KR100415415B1

KR100415415B1 - 비열처리용 고연신 30킬로그램급 하이드로포밍용 강관의제조방법

Info

Publication number: KR100415415B1
Application number: KR10-2000-0066405A
Authority: KR
Inventors: 이준
Original assignee: 현대하이스코 주식회사
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2004-01-16
Also published as: KR20020036281A

Abstract

고연신 하이드로포밍용 강관을 제조하기 위하여, 중량%로, C : 0.002~ 0.005%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, 여기에 Ti : 0.03~0.5%, 기타 잔류 철분(Fe) 및 불가피불순물이 함유된 열간압연강판을 소재로 하거나 또는, C : 0.02~0.06%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, 여기에 B : 0.001~0.03%, 기타 잔류 철분(Fe) 및 불가피불순물이 함유된 열간압연강판을 소재로 한 강판(skelp)을 이용하여 고연신의 확보에 의한 가공경화 최소화를 도모한 고주파 전기저항용접방식으로 하이드로포밍(H/F)강관의 제조방법.

Description

비열처리용 고연신 30킬로그램급 하이드로포밍용 강관의 제조방법 {Process for Manufacturing non-heat treated highly elongated 30kg hydroforming pipe and tube}

본 발명은 평면방식인 프레스(press)공법으로 제작되어 양산 공급되고 있는 자동차 베르나(LC)용 엔진크래들에서의 하이드로포밍(Hydro Forming : 이하 'H/F'라고 약칭함)공법에 적용되는 비열처리형 강관제조법, 특히 그 중에서도 강관의 모재부와 용접부에서 균일 연신율 20% 이상 및 전체 연신율 40% 이상(이하, 고연신율이라 칭함)의 고연신율을 가진 비열처리형 30kg급 H/F용 강관을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

최근, 세계적인 추세에 따라 H/F공법은 90년대 들어서 해외 자동차 부품산업에 이용되면서 외관, 주행성능, 승차감, 연비 및 환경친화성 등 다양한 용도로 확대되고 있고, 이에 대응하여 미국, 유럽, 일본 등의 선진자동차업계에서는 고안전차체의 부품수 절감, 공정단순화, 소재수율 증가, 용접점수 감소 및 경량화 측면에서 경쟁력확보를 위하여 강관을 이용한 H/F라는 신기술공법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.

따라서, 본 발명은 H/F공법을 이용하여 여러가지 형태의 부품을 제조하는 주요소기술, 특히 그 중에서도 전체적으로 상기 고연신율을 가짐과 아울러 모재부와 용접부에서 균일한 연신율을 가지도록 한 고연신 하이드로포밍(Highly-elongated Hydroforming)강관의 제조방법에 관한 것이다.

H/F용 강관에서 요구되는 가장 중요한 성질은 기본적으로 H/F성형시 파이프 내부에 작용하는 액압을 이용해 원하는 형상의 부품을 성형할 때 가해지는 파이프의 극심한 변형에 견딜 수 있는 고연신율을 가지고 있어야 한다는 점이다.

현재 국내와 국외에서 사용되고 있는 강관 중 조관 후 열처리 등의 2차 가공처리(열처리 및 인발후 열처리)를 하지 않고도 인장강도 30kg급에 고연신율을 확보할 수 있는 열연강관 소재는 전무한 실정이며 이로 인해 소재용 강관의 원가상승이 해결되지 않는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 극심한 하이드로포밍(H/F)가공에도 견디는 등 적합하고, 상대적으로 저가인 최적의 소재용 강판의 선정과 강관제조공정에서의 가공경화 최소화를 위한 고유기술의 적용으로 우수한 비열처리형 하이드로포밍(H/F)용 전용강관을 제공하고저 하는데 그 목적이 있다.

제 1 도는 본 발명상의 조관용접작업설명도

제 2 도는 본 발명상의 제품을 종래의 프레스방식으로 성형한 경우의 프레스 방식도

제 3 도는 본 발명상의 제품을 자동차 베르나용 하이드로포밍(H/F)금형에 장착하여 프레스한 하이드로포밍(H/F)방식도

제 4 도는 자동차 베르나용에 적용되고 있는 종래의 압착프레스(평면방식)방법으로 제작된 서브프레임(Sub-frame : 일명 '엔진크래들'이라고도 함) 사진

제 5 도는 본 발명상의 하이드로포밍(Hydroforming)용으로 성형된 베르나용 엔진크래들의 최종 완제품사진

주요부호 :

V. 수렴점 W. 용접점 D. 용접부 길이 P. 강관소재

1. 강관용접부 2. 사이드로울 3. 톱로울(top roll)

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 우수한 고연신율 강관을 제조하기 위하여, 중량(wt)%로, C : 0.002~0.005%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, 여기에 Ti : 0.03~0.5%, 기타 잔류 철분(Fe) 및 불가피불순물이 함유된 열간압연강판을 이용하여 고연신 하이드로포밍강관을 제조한다. 또한 본 발명은 중량%로, C : 0.02~0.06%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, B : 0.001~0.03%, 기타 잔류 철분(Fe) 및 불가피불순물이 함유된 열간압연강판을 이용하여 고연신 하이드로포밍강관을 제조하는데 그 특징이 있다. 즉, 본 발명은 상기 열간압연강판을 이용하여 우수한 고연신율 확보를 위해 가공경화를 최소화시킨 고연신율의 고주파 전기저항용접방식으로 H/F용 강관을 제조하는데 특징이 있다.

상기 전자의 열간압연강판을 이용하는 C : 0.002~0.005%인 강의 경우 연신율을 증가시키기 위한 원소로서 Ti을 첨가하면 강도상승과 시효방지에 의해 연신율을 향상시킬 수 있다. 즉, Ti을 0.03~0.5%로 첨가시키면 석출강화에 의해 강도를 증가시키고 고연신율에 필요한 조직의 균일성 확보가 가능하며, 조직내에 생성되는 TiN이 시효방지효과로 작용하기 때문에 상기의 C함량을 줄여서 0.002~0.005%로 하고 Ti함량을 0.03~0.5%로 제한하는 것이 가장 바람직하다. Ti함량이 0.03% 미만인 경우 상기 효과가 미미하고 0.5% 초과인 경우에는 오히려 강의 연신율을 저하시키게 된다.

상기 후자의 열간압연강판을 이용하는 경우 C함량이 0.02~0.06%강에 B : 0.001~0.03%를 첨가시키므로써 강 조직내에서 보론(B)이 질소원자(N)와 작용하여 질화보론(BN)을 생성시키게 되므로 작용하여 시효방지효과를 나타낸다. 반면 이 범위를 벗어나 0.001% 이하가 되면 효과가 미미하고 다량 첨가시에는 인성열화의 경향이 극심하게 되므로 상기의 C함량에 B함량을 0.001~0.03%로 첨가하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 첨가되는 화학성분중 Mn은 강의 강도와 인성을 증가시키고 오스테나이트를 안정화시키는 원소인 바, 전자의 경우에는 0.05% 미만의 경우, Mn첨가효과가 미미하고, 후자의 경우에도 그러하다. 한편, Mn이 0.20%를 초과할 정도의 과다한 Mn이 첨가가 되면 비금속개재물의 양을 증가시키고 편석도를 증가시키게 되며 열간압연후 빠른 냉각속도를 유지하지 않으면 층상의 퍼얼라이트층을 형성시켜 두께방향으로의 연신율을 저하시키는 경향을 보이게 되므로 상기 Mn의 함량은 0.05~0.20% 이내로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 P는 열간압연강판 제조시 중심편석의 형성 등으로 재질열화를 일으키고 S는 MnS로 작용하여 강의 가공성을 저하시키므로 가능한 한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

상기 Al은 탈산을 위하여 주로 사용되는 원소로서, 페라이트 형성을 도우므로 가공성 향상측면에 유리하다. 탈산의 경우, Al양이 0.02% 이상 정도 되어야 강중 산소가 충분히 제거되고 또한 열간압연중 AlN의 형성으로 조직의 미세화에도 기여하게 된다. Al량이 0.04% 이상이 첨가되면 고주파용접으로 강관 조관시 용접중 산화물의 형성으로 침투제(penetrator)라는 용접부 결함을 생성시키기 쉬우므로 본 발명재에서는 Al량을 0.02~0.04%로 설정한다.

본 발명은 예컨대 상술한 강재에, 고주파 전기저항용접방식을 적용하여 초기강판, 즉 대강(skelp)에서 반원까지의 성형을 위한 4단으로 구성되어 있는 브레익다운로울(Break-down roll)중 첫번째 로울을 종래의 가장자리굽힘용 브레익다운로울(Edge bending break down roll)이 아닌 W-굽힘 브레익다운로울(W-bending break down roll)로 작업하여 강판의 양 가장자리부를 정밀성형화시키므로써 용접부에서 벅클링(buckling), 즉 마주침 불량이 발생되지 않도록 한 것이다. 아울러 종래의 조관속도 60-70mpm을 대략 생산성의 지나친 저하를 피하면서도 양호한 스퀴징작업한계치내의 속도인 20~60mpm 정도로 낮추어 작업을 실시하고 용접부 형성을 위해 가열된 대강의 양 가장자리부를 가압하여 압착시키는 스퀴즈로울(squeeze roll)의 클리어런스 갭 (gap)을 변경 조정하여 압력을 줄이는 등의 조치를 취하므로써 강관 모재부의 연신율을 저하시키는 가공경화의 발생을 최소화하도록 관리하여 제조하는 것을 요지로 한다.

즉, 여기에서 중요한 것은 조관시 상기 스퀴즈로울의 갭을 조절하여 조관속도를 줄이는 것으로, 이는 상기 소재를 동일한 공정에서 조관할 때 속도의 변화가 중요한 요인임을 본 발명자 등이 연구결과 알아낸 것으로 전공정에서 계속 공급되고 있는 소재를 조관할 때의 조관속도를 파이프성형시의 양호한 스퀴즈작업속도범위와 거의 일치시키므로써 가공경화를 최대한 방지할 수 있게 되었다.

상기 조관시 스퀴징작업은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 2개의 양 사이드로울(2)만으로 행해지기도 하고 사이즈에 따라 양 사이드로울과 상부(top)로울 (3)에 의해 행해진다.

여기에서, 상술한 조관속도의 감속작업과 아울러 가열된 강관소재의 양 가장자리부(edge)를 가압하여 용접부(1)의 용접과 더불어 스퀴즈로울(squeeze roll)의 클리어런스 갭(clearance gap)을 조정하는 것이 중요하다. 도 1에서 보는 바와 같이 사이드로울과 사이드로울 사이의 클리어런스 갭은 통상 4~7mm인데 비해, 본 발명에서는 보다 이를 정밀하고도 엄격히 적용하여 2mm 이하로 조정하고, 양 사이드로울(2)(2)과 상(top)로울(3)과의 클리어런스 갭은 통상의 2~4mm로 하는데 비하여 1mm 이하로 밀착조정하도록 하므로써 강관 모재부의 연신율을 저하시키는 가공경화의 발생을 최소화되도록 관리하는데 그 특징이 있다.

상술한 밀착조정을 위해서는 그만큼 로울가공과 관련부품의 정밀조합이 필요하고, 이는 또한 용접구간인 도 1에서의 수렴점(Ⅴ)과 용접점(W) 사이의 거리 (D)에도 영향을 미친다. 이 거리가 멀수록 용접성에 문제가 생기기 때문이다.

실시예

본 발명을 일실시예에 의하여 이하에 보다 구체적으로 설명한다.여기에서 사용된 강판소재의 화학성분조성은 표 1과 같았다.표 1

발명예 1 및 발명예 2는 각기 고주파 전기저항용접방식을 적용하여 초기 강관소재(Skelp)에서 반원까지의 성형을 위해 4단으로 구성되어 있는 브레익다운로울 (Break Down Roll)중 첫번째 브레익다운로울(Break Down Roll)을 종래의 가장자리부 굽힘용 브레익다운로울(Edge Bending Break Down Roll)(도 2)이 아닌 W-굽힘용 브레익다운로울(W-Bending Break Down Roll)(도 3)로 설계하여 강관소재의 양 가장자리부(edge)를 정밀성형화시켜 용접부에서 벅클링(buckling : 마주침 조건 불량)이 발생하지 않도록 하였다. 또한, 기존 조관속도 60~70mpm을 45mpm으로 감속하여 작업을 실시하였다. 또한 용접부 형성목적으로 가열된 소재강판(Skelp)의 양 가장자리부(edge)를 가압하여 압착시키는 스퀴즈롤간의 갭(gap)을 수정 적용하여 강관 모재부의 연신율을 저하시키는 가공경화발생을 최소로 하였다.제 1 도에서 도시된 바와 같은 조관방식으로 제조된 비열처리형 30kg급 하이드로포밍(H/F)용 강관소재를 제 3 도와 같은 자동차 베르나용 하이드로 포밍(H/F)금형에 장착하여 성형가공하였다. 즉, 제 1 도와 같은 종래의 방식에 따른 강관소재용접으로 조관하고, 제 2 도와 같이 굽힘(bending) 후 예비성형하고, 제 3 도와 같은 하이드로포밍(H/F)방식으로 성형한 다음 제 4 도와 같이 금형장착성형공정을 거쳐 가공하므로써 제 5 도와 같은 하이드로포밍용(H/F)성형에 의한 최종 완성제품을 제조하고, 그 제조된 완성제품의 실 하이드로포밍(H/F) 가공결과를 평가한 결과, 표 2 에서와 같이 양호한 기계적 성질을 가진 제품을 얻을 수 있게 되었다.상기 표 1에 예시된 소재로 부터 최종 완성제품을 생산하여 일 실시예로서의 이 제품의 기계적 성질을 표 2로 정리하여 나타내었다.

표 2

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교재의 경우 열처리 전의 강관의 경우에는 인장강도는 높으나 고연신율 확보가 어려우므로, 따라서 열처리하여야 균일연신율(U/F EL) 20%이상, 총연신율 35%이상의 고연신율 확보가 가능함을 보여주고 있다.

발명예 1과 발명예 2는 열처리 전의 강관에서도 우수한 고연신율 확보가 가능함을 알 수 있었다.

표 1과 표 2에서 보는 바와 같이 본 발명으로 제조된 강관의 모재부와 용접부를 종래의 통상적인 제조법을 행한 강관의 모재부와 용접부와 인장강도(TS), 항복강도(YS), 균일연신율(U/F EL,%), 총연신율(Total EL,%)로 나누어 대비한 결과, 총연신율(%)에 있어 종래의 강관과 본 발명상의 강관 사이에는 거의 1.5배∼2배에 이르는 엄청난 격차가 있음이 확인되었다.

특히, 본 발명에 의해서도 종래 원가상의 문제로 잘 행해지지 않는 조관후 열처리한 강관과도 상당한 격차가 나고 있음을 알 수 있었다.

상술한 결과는 그대로 도 4, 도 5의 사진에서 보는 바와 같이 나타났다. 즉, 종래의 프레스공법으로 제조된 것은 각 부위별로 별도성형과정을 거쳐야 하고, 심한 굽힘가공, 딥드로잉가공에는 어김없이 파열되는 현상이 심하였으나, 본 발명으로 제조된 것은 단 한번의 하이드로포밍가공으로도 도 5의 사진에서 볼 수 있는 바와 같이 심한 굽힘가공, 딥드로잉가공을 행하였어도 용이하게 복잡한 형상의 가공제품을 얻을 수 있었다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따라 일층 향상된 고연신 하이드로포밍용 강관이 제공될 수 있게 된 것이다.

Claims

비열처리용 30킬로그램급 하이드로포밍(Hydroforming)용 강관의 제조방법에 있어서, 중량%로, C : 0.002~0.005%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, 여기에 Ti : 0.03~0.5%가 첨가되고, 나머지는 잔부 Fe 및 기타 불가피불순물을 함유하여 조성되는 열간압연강판을 소재로 하여 조관하고, 조관시 종래의 조관속도를 줄여서 20~60mpm으로 감속작업을 실시하면서 아울러 가열된 강관소재의 양 가장자리부(edge)를 가압하여 압착시키는 스퀴즈로울(Squeeze roll)의 클리어런스 갭을 조정하여 강관모재부의 연신율 저하를 가져오는 가공경화발생을 최소화로 관리가능하게 한 비열처리형 30킬로그램급(kg) 하이드로포밍(H/F)강관의 제조방법.
비열처리용 30킬로그램급 하이드로포밍(Hydroforming)용 강관의 제조방법에 있어서, 중량%로, C : 0.02~0.06%, Mn : 0.05~0.20%, P : 0.02% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.02~0.04%를 기본성분으로 하고, 여기에 B : 0.001~0.03%가 첨가되고, 나머지는 잔부 Fe 및 기타 불가피불순물을 함유하여 조성되는 열간압연강판을 소재로 하여 조관하고, 조관시 종래의 조관속도를 줄여서 20~60mpm으로 감속작업을 실시하면서 아울러 가열된 강관소재의 양 가장자리부(edge)를 가압하여 압착시키는 스퀴즈로울(Squeeze roll)의 클리어런스 갭을 조정하여 강관모재부의 연신율 저하를 가져오는 가공경화발생을 최소화로 관리가능하게 한 비열처리형 30킬로그램급 하이드로포밍(H/F)강관의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 스퀴즈로울의 갭은 사이드로울과 사이드로울 사이의 클리어런스 갭은 2mm 이하로, 양 사이드로울과 상로울과의 클리어런스 갭은 1mm 이하로 밀착조절하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 30킬로그램급 하이드로포밍(H/F)강관의 제조방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소재강판에 전기저항용접방식을 적용할 때 초기 강관소재에서 반원까지의 성형을 위해 구비되는 브레익다운로울(break-down roll)중 첫번째 브레익다운로울을 W-굽힘용브레익다운로울(W-bending break-down roll)로 설계하여 사용하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 30킬로그램급 하이드로포밍(H/F)강관의 제조방법.