의 제조 방법이 개시되어 있다. 또, 일본국 특허 공개 평 7-126803호 공보에는, Si：0.35~3.0% 이하, V：0.05~0.5% 등을 규정한, 굽힘 피로 강도에 추가해, 내마모성과 면피로 강도가 뛰어난 톱니바퀴를 얻는데 적절한 침탄 톱니바퀴용 강이 개시되어 있다.

그러나, 일본국 특허 공개 소 60-21359호 공보에서는, 면피로 강도에 대해서 배려되어 있지 않기 때문에 면피로 강도가 불충분하다. 일본국 특허 공개 평 7-242994호 공보에서는, 굽힘 피로 강도에 대해서 배려되어 있지 않기 때문에 굽힘 피로 강도가 불충분하다. 또, 피삭성에 대해서도 불충분하다. 일본국 특허 공개평 7-126803호 공보에서는, 굽힘 피로 강도에 대해서 충분하게는 배려되어 있지 않기 때문에 굽힘 피로 강도가 불충분하다. 또, V첨가는 열간 단조 후의 경도를 큰 폭으로 증가시키므로 피삭성에 대해서도 불충분하다.

일본국 특허 공개 소 60-21359호 공보, 일본국 특허 공개 평 7-242994호 공보 및 일본국 특허 공개 평 7-126803호 공보에도 나타난 바와 같이, Si 및 Cr 함유량의 조정 등에 의해서, 침탄 혹은 침탄 질화 후의 굽힘 및 면피로 강도가 뛰어난 강재에 대해서는 종래부터 알려져 있었다. 그러나, 일반적으로는 상반되는 굽힘·면피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시킬 수는 없었다.

본 발명의 목적은 피삭성과 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질 후의 부품의 굽힘·면피로 강도를 높은 레벨로 양립시킬 수 있는, 열간 단조로 조 성형되는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재를 제공하는 것이다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, 질량%로, C：0.1~0.25%, Si：0.01~0.10%, Mn：0.4~1.0%, S：0.003~0.05%, Cr：1.60~2.00%, Mo：0.10% 이하(0%를 포함함), Al：0.025~0.05%, N：0.010~0.025%를 함유함과 더불어, Cr 및 Mo의 함유량이, 하기 (1)식으로 표시되는 fn1의 값이며, 1.82≤fn1≤2.10을 만족시키고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, Ti 및 O가 각각, P：0.025% 이하, Ti：0.003% 이하, O(산소)：0.002% 이하인 조성을 갖고, 페라이트·펄라이트 조직, 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직, 또는 페라이트·베이나이트 조직으로 이루어지고, 횡단면에 있어서, 1시야당 면적을 62500μm²로 하여, 랜덤으로 15시야 관찰 측정했을 때의, 페라이트 평균 입경의 최대값/최소값이 2.0 이하이다.

fn1=Cr+2×Mo…(1)

단, (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, 피삭성과 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질 후의 부품의 굽힘·면피로 강도를 높은 레벨로 양립시킬 수 있다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Nb：0.08% 이하를 함유해도 된다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu：0.4% 이하 및 Ni：0.8% 이하 중 1종 이상을 함유해도 된다.

도 1은, 실시예에서 제작한 롤러 피칭 소롤러 시험편의 치수 형상을 나타내는 측면도이다.
도 2는, 실시예에서 제작한 절결이 있는 오노식 회전 굽힘 피로 시험편의 치수 형상을 나타내는 측면도이다.
도 3은, 실시예에 있어서의 침탄 담금질 조건을 나타내는 도면이다.
도 4는, 실시예에 있어서의 롤러 피칭 시험에서 사용한, 대롤러의 치수 형상을 나타내는 정면도이다.

상술한 바와 같이, Si 및 Cr 함유량의 조정 등에 의해서, 침탄 또는 침탄 질화 후의 굽힘·면피로 강도가 뛰어난 강재를 얻을 수 있다고 알려져 있었다. 그러나, 일반적으로는 상반되는 굽힘·면피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시키는 것은 할 수 없었다. 그래서, 굽힘·면피로 강도와 피삭성을 높은 레벨로 양립시킬 수 있는, 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재의 개발을 목표로 하여 조사·연구를 거듭한 결과, 하기의 지견을 얻었다.

(a) 굽힘 피로 강도를 높이기 위해서는, Si 함유량을 저감하는 것이 유효하지만, 그것만으로는 불충분하며, Cr, Mo의 함유량을 높일 필요가 있다.

(b) 면피로 강도를 높이기 위해서는, Cr, Mo의 함유량을 높일 필요가 있다.

(c) Mo 함유량을 높이면, 열간 단조 후, 혹은 추가로 불림을 행한 후에도 페라이트 조직, 펄라이트 조직에 추가하여 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어, 단단해지기 때문에 피삭성이 저하한다. 또 Mo를 첨가하지 않는 경우에도 Cr 함유량이 너무 많아지면, 마찬가지로 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어, 피삭성이 저하한다.

(d) 굽힘 피로 강도, 면피로 강도 및 피삭성 모두를 높은 차원으로 양립시킬 수 있는 성분 범위는 좁고, Si, Cr 및 Mo의 각 함유량의 한정에 추가해, 「Cr%＋2×Mo%」의 범위를 한정할 필요가 있다.

(e) 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재 중의 결정입경이 불균일한 경우, 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도 모두 저하하는 경향이 있었다. 결정입경의 불균일성은, 페라이트 입경으로 평가할 수 있었다.

본 발명의 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, 상술한 지견에 의거하여 완성된 것이다. 이하, 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 화학 성분의 함유량의 「%」는 「질량%」를 의미한다.

(A) 화학 조성

C：0.1~0.25%

C는 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질된 부품의 심부(芯部) 강도를 확보하기 위한 필수 원소이다. 그 함유량이 0.1% 미만이면 불충분하다. 한편, C의 함유량이 0.25%를 넘으면, 침탄 담금질 혹은 침탄 질화 담금질했을 때의 부품의 변형량의 증가가 현저해진다. 따라서, C의 함유량을 0.1~0.25%로 했다. C의 함유량은, 0.18% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.23% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Si：0.01~0.10%

Si는, 담금질성을 높이는 작용을 갖는 원소이다. 한편, Si는, 침탄 처리 혹은 침탄 질화 처리시에, 입계 산화층의 증가의 원인이 된다. 특히, 그 함유량이 0.10%를 넘으면, 입계 산화층이 큰 폭으로 증가하여 굽힘 피로 강도가 저하해, 본 발명에서의 목표값을 만족시키지 않는다. Si의 함유량이 0.01% 미만이면, 담금질성을 높이는 효과가 불충분하다. 따라서, Si의 함유량을 0.01~0.10%로 했다. Si의 함유량은 0.06~0.10%로 하는 것이 바람직하다.

Mn：0.4~1.0%

Mn은, 담금질성을 높이는 효과가 크고, 침탄 담금질 또는 침탄 질화 담금질된 부품의 심부 강도를 확보하기 위한 필수 원소이다. 그 함유량이 0.4% 미만이면 불충분하다. 한편, Mn의 함유량이 1.0%를 넘으면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 단조 후의 피삭성의 저하가 현저해진다. 따라서, Mn의 함유량을 0.4~1.0%로 했다. Mn의 함유량은, 0.5% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.6% 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. Mn의 함유량은, 0.9% 이하로 하는 것이 바람직하다.

S：0.003~0.05%

S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 절삭 가공성의 향상에 유효한 원소이다. 그 함유량이 0.003% 미만이면, 상기한 효과는 얻기 어렵다. 한편, S의 함유량이 많아지면, 조대한 MnS가 생성되기 쉬워져, 피로 강도를 저하시키는 경향이 있다. 그 함유량이 0.05%를 넘으면, 피로 강도 저하가 현저해진다. 따라서, S의 함유량을 0.003~0.05%로 했다. S의 함유량은, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr：1.60~2.00%

Cr은, 담금질성 및 뜨임 연화 저항을 높이는 효과가 크고, 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도의 향상에 유효한 원소이다. 그 함유량이 1.60% 미만에서는, Mo를 0.10% 함유하고 있어도, 목표로 하는 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도를 얻을 수 없다. 한편, Cr의 함유량이 2.00%를 넘으면, 열간 단조 후나 불림 후에 베이나이트 조직이 생성되기 쉬워져 피삭성이 저하한다. 따라서, Cr의 함유량을 1.60~2.00%로 했다. Cr의 함유량은, 1.80% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 1.90% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mo：0.10% 이하(0%를 포함함)

Mo는, 첨가하지 않아도 되지만, 담금질성, 뜨임 연화 저항을 높이는 효과가 크고, 굽힘 피로 강도, 면피로 강도의 향상에 유효한 원소이다. Cr 함유량이 1.82% 미만인 경우, 「Cr%＋2×Mo%」가 1.82 이상이 되도록 Mo를 함유함으로써, 목표로 하는 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도를 얻을 수 있다. 한편, Mo의 함유량이 0.10%를 넘으면, 열간 단조 후나 불림 후에 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어 피삭성이 저하한다. 따라서, Mo의 함유량을 0.10% 이하(0%를 포함함)로 했다. 상술한 효과를 확실히 얻기 위해서, 바람직한 Mo의 함유량은 0.02% 이상이다.

Al：0.025~0.05%

Al는, 탈산 작용을 가짐과 동시에, N과 결합하여 AlN을 형성하기 쉽고, 침탄 가열시의 오스테나이트립 조대화 방지에 유효한 원소이다. 그러나 Al의 함유량이 0.025% 미만에서는, 안정적으로 오스테나이트립의 조대화를 방지할 수 없어, 조대화한 경우에는, 굽힘 피로 강도가 저하한다. 한편, Al의 함유량이 0.05%를 넘으면, 조대한 산화물이 형성되기 쉬워져 굽힘 피로 강도가 저하한다. 따라서, Al의 함유량을 0.025~0.05%로 했다. Al의 함유량은, 0.030% 이상으로 하는 것이 바람직하고, 또, 0.040% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N：0.010~0.025%

N은, Al, Nb와 결합하여 AlN, NbN을 형성하기 쉬운 원소이다. 본 발명에서는, AlN 및 NbN은 침탄 가열시의 오스테나이트립의 조대화 방지에 유효하다. N의 함유량이 0.010% 미만에서는, 안정적으로 오스테나이트립의 조대화를 방지할 수 없다. 한편, N의 함유량이 0.025%를 넘으면, 제강 공정에 있어서 양산으로 안정적으로 제조하는 것이 어렵다. 따라서, N의 함유량을 0.010~0.025%로 했다. N의 함유량은, 0.018% 이하로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서 말하는 불순물은, 강의 원료로서 이용되는 광석이나 스크랩, 혹은 제조 과정의 환경 등으로부터 혼입되는 원소를 말한다. 본 발명에 있어서는, 불순물 원소로서의 P, Ti 및 O(산소)의 함유량을 하기와 같이 제한한다.

P：0.025% 이하

P는 입계편석하여 입계를 취화시키기 쉬운 원소이다. P의 함유량이 0.025%를 넘으면, 피로 강도가 저하한다. 따라서, P의 함유량을 0.025% 이하로 했다. P의 함유량은, 0.020% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ti：0.003% 이하

Ti는, N과 결합하여 경질이고 조대한 TiN을 형성하기 쉽고, 이 TiN은 피로 강도 저하의 원인이 된다. Ti의 함유량이 0.003%를 넘으면, 피로 강도의 저하가 현저해진다. 불순물 원소로서의 Ti의 함유량은 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하지만, 제강 공정으로의 비용를 고려하면, 0.002% 이하로 하는 것이 바람직하다.

O(산소)：0.002% 이하

O는, Al와 결합하여 경질인 산화물계 개재물을 형성하기 쉽고, 이 산화물계 개재물은 굽힘 피로 강도 저하의 원인이 된다. O의 함유량이 0.002%를 넘으면, 피로 강도의 저하가 현저해진다. 불순물 원소로서의 O의 함유량은 가능한 한 적게 하는 것이 바람직하지만, 제강 공정에서의 비용을 고려하면, 0.001% 이하로 하는 것이 바람직하다.

fn1=Cr+2×Mo：1.82~2.10

Cr 및 Mo는, 상술한 바와 같이 담금질성, 뜨임 연화 저항을 높이는 효과가 크고, 굽힘 피로 강도, 면피로 강도의 향상에 유효한 원소이다. Mo는 Cr의 반분의 함유량으로, Cr과 동등한 효과가 있었기 때문에, fn1=Cr+2×Mo라고 정의했다. fn1 중의 각 원소 기호(Cr, Mo)에는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 대입한다. fn1의 값이 1.82 미만인 경우, 목표로 하는 굽힘 피로 강도 및 면피로 강도를 얻을 수 없다. fn1의 값이 2.10을 넘으면, 열간 단조 후나 불림 후에 베이나이트 조직의 생성이 촉진되어 피삭성이 저하한다. 따라서, fn1의 값을 1.82~2.10으로 했다. fn1의 값의 바람직한 상한은 2.00 미만이다.

본 발명에 있어서, 보다 뛰어난 특성을 얻기 위해서는, 하기의 원소를 첨가해도 된다.

Nb：0.08% 이하

Nb는 C, N과 결합하여 NbC, NbN, Nb(C, N)를 형성하기 쉽고, 상술한 AlN에 의한 침탄 가열시의 오스테나이트립 조대화 방지를 보완하는데 유효한 원소이다. 한편, Nb의 함유량이 0.08%를 넘으면, 오스테나이트립 조대화 방지의 효과가 오히려 저하한다. 따라서, Nb의 함유량을 0.08% 이하로 했다. 이 효과를 확실히 얻기 위해서는, Nb를 0.01% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 바람직한 Nb의 함유량은, 0.05% 이하이다.

본 실시형태에 의한 봉강 또는 선재는 또한 Fe의 일부를 대신하여, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 함유해도 된다. Cu 및 Ni는 모두 담금질성을 높여 피로 강도를 높인다.

Cu：0.4% 이하

Cu는, 담금질성을 높이는 효과가 있으며, 보다 더 피로 강도를 높이기 위해서 유효한 원소이므로, 필요에 따라서 함유시켜도 된다. 그러나, Cu의 함유량이 0.4%를 넘으면, 열간 연성을 저하시키고, 열간 가공성의 저하가 현저해진다. 따라서, 함유시키는 경우의 Cu의 함유량을 0.4% 이하로 했다. 함유시키는 경우의 Cu의 함유량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. 바람직한 Cu의 함유량의 하한은 0.1% 이상이다.

Ni：0.8% 이하

Ni는, 담금질성을 높이는 효과가 있으며, 보다 더 피로 강도를 높이기 위해서 유효한 원소이므로, 필요에 따라서 함유시켜도 된다. 그러나, Ni의 함유량이 0.8%를 넘으면, 담금질성의 향상에 따른 피로 강도를 높이는 효과가 포화된다. 또한, 열간 단조 후의 피삭성의 저하가 현저하게 되고, 게다가 합금 비용도 상승한다. 따라서, 함유시키는 경우의 Ni의 함유량을 0.8% 이하로 했다. 함유시키는 경우의 Ni의 함유량은 0.6% 이하인 것이 바람직하다. 바람직한 Ni함유량의 하한은, 0.1% 이상이다.

(B) 미크로 조직

열간 압연재(열간 압연한 채로의 재)의 단계에서의 결정입경의 불균일성의 경향은, 열간 단조, 또한 침탄 담금질 후에도 이어지고, 굽힘 피로 강도, 면피로 강도에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 그래서, 열간 압연재에서의 결정입경의 불균일성과 침탄 담금질 후의 굽힘 피로 강도, 면피로 강도의 관계에 대해서 조사했다. 결정입경의 불균일성의 평가의 지표는, 각 시야에서의 평균 페라이트 입경의 최대값/최소값으로 했다. 페라이트 입경을 선정한 것은, 펄라이트나 베이나이트에 비해, 페라이트는 에칭에 의해 입계를 용이하게 관찰할 수 있어, 페라이트 입경을 이용하면, 조직의 균일성을 평가하기 쉽기 때문이다. 최대값/최소값을 지표로 한 것은, 피로 강도가 가장 낮은 부분을 기점으로 하여 파괴가 발생하기 때문에, 표준 편차를 지표로 하는 것보다 적합하다고 생각되기 때문이다.

이 때문에, 미크로 조직을 적정한 것으로 할 필요가 있다. 즉, 열간 압연재에 있어서, 조직이 페라이트·펄라이트 조직, 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직, 또는 페라이트·베이나이트 조직으로 구성되고, 횡단면을 1시야당 면적을 62500μm²로 하여, 랜덤으로 15시야 관찰 측정했을 때의, 각 시야의 페라이트 평균 입경의 최대값/최소값이 2.0 이하인 경우에, 침탄 담금질 후에 굽힘 피로 강도, 면피로 강도를 높게 할 수 있다.

여기서 말하는 「페라이트·펄라이트 조직」은, 페라이트와 펄라이트로 이루어지는 2상 조직을 의미한다. 「페라이트·펄라이트·베이나이트 조직」은, 페라이트와 펄라이트와 베이나이트로 이루어지는 3상 조직을 의미한다. 「페라이트·베이나이트 조직」은, 페라이트와 베이나이트로 이루어지는 2상 조직을 의미한다.

조직중에 마르텐사이트를 포함하는 경우에는, 마르텐사이트가 경질이고 연성이 낮은 것에 기인하여, 열간 압연 봉강 또는 선재의 교정이나 운반시에 균열이 발생하기 쉬워진다.

또한, 조직이 상기의 페라이트 조직을 포함하는 각종 혼합 조직이며, 상기한 페라이트 평균 입경의 최대값/최소값이 2.0 이하이면, 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재(압연한 채로의 재)의 단계에서의 단면 내의 결정입경의 불균일이 적어, 침탄 담금질 후에 굽힘 피로 강도, 면피로 강도를 높이는 것이 가능하게 된다.

상기한 조직에 있어서의 「상」은, 예를 들면, 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재의 길이 방향에 수직, 또한, 중심부를 포함하는 단면(횡단면)을 절출한 후, 경면 연마하여 나이탈로 부식시킨 시험편에 대해서, 배율 400배로 시야의 크기를 250μm×250μm로 하여 랜덤으로 각 15시야 관찰함으로써 동정(同定)할 수 있다.

상기한 각 시야에 대해서 통상의 방법에 의한 화상 해석을 행하여 구한 각 시야의 페라이트 평균 입경으로부터, 최대값/최소값을 산출한다. 상기 최대값/최소치는 1.6 이하인 것이 바람직하다. 상술한 횡단면으로부터 페라이트 평균 입경을 측정할 때, 횡단면 중, 표층의 탈탄층을 제외한 영역에서 관찰한다.

본 발명의 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재를 얻기 위한 제조 방법의 일례로서, 이하, 상기 (A)에서 나타낸 화학 조성을 갖는 강을 이용한 경우에 대해서 나타낸다. 본 발명의 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재의 제조 방법은, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 화학 조성의 강을 용제하여, 주편을 제조한다. 이 때, 응고 도중의 주편에 압하를 가한다. 제조된 주편을 분괴 압연하여 강편을 제조한다. 이 때, 주편에 가열 온도 1250~1300℃, 또한, 가열 시간 10시간 이상의 가열을 실시하고 나서 분괴 압연한다. 제조된 강편을 열간 압연하여 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재를 제조한다. 이 때, 강편의 가열 온도를 1150~1200℃, 또한, 가열 시간을 1.5시간 이상의 가열을 실시하고 나서 열간 압연한다. 또, 열간 압연의 마무리 온도를 900~1000℃으로 하고, 마무리 압연 전의 수랭을 행하지 않고, 또한 마무리 압연 후에는, 대기중에서의 방랭(이하, 단순히 「방랭」이라 함) 이하의 냉각 속도로 600℃ 이하의 온도까지 냉각한다. 또, 강편으로부터 봉강, 선재로의 단면 감소율(｛1-(봉강, 선재의 단면적/강편의 단면적)｝×100)을 87.5% 이상으로 한다.

열간 압연에 있어서의 마무리 압연 후에는 방랭 이하의 냉각 속도로 실온까지 냉각할 필요는 없고, 600℃ 이하의 온도에 이른 시점에서, 공랭, 미스트 냉각, 수랭 등, 적절한 수단으로 냉각해도 된다.

본 명세서에 있어서의 가열 온도란 가열로의 노 내 온도의 평균치, 가열 시간이란 재로(在爐)시간을 의미한다. 열간 압연의 마무리 온도란, 마무리 압연 직후의 봉강, 선재의 표면 온도를 가리키고, 또한 마무리 가공 후의 냉각 속도도, 봉강, 선재의 표면 냉각 속도를 가리킨다.

본 발명에 의한 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재는, 피삭성과 부품의 굼힙·면피로 강도를 높은 레벨로 양립시킬 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

실시예 1

표 1에 나타낸 화학 성분을 갖는 강 A~C를 70톤 전로(轉爐)에서 성분 조정한 후, 연속 주조를 행하여, 400mm×300mm각의 블룸을 얻고, 600℃ 이하까지 냉각시켰다.

연속 주조의 응고 도중의 단계에서 압하를 가했다. 표 2에 나타낸 조건으로 블룸을 가열한 후, 분괴 압연으로 180mm×180mm각의 강편을 제작하고, 실온까지 냉각시켰다. 다음에, 표 2에 나타낸 조건으로 강편을 가열한 후, 표 2에 나타낸 조건으로 열간 압연을 행하여, 직경 50mm 및 직경 70mm의 봉강을 얻었다.

직경 50mm의 봉강의 길이 방향에 수직 또한 중심부를 포함하는 단면(횡단면)을 절출한 후, 경면으로 연마한 후, 나이탈로 부식시킨 시험편에 대해서, 배율 400배로 랜덤으로 각 15시야 관찰했다. 이 때, 횡단면 중, 표층의 탈탄층을 제외한 영역으로부터 랜덤으로 15시야 관찰했다. 각 시야의 크기는 250μm×250μm로 했다. 각 시야에 대해서 통상의 방법에 의한 화상 해석에 의해 페라이트의 평균 입경을 구했다. 모든 시료에 있어서, 미크로 조직은, 마르텐사이트 조직을 포함하지 않으며, 페라이트·펄라이트 조직, 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직 및 페라이트·베이나이트 조직 중 어느 하나로 이루어져 있다.

표 1의 강을 표 2의 조건으로 제조한 직경 50mm의 열간 단조용 압연 봉강을 1200℃에서 30분 가열하고, 마무리 온도를 950℃ 이상으로 하여 열간 단조하여, 직경 35mm의 환봉을 얻었다. 그 다음에, 기계 가공에 의해, 도 1에 나타낸 롤러 피칭 소롤러 시험편 및 도 2에 나타낸 형상의 절결이 있는 부착 오노식 회전 굽힘 피로 시험편(도 1 및 도 2 모두, 도면 중의 치수의 단위는 mm)을 제작했다. 상기한 시험편에 대해, 가스 침탄로를 이용하여, 도 3에 나타낸 조건으로 침탄 담금질을 행하고, 그 다음에, 170℃에서 1.5시간의 뜨임을 행했다. 또한, 이들 시험편에 대해, 열처리 변형을 제거할 목적으로, 그립부의 마무리 가공을 행했다.

롤러 피칭 시험은, 상기한 소롤러 시험편과 도 4에 나타낸 형상의 대롤러(도면 중의 치수의 단위는 mm)의 조합으로, 표 3에 나타낸 조건으로 행했다.

상기 롤러 피칭 시험용 대롤러는, JIS 규격 SCM420H의 규격을 만족시키는 강을 이용하여, 일반적인 제조 공정으로 제작한 것이다. 즉, 「불림, 시험편 가공, 가스 침탄로에 의한 공석(共析)침탄, 저온 뜨임 및 연마」의 공정에 의해서 제작한 것이다.

각 시험 번호에 대해서, 롤러 피칭 시험에 있어서의 시험수는 6으로 했다. 종축에 면압, 횡축에 피칭 발생까지의 반복수를 취한 S-N선도를 작성하고, 반복수 2.0×10⁷회까지 피칭이 발생하지 않았던 동안, 가장 높은 면압을 면피로 강도라 했다. 소롤러의 시험부의 표면이 손상되어 있는 개소 중, 최대인 것의 면적이 1mm² 이상이 된 경우를 피칭 발생이라고 판정했다.

각 시험 번호에 대해서, 오노식 회전 굽힘 피로 시험에서의 시험수는 8로 했다. 회전수 3000rpm으로 하고, 그 외에는 통상의 방법에 의해 시험을 행하고, 반복수 1.0×10⁴회 및 1.0×10⁷회까지 파단되지 않았던 동안, 가장 높은 응력을 각각, 중사이클 회전 굽힘 피로 강도 및 고사이클 회전 굽힘 피로 강도로 했다.

후술하는 표 4에 상기한 각 시험 결과를 정리하여 나타냈다. 롤러 피칭 시험에서의 면피로 강도의 목표값은, 범용 강종으로서 일반적인, JIS 규격 SCr420H의 규격을 만족시키는 강 A를 침탄시킨 시험 번호 1의 면피로 강도를 100으로 하여 규격화하고, 20% 이상 웃도는 것으로 했다. 오노식 회전 굽힘 피로 강도의 목표치는, 강 A를 침탄시킨 시험 번호 1의 중사이클, 고사이클의 회전 굽힘 피로 강도를 각각 100으로서 규격화하고, 모두 15% 이상 웃도는 것으로 했다.

절삭 시험에 있어서는, 상기한 열간 압연으로 제작한 직경 70mm의 열간 단조용 압연 봉강을 1200℃에서 30분 가열하고, 마무리 온도를 950℃ 이상으로 해서 열간 단조하여, 직경 50mm의 환봉을 얻었다. 이 환봉으로부터 기계 가공에 의해서, 직경 46mm, 길이 400mm의 시험재를 얻었다. 이 시험재를 이용하여, 하기의 조건으로 절삭 시험을 행했다.

절삭 시험(선삭)

팁：모재 재질 초경(超硬) P20종 그레이드, 코팅 없음

조건：주속 200m/분, 이송 0.30mm/rev, 절입 1.5mm, 수용성 절삭유를 사용

측정 항목：절삭 시간 10분 후의 여유면의 주 절삭날 마모량

표 4에, 상기의 각 시험 결과를 정리하여 나타냈다. 절삭 시험에서의 목표치는, 고강도재로서 일반적인 JIS 규격 SCM822H의 규격을 만족시키는 강 B를 침탄시킨 시험 번호 2의 여유면의 주 절삭날 마모량을 100으로 하여 규격화하고, 이것을 20% 이상 밑도는 것으로 했다.

표 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 시험 번호인 경우에는, 목표로 하는 굽힘 피로 강도, 면피로 강도 및 피삭성 중 하나가 얻어지지 않았다.

본 발명에서 규정하는 조건을 만족시키는 시험 번호인 경우에는, 목표로 하는 굽힘 피로 강도, 면피로 강도 및 피삭성을 얻을 수 있었다.

실시예 2

표 5에 나타낸 화학 성분을 갖는 강 D~T를 70톤 전로에서 성분 조정한 후, 연속 주조를 행하여, 400mm×300mm각의 블룸을 얻고, 600℃ 이하까지 냉각시켰다.

또한 연속 주조의 응고 도중의 단계에서 압하를 가했다. 표 2에 나타낸 조건으로 주편을 가열한 후, 분괴 압연으로 180mm×180mm각의 강편을 제작하고, 실온까지 냉각시켰다. 다음에 표 2에 나타낸 조건으로 강편을 가열한 후, 표 2에 나타낸 조건으로 열간 압연을 행하여, 직경 50mm 및 직경 70mm의 봉강을 얻었다. 조사 항목 및 조사 방법은, 상기 실시예 1에 기재된 방법과 동일하게 했다.

표 6에, 각 시험 결과를 정리하여 나타냈다.

표 6에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조건에서 벗어난 시험 번호의 경우에는, 목표로 하는 굽힘 피로 강도, 면피로 강도 및 피삭성 중 어느 하나가 분괴 압연지지 않았다.

본 발명에서 규정하는 조건을 만족시키는 시험 번호의 경우에는, 목표로 하는 굽힘 피로 강도, 면피로 강도 및 피삭성이 분괴 압연졌다. Nb를 함유하고 있는 시험 번호 31 및 33은 목표를 크게 웃돌았다. 또, Cu 및 Ni 중 1종 이상을 함유하고 있는 시험 번호 39~41은 목표를 크게 웃돌았다.

이상, 본 발명의 실시형태를 설명했는데, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되지 않으며, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

Claims

질량%로,
C：0.1~0.25%,
Si：0.01~0.10%,
Mn：0.4~1.0%,
S：0.003~0.05%,
Cr：1.60~2.00%,
Mo：0.10% 이하(0%를 포함함),
Al：0.025~0.05%,
N：0.010~0.025%,
를 함유함과 더불어,
Cr 및 Mo의 함유량이, 하기 (1)식으로 표시되는 fn1의 값이며, 1.82≤fn1≤2.10을 만족시키고,
잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 P, Ti 및 O가 각각,
P：0.025% 이하,
Ti：0.003% 이하,
O(산소)：0.002% 이하,
인 조성을 갖고,
페라이트·펄라이트 조직, 페라이트·펄라이트·베이나이트 조직, 또는 페라이트·베이나이트 조직으로 이루어지고,
횡단면에 있어서, 1시야당 면적을 62500μm²로 하여, 랜덤으로 15시야 관찰 측정했을 때의, 페라이트 평균 입경의 최대값/최소값이 2.0 이하인 것을 특징으로 하는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재.
fn1=Cr+2×Mo…(1)
단, (1)식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로의 함유량을 나타낸다.
청구항 1에 있어서,
Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Nb：0.08% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
Fe의 일부를 대신하여, 질량%로, Cu：0.4% 이하 및 Ni：0.8% 이하 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 열간 단조용 압연 봉강 또는 선재.