KR19980051160A - 선재 표면의 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 또는 정밀기기부품 등에 사용되는 비스무스(Bi)-유황(S)쾌삭강의 선재 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 선재 포면의 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 쾌삭강 선재의 제조 방법은, 중량 %로, C:0.1% 이하, Si:0.02% 이하, Mn:1.00%∼1.20%, P:0.07∼0.09%, S:0.24%∼0.33%, Al:0.005% 이하, Bi:0.05%∼0.15%, 및 기타 잔여량의 Fe 와 불가피한 불순물을 함유한 강종의 빌렛을이용하여 1100℃ ∼ 1250℃로 가열하여 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위인 900∼1050℃ 에서 압연되는 조압연기까지의 각패스당 압연감면율을 15∼25% 범위로 압연하고, 또한 이때 조압연기까지의 누적감면율을 88% 미만으로 선재압연을 실시하는 것을 기술 요지로 한다.

Description

선재 표면의 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조 방법

본 발명은 자동차 또는 정밀기기부품 등에 사용되는 비스무스(Bi)-유황(S)쾌삭강의 선재 제조방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 선재 표면의 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

쾌삭강은 비금속성 또는 금속성 개재물들을 모재에 분포시켜 절삭 가공시 피삭성을 향상시킨 강종으로, 이들 개재물중 비금속 개재물의 경우 대표적인 것은 망간유화물이고, 금속성 개재물은 납(Pb), 비스무스(Bi) 등으로 모재에 고용도가 거의 없는 저융점 금속 등이 있다.

비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강은 황(S)계, 납(Pb)계, 칼슘(Ca)계, 이들을 혼합한 복합 쾌삭강에 비하여 피삭성이 우수하고 절삭가공후 표면 상태가 미려하며 제조시 공해 문제점이 없기 때문에 그 수요가 급속히 증가하는 추세이다.

쾌삭성을 부여하는 금속성 및 비금속성의 개재물들은 절삭가공시 응력 집중원으로 작용하며 모재의 계면에서 균열의 생성과 성장을 용이하게 하여 절삭에 요구되는 힘을 감소시키고 또한 절삭가공열에 의하여 연화되거나 용융되어 칩(Chip)과 절삭공구(Tool)의 계면에서 윤활제로서 작용하여 공구의 마모를 억제하며 절삭가공력을 감소시킴으로써 피삭성을 향상시키는 것이다.

그러나 이러한 개재물들은 절삭가공시 피삭성을 향상시키는 중요한 인자이나, 반면 비금속성 개재물인 망간유화물을 형성시키기 위해 첨가되는 유황은 결정립계에 편석되어 열간 취화를 일으키는 철유화물(FeS)의 생성을 유발하여 고온에서의 열간 연성을 저하시키는 요인으로 작용하기도 한다. 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 경우, 강에 고용도가 거의 없는 저융점 금속인 비스무스는 결정립계 또는 비금슥성 개재물에 흡착된 태로 정출하여 열간 취화의 원인이 되기도 한다.

비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 경우 열간취화를 보이는 온도는 900∼1050℃ 범위로, 이 온도범위에서 선재 압연을 실시할 경우 열간 연성의 저하에 따른 빌렛(Billet) 표면에 균열이 발생하여 선재 표면 품질 특성이 열악해지는데, 종래의 선재 압연방법으로 제조할 경우 가열로 설비능력상 상당한 고온 가열이 어려우며, 결국 빌렛(Billet)의 열간 취화온도 영역내에서 선재압연이 진행되기 때문에 선재제조시 표면흠 또는 균열이 발생하는 문제점이 있는 것이다.

종래의 빌렛(Billet)에서 선재를 제조하는 선재 압연공정에 대하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 빌렛(Billet)이라함은 연속주조법에 의해 제조된 브룸(Bloom)소재를 빌렛(Billet) 압연기에서의 압연에 의해 제조된 소재를 의미한다. 한편, 선재라함은 이러한 빌렛(Billet)을 주문자 용도 특성에 맞게 특정 칫수(본 발명에서 직경 5.5mm∼직경 42.0mm)로 선재 압연에 의해 제조된 제품을 의미한다.

통상 빌렛(Billet)에서 선재를 제조하는 선재 압연공정은 조압연과 중간사상압연 및 사상압연으로 나뉘어지며, 2중 연속식 압연 방법을 이용하고 있다.

이때 통상의 압연공정은 1100℃∼1250℃로 빌렛(Billet)을 가열하여 2중연속식으로 구성되어 있는 각각 조압연기, 중간사상압연기, 사상압연기를 27 내지 29 패스를 실시하여 직경 5.5mm에서 직경 42mm의 선재를 제조한다(여기서 '패스'란 2중연속압연기를 통과하는 횟수를 말한다). 이러한 선재압연설비로 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 빌렛(Billet)을 선재로 압연할 경우, 중간사상압연기 및 사상압연기를 통과하는 소재의 압연온도는 재결정에 의한 변태열과 소재와 압연기의 접촉에 의한 마찰열의 발생으로 1050℃ 이상 확보가 가능하여 소재의 열간취화에 따른 소재 표면흠 또는 균열의 발생은 없으나, 조압연기를 통과시는 소재의 압연온도가 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 열간취화 온도 범위(900℃∼1050℃)에서 선재 압연 작업이 진행되기 때문에 소재 표면흠 또는 균열이 발생되면 제품으로서의 가치를 상실하여 불량품이 발생하게 되며, 결국, 제조원가 상승 등의 문제점이 있는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서는 빌렛(Billet)을 가열시 조압연기의 선재 압연온도가 열간취화 온도 범위인 900℃∼1050℃ 이상을 확보할 수 있도록 충분히 높은 온도인 1300℃ 이상으로 가열하거나 조압연기 통과시 1050℃ 이상으로 재가열시켜야 한다.

비스무스(Bi)-유황(S)졔 쾌삭강의 선재압연시 열간취화에 의한 선재의 표면흠 또는 균열 발생을 해결하기 위한 종래의 선재압연 기술로는 아직 상용화되지않았기 때문에 전무한 상태로, 상기 언급한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 선재압연시 열간취화에 의한 선재의 표면흠 또는 균열 발생 문제점을 해결하게 되면 선재 제조후 선재 제품의 불량품 발생 방지로 제조 원가를 절감하게 되며, 선재의표면 결함이 없는 선재 표면 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재를 제공할 수 있는 것이다.

이에 본 발명자들은 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 표면흠 또는 균열 발생을 억제하기 위하여 실험과 연구를 병행한 결과, 빌렛에서 선재를 제조하는 선재 압연시, 소재 압연온도가 가장 낮아 열간취화 온도 범위(900∼105℃0)에 해당하는 조압연기까지의 각 패스당 감면율이 25% 이상 초과하여 압연되는 패스가 있을경우와 또한 누적 감면율이 88% 이상일 경우는 소재의 열간취화에 따른 소재 표면흠 또는 균열의 발생 빈도수가 높으나, 각 패스당 감면율이 15∼25% 범위일 경우와 또한 누적 감면율이 88% 미만일 경우 소재의 압연온도가 옅간취화 온도 범위(900∼1050℃)라 하더라도 흠 발생이 상당히 억제된다는 결과에 근거하여, 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 빌렛(Billet)에서 선재 제조시 표면흠 또는 균열의 발생을 억제한 선재 표면 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

즉, 본 발명은 빌렛(Billet)을 1300℃ 이상으로 가열하지 않고, 조압연기통과시 재가열하지 않고도 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강의 선재압연시 표면흠 또는 균열 발생이 없는 선재 표면 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법을 제공하고자하는 데 그 목적이 있다

도 1 은 본 발명을 실시하는데 이용된 선재 압연설비의 개략적인 구성을 도시한 도면,

도 2 는 본 발명재와 비교재의 선재압연온도 변화의 추이를 나타낸 도면,

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가열로 2 : 2중 연속식 조압연기

3 : 2중 연속식 중간사상압연기 4 : 2중 연속식 사상압연기

5 : 수냉장치 6 : 공냉장치

상기 목적을 달정하기 위하여, 본 발명에서는, 중량 %로, C:0.1% 이하, Si:0.02% 이하, Mn:1.00%∼1.20%, P:0.07%∼0.09%, S:0.24%∼0.33%, Al:0.005% 이하, Bi:0.05∼0.15%, 및 기타 잔여량의 Fe 와 불가피한 불순물을 함유한 강종의 빌렛을 이용하여 1100℃∼1250℃로 가열하여 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위인 900∼1050℃ 에서 압연되는 조압연기까지의 각패스당 압연감면율을 15∼25% 범위로 압연하고, 또한 이때 조압연기까지의 누적감면율을 88% 미만으로 선재압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 선재 표면 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법을 제공한다.

이하, 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 강종의 빌렛은, 중량 %로, C:0.1% 이하, Si:0.02% 이하, Mn:1.00% ∼1.20%, P:0.07%∼0.09%, S:0.24%∼0.33%, Al:0.005% 이하, Bi:0.05%∼0.15%, 기타 잔여량의 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는데, 소재의 화학성분 및 수치 범위를 한정하는 이유를 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)는 최종제품의 강도를 보증하는 유효한 원소로서 0.10% 이상은 경도증가 및 피삭성을 열화시키고 열간압연시 소재의 연성을 저하시키므로 0.10% 이하로 한정한다.

실리콘(Si)은 통상적으로 용강 제조시 탈산제로 사용되지만, 0.02% 이상은경도 증가 및 피삭성을 열화시키므로 0.02% 이하로 한정한다.

망간(Mn)은 용강 제조시 탈산제로 사용되지만 망간유화물(MnS)을 형성하여피삭성을 개선하게 되며, 1.00% 미만에서는 구상의 앙호한 망간유화물(MnS) 형태를형성할 수 없고, 취성의 원인인 철유화물(FeS)을 조장하여 열간압연시 취성의 원인이 되며, 1.20% 이상은 경도 증가 및 제조원가의 상승을 초래하게 되므로 1.00%∼1.20% 로 한정한다.

인(P)은 피삭성 개선원소이지만 0.07% 이하에서는 그 효과가 미비하고, 0.09% 이상에서는 경도가 증가하여 오히려 피삭성을 열화시키므로 0.07%∼0.09%로한정한다.

황(S)은 망간(Mn)과 개재물을 형성하여 피삭성을 개선하는 원소로서, 0.24%이하에서는 그 효과가 적고, 0.33% 이상에서는 취성으로 인해 열간가공성을 열화시키므로 0.24%∼0.33%로 한정한다.

알루미늄(Al)은 경한 개재물인 알루미나 개재물(Al₂O₃)을 형성하여 피삭성을열화시키므로 0.005% 이하로 한정한다.

비스무스(Bi)는 피삭성 개선에 우수한 원소로서, 0.05% 미만에서는 피삭성이 현저히 떨어져 그 효과가 미흡하고, 0.15% 이상에서는 비중이 높아 중력 편석의 원인이 되고 액상금속으로 열간가공성을 열화시키므로 0.05%∼0.15%로 한정한다.

이러한 조성으로 제조된 빌렛을 1100℃ ∼ 1250℃ 로 가열하여 소재의 압연 온도가 열간취화 온도범위인 900∼1050℃ 에서 압연되는 조압연기까지의 각패스당 압연감면율을 15∼25% 범위로 압연하고, 또한 이때 조압연기까지의 누적감면율을 88% 미만으로 선재압연을 실시하는데, 각 패스별 압연감면율 및 누적감면율을 한정하는 이유는 다음과 같다.

조압연시 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 각 패스별 압연감면율을 15∼25% 로 한정하는 것은, 15% 이하에서는조압연기의 패스후 이어지는 중간사상압연기와 사상압연기에서 압연시 전체 선재압연기의 제한된 27 내지 29 패스 압연기내에서 주문자 용도특성에 맞는 칫수의 선재제품을 제조하기 위하여 각 패스별로 많은 압연감면율이 이루어져야 하기 때문에 소재의 압연기간 이동속도(이하, '압연속도'라 정함)가 빠른 고속압연기에서 압연부하가 커지게 되며, 정확한 진원의 선재 제품 칫수를 제어하기 어렵기 때문이다. 25% 이상 초과하는 패스가 있을 경우에는 소재의 압연속도가 느린 조압연기에서 소재의 단면이 큰 빌렛(Billet)을 고압하함에 따라 각 패스압연후 소재의 단면적이커져 대기중으로의 소재의 온도 손실이 커지기 때문이다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 15% 이하에서는 조압연기에서의 소재 온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 선재압연되더라도 각 패스별 낮은 압연감면율이 소재의 표면흠 또는 균열발생에 큰 영향을 미치지는 않으나, 전체 선재압연기의 제한된 27 내지 29 패스의 압연기내에서 주문자 용도 특성에 맞는 선재제품 칫수를 제조하기 위하여 조압연기 이후의 중간사상압연별로 고속으로 선재압연됨에 따라 정확한 진원의 칫수 제어가 어렵기 때문이다.

소재의 압연온도가 열간취화온도범위(900∼1050℃) 에서 압연되는 조압연기까지의 압연감면율이 25% 이상 초과하는 패스가 있을 경우는 중간사상압연기와 사상압연기의 각 패스별 압연슥도 대비 상대적으로 압연속도가 느린 조압연기에서 단면이 큰 빌렛(Billet)을 고압하함에 따라 압연 단면적이 커져 대기중으로의 소재의 온도 손실이 커져 열간취화를 더욱 더 조장하기 때문이다. 이러한 열간취성의 조장은 비스무스(Bi)에 의한 액상금속 유기취성(Liquid Metal Induced Embrittlement, 이하, LMIE로 칭함)에 기인하는데, LMIE는 고상의 모재에 고용도가 거의 없는 액상이 특정 온도구간에서 인장응력을 받을 경우, 취성파단을 일으키는 것을 말하며, 취성 파단의 발생원인으로는 고상의 크랙팁(Crack Tip)에 액상이 침투하여 고상-고상 결합에 비해 낮은 에너지를 갖는 액상-고상 결합을 함으로써 균열전파에 필요한 에너지가 낮아지기 때문이다.

한편, 소재의 압연 온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 누적감면율을 88% 미만으로 제한하는 이유는, 88% 이상의 경우, 단면이 큰 빌렛(Billet)을 압연하는 조압연기의 압연부하가 증가함에 따라 설비 사고의 위험성이 높을뿐 만 아니라 원활한 압연작업이 어렵게 되기 때문이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

* 실시예

도 1 에 도시된 선재압연설비에서 중량%로, 탄소:0.084%, 실리콘:0.01%, 망간:1.29%, 인:0.086%, 황:0.303%, 비스무스:0.13%, 질소:0.0059%, 산소:0.0014%를함유한 강종의 빌렛(Billet)을 이용하여 선재를 제조하였다. 이때 제조조건은 표 1에 나타낸 바와 같이 본 발명재(1∼ 3)는 가열로(1)에서 1100∼ 1250℃ 범위로 가열한 후,2중연속식 조압연기(2)에서 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900 ∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 각 패스별 감면율을 15∼25% 범위로 압연하고 또한 이때 누적감면율을 88% 미만으로 선재압연을 실시하였다. 또한 비교재(4∼6)는 1100 ∼ 1250℃ 범위로 가열하여 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900 ∼ 1050℃)에서 압연되는 조압연기(2) 까지의 각 패스별 감면율을 15∼25% 범위로 실시하고, 또한 이때 누적감면율을 88% 이상으로 선재압연을 실시하였다. 그리고 본 발명재와 비교재 공히 조압연기(2)후 이어지는 중간사상압연기(3)는 15∼25% 범위의 압연을 실시하고 사상압연기(4)는 15∼20% 범위의 압연감면율로 압연을 실시하여 선재를 제조하였다.

이와 같이 제조된 발명재와 비교재에 대하여 선재제품에서의 표면흠 또는 균열 발생 여부를 조사하고, 또한 그 결과를 표 1 에 나타내었다.

표1

표 1 에서 나타낸 가열온도의 측정은 가열로내에서 빌렛(Billet)의 표면온도를 방사 온도계로 측정하였으며, 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 각 패스별 압연감면율의 측정은 각 패스를 통과하는 압연기의 출측에서 캘리퍼스를 사용하여 소재의 폭과 높이를 측정하여 계산하였다.

한편 흠발생 여부의 측정방법은 선재압연을 실시한 제품의 표면을 육안관찰에 의해 측정하였으며, 육안관찰에 의해 발견되는 표면흠 또는 균열을 대상으로 하여 흠갯수에 관계없이 흠발생여부로 평가하였다.

도 2 에 나타낸 바와 같이, 본 발명재(1∼3)와 비교재(4∼6) 공히 가열온도가높고 낮음에 상관없이 가열로에서 추출된 후 소재와 대기와의 접촉에 의한 방사열 손실과 소재와 압연기와의 접촉에 의한 소재의 온도손실로 인하여 선재압연기의 조압연기(2)구간에서 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 선재압연될 수 밖에 없으며, 이후 이어지는 중간사상압연기(3)와 사상압연기(4)에서는 압연속도가 빨라지고, 재결정에 의한 변태열과 압연기와의 접촉에 의한 마찰열이 증가함에 따라 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)를 벗어나 선재압연된다.

표 1 에 나타낸 바와 같이 본 발명재(1∼3)와 비교재(4∼6) 공히 도 2에 나타낸 바와 같이 선재압연시 소재의 압연온도의 변화는 유사하지만 비교재(4∼6)의 경우, 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 각 패스별 15∼25%의 압연감면율로 압연하고, 또한 이때 누적감면율 88% 이상으로 압연됨에 따라 최종선재제품에 표면흠 또는 균열이 발생된 반면, 본 발명재(1∼3)의 경우 조압연기에서 비교재(4∼6)와 유사하게 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연함에도 불구하고 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위(900∼1050℃)에서 압연되는 조압연기까지의 각 패스별 15∼25%의 압연감면율로 압연하고 또한 이때누적감면율이 88% 미만으로 압연함으로써 압연후 선재제품의 표면흠 또는 균열을 관찰할 수 없었다.

이상과 같이 본 발명에 의해 제조한 선재의 경우, 선재압연후 선재제품에 표면흠 또는 균열이 발생하지 않았으며 가열로 설비능력한계를 초과하는 1300℃로 빌렛(Billet)을 가열하지 않고도, 또한 조압연기 통과시 재가열하지 않고도 선재제품의 표면흠 또는 균열발생이 없는 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재를 제조할 수 있었을 뿐 만 아니라, 불량품 발생이 없어 제조원가를 대폭적으로 감소할 수 있는 선재 표면 미려도가 우수한 선재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량 %로, C:0.1% 이하, Si:0.02% 이하, Mn:1.00%∼1.20%, P:0.07∼0.09%, S:0.24%∼0.33%, Al:0.005% 이하, Bi:0.05%∼0.15%, 및 기타 잔여량의 Fe 와 불가피한 불순물을 함유한 강종의 빌렛을 이용하여 1100℃ ∼ 1250℃로 가열하여 소재의 압연온도가 열간취화 온도범위인 900∼1050℃ 에서 압연되는 조압연기까지의 각패스당 압연감면율을 15∼25% 범위로 압연하고, 또한 이때 조압연기까지의 누적감면율을 88% 미만으로 선재압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 선재 표면 미려도가 우수한 비스무스(Bi)-유황(S)계 쾌삭강 선재의 제조방법.