KR100920621B1 - 비스무스(Ｂｉ)-황(Ｓ)계 쾌삭강 빌렛의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 카메라, 시계등의 정밀기기부품 또는 모터 샤프트(Motor Shaft)등에 사용되는 비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 쾌삭강 브룸(Bloom)을 가열로에서 1230 ∼ 1270℃로 가열하고 조압연기에서 조압연한 다음, 사상압연기에서 사상압연하여 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 있어서,
상기 조압연시 상기 조압연기의 압연롤 표면의 냉각을 위한 냉각수량을 0.4∼0.6kg/cm2 로 하고, 압연 패스당 감면율을 5∼8%로 설정하고, 그리고 조압연후 사상압연전에 조압연재의 선단부를 최대 200mm까지 절단한 후, 사상압연하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛의 제조방법이 제공된다.
본 발명은 조압연조건을 적절히 제어하므로써 선단부 벌어짐이 없고 열간 가공성이 우수한 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강용 빌렛을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.
쾌삭강, 빌렛, 조압연, 비스무스, 황
Description
도 1은 본 발명을 구현하기 위한 바람직한 빌렛압연설비를 개략적으로 나타내는 개략도
도 2는 조압연 패스수에 따른 선단부 크랙 발생깊이변화를 나타내는 그래프
도 3은 조압연기의 압연롤 표면 냉각을 위한 냉각수량에 따른 선단부 크랙 발생깊이변화를 나타내는 그래프
도 4는 조압연기의 압연롤 표면 냉각을 위한 냉각수량에 따른 소재 표면온도변화를 나타내는 그래프
도 5는 조압연재의 선단부로부터 위치별 소재온도 분포를 나타내는 그래프
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 . . . 가열로 2 . . . 조압연기 4,6,7,9 . . . 사상압연기
본 발명은 카메라, 시계등의 정밀기기부품 또는 모터 샤프트(Motor Shaft)등에 사용되는 비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 열간 가공시 선단부 벌어짐이 없고 열간가공성이 우수한 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 관한 것이다.
상기 쾌삭강은 비금속성 또는 금속성 개재물들을 모재에 분포시켜 절삭가공시 피삭성을 향상시킨 강종을 말한다.
상기 개재물중 비금속 개재물의 경우 대표적인 것으로는 망간(Mn)과 유황(S)이 결합한 망간유화물(MnS)을 들수 있고, 상기 금속성 개재물로는 강중에 고용도가 거의 없는 납(Pb),비스무스(Bi)등의 저융점금속 등을 들수 있다.
상기 비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강은 황(S)계, 납(Pb)계, 칼슘(Ca)계, 이들을 혼합한 복합쾌삭강에 비하여 절삭저항과 칩절단성이 우수하고, 절삭가공후 표면조도가 미려하다.
상기한 금속성 및 비금속성의 개재물들은 절삭가공시 응력집중원으로 작용하여 개재물과 모재의 계면에서 공공(Void)의 생성과 균열의 성장을 용이하게 하여 절삭에 요구되는 힘을 감소시키고 또한 절삭가공열에 의하여 연화되거나 용융되어 칩 (Chip)과 절삭공구(Tool)의 계면에서 윤활제로서 작용하여 공구의 마모를 억제시키는 역할을 하여 절삭가공력을 감소시킴으로써 피삭성을 향상시키는 것이다.
비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강의 경우, MnS 개재물 또는 Bi가 흡착된 MnS 개재물(이하, "MnS 개재물"이라고도 칭함)은 최종제품에서 피삭시 절삭가공성을 향상시키는 중요한 역할을 하지만, 열간상태에서 압연을 행하는 경우에는 그 형태와 분포에 따라서 열간취화를 일으켜 압연소재의 선단부가 벌어짐으로 인해 압연성에 큰 영향을 미치게 된다.
일반적으로는 강중에 개재물이 없을수록 좋으며 또한 그렇게 제조하기 위해 제강공정부터 P,S등을 엄격히 하향 관리한다.
그러나, 쾌삭강은 이러한 S와 Mn의 결합으로 MnS화합물을 의도적으로 형성시키고 절삭시 MnS에 의한 입계취화를 유발하여 절삭성을 향상시키는 강종이다.
따라서, 비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강에서 MnS 개재물은 필요에 의해 생성시킨 개재물이며, 최종제품의 가공시에 없어서는 안될 필요한 화합물이다.
하지만, 최종제품을 제조하는 열간압연 공정에서는 이러한 MnS 개재물이 연속적으로 기지조직에 분포하고 열간압연시 그 개재물 존재자체가 열간취화를 일으키는 원인이 되기도 한다.
비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강의 경우 열간취화는 온도 및 압하량과 밀접한 관계를 나타내는데, 압연온도가 낮을 경우에는 압연에 필요한 연신부족에 의한 크랙이 발생을 하게 되고, 압하량이 과도하게 증가하게 되면 소재의 소성변형 한계를 초과하게 되어 MnS 개재물과 기지조직의 계면을 기점으로 선단부 크랙이 발생하게 된다.
기존의 압연방법으로 제조할 경우 압연설비 능력상 소재 열간취화 온도영역 범위내에서 작업이 이루어지더라도 강재(빌렛) 패스당 감면율이 소성변형 한계를 초과함에 따라 선단부가 간헐적으로 벌어지는 현상이 발생되는 문제점이 있었다.
즉, 열간압연중인 빌렛은 처음 선단부는 상하로 압하를 받으면서 전진을 하므로써 외부에 벌어지려는 힘을 받게 되고 이러한 응력에 의해 연속적으로 소재가 이어지는 빌렛의 중간부분과는 달리 선단부는 국부적으로 응력이 집중되기 때문에 벌어지게 된다.
선단부가 벌어진 소재는 최종압연기 치입시 미스롤을 초래하거나, 선단부를 상당량 제거해야 하기 때문에 실수율 감소와 생산성을 하락시키는 요인이 된다.
브룸(Bloom)에서 빌렛(Billet)을 제조하는 압연공정에 대하여 설명하면 다음과 같다.
여기서 브룸(Bloom)이라함은 연속주조법에 의해 제조된 소재를 의미하며 이때의 조직은 주조조직을 가지며 그 대표적인 칫수는 250x330mm각이다.
한편, 빌렛(Billet)이라함은 이러한 브룸(Bloom)을 주문자 용도특성에 맞게 압연에 의해 특정칫수로 제조된 소재를 의미한다.
통상 브룸(Bloom)을 압연하여 빌렛(Billet)을 제조하는 압연설비는 도 1에 나타난 바와 같이, 가열로(1), 조압연기(2), 수평식 사상압연기(4,7) 및 수직식 사상압연기(6,9)를 포함한다.
상기 조압연기(2)는 1대의 2중 역전식이다.
상기 압연설비에는 압연재를 이송시키는 테이블 롤러(3) 및 출구가이드(5,8)이 구비되어 있다.
상기한 압연설비를 이용하여 브룸(Bloom)에서 빌렛(Billet)을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
통상의 압연공정에서는 가열로(1)에서 1250 ±20℃로 브룸(Bloom)을 가열하여 조압연기(2)에서 조압연을 실시한 후, 사상압연기(4,6,7,9)로 이송하여 최종 빌렛을 제조하기 위한 사상압연을 실시하게 된다.
상기 조압연시에는 5패스 정도를 실시하고 롤냉각을 위한 냉각수 분사량을 1.0 ㎏/㎠정도로 하여 롤표면의 과열에 의한 열크랙을 방지하고 있다.
한편, 비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강의 열간압연시 열간취화의 문제점을 해결하기 위한 종래의 압연기술로는 쾌삭강내의 MnS 개재물 상호간의 거리, 개재물의 크기등을 제어함으로써 압연성을 향상시키는 기술이 알려져 있다.
그러나, 실제 쾌삭강의 생산시 내부의 개재물의 거리, 크기등을 정확히 제어하는 것은 불가능기 때문에 각각의 압연재별로 개재물을 정확히 예측하여 압연시 선단부 벌어짐을 제어하기는 현실적으로 어려움이 많으며, 연속작업중 압연소재간 편차로 압연성 저해 요인을 완전히 배제하기는 어려운 문제점이 있다.
또한, 상기 압연작업시 장입소재인 브룸(Bloom)의 선단부를 가열로 장입전에 면취(절단가공)하여 압연 작업성을 향상시키는 방법이 알려져 있다.
그러나, 모든 쾌삭강 압연소재를 면취가공함에 따라 별도의 작업공정을 추가로 발생시키고, 제품의 생산실수율을 하락시키는 마이너스적인 영향을 미치는 문제점이 발생한다.
이와 같이 공지된 어떠한 방법으로도 쾌삭강 압연시 선단부 벌어짐을 완벽히 방지하는 것은 거의 불가능하며, 따라서 크랙깊이를 감소시키기 위해 계속적인 시행착오를 반복하고 있는 실정이다.
본 발명자들은 상기한 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 조압연조건을 적절히 제어하므로써 선단부 벌어짐이 없고 열간 가공성이 우수한 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강용 빌렛을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 쾌삭강 브룸(Bloom)을 가열로에서 1230 ∼ 1270℃로 가열하고 조압연기에서 조압연한 다음, 사상압연기에서 사상압연하여 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 있어서,
상기 조압연시 상기 조압연기의 압연롤 표면의 냉각을 위한 냉각수량을 0.4∼0.6kg/cm2 로 하고, 압연 패스당 감면율을 5∼8%로 설정하고, 그리고 조압연후 사상압연전에 조압연재의 선단부를 최대 200mm까지 절단한 후, 사상압연하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 쾌삭강 브룸의 압연조건, 즉 조압연에서의 패스수당 감면율, 선단부 절단길이, 냉각수량에 따라 동일한 소재의 압연시에도 선단부 벌어짐에 의한 압연성 차이가 발생된다는 실험결과를 토대로 완성된 것이다.
본 발명은 중량 %로, 탄소(C): 0.15%이하, 실리콘(Si): 0.02%이하, 망간(Mn): 1.00%∼1.40%, 인(P): 0.07%∼0.09%, 황(S): 0.24%∼0.35%, 알루미늄(Al): 0.005%이하, 비스무스(Bi): 0.05%∼0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 쾌삭강 브룸(Bloom)을 가열로에서 1250 ±20℃로 가열하고 조압연기에서 조압연한 다음, 사상압연기에서 사상압연하여 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 바람직하게 적용된다.
이하, 상기한 쾌삭강의 성분 및 성분범위를 한정하는 이유에 대하여 설명한다.
상기 탄소(C)는 최종제품의 강도를 보증하는 유효한 성분이지만, 그 함량이 0.15% 를 초과하는 경우에는 경도가 증가하고, 피삭성이 열화되고, 그리고 열간압연시 소재의 연성을 저하시키기 때문에 그 함량은 0.15%이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 실리콘(Si)은 통상적으로 용강제조시 탈산제로 사용되지만, 0.02%를 초과하는 경우에는 경도가 증가하고 피삭성이 열화되기 때문에 그 함량은 0.02%이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 망간(Mn)은 용강제조시 탈산제로 사용되고, 망간유화물(MnS)을 형성하여 피삭성을 개선시키는 작용을 하지만, 그 함량이 1.00%미만인 경우에는 구상의 양호한 망간유화물(MnS) 형태를 형성하지 않고 취성의 원인인 철유화물(FeS)을 조장하여 열간압연시 취성의 원인이 되고, 1.40%를 초과하는 경우에는 경도가 증가하고, 제조원가의 상승을 초래하게 됨으로 그 함량은 1.00%∼1.40%로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 인(P)은 피삭성을 개선시키는 성분이지만, 그 함량이 0.07% 미만인 경우에는그 효과가 미비하고, 0.09%를 초과하는 경우에는 경도가 증가하여 오히려 피삭성을 열화시키므로 그 함량은 0.07%∼0.09%로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 황(S)은 망간(Mn)과 개재물을 형성하여 피삭성을 개선시키는 성분으로서 그 함량이 0.24%미만인 경우에는 그 첨가효과가 적고, 0.35%를 초과하는 경우에는 취성으로 인해 열간가공성을 열화시키므로, 그 함량은 0.25%∼0.35%로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 알루미늄(Al)은 경한 개재물인 알루미나(Al2O3)를 형성하여 피삭성을 열하시키므로, 그 함량은 0.005% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.
상기 비스무스(Bi)는 저융점의 원소로써 첨가하게 되면 피삭성을 개선시키고 절삭저항을 낮추어 주는 작용을 하지만, 그 함량이 0.05%미만인 경우에는 피삭성과 절삭저항이 현저히 떨어져 그 첨가효과가 미흡하고, 0.15%를 초과하는 경우에는 열간가공성이 나빠지기 되므로, 그 함량은 0.05%∼0.15%로 한정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에서 브룸의 조압연시 압연패스당 감면율을 5∼8%로 한정하고 냉각수량을 0.4∼0.6kg/cm2으로 한정하는 이유에 대하여 설명한다.
본 발명에서 브룸의 조압연시 브룸의 조압연시 압연패스당 감면율 및 냉각수량을 적절히 제어한 이유는 소재의 패스수당 단면감소율이 조압연 및 사상압연한 후 소재의 선단부 벌어짐에 매우 중요한 영향을 미치기 때문이다.
비스무스(Bi)-황(S)계 쾌삭강은 열간 압연성에 취약한 개재물을 다량 함유하는 강으로써 압연작업 조건의 영향을 상대적으로 많이 받아 조업조건의 미세한 변동에도 크랙이 쉽게 발생하는 특성을 갖고 있다.
특히, 열간 압연성에는 온도의 영향과 감면율의 영향을 많이 받는데 압연작업성을 확보하기 위해서는 목표 압연단면까지 압연하는 동안 취성온도 이상의 압연온도를 확보해야 하고, 단위패스당 감면율도 임계소성 변형율을 넘지 않도록 하는 것이 필요하다.
통상적으로 소재 표면은 냉각수에 의해 식혀진 상온 근처의 롤과 접촉하기 때문에 급격히 냉각이 되지만 중심부는 고온으로 유지가 되기 때문에 압연시 표면과 중심부간 연신량의 차이가 발생하게 되고 특히 중심부에서는 편석대가 존재함으로써 크랙(Crack)이 쉽게 발생된다.
따라서, 사상압연에서의 소재의 선단부 벌어짐은 조압연에서의 상하롤 치입시 표층부위에 과다한 변형이 이루어지면 소성변형한계를 초과하여 크랙이 발생하게 되고 패스수를 증가하여 패스당 변형량을 줄이게 되면 온도가 하락함으로써 열간취화 온도영역인 900~1050℃ 구간에서 압연이 이루어 지게 되어 선단부의 중심을 기점으로 크랙이 발생하여 선단부가 급격히 벌어지기 때문에 압연 패스를 증가시키는 것도 한계가 있다.
따라서, 본 발명에서는 브룸의 조압연시 압연패스당 감면율을 5∼8%로 한정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에서 조압연재의 선단부의 절단길이를 한정한 이유에 대하여 설명한다.
쾌삭강 브룸을 조압연한 후 사상압연에 취입되기 전 일정길이로 조압연재의 선단부를 절단하게 되는데, 절단의 주 목적은 선단부 모서리부의 과냉에 의해 사상압연 치입시 충격으로 롤이 손상되는 것을 방지하고 조압연 완료후 선단부의 과도한 변형에 의해 크랙이 발생하여 사상압연기에 치입장애를 일으키는 것을 방지하기 위함이다.
특히, 쾌삭강에서는 외관상 양호한 선단부라도 절단을 하지 않고 압연을 할 경우에는 상대적으로 온도가 낮고 성분특성상 열간취성이 매우 크기 때문에 사상압연을 거치는 동안 급속히 선단부의 중심으로부터 크랙이 진전될 위험성을 내포하고 있기 때문에 조압연후 조압연재의 선단부의 일정길이만큼 절단하는 것이 필요하다.
따라서, 본 발명에서는 조압연후 사상압연전에 조압연재의 선단부를 최대 200mm까지, 바람직하게는 최대 150mm까지 절단한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
중량%로, 탄소: 0.10%, 실리콘: 0.04%, 망간: 1.20%, 인: 0.09%, 황: 0.30%, 비스무스: 0.10%, 질소: 0.005%, 산소: 0.002%를 함유한 쾌삭강 브룸(Bloom:250X330mm각)을 1260℃로 가열한 다음, 하기 표 1의 조건으로 220X220mm 단면의 중간소재로 조압연하고, 패스수[평균감면율/패스(%)]에 따른 선단 크랙발생깊이를 조사하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
또한, 도 3의 조건으로 조압연기의 조압연롤 표면을 냉각하기 위한 냉각수량을 변화시켜 하기 표 1의 조건으로 220X220mm 단면의 중간소재로 조압연을 실시하고, 냉각수량에 따른 선단 크랙발생깊이를 조사하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
또한, 5 패스 및 7패스의 조건에서 냉가수량에 따른 소재 표면온도를 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
| 구분 | 3패스 | 5패스 | 7패스 | 9패스 |
| 평균감면율/패스(%) | 13.7 | 8.2 | 5.9 | 4.6 |
도 2에 나타난 바와 같이, 종래의 압연방법인 5패스[평균감면율/패스(%): 8.3%] 압 연에서는 선단부의 크랙깊이가 절삭길이 부근에서 산포하는 반면, 2패스를 증가 시켜 단위패스당 평균감면율을 2.3%감소시킨 5.9%로 한 경우(7패스; 본 발명법)에는 선단부 크랙의 깊이가 급격히 감소하여 50㎜이내임을 알 수 있으며, 따라서, 안정적인 작업을 이룰 수 있다.
5패스 이하의 압연에서는 작업패스당 임계 소성변형역을 초과함에 따라 크랙발생깊이가 급격히 증가함을 알 수 있고, 7패스를 초과할 경우에는 소재온도의 하락에 의해 열간 취성영역에서 압연이 이루어지게 되어 선단부 크랙발생깊이가 급격히 증가함을 알 수 있다.
도 3 및 도 4에 나타난 바와 같이, 냉각수량이 증가하게 되면 소재온도가 급격히 하락하여 열간취성 영역이하로 떨어지기 때문에 크랙 발생깊이가 급격히 증가하게 되고 냉각수량이 1.0㎏/㎠인 경우(종래방법)에는 소재온도가 임계온도 부근에 이르게 되고 일부에서 깊은 크랙이 발생하였지만 0.5㎏/㎠로 하향하고, 7 패스를 한 경우(본 발명)에는 소재온도가 확보됨으로써 크랙발생깊이가 선단부 절삭량을 감안 했을 때 안정적인 수준임을 알 수 있다.
반면에, 냉각수를 전혀 가동하지 않은 경우에는 크랙을 억제하는 것은 효과가 있었지만 롤 표면온도 상승에 의한 열크랙 발생으로 지속적인 작업이 불가능 하기 때문에 실조업에 적용하는 것은 불가하였다.
한편, 조압연을 거친후 선단부에서 떨어진 거리별로 온도를 측정하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 선단부는 치입시 롤과의 접촉과 냉각수의 접촉으로 과 도한 냉각이 이루어지기 때문에 열간취성영역 이상의 압연온도를 확보하여 사상압연시 선단부 벌어짐을 방지하기 위해서는 100-150㎜정도 절삭하면 안정적인 조업이 가능함을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 조압연조건 및 조압연롤 표면을 냉각하기 위한 냉각수량을 적절히 제어하므로써 선단부 벌어짐이 없고 열간 가공성이 우수한 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강용 빌렛을 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.
Claims (1)
- 중량 %로, 탄소(C): 0.15%이하, 실리콘(Si): 0.02%이하, 망간(Mn): 1.00%∼1.40%, 인(P): 0.07%∼0.09%, 황(S): 0.24%∼0.35%, 알루미늄(Al): 0.005%이하, 비스무스(Bi): 0.05%∼0.15%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 쾌삭강 브룸(Bloom)을 가열로에서 1250 ±20℃로 가열하고 조압연기에서 조압연한 다음, 사상압연기에서 사상압연하여 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛을 제조하는 방법에 있어서,상기 조압연시 상기 조압연기의 압연롤 표면의 냉각을 위한 냉각수량을 0.4∼0.6kg/cm2 로 하고, 그리고 압연 패스당 감면율을 5∼8%로 설정하고, 그리고 조압연후 사상압연전에 조압연재의 선단부를 최소 50mm 최대 200mm까지 절단한 후, 사상압연하는 것을 특징으로 하는 비스무스(Bi) -황(S)계 쾌삭강 빌렛의 제조방법
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