KR20100050040A - 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강 - Google Patents

Abstract

중량%로, C: 0.04 ~ 0.10%, Si: 0.05% 이하, Mn: 1.0 ~ 1.6%, P: 0.04 ~ 0.12%, S: 0.2 ~ 0.4% , Al: 0.01% 이하, Bi: 0.1 ~ 0.3%, Sn: 0.01 ~ 0.2%, B: 0.003 ~ 0.010%, O: 0.01 ~ 0.03%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, CD(Cold Drawn, 냉간신선)바의 신선방향 단면에서 측정한 단면적이 5㎛² 이상인 비금속 개재물 MnS를 포함하고, 상기 MnS의 개수가 1㎟ 당 300 ~ 1000개이고, 상기 MnS의 길이/폭 형상비(Aspect ratio) 평균이 8.0 이하이며, 상기 MnS의 단면적 평균이 20 ~ 100㎛² 에 해당하며, CD바의 경도(HRB)가 84 ~ 92의 범위에 포함되고 CD바의 펄라이트 조직 분율이 10 ~ 20% 범위에 속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 쾌삭강의 성분, MnS 단면적, MnS 형상비 및 단위면적당 개수를 제어하고 강의 경도와 펄라이트 분율을 제어함으로써, 피삭성이 매우 우수한 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

쾌삭강, 무연, 비스무스(Bi), MnS, 피삭성, 펄라이트

Description

피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강{ECO-FRIENDLY PB-FREE FREE-CUTTING STEEL WITH EXCELLENT MACHINABILITY}

본 발명은 정밀부품 등의 소재로 사용되는 친환경 무연쾌삭강을 제공하는 것으로서, 보다 상세하게는 환경이나 인체에 유해한 납을 사용하지 아니하고 강 내부에 존재하는 비금속 개재물인 MnS의 단면적, 형상비, 단위면적당 개수, 강의 경도와 펄라이트 분율 등을 제어함으로써, 피삭성이 매우 우수하고, 상기 무연쾌삭강을 가공하는 공구의 수명을 연장시키는 효과를 갖는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공하는데 있다.

쾌삭강은 정밀부품 등에 널리 사용되는 소재로서, 우수한 피삭성을 구비한다. 쾌삭강의 우수한 피삭성은 강재 내부에 존재하는 비금속성 개재물의 크기, 형상 분포 등으로부터 얻어지게 된다. 구체적으로 선반 등 기계가공 장치를 이용하여 강재를 절삭할 때, 공구 선단부(Tip)와 강재가 접촉하는 부위에서 MnS 등의 비금속 개재물이 응력집중원으로 작용하고, 비금속 개재물과 기지(Matrix)의 계면에서 보이드(void)가 생성되고, 상기 보이드에서 균열(Crack)의 성장이 촉진되므로 절삭에 필요한 힘이 감소하게 된다. 따라서 쾌삭강의 절삭성을 증대시키기 위해서는 기본적으로 1) MnS와 같은 비금속 개재물이 다량 잔존해야 하고, 2) 강재에 랜덤(Random)하게 분포해야 하며, 3) MnS 크기가 커야 하며, 4) MnS 형상이 구형에 가까울 필요가 있다.

MnS 형상은 연속주조공정의 턴디쉬(Tundish) 산소(Free Oxygen) 함량에 따라 크게 달라지며, 이러한 형상은 크게 3가지 형태로 구분하는데, 구형(Type I), 수지상 형태(Type II) 및 불규칙한 형태(Type III)로 구분한다. 구형(Type I)은 쾌삭강의 피삭성을 크게 향상시키는 것으로 알려져 있으며, 이러한 조대하고 구형인 MnS가 형성되기 위해서는 턴디쉬 전산소 함량이(T.[O]) 수백 ppm 정도로 높을 경우, 고온의 용강이 응고하면서 탈산과정과 병행하여 구형의 Mn(O,S)계 복합황화물로 정출된다.

종래기술로는 대한민국 특허출원 제 2008-7003522호가 제안되었고, 상기 발명은 C, Si, Mn, P, S, N를 포함하고, Mn과 S의 함유량이 0.40 ≤ Mn*S ≤1.2, Mn/S ≥3.0의 관계를 각각 만족하고, 페라이트와 펄라이트의 복합조직으로 이루어지고, 이 강재 중의 황화물계 개재물의 평균 폭(㎛)이 2.8*log(강재의 직경) 이상이며, 금속조직 중 초석 페라이트의 경도가 HV133 ~ 150인 것이 특징이다. 다만, 이러함에도 불구하고, 강재의 피삭성을 향상시키기 위한 MnS 형상 및 그러한 형상을 제공하기 위한 야금학적 조건을 제공하지 못한다.

또한 일본국 특허 제 2004-027333호가 제안되었으며, 이 발명은 C, Si, Mn, S, P, Nb 및 O 등의 원소를 특정범위로 한정하면서 동시에 미세조직으로서 폴리고 널 페라이트의 면적율을 5% 이상으로 한정하고 있다. 그러나 상기 발명은 Nb, Mo, Zr 등 고가 합금철을 다량 첨가시키지만, 쾌삭강에서 이들 합금철의 역할을 분명하게 제시하지 못하고, 폴리고널 페라이트의 면적율을 일정 범위로 한정하면서도 그 측정방법을 구체적으로 제공하지 못한다.

그리고, 일본국 특허 제 2000-265243호가 있으며, 합금원소 C, Si, Mn, S, O, Bi 등을 소기 함량 첨가하며, 압연방향 단면에서 mm²당 Bi 개재물 개수와 Bi 함량의 비율을 일정 값 이상으로 한정하고 있으나, 쾌삭강 제조과정에서 실제로 그 비율을 제어하는 것이 곤란하다. 그리고, 상기 제안은 산소를 0.003중량% 이하 첨가하는 것을 특징으로 하고 있으며, 이는 전술한 MnS 형상을 Type I, 즉 구형으로 제어하는 절삭성이 우수한 고산소 쾌삭강을 제공하지 못하는 문제점이 있다.

또, 다른 제안으로는 일본국 특허공개 제 1993-173593호가 있으며, 상기 발명은 C, Mn, P, S，N 및 O₂를 기본성분으로 하고, Si, Al, N을 제어하는 것을 특징으로 한다. 그러나 쾌삭강 강재에서 산화물계 개재물의 질량을 측정하는 것이 현실적으로 곤란하고, 측정이 곤란한 값을 일정범위로 제어하기 어려운 문제점이 있다.

또한, 다른 제안으로는 대한민국 특허공개 제 1999-0047911호가 있으며, 이 발명은 Bi-S계 쾌삭강의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적하는 바는, 우수한 물성의 쾌삭강 및 오스테나이트 결정입도를 일정 크기로 조정하여 고온연성을 증대시키는 특징을 지니지만, 상기 발명은 Bi-S계 쾌삭강에 관한 것이며, MnS 형상 제어에 관한 방법을 제공하지는 못한다.

마지막으로 대한민국 특허공개 제 1996-0023186호가 있으며, 상기 발명은 Pb 또는 Bi를 첨가하여 쾌삭강을 제조하는 방법에 관한 것이지만, 우수한 피삭성을 제공하지 못하고 환경에 악영향을 주는 Pb를 사용하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Pb를 포함하지 아니하고, MnS의 단면적, 길이/폭의 형상비 및 단위면적당 개수를 제어하여 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강을 제공하고자 한다.

이를 위하여 본 발명은, 중량%로, C: 0.04 ~ 0.10%, Si: 0.05% 이하, Mn: 1.0 ~ 1.6%, P: 0.04 ~ 0.12%, S: 0.2 ~ 0.4% , Al: 0.01% 이하, Bi: 0.1 ~ 0.3%, Sn: 0.01 ~ 0.2%, B: 0.003 ~ 0.010%, O: 0.01 ~ 0.03%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

상기 무연쾌삭강으로 신선시 제조한 CD(Cold Drawn, 냉간신선)바의 신선방향 단면에서 측정한 단면적이 5㎛² 이상인 MnS를 포함하고, 상기 MnS의 개수가 1㎟ 당 300 ~ 1000개 범위로 존재할 수 있다.

상기 MnS의 길이/폭 형상비(Aspect ratio) 평균이 8.0 이하일 수 있다.

상기 MnS의 단면적 평균이 20 ~ 100㎛² 에 해당할 수 있다.

상기 CD바의 경도(HRB)가 84 ~ 92의 범위에 포함될 수 있다.

상기 CD바의 펄라이트 조직 분율이 10 ~ 20% 범위에 속하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 피삭성이 우수한 무연쾌삭강을 용이하게 제공할 수 있고, 피삭성이 매우 우수하고 공구수명을 연장시킬 수 있는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

쾌삭강은 우수한 피삭성을 구비하고, 상기 쾌삭강의 우수한 피삭성은 강재 내부에 존재하는 비금속성 개재물의 크기, 형상 분포 등으로부터 얻어지게 된다. 비금속 개재물인 MnS는 쾌삭강내의 결정립계에 존재하게 되어 MnS와 기지의 계면에서 보이드가 생성되어 균열의 성장이 촉진되어 절삭에 필요한 힘을 감소시키므로 강의 절삭성을 우수하게 한다. 또한 강재의 파괴인성을 향상시켜서 공구의 절삭부에 구성인선(Build-up Edge, 이하 BUE라 함)의 생성을 억제하고 칩분절성을 좋게 하여 쾌삭강의 절삭성을 향상시키는 역할을 한다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 성분계, MnS의 단면적, 길이/폭 형상비, 단위면적당 개수를 제어하고 CD바의 경도 및 펄라이트 분율을 제어하는 것을 주요내용으로 한다.

이하 본 발명의 쾌삭강을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.04 ~ 0.1중량%

C는 기지에서 탄화물을 형성함으로써 소재의 강도와 경도를 증가시키는 원소 이며, 본 발명 쾌삭강에서 일부 펄라이트로 존재하여, 강재를 절삭할 때 공구에서 BUE이 발생하는 것을 억제한다. C 함량이 0.04% 미만일 경우에는 BUE 생성을 억제하는 효과를 얻기 어렵고, 0.10%를 초과할 경우에는 BUE 생성이 억제되는 효과가 나타나지만, 절삭공구의 수명이 단축되어 불리하므로, 본 발명에서는 C 함량을 0.04∼0.1% 범위로 한정할 수 있다.

실리콘(Si): 0.05중량% 이하

Si는 선철 또는 용강 탈산제로 첨가되어 강재에 잔류되는 원소로써, 산화물 즉 SiO₂를 형성하지 않는다면 대부분 페라이트에 고용되므로 쾌삭강의 기계적 성질에는 별다른 영향을 미치지 않는다. 그러나 본 발명자 등의 실험에 따르면 본 발명 쾌삭강에서 Si 함량이 0.05%를 초과하면 강재에 SiO₂가 생성되어 절삭성이 크게 열화된다. 본 발명은 기본적으로 Si을 첨가하지 않는 것을 원칙으로 한다. 그러나 제강과정에서 합금철 또는 내화물 등으로부터 불가피하게 Si가 유입되므로 본 발명은 Si 함량을 0.05% 이하로 한정할 수 있다.

망간(Mn): 1.0 ~ 1.6중량%

Mn은 쾌삭강에 우수한 피삭성을 부여하는 비금속 개재물 MnS를 형성하고, 또한 강재의 기계적 물성을 확보하기 위해 필수적으로 첨가하는 합금원소이다. Mn 함량이 1.0% 미만일 경우, MnS 개재물을 효과적으로 정출시키기 어려울 뿐 아니라, 열간압연시 강재의 표면결함이 증가된다. Mn 함량이 1.6%를 초과하는 경우 강재의 경도가 증가하여 절삭공구 수명을 단축하므로 불리하다. 따라서 본 발명은 Mn 함량을 1.0 ~ 1.6% 범위로 한정할 수 있다. 그리고 Mn 함량이 1.0 ~ 1.6% 범위에서는 일부 Mn이 산소와 결합하여 MnO를 생성하고, 이는 응고과정에서 MnS의 핵생성 사이트로 작용하여 구형의 MnS 개재물 생성을 촉진하는 역할을 할 수 있다.

인(P): 0.04 ~ 0.12중량%

P은 강의 경도를 높여서 절삭공구의 선단부에 형성되기 쉬운 BUE을 억제하기 위한 원소이며, P 함유량이 0.04% 미만일 경우에는 BUE 생성 억제 효과를 기대하기 어렵고, 0.12%를 초과할 경우에는 BUE 억제 효과는 우수하지만, 강재의 경도 증가로 절삭공구 수명이 크게 단축되므로 본 발명은 P 함량을 0.04 ∼ 0.12% 범위로 한정할 수 있다.

황(S): 0.2 ~ 0.4중량%

S은 쾌삭강 응고시 MnS 개재물을 형성하고, MnS는 강재에 피삭성을 부여함으로써 절삭공구의 마모를 억제하고, 절삭가공된 부품의 표면조도를 개선한다. S가 상기 역할을 용이하게 수행하기 위해서는 최소 0.2% 이상 첨가되어야 하며, S함량이 지나치게 증가되면 결정립계에 망사형태 FeS가 석출한다. 이러한 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮으므로 열간압연성을 열화시키는 원인이 되므로 0.4%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. S 농도 증가로 열간압연성이 열화되는 것은 강재의 인성 과 고온연성을 감소시키기 때문이다. 따라서 본 발명은 S함량을 0.2 ~ 0.4% 범위로 한정할 수 있다.

알루미늄(Al): 0.01중량% 이하

Al은 일반적으로 용강의 탈산을 목적으로 첨가하며, 기지에 고용되거나 AlN 등을 형성하여 강재의 기계적 물성을 향상시키기도 한다. 그러나, 본 발명 쾌삭강의 경우 Al이 첨가되면 Al₂O₃을 형성하게 되어 공구수명, 표면조도, 칩처리성 등 피삭성을 총체적으로 열화시키는 원인이 된다. 따라서 본 발명은 Al을 첨가하지 않는 것이 원칙이며, 불가피하게 내화물, 슬래그 등으로부터 유입되더라도 그 함량을 0.01% 이하로 제한하는 것이다.

비스무스(Bi): 0.1 ~ 0.3중량%

Bi를 강재에 첨가하면 금속개재물 단독 또는 MnS 개재물과 결합된 형태로 존재하는데, 절삭가공시 가공열을 받아 쉽게 용융되어 강재의 피삭성을 향상시키고, 절삭공구와 칩 사이에서 윤활피막 형성으로 마찰력 저감으로 공구를 보호한다. Bi 함량이 0.1% 미만일 경우에는 피삭성 향상 효과가 떨어지고, 0.3%를 초과하는 경우에는 연속주조시 핀홀 발생 및 열간압연성을 저해하므로 본 발명은 Bi함량을 0.1 ~ 0.3% 범위로 한정할 수 있다.

주석(Sn): 0.01 ~ 0.20중량%

Sn은 쾌삭강에서 Pb과 유사한 기능을 수행하는 원소이다. 즉 Sn은 Pb의 역할과 같이 강의 피삭성을 향상시키는 기구 중 하나인 액상 금속 취화와 동일한 역할을 수행할 수 있다. 보다 구체적으로 이러한 현상은 Sn이 페라이트 결정립계로 이동하여 편석되고 입계 결합에너지를 낮춤으로써 입계파괴를 용이하게 하기 때문이다. Sn이 0.1% 미만일 경우에는 피삭성 향상효과를 얻기 어렵다. 다만, 0.20%를 초과하는 경우에는 주조 및 열간압연성에 열화시키는 원인이 되므로, 본 발명은 Sn함량은 0.01 ~ 0.20% 범위로 한정할 수 있다.

붕소(B): 0.003 ~ 0.010중량%

B는 강재에서 소입성을 증가시키는 역할을 한다. B가 30ppm 미만인 경우에는 소입성 증대 효과를 얻기 어렵고, 본 발명자들의 실험에 의하면 100ppm을 초과하는 경우에는 소입성을 충분히 얻을 수 있는 반면, 고온연성이 부족하여 양질의 열간압연성을 얻기 어려우므로, 본 발명은 B함량을 0.003 ~ 0.010% 범위로 한정할 수 있다.

산소(O): 0.01 ~ 0.03중량%

산소(O)는 쾌삭강 주조시 몰드에서 용강의 응고초기 미세한 MnO를 형성하고, 상기 MnO는 MnS를 정출시키는 핵생성 사이트로 작용하게 된다. 상기 산소는 주조가 완료된 주편 또는 강편의 전산소량(T.[O], Total oxygen)을 의미한다. 산소함량이 0.01% 미만일 경우에는 Type I MnS 즉, 구형 MnS를 얻기 어렵고, 이로 인하여 강재의 피삭성을 증대하기 곤란하다. 그리고, 산소함량이 높을수록 구형 MnS가 정출되는 경향이 뚜렸하나, 0.03%를 초과하면 주편에서 핀홀, 블로홀 등 표면결함이 발생되므로 본 발명은 산소함량을 0.01~0.03% 범위로 한정할 수 있다.

이하 본 발명에 포함되는 비금속 개재물 MnS에 관하여 보다 상세히 설명한다.

MnS의 개수: CD바의 신선방향 단면에서 단면적이 5㎛² 이상의 MnS가 ㎟당 300 ~ 1000개

도 1은 본 발명인 쾌삭강에 잔존하는 MnS의 형상 및 개수를 측정하기 위하여 촬영한 광학현미경 사진이다. 실험에 의하면 쾌삭강은 강재에 잔존하는 MnS의 단면적, 형상 분포 등에 따라 피삭성이 크게 달라진다. 일반적으로 MnS의 단면적이 클수록 피삭성이 우수한 것으로 알려져 있으나, 광학현미경 실험과 수치제어 선반을 이용한 피삭성 평가 결과에 따르면 MnS가 일정한 조건 범위에서 절삭성이 우수한 것으로 나타난다. 본발명자의 실험에 의하여 CD바의 신선방향 단면에서 단면적 5㎛² 이상의 MnS가 우수한 피삭성을 나타남을 확인할 수 있다.

MnS의 개수의 경우, 쾌삭강 선재를 냉간 신선으로 제조한 CD바를 기준으로 신선방향, 즉 L방향 단면에서 단면적이 5㎛² 이상인 MnS가 ㎟당 300 ~ 1000개가 존 재할 때, 강재의 피삭성이 우수한 것으로 나타났다. 300개 미만인 경우에는 공구수명이 감소하고, 가공부품의 표면조도가 열위하다. 반면에 1000개를 초과하는 경우에는 공구수명은 양호한 반면에 칩분절성이 불량해 질 수 있으므로 본 발명은 평균 300 ~ 1000개의 범위로 한정할 수 있다.

MnS의 형상비: CD바 신선방향 단면에서 단면적이 5㎛² 이상의 MnS 길이/폭 형상비 평균이 8.0이하

상기 CD바에서 광학현미경으로 관찰된 MnS 형상은 도 1과 같이 구형을 유지하거나 또는 압연방향으로 연신하게 되는데, MnS가 지나치게 연신되면 우수한 피삭성을 얻기 어렵다. 본 발명자들의 실험에 의하면 5㎛² 이상의 MnS의 길이/폭 비율 평균이 8.0을 초과하게 되면 MnS가 크랙의 발생 및 성장을 촉진시키는 고유 기능을 행하지 못하기 때문에 공구수명이 열화되고, 피삭체의 표면조도가 열화되는 것으로 나타났다. 따라서 CD바 신선방향 단면에서 단면적이 5㎛² 이상의 MnS의 길이/폭 형상비 평균을 8.0이하로 한정할 수 있다.

MnS의 면적: CD바 신선방향 단면에서 단면적 5㎛² 이상의 MnS 단면적 평균이 20 ~ 100㎛²

쾌삭강에 잔존하는 MnS의 단면적이 클수록 강재의 피삭성이 더 우수한 것으 로 알려져 있으나, 본 발명자들의 광학현미경 관찰 및 절삭성 평가 실험에 의하면, MnS의 단면적이 일정 범위에 있을 때 피삭성이 우수한 것으로 나타났다. 즉 CD바의 신선방향 단면에서 5㎛² 이상의 MnS의 단면적 평균이 20 ~ 100㎛² 범위에 속할 때 강재의 절삭성이 우수하였다. 20㎛² 미만일 경우에는 공구수명이 단축되었고, 100㎛² 를 초과하는 경우에는 공구수명은 양호한 반면, 공구선단에서 BUE가 크게 증가되고, 그로 인해 피삭체의 표면조도가 크게 열화되는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명은 CD바 신선방향 단면에서 단면적 5㎛² 이상의 MnS 단면적 평균을 20 ~ 100㎛² 범위로 한정할 수 있다.

이하 본 발명에 의한 CD바에 관하여 보다 상세히 설명한다.

CD바 경도: HRB(라크웰 경도 B-스케일) 84 ~ 92

쾌삭강에서 소재의 경도는 피삭성 중 공구수명과 표면조도에 영향을 크게 미친다. 소재의 경도가 지나치게 높을 경우에는 절삭이 진행되는 동안 소재와 공구간 마모현상이 발생되기 보다는 충격으로 인해 공구가 파손된다. 반면에 경도가 매우 낮다면 소재가 공구 팁에 늘어붙어 조대한 BUE가 형성되므로 표면조도가 열화된다. 본 발명 소재의 주용도는 자동차용 유압부품이므로 표면조도가 열위하다면 표면조도를 개선하기 위한 추가 가공공정을 거쳐야 하므로 매우 불리하다.

본 발명자들의 실험에 의하면 본 발명 쾌삭강의 경도는 CD바 신선방향의 수 직면, 즉 C단면에서 라크웰 경도 B-스케일 기준(이하, HRB라고 함)으로 84 ~ 92 범위가 바람직하다. 84 미만의 경우에는 BUE가 증가되고, 소재에 홀 가공시 홀의 표면조도가 열위하고 92를 초과하는 경우에는 소재가 단단하여 공구수명이 크게 감소되는 것을 확인하였다. 따라서 본 발명은 CD바 경도를 HRB 84 ~ 92 범위로 한정할 수 있다.

펄라이트 분율 : 10 ~ 20% (잔부는 페라이트, MnS)

도 2는 본 발명의 미세조직 페라이트상과 펄라이트를 나타내는 광학현미경 사진으로, 도 2를 보면 본 발명의 미세조직은 페라이트와 펄라이트 등으로 구성되어 있으며, 흰색 결정립은 페라이트, 검은색은 펄라이트, 회색은 MnS를 나타낸다. 여기서 펄라이트 구성비는 공구수명, BUE 형성 및 칩 분절성에 큰 영향을 미친다. 상기 펄라이트는 C, Mn 등 화학성분과 열간압연 종료이후 냉각속도에 따라 달라질 수 있으며, 본발명자들의 실험분석에 의하면 펄라이트 분율이 10 ~ 20% 범위에 해당할 때, 소재의 피삭성이 우수하였다. 즉, 칩 분절성이 우수하고, BUE 형성 억제로 피삭부품의 표면조도가 우수하며, 공구수명도 양호하였다. 펄라이트가 10% 미만의 경우에는 표면조도가 열위하고, 20%를 초과하면 공구수명이 단축되는 반면 표면조도, 칩 분절성 등의 개선효과는 확인할 수 없었다. 따라서 펄라이트 분율은 10 ~ 20% 범위로 한정할 수 있다.

CD바를 제조하여 MnS가 제어되어 일정범위내에 해당하는지 확인을 위하여 샘 플용 시료를 채취하고 시료로 채취된 부분을 제외한 CD바는 사용이 가능할 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적이고 상세하게 설명하고자 한다.

실시예 1

본 발명에서는 100톤 전로에서 출탕한 용강을 대상으로 레이들 정련로(LF, Ladle Furnace)에서 정련을 행하고, 블룸 연주기에서 단면 300*400mm, 길이 6400mm의 주편을 제조하였다. 상기 블룸을 분석한 결과 화학성분은 중량%로 C 0.08%, Si 0.01%, Mn 1.27%, P 0.08%, S 0.33%, Al 0.001%, Sn 0.07%, B 0.0066%, Bi 0.15%, 산소 0.021%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 구성됨을 확인하였다.

상기 블룸을 강편가열로에서 1250℃ 온도로 5시간 유지하고, 조압연과 사상압연을 연속적으로 실시하여 단면 160*160mm의 빌렛을 제조하였다. 이어서 상기 빌렛을 빌렛 가열로에서 온도 1200℃에서 3시간 가열하고 열간압연을 행하여 선경 27mm 선재(Wire Rod)를 제조하였다. 이어서 상기 선재를 대상으로 냉간상태에서 신선을 행하여, 최종적으로 선경 25mm CD바를 제조하였다. 상기 CD바의 일부분을 시료로 사용하기 위하여 조직분석용 시료를 채취하여 광학현미경으로 MnS의 단면적, 길이/폭 형상비 및 단위면적당 수량을 측정하고, 해당 CD바를 CNC 선반에서 절삭성을 평가하였다. 상기 절삭성 평가에서는 공구수명, 표면조도 및 칩 분절성을 측정하였다. 시료로 사용되는 일부분을 제외한 상기 CD바는 다른 실시를 위하여 사용이 가능하 다. 표 1에서 공구수명은 동일 소재로 자동차용 유압부품 1,000개를 절삭하고, 이어서 공구마모깊이를 측정하여 Pb 쾌삭강의 공구수명 대비 비율을 산정한 것이다. 그리고 MnS는 표 1의 길이방향 단면을 연마하여 에칭을 실시하지 않은 상태, 즉, 도 1과 같은 상태에서 광학현미경 200배 배율로 560㎛*560㎛ 면적을 60회 측정하고, 측정된 MnS 중 단면적이 5㎛²이상인 MnS의 단면적, 길이/폭 비율의 평균 및 단위면적당 MnS 개수 각각에 대한 평균치를 산청자혔다.

구분	MnS 단면적(㎛2)	MnS길이/폭 형상비 평균	mm2당 MnS평균개수	공구수명(%)
비교예1	16.5	4.9	584	79%
비교예2	18.1	4.4	448	89%
발명예1	43.9	5.8	400	123%
발명예2	25.4	4.6	652	98%
발명예3	35.2	4.8	651	115%
비교예3	45.2	6.2	1,035	98%
비교예4	22.4	11.5	1,205	76%

표 1에서 발명예 1은 MnS의 단면적(㎛²), 길이/폭 형상비 및 단위면적당 MnS 개수(개)의 평균이 43.9, 5.8, 400으로써 본 발명의 한정범위에 각각 속한다. 발명예 2는 MnS의 단면적(㎛²), 길이/폭 형상비 및 단위면적당 MnS 개수(개)의 평균이 25.4, 4.6, 652로써 한정범위에 속하며, 발명예 3도 MnS의 단면적(㎛²), 길이/폭 형상비 및 단위면적당 MnS 개수(개)의 평균이 35.2, 4.8, 651로써 각각 한정범위에 속한다. 그리고 발명예 1~ 3은 Pb 쾌삭강 대비 공구수명이 123, 98, 115%로 나타났다.

반면 비교예 1,2는 MnS의 길이/폭 형상비의 평균이 4.9, 4.4로써 본 발명의 한정범위에는 속하지만 MnS의 단면적의 평균이 각각 16.5㎛², 18.1㎛²로써 20㎛² 미만이고, Pb 쾌삭강 대비 공구수명이 각각 79, 89%로 나타났다. 또한 비교예 3은 MnS의 개수가 1035개로 1000개를 초과하였으며, 공구수명이 98%로 양호하나 칩의 분절성이 불량하다. 비교예 4는 MnS의 길이/폭 형상비의 평균이 11.5로써 본 발명의 한정범위를 벗어났으며, MnS의 개수가 1205개로 1000개를 초과하여 공구수명이 감소하고 표면조도가 양호하지 않으며 칩분절성이 불량함을 확인하였다.

실시예 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 CD 바를 제조하고, MnS가 본 발명의 한정범위 즉 단면적 20 ~ 100㎛², 길이/폭 형상비 평균이 8.0 이하 및 단위면적당 MnS 개수가 300 ~ 1000개에 해당하는 CD바에 열처리를 행하여 경도와 펄라이트 분율을 조절하였다. 상기 CD바의 C단면에서 라크웰 B-스케일 경도 측정 및 펄라이트 분율을 측정하고, 해당시료를 대상으로 상기 실시예 1과 같은 방법으로 절삭성을 평가하고, 공구수명을 측정하였다. 해당시료를 제외한 CD바는 다른 실시를 위하여 사용이 가능하다.

구분	경도,HRB	펄라이트 분율(%)	공구수명(%)
비교예5	77.5	13.0	68%
비교예6	82.8	11.5	89%
비교예7	87.7	22.1	73%
발명예4	85.8	12.7	126%
발명예5	87.9	13.4	131%
발명예6	91.2	15.6	107%
비교예8	90.0	6.7	87%
비교예9	86.5	8.1	91%
비교예10	94.8	12.7	81%

표 2에서 경도 및 펄라이트 분율이 본 발명의 한정범위, 즉 순서대로 경도 HRB 84 ~ 92, 펄라이트 분율 10 ~ 20%에 속하는 발명예 4 ~ 6은 공구수명이 Pb 쾌삭강의 100%를 초과하는 우수한 피삭성을 지님을 알 수 있다.

그러나, 비교예 5와 6은 펄라이트 분율이 본 발명 한정범위에 속하지만, 경도가 낮고, 그로 인해 공구수명이 떨어짐을 알 수 있다. 이는 재료가 연하여 BUE 형성이 증가되었고, 그러한 BUE가 공구수명 단축을 초래한 것으로 생각된다. 한편 비교예 7은 경도는 적정 수준인 반면, 펄라이트 분율이 20%를 초과하여 공구수명이 크게 단축됨을 알 수 있다. 비교재 8와 9는 경도는 본 발명의 경도에 관한 한정범위에 속하지만, 펄라이트 분율이 10% 미만으로 공구수명이 감소되고 피삭재의 표면조도가 기준치를 벗어남을 알 수 있었고, 이러한 현상들은 낮은 펄라이트 분율로 인해 BUE 생성이 촉진된 결과로 생각된다. 한편 비교예 10은 펄라이트 분율이 본 발명의 한정범위에 속하지만, 경도가 94.8로 본 발명의 한정범위를 초과하여, 그로 인해 공구수명이 크게 감소됨을 알 수 있다.

도 1은 본 발명강 내부에 존재하는 MnS의 모습을 나타내는 광학현미경 사진.

도 2는 본 발명강에 포함된 미세조직인 페라이트와 펄라이트를 나타내는 광학현미경 사진.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.04 ~ 0.10%, Si: 0.05% 이하, Mn: 1.0 ~ 1.6%, P: 0.04 ~ 0.12%, S: 0.2 ~ 0.4% , Al: 0.01% 이하, Bi: 0.1 ~ 0.3%, Sn: 0.01 ~ 0.2%, B: 0.003 ~ 0.010%, O(산소): 0.01 ~ 0.03%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 무연쾌삭강을 냉간신선하여 제조한 CD(Cold Drawn, 냉간신선)바의 신선방향 단면에서 단면적이 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 1㎟ 당 300 ~ 1000개 범위로 존재하는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 MnS의 길이/폭 형상비(Aspect ratio) 평균이 8.0 이하인 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 MnS의 단면적 평균이 20 ~ 100㎛² 임을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 CD바의 경도(HRB)는 84 ~ 92 임을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.
6. 제 2항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 CD바의 신선방향 단면에서 펄라이트 조직 분율이 10 ~ 20% 범위에 포함하는 것을 특징으로 하는 피삭성이 우수한 친환경 무연쾌삭강.

Images