KR101018091B1 - 구성인선이 적고 표면조도가 우수한 무연 쾌삭강 및 그제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며, 주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 일정 관계를 만족하고, 미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제공한다.
본 발명에 의하면 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.
무연쾌삭강, 산화성 개재물, 페라이트, 펄라이트, 표면조도, 구성인선
Description
본 발명은 자동차 정밀 유압부품, 사무자동화 기기부품 및 가전부품 등에 널리 사용될 수 있으면서 아울러 환경에 무해한 환경친화형 무연 쾌삭강 발명에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경적인 쾌삭강용 강재의 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 상분율 등의 미세조직을 제어함으로써 구성인선을 최소화시키고 표면조도를 향상시켜 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있는 환경친화형 무연 쾌삭강, 특히 무연쾌삭강용 선재에 관한 것이다.
쾌삭강은 정밀부품 등에 널리 사용되는 소재로서, 우수한 피삭성을 가지는 것이 특징이다. 쾌삭강의 우수한 피삭성은 쾌삭강 내부에 존재하는 금속성 또는 비금속성 개재물로 인한 것이다. 이러한 금속성 또는 비금속성 개재물은 공구를 이용하여 강재를 절삭시, 공구 팁과 강재가 접촉하는 부위에서 MnS와 같은 비금속성 개재물들이 응력집중원으로 작용하여 개재물과 지철의 계면에서 보이드(void)의 생성 과 균열의 성장을 용이하게 하고, 절삭에 요구되는 힘을 감소시키는 역할을 한다.
또한, 납과 같은 금속성 개재물들은 절삭가공열에 의해 비교적 낮은 온도에서 용융되어 칩과 절삭공구의 계면에서 윤활제로써 작용하므로 공구의 마모를 억제하고 절삭력을 감소시키는 역할을 한다.
따라서, 쾌삭강에는 강재의 피삭성을 높이기 위해서 상기 금속성 또는 비금속성 개재물을 형성할 수 있는 원소를 첨가하게 된다. 종래에 주로 이용된 비금속성 개재물은 MnS로 특히, 산화물과 혼재한 상태의 구형 모양의 MnS가 가장 우수한 피삭성을 보인다.
반면, 금속성 개재물은 통상 피삭성 향상 원소라고 하는데, 상기 피삭성 향상 원소로서 가장 대표적인 원소가 바로 납이다. 납은 철에 대한 용해도가 낮아 쾌삭강 내부에서 금속성 개재물로 존재하기가 용이할 뿐만 아니라, 융점이 327.5℃로 적절하게 낮은 편이어서 공구팁에서 발생되는 열에 의해 쉽게 용융될 수 있다.
따라서, 이러한 납은 피삭성 향상원소에 요구되는 성질을 두루 갖추고 있어서 현재까지도 납을 함유하는 쾌삭강은 가장 대표적인 쾌삭강으로 분류되고 있으며, 절삭가공에 가장 적합한 강재로서 실용화 되고 있는 실정이다.
그러나, 납을 함유하는 쾌삭강은 절삭 작업 리사이클링 과정에서 납증기가 발생할 수 있으며, 강재에 존재하는 납성분으로 인하여 인체에 유해하기 때문에 오래전부터 이를 대체할 필요성이 제기되어 왔다.
이러한 납을 함유하는 쾌삭강을 대체할 수 있도록 개발된 강재로는 비스무스(Bi) 쾌삭강을 들 수 있다. 상기 비스무스도 저융점 금속이며 철에 대한 용해도가 낮기 때문에 피삭성 향상에 매우 유리하다.
그러나, 비스무스는 그 융점이 약 209℃으로서 납에 비하여 120℃ 정도 낮기 때문에 용융되기 더 쉬울뿐만 아니라, 납에 비해 표면 장력이 작아 젖음성(wettability)이 높다는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인하여 강재의 결정립계 취화가 촉진되는 문제가 발생한다.
따라서 비스무스 쾌삭강은 납 쾌삭강에 비해 결정립계 취화로 인한 고온연성의 저하로 열간압연성이 현저하게 떨어진다는 문제가 있으며, 피삭 특성도 납 쾌삭강보다는 좋지 않기 때문에 비스무스 쾌삭강이 납 쾌삭강을 대체하기에는 아직까지 여러가지 문제점들이 존재한다.
하지만 납 쾌삭강 역시 다양한 문제점을 여전히 내포하고 있으며, 특히 최근 CNC 공작기계의 보급 확산이 급속도로 증가함에 따라 고속 절삭가공 및 자동화가 이루어지고 있는데, 이러한 고속 절삭 공정시 절삭 공구의 특정 성분, 예를 들어 초경 공구의 경우 초경의 가장 중요한 구성원소인 텅스텐(W)이 1000℃ 이상의 가공열에 의해 칩으로 빠른 속도로 확산하는 현상이 발생한다. 텅스텐 성분의 확산은 절삭공구의 급격한 마모를 초래할 수 있는데, 납 쾌삭강은 이러한 문제를 효과적으로 해결하지 못하고 있으며 고속절삭 측면에서 우수한 공구수명을 보장할 수 있는 특성이 지속적으로 요구되는 실정이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 납과 같은 환경 또는 인체에 유해한 원소를 대체할 수 있는 비스무스와 주석을 강재에 첨가하여 친환경적인 특성을 갖으며, 고속 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있는 저융점 복합 산화성 개재물의 형성으로 우수한 피삭성을 확보함과 아울러 망간과 보론 등의 원소를 최적 비율로 첨가하여 우수한 열간 압연성을 갖는, 환경친화형 무연 쾌삭강을 제공하고자 한다.
본 발명은 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,
주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하고,
미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제공한다. 이 경우, 상기 무연쾌삭강 내부에는 MnO-SiO2-Al2O3계, CaO-SiO2-Al2O3계 또는 이들이 혼합된 저융점 복합 산화성 개재물이 포함될 수 있으며, 상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25-60중량% 및 Al2O3가 0 ~ 30중량%로 이루어질 수 있고, 상기 CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 35 ~ 6555중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 0 ~ 25중량%로 이루어질 수 있다. 나아가 상기 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상 존재할 수 있다.
나아가 본 발명은, 무연쾌삭강의 제조방법을 제공하는바, 상기 제조방법은 1200~1300℃의 온도 범위에서 180분 이상 균열처리한 후, 1100~1200℃의 온도범위에서 12~16 pass로 압연하는 빌렛의 조압연 단계, 1000~1100℃의 온도 범위에서 압연하는 빌렛의 사상압연 단계, 1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리한 후 압연하는 선재압연 단계, 800~900℃의 온도범위에서 권취하는 권취 단계 및 450~550℃의 온도범위까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 냉각 단계로 구성된다.
본 발명에 의하면 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 무연쾌삭강을 구성하는 성분계에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C) : 0.03~0.30 중량%
탄소는 표면조도 및 기계적 성질을 확보하기 위해서 0.03중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 0.30 중량%를 초과하게 되면 경한 펄라이트 조직이 증가로 피삭성의 감소를 초래한다.
실리콘(Si) : 0.01-0.30 중량%
실리콘은 탈산제로 작용하여 SiO2를 생성하고, 고속 절삭시 열적 확산에 의한 공구의 마모를 최소화 할 수 있는 저융점 복합 산화성 개재물 형성을 위하여 0.01 중량% 이상이 첨가되어야 한다. 그러나, 0.30 중량%를 초과하면 고융점 개재물 또는 SiO2 단독 개재물이 형성되어 오히려 공구의 마모 속도가 현저히 커진다.
망간(Mn) : 0.2-2.0 중량%
망간은 MnS 개재물을 형성하여 황(S)에 의한 적열 취성을 방지할 수 있으므로 0.2 중량% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 2.0 중량%을 초과하면 페라이트를 고용 강화시키므로 피삭성의 감소를 초래한다. 망간은 탈산제로 작용하여 MnO를 형성하여 MnS개재물의 핵으로도 작용한다.
인(P) : 0.02-0.10 중량%
인은 입계에 편석되어 피삭성을 향상시켜며, 이를 위해 0.02 중량% 이상 존재하는 것이 바람직하나, 기계적 성질과 냉간 가공성을 확보하기 위해서 0.10 중량%는 넘지 않아야 한다.
황(S) : 0.06-0.45 중량%
황은 MnS 개재물을 형성하여 절삭 작업시 구성인선의 생성을 억제하여 절삭 공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 한다. 이러한 목적을 위해 황은 0.06 중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 황의 양이 많아지면 저융점의 FeS 생성이 용이해져 고온 연성을 떨어뜨려 열간 압연이 어려워지기 때문에 0.45 중량%는 넘지 않아야 한다.
비스무스(Bi) : 0.04-0.20 중량%
비스무스는 강재에 첨가하면 금속개재물로 단독 존재하거나 MnS 개재물에 붙어있는데, 절삭시 가공열에 의해 쉽게 용융되어 절삭 특성을 좋게 하고, 칩과 절삭 공구 사이에서 윤활 피막의 작용을 하여 마찰력을 감소시키고 절삭공구의 마모를 억제하는 작용을 한다. 비스무스의 함량이 0.04 중량% 보다 적으면 피삭효과가 떨어지고, 반면에 0.20 중량%를 초과하면 주조성과 압연성에 좋지 않기 때문에 비스무스의 함량은 0.04-0.20 중량%으로 제한하는 것이 바람직하다.
주석(Sn) : 0.04-0.20 중량%
주석은 납과 유사한 역할을 수행할 수 있는 원소이다. 즉, 주석은 납이 강의 피삭성을 향상시키는 기구 중 하나인 액상 금속 취화와 동일한 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로 이러한 현상은 주석이 페라이트 결정립계로 이동하여 편석되고 입계 결합에너지를 낮춤으로써 입계 파괴를 용이하게 함으로써 나타난다. 따라서, 주석에 의한 피삭성 향상효과를 얻기 위해서는 0.04 중량% 이상의 주석이 첨가되어야 한다. 그러나, 0.20 중량%를 초과하면 주조, 압연성에 유해한 결과를 초래할 수 있으므로, 0.04-0.20 중량%로 제한하는 것이 바람직하다..
보론(B) : 0.001-0.015 중량%
오스테나이트 입계에 편석된 보론은 결정립계를 강화시켜 고온 연성을 향상시킨다. 또한, 종래부터 흑연을 함유한 강은 피삭성이 우수하다는 사실이 알려져 있는바, 강 내부에서 보론이 질소와 반응하여 흑연과 유사한 결정구조와 물리적 특성을 지닌 Boron nitride(BN)로 생성되면, 흑연을 함유한 강과 동일한 피삭성 향상효과를 기대할 수 있게 된다. 보론은 0.001 중량% 미만에서는 그 첨가 효과가 미흡하여 0.001중량% 이상 첨가할 필요가 있으며, 반대로 0.015 중량% 초과하여 첨가할 경우에는 더 이상 효과 상승을 기대할 수 없으며 오스테나이트 결정입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도가 저하되어 열간 가공성이 저하될 수 있으므로 0.001-0.015 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
질소(N) : 0.001-0.010 중량%
질소는 보론과 함께 BN을 형성하기 위해서 0.001중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 0.010중량%를 초과하면 오스테나이트 결정립계에 편석되는 유효 보론의 양을 감소시켜 입계 강화 효과를 떨어뜨린다.
전산소(T[O]) : 0.002-0.025 중량%
산소는 열간 압연시의 MnS 개재물 연신에 의한 피삭성 저하를 방지하기 위해 0.002 중량% 이상 첨가될 것이 요구된다. 그러나, 절삭 가공시 MnS 개재물의 소성 변형능을 확보하기 위해서는 0.025중량%를 넘지 않아야 한다.
알루미늄(Al) 및 칼슘(Ca) : 각각 10ppm이하
알루미늄 및 칼슘은 본 발명에서 강중에 형성되는 저융점 복합 산화성 개재물의 형성에 필요하지만, 의도적으로 첨가할 필요는 없으며 슬래그 등에서 자연스럽게 포함되는 양이면 충분하다. 이러한 알루미늄 및 칼슘은 일반적으로 10ppm 이하로 존재하는 것이 바람직하다.
상술한 성분계 중 Bi, Sn, S, Mn 및 B는 각각 하기의 관계식을 만족함으로써우수한 피삭성 및 저온인성을 나타낼 수 있는바, 이하 상기 Bi, Sn, S, Mn 및 B의 관계식에 대하여 상세히 설명한다.
주석, 비스무스, 황 및 망간의 관계식은 하기 식(1)과 같다.
(단, 각 원소기호는 중량%를 나타낸다. 이하 같다.)
상기의 성분 함량 규제 이외에도 본 발명에 따른 우수한 피삭성을 가지는 무 연 쾌삭강을 제공하기 위해서는 상기 식(1)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 주석과 비스무스는 공히 금속성 개재물로서 강재 내부에서 액상 금속 취화에 의해 피삭성 향상을 꾀하고, 황은 MnS의 생성에 의해 피삭성을 향상시킨다.
망간과 황의 관계식은 하기 식(2)과 같다.
상기의 성분함량 규제 이외에도 본 발명에 따른 우수한 고온연성을 가지는 무연쾌삭강을 제공하기 위해서는 망간과 황의 관계가 상기 식(2)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 식(2)는 망간이 황과 결합하여 황에 의한 열간취성을 억제할 수 있을 정도가 필요하다는 것을 나타낸다.
보론과 질소의 관계식은 하기 식(3)과 같다.
본 발명에 따른 우수한 고온연성을 가지는 무연쾌삭강을 제공하기 위하여 보 론와 질소는 상기 식(3)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 질소가 존재하더라도 입계에 편석되는 보론에 의해 오스테나이트 결정립계를 강화할 수 있을 정도의 양이 필요하다.
상술한 식(1) 내지 식(3)은 어느 하나의 관계만 만족해도 그로 인한 효과가 나타나며, 둘 이상의 관계를 동시에 만족하는 경우에는 그 효과가 더욱 현저하게 나타나므로, 상술한 식(1) 내지 식(3) 중 하나 이상을 만족한다면 본 발명의 권리 범위에 포함된다고 볼 수 있다.
한편 본 발명의 무연쾌삭강은 Mn, Si, Ca 및 Al 성분에 의한 저융점 복합 산화성 개재물들을 포함하는바, 이하 상기 저융점 복합 산화성 개재물에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 성분계에서는, Mn, Si, Ca 및 Al 성분들의 산화가 일어나면서 다양한 저융점 복합 산화성 개재물이 나타나게 된다. 상기 개재물들을 나타나게 하기 위하여, Mn, Si, Ca 및 Al 성분들이 별도로 첨가되는 것이 바람직하나, Ca 및 Al 성분은 강 내부에 기본적으로 존재하는 양으로도 충분히 개재물 형성이 가능하다. 본 발명에서 이러한 개재물들은 MnO-SiO2-Al2O3계 또는 CaO-SiO2-Al2O3계의 형태로 존재하게 된다.
상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25 ~ 60중량% 및 Al2O3가 0 ~ 30중량%로 이루어지며, CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 10 ~ 55중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 0 ~ 25중량%로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 이러한 MnO-SiO2-Al2O3계 또는 CaO-SiO2-Al2O3계 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상이 존재하는 것이 바람직하다. 만일 5개 이하로 존재하는 경우에는 피삭성이 저하되는 문제점이 발생한다.
이하 본 발명의 강재를 제조하는 방법 및 이로 인하여 나타나는 미세조직에 관하여 상세히 설명한다.
빌렛압연 공정
본 발명에서는 상술한 조성의 블룸을 고온연성이 충분히 확보될 수 있는 1200~1300℃의 온도범위에서 180분 이상 균열처리하여 소재가 충분히 숙열될 수 있도록 한다. 그리고 1150±50℃의 온도범위에서 12~16 pass로 조압연을 실시한다. 이 경우, pass당 감면율은 대폭 줄이는데, 이는 소재에 최대한 균일한 응력 및 변형량을 분포시키기 위함이다. 나아가 블룸 코너부에는 응력집중 또는 변형을 최소화하기 위하여 초기 3~4 pass는 플랫(flat) 공형을 사용하고, 나머지 pass에서는 박스(box) 공형을 사용할 수 있다. 플랫 및 박스 공형은 판압연에 가까우므로 블룸 코너부의 구속이 크지 않고 코너부에 집중되는 응력 및 변형량을 최소화시킬 수 있기 때문이다.
그리고 상대적으로 코너부 구속이 심해 응력 및 변형량 집중이 강한 다이아몬드(diamond) 및 스퀘어(square) 공형을 사용하는 사상압연은 1050±50℃의 온도 범위에서 4 pass를 실시한다. 그러나 조압연 과정에서 충분한 감면을 통해 사상압연 pass당 감면율을 줄여서 코너부의 터짐 현상과 같은 결함을 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 롤냉각수의 소재 접촉을 통한 소재의 실열로 인한 고온연성의 저하를 방지하기 위하여 롤냉각수의 양을 최소화시키는 것이 좋다.
나아가 총 압연 pass는 16~20 pass로 수행하는 것이 좋다. 압연 pass수가 너무 적으면 필요한 압연 효과를 얻기 어렵고, 20 pass를 넘게 되면 지나치게 공정 효율이 저하되기 때문이다.
선재압연 공정
빌렛이 얻어지면 상기 빌렛은 고온연성이 충분히 확보될 수 있는 1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리하고, 조압연 및 사상압연을 거치는 선재압연 과정을 수행한다. 선재압연 과정은 종래에 알려진 어떠한 방법을 이용해도 가능할 것이다.
권취공정
본 발명에서 선재압연이 종료된 강재는 800~900℃에서 권취된다. 상기 권취 온도가 900℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 성장하여 결정립 크기가 증가하므로 최종 상변태 과정을 거친 후에 나타나는 페라이트 결정립 크기가 40㎛를 초과하여 조대화될 수 있어 선재의 강도가 저하될 수 있다. 본 발명의 강재는 피삭성 확보를 위해서 일정수준의 선재강도가 요구되기 때문에, 이러한 결정립의 조대화는 피삭성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 반면, 상기 권취온도가 800℃ 미만인 경우에는 권취 중에 상변태가 상당부분 진행될 수 있기 때문에 본 발명에서 얻고자 하는 미세조직을 얻기 어려울 수 있다.
냉각공정
본 발명에서는 펄라이트의 상분율을 3.0% 이하로 포함하는 미세조직을 얻기 위하여 상기 권취된 선재를 450~550℃, 바람직하게는 500~530℃까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉을 실시한다. 상기 냉각속도가 5.0℃/sec를 초과하면 빠른 냉각속도로 인하여 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 경한 저온변태조직이 발생할 수 있어 절삭시 표면조도 측면에서는 유리할 수 있으나 공구수명이 급격히 줄어들 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한 냉각속도가 0.5℃/sec 미만이 되면 평형상태의 상분율에 가까울 정도의 많은 펄라이트가 생성되어 최종 제품은 2상 이상의 복합조직을 갖게 되며, 이러한 조직에서는 절삭시 구성인선의 생성 및 성장이 나타나 피삭면의 표면조도가 저하될 수 있다. 따라서, 펄라이트의 상분율을 3.0% 이하로 최소화하고 준 단상조직을 얻기 위해서는 상술한 냉각조건으로 냉각한다. 상술한 제어냉각 과정이 끝나고 450~550℃부터는 공냉과정을 거치는데, 여기부 터는 변태가 완료된 상태로 냉각속도의 변화가 조직에 미치는 영향이 없기 때문이다.
최종 미세조직
상술한 바와 같이 냉각하여 제조된 선재의 미세조직은 기지조직으로 평균 결정립 크기가 40㎛ 이하인 페라이트 조직으로 구성되며, 함께 포함되는 펄라이트의 상분율은 3.0% 이하로 제어한다. 페라이트 평균 결정립 크기가 40㎛를 초과하는 경우에는 선재 강도가 저하되어 절삭시 표면조도가 열위해질 수 있으며, 나아가 펄라이트 상분율이 3.0%를 초과하는 경우에는 경한 시멘타이트 조직에 의해 공구마모도가 증가하여 공구 수명이 저하될 수 있고 표면조도 역시 좋지 않기 때문이다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
하기 표 1, 표 2 및 표 3과 같은 발명강 및 비교강의 성분조성을 갖는 블룸을 하기 표4의 조건으로 160각의 빌렛으로 압연하고, 상기 빌렛을 표5의 조건으로 고속선재 압연하여 직경 27mm의 선재로 압연 후 권취, 냉각 및 공냉을 실시하였다.
| 구 분 | C | Si | Mn | P | S | B | Bi | Sn | T[O] | N |
| 발명강1 | 0.079 | 0.067 | 1.155 | 0.053 | 0.304 | 0.0095 | 0.07 | 0.08 | 0.0080 | 0.0048 |
| 발명강2 | 0.073 | 0.060 | 1.151 | 0.067 | 0.328 | 0.0092 | 0.13 | 0.14 | 0.0120 | 0.0032 |
| 발명강3 | 0.102 | 0.080 | 1.235 | 0.058 | 0.350 | 0.0070 | 0.09 | 0.11 | 0.0153 | 0.0015 |
| 발명강4 | 0.044 | 0.030 | 1.570 | 0.059 | 0.380 | 0.0100 | 0.18 | 0.17 | 0.0140 | 0.0023 |
| 발명강5 | 0.038 | 0.100 | 1.250 | 0.061 | 0.310 | 0.0074 | 0.13 | 0.09 | 0.0170 | 0.0035 |
| 비교강1 | 0.080 | 0.138 | 1.449 | 0.050 | 0.376 | 0.0073 | 0.10 | 0.10 | 0.0130 | 0.0058 |
| 비교강2 | 0.070 | 0.004 | 1.162 | 0.076 | 0.344 | - | 0.07 | 0.11 | 0.0201 | 0.0043 |
| 비교강3 | 0.290 | 0.285 | 1.020 | 0.030 | 0.210 | 0.0081 | - | 0.05 | 0.0110 | 0.0040 |
| 구 분 | (Bi+Sn+S)/Mn | Mn3/S | B/N |
| 발명강1 | 0.4 | 5.07 | 2.0 |
| 발명강2 | 0.5 | 4.65 | 2.9 |
| 발명강3 | 0.4 | 5.38 | 4.7 |
| 발명강4 | 0.5 | 10.18 | 4.4 |
| 발명강5 | 0.4 | 6.30 | 2.1 |
| 비교강1 | 0.4 | 8.09 | 1.3 |
| 비교강2 | 0.5 | 4.56 | 0.0 |
| 비교강3 | 0.3 | 5.05 | 2.0 |
| 구 분 | MnO-SiO2-Al2O3계 복합 산화성 개재물 |
CaO-SiO2-Al2O3 계 복합 산화성 개재물 |
개재물수 (선재 5g) |
||||
| MnO(%) | SiO2(%) | Al2O3(%) | CaO(%) | SiO2(%) | Al2O3(%) | ||
| 발명강1 | 30 | 55 | 15 | 40 | 35 | 25 | 10 |
| 발명강2 | 45 | 35 | 20 | 35 | 45 | 20 | 7 |
| 발명강3 | 25 | 50 | 25 | 15 | 65 | 20 | 6 |
| 발명강4 | 50 | 25 | 25 | 45 | 20 | 15 | 9 |
| 발명강5 | 50 | 40 | 10 | 30 | 55 | 15 | 12 |
| 비교강1 | 60 | 30 | 10 | 40 | 35 | 25 | 5 |
| 비교강2 | 80 | 10 | 10 | 25 | 30 | 45 | 2 |
| 비교강3 | 40 | 40 | 20 | 30 | 55 | 15 | 6 |
하기 표 4에 나타낸 바와 같이, 발명예(1~6)는 조압연에서 12~16 pass한 결과 양호한 표면특성을 얻을 수 있음을 확인하였다. 즉, 조압연과 사상압연에서 각 pass당 감면율을 낮추어 응력과 변형율을 분산시킴으로써 압연에 의한 표면결함들을 줄일 수 있었다. 반면, 비교예(1~5)는 조압연의 pass수가 10이하로 pass 당 감면율이 높아 표면결함이 발생함을 알 수 있었다. 또한, 비교예(6~7)은 조압연 pass수가 12로 조건은 양호하나, 망간과 황 또는 보론과 질소의 성분계 관련 관계식을 만족하지 못해 고온연성이 좋지 않아 인해 여전히 표면터짐 현상이 발생함을 알 수 있었다.
| 구 분 | 강 종 | 빌렛압연공정 | 표면품질 | |||
| 균열온도 (℃) |
재로시간 (min) |
조압연 Pass수 | 사상압연 Pass 수 |
|||
| 발명예1 | 발명강1 | 1250 | 200 | 13 | 4 | 양호 |
| 발명예2 | 발명강2 | 1270 | 180 | 12 | 4 | 양호 |
| 발명예3 | 발명강3 | 1260 | 300 | 14 | 4 | 양호 |
| 발명예4 | 발명강4 | 1270 | 250 | 15 | 4 | 양호 |
| 발명예5 | 발명강5 | 1280 | 230 | 16 | 4 | 양호 |
| 비교예1 | 발명강1 | 1250 | 200 | 7 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예2 | 발명강2 | 1270 | 250 | 9 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예3 | 발명강3 | 1280 | 230 | 10 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예4 | 발명강4 | 1280 | 200 | 7 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예5 | 발명강5 | 1270 | 230 | 9 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예6 | 비교강1 | 1280 | 200 | 12 | 4 | 표면터짐 |
| 비교예7 | 비교강2 | 1270 | 230 | 12 | 4 | 표면터짐 |
| 발명예6 | 비교강3 | 1250 | 200 | 12 | 4 | 양호 |
본 실시예의 조성 및 방법에 의하여 제조된 선재의 페라이트 결정립 크기 및 펄라이트 상분율을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율은 화상분석기(image analyzer)를 이용하여 측정하였으며, 이 때 피검면은 300mm2를 기준으로 하였다. 하기 표 5에 나타난 바와 같이, 발명예(7~12)에서는 냉각속도를 2.0~5.0℃/sec 범위로 하여 40㎛이하의 페라이트 결정립 크기와 3.0%이하의 펄라이트 상분율을 얻을 수 있었다.
반면, 비교예(8~10)에서는 냉각속도가 2.0℃/sec 미만으로 40㎛를 초과하는 페라이트 결정립과 3.0% 를 초과하는 펄라이트 상분율이 나타났다. 또한 비교예(11~12)에서는 냉각속도가 5.0℃/sec를 초과하여 베이나이트와 같은 저온변태조직이 형성되어 필요한 물성의 확보가 곤란하였다. 비교예(13~14)은 비교강으로 냉각속도를 2.0~5.0℃/sec 범위로 하면 발명예의 미세조직과 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
| 구 분 | 강 종 | 선재압연공정 | |||||
| 균열온도 (℃) |
재로시간 (min) |
권취온도 (℃) |
냉각속도 (℃/sec) |
페라이트 결정립 크기 (㎛) |
펄라이트 상분율(%) | ||
| 발명예7 | 발명강1 | 1260 | 120 | 880 | 2.8 | 35 | 2.8 |
| 발명예8 | 발명강2 | 1250 | 100 | 890 | 4.1 | 25 | 2.2 |
| 발명예9 | 발명강3 | 1270 | 110 | 870 | 4.8 | 20 | 2.0 |
| 발명예10 | 발명강4 | 1250 | 120 | 830 | 3.5 | 30 | 2.5 |
| 발명예11 | 발명강5 | 1280 | 100 | 850 | 2.2 | 38 | 2.9 |
| 비교예8 | 발명강1 | 1270 | 100 | 820 | 0.1 | 80 | 4.2 |
| 비교예9 | 발명강2 | 1270 | 120 | 860 | 0.5 | 66 | 3.8 |
| 비교예10 | 발명강3 | 1250 | 110 | 850 | 1.3 | 52 | 3.3 |
| 비교예11 | 발명강 4 | 1260 | 120 | 890 | 6.7 | - | - |
| 비교예12 | 발명강5 | 1260 | 100 | 880 | 8.7 | - | - |
| 비교예13 | 비교강 1 | 1260 | 100 | 880 | 2.3 | 38 | 2.9 |
| 비교예14 | 비교강 2 | 1250 | 100 | 870 | 2.5 | 37 | 2.8 |
| 발명예 12 | 발명강 3 | 1270 | 120 | 890 | 3.4 | 31 | 2.5 |
본 발명에 따른 발명강의 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 구성인선의 높이 및 피삭재의 표면조도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 상기 선재들을 이용하여 절삭실험을 실시하였다. 먼저, 상기 선재들을 25mm 직경의 봉재로 냉간 인발하고, CNC 선반에 절삭유를 사용하지 않고 선삭 시험을 행하였다. 이송 속도는 0.5mm/rev, 절삭 깊이는 1.0mm, 그리고 절삭 속도는 150m/min로 하였다. 동일시간 선삭 시험을 반복한 후, 구성인선의 높이와 피삭재의 표면조도를 측정하고 상호 비교한 결과를 하기 표6에 나타내었다.
| 구 분 | 강 종 | 구성인선 높이(㎛) | 표면조도(㎛) |
| 발명예13 | 발명강1 | 35 | 3.2 |
| 발명예14 | 발명강2 | 30 | 3.0 |
| 발명예15 | 발명강3 | 22 | 2.5 |
| 발명예16 | 발명강4 | 21 | 2.3 |
| 발명예17 | 발명강5 | 32 | 3.1 |
| 비교예15 | 발명강1 | 53 | 4.2 |
| 비교예16 | 발명강2 | 48 | 3.8 |
| 비교예17 | 발명강3 | 44 | 3.8 |
| 비교예18 | 발명강4 | 15 | 2.1 |
| 비교예19 | 발명강5 | 10 | 2.0 |
| 비교예20 | 비교강1 | 33 | 3.3 |
| 비교예21 | 비교강2 | 32 | 3.2 |
| 비교예22 | 비교강3 | 43 | 3.6 |
상기 표 6의 발명예(13~17)에서 알 수 있듯이, 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 낮으면 작은 구성인선이 생성되고, 피삭재의 표면조도도 향상됨을 알 수 있었다. 그러나, 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 높아지면 상대적으로 큰 구성인선이 생성되어 피삭재의 표면조도가 열위하게 됨을 비교예(15~17)에서 확인할 수 있었다. 저온조직이 발생한 비교예(18~19)의 경우 오히려 구성인선이 작고 피삭재의 표면조도가 우수함을 알 수 있는데, 상대적으로 경한 조직으로 인해 공구수명과 같은 또 다른 피삭성 요소를 저해할 수 있기 때문에 본 발명에서 요구되는 바람직한 미세조직은 아니었다. 또한, 비교예(20~21)은 열간압연성은 다소 열위하였으나, 금속성 개재물 성분이 충분하고, 발명예와 유사수준의 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율을 가지고 있기 때문에 구성인선이 작고, 표면조도가 양호하였다. 이에 비해 비교예22는 비교강로서 발명예와 유사한 조건에서 제조되어 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율은 유사 수준이였으나, 금속성 개재물 성분이 부족하여 성분 관계식(1)을 만족하지 못하였기 때문에 상대적으로 큰 구성인선이 생성되고 표면조도가 열위해졌음을 알 수 있었다.
상기 실시예에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 강재는 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.
Claims (6)
- 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하고,미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
- 제1항에 있어서, 상기 무연쾌삭강 내부에는 MnO-SiO2-Al2O3계, CaO-SiO2-Al2O3계 또는 이들이 혼합된 저융점 복합 산화성 개재물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
- 제2항에 있어서, 상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25-60중량% 및 Al2O3가 30중량% 이하(0%는 제외)로 이루어진 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
- 제2항에 있어서, 상기 CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 10 ~ 55중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 25중량% 이하(0%는 제외)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
- 제2항에 있어서, 상기 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
- 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하는 강재를,1200~1300℃의 온도 범위에서 180분 이상 균열처리한 후, 1100~1200℃의 온도범위에서 12~16 pass로 압연하는 빌렛의 조압연 단계;1000~1100℃의 온도 범위에서 압연하는 빌렛의 사상압연 단계;1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리한 후 압연하는 선재압연 단계;800~900℃의 온도범위에서 권취하는 권취 단계; 및450~550℃의 온도범위까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 냉각 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강의 제조방법.
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