KR101022160B1 - 피삭성이 우수한 저탄소 유황 쾌삭강 - Google Patents

Abstract

C : 0.02~0.15질량%, Si : 0.004질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), Mn : 0.6~3질량%, P : 0.02~0.2질량%, S : 0.2~1질량%, Al : 0.005질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음), O : 0.008~O.04질량%, N : 0.002~O.03질량%를 각각 함유하고, 또한, 강 중에서 MnS계 개재물 중의 평균 O 농도가 0.4질량% 이상인 피삭성이 우수한 저탄소 유황 쾌삭강을 제공한다.

Description

피삭성이 우수한 저탄소 유황 쾌삭강{LOW-CARBON SULFUR-CONTAINING FREE-CUTTING STEEL WITH EXCELLENT CUTTABILITY}

본 발명은 인체에 유해한 Pb를 사용하지 않고, 양호한 절삭 마무리면 거칠기를 발휘하는 저탄소 유황 쾌삭강에 관한 것이다.

저탄소 유황 쾌삭강은, 자동차의 트랜스미션의 유압 부품 외에, 특히 강도를 그다지 필요로 하지 않는 나사나 프린터 샤프트 등의 소품 부품용 강(綱)으로서, 널리 쓰이고 있다. 또한, 절삭 마무리면 거칠기, 절삭 찌꺼기 처리성이 더 요구되는 경우에는, 상기 저탄소 유황 쾌삭강에 납(Pb)을 첨가한 납-유황 쾌삭강이 이용되고 있다.

쾌삭강에 포함되는 Pb는, 피삭성 개선에 매우 유효한 원소지만, 인체에의 유해성이 지적되고, 또한 용제시의 납의 흄이나 절삭 찌꺼기 등의 처리의 점에서 문제도 많아, Pb를 첨가하지 않고(Pb 프리), 양호한 피삭성을 발휘하는 것이 요구되고 있다.

저탄소 유황 쾌삭강에 있어서, Pb 없이 피삭성을 개선하기 위해서, 지금까지 도 여러가지 기술이 제안되어 있다. 예컨대 특허문헌 1에는, 황화물계 개재물의 크기를 제어함으로써 피삭성(마무리면 거칠기 및 절삭 찌꺼기 처리성)을 개선한 기술이 제안되어 있다. 또한 특허문헌 2에는, 황화물계 개재물의 사이즈를 제어하기 위해서는, 강(鋼) 중 산소를 적절히 제어하는 것이 중요하다는 것이 나타나 있다. 또한, 강 중의 산화물계 개재물을 규정함으로써, 피삭성을 개선한 기술도 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 3~5).

한편, 강재의 화학 성분 조성을 적절히 규정함으로써, 피삭성을 개선한 기술도 제안되어 있다(예컨대, 특허문헌 6~9).

지금까지 제안되어 있는 기술은, 모두 쾌삭강의 피삭성 향상이라는 관점에서는 유용한 것이라고 말할 수 있지만, 특히 성형 가공에 있어서의 마무리면 거칠기의 점에서, Pb 함유강 수준의 양호한 피삭성이 얻어지지 않는 실정이다.

또한, Pb 프리강에 요망되는 특성으로서는, 상기한 바와 같은 피삭성에 덧붙여, 생산성이 양호한 것도 중요하다. 이러한 관점에서 보면, 연속 주조 방법에 의해 제조가 가능하고, 표면 손상 등이 발생하지 않고, 또한 압연을 용이하게 실시할 수 있는 것도 필요한 요건이 된다. 그러나, 연속 주조 프로세스는 강재의 피삭성을 양호하게 함에 있어서 불리하게 되어 있어, 연속 주조 프로세스로 피삭성이 우수한 쾌삭강을 생산성 좋게 제조할 수 있는 것도 중요한 과제이다.

[특허문헌 1] 일본 특허공개 2003-253390호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허공개 평9-31522호 공보

[특허문헌 3] 일본 특허공개 평7-173574호 공보

[특허문헌 4] 일본 특허공개 평9-71838호 공보

[특허문헌 5] 일본 특허공개 평10-158781호 공보

[특허문헌 6] 일본 특허공개 2000-319753호 공보

[특허문헌 7] 일본 특허공개 2001-152281호 공보

[특허문헌 8] 일본 특허공개 2001-152282호 공보

[특허문헌 9] 일본 특허공개 2001-152283호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 상기와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, Pb 프리이더라도 양호한 피삭성(특히 마무리면 거칠기)을 발휘하고, 또한, 연속 주조 방법에 의해 생산성 좋게 제조할 수 있는 저탄소 유황 쾌삭강을 제공하는 것이다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강이란, C:0.02~0.15%(질량%의 의미, 이하 동일함), Si:0.004% 이하(0%를 포함하지 않음), Mn:0.6~3%, P:0.02~0.2%, S:0.2~1%, Al:0.005% 이하(0%를 포함하지 않음), O:0008~0.04%, N:0.002~0.03%를 각각 함유하고, 또한, 강 중에서 MnS계 개재물 중의 평균 O 농도가 0.4% 이상인 점에 요지를 갖는 것이다.

상기 목적은, 상기한 바와 같은 화학 성분 조성을 갖고, 하기 (a) 또는 (b) 의 요건을 만족하는 저탄소 유황 쾌삭강에 있어서도, 달성할 수 있다.

(a) 강 중의 고용(固溶) Si가 35ppm 이하, 고용 Al이 1ppm 이하인 것,

(b) 응고 후의 주편(鑄片)에 있어서, 면적이 25㎛² 이상의 비금속 개재물을, MnO-SiO₂-MnS계의 3원계로 규격화했을 때의 평균 조성이, MnS:60% 이하, SiO₂:4% 이하, MnO:36% 이상인 것,

어느 쪽의 구성을 채용한다고 해도, 화학 성분 조성으로서, (1) 고용 N량을 0.002~0.02%로 하는 것이나, (2) Ti, Cr, Nb, V, Zr 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을, 합계 0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)로 억제하는 것도 유용하며, 이들 요건을 만족함으로써, 본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강의 특성을 더 개선할 수 있다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 강 중에서 MnS계 개재물 중의 평균 O 농도가 0.4% 이상이 되도록 제어함으로써, 반드시 용강 중의 프리산소를 높이지 않더라도(즉, 고 Mn 고 S 농도이더라도), 미소 크랙의 생성 사이트가 되는 유용한 대형·구 형상 MnS를 다수 존재시킬 수 있어, 마무리면 거칠기가 양호한 저탄소 유황 쾌삭강을 실현할 수 있다. 또한 본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강은, 주조 직전의 탈산 조작을 적절하게 함으로써, 연속 주조법을 적용하더라도 생산성 좋게 제조할 수 있다.

도 1은 MnO-SiO₂-MnS 3성분계의 1250℃의 등온 단면 상태도이다.

도 2는 MnS계 개재물 중의 O 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 고용 Si 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 고용 Al 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 5는 개재물 중의 SiO₂ 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 6은 고용 N 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 나타내는 그래프이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

쾌삭강의 마무리면 거칠기는 구성날끝(built-up edge)의 생성, 크기, 형상 및 균일성에 크게 의존한다. 구성날끝이란, 공구의 칼날에 피삭재의 일부가 퇴적되고, 그것이 사실상 공구의 일부(잘린 날)로서 행동하는 현상이며, 이 생성 거동에 따라서는 마무리면 거칠기를 저하시킨다. 이 구성날끝은 어떤 일정한 조건 하에서만 생성되는 것이지만, 통상 실시되고 있는 절삭 조건은 구성날끝이 생성되기 쉬운 조건으로 되어 있다.

이러한 구성날끝은, 이 크기의 변동이 치명적인 결함을 부여하는 것으로 되어 있지만, 그 한편으로 공구날끝을 보호하여 공구 수명을 향상시키는 효과도 있다. 따라서, 구성날끝을 완전히 없애는 것이 현명한 방법이라고 할 수는 없고, 구성날끝을 안정적으로 생성시켜, 그 크기나 형상을 균일화시키는 것이 필요하다.

구성날끝을 안정적으로 생성시켜, 그 크기나 형상을 균일화시키기 위해서는, 절삭되는 부분에서의 1차 전단역·2차 전단역에 있어서, 미소 크랙을 다수 생성시키는 것이 중요하다. 이러한 미소 크랙을 다수 생성시키기 위해서는, 크랙 생성 사이트를 다수 도입해야 한다. 그리고, 미소 크랙의 생성 사이트가 될 수 있는 것으로서, MnS계 개재물이 유용하다는 것은 알려져 있다. 단, 모든 MnS계 개재물이 미소 크랙 생성 사이트로서 작용하는 것이 아니고, 대형이고 구 형상인(즉, 폭이 큰) MnS가 유효하게 작용하게 된다. 상기 1차 전단역·2차 전단역에서 MnS가 연장되게 되는 것이지만, 연장되어 지나치게 가늘어지면, 그 대부분이 매트릭스와 같게 되어, 미소 크랙의 도입 사이트로 되지 않게 된다. 이 때문에, 피삭재의 MnS계 개재물을 미리 대형·구 형상으로 제어해 둘 필요가 있다.

그런데, MnS계 개재물을 대형·구 형상화하기 위해서는, 일반적으로 강 중의 산소(전체 산소)가 영향을 미치는 것이 알려져 있고, 강 중의 산소가 많아질수록, 황화물 직경이 커진다고 되어 있다. 따라서, MnS계 개재물을 대형·구 형상화하기 위해서는, 강 중의 산소 농도를 어느 정도 증가시킬 필요가 있다. 또한, 동시에 미소 크랙 생성 사이트가 되는 MnS계 개재물을 증가시키기 위해서는, 종래의 쾌삭강(예컨대, JIS SUM23, SUM24L)보다도 Mn 농도, S 농도를 높일 필요가 있다. 그러나, Mn 농도나 S 농도를 높이면, 이들은 탈산제로서 작용하기 때문에, 프리산소가 감소하여, 전체 산소 농도가 감소해 버린다. 즉, 강 중의 전체 산소를 높이는 것과, Mn 농도나 S 농도를 높이는 것은 이율배반의 관계로 되어 있어, 이들을 양립시키는 것은 원리적으로 곤란하다.

본 발명자들은, 이러한 상황 하에서, MnS계 개재물을 대형·구 형상화하기 위한 유효한 수단에 대하여 여러가지 각도에서 검토한 결과, MnS계 개재물 중에 평균 0.4% 이상으로 되는 O가 함유되면, 반드시 프리산소 농도를 높이지 않아도(즉, 고 Mn, 고 S 농도이더라도), 전체 산소 농도를 높이지 않아도 대형·구 형상화한 MnS계 개재물을 다수 생성할 수 있고, 이것에 의해 강재의 마무리 거칠기를 양호하게 할 수 있음이 판명되었다.

MnS계 개재물 중의 O 농도를 0.4% 이상으로 하기 위해서는, 강 중의 고용 Si를 0.0035% 이하(35ppm 이하), 또한 고용 Al를 0.0001% 이하(1ppm 이하)로 하여, 주편의 개재물 조성을 MnO-SiO₂-MnS계 3원계로 규격화했을 때(즉, MnO, SiO₂ 및 MnS의 합계 100%로 했을 때)의 평균 조성이 MnS:60% 이하, SiO₂:4% 이하, MnO:36% 이상이 되도록 제어하면 좋다. 또한, MnS계 개재물 중의 O 농도는, 바람직하게는 0.6% 이상, 보다 바람직하게는 0.8% 이상으로 하는 것이 좋지만, MnS계 개재물 중의 O 농도를 보다 높이기 위해서는, 또한 Si를 저감하면 된다.

본 발명자들이 검토한 바에 의하면, 강 중의 고용 N도 미소 크랙의 생성에 크게 관여하는 것도 판명되고 있어, 그 양을 적절히 조정함으로써, 피삭성이 양호한 쾌삭강을 실현할 수 있는 것이다. 전술의 1차 전단역·2차 전단역에서는, 장소가 조금 다르면, 온도가 매우 다르다. 그리고, 고용 N이 일정량 존재하면, 각 위치에서의 온도에 따라 변형 저항이 다르게 된다. 이 차이가, 미소 크랙의 생성 사이트가 되기 때문에, 고용 N을 고정하는 성분, 즉 질화물을 생성하기 쉬운 성분인 Ti, Cr, Nb, V, Zr, B를 소정량 이하로 제어하는 것은, 고용 N을 확보하는 데에 있어서 유효하다.

상기한 바와 같은 2개의 현상, 즉 (1) MnS계 개재물의 대형·구 형상화, (2)고용 N의 증대 등에 의해서 구성날끝을 안정적으로 생성시킬 수 있고, 그 크기나 형상을 균일화시키는 것을 알아냈고, 그 결과로서 강재의 성형 가공에 있어서의 마무리면 거칠기가 획기적으로 향상되어, Pb 쾌삭강 수준의 특성을 발휘할 수 있었던 것이다.

본 발명의 쾌삭강에서는, 그 화학 성분 조성도 적절히 규정할 필요가 있지만, 그 기본 성분인 C, Si, Mn, P, S, Al, O 및 N에서의 범위 한정 이유는 이하와 같다.

C : 0.02~0.15%

C는, 강의 강도를 확보하는 데에 있어서 불가결한 원소이며, 또한 소정량 이상 첨가함으로써 마무리면 거칠기를 개선하는 작용도 갖는다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는 0.02% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, 과잉으로 함유시키면 절삭 가공시의 공구 수명이 저하하여 피삭성이 악화되고, 또한 주조시의 CO 가스 발생에 기인하는 손상 발생을 유발하게 된다. 이러한 관점에서, C 함유량은 0.15% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, C 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 바람직한 상한은 0.12%이다.

Si : 0.004% 이하(0%를 포함하지 않음)

Si는, 고용 강화에 의한 강도 확보에 유효한 원소지만, 기본적으로는 탈산제로서 작용하여 SiO₂를 생성한다. 그리고 이 SiO₂에 의해, 개재물 조성이 MnO-SiO₂-MnS계로 되는 것이지만, Si가 0.004%를 넘으면, 이 개재물 중의 SiO₂ 농도가 높아져, MnS계 개재물 중의 O 농도를 확보할 수 없게 되어, 마무리면 거칠기가 열화하게 된다. 이러한 관점에서, Si 함유량은 0.004% 이하로 할 필요가 있고, 바람직하게는 0.003% 이하로 하는 것이 좋다.

Mn :0.6~3%

Mn은, 경화성을 향상시켜, 베이나이트 조직의 생성을 촉진하고, 피삭성을 향상시키는 작용이 있다. 또한 강도 확보의 면에서도 유효한 원소이다. 또한, S와 결합한 MnS를 형성하고, 혹은 O와 결합하여 MnO를 형성하며, MnO-MnS 복합 개재물을 생성하고, 이것에 의해 피삭성을 향상시키는 작용이 있다. 이들 작용을 발휘시키기 위해서는, Mn 함유량을 0.6% 이상으로 할 필요가 있지만, 3%를 넘으면, 강도가 지나치게 상승하여 피삭성이 저하하게 된다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 하한은 1%이며, 바람직한 상한은 2%이다.

P : 0.02~0.2%

P는 마무리면 거칠기를 향상시키는 작용을 발휘한다. 또한 절삭 찌꺼기 중의 크랙 전파를 용이하게 함으로써, 절삭 찌꺼기 처리성을 현저히 향상시키는 작용이 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, P 함유량은 적어도 0.02% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, P 함유량이 과잉으로 되면, 열간가공성을 열화시키기 때문에, 0.2% 이하로 할 필요가 있다. 또한, P 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 바람직한 상한은 0.15%이다.

S : 0.2~1%

S는, 강 중에서 Mn과 결합하고, MnS로 되어 절삭 가공시의 응력 집중원이 되며, 절삭 찌꺼기의 분단을 용이하게 하여 피삭성을 높이기 위해 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, S 함유량은 0.2% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, S 함유량이 과잉으로 되어 1%를 넘으면, 열간가공성의 저하를 초래하게 된다. 또한, S 함유량의 바람직한 하한은 0.3%이며, 바람직한 상한은 0.8%이다.

Total. Al : 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음)

Al은 고용 강화에 의한 강도의 확보 및 탈산에 유용한 원소지만, 강력한 탈산제로서 작용하여 산화물(Al₂O₃)을 형성하게 된다. 이 Al₂O₃에 의해, 개재물이 MnO-Al₂O₃-MnS계가 되는 것이지만, Al 함유량이 0.005%를 넘으면, 이 개재물 중의 Al₂O₃ 농도가 높아지고, MnS계 개재물 중의 산소 농도를 확보할 수 없게 되어, 마무리면 거칠기가 악화하게 된다. 또한, 바람직한 상한은 0.003%이며, 보다 바람직하게는 0.001% 이하로 하는 것이 좋다.

O : 0.008~0.03%

O는 Mn과 결합하여 MnO를 생성한다. 또한 MnO은 S를 많이 함유하고, MnO-MnS 복합 개재물이 형성되게 된다. 그리고, 이 MnO-MnS 복합 개재물은, 압연으로 신연(伸延)하기 어렵고, 비교적 구 형상에 가까운 상태로 존재하기 때문에, 절삭 가공시에 응력 집중원으로서 작용한다. 이 때문에, O는 적극적으로 첨가하지만, 0.008% 미만에서는 그 효과가 작고, 한편 0.03%를 초과하여 함유시키면, 강괴(鋼塊)에 CO 가스 기인의 내부 결함이 발생하게 된다. 이 때문에, O 함유량은 0.008~0.03%의 범위로 할 필요가 있다. 또한, 강 중의 O 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 바람직한 상한은 0.03%이다.

N : 0.002~0.03%

N은 구성날끝의 생성량에 영향을 주는 원소이며, 그 함유량이 마무리면 거칠기에 영향을 미치게 된다. N 함유량이 0.002% 미만이면 구성날끝의 생성량이 지나치게 많아져 마무리면 거칠기가 열화하게 된다. 또한 N은, 조직중의 전위(轉位) 상에 편석하기 쉬운 성질이 있어, 절삭시에 전위 상으로 편석하여 모재를 무르게 하고, 생성한 크랙의 전파를 용이하게 함으로써 절삭 찌꺼기 파단성(절삭 찌꺼기 처리성)도 향상하게 된다. 그러나, N 함유량이 과잉으로 되어 0.03%를 넘으면 주조시에 기포(블로우홀(blowhole))를 발생하여, 주괴의 내부 결함이나 표면손상으로 되기 쉽기 때문에, 0.03% 이하로 억제할 필요가 있다. 또한, N 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 바람직한 상한은 0.025%이다.

본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강에 있어서는, 상기 성분 이외(잔여부)에는 기본적으로 철로 이루어지는 것이지만, 이들 이외에도 미량 성분을 포함할 수 있으며, 이러한 성분을 포함하는 것도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다. 또한, 본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강에는, 불가피하게 불순물(예컨대, Cu, Sn, Ni 등)이 포함되지만, 그들은 본 발명의 효과를 손상하지 않는 정도에서 허용된다.

본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강에 있어서는, 필요에 따라, (1) 고용 N량을 0.002~0.02%로 하는 것이나, (2) Ti, Cr, Nb, V, Zr 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을, 합계 0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)로 억제하는 것도 유용하지만, 이들 범위 한정 이유는 하기와 같다.

고용 N량 : 0.002~0.02%

상술한 바와 같이, 강 중의 고용 N은 미소 크랙의 생성에 관여하는 것이며, 그 양을 적절히 조정함으로써, 피삭성이 양호한 쾌삭강을 실현할 수 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 강 중의 고용 N량을 0.002% 이상 확보하는 것이 좋지만, 0.02%를 넘으면 손상이 증가하게 된다.

Ti , Cr , Nb , V, Zr 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상 : 합계 0.02% 이하(0%를 포함하지 않음)

이들 원소는, N과 결합하여 질화물을 생성하는 성분이며, 그 양이 많아지면 고용 N량이 감소하여 그 필요량을 확보할 수 없게 된다. 이 때문에, 이들 성분은 합계 0.02% 이하로 억제하는 것이 좋다.

본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강은, 강 중의 MnS계 개재물 중의 평균 산소 농도를 0.4% 이상으로 함으로써, 피삭성을 개선하는 것이지만, 이러한 요건을 만족시키기 위해서는, 강 중의 고용 Si를 35ppm 이하, 또한 고용 Al를 1ppm 이하로 제어하여, 주편의 개재물 조성(비금속 개재물)을 MnO-SiO₂-MnS계 3원계로 규격화했을 때(즉, MnO, SiO₂ 및 MnS의 합계로 100%로 했을 때)의 평균 조성이 MnS:60% 이하, SiO₂:4% 이하, MnO:36% 이상이 되도록 제어하면 좋다. 또한, 대상으로 하는 비금속 개재물의 크기를, 「면적이 25㎛² 이상인 것」이라고 한 것은, 이보다 작은 비금속 개재물에서는, 크랙 생성 사이트로서의 피삭성 향상 효과가 너무 없기 때문이다.

상기와 같이 하여 개재물 조성을 제어하면, MnS계 개재물 중의 O 농도를 0.4% 이상으로 할 수 있는 이유에 대하여, 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은, MnO-SiO₂-MnS 3성분계의 1250℃의 등온 단면 상태도이다(「철과 강」 Vol.81(1995) No.12, P 1109). 또한, 도 1에 있어서, 「doubly satd.」란, 표기된 2상(相)이 포화하고 있는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서는, 탈산력이 강한 Al이나 Si를 철저히 저감하는 결과, 응고한 주편으로 인식되는 개재물은, MnO-SiO₂-MnS계로 되는 것이지만, 주편은 분괴압연 전에, 1250℃ 정도로 가열 유지된다. 그래서, 상기 상태도(도 1)에, 마무리면 거칠기가 우수한 것과, 우수하지 않은 것을 플로팅한 바, 피삭성이 열화하는 것에서는 SiO₂ 농도가 높아지고, 반대로 우수한 것에서는 SiO₂ 농도가 낮아져 있는 것이 판명되었다(뒤에 기재하는 표 1, 2의 No.1~15).

이러한 결과를 얻을 수 있었던 것은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 계의 상태도는, SiO₂가 많아지면 MnS 포화 영역이 돌출한 형태를 하고 있기 때문에, SiO₂가 많은 경우(SiO₂가 4% 이상)는, 1250℃ 유지 중에 순수한 MnS(즉, O를 포함하지 않는 MnS)가 많이 생성하게 된다. 그 결과, MnS계 개재물 중의 O 농도가 높아지지 않는다.

한편, MnO-SiO₂-MnS 개재물 조성이 상기의 개재물 조성 범위 내이면, 상태도 상의 액상 개재물 또는 MnO 포화 영역으로 되어, MnS계 개재물 중의 O 농도가 높아지는(즉, 0.4% 이상) 것이라고 생각된다. 그 결과, 분괴압연 전의 가열 유지 중에 MnS계 개재물 중의 O 농도가 높아지고, 그 후의 분괴압연, 봉강압연, 선재압연에 있어서도, MnS가 변형되기 어려워, 대형이고 구 형상화된 MnS를 함유하는 제품을 얻을 수 있다.

본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강을 제조함에 있어서는, 기본적으로는 연속 주조법에 의해, 강 중의 고용 Si를 35ppm 이하, 또한 고용 Al를 1ppm 이하로 제어하면 되고, 이러한 제조 방법을 채용함으로써, 생산성을 높일 수 있다. 단, 그 제조 방법은 연속 주조법에 한정되지 않고, 조괴법(造塊法)에 의해서도 제조할 수 있다.

연속 주조법을 채용할 때의 구체적인 제조 수순은, 예컨대 다음과 같이 하면 좋다. 우선, 전로에서 C를 불어내리고, C 농도를 0.04% 이하로 하여 용강중의 프리산소(용존산소)가 높은 상황을 만들어낸다. 이 때의 프리산소는 500ppm 이상인 것이 바람직하다. 이어서, 이 용강을 출강할 때에, Fe-Mn 합금이나 Fe-S 합금 등의 합금을 첨가한다. 이들 합금은, 불순물로서 Si나 Al를 함유하지만, 전로 출강시의 고산소 용강에 이들을 첨가함으로써, Si나 Al이 산화되어, SiO₂나 Al₂O₃로 되고, 또한 그 후의 용강 처리시에 이들이 부상분리되어, 슬래그(slag) 중에 들어감으로써 강 중에 잔류하는 Si나 Al은 저감하여 목표로 하는 농도로 된다. 이 처리에 있어서는, 성분 조정을 위해 첨가하는 Fe-Mn 합금이나 Fe-S 합금 등의 70% 이상을 전로 출강 시에 첨가하여, Al, Si를 저감하고, 용강 처리시에 나머지의 30% 이하를 첨가하는 것이 중요하다. 이러한 수순을 밟는 것에 의해, 불순물인 Al나 Si가 계외로 나가기 쉽게 되어, 목표로 하는 고용 Si나 고용 Al를 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 전후에 기재된 취지에 적합한 범위에서 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그것들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

3t 규모의 유도로(誘導爐), 100t의 전로 및 취과(取鍋) 등에 의한 용강 처리 설비를 사용하여, Si, Mn, S, Al, N 등의 함유량을 변화시켜 각종 용강을 용제했다. 이 때, Si 및 Al에 대해서는, 첨가하는 Fe-Mn 합금 및 Fe-S 합금중의 Si 농도 및 Al 농도를 변화시킴으로써 조정했다. 이렇게 하여 얻어진 용강을 소정의 주형으로 주조하기 직전에, 프리산소 프로브(상품명 「HYOP10A-C150」헤레우스 엘렉트로나이트사제)를 이용하여 측정하여, 프리산소 농도로 했다.

또한 용강은, 단면이 300㎜×430㎜인 블룸 연속주조나, 혹은 3t 규모 유도로인 경우에는, 블룸 주편과 동일한 냉각 속도가 되도록 설계한, 주철제의 주형(단면 사이즈: 300㎜×430㎜)을 이용하여 주조했다.

얻어진 주편(혹은 주괴)의 표면 근방의 급냉부에서 샘플링하고, 화학 분석을 실시하여, 성분 조성을 측정했다. 그 결과를 하기 표 1에 나타낸다.

얻어진 주편에 대하여, 1270℃에서 1 시간 가열후 분괴압연(단면 사이즈: 155mm×155㎜)하고, 그 후 25㎜φ까지 압연, 산세하여, 22㎜φ의 연마봉으로서, 절삭 시험에 제공했다. 이 때, 압연은 1000℃에서 실시하고, 강제 냉각에 의해 800℃에서 500℃까지의 평균 냉각 속도를 약 1.5℃/초로 했다. 또한 강재 온도의 측정은 방사 온도계에 의해 행했다.

각 강재에 대하여 하기의 방법에 의해, 개재물 조성(산화물 조성), MnS계 개재물 중의 평균 O 농도, 고용 Al, 고용 Si, 고용 N을 측정하고, 또한, 하기의 조건에 의해 절삭 시험을 했다.

[개재물 조성의 측정]

응고 후의 주편 단면(430㎜×300㎜)의 D/4부(300㎜ 폭의 중심선에 있어서, 표면으로부터 108㎜ 부분)를 연마하고, 100㎜²(10㎜×10㎜)의 영역 내에 존재하는 면적이 25㎛² 이상의 산 황화물을, EPMA에 의해 조성 분석을 실시했다. 1시야(100㎜²) 당, 200~300개의 황화물을 측정했다. 그 결과를 산화물, 황화물 환산한 결과, 주성분은 MnS, MnO, SiO₂, FeO가 검출되었지만, FeO은 매트릭스인 강을 검출하고 있을 가능성도 있기 때문에, MnO-SiO₂-MnS의 3원계로 규격화(3 성분으로 100%가 되도록 규격화)하여 평균 조성을 구했다.

[MnS계 개재물 중의 평균 O 농도]

화상 해석 장치에 의해, 면적이 25㎛² 이상의 MnS를 선택하고, 이 MnS에 대하여 SEM-EDX에 의해 평균 O 농도를 측정했다.

[고용 Si, Al 측정 방법]

분석에는, ims5f형 2차 이온 질량 분석 장치(CAMECA사제)를 이용하여, 이하의 수순으로 분석을 행했다. 각 시료(시험편)에 대하여, 500×500(㎛)의 영역에서 Al, Si의 2차 이온상을 관찰하고, 그 영역 내에서 Al, Si가 농화(濃化)하지 않는 장소를 3개소 골라, 하기의 조건으로 깊이 방향 분석을 행했다. 이 때, 분석 대상 원소의 Si는, 전기적으로 음성인 원소이기 때문에, Cs⁺ 이온을 조사하여 부 이온을 검출했다. 처음에 시료면에서의 Si^-의 2차 이온상을 관찰하고, Si가 농화하지 않는 영역을 선택한 깊이 방향 분석을 행했다. 측정된 2차 이온 강도로부터 농도로의 변환은 ²⁸Si를 이온 주입한 순철로부터 구한 감도 계수를 이용하여 행했다. Al은 O₂ ⁺ 이온을 조사하여 검출했다. 상세한 조건은 하기와 같다.

1차 이온 조건 : Al의 분석 O₂ ⁺, 8eV, 100nA

Si의 분석 Cs⁺, 14.5eV, 25nA

조사 영역 : 80×80(㎛)

분석 영역 : 8㎛φ

2차 이온 극성 : Al의 분석 양

Si의 분석 음

시험실 진공도 : 1.2×10^-7Pa

스퍼터 속도: Al의 분석 순철 환산으로 약 32.0Å/초

Si의 분석 순철 환산으로 약 36.6Å/초

전자선 조사 : 없음

[고용 N의 측정]

고용 N은, 전체 N(불활성 가스 융해열 전도도법)과 화합물 N(10% 아세틸아세톤 + 1% 테트라메틸암모니아클로라이드 + 메탄올 용액에 의해 용해 추출, 1㎛ 필터로 채취→인도페놀 흡광 광도계)의 차에 의해 구했다.

절삭 시험 조건은 하기와 같다. 또한, 절삭 시험 후의 마무리면의 평가 및 강편의 표면 손상의 평가 기준은 하기와 같다.

[절삭 시험 조건]

공구 : 고속도 공구강 SKH4A

절삭 속도 : 100m/분

전송 : 0.01㎜/rev

슬릿 : 0.5㎜

절삭유 : 염소계의 불수용성 절삭유제

절삭 길이 : 500m

[평가 기준]

마무리면 평가 : JIS B 0601(2001)에 근거하여, 최대 높이 Rz에 의해, 표면 거칠기를 평가했다.

표면 손상 평가 : 분괴압연한 강편(단면 사이즈: 155㎜×155㎜)에 대하여, 표면 손상의 유무에 대해 조사하고, 목시 검사에 의해 그라인더에 의한 손질의 필요성이 없을 때를, 표면 손상 「없음」이라고 평가했다.

절삭 시험 결과를, 개재물 조성(산화물 조성), MnS계 개재물 중의 평균 O 농도, 고용 Al, 고용 Si, 고용 N의 측정값과 함께, 하기 표 2에 나타낸다.

이들 결과로부터 분명하듯이, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 것(시험 No.1~15)에서는, 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)가 미세하게 되어 있고, 양호한 피삭성이 발휘되고 있는 것을 알 수 있다.

이에 비하여, 본 발명에서 규정하는 요건 중 어느 하나를 결여하는 것(시험 No.16~23)에서는, 어느 하나의 특성이 열화되어 있는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 결과에 근거하여, MnS계 개재물 중의 O 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 도 2에, 고용 Si 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 도 3에, 고용 Al 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 도 4에, 개재물 중의 SiO₂ 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 도 5에, 고용 N 농도와 절삭 마무리면 거칠기(최대 높이 Rz)의 관계를 도 6에 나타낸다.

Claims (5)

1. C : 0.02~0.15질량%,

   Si : 0.004질량% 이하(0질량%를 포함하지 않음),

   Mn : 0.6~3질량%,

   P : 0.02~0.2질량%,

   S : 0.2~1질량%,

   Al : 0.005질량% 이하(0%를 포함하지 않음),

   O : 0.008~0.04질량%,

   N : 0.002~0.03질량%

   를 각각 함유하고,

   잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

   또한, (I) 강 중에서 MnS계 개재물 중의 평균 O 농도가 0.4질량% 이상이고, (II) 강 중의 고용 Si가 35ppm 이하, 고용 Al이 1ppm 이하이고, (III) 응고 후의 주편에 있어서, 면적 25㎛² 이상의 비금속 개재물을 MnO-SiO₂-MnS계의 3원계로 규격화했을 때의 평균 조성이, MnS : 60질량% 이하, SiO₂ : 4질량% 이하, MnO : 36질량% 이상이고, (IV) 고용 N량이 0.002~0.02질량%이며, Ti, Cr, Nb, V, Zr 및 B로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.02질량% 이하로 억제한 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 저탄소 유황 쾌삭강.
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