KR0140317B1 - 고 쾌삭 스테인레스강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 STS 304 스테인레스강과 같은 오스테나이트계 스테인레스강 중 Mn과 S의 성분 및 이들로 생성되는 유화물의 크기를 적절히 제어하므로서, 쾌삭성을 향상시킬 수 있는 고 쾌삭성 스테인레스강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 통상의 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 강중의 S의 함량 0.15∼0.3중량%이고, Mn/S의 중량비가 8∼9의 범위를 만족하도록 조성된 스테인레스용강을 용해한 다음, 10∼160K/분의 냉각속도로 냉각하여 연속주조함을 포함하여 구성되는 고 쾌삭 스테인레스강의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

고 쾌삭 스테인레스강의 제조방법

제 1 도는 통상의 쾌삭 스테인레스강을 절삭가공시 칩이 형성되는 과정을 나타내는 모식도

제 2 도는 통상의 쾌삭 스테인레스강에 함유된 유황함량과 유화물의 평균 길이변화를 나타낸 그래프

제 3 도는 통상의 쾌삭 스테인레스강 중의 Mn/S의 비와 유화물 중에 함유된 Cr과 Mn의 농도와의 관계를 나타낸 그래프

제 4 도는 통상의 쾌삭 스테인레스강을 연속주조시 냉각속도에 따른 강중 유화물의 평균 길이변화를 나타내는 그래프

제 5 도는 본 발명재와 비교재에 대한 절삭성 평가 결과를 나타내는 그래프

본 발명은 각종 컴퓨터 및 사무용 기기의 마이크로 샤프트 등에 사용되는 스테인레스강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 높은 강도를 필요로 하지 않고 단순히 절삭성만이 요구되는 재료로 적합한 쾌삭성이 우수한 스테인레스강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 오스테나이트계 스테인레스강의 대표적인 강인 STS 304 스테인레스강은 다른 철강재료에 비하여 내식성 및 상온면성이 우수하여 각종 분야에 널리 사용되고 있다. 그러나, 상기 스테인레스강은 기계 가공시 가공경화성이 크고, 연성 및 열전도가 나쁘기 때문에 절삭능이 떨어지는 단점이 있어 쾌삭 스테인레스강에는 부적절한 경향이 있다.

통상 우수한 쾌삭성을 갖는 재료, 즉 절삭이 잘 되는 재료의 조건으로는 가공시 강도에는 손실이 없으면서 절삭과정 중에만 강도를 낮추는 특성이 필요한데, 현재 이러한 조건을 만족하는 고 쾌삭 스테인레스강의 개발이 미흡한 실정이다.

최근까지 개발되어 온 쾌삭 스테인레스강을 강중 함유되는 성분에 따라 크게 분류하면 납쾌삭강, 칼슘쾌삭강 그리고 유황쾌삭강 등을 들 수 있다.

그 가운데 납쾌삭강은 재료 가공시 절삭리 및 절삭온도를 저하시켜 쾌삭성을 향상시키지만, 제조과정 중 첨가된 납은 납 연기를 발생시켜 환경 및 건강에 해를 끼친다. 그리고 납쾌삭강은 열간가공성이 매우 떨어지므로 제조상 압연이 어려운 단점이 있다.

또한, 칼슘쾌삭강은 칼슘을 함유한 비금속 개재물을 강중에 잔존시켜, 비금속 개재물이 쾌삭성을 향상시키는 효과를 이용한 것이다. 그러나 칼슘쾌삭강은 탈산 공정 중 크롬 산화물, 실리케이트(silicate) 등의 산화물을 칼슘 산화물로 변화시켜야 하므로 제조 공정이 까다로은 단점이 있다.

한편, 유황쾌삭강은 탄소강에서 유황을 약 0.2% 첨가하여 사용되는 쾌삭강이다. 그러나, 유황쾌삭강은 일반 스테인레스강에서 불순물로 작용하는 유황이 다량 함유되어 있으므로 응고시 강의 고온강도가 현저히 낮아서 연속주조시 주편의 표면 및 내부에 크랙을 발생시킬 뿐만 아니라 주편터짐(break out) 등의 조업 장애(trouble)가 발생하기 때문에 연주조업시 많은 문제점을 야기시키는 것으로 알려져 있다. (철과강, 57, 1971, p.1912)

한편, 이와 같은 단점을 해결하기 위해서는 우선 유황 첨가시 쾌삭성이 증가되는 원인을 파악할 필요가 있다. 통상 쾌삭 스테인레스강의 쾌삭강은 절삭가공시 형성되는 칩이 길게 형성되지 않고, 짧게 끊어지도록 형성되는 정도를 판단할 수 있으므로, 쾌삭강의 절삭가공시 칩이 형성되는 과정은 매우 중요하다. 예를 들면, 쾌삭강의 절삭가공시 칩이 형성되는 과정을 나타내면 제 1 도와 같다. 제 1 도에 도시된 바와 같이, 가공물(1)을 바이트(2)에 의해 절삭가공시 발생되는 칩(3)은 전단응력에 의해 변형을 받아 1차 변형영역(4)과 2차 변형영역(5)이 형성되며, 이러한 칩(3)의 변형영역(4)(5)의 형성은 공구의 형상, 공구의 재질 및 절삭조건 (예, 절삭각도,), 피삭재의 재질 등에 영향을 받는다. 즉, 1차 변형영역(4)은 높은 압축응력, 높은 변형속도 및 높은 변형온도를 받은 영역이므로 우수한 쾌삭성을 얻기 위해서는 소재의 전단응력, 가공경화율이 낮아야 한다. 이때, 유황쾌삭강의 경우 첨가된 유황은 유화물을 형성하고, 이러한 유화물은 절삭가공시 전단응력하에서 회전하여 유화물의 끝부분에 생성된 마이크로 공극(micro void)이 모재의 취약한 부분과 연결되면서 파단(fracture)이 발생되므로 우수한 쾌삭성이 형성되는 것이다. 또한, 유화물은 칩과 공구계면에 존재하는 2차 변형영역(5)에서 길게 연신되어 윤활제 역할을 하여 쾌삭성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. (철과강, 68, 1982, p.1569, 및 Metall.Trans., 7B, 1976, 3, p.469)

따라서 유황쾌삭강에서 유화물은 중요한 역할을 하므로 유화물의 크기를 크게 하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 탄소강의 경우 첨가된 유황은 MnS를 형성하여 상술한 쾌삭성 이론에 의해 쾌삭성을 향상시키는 반면에, 스테인레스강에 있어서는 합금성분 중 크롬으로 인해 유화물은 MnS로 형성되지 못하는 경우가 발생하여 유황이 첨가되었음에도 불구하고 쾌삭성이 오히려 떨어지는 현상이 나타나는데, 이는 유황 쾌삭스테인레스강의 제조에 있어서 커다란 단점이 아닐 수 없다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, STS 304 스테인레스강과 같은 오스테나이트계 스테인레스강 중 Mn과 S의 성분 및 이들로 생성되는 유화물의 크기를 적절히 제어하므로 써, 쾌석성을 향상시킬 수 있는 고쾌삭 스테인레스강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 통상의 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 강중의 S의 함량 0.15∼0.3중량%이고, Mn/S의 중량비가 8∼9의 범위를 만족하도록 조성된 스테인레스용강을 용해한 다음, 10∼160K/분의 냉각속도로 냉각하여 연속주조함을 포함하여 구성되는 고 쾌삭 스테인레스강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

우선, 본 발명에서 적용되는 강은 통상의 오스테나이트계 스테인레스강이면 무방한데, 구체적으로는 C : 0.05중량%(이하, 단지 '%'라 함)이하, Mn : 2%이하, Si : 0.7%이하, P : 0.05%이하, S : 0.05%이하, Ni : 7∼13%, 및 Cr : 16∼20%를 포함한 조성을 갖는 강을 들 수 있다. 그러나, 종래의 스테인레스강의 경우 강중 Mn과 S의 함량 및 유화물에 대하여 고려하지 않고 있기 때문에 고 쾌삭성을 얻을 수 없다.

이를 해결하기 위해 본 발명에서는 먼저 통상의 스테인레스강에 함유되는 유황의 농도와 유화물의 크기와의 관계를 고려하였는데, 제 2 도에 나타난 바와 같이 유화물의 평균길이는 유황이 약 0.25%까지 급격하게 직선적으로 상승하고 이후 완만하게 상승하여, 0.35%를 초과하면 유화물의 크기가 증가하지 않음을 알 수 있다. 그리고 전술한 바와 같이 유황은 0.3%를 초과하면, 연주조업시 주편터짐 등의 문제점을 야기시킬 수 있으므로 가능한 한 낮은 함량을 갖도록 하는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 고 쾌삭성을 유지하기 위해서 상기 유황의 함량을 0.3%의 범위로 제한함이 바람직하다.

한편, 통상 스테인레스강에 존재하는 유화물은 주로 Mn, Cr, S, O로 구성되어 있으며, 그 조성은 Mn/S의 비가 증가함에 따라 제 3 도에 나타난 바와 같이 상기 유화물 중 Mn의 농도는 증가하지만, Cr의 농도는 감소함을 알 수 있다. 즉 Mn/S의 비가 1 정도로 낮은 값에서는 유화물을 CrS·O가 되지만, Mn/S의 비가 증가함에 따라 유화물 중 Mn은 Cr과 치환되어 유화물은 (Cr, Mn)S·O로 되고, Mn/S의 비가 약 8이 될 때 유화물은 대부분 MnS·O가 된다. 그런데, 스테인레스강은 탄소강과는 달리 유화물의 크기 뿐만 아니라 유화물의 조성에 의해 쾌삭성이 달라진다. 이는 스테인레스강 중에 Cr이 다량 함유되고 그 일부 Cr이 유화물을 구성하게 되며, 유화물을 구성하는 Cr은 경한 원소이기 때문에 유화물의 강도를 증가시켜 공구의 마모를 촉진시키고, 이로 인해 스테인레스강의 쾌삭성을 저하시키기 때문이다. 따라서, 유화물 중 Cr 함유량은 가능한 한 낮추는 것이 바람직한데, 제 3 도에 도시된 바와 같이, 유화물 중 Cr은 Mn/S의 비가 8 이상이 되면 감소되는 비율이 매우 적고 이러한 유화물의 조성은 쾌삭성에 나쁜 영향을 미치지 않는다. 반면에 Mn/S의 비가 9 이상이 되면 유화물과 모재 사이의 화학부식(micro pitting)이 발생되어 내식성이 떨어지므로 Mn/S의 비는 8∼9의 범위로 제한함이 바람직하다.

상기와 같은 조성비로 조성된 강의 경우 유화물은 오스테나이트가 포정반응에 의해 생성된 후, 델타페라이트/오스테나이트 경계 혹은 오스테나이트/오스테나이트 경계에 존재하는 액상으로부터 형성이 되며, 약 1395℃부터 1290℃의 온도 구간에서 유화물은 응집조대화 과정을 통해 성장해 간다. 따라서, 상기 온도구간에서 오랫동안 머무르도록 하면 유화물의 크기는 커질 것이므로 유화물의 크기는 합금성분 뿐만 아니라 응고 및 냉각과정에서 냉각속도에 의해 제어가 가능하다.

즉, 냉각속도의 증가에 따라 유화물의 크기 변화를 나타낸 제 4 도와 같이 냉각속도가 10K/분인 경우 유화물의 크기는 7.5㎛가 되지만, 냉각속도가 증가함에 따라 유화물의 크기는 감소하여 냉각속도가 160K/분 이상으로 증가하는 경우는 유화물의 크기는 변화되지 않고 일정하다. 그러나, 냉각속도가 160K/분 이상으로 되면 연주주편에 열응력이 발생되어 연주주편 표면에 크랙이 발생하기 쉽고, 냉각속도가 10K/분 이하로 되면 연주조업시 주편에 벌징(bulging)이 발생되어 중심에 기공(porosity)이 발생되어 내부 크랙 등의 결함이 발생되기 쉽다. 따라서, 본 발명에서는 상기 조성을 만족하고 냉각속도의 범위는 10∼160K/분으로 하여 연속주조하여 유화물의 크기를 제어함이 바람직하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1.]

하기 표1과 같은 조성을 갖도록 용해한 용강을 연속주조공정에서 적용 가능한 냉각조건을 도출하기 위해 5∼433K/분의 냉각 속도로 변화시키면서, 냉각하여 주편을 제조하였다. 이때, 냉각속도는 하기 표2와 같은 재질 및 크기를 갖는 주형을 사용하여 조절하였으며, 온도는 실제 측정하였다. 이와 같이 제조된 강의 유화물의 크기를 영상분석기(image analyzer)를 이용하여 정량적으로 측정하였으며, 유화물의 조성은 EPMA(Electro Probe Micro Analyer)를 이용하여 정량적으로 측정하고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다.

상기 표1에 나타난 바와 같이, 발명재(A)(B)(C)는 유황농도, Mn/S의 비와 냉각속도는 앞서 설명한 유황농도 (0.15∼0.3%). Mn/s비(8-9) 및 냉각속도 범위)10-160 K/분)를 만족하는 경우로서, 발명재(A)는 유황농도 0.22% Mn/S의 비 8.2, 냉각속도 34K/분이며, 유화물의 크기는 7.5㎛, 유화물 증 Cr의 조성은 12%이다. 그리고, 발명재(A)보다 유황농도 및 Mn/S의 비가 높고, 냉각속도가 빠른 발명재(B)는 유황농도 0.28%, Mn/S의 비 8.7, 냉각속도 150K/분이며, 이러한 조건에서 형성된 유화물의 크기는 7.1㎛, 유화물중 Cr의 조성은 1.1%로, 발명재(A)와 거의 같은 수준을 보이고 있다. 그리고, 발명재(A)보다 유황농도는 낮고, Mn/S의 비가 높으며, 냉각속도가 느린 발명재(C)는 유황농도 0.16%, Mn/S의 비 8.9, 냉각속도 13K/분이며, 이러한 조건에서 형성된 유화물의크기는 7.2㎛, 유화물 중 Cr의 조성은 10%이다. 즉, 발명재(A)(B)(C)는 유화물의 크기 및 유화물 중 Cr의 조성이 거의 같음을 알 수 있다.

한편, 유황농도 및 Mn/S의 비가 발명재 보다 낮은 비교재(D)는 유화물 중 Cr의 조성은 15%이며, 유화물의 크기는 4.8㎛이며, 유황농도만 본 발명재보다 높은 비교재(E)는 유화물의 크기는 거의 증가하지 않음을 알 수 있다. 이것은 앞에서 서술한 바와 같이, 유황농도가 0.3% 이상의 경우에는 유화물의 크기는 포화되어 유황농도가 증가하더라도 유화물의 크기는 증가하지 않는 사실과 잘 일치한다는 것을 보이고 있다. 또한, Mn/S가 발명재보다 낮은 비교재(F)는 유화물 크기는 7.8㎛이지만, 유화물 중 Cr의 조성은 27%로 발명재보다 높으며, 발명재보다 Mn/S의 비는 높지만, 유황의 농도가 낮은 비교재(G)는 유화물 중 Cr의 농도는 10%이지만, 유화물의 크기는 5.4㎛로 발명재보다 그 크기는 적어짐을 알 수 있다. 그리고, 비교재(H)는 유황의 농도와 Mn/S의 비가 높지만, 유화물의 크기는 7.9㎛, 유화물 중 Cr의 농도는 10%로 발명재와 거의 같은 수준이지만, 비교재(H)는 Mn/S의 비가 높으므로 화학부식(micro pitting)을 유발시켜 재료의 내식성을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

또한, 냉각속도가 빠른 비교재(I)의 경우에는 열응력이 발생되어 주편에 미세 크랙이 형성되었으며, 유황의 농도는 낮지만, 냉각속도가 본 발명재보다 느린 비교재(J)는 유화물의 크기는 7.9㎛로 본 발명재와 비슷하지만, 이러한 냉각속도는 앞에서 설명한 바와 같이 연속주조시 주편에 벌징을 야기시키므로 제조상에 어려움이 있었다. 그리고, 유황의 농도가 낮고, 냉각속도도 발명재보다 빠른 비교재(L)는 유화물의 크기는 3.1㎛로 가장 작은 유화물 크기를 보이고 있을 뿐만 아니라 비교재(I)의 경우와 같이, 미세 균열이 형성됨을 알 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1의 발명재(A)(C) 및 비교재(D)(F)(I)에 대하여 쾌삭성 평가를 하기 위해 각각의 주편 표면으로부터 10㎜ 위치되는 지점에서 직경 40㎜인 환봉을 제작하여 절삭성 시편으로 이용하였다. 이때, 절삭성 시험은 자동선반을 이용하였으며, 공구 바이트(Tool Bite)는 카바이드 공구(carbide tool)인 P20을 사용하였고, 절삭조건은 피드: 0.2㎜, 절삭깊이: 1.5㎜, 절삭속도: 100m/min으로 하였다.

또한, 절삭성 평가는 30분 절삭 후 프랭크(Flank) 마모 폭을 측정하고, 그 결과를 제 5 도에 나타내었다.

제 5 도에 나타난 바와 같이, 본 발명재(A)의 프랭크 마모 폭은 0.02㎜이며, 발명재(C)의 프랭크 마모 폭은 0.023㎜으로서, 발명재(A) 및 (C)의 경우 차이가 없는 것을 알 수 있다.

반면에 유황농도가 Mn/S의 비가 발명재보다 낮은 비교재(D)는 마모 폭이 0.081㎜로 가장 불량하였으며, Mn/S만 상당히 낮은 비교재(F)는 비교재(D)와 마모 폭이 거의 비슷한 0.075㎜의 값을 보이고 있고 합금성분은 발명재의 성분범위에 있으나 냉각속도만 상당히 빠른 비교재(I)는 마모 폭이 0.043㎜로 본 발명재보다는 마모 폭이 크나 다른 비교재(D)(F)보다는 마모 폭이 적은 것을 알 수 있다. 이것으로 미루어 볼 때 쾌삭성에는 냉각속도의 조절보다 합금성분의 제어가 더 중요하다는 것을 알 수 있다.

이상의 결과를 통하여 유화물의 크기를 크게 하고도 적절한 유화물의 조성을 확보함으로써 쾌삭성이 우수한 성질을 갖는 스테인레스강을 제조하는 것이 가능하다는 것을 확인하였다.

Claims (1)

1. 통상의 오스테나이트계 스테인레스강의 제조방법에 있어서, 강중의 S의 함량 0.15∼0.3중량%이고, Mn/S의 중량비가 8∼9의 범위를 만족하도록 조성된 스테인레스용강을 용해한 다음, 포정반응온도로 부터 1290℃까지의 냉각속도를 10∼160K/분의 범위로 냉각하여 연속주조함을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 고 쾌삭 스테인레스강의 제조방법.