KR20150108043A

KR20150108043A - 스프링 강 및 스프링

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Publication number: KR20150108043A
Application number: KR1020157024307A
Authority: KR
Inventors: 신야 데라모토; 마나부 구보타
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2012-08-15
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2032-08-15
Also published as: EP2746420A4; CN103717776A; KR20140033235A; CN103717776B; KR101603485B1; US9523404B2; MX2014001872A; EP2746420B1; BR112014003415A2; WO2013024876A1; MX339397B; US20140193288A1; BR112014003415B1; JP5541418B2; JPWO2013024876A1; EP2746420A1

Abstract

스프링의 피로 특성을 저하시키는 SiO₂의 경질 개재물의 생성이나 탈탄의 발생을 억제하면서, 합금 원소에 의한 템퍼링 연화 저항 효과를 최대한 이용함으로써, 최종적으로 고강도 스프링으로 되는, 스프링 강을 제공한다. 이 스프링 강은, 질량％로, C:0.50∼0.70％, Si:3.01∼5.00％, Mn:0.30∼2.00％, P:0.0002∼0.0500％, S:0.0002∼0.0500％, Cr:0.10∼3.50％, Al:0.0005∼0.0500％, N:0.0020∼0.0100％를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 한다. H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 … (a), C＝[Si]/[Mn] … (b)

Description

스프링 강 및 스프링 {SPRING STEEL AND SPRING}

본 발명은, 자동차에 사용되고 있는 밸브 스프링이나 클러치 스프링, 현가 스프링에 사용되는 스프링 강에 관한 것으로, 특히 신선(伸線)이나 코일링 후의 켄칭 템퍼링 처리나 질화 처리 등의 열처리에 의한 연화를 억제하고, 또한 스프링의 피로 특성을 저하시키는 SiO₂의 경질 개재물의 생성이나 탈탄의 발생을 억제하는, 고강도 스프링 강 및 스프링에 관한 것이다.

자동차의 경량화, 고성능화에 수반하여, 스프링도 고강도화되어, 열처리 후에 인장 강도 1600㎫를 초과하는 고강도강이 스프링에 제공되고 있다. 최근에는, 인장 강도 1900㎫를 초과하는 강도 사용되고 있다.

강을 사용한 코일 스프링의 제조 방법에서는, 강을 오스테나이트 영역까지 가열하여 코일링하고, 그 후, 켄칭 템퍼링을 행하는 열간 코일링과, 미리 강에 켄칭 템퍼링을 실시한 고강도 강선을 냉간에서 코일링하는 냉간 코일링이 있다. 어느 경우에나 켄칭 템퍼링에 의해 스프링의 기본 강도를 결정짓는다. 따라서, 스프링 강에 대해서는 켄칭 템퍼링 후의 특성을 고려한 성분 설계가 중요하다.

예를 들어, 특허문헌 1∼3과 같이, 고강도화에는 기본적으로 C를 많이 첨가시킴과 함께, V, Mo 등의 합금 원소를 첨가하여, 켄칭성이나 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 것이 행해지고 있다.

또한 특허문헌 4와 같이, 스프링을 더욱 고강도화하기 위해서는, 질화 처리에 의한 표면 경화가 유효하다. 통상, 질화 처리는 스프링의 코일링 후에 실시되지만, 이 처리는 400∼600℃에서 가열되므로, 스프링 표면은 경화되지만, 코어부는 연화되어, 코어부에 충분한 연화 저항이 없으면, 피로 특성 등의 스프링 성능을 반대로 저하시키게 된다. 따라서, 템퍼링 연화 저항을 부여할 수 있는 합금 원소를 첨가하는 것이 일반적이다.

그러나, 템퍼링 연화 저항을 부여할 수 있는 합금 원소를 첨가해도, 강 중에 SiO₂ 등의 경질 개재물이나 표층에 탈탄층이 존재하면, 강도를 높이기 위해 템퍼링 연화 저항을 높여도 피로 강도는 향상되지 않는다.

예를 들어, 특허문헌 5에서는 용강 처리의 슬래그 조성을 적정 범위로 제어함으로써, 피로 강도 저하의 원인으로 되는 개재물의 연성을 높여, 열간 압연에서 상기 개재물을 미세화함으로써 피로 강도를 개선하고 있다.

또한 예를 들어, 특허문헌 6에서는 열간 압연 전의 가열 조건과 압연 후의 냉각 조건을 적절하게 제어하고, 열간 압연 전에 표면의 스케일을 제거함으로써 탈탄층의 발생을 억제하고 있다. 최근, 자동차에 사용되고 있는 스프링에는 강도의 가일층의 향상이 요구되고 있지만, 종래의 고강도 스프링용 강으로는 대처할 수 없는 것이 실정이다.

이 밖에, 특허문헌 7에는, 스프링 강 등의 신선 가공품의 소재로서 사용할 수 있는, 신선 가공성이 우수하고, 굵은 직경으로부터의 강 신선 가공에서도 단선을 억제할 수 있는 열간 압연 선재가 기재되어 있다. 특허문헌 8에는, 냉간 절단성과 피로 특성이 우수한 냉간 성형 스프링용 강선이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 소57-32353호 공보 일본 특허 공개 평1-83644호 공보 일본 특허 공개 평2-57637호 공보 일본 특허 공개 제2004-315968호 공보 일본 특허 공개 소61-136612호 공보 일본 특허 공개 제2003-268483호 공보 일본 특허 공개 제2007-231347호 공보 일본 특허 공개 제2007-169688호 공보

스프링 강에 관해서는 이미 많은 특허문헌이 존재하고 있고, 그들에는 매우 넓은 범위의 강 조성이 기재되어 있다. 그러나, 스프링의 피로 특성을 저하시키는 SiO₂의 경질 개재물의 생성이나 탈탄의 발생을 억제하는 것, 및 템퍼링이나 질화 처리에 의한 스프링 코어부의 연화를 억제하는 것의 필요 요건을 모두 구비한 강은 알려져 있지 않다.

본 발명은 스프링의 피로 특성을 저하시키는 SiO₂의 경질 개재물의 생성이나 탈탄의 발생을 억제하면서, 합금 원소에 의한 템퍼링 연화 저항 효과를 최대한 이용하여, 스프링 코어부의 강도를 높임으로써, 최종적으로 고강도 스프링으로 되는 고강도 스프링 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 스프링 강을 사용하여 제조되는 고강도의 스프링을 제공하는 것도, 본 발명의 목적이다.

본 발명자들은, 스프링 제조 과정에서 생성되는 SiO₂ 개재물의 생성이나 탈탄의 발생을 억제하면서 템퍼링 연화 저항이 우수한 성분 조성을 검토하여 고강도 스프링 강의 최적 성분 조성을 창안하고, 이하의 (A)∼(E)를 발견하였다.

(A) 고강도 스프링용 강의 특성으로서, 템퍼링이나 질화 처리 후의 경도는 중요하다. 특히, 질화 처리는 표면의 경도를 향상시키는 데 있어서 유효한 열처리이지만, 코어부는 질화 처리시에 고온에서 장시간에 걸쳐 템퍼링되므로 현저하게 연화된다. 본 발명자들은, 질화 처리를 한 후의 강의 코어부의 템퍼링 경도와, 강의 성분 조성의 관계에 대해 정량적으로 평가하기 위해, 하기 지표 H를 도입하여, 그것에 의해 각 원소에 있어서의 템퍼링 연화 저항의 효과량을 알 수 있었다.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo] 및 [V]는, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)이다.

(B) 특히 Si 및 Cr은 3.0％를 초과하여 다량으로 첨가해도, 큰 템퍼링 연화 저항을 초래하는 것을 알 수 있었다.

(C) 그러나, 다량의 Si를 첨가하면, 경질 개재물인 SiO₂가 다량으로 생성되어 열간 압연에서 개재물을 미세화할 수는 없다. 이에 의해, 강 중에 조대한 개재물을 남긴 채 스프링으로 되므로, 강은 이들 개재물을 기점으로 하여 피로 파괴되고, 피로 특성은 현저하게 저하된다. 그러나, Si와 마찬가지로 산화물을 생성하는 Mn의 양을 조정함으로써, 종래의 스프링 강에 함유하는 Si량보다 다량으로 첨가해도, SiO₂의 생성을 억제하여 피로 특성을 유지할 수 있는 것을 발견하였다. SiO₂의 경질 개재물을 기점으로 피로 파괴되는 것을 억제하기 위해서는, 하기 (b)식으로 정의하는 C값을 3.25 이하로 한다.

여기서, 식 중, [Si] 및 [Mn]은, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)이다.

(D) SiO₂의 생성량이 증가할 뿐만 아니라, 다량의 Si를 첨가하면, 표층에 현저한 탈탄이 발생하므로, 피로 특성은 현저하게 저하된다. 이들 탈탄량은 가열 온도에도 크게 영향을 받으므로, 다량의 Si를 첨가한 경우, 탈탄을 억제하기 위해서는 가열 온도는 낮은 쪽이 좋다. 합금 탄화물을 생성하는 V, Mo를 첨가한 강재에서는, V나 Mo에 의한 템퍼링 연화 저항의 효과를 충분히 얻기 위해, 가열 온도는 V, Mo를 첨가하지 않는 강재보다 높아져, 탈탄량이 커진다. 따라서, 다량의 Si를 함유하는 강재에 있어서, 탈탄량의 영향에 의해, 동일한 템퍼링 경도를 갖는 강재의 피로 특성을 비교하면, V, Mo를 첨가한 강재보다 첨가하지 않은 강재의 쪽이 피로 특성은 우수하다. V, Mo를 첨가하지 않은 강재의 경우, 800㎫ 이상의 피로 강도를 얻기 위해서는, 템퍼링 경도가 비커스 경도 550 이상으로 하고, 그러기 위해서는 하기 (a)식으로 정의하는 H값을 160 이상으로 한다. 또한 V, Mo를 첨가한 강재의 경우, 동일한 피로 강도 이상을 얻기 위해서는, 템퍼링 경도가 비커스 경도 605 이상으로 하고, 그러기 위해서는 하기 (c)식으로 정의하는 H값을 173 이상으로 한다.

(E) 또한 다량의 Cr을 첨가한 경우, Fe계 탄화물을 안정화시키므로, 이 탄화물을 충분히 용체화시키기 위해서는 가열 온도를 높게 할 필요가 있다. Cr량을 3.5％를 초과하여 다량으로 첨가하면, 표층에 현저한 탈탄이 발생하여, 피로 특성은 현저하게 저하된다.

본 발명은 상기 지식에 기초하여 완성된 것으로, 그 발명의 요지로 하는 것은, 다음과 같다.

(1) 질량％로,

C:0.50∼0.70％,

Si:3.01∼5.00％,

Mn:0.30∼2.00％,

P:0.0002∼0.0500％,

S:0.0002∼0.0500％,

Cr:0.10∼3.50％,

Al:0.0005∼0.0500％,

N:0.0020∼0.0100％,

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 하는 스프링 강.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn] 및 [Cr]은, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)이다.

(2) 질량％로,

Mo:0.01∼1.00％,

V:0.01∼0.30％,

중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 스프링 강.

단, H값을 상기 (a)식 대신에, 하기 (c)식으로 정의하는 H값이 173 이상이다.

(3) 질량％로,

Nb:0.001∼0.200％,

를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 스프링 강.

(4) 질량％로,

Ca:0.0002∼0.0100％,

Mg:0.0002∼0.0100％,

Zr:0.0005∼0.1000％,

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 스프링 강.

(5) 강재를, 신선 후, 켄칭 템퍼링 처리나 질화 처리 등의 열처리를 실시하여 제조된 스프링이며, 강재가, 질량％로,

C:0.50∼0.70％,

Si:3.01∼5.00％,

Mn:0.30∼2.00％,

P:0.0002∼0.0500％,

S:0.0002∼0.0500％,

Cr:0.10∼3.50％,

Al:0.0005∼0.0500％,

N:0.0020∼0.0100％,

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 당해 스프링은 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 하는 스프링.

(6) 상기 강재가, 질량％로,

Mo:0.01∼1.00％,

V:0.01∼0.30％,

중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (5)에 기재된 스프링.

(7) 상기 강재가, 질량％로,

Nb:0.001∼0.200％,

를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (5) 또는 (6)에 기재된 스프링.

(8) 상기 강재가, 질량％로,

Ca:0.0002∼0.0100％,

Mg:0.0002∼0.0100％,

Zr:0.0005∼0.1000％,

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (5)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 스프링.

본 발명에 따르면, 또한, 상기한 H값과 C값을 사용하여 스프링의 피로 강도를 평가하는 방법도 제공된다. 그 스프링의 피로 강도 평가 방법의 요지로 하는 것은, 다음과 같다.

(a) 스프링의 피로 강도의 평가 방법이며, 질량％로,

C:0.50∼0.70％,

Si:3.01∼5.00％,

Mn:0.30∼2.00％,

P:0.0002∼0.0500％,

S:0.0002∼0.0500％,

Cr:0.10∼3.50％,

Al:0.0005∼0.0500％,

N:0.0020∼0.0100％,

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재를, 신선 후, 켄칭 템퍼링 처리나 질화 처리 등의 열처리를 실시하여 제조된 스프링에 대해, 하기 (a)식으로 정의하는 H값과, 하기 (b)식으로 정의하는 C값으로 피로 강도를 평가하는 것을 특징으로 하는 스프링의 피로 강도 평가 방법.

(b) 상기 강재가, 질량％로,

Mo:0.01∼1.00％,

V:0.01∼0.30％,

중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (a)에 기재된 스프링의 피로 강도 평가 방법.

(c) 상기 강재가, 질량％로,

Nb:0.001∼0.200％,

를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (a) 또는 (b)에 기재된 스프링의 피로 강도 평가 방법.

(d) 상기 강재가, 질량％로,

Ca:0.0002∼0.0100％,

Mg:0.0002∼0.0100％,

Zr:0.0005∼0.1000％,

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (a)∼(c) 중 어느 하나에 기재된 스프링의 피로 강도 평가 방법.

본 발명에 따르면, 또한, 상기한 H값과 C값에 의한 규정을 만족시키는 고강도의 스프링을 제조하는 방법도 제공된다. 그 고강도 스프링 제조 방법의 요지로 하는 것은, 다음과 같다.

(e) 질량％로,

C:0.50∼0.70％,

Si:3.01∼5.00％,

Mn:0.30∼2.00％,

P:0.0002∼0.0500％,

S:0.0002∼0.0500％,

Cr:0.10∼3.50％,

Al:0.0005∼0.0500％,

N:0.0020∼0.0100％,

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재를, 신선 후, 켄칭 템퍼링 처리나 질화 처리 등의 열처리를 실시하여 스프링을 제조함으로써, 하기 (b)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하로 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고강도 스프링 제조 방법.

(f) 상기 강재가, 질량％로,

Mo:0.01∼1.00％,

V:0.01∼0.30％,

중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (e)에 기재된 고강도 스프링 제조 방법.

(g) 상기 강재가, 질량％로,

Nb:0.001∼0.200％,

를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (e) 또는 (f)에 기재된 고강도 스프링 제조 방법.

(h) 상기 강재가, 질량％로,

Ca:0.0002∼0.0100％,

Mg:0.0002∼0.0100％,

Zr:0.0005∼0.1000％,

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (e)∼(g) 중 어느 하나에 기재된 고강도 스프링 제조 방법.

본 발명 강은, 스프링 강도를 저하시키는 요소를 저감시킴과 함께 합금 원소에 의한 템퍼링 연화 저항 효과를 최대한 이용함으로써 고강도 스프링을 제조 가능해져, 산업상 극히 효과가 큰 것이다.

도 1은 V, Mo 무첨가재에 대한 지표 H(＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0) 및 V, Mo 첨가재에 대한 지표 H(＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0)와, 템퍼링 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 템퍼링 경도(HV)와 피로 강도(㎫)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 지표 C(＝[Si]/[Mn])와 피로 강도(㎫)의 관계를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에서 규정한 상기 (a), (c)식에 대해 설명한다.

고강도 스프링용 강의 특성에 있어서, 템퍼링이나 질화 처리 후의 경도는 중요하다. 특히, 질화 처리는 표면의 경도를 향상시키는 데 유효한 열처리이지만, 한편, 코어부는 질화 처리시에 고온에서 장시간에 걸쳐 템퍼링되므로 현저하게 연화된다. 본 발명자들은, 질화 처리를 한 후의 강의 코어부의 템퍼링 경도와, 강의 성분 조성의 관계에 대해 정량적으로 평가하기 위해, 실험에 의해 하기 지표 H를 도입하였다.

Mo, V를 함유하지 않는 경우 :

지표 H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋90.0 … (a)

Mo, V를 함유하는 경우 :

지표 H＝33.6[C]＋10.0[Si]＋5.95[Mn]＋11.1[Cr]＋21.9[Mo]＋34.0[V]＋90.0 … (c)

지표 H는, [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo] 및 [V]가, 질화 처리 후의 강의 코어부의 템퍼링 경도에 영향을 미치는 정도를, 각 원소의 영향도에 가중치를 부여하여 상가적으로 평가하는 지표이다. 또한, C, Si, Mn, Cr, Mo 및 V는, 주요한 템퍼링 연화 저항 향상 원소이다.

실험 대상으로 한 것은, C량:0.50∼0.70％(질량％, 이하 동일함), Si량:1.00∼5.00％, Mn량:0.20∼2.00％, P량:0.001∼0.0500％, S량:0.001∼0.0500％, Cr량:0.10∼4.00％, Al량:0.001∼0.010％, N량:0.0030∼0.0060％, Mo량:0.01∼1.00％, V량:0.01∼0.30％, 잔량부가 Fe와 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 상기 (b)식을 만족시키는 다양한 강재를 사용하고, 실험은 질화 처리한 후의 코어부의 템퍼링 경도를 재현한 열처리를 행하였다. 시험편을 합금 탄화물이나 Fe계 탄화물이 용체화 가능한 온도로 가열하고, 60℃의 오일에 켄칭한 후, 450℃에서 120min, 템퍼링 처리를 실시하였다. 그 후, 시험편을 직경 방향 단면에서 절단하여 수지에 매립하고, 표층을 연마한 후, 비커스 경도(HV)를 측정하였다. 결과를 도 1에 나타낸다.

도 1로부터, 지표 H와 질화 처리 후의 코어부의 템퍼링 경도는, 극히 양호한 상관 관계에 있는 것을 알 수 있다.

다음에, 템퍼링 경도와 피로 특성의 관계에 대해 평가하였다. 피로 시험은 나카무라(中村)식 회전 굽힘 피로 시험이며, 표층의 열처리 스케일을 제거 후 시험에 제공하여, 10개의 샘플이 50％ 이상의 확률로 10⁷회 이상의 수명을 나타낸 최대 부하 응력을 피로 강도로 하였다. 그 결과를 도 2에 나타낸다. 스프링에 많이 사용하는 강재 SWOSC-V(JIS)의 피로 강도도 구하여, 도면 중에 표시하였다. SWOSC-V의 피로 강도는 660㎫이므로, 피로 강도는, 이것을 약 20％ 향상시킨 800㎫ 이상을 목표로 하였다.

도 2로부터 피로 강도 800㎫ 이상을 확보하기 위해서는, Mo, V를 함유하지 않는 경우, HV 550 이상의 템퍼링 경도를, 또한 Mo, V를 함유하는 경우, HV 605 이상의 템퍼링 경도를 확보할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 도 1로부터 HV 550 이상의 템퍼링 경도를 확보하기 위해서는, 지표 H를 160 이상으로, 또한 HV 605 이상의 템퍼링 경도를 확보하기 위해서는, 지표 H를 173 이상으로 유지할 필요가 있는 것을 알 수 있다. 따라서, Mo, V를 함유하지 않는 경우, 지표 H를 160 이상으로, Mo, V를 함유하는 경우, 지표 H를 173 이상으로 규정하였다. 지표 H는, V를 함유하지 않는 경우, 바람직하게는 163 이상, 보다 바람직하게는 165 이상이고, Mo, V를 함유하는 경우, 바람직하게는 175 이상, 보다 바람직하게는 177 이상이다.

다음에, 상기 (b)식에 대해 설명한다.

상기 (a) 및 (c)식으로부터도 알 수 있는 바와 같이, Si는 템퍼링 연화 저항에 크게 기여하는 원소로, 스프링용 강재에 다량의 Si가 첨가되어, 스프링의 강도를 높이고 있다. 그러나, 강 중에 경질 개재물인 SiO₂가 다량으로 생성되면, 피로 파괴의 기점으로 되어 피로 특성을 저하시키는 원인으로 된다. SiO₂가 다량으로 생성되는지 여부는, 산화되기 쉬운 원소끼리의 첨가량의 밸런스에 따라 정해진다. 본 발명자들은, Si와 Mn량의 비와 피로 특성의 관계에 대해 검토하였다.

실험의 대상으로 한 것은, C량:0.60％(질량％, 이하 동일함), Si량:2.0∼4.0％, Mn량:0.40∼1.40％, P량:0.005∼0.050％, S량:0.001∼0.050％, Cr량:2.5％, Al량:0.001∼0.010％, N량:0.0030∼0.0050％, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 또한 상기 (a)식을 만족시키는 다양한 강재를 사용하고, 실험은 질화 처리한 후의 코어부의 템퍼링 경도를 재현한 열처리를 행하였다. 시험편을 합금 탄화물이나 Fe계 탄화물이 용체화 가능한 온도로 가열하고, 60℃의 오일에 켄칭한 후, 450℃에서 120min, 템퍼링 처리를 실시하였다. 여기서는, 탈탄의 영향을 배제하기 위해 표면으로부터 0.5mm의 영역을 깎아냈다. 피로 특성 평가를 위해, 나카무라식 회전 굽힘 피로 시험을 사용하였다. 그 결과를 도 3에 나타낸다.

도 3으로부터 Si와 Mn량의 비(이하, [Si]/[Mn]이라 기재함)가 3.25 이하에서는, 모두 피로 강도가 800㎫ 이상인 것에 반해, [Si]/[Mn]이 3.25를 초과하면, 모두 피로 강도가 800㎫ 이하로 낮은 것을 알 수 있다. 이들 저피로 강도재의 피로 파괴의 기점을 관찰한 바, 모두 SiO₂를 주체로 하는 경질 개재물이 기점으로 되어 있고, 이들 피로 강도의 저하는 주로 SiO₂가 작용하고 있는 것이라 생각된다. 따라서, 지표 C의 [Si]/[Mn]의 비를 3.25 이하로 규정하였다. 도 3으로부터, Si 함유량이 일정한 경우 [Si]/[Mn]이 3.25 이하에 있어서 피로 강도는 그다지 크게 변화되지 않는 것을 알 수 있지만, 특히 Si 함유량이 많아지면, [Si]/[Mn]이 작아짐에 따라 피로 강도가 증가하는 경향이 확인된다. 이것으로부터, [Si]/[Mn]비는, 3.00 이하인 것이 바람직하고, 2.80 이하인 것이 보다 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명 강은, 성분 조성을 상기 (a) 또는 (c)와, (b)로 규정하여, 고강도 스프링 강으로서 우수한 특성을 갖는 것이다.

이하에, 본 발명 강의 각 원소의 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다. 성분에 대한 ％는, 질량％를 의미한다.

C:0.50∼0.70％

C는 강의 강도를 결정하는 중요한 원소이다. 충분한 강도를 얻기 위해서는, 하한은 0.50％로 한다. 다른 합금 원소에 비해 합금 비용은 저렴하여, C를 다량으로 첨가할 수 있으면 강재의 합금 비용은 저감시킬 수 있다. 그러나, 다량의 C를 첨가하면, 열간 연성이 현저하게 저하되므로, 상한은 0.70％로 한다. 바람직하게는 0.67％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.65％ 이하이다.

Si:3.01∼5.00％

Si는 스프링의 강도, 경도를 확보하기 위해 필요한 원소로, 충분한 강도를 얻기 위해서는, 하한은 3.01％로 한다. 한편, Si를 다량으로 첨가하면 강 강도가 향상될 뿐만 아니라, 현저하게 취화되므로, 상한을 5.00％로 한다.

Mn:0.30∼2.00％

Mn은 강 중의 S를 MnS로서 고정시킴과 함께, 켄칭성을 높여 열처리 후의 경도를 충분히 얻으므로, 다용된다. 또한, 본 발명에서는, SiO₂를 생성하는지 여부를 결정하는 중요한 원소로, 고 Si 첨가에 있어서도 강 중의 Si와 Mn량을 적정화함으로써 피로 특성의 저하를 방지할 수 있다. 이들 효과를 얻기 위해, Mn 함유량은 0.30％ 이상으로 한다. 한편, 2.00％ 초과의 Mn량을 첨가하면 소지(素地)의 경도가 커져 취화되므로, 상한은 2.00％로 한다.

P:0.0002∼0.0500％

P는 강 중에 불가피적 불순물로서 통상, 0.0002％ 이상은 포함되어 있으므로, 하한을 0.0002％로 한다. 첨가하였다고 해도, P는 구 오스테나이트의 입계 등에 편석되어, 현저하게 취화되므로, 상한은 0.0500％로 한다. 바람직하게는, 0.0300％ 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0200％ 이하, 더욱 바람직하게는 0.0150％ 이하이다.

S:0.0002∼0.0500％

S도 P와 마찬가지로 강 중에 불가피적 불순물로서 통상, 0.0002％ 이상은 포함되고, 강 중에 존재하면 강을 취화시킨다. S의 경우, Mn에 의해 최대한 그 영향을 작게 하지만, MnS도 개재물의 형태를 취하므로, 피로 특성을 저하시킨다. 특히 고강도강에서는 미량의 MnS로부터 파괴를 발생하는 경우도 있어, S도 최대한 적게 하는 것이 바람직하므로, 상한을 0.0500％로 하였다. 따라서, S의 함유량은 0.0002∼0.0500％로 한다. 바람직하게는, 상한은 0.0300％이고, 보다 바람직하게는 0.0200％이고, 더욱 바람직하게는 0.0150％이다.

Cr:0.10∼3.50％

Cr은 템퍼링 연화 저항에 크게 기여하는 중요한 원소로, 이것을 첨가하는 것은 스프링의 고강도화로 이어진다. 이 효과를 얻기 위해, Cr 첨가량은 0.10％ 이상으로 한다. 그러나, Cr은 Fe계 탄화물 중에 고용되어 안정화시키므로, 템퍼링 연화 저항의 효과를 얻기 위해서는 가열 온도를 현저하게 높일 필요가 있고, 이 경우 Cr량은 3.50％를 초과하여 첨가하면 현저하게 탈탄되어, 오히려 피로 강도가 저하된다. 따라서, Cr량의 상한은 3.50％로 한다.

Al:0.0005∼0.0500％

Al은 강 중에 불가피적 불순물로서 통상, 0.0005％ 이상은 포함되어 있으므로, 하한을 0.0005％로 한다. 첨가하였다고 해도, Al은 Al₂O₃ 등의 산화물을 생성하여, 피로 파괴의 기점으로 되어, 스프링의 피로 특성을 저하시키는 원인으로 된다. 그로 인해, 상한은 0.0500％로 하지만, 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 0.0100％ 이하이다.

N:0.0020∼0.0100％

N은 V, Nb 등의 각종 합금 원소와 질화물을 형성하고, 오스테나이트립의 성장을 억제하여 강 및 스프링의 성질에 영향을 미친다. 이 효과를 얻기 위해서는, N의 함유량의 하한은 0.0020％로 한다. 한편, N의 함유량이 증가하면 강의 열간 연성이 현저하게 저하되어, 소재 봉강의 열간 압연시의 흠집 발생의 문제가 발생하므로, 상한은 0.0100％로 한다.

Mo:0.01∼1.00％, V:0.01∼0.30％ 중 적어도 한쪽

Mo, V는 템퍼링 연화 저항에 크게 기여하는 중요한 원소로, 이들 중 적어도 한쪽을 첨가하는 것은 스프링의 고강도화로 이어진다. 이 효과를 얻기 위한 첨가량은, 어느 원소에 대해서도 0.01％ 이상이 필요하다. 한편, 다량으로 첨가하면, 템퍼링 연화 저항의 효과를 발휘시키기 위해 가열 온도를 높게 할 필요가 있고, 가열 온도의 상승과 함께 발생하는 탈탄량이 증가하여, 피로 강도가 저하된다. 따라서, Mo의 상한은 1.00％로 하고, V의 상한은 0.30％로 한다. 또한, V는 N과 질화물을 형성하여, 피닝 입자로서 오스테나이트립의 미세화에 기여한다.

Nb:0.001∼0.200％

Nb는 V와 마찬가지로 N과 질화물을 형성하여, 피닝 입자로서 오스테나이트립의 미세화에 기여한다. 이 효과를 얻기 위해서는, Nb의 첨가량은 0.001％ 이상으로 한다. 한편, 0.200％를 초과하면, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 강의 열간 연성이 현저하게 저하되어, 소재 봉강의 열간 압연시의 흠집 발생의 문제가 발생하므로, 상한을 0.200％로 한다.

Ca:0.0002∼0.0100％, Mg:0.0002∼0.0100％, Zr:0.0005∼0.1000％ 중 1종 또는 2종 이상

Ca, Mg, Zr은 모두 산화물을 형성하고, Mn 황화물의 정출핵으로 되어 Mn 황화물을 균일 미세 분산하는 효과가 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서는, Ca, Mg의 하한은 0.0002％로 하고, Zr의 하한은 0.0005％로 한다. 한편, Ca, Mg는 0.0100％, Zr은 0.1000％를 초과하면, 오히려 이들 산화물이나 황화물 등의 경질 개재물을 다량으로 생성하여, 강의 피로 특성을 저하시킨다. 따라서, Ca, Mg의 상한은 0.0100％로 하고, Zr의 상한은 0.1000％로 한다.

본 발명의 스프링 강에 있어서의 하나의 큰 특징은, 종래의 스프링 강과 비교하여 Si의 함유량이 많다는 것이다. Si는, 스프링의 강도를 확보하기 위해 필요한 동시에, 강의 템퍼링 연화 저항에 크게 기여하여, 스프링의 고강도화로 이어지는 중요한 원소이다. 그러나, 종래는, 예를 들어 2.5％를 초과하는 다량의 Si를 첨가한 스프링 강을 실현하는 것은 용이한 것이 아니었다. 그 이유는, 강 중에 경질 개재물 SiO₂가 존재하기 때문이다. 종래, 용강 처리의 슬래그 조성을 적정 범위로 제어함으로써, SiO₂와 같은 경질 개재물이 아닌, 연성이 높은 개재물을 생성하고, 열간 압연에서 상기 개재물을 미세화함으로써 피로 특성을 개선해 왔다. 또한, 강 중에 함유하는 Si량의 증가는 SiO₂의 정출 온도를 상승시키므로, SiO₂의 생성을 억제하기 위해서는, 압연 전의 가열 온도를 정출 온도보다 높게 할 필요가 있었다. 그러나, 압연 전의 가열 온도의 고온화는, 현저한 열간 연성의 저하를 초래하게 되어, SiO₂의 생성을 억제하면서 제조 가능한 가열 온도로 하기 위해서는, Si량의 상한이 2.5％였다.

본 발명에서는, 산화물을 생성하기 쉬운 Si와 Mn의 함유량의 비를 조정함으로써, SiO₂의 정출 온도를 제어할 수 있는 것을 발견하고, 앞서 설명한 지식에 기초하여, 경질 개재물인 SiO₂를 기점으로 피로 파괴되는 것을 억제하기 위해 [Si]/[Mn]으로 정의되는 C값을 3.25 이하로 하고 있다. 본 발명에서는, 한편으로는 이 C값의 조정의 결과로서, 고 Si 함유량의 스프링 강의 실현이 가능해졌다. 또한 고 Si 함유량의 스프링 강에서는, 가열 온도의 상승은 탈탄량의 증가로 되어 피로 특성을 저하시킨다. 특히 스프링 강에 함유하는 V, Mo는, 그들의 양과 함께 템퍼링 연화 저항의 효과를 발휘시키기 위해서는 가열 온도를 높게 할 필요가 있으므로, V, Mo를 첨가하지 않거나 또는 그 양을 적게 하는 것도, 고 Si 함유량의 스프링 강의 실현에 기여하는 것을 알 수 있었다. 본 발명은 이들의 조합에 의한 상승 효과에 의해, 종래의 스프링 강과 비교하여 Si의 함유량이 많음에도 불구하고, 스프링의 피로 특성을 저하시키는 SiO₂의 경질 개재물의 생성을 억제하면서, 합금 원소에 의한 템퍼링 연화 저항 효과를 최대한 이용하여, 스프링 코어부의 강도를 높임으로써, 최종적으로 고강도 스프링으로 되는 고강도 스프링 강을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 스프링 강을 사용하여 제조된 스프링도 제공된다.

본 발명의 스프링은, 본 발명에서 규정하는 조성을 갖는 강재, 즉, 질량％로,

C:0.50∼0.70％,

Si:3.01∼5.00％,

Mn:0.30∼2.00％,

P:0.0002∼0.0500％,

S:0.0002∼0.0500％,

Cr:0.10∼3.50％,

Al:0.0005∼0.0500％,

N:0.0020∼0.0100％,

를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재를, 신선 후, 켄칭 템퍼링 처리나 질화 처리 등의 열처리를 실시하여 제조된다. 본 발명의 스프링은, 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 한다.

강재는, 질량％로,

Mo:0.01∼1.00％,

V:0.01∼0.30％,

중 1종 이상을 더 함유할 수도 있다. 이 강재를 사용하여 얻어지는 스프링은, 상기 (a)식 대신에 하기 (c)식으로 정의하는 H값이 173 이상인 것을 특징으로 한다.

강재는, 질량％로,

Nb:0.001∼0.200％,

를 더 함유해도 된다.

강재는, 질량％로,

Ca:0.0002∼0.0100％,

Mg:0.0002∼0.0100％,

Zr:0.0005∼0.1000％,

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유할 수도 있다.

본 발명을 실시예에 의해 이하에 상세하게 서술한다. 또한, 이들 실시예는 본 발명의 기술적 의의, 효과를 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 성분의 강을 진공 용해로에서 용제 후, 열간 압연함으로써 6㎜φ의 강 선재를 제작하였다. 여기서, 종래예의 강 성분은 JIS G 3561의 밸브 스프링용 Si-Cr강 SWOSC-V 상당으로 하였다. 이들 강 선재에, 질화 처리한 후의 코어부의 템퍼링 경도를 재현한 열처리를 실시하였다. 구체적으로는, 강 성분 조성에 따라서, 표 2에 나타낸 바와 같이 합금 탄화물이나 Fe계 탄화물이 용체화 가능한 온도를 850∼1150℃로부터 선택하여 선 강재를 가열하고, 60℃의 오일에 켄칭한 후, 450℃에서 120min, 템퍼링 처리를 실시하였다.

이들 열처리재의 템퍼링 경도를 측정하기 위해, 시험편으로부터 직경 방향 단면을 잘라내고, 단면을 연마한 후, 표층으로부터 2㎜의 위치에서 비커스 경도(300gf)를 측정하였다. 또한, 전 탈탄층 깊이는 JIS G 0558에 규정되어 있는 현미경에 의한 방법으로 측정하였다. 여기서, 전 탈탄층 깊이가 0이라 함은, 현미경으로 전 탈탄을 확인할 수 없었던 것을 의미한다.

피로 시험은 나카무라식 회전 굽힘 피로 시험이며, 표층의 열처리 스케일을 제거 후 시험에 제공하여, 10개의 샘플이 50％ 이상의 확률로 10⁷회 이상의 수명을 나타낸 최대 부하 응력을 피로 강도로 하였다.

No.1, 2, 4, 7, 11의 본 발명예는, 모두 강 조성 규정 범위 내이고, 지표 H 및 지표 C 모두 역시 규정값 내이며, 피로 강도 800㎫ 이상의 우수한 피로 특성을 갖는다.

이에 반해, 비교예 No.12는, 지표 H 및 C 모두 규정값 내이지만, Cr의 함유량이 많아, 현저한 탈탄이 발생하였으므로 피로 강도는 낮다. 비교예 No.13도 마찬가지로 지표 H 및 C 모두 규정값 내이지만, Al의 함유량이 많아, 피로 강도가 낮다. 피로 시험한 샘플 중 파단된 시험편에 대해, 피로 파괴의 기점을 관찰하면, 모두 Al₂O₃을 주체로 하는 경질 개재물이 보였다. 또한 비교예 No.14 및 No.15는, 강 조성 규정 범위 내이지만, 지표 H의 규정값 밖이므로, 피로 강도가 800㎫ 이하로 낮다. 또한 비교예 No.16 및 No.17도 마찬가지로 강 조성 규정 범위 내이지만, 지표 C의 규정값 밖이므로, 피로 강도가 800㎫ 이하로 낮다. 피로 시험한 샘플 중 파단된 시험편에 대해, 피로 파괴의 기점을 관찰하면, 모두 SiO₂를 주체로 하는 경질 개재물이 보였다.

이것으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조건을 모두 만족시키는 것은 비교예, 종래예보다 피로 특성이 우수하다.

Claims

질량％로,
C:0.50∼0.70％,
Si:3.01∼5.00％,
Mn:0.30∼2.00％,
P:0.0002∼0.0500％,
S:0.0002∼0.0500％,
Cr:0.10∼3.50％,
Al:0.0005∼0.0500％,
N:0.0020∼0.0100％,
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 하는, 스프링 강.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn] 및 [Cr]은, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)임.
제1항에 있어서, 질량％로,
Mo:0.01∼1.00％,
V:0.01∼0.30％
중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링 강.
단, H값을 상기 (a)식 대신에, 하기 (c)식으로 정의하는 H값이 173 이상임.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo] 및 [V]는, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)임.
제1항에 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
Nb:0.001∼0.200％
를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링 강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 질량％로,
Ca:0.0002∼0.0100％,
Mg:0.0002∼0.0100％,
Zr:0.0005∼0.1000％
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링 강.
제3항에 있어서, 질량％로,
Ca:0.0002∼0.0100％,
Mg:0.0002∼0.0100％,
Zr:0.0005∼0.1000％
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링 강.
강재를, 신선 후, 열처리를 실시하여 제조된 스프링이며, 강재가, 질량％로,
C:0.50∼0.70％,
Si:3.01∼5.00％,
Mn:0.30∼2.00％,
P:0.0002∼0.0500％,
S:0.0002∼0.0500％,
Cr:0.10∼3.50％,
Al:0.0005∼0.0500％,
N:0.0020∼0.0100％,
를 함유하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 당해 스프링은 하기 (a)식으로 정의하는 H값이 160 이상, 하기 (b)식으로 정의하는 C값이 3.25 이하인 것을 특징으로 하는, 스프링.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn] 및 [Cr]은, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)임.
제6항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로,
Mo:0.01∼1.00％,
V:0.01∼0.30％,
중 1종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링.
단, H값을 상기 (a)식 대신에, 하기 (c)식으로 정의하는 H값이 173 이상임.

여기서, 식 중, [C], [Si], [Mn], [Cr], [Mo] 및 [V]는, 강 중의 각 원소의 함유량(질량％)임.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로,
Nb:0.001∼0.200％,
를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링.
제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로,
Ca:0.0002∼0.0100％,
Mg:0.0002∼0.0100％,
Zr:0.0005∼0.1000％,
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링.
제8항에 있어서, 상기 강재가, 질량％로,
Ca:0.0002∼0.0100％,
Mg:0.0002∼0.0100％,
Zr:0.0005∼0.1000％,
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스프링.