KR101289103B1

KR101289103B1 - 절삭성 및 열간압연성이 우수한 무연쾌삭강 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101289103B1
Application number: KR1020090124102A
Authority: KR
Inventors: 이기호; 손재승; 안상복; 임성욱
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2013-07-23
Also published as: KR20110067490A

Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.10%, 실리콘(Si): 0.1% 이하, 망간(Mn): 0.8~2.2%, 인(P): 0.02~0.13%, 황(S): 0.25~0.65%, 보론(B): 0.0005~0.010%, 크롬(Cr): 0.1~1.0%, 티타늄(Ti): 0.005~0.15%, 비스무스(Bi): 0.03~0.3%, 질소(N): 0.003~0.012%, 산소(T.[O]): 0.007~0.027% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 망간과 황은 Mn/S≥3.2을 만족하며, MnS 개재물을 포함하며, 추가적으로 (Cr,Ti)계 개재물과 MnS개재물을 포함하는 절삭성 및 열간압연성이 우수한 무연쾌삭강 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

쾌삭강, 비스무스(Bi), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 절삭성

Description

절삭성 및 열간압연성이 우수한 무연쾌삭강 선재 및 그 제조방법{Pb-Free Free-Cutting Steel Wire Rod With Excellent Machinability And Hot Workability And Manufacturing Method The Same}

본 발명은 친환경 무연쾌삭강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 절삭성과 열간압연성을 동시에 향상시킨 무연쾌삭강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

쾌삭강은 높은 절삭성을 갖는 강으로서, 자동차의 유압부품, 가전제품의 체결부품, 사무자동화 기기의 샤프트(Shaft), 일반 절삭부품 등의 소재로 널리 사용되고 있으며 점차 그 용도와 수요가 증가하고 있는 추세이다.

이러한 우수한 절삭성을 갖기 위하여, 종래에는 다양한 합금원소를 첨가하거나 내부에 개재물을 형성시키는 기술이 제안되었다. 이러한 기술들은 비금속성 개재물을 균열개시 시발점으로 이용하고, 추가로 복합질화물, 복합탄화물, 금속개재물 등을 이용한다. 그리고, 단독으로 존재하는 저융점원소 등을 분포시켜 절삭성을 더욱더 향상시킨다. 여기서, 비금속개재물은 주로 MnS이고, 절삭성은 MnS의 크기, 형상, 분포 등을 제어함으로써 얻어진다. 강재 절삭시, 공구 선단부(Tip)와 강재가 접촉하는 부위에서 MnS 등의 비금속개재물이 응력집중원으로 작용하고, 이들 비금속개재물과 기지(Matrix) 계면에서 보이드(void)가 생성된다. 상기 보이드에서 균열(Crack) 성장이 촉진됨으로써 균열이 전파하여 절삭에 필요한 힘(절삭력)을 감소시키는 원리로 작용하여 절삭성을 갖는다.

그리고, MnS의 형상 및 분포는 연주 턴디시(Tundish)의 산소 함량에 따라 크게 영향을 받는다. 턴디시 전산소 함량이(T.[O]) 수백 ppm 정도로 높을 경우에는 용강에서 응고하면서 탈산 과정과 병행하여 구형을 갖는 Mn(O,S) 등 복합황화물로 정출된다. 반면, 턴디시 T.[O] 함량이 수십 ppm 정도로 비교적 낮은 경우에 응고시 1차 결정립계를 따라 석출하게 되며, 이후 강재의 열간압연 과정에서 압연방향을 따라 쉽게 연신되어, 재료의 이방성을 크게 열화시킨다. 또한 턴디시 T.[O]가 과다하게 존재하면 주편내에 핀홀(pin hole)이나 블로우 홀(blow hole)이 다량 발생하여 열간압연시 표면결함이 발생할 수 있다. 따라서 적정 턴디시 산소량 제어가 중요하다.

이러한 기술로는 국내 특허공개공보 2008-0007386호를 들 수 있는데, 이 기술은 C, Si, Mn, P, S, O 및 N 등의 원소를 일정범위로 한정하고, 피삭성 향상 원소로 Mo, Ni Sn, Te 및 Se등의 합금원소를 첨가하는 것을 특징으로 하나, 이러한 합금원소들을 다량 첨가시켰으면서도 이러한 합금원소의 역할이 불분명하고, 저속(100m/min) 가공조건을 제시하나 이러한 저속 가공 조건에서는 합금원소의 첨가 효과가 불분명하다.

다른 기술로는 국내 공개특허공보 2009-0055648호를 들 수 있는데, 이 기술은 C, Si, Mn, P, S 등의 기본 합금성분에 Pb를 포함한 Bi, Te, Mg, W, Zn, Cr, Nb 등 원소를 1종 또는 2종 이상을 포함하고 직경이 0.1~0.5m인 MnS의 밀도가 10000개/㎟ 이상인 것을 특징으로 하지만, 피삭성에 대한 각각의 합금원소의 영향을 명확하게 제시하지 못하고, MnS 크기 및 밀도만 제시할 뿐 MnS 크기 및 밀도가 피삭성에 미치는 영향에 대해서 구체적으로 설명을 하지 못하고 있다.

또 다른 기술로는 국내 공개특허공보 2008-0027942호를 들 수 있는데, 이 기술은 C, Si, Mn, P, S를 기본 성분으로 하,고 N를 70~300ppm으로 제한을 하며, Mn과 S의 함유량이 0.4≤Mn*S≤1.2, 3.0≤Mn/S의 관계를 각각 만족하고, 강재의 직경을 d(mm)라고 할 때 MnS개재물의 평균 폭은 2.8log d 이상인 것을 특징으로 하나, MnS 개재물 경우 크기 뿐만 아니라, 개재물의 장단축비(aspect ratio)가 피삭성에 큰 영향을 주기 때문에 장단축비를 같이 고려해야 하는데, 상기 기술은 이를 고려하지 않은 문제점이 있다.

본 발명은 저융점원소 비스무스(Bi)와 복합개재물 형성원소인 티타늄(Ti), 크롬(Cr)의 함량, Mn/S의 비율을 제어하고, 전산소량(T.[O])을 단계적으로 제어하여 절삭성과 열간압연성을 모두 향상시킨 친환경적인 저탄소 무연쾌삭강 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 일 구현례로서, 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.10%, 실리콘(Si): 0.1% 이하, 망간(Mn): 0.8~2.2%, 인(P): 0.02~0.13%, 황(S): 0.25~0.65%, 보론(B): 0.0005~0.010%, 크롬(Cr): 0.1~1.0%, 티타늄(Ti): 0.005~0.15%, 비스무스(Bi): 0.03~0.3%, 질소(N): 0.003~0.012%, 산소(T.[O]): 0.007~0.027% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 망간과 황은 Mn/S≥3.2을 만족하며, (Cr,Ti)계 개재물과 MnS개재물을 포함하는 무연쾌삭강 선재를 제공한다. 상기 (Cr,Ti)계 개재물의 평균 직경은 1~30㎛인 것이 바람직하다.

본 발명은 다른 구현례로서, 전로내 용탕에 산소를 취입하여 프리산소 농도가 400~1000ppm일 때 산소 취입을 종료하는 1차정련단계; 상기 1차정련된 용탕을 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕단계; 상기 티밍레이들을 레이들 정련로에 이송시킨 후 용탕의 프리산소 농도가 50~150ppm가 되도록 정련하는 2차정련단 계; 상기 2차 정련된 용탕을 연속 주조용 턴디쉬(Tundish)로 이송하여 연속주조하여 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.10%, 실리콘(Si): 0.1% 이하, 망간(Mn): 0.8~2.2%, 인(P): 0.02~0.13%, 황(S): 0.25~0.65%, 보론(B): 0.0005~0.010%, 크롬(Cr): 0.1~1.0%, 티타늄(Ti): 0.005~0.15%, 비스무스(Bi): 0.03~0.3%, 질소(N): 0.003~0.012%, 산소(T.[O]): 0.007~0.027% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 연속주조단계; 및 상기 빌렛을 1200~1300℃에서 2~5시간 유지한 후 선재로 압연하는 선재압연 단계를 포함하는 무연쾌삭강 선재의 제조방법을 제공한다.

상기 연속주조단계는 주조시간의 10~50% 시점에 프리산소 농도가 50~150ppm가 되도록 실시되는 것이 바람직하다.

상기 연속주조단계에서 블룸을 제조하는 경우, 상기 블룸을 1200~1300℃에서 2~5시간 유지한 후 빌렛으로 압연하는 강편압연단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명은 절삭성을 크게 증대시키면서 동시에 우수한 열간압연성을 가지는 친환경적인 저탄소 무연쾌삭강을 제공한다.

강을 절삭할 때 비금속개재물은 응력집중원으로 작용하며, 비금속개재물과 기지계면에 보이드가 생성되고 상기 보이드에서 균열 성장이 촉진되어 전파된다. 본 발명은 비금속개재물로서, MnS개재물을 이용하는데, Mn/S의 비율과 전산소량(T.[O])을 제어하여 MnS개재물을 증가시킨다. 또한, 복합개재물 형성 원소인 크롬(Cr), 티타늄(Ti)의 함량을 적절히 제어함으로서, MnS개재물 외에 추가적인 개재물을 형성하여 응력집중원을 증가시킨다. 그리고, 인체에 유해한 납(Pb) 대신 인체에 무해한 저융점 원소인 비스무스(Bi)를 첨가한다. 더불어 상기와 같이 산소 함량을 제어하면, 핀홀이나 블로루홀의 발생을 방지하여 열간압연성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명 무연쾌삭강의 성분계에 대하여 설명한다.

탄소(C): 0.03~0.10중량%

탄소는 탄화물을 형성하여 소재의 강도 및 경도를 증가시키는 원소로서, 본 발명에서는 일부 펄라이트(Pearlite)로 존재하여 강재가 절삭될 때 적정 경도를 부여하여 공구에서 구성인선(Build-up Edge)이 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다. 탄소의 함량이 0.03중량% 미만인 경우에는 구성인선이 발생되기 쉽다. 반면에, 탄소의 함량이 0.10중량%를 초과하는 경우에는 소재의 경도가 지나치게 증가하여, 상대적으로 공구수명이 크게 단축되고, 주조 응고시 포정반응이 일어나 주편에 수축공이 발생하여 압연시 주편의 터짐현상이 발생할 수 있다.

실리콘(Si): 0.1중량% 이하

실리콘은 탈산제의 역할을 하는 원소로서, 산화물을 형성하지 않는 경우 대부분 페라이트에 고용되나, 고산소 조업을 실시하는 쾌삭강 제조방법에서는 실리콘의 함량이 0.1중량%를 초과하는 경우에는 견고한 SiO₂가 생성되어 쾌삭강의 기계 가공시 공구수명을 현저하게 저하시킬 수 있다. 본 발명에서는 실리콘을 첨가하지 않는 것을 원칙으로 하나, 제강과정에서 합금철, 내화물 등으로부터 불가피하게 실리콘이 유입될 수 있다.

망간(Mn): 0.8~2.2중량%

망간은 피삭성을 부여하기 위한 비금속 개재물 MnS를 형성시키는데 중요한 원소이다. 망간은 0.8중량% 이상을 첨가해야 MnS 개재물을 효과적으로 정출시킬 수 있으며, 열간압시 강편의 표면결함을 억제할 수 있다. 하지만, 망간의 함량이 지나치게 과다하여 2.2중량%를 초과하는 경우에는 강재의 경도가 증가하여 공구 수명이 오히려 떨어지게 될 수 있다. 상기와 같은 범위에서, 일부 망간은 일부 산소와 결합하여 MnO를 생성하는데, 상기 MnO는 응고과정에서 MnS의 핵생성 자리로 작용하여 구형 MnS 개재물의 생성을 촉진하는 역할을 할 수 있다. 그러나 적정량 이상의 MnO가 최종 소재에 존재하면 공구수명 및 표면조도가 떨어지기 때문에, 적정한 망간함량을 제어하는 것이 중요하다.

인(P): 0.02~0.13중량%

인은 절삭성 향상 원소로 소재의 결정입계에 편석되거나 화합물로 존재하여 절삭공구 선단에 형성되기 쉬운 구성인선을 억제할 수 있다. 인의 함량이 0.02중량% 미만일 경우에는 구성인선의 생성이 억제되는 효과를 기대하기 어렵고, 반면에 0.13중량%를 초과하는 경우에는 구성인선 억제 효과를 얻을 수 있으나, 소재의 경도가 증가하여 절삭공구의 수명이 단축될 우려가 있고 열간압연성이 저감될 수 있다.

황(S): 0.25~0.65중량%

황은 쾌삭강에서 응고시 MnS 개재물을 형성하여 절삭성을 향상시키는 중요한 원소 중 하나이다. 절삭공구 선단에 형성된 1차 및 2차 변형 지점에 존재하는 MnS은 절삭응력을 감소시켜 절삭공구 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 한다. 황의 함량이 0.25중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 그러나 0.65중량%를 초과하는 경우에에는 결정립계에 그물 모양의 FeS 석출을 촉진하며, 상기 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 열간압연성이 크게 저하시킬 수 있다. 또한, 황의 함량이 필요 이상으로 증가하면 강재의 표면 결함이 증가하고 강재의 인성과 연성이 현저하게 떨어질 수 있다.

보론(B): 0.0005~0.01중량%

보론은 소입성을 증가시키는 역할을 하고 페라이트생성을 지연시킨다. 보론의 함량이 0.0005중량% 미만인 경우에는 소입성 증가 효과를 얻기 어렵고, 0.01중 량%를 초과하는 경우에는 소입성을 충분히 얻을 수는 있지만 다량의 BN계 화학물이 생성되어 고온연성이 저하되고 열간압연성이 저하될 수 있다.

크롬(Cr): 0.1~1.0중량%

크롬은 탄소강에서 오스테나이트 영역을 확장시키는 역할을 하고, 상대적으로 비용이 저렴하고, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다. 본 발명에서는 티타늄, 산소, 질소와 결합하여 절삭성을 향상시킬 수 있는 복합화합물을 형성한다. 크롬의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 이러한 절삭성 향상 효과가 거의 없고, 1.0중량%를 초과하는 경우에는 절삭성 향상 효과가 포화된다.

티타늄(Ti): 0.005 ~ 0.15중량%

티타늄은 산소, 질소, 탄소, 황 및 수소 등 어느 원소와도 강한 친화력을 나타내고, 특히 탈산, 탈질(脫窒), 탈류(脫硫) 반응 등에도 사용된다. 또한, 티타늄은 탄화물을 용이하게 형성하고, 결정립을 미세화시키는 역할을 한다. 본 발명에서 티타늄이 0.005중량% 이상 포함되는 경우에는 Cr-Ti-O-N계 화합물이 형성되고 결정립 미세화 효과도 있어 절삭성이 크게 향상된다. 그러나, 0.15중량%를 초과하는 경우에는 강도 및 경도 향상으로 저탄소 쾌삭강 절삭가공 용도로는 효과가 한계에 도달하고, 오히려 TiO₂가 형성되어 절삭공구 수명을 단축시킬 수 있다.

비스무스(Bi): 0.03~0.3중량%

비스무스는 융점이 약 271℃로서, 절삭성 측면에서 납과 유사한 특성을 갖는 저융점 원소이며, 모재 내에 단독으로 또는 MnS에 붙어서 금속개재물 형태로 존재한다. 절삭 가공시 통상적으로 절삭온도가 비스무스의 융점보다 높기 때문에 상기 금속개재물은 액체상태가 되어서 공구선단과 모재의 가공면 사이에서 윤활작용을 하여 절삭력을 낮추어 절삭성을 향상시킨다. 비스무스의 함량이 0.03중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 절삭성 향상 효과가 미미하다. 반면에, 0.3중량%를 초과하는 경우에는 열간압연성을 저하시킨다. 더불어, 비스무스는 납과 동일 중량% 첨가했을 때 2배의 절삭성 향상 효과를 얻을 수 있다.

질소(N): 0.003~0.012중량%

질소는 절삭공구에서 구성인선 형성 및 절삭부품의 표면조도에 영향을 미치는 원소이다. 질소의 함량이 0.003중량% 미만인 경우에는 구성인선 생성이 증가하고, 표면조도가 떨어진다. 반면에 0.012중량%를 초과하는 경우에는 경도가 지나치게 높아서 공구수명을 단축시킬 수 있다.

산소(O): 0.007~0.027중량%

쾌삭강 주조시 몰드에서 용강의 응고초기 산소와 망간이 결합하여 미세한 MnO를 형성하고, 상기 MnO는 MnS를 정출시키는 핵생성 사이트로 작용하게 된다. 여기서 산소는 주조가 완료된 주편(또는 강편)의 전체 산소량(T.[O], Total oxygen) 를 의미한다. 산소가 수십 ppm 또는 그 이하일 경우에 용강 응고시 수지상 형태 또는 불규칙한 형태의 MnS가 석출되고, 이러한 형상의 MnS는 쾌삭강의 절삭성을 저하시키므로 산소 함량의 하한을 0.007중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 산소 함량이 높을수록 구형 MnS가 효과적으로 정출되나 그 함량이 과다하여 0.027중량%를 초과하는 경우에는 응고 완료시 핀홀(pin hole), 블로홀(Blow hole) 등 표면결함이 발생하는 문제가 발생한다.

망간(Mn)과 황(S)의 중량비: Mn/S ≥ 3.2

본 발명은 고온에서의 연성이 우수한 쾌삭강을 제공하기 위하여, 상술한 성분계의 조성범위를 제어하는 것 이외에도 망간과 황의 함량비를 추가적으로 제어한다. 황은 철과 결합하여 FeS를 형성할 수 있는데, 이러한 FeS는 열간취성을 일으킨다. 그러나, 일정량 이상의 망간이 첨가되는 경우 망간과 황이 결합하여 황이 FeS를 형성하는 것을 방지할 수 있다. 이러한 효과를 나타내기 위하여 망간은 황에 비하여 3.2배 이상 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상술한 성분계를 가지는 강으로서, 절삭성을 향상시키기 위한 바람직한 조건으로 강에 형성되는 석출물에 대하여 한정할 필요가 있다.

본 발명의 쾌삭강은 절삭성을 향상시키기 위하여 MnS 개재물을 포함하고, 추가적으로 (Cr,Ti)계 개재물을 포함한다. 여기서, (Cr,Ti)계 개재물은 (Cr,Ti)S계, (Cr,Ti)N계, (Cr,Ti)O계, (Cr,Ti)(S,N)계, (Cr,Ti)(S,O)계, (Cr,Ti)(N,O)계, (Cr,Ti)(S,N,O)계 개재물 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다. MnS 개재물은 균열개시 시발점으로 작용하여, 구성인선 생성을 억제하고 칩(Chip)의 분절성을 좋게 하여 쾌삭강의 절삭성을 향상시킬 수 있게 된다. 이를 통하여 공구수명이 증가하고 강의 표면조도가 우수해지는 효과를 얻을 수 있다. 상술한 (Cr,Ti)계 개재물은 MnS 개재물의 주위에 석출되어 추가적으로 균열개시 시발점으로서 역할을 하여 절삭성을 더욱 향상시켜줄 수 있다. 여기서 (Cr,Ti)계 개재물의 평균 직경은 1~30㎛가 바람직하며, 1㎛ 이상은 되어야 절삭성 향상효과가 있고, 30㎛를 초과하는 경우에는 압연성이 나빠진다.

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 충족하는 강을 제조하기 위하여 본 발명자들에 의해 도출된 가장 바람직한 방법에 대하여 아래에서 설명한다.

본 발명의 제조방법은 개략적으로는 전로내 용탕에 산소를 취입하여 프리산소 농도가 400~1000ppm일 때 산소 취입을 종료하는 1차정련단계, 상기 1차정련된 용탕을 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕단계, 상기 티밍레이들을 레이들 정련로(LF: ladale furnace)에 이송시킨 후 용탕의 프리산소 농도가 50~150ppm가 되도록 정련하는 2차정련단계, 상기 2차 정련된 용탕을 연속 주조용 턴디쉬(Tundish)로 이송하여 연속주조하는 단계 및 상기 연속주조된 빌렛을 1200~1300℃에서 2~5시간 유지한 후 선재로 압연하는 선재압연 단계를 포함한다.

이하, 각 단계별 상세한 조건에 대하여 설명한다.

1차정련단계

1차정련단계는 전로 내 용탕에 산소를 초음속으로 취입하여 용탕에 포함된 탄소, 실리콘, 인 등을 대기 또는 슬래그로 제거할 수 있는 공정이다. 본 발명에서는 전로내 용탕의 프리산소 농도가 400~1000ppm 범위일 때 산소취입을 종료한다. 프리산소의 농도가 400ppm 미만인 경우에는 용탕의 탄소 함량이 본 발명 조성범위를 초과하게 되어 탄소 성분 제어가 어렵고, 반면에 산소의 농도가 1000ppm을 초과하는 경우에는 초과하는 산소에 의하여 전로, 티밍레이들 등의 내화물이 과다하게 침식될 수 있다.

출탕단계

상기 산소취입이 완료된 용탕을 탈산하지 않은 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕한다. 미탈산 상태로 출탕하는 것은 산소함량이 높은 경우 MnO가 많이 형성되고, 산소때문에 황이 고용되지 못하여 황과 MnO와 반응함으로써 개재물을 증가시킬 수 있기 때문이다. 다만, 경우에 따라서는 출탕단계 중 탄소 분말, Fe-Mn, Fe-P, Fe-S 등을 포함하는 합금철과 같은 부원료를 첨가하여 용탕 및 슬래그를 적정 범위로 제어할 수 있다.

2차정련단계

2차정련은 용탕의 성분계를 미세하게 제어하기 위하여 실시한다. 다만, 이 때, 용탕이 응고되는 것을 방지하기 위하여 탄소 전극봉을 통해 전기 아크를 용탕에 공급하여 용탕을 승온시킬 수 있다. 다만, 용탕을 승온하는 과정에서 전기 아크에 의해 슬래그 중 산소화합물이나 대기 중 산소가 분해되어 용탕으로 유입되어 프리산소 농도가 증가된다. 그리고, 상기 승온을 실시하는 중 목표한 성분을 얻기 위하여 추가적으로 필요한 합금철이나 부원료를 첨가할 수 있다. 레이들로에서는 용탕의 프리산소 농도가 50~150ppm 범위에서 정련을 종료하는 것이 바람직하다. 프리산소의 농도가 50ppm 미만인 경우에 레이들 정련을 종료하게 되면 일정한 MnS를 형성시키기 어렵고, 반면 150ppm을 초과하는 경우에는 이후 공정에서 용강성분의 변동을 예측하기 어렵다.

연속주조단계

상기 정련이 완료된 용탕을 턴디시로 이송하여 연속주조를 실시하여 빌렛 또는 블룸을 제조한다. 연속주조가 실시되면, 용탕의 프리산소 농도를 측정하여 주조되는 쾌삭강의 절삭성 양호여부를 사전에 파악할 수 있다. 프리산소 농도는 총 주조시간의 10~50% 시점에 측정하는 것이 바람직하며, 측정된 프리산소 농도는 50~150ppm인 경우 바람직하다. 프리 산소의 농도가 50ppm 미만인 경우에는 상대적으로 미세한 MnS 개재물이 형성되어 절삭성이 불량하고, 반면에 150ppm을 초과하는 경우에는 지나친 산소 함량에 의하여, 주편에서 핀홀, 블로홀이 증가하며, 강편압 연시 코너부 터짐이 발생하는 문제점이 있다.

강편압연단계

본 발명은 연속주조에 의하여 블룸을 제조한 경우 상기 블룸을 빌렛으로 압연하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다. 300mmX400mm 또는 400mmX500mm 등의 블룸을 사용하여 120mmX120mm 또는 160mmX160mm 등의 빌렛으로 압연하는 것을 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 손상될 수 있으므로, 본 발명에서는 1200~1300℃의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 만일 블룸의 온도가 1200℃ 미만인 경우에는 가열로에서 아무리 오랜 시간 유지시키더라도 제조된 빌렛의 표면품질이 불량하다. 그러나, 지나친 가열 온도는 소재의 입계가 극부적으로 녹는 번트(burnt)현상이 발생하므로 가열온도의 상한은 1300℃로 한정하는 것이 바람직하다. 상기 온도 범위에서 2시간 이상 유지하여야 빌렛의 표면의 손상을 최소화할 수 있으며, 5시간을 초과하는 경우에는 빌렛의 표면이 손상되므로, 유지시간은 2~5시간으로 한정하는 것이 바람직하다.

선재압연단계

본 발명은 상기와 같이, 직접 빌렛으로 주조하거나 블룸으로 주조한 후 다시 빌렛으로 압연한 후 선재(wire rod)로 압연을 실시한다. 이러한 압연단계에서 선재 의 표면품질을 결정하는 중요한 요소는 빌렛 가열로의 온도와 가열시간이다. 표면품질이 우수한 쾌삭강 선재를 얻기 위해서는 가열로에서 온도를 1200℃ 이상에서 2~5시간 유지시키는 것이 바람직하다. 빌렛의 온도가 1200℃ 미만인 경우 가열로 유지시간을 길게 하더라도 양호한 선재 표면품질을 얻기 어렵다. 그러나, 지나친 가열 온도는 소재의 입계가 국부적으로 녹는 번트(burnt)현상이 발생하여 우수한 선재 표면품질을 얻기 어려우므로 가열온도의 상한은 1300℃로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 가열로 유지시간이 2시간 미만의 경우 상기 온도 범위에서 양호한 선재의 표면품질을 얻기 어렵고 5시간을 초과하는 경우에도 소재의 입계가 극부적으로 녹는 번트현상이 발생하여 우수한 선재 표면품질을 얻기 어렵다.

상술한 성분계 및 제조조건을 만족하는 본 발명의 쾌삭강은 절삭성이 우수하고, 압연 후 표면결함을 방지하여 압연성을 극대화할 수 있다. 이하, 실시예를 통하여 이를 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표1의 성분계를 만족하는 블룸을 200mm X 200mm X 350mm 크기로 주조하고 1200℃에서 2시간 가열하고, 파일럿 압연기를 이용하여 두께 30mm 판재로 압연한 후 압연방향으로 30mmX30mm 면적과 길이 400mm를 갖는 4각 봉으로 절단한 다음, 선반에서 직경 25mm 환봉으로 가공하였다. 이후 선반에서 상기 직경 25mm 환봉을 대상으로 절삭성 평가실험을 수행하여 공구수명과 절삭면의 표면조도를 측정하여 하기 표2에 나타내었다.

상기 절삭성 평가는 터닝 인서트를 사용하는 터닝시험이고, 터닝 공구는 코팅된 초경을 이용하였고, 절삭속도 150m/min, 절삭 깊이 0.5mm 및 이송속도 0.1mm/rev의 조건을 채택하였으며, 절삭유를 사용하여 습식(wet) 컨디션에서 절삭시험을 진행하였다. 가공부품은 원통형으로 직경 25mm 환봉을 최종 직경 16mm로 절삭하였고 가공부품의 길이는 20mm이었다. 상기 실험에서 공구수명은 일반적으로 널리 사용되는 절삭시간에 따른 플랭크 마모(Flank wear) 정도를 측정하여 나타내고, 표면조도는 Rz 값을 측정하여 나타낸 것으로서, 플랭크 마모와 표면조도의 단위는, 각각 ㎛이며, 이 값이 둘 다 작을수록 절삭성이 우수함을 의미한다.

또한, 압연성을 측정하기 위하여 초기 두께 200mm를 최종 두께 30mm 판재로 압연했을 때 표면 터짐 정도를 육안상으로 평가하여 총 3등급으로 나누어 하기 표2에 나타내었다.

더불어, 도1에 발명강1의 미세조직 사진을 나타내었다. 또한, 도2에는 하기 표2의 플랭크 마모값, 표면조도 및 압연성의 평가결과를 도식적으로 나타내었다.

구분	C	Si	Mn	P	S	B	Cr	Ti	Bi	Pb	T[O]	N	Mn/S
발명강1	0.03	0.02	2.2	0.04	0.60	14	0.12	0.012	0.04	-	256	45	3.66
발명강2	0.07	0.05	1.4	0.02	0.42	30	0.18	0.005	0.18	-	171	32	3.33
발명강3	0.10	0.09	1.7	0.12	0.37	55	0.45	0.100	0.27	-	132	77	4.59
발명강4	0.08	0.08	1.0	0.13	0.25	61	0.96	0.120	0.30	-	75	48	4.00
발명강5	0.04	0.10	0.9	0.08	0.27	88	0.70	0.072	0.25	-	95	85	3.33
발명강6	0.08	0.01	1.3	0.09	0.32	98	0.10	0.042	0.15	-	227	115	4.06
발명강7	0.08	0.08	2.0	0.05	0.50	36	0.42	0.051	0.08	-	89	102	4.00
비교강1	0.07	0.08	1.0	0.07	0.30	-	-	-	-	0.27	188	68	3.33
비교강2	0.06	0.07	1.6	0.05	0.35	80	0.23	0.250	0.3	-	159	90	4.57
비교강3	0.13	0.13	1.1	0.08	0.32	66	0.32	0.032	0.02	-	305	57	3.43
비교강4	0.06	0.05	1.1	0.04	0.55	47	0.58	0.052	0.08	-	141	130	200
비교강5	0.05	0.09	1.5	0.05	0.51	52	0.51	0.047	0.06	-	51	90	2.94

상기 표1에서 B, T[O], N의 함량 단위는 ppm이고, 이를 제외한 다른 원소의 함량 단위는 중량%이다.

구분	플랭크마모(㎛)	표면조도Rz(㎛)	압연성판단
발명강1	285	6.3	○
발명강2	308	7.2	○
발명강3	270	5.2	○
발명강4	293	6.0	○
발명강5	327	8.5	○
발명강6	311	7.1	○
발명강7	301	7.3	○
비교강1	308	8.8	○
비교강2	453	6.8	○
비교강3	387	12.5	×
비교강4	356	11.3	×
비교강5	348	8.3	△

(○: 표면 양호, △: 표면 터짐 약간 발생, ×:표면 터짐 매우 발생)

상기 표1에 나타낸 바와 같이, 발명강1 내지 발명강7은 절삭성 및 압연성이 비교강보다 우수하였고, 특히, 비교강1(Pb첨가 쾌삭강)과 유사함을 확인할 수 있었다. 그리고, 도1에 나타난 바와 같이, Cr-Ti계 개재물(1)과 MnS 개재물(2)이 공존하고 있음을 확인할 수 있다.

비교강2는 티타늄의 함량이 0.250중량%로서 본 발명이 제한하는 성분범위를 벗어나 경도가 증가하여 공구수명이 저하되었고, 비교강3은 탄소의 함량이 0.13중량%이고, 비스무스의 함량이 0.02중량%이며, 산소량이 350ppm으로서 본 발명이 제한하는 성분범위를 벗어나 압연성이 나빠지고 공구마모가 크게 일어났다. 비교예4는 MnS비가 3.2보다 낮아서 압연시 터짐현상이 발생하였고 고용 질소의 함량이 130ppm으로서, 본 발명이 제한하는 범위를 벗어나 공구수명이 저하되었으며, 비교강5는 MnS비가 3.2보다 낮으며 압연시 터짐이 약간 발생하였고, 전체산소량이 51ppm으로서, 본 발명이 제한하는 범위를 벗어나 공구수명 및 절삭성이 저하됐다.

도1은 발명강1의 미세조직 사진이다.

도2는 발명강, 비교강, Pb쾌삭강의 절삭성(표면조도, 플랭크 마모) 및 압연성(결함발생여부)을 나타내는 그래프이다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.03~0.10%, 실리콘(Si): 0.1% 이하(0%는 제외), 망간(Mn): 0.8~2.2%, 인(P): 0.02~0.13%, 황(S): 0.25~0.65%, 보론(B): 0.0005~0.010%, 크롬(Cr): 0.1~1.0%, 티타늄(Ti): 0.005~0.15%, 비스무스(Bi): 0.03~0.3%, 질소(N): 0.003~0.012%, 산소(T.[O]): 0.007~0.027%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 망간과 황은 Mn/S≥3.2을 만족하며, (Cr,Ti)계 개재물과 MnS개재물을 포함하고, 상기 (Cr,Ti)계 개재물의 평균 직경은 1~30㎛인 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강 선재.
삭제
전로내 용탕에 산소를 취입하여 프리산소 농도가 400~1000ppm일 때 산소 취입을 종료하는 1차정련단계;

상기 1차정련된 용탕을 미탈산 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕단계;

상기 티밍레이들을 레이들 정련로에 이송시킨 후 용탕의 프리산소 농도가 50~150ppm가 되도록 정련하는 2차정련단계;

상기 2차 정련된 용탕을 연속 주조용 턴디쉬(Tundish)로 이송하여 연속주조하여 중량%로, 탄소(C): 0.03~0.10%, 실리콘(Si): 0.1% 이하(0%는 제외), 망간(Mn): 0.8~2.2%, 인(P): 0.02~0.13%, 황(S): 0.25~0.65%, 보론(B): 0.0005~0.010%, 크롬(Cr): 0.1~1.0%, 티타늄(Ti): 0.005~0.15%, 비스무스(Bi): 0.03~0.3%, 질소(N): 0.003~0.012%, 산소(T.[O]): 0.007~0.027%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 연속주조단계; 및

상기 빌렛을 1200~1300℃에서 2~5시간 유지한 후 선재로 압연하는 선재압연 단계를 포함하는 무연쾌삭강 선재의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 연속주조단계는 주조시간의 10~50% 시점에 프리산소 농도가 50~150ppm가 되도록 실시되는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강 선재의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 연속주조단계에서 블룸을 제조하는 경우, 상기 블룸을 1200~1300℃에서 2~5시간 유지한 후 빌렛으로 압연하는 강편압연단계를 추가적으로 포함하는 무연쾌삭강 선재의 제조방법.