KR20030090809A - 유황함유 쾌삭강 - Google Patents

Abstract

질량%로, 0.03∼0.20%의 C, 0.35% 이하의 Si(0% 포함), 0.30∼2.00%의 Mn, 0.01∼0.15%의 P, 0.35∼0.65%의 S, 0.0100∼0.0250%의 O, 0.020% 이하의 N, 0.005% 이하의 Al(0% 포함), 0.02∼0.20%의 Nb를 함유하고, 또한 0.05∼0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부의 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하여 이루어지는 화학성분으로서, 해당 강철의 횡단면에 있어서 비금속 개재물의 주된 황화물계 개재물의 평균크기가 50㎛²이하이고, 개재물이 1㎟당 500∼1000개 존재하는 것을 특징으로 하는 고유황 쾌삭강. 이 유황함유 쾌삭강은, 환경에 악영향을 주는 중금속의 첨가를 필요로 하지 않고, 중금속함유 쾌삭강에 견줄만하거나 더욱 우수한 피삭성을 갖는다.

Description

유황함유 쾌삭강{SULFUR-CONTAINING FREE-CUTTING STEEL}

JIS SUM강, SAE 11xx강 또는 SAE 12xx강 등의 S함유 쾌삭강은, 압연후 인발가공하여, 마봉강으로서 자동절삭에 사용된다. 이러한 종래의 쾌삭강은 고속 강공구에 의한 피삭성(machinability)을 향상하기 위해서 강철중에 S를 첨가한 유황함유 쾌삭강이 사용되고 있었다.

이러한 유황함유 쾌삭강중의 S함유량이 많으면 많을수록 피삭성은 양호하게 되지만, 반면, 압연, 단조(forging) 등의 열간가공시의 적열취성을 위해 깨어짐 등의 불량품이 많이 발생한다. 이는 높은 유황함유에 기인하여 저융점의 FeS가 결정입자계에 석출하기 때문이다. 그리고, 고-S강의 경우, 압연방향에 대하여 가로방향의 연성 및 감소치(reduction of area)가 저하하여, 인발시 트러블이 생기게 된다. 따라서, 일반적으로 S함유량은 0.35%를 상한으로 하고, 최대로 하더라도 0.40%로 제한된다.

또한, 뛰어난 피삭성을 갖는 쾌삭강으로서 S에 더하여 Pb, Te, Bi 등의 중금속을 함유하는 복합쾌삭강이 개발되었다. 그러나, 최근 환경문제가 중요시되어, 환경에 악영향을 주는 이들 중금속을 사용하지 않는 쾌삭강으로서, 더구나 피삭성이 중금속함유 쾌삭강에 비견할만한 강철의 개발이 요구되고 있다.

[발명의 개시]

본 발명은 환경에 악영향을 주는 중금속의 첨가에 의한 피삭성의 향상을 꾀하지 않고, 또한, 제조상 특히 열간가공시나 냉간인발시에 문제를 일으키지 않는 피삭성이 우수한 유황함유 쾌삭강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 질량%로, 0.03∼0.20%의 C, 0.35% 이하의 Si(0% 포함), 0.30∼ 2.00%의 Mn, 0.01∼0.15%의 P, 0.35∼0.65%의 S, 0.0100∼0.0250%의 O, 0.020% 이하의 N, 0.005% 이하의 Al(0% 포함), 0.02∼0.20%의 Nb를 함유하고, 또한 0.05∼ 0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부의 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하여 이루어지는 화학성분으로서, 해당 강철의 횡단면에 있어서 비금속 개재물의 주된 황화물계 개재물의 평균크기가 50㎛²이하이고, 개재물이 1㎟당 500∼1000개 존재하는 것을 특징으로 하는 고유황 쾌삭강이다.

본 발명에서는, 우선 첫째로 S함유량이 종래 상한으로 되어 있는 0.35%를 넘는 다량의 S함유량이다. 그 다량으로 함유시킨 S에 의한 열간취성 등의 악영향을 방지하기 위해서, Mn을 다량으로 함유시켜 FeS의 석출을 방지하여, MnS계 황화물만 석출된다.

또한, 양호한 쾌삭성을 얻기 위해서, 이 MnS계 황화물과 절삭공구와의 접촉빈도가 많을수록 좋다는 것을 발견하였다.

그 때문에, MnS계 황화물의 강철중에의 석출은 용강(molten steel)의 응고시부터 시작되지만, 용강온도에 있어서 용강중에 석출하는 TiN이나 응고의 도중에서 γ-철중에 석출하는 NbN, VN을 MnS계 황화물의 석출핵으로서 이용함으로써, 미세화를 꾀하여 석출개수를 늘리고, 또한, 균등한 분산을 꾀할 수 있는 것을 발견하였다.

또한, 공구수명을 짧게 하는 α-형 Al₂O₃계 개재물의 존재를 없애기 위해서, 용강의 탈산을 Al을 대신하여 Si-Mn의 공동탈산을 기초로 사용하였다. 더구나, Si를 0.35% 이하로 하는 것에 의해, 딱딱한 규산계 개재물을 줄이고, 탈산 후의 용강의 산소레벨을 0.01∼0.025%로 안정하게 유지하기 위해서, 탈산보조제로서 Nb에 더하여 V, Ti의 1종 또는 2종을 첨가하였다. 이들 성부의 용강에의 잔류물도 MnS계 황화물의 석출핵으로서 이용하는 것에 의해, MnS계 황화물을 미세하고, 균등하게 분산석출시키는 것이 가능한 것을 발견하였다. 여기서 말하는 잔류물에는, 당연히 Nb 등의 산화물도 포함되고, 이들이 MnS계 개재물의 석출핵이나 복합개재물의 형태로 접착제로서의 역할도 할 수 있는 것으로 충분히 생각된다.

더구나, 산소레벨을 0.01∼0.0250%로 유지하는 것에 의해 석출하는 MnS계 황화물의 경도도 내려가고, 공구수명의 연장과 MnS계 개재물의 어스펙트비(MnS계 개재물의 길이와 지름의 비)를 작게 하여, 절삭부스러기 파쇄성이 향상하는 것을 찾아내었다.

이상 3가지 발견이 본 발명의 근간을 이루는 것이다. Pb, Bi, Te 등의 중금속을 함유하지 않더라도, 그것들을 함유하는 강의 기계가공성과 동등 내지 동등 이상의 유황함유 쾌삭강을 개발하였다.

본 발명은, JIS규격의 SUM강, SAE규격의 SAE 11xx강, SAE 12xx강이 이용되고, 강도를 그다지 필요로 하지 않는 부품의 소재가 되는 유황함유 쾌삭강에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명강의 실시예 및 비교예 강을 선반에 의한 가공시, 절삭 부스러기의 파쇄성의 평가기준을 나타내는 사진이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

이하, 본 발명의 유황함유 쾌삭강에 있어서 화학성분의 함유율을 한정하는 이유에 관해서 설명한다.

C : 0.03∼0.20%

C가 많을 때는 인발시 깨짐성이 발생하기 때문에, 상한은 0.20%으로 한다. 반면, C가 낮을 때는 강도가 지나치게 낮아지기 때문에, C함량의 하한은 0.03%로 한다.

Si : 0.35% 이하(0% 포함)

Si는 Mn과 공동의 탈산제로서 사용된다. 그러나, Si가 과다하게 첨가되면 강철의 경도가 올라가고, 게다가 탈산생성물을 구성하는 규소산화물이 딱딱하여, 공구수명을 열화시키게 된다. 따라서, 상한은 0.35%로 하였다. 바람직하게는 0.10% 이하 첨가하여, Mn과 공동탈산을 수행한다. 주조전의 용강의 산소함유량을 0.01∼0.025%로 확실히 유지하기 위해서, Nb(후술) 및 V, Ti의 1종 또는 2종을 탈산보조제로서 사용한다.

Mn : 0.30∼2.00%

열간취성의 원인이 되는 저융점의 FeS의 입자계 석출을 막기 위해, Mn을 첨가하여 안정한 MnS를 석출시킨다. 이 효과를 효율적으로 얻기 위해, 0.30∼2.00%의 범위로 Mn을 첨가하는 것이 필요하다.

P : 0.01∼0.15%

강철의 절삭마무리면을 개선하기 위해서 0.01∼0.15%의 범위의 P를 가한다. 이 범위 이외에서는 소기의 목적을 충분히 달성할 수 없다.

S : 0.35∼0.65%

S함유량이 높을수록 피삭성이 양호하게 되고, S함유량이 높을수록 열간가공성이 저하하는 것은 알려져 있다. 그 때문에 종래 S함유량의 상한은 0.35%로 되어 있었다. 본 발명에 의한 Nb 및 V 및/또는 Ti를 탈산보조제로 하는 Si-Mn 공동탈산을 실시하면, S함유량의 상한을 0.65%로 하더라도 열간가공성을 손상시키는 일은 없다.

O(산소) : 0.0100∼0.0250%

용강의 탈탄정련 말기의 산소량은 약 600∼1200ppm이다. 그러나, 이러한 산소레벨에서는 리밍액션(rimming action)에 의해 연속주조가 불가능하게 되기 때문에, 보통 Al에 의한 강제탈산을 한다. 그러나, Al에 의한 탈산을하면, 딱딱한 α-형 Al₂O₃가 탈산생성물로서 생성되어, 절삭시에 공구수명을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 Al에 의한 탈산은 의도적으로 하지 않는다. 또한, Si의 첨가량은0.10% 이하로 유지하는 것이 바람직하고, Si-Mn 공동탈산 한도인 약 250ppm부터 100ppm의 범위로 안정적으로 산소함량을 유지하기 위해서, 보조적으로 Mn과 같은 정도의 탈산력을 갖는 Nb나 V 및 소량의 Ti를 사용하여 탈산한다.

N : 0.020% 이하

본 발명의 특색은 강철중에 Mn 황화물을 대략 균등하게 분산석출시키기 위해서, 석출핵이 되는 미세한 NbN, VN 및 TiN을 γ-철중에 석출시켜, MnS를 그 핵을 중심으로 석출시키도록 하는 것이다. 따라서, N함유량을 최대 0.020% 필요로 한다.

Al : 0.005% 이하(0% 포함)

상술한 바와 같이, Al에 의한 강제탈산은 의도적으로 하지 않는다. 그러나, 사용하는 FeSi, FeNb, FeV 및 FeTi 중에 Al이 약간 함유되어, 이들 성분의 용강에의 첨가시 미량의 Al이 강철중에 잔류하여 버린다. 따라서, 그 최대량을 0.005%로 제한한다.

Nb : 0.02∼0.20%

상술한 바와 같이, 본 발명의 목적의 하나는 MnS의 생성에 의해서 FeS의 석출을 억제하여, 열간 및 냉간 가공성과 피삭성을 향상시키는 점에 있다. 탈산조제로서의 Nb는 용강이 응고하는 도중에 γ-철중에 탈산생성물, 질화물 및 탄질화물을 석출하고, 이들이 MnS의 석출핵으로서 효율적으로 작용하여, 황화물 개재물의 미세화와 동시에 석출개수를 늘리고, 또한 균등하게 분산하여 열간 및 냉간 가공성과 피삭성을 증대시킨다. Nb함유량이 0.02% 미만 또는 0.20%를 넘으면, 그 효과가 충분하지 않다.

V : 0.05∼0.50% 및/또는 Ti : 0.02∼0.20%

상술한 바와 같이, 이들 원소는 Si-Mn 공동탈산의 보조적 역할을 담당한다. 용강중의 산소량을 100∼250ppm의 범위로 안정하게 유지하고, 용강의 응고후의 MnS의 형상을 피삭성에 좋은 영향을 주는 구형에 가까운 것으로 하고, 또한, 상기 Nb와 동일하게, MnS의 석출을 강철중에 대략 균등하게 분산시키기 위해, γ-철중에 석출하는 V의 질화물 및 용강중에 석출하는 TiN이 효율적으로 작용한다. 그 양이 각각 하한 미만이거나 상한을 넘으면, 효과가 충분하지 않다.

본 발명의 강철은 상기의 조성을 갖는 동시에, 해당 강철에 있어서 비금속 개재물의 주된 황화물계 개재물이, 해당 강철의 횡단면에 있어서 그 평균크기가 50㎛²이하이고, 1㎟당 500∼1000개 존재한다. 이러한 수적 한계에 의해, 본 발명의 강철은 양호한 가공성과 동시에 뛰어난 피삭성을 갖는다. 상기 평균크기 및 개수가 상기의 범위외이면, 충분한 피삭성 및 가공성을 얻을 수 없다.

[실시예 및 비교예]

고주파 유도로에 의해서 표 1에 나타내는 조성의 강철을 용제하여, 20kg의강철 덩어리로 주조하였다.

#1-10: 본 발명의 강철

#11-14: 비교 강철

상기 강철덩어리를 지름 40mm의 둥근막대에 단련하여 늘려 시료를 만들고, 선반을 사용하여 선삭시험을 하였다. 시험조건을 하기에 나타낸다.

시료 열처리 : 불림(normalizing)

공구 : 카바이드팁 SNGA 120404(Mitsubishi Materials Corp.)

절삭속도 : 100m/분

절단깊이 : 1mm

이송 : 0.02, 0.05, 0.10, 0.15, 0.20mm/rev

절삭유(cutting oil) : 없음

평가항목 : 각 시료의 선삭절삭부스러기 파쇄성

시료의 선반에 의한 가공시의 선삭절삭부스러기 파쇄성의 평가, 횡단면에 있어서의 황화물계 개재물의 평균크기 및 피검면적 1㎟당 개수를 표 2에 나타내었다.

#1-10: 본 발명의 강철

#11-14: 비교 강철

이들 결과로부터 명백하듯이, 본 발명의 쾌삭강은 환경에 유해한 중금속을 일체 함유하지 않고, 종래의 중금속함유 쾌삭강에 견줄만하거나 더욱 우수한 쾌삭강을 발명할 수 있었다. 피삭성의 평가는 절삭부스러기의 파쇄성에 의해서 하였다. 그 파쇄성의 우열의 평가기준은 도 1에 나타내는 ◎,, △,의 4단계로 평가하였다.

본 발명에서는 표 2에 나타내는 바와 같이, 선반의 각 이송속도 전부에 있어서 ◎, 즉, 최선이었다.

또한, 강철중의 황화물의 성질(평균크기, 개수)을 하기의 방법으로 조사하였다. 피삭성 시험시료의 연장인 40mm 지름 D의 둥근 막대로부터 단련하여 늘린 방향에 대하여 가로방향의 단면, 즉, 횡단면의 표피로부터 직경의 1/6(D/6)까지의 개소에서 현미경시료를 잘라내어, 400배의 광학현미경으로 황화물계 개재물의 평균크기, 개수를 조사하였다. 횡단면에서의 개재물의 관찰로, 개재물의 크기나 그 분포상태를 용이하게 파악할 수 있다.

본 발명에 의하면, 환경에 악영향을 주는 중금속의 첨가에 의한 피삭성의 향상을 꾀하는 일없이, 더구나 제조상의 문제를 일으키는 일없이, 중금속첨가의 경우에 얻는 것에 견줄만하거나 더욱 우수한 피삭성을 갖는 유황함유 쾌삭강을 제공한다.

Claims (1)

1. 질량%로, 0.03∼0.20%의 C, 0.35% 이하의 Si(0% 포함), 0.30∼2.00%의 Mn, 0.01∼0.15%의 P, 0.35∼0.65%의 S, 0.0100∼0.0250%의 O, 0.020% 이하의 N, 0.005% 이하의 Al(0% 포함), 0.02∼0.20%의 Nb를 함유하고, 또한 0.05∼0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti의 1종 또는 2종을 함유하고, 잔부의 Fe 및 불가피적 불순물을 포함하여 이루어지는 화학성분으로서, 해당 강철의 횡단면에 있어서 비금속 개재물의 주된 황화물계 개재물의 평균크기가 50㎛²이하이고, 개재물이 1㎟당 500∼1000개 존재하는 것을 특징으로 하는 고유황 쾌삭강.