KR20130137101A - 대형 고강도 단강품 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 대형 고강도 단강품은 강도 및 인성이 고차원으로 균형 잡혀있고, 또한 높은 피로 강도를 갖는다. 본 발명의 대형 고강도 단강품은, C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Al 및 불가피적 불순물로서의 S의 함유량을 특정한 조성을 갖고, 마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직으로 이루어지고, 구 오스테나이트 결정 입경이 19㎛ 이상 70㎛ 이하, 마르텐사이트의 최대 블록 직경이 15㎛ 이하, 최소 블록 직경이 0.5㎛ 이상이다.
Description
본 발명은 대형 고강도 단강품(鍛鋼品)에 관한 것이다.
선박이나 발전기에 이용되는 대형 크랭크축이나 중간축 등에는 높은 강도가 요구되며, 이들은 단조용 강의 단조에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 이들의 대형 단강품에는, 오늘날에는 추가적인 강도의 향상에 더하여, 통상 이 강도와 상충 관계에 있는 인성도 우수할 것이 요구되고 있다.
그래서, 단강품의 강도와 인성을 높이도록, (1) 성분 조성을 한정한 대형 단강품용 고강도 강(일본 특허공개 제2005-344149호 공보 참조), (2) 성분 조성의 한정과 함께 베이나이트 및 마르텐사이트 주체의 조직으로 한정한 단조용 강(일본 특허 제3896365호 공보 참조), (3) 성분 조성의 한정과 함께 구 오스테나이트 입자의 결정 입도를 한정한 크랭크축(일본 특허공개 제2010-248540호 공보 참조), (4) 입계 알루미늄량을 특정한 니켈계 조질 강(일본 특허공개 제2000-212705호 공보 참조), (5) 마그네슘 및 알루미늄의 농도를 특정한 단조용 강(일본 특허공개 제2008-25021호 공보 및 일본 특허공개 제2009-173961호 공보 참조), 및 (6) 황 등의 함유율 및 열간 단조 조건 등을 특정한 단조품(일본 특허공개 제2003-147436호 공보 참조)이 개발되어 있다.
그러나, 상기 (1) 내지 (3)의 강 등에서도, 형성되는 조직의 블록 직경이나 입경이 적당하지 않기 때문인지, 충분히 강도를 발휘할 수 있다고는 할 수 없고, 인성 및 피로 강도를 균형 좋게 높일 수 없다. 그 외, 상기 (4)의 강에서는, 알루미늄 함유량이 높기 때문에, 비금속 개재물이나 금속간 화합물이 생성되어, 인성이나 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. (5)의 강은 고강도화한다고 되어 있지만, 고인성화를 도모하는 것은 아니다. (6)의 단강품은, 고강도이고 고인성이라고 되어 있지만, 소정량의 황의 존재가 MnS 등의 비금속 개재물을 발생시키고, 그 결과, 피로 강도가 저하된다. 이와 같이, 종래의 단강품은 어느 것이든 강도, 인성 및 피로 강도를 균형 좋게 높인 것은 아니다.
본 발명은, 전술한 사정에 기초하여 이루어진 것이며, 강도 및 인성이 높은 차원에서 균형 잡히고, 또한 높은 피로 강도를 갖는 대형 고강도 단강품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 발명은,
대형 고강도 단강품으로서,
C: 0.31질량% 이상 0.5질량% 이하,
Si: 0.02질량% 이상 0.2질량% 이하,
Mn: 0.1질량% 이상 0.6질량% 이하,
Ni: 2.6질량% 이상 3.4질량% 이하,
Cr: 0.8질량% 이상 1.9질량% 이하,
Mo: 0.25질량% 이상 0.8질량% 이하,
V: 0.05질량% 이상 0.2질량% 이하, 및
Al: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하를 기본 성분으로 하고, 잔부를 Fe 및 불가피적 불순물로 하며, 이 불가피적 불순물로서의 S의 함유량이 0.008질량% 이하인 조성을 가지며,
마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직으로 이루어지고,
구 오스테나이트 결정 입경이 19㎛ 이상 70㎛ 이하이며,
마르텐사이트의 최대 블록 직경이 15㎛ 이하, 최소 블록 직경이 0.5㎛ 이상이다.
상기 대형 고강도 단강품은, 상기의 조성 및 조직을 전술한 바와 같이 한정하고, 구 오스테나이트 결정 입경 및 블록 직경을 상기 범위로 함으로써, 강도 및 인성이 함께 균형 좋게 우수하고, 또한 높은 피로 강도를 구비하고 있다.
여기서, 대형 고강도 단강품에서의 「대형」이란, 직경이 150mm 이상인 구상 또는 원주상 부분을 갖는 것이거나, 두께가 150mm 이상인 판상 부분을 갖는 것, 및 이들과 동등 이상의 크기인 것을 말한다.
이상 설명한 것과 같이, 본 발명의 대형 고강도 단강품은 강도 및 인성이 함께 균형 좋게 우수하고, 또한 높은 피로 강도를 갖고 있다. 따라서, 상기 대형 고강도 단강품은 선박이나 발전기 등에 이용되는 대형 크랭크축이나 중간축 등으로서 적합하게 이용할 수 있다.
도 1은 대형 고강도 단강품에서의 표면으로부터 중심부까지의 거리에 대한 깊이의 비 x와 마르텐사이트 조직 분율 fm(x)(%)의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 마르텐사이트 블록의 최대 직경과 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 피로 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 4의 시험편의 결정 방위도이다.
도 6은 실시예 11의 시험편의 결정 방위도이다.
도 7은 비교예 3의 시험편의 결정 방위도이다.
도 8은 비교예 7의 시험편의 결정 방위도이다.
도 9는 비교예 9의 시험편의 결정 방위도이다.
도 10은 해석예의 해석 조건에 이용된 TTT 선도이다.
도 11은 해석예의 해석 조건에 이용된 각 물성값의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 12는 해석예의 해석 조건에 이용된 각 상(相)의 소성 거동을 나타내는 도면이다.
도 13은 해석예에서의 해석 조건 A 및 B를 나타내는 도면(a), 및 이의 해석 결과를 나타내는 도면(b)이다.
도 14는 참고 실시예의 대형 고강도 단강품의 깊이와 브리넬(Brinell) 경도의 관계를 나타내는 도면(a), 및 그 깊이와 마르텐사이트 조직 분율의 관계를 나타내는 도면(b)이다.
도 2는 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 마르텐사이트 블록의 최대 직경과 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 샤르피 흡수 에너지의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 피로 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시예 4의 시험편의 결정 방위도이다.
도 6은 실시예 11의 시험편의 결정 방위도이다.
도 7은 비교예 3의 시험편의 결정 방위도이다.
도 8은 비교예 7의 시험편의 결정 방위도이다.
도 9는 비교예 9의 시험편의 결정 방위도이다.
도 10은 해석예의 해석 조건에 이용된 TTT 선도이다.
도 11은 해석예의 해석 조건에 이용된 각 물성값의 온도 의존성을 나타내는 도면이다.
도 12는 해석예의 해석 조건에 이용된 각 상(相)의 소성 거동을 나타내는 도면이다.
도 13은 해석예에서의 해석 조건 A 및 B를 나타내는 도면(a), 및 이의 해석 결과를 나타내는 도면(b)이다.
도 14는 참고 실시예의 대형 고강도 단강품의 깊이와 브리넬(Brinell) 경도의 관계를 나타내는 도면(a), 및 그 깊이와 마르텐사이트 조직 분율의 관계를 나타내는 도면(b)이다.
이하, 본 발명의 대형 고강도 단강품의 실시형태에 대하여 설명한다.
<조성>
상기 대형 고강도 단강품은, C: 0.31질량% 이상 0.5질량% 이하, Si: 0.02질량% 이상 0.2질량% 이하, Mn: 0.1질량% 이상 0.6질량% 이하, Ni: 2.6질량% 이상 3.4질량% 이하, Cr: 0.8질량% 이상 1.9질량% 이하, Mo: 0.25질량% 이상 0.8질량% 이하, V: 0.05질량% 이상 0.2질량% 이하, 및 Al: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하의 기본 성분과, Fe 및 불가피적 불순물의 잔부로 구성된다. 각 성분의 한정 이유는 이하와 같다.
(C: 0.31질량% 이상 0.5질량% 이하)
탄소(C)의 함유량의 하한으로서는 0.31질량%가 되고, 0.33질량%가 바람직하다. 한편, 탄소(C)의 함유량의 상한으로서는 0.5질량%가 되고, 0.4질량%가 바람직하다. 탄소(C)는 담금질성을 높임과 함께 강도 향상에 기여한다. 탄소 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 충분한 담금질성과 강도를 얻기 어려워진다. 역으로, 탄소 함유량이 상기 상한을 초과하면, 인성이 극단적으로 저하됨과 함께 대형 주괴에서는 역V 편석을 조장하게 된다.
(Si: 0.02질량% 이상 0.2질량% 이하)
규소(Si)의 함유량의 하한으로서는 0.02질량%가 되고, 0.06질량%가 바람직하다. 한편, 규소(Si)의 함유량의 상한으로서는 0.2질량%가 되고, 0.16질량%가 바람직하다. 규소(Si)는 탈산 및 강도 향상에 기여한다. 규소 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 이 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 역으로, 규소 함유량이 상기 상한을 초과하면, 역V 편석이 현저하게 되어, 청정한 강괴(鋼塊)가 얻어지기 어려워진다.
(Mn: 0.1질량% 이상 0.6질량% 이하)
망간(Mn)의 함유량의 하한으로서는 0.1질량%가 되고, 0.3질량%가 바람직하다. 한편, 망간(Mn)의 함유량의 상한으로서는 0.6질량%가 되고, 0.45질량%가 바람직하다. 망간(Mn)은 담금질성 및 강도를 향상시킨다. 망간 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 상기 효과를 발휘하기 어렵다. 역으로, 망간 함유량이 상기 상한을 초과하면, 뜨임 취화를 조장하게 된다.
(Ni: 2.6질량% 이상 3.4질량% 이하)
니켈(Ni)의 함유량의 하한으로서는 2.6질량%가 되고, 2.8질량%가 바람직하다. 한편, 니켈(Ni)의 함유량의 상한으로서는 3.4질량%가 된다. 니켈(Ni)은 담금질성, 강도 및 인성을 향상시킨다. 니켈 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 상기 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 역으로, 니켈 함유량이 상기 범위를 초과하면 적절한 크기의 구 오스테나이트 결정립이 얻어지기 어려워진다. 또한, 상기 상한 미만으로 함으로써, 고가의 Ni의 사용량을 억제하고, 생산 비용을 억제할 수 있다.
(Cr: 0.8질량% 이상 1.9질량% 이하)
크로뮴(Cr)의 함유량의 하한으로서는 0.8질량%가 되고, 1.4질량%가 바람직하다. 한편, 크로뮴(Cr)의 함유량의 상한으로서는 1.9질량%가 되고, 1.65질량%가 바람직하다. 크로뮴(Cr)은 담금질성 및 인성을 향상시킨다. 크로뮴 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 상기 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 역으로, 크로뮴 함유량이 상기 상한을 초과하면, 역V 편석을 조장하게 된다.
(Mo: 0.25질량% 이상 0.8질량% 이하)
몰리브덴(Mo)의 함유량의 하한으로서는 0.25질량%가 되고, 0.4질량%가 바람직하다. 한편, 몰리브덴(Mo)의 함유량의 상한으로서는 0.8질량%가 되고, 0.6질량%가 바람직하다. 몰리브덴(Mo)은 담금질성, 강도 및 인성을 향상시킨다. 몰리브덴 함유량이 상기 하한 미만인 경우, 상기 효과를 충분히 발휘할 수 없는 데다가, 역V 편석을 조장한다. 역으로, 몰리브덴 함유량이 상기 상한을 초과하면, 강괴 중의 마이크로 편석을 조장함과 함께, 중량 편석(重量 遍析)이 생기기 쉬워진다.
(V: 0.05질량% 이상 0.2질량% 이하)
바나듐(V)의 함유량의 하한으로서는 0.05질량%가 되고, 0.07질량%가 바람직하다. 한편, 바나듐(V)의 함유량의 상한으로서는 0.2질량%가 되고, 0.13질량%가 바람직하다. 바나듐(V)은 소량의 첨가로 담금질성 및 강도를 현저히 향상시키지만, 평형 분배 계수가 작기 때문에 마이크로 편석이 생기기 쉽다. 바나듐 함유량이 상기 하한 미만인 경우, 충분한 강도를 확보할 수 없다. 역으로, 바나듐 함유량이 상기 상한을 초과하면, 마이크로 편석의 발생을 조장한다.
(Al: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하)
알루미늄(Al)의 함유량의 하한으로서는 0.005질량%가 되고, 0.008질량%가 바람직하다. 한편, 알루미늄(Al)의 함유량의 상한으로서는 0.1질량%가 되고, 0.03질량%가 바람직하다. 알루미늄(Al)은 탈산 원소로서 사용된다. 또한, 알루미늄은 AlN 등이 미세한 화합물을 생성시키고, 이 AlN이 결정립의 성장을 멈추게 하고, 결정을 세립화시킬 수 있다. 알루미늄 함유량이 상기 하한 미만인 경우는, 이 효과를 충분히 발휘할 수 없다. 역으로, 알루미늄 함유량이 상기 상한을 초과하면, 알루미늄은 산소 등의 다른 원소와도 결합하기 때문에, 산화물이나 금속간 화합물을 생성하여, 인성이나 피로 강도를 저하시키는 경우가 있다.
상기 대형 고강도 단강품의 기본 성분은 상기한 대로이며, 잔부 성분은 실질적으로 철(Fe)이지만, 미량의 불가피적 불순물(예컨대, S, O, P, Cu, Sn, N 등)이 함유되어 있어도 좋다. 또한, 상기 대형 고강도 단강품의 작용 효과에 악영향을 주지 않는 범위에서, 추가로 다른 원소를 적극적으로 함유하고 있어도 좋다. 이러한 다른 원소로서는, Ti, Ca, Mg 등을 들 수 있지만, 조대(粗大) 개재물의 생성 억제라는 관점에서 불가피적 불순물의 합계를 0.5질량% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.
(S: 0.008질량% 이하)
황(S)의 함유량으로서는 0.008질량% 이하가 되고, 0.003질량% 이하가 바람직하다. 황(S)은 상기 단강품 중에서 MnS를 형성하기 때문에, 함유량이 상기 상한을 초과하면 피로 강도의 저하를 초래한다. 단, 공업적으로 이 함유량이 0질량%로 되는 경우는 없다.
또한, 그 밖의 불가피적 불순물의 함유량은 이하와 같은 것이 바람직하다.
(O: 0.0025질량% 이하)
산소(O)의 함유량으로서는 0.0025질량% 이하가 바람직하고, 0.002질량% 이하가 보다 바람직하다. 산소(0)는 여러가지 원소와 결합하여, 비금속 개재물이 되어 피로 강도를 저하시킨다. 따라서, 산소 함유량은 상기 상한 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, 공업적으로 이 함유량이 0질량%로 되는 경우는 없다.
(P: 0.02질량% 이하)
인(P)의 함유량의 상한으로서는 0.02질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 보다 바람직하다. 인(P)의 함유량이 상기 상한을 초과하면 열간 연성이 저하되고, 단조 시의 균열 등이 생기기 쉬워진다.
(Cu: 0.1질량% 이하)
구리(Cu)의 함유량의 상한으로서는 0.1질량% 이하가 바람직하고, 0.05질량% 이하가 보다 바람직하다. 구리(Cu)의 함유량이 상기 상한을 초과하면 열간 가공 시에 균열 등이 생기기 쉬워진다.
(Sn: 0.03질량% 이하)
주석(Sn)의 함유량의 상한으로서는 0.03질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 보다 바람직하다. 주석(Sn)의 함유량이 상기 상한을 초과하면 인성이 저하되는 경우가 있다.
(N: 0.02질량% 이하)
질소(N)의 함유량의 상한으로서는 0.02질량% 이하가 바람직하고, 0.01질량% 이하가 보다 바람직하다. 질소(N)의 함유량이 상기 상한을 초과하면 열간 연성이 저하되어, 단조 시의 균열 등이 생기기 쉬워진다.
<조직>
다음으로, 상기 대형 고강도 단강품의 조직에 대하여 설명한다.
상기 대형 고강도 단강품은 마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직으로 이루어진다. 상기 대형 고강도 단강품이, 이 2종의 조직만으로 이루어지는 것으로 강도와 인성의 균형을 양립시킬 수 있다. 상기 대형 고강도 단강품에서 페라이트나 펄라이트 등의 다른 조직이 존재하면, 강도와 인성을 양립시킬 수 없다.
상기 대형 고강도 단강품의 구 오스테나이트 결정 입경(평균 입경)은 19㎛ 이상 70㎛ 이하이다. 구 오스테나이트 결정 입경은 블록 직경에 영향을 준다. 구 오스테나이트 결정 입경이 조대해지면, 블록 직경도 커지고 충분한 인성이 얻어지지 않기 때문에, 이 상한을 70㎛로 한다. 역으로, 결정 입경이 19㎛ 미만으로 지나치게 미세해지면, 담금질성이 저하되어 초석 페라이트가 혼재하고, 그 결과, 강도와 인성의 균형이 저하되게 된다. 한편, 이 구 오스테나이트 결정 입경은 실시예에 기재된 방법으로 측정할 수 있다.
상기 대형 고강도 단강품을 형성하는 마르텐사이트 조직의 하부 조직인 마르텐사이트 블록 직경에 있어서는, 그 최대 블록 직경이 15㎛ 이하, 최소 블록 직경이 0.5㎛ 이상이다. 마르텐사이트 블록 직경을 상기 범위로 함으로써, 강도, 인성 및 피로 강도를 균형 좋게 높일 수 있다. 특히, 이 최대 블록 직경을 15㎛ 이하로 미립화함으로써, 안정된 인성을 발휘할 수 있다. 한편, 이 블록 직경을 지나치게 미세화하면 입계 밀도가 높아지고, 균열 진전 속도가 높아지기 때문에, 최소 블록 직경을 0.5㎛ 이상으로 한다.
상기 대형 고강도 단강품에서, 표면으로부터 중심부까지의 거리에 대한 깊이의 비를 x(0≤x≤1)로 했을 때의 마르텐사이트 조직 분율 fm(x)(%)이,
O≤x≤O.1인 때, fm(x)=1OO,
0.1<x≤0.15인 때, 104-40x≤fm(x)≤100,
0.15<x≤0.2인 때, 122-160x≤fm(x)≤100,
0.2<x≤0.3인 때, 230-700x≤fm(x)≤100,
0.3<x≤0.35인 때, 110-300x≤fm(x)≤112-40x,
0.35<x≤0.5인 때, (22-20x)/3≤fm(x)≤105-20x,
0.5<x≤0.8인 때, (32-40x)/3≤fm(x)≤95, 및
0.8<x≤1인 때, 0≤fm(x)≤95인 것이 바람직하다(도 1에서의 범위(a)).
한편, 나머지 조직은 베이나이트 조직이다. 이 마르텐사이트 조직 분율은, 실시예에 기재된 방법, 즉 경도의 측정 결과로부터 혼합칙을 이용하여 측정할 수 있다.
대형 고강도 단강품의 「중심부」란, 표면의 각 위치로부터 가장 깊은 위치를 말하며, 예컨대 대형 고강도 단강품이 구상 부분을 갖는 경우는 그 중심점을 말한다, 원주상 부분을 갖는 경우는 그 중심축을 말하며, 판상 부분을 갖는 경우는 그 양면에서 등거리에 있는 중심면을 말한다. 「표면으로부터 중심부까지의 거리」란, 표면의 각 부분으로부터 중심부로의 수직 거리를 의미하여, 예컨대 구상 또는 원주상 부분을 갖는 경우는 그 반경, 판상 부분을 갖는 경우는 그 판 두께의 절반이다.
상기 대형 고강도 단강품은, 이와 같이 마르텐사이트 조직 분율 fm(x)을 제어한 경우, 표면으로부터 중심까지의 전체로서의 내부 응력의 발생을 저감시킬 수 있고, 그 결과, 강도, 인성 및 피로 강도의 균형을 보다 높일 수 있다.
마르텐사이트 조직 분율이 상기 범위 미만인 깊이 영역을 포함하는 경우는, 표면 근방, 특히 x=0.2 부근의 영역에 인장 응력이 잔류하는 경우가 있다. 이 잔류 인장 응력은 피로 강도의 저하를 초래하게 된다. 대형 고강도 단강품은 크랭크축 등으로서 적합하게 이용되지만, 크랭크축에는 휨 응력이 필렛(fillet)부에 반복 가해지기 때문에, 특히 필렛부 표면의 높은 피로 강도가 요구된다. 이 크랭크축 등은 열 처리 후에 기계 가공에 의해 마무리되기 때문에, 표층은 연삭된다. 그래서, 표면으로부터의 일정한 깊이(0≤x≤0.3 정도)의 범위까지의 잔류 인장 응력을 저감시키면, 크랭크축 등에 이용된 경우에도 더욱 높은 피로 강도를 구비할 수 있다. 한편, 마르텐사이트 조직 분율이 상기 범위를 초과하는 깊이 영역을 포함하는 경우는, 담금질에 의한 내부의 변태 응력이 커져, 담금질 균열이 생기기 쉬워지는 경우가 있다.
상기 대형 고강도 단강품에서, 표면으로부터 중심까지의 전체로서의 내부 응력의 발생을 보다 저감시키기 위해서는, 상기 마르텐사이트 조직 분율 fm(x)이,
O≤x≤O.1인 때, fm(x)=1OO,
0.1<x≤0.15인 때, 104-40x≤fm(x)≤100,
0.15<x≤0.2인 때, 122-160x≤fm(x)≤100,
0.2<x≤0.3인 때, 150-300x≤fm(x)≤100,
0.3<x≤0.35인 때, 105-150x≤fm(x)≤112-40x,
0.35<x≤0.5인 때, 105-150x≤fm(x)≤105-20x,
0.5<x≤0.8인 때, 80-100x≤fm(x)≤170-150x, 및
0.8<x≤1인 때, 0≤fm(x)≤130-100x인 것이 바람직하다(도 1에서의 범위(b)).
마르텐사이트 조직 분율을 상기 하한값 이상으로 함으로써 표면 근방의 인장 응력의 발생을 보다 저감시킬 수 있다. 한편, 마르텐사이트 조직 분율을 상기 상한값 이하로 함으로써 내부의 인장 응력이 작아지고, 담금질 균열의 위험성을 보다 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 작용 효과(표면으로부터 중심까지의 전체로서의 내부 응력의 발생의 저감)를 보다 높이기 위해서는, O≤x≤1에서, d(fm(x))/dx≤O인 것이 바람직하다.
<성능, 용도 등>
상기 대형 고강도 단강품은 상기 조성 및 조직을 갖기 때문에, 강도 및 인성이 함께 우수하며, 높은 피로 강도를 갖는다. 이 강도(인장 강도)로서는, 1,050MPa 이상인 것이 바람직하고, 1,080MPa 이상이 더욱 바람직하다. 한편, 인장 강도는 JIS-Z2241(1998)에 근거하여 측정되는 값을 말한다.
상기 대형 고강도 단강품은, 전술한 바와 같이 우수한 강도, 인성 및 피로 강도를 겸비하기 때문에, 선박이나 발전기에 이용되는 대형 크랭크축이나 중간축 등으로서 적합하게 이용될 수 있다. 특히, 예컨대 대형 크랭크축에는, 선박용 디젤 엔진이나 육발(陸發)용 디젤 엔진 등의 출력 향상, 컴팩트화 등을 실현하기 위해서 더한층 피로 강도 및 인장 강도의 크기(예컨대, 인장 강도 950MPa 이상)가 요구되고 있고, 상기 대형 고강도 단강품은 충분히 이에 대응할 수 있다.
<제조 방법>
상기 대형 고강도 단강품의 제조 방법으로서는 특별히 한정되지 않고, 상기 조성으로 조제한 강을 단조 및 열 처리하여 얻을 수 있다. 이하에, 상기 대형 고강도 단강품이 직경 150mm 이상의 일체형 크랭크축인 경우로 한 제조 방법의 일례를 설명한다.
우선, 전기로, 고주파 용해로, 전로 등을 이용하여 전술한 소정 성분 조성으로 조제한 강을 용해한다. 이후, 진공 정련 등에 의해 불순물(황, 산소 등)의 제거(저감)를 행한다. 불순물의 제거 후, 이 강을 주조에 의해 조괴(造塊)한다. 이 주조 방법으로서는, 주로 잉곳 주조가 이용되지만, 비교적 소형의 단강품인 경우는 연속 주조법을 이용하여도 좋다.
다음으로, 크랭크축을 형성하기 전의 환봉(丸棒) 소재를 단조한다. 이때의 가열 온도로서는, 강의 변형능이 양호한 범위에서 단조를 행하기 위해서 1,150℃ 이상, 보다 바람직하게는 1,200℃ 이상으로 하면 좋다. 이 가열 온도가 낮은 경우는, 변형 저항의 증대를 초래하여, 제조 효율이 저하된다. 또한, 가열 시간으로서는 3시간 이상으로 하면 좋다. 이 가열 시간은, 강괴의 표면과 내부의 온도를 균일화하기 위해서 필요한다. 이 가열 시간은, 일반적으로 피가공물의 직경의 자승에 비례하는 것으로 되며, 상기 대형 크랭크축의 제조 시는, 예컨대 3시간 이상으로 된다.
환봉 소재로 단조한 후, 일체형 크랭크축의 형상으로 단조된다. 이 단조는, 바람직하게는 CGF(Continuous Grain Flow) 단조법에 의해 행해진다. CGF 단조법이란, 강괴의 축심이 일체형 크랭크축의 축심부가 되도록 단조 가공하고, 중심 편석에 의해 특성의 열화를 일으키기 쉬운 부분을 일체형 크랭크축의 전체의 축심부가 되도록 일체로 단조 가공하는 방법이다. 상기 CGF 단조로서는, RR 단조법이나, TR 단조법 등을 들 수 있다. 이들은, 크랭크축 표층측을 청정도가 높은 부분으로 차지하게 할 수 있어, 강도나 피로 특성이 우수한 일체형 크랭크축이 얻어지기 쉽기 때문에 바람직하다.
이하, RR 단조법을 예를 들어 구체적으로 단조 방법을 설명한다.
RR 단조에서는, 수득된 단조 소재를 1,150℃ 이상에서 3시간 이상 가열하고, 각 슬로브를 열간 성형한다. 구체적인 순서로서는, 우선, 전술한 순서로 수득된 환봉 소재를 기계 가공하여, RR 단조용 소재로 한다. 그 후, 1기통분에 상당하는 핀축, 한 쌍의 블록부 및 저널축을 부분 가열하고, 프레스의 압하력을 쐐기 기구에 의해 횡방향의 힘으로 변환함으로써, RR 소재에 횡압축력과 편심력을 동시에 가하여 1기통을 단조한다. 이 작업을 필요한 기통 횟수 반복하여, 1개의 크랭크축으로 마무리한다. 여기서, 가열 온도는, 강의 변형능이 양호한 범위에서 단조를 행하기 위해서 1,150℃ 이상, 보다 바람직하게는 1,200℃ 이상으로 하면 좋다. 이 가열 온도가 낮은 경우는, 변형 저항의 증대를 초래하고, 제조 효율이 저하된다. 이 가열 시간은, 강괴의 표면과 내부의 온도를 균일화하기 위해서 필요하며, 대형 크랭크축의 제조 시는, 예컨대 3시간 이상으로 된다.
RR 단조 후, 조질 처리(담금질, 뜨임 처리)를 행하기 전에, 단조물에 포함되는 잔류 오스테나이트(Y)를 분해하는 처리를 행하여도 좋다. 조직 미세화를 위해서는 조질 처리 시의 상 변태가 활용되지만, 단조 후에 존재하는 잔류 Y가 안정된 경우는, 조질 처리 가열 시에 잔류 Y는 Ac1 온도를 초과하기까지 계속 존재한다. 이 잔류 Y는 단조 열 처리 중의 Y가 남은 것이며, 단조 후의 구 오스테나이트 입자 내에서는 원래 동일 방향을 갖는다. 그 때문에, Y 변태가 진행하여 잔류 Y 끼리가 접하면, 그 계면은 입계가 될 수 없고, Y 변태 완료 시의 Y 입경은 처음의 Y 입경과 같이 조대한 것으로 된다. 이 때문에, 잔류 Y를 분해하는 처리를 행한다.
잔류 오스테나이트를 분해하는 방법으로서, 예컨대, Ac1 변태점 이하의 온도(600 내지 680℃)에서 가열 유지하는 시효 처리 등을 들 수 있다. 이때의 가열 유지 시간으로서는, 5시간 이상이며, 바람직하게는 20시간 이상으로 하면 좋다. 이러한 시효 처리에 의해, 잔류 오스테나이트가 분해되고, 잔류 오스테나이트를 부피율로 1% 이하로 할 수 있다. 기타, 잔류 오스테나이트를 분해하는 방법으로서, 서브 제로(sub-zero) 처리를 이용할 수 있다.
이어서, 조질 처리(담금질·뜨임 처리)를 행한다. 우선, 담금질 전에, Ac3 변태점 이상의 온도(840 내지 940℃)까지 서서히 가열(승온 속도 30 내지 70℃/시간)하고, 일정 시간(3 내지 9시간) 유지한다. 구 오스테나이트 입자 결정립 조대화 억제의 관점에서, 담금질은 이와 같이 Ac3 이상의 비교적 저온(840 내지 940℃)으로 처리하는 것이 바람직하다. 또한, 대형품의 경우, 가열 시에 재료의 내외에서 온도차가 생기기 때문에, 담금질 전의 가열 온도까지 서서히 가열하고, 강재의 표면과 내부의 온도를 균일하게 하기 위해서 일정 시간 유지한다. 한편, 필요한 유지 시간은, 강재 직경 등에 의존하며, 대형재일수록 유지 시간은 길어진다. 이 때문에, 충분한 유지 시간을 들여, 강재 내부까지 온도가 균일하게 되고나서 이하의 담금질을 행한다.
담금질은 기름 또는 폴리머 등의 냉매를 사용하여 행하여, 마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트로 이루어지는 조직을 얻는다. 이러한 조직을 얻기 위해서는, 담금질에서의 평균 냉각 속도를 3℃/분 이상으로 행한다. 이 냉각 속도는 5℃/분 이상 100℃/분 이하가 보다 바람직하고, 10℃/분 이상 60℃/분 이하가 더욱 바람직하다.
대형 단강품에서는, 물 담금질을 행하면 균열될 위험성이 있기 때문에, 대형 크랭크축의 담금질은 기름 담금질이나, 폴리머 담금질 등이 일반적이다. 담금질 시의 냉각 속도는 단강품의 크기에 따라서 다르지만, 직경 500mm 급의 크랭크축에서는, 800 내지 500℃ 사이의 평균 냉각 속도는, 기름의 경우 약 20℃/분 정도, 폴리머의 경우 약 50℃/분으로 되고, 그보다 더욱 큰 직경(예컨대, 1,OOOmm)이 되면 냉각 속도는 더욱 작은 것으로 된다.
상기 대형 고강도 단강품에서의 강도 및 인성을 양립시키기 위해서는, 마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직으로 제어하는 것이 필요해진다. 그래서, 예컨대 직경 150mm 이상의 대형 크랭크축에 적용하기 위해서 담금질 냉각 속도가 20℃/분 정도에서도(기름 담금질의 경우), 이러한 조직을 실현하기 위한 조건에 대하여 검토한 결과, 상기와 같은 화학 성분 조성에 도달했다.
또한, 담금질에서는, 200℃ 이하까지 냉각 후, 뜨임하는 것이 바람직하다. 이와 같이 200℃ 이하까지 냉각함으로써, 완전히 변태를 완료시킬 수 있다. 냉각이 불충분한 경우, 미변태된 잔류 오스테나이트가 잔존하여, 특성이 불규칙해지는 원인이 된다.
뜨임은 소정의 온도(550℃ 내지 620℃)까지 서서히 가열(승온 속도 30 내지 70℃/시간)하여, 일정 시간 유지(5 내지 20시간)한다. 이 뜨임은 강도와 인성의 균형을 조정함과 함께, 담금질 시의 내부 응력(잔류 응력)을 제거하기 위해서, 550℃ 이상에서 행한다. 단, 지나치게 고온이면, 탄화물의 조대화, 전위 조직의 회복 등에 의해 연화되어, 충분한 강도가 확보될 수 없기 때문에, 620℃ 이하로 한다.
이와 같이 조질 처리된 단조품으로부터, 필요에 따라, 표층의 적어도 일부의 연삭을 포함하는 마무리 기계 가공을 실시함으로써, 상기 대형 고강도 단강품을 얻을 수 있다. 한편, 본 발명의 대형 고강도 단강품은, 전술한 제조 방법에 한정되지 않고, 예컨대 자유 단조에 의해서 제조할 수도 있다. 또한, 대형 크랭크축 이외의 대형 고강도 단강품도 같은 제조 방법 등에 의해서 얻을 수 있다.
실시예
이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예로 한정되는 것은 아니다.
[측정 방법]
실시예에서 행한 각 측정은 이하의 방법으로 각각 행했다.
1. 구 오스테나이트(Y) 결정 입경(㎛)
ASTM(E112-96)에 근거하여, 이하의 순서에 의해, 비교법으로 입도 번호를 판정한 후, 구 오스테나이트 결정립의 결정 입경(공칭 입경)을 구했다.
(1) 광학 현미경에 의한 배율 100배의 사진과 표준도를 비교하여, 상당하는 입도 번호 N을 판정한다.
(2) 입도 번호 N은 현미경의 100배로 관찰한 25mm 평방(625mm2: 현미경 시야) 중의 결정립의 수 n에 따라서 결정할 수 있고, 하기 수학식 1이 성립한다.
[수학식 1]
(3) 62,500㎛2 중에 n개의 입자가 있다고 생각되기 때문에, 결정 입경 d(㎛)는 하기 수학식 2에 의해 산출할 수 있다.
[수학식 2]
한편, 구 오스테나이트 결정 입경에 대해서는, 10개소(10시야) 측정하여, 각각의 평균 입경을 구했다.
2. 마르텐사이트 블록 직경(㎛)
마르텐사이트의 하부 조직에서, 거의 동일 방향의 라스 집단은 블록(마르텐사이트 블록)으로 부르고 있다. 블록 간의 방위차는 15° 이상(대각 입계)이다. 그래서, FESEM-EBSP법에 의해 얻어지는 결정 방위 맵으로부터, 이하의 방법에 의해 마르텐사이트 블록 직경(㎛)을 구했다.
(1) 120㎛×120㎛의 시야를 0.3㎛ 스텝으로 EBSP 측정을 행하여, 결정 방위도를 구한다.
(2) 결정 방위도로부터, 인접하는 결정과의 방위차가 15° 이상으로 둘러싸이는 영역을 식별하여, 그 면적을 각각 구한다.
(3) 상기 각 면적의 평방근을 취하여(√(면적)), 블록 직경을 구한다.
한편, 마르텐사이트 블록 직경에 대해서는, 10개소(10시야) 측정하여, 각 시야에서의 블록의 최대 직경 및 최소 직경을 구하고, 각각의 평균 직경(최대 직경의 평균 및 최소 직경의 평균)을 구했다.
3. 인장 특성(0.2% 내력: YS(MPa), 인장 강도: TS(MPa), 신도: EL(%) 및 단면 수축률: RA(%))
JIS-Z2241(1998)에 근거하여 측정했다. 시험편 형상은 JIS-Z2201(1998) 기재된 14호 시험편으로 φ6×G.L. 30mm로 했다.
4. 샤르피 흡수 에너지: vE(J)
JIS-Z2242(2005)에 근거하여 측정했다. 시험편 형상은 JIS-Z2242(2005) 기재된 2mmV 노치를 채용했다. 시험은 각 3개 실시하여, 흡수 에너지는 그 평균값으로 했다.
5. 회전 굽힘 피로 강도 FS(MPa) 및 내구 한도비
이하에 나타내는 시험 방법에서 회전 굽힘 피로 시험을 행하여, 피로 강도를 평가했다.
시험편: φ10mm×G.L. 30mm 평활 시험편(5개)
시험 방법: 회전 굽힘(응력비=-1, 회전수=3,000 내지 3,600rpm)
평가 방법: 계차(階差)법(계차 응력 20MPa)
피로 강도[FS] = 파단 응력(MPa) - 계차 응력(MPa)
내구 한도비 = 피로 강도[FS]/인장 강도[TS]
[실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 14]
표 1에 나타낸 성분의 강종(鋼種) a 내지 q를 용제(溶製)했다. 한편, 표 1 중 「-」는 검출 한계값 이하인 것을 나타낸다. 강종 a는 전기로에서 용해 및 취과(取鍋) 정련을 행하여, 70ton 강괴를 주조했다. 또한, 강종 b 내지 q는 각각 고주파로를 이용하여 용제하여, 40kg 강괴를 주조했다.
강종 a의 강괴(70ton)는 열간 단조를 실시하여 직경 500mm의 환봉상(狀)의 단조재로 했다. 또한, 강종 b 내지 q에 대해서는, 90mm×90mm×600mm로까지 단조한 후, 대기 중에서 방냉했다. 강종 a 내지 q 각각의 단조재에 대하여, 실온까지 냉각한 후, 각 단조재로부터, 20mm×20mm×180mm의 소편을 잘라내었다. 각 소편에 대하여, 크랭크축의 단조 공정을 모의한 표 2에 나타내는 조건에서 가열 처리를 행하여, 이것을 노냉함으로써 시료편을 제작했다.
그 후, 각각의 시료편에 대하여, 크랭크축의 강도를 확보하기 위한 조질 처리(담금질·뜨임 처리)를 행했다. 담금질 조건에 대해서는, 직경 500mm의 크랭크축의 가열·냉각 속도를 모의한 담금질 처리를 실시했다. 구체적으로는, 소형 시뮬레이트로(爐)를 이용하여, 승온 속도 40℃/시간으로 870 내지 940℃까지 승온시키고, 그 온도로 3 내지 8시간 유지 후, 870 내지 500℃의 온도 범위의 평균 냉각 속도가 20 내지 50℃/분이 되는 냉각으로, 담금질 처리를 실시했다. 뜨임 처리는, 560 내지 610℃의 온도에서 13시간 유지하여 노냉했다(각 시료편에 대한 처리 조건에 대하여, 표 2에 나타낸다). 이러한 방법으로, 실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 14의 시료편(단강품)을 수득했다.
실시예 1 내지 13 및 비교예 1 내지 14의 시료편에 대하여, 마이크로 조직(마르텐사이트 조직(M) 또는 베이나이트 조직(B))의 상태를 관측했다. 또한, 상기 측정 방법으로, 구 오스테나이트 결정 입경, 마르텐사이트 블록 직경, 인장 특성, 샤르피 흡수 에너지 및 피로 특성(피로 강도 FS 및 내구 한도비)을 평가했다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
한편, 표 3 중 「-」는 측정되지 않은 것을 나타낸다.
실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 마르텐사이트 블록의 최대 직경과 샤르피 흡수 에너지의 관계를 도 2에 나타낸다. 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 샤르피 흡수 에너지의 관계를 도 3에 나타낸다. 실시예 또는 비교예의 시험편에서 측정한 인장 강도와 피로 강도의 관계를 도 4에 나타낸다.
실시예 4의 시험편의 결정 방위도를 도 5에, 실시예 11의 시험편의 결정 방위도를 도 6에, 비교예 3의 시험편의 결정 방위도를 도 7에, 비교예 7의 시험편의 결정 방위도를 도 8에, 비교예 9의 시험편의 결정 방위도를 9에 나타낸다.
[고찰]
실시예 1 내지 13은 강의 조성도 제조 조건도 본 발명의 요건을 만족시키고 있기 때문에, 원하는 특성을 갖는 단강품이 얻어졌다. 비교예 1 내지 14는 강의 조성이 본 발명의 요건을 만족시키고 있지 않기 때문에, 원하는 특성을 갖는 단강품이 얻어지지 않았다. 비교예 15 내지 17은, 강의 조성은 본 발명의 요건을 만족시키고 있지만, 담금질 온도가 적절하지 않기 때문에, 구 오스테나이트 입경이 본 발명의 요건을 만족시키지 않아, 원하는 특성을 갖는 단강품이 얻어지지 않았다.
도 2에 나타낸 것과 같이, 마르텐사이트의 최대 블록 직경이 15㎛ 이하인 경우, 양호한 인성(샤르피 흡수 에너지)이 얻어진다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 대형 단강품용 고강도 강은 종래 강보다도 고강도(1,050MPa 이상의 강도)이고도, 양호한 인성(충격 특성)을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 일반적으로, 재료는, 강도가 높아지면 인성은 저하되지만, 화학 성분 및 금속 조직을 최적화함으로써, 강도와 인성의 균형이 우수한(예컨대, 강도 1,050MPa 이상의) 대형 고강도 단강품을 제공할 수 있다.
도 4에, 인장 강도와 피로 강도의 관계를 나타낸다. 본 발명의 단강품의 피로 강도는 종래 강에 대하여 약 10% 이상 향상되어 있다. 또한, 내구 한도비(=피로 강도/인장 강도)는 종래 강과 동등하며, 인장 강도와 피로 강도의 비례 관계가 유지되어 있다. 즉, 고강도화에 수반되는 절결(切缺) 감수성의 증대는 확인되지 않는다.
[해석예]
담금질에 의한 강재 내부의 변태 응력에 대하여, 범용 프로그램 FORGE2009를 이용하여 전열·열 응력 해석을 실시했다. 구체적 조건으로서는 이하와 같다. 환봉 형상을 상정하고, 2차원 축 대칭 모델을 이용하여 모델화를 행하고, 축 방향은 단위 길이만 모델화하여 상하면 단열로 했다. 초기 온도를 870℃ 균일로 하여 상온 부근까지 냉각을 행하는 전열·열 응력 해석을 행했다. 또한, 해석에 이용한 각 재료 물성값에 대하여 도 10 내지 도 12에 나타낸다. 해석은, 하기 해석 조건 A 및 B에서 행했다.
(해석 조건 A)
도 13(a)의 점선으로 나타낸 것과 같은, 표면으로부터 중심부까지의 거리에 대한 깊이의 비가 0 내지 0.35까지는 마르텐사이트 조직 100%, 중심부는 마르텐사이트 조직 95% 및 베이나이트 조직 5%인 환봉 강재 내부의 조직 분율.
(해석 조건 B)
도 13(a)의 실선으로 나타낸 것과 같은, 표면으로부터 중심부까지의 거리에 대한 깊이의 비가 0 내지 0.1까지는 마르텐사이트 조직 100%, 중심부는 베이나이트 조직 100%로 했을 때의 환봉 강재 내부의 조직 분율.
해석 조건 A 및 B에서의 해석 결과를 도 13(b)에 나타낸다. 이 도 13(b)에 나타낸 것과 같이, 해석 조건 A의 경우는 내부의 변태 응력이 커진다. 또한, 해석 조건 B의 경우는 깊이의 비 0.2 근방에 응력이 잔류한다는 것을 알 수 있다. 해석 조건 A와 B의 사이의 조직 분율로 함으로써 표면으로부터 중심까지 전체의 내부 응력을 낮게 제어할 수 있다.
[참고 실시예 1]
상기 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강종 a를 전기로에서 용해 및 취과 정련을 행하여, 70ton 강괴를 주조했다. 강종 A(70ton) 강괴는 자유 단조 프레스에 의해, 열간 단조를 실시하여 직경 500mm(반경 250mm)의 환봉 단조재로 한 후, 대기 중에서 방냉했다. 이 환봉 단조재는, RR 단조 전의 가열을 모의하여, 1,280℃에서 3시간의 가열 처리를 행했다. 담금질·뜨임 처리 전에, 시효 처리(650℃의 온도로 20시간 유지)하고, 실온까지 냉각했다. 담금질 조건에 대해서는, 40℃/시간의 승온 속도로 가열하고, 870℃에서 8시간 유지 후에, 폴리머 담금질을 실시했다. 그 후, 뜨임 처리로서, 580℃에서 15시간 유지한 후, 350℃까지 노냉, 그 후는 실온까지 공냉하여, 참고 실시예 1의 대형 고강도 단강품을 수득했다.
수득된 대형 고강도 단강품에 대하여, 표면으로부터 중심 방향으로 각 깊이(25mm, 40mm, 70mm, 100mm, 130mm, 160mm, 190mm, 220mm 및 250mm)가 표면이 되도록 연삭했다. 각각의 깊이에서의 브리넬 경도 HB, 인장 강도(MPa), 조직 분율(%) 및 구 오스테나이트(Y) 결정 입경(㎛)을 측정했다. 한편, 이 참고 실시예 1의 대형 고강도 단강품에서의 인장 강도에 대해서는, 측정한 브리넬 경도 HB로부터 경도 환산표(SAE J 417)에 근거하여 산출한 환산값이다. 브리넬 경도와 마르텐사이트 조직 분율의 측정 및 산출 방법은 이하와 같다. 측정 결과를 제조 시의 열 처리 조건과 함께 표 4에 나타낸다.
브리넬 경도
JIS-Z2243(2008)에 근거하여 측정했다.
마르텐사이트 조직 분율(%)
조직 분율은, 경도(브리넬 경도: HB) 측정의 결과로부터, 혼합칙에 의해 하기 수학식을 이용하여 산출했다. 한편, 마르텐사이트 조직 이외를 베이나이트 조직으로 하여, 베이나이트 조직 분율(%)도 함께 산출했다.
HB = HBM×fm(x)/100 + HBB×(1-fm(x)/100)
fm(x): 마르텐사이트 조직 분율(%)
HBM: 마르텐사이트의 브리넬 경도
(전체 마르텐사이트의 부분의 경도 실측값: 368)
HBB: 베이나이트의 브리넬 경도
(전체 베이나이트의 부분의 경도 실측값: 352)
또한, 참고 실시예 1의 대형 고강도 단강품의 각각의 깊이와 브리넬 경도의 관계를 도 14(a)에, 각각의 깊이와 마르텐사이트 조직 분율의 관계를 도 14(b)에 나타낸다.
본 발명의 대형 고강도 단강품은 강도 및 인성이 함께 우수하고, 또한 높은 피로 강도를 갖는다. 따라서, 상기 대형 고강도 단강품은, 선박이나 발전기에 이용되는 대형 크랭크축이나 중간축 등으로서 적합하게 이용할 수 있다.
Claims (2)
- C: 0.31질량% 이상 0.5질량% 이하,
Si: 0.02질량% 이상 0.2질량% 이하,
Mn: 0.1질량% 이상 0.6질량% 이하,
Ni: 2.6질량% 이상 3.4질량% 이하,
Cr: 0.8질량% 이상 1.9질량% 이하,
Mo: 0.25질량% 이상 0.8질량% 이하,
V: 0.05질량% 이상 0.2질량% 이하, 및
Al: 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하를 기본 성분으로 하고, 잔부를 Fe 및 불가피적 불순물로 하며, 이 불가피적 불순물로서의 S의 함유량이 0.008질량% 이하인 조성을 가지며,
마르텐사이트 조직, 또는 마르텐사이트와 베이나이트의 혼합 조직으로 이루어지고,
구 오스테나이트 결정 입경이 19㎛ 이상 70㎛ 이하이며,
마르텐사이트의 최대 블록 직경이 15㎛ 이하, 최소 블록 직경이 0.5㎛ 이상인 대형 고강도 단강품(鍛鋼品). - 제 1 항에 있어서,
표면으로부터 중심부까지의 거리에 대한 깊이의 비를 x(0≤x≤1)로 했을 때의 마르텐사이트 조직 분율 fm(x)(%)이,
O≤x≤O.1인 때, fm(x)=1OO,
0.1<x≤0.15인 때, 104-40x≤fm(x)≤100,
0.15<x≤0.2인 때, 122-160x≤fm(x)≤100,
0.2<x≤0.3인 때, 230-700x≤fm(x)≤100,
0.3<x≤0.35인 때, 110-300x≤fm(x)≤112-40x,
0.35<x≤0.5인 때, (22-20x)/3≤fm(x)≤105-20x,
0.5<x≤0.8인 때, (32-40x)/3≤fm(x)≤95, 및
0.8<x≤1인 때, 0≤fm(x)≤95인 대형 고강도 단강품.
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