KR101691970B1 - 단조 부품 및 그 제조 방법과 콘 로드 - Google Patents

Abstract

화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0150% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께 식 1을 만족하는 강(鋼)으로 이루어지는 단조 부품이다.
금속 조직이 페라이트·펄라이트 조직임과 함께, 페라이트의 면적률이 30% 이상이다. 비커스 경도가 320∼380HV의 범위에 있다. 0.2% 내력이 800MPa 이상이다. V노치에 의한 샤르피 충격값이 7∼15J/㎠의 범위에 있다.

Description

단조 부품 및 그 제조 방법과 콘 로드{FORGED PART, METHOD FOR PRODUCING SAME, AND CONNECTING ROD}

본 발명은, 단조 부품 및 그 제조 방법과 콘 로드에 관한 것이다.

예를 들면 콘 로드 등의 자동차에 이용되는 단조 부품에 있어서는, 연비 향상을 위한 경량화가 요구되고 있다. 경량화에는, 소재가 되는 강(鋼)의 강도를 높여 박육화하는 것이 유효하다. 그러나, 일반적으로, 강의 고강도화는 피삭성의 악화로 이어진다. 그 때문에, 고강도화와 피삭성 유지의 양방을 만족하는 강의 개발이 요망되고 있다.

또, 2개의 부품을 조합하여 1세트의 부품을 구성하는 경우에, 그 2개의 부품을 연결한 상태에서 성형한 후에, 최종적으로 파단 분할하여 2개의 부품으로 마무리하는 것이 검토되고 있다. 이 제조 방법을 채용하면, 제조 공정의 합리화를 도모할 수 있음과 함께, 파단 분할 후의 2개의 부품의 조립성이 향상된다. 이와 같은 제조 방법을 가능하게 하려면, 적어도 파단 분할을 용이하게 행할 수 있는 강이 필요하게 된다.

고강도화와 저비용화를 목적으로 하여 개발된 강으로서는, 예를 들면 특허문헌 1에 기재되어 있다. 또, 고강도화와 피삭성 향상을 목적으로 하여 개발된 강으로서는, 예를 들면 특허문헌 2에 기재되어 있다.

일본국 공개특허 특개2011-32545호 공보 일본국 공개특허 특개2011-195862호 공보

특허문헌 1에 기재된 강은, 저비용화와 고강도화를 어느 정도 실현하고 있기는 하나, 상술한 파단 분할성에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 또, 특허문헌 2에 기재된 강은, 고강도화를 어느 정도 실현하고, 파단 분할 가능한 특성을 가지고 있다. 그러나 이 강의 피삭성은, 종래보다 향상되어 있기는 하나, 아직 충분하다고는 말할 수 없다. 또한, 파단 분할성을 취성(脆性) 파면율에 의한 변형에 대하여 평가하고 있기는 하나, 너무 무름으로써 발생하는 칩(chip)에 대해서는 전혀 고려되어 있지 않다. 그 때문에, 특허문헌 1의 강은, 파단 분할시에 발생하는 변형이나 칩이 문제이다.

또, 샤르피 충격값은, 파단 분단성에 관한 관점에서뿐만 아니라, 부품으로서 장기간 안정적으로 사용하는 관점에서도, 극단적으로 낮은 것은 문제이며, 내구성에 필요한 최저한의 값을 확보할 필요가 있다.

본 발명은, 이와 같은 배경에 의거하여, 고강도화, 피삭성 향상 및 파단 분할성 향상이라는 3개의 특성 향상을 모두 실현 가능한 강재로 이루어지는 파단 분할 가능한 단조 부품 및 그 제조 방법을 제공하고자 하는 것이다. 또한, 본 발명에 있어서 얻고자 하는 단조 부품은, 파단 분할 가능한 것이지만, 그 용도상, 파단 분할을 행하지 않고 사용해도 당연히 된다.

본 발명의 일태양은, 화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0150% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하고,

식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44

(여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)

금속 조직이 페라이트·펄라이트 조직임과 함께, 페라이트의 면적률이 30% 이상이며,

비커스 경도가 320∼380HV의 범위에 있고,

0.2% 내력이 800MPa 이상이며,

V노치에 의한 샤르피 충격값이 7∼15J/㎠의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 단조 부품에 있다.

본 발명의 다른 태양은, 화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0090% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하는 단조용 강재를 준비하는 공정과,

식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44

(여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)

상기 단조용 강재에 대하여 1150℃∼1300℃의 열간 단조 온도로 열간 단조 를 실시하여 단조 부품을 얻는 공정과,

상기 열간 단조 후의 상기 단조 부품을 800∼600℃있어서의 평균 냉각 속도가 150∼250℃/min이 되도록 냉각하는 냉각 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 단조 부품의 제조 방법에 있다.

본 발명의 또 다른 태양은, 화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0090초∼0.0150%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하는 단조용 강재를 준비하는 공정과,

식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44

(여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)

상기 단조용 강재에 대하여 1230℃∼1300℃의 열간 단조 온도로 열간 단조 를 실시하여 단조 부품을 얻는 공정과,

상기 열간 단조 후의 상기 단조 부품을 800∼600℃에 있어서의 평균 냉각 속도가 150∼250℃/min이 되도록 냉각하는 냉각 공정을 가지는 것을 특징으로 하는 단조 부품의 제조 방법에 있다.

상기 단조 부품은, 상기 특정한 화학 성분 조성을 가지고 있음과 함께, 비커스 경도, 0.2% 내력, 금속 조직 및 샤르피 충격값으로 나타내어지는 특성이, 모두 상기의 특정한 범위 내에 있다. 이것에 의해, 고강도를 유지하면서 피삭성이 좋고 파단 분할시의 칩이나 변형이 없다는 우수한 특성의 실현, 즉, 고강도화, 피삭성 향상 및 파단 분할성 향상이라는 3개의 특성 모두의 향상을, 높은 레벨에서 실현할 수 있다. 또한, 상기 단조 부품은, 용도에 따라서, 파단 분할을 실시하지 않고 제조해도 된다. 그리고, 상기 단조 부품은, 파단 분리의 유무에 관계없이, 상기 샤르피 충격값 등의 특성을 확보하고 있음으로써, 장기간에 걸쳐 안심하고 사용하는 것이 가능하다.

도 1은, 실시예 1에 있어서의, 파단 분할성 평가용 시험편의 (a)평면도, (b)정면도이다.
도 2는, 실시예 1에 있어서의, P 함유량과 샤르피 충격값의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 3은, 실시예 1에 있어서의, 경도와 샤르피 충격값의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 4는, 실시예 1에 있어서의, 경도와 0.2% 내력의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 5는, 실시예 1에 있어서의, 경도와 피삭성 지수의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 6은, 실시예 1에 있어서의, 식 1의 값과 피삭성 지수의 관계를 나타낸 설명도이다.
도 7은, 실시예 2에 있어서의, N 함유량 및 가열 온도와 0.2% 내력의 관계를 나타낸 설명도이다.

상기 단조 부품에 있어서의 화학 성분 조성의 한정 이유를 설명한다.

C:0.30∼0.45%,

C(탄소)는, 강도를 확보하기 위한 기본 원소이다. 적당한 강도, 경도, 샤르피 충격값을 얻음과 함께 적당한 피삭성을 확보하기 위해서는, C 함유량을 상기 범위 내에 넣는 것이 중요하다. C 함유량이 상기 하한값을 하회(下回)하는 경우에는, 강도 등을 확보하는 것이 곤란해짐과 함께 파단 분할시에 변형되어 버릴 우려가 생긴다. C 함유량이 상기 상한값을 넘는 경우에는, 피삭성의 저하, 파단 분할시의 칩의 문제 등이 우려된다. 또한, 1100MPa 초과의 인장 강도를 획득하려면, C를 0.35% 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

Si:0.05∼0.35%,

Si(규소)는, 제강시의 탈산제로서 유효함과 함께, 강도와 파단 분할성의 향상에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Si의 상기 하한값 이상의 첨가가 필요하다. 한편, Si 함유량이 너무 많으면 탈탄(脫炭)이 증가하고 피로 강도에 악영향이 생길 우려가 있기 때문에, Si 함유량은 상기 상한값 이하로 한다.

Mn:0.50∼0.90%,

Mn(망간)은, 제강시의 탈산 및 강의 강도, 인성 밸런스를 조정하기 위해 유효한 원소이다. 강도, 인성 밸런스 조정에 부가해, 금속 조직의 최적화, 피삭성 및 파단 분할성 향상을 위해서는, Mn 함유량을 상기 범위 내로 하는 것이 필요하다. Mn 함유량이 상기 하한값을 하회하는 경우에는, 강도 저하 및 파단 분할시의 변형이 생길 우려가 있다. Mn 함유량이 상기 상한값을 넘는 경우에는, 펄라이트의 증가나 베이나이트의 석출에 의해 피삭성이 저하될 우려가 있다.

P:0.030∼0.070%,

P(인)는, 파단 분할성에 영향을 주는 원소이고, 상기 범위로 한정함으로써, 적당한 샤르피 충격값이 얻기 쉬워지며, 파단 분할시의 변형 억제 및 칩 억제를 도모할 수 있다. P 함유량이 상기 하한값 미만인 경우에는, 파단 분할시의 변형의 문제가 생길 우려가 있다. 한편, P 함유량이 상기 상한값을 넘는 경우에는, 파단 분할시에 칩의 문제가 생길 우려가 있다.

S:0.040∼0.070%,

S(황)는, 피삭성 향상에 유효한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, S는 상기 하한값 이상 함유시킨다. 한편, S 함유량이 너무 많은 경우에는, 단조시에 균열이 생기기 쉬워지기 때문에, 상기 상한값 이하로 제한한다.

Cr:0.01∼0.50%,

Cr(크롬)은, Mn과 동일하게 강의 강도, 인성 밸런스를 조정하기 위해 유효한 원소이기 때문에 상기 하한값 이상 첨가한다. 한편, Cr 함유량이 너무 많아지면 Mn의 경우와 동일하게 펄라이트의 증가나 베이나이트의 석출에 의해 피삭성이 저하될 우려가 있기 때문에, 상기 상한값 이하로 제한한다.

Al:0.001∼0.050%,

Al(알루미늄)은, 탈산 처리에 유효한 원소이기 때문에, 상기 하한값 이상 첨가한다. 한편, Al의 증가는, 알루미나계 개재물의 증가에 의한 피삭성 저하를 초래할 우려가 있기 때문에, 상기 상한값 이하로 제한한다.

V:0.25∼0.35%,

V(바나듐)는, 열간 단조 후의 냉각시에 탄질화물이 되어 페라이트 중에 미세하게 석출되고, 석출 강화에 의해 강도를 향상시키는 원소이기 때문에, 상기 하한값 이상 첨가한다. 한편, V는 비용에 크게 영향을 주기 때문에, 상기 상한값 이하로 제한한다.

Ca:0∼0.0100%(0%의 경우를 포함),

Ca(칼슘)는, 피삭성의 개선에 유효하기 때문에 필요에 따라 첨가할 수 있다. Ca를 대부분 함유시키지 않는 경우에는, 당연히 Ca에 의한 피삭성 향상 효과는 얻어지지 않으나, 식 1을 만족하는 한, 필요한 피삭성을 확보하는 것이 가능하다. 따라서, Ca는 필수 원소가 아닌, 임의 원소이다. 한편, Ca 첨가에 의한 피삭성 향상 효과는, 첨가량이 너무 많아도 포화되어 버리기 때문에, Ca 첨가량은 상기 상한값 이하로 제한한다.

N:0.0150% 이하,

N(질소)은, 대기 중에 가장 많이 포함되는 원소이며, 대기 용해를 하는 경우에는 제조상 불순물로서의 함유를 피할 수 없다. 그러나, N 함유량이 상기 상한값을 넘으면, 강 중에 있어서 V와 결합하여, 강도 향상에 기여하지 않는 비교적 큰 탄질화물이 많이 형성되고, V 첨가에 의한 강도 향상 효과를 저해할 우려가 있기 때문에, 상기 상한값 이하로 제한한다. 또한, 상기의 N 함유 범위에 있어서도, N 함유량이 높을수록, 강도 향상에 기여하지 않는 비교적 조대(粗大)한 탄질화물이 강 중에 있어서 많아질 가능성이 있다. 이것을 회피하여 단조 후의 강도를 확보하기 위해서는, 열간 단조시에 의해 조금 높은 온도로 가열하여 비교적 조대한 탄질화물을 고용(固溶)시키는 것이 바람직하다.

상기 화학 성분 조성 내, 불가피적 불순물로서는, 예를 들면, 후술하는 표 1에도 있는 바와 같이, Cu, Ni, Mo 등이 있다.

상기 화학 성분 조성은, 상술한 각 원소의 함유 범위를 규제한 다음, 추가로, 식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44를 만족할 필요가 있다. 또한, [X]는, 원소 X의 질량%의 값을 의미하는 것이며, 예를 들면, [C]는, C의 함유량(질량%)의 값을 의미한다. 다른 원소의 경우도 동일하다. 또, 후술하는 식 2에 있어서도 동일하다.

피삭성 향상에는, 상술한 바와 같이 Ca의 첨가가 유효하다. 한편, Ca 이외의 원소의 함유량이 상기 범위임과 함께 상기 식 1이 만족됨으로써, Ca의 첨가의 유무에 관계없이, 양호한 피삭성을 얻을 수 있다. 즉, 식 1을 만족하면, Ca를 0.0005% 이상 함유하는 경우에는 물론이지만, Ca 미첨가의 경우여도 양호한 피삭성을 확보할 수 있다. 따라서 식 1을 필수 요건으로 함으로써, 허용할 수 있는 Ca의 첨가량의 범위를 넓게 하는 것이 가능하게 된다.

또한, 식 1은, 다양한 화학 성분으로 이루어지는 강재를 다수 준비하고, 피삭성 지수의 데이터를 취득하여, 이것들과, C, S, V, Ca의 원소의 함유량과의 관계를 중회귀분석으로 분석하고, 기준재와 동일한 정도 이상의 피삭성이 얻어지는 임계치로부터 식 1의 관계식을 유도하였다. C, S, V, Ca라는 특정한 원소를 선택한 이유는, 상기 4원소가 타원소와 비교하여 피삭성으로의 영향이 크다는 과거의 지견 에 의거한 것이다. 상기 4원소로 이루어지는 식 1을 유도한 후에는, 그 타당성에 대한 검증을 행하였다.

또, 상기 단조 부품을 구성하는 강은, 비커스 경도가 320∼380HV의 범위에 있다. 이것에 의해, 고강도 특성과, 상술한 성분 조정에 의한 우수한 피삭성과의 양립을 도모할 수 있다. 비커스 경도가 상기 하한값보다 낮은 경우에는, 충분한 고강도화를 도모하는 것이 곤란하며, 한편, 상기 상한값을 넘는 경우에는, 피삭성이 저하될 우려가 있다.

또, 상기 단조 부품을 구성하는 강은, 0.2% 내력이 800MPa 이상이다. 이것에 의해, 충분한 고강도화를 도모할 수 있고, 부재의 경량화에 기여할 수 있다.

또, V노치에 의한 샤르피 충격값이 7∼15J/㎠의 범위에 있다. 이것에 의해, 파단 분할시의 변형의 억제와 칩의 억제를 도모할 수 있어, 매우 우수한 파단 분할성을 얻을 수 있다. 상기 샤르피 충격값이 상기 하한값보다 낮은 경우에는, 파단 분할시에 칩이 발생할 우려가 있고, 한편, 상기 상한값보다 높은 경우에는, 파단 분할시에 변형이 커질 우려가 있다.

또, 상기 단조 부품을 구성하는 강의 금속 조직이 페라이트·펄라이트 조직임과 함께, 페라이트의 면적률이 30% 이상인 상태에 있다. 이것에 의해, 매우 우수한 피삭성을 얻을 수 있다.

이 페라이트 면적률 30% 이상의 페라이트·펄라이트 조직을 얻으려면, 상기 특정한 화학 성분 조성에 있어서의 각각의 성분 범위를 만족한 다음, 추가로 하기 식 2를 만족하는 것이 바람직하다.

식 2 : 2.15≤4×[C]－[Si]＋(1/5)×[Mn]＋7×[Cr]－[V]≤2.61

상기 특정한 화학 성분 조성에 있어서의 각각의 성분 범위를 만족하고 있는 경우여도, 상기 식 2를 만족하지 않는 경우에는, 페라이트 면적률이 30% 미만이 되는 경우가 생길 수 있다. 그 때문에, 상기 식 2를 만족하도록 각각의 화학 성분 조성의 조합을 조정하는 것이 유효하다. 또한, 페라이트 면적률은, 열간 단조의 조건이나 열간 단조 후의 냉각 속도 등의 제조 조건으로도 좌우된다. 열간 단조의 조건이나 열간 단조 후의 냉각 조건에 대해서는 후술하겠으나, 이러한 조건뿐만 아니라, 상기 식 2의 만족의 유무가, 페라이트 면적률의 제어에 크게 영향을 준다. 그 때문에, 상기 식 2를 만족하는 것은 중요하다.

또한, 식 2는, 다양한 화학 성분으로 이루어지는 강재를 다수 준비하고, 페라이트 면적률의 데이터를 취득하여, 이것들과, C, Si, Mn, Cr, V의 원소의 함유량과의 관계를 중회귀분석으로 분석하고, 페라이트 면적률이 30% 이상이 되도록 식 2의 관계식을 유도하였다. C, Si, Mn, Cr, V라는 특정한 원소를 선택한 이유는, 상기 5원소가 타원소와 비교하여 단조 후의 금속 조직으로의 영향이 크다는 과거의 지견에 의거한 것이다. 상기 5원소로 이루어지는 식 2를 유도한 후에는, 그 타당성에 대한 검증을 행하였다.

또, 상기의 우수한 특성을 가지는 단조 부품은, 다양한 부재에 적용 가능하다. 특히, 콘 로드는, 파단 분할을 이용한 제조 방법의 실시가 가능하고, 상기 강의 적용이 매우 유효하다.

또, 상기 단조 부품을 제조함에 있어서는, 적어도, 전기로(爐) 등으로 원료를 용해하여, 상기 특정한 화학 성분을 가지는 주조편을 제조하고, 이것에 열간 압연 등의 열간 가공을 부가하여 단조용 강재를 준비하는 공정과, 단조용 강재에 대하여 열간 단조를 실시하는 공정과, 열간 단조 후의 단조품을 냉각하는 냉각 공정을 행한다. 이때, N의 함유율이 높으면, 단조용 강재 중에 있어서 비교적 조대한 V 탄질화물이 보다 많이 석출된 상태가 되기 때문에, 열간 단조 후의 단조품의 냉각 도중에 강도 향상에 기여하는 미세한 탄질화물을 석출시키기 위해, N 함유율이 높을수록, 열간 단조 온도를 조금 높게 조정하여, 전술한 비교적 조대한 탄질화물을 고용시킬 필요가 있다.

구체적으로는, N 함유량이 0.0090% 이하인 경우에는, 종래의 열간 단조와 특별히 차이는 없고, 열간 단조 온도를 1150℃ 이상으로 하면 된다. 한편, N 함유량이 0.0090%를 넘은 경우에는, 열간 단조 온도를 1230℃ 이상으로 조금 높게 설정하여, 단조용 강재 중의 V 탄질화물을 보다 많이 고용할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, N 함유량이 0.0090% 이하인 경우여도, 열간 단조 온도를 1230℃ 이상으로 하는 것은 문제없다. 단, 열간 단조 온도를 너무 높게 하면, 결정립이 조대화되어, 기계적 성질에 악영향이 생기기 때문에, 상한 온도는 1300℃로 하는 것이 바람직하다.

또, 목표로 하는 고강도, 경도 및 파단 분할에 적합한 충격값을 얻기 위해서는 열간 단조 후의 냉각 속도도 주의할 필요가 있다. 구체적으로는, 800∼600℃ 사이의 평균 냉각 속도를 150∼250℃/분이 되도록 냉각하는 것이 바람직하다. 평균 냉각 속도의 하한을 150℃/분으로 하는 것은, 냉각 속도가 늦어지면 목표로 하는 고강도, 경도, 충격값을 얻는 것이 곤란해지기 때문이다. 또, 상한을 250℃/분으로 하는 것은, 이 이상으로 빨리 냉각하면 베이나이트 조직이 생성될 우려가 생겨, 역시 목표로 하는 기계적 성질이 얻어지지 않게 되기 때문이다. 800∼600℃의 범위로 냉각 속도의 범위를 설정한 것은, 이 온도 범위의 냉각 속도가 가장 기계적 성질에의 영향이 크기 때문이다.

실시예

(실시예 1)

상기 단조 부품에 관련된 실시예에 대해 설명한다. 본 예에서는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 화학 성분 조성이 다른 복수 종류의 시료를 준비하여, 콘 로드를 제조하는 경우를 상정한 가공을 부가하여 각종 평가를 행하였다. 또한, 각 시료의 제조 방법은, 공지된 다양한 방법으로 변경 가능하다.

<강도 평가 시험>

강도 평가용 시험편으로서는, 전기로로 용해하여 제조한 주조편에 열간 압연을 부가하여 봉강(棒鋼)으로 하고, 당해 봉강을 단신(鍛伸)하여 단조용 강재로서의 직경 φ20mm의 환봉(丸棒)을 제조하고, 그 후, 이 환봉에 대하여, 실제의 열간 단조에 있어서의 표준적인 처리 온도에 상당하는 1200℃까지 가열하여 30분간 유지한 후, 팬 공랭(空冷)하여 800∼600℃ 사이의 평균 냉각 속도가 약 190℃/분이 되는 조건으로 실온까지 냉각한 것을 이용하였다.

강도 평가는, 다음의 항목에 대하여 행하였다.

·경도 측정:JIS Z 2244에 준거하여 비커스 경도를 측정하였다.

·인장 강도 및 0.2% 내력의 측정:JIS Z 2241에 준거한 인장 시험을 실시하여 구하였다.

·페라이트 면적률:시험편의 단면을 나이탈 부식시킨 후, 광학 현미경을 이용하여 관찰하였다. 면적률은, JIS G0551에 준거한 점산법에 의해 구하였다.

·샤르피 충격값:JIS Z 2242에 준거한 V노치에 의한 샤르피 충격 시험을 실시하여 구하였다.

경도는, 비커스 경도가 320∼380HV의 범위에 있는 경우에 양호, 그 이외의 경우를 불량으로 판정하였다. 0.2% 내력은, 800MPa 이상의 경우를 양호, 그 이외의 경우를 불량으로 판정하였다. V노치에 의한 샤르피 충격값은, 7∼15J/㎠의 범위에 있는 경우를 양호, 그 이외의 경우를 불량으로 판정하였다.

<피삭성 평가 시험>

피삭성 평가용 시험편으로서는, 전기로로 용해하여 제조한 주조편에 열간 압연을 부가하여 봉강으로 하고, 당해 봉강을 단신하여 단조용 강재로서의 1변 25mm의 단면 정방형의 각봉(角棒)을 제조하고, 그 후, 이 각봉을, 실제의 열간 단조에 있어서의 표준적인 처리 온도에 상당하는 1200℃까지 가열하여 30분간 유지한 후, 팬 공랭하여 800∼600℃ 사이의 평균 냉각 속도가 약 190℃/분이 되는 조건으로 실온까지 냉각하고, 또한 1변 20mm의 단면 정방형의 각봉으로 절삭한 것을 이용하였다.

피삭성 시험은 드릴에 의한 구멍 뚫기에 의해 행하였다. 시험 조건은, 이하와 같다.

·사용 드릴:직경 φ8mm의 하이스 드릴

·드릴 회전수:800rpm

·이송:0.20mm/rev

·가공 깊이:11mm

·가공 구멍수:300구멍(미관통)

드릴 마모량의 측정은, 300구멍 가공 후의 드릴의 여유면 코너부에 있어서 행하였다.

피삭성 지수는, 기준재의 드릴 마모량을 1로 하고, 각 시료의 드릴 마모량을 기준재와의 비율에 의해 산출하였다. 기준재는, 종래의 JIS 기계의 탄소강인, 화학 성분 조성이, C:0.23%, Si:0.25%, Mn:0.80%, Cr:0.2%, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물의 강(경도 250HV)을 이용하였다. 이 종래 강은, 본원에 있어서의 강과 비교하여 경도가 현저히 낮고, S 등의 피삭성 향상 원소를 첨가하고 있지 않더라도 제조상 문제가 없는 피삭성을 가지고 있기 때문에 기준재로서 이용하였다. 그리고, 피삭성 지수가 1.20 이하의 경우를 양호, 1.20 초과의 경우를 불량으로 판정하였다.

<파단 분할성 평가 시험>

파단 분할성 평가용 시험편으로서는, 다음과 같이 제조한 것을 이용하였다. 먼저, 전기로로 용해하여 제조한 주조편에 열간 압연을 부가하여 봉강으로 하고, 당해 봉강을 단신하여 단조용 강재로서의 길이 75mm×폭 75mm×두께 25mm의 판재를 제조하였다. 이어서, 이 판재를, 실제의 열간 단조에 있어서의 표준적인 처리 온도에 상당하는 1200℃까지 가열하여 30분간 유지한 후, 팬 공랭하여 800∼600℃ 사이의 평균 냉각 속도가 약 190℃/분이 되는 조건으로 실온까지 냉각하였다. 그 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 콘 로드의 대단(大端)부를 상정하고, 외형이 길이(L) 70mm×폭(W) 70mm×두께(T) 20mm이며, 중앙에 있어서 두께 방향으로 관통하는 직경(D1)＝φ45mm의 관통 구멍(81)을 가지는 형상이 되도록 상기 판재를 가공하여 파단 분할성 평가용 시험편(8)을 얻었다. 이 파단 분할성 평가용 시험편(8)에는, 동일 도면에 나타낸 바와 같이, 평행한 한 쌍의 외형선을 따라, 길이 방향으로 관통하는 직경(D2)＝φ8mm의 한 쌍의 평행한 관통 구멍(82)을 설치함과 함께, 관통구멍(81)의 내주벽에, 한 쌍의 노치(83)를 설치하였다. 노치(83)는, 레이저에 의해 노치된 것이며, 깊이(d)는 1mm로 하였다. 또, 노치(83)는, 길이 방향에 대하여 90도의 2개소의 위치, 즉, 상기 관통 구멍(82)에 가장 가까운 2개소의 위치로 하였다.

파단 분할(크래킹)은, 도시하지 않은 지그를 관통 구멍(81)에 삽입하고, 도 1에 나타낸 바와 같이, 화살표 F 방향으로 충격 하중을 가한다는 방법으로 행하였다.

파단 분할성의 평가는, 파단 분할 후에 다시 한번 분할 전의 상태로 조합하여, 상기 관통 구멍(82)을 이용하여 볼트 체결하고, 파단 분할 전후의 관통 구멍(81)의 내경 치수를 측정하여 치수 변화량을 구하여 행하였다. 각 시료에 있어서, 각각 10회(n＝10)의 시험을 행하고, 모든 시험에 있어서 치수 변화가 10㎛ 이하이고, 또한, 파단면에 칩이 발생하고 있지 않았던 경우를 양호, 그 이외에는 불량으로 판정하였다.

각 평가 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 시료 E1∼E17에 대해서는, 모든 평가 항목에 있어서 양호한 결과가 얻어지며, 강도, 피삭성 및 파단 분할성의 3개 모두에 있어서 우수한 특성을 발휘한다는 것을 알 수 있다. 이 중 시료 E14∼E17은, Ca를 불순물로서만 함유하고 있지 않으나, Ca 이외의 성분의 최적화로 식 1을 만족하도록 성분 조정됨으로써, 필요한 피삭성을 만족한다는 것을 알 수 있다.

또, 시료 E1∼E17은, 파단 분할성이 우수할뿐만 아니라, 다른 특성도 모두 우수하고, 또한, 샤르피 충격값도 7J/㎠ 이상의 값을 확보하고 있기 때문에, 파단 분할의 유무에 관계없이, 장기간에 걸쳐 안심하고 사용할 수 있다. 따라서, 파단 분리가 필요한 부품뿐만 아니라, 파단 분리가 불필요한 부품에도 적합하게 사용 가능하다.

한편, 시료 C1은, C 함유량이 너무 적기 때문에, 경도, 0.2% 내력 등의 강도 특성이 낮고, 또한 샤르피 충격값의 값이 높아 파단 분할성 평가에 있어서 변형이 크다는 결과가 되었다.

동일하게, 시료 C2는, Mn 함유량이 너무 적기 때문에, 경도, 0.2% 내력 등의 강도 특성이 낮고, 또한 샤르피 충격값의 값이 높아 파단 분할성 평가에 있어서 변형이 크다는 결과가 되었다.

시료 C3은, Cr 함유량이 너무 많기 때문에 금속 조직에 있어서의 페라이트 면적률이 낮아짐으로써 샤르피 충격값의 값이 낮아져, 파단 분할성 평가에 있어서 칩이 발생함과 함께, 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C4는, P 함유량이 너무 적고, 충격값의 값이 높아져 파단 분할성 평가에 있어서 변형이 크다는 결과가 되었다.

시료 C5는, Mn 함유량이 너무 많기 때문에 금속 조직에 있어서의 페라이트 면적률이 낮아짐으로써 샤르피 충격값의 값이 낮아지며, 파단 분할성 평가에 있어서 칩이 발생함과 함께, 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C6는, P 함유량이 너무 많기 때문에, 샤르피 충격값의 값이 낮아져 파단 분할성 평가에 있어서 칩이 발생하였다.

시료 C7은, C 함유량이 너무 많기 때문에, 샤르피 충격값의 값이 낮아져 파단 분할성 평가에 있어서 칩이 발생하고, 또, 금속 조직에 있어서의 페라이트 면적률이 낮아져 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C8은, S 함유량이 너무 적고, 식 1을 만족하지 않기 때문에, 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C9는, 식 1을 만족하지 않기 때문에, 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C10은, V 함유량이 너무 적기 때문에, 0.2% 내력이 낮은 결과가 되었다.

시료 C11은, V 함유량이 너무 많기 때문에, 샤르피 충격값의 값이 낮아 파단 분할성 평가에 있어서 칩이 발생하고, 또, 경도가 너무 높아져 피삭성이 낮은 결과가 되었다.

시료 C12는, 각각의 화학 성분이 본원 발명의 범위 내에 포함되어 있기는 하나, 식 2의 관계를 충족시키고 있지 않은 것이다. 그리고, 이것에 의해 페라이트 면적률이 30%를 하회하고, 그 결과, 피삭성의 저하가 생기고, 또한, 샤르피 충격값의 값이 낮아 파단 분할성 평가에 있어서 칩도 발생하였다. 이 결과로부터, 적어도 본 예의 제조 방법을 채용하는 경우에는, 각각의 화학 성분을 규제할뿐만 아니라, 식 2의 관계를 만족하는 것이 페라이트 면적률을 최적화하기 위해 유효하다는 것을 알 수 있다.

다음에, 도 2에는, P 함유량과 샤르피 충격값의 관계를 나타낸다. 동일 도면의 가로축에는 P 함유량(질량%)을, 세로축에는 샤르피 충격값(J/㎠)을 나타냈다. 그리고, 시료 E1∼E17과, 시료 C4 및 C6의 데이터를 플롯하였다. 동일 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 샤르피 충격값을 7∼15J/㎠의 범위로 규제하려면, 적어도, P 함유량을 0.030∼0.070%의 범위로 제한하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있다.

도 3에는, 경도와 샤르피 충격값의 관계를 나타낸다. 동일 도면의 가로축에는 경도(HV10)를, 세로축에는 샤르피 충격값(J/㎠)을 나타냈다. 그리고, 시료 E1∼E17과, 시료 C1∼C7 및 C11의 데이터를 플롯하였다. 동일 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 샤르피 충격값을 7∼15J/㎠의 범위로 규제하려면, 경도를 규제하는 것만으로는 곤란하며, 시료 C1에서는 C 함유량의 적정화, 시료 C2에서는 Mn 함유량의 적정화, 시료 C4 및 시료 C6에서는 P 함유량의 적정화, 시료 C3, C5 및 C7에서는 페라이트 면적률의 적정화, 시료 C11에서는 V 함유량의 적정화가 각각 필요하다는 것을 알 수 있다.

도 4에는, 경도와 0.2% 내력의 관계를 나타낸다. 동일 도면의 가로축에는 경도(HV10)를, 세로축에는 0.2% 내력(MPa)을 나타냈다. 그리고, 시료 E1∼E17과, 시료 C1∼C3, C5, C7 및 C10의 데이터를 플롯하였다. 동일 도면에서는, 경도가 320HV 미만에서는, 0.2% 내력이 800MPa 미만이 되는 것을 알 수 있는 한편, 경도가 320HV 이상이어도, V가 0.25% 미만에서는 0.2% 내력이 800MPa 미만이 되고, N이 0.0090%를 넘으면 0.2% 내력이 800MPa 미만이 되는 것을 알 수 있다.

도 5에는, 경도와 피삭성 지수의 관계를 나타낸다. 동일 도면의 가로축에는 경도(HV10)를, 세로축에는 피삭성 지수를 나타냈다. 그리고, 시료 E1∼E17과, 시료C3, C5, C7∼C9 및 C11의 데이터를 플롯하였다. 동일 도면에서는, 380HV를 넘는 경도에서는, 피삭성이 악화되는 것을 알 수 있고, 또한, 경도가 380HV 이하여도, 페라이트 면적률이 30% 미만인 경우에는 피삭성이 악화되고, S가 0.040% 미만인 경우에도 피삭성이 악화되는 것을 알 수 있다.

도 6에는, 식 1의 값과 피삭성 지수의 관계를 나타낸다. 동일 도면의 가로축에는 식 1의 값을, 세로축에는 피삭성 지수를 나타냈다. 그리고, 시료 E14∼E17과, 시료 C9의 데이터를 플롯하였다. 즉, Ca 함유량이 적어도 식 1을 만족하면, 피삭성을 만족하는 것을 확인하기 위해, 본 실시예에서 실험을 행한 시료 중, Ca 함유량이 0.0005% 미만의 것으로서, 각 성분의 함유 범위가 적정한 것으로 한정되어 플롯한 것이다. 플롯한 데이터 중, 시료 C9만이 식 1을 만족하고 있지 않고, 다른 시료는 식 1을 만족하고 있다. 동일 도면에서는, Ca 함유량이 0.0005% 미만인 경우여도, 식 1을 만족함으로써 피삭성을 확보할 수 있다는 것을 알 수 있다.

(실시예 2)

본 실시예에서는, 표 3에 나타내는 복수의 시료를 준비하고, N 함유량 및 V 함유량이 강의 특성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 또한, 열간 단조시의 가열 온도에 의한 영향에 대해서도 조사하였다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 시료 E21, E22 및 C21은, V 함유량이 모두 0.32%이며, N량이 각각 다른 시료이다. 시료 E31, E32 및 C31은, V 함유량이 모두 0.28%이며, N량이 각각 다른 시료이다. 또한, V, N 이외의 성분은 E21, E22, C21의 3시료와 E31, E32, C31의 3시료 간에 있어서 대략 동일 레벨이 되도록 조정하고 있다.

각 시료의 제조 방법은, 상술한 실시예 1의 경우와 기본적으로 동일하며, 열간 단조시의 가열 온도는, 표 4에 나타낸 온도로 설정하였다. 얻어진 시료의 시험 방법도, 상술한 실시예 1의 경우와 동일하게 하였다. 시험 결과를 표 4에 나타낸다. 또한, 도 7에는, N 함유량 및 가열 온도와 0.2% 내력과의 관계를 나타냈다.

표 4 및 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, N 함유량이 0.0090% 이하인 경우에는, 열간 단조 온도가 1200℃인 경우에도 800MPa 이상의 0.2% 내력을 확보할 수 있으나, 0.0090%를 넘으면, 800MPa 이상의 0.2% 내력을 확보할 수 없는 경우가 생긴다. 그러나, N이 0.0090% 초과의 경우여도, 열간 단조 온도를 1230℃ 이상으로 함으로써, 0.2% 내력을 800MPa 이상으로 할 수 있다는 것을 알 수 있다. 한편, N 함유량이 0.015%를 넘는 경우(시료 C21, C31의 경우)에는, 열간 단조 온도를 1250℃까지 올려도 0.2% 내력을 800MPa 이상으로 할 수 없었다.

(실시예 3)

이상 설명한 실시예에서는, 열간 단조 후의 냉각 공정을 800∼600℃ 사이의 평균 냉각 속도가 190℃/분이 되는 조건으로 행하였다. 이 냉각 속도의 영향을 보다 자세하게 파악하기 위해, 본 예에서는, 팬 공랭의 팬의 세기를 조정하고, 800∼600℃의 평균 냉각 속도 100℃/분과 300℃/분의 경우에 대하여, 시료 E1을 이용하여 실험을 행하였다. 냉각 속도 이외의 조건은, 실시예 1과 동일하게 하였다.

실험의 결과, 냉각 속도 100℃/분으로 한 경우에는, 경도가 312HV, 내력이 769MPa가 되어 양쪽 모두 조금 낮게 되었으나, 반면에, 충격값은 17.65J/㎠로 너무 높아져, 파단 분할성이 저하되어 대변형이 되었다.

또, 냉각 속도를 300℃/분으로 한 경우에는, 베이나이트 조직이 생성되어, 냉각 속도 100℃/분의 경우에 0.799였던 항복비가 0.732까지 저하되고, 또한, 충격값이 6.44J/㎠로 저하되어, 파단 분할시에 칩의 발생이 확인되었다.

이상의 실험 결과로부터, 열간 단조 후의 냉각 속도의 조정도 중요하다는 것을 알 수 있다.

Claims (5)

1. 화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0150% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하고,
   식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44
   (여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)
   금속 조직이 페라이트·펄라이트 조직임과 함께, 페라이트의 면적률이 30% 이상이며,
   비커스 경도가 320∼380HV의 범위에 있고,
   0.2% 내력이 800MPa 이상이며,
   V노치에 의한 샤르피 충격값이 7∼15J/㎠의 범위에 있으며,
   하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 단조 부품.
   식 2 : 2.15≤4×[C]－[Si]＋(1/5)×[Mn]＋7×[Cr]－[V]≤2.61
2. 삭제
3. 제 1항에 기재된 단조 부품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 콘 로드.
4. 화학 성분 조성이, 질량 %로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0090% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하는 단조용 강재를 준비하는 공정과,
   식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44
   (여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)
   상기 단조용 강재에 대하여 1150℃∼1300℃의 열간 단조 온도로 열간 단조를 실시하여 단조 부품을 얻는 공정과,
   상기 열간 단조 후의 상기 단조 부품을 800∼600℃에 있어서의 평균 냉각 속도가 150∼250℃/min이 되도록 냉각하는 냉각 공정을 가지며,
   하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 단조 부품의 제조 방법.
   식 2 : 2.15≤4×[C]－[Si]＋(1/5)×[Mn]＋7×[Cr]－[V]≤2.61
5. 화학 성분 조성이, 질량%로, C:0.30∼0.45%, Si:0.05∼0.35%, Mn:0.50∼0.90%, P:0.030∼0.070%, S:0.040∼0.070%, Cr:0.01∼0.50%, Al:0.001∼0.050%, V:0.25∼0.35%, Ca:0∼0.0100%, N:0.0090초과∼0.0150%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어짐과 함께, 하기 식 1을 만족하는 단조용 강재를 준비하는 공정과,
   식 1 : [C]－4×[S]＋[V]－25×[Ca]＜0.44
   (여기에서, [X]는, 원소 X의 함유량(질량%)의 값을 의미한다.)
   상기 단조용 강재에 대하여 1230℃∼1300℃의 열간 단조 온도로 열간 단조를 실시하여 단조 부품을 얻는 공정과,
   상기 열간 단조 후의 상기 단조 부품을 800∼600℃에 있어서의 평균 냉각 속도가 150∼250℃/min이 되도록 냉각하는 냉각 공정을 가지며,
   하기 식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 단조 부품의 제조 방법.
   식 2 : 2.15≤4×[C]－[Si]＋(1/5)×[Mn]＋7×[Cr]－[V]≤2.61

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