KR20160071522A

KR20160071522A - 흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 우수한 흑연강

Info

Publication number: KR20160071522A
Application number: KR1020140178295A
Authority: KR
Inventors: 임남석; 박수동; 이기호; 이형직
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-06-22
Also published as: KR101657792B1; CN106191710B; CN106191710A

Abstract

흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 우수한 흑연강이 개시된다. 본 발명의 일 측면은 중량%로, 탄소(C): 0.80~1.20%, 실리콘(Si): 2.0~3.0%, 망간(Mn): 0.01~1.00%, 알루미늄(Al): 0.01~0.03%, 마그네슘(Mg): 0.01~0.02%, 구리(Cu): 0.01~0.50%, 인(P): 0.030% 이하, 황(S): 0.01~0.35%, 보론(B): 0.002~0.006%, 질소(N): 0.006~0.012%, 산소(O): 0.010% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 흑연화 열처리용 강재를 제공한다.

Description

흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 우수한 흑연강{STEEL MATERIAL FOR GRAPHITIZATION AND GRAPHITE STEEL WITH EXCELLENT MACHINABILITY}

본 발명은 흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 우수한 흑연강에 관한 것이다.

일반적으로 우수한 피삭성이 요구되는 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품에 사용되는 강재로는 Pb, Bi, S 등의 피삭성 부여 원소를 첨가한 쾌삭강이 이용된다.

그런데, 대표적인 쾌삭강인 Pb 첨가 쾌삭강의 경우에는 절삭작업시 유독성 퓸(fume) 등의 유해 물질을 배출하므로 인체에 아주 해로우며 강재의 재활용에도 아주 불리한 문제가 있다. 따라서, 이를 대체 하기 위하여 S, Bi, Te, Sn 등의 첨가가 제안되었으나, Bi를 첨가한 강재는 제조시에 균열발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있고, S, Te 및 Sn 등은 열간압연시 균열발생을 야기한다는 점에서 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 제안된 강이 바로 흑연강이다. 흑연강은 페라이트 기지 혹은 페라이트 및 펄라이트 기지 내부에 미세 흑연립을 포함하는 강으로써, 흑연은 윤활성이 우수하고 또한 원자층간 결합력이 약한 결정 구조를 가지기 때문에, 절삭시 크랙 공급원(source)이으로 작용하여 칩 브레이커(chip breaker)의 역할을 하며, 이로 인해 피삭성이 향상되는 것으로 알려져 있다.

그런데, 이러한 흑연강의 장점에도 불구하고 현재 흑연강이 상용화되지는 못하고 있다. 이는 강에 탄소를 첨가하면, 흑연이 안정상임에도 불구하고, 준안정상인 세멘타이트로 석출되어 별도의 장시간 열처리 없이는 흑연을 석출시키는 것이 곤란하며, 이와 같은 장시간의 열처리 과정에서 탈탄이 일어나 최종 제품의 성능에 악영향을 미치는 폐해가 발생하기 때문이다. 뿐만 아니라, 흑연 석출에 의해 강의 피삭성이 향상되기는 하지만, 아직까지는 Pb 첨가 쾌삭강과 같은 기존의 쾌삭강을 능가할만큼의 피삭성을 확보하지는 못하고 있는 실정이다.

본 발명의 일 측면은, 흑연화 열처리 시간을 대폭 단축하면서도, 상기 열처리시 미세 흑연립이 기지 내에 규칙적인 형상으로 균일하게 분포될 수 있는 흑연화 열처리용 강재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 다른 일 측면은, 피삭성이 우수한 흑연강을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.80~1.20%, 실리콘(Si): 2.0~3.0%, 망간(Mn): 0.01~1.00%, 알루미늄(Al): 0.01~0.03%, 마그네슘(Mg): 0.01~0.02%, 구리(Cu): 0.01~0.50%, 인(P): 0.030% 이하, 황(S): 0.01~0.35%, 보론(B): 0.002~0.006%, 질소(N): 0.006~0.012%, 산소(O): 0.010% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 흑연화 열처리용 강재를 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.80~1.20%, 실리콘(Si): 2.0~3.0%, 망간(Mn): 0.01~1.00%, 알루미늄(Al): 0.01~0.03%, 마그네슘(Mg): 0.01~0.02%, 구리(Cu): 0.01~0.50%, 인(P): 0.030% 이하, 황(S): 0.01~0.35%, 보론(B): 0.002~0.006%, 질소(N): 0.006~0.012%, 산소(O): 0.010% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 페라이트 기지에, 면적분율로 3% 이상의 흑연립 및 1.0% 이상의 MnS 개재물을 포함하며, 상기 흑연립의 평균 종횡비(장축/단축)가 1.5 이하인 흑연강을 제공한다.

본 발명에 따른 흑연강은 피삭성이 매우 우수하여 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품들의 소재로 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 일 측면인 흑연화 열처리용 강재에 대하여 상세히 설명한다. 먼저, 강재의 합금조성 및 성분범위에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.80~1.20중량%

탄소는 흑연립 형성에 의해 피삭성을 향상시키는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.80중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 열간압연성이 현저히 저하되는 등 제조상 어려움이 있다. 따라서, 상기 탄소 함량의 상한은 1.20중량%인 것이 바람직하며, 1.10중량%인 것이 보다 바람직하다.

실리콘(Si): 2.0~3.0중량%

실리콘은 용강 제조시 탈산제로서 필요한 성분이며, 강중 세멘타이트를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 흑연화 촉진 원소이기 때문에 적극 첨가한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 2.0중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 2.2중량%인 것이 보다 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 고용강화 효과로 인해 피삭성이 저하되며, 비금속 개재물의 증가에 따른 취성을 유발하고, 열간 압연시 탈탄을 유발할 우려가 있다. 따라서, 상기 실리콘 함량의 상한은 3.0중량%인 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.01~1.00중량%

망간은 강재의 강도 및 충격 특성을 향상시키며, 강 중 황과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 절삭성 향상에 기여한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 0.05중량% 이상 포함되는 것이 보다 바람직하며, 0.1중량% 이상 포함되는 것이 보다 더 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 흑연화를 저해하여 흑연화 시간이 지연될 우려가 있다. 따라서, 상기 망간 함량의 상한은 1.00중량%인 것이 바람직하며, 0.8중량%인 것이 보다 바람직하다.

알루미늄(Al): 0.01~0.03중량%

알루미늄은 강력한 탈산 원소로써 탈산에 기여할 뿐만 아니라, 흑연화를 촉진시키는 유용한 원소이다. 흑연화 열처리시 세멘타이트의 분해를 촉진하는 것과 동시에 질소와 결합하여 AlN을 형성함으로써 세멘타이트의 안정화를 방해하는 역할을 한다. 또한, 알루미늄 첨가에 의해 강 중 형성되는 알루미늄 산화물은 BN의 석출핵이 되기도 하고, 흑연의 결정화를 촉진하는 점에서 효과적이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 변형성이 현저하게 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 알루미늄 함량의 상한은 0.03중량%인 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg): 0.01~0.02중량%

마그네슘은 강 중 산소와 결합하여 MgO 등의 산화물을 형성하며, 이들은 단독 또는 황화물과의 복합 개재물을 형성하여, 흑연 또는 BN의 핵생성처로 작용하며, 흑연립을 기지 내 균일 분산시키고, 흑연립을 구상화하는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 0.012중량%인 것이 보다 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 제강이 어려워지는 문제가 있다. 따라서, 상기 마그네슘 함량의 상한은 0.02중량%인 것이 바람직하며, 0.018중량%인 것이 보다 바람직하다.

구리(Cu): 0.01~0.50중량%

구리는 세멘타이트를 불안정하게 하고, 흑연화를 촉진하여 절삭성 향상에 기여하며, 강의 부식 저항을 개선시키는 역할을 한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하며, 0.05중량%인 것이 보다 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 입계 편석시 녹는점(melting point)가 낮아져 압연을 위한 가열로 장입시 결정립계 취화에 따른 표면흠 발생 가능성이 높아지며, 최종 제품에서의 충격인성이 저하된다. 따라서, 상기 구리 함량의 상한은 0.50중량%인 것이 바람직하며, 0.40중량%인 것이 보다 바람직하다.

인(P): 0.030중량% 이하

인은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 비록 인은 강 중 탄소의 흑연화에 어느 정도 도움을 주나, 페라이트의 경도를 증가시키고, 결정립계에 편석되어 강재의 인성 및 지연파괴 저항성을 감소시키고, 표면 결함의 발생을 조장하므로, 그 함량을 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서 그 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 그 상한을 0.030중량%로 관리한다.

황(S): 0.01~0.35중량%

일반적으로 황은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고, 저융점 유화물을 형성시켜 열간압연을 저해하므로 불순물로 취급되나, 본 발명에서는 MnS의 형성을 유도하기 위하여 의도적으로 0.01중량% 이상을 첨가하고, 바람직하게는 0.1중량% 이상을 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 제조공정상의 어려움이 있으므로 그 상한은 0.35중량%로 관리하는 것이 바람직하고, 0.32중량%로 관리하는 것이 보다 더 바람직하다.

보론(B): 0.002~0.006중량%

보론은 강 중 질소와 결합하여 BN을 형성하며, 상기 BN은 흑연의 핵생성처로 작용하여 흑연화를 촉진시키기 때문에 적극적으로 첨가한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.002중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, BN의 입계석출로 인해 입계 강도가 저하되고, 열간 가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 상기 보론 함량의 상한은 0.006중량%인 것이 바람직하며, 0.005중량%인 것이 보다 바람직하다.

질소(N): 0.006~0.012중량%

질소는 붕소, 알루미늄과 결합하여 질화물을 형성하고, 이것들을 핵으로 하여 흑연립의 생성과 성장이 진행되기 때문에 적극적으로 첨가한다. 한편, 흑연화 촉진에 유효한 질화물들을 형성하기 위해서는 붕소, 알루미늄과 거의 비슷한 당량을 첨가하여야 하나, 이러한 질화물들을 균일하게 미세 분산시키기 위해서는 화학 당량보다 조금 높게 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 질소는 동적인 변형시효에 의해 침처리성을 개선하기 때문에 조금 과다하게 첨가하는 것이 유리하다. 이러한 이유로 본 발명에서는 0.006중량% 이상으로 적극 첨가하나, 0.012중량% 이상 첨가할 경우 그 효과가 포화되기 때문에, 상기 질소의 함량은 0.006~0.012중량%로 제한함이 바람직하다.

산소(O): 0.010중량% 이하

산소는 강 중 알루미늄과 결합하여 알루미늄 산화물을 형성한다. 이러한 산화물의 생성은 알루미늄의 유효 농도를 감소시키게 된다. 그 결과, 흑연의 결정화에 유효한 AlN의 생성량이 감소되며, 따라서 실질적으로는 흑연화 작용을 방해하는 결과를 초래한다. 뿐만 아니라, 생성되는 알루미늄 산화물은 절삭시 절삭공구를 손상시키기 때문에 피삭성의 저하를 초래한다. 이러한 이유로 강 중 산소의 함량은 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 다만, 강 중 산소의 함량을 지나치게 낮게 관리할 경우 제강 공정의 정련 부하를 야기하고, 0.010중량%까지는 산소에 의해 유발되는 문제점이 그리 크지 않기 때문에 그 상한을 0.010중량%로 관리함이 바람직하며, 0.008중량%로 관리함이 보다 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 성분범위를 갖는 강재의 합금설계시, C, Si 및 Mn의 함량은 하기 관계식 1을 만족하도록 제어하는 것이 보다 바람직하다. 하기 관계식 1은 C, Si 및 Mn의 함량에 따른 흑연화 용이성 정도를 나타내는 흑연화 지수로, [C]+[Si]/3-[Mn]/2 값이 지나치게 낮을 경우에는 흑연화 속도가 현저하게 저하되어 흑연화 시간이 지나치게 길어지는 단점이 있다. 따라서, 상기 [C]+[Si]/3-[Mn]/2 값은 1.0 이상인 것이 바람직하고, 1.2 이상인 것이 보다 바람직하며, 1.4 이상인 것이 보다 더 바람직하다. 다만, [C]+[Si]/3-[Mn]/2 값이 지나치게 클 경우에는 흑연화 측면에서는 유리하지만, 열간압연성이 현저하게 저하되어 제조가 곤란한 단점이 있다. 따라서, 상기 [C]+[Si]/3-[Mn]/2 값은 2.0 이하인 것이 바람직하고, 1.9 이하인 것이 보다 바람직하며, 1.8 이하인 것이 보다 더 바람직하다.

[관계식 1]

1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0

(여기서, 상기 [C], [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 중량%를 의미함)

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기와 같은 성분범위를 갖는 강재의 합금설계시, Mn 및 S의 함량은 하기 관계식 2를 만족하도록 제어하는 것이 보다 바람직하다. 본 발명에서는 흑연의 석출을 통해 강재의 피삭성 향상을 도모함과 동시에 MnS 개재물을 석출시켜 피삭성을 한층 더 향상시키고자 하였다. 황의 경우 상술한 바와 같이 강재 내에서 MnS 개재물로 석출되지 않고, 결정립계에 단독으로 석출될 경우 여러가지 부작용을 발생시킬 수 있으므로, 가능한 한 강재 내에서 MnS 개재물로 석출시키는 것이 바람직하다. 하기 관계식 2는 화학양론적인 계산을 통해 MnS 개재물의 형성을 극대화할 수 있는 조건을 도출한 것으로, 하기 관계식 2를 만족하지 않는 경우에는 인성 저하 등의 문제가 발생할 우려가 있다.

[관계식 2]

0<[Mn]-1.7[S]≤0.3

(여기서, 상기 [Mn] 및 [S]는 각각 해당 원소의 중량%를 의미함)

본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명에서 제공하는 흑연화 열처리용 강재는 750℃에서 120분의 흑연화 열처리 후, 흑연화율 99% 이상에 도달할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제공하는 흑연화 열처리용 강재는 흑연화에 필요한 시간을 획기적으로 단축시킬 수 있어 흑연화를 위한 열처리 비용을 절약할 수 있다는 장점이 있다. 한편, 흑연화율이란 강에 첨가된 탄소 함량 대비 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량의 비를 의미하는 것으로, 하기 관계식 3에 의해 정의되며, 99% 이상 흑연화 되었다는 것은 첨가된 탄소가 99중량% 이상 흑연을 생성하는데 소모되었다는 의미로(페라이트 내 고용 탄소량은 극히 적으므로 고려하지 않음), 미분해된 펄라이트가 극히 미량 존재하는, 즉 페라이트 및 흑연립의 미세조직을 가지는 것을 의미한다.

[관계식 3]

흑연화율(%)=(강 중 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량/강 중 탄소 함량)×100

이상에서 설명한 본 발명의 흑연화 열처리용 강재는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 그 방법을 제한하지 않는다. 예를 들면, 상기의 성분범위를 가지는 잉곳을 주조한 후 1100~1300℃에서 5~10시간 균질화 열처리 하고, 1000~1100℃에서 열간압연 후 공냉하여 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 피삭성이 우수한 흑연강에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 다른 일 측면인 피삭성이 우수한 흑연강은, 상술한 흑연화 열처리용 강재와 동일한 합금조성 및 성분범위를 가지며, 각 조성의 수치한정 이유는 위에서 설명한 바와 같다.

한편, 본 발명에 따른 흑연강은 페라이트 기지에, 흑연립 및 MnS 개재물을 포함한다. 이때, 흑연립은 면적분율로 3.0% 이상 포함하는 것이 바람직하고, 3.2% 이상 포함하는 것이 보다 바람직하며, MnS 개재물은 0.5% 이상 포함하는 것이 바람직하고, 0.7% 이상 포함하는 것이 보다 바람직하며, 1.0% 이상 포함하는 것이 보다 더 바람직하다. 한편, 흑연립 및 MnS 개재물의 면적분율이 높을수록 흑연강의 피삭성이 향상되는 바, 그 상한은 특별히 한정하지 않는다.

이때, 상기 흑연립의 평균 종횡비(장축/단축)가 1.5 이하인 것이 바람직하고, 1.3 이하인 것이 보다 바람직하다. 상기와 같이 흑연립이 구상화될 경우, 가공시 이방성이 저감되어, 절삭성 및 냉간 단조성이 현저히 향상된다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 흑연립의 평균 결정립의 크기가 10㎛ 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 9㎛일 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 8㎛ 이하일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 흑연립의 단위 면적당 개수는 1000~5000개/mm²일 수 있다. 상기와 같이 강재 내 미세 흑연립이 균일 분산될 경우, 형성된 흑연립이 절삭 마찰을 감소시키고, 크랙 개시 사이트로 작용함으로써, 절삭성 및 냉간 단조성을 현저히 향상시킬 수 있다. 여기서, 흑연립의 평균 결정립 크기란, 흑연강의 일 단면을 관찰하여 검출한 입자의 평균 원 상당 직경(equivalent circular diameter)을 의미하여, 평균 결정립의 크기가 작을수록 절삭성 및 냉간 단조성 향상에 유리하므로, 그 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

이상에서 설명한 본 발명의 흑연강은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 흑연화 열처리용 강재를 730~770℃에서 120분 내외의 흑연화 열처리(항온 열처리) 함으로써 제조할 수 있다. 상기의 온도 영역은 등온 변태 곡선에서 흑연 생성 곡선 노즈(nose)에 해당하는 온도 영역으로써, 열처리 시간을 대폭 단축시킬 수 있는 온도 영역에 해당한다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

( 실시예 )

하기 표 1의 성분조성을 갖는 잉곳을 주조후 1250℃에서 8시간 균질화 열처리한 후 두께 27mm로 열간압연 후 공냉하여 흑연화 열처리용 강재를 얻었다. 상기 열간압연시 마무리 온도는 1000℃로 하였다.

구분	C	Si	Mn	Al	Mg	Cu	P	S	B	N	O	①	②
발명예1	0.8	2.8	0.3	0.03	0.015	0.12	0.01	0.17	0.002	0.008	0.007	1.58	0.011
발명예2	1.0	2.7	0.4	0.02	0.012	0.24	0.02	0.18	0.004	0.007	0.005	1.70	0.094
발명예3	1.0	2.2	0.4	0.01	0.018	0.22	0.02	0.20	0.003	0.007	0.002	1.53	0.060
발명예4	0.9	3.0	0.4	0.01	0.017	0.24	0.02	0.15	0.004	0.009	0.001	1.70	0.145
발명예5	1.0	2.9	0.4	0.02	0.012	0.12	0.02	0.17	0.003	0.006	0.004	1.77	0.111
발명예6	1.0	2.9	0.8	0.03	0.018	0.35	0.03	0.31	0.004	0.007	0.005	1.57	0.273
비교예1	0.3	2.8	0.6	0.01	0.015	0.45	0.02	0.17	0.006	0.006	0.003	0.93	0.311
비교예2	0.8	0.8	0.2	0.01	0.016	0.38	0.02	0.06	0.004	0.009	0.003	0.97	0.098
비교예3	0.8	4.2	0.2	0.02	0.011	0.22	0.01	0.21	0.005	0.007	0.002	2.10	-0.157
비교예4	0.8	2.6	2.1	0.01	0.018	0.32	0.02	0.01	0.004	0.008	0.004	0.62	2.083
비교예5	1.1	2.9	0.5	0.02	0.017	0.23	0.02	0.42	0.003	0.007	0.007	1.82	-0.214
비교예6	0.7	2.8	0.4	0.02	0.015	0.35	0.01	0.18	0.003	0.008	0.003	1.43	0.094
①=[C]+[Si]/3-[Mn]/2, ②=[Mn]-1.7[S] (단, [C], [Si], [Mn] 및 [S]는 각 해당 원소의 중량%를 의미함)

이후, 상기 흑연화 열처리용 강재를 750℃에서 2시간 동안 흑연화 열처리하여 흑연강을 얻었다. 단, 비교강 5의 경우 S의 함량이 지나치게 높아 열간압연 중 파손이 발생하여 별도의 흑연화 열처리하지 아니하였으며, 비교강 6의 경우, 흑연화 열처리 온도를 600℃로 하였다. 이후, 화상 분석기(image analyzer)를 이용하여 MnS 개재물의 면적분율, 흑연립 면적분율, 흑연립 평균크기 및 흑연립 평균 종횡비를 측정하고, 이를 하기 표 2에 나타내었다. 이때 피검면은 9.6mm²을 기준으로 하였다.

여기서, 흑연립의 면적분율, 평균크기 및 평균 종횡비의 측정방법은 다음과 같다. 각 시편을 일정 크기로 절단하여 광학 현미경에 마운팅한 후, 에칭은 하지 않고, 연마만 한 상태에서 200배의 배율 하 이미지를 촬영하였다. 이때, 분석의 신뢰성을 높이기 위해 각 시편당 총 15장의 이미지를 촬영하였다. 이렇게 얻어진 광학 현미경 이미지에서는 뚜렷한 컨트라스트(contrast) 차이에 의해 페라이트 기지와 흑연립을 명확하게 구분이 가능하며, 화상 분석 소프트웨어를 활용하여 상기 흑연립의 면적분율, 평균크기 및 평균 종횡비를 측정하였다. 여기서, 흑연립의 평균 크기는 흑연립의 평균 원 상당 직경(equivalent circular diameter)을 의미하며, 흑연립의 종횡비는 하나의 흑연립 내에서 최장축과 최단축의 비를 의미한다.

구분	흑연립 면적 분율(%)	MnS 면적 분율(%)	흑연립 평균 크기(㎛)	흑연 평균 종횡비 (장축/단축)	흑연립 단위면적당 개수(개/mm²)
발명예1	3.8	1.2	5	1.12	2408
발명예2	4.4	1.1	7	1.23	3543
발명예3	4.2	1.4	8	1.14	3203
발명예4	4.3	1.0	7	1.07	3647
발명예5	4.1	1.2	8	1.25	3345
발명예6	3.9	2.1	7	1.09	3240
비교예1	1.2	0.9	3	1.18	1303
비교예2	0.8	0.5	5	1.17	793
비교예3	4.1	1.1	9	1.31	3493
비교예4	1.2	0.1	5	1.21	1230
비교예5	용해 후 열간 압연 중 파손
비교예6	0.8	1.3	4	1.11	842

표 2를 참고할 때, 흑연립 면적 분율 및 흑연립의 평균 크기는 탄소량에 주로 영향을 받는다는 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 1의 경우, C 함량이 지나치게 낮아 흑연이 충분히 석출되지 못하였으며, 비교예 2의 경우, Si 함량이 지나치게 낮아 흑연화 시간이 상당히 지연되어 2시간의 열처리만으로 흑연립이 충분히 석출되지 않았으며, 비교예 6의 경우, 흑연화 열처리 온도가 낮아 2시간의 열처리만으로 흑연립이 충분히 석출되지 않았다.

이후, 피삭성 평가를 위해 상기 표 2의 흑연강을 대상으로 칩처리성, 공구 마모 깊이 및 표면조도 즉, 절삭 가공면의 거칠기(roughness)를 측정하였다. 이를 위해, 먼저 상기 표 2의 흑연강을 25mm의 봉상으로 가공한 후, 이를 자동 선반으로 절삭 가공을 하였다. 칩처리성 평가시 칩이 2권 이하에서 분단할 경우 우수, 3~6권에서 분단될 경우 보통, 7권 이상일 경우 불량으로 판정하였다. 공구 마모 깊이는 직경 25mm 봉상을 직경 15mm가 될 때까지 180개 가공한 후 마모된 공구 날 깊이를 측정하였다. 이때 절삭조건은 150mm/min의 이송속도, 0.05mm/rev의 절삭속도의 조건에서 절삭유를 사용하여 실시하였다.

구분	칩처리성	공구 마모깊이(㎛)	표면조도(Ra,㎛)
발명예1	우수	123	0.52
발명예2	우수	113	0.64
발명예3	우수	132	0.54
발명예4	우수	111	0.73
발명예5	우수	107	0.64
발명예6	우수	101	0.48
비교예1	불량	213	1.32
비교예2	불량	223	1.13
비교예3	우수	248	1.54
비교예4	불량	242	1.34
비교예5	용해 후 열간압연중 파손
비교예6	불량	225	1.23

표 3을 참조할 때, 비교강의 대부분은 발명강과 비교하여 공구 마모 정도가 크고, 칩처리성이 불량인 것을 알 수 있다. 비교예 3의 경우 흑연립과 MnS의 면적분율이 높아 칩처리성은 우수하였지만 공구마모 정도는 발명예들에 비해 열위 한 것을 확인 할 수 있다. 이는 첨가된 Si 함량이 높아 고용강화에 의한 페라이트의 경도 상승에 기인 한 것으로 보인다. 실제 경도 측정 결과 발명예들의 경우 모두 180Hv 이하였지만, 비교예 3의 경우 210Hv로 측정되었다. 또한 비교예 2 및 4에서 보는 것처럼 흑연립과 MnS의 면적분율이 충분하지 않을 경우 상대적으로 칩처리성이 불량하고 공구의 마모 정도가 큰 것을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.80~1.20%, 실리콘(Si): 2.0~3.0%, 망간(Mn): 0.01~1.00%, 알루미늄(Al): 0.01~0.03%, 마그네슘(Mg): 0.01~0.02%, 구리(Cu): 0.01~0.50%, 인(P): 0.030% 이하, 황(S): 0.01~0.35%, 보론(B): 0.002~0.006%, 질소(N): 0.006~0.012%, 산소(O): 0.010% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 흑연화 열처리용 강재.
제 1항에 있어서,
상기 C, Si 및 Mn의 함량은 하기 관계식 1을 만족하는 흑연화 열처리용 강재.
[관계식 1]
1.0≤[C]+[Si]/3-[Mn]/2≤2.0
(여기서, [C], [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 함량(중량%)을 의미함)
제 1항에 있어서,
상기 Mn 및 S의 함량은 하기 관계식 2를 만족하는 흑연화 열처리용 강재.
[관계식 2]
0<[Mn]-1.7[S]≤0.3
(단, [Mn] 및 [S]는 각각 해당 원소의 함량(중량%)을 의미함)
제 1항에 있어서,
상기 강재는 750℃에서 120분간 흑연화 열처리 후, 흑연화율이 99% 이상인 흑연화 열처리용 강재.
중량%로, 탄소(C): 0.80~1.20%, 실리콘(Si): 2.0~3.0%, 망간(Mn): 0.01~1.00%, 알루미늄(Al): 0.01~0.03%, 마그네슘(Mg): 0.01~0.02%, 구리(Cu): 0.01~0.50%, 인(P): 0.030% 이하, 황(S): 0.01~0.35%, 보론(B): 0.002~0.006%, 질소(N): 0.006~0.012%, 산소(O): 0.010% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
페라이트 기지에, 면적분율로 3% 이상의 흑연립 및 1.0% 이상의 MnS 개재물을 포함하며, 상기 흑연립의 평균 종횡비(장축/단축)가 1.5 이하인 흑연강.
제 5항에 있어서,
상기 흑연립은 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하(0㎛ 제외)인 흑연강.
제 5항에 있어서,
상기 흑연립의 단위면적당 개수는 1000~5000개/mm²인 흑연강.