KR100713292B1 - 고 강도 강 평판 블랭크를 구조 부재로 냉간 성형하는 방법 - Google Patents

Abstract

페라이트-펄라이트 미세 구조 및 고 강도의 기계적 성질을 지닌 고 강도 강의 평판 블랭크를 제공하고, 압연 등에 의해 상기 블랭크를 냉간 성형하여, 목적하는 기하학적 단면을 가진 구조 부재을 제공하면서, 상기 구조 부재의 기계적 강도를 상기 평판 블랭크와 실질적으로 동일하거나 그 이상으로 유지시킨다.

고 강도의 강 구조 부재, 평판 블랭크, 코일, 단면 형상,

Description

고 강도 강 평판 블랭크를 구조 부재로 냉간 성형하는 방법{COLD FORMING FLAT-ROLLED HIGH-STRENGTH STEEL BLANKS INTO STRUCTURAL MEMBERS}

본 발명은 고 강도 강 구조 부재(high-strength steel structural members)를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 특히, 고 강도 강의 평판 블랭크(flat-rolled blank)를 목적하는 기하학적 단면을 가진 구조 부재로 냉간 성형(cold forming)시킴으로써, 상기 구조 부재의 강도를 실질적으로 상기 블랭크와 동일하거나 그 이상으로 유지시키는 방법에 관한 것이다.

지금까지, 강철 부품(steel parts) 및 구조 부재를 제조하는 수 많은 방법이 이용되어 왔다. 이런 방법은 종종 고 강도 재료의 봉(bar)으로부터 개시되고, 압연, 업셋팅(upsetting), 헤딩(heading) 및 압출과 같은 냉간 성형 기술을 이용하며, 이러한 기술은 당해 기술 분야에 잘 알려져 있다. 업셋팅 시에, 금속봉의 일부 또는 모두의 단면 영역이 확대된다. 헤딩은 출발 재료(starting material)가 와이어(wire), 로드(rod) 또는 바 스톡(bar stock)인 업셋팅의 특별한 형태이다. 볼트의 헤드는 종종 헤딩 기술을 이용하여 제조된다. 압출 시에, 금속봉은 목적하는 단면 외형의 다이 오리피스(die orifice)를 통해 힘을 받아, 균일한 단면을 가진 일정 길이의 금속을 생성시킨다. 압출은, 실질적으로 전체 길이에 걸쳐 균일한 단면 구성을 가진 신장 구조 부재를 성형하는데 특히 적용할 수 있다. 압연은 목적하는 형태로 성형될 때까지 일정 길이의 봉 위로 롤러를 반복적으로 통과시켜 다듬질된 부재(finished member)를 성형하는 것을 포함한다.

고 강도 강 구조 부재를 제조하는 공지된 방법 중의 하나는 강봉을 어닐링(annealing; 소둔)하거나 연화(softening)시킴으로써 개시한다. 그 후, 어닐링된 강봉을, 상술한 성형 기술 중의 하나를 포함하는 공정으로, 목적하는 기하학적 단면으로 냉간 성형시킨다. 그 후, 성형된 구조 부재를 열처리, 즉, 오스테나이트 처리(austenitized)하고, 퀀칭(quenching; 소입)하고 나서 템퍼링(tempering; 소려)하여 경화시켜, 목적하는 고 강도의 기계적 특성을 획득하도록 한다. 이와 같이 성형된 부재의 강 재료는 통상적으로 템퍼링된 마르텐사이트 미세 구조(tempered martensite microstructure)를 갖는다. 이러한 열처리로부터 생성된 기계적인 특성은 종종 일치되지 않고, 부재들 간에도 매우 다양할 수 있다. 또한, 대부분 상기 부재의 가열과 관련된 에너지 소모, 이에 요구되는 노동력 및 처리 과정으로 인해, 어닐링 및 열처리 단계는 고 강도 강(steel) 구조 부재를 제조하는 전체 공정의 비용을 상당히 증가시킨다.

이러한 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 다른 방법에서, 강이 초기에 오스테나이트 처리되고, 퀀칭에 의해 경화된 다음, 후-열처리된(post-heat treated) 봉의 기계적인 특성이 상술한 성형 기술 중의 하나를 포함하는 공정에서, 목적하는 기하학적 단면으로 냉간 성형될 수 있을 정도가 되는 상태로 템퍼링된다. 이런 방법으로부터 다듬질된 부재의 강철 재료는 또한 템퍼링된 마르텐사이트 미세 구조를 갖는다. 이런 방법이 부재들 사이에서 강도 공차(strength tolerances)가 작다고 보고된 바와 같이 달성되었다는 점에서 앞서 기술한 방법에 비해 이점을 갖지만, 이러한 방법은 여전히 고가의 열처리 공정을 사용한다.

고 강도 재료의 냉간 성형법은 공지되어 있다. 본원에 이의 전문이 참조로 포함되고, 본 양수인에게 허여된 미국 특허 제3,904,445호에는, 일정 길이의 고 강도 강 바 스톡(steel bar stock)을 U-볼트로 냉간 성형하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 일정 길이의 바 스톡에 굴곡부(bend)를 냉간 성형하는 것은 업셋팅 및 압출과 같은 다른 냉간 성형 기술 보다 쉽다. 미국 특허 제3,904,445호의 발명까지는, 업셋팅 또는 압출 형태의 기술에 의해 고 강도의 블랭크를 부품(part) 또는 구조 부재로 냉간 성형함으로써, 다듬질된 제품에서 균열부 또는 평탄 파쇄부(even fractures)가 형성될 수 있거나, 연속적인 냉간 성형 작업 사이에 실행된 어닐링 또는 응력 제거 단계를 가진 일련의 냉간 성형 단계에 의한 구조 부재의 점진적인 성형을 적어도 필요로 할 것으로 생각되었다. 이러한 균열 또는 깨짐은 구조 부재를 못쓰게 할 수 있다. 또한, 이러한 냉간 성형 및 어닐링 단계를 사용함으로써, 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 시간 및 비용이 추가된다.

고 강도 강 구조 부재를 냉간 성형하는 새로운 방법 중의 하나는, 미국 특허 제5,496,425호 및 대응하는 국제 특허 출원 제WO96/02676호에 기술되어 있다. 미국 특허 제5,496,425호에 기술된 발명의 실행 방법에서, 특정 화학 조성을 가진 고 강도의 강 재료는, 통상적인 단조 및 압출 공정에서와 같이 요구되는 테이퍼 다이(tapered die)를 통해 고 강도의 강철 재료를 단조 또는 압출함으로써 구조 부재로 냉간 성형된다. 이러한 공정은 구조 부재의 열간 또는 고온 성형과 관련된 상술한 많은 단점 및 결점을 없애지만, 압출 공정과 관련된 상당한 힘 및 압력을 사용할 필요가 있다. 특히, 테이퍼 다이 등을 통한 냉간 인발(cold drawing) 공정에서 고강도의 강철 재료를 구조 부재로 성형시키기 위해서는 강철 재료, 상기 다이 및 관련 기계류에 가해질 상당량의 압력 또는 에너지를 필요로 한다. 이와 같이, 구조 부재를 냉간 성형하기 위한 단조 및 압출 공정은 상당량의 에너지를 필요로 하고, 상기 다이 또는 관련 부품의 빈번한 교체 뿐만 아니라 단조 또는 압출 장비에 대한 손상을 유발시킬 수 있다.

냉간 인발 또는 단조 공정에 적합한 다이는 매우 고가이기 때문에, 수리 및 교체를 위해 상당히 그리고 잠재적으로 값비싼 품목이 될 수 있다. 따라서, 냉간 인발 또는 압출을 회피하는 상황은 고 강도 강 구조 부재의 상업적 생산 시에 상당한 이점을 제공한다. 게다가, 기계적 특성을 증진시키거나 향상시키도록 구조 부재를 열처리하기 위한 능력은 제한적이다. 따라서, 이러한 열처리를 위한 요구는, 가능하다면, 피하면서, 고 강도 강 구조 부재에 적절한 수준의 강도를 제공해야 한다.

발명의 요약

이전에는, 페라이트-펄라이트(ferrite-pearlite) 미세 구조를 가지고, 목적하는 고 강도 특성을 지닌 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 방법이 없었고, 이런 방법은 압출 또는 단조를 피하고, 냉간 성형 단계를 포함하며, 그것에 의해 블랭크는 평판 재료가 되고, 목적하는 구조 부재로 냉간 성형되며, 이런 부재의 기계적 강도는 열처리할 필요없이 평판 블랭크가 원래 지닌 것과 실질적으로 동일하거나 그 이상의 강도를 유지한다.

본원에서 사용된 바와 같은 용어 "블랭크"는 보통의 의미, 즉, 목적하는 기하학적 단면의 다듬질된 부재로 성형되는 금속 조각(a piece of metal)을 의미한다. 본 발명은 특히, 블랭크가 고 강도의 강철 재료의 코일, 박판(sheet), 후판(plate) 또는, 일반적으로 평면이 스톡 재료로부터 수득되는 평판 블랭크에 관한 것이다. 구조 부재가 단면 형상(configuration)에 포함된 하나 이상의 플랜지(flange)를 갖는다는 점에서 평판 블랭크는 구조 부재와 구별된다. 이러한 플랜지는 구조 부재의 단면 형상의 전체 외부 치수 보다 작은 두께를 가지며, 구조 부재에 대한 하중 지지 용량(load bearing capability)을 증가시킨다.

본 발명은 고 강도의 강 재료의 평판 블랭크로부터 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 한 가지 실시 양태에서, 평판 블랭크는 페라이트-펄라이트 미세 구조를 가지며, 인장 강도가 약 120,000 psi(827 MPa) 이상이고, 항복 강도(yield strength)는 약 90,000 psi(621 MPa) 이상이며, 다음과 같은 중량%의 조성을 갖는다: 탄소 - 약 0.30 내지 약 0.65%, 망간 - 약 0.30 내지 약 2.5%, 알루미늄, 니오븀[즉, 컬럼븀(columbium)], 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 첨가제 - 약 0.35% 이하의 양, 및 철 - 잔여량(iron-balance).

한 가지 양태에서, 본 발명은, 목적하는 기하학적 단면을 가진 부재에 페라이트-펄라이트 미세 구조를 제공하도록 압연에 의해 평판 블랭크를 냉간 성형함으로써 이러한 평판 블랭크로부터 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 방법을 제공하며, 이런 방법에 의해 상기 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성이 상기 평판 블랭크와 실질적으로 동일하거나 이보다 더 크게 되었다. 다듬질된 구조 부재는 다양한 형상 및 적용을 가질 수 있다. 예를 들면, 한 쌍의 C-형 구조 부재는 트럭 섀시(truck chassis)의 사이드 레일(side rail) 등으로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은, 고 강도 강의 평판 블랭크를 냉간 성형하는 단계를 포함하는 고 강도 강 구조 부재의 제조 방법을 제공하며, 이런 방법에 의해 상기 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성이 상기 평판 블랭크와 실질적으로 동일하거나 이보다 더 크게 되었고, 그리고, 인성(toughness)을 증진시키는 추가의 처리 단계를 필요로 하지 않고 인장 강도 및 항복 강도에서 목적하는 기계적 특성을 갖게 되었다. 적어도 부분적으로는 이의 기하학적 단면에 따라서, 일부 구조 부재는 약 450℉(232℃) 내지 약 1,200℉(649℃)의 온도 범위내에서 응력이 제거될 필요가 있을 수 있으며, 이는 강철 구조 부재의 기계적 특성[예를 들면, 인장 강도, 항복 강도, 신장률(%), 경도, 영역(area)의 감축율(%) 등]을 높이거나 낮추거나, 또는 기타의 경우에 수정하기 위함이다.

본 발명의 한 가지 실시 양태에서, 평판 블랭크는 두께가 압연 또는 압출에 의해 감축된 고 강도 강철 재료의 코일 형태이다. 이런 코일은 지정된 폭의 코일 단면을 갖도록 초기에 자르거나(slit) 절단하였다. 그 후, 평판 블랭크는 지정된 길이로 절단한다. 그리고 나서, 주변 온도와 약 300℉ (150℃) 미만 사이의 온도에서 압연 또는 다른 적절한 기술에 의해 냉간 성형된다. 더욱 바람직하게는, 상기 구조 부재는 냉간 성형 단계 후에 열처리되지 않아, 앞서 논의된 열처리 기술에 따른 기타 결점 뿐만 아니라 이러한 단계와 관련된 시간 및 비용을 피할 수 있다. 피로 수명(fatigue life)을 연장하기 위해 상기 구조 부재를 숏 피닝(shot peening)하고, 상기 구조 부재에 적절한 구멍을 형성하는 것이 유리할 수 있다.

본 발명의 목적 및 특징은 첨부한 도면을 참조로 아래의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시 양태에 따른 구조 부재를 제조할 시에 출발 재료로서 사용하기 위한 고 강도 강 재료의 코일에 대한 두께 감축 단계의 개략도이다.

도 2는 도 1의 코일로부터 폭으로 절단된 코일 단면의 사시도이다.

도 3은 평판 블랭크를 제조하는데 이용된 고 강도 강 재료의 사시도이다.

도 4는 도 1의 두께 감축 단계로부터 생성된 코일 단면의 사시도이다.

도 5는 코일 단면으로부터 길이로 절단된 평판 블랭크의 개략도이다.

도 6 및 6A는 평판 블랭크를 냉간 성형하여 생성된 대표적인 구조 부재의 사시도이다.

본 발명의 방법은 평판 블랭크로부터 다듬질된 고 강도의 다양한 강 구조 부재를 제조하는데 유용하다. 특히, 신장된 고 강도 강 구조 부재는 실질적으로 이의 전체 길이에 걸쳐 균일한 단면 형상(configuration)을 갖는다. 예를 들면, O,L,C,Z,I,T,W,U,V 형태를 가진 구조 부재 및, 냉간 성형 공정에 의해 성형하기 쉬운 구조 부재가 본원에서 기술된다. 본 발명에 따라 제조된 C-형 단면 형상을 가진 구조 부재는 특히 트럭 섀시의 사이드 레일 등으로서 사용하기에 적합하다.

본원에서는, 구조 부재가 하나 이상의 플랜지를 포함하는 균일한 단면 형상으로 신장된다는 점에서 평판 블랭크와 구별된다. 상기 플랜지는, 단면 형상의 전체 외부 치수(즉, 구조 부재의 폭, 높이 또는 외부 직경) 보다 작은 두께를 가진 부재이다. 플랜지가 구조 부재에 대한 하중 지지 용량을 증대시킨다는 점에서 플랜지는 구조 부재를 평판 블랭크와 구별된다. 환언하면, 플랜지를 가진 구조 부재가 상기 구조 부재와 동일한 재료의 조성 및 특성을 가진 플랜지를 갖지 않은 부재보다 큰 하중 지지 용량을 갖는다. 상기 하중은, 구조 부재에 가해진 정면 하중(end-on load)에서는 축방향으로 받을 수 있고, 가로 하중(side load) 또는 모든 다른 형태의 하중에서는 횡방향으로 받을 수 있다. 플랜지는 잔여 구조 부재에 대해 연속 또는 불연속하여 일체로 성형된다. 불연속 플랜지의 예로는, I-형 빔의 중심부에 대해서 I-형 빔의 상부 및 하부 또는, L-형 트러스(truss)의 어느 한 레그(leg)에 대해서 상기 트러스의 다른 레그이다. 연속 플랜지의 일례로는 O-형 구조 부재의 단면 형상의 모든 코드(cord) 또는 부분이 있다. 하나 이상의 플랜지를 가진 구조 부재의 예로는, O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W 형의 구조 부재가 있다.

한 가지 실시 양태에서, 본 발명의 고 강도 강 구조 부재의 제조 방법은 페라이트 매트릭스 내에 미소(fine) 펄라이트의 미세 구조를 가진 고 강도 강 재료의 평판 블랭크를 제공하는 단계를 포함하는데, 인장 강도는 약 120,000 psi(827 MPa) 이상, 바람직하게는 약 150,000 psi(1034 MPa) 이상이고, 항복 강도는 약 90,000 psi(621 MPa) 이상, 바람직하게는 약 130,000 psi(896 MPa) 이상이다. 라멜라(lamellae)가 약 1000 X의 광학 배율로 분해할 수 없는 경우 펄라이트 성분은 일반적으로 "미소(fine)"인 것으로 간주된다. 한 가지 형태에서, 평판 블랭크로서 이용된 고 강도 강 재료는 미리 열간 압연(hot reducing)되고 냉간 압연되어, 위에서 기술한 인장 강도 및 항복 강도를 가진 기계적 특성을 제공한다.

평판 블랭크를 제조하는데 이용된 고 강도 강 재료는 다음과 같은 중량%의 조성을 갖는다:

탄소는 약 0.30 내지 약 0.65%이고;

망간은 약 0.30 내지 약 2.5%이며;

알루미늄, 니오브, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 성분은 약 0.35% 이하의 양이고;

철은 잔여량(balance)이다.

더욱 바람직한 형태에서, 고 강도 강철 재료는 다음과 같은 중량%의 조성을 갖는다:

탄소는 약 0.40 내지 약 0.55%이고;

망간은 약 0.30 내지 약 2.5%이며;

알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 성분은 약 0.20% 이하의 양이고;

철은 잔여량이다.

더욱 더 바람직한 형태에서, 고 강도 강철 재료는 다음과 같은 중량%의 조성을 갖는다:

탄소는 약 0.50 내지 약 0.55%이고;

망간은 약 1.20 내지 약 1.65%이며;

알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 성분은 약 0.03 내지 약 0.20%의 양이고;

철은 잔여량이다.

알루미늄, 니오븀(즉, 컬럼븀), 티탄 및 바나듐이 그레인 미세화제(grain refiner)로서 알려져 있을 수 있지만, 본 발명에서 이런 성분은 통상적인 그레인 미세화 적용에서와 같이 미소 그레인으로 강을 제조하는데 이용되지 않는다. 본 발명에서 이러한 성분은 미소 합금 성분으로 이용되어, 생성되는 냉간 성형 구조 부재의 강도 수준을 증진시키고/시키거나 유지시킨다. 더욱이, 본원에 기재되고 청구된 조성물은 본 발명을 실시하는데 영향을 주지 않는 다른 성분들을 포함할 수 있음을 이해하여야 한다.

이후에, 상술한 바와 같은 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 성질과 조성을 가진 평판 블랭크는, 주변 온도 또는 실온 내지 약 300℉ (150℃) 미만의 온도, 바람직하게는 대략 주변 온도에서 압연 등과 같은 기술을 이용하여 냉간 성형되어, 목적하는 기하학적 단면을 가진 부재를 제공하며, 이것에 의해, 상기 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성은 평판 블랭크와 실질적으로 동일하거나 이보다 더 크다. 성형된 부재는, 주어진 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성을 가지며, 바람직하게는 인성을 개선하도록 최종 응력 제거 단계와 같은 추가의 처리 단계없이 제조된다. 그러나, 상기 부재의 특정 기하학적 단면 및 적용을 위해서는 응력 제거 단계가 필요할 수 있다.

약 120,000 psi(827 MPa) 이상의 인장 강도 및 약 90,000 psi(621 MPa) 이상의 항복 강도를 가진 고 강도 강 재료의 평판 블랭크는 본 발명의 방법에서 출발 부품으로 이용되고, 당해 기술분야에서 공지된 모든 적합한 방법에 의해 제조된다. 이러한 방법 중 하나는 본 양수인에게 허여된 미국 특허 제3,904,445호에 기술되어 있고, 이의 전체 명세서는 본원에 참조문헌으로 인용된다.

도 3을 참조로 하면, 본 발명의 한가지 실시 양태에서, 고 강도 강 부재(14)를 성형하기 위한 평판 블랭크(12)를 제조하는데 이용되는 고 강도 강 재료의 코일(10a)이 도시되어 있다. 상기 코일(10a)의 강은 상술한 인장 강도 및 항복 강도 수준 뿐만 아니라 화학적 조성을 갖는다. 본 발명의 한 양태에 따르면, 코일(10a)은 대략 16 인치(40.6 cm)의 명시된 폭 W을 가진 코일 단면(16)을 제공하도록 미리 열간 압연시키고 냉간 감소시킨 다음, 자르거나(sliting) 절단하였다(도 4). 그 다음, 냉간 감소 동안, 코일 단면(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 냉간 감소를 위해 역회전(counter-rotating) 롤러(18,20) 등의 사이에서 처리된다. 그 후, 도 1에 도시된 바와 같이, 생성되는 감소된 코일 단면(10a)은 목적하는 폭 W로 절단되어 코일 단면(16)을 생성시킨다(도 4). 이후에, 코일 단면(16)은 압연되지 않고 길이 방향으로 절단되어, 도 5에 도시된 바와 같이, 평판 블랭크(12)를 제공한다.

또한, 평판 블랭크(12)가 고 강도의 강 재료의 코일(16)로부터 제작되는(originating) 것으로 한가지 실시 양태에서 도시되고 기술되었지만, 평판 블랭크(12)는 또한 박판, 후판 또는 다른 평면 부재 등과 같은 다른 형태로 제공될 수 있으며, 이런 부재 모두는 총칭하여 본원에서 평판 블랭크로 지칭된다.

이어서, 평판 블랭크(12)는 압연 또는 다른 적절한 냉간 성형 방법을 사용하여 바람직하게는 주변 온도 및 약 300℉ (150℃) 이하에서 냉간 성형시킴으로서 구조 부재(14)를 제조하며, 이의 예는 도 6 및 6A에 도시되어 있다. 바람직하게는, 고 강도 강 구조 부재(14)에 이용된 냉간 성형 공정은 브레이크 프레스(brake press)를 이용한 압연 또는 굽힘(bending)에 의해 이루어진다. 냉간 성형된 구조 부재(14)는, 한 실시 양태에서, 균일한 단면 형상을 가진 길이 L의 신장 부재인데, 상기 단면 형상은 플랜지(22)가 구조 부재(14)에 대한 하중 지지 용량을 증대할 정도로 단면 형상의 전체 외부 주변 치수 D 보다 작은 두께 T를 가진 하나 이상의 플랜지(22)를 포함한다. 예를 들면, 도 6A에 도시된 바와 같이, O-형의 단면 형상을 가진 구조 부재(14)는 O-형 구조 부재(14)의 측벽(sidewall)의 두께로 확인된 두께 T를 가진 플랜지(22)를 갖는다. 두께 T는 O-형 구조 부재의 전체 외부 주변 치수 D 보다 작다.

유사하게, 도 6에 도시된 바와 같이, C-형 구조 부재(14)는, 하나 이상의 플랜지가 하나 이상의 전체 외부 주변 치수 D 보다 작은 두께 T를 가진 중간 플랜지(22)에 의해 함께 결합된 상부 플랜지(22) 및 하부 플랜지(22)를 포함한다.

고 강도 강 부재(14)가 냉간 성형된 후, 상기 구조 부재의 숏 피닝(shot peening)은 이의 피로 수명(fatigue life)을 늘리는데 이용될 수 있다. 본 발명과 함께 이용될 수 있는 통상적인 숏 피닝 공정의 일례로는, MI-230-H의 간단한 명세(1993년 5월 SAE J444)가 0.016 내지 0.018A의 강도 (1995년 1월 SAE J442)로 사용된 구조 부재의 100% 유효 영역(coverage area)(1984년 1월 SAE J443)이 포함된다.

고 강도 강 구조 부재를 성형하기 위한 공지된 공정에 비해서 우수한 본 발명의 한 가지 중요한 이점으로는, 강을 가공 경화(work-harden) 또는 변형 경화(strain-harden)시켜 이의 기계적 특성을 유지시키고/시키거나 증진시키는 평판 블랭크에 대한 냉간 두께 감소 단계가 포함된다는 것이다. 또한, 고 강도 강 구조 부재가 바람직하게는 압연 성형되므로, 성형된 구조 부재의 후속 열처리, 교정(straightening) 및 재가공은 필요하지 않지만, 트럭 섀시의 사이드 레일에서 종종 이용된 종래의 공정에서는 필요하다.

다음의 실시예는 본 발명에 따라 고 강도의 평판 강 블랭크로부터 구조 부재를 제조하는 본 발명의 실시를 나타낸 것이다.

고 강도 강 6150 합금은 다음과 같은 중량의 조성을 갖는다:

탄소 0.50%

망간 0.83%

인 0.009%

황 0.009%

규소 0.25%

크롬 0.90%

니켈 0.05%

몰리브덴 0.02%

바나듐 0.20%

철 잔여량.

상술한 화학적 조성의 평판 블랭크는 0.230 인치(0.6 cm)의 두께, 10.75 인치(27.3 cm)의 폭 및 13 인치(33.0 cm)의 길이를 가진 평 박판(flat sheet)으로부터 제조되었고, 상기 평 박판은 H.R. 어닐링되고 냉간 압연되었다.

이후에, 상술한 바와 같은 평판 블랭크는 1/4 인치(두께) × 2 인치(상부의 길이) × 4 인치(높이) × 2 인치(하부의 길이)(0.635 cm × 5.1 cm × 10.2 cm × 5.1 cm)의 형상을 가진 고 강도의 C-형 강 부재로 냉간 압연하였다. 이어서, 고 강도의 구조 부재를 두 위치에서 각각의 종방향 및 횡방향으로 시험하였다. 길이 방향 시험의 결과로, 궁극적인 인장 강도는 각 위치에서 119,000 psi(820 MPa) 및 118,000 psi(814 MPa)로 되었고, 항복 강도는 0.2% 오프셋(offset)에서 108,000 psi(745 MPa) 및 109,000 psi(752 MPa)를 나타냈다. 횡 시험편(specimen) 방향 시험으로는, 궁극적인 인장 강도가 각각의 위치에서 118,000 psi(814 MPa)로 나타났고, 항복 강도는 0.2% 오프셋에서 92,000 psi(634 MPa) 및 100,000 psi(689 MPa)를 나타냈다. 상술한 강도 수준은 평판 블랭크의 강도 수준과 동일하였다. 인장 시험은 ASTM-E8-98에 따라 실행되었다. 도 6에 도시된 C-형 구조 부재의 플랜지를 결합한 코너 또는 반경도 두 위치에서 시험되어, 궁극적으로 인장 강도가 123,000 psi(848 MPa) 및 122,000 psi(841 MPa)로 되었다. 0.2% 오프셋에서의 항복 강도는 각각의 시험 위치에서 101,000 psi(696 MPa) 및 108,000 psi(745 MPa)로 시험되었다.

고 강도 강 부재의 미세 구조는 ASTM-E3-95에 따라 평가되었고, 상기 부재의 단면은 미세 구조를 나타내도록 Nital/Picral로 설치(mount)되고, 연마되며, 에칭되었다. 100-1,000 X 배율로의 검사로, 무작위로 분포된 미소 카빈(carbine)을 가진 펄라이트 및 페라이트 구조가 나타났다. ASTM-E45-87 마다 개재물 함량 검사(inclusion content examination)는 또한 샘플이 설치되고 1.0 미크론 다듬질(finish)로 연마되었고, 100 X 배율로 평가된 방법 A (최악 필드 레이팅(worst field rating)) 하에 수행되었다. 이런 검사로, 타입 A 개재물은 얇은 부분(thin)이 2 ½이고, 무거운 부분(heavy)은 1이며, 타입 D 개재물은 얇은 부분은 2 이고, 무거운 부분은 1 ½로 나타났다. 타입 B 및 타입 C 개재물은 시료에서 확인되지 않았다.

다듬질된 C-형 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도의 기계적 특성은 평판 블랭크가 원래 지닌 것 보다 크거나 적어도 동일하여, 추가의 보강 처리 단계는 필요하지 않았다. 다듬질된 부재는 또한, 강도를 증진시킬 추가의 처리 단계의 필요성을 일반적으로 제거할 수 있는 강철 재료가 원래 지닌 연성의 목적하는 기계적 특성을 충분히 지니고 있다. 그러나, 이런 구조 부재의 특정 용도를 위해서는 숏 피닝 또는 응력 제거 단계가 필요할 수 있다.

열처리 공정(즉, 오스테나이트 처리, 퀀칭 및 템퍼링에 의한 경화 처리)을 이용하는 종래의 방법과 비교하면, 특히, 열처리가 냉간 성형 후에 구조 부재의 목적하는 고 강도의 기계적 특성을 생성시키는데 이용되는 경우, 본 발명에 따라 제조되는 다듬질된 구조 부재는 더욱 정밀한 기계적 특성을 보다 더 일관성있게 가질 수 있다. 따라서, 본 발명은 고 강도 수준 및 더욱 정밀한 기계적 특성을 갖는 구조 부재를 일관성 있게 제조할 수 있다.

본 발명의 영역은 본원에 제공된 실시예로 제한되지 않고, 첨부한 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (20)

118,000 psi(814 MPa) 이상의 인장 강도 및 90,000 psi(621 MPa) 이상의 항복 강도를 가진 고 강도 강 재료의 평판 블랭크(flat-rolled blank)를 제공하는 단계;

상기 평판 블랭크의 두께를 감축시킴으로써 상기 강 재료를 가공 경화시키거나 변형 경화시키는 단계; 및

이러한 평판 가공 경화 또는 변형 가공된 블랭크를 전체 길이를 따라 균일한 단면 형상을 갖는 구조 부재로 냉간 성형하는 단계를 포함하여, 균일한 특정 단면 형상을 가진 고 강도 강 구조 부재를 제조하는 방법으로서,

여기서, 상기 단면 형상은 이러한 단면 형상의 전체 외부 주변 치수 보다 작은 두께를 가진 하나 이상의 플랜지를 가지며, 상기 플랜지는 상기 구조 부재에 대한 하중 지지 용량을 증진시킴으로써, 상기 구조 부재의 인장 강도 및 항복 강도(yield strength)의 기계적 특성이 상기 블랭크와 동일하거나 이 보다 더 큰 고 강도 강 구조 부재의 제조방법.

제1항에 있어서,

상기 평판 블랭크가 페라이트-펄라이트 미세 구조를 가지며, 또한 하기와 같은 중량%의 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

탄소 0.30 내지 0.65%;

망간 0.3 내지 2.5%;

알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 첨가제 0.35% 이하; 및

철 잔여량(iron balance).

제2항에 있어서,

상기 고 강도 강 재료가 하기와 같은 중량%의 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

탄소 0.40 내지 0.55%;

망간 0.30 내지 2.5%;

알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 첨가제 0.20% 이하; 및

철 잔여량.

제3항에 있어서,

상기 고 강도 강 재료가 하기와 같은 중량%의 성분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:

탄소 0.50 내지 0.55%;

망간 1.20 내지 1.65%;

알루미늄, 니오븀, 티탄, 바나듐 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터의 하나 이상의 미세 합금 첨가제 0.3 내지 0.20%; 및

철 잔여량.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 고 강도 강 재료의 평판 블랭크가 150,000 psi(1034 MPa) 이상의 인장 강도 및 130,000 psi(896 MPa) 이상의 항복 강도(yield strength)를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 평판 블랭크를 냉간 성형하기 전에 지정된 폭 또는 길이로 절단하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 평판 블랭크가 코일로부터 제작되는 것을 특징으로 하는 방법.

제7항에 있어서,

고 강도의 강 블랭크 재료의 코일을 냉간 성형하기 전에 평면 형상으로 디코일링(decoiling)하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 평판 블랭크가 미리 열간 압연되는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 감축은 상기 평판 블랭크의 두께의 10% 내지 15%로 행해지는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 냉간 성형이 주변 온도와 300℉ (150℃) 미만 사이의 온도에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 구조 부재를 숏 피닝(shot peening)하여 상기 구조 부재의 피로 수명을 연장하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

하나 이상의 상기 평판 블랭크 및 냉간 성형된 구조 부재내에 구멍을 형성하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 냉간 성형 단계가 냉간 압연 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 단면 형상이 O, L, C, Z, I, T, U, V 및 W 형으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.

제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 구조 부재가 냉간 성형 후에 열처리되지 않는 것을 특징으로 하는 방법.

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