KR100605724B1 - 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 본 발명은 흑연강용 강재에 관한 것으로서, 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 이용하기 적합하며 냉간 단조성과 쾌삭성이 우수한 기계구조용 강재인 흑연강을 제조할 때, 흑연화 처리시간이 획기적으로 단축되는 흑연강 제조용 강재에 관한 것이다.

상기 강재는 중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.03%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지는 흑연강용 강재로서, 상기 Ti, N, B 및 Al이 하기 관계식 1을 만족하고, Mn, Se 및 S가 하기 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재이다.

(단, 하기 관계식 1 및 관계식 2의 Ti, N, B, Al, Mn, Se 및 S는 각각 해당원소의 중량%를 의미한다.)

[관계식 1]

2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5

[관계식 2]

1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0

흑연강, 피삭성, 냉간단조성, 흑연화처리, 페라이트

Description

흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재{STEEL FOR MANUFACTURING GRAPHITE STEEL HAVING GOOD GRAPHITIZING PROPERTY}

본 발명은 흑연강용 강재에 관한 것으로서, 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 이용하기 적합하며 냉간 단조성과 쾌삭성이 우수한 기계구조용 강재인 흑연강을 제조할 때, 흑연화 처리시간이 획기적으로 단축되는 흑연강 제조용 강재에 관한 것이다.

산업기계와 자동차 등에 이용되고 있는 기계부품들은 통상적으로 절삭공정이나 냉간단조공정 주 어느하나에 의해 그 부품이 가지고 있는 복잡한 형상으로 가공되게 된다. 그러나 절삭공정의 경우에는 원소재에 대하여 최종형상으로 가공하기 위해서는 가공량이 많아지고 그에 따른 부품손실이 커지고 생산비용이 과다해진다는 문제점을 가지고 있다. 그리고 냉간단조공정의 경우에는 절삭공정에 비하여 부품손실이 비교적 적고 간단한 공정을 통하여 실시될 수 있다는 장점이 있지만 부품의 최종형상이 복잡할 경우에는 단조작업만으로는 그 복잡한 형상을 구현할 수 없다는 문제를 가지고 있다. 따라서, 냉간단조 작업에 의해 최종형상에 근접한 형상(Near net shape)으로 가공한 후 이를 복잡한 형상으로 최종 절삭가공하는 것이 소 재절약, 생산비 감소 등의 측면에서 가장 적합하다. 이러한 냉간단조 후 절삭가공을 실시하기 위해서는 소재의 피삭성과 냉간단조성이 모두 겸비되어야 하는데, 통상의 강으로는 이러한 물성을 모두 만족시키지 못한다.

즉, 소재의 피삭성을 향상시키기 위해서 강중에 Pb, S, Bi 등의 피삭성 부여원소를 첨가한 쾌삭강을 쓸 수 있는데, 이러한 쾌삭강은 절삭작업시 표면조도, 칩처리성, 공구수명 등 강의 쾌삭성 측면에서는 아주 우수하나, 이를 이용하여 냉간단조작업할 경우에는 피삭성 향상원소들로 이루어진 개재물에 의해 야기된 크랙으로 인하여 미소 변형에도 소재에 균열이 발생되는 등 냉간단조성이 아주 열악하다.

또한, 이에 덧붙여 종래부터 피삭성 부여원소로 사용되던 Pb의 경우에는 절삭작업시 유독성 퓸(fume) 등의 유해 물질을 배출하므로 인체에 아주 해로운 원소이며 강재의 재활용에도 아주 불리하여, 이를 대체 하기 위하여 S, Bi, Te, Sn 등이 제안되었지만, Bi를 첨가한 강재는 제조시에 균열발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있고, S, Te 및 Sn 등은 열간압연시 균열발생을 야기한다는 점에서 문제가 있다.

따라서, 종래의 피삭성 부여원소를 사용하는 쾌삭강은 냉간단조성이 아주 불리할 뿐만 아니라, 환경문제를 야기하고 생산효율이 낮다는 문제를 가지고 있어 냉간단조성과 피삭성을 겸비한 강소재로 사용하기 곤란하였다.

그리고, 냉간단조용강은 인성과 연성이 뛰어나 냉간단조작업시에는 소재에 균열이 거의 발생되지 않고 최종형상과 유사한 정도까지 단조작업에 의해서 가공하 기에는 유리하나, 이후 절삭작업을 실시할 경우에는 칩(chip)처리성과 표면 조도 등의 피삭성이 아주 불량하여 사용이 곤란하다는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 강이 바로 흑연강이다. 흑연강은 내부에 미세 흑연립을 포함하는 탄소강으로서 충격인성과 연성이 양호하여 냉간단조성이 우수한 동시에, 내부의 미세 흑연립이 절삭시 크랙 공급원(source)이 되어 줌으로써 피삭성도 양호한 성질을 가지고 있는 강이다.

일본 특개소 50-096416호 공보에는 C(total) : 0.45~0.90, Si : 1.0~2.5%, Mn : 0.1~0.7%, S : 0.015%이하, Al, Ti 중 1 종 또는 2종을 0.015~0.1% 포함하고, 50개/mm² 이상의 분포로 존재하는 흑연 0.45~0.90%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어진 흑연 쾌삭강이 제안된 바 있다. 상기 발명은 냉간단조성 측면보다는 쾌삭성의 측면에서 제안된 것이나, 흑연계 쾌삭강에 대한 발명의 효시에 속하는 발명이라 할 수 있다. 그러나 상기 발명의 조성으로는 실리콘 농도는 2.3%를 넘지 않아야 하며 그에 따른 최소 흑연화 시간은 대략 10시간 정도가 필요하다는 것이 개시되어 있다. 그러나 수요가 공정을 생각해 볼 때, 쾌삭성을 부여하기 위하여 10시간 정도 흑연화 열처리를 실시한다는 것은 공정상의 큰 부담이 되지 않을 수 없고, 이러한 부담으로 인하여 수요가에서 흑연강을 이용하여 절삭작업을 실시하는 것을 사실상 불가능하게 된다.

또한, 일본 특개평 6-212351호에는 상기 일본 특개소 50-096416호 공보에서 나타난 문제점인 흑연화 처리에 장시간이 소요된다는 점을 해결하기 위하여 비교적 단시간 열처리 하여 흑연화하는 흑연 쾌삭강의 제조방법을 개시하고 있다. 상기 공보에 개시된 기술은 흑연화 처리시간을 단축시키기 위하여 C : 0.3~1.0%, Si : 0.4~1.0%, Mn ; 0.3~1.0, P : 0.02%이하, S : 0.015~0.035, B : 0.001~0.004%, N : 0.002~0.008%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 열간압연직후의 강봉을, 그 열간압연 라인의 전후에 설치한 수냉각장치에 의해, 냉각개시온도를 Ac1 점 이하, 냉각종료온도를 Ms 점 이하, 평균냉각속도를 30℃/s~100℃/s 로 하여 냉각하고, 이후 자연냉각한 후, 이어서 가열온도 600~700℃에서 흑연화 처리하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 기술은 마르텐사이트상의 특징인 격자왜곡을 이용하여 탄소가 흑연으로 석출되기 쉽게 하는 것을 그 기술적 요지로 하고 있는 것으로 흑연화 최소시간 12시간 흑연화율 최대 60%를 나타내는 종래예에 비하여 최소 9~12시간 이내에 100% 흑연화율에 도달시킬 수 있는 기술이었다.

그러나 상기 기술을 이용하더라도 흑연화에 필요한 시간은 최소 9시간으로 수요가가 공정에 적용하기는 곤란한 정도이어서 여전히 흑연화 시간 단축에 필요한 기술적 진보가 필요하였다.

흑연화 시간을 보다 단축하기 위한 기술로써 일본 특개 2000-063948호에는 중량％로，C :1.00초과~1.50％，Si:1.00~2.80％，Mn:0.01~2.00％，P :0.050％이하，S :0.10％이하，O :0.0050％이하， 및 N :0.020％이하를 함유하고，잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성이며， 흑연화 지수 CE가 1.30 이상인　 주편 또는 슬라브를，850~1150℃의 범위내의 온도로 가열하고，열간 압연한 후，그리고 실온까지 냉각하여，이렇게 얻어진 열간 압연 강재를 ，600~1000℃의 범위내의 온도로 3hr 이하의 시간 가열한 후，공냉 하여, 상기 강재중에 평균 입경 1.0㎛ 이상의 흑연을 100개/mm² 이상 석출시키고，또한 금속 조직을 20％이상의 페라이트와 잔부 펄라이트로 이루어지거나 또는 페라이트만로 이루어진 조직으로 하며 브리넬 경도를 200 이하로 한 것을 특징으로 하는 쾌삭강 봉선재의 제조 방법에 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 기술을 이용할 경우 흑연화에 필요한 시간을 최소 30분까지 단축할 수 있어 종래기술에 비해서는 흑연화 시간을 획기적으로 개선한 기술이라 할 수 있다. 그러나 상기 기술에 의할 경우에도 최소 30분 정도이며 대부분 1시간 이상인 흑연화 처리시간이 필요하므로 여전히 실제 가공공정에 적용하기는 곤란하였다.

실제 가공공정에 적용하기 위해서는 미리 흑연화 된 선재를 수요가측에 제공하여 수요가가 추가적인 흑연화 처리를 하지 않고도 냉간단조 작업과 절삭작업을 실시할 수 있게 하든가, 아니면 수요가가 냉간단조 작업 전 또는 후에 아주 짧은 시간동안 흑연화 처리를 하여 바로 절삭작업에 이용할 수 있도록 할 필요가 있는데, 상기와 같은 조건을 모두 만족시키기 위해서는 연속된 공정으로 흑연화를 실시할 수 있는 인라인 흑연화가 가능하여야 하며 인라인 흑연화를 실시하는데 허용될 수 있는 흑연화 소요시간은 최대 7분 정도이다.

본 발명자는 이러한 측면을 고려하여 강의 미세조직을 페라이트+흑연 이상조직으로 하여 볼트용 소재의 냉간성형성을 개선한 강을 대한민국 특허출원 제2001-84518호, 제2001-84517호, 제2001-85540호에 제안한 바 있다. 상기 본 발명자에 의한 기술의 경우에 의하면 흑연화에 필요한 시간이 약 10분 내외로 종래기술에 비하여 획기적으로 단축될 수 있었다. 그러나, 상기 기술의 경우에도 여전히 완전한 공정적용에 필요한 최대 흑연화 시간까지는 흑연화 시간을 단축시키지 못하였다.

본 발명은 상기한 선행기술의 기술한계를 극복하기 위한 일련의 연구과정에서 완성된 것으로, 그 목적은 쾌삭성을 부여하기 위해 첨가하는 Pb, Bi, S, Sn등의 저융점 원소들을 첨가하지 않으면서 이들과 유사한 쾌삭성질을 갖고 동시에 우수한 냉간가공성(또는 냉간단조성)을 확보할 수 있는 흑연강을 제조하기 위해서 흑연화 열처리를 실시할 때 흑연화 열처리 시간을 7분 이하로 대폭 단축하면서 흑연립 분포를 미세하면서 균일하게 할 수 있는 흑연강용 강선재를 제공하는 것을 그 목적으로 하고 있다.

중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.03%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지는 흑연강용 강재로서,

상기 Ti, N, B 및 Al이 하기 관계식 1을 만족하고, Mn, Se 및 S가 하기 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재.

단, 하기 관계식 1 및 관계식 2의 Ti, N, B, Al, Mn, Se 및 S는 각각 해당원소의 중량%를 의미한다.

[관계식 1]

2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5

[관계식 2]

1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0

이때, 상기 강조성에 더하여 Ni : 0.05~1.0%, Cu : 0.01~0.5%, Ca : 0.0001~0.05%, Zr : 0.0005~0.008%, REM(Rare Earth Metal, 희토류금속) : 0.001~0.05%으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 조성의 강선재는 내부 조직 중 초석 페라이트의 분율이 10%이하인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

[강의 조성]

본 발명에서 합금원소를 제한하는 이유는 다음과 같다.

탄소(C): 0.3~0.7중량%

탄소는 흑연상 형성하기 위해서 필수적인 원소이며, 이후 기계 부품의 강도를 확보하기 위해서 중요한 원소이지만 함유량이 0.3중량%이하에서는 그 효과가 적고 0.7중량%이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.3~0.7중량%의 범위로 한정한다.

실리콘(Si): 2.0~4.0중량%

실리콘은 용강제조시 탈산제로서 필요한 성분이며 강중의 철탄화물(세멘타이트)를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 원소이다. 더구나 실리콘은 강도를 향상시키는 성분이기 때문에 적극적으로 첨가한다. 2.0중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 실리콘을 4.0중량% 이상 첨가하여도 흑연화 촉진의 효과는 포화되며 액상이 발생하는 온도영역이 낮아져 열간압연시 적정 온도영역이 좁아지는 문제점이 있어 2.0~4.0중량%의 범위로 한정하였다.

망간(Mn): 0.1~1.0중량%

망간은 강재의 강도를 확보하는 유효한 원소이며 용강제조시 탈산제로서도 유용한 원소이다. 또한 S와 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성 향상에 기여한다. 그러나 함유량이 0.1중량%이하에서는 강도향상 효과가 적고 1.0중량%이상에서는 인성이 열화되는 문제점이 있어 0.1~1.0중량%의 범위로 한정하였다.

인(P) : 0.01중량% 이하

인은 흑연화를 저해할 뿐만 아니라 소입처리시 오스테나이트 입계에 편석하여 입계 강도를 저하시켜 소입균열의 발생이 용이하기 때문에 0.01중량%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.01중량%이하

황은 MnS를 형성하여 절삭시 칩처리성(chip breaking) 향상시켜 피삭성을 향상시키고 특히 흑연화의 핵으로 작용하여 흑연화를 촉진하지만, 그 첨가량이 0.01중량%이상이면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 다량첨가시 오히려 흑연화를 지연시키며 강의 인성을 급격하게 저하시켜서 냉간단조성에 악영향을 미치기 때문에 상한을 0.01중량%로 제한하였다.

셀레늄(Se) : 0.001~0.05중량%

셀레늄은 망간과 결합하여 MnSe를 형성하는 것에 의해 칩브레이크성(chip breaking)을 개선한다. 동시에 MnSe은 흑연화 핵으로 작용하여 흑연화를 촉진시킴으로서 피삭성을 개선키는 원소이다. 이러한 효과는 0.001중량%이하에서는 미흡하며 0.05중량% 이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

티타늄(Ti): 0.001~0.03중량%

티타늄은 강중에 질소와 결합하여 TiN을 형성하여 세멘타이트를 불안정하게 하고 동시에 흑연이 핵생성되는 자리가 되어 흑연화를 촉진시킨다. 또 탈산제로서도 유효하게 작용하기 때문에 적극적으로 첨가한다. 상기의 유용한 효과를 얻기 위해서는 0.001중량% 이상을 첨가하여야 한다. 그러나, 0.03중량%이상에서는 오히려 흑연화를 방해하기 때문에 0.001~0.03중량%의 범위로 한정하였다.

붕소(B):0.001~0.003중량%

보론은 N과 결합하여 BN을 형성하고 세멘타이트의 안정화를 방해하면서 흑연의 결정 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진시키며 동시에 소입성을 향상시키기 때문에 적극적으로 첨가하는 원소이다. 0.001중량%이하에서는 그 첨가효과가 미흡하여 0.001중량% 이상 첨가할 필요가 있으며, 반대로 0.003중량% 이상 첨가할 경우에는 더 이상 효과상승을 기대할 수 없으며 동시에 입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도를 저하시켜서 열간가공성을 저하시키기 때문에 첨가범위를 0.001~0.003중 량%로 한정하였다.

알루미늄(Al): 0.002~0.03중량%

알루미늄은 강력한 탈산원소로서 탈산에 기여할 뿐만 아니라 흑연화를 촉진시키는 유용한 원소이다. 흑연화 열처리시 세멘타이트의 분해를 촉진하는 것과 동시에 질소와 결합하여 AlN을 형성함으로서 세멘타이트의 안정화를 방해하는 작용을 한다. 또한 알루미늄 첨가에 의해 강중에 생성되는 알루미늄 산화물은 BN의 석출핵이 되기도 하고 흑연의 결정화를 촉진시키는 점에서도 효과적이다. 본 발명에서는 알루미늄을 적극적으로 첨가하지만 함유량이 0.002중량% 이하이면 그 첨가효과를 기대하기 어렵고 0.03중량%이상에서는 흑연화 촉진작용이 포화되며 열간변형성을 현저하게 저하되는 문제점이 있어 0.002~0.03중량%의 범위로 제한한다.

질소(N): 0.004~0.008 중량%

질소는 티타늄 및 보론, 알루미늄과 결합하여 질화물들을 형성하고 이것들을 핵으로 하여 흑연의 결정화를 촉진시키기 때문에 적극적으로 첨가한다. 한편 흑연화 촉진에 유효한 질화물들을 형성하기 위해서는 화학양론적으로 티타늄 및 보론, 알루미늄과 거의 비슷한 당량으로 첨가하는 것이 바람직하나 이러한 질화물들을 균일하게 미세분산시키기 위해서는 화학당량보다도 조금 높게 첨가하는 것이 바람직하다. 또한 질소는 동적인 변형시효에 의해 칩처리성을 개선하기 때문에 조금 과다하게 첨가하는 것이 유리하다. 이러한 이유로 0.004중량%이상 첨가하는 것이 필요 하지만 0.008중량%이상 첨가할 경우 그 효과가 포화되기 때문에 0.004~0.008중량%로 한정하였다.

산소(O):0.005중량%이하

본 발명에 있어서 산소의 역할은 중요하다. 산소는 알루미늄과 결합하여 산화물을 형성한다. 이러한 산화물의 생성은 알루미늄의 유효농도를 감소시키게 된다. 그 결과 흑연의 결정화에 유용한 AlN의 생성량이 감소되며 따라서 실질적으로는 흑연화 작용을 방해하는 결과를 유발한다. 또한, 다량의 산소가 함유됨으로써 형성되는 알루미나 산화물은 절삭시 절삭공구를 손상시키기 때문에 피삭성의 저하를 초래한다. 이러한 이유로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 그러나 산소를 너무 낮게 관리할 경우 제강공정의 정련부하를 야기하고, 0.005중량% 까지는 상기한 산소에 의해 유발되는 문제점이 그리 크지 않기 때문에 그 상한을 0.005중량%이하로 제한하였다.

상기에서 볼 수 있듯이, 흑연화를 촉진시키기 위해서는 우선, 흑연화에 필요한 탄소원(source)를 강중에 충분히 유지시키고, 세멘타이트를 불안정화 하여 세멘타이트 중 탄소가 쉽게 강중으로 확산될 수 있도록 하며, 확산된 산소가 강중에 존재하는 불균일(non-homogeneous) 핵생성 장소인 다양한 종류의 질화물 또는 화합물상 개재물에 흑연상으로 성장할 수 있어야 한다.

그러나, 상기의 조성만으로는 흑연화에 필요한 핵생성 장소를 충분히 제공할 수 없으며, 상기 조성에 의하여 생성된 질화물계 또는 유화물계 개재물들이 효과적으로 강중에 다량 미세 분산되어야 충분한 핵생성 장소를 공급할 수 있으며, 그에 따라 흑연화 시간이 획기적으로 단축되고 미세한 흑연이 생성될 수 있다.

본 발명에서는 흑연립 미세화 및 흑연화 시간을 현저하게 단축하기 위하여 합금원소간의 구성비를 비는 2.0≤(Ti+5B+2Al)/N≤5.5, 1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0로 한정하는데, 그 이유는 다음과 같다.

(Ti+5B+Al)/N비는 2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5인 것이 바람직하다.

(Ti+5B+Al)/N비가 2.0 미만일 경우에는 Ti, B, Al 양이 부족하여 흑연립의 핵생성에 기여하는 TiN 및 BN석출물의 갯수가 부족해지며, (Ti+5B+Al)/N비 5.5를 초과할 경우에는 Ti, B, Al은 충분하나 질소의 양이 부족하므로 더 이상 흑연립 핵생성에 필요한 TiN 및 BN, AlN의 석출물 개수가 증가되지 않고, 오히려 과잉질소로 인하여 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 흑연화 속도에 악영향을 미친다.

(Mn/5+Se)/5S 값은 1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0 가 바람직하다.

(Mn/5+Se)/5S 값이 1.0 미만일 경우에는 흑연립의 핵생성에 기여하는 MnSe 석출물 및 피삭성에 유효한 MnS 개재물의 갯수가 부족해지며, (Mn/5+Se)/5S 비 3.0초과에서는 흑연립 핵생성에 필요한 MnSe 석출물 및 MnS의 석출물 개수가 포화될 뿐만 아니라 모재에 고용되는 황량이 증가하여 입계편석을 오히려 초래하여 기계적 성질에 악영향을 미친다.

상기와 같은 조성에, 니켈 0.05~1.0중량%, 구리 0.01~0.05중량%, 칼슘 0.0001~0.05중량%, 지르코늄 : 0.0005~0.008중량%, 희토류 금속 : 0.001~0.05중량%으로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 첨가하는데, 그 성분 제한 이유를 설명한다.

니켈(Ni): 0.05~1.0중량%

니켈은 강의 소입성을 향상시켜며 소입 소려에 의해 강의 강도를 향시시키기는 동시에 흑연화 작용을 보조하여 촉진시키는데 유효하다. 0.05중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 1.0중량%이상에서는 그 효과가 포화되고 고가 원소로 경제적이지 못하기 때문에 0.005~1.0중량%로 한정하였다.

구리(Cu):0.01~0.5중량%

구리는 세멘타이트를 불안정하게 하여 흑연화의 촉진에 유효하므로 피삭성을 개선을 할 뿐만 아니라 강의 소입성 향상 작용과 석출강화 작용에 의하여 강의 소입소려시에 강도를 상승시키는 효과도 가지고 있다. 또한, 구리 첨가시에는 강의 부식저항을 개선시킬 수 있다. 0.01중량%미만에서는 흑연화 촉진 및 부식저항에 대한 개선효과가 미흡하며, 0.5중량%를 초과할 경우에는 그 개선효과가 포화되고 입계 편석시 녹는점(melting point)이 낮아져 선재압연을 위한 가열로 장입시 결정입계 취화에 따른 표면흠 발생 가능성이 높고, 최종 제품에서의 충격인성이 저하되기 때문에 0.01~0.5중량%로 제한하였다.

칼슘(Ca) : 0.0001~0.05중량%

칼슘은 본 발명의 강의 조성에서는 Ca-Al계 산화물을 형성하고 이것이 흑연화의 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진하는 것에 의해 피삭성을 개선한다. 이와 같은 작용은 0.0001중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 0.05중량%이상에서는 조대한 산화물계 비금속 개재물이 다량 발생하여 기계부품의 피로강도를 저하시키기 때문에 0.0001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

지르코늄(Zr) : 0.0005~0.008중량%

지르코늄은 CaO와 Ti2O3등의 산화물과 MnS 황화물을 미세하게 분산시킨다. 이러한 산화물과 황화물들은 흑연의 석출자리로 역할을 하여 흑연립을 미세하게 분산시킨다는지 흑연화 소요시간을 단축시키는데 효과적이다. 단 지르코늄의 첨가량이 0.0005중량%미만에서는 그 효과가 미흡하며 0.008중량%이상에서는 조대한 Zr계 황화물 및 탄질화물을 형성하여 Zr에 의한 산화물의 미세화 효과가 감소할 뿐만 아니라 파괴인성을 열화시키기 때문에 0.0005~0.008중량%의 범위로 한정하였다.

희토류금속(REM) : 0.001~0.05중량%

희토류금속은 강의 열간가공성을 개선하는 것과 흑연화를 가일층 촉진시키는 목적으로 첨가한다. 이와 같은 작용은 La, Ce등의 사용하는 것이 유용하지만 그 함량이 0.001중량%이하에서는 그 효과가 미흡하기 때문이며, 0.05중량%이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

이하에서는 흑연립의 크기를 보다 미세하게 제어하기 위한 강선재의 조직에 대하여 설명한다.

초석 페라이트 조직 분율 : 10% 이하

본 발명에 의한 강선재는 아공석 영역의 조성을 가지고 있으므로, 냉각시 오스테나이트+페라이트 이상영역을 경유하게 되고 그 결과 초석 페라이트가 석출될 수 있다. 상기의 초석 페라이트는 강중에 탄소고용도가 낮아 탄소 공급원으로 거의 작용하지 못한다. 따라서, 초석 페라이트 이외의 잔여 펄라이트를 구성하는 세멘타이트가 탄소 공급원으로 작용하게 되는데, 초석 페라이트의 분율이 높을 경우에는 세멘타이트가 균일하게 분포되기 어렵기 때문에, 탄소 확산 거리가 불균일해지고 그에 따라 세멘타이트가 다량 분포된 곳은 탄소확산이 용이하여 대형 흑연이 다량 분포하며, 페라이트가 분포된 것은 흑연립 생성이 어려우므로 흑연화시 흑연립의 분포가 불균일해 지게 된다. 따라서, 가능한 한 펄라이트 분율이 높은 강재, 즉 초석 페라이트 분율이 조직을 가지는 강선재가 바람직하며, 흑연화시 균일하고 미세한 흑연립 분포를 가질 수 있기 위해서는 초석 페라이트의 분율은 10% 이하로 제어되어야 한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기, 표 1과 같은 성분조성을 갖는 강들을 시료로 하여 50kg 잉고트로 주조후 1250℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 13mm로 열간압연후 공냉하여 선재를 제조하였다. 이때 상기 열간압연시 마무리온도는 950℃로 하였고 압하량은 80% 이상으로 하였다.

구분		C, wt%	Si, wt%	Mn, wt%	S, wt%	P, wt%	Ti, wt%	B, ppm	Al, wt%	Se, wt%	N, ppm	O, ppm	Ni, wt%	Cu, wt%	Ca, wt%	Zr, ppm	REM, ppm
발 명 예	1	0.51	3.1	0.51	0.008	0.011	0.007	20	0.005	0.004	60	20	0.1
	2	0.52	3.1	0.40	0.009	0.015	0.004	10	0.004	0.003	55	21	0.1	0.05
	3	0.50	3.0	0.48	0.007	0.009	0.010	21	0.005	0.002	56	19			0.01
	4	0.49	2.9	0.55	0.009	0.008	0.010	20	0.003	0.010	60	24				10
	5	0.53	3.2	0.53	0.008	0.009	0.009	30	0.005	0.004	65	22					10
	6	0.7	3.1	0.48	0.007	0.008	0.004	13	0.003	0.002	75	17	0.09	0.04
	7	0.31	3.2	0.51	0.008	0.011	0.010	26	0.004	0.002	66	29	0.16	0.06
	8	0.53	4.0	0.55	0.009	0.009	0.003	17	0.004	0.005	60	23	0.20	0.09
	9	0.49	2.8	1.00	0.008	0.015	0.011	29	0.015	0.005	55	30	0.25	0.11
	10	0.66	2.05	0.44	0.009	0.009	0.003	20	0.010	0.006	80	40	0.54	0.21
비 교 예	1	0.51	3.0	0.51	0.008	0.011	0.001	10	0.003	0.004	65	19	0.13
	2	0.52	3.1	0.48	0.009	0.008	0.010	20	0.005	0.002	40	23	0.12	0.04
	3	0.50	3.0	0.22	0.007	0.130	0.004	10	0.004	0.001	55	17			0.02
	4	0.49	2.9	0.71	0.009	0.009	0.003	17	0.004	0.021	60	21				20
	5	0.53	3.2	0.19	0.008	0.129	0.001	10	0.003	0.001	65	20					10
	6	0.8	3.1	0.70	0.007	0.009	0.010	20	0.005	0.019	40	28	0.21	0.10
	7	0.31	3.2	0.69	0.008	0.009	0.001	10	0.003	0.020	65	15	0.51	0.23
	8	0.53	4.0	0.20	0.009	0.131	0.010	20	0.005	0.001	40	34	0.24
	9	0.49	1.5	0.52	0.008	0.015	0.011	15	0.015		30	25
	10	0.66	2.5	0.44	0.009	0.009	0.044	21	0.03		100	32

각각의 선재 조직이 흑연립 크기에 미치는 효과를 살펴보기 위하여 흑연화전 선재조직에 대하여 화상분석기(image analyzer)를 이용하여 시편당 300mm²의 면적에 대하여 초석 페라이트 면적분율에 대한 분석을 실시하였다. 상기 페라이트 면적분율 분석결과와 상기 관계식 1 및 관계식 2의 계산결과를 표 2에 정리하였다.

구분	관계식 1	관계식 2	초석 페라이트 분율 (%)
	(Ti+5B+Al)/N	(Mn/5+Se)/5S
발명예 1	4.5	1.9	5
발명예 2	3.1	1.1	4
발명예 3	5.5	2.2	5
발명예 4	4.3	3.0	4
발명예 5	5.4	2.4	4
발명예 6	2.1	2.5	0
발명예 7	4.1	1.9	10
발명예 8	5.2	2.6	9
발명예 9	3.3	2.7	3
발명예 10	4.1	2.1	0
비교예 1	1.4	1.9	35
비교예 2	6.5	2.5	25
비교예 3	3.1	0.6	32
비교예 4	5.2	3.6	21
비교예 5	1.4	0.6	26
비교예 6	6.5	3.6	23
비교예 7	1.4	3.6	30
비교예 8	6.5	0.6	24
비교예 9	11.2	-	20
비교예 10	8.4	-	22

이후, 상기 강재의 흑연화 처리시 흑연화 거동을 살펴보기 위하여 흑연화 열처리를 실시하였다. 흑연화 열처리 온도는 750℃로 고정하였고, 이후 공냉하였다. 동일 조성의 시료에 대하여 흑연화 열처리 시간을 달리 한 후, 화상분석기를 이용하여 시편당 300mm²의 면적에 대하여 흑연화율을 확인하였으며, 상기 흑연화율이 100%가 되는 시점을 흑연화 처리시간으로 정하였다.

상기 흑연화 열처리를 통하여 제조된 흑연강의 성능을 피삭성과 냉간단조성의 관점에서 확인하기 위하여 하기의 실험을 행하였다.

냉간단조성은 직경 19mm x 높이 25mm으로 제조된 시험편을 이용하여 상온 압축시 균열이 발생할 때까지의 임계 체적 변화율을 임계 냉간단조율의 평가기준으로 하였다. 이때 임계 냉간단조율은 10회 실시하여 최대 최소값을 제외한 나머지를 평 균값으로 평가하였다.

피삭성 시험에는 자동선반이 이용되었으며, 칩처리성과 공구수명으로 흑연강의 피삭성을 판정하였다. 칩처리성의 판정방법으로 칩의 분단정도를 사용하였는데 칩이 2권 이하에서 분단할 경우 우수, 3~6권에서 분단될 경우 보통, 7권이상일 경우 불량으로 판정하였다. 공구수명의 시험은 하이스 공구에서 절삭속도 150m/min, 0.20mm/rev에서 절삭유를 사용하는 환경에서 절삭시 다이스 팁 선단에서 용선되어 절삭불능이 되는 시점까지의 시간을 측정하여 공구수명으로 하였다.

상기, 흑연화 시간, 흑연강 내부조직, 냉간단조성 및 쾌삭성 시험결과를 표 3에 나타내었다. 흑연강 내부조직도 초석 페라이트 분율분석과 동일하게 화상분석기(image analyzer)를 이용하여 시편당 300mm²의 면적에 대하여 분석을 실시하였다.

구분	흑연화 특성			냉간단조성	피삭성
	흑연화시간 (min)	흑연상 분율 (%)	흑연립 평균크기 (㎛)	임계냉간 단조율 (%)	칩처리성	공구수명 (min)
발명예 1	5	2.1	7	130	우수	120
발명예 2	6	2.2	8	140	우수	110
발명예 3	5	2.0	9	130	우수	130
발명예 4	7	1.9	7	135	우수	115
발명예 5	7	2.1	6	140	우수	140
발명예 6	6	2.5	8	130	우수	120
발명예 7	7	1.2	7	140	우수	130
발명예 8	5	2.1	7	135	우수	125
발명예 9	6	2.0	6	135	우수	140
발명예 10	5	2.7	9	140	우수	135
비교예 1	350	2.0	25	70	보통	40
비교예 2	400	2.0	30	75	보통	35
비교예 3	10	2.1	20	80	보통	50
비교예 4	9	2.2	17	90	보통	60
비교예 5	600	2.1	21	85	보통	40
비교예 6	440	2.9	33	70	보통	30
비교예 7	530	1.3	20	80	보통	15
비교예 8	380	2.0	19	80	보통	45
비교예 9	3600	2.2	24	75	보통	20
비교예 10	3900	2.6	35	65	보통	25

표 3에서 보는 바와같이 본 발명예의 강조성을 사용할 경우 흑연화 시간이 7분 내외로 본 발명에서 목표로 하는 흑연화 시간 범위내에 100% 흑연화 처리가 가능한 반면, 비교예들은 최소 9분에서 최대 3900분까지 편차를 나타내고 있었다. 이에 본 발명에 의한 강재의 흑연화 성능의 우수성을 확인할 수 있었다.

또한, 본 발명예의 강재를 이용하여 흑연화한 흑연강의 흑연립의 크기는 7~9㎛ 정도로 비교예의 17~35㎛ 보다 훨씬 미세한 흑연을 가지고 있음을 알 수 있다.그리고 냉간단조성의 경우 비교예들의 냉간 임계 단조성은 65~90%범위를 보이는 반면 본 발명예들은 130~140%범위로 상당히 우수함을 잘 알 수 있다. 또한 쾌삭성을 판단한 결과 칩처리성이 본 발명에 의한 흑연강의 경우에는 칩이 모두 2권 이하에서 분단되는 반면 비교예의 경우에는 3권 이상에서 분단되어 본 발명에 의한 흑연 강용 강재로 제조된 흑연강이 훨씬 더 우수한 칩처리성을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었으며, 공구수명 또한 본 발명에 의한 흑연강용 강재로 제조된 흑연강의 공구수명이 비교예보다 최소 55분 이상 향상되었음을 알 수 있었다.

상기에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의하면 종래 기술에 의하여 제공된 흑연강용 강재에 비하여 흑연화 시간이 7분 이내로 획기적으로 단축된 흑연강용 강재를 제공할 수 있으며, 상기 흑연강용 강재는 압연 후 바로 인라인 흑연화를 실시하거나 절삭가공 전 또는 후에 공정부하를 일으키지 않으면서 흑연화를 실시할 수 있어 장시간의 흑연화 처리시간으로 인하여 흑연강을 공정에 적용하기 어려웠던 종래 기술의 문제점을 완전히 해소할 수 있다. 또한, 본 발명에 의한 흑연강용 강재로부터 생산된 흑연강은 다른 강재에 비하여 피삭성과 냉간단조성이 현저히 향상되어 부품 가공에 매우 유리하다.

Claims (3)

1. 중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.03%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지는 흑연강용 강재로서,

   상기 Ti, N, B 및 Al이 하기 관계식 1을 만족하고, Mn, Se 및 S가 하기 관계식 2를 만족하는 것을 특징으로 하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재.

   단, 하기 관계식 1 및 관계식 2의 Ti, N, B, Al, Mn, Se 및 S는 각각 해당원소의 중량%를 의미한다.

   [관계식 1]

   2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5

   [관계식 2]

   1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0
2. 제 1 항에 있어서, Ni : 0.05~1.0%, Cu : 0.01~0.5%, Ca : 0.0001~0.05%, Zr : 0.0005~0.008%, REM(Rare Earth Metal, 희토류금속) : 0.001~0.05%으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재.
3. 제 1 항에 있어서, 강재의 내부 조직 중 초석 페라이트의 분율이 10%이하인 것을 특징으로 하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강용 강재.