KR20080007386A - 저탄소 유황 쾌삭강 - Google Patents

Abstract

C : 0.05~0.20％ 미만, Si＜0.02％, Mn：0.7~2.2％, P：0.005~0.25％, S : 0.40 초과~0.60％, Al＜0.003％, 0：0.0090~0.0280％, N：0.0030~0.0250％를 함유하고, 잔부는 Fe와 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM이 Ca＜0.001％, Mg＜0.001％, Ti＜0.002％, Zr＜0.002％, REM＜0.001％이고, 또한 Mn×0＞0.018 및 2.5＜Mn／(S＋0)＜3.5를 만족하는 저탄소 유황 쾌삭강은, HSS 공구를 이용한 비교적 저속 절삭으로 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강과 동등 이상의 피삭성을 갖고 침탄성도 뛰어나다. 이 강은, 연속 주조성이 뛰어나기 때문에 염가로 대량 생산할 수 있고, 자동차용의 브레이크 파트, PC 주변 기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 작은 부품의 소재로서 이용할 수 있다. 또한, 다음의 (1)과 (2) 중 어느 하나 또는 쌍방을 함유하고 있어도 좋다. (1) 특정량의 Te, Sn 및 Se 중 1종 이상. (2) 특정량의 Cu, Ni, Cr 및 Mo 중 1종 이상.

Description

저탄소 유황 쾌삭강 {LOW CARBON SULFUR FREE-MACHINING STEEL}

본 발명은 저탄소 유황 쾌삭강에 관한 것으로, 자세한 것은 Pb를 첨가하지 않은 경우라도 종래의 납 쾌삭강(이하, 「Pb 쾌삭강」이라고 함) 및 Pb와 S, P 등 다른 쾌삭 원소를 복합 첨가한 복합 쾌삭강(이하, 「Pb 첨가 복합 쾌삭강」이라고 함)과 동등 이상의 양호한 피삭성을 갖는 저탄소 유황 쾌삭강에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 고속도 강 공구를 이용하여 절삭을 행했을 때의 양호한 피삭성을 가짐과 함께 침탄성이 뛰어나고, 또한 연속 주조성이 뛰어나기 때문에 저렴하게 대량 생산할 수 있는 Pb 비첨가 저탄소 유황 쾌삭강에 관한 것이다.

종래, 연질의 작은 부품, 예를 들어 자동차용 브레이크 파트, PC 주변 기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 작은 부품의 소재에는 생산성 향상을 위해서 피삭성이 뛰어난 강인 소위 「쾌삭강」이 이용되어 왔다.

이러한 연질(軟質)의 작은 부품의 절삭 가공은, 공업적으로는 주로 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 행해지고, 또한 절삭 가공 시의 공구에는 코팅 처리가 실시되어 있지 않은 고속도 강 공구(이하, 「HSS 공구」라고 함)가 사용되는 일이 많다. 그리고, 이러한 절삭 가공 조건의 경우, 소재 강의 「피삭성」으로서는, 긴 공구 수명의 확보에 더하여 가공 정밀도의 관점에서, 절삭 가공 후의 강재 표면 의 마무리면 조도가 작은 것이 요구되고, 또한 칩이 가늘게 분단하는 성질(이하, 「칩 처리성」이라고 함)이 뛰어난 것도 중요시된다. 특히, 양호한 칩 처리성은 가공 라인의 자동화에 빠뜨릴 수 없는 것으로서, 생산성의 향상을 위해서 필수로 여겨지는 특성이다.

쾌삭강으로서는 S를 다량 첨가하여 MnS에 의해 피삭성을 개선한 유황 쾌삭강(이하, 「S 쾌삭강」이라고 함), Pb를 첨가한 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강 등이 잘 알려져 있다.

상기의 쾌삭강 중에서도 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강은, 칩 처리성이 뛰어나고 공구 수명도 길며, 가공 후의 강재 표면의 마무리면 조도가 뛰어나다는 특성을 갖고 있다.

따라서, 이러한 Pb를 첨가한 쾌삭강은 절삭 가공에 의해서 상기한 자동차용 브레이크 파트, PC 주변 기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 각종 작은 부품 형상으로 가공되고 최종 제품으로서 사용되고 있다. 또한, 절삭 가공 후 각종 작은 부품의 강도를 확보하는 목적으로부터 표면 경화를 위한 침탄 처리를 실시하고, 표면 경도를 증가시킨 다음 최종 제품으로서 사용되는 경우도 있다.

그러나, 최근의 지구 환경 문제에 대한 고조로부터 Pb 함유량을 저감시킨 쾌삭강이나 Pb를 전혀 포함하지 않는 쾌삭강에 대한 요망이 지극히 커지고 있고, 예를 들어 유럽에서는, RoHS(On the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment) 지령이나 ELV(End of Life Vehicle) 지령에 의해, 강재에 포함된 Pb 함유량이 질량％로서, 0.35％ 이하로 제 한되는 등, Pb의 함유량을 가능한 한 저감시키는 것이 요구되고 있다.

또한, Pb는 융점이 낮고, 게다가 강 중에 거의 고용되지 않기 때문에, 대량의 Pb를 함유한 강은 압연 시에 균열을 일으키기 쉽다. 따라서, 강의 안정 제조라는 면에서도, Pb의 함유량을 저감시킨 쾌삭강이나 Pb를 전혀 포함하지 않은 쾌삭강에 대한 요망이 크다.

이러한 요망에 따르기 위해, 특허문헌 1~10에 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강으로 전환되는 여러 가지 쾌삭강이 제안되고 있다.

가장 잘 알려져 있는 것은, 특허문헌 1~4와 같이 Pb를 첨가하는 대신 S량을 증량시키고 피삭성을 개선한 저탄소 유황 쾌삭강이다.

또한, 특허문헌 5~10과 같이, 피삭성의 개선을 목적으로 하여 S 쾌삭강에 B나 Ti 등을 첨가함으로써 강 중의 개재물 형태를 제어한 쾌삭강도 많이 제안되고 있다.

구체적으로는, 특허문헌 1에, 0.4％를 초과하는 S를 함유시켜 MnS를 증량한, Pb를 첨가하지 않은 「저탄소 유황계 쾌삭강」이 제안되고 있다.

특허문헌 2에는, 0.50％를 초과하는 S를 함유시켜 MnS를 증량함으로써 피삭성의 개선을 도모한 「쾌삭강」이 제안되어 있다.

특허문헌 3에는, 0.4％ 이상의 S를 함유시키고 또한 Sn을 첨가함으로써 피삭성 개선을 도모한 「저탄소 유황 쾌삭강」이 제안되어 있다.

특허문헌 4에는, 황화물의 평균 폭과 함께 선재의 항복비를 조정함으로써 피삭성을 개선한 「저탄소 유황계 쾌삭강 및 그 제조 방법」이 개시되어 있다.

특허문헌 5에는, Ti, Al 및 Zr를 적절한 양 첨가함으로써 황화물계 개재물을 미세화하고, 피삭성을 개선한 「고유황 쾌삭강」이 개시되어 있다.

특허문헌 6에는, 탈산제인 Al를 실질적으로 첨가하지 않고 황화물계 개재물을 옥시 황화물로 함으로써 피삭성을 개선한 「유황 함유 쾌삭강, 그 쾌삭강의 제조 방법 및 쾌삭강의 기계 가공 방법」이 개시되어 있다.

특허문헌 7~9에는, 강의 성분 조성을 조정하고, 마이크로 조직의 조정을 행함으로써 혹은, 미세한 MnS를 분산시킴으로써 피삭성 개선을 도모한 「피삭성이 뛰어난 강 및 그 제조 방법」혹은 「피삭성이 뛰어난 강」이 개시되고 있다.

특허문헌 10에는, 본 발명자들이 제안한, 특정량의 C, Mn, S, Ti, Si, P, Al, O 및 N을 함유하고, Ti와 S의 함유량이 하기의 (i)식을 만족함과 함께, Mn과 S의 원자비가 하기의 (ii)식을 만족하고, 또한 Ti 황화물 또는／및 Ti 탄황화물이 내재하는 MnS를 함유한 것을 특징으로 하는 「저탄소 쾌삭강」이 개시되어 있다.

Ti(질량％)／S(질량％)＜1…(i),

Mn／S≥1…(ii)

[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 2000-319753호

[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 2006-160284호

[특허문헌 3] 일본 공개특허공보 2002-249848호

[특허문헌 4] 일본 공개특허공보 2003-253390호

[특허문헌 5] 일본 공개특허공보 2004-269912호

[특허문헌 6] 일본 공개특허공보 2002-363691호

[특허문헌 7] 일본 공개특허공보 2004-169051호

[특허문헌 8] 일본 공개특허공보 2004-169052호

[특허문헌 9] 일본 공개특허공보 2004-169054호

[특허문헌 10] 일본 공개특허공보 2003-226933호

전술한 특허문헌 1에 개시된 「저탄소 유황계 쾌삭강」은, Mn, S, O 및 N 등의 성분 조성을 충분히 고려하지 않고, 단지 S량을 증가시킨 것뿐이다. 이 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용하여 절삭했을 때에, 마무리면 조도와 칩 처리성을 동시에 개선할 수 있는 바람직한 개재물을 얻지 못하고, 따라서 원하는 양호한 피삭성을 확보할 수 없었다.

특허문헌 2에 개시된 「쾌삭강」의 경우에는, 확실히 HSS 공구에서의 피삭성의 개선이 발견된다. 그러나, 단순히 S량만을 증대시킨 것으로 황화물의 형태에 대한 배려가 이루어지지 않기 때문에, 마무리면 조도가 커져 원하는 작은 마무리면 조도가 얻어지지 않는 경우가 있었다.

특허문헌 3에 개시된 「저탄소 유황 쾌삭강」에는 O량을 높이는 것이 MnS 형태에 영향을 미쳐 피삭성을 개선하는 것이 나타나고 있다. 확실히, 높은 양의 S를 함유한 강에 있어서도 MnS의 형태를 최적화하기 위해서 O량을 높이는 것이 중요하다. 그러나, 단순히 O량을 높이는 것만으로는 조대(粗大)한 황화물이 많이 생성되기 때문에 칩 처리성이 열화(劣化)된다. 또한, 이 특허문헌 3에 개시된 기술은, 산화물 조성까지 동시에 최적화하는 것은 아니다. 이 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용하는 절삭에 있어서, 원하는 양호한 피삭성을 확보할 수 없었다.

특허문헌 4에 개시된 「저탄소 유황계 쾌삭강」은 강선재의 직경을 d로 하고, 외주면 아래 0.1㎜부터 d／8까지의 영역에서의 황화물 형태를 제어하는 것뿐으로, 그보다 깊은 영역에서의 황화물 형태, 예를 들어 강선재 중심부에서의 황화물 형태에는 배려가 이루어져 있지 않다. 이 때문에, HSS 드릴을 이용한 가공 등과 같이 표면 부분 이외를 절삭하는 경우에는, 뛰어난 칩 처리성과 긴 공구 수명을 겸비시킬 수 없었다.

특허문헌 5에 개시된 「고유황 쾌삭강」에는 HSS 공구를 이용한 절삭에 바람직하지 않은 형태의 황화물이나 산화물이 생성된다. 이 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용하는 절삭에 있어서, 원하는 작은 마무리면 조도를 얻을 수 없었다.

특허문헌 6에 개시된 「유황 함유 쾌삭강」은, 옥시 황화물을 존재시킴으로써 피삭성 개선을 도모하고 있지만, 강의 성분 조성이 철저히 고려된 것은 아니다. 이 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭에 대해서 매우 적합한 형태를 가진 황화물 및 산화물이 얻어지지 않고, 원하는 양호한 피삭성을 확보할 수 없었다.

특허문헌 7~9에 개시된 「피삭성이 뛰어난 강」은 성분 조성이 충분히 고려된 것이 아니고, Al, Ti 및 Zr 등의 MnS 형태에 큰 영향을 미치는 성분 원소의 첨가를 해도 좋다고 하고 있다. 이 경우, HSS 공구를 이용한 절삭에 대해서 매우 적합한 형태를 갖는 황화물 및 산화물이 얻어지지 않고, 칩 처리성 및 마무리면 조도가 열화되어 원하는 양호한 피삭성을 확보할 수 없었다.

특허문헌 10에 개시된 「저탄소 쾌삭강」은, 확실히 초경 공구를 이용한 고속 절삭 시의 공구 수명이 Pb 쾌삭강에 비해 뛰어나고, 또한 뛰어난 칩 처리성이 얻어지는 것이다. 그러나, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭의 경우에는, 황화물 형태가 피삭성을 개선하는데 매우 적합한 것은 아니기 때문에, 마무리면 조도가 커져 원하는 작은 마무리면 조도가 얻어지지 않는 경우가 있는 것이 판명되었다.

전술한 바와 같이, 종래에 제안된 쾌삭강은, 자동차용 브레이크 파트, PC 주변기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 작은 부품의 소재로서 필요한 피삭성의 제 특성, 즉 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 공구 수명, 칩 처리성 및 마무리면 조도 중 적어도 어느 하나의 특성에 대해서 Pb쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강에 비해 뒤떨어지는 것이었다. 즉, 종래에 제안된 어떤 쾌삭강도, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 피삭성은, 대량의 Pb를 함유한 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강과 완전히 동등하다고는 말할 수 없는 것이었다.

더욱이, 상기의 종래에 제안된 쾌삭강은, 염가로 대량 생산하기 위해 제조 단계에서 요구되는 양호한 연속 주조성이나 제품으로서 요구되는 열처리 특성까지 구비하고 있다는 것은 아니었다. 즉, 절삭 가공 후의 각종 작은 부품에 강도를 확보시키는 목적으로부터 침탄 처리를 실시하고, 표면 경도를 증가시킨 후에 최종 제품으로서 사용하는 경우, 양호한 「침탄성」이 요구된다. 그렇지만, 상기의 종래에 제안된 쾌삭강은 반드시 「침탄성」이 뛰어난 것은 아니었다. 또한, 저렴하게 대량 생산하기 위해 제조 단계에서 요구되는 「연속 주조성」도 반드시 뛰어난 것은 아니었다.

따라서, 본 발명의 목적은, Pb를 첨가하지 않은 경우라도 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용하여 절삭을 행했을 때의 피삭성이 종래의 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강과 동등 이상일뿐만 아니라, 침탄성이 뛰어남과 함께 연속 주조에 의한 대량 생산에도 적합한 저탄소 유황 쾌삭강을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 우선, Pb를 포함하지 않은 S 쾌삭강을 이용하여 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 피삭성에 대해 조사하였다.

그 결과, 하기 (a)의 지견을 얻었다. 또한, 이하의 설명에서의 「Mn계 황화물」에는, 특별히 제한하지 않는 한 MnS 및 Mn(S, Te), Mn(S, Se), Mn(S, O) 및 Mn(S, Se, O) 등과 같이 X를 S 이외에 Mn과 결합하는 원소인 Te, Se 및 O로 하고, Mn(S, X)의 화학식에 의해서 표기되는 Mn의 복합 화합물을 포함한 것으로 한다.

(a) S 쾌삭강의 경우, 강 중의 O(산소)량을 높임으로써 조대한 Mn계 황화물이 생성되어 피삭성이 향상된다고 말해지고 있다. 그러나, 상기의 절삭 속도 영역에서의 HSS 공구를 이용한 절삭에 있어서는, 단순히 O량을 증량하여 Mn계 황화물을 조대화시킨 것만으로는 피삭성, 특히 칩 처리성을 높이는 것이 곤란하다.

따라서 다음에, 상기 절삭 속도 영역에서의 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 Mn계 황화물의 형태와 피삭성의 관계에 대해 상세하게 검토하였다. 그 결과, 마무리면 조도 및 칩 처리성에는 Mn계 황화물의 크기뿐만 아니라, 분산 형태가 큰 영향을 미치는 것이 분명해지고, 하기 (b)~(d)의 지견을 얻었다.

(b) 강 중의 O량을 높여 Mn계 황화물을 조대하게 창출시킨 경우에는 마무리면 조도는 작아져 개선되지만, 칩 처리성이 열화된다. 즉, 조대한 Mn계 황화물은 절삭 중에 칩으로서 소성 변형을 받을 때에 응력 집중점으로서 작용하고, Mn계 황화물을 기점으로 한 크랙을 발생시키고, 이것에 의해서 구성 인선(built up edge)의 성장이 억제되어 마무리면 조도가 작아져 개선되거나, 칩 전단 영역에서의 저항력이 약해져 절삭 저항이 저감됨으로써 공구 수명이 길어진다. 한편, Mn계 황화물이 조대화한 경우, 크랙은 칩 내부에서 효율적으로 전파되지 않기 때문에 칩의 파단에 이르지 않고, 이 때문에 칩 처리성이 열화된다.

(c) Mn계 황화물이 미세한 형태로 창출된 경우, 칩 처리성은 개선되지만, 마무리면 조도는 커져 열화된다. 즉, 응고 시에 공정 반응에 의해서 창출된 다수의 미세한 Mn계 황화물은 변형능이 높기 때문에, 단조나 압연에 의해서 길게 연신된 상태로, 혹은 길게 연신된 것이 더욱 압연에 의해서 분단되어 미세해진 상태로 관찰된다. 이러한 미세 창출된 Mn계 황화물은 절삭 중에 칩으로서 소성 변형을 받을 때에 변형하기 쉽기 때문에, 칩 변형 시에 전단 응력이 가해진 경우에도 변형한다. 그리고, 이 변형된 Mn계 황화물을 기점으로 하여 칩이 취화 파단에 이르고, 칩 처리성이 개선된다. 한편, 구성 인선 주변의 2차 전단 영역은 더욱 강가공되므로, 상기의 Mn계 황화물은 한층 분단되어 미세화되고, 구성 인선과 칩을 분단하기에 유효한 크랙을 발생시키지 않고 구성 인선 내부에 받아들여진다. 그 결과, 구성 인선의 성장을 억제할 수 없기 때문에 마무리면 조도가 커져 열화된다.

(d) 상기 (b) 및 (c)의 지견으로부터, 마무리면 조도를 작게 하여 개선하려면, 구성 인선과 칩을 분단시키기 위해서 충분히 큰 크랙을 발생시키는 작용을 갖는 Mn계 황화물, 즉 2차 전단 영역에서 강가공을 받아도 분단되는 일이 없는, 절삭 전 상태에 있어서 폭이 큰 Mn계 황화물이 분산되어 있을 필요가 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 마무리면 조도의 개선에 더하여 칩 처리성도 개선하려면, Mn계 황화물을 기점으로 발생된 크랙을 효율적으로 전파시키기 위해서 조대한 크랙을 일으키게 하는 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도를 증대시킬 필요가 있다.

여기서 또한, 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도를 증대시키고, 마무리면 조도와 칩 처리성의 양 특성을 높이기 위한 조건에 대해 상세한 검토를 행하였다. 그 결과, 하기 (e)~(i)의 지견을 얻고, 또한 공구 수명에 대해서 하기 (j)의 지견을 얻었다.

(e) 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도를 증대시키기 위해서는, Mn계 황화물의 절대량을 증대시킬 필요가 있고, 이를 위해서는 S를 0.4％를 초과하는 범위에서 함유시키지 않으면 안 된다.

(f) 폭이 큰 Mn계 황화물에 대해서, 최근접 Mn계 황화물과의 평균 거리인 「최단 평균 입자간 거리」가 작은 경우에는, 크랙이 효율적으로 전파되어 칩의 분단이 조장되고, Pb를 포함하지 않는 경우에도 Pb 쾌삭강 및 Pb를 포함한 복합 쾌삭강과 동등한 칩 처리성이 얻어진다.

(g) 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도를 증대시키기 위해서는, 응고 단계에서 Mn계 황화물의 생성 핵으로서의 Mn계 산화물을 S량에 따라 다수 분산시킬 필요가 있고, 이를 위해서는 단순히 S량이나 O량을 증대시키는 것뿐만 아니라, 강의 성분 조성, 특히 Mn, S 및 O의 함유량 밸런스, 및 Al, Si의 함유량과 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM의 함유량의 적정화가 필요하다. 또한, Mn계 산화물의 생성 빈도에는 Mn과 O의 농도 곱,「Mn×0」이 관계한다.

(h) 응고가 빠른 단계에서 생성되는 Mn계 산화물을 충분한 수밀도로 분포시키고, 이것을 생성핵으로 하여 Mn계 황화물을 편정 반응에 의해 생성시킴으로써 폭이 크고 최단 평균 입자간 거리가 작은 Mn계 황화물을 큰 분포 밀도로 존재시킬 수 있다.

(i) N은 피삭성을 개선하는데 매우 적합한 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성에 영향을 주는 일이 없고, 페라이트 중에 고용하여 칩 처리성을 높이므로 충분한 양을 함유시키는 것이 좋다.

(j) 미세한 Mn계 산화물이 페라이트 입자 내에 다수 분산되고 있으면 공구 수명이 개선되어 길어진다.

본 발명은, 상기의 지견에 의거하여 완성된 것으로, 그 요지는 하기 (1)~(4)에 나타낸 저탄소 유황 쾌삭강에 있다.

(1) 질량％로서, C：0.05％ 이상 0.20％ 미만, Si : 0.02％ 미만, Mn：0.7~2.2％, P：0.005~0.25％, S：0.40％ 초과 0.60％ 이하, Al：0.003％ 미만, 0：0.0090~0.0280％, N : 0.0030~0.0250％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM은 Ca：0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만이고, 또한 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황 쾌삭강.

Mn×0＞0.018…(1),

2.5＜Mn／(S+0)＜3.5…(2)

단, (1)식 및 (2)식 중의 원소 기호는 그 원소의 질량％에서의 강 중 함유량을 나타낸다.

(2) N의 함유량이 질량％로, N：0.0060~0.0250％인 상기 (1)에 기재된 저탄소 유황 쾌삭강.

(3) Fe의 일부 대신 Te：0.0005~0.03％, Sn：0.001％ 이상 0.50％ 미만 및 Se：0.0005％ 이상 0.30％ 미만 중 1종 이상을 함유한 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 저탄소 유황 쾌삭강.

(4) Fe의 일부 대신에 Cu：0.01~1.0％, Ni：0.01~1.0％, Cr：0.01~1.0％ 및 Mo：0.01~0.5％ 중 1종 이상을 함유한 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 저탄소 유황 쾌삭강.

이하, 상기 (1)~(4)의 저탄소 유황 쾌삭강에 따른 발명을 각각, 「본 발명 (1)」~「본 발명 (4)」라고 한다. 또한, 총칭하여 「본 발명」이라고 하기도 한다.

또한, 본 발명에서 말하는 「REM」은 Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 상기 원소의 합계 함유량을 나타낸다.

본 발명의 강은 Pb가 비첨가된 「지구 환경에 우수한 쾌삭강」임에도 불구하고, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭 시에 종래의 Pb 쾌삭강 및 Pb와 S, P 등 다른 쾌삭 원소를 복합 첨가한 Pb 첨가 복합 쾌삭강과 동등 이상의 양호한 피삭성, 즉 긴 공구 수명, 양호한 칩 처리성 및 작은 마무리면 조도를 가짐과 함께 침탄성이 뛰어나고, 게다가 연속 주조성이 뛰어나기 때문에 저렴하게 대량 생산할 수 있다. 따라서, 자동차용 브레이크 파트, PC 주변 기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 작은 부품의 소재로서 이용할 수 있다.

우선, 본 발명의 저탄소 유황 쾌삭강에서의 화학 조성과 그 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 각 원소의 함유량의 「％」표시는 「질량％」를 의미한다.

C：0.05.％ 이상 0.20％ 미만

C는 피삭성에 큰 영향을 미치는 중요한 원소이다. 피삭성이 중요시되는 용도의 강인 경우, C를 0.30％ 이상 함유시키면 강의 강도가 높아져 피삭성이 열화된다. 그러나, 그 함유량이 0.05％ 미만인 경우에는 강이 너무 연질이 되어 절삭 중 잘게 잘림을 일으켜 오히려 공구 마모가 촉진되고, 마무리면 조도도 커져 열화된다. 따라서, C의 함유량을 0.05％ 이상 0.20％ 미만으로 하였다. 또한, 한층 양호한 피삭성을 얻기 위해서 C의 함유량은 0.06~0.18％로 하는 것이 바람직하다.

Si：0.02％ 미만

Si는 O(산소)와 친화성이 강한 강력한 탈산 원소이며, 0.02％ 이상 함유되는 경우에는 피삭성을 개선하기에 매우 적합한 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성을 얻을 수 없기 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서의 HSS 공구에 의한 피삭성이 열화된다. 따라서, Si의 함유량을 0.02％ 미만으로 하였다. 또한, Si는 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성에 큰 영향을 미치므로, 첨가하지 않을 뿐만 아니라 정련 시에 가능한 한 제거할 필요가 있다. 보다 뛰어난 피삭성을 얻기 위해서, Si의 함유량은 0.01％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.7~2.2％

Mn은 S와 함께 Mn계 황화물을 형성하여 피삭성에 큰 영향을 미치는 중요한 원소이다. 그 함유량이 0.7％ 미만에서는 Mn계 황화물의 절대량이 부족해 원하는 양호한 피삭성을 얻을 수 없는 것에 더해 열간 가공성이 열화된다. Mn에는 침탄성을 높이는 작용도 있으므로, 양호한 침탄성을 얻고자 하는 경우에는 Mn의 함유량을 높이면 좋지만, Mn은 Mn계 황화물 형성 원소인 것에 더하여 탈산에도 기여하기 때문에, 침탄성의 개선만을 목적으로 단순하게 Mn의 함유량을 높여도 원하는 개재물 형태를 얻을 수 없다. 원하는 개재물 형태를 얻기 위해서는, S나 O(산소)와의 질량 밸런스를 충분히 배려한 후 Mn을 첨가할 필요가 있다. 그러나, 그러한 경우라도, Mn의 함유량이 2.2％를 초과하면 원하는 개재물 형태가 얻어지지 않고 피삭성이 열화된다. 따라서, Mn의 함유량을 0.7~2.2％로 하였다. 또한, 원하는 양호한 피삭성과 양호한 침탄성의 겸비를 위해서 Mn의 함유량은 1.2~1.8％로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기의 「Mn계 황화물」이란, MnS 및 Mn(S, Te), Mn(S, Se), Mn(S, O) 및 Mn(S, Se, O) 등과 같이 X를 S 이외에 Mn과 결합하는 원소인 Te, Se 및 O로 하여, Mn(S, X)의 화학식에 의해 표기된 Mn의 복합 화합물을 나타낸다.

P：0.005~0.25％

P는 입계의 강도를 약하게 하여 피삭성을 높이는 작용을 가진다. 상기의 효과를 얻기 위해서는 P의 함유량을 0.005％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, P의 함유량이 과도해지면, 강의 강도가 높아져 오히려 피삭성의 저하를 초래하고, 특히, P의 함유량이 0.25％를 초과하면 강도가 너무 높아져 피삭성의 저하가 현저해진다. 또한, P의 함유량이 0.25％를 초과하는 경우에는, 강괴의 편석이 조장되기 때문에 열간 가공성의 저하도 생긴다. 따라서, P의 함유량을 0.005~0.25％로 하였다. 보다 뛰어난 피삭성을 안정되게 얻기 위해서, P의 함유량은 0.03~0.15％로 하는 것이 바람직하다.

S：0.40％ 초과 0.60％ 이하

S는, Mn와 함께 Mn계 황화물을 형성하여 피삭성을 높이기 위한 필수 원소이다. Mn계 황화물에 의한 피삭성 향상 효과는 그 생성량뿐만 아니라 형태 및 분산 상태에 따라 변화한다. 그 때문에, S의 함유량과 Mn 및 O(산소)의 함유량의 밸런스가 중요해지지만, S의 함유량이 0.40％ 이하에서는, 비록 Mn 및 O(산소)의 함유량과의 밸런스를 적정화해도 충분한 양의 Mn계 황화물을 얻지 못하고, 원하는 양호한 피삭성을 얻기 위한 Mn계 황화물의 분산 형태를 얻을 수 없다. 또한, 통상의 경우에는 S의 함유량이 0.35％를 초과하면 열간 가공성이 저하되기 때문에, 주물편 내부에서의 소위 「내부 균열」의 요인이 되지만, Mn 및 O(산소)의 함유량과의 밸런스를 적정화함으로써 S의 함유량이 0.35％를 초과하는 경우에도 내부 균열을 일으키지 않고 피삭성을 높일 수 있다. 그러나, S의 함유량이 0.60％를 초과하는 경우에는, 열간 연성의 열화를 일으키지 않도록 Mn을 다량으로 함유시킬 필요가 있지만, Mn이 탈산 원소로서 작용하기 위해서 충분한 산소량을 확보할 수 없기 때문에, Mn계 황화물의 형태가 손상되고, 실질적으로 원하는 Mn계 황화물의 형태 및 분산 상태를 얻는 것이 곤란해진다. 또한, 함유량으로 0.60％를 초과하는 과잉인 S의 첨가는 수율의 악화에 의한 비용 상승으로 이어진다. 따라서, S의 함유량을 0.40％ 초과 0.60％ 이하로 하였다. 또한, 보다 안정되고 뛰어난 피삭성을 확보함과 함께 제조성을 열화시키지 않고 원하는 Mn계 황화물의 형태를 얻기 위해서는, S 함유량은 0.45~0.55％로 하는 것이 바람직하다.

Al：0.003％ 미만

Al은 O(산소)와 친화성이 강한 강력한 탈산 원소이며, 0.003％ 이상 함유된 경우에는 피삭성을 개선하는데 매우 적합한 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성을 얻을 수 없기 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서의 HSS 공구에 의한 피삭성이 열화된다. 따라서, Al의 함유량을 0.003％ 미만으로 하였다. 또한, Al은 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성에 큰 영향을 미치므로, 첨가하지 않을 뿐만 아니라 정련 시에 가능한 한 제거할 필요가 있다. 보다 뛰어난 피삭성을 얻기 위해서 Al의 함유량은 0.002％ 미만으로 하는 것이 바람직하다.

0：0.0090~0.0280％

Mn 및 S의 함유량과의 밸런스를 적정화한 후에 O(산소)의 함유량을 높임으로써 Mn계 황화물의 형태를 변화시켜 피삭성을 개선할 수 있다. 그러나, O의 함유량이 0.0090％ 미만이면, 원하는 양호한 피삭성을 얻기 위한 개재물 형태를 얻지 못하고, 충분한 피삭성을 확보할 수 없다. 한편, O의 함유량이 0.0280％를 초과하면, 원하는 개재물 형태를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 조대한 산화물이 생성되어 압연 시에 균열을 유발한다. 따라서, O의 함유량을 0.0090~0.0280％로 하였다. 또한, O의 함유량은 원하는 개재물 형태나 분산 상태를 안정되게 확보하기 위해서 0.0100~0.0200％로 하는 것이 바람직하다.

N：0.0030~0.0250％

N의 함유량을 높여도 피삭성을 개선하기에 매우 적합한 Mn계 황화물의 형태 및 산화물 조성에 영향을 주는 일이 없고, 게다가 Al이나 Ti를 실질적으로 함유하지 않는 본 발명에 있어서는, 경질의 Al이나 Ti의 질화물이 거의 형성되지 않기 때문에, N은 페라이트 중에 고용(固溶)된 상태로 존재한다. 상기 페라이트 중에 고용된 N은 칩 처리성을 높이는 작용을 한다. 그러나, N의 함유량이 0.0030％ 미만인 경우에는 충분한 칩 처리성을 높이는 효과가 얻어지지 않는다. 한편, N의 함유량이 0.0250％를 초과해도 상기의 효과가 포화될 뿐만 아니라 제조 비용의 상승을 초래한다. 따라서, N의 함유량을 0.0030~0.0250％로 하였다. 또한, 양호한 피삭성을 얻고자 하는 경우에는, N을 0.0060％ 이상, 또한 보다 효과적으로 양호한 피삭성을 얻고자 하는 경우에는, N을 0.0080％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강에 있어서는, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM의 함유량을 하기와 같이 제한한다.

Ca : 0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만

통상의 쾌삭강에 있어서는, Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM은 모두, 피삭성을 개선하기 위해서 첨가되는 원소이다. 그러나, 상기의 Ca로부터 REM까지의 원소는 모두 Mn계 황화물의 형태나 산화물 조성 및 이들 개재물의 분산 상태에 악영향을 미치고, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구로의 절삭에서의 피삭성을 저하시킨다. 특히, 불순물 중에 상기의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM에 대해서, Ca, Mg 및 REM 중 어느 하나가 0.001％ 이상, Ti 및 Zr 중 어느 하나가 0.002％ 이상 함유되는 경우에는, 상기의 절삭 속도 영역에서의 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 피삭성의 저하가 현저해진다. 따라서, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM의 함유량은 Ca：0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti : 0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만으로 할 필요가 있다. 불순물 중의 상기 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM은 모두 0.0005％ 이하인 것이 바람직하다.

한편, 이미 설명한 바와 같이, 「REM」은 Sc, Y 및 란타노이드의 합계 17원소의 총칭이며, REM의 함유량은 상기 원소의 합계 함유량을 나타낸다.

Mn과 O의 농도곱(Mn×0)：0.018을 초과할 것

전술한 범위의 C로부터 N까지의 원소를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM이 Ca：0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.O01％미만인 강은, 그 Mn과 0의 농도 곱의 값, 즉, 「Mn×0」의 값이 0.018을 초과하는 경우에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서의 HSS 공구로의 절삭에서 원하는 뛰어난 피삭성을 확보할 수 있다.

따라서, Mn과 O의 농도곱인 Mn×O의 값은 0.018을 초과하는, 즉, 상기 (1)식을 만족할 필요가 있다. 또한, 상기의 식 「Mn×O」중의 원소 기호는 그 원소의 질량％에서의 강 중 함유량을 나타내고, Mn×O의 값의 상한은 0.030인 것이 바람직하다. Mn×O의 값이 0.030을 초과하는 경우에는, 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도가 그다지 높아지지 않고, 양호한 마무리면 조도와 칩 처리성을 얻는 것이 곤란해지는 경우가 있다.

Mn／(S+0)：2.5 초과 3.5 미만인 것

전술한 범위의 C로부터 N까지의 원소를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM이 Ca：0.001％ 미만, Mg : 0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만인 강은 Mn／(S＋0)의 값이 2.5를 초과하는 경우, 응고 단계에서 Mn계 황화물의 생성핵으로서의 Mn계 산화물을 다수 분산시킬 수 있고, 폭이 큰 Mn계 황화물의 분포 밀도를 증대시키는 것이 가능해지므로, 원하는 양호한 피삭성을 얻을 수 있다. 또한, Mn／(S＋O)의 값이 2.5 이하인 경우에는, 연속 주조에 의해서 제조한 경우에, 주물편 내부에 균열이 발생하는 등, 열간 가공성의 저하가 생기지만, Mn／(S＋0)의 값이 2.5를 초과하는 경우에는 공업적 규모에서의 대량 생산에 적합한 충분한 열간 가공성도 확보할 수 있다.

한편, Mn／(S＋O)의 값이 3.5 이상인 경우에는, 함유된 S나 O에 대해서 과잉 Mn이 포함되고, 조직 중에 고용된 Mn량이 과잉이 되어 피삭성, 그 중에서도 공구 수명이 열화된다. 또한, 실질적으로 Al, Si, Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM을 함유하지 않는 본 발명에 있어서는, Mn은 탈산 원소로서도 작용하기 때문에, Mn을 과잉으로 함유하면, 피삭성을 개선하는데 매우 적합한 Mn계 황화물의 형태를 얻기 위한 충분한 O량을 얻을 수 없기 때문에, 칩 처리성이 저하됨과 함께 마무리면 조도가 커진다.

따라서, Mn／(S＋0)의 값은 2.5 초과 3.5 미만, 즉 상기 (2)식을 만족할 필요가 있다. 또한, 상기의 식 「Mn／(S＋O)」중의 원소 기호는 그 원소의 질량％에서의 강 중 함유량을 나타낸다.

상기의 이유로부터, 본 발명 (1)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 화학 조성은 전술한 범위의 C로부터 N까지의 원소를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지며, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM이 Ca：0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만이고 또한 상기의 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것으로 규정하였다.

또한, 본 발명 (2)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 화학 조성은, 본 발명 (1)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강 중에서 N의 함유량이 N：0.0060~0.0250％인 것이라고 규정하였다.

본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강에는 필요에 따라서, Fe의 일부를 대신하여 후술하는 제1 군에서 선택된 1종 이상의 원소 및 제2 군에서 선택된 1종 이상의 원소 중 한쪽 또는 양쪽을 임의 첨가 원소로서 첨가하여 함유시켜도 좋다.

이하, 상기 제 1군 및 제2 군의 임의 첨가 원소에 관해서 설명한다.

제1 군：Te：0.0005~0.03％, Sn：0.001％ 이상 0.50％ 미만 및 Se：0.0005％ 이상 0.30％ 미만

Te, Sn 및 Se는 모두 피삭성을 개선하는데 매우 적합한 개재물 형태를 해치지 않고 피삭성을 높이는 작용을 가진다. 이 때문에, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용했을 때에, 보다 뛰어난 피삭성을 얻고자 하는 경우에는 이하의 범위에서 함유해도 좋다.

Te：0.0005~0.03％,

Te는 Mn과 함께 Mn(S, Te)을 생성하고, 이 Mn(S, Te)은 절삭 중에 의사적 윤활 효과를 내는 역할을 완수한다. 그리고, Te를 첨가해도 폭이 큰 Mn계 황화물의 비율이 증가하는 것만으로 산화물 형태에는 영향이 없기 때문에, 상기의 절삭 속도 영역에서의 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 피삭성이 향상된다. 그러나, 그 함유량이 0.0005％ 미만인 경우에는 첨가 효과가 부족하다. 한편, 0.03％를 초과하여 Te를 함유시켜도 그 효과가 포화되어 비용이 커지고 열간 가공성도 열화된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Te의 함유량을 0.0005~0.03％로 하였다. 또한, 보다 안정되고 양호한 열간 가공성과 양호한 피삭성을 겸비시키기 위해서, Te의 함유량은 0.003~0.02％로 하는 것이 바람직하고, 또한 0.003~0.01％로 하는 것이 보다 바람직하다.

Sn : 0.001％ 이상 0.50％ 미만

Sn은 강의 피삭성을 개선하는 작용을 가진다. 이것은 매트릭스를 취화하는 효과를 가지기 때문이라고 생각된다. 그러나, 그 함유량이 0.001％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Sn을 0.50％ 이상 함유시켜도 그 효과가 포화되고, 열간 가공성도 열화된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Sn의 함유량을 0.001％ 이상 0.50％ 미만으로 하였다. 또한, 양호한 열간 가공성과 양호한 피삭성을 겸비시키기 위해서, Sn의 함유량은 0.03％ 이상 0.30％ 이하인 것이 바람직하다.

Se：0.0005％ 이상 0.30％ 미만

Se는 Mn과 함께 Mn(S, Se)을 생성하고, 이 Mn(S, Se)이 절삭 중에 의사적 윤활 효과의 역할을 완수한다. 그리고, Se를 첨가해도, 폭이 큰 Mn계 황화물의 비율이 증가하는 것만으로 산화물 형태에는 영향이 없기 때문에, 상기의 절삭 속도 영역에서의 HSS 공구를 이용한 절삭에서의 피삭성이 향상된다. 그러나, 그 함유량이 0.0005％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Se를 0.30％ 이상 함유시켜도 그 효과가 포화되어 비용이 커지며 열간 가공성도 열화된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Se의 함유량을 0.0005％ 이상 0.30％ 미만으로 하였다. 또한, 보다 안정되고 양호한 열간 가공성과 양호한 피삭성을 겸비시키기 위해서, Se의 함유량은 0.005％ 이상 0.15％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기의 Te, Sn 및 Se는 어느 1종만 혹은 2종 이상의 복합으로 첨가할 수 있다.

제2 군：Cu：0.01~1.0％, Ni：0.01~1.0％, Cr：0.01~1.0％ 및 Mo：0.01~0.5％

Cu, Ni, Cr 및 Mo는 모두, 강의 강도를 높이는 작용을 가진다. 이 때문에, 제품 강도를 높이고자 하는 경우에는 이하의 범위에서 함유해도 좋다.

Cu：0.01~1.0％

Cu는 석출 강화에 의해서 강의 강도를 높이는 작용을 가진다. 그러나, 그 함유량이 0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Cu의 함유량이 1.0％를 초과하면, 열간 가공성의 열화를 초래하고, 또한 Cu의 석출물이 조대화하기 때문에, 상기의 효과가 포화할 뿐만이 아니라 피삭성의 저하를 초래한다. 따라서, 첨가하는 경우의 Cu의 함유량을 0.01~1.0％로 하였다. 또한, 양호한 강도와 양호한 열간 가공성을 안정되게 겸비시키기 위해서는, Cu의 함유량을 0.03~0.50％로 하는 것이 바람직하고, 한층 양호한 강도와 양호한 열간 가공성을 안정되게 겸비시키기 위해서는, Cu의 함유량을 0.05~0.50％로 하는 것이 보다 바람직하다.

Ni：0.01~1.0％

Ni는 고용 강화에 의해서 강의 강도를 높이는 작용을 가진다. 그러나, 그 함유량이 0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Ni의 함유량이 1.0％를 초과하면, 피삭성의 열화를 초래함과 함께 열간 가공성도 열화된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Ni의 함유량을 0.01~1.0％로 하였다. 또한, 양호한 강도, 피삭성 및 열간 가공성을 안정되게 구비시키기 위해서, Ni의 함유량은 0.03~0.50％로 하는 것이 바람직하다.

Cr：0.01~1.0％

Cr은 강의 강도를 높이는 작용을 가진다. Cr에는 강의 담금질성을 높여 침 탄성을 개선하는 작용도 있다. 그러나, 그 함유량이 0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Cr을 1.0％를 초과하여 함유시켜도, 상기의 효과가 포화되어 비용이 커짐에 더하여 피삭성이 저하된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Cr의 함유량을 0.01~1.0％로 하였다. 또한, 양호한 강도, 담금질성 및 피삭성을 안정되게 구비시키기 위해서는, Cr의 함유량을 0.02~0.5％로 하는 것이 바람직하고, 한층 양호한 강도, 담금질성 및 피삭성을 안정되게 구비시키기 위해서는 Cr의 함유량을 0.03~0.5％로 하는 것이 보다 바람직하다.

Mo : 0.01~0.5％

Mo는 강의 강도를 높이는 작용을 한다. Mo에는 강의 담금질성을 높여 침탄성을 개선하는 작용 및 조직을 미세화하여 인성을 높이는 작용도 한다. 그러나, 그 함유량이 0.01％ 미만에서는 첨가 효과가 부족하다. 한편, Mo를 0.5％를 초과하여 함유시켜도, 상기의 효과가 포화되어 비용이 커짐에 더하여 피삭성이 저하된다. 따라서, 첨가하는 경우의 Mo의 함유량을 0.01~0.5％로 하였다. 또한, 양호한 강도, 담금질성, 인성 및 피삭성을 안정되게 구비시키기 위해서는, Mo의 함유량은 0.05~0.5％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제조 비용를 낮게 억제한 후, 양호한 강도, 담금질성, 인성 및 피삭성을 구비시키기 위해서는 Mo의 함유량은 0.02~0.3％로 하는 것이 바람직하다.

상기의 Cu, Ni, Cr 및 Mo는 어느 1종 만 혹은 2종 이상의 복합으로 첨가할 수 있다.

전술의 이유로부터, 본 발명 (3)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 화학 조성을, 본 발명 (1) 또는 본 발명 (2)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 Fe의 일부를 대신하여 Te：0.0005~0.03％, Sn：0.001％ 이상 0.50％ 미만 및 Se：0.0005％ 이상 0.30％ 미만 중 1종 이상을 함유한 것이라고 규정하였다.

또한, 본 발명 (4)에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 화학 조성을, 본 발명 (1) 내지 본 발명 (3) 중 어느 하나에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 Fe의 일부를 대신하여, Cu：0.01~1.0％, Ni：0.01~1.0％, Cr：0.01~1.0％및 Mo：0.01~0.5％ 중 1종 이상을 함유한 것이라고 규정하였다.

또한, Mn계 황화물의 분산 형태나 산화물 조성은 응고 속도나 제조 조건에 좌우되는 일이 있다. 이 때문에, 본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강은, 예를 들어, 다음과 같이 하여 공업적으로 대량 생산하는 것이 좋다.

우선, 본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강을 연속 주조법에 따라 제조하는 경우에, 전로 등의 제강로(製鋼爐)로부터 레이들(ladle)로의 출강 단계 및 레이들에서의 슬러그 정련 단계에서의 상태를 조정한다.

구체적으로는, 레이들 정련 개시 시에 용강 중에 함유된 Mn량을 1.5％ 미만, 바람직하게는 1.2％ 미만으로 조정한다. 이 단계에서 1.5％ 이상의 Mn을 용강 중에 함유시켜도, 최종적으로 상기한 범위 내로 조정하는 것은 가능하지만, 적절한 산화물 및 Mn계 황화물의 형태를 얻기 위해서, 정련 개시 시에서의 Mn의 함유량을 상기와 같이 조정해 두는 것이 좋다. 이 Mn 함유량의 조정과 동시에 정련 개시 시에서의 슬러그 중의 MnO의 함유량을 적절한 범위, 구체적으로는 25~40％의 범위로 조정하면 한층 좋다. 그리고, 정련의 후반부터 말기에 합금 철을 첨가함으로써 소 정의 Mn 함유량으로 하면 좋다.

다음에, 적절한 Mn계 황화물의 형태를 얻기 위해서 주조 시의 냉각 속도를 조정한다.

즉, 주물편의 냉각 속도는 표피 및 중심부에서 큰 차이가 있으므로, 폭이 크고 최단 평균 입자간 거리가 작은 Mn계 황화물을 큰 분포 밀도로 안정되게 존재시키기 위해서, 중심부에서의 냉각 속도를 적어도 1℃／분 이상으로 하고, 보다 바람직하게는 2℃／분 이상으로 하여 냉각하는 것이 좋다.

또한, 조괴법으로 강괴를 제조하는 경우에는 소형의 잉곳에 주조하는 경우와 같이 냉각 속도가 빠른 경우에는, 강괴 중심부의 냉각 속도로 20℃／분 이하가 되도록 하면 좋다. 반대로, 거대한 잉곳에 주조하는 경우와 같이 냉각 속도가 느린 경우에는, 중심부의 냉각 속도가 1℃／분 이상이 되도록 주형을 고안하면 좋다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 자세하게 설명한다.

고주파 유도 로를 이용하여 표 1~3에 나타내는 화학 조성을 갖는 강 1~57을 용제하고, 직경이 약 220㎜인 150~180kg 강괴를 제작하였다.

표 1 중의 강 1~23은, 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 범위 내에 있는 강(이하, 「본 발명예의 강」이라고 함)이다. 한편, 표 2 중의 강 24~41 및 표 3 중의 강 42~57은 화학 조성이 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강이다. 또한, 비교예의 강 중 강 55~57은 종래의 Pb 쾌삭강에 상당하는 강이다.

상기의 각 강 중에서 본 발명예의 강인 강 1~23 및 비교예의 강 중 강 29, 강 30, 강 34, 강 36 및 강 50~57은 용제 단계에서의 용존 산소량 및 응고 속도를 제어하여 강괴를 제작하였다. 즉, 원료철이 녹아내린 후, 부원료를 첨가한 단계에서 철박에 싼 상태로 시판되고 있는 MnO 분말을 용강 내에 첨가하고, 그 후 성분의 조정을 실시하여 1600℃ 전후의 온도에서 주형에 출강하였다. 또한, 강의 응고 속도를 조절하기 위해서 모래로 둘러싼 세라믹스제의 도가니에 출강하여 응고 속도가 적절한 속도가 되도록 조정하였다.

한편, 비교예의 강 중 강 24~28, 강 31~33, 강 35 및 강 37~49에 대해서는, 상기와 같은 특별한 수단을 강구하지 않고 용제를 행하였다. 즉, 부원료 첨가 후에 MnO 분체를 장입하지 않거나, 혹은, 모래로 둘러싼 세라믹스제 도가니가 아니라 통상의 주형에 주조하였다.

상기 각 강의 강괴의 표면부에 가까운 Di／8부(단,「Di」는 강괴의 직경임)의 위치를 중심으로 하여 강괴 높이 방향에서 직경 10㎜, 길이 130㎜의 고온 인장 시험편을 채취하고 열간 가공성을 조사하였다. 즉, 열간 가공 재현 시험 장치를 이용하여 대기 중에서 1250℃로 고주파 가열하여 5분간 유지한 후, 10℃／분의 속도로 900℃까지 냉각하고 10초 유지한 후, 왜곡 속도를 10초^-1로 하여 900℃에서 고온 인장 시험을 행하고 열간 가공성을 조사하였다. 또한, 상기 막대 형상 시험편의 가열 영역은 길이 방향의 중앙부 약 20㎜로 하고, 고온 인장 시험 후에는 즉시 급냉하였다. 상기에 있어서, 고온 인장 시험의 온도로서 900℃를 선정한 것은, 일반적으로 저탄소 쾌삭강의 경우에는, 900℃에서 고온 인장의 조임값이 극소점이 되기 때문이다.

열간 가공성은 상기의 고온 인장 시험에서의 조임(％)으로 평가하였다. 또한, 열간 가공성의 목표는 상기 고온 인장 시험에서 40％ 이상의 조임값을 갖는 것으로 하였다. 또한, 이 경우에는, 0.4％를 초과하는 높은 S량을 함유시킨 강이라도, 연속 주조 시에 내부 균열을 일으키지 않고 안정되게 주물편의 제조가 가능하다.

또한, 다음에 설명하는 방법으로 각 강의 피삭성 및 침탄성을 조사하였다.

즉, 각 강의 상기 직경이 약 220㎜의 강괴인 잔부를 1200℃까지 가열하여 2시간 이상 유지한 후, 마무리 온도가 1000℃ 이상이 되도록 열간 단조하고, 단조 후에 공냉을 행하여 직경 40㎜의 둥근 막대를 제작하였다. 그 다음에, 상기의 각 둥근 막대를 950℃로 가열하여 1시간 유지한 후 공냉하여 소준(燒準)을 행하였다. 또한, 강 33은 열간 단조로 균열을 일으켰기 때문에, 이하의 조사는 행하지 않았다.

그 다음에, 상기의 직경 40㎜의 둥근 막대의 일부를 필링하여 직경 31㎜의 둥근 막대로 하고, 여기에 냉간 드로잉 가공을 실시하여 직경이 28㎜인 둥근 막대로 완성하였다.

이렇게 하여 얻은 직경이 28㎜인 둥근 막대를 공시재로 하고, 코팅 처리가 실시되지 않은 HSS 공구, 구체적으로는, SKH4(JIS G 4403(2000))의 선삭용 칩을 이용하여 하기의 조건에서 선삭하고 피삭성을 조사하였다.

·절삭 속도：100m／min,

·이송량：0.05㎜／rev.,

·절개 깊이：0.5㎜,

·윤활 : 수용성 윤활유를 이용한 습식 윤활.

즉, 상기 조건으로 1분간 연속하여 선삭한 후, 촉침식의 조도 합계를 이용하여 최대 높이 조도 Rz를 측정하여 마무리면 조도를 평가하였다.

또한, 칩 처리성은 상기의 1분간 배출된 칩을 채취하고, 긴 칩으로부터 순서대로 20개의 질량을 측정하고, 그 질량으로 평가를 행하였다. 이 질량이 작은 값일수록 칩 처리성은 양호하다고 판단할 수 있다. 또한, 칩 처리성이 나쁘고, 긴 칩이 배출된 결과, 20개의 칩이 얻어지지 않은 것에 대해서는, 그 개수와 질량으로부터 20개 당 질량으로 환산하였다.

또한, 공구 마모는 상기와 동일한 조건에서 30분간 절삭한 후의 선단 마모량을 측정함으로써 평가하였다.

상기의 마무리면 조도, 칩 처리성 및 공구 마모량은 각각, 종래의 Pb 쾌삭강에 상당하는 강 55~57이 갖는 각 특성 중에서 가장 뒤떨어지는 것을 평가 기준으로 하였다. 즉, 마무리면 조도는 강 56의 Rz로 7.8㎛를 평가의 기준값, 공구 마모량은 강 57의 175㎛를 평가의 기준값으로 하고, 또한 칩 처리성은 강 55의 칩 질량 2.7g을 평가의 기준값으로 하였다. 그리고, 마무리면 조도 Rz가 7.8㎛ 이하, 공구 마모량이 175㎛ 이하 및 칩 질량이 2.7g 이하인 경우, Pb 쾌삭강과 동등 이상의 피삭성을 갖는 것으로 하였다.

또한, 소준한 상기 직경 401㎜의 각 둥근 막대의 잔부로부터, 직경이 24㎜이고 길이가 50㎜인 원주형상의 시험편을 채취하여 침탄성을 조사하였다.

즉, 상기의 직경이 24㎜이고 길이가 50㎜인 원주형상의 시험편을 900℃로 가열하여 침탄 처리한 후 850℃에서 확산 처리하고, 그 후 80℃의 기름 중에 냉각함으로써 담금질 처리를 실시하였다. 그 다음에, 상기의 시험편을 190℃로 가열하여 60분간 유지한 후 공냉하여 템퍼링 처리를 실시하였다. 또한, 상기 침탄 시의 탄소 포텐셜값은 0.8％이고 처리 시간은 75분으로 하였다. 또한, 확산 시의 탄소 포텐셜값은 0.7％이고 처리 시간은 20분으로 하였다.

상기의 침탄 담금질-템퍼링 처리를 한 시험편의 단으로부터 25㎜의 위치, 즉, 시험편의 길이 방향의 중앙 위치의 횡단면에서, 표면에서 내부로의 시험력을 2.94N으로 하여 비커스 경도 분포를 측정하고, 비커스 경도가 550이 되는 표면으로부터의 위치를 「유효 경화층 깊이」로 하여 침탄성을 평가하였다.

또한, 침탄성에 대해서도 종래의 Pb 쾌삭강에 상당하는 강 55~57의 침탄성 중에서 가장 뒤떨어지는 것을 평가 기준으로 하였다. 즉, 강 57의 유효 경화층 깊이인 0.15㎜를 평가의 기준값으로 하였다. 그리고, 유효 경화층 깊이가 0.15±0.05㎜, 즉, 0.10~0.20㎜인 경우에 Pb 쾌삭강과 동등한 침탄성을 갖는 것으로 하였다.

표 4 및 표 5에, 상기의 각 시험 결과를 정리하여 나타낸다. 표 4 및 표 5에서의 침탄성 란의 「◎」은 유효 경화층 깊이가 0.20㎜를 초과하여 Pb 쾌삭강에 우수한 침탄성을 가지는 것을, 「○」은 유효 경화층 깊이가 0.10~0.20㎜로 Pb 쾌삭강과 동등한 침탄성을 가지는 것을, 그리고, 「×」는 유효 경화층 깊이가 0.10㎜를 밑돌아 Pb 쾌삭강보다 뒤떨어지는 침탄성을 가지는 것을 나타낸다. 또한, 표 5 중의 강 33에서의 「1」은, 열간 단조할 수 없었기 때문에 조사하고 있지 않은 것을 나타낸다.

표 4 및 표 5로부터, 강 1~23의 본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강은 Pb를 포함하지 않음에도 불구하고, 긴 공구 수명, 양호한 칩 처리성 및 작은 마무리면 조도를 가짐과 함께 침탄성에도 우수한 것이 분명하다. 또한, 그 열간 가공성은 종래의 Pb 쾌삭강보다 뛰어나고, 공업적 대량 생산을 행하는 경우에 아무런 문제가 없는 것인 것도 분명하다.

이것에 대해서, 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교예의 강은, 공구 수명, 칩 처리성, 마무리면 조도, 침탄성 및 열간 가공성 중 적어도 하나가 뒤떨어져 있다.

또한, 전술의 냉간 드로잉 가공을 하여 직경이 28㎜로 완성한 둥근 막대의 각각에 대해서, Df／4(단, 「Df」는 둥근 막대의 직경임)의 부위의 종단면 방향에서 마이크로 관찰용 시험편을 잘라 내고, Mn계 황화물의 조사를 행하였다. 즉, 상기의 시험편을 수지에 매립하여 경면 연마하고, 화상 해석 소프트가 도입된 자동 화상 해석 장치를 이용하여 피검 면적 5.2㎟의 시야에 존재하는 Mn계 황화물의 폭, 최단 평균 입자간 거리 및 분포 밀도를 측정하였다. 또한, 「최단 평균 입자간 거리」란, 관찰된 개개의 Mn계 황화물의 중심 좌표로부터 가장 가까운 거리에 있는 Mn계 황화물의 중심 좌표간의 거리를 각각의 Mn계 황화물에 대해서 구하고, 이들을 평균한 값이다.

그 결과, 강 1~23의 본 발명에 따른 저탄소 유황 쾌삭강의 경우에는, 폭이 크고 최단 평균 입자간 거리가 작은 Mn계 황화물이 큰 분포 밀도로 존재하고 있는 것, 구체적으로는 폭이 4㎛ 이상이고 최단 평균 입자간 거리가 50㎛ 이하인 Mn계 황화물이, 80개／㎟ 이상이라는 큰 분포 밀도로 존재하고 있는 것이 판명되었다.

이상, 실시예에 의해서 본 발명을 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 실시예로서 개시가 없는 것도 본 발명의 요건을 충족하기만 하면 당연히 본 발명에 포함된다.

본 발명의 강은 Pb 비첨가의 「지구 환경에 뛰어난 쾌삭강」임에도 불구하고, 100m／분 이하의 비교적 저속 영역에서 HSS 공구를 이용한 절삭 시에, 종래의 Pb 쾌삭강 및 Pb 첨가 복합 쾌삭강과 동등 이상의 양호한 피삭성, 즉 긴 공구 수명, 양호한 칩 처리성 및 작은 마무리면 조도를 가짐과 함께 침탄성이 뛰어나고, 또한 연속 주조성이 뛰어나기 때문에 염가로 대량 생산할 수 있다. 따라서, 자동차용 브레이크 파트, PC 주변 기기 부품 및 전기 기기 부품 등 연질의 작은 부품의 소재로서 이용할 수 있다.

Claims (4)

1. 질량％로, C：0.05％ 이상 0.20％ 미만, Si : 0.02％ 미만, Mn：0.7~2.2％, P：0.005~0.25％, S：0.40％ 초과 0.60％ 이하, Al：0.003％ 미만, O：0.0090~0.0280％, N：0.0030~0.0250％를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 불순물 중의 Ca, Mg, Ti, Zr 및 REM이 Ca：0.001％ 미만, Mg：0.001％ 미만, Ti：0.002％ 미만, Zr：0.002％ 미만 및 REM：0.001％ 미만이고, 또한 하기 (1)식 및 (2)식을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 유황 쾌삭강.

   Mn×0＞0.018…(1)

   2.5＜Mn／(S+0)＜3.5…(2)

   단, (1)식 및 (2)식 중의 원소 기호는 그 원소의 질량％에서의 강 중 함유량을 나타낸다.
2. 청구항 1에 있어서,

   N의 함유량이 질량％로, N：0.0060~0.0250％인 저탄소 유황 쾌삭강.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   Fe의 일부를 대신하여, Te：0.0005~0.03％, Sn：0.001％ 이상 0.50％ 미만 및 Se：0.0005％ 이상 0.30％ 미만 중 1종 이상을 함유한 저탄소 유황 쾌삭강.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   Fe의 일부를 대신하여 Cu：0.01~1.0％, Ni：0.01~1.0％, Cr：0.01~1.0％ 및 Mo：0.01~0.5％ 중 1종 이상을 함유한 저탄소 유황 쾌삭강.