KR101869311B1

KR101869311B1 - 연료 분사관용 이음매 없는 강관

Info

Publication number: KR101869311B1
Application number: KR1020167027196A
Authority: KR
Inventors: 요시카즈 가와바타; 마나부 니시노; 마키오 군지
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2018-06-20
Also published as: EP3128025B1; JP2015196895A; CN106133176B; MX2016012866A; CN106133176A; EP3128025A4; US10308994B2; JP6070617B2; KR20160130430A; US20170022581A1; EP3128025A1; WO2015151448A1

Abstract

고강도이고, 우수한 내내압 피로 특성을 갖는 연료 분사관용 이음매 없는 강관을 제공한다. 특정의 조성과, 냉간 인발, 열처리를 행한 후의 구γ입경의 평균 입경이, 관축 방향 단면에서, 150㎛ 이하인 조직을 갖는다. 이것에 의하여, 피로 균열의 진전이 억제되어, 고분사압의 연료 분사관으로서 적합한, 인장 강도(TS): 500㎫ 이상이고, 내내압 피로 특성이 우수한 이음매 없는 강관으로 할 수 있다. 또한 상기한 조성에 더하여, 추가로 Cu, Ni, Cr, Mo, B 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, Ti, Nb, V 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, Ca를 함유해도 좋다.

Description

연료 분사관용 이음매 없는 강관{SEAMLESS STEEL TUBE FOR FUEL INJECTION}

본 발명은, 디젤 엔진 등의 연소실에 연료를 분사하기 위한 연료 분사관용으로서 적합한, 이음매 없는 강관에 관한 것이다. 본 발명은, 특히 고압으로 사용되는 연료 분사관용 이음매 없는 강관의 내내압(耐內壓) 피로 특성의 향상에 관한 것이다.

최근, 지구 환경의 보전이라는 관점에서, 연료의 연소에 수반하는 CO₂의 배출량을 저감하는 것이 강하게 요구되고 있다. 특히, 자동차의 CO₂배출량의 저감이 강하게 요구되고 있다. CO₂ 배출량이 적은 내연기관으로서는, 디젤 엔진이 알려져 있고, 자동차의 엔진으로서도 이미, 이용되고 있다. 그러나, 디젤 엔진으로는, CO₂ 배출량은 적지만, 흑연이 발생하기 쉽다는 문제가 있다.

디젤 엔진에 있어서의 흑연은, 분사된 연료에 대하여 산소가 부족한 경우에 발생한다. 발생한 흑연은, 대기 오염을 일으켜, 인체에 악영향을 미치는 것이 염려된다. 그래서, 디젤 엔진의 연소실로의 연료의 분사압을 높임으로써, 흑연의 발생량을 저감할 수 있는 점에서, 디젤 엔진 연소실로의 연료의 분사압을 높이는 것이 진행되고 있다. 그러나, 연소실로의 연료의 분사압을 높이기 위해서는, 높은 내압 피로 강도를 갖는 연료 분사관을 사용하는 것이 필요해진다.

이러한 요망에 대하여, 예를 들면, 특허문헌 1에는, 질량％로, C: 0.12∼0.27％, Si: 0.05∼0.40％, Mn: 0.8∼2.0％를 포함하고, 추가로 Cr: 1％ 이하, Mo: 1％ 이하, Ti: 0.04％ 이하, Nb: 0.04％ 이하, V: 0.1％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 불순물 중의 Ca가 0.001％ 이하, P: 0.02％ 이하, S: 0.01％ 이하이고, 인장 강도가 500N/㎟(500㎫) 이상이고, 적어도 강관의 내표면으로부터 20㎛까지의 깊이에 존재하는 비금속 개재물의 최대 지름이 20㎛ 이하인 연료 분사용 강관이 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 기술에 의하면, 연소실로의 연료의 분사압을 보다 높일 수 있어, CO₂ 배출량을 감소시키면서, 흑연의 배출량도 저감할 수 있다고 하고 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 질량％로, C: 0.12∼0.27％, Si: 0.05∼0.40％, Mn: 0.8∼2.0％를 포함하고, 혹은 추가로 Cr: 1％ 이하, Mo: 1％ 이하, Ti: 0.04％ 이하, Nb: 0.04％ 이하, V: 0.1％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 불순물 중의 Ca가 0.001％ 이하, P: 0.02％ 이하, S: 0.01％ 이하이고, 인장 강도가 900N/㎟(900㎫) 이상이고, 적어도 강관의 내표면으로부터 20㎛까지의 깊이에 존재하는 비금속 개재물의 최대 지름이 20㎛ 이하인 연료 분사용 이음매 없는 강관이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, Ac₃ 변태점 이상의 온도로 담금질(hardening)하고, Ac₁ 변태점 이하의 온도로 템퍼링하여, 인장 강도를 900N/㎟이상으로 한다고 하고 있다. 특허문헌 2에 기재된 기술에 의하면, 내표면 부근에 존재하는 비금속 개재물을 기점으로 하는 피로 파괴를 방지할 수 있기 때문에, 인장 강도가 900N/㎟ 이상인 고강도를 확보하면서, 한계 내압을 높게 하는 것이 가능하게 되어, 연소실로의 연료의 분사압을 보다 높여도, 피로가 발생하는 일은 없다고 하고 있다.

일본특허공보 제5033345호(일본공개특허공보 2007-284711호) 일본특허공보 제5065781호(일본공개특허공보 2009-19503호)

특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서는, 적어도 강관의 내표면으로부터 20㎛까지의 깊이에, 20㎛를 초과하는 비금속 개재물이 존재하지 않는다고 하고 있다. 그러나, 특허문헌 1 및 2에 기재된 기술에서도, 적어도 강관의 내표면으로부터 20㎛까지의 깊이에 존재하는 비금속 개재물의 최대 지름이 20㎛ 이하인 강관을, 안정적으로 제조하는 것에는, 많은 문제가 있다. 즉, 고강도로, 우수한 내내압 피로 특성을 갖는 연료 분사관용 이음매 없는 강관을 안정되게 제조하는 것은 곤란하다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 문제를 해결하여, 고강도이고, 우수한 내내압 피로 특성을 갖는 연료 분사관용 이음매 없는 강관을 안정적으로 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 여기에서 말하는 「우수한 내내압 피로 특성」이란, 다음 식으로 계산되는 σ와 응력 인장 강도(TS)의 비(σ/TS)인 내구비가, 30％ 이상인 경우를 말하는 것으로 한다. 또한, 바람직하게는, 내구비는 35％ 이상이다. 여기에서 「내경」「두께」란, 목표로 하는 연료 분사관의 내경, 두께를 말한다.

σ＝내경(㎜)×내압 피로 강도(㎫)/(2×두께)(㎜)

본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 개재물로부터 발생한 피로 균열의 진전 형태(growth behavior)에 대해서 예의 검토했다.

우선, 본 발명자들이 행한, 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 대해서 설명한다.

질량％로, 대략, 0.17％의 C, 0.26％의 Si, 1.27％의 Mn, 0.03％의 Cr, 0.013％의 Ti, 0.036％의 Nb, 0.037％의 V, 0.004∼0.30％의 Al, 0.0005∼0.011％의 N을 함유하는 강관(외경 34㎜φ×내경 25㎜φ)으로부터 시험재를 채취하고, 냉간 인발을 반복하여 소관(as-drawn tube)(외경 6.4㎜φ×내경 3.0㎜φ)으로 하여, 열처리(가열 온도: 1000℃, 가열 후 방랭)를 실시하여, 인장 강도(TS): 560㎫의 강관으로 했다. 얻어진 강관은, 관축 방향 단면에 있어서의 구γ입경(구γ입경의 평균 입경)이 80∼200㎛의 범위에서 변화하고 있었다. 이들 강관에 대해서, 내압 피로 시험을 실시했다.

내압 피로 시험은, 정현파 압력(최저 내압 압력: 18㎫, 최고 내압 압력: 250∼190㎫)을 인가하고, 반복 횟수: 10⁷회로 피로 파괴가 발생하지 않는 최대 내압을 구하여, 내압 피로 강도로 했다.

얻어진 결과를, 내압 피로 강도와 구γ입경의 관계로 도 1에 나타낸다. 도 1로부터, 구γ입경을 작게 함으로써, 내압 피로 강도가 향상하는 것을 알 수 있다. 또한, 개재물로부터 발생한 피로 균열의 진전 형태의 관찰로부터, 최대 지름이 20㎛를 초과하는 개재물을 기점으로 하여 발생한 피로 균열이라도, 구γ입경이 150㎛ 이하이면, 균열은 거의 진전하지 않고 정류(non-propagating) 균열이 되는 것을 알게 되었다(본 발명의 성분 조성을 만족시키는 플롯(plot)은, 구γ입경이 150㎛ 이하에 있음).

이 기구(mechanism)에 대해서는, 현재까지 명확하게 되어 있지는 않지만, 본 발명자들은, 다음과 같이 생각하고 있다.

균열(피로 균열)은, 그 선단에서, 균열 진행 방향과 수직한 방향으로 작용하는 반복 응력에 의해 재료를 파단시키면서 진행한다. 균열 선단에서는, 반복 응력의 작용에 의해 경화하고, 통상에서는 거의 신장되는 일 없이 파단한다. 그러나, 선단에서의 경화영역이 작아서, 어느 정도 변형하고 나서 파단하는 경우가 있다. 그 경우에는, 변형되어 신장된 부분이 균열의 선단부를 덮어, 균열이 폐구되고, 진전하기 어려워져, 소위 정류 균열이 되어, 균열의 전파가 정지하는 경우가 있다고 생각된다. 구γ입경이 150㎛ 이하로 조직이 미세화함으로써, 아입계(subgrain boundary), 입계, 결정 방위차 및 석출물 등의 영향에 의해, 주위로의 응력 전달이 저하하여, 균열 선단에서의 경화영역이 커지기 어려워진다. 그 결과, 균열 진전시의 파단부에 있어서의 변형이 커져, 신장량이 증가하여, 정류 균열이 되기 쉬워진 것으로 추측된다.

그러나, 냉간 인발을 행한 후 열처리를 실시하면, γ입자는 조대화하기 쉽다. 그래서, 본 발명자들은, 실시예의 표 1의 B∼Q의 시험재를 이용하여, 추가의 검토를 행하고, 냉간 인발 및 열처리를 실시한 후의 구γ입경을 150㎛ 이하로 작게 하기 위해서는, Al 함유량과 N 함유량을 적정 범위 내로 한 후, [Al％]×[N％]를 적정 범위 내로 할 필요가 있는 것을 알게 되었다.

구γ입경과 [Al％]×[N％]의 관계를 도 2에 나타낸다. 도 2로부터, 구γ입경을 150㎛ 이하로 하기 위해서는, [Al％]×[N％]를 27×10^-5 이하로 할 필요가 있는 것을 알 수 있다(본 발명의 성분 조성을 만족시키는 플롯은, [Al％]×[N％]가 27×10^-5 이하에 있음). 또한, [Al％]×[N％]를 2×10^-5 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은, 이러한 인식에 기초하여, 추가로 검토를 더하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.

[1] 연료 분사관용 이음매 없는 강관으로서, 질량％로, C: 0.155∼0.38％, Si: 0.01∼0.49％, Mn: 0.6∼2.1％, Al: 0.005∼0.25％, N: 0.0010∼0.010％를 포함하고, 또한 하기 (1)식을 만족하고, 불순물로서의 P: 0.030％ 이하, S: 0.025％ 이하, O: 0.005％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고, 냉간 인발, 열처리를 실시한 후의 구γ입경의 평균 입경이, 관축 방향 단면에서, 150㎛ 이하인 조직을 갖고, 인장 강도(TS): 500㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.

기(記)

[Al％]×[N％]≤27×10^-5 (1)

여기에서, Al％, N％: 각 원소의 함유량(질량％)

[2] 상기 조성에 더해 추가로, 질량％로, Cu: 0.10∼0.70％, Ni: 0.01∼1.0％, Cr: 0.1∼1.2％, Mo: 0.03∼0.50％, B: 0.0005∼0.0060％ 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 [1]에 기재된 연료 분사관용 이음매 없는 강관.

[3] 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ti: 0.005∼0.20％, Nb: 0.005∼0.050％, V: 0.005∼0.20％ 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 [1] 또는 [2]에 기재된 연료 분사관용 이음매 없는 강관.

[4] 상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ca: 0.0005∼0.0040％를 함유하는 것을 특징으로 하는 [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 연료 분사관용 이음매 없는 강관.

본 발명에 의하면, 연료 분사관용으로서 적합한, 고강도이고, 내내압 피로 특성이 우수한 이음매 없는 강관을 용이하게 또한 저렴하게 제조할 수 있어, 산업상 각별한 효과를 가져온다. 또한, 본 발명에 의하면, 표층 근방에 개재물이 존재해도, 발생한 피로 균열은 거의 진전하는 일 없이, 정류 균열이 되기 때문에, 내내압 피로 특성을 향상시킬 수 있어, 종래보다 내압을 높게 설정한 연료 분사관용으로서 적용 가능하다는 효과도 있다.

도 1은, 내압 피로 강도에 미치는 구γ입경의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 2는, 구γ입경에 미치는 [Al％]×[N％]의 영향을 나타내는 그래프이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

본 발명의 연료 분사관용 이음매 없는 강관(본 명세서에 있어서, 이음매 없는 강관이라고 하는 경우가 있음)은, 질량％로, C: 0.155∼0.38％, Si: 0.01∼0.49％, Mn: 0.6∼2.1％, Al: 0.005∼0.25％, N: 0.0010∼0.010％를 포함하고, 또한 [Al％]×[N％]≤27×10^-5를 만족하고(여기에서, Al％, N％: 각 원소의 함유량(질량％)), 불순물로서의 P, S, O를, P: 0.030％ 이하, S: 0.025％ 이하, O: 0.005％ 이하 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다.

또한, 본 발명의 이음매 없는 강관은, 냉간 인발, 열처리를 실시한 후의 구γ입경이, 관축 방향 단면에서, 150㎛ 이하인 조직을 갖는다.

또한, 본 발명의 이음매 없는 강관의 인장 강도(TS)는, 500㎫ 이상이다.

우선, 본 발명의 이음매 없는 강관의 조성 한정 이유에 대해서 설명한다. 또한, 이하, 특별히 기재하지 않는 한 질량％는, 간단히 ％로 기재한다.

C: 0.155∼0.38％

C는, 고용(dissolving)하거나, 혹은 석출하고, 혹은 담금질성(hardenability)의 향상을 통하여, 강관의 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻어, 소망하는 고강도를 확보하기 위해서는, C를 0.155％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, C함유량이 0.38％를 초과하면, 열간 가공성이 저하하여, 소정의 치수 형상의 강관으로 가공하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, C 함유량은 0.155∼0.38％의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.16∼0.21％이다.

Si: 0.01∼0.49％

Si는, 본 발명에서는 탈산제로서 작용하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Si를 0.01％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, Si함유량이 0.49％를 초과해도, 효과가 포화하여 경제적으로 불리해진다. 이 때문에, Si함유량은 0.01∼0.49％의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.15∼0.35％이다.

Mn: 0.6∼2.1％

Mn은, 고용하거나, 혹은 담금질성의 향상을 통하여, 강관의 강도를 증가시키는 작용을 갖는 원소이다. 이러한 효과를 얻어, 소망하는 고강도를 확보하기 위해서는, Mn를 0.6％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, Mn함유량이 2.1％를 초과하면, 편석을 조장하여, 강관의 인성(靭性)이 저하한다. 이 때문에, Mn 함유량은 0.6∼2.1％의 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 1.20∼1.40％이다.

Al: 0.005∼0.25％

Al은, 탈산제로서 작용함과 함께, N과 결합하여 AlN으로서 석출하고, 결정립, 특히 γ입자의 미세화에 유효하게 기여하고, 결정립 미세화를 통하여 내내압 피로 특성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Al을 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, Al 함유량이 0.25％를 초과하면, 석출하는 AlN이 조대화하여, 소망하는 결정립의 미세화를 달성할 수 없고, 소망하는 고(高)인성 및 우수한 내내압 피로 특성을 확보할 수 없게 된다. 또한, 바람직하게는 0.015∼0.050％이다.

N: 0.0010∼0.010％

N은, Al과 결합하여 AlN으로서 석출하고, 결정립, 특히 γ입자의 미세화에 유효하게 기여하고, 결정립의 미세화를 통하여 내내압 피로 특성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, N을 0.0010％ 이상 함유할 필요가 있다. 한편, N함유량이 0.010％를 초과하면, 석출하는 AlN이 조대화하여, 소망하는 결정립 미세화를 달성할 수 없게 된다. 이 때문에, N함유량은 0.0010∼0.010％의 범위로 한정했다. 또한, 냉간 인발성(cold drawability)을 저하시키는 시효 경화의 관점에서, 바람직하게는 0.0020∼0.0050％이다.

[Al％]×[N％]≤27×10^-5 (1)

Al 함유량 [Al％]와 N 함유량 [N％]의 곱([Al％]×[N％])이, (1)식을 만족하도록 조정함으로써, 구γ입경을 소정치 이하로 미세화할 수 있어, 강관 인성 및 강관의 내내압 피로 특성이 향상한다. 한편, [Al％]×[N％]가, (1)식을 만족하지 않는, 즉, [Al％]×[N％]가 27×10^-5을 초과하여 커지면, AlN이 조대화하여, 결정립의 미세화 작용이 저하한다. 이 때문에, 소망하는 내내압 피로 특성을 확보할 수 없게 된다. 이러한 점에서, [Al％]×[N％]가 (1)식을 만족하도록, Al 함유량 [Al％]과 N 함유량 [N％]를 조정하는 것으로 했다. 또한, 바람직하게는 [Al％]×[N％]는 20×10^-5이하이다.

또한, 본 발명에서는, 불순물로서, P, S, O를 각각, P: 0.030％ 이하, S: 0.025％ 이하, O: 0.005％ 이하 함유한다.

P, S, O는, 모두 열간 가공성 및 인성에 악영향을 미치는 원소이며, 본 발명에서는 가능한 한 저감하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 P: 0.030％, S: 0.025％, O: 0.005％까지는 허용할 수 있다. 이 때문에, 본 발명에서는 불순물로서의 P, S, O는, P 함유량이 0.030％ 이하, S 함유량이 0.025％ 이하, O 함유량이 0.005％ 이하가 되도록 조정한다.

상기한 성분이 기본의 성분이지만, 기본의 조성에 더하여 추가로, 선택 원소로서, 필요에 따라서, Cu: 0.70％ 이하, Ni: 1.00％ 이하, Cr: 1.20％ 이하, Mo: 0.50％ 이하, B: 0.0060％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, Ti: 0.20％ 이하, Nb: 0.050％ 이하, V: 0.20％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상, 및/또는, Ca: 0.0040％ 이하를 선택하여 함유해도 좋다.

Cu: 0.70％ 이하, Ni: 1.00％ 이하, Cr: 1.20％ 이하, Mo: 0.50％ 이하, B: 0.0060％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상

Cu, Ni, Cr, Mo 및 B는 모두, 담금질성 향상을 통하여 강도 증가에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서, 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있다.

Cu는, 강도 증가에 더하여 인성 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Cu 함유량은 0.03％ 이상이 바람직하다. 또한, 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cu를 0.10％ 이상 함유할 필요가 있다. Cu 함유량이 0.70％를 초과하면, 열간 가공성이 저하하거나, 잔류 γ량이 증가하여, 강도의 저하를 초래한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Cu 함유량은 0.03∼0.70％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.20∼0.60％이다.

Ni는, 강도 증가에 더하여 인성 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ni를 0.10％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 Ni 함유량은 0.10％ 이상이 바람직하다. Ni 함유량이 1.00％를 초과하면, 잔류 γ량이 증가하여, 강도의 저하를 초래한다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Ni 함유량은 0.10∼1.00％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.20∼0.60％이다.

Cr는, 강도 증가에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Cr 함유량은 0.02％ 이상이 바람직하다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는, Cr을 0.1％ 이상 함유할 필요가 있다. Cr 함유량이 1.20％를 초과하면, 매우 조대한 탄질화물이 형성되고, 조대한 석출물, 개재물의 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Cr함유량은 0.02∼1.20％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.02∼0.40％이다.

Mo는, 강도 증가에 더하여 인성 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Mo를 0.03％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 Mo 함유량은 0.03％ 이상이 바람직하다. Mo 함유량이 0.50％를 초과하면, 매우 조대한 탄질화물이 형성되고, 조대한 석출물, 개재물의 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Mo 함유량은 0.03∼0.50％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.04∼0.35％이다.

B는, 미량 함유로 담금질성의 향상에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 B를 0.0005％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 B함유량은 0.0005％ 이상이 바람직하다. B를 0.0060％를 초과하여 함유해도 효과가 포화하는데다가, 오히려 담금질성 향상을 저해하는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는 B함유량은 0.0005∼0.0060％로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.0010∼0.0030％이다.

Ti: 0.20％ 이하, Nb: 0.050％ 이하, V: 0.20％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상

Ti, Nb 및 V는 모두, 석출 강화를 통하여 강도 증가에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서, 1종 또는 2종 이상을 선택하여 함유할 수 있다.

Ti는, 강도 증가에 더하여 인성 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ti를 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 Ti 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. Ti 함유량이 0.20％를 초과하면, 매우 조대한 탄질화물이 형성되고, 조대한 석출물, 개재물의 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Ti 함유량은 0.005∼0.20％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.005∼0.020％이다.

Nb는, Ti와 동일하게, 강도 증가에 더하여 인성 향상에도 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Nb를 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 Nb 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. Nb 함유량이 0.050％를 초과하면, 매우 조대한 탄질화물이 형성되고, 조대한 석출물 및 개재물의 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Nb함유량은 0.005∼0.050％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.020∼0.050％이다.

V는, 강도의 증가에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, V를 0.005％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 V 함유량은 0.005％ 이상이 바람직하다. V 함유량이 0.20％를 초과하면, 매우 조대한 탄질화물이 형성되고, 조대한 석출물 및 개재물의 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, V함유량은 0.005∼0.20％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.025∼0.060％이다.

Ca: 0.0040％ 이하

Ca는, 개재물의 형태 제어에 기여하는 원소이며, 필요에 따라서 함유할 수 있다.

Ca는, 개재물의 형태를 제어하여, 개재물을 미세 분산시켜, 연성 및 인성, 나아가서는, 내식성의 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, Ca를 0.0005％ 이상 함유할 필요가 있다. 이 관점에서 Ca함유량은 0.0005％ 이상이 바람직하다. Ca 함유량이 0.0040％를 초과하면, 매우 조대한 개재물이 생성되고, 조대한 석출물 및 개재물에 영향을 받기 어려운 본 발명에 있어서도 피로 강도가 저하되는 경우가 있다. 나아가서는 내식성이 저하되는 경우도 있다. 이 때문에, 함유하는 경우에는, Ca 함유량은 0.0005∼0.0040％의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직하게는 0.0005∼0.0015％이다.

상기한 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다.

다음으로, 본 발명의 이음매 없는 강관의 조직에 대해서 설명한다.

본 발명 이음매 없는 강관은, 상기한 조성을 갖고, 냉간 인발, 열처리를 실시하여, 페라이트, 펄라이트, 아시큘러(acicular) 페라이트를 포함한 베이니틱 페라이트, 베이나이트 또는, 템퍼링 마르텐사이트(martensite)를 포함하는 마르텐사이트상(phase) 중 어느 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 형성함과 함께, 관축 방향 단면에서, 구γ입경이 150㎛ 이하인 조직을 갖는다.

구γ입경을 150㎛ 이하로 한정하는 것은, 조직의 미세화를 의미한다. 조직의 미세화에 의해, 내압 피로 균열의 진전이 늦고, 나아가서는 피로 균열이 정류하고, 균열의 전파가 정지하여, 내내압 피로 특성이 향상한다. 또한, 구γ입경이 150㎛를 초과하여 커지면, 조직이 조대화하고, 내내압 피로 특성이 저하한다. 이 때문에, 구γ입경은 150㎛ 이하로 한정했다. 또한, 바람직하게는 100㎛ 이하이다.

구γ입경은, JIS G 0511의 규정에 준거하여, 아시큘러 페라이트상을 포함한 베이니틱 페라이트상, 베이나이트상 또는, 템퍼링 마르텐사이트를 포함한 마르텐사이트상 중 어느 조직의 부분에 관해서는, 피크린산(Picric acid) 포화 수용액을 이용하여 부식하고, 출현한 조직으로부터 결정했다. 또한, 페라이트-펄라이트 조직이나 초석 페라이트(pro-eutectoid ferrite)가 관찰되는 조직의 부분에 대해서는, 나이탈액을 이용하여 부식하고, 출현한 그물코 형상 페라이트의 그물코의 크기로부터 결정했다.

다음으로, 본 발명의 이음매 없는 강관의 바람직한 제조 방법에 대해서 설명한다.

본 발명의 이음매 없는 강관은, 상기한 조성의 강관 소재를 출발 소재로 하여 제조된다. 또한, 사용하는 강관 소재의 제조 방법은 특별히 한정할 필요는 없고, 상용(常用)의 제조 방법을 모두 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기한 조성을 갖는 용강을, 전로 또는, 진공 용해로 등의, 상용의 용제 방법을 이용하여 용제하고, 연속 주조법 등의, 상용의 주조 방법으로 원형 빌릿(round billet) 등의 주편(강관 소재)으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 연속 주조제 주편을, 열간 가공하여 소망하는 치수 형상의 강편으로 하여, 강관 소재로 해도 아무런 문제는 없다. 또한, 조괴(造塊)-분괴(分塊) 압연법에 의한 강편을, 강관 소재로 해도 좋은 것은 말할 필요도 없다.

얻어진 강관 소재를, 가열하고, 매니스먼-플러그 밀(Mannesman-plug mill) 방식, 혹은 매니스먼-맨드릴 밀(Mannesman-mandrel mill) 방식의 압연 설비를 이용하여, 천공 압연 및 연신 압연하고, 혹은 나아가서는 스트레치 리듀서(stretch reducer)를 이용하는 정경(sizing) 압연 등으로, 관을 만들어서, 소정 치수의 이음매 없는 강관으로 하는 것이 바람직하다.

천공 압연 및 연신 압연을 위한 가열은, 1100∼1300℃의 범위의 온도로 행하는 것이 바람직하다.

가열 온도가, 1100℃ 미만에서는, 변형 저항이 증대하여, 천공 압연이 곤란해지거나, 혹은 적정 치수의 구멍을 형성할 수 없게 된다. 한편, 가열 온도가 1300℃를 초과하여 고온이 되면, 산화 감량이 증대하여, 수율이 저하함과 함께, 결정립이 지나치게 조대화하여, 재료 특성이 저하한다. 이 때문에, 천공 압연을 위한 바람직한 가열 온도는 1100∼1300℃의 범위의 온도로 했다. 또한, 보다 바람직하게는 1150∼1250℃이다.

또한, 관을 만드는 것은, 통상의 매니스먼-플러그 밀 방식, 혹은 매니스먼-맨드릴 밀 방식의 압연기를 이용하여, 천공 압연 및 연신 압연하고, 혹은 추가로 스트레치 리듀서에 의한 정경 압연 등에 의해, 소정 치수의 이음매 없는 강관으로 관을 만드는 공정으로 한다. 또한, 프레스 방식에 의한 열간 압출로 이음매 없는 강관으로 해도 좋다.

얻어진 이음매 없는 강관은, 계속해서, 냉간 인발 가공 등을 필요에 따라서 반복 실시하여 소정의 치수로 한 후, 열처리를 실시하여, 소망하는 인장 강도: 500㎫ 이상의 고강도를 갖는 이음매 없는 강관으로 된다. 또한, 냉간 인발 가공에서는, 가공전의 내경 절삭 가공이나, 가공 후의 내면의 화학 연마 등에 의해, 소관의 초기 표면 결함이나, 냉간 인발로 발생한 주름 등을 제거하는 것이 바람직하다.

열처리는, 소정의 강도를 확보할 수 있도록, 노말라이징 또는 담금질 템퍼링을 적절히 선택한다.

노말라이징 처리에서는, 850∼1150℃에서 30min을 초과하지 않는 범위에서 가열한 후, 공냉 정도의 약 2∼5℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 처리로 하는 것이 바람직하다. 가열 온도가 850℃ 미만에서는, 소망하는 강도를 확보할 수 없다. 한편, 가열 온도가 1150℃를 초과하는 고온 또는, 가열 시간이 30min을 초과하는 장시간에서는, 결정립이 조대화하여, 피로 강도가 저하한다.

담금질 처리는, 850∼1150℃의 온도로 30min을 초과하지 않는 범위에서 가열하고, 5℃/s를 초과하는 냉각 속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 담금질 가열 온도가 850℃ 미만에서는, 소망하는 고강도를 확보할 수 없다. 한편, 가열 온도가 1150℃를 초과하는 고온, 가열 시간이 30min을 초과하는 장시간에서는, 결정립이 조대화하여, 피로 특성이 저하되는 경우가 있다.

템퍼링 처리는, Ac₁ 변태점 이하, 바람직하게는 450∼650℃의 온도로 가열하고, 공냉하는 처리로 하는 것이 바람직하다. 템퍼링 온도가, Ac₁ 변태점을 초과하면, 안정적으로 소망하는 특성을 확보할 수 없게 된다. 특히, 780㎫ 이상의 고강도를 확보하기 위해서는, 열처리는 담금질 템퍼링 처리로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 구γ입경이 150㎛ 이하가 되도록 열처리 조건을 적절히 조정한다. 상기한 바와 같이 반복 냉간 인발 가공을 실시한 후에 열처리한다는 제조 조건에서는, 열연판이나 냉연판을 단순하게 열처리하는 경우와 달리, γ입경이 커지기 쉽고, 본 발명에 있어서와 같은 화학 성분을 적절히 조정하지 않으면, 적절한 열처리 조건이 존재하지 않는다.

실시예

표 1에 나타내는 조성의 강관 소재를, 가열 온도: 1150∼1250℃로 가열하여, 매니스먼-맨드릴 밀 방식의 압연 설비로, 천공 압연 및 연신 압연하고, 추가로 스트레치 리듀서로 정경 압연을 행하여, 이음매 없는 강관(외경 34mmΦ×내경 25mmΦ)으로 했다. 이들 이음매 없는 강관을 소재로 하여, 냉간 인발 가공을 반복하고, 냉간 인발 강관(외경 6.4mmΦ×내경 3.0mmΦ)으로 했다. 계속해서, 얻어진 냉간 인발 강관에, 표 2에 나타내는 열처리를 실시했다.

얻어진 이음매 없는 강관(냉간 인발 강관)으로부터, 시험편을 채취하여, 조직 관찰, 인장 시험 및, 내압 피로 시험을 실시했다. 시험 방법은 다음과 같다.

(1) 조직 관찰

얻어진 강관으로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취하고, 관축 방향으로 직교하는 단면(관축 방향 단면)이 관찰면이 되도록, 연마하고, JIS　G　0511의 규정에 준거하여, 부식액(피크린산 포화 수용액 또는 나이탈액)을 이용하여 부식하고, 드러난 조직에 대해서, 광학 현미경(배율: 200배)으로 관찰하고, 촬상하여, 화상 해석에 의해, 평균 입경을 산출하여, 당해 강관의 구γ입경으로 했다. 또한, No.1∼17, No.20∼26에 대해서는, 피크린산 포화 수용액을 이용했다. 또한, No.18, 19에 대해서는, 나이탈액을 이용하여 그물코 형상 페라이트의 그물코의 크기를 구하여, 구γ입경으로 했다.

(2) 인장 시험

얻어진 강관으로부터, 인장 방향이 관축 방향이 되도록, JIS　11호 시험편을 채취하고, JIS Z 2241의 규정에 준거하여, 인장 시험을 실시하여, 인장 특성(인장 강도(TS))을 구했다.

(3) 내압 피로 시험

얻어진 강관으로부터, 내압 피로 시험편(관 형상)을 채취하여, 내압 피로 시험을 실시했다. 내압 피로 시험은, 관내측에 정현파 압력(내압)을 부하하고, 반복 회수가 10⁷회로 파괴가 일어나지 않는 최대 내압을, 내압 피로 강도로 했다. 또한, 정현파 압력(내압)은, 최저 내압: 18㎫, 최고 내압: 250∼190㎫로 했다.

얻어진 결과를 표 2에 나타낸다.

본 발명예는 모두, 인장 강도(TS): 500㎫ 이상의 고강도를 갖고, 또한, 내구비(σ/TS)의 기준이 30％ 이상을 나타내고, 우수한 내내압 피로 특성을 갖는 이음매 없는 강관으로 되어 있어, 디젤 엔진용 연료 분사관용 강관으로서 충분한 특성을 갖고 있다. 한편, 본 발명을 벗어나는 비교예는, 인장 강도가 500㎫ 미만이거나, 혹은 내내압 피로 특성(σ/TS)이, 30％ 미만으로 저하하고 있다.

Claims

질량％로, C: 0.155∼0.38％, Si: 0.01∼0.49％, Mn: 0.6∼2.1％, Al: 0.005∼0.25％, N: 0.0010∼0.010％를 포함하고, 또한 하기 (1)식을 만족하고, 불순물로서의 P: 0.030％ 이하, S: 0.025％ 이하, O(산소): 0.005％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖고,
냉간 인발, 열처리를 실시한 후의 구γ입경의 평균 입경이, 관축 방향 단면에서, 150㎛ 이하인 조직을 갖고,
인장 강도(TS): 500㎫ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.
기(記)
2×10^-5≤[Al％]×[N％]≤27×10^-5 (1)
여기에서, Al％, N％: 각 원소의 함유량(질량％)
제1항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Cu: 0.70％ 이하, Ni: 1.00％ 이하, Cr: 1.20％ 이하, Mo: 0.35％ 이하, B: 0.0060％ 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ti: 0.20％ 이하, Nb: 0.050％ 이하, V: 0.20％ 이하 중으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ca: 0.0040％ 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.
제3항에 있어서,
상기 조성에 더하여 추가로, 질량％로, Ca: 0.0040％ 이하를 함유하는 것을 특징으로 하는 연료 분사관용 이음매 없는 강관.