KR100563998B1

KR100563998B1 - 고내충격성 전봉 강관

Info

Publication number: KR100563998B1
Application number: KR1020030061448A
Authority: KR
Inventors: 모토요시다카시; 다나베히로토; 아나이이사오; 히로시게이쓰로
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2006-03-29
Also published as: CN1509922A; CA2441720C; CN1312006C; CA2441720A1; KR20040057897A

Abstract

본 발명은, 강도와 인성이 우수하고, 전봉 용접부 근방에서 인성이 저하하지 않는 고내충격성 전봉 강관을 제공하기 위한 것으로, 인장 강도 1700MPa 이상의 고강도를 갖는 단면 형상이 환형 또는 각형인 고내충격성 전봉 강관에 관한 것이다. 본 발명에서는, 강 중에 존재하는 Si 함량을 (Mn/8)-0.07 ~ (Mn/8)+0.07의 범위로 제어함으로써, 용접부의 인성을 향상시켰다. 상기 강관의 조성은, 강 중에 C: 0.22% ~ 0.35%, Si: 0.10% ~ 0.30%, Mn: 0.5% ~ 1.50%, P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.010% ~ 0.050%, B: 2ppm ~ 35ppm, Ti: 0.005 ~ 0.05%를 필수 성분으로서 함유한다. 고주파 담금질에 의해 95% 이상의 마르텐사이트 조직으로 하고, 구오스테나이트 입도 번호를 6번 이상으로 하는 것이 바람직하다.

전봉 강관, Si 함량, 내충격성, 용접부 강도비, 마르텐사이트, 구오스테나이트

Description

고내충격성 전봉 강관{HIGH SHOCK RESISTANT ELECTRIC RESISTANCE WELDED STEEL TUBE}

도 1은 업셋 용접부의 인성 측정 결과를 나타내는 그래프.

도 2는 구오스테나이트 입도와 충격 굽힘 시험시의 균열 발생 유무의 관계를 나타내는 그래프.

본 발명은, 자동차 도어 임팩트 빔(impact beam) 범퍼용 재료, 범퍼 보강용 재료 등의 충격 흡수 부재로서 이용되는 단면 형상이 환형 또는 각형인 고내충격성 전봉 강관에 관한 것이다. 강관이라는 용어는 일반적으로 단면이 원형인 강관을 의미하지만, 본 명세서에서는 단면 형상이 환형 또는 각형인 강관을 의미하는 것으로 정의한다. 여기서, 환형이라 함은 원, 타원 등을 포함하고, 각형이라 함은 삼각형, 사각형, 오각형 등의 다각형뿐만 아니라 불규칙한 단면 형상을 포함하는 것을 의미한다.

도어 임팩트 빔 등의 충격 굽힘을 받는 부재로서 사용되는 고강도 전봉 강관에 대해서는, 강도뿐만 아니라 충격 에너지 흡수 특성을 좌우하는 인성이 물론 필 요하다. 이를 위하여 일본 특개평7-18374호 공보에 기재되어 있는 바와 같이, 종래부터 이러한 특성들의 향상을 목표로 하여 다양한 강관들이 개발되어 왔으나, 종래품들은 대부분의 경우에 전봉 강관 제조를 위한 전봉 용접부 근방에서 강도와 인성이 저하하는 경향이 있었다.

본 발명은, 전술한 종래의 문제점을 해결하여, 본체 부분의 강도와 인성이 우수함은 물론이고, 전봉 용접부 근방에서 인성이 저하하지 않는 고내충격성 전봉 강관을 제공하기 위한 것이다.

본 발명자들은 전술한 과제를 해결하기 위하여, 전봉 용접부 근방의 샤피 흡수 에너지 특성을 측정한 결과, 샤피 흡수 에너지 특성이 저하한 부분의 파단면에는 Si, Mn을 함유하는 산화물이 잔류하고 있다는 점과 이러한 성분들이 인성 저하의 한 원인이라는 점을 알아내었다. 그리고, Si와 Mn 사이에 특정 관계가 성립할 경우에, 용접부 근방에서의 인성 저하를 방지할 수 있다는 사실을 확인하였다.

본 발명은, 전술한 지견에 기초하여 이루어진 것으로, 인장 강도 1700MPa 이상의 고강도를 갖고, 또한 강 중에 존재하는 Si 함량을 (Mn/8)-0.07 ~ (Mn/8)+0.07의 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 단면 형상이 환형 또는 각형인 고내충격성 전봉 강관을 요지로 한다. 특히, 강 중에 질량비로, C: 0.22% ~ 0.35%, Si: 0.10% ~ 0.30%, Mn: 0.5% ~ 1.50%, P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.010% ~ 0.050%, B: 2ppm ~ 35ppm, Ti: 0.005 ~ 0.05%를 필수 성분으로서 함유시킨 조성으로 하는 것이 바람직하다.

또한, Nb: 0.005% ~ 0.050%, V: 0.005% ~ 0.070%, Cu: 0.005% ~ 0.5%, Cr: 0.005% ~ 0.5%, Mo: 0.1% ~ 0.5%, Ni: 0.1% ~ 0.5%, Ca: 0.01% 이하, 희토류 원소(REM): 0.1% 이하의 그룹에서 선택된 임의의 선택 성분을 함유시킬 수도 있다. 또한, 고주파 담금질에 의해 95% 이상의 마르텐사이트 조직을 형성시키고, 구오스테나이트 입도 번호를 6번 이상으로 하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 전봉 용접부에 발생하는 Si, Mn을 함유하는 산화물이 용접부의 인성을 저하시키는 원인이라고 생각되는데, 본 발명에서는 Si 함량을 (Mn/8)-0.07 ~ (Mn/8)+0.07의 범위로 제어함으로써, 상기 산화물을 전봉 용접부로부터 배출시킬 수 있고, 후술하는 실시예의 데이터에 나타나 있는 바와 같이, 1700MPa 이상의 높은 인장 강도를 유지하면서 용접부의 인성 저하를 완전히 방지할 수 있다.

본 발명에 의한 단면 형상이 환형 또는 각형인 고내충격성 전봉 강관은, C와 Mn을 첨가한 강으로부터 전봉 강관을 제조하고 이를 급랭함으로써 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 하고, 1700MPa 이상의 인장 강도를 달성한 강관이다. 그 기본적인 조성은 청구항 2에 기재되어 있는 바와 같이, 강 중에 C: 0.22% ~ 0.35%, Si: 0.10% ~ 0.30%, Mn: 0.5% ~ 1.50%, P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.010% ~ 0.050%, B: 2ppm ~ 35ppm, Ti: 0.005 ~ 0.05%를 필수 성분으로서 함유한다.

우선, 기본적인 조성 중의 각 성분의 수치 한정 이유를 이하에 설명한다.

C는 마르텐사이트 자체를 강화하여 경도를 향상시키기 위한 필수 성분이고, 1700MPa 이상의 인장 강도를 얻기 위해서는 적어도 0.22%가 필요하다. 그러나, 과잉으로 첨가하면 마르텐사이트 조직이 취화하고 담금질 시에 파괴의 원인이 되는 담금질 균열을 초래하므로, C의 함량을 0.35% 이하로 한다.

Si, Mn, Ti는 모두 담금질 시의 오스테나이트로부터의 마르텐사이트 변태를 촉진하는 성분이고, Si: 0.01% ~ 0.30%, Mn: 0.5% ~ 1.50%, Ti: 0.005% ~ 0.05%의 각 수치 한정 범위보다도 적으면 담금질성이 저하하여 잔류 오스테나이트와 잔류 페라이트가 생기고, 소기의 재료 특성이 얻어지지 않는다. 반대로, 상기 수치 한정 범위를 초과하면, 담금질 균열이나 편석의 원인이 되므로 바람직하지 않다. 특히, 용접부의 신뢰성을 높이기 위하여 용접부 강도비를 향상시키기 위해서는, Mn 함량을 낮게 설정하는 편이 좋으며, 1.4% 미만으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, Ti와 N은 고정됨으로써, 담금질성을 향상시키는 작용을 한다.

B는 페라이트 석출을 제어하는 성분이지만, 강 중에 가스 성분으로서 함유되는 N과 결합하여 BN이 되면 그 효과가 상실되므로, 2ppm 이상으로 한다. 그러나, 35ppm을 초과하면 편석 개재물이 된다. P와 S는 편석 개재물이 되고 마르텐사이트 조직을 취화하므로, P: 0.025% 이하, S: 0.02% 이하로 할 필요가 있다. Al은 탈산제로서, 0.010% 미만에서는 탈산 효과가 불충분하고, 0.050%를 초과하면 산화물이 결정간 개재물이 되므로 바람직하지 않다.

전술한 필수 성분 외에, Nb: 0.005% ~ 0.050%, V: 0.005% ~ 0.070%, Cu: 0.005% ~ 0.5%, Cr: 0.005% ~ 0.5%, Mo: 0.1% ~ 0.5%, Ni: 0.1% ~ 0.5%, Ca: 0.01% 이하, 희토류 원소(REM): 0.1% 이하의 그룹에서 선택된 임의의 선택 성분을 함유시킬 수도 있다.

Nb와 V는 마르텐사이트 조직 중에 석출물을 생성하여 전위의 통과를 방해함으로써, 강도를 향상시키는 석출 강화 성분이다. Cu, Cr, Mo, Ni는 마르텐사이트 결정 중에 고용되어 전위의 통과를 방해함으로써, 강도를 향상시키는 고용 강화 성분이다. 또한, Cr, Mo는 석출 강화 성분으로서도 작용한다. 이 성분들은 강도 증가에 기여하지만, 비용 상승의 원인이 될 뿐만 아니라 과잉으로 첨가되면 편석 개재물이 형성되므로, Nb: 0.005% ~ 0.050%, V: 0.005% ~ 0.070%, Cu: 0.005% ~ 0.5%, Cr: 0.005% ~ 0.5%, Mo: 0.1% ~ 0.5%, Ni: 0.1% ~ 0.5%가 적당하다.

Ca와 희토류 원소(REM)는 개재물의 형태 제어에 기여하는 성분이지만, 과잉의 첨가는 마르텐사이트 조직의 파괴의 원인이 되는 유해한 편석을 초래하므로, Ca: 0.01% 이하, REM: 0.1% 이하가 적당하다. 희토류 원소(REM)로서는, 예를 들어 Y, La, Ce, Sm을 이용할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 고내충격성 전봉 강관은, 오스테나이트로부터의 마르텐사이트 변태를 촉진하기 위하여, Si: 0.10% ~ 0.30%, Mn: 0.5% ~ 1.50%를 필수적으로 함유시키고, 인장 강도 1700MPa 이상의 고강도를 달성한 강관이다. 그리고, Si와 Mn을 (Mn/8)-0.07 ≤ Si ≤ (Mn/8)+0.07의 식을 만족하도록 제어함으로써, 전봉 용접부의 인성 저하를 방지한 점이 최대의 특징이다. 도 1은 업셋 용접부의 인성 측정 결과를 나타내는 그래프이고, Si 함량이 상기 범위 내일 경우에, 상대 샤피 흡수 에너지가 최대가 된다는 점이 확인되었다.

또한, 상대 샤피 흡수 에너지는, -40℃에서의 Si=Mn/8인 성분의 샤피 흡수 에너지를 1로 하였을 경우의 Si=(Mn/8)+α(α=-0.30~+0.30)인 성분의 샤피 흡수 에너지의 상대치이다.

본 발명에서와 같이, 강 중에 C, Mn을 첨가하여 1700MPa 이상의 고강도화를 도모한 강관은, 저강도의 강관에 비하여 융점이 낮고, 전봉 용접 시에 용융시키는 금속의 표면에 생성되는 산화물의 점성이 상대적으로 작아진다. 따라서, 용접부의 산화물 잔류에 영향을 미치는 Si 함량을 상기 범위와 같이 제어하여 산화물을 배제시키는 것이, 용접부의 인성 저하 방지에 특히 중요한 것으로 생각된다.

또한, 청구항 4에 기재되어 있는 바와 같이, 고주파 담금질에 의해 95% 이상 마르텐사이트 조직으로 하고, 또한 구오스테나이트 입도 번호 6번 이상으로 하는 것이, 특히 저온 충격 굽힘 특성을 확보하기 위해 바람직하다. 도 2는 구오스테나이트 입도가 다른 고내충격성 전봉 강관(인장 강도 1700MPa)에 대하여 충격 굽힘 시험을 실시하여 균열 발생 유무를 관찰한 결과를 나타낸 그래프이고, 구오스테나이트 입도 번호 6번 이상의 미세 결정으로 함으로써, 강관의 저온 충격 굽힘 특성이 우수해지는 것을 알 수 있다. 또한, 결정의 세립화는, 예를 들면 담금질 온도의 저온화, 담금질 전의 조직의 세립화, Nb, V, Ti 등의 첨가 원소의 효과에 의해 달성될 수 있다. 구오스테나이트 입도는, 통상적으로 이용되는 오스테나이트 입계 현출액에 의해 모재의 구오스테나이트 입계를 현출시킨 후에, 절단법 또는 화상 해석으로 측정할 수 있다.

단면 형상은 환형 또는 각형 모두를 포함하는 것으로 한다.

단면이 각형인 각형 강관을 제조하는 방법으로서는, 전봉 용접 공정 후에 성형 롤을 이용하여 각(角)성형하는 방법과 강대로부터 연속적으로 굽힘 성형을 시행하여 전봉 용접 시에 각성형하는 방법이 있다.

후자의 경우에는, 초고강도재를 사용하기 때문에 판 두께를 얇게 설계하면, 용접 시의 업셋량을 확보하기가 어렵게 되고, 산화물 잔류의 위험성이 높아지는 것으로 생각되었다. 그러나, 이 경우에도, 본 발명에서는 산화물 잔류에 영향을 미치는 Si 함량을 전술한 바와 같이 제어함으로써, 산화물을 배제하고 용접 품질을 안정화시킬 수 있으므로 용접부의 인정 저하를 방지할 수 있다.

도어 임팩트 빔 등이 변형되어 충격 에너지를 흡수하는 경우, 모서리부로의 부하가 변부(邊部)로의 부하에 비하여 큰 것으로 생각되었다. 이에 대하여, 전자의 제조 방법의 경우, 성형 롤을 통과하기 전에 용접부를 검지하고, 용접부가 모서리에 위치하지 않도록 하고 있다. 또한, 후자의 제조 방법의 경우, 굽힘 성형을 행하여 각성형을 시행하므로, 용접부가 모서리에 위치하지 않는다. 이와 같이, 모서리부가 용접부에 위치하는 것을 확실히 방지할 수 있으므로, 모재의 높은 에너지 흡수 성능을 활용할 수 있다. 또한, 각형 강관으로 함으로써, 동일 단면적의 환형 강관보다 단면 계수를 크게 할 수도 있다. 따라서, 본 특허는 단면을 각형으로 한 각형 강관을 채용함으로써, 환형 강관보다 더욱 에너지 흡수 능력을 높이고, 신뢰성을 향상시킬 수 있는 것으로 생각된다.

<실시예 1>

표 1에 나타낸 각종 조성의 전봉 강관을 제조하였고, 인장 강도, 용접부 강 도/본체 부분의 인장 강도의 비, 저온 충격 굽힘 시의 균열의 유무 등을 측정하여 표 내에 기재하였다. 또한, α=Si-Mn/8의 값 및 구오스테나이트 입도 번호도 표 내에 기재하였다. 실시예 1 ~ 실시예 5와 비교예 1 ~ 비교예 3은 환형의 전봉 강관, 실시예 6, 실시예 7 및 비교예 4는 정방형 단면의 각형 전봉 강관의 예이다.

또한, 표 내의 조성은 질량%(단, B는 질량ppm임)을 나타내고, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 저온 충격 굽힘란의 ○는 -60℃의 저온 조건하에서의 충격 굽힘 시험을 시행한 경우에 균열이 발생하지 않은 강관, ×는 균열이 발생한 강관을 의미한다. 또한, 성분 함유량의 공백은 무첨가를 의미한다.

특히, 실시예 3에 있어서는, Mn 함량이 1.4% 미만이므로, 다른 환형 강관의 실시예보다 용접부 강도비가 증가되어 있다.

또한, 표에 나타내지는 않았으나, 실시예 6과 실시예 7의 최대 충격 흡수 에너지량은 실시예 1 ~ 실시예 5에 비하여 약간 증가하였다. 이는 단면 계수가 커졌기 때문인 것으로 생각된다.

이와 같이, 본 발명의 단면 형상이 환형 또는 각형인 고내충격성 전봉 강관은, 강도와 인성이 우수함은 물론이고, 전봉 용접부 근방에서 강도 및 인성이 저하하지 않으며, 도어 임팩트 빔 범퍼용 재료, 범퍼 보강용 재료 등의 충격 흡수 부재로서 사용하기에 적합하다.

Claims

질량%로, C: 0.22% ~ 0.35%, Si: 0.10% ~ 0.26%, Mn: 0.5% ~ 1.50%, P: 0.025% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.010% ~ 0.050%, B: 2ppm ~ 35ppm, Ti: 0.005 ~ 0.05%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, (Mn/8)-0.07 ≤ Si ≤ (Mn/8)+0.07를 만족하고, 인장 강도가 1700MPa 이상이고, 단면 형상이 환형 또는 각형인 것을 특징으로 하는 고내충격성 전봉 강관.
삭제
제1항에 있어서, 강 중에 질량%로, Nb: 0.005% ~ 0.050%, V: 0.005% ~ 0.070%, Cu: 0.005% ~ 0.5%, Cr: 0.005% ~ 0.5%, Mo: 0.1% ~ 0.5%, Ni: 0.1% ~ 0.5%, Ca: 0.01% 이하, 희토류 원소(REM): 0.1% 이하의 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 성분을 함유하는 것을 특징으로 하는 고내충격성 전봉 강관.
제1항 또는 제3항에 있어서, 고주파 담금질에 의해 95% 이상 마르텐사이트 조직으로 하고, 또한 구오스테나이트 입도 번호 6번 이상으로 한 것을 특징으로 하는 고내충격성 전봉 강관.