KR101543868B1

KR101543868B1 - 흑연화 처리성이 우수한 흑연강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101543868B1
Application number: KR1020130138182A
Authority: KR
Inventors: 이형직
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-11-14
Filing date: 2013-11-14
Publication date: 2015-08-11
Also published as: KR20150055789A

Abstract

본 발명은 흑연강에 관한 것으로서, 절삭가공이 주로 요구되는 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 이용하기 적합할 정도의 우수한 피삭성을 갖는 흑연강을 제조함에 있어서 흑연화 처리시간을 대폭 줄일 수 있는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강에 관한 것이다. 상기 강은 탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 2.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하를 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 이루어져 있어, 인라인 흑연화가 가능할 정도로 흑연화 처리시간이 매우 짧은 흑연화 처리성이 우수한 흑연강을 제공한다.

Description

흑연화 처리성이 우수한 흑연강 및 그 제조 방법 {GRAPHITE STEEL HAVING GOOD GRAPHITIZING PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 흑연강에 관한 것으로서, 절삭가공이 주로 요구되는 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 이용되는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

강재의 피삭성을 향상시키기 위해서 강중에 Pb, Bi 등 저융점 피삭성 부여원소를 첨가하여 액체금속취화 현상을 이용하고 있는데, 이러한 쾌삭강은 절삭가공 시 표면조도, 칩처리성, 공구수명 등 강의 피삭성이 매우 우수하다. 그러나, 종래에 피삭성 부여원소로 사용되던 Pb의 경우 절삭작업 시 유독성 가스를 배출하는 인체에 아주 유해한 원소이며 강재의 재활용에도 아주 불리하다. 이를 대체하기 위하여 Bi, Sn 등이 제안되었지만, 이들 원소를 첨가한 강재는 열간압연 시 균열이 발생하기 쉬워 생산이 매우 까다로운 문제가 있다.

상기와 같은 문제 때문에, Pb, Bi 등과 같은 피삭성 부여원소와 같이 윤활성을 가져 절삭가공 시 절삭공구의 마모를 억제할 수 있는 흑연을 적극 사용하는 방법이 오래 전부터 논의되어 왔다. 그러나, 흑연은 안정한 상이기는 하지만, 통상 준안정상인 시멘타이트만을 얻기 마련이고, 이러한 시멘타이트를 흑연화하기 위해서는 장시간의 항온 변태를 거쳐야만 한다.

그러므로, 가공 공정 시에 추가적인 흑연화 처리를 하지 않고도 절삭가공을 실시할 수 있거나, 매우 짧은 시간 동안의 흑연화 처리만으로도 100% 흑연화를 달성하고 바로 절삭가공을 실시할 수 있는 강재의 필요성이 있다.

그러나, 연속된 공정에 이용할 수 있을 정도의 흑연화 처리시간이 매우 짧은 강재는 아직 개발되지 못하고 있고, 연속 공정에 적용할 수 있을 만큼의 흑연화 시간을 단축시킨 강재의 개발이 필요하다.

본 발명은 피삭성을 향상하기 위해 첨가하는 Pb, Bi, Sn 등의 저융점 원소들을 첨가하지 않고, 절삭가공 시 이들과 유사한 특성을 갖는 흑연을 사용하는 흑연강으로서, 흑연화 처리속도가 매우 빨라 연속 공정에서 흑연화가 가능할 정도로 흑연화 처리시간을 대폭 단축시킬 수 있는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 흑연화 처리속도가 매우 빨라 연속 공정에서 흑연화가 가능할 정도로 흑연화 처리시간을 대폭 단축시킬 수 있는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 3.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 흑연립 크기는 10㎛ 이하, 흑연립 상분율은 1.0% 이상인 흑연화 처리성이 우수한 흑연강에 의하여 달성된다.

또한, 본 발명은 탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 2.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 준비하는 단계; 상기 강재를 재가열 후, 700~750 ℃까지 급냉하는 단계; 700~750 ℃의 온도에서 2~6 분 동안 흑연화 열처리하는 단계; 및 이후 공냉하는 단계를 포함하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강의 제조 방법에 의하여 달성된다.

여기에서, 바람직하게는 상기 급냉 단계에서, 강재 내의 초석 시멘타이트는 면적분율로 10%이하가 되도록 냉각속도를 제어한다.

본 발명은 흑연화 처리시간을 6분 이내로 대폭 줄인 흑연화 처리성이 우수한 흑연강을 제공할 수 있으므로, 열간압연 후 인라인 흑연화를 실시할 수 있다. 그리하여 흑연강을 연속 공정에 적용하기 어려웠던 종래 기술의 문제점을 완전히 해소할 수 있으며, 종래의 강재에 비하여 피삭성도 현저히 향상시킬 수 있다.

본 발명은 Pb, Bi, Sn 등의 저융점 원소들을 첨가하지 않고, 절삭가공 시 이들과 유사한 특성을 갖는 흑연을 사용하는 흑연강으로서, 흑연화 처리속도가 매우 빨라 연속 공정에서 흑연화가 가능할 정도로 흑연화 처리시간을 대폭 단축시킨 흑연화 처리성이 우수한 흑연강에 관한 것이다.

본 발명의 흑연화 처리성이 우수한 흑연강은 탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 2.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하를 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 이루어진다.

이하 본 발명의 성분 및 조성범위 한정이유를 상세히 설명한다.

탄소 (C): 0.80~1.50 중량%

탄소는 흑연을 형성하기 위해서 필수적인 원소로, 강재의 열간압연 후 냉각시 생성된 시멘타이트를 최대한 빨리 흑연화시키기 위한 방법 중 하나가 바로 탄소 활동도를 높이는 것이다. 탄소 함유량이 0.80 중량% 미만인 경우에는 그 효과가 적고 1.50 중량%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화된다.

실리콘 (Si): 3.0~5.0 중량%

실리콘은 용강제조 시 탈산제로서 필요한 성분이며 강중의 세멘타이트를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 원소이기 때문에 적극적으로 첨가한다. 3.0 중량% 미만인 경우에는 그 효과가 미흡하며 실리콘을 5.0 중량%를 초과하여 첨가하여도 흑연화 촉진의 효과는 포화되며 과공석 조성에서 강재의 취성을 유발할 수 있기 때문에 3.0~5.0 중량%의 범위로 한정하였다.

망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%

망간은 강의 강도를 증가시키고 충격특성에 영향을 미치는 합금원소이며 압연성을 증가시키고 취성을 감소시키는 한편 흑연 생성속도를 저하시키기 역할을 한다. 그래서 0.1 중량% 미만으로 첨가될 경우 강도 강화 효과가 너무 약하며, 0.5 중량%를 초과하여 첨가하면 흑연화 시간이 길어진다.

인 (P): 0.030 중량% 이하

인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.030 중량%로 제한한다.

황 (S): 0.030 중량% 이하

황은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키고 저융점 유화물을 형성시켜 열간 압연을 저해하므로 그 상한을 0.030 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

붕소 (B): 0.002~0.005 중량%

붕소는 질소와 결합하여 질화붕소(BN)를 형성하고 흑연의 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진시키기 때문에 적극적으로 첨가하는 원소이다. 0.002 중량% 미만에서는 그 첨가효과가 미흡하여 0.002 중량% 이상 첨가할 필요가 있으며, 0.005 중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 더 이상 효과상승을 기대할 수 없으며 동시에 입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도를 저하시켜서 열간가공성을 저하시키기 때문에 첨가범위를 0.002~0.005 중량%로 한정하였다.

질소: 0.004~0.008 중량%

질소는 붕소, 알루미늄과 결합하여 질화물들을 형성하고 이것들을 핵으로 하여 흑연 생성과 성장을 촉진시키기 때문에 적극적으로 첨가한다. 한편 흑연화 촉진에 유효한 질화물들을 형성하기 위해서는 붕소, 알루미늄과 거의 비슷한 당량으로 첨가하는 것이 바람직하나 이러한 질화물들을 균일하게 미세분산시키기 위해서는 화학당량보다도 조금 높게 첨가하는 것이 바람직하다. 또한 질소는 동적인 변형시효에 의해 칩처리성을 개선하기 때문에 조금 과다하게 첨가하는 것이 유리하다. 이러한 이유로 0.004 중량%이상 첨가하는 것이 필요하지만 0.008 중량%를 초과하여 첨가할 경우 그 효과가 포화되기 때문에 0.004~0.008 중량%로 한정하였다.

알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%

알루미늄은 강력한 탈산원소로서 탈산에 기여할 뿐만 아니라 흑연화를 촉진시키는 유용한 원소이다. 알루미늄 첨가에 의해 강중에 생성되는 알루미늄 산화물은 BN의 석출핵이 되기도 하고 흑연의 결정화를 촉진시키는 점에서도 효과적이다. 본 발명에서는 알루미늄을 적극적으로 첨가하지만 함유량이 0.01 중량% 이하이면 그 첨가 효과를 기대하기 어렵고 0.03 중량%이상에서는 흑연화 촉진작용이 포화되며 열간변형성을 현저하게 저하되는 문제점이 있어 0.01~0.03 중량%의 범위로 제한한다.

산소 (O): 0.005 중량% 이하

산소는 알루미늄과 결합하여 산화물을 형성한다. 이러한 산화물의 생성은 알루미늄의 유효농도를 감소시키게 된다. 그 결과 흑연의 결정화에 유용한 AlN의 생성량이 감소되며 따라서 실질적으로는 흑연화 작용을 방해하는 결과를 유발한다. 또한, 다량의 산소가 함유됨으로써 형성되는 알루미나 산화물은 절삭시 절삭공구를 손상시키기 때문에 피삭성의 저하를 초래한다. 이러한 이유로 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 0.005 중량% 까지는 상기한 산소에 의해 유발되는 문제점이 그리 크지 않기 때문에 그 상한을 0.005 중량% 이하로 제한하였다.

상기와 같은 성분 및 조성범위로 이루어져 있고, 본 발명에서 제안하는 방법에 의해 제조된 흑연강은 흑연립 크기가 10㎛ 이하이고, 그 상분율이 1.0% 이상인 것이 바람직하다. 흑연립 크기가 10㎛를 초과하게 되면 강재 내부에 기공이 생기고 강도가 저하되어 피삭성을 오히려 저하시킬 가능성이 커지고, 흑연립 상분율이 1.0% 미만이면 피삭성 향상을 위한 절삭공구의 윤활 효과가 감소해 바람직하지 못하다.

본 발명의 흑연화 처리성이 우수한 흑연강의 제조 방법은 탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 2.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 준비하는 단계; 상기 강재를 재가열 후, 700~750 ℃까지 급냉하는 단계; 700~750 ℃의 온도에서 2~6 분 동안 흑연화 열처리하는 단계; 및 이후 공냉하는 단계로 이루어진다.

상기와 같은 본 발명의 성분조성은 과공석 영역의 조성을 가지고 있으므로, 냉각시 오스테나이트와 시멘타이트의 이상영역을 경유하게 되고 그 결과 초석 시멘타이트가 석출될 수 있다. 상기의 초석 시멘타이트는 오스케나이트 결정립계에 주로 생성되어 분율이 높을 경우 흑연화 처리전 전체 미세조직에서 세멘타이트가 불균일하게 분포하는 결과를 초래하기 때문에, 흑연립의 분포도 불균일해 질 수 있다. 그러므로, 가능한 한 펄라이트 분율이 높은 강재, 즉 초석 시멘타이트 분율이 낮은 조직을 가지는 강재가 바람직하며, 흑연화시 균일하고 미세한 흑연립 분포를 가질 수 있기 위해서는 초석 시멘타이트의 부피분율은 10 중량% 이하로 제어되어야 한다. 초석 시멘타이트의 면적분율을 제어하기 위하여, 본 발명에서는 강재를 재가열 후, 냉각 시 흑연화 열처리 온도 범위까지 냉각속도를 조절하여 초석 시멘타이트의 분율을 10% 이하로 제어한다.

상기와 같은 성분 및 조성범위로 이루어져 있고 상기와 같은 미세조직을 갖는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강은 700~750℃의 온도에서 2~6분 동안 흑연화 열처리를 실시하면 흑연화가 완료되어 흑연화율이 100%가 된다. 열처리 온도가 700℃ 미만이면 흑연 핵생성은 빠르지만 성장속도가 너무 느리고, 반면 750℃를 초과하게 되면 흑연 핵생성 속도가 너무 느려서 흑연화율 100%이상을 달성하기 위해서는 장시간의 열처리 시간을 필요로 하기 때문에 연속공정에 적용하기 곤란하다.

여기에서, 흑연화가 완료되어 흑연화율 100%가 되었다는 것은, 상기와 같은 흑연화 열처리에 의하여, 강재 내의 시멘타이트가 모두 흑연화되어 강재에서 시멘타이트가 전혀 없는 상태를 의미한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

[ 실시예 ]

표 1의 발명예와 비교예의 성분계를 갖는 흑연화 처리성이 우수한 쾌삭강을 이용하여 잉곳으로 주조 후 1250℃에서 12시간 균질화 처리하고, 두께 25mm로 열간압연 후 공냉하여 강재를 제조하였다. 흑연화 열처리를 실시하기 전 초석 시멘타이트의 면적분율은 화상분석기를 이용하여 측정하였다.

구분		C	Si	Mn	P	S	B	N	Al	O
2	1.3	5	0.2	0.010	0.015	0.002	0.005	0.03	0.001
3	1.0	3	0.4	0.020	0.010	0.002	0.007	0.02	0.002
4	1.4	4	0.1	0.018	0.030	0.003	0.004	0.01	0.003
5	0.9	4	0.5	0.025	0.010	0.005	0.008	0.01	0.003
비교예	1	0.5	3	0.2	0.020	0.015	0.002	0.005	0.01	0.002
	2	1.2	0.5	0.4	0.010	0.010	0.002	0.003	0.02	0.003
	3	0.8	4	1.0	0.015	0.020	0.003	0.004	0.01	0.001
	4	1.3	3	0.3	0.015	0.015	0.001	0.007	0.03	0.001
	5	1.0	3	0.1	0.010	0.025	0.003	0.002	0.01	0.001

상기 강재의 흑연화 처리시 흑연화 거동을 살펴보기 위하여 흑연화 열처리를 실시하였다. 흑연화 열처리 온도는 750℃로 고정하였고, 이후 공냉하였다. 동일 조성의 시료에 대하여 흑연화 열처리 시간을 달리하였고, 흑연화율이 100 %가 되어 흑연화가 완료되는 시점을 흑연화 처리시간으로 정하였다.

여기에서, 흑연화율 100%란, 강재의 흑연화 열처리 후, 시멘타이트가 모두 흑연화되어 강재에서 시멘타이트가 전혀 없는 상태를 의미한다.

흑연화가 완료된 강재를 화상분석기를 사용하여 흑연립의 크기 및 상분율을 측정하였다. 또한, 흑연화가 완료된 강재를 CNC선반을 이용하여 선삭작업을 통해 공구마모 깊이를 평가하였다. 아래의 표 2에 이들의 값을 기재하였다.

구분		초석 시멘타이트 분율 (중량%)	흑연립 크기 (㎛)	흑연립 상분율(%)	흑연화시간 (min)	칩처리성
2	7	6.3	2.5	2	우수
3	5	5.2	2.4	4	우수
4	8	7.5	2.9	3	우수
5	1	3.6	1.8	5	우수
비교예	1	0	0.4	0.3	180	보통
	2	10	0.3	0.5	250	보통
	3	0	0.5	0.2	60	보통
	4	15	0.4	0.1	12	보통
	5	12	0.6	0.3	10	보통

상기 표 2를 보면 알 수 있듯이, 발명예의 강재는 흑연화율이 100%가 되는 흑연화 시간이 6분 이내로 비교예와 비교하여 아주 짧은 시간에 흑연화가 가능하다는 것을 알 수 있다.

그리고 표 2에서의 칩처리성이 우수한 결과를 보면 상기 발명예의 강재는 피삭성 우수하다는 것을 알 수 있고, 흑연립이 균일하고 미세하게 분포되기 때문인 것으로 보인다.

발명예 1~5의 강재는 흑연립 크기가 10㎛ 이하이고, 그 상분율이 1.0% 이상이기 때문에 기계가공 시 절삭공구의 윤활 효과가 충분한 반면, 비교예 1~5의 강재는 흑연립 상분율이 1.0% 미만이어서 피삭성 향상을 위한 절삭공구의 윤활 작용이 감소하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

Claims

탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 3.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 흑연립 크기는 10㎛ 이하, 흑연립 상분율은 1.0% 이상인 흑연화 처리성이 우수한 흑연강.
탄소 (C): 0.80~1.50 중량%, 실리콘 (Si): 2.0~5.0 중량%, 망간 (Mn): 0.1~0.5 중량%, 인 (P): 0.030 중량% 이하, 황 (S): 0.030 중량% 이하, 붕소 (B): 0.002~0.005 중량%, 질소 (N): 0.004~0.008 중량%, 알루미늄 (Al): 0.01~0.03 중량%, 산소 (O): 0.005 중량% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 준비하는 단계;
상기 강재를 재가열 후, 700~750 ℃까지 급냉하는 단계;
700~750 ℃의 온도에서 2~6 분 동안 흑연화 열처리하는 단계; 및
이후 공냉하는 단계를 포함하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강의 제조 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 급냉 단계에서, 강재 내의 초석 시멘타이트는 면적분율로 10%이하가 되도록 냉각속도를 제어하는 흑연화 처리성이 우수한 흑연강의 제조 방법.