KR100257467B1 - 구조용 파이프 제조를 위한 강 및 이의 제조방법 - Google Patents

구조용 파이프 제조를 위한 강 및 이의 제조방법 Download PDF

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호프만 울리크
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Abstract

본 발명은 탄소 0.15~0.30 중량%, 실리콘 0.50~0.80 중량%, 망간 2.05~3.35 중량%, 인 최대 0.03 중량%, 황 최대 0.03 중량%, 크롬 0.50~1.00 중량%, 몰리브덴 최대 0.60 중량%, 알루미늄 최대 0.05 중량%, 티타늄 0.01~0.05 중량%, 붕소 0.0015~0.0035 중량%, 질소 0.002~0.015 중량%를 포함하고, 기계적 강성이 필요한 구조요소, 특별히 자동차 차체의 문짝 보강을 위한 골조파이프 제료를 위한 원소로써, 티타늄(%) : 질소(%)의 비가 3.4 이상이고, 망간(%) + 크롬(%) + 몰리브덴(%) + 실리콘(%) ≥ 3.3을 만족하는 것으로 이루어지는 주조하여 공냉시킨 철의 용도에 관한 것이다.

Description

구조용 파이프 제조를 위한 강 및 이의 제조방법
본 발명은 강한 기계적 특성이 요구되어 지는 구조물, 특히 자동차 차체의 문짝에 사용되어지는 구조용 파이프의 제조를 위한 강(steel)의 용도에 관한 것이다.
자동차의 측면 충돌 사고로부터 보호하기 위하여 차량에 가하여지는 운동 에너지를 부분적으로 흡수하고 완화시킬 수 있는 여러 종류의 보강재가 자동차 문짝에 사용되고 있다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 여기에 사용되어지는 강 파이프는 비교적 높은 강성, 연성 및 작업성이 요구되어 진다. 자동차의 기타 안전 장치 및 기계적으로 강도의 특성이 요구되어지는 구조물의 제작에 사용되어지는 구조용 파이프에 있어서도 상기와 같은 사항들이 또한 적용되어 진다.
상기의 목적에 사용되어지는 구조용 파이프는 통상적으로 최종 압연온도가 900℃ 내지 1080℃ 사이에 있는 압연 공정으로 제조되어 진다. 이에 따라 구조용 파이프에서 필요로 하는 기계적 특성들은 사용되어지는 원소 구성에 따른 강의 품질에 의하여 결정되어 진다. 일례로 0.18%의 탄소, 0.4%의 실리콘, 및 1.14%의 망간(나머지는 철 및 통상적인 첨가물)을 포함하는 강이 개시되어 있다. 상기한 강의 소재는 강 파이프에 바람직한 기계적 특성을 부여하기 위하여 열처리 공정을 추가해야 하는 중대한 결점이 있다. 이와 같은 추가적인 열처리 공정은 한편으로 파이프의 제조 원가를 상승시키는 요인이 된다. 또 다른 한편으로는 문짝 보강 파이프로의 2차적 가공시 부분적으로 행하여지는 열간 가공 또는 용접시 화염에 접촉되는 파이프의 부위에 있어서 기계적 특성이 변화되어 처음의 강성에 비하여 열등한 특성을 나타내게 될 수도 있다.
문짝 보강 파이프 제조 용도의 또 다른 두 종류의 강 소재가 독일 특허 DE 37 28 476 C1호 및 독일 특허 DE 39 35 965 C1호에 개시되어 있다. 이들 강의 소재들은 압연 열을 공기 경화시키는 것만으로 필요한 강성을 가지는 화학적 조성으로 이루어져 상기한 것과 같은 추가적 열처리 공정이 필요하지 않다. 그러나 상기의 강의 소재들로 구조용 파이프의 용도로써 몇 가지 불리한 단점들을 가진다. 따라서, 상기한 강의 소재들은 두 단계의 LD-공법에 의해 제조되어 한 단계의 연속 주조 공정을 사용할 수 없다. 상기한 강의 소재들은 합금 원소의 함량이 높은 화학 조성물을 제조하기 위하여서는 2단계 처리 공정이 필요하게 되며, 이에 따라 소재 생산비용의 상승이 불가피하게 초래된다. 상기한 두 종류의 강의 화학 조성은 다음과 같다(단위는 중량%).
독일 특허 DE 37 28 476 C1호
탄소 최대 0.35%
실리콘 최대 0.50%
망간 최대 1.80%
인 최대 0.030%
황 최대 0.030%
니켈 0~1.5%
크롬 1.8~2.2%
몰리브덴 0.4~0.7%
알루미늄 0.025~0.050%
나머지는 철 및 통상적인 불순물임.
독일 특허 DE 37 35 965 C1호
탄소 0.15~0.25%
실리콘 최대 0.60%
망간 3.4~6.1%
인 최대 0.03%
황 최대 0.03%
니켈 0~1.0%
크롬 0~1.0%
몰리브덴 0~1.0%
알루미늄 최대 0.005%
바나듐 0~0.15%
나머지는 철 및 통상적인 불순물임.
독일 특허 DE-37 28 476 C1에 따르는 강의 소재에서는 상기에서 언급한 기계적 특성을 부여하기 위하여서는 크롬, 철 및 몰리브덴의 양을 증가시키는 것이 필요하다. 그러나 상기와 같은 원소들은 매우 값비싼 황금 소재이므로 비교적 저렴한 합금 원소들을 모색해야 하는 과제가 있다. 독일 특허 DE 39 35 395 C1에 개시되어 있는 강의 소재의 사용 특성에 있어서 유리한 점은 소둔 저항(resistance to tempering)이 높다는 데에 있다. 이와 같은 특성은 열처리 또는 용접후 강성 특성의 현저한 감소를 방지한다. 그러나 상기한 강의 소재는 또한, 냉각 변형 특성이 독일 특허 DE 37 28 476 C1의 강의 소재에 비하여 현저하게 떨어져, 통상적인 열간 압연 공정에서 직접적으로 얻을 수 있는 정확한 파이프의 규격을 상기의 강의 소재로 생산할 수 없는 단점이 있다. 독일 특허 DE-40 32 996 A1호에는 문짝 보강 용재로써 사용가능하고 외부의 부식 방지를 위하여 사용되는 또 다른 강의 소재가 개시되어 있다. 상기 강의 소재는 다음과 같은 조성을 가진다.
탄소 0.18~0.25%
실리콘 0.30~0.50%
망간 1.30~2.00%
크롬 0.1~0.5%
몰리브덴 0.1~0.3%
티타늄 0.02~0.07%
붕소 0.002~0.007%
나머지는 철 및 통상적인 불순물임.
상기 강의 소재는 수중 경화(water hardening) 처리됨과 아울러 기계적 특성은 열간 압연(hot-rolling)후 별도의 열처리 공정을 통하여 비로소 얻을 수 있게 되어 이에 따른 추가적 비용 발생이 일어나게 된다. 수중 경화 특성에도 불구하고, 상기한 강으로 제작된 강 파이프는 부식 방지를 위한 갈바나이징(galvanizing) 처리시, 가열에 의하여 최초의 강도가 허용 범위의 밖으로 변성될 가능성이 있다.
본 발명은 기계적 보강이 요구되어 지는, 특히 자동차 차체, 구조용 파이프의 제작에 사용할 수 있는 공기 경화(air hardening)된 강의 소재에 관한 것으로, LD-전로에서 한 단계의 주조 방식으로 생산할 수 있고, 열간 압연 단계에서 자기 자신의 우수한 강성 특성이 거의 형성되어 질 수 있는 즉, 열처리를 필수적으로 하지 않더라도 이를테면 인장 강도, 탄성 한계 및 신율 등의 문짝 보강 파이프에 필요한 최소한의 기계적 특성을 충족시켜 줄 수 있는 강의 소재를 제공하고자 하는 목적을 가진다. 본 발명의 또한 냉간 가공으로 품질을 향상시킬 수 있는 특성이 부가되어진 강의 소재를 제공하려는 목적도 부가적으로 가진다. 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은
탄소 0.15~0.30 중량%
실리콘 0.50~0.80 중량%
망간 2.05~3.35 중량%
인 최대 0.03 중량%
황 최대 0.03 중량%
크롬 0.50~1.00 중량%
몰리브덴 최대 0.60 중량%
알루미늄 최대 0.05 중량%
티타늄 0.01~0.05 중량%
붕소 0.0015~0.0035 중량% 및
질소 0.002~0.015 중량%
를 함유하는 것으로, 상기에서
망간, 크롬, 몰리브덴 및 실리콘의 총량이 최소한 3.3% 이상이며, 티타늄과 질소의 함량비(Ti:N)는 최소한 3.4 이상인 것으로 이루어지는 강의 소재를 제공한다.
본 발명에 따르는 강의 소재를 독일 특허 제DE 39 35 965 C1호에 개시되어 있는 철과 비교하여 보면, 망간의 함량이 현저하게 감소하였으며 크롬 및 몰리브덴의 최소함량이 설정되었으며, 그로 인하여 공기 경화 특성이 바람직하게 형성된다. 더욱 압축 특성의 개선과 강성 증가 효과가 붕소를 과외로 사용함으로써 얻어진다. 붕소의 함량을 상기의 철 소재로 제조되어진 구조용 파이프의 냉간 가공성 확보를 위하여 최대 0.0035%로 엄수하는 것이 매우 중요하다. 또한 본 발명에 따른 강의 소재의 실리콘의 함량은 높은 강성 부여에 매우 중요한 의미를 가진다. 끝으로 티타늄과 질소의 성분비(Ti:N)는 최소값이 3.4가 되도록 하고, 질소의 함량은 전체 질량에 대하여 0.002% 내지 0.015% 범위 내에 있도록 하여 준다. 또한 알루미늄을 첨가하여 제조된 강을 진정시키도록 한다.
본 발명에 따른 강의 소재는 문짝 보강 파이프 제조를 위하여 이미 개시되어진 강의 소재들이 가지는 상기한 바와 같은 유리한 특성들을 모두 가진다. 또한, 본 발명에 따르는 강의 단순화된 야금 방법으로 제조할 수 있는 화학 조성을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 강의 소재는 파이프를 냉간에서 성형할 수 있는 가능성을 열어 놓고 있기 때문에, 냉간에서 정밀강 파이프의 제작을 용이하게 행할 수 있다.
본 발명의 강의 소재가 가지는 특성을 요약하면 다음과 같다.
- LD-방법으로 단일 주조
- 가격적으로 합리적인 합금 원소
- 공기 경화 가능성
- 고 소둔 저항성
- 고강도
- 높은 에너지 흡수능력
본 발명에 따르는 강의 소재는 문짝 보강 파이프에의 용도 이외에도 지금까지 제작되어온 정밀 강 파이프와 같은 보강재에의 제작에도 매우 적합하다.
상기한 보강재는 비틀림에 대하여 견딜 수 있는 자동차의 차체 제작에 사용되어 질 목적을 가진다. 이와 같은 목적에 부합하기 위하여서는 상기한 보강재는 주어진 비틀림 각도에서의 하중 변화에 따른 비틀림 시험에 있어서 가능한 높은 하중 응력 지수를 견디어야 한다. 본 발명에 다른 강소재는 우수한 특성을 가지는 보강재의 제작이 가능하며, 열간 압연 가공 후 냉간 가공이 가능하다. 본 발명에 따른 강의 소재의 또 다른 장점은 가능한 두께를 얇게 하여 무게를 가볍게 해야하는 자전거 프레임 또는 코트 스탠드의 제작에서 사용할 수 있다는 데에 있다.
본 발명의 더욱 상세하게 설명하기 위하여 다음의 한 실시예를 제시한다. 그러나 다음의 실시예는 본 발명의 더욱 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이 실시예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
탄소 0.25 중량%
실리콘 0.74 중량%
망간 2.29 중량%
인 0.02 중량%
황 0.02 중량%
크롬 0.66 중량%
몰리브덴 0.25 중량%
알루미늄 0.03 중량%
티타늄 0.046 중량%
붕소 0.0029 중량%
질소 0.008 중량% 및
나머지는 철과 불순물
로 이루어지는 강을 LD-전로에서 단일 주조 방법으로 생산하여 원형봉을 주조하였다.
상기한 원형 주조체의 단면은 롤러에서 25×5mm 크기로 열간 압연하고 마지막 성형 단계 다음에 공기 경화시켰다. 상기한 합금 조성을 가지는 파이프는 이미 열간 압연 단계에서 문짝 보강재로서 사용하기에 충분한 특성을 나타낸다. 도금하지 않은 파이프는 예를 들어 다음과 같은 최소한의 물성이 필요하다.
Rm= 1400 N/mm2
Rp0.2= 1000 N/mm2,
A5= 9%
이에 대하여 본 발명에 따른 파이프는 다음과 같은 특성을 나타낸다.
Rm= 1610 N/mm2,
Rp0.2= 1040 N/mm2,
A5= 15%
본 발명에 다른 강의 소재는 예를 들면 니켈과 같은 값비싼 원소를 완전히 사용하지 않는 또 다른 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 강의 소재는 크롬과 몰리브덴 원소를 비교적 적은 량을 함유한다. 또한 공기 경화의 특성은 본 발명에 따른 강의 소재를 별도의 열처리해야할 필요성이 없기 때문에 제조원가를 절감할 수 있다.
문짝 보강 파이프에 대한 기계적 특성에 대한 상기한 바와 같은 요구 사항들이 높은 정도로 이루어지고, 또한 예를 들면 준-정역학적 굴곡 시험에서의 굴곡 저항이 보강되어 질 때, 적당하게 실행되어진 얇은 냉간 성형에 의한 파이프 가공이 가능하여 진다. 이와 같이 수행되어진 냉간 성형 처리후 파이프의 기계적 특성은 특히 탄성 한도가 냉간 가공 경화에 의하여 개선되어져, 굴곡 저항성의 요구가 충족되어 질 수 있다. 본 발명에 따라 제조되어진 파이프의 냉간 가공을 거친 후 기계적 특성은 다음과 같다.
Rm= 1650 N/mm2,
Rp0.2= 1208 N/mm2,
A5= 11%
풀림 처리를 통하여서도 상기와 비슷한 효과를 얻을 수 있다. 물성에 따라 특정 화학 조성 및 선택된 방법에 의하여 제조되기 때문에, 강의 탄성 한계는 350℃의 온도에서 풀림 처리한 다음 열간 압연한 것과 비교해서 증가한다. 풀림 처리한 파이프의 기계적 특성은 다음과 같다.
Rm= 1425 N/mm2,
Rp0.2= 1236 N/mm2,
A5= 15%
상기의 방법에 있어서는 이미 상기 강의 뛰어난 풀림 상태를 보여주고 있다는 것이 강조되어야 한다. 기계적 특성은 예를 들면 DE 40 32 996 A1에서 개시된 강에서보다도 덜 감소된다. 이러한 이유로 본 발명에 따른 강은 부식방지 개선을 위한 고온 갈바나이징(hot galvanizing)에 특히 적당하다. 본 발명에 따른 철의 파이프를 450℃로 가열된 아연도금조에 10분 침적시킨 후의 기계적 특성은 다음과 같다.
Rm= 1262 N/mm2,
Rp0.2= 1128 N/mm2,
A5= 15%
이에 반하여 독일 특허 제40 32 996 C1에 기술되어 있는 도금 파이프에 대한 최소한의 특성값은 다음과 같다.
Rm= 1100 N/mm2,
Rp0.2= 800 N/mm2,
A5= 8%
파이프 크기 또는 단면 모양 때문에 열간 압연 단계에서 파이프를 사용할 수 없는 경우가 많이 있다. 이에 대한 예로는 열간 압연 경로(hot-rolling train)에서 달성될 수 없는 크기를 가지는 옷걸이 파이프 또는 원형 단면을 가지지 않는 문짝 보강 파이프를 들 수 있다. 이와 같은 제품의 생산은 사용되어지는 강을 더욱 냉간 인발(cold drawing) 처리함으로써 가능하여 진다. 이러한 가능성은 본 발명에 따르는 강의 소재를 사용함으로써 이루어진다. 700℃에서 30분간 풀림 처리를 통하여 강의 강도는 아무런 문제없이 냉간 인발이 가능할 정도까지 감소된다. 그러나 독일 특허 제DE-39 35 965 C1에 따른 강에서는 이 강이 연화 풀림된 것임에도 가능하지 않았다. 냉간 인발에 의하여 얻어지는 높은 가공 경화는 풀림에 의하여 감소되어지는 강성을 높이는 기계적 특성을 얻을 수 있어 냉간 인발 가공을 파이프에 응용하기가 매우 적합하다. 본 발명에 따른 화학적 조성으로 파이프를 제조하는 경우, 33.7×5mm의 크기로 열간 압연된 것으로부터 26×4mm의 크기로 냉간 인발된 경우에 다음과 같은 기계적 특성을 나타낸다.
Rm= 1049 N/mm2,
Rp0.2= 982 N/mm2,
A5= 13%
필요한 경우 압연 파이프를 추가적으로 열처리하여 열간 압연 튜브의 초기 값으로 환원될 수도 있다.

Claims (2)

  1. 탄소 0.15~0.30 중량%, 실리콘 0.50~0.80 중량%, 망간 2.05~3.35 중량%, 인최대 0.03 중량%, 황 최대 0.03 중량%, 크롬 0.50~1.00 중량%, 몰리브덴 최대 0.60 중량%, 알루미늄 최대 0.05 중량%, 티타늄 0.01~0.05 중량%, 붕소 0.0015~0.0035 중량%, 질소 0.002~0.015 중량% - 여기서 티타늄(중량%) : 질소(중량%) ≥ 3.4 중량%이고 망간(중량%) + 크롬(중량%) + 몰리브덴(중량%) + 실리콘(중량%) ≥ 3.3 중량%임 - 및 잔부의 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 열간 압연하고 공기 경화시킨 후의, Rm이 최소 1400 N/mm2이상이고, Rp0.2이 최소 1000 N/mm2이상이며, A5이 최소 9% 이상의 수치를 가지는 높은 기계적 하중이 부가되는 구조물로, 특히 자동차의 문짝 강화를 위한 구조용 강.
  2. 탄소 0.15~0.30 중량%, 실리콘 0.50~0.80 중량%, 망간 2.05~3.35 중량%, 인최대 0.03 중량%, 황 최대 0.03 중량%, 크롬 0.50~1.00 중량%, 몰리브덴 최대 0.60 중량%, 알루미늄 최대 0.05 중량%, 티타늄 0.01~0.05 중량%, 붕소 0.0015~0.0035 중량%, 질소 0.002~0.015 중량% - 여기서 티타늄(중량%) : 질소(중량%) ≥ 3.4 중량%이고 Mn(중량%) + 크롬(중량%) + 몰리브덴(중량%) + 실리콘(중량%) ≥ 3.3 중량%임 - 및 잔부의 철과 기타 불가피한 불순물을 포함하여 주물로 주조하는 단계; 상기 주물을 구조물로 열간 압연하는 단계; 및 상기 주물을 공기 경화시키는 단계를 포함하며, 상기 강을 열간 압연하고 공기 경화시킨 후의 Rm이 최소 1400 N/mm2이상이고, Rp0.2이 최소 1000 N/mm2이상이며, A5이 최소 9% 이상인 높은 기계적 하중이 부가되는 구조물의 제조방법.
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