KR20230090393A

KR20230090393A - 칼슘-함유 흑연강 선재, 강선, 흑연강, 이의 제조 및 절삭 가공 방법

Info

Publication number: KR20230090393A
Application number: KR1020210178348A
Authority: KR
Inventors: 최상우; 임남석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2023-06-22
Also published as: WO2023113444A1

Abstract

본 발명은 칼슘-함유 흑연강 선재, 강선, 흑연강 및 그 제조방법 및 절삭 가공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업용 부품 제조를 위한 절삭가공 방법을 제시하고, 그에 대한 흑연강 선재, 강선, 흑연강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

칼슘-함유 흑연강 선재, 강선, 흑연강, 이의 제조 및 절삭 가공 방법{CALCIUM-CONTAINING GRAPHITE STEEL WIRE RODE, GRAPHITE STEEL WIRE, AND GRAPHITE STEEL, METHODS FOR MANUFACTURING AND CUTTING THE SAME}

본 발명은 칼슘-함유 흑연강 선재, 강선, 흑연강 및 그 제조방법 및 절삭 가공 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 산업용 부품 제조를 위한 절삭가공 방법을 제시하고 그에 대한 흑연강 선재, 강선, 흑연강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 절삭성이 요구되는 기계 부품 등의 소재로는 Pb, Bi, S 등의 절삭성 부여 원소를 첨가한 쾌삭강이 이용된다. 강재의 절삭성을 향상시키기 위해서 강중에 Pb, Bi 등 저융점 절삭성 부여원소를 첨가하여 액체금속취화 현상을 이용하거나, 다량의 MnS를 강중에 형성시키고 있는데, 이러한 쾌삭강은 절삭가공시 표면조도, 칩처리성, 공구수명 등 강의 절삭성이 매우 우수하다.

그러나, 절삭성이 가장 우수한 Pb 첨가 쾌삭강의 경우에는 절삭 작업시 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, 강재 제조시에 균열 발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있거나, 열간 압연시 균열 발생을 야기한다는 점에서 문제가 많음이 알려져 왔다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 개발된 쾌삭강이 흑연쾌삭강이다. 흑연쾌삭강은 페라이트 기지 혹은 페라이트 및 펄라이트 기지 내부에 미세 흑연립을 포함하는 강으로써, 내부의 미세 흑연립이 절삭시 크랙 공급원으로 작용하여 칩 브레이커의 역할을 함으로써 절삭성도 양호한 성질을 가지고 있는 강이다.

그런데, 이러한 흑연쾌삭강의 장점에도 불구하고 현재 흑연쾌삭강이 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, 흑연화 열처리를 통해 흑연립을 석출시켰다고 하더라도 불규칙한 형상으로 불균일하게 분포하고 있을 경우 절삭시 물성 분포가 불균일하여 칩처리성이나 표면 조도가 매우 나빠지게 되며, 공구 수명 또한 단축되어 흑연쾌삭강의 장점을 얻기가 어렵다. 따라서, 열처리 시간을 대폭 단축하면서도, 열처리시 미세 흑연립이 기지 내에 균일하게 분포되도록 할 수 있는 흑연쾌삭강 강선재 및 절삭성이 우수한 절삭가공방법(즉, CNC 복합선반, 구형 CAM 자동선반)이 제공될 필요가 있다.

한국 공개특허 제10-2015-0057400호

본 발명에서는 산업용 부품제작을 위한 흑연강 성분설계 및 절삭가공 조건을 제공하며, 흑연강 제조를 위한 강선재, 강선 및 흑연화 열처리 제조방법을 제공하고자 한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강 선재는, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 흑연강 선재의 제조방법은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재로 제조하는 단계; 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 흑연강 강선은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 흑연강은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로, 페라이트 기지에 흑연립이 분포되어 있으며, 흑연화율이 90% 이상이며, 펄라이트 분율이 10% 미만이다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 흑연강의 제조방법은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 선재를 흑연화 열처리하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 절삭 가공 방법은, 상기 흑연강을 CNC 복합선반 및 구형 CAM 자동선반 중 선택되는 어느 하나로 절삭 가공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 칼슘-함유 흑연쾌삭강은 절삭성능이 우수하여 TV 팸너트 등 소형 부품들의 소재로 적용이 가능하다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하에서 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

이하, 본 발명에 해당되는 절삭성능이 우수한 칼슘-함유 흑연강 선재, 강선, 흑연강 및 그 제조방법과 이의 절삭 가공 방법에 대하여 상세히 설명한다.

[흑연강 선재]

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강 선재는, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe)을 포함하고, 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다.

탄소(C): 0.60~0.90중량%

탄소는 흑연립을 형성하기 위해 필수적인 원소이다. 상기 탄소의 함량이 0.60중량% 미만인 경우에는 절삭성 향상 효과가 미흡하며 흑연화 완료시에도 흑연립의 분포가 불균일하며, 반면, 그 함량이 0.90이상으로 과다한 경우 흑연립이 조대하게 생성되고 종횡비가 커져 절삭성 특히 표면 조도가 저하될 우려가 있다. 따라서, 상기 탄소 함량의 상한은 0.90중량%인 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 2.0~2.5중량%

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%인 것이 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 고용강화 효과로 인해 경도가 증가하여 절삭시 공구마모가 가속화되며, 비금속 개재물의 증가에 따른 취성을 유발하고, 열간 압연시 과도한 탈탄을 유발할 우려가 있다. 따라서, 상기 실리콘 함량의 상한은 2.5중량%인 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.70~1.30중량%

망간은 강재의 강도 및 충격 특성을 향상시키며, 강 중 황과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 절삭성 향상에 기여한다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.70중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 흑연화를 저해하여 흑연화 완료 시간이 지연될 우려가 있고 강도 및 경도를 상승시켜 절삭성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 망간 함량의 상한은 1.30중량%인 것이 바람직하다.

황(S): 0.20~0.50중량%

황은 망간과 결합하여 MnS 개재물의 생성을 유도하여 절삭성을 향상시킬 수 있다. 다만, 황이 과량 함유되는 경우 강 중 탄소의 흑연화를 저해할 뿐만 아니라, 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고, 저융점 유화물을 형성시켜 열간 압연성을 저해할 수 있으며, 압연에 의해 연신된 MnS로 인해 기계적인 이방성이 나타날 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 황에 의해 물성이 저해되지 않으면서도 절삭성을 향상시킬 수 있도록 그 함량을 적절하게 조절하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 황의 함량이 0.20 중량% 미만일 때는 MnS 등의 개재물 량이 충분히 생성되지 않아서 절삭성이 열위하므로 그 이상으로 관리해야 한다. 그러나, 황의 함량이 0.50중량% 초과일 때는 표면 결함 등의 품질 결함이 발생할 가능성이 생기므로 그 이하로 관리한다.

알루미늄(Al): 0.01~0.05중량%

알루미늄은 실리콘 다음으로 흑연화를 촉진시키는 원소이다. 이는 알루미늄이 고용 Al으로 존재할 때 세멘타이트를 불안정하게 하기 때문이며 따라서 고용 Al으로 존재하는 것이 필요하다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 반면, 그 함량이 과다한 경우 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 연주시 노즐 막힘을 유발 시킬 수 있으며 오스테나이트 입계에 AlN이 생성되어 이를 핵으로 한 흑연이 입계에 불균일하게 분포하게 된다. 따라서, 상기 알루미늄 함량의 상한은 0.05중량%인 것이 바람직하다.

타이타늄(Ti): 0.01~0.02중량%

타이타늄은 알루미늄 등과 같이 질소와 결합하여 TiN, AlN 등의 질화물을 생성하는데, 이러한 질화물들은 항온 열처리 시 흑연 생성의 핵으로 작용한다. 그러나 AlN 등은 생성 온도가 낮아 오스테나이트가 형성된 후 입계에 불균일 석출되는 것에 반하여 TiN은 생성온도가 AlN보다 높아 오스테나이트 생성이 완료되기 전 정출하기 때문에 오스테나이트 입계 및 입내에 균일 분포를 하게 된다. 따라서, TiN을 핵생성처로 하여 생성된 흑연립 또한 미세하면서도 균일하게 분포하게 된다. 이러한 효과를 나타내기 위해서는 0.01중량% 이상 포함되는 것이 바람직하지만, 그 함량이 0.02%를 초과하여 첨가될 경우 조대한 탄질화물이 되어 흑연 형성에 필요한 탄소를 소모함으로써, 흑연화를 저해시킬 수 있다. 따라서, 상기 타이타늄 함량의 상한은 0.02중량%인 것이 바람직하다.

질소(N): 0.003~0.015중량%

질소는 타이타늄, 알루미늄과 결합하여 TiN, AlN 등을 생성하게 되는데, 특히 AlN 등의 질화물은 주로 오스테나이트 입계에 형성된다. 흑연화 열처리시 이러한 질화물을 핵으로 흑연이 형성되기 때문에 흑연의 불균일한 분포를 야기시킬 수 있기 때문에 적정 양의 첨가가 필요하다. 질소 첨가량이 과다하여 질화물 형성 원소와 결합하지 못하고, 고용 질소로써 강중에 존재하게 되면 강도를 높이고 세멘타이트를 안정화시켜 흑연화를 지연시키는 해로운 작용을 하게 된다. 따라서, 흑연 핵생성처로 작용하는 질화물을 형성시키는데 소모되고, 고용 질소로는 남기지 않게 하기 위한 이유로 본 발명에서는 0.003중량%를 하한으로 0.015중량% 상한으로 제한하였다.

칼슘(Ca): 0.0001~0.05중량%

칼슘은 본 발명의 강의 조성에서는 Ca-Al계 산화물을 형성하고 이것이 흑연화의 핵으로서 작용하여 흑연화를 촉진 및 Ca계 유화물을 생성하는 것에 의해 절삭성을 개선한다. 이와 같은 작용은 0.0001중량% 미만에서는 그 효과가 미흡하며, 0.05중량%를 초과하는 경우 조대한 산화물계 비금속 개재물이 다량 발생하여 기계부품의 피로강도를 저하시키기 때문에 0.0001~0.05중량%의 범위로 한정하였다.

그 외 성분

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 다만, 본 발명에서는 인(P), 보론(B), 산소(O)는 실질적으로 포함하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

미세조직

또한, 본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 흑연강 선재는 펄라이트의 면적분율이 90% 이상이고, 페라이트의 면적분율이 10% 미만일 수 있고, 바람직하게는 펄라이트의 면적분율이 95% 이상이고, 페라이트의 면적분율이 5% 미만일 수 있다. 본 발명에서, 흑연립은 펄라이트가 분해되어 생기므로 펄라이트의 면적분율이 낮으면 흑연립의 분율도 낮을 수 밖에 없으며, 불균일한 분포를 보이게 되어 바람직하지 않다. 펄라이트의 면적분율은 높은 것이 균일하고 미세한 흑연립을 확보하는 것이 유리하기 때문에 그 상한을 특별히 한정하지 않는다.

후술하는 흑연강 선재의 제조방법, 흑연강 강선, 흑연강, 흑연강의 제조방법 및 절삭 가공 방법은, 상술한 흑연강 선재에 대하여 기술된 내용을 모두 적용할 수 있으며, 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

[흑연강 선재의 제조방법]

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강 선재의 제조방법은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 가열하는 단계; 상기 가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재로 제조하는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함한다.

가열 공정

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 가열하는 단계는, 1050±100℃범위에서 60분 이상 유지하여 열처리하는 것을 포함할 수 있다.

빌렛을 열간 압연하기 전에 1050±100℃범위에서 60분 이상 유지한다. 빌렛의 가열 온도가 950℃미만에서는, 압연중 부하가 증가하여 압연생산성이 저하될 수 있으므로 낮은 가열 온도에서 불리한 면이 있다. 가열 온도가 1150℃를 초과할 경우에는 비용이 상승할 뿐만 아니라, 탈탄이 가속화되어 탈탄층이 두꺼워져 최종 제품에까지 남기 때문에 바람직하지 않다. 가열유지 시간을 60분 이상으로 한 것은, 60분 미만에서는 선재압연을 위한 빌렛의 외내부의 균일한 온도 분포를 확보하기 어렵기 때문이다.

압연 공정

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열간 압연하여 선재로 제조하는 단계는, 900~1150℃의 온도범위에서 열간 압연하는 것을 포함할 수 있다.

선재 압연 온도를 900~1150℃의 범위로 한 것은 900℃미만에서는 열간 압연시 표면 흠의 발생이 용이하거나 압연부 하량이 증가하여 압연이 힘들 수 있으며, 1150℃초과의 경우에는 AGS(Austenite Grain Size)가 조대화되어 선재 압연 후 흑연화 열처리 시간이 길어질 수 있기 때문이다.

냉각 공정

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각하는 단계는, 0.1~10.0℃의 냉각속도로 500℃까지 냉각하는 것을 포함할 수 있고, 구체적으로는, 750~900℃ 온도구간에서 0.1~10.0℃의 냉각속도로 500℃까지 냉각하는 것일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 냉각하는 단계 이후 공냉하는 단계를 포함할 수 있다.

냉각속도가 10.0℃이상일 경우에는 마르텐사이트와 같은 경질상이 발생하여 선재 압연 다음 공정인 냉간 신선 중 단선이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않고, 0.1℃미만의 냉각 속도에서는 초석상이 과도하게 생성되어 펄라이트의 분율이 줄어들거나 결정립 크기가 조대화되어 흑연화 열처리 후 생성된 흑연립이 불균일한 분포를 가질 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

[흑연강 강선]

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강 강선은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

[흑연강]

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하며; 미세조직으로, 페라이트 기지에 흑연립이 분포되어 있으며, 펄라이트 분율이 10% 미만이고, 흑연화율이 90% 이상인 것을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강의 흑연화율은 바람직하게는 99% 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 100%일 수 있다.

한편, 흑연화율이란 강에 첨가된 탄소 함량 대비 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량의 비를 의미하는 것으로, 하기 관계식 1에 의해 정의된다.

[관계식 1]

흑연화율(%) = (1-미분해 펄라이트내 탄소 함량/강 중 탄소 함량)×100

(여기서, 미분해 펄라이트가 없을 경우 흑연화율은 100%가 됨)

상기 흑연화율이 90% 이상이라는 것은 첨가된 탄소가 대부분 흑연을 생성하는데 소모되었다는 의미로서, 미분해된 펄라이트가 존재하지 않는, 즉, 페라이트 기지에 흑연립이 분포하는 미세조직을 가지는 것을 의미한다. 이때, 페라이트 내 고용 탄소 및 미세 탄화물에 고용된 탄소량은 극히 적으므로 고려하지 않는다.

[흑연강의 제조방법]

본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강의 제조방법은, 중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계; 및 상기 제조된 선재를 흑연화 열처리하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 열처리하는 단계는, 700~800℃의 온도범위에서 5시간 이상, 바람직하게는 5~20시간 동안 열처리하는 것을 포함할 수 있다.

상기 선재를 700~800℃의 범위에서 5시간 이상 열처리를 유지하면 흑연화율 90% 이상에 도달할 수 있다. 700℃미만에서는 흑연화 열처리 시간이 길어지게 되어 20시간이 초과되며, 800℃초과에서는 흑연화 시간이 길어지므로 바람직하지 않다.

[절삭 가공 방법]

본 발명의 일 실시예에 따른 절삭 가공 방법은, 본 발명에 따른 흑연강을 CNC 복합선반 및 구형 CAM 자동선반 중 선택되는 어느 하나로 절삭 가공하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 CNC 복합선반은 절삭속도가 1500 RPM 이상, 이송속도는 0.03 mm/rev 이상일 수 있고, 상기 구형CAM 자동선반 또한 절삭속도가 1500 RPM 이상, 이송속도는 0.03 mm/rev 이상일 수 있다.

상기 제작된 흑연쾌삭강 강선재를 절삭업체에서 절삭하여 산업용 소형 부품, 예를 들어, TV 펨너트용 부품 등으로 제작하게 된다. 일반 쾌삭강 수준의 절삭성능을 보유하지 않으면 시장 진입이 불가능하게 된다. 이를 극복하기 위하여 본 발명에서는 CNC 복합선반 및/또는 구형 CAM 방식 자동선반의 절삭속도를 1500 RPM 이상, 이송속도는 0.03 mm/rev 이상의 조건에서 절삭 가공으로 제조되는 방법을 제시한다. 상기 CNC 복합선반 및/또는 구형 CAM 방식 자동선반의 절삭속도 1500 RPM 미만 및/또는 이송속도 0.03mm/rev 미만으로 하게 되면 절삭성능이 떨어지게 된다. 절삭속도와 이송속도는 빠를수록 절삭성능이 우수하며 일반 쾌삭강과 동등한 수준을 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이며, 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고, 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

실시예

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 조성을 갖는 빌렛을 가열온도 1050℃ 조건에서 90분간 유지하고 고속 선재 압연하여 19mm의 직경을 갖는 실시예 1~11 및 비교예 1~7의 선재를 제조하였다.

(조성: 중량%)	C	Si	Mn	S	Al	Ti	N	Ca
실시예 1	0.67	2.1	0.85	0.31	0.015	0.015	0.005	0.01
실시예 2	0.85	2.15	0.96	0.24	0.023	0.017	0.008	0.02
실시예 3	0.72	2.35	1.07	0.35	0.043	0.007	0.010	0.015
실시예 4	0.68	2.18	1.16	0.45	0.035	0.009	0.009	0.03
실시예 5	0.82	2.25	0.95	0.35	0.040	0.012	0.014	0.04
실시예 6	0.62	2.48	0.80	0.25	0.042	0.006	0.012	0.045
실시예 7	0.73	2.42	1.2	0.30	0.034	0.011	0.006	0.035
실시예 8	0.78	2.32	1.25	0.43	0.019	0.016	0.008	0.03
실시예 9	0.85	2.15	0.95	0.27	0.027	0.009	0.013	0.025
실시예 10	0.75	2.26	1.15	0.26	0.030	0.018	0.007	0.015
실시예 11	0.73	2.46	1.20	0.42	0.020	0.008	0.008	0.035
비교예 1	0.63	2.0	1.35	0.05	0.005	0.016	0.001	0.06
비교예 2	0.68	2.2	1.41	0.13	0.006	0.02	0.002	0.065
비교예 3	0.73	2.25	1.50	0.56	0.075	0.009	0.018	0.08
비교예 4	0.95	2.15	0.40	0.11	0.060	0.018	0.020	0.07
비교예 5	0.55	2.6	0.56	0.60	0.003	0.025	0.025	0.1
비교예 6	0.8	2.75	0.65	0.15	0.065	0.03	0.021	0.085
비교예 7	0.75	2.8	0.60	0.10	0.06	0.002	0.022	0.07

또한, 상기 선재 제조 시 압연 후 냉각하여 선재를 제작한 후, 미세조직 내 펄라이트 면적분율을 측정하였고, 이때 냉각개시온도, 냉각속도 및 펄라이트 면적분율을 하기 표 2에 나타내었다.

또한, 상기 제작된 선재를 흑연화 열처리하였으며, 이때 흑연화 열처리 유지시간 및 흑연화율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다. 흑연화 열처리 온도는 “A1 온도 - 50℃”로 일정하게 적용되어 흑연화 열처리가 실시되었다.

구분	선재			흑연화
구분	냉각개시온도 (^oC)	냉각속도 (℃/s)	펄라이트 면적분율(%)	유지시간 (hr)	흑연화율 (%)
실시예 1	885	0.5	96.1	6.0	100
실시예 2	865	7.5	97.5	9.5	100
실시예 3	840	1.5	95.1	11.0	100
실시예 4	760	3.0	95.5	6.5	100
실시예 5	780	5.0	98.5	13.5	100
실시예 6	845	2.0	96.5	5.5	100
실시예 7	800	9.5	97.5	16.5	100
실시예 8	775	4.5	97.0	8.2	100
실시예 9	890	6.0	96.5	18.5	100
실시예 10	780	5.0	98.0	5.7	100
실시예 11	830	6.5	99.0	12.5	100
비교예 1	910	0.05	93.0	1.0	75
비교예 2	860	13.0	93.5	2.5	80
비교예 3	805	11.5	94.2	3.0	86
비교예 4	740	0.07	93.2	1.5	75
비교예 5	885	0.04	93.5	4.5	86
비교예 6	830	14.0	94.1	4.0	84
비교예 7	850	16.0	93.5	3.5	85

*상기 표 2에서, (100%-흑연화율)의 조직은 MnS 개재물, 펄라이트 및 일부 통상 존재하는 개재물 등으로 구성되며, 흑연화조직은 페라이트+흑연립으로 구성됨.

펄라이트 분율 및 흑연화 분율은 상기 표 2와 같이 선재 및 흑연화 제조조건하에서 달성됨을 확인할 수 있다.

또한, TV 펨너트용 부품제작을 위해서 절삭가공 조건별 실시예와 비교예를 하기 표 3 과 4에 나타내었다. 표 3은 CNC 선반 가공조건이며, 표 4는 구형선반 가공조건이다.

	절삭속도(RPM)	이송속도(mm/rev)	절삭성(%)
실시예 1	1500	0.045	100
실시예 2	2000	0.1	100
실시예 3	2050	0.05	100
실시예 4	1800	0.25	100
실시예 5	4000	0.15	100
실시예 6	3500	0.3	100
실시예 7	2700	0.35	100
실시예 8	1600	0.035	100
실시예 9	2000	0.05	100
실시예 10	2300	0.09	100
실시예 11	3200	0.1	100
비교예 1	950	0.02	81
비교예 2	1000	0.02	84
비교예 3	1350	0.025	91
비교예 4	1400	0.015	94.5
비교예 5	1150	0.012	90
비교예 6	1200	0.01	93
비교예 7	950	0.01	85

	절삭속도(RPM)	이송속도(mm/rev)	절삭성(%)
실시예 1	1050	0.045	100
실시예 2	2000	0.1	100
실시예 3	2100	0.05	100
실시예 4	1900	0.25	100
실시예 5	2500	0.15	100
실시예 6	3500	0.3	100
실시예 7	2700	0.35	100
실시예 8	3600	0.035	100
실시예 9	2000	0.05	100
실시예 10	2300	0.09	100
실시예 11	3200	0.1	100
비교예 1	950	0.02	81
비교예 2	1000	0.02	84
비교예 3	1350	0.025	91
비교예 4	1400	0.015	94.5
비교예 5	1150	0.012	90
비교예 6	1200	0.01	93
비교예 7	950	0.01	85

*상기 표 3 및 4에서, 절삭성은 일반쾌삭강의 절삭성능을 기준으로 한 수치임(100%는 동등한 수준을 의미함).

이하, 표 1 내지 4를 참조하여 실시예 및 비교예를 평가한다.

실시예 1 내지 11은 본 발명의 합금조성 범위 및 0.1~10℃의 냉각속도를 만족함으로써, 흑연강 선재의 펄라이트의 면적분율이 95.1% 이상이고, 흑연화율이 100%인 것을 확인할 수 있다. 반면, 냉각속도가 0.1~10℃의 범위를 벗어나는 비교예 1 내지 7은 흑연강 선재의 펄라이트의 면적분율이 93.0~94.2%에 불과하였고, 흑연화율 또한 75~86%에 불과한 것을 확인할 수 있다.

또한, CNC 복합선반 및 구형 CAM 자동선반의 절삭속도가 1500 RPM 이상, 이송속도는 0.05 mm/rev 이상의 조건을 만족하는 실시예 1 내지 11은 소재 절삭가공을 통해 일반 쾌삭강과 동등한 수준(일반쾌삭강 대비 100%)의 절삭성능을 보유하는 것으로 평가되었으며, 상기 절삭속도 및 이송속도 조건을 만족하지 못하는 비교예 1 내지 7은 일반 쾌삭강에 대비하여 81 내지 94.5%의 절삭성능에 불과한 것을 확인할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재.
청구항 1에 있어서,
펄라이트의 면적분율이 95% 이상인, 칼슘-함유 흑연강 선재.
중량%로 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계;
상기 빌렛을 가열하는 단계;
상기 가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재로 제조하는 단계;
상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 가열하는 단계는, 1050±100℃범위에서 60분 이상 유지하여 열처리하는 것을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 열간 압연하여 선재로 제조하는 단계는, 900~1150℃의 온도범위에서 열간 압연하는 것을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 냉각하는 단계는, 0.1~10.0℃의 냉각속도로 500℃까지 냉각하는 것을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재의 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 냉각하는 단계 이후, 공냉하는 단계를 더 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 선재의 제조방법.
중량%로, 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강 강선.
중량%로, 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직으로, 페라이트 기지에 흑연립이 분포되어 있으며, 흑연화율이 90% 이상이며, 펄라이트 분율이 10% 미만인, 칼슘-함유 흑연강.
중량%로, 탄소(C): 0.60~0.90%, 실리콘(Si): 2.0~2.5%, 망간(Mn): 0.70~1.30%, 황(S): 0.20~0.50%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 타이타늄(Ti): 0.005~0.02%, 질소(N): 0.003~0.015%, 칼슘(Ca): 0.0001~0.05%, 잔부의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 선재를 제조하는 단계; 및
상기 제조된 선재를 흑연화 열처리하는 단계를 포함하는, 칼슘-함유 흑연강의 제조방법.
청구항 10에 있어서,
상기 흑연화 열처리하는 단계는, 700~800℃의 온도범위에서 5시간 이상 열처리하는 것을 포함하는, 칼슘-함유 흑연강의 제조방법.
청구항 9에 따른 칼슘-함유 흑연강을 CNC 복합선반 및 구형 CAM 자동선반 중 선택되는 어느 하나로 절삭 가공하는 것을 특징으로 하는, 절삭 가공 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 CNC 복합선반은 절삭속도가 1500 RPM 이상이고, 이송속도는 0.03 mm/rev 이상인, 절삭 가공 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 구형 CAM 자동선반은 절삭속도가 1500 RPM 이상이고, 이송속도는 0.03 mm/rev 이상인, 절삭 가공 방법.