KR20060057797A

KR20060057797A - 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재제조방법

Info

Publication number: KR20060057797A
Application number: KR1020040096856A
Authority: KR
Inventors: 최해창
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-05-29
Also published as: KR100605722B1

Abstract

본 발명은 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 이용하기 적합하며 냉간 단조성과 쾌삭성이 우수한 기계구조용 강재인 흑연강을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 흑연화 처리시간이 획기적으로 단축되는 흑연강 제조용 강재를 이용하여 인라인 흑연화를 실현함과 동시에 부위별 강도 편차를 최소화하여 냉간단조성과 쾌삭성을 향상시킨 흑연강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기 본 발명의 방법은 중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.01%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지고, 상기 Ti, N, B 및 Al의 그룹과, Mn, Se 및 S의 그룹이 각각 특정 관계식을 만족하는 조성의 빌레트를 얻는 단계, 선재압연한 직후 860~950℃에서 권취하는 단계, 권취한 선재를 1.8±0.5℃/sec의 냉각속도로 770±30℃까지 냉각하는 단계, 0.4±0.2℃/sec의 냉각속도로 620±50℃까지 냉각하는 단계 및 이후 공냉하여 흑연화 선재를 얻는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

흑연강, 피삭성, 냉간단조성, 흑연화처리, 온도편차

Description

냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING GRAPHITE STEEL ROD FOR MACHINE STRUCTURAL USE HAVING EXCELLENT FREE CUTTING CHARACTERISTICS AND COLD FORGING CHARACTERISTICS}

도 1은 일반적인 선재압연 및 냉각라인을 나타내는 개략도,

도 2는 종래의 스텔모아 냉각법을 사용하여 선재 코일을 냉각하는 개념도,

도 3은 냉각시 선재코일 겹침 상태를 나타내는 개략도,

도 4는 냉각대에 열 반사판을 설치한 개략도,

도 5는 도 4의 열 열반사판 부위를 보다 상세하게 본 도면으로서, 각 부에서의 열전달 기구를 나타내는 개념도,

도 6은 본 발명에 의하여 열반사판을 설치했을 때, 각 부분의 상세사양을 나타내는 개념도, 그리고

도 7은 본 발명에 의한 열반사판이 설치되었을 때의, 냉각대에서의 열흐름을 나타내는 모식도이다.

산업기계와 자동차 등에 이용되고 있는 기계부품들은 통상적으로 절삭공정이나 냉간단조공정 주 어느하나에 의해 그 부품이 가지고 있는 복잡한 형상으로 가공되게 된다. 그러나 절삭공정의 경우에는 원소재에 대하여 최종형상으로 가공하기 위해서는 가공량이 많아지고 그에 따른 부품손실이 커지고 생산비용이 과다해진다는 문제점을 가지고 있다. 그리고 냉간단조공정의 경우에는 절삭공정에 비하여 부품손실이 비교적 적고 간단한 공정을 통하여 실시될 수 있다는 장점이 있지만 부품의 최종형상이 복잡할 경우에는 단조작업만으로는 그 복잡한 형상을 구현할 수 없다는 문제를 가지고 있다. 따라서, 냉간단조 작업에 의해 최종형상에 근접한 형상(Near net shape)으로 가공한 후 이를 복잡한 형상으로 최종 절삭가공하는 것이 소재절약, 생산비 감소 등의 측면에서 가장 적합하다. 이러한 냉간단조 후 절삭가공을 실시하기 위해서는 소재의 피삭성과 냉간단조성이 모두 겸비되어야 하는데, 통상의 강으로는 이러한 물성을 모두 만족시키지 못한다.

즉, 소재의 피삭성을 향상시키기 위해서 강중에 Pb, S, Bi 등의 피삭성 부여원소를 첨가한 쾌삭강을 쓸 수 있는데, 이러한 쾌삭강은 절삭작업시 표면조도, 칩처리성, 공구수명 등 강의 쾌삭성 측면에서는 아주 우수하나, 이를 이용하여 냉간 단조작업할 경우에는 피삭성 향상원소들로 이루어진 개재물에 의해 야기된 크랙으로 인하여 미소 변형에도 소재에 균열이 발생되는 등 냉간단조성이 아주 열악하다.

또한, 이에 덧붙여 종래부터 피삭성 부여원소로 사용되던 Pb의 경우에는 절삭작업시 유독성 퓸(fume) 등의 유해 물질을 배출하므로 인체에 아주 해로운 원소이며 강재의 재활용에도 아주 불리하여, 이를 대체 하기 위하여 S, Bi, Te, Sn 등이 제안되었지만, Bi를 첨가한 강재는 제조시에 균열발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있고, S, Te 및 Sn 등은 열간압연시 균열발생을 야기한다는 점에서 문제가 있다.

따라서, 종래의 피삭성 부여원소를 사용하는 쾌삭강은 냉간단조성이 아주 불리할 뿐만 아니라, 환경문제를 야기하고 생산효율이 낮다는 문제를 가지고 있어 냉간단조성과 피삭성을 겸비한 강소재로 사용하기 곤란하였다.

그리고, 냉간단조용강은 인성과 연성이 뛰어나 냉간단조작업시에는 소재에 균열이 거의 발생되지 않고 최종형상과 유사한 정도까지 단조작업에 의해서 가공하기에는 유리하나, 이후 절삭작업을 실시할 경우에는 칩(chip)처리성과 표면 조도 등의 피삭성이 아주 불량하여 사용이 곤란하다는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 강이 바로 흑연강이다. 흑연강은 내부에 미세 흑연립을 포함하는 탄소강으로서 충격인성과 연성이 양호하여 냉간단조성이 우수한 동시에, 내부의 미세 흑연립이 절삭시 크랙 공급원(source)이 되어 줌으로써 피삭성도 양호한 성질을 가지고 있는 강이다.

일본 특개소 50-096416호 공보에는 C(total) : 0.45~0.90, Si : 1.0~2.5%, Mn : 0.1~0.7%, S : 0.015%이하, Al, Ti 중 1 종 또는 2종을 0.015~0.1% 포함하고, 50개/mm² 이상의 분포로 존재하는 흑연 0.45~0.90%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어진 흑연 쾌삭강이 제안된 바 있다. 상기 발명은 냉간단조성 측면보다는 쾌삭성의 측면에서 제안된 것이나, 흑연계 쾌삭강에 대한 발명의 효시에 속하는 발명이라 할 수 있다. 그러나 상기 발명의 조성으로는 실리콘 농도는 2.3%를 넘지 않아야 하며 그에 따른 최소 흑연화 시간은 대략 10시간 정도가 필요하다는 것이 개시되어 있다. 그러나 수요가 공정을 생각해 볼 때, 쾌삭성을 부여하기 위하여 10시간 정도 흑연화 열처리를 실시한다는 것은 공정상의 큰 부담이 되지 않을 수 없고, 이러한 부담으로 인하여 수요가에서 흑연강을 이용하여 절삭작업을 실시하는 것을 사실상 불가능하게 된다.

또한, 일본 특개평 6-212351호에는 상기 일본 특개소 50-096416호 공보에서 나타난 문제점인 흑연화 처리에 장시간이 소요된다는 점을 해결하기 위하여 비교적 단시간 열처리 하여 흑연화하는 흑연 쾌삭강의 제조방법을 개시하고 있다. 상기 공보에 개시된 기술은 흑연화 처리시간을 단축시키기 위하여 C : 0.3~1.0%, Si : 0.4~1.0%, Mn ; 0.3~1.0, P : 0.02%이하, S : 0.015~0.035, B : 0.001~0.004%, N : 0.002~0.008%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 열간압연직후의 강봉을, 그 열간압연 라인의 전후에 설치한 수냉각장치에 의해, 냉각개시온도를 Ac1 점 이하, 냉각종료온도를 Ms 점 이하, 평균냉각속도를 30℃/s~100℃/s 로 하여 냉각하고, 이후 자연냉각한 후, 이어서 가열온도 600~700℃에서 흑연화 처리하는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 기술은 마르텐사이트상의 특징인 격자왜곡을 이용하여 탄소가 흑연으로 석출되기 쉽게 하는 것을 그 기술적 요지로 하고 있는 것으로 흑연화 최소시간 12시간 흑연화율 최대 60%를 나타내는 종래예에 비하여 최소 9~12시간 이내에 100% 흑연화율에 도달시킬 수 있는 기술이었다.

그러나 상기 기술을 이용하더라도 흑연화에 필요한 시간은 최소 9시간으로 수요가가 공정에 적용하기는 곤란한 정도이어서 여전히 흑연화 시간 단축에 필요한 기술적 진보가 필요하였다.

흑연화 시간을 보다 단축하기 위한 기술로써 일본 특개 2000-063948호에는 중량％로，C :1.00초과~1.50％，Si:1.00~2.80％，Mn:0.01~2.00％，P :0.050％이하，S :0.10％이하，O :0.0050％이하， 및 N :0.020％이하를 함유하고，잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 조성이며， 흑연화 지수 CE가 1.30 이상인　주편 또는 슬라브를，850~1150℃의 범위내의 온도로 가열하고，열간 압연한 후，그리고 실온까지 냉각하여，이렇게 얻어진 열간 압연 강재를 ，600~1000℃의 범위내의 온도로 3hr 이하의 시간 가열한 후，공냉 하여, 상기 강재중에 평균 입경 1.0㎛ 이상의 흑연을 100개/mm²이상 석출시키고，또한 금속 조직을 20％이상의 페라이트와 잔부 펄라이트로 이루어지거나 또는 페라이트만로 이루어진 조직으로 하며 브리넬 경 도를 200 이하로 한 것을 특징으로 하는 쾌삭강 봉선재의 제조 방법에 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 기술을 이용할 경우 흑연화에 필요한 시간을 최소 30분까지 단축할 수 있어 종래기술에 비해서는 흑연화 시간을 획기적으로 개선한 기술이라 할 수 있다. 그러나 상기 기술에 의할 경우에도 최소 30분 정도이며 대부분 1시간 이상인 흑연화 처리시간이 필요하므로 여전히 실제 가공공정에 적용하기는 곤란하였다.

또한, 상기와 같은 우수한 특성을 가진 흑연강이더라도 강중에 흑연이 조대하거나 불균일하게 분포하고 있을 경우에는 쾌삭성과 냉간단조성이 나빠진다. 즉, 흑연이 불균일하게 분포하고 있을 경우에는 절삭시 물성분포가 불균일하여 칩처리성이나 표면조도가 매우 나빠지게 되며 공구소명 또한 단축되어 흑연강의 장점을 얻기가 힘들며, 조대한 흑연이 강중에 존재할 경우에는 균열이 발생될 가능성이 높아져서 냉간단조성이 나빠진다. 따라서, 이러한 문제점을 방지하기 위해서는 균일하고 미세한 흑연을 강중에 분산 석출시켜야 하는데, 상기의 분산석출은 흑연강의 조성과, 내부 미세 개재물 뿐만 아니라 적절한 선재 냉각공정을 통하여 흑연립이 용이하게 석출할 수 있도록 하여야 한다.

세계적으로 가장 많이 쓰이는 냉각방식 중 하나는 스텔모아(Stelmor) 냉각법인데, 이 냉각방법은 선재 코일이 컨베이어상을 이동하는 동안 공기를 송풍기를 불어주어 급속냉각시키거나 서냉 커버를 이용하여 극서냉을 하는 방법이다.

상기 스텔모아 냉각법을 도 1 내지 도 3을 참조하여 보다 자세하게 살펴보면, 냉각대(7)의 컨베이어 위에서는 압연된 선재(9)가 링(ring)모양으로 겹쳐진 상태에서 이송됨에 따라 선재 코일(9)의 겹침 밀도는 부분별로 달라지게 되는데, 상기 겹침 밀도가 높은 부위인 측면부(edge)(12), 중간측면부(mid-edge)(14) 그리고 상대적으로 낮은 부분인 중심부(center)(13)로 구분된다. 이러한 방식을 이용할 경우, 소재 즉 선재코일(9)의 부위별 냉각을 제어하는 장치 없이 자연냉각이 진행되면 선재 겹침 밀도 차이가 냉각온도 편차로 연결된다.

그런데, 흑연강을 제조할 때에 이러한 냉각온도 편차가 발생되면 선재냉각속도 차이에 의해 상변태 온도차이가 발생하게 되고, 그 결과 선재의 각 부위별 인장강도 편차가 심화된다. 이는 흑연강의 재질 편차로 연결되고 후속되는 냉간단조 작업 및 절삭작업시의 소재의 가공성을 현저히 감소시키는 요인이 된다.

따라서 본 발명의 목적은 쾌삭성을 부여하기 위해 첨가하는 Pb, Bi, S, Sn 등의 저융점 원소들을 첨가하지 않으면서 이들과 유사한 쾌삭성질을 갖고 동시에 우수한 냉간가공성(또는 냉간단조성)을 확보할 수 있는 조성을 이용하여 별도의 흑연화 처리없이 선재 제조공정만으로 내부에 흑연립이 분포된 흑연강을 생산하고 이때 발생할 수 있는 부위별 재질편차를 최소화할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은, 중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.01%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지고, 상기 Ti, N, B 및 Al이 하기 관계식 1을 만족하고, Mn, Se 및 S가 하기 관계식 2를 만족하는 조성의 빌레트를 얻는 단계, 선재압연한 직후 860~950℃에서 권취하는 단계, 권취한 선재를 1.3~2.3℃/sec의 냉각속도로 740~800℃까지 냉각하는 단계, 0.2~0.6℃/sec의 냉각속도로 570~670℃까지 냉각하는 단계 및 이후 공냉하여 흑연화 선재를 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

(단, 하기 관계식 1 및 관계식 2의 Ti, N, B, Al, Mn, Se 및 S는 각각 해당원소의 중량%를 의미한다.)

[관계식 1]

2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5

[관계식 2]

1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0

이때, 상기 조성에 더하여 Ni : 0.05~1.0%, Cu : 0.01~0.5%, Ca : 0.0001~0.05%, Zr : 0.0005~0.008%, REM(Rare Earth Metal, 희토류금속) : 0.001~0.05%으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 선재 열간압연후 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 선재는 흑연립 크기가 15㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상으로 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 선재는 5.5 ~14mm 직경으로 열간압연되는 것이 바람직하다.

선재 코일의 가장자리 겹침부와 중심부 비겹침부 사이의 온도를 최소화시켜 균질 흑연화 미세조직을 갖도록 하기 위해서는 상기 선재냉각시 냉각대 커버 상부면 직하에 열 반사판 (heat reflex mirror)을 설치하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 열 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비(ratio) W_ref/ W_rod 가 0.88~0.93 인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 열 반사판의 하향 절곡된 끝부분의 길이(t_e)가 25.0~27.5mm 인 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 열 반사판 끝부분의 각(α)이 25~30°인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

[강의 조성]

본 발명에서 합금원소를 제한하는 이유는 다음과 같다.

탄소(C): 0.3~0.7중량%

탄소는 흑연상 형성하기 위해서 필수적인 원소이며, 이후 기계 부품의 강도를 확보하기 위해서 중요한 원소이지만 함유량이 0.3중량%이하에서는 그 효과가 적고 0.7중량%이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.3~0.7중량%의 범위로 한정한다.

실리콘(Si): 2.0~4.0중량%

실리콘은 용강제조시 탈산제로서 필요한 성분이며 강중의 철탄화물(세멘타이트)를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 원소이다. 더구나 실리콘은 강도를 향상시키는 성분이기 때문에 적극적으로 첨가한다. 2.0중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 실리콘을 4.0중량% 이상 첨가하여도 흑연화 촉진의 효과는 포화되며 액상이 발생하는 온도영역이 낮아져 열간압연시 적정 온도영역이 좁아지는 문제점이 있어 2.0~4.0중량%의 범위로 한정하였다.

망간(Mn): 0.1~1.0중량%

망간은 강재의 강도를 확보하는 유효한 원소이며 용강제조시 탈산제로서도 유용한 원소이다. 또한 S와 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성 향상에 기여한다. 그 러나 함유량이 0.1중량%이하에서는 강도향상 효과가 적고 1.0중량%이상에서는 인성이 열화되는 문제점이 있어 0.1~1.0중량%의 범위로 한정하였다.

인(P) : 0.01중량% 이하

인은 흑연화를 저해할 뿐만 아니라 소입처리시 오스테나이트 입계에 편석하여 입계 강도를 저하시켜 소입균열의 발생이 용이하기 때문에 0.01중량%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.01중량%이하

황은 MnS를 형성하여 절삭시 칩처리성(chip breaking) 향상시켜 피삭성을 향상시키고 특히 흑연화의 핵으로 작용하여 흑연화를 촉진하지만, 그 첨가량이 0.01중량%이상이면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 다량첨가시 오히려 흑연화를 지연시키며 강의 인성을 급격하게 저하시켜서 냉간단조성에 악영향을 미치기 때문에 상한을 0.01중량%로 제한하였다.

셀레늄(Se) : 0.001~0.05중량%

셀레늄은 망간과 결합하여 MnSe를 형성하는 것에 의해 칩브레이크성(chip breaking)을 개선한다. 동시에 MnSe은 흑연화 핵으로 작용하여 흑연화를 촉진시킴으로서 피삭성을 개선키는 원소이다. 이러한 효과는 0.001중량%이하에서는 미흡하며 0.05중량% 이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.001~0.05중량%의 범위로 한 정하였다.

티타늄(Ti): 0.001~0.03중량%

티타늄은 강중에 질소와 결합하여 TiN을 형성하여 세멘타이트를 불안정하게 하고 동시에 흑연이 핵생성되는 자리가 되어 흑연화를 촉진시킨다. 또 탈산제로서도 유효하게 작용하기 때문에 적극적으로 첨가한다. 상기의 유용한 효과를 얻기 위해서는 0.001중량% 이상을 첨가하여야 한다. 그러나, 0.03중량%이상에서는 오히려 흑연화를 방해하기 때문에 0.001~0.03중량%의 범위로 한정하였다.

붕소(B):0.001~0.003중량%

보론은 N과 결합하여 BN을 형성하고 세멘타이트의 안정화를 방해하면서 흑연의 결정 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진시키며 동시에 소입성을 향상시키기 때문에 적극적으로 첨가하는 원소이다. 0.001중량%이하에서는 그 첨가효과가 미흡하여 0.001중량% 이상 첨가할 필요가 있으며, 반대로 0.003중량% 이상 첨가할 경우에는 더 이상 효과상승을 기대할 수 없으며 동시에 입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도를 저하시켜서 열간가공성을 저하시키기 때문에 첨가범위를 0.001~0.003중량%로 한정하였다.

알루미늄(Al): 0.002~0.03중량%

알루미늄은 강력한 탈산원소로서 탈산에 기여할 뿐만 아니라 흑연화를 촉진 시키는 유용한 원소이다. 흑연화 열처리시 세멘타이트의 분해를 촉진하는 것과 동시에 질소와 결합하여 AlN을 형성함으로서 세멘타이트의 안정화를 방해하는 작용을 한다. 또한 알루미늄 첨가에 의해 강중에 생성되는 알루미늄 산화물은 BN의 석출핵이 되기도 하고 흑연의 결정화를 촉진시키는 점에서도 효과적이다. 본 발명에서는 알루미늄을 적극적으로 첨가하지만 함유량이 0.002중량% 이하이면 그 첨가효과를 기대하기 어렵고 0.03중량%이상에서는 흑연화 촉진작용이 포화되며 열간변형성을 현저하게 저하되는 문제점이 있어 0.002~0.03중량%의 범위로 제한한다.

질소(N): 0.004~0.008 중량%

질소는 티타늄 및 보론, 알루미늄과 결합하여 질화물들을 형성하고 이것들을 핵으로 하여 흑연의 결정화를 촉진시키기 때문에 적극적으로 첨가한다. 한편 흑연화 촉진에 유효한 질화물들을 형성하기 위해서는 화학양론적으로 티타늄 및 보론, 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 0.004중량%이상 첨가하는 것이 필요하지만 0.008중량%이상 첨가할 경우 그 효과가 포화되기 때문에 0.004~0.008중량%로 한정하였다.

산소(O):0.005중량%이하

본 발명에 있어서 산소의 역할은 중요하다. 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. 그러나 산소를 너무 낮게 관리할 경우 제강공정의 정련부하를 야기하고, 0.005중량% 까지는 상기한 산소에 의해 유발되는 문제점이 그리 크지 않기 때문에 그 상한을 0.005중량%이하로 제한하였다.

상기에서 볼 수 있듯이, 흑연화를 촉진시키기 위해서는 우선, 흑연화에 필요한 탄소원(source)를 강중에 충분히 유지시키고, 세멘타이트를 불안정화 하여 세멘타이트 중 탄소가 쉽게 강중으로 확산될 수 있도록 하며, 확산된 산소가 강중에 존재하는 불균일(non-homogeneous) 핵생성 장소인 다양한 종류의 질화물 또는 화합물상 개재물에 흑연상으로 성장할 수 있어야 한다.

그러나, 상기의 조성만으로는 흑연화에 필요한 핵생성 장소를 충분히 제공할 수 없으며, 상기 조성에 의하여 생성된 질화물계 또는 유화물계 개재물들이 효과적으로 강중에 다량 미세 분산되어야 충분한 핵생성 장소를 공급할 수 있으며, 그에 따라 흑연화 시간이 획기적으로 단축되고 미세한 흑연이 생성될 수 있다.

본 발명에서는 흑연립 미세화 및 흑연화 시간을 현저하게 단축하기 위하여 합금원소간의 구성비를 비는 2.0≤(Ti+5B+2Al)/N≤5.5, 1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0로 한정하는데, 그 이유는 다음과 같다.

(Ti+5B+Al)/N비는 2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5인 것이 바람직하다.

(Ti+5B+Al)/N비가 2.0 미만일 경우에는 Ti, B, Al 양이 부족하여 흑연립의 핵생성에 기여하는 TiN 및 BN석출물의 갯수가 부족해지며, (Ti+5B+Al)/N비 5.5를 초과할 경우에는 Ti, B, Al은 충분하나 질소의 양이 부족하므로 더 이상 흑연립 핵생성에 필요한 TiN 및 BN, AlN의 석출물 개수가 증가되지 않고, 오히려 과잉질소로 인하여 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 흑연화 속도에 악영향을 미친다.

(Mn/5+Se)/5S 값은 1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0 가 바람직하다.

(Mn/5+Se)/5S 값이 1.0 미만일 경우에는 흑연립의 핵생성에 기여하는 MnSe 석출물 및 피삭성에 유효한 MnS 개재물의 갯수가 부족해지며, (Mn/5+Se)/5S 비 3.0초과에서는 흑연립 핵생성에 필요한 MnSe 석출물 및 MnS의 석출물 개수가 포화될 뿐만 아니라 모재에 고용되는 황량이 증가하여 입계편석을 오히려 초래하여 기계적 성질에 악영향을 미친다.

상기와 같은 조성에, 니켈 0.05~1.0중량%, 구리 0.01~0.05중량%, 칼슘 0.0001~0.05중량%, 지르코늄 : 0.0005~0.008중량%, 희토류 금속 : 0.001~0.05중량%으로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 첨가하는데, 그 성분 제한 이유를 설명한다.

니켈(Ni): 0.05~1.0중량%

니켈은 강의 소입성을 향상시켜며 소입 소려에 의해 강의 강도를 향시시키기는 동시에 흑연화 작용을 보조하여 촉진시키는데 유효하다. 0.05중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 1.0중량%이상에서는 그 효과가 포화되고 고가 원소로 경제적이지 못하기 때문에 0.005~1.0중량%로 한정하였다.

구리(Cu):0.01~0.5중량%

구리는 세멘타이트를 불안정하게 하여 흑연화의 촉진에 유효하므로 피삭성을 개선을 할 뿐만 아니라 강의 소입성 향상 작용과 석출강화 작용에 의하여 강의 소입소려시에 강도를 상승시키는 효과도 가지고 있다. 또한, 구리 첨가시에는 강의 부식저항을 개선시킬 수 있다. 0.01중량%미만에서는 흑연화 촉진 및 부식저항에 대한 개선효과가 미흡하며, 0.5중량%를 초과할 경우에는 그 개선효과가 포화되고 입계 편석시 녹는점(melting point)이 낮아져 선재압연을 위한 가열로 장입시 결정입계 취화에 따른 표면흠 발생 가능성이 높고, 최종 제품에서의 충격인성이 저하되기 때문에 0.01~0.5중량%로 제한하였다.

칼슘(Ca) : 0.0001~0.05중량%

칼슘은 본 발명의 강의 조성에서는 Ca-Al계 산화물을 형성하고 이것이 흑연화의 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진하는 것에 의해 피삭성을 개선한다. 이와 같은 작용은 0.0001중량%이하에서는 그 효과가 미흡하며 0.05중량%이상에서는 조대한 산화물계 비금속 개재물이 다량 발생하여 기계부품의 피로강도를 저하시키기 때문에 0.0001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

지르코늄(Zr) : 0.0005~0.008중량%

지르코늄은 CaO와 Ti2O3등의 산화물과 MnS 황화물을 미세하게 분산시킨다. 이러한 산화물과 황화물들은 흑연의 석출자리로 역할을 하여 흑연립을 미세하게 분산시킨다는지 흑연화 소요시간을 단축시키는데 효과적이다. 단 지르코늄의 첨가량이 0.0005중량%미만에서는 그 효과가 미흡하며 0.008중량%이상에서는 조대한 Zr계 황화물 및 탄질화물을 형성하여 Zr에 의한 산화물의 미세화 효과가 감소할 뿐만 아니라 파괴인성을 열화시키기 때문에 0.0005~0.008중량%의 범위로 한정하였다.

희토류금속(REM) : 0.001~0.05중량%

희토류금속은 강의 열간가공성을 개선하는 것과 흑연화를 가일층 촉진시키는 목적으로 첨가한다. 이와 같은 작용은 La, Ce등의 사용하는 것이 유용하지만 그 함량이 0.001중량%이하에서는 그 효과가 미흡하기 때문이며, 0.05중량%이상에서는 그 효과가 포화되기 때문에 0.001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

[선재의 제조방법]

선재압연공정

본 발명의 흑연강을 제조하기 위한 방법 중 선재 압연 공정은 통상의 압연공정에 준하여 할 수 있다. 다만, 압연후의 오스테나이트 결정립 크기는 30㎛인 것이 바람직하다. 그 이유는 상기 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛를 초과할 경우에는 흑연화 속도에 영향을 미쳐 선재내 흑연립 크기를 15㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상으로 제어하기 어렵기 때문이다.

또한, 이로부터 제조되는 선재의 직경은 5.5 ~ 14mm인 것이 바람직한데, 상기 직경이 5.5mm 보다 작을 경우에는 이후 흑연화 공정에서 선재 냉각속도가 너무 발라 흑연화를 진행시키기 어렵고 상기 14mm보다 클 경우에는 선재의 압하량이 부족하여 내부 결정립크기를 미세하게 제조하기 어렵기 때문이다.

권취공정

다음으로 선재를 권취하는데, 이때의 권취온도는 860~950℃로 하는 것이 바람직하다. 마무리 압연온도가 높을 경우에는 권취온도를 선재압연직후 냉각수분사에 의해 확보한다. 권취온도가 860℃미만의 경우에는 흑연화에 요구되는 시간이 부족해지기 때문이며, 권취온도가 950℃초과의 경우에는 고온권취에 따른 권취불량이 발생할 가능성이 높기 때문이다.

[냉각공정]

상기 종래기술의 문제점에서도 지적하였듯이, 종래기술을 사용할 경우에는, 선재 겹침부와 비겹침부사이의 부위별 냉각속도 편차가 발생하고, 그에 따라 최종제품의 강도차이가 발생한다. 본 발명에서는 이러한 문제를 없애기 위해서 균일 냉각을 실시할 수 있는 냉각공정을 도입하였다. 본 발명의 효과를 보이기 위한 냉각대 커버 상부면 직하에 열 반사판 (heat reflex mirror)을 설치하여 권취한 선재를 냉각하는데, 먼저 740~800℃까지 1.3~2.3℃/sec의 냉각속도로 냉각시킨다. 냉각온도와 냉각속도의 조건설정은 선재집적상태 즉 겹침부, 비겹침부위의 냉각정도의 차이를 고려한 것이다. 즉, 1.3~2.3℃/sec의 냉각속도에서 냉각온도가 800℃ 보다 높을 경우 냉각대에서의 적정 흑연화 변태소요시간이 불충분하게 되어 흑연화율이 감소한다. 또한, 냉각온도가 740℃ 미만의 경우에는 흑연화조직보다는 페라이트 또는 퍼얼라이트 변태가 일어날 가능성이 매우 높다.

다음으로, 570~670℃까지 0.2~0.6℃/sec로 냉각한다. 냉각온도가 670℃ 보다 높은 경우에는 선재 흑연화율이 저하하며, 570℃ 미만의 경우에는 선재내 흑연화가 완료된 상황이기 때문에 온도제어가 무의미하다. 또한, 냉각속도가 0.6℃/sec 보다 빠를 경우 흑연화율이 감소할 수 있으며, 0.2℃/sec 보다 느릴 경우 냉각설비 길이의 한계로 인해 적정냉각온도인 570~670℃범위를 확보하기전에 선재가 냉각설비 밖으로 배출되어 어려워 선재 흑연화율이 감소한다.

다음으로 공냉하는데, 이는 변태가 완료된 상태로 냉각속도의 변화가 조직에 미치는 영향이 없기 때문이다. 냉각하여 얻은 선재에서 흑연립 크기는 15㎛이하이고, 그 상분율은 0.1%이상이 바람직하다. 흑연립 크기가 15㎛ 초과일 경우에는 냉간성형성 개선 효과 보다는 오히려 표면흠이 유발될 가능성이 있다. 또한, 흑연립 상분율이 0.1%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 조직 연화효과가 없다.

냉각편차제어방법

다음, 선재권취후 냉각공정에서 본 발명의 효과를 보이기 위해 모식도1에서와 같이 냉각대 커버 상부면 직하에 열 반사판 (heat reflex mirror)을 설치하여 열 반사판의 두께, 열 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비(ratio), 열 반사판 끝부분의 길이, 열 반사판 끝부분의 각을 제어할수 있도록 하여 선재 코일 겹침 밀도가 높은 가장자리 겹침부와 상대적으로 겹침 밀도가 낮은 중심부간의 냉각속도 편차를 최소화시킨다.

본 발명의 효과를 보이기 위한 냉각대 커버 상부면에 열 반사판 (heat reflex mirror)을 설치예를 도 4 및 도 5를 통하여 설명한다.

도 4 및 도 5에서 볼 수 있는 것처럼, 서냉커버(8)의 하단에 장착된 복사열 반사판(Reflex Mirror)(15)이 고온의 선재 (또는 선재코일)(9)에서 발생되는 복사열을 흡수하여 선재 코일의 겹침 밀도가 측면부 대비 상대적으로 낮은 중심부로 최대한 재반사 시켜 선재코일 중심부 온도감소율을 최소화 하는 역할을 한다.

한편 상대적으로 겹침 밀도가 높은 부위인 측면부에는 기존의 방식과 동일한 냉각상태 이므로 전도 및 대류에 의한 열손실이 중심부보다 적어, 결국 선재(9) 중심부, 측면부와 중간측면부의 온도를 비슷한 수준으로 유도할 수 있게 된다.

도 6은, 냉각대 위에서 적치된 선재에서 나오는 열을 받아서 선재 겹침밀도가 상대적으로 작은 중심부로 복사열을 반사, 회수 시키는 열 반사판의 자세한 형상과 선재의 형상을 나타낸다. 사용된 반사판의 재질은 열 전도도가 작은 스테인레스강(예를 들면, SUS 316L)을 사용하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 열 반사판 형상설계에 대한 여러가지 파라미터(parameter)와 이들 상호간의 비(ratio) 의 설정이 필요하다. 이하 상기 발명의 기하학적 형상설계에 대한 상기의 파라미터와 비(ratio)의 범위를 제한하는 이유는 다음과 같다.

서냉커버 두께(t_cover)는 서냉커버 중심부 밖으로 대류에 의한 열 손실에 직접 관련되기 때문에 10 ~ 15 mm로 하는 것이 바람직하다.

반사판 중심부분의 두께 (t_ref)를 13 ~ 18mm 로 제한하는 이유는 고온의 선재 복사열이 반사판에 흡수된 후 열적평형(Thermal balance)을 이룬 상태에서 반사가 진행될 때 반사판의 변형을 막아주기 때문이다. 따라서 반사판 중심부분의 두께 13mm이하에서는 반사판 자체에서 열적평형 상태가 이루어 지기 어렵고, 그렇게 되면 커버(cover)로의 열전도가 쉬워지고 결국에는 커버 밖으로 대류가 많이 일어나서 열 반사판으로서의 역할을 제대로 수행하기 어렵기 때문이며, 반사판 중심부분 의 두께 13mm이상에서는 반사판의 자체무게 증가로 이어지게 되고 서냉커버의 휨(deflection)을 유발하기 때문이다.

반사판의 폭과 선재코일 폭의 비 (W_ref/ W_rod)를 는 0.88 ~ 0.93범위로 제한하는 이유는 선재코일의 중심부와 측면부를 구분하여 복사열을 재반사된 복사열이 선재코일 중심부로만 재반사 되고 측면부로는 반사를 하지 않도록 하기 위한 것이다. 따라서 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비가 0.88 이하에서는 선재코일의 반 정도에만 복사열을 반사하기 때문이며, 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비가 0.93 이상에서는 열 반사판이 소재코일 전체로 복사열을 반사하기 때문이다.

반사판 끝부분에서 하향 절곡된 부분의 최대크기(t_e)를 25.0~27.5mm 범위로 제한할 필요가 있다. 그 이유는 25.0mm이하에서는 반사된 복사열이 선재코일 중심부로 가는 재반사율이 작아지기 때문이고, 27.5mm이상에서는 재반사율 최대화 효과가 포화되기 때문이다.

반사판 끝부분의 각(α)을 25~30^o을 범위로 제한하는 이유는 25^o이하에서는 반사된 복사열이 선재코일 중심부로 가는 재반사율이 작아지기 때문이고, 30^o이상에서는 재반사율 최대화 효과가 포화되기 때문이다.

열 반사판과 소재코일의 간격(h) 을 통상적인 거리의 10분의1(50~60mm)로 한정하는 이유는 다음과 같다. 일반적으로 선재를 제조하는 전 세계 선재공장의 경우 스텔모어 냉각대 테이블 롤러(roller) 와 서냉커버 사이의 거리가 500~600mm 이다. 그러나 본 발명은 가능한한 열반사를 통해 선재 중심부 온도 감소량을 저감시키기 위한 것이므로 열 반사판의 효율을 높여야 하고, 이렇게 열 반사판의 효율을 높이기 위해서는 열반사판과 소재코일의 간격을 60mm 이하로 유지하여야 한다. 그러나, 소재코일의 후단부가 레잉헤드(laying head, 선재압연후 코일형태로 감아주는 장치)에서 나올 때 종종 불균일한 코일링(coiling)으로 인하여 높이가 다소 높아지는 경우가 있고, 그에 따라 소재코일과 열반사판의 간격이 너무 작으면 소재코일의 후단부가 반사판을 치고 나가서 손상을 주는 경우가 발생하기 때문에 이러한 사고를 예방하기 위해서는 상기 간격(h)는 50mm 이상은 되어야 한다.

도 7은 본 발명재를 사용했을 때 냉각대내의 열전달 흐름 모식도 이다. 커버 측면부에서 전도 및 대류에 의한 열 유속 q₂가 커버 중심부에서 열 유속 q₁보다 크기 때문에 선재코일 측면부의 온도감소가 중심부보다 높다. 그래서 중심부와 측면부의 온도 분포를 균질화 할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

아래 표 1 및 표 2와 같은 발명강 또는 비교강의 성분계를 갖는 빌레트를 Ac1 변태점 온도까지 20℃/min 가열속도로 가열하고 이상역 통과 가열속도 10℃ /min 가열속도로 가열한 후 Ac3 변태점이후 가열유지온도 1050℃ 까지 가열속도 15℃/min 가열속도로 가열하여 40분 유지한 후, 통상적인 방법에 의해 고속 선재압연하여 14mm의 선재로 제조하고, 선재압연직후 표 3 및 표 4의 조건으로 권취 및 냉각하고 공냉하였다.

강종		C, wt%	Si, wt%	Mn, wt%	S, wt%	P, wt%	Ti, wt%	B, ppm	Al, wt%	Se, wt%	N, ppm	O, ppm	Ni, wt%	Cu, wt%	Ca, wt%	Zr, ppm	REM, ppm
발 명 강	1	0.51	3.1	0.51	0.008	0.011	0.007	20	0.005	0.004	60	20	0.1
	2	0.52	3.1	0.40	0.009	0.015	0.004	10	0.004	0.003	55	21	0.1	0.05
	3	0.50	3.0	0.48	0.007	0.009	0.010	21	0.005	0.002	56	19			0.01
	4	0.49	2.9	0.55	0.009	0.008	0.010	20	0.003	0.010	60	24				10
	5	0.53	3.2	0.53	0.008	0.009	0.009	30	0.005	0.004	65	22					10
	6	0.7	3.1	0.48	0.007	0.008	0.004	13	0.003	0.002	75	17	0.09	0.04
	7	0.31	3.2	0.51	0.008	0.011	0.010	26	0.004	0.002	66	29	0.16	0.06
	8	0.53	4.0	0.55	0.009	0.009	0.003	17	0.004	0.005	60	23	0.20	0.09
	9	0.49	2.8	1.00	0.008	0.015	0.011	29	0.015	0.005	55	30	0.25	0.11
	10	0.66	2.05	0.44	0.009	0.009	0.003	20	0.010	0.006	80	40	0.54	0.21
비 교 강	1	0.51	3.0	0.51	0.008	0.011	0.001	10	0.003	0.004	65	19	0.13
	2	0.52	3.1	0.48	0.009	0.008	0.010	20	0.005	0.002	40	23	0.12	0.04
	3	0.50	3.0	0.22	0.007	0.130	0.004	10	0.004	0.001	55	17			0.02
	4	0.49	2.9	0.71	0.009	0.009	0.003	17	0.004	0.021	60	21				20
	5	0.53	3.2	0.19	0.008	0.129	0.001	10	0.003	0.001	65	20					10
	6	0.8	3.1	0.70	0.007	0.009	0.010	20	0.005	0.019	40	28	0.21	0.10
	7	0.31	3.2	0.69	0.008	0.009	0.001	10	0.003	0.020	65	15	0.51	0.23
	8	0.53	4.0	0.20	0.009	0.131	0.010	20	0.005	0.001	40	34	0.24
	9	0.49	1.5	0.52	0.008	0.015	0.011	15	0.015		30	25
	10	0.66	2.5	0.44	0.009	0.009	0.044	21	0.03		100	32

강종	관계식 1	관계식 2	오스테나이트 평균결정입도(㎛)
강종	(Ti+5B+Al)/N	(Mn/5+Se)/5S	오스테나이트 평균결정입도(㎛)
발명강 1	4.5	1.9	25
발명강 2	3.1	1.1	15
발명강 3	5.5	2.2	20
발명강 4	4.3	3.0	30
발명강 5	5.4	2.4	25
발명강 6	2.1	2.5	15
발명강 7	4.1	1.9	30
비교강 1	1.4	1.9	40
비교강 2	6.5	2.5	55
비교강 3	3.1	0.6	45

선재 부위별 겹침 밀도가 다른 중심부와 측면부에 냉각온도 편차를 측정하기 위해 직경 1.6mm의 접촉식 온도계(Thermo Couple)를 이용하여 냉각개시후 시간의 변화에 따른 선재부위별 온도 변화를 10회 측정하여 평균값으로 표기 하였다.

상기와 같이 제조된 소재들에 대한 인장강도를 측정하기 위해 크로스 헤드 스피드 (cross head speed) 5 min/sec에서 인장실험을 하였다. 인장시험편은 특정 규격없이 선재코일(coil)의 각 부위별로 200mm 절단해서 별도의 가공(machining) 없이 바로 인장기기에 물려서 실험을 하였다. 인장강도 측정위치는 선재단면을 8등분한 위치에서 측정하였으며 측정값은 평균값을 기준으로 하였다.

또한, 제조된 선재들의 흑연화 조직 상분율은 화상분석기(image analyze)를 이용하여 측정하였으며, 이때 피검면은 300mm²를 기준으로 하였다.

상기와 같이 제조된 발명예 및 비교예에 대하여 부위별 온도편차를 측정하고 그 결과를 표 3 및 표 4에 에 나타내었다.

강종	권취온도 (℃)	1차 냉각온도 (℃)	1차 냉각온도까지 냉각속도 편차 (℃/sec)	2차 냉각온도(℃)	2차 냉각온도까지 냉각속도 편차 (℃/sec)	선재 겹침부 흑연립 상분율(%)	선재 비겹침부 흑연립 상분율(%)	선재 링내 인장강도 분포 (kg/mm²) (16mm기준)
발명강 1	900	740	2.3±1.0	670	0.9±0.7	2.0	0.7	64±11
발명강 2	860	700	2.8±1.0	700	0.7±0.5	2.0	0.9	65±12
발명강 3	900	740	2.8±1.4	640	0.9±0.7	2.0	0.8	63±10
발명강 4	950	800	2.8±1.5	660	0.9±0.7	2.0	0.9	61±12
발명강 5	900	740	2.8±1.4	680	0.9±0.7	2.0	0.8	68±13
발명강 6	900	800	2.3±1.4	570	0.7±0.5	2.0	0.9	64±11
발명강 7	950	770	2.8±1.4	660	0.9±0.7	2.0	0.9	66±10
비교강 1	900	740	2.3±1.0	670	0.9±0.7	0	0	101±13
비교강 2	900	740	2.3±1.0	670	0.9±0.7	0.7	0	92±11
비교강 3	900	740	2.3±1.0	670	0.7±0.7	0.5	0	92±12

구분	세부구분 (발명강 2 대상)	열반사폭과선재코일 폭비 (Wref/Wrod)	열반사판 끝부분 길이 (t_e)	열반사판 끝부분 각(α)	1차 냉각온도까지 냉각속도 편차 (℃/sec)	2차 냉각온도까지 냉각속도 편차 (℃/sec)	선재 겹침부 흑연립 상분율(%)	선재 겹침부 흑연립 상분율(%)	선재 링내 인장강도 분포 (kg/mm²) (16mm기준)
발 명 예	발명예 1	0.88	25.0	30.0	1.8±0.4	0.4±0.2	2.0	1.8	55±4
	발명예 2	0.89	25.5	29.0	1.7±0.4	0.4±0.2	2.0	1.7	56±3
	발명예 3	0.90	26.0	28.0	1.8±0.4	0.4±0.2	2.0	1.9	54±3
	발명예 4	0.91	26.5	27.0	1.8±0.5	0.4±0.2	2.0	1.7	55±2
	발명예 5	0.92	27.0	26.0	1.7±0.4	0.4±0.2	2.0	1.8	55±3
	발명예 6	0.93	27.5	25.0	1.7±0.4	0.4±0.2	2.0	1.6	54±2
비 교 예	비교예 1	0.86	24.0	24.0	2.4±1.1	0.8±0.5	2.0	0.8	62±11
	비교예 2	0.87	24.5	23.0	2.5±1.2	0.8±0.6	2.0	0.7	61±12
	비교예 3	0.94	27.5	22.0	2.3±1.0	0.7±0.5	2.0	0.9	60±10
	비교예 4	0.95	28.0	21.0	2.4±1.0	0.8±0.5	2.0	0.8	60±11

발명의 효과를 보이기 위한 선재냉각대 상부에 열반사판을 이용하지 않고 선재냉각하였을 경우, 표 3에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 발명강(1~7)들의 1차 및 2차 냉각온도까지의 냉각속도 편차범위는 약 0.7~1.5℃/sec이면서 선재 링내 인장강도 편차는 50~77kg/mm² 범위로 나타났으나, 비교강의 경우 1차 및 2차 냉각온도까지의 냉각속도 편차범위는 본 발명재들과 유사하게 약 0.7~1.5℃/sec이면서 선재 링내 인장강도 편차는 80~114kg/mm² 범위로 발명강들 대비 상당히 인장강도가 높게 나타남을 알 수 있다.

또한 발명강(1~7)들은 선재냉각후 선재 미세조직상의 흑연립 상분율이 1.7 ~ 2.2% 범위를 보이나 반면, 비교강(1~3)들은 흑연립 상분율이 0 ~ 0.4% 범위로 본 발명강들 대비 흑연화 속도 또는 흑연화율이 매우 늦거나 작음을 알 수 있다. 따라서 본 발명강들이 흑연화 촉진에 매우 효과적임을 잘 알 수 있다. 상기 표 3에 기재된 결과들로 보아 비교강의 조성은 발명강과 냉각패턴을 유사하게 하여도, 흑연화 속도가 낮기 때문에, 조직내부에 고용 탄소가 많이 존재하고, 그에 따라 선재의 인장강도가 높아지며 흑연화율도 낮아 본 발명이 이루고자 하는 냉간단조성과 쾌삭성이 우수한 흑연강을 제조하는데는 부적합하다는 것을 알 수 있다.

표 4는 본 발명의 효과를 보이기 위해 표 1의 발명강 2의 조성을 가진 빌레트를 이용하여 선재를 제조할 때, 선재 냉각대 상부에 열반사판을 적용한 경우인데, 표 4에서 보는 바와 같이 본 발명예(1~6)들은 1차 및 2차 냉각온도까지의 냉각속도 편차가 1차의 경우 1.3℃/sec에서 2.3℃/sec 범위를, 2차의 경우 0.2℃/sec에서 0.6℃/sec 범위를 보이는 반면 비교예(1~4)들은 1.3℃/sec에서 3.7℃/sec 범위를, 2차의 경우 0.2℃/sec에서 1.4℃/sec 범위를 보여 본 발명에 의해 선재 냉각시 냉각속도 편차를 현저하게 줄일수 있음을 잘 알 수 있다. 또한 이로인해 선재냉각후 선재 링내 인장강도 편차가 본 발명예들은 48kg/mm² 에서 60kg/mm² 범위를 보이나 비교예들은 49kg/mm² 에서 73kg/mm² 범위를 보이는 바, 본 발명에 의한 흑연강이 냉간성형시 요구되어지는 인장강도를 현저히 낮추면서 선재링내 인장강도 편차도 함께 개선하는데 매우 효과적임을 알 수 있다.

또한 표 4에서 보는 바와 같이 열 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비(ratio) W_ref/ W_rod 가 0.88~0.93, 열 반사판 끝부분의 최대두께 t_e 가 40~42.5, 열 반사판 끝부분의 각 a가 25~30도 사이일 경우 선재코일 가장자리와 중심부간의 냉각온도 편차를 현저하게 최소화할 수 있음을 잘 알 수 있다

표 5에는 표 1에 도시한 전체 강종에 대한 피삭성과 냉간단조성 시험결과를 나타내었다. 피삭성을 평가하기 위하여 본 발명의 바라직한 실시예에 의해 흑연화된 선재를 자동선반으로 절삭가공하였다. 피삭성은 칩처리성과 공구수명으로 판정하였다. 칩처리성의 판정은 칩이 2권 이하에서 분단할 경우 우수, 3 ~ 6권에서 분단될 경우 보통, 7권이상일 경우 불량으로 판정하였다. 공구수명의 시험은 하이스 공구에서 절삭속도 150m/min, 0.20mm/rev에서 절삭유를 사용하는 환경에서 절삭시 다이스 팁 선단에서 용선되어 절삭불능이 되는데 까지의 시간을 측정하여 공구수명으로 하였다.

냉간단조성은 직경 10mm x 높이 15mm으로 제조된 시험편을 이용하여 상온 압 축시 균열이 발생할 때까지의 임계 체적 변화율을 임계 냉간단조율의 평가기준으로 하였다. 이때 임계 냉간단조율은 10회 실시하여 최대 최소값을 제외한 나머지를 평균값으로 평가하였다. 상기 시험의 결과를 표 5에 나타내었다.

구분	흑연화 특성			냉간단조성	피삭성
구분	흑연화시간 (min)	흑연상 분율 (%)	흑연립 평균크기 (㎛)	임계냉간 단조율 (%)	칩처리성	공구수명 (min)
발명강 1	5	2.1	7	130	우수	120
발명강 2	6	2.2	8	140	우수	110
발명강 3	5	2.0	9	130	우수	130
발명강 4	7	1.9	7	135	우수	115
발명강 5	7	2.1	6	140	우수	140
발명강 6	6	2.5	8	130	우수	120
발명강 7	7	1.2	7	140	우수	130
발명강 8	5	2.1	7	135	우수	125
발명강 9	6	2.0	6	135	우수	140
발명강 10	5	2.7	9	140	우수	135
비교강 1	350	2.0	25	70	보통	40
비교강 2	400	2.0	30	75	보통	35
비교강 3	10	2.1	20	80	보통	50
비교강 4	9	2.2	17	90	보통	60
비교강 5	600	2.1	21	85	보통	40
비교강 6	440	2.9	33	70	보통	30
비교강 7	530	1.3	20	80	보통	15
비교강 8	380	2.0	19	80	보통	45
비교강 9	3600	2.2	24	75	보통	20
비교강 10	3900	2.6	35	65	보통	25

표 5에서 보는 바와같이 선재 비겹침부의 흑연립 상분율은 비교강들의 경우 0~0.3% 범위를 보이는 반면, 본 발명강들의 경우 1.9~2.7% 범위로 거의 완전 흑연화가 되었음을 잘 알 수 있다. 쾌삭성과 관계되는 흑연립의 크기 또한 본 발명강들이 10㎛이하의 미세한 분포를 갖는 것으로 나타났다.

한편 냉간단조성의 경우 비교강들의 냉간 임계 단조성은 65~80% 범위를 보이 는 반면 본 발명예들은 125~135% 범위로 상당히 우수함을 잘 알 수 있다. 또한 쾌삭성의 경우 칩처리성 및 공구수명이 비교강들에 비하여 본 발명강들이 현저히 향상되었음을 잘 알 수 있다.

상기에서 알 수 있듯이, 본 발명에 의하면, 흑연화율이 높고 흑연화 속도가 빠른 선재를 이용하여, 선재 압연 후 냉각과정에서 바로 흑연화 할 수 있는 인라인 흑연화 기술을 제공할 수 있을 뿐아니라, 본 발명에 의하여 흑연화된 선재는 균일한 냉각속도로 인하여 재질편차를 최소화 할 수 있어, 냉간 단조작업 및 절삭작업시 작업성을 향상시킬 수 있다.

Claims

중량%로, C : 0.30~0.70%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.1~1.0%, P : 0.01~0.15%, S : 0.01%이하, Se : 0.001~0.05%, Ti : 0.001~0.03%, B : 0.001~0.003%, Al : 0.002~0.01%, N : 0.004~0.008%, O : 0.005% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 이루어지고, 상기 Ti, N, B 및 Al이 하기 관계식 1을 만족하고, Mn, Se 및 S가 하기 관계식 2를 만족하는 조성의 빌레트를 얻는 단계;

선재압연한 직후 860~950℃에서 권취하는 단계;

권취한 선재를 1.3~2.3℃/sec의 냉각속도로 740~800℃까지 냉각하는 단계;

0.2~0.6℃/sec의 냉각속도로 570~670℃까지 냉각하는 단계; 및

이후 공냉하여 흑연화 선재를 얻는 단계;

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.

(단, 하기 관계식 1 및 관계식 2의 Ti, N, B, Al, Mn, Se 및 S는 각각 해당원소의 중량%를 의미한다.)

[관계식 1]

2.0≤(Ti+5B+Al)/N≤5.5

[관계식 2]

1.0≤(Mn/5+Se)/5S≤3.0
제 1 항에 있어서, Ni : 0.05~1.0%, Cu : 0.01~0.5%, Ca : 0.0001~0.05%, Zr : 0.0005~0.008%, REM(Rare Earth Metal, 희토류금속) : 0.001~0.05%으로 이루어진 그룹 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선재 열간압연후 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선재는 흑연립 크기가 15㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상으로 하는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선재는 5.5~14mm 직경으로 열간압연되는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 선재냉각시 냉각대 커버 상부면 직하에 열 반사판 (heat reflex mirror)을 설치하여 선재 코일의 가장자리 겹침부와 중심 비겹침부 사이의 온도편차를 최소화시켜 균질 흑연화 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열 반사판의 폭과 선재코일 폭의 비(ratio) W_ref/ W_rod 가 0.88~0.93 인 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열 반사판의 하향 절곡된 끝부분의 길이(t_e)가 25.0~27.5mm 인 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 열 반사판 끝부분의 각(α)이 25~30° 인 것을 특징으로 하는 냉간단조성 및 쾌삭성이 우수한 기계구조용 흑연화 선재 제조방법.