KR101027246B1 - 절삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 중량%로, C: 0.03 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, B: 0.001 ~ 0.01%, Cr: 0.1 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.4%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연쾌삭강에 관한 것으로, 상기 무연쾌삭강은 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재할 수 있다. 또한, 본 발명은 이를 위하여 강재 제조 단계에서 전산소량을 단계별로 적절히 제어하여 친환경적인 무연쾌삭강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면 제강, 연주공정에서 S 쾌삭강을 용이하게 제조할 수 있고, 제강단계에서 구형 MnS를 다량 정출하여 절삭성을 크게 증대시키면서도 우수한 열간압연성을 가지는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

무연쾌삭강, 절삭성, 구형 MnS, 전산소량, 프리 산소

Description

절삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강 및 그 제조방법{Free-Cutting Steel with Excellent Machinability and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 절삭성이 우수한 친환경적인 무연쾌삭강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 ① Ti, Cr, N 등을 적정량 첨가하며, ② 성분 중 Mn/S의 비율을 3.5 이상으로 제어하고, ③ 전산소량(T.[O])을 300ppm 이하로 제한하면서 ④ MnS 개재물의 수를 압연방향 단면에서 면적 5㎛² 이상의 MnS가 단위 mm² 당 300~1000개 범위로 존재하도록 조절하여 절삭성과 열간압연 특성을 향상시킨 친환경적인 무연쾌삭강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

쾌삭강이란 흔히 절삭성이라고 불리우는 강재의 피삭성(machinability)을 고도로 향상시킨 강을 의미한다. 이러한 쾌삭강은 자동차의 유압부품, 프린터 등에 사용될 수 있는 사무자동화 기기의 샤프트(Shaft), 절삭부품 등의 소재로 널리 사용되고 있으며 점차 그 용도나 수요가 증가하는 추세에 있다.

쾌삭강은 기본적으로 우수한 기계 절삭성을 지녀야 하며, 이를 위하여 고유한 성분이나 개재물을 포함하게 된다. 이러한 절삭성을 향상시키기 위한 기구로서 특히 강재 내부에 존재하는 비금속성 개재물이 이용될 수 있으며, 이러한 비금속 개재물 중 대표적인 것이 MnS이다. 쾌삭강의 절삭성은 MnS의 크기, 형상, 분포 등을 제어함으로써 얻어질 수 있는데, 보다 상세하게는 선반과 같은 기계가공 장치를 이용하여 강재 절삭시, 공구 선단부(Tip)와 강재가 접촉하는 부위에서 MnS 등 비금속 개재물이 응력집중원(Stress Concentration Source)으로 작용하고, 이들 비금속 개재물과 기지(Matrix) 계면에서 보이드(void)가 생성되어, 상기 보이드에서 균열(Crack) 성장이 촉진됨으로써 절삭에 필요한 힘을 감소시키는 원리로 작용하는 것이다.

따라서 쾌삭강의 절삭성 향상을 위해서는 기본적으로 ① MnS가 다량 잔존해야 하고, ② 무작위(Random)로 분포해야 하며, ③ MnS 사이즈가 크고, 특히 그 형상이 구형에 가까울수록 좋다.

쾌삭강에 존재하는 MnS의 형상은 연주 턴디시(Tundish)의 산소 함량에 따라 크게 달라지고, 이들 형상은 크게 3가지 형태, 즉 구형(Type I), 수지상 형태(Type II) 및 불규칙한 형태(Type III) 등으로 구분된다.

상기 구형(Type I)은 쾌삭강의 절삭성을 향상시키는데 유용한 것으로 알려져 있으며, Tundish 전산소 함량이(T.[O]) 수백 ppm 정도로 높을 경우에는 고온의 용강에서 응고하면서 탈산과정과 병행하여 Mn(O,S) 등 복합황화물로 정출된다. 반면, 수지상(Type II) 구조는 Tundish T.[O] 함량이 수십 ppm 정도로 비교적 낮은 경우에 응고시 용강상태에서 정출되는 것이 아니라, 1차 결정립계를 따라 석출하게 되며, 이후 강재의 열간압연 과정에서 압연방향을 따라 쉽게 연신되어, 재료의 이방성을 크게 열화시킨다. 상기 수지상 구조는 쾌삭강을 제외한 일반강의 응고시 생성되는 형태이며, 강의 기계적 물성을 크게 열화시키므로 정련공정에서는 MnS 석출을 억제시키기 위해서 S 함량을 수 ppm 정도로 극단적으로 줄이는 등 많은 노력을 기울이고 있다. 마지막으로 불규칙한 형태(Type III)의 MnS는 용강 중 Tundish T.[O] 함량이 수 ppm 정도로 낮고, 용해 알루미늄 성분이 높을 경우에 주로 고온에서 MnS 단독개재물로 생성되는 특징을 지니며, 알루미늄 탈산강에서는 각형으로 존재하는 것으로 알려져 있다.

이러한 쾌삭강에 대한 종래기술로는 일본 공개특허 제2004-027333호가 제안된 바 있다. 상기 종래기술은 C, Si, Mn, S, P, Nb 및 O 등의 원소를 특정범위로 한정하고 동시에 미세조직으로서 폴리고널 페라이트(Poligonal Ferrite)의 면적율을 5% 이상으로 한정하는 기술을 개시하였다. 그러나 상기 발명은 Nb, Mo, Zr 등의 고가 합금원소들을 다량 첨가시켰으면서도 쾌삭강에서 이들 합금철의 역할을 분명하게 제시하지는 못하였다. 또한, 폴리고널 페라이트의 면적율을 소기 범위로 한정하면서도 그 측정방법을 구체적으로 제시하지 못했다는 문제점이 존재한다.

쾌삭강에 대한 다른 종래기술로는 일본 공개특허 제2000-265243호가 알려져 있다. 여기에서는 합금원소 C, Si, Mn, S, O, Bi 등을 일정량 첨가하며, 압연방향 단면에서 mm²당 Bi 개재물의 개수와 Bi 함량의 비율을 일정값 이상으로 한정하는 것을 특징으로 한다. 한편 상기 발명은 Bi 개재물 개수와 Bi 함량의 비율을 한정하고 있으나, 실제로 쾌삭강 제조과정에서 그 비율을 제어하는 것이 곤란하다. 나아가, 이 발명은 산소를 0.003중량% 이하로 첨가하는 것을 특징으로 하고 있는데, 이러한 산소량으로는 MnS 형상을 Type I, 즉 구형으로 제어하는 절삭성이 우수한 고산소 쾌삭강을 제공하기 어렵다.

쾌삭강 제조에 대한 또 다른 종래기술로는 일본 공개특허 제1993-345951호가 있다. 이 발명은 종래의 조괴법으로 제조한 쾌삭강과 동등 수준의 절삭성을 갖는 유황계 연속주조 쾌삭강에 관한 것으로, 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S)，질소(N) 및 산소(O₂)를 일정량 포함하고, MnS 개재물의 평균 사이즈를 50㎛² 이하로 하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 이 발명은 MnS에 관한 내용을 개시하고 있으나 그 입자의 크기만을 제안하고 있을 뿐, MnS 형상이 절삭성에 미치는 영향에 대해서는 설명하지 못하고 있다.

쾌삭강에 대한 또 다른 발명으로는 일본 공개특허 제1993-173593호가 있다. 상기 제안은 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S)，질소(N) 및 산소(O₂)를 기본성분으로 하고, Si를 0.1 중량％ 이하，Al을 0.009 중량％ 이하로 제한하며，또한 20∼150ppm 범위의 N과 산화물계 개재물의 질량 합계가 50％ 이상인 것을 특징으로 한다. 하지만 쾌삭강 강재에서 산화물계 개재물의 질량을 측정하는 것이 현실적으로 곤란하다는 사실을 감안할 때, 측정이 곤란한 값을 일정범위로 제어한 이 발명은 그 실효성과 현실성에서 문제가 있는 것으로 판단된다.

쾌삭강에 대한 또 다른 종래기술로는 국내 공개특허 제1999-0047911호가 있다. 이 발명은 Bi-S계 쾌삭강의 제조방법에 관한 것으로, 우수한 물성의 쾌삭강 및 오스테나이트 결정입도를 일정 크기로 조정하여 고온연성을 증대시키는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 중량%로, 탄소: 0.05-0.15%, 망간: 0.5-2.0%, 유황: 0.15-0.40%, 인: 0.01-0.10%, 산소: 0.003-0.020%, 비스무스: 0.03-0.30%, 실리콘: 0.01% 이하, 알루미늄 0.0009% 이하로 하고 나머지 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지며, MnS와 비스무스가 흡착된 MnS계 개재물의 전단면분율이 0.5%-2.0%이고, 비스무스의 전단면분율이 0.030%-0.30%인 Bi-S계 쾌삭강을 제안하는데, 이는 Bi-S계 쾌삭강에 관한 것이며, 본 발명과 같은 MnS 형상에 제어에 관한 방법을 제공하지는 못하고 있다.

본 발명은 상술한 종래기술들의 문제점 또는 종래기술들이 명확하게 지적하지 못한 쾌삭강의 특징을 제안하고, 아울러 환경규제강화 기준에 적합하며 절삭성, 열간압연성 등의 특성이 우수한 무연쾌삭강을 제공하기 위한 것이다.

이를 위하여 본 발명에서는, 중량%로, C: 0.03 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, Cr: 0.1 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.4%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연쾌삭강을 제공하며, 상기 무연쾌삭강의 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재할 수 있다. 이 경우, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5일 수 있다.

나아가 본 발명은, 전로 내 용탕에 산소를 초음속으로 취입하여 프리 산소가 400~1000ppm일 때 산소 취입을 종료하는 전로 정련 단계, 산소취입이 완료된 용탕을 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕 단계, 상기 티밍레이들을 LF에 이송시킨 후 용탕의 프리 산소 농도가 100~200ppm 범위가 될 때까지 LF 정련하는 용강의 승열 단계, 주조시간의 10~50% 시점에서 프리산소의 농도가 50~150ppm가 되도록 용강을 빌렛으로 주조하는 연속주조 단계 및 상기 빌렛을 가열로에서 1200~1350℃ 온도로 2~5시간 유지하며 선재로 압연하는 선재압연 단계를 포함하는 무연쾌삭강의 제조방법을 제공한다. 이 경우, 상기 연속주조 단계에서는 용강을 블룸으로 제조한 후, 강편압연을 통해 다시 빌렛으로 제조할 수도 있으며 이 때 상기 블룸을 가열로에서 4~10시간 유지하며 상기 블룸을 빌렛으로 압연하는 강편압연 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 상기 무연쾌삭강은 중량%로, C: 0.03 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, Cr: 0.1 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.4%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있으며, 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재할 수 있다. 특히, 상기 연속주조 단계는 몰드 전자교반 장치, 경압하(soft reduction) 장치 또는 몰드 전자교반 장치 및 경압하(soft reduction) 장치를 이용할 수 있으며, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 제강, 연주공정에서 S 쾌삭강을 용이하게 제조할 수 있고, 제강단계에서 구형 MnS를 다량 정출하여 절삭성을 크게 증대시 키면서도 우수한 열간압연성을 가지는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 ① Ti, Cr, N 등을 적정량 첨가하며, ② 성분 중 Mn/S의 비율을 3.5 이상으로 제어하고, ③ 전산소량(T.[O])을 300ppm 이하로 제한하면서 ④ MnS 개재물의 수를 압연방향 단면에서 면적 5㎛² 이상의 MnS가 단위 mm² 당 300~1000개 범위로 존재하도록 조절하는 것을 주요 내용으로 한다.

MnS 개재물은 도 1과 같은 형상으로 쾌삭강 내에 존재하게 되며, 특히 상술한 기술적 구성에 의해 Ti, Cr, N을 적절히 제한하는 경우에는 응고시 크기 0.1~5㎛ 범위의 (Cr, Ti)S계 또는 (Cr, Ti)N계 미세 석출물들이 도 2에서 나타난 바와 같이 결정립계(Grain boundary)에 다량으로 석출되어 ① 부품의 기계가공 작업 중 가공경화가 일어나는 것을 방지하여 절삭성을 향상시키며, 아울러 ② 강재의 파괴인성을 향상시킴으로써, BUE(Build-up Edge, 구성인선) 생성을 억제하고 Chip의 분절성을 좋게 하여 쾌삭강의 절삭성을 향상시킬 수 있게 된다. 이는 공구수명이 늘어나고 아울러 강의 표면조도가 우수해지는 효과를 아울러 나타낼 수 있다.

이하 본 발명을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.03 ~ 0.13중량%

C는 탄화물을 형성하여 소재의 강도 및 경도를 증가시키는 원소로, 쾌삭강에서는 일부 퍼얼라이트(pearlite)로 존재하여 강재를 절삭할 때 공구에서 구성인선(Build-up Edge, 이하 BUE라 한다)이 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다. C 함유량이 0.03% 미만이면 소재의 경도를 소기의 범위로 증가시키기 어렵고, 구성인선을 억제하는 효과가 없다. 반면 C 함량이 0.13%를 초과하는 경우에는 소재의 경도가 지나치게 증가하여 공구수명이 크게 단축되므로 본 발명에서는 C 함량을 0.03∼0.13% 범위로 한정한다.

실리콘(Si): 0.1중량% 이하

Si는 선철이나 탈산제로 인해 소재에 잔류되는 원소이며, 산화물 즉 SiO₂를 형성하지 않는다면 대부분 페라이트에 고용되므로 일반적인 쾌삭강의 기계적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있었다. 그러나 본 발명자 등의 실험에 의하면 고산소 쾌삭강에서는 Si 함량이 0.1%를 초과하게 되면 SiO₂가 생성되어 쾌삭강의 기계 가공시 공구수명을 현저하게 떨어뜨리므로, 본 발명에서는 Si를 첨가하지 않는 것을 원칙으로 한다. 그러나 제강과정에서 합금철, 내화물 등으로부터 불가피하게 Si가 유입될 수 있는바, 본 발명의 쾌삭강에 존재하는 Si 함량을 0.1% 이하로 제어하였다.

망간(Mn): 0.7 ~ 2.0중량%

Mn은 강재의 피삭성을 부여하기 위한 비금속 개재물 MnS를 형성시키기 위해 본 발명에서 필수적인 합금원소로서, 0.7% 이상을 첨가해야 MnS 개재물을 효과적으로 정출시킬 수 있으며, 나아가 열간압연시 강편의 표면결함이 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 하지만, Mn 함량이 지나치게 과다하여 2.0%를 초과하면 강재의 경도가 증가하여 공구 수명이 오히려 떨어지게 될 수 있다. 또한, Mn 함량이 0.7~2.0% 범위에서는 일부 Mn이 산소와 결합하여 MnO를 생성하는데, 이것은 응고과정에서 MnS의 생성핵으로 작용하여 구형 MnS 개재물 생성을 촉진하는 역할을 하게 된다.

인(P): 0.05 ~ 0.15중량%

P은 절삭공구 선단에 형성되기 쉬운 BUE을 억제하기 위한 원소로서, P 함유량이 0.05% 미만일 때에는 BUE 생성 억제 효과를 기대하기 어렵고, 반면 0.15%를 초과하는 경우에는 BUE 억제 효과는 우수하나 강재의 경도가 증가하여 절삭공구 수명의 단축이 우려되므로 본 발명에서는 P 함량을 0.05∼0.15% 범위로 한정한다

황(S): 0.2 ~ 0.5중량%

쾌삭강에서 S는 응고시 MnS 개재물을 형성하는데 사용된다. MnS는 전술했듯이 강재의 절삭성을 향상시켜 절삭공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 하기 때문에 본 발명에서 매우 중요하다. 이러한 목적을 위하여 S는 0.2% 이상 첨가된다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면, 지나치게 다량의 S 첨 가는 결정립계에 그물 모양의 FeS 석출을 촉진하며, 이러한 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간압연성이 크게 저하될 수 있다. 또한 S함량이 필요 이상으로 증가하면 강재의 표면 결함이 증가하는 것과 동시에 강재 인성과 연성이 현저하게 떨어지므로, S의 함량은 0.5%를 초과하지 않아야 한다.

붕소(B): 0.001 ~ 0.01중량%

B는 강재에서 소입성을 증가시키는 역할을 하며, 이를 위하여 본 발명은 10~100ppm 첨가한다. B가 10ppm 미만으로 첨가되는 경우에는 적절한 소입성 증가 효과를 얻기 어렵고, 본 발명자들의 실험에 의하면 B의 양이 100ppm을 초과하는 경우에는 소입성을 충분히 얻을 수는 있지만 고온연성이 저하되어 열간압연이 곤란한 바, 그 범위를 제한한다.

크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5중량%

Cr은 탄소강에서 오스테나이트 영역을 확장시키는 역할을 하는 원소로서, 그 비용이 저렴하고, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시키는 특성을 가지는 중요하고 보편적인 합금원소이다. 본 발명에서는 절삭성의 향상을 목적으로 Cr을 첨가하며, 본 발명자들의 실험에 의하면 Cr을 0.1% 미만으로 첨가하는 경우에는 피삭성 향상 효과가 거의 없었고, 반면 0.5%를 초과하는 경우에는 피삭성이 한계값에 도달하여 더 이상 개선되지 않았는바, Cr 첨가량을 0.1~0.5%로 한정하였다.

티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.4중량%

Ti은 O, N, C, S 및 H 등 어느 원소와도 강한 친화력을 나타내고, 특히 탈산, 탈질(脫窒), 탈류(脫硫) 반응 등에도 사용된다. 또한, Ti는 탄화물을 용이하게 형성하고, 결정립을 미세화시키는 역할을 한다. 본 발명에 관한 실험에 있어서도 Ti를 0.05% 이상 첨가하면 결정립 미세화로 절삭성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 0.4%를 초과하여 첨가하는 경우 절삭성 개선효과는 한계에 도달하고, 오히려 소재에 형성된 TiO₂로 인해 절삭공구 수명이 단축되는 문제점을 나타내는바, Ti의 함량은 0.05~0.4%로 제한한다.

질소(N): 0.005 ~ 0.015중량%

N은 절삭공구에서 구성인선 형성 및 절삭부품의 표면조도에 영향을 미치는 원소이다. 질소 함유량이 0.005중량% 미만에서는 BUE 생성이 증가하고, 표면조도가 떨어져서 좋지 않다. 그리고, 질소 함유량이 증가할수록 BUE 생성은 감소하나, 질소량이 0.015%를 초과하는 경우에는 주조가 완료된 쾌삭강 강편의 표면결함이 증가하여 문제될 수 있으므로, 본 발명에서는 N의 함량을 0.005∼0.015%로 한정한다.

산소(O): 0.03중량% 이하

산소(O)는 쾌삭강 주조시 몰드에서 용강의 응고초기 미세한 MnO를 형성하고, 상기 MnO는 MnS를 정출시키는 핵생성 사이트로 작용하게 된다. 여기서 상기 산소는 주조가 완료된 주편(또는 강편)의 전산소량(T.[O], Total oxygen)를 의미한다. 전술한 바와 같이 산소가 수십 ppm 또는 그 이하일 경우에는 용강 응고시 Type II 또는 Type III 형태의 MnS가 석출되고, 이러한 형상의 MnS는 쾌삭강의 절삭성을 열화시키므로 문제된다. 본 발명은 절삭성을 극대화시키기 위하여 Type I 즉 구형의 MnS 정출을 목표로 하는 것인바, 실험에 의하면 산소 함량이 높을수록 구형 MnS가 효과적으로 정출되는 경향을 나타내는 것으로 실험결과가 나타났으나, 그 양이 과다하여 0.03%를 초과하면 응고가 완료된 주편에서 핀홀(pin hole), 블로홀(Blow hole) 등 표면결함이 크게 증가할 수 있으므로 그 상한을 제한한다.

황(S)에 망간(Mn)의 중량 비율: Mn/S ≥ 3.5

상기의 성분함량 규제 이외에도 본 발명에 따른 고온에서의 연성이 우수한 쾌삭강을 제공하기 위해서는 상기 Mn과 S의 관계는 중량% 기준으로 Mn/S 비율이 3.5 이상을 만족하도록 제어한다. 이는 Mn을 S와 결합시켜 FeS에 의한 열간취성을 피하기 위한 것으로 일정량 이상의 Mn량을 확보하는 것이 중요하기 때문이다. 특히 Mn/S의 비율이 3.5 미만의 경우에는 열간압연성이 저하되어 본 발명에서 추구하는 쾌삭강을 제조하기 어렵다.

MnS 개수: 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS가 mm²당 300~1000개

본 발명의 친환경 무연쾌삭강은 강 내부에 잔존하는 비금속 개재물 MnS의 크 기와 분포에 따라 절삭성이 크게 달라진다. 일반적으로 MnS 크기가 크고, 개수가 많을수록 강재의 절삭성이 더 우수한 것으로 알려져 있으며, 본 발명자들의 광학현미경 관찰과 절삭성 평가결과에 의하면, 압연방향 즉 L방향 단면에서 크기 5㎛²를 초과하는 MnS가 mm²당 300~1000개 존재할 때 강재의 절삭성이 가장 우수한 것으로 나타났다. MnS가 300개 미만으로 존재하면 절삭성의 저하로 공구수명이 감소되고, 가공된 부품의 표면조도도 열위해진다. 반면, 1000개를 초과하는 경우에는, 공구수명은 늘어날 수 있으나 칩(chip) 처리성이 불량한 것으로 나타나므로 MnS의 개수는 300~1000개로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 전술한 합금성분을 포함하며, 합금성분을 효율적으로 발명의 목적에 이용할 수 있는 쾌삭강의 제조방법을 보다 상세히 설명한다(도 3 참고).

전로 정련 단계

먼저 전로 내 용탕에 산소를 초음속으로 취입하여 용탕에 포함된 불순물 C, Si, Mn, P 등을 대기 또는 슬래그로 제거한다. 전로 정련은 전로 내 용탕의 프리 산소가 400~1000ppm 범위일 때 산소취입을 종료하는 것이 바람직하다. 산소가 400ppm 미만에서는 용탕의 탄소 함량이 본 발명 조성범위를 초과하게 되므로, 탄소 성분 제어가 어렵고, 반면 1000ppm을 초과한다면 전로, 티밍레이들 등 내화물의 과다 침식을 초래할 수 있어 불리하기 때문이다.

출탕 단계

이어서 산소취입이 완료된 용탕을 탈산하지 않은 상태, 즉 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 단계를 거치며, 필요한 경우 출탕단계 도중 합금철과 같은 부원료를 첨가할 수 있다. 합금철이나 부원료를 첨가하는 것은 용강 및 슬래그를 적정 범위로 조성하기 위함이다.

용탕의 승열 단계

출탕이 종료되면 티밍레이들을 LF에 이송시키고, 용강의 승열을 실시한다. 용탕의 승열은 사전에 LF에 형성된 탄소 전극봉을 통해 전기 아크를 용강에 공급함으로써 용강의 온도가 증가된다. 승열을 실시하는 도중에 필요한 경우 합금철이나 부원료를 첨가하기도 하며, 경우에 따라서는 용강시료 채취와 용강의 산소 농도를 측정하기도 한다. 용강을 승열하는 과정에는 전기 아크에 의해 슬래그 중 산소화합물이나 대기 중 산소가 분해되어 용탕으로 유입되므로 산소 농도가 증가된다. LF에서는 용탕의 프리 산소 농도가 100~200ppm 범위에서 LF 정련을 종료하는 것이 바람직하다. 프리 산소 100ppm 미만에서 LF 정련을 종료하게 되면 소기의 MnS를 형성시키기 어렵고, 반면 200ppm을 초과하는 상황에서 종료하면, 이후 공정에서 용강성분의 변동을 예측하기 어려워 성분제어가 용이하지 않게 되므로, LF 정련이 종료되는 시점의 프리 산소 농도는 100~200ppm 범위로 제어한다.

연속주조 단계

LF 정련이 완료된 용강을 연속주조기로 이송하여 연속주조를 행한다. 연속주조가 시작되고 나면 용강의 프리 산소 농도를 측정하는데, 이는 주조되는 쾌삭강의 절삭성 양호여부를 사전에 파악하기 위한 것이다. 프리 산소 농도는 총 주조시간의 10~50% 시점에 측정하는데, 이 때 프리산소의 농도는 50~150ppm 범위이면 충분하다. 주조시간이 10% 미만인 경우에 프리 산소를 측정하면, 턴디시 내화물이나 턴디시 보온재 등의 영향으로 인해 정확한 프리산소 농도를 얻기 어렵고, 50%를 초과해서 측정한다면 산소농도를 제어할수 있는 기회를 상실하게 되므로 불리하다. 또한, 측정된 프리 산소 농도가 50ppm 미만의 경우에는 실험에 의하면 절삭성이 상대적으로 불량하였고, 반면 150ppm을 초과하면 주편에서 핀홀, 블로홀이 다소 증가하여 좋지 않기 때문이다. 그리고 상기 쾌삭강을 주조함에 있어 몰드 전자교반 장치, 즉 몰드 EMS와 경압하(Soft reduction) 장치를 가동하면 더욱 우수한 주편을 얻을 수 있는데, 상기 몰드 EMS 장치를 가동한다면 구형이며 크기가 큰 MnS 개재물을 얻는데 유리하고, 경압하 장치는 주편의 중심편석 감소와 주표 표면에서 핀홀, 블로홀 등 표면결함을 저감하는데 매우 유리하다. 쾌삭강의 연속주조에서는 300mmX400mm, 400mmX500mm 등의 블룸이나 120mmX120mm, 160mmX160mm 등의 빌렛으로 연속주조를 실시하더라도 기본적으로 모두 가능한 방법이다. 다만 블룸으로 주조한다면 강편압연 공정 즉 빌렛으로 제조하는 공정을 거치면 되고, 빌렛으로 압연한다면 강편압연 공정을 생략하고 선재압연을 실시한다면 충분하다.

강편압연 단계

연속주조 단계에서 빌렛 주조가 아닌 블룸 주조를 실시한 경우에는, 이어서 블룸을 빌렛으로 압연을 실시하는 과정이 추가적으로 포함된다. 300mmX400mm 또는 400mmX500mm 블룸을 사용하여 120mmX120mm 또는 160mmX160mm 빌렛으로 압연한다면 이를 일반적으로 강편압연 또는 빌레타이징(Billetizing)이라 부르며, 이러한 강편압연 과정에서 가장 중요한 것은 강편의 온도 및 가열로 유지시간이다. 강편의 온도가 낮은 상태에서 압연을 실시하면 제조된 빌렛의 표면이 심하게 터지게 되므로, 본 발명에서는 1250℃ 이상의 가열로 온도를 4~10시간 유지하는 것으로 제한한다. 만일 강편온도가 1250℃ 미만이라면 가열로에서 아무리 오래 유지시키더라도 제조된 빌렛의 표면품질이 불량함이 실험적으로 확인되었고, 반면 블룸 온도를 1250℃ 이상으로 유지한다고 하더라도 가열로에서의 유지시간이 4시간 미만이면 마찬가지로 빌렛 표면품질이 불량하였다. 또한, 블룸의 온도를 1250℃ 이상으로 유지하면서 가열로에서 10시간을 초과하여 유지하는 경우 생산성이 크게 감소되면서도 빌렛 표면품질은 4~10시간을 유지한 경우와 동등 수준에 불과하여 가열로 유지 시간을 4~10시간으로 한정한 것이다.

선재압연 단계

쾌삭강을 빌렛으로 주조했거나 또는 블룸으로 주조하고 강편압연을 실시하여 빌렛을 제조하였다면, 이어서 빌렛을 선재(wire rod)로 압연을 실시한다 본 단계에 의하여 쾌삭강 빌렛으로부터 선재를 제조함에 있어서 가장 중요한 요소는 빌렛 가열로의 온도와 가열시간이다. 표면품질이 우수한 쾌삭강 선재를 얻기 위해서는 가 열로에서 빌렛 온도를 1200~1350℃ 범위에서 2~5시간 유지시키는 것이 바람직하다. 빌렛 온도 1200℃ 미만의 경우 가열로 유지시간을 길게 하더라도 양호한 선재 표면품질을 얻기 어렵고, 1350℃를 초과하는 경우 1200~1350℃에 비해 상대적으로 더 우수한 선재 표면품질을 얻기 어려웠다. 또한 가열로 유지시간이 2시간 미만의 경우 상기 온도 범위에서 양호한 선재의 표면품질을 얻기 어려웠고, 5시간을 초과하더라도 2~5시간과 비교할 때 더 나은 선재 표면품질을 얻기 어렵다는 결론에 도달하였다.

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 200kg급 고주파 대기유도 용해로에서 하기 표 1의 실시예 및 비교예(SUM24L) 조성물의 강편을 제조하였다. 여기서 비교예는 현재 가장 널리 사용되고 있는 Pb 쾌삭강 즉 SAE12L14이며, 실험예와 비교예는 동일한 실험설비와 제조과정을 거쳐 제조하였고, 그때 제조된 강편 크기는 230mm X 230mm X 350mm 이었다.

	C	Si	Mn	P	S	N(ppm)	기타 성분	비고
실험예1	0.12	0.05	1.2	0.10	0.30	130	Cr 0.3, Ti 0.3
실험예2	0.09	0.01	1.0	0.08	0.25	98	Cr 0.4, Ti 0.2
비교예 1	0.08	0.03	1.2	0.08	0.33	85	Pb 0.25	SUM24L

상기 강편을 가열로에서 1300℃로 가열하고, 파일럿 압연기를 사용하여 두께 30mm 판재로 압연하였다. 이어서 압연방향으로 30mmX30mm의 크기를 갖는 4각형으로 절단한 후, 선반에서 직경 25mm 환봉으로 가공하였다. 이후 CNC 선반에서 상기 직경 25mm 환봉을 대상으로 절삭성 평가실험을 수행하여 공구수명과 절삭면의 표면조도를 측정하였다. 상기 절삭성 평가실험에서는 절삭조건으로는 절삭속도 100m/min, 절삭 깊이 1.0mm 및 이송속도 0.1mm/rev의 조건을 채택하여 수행하였으며, 절삭유를 사용하지 않는 드라이(dry) 컨디션을 유지하였다.

상기 실험에서 공구수명은 일반적으로 널리 사용되는 절삭시간에 따른 플랭크 마모(Flank wear)를 측정하였고, 표면조도는 절삭시간에 따른 표면조도를 도출하였으며, 플랭크 마모와 표면조도의 단위는 각각 ㎛이며, 이 값이 작을수록 표면특성이 우수함을 의미한다. 도 4은 본 발명의 실험예와 비교재의 공구수명을 도시한 그래프로, 본 발명의 실험예들은 비교강들과 동등한 수준의 공구수명을 나타내는 것을 나타낸다. 나아가, 도 5에서는 표면특성 역시 Pb 쾌삭강과 동등 수준이거나 더 우수함을 확인할 수 있었다.

본 발명이 인체에 유해한 Pb 대신 소정량의 Cr, Ti 및 N을 첨가하여 공구수명은 물론 표면조도까지 Pb 쾌삭강과 동등하거나 우수한 수준을 나타낼 수 있는 이유는 S:0.2~0.5% 범위의 고산소 쾌삭강에 Cr:0.1~0.5%, Ti:0.05~0.4% 및 N:0.005~ 0.015% 정도를 첨가하는 경우, 용강 응고시, 크기 1㎛(마이크로미터) 전후의 (Cr,Ti)S계 및 (Cr,Ti)N계 미세 석출물이 결정립계(Grain Boundary)에 다량 석출하게 되고, 이러한 석출물들에 의하여 부품의 기계가공 작업 중 강재의 가공경화 방지, 강재의 파괴인성(Fracture toughness)의 저하 등의 효과가 나타나서, BUE 생성의 억제, Chip 분절성 향상이 가능하기 때문인 것으로 판단된다.

[실시예 2]

연속주조가 완료된 300X400mm 크기의 쾌삭강 블룸을 강편압연 공정에서 160X160mm 크기의 빌렛으로 압연하고, 이어서 상기 빌렛을 선재압연 공정에서 직경 25mm 선재(Wire Rod)로 압연하였다. 그때 강편 및 빌렛은 통상적인 쾌삭강 압연조건으로 가열 및 냉각을 행하였다. 압연이 완료된 선재에서 샘플을 채취하고, N/O 분석기로 전산소량을, 광학현미경으로 MnS 면적과 형상을 관찰하였다. 한편, 선재압연이 완료된 Wire Rod에 대하여 냉간 신선을 실시하여 23mm 환봉(CD Bar)으로 제조하고, 이후 CNC 선반을 사용, 절삭실험을 행한 후 공구수명을 측정하였다. 하기 표 2는 상기 실험을 통해 얻어진 선재의 전산소량(ppm), 면적 5㎛² 이상인 MnS의 mm² 당 개수 및 공구수명을 정리한 것이다. 하기 표 4에서 공구수명은 절삭공구 1개로 절삭 가공할 수 있는 부품 개수를 의미한다

구분	전산소량(T.[O]),ppm	단위 면적당 MnS 수 (면적 5㎛2 이상)	공구수명(회)
실험예 3	133	316	5,300
실험예 4	138	627	5,500
실험예 5	290	525	6,500
실험예 6	235	467	6,200
비교예 2	116	288	4,400
비교예 3	220	219	3,100
비교예 4	315	527	5,800
비교예 5	380	427	5,700

상기 표 2로부터 선재 전산소함량이 본 발명의 한정범위 300ppm 이하에 포함되는 경우, 단위면적당 MnS 수가 300~1000개의 범위라면(실험예 3 내지 6), 공구수명이 쾌삭강 부품 고객사가 요구하는 5,000회 이상으로 나타났다. 반면, 비교예 2 및 3과 같이 전산소 함량이 본 발명의 범위에 속함에도 불구하고 단위면적당 MnS가 300개 미만인 경우에는 공구수명이 5,000회에 미달하였다. 이는 비교적 면적이 큰 MnS 부족으로 절삭시 크랙발생, 전파가 상대적으로 덜 진행되어 생긴 현상으로 생각된다. 한편, 비교예 4 및 5의 경우에는 단위면적당 MnS 수가 본 발명 한정범위에 포함되고, 절삭공구 수명도 기준값인 5,000를 초과하였으나, 주편으로부터 CD바(Cold-Drawn Bar)까지의 회수율이 80% 미만인데, 그 이유는 전산소량이 300ppm을 초과하여 과도하게 높아 1차적으로 주편의 표면에 핀홀, 블로홀 등이 잔존하였고, 이후 강편압연 및 선재압연에서 더 이상 개선되지 못함을 알 수 있었다. 따라서 전산소량이 과도하게 높은 경우에는 다수의 표면결함, 낮은 회수율 및 비용의 증가로 본 발명에서 추구하는 목적을 달성하기 어렵다.

도 1은 MnS 개재물의 모습을 나타내는 현미경 사진

도 2는 고산소 쾌삭강에서 Cr, Ti, N 및 S계 석출물이 MnS 개재물과 공존하는 모습을 나타내는 현미경 사진

도 3은 본 발명의 친환경 무연쾌삭강의 제조공정을 개략적으로 나타내는 그림

도 4는 본 발명의 조건을 만족하는 실험예와 비교예의 공구수명을 비교하는 그래프

도 5는 본 발명의 조건을 만족하는 실험예와 비교예의 표면조도를 비교하는 그래프

Claims (9)

1. 중량%로, C: 0.03 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하(0%는 제외), Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, Cr: 0.1 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.4%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5임을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
2. 제1항에 있어서, 상기 무연쾌삭강은 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 무연쾌삭강은 B: 0.001 ~ 0.01%를 추가로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.
4. 전로 내 용탕에 산소를 초음속으로 취입하여 프리 산소가 400~1000ppm일 때 산소 취입을 종료하는 전로 정련 단계;

   산소취입이 완료된 용탕을 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕 단계;

   상기 티밍레이들을 레이들 퍼니스(Ladle Furnace, LF)에 이송시킨 후 용탕의 프리 산소 농도가 100~200ppm 범위가 될 때까지 레이들 퍼니스(Ladle Furnace, LF) 정련하는 용강의 승열 단계;

   주조시간의 10~50% 시점에서 프리산소의 농도가 50~150ppm가 되도록 용강을 빌렛으로 주조하는 연속주조 단계; 및

   상기 빌렛을 가열로에서 1200~1350℃ 온도로 2~5시간 유지하며 선재로 압연하는 선재압연 단계;를 포함하는,

   중량%로, C: 0.03 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하(0%는 제외), Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, Cr: 0.1 ~ 0.5%, Ti: 0.05 ~ 0.4%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 무연쾌삭강은 상기 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재하도록 하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 연속주조 단계는

   용강을 블룸으로 주조하는 단계; 및

   가열로에서 5~10시간 유지하며 상기 블룸을 빌렛으로 압연하는 강편압연 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.
7. 제4항 또는 제6항에 있어서, 상기 연속주조 단계는 몰드 전자교반 장치, 경압하(soft reduction) 장치 또는 몰드 전자교반 장치 및 경압하(soft reduction) 장치를 이용하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.
8. 제4항에 있어서, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5임을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.
9. 제4항에 있어서, 상기 무연쾌삭강은 B: 0.001 ~ 0.01%를 더 포함하도록 하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제조하는 방법.

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