KR102042063B1 - 흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 향상된 흑연강 - Google Patents

흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 향상된 흑연강 Download PDF

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Abstract

흑연화 열처리용 강재가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 흑연화 열처리용 강재에 따르면, 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

흑연화 열처리용 강재 및 피삭성이 향상된 흑연강{STEEL MATERIAL FOR GRAPHITIZATION AND GRAPHITE STEEL WITH IMPROVED MACHINABILITY}
본 발명은 피삭성이 향상된 흑연강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흑연화 열처리용 강재 및 균일하고 미세한 흑연을 포함하는 피삭성이 향상된 흑연강에 관한 것이다.
일반적으로 피삭성이 요구되는 기계 부품 등의 소재로는 Pb, Bi, S 등의 피삭성 부여 원소를 첨가한 쾌삭강이 이용된다. 가장 대표적인 쾌삭강인 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, Bi를 첨가한 강재는 제조시에 균열 발생이 용이하여 생산이 매우 까다로운 문제가 있고, S, Te 및 Sn 등도 열간 압연시 균열 발생을 야기한다는 점에서 문제가 있다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 제안된 강이 바로 흑연강이다. 흑연강은 페라이트 기지 혹은 페라이트 및 펄라이트 기지 내부에 미세 흑연립을 포함하는 강으로써, 내부의 미세 흑연립이 절삭시 크랙 공급원(source)으로 작용하여 칩 브레이커(chip breaker)의 역할을 함으로써 피삭성도 양호한 성질을 가지고 있는 강이다.
그런데, 이러한 흑연강의 장점에도 불구하고 현재 흑연강이 상용화되지는 못하고 있다. 이는 강에 탄소를 첨가하면, 흑연이 안정상임에도 불구하고, 준안정상인 세멘타이트로 석출되어 별도의 10시간 이상의 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 강의 기지 내 흑연이 조대하게 석출될 경우 균열이 발생될 가능성이 높아지게 되며, 구형이 아닌 불규칙한 형상으로 불균일하게 분포하고 있을 경우 절삭시 물성 분포가 불균일하여 칩 분절성이나 표면 조도가 매우 나빠지게 되며, 공구 수명 또한 단축되어 흑연강의 장점을 얻기가 어렵다.
따라서, 열처리 시간을 대폭 단축하면서도, 열처리시 미세 흑연립이 기지 내에 규칙적인 형상으로 균일하게 분포되도록 할 수 있는 흑연강용 강재 및 이로부터 도출된 피삭성이 향상된 흑연강이 요구된다.
본 발명의 일 측면은, 열처리 시간을 대폭 단축하면서도, 열처리시 미세 흑연립이 기지 내에 규칙적인 형상으로 균일하게 분포될 수 있는 흑연강용 강재를 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 피삭성이 우수한 흑연강을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흑연화 열처리용 강재에 따르면, 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 열처리용 강재는 하기 식 (1)을 만족한다.
식 (1): -0.01 ≤ [Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤ 0.01
여기서, [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연화 열처리용 강재는 하기 식 (2)를 만족한다.
식 (2): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
여기서, [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 피삭성이 향상된 흑연강은, 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 페라이트 기지에, 면적분율로 2.0% 이상의 흑연립을 포함하고, 상기 흑연립의 평균 종횡비가 2.0 이하일 수 있다.
여기서, 흑연립의 종횡비는 하나의 흑연립 내 최장축과 최단축의 비를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 피삭성이 향상된 흑연강은 하기 식 (1)을 만족한다.
식 (1): -0.01 ≤ [Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤ 0.01
여기서, [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 피삭성이 향상된 흑연강은 하기 식 (2)를 만족한다.
식 (2): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
여기서, [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연립의 평균 결정립 크기는 5 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연립의 단위 면적당 개수는 1000 내지 5000개/mm2 일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연강의 경도는 70 내지 80 HRB 일 수 있다.
본 발명에 따른 흑연강은 피삭성이 우수하여 산업기계 또는 자동차 등의 기계부품들의 소재로 적용이 가능하다.
이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
명세서 전체에서, 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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는 흑연화 열처리시 미세 흑연립이 기지 내에 규칙적인 형상으로 균일하게 분포되도록 할 수 있는 강재에 대하여 기술한다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 흑연화 열처리용 강재에 대해 설명한 후, 피삭성이 향상된 흑연강에 대해 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 흑연화 열처리용 강재는, 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.60 내지 0.90%이다.
탄소(C)는 흑연립을 형성하기 위해 필수적인 원소이다. 탄소의 함량이 0.60중량% 미만인 경우에는 피삭성 향상 효과가 미흡하고 흑연화 완료시에도 흑연립의 분포가 불균일하다. 반면, 그 함량이 과다할 경우, 흑연립이 조대하게 생성되고 종횡비가 커져 피삭성 특히 표면 조도가 저하되는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.80중량%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 2.0 내지 2.5%이다.
실리콘(Si)은 용강 제조시 탈산제로서 필요한 성분이며, 강중 세멘타이트를 불안정하게 하여 탄소가 흑연으로 석출될 수 있도록 하는 흑연화 촉진 원소로 2.0중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 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 문제가 있는 바, 그 상한을 2.5중량%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.1 내지 0.6%이다.
망간(Mn)은 강재의 강도 및 충격 특성을 향상시키며, 강 중 황과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 피삭성 향상에 기여하므로 0.1중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 흑연화를 저해하여 흑연화 완료 시간이 지연될 우려가 있고 강도 및 경도를 상승시켜 공구마모 깊이를 저하시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.6중량%로 한정할 수 있다.
Al의 함량은 0.01 내지 0.05%이다.
알루미늄(Al)은 강력한 탈산 원소로써 탈산에 기여할 뿐만 아니라, 흑연화를 촉진시키는 유용한 원소이다. 흑연화 열처리시 세멘타이트의 분해를 촉진하는 것과 동시에 질소와 결합하여 AlN을 형성함으로써 세멘타이트의 안정화를 방해하여 흑연화를 촉진하는 역할을 한다. 뿐만 아니라, 알루미늄 첨가에 의해 형성되는 알루미늄 산화물은 흑연의 석출핵이 되어 흑연의 결정화를 촉진하는 점에서도 효과적이므로 0.01중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간 변형성이 현저하게 저하되는 문제가 있다. 또한 Al이 과다하면 오스테나이트 입계에 AlN이 생성되어 이를 핵으로 한 흑연이 입계에 불균일하게 분포하게 되는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.05중량%로 한정할 수 있다.
Ti의 함량은 0.005 내지 0.02%이다.
타이타늄(Ti)은 붕소, 알루미늄 등과 같이 질소와 결합하여 TiN, BN, AlN등의 질화물을 생성하는데, 이러한 질화물들은 항온열처리 시 흑연 생성의 핵으로 작용한다. 그러나 BN, AlN등은 생성 온도가 낮아 오스테나이트가 형성된 후 입계에 불균일 석출되는 것에 반하여 TiN은 생성온도가 AlN이나 BN 보다 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 0.005중량% 이상 포함되는 것이 바람직하지만, 그 함량이 과다할 경우, 조대한 탄질화물이 되어 흑연형성에 필요한 탄소를 소모함으로써, 흑연화를 저해시키는 문제가 있는 바, 그 상한을 0.02중량%로 한정할 수 있다.
N의 함량은 0.0030 내지 0.0100%이다.
질소(N)는 타이타늄, 붕소, 알루미늄과 결합하여 TiN, BN, AlN 등을 생성하게 되는데, 특히 BN, 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 강 중에 존재하게 되면 강도를 높이고 세멘타이트를 안정화시켜 흑연화를 지연시키는 해로운 작용을 하게 된다. 따라서 흑연핵 생성처로 작용하는 질화물을 형성시키는데 소모되고, 고용 질소로는 남기지 않게 하기 위한 이유로 본 발명에서는 0.0030중량%를 하한으로 0.0100중량% 상한으로 제한하였다.
P의 함량은 0.015% 이하이다.
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 비록 인은 강은 입계를 취약하게 하여 피삭성에 어느 정도 도움을 주기도 하나, 상당한 고용강화 효과에 의해 페라이트의 경도를 증가시키고, 강재의 인성 및 지연파괴 저항성을 감소시키며, 표면 결함의 발생을 조장하므로, 그 함량을 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조 공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서 그 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 그 상한을 0.015중량%로 관리한다.
S의 함량은 0.030% 이하이다.
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 황은 강 중 탄소의 흑연화를 크게 저해할 뿐만 아니라, 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고, 저융점 유화물을 형성시켜 열간압연성을 저해하므로 그 함량을 가능한 낮게 관리하는 것이 바람직하다. S이 과다할 경우, MnS 생성으로 피삭성 향상 효과가 있기도 하지만 압연에 의해 연신된 MnS로 인해 기계적인 이방성이 나타나게 된다. 본 발명에서는 기계적인 이방성을 일으키지 않으면서도 피삭성을 향상시키는데 기여할 수 있을 범위 내에서 S을 첨가하여 MnS의 생성을 유도하였다. 따라서 황의 함량을 0 중량%로 제어하는 것이 유리하나, 제조 공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서 그 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 그 상한을 0.030중량%로 관리한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 흑연화 열처리용 강재는 하기 식 (1)을 만족할 수 있다.
식(1): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
여기서, [Si], [Mn] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미 한다.
흑연화 열처리된 강재, 즉 흑연강에서 경도, 인장강도 및 연성은 Si, Mn의 첨가량에 의해 영향을 받기 때문에, 칩분절성, 표면조도 및 공구마모도 측면에서 만족할 만한 피삭성을 얻기 위해서는 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] 값이 400이상 500이하의 범위를 만족하는 것이 바람직하다.
3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] 값이 400 미만인 경우, 인장강도가 낮아지게 되며 연질재의 특성상 절삭시 표면 조도가 불량해지거나 칩의 분절성이 저하될 수 있으며, 이 값이 500 초과인 경우, 경도 값이 높아지게 되어 절삭시 공구마모 정도가 심화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전술한 합금조성을 만족하는 흑연화 열처리용 강재는 하기 식 (2)를 만족할 수 있다.
식(2): -0.01≤[Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤0.01
여기서, [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
[Ti]-3.43Ⅹ[N] 값이 -0.01 미만일 경우에는 TiN을 생성하고 남게 되는 과다한 질소가 강 중에 고용되어 세멘타이트를 안정화하여 흑연화를 지연시킬 우려가 있다. 따라서, 상기 [Ti]-3.43Ⅹ[N] 값이 -0.01 이상인 것이 바람직하지만, 반대로 [Ti]-3.43Ⅹ[N] 값이 과다할 경우에는, TiN으로 생성되지 못한 잉여의 Ti가 강중에 과다 존재하게된다. 잉여 Ti는 조대 탄질화물 형성하므로써 흑연을 형성시켜야할 탄소가 소모되어 흑연 분율을 줄이거나 조대한 흑연을 생성시킬 가능성이 있으므로 [Ti]-3.43Ⅹ[N] 값은 0.01 이하인 것이 바람직하다.
개시된 실시예에 따른 흑연화 열처리용 강재는 730~770℃에서 300분의 흑연화 열처리 후, 흑연화율 99% 이상에 도달할 수 있다.
흑연화율이란 강에 첨가된 탄소 함량 대비 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량의 비를 의미하는 것으로, 하기 식(3)으로 표현될 수 있다.
식 (3): 흑연화율(%)=(강 중 흑연 상태로 존재하는 탄소 함량/강 중 탄소 함량)×100
99% 이상 흑연화 되었다는 것은 첨가된 탄소가 모두 흑연을 생성하는데 소모되었다는 의미로(페라이트 내 고용 탄소량은 극미량으로 고려하지 않는다.) 미분해된 펄라이트가 존재하지 않는, 즉 페라이트기지에 흑연립이 분포하는 미세조직을 가지는 것을 의미한다.
이상에서 설명한 본 발명의 흑연화 열처리용 강재는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있으며, 본 발명에서는 특별히 그 방법을 제한하지 않는다. 예를 들면, 상기의 성분범위를 가지는 잉곳을 주조한 후 1100~1300℃에서 5~10시간 균질화 열처리 하고, 1000~1100℃에서 열간압연 후 공냉하여 제조할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인　피삭성이 향상된　흑연강에 대하여 상세히 설명한다.
개시된 실시예에 따른 흑연강은 전술한 흑연화 열처리용 강재와 동일한 합금조성 및 성분범위를 가지며, 합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
즉, 개시된 실시예에 따른 흑연강은 하기 식 (1) 또는 식 (2)를 만족할 수 있다.
식(1): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
식(2): -0.01≤[Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤0.01
여기서, [Si], [Mn], [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피삭성이 향상된 흑연강은 페라이트 기지에, 면적분율로 2.0% 이상 흑연립을 포함할 수 있다. 흑연립의 면적분율이 높을수록 피삭성이 향상되는 바, 그 상한은 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연립의 평균 종횡비는 2.0 이하일 수 있다. 흑연립의 종횡비는 하나의 흑연립 내 최장축과 최단축의 비를 의미한다. 이와 같이 흑연립이 구상화될 경우, 가공시 이방성이 저감되어, 피삭성 및 냉간 단조성이 현저히 향상된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연립의 평균 결정립의 크기가 5㎛ 이하일 수 있다. 흑연립의 평균 결정립 크기란, 흑연강의 일 단면을 관찰하여 검출한 입자의 평균 원 상당 직경(equivalent circular diameter)을 의미하여, 평균 결정립의 크기가 작을수록 피삭성시 표면조도에 유리하므로, 그 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연립의 단위 면적당 개수는 1000 내지 5000개/mm2일 수 있다. 보다 구체적으로, 평균 결정립의 크기가 3㎛ 이하인 흑연립의 단위 면적당 개수는 1200 내지 3500개/mm2일 수 있다.
이와 같이 흑연강 내 미세 흑연립이 균일 분산될 경우, 형성된 흑연립이 절삭 마찰을 감소시키고, 크랙 개시 사이트로 작용함으로써, 피삭성을 현저히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 흑연강의 경도는 70 내지 80 HRB 범위를 만족한다.
이상에서 설명한 본 발명의 흑연강은 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 흑연강용 강재를 730~770℃에서 600분 이상 흑연화 열처리(항온 열처리 후 공냉) 함으로써 제조할 수 있다. 상기의 온도 영역은 등온 변태 곡선에서 흑연 생성 곡선 노즈(nose)근처에 해당하는 온도 영역으로써, 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 온도 영역에 해당한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
하기 표 1과 같이 각 성분의 함량을 변경하면서 잉곳(Ingot)을 주조하여 1250℃에서 8시간 균질화 열처리하였다.
이후, 마무리 온도를 1000℃로 하여 27mm의 두께로 열간압연 하였으며, 공냉하여 흑연화 열처리용 강재를 생산하였다.
구분 합금 조성(중량%) 식(1) 식(2)
C Si Mn P S Al Ti N
발명예 1 0.82 2.35 0.32 0.0138 0.0052 0.043 0.0122 0.0030 0.0019 441.1
2 0.65 2.58 0.30 0.0101 0.0030 0.030 0.0130 0.0055 -0.0059 477.4
3 0.73 2.35 0.41 0.0085 0.0042 0.023 0.0182 0.0030 0.0079 452.6
4 0.76 2.48 0.42 0.0080 0.0048 0.026 0.0190 0.0050 0.0019 475.9
5 0.75 2.45 0.40 0.0085 0.0051 0.028 0.0124 0.0033 0.0011 468.2
6 0.80 2.20 0.37 0.0077 0.0050 0.038 0.0143 0.0033 0.0030 422.1
7 0.87 2.12 0.41 0.0120 0.0282 0.028 0.0124 0.0033 0.0011 413.7
8 0.65 2.20 0.33 0.0032 0.0251 0.030 0.0154 0.0040 0.0017 417.0
9 0.65 2.12 0.33 0.0070 0.0030 0.033 0.0110 0.0040 -0.0027 403.5
비교예 10 1.02 2.30 0.30 0.0121 0.0050 0.030 0.0120 0.0050 -0.0052 430.1
11 0.45 2.43 0.55 0.0125 0.0050 0.032 0.0123 0.0050 -0.0049 484.0
12 0.73 1.90 0.30 0.0102 0.0050 0.030 0.0122 0.0050 -0.0050 362.5
13 0.83 2.91 0.80 0.0082 0.0064 0.026 0.0128 0.0022 0.0053 597.1
14 0.87 2.32 0.90 0.0082 0.0064 0.023 0.0125 0.0022 0.0050 510.1
15 0.72 2.22 0.08 0.0082 0.0064 0.026 0.0120 0.0022 0.0045 388.5
16 0.81 2.27 0.57 0.0074 0.0064 0.023 0.0022 0.0062 -0.0191 459.5
17 0.82 2.41 0.39 0.0080 0.0280 0.045 0.0231 0.0030 0.0128 460.2
18 0.65 2.45 0.39 0.0080 0.0254 0.039 0.0140 0.0050 -0.0032 467.0
19 0.78 2.27 0.23 0.0082 0.0080 0.022 0.0012 0.0100 -0.0331 492.0
20 0.82 2.32 0.33 0.0078 0.0102 0.032 0.0383 0.0019 0.0318 452.3
식(1) -0.01<[Ti]-3.43[N]<0.01 (단, [Ti], [N]은 각 해당 원소의 중량%를 의미함)
식(2) 3.1+169.0*[Si]+127.7*[Mn] (단, [Si], [Mn]은 각 해당 원소의 중량%를 의미함)
이후 상기 흑연강용 강재를 750℃에서 5시간 동안 흑연화 열처리하여 흑연강을 얻었다. 단, 비교예 17 및 18의 경우, 흑연화 열처리 온도를 각각 700℃ 및 800℃로 하여 열처리 온도에 따른 흑연화 정도를 비교하였다.
이후, 화상 분석기(image analyzer)를 이용하여 흑연화 열처리된 강재를 대상으로 흑연립 면적분율, 흑연립 평균크기 및 흑연립 평균 종횡비를 측정하였다.
흑연립의 면적분율, 평균 크기 및 평균 종횡비의 측정 방법은 다음과 같다. 각 시편을 일정 크기로 절단하여 에칭은 하지 않고 연마만 한 상태에서 광학 현미경을 이용하여 200배의 배율 하에서 이미지를 촬영하였다. 이렇게 얻은 이미지에서는 기지와 흑연상의 뚜렷한 컨트라스트 차이에 의해 명확하게 구분이 가능하므로, 화상 분석 소프트웨어를 사용하여 분석을 진행하였다. 또한 분석의 신뢰성을 높이기 위해서 시편당 15장씩 이미지를 촬영하여 사용하였다.
한편, 흑연의 면적분율은 관찰된 총 면적 중에 흑연이 차지하는 면적의 비율로 정의되며, 흑연의 평균 크기 및 종횡비는 각각 평균 원 상당 직경(equivalent circular diameter)및 한 흑연립내에서 최장축과 최단축의 비를 의미한다.
구분 흑연화 열처리온도 (℃) 흑연화 열처리
5시간후 공냉조직		 흑연 면적 분율(%) mm2당 3um 이하 흑연립 갯수 흑연립 평균 종횡비 경도(HRB)
발명예 1 730 F + G 2.86 3253 1.36 72.3
2 730 F + G 2.14 2621 1.45 78.1
3 730 F + G 2.55 2401 1.47 74.6
4 750 F + G 2.68 3402 1.61 78.8
5 750 F + G 2.25 2203 1.33 75.6
6 750 F + G 2.60 3048 1.41 72.3
7 750 F + G 2.71 1890 1.43 71.0
8 770 F + G 2.14 1820 1.62 72.8
9 770 F + G 2.13 1720 1.62 70.0
비교예
 10 750 F + G 3.37 987 2.82 72.8
11 750 F + G 1.63 876 1.62 78.8
12 750 F + G 2.70 1593 1.36 61.3
13 750 F + G 2.62 1231 1.45 89.2
14 750 F + G 3.10 1340 1.47 82.3
15 750 F + G 2.36 1120 1.45 66.3
16 750 F + P + G 1.92 243 1.43 82.6
17 700 F + P + G 1.61 332 1.62 83.1
18 800 F + P + G 1.79 642 1.31 94.3
19 750 F + P + G 1.76 893 1.45 82.3
20 750 F + G 2.36 972 1.76 72.4
이후, 피삭성 평가를 위해 부품을 가공한 후 칩 분절성, 공구 마모 깊이 및 표면조도 즉, 절삭 가공면의 거칠기(roughness)를 측정하였다. 이를 위해, 먼저 판형태의 강을 표2의 흑연화 열처리온도에서 5시간동안 흑연화 열처리한 후 직경 25mm의 봉상으로 가공하였으며, 이를 가지고 CNC 자동 선반으로 절삭 가공을 하였다. 칩 분절성 평가시 칩이 2권 이하에서 분단할 경우 우수, 3~6권에서 분단될 경우 보통, 7권 이상일 경우 불량으로 판정하였다.
공구 마모 깊이는 도면1과 같이 직경 25mm 봉상을 직경 15mm가 될 때까지 길이가 200mm인 200개 부품을 가공한 후 가공 전후 공구 날 깊이를 비교하여 마모 정도를 구하였다. 이때 절삭 조건은 100mm/min의 절삭속도, 0.1mm/rev의 이송속도, 1.0mm의 절삭 깊이의 조건에서 절삭유를 사용하여 실시 하였다.
구분 표면조도(㎛) 공구마모깊이(㎛) 칩 분절성
발명예 1 5.9 119 우수
2 6.2 107 우수
3 6.8 121 우수
4 6.1 128 우수
5 5.4 112 우수
6 6.3 139 우수
7 6.7 122 우수
8 6.6 88 우수
9 6.3 101 우수
비교예
 10 9.2 119 보통
11 7.8 201 불량
12 10.8 118 불량
13 6.6 222 보통
14 6.8 282 우수
15 9.8 134 불량
16 6.8 211 불량
17 10.2 208 불량
18 7.2 298 우수
19 9.8 278 우수
20 10.5 134 불량
표 1 및 2를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 성분조성 및 제조조건을 모두 만족하는 발명예 1 내지 9는 미세조직이 펄라이트 및 흑연으로 이루어지고, 흑연 면적 분율 2%이상, 흑연립 평균 종횡비 2.0 이하, 흑연립의 밀도가 1000개/mm2 이상을 나타내었다. 또한, 표 3을 참조하면 개시된 실시예에 따른 흑연강은 칩 분절성, 표면 조도, 공구 수명 특성이 양호함을 확인할 수 있다.
표 2를 참조하면, 흑연화 면적 분율은 대체로 첨가된 탄소량에 비례한다는 것을 알 수 있다. 따라서 비교예 10의 경우, C 함량이 높아 흑연 면적분율은 본 발명 범위를 만족하였지만, 조대한 흑연립이 형성되어, 종횡비가 상대적으로 높았다. 이로 인해 표3에서 보는 바와 같이 절삭면의 표면조도가 상대적으로 열위 함을 확인할 수 있다.
반대로 비교예 11의 경우에는 C함량이 낮아 충분한 양의 흑연이 생성되지 못하여 흑연의 면적분율이 낮게 측정되었으며, 이로 인해 인해 공구마모 깊이가 증가할 뿐만 아니라 칩분절성이 열위함을 확인할 수 있다.
비교예 12 내지 15의 경우는 식(1)을 벗어난 범위에서 Mn과 Si양이 첨가된 강재들로, 경도 측정 결과 역시 본 발명에서 제시된 경도 값의 범위를 벗어남을 알 수 있다. 구체적으로 비교예 13 및 14의 경우, 경도가 89.2 및 82.3으로 80을 초과하여 공구 마모 정도가 심화되었다는 것을 확인할 수 있다.
반대로 비교예 12 및 15의 경우, 경도가 61.3 및 66.3으로 70에 미달하여 표면 조도 특성이 열위함을 확인할 수 있다.
비교예 16 및 19의 경우, Ti 첨가량에 비해 첨가된 N가 과다하여 식(2)를 만족하지 못하였으며, 이로 인해 TiN을 형성하지 못한채 강중에 남아 있는 고용질소가 과다하여, 주어진 열처리 시간동안 완전히 흑연화되지 못하고 펄라이트가 일부 남아 있었으며 이로 인해 경도가 82.6으로 80을 초과하여 공구 마모 정도가 심화되었다는 것을 확인할 수 있다.
비교예 17의 경우, 흑연화 열처리 온도가 700℃로 낮아서 흑연화 열처리시 펄라이트가 완전히 흑연화 되지 못하여 미세조직에서 펄라이트가 관찰되었다. 이로 인해 경도가 83.1로 80을 초과하여 증가시켜 공구 마모 깊이 정도가 심화되었다는 것을 확인할 수 있다.
비교예 18의 경우, 흑연화 열처리 온도가 800℃로 높아서 오스테나이트로 상변태하여 냉각시 다시 펄라이트가 생성된 것으로, 이로 인해 경도가 94.3으로 높아 공구 마모 정도가 심화되었다는 것을 확인할 수 있다.
비교예 20의 경우, N 첨가량에 비해 첨가된 Ti가 과다하여 식(2)를 만족하지 못하였으며, 이로 인해 조대한 흑연립을 형성하여 표면조도가 상대적으로 열위 함을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흑연강은 흑연립이 기지 내에 충분히 형성되고, 또한 미세한 흑연립이 규칙적인 형상으로 균일하게 분포하여 피삭성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1) 및 식 (2)를 만족하는 흑연화 열처리용 강재.
    식 (1): -0.01 ≤ [Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤ 0.01
    (여기서, [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.)
    식 (2): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
    (여기서, [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.)
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 중량%로, C: 0.60 내지 0.90%, Si: 2.0 내지 2.5%, Mn: 0.1 내지 0.6%, Al: 0.01 내지 0.05%, Ti: 0.005 내지 0.02%, N: 0.0030 내지 0.0100%, P: 0.015% 이하(0 제외), S: 0.030% 이하(0 제외), 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    하기 식 (1) 및 식 (2)를 만족하고,
    페라이트 기지에, 면적분율로 2.0% 이상의 흑연립을 포함하며,
    상기 흑연립의 평균 종횡비가 2.0 이하인 피삭성이 향상된 흑연강.
    (여기서, 흑연립의 종횡비는 하나의 흑연립 내 최장축과 최단축의 비를 의미한다.)
    식 (1): -0.01 ≤ [Ti]-3.43Ⅹ[N] ≤ 0.01
    (여기서, [Ti], [N] 는 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.)
    식 (2): 400 ≤ 3.1+169.0ⅹ[Si]+127.7ⅹ[Mn] ≤ 500
    (여기서, [Si] 및 [Mn]은 각각 해당 원소의 중량%를 의미한다.)
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제4항에 있어서,
    상기 흑연립의 평균 결정립 크기가 5 ㎛ 이하인 피삭성이 향상된 흑연강.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 흑연립의 단위 면적당 개수는 1000 내지 5000개/mm2인 피삭성이 향상된 흑연강.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 흑연강의 경도는 70 내지 80 HRB인 피삭성이 향상된 흑연강.
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