KR0161612B1 - 산화물계 개재물 초미세 분산강 - Google Patents

산화물계 개재물 초미세 분산강

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다나까 미노루
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Abstract

중량%로서, C : 1.2% 이하, Al : 0.01-0.10%, 전산소 : 0.0050중량% 이하, 및 하기[1]식의 관계를 만족하는 Mg를 함유하고, 또한 바람직하게는 강중의 산화물계 개재물의 개수비율이 하기[2]식을 만족하는 강.
[전산소 중량% × 0.5]전 Mg 중량% [전산소 중량% × 7.0] -- [1]
[MgO·Al2O3개수 + MgO 개수]/전산화물계 개재물 개수

Description

[발명의 명칭]
산화물계 개재물 초미세 분산강
[기술 분야]
본 발명은 산화물계 개재물을 미세하게 분산시킨 강에 관한 것으로서, 산화물계 개재물에 의한 악영향을 받지 않는 양질의 특성을 갖는 강을 제공하는 것이다.
[배경 기술]
최근, 강재에 요구되는 품질은 그 표준이 점차 엄격해지고 또한 다양화하고 있고, 더욱 특성이 우수한 강의 개발이 강력히 요망되고 있다. 강재중의 산화물계 개재물, 특히, 알루미나[Al2O3]계 개재물은 타이어 코드등 선재의 단선원인, 베어링강의 봉강에서는 구름접촉 피로특성의 악화원인, 더욱이 캔 등에 사용되는 박강판에서는 프레스시 균열의 원인이 되는 것으로 알려져 있다. 이 때문에, 강재중에서의 악영향도를 경감하기 위하여 알루미나계 개재물 함유량이 적은 강, 또는 알루미나계 개재물을 개질하여 무해화한 강이 요구되고 있다.
알루미나계 개재물 함유량이 적은 강을 제조하는데 있어서는, 알루미나계 개재물이 강의 정련공에서 생성되므로, 이 공정에서 강의 알루미나계 개재물을 극력 제거하는 시도가 있었다. 그 시도의 개요는 1988년 11월, 일본철강협회 발행의 제126·127회 니시야마 기념기술강좌 리포트 고청정강 제11-제15페이지에 상술되어 있고, 더욱이 제12페이지의 표 4에는 기술요약이 되어 있다. 이 서류에 의하면, 제거 기술은 1] 탈산생성물인 용강중 알루미나의 저감기술, 2] 공기산화물 등에 의해 생성되는 알루미나의 억제 방지기술, 3] 내화물등으로부터 혼입하는 알루미나계 개재물의 저감기술로 대별할 수 있다. 실제의 공업 프로세스에 있어서는, 상기 분류된 요소기술을 서로 적절히 조합시켜 알루미나계 개재물의 저감을 도모하고 있는 현상이다. 이에 의해, 용강중의 알루미나계 개재물 함유도의 척도인 전[全] 산소[T.O.] 함유량을 이하의 레벨까지 저감하는 것이 가능하게 되었다.
C 함유량 1중량% 정도의 고탄소강 ; T.O. 함유량 5 내지 7ppm
C 함유량 0.5중량% 정도의 중탄소강 ; T.O. 함유량 8 내지 10ppm
C 함유량 0.11중량% 정도의 저탄소강 ; T.O. 함유량 10 내지 13ppm
한편, 알루미나계 개재물을 개질하여 무해화하는 시도는, 예컨대, 본 발명자로부터 일본국 특허출원 평3-55556호에서 제안된 방법등이 열거된다. 이 방법은, 용강과 플럭스를 접촉시켜, 용강중의 산화물계 개재물의 융점을 1500℃ 이하로 하고, 또한 당해 용강으로부터 얻어진 주편을 850-1350℃로 가열한 후, 압연하는 것이다. 이에 의해, 개재물은 강과 같은 정도로 변형하여 장타원형으로 되며, 그 결과 개재물에의 응력집중이 억제되고, 제품단계에서 개재물에 기인한 결함을 방지할 수 있다.
그러나, 상기 알루미나계 개재물의 제거기술 및 무해화 기술을 구사하여도, 산화물계 개재물은 제품단계에서 종종 결함을 야기한다. 그러므로, 이 문제는 기술적으로 상당한 장벽이 되어 왔다. 한편, 강재에 요구되는 산화물계 개재물 레벨은 더욱 엄격해질 것을 예상할 수 있다.
산화물계 개재물의 악영향이 완전히 제거된 양질의 강의 개발이 강력히 요망되고 있다.
[발명의 개시]
본 발명은 이상과 같은 문제점을 해소하고, 또한 현 상황의 요청에 따른 것으로서, 새로운 개념을 도입함으로써, 산화물계 개재물을 완전히 무해화한 양질의 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의하면, 하기의 산화물계 개재물 초미세 분산강이 제공된다.
중량%로서, C : 1.2% 이하, Al : 0.01-0.10%, 전산소 : 0.0050중량% 이하, 및 하기[1]식의 관계를 만족하는 Mg를 함유하는 산화물계 개재물 초미세 분산강:
전 Mg 중량% [전산소 중량% × 7.0] --[1]
또한, 상기 강에 있어서, 산화물계 개재물의 개수비율이 하기[2]식을 만족하는 산화물계 개재물 초미세 분산강이 제공된다.
0.8 -- [2]
본 발명 강의 기본개념은, 산화물계 개재물을 강중에 매우 미세하게 분산시켜, 강재의 품질에 대한 개재물의 악영향을 회피하는데 있다. 즉, 강재중의 산화물계 개재물의 크기가 클수록, 그 부분에 응력이 집중하기 쉽게 되고, 결함을 야기하기 쉽다. 따라서, 본 발명자들은 개재물을 작고 미세하게 분산시키는 것을 착상하였다. 이 결과, Al을 함유하는 실용탄소강에 있어서, 전산소[T.O.] 함유량에 따라, Mg을 적정량 첨가한 산화물계 개재물 미세 분산강을 개별하는데 이르렀다.
이 개념의 원리는, Mg를 첨가하여, 산화물 조성을 Al2O3로부터 MgO·Al2O3또는 MgO로 변환함으로써, 산화물의 응집을 방지하고, 이들의 미세분산을 도모하는 것이다. MgO·Al2O3또는 MgO는 Al2O3와 비교하여, 용강과의 접촉에 있어서의 계면 에너지가 작기 때문에, MgO·Al2O3및 MgO의 응집이 제한되어 미세분산이 달성된다.
제한된 량의 각각의 탄소 및 알루미늄을 선택하는 이유에 대하여 이하에 설명한다.
본 발명에서, 강은 전술한 바와 같이, Mg를 첨가함으로써, 산화물 조성을 Al2O3로부터 MgO·Al2O3또는 MgO로 변환된다. 그러나, 탄소가 1.2중량%를 초과하는 탄소강에서는, 첨가한 Mg가 탄소와 탄화물을 현저하게 생성하므로, Al2O3로부터 MgO·Al2O3또는 MgO로의 변환이 가능하지 않고, 본 발명의 목적이 달성되지 않는다. 따라서, 탄소 함량은 1.2중량% 이하로 제한한다.
한편, Al은 강의 결정입자의 크기를 조정하는 필요 성분이다. Al 함유량이 0.01중량% 미만이면, 결정입자의 미세화가 불충분하고, 0.10중량%를 초과하여도 그 이상의 효과는 기대할 수 없다.
다음에, 전산소[T.O.] 량을 제한하는 이유에 대하여 설명한다.
본 발명에 있어서, T.O. 함유량이란, 강중의 용존 산소량과 산화물[주로, 알루미나]을 형성하고 있는 산소함유량의 합이지만, T.O. 함유량은 산화물을 형성하고 있는 산소함유량에 거의 일치한다. 따라서, T.O. 함유량이 높을수록 강은 개질되어야할 Al2O3를 많이 함유한다. 이러한 이유로, 본 발명자들은 본 발명의 효과가 기대될 수 있는 한계 T.O. 함유량에 대해서 검토하였다. 그 결과, T.O. 함유량이 0.0050중량%를 초과하면, Al2O3량이 너무 많아지고, Mg를 첨가하여도 강중의 Al2O3전량을 MgO·Al2O3또는 MgO로 변환할 수 없고, 강재중에 알루미나가 존재하는 것이 판명되었다. 그러므로, 본 발명 강에 있어서는, T.O. 함유량을 0.0050중량% 이하로 할 필요가 있다.
Mg의 함유량을 제한하는 이유에 대해 설명한다.
Mg는 강탈산원소이고, 강중의 Al2O3와 반응하여 Al2O3의 산소를 빼앗고, MgO·Al2O3또는 MgO를 생성하기 위하여 첨가된다. 이러한 목적으로, Al2O3량 즉, T.O. 중량%에 따라, 일정량 이상의 Mg를 첨가하여야 한다. 그렇지 않으면, 미반응 Al2O3가 잔존한다. 이점에 관하여, 실험을 반복한 결과, 전 Mg 중량%를 T.O. 중량% × 0.5 이상으로 함으로써, 미반응 Al2O3의 잔존을 회피하고, 산화물을 완전히 MgO·Al2O3또는 MgO로 변환할 수 있는 것이 판명되었다. 그러나, 전 Mg 중량%를 T.O.% × 7.0을 초과하여 첨가하면, Mg 탄화물 및 Mg 황화물이 형성되고, 이것은 재질상 바람직하지 않다. 이상으로부터, Mg 함유량의 최적범위는, T.O. 중량% × 0.5전 Mg 중량% T.O. 중량% ×7.0이다, 또한, 전 Mg 함유량이란 강중의 가용 Mg 함유량과 산화물을 형성하고 있는 Mg 함유량 및 그외의 Mg 화합물[불가피적으로 생성]을 형성하고 있는 Mg 함유량의 합이다.
다음에, 산화물계 개재물의 개수 비율을 규정한 이유에 대해 설명한다.
강의 정련공정에서는 일부 불가피적인 혼입에 의한 본 발명 범위의 산화물계 개재물, 즉, MgO·Al2O3또는 MgO 이외의 산화물계 개재물이 존재한다. 이러한 산화물계 개재물의 개수 비율을 전체 산화물계 개재물의 개수의 20% 미만으로 제한함으로써, 산화물계 개재물의 미세분산이 고위의 안정화와와 더불어 달성됨으로써, 강재의 품질이 더욱 향상된다. 따라서, 다음의 제한이 이루어졌다:
[MgO·Al2O3개수 + MgO 개수]/전산화물계 개재물 개수0.8
비록, 본 발명의 기본 개념은 강의 T.O. 중량%에 따라, Mg를 적정량 첨가하는 것이지만, 이미 일본국 특허공보 소46-30935호 및 일본국 특허공보 소55-10660호에 Mg 첨가강이 제안되어 있다. 일본국 특허공보 소46-30935호에 개시된 강은, 쾌삭강 부여 원소로서, Mg 나 Ba, 또는 그의 양자를 0.0003-0.0060% 첨가 함유시킨 쾌삭강이다. 또한, 일본국 특허공보 소55-10660호에 개시된 강은, Ca 0.001-0.006%, 또는 Ca 0.001-0.0006% 및 Mg 0.0003-0.003% 함유시킨 쾌삭성 고탄소 고크롬 베어링 합금이다.
양 제안은 쾌삭강에 관한 것이고, Mg 첨가의 목적이 쾌삭성 부여이며, 본 발명과는 다르다. 따라서, 양 제안 강에서는 T.O. 중량%에 따라, Mg 첨가량을 제어하는 기술사상을 포함하지 않고, 본 발명 강과는 완전히 다른 강을 제공한다.
본 발명강의 제조방법은 특별히 한정되지 않는다. 즉, 모재용강의 용융은 고로/전로법 또는 전기로법의 어느 것에 의해서도 행할 수 있다. 더욱이, 모재용강에의 성분첨가도 특정 방법에 제한되지 않는다. 첨가성분은 각각의 함유금속 또는 그의 합금의 형태로 모재용강에 첨가되고, 첨가 방법도 자연낙하에 의한 첨가법, 불활성가스에 의한 블로잉법, Mg 원을 충진한 철제 와이어를 용강중에 공급하는 방법등에서 자유로이 채용할 수 있다. 아울러, 모재용강으로부터 강괴를 제조하고 이 강괴를 압연하는 처리방법도 특별히 한정되는 것은 아니다. 이하에 본 발명의 실시예 및 비교예를 기술하고, 본 발명의 이점에 대하여 기재한다.
[시험예]
[발명예 1]
고로에서 배출된 용선에 탈인 및 탈황 처리를 행하였다. 이어서, 당해 용선을 전로에 충전하여 산소 블로잉[blowing]을 실시함으로써, 소정의 C[탄소], P[인], S[황] 함유량의 모재용강을 얻었다. 이 모재용강을 레이들[ladle]에 배출하는 동안 및 진공 탈가스 처리중에 Al, Si, Mn 및 Cr을 모재용강에 첨가하였다. 진공탈가스 처리 후, 용강을 함유하는 레이들 또는 연속주조용 턴디시 또는 연속주조용 몰드에서 Mg 합금을 용강에 첨가하였다. Mg 합금으로서는, Mg 함유량 0.5-1.0중량%의 Si-Mg, Fe-Si-Mg, Fe-Mn-Mg, Fe-Si-Mn-Mg 합금, 및 Mg 함유량 5-70중량%의 Al-Mg 합금의 1종류 이상을 이용하였다. 이들 Mg 합금은 사이즈가 1.5mm 이하인 입상이고, 첨가방법은 입상 Mg 합금을 충전한 철제 와이어를 용강중에 공급하는 방법, 또는 입상 Mg 합금을 불활성가스와 함께 인젝션하는 방법으로 용강에 첨가하였다. 이와 같이 하여 얻어진 용강으로부터 연속주조법에 의해 주편을 제조하였다. 당해 주편을 선재압연하고, 표 1에 나타내는 화학성분을 갖는 스프링용 선재[직경 10mm]를 제조하였다. 이 선재중에 함유된 산화물계 개재물은 MgO·Al2O3또는 MgO 뿐이고, 그의 사이즈는 원상당직경으로 6μ 이하로 매우 미세하였다. 또한, 선재의 회전 굽힘 피로시험을 행하였다. 그 결과, 본 발명예의 피로수명은 Mg를 첨가하지 않은 비교예의 피로수명에 비하여 길었다. 산화물계 개재물의 사이즈 및 확인된 개재물 조성, 그리고 회전 굽힘 피로시험 결과를 함께 표 1에 나타내었다.
[비교예 1]
발명예 1과 사실상 동일한 방법으로 표 1에 나타낸 스프링용 선재를 제조하였다. 단, 이 경우에는 진공탈가스 처리후의 Mg 첨가를 행하지 않으 경우, Mg 첨가량[첨가법은 발명예와 사실상 동일]을 본 발명에 따른 적정 Mg 중량%의 하한 이하로 한 경우, 및 상한을 초과하는 경우의 3가지 유형의 재료를 제조하였다.
이렇게 얻어진 스프링용 선재의 개재물의 조사 및 그들의 회전 굽힘 피로시험을 행하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 그 결과는 발명예 1에 비하여 바람직하지 못한 것이었다.
* 주1 : 발명예와 비교예 모두 이하의 화학성분을 함유한다.
P : 0.010-0.012%, S : 0.009-0.011%, Cr : 0.07%
* 주2 : O와 Mg는 각각 전산소함유량과 전 Mg 함유량을 나타낸다.
* 주3 : 산화물 개수비율=[AlO·MgO 개수 + MgO]개수/전산화물개수.
100mm 에 존재하는 산화물 개수를 측정하였음.
* 주4 : 회전 굽힘 피로수명은 비교예 1의 값을 1로 한 상대치임.
[발명예 2]
발명예 1과 사실상 동일한 방법에 의해 C 함유량 0.06-0.07 중량%의 Mg 첨가용제를 제조하였다. 이렇게 얻어진 용강으로부터 연속주조법에 의해 주편을 제조하였다. 당해 주편을 압연하여, 표 2에 나타낸 화학성분을 갖는 박강판[폭 2000mm와 두께 1.5mm]을 제조하였다. 이 강판중에 함유된 산화물계 개재물은 MgO·AlO또는 MgO 뿐이고, 이들의 사이즈는 원상당직경으로 13μ 이하로 매우 미세하였다. 또한, 당해 강판을 냉간압연하여 두께 0.5mm의 박강판 100톤을 제조한 결과, 균열은 거의 발생하지 않았다. 산화물계 개재물의 사이즈 및 확인된 개재물 조성, 그리고 균열 발생상황을 함께 표 2에 나타내었다.
[비교예 2]
발명예 2와 사실상 동일한 방법으로 표 2에 나타낸 박강판을 제조하였다. 단, 이 경우에는 RH 처리후의 Mg 첨가를 행하지 않은 경우, Mg 첨가량[첨가법은 발명예 2와 사실상 동일]을 본 발명에 따른 적정 Mg 중량%의 하한 이하로 한 경우, 및 상한을 초과하는 경우의 3가지 유형의 강을 제조하였다. 이렇게 얻어진 박강판의 개재물의 조사 및 균일 발생상황을 표 2애 나타내었다. 이 결과는 발명예 2의 것과 비교하여 바람직하지 못하였다.
* 주1 : 발명예와 비교예 모두 이하의 화학성분을 함유한다.
P : 0.007-0.010%, S : 0.005-0.006%
* 주2 : O와 Mg는 각각 전산소함유량과 전 Mg 함유량을 나타낸다.
* 주3 : 산화물 개수비율=[AlO·MgO 개수 + MgO]개수/전산화물개수.
100mm 에 존재하는 산화물 개수를 측정하였음.
* 주4 : 균열발생은 냉간압연 1000톤당의 발생개수임.
[발명예 3]
발명예 1과 사실상 동일한 방법에 의해, 탄소함유량 0.98-1.01 중량%의 Mg 첨가 용강을 제조하였다. 얻어진 용강으로부터 연속주조법에 의해 주편을 제조하였다. 당해 주편을 봉강 압연하고, 표 3에 나타낸 화학성분을 갖는 베어링강[직경 65mm]을 제조하였다. 이 강재중에 함유된 산화물계 개재물은 MgO·AlO또는 MgO 뿐이고, 이들의 사이즈는 원상당직경으로 4.0μ 이하로 매우 미세하였다. 또한, 당해 강재의 구름접촉 피로시험을 행한 결과, 표 3에 나타낸 양호한 결과가 얻어졌다. 산화물계 개재물의 사이즈 및 확인된 개재물 조성을 함께 표 3에 나타내었다.
[비교예 3]
발명예 3과 사실상 동일한 방법으로 표 3에 나타낸 베어링강을 제조하였다. 단, 이 경우에는 RH 처리후의 Mg 첨가를 행하지 않은 경우, Mg 첨가량[첨가법은 발명예 3과 사실상 동일]을 본 발명에 따른 적정 Mg 중량%의 하한 이하로 한 경우, 및 상한을 초과하는 경우의 3가지 유형의 강을 제조하였다. 이렇게 얻어진 베어링강의 개재물의 사이즈 및 조성과, 구름접촉 피로시험의 결과를 표 3에 나타내었다. 이 결과는 발명예 3의 것과 비교하여 바람직하지 못하였다.
* 주1 : 발명예와 비교예 모두 이하의 화학성분을 함유한다.
P : 0.007-0.010%, S : 0.005-0.006%, Cr : 1.07-1.10%
* 주2 : O와 Mg는 각각 전산소함유량과 전 Mg 함유량을 나타낸다.
* 주3 : 산화물 개수비율=[AlO·MgO + MgO]개수/전산화물개수.
100mm 에 존재하는 산화물 개수를 측정하였음.
* 주4 : 구름접촉 피로시험 결과는 비교예 1의 값을 1로 한 상대치임.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 강중의 산화물계 개재물 생성을 AlO로부터 MgO·AlO또는 MgO로 변환하고, 또한 불가피하게 혼입하는 산화물계 개재물 개수비율을 제한함으로써, 강중의 산화물계 개재물의 크기를 종래기술로는 얻을 수 없었던 레벨의 사이즈까지 미세화하는 것이 가능하게 되었다. 이에 의해, AlO계 개재물의 바람직하지 않은 영향을 제거한 양질의 강재의 공급이 가능하게 되었다. 이 효과는 산업계에서 매우 유익하다.
[산업상 이용가능성]
산화물계 개재물을 미세하게 분산시킨 본 발명강은, 통상강의 기계적강도에 악영향을 미치는 개재물이 무해화되었기 때문에, 양질의 구조용 재료로서 사용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 중량%로서, C : 1.2% 이하, Al : 0.01-0.10%, 전산소 : 0.0050중량% 이하, 및 하기[1]식의 관계를 만족하는 Mg를 함유하는 산화물계 개재물 초미세 분산강:
    [전산소 중량% × 0.5]전 Mg 중량% [전산소 중량% × 7.0] -- [1]
  2. 중량%로서, C : 1.2% 이하, Al : 0.01-0.10%, 전산소 : 0.0050중량% 이하, 및 하기[1]식의 관계를 만족하는 Mg를 함유하고,
    [전산소 중량% × 0.5]전 Mg 중량% [전산소 중량% × 7.0] -- [1]
    산화물계 개재물의 개수비율이 하기[2]식
    [MgO·Al2O3개수 + MgO 개수]/전산화물계 개재물 개수0.8 -- [2]을 만족하는 산화물계 개재물 초미세 분산강.
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