KR20150074974A - 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재의 물성이 저하되는 것을 방지하며, 진동 감쇠능과 절삭 가공성이 우수한 고망간 강재를 제공하고자 하는 것이다.

Description

절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재{HIGH MANGANESE STEEL HAVING EXCELLENT VIBRATION DAMPING ABILITY AND MACHINABILITY}

본 발명은 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 강재에 관한 것이다.

외부에서 가해지는 충격에 의해 강재가 에너지를 받게 될 때, 강재 자체가 진동을 하며, 이 에너지는 일부 흡수하거나 소음을 내게 되는데, 진동 감쇠능을 갖는(또는 방진용) 강재라 함은 이러한 외부의 충격을 받았을 때, 진동의 변위 자체를 빨리 낮추어 진동을 빨리 흡수하거나, 이로 인해 외부 타격에 의해 발생하는 소음의 데시벨을 낮추어 주는 강재를 의미한다.

상기 진동 감쇠능을 갖는 강재로서, 종래에는 비자성 Fe-Mn 이원계 진동 감쇠 합금이 많이 사용되고 있다. 상기 Fe-Mn 이원계 진동 감쇠 합금은 Mn이 17wt% 포함되어 있는 합금으로서, Mn이 17wt% 포함될 경우에 입실론 마르텐사이트의 분율이 최대화 됨으로 인해, 우수한 진동 감쇠능을 보이게 된다.

그러나, 상기 비자성 Fe-Mn 이원계 진동 감쇠 합금의 경우에는 미세조직이 입실론 마르텐사이트와 오스테나이트로 이루어짐에 따라 일반적인 탄소강 대비, 경도와 터프니스가 높아 절삭 가공성(또는 피삭성)이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 정밀성을 요하지 않고, 형상 가공이 용이한 교량용 방호용 지주, 철도 이음매 궤도판 등에 사용되나, 고도의 정밀성을 요하는 정밀기계 부품, 자동차, 시계 부품 등에 적용하기에는 곤란한 실정이다.

이러한 절삭 가공성을 향상시키기 위해서, 일반적으로 알려진 절삭성 원소를 추가하는 방안이 고려되고 있다. 절삭성 원소로는 납(Pb), 비스무스(Bi), 황(S) 등이 알려져 있다.

절삭 가공성 향상원소로서 대표적으로 납(Pb)이 있다. 납은 융점이 낮아 공구팁에서 발생되는 열에 의해 쉽게 용융될 수 있고, 피삭성 향상원소에 요구되는 성질을 두루 갖추고 있다. 그러나, 납을 함유하는 합금강은 절삭 작업시 납증기가 발생할 수 있어, 인체에 유해하고 환경문제를 일으키므로, 그 사용이 제한적이다.

또 다른 원소로서, 비스무스(Bi)가 있다. 상기 비스무스는 납과 유사한 피삭성과 기계적 성질을 갖는데, 납과 달리 인체에 무해하고 냉간 가공이 용이하다는 장점이 있으며, 용융점이 낮기 때문에 절삭 가공시 절삭열에 의해 용융되어 윤활제로 작용하여 절삭력을 감소시켜 공구의 마모를 줄일 수 있다. 이와 관련된 특허문헌 1이 있다. 그러나, Bi의 경우 실제 생산 조업시 그 첨가량을 제어하기 매우 어려우며, 첨가량이 제어되지 못하면, 주조성 및 열간압연성이 저하되는 문제가 있다.

한편, 황(S)를 이용하여 피삭성을 개선하는 기술이 존재한다. 상기 황을 첨가할 경우, 비금속성 개재물인 MnS가 생성되고, 상기 MnS 개재물은 절삭 가공시 응력원이 되고, 미세기공과 같은 균열의 성장을 용이하게 하여 절삭력을 감소시키고, 녹는점이 낮아 가공열에 의해 쉽게 연화, 용융되어 칩과 절삭공구의 계면에서 윤활제로 작용하여 공구의 마모를 감소시킨다.

그러나, 망간이 17wt% 이상 함유되는 고망간강의 경우, 상기와 같이 S가 함유되면, 매우 조대한 MnS가 생성되어, 절삭가공성이 높아지기는 하지만, 모재 자체의 물성이 저하되는 문제가 발생한다. 따라서, 모재 자체의 물성을 저하시키지 않으면서, 절삭 가공성을 향상시킬 수 있는 기술에 요구되고 있는 실정이다.

한국 공개특허 제2008-0056755호

본 발명의 일측면은 강재의 물성이 저하되는 것을 방지하며, 진동 감쇠능과 절삭 가공성이 우수한 고망간 강재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 중량%로, C: 0.07%이하(0은 제외), Mn: 16~18%, N: 0.02% 이하, Ca: 0.1% 이하(0은 제외), S: 500ppm이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 Ca 및 S는 0.1≤ Ca/S ≤ 0.2 를 만족하는 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 조대한 MnS의 형성을 억제하여, MnS 가 인장시험 혹은 충격시험 시에 파단을 조장하는 초기 균열을 발생하거나 혹은 발생된 균열을 만나게 될 때 균열의 전파를 용이하게 하는 것을 방지하며, 우수한 진동 감쇠능과 절삭 가공성을 갖는 강재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 먼저, 본 발명 강재의 조성에 대해 상세히 설명한다(이하, 중량%).

본 발명의 강재는 중량%로, C: 0.07%이하(0은 제외), Mn: 16~18%, N: 0.02% 이하, Ca: 0.1% 이하(0은 제외), S: 500ppm이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

탄소(C)의 함량은 0.07% 이하인 것이 바람직하다. C는 강재의 강도를 확보하기 위해서, 필수적으로 첨가되는 원소이다. 그러나, 상기 C가 0.07%를 초과하게 되면, 강재의 C가 오스테나이트(γ)과 입실론 마르텐사이트(ε)의 계면 이동을 방해하여 진동감쇠능을 저하시키고, 경도가 상승하여 공구의 마모가 현저히 커지고, 피삭성이 불량하게 되므로, 그 상한을 0.07%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 16~18%로 하는 것이 바람직하다. 상기 Mn은 황에 의한 적열 취성을 방지할 뿐만 아니라, MnS 석출물을 형성하여 강의 절삭 가공성(피삭성)을 향상시키는 역할을 한다. 또한, Mn은 입실론 마르텐사이트를 생성시켜 진동감쇠능의 인자인 γ/ε 계면적 및 입실론 마르텐사이트의 분율을 증가시킨다. 따라서, 이러한 효과를 확보하기 위해서는 Mn이 16% 이상 포함되어야 하며, 18%를 초과하게 되면, 냉간 가공시 슬립에 의한 전위(dislocation)이 발생하는 문제가 있으며, 오스테나이트가 안정화되어 입실론 마르텐사이트의 분율을 저감시켜 진동 감쇠능이 감소하는 문제 또한 일으키게 된다.

황(S)는 0.5%(500ppm) 이하인 것이 바람직하다. 상기 S는 Mn과 함께 MnS를 형성하여 강재의 절삭 가공성을 향상시키는 중요한 원소이다. 그러나, 상기 S가 500ppm을 초과하여 과다하게 첨가될 경우, MnS 석출물이 조대화되고, 과포화된 S는 FeS를 형성시켜 강재의 기계적 강도와 진동 감쇠능을 저하시키고, 열간 취화를 발생시켜 균열을 발생시키는 문제가 있다.

칼슘(Ca)는 0.1% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명에서 Ca는 조대한 MnS의 생성을 억제하기 위해서 매우 중요한 원소이다. 즉, 상기 Ca는 MnS 주변에 딱딱한 CaS를 생성시켜, 압연시 MnS가 압연방향으로 조대하게 늘어나는 것을 방지하여, MnS가 조대해지는 것을 억제한다. 그러나, 상기 Ca가 0.01% 를 초과하는 경우에는 다량의 Ca 산화물을 발생시켜 충격인성 및 연신율을 저하시키는 문제가 있으므로, Ca의 경우 MnS 주변에 CaS로만 석출될 수 있도록 본 발명에서 제시하고 있는 상한의 범위 내로 제어하는 것이 필요하다.

질소(N)은 0.02% 이하인 것이 바람직하다. 상기 N는 C와 유사한 역할을 하며 강재 제조 시 불가피하게 첨가되는 원소이다. N 의 경우 강재의 강도를 높이는데는 큰 도움이 되나 다량 첨가될 경우 오스테나이트를 안정화시켜 입실론 마르텐사이트의 분율을 줄이게 되고 이로 인해 진동감쇠능이 저하되기 때문에, 일반적인 강재 제조 시의 공정능력을 감안하여 그 상한을 0.02% 이하로 하는 것이 바람직하다.

나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 부가적인 효과를 확보하기 위해서, 다른 원소를 추가하는 것을 배제하는 것은 아니다.

본 발명에서 상기 Ca와 S는 1:5~ 1:10 의 비율(Ca/S비는 0.1~0.2)을 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 통상적인 탄소강에서 MnS의 조대화를 막기위해 Ca 와 S 의 비율을 1:2 정도로 제어하고 있으며 MnS를 극도로 제어하는 내 HIC 재의 경우 1:1 이상으로 관리하고 있으나, 본 발명의 경우 MnS를 전부 구상화시킬 경우 절삭성에 영향을 미칠 수 있으므로 1:5~ 1:10의 사이의 범위에서 그 비율을 제어하는 것이 필요하다. 이 범위보다 Ca이 높게 첨가될 경우(1:5 이상) MnS의 길이가 너무 짧아짐에 따라 절삭성이 나빠질 수 있으며, Ca이 너무 낮게 첨가될 경우(1:10)에는 절삭성은 우수하나 연신율 및 충격인성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있으므로, 그 범위를 본 발명에서 제시한 내에서 제어하는 것이 필요하다.

본 발명의 강재는 MnS 석출물을 포함하여, 상기 MnS 석출물의 압연방향 길이가 200㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 MnS 석출물은 절삭 가공성을 향상시키나, 그 크기가 너무 크게 되면, 모재 자체의 물성이 저하되는 문제가 있다. 본 발명에서는 Ca를 이용하여, 상기 Ca가 MnS 주변에 딱딱한 CaS를 형성함으로써, 압연 시 압연방향으로 늘어선 MnS를 일부 끊어주는 역할을 통해, MnS의 압연방향 길이가 200㎛가 되도록 한다. 본 발명에서는 상기 MnS의 압연방향 길이가 200㎛ 이하가 됨으로써, 우수한 인성을 확보하는 동시에 절삭 가공성을 확보할 수 있다.

본 발명의 강재는 20% 이상의 연신율을 가지며, 항복강도 300MPa 이상 인장강도 500MPa 이상의 기계적 물성을 지니며, 미세조직의 특성상 충격인성 천이구간이 존재하지 않기 때문에 일반 탄소강 대비 우수한 저온인성을 지닌다

이하, 본 발명의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 강재의 제조방법은 특별히 한정하지 않으며 통상의 방법에 의한다. 일예로, 상기 조성을 만족하는 용강을 제조하여, 이를 주조하여 슬라브 형태로 만들고, 상기 슬라브를 1100~1300℃ 사이로 재가열 한 뒤 열간압연 및 냉각하는 과정을 통해 제조한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 만족하는 강재를 준비하였다. 상기 강재는 진공용해를 통해 제조된 잉곳을 1150℃에서 2시간 가열 후 1100~850℃의 범위에서 열간 압연(70mmt->15mmt) 한 뒤 공냉을 통해 제조하였다.

구분	C(wt%)	Mn(wt%)	S(ppm)	Ca(ppm)	N(wt%)	Ca/S
발명예1	0.03	17.1	450	80	0.016	0.18
발명예2	0.04	17.8	210	35	0.012	0.17
발명예3	0.02	16.2	330	56	0.008	0.17
비교예1	0.12	17.3	410	60	0.006	0.15
비교예2	0.04	19.2	420	75	0.013	0.18
비교예3	0.02	16.5	280	40	0.045	0.14
비교예4	0.03	16.8	485	30	0.006	0.06
비교예5	0.04	17.6	320	150	0.007	0.47

상기 표 1의 조성을 갖는 강재에 대해, MnS의 압연방향 길이를 측정하고, 절삭 가공성 및 진동 감쇠능을 평가하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 상기 강재의 물리적 특성을 평가하여 그 결과를 표 2에 함께 나타내었다.

상기 진동 감쇠능은 % SDC(Specific damping capacity)를 측정하는 방법으로 평가하였으며, 절삭 가공성은 각 재료에 대해 동일한 드릴링 장비를 이용하여 드딜링 공구 1개를 이용하여 가공가능한 최대의 가공 깊이를 측정하는 방법으로 평가하였다.

구분	MnS 압연방향 길이(㎛)	진동 감쇠능 (% SDC)	절삭 가공성 (최대 깊이,㎜)	연신율(%)
발명예1	158	22	76	35
발명예2	167	21	89	38
발명예3	185	23	65	43
비교예1	165	11	73	39
비교예2	195	13	64	41
비교예3	149	12	68	43
비교예4	345	21	85	14
비교예5	35	22	21	55

상기 표 2의 결과에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 조건을 만족하는 발명예 1 내지 3에서는 20% 이상의 우수한 진동 감쇠능과 절삭 가공성을 확보하는 동시에 20% 이상의 우수한 연신율을 확보할 수 있었다

그러나, 비교예 1 내지 3은 본 발명에서 제시한 C, Mn, N 의 범위를 만족하지 못하여 낮은 진동감쇠능을 보이는 것을 알 수 있다.

비교예 1의 경우, C이 다량 첨가되어 오스테나이트가 안정화되었기 때문에 충분한 입실론 마르텐사이트가 생성되지 못해 낮은 진동감쇠능을 보이며, 비교예 2의 경우는 다량의 Mn이 첨가되어, 오스테나이트 안정도가 높아져 입실론 마르텐사이트의 분율이 감소하여 낮은 진동감쇠능을 보인다.

한편, 비교예 3의 경우는 본 발명에서 제시한 N의 상한을 넘어섰기 때문에 오스테나이트가 안정화되고, 이로 인해 진동감쇠능 증가에 가장 큰 영향을 미치는 입실론 마르텐사이트의 분율이 감소하여 낮은 진동감쇠능을 나타내는 것을 알 수 있다.

한편, 비교예 4 및 5는 본 발명의 조성범위는 만족하나, 본 발명에서 제시한 Ca/S 비를 만족하지 않아 절삭 가공성 및 연신율이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 비교예 4의 경우 본 발명에서 제시하는 Ca/S 비보다 다량의 S 가 첨가됨에 따라 200마이크로미터 이상의 MnS가 생성되어 절삭가공성은 매우 우수하나, 조대한 MnS로 인해 연신율이 감소한 것을 알 수 있으며, 비교예 5의 경우는 본 발명에서 제시한 Ca/S 비 보다 소량의 Ca이 첨가됨에 따라 MnS 가 매우 작게 형성되어 매우 우수한 연신율을 보이지만, 절삭가공성이 발명예에 비해 매우 낮아짐을 알 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.07%이하(0은 제외), Mn: 16~18%, N: 0.02% 이하, Ca: 0.1% 이하(0은 제외), S: 500ppm이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   상기 Ca 및 S는 0.1≤ Ca/S ≤ 0.2 를 만족하는 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재는 MnS 석출물을 포함하며, 상기 MnS 석출물의 압연방향 길이가 200㎛ 이하인 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 강재의 연신율은 20% 이상인 절삭 가공성 및 진동 감쇠능이 우수한 고망간 강재.