KR101333307B1

KR101333307B1 - 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관

Info

Publication number: KR101333307B1
Application number: KR1020117017340A
Authority: KR
Inventors: 신야 사카모토; 다쿠야 하라; 요시오 데라다; 다카후미 세바야시; 이쓰로우 히로시게
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2013-11-27
Also published as: EP2412839A4; WO2010110490A1; US20120000567A1; BRPI1012275A2; CN102365380B; CA2755760A1; KR20110098002A; JPWO2010110490A1; CA2755760C; JP4740397B2; EP2412839A1; CN102365380A; EP2412839B1; US9757780B2

Abstract

구상화 처리를 실시하지 않고 복잡 형상으로의 가공이 가능하고,　침탄 처리를 실시하지 않고,　냉간 가공 및 담금질 후의 피로 특성을 높이는 것이 가능한, 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관을 제공함으로써,　그 전봉 강관은 질량%로,　C: 0.15 내지 0.55%,　Si: 0.01 내지 0.30%,　Mn: 0.5 내지 1.5%,　Ca: 0.0010 내지 0.0030%,　S: 0.0005 내지 0.0050%,　O: 0.0005 내지 0.0050%를 함유하고,　Ca,　O 및 S의 함유량이,　0.10≤[Ca] (1-124[O])/1.25[S]≤2.50을 만족하고,　모재 및 전봉 용접부에 존재하는 Ca계 개재물의 평균 입자 지름이 1.0 내지 10㎛,　밀도가 3 내지 300개/㎟이며,　또한 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차 △Hv가 100 내지 500을 만족하는 것을 특징으로 한다.

Description

가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관 {ELECTRIC RESISTANCE WELDED STEEL PIPE HAVING EXCELLENT WORKABILITY AND EXCELLENT POST-QUENCHING FATIGUE PROPERTIES}

본 발명은 자동차용 부품,　기계 구조용 부품 등의 소재에 매우 적합한 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관에 관한 것이다.

최근, 자동차 및 기계 구조 등의 성능 향상에 따라 피로 특성이 한층 높거나 부품의 형상이 복잡하게 되어 강재에 대한 가공성 향상이 강하게 요구되고 있다. 자동차용 부품이나 기계 구조용 부품　등의 소재로서 사용되는 강관은 냉간 가공 후, 절삭되어 최종 부품 형상으로 되고, 그런 다음 담금질에 의해 강도가 조정된다. 담금질 후의 자동차 부품,　기계 구조용 부품에는 강도와 피로 특성이 요구된다.

담금질에 의하여 강관의 강도를 높이려면 소재인 강관의 C 함유량을 높게 할 필요가 있다. 그러나, 고탄소강은 가공성이 떨어지기 때문에, 구상화 열처리에 의하여 강도를 저하시키는 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 내지 4 참조).

한편,　피로 특성의 향상에는 일반적으로 경도나 강도를 높이는 것과, 압축 잔류 응력을 부여하는 것이 효과적이다. 지금까지　침탄 담금질을 이용하여 표층부의 경도나 강도를 높임으로써　피로 특성을 향상시키는 방법(특허 문헌 5 참조)이 제안되어 있다.

그러나, 최근 저비용화나 제조 효율의 관점에서, 구상화 열처리를 생략하여도 복잡한 형상으로 가공할 수 있는 가공성이 우수한 전봉 강관이 요구되고 있다. 또한, 침탄 처리 등을 실시하지 않고 담금질 후의 부품의 피로 특성을 높이는 것도 요구되고 있다.

또한, 가공성이 요구되는 용도에 적용되는 전봉 강관에서는 특히 MnS의 형태를 제어하기 위하여 Ca을 첨가하고, 또한, 모재와 용접부의 재질을 균질하게 하기 위해, 전봉 용접으로 조관한 후, 소준(燒準)(Ac3 변태점 이상으로 가열하고 공랭한다) 등의 열처리를 하였다.

그러나, 본 발명자 등의 검토에 따르면, 저비용화나 제조 효율의 관점에서, 조관 후의 열처리를 생략하였을 경우에는, 가공성이 열화되는 문제가 있어서, Ca을 첨가한 강에 있어서, 조관 후의 열처리를 생략한 경우에도 가공성이 손상되지 않을 것도 요구된다.

일본 공개 특허 공보 평11-269552호 일본 공개 특허 공보 평11-269553호 일본 공개 특허 공보　2006-9141호 일본 공개 특허 공보　2007-246956호 일본 공개 특허 공보 평5-117806호 공보

본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여 이루어진 것으로, 구상화 처리를 실시하지 않고 복잡한 형상으로의 가공이 가능하고, 침탄 처리를 하지 않고서도, 냉간 가공 및 담금질 후의 피로 특성을 높이는 것도 가능하며, 또한 조관 후의 열처리를 생략하더라도 가공성이 손상되지 않는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관을 제공하는 것이다.

본 발명은 냉간 단조 등의 가공시의 균열 및 피로 시험에서의 균열의 기점이 되는 개재물의 영향에 대하여 검토하였다.

그 결과, 전봉 강관의 모재 및 용접부에 존재하는 산화물 및 황화물 등의 칼슘(Ca)계 개재물의 형태를 제어함으로써 조관 후의 열처리도 생략하여도 가공성이 확보되고, 또한 담금질 후의 피로 특성을 높인 전봉 강관이 얻어지는 것을 밝혀내었다.

이와 같이 하여 이루어진 본 발명의 요지는 다음과 같다.

(1) 질량%로, C: 0.15 ~ 0.55%,　Si: 0.01 ~ 0.30%,　Mn: 0.5 ~ 1.5%,　Ca: 0.0010 ~ 0.0030%,　S: 0.0005 ~ 0.0050%,　O: 0.0005 ~ 0.0050%를 함유하고,　P: 0.020% 이하,　N: 0.0050% 이하,　Al: 0.050% 이하로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, Ca, O 및 S의 함유량이　

0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50

을 만족하고, 모재 및 전봉 용접부에 존재하는 Ca계 개재물의 평균립경이 1.O ~ 10㎛, 밀도가 3 ~ 300개/㎟이며, 또한 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차 △Hv가 100≤△Hv≤500

을 만족하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.

(2) 또한, 질량%로, Mo: 0.25% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.

(3) 또한, 질량%로,　Ti: 0.030% 이하,　B: 0.0050% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.

(4) 또한, 질량%로, Ni: 1.00% 이하,　Cu: 1.00% 이하,　Cr: 1.50% 이하, Mo: 0.05% 미만,　Nb: 0.050% 이하,　V: 0.040% 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.

(5) 모재의 두께가 4 ~ 12mm인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.

본 발명에 의하면, 조관 후에 열처리를 생략하여도 우수한 가공성을 가지고 또한, 담금질 후의 강도 및 피로 특성도 우수한 전봉 강관을 얻을 수 있고, 고강도이고 피로 특성이 우수한 복잡한 형상의 자동차 부품이나 기계 구조용 부품 등의 제공이 가능하게 되어 산업상의 공헌이 극히 현저하다.

본 발명자들은 C 함유량이 많은 전봉 강관을 냉간 가공할 때의 균열이나, 담금질 후의 부품의 피로 균열의 기점이 강관의 모재 및 용접부에 존재하는 산화칼슘(CaO), 황화칼슘(CaS) 등 칼슘계 개재물(Ca계 개재물)인 것을 밝혀내었다. 본 발명자들은 더욱 검토를 진행시켜 Ca, O 및 S의 함유량을 제어함으로써, 칼슘계 개재물을 미세화하여, 전봉 강관의 가공성 및 담금질 후의 피로 특성을 향상시키는 것에 성공하였다.

이하, 본 발명의 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명에서는 화학 성분, 칼슘(Ca)계 산화물 및 황화물의 형태, 밀도를 특정 조건으로 한정하고 있다. 먼저, 강관 모재에 사용하는 강의 화학 성분에 대하여 설명한다. 함유량의 %는 질량%이다.

C: 0.15 ~ 0.55%

C는 강도 및 담금질성을 확보하기 위해 필요한 원소이며, 함유량을 0.15 ~ 0.50%의 범위로 한다. 탄소 함유량은 강도 및 담금질성을 확보하기 위하여 0.15% 이상을 함유시킬 필요가 있다. 또한, 강도를 높이려면 탄소 함유량을 0.20% 이상으로 하는 것이 더 좋고, 0.25% 이상으로 하는 것이 더 좋다.

한편, 탄소 함유량이 0.55%를 넘으면 너무 경(硬)해져서, 가공성의 열화나 피삭성 및 인성의 열화를 초래하기 때문에, 상한값은 0.55% 이하가 좋다. 또한, 이 상한값은 좋기로는 0.50% 이하, 더 좋기로는 0.45% 이하, 더 좋기로는 0.40% 이하이다.

Si: 0.01 ~ 0.30%　

Si은 탈산제로서 작용할 뿐만 아니라 강도의 상승에도 유효하게 기여하는 원소인데, 함유량을 0.01 ~ 0.30%의 범위로 한다. Si 함유량의 하한값은 0.01% 이상으로 하는 것이 좋고, 0.10% 이상으로 하는 것이 더 좋고, 0.15% 이상으로 하는 것이 더 좋다.

한편, Si 함유량이 0.30%를 넘으면 강도 상승에 따라 연성이 저하하여 가공성의 열화를 초래한다. 또한, 전봉 강관의 전봉 용접부에 반응 생성물이 생성되기 쉬워져서 전봉 용접부의 품질을 현저하게 열화시킨다. 따라서, Si 함유량의 상한값은 0.30% 이하로 하는 것이 좋고, 0.25% 이하가 더 좋고, 0.20% 이하가 더 좋다.

Mn: 0.5 ~ 1.5%

Mn은 담금질성의 확보에 유효한 원소로서, 함유량을 0.5 ~ 1.5%의 범위로 한다. Mn 함유량의 하한값은 0.5% 이상이 좋고, 0.7% 이상이 더 좋다. 한편, Mn 함유량이 1.5%를 넘으면 강도 상승에 따라 연성이 저하하여 가공성이 열화하기 때문에, 상한값은 1.5% 이하가 좋고, 1.35% 이하가 더 좋다. 또한, Mn 함유량이 증가하면, 전봉 강관의 전봉 용접부에 반응 생성물을 생성하기 쉬워져서, 전봉 용접부의 품질이 열화하기 때문에, 상한값을 1.3% 이하로 하는 것이 더 좋다.

Ca: 0.0010 ~ 0.0030%　

Ca은 중요한 원소이며, 모재 및 용접부에서 황화물(CaS)을 생성하고, 황화 망간(MnS)의 생성을 억제하여 가공성의 향상에 극히 유효하다. 따라서, Ca 함유량은 0.0010 ~ 0.0030%로 한다. 이때, Ca 함유량이 0.0010% 미만이면 그 효과가 불충분하기 때문에, 하한값은 0.0010% 이상으로 하는 것이 좋고, 0.0015% 이상으로 하는 것이 더 좋다.

한편, 0.0030%를 초과하여 과잉으로 칼슘을 첨가하면 강 중에 개재물이 증가하여 가공성이 열화되기 때문에, 상한값은 0.0030% 이하로 하는 것이 좋고, 0.0027% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.0025% 이하로 하는 것이 더 좋다.

O: 0.0005 ~ 0.0050%

0는 강 중에 불가피하게 함유되는 불순물로, 함유량을 0.0005 ~ 0.0050%로 한다. O 함유량을 0.0005% 미만으로 하려면 제조 비용이 상승하기 때문에, 하한을 0.0005% 이상으로 하는 것이 좋고, 0.0015% 이상이 더 좋다.

한편, O는 강 중에서 산화물을 생성하는데, 함유량이 0.0050%를 넘으면 가공성이나 담금질 후의 피로 특성이 저하하기 때문에, 상한을 0.0050% 이하로 하는 것이 좋고, 0.0035% 이하로 하는 것이 더 좋다.

S: 0.0005 내지 0.0050%

S은 강 중에 불가피하게 함유되는 불순물로, 함유량을 0.0005 내지 0.0050%로 한다. S 함유량을 0.0005% 미만으로 하려면 제조 비용이 상승하기 때문에, 하한을 0.0005% 이상으로 하는 것이 좋고, 0.0020% 이상으로 하는 것이 더 좋고, 0.0025%로 하는 것이 더 좋다.

한편, S은 강 중에서 황화물을 생성하는데, 함유량이 0.0050%를 넘으면 가공성이나 담금질 후의 피로 특성이 저하하기 때문에, 상한을 0.0050% 이하로 하는 것이 좋고, 0.0045% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.004O% 이하로 하는 것이 더 좋다.

Al: 0.050% 이하

Al은 탈산 원소로서 작용하지만, Al의 함유량이 0.050%를 초과하면 개재물 양이 증가하고, 강의 청정도를 저하시켜 가공성의 열화를 초래한다. 이 때문에, Al의 함유량은 가능하면 적은 것이 좋고,　0.050% 이하로 제한하는 것이 좋으며, 0.030% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.025% 이하로 하는 것이 더 좋다.

P: 0.020% 이하

P은 강 중에 불가피하게 함유되는 불순물로서, 입계 편석이나 중심 편석을 일으켜서 연성 열화의 원인이 된다. 따라서, P의 함유량은 0.020% 이하로 제한하는 것이 좋고, 0.010% 이하로 하는 것이 더 좋고, 0.008% 이하로 하는 것이 더 좋다.

N: 0.0050% 이하

N는 강 중에 불가피하게 함유되는 원소로서, 0.0050%를 초과하여 함유하면, 조대한 질화물이 생성되어 가공성이나 피로 강도의 저하를 초래한다. 따라서, 질소의 함유량은 0.0050% 이하로 제한하는 것이 좋고, 0.035% 이하로 하는 것이 더 좋다. 또한, N를 Al, Ti, Nb 등과 결합시켜 미세한 질화물을 생성하여 강도나 피로 강도를 향상시키려면 0.0010% 이상을 함유시키는 것이 좋고, 0.0020% 이상으로 하는 것이 더 좋다.

본 발명에 있어서의 강관에는 이상과 같은 조성의 강이 사용되지만, 이 강에 추가적으로 담금질성을 높이거나 강도를 높일 목적으로 다음과 같은 원소를 첨가할 수 있다.

Mo은 담금질성의 확보 나아가 전봉 용접부 및 모재부의 P의 입계 편석 억제에 의한 입계 균열 억제의 관점에서 유효한 원소로, 이러한 효과를 더 얻기 위해서는 0.25% 이하의 범위에서 함유하는 것이 좋다.

Mo의 효과를 충분히 얻으려면 0.05% 이상인 것이 좋고, 0.06% 이상인 것이 더 좋고, 0.08% 이상인 것이 더 좋다.

한편, Mo량이 0.25%를 초과하면 강도가 높아져서 가공성이나 피삭성의 열화를 초래하기 때문에, 상한값은 0.25% 이하로 하는 것이 좋고, 0.17% 이하로 하는 것이 더 좋다. 또한, 가공성을 높이려면 Mo량의 상한값을 0.15%이하로 하는 것이 더 좋다.

또한, Mo은 고가의 원소이기 때문에, 비용을 고려하여 0.05% 미만의 첨가로 하는 경우에는 B나 Cr과 함께 첨가하는 것이 소량의 첨가로도 담금질성을 높일 수 있으므로 좋다.

담금질성을 더 높이려면 Ti 및 B를 동시에 함유시키는 것이 좋다.

Ti은 N와의 친화력이 강하고, B를 첨가하였을 경우에 질화물(BN)의 석출을 방지하고 고용 B를 확보하기 때문에, B와 함께 첨가하는 것이 좋다. 그러나, Ti을 과잉으로 첨가하면 조대한 질화물의 형성에 의하여, 가공성이나 피로 강도의 저하를 초래하기 때문에, 상한을 0.030% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, 티타늄은 탄질화물을 형성하여 결정입자의 미세화에 기여하기 때문에, 0.005% 이상을 첨가하는 것이 좋다. 또한, 질화물(BN)의 생성을 억제하기 때문에, N 함유량에 따라 Ti 함유량을 적절히 제어하는 것이 좋다.

B는 담금질성의 확보에 유효한 원소이지만, 0.0050%를 초과하여 첨가하여도 효과는 포화된다. 따라서, 붕소의 함유량의 상한을 0.0050% 이하로 하는 것이 좋다. 담금질성을 높이려면 붕소를 0.0005% 이상 첨가하는 것이 좋다.

강도를 더 높이려면 Ni, Cu, Cr, Mo, Nb, V의 1종 또는 2종 이상을 첨가하는 것이 좋다.

Ni은 담금질성의 확보에 유효한 원소이지만, Ni 함유량이 1.00%를 초과하면 강도가 높아져서 가공성의 열화를 초래하는 경우가 있다. 따라서, Ni 함유량은 1.00% 이하로 하는 것이 좋다. 담금질성을 높이려면 0.05% 이상의 Ni을 첨가하는 것이 좋다.

Cu는 고용 강화 및 석출 강화에 의하여 강도를 상승시키는 원소로, 담금질성의 향상에도 기여한다. 그러나, Cu의 함유량이 1.00%를 초과하면 열간 가공시에 변형 저항이 커지게 되어 제조가 곤란하게 되는 경우가 있다. 따라서, Cu 함유량은 1.00% 이하로 하는 것이 좋다. 또한, 강도를 높이려면 Cu를 0.05% 이상으로 하는 것이 좋다.

Cr은 담금질성의 확보에 유효한 원소이지만, Cr 함유량이 1.50%를 초과하면 강도가 높아져서 가공성의 열화를 초래하는 경우가 있다. 따라서, Cr 함유량은 1.50% 이하로 하는 것이 좋다. 담금질성을 높이려면 0.05% 이상의 Cr을 첨가하는 것이 좋다. 가공성을 높이려면 Cr 함유량을 1.00% 이하로 하는 것이 좋다.

Nb은 담금질성의 확보에 유효한 원소이지만, 0.050%를 넘어 첨가하여도 효과가 포화된다. 따라서, Nb의 함유량은 0.050% 이하로 하는 것이 좋다. 담금질성을 높이려면 Nb을 0.005% 이상 첨가하는 것이 좋다.

V은 탄화물, 질화물을 형성하고, 강도의 상승에 유효한 원소이다. 한편, V을 과잉으로 첨가하면 조대한 탄화물, 질화물이 형성하여 가공성이나 피로 강도의 저하를 초래하기 때문에, 함유량의 상한을 0.040% 이하로 하는 것이 좋다. 강도를 높이려면 V을 0.005% 이상 첨가하는 것이 좋다.

본 발명에서는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성을 높이기 위해 S, O의 함유량, Ca의 첨가량을 적정한 관계로 하는 동시에 강 중의 칼슘계의 산화물(CaO) 및 황화물(CaS)의 평균 입자 지름과 분포 밀도를 적정한 범위로 제한한다.

전봉 강관의 전봉 용접부에 조대한 산화물 및 황화물이 존재하면, 가공시의 균열 및 피로 파괴의 기점이 된다. 특히, Ca을 첨가한 전봉 강관의 가공성의 열화의 원인이나 피로 파괴의 원인을 조사한 결과, 모재 및 전봉 용접부의 개재물 특히,　CaO, CaS 등의 칼슘계 개재물이 기점이 되어 균열이 발생하는 것을 밝혀내었다.

이에　CaO, CaS 등의 칼슘계 개재물의 형태 제어에 대하여 검토한 결과, 칼슘계 개재물을 가능하면 세립화하고, 분포 밀도도 저하시킬 필요가 있는데, 그렇게 하기 위해서는 S, 0의 함유량과 Ca의 첨가량의 관계 및 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름과 분포 밀도가 중요하다는 것을 알 수 있다.

S, O의 함유량과 Ca의 첨가량의 관계에 대하여는 아래 (1) 식에서 규정되는 E값이 특정의 범위를 만족할 필요가 있다. 이때, E값은 Ca이 산화물을 형성하는 것을 고려하여, S을 CaS로서 고정하기 위하여 필요한 S 함유량에 대한 Ca 함유량의 비이다. 즉, 칼슘계의 산화물 및 황화물이 생성할 때의 Ca 함유량, S 함유량 및 0 함유량의 비이다.

이 E값이 0.10 미만이면 S 함유량이 과잉이 되기 때문에, 강의 청정도가 저하하고, 황화물이 가공시의 균열이나 담금질 후의 피로 균열의 기점이 된다. 한편, E값을 2.50 초과로 하려면 S 함유량을 극도로 저감할 필요가 있고, 제조 비용의 상승을 수반한다.

따라서, E값은 0.10 ~ 2.50의 범위로 한다. 또한, 가공성을 높이려면 E값은 0.25 이상이 좋고, 0.30 이상이 더 좋다. 또한, 제조 비용의 관점에서 E값은 1.0 이하가 좋다.

E값=[Ca](1-124[O])/1.25[S]··· (1)

다만, 상기 (1) 식에 있어서, [Ca], [O], [S]는 전봉 강관에 포함되는 Ca, O, S의 함유량(질량%)을 각각 나타낸다.

종래에는 0 및 S의 함유량을 엄격하게 조정하지 않았다. 본 발명에서는 제강 공정에 있어서, 탈황에 의하여 S량을 저감하고 Si,　Mn,　Al 등의 탈산 원소의 첨가에 의하여 용강의 O량을 저감하며, 또한, S량, 0량에 따라 Ca을 첨가하여 파라미터 E값을 상기의 범위로 제어한다.

칼슘계 개재물의 평균 입자 지름과 분포 밀도에 대하여는 가공성 및 피로 특성의 관점에서, 전봉 강관의 모재부 및 전봉 용접부에서 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름이 1.0 ~ 10㎛, 밀도가 1㎟ 당 3 ~ 300개일 필요가 있다.

칼슘계 개재물의 평균 입자 지름을 10㎛ 이하, 밀도를 300개/㎟로 함으로써, 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 비약적으로 향상된다.

한편, 그 평균 입자 지름을 1.0㎛ 미만, 밀도를 3개/㎟ 미만으로 하려면, 강 중에 포함되는 S 함유량 및 산소(0) 함유량을 저감하여야 하기 때문에, 제조 비용이 상승한다. 제조 비용의 관점에서, 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름의 바람직한 하한은 1.1㎛ 이상이다.

전봉 용접하여 담금질한 상태 그대로 두고, 담금질 후에 열처리를 하지 않는 경우, 전봉 용접부는 마르텐사이트 주체의 조직으로 되어 있어서, 전봉 용접부의 경도는 모재부에 비하여 높아져 있다.

조관한 그대로의 상태에서, 가공성을 확보하려면 비커스 경도로 측정한 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차이 △Hv가　

100≤△Hv≤500

의 관계를 만족할 필요가 있다.

조관 상태인 채로, 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차(△ Hv)가 크면 가공시에 전봉 용접부 근방의 연질상인 모재부에 변형이 집중되고, 그 결과, 국부적인 변형이 진행하여 파단에 이르는 경우가 발생한다. 그러한 파단을 방지하려면 이 경도의 차이 △Hv를 500 이하로 할 필요가 있다.

조관한 그대로의 상태에서 전봉 용접부는 상기와 같이 마르텐사이트 주체의 조직으로 되어 있어서, 그 경도는 주로 강의 C량 등 화학 성분, 전봉 용접의 비입열(단위 길이당 용접 전력량), 모재 판 두께 등에 의존한다. 일반적으로는 C량 또는 탄소 등량이 높을수록 전봉 용접부의 최고 경도는 높아진다. 또한, 비입열이 작을수록 또한, 판 두께가 두꺼울수록 전봉 용접부의 최고 경도가 높아지는 것이 알려져 있다.

그러나, 모재의 화학 성분 및 판 두께는 전봉 강관을 부품으로 가공한 후의 제품 특성에 영향을 주므로 자유롭게 선택할 수는 없다. 따라서, 모재의 화학 성분 및 판 두께에 따라 비입열을 선택하여 용접부의 최고 경도를 조정하고, △Hv가 500 이하가 되도록 한다.

또한, △Hv의 값은 모재의 C량의 저하에 따라 작아지기 때문에, △Hv의 하한은 특히 규정하지 않아도 되지만, 현실적으로 가능한 비입열이나 모재 판 두께와 C: 0.15%의 하한 영역에 있어서의 △Hv의 값을 고려하여 100 이상으로 한다.

일반적으로, 전봉 강관의 두께는 1.5 ~ 15mm이다. 또한, 자동차 부품의 샤프트 등에 사용되는 중공 부품의 두께는 후육이며, 소재가 되는 전봉 강관의 두께를 4mm 이상으로 하는 것이 좋다. 또한, 자동차 부품이나 기계 구조 부품의 소재인 전봉 강관은 외경이 작기 때문에, 두께가 증가하면 성형이나 전봉 용접이 곤란하게 된다. 따라서, 전봉 강관의 두께의 상한을 12mm 이하로 하는 것이 좋다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성되는 것이지만, 이하, 실시예를 들어 본 발명의 실시 가능성 및 효과에 대하여 더 설명한다.

또한, 실시예에 사용한 조건은 그 확인을 위한 하나의 조건 예이며, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

표 1에 나타낸 화학 성분을 가진 강 A ~ O를 사용하여, 외경이 38.1mm, 두께가 8.0mm인 전봉 강관 1 ~ 15를 제조하였다. 또한, 전봉 용접 후에는 고주파 담금질을 하였지만, 담금질 후에 소준 등의 열처리는 실시하지 않았다.

고주파 담금질 후의 전봉 강관의 용접부와 모재부의 비커스 경도를 측정하여 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도를 구하는 동시에 이 전봉 강관으로부터 시험편을 잘라내어, 단면 관찰이나 특성을 평가하는 시험을 실시하였다.

개재물의 크기와 개수의 측정은 전봉 강관의 전봉 용접부 및 모재부로부터 시료를 잘라내어 경면 연마를 하였다. EPMA에 의하여, 1000㎛×1000㎛의 측정 영역을 1000×1000점의 측정 점수로 측정하고, 전봉 강관의 모재 및 용접부의 칼슘계 개재물의 밀도를 구하였다. 또한,　SEM 사진을 화상 분석하여 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름을 원 상당 지름으로 환산하여 구하였다.

가공성은 압축 시험에 의하여 평가하였다. 지름이 7mm, 길이가 10mm인 원주 형상의 시험편을 전봉 강관의 관축 방향이 장축 시험편의 길이 방향(L 방향)이 되도록 채취하였다. 시험편의 L 방향으로 압축하였을 경우, 표면에 균열이 발생하였을 때의 시험편의 높이를 압축 높이 h로 하였다.

또한, 상기　압축 높이 h는 시험 조건(시험편의 사이즈, 변형 속도 등)에 의하여 변화하는 것이다. 본 실시예의 조건에서는 압축 높이가 2.0mm 이하가 되는 경우에 가공성이 양호하다고 평가하였다.

담금질 후의 피로 특성은 비틀림 피로 시험에 의하여 평가하였다. 비틀림 피로 시험은 전봉 강관을 외면측으로부터의 수냉으로 담금질 처리를 한 후, 회전 토크를 13kNm로 일정하게 하고, 반복 회수로 평가하였다.

또한, 상기　반복 회수는 시험 조건에 의하여 변화하는 것이다. 본 실시예의 조건에서는 반복 회수가 1.5×108 이상이 되는 경우에, 담금질 후의 피로 특성이 양호하다고 평가하였다.

결과를 표 2에 나타낸다. 표 2에 나타내는 바와 같이,　강 A ~ K를 사용하여 제조한 본 발명 예의 강관 1 ~ 11은 용접부와 모재부의 비커스 경도의 차이 △H가 본 발명 범위에 있고, 압축 시험에 의한 가공성 및 비틀림 피로 시험에 의한 담금질 후의 피로 특성 모두 양호하다. 한편, 강 L ~ O를 사용하여 제조한 비교예의 강관 12 ~ 15는 모두 화학 성분, 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름, 개수 밀도가 본 발명 범위로부터 벗어나기 때문에 가공성, 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

비교예인 강 L은 C함유량이 낮고, 담금질성이 저하하여 담금질 후의 강도가 낮아지기 때문에, 그 강을 이용하여 제조한 강관 12는 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

비교예인 강 M은 S함유량이 높기 때문에, 제조된 강관 13은 전봉 용접부 및 모재부의 칼슘계 개재물의 개수 밀도가 높아져 있어, 압축 시험 및 비틀림 피로 시험에 있어서, 칼슘계 개재물이 균열의 기점이 되어 가공성과 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

비교예인 강 N은 Ca 함유량이 과잉이고, E값이 높기 때문에, 제조된 강관 14는 전봉 용접부 및 모재부의 칼슘계 개재물의 개수 밀도가 높아져 있고, 마찬가지로 가공성과 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

비교예인 강 O는 Ca 함유량이 낮고, E값이 낮기 때문에, 제조된 강관 15의 전봉 용접부 및 모재부의 칼슘계 개재물이 조대하게 되어, 개수 밀도도 높아져 있고, 마찬가지로 가공성과 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

실시예 2

표 3에 나타낸 화학 성분을 가진 강 A1 ~ O1를 사용하여, 실시예 1과 동일한 형상의 전봉 강관 16 ~ 30을 실시예 1과 동일하게 제조하였다.

전봉 강관 16 ~ 30의 용접부와 모재부의 비커스 경도를 측정하고, 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도를 구하는 동시에 전봉 용접부 및 모재부로부터 각각 시료를 잘라내어, 실시예 1과 동일하게 전봉 강관의 모재 및 용접부의 칼슘계 개재물의 밀도와 평균 입자 지름을 구하였다.

또한, 실시예 1과 동일하게 가공성과 담금질 후의 피로 특성을 평가하는 시험을 실시하였다.

결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에 나타내는 바와 같이, 강 Al ~ K1을 사용하여 제조한 본 발명예의 강관 16 ~ 26은 용접부와 모재부의 비커스 경도의 차 △H가 본 발명 범위에 있고,　압축 시험에 의한 가공성 및 비틀림 피로 시험에 의한 담금질 후의 피로 특성도 양호하다. 한편, 강 L1 ~ O1을 사용하여 제조한 비교예의 강관 27 ~ 30은 화학 성분, 칼슘계 개재물의 평균 입자 지름, 개수 밀도가 본 발명 범위로부터 벗어나 있기 때문에 가공성, 담금질 후의 피로 특성이 떨어졌다.

비교예인 강 L1은 C량이 낮고, 담금질성이 열화되어 있으며, 그 강을 사용하여 제조한 담금질 후의 강관 27의 피로 특성이 떨어졌다. 비교예인 강 M1은 S량이 많고, 강 N1은 Ca량이 과잉이며, E값이 높기는 하지만 제조된 강관 28,　29의 전봉 용접부 및 모재부의 Ca계 개재물의 개수 밀도가 높아져 있다.

또한, 비교예인 강 O1은 E값이 낮기 때문에, 제조된 강관 30의 전봉 용접부 및 모재부의 Ca계 개재물이 조대하게 되어, 개수 밀도도 높아져 있다. 그 때문에, 강 M, N 및 O를 사용한 비교예의 강관 28 ~ 30은 압축 시험 및 피로 시험에 있어서, Ca계 개재물이 균열의 기점이 되어　가공성과 피로 특성이 떨어졌다.

Claims

질량%로,　
C: 0.15 ~ 0.55%,　
Si: 0.01 ~ 0.30%,　
Mn: 0.5 ~ 1.5%,　
Ca: 0.0010 ~ 0.0030%,　
S: 0.0005 ~ 0.0050%,　
O: 0.0005 ~ 0.0050%를 함유하고,　
P: 0.020% 이하,　
N: 0.0050% 이하,　
Al: 0.050% 이하로 제한하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고,
Ca, O 및 S의 함유량이　
0.10≤[Ca](1-124[O])/1.25[S]≤2.50
을 만족하고,
모재 및 전봉 용접부에 존재하는 Ca계 개재물의 평균립경이 1.O ~ 10㎛, 밀도가 3 ~ 300개/㎟이며, 전봉 용접부의 최고 경도와 모재부의 평균 경도의 차 △Hv가
100≤△Hv≤500
을 만족하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제1항에 있어서, 또한, 질량%로, Mo: 0.25% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 또한, 질량%로,　
Ti: 0.030% 이하,　
B: 0.0050% 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 또한, 질량%로,　
Ni: 1.00% 이하,　
Cu: 1.00% 이하,　
Cr: 1.50% 이하,
Nb: 0.050% 이하,　
V: 0.040% 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제3항에 있어서, 또한, 질량%로,　
Ni: 1.00% 이하,　
Cu: 1.00% 이하,　
Cr: 1.50% 이하,
Mo: 0.05% 미만,
Nb: 0.050% 이하,　
V: 0.040% 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서, 모재의 두께가 4 ~ 12 mm인 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제3항에 있어서, 모재의 두께가 4 ~ 12 mm인 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제4항에 있어서, 모재의 두께가 4 ~ 12 mm인 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.
제5항에 있어서, 모재의 두께가 4 ~ 12 mm인 것을 특징으로 하는 가공성 및 담금질 후의 피로 특성이 우수한 전봉 강관.