KR101018091B1 - Lead-free free cutting steel with excellent surface roughness through low built-up edge and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며, 주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 일정 관계를 만족하고, 미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제공한다.The present invention is in terms of weight%, carbon (C) 0.03-0.30%, silicon (Si) 0.01-0.30%, manganese (Mn) 0.2-2.0%, phosphorus (P) 0.02-0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45 %, Bismuth (Bi) 0.04-0.20%, Tin (Sn) 0.04-0.20%, Boron (B) 0.001-0.015%, Nitrogen (N) 0.001-0.010%, Oxygen (T [O]) 0.002-0.025% And the balance of Fe and inevitable impurities, and tin, bismuth, sulfur, manganese, boron, and nitrogen satisfy a certain relationship, and the average grain size of the ferrite structure is a ferrite structure in which the percentage of pearlite in the microstructure is 3.0% or less. It provides a lead-free free cutting steel characterized in that 40㎛ or less.

본 발명에 의하면 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.According to the present invention, by controlling the content of B, Sn, Mn, S and N in accordance with the appropriate relations, and forming a low melting complex oxidative inclusions to reduce the tool wear that can appear during cutting at all speeds, regardless of high speed or low speed In addition, by minimizing the construction edge and improving the surface characteristics by efficiently controlling the microstructure by the optimization of the manufacturing conditions it can be provided as an environmentally friendly lead-free free cutting steel with excellent surface roughness.

무연쾌삭강, 산화성 개재물, 페라이트, 펄라이트, 표면조도, 구성인선 Lead-free free-cutting steel, oxidizing inclusions, ferrite, pearlite, surface roughness, construction edge

Description

구성인선이 적고 표면조도가 우수한 무연 쾌삭강 및 그 제조방법 {LEAD-FREE FREE CUTTING STEEL WITH EXCELLENT SURFACE ROUGHNESS THROUGH LOW BUILT-UP EDGE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}LEAD-FREE FREE CUTTING STEEL WITH EXCELLENT SURFACE ROUGHNESS THROUGH LOW BUILT-UP EDGE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 자동차 정밀 유압부품, 사무자동화 기기부품 및 가전부품 등에 널리 사용될 수 있으면서 아울러 환경에 무해한 환경친화형 무연 쾌삭강 발명에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 친환경적인 쾌삭강용 강재의 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 상분율 등의 미세조직을 제어함으로써 구성인선을 최소화시키고 표면조도를 향상시켜 절삭공구의 수명을 향상시킬 수 있는 환경친화형 무연 쾌삭강, 특히 무연쾌삭강용 선재에 관한 것이다. The present invention relates to the invention of an environment-friendly lead-free free-cutting steel that can be widely used in automobile precision hydraulic parts, office automation equipment parts, and home appliance parts, and more harmless to the environment. More specifically, the ferrite grain size, pearlite phase of eco-friendly free-cutting steel The present invention relates to an environmentally friendly lead-free free-cutting steel, particularly lead-free free-cutting steel, which can improve the life of cutting tools by minimizing construction edges and improving surface roughness by controlling the microstructures such as fractions.

쾌삭강은 정밀부품 등에 널리 사용되는 소재로서, 우수한 피삭성을 가지는 것이 특징이다. 쾌삭강의 우수한 피삭성은 쾌삭강 내부에 존재하는 금속성 또는 비금속성 개재물로 인한 것이다. 이러한 금속성 또는 비금속성 개재물은 공구를 이용하여 강재를 절삭시, 공구 팁과 강재가 접촉하는 부위에서 MnS와 같은 비금속성 개재물들이 응력집중원으로 작용하여 개재물과 지철의 계면에서 보이드(void)의 생성 과 균열의 성장을 용이하게 하고, 절삭에 요구되는 힘을 감소시키는 역할을 한다. Free-cutting steel is a material widely used in precision parts and the like, and has excellent machinability. The good machinability of free cutting steel is due to the metallic or nonmetallic inclusions present inside the free cutting steel. Such metallic or non-metallic inclusions generate voids at the interface between the inclusions and the iron when non-metallic inclusions, such as MnS, act as stress concentration sources at the point where the tool tip and steel contact when cutting the steel using the tool. It facilitates the growth of cracks and decreases the force required for cutting.

또한, 납과 같은 금속성 개재물들은 절삭가공열에 의해 비교적 낮은 온도에서 용융되어 칩과 절삭공구의 계면에서 윤활제로써 작용하므로 공구의 마모를 억제하고 절삭력을 감소시키는 역할을 한다.In addition, metallic inclusions, such as lead, are melted at a relatively low temperature by the cutting heat to act as a lubricant at the interface between the chip and the cutting tool, thereby suppressing abrasion of the tool and reducing cutting force.

따라서, 쾌삭강에는 강재의 피삭성을 높이기 위해서 상기 금속성 또는 비금속성 개재물을 형성할 수 있는 원소를 첨가하게 된다. 종래에 주로 이용된 비금속성 개재물은 MnS로 특히, 산화물과 혼재한 상태의 구형 모양의 MnS가 가장 우수한 피삭성을 보인다. Therefore, in order to increase the machinability of the steel, an element capable of forming the metallic or non-metallic inclusions is added to the free cutting steel. The nonmetallic inclusion mainly used conventionally is MnS, and spherical MnS mixed with an oxide shows the best machinability.

반면, 금속성 개재물은 통상 피삭성 향상 원소라고 하는데, 상기 피삭성 향상 원소로서 가장 대표적인 원소가 바로 납이다. 납은 철에 대한 용해도가 낮아 쾌삭강 내부에서 금속성 개재물로 존재하기가 용이할 뿐만 아니라, 융점이 327.5℃로 적절하게 낮은 편이어서 공구팁에서 발생되는 열에 의해 쉽게 용융될 수 있다. On the other hand, metallic inclusions are commonly referred to as machinability enhancing elements. The most representative element as the machinability enhancing elements is lead. Lead is not only easily soluble in iron as a metal inclusion within the free cutting steel, but also has a low melting point of 327.5 ° C., so that it can be easily melted by the heat generated by the tool tip.

따라서, 이러한 납은 피삭성 향상원소에 요구되는 성질을 두루 갖추고 있어서 현재까지도 납을 함유하는 쾌삭강은 가장 대표적인 쾌삭강으로 분류되고 있으며, 절삭가공에 가장 적합한 강재로서 실용화 되고 있는 실정이다.Therefore, such lead has all the properties required for the machinability improvement element, and even now, the free-cutting steel containing lead is classified as the most representative free-cutting steel, and it is practically used as the most suitable steel for cutting.

그러나, 납을 함유하는 쾌삭강은 절삭 작업 리사이클링 과정에서 납증기가 발생할 수 있으며, 강재에 존재하는 납성분으로 인하여 인체에 유해하기 때문에 오래전부터 이를 대체할 필요성이 제기되어 왔다. However, lead-containing free-cutting steel may have lead vapor in the cutting operation recycling process, and since the lead component present in the steel is harmful to the human body, there has been a need to replace it for a long time.

이러한 납을 함유하는 쾌삭강을 대체할 수 있도록 개발된 강재로는 비스무스(Bi) 쾌삭강을 들 수 있다. 상기 비스무스도 저융점 금속이며 철에 대한 용해도가 낮기 때문에 피삭성 향상에 매우 유리하다. Bismuth (Bi) free-cutting steel is a steel developed to replace such lead-containing free-cutting steel. The bismuth is also a low melting point metal and has a low solubility in iron, which is very advantageous for improving machinability.

그러나, 비스무스는 그 융점이 약 209℃으로서 납에 비하여 120℃ 정도 낮기 때문에 용융되기 더 쉬울뿐만 아니라, 납에 비해 표면 장력이 작아 젖음성(wettability)이 높다는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인하여 강재의 결정립계 취화가 촉진되는 문제가 발생한다. However, since bismuth has a melting point of about 209 ° C, which is about 120 ° C lower than that of lead, bismuth is not only easier to melt, but also has low wettability due to its low surface tension. Due to this feature, a problem arises in that grain embrittlement of steel is promoted.

따라서 비스무스 쾌삭강은 납 쾌삭강에 비해 결정립계 취화로 인한 고온연성의 저하로 열간압연성이 현저하게 떨어진다는 문제가 있으며, 피삭 특성도 납 쾌삭강보다는 좋지 않기 때문에 비스무스 쾌삭강이 납 쾌삭강을 대체하기에는 아직까지 여러가지 문제점들이 존재한다.Therefore, bismuth free-cutting steel has a problem that hot-rolling property is remarkably inferior due to high temperature ductility due to grain boundary embrittlement compared to lead free-cutting steel. Are present.

하지만 납 쾌삭강 역시 다양한 문제점을 여전히 내포하고 있으며, 특히 최근 CNC 공작기계의 보급 확산이 급속도로 증가함에 따라 고속 절삭가공 및 자동화가 이루어지고 있는데, 이러한 고속 절삭 공정시 절삭 공구의 특정 성분, 예를 들어 초경 공구의 경우 초경의 가장 중요한 구성원소인 텅스텐(W)이 1000℃ 이상의 가공열에 의해 칩으로 빠른 속도로 확산하는 현상이 발생한다. 텅스텐 성분의 확산은 절삭공구의 급격한 마모를 초래할 수 있는데, 납 쾌삭강은 이러한 문제를 효과적으로 해결하지 못하고 있으며 고속절삭 측면에서 우수한 공구수명을 보장할 수 있는 특성이 지속적으로 요구되는 실정이다.However, lead free cutting steel still has various problems, and in particular, as the spread of CNC machine tools has increased rapidly, high speed cutting and automation have been performed. In this high speed cutting process, specific components of cutting tools, for example, In the case of cemented carbide tools, tungsten (W), the most important component of cemented carbide, diffuses rapidly into chips due to the processing heat of 1000 ° C or more. The diffusion of tungsten components can lead to rapid abrasion of cutting tools. Lead free cutting steels do not solve such problems effectively, and there is a continuous need for properties that can guarantee excellent tool life in terms of high-speed cutting.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 납과 같은 환경 또는 인체에 유해한 원소를 대체할 수 있는 비스무스와 주석을 강재에 첨가하여 친환경적인 특성을 갖으며, 고속 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있는 저융점 복합 산화성 개재물의 형성으로 우수한 피삭성을 확보함과 아울러 망간과 보론 등의 원소를 최적 비율로 첨가하여 우수한 열간 압연성을 갖는, 환경친화형 무연 쾌삭강을 제공하고자 한다.In order to solve this problem, the present invention has eco-friendly properties by adding bismuth and tin, which can replace elements harmful to the environment or human body, such as lead, to the steel, and suppresses tool wear that may occur during high-speed cutting. The low melting point composite oxidizable inclusions can be formed to ensure excellent machinability and to add an element such as manganese and boron at an optimum ratio to provide an environmentally friendly lead-free free-cut steel having excellent hot rolling.

본 발명은 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,The present invention is in terms of weight%, carbon (C) 0.03-0.30%, silicon (Si) 0.01-0.30%, manganese (Mn) 0.2-2.0%, phosphorus (P) 0.02-0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45 %, Bismuth (Bi) 0.04-0.20%, Tin (Sn) 0.04-0.20%, Boron (B) 0.001-0.015%, Nitrogen (N) 0.001-0.010%, Oxygen (T [O]) 0.002-0.025% And the balance Fe and inevitable impurities,

주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하고,Tin, bismuth, sulfur, manganese, boron and nitrogen satisfy one or two or more relationships selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3),

미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강을 제공한다. 이 경우, 상기 무연쾌삭강 내부에는 MnO-SiO2-Al2O3계, CaO-SiO2-Al2O3계 또는 이들이 혼합된 저융점 복합 산화성 개재물이 포함될 수 있으며, 상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25-60중량% 및 Al2O3가 0 ~ 30중량%로 이루어질 수 있고, 상기 CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 35 ~ 6555중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 0 ~ 25중량%로 이루어질 수 있다. 나아가 상기 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상 존재할 수 있다.It provides a lead-free free-cut steel, characterized in that the average grain size of the ferrite structure is 40㎛ or less as a ferrite structure in which the percentage of pearlite in the microstructure is 3.0% or less. In this case, the lead-free free-cutting steel may include a MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 system, CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 system or a low melting complex oxidative inclusions mixed thereof, the MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 -based inclusions may be 20 to 65% by weight of MnO, 25 to 60% by weight of SiO 2 and 0 to 30% by weight of Al 2 O 3 , the CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 -based inclusions Silver CaO may be made of 35 to 6555% by weight, SiO 2 to 35 to 65% by weight and Al 2 O 3 to 0 to 25% by weight. Furthermore, the low melting point composite oxidative inclusions may be present in five or more per 5g wire.

Figure 112008049433948-pat00001
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Figure 112008049433948-pat00002
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Figure 112008049433948-pat00003
Figure 112008049433948-pat00003

나아가 본 발명은, 무연쾌삭강의 제조방법을 제공하는바, 상기 제조방법은 1200~1300℃의 온도 범위에서 180분 이상 균열처리한 후, 1100~1200℃의 온도범위에서 12~16 pass로 압연하는 빌렛의 조압연 단계, 1000~1100℃의 온도 범위에서 압연하는 빌렛의 사상압연 단계, 1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리한 후 압연하는 선재압연 단계, 800~900℃의 온도범위에서 권취하는 권취 단계 및 450~550℃의 온도범위까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 냉각 단계로 구성된다.Furthermore, the present invention provides a method for producing lead-free free-cutting steel, which is subjected to a cracking treatment for more than 180 minutes at a temperature range of 1200 to 1300 ° C., followed by rolling in a 12 to 16 pass at a temperature range of 1100 to 1200 ° C. Rough rolling step of billet, filament rolling step of billet rolling in temperature range of 1000 ~ 1100 ℃, wire rod rolling step of rolling after cracking over 100 minutes in temperature range of 1200 ~ 1300 ℃, temperature range of 800 ~ 900 ℃ Winding step of winding in and the cooling step of air cooling after cooling at a cooling rate of 2.0 to 5.0 ℃ / sec range up to a temperature range of 450 ~ 550 ℃.

본 발명에 의하면 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.According to the present invention, by controlling the content of B, Sn, Mn, S and N in accordance with the appropriate relations, and forming a low melting complex oxidative inclusions to reduce the tool wear that can appear during cutting at all speeds, regardless of high speed or low speed In addition, by minimizing the construction edge and improving the surface characteristics by efficiently controlling the microstructure by the optimization of the manufacturing conditions it can be provided as an environmentally friendly lead-free free cutting steel with excellent surface roughness.

이하, 본 발명의 무연쾌삭강을 구성하는 성분계에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the component system which comprises the lead-free free cutting steel of this invention is demonstrated in detail.

탄소(C) : 0.03~0.30 중량%Carbon (C): 0.03 ~ 0.30 wt%

탄소는 표면조도 및 기계적 성질을 확보하기 위해서 0.03중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 0.30 중량%를 초과하게 되면 경한 펄라이트 조직이 증가로 피삭성의 감소를 초래한다.Carbon should be added at least 0.03% by weight to ensure surface roughness and mechanical properties. However, exceeding 0.30% by weight increases the hard pearlite structure, resulting in a decrease in machinability.

실리콘(Si) : 0.01-0.30 중량%Silicon (Si): 0.01-0.30 wt%

실리콘은 탈산제로 작용하여 SiO2를 생성하고, 고속 절삭시 열적 확산에 의한 공구의 마모를 최소화 할 수 있는 저융점 복합 산화성 개재물 형성을 위하여 0.01 중량% 이상이 첨가되어야 한다. 그러나, 0.30 중량%를 초과하면 고융점 개재물 또는 SiO2 단독 개재물이 형성되어 오히려 공구의 마모 속도가 현저히 커진다.Silicon should act as a deoxidizer to produce SiO 2 and add 0.01% by weight or more to form low melting complex oxidative inclusions that can minimize tool wear due to thermal diffusion during high speed cutting. However, if it exceeds 0.30% by weight, high melting point inclusions or SiO 2 only inclusions are formed, and rather the wear rate of the tool is significantly increased.

망간(Mn) : 0.2-2.0 중량%Manganese (Mn): 0.2-2.0 wt%

망간은 MnS 개재물을 형성하여 황(S)에 의한 적열 취성을 방지할 수 있으므로 0.2 중량% 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 2.0 중량%을 초과하면 페라이트를 고용 강화시키므로 피삭성의 감소를 초래한다. 망간은 탈산제로 작용하여 MnO를 형성하여 MnS개재물의 핵으로도 작용한다.Since manganese can form MnS inclusions and can prevent red brittleness by sulfur (S), it is preferable to add 0.2% by weight or more. However, in excess of 2.0% by weight, the ferrite is strengthened in solid solution, resulting in a decrease in machinability. Manganese acts as a deoxidizer to form MnO, which also acts as the nucleus of MnS inclusions.

인(P) : 0.02-0.10 중량%Phosphorus (P): 0.02-0.10 wt%

인은 입계에 편석되어 피삭성을 향상시켜며, 이를 위해 0.02 중량% 이상 존재하는 것이 바람직하나, 기계적 성질과 냉간 가공성을 확보하기 위해서 0.10 중량%는 넘지 않아야 한다.Phosphorus segregates at grain boundaries to improve machinability, and for this purpose, it is preferably present at 0.02% by weight or more, but not more than 0.10% by weight in order to secure mechanical properties and cold workability.

황(S) : 0.06-0.45 중량%Sulfur (S): 0.06-0.45 wt%

황은 MnS 개재물을 형성하여 절삭 작업시 구성인선의 생성을 억제하여 절삭 공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 한다. 이러한 목적을 위해 황은 0.06 중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 황의 양이 많아지면 저융점의 FeS 생성이 용이해져 고온 연성을 떨어뜨려 열간 압연이 어려워지기 때문에 0.45 중량%는 넘지 않아야 한다.Sulfur forms MnS inclusions to suppress the formation of construction edges during cutting operations, reducing wear of cutting tools and improving the surface roughness of the workpiece. Sulfur should be added at least 0.06% by weight for this purpose. However, when the amount of sulfur is large, it should not exceed 0.45% by weight because FeS of low melting point is easily produced and high-temperature ductility is degraded, making hot rolling difficult.

비스무스(Bi) : 0.04-0.20 중량%Bismuth (Bi): 0.04-0.20 wt%

비스무스는 강재에 첨가하면 금속개재물로 단독 존재하거나 MnS 개재물에 붙어있는데, 절삭시 가공열에 의해 쉽게 용융되어 절삭 특성을 좋게 하고, 칩과 절삭 공구 사이에서 윤활 피막의 작용을 하여 마찰력을 감소시키고 절삭공구의 마모를 억제하는 작용을 한다. 비스무스의 함량이 0.04 중량% 보다 적으면 피삭효과가 떨어지고, 반면에 0.20 중량%를 초과하면 주조성과 압연성에 좋지 않기 때문에 비스무스의 함량은 0.04-0.20 중량%으로 제한하는 것이 바람직하다. When added to steel, bismuth is present as a metal inclusion alone or attached to MnS inclusions, which are easily melted by the processing heat during cutting to improve cutting characteristics, and act as a lubricating film between chips and cutting tools to reduce friction and reduce cutting tools. It acts to suppress wear. If the content of bismuth is less than 0.04% by weight, the machining effect is inferior, whereas if it is more than 0.20% by weight, the content of bismuth is preferably limited to 0.04-0.20% by weight because it is not good for castability and rollability.

주석(Sn) : 0.04-0.20 중량%Tin (Sn): 0.04-0.20 wt%

주석은 납과 유사한 역할을 수행할 수 있는 원소이다. 즉, 주석은 납이 강의 피삭성을 향상시키는 기구 중 하나인 액상 금속 취화와 동일한 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로 이러한 현상은 주석이 페라이트 결정립계로 이동하여 편석되고 입계 결합에너지를 낮춤으로써 입계 파괴를 용이하게 함으로써 나타난다. 따라서, 주석에 의한 피삭성 향상효과를 얻기 위해서는 0.04 중량% 이상의 주석이 첨가되어야 한다. 그러나, 0.20 중량%를 초과하면 주조, 압연성에 유해한 결과를 초래할 수 있으므로, 0.04-0.20 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.. Tin is an element that can play a role similar to lead. That is, tin may play the same role as liquid metal embrittlement, in which lead is one of the mechanisms for improving the machinability of steel. Specifically, this phenomenon is shown by tin being segregated to ferrite grain boundaries and facilitating grain boundary fracture by lowering grain boundary binding energy. Therefore, in order to obtain the machinability improvement effect by tin, 0.04 weight% or more of tin should be added. However, if it exceeds 0.20% by weight, it may cause harmful effects on casting and rollability, so it is preferable to limit it to 0.04-0.20% by weight.

보론(B) : 0.001-0.015 중량%Boron (B): 0.001-0.015 wt%

오스테나이트 입계에 편석된 보론은 결정립계를 강화시켜 고온 연성을 향상시킨다. 또한, 종래부터 흑연을 함유한 강은 피삭성이 우수하다는 사실이 알려져 있는바, 강 내부에서 보론이 질소와 반응하여 흑연과 유사한 결정구조와 물리적 특성을 지닌 Boron nitride(BN)로 생성되면, 흑연을 함유한 강과 동일한 피삭성 향상효과를 기대할 수 있게 된다. 보론은 0.001 중량% 미만에서는 그 첨가 효과가 미흡하여 0.001중량% 이상 첨가할 필요가 있으며, 반대로 0.015 중량% 초과하여 첨가할 경우에는 더 이상 효과 상승을 기대할 수 없으며 오스테나이트 결정입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도가 저하되어 열간 가공성이 저하될 수 있으므로 0.001-0.015 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Boron segregated at the austenite grain boundary strengthens grain boundaries and improves high temperature ductility. In addition, it is known that steel containing graphite is excellent in machinability. When boron reacts with nitrogen in the steel to form Boron nitride (BN) having a crystal structure and physical properties similar to that of graphite, graphite The same machinability improvement effect as steel containing can be expected. When the boron is less than 0.001% by weight, the effect of addition is insufficient and needs to be added at least 0.001% by weight.On the contrary, when it is added in excess of 0.015% by weight, the effect can not be expected to increase any more. It is preferable to limit the amount to 0.001-0.015% by weight because the precipitation may lower the grain boundary strength and the hot workability.

질소(N) : 0.001-0.010 중량%Nitrogen (N): 0.001-0.010 wt%

질소는 보론과 함께 BN을 형성하기 위해서 0.001중량% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 0.010중량%를 초과하면 오스테나이트 결정립계에 편석되는 유효 보론의 양을 감소시켜 입계 강화 효과를 떨어뜨린다.Nitrogen should be added at least 0.001% by weight to form BN with boron. However, if it exceeds 0.010% by weight, the amount of effective boron segregated in the austenite grain boundary is reduced, which lowers the grain boundary strengthening effect.

전산소(T[O]) : 0.002-0.025 중량% Oxygen (T [O]): 0.002-0.025 wt%

산소는 열간 압연시의 MnS 개재물 연신에 의한 피삭성 저하를 방지하기 위해 0.002 중량% 이상 첨가될 것이 요구된다. 그러나, 절삭 가공시 MnS 개재물의 소성 변형능을 확보하기 위해서는 0.025중량%를 넘지 않아야 한다.Oxygen is required to be added at least 0.002% by weight in order to prevent machinability deterioration due to MnS inclusion stretching during hot rolling. However, in order to ensure the plastic deformation of the MnS inclusions during cutting, it should not exceed 0.025% by weight.

알루미늄(Al) 및 칼슘(Ca) : 각각 10ppm이하Aluminum (Al) and Calcium (Ca): Less than 10ppm each

알루미늄 및 칼슘은 본 발명에서 강중에 형성되는 저융점 복합 산화성 개재물의 형성에 필요하지만, 의도적으로 첨가할 필요는 없으며 슬래그 등에서 자연스럽게 포함되는 양이면 충분하다. 이러한 알루미늄 및 칼슘은 일반적으로 10ppm 이하로 존재하는 것이 바람직하다.Aluminum and calcium are required for the formation of the low melting composite oxidative inclusions formed in the steel in the present invention, but need not be added intentionally, and an amount naturally contained in slag or the like is sufficient. Such aluminum and calcium are generally present at 10 ppm or less.

상술한 성분계 중 Bi, Sn, S, Mn 및 B는 각각 하기의 관계식을 만족함으로써우수한 피삭성 및 저온인성을 나타낼 수 있는바, 이하 상기 Bi, Sn, S, Mn 및 B의 관계식에 대하여 상세히 설명한다.Bi, Sn, S, Mn and B of the above-described component system can exhibit excellent machinability and low temperature toughness by satisfying the following relations, respectively, hereinafter will be described in detail with respect to the relations of Bi, Sn, S, Mn and B do.

주석, 비스무스, 황 및 망간의 관계식은 하기 식(1)과 같다.The relationship between tin, bismuth, sulfur and manganese is shown in the following equation (1).

Figure 112008049433948-pat00004
Figure 112008049433948-pat00004

(단, 각 원소기호는 중량%를 나타낸다. 이하 같다.)(Each element symbol represents weight%. The same as follows.)

상기의 성분 함량 규제 이외에도 본 발명에 따른 우수한 피삭성을 가지는 무 연 쾌삭강을 제공하기 위해서는 상기 식(1)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 주석과 비스무스는 공히 금속성 개재물로서 강재 내부에서 액상 금속 취화에 의해 피삭성 향상을 꾀하고, 황은 MnS의 생성에 의해 피삭성을 향상시킨다. In addition to the above component content regulation, in order to provide a lead-free free cutting steel having excellent machinability according to the present invention, it is preferable to satisfy the relationship of the formula (1). In other words, both tin and bismuth are metallic inclusions to improve the machinability by liquid metal embrittlement inside the steel, and sulfur improves machinability by the production of MnS.

망간과 황의 관계식은 하기 식(2)과 같다. The relationship between manganese and sulfur is shown in the following equation (2).

Figure 112008049433948-pat00005
Figure 112008049433948-pat00005

상기의 성분함량 규제 이외에도 본 발명에 따른 우수한 고온연성을 가지는 무연쾌삭강을 제공하기 위해서는 망간과 황의 관계가 상기 식(2)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 식(2)는 망간이 황과 결합하여 황에 의한 열간취성을 억제할 수 있을 정도가 필요하다는 것을 나타낸다.In addition to the above component content regulation, in order to provide a lead-free free-cutting steel having excellent hot ductility according to the present invention, it is preferable that the relationship between manganese and sulfur satisfies the relationship of the formula (2). Equation (2) indicates that manganese needs to be able to bind with sulfur to suppress hot brittleness by sulfur.

보론과 질소의 관계식은 하기 식(3)과 같다.The relationship between boron and nitrogen is shown in the following equation (3).

Figure 112008049433948-pat00006
Figure 112008049433948-pat00006

본 발명에 따른 우수한 고온연성을 가지는 무연쾌삭강을 제공하기 위하여 보 론와 질소는 상기 식(3)의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 즉, 질소가 존재하더라도 입계에 편석되는 보론에 의해 오스테나이트 결정립계를 강화할 수 있을 정도의 양이 필요하다. In order to provide a lead-free free-cutting steel having excellent high-temperature ductility according to the present invention, boron and nitrogen preferably satisfy the relationship of Formula (3). That is, even in the presence of nitrogen, an amount sufficient to strengthen the austenite grain boundary by boron segregating at the grain boundary is required.

상술한 식(1) 내지 식(3)은 어느 하나의 관계만 만족해도 그로 인한 효과가 나타나며, 둘 이상의 관계를 동시에 만족하는 경우에는 그 효과가 더욱 현저하게 나타나므로, 상술한 식(1) 내지 식(3) 중 하나 이상을 만족한다면 본 발명의 권리 범위에 포함된다고 볼 수 있다.The above-mentioned formulas (1) to (3) have an effect even if only one relationship is satisfied, and when the two or more relationships are satisfied at the same time, the effect is more remarkable. If one or more of Equation (3) is satisfied, it can be regarded as being included in the scope of the present invention.

한편 본 발명의 무연쾌삭강은 Mn, Si, Ca 및 Al 성분에 의한 저융점 복합 산화성 개재물들을 포함하는바, 이하 상기 저융점 복합 산화성 개재물에 관하여 상세히 설명한다.Meanwhile, the lead-free free cutting steel of the present invention includes low melting point composite oxidative inclusions by Mn, Si, Ca, and Al components, which will be described in detail below.

본 발명의 성분계에서는, Mn, Si, Ca 및 Al 성분들의 산화가 일어나면서 다양한 저융점 복합 산화성 개재물이 나타나게 된다. 상기 개재물들을 나타나게 하기 위하여, Mn, Si, Ca 및 Al 성분들이 별도로 첨가되는 것이 바람직하나, Ca 및 Al 성분은 강 내부에 기본적으로 존재하는 양으로도 충분히 개재물 형성이 가능하다. 본 발명에서 이러한 개재물들은 MnO-SiO2-Al2O3계 또는 CaO-SiO2-Al2O3계의 형태로 존재하게 된다.In the component system of the present invention, oxidation of the Mn, Si, Ca and Al components occurs, resulting in various low melting complex oxidative inclusions. In order to show the inclusions, it is preferable that Mn, Si, Ca, and Al components be added separately, but the Ca and Al components can be formed sufficiently in an amount basically present in the steel. In the present invention, such inclusions are present in the form of MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 system or CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 system.

상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25 ~ 60중량% 및 Al2O3가 0 ~ 30중량%로 이루어지며, CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 10 ~ 55중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 0 ~ 25중량%로 이루어지는 것이 바람직하다. The MnO-SiO 2 -Al 2 O 3- based inclusions are made of 20 to 65% by weight MnO, 25 to 60% by weight SiO 2 and 0 to 30% by weight of Al 2 O 3 , CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 based inclusions are preferably CaO is 10 to 55 weight%, SiO 2 is 35 to 65% by weight and Al 2 O 3 consisting of 0-25% by weight.

또한, 이러한 MnO-SiO2-Al2O3계 또는 CaO-SiO2-Al2O3계 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상이 존재하는 것이 바람직하다. 만일 5개 이하로 존재하는 경우에는 피삭성이 저하되는 문제점이 발생한다.In addition, the MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 -based or CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 -based low melting point composite oxidizing inclusions are preferably present at least 5 per 5g wire. If the number is less than five, the machinability deteriorates.

이하 본 발명의 강재를 제조하는 방법 및 이로 인하여 나타나는 미세조직에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter will be described in detail with respect to the method of manufacturing the steel of the present invention and the resulting microstructure.

빌렛압연 공정Billet Rolling Process

본 발명에서는 상술한 조성의 블룸을 고온연성이 충분히 확보될 수 있는 1200~1300℃의 온도범위에서 180분 이상 균열처리하여 소재가 충분히 숙열될 수 있도록 한다. 그리고 1150±50℃의 온도범위에서 12~16 pass로 조압연을 실시한다. 이 경우, pass당 감면율은 대폭 줄이는데, 이는 소재에 최대한 균일한 응력 및 변형량을 분포시키기 위함이다. 나아가 블룸 코너부에는 응력집중 또는 변형을 최소화하기 위하여 초기 3~4 pass는 플랫(flat) 공형을 사용하고, 나머지 pass에서는 박스(box) 공형을 사용할 수 있다. 플랫 및 박스 공형은 판압연에 가까우므로 블룸 코너부의 구속이 크지 않고 코너부에 집중되는 응력 및 변형량을 최소화시킬 수 있기 때문이다.In the present invention, the bloom of the above-described composition is cracked for at least 180 minutes in the temperature range of 1200 ~ 1300 ℃ to ensure a sufficient high temperature ductility so that the material can be sufficiently aging. And rough rolling is carried out with 12 ~ 16 pass in the temperature range of 1150 ± 50 ℃. In this case, the reduction rate per pass is greatly reduced to distribute the most uniform stress and strain in the material. Furthermore, in order to minimize stress concentration or deformation at the bloom corner, the initial three to four passes may use a flat mold, and the remaining passes may use a box mold. This is because the flat and box molds are close to the plate rolling, so the amount of stress and strain concentrated on the corners can be minimized without restricting the bloom corners.

그리고 상대적으로 코너부 구속이 심해 응력 및 변형량 집중이 강한 다이아몬드(diamond) 및 스퀘어(square) 공형을 사용하는 사상압연은 1050±50℃의 온도 범위에서 4 pass를 실시한다. 그러나 조압연 과정에서 충분한 감면을 통해 사상압연 pass당 감면율을 줄여서 코너부의 터짐 현상과 같은 결함을 억제하는 것이 바람직하다. 또한, 롤냉각수의 소재 접촉을 통한 소재의 실열로 인한 고온연성의 저하를 방지하기 위하여 롤냉각수의 양을 최소화시키는 것이 좋다.In addition, filament rolling using diamond and square molds with relatively high corner restraint and high concentration of stress and strain are subjected to four passes in the temperature range of 1050 ± 50 ℃. However, in the rough rolling process, it is preferable to reduce the reduction rate per finishing rolling pass through sufficient reduction to suppress defects such as bursting of corners. In addition, it is preferable to minimize the amount of the roll cooling water in order to prevent the high temperature ductility due to the heat of the material through the material contact of the roll cooling water.

나아가 총 압연 pass는 16~20 pass로 수행하는 것이 좋다. 압연 pass수가 너무 적으면 필요한 압연 효과를 얻기 어렵고, 20 pass를 넘게 되면 지나치게 공정 효율이 저하되기 때문이다.Further, the total rolling pass is preferably performed in 16-20 passes. If the number of rolling passes is too small, it is difficult to obtain the required rolling effect, and if the number of rolling passes exceeds 20 passes, the process efficiency is excessively lowered.

선재압연 공정Wire Rolling Process

빌렛이 얻어지면 상기 빌렛은 고온연성이 충분히 확보될 수 있는 1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리하고, 조압연 및 사상압연을 거치는 선재압연 과정을 수행한다. 선재압연 과정은 종래에 알려진 어떠한 방법을 이용해도 가능할 것이다.When the billet is obtained, the billet is cracked for 100 minutes or more at a temperature range of 1200 to 1300 ° C. where hot ductility can be sufficiently secured, and performs a wire rolling process that undergoes rough rolling and finishing rolling. The wire rolling process may be used by any method known in the art.

권취공정Winding process

본 발명에서 선재압연이 종료된 강재는 800~900℃에서 권취된다. 상기 권취 온도가 900℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 성장하여 결정립 크기가 증가하므로 최종 상변태 과정을 거친 후에 나타나는 페라이트 결정립 크기가 40㎛를 초과하여 조대화될 수 있어 선재의 강도가 저하될 수 있다. 본 발명의 강재는 피삭성 확보를 위해서 일정수준의 선재강도가 요구되기 때문에, 이러한 결정립의 조대화는 피삭성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다. 반면, 상기 권취온도가 800℃ 미만인 경우에는 권취 중에 상변태가 상당부분 진행될 수 있기 때문에 본 발명에서 얻고자 하는 미세조직을 얻기 어려울 수 있다.In the present invention, the wire rod is finished, the steel is wound at 800 ~ 900 ℃. When the coiling temperature exceeds 900 ℃ because austenite grains grow to increase the grain size, the ferrite grain size after the final phase transformation process can be coarsened beyond 40 ㎛ to reduce the strength of the wire rod have. Since the steel of the present invention requires a certain level of wire strength to secure machinability, such coarsening of grains may adversely affect machinability. On the other hand, when the coiling temperature is less than 800 ℃ may be difficult to obtain the microstructure to be obtained in the present invention because the phase transformation can proceed to a large part during the winding.

냉각공정Cooling process

본 발명에서는 펄라이트의 상분율을 3.0% 이하로 포함하는 미세조직을 얻기 위하여 상기 권취된 선재를 450~550℃, 바람직하게는 500~530℃까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉을 실시한다. 상기 냉각속도가 5.0℃/sec를 초과하면 빠른 냉각속도로 인하여 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 경한 저온변태조직이 발생할 수 있어 절삭시 표면조도 측면에서는 유리할 수 있으나 공구수명이 급격히 줄어들 수 있으므로 바람직하지 않다. 또한 냉각속도가 0.5℃/sec 미만이 되면 평형상태의 상분율에 가까울 정도의 많은 펄라이트가 생성되어 최종 제품은 2상 이상의 복합조직을 갖게 되며, 이러한 조직에서는 절삭시 구성인선의 생성 및 성장이 나타나 피삭면의 표면조도가 저하될 수 있다. 따라서, 펄라이트의 상분율을 3.0% 이하로 최소화하고 준 단상조직을 얻기 위해서는 상술한 냉각조건으로 냉각한다. 상술한 제어냉각 과정이 끝나고 450~550℃부터는 공냉과정을 거치는데, 여기부 터는 변태가 완료된 상태로 냉각속도의 변화가 조직에 미치는 영향이 없기 때문이다. In the present invention, in order to obtain a microstructure containing a phase fraction of pearlite 3.0% or less, the wound wire is cooled at a cooling rate in the range of 2.0 to 5.0 ℃ / sec to 450 ~ 550 ℃, preferably 500 ~ 530 ℃ After air cooling. If the cooling rate exceeds 5.0 ℃ / sec may be a low temperature transformation structure such as bainite or martensite due to the rapid cooling rate may be advantageous in terms of surface roughness during cutting, but is not preferable because the tool life can be drastically reduced. . In addition, when the cooling rate is less than 0.5 ℃ / sec, a lot of pearlite is generated close to the equilibrium phase fraction, the final product has a composite structure of two or more phases, the formation and growth of constituent edges during cutting Surface roughness of the workpiece surface may be reduced. Therefore, in order to minimize the phase fraction of pearlite to 3.0% or less and obtain a quasi-single-phase structure, cooling is performed under the aforementioned cooling conditions. After the above-mentioned control cooling process, the air cooling process is performed from 450 to 550 ° C., since the transformation of the cooling rate does not affect the tissue.

최종 미세조직Final microstructure

상술한 바와 같이 냉각하여 제조된 선재의 미세조직은 기지조직으로 평균 결정립 크기가 40㎛ 이하인 페라이트 조직으로 구성되며, 함께 포함되는 펄라이트의 상분율은 3.0% 이하로 제어한다. 페라이트 평균 결정립 크기가 40㎛를 초과하는 경우에는 선재 강도가 저하되어 절삭시 표면조도가 열위해질 수 있으며, 나아가 펄라이트 상분율이 3.0%를 초과하는 경우에는 경한 시멘타이트 조직에 의해 공구마모도가 증가하여 공구 수명이 저하될 수 있고 표면조도 역시 좋지 않기 때문이다.The microstructure of the wire rod prepared by cooling as described above is composed of a ferrite structure having an average grain size of 40 μm or less as a matrix structure, and the phase fraction of pearlite included together is controlled to 3.0% or less. If the ferrite average grain size exceeds 40㎛, the wire strength may decrease and surface roughness may be inferior during cutting.In addition, when the pearlite content ratio exceeds 3.0%, the tool wear is increased due to the hard cementite structure. This can be due to poor service life and poor surface finish.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.

[실시예] [Example]

하기 표 1, 표 2 및 표 3과 같은 발명강 및 비교강의 성분조성을 갖는 블룸을 하기 표4의 조건으로 160각의 빌렛으로 압연하고, 상기 빌렛을 표5의 조건으로 고속선재 압연하여 직경 27mm의 선재로 압연 후 권취, 냉각 및 공냉을 실시하였다. Bloom having the composition of the inventive steel and comparative steel as shown in Table 1, Table 2 and Table 3 was then rolled into a billet of 160 angles under the conditions of Table 4, the billet was rolled in a high speed wire under the conditions of Table 5 to a diameter of 27mm After rolling with the wire rod, winding, cooling, and air cooling were performed.

구 분division CC SiSi MnMn PP SS BB BiBi SnSn T[O]T [O] NN 발명강1Inventive Steel 1 0.0790.079 0.0670.067 1.1551.155 0.0530.053 0.3040.304 0.00950.0095 0.070.07 0.080.08 0.00800.0080 0.00480.0048 발명강2Inventive Steel 2 0.0730.073 0.0600.060 1.1511.151 0.0670.067 0.3280.328 0.00920.0092 0.130.13 0.140.14 0.01200.0120 0.00320.0032 발명강3Invention Steel 3 0.1020.102 0.0800.080 1.2351.235 0.0580.058 0.3500.350 0.00700.0070 0.090.09 0.110.11 0.01530.0153 0.00150.0015 발명강4Inventive Steel 4 0.0440.044 0.0300.030 1.5701.570 0.0590.059 0.3800.380 0.01000.0100 0.180.18 0.170.17 0.01400.0140 0.00230.0023 발명강5Inventive Steel 5 0.0380.038 0.1000.100 1.2501.250 0.0610.061 0.3100.310 0.00740.0074 0.130.13 0.090.09 0.01700.0170 0.00350.0035 비교강1Comparative Steel 1 0.0800.080 0.1380.138 1.4491.449 0.0500.050 0.3760.376 0.00730.0073 0.100.10 0.100.10 0.01300.0130 0.00580.0058 비교강2Comparative Steel 2 0.0700.070 0.0040.004 1.1621.162 0.0760.076 0.3440.344 -- 0.070.07 0.110.11 0.02010.0201 0.00430.0043 비교강3Comparative Steel 3 0.2900.290 0.2850.285 1.0201.020 0.0300.030 0.2100.210 0.00810.0081 -- 0.050.05 0.01100.0110 0.00400.0040

구 분division (Bi+Sn+S)/Mn(Bi + Sn + S) / Mn Mn3/SMn 3 / S B/NB / N 발명강1Inventive Steel 1 0.40.4 5.075.07 2.02.0 발명강2Inventive Steel 2 0.50.5 4.654.65 2.92.9 발명강3Invention Steel 3 0.40.4 5.385.38 4.74.7 발명강4Inventive Steel 4 0.50.5 10.1810.18 4.44.4 발명강5Inventive Steel 5 0.40.4 6.306.30 2.12.1 비교강1Comparative Steel 1 0.40.4 8.098.09 1.31.3 비교강2Comparative Steel 2 0.50.5 4.564.56 0.00.0 비교강3Comparative Steel 3 0.30.3 5.055.05 2.02.0

구 분division MnO-SiO2-Al2O3계
복합 산화성 개재물MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 System
Complex oxidative inclusions CaO-SiO2-Al2O3 계
복합 산화성 개재물CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 System
Complex oxidative inclusions 개재물수
(선재 5g)Inclusions
(5 g of wire) MnO(%)MnO (%) SiO2(%)SiO 2 (%) Al2O3(%)Al 2 O 3 (%) CaO(%)CaO (%) SiO2(%)SiO 2 (%) Al2O3(%)Al 2 O 3 (%) 발명강1Inventive Steel 1 3030 5555 1515 4040 3535 2525 1010 발명강2Inventive Steel 2 4545 3535 2020 3535 4545 2020 77 발명강3Invention Steel 3 2525 5050 2525 1515 6565 2020 66 발명강4Inventive Steel 4 5050 2525 2525 4545 2020 1515 99 발명강5Inventive Steel 5 5050 4040 1010 3030 5555 1515 1212 비교강1Comparative Steel 1 6060 3030 1010 4040 3535 2525 55 비교강2Comparative Steel 2 8080 1010 1010 2525 3030 4545 22 비교강3Comparative Steel 3 4040 4040 2020 3030 5555 1515 66

하기 표 4에 나타낸 바와 같이, 발명예(1~6)는 조압연에서 12~16 pass한 결과 양호한 표면특성을 얻을 수 있음을 확인하였다. 즉, 조압연과 사상압연에서 각 pass당 감면율을 낮추어 응력과 변형율을 분산시킴으로써 압연에 의한 표면결함들을 줄일 수 있었다. 반면, 비교예(1~5)는 조압연의 pass수가 10이하로 pass 당 감면율이 높아 표면결함이 발생함을 알 수 있었다. 또한, 비교예(6~7)은 조압연 pass수가 12로 조건은 양호하나, 망간과 황 또는 보론과 질소의 성분계 관련 관계식을 만족하지 못해 고온연성이 좋지 않아 인해 여전히 표면터짐 현상이 발생함을 알 수 있었다. As shown in Table 4, Inventive Examples (1 to 6) confirmed that good surface properties can be obtained as a result of passing 12 to 16 passes in rough rolling. That is, the surface defects due to rolling were reduced by dispersing stress and strain by reducing the reduction rate for each pass in rough rolling and finishing rolling. On the other hand, in Comparative Examples (1 to 5), the number of passes of the rough rolling was less than 10, and it was found that surface defects occurred because the reduction rate per pass was high. In addition, Comparative Examples (6 to 7) have a rough rolling pass number of 12, which is good, but does not satisfy manganese and sulfur or boron and nitrogen-related relations. Could know.

구 분division 강 종River bell 빌렛압연공정Billet Rolling Process 표면품질Surface quality 균열온도
(℃)Crack temperature
(℃) 재로시간
(min)Time
(min) 조압연 Pass수Rough rolling pass 사상압연
Pass 수Sasang Rolling
Pass number 발명예1Inventive Example 1 발명강1Inventive Steel 1 12501250 200200 1313 44 양호Good 발명예2Inventive Example 2 발명강2Inventive Steel 2 12701270 180180 1212 44 양호Good 발명예3Inventive Example 3 발명강3Invention Steel 3 12601260 300300 1414 44 양호Good 발명예4Honorable 4 발명강4Inventive Steel 4 12701270 250250 1515 44 양호Good 발명예5Inventory 5 발명강5Inventive Steel 5 12801280 230230 1616 44 양호Good 비교예1Comparative Example 1 발명강1Inventive Steel 1 12501250 200200 77 44 표면터짐Surface burst 비교예2Comparative Example 2 발명강2Inventive Steel 2 12701270 250250 99 44 표면터짐Surface burst 비교예3Comparative Example 3 발명강3Invention Steel 3 12801280 230230 1010 44 표면터짐Surface burst 비교예4Comparative Example 4 발명강4Inventive Steel 4 12801280 200200 77 44 표면터짐Surface burst 비교예5Comparative Example 5 발명강5Inventive Steel 5 12701270 230230 99 44 표면터짐Surface burst 비교예6Comparative Example 6 비교강1Comparative Steel 1 12801280 200200 1212 44 표면터짐Surface burst 비교예7Comparative Example 7 비교강2Comparative Steel 2 12701270 230230 1212 44 표면터짐Surface burst 발명예6Inventory 6 비교강3Comparative Steel 3 12501250 200200 1212 44 양호Good

본 실시예의 조성 및 방법에 의하여 제조된 선재의 페라이트 결정립 크기 및 펄라이트 상분율을 측정하여 하기 표 5에 나타내었다. 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율은 화상분석기(image analyzer)를 이용하여 측정하였으며, 이 때 피검면은 300mm2를 기준으로 하였다. 하기 표 5에 나타난 바와 같이, 발명예(7~12)에서는 냉각속도를 2.0~5.0℃/sec 범위로 하여 40㎛이하의 페라이트 결정립 크기와 3.0%이하의 펄라이트 상분율을 얻을 수 있었다. The ferrite grain size and the pearlite phase fraction of the wire rod prepared by the composition and method of this example were measured and shown in Table 5 below. The ferrite grain size and the pearlite phase fraction were measured using an image analyzer, and the test surface was based on 300 mm 2 . As shown in Table 5, inventive examples (7-12) it was possible to obtain a ferrite grain size of 40㎛ or less and a pearlite phase fraction of 3.0% or less with a cooling rate in the range of 2.0 ~ 5.0 ℃ / sec.

반면, 비교예(8~10)에서는 냉각속도가 2.0℃/sec 미만으로 40㎛를 초과하는 페라이트 결정립과 3.0% 를 초과하는 펄라이트 상분율이 나타났다. 또한 비교예(11~12)에서는 냉각속도가 5.0℃/sec를 초과하여 베이나이트와 같은 저온변태조직이 형성되어 필요한 물성의 확보가 곤란하였다. 비교예(13~14)은 비교강으로 냉각속도를 2.0~5.0℃/sec 범위로 하면 발명예의 미세조직과 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.On the other hand, in Comparative Examples (8 to 10), the ferrite grains exceeding 40 μm and the pearlite phase fraction exceeding 3.0% showed cooling rates of less than 2.0 ° C./sec. In Comparative Examples 11 to 12, the cooling rate exceeded 5.0 ° C./sec, and thus low temperature transformation structures such as bainite were formed, thereby making it difficult to secure necessary physical properties. Comparative Examples (13 to 14) was found to be similar to the microstructure of the invention example when the cooling rate of the comparative steel in the range of 2.0 ~ 5.0 ℃ / sec.

구 분division 강 종River bell 선재압연공정Wire Rod Rolling Process 균열온도
(℃)Crack temperature
(℃) 재로시간
(min)Time
(min) 권취온도
(℃)Coiling temperature
(℃) 냉각속도
(℃/sec)Cooling rate
(℃ / sec) 페라이트 결정립 크기
(㎛)Ferrite Grain Size
(Μm) 펄라이트 상분율(%)Perlite phase percentage (%) 발명예7Inventive Example 7 발명강1Inventive Steel 1 12601260 120120 880880 2.82.8 3535 2.82.8 발명예8Inventive Example 8 발명강2Inventive Steel 2 12501250 100100 890890 4.14.1 2525 2.22.2 발명예9Proposition 9 발명강3Invention Steel 3 12701270 110110 870870 4.84.8 2020 2.02.0 발명예10Inventory 10 발명강4Inventive Steel 4 12501250 120120 830830 3.53.5 3030 2.52.5 발명예11Inventive Example 11 발명강5Inventive Steel 5 12801280 100100 850850 2.22.2 3838 2.92.9 비교예8Comparative Example 8 발명강1Inventive Steel 1 12701270 100100 820820 0.10.1 8080 4.24.2 비교예9Comparative Example 9 발명강2Inventive Steel 2 12701270 120120 860860 0.50.5 6666 3.83.8 비교예10Comparative Example 10 발명강3Invention Steel 3 12501250 110110 850850 1.31.3 5252 3.33.3 비교예11Comparative Example 11 발명강 4Inventive Steel 4 12601260 120120 890890 6.76.7 -- -- 비교예12Comparative Example 12 발명강5Inventive Steel 5 12601260 100100 880880 8.78.7 -- -- 비교예13Comparative Example 13 비교강 1Comparative Steel 1 12601260 100100 880880 2.32.3 3838 2.92.9 비교예14Comparative Example 14 비교강 2Comparative Steel 2 12501250 100100 870870 2.52.5 3737 2.82.8 발명예 12Inventive Example 12 발명강 3Inventive Steel 3 12701270 120120 890890 3.43.4 3131 2.52.5

본 발명에 따른 발명강의 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 구성인선의 높이 및 피삭재의 표면조도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 상기 선재들을 이용하여 절삭실험을 실시하였다. 먼저, 상기 선재들을 25mm 직경의 봉재로 냉간 인발하고, CNC 선반에 절삭유를 사용하지 않고 선삭 시험을 행하였다. 이송 속도는 0.5mm/rev, 절삭 깊이는 1.0mm, 그리고 절삭 속도는 150m/min로 하였다. 동일시간 선삭 시험을 반복한 후, 구성인선의 높이와 피삭재의 표면조도를 측정하고 상호 비교한 결과를 하기 표6에 나타내었다. In order to evaluate the effect of the ferrite grain size and the pearlite phase fraction of the inventive steel on the height of the constituent edge and the surface roughness of the workpiece, cutting experiments were performed using the wires. First, the wire rods were cold drawn with a 25 mm diameter bar, and a turning test was performed on the CNC lathe without using coolant. The feed rate was 0.5 mm / rev, the cutting depth was 1.0 mm, and the cutting speed was 150 m / min. After repeating the same time turning test, the height of the constituent edge and the surface roughness of the workpiece were measured and compared with each other are shown in Table 6 below.

구 분division 강 종River bell 구성인선 높이(㎛)Construction edge height (㎛) 표면조도(㎛)Surface Roughness (㎛) 발명예13Inventive Example 13 발명강1Inventive Steel 1 3535 3.23.2 발명예14Inventive Example 14 발명강2Inventive Steel 2 3030 3.03.0 발명예15Inventive Example 15 발명강3Invention Steel 3 2222 2.52.5 발명예16Inventive Example 16 발명강4Inventive Steel 4 2121 2.32.3 발명예17Inventive Example 17 발명강5Inventive Steel 5 3232 3.13.1 비교예15Comparative Example 15 발명강1Inventive Steel 1 5353 4.24.2 비교예16Comparative Example 16 발명강2Inventive Steel 2 4848 3.83.8 비교예17Comparative Example 17 발명강3Invention Steel 3 4444 3.83.8 비교예18Comparative Example 18 발명강4Inventive Steel 4 1515 2.12.1 비교예19Comparative Example 19 발명강5Inventive Steel 5 1010 2.02.0 비교예20Comparative Example 20 비교강1Comparative Steel 1 3333 3.33.3 비교예21Comparative Example 21 비교강2Comparative Steel 2 3232 3.23.2 비교예22Comparative Example 22 비교강3Comparative Steel 3 4343 3.63.6

상기 표 6의 발명예(13~17)에서 알 수 있듯이, 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 낮으면 작은 구성인선이 생성되고, 피삭재의 표면조도도 향상됨을 알 수 있었다. 그러나, 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율이 높아지면 상대적으로 큰 구성인선이 생성되어 피삭재의 표면조도가 열위하게 됨을 비교예(15~17)에서 확인할 수 있었다. 저온조직이 발생한 비교예(18~19)의 경우 오히려 구성인선이 작고 피삭재의 표면조도가 우수함을 알 수 있는데, 상대적으로 경한 조직으로 인해 공구수명과 같은 또 다른 피삭성 요소를 저해할 수 있기 때문에 본 발명에서 요구되는 바람직한 미세조직은 아니었다. 또한, 비교예(20~21)은 열간압연성은 다소 열위하였으나, 금속성 개재물 성분이 충분하고, 발명예와 유사수준의 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율을 가지고 있기 때문에 구성인선이 작고, 표면조도가 양호하였다. 이에 비해 비교예22는 비교강로서 발명예와 유사한 조건에서 제조되어 페라이트 결정립 크기와 펄라이트 상분율은 유사 수준이였으나, 금속성 개재물 성분이 부족하여 성분 관계식(1)을 만족하지 못하였기 때문에 상대적으로 큰 구성인선이 생성되고 표면조도가 열위해졌음을 알 수 있었다.As can be seen from the inventive examples (13 to 17) of Table 6, when the ferrite grain size and the pearlite phase fraction are low, small constituent edges are generated, and the surface roughness of the workpiece is also improved. However, it was confirmed in Comparative Examples (15 to 17) that the ferrite grain size and the pearlite phase ratio were increased to generate a relatively large constituent edge and inferior the surface roughness of the workpiece. In the comparative examples (18-19) where the low temperature tissue was generated, it was found that the constituent edges were smaller and the surface roughness of the workpiece was superior, since the relatively hard tissue could inhibit another machinability element such as tool life. It was not a preferred microstructure required in the present invention. In addition, Comparative Examples (20 to 21) were somewhat inferior in hot rolling property, but due to sufficient metallic inclusion components, and similar ferrite grain size and pearlite phase fraction as the invention example, the constituent edge was small and the surface roughness was good. It was. On the other hand, Comparative Example 22 was manufactured under similar conditions as the invention example, and the ferrite grain size and the pearlite phase fraction were similar, but because the metal inclusion components were insufficient, the component relational formula (1) was not satisfied. It was found that constructive edges were created and the surface roughness was deteriorated.

상기 실시예에 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 강재는 B, Sn, Mn, S 및 N의 함량을 적절한 관계식에 의하여 조절함과 아울러 저융점 복합 산화성 개재물을 형성시킴으로써 고속 또는 저속에 관계없이 모든 속도의 절삭 과정에서 나타날 수 있는 공구 마모를 억제할 수 있으며, 나아가 제조조건의 최적화에 의하여 미세조직을 효율적으로 제어함으로써 구성인선을 최소화하고 표면특성을 향상시켜 표면조도가 우수한 환경친화형 무연 쾌삭강으로 제공될 수 있다.As shown in the above embodiment, the steel according to the present invention controls the content of B, Sn, Mn, S and N in accordance with the appropriate relations and forms a low melting complex oxidative inclusions at all speeds regardless of high or low speed. Tool wear that can occur during cutting process can be suppressed, and the microstructure can be efficiently controlled by optimizing the manufacturing conditions, minimizing construction edges and improving the surface characteristics to provide environmentally friendly lead-free free cutting steel with excellent surface roughness. Can be.

Claims (6)

중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,By weight%, carbon (C) 0.03-0.30%, silicon (Si) 0.01-0.30%, manganese (Mn) 0.2-2.0%, phosphorus (P) 0.02-0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45%, bismuth (Bi) 0.04-0.20%, Tin (Sn) 0.04-0.20%, Boron (B) 0.001-0.015%, Nitrogen (N) 0.001-0.010%, Total Oxygen (T [O]) 0.002-0.025% and the balance Fe And inevitable impurities, 주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하고,Tin, bismuth, sulfur, manganese, boron and nitrogen satisfy one or two or more relationships selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3), 미세조직 중 펄라이트의 상분율이 3.0% 이하인 페라이트 조직으로 상기 페라이트 조직의 평균 결정립 크기는 40㎛ 이하임을 특징으로 하는 무연쾌삭강.Lead-free free-cut steel, characterized in that the average grain size of the ferrite structure is less than 40㎛ ferrite structure of the pearlite in the microstructure of 3.0% or less.
Figure 112008049433948-pat00007
Figure 112008049433948-pat00007
Figure 112008049433948-pat00008
Figure 112008049433948-pat00008
Figure 112008049433948-pat00009
Figure 112008049433948-pat00009
 제1항에 있어서, 상기 무연쾌삭강 내부에는 MnO-SiO2-Al2O3계, CaO-SiO2-Al2O3계 또는 이들이 혼합된 저융점 복합 산화성 개재물을 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.The lead-free free cutting steel according to claim 1, wherein the lead-free free cutting steel includes a MnO-SiO 2 -Al 2 O 3 system, a CaO-SiO 2 -Al 2 O 3 system, or a low melting composite oxidative inclusion mixed therewith. . 제2항에 있어서, 상기 MnO-SiO2-Al2O3계 개재물은 MnO이 20 ~ 65중량%, SiO2가 25-60중량% 및 Al2O3가 30중량% 이하(0%는 제외)로 이루어진 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.According to claim 2, wherein the MnO-SiO 2 -Al 2 O 3- based inclusions are 20 to 65% by weight MnO, 25-60% by weight SiO 2 and 30% by weight or less Al 2 O 3 (excluding 0%) Lead-free free cutting steel, characterized in that consisting of). 제2항에 있어서, 상기 CaO-SiO2-Al2O3계 개재물은 CaO가 10 ~ 55중량%, SiO2가 35 ~ 65중량% 및 Al2O3가 25중량% 이하(0%는 제외)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.According to claim 2, wherein the CaO-SiO 2 -Al 2 O 3- based inclusions are 10 to 55% by weight CaO, 35 to 65% by weight SiO 2 and 25% by weight or less Al 2 O 3 (excluding 0%) Lead-free free-cutting steel, characterized in that consisting of). 제2항에 있어서, 상기 저융점 복합 산화성 개재물은 선재 5g당 5개 이상 존재하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강.3. The lead-free free cutting steel according to claim 2, wherein at least 5 low melting point composite oxidative inclusions are present per 5 g of wire. 중량%로, 탄소(C) 0.03~0.30%, 실리콘(Si) 0.01-0.30%, 망간(Mn) 0.2-2.0%, 인(P) 0.02-0.10%, 황(S) 0.06-0.45%, 비스무스(Bi) 0.04-0.20%, 주석(Sn) 0.04-0.20%, 보론(B) 0.001-0.015%, 질소(N) 0.001-0.010%, 전산소(T[O]) 0.002-0.025% 및 잔부 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,By weight%, carbon (C) 0.03-0.30%, silicon (Si) 0.01-0.30%, manganese (Mn) 0.2-2.0%, phosphorus (P) 0.02-0.10%, sulfur (S) 0.06-0.45%, bismuth (Bi) 0.04-0.20%, Tin (Sn) 0.04-0.20%, Boron (B) 0.001-0.015%, Nitrogen (N) 0.001-0.010%, Total Oxygen (T [O]) 0.002-0.025% and the balance Fe And inevitable impurities, 주석, 비스무스, 황, 망간, 보론 및 질소가 하기 식(1) 내지 (3)으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 1 또는 2 이상의 관계를 만족하는 강재를,Steel materials in which tin, bismuth, sulfur, manganese, boron and nitrogen satisfy one or two or more relations selected from the group consisting of the following formulas (1) to (3), 1200~1300℃의 온도 범위에서 180분 이상 균열처리한 후, 1100~1200℃의 온도범위에서 12~16 pass로 압연하는 빌렛의 조압연 단계;After the cracking treatment for more than 180 minutes in the temperature range of 1200 ~ 1300 ℃, rough rolling step of billet rolling in 12 ~ 16 pass in the temperature range of 1100 ~ 1200 ℃; 1000~1100℃의 온도 범위에서 압연하는 빌렛의 사상압연 단계;Finish rolling step of the billet rolling in the temperature range of 1000 ~ 1100 ℃; 1200~1300℃의 온도범위에서 100분 이상 균열처리한 후 압연하는 선재압연 단계;Wire-rolling step of rolling after cracking at least 100 minutes in the temperature range of 1200 ~ 1300 ℃; 800~900℃의 온도범위에서 권취하는 권취 단계; 및Winding step of winding in a temperature range of 800 ~ 900 ℃; And 450~550℃의 온도범위까지 2.0~5.0℃/sec 범위의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 냉각 단계;Cooling step of cooling after cooling to a temperature range of 450 ~ 550 ℃ at a cooling rate of 2.0 ~ 5.0 ℃ / sec range; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 무연쾌삭강의 제조방법.Lead-free free cutting steel manufacturing method comprising a.
Figure 112010067001649-pat00010
Figure 112010067001649-pat00010
Figure 112010067001649-pat00011
Figure 112010067001649-pat00011
Figure 112010067001649-pat00012
Figure 112010067001649-pat00012
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KR100825566B1 (en) * 2006-12-28 2008-04-25 주식회사 포스코 Eco-friendly pb-free free cutting steel with excellent machinability and hot workability
WO2008066194A1 (en) 2006-11-28 2008-06-05 Nippon Steel Corporation Free-cutting steel excellent in manufacturability

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