KR102380415B1 - 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바 - Google Patents

전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소 0.5~1.0 wt%, 실리콘 1.5~3.0 wt%, 망간 0.005~0.30 wt%, 인 0.01 wt% 이하, 황 0.01 wt% 이하, 티타늄 0.0002~0.04 wt% 이하, 알루미늄 0.001~0.04 wt%, 보론 0.001~0.006 wt%, 질소 0.006~0.011 wt%의 미량합금원소를 첨가하여, 소재강의 가공성을 향상시키고, 제조되는 환봉바의 피삭성 및 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바에 관한 것이다.

Description

전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바 {Free-Cutting Steel Round Bar with Improved Electomagnetic Property}
본 발명은 솔레노이드 등의 전자기 부품의 소재가 흑연강 환봉바에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소재강에 탄소 0.5~1.0 wt%, 실리콘 1.5~3.0 wt%, 망간 0.005~0.30 wt%, 인 0.01 wt% 이하, 황 0.01 wt% 이하, 티타늄 0.0002~0.04 wt% 이하, 알루미늄 0.001~0.04 wt%, 보론 0.001~0.006 wt%, 질소 0.006~0.011 wt%의 미량합금원소를 첨가하여, 소재강의 가공성을 향상시키고, 제조되는 환봉바의 피삭성 및 전자기 성능을 향상시킨 흑연 쾌삭강 환봉바에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 기계와 자동차 등에 적용되는 부품은 절삭이나 주조 또는 단조 공정에 의해 필요한 형상으로 가공되는데, 이 중 절삭 공정에 의해 부품을 가공하는 경우 원소재로부터 최종 제품의 형상으로 가공하는 과정에서 이루어지는 가공량이 많기 때문에, 절삭 가공 중 발생하는 칩(chip)의 처리성과 가공 표면 조도 등의 소재 피삭성이 떨어지면 부품 손실이 발생하고, 제품 생산 비용이 크게 증가될 수 있다.
또한, 주조 또는 단조 공정을 통해 부품을 가공하는 경우 절삭 가공에 의한 부품 제조방식에 비해 복잡한 형상의 제품을 정밀하게 구현할 수 없기 때문에, 주조 또는 단조 공정에 의해 최종 부품의 형상에 근접한 중간 제품을 가공한 후, 절삭 공정을 통해 최종 제품의 형상으로 가공함으로써, 절삭 이나 주조 또는 단조 중 어느 하나의 공정만을 수행하여 제품을 가공함으로써 발생하는 문제점을 해결하고 있다.
제품의 소재가 되는 강재의 강도가 증가할수록 절삭 공구의 마멸이 빨라지고, 절삭 가공이 어려워져 가공 과정에서 소모되는 에너지 소모량이 증가하므로, 탄소와 망간 등의 원소를 포함하여 절삭성을 개선한 SUM(21,22,23), SUM(22L,24L), SUM(31,41,44)과 같은 쾌삭강(free-cutting steel)이 사용되고 있다.
특히, 단조 및 절삭 가공을 통해 제품을 제조하는 경우, 소재강은 원활한 절삭 가공을 수행하기 위한 피삭성 뿐만 아니라, 단조 성능 또한 확보되어야 하는데, 종래 사용하였던 통상의 쾌삭강으로는 이러한 물성을 모두 만족시키기 어려웠다.
그러나 종래의 피삭성 부여원소를 사용하는 쾌삭강의 경우 냉간 단조성이 매우 낮을 뿐만 아니라, 제조 과정에서 환경오염 문제를 야기할 수 있고, 제조 효율이 떨어지는 문제를 가지고 있었다.
또한, 절삭 가공에 의해 생산되는 부품 중 자동차의 전기 계통 또는 가전제품의 부품에 사용되는 전자기 소재는 높은 전자기 특성을 가질 수 있도록 자계 응답속도가 빠른 Si 함유 강재를 주로 사용하게 된다.
상기 부품에서 요구하는 전자기 특성으로, 자기장을 걸어 포화상태의 자성을 가지는 강자성체로부터 자기장 제거시 잔류자기값이 0이 되도록 하는데 필요한 반대 방향의 자기장의 크기인 보자력과, 특정 주파수에서 자속밀도를 얻기 위하여 철심의 자화 과정에서 발생하는 에너지 손실로 정의되는 철손 및 단위 면적을 통과하는 자속의 양을 의미하는 자속밀도 등이 있다.
강재의 피삭성과 전자기 성능을 각각 향상시키기 위해 강재 내에 첨가되는 원소는 화학 성분의 관점에서 서로 상반된 특성을 가지고 있으며, 피삭성 향상원소인 Pb, Bi, S등이 첨가된 쾌삭강은 절삭 가공시 표면조도와 칩 분절성 및 공구 수명을 향상시키는 효과가 있으나, Si 등과 같은 고용 강화 원소의 첨가는 보자력과 철손 및 자속밀도 등의 저하를 초래하므로 전자기 특성 관점에서 바람직하지 않다.
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 대한민국 등록특허공보 제10-1674826호(2016.11.03.등록)의 피삭성, 보자력 및 철손 특성이 우수한 흑연강과 같은 흑연 쾌삭강이 개발되었으며, 흑연강은 강재에 Si를 다량 첨가하여 페라이트 기지 또는 페라이트와 펄라이트 기지 내부에 미세 흑연립 석출을 유도하였다.
흑연강의 내부 미세조직에 형성된 미세 흑연립은 절삭 가공시 크랙 공급원으로 작용하여 칩 브레이커(chip breaker) 역할을 수행하여 피삭성 향상 및 냉간 단조성을 향상시키고, 페라이트에 고용된 다량의 Si에 의해 보자력과 철손 및 자속밀도 등의 전자기 성능을 향상시킨다.
하지만 강재에 탄소 첨가시 준안정상인 세멘타이트로 석출되기 때문에 별도의 열처리 없이 강재 내 흑연립을 석출시키기 어려우며, 장시간의 열처리 과정에서 탈탄이 발생하면서 제품의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
또한, 장시간의 흑연화 열처리를 통해 강재 내 흑연립을 석출시, 흑연립이 조대하게 석출되면서 균열 발생 가능성이 증가하여 냉간 단소 성능이 저하되며, 불규칙한 형상으로 석출된 흑연립이 불균일하게 분포하는 경우 절삭 가공시 물성 분포가 균일하지 못하여 칩 분절성 및 표면조도가 크게 악화되고, 이에 따라 공구의 수명이 단축될 수 있다.
따라서 흑연화 열처리시 형성되는 미세 흑연립이 미세조직 내에 규칙적인 형상으로 균일하게 분포되고, 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 흑연강이 제공될 필요가 있다.
또한, 유압 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자기 부품을 제조하는 경우 흑연 쾌삭강 선재를 부품 생산자가 필요로 하는 규격의 환봉바로 가공하기 위하여 인발 가공을 수행하여야 하며, 흑연 쾌삭강 선재는 인성이 낮아 20φ 이상의 직경으로 인발 가공시 다량의 절손이 발생할 수 있기 때문에 흑연화 열처리 후 인발 가공을 수행하게 된다.
그러나 준강자성(ferrimagnetism) 특성을 가지는 흑연 쾌삭강의 모재조직인 페라이트는 도 1에서 도시하는 바와 같이 원자나 분자 또는 격자 단위로 자성을 띄고, 이웃하는 자성 단위간 서로 반대방향으로 정렬되되, 그 크기에 차이가 있어 전체적으로는 특정 방향으로 자성을 띄게 되지만, 냉간 가공 등에 의해 페라이트 내 전위밀도가 증가하게 되면 전자기적 성질이 저하될 수 있어, 소재강이 되는 흑연 쾌삭강의 가공성을 향상시킴과 동시에, 피삭성과 전자기 성능을 동시에 향상시킨 환봉바 제공이 요구된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1674826호(2016.11.03. 등록)
본 발명의 실시 예에서는 가공성을 향상된 흑연 쾌삭강을 통해 제조가 용이한 환봉바를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에서는 피삭성을 향상시킴으로써, 절삭 가공을 통해 전자기 부품 제조시 가공 정밀도를 향상시킬 수 있는 환봉바를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예서는 전자기 성능이 향상된 환봉바를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 전자기 부품에 적용되는 환봉바에 있어서, 상기 환봉바의 소재강은 탄소(C) 0.5~1.0 wt%, 실리콘(Si) 1.5~3.0 wt%, 망간(Mn) 0.005~0.30 wt%, 인(P) 0.01 wt% 이하, 황(S) 0.01 wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.0002~0.04 wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.001~0.04 wt%, 보론(B) 0.001~0.006 wt%, 질소(N) 0.006~0.011 wt%의 미량합금원소와 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 소재강의 미량합금원소간 첨가 비율이 0.3 ≤ {7.4N - (1.1Ti + 1.9Al + 5.1B}} x 100 ≤ 1.5의 관계식을 만족한다.
본 발명의 실시 예에 따르면 상기 환봉바는 소재강 균질화 열처리 과정, 소재강 열간 압연 과정, 냉각 과정, 열처리 과정, 인발 가공 과정, 절단 가공 과정으로 이루어지는 공정을 통해 제조된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 소재강 균질화 열처리 과정은 1100~1300℃ 범위의 온도에서 수행되고, 소재강 열간 압연 과정은 800~1000℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 열처리 과정은 730~770℃ 범위의 온도에서 2시간 이내의 시간동안 수행된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 환봉바의 강재는 페라이트 및 흑연립의 미세조직이 형성되되, 미세조직내 흑연립은 5㎛ 이하의 크기로 형성되고, 흑연립의 상분율이 1.5~3% 범위의 면적분율을 이룬다.
본 발명의 실시 예에 따르면 환봉바의 강재내 미세조직의 페라이트 전위밀도가 1.5x1014 m-2 이하로 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 인발가공 과정은 80~300℃ 범위의 온도에서 수행된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 인발가공 과정 수행시 환봉바의 단면감소율이 15~25% 범위 내에서 형성된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 절단 가공 과정은 절단용 펀치와 금형간 간격(die clearance)이 인발된 환봉 소재경의 1~8% 범위 내에서 형성되고, 금형과 환봉 소재경간 입사각이 0.2~1.5° 범위 내에서 형성되며, 100℃ 이상의 온도에서 수행된다.
본 발명의 실시 예에 따르면 흑연 쾌삭강의 가공성을 향상시켜 환봉바 제조시 압연 또는 인발 가공 등이 보다 용이하게 수행될 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 흑연 쾌삭강으로 제조된 환봉바의 피삭성을 향상시킴으로써, 환봉바를 가공하여 전자기 부품 제조시 가공 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면 제조된 환봉바의 전자기 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 준강자성 성질을 가지는 소내 내부에 형성된 자성의 배치를 나타내는 도면이다.
도 2는 Fe-C(graphite) 안정계 상태도를 나타내는 도면이다.
도 3은 인발된 강재의 가공 온도 조건에 따른 충격 인성 변화를 나타내는 도면이다.
도 4는 환봉의 절단 가공시 금형과 펀치 및 환봉간 형성되는 간격(clearance)의 위치를 나타내는 도면이다.
도 5는 절단 가공이 완료된 환봉바의 양호품과 불량품간 절단면 형상을 비교하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 동작 및 작용을 이해하는 데 필요한 부분을 중심으로 상세히 설명한다.
본 발명의 실시 예를 설명하면서, 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려졌고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다.
이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다.
그러나 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시 예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시 예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시 예에서의 각각의 구성 요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바는 유압 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자기 부품에 적용되는 것으로, 향상된 보자력과 자속밀도 및 낮은 철손(core loss) 등의 전자기 성능을 향상시킴과 동시에, 절삭가공 성능을 향상시키기 위하여, 환봉바의 소재강 내에 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물 외에 미량합금원소를 첨가한다.
소재강에 첨가되는 미량합금원소는 0.5~1.0 wt%의 탄소(C)와, 1.5~3.0 wt%의 실리콘(Si)과, 0.005~0.30 wt%의 망간(Mn)과, 0.01 wt% 이하의 인(P)과, 0.01 wt% 이하의 황(S)과, 0.0002~0.04 wt% 이하의 티타늄(Ti)과, 0.001~0.04 wt%의 알루미늄(Al)과, 0.001~0.006 wt%의 보론(B) 및 0.006~0.011 wt%의 질소(N)로 이루어진다.
환봉바의 소재강에 첨가되는 미량합금원소에 의한 강재의 전자기 및 절삭가공 성능 특성의 변화와, 각 미량합금원소 첨가량을 제한하는 이유를 설명하면 다음과 같다.
1) 탄소(C)
탄소는 소재강의 미세조직내에 흑연립을 생성하기 위한 필수 원소이다.
본 발명의 소재강에서는 흑연화 열처리를 통해 강재 내 펄라이트의 세멘타이트를 흑연화 시켜 페라이트와 흑연을 포함하는 미세조직을 가지는 흑연강을 형성할 필요가 있다.
강재의 미세조직 내 페라이트와 흑연 외에 펄라이트가 존재하게 되면, 제조된 환봉바의 경도가 증가하여 환봉바의 절삭 가공시 피삭성이 저하되면서 절삭 공구 마모량이 증가하고, 보자력과 철손 등 환봉바의 전자기 특성이 급격하게 저하될 수 있다.
또한, 생성된 흑연립은 소재강의 충격인성과 연성을 향상시키고, 소재강의 가공시 크랙 공급원으로 작용하여 강재의 절삭가공시 칩 브레이크(chip breaker) 역할을 수행함으로써 소재강의 피삭성을 향상시키게 된다.
충분한 량의 흑연립을 형성하기 위하여, 소재강의 열간 압연 중 흑연을 직접 석출하거나, 탄소 활동도를 높임으로써 소재강의 냉각시 생성되는 세멘타이트를 최대한 빠르게 흑연화 시키게 되는데, 탄소 활동도를 높이기 위해서는 0.5 wt% 이상의 탄소가 첨가되는 것이 바람직하나, 탄소 함량이 1.0 wt%를 초과하게 되면 탄소 활동도를 높이는 효과가 포화되고, 열간 압연성을 저하시키므로 탄소 첨가량은 0.5~1.0 wt%로 제한하는 것이 바람직하다.
2) 실리콘(Si)
실리콘은 소재강 제조시 탈산제로 작용하며, 강재 내 철산화물(세멘타이트)를 불안정하게 하여 미세조직내 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 흑연화 촉진원소이다.
또한, 실리콘은 제조된 환봉바의 전자기 특성을 향상시켜주는데, 소재강 내 첨가 비율을 1.5~3.0 wt%로 제한하는 것이 바람직하다.
실리콘의 함량이 1.5 wt% 미만인 경우 실리콘 첨가 효과를 충분히 얻을 수 없게 된다.
실리콘 함량이 3.0 wt%를 초과하는 경우 흑연화 촉진 효과가 포화되어 추가 첨가에 따른 향상된 효과를 얻을 수 없고, 액상이 형성되는 온도영역이 낮아지면서 연간 압연 공정 수행시 적정 가공온도 영역이 좁아지게 된다.
또한, 비금속 개재물이 증가하면서 제조된 환봉바가 취성을 가지도록 하며, 열간 압연 공정 수행시 소재강내 지나친 탈탄 발생을 유도하게 된다.
3) 망간(Mn)
망간은 소재강의 강도 향상 및 충격 특성에 영향을 미치는 원소로서, 소재강의 압연 성능을 향상시키고, 취성을 감소시키며, MnS를 형성하여 소재강의 미세조직내 비정상 결정립 성장을 억제하는 역할을 한다.
망간의 함량은 0.005~0.30 wt%로 제한하는 것이 바람직하다.
망간의 함량이 0.005 wt% 이하인 경우 소재강의 강도 향상 효과가 미흡해지고, MnS가 형성되지 못하면서 소재강의 가공 중 강재내 함유된 황(S)에 의해 고온 변형균열이 발생하는 원인이 될 수 있다.
망간의 함량이 0.30 wt%를 초과하는 경우, 조대하게 형성된 MnS가 BN이 석출되는 핵으로 작용할 수 있으며, MnS와 BN의 복합 석출물은 소재강의 전자기 성능을 감소시키고, 미세조직 내 흑연 생성속도를 저하시켜 소재강의 열처리 비용을 증가시키게 된다.
4) 인(P)
인은 소재강의 미세조직내 탄소의 흑연화를 촉진하는 기능을 수행하지만, 동시에 페라이트의 경도를 증가시키고, 결정립계에 편석되어 제조된 환봉바의 인성 저하와 지연파괴 저항성 감소 및 표면결함 발생을 조장하는 부작용을 가지기 때문에, 함량을 0.01 wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
5) 황(S)
황은 소재강의 미세조직내 탄소의 흑연화를 저해할 뿐만 아니라, 결정립계에 편석되어 제조된 환봉바의 인성을 저하시키고, 저융점 유화물을 형성하여 소재강의 열간 압연 공정 수행에 어려움을 초래하므로, 함량을 0.01 wt% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
6) 티타늄(Ti)
티타늄은 소재강 내의 질소와 결합하여 TiN을 형성함으로써, 강재 내 세멘타이트를 불안정하게 하고, 동시에 흑연립의 핵 생성 자리를 마련하여 미세조직내 탄소의 흑연화를 촉진시키며, 강재 내 탈산제로 작용하게 된다.
티타늄의 첨가에 따른 효과를 얻기 위해서는 0.0002 wt% 이상, 보다 바람직하게는 0.01 wt% 이상의 함량이 첨가어야 하며, 0.04 wt%를 초과하여 첨가하는 경우 첨가 효과가 포화상태에 이르러 향상된 효과를 얻을 수 없고, 오히려 소재강의 미세조직내 탄소의 흑연화를 방해할 수 있으므로, 0.0002~0.04 wt%로 함유량이 제한되는 것이 바람직하다.
7) 알루미늄(Al)
알루미늄은 강력한 탈산 원소로, 탈산 작용에 기여할 뿐만 아니라, 소재강의 흑연화 열처리시 세멘타이트의 분해를 촉진하고, 질소와 결합하여 ALN을 형성하여 세멘타이트의 안정화를 방해하는 기능을 가지며, 강재 내에 형성되는 알루미늄 산화물은 BN의 석출 핵으로 작용한다.
강재 내에 첨가되는 알루미늄의 함량이 0.001 wt% 미만인 경우에는 첨가 효과가 미미하고, 0.04 wt%를 초과하여 첨가하는 경우 흑연화 촉진작용의 효과가 포화됨과 동시에 소재강의 열간 가공시 변형성이 크게 저하되는 문제가 발생하기 때문에 알루미늄의 함량은 0.001~0.04 wt% 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
8) 보론(B)
보론은 질소와 결합하여 질화붕소(BN)를 생성하고, 생성된 BN은 강재 내 세멘타이트의 안정화를 방해하면서 흑연립 결정의 생성 핵으로 작용하여 흑연화를 촉진시키며, 제조된 환봉바의 소입성을 향상시키게 된다.
보론 함량이 0.001 wt% 미만인 경우 보론의 첨가에 따른 효과 발생이 미흡하고, 보론 함량이 0.006%를 초과하는 경우 보론의 추가 첨가에 따른 효과 상승이 발생하지 않으며, 동시에 강재 내 결정입계에 보론계 질화물이 석출되면서 입계 강도를 저하시킴으로써 소재강의 열간 가공성을 저해하므로, 보론의 함량은 0.001~0.006 wt% 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
9) 질소(N)
질소는 티타늄과 보론 및 알루미늄과 결합하여 질화물을 생성하고, 생성된 질화물을 핵으로 흑연의 결정화를 촉진시킨다.
흑연의 결정화를 촉진시키는 질화물을 생성하기 위하여 화학양론적으로 질소를 티타늄, 보론 및 알루미늄과 비스산 화학당량으로 첨가해야 하지만, 생성된 질화물이 균일하게 미세 분산시키기 위해서는 질소 첨가량을 화학당량보다 조금 높게 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 질소는 동적인 변형시효(strain aging)에 의해 제조된 환봉바의 가공시 칩 처리성을 개선하기 때문에 첨가량을 높이는 것이 유리하며, 0.006 wt% 이상의 함량을 첨가할 필요가 있으나, 함량이 0.011 wt%를 초과하는 경우 질소 첨가에 따른 발생 효과가 포화되기 때문에 질소의 함량은 0.006~0.011 wt% 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 소재강내 질소 첨가량은 미량합금원소 중 티타늄, 알루미늄 및 보론의 첨가량과 아래의 관계식을 만족하는 첨가 비율을 형성하는 것이 바람직하다.
0.3 ≤ {7.4N - (1.1Ti + 1.9Al + 5.1B}} x 100 ≤ 1.5
상기 관계식에 따른 질소 첨가상수가 0.3 미만으로 형성되는 경우, 흑연화의 핵 생성 자리인 TiN, AlN 또는 BN계 질화물 생성량이 부족하여 흑연화율이 저하되고, 질소 첨가 상수가 1.5를 초과하는 경우 강재 내 용존 질소량이 과도하게 형성되면서 시효경화 및 소재강의 인성이 저하될 수 있으므로, 질소 첨가상수는 0.3~1.5 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 예에 따른 환봉바의 소재강에는 상기 미량합금원소 외에 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물이 함유되며, 불순물은 통상의 강재 제조과정에서 소재강의 원료 또는 주위 환경으로부터 혼입되는 것으로써, 통상의 기술자라면 강재의 제조 과정에서 불순물의 혼입을 완전히 배제할 수 없다는 사실을 알 수 있기 때문에 불순물의 함량 및 불순물 혼입에 따른 강재의 특성 변화 발생에 대한 기재를 생략한다.
본 발명의 실시 예에 따른 환봉바의 제조 공정은 소재강 균질화 열처리 과정과, 소재강 열간 압연 과정과, 냉각 과정과, 열처리 과정과, 인발 가공 과정 및 절단 가공 과정이 순차적으로 진행되거나 또는 소재강 균질화 열처리 과정과, 소재강 열간 압연 과정과, 냉각 과정과, 인발 가공 과정과, 열처리 과정 및 절단 가공 과정이 순차적으로 진행되면서 진행된다.
소재강이 되는 흑연강 잉곳(ingot)을 제조하기 위하여, 소재강 균질화 열처리 과정에서는 강재를 1100~1300℃ 범위의 온도에서 5~10시간 동안 균질화 열처리를 수행한 후, 열처리된 잉곳을 800~1000℃ 범위의 온도에서 열간 압연하는 소재강 열간 압연 과정을 수행하며, 냉각 과정에서는 공냉을 통해 열간 압연된 소재강을 냉각시키게 된다.
이때, 소재강의 균질화 열처리 및 열간 압연 수행시 온도 조건은 흑연강 잉곳을 형성하기 위한 통상의 조건인 바, 온도를 한정한 이유에 대한 설명은 생략하도록 한다.
열처리 과정에서는 균질화 열처리 및 열간 압연된 잉곳을 730~770℃ 범위의 온도, 보다 바람직하게는 760±5℃에서 2시간 이내의 시간동안 흑연화 열처리를 수행함으로써, 소재강의 보자력 및 철손 등의 전자기 성능과 피삭성 등의 절삭가공 성능을 향상시킨 흑연강을 형성하게 된다.
흑연화 열처리를 수행하면 강재 내 펄라이트의 세멘타이트를 흑연화시키게 되며, 흑연화 시간을 단축시키기 위하여 등온 변태 곡선에서 노즈(nose)에 해당하는 온도 영역에서 열처리를 행하는 것이 바람직하다.
도 2에서 도시하는 바와 같이 페라이트+오스테나이트+흑연(α+γ+G)의 3상 조직을 가지는 온도범위(Tcu~Tcl)에서의 흑연화 열처리 온도를 Thermo-calc 프로그램을 이용하여 도출한 Fe-C(graphite) 안정계 상태도에 의하면, Tcl-(10~40℃) 범위에서 가장 이상적인 열처리가 이루어졌으며, Tcl온도는 일반적으로 알려진 아래의 공식에 근거하여 도출되었다.
Tcl = 727 + 21.6Si + 0.023Si2 - 21Cu - 25Mn + Mo +13Cr - 33Ni
열처리 과정을 통해 강재 내 세멘타이트를 모두 흑연화하여 흑연화율 100%를 달성할 수 있으며, 강재에 첨가된 탄소함량 대비 흑연 상태로 존재하는 탄소함량의 비율을 의미하는 흑연화율은 아래의 관계식으로 정의된다.
흑연화율(%) = {강재 중 흑연 상태로 존재하는 탄소함량(wt%) / 강재 중 탄소함량(wt%)} x 100
100% 흑연화 되었다는 의미는 강재 내 첨가된 탄소가 모두 흑연을 생성하는데 소모되었다는 의미로, 강재 내 미세조직이 페라이트와 흑연립으로 이루어지고, 미분해된 펄라이트가 존재하지 않는 상태를 의미하며, 이때, 극히 적은 량을 가지는 페라이트 내 고용탄소량은 고려하지 않는다.
제조된 환봉바에서 요구하는 피삭성, 보자력, 자속밀도 및 철손 특성 등의 성능을 확보하기 위하여 강재 내 일정량 이상의 흑연을 확보하여야 하며, 환봉바의 기계적 또는 전자기적 특성의 향상된 효과를 얻기 위해서는 환봉바를 이루는 흑연강의 미세조직에 형성된 흑연립의 면적분율이 1.5% 이상 형성되어야 한다.
이때, 흑연립의 면적분율이 3%를 초과하는 경우 향상 효과가 포화될 뿐만 아니라, 3%를 초과하는 흑연립의 면적분율을 확보하기 위해서는 강재 내에 1 wt%를 초과하는 탄소를 첨가하여야 하는데, 탄소 첨가량의 증가는 열간 압연성을 저하시켜 환봉바 제조 공정상의 어려움을 발생시키게 되므로, 흑연립의 면적분율이 1.5~3% 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 흑연립의 평균 직경은 5㎛ 이하의 크기로 형성되는 것이 바람직하며, 미세한 흑연립을 통해 흑연화에 소요되는 시간을 단축시키고, 제조된 환봉바의 절삭가공시 절삭된 표면의 표면조도를 향상시킬 수 있다.
인발 가공 과정에서는 인발 가공에 의해 생성되는 환봉(W)의 단면감소율이 15~25% 범위 내에서 형성되도록 수행되며, 인발 가공시 생성되는 전위밀도는 제조된 환봉바의 전자기 성능에 유해한 영향을 미치게 되므로 인발 가공 후 흑연화 열처리를 실시하여 강재내 미세조직의 페라이트 전위밀도가 1.5x1014 m-2 이하로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
인발 가공 후 흑연화 열처리는 2시간 이내의 시간 동안 수행하고, 열간 압연의 흑연화 열처리는 3~5시간 동안 수행하며, 흑연화 완료 후에는 강재의 조직 및 물성에 큰 변화가 발생하지 않기 때문에, 인발 가공재는 2시간 이하, 열간 압연재 5시간 이하로 흑연화 열처리를 수행하는 것이 바람직하다.
흑연강은 상온 충격인성이 매우 낮은 강종으로, 인발 가공을 수행하기 어렵기 때문에 이를 극복할 방안을 마련할 필요성이 있다.
어떤 소재에 대하여 온도를 변화시키면서 충격시험을 수행하였을 때 흡수되는 충격 에너지가 급격하게 변화하거나, 파면의 성질이 연성에서 취성 또는 취성에서 연성으로 급격하게 변화되는 온도를 천이 온도라고 하며, 보통 충격치가 최대치의 1/2 되거나, 취성 파면율이 1/2이 될 때의 온도가 충격치의 천이 온도가 된다.
본 발명자가 인발 가공성을 확보하기 위한 연구를 수행한 결과, 10J/㎠ 이상의 충격 인성치를 확보할 때 인발 가공성이 향상됨을 확인하였으며, 10J/㎠ 이상의 충격 인성치를 확보하기 위해서는 도 3에서 도시하는 바와 같이 인발 가공 온도가 80℃ 이상에서 수행되어야 한다는 사실을 확인하였다.
80℃ 이하의 온도에서는 충격 인성치가 10J/㎠ 이하로 형성되면서 낮은 인성이 나타나게 되어 인발 가공 공정을 수행하기 어려워지고, 300℃ 이상의 온도에서는 충격 인성의 개선 효과가 포화가 발생하게 된다.
따라서 인발 가공은 80~300℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하며, 충격 천이 온도는 상온보다 높은 140℃ 부근에서 형성되기 때문에 인발 가공 공정이 140~200℃ 범위의 온도에서 이루어지는 것이 보다 바람직하다.
절단 가공 과정에서는 인발 가공된 환봉(W)을 용도에 따른 적절한 길이로 절단하여 환봉바를 형성하게 되며, 100℃ 이하의 온도에서는 낮은 인성에 의해 절단 가공성이 저하될 수 있으므로, 100℃ 이상의 온도를 유지한 상태에서 수행하는 것이 바람직하다.
강재의 절단에 영향을 미치는 인자로 금형(D)과의 간격(clearance), 절단 두께(stock thickness), 소재의 종류와 강도 등이 있으며, 이 중 금형(D)과의 간격이 기계적인 측면에서의 절단면 형상에 직접적으로 영향을 미치게 된다.
도 4에서 도시하는 바와 같이 금형(D)과의 간격은 펀치(P)와 금형(D)이 이루는 간격(die clearance)와 금형(D)과 환봉(W) 소재경간 입사각(angular clearance)로 구분되며, 펀치(P)와 금형이 이루는 간격은 인발된 환봉(W) 소재경의 1~8% 범위 내에서 형성되고, 금형(D)과 환봉(W) 소재경간 입사각은 0.2~1.5° 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
펀치(P)와 금형(D)이 이루는 간격이 환봉(W) 소재경의 1% 미만이거나 8%를 초과하는 경우, 소재 절단 과정에서 형성된 전단변형 밴드(shear band)를 따라 전단균열이 생성 및 전파되는 과정이 균질하게 발생하지 못하여 절단 가공성이 저하될 수 있다.
또한, 금형(D)과 환봉(W) 소재경간 입사각이 0.2° 미만이거나, 1.5°를 초과하는 경우, 소재 절단 과정에서 형성된 전단변형 밴드의 생성 방향이 불균질하게 형성되어 절단 가공성이 저하될 수 있다.
시험예 별 소재강의 성분 조성
시험예 성분조성 (wt%)
C Si Mn P S Ti Al B N
1A 0.7 2.4 0.01 0.005 0.001 0.03 0.005 0.001 0.007
2A 0.9 1.8 0.3 0.005 0.001 0.02 0.01 0.001 0.008
3A 0.8 2.7 0.4 0.005 0.001 0.001 0.038 0.001 0.011
4A 1.0 1.5 0.1 0.005 0.001 0.04 0.001 0.001 0.008
5A 0.5 2.0 0.5 0.005 0.001 0.04 0.001 0.006 0.011
6A 0.6 3.0 0.29 0.005 0.001 0.001 0.003 0.006 0.007
7A 0.55 2.3 0.31 0.005 0.001 0.0002 0.034 0.0002 0.01
8A 0.7 2.32 0.01 0.005 0.001 0.032 0.004 0.003 0.005
9A 0.9 1.91 0.37 0.005 0.001 0.023 0.02 0.002 0.004
10A 0.8 2.59 0.43 0.005 0.001 0.001 0.034 0.001 0.003
11A 1.0 1.58 0.17 0.005 0.001 0.025 0.001 0.002 0.005
12A 0.51 2.15 0.5 0.005 0.001 0.035 0.002 0.006 0.004
13A 0.63 2.89 0.35 0.005 0.001 0.01 0.005 0.006 0.005
14A 0.58 2.24 0.31 0.005 0.001 0.0005 0.031 0.0002 0.004
표 1에 따른 성분 조성을 가지는 강재의 시험예 1A~14A를 시료로 하여 잉곳으로 주조한 후, 1250℃에서 8시간 동안 균질화 열처리를 수행한 다음, 800~1000℃에서 열간 압연 및 공냉하여 직경 25mm의 강재를 제조하였다.
표 2에서는 상기 시험예 1A~14A를 760℃에서 2시간 동안 흑연화 열처리 실시함으로써 제조된 흑연강의 미세조직 중 페라이트 및 흑연립 면적분율, 피삭성, 보자력 및 철손 특성의 측정 결과를 나타내었다.
시험예 별 소재강의 미세조직 및 쾌삭성


시험예
미량합금원소 첨가상수		 미세조직 쾌삭성
미세조직
구성		 흑연화율
(%)		 흑연
면적분율
(%)		 흑연립
평균크기
(㎛)		 공구
마모깊이
(㎛)
칩분절성
1A 0.37 F+G 100 2.45 1.5 115 우수
2A 1.26 F+G 100 2.82 1.3 105 우수
3A 0.22 F+G 100 2.86 1.6 110 우수
4A 0.76 F+G 100 2.77 1.4 100 우수
5A 0.45 F+G 100 1.73 1.5 130 우수
6A 1.45 F+G 100 2.09 1.6 120 우수
7A 0.74 F+G 100 1.91 1.5 125 우수
8A -2.16 F+G+P 60 2.45 1.4 192 보통
9A -4.42 F+G+P 35 2.82 1.6 300 불량
10A -4.90 F+G+P 30 2.86 1.7 367 불량
11A -0.29 F+G+P 80 2.77 1.3 170 보통
12A -4.35 F+G+P 40 1.76 1.5 325 불량
13A -1.42 F+G+P 70 2.19 1.6 171 보통
14A -3.20 F+G+P 50 2.01 1.5 250 불량
(F: 페라이트, P: 펄라이트, G: 흑연)
표 2에서 각 시험예의 공구 마모깊이는 흑연화 열처리 후, 직경 30mm의 봉상으로 가공된 강재를 직경 20mm가 될때까지 선삭한 다음, 공구의 마모된 깊이를 측정하였으며, 절삭유를 사용하여 150mm/min의 이송속도와 0.05mm/rev의 절삭속도가 적용되는 절삭조건 하에서 실시되었다
칩(chip)분절성 결과를 우수, 보통, 불량의 3단계로 나누어 평가하였으며, 각각 2권 이하에서 칩이 분단될 때 우수로, 3~6권에서 칩이 분단될 때 보통으로, 그리고 7권 이상에서 칩이 분단될 때 불량으로 판정하였다.
상기 표 1 및 표 2에서 나타나는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 성분 조성 및 미량합금원소의 첨가상수비를 만족하는 시험예 1A~7A의 경우, 강재의 미세조직이 페라이트와 흑연으로 이루어지면서 흑연화율이 100%를 이루고, 미세한 흑연립이 충분하게 형성될 수 있었으며, 이에 따라 성분 조성 및 미량합금원소의 첨가상수비를 만족하지 못하는 시험예 8A~14A 대비 공구 마모 및 칩분절성 등의 쾌삭성이 현저하게 우수한 수치를 나타냄을 확인할 수 있다.
시험예 별 페라이트 전위밀도 및 전자기력
시험예 인발 가공
단면감소율
(%)		 페라이트 내
전위밀도
(m-2)		 전자기성
보자력
(A/m)		 철손
(W/kg)		 자속밀도
(T)
1B 15 1.2 x 1014 1000 25 1.5
2B 20 1.5 x 1014 1040 28 1.6
3B 25 1.1 x 1014 1080 25 1.5
4B 16 1.3 x 1014 1010 30 1.6
5B 20 1.5 x 1014 1050 29 1.5
6B 25 1.1 x 1014 1090 32 1.7
7B 25 1.4 x 1014 1100 30 1.6
8B 15 5.2 x 1014 1500 55 0.9
9B 20 6.6 x 1014 1700 60 0.8
10B 25 7.1 x 1014 2000 85 0.6
11B 15 5.3 x 1014 1600 50 0.9
12B 20 6.9 x 1014 1800 60 0.8
13B 25 7.9 x 1014 1950 77 0.7
14B 25 7.7 x 1014 1900 80 0.6
표 3에 따른 시험예 1B~7B는 인발 가공 후 흑연화 처리를 실시한 선재이고, 시험예 8B~14B는 흑연화 처리 후 인발 가공을 실시한 선재이며, 시험예 1B~7B는 시험예 8B~14B와 비교했을 때 전자기 성능에 영향을 미치는 전위밀도가 낮게 분포하여 보다 우수한 전자기 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
전자기 특성은 흑연화 열처리된 강재로부터 솔레노이드(ring solenoid) 시편을 채취하여 측정하였으며, 동선(copper wire)을 primary 100회, secondary 20회 권취하여 B-H(자속밀도-자장의 세기) 곡선과 철손 값을 측정하고, 보자력과 철손 및 자속밀도는 1.0T(tesla)에서의 값을 기준으로 비교하였다.
시험예 별 인발 가공성

시험예		 인발 가공성
선재 직경
(mm)		 인발 가공
단면감소율 (%)		 온간 인발
가공 온도 (℃)		 인발성
절손 횟수(횟수/톤) 판정
1D 20 20 80 0 양호
2D 25 25 100 0 양호
3D 30 15 150 0 양호
4D 30 20 200 0 양호
5D 30 25 250 0 양호
6D 20 15 300 0 양호
7D 20 15 0 18 불량
8D 25 20 25 15 불량
9D 30 25 50 10 불량
10D 30 30 60 5 불량
11D 20 20 80 0 양호
12D 25 25 100 0 양호
13D 30 15 150 0 양호
14D 30 20 200 0 양호
15D 30 25 250 0 양호
16D 20 15 300 0 양호
17D 20 15 0 18 불량
18D 25 20 25 15 불량
19D 30 25 50 10 불량
20D 30 30 60 5 불량
표 4의 각 시험예에서는 표 1 및 표 2의 실시예 1A와 4A에 따른 직경 25~30mm의 선재를 이용하였으며, 인발 가공은 유도가열을 통해 0~300℃의 온도에서 통상 조건으로 수행하여 15~25% 범위의 단면감소율이 나타나도록 실시하였다.
표 4의 시험예 1D~6D 및 11D~16D는 인발 가공시 절손 횟수가 0인 시험 수치를 보이고 있어, 절손이 발생한 시험예 7D~10D 및 17D~20D 대비 우수한 인발 가공성을 가지고 있으며, 따라서 80℃ 미만의 온도에서 인발 가공이 수행시 절손 발생 가능성이 높아짐을 확인할 수 있다..
시험예 별 절단성
시험예 절단 가공성
die clearance
(%)		 절단 시험재
온도 (℃)		 절단면 깨짐
발생 비율 (%)		 면균열
생성율 (%)		 판정
1E 2.5 100 0 0 양호
2E 2.5 150 0 0 양호
3E 2.5 200 0 0 양호
4E 2.5 220 0 0 양호
5E 2.5 300 0 0 양호
6E 7.5 100 0 0 양호
7E 7.5 150 0 0 양호
8E 7.5 200 0 0 양호
9E 7.5 220 0 0 양호
10E 7.5 300 0 0 양호
11E 2.5 25 50 55 불량
12E 2.5 50 33 40 불량
13E 2.5 70 20 30 불량
14E 2.5 90 10 20 불량
15E 7.5 25 75 80 불량
16E 7.5 50 63 70 불량
17E 7.5 70 50 60 불량
18E 7.5 90 20 35 불량
표 5의 절단성 평가에 사용한 시험예는 표 3의 2B의 시험예에 따른 강재를 적용하였으며, 시험예 1E~18E는 통상적으로 사용되는 절단기(shearing machine)을 이용하여 절단 가공성 시험을 실시하였다.
이때, 각 절단 가공의 시험예는 유도가열을 통해 인발 가공된 소재를 0~300℃ 범위의 온도조건을 적용하고, 펀치(P)와 금형(D)이 이루는 간격(die clearance)이 소재경의 1~8%를, 금형(D)과 환봉(W) 소재경간 입사각(angular clearance)이 1.0°를 이루는 조건 하에서 시험을 실시하였다.
절단 가공시 도 5에서 도시하는 바와 같이 절단면에 깨짐이나 균열이 발생할 수 있는데, 시험예 11E~18E는 절단면 깨짐 발생률과 절단면 균열 발생률이 시험예 1E~10E 대비 높은 비율로 나타나고 있음을 확인할 수 있으며, 시험예간 인발 가공된 소재의 절단 가공성 평가기준인 절단면 깨짐 발생률과 절단면 균열 발생률의 대비를 통해 절단 가공성을 향상시키기 위해서는 100℃ 이상의 온도를 유지한 상태에서 절단 가공이 수행되는 것이 바람직함을 확인할 수 있다.
상기 내용을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 상기 상세한 설명에서 기술된 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
W: 환봉
D: 금형
P: 펀치

Claims (9)

  1. 전자기 부품에 적용되는 환봉바에 있어서,
    상기 환봉바의 소재강은 탄소(C) 0.5~1.0 wt%, 실리콘(Si) 1.5~3.0 wt%, 망간(Mn) 0.005~0.30 wt%, 인(P) 0.01 wt% 이하, 황(S) 0.01 wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.0002~0.04 wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.001~0.04 wt%, 보론(B) 0.001~0.006 wt%, 질소(N) 0.006~0.011 wt%의 미량합금원소와 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하되,
    소재강의 미량합금원소간 첨가 비율이 0.3 ≤ {7.4N - (1.1Ti + 1.9Al + 5.1B}} x 100 ≤ 1.5의 관계식을 만족하고,
    상기 환봉바는 소재강 균질화 열처리 과정; 소재강 열간 압연 과정; 냉각 과정; 흑연화 열처리 과정; 인발 가공 과정 및 절단 가공 과정이 순차적으로 이루어지거나 또는 소재강 균질화 열처리 과정; 소재강 열간 압연 과정; 냉각 과정; 인발 가공 과정; 흑연화 열처리 과정 및 절단 가공 과정이 순차적으로 이루어지는 공정을 통해 제조되고,
    상기 흑연화 열처리과정은 730~770℃ 범위의 온도에서 수행되고,
    상기 환봉바의 강재는 페라이트 및 흑연립의 미세조직이 형성되되, 미세조직내 흑연립은 5㎛ 이하의 크기로 형성되고, 흑연립의 상분율이 1.5~3% 범위의 면적분율을 이루는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흑연화 열처리 과정은 755~765℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  3. 제1항에 있어서,
    소재강 균질화 열처리 과정은 1100~1300℃ 범위의 온도에서 수행되고, 소재강 열간 압연 과정은 800~1000℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 흑연화 열처리과정은 인발 가공 후 2시간 이내로 수행하는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흑연화 열처리과정은 열간 압연재를 3~5 시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 환봉바의 강재내 미세조직의 페라이트 전위밀도가 1.5x1014 m-2 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인발가공 과정은 80~300℃ 범위의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인발가공 과정 수행시 환봉바의 단면감소율이 15~25% 범위 내에서 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절단 가공 과정은 절단용 펀치와 금형간 간격(die clearance)이 인발된 환봉 소재경의 1~8% 범위 내에서 형성되고, 금형과 환봉 소재경간 입사각이 0.2~1.5° 범위 내에서 형성되며, 100℃ 이상의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 전자기성이 향상된 흑연 쾌삭강 환봉바.
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