KR20040028755A

KR20040028755A - 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강

Info

Publication number: KR20040028755A
Application number: KR10-2003-7014740A
Authority: KR
Inventors: 후쿠즈미다쓰오; 와타나베모토키; 요시무라쓰네오; 우치보리가쓰유키
Original assignee: 미쓰비시 세이코 가부시키가이샤; 유겐가이샤 요시무라기쥬쓰지무쇼
Priority date: 2002-07-03
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-04-03
Also published as: EP1518939A1; CN1215187C; EP1518939B9; DE60216824T2; CN1514884A; US7014812B2; DE60216824D1; EP1518939B1; US20040003871A1; AU2002335519A1; EP1518939A4; JP2004083924A; JP3929035B2; CA2444286A1; WO2004005567A1; CA2444286C; TW200513540A; AU2002335519A8; TWI247810B

Abstract

중량%로, 0.10∼0.55%의 C, 0.05∼1.00%의 Si, 0.30∼2.50%의 Mn, 0.15% 이하의 P, 0.050∼0.350%의 S, 0.010% 초과∼0.020% 이하의 Al, 0.015∼0.200%의 Nb, 0.0015∼0.0150%의 O, 및 0.02% 이하의 N을 함유하고, 0.03∼0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti, 0.01∼0.20%의 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더욱 함유하고, S함유량과 O함유량의 비 S/O가 15∼120이며, Nb의 산화물(도 1 참조), 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종이 MnS계 개재물(inclusion)의 석출핵으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강. 강의 화학성분을 조정하여 얻어진 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강에 의해, 납을 함유하지 않아도, 종래의 납함유 쾌삭강과 동일 레벨의 피삭성과 기계적 특성을 가진 유황 쾌삭성 기계구조용 강을 제공한다.

Description

유황함유 쾌삭성 기계구조용 강{Sulfur-Containing Free-Cutting Steel for Machine Structural Use}

산업기계나 자동차부품 등에 사용하기 위해서 기계가공되는 강재(steel product)는, 뛰어난 피삭성을 구비할 필요가 있다. 뛰어난 피삭성을 구비한 기계구조용 강으로서, 유황을 어느 레벨이상으로 함유한 유황쾌삭강과 납을 미량 함유한 납쾌삭강이 JIS(Japanese Industrial Standards)에 의해서 제정되어 있다. 이밖에, 납과 성질이 유사한 원소인 Bi, Te, Se 등을 함유한 쾌삭강도 개발되어 있지만, 가격이 높은 등의 이유 때문에 공업적으로는 일반화되어 있지 않다.

피삭성의 관점에서 가장 확실하게 성과를 기대할 수 있는 것은 납쾌삭강이며, 납을 함유시키더라도 강의 기계적 성질을 열화시키지 않는 것이 큰 특색이었다. 그러나, 납쾌삭강의 제조공정 및 그 강재를 절삭이나 선삭하는 공정에서, 납이 연무(fumes)가 되어 공기내에 비산하여, 노동환경을 악화시키고, 또한, 이러한 공정에서 발생하는 강의 찌꺼기나 칩 등의 산업폐기물을 처리할 때에도, 납을 함유하고 있기 때문에, 환경보호상의 문제가 발생하고 있었다.

한편, 쾌삭강으로서 가장 역사가 오래된 유황쾌삭강은, 공업적으로 제조되는 강내의 황화물의 형태나 분포의 관점에서 불균일함이 커서, 피삭성에 대한 신뢰성이 낮았다. 유황의 함유량을 많게 하여 피삭성을 높이고자 하면, 강재의 제조공정에서 열간취성(hot brittleness)이 일어나 불량품이 많이 발생하는 경우도 있었다.

그러나, 유황은 납과 달리 안전위생이나 환경문제 등의 관점에서 문제가 적고, 그 때문에 납을 함유하지 않아도 종래의 납함유 쾌삭강과 같은 레벨의 피삭성을 가진 유황쾌삭강의 개발이 기다려지고 있다. 따라서, 본 발명의 목적은, 뛰어난 피삭성을 가진 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강을 제공하는 것이다.

본 발명은, 산업기기나 자동차부품 등의 소재로서 사용되는 피삭성이 뛰어난 기계구조용 강에 관한 것이다.

도 1은, 본 발명에 따른 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강에 Nb의 산화물을 핵으로서 MnS계 개재물이 생성된 것을 나타내는 EPMA 해석상(analysis image)이다.

도 2는, 상기 강에 Nb의 탄화물을 핵으로서 MnS계 개재물이 생성된 것을 나타내는 EPMA 해석상이다.

본 발명자들은, 납을 첨가하지 않아도 종래의 납함유 쾌삭강과 동등한 피삭성을 가진 쾌삭강을 개발하기 위해, 강철의 화학성분을 여러 가지로 검토하였다. 그 결과, 0.050∼0.350중량%의 S함유 유황쾌삭강속에 산소가 0.0015∼0.0150중량%, 바람직하게는 0.0020∼0.0100중량% 함유되어 있는 경우, S함유량과 O함유량의 비 S/O가 15∼120의 범위에 있을 때, 강의 피삭성이 확실하게 향상하는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명에 따른 쾌삭강은, 이하에 나타내는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강이다.

(1) 중량%로, 0.10∼0.55%의 C, 0.05∼1.00%의 Si, 0.30∼2.50%의 Mn, 0.15% 이하의 P, 0.050∼0.350%의 S, 0.010% 초과∼0.020% 이하의 Al, 0.015∼0.200%의 Nb, 0.0015∼0.0150%의 O, 및 0.02% 이하의 N를 함유하고, 0.03∼0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti, 0.01∼0.20%의 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더욱 함유하고, S함유량과 O함유량의 비 S/O가 15∼120이며, Nb의 산화물, 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종이 MnS계 개재물 (inclusion)의 석출핵으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강이다.

(2) 상기 쾌삭강이 중량%로, 0.020∼0.100%의 Sn, 0.015∼0.100%의 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강이다.

(3) 상기 쾌삭강이 중량%로, 0.10∼2.0%의 Cr, 0.10∼2.0%의 Ni 및 0.05∼ 1.0%의 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강이다.

(4) 상기 쾌삭강이 중량%로, 0.0002∼0.020%의 Ca, 0.0002∼0.020%의 Mg로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)∼ (3)중 어느 한 항에 기재된 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강이다.

본 발명의 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강에 있어서의 성분원소의 함유량의 한정이유를 이하에 설명한다. 함유량의 단위는 중량% 이다.

C: 0.10∼0.55%

C는 강의 강도를 확보하기 위해서 첨가하지만, 중/고 탄소강 정도의 강도를 대상으로 하기 때문에, 0.10% 미만에서는 필요한 강도를 얻을 수 없고, 0.55%를 넘으면 인성(toughness)이 저하한다. 따라서, 하한을 0.10%로 하고, 상한을 0.55%로하였다.

Si: 0.05∼1.00%

Si는 탈산제(deoxidizer)로서 첨가하여, Mn과의 공동탈산을 행하게 한다. 0.05% 정도의 첨가로 탈산효과가 나타나지만, 1.00%를 넘으면 강의 피삭성이 저하한다. 따라서, 하한을 0.05%로 하고, 상한을 1.00%로 하였다.

Mn: 0.30∼2.50%

Mn은 탈산제로서 첨가함과 동시에 MnS를 형성시켜 강의 피삭성을 향상시킨다. 이들 황화물을 형성시키기 위해서는 최저 0.30%의 Mn이 함유되어 있는 것이 필요하고, 2.50%를 넘으면 강의 경도가 올라가기 때문에 피삭성이 저하한다. 따라서, 하한을 0.30%로 하고, 상한을 2.50%로 하였다.

Al: 0.010% 초과∼0.020%

Al은 강중의 N과 결합하여 AlN을 형성하여, 오스테나이트(austenite) 결정입자의 미세화에 효과가 있는 원소로서, 이러한 미세화를 통해 인성향상에 기여한다. 그 효과를 발휘하기 위해서는, O.010%를 넘는 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 피삭성을 열화시킨다. 이것을 피하기 위해서는, 상한을 0.020%로 한정할 필요가 있다. 따라서, Al의 첨가량은 0.010% 초과∼0.020%의 범위로 하였다.

P: 0.15% 이하

P는 강의 피삭성, 특히 마무리면의 성상을 개선시키기 위해서 첨가한다. 0.15%를 넘으면 인성이 저하한다. 따라서 상한을 0.15%로 하였다.

S: 0.050∼0.350%

S는 강의 피삭성을 향상시키는 원소로서 잘 알려져 있으며, S의 함유량이 높을수록 피삭성이 양호해진다. 0.050% 미만에서는 양호한 피삭성을 얻을 수 없다. 그러나, Mn과 함께 첨가한 경우라 해도, S함유량이 너무 많으면 강의 열간가공성이 저하한다. 그 때문에 상한을 0.350%로 하였다.

O: 0.0015∼0.0150%

산소가 0.0015%보다 적은 경우, MnS계 개재물의 형성이 쾌삭성을 부여하기에 불충분하고, 0.0150%를 넘을 경우는 냉각중에 탈산으로 생기는 2차 탈산생성물의 양이 지나치게 많아져 피삭성을 악화시킨다. 산소를 0.0015∼0.0150%의 범위로 유지하고, 또한 S함유량과 O함유량의 비 S/O를 15∼120으로 유지하는 것이 강의 피삭성향상을 위해 중요한 것이다. 따라서, 산소함유량은 0.0015∼0.0150%의 범위로 하였다.

N: 0.02% 이하

N이 0.02%를 넘으면 강의 연성(ductility)이 저하하여 버린다. 따라서, 상한을 0.02%로 하였다.

Cr: 0.10∼2.00%

Ni: 0.10∼2.00%

Mo: 0.05∼1.00%

Cr, Ni, Mo에서 선택되는 1종 또는 2종 이상을 첨가한다.

Cr, Ni, Mo 중 하나의 첨가량이 상기 범위의 하한보다도 적으면, 강의 경화능과 인성이 확보되지 않는다. 상기 범위의 상한을 넘으면, 강의 경도가 높아져피삭성이 나빠진다. 따라서, Cr, Ni 및 Mo의 첨가량은 상기의 범위로 하였다.

Nb: 0.015∼0.200%

Nb가 상기 범위내인 경우는, Nb의 산화물, 탄화물, 질화물 및 탄질화물의 1종 이상이 강내에 적절히 석출하여, MnS계 개재물의 석출핵이 되어, 상술한 개재물이 강내에 균일하게 분산석출하는 것을 돕는다. 즉, O.015% 미만의 경우는 이 효과가 적고, 0.20%를 넘으면 강의 피삭성이 나빠진다. 또한, 알맞은 Nb는 강의 오스테나이트의 결정입도를 미세화하여 강의 인성을 손상하지 않는다.

V: 0.03∼0.50%

V가 상기 범위내인 경우는, V의 탄질화물이 감마철속에 적절히 석출하여, 강의 기계적성질을 향상시키는 기능이 있다. 또한, 적절한 V는 강의 오스테나이트 결정입도를 미세화하여 강의 인성을 손상하지 않는다. 따라서, V의 첨가량은 0.03∼0.50%의 범위로 하였다.

Ti: 0.02∼0.20%

Zr: 0.01∼0.20%

이들 원소는 산소와의 친화력이 강하고, 산화물을 생성하기 쉽기 때문에, 용강(molten steel)에의 첨가는 탈산작업 종료 후에 하는 것이 바람직하다.

Ti가 0.02% 미만이거나 Zr이 0.01% 미만에서는 탈산효과가 적고, 반면 Ti가 0.20%를 넘거나 Zr이 0.20%를 넘으면 피삭성을 악화시키는 탄질화물이 많이 발생한다. 또한, 적절한 Ti는 강의 오스테나이트 결정입도를 미세화하여 강의 인성을 손상하지 않는다. 따라서, Ti 및 Zr의 첨가량은 각각 상기의 범위로 하였다.

Sn: 0.020∼0.100%

Sn은 매트릭스내에 고용하여 강을 취하(embrittle)시킴으로써, 피삭성을 향상시킨다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는, 적어도 0.020%의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 인성을 열화시킨다. 이것을 피하기 위해서는, 상한을 0.100%로 한정해야 한다. 따라서, Sn의 첨가량은 0.020∼0.100%의 범위로 하였다.

Sb: 0.015∼0.100%

Sb는 매트릭스내에 고용하여 강을 취하시킴으로써, 피삭성을 향상시킨다. 그 효과를 발휘시키기 위해서는, 적어도 0.015%의 첨가가 필요하다. 그러나, 지나친 첨가는 인성을 열화시킨다. 이것을 피하기 위해서는, 상한을 0.100%로 한정해야 한다. 따라서, Sb의 첨가량은 0.015∼0.100%의 범위로 하였다.

Ca: 0.0002∼0.020%

Ca는 강의 탈산원소이고, 피삭성 향상에 유효한 산화물을 생성한다. 0.0002% 미만에서는 그 효과가 나타나지 않는다. 그러나, 0.020%를 넘게 첨가하더라도 피삭성에 있어서 더욱 큰 효과를 얻을 수는 없다. 따라서, Ca의 첨가량은 0.0002∼0.020%의 범위로 하였다.

Mg: 0.0002∼0.020%

Mg는 강의 탈산원소이고, 피삭성 향상에 유효한 산화물을 생성한다. 0.0002% 미만에서는 그 효과가 나타나지 않는다. 그러나, 0.020%를 넘게 첨가하더라도 피삭성에 있어서 더욱 큰 효과를 얻을 수는 없다. 따라서, Mg의 첨가량은 0.0002∼ 0.020%의 범위로 하였다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명한다.

실시예 1

유황함유 쾌삭성 기계구조용 강의 제조:

유황함유 쾌삭성 기계구조용 강을 하기의 공정에 의해 제조하였다.

표 1에 나타낸 각 기계구조용 강에 해당하는 조성을 가진 강(시험편 Nos.1-22)을 15톤 전기로를 사용하여 용해하였다. 산화기(oxidation stage)동안 0.3%의 탈탄을 행하여, 산화말기에서의 용강중의 산소량은 0.028∼0.042%이었다. 산화기 슬래그 찌꺼기를 제거하고, 새롭게 환원기(reduction stage)에서 슬래그를 만들었다. 초기탈산에 사용한 탈산제는 60kg의 Fe-Si와 100kg의 Si-Mn이었다. 그 후, Al을 5kg(비교재에서는 10kg)을 사용하였다. 슬래그중의 FeO가 2% 이하로 된 것을 확인한 후, 레이들(ladle)에서 용강을 빼내었다.

그 때 용강내의 산소량은 0.0050∼0.0130%이었다. 이어서, 레이들 정련로 (LF로: refining furnace)의 위치에 레이들을 설치하고, 아크(arc)를 사용하여 용강을 승온하고, 각 성분을 미세조정하였다. 용강의 온도가 1650℃가 된 후, 가황(resulfurization)과 온화한 산소부화(oxygen enriching)를 실시하고, 레이들의 바닥에 설치한 포러스 플러그(porous plug)로부터 아르곤가스를 30리터/분의 유량으로 불어넣고, 교반을 15분 행하였다. 그 후, LF로의 아크에 의해 승온한 후, Nb, Ti, Zr를 첨가하여, 4.7톤 강괴(steel ingot)로 주조하였다. 강괴를 지름 100mm의 둥근 막대로 압연하여, 이 둥근 막대로 절삭시험에 제공되는 시험편을 제작하였다. 얻어진 화학성분을 아래의 표 1에 나타낸다. 함량의 단위는 중량%이나, N, O 에 대해서는 ppm 단위이다.

실시예 2

MnS계 개재물내의 석출핵의 EPMA 분석:

본 발명의 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강에 있어서의 MnS계 개재물의 석출핵이 되는 Nb 원소의 역할을 확인하기 위해서, 시험편 8(발명재)의 강의 전자선 마이크로 애널라이저 분석(EPMA)을 하였다. 그 결과를 도 1, 도 2에 나타낸다.

도 1은 Nb의 산화물을 핵으로 MnS계 개재물이 생성된 것을 나타내는 EPMA상이고, 또한 도 2는 Nb의 탄화물을 핵으로 MnS계 개재물이 생성된 것을 나타내는 EPMA상이다.

'SEI'로 표시한 사진은 매트릭스내에 석출한 MnS계 개재물의 2차 전자상 (electron image)이다. 도 1, 도 2 모두 큰 섬 형상체(island-shaped phase)에 내포된 비교적 작은 섬 형상체가 나타나 있다. 이들 작은 섬 형상체가 도 1의 경우는 Nb 산화물, 도 2의 경우는 Nb 탄화물인 것이, 각각 하단의 4장의 EPMA 해석상으로부터 나타난다. 상기 사진은 원소 Nb, O, C, Mn, S의 해석상이고, 백색부분이 각각의 원소의 존재위치를 나타내고 있다. 이들로부터 명백히 작은 섬 형상체는 Nb 산화물 또는 Nb 탄화물이고, MnS계 개재물(큰 섬형상체)의 핵으로 되어 있는 것을 알 수 있다.

실시예 3

선삭시험(cutting test by turning):

상기의 시험편 1∼22의 강과 동일 히트(heat)의 지름 100mm의 둥근 막대를 소둔(anneal)하고, 각 시편을 텅스텐 카바이드의 공구로 32분간 선삭하고, 공구의커팅면의 마모를 측정하였다. 선삭속도는 160m/분이었다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명재는 시험편 5, 6의 비교재와 비교해서, 절삭유(cutting fluid)를 사용하지 않을 때의 공구마모는 1/4이었다.

또한, 절삭유를 사용하지 않은 경우와 절삭유를 사용한 경우의 양방에 있어, 본 발명재의 값은 시험편 1∼4 및 7의 납 쾌삭강의 값에 필적한다.

다음에, 시판의 절삭유를 사용하여 선삭작업의 생산성을 비교하였다.

비교를 위해 고속 강 공구를 사용하여, 각 시험편으로부터 피니온(pinion)을 선삭에 의해 제작하였다. 시간당 피니온의 제작개수로 생산성을 측정하였다. 결과를 표 3에 나타낸다.

시판의 절삭유(cutting fluid)를 사용하였을 때의 본 발명재의 생산성은, 비납(lead-free)의 비교재 5, 6에 비하여 약 60% 향상하였다. 또한, 비교재 1∼4 및 7의 납 쾌삭강과 비교하여, 본 발명재는 거의 다르지 않은 좋은 성적이었다.

실시예 4

기계적 특성의 측정:

시험편 1∼22의 기계구조용 강으로서의 기계적 특성을 측정하였다. 각 시험편에 대하여 850℃에서의 오일 담금질(oil quenching)과 650℃에서의 뜨임 (tempering)을 실시한 후의 강도, 연성, 인성 및 경도에 관한 파라미터를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타낸다.

모든 특성에 있어서, 본 발명재는 비교재와 거의 동등 또는 동등 이상의 값을 나타내었다.

실시예 5

오스테나이트 결정입도의 측정:

시험편 1∼22의 오스테나이트 결정입도를 JISG0551에 기초하여 측정하였다. 결과를 표 5에 나타낸다.

오스테나이트 결정입도 번호는 8번 이상으로, 본 발명재와 비교재는 거의 동등한 값을 나타내고 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 안전위생이나 환경문제 등의 관점에서 문제가 적고, 납함유 쾌삭강과 동등한 피삭성 및 기계적 특성을 가진 유황함유 기계구조용 강을 제공할 수가 있다.

Claims

중량%로, 0.10∼0.55%의 C, 0.05∼1.00%의 Si, 0.30∼2.50%의 Mn, 0.15% 이하의 P, 0.050∼0.350%의 S, 0.010% 초과∼0.020% 이하의 Al, 0.015∼0.200%의 Nb, 0.0015∼0.0150%의 O, 및 0.02% 이하의 N을 함유하고, 0.03∼0.50%의 V, 0.02∼0.20%의 Ti, 0.01∼0.20%의 Zr으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 더욱 함유하고, S함유량과 O함유량의 비 S/O가 15∼120이며, Nb의 산화물, 탄화물, 질화물 및 탄질화물로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종이 MnS계 개재물(inclusion)의 석출핵으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강.
제 1 항에 있어서, 상기 쾌삭강이 중량%로, 0.020∼0.100%의 Sn, 0.015∼ 0.100%의 Sb로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 쾌삭강이 중량%로, 0.10∼2.00%의 Cr, 0.10∼2.00%의 Ni 및 0.05∼1.00%의 Mo로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강.
제 1 항 내지 제 3 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 쾌삭강이 중량%로,0.0002∼0.020%의 Ca, 0.0002∼0.020%의 Mg로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종을 함유하는 것을 특징으로 하는 유황함유 쾌삭성 기계구조용 강.