KR20120063197A

KR20120063197A - 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강

Info

Publication number: KR20120063197A
Application number: KR1020100124274A
Authority: KR
Inventors: 이기호; 안상복; 배근섭
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-15

Abstract

본 발명은 자동차, 사무기기, 가전제품 등에 사용되는 저탄소 쾌삭강에 관한것으로, 붕소와 질소의 적정 함량을 제시함으로써, 우수한 절삭성을 갖고 동시에 열간압연성을 대폭 향상시킨 저탄소 쾌삭강 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%으로, C: 0.03~0.15%, Si: 0.01% 이하, Mn: 0.8~1.6%, P: 0.03~0.12%, S: 0.25~0.50%, B: 0.002~0.009%, N: 0.007%이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하며, B와 N의 첨가량이 0.77×N+0.0005<B<0.77×N+0.0067 를 만족시키는 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강{LOW-CARBON FREE-CUTTING STEEL WITH EXCELLENT HOT ROLLING PROPERTY}

본 발명은 자동차, 사무기기, 가전제품 등에 사용되는 저탄소 쾌삭강에 관한것으로, 더욱 상세하게는 우수한 절삭성을 갖고 동시에 열간압연성을 대폭 향상시킨 저탄소 쾌삭강 및 그 제조방법을 제공한다.

저탄소 쾌삭강은 일반 탄소강 대비 강도가 덜 요구되면서 우수한 표면조도와 치수정밀도가 요구되는 곳에 널리 사용되기 때문에 절삭성이 매우 중요시되는 강이고, 저탄소 쾌삭강의 절삭성을 향상시키기 위해서 현재까지 많은 연구가 진행되고 기술개발이 이루어졌다.

저탄소 쾌삭강에 저융점 원소인 납(융점 327℃)을 소량만 첨가해도 절삭성을 대폭향상시킬 수 있어 공구수명 증대 및 칩 분절성 향상에 따라 절삭가공성이 좋아지고, 제품의 표면품질 및 치수정밀도를 더욱 향상시켜 기존 저탄소 쾌삭강에 납을 첨가한 저탄소 납 첨가 쾌삭강이 광범위하게 사용되고 있다. 그러나 점차 환경규제가 강화되고 많은 자동차 및 가전제품 회사에서 인체에 유해한 원소인 납의 사용을 자체적으로 규제하는 상황에서 고(高) 유황 쾌삭강(S > 0.3중량%) 또는 인체에 무해한 저융점 원소이면서 절삭성 향상 원소로 알려진 비스무스(융점 273℃), 주석(융점 232℃)등이 대체 첨가 원소로 관심을 받기 시작했다. 그러나 일반적으로 절삭성 향상원소인 Bi, Sn, S 등은 열간압연성을 현저히 저하시킨다. 또한 기존 저탄소 쾌삭강은 다량의 비금속개재물인 MnS가 이미 분포하며 열간압연 시 이것이 응력집중원으로 작용하여 균열생성 및 성장이 용이하여 열간압연성이 감소한다. 따라서 본 발명에서는 납쾌삭강을 대체할 목적으로 개발되는 저탄소 무연쾌삭강에서 절삭성 향상 원소를 첨가함으로써 감소가 예상되는 열간압연성의 향상을 위해 합금 첨가 원소인 붕소를 고려했고 이에 대한 종래기술에 대해서 기술하고자 한다.

저탄소 쾌삭강에서 붕소와 질소 첨가에 따른 영향에 대한 종래기술은 다음과 같다.

국내공개특허공보[1998-0029705]에서는 저탄소 쾌삭강에서 열간압연성의 향상을 목적으로 붕소를 첨가하고 압연온도를 제어하는 것을 규정하고 있다. 그러나 고용(프리) 붕소와 또한 이것에 영향을 주는 질소와 붕소 화합물(BN, Fe₂B, Fe₂₃(B,C)₆ 등)을 고려하고 있지 않아, 경우에 따라 다량의 붕소 화합물이 입계 또는 비금속개재물의 경계에 생성되어 열간압연 중 균열이 생성 및 전파하여 열간압연성이 감소할 수 있는 문제점이 발생할 수 있다.

일본공개특허공보[2001-303209]에서는 저탄소 쾌삭강에서 붕소 및 질소를 제어하는 것을 규정하고 있으나, 연자성의 향상을 목적으로 한 고용 붕소에 대한 화학조성을 제시하고 있고 BN화합물 형성을 통하여 절삭성 향상을 꾀한 기술에 관한 것이다. 붕소가 열간압연성에 미치는 영향은 고려하지 않았다.

일본공개특허공보[2006-249457]에서는 쾌삭강에서 BN화합물을 형성시켜 절삭성을 향상시키고, 고용 붕소를 이용하여 소입성을 향상시키며, 규소 및 알루미늄 원소를 이용한 적정하게 탈산시킨 쾌삭강에 대한 기술로서 붕소 및 질소 함량을 규정하고 있으나 열간압연성 향상에 대한 기술이 아니고 탈산 강인 기계구조용 쾌삭강을 포함하는 기술에 관한 것이다.

일본공개특허공보[2007-146228]는 붕소를 첨가하여 BN화합물을 생성시킴으로써 절삭성을 향상시키고, 적정량의 Si 및 Ca을 첨가하여 전체 산소(T[O])함량이 50~120ppm이 되도록 한 저탄소 쾌삭강 제조에 관한 기술이다. 따라서 붕소의 첨가는 절삭성 향상을 위한 것이며, 열간압연성에 관하여는 탈산을 통한 핀홀 절감으로 열간압연성을 향상시킨 기술이다.

앞서 언급한 종래기술 중 BN화합물을 포함한 것은, 절삭성을 향상시키기 위한 목적을 가지며, 붕소의 첨가에 따른 열간압연성에 대해서는 전혀 기재되어 있지 않다.

저탄소 쾌삭강은 우수한 절삭성이 요구되는 강으로 강도는 그다지 중요하지 않다. 일반적으로 저탄소 쾌삭강의 주요 화학조성은 0.15%의 탄소, 0.12%의 인, 0.3%의 황, 1.4%의 망간을 첨가하며 Mn/S의 비가 3 이상이 되도록 하고 있으며, 여기에 추가적으로 절삭성을 향상시키기 위하여 저융점 원소인 납(융점 327)이나 친환경 저융점 원소인 비스무스(융점 273℃)등을 소량 첨가하고 있다.

그러나 이러한 절삭성 향상 원소의 첨가는 비금속개재물인 MnS가 이미 존재하고 있는 저탄소 쾌삭강의 열간압연성을 더욱더 열위하게 만들며, 강편 또는 선재제조공정에서 표면결함이 발생하는 주요 원인인 것으로 알려져 있다. 일반적을 쾌삭강에서 절삭성과 열간압연성의 관계는 모순관계로, 절삭성을 향상시키기 위해서 절삭성 향상 원소의 첨가량을 늘릴수록 열간압연성은 떨어지며, 반대로 열간압연성을 위하여 절삭성 향상 원소를 덜 첨가하면, 열간압연성은 떨어지지 않으나, 절삭성 향상 효과를 얻기가 힘들다. 특히 납쾌삭강을 대체하기 위해서는 다량의 절삭성 향상 원소가 첨가되어야 필요한 절삭성을 확보할 수 있어, 열간압연성은 급격히 감소하게 된다. 특히 초석 페라이트가 상대적으로 높은 온도(A₃)에서 생성되는 저탄소 영역에서는 더욱 그렇다. 따라서, 절삭성 및 열간압연성이 모두 우수하면서 납쾌삭강을 대체할 수 있는 쾌삭강의 개발이 필요하게 되었다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로, 붕소 및 질소 첨가량을 적절히 제어하여 열간압연성을 크게 향상시킨 저탄소 쾌삭강을 제공하는 것이다.

이를 실현하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강은,

중량%으로, C: 0.03~0.15%, Si: 0.01% 이하, Mn: 0.8~1.6%, O: 0.01~0.3%, P: 0.03~0.12%, S: 0.25~0.5%, B: 0.002~0.009%, N: 0.007%이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 상기 Mn과 S의 첨가량이 하기 관계식 1을 만족시킨다.

[관계식 1]

Mn/S≥3.5

또한, 상기 B와 N의 첨가량은 하기 B-N 관계식을 만족시키는 것이 바람직하다.

[B-N 관계식]

0.77×N+0.0005<B<0.77×N+0.0067

또한, 상기 쾌삭강은 Bi: 0.03~0.3%, Sn: 0.001~0.2%, Te: 0.002~0.1%, Zn: 0.002~0.1% 및 Cu: 0.002~0.1%로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 추가적으로 포함되는 것이 바람직하다.

본 발명을 이용하면, 납쾌삭강을 대체할 수 있으며, 절삭성은 종래의 수준을 유지하면서 열간압연성이 크게 향상된 저탄소 쾌삭강을 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 저탄소 무연쾌삭강에서 발생하는 압연흠을 찍은 사진이다.
도 2는 붕소함량에 따른 고온연성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 고용(free) 붕소가 MnS계면에 존재하는 것을 보여주는 사진이다.
도 4는 붕소와 질소의 압연성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

본 발명에서는 납쾌삭강을 대체할 목적으로 절삭성 향상 원소를 첨가함으로써 감소가 예상되는 열간압연성의 향상을 위해 합금 첨가 원소인 붕소를 고려하였으며, 붕소와 질소를 적정 함량으로 첨가함으로써, 절삭성과 열간압연성이 모두 우수한 저탄소 쾌삭강을 개발할 수 있었다.

저탄소 쾌삭강에 붕소를 첨가하면 크게 고용(free)붕소와 붕소 화합물(BN, Fe₂B, Fe₂₃(B,C)₆ 등)로 존재하게 된다. 블룸 또는 빌렛을 압연할 때, 고용붕소는 입계에 화합물이 아닌 상태로 편석하여 입계 결합력을 강화시키며, 초석 페라이트의 생성을 지연시켜 열간압연성을 향상시킨다.

그러나, 강에 질소가 존재하는 경우, 붕소는 질소와 친화력이 높아 쉽게 BiN화합물을 생성하므로, 고용붕소가 부족한 경우 상기와 같은 초석 페라이트의 생성 지연으로 인한 열간간압연성 향상의 효과를 얻을 수 없게 된다.

따라서, 본 발명에서는 붕소와 질소의 적정 함량을 제시하여 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강을 제공할 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명을 강재의 성분과 그 제조방법으로 구분하여 상세히 설명한다.

먼저 강재 성분에 대해 설명한다. 아래 각 원소의 함량은 중량%를 나타낸다.

탄소(C)의 함량은 0.03~0.15%로 하는 것이 바람직하다.

C는 탄화물을 형성하여 소재의 강도 및 경도를 증가시키는 원소로, 쾌삭강에서는 일부 펄라이트(pearlite)로 존재하여 강재를 절삭할 때 적정 경도를 부여하여 공구에서 구성인선(Build-ip Edge, 이하 BUL이라 한다.)이 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다. C의 함유량이 0.03% 미만인 경우에는 구성인선이 쉽게 발생하여 바람직하지 않은 반면, C의 함량이 0.15%를 초과하는 경우에는 소재의 경도가 지나치게 증가하여 공구 수명이 크게 단축된다.

실리콘(Si)의 함량은 0.01% 이하인 것이 바람직하다.

고산소 조업을 실시하는 쾌삭강에서는 Si 함량이 0.01%를 초과하게 되면 경질의 SiO₂가 다량 생성되어 쾌삭강의 절삭가공 공정에서 공구수명을 현저하게 떨어뜨리므로, 본 발명에서는 Si를 첨가하지 않는 것이 좋으나, 제강공정에서 합금철, 내화물 등으로부터 불가피하게 Si가 유입될 수 있으므로, Si의 함량은 0.01% 이하로 한정한다.

망간(Mn)의 함량은 0.8~1.6%인 것이 바람직하다.

Mn은 강재에 피삭성을 부여하기 위한 비금속 개재물 MnS를 형성시키는데 중요한 합금원소로서, 본 발명에서는 0.8% 이상을 첨가해야 MnS 개재물을 효과적으로 정출시킬 수 있으며, 나아가 열간압연 시 강편의 표면결함이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 하지만 Mn 함량이 지나치게 과다하여 1.6%를 초과하는 경우에는 강재의 경도가 증가하여 공구 수명이 오히려 떨어질 수 있다. Mn은 산소와 결합하여 MnO를 생성하는데, 이것은 응고과정에서 MnS의 생성 핵으로 작용하여 구형 MnS 개재물의 생성을 촉진하는 역할을 하게 된다. 그러나 적정량 이상의 MnO가 최종 소재에 존재하게 되면 공구수명 및 표면조도가 떨어지기 때문에, 본 발명에서는 Mn함량을 적절히 제어하는 것이 중요하다.

인(P)의 함량은 0.03~0.12%인 것이 바람직하다.

P은 절삭성 향상 원소로 소재의 결정입계에 편석 또는 화합물로 존재하여 절삭공구 선단에 형성되기 쉬운 구성인선을 억제한다. P의 함유량이 0.03% 미만일 때에는 구성인선 생성 억제 효과를 기대하기 어렵고, 반면 0.12%를 초과하는 경우에는 P 편석 문제 또는 핀/블로우 홀을 생성시켜 열간압연성이 저하될 수 있으므로, 본 발명에서는 P 함량을 0.03?0.12% 범위로 하였다.

황(S)의 함량은 0.25~0.5중량%인 것이 바람직하다.

쾌삭강에서 S는 응고 시 MnS 개재물을 형성하여 절삭성을 향상시키는 가장 중요한 첨가원소 중 하나이다. 절삭공구 선단에 의해 형성된 1차 및 2차 변형 지점에 존재하는 MnS에서 균열이 생성되면 절삭응력을 감소시켜 절삭공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 하게된다. 이러한 목적을 위해서는 S를 0.25% 이상 첨가하여야 하나, S의 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 결정립계의 그물 모양의 FeS 석출을 촉진하며, 이러한 FeS는 매우 취약하며 용융점이 낮기 때문에 열간압연성이 크게 저하될 수 있다. 또한, S의 함량이 필요 이상으로 증가하면 강재의표면 결함이 증가하는 것과 동시에 강재 인성과 연성이 현저하게 떨어지므로, 상기 S의 함량은 0.25~0.5중량%인 것이 바람직하다.

또한 S와 Mn의 중량 비율은, 즉 Mn/S는 3.5 이상인 것이 바람직하다.

상기의 성분함량의 규제 이외에도 본 발명에 따른 고온에서 연성이 우수한 쾌삭강을 제공하기 위해서는, Mn을 S와 결합시켜 FeS에 의한 열간취성을 피할 수 있도록, 일정량 이상의 Mn량을 확보하도록, 중량%를 기준으로 Mn/S의 비율이 3.5 이상이 되도록 한다. Mn/S의 비율이 3.5 미만인 경우에는 열간압연성이 저하되어 소재 압연 시 표면 터짐 문제가 발생할 수 있다.

붕소(B)의 함량은 0.002~0.009%인 것이 바람직하다.

B는 일반적으로 강재에서 소입성을 증가시키는 역할을 하며, 페라이트생성을 지연시키고 입계를 강화하여 열간압연성을 향상시킴을 고온인장 시험의 결과로부터 확인할 수 있었다. B가 20ppm 미만으로 첨가되는 경우에는 고용 붕소의 양이 부족하여 입계 강화 효과를 얻기가 어렵고, B의 양이 90ppm을 초과하는 경우에는 고온인장시험에서 감면율(Reduction in Area, RA)은 증가하나 강편 및 선재 압연 중 냉각수에 민감하게 반응하여 BN화합물을 포함한 붕소화합물(Fe₂B, Fe₂₃(B,C)₆ 등)이 입계 및 MnS경계에 다량으로 생성되어 열간압연 공정에서 표면결함이 발생할 수 있다.

질소(N)의 함량은 0.007% 이하인 것이 바람직하다.

질소는 저탄소 쾌삭강에서는 고용도가 낮지만 과포화 고용되거나 또는 질화물을 형성하여 강도를 높여주며, 적정량을 첨가 시 P와 함께 표면조도를 향상시킨다고 알려져 있다. 질소와 친화력이 높은 Ti 또는 B를 첨가하면 질소 화합물이 우선적으로 생성된다. 본 발명에서는 열간압연성 향상을 목적으로 붕소를 첨가하기 때문에 적정량의 고용 붕소를 얻기 위하여 질소 함량을 70ppm 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 붕소와 질소는 하기 B-N관계식을 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명의 표면결함의 발생을 억제를 통한 열간압연성을 확보를 위해서는, 적정량의 고용 붕소가 필요하다. 적정량의 고용 붕소를 얻기 위해서는 다음과 같은 B-N관계식을 만족시키는 것이 바람직하다.

[B-N관계식]

0.77×N+0.0005<B<0.77×N+0.0067

산소(O)의 함량은 0.01~0.3%인 것이 바람직하다.

쾌삭강 주조 시에 몰드에서 용강의 응고초기에는 산소와 망간이 결합하여 미세한 MnO를 형성하고, 상기 MnO는 MnS를 정출시키는 핵생성 사이트로 작용하게 된다. 여기서 산소는 주조가 완료된 주편 또는 강편의 전체 산소량(T[O], Total oxygen)을 의미한다. 산소가 수십 ppm 또는 그 이하일 경우에는 용강 응고시에 수지상 형태 또는 불규칙한 형태의 MnS가 석출되며, 이러한 형상의 MnS는 쾌삭강의 절삭성을 저하시킨다. 산소가 0.01% 미만일 경우에는, MnS 개재물이 미세하게 입계에 그물망 형태로 존재하여 원하는 절삭성을 만족하지 못한다. 또한, 본 발명은 절삭성을 극대화하기 위하여 구형의 MnS정출을 목표로 하며, 산소 함량이 높을수록 구형 MnS가 효과적으로 정출되는 경향을 나타내나, 산소의 함량이 0.3%를 초과하는 경우에는 응고가 완료된 주편에 핀홀(pin hole), 블로홀(Blow hole) 등의 표면결함이 크게 증가할 수 있다.

상기의 합금성분의 이용만으로도 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강을 제조할 수 있지만, 종래의 납쾌삭강과 동등한 수준의 절삭성을 가지면서 열간압연성이 우수한 저탄소 무연쾌삭강을 제조하기 위해서는, 상기 합금성분에 절삭성 향상 원소인 Bi, Sn, Te, Zn, Cu로 이루어지는 그룹 중 1종 이상을 더 첨가하는 것이 바람직하다.

비스무스(Bi)의 함량은 0.03~0.3%인 것이 바람직하다.

Bi는 절삭성 향상 저융점 원소로 쾌삭강 내에 존재하는 형태 및 절삭성에 영향을 주는 특성이 납과 유사하며, 특히 공구수명과 칩분절성에 우수한 효과를 얻을 수 있게 한다. 하지만, 0.03% 미만으로 첨가되는 경우에는 원하는 절삭성을 얻을 수 없으며, 0.3%를 초과하는 경우에는 열간압연성의 확보가 어려우므로, 상기 Bi의 함량은 0.03~0.3%로 하는 것이 바람직하다.

주석(Sn)의 함량은 0.001~0.2%로 하는 것이 바람직하다.

주석은 결정입계에 편석되어 절삭가공 시 입계취화를 유발하여 절삭저항을 낮추는 특징을 갖고 있다. Bi와 같이 절삭성 향상 저융점 원소로서, 0.001% 이상을 첨가하여야 표면조도에 좋은 영향을 주지만, 첨가량이 증가할수록 열간압연성이 현격히 감소하며, 0.2%를 초과하면 본 발명에서 목적으로 하는 수준의 열간압연성의 확보가 어려우므로, Sn의 함량은 0.001~0.2%로 하는 것이 바람직하다.

텔루륨(Te)의 함량은 0.002~0.1%로 하는 것이 바람직하다.

Te는 저융점(450℃) 원소로 MnTe을 형성하거나 또는 MnS에 공존하여 MnS를 대형화하고, 압연시 MnS의 변형을 억제하여 비금속 개재물의 장단축을 향상시키므로 절삭성을 향상시킨다. 하지만, 그 0.002% 미만으로 첨가되는 경우에는 그 효과를 얻을 수 없으며, 0.1%를 초과하여 첨가되는 경우에는 본 발명에서 목적으로 하는 수준의 열간압연성의 확보가 어렵다.

아연(Zn)의 함량은 0.002~0.1%로 하는 것이 바람직하다.

아연은 주석의 특징과 그 특징이 매우 유사하다. 절삭가공시에 입계취화를 유발하여 절삭저항을 낮추며, 저융점(419℃) 원소로 절삭성 향상의 효과를 얻기 위해서는 0.002% 이상이 첨가되어야 하지만, 그 첨가량이 늘어날수록 열간압연성이 현격히 감소하며, 0.1%를 초과하여 첨가되는 경우에는 본 발명에서 목적으로 하는 수준의 열간압연성의 확보가 어려우므로, 아연의 함량은 0.002~0.1%로 하는 것이 바람직하다. 특히 Zn은 기본 성분계에 추가로 2종 이상을 첨가하는 경우에는 열간압연성을 위하여 0.05%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

구리(Cu)의 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다.

Cu는 소입성을 좋게 하며 동시에 절삭성 향상에 도움을 준다. Cu의 함량이 0.01% 미만인 경우에는 원하는 수준의 절삭성 향상 효과를 얻을 수 없으며, 0.1%를 초과하여 첨가되는 경우에는 본 발명에서 목적으로 하는 수준의 열간압연성의 확보가 어려우므로, 구리의 함량은 0.01~0.1%로 하는 것이 바람직하다. 특히, Cu는 Zn과 같이 기본 성분계에 추가로 2종 이상을 첨가하는 경우에는 열간압연성을 위하여 0.05%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여, 본 발명에서 제시하고 있는 합금원소 및 화학조성이 열간압연성 및 절삭성에 미치는 영향을 설명하고자 한다.

본 발명의 실시예에 사용된 시험재 중 일부는, 포항제철소에서 100톤 전로와 LF를 거쳐 연속주조 공정을 통해 블룸(단면 400mm×500mm)으로 생산되었으며, 이후 강편압연을 실시하여 빌렛(단면 160mm×160mm)과 선경이 Φ27mm인 선재로 제조하였다. 또한 다른 일부의 시험재는 200kg의 대기유도가열 용해로에서 생산하고 상기 빌렛에 용접 후 같은 크기인 선재와 CD 바(bar)로 제조하였다.

현장 열간압연성 평가는 선재압연 실시 중에 또한 실시 후에 표면상태를 육안으로 검사하였으며 표면결함 깊이<0.13mm를 합격판정기준에 따라 실시하였다. 첨가 원소가 열간압연성에 미치는 영향을 상세하게 알아보기 위해서 실험실 열간압연성 평가를 실시하였고, 실험실 평가는 Gleeble기기를 이용하여 고온에서 인장을 한 후에 시편 파단부의 감면율을 측정 비교하였다.

[실시예 1]

본 실시예에서는 붕소 및 질소가 열간압연성에 미치는 영향을 알아보기 위해서 화학조성 범위를 폭넓게 하여 시험재를 제조하였고, 특히 절삭성 향상 원소 중에서 열간압연성에 가장 악영향을 주는 비스무스를 0.2%씩 모든 시험재에 동일하게 첨가하여 열간압연성이 취약한 조건에서 붕소 및 질소의 영향을 관찰하였다.

최종 압연성 판단은 압연 중에 열화상 카메라를 통해서 최종 선재 완성제품의 표면을 관찰한 후 이루어졌다. 본 발명에서 제시한 화학조성을 만족하면 '발명재'로, 그리고 비교 목적을 위해서 제조한 시험재는 '비교재'라 정의하고 이것을 하기 표 1에 나타냈다. (고용 B의 값은 「B-0.77×N」으로 계산하였으며, 관계식 만족여부는 B와 N에 대하여, 「0.77×N+0.0005<B<0.77×N+0.0067」의 식을 만족하는지 여부에 대해 나타내었고, 압연성 합격여부는 합격인 경우에는 ○, 불량(선재표면흠)인 경우에는 ×, 매우 불량(조압연 중 표면흠 발생)인 경우에는 ××로 표시하였다.)

구분	화학조성											압연성 합격여부
구분	C	Si	Mn	P	S	Bi	B (ppm)	N (ppm)	B/N	고용B (ppm)	관계식 만족	압연성 합격여부
비교재1	0.07	0.01	1.2	0.07	0.33	0.19	-	41	-	-	×	×
비교재2	0.09	0.01	1.1	0.07	0.28	0.2	15	35	0.43	-	×	×
발명재1	0.07	0.01	1.4	0.09	0.39	0.21	35	38	0.92	6	○	○
발명재2	0.08	0.01	1.2	0.04	0.35	0.22	48	44	1.09	14	○	○
발명재3	0.05	0.01	1.0	0.1	0.28	0.2	55	49	1.12	17	○	○
발명재4	0.08	0.01	0.9	0.11	0.27	0.19	49	35	1.4	22	○	○
발명재5	0.06	0.01	1.3	0.08	0.41	0.2	32	28	1.14	10	○	○
발명재6	0.07	0.01	1.1	0.07	0.32	0.18	87	38	2.29	58	○	○
발명재7	0.08	0.01	1.0	0.07	0.37	0.21	61	10	6.1	53	○	○
발명재8	0.08	0.01	1.2	0.08	0.45	0.2	70	60	1.17	24	○	○
비교재3	0.08	0.01	1.0	0.08	0.31	0.21	120	40	3	89	×	××
비교재4	0.07	0.01	1.3	0.09	0.38	0.22	70	82	0.85	7	○	×
비교재5	0.08	0.01	1.2	0.06	0.32	0.2	88	100	0.88	11	○	×
비교재6	0.06	0.01	1.2	0.08	0.32	0.2	151	42	3.59	119	×	××
비교재7	0.08	0.01	1.1	0.07	0.29	0.18	60	85	0.71	-	×	×
비교재8	0.07	0.01	1.2	0.09	0.27	0.2	92	13	7.08	82	×	×

표 1의 결과를 통해, 본 발명의 저탄소 쾌삭강에 대해 기본 화학조성 함량에 따른, B/N비, 이론 고용 분소량 및 B-N관계식 만족여부에 따른 압연성 결과를 볼 수 있다.

비교재 1 및 2의 경우에는 압연성에서 불량판정을 받았는데, 이는 고용 B가 없어서 압연성 향상 효과를 얻을 수 없었기 때문이다. 또한, 비교재 3, 6 및 8은 붕소 함량이 상한인 90ppm을 초과하여 B-N관계식을 만족하지 못하는 경우로 모두 불량판정을 받았다. 비교재 4 및 5은 B-N관계식과 본 발명에서 제시한 붕소의 함량을 만족하나, 질소 함량이 상한인 70ppm을 초과한 것으로 불량판정을 받았다.

따라서, 본 발명이 제시하는 B, N의 함량 및 B-N관계를 만족하지 않는 경우에는 압연성 향상효과가 나타나지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 질소 함량이 본 발명에서 제시한 함량을 초과할 경우 다량의 BN화합물이, 그리고 붕소 함량이 초과할 경우 B화합물(Fe₂B, Fe₂₃(B, C)₆ 등)이 입계 또는 MnS계면에 생성되며, 결합력을 약화시켜 급격하게 압연품질을 떨어뜨리기 때문이다. 특히 붕소가 함량을 초과하는 경우에는 압연 중 분사되는 냉각수에 민감하게 반응하여 압연성이 더욱 취약해진다. 도 1은 비교재 6를 선재압연 중 열화상카메라로 촬영한 것으로 강편 선단부에 스케일을 제거하기 위해 가동한 디스케일러를 통과했을 때 국부적으로 발생한 균열을 보여주고 있다. 또한 도 2는 PAT(Particle Tracking Analysis)기법을 통해 고용 붕소가 MnS계면에 존재하는 것을 보여주는 사진이다.

[실시예 2]

본 실시예에서는 질소 함량을 고정하고 붕소의 함량을 변화시켜, 붕소 함량이 고온연성에 미치는 영향에 대해 확인하고자 한다. 일반적으로 고온연성은 글리블 인장 시험을 통해 온도에 따른 인장판단 후 소재감면율(%) 정도를 보고 판단한다. 즉, 상대적으로 고온연성이 높을수록 감면율이 증가한다.

도 3은 표 1의 발명재 1, 발명재 6 및 비교재 6의 고온연성 RA(%)를 측정한 것을 나타내는 것으로, 도 3을 참조하면, 질소가 약 40ppm정도의 수준일 때, 붕소가 35ppm에서 151ppm으로 증가함에 따라 고온연성이 증가함을 알 수 있다. 그 이유는 소재 내에 고용 붕소가 증가하여, 입계 및 MnS계면의 결합력을 증가시키며 초석 페라이트의 생성을 지연시키기 때문이다. 그러나 붕소의 함량이 지나치게 높으면 비록 글리블 인장 고온연성 RA(%)가 증가하더라도 B화합물이 다량으로 생성되므로, 도 1과 표 1에 나타낸 것과 같이 압연품질이 떨어질 수도 있다. 따라서, 저탄소 쾌삭강에서 열간압연성의 향상을 위해 붕소를 첨가하는 경우에는, 붕소를 적정 함량을 첨가하는 것뿐 아니라, 적정량의 질소를 첨가하여야하고, 본 발명에서 제시한 B-N관계식을 만족하는 것이 중요함을 확인할 수 있었다. 도 4에는, 상기 붕소 및 질소의 함량과 압연성과의 관계를 그래프로 나타내었다.

[실시예 3]

실시예 1 및 2를 통해 붕소와 질소를 적정함량 첨가함으로써 열간압연성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 실시예 3에서는 붕소와 질소의 함량을 적정량으로 고정하고, 절삭성 향상 원소인 Bi, Sn, Te, Zn, Cu를 첨가했을 때, 압연성과의 상관관계 및 상기 절삭성 향상원소들의 영향에 대해 시험하였다.

시험재는 모두 200kg 대기유도가열 용해로에서 생산하여 빌렛에 용접한 후 선재로 제조하여 압연성을 평가하였으며, 이를 표 2에 나타내었다.

구분	화학조성												압연성 합격여부
구분	C	Si	Mn	P	S	B (ppm)	N (ppm)	Bi	Sn	Te	Zn	Cu	압연성 합격여부
발명재1	0.08	0.01	1.4	0.06	0.32	50	42	0.25	-	-	-	-	○
비교재1	0.06	0.01	1.2	0.08	0.30	49	40	0.35	-	-	-	-	×
발명재2	0.05	0.01	1.0	0.08	0.32	51	40	-	0.07	-	-	-	○
발명재3	0.07	0.01	1.1	0.06	0.31	49	38	-	0.18	-	-	-	○
비교재2	0.07	0.01	1.3	0.11	0.28	49	39	-	0.28	-	-	-	×
발명재4	0.05	0.01	1.0	0.10	0.29	49	42	-	-	0.01	-	-	○
발명재5	0.06	0.01	0.9	0.09	0.32	49	41	-	-	0.08	-	-	○
비교재3	0.06	0.01	1.1	0.06	0.35	49	38	-		0.21	-	-	×
발명재6	0.07	0.01	1.0	0.04	0.32	49	40	-	-	-	0.08	-	○
비교재4	0.08	0.01	1.1	0.05	0.31	49	39	-	-	-	0.2	-	×
발명재7	0.08	0.01	1.2	0.06	0.32	49	40	-	-	-	-	0.05	○
발명재8	0.08	0.01	1.2	0.08	0.30	49	41	-	-	-	-	0.08	○
비교재5	0.08	0.01	1.1	0.07	0.29	49	43	-	-	-	-	0.13	×

Bi, Sn, Te, Zn, Cu의 절삭성 향상원소들에 대해 그 첨가량이 증가할수록 절삭성은 향상되지만, 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제시하는 각 원소의 상한값을 넘어 첨가되는 경우에는 압연성 시험에서 불합격판정을 받았다. 따라서, 본 발명에서 제시하는 Bi, Sn, Te, Zn, Cu의 첨가범위를 만족하는 경우, 절삭성과 압연성이 모두 좋은 저탄소 쾌삭강을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims

중량%으로, C: 0.03~0.15%, Si: 0.01% 이하, Mn: 0.8~1.6%, O: 0.01~0.3%, P: 0.03~0.12%, S: 0.25~0.5%, B: 0.002~0.009%, N: 0.007%이하, 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하고, 상기 Mn과 S의 첨가량이 하기 관계식 1을 만족시키는 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강.
[관계식 1]
Mn/S≥3.5
청구항 1에 있어서,
상기 B와 N의 첨가량이 하기 B-N관계식을 만족시키는 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강.
[B-N관계식]
0.77×N+0.0005<B<0.77×N+0.0067
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 쾌삭강은 Bi: 0.03~0.3%, Sn: 0.001~0.2%, Te: 0.002~0.1%, Zn: 0.002~0.1% 및 Cu: 0.01~0.1%로 구성되는 그룹으로부터 선택된 1종 이상이 추가적으로 포함되는 열간압연성이 우수한 저탄소 쾌삭강.