KR20160080123A

KR20160080123A - 열간압연성이 우수한 중탄소 쾌삭강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160080123A
Application number: KR1020140190254A
Authority: KR
Inventors: 이기호; 이재승; 전영우; 이종석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2016-07-07
Also published as: KR101676144B1

Abstract

본 발명의 실시 형태에 따른 중탄소 쾌삭강은, 중량 %로, C: 0.4~0.5%, Si: 0.3%이하, Mn: 1.3~1.7%, P: 0.04%이하, S: 0.24~0.33%, Sn: 0.1~0.3%, Al: 0.05%이하, N: 0.012%이하, 산소 0.002~0.006%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,선재의 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물 개수가 소재 mm² 당 600~1,300개 범위에 속하고, S에 대한 Mn의 중량 비율이 4.0 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

열간압연성이 우수한 중탄소 쾌삭강 및 그 제조방법{MEDIUM CARBON FREE CUTTING STEEL HAVING HOT WORKABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 열간압연성이 우수한 중탄소 쾌삭강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 쾌삭강은 높은 절삭성을 갖는 강으로서, 자동차의 유압부품, 가전제품의 체결부품, 사무자동화 기기의 샤프트(Shaft), 일반 절삭부품 등의 소재로 널리 사용되고 있으며 점차 그 용도와 수요가 증가하고 있는 추세이다. 우수한 절삭성과 치수정밀도 및 일반 중탄소 탄소강과 비교하여 유사한 강도를 갖는 쾌삭강은 기계구조용으로도 널리 사용되고 있다. 절삭성이 우수한 쾌삭강을 제조하기 위해, MnS 개재물을 정출시킴과 함께 저융점 원소인 납을 소량 첨가하는 제조 공정이 제시된 바 있다. 납을 첨가함으로써 쾌삭강의 공구수명 및 칩분절성을 높이고 제품의 표면 품질과 치수 정밀도 또한 개선할 수 있다.

그러나 최근 들어 점차 환경규제가 강화됨에 따라 인체에 유해한 원소인 납의 사용을 점차 지양하게 되었으며, 쾌삭강을 제조함에 있어서 납 대신 상대적으로 친환경적인 비스무스 또는 주석을 첨가하여 쾌삭강의 품질을 향상시키는 방법에 제안되고 있다. 그러나 일반적으로 절삭성 향상을 위해 첨가되는 저융점 원소들은, 쾌삭강의 열간압연성을 저하시킬 수 있으며, 비금속 개재물인 MnS가 응력 집중원으로 작용하여 균열 생성 및 균열의 성장을 용이하게 할 수 있다. 따라서, 쾌삭강에 적절한 원소를 적정량 첨가하여 열간압연성 저하없이 쾌삭강의 절삭성을 향상시킬 필요가 있다.

1. 공개특허공보 특2002-0017960 (발명의 명칭: "기계적 특성이 우수한 기계구조용 쾌삭강") 2. 공개특허공보 10-2004-0028755(발명의 명칭: "유황함유 쾌삭성 기계구조용 강")

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제 중 하나는, 쾌삭강을 제조함에 있어서 열간압연성을 해치지 않는 범위에서 저융점원소인 주석을 적정량 첨가하여 절삭성을 확보하고 MnS 형상 및 분포를 제어하여 기계적 물성을 확보함으로써 절삭성 및 기계적 물성을 확보할 수 있는 쾌삭강 및 그 제조 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 일 실시 형태에 따른 중탄소 쾌삭강은, 중량 %로, C: 0.4~0.5%, Si: 0.3%이하, Mn: 1.3~1.7%, P: 0.04%이하, S: 0.24~0.33%, Sn: 0.1~0.3%, Al: 0.05%이하, N: 0.012%이하, 산소 0.002~0.006%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 선재의 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물 개수가 소재 mm² 당 600~1,300개 범위에 속하고, S에 대한 Mn의 중량 비율이 4.0 이상인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 중탄소 쾌삭강의 제조 방법은, 중량 %로, C: 0.4~0.5%, Si: 0.3%이하, Mn: 1.3~1.7%, P: 0.04%이하, S: 0.24~0.33%, Sn: 0.1~0.3%, Al: 0.05%이하, N: 0.012%이하, 산소 0.002~0.006%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 쾌삭강의 제조 방법에 있어서, 전로 내 용탕에 탈산제로서 Al 및 Si을 투입하고 산소를 취입하여 프리산소 농도가 100~400ppm일 때 산소 취입을 종료하는 1차 정련 단계; 산소 취입이 종료된 용탕을 Al-Si 복합 탈산한 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕 단계; 상기 티밍레이들을 레이들 정련로에 이송시킨 후, 용탕의 프리 산소 농도가 20~40ppm이 되도록 정련하는 2차 정련 단계; 주조 시간의 10~50% 시점에서 프리산소 농도가 10~30ppm이 되도록 제어하면서 용강을 블룸으로 주조하는 연속 주조 단계; 및 상기 블룸을 강편압연하여 빌렛을 얻은 후, 상기 빌렛을 가열로에서 가열하여 선재로 압연하는 선재압연 단계; 를 포함하며, 상기 2차 정련 단계는, 상기 2차 정련이 종료되기 전에 주석(Sn)을 투입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 연속 주조 단계는, 몰드 전자교반장치(EMS)와 경압하 장치를 동시 구동하여 상기 용강을 연속 주조할 수 있다.

본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 강편압연 시에는 가열로에서 블룸을 1100℃이상의 온도로 3~5시간 유지할 수 있고, 상기 선재 압연시에는 가열로에서 빌렛을 1100~1200℃의 범위에서 2~5시간 유지할 수 있다.

본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 쾌삭강은 선재의 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물 개수가 소재 mm² 당 600~1,300개 범위에 속할 수 있다.

본 발명의 일부 실시 형태에서, 상기 쾌삭강은 S에 대한 Mn의 중량 비율이 4.0 이상일 수 있다

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 쾌삭강에 적정량의 주석을 첨가함으로써 우수한 절삭성 및 기계적 물성을 가짐과 동시에, 납을 함유하지 않음으로써 친환경 특성을 갖는 쾌삭강을 제공할 수 있다. 또한, 쾌삭강의 기계적 물성을 개선하기 위해 MnS를 첨가할 때 산소량을 적절하게 조절함으로써 열간압연성이 우수한 쾌삭강을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 쾌삭강의 절삭성을 평가하는 방법을 나타낸 예시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.

본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형되거나 여러 가지 실시 형태가 조합될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시 형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면 상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.

쾌삭강은 자동차, 사무기기, 가전 제품 등에 널리 사용되며, 특히 절삭성과 치수정밀도가 우수한 특성을 갖는다. 쾌삭강의 절삭성을 높이기 위해 제조 공정에서 저융점 원소를 첨가할 수 있는데, 저융점 원소의 첨가량이 늘어나면 선재 제조 공정에서 쾌삭강에 발생하는 표면 결함이 증가할 수 있다. 즉, 쾌삭강에 저융점 원소를 다량 첨가하여 절삭성을 개선할수록 열간압연성이 저하될 수 있다.

한편, 쾌삭강에서 절삭성을 높이기 위해 미세한 MnS를 정출하여 균일하게 분포시킬 수 있는데, 미세한 MnS는 기계적 물성을 개선하는 데에는 도움이 되나 절삭성 향상에 있어서는 큰 사이즈로 구형 형상을 갖는 MnS만큼 효율적이지 못 하다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에서는, MnS를 적절하게 분포시켜 기계적 물성을 확보함과 동시에, 열간압연성을 저하시키지 않는 범위 내에서 저융점 원소를 첨가시켜 절삭성을 개선할 수 있는 쾌삭강 및 그 제조 방법을 제안한다.

쾌삭강에 존재하는 MnS의 형상은 쾌삭강의 제조 공정 가운데 연주단계에서 턴디쉬(Tundish)의 산소 함량에 따라 크게 달라질 수 있으며, MnS의 형상은 크게 3가지 형태, 즉 구형(Type I), 수지상 형태(Type II) 및 불규칙한 형태(Type III) 등으로 구분될 수 있다. 구형(Type I)은 쾌삭강의 절삭성을 향상시키는 것으로 알려져 있으며 가장 바람직한 형상이고, 구형 형상의 MnS는 턴디쉬 토탈 산소 함량이(T.[O]) 수백 ppm 정도로 높을 경우, 고온의 용강에서 응고하면서 탈산과정과 병행하여 Mn(O,S) 등 복합황화물로 정출될 수 있다. 수지상(Type II) 구조의 MnS는 턴디쉬 토탈 산소 함량이 수십 ppm 정도로 비교적 낮은 경우에 응고 시 용강상태에서 정출되는 것이 아니라, 1차 결정입계를 따라 석출되며, 이후 강재의 열간압연 과정에서 압연방향을 따라 쉽게 연신하게 되어, 재료의 이방성을 크게 열화시킬 수 있다.

마지막으로 불규칙한 형태(Type III)의 MnS는 용강 중 턴디쉬 토탈 산소 함량이 수 ppm 정도로 낮고, 용해 알루미늄 성분이 높을 경우에 주로 고온에서 MnS 단독개재물로 생성되는 특징을 지니며, 알루미늄 탈산강에서 각형으로 존재하는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 발명의 다양한 실시예에서는 기계적 물성 확보를 위해서 미세한 MnS를 정출시키는데 적정 산소함량을 제시할 수 있다. MnS를 정출할 때 산소량이 지나치게 낮으면 불규칙한 형상(Type III)의 MnS가 생성되어 쾌삭강의 기계적 물성이 열화될 수 있으며, 반대로 산소량이 지나치게 높으면 구형 형상(Type I)의 거대한 MnS가 생성되어 쾌삭강의 절삭성을 개선할 수 있으나 기계적 물성이 떨어질 수 있다. MnS를 정출함에 있어서 적정 산소 함량과 그 제조 방법은 매우 중요하며 이것을 본 발명에서 규정하고 있다.

한편, 열간압연성 저하를 방지하면서 절삭성이 우수한 쾌삭강을 얻기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강은 저융점 원소로 주석(Sn)을 함유할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 쾌삭강은, 저융점 원소인 주석(Sn)을 적당량 함유하므로 열간압연성 열화없이 우수한 절삭성을 가짐은 물론, MnS의 형상과 분포를 제어함으로써 기계적 물성의 열화를 방지할 수 있다.

쾌삭강의 열간압연성과 기계적 물성의 열화를 방지하고 우수한 절삭성을 확보하기 위해서는 여러가지 원소를 적절한 중량비로 첨가하는 것이 중요하다. 본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강은 아래의 조성범위를 만족할 수 있다.

탄소(C): 0.40 ~ 0.50 중량%

탄소는 탄화물을 형성하여 소재의 강도 및 경도를 증가시키는 원소로, 중탄소 기계구조용 쾌삭강에서는 대부분 펄라이트(pearlite)로 존재하여 중탄소 기계구조 용도로 사용될 수 있도록 적정 강도를 부여하는 역할을 할 수 있다. 탄소의 함량이 0.40% 미만이면 소입성이 감소할 수 있어 중탄소강 기계구조 용도로 바람직하지 않을 수 있다. 반면 탄소의 함량이 0.50%를 초과하는 경우에는 소재의 경도가 지나치게 증가하여 공구수명이 단출될 수 있다. 따라서 본 발명에서는 탄소의 함량을 0.40~0.50% 범위로 한정할 수 있다.

실리콘(Si): 0.30 중량% 이하

본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강은, 용강을 Al-Si 복합 탈산한 상태로 티밍레이들에 출강함으로써 제조될 수 있다. 실리콘 함량이 0.30%를 초과하게 되면 경질의 SiO 계 비금속 개재물이 다량 생성될 수 있어서 쾌삭강의 절삭가공 공정에서 공구수명을 감소시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 쾌삭강에 존재하는 Si 함량을 0.30% 이하로 제한될 수 있다.

망간(Mn): 1.3 ~ 1.7 중량%

망간은 비금속 개재물 MnS를 형성시키는데 중요한 합금원소로서, 본 발명에서는 망간을 1.3% 이상 첨가하여 MnS 복합 비금속 개재물을 효과적으로 정출시킬 수 있다. 또한 망간의 함량을 높임으로써 오스테나이트 영역이 넓어져 압연 중 초석 페라이트 생성이 지연될 수 있고 열간압연 시 강편의 표면결함을 억제할 수 있다. 하지만, 망간 함량이 지나치게 과다하여 1.7%을 초과하면, 소재 냉각 중 두꺼운 pearlite band가 형성될 수 있어 절삭가공 중 표면조도를 열화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강에 포함되는 망간의 함량은, 1.3~1.7 중량%로 정해질 수 있다.

인(P): 0.04 중량% 이하

인은 절삭성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서, 소재의 결정입계에 편석 또는 화합물로 존재하여 절삭공구 선단에 형성되기 쉬운 구성인선(Build-Up Edge)을 억제할 수 있다. 그러나 인이 과다하게 첨가될 경우, 쾌삭강의 기계적 물성과 열간압연성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 인 함량을 0.04% 이하로 한정할 수 있따.

유황(S): 0.24 ~ 0.33 중량%

쾌삭강에서 유황은 응고 시 MnS 개재물을 형성하여 절삭성을 향상시키는 가장 중요한 첨가원소 중 하나이다. 절삭공구 선단에 형성된 1차 및 2차 변형 지점에서 존재하는 MnS에 균열이 생김으로써 절삭응력이 감소되고, 그로부터 절삭공구 마모를 줄임과 동시에 피삭재의 표면조도를 개선할 수 있다. 따라서, 중탄소 기계구조용으로 제조되는 쾌삭강에 유황은 0.24% 이상 첨가될 수 있다. 그러나 지나치게 많은 양의 유황이 첨가되면, 결정입계에 그물 모양의 FeS 석출을 촉진할 수 있다. 이러한 FeS는 매우 취약하고 용융점이 낮기 때문에 쾌삭강의 열간압연성을 크게 저하시킬 수 있다. 또한 유황의 함량이 필요 이상으로 증가하면 강재의 표면 결함이 증가하는 것과 동시에 강재 인성과 연성이 현저하게 떨어지므로, 유황의 함량은 0.33%를 초과하지 않을 수 있다.

주석(Sn): 0.1~0.3 중량%

주석은 강재 입계에 편석하여 절삭 가공시 입계면을 약화시킴으로써 절삭성을 향상시키는 저융점 원소이며, 특히 공구수명 및 칩분절성 등을 향상시킬 수 있다. 주석의 첨가량이 0.1% 미만인 경우, 원하는 절삭성 향상 효과를 얻기가 곤란하며, 주석의 첨가량이 0.3%을 초과하면 열간압연성이 열화되어 압연 중 표면 흠이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에서 주석의 함량은 0.1~0.3 중량%로 제한될 수 있다.

질소(N): 0.012 중량% 이하

질소는 저탄소 쾌삭강에서는 고용도가 낮지만 과포화 고용 또는 질화물을 형성하여 강도를 높여줄 수 있다. 한편, 질소의 함량이 지나치게 높으면 절삭성을 떨어뜨릴 수 있어서 본 발명에서는 질소 함량을 120ppm이하로 제한할 수 있다.

알루미늄(Al): 0.05 중량% 이하

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강은, 용강을 Al-Si 복합 탈산한 상태로 티밍레이들에 출강함으로써 제조될 수 있다. 알루미늄 함량이 0.05 중량%를 초과하게 되면 경질의 Al₂O₃계 비금속 개재물이 다량 생성될 수 있어서 쾌삭강의 절삭가공 공정에서 공구수명을 현저하게 떨어뜨릴 수 있으므로, 본 발명의 쾌삭강에 존재하는 Al 함량을 0.05 중량% 이하로 한정할 수 있다.

산소(O): 0.002~0.006 중량%

쾌삭강 주조 시 몰드에서 용강의 응고초기 산소와 망간이 결합하여 미세한 MnO를 형성할 수 있으며, 상기 MnO는 비금속 개재물을 정출시키는 핵생성 사이트로 작용할 수 있다. 여기서 산소는 주조가 완료된 주편(또는 강편)의 토탈 산소량(T[O], Total oxygen)를 의미한다. 본 발명에서는 산소가 20ppm 미만일 때 비금속 개재물이 미세하고 입계에 그물망 형태로 존재하여 원하는 절삭성을 만족하지 못할 수 있으므로, 산소의 하한 함량을 20ppm으로 규정할 수 있다. 또한 본 발명에서 산소 함량이 과다하여 60ppm을 초과하면 거대 비금속 개재물이 형성되어 기계적 물성이 떨어질 수 있고 또한 응고가 완료된 주편에서 핀홀(pin hole), 블로우홀(blow hole) 등 표면결함이 크게 증가할 수 있으므로 그 상한을 60ppm으로 제한할 수 있다.

유황(S)과 망간(Mn)의 중량 비율: Mn/S = 4.0 이상

상기의 성분함량 규제 이외에도 본 발명의 실시예에 따르면, 적정한 열간압연성을 갖는 쾌삭강을 얻기 위해 망간과 유황의 관계를 별도로 정의할 수 있다. 즉, 본 발명의 다양한 실시예에서, 중량% 기준으로 유황과 망간의 중량 비율인 Mn/S 는 4.0 이상을 만족할 수 있다. 이는 망간을 유황과 결합시켜 FeS에 의한 열간취성을 피하기 위해서는 일정량 이상의 망간을 확보하는 것이 중요하기 때문이다. 특히 Mn/S의 비율이 4.0 미만의 경우에는 열간압연성이 저하되어 소재 압연 시 표면 터짐 문제가 발생할 수 있다.

MnS 개수: 압연방향 단면에서 크기 5um² 이상의 MnS가 mm² 당 600~1,300개

중탄소 기계구조용 쾌삭강의 절삭성 및 기계적 물성은, 쾌삭강에 잔존하는 비금속 개재물 MnS의 크기, 개수와 분포에 따라 크게 달라질 수 있다. 일반적으로 MnS 크기가 크고, 개수가 많을수록 강재의 절삭성이 더 우수한 것으로 알려져 있으며, 광학현미경 관찰과 절삭성 평가결과에 의하면, 압연방향 즉 L방향 단면에서 크기 5um²를 초과하는 MnS가 mm²당 600~1,300개 존재할 때 쾌삭강의 절삭성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 600개 미만에서는 절삭성 향상 효과를 얻을 수 없거나 가공된 부품의 표면조도가 열화되었으며, 1,300개를 초과하는 경우 기계적 물성이 감소하여 중탄소 기계구조 용도로 사용되기 어렵다.

이상이, 본 발명에 관계되는 열간압연성 및 절삭성이 우수한 친환경 기계구조용 중탄소 쾌삭강의 바람직한 기본 구성일 수 있으며, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강의 제조 방법을 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 쾌삭강을 제조하기 위해, 먼저 전로 내 용탕에 탈산제로서 Al 및 Si을 투입하고 산소를 취입하여 용탕에 포함된 불순물, 예를 들어 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P) 등을 제거할 수 있다. 이때, 전로 내 용탕의 프리 산소 농도가 100~400ppm일 때 산소 취입이 종료될 수 있다.

프리 산소의 농도가 100ppm보다 작을 때 산소 취입이 종료되면, 탈산 목적으로 투입되는 알루미늄과 실리콘이 지나치게 많아져서 Al₂O₃계 및 SiO계 산화물이 다량으로 생성될 수 있으며, 결과적으로 쾌삭강의 절삭성이 열화될 수 있다. 또한, 프리 산소의 농도가 400ppm보다 클 때 산소 취입이 종료되면, 내화물의 과다 침식이 발생하거나, 후 공정에서 탈산을 통한 성분 제어가 어려워질 수 있으며, 최종 주편에 기공이 다량으로 발생하여 압연 시 문제가 발생할 수 있다.

다음으로, 1차 정련된 용강을 Al-Si 복합 탈산한 상태로 티밍레이들에 출탕할 수 있다. 필요한 경우, 출탕 도중에 합금철 부원료 등을 첨가할 수도 있다. 출탕이 종료되면, 티밍레이들을 레이들 정련로(Ladale Furnace, LF)에 이송시키고, 용강의 승열을 실시할 수 있다. 용강의 승열은 레이들 정련로에 사전 형성된 탄소 전극봉을 통해 전기 아크를 용강에 공급함으로써 실행될 수 있다. 승열을 실시하는 중에, 필요에 따라 합금철이나 부원료를 첨가할 수도 있으며, 경우에 따라서는 용강시료를 채취하거나 용강의 산소 농도를 측정할 수도 있다.

한편, 용강을 승열하는 과정에서, 전기 아크 등에 의해 슬래그 중 산소 화합물이나, 대기 중의 산소가 분해되어 용강으로 유입됨으로써 산소 농도가 증가할 수 있다. 레이들 정련로에서는 용강의 프리 산소 농도가 20~40ppm가 되도록 정련할 수 있다. 프리 산소 농도가 20ppm보다 작을 때 정련이 종료되면, 구형의 비금속 개재물(MnS)을 형성하기가 어려우며, 프리 산소 농도가 40ppm보다 클 때 정련이 종료되면 이후 공정에서 용강 성분의 변동을 예측하기 어려울 뿐만 아니라, 성분제어가 용이하지 않을 수 있다. 레이들 정련로에서의 정련이 종료되기 직전에 주석(Sn)을 투입할 수 있다.

상기 주석(Sn)의 투입량은 목표 주석함량을 고려하여 결정될 수 있다.

레이들 정련로에서의 정련이 완료되면, 용강을 연속주조기로 이송하여 연속주조를 실행하여 주편인 블룸을 얻은 수 있다. 연속주조가 시작되면, 용강의 프리 산소 농도를 측정할 수 있는데, 프리 산소 농도는 총 주조 시간의 10~50% 시점에 측정할 수 있다. 이때, 프리 산소의 농도가 10~30ppm이 되도록 연속주조 공정을 제어할 수 있다. 프리 산소의 농도가 10ppm보다 작으면, 장단축비가 큰 비금속 개재물이 형성되어 절삭성이 열화될 수 있으며, 프리 산소의 농도가 30ppm보다 크면 거대 비금속 개재물이 정출되어 기계적 물성에 악영향을 미칠 수 있다.

한편, 쾌삭강을 제조함에 있어서, 연속 주조 공정에서 몰드 전자교반장치(EMS)와 경압하 장치를 이용하여 용강을 연속 주조함으로써 우수한 주편을 얻을 수 있다. 몰드 전자교반장치를 이용함으로써 구형인 비금속 개재물을 얻는데 이점을 얻을 수 있으며, 경합하 장치를 이용함으로써 주편의 중심 편석을 줄이고 주표 표면에서 핀홀 블로우 홀 등의 표면 결함을 줄일 수 있다.

이후. 상기 블룸을 강편압연하여 빌렛을 얻은 후, 상기 빌렛을 가열로에서 가열하여 선재 압연이 실시될 수 있다. 상기 강편압연의 경우, 가열로에서 블룸을 1100℃ 이상의 온도로 3~5시간 유지하는 것이 바람직하다. 상기 선재 압연시에는 빌렛을 1100~1200℃의 범위에서 2~5시간 유지하는 것이 바람직하다.

빌렛의 온도가 1100℃ 보다 낮아지는 경우, 코너부가 터지거나 표면 결함 등이 발생하여 양호한 선재 표면품질을 얻기 어려울 수 있다.

상술한 제조 방법에 의해 제조되는 쾌삭강은 우수한 경화능 및 절삭성을 가질 수 있다. 상기와 같은 제조 방법에 의해 제조된 쾌삭강을 다양한 실시예를 참조하여 더욱 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 비교재 및 발명재는 100톤 전로와 레이들 정련로를 거쳐 연속 주조 공정을 통해 단면이 400mm X 500mm인 블룸을 생산하였으며, 이후 강편압연 공정을 통해 단면이 160mm X 160mm인 빌렛을 생산한 후, 직경이 27mm인 선재로 압연하여 최종적으로는 직경이 25mm인 CD Bar(Cold-Drawn)를 제조하였다. 일부 발명재는 100kg 진공 용해로에서 생산하여 상기 빌렛에 용접 후 같은 사이즈인 선재와 CD bar로 제조했다.

상기와 같이 제조된 비교재 및 발명재에 대하여 절삭성 및 압연성(열간압연성)을 조사하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

주석이 열간압연성에 미치는 영향을 알아보기 위한 목적으로, 현장 열간압연성 평가는 선재압연 실시 중 또는 선재압연 실시 후에 표면 상태를 육안으로 검사하는 방법으로 실시되었으며, 소정의 제품품질 합격판정 기준에 따라 실시되었다. 열간압연성의 최종 판단은, 압연 중에 열화상 카메라를 통한 관찰 및 최종 선재 완성제품의 표면에 대한 관찰을 통해 이루어졌다.

한편, 상기 절삭성 평가는 CNC 선반을 이용하여 가공하여 평가하였으며, 절삭가공시편 및 공구의 개략도는 도 1에 도시된 바와 같을 수 있다. 절삭 가공은 터닝(turning) 방식으로 실시되었는데, 초기 직경(d₁)이 25mm인 CD Bar(100)를 절삭가공 후 직경(d₂)이 23mm이 되도록 가공하였으며, 시편 한 개 당 이송거리(T)는 20mm일 수 있다. 시편 한 개 당 절삭 가공량은 11.9그램이며, 300개의 부품을 절삭 가공하여 총 5,950그램을 제거하였다. 공구 특징으로, 절삭 가공 툴(200)은 다이아몬드 형상을 가지며 코너각 55도, 여유각 7도, 노즈 반경(R)은 0.4mm이며, 공구재종은 서멧(cermet)을 이용하였다. 200m/min의 절삭속도, 0.075mm/rev의 이송 속도, 0.5mm의 절입 깊이를 갖는 절삭 가공 조건을 적용하였으며, 최종 500개 부품을 가공한 후에 공구의 측면 마모(flank wear)의 최대길이를 측정하여 비교재와 발명재 사이의 공구 수명을 비교하였다. 표면조도는 최종 500개 부품을 가공한 후에 시편을 채취하여 표면조도기를 이용하여 측정하였고 표면조도 측정거리(4mm) 전체 평균치를 보여주는 Ra로 나타내었다.

본 실시예에서는, 본 발명에서 제시한 화학조성이 절삭성 및 압연성에 미치는 영향을 확인하였다. 본 발명에서 제시한 화학조성을 만족하면 '발명재'로, 그리고 비교 목적을 위해서 제조한 시험재는 '비교재'라 정의하였으며, 시중에 상용화되고 있는 대표적인 중탄소 기계구조용 유황쾌삭강 상용재(강종규격 SAE 1144)을 이용하여 비교 평가 시험을 실시하여 나타냈다. 최종 결과는 하기의 표 1에 나타낸 바와 같다.

상기 표 1을 참조하면, 비교재 5는 주석의 함량이 0.34 중량%로 본 발명에서 제시한 주석의 함량 기준 상한선인 0.3 중량%를 초과하였다. 따라서, 절삭성은 기준치를 만족시킨 반면 압연성이 기준치를 만족시키지 못 하였다. 반면 비교재 6은 주석의 함량이 본 발명에 제시한 하한선인 0.1 중량%보다 작은 0.06 중량%이며, 따라서 압연성이 기준치를 만족시킨 반면 절삭성이 기준치를 만족시키지 못 하였다.

다음으로, 비교재 7의 화학조성을 참조하면, 본 발명에서 제시한 범위보다 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)을 과다 함유하여 공구마모가 심하게 진행되었으며, 결과적으로 절삭성이 기준치를 만족시키지 못 하였다. 알루미늄과 실리콘은 용강에 첨가될 경우 탈산 작용을 하여 대부분 슬래그로 흡착되지만, 과다 첨가될 경우 일부가 용강에 잔존하여 딱딱한 복합 산화물을 형성함으로써 공구마모를 촉진하고, 절삭성을 열화시킬 수 있다.

비교재 8은 본 발명에 제시한 기준보다 적은 비율로 유황(S)을 함유하고 있으며, 따라서 Mn/S 비율이 증가하여 단위 면적 당 MnS 개수가 421개로 본 발명에서 제시한 하한 기준인 600개를 밑도는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 저융점 원소인 주석을 본 발명의 기준에 맞는 적정량만큼 첨가하였음에도 불구하고 공구마모가 크게 발생하여 절삭성이 기준치를 만족시키지 못 하였다. 비교재 9는 반대로 Mn/S 비율이 기준치보다 낮은 경우로, 선재 압연시 표면에 흠이 발생하여 압연성의 기준치를 만족시키지 못 하였다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다

100 : CD Bar
200 : 절삭 가공 툴

Claims

중량 %로, C: 0.4~0.5%, Si: 0.3%이하, Mn: 1.3~1.7%, P: 0.04%이하, S: 0.24~0.33%, Sn: 0.1~0.3%, Al: 0.05%이하, N: 0.012%이하, 산소 0.002~0.006%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
선재의 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물 개수가 소재 mm² 당 600~1,300개 범위에 속하고,
S에 대한 Mn의 중량 비율이 4.0 이상인 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강.
중량 %로, C: 0.4~0.5%, Si: 0.3%이하, Mn: 1.3~1.7%, P: 0.04%이하, S: 0.24~0.33%, Sn: 0.1~0.3%, Al: 0.05%이하, N: 0.012%이하, 산소 0.002~0.006%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 쾌삭강의 제조 방법에 있어서,
전로 내 용탕에 탈산제로서 Al 및 Si을 투입하고 산소를 취입하여 프리산소 농도가 100~400ppm일 때 산소 취입을 종료하는 1차 정련 단계;
산소 취입이 종료된 용탕을 Al-Si 복합 탈산한 상태로 티밍레이들에 출탕하는 출탕 단계;
상기 티밍레이들을 레이들 정련로에 이송시킨 후, 용탕의 프리 산소 농도가 20~40ppm이 되도록 정련하는 2차 정련 단계;
주조 시간의 10~50% 시점에서 프리산소 농도가 10~30ppm이 되도록 제어하면서 용강을 으로 주조하는 연속 주조 단계; 및
상기 블룸을 강편압연하여 빌렛을 얻은 후, 상기 빌렛을 가열로에서 가열하여 선재로 압연하는 선재압연 단계; 를 포함하며,
상기 2차 정련 단계는, 상기 2차 정련이 종료되기 전에 주석(Sn)을 투입하는 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 연속 주조 단계는, 몰드 전자교반장치(EMS)와 경압하 장치를 동시 구동하여 상기 용강을 연속 주조하는 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 강편압연 시에는 가열로에서 블룸을 1100℃ 이상의 온도로 3~5시간 유지하고, 그리고 상기 선재 압연시에는 빌렛을 1100~1200℃의 범위에서 2~5시간 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 쾌삭강은 선재의 압연방향 단면에서 크기 5㎛² 이상의 MnS 개재물 개수가 소재 mm² 당 600~1,300개 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강의 제조 방법.
제2항에 있어서,
상기 쾌삭강은 S에 대한 Mn의 중량 비율이 4.0 이상인 것을 특징으로 하는 중탄소 쾌삭강의 제조 방법.