KR100528282B1 - 고강도 강 구조 부재의 제조방법 - Google Patents

고강도 강 구조 부재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특정 화학적 조성 및 바람직하게는 인장 강도가 120,000psi 이상이고, 항복 강도가 90,000psi 이상인 고강도 강 재료를 제공하고, 이러한 강 재료를 열간 압연시켜 목적하는 기하학적 형태의 구조 부재를 수득함에 의한 고강도 강 구조 부재 제조방법 및 이러한 방법에 의해 수득된 고강도 강 구조 부재에 관한 것이다.

Description

고강도 강 구조 부재의 제조방법{A method of making high-strength steel structural members}
본 발명은 고강도 강 구조 부재의 제조방법에 관한 것이며, 더욱 특히 고강도 강의 블랭크(blank)를, 강 블랭크의 고강도 특성을 유지시키면서 목적하는 기하학적인 단면 형태를 갖는 구조 부재로 열간 압연 또는 열간 단조시키는 방법에 관한 것이다.
고강도 강 부품 및 구조 부재는 당해 기술 분야에 공지되어 있는 냉간 단조 기술을 사용하여 성형시켜 왔다. 냉간 성형 부품 및 구조 부재는 단점이 있다. 이러한 구조 부재 또는 부품은 대략 실온에서 성형되기 때문에, 재성형 및 성형 단계에는 실질적으로 보다 높은 에너지가 요구된다. 이로 인해서 재료를 목적하는 형태로 순차적으로 성형시키는 일련의 냉간 성형 단계가 빈번히 요구되고 있다. 이에 따라 이러한 공정과 관련하여 다이(die) 마모 및 소음이 증가한다. 추가로, 재료가 가공됨에 따라, 부재 또는 부품의 강도가 증가한다. 실제적인 수준으로 가공되는 경우, 생성된 강도의 증가로 인해 강도를 저하시키기 위한 어닐링(annealing)이 요구되며 이는 당해 공정의 시간 및 비용에 추가된다.
상기의 단점들을 방지하기 위하여, 온간 단조(warm forging)를 이용해 중간 온도에서 재료로부터 구조 부재 및 부품을 성형할 수 있는데, 이때 중간 온도는 재료의 강도를 저하시켜 성형을 촉진시키기에 충분히 높으나, 재결정화, 스케일링(scaling) 및 탈탄화(decarburization)가 발생하는 열간 단조 온도보다는 낮다. 특정한 형태 및 목적하는 기계적 특성을 수득하기 위한 부재의 압연 방법 또는 성형 방법이 기재된 특허의 예로는 미국 특허 제5,287,715호, 제5,203,193호, 제5,121,622호, 제4,982,591호, 제4,966,026호, 제4,685,319호 및 제4,378,687호가 있다.
상기 인용된 문헌들이 선행 기술을 명확하게 나타내거나 또는 가장 대표적인 문헌이라고 단언할 수는 없다. 이러한 특허에는 구조 부재를 성형하기 위한 다양한 예에서 반복적인 성형 단계 및 냉각 단계를 포함하는 복잡한 관련 공정이 기재되어 있는데, 이러한 공정은 고가일 수 있으며, 목적하는 기계적 특성을 갖는 완성된 부재를 수득하기 위한 연관 단계가 필요할 수 있다.통상적으로 강 구조 부재는 문헌[참조: The Making, Shaping and Treating of Steel, W.T. Lankford et al Pages 901-903]에 기술된 바와 같이, 다중 스트랜드(strand)를 사용하여 괴철(bloom)을 열간 압연시킴으로써 제조되어 왔다. 전형적인 성형 온도는 2250℉(1232℃)이며, 압연 후에 부재를 제어 방식으로 냉각시킨 다음 가공한다.국제 공개공보 WO 제96/02676호에는 탄소 0.3 내지 0.65중량%; 망간 0.3 내지 2.5중량%; 알루미늄/니오븀/티탄/바나듐 0.03 내지 0.35중량%, 및 철 잔여량의 조성을 갖는 강 재료를 사용하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법이 기재되어 있다. 상기 재료를 업셋팅(upsetting), 단조, 압출 또는 압연에 의해 냉간 성형시킨다. 인장 강도가 120,000psi(827N/mm2)이며, 항복 강도가 90,000psi(621N/mm2)인 초기 기계적 특성이 적어도 구조 부재에 유지된다.
현재까지, 특정 조성을 가지며 목적하는 고강도 특성을 갖는 강의 블랭크로부터 고강도 강 구조 부재를 제조하는 방법으로서, 열간 단조 또는 열간 압연 단계를 포함하고, 이에 의해 블랭크가 목적하는 형태로 성형되고, 구조 부재의 기계적 특성이 블랭크가 원래 가지고 있는 기계적 특성과 실질적으로 동일하거나 이보다 크게 유지될 수 있으며, 기계적 강도 특성을 부여하기 위한 추가의 강화 공정 단계없이 부재를 제조할 수 있는 방법은 없었다.
발명의 요약본 발명에 의해, 인장 강도가 120,000psi(827N/mm2) 이상이고, 항복 강도가 90,000psi(621N/mm2) 이상이며, 탄소 0.30 내지 0.65중량%, 망간 0.30 내지 2.5중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0.03 내지 0.35중량%, 및 철 잔여량을 포함하는 고강도 강 재료를 제공하는 단계; 및고강도 강 재료를 압연하여 길이의 일부분 이상에 걸쳐서 목적하는 균일한 단면 형태를 갖는 완성된 구조 부재[여기서, 균일한 단면 형태는 고강도 강 재료의 형태와는 상이하고 단면 형태의 전체 둘레 치수 보다 작은 두께를 갖는 하나 이상의 플랜지를 포함하고, 상기 하나 이상의 플랜지는 구조 부재에 증가된 하중 지지 성능(load bearing capacity)을 제공하며, 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성은 고강도 강 재료와 사실상 동일하거나 이보다 크다]를 제공하는 단계를 포함하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법으로서, 완성된 구조 부재를 제공하기 위한 압연이 열간 압연임을 특징으로 하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 방법은 고강도 강 블랭크로부터 다양한 고강도 강 구조 부재를 제조하는데 유용하다. 특히, 본 발명은 전체 길이의 일부분 이상 및 종종 사실상 모든 부분에 걸쳐서 균일한 단면 형태를 갖는 연신된 고강도 강 구조 부재의 성형법에 관한 것이다. 예를 들면, O, L, C, Z, T, I, W, U 및 V자형의 구조 부재 및 기타 부재를 본원에 기술된 열간 단조 또는 열간 압연 공정에 의해 성형할 수 있다.
본 발명의 구조 부재는 완성 제품이며, 이의 단면 형태내에 포함된 하나 이상의 플랜지를 갖는다. 플랜지는 두께가 단면 형상의 전체 외부 치수 이하인 부재이며, 이에 의해 구조 부재에 증가된 하중 지지 성능이 제공된다.
본 발명은 인장 강도가 약 120,000psi(827N/mm2) 이상이고 항복 강도가 약 90,000psi(621N/mm2) 이상인 고강도 강 재료로부터 고강도 강 구조 부재를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 의해 고강도 강 재료를 열간 단조 또는 열간 압연시킴으로써 목적하는 기하학적 형태를 갖는 구조 부재를 제공하고, 이에 의해 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성이 강 재료와 사실상 동일하거나 이보다 커지는, 고강도 강 재료로부터 고강도 강 구조 부재를 제조하는 방법이 제공된다. 이어서, 성형된 구조 부재를 냉각시 발생할 수 있는 변형 등에 의한 형태의 변화없이, 바람직하게는 조절된 속도로 냉각시키거나 급냉시킨다.
또한, 본 발명에 의해 고강도 강 재료를 열간 단조, 열간 압연 또는 기타의 방법으로 성형시킴을 포함하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법이 제공되는데, 본 방법에 의해 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성이 부재를 성형하기 위하여 사용된 재료와 사실상 동일하거나 이보다 커지며, 인장 강도 및 항복 강도의 목적하는 기계적 특성을 갖는 부재가 추가의 강화 공정 단계없이 제조된다.
본 발명의 원리, 이의 목적 및 이점은 하기 상세한 설명을 참조로 하여 추가로 이해될 것이다.
본 발명은 길이의 일부분 이상 및 전형적으로는 실질적인 부분에 걸쳐서 균일한 단면 형태로 신장되고, 1개 이상의 플랜지를 포함하는 구조 부재의 제조방법에 관한 것이다. 플랜지는 두께가 단면 형태의 전체 둘레 길이 또는 외부 치수(즉, 구조 부재의 너비, 높이 또는 외부 직경) 미만인 부재이다. 플랜지에 의해 부재에 증가된 하중 지지 성능이 제공된다는 점에서 플랜지에 의해 구조 부재와 블랭크가 구별된다. 바꾸어 말하면, 구조 부재와 재료 조성 및 특성이 동일한 플랜지를 포함하는 구조 부재는 이러한 플랜지를 포함하지 않는 부재에 비해 하중 지지 성능이 향상된다. 하중은 말단 하중시에는 축방향, 측면 하중시에는 측방향 또는 구조 부재에 적용된 기타 임의의 형태의 하중일 수 있다. 반대로, 통상적으로 압연하기 전의 고강도 강 재료는 일부 연속적인 주조 공정 등에 사용되는 몇몇 전형적인 일체형 형태에 있을 수 있는 용융되거나 냉각된 금속의 신규하게 성형된 빌릿(billet)이다.
플랜지는 구조 부재의 잔여부에 대하여 연속적이거나 불연속적으로 일체형으로 성형된다. 불연속 플랜지의 예로는 중심 부분에 대하여 I자형 빔의 상부 또는 하부 부분이거나, L-자형 트러스(truss)의 한쪽 다리에 대하여 트러스의 다른쪽 다리의 상부 또는 하부 부분이 있다. 연속 플랜지의 예로는 O자형 구조 부재의 모든 코드(chord) 또는 단면 형태인 부분이 있다. 하나 이상의 플랜지를 갖는 구조 부재의 예로는 O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W자형 부재가 있다.
바람직한 양태에서, 고강도 강 구조 부재를 제조하기 위한 본 발명의 방법은 인장 강도가 약 120,000psi(827N/mm2) 이상, 바람직하게는 약 150,000psi(1034N/mm2) 이상이고, 항복 강도가 약 90,000psi(621N/mm2) 이상, 바람직하게는 약 130,000psi(896N/mm2) 이상인 고강도 강 재료를 제공함을 포함한다. 하나의 형태에서, 사용한 고강도 강 재료를 열간 압축 가공(hot reducing)하고, 냉간 연신시켜 상술한 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성을 갖는 빌릿 또는 블랭크를 제공한다. 구조 부재의 성형을 위해 사용한 고강도 재료는 한 형태에서는 용융, 연화 또는 경화 형태로 가공될 수 있고, 또 다른 형태에서는 본 발명에 따라 열간 압연되는 빌릿 또는 블랭크일 수 있다.
고강도 강 재료는 탄소 약 0.30 내지 약 0.65중량%, 망간 약 0.30 내지 약 2.5중량%, 약 0.35중량% 이하의 입자 정련용으로서 유효량의 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 제1철 입자 미세화제(grain refiner), 및 철 잔여량의 조성으로 예시될 수 있다.
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추가의 바람직한 형태에서, 고강도 강 재료는 탄소 약 0.40 내지 약 0.55중량%, 망간 약 0.30 내지 약 2.5중량%, 약 0.20중량% 이하의 입자 정련용으로서 유효량의 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 제1철 입자 미세화제, 및 철 잔여량의 조성을 갖는다.
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추가의 바람직한 형태에서, 고강도 강 재료는 탄소 약 0.50 내지 약 0.55중량%, 망간 약 1.20 내지 약 1.65중량%, 약 0.03 내지 약 0.20중량%의 입자 정련용으로서 유효량의 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 제1철 입자 미세화제, 및 철 잔여량의 조성을 갖는다.
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알루미늄, 니오븀(즉, 콜럼븀), 티탄 및 바나듐이 입자 미세화제로서 작용하지만, 바나듐이 가장 바람직한 입자 미세화제이다. 추가로, 본원에 기재되어 있고 청구된 조성물은 본 발명의 실시에 영향을 주지 않는 기타 성분을 포함할 수 있다는 사실을 이해해야 한다.
본 발명의 방법에서 출발 물질로서 사용되는, 인장 강도가 약 120,000psi(827N/mm2) 이상이고, 항복 강도가 약 90,000psi(621N/mm2) 이상인 고강도 강 재료는 당해 기술분야에 공지된 임의의 적합한 방법에 따라 제조된다.
상술한 바와 같은 조성 및 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성을 갖는 강 재료를 전형적으로 약 2000℉(1093℃)인 재결정화 온도 이상의 온도에서 열간 압연, 열간 단조 또는 기타 방법으로 성형하여 목적하는 기하학적 형태를 갖는 구조 부재를 제공한다. 구조 부재가 압연되는 온도는 사용되는 강 재료의 화학적 조성과 관련이 있다. 상술한 화학적 조성을 갖는 경우, 열간 압연된 구조 부재는 냉각 속도에 따라 다량의 마르텐사이트(martensite) 함량을 가질 수 있다. 주어진 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성을 갖는 압연된 구조 부재를 이의 열간 단조 이후에 어떠한 추가의 강화 공정 단계없이 제조할 수 있다.
본 발명의 이점은 적합한 조성의 강을 적합한 온도에서 압연시킴으로써 성취된다. 이어서, 열간 압연된 강을 압연 온도로부터 실온으로, 바람직하게는 증가되고 조절된 속도로 냉각시킬 수 있다. 또한, 압연된 강이 생성된 구조 부재의 취성을 저하시키기에 충분한 마르텐사이트 함량을 갖는 경우, 압연된 강을 오일 또는 물중에서 급냉시킨 다음, 템퍼링시킨다.
하기 실시예는 상술한 방법에 따라 제조된 고강도 강 재료로부터 구조 부재를 제조하기 위한 본 발명의 실시를 나타낸 것이다.
고강도 AISI 1552 강 스톡(stock)은 하기 중량%의 조성을 갖는다:
탄소 0.52%
망간 1.43%
인 0.009%
황 0.017%
규소 0.22%
바나듐 0.075%
크롬 0.05%
몰리브덴 0.01%
철 잔여량
스톡을 시험한 결과, 인장 강도는 130,100psi(897N/mm2)이었으며, 항복 강도는 95,120psi(656N/mm2)이었다. 이어서, 스톡을 65,000lbf(289kN) 하에 약 2000℉(1093℃)의 온도에서 중심 부분의 두께가 0.177인치(0.450cm)이고, 상부 및 하부 플랜지의 테이퍼 두께가 각각 0.23인치(0.58cm) 내지 약 0.16인치(0.41cm)의 범위인 I-빔 구조 부재로 열간 압연시켰다. I-빔의 전체 높이는 2.64인치(6.71cm)이고, 전체 너비는 각각의 플랜지와 동일하며 구체적으로는 1.825인치(4.64cm)이었다. 0.125인치(0.318cm)의 반지름 필릿(fillet)에 의해 중심 부분의 각각의 면과 각각의 플랜지가 결합된다. 본 I-빔을 시험한 결과, 인장 강도는 약 133,000psi(917N/mm2)이었으며, 항복 강도는 약 89,000psi(614N/mm2)이었다.
완성된 I-빔 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성은 스톡이 원래 가지고 있던 것과 사실상 동일하거나 이보다 크므로, 추가의 강화 공정 단계가 필요없다. 또한, 완성 부재는 바 스톡 또는 빌릿이 원래 가지고 있던 연성(ductility)의 목적하는 기계적 특성을, 인성(toughness)을 향상시키기 위한 추가의 공정 단계가 대체로 필요 없을 정도로 충분히 갖는다.
열처리 공정[즉, 오스테니타이징(austenitizing), 급냉에 의한 경화 및 템퍼링]을 사용하는 선행 기술의 방법, 특히 부재의 목적하는 고강도 기계적 특성을 수득하기 위하여 냉간 성형 후 열처리를 사용하는 경우에 비하여, 본 발명에 따라 제조되는 완성된 구조 부재는 범위가 보다 좁은 기계적 특성을 일관되게 가질 수 있다. 따라서, 본 발명에 의해 주로 강 재료의 조성에 기인하는 보다 좁은 범위내에서 강도가 보다 높은 강 구조 부재를 일관되게 제조할 수 있다.
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Claims (16)

  1. 인장 강도가 120,000psi(827N/mm2) 이상이고, 항복 강도가 90,000psi(621N/mm2) 이상이며, 탄소 0.30 내지 0.65중량%, 망간 0.30 내지 2.5중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0.03 내지 0.35중량%, 및 철 잔여량을 포함하는 고강도 강 재료를 제공하는 단계, 및
    상기 고강도 강 재료를 압연하여 길이의 일부분 또는 전부에 걸쳐서 목적하는 균일한 단면 형태를 갖는 완성된 구조 부재[여기서, 균일한 단면 형태는 고강도 강 재료의 형태와 상이하며, 구조 부재에 증가된 하중 지지 성능(loading bearing capacity)을 제공하고 두께가 단면 형태의 전체 둘레 치수보다 작은 하나 이상의 플랜지를 포함하며, 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성은 고강도 강 재료와 동일하거나 이보다 크다]를 제공하는 단계를 포함하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법으로서, 완성된 구조 부재를 제공하기 위한 압연이 상기 고강도 강 재료의 재결정화 온도 이상에서 수행되는 열간 압연임을 특징으로 하는 고강도 강 구조 부재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성이 구조 부재를 강화시키기 위한 추가의 공정 단계없이 생성되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 구조 부재를 가속되고 조절된 냉각 속도로 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고강도 강 재료가 탄소 0.40 내지 0.55중량%, 망간 0.30 내지 2.50중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0.03 내지 0.20중량%, 및 철 잔여량을 포함하는 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 고강도 강 재료가 탄소 0.50 내지 0.55중량%, 망간 1.20 내지 1.65중량%, 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 0.23 내지 0.20중량%, 및 철 잔여량을 포함하는 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 열간 압연이 2000℉(1093℃) 이상의 온도에서 수행되는 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 균일한 단면 형태가 O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W자형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 강 재료가 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 적어도 바나듐을 포함하는 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 고강도 강 재료가 적어도 부분적으로 마르텐사이트 미세구조(martensite microstructure)를 갖는 방법.
  10. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 구조 부재가 열간 압연 후에 추가의 성형 공정 단계없이 제조되는 방법.
  11. 제4항에 있어서, 균일한 단면 형태가 O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W자형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  12. 제5항에 있어서, 균일한 단면 형태가 O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W자형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 방법.
  13. 제4항에 있어서, 강 재료가 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 적어도 바나듐을 포함하는 방법.
  14. 제5항에 있어서, 강 재료가 알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 적어도 바나듐을 포함하는 방법.
  15. 제4항에 있어서, 고강고 강 재료가 적어도 부분적으로 마르텐사이트 미세구조를 갖는 방법.
  16. 제5항에 있어서, 고강고 강 재료가 적어도 부분적으로 마르텐사이트 미세구조를 갖는 방법.
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