KR100901746B1 - 초고강도 하이드로포밍 강관 제조 방법 - Google Patents

Abstract

초고강도 60kg급 하이드로포밍 강관을 제조하기 위하여 화학성분조성(wt%)이 C : 0.06 ~ 0.08 중량%(이하 모두 동일), Si : 0.05 ~ 0.07%, Mn : 2.20 ~ 2.45%, P, S : 각각 0.02% 이하를 기본으로 하고, 여기에 외에 기타 원소를 포함한 극저 탄소 열연 강판 코일을 800 ~ 900℃ 온도에서 일정시간 열처리 이후에, Ms온도(마르텐사이트 변태개시온도)까지 급냉하여 성형성에 유리한 조직(페라이트), 강도에 유리한 조직(마르텐사이트)가 혼합된 고장력강을 이용하여, 저주파 저항 용접 방식을 적용하여, 초기 스켈프에서 반원까지의 성형을 위해 4단으로 구성된 브레익다운 롤 중 첫번째 브레익다운 롤을 초기 스켈프 가장 자리의 성형을 최소화(edge bending type)하고, 이후에 정밀 성형 및 가공 경화 발생을 최소화를 위한 성형 공법(circular bending type)을 동시에 적용하여 가공경화를 최소화한 초고강도 하이드로포밍 강관 제조 방법이다.

Description

초고강도 하이드로포밍 강관 제조 방법{Process for Manufacturing Ultra High Strength Hydroforming Steel Pipe and Tube}

도 1은 종래의 자동차 아반떼에 적용되고 있는 프레스(평면방식)공법으로 제작된 엔진 지지대라고 부르는 서브프레임(sub-frame)의 사진.

도 2는 본 발명상의 하이드로포밍(입체방식)공법으로 제작완성된 아반떼의 엔진 지지대(서브프레임)의 사진.

도 3은 도 2의 엔진 지지대을 제조하기 위한 상기 하이드로포밍 강관을 예비 성형(pre-forming)한 상태를 나타낸 사진.

도 4는 본 발명상의 자동차 아반떼용 엔진 지지대를 하이드로포밍(hydro-forming)용으로 성형해석하여 최종 디자인된 성형된 엔진 지지대의 완제품의 정면을 나타낸 사진.

도 5는 조관장치에 있어 본 발명상의 가장자리 만곡용 브레익다운 롤(edge bending type)의 단면과 초기 강관 성형 롤플라워 해석도이다.

도 5의 (가)(나)는 가장자리 만곡 브레익다운 롤의 단면과 초기강관 성형롤 플라워 설명도를 각각 나타낸다.

도 6은 본 발명상의 정밀성형을 위한 브레익다운 롤(circular bending type) 의 단면 초기 이후 강관 성형 롤 플라워 해석도로서,

도6 (가)(나)는 환형 만곡 브레익다운 롤의 단면과 초기 이후의 강관 성형롤 플라워 설명도를 각각 나타낸 것이다.

도 7 (가)(나)는 저주파 용접기로 용접한 본 발명상의 강관(DP590)의 모재부와 용접부의 조직을 각각 광학현미경으로 나타낸 것이다.

발명은 프레스(press) 공법(평면방식)으로 하이드로포밍에 의한 스틸파이프 및 튜브(이하 "강관"이라 함)의 가공기술과 함께 인장강도 60kg 이상, 전체 연신율 19%이상되는 DP590이라는 소재를 이용함으로써 초고강도 하이드로포밍 강관을 제조하기 위한 초고강도 하이드로포밍강관의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 보다 구체적으로는 중량 wt%로, C : 0.06 ~ 0.08% , Si : 0.05 ~ 0.07%, Mn : 2.20 ~ 2.45%, P, S : 각각 0.02% 이하을 기본 성분으로 하고, 극저 탄소 열연 강판 코일을 800 ~ 900℃ 온도에서 일정시간 가열 이후에, Ms온도까지 급냉(수냉)하여 고강도 조직(마르텐사이트)과 극저탄소강 조직(페라이트 조직)의 고강도와 성형성 특징이 혼합된 2상강(dual phase) 열간 압연 강판으로 제조된 강관이다.

특히 열연 강판의 고강도 및 성형성 특성을 이용하여 우수한 기계적 물성 및 강관 품질을 확보하기 위해 본 발명은 고강도 하이드로포밍 전용 강관 롤을 이용하여 가공 경화를 최소화시킨 저주파 전기 저항 용접 방식에 의해 제조된 하이드로포밍용 강관에 관한 것이다.

최근, 세계적인 추세에 따라 하이드로포밍 공법은 1990년대 들어서 해외 자동차 부품 산업에 이용되면서 급속히 발전하기 시작하였다. 또한 자동차에 대한 소비자의 요구는 승객 및 화물의 운송이라는 기본적인 기능외에 외관, 주행성능, 승차감, 연비 및 환경 친화성등 다양한 면으로 확대되고 있다.

이에 대응하여 미국, 유럽, 일본등의 선진 자동차 업계에서 차체의 부품수 절감, 공정 단순화, 소재 수율 증가, 용접 점수 감소 및 경량화측면에서 경쟁력 확보를 위하여 강관을 이용한 하이드로포밍이라는 신기술 공법에 대한 연구가 많이 이루어져오고 있으며 이 같은 추세는 앞으로 국내 자동차 업계에도 본격적으로 확대 적용될 전망이다.

하이드로포밍 전용 강관에서 요구되는 중요한 특성의 하나는 스틸파이프 또는 튜브로 되는 강관의 재료가 강관가공시 외력에 의한 변형에 견딜 수 있는 일정 수준의 연신율과 자동차 부품 내구성 및 충돌안전성능을 만족할수 있는 고강도 소재여야 한다는 점이다.

하이드로포밍용 전용 강관에서 요구되는 중요한 성질은 하이드로포밍용 강관이 하이드로포밍 성형시 강관 내부에 작용하는 액압을 이용해 원하는 형상의 부품 을 성형할 때 발생되는 강관의 변형에 견딜 수 있는 일정 수준의 연신율과 자동차 부품 내구성 및 충돌안전성능을 만족할수 있는 고강도 소재여야 한다는 점이다.

따라서, 초고강도 열간 압연 강판 소재를 이용하여 하이드로포밍 가공에 적합하며 성능대비 가격적 경쟁력이 있는 강관이 필연적으로 요구되어 왔다. 그러나 국내·외에서 사용되고 있는 열연강관중 조관후 2차 가공 처리(열처리 및 인발후 열처리)를 하지 않은 상태에서 인장강도 60㎏급 초고강도를 확보한 소재는 전무한 실정이며 조관후 2차 가공처리를 하지 않을 수 없는 종래의 방법들 때문에 이로 인한 소재용 강관의 확보의 어려움과 원가 상승이라는 문제점을 피할 수 없었다.

이에 본 발명은 최적의 소재용 강판의 선정과 강관 제조 공정에서의 가공 경화 최소화를 위한 고유 기술 적용으로 초고강도 60kg급 하이드로포밍용 전용 강관을 제조하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 초고강도 강관을 제조하기 위하여 강관 재료의 화학성분조성 성분중량이하 모두(wt%) C : 0.06 ~ 0.08%, Si : 0.05 ~ 0.07%, Mn : 2.20 ~ 2.45%, P, S : 각각 0.02% 이하를 기본조성으로하고, 필요에 따라 Al : 0.04 ~ 0.09%를 첨가하여, 잔부 Fe 및 기타 화학성분을 포함한 극저 탄소 열연 강판 코일을 800 ~ 900℃ 온도에서 일정시간 열처리 이후에, Ms온도(마르텐사이트 변태개시온도)까지 급냉하여 제조하는 것을 특징으로하는 초고강도 하이드로 포밍 강관에 관한 것이다.

본 발명은 상기 열간 압연 강판을 가공경화를 최소화하기위해 초고강도 하이 드로포밍 전용롤로 압연가공하되 성형성을 확보하기 위해 저주파 전기 저항 용접 방식을 채택하여 제조하는데에도 특징이 있다.

여기에서 C : 0.06 ~ 0.08%은 강관의 강도를 증가시키는 원소이다. 소정강도를 얻기위해 0.06%이상되어야 한다. 다만, 0.08%를 초과하게 될 경우 성형성이 우수한 폐라이트조직을 얻기 어렵다. 또한 탄소(C)는 강도에 매우 예민한 화학성분이고, C에 따라 폐라이트조직의 형성에 매우 민감한 결과를 초래하므로 본 발명은 C에 의한 심한 조직변화를 피하기 위하여 좁은 범위로 관리한 것에 특징이 있다. 즉, 본 발명은 C의 양을 극저(0.08%이하)로 함으로써 성형성이 우수한 조직 페라이트 조직을 얻을 수 있다.

본 발명은 또한 Mn을 2.20~2.45% 첨가하여 FeS의 형성을 억제하고 페라이트를 미세(조직 미세화 강화 기구)하게 만든다. 또한 종래와 달리 탄소조직을 급냉하여 마르텐사이트 조직으로 만듬으로써 마르텐사이트의 특징인 고강도를 얻고, 아울러 페라이트 특징인 성형성도 확보한다. 연신율을 향상시키는 경우 CT(coiling temperature) 온도를 650 ~ 660℃로 조절하여 고연신율에 필요한 조직의 균일성 확보 C함량을 0.06∼0.08%로 하고 Mn 함량을 2.20 ~ 2.45%로 관리하는 것이 요지이다. 이는 Mn : 2.20 ~ 2.45% 첨가함으로써 조직을 취약하게 만드는 FeS 형성을 억제하고 오스테나이트 영역을 안정화를 기하며 및 페라이트(ferrite)를 미세하게 만들어 인장강도를 향상시키기 위함이다. Mn은 C를 Fe원소에 고용촉진시키고, 고용된 C는 열처리후에 페라이트 입계주위에 마르텐사이트로 변화하여 초고강도 성질을 띠게 한다. 그러나, 탄소(C)함유량이 극저에 가까운 범위로, 또한 좁은 범위로 관리 되므로, 본 발명에서는 소정의 강도를 얻기 위해 탄소(C)보다 폐라이트조직에 미치는 영향이 적은 Mn을 상기 범위로 증가시키되 좁은 범위로 관리함으로써 오스테나이트영역의 안정화를 도모하였다.

상기 P는 열간 압연 강판 제조시 중심 편석의 형성등으로 재질 열화를 일으키고 S는 MnS로 작용하여 강의 가공성을 저하시키므로 0.02%이하로 가능한 한 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 전술한 바와 같이 제품의 강도와 성형성을 동시에 추구하는 가운데, 특히 강도를 높이기 위하여 Al을 첨가하는 경우가 있다. Al은 강중의 결함을 극소화하기 위하여, 또한 강중의 N을 제거하기 위하여 첨가한다.

즉, Al은 탈산을 위하여 주로 사용되는 원소로서, 페라이트 형성을 도우므로 가공성 향상 측면에 유리하다. 탈산의 경우 Al량이 0.04%이상 되어야 강중 산소가 충분히 제거되고 또한 열간 압연중 AIN의 형성으로 조직의 미세화에도 기여하게 된다. 그러나 Al량이 0.09% 초과하여 첨가되면 저주파 용접으로 강관 조관시 용접중 산화물의 형성으로 개재물(penetrator)이라는 용접부 결함을 생성시키기 쉬우므로 본 발명재에서는 Al량을 0.04∼0.09%로 설정한다.

본 발명의 강재는 특히 초고강도 및 적정 연신율을 가지기 위하여 800 ~ 900℃ 온도에서 일정시간 열처리 이후에 급냉하여 초고강도 60kg급 하이드로포밍 전용 강관을 제조 기술을 확보하게 된 것이다.

상술한 바와 같이 엄격히 제어된 코일 온도에서 열처리한 강재의 기계적 물성은 균일하다. 표 2에서와 같이 본 발명 성형품의 모재부는 그 인장강도가 대략 60 ~ 63kg , 총연신율이 대략 24 ~ 26%의 분포를 보임을 알 수 있다. 이는 페라이트의 미세립효과와 입계주위의 마르텐사이트을 적절히 분산시킨 DP(Dual Phase)효과 때문이다.

이와 같이 본 발명에서는 가공성 확보에 유리한 조직(페라이트)과 강도에 유리한 조직(마르텐사이트)이 혼합된 고장력강을 이용하여, 저주파 저항 용접 방식을 적용하고, 초기 스켈프에서 반원까지의 성형을 위해 4단으로 구성된 브레익다운 롤(break-down roll)중 첫번째 브레익다운 롤을 초기 스켈프 가장 자리의 성형을 최소화(edge bending type)하고, 이후에 정밀 성형 및 가공 경화 발생을 최소화를 위한 성형 공법(circular bending type)을 동시에 적용하였다.

또한 강관 용접 품질 및 외관 품질을 확보하기 위하여 조관 속도를 기존 60~80MPM을 25~40MPM으로 현저히 감속하여 실시함으로써 가공경화 발생에 따른 용접불량, 균열발생등을 최소화하고 특히 스켈프 양 가장자리를 가압하여 압착시키는 스퀴즈롤의 갭(gap)을 일정범위로 제어함으로써 가공경화를 최소화함으로써 우수한 품질의 초고강도 하이드로포밍 강관을 제조할 수 있게 하였다.

< 실시예 >

이하에서 본 발명을 일실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다.

도 1은 종래의 자동차 아반떼에 프레스공법 평면방식으로 적용한 서브프레임의 사진을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명상의 하이드로포밍(입체방식)공법으로 제작한 서브프레임 사진을 나타낸 것이다.

도 1의 경우에는 평면방식 프레임 공법이므로 여러 부재로 나누어 프레스 성형 가공한 것으로 되어있지만, 도 2의 경우에는 입체방식프레임 공법으로 단 하나의 부재로 프레스 성형 가능한 것으로 된 점에 기본적인 차이가 있다.

도 3과 같이 상기 도 2의 입체방식 프레임공법적용시 가공경화를 최소화하기 위하여 예비성형하고, 도 4에서와 같이 최종완성품으로 성형한다.

본 발명상의 상기 최종완성품을 제조하기 위하여 먼저 표 1에서와 같이 종래의 강관 소재와 본 발명상의 강관소재의 화학성분조성으로 된 것을 채취하여 프레스가공하고, 다음 본 발명재와 종래의 비교재를 샘플링하여 표 2에서와 같이 시편을 채취하고 모재부와 용접부로 나누어 완성품의 그 기계적성질을 비교하여 보았다. 그 결과 표 1에서와 같이 본원 발명재와 비교재의 기계적성질을 현저한 차이를 보였다.(본원 발명재의 경우 60kg급 하이드로포밍재인데 비해 비교재의 경우 그렇지 못함을 알 수 있다.)

표 1은 본 발명상의 일실시예로서의 사용 강재의 화학성분 조성을 나타낸 것이다.

상기 표1에 나타낸 바와 같이, 비교재의 경우 열처리전의 강관에 대해서는 고강도의 확보가 어렵고 열처리후의 강관에서는 적정 연신율의 확보가 어려움을 보 여주고 있다.

발명품에서는 열처리전의 강관에서 고강도와 하이드로포밍 성형성에 적정한 연신율의 확보가 가능함을 알 수 있다.

화학 성분이 표 1, 기계적 성질이 표 2와 같은 본 발명제품의 열영향부(HAZ) 조직변형을 최소화하기 위하여 250kHz 이하의 저주파 전기저항 용접방식을 사용하여 균일한(homogenous) 조직(그림 3)을 형성하고 있다.

특히 하이드로포밍에 사용하는 소재가 강관이기 때문에 강관을 제조하는 과정에서 재료는 원주 방향과 길이 방향으로 연신되어 가공경화 된다. 이들 연신율과 가공경화량은 롤 포밍에서의 롤의 배치, 형상 등의 공정변수에 따라 달라진다.

따라서 강관의 롤 포밍 성형과정에서 원주 방향의 균일 연신율 확보 및 가공경화 최소화를 위하여 초기 스켈프(skelp)에서 반원까지의 성형을 위해 4단으로 구성되어 있는 브레익다운 롤(break down roll)은 종래의 가장자리부 만곡용 브레익다운 롤(edge bending break down roll) (그림 1)과 환상의 만곡용 브레익다운 롤(circular bending break down roll) B로 최적의 성형 롤 플라워(roll flower) 형성을 위하여 도 6에서와 같이 스켈프(skelp) 양 가장자리를 정밀 성형화하고 가공경화를 최소화 하기 위해 환상의 만곡성형(circular bending)공법을 동시에 적용하였다. 용접부에서 버클링(buckling)(마주침 조건 불량)이 발생하지 않도록 하였고 기존 조관 속도 60∼70MPM을 30MPM으로 감속하여 작업을 실시하였다.

또한 용접부 입열량을 최소화하여 균질한 조직을 만들게 되며 용접부에서 버클링(마주침 조건 불량)이 발생하지 않도록 하였고 기존 조관 속도 60∼70MPM을 30MPM으로 감속하여 작업을 하였다. 스켈프의 양 가장자리부(edge)를 가압하여 압착시키는 스퀴즈롤간의 간격(gap)을 수정 또는 조정하여 적용함으로써 강관 모재부의 성형성을 최대한 확보하였다.

본 발명상의 롤 가공성형(roll forming)시 가장자리부 만곡성형(edge bending)과 환형만곡성형(circular bending)을 동시에 같이 하지 않으면 강관 성형시 강관 가공성형시 가공경화가 심하게 되고, 성형불량이 되기 쉽다. 또한 종래의 고중주파 용접기를 사용하게 되면 열열향부가 불균일하게 되고 용접열경화의 정도가 크게 된다. 특히 스퀴즈롤의 적절한 갭조정이 이루어지지 못하면 용접부 주위에 가공경화가 심하게 나타났다.

상기 스퀴즈롤의 갭조정을 폭 65.0mm, 두께 1.8t 인 경우와 같이 통상의 강재(스켈프)를 조관 가공하였을 경우, 통상 스퀴즈롤이 2개의 사이드롤과 1개의 상부 롤등 3개 롤로 구성되어 있는 조관장치에서 종래 사이드 롤과 사이드 롤 간격을 종래의 3 ~ 5mm이고, 사이드롤과 상부롤의 간격이 종래 1.5 ~ 3.0 mm 이던 것을 본 발명에 따라 롤 간격을 1.5 ~ 2.0mm, 사이드롤과 상부롤의 간격을 0.6~0.8mm으로 작업공정을 설계함으로써, 상기 롤에 의해 발생되는 표면흠이나 외관품질이 우수한 강관을 제조할 수 있었다. 이는 상기와 같이 갭조정을 엄격히 하였을 때 축관시 과도한 압력이 걸리지 않고 정밀 성형가공 및 정밀 용접을 할 수가 있었다.

종래의 라인 스피드 및 종래의 강재의 조성으로 본 발명상의 상기 스퀴즈롤간의 갭조정 및 용접조건을 적용하였을 때 무리한 용접이되고 용접심부 압축가공으로 무리한 응력을 받아 용접 심부의 균열 및 용접이 완료되지 않은 등의 문제가 발생 하였다.

상술한 바와 같이하여 얻어진 본 발명상의 최종완성제품의 현미경사진을 도 7에 나타내었다. 여기에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명 하이드로포밍강관으로 제조된 제품의 현미경 금속조직사진에서와 같이, 폐라이트 조직이 적절히 발달되고, 마르덴사이트 조직이 균일하게 분포되어 있어 성형성이 우수한 조직임을 알 수 있었다.

또한 도 7의(나)에서와 같이 모재부와 용접부의 경계부가 잘 접착되어있어 용접상태가 매우 양호한 것을 알 수 있었다.

본 발명으로 범용소재로 된 강판의 선정과 강관 제조공정에서의 가공경화가 최소화 가능한 고유기술적용으로 초고강도 60kg급 하이드로포밍용 전용강관을 제조 가능하게 되었다.

Claims (2)

1. 초고강도 60kg급 하이드로포밍 강관을 제조하기 위하여 화학성분(wt%)이 C : 0.06 ~ 0.08 , Si : 0.05 ~ 0.07, Mn : 2.20 ~ 2.45 , P 및 S : 0.02 이하, 필요에 따라 Al : 0.04 ~ 0.09%를 첨가한 극저 탄소 열연 강판 코일을 800 ~ 900℃ 온도에서 일정시간 열처리한 이후에, Ms온도(마르텐사이트 변태개시온도)까지 급냉하여 성형성에 유리한 페라이트조직과 강도에 유리한 마르텐사이트조직이 혼합된 고장력강을 이용하여, 저주파 저항 용접 방식을 적용하고, 초기 스켈프에서 반원까지의 성형을 위해 4단으로 구성된 조관장치의 브레익다운 롤 중 첫번째 브레익다운 롤을 이용하여 초기 스켈프 가장 자리의 성형을 최소화(edge bending type)하며, 이후에 정밀 성형 및 가공 경화 발생의 최소화를 위한 환형 만곡 성형 공법을 동시에 적용하는 것을 특징으로 하는 초고강도 하이드로포밍 강관 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 강관 용접 품질 및 외관 품질을 확보하기 위하여 조관 속도를 기존 60~80MPM을 25~40MPM으로 감속하여 실시하고, 스켈프 양 가장자리를 가압하여 압착시키는 스퀴즈롤에서의 롤 간격을 1.5 ~ 2.0mm, 사이드롤과 상부롤의 간격을 0.6~0.8mm으로 조정하여 강관 일정범위로 제어함으로써 가공경화를 최소화한 초고강도 하이드로포밍 강관 제조 방법.

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