KR20100099897A - 친환경 무연쾌삭강 - Google Patents

Abstract

중량%로, C: 0.04 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, B: 0.002 ~ 0.01%, Cr: 0.08 ~ 0.5%, Ti: 0.003 ~ 0.35%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연쾌삭강에 관한 것이다. 상기 무연쾌삭강은 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재할 수 있다.

상기로부터 제강단계에서 구형 MnS를 다량 정출하여 절삭성을 크게 증대시키면서도 우수한 열간압연성을 가지는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

무연쾌삭강, 절삭성, 구형 MnS, 전산소량, 프리 산소

Description

친환경 무연쾌삭강 {Eco-Friendly Pb-Free Free-Cutting Steel}

친환경적인 무연쾌삭강을 제공하며, 보다 상세하게는 ① Ti, Cr, N 등을 적정량 첨가하며, ② 전산소량(T.[O])을 300ppm 이하로 제한하고, ③ 성분 중 Mn/S의 비율을 3.5 이상으로 제어하고 ④ MnS 개재물의 수를 압연방향 단면에서 면적 5㎛² 이상의 MnS가 단위 mm² 당 300~1000개 범위로 존재하도록 제어하여 쾌삭강의 고유 특성인 절삭성이 향상되고 아울러 열간압연 특성도 증대시킨 친환경적인 무연쾌삭강에 관한 것이다.

쾌삭강이란 절삭성이라고 불리우는 강재의 피삭성(machinability)을 고도로 향상시킨 강을 의미한다. 이러한 쾌삭강은 자동차의 유압부품, 프린터 등에 사용될 수 있는 사무자동화 기기의 샤프트(Shaft), 절삭부품 등의 소재로 널리 사용되고 있다.

쾌삭강은 기본적으로 우수한 절삭성, 특히 기계적 절삭성을 지니며, 이를 위 하여 종래에는 다양한 합금원소를 첨가하거나 내부에 개재물을 형성시키는 방법으로 절삭성을 향상시켰다. 절삭성을 향상시키기 위한 기구로서 특히 비금속성 개재물이 이용되고 있으며, 비금속 개재물 중 잘 알려진 것이 바로 MnS이다.

MnS의 크기, 형상, 분포 등을 적절히 제어하면 우수한 절삭성을 얻을 수 있는데, 그 대략적인 원리는 다음과 같다. 즉, 기계가공 장치 등을 이용하여 강재 절삭시, 공구 선단부(Tip)와 강재가 접촉하는 부위에서 MnS 등 비금속 개재물이 응력집중원(Stress Concentration Source)으로 작용하고, 이들 비금속 개재물과 기지(Matrix) 계면에서 보이드(void)가 생성되어, 상기 보이드에서 균열(Crack) 성장이 촉진됨으로써 절삭에 필요한 힘이 감소되는 것이다.

따라서 MnS를 포함하는 쾌삭강에서는 ① MnS가 다량 잔존해야 하고, ② 무작위(Random)로 분포해야 하며, ③ MnS 사이즈가 크고, 특히 그 형상이 구형에 가까울수록 절삭성 향상에 좋다.

쾌삭강에 존재하는 MnS의 형상은 연주 턴디시(Tundish)의 산소 함량에 따라 크게 달라질 수 있는데, 이들 형상은 크게 3가지 형태, 즉 구형(Type I), 수지상 형태(Type II) 및 불규칙한 형태(Type III) 등으로 구분된다.

MnS가 구형(Type I)에 가까울수록 쾌삭강의 절삭성은 향상된다고 알려져 있 으며, 턴디시 전산소 함량이(T.[O]) 수백 ppm 정도로 높을 경우에는 고온의 용강에서 응고하면서 탈산 과정과 병행하여 Mn(O,S) 등 복합황화물로 정출된다. 반면, 수지상(Type II) 구조는 Tundish T.[O] 함량이 수십 ppm 정도로 비교적 낮은 경우에 응고시 용강상태에서 정출되는 것이 아니라, 1차 결정립계를 따라 석출하게 되며, 이후 강재의 열간압연 과정에서 압연방향을 따라 쉽게 연신되어, 재료의 이방성을 크게 열화시킨다.

상기 수지상 구조는 쾌삭강을 제외한 일반강의 응고시 생성되는 형태이며, 강의 기계적 물성을 크게 열화시키므로 정련공정에서는 MnS 석출을 억제시키기 위해서 S 함량을 수 ppm 정도로 극단적으로 줄이는 등 많은 노력을 기울이고 있다.

마지막으로 불규칙한 형태(Type III)의 MnS는 용강 중 Tundish T.[O] 함량이 수 ppm 정도로 낮고, 용해 알루미늄 성분이 높을 경우에 주로 고온에서 MnS 단독개재물로 생성되는 특징을 지니며, 알루미늄 탈산강에서는 각형으로 존재하는 것으로 알려져 있다.

쾌삭강에 대한 종래기술로는 일본 공개특허 제2004-027333호가 제안된 바 있다. 상기 종래기술은 C, Si, Mn, S, P, Nb, O 등의 원소를 특정범위로 한정하고 동시에 미세조직으로서 폴리고널 페라이트(Poligonal Ferrite)의 면적율을 5% 이상으로 한정하는 기술을 개시하였다. 그러나 상기 발명은 Nb, Mo, Zr 등의 고가 합금원 소들을 다량 첨가시켰으면서도 쾌삭강에서 이들 합금철의 역할을 분명하게 제시하지는 못하였다. 또한, 폴리고널 페라이트의 면적율을 소기 범위로 한정하면서도 그 측정방법을 구체적으로 제시하지 못했다는 문제점이 존재한다.

쾌삭강에 대한 다른 종래기술로는 일본 공개특허 제2000-265243호가 알려져 있다. 여기에서는 합금원소 C, Si, Mn, S, O, Bi 등을 일정량 첨가하며, 압연방향 단면에서 mm²당 Bi 개재물의 개수와 Bi 함량의 비율을 일정값 이상으로 한정하는 것을 특징으로 한다. 한편 상기 발명은 Bi 개재물 개수와 Bi 함량의 비율을 한정하고 있으나, 실제로 쾌삭강 제조과정에서 그 비율을 제어하는 것이 곤란하다. 나아가, 이 발명은 산소를 0.003중량% 이하로 첨가하는 것을 특징으로 하고 있는데, 이러한 산소량으로는 MnS 형상을 Type I, 즉 구형으로 제어하는 절삭성이 우수한 고산소 쾌삭강을 제공하기 어렵다.

쾌삭강 제조에 대한 또 다른 종래기술로는 일본 공개특허 제1993-345951호가 있다. 이 발명은 종래의 조괴법으로 제조한 쾌삭강과 동등 수준의 절삭성을 갖는 유황계 연속주조 쾌삭강에 관한 것으로, 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S)，질소(N) 및 산소(O₂)를 일정량 포함하고, MnS 개재물의 평균 사이즈를 50㎛² 이하로 하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 이 발명은 MnS에 관한 내용을 개시하고 있으나 그 입자의 크기만을 제안하고 있을 뿐, MnS 형상이 절삭성에 미치는 영향에 대해서 는 설명하지 못하고 있다.

쾌삭강에 대한 또 다른 발명으로는 일본 공개특허 제1993-173593호가 있다. 상기 제안은 탄소(C), 망간(Mn), 인(P), 황(S)，질소(N) 및 산소(O₂)를 기본성분으로 하고, Si를 0.1 중량％ 이하，Al을 0.009 중량％ 이하로 제한하며，또한 20∼150ppm 범위의 N과 산화물계 개재물의 질량 합계가 50％ 이상인 것을 특징으로 한다. 하지만 쾌삭강 강재에서 산화물계 개재물의 질량을 측정하는 것이 현실적으로 곤란하다는 사실을 감안할 때, 측정이 곤란한 값을 일정범위로 제어한 이 발명은 그 실효성과 현실성에서 문제가 있는 것으로 판단된다.

쾌삭강에 대한 또 다른 종래기술로는 국내 공개특허 제1999-0047911호가 있다. 이 발명은 Bi-S계 쾌삭강의 제조방법에 관한 것으로, 우수한 물성의 쾌삭강 및 오스테나이트 결정입도를 일정 크기로 조정하여 고온연성을 증대시키는 것을 특징으로 하고 있다. 즉, 중량%로, 탄소: 0.05-0.15%, 망간: 0.5-2.0%, 유황: 0.15-0.40%, 인: 0.01-0.10%, 산소: 0.003-0.020%, 비스무스: 0.03-0.30%, 실리콘: 0.01% 이하, 알루미늄 0.0009% 이하로 하고 나머지 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지며, MnS와 비스무스가 흡착된 MnS계 개재물의 전단면분율이 0.5%-2.0%이고, 비스무스의 전단면분율이 0.030%-0.30%인 Bi-S계 쾌삭강을 제안하는데, 이는 Bi-S계 쾌삭강에 관한 것이며, MnS 형상에 제어에 관한 방법을 제공하지는 못하고 있다.

상술한 종래기술들의 문제점 또는 종래기술들이 명확하게 지적하지 못한 쾌삭강의 특징을 제안하고, 아울러 환경규제강화 기준에 적합하며 절삭성, 열간압연성 등의 특성이 우수한 무연쾌삭강을 제공하고자 한다.

중량%로, C: 0.04 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, B: 0.002 ~ 0.01%, Cr: 0.08 ~ 0.5%, Ti: 0.003 ~ 0.35%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연쾌삭강을 제공한다. 상기 무연쾌삭강의 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재할 수 있다. 이 경우, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5일 수 있다.

제강 단계에서 구형 MnS를 다량 정출하여 절삭성을 크게 증대시키면서도 우수한 열간압연성을 가지는 친환경적인 무연쾌삭강을 제공할 수 있다.

① Pb와 같은 중금속을 사용하지 않으면서도, ② Ti, Cr, N 등을 적정량 첨가하며, ③ 성분 중 Mn/S의 비율을 3.5 이상으로 제어하고, ④ 전산소량(T.[O])을 300ppm 이하로 제한하면서 ⑤ MnS 개재물의 수를 압연방향 단면에서 면적 5㎛² 이상의 MnS가 단위 mm² 당 300~1000개 범위로 존재하도록 제어 한다.

상기 MnS 개재물은 도 1과 같은 형상으로 쾌삭강 내에 존재하게 되며, 특히 Ti, Cr, N을 적절히 제한하는 경우에는 응고시 크기 0.1~5㎛ 범위의 (Cr, Ti)S계 또는 (Cr, Ti)N계 미세 석출물들이 도 2에서 나타난 바와 같이 결정립계(Grain boundary)에 다량으로 석출되어 ① 부품의 기계가공 작업 중 가공경화가 일어나는 것을 방지하여 절삭성을 향상시키며, 아울러 ② 강재의 파괴인성을 향상시킴으로써, BUE(Build-up Edge, 구성인선) 생성을 억제하고 ③ Chip의 분절성을 좋게 하여 쾌삭강의 절삭성을 향상시킨다. 이는 공구수명이 늘어나고 아울러 강의 표면조도가 우수해지는 효과를 아울러 나타낼 수 있다.

이하 성분계(이하 성분계의 %는 중량%)에 관하여 보다 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.04 ~ 0.13%

C는 탄화물을 형성하여 소재의 강도 및 경도를 증가시키는 원소로, 쾌삭강에서는 일부 퍼얼라이트(pearlite)로 존재하여 강재를 절삭할 때 공구에서 구성인선 이 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다. C 함유량이 0.04% 미만이면 소재의 경도를 소기의 범위로 증가시키기 어렵고, 구성인선을 억제하는 효과가 없다. 반면 C 함량이 0.13%를 초과하는 경우에는 소재의 경도가 지나치게 증가하여 공구 수명이 크게 단축되므로 C 함량을 0.04∼0.13% 범위로 한정한다.

실리콘(Si): 0.1% 이하

Si는 선철 또는 탈산제 첨가에 의해 소재 내부에 잔류하는 원소이며, 산화물, 즉 SiO₂를 형성하지 않는다면 대부분 페라이트에 고용된다. Si는 종래에는 일반적인 쾌삭강의 기계적 성질에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 알려져 있었다. 그러나 본 발명자들이 실험한 결과, 고산소 쾌삭강의 경우, Si 함량이 0.1%를 초과하게 되면 SiO₂가 생성되어 쾌삭강의 기계 가공시 공구수명을 현저하게 저하시켰다. 따라서, Si를 첨가하지 않는 것을 원칙으로 한다. 그러나 제강과정에서 합금철, 내화물 등으로부터 불가피하게 Si가 유입될 수 있는바, 쾌삭강에 존재하는 Si 함량을 0.1% 이하로 제어한다.

망간(Mn): 0.7 ~ 2.0%

Mn은 강재의 피삭성을 부여하기 위한 비금속 개재물 MnS를 형성하기 위해 중요한 합금원소로서, 0.7% 이상 첨가해야 MnS 개재물을 효과적으로 정출시킬 수 있다. 나아가 열간압연시 강편의 표면결함이 증가하는 효과를 억제할 수 있다. 하지 만, Mn 함량이 지나치게 과다하여 2.0%를 초과하면 강재의 경도가 증가하여 공구 수명이 오히려 떨어질 수 있다. 또한, Mn 함량이 0.7~2.0% 범위에서는 일부 Mn이 산소와 결합하여 MnO를 생성하는데, 이것은 응고과정에서 MnS의 생성핵으로 작용하여 구형 MnS 개재물 생성을 촉진한다.

인(P): 0.05 ~ 0.15%

P은 절삭공구 선단에 형성되기 쉬운 BUE을 억제하기 위한 원소로서, P 함유량이 0.05% 미만일 때에는 BUE 생성 억제 효과를 기대하기 어렵고, 반면 0.15%를 초과하는 경우에는 BUE 억제 효과는 우수하나 강재의 경도가 증가하여 절삭공구 수명의 단축이 우려되므로 P의 함량을 0.05∼0.15% 범위로 한정한다

황(S): 0.2 ~ 0.5%

쾌삭강에서 S는 응고시 MnS 개재물을 형성한다. MnS는 전술했듯이 강재의 절삭성을 향상시켜 절삭공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 하기 때문에 매우 중요하다. 이를 위하여 S는 0.2% 이상 첨가된다. 그러나, 본 발명자들의 실험에 의하면, 과량의 S 첨가는 결정립계에 그물 모양의 FeS 석출을 촉진한다. FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 강재 내부에 과량 존재할 경우, 열간압연성이 크게 저하될 수 있다. 또한 S함량이 필요 이상으로 증가하면 강재의 표면 결함이 증가하는 것과 동시에 강재 인성과 연성이 현저하게 떨어지므로, S의 함량은 0.5%를 초과하지 않아야 한다.

붕소(B): 0.002 ~ 0.01%

B는 강재에서 소입성을 증가시키는 역할을 하며, 이를 위하여 10~100ppm 첨가한다. B가 10ppm 미만으로 첨가되는 경우에는 적절한 소입성 증가 효과를 얻기 어렵고, 본 발명자들의 실험에 의하면 B의 양이 100ppm을 초과하는 경우에는 소입성을 충분히 얻을 수는 있지만 고온연성이 저하되어 열간압연성이 저하되므로 그 범위를 제한한다.

크롬(Cr): 0.08 ~ 0.5%

Cr은 탄소강에서 오스테나이트 영역을 확장시키는 역할을 하는 원소로서, 비용이 저렴하고, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성하는 합금원소이다. 이러한 특성 이외에도 절삭성의 향상을 위하여 Cr을 첨가한다. 본 발명자들의 실험에 의하면 Cr을 0.08% 미만으로 첨가하는 경우에는 절삭성 향상 효과가 거의 없었고, 반면 0.5%를 초과하는 경우에는 절삭성이 한계값에 도달하여 더 이상 개선되지 않았는바, Cr 첨가량을 0.08~0.5%로 한정하였다.

티타늄(Ti): 0.003 ~ 0.35 %

Ti은 O, N, C, S 및 H 등 어느 원소와도 강한 친화력을 나타낸다. 특히 Ti는 탈산, 탈질(脫窒), 탈류(脫硫) 반응 등에도 사용될 수 있다. Ti는 탄화물 형성이 용이하고, 결정립을 미세화시키는 역할도 한다. 본 발명자들의 실험 결과, Ti를 0.003% 이상 첨가하면 결정립 미세화로 절삭성과 열간압연성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 0.35%를 초과하여 첨가하는 경우, 절삭성 개선효과는 한계에 도달하고, 오히려 소재에 형성된 TiO₂로 인해 절삭공구 수명이 단축되므로, Ti의 함량은 0.003~0.35%로 제한한다.

질소(N): 0.005 ~ 0.015%

N은 절삭공구에서 구성인선(BUE) 억제 및 절삭부품의 표면 조도에 영향을 미치는 원소이다. 질소 함유량이 0.005% 미만에서는 BUE 생성이 증가하고, 표면조도가 떨어진다. 그리고, 질소 함유량이 증가할수록 BUE 생성은 감소하나, 0.015%를 초과하면 주조가 완료된 쾌삭강에 표면결함이 증가하므로, N의 함량을 0.005∼0.015%로 한정한다.

산소(O): 0.03% 이하

산소(O)는 쾌삭강 주조시 몰드에서 용강의 응고 초기 미세한 MnO를 형성한다. MnO는 MnS를 정출시키는 핵생성 사이트로 작용한다. 여기에서 상기 산소는 주조가 완료된 주편(또는 강편)의 전산소량(T.[O], Total oxygen)를 의미한다. 전술한 바와 같이 산소가 수십 ppm 또는 그 이하일 경우에는 용강 응고시 Type II 또는 Type III 형태의 MnS가 석출되고, 이러한 형상의 MnS는 쾌삭강의 절삭성을 열화시키므로 문제된다. 삭성을 극대화시키기 위하여 Type I 즉 구형의 MnS 정출을 목표로 하며, 실험에 의하면 산소 함량이 높을수록 구형 MnS가 효과적으로 정출되는 경 향을 나타내나, 산소의 양이 과다하여 0.03%를 초과하면 응고가 완료된 주편에서 핀홀(pin hole), 블로홀(Blow hole) 등 표면결함이 증가할 수 있으므로 그 상한을 제한한다.

황(S)에 대한 망간(Mn)의 중량 비율: Mn/S ≥ 3.5

상기의 성분함량 규제 이외에도 고온에서의 연성이 우수한 쾌삭강을 제공하기 위해서는 상기 Mn과 S의 관계는 중량% 기준으로 Mn/S 비율이 3.5 이상을 만족하도록 제어한다. 이는 Mn을 S와 결합시켜 FeS에 의한 열간취성을 피하기 위한 것으로 일정량 이상의 Mn량을 확보하는 것이 중요하기 때문이다. 특히 Mn/S의 비율이 3.5 미만의 경우에는 열간압연성이 저하되어 우수한 쾌삭강을 제조하기 어렵다.

MnS 개수: 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS가 mm²당 300~1000개

무연쾌삭강은 강 내부에 잔존하는 비금속 개재물 MnS의 크기와 분포에 따라 절삭성이 크게 달라진다. 일반적으로 MnS 크기가 크고, 개수가 많을수록 강재의 절삭성이 더 우수한 것으로 알려져 있다. 광학현미경 관찰 및 절삭성 평가결과에 의하면, 압연방향, 즉 L방향 단면에서 크기 5㎛²를 초과하는 MnS가 mm²당 300~1000개 존재할 때 강재의 절삭성이 가장 우수한 것으로 나타났다. MnS가 300개 미만으로 존재하면 절삭성의 저하로 공구수명이 감소되고, 가공된 부품의 표면 조도 역시 저하된다. 반면, 1000개를 초과하면, 공구수명은 늘어날 수 있으나 칩(chip) 처리성 이 불량한 것으로 나타나므로 MnS의 개수는 300~1000개로 제어하는 것이 바람직하다.

이하 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 200kg급 고주파 대기유도 용해로에서 하기 표 1의 실시예 및 비교예(SUM24L) 조성물의 강편을 제조하였다. 여기서 비교예는 현재 가장 널리 사용되고 있는 Pb 쾌삭강 즉 SAE12L14이며, 실험예와 비교예는 동일한 실험설비와 제조과정을 거쳐 제조하였고, 그때 제조된 강편 크기는 230mm X 230mm X 350mm 이었다.

	C	Si	Mn	P	S	N(ppm)	기타 성분	비고
실험예1	0.12	0.05	1.2	0.10	0.30	130	Cr 0.3, Ti 0.3
실험예2	0.09	0.01	1.0	0.08	0.25	98	Cr 0.4, Ti 0.2
실험예3	0.08	0.02	1.1	0.08	0.30	78	Cr 0.1, Ti 0.02
실험예4	0.08	0.03	1.2	0.08	0.30	83	Cr 0.3, Ti 0.006
비교예 1	0.08	0.03	1.2	0.08	0.33	85	Pb 0.25	SUM24L

상기 강편을 가열로에서 1300℃로 가열하고, 파일럿 압연기를 사용하여 두께 30mm 판재로 압연하였다. 이어서 압연방향으로 30mmX30mm의 크기를 갖는 4각형으로 절단한 후, 선반에서 직경 25mm 환봉으로 가공하였다. 이후 CNC 선반에서 상기 직경 25mm 환봉을 대상으로 절삭성 평가실험을 수행하여 공구수명과 절삭면의 표면조도를 측정하였다. 상기 절삭성 평가실험에서는 절삭조건으로는 절삭속도 100m/min, 절삭 깊이 1.0mm 및 이송속도 0.1mm/rev의 조건을 채택하여 수행하였으며, 절삭유를 사용하지 않는 드라이(dry) 컨디션을 유지하였다.

상기 실험에서 공구수명은 일반적으로 널리 사용되는 절삭시간에 따른 플랭크 마모(Flank wear)를 측정하였고, 표면조도는 절삭시간에 따른 표면조도를 도출하였으며, 플랭크 마모와 표면조도의 단위는 각각 ㎛이며, 이 값이 작을수록 표면특성이 우수함을 의미한다. 도 4는 실험예와 비교재의 공구수명을 도시한 그래프로, 실험예들은 비교강들과 동등한 수준의 공구수명을 나타내는 것을 나타낸다. 나아가, 도 5에서는 표면특성 역시 Pb 쾌삭강과 동등 수준이거나 더 우수함을 확인할 수 있었다.

인체에 유해한 Pb 대신 소정량의 Cr, Ti 및 N을 첨가하여 공구수명은 물론 표면조도까지 Pb 쾌삭강과 동등하거나 우수한 수준을 나타낼 수 있는 이유는 S:0.2~0.5% 범위의 고산소 쾌삭강에 Cr:0.1~0.4%, Ti:0.006~0.3% 및 N:78~130ppm의 범위 내에서 첨가하는 경우, 용강 응고시, 크기 1㎛(마이크로미터) 전후의 (Cr,Ti)S계 및 (Cr,Ti)N계 미세 석출물이 결정립계(Grain Boundary)에 다량 석출하게 되고, 이러한 석출물들에 의하여 부품의 기계가공 작업 중 강재의 가공경화 방지, 강재의 파괴인성(Fracture toughness)의 저하 등의 효과가 나타나서, BUE 생성의 억제, Chip 분절성 향상이 가능하기 때문인 것으로 판단된다.

[실시예 2]

연속주조가 완료된 300X400mm 크기의 쾌삭강 블룸을 강편압연 공정에서 160X160mm 크기의 빌렛으로 압연하고, 이어서 상기 빌렛을 선재압연 공정에서 직경 25mm 선재(Wire Rod)로 압연하였다. 그때 강편 및 빌렛은 통상적인 쾌삭강 압연조건으로 가열 및 냉각을 행하였다. 압연이 완료된 선재에서 샘플을 채취하고, N/O 분석기로 전산소량을, 광학현미경으로 MnS 면적과 형상을 관찰하였다. 한편, 선재압연이 완료된 Wire Rod에 대하여 냉간 신선을 실시하여 23mm 환봉(CD Bar)으로 제조하고, 이후 CNC 선반을 사용, 절삭실험을 행한 후 공구수명을 측정하였다. 하기 표 2는 상기 실험을 통해 얻어진 선재의 전산소량(ppm), 면적 5㎛² 이상인 MnS의 mm² 당 개수 및 공구수명을 정리한 것이다. 하기 표 2에서 공구수명은 절삭공구 1개로 절삭 가공할 수 있는 부품 개수를 의미한다

구분	전산소량(T.[O]),ppm	단위 면적당 MnS 수 (면적 5㎛2 이상)	공구수명(회)
실험예 3	133	316	5,300
실험예 4	138	627	5,500
실험예 5	290	525	6,500
실험예 6	235	467	6,200
비교예 2	116	288	4,400
비교예 3	220	219	3,100
비교예 4	315	527	5,800
비교예 5	380	427	5,700

상기 표 2로부터 선재 전산소함량이 한정범위 300ppm 이하에 포함되는 경우, 단위면적당 MnS 수가 300~1000개의 범위라면(실험예 3 내지 6), 공구수명이 5,000회 이상으로 나타났다. 반면, 비교예 2 및 3과 같이 전산소 함량이 적정 범위에 속함에도 불구하고 단위 면적당 MnS가 300개 미만인 경우에는 공구수명이 5,000회에 미달하였다. 이는 비교적 면적이 큰 MnS 부족으로 절삭시 크랙발생, 전파가 상대적으로 덜 진행되어 생긴 현상으로 생각된다.

한편, 비교예 4 및 5의 경우에는 단위면적당 MnS 수가 적정 범위에 포함되고, 절삭공구 수명도 기준값인 5,000를 초과하였으나, 주편으로부터 CD바(Cold-Drawn Bar)까지의 회수율이 80% 미만인데, 그 이유는 전산소량이 300ppm을 초과하여 과도하게 높아 1차적으로 주편의 표면에 핀홀, 블로홀 등이 잔존하였고, 이후 강편압연 및 선재압연에서 더 이상 개선되지 못함을 알 수 있다. 따라서 전산소량이 과도하게 높은 경우에는 다수의 표면결함, 낮은 회수율 및 비용의 증가가 나타난다.

도 1은 MnS 개재물의 모습을 나타내는 현미경 사진

도 2는 고산소 쾌삭강에서 Cr, Ti, N 및 S계 석출물이 MnS 개재물과 공존하는 모습을 나타내는 현미경 사진

도 3은 친환경 무연쾌삭강의 제조공정을 개략적으로 나타내는 그림

도 4는 실험예와 비교예의 공구수명을 비교하는 그래프

도 5는 실험예와 비교예의 표면조도를 비교하는 그래프

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.04 ~ 0.13%, Si: 0.1% 이하, Mn: 0.7 ~ 2.0%, P: 0.05 ~ 0.15%, S: 0.2 ~ 0.5%, B: 0.002 ~ 0.01%, Cr: 0.08 ~ 0.5%, Ti: 0.003 ~ 0.35%, N: 0.005 ~ 0.015%, O: 0.03% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 무연쾌삭강.
2. 제1항에 있어서, 상기 무연쾌삭강은 선재 압연방향 단면에서 입자 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물이 소재 mm²당 300~1000개 범위로 존재하는 무연쾌삭강.
3. 제1항에 있어서, 상기 Mn 및 S 사이의 중량비율은 Mn/S≥3.5인 무연쾌삭강.

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