KR100513992B1

KR100513992B1 - 저탄소 쾌삭강

Info

Publication number: KR100513992B1
Application number: KR10-2003-0006838A
Authority: KR
Inventors: 마츠이나오키; 오카다야수타까; 와타리코지
Original assignee: 스미토모 긴조쿠 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2005-09-09
Also published as: JP2003226933A; JP3758581B2; EP1335035A1; TW200302872A; DE60300506D1; CN1210432C; TWI228149B; DE60300506T2; EP1335035B1; US20030152476A1; KR20030066448A; CN1436875A

Abstract

납을 함유하지 않고, 종래의 납함유 쾌삭강 이상의 피삭성을 갖는 이하와 같은 저탄소 유황쾌삭강을 제공한다.

질량%로, C : 0.05∼0.19%, Mn : 0.4∼2.0%, S : 0.21∼1.0%, Ti : 0.03∼0.30%, Si : 1.0% 이하, P : 0.001∼0.3%, Al : 0.2% 이하, O(산소) : 0.0010∼0.050% 및 N : 0.0001∼0.0200%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, Ti와 S의 함유량이 하기 ①식을 만족하고, Mn과 S의 원자비가 하기 ②식을 만족하며, 또한 Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS를 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

Ti(질량%)/S(질량%) < 1 …①

Mn/S ≥1 …②

상기의 성분에 더하여 Se, Te, Bi, Sn, Zr, Ca, Mg 및 희토류원소로 이루어지는 그룹, 및 Cu, Ni, Cr, Mo, V 및 Nb로 이루어지는 그룹의 한쪽 또는 양쪽으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 함유하여도 좋다.

Description

저탄소 쾌삭강{LOW-CARBON FREE CUTTING STEEL}

본 발명은 Pb를 함유하지 않으면서도, 종래의 납쾌삭강 및 납과 다른 쾌삭원소를 병용한 복합쾌삭강보다 우수한 피삭성과 열간가공성을 갖는 저탄소 쾌삭강에 관한 것이다.

종래, 강도를 그다지 필요로 하지 않는 연질(軟質)의 소(小)물품에는 생산성 향상을 위해서 피삭성이 우수한 강재, 소위 쾌삭강이 사용되고 있다. 가장 잘 알려져 있는 쾌삭강은 S를 다량 첨가하여 MnS에 의해 피삭성을 개선한 유황쾌삭강, Pb를 첨가한 납쾌삭강 및 S와 Pb의 양자를 포함하는 복합쾌삭강이다. 특히, Pb를 포함하는 쾌삭강은 절삭칩절단성이 우수하고, 공구수명의 연장에 기여한다. 더욱이, 피삭성 개선의 목적으로 Te(텔루르)나 Bi(비스무스) 등을 함유하는 쾌삭강도 있다. 이들은 자동차부품, 퍼스널컴퓨터 주변기기부품을 비롯하여, 전기기기부품이나 금형 등의 각종 기계부품에 대량으로 사용되고 있다.

최근, 절삭기계의 성능 향상에 따라서 절삭작업의 고속도화가 가능하게 되었다. 그것과 함께, 상기와 같은 부품의 소재로 되는 강재에도, 고속절삭가공시의 피삭성 향상이 요망되고 있다.

강재의 피삭성으로서는, 공구수명을 연장하기 위한 피삭성과 함께, 절삭의 분단성(分斷性), 요컨대 절삭칩처리성이 중요시된다. 이 절삭칩처리성은 가공라인의 자동화를 위하여 없어서는 안되는 것으로, 생산성 향상을 위해서는 필수적이기 때문이다.

납쾌삭강 및 납과 다른 피삭성 개선원소를 병용한 복합쾌삭강은, 상기의 피삭성이 가장 우수하다고 여겨지고 있었다. 그러나, Pb를 포함하는 강재는 그 제조과정에 있어서 큰 규모의 배기설비를 필요로 한다. 또한, 환경보전을 위해서 Pb의 사용을 억제하는 움직임이 높아짐과 동시에 Pb를 함유하지 않는 쾌삭강이 강하게 요망되고 있다.

상기의 요망에 따르기 위해서, 납쾌삭강에 대신한 것으로서 저탄소 유황쾌삭강에 있어서는 S함유량을 증가시켜, 강 중의 MnS량을 증가시키므로써 피삭성을 개선하는 기술이 제안되고 있다. 그러나, S함유량의 증가는 강의 열간가공성을 악화시킨다. 또한, 고(高)S쾌삭강에서도, 절삭속도가 150m/min 이상과 같은 고속절삭 시에 있어서는, 공구수명의 연장효과가 부족하여, 납쾌삭강에 필적하는 피삭성은 얻어지지 않는다.

특개2000-319753호 공보에는, 0.4%를 넘는 S를 함유시켜 MnS를 증량하였고, Pb를 첨가하지 않은 저탄소 유황계 쾌삭강이 개시되어 있다. 이와 같은 강에서는, 어느 정도의 공구수명의 개선은 확인되었지만, 고속절삭가공시에는 그 효과가 작다. 또한, 그 강은 공구수명과 함께 피삭성의 요소로서 중요시되는 절삭칩처리성이 개선되지는 않았고, 종래의 유황쾌삭강의 성능을 크게 변화시키는 것은 아니다.

특개소50-20917호 공보에는, 0.5% 이하의 C, 0.3∼0.75%의 S, 0.1∼0.5%의 Ti를 함유하는 강으로서, Ti량이 S량을 넘지 않는다는 유황쾌삭강이 개시되어 있다. 이 강은, 황화철을 주로 활용하고, 이것에 Ti를 첨가하므로써 황화철 중에 Ti와 Mn을 고용(固容)시켜 피삭성을 개선한 것이다. 그러나, 이 강의 C함유량은, 실시예의 기재로부터 명확한 바와 같이, 0.24% 이상이다. 상기 공보에는, C가 0.19% 이하의 저탄소강에 있어서 황화물의 조성형태를 제어하므로써 현격한 피삭성이 얻어지는 것에 관한 기재는 일절 없다. 또한, 적당량의 Ti 및 Mn을 고용한 황화철을 주체로 하여 피삭성의 개선을 도모하고 있지만, 후술하는 본원 발명강과 같은 저탄소계 쾌삭강이나 복합쾌삭강과 비교하여, 충분한 피삭성을 갖는 것은 아니다. 더욱이, 상기 공보에 개시된 강은 황화철의 조성제어가 곤란하여 충분한 열간가공성이 얻어지지 않으므로, 연속주조설비 등으로 제조하는 것은 곤란하여 실용적이지 못하다.

특개평09-53147호 공보에는, C : 0.01∼0.2%, Si : 0.10∼0.60%, Mn : 0.5∼1.75%, P : 0.005∼0.15%, S : 0.15∼0.40%, O(산소) : 0.001∼0.010%, Ti : 0.0005∼0.020%, N : 0.003∼0.03%를 함유하고, 초경공구에 대한 피삭성이 우수한 쾌삭강이 개시되어 있다. 이 조성범위로 하는 것에 의해, 어느 정도의 공구수명의 개선을 도모하는 것은 가능하지만, Ti량의 상한이 0.02%로 적기 때문에, 충분한 공구수명이 얻어지지 않을 뿐만 아니라, 공구수명과 함께 중요시되는 우수한 절삭칩처리성이 확보될 수 없다.

특개2001-107182호 공보 및 특개2001-152281호, 특개152282호 및 특개152283호 의 각 공보에는 주요성분으로서 C : 0.05% 미만, Mn : 0.1∼4.0%, S : 0.15∼0.5%, Cr : 0.5%미만, Ti : 0.003∼0.3%, B : 0.0003∼0.004%를 함유시킨 강철이 개시되어 잇다. 상기 강은 황화물의 주위에 B를 편석시키므로써 절삭칩처리성을 향상시킴과 동시에, C를 0.05% 미만으로 하므로써 피삭성을 개선한 쾌삭강이다. 그러나, C가 0.05% 미만이므로 절삭 중에 파열을 일으켜서 마무리면이 나쁘고, 충분한 피삭성이 얻어지지 않는다.

특개2001-294976호 공보에는, C : 0.02∼0.15%, Mn : 0.3∼1.8%, S : 0.2∼0.5%를 함유하고, 더욱이 Ti : 0.1∼0.6%와 Zr : 0.1∼0.6% 중 적어도 1종을 함유하고, 또한 Ti+Zr이 0.3∼0.6%이고, 또한 (Ti+Zr)/S이 1.1∼1.5인 쾌삭강이 개시되어 있다. 이 강철은 상기의 조성으로 하는 것에 의해 열간에서의 변형저항이 높은 Ti나 Zr의 황화물을 생성시키고, 기계적 이방성(異方性)이나 피삭성을 개선한 것이다. 그러나, 변형저항이 높은 황화물에서는 절삭시에 황화물에 의한 유사적인 윤활효과는 얻어지기 어렵고, 절삭저항이 높게 되어, 피삭성의 개선효과에는 한계가 있다.

본 발명은, 납(Pb)을 함유하지 않으면서도, 이제까지의 납쾌삭강 및 납과 다른 피삭성 개선원소를 포함하는 복합첨가 쾌삭강 이상의 피삭성을 가지며, 또한 열간가공성도 우수한 저탄소 유황쾌삭강을 제공하는 것을 과제로 하여 이루어진 것이다.

본 발명자들은, 실질적으로 Pb를 함유하지 않는 저탄소 유황쾌삭강에 관해서 피삭성을 개선하기 위해서, Ti 첨가에 의한 개재물의 형태와 피삭성의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 다음에 서술하는 바와 같은 새로운 사실을 알아내었다.

① C함유량은 0.05∼0.19%로 하는 것이 좋다.

② 상기의 C함유량의 강 중에 함유되는 Mn과 S의 원자비가 Mn/S ≥1의 조건을 만족시키고, 또한 S함유량(질량%)을 넘지 않는 범위로 Ti를 함유시킨 경우에는, 대부분의 황화물은 Ti황화물이나 황화철이 아니라, MnS로 된다.

③ 상기 ②와 같이 한정된 조성에 있어서는, Ti는 MnS 중에 거의 고용되지 않으며, MnㆍTi황화물, 즉 (Mn, Ti)S를 형성하지 않는다. 그리고, Ti황화물이나 Ti탄황화물로서 MnS와는 별개의 상으로서 존재한다. 이 Ti계 개재물(황화물, 탄황화물)의 다수는, MnS중에 내재한 형태로 존재한다.

④ 상기 ③에 서술된 형태로 MnS와 Ti계 개재물이 존재하는 강재는, 고속절삭에 있어서 우수한 피삭성을 나타낸다. 즉, 예컨대 100m/min 이상의 고속도로 선삭(旋削)을 행하면, 공구표면에 MnS가 부착함과 동시에, 경질의 층상(層狀)을 나타내는 TiN이 형성된다. 이 TiN이 공구를 보호하는 것에 의해, 이제까지 가장 피삭성이 우수하다고 하였던 JIS SUM22L∼24L의 복합쾌삭강과 비교하여도, 훨씬 우수한 공구수명을 얻을 수 있다. 또한, 상기의 규정범위내에서 Ti를 첨가하므로써, 황화물은 미세하게 생성되고, 개수가 증대한다. 이들의 황화물이 절삭 중에 응력집중원으로 되어 균열전파(龜裂傳播)를 조장하기 때문에, 이제까지의 유황쾌삭강이나 Pb와의 복합쾌삭강에 비하여, 우수한 절삭칩처리성도 동시에 얻을 수 있다. 더욱이, 이 강은 열간가공성에 전혀 문제가 없으므로, 연속주조설비 등에 의해 제조하는 경우에도 어떠한 지장을 일으키지 않고, 실용성이 우수하다.

본 발명은 상기의 사실을 근거로 하여, 전술한 합금성분 이외의 성분에 관해서도 작용효과를 상세하게 검토하여 이루어진 것이므로, 그 요지는 하기 (1)∼(4)의 쾌삭강에 있다.

(1) 질량%로, C : 0.05∼0.19%, Mn : 0.4∼2.0%, S : 0.21∼1.0%, Ti : 0.03∼0.30%, Si : 1.0% 이하, P : 0.001∼0.3%, Al : 0.2% 이하, O(산소) : 0.0010∼0.050% 및 N : 0.0001∼0.0200%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, Ti와 S의 함유량이 하기 ①식을 만족하고, Mn과 S의 원자비(原子比)가 하기 ②식을 만족하며, 또한 강 중의 Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS를 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

Ti(질량%)/S(질량%) < 1 …①

Mn/S ≥1 …②

(2) 상기 (1)에 기재한 성분에 더하여, Se : 0.001∼0.01%, Te : 0.001∼0.01%, Bi : 0.005∼0.3%, Sn : 0.005∼0.3%, Ca : 0.0005∼0.01%, Mg : 0.0005∼0.01% 및 희토류원소 : 0.0005∼0.01%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 상기 ①식 및 ②식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

(3) 상기 (1)에 기재한 성분에 더하여, Cu : 0.01∼1.0%, Ni : 0.01∼2.0%, Cr : 0.01∼2.5%, Mo : 0.01∼1.0%, V : 0.005∼0.5% 및 Nb : 0.005∼0.1%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 상기 ①식 및 ②식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

(4) 상기 (1)에 기재한 성분에 더하여, Se : 0.001∼0.01%, Te : 0.001∼0.01%, Bi : 0.005∼0.3%, Sn : 0.005∼0.3%, Ca : 0.0005∼0.01%, Mg : 0.0005∼0.01% 및 희토류원소 0.0005∼0.01%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상과, Cu : 0.01∼1.0%, Ni : 0.01∼2.0%, Cr : 0.01∼2.5%, Mo : 0.01∼1.0%, V : 0.005∼0.5% 및 Nb : 0.005∼0.1%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 상기 ①식 및 ②식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

상기 (1)∼(4)의 쾌삭강은, 그 Si함유량이 0.1질량% 미만인 것이 바람직하다.

〔발명의 실시형태〕

1. Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS에 관해서

본 발명의 쾌삭강의 큰 특징의 하나는 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」를 포함하는 것이다.

Ti는 MnS 중에 미량으로 고용하여 (Mn, Ti)S로서 존재하여 얻어지지만, 그 MnS 중에 고용하는 Ti량은 미량이기 때문에, 이 황화물은 실질적으로 MnS이다. 한편, 이와 같은 MnS와는 분명하게 그 조성이 다르고, TiS 또는 Ti₄C₂S₂의 화학식으로 표시되는 Ti황화물 또는 Ti탄황화물이 존재한다. 이들의 다수는 MnS 중에 MnS와는 명백하게 상분리되어 존재한다.

상기와 같은 형태의 황화물이 존재하는 것은, 강재로부터 절단되어 꺼내어진 마이크로시험편에 대해서 EPMA(전자선 마이크로애널라이저)나 EDX(에너지 분산형 X선 분석장치) 등에 의해서 면(面)분석 및 정량분석을 행하는 것에 의해 파악할 수 있다.

도 1은 후술하는 표 1의 No.3의 강의 황화물을 EPMA에 의해 면분석을 한 결과를 나타낸 것이다. (a)에 도시된 것이 1개의 개재물이고, (b)∼(d)는 그 개재물중의 Ti, Mn 및 S의 존재를 나타낸다.

이들의 도면으로부터 명확한 바와 같이, Ti황화물 또는 Ti탄황화물은 1개의 황화물의 주변 부근에 존재하거나, MnS에 둘러싸인 형태로 존재하는 등, 그 존재형태는 다양하다. 이와 같이 1개의 MnS와 함께 Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 상분리되어 존재하고, 또한 1개의 황화물중의 MnS가 차지하는 면적율이 50% 이상인 황화물을, 본 발명에서는 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」로 정의한다.

1개의 MnS중에 내재하는 Ti황화물 및 Ti탄황화물의 조성 및 면적율은, 상기 EPMA 또는 EDX에 의해 확인할 수 있다. 또한, 강 중의 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」도 같은 방법으로 확인할 수 있고, 그 개수도 측정할 수 있다. 복수의 시야(視野)에서 측정한 개수를 1㎟당 개수로 환산하여, 그 평균치가 10개/1㎟ 이상이면, 우수한 피삭성이 얻어진다.

Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS를 포함하는 강을 절삭하면, 연질의 MnS가 피삭재와 공구와의 접촉면에 있어서 유사적인 윤활작용을 하고, 공구표면에는 TiN이 형성되어 공구를 보호한다. 즉, 절삭 중에 피삭재와 접촉하는 공구의 표면에 MnS와 함께 Ti황화물 또는 Ti탄황화물이 부착하고, 또한 절삭 중의 마찰에 의한 온도상승에 의해서 이들 Ti계 황화물이 분위기 중의 N(질소)와 반응하여, 두께 수㎛로부터 수십㎛의 층상을 나타내는 경질의 TiN이 형성되는 것이라 여겨진다. 그 존재는 절삭종료 후에 탄소계 오염물질(유분(油分) 등)을 Ar스퍼터링 등으로 제거한 공구표면에 관해서, AES(오제전자분광분석)나 EPMA에 의한 면분석 및 점(点)분석을 행하는 것에 의해 확인할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 조사한 결과, 층상의 TiN막의 표면적은 피삭재와 공구와의 접촉면적의 대략 10∼80%에 걸쳐서 존재하고, 남은 부분에는 MnS나 Fe가 부착하고 있거나, 또는 부착물이 없는 공구 매트릭스 그대로이다. 이와 같이 공구표면에 형성된 경질의 TiN막이 큰 공구보호효과를 가져오고, 공구의 내마모성이 향상되고, 그 수명이 길게 되는 것이다. 이 공구수명의 개선효과는 유황쾌삭강이나 Pb를 포함하는 복합쾌삭강보다 현격하게 크다.

본 발명강 중에는 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」외에, MnS, Ti황화물 및 Ti탄황화물이 미세한 개재물로서 존재한다. 즉, 전체 개재물 개수가 현저하게 많고, 이것이 절삭 시에 생성되는 절삭칩 중의 응력집중점으로서 작용하여, 균열전파를 조장하기 때문에 절삭칩 분단성도 향상되는 것이다.

강의 조성을 상기와 같이 조정하므로써, 강 중의 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」를 존재시킬 수 있다. 또, 이 MnS를 안정하게 존재시키기 위해서는, 주조 후, 1000℃ 이상의 충분히 높은 온도로 가열하여, 충분히 유지한 후에 단조하거나, 또는 같은 온도에서 노말라이징하는 것과 같은 열이력(熱履歷)을 부여하는 것이 바람직하다.

2. 화학조성의 한정이유

이하, 본 발명에 있어서 화학조성을 한정한 이유에 관해서 설명한다. 또, 성분함유량에 관한 %는 질량%를 의미한다.

C : 0.05∼0.19%

C는 강의 피삭성에 큰 영향을 미치는 중요한 원소이다. 피삭성이 중요시되는 용도의 강재의 경우, C함유량이 0.19%를 넘으면 강재의 강도가 높게 되어 피삭성이 열화한다. 그러나, C함유량이 0.05% 미만인 경우는, 강재가 지나치게 연질로 되고, 절삭 중에 균열을 생기게 하여, 오히려 공구마모를 촉진하는데다가 절삭칩처리성이 열화한다. 따라서 C를 0.05∼0.19%의 범위로 한정하였다. 또, 더 바람직한 피삭성을 얻기 위한 C량의 보다 적정한 범위는 0.05∼0.17%이다.

Mn : 0.40∼2.0%

Mn은 S와 함께 황화물계 개재물을 형성하여 피삭성에 큰 영향을 미치는 중요한 원소이다. 0.40% 미만에서는 황화물로서의 절대량이 부족하여 만족스런 피삭성을 얻을 수 없다. 또한, 2.0%를 넘으면, 강재의 강도가 상승하므로 절삭저항이 높게 될 뿐 아니라, 공구수명을 저하시킨다. 더욱이 절삭저항의 저감, 공구수명의 향상, 절삭칩처리성의 향상, 열간가공성의 개선을 도모하기 위해서도 S량과의 관계가 중요하다. 즉, 그 양은 원자비로 Mn/S ≥1의 관계를 유지하지 않으면 안된다. 또, 이들의 성능을 확실하게 얻기 위해서는 Mn함유량은 0.6∼1.8%로 하는 것이 바람직하다.

S : 0.21∼1.0%

S는 Mn 또는 Ti와 함께 황화물 또는 탄황화물을 형성하여 피삭성을 개선하는데에 유효한 필수첨가원소이다. 특히 MnS에 의한 피삭성 향상효과는 그 생성량에 따라서 향상된다. 그러나, 0.21% 미만에서는 충분한 양의 황화물계 개재물이 얻어지지 않아, 만족스런 피삭성은 기대할 수 없다. 통상, S의 함유량이 0.35%를 넘으면 강의 열간가공성을 열화시키고, 강괴 중앙부에서의 S편석이 생기며, 단조 시에 균열을 유발한다. 그러나, 본 발명에서 정해진 조성을 유지하면, 이와 같은 폐해 없이, S함유량의 상한을 1.0%까지 높게 할 수 있다. 제조시의 수율을 고려하면, S함유량의 바람직한 상한은 0.70%이다.

Ti : 0.03∼0.30%

Ti는 S나 C와 함께 Ti황화물 또는 Ti탄황화물을 형성하고, 이들이 MnS에 내재하는 형태로 존재하는 것에 의해 강의 피삭성 및 열간가공성이 개선된다. 따라서, 본 발명강에 있어서는 중요한 필수 원소이다. Ti는 Mn과 비교하여도 강력한 황화물 생성원소이고, 함유량이 0.03% 이상이면 Ti황화물 또는 Ti탄황화물을 형성하여, MnS 중에 내재하는 형태로 존재하므로 피삭성을 개선하는 효과는 충분히 얻어진다. 0.03% 미만에서는 그 효과는 불충분하다. 한편, Ti가 0.30%를 넘으면 황화물로서 경질의 Ti황화물 또는 Ti탄황화물이 많아져서, 절삭저항을 높여 피삭성을 열화시킨다. 보다 바람직한 Ti함유량의 상한은 0.10%이다.

Si : 1.0% 이하

Si는 탈산원소로서 강 중의 산소량을 조정하는데에 유용하다. 그러나, 그 함유량이 1.0%를 넘으면 강의 열간가공성을 열화시키고, 또한 페라이트상을 고용강화하기 때문에 절삭저항이 높게 되어 피삭성을 훼손시킨다. 따라서, Si함유량의 상한을 1.0%로 하거나, 0.1% 미만으로 억제하는 것이 한층 바람직하다. 또, 탈산을 위해서는 Si함유량은 0.001% 이상인 것이 바람직하지만, 실질적으로 0%이어도, 후술하는 Al의 첨가 등으로 강 중 산소량이 적절한 범위로 조정될 수 있으면, 피삭성의 열화는 생기지 않는다.

P : 0.001∼0.3%

P는 0.3%를 넘으면 강괴의 편석을 조장하고, 또한 열간가공성을 열화시킨다. 따라서, 함유량의 상한을 0.3%로 하였다. 다른 한편, P는 피삭성 개선효과를 갖는 원소이므로, 이 효과가 얻어지기 위해서 하한을 0.001%로 하였다. 보다 바람직한 P의 함유량은 0.01∼0.15%이다.

Al : 0.2% 이하

Al은 강력한 탈산원소로서 사용되고, 0.2%까지는 함유되어 있어도 좋다. 그러나 탈산에 의해 생성되는 산화물은 경질로서, Al함유량이 0.2%를 넘으면 경질산화물이 대량 생성되어, 피삭성을 열화시킨다. 보다 바람직한 것은 0.1% 이하로 하는 것이다. 또, 상기의 Si에 의해 충분한 탈산이 가능한 경우에는, Al의 첨가는 불필요하고, 그 함유량은 실질적으로 0(영)%이어도 좋다.

O(산소) : 0.0010∼005%

강 중에 적절한 양의 산소를 함유시키면, 그 산소는 MnS 중에 고용하여 압연에 의한 MnS의 연신을 방지할 수 있어, 기계적 성질의 이방성을 작게 한다. 더욱이 피삭성 및 열간가공성의 개선에도 기여하고, S의 편석방지에도 유효하다. 따라서, 산소는 0.0010% 이상 함유시킨 것이 좋다. 그러나, 0.05%를 넘으면 용제 시에 있어서 내화물의 열화 손상을 초래하는 등의 폐해가 있다. 따라서, 상한을 0.05%로 하였다. 상기의 효과를 적절히 얻기 위한 보다 바람직한 범위는 0.005∼0.02%이다.

N : 0.0001∼0.0200%

N은 Al이나 Ti와 함께 경질의 질화물을 형성하고, 이들의 질화물은 결정입자를 미세화하는 효과를 갖는다. 이 효과는 N의 함유량이 0.0001% 이상에서 생긴다. 이들의 질화물이 대량으로 존재하면 피삭성이 열화하고, 또한 절삭공구의 마모가 크게 되지만, 본 발명강의 절삭 시에는 공구표면에 TiN이 형성되어 공구를 보호하기 때문에, 강 중에 어느 정도 양의 질화물이 존재하고 있어도 그 피삭성을 열화시키는 것은 아니다. 그러나, N량이 0.0200%를 넘으면 그 효과가 약해진다. 보다 긴 공구수명을 얻기 위해서는, 0.0150% 이하로 하는 것이 바람직하다. 공구수명을 더욱 더 연장하기 위해서는 0.0100% 이하로 하면 좋다.

본 발명강의 하나는, 상기의 성분 이외에 잔부가 Fe와 불순물로 이루어진 것이다.

본 발명의 또 하나는, 상기의 성분 이외에, 다음에 서술하는 제 1그룹의 원소 또는/및 제 2그룹의 원소의 1종 이상을 포함하는 강이다.

제 1그룹 원소는 Se, Te, Bi, Sn, Ca, Mg 및 희토류원소로 이루어지고, 이들은 강의 피삭성을 더 개선하는 것이다. 제 2그룹 원소는 Cu, Ni, Cr, Mo, V 및 Nb로 이루어지고, 이들은 강의 기계적 성질을 개선하는 것이다.

Se : 0.001∼0.01%, Te : 0.001∼0.01%

Se 및 Te는 Mn과 함께 Mn(S, Se) 또는 Mn(S, Te)를 생성하고, 피삭성 개선에 유효한 원소이다. 이들은 각각 0.001% 미만에서는 효과가 부족하다. 한편, Se, Te와 함께 0.01%를 넘으면 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 경제적이지 않으며 열간가공성이 열화한다.

Bi : 0.005∼0.3%, Sn : 0.005∼0.3%

Bi 및 Sn은 저융점 금속개재물로서 절삭 시에 윤활효과를 발휘하고, 피삭성을 개선한다. 그 효과는 각각 0.005% 이상에서 현저하게 된다. 다만, 그 함유량이 각각 0.3%를 넘으면 효과가 포화할 뿐만 아니라, 열간가공성이 열화한다.

Ca : 0.0005∼0.01%, Mg : 0.0005∼0.01%

Ca 및 Mg는 강 중의 S나 산소에 대해서 큰 친화력을 갖기 때문에, 이들과 황화물 또는 산화물을 형성함과 동시에 MnS 중에 고용하여 (Mn, Ca)S나 (Mn, Mg)S로서 존재한다. 또한, 이들 산화물을 생성핵으로 하여 MnS가 정출(晶出)하기 때문에, MnS의 연신을 억제하는 효과를 갖는다. 이와 같이, Ca 및 Mg는 황화물의 형태를 제어하여 피삭성을 개선하기 때문에, 필요에 따라서 첨가하여도 좋다. 이 효과를 확실하게 얻고 싶은 경우에는, Ca, Mg 모두 각각 0.0005% 이상 함유시키면 좋다. 다만, 0.01%를 넘어서 함유시켜도 효과는 포화한다. 또한, Ca도 Mg도 첨가수율이 낮기 때문에, 함유량을 많게 하기 위해서는 다량의 첨가를 필요로 하므로, 제조비용의 면에서도 바람직하지 않다. 따라서, 함유량의 상한은 각각 0.01%로 하였다.

희토류원소 : 0.0005∼0.01%

희토류원소는, 란타노이드로서 분류되는 원소군이다. 이것을 첨가하는 경우에는, 통상 이들을 주요성분으로 하는 미시메탈(misch metal) 등을 사용한다. 본 발명에서는 희토류원소의 함유량은, 희토류원소 중의 1종 또는 2종 이상의 원소의 합계 함유량으로 나타낸다. 희토류원소는 S 및 산소와 함께 황화물 또는 산화물을 형성함과 동시에, 황화물의 형태를 제어하여 피삭성을 향상시킨다. 그 효과를 확실하게 얻기 위해서는 0.0005% 이상 함유시키면 좋다. 그러나, 함유량이 0.01%를 넘으면 효과는 포화할 뿐만 아니라, Ca 및 Mg와 마찬가지로 첨가수율이 낮기 때문에 다량으로 함유시키는 것은 경제적이지 않다.

Cu : 0.01∼1.0%

Cu는 강의 담금질성을 향상시킨다. 그 효과를 얻고 싶은 경우에는 0.01% 이상 함유시키면 좋다. 그러나, 함유량이 1.0%를 넘으면 강의 열간가공성이 열화하고, 또한 피삭성의 저하를 초래한다.

Ni : 0.01∼2.0%

Ni에는, 고용강화에 의해서 강의 강도를 향상시키는 효과가 있고, 또한 담금질성의 향상이나 인성향상의 효과도 있다. 이 효과를 확실하게 얻기 위해서는 그 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 2.0%를 넘으면 피삭성의 열화를 초래함과 동시에 열간가공성도 열화한다.

Cr : 0.01∼2.5%

Cr에는 강의 담금질성을 개선하는 효과가 있다. 그 효과를 얻는데에는 0.01% 이상의 함유량이 바람직하지만, 2.5%를 넘으면 피삭성을 열화시킨다.

Mo : 0.01∼1.0%

Mo에는 강의 조직을 미세화하고, 인성을 개선하는 효과가 있다. 그 효과를 확실하게 얻기 위해서는 함유량을 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 다만, 1.0%를 넘으면 효과가 포화하며, 강의 제조비용이 상승한다.

V : 0.005∼0.5%, Nb : 0.005∼0.1%

V 및 Nb는 미세한 질화물이나 탄질화물로서 석출하여, 강의 강도를 높인다. 그 효과를 확실하게 얻기 위해서는, 각각 0.005% 이상 함유량으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, V는 0.5%, Nb는 0.1%를 각각 넘으면, 상기의 효과가 포화할 뿐만 아니라 질화물이나 탄화물이 과잉으로 생성되어, 피삭성의 열화를 초래한다.

3. ①식 및 ②식에 관해서

Ti함유량과 S함유량이 ①식을 만족할 필요가 있는 이유는 이하와 같다.

Ti는 상기와 같이 C 및 S와 함께 Ti황화물 또는 Ti탄황화물을 형성한다. 그 경향에서는, Mn황화물의 생성경향도 크다. Ti의 효과는 전술한 바와 같이, Ti계 개재물에 의해 절삭 시에 공구표면에 TiN을 형성하는 것에 의한 공구수명의 향상이다. 그런데, Ti황화물이나 Ti탄황화물은 MnS에 비하면 변형저항이 큰 가벼운 개재물이다. 따라서, Ti의 함유량이 S함유량 이상으로 되는 조성에서는, MnS의 생성량이 적게 되어 Ti황화물이나 Ti탄황화물이 주체로 되고, 절삭 시에 공구와 피삭재 사이의 황화물에 의한 유사적인 윤활효과가 얻어지지 않아서, 절삭저항이 급격하게 상승해 버린다. 절삭저항이 상승하면 공구수명이 짧게 될 뿐만 아니라, 가는 지름의 재료를 절삭하는 경우에 피삭재가 진동을 일으키는 등의 문제가 생긴다.

상기의 ①식을 만족하도록, 즉 「Ti(질량%)/S(질량%)」가 1보다도 작게 되도록 조정하므로써, Ti황화물이나 Ti탄황화물이 주요한 황화물로는 되지 않고, 황화물의 주체는 MnS로 된다. 이 경우에는, 상기와 같이, Ti황화물이나 Ti탄황화물이 주요황화물로 된 경우에 생기는 절삭저항이 상승하는 등의 문제가 없어, 공구수명이나 절삭칩처리성을 향상시키는 것이 가능하다.

Mn과 S의 원자비가 ②식을 만족할 필요가 있는 이유는 이하와 같다.

S는 열간단조 시에 균열을 유발시키는 원소이지만, 원자비로 Mn/S ≥1로 되는 조성을 유지하면, S는 Mn황화물로서 정출하여, 열간가공성에 악영향을 미치지 않는다.

Mn/S가 1 미만이어도, Ti와 S의 함유량을 상기 ①식을 만족하지 않도록 조정하면, Ti계 황화물이 생성되어, 열간가공성을 개선할 수 있다. 그러나, 그 경우에는, 상기와 같이 절삭저항의 증대, 공구수명의 단축 등과 같은 문제가 생긴다. 더욱이, Mn/S가 1 미만으로서, Ti를 S함유량을 넘지 않는 범위로 함유시킨 경우, 즉 상기 ①식은 만족하지만 ②식을 만족하지 않는 조성으로 한 경우, 개재물의 주체는, FeS가 MnS 및 TiS에 많이 고용된 황화물로 된다. 이들의 황화물은 FeS를 많이 고용하기 때문에 강의 열간가공성을 악화시키고, 연속주조법 등에 의해 제조하는 경우에는 조업조건의 제어가 어렵게 된다.

〔실시예〕

표 1 및 표 2에 나타내는 조성의 시험강을 고주파유도로를 사용하여 용제하고, 직경 220mm이고, 150kg인 강괴를 제작하였다. 이들의 주괴(鑄塊)를, 「Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS」를 안정하게 생성시키기 위해서, 1200℃의 고온까지 가열하여 2시간 이상 유지한 후, 1000℃ 이상으로 마무리 단조를 행하고, 공냉(AC)하여 직경 65mm의 환봉(丸棒)을 얻었다. 이 환봉에 950℃에서 1시간 유지하여 공냉(AC)하는 노말라이징을 실시하였다.

(1) 개재물의 조성(組成)형태의 조사

상기의 단신재(鍛伸材)의 Df/4(Df는 단신재의 직경)에 따른 부분의 종단면 방향으로부터 마이크로관찰용 시험편을 절단하여 꺼내고, 연마한 후, EPMA 및 EDX에 의해 면분석과 정량분석을 행하였다. 그 결과, No.1로부터 No.29까지의 강에는, Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS가 평균 10개/㎟ 이상 존재하는 것이 확인되었다.

(2) 피삭성의 조사

단조에 의해서 얻어진 환봉을 60mmΦ까지 외삭(外削)한 후, 절삭시험에 제공하였다. 또, 열간가공성의 악화로 인하여, 단조에 의해서 균열이 발생한 것에 관해서는 균열이 생긴 시점에서 그대로 950℃로 1시간 유지하는 노말라이징을 행하여 공냉(AC)한 후, 절삭에 의해서 60mmΦ까지 외삭하여 시험재로 하였다.

피삭성시험은 TiN코팅처리가 실시되어 있지 않은 JIS P종류의 초경공구를 사용하여 행하였다. 절삭은 건식(윤활유 없음)의 선삭(旋削)이고, 그 조건은 절삭속도 : 150m/min, 이송 : 0.10mm/rev, 절삭깊이 : 2.0mm이다.

상기의 조건으로 30분 선삭한 후의 절삭공구의 평균릴리프면 마모량(VB)을 측정하였다. 또, 30분 이내에 평균릴리프면 마모량이 200㎛ 이상에 도달한 시험재에 관해서는, 그 도달시간과 그때의 평균릴리프면 마모량(VB)을 측정하였다. 또한, 평균릴리프면 마모량(VB)이 100㎛에 달하는 시간을 공구수명의 표준으로서 평가하였다. 시험도중에 내마모성이 우수하고, 마모진행속도가 매우 작기 때문에 시험하기 곤란한 것에 관해서는 선삭시간-공구마모곡선으로부터 평균릴리프면 마모량(VB)이 100㎛에 달하는 시간을 회귀분석에 의해 산출하였다. 또한 절삭칩처리성은, 배출된 절삭칩 중 대표적인 것을 200개 이상 채취하고, 그 중량을 측정한 후에 단위중량당 개수를 산출하여 평가하였다.

(3) 열간가공성의 평가

열간가공성의 평가는 다음과 같이 행하였다. 즉, 연속주조설비에 의한 제조조건을 모의(模擬)하기 위해서, 상기의 서술과 동일하게 제조한 150kg 강괴의 표면부에 가까운 Di/8(Di는 강괴의 직경)의 위치를 중심으로 하여, 강괴 높이방향으로부터 직경 10mm, 길이 130mm의 고온인장시험편을 채취하였다. 이것을 고정간격을 110mm로 한 후에 직접통전에 의하여 1250℃까지 가열하고, 5분 유지후, 10℃/초의 냉각속도로 1100℃까지 냉각하고, 다시 10초 유지한 후, 변형속도 10^-3/초로 인장시험을 행하였다. 이 때, 파단부의 드로잉를 측정하여 열간가공성을 평가하였다.

이상의 시험결과를 표 3 및 표 4에 나타낸다. 또한, 도 2에 절삭칩처리성과 공구수명과의 관계, 도 3에 열간인장시험의 드로잉값과 공구수명의 관계를 각각 나타내었다.

표 2의 강 No.30과 31은 복합쾌삭강, 강 No.32는 유황쾌삭강이고, 이제까지 피삭성이 가장 우수한 것으로 되어 있었던 강(JIS SUM23L 또는 SUM23 상당재)이다. 표 3, 표 4 및 도 2로부터 명확한 바와 같이, 이들과 비교하여도 본 발명강은 현격하게 우수한 공구마모억제효과를 갖고 있다. 더욱이, 강 No.1∼29의 본 발명강에서는 단조시에 균열을 일으키게 하는 것이 일절 없고, 연속주조설비 등에 의한 실용적인 제조를 모의한 고온인장시험에 의한 드로잉도, 표 3에 나타난 바와 같이 복합쾌삭강이나 유황쾌삭강과 동등 이상이어서 실용적으로는 아무런 문제가 없다.

한편, 강 No.30∼47과 같이 본 발명에서 규정하는 조건의 하나라도 벗어난 것은, 열간연성, 공구수명, 절삭칩처리성 중 적어도 하나가 본 발명강에 비하여 떨어진다. 또, 강 No.41과 42에서는 Mn과 S가 상기 ②식을 만족시키지 않기 때문에 열간가공성이 열악하게 되어 있다.

본 발명의 쾌삭강은 Pb를 함유하지 않는 것에도 상관 없이, 종래의 납쾌삭강 및 복합쾌삭강의 어느 것보다도 우수한 피삭성을 갖고 있다. 이 강은, 열간가공성도 우수하며, 연속주조법에 의해 저렴하게 제조할 수 있다. 따라서, 각종 기계부품의 소재로서 적합하다.

도 1은 본 발명강에서 관찰된 Ti황화물 또는/및 Ti탄황화물이 내재하는 MnS의 EPMA분석결과를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명강(강 No.1∼29)과 비교강(강 No. 30∼47)에 있어서 절삭칩처리성과 공구수명과의 관계를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명강(강 No.1∼29)과 비교강(강 No. 30∼47)에 있어서 열간연성시험에 의한 드로잉과 공구수명과의 관계를 나타내는 도면이다.

Claims

질량%로, C : 0.05∼0.19%, Mn : 0.4∼2.0%, S : 0.21∼1.0%, Ti : 0.03∼0.30%, Si : 1.0% 이하, P : 0.001∼0.3%, Al : 0.2% 이하, O(산소) : 0.0010∼0.050% 및 N: 0.0001∼0.0200%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, Ti와 S의 함유량이 하기 ①식을 만족하고, Mn과 S의 원자비(原子比)가 하기 ②식을 만족하며, 또한 Ti황화물 또는 Ti탄황화물, 혹은 Ti황화물 및 Ti탄황화물 모두가 내재하는 MnS를 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.

Ti(질량%)/S(질량%) < 1 …①

Mn/S ≥1 …②
제1항에 있어서,

Fe의 일부에 대신하여, 질량%로, Se : 0.001∼0.01%, Te : 0.001∼0.01%, Bi : 0.005∼0.3%, Sn : 0.005∼0.3%, Ca : 0.0005∼0.01%, Mg : 0.0005∼0.01% 및 희토류원소 : 0.0005∼0.01%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 하는 저탄소 유황쾌삭강.
제1항에 있어서,

Fe의 일부에 대신하여, 질량%로, Cu : 0.01∼1.0%, Ni : 0.01∼2.0%, Cr : 0.01∼2.5%, Mo : 0.01∼1.0%, V : 0.005∼0.5% 및 Nb : 0.005∼0.1%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.
제1항에 있어서,

Fe의 일부에 대신하여, 질량%로, Se : 0.001∼0.01%, Te : 0.001∼0.01%, Bi : 0.005∼0.3%, Sn : 0.005∼0.3%, Ca : 0.0005∼0.01%, Mg : 0.0005∼0.01% 및 희토류원소 : 0.0005∼0.01%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상과, Cu : 0.01∼1.0%, Ni : 0.01∼2.0%, Cr : 0.01∼2.5%, Mo : 0.01∼1.0%, V : 0.005∼0.5% 및 Nb : 0.005∼0.1%로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

Si함유량이 0.1질량% 미만인 것을 특징으로 하는 저탄소 유황쾌삭강.