KR100511652B1

KR100511652B1 - 단조성과 피삭성이 우수한 강

Info

Publication number: KR100511652B1
Application number: KR10-2002-7011650A
Authority: KR
Inventors: 하시무라마사유키; 히라타히로시; 이소베고이치; 나이토겐이치로; 후쿠야스겐지
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2000-03-06
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: EP1264909A1; US6858101B1; DE60024495D1; WO2001066814A1; JP4267234B2; EP1264909A4; KR20020079945A; DE60024495T2; EP1264909B1

Abstract

최약방향의 기계적 성질의 저하를 억제하여 단조가공성을 향상시키면서, 피삭성이 양호한 강으로서, 중량%로, C: 0.1∼0.85%, Si: 0.01∼1.5%, Mn:0.05∼2.0%, P:0.003∼0.2%, S:0.003∼0.5%, Zr:0.0003∼0.01%를 함유함과 동시에 Al: 0.01% 이하, total-O: 0.02% 이하, total-N:0.02% 이하를 제한되고, 또한, MnS의 평균 종횡비 10 이하, 최대 종횡비 30 이하를 가지며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

Description

단조성과 피삭성이 우수한 강{STEEL EXCELLENT IN SUITABILITY FOR FORGING AND CUTTING}

본 발명은 크랭크 축이나 커넥팅 로드와 같은 자동차나 일반 기계 등에 사용되는 강에 관한 것으로, 특히 열간 단조성과 피삭성이 우수한 강에 관한 것이다.

최근 강의 고강도화가 진행되는 반면, 가공성이 저하되기 때문에 단조나 절삭 능률이 저하되지 않는 강에 대한 수요가 높아지고 있다. 지금까지 열간단조에 대하여는 개재물의 저감시키거나, 고온 연성을 증가시키는 원소를 첨가하거나, 고온 연성 저해 원소를 저감시키는 것 등이 일반적인 대책이었다. 한편, 피삭성을 향상시키기 위하여 S, Pb 등의 피삭성 향상 원소를 첨가하는 것이 효과적인 것으로 알려저 있는데, 이들 피삭성을 향상시키는 데 있어서 효과적인 상기 원소는 고온에서 연성을 저하시키기 때문에, 열간 단조성을 향상시키면서 동시에 피삭성을 향상시키는 것은 곤란하다는 문제점을 안고 있었다. Pb, Bi는 피삭성을 향상시키고, 단조에 미치는 영향도 비교적 적지만, 고온 연성을 저감하는 것으로 알려져 있다. S는 MnS와 같은 절삭 환경하에서 연질이 되는 개재물을 형성하여 피삭성을 향상시키지만, MnS의 치수는 Pb 등의 입자에 비하여 크므로, 응력 집중원이 되기 쉽다. 특히 단조나 압연에 의하여 MnS는 연신하면 이방성을 일으키게 되어, 특정 방향으로는 극단적으로 약해진다. 또한, 이와 같은 이방성은 설계상에서 반드시 고려해야 할 필요성도 생기게 된다. 따라서, 이와 같은 쾌삭 원소의 이방성을 최소한으로 줄이는 기술이 필요하게 되었다. 또한, P에 관하여도 피삭성을 향상시키는 것으로 알려져 있는데, 열간 주조시에 균열을 일으키기 쉬우므로 다량을 첨가할 수 없게 되어 피삭성을 크게 향상시키지 못하는 한계를 갖는다. Te를 첨가하면 이방성이 해소된다는 주장(일본공개특허공보 소55-41943호)도 있으나, Te는 주조시 및 압연, 단조시에 균열을 일으키기 쉬운 단점을 갖는다.

또한, 강중에 Zr, Ca를 포함하는 탈산제를 첨가하고, 강의 피삭성을 저속 절삭에서부터 고속 절삭에 이르기까지의 넓은 범위에 걸쳐 개선하고자 한 기술이 일본공개특허공보 소49-66522호에 개시되어 있다. 그러나, 이 기술에 있어서도 압연 또는 단조에 의하여 연신한 MnS에 의한 파괴 문제는 여전히 해결되지 않았다.

이와 같은 열간 연성과 피삭성을 양립하려면 기술혁신이 더 필요하다.

[발명의 요약]

본 발명은 상기 문제점들을 해결하고자, 열간 연성과 피삭성이 양호한 강을 제공하는 것을 목적으로 한다.

일반적으로 강은 압연이나 단조에 의하여 가공되지만, 가공에 따른 소성 유동에 의하여 강의 기계적 성질에 이방성이 생기게 된다. 단조시에는 그 이방성에 기인하는 균열이 실질적인 단조 한계를 나타낸다. 따라서 단조성을 향상시키려면 MnS와 같은 개재물 형상을 최대한 구형에 가깝게 하고, 이방성을 최저한으로 억제하는 것이 유효하다. 또한, 예를 들어 이방성을 일으켜도 개재물 치수가 작으면, 이방성의 영향은 줄일 수 있다. 그 때문에, 피삭성을 향상시키는 MnS를 미세하게 분산하고, 또한 그 형상을 구상으로 유지하기 위한 강재 성분으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이상의 식견에 기초하여 이루어진 단조성과 피삭성이 우수한 강으로서, 그 요지는 이하에 도시하는 바와 같다.

(1) 질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P: 0.003∼0.2%,

S: 0.003∼0.5%,

Zr: 0.0003∼0.01%

를 함유함과 동시에

Al: 0.01% 이하,

total-O: 0.02% 이하,

total-N: 0.02% 이하로 제한되고, 또한, MnS의 평균 종횡비가 10 이하, 최대 종횡비가 30 이하를 가지고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(2) 질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P: 0.003∼0.2%,

S: 0.003∼0.5%,

Zr: 0.0003∼0.01%

를 함유함과 동시에

Al: 0.01% 이하,

tota1-O: 0.02% 이하,

total-N: 0.02% 이하

로 제한되고, 또한, MnS의 평균 종횡비 10 이하에서, 최대 종횡비 30 이하를 가지고, 또한 MnS의 최대 입경(㎛)이 110×〔S%〕+ 15이하, 1mm²내의 MnS수가 3800×〔S%〕+ 150 이상이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(3) 질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P: 0.003∼0.2%,

S: 0.003∼0.5%,

Zr: 0.0003∼0.01%

를 함유함과 동시에

Al: 0.01% 이하,

total-O: 0.02% 이하,

total-N: 0.02% 이하

로 제한되고, 또한,

Cr: 0.01∼2.0%,

Ni: 0.05∼2.0%,

Mo: 0.05∼1.0%

중 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 또한, MnS의 평균 종횡비 10 이하이고, 최대 종횡비 30 이하를 가지며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 강.

(4) 질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P: 0.003∼0.2%,

S: 0.003∼0.5%,

Zr: 0.0003∼0.01%

를 함유함과 동시에

Al: 0.01% 이하,

total-O: 0.02% 이하,

total-N: 0.02% 이하

로 제한되고, 또한,

Cr: 0.01∼2.0%,

Ni: 0.05∼2.0%,

Mo: 0.05∼1.0%

중 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 또한, MnS의 평균 종횡비가 10 이하이고, MnS의 최대 종횡비가 30 이하이며, 또한, MnS의 최대 입경(㎛)이 110×〔S%〕+ 15이하이고, 1mm²내의 MnS수가 3800 ×〔S%〕+150 이상이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 하나에 기재된 강이, 질량%로

V: 0.05∼1.0%,

Nb: 0.005∼0.2%,

Ti: 0.005∼0.1%

중 적어도 1종 이상을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(6) 상기 (1)∼(5)의 어느 하나에 기재된 강이, 질량%로,

Ca: 0.0002∼0.005%,

Mg: 0.0003∼0.005%,

Te: 0.0003∼0.005%

중 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(7) 상기(1)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 강이, 질량%로,

Bi: 0.05∼0.5%,

Pb: 0.01∼0.5%

중 1종 또는 2종을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

(8) 상기 (1)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 강이, 질량%로,

B: 0.0005% 이상 0.004% 미만을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.

도 1(a), 도 1(b), 도 1(c)는, 단조 가공성(열간, 냉간) 평가용 시험편 잘라냄 위치와 시험편 형상을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 업세팅 시험에서의 균열 발생 위치를 설명하는 도면이다.

도 3은, 단조가공성 평가 시의 변형의 정의를 설명하는 도면이다.

도 4는, 표 1의 실시예에 관하여 열간단조성에 미치는 S량의 영향을 나타내는 도면이다.

도 5는, 표 1의 실시예에 관하여 냉간단조성에 미치는 S량의 영향을 나타내는 도면이다.

도 6은 표 2의 실시예에 관하여 열간 가공성에 미치는 S량의 영향을 나타내는 도면이다.

도 7은 표 1의 실시예에 관하여 피삭성에 미치는 S량의 영향을 나타내는 도면이다.

도 8(a)는 충격치, 황화물 형상 및 황화물수에 미치는 Zr량의 영향을 나타내는 도이고, 도 8(b)는 시험편 채취 위치를 나타내는 도면이다.

도 9는, 황화물 형상, 수, 열간 단조성 및 피삭성에 미치는 Al 첨가량의 영향을 나타내는 도면이다.

도 10은, 공구 수명에 미치는 Zr량의 영향을 나타내는 도면이다.

[발명의 구성]

먼저, 본 발명에 의한 강성분의 조성에 대하여 설명한다.

C는 강재의 기본 강도에 큰 영향을 미치게 하는 원소이고, 충분한 강도를 얻기 위하여 0.1∼0.85%로 하였다. 0.1% 미만에서 충분한 강도를 얻지 못하여, 다른 합금 원소를 더욱 다량으로 투입하지 않을 수 없으며 0.85%를 넘으면 과공석(過共析)에 가까와져, 경질의 탄화물을 많이 석출하기 때문에 피삭성을 현저하게 저하시킨다.

Si는 탈산원소로서 첨가되지만, 페라이트의 강화나 템퍼링 연화 저항을 부여하기 위하여 첨가한다. 본 발명에 있어서는 탈산원소로서도 필요하다. 0.01% 미만에서는 그 효과는 인정되지 않고 1.5%를 넘으면 취화하며, 고온에서의 변형 저항도 증가하기 때문에 이를 상한으로 한다.

Mn은 강중 유황을 MnS로서 고정·분산시키기 위하여 필요함과 동시에, 매트릭스에 고용(固溶)시켜 담금질성을 향상시키거나 담금질 후의 강도를 확보하는 데 있어서 필요하다. 그 하한치는 0.05%이며, 그 미만이면 S가 FeS가 되어 물러진다. Mn량이 많아지면 기재의 경도가 커져 냉간 가공성이 저하됨과 동시에, 강도나 담금질성에 미치는 영향도 포화되므로, 2.0%를 상한으로 한다.

P는 강 중에 있어서 기재의 경도가 커지고, 냉간 가공성 뿐만 아니라, 열간가공성이나 주조 특성이 저하하기 때문에, 그 상한을 0.2%로 하여야 한다. 한편, 피삭성에 효과가 있는 원소로 하한치를 0.003%로 한다.

S는 Mn과 결합하여 MnS 개재물로서 존재한다. MnS는 피삭성을 향상시키지만, 연신한 MnS는 단조시의 이방성을 일으키는 원인의 하나이다. 이방성의 정도와 요구되는 피삭성에 의하여 조정되어야 하지만, 동시에 열간 및 냉간단조에서의 균열의 원인이 되기 쉬우므로, 그 상한치를 0.5%로 하였다. 하한은 현재의 공업 생산 수준에서 비용이 대폭적으로 상승하지 않는 한계인 0.003%로 한다.

Zr은 탈산원소이고, ZrO₂또는 Zr을 포함하는 산화물 (이하, "Zr 산화물"이라 함)을 생성한다. 산화물은 ZrO₂라고 생각되어 ZrO₂가 MnS의 석출 핵이 되기 때문에, MnS의 석출 사이트를 증가시키고, MnS를 균일하게 분산시킨다. 또한 Zr은 MnS에 고용하여 복합황화물을 생성하여 그 변형능을 저하시키고, 압연이나 열간 단조하여도 MnS 형상의 연신을 억제하는 기능을 갖는다. 따라서, 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 0.0003% 미만에서는 그 효과는 현저하지 않고, 0.01% 이상 첨가하여도 원료에 대한 제품 비율이 극단적으로 나빠질 뿐만 아니라, 경질의 ZrO₂나 ZrS 등을 대량으로 생성하여, 오히려 피삭성이나 충격치나 피로 특성 등의 기계적 성질을 저하시킨다. 따라서 성분 범위를 0.0003∼0.01%로 한정하였다.

지금까지도 Zr 첨가에 의하여 MnS가 구상화한다는 사고는 있었으나, 「철과 강」제62년(1976) 7호 제893면에는, MnS-Zr₃S₄의 공정 개재물을 발생시키면 MnS의 변형능을 저하시켜 MnS의 연신을 억제할 수 있고, 그것에는 0.07% S에 대하여 0.02% 이상 필요한 것이 기록되어 있다. 이와 같은 식견은 MnS의 변형능을 억제하기 위하여 복합황화물을 생성시키는 것이 중요하고, 이를 위하여 다량의 Zr 첨가를 필요로 하였다. 그러나, 과잉 Zr은 Zr계의 질화물 및 황화물과 같은 산화물 이외의 경질 개재물 및 그 클러스터를 생성하고, 기계적 성질과 피삭성을 저하시킨다. 즉, 다량 Zr 첨가에 의하여 MnS 변형능을 저하시키는 데에는 경질 개재물과 클러스터에 의한 폐해를 수반한다.

한편, 본 발명은, MnS의 변형능보다도 MnS의 석출 핵으로서의 Zr계 산화물의 역할에 주목하였다. 또한, 강 중에 MnS가 미세하게 분산하면, 예를 들어 MnS가 압연이나 단조에 의하여 연신되어도 강에 있어서 치명적인 결함이 되지 않는 것으로 생각하고 쾌삭강을 개발해왔다. 검토 결과, 0.01% 이하의 Zr 첨가로 생성되는 Zr계 산화물은 미세 분산 가능함과 동시에 MnS의 석출 핵이 되기 쉬운 것을 알아내고, 그것을 적극적으로 이용함으로써, MnS를 미세 분산한 기계적 성질과 피삭성이 우수한 강을 개발하였다.

본 발명에서는, Zr은 산화물로서 단독 또는 다른 산화물과 복합적으로 존재하고, 그 분포는 미세 분산하며, 강 중에 MnS의 석출 핵이 되기 쉽다. 그리고 MnS의 석출 핵으로서의 Zr계 산화물을 미세 분산시킬 뿐이라면, S에 대하여 과잉 Zr을 첨가할 필요가 없기 때문에, 과잉 Zr로부터 생성되는 Zr계의 질화물 및 황화물과 같은 산화물 이외의 경질 개재물 및 그 클러스터를 생성하지 않게 되어, 다량 Zr 이 첨가되는 폐해, 즉 충격치 등의 기계적 성질이나 피삭성이 저하되는 문제점을 수반하지 않게 된다.

A1은 탈산원소이고 강중에서는 Al₂O₃를 형성한다. Al₂O₃는 경질이기 때문에 절삭시에 공구 손상의 원인이 되어, 마모를 촉진시킨다. 또한 Al을 첨가하면 O가 적어지고, Zr산화물이 생성되기 어렵다. 또한 미세한 ZrO₂를 균일 분산시키기 위해서도 Al을 첨가하지 않는 것이 좋다. 이 영향은 Zr의 첨가량이나 원료에 대한 제품 비율, 그리고 MnS의 분포나 형상에 크게 영향을 주며, 본 발명에서는 경질 A1₂O₃를 억제하고 Zr 산화물을 미세 균일 분산시키기 때문에 0.01% 이하로 제한하였다. 이를 통해, Zr의 첨가량을 크게 저감할 수 있을 뿐만 아니라, Zr 첨가 석출 핵으로서의 효과와 MnS와의 복합화 효과를 크게 할 수 있다.

O는 free로 존재하는 경우에는 냉각시에 기포가 되어 핀 홀의 원인이 된다. 또한, Si, Al, Zr 등과 결합하면 경질 산화물을 생성하므로 제한이 필요하다. 본 강에서는 Zr의 미세 분산 효과가 없어지는 0.02%를 상한으로 제한하였다.

N은 고용(固溶) N의 경우, 강을 경화시킨다. 특히 절삭에 있어서는 동적 변형 시효에 의하여 칼날 근방에서 경화하여, 공구의 수명을 저하시킨다. 또 Ti, Al, V등의 질화물로서 존재하는 경우에도 오스테나이트 입자의 성장을 억제하기 때문에 제한이 필요하다. 특히 고온 영역에서는 TiN이나 ZrN을 생성한다. 또한 질화물을 생성하지 않는 경우에도 주조 도중에 기포를 생성하여 결함 등의 원인이 된다. 본 발명에서는 그 폐해가 현저하게 되는 0.02%를 상한으로 하였다.

Cr은 담금질성 향상, 템퍼링 연화 저항 부여 원소이다. 따라서, 고강도가 필요한 강에는 첨가된다. 이 때, 0.01% 이상의 첨가를 필요로 한다. 그러나, 다량으로 Cr을 첨가하면 Cr탄화물을 생성하여 취화하므로, 2.0%를 상한으로 하였다.

Ni는 페라이트를 강화하고, 연성을 향상시키는 동시에 담금질성 향상, 내식성 향상에도 유효하다. 0.05% 미만에서는 그 효과는 인정되지 않아 2.0%를 넘어 첨가하여도 기계적 성질이라는 점에서는 효과가 포화하기 때문에, 이를 상한으로 하였다.

Mo는 어닐링 연화 저항을 부여함과 동시에, 담금질성을 향상시키는 원소이다. 0.05% 미만에서는 그 효과가 인정되지 않으며, 1.0%를 넘어 첨가하면 그 효과가 포화되므로, 0.05∼1.0%를 첨가 범위로 하였다.

B는 고용하고 있는 경우는 입계 강화나 담금질성에 효과가 있고, 석출하는 경우에는 BN으로서 석출하기 때문에 피삭성에 효과가 있다. 이러한 효과는 0.0005% 미만에서는 현저하지 않고, 0.004% 이상 첨가하여도 그 효과가 포화하고, BN이 많이 석출하는 것이 지나치면 강의 기계적 성질을 손상시키게 된다. 이와 같은 점을 고려하여, 본 발명의 B의 양을 질량%로 0.0005% 이상 0.004% 미만을 범위로 한정하였다.

V는 탄질화물을 형성하고, 2차 석출 경화에 의하여 강을 강화시킬 수 있다. 0.05% 이하에서는 고강도화에 효과는 없고, 1.0%를 넘어 첨가하면 많은 탄질화물을 석출하여, 도리어 기계적 성질을 손상시키기 때문에, 이를 상한으로 하였다. V의 첨가는 0.2%초과가 바람직하다.

V, Nb, Ti 등은 강 중에서 질화물, 탄화물, 탄질화물 등을 생성한다. 이들은 핀 고정 입자로서 오스테나이트 입자의 성장을 억제하기 때문에, 단조나 열처리시에 변태점 이상으로 가열한 경우의 오스테나이트 입경을 제어하는 원소로서 사용되는 것도 많다. 그 석출 온도는 각각 다르지만, 공업적으로 실시되고 있는 열처리 온도 제어 정밀도를 생각하면, 매우 넓은 온도역에서 핀고정 효과를 발휘하여 오스테나이트 입경을 제어하는 것이 필요하다. 특히 열간단조에서는 형상에 의하여 냉각 온도가 부재 내의 위치에 의하여도 크게 다르다.

Nb, Ti는 비교적 고온에 있어서 석출물을 생성하는데 대하여, V는 이들 보다 저온에 있어서 탄화물을 석출하기 때문에 V를 첨가하는 것이 바람직하나, V를 단독으로 첨가하는 경우에는, V는 0.2% 초과 1.0% 이하로 함으로써 효과를 달성할 수 있다. 또한 V와 Nb, Ti의 어느 하나 또는 양방을 병용함으로써 핀 고정 입자로서 최적 치수의 석출물을 균일하게 강중에 분산시킬 수 있다.

이와 같은 몇 가지 종류의 원소를 병용하는 경우에는, 단독 첨가하는 경우 보다 첨가량을 억제하여도 오스테나이트 입경을 제어할 수 있고, V의 하한은 0.05% 첨가하여도 효과가 인정된다.

따라서, Nb, Ti의 1종 또는 2종을 V와 동시에 첨가하는 경우의 V의 하한은 0.05%로 하였다.

Nb도 탄질화물을 형성하고, 2차 석출 경화에 의하여 강을 강화할 수 있다. 0.005% 이하에서는 고강도화에 효과는 없고, 0.2%를 초과하여 첨가하면 많은 탄질화물을 석출하여, 도리어 기계적 성질을 손상하기 때문에, 이것을 상한으로 하였다.

Ti도 탄질화물을 형성하고, 강을 강화한다. 또한 탈산원소이기도 하고, 연질산화물을 형성시킴으로써 피삭성을 향상시키는 것이 가능하다. 0.005% 이하로는 그 효과가 인정되지 않아 0.1%를 초과하여 첨가하여도 그 효과가 포화된다. 또한 Ti는 고온에서도 질화물이 되어 오스테나이트 입자의 성장을 억제한다. 따라서 상한을 0.1%로 하였다.

Ca는 탈산원소로서, 연질산화물을 생성하며, 피삭성을 향상시킬 뿐만 아니라, MnS에 고용하여 그 변형능을 저하시키고, 압연이나 열간단조하여도 MnS 형상의 연신을 억제하는 기능이 있다. 따라서 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 0.0002% 미만에서는 그 효과는 현저하지 않고, 0.005%를 넘어 첨가하여도 원료에 대한 제품 비율이 극단적으로 나빠질 뿐만 아니라, 경질의 CaO를 대량으로 생성하여, 오히려 피삭성을 저하시킨다. 따라서 성분 범위를 0.0002∼0.005%로 한정하였다.

Mg는 탈산원소로서 산화물을 생성한다. 산화물은 MnS의 석출 핵이 되어 MnS의 미세 균일 분산에 효과가 있다. 따라서 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 0.0003% 미만에서는 그 효과는 현저하지 않고, 0.005%를 초과하여 첨가하여도 원료에 대한 제품 비율이 극단적으로 나빠질 뿐 효과는 포화한다. 따라서 성분 범위를 0.0003∼0.005%로 한정하였다.

Te는 피삭성 향상 원소이다. 또 MnTe를 생성하거나, MnS와 공존함으로써 MnS의 변형능을 저하시켜 MnS 형상의 연신을 억제하는 기능이 있다. 따라서 이방성의 저감에 유효한 원소이다. 이 효과는 0.0003% 미만에서는 인정되지 않고 0.005%를 초과하면 주조시의 균열의 원인이 되기 쉽다.

Bi 및 Pb는 피삭성 향상에 효과가 있는 원소이다. 그 효과는 0.05% 미만에서는 인정되지 않고 0.5%를 초과하여 첨가하여도 피삭성 향상 효과가 포화할뿐만 아니라, 열간 주조 특성이 저하하여 결함의 원인이 되기 쉽다.

다음으로, 본 발명에 있어서는 상술한 성분 조성에 추가하여, MnS의 평균 종횡비 및 최대 종횡비, 또한 최대 MnS 입경, 단위 면적 (lmm²) 근방의 MnS수가 중요한 요소이고, MnS의 평균 종횡비는 10 이하, 최대 종횡비는 30 이하, 최대 MnS 입경(μm)은 110×〔S%〕+ 15이하로 하고, 1mm²내의 MnS수는 3800×〔S%〕+ 150 이상으로 할 필요가 있다.

평균 종횡비 10 이하, 최대 종횡비 30 이하로 하는 이유는, 도8(a), 도9에 나타내는 바와 같이, 종횡비는 초기 MnS의 입경이 커지면, 종횡비도 커지는 경향이 있다. 실시예에도 있는 바와 같이 종횡비가 크면, 재질의 이방성이 조장되고, 단면방향의 충격치가 피로 강도를 저하시키게 된다. 또한 단조에 있어서 여러가지 변형을 가하기 때문에, 연신된 MnS는 파괴 기점이 되는 것이 많다. 따라서 MnS의 평균 종횡비가 20 이상에서는 이 연신된 MnS에 의한 파괴 특성이 현저하게 악화된다. 또한, MnS의 최대 종횡비가 30을 초과하면 MnS에 의한 파괴 특성도 역시 현저히 악화된다.

또한, MnS의 최대 입경(μm)을 110×〔S%〕+ 15이하, 1mm²내의 MnS수를 3800×〔S%〕+ 150 이상으로 하는 것은 하기의 이유에 기초한 것이다. MnS는 응력 집중원이 되기 때문에 파괴 기점이 되기 쉬운 것으로 알려져 있고, 특히 그 크기의 영향이 강하다. 한편, 피삭성은 S량에 비례하여 향상되지만, 그만큼 MnS의 크기의 영향은 현저하지 않은 것을 밝혀내었다. 그 때문에, 동일 S량의 강에 비교하면 MnS는 작게 다수 분산한 강은 크게 소수 분산한 강보다 피삭성은 동등하더라도 파괴 특성이나 단조성은 뛰어나다. 그 효과는 S량의 영향을 받지만, 도8(a), 도9에 나타내는 바와 같이, MnS의 최대 입경(μm)이 110 ×〔S%〕+ 15 보다 작고 또한 1mm²내의 MnS수가 3800×〔S%〕+ 150 보다 크면 단조특성과 파괴 특성의 악화를 최소한으로 억제하면서, S 첨가량 상당의 피삭성을 확보할 수 있는 것을 알아내었다. 반대로 MnS의 최대 입경(μm)이 110×〔S%〕+15보다 크거나 1mm²내의 MnS수가 3800×〔S%〕+ 150보다 작으면 파괴 특성이나 단조성이 떨어진다.

화상 처리 장치에 의하여 MnS계 개재물을 추출하고, 각각의 MnS에 관하여, 이하의 항목을 산출한다. 화상 처리 장치에서는 광학적으로 받아들인 상을 CCD 카메라에 의하여 디지탈화하기 때문에 MnS의 크기, 점유 면적 등이 측정 가능하다. 측정 시야는 배율 500배로 1시야 9000μm²로서 50시야를 반복하여 측정한다. 이 측정 대상은, 원 상당경(R), 압연 방향 길이(L), 반경 방향 두께(H), 종횡비(L/H)이다. 개개의 MnS에 관한 이들 측정값의 최대치 및 평균치를 산출하는 것이 가능하고, 평균 종횡비는 개개의 MnS의 종횡비의 평균치이고, 측정된 개개의 종횡비 중에서 최대인 것을 최대 종횡비로 기록한다.

또한 MnS의 입경에 관하여는, 화상 처리 장치에서 측정하고, MnS의 측정 면적을 원으로 한 경우의 직경, 이른바 원 상당경이고, 1mm²내의 MnS수란 측정 면적에 포함된 MnS의 입자수를 측정 면적으로 나눈 값이다. 그리고, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 강은 통상적인 제조 수단에 의하여 제조된다. 즉, 본 발명에 따른 강은 상기의 조성 성분을 함유한 강을 로에서 용제한 후, 연속 비렛트 주조법이나 잉고트 주조법으로 소정의 형상으로 주조한다. 그리고 나서, 상기 주조된 비렛트에 다시 가열하여 상기 비렛트를 미리 정한 직경을 갖는 봉이나 막대 형상의 비렛트로 열간 압연에 의하여 제조된다.

실시예

본 발명의 효과를 실시예에 의하여 설명한다. 표 1에 나타내는 공시재는 2t 진공 용해로에서 용제한 후, 비렛트로 분해 압연하고, 또한 φ60mm로 압연하였다. 압연후, 열간가공성 평가용 열간 업세팅 시험편, 냉간가공 평가용 냉간 업세팅 시험편을 잘라내어 업세팅 시험을 하였다. 또한 일부는 열처리로서 1200℃로 가열한 후 방냉하여 절삭 시험에 사용하였다..

이 때 강중 Zr의 분석 방법으로서, JISG 1237-1997 부속서 3과 같은 방법으로 샘플을 처리한 후, 강중 Nb량과 같이 강중 Zr량을 ICP (유도 결합 플라즈마 발광분광분석법)에 의하여 측정하였다. 단, 본 발명에서의 실시예의 측정에 사용한 샘플은 2g/강종이고, ICP에서의 검량선(檢量線)도 미량 Zr에 적합하도록 설정하여 측정하였다. 즉, Zr농도가 1∼200ppm가 되도록 Zr 표준액을 희석하여 다른 Zr농도의 용액을 작성하고, 그 Zr량을 측정하는 것으로 검량선을 작성하였다. 또한, 이러한 ICP에 관한 공통적인 방법에 관하여는, JISK 0116-1995 (발광분광분석 방법 통칙) 및 JISZ8002-1991(분석, 시험 허용차 통칙)에 의한다.

도 1은 단조 가공성(열간, 냉간) 평가용 시험편 잘라냄 위치와 시험편 형상을 설명하기 위한 도면이다. 도 1(a)의 잘라 냄 위치(1)에서, 업세팅 시험편의 잘라내는 방향은, 강중 MnS2가 길이 방향이 되도록 도 1(b), 도 1(c)에 나타내는 열간 업세팅 시험편(3) 및 노치(5)를 설치한 냉간 업세팅 시험편(4)을 잘라내었다.

도 2는 업세팅 시험에서의 균열 발생 위치를 설명하는 도면이다. 업세팅 시험에서는 도 2에 도시하는 바와 같이 하중(6)의 부하를 걸어 시험편이 변형(7)하면 외주부에 주위방향으로 인장 응력이 생긴다. 이 때, 많은 경우, 강중의 MnS가 파괴원이 되어 균열(8)을 일으키는 경우가 많다. 이와 같이 잘라낸 시험편이 업세팅 시험에 의하여 단조시의 가공성을 평가할 수 있다.

열간에 있어서 업세팅 시험편은 φ20mm×30mm로 열전대를 설치하고 있고, 고주파에 의하여 1000℃까지 가열하고, 3초 이내에 업세팅 단조를 한다. 여러가지 변형으로 단조하고, 도 3에 도시하는 바와 같이, 시험편의 변형 전(9) 및 변형 후(10)의 균열이 발생하는 변경을 한계 변경으로서 측정하였다. 이 때 변형이란 식(1)에 정의된, 이른바 공칭 변형이다.

ε=(H₀-H)/H₀ 식(1)

여기에서 ε:변형, H₀ : 변형 전의 시험편 크기, H: 변형 후의 시험편 크기를 의미한다.

표 1에 가공성을 평가한 실시예를 나타낸다. 표 1에 나타난 실시예 1∼5는 S45C를 베이스로 한 강에서 S량을 변화시키고 있다. 그 비교예로서 실시예 6∼10은 Zr을 첨가하고 있지 않는 강이다. 또 실시예(비교예) 11 및 12는 Al량을 다량 첨가 또한 Zr 무첨가이고 Pb를 첨가한 것, 실시예(비교예) 13 및 14는 Zr을 첨가하고 있지만, A1 분량을 다량 첨가하여 S량을 변화시키고 있다. 실시예 15는 Al 다량 첨가하고, Zr을 첨가하지 않은 비교예이다. 동일 S량에 비교하면, Pb를 첨가한 실시예 11, 12는 열간 단조성이 뒤떨어진다. 또 S량이 많아지면, Zr을 첨가한 발명예 2∼5는 비교예 7∼10보다 뛰어나다. 또한 S량이 많은 경우에는 Zr의 유무에 관계없이 A1분량이 많으면 실시예 14, 15와 같이 열간가공성이 발명예보다 떨어졌다.

도 4는 표 1의 실시예에 관하여 열간단조성에 미치는 S량의 영향을 나타내는 도면이다.

또한 냉간 가공성을 평가하기 위하여 냉간 업세팅 시험을 하였다. 도 1과 같이 잘라낸 소재를 850℃부터 담금질한 후, 700℃에서 12시간 동안 구상화 소둔하였다. 그리고 나서, 기계 가공으로 2mm의 노치를 넣은 7mm×14mm 냉간 업세팅 시험편을 만들었다. 도 5는 실시예 1 내지 실시예 15의 냉간가공에서의 한계 변형 측정 결과이다. 변형의 정의는 식1과 같다.

마찬가지로 표 2에 S45C에 V를 첨가하고, 오스테나이트 입경을 미세화함과 동시에, 강도를 향상시킨 실시예를 나타낸다. 도 6에 표 2의 실시예의 1000℃에서의 열간 단조성 평가 결과를 나타낸다. 이 경우에도 S량이 증가되면 열간 단조성이 저하되고 있음을 보여주는데, 동일 S량에 비교하면 실시예 17 내지 실시예 20(발명예)는 실시예 22 내지 실시예 25(비교예)보다 양호한 열간 단조성을 나타내었다.

표 1에 나타낸 실시예에 대해서 피삭성을 평가한 결과를 도 7에 나타낸다. 피삭성 평가는 드릴 천공 시험으로 하고, 표 ３에 그 절삭 조건를 나타낸다. 누적혈 깊이 1000mm까지 절삭 가능한 최고의 절삭 속도(이른바 VLl000)로 피삭성을 평가하였다.

절삭조건	드릴	기타
절삭속도 10-90m/min송출 0.25mm/rev수용성 절삭유	φ3mmNACHI 통상 드릴돌출량 45mm	구멍 깊이 9mm공구 수명 절손까지

도 7에 도시하는 바와 같이 S량이 많아지면 피삭성이 향상된다. 그러나 동일 S량에 대하여 비교하면, A1을 다량으로 첨가한 경우(실시예13 내지 실시예15)에는 Al의 한정 범위 내로 제한한 경우보다 피삭성이 떨어진다는 것을 알 수 있다. A1의 한정 범위 내인 경우, Zr의 유무에 따라 비교하면, 어떠한 S량에 있어서도 동등한 피삭성을 가짐을 알 수 있다. 또한 Pb를 첨가한 실시예 11 및 실시예 12와 비교하면, 실시예 2와 실시예 11이 동등한 피삭성을 갖지만, 도 4에 도시하는 바와 같이, 열간 가공성은 실시예 2가 더 뛰어나다는 것을 알 수 있다. 마찬가지로 실시예 3과 실시예 12의 비교에서는 동등한 피삭성에도 불구하고, 실시예 3(발명예)이 열간가공성이 뛰어났다. 이와 같이 본 발명은 열간가공성과 피삭성을 양립하는데 유효하다.

동일한 효과는 V를 첨가하여 고강도화한 경우에서도 볼 수 있고, 표 2에 피삭성을 평가한 결과를 수치로 나타내었지만, 동일 S량에 비교한 경우에는 발명예는 비교예와 같은 피삭성이었다. 따라서, 본 발명에 따르면 고강도화를 만족함과 동시에 단조성과 피삭성을 아울러 양립하는 것이 가능해진다.

표 4에 Zr량을 변화시킨 실시예를 나타낸다. 표 4의 실시예에 실시예 2 및 실시예 3을 추가하고, 기계적 성질과 Zr량의 관계를 검토하였다. 도 8(a)에 Zr량의 충격치, 황화물 종횡비 및 황화물의 단위 면적당의 갯수를 나타낸다. 충격 시험편 잘라내는 방법은 도 8(b)에 도시된 바와 같으며, 길이 방향으로 꺼내는 경우를 L, 단면 방향으로 꺼내는 경우를 C라고 하였다. Zr을 첨가하지 않는 경우, 압연 길이 방향의 충격치는 뛰어나지만, 단면 방향의 충격치는 매우 낮다. S량이 많아지면 그 경향이 보다 현저하게 된다. 그러나 Zr을 첨가하면 길이 방향의 충격치가 약간 저하되지만, 단면 방향으로는 크게 향상한다. 그 원인은 황화물의 미세 분산과 종횡비의 개선에 의한 것이라고 생각된다. 특히 황화물수가 증가하고, 미세하게 분산하면 예를 들어 종횡비가 큰 황화물이 포함되어도 치수가 작기 때문에 기계적 성질에 대한 영향도 적어지는 것으로 생각된다.

또한, 표 5는 Al량을 변화시킨 실시예를 나타낸 것이다. A1량이 증가하면 피삭성이 저하된다는 것은 이미 설명하였으나, A1량의 효과를 명확하게 하기 위하여, 표 5의 실시예에 실시예2 및 실시예 27을 추가하고, 황화물 형상에 미치는 A1 분량의 영향을 도 9에 도시하였다. Zr을 미량 첨가한 경우에는 Al량이 0.01%를 넘으면 황화물수가 감소함과 동시에, 종횡비가 증가하였다. 이 경우, 열간 업세팅 시험에서의 한계 변형이 저하된다. 또 A1의 증가와 함께 피삭성이 명백히 저하된다. 이 때문에 본 발명에서는 A1을 0.01% 이하로 한정하였다.

표 6에 다른 원소에 대한 영향을 검토한 실시예를 나타낸 것이다. 그 제조 방법과 열간가공성 및 피삭성평가 방법은 표 1에 나타내는 실시예와 같다. 표 6, 표 6-1, 표 6-2, 표 6-3은, 실시예 41 내지 실시예 72에 있어서 여러가지 합성 원소를 첨가한 경우의 열간 한계 변형과 피삭성을 나타낸 것이다. 이러한 표에서의 각 비교예는 피삭성의 차는 작았으나 열간한계 변형이라는 점에서 크게 떨어짐을 보였다. 아직, 이러한 표에서의 실시예 73 내지 실시예 78에 도시하는 바와 같은 기본적인 강도를 C량에 의하여 변화시킨 경우에도 발명예는 비교예 보다 뛰어나다. 표 6-1, 표 6-3에서의 실시예 79 및 실시예 80은 각각 total-O분량과 total-N량을 발명 범위를 벗어난 비교예를 나타낸 것이다. 이들을 실시예 2와 비교하면, 열간한계 변형과 피삭성의 양측면에서 뒤떨어진다는 것을 알 수있다. 이와 같이 본 발명에 포함되는 실시예는 동일한 S량으로 비교한 경우, 양호한 열간가공성과 피삭성을 양립하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 8의 충격치에 있어서도 과잉 Zr첨가는 MnS의 종횡비가 뛰어나지만, ZrN이나 ZrS 등의 클래스터를 일으켜 충격치가 저하되고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 도 4 내지 도 10의 첨자는 실시예 번호를 나타낸 것이다.

이상과 같은 내용에 의하여 열간 가공성, 기계적 성질, 피삭성을 겸하여 구비한 강을 제공할 수 있다. 특히 본 발명의 기술은 열처리나 미크로 조직 등의 영향을 크게 받지 않아 황화물의 형상 제어를 기본으로 하고 있기 때문에, 조질강이나 비조질강을 구별할 필요가 없다. 또한 가공에 관하여도 열간단조 뿐만 아니라, 냉간단조에 대하여도 유효하고, 단조가공성, 기계적 성질, 피삭성을 필요로 하는 광범위한 강에 대하여 유효하다.

Claims

질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P: 0.003∼0.2%,

S: 0.003∼0.5%,

Zr: 0.0003∼0.01%

를 함유함과 동시에

Al:0.01% 이하,

total-O:0.02% 이하,

total-N:0.02% 이하

로 제한되고, 또한, MnS의 평균 종횡비(aspect ratio)가 10 이하이고, 최대 종횡비가 30이하이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P:0.003∼0.2%,

S:0.003∼0.5%,

Zr:0.0003∼0.01%를 함유함과 동시에

Al:0.01% 이하,

total-O:0.02% 이하,

total-N:0.02% 이하

로 제한되고 또한, MnS의 평균 종횡비가 10이하이고, MnS의 최대 종횡비가 30이하이고, 또한 MnS의 최대 입경(㎛)이 110×[S%〕+15이하이고, 1mm²내의 MnS수가 3800×〔S%〕+ 150 이상이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P:0.003∼0.2%,

S:0.003∼0.5%,

Zr:0.0003∼0.01%를 함유함과 동시에

Al:0.01% 이하,

total-O:0.02% 이하,

total-N:0.02% 이하

로 제한되고 또한,

Cr: 0.01∼2.0%,

Ni: 0.05∼2.0%,

Mo: 0.05∼1.0%

중에 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 또한, MnS의 평균 종횡비가 10이하이고, MnS의 최대 종횡비가 30 이하이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
질량%로,

C: 0.1∼0.85%,

Si: 0.01∼1.5%,

Mn: 0.05∼2.0%,

P:0.003∼0.2%,

S:0.003∼0.5%,

Zr:0.0003∼0.01%를 함유함과 동시에

Al:0.01% 이하,

total-O:0.02% 이하,

total-N:0.02% 이하

로 제한되고, 또한

Cr: 0.01∼2.0%,

Ni: 0.05∼2.0%,

Mo: 0.05∼1.0%

중에 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 또한, MnS의 평균 종횡비가 10이하이고, MnS의 최대 종횡비가 30이하이고, 또한 MnS의 최대 입경(㎛)이 110×[S%〕+15이하이고, 1mm²내의 MnS수가 3800×〔S%〕+ 150 이상이며, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로,

V: 0.05∼1.0%,

Nb: 0.005∼0.2%,

Ti: 0.005∼0.1%

중에 적어도 1종 이상을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로,

Ca: 0.0002∼0.005%,

Mg: 0.0003∼0.005%,

Te: 0.0003∼0.005%

중에 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로,

Bi: 0.05∼0.5%,

Pb: 0.01∼0.5%

중의 1종 또는 2종을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

질량%로,

B: 0.0005% 이상 0.004% 미만을 포함하고, 나머지 부분이 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어 진 것을 특징으로 하는 단조성과 피삭성이 우수한 강.