KR101819343B1

KR101819343B1 - 신선가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101819343B1
Application number: KR1020160083416A
Authority: KR
Inventors: 김관호; 정회영; 김한휘
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2018-01-17
Also published as: CN107557663A; CN107557663B; KR20180004355A

Abstract

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하, Ti: 0.01% 이하, N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하고, 개재물이 1050개/㎟ 이하로 존재하고, 상기 개재물 중 Al₂O₃를 함유하는 개재물의 비율이 28% 이하, TiN을 함유하는 개재물의 비율이 15 % 이하인 신선가공성이 우수한 선재에 관한 것이다.
관계식 1: 0.002 ≤ 0.67Al + 0.5Ti ≤ 0.011
(상기 관계식 1에서 각 원소 기호는 각 원소 함량을 중량%로 나타낸 값이다.)

Description

신선가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법{WIRE ROD HAVING EXCELLENT DRAWABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 신선가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차에 사용되는 스프링으로는 주로 클러치, 엔진, 연료분사장치 등에 사용되는 스프링(이하 '엔진밸브 스프링'이라 함)이나 노면으로부터 전달되는 충격을 완화시키는 현가장치에 사용되는 현가 스프링 등이 있다.

일반적으로 엔진밸브 스프링이나 현가 스프링의 제조공정 중에는 반드시 원소재인 선재의 직경을 최종 스프링 제품의 선경으로 만드는 신선 공정을 거치게 되어 있어 스프링 제조공정상에서 신선 공정이 상당히 중요한 부분을 차지하고 있고, 이에 신선 가공성 향상을 위해 다양한 시도들이 행해져 왔다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는 전체 조직에서 차지하는 펄라이트 조직의 면적률이 85 % 이상이고 B을 0.0010 ~ 0.0050 % 범위로 첨가하였을 때 BN의 크기를 일정 수준 이하로 제한하여 신선가공성 및 신선 후의 피로 특성이 우수한 스프링용 강선재를 얻을 수 있다고 기재되어 있다. 그러나 BN의 경도는 다이아몬드에 견줄 정도로 매우 높기 때문에 실제로 스프링용 강선재에 함유되는 경우 그 크기가 수십 ㎚ 이하로 제어되지 않으면 오히려 신선가공성을 해칠 가능성이 커지는 문제점이 발생할 수 있다.

또한, 특허문헌 2에서는 펄라이트 노듈의 입도번호의 평균치 및 그 표준편차를 일정 수준으로 제어하여 신선성이 우수한 고강도 스프링용 강 선재를 제공할 수 있다고 기재되어 있다. 특히 펄라이트 노듈의 입도번호 평균치 Pave가 9.5 이상 12.0 이하이어야 한다고 기재되어 있으나, 이러한 수준의 입도번호를 갖는 펄라이트 조직을 얻기 위해서는 열간압연 및 권취한 후 냉각속도를 빠르게 해야만 하고 그럴 경우 마르텐사이트나 베이나이트 등의 저온조직 생성 가능성이 커져 생산성이 저하되기 쉬운 문제점이 있다.

한편, 특허문헌3에서는 스프링용 강선재를 소둔 후 600 ~ 550 ℃ 온도 영역의 평균 냉각속도가 3 ℃/s 이상이 되도록 하여 강선재의 지철표면에 마그네타이트(Fe₃O₄) 50 체적% 이상 및 헤마타이트(Fe₂O₃) 20 체적% 이상을 함유하는 산화 피막이 부착량 3 ~ 20 g/m²로 형성되어 건식 윤활제의 반입성이 우수한 산화 피막을 지철표층에 형성함으로써 소둔 후의 산화 피막 제거나 본데라이트 처리 등의 피막 처리를 하지 않고도 건식 신선에 의한 양호한 신선성을 발휘하는 스프링용 강선재 및 제조방법에 대하여 개시하고 있다. 그러나 특허문헌 3의 경우에는 내부에 Al₂O₃나 TiN 등과 같은 경질 개재물이 존재하는 스프링용 강선재를 다량의 감면율로 신선할 경우 산화피막만으로는 양호한 신선성을 얻기 어려우며, 결국 본데라이트 처리가 필수적으로 행해져야 양호한 신선성을 확보할 수 있다.

일반적으로 신선 공정을 거쳐 제품으로 가공되는 선재의 신선 가공성은 개재물이 큰 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히 Al₂O₃ 등과 같은 경질의 산화물계 개재물이나 Al₂O₃보다도 경도가 높은 TiN 등이 선재 내부에 존재할 경우 그렇지 않은 경우 대비 인발 및 신선가공 중 단선(breakage)될 위험성이 크게 증가하기 때문에, 신선 감면율이 클수록 경질 개재물의 저감이 매우 중요해진다. 그러나 아직까지 이러한 경질 개재물의 개수나 크기가 신선 가공성에 미치는 영향에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았으며, 청정도 및 신선가공성을 확보하기 위한 최적의 합금조성에 대해서도 명확하게 밝혀진 바가 없다.

일본 공개특허공보 제2012-214841호 한국 공개특허공보 제2013-0035274호 일본 공개특허공보 제2014-169470호

본 발명의 일 측면은 스프링용 강 중에 존재하는 Al₂O₃, TiN 등과 같은 경질 개재물의 크기 및 개수를 일정 수준 이하로 제어함으로써 우수한 신선가공성을 확보하고, 우수한 청정도와 함께 상기 개재물 크기 및 개수를 확보하기 위한 최적의 합금조성을 갖는 신선가공성이 우수한 스프링용 선재 및 그 제조방법을 제공하기 위함이다.

한편, 본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은 중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하, Ti: 0.01% 이하, N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하고,

개재물이 1050개/㎟ 이하로 존재하고,

상기 개재물 중 Al₂O₃를 함유하는 개재물의 비율이 28% 이하, TiN을 함유하는 개재물의 비율이 15 % 이하인 신선가공성이 우수한 선재에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은 중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하, Ti: 0.01% 이하, N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하는 빌렛을 가열하는 단계;

상기 가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및

상기 선재를 냉각하는 단계;를 포함하는 신선가공성이 우수한 선재의 제조방법에 관한 것이다.

관계식 1: 0.002 ≤ 0.67Al + 0.5Ti ≤ 0.011

(상기 관계식 1에서 각 원소 기호는 각 원소 함량을 중량%로 나타낸 값이다.)

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있다.

본 발명에 의하면, 스프링용 강 중에 존재하는 Al₂O₃, TiN 등과 같은 경질 개재물의 크기 및 개수를 일정 수준 이하로 제어함으로써 우수한 신선가공성을 확보하고, 우수한 청정도와 함께 상기 개재물 크기 및 개수를 확보하기 위한 최적의 합금조성을 갖는 신선가공성이 우수한 스프링용 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 0.67Al + 0.5Ti 값에 따른 강 중 산소 함량을 나타낸 그래프이다.
도 2는 개재물의 총 개수 및 크기 측정을 위한 시편채취 방법을 나타낸 선재의 모식도이다.
도 3은 채취된 시편에서의 개재물 관찰면을 나타낸 모식도이다.
도 4는 비교예 1의 개재물을 촬영한 사진이다.
도 5는 비교예 2의 개재물을 촬영한 사진이다.
도 6은 비교예 3의 개재물을 촬영한 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 발명자들은 신선가공성을 향상하기 위해서는 개재물을 억제하여야 하나, 개재물의 개수나 크기가 신선 가공성에 미치는 영향에 대해서는 명확하게 밝혀지지 않았으며, 청정도 및 신선가공성을 확보하기 위한 최적의 합금조성에 대해서도 명확하게 밝혀진 바가 없음을 인지하고, 이를 해결하기 위하여 깊이 연구하였다.

그 결과, 스프링용 강 중에 존재하는 Al₂O₃, TiN 등과 같은 경질 개재물의 크기 및 개수를 일정 수준 이하로 제어함으로써 우수한 신선가공성을 확보할 수 있으며, 우수한 청정도와 함께 상기 개재물 크기 및 개수를 확보하기 위해서는 개재물 생성 원소인 Al 및 Ti 함량의 합금조성을 정밀하게 제어해야 함을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 신선가공성이 우수한 선재에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 신선가공성이 우수한 선재는 중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하, Ti: 0.01% 이하, N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하고, 개재물이 1050개/㎟ 이하로 존재하고, 상기 개재물 중 Al₂O₃를 함유하는 개재물의 비율이 28% 이하, TiN을 함유하는 개재물의 비율이 15 % 이하이다.

먼저, 본 발명의 일 측면에 따른 신선가공성이 우수한 선재의 합금조성에 대하여 상세히 설명한다. 이하, 각 원소 함량의 단위는 중량%이다.

C: 0.4~0.7%

C는 스프링의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다.

C 함량이 0.4% 미만인 경우에는 충분한 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 반면에, C 함량이 0.7% 초과인 경우에는 담금질 또는 뜨임 열처리시 쌍정(twin)형 마르텐사이트 조직이 형성되어 소재 균열이 발생하기 때문에 피로수명이 현저히 떨어질 뿐만 아니라 결함 감수성이 높아질 수 있다. 따라서, C 함량은 0.4~0.7%인 것이 바람직하다.

Si: 1.2~2.3%

Si는 페라이트 내에 고용되어 모재강도를 강화시키고 영구변형저항성(Sag Resistance)을 개선하는 역할을 하는 원소이다.

Si 함량이 1.2% 미만인 경우에는 Si이 페라이트 내에 고용되어 모재강도를 강화시키고 영구변형저항성을 개선하는 효과가 불충분하다. 따라서, Si 함량은 1.2% 이상인 것이 바람직하며, 보다 충분한 효과를 확보하기 위해서는 1.4% 이상 첨가하는 것이 보다 바람직하다.

반면에, Si 함량이 2.3% 초과인 경우에는 영구변형저항성의 개선효과가 포화되어 추가 첨가의 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 열처리시 표면탈탄을 조장할 수 있다.

Mn: 0.1~1.0%

Mn은 강재 내에 존재할 경우 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유용한 원소이다.

Mn 함량이 0.1% 미만인 경우에는 고강도 스프링용 소재로서 요구되는 충분한 강도 및 소입성을 얻기 어려울 수 있다. 반면에, Mn 함량이 1.0% 초과인 경우에는 인성이 저하되어 결함감수성이 높아져 수명이 저하되는 원인이 될 수 있다. 따라서, Mn 함량은 0.1~1.0%인 것이 바람직하다.

Cr: 0.1~1.0%

Cr은 내산화성, 템퍼 연화성, 표면탈탄 방지 및 소입성을 확보하는데 유용한 원소이다.

Cr 함량이 0.1% 미만인 경우에는 충분한 내산화성, 템퍼 연화성, 표면 탈탄 및 소입성 효과 등을 확보하기 어려울 수 있다. 반면에, Cr 함량이 1.0% 초과인 경우에는 변형저항성의 저하를 초래하여 오히려 강도저하를 야기할 수 있다. 따라서, Cr 함량은 0.1~1.0%인 것이 바람직하다.

Al: 0.01% 이하

Al은 과도하게 첨가되면 경질 개재물인 Al₂O₃가 많아질 뿐만 아니라 그 크기도 조대해지기 쉽기 때문에 그 함유량을 0.01% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.01% 이하

Ti는 과도하게 첨가되면 경질 개재물인 TiN이 많아질 뿐만 아니라 그 크기도 조대해지기 쉽기 때문에 그 함유량을 0.01% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

관계식 1: 0.002 ≤ 0.67Al + 0.5 Ti ≤ 0.011

본 발명에서 Al 및 Ti는 각각 0.01% 이하로 첨가될 뿐만 아니라, 상기 관계식 1을 만족하도록 제어되어야 한다. 상기 관계식 1은 두 원소의 탈산 능력을 고려하여 설계된 것으로 청정도를 향상시키고 개재물을 최소화하기 위함이다. 청정도란 기존에는 일반적으로 비금속개재물의 총량을 의미하였으나 최근에는 강재의 용도에 따른 요구특성에 맞게 개재물의 총량 뿐만 아니라 크기, 형상, 연신성, 조성 등을 의미하며, 개재물의 크기 및 개수에 큰 영향을 미친다. 상기 청정도는 강 중 존재하는 산소 값으로 평가할 수 있다.

종래에는 Al 및 Ti 함량을 최대한 억제하여야 개재물을 최소화 할 수 있으며, 이에 따라 신선가공성을 향상시킬 수 있다고 알려져 있다. 그러나 Al 및 Ti는 제강시 탈산제로 사용되고, 두 원소의 탈산 능력을 고려하여 설계된 상기 관계식 1이 0.002미만인 경우에는 강 중에 존재하는 산소함량이 높아지게 되어 청정도가 열위해지며, 상기 관계식 1이 0.002 이상인 경우보다 오히려 Al₂O₃ 함유 개재물 또는 TiN 함유 개재물의 비율이 증가하거나 조대한 개재물이 생성될 수 있어 신선가공성이 열위해진다. 따라서 관계식 1의 하한은 0.002인 것이 바람직하다.

반면에, 상기 관계식 1의 상한은 Al 및 Ti의 상한을 고려하여 설정한 값으로, 관계식 1이 0.011 초과인 경우에는 경질 개재물인 Al₂O₃ 또는 TiN이 많아질 뿐만 아니라 그 크기도 조대해지기 쉽다.

이때, 상기 상기 관계식 1, Al 및 Ti의 각 함량을 만족함으로써 선재의 강 중 산소 함량은 15 중량ppm 이하일 수 있다.

N: 0.001~0.007%

N은 Ti와 결합하여 경질 개재물인 TiN을 형성하여 신선 가공중 단선을 유발한다. 따라서 N 함량을 0.007% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 반면에 N 함량을 0%로 제어하기 위해서는 과다한 제조비용이 소모되므로, 실제 조업조건을 고려하여 그 하한은 0.001%인 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

이때, 상술한 합금조성 외에 중량%로, V: 0.001~0.3%, Mo: 0.001~0.5%, Cu: 0.05~0.5% 및 Ni: 0.05~0.5% 중 1종 이상을 추가로 포함할 수 있다.

V: 0.001~0.3%

V는 강도 향상 및 결정립 미세화에 기여하는 원소로서 그 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.001% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 V 함량이 과도한 경우에는 제조원가가 상승하므로 V 함량의 상한은 0.3%인 것이 바람직하다.

Mo: 0.001~0.5%

Mo은 탄소 또는 질소와 탄질화물을 형성하여 조직 미세화에 기여하는 원소로서 그 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는 0.001% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 Mo 함량이 과도한 경우에는 조대 탄질화물이 형성되어 강재의 연성이 저하될 수 있으므로 Mo 함량의 상한은 0.5%인 것이 바람직하다.

Cu: 0.05~0.5%

Cu는 내식성을 향상시키는 역할을 하는 원소이다. Cu 함량이 0.05% 미만인 경우에는 내식성 향상 효과가 불충분하고, Cu 함량이 0.5% 초과인 경우에는 열간압연 중 균열 등의 문제를 유발할 수 있다.

Ni: 0.05~0.5%

Ni는 소입성 및 인성을 개선하기 위하여 첨가되는 원소이다. Ni 함량이 0.05% 미만인 경우에는 소입성 및 인성 개선의 효과가 불충분하고, Ni 함량이 0.5% 초과인 경우에는 잔류 오스테나이트 양이 증가하여 피로수명을 감소시키며, 고가인 Ni 특성으로 인하여 급격한 제조 단가의 상승을 유발할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 선재의 개재물에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 선재는 개재물이 1050개/㎟ 이하로 존재하고, 상기 개재물 중 Al₂O₃를 함유하는 개재물의 비율이 28% 이하, TiN을 함유하는 개재물의 비율이 15 % 이하이다.

스프링과 같이 일반적으로 신선 공정을 거쳐 제품으로 가공되는 선재의 신선 가공성은 개재물이 큰 악영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 특히 경도가 2100 Hv 정도인 Al₂O₃나 2400 Hv 정도인 TiN과 같은 경질 개재물이 많을수록 신선 가공성은 떨어질 수 밖에 없고, 신선 감면율이 클수록 신선 가공성에 미치는 개재물의 영향도는 더욱 더 커지게 된다. 개재물이 상술한 조건을 만족하지 못하는 경우 신선가공성이 열위해질 수 있다.

이때, 상기 개재물은 길이가 18㎛ 이하이며, 원 상당 직경이 24㎛ 이하이고, 원상당 직경 크기별 개수가 하기 (1) 내지 (3)을 만족하는 것이 바람직하다.

(1) 5㎛ 초과 10㎛ 이하인 개재물 ≤ 20 개/㎟

(2) 10㎛ 초과 15㎛ 이하인 개재물 ≤ 6 개/㎟

(3) 15㎛ 초과 20㎛ 이하인 개재물 ≤ 4 개/㎟

개재물이 상기 길이, 원 상당 직경 또는 원상당 직경 크기별 개수를 만족하지 못하는 경우 신선가공성이 열위해질 수 있다.

한편, 본 발명 선재의 미세조직은 95면적% 이상의 펄라이트를 포함할 수 있다. 이는 신선가공성을 확보하기 위함이다.

또한, 본 발명 선재의 신선감면율은 75% 이상일 수 있다. 여기서 신선감면율은 [(신선 전 단면적) - (신선 후 단면적)] / (신선 전 단면적) × 100 (%)를 의미한다.

본 발명의 다른 일 측면인 신선가공성이 우수한 선재의 제조방법은 상술한 합금조성을 만족하는 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계;를 포함한다.

특별히 제조조건을 제어하거나 다른 공정의 추가 없이도 상술한 합금조성을 만족함으로써 개재물을 제어할 수 있으므로 일반적인 선재의 제조공정을 적용할 수 있다.

예를 들어, 빌렛을 950~1150℃의 온도범위로 가열한 후, 800~1100℃의 온도범위에서 열간압연하여 냉각함으로써 선재를 제조할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면인 스프링의 제조방법은 본 발명의 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계; 및 상기 강선을 스프링으로 성형하여 스프링을 얻는 단계를 포함한다.

상기 스프링으로는 클러치, 엔진, 연료분사장치 등에 사용되는 스프링(이하 '엔진밸브 스프링'이라 함)이나 노면으로부터 전달되는 충격을 완화시키는 현가장치에 사용되는 현가 스프링 등이 있을 수 있다.

예를 들어, 엔진밸브 스프링의 제조방법은 다음과 같다. 선재의 표면에 존재하는 탈탄층이나 표면흠을 제거하기 위해 연삭공정(shaving)을 실시하고, 신선 가공성 향상을 위해 연삭공정을 실시한 선재를 가열하여 오스테나이트화한 후 600~700℃ 정도의 납조나 염욕조에 침지하여 항온변태시키는 patenting 열처리로 균일한 라멜라 간격을 갖는 펄라이트 조직이 되도록 한다. 상기 patenting 열처리 후에는 원하는 선경으로 신선 가공한 다음 기계적 물성을 확보하고자 담금질 및 뜨임 처리를 실시하고, 스프링 형상으로 성형한 다음 피로 특성 향상을 위해 shot peening을 실시하여 엔진밸브 스프링을 제조할 수 있다.

또 다른 예로서, 열간성형 또는 냉간성형을 통하여 현가 스프링을 제조할 수 있다. 냉간성형은 선재를 신선하여 원하는 직경으로 만든 다음 유도가열열처리(Induction Heat Treatment)를 거쳐 가열 및 급냉, 템퍼링을 실시하고 이렇게 하여 얻어지는 스프링용 강선을 냉간에서 성형하는 방법이고, 열간성형은 선재를 신선하여 원하는 직경으로 만든 다음 가열과 동시에 스프링으로 성형한 후 급냉과 템퍼링을 실시하는 방법이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 빌렛을 1050℃로 가열하고, 1030~830℃에서 열간압연을 한 후 냉각하여 직경 6.5 ㎜φ의 선재를 제조하였다. 상기 선재의 강 중 산소 함량인 T[O]를 측정하여 하기 표 1에 기재하였다. 하기 표 1에서 N 및 T[O]의 단위는 중량ppm이고, 나머지 원소 함량의 단위는 중량% 이다.

상기 제조된 선재에 산세 및 본데라이징 처리를 실시한 후, 건식 신선기를 사용하여 1패스 당 감면율을 15~20%로 하여 단선시까지 신선하였고, 단선 전까지의 상대적 총 신선감면율을 신선가공성으로 평가하였다. 여기서 상대적 총 신선감면율은 비교재 1의 단선 전까지의 총 신선감면율을 1로 하였을 때 다른 비교재 및 발명재의 단선 전까지의 총 신선감면율의 상대적 값이다.

또한, 개재물 총 개수, Al₂O₃나 TiN을 함유하는 개재물의 비율, 원상당 직경별 개재물 개수, 개재물 최대길이, 개재물 최대 원상당 직경을 측정하여 하기 표 2에 기재하였다.

상기 개재물의 측정은 직경 6.5 ㎜φ 선재를 길이 20 ㎜로 30 개씩 절단하여 직경의 중심부를 포함하는 압연방향면(L방향 단면)에서 image analyzer를 사용하여 측정하였다. 이때, 시편절단시 시편과 시편 사이에는 300 ㎜의 간격을 두고 절단하여 시편을 채취하였고, 시편당 관찰면적은 100 ㎟ 이상이었으며, 관찰시 상하 표층부 중 한 곳은 반드시 포함하도록 하였다. 도 2는 개재물의 총 개수 및 크기 측정을 위한 시편채취 방법을 나타낸 선재의 모식도이고, 도 3은 채취된 시편에서의 개재물 관찰면을 나타낸 모식도이다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Al	Ti	N	V	Mo	Cu	Ni	0.67Al+0.5Ti	T[O]
비교재1	0.55	1.51	0.70	0.69	0.0072	0.0158	73	0.09				0.01272	19
비교재2	0.54	1.53	0.68	0.70	0.0009	0.0008	52		0.08		0.17	0.00100	26
비교재3	0.64	2.06	0.38	0.36	0.0153	0.0024	36	0.12	0.09	0.29	0.27	0.01145	18
비교재4	0.59	2.21	0.72	0.89	0.0016	0.0014	61	0.10	0.11		0.31	0.00177	22
비교재5	0.63	1.79	0.29	0.75	0.0006	0.0030	55	0.08	0.04	0.06	0.14	0.00190	19
비교재6	0.58	1.93	0.38	0.41	0.0095	0.0093	48	0.09	0.09		0.15	0.01102	20
발명재1	0.53	1.46	0.68	0.62	0.0084	0.0016	29	0.08				0.00643	7
발명재2	0.54	1.49	0.65	0.66	0.0015	0.0053	49		0.10		0.15	0.00365	10
발명재3	0.63	1.95	0.29	0.27	0.0093	0.0075	68	0.07	0.11	0.27	0.24	0.00998	8
발명재4	0.59	2.12	0.42	0.74	0.0091	0.0095	50	0.11	0.08		0.26	0.01085	11
발명재5	0.57	1.84	0.51	0.62	0.0032	0.0007	35	0.08	0.04	0.02	0.16	0.00249	12

구분	개재물 총 개수 (개/㎟)	성분별 비율 (%)		원상당 직경별 개수 (개/㎟)			최대 길이 (㎛)	최대 원상당 직경 (㎛)	상대적 총 신선감면율
구분	개재물 총 개수 (개/㎟)	Al₂O₃ 함유 개재물	TiN 함유 개재물	5㎛ 초과 10㎛ 이하	10㎛ 초과 15㎛ 이하	15㎛ 초과 20㎛ 이하	최대 길이 (㎛)	최대 원상당 직경 (㎛)	상대적 총 신선감면율
비교재1	1238	46	14	29	11	4	42	27	1.00
비교재2	1008	31	39	20	6	10	22	28	1.03
비교재3	1327	35	37	31	9	6	25	34	0.81
비교재4	963	25	13	16	7	5	19	32	1.08
비교재5	915	22	16	23	6	8	21	25	0.92
비교재6	1026	32	29	19	5	7	31	27	0.86
발명재1	1042	28	7	19	5	4	18	23	2.13
발명재2	986	16	8	20	6	1	15	19	2.22
발명재3	725	9	15	18	4	3	13	12	2.35
발명재4	871	26	14	16	4	2	16	17	2.41
발명재5	906	11	3	18	5	4	15	21	2.29

본 발명에서 제시한 합금조성을 모두 만족하는 발명재들은 단선 전까지의 상대적 총 신선감면율이 2.13 ~ 2.35로서 모두 비교재 대비 2 배 이상의 높은 신선감면율을 보여 신선 가공성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

또한, 발명재들은 개재물 총 개수, Al₂O₃나 TiN을 함유하는 개재물의 비율, 원상당 직경별 개재물 개수, 개재물 최대길이, 개재물 최대 원상당 직경을 만족하는 것을 확인할 수 있다.

반면에 비교재 1 및 3의 경우에는 Ti 또는 Al 함량이 다량 첨가된 경우로 개재물이 많이 형성되었으며, 개재물 크기도 커서 신선가공성이 열위하였다.

비교재 2의 경우 Ti 및 Al 함량이 미량이나 0.67Al + 0.5Ti 값이 0.001로 낮아 강 중에 존재하는 산소 함량(T[O])이 26 ppm으로 매우 높아 청정도가 열위하였으며, 신선가공성도 열위한 것을 확인할 수 있다.

또한, Ti 및 Al 함량이 비교재 2보다 더 첨가된 발명재들보다 오히려 Al₂O₃ 함유 개재물 및 TiN 함유 개재물의 비율이 증가하고 조대한 개재물이 생성되었음을 알 수 있다.

비교재 4 내지 6도 본 발명에서 제시한 각 원소 함량은 만족하나, 본 발명에서 제시한 0.67Al + 0.5Ti 값은 만족하지 못하는 경우로 청정도 및 신선가공성이 열위한 것을 확인할 수 있다.

도 1은 0.67Al + 0.5Ti 값에 따른 강 중 산소 함량을 나타낸 그래프로서 본 발명의 0.67Al + 0.5Ti 값을 만족하는 경우 강 중에 존재하는 산소값(T[O])을 15ppm 이하로 확보할 수 있으며, 우수한 청정도 및 신선가공성을 확보할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

도 4는 비교재1에서 개재물 최대길이가 42 ㎛인 개재물의 사진이고, 도 5는 비교재2에서 TiN을 함유하는 개재물이 많이 분포하고 있음을 보여주는 사진이며, 도 6은 비교재3에서 최대 원상당 직경이 34 ㎛인 개재물의 사진이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하(0%는 제외), Ti: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하고,
개재물이 1050개/㎟ 이하로 존재하고,
상기 개재물 중 Al₂O₃를 함유하는 개재물의 비율이 28% 이하, TiN을 함유하는 개재물의 비율이 15 % 이하인 신선가공성이 우수한 선재.
관계식 1: 0.002 ≤ 0.67Al + 0.5Ti ≤ 0.011
(상기 관계식 1에서 각 원소 기호는 각 원소 함량을 중량%로 나타낸 값이다.)
제1항에 있어서,
상기 선재는 중량%로, V: 0.001~0.3%, Mo: 0.001~0.5%, Cu: 0.05~0.5% 및 Ni: 0.05~0.5% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 신선가공성이 우수한 선재.
제1항에 있어서,
상기 개재물은 길이가 18㎛ 이하이며, 원상당 직경이 24㎛ 이하이고,
원상당 직경 크기별 개수가 하기 (1) 내지 (3)을 만족하는 신선가공성이 우수한 선재.
(1) 5㎛ 초과 10㎛ 이하인 개재물 ≤ 20 개/㎟
(2) 10㎛ 초과 15㎛ 이하인 개재물 ≤ 6 개/㎟
(3) 15㎛ 초과 20㎛ 이하인 개재물 ≤ 4 개/㎟
제1항에 있어서,
상기 선재의 강 중 산소 함량은 15 중량ppm 이하인 신선가공성이 우수한 선재.
제1항에 있어서,
상기 선재의 신선 감면율은 75% 이상인 신선가공성이 우수한 선재.
중량%로, C: 0.4~0.7%, Si: 1.2~2.3%, Mn: 0.1~1.0%, Cr: 0.1~1.0%, Al: 0.01% 이하(0%는 제외), Ti: 0.01% 이하(0%는 제외), N: 0.001~0.007%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 하기 관계식 1을 만족하는 빌렛을 가열하는 단계;
상기 가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및
상기 선재를 냉각하는 단계;를 포함하는 신선가공성이 우수한 선재의 제조방법.
관계식 1: 0.002 ≤ 0.67Al + 0.5Ti ≤ 0.011
(상기 관계식 1에서 각 원소 기호는 각 원소 함량을 중량%로 나타낸 값이다.)
제6항에 있어서,
상기 빌렛은 중량%로, V: 0.001~0.3%, Mo: 0.001~0.5%, Cu: 0.05~0.5% 및 Ni: 0.05~0.5% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 신선가공성이 우수한 선재의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계; 및 상기 강선을 스프링으로 성형하여 스프링을 얻는 단계를 포함하는 스프링의 제조방법.