KR101359141B1

KR101359141B1 - 자동차용 용접강관 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101359141B1
Application number: KR1020090133135A
Authority: KR
Inventors: 이창훈; 박내학; 전영우; 김기수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2014-02-05
Also published as: KR20110076433A

Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소(C): 0.2~0.5%, 실리콘(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.5~1.8%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 티타늄(Ti): 48/14*N(중량%)~0.03%, 보론(B): 0.0005~0.0050%, 질소(N): 0.010%이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 자동차용 용접강관을 제공한다. 더불어, 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 C(중량%)+Mn(중량%)/6+Cr(중량%)/5 ≤ 0.8중량%을 만족하고, 용접부 및 모재부의 미세조직은 면적분율로, 마르텐사이트 80% 이상 포함한다.

강관, 용접, 경도, 마르텐사이트

Description

자동차용 용접강관 및 그 제조방법{WELDED STEEL PIPE FOR AUTOMOBILE AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}

본 발명은 자동차 부품에 사용되는 용접강관 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모재부와 용접부의 경도차가 작아 용접강관의 경도가 균일한 자동차용 용접강관 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 부품의 파손은 운전자의 생명과 직결되기 때문에 일반적으로 자동차 부품, 특히 샤프트(shaft)용으로 사용되는 강은 주로 피로파괴, 충격파괴에 강한 봉상 형태의 고탄소강이거나, 강관을 사용하는 경우 용접부가 없는 심리스(seamless) 강관을 사용한다.

하지만 이러한 소재들은 친환경 저원가형 자동차 개발을 위해서는 다소 불리한 점이 존재한다. 봉상 형태의 고탄소강 소재는 무게가 무거워 친환경 고연비 자동차 개발에 걸림돌이 되고 있고, 심리스(seamless) 강관은 생산 공정이 복잡하고 국내 생산량이 부족하여 해외수입에 의존비율이 높아 자동차 제조원가를 상승시키 는 문제점이 있다.

따라서, 최근 자동차 부품의 경량화 및 제조원가 절감을 위하여 용접강관의 적용이 크게 고려되고 있다. 그러나, 용접강관은 용접부를 포함하고 있어서, 용접부가 불균일하여 그 안정성을 담보하지 못함으로써 적극적인 사용에 제약이 존재한다.

본 발명은 용접강관의 모재부와 용접부의 경도차를 20Hv 이하로 제어하여 용접강관 전체의 경도를 균일하게 제어함으로서, 피로 내구성을 향상시킨 자동차용 용접강관 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 일 구현례로서, 중량%로, 탄소(C): 0.2~0.5%, 실리콘(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.5~1.8%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 티타늄(Ti): 48/14ⅹN(중량%)~0.03%, 보론(B): 0.0005~0.0050%, 질소(N): 0.010%이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 자동차용 용접강관을 제공한다.

상기 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 C(중량%)+Mn(중량%)/6+Cr(중량%)/5 ≤ 0.8중량%을 만족하는 것이 바람직하다.

상기 용접강관의 모재부와 용접부의 경도차가 20 Hv 이하인 것이 바람직하다.

상기 용접강관의 모재부와 용접부의 미세조직은 면적분율로, 마르텐사이트 80% 이상 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명은 다른 구현례로서, 중량%로, 탄소(C): 0.2~0.5%, 실리콘(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.5~1.8%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 티타늄(Ti): 48/14*N(중량%)~0.03%, 보론(B): 0.0005~0.0050%, 질소(N): 0.010%이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열 후 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 강판을 권취 후 전기저항용접하여 용접강관을 제조하는 단계; 상기 용접강관을 Ac1~Ac3+200℃ 범위로 가열한 후 5분~1시간 유지하는 단계; 및 상기 가열된 용접강관을 (67.8-36.7*[Mn]-20.7*[Cr])℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 자동차용 용접강관의 제조방법을 제공한다.

상기 열간압연 공정은 Ar3 변태점 이상에서 실시되는 것이 바람직하다.

상기 권취 공정은 500~700℃에서 실시되는 것이 바람직하다.

본 발명은 보론이 첨가되어 열처리성이 향상된 고탄소강을 용접조관 공정을 통해 강관으로 제작하여 새로운 조건의 열처리 공정을 통하여 용접부와 모재부의 조직 및 경도가 균일하고, 그 경도가 높아 피로내구성이 우수한 용접강관을 제공할 수 있다.

본 발명은 합금원소를 적절히 제어하여 용접성을 열위시키지 않고, 용접된 강관의 냉각조건을 제어하여 모재부와 용접부의 미세조직을 동일한 조직으로 제어함으로써, 모재부와 용접부의 경도차를 최소화하고, 용접강관의 경도를 향상시키는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명 용접강관의 성분계에 대하여 설명한다.

탄소(C): 0.2~0.5중량%

탄소는 강의 강도향상에 유용한 원소로서, 강의 내구성을 확보하는데 효과적이다. 본 발명에서 이러한 효과를 얻기 위하여 0.2중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 0.5중량%를 초과하여 포함되는 경우 보론의 변태지연 효과를 얻을 수 없어서 열처리성을 저하시킨다.

실리콘(Si): 0.01~0.4중량%

실리콘은 고용강화 효과에 의하여 페라이트의 강도를 향상시킨다. 실리콘의 함량이 0.01중량% 미만인 경우 이러한 효과가 미미하다. 그러나, 그 함량이 0.4중량%를 초과하는 경우에는 과량의 실리콘에 의하여 강판 표면에 스케일이 다량 발생하여 강판의 표면 품질을 저하시킨다.

망간(Mn): 0.5~1.8중량%

망간은 강 제조시 불가피하게 함유되는 황과 철이 결합한 FeS 형성에 의한 적열취성을 방지하기 위해 첨가되는데, 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여는 0.5중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함량이 1.8중량%를 초과하는 경우에는 중심편석 또는 미소편석 등이 발생한다.

크롬(Cr): 0.1~0.5중량%

크롬은 경화능을 증가시켜 강도를 향상시키는 원소이다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.1중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우에는 용접시 형성되는 크롬산화물에 의하여 용접성이 크게 저하된다.

알루미늄(Al): 0.01~0.1중량%

알루미늄은 강 중에 존재하는 산소를 제거하여 응고시 바금속 개재물의 형성을 방지하고, 강 중에 존재하는 질소를 AlN으로 고정하여 결정립의 크기를 미세하게 만든다. 알루미늄의 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 이러한 효과가 미미하다. 그 함량이 0.1중량%를 초과하는 경우에는 알루미나 개재물이 증가하고 제조비용이 지나치게 증가한다.

티타늄(Ti): 48/14*N(중량%)~0.03중량%

티타늄은 질소와 결합함으로서 질소가 보론과 결합하여 BN석출물을 형성하는 것을 억제한다. 티타늄의 함량이 48/14*N(중량%) 미만인 경우에는 질소를 기지에서 제거(Scavenging)하는 효과가 미미하여 BN 형성을 효과적으로 억제할 수 없다. 그러나, 그 함량이 0.03중량%를 초과하는 경우에는 TiC가 다량 형성되어 탄소량이 급격히 저하되어 고탄소강의 장점인 열처리성이 크게 감소되고, 제조비용이 상승한다.

보론(B): 0.0005~0.0050중량%

보론은 결정립계에 편석되어 입계에너지를 낮추고, Fe₂₃(C,B)₆의 미세석출물을 형성함으로서, 이러한 미세석출물이 결정립계에 편석되어 입계면적을 낮춰 열처리시 우수한 담금질성을 확보하는 역할을 한다. 보론의 함량이 0.0005중량% 미만인 경우에는 이러한 효과가 미미하다. 그러나, 그 함량이 0.0050중량%를 초과하는 경우에는 보론 석출물이 입계에서 석출되어 인성이 저하되고 소입성이 저하된다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다. 다만, 그 중 질소는 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

질소(N): 0.010중량% 이하

질소는 불가피하게 함유되는 불순물로써, 강 중에 포함되어 보론과 반응하여 석출물을 형성하여 보론의 첨가 효과를 상쇄시키므로, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 질소의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 질소 함량의 상한은 0.010중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

C(중량%) + Mn(중량%)/6 + Cr(중량%)/5 ≤ 0.8중량%

본 발명에서 탄소당량은 상기 관계식으로 나타낼 수 있으며, 본 발명에서 탄소, 망간 및 크롬의 함량은 상기 관계식을 만족하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 합금원소가 지나치게 다량으로 포함되는 경우에는 용접성을 악화시키므로, 그 상한을 0.8중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상술한 성분계를 가지는 강관으로서, 용접부와 모재부의 경도차이가 적고 피로 내구성이 우수한 강관이 되기 위한 바람직한 조건으로 강판의 미세조직에 대하여 한정할 필요가 있다. 본 발명 모재부와 용접부의 미세조직의 주상은 마르텐사이트이며, 면적분율로 80% 이상을 얻을 수 있다. 하기와 같은 제조조건에 의하여 용접부 및 모재부의 미세조직은 동일하게 제어할 수 있으며, 이를 통하여, 모재부와 용접부의 경도차를 20Hv 이하로 제어할 수 있다. 다만, 미세조직의 잔부는 반드시 한정되는 것은 아니나, 하기 제조조건에 의하여 베어나이트가 생성되기 용이하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 충족하는 강관을 제조하기 위하여 본 발명자들에 의해 도출된 가장 바람직한 방법에 대하여 아래에서 설명한다.

본 발명의 제조방법은 개략적으로는 본 발명의 강 조성을 갖는 슬라브를 가열한 후, 상기 가열된 슬라브를 Ar3 이상에서 열간압연을 마무리하고, 500~700℃에서 권취한 열연코일을 ERW 용접하여 강관으로 제조한 후 가열 후 냉각한다.

이하, 각 단계별 상세한 조건에 대하여 설명한다.

열간압연: Ar3 변태점 이상

본 발명의 성분계를 만족하는 슬라브를 재가열한 후 Ar3 변태점 이상에서 열간 압연을 마무리한다. 상기 온도 범위에 열간압열하여 2상역 압연이 실시되는 것을 방지할 수 있다. 2상역 압연이 행해질 경우에는 탄화물이 존재하지 않는 초석 페라이트가 다량 발생함에 의하여, 균일한 조직을 얻을 수가 없다.

전기저항 용접(ERW: Electric Resistance Welding)

열연코일을 ERW 용접 공정을 통해 강관으로 제작하여 (Ac1 ~ Ac3+200℃) 온도범위로 가열하고 5분~1시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 오스테나이트화 열처리 동안 세멘타이트의 재용해가 완전하게 일어나게 하기 위해 (Ac1 ~ Ac3+200℃) 온도범위로 5분~1시간 동안 유지한다. 가열 온도가 Ac1 미만이거나, 유지시간이 5분 미만일 경우는 세멘타이트의 재용해가 완전히 일어나지 않아 열처리후 요구되는 경도를 획득하기 힘들어지고, 온도가 Ac3+200℃를 초과하거나, 유지시간이 1시간을 초과하는 경우, 오스테나이트 결정립의 조대화로 인해 최종 열처리후의 인성이 감소하게 된다.

냉각: 임계냉각속도=67.8-36.7*[Mn]-20.7*[Cr]

(단, Mn 및 Cr은 중량%를 제외한 상수값만 대입한다.)

상기와 같이 용접후 열처리한 강관을 냉각한다. 이 때 67.8-36.7*[Mn]-20.7*[Cr] 이상의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 마르텐사이트 조직의 분율을 80%이상 획득하기 위한 임계냉각속도는 망간, 크롬 등의 합금원소 첨가량에 의해 좌우되는데, 본 특허에서는 다양한 실시예를 통해 임계냉각속도를 합금원소의 함수로 도출하였다. 임계냉각속도보다 낮은 냉각속도로 냉각하는 경우 용접부와 모재부의 경화능 차이로 인해 최종 생성되는 미세조직이 달라져 용접부와 모재부의 조직적 불균일이 발생하게 되고, 그로 인해 용접부와 모재부의 경도차이가 20Hv 이상이 되어 재질 불균일을 야기한다. 또한, 용접부 및 모재부의 미세조직이 80% 이상의 마르텐사이트 분율을 획득하지 못해 경도를 확보할 수 없고, 이로 인해 피로내구성이 저하된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

진공 유도 용해에 의해 하기 표1에 나타난 성분계를 만족하는 슬라브를 두께 60mm, 폭 175mm로 제조하고, 1200℃에서 1시간 재가열한 후 열연 두께 7mm가 되도록 열간압연을 하였다. 열간압연된 강판을 3φ*10mm 사이즈의 열처리 모사 시편을 준비하여 다양한 냉각속도로 냉각한 후 미세조직 및 모재부와 용접부의 경도 차이를 측정하여 하기 표2에 나타내었다.

강종	C	Si	Mn	Cr	Al	Ti	B	N
1	0.36	0.19	0.48	0.04	0.04	0.033	0.0017	0.0040
2	0.34	0.21	0.61	0.03	0.028	0.029	0.0019	0.0060
3	0.37	0.22	0.72	0.31	0.036	0.022	0.0020	0.0045
4	0.33	0.20	1.01	0.29	0.031	0.031	0.0021	0.0050
5	0.35	0.22	1.43	0.39	0.037	0.028	0.0018	0.0057
6	0.34	0.18	0.56	0.04	0.029	-	-	0.0061

상기 표1에서 각 원소의 단위는 중량%이다.

강종1 내지 5는 본 발명이 제한하는 성분계를 모두 만족하는 강종이다. 이에 반하여 강종6은 티타늄 및 보론이 미첨가된 강종이다.

시편 구분	강종	냉각속도 (℃/s)	마르텐사이트 분율(%)	모재부-용접부 경도차(Hv)	임계냉각 속도(℃/s)
비교강1	1	10	31	42	49
비교강2		20	53	37
비교강3		30	61	40
비교강4		40	73	26
비교강5	2	10	32	38	45
비교강6		20	55	36
비교강7		30	63	37
비교강8		40	74	28
비교강9	3	10	52	35	35
비교강10		20	64	32
비교강11		30	75	24
발명강3		40	81	13
발명강4		50	92	8
비교강12	4	10	61	29	25
비교강13	4	20	77	23	25
발명강8	5	10	86	19	7
발명강9		20	92	17
발명강10		30	92	17
발명강11		40	93	7
발명강12		50	93	12
비교강14	6	10	13	34	46
비교강15		20	22	37
비교강16		30	36	33
비교강17		40	53	31
비교강18		50	64	24
비교강19		70	71	26

상기 표1 및 2에 나타난 바와 같이, 비교강1 내지 13은 본 발명의 성분계를 만족하지만, 냉각속도가 임계냉각속도에 미치지 못하여, 강관의 미세조직이 마르텐사이트 80% 미만이였고, 모재부와 용접부의 경도차이가 20Hv를 초과함을 알 수 있다.

또한, 비교강14 내지 19는 본 발명의 성분계를 만족하지 못하여 마르텐사이트 분율이 80% 미만이고, 모재부와 용접부의 경도차가 20Hv를 초과함을 알 수 있다.

이에 반하여, 발명강3, 4, 8 내지 12는 본 발명의 성분계를 모두 만족하고, 냉각속도가 임계냉각속도 이상으로서, 마르텐사이트 분율이 80% 이상이고, 모재부와 용접부의 경도차이가 20Hv 이하임을 확인할 수 있다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.2~0.5%, 실리콘(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.5~1.8%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 티타늄(Ti): 48/14*N(중량%)~0.03%, 보론(B): 0.0005~0.0050%, 질소(N): 0.010%이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고 모재부와 용접부의 미세조직은 면적분율로, 80% 이상의 마르텐사이트를 포함하는 자동차용 용접강관.
제1항에 있어서, 상기 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 C(중량%) + Mn(중량%)/6 + Cr(중량%)/5 ≤ 0.8중량%을 만족하는 자동차용 용접강관.
삭제
제1항에 있어서, 상기 용접강관의 모재부와 용접부의 경도차는 20 Hv 이하인 자동차용 용접강관.
중량%로, 탄소(C): 0.2~0.5%, 실리콘(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.5~1.8%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 티타늄(Ti): 48/14ⅹ[N]~0.03%, 보론(B): 0.0005~0.0050%, 질소(N): 0.010%이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열 후 열간압연하는 단계;

상기 열간압연된 강판을 권취 후 전기저항용접하여 용접강관을 제조하는 단계;

상기 용접강관을 Ac1~Ac3+200℃ 범위로 가열한 후 5분~1시간 유지하는 단계; 및

상기 가열된 용접강관을 (67.8-36.7*[Mn]-20.7*[Cr])℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 자동차용 용접강관의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 열간압연 공정은 Ar3 변태점 이상에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 용접강관의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 권취 공정은 500~700℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 용접강관의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 C(중량%) + Mn(중량%)/6 + Cr(중량%)/5 ≤ 0.8중량%을 만족하는 자동차용 용접강관의 제조방법.