KR102497435B1

KR102497435B1 - 흑연화 열처리용 선재 및 흑연강

Info

Publication number: KR102497435B1
Application number: KR1020200178273A
Authority: KR
Inventors: 이병갑; 박인규; 김철기; 최상우; 이기호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2023-02-08
Also published as: EP4265801A1; JP2023554117A; WO2022131865A1; KR20220087846A; CN116745456A

Abstract

본 명세서에서는 흑연화 열처리 시간을 대폭 단축시키면서도, 흑연화 열처리 시 미세 흑연립이 기지 내에 균일하게 분포하는 흑연화 열처리 선재 및 흑연강을 개시한다.
개시되는 흑연화 열처리용 선재의 일 실시예에 따르면 중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.00 내지 3.00%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.005 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하, P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족하며, 미세조직은 면적분율로, 페라이트 40% 이하, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계 5% 이하 및 잔부 펄라이트를 포함할 수 있다.
(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²
상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

Description

흑연화 열처리용 선재 및 흑연강 {WIRE ROD FOR GRAPHITIZATION HEAT TREATMENT AND GRAPHITE STEEL}

본 발명은 기계 부품 등 다양한 산업분야에서 응용될 수 있는 흑연강에 관한 것으로, 상세하게는 흑연화 열처리 시간이 짧고, 절삭성이 우수한 흑연화 열처리용 선재 및 흑연강에 관한 것이다.

절삭성이 요구되는 소형 기계 부품 등의 소재로 Pb, Bi, S 등의 절삭성 부여 원소를 첨가한 쾌삭강이 이용되어 왔다. 가장 대표적인 쾌삭강인 Pb 첨가 쾌삭강은 절삭 작업시 유독성 퓸(fume) 등의 유해 물질을 배출하므로 인체에 아주 해로우며, 강재의 재활용에도 아주 불리한 문제가 있다.

이러한 문제가 있는 Pb쾌삭강을 대체하기 위하여 S, Bi, Te, Sn 등의 첨가 쾌삭강들이 제안되어왔다. S를 첨가한 S쾌삭강은 절삭성이 Pb쾌삭강에 미치지 못한다. Bi를 첨가한 Bi쾌삭강은 제조 시 균열 발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있다. Te 및 Sn 등을 첨가한 쾌삭강도 열간 압연시 균열 발생을 야기하는 문제가 있다.

Pb쾌삭강을 대체하는 강재로서 흑연강은 페라이트 기지 혹은 페라이트 및 펄라이트 기지 내부에 흑연립이 존재하는 강이다. 흑연강은 기지조직 내부의 흑연립이 절삭 시 크랙 공급원(source)으로 작용하여 칩 브레이커(chip breaker)의 역할을 함과 동시에 공구와의 마찰을 줄임으로써 절삭성이 우수하다.

그러나, 흑연강은 준안정상인 세멘타이트를 분해하여 흑연립을 석출시키기 위한 별도의 흑연화 열처리가 장시간 필요한 단점이 있다. 이는 생산성의 저하 및 비용 증가뿐만 아니라 장시간의 흑연화 열처리 과정에서 탈탄이 일어나 최종 제품의 성능에 악영향을 미치는 폐해가 발생한다.

또한, 흑연화 열처리를 통해 흑연립을 석출시켰다고 하더라도 흑연립이 불규칙한 형상으로 불균일하게 분포되는 경우 절삭 시 물성이 불균일하여 칩처리성이나 표면 조도가 매우 나빠지게 되며, 공구 수명 또한 단축되는 문제가 있다.

한국 공개특허공보 제1995-0006006호 (공개일자:1995년03월20일)

상술한 문제점을 해결하기 위해 본 발명은 흑연화 열처리 시간을 대폭 단축시키면서도, 흑연화 열처리 시 미세 흑연립이 기지 내에 균일하게 분포하는 흑연화 열처리 선재 및 흑연강을 제공하고자 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 흑연화 열처리용 선재는 중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.00 내지 3.00%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.002 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하, P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족하며, 미세조직은 면적분율로, 페라이트 40% 이하, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계 5% 이하 및 잔부 펄라이트를 포함할 수 있다.

(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²

상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

본 발명의 각 흑연화 열처리용 선재에 있어서, 하기 식 (2)의 값이 6 이하를 만족할 수 있다.

(2) 100*[Ti] + 10000*[B]

상기 식 (2)에서, [Ti], [B]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 다른 수단으로서 본 발명의 일 예에 따른 흑연강은 중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.0 내지 3.0%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.002 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하, P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족하며, 미세조직은 면적분율로, 페라이트 80% 이상 및 잔부 흑연립을 포함할 수 있다.

(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²

상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

본 발명의 각 흑연강에 있어서, 하기 식 (2)의 값이 6 이하를 만족할 수 있다.

(2) 100*[Ti] + 10000*[B]

상기 식 (2)에서, [Ti], [B]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

본 발명의 각 흑연강에 있어서, 인장강도가 550MPa 이하일 수 있다.

본 발명에 따른 흑연강은 자동차, 가전/전자기기, 산업기기 등 정밀 기계부품들의 소재로 적용 가능하다. 특히 본 발명은 합금조성 제어를 통해 흑연화 열처리 시간을 대폭 단축시켜 흑연강의 제조비용을 획기적으로 저감하면서도, 기지조직 내 미세한 흑연립이 균일 분포하도록 하여 우수한 절삭성을 확보할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

강재 기지 내에 석출된 흑연립은 절삭성을 향상시킨다. 구체적으로, 절삭 중에 흑연립은 고체 윤활제로 작용하여 절삭 공구의 마모를 억제하고, 응력 집중에 의한 균열 개시점으로 작용하여 절삭 마찰을 낮추고 절삭분이 짧게 분절되도록 하여 절삭성을 향상시킨다.

그러나, 흑연화를 시키기 위해서는 초기 압연 조직인 펄라이트 내 세멘타이트를 흑연화하는 열처리가 필요하다. 흑연립을 석출시키기 위해서는 장시간의 흑연화 열처리를 해야 하며, 이러한 장시간의 열처리는 비용 증가를 야기시킬 뿐만 아니라, 열처리 중 탈탄을 일으켜 최종 부품의 성능에 악영향을 미치는 폐해가 발생한다.

먼저, 본 발명은 절삭성을 향상시키면서도 장시간의 흑연화 열처리를 단축하기 위하여 C와 Si을 다량으로 첨가한다. C는 많을수록 흑연화 열처리 이후 흑연립이 다량 형성되며, 이로 인해 절삭성이 보다 우수해진다. Si은 세멘타이트를 불안정하게 하여 세멘타이트 분해를 촉진하며, 그 결과 흑연화 열처리를 단축할 수 있다. 이중 Si은 과다 첨가되는 경우 절삭공구 마모 문제, 제강 난이도가 상승하는 문제가 있으며, 특히 종래의 중, 고C 기반 흑연강에서는 냉간단조성 확보를 위해 Si은 소량 첨가되었다. 반면, 본 발명에서는 Si을 2.0중량% 이상으로 상향 첨가하여 흑연화를 더욱 촉진한다.

또한, 본 발명은 특히 흑연립의 핵생성처로 작용하는 AlN, BN, TiN 질화물 중 TiN 질화물을 주로 활용한다. BN, AlN은 석출 온도가 낮아 오스테나이트가 형성된 다음, 입계에 편중되어 불균일하게 석출된다. 불균일하게 석출된 BN, AlN은 흑연화 열처리 시 흑연립의 생성핵으로 작용하기 때문에 흑연립의 불균일한 분포를 야기시킬 우려가 있다. 반면, TiN은 석출 온도가 AlN이나 BN 보다 높아 오스테나이트 생성이 완료되기 전에 정출되기 때문에 오스테나이트 입계 및 입내에 균일 분포하게 된다. 다시 말해, TiN은 BN, AlN 대비 미세조직 내 균일하게 분포하며, 그 결과 TiN을 핵생성처로 하여 형성된 흑연립은 미세조직 내 균일 분포하게 되며, 흑연립이 편중되어 성장하는 BN, AlN 대비 흑연화를 더욱 촉진할 수 있게 된다. 또한, 균일하게 분포하는 흑연립은 칩처리성 등 절삭성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따른 흑연강은 흑연화 열처리용 선재를 흑연화 열처리하는 것으로 마련된다. 본 발명의 일 예에 따른 흑연화 열처리용 선재는 중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.00 내지 3.00%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.002 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하, P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

이하, 상기 흑연화 열처리용 선재의 성분조성에 대해서 한정한 이유에 대하여 구체적으로 설명한다. 흑연강 합금조성에 대한 한정 이유는 흑연화 열처리용 선재와 동일하므로 편의상 생략한다.

C의 함량은 0.65 내지 0.85중량%이다.

C는 절삭인자인 흑연립을 구성하는 성분 원소이며, C함량이 높아질수록 흑연립이 더 많이 형성된다. 또한, C는 첨가될수록 C활동도를 높이며, 그 결과 세멘타이트 분해가 촉진되어 흑연화 열처리를 단축할 수 있다. C함량이 0.65중량% 미만에서는 C활동도가 떨어지고, 절삭성이 떨어지는 문제점이 있다. 반면, C함량이 0.85중량%를 초과하면 C활동도 증대 효과가 포화될 뿐만 아니라, 과다 형성된 흑연립에 의해 강재의 인성이 저하되어 추후 CD-Bar(cold drawn bar)를 제조하기 위해 흑연강을 신선할 때 파단 발생의 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서 C함량은 0.65 내지 0.85중량%로 제어된다.

Si의 함량은 2.00 내지 3.00중량%이다.

Si은 용강 제조 시 탈산제로서 필요한 성분이며, 강 중의 세멘타이트를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 흑연화 촉진 원소이므로 적극적으로 첨가한다. Si함량이 2.00중량% 미만이면 흑연화 속도가 급격히 느려질 우려가 있다. 반면, Si함량이 3.00중량%를 초과하면 흑연화 촉진 효과는 포화되며, 비금속 개재물의 증가에 따른 취성 유발과 열간 압연 시 탈탄 증상을 야기시킬 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서 Si함량은 2.00 내지 3.00중량%로 제어된다.

Mn의 함량은 0.15 내지 0.35중량%이다.

Mn은 강재의 강도 및 충격 특성을 향상시키며, 강 중 S와 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 절삭성 향상에 기여하므로 적극적으로 첨가된다. 또한, Mn함량이 너무 적으면 MnS를 형성하지 못한 S에 의해 흑연화 속도가 저해되며, 소재의 취성이 유발되는 문제가 있다. 이를 고려하여 본 발명에서 Mn은 0.15중량% 이상 첨가된다. 그러나, Mn함량이 과다하면 강재의 강도 및 경도가 지나치게 증가하여 공구 마모 깊이가 저하될 우려가 있다. 이를 고려하여 본 발명에서 Mn함량은 0.35중량% 이하로 제어된다.

Ti의 함량은 0.002 내지 0.1중량% 이하이다.

Ti은 B, Al 등과 같이 질화물인 TiN을 형성하여 흑연화를 저해하는 고용 질소 함량을 낮추고, 형성된 TiN은 흑연의 핵생성처로 작용하여 흑연화 시간을 단축시킨다. 흑연의 핵생성처로 작용하는 BN, AlN은 석출 온도가 낮아 오스테나이트가 형성된 다음, 입계에 편중되어 불균일하게 석출된다. 그러나, TiN은 석출 온도가 AlN이나 BN 보다 높아 오스테나이트 생성이 완료되기 전에 정출되기 때문에 오스테나이트 입계 및 입내에 균일 분포하게 된다. 다시 말해, TiN은 BN, AlN 대비 미세조직 내 균일하게 분포하며, 그 결과 TiN을 핵생성처로 하여 형성된 흑연립은 미세조직 내 균일 분포하게 되며, 흑연립이 편중되어 성장하는 BN, AlN 대비 흑연화를 더욱 촉진할 수 있으며, 흑연강의 절삭성을 향상시킬 수 있다. 이를 고려하여 본 발명에서 Ti는 0.002중량% 이상 첨가된다. 반면, Ti함량이 과다하면 TiN으로 인한 흑연화 열처리의 단축 효과가 포화되며, 조대한 탄질화물을 형성하여 오히려 흑연화를 저하시킬 우려가 있다. 이를 고려하여 본 발명에서 Ti는 0.1중량% 이하로 제어된다.

N의 함량은 0.01중량% 이하이다.

N는 Ti, B, Al과 결합하여 TiN, BN, AlN 등의 질화물을 생성한다. 이중 BN, AlN은 석출 온도가 낮아 주로 오스테나이트 입계에 편중되어 불균일하게 석출된다. 불균일하게 석출된 BN, AlN은 흑연화 열처리 시 흑연립의 생성핵으로 작용하기 때문에 흑연립의 불균일한 분포를 야기시킬 우려가 있다. 따라서, TiN을 주로 석출시키면서도 BN, AlN의 형성은 최대한 억제하기 위하여 N함량을 적절히 조절할 필요가 있다. 또한, N함량이 과다하여 질화물 형성 원소와 결합하지 못하고 고용 질소로써 강 중에 존재하게 되면 세멘타이트를 안정화시켜 흑연화를 저해하는 문제점이 있다. 이를 고려하여 본 발명에서 N함량은 0.01중량% 이하로 제어된다.

B의 함량은 0.0005중량% 이하이다.

B는 N와 결합하여 BN을 생성하며, 생성된 BN은 흑연화 열처리 시 흑연립 생성의 핵으로 작용한다. 그러나, 상술한 바와 같이 BN은 오스테나이트가 형성된 다음 입계에 편중되어 불균일하게 석출된다. 그 결과, BN을 핵생성처로 형성된 흑연립 또한 불균일하게 분포되므로 절삭성이 저하될 우려가 있다. 따라서, B는 흑연립의 불균일한 분포를 방지하기 위하여 그 상한을 0.0005중량%로 관리하는 것이 바람직하다.

P의 함량은 0.05중량% 이하이다.

P은 불가피하게 함유되는 불순물이다. P은 강재 내 입계를 취약하게 하여 절삭성 향상에 도움을 준다. 그러나, P는 상당한 고용강화 효과에 의해 페라이트의 경도를 증가시키고, 강재의 인성 및 지연파괴 저항성을 감소시키고, 표면 결함의 발생을 조장한다. 따라서, P함량은 가능한 낮게 관리되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 P상한은 0.05중량%로 관리된다.

S의 함량은 0.05중량% 이하이다.

S는 불가피하게 함유되는 불순물이다. S은 MnS를 형성하여 절삭성 향상 효과가 있다. 그러나, S는 단독으로 강재 내 존재하는 경우 C의 흑연화를 크게 저해할 뿐만 아니라, 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고, 저융점 유화물을 형성시켜 열간압연성을 저해시킨다. 또한, MnS는 절삭성 향상 효과가 있지만 압연 후 연신된 MnS에 의해 기계적 이방성이 나타날 우려가 있다. 따라서, S함량은 가능한 낮게 관리되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 S상한은 0.05중량%로 관리된다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 일 예에 따른 흑연화 열처리용 선재는 상술한 합금조성을 만족하면서도 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족할 수 있다.

(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²

상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

상술한 식 (1) 값이 -1 미만이면 절삭성이 떨어지거나 흑연화 열처리 시간이 길어지는 문제점이 있다. 반대로 식 (1) 값이 1을 초과하면 강재의 강도와 경도가 증가하여 절삭성이 떨어지며, 흑연화 열처리 시간이 길어지는 문제점이 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따른 흑연화 열처리용 선재는 상술한 합금조성을 만족하면서도 하기 식 (2)의 값이 6 이하를 만족할 수 있다.

(2) 100*[Ti] + 10000*[B]

상기 식 (2)에서, [Ti], [B]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다.

Ti 및 B의 함량이 증가하여 식 (2)의 값이 6을 초과하면 정출되는 TiN의 크기가 커져 흑연립 생성핵으로의 역할 수행이 어려워 흑연화 열처리 시간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, 결정립계를 따라 생성된 BN이 흑연립 생성핵으로 작용하여 흑연립이 불균일하게 생성된다. 그 결과, 절삭성이 열위해진다.

본 발명의 일 예에 따른 흑연화 열처리용 선재의 미세조직은 면적분율로, 페라이트: 40% 이하, 베이나이트, 마르텐사이트의 합계: 5% 이하 및 잔부 펄라이트를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 흑연강은 흑연화 열처리용 선재를 흑연화 열처리하는 것으로 마련되며, 흑연강의 미세조직은 페라이트 및 잔부 흑연을 포함하는 것이 바람직하다. 펄라이트가 잔존하게 되면 강재의 경도가 증가하며, 그 결과 절삭 시 공구마모 문제가 발생하여 절삭성이 저하된다. 일 예에 따르면 흑연강의 미세조직은 면적분율로, 페라이트 80% 이상 및 잔부 흑연립을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 예에 따르면 흑연화 열처리된 흑연강의 인장강도는 550MPa 이하일 수 있다.

본 발명에 따르면 흑연화 열처리 시간을 획기적으로 감축 가능하다. 흑연화 열처리용 선재는 730 내지 770℃에서 6시간 이하로 흑연화 열처리되어 흑연강으로 마련되며, 이때 흑연강의 흑연화율은 99% 이상일 수 있다. 여기에서, 흑연화율이란 강에 첨가된 탄소 함량 대비 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량의 비를 의미하는 것으로, 하기 식 (3)에 의해 정의되며, 흑연화율이 99% 이상이라는 것은 첨가된 탄소가 거의 모두 흑연을 생성하는데 소모되었다는 의미이다. 식 (3)에서 페라이트 내 고용 탄소량 및 미세 탄화물은 극히 적으므로 고려하지 않는다. 흑연화율이 99% 이상이라는 것은 다시 말해 미분해된 펄라이트가 강 중에 존재하지 않고, 페라이트와 잔부 흑연립으로 구성되었다는 것을 의미한다.

(3) 흑연화율(%)= (1-잔부 펄라이트 탄소함량/강 중 탄소 함량) Х 100

이하, 본 발명에 따른 흑연강의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.

이상에서 설명한 본 발명의 흑연강은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않으나, 본 발명의 일 예에 따른 흑연강의 제조방법은 상술한 합금조성을 만족하는 강재를 열간 압연하는 단계 및 730 내지 770℃에서 6시간 이하로 흑연화 열처리하는 단계를 포함할 수 있다.

열간 압연하는 단계는 상술한 합금조성을 만족하는 잉곳을 주조한 후 1100 내지 1300℃에서 5 내지 10시간 동안 균질화 열처리 하고 1000 내지 1100℃에서 열간 압연하는 것을 포함할 수 있다. 열간 압연한 다음에는 8℃/s 이하로 공냉하여 흑연화 열처리용 선재를 제조할 수 있다.

이후 흑연화 열처리용 선재는 730 내지 770℃에서 6시간 이하로 흑연화 열처리되어 흑연강으로 마련될 수 있다. 본 발명에 따르면 흑연화 열처리용 선재를 흑연화 열처리하여 강 내 세멘타이트를 흑연화시킬 필요가 있다. 흑연화를 빠르게 하기 위해서는 등온 변태 곡선에서 노즈(nose)에 해당하는 온도 영역에서 열처리하는 것이 바람직하다. 바람직한 흑연화 열처리 온도 범위는 730 내지 770

이며, 이 온도 구간에서 6시간 이하의 등온 열처리를 통하여 강재 내 모든 펄라이트에 있는 세멘타이트를 완전히 흑연화할 수 있다.

상술한 바에 따른 본 발명의 흑연강은 자동차, 가전/전자기기, 산업기기 등 정밀 기계부품들의 소재로 적용 가능하다. 특히 본 발명은 합금조성 제어를 통해 흑연화 열처리 시간을 대폭 단축시켜 흑연강의 제조비용을 획기적으로 저감하면서도, 기지조직 내 미세한 흑연립이 균일 분포하도록 하여 우수한 절삭성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따른 흑연강은 신선 가공, 냉간 단조, 절삭 가공 등에 의해 자동차, 가전/전자기기, 산업기기 등 정밀 기계부품으로 제조될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는 절삭 가공 이후 표면 경도를 확보하기 위하여 Q/T(quenching and tempering) 열처리를 수행할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

{실시예}

하기 표 1의 성분조성을 갖는 잉곳(ingot)을 주조하여 1250℃에서 6시간 균질화 열처리한 다음, 열간 압연 및 공냉하여 흑연화 열처리용 선재를 제조하였다. 열간 압연 시 마무리 온도는 1000℃로 하였다.

표 1의 '식 (1)', '식 (2)'는 전술한 식 (1), 식 (2)에 합금조성 함량을 대입하여 도출한 값이다.

	합금조성(중량%)									식(1)	식(2)
	C	Si	Mn	P	S	Al	Ti	B	N	식(1)	식(2)
발명예1	0.72	2.47	0.22	0.019	0.006	0.002	0.007	0.0001	0.005	-0.16	1.7
발명예2	0.84	2.04	0.27	0.007	0.007	0.001	0.011	0.0002	0.007	-0.45	3.1
발명예3	0.80	2.94	0.19	0.031	0.009	0.000	0.017	0.0003	0.008	-0.28	4.7
발명예4	0.76	2.49	0.20	0.011	0.005	0.001	0.010	0.0004	0.006	-0.11	5.0
발명예5	0.81	2.38	0.18	0.031	0.002	0.000	0.017	0.0004	0.009	-0.32	5.7
발명예6	0.68	2.61	0.19	0.002	0.012	0.002	0.007	0.0001	0.006	0.00	1.7
발명예7	0.78	2.27	0.16	0.027	0.027	0.004	0.006	0.0002	0.002	0.77	2.6
발명예8	0.66	2.03	0.24	0.020	0.027	0.005	0.009	0.0001	0.009	-0.80	1.9
발명예9	0.75	2.93	0.33	0.006	0.029	0.000	0.017	0.0002	0.001	0.63	3.7
비교예1	0.32	2.18	0.16	0.010	0.030	0.004	0.016	0.0003	0.008	0.17	4.6
비교예2	0.78	3.47	0.17	0.023	0.030	0.000	0.010	0.0003	0.006	0.28	4.0
비교예3	0.77	2.25	0.38	0.019	0.021	0.004	0.008	0.0004	0.004	1.53	4.8
비교예4	0.80	2.95	0.12	0.020	0.013	0.003	0.017	0.0002	0.007	1.20	3.7
비교예5	0.77	2.25	0.27	0.019	0.021	0.004	0.008	0.0004	0.013	-1.65	4.8
비교예6	0.76	2.90	0.28	0.022	0.009	0.002	0.040	0.0003	0.008	-0.55	7.0
비교예7	0.83	2.19	0.24	0.020	0.004	0.001	0.003	0.0007	0.009	-0.80	7.3
비교예8	0.73	2.92	0.34	0.013	0.006	0.002	0.015	0.0002	0.003	0.72	3.5
비교예9	0.83	2.58	0.18	0.034	0.022	0.005	0.007	0.0002	0.003	0.40	2.7

이후 표 1의 흑연화 열처리용 선재를 750℃에서 4시간 동안 흑연화 열처리하여 흑연강으로 제조하였다. 다만, 비교예 8, 9는 흑연화 열처리 온도를 각각 711℃, 803℃로 하여 흑연화 열처리하였다.

표 2의 흑연화 열처리용 선재 조직은 흑연화 열처리 이전의 흑연화 열처리용 선재의 미세조직을 의미한다. 표 2의 흑연강 조직은 흑연화 열처리 이후의 흑연강의 미세조직을 의미한다.

표 2의 공구마모깊이는 직경 25mm인 각 발명예, 비교예의 흑연강 200개를 직경 15mm가 될 때까지 절삭 가공한 다음, 가공 전후의 공구 날 깊이를 비교함으로써 마모 정도를 구하였다. 이때 절삭속도는 100mm/min, 이송속도는 0.1mm/rev, 절삭깊이는 1.0mm로 하고, 절삭유를 사용하여 절삭 가공하였다.

	흑연화 열처리용 선재 조직	흑연화 열처리 온도 (℃)	흑연강 조직	인장강도 (MPa)	공구마모깊이 (mm)
발명예1	F+P	750	F+G	483	109
발명예2	P	768	F+G	457	95
발명예3	P	737	F+G	525	105
발명예4	P	737	F+G	491	120
발명예5	P	754	F+G	478	132
발명예6	F+P	750	F+G	493	111
발명예7	P	758	F+G	466	117
발명예8	F+P	741	F+G	455	101
발명예9	P	751	F+G	534	127
비교예1	F+P	733	F+G+P	724	221
비교예2	P	757	F+G+P	911	210
비교예3	P	761	F+G+P	914	286
비교예4	P	741	F+G+P	996	284
비교예5	P	739	F+G+P	992	204
비교예6	P	769	F+G+P	896	250
비교예7	P	732	F+G+P	857	236
비교예8	P	711	F+G+P	985	220
비교예9	P	803	F+G+P	860	265

(F: ferrite, P: Pearlite, G: Graphite)

표 1 및 표 2의 결과를 참조하면 발명예 1 내지 9는 흑연화 열처리 이후 펄라이트가 없어 4시간의 단시간의 흑연화 열처리만으로도 흑연화율이 99% 이상이었으며, 인장강도는 550MPa 이하였으며, 공구마모깊이가 200mm 이하로 절삭성이 우수하였다.

반면, 비교예 1 ~ 7은 본 발명과 동일한 흑연화 열처리 조건에서 흑연화 열처리하였으나, 펄라이트 조직이 잔존하여 흑연화가 완료되지 못하였으며, 인장강도가 550MPa를 초과하였으며, 공구마모깊이가 200mm를 초과하여 절삭성이 나빴다.

보다 구체적으로, 비교예 1은 C함량이 낮아 흑연화 구동력이 낮아 흑연화를 완료하지 못하였다. 비교예 2는 Si함량이 낮아 세멘타이트를 불안정하게 하는 효과가 부족하여 흑연화를 완료하지 못하였다. 비교예 3은 MnS 개재물이 형성하고 잔존하는 Mn이 흑연화를 저해하여 흑연화를 완료하지 못하였다. 비교예4 는 MnS를 형성하는 Mn이 적어 MnS를 형성하지 못하고 잔존하는 S가 흑연화를 저해하여 흑연화를 완료하지 못하였다. 비교예 5는 N함량이 높아 TiN, AlN, BN 등의 질화물을 형성하고 잔존하는 N가 흑연화를 저해하여 흑연화를 완료하지 못하였다. 비교예 6은 Ti함량이 과다하여 조대하고, 균일 분포하지 못한 TiN이 석출되어 흑연화를 저해하였다. 비교예 7은 B함량이 과다하여 결정립계에 BN이 대부분 석출되어 흑연화를 저해하였다.

특히 비교예 3 ~ 5의 경우 본 발명이 한정하는 식 (1)의 값 범위를 만족하지 못하여 흑연화를 완료하지 못하였으며, 절삭성이 열위하였다.

또한, 비교예 6, 7은 본 발명이 한정하는 식 (2)의 값 범위를 만족하지 못하여 정출되는 TiN 크기가 너무 커져 흑연화를 완료하지 못하였다. 또한, 결정립계를 따라 생성된 BN이 흑연립 생성핵으로 작용하여 흑연립이 불균일하게 생성되었다. 그 결과, 절삭성이 열위하였다.

비교예 8, 9는 본 발명이 한정하는 흑연화 열처리 온도를 만족하지 못하였다. 그 결과, 흑연화 열처리 온도가 너무 낮은 비교예 8은 흑연화 열처리 시 펄라이트가 완전히 흑연화되지 못하였다. 반면, 흑연화 열처리 온도가 너무 높은 비교예 9는 오스테나이트로 상변태하여 냉각 시 다시 펄라이트가 형성되었다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.00 내지 3.00%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.002 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하(0은 제외), P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족하며,
미세조직은 면적분율로, 페라이트 40% 이하, 베이나이트와 마르텐사이트의 합계 5% 이하 및 잔부 펄라이트를 포함하는 흑연화 열처리용 선재:
(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²
(상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다).
제1항에 있어서,
하기 식 (2)의 값이 6 이하를 만족하는 흑연화 열처리용 선재:
(2) 100*[Ti] + 10000*[B]
(상기 식 (2)에서, [Ti], [B]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다).
중량%로, C: 0.65 내지 0.85%, Si: 2.0 내지 3.0%, Mn: 0.15 내지 0.35%, Ti: 0.002 내지 0.1%, N: 0.01% 이하, B: 0.0005% 이하(0은 제외), P 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 하기 식 (1)의 값이 -1 이상 1 이하를 만족하며,
미세조직은 면적분율로, 페라이트 80% 이상 및 잔부 흑연립을 포함하는 흑연강:
(1) 100*([Mn]-0.25)² - (100*[N])²
(상기 식 (1)에서, [Mn], [N]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다).
제3항에 있어서,
하기 식 (2)의 값이 6 이하를 만족하는 흑연강:
(2) 100*[Ti] + 10000*[B]
(상기 식 (2)에서, [Ti], [B]는 각 합금원소의 중량%를 의미한다).
제3항에 있어서,
인장강도가 550MPa 이하인 흑연강.