KR102453873B1 - 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관 - Google Patents

열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 강판를 재단하여 용접부가 형성된 튜브로 성형하는 조관단계; 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계; 열처리된 튜브를 재열처리하여 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계; 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계; 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 교정된 튜브를 절단하고 연마하는 후처리단계;를 포함하고, 재결정단계는, 나선형 코일과, 나선형 코일의 단부에 길이방향으로 연장된 직선형 코일이 교번하여 배치된 승온코일라인의 내부로 튜브가 통과하면서, 용접부의 결정립 크기가 조절되어 튜브의 조직에 일체화되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관을 기술적 요지로 한다.

Description

열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관{MANUFACTURING METHOD OF EXCELLENT HEAT TREATMENT CHARACTERISTICS STEEL PIPE, STEEL PIPE MANUFACTURED BY THIS}
본 발명은 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관에 관한 것이다.
강관은 철로 만든 파이프로써, 구조용, 자동차 부품용, 가전부품용 및 건자재용 등에 널리 사용되고 있다. 이러한 강관을 만드는 공정을 제관이라 하는데, 제관은 원자재나 가공된 부재를 사용하여 절단, 성형, 용접 및 교정 등의 방법으로 원하는 품질의 제품 형상이나 치수로 만드는 일련의 과정을 말한다. 제관은 플랜트 산업을 비롯하여 건축, 조선, 중공업(파이프 및 송유관 등의 강관을 포함한 덕트, 화학용기, 교량 중장비) 등 광범위한 산업군에 걸쳐 제품들로 제작되고 있다. 대표적인 제관 제품으로 스테인리스 스틸 튜브가 있으며, 특히 반도체/디스플레이 산업군의 초고순도 배관, 제약 산업군의 초고순도 위생배관 등에 활용되는 튜브가 있다.
최근 강관 제조에 있어서, 인라인(in-line)화를 도입하여 공정 단계 간 제품의 이동 시 발생하는 다양한 문제점을 해결하고 생산성 향상을 도모하고 있으나, 열처리 공정 단계의 기술적 취약점이 존재하여 제품 품질이 기존에 비해 낮아지는 문제점이 있다.
한 예로 '저탄소 용접 튜브 및 이의 제조방법(공개번호: 10-2012-0004472)'에서는 중공의 유도 및/또는 내열성 처리 및 냉각 압연 공정의 시너지 조합을 통하여 에너지 소비의 현저한 감소를 유도하는 동시에 향상된 치수 안정성, 공차의 근접성, 감소된 두께 편차, 집중성 및 재료 소모량의 상당한 감소와 함께 생성되는 튜브의 품질을 향상시키는 내용을 개시하고 있으나, 상기한 바와 같은 열처리의 문제점을 해결 방안으로 제시하지 않고 있다.
다른 예로 '전기저항 용접을 이용하여 만들어진 오스테나이트계 고망간 강관의 제조방법(등록번호: 10-1817085)'에서는 코일로 말려있는 고망간강 코일을 재단하고, 재단되어 말려있는 고망간강 코일을 풀어 용접부의 가공성을 확보하기 위해 고망간강의 양측을 다듬은 후 성형 및 용접하여 강관을 제조하는 방법을 개시하고 있으나, 이 역시 상기한 문제점을 해결하기에는 어려움이 있다.
또 다른 '파이프 열처리 장치 및 이를 이용한 파이프 열처리 방법(등록번호: 10-1830802)'에서는 파이프를 외부에서 가열한 후 내부에서 냉각시키는 방법으로 파이프를 열처리하여 강성을 향상시킬 수 있는 기술을 제시하였다. 하지만 생산량 증가는 보일 수 있지만 열처리 과정에서 오히려 물성 저하를 초래할 수 있는 환경이 조성되어 버리는 문제점이 있다.
따라서 인라인 생산 공정 상에서 열처리 관련 공정을 개선하여 강관을 제조할 수 있는 기술개발 연구가 요구되고 있는 시점이다.
국내 공개특허공보 제10-2012-0004472호, 2012.01.12.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1817085호, 2018.01.04.자 등록. 국내 등록특허공보 제10-1830802호, 2018.02.13.자 등록.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 열처리 환경을 개선시켜 제품성이 향상될 수 있도록 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법, 이에 의해 제조되는 강관을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 강판를 재단하여 용접부가 형성된 튜브로 성형하는 조관단계; 상기 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계; 상기 열처리된 튜브를 재열처리하여 상기 튜브와 상기 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계; 상기 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계; 상기 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 및 상기 교정된 튜브를 절단하고 연마하는 후처리단계;를 포함하고, 상기 재결정단계는, 나선형 코일과, 상기 나선형 코일의 단부에 길이방향으로 연장된 직선형 코일이 교번하여 배치된 승온코일라인의 내부로 상기 튜브가 통과하면서, 상기 용접부의 결정립 크기가 조절되어 상기 튜브의 조직에 일체화되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 재결정단계는, 상기 튜브를 1,040 내지 1,100℃로 재열처리하여 상기 용접부의 결정립 크기가 15 내지 22㎛로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 급랭단계와 상기 교정단계의 사이에는, 1종 이상의 금속 분말을 스퍼터 건에 장착하고, 스퍼터 공간에 반응 가스를 유입하면서 상기 금속 분말에 전력을 인가하며 상기 스퍼터 공간에 플라즈마 분위기를 형성하여 상기 금속 분말을 스퍼터링함으로써, 상기 튜브의 표면에 박막을 형성하는 스퍼터링단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 스퍼터링은, 상기 스퍼터 공간에 설치되는 제1스퍼터 건과 제2스퍼터 건을 포함하는 듀얼 스퍼터 건을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 튜브의 표면으로부터 상기 제1스퍼터 건 및 상기 제2스퍼터 건의 이격 거리를 제어하여 상기 박막의 두께가 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 튜브의 표면에 박막을 형성하기 전에는, 상기 튜브의 표면에 레이저 조사를 통해 형성되는 마이크로 거칠기 패턴과, 상기 마이크로 거칠기 패턴 상에 전기화학적 에칭을 통해 형성되는 나노 거칠기 패턴을 포함하는 복합 구조의 패턴층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 상기 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 강관을 제공한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명의 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법에 따르면, 인라인 생산 과정에서 광휘소둔 열처리 공정 및 재결정 열처리 공정을 통하여 모재인 튜브와 용접부 사이의 조직 차이를 최소화 및 일체화시킴으로써, 열처리 특성이 우수하여 제품성이 향상된 강관을 제조할 수 있는 효과가 있다.
또한, 금속 분말을 소결시키는 전처리를 하지 않더라도 튜브의 표면에 금속 분말을 이용한 스퍼터링을 통해 박막을 형성할 수 있으므로, 필요에 따라 1종 이상의 금속을 박막 형태로 간편하게 증착할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 강관의 제조방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 조관 과정을 나타낸 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 승온코일라인 상에서 튜브가 재결정되는 모습을 나타낸 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터 건을 이용한 스퍼터링 증착 과정을 나타낸 예시도.
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 스퍼터 건을 이용한 스퍼터링 증착 과정을 나타낸 예시도.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 강관의 제조방법을 순서도로 나타낸 것이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 강관을 제조하는 방법은, 강판를 재단하여 용접부가 형성된 원통형의 튜브로 성형하는 조관단계(S10), 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계(S20), 열처리된 튜브를 재열처리하여 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계(S30), 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계(S40), 튜브의 표면에 박막을 형성하는 스퍼터링단계(S50), 튜브의 형태를 교정하는 교정단계(S60) 및 교정된 튜브를 절단하고 연마하는 후처리단계(S70)를 포함하여 이루어진다.
상술한 제조방법에 따르면 먼저, 조관단계는 강판를 재단하여 용접부가 형성된 원통형의 튜브로 성형하는 단계이다(S10).
설명에 앞서 강판은 스테인리스 스틸일 수 있으며, 스테인리스 스틸은 크롬(Cr)을 18% 이상 함유하여 내식성이 우수한 강재를 의미한다. 이러한 스테인리스 스틸은 화학 성분이나 금속학적 조직에 따라 오스테나이트계, 폐라이트계, 석출강화계, 마르텐사이트계 및 듀플렉스계로 분류되고, 본 발명에서 적용되는 스테인리스 스틸은 상술한 종류 뿐만 아니라 강판으로 사용될 수 있는 소재라면 다양하게 사용 가능하다.
본 발명에 따른 조관 과정을 예시도로 나타낸 도 2에 도시된 바를 참조하면, 조관단계는 원소재 코일 투입 후 판코일을 튜브 형태로 성형하는 판코일 튜브 형태 성형단계(S10a), 튜브 양단의 성형 접합부(w1)를 GTAW 방식을 통하여 튜브의 길이방향을 따라 용접하는 GTAW 용접단계(S10b), 용접 후 튜브 내면의 백비드를 냉간압연하여 용접부가 보이지 않도록 제거하는 용접비드 냉간압연단계(S10c)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 강관이 될 수 있도록 원자재 강판을 슬리팅하고, 슬리팅된 강판을 원통형으로 성형하고 튜브 간의 이음새를 용접함으로써, 용접부가 형성된 배관 형상으로 제조될 수 있다. 용접 후에는 용접비드를 냉간압연함으로써 튜브의 취약점인 진동에 의한 부식 내성을 강화시키고, 튜브 내면으로 돌출된 백비드를 모재인 튜브와 동일한 높이가 되도록 가압하여 이물질의 흡착을 방지하고, 내면을 흐르게 되는 유체의 흐름방해 요인을 제거할 수 있게 된다.
다음으로, 광휘소둔단계는 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 단계이다(S20).
상세히, 광휘소둔단계는 조관단계를 통해 비드가 제거된 스테인리스 스틸 튜브를 수소(H2), 질소(N2) 중 어느 하나 이상으로 이슬점 범위가 -60 내지 -40℃인 환원성 분위기 하에서 열처리함으로써, 냉간압연된 스테인리스 스틸의 열처리 과정에서 발생된 열리간 산화를 방지하여 튜브 표면의 색상 변형이 없도록 외관상 우수한 장점을 유지할 수 있도록 한다.
환원성 분위기의 경우, 수소 또는 질소 단독으로 사용하여도 상관없지만 수소만을 사용하게 되면 폭발 위험이 생길 수 있으므로, 수소와 질소가 혼합된 혼합 환원성 분위기인 것이 바람직하다. 이때 수소 함량은 70% 이상이 된다면 충분하다.
광휘소둔단계에서 산소가 유입될 경우 튜브의 표면 산화를 유발하여 균일한 표면처리가 이루어지기 어렵게 때문에, 무산소 분위기에서 열처리를 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 재결정단계는 열처리된 튜브를 재열처리하여 튜브와 용접부의 조직을 안정화시키는 단계이다(S30).
우선 모재인 튜브(t)와 용접부(w2)의 조직 차이가 있는 경우 일괄적인 표면 연마가 어렵게 되는데, 이를 해결하기 위하여 본 발명에서와 같은 재결정 과정을 실시한다. 재결정 열처리를 통하여 용접부(w2)의 조직 변화를 재결정화시켜 결국 튜브(t)와 용접부(w2)의 조직을 통일시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 승온코일라인(100) 상에서 튜브(t)가 재결정되는 모습을 예시도로 나타낸 도 3을 참조하면, 재결정단계에서는 나선형 코일(110)과, 나선형 코일(110)의 단부에 승온코일라인(100)의 길이방향으을 따라 연장 형성된 직선형 코일(120)이 교번하여 배치된 승온코일라인(100)의 내부로 튜브(t)가 통과하면서, 용접부(w2)의 결정립 크기가 조절되어 튜브(t)의 조직에 일체화될 수 있다. 이에 따라 용접부(w2)와 모재인 튜브(t)의 조직을 통일시킬 수 있게 된다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 광휘소둔 열처리가 완료된 튜브(t)를 일정 공간이 마련된 승온코일라인(100) 상으로 유입시킨다. 이때 승온코일라인(100) 내부에는 나선형 코일(110)과 직선형 코일(120)이 교대로 반복하여 연결 형성될 수 있는데, 이는 재결정 온도에 따라 형성된 것으로, 승온코일라인(100)에 너비가 큰 튜브(t)가 이송되면 직선형 코일(120)의 구간보다 나선형 코일(110)의 구간을 상대적으로 증가시키고, 승온코일라인(100)에 너비가 작은 튜브(t)가 이송되면 상대적으로 크기가 큰 튜브(t)에 비해 열이 적게 필요하므로, 나선형 코일(110)의 구간보다 직선형 코일(120)의 구간을 증가시킬 수 있다. 여기서 직선형 코일(120)의 외부에는 구간 온도 감소를 위해 석영관이 설치될 수 있다.
또한 재결정 시 승온코일라인(100)에 유입된 튜브(t)에 6 내지 8초의 시간을 부여하는 것이 바람직하다. 승온코일라인(100) 상에서 튜브(t)가 6초 미만으로 홀딩되면 용접부(w2)의 재결정되는 시간을 충분히 부여하지 못하게 되고, 순간적인 쇼트가 발생하여 용접부(w2)의 표면에 불필요한 불순물이 발생될 수 있다. 반면, 승온코일라인(100) 상에서 튜브(t)가 8초를 초과하여 홀딩되면 용접부(w2)의 표면 뿐만 아니라 오히려 튜브(t)의 표면도 함께 불량으로 만들게 된다.
특히 재결정단계에서는 튜브(t)를 1,040 내지 1,100℃로 재열처리하여 용접부(w2)의 결정립 크기 범위가 15 내지 22㎛ 범위로 조절되도록 하는 것이 바람직하다.
만약 1,040℃ 미만으로 열처리를 하게 되면 용접부(w2)의 결정립 크기가 최소 15㎛까지 되기까지 많은 시간이 소모되고, 1,100℃를 초과하여 재열처리가 이루어지면 용접부(w2)에서 변형된 파편의 발생으로 오히려 물성 저하를 초래하게 된다.
상술한 바와 같은 조건으로 열처리를 통해 재결정이 이루어진 용접부(w2)에 있어서, 결정립도가 15㎛ 미만이면 튜브(t) 조직과의 일체화에 유리할지는 모르나, 용접부(w2)의 결정립도가 15㎛ 미만으로 되기까지 많은 일련의 공정을 거쳐야 하는 번거로움이 있어, 생산측면에서 바람직하지 못하다. 이와 달리, 용접부(w2)의 결정립도가 22㎛를 초과하면 결정립의 크기가 너무 비대해져 튜브(t) 조직과의 일체화를 이루지 못하여 잔존하는 용접부(w2)의 흔적이 그대로 남아 있기 때문에 추후 균일한 표면 밀도를 갖는 박막 형성이 유리하지 못하다. 즉 용접부(w2)의 결정립 크기를 15 내지 22㎛로 조절하여 튜브(t)의 조직과 일체화시켜 주어야 추후 튜브(t)의 표면에 박막 형성을 용이하게 해준다.
다음으로, 급랭단계는 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 단계이다(S40).
급랭단계는 재결정 열처리가 완료된 튜브를 30℃ 이하로 급랭하는 과정으로, 재결정 후 상온 냉각 시 발생할 수 있는 탄화와 입계부식을 방지하면서, 예민화 온도 범위를 회피하기 위함이다. 이때 예민화 온도 범위는 450 내지 850℃로써, 상온 냉각을 하게 되면, 냉각되는 와중에 450 내지 850℃가 될 때 탄화 또는 입계부식이 순간적으로 발생할 수 있기 때문에 30℃ 이하의 냉각수 존재 하에서 튜브를 급랭시킨 다음, 추후 스퍼터링단계를 위해 건조시키는 것이 바람직하다.
참고로 냉각수 내에서 별도의 냉각재를 튜브를 중심으로 사선방향이 되게끔 상호 반대방향으로 분사하여 유로를 형성함에 따라 급랭 시간을 단축시킬 수 있게 된다. 냉각수 내에서 냉각재 분사를 통해 유체 궤적이 증가하기 때문에 냉각수, 냉각재가 튜브에 접촉되는 양이 증가됨으로써 급랭 효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 스퍼터링단계는 1종 이상의 금속 분말을 스퍼터 건(200)에 장착하고, 스퍼터 공간에 반응 가스를 유입하면서 금속 분말에 전력을 인가하며 스퍼터 공간에 플라즈마 분위기를 형성하여 금속 분말을 스퍼터링함으로써, 튜브(t)의 표면에 박막을 형성하는 단계이다(S50).
스퍼터링을 하기에 앞서, 튜브(t)의 표면에 sand를 이용한 연마 방식이 아닌, 레이저를 조사하여 마이크로 크기의 거칠기 패턴을 형성한 후, 마이크로 거칠기 패턴 상에 전기화학적 에칭하여 나노 크기의 거칠기 패턴을 형성함으로써, 튜브(t) 표면에 복합 구조의 패턴층을 형성할 수도 있다.
튜브(t) 표면에 레이저 조사 및 전기화학적 에칭을 통하여 마이크로 거칠기 패턴과 나노 거칠기 패턴을 함께 형성함으로써, 스퍼터링으로 튜브(t) 표면에 증착될 박막과의 융합 특성이 좋아지는 장점이 있다. 특히 튜브(t) 표면에 마이크로 거칠기 패턴과 나노 거칠기 패턴이 복합적으로 형성되면 튜브(t)의 표면적이 증가하게 되어 복합 구조의 패턴층과 박막 간 네트워크 구조를 이루어 상호 간 결합이 유리한 장점이 있다.
마이크로 거칠기 패턴 형성 시에는, 마이크로(10-6)초, 나노(10-9)초, 피코(10-12)초, 펨토(10-15)초 및 아토(10-18)초 중 어느 하나 이상의 펄스 폭 레이저빔을 조사할 수 있으며, 그중 펨토초 펄스 레이저는 초고속성과 초고전자계에 특징이 있어 튜브(t)의 표면 가공에 유리하다. 펨토초 펄스 레이저를 이용하면, 레이저의 강도(W/cm2)가 높기 때문에 튜브(t)의 표면을 상하지 않게 하면서도 마이크로 거칠기 패턴을 형성할 수 있게 된다. 펨토초 레이저는 10-15초의 아주 짧은 펄스 폭을 갖는 레이저로, 나노초 레이저보다 상대적으로 적은 에너지로도 큰 출력을 낼 수 있기 때문에, 튜브(t) 표면에 가해지는 충격이 비교적 적어 견고한 마이크로 거칠기 패턴 형성을 가능하게 한다.
펨토초 레이저는 1 내지 5J/cm2의 에너지, 300 내지 350fs의 펄스 폭, 100 내지 180kHz의 펄스 반복률로 조사될 수 있다. 에너지가 1J/cm2를 초과하거나 펄스 폭이 350fs를 초과하거나 펄스 반복률이 180kHz를 초과하는 조건에서는 에너지 강도가 너무 세서 마이크로 거칠기 형성 정도가 불균일해지는 단점이 있다. 이와 같은 펨토초 레이저 조사 시 입자의 비산이 발생할 수 밖에 없는데, 이러한 입자가 튜브(t)에 다시 부착되거나 축적되지 않도록 흡기를 실시하는 것이 바람직하다.
나노 거칠기 패턴 형성 시에는, 마이크로 거칠기 패턴이 형성된 튜브(t)를 양극으로 하고, 백금(Pt), 은(Ag) 및 텅스텐(W) 중 어느 하나 이상의 금속을 음극으로 하여, 양극과 음극에 직류전압을 인가하여 양극을 산화시키게 되면 마이크로 거칠기 패턴 상에 나노 거칠기 패턴이 복합적으로 형성될 수 있다. 양극의 산화를 위해서는 레이저 조사를 통해 가공된 튜브와, 상대전극이 될 수 있는 금속을 전해액에 함침시켜 이루어질 수 있다. 이때 전해액 수용을 위해 대형 수조가 구비되는 것이 바람직하다.
마이크로 및 나노 거칠기 패턴에 이어서, 금속 분말 자체를 스퍼터링 소재로 사용하여 소결과 같은 전처리를 하지 않고도, 튜브의 표면에 균일하고 우수한 특성의 박막을 형성할 수 있으며, 이는 도 4 및 도 5를 통해 확인될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 스퍼터 건(200)을 이용한 스퍼터링 증착 과정을 예시도로 나타낸 것으로, 금속 분말을 스퍼터 건(200)에 도포를 통해 장착하고, 스퍼터 공간 내부에 반응 가스를 주입하면서 금속 분말에 전력을 인가하며 스퍼터 공간 내부에 플라즈마 분위기를 형성함으로 인해 금속 분말을 스퍼터링함으로써, 금속 분말과 대향되게 위치되는 튜브(t)의 표면에 박막을 형성할 수 있게 된다. 단, 튜브(t)의 균일한 박막 형성을 위하여 튜브(t)는 회전될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명에 따른 듀얼 스퍼터 건을 이용한 스퍼터링 증착 과정을 예시도로 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바를 참조하면, 단일 스퍼터 건(200)을 이용하는 도 4에서와 달리 스퍼터 공간 내에서 제1스퍼터 건(210)과 제2스퍼터 건(220)을 포함하는 이중 스퍼터 장치를 이용하여 스퍼터링될 수도 있다. 제1스퍼터 건(210)에 장착되는 금속 분말의 조성과 제2스퍼터 건(220)에 장착되는 금속 분말의 조성을 달리 할 수 있게 되는 것이다.
여기서 회전되고 있는 튜브(t)의 표면으로부터 제1스퍼터 건(210) 및 제2스퍼터 건(220)의 이격 거리를 제어한 후 배치함으로써 튜브(t)의 표면 상에 형성되는 박막의 두께를 조절할 수 있다. 다시 말해 제1스퍼터 건(210)을 통해 스퍼터링되는 금속 분말로 튜브(t) 표면에 박막을 형성한 후, 제2스퍼터 건(220)을 작동시켜 제1스퍼터 건(210)에 의해 형성된 박막 상에 금속 분말이 이중 코팅될 수 있도록 함으로써, 결국 사용처에 따라 박막 두께를 조절할 수 있게 된다.
한편 금속 분말은 튜브(t)의 표면에 필요로 하는 조성으로 이루어진 1종 이상의 금속으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어 아연(Zn), 주석(Sn), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 단, 금속 분말이 상술한 종류에 한정되는 것만은 아니고 스퍼터링에 의해 튜브(t)의 표면에 막막 상태로 증착될 수 있도록 하는 금속이라면 다양하게 사용 가능하다.
금속 분말의 경우 입도가 10 내지 100㎛ 크기인 것이 바람직한데, 금속 분말이 10㎛ 미만이면 금속 분말의 크기가 너무 작아 공정상 흩날림 발생으로 비효율적인 공정으로 이루어질 수 있으며, 금속 분말이 100㎛를 초과하면 크기가 너무 비대해져 금속 분말들 간에 빈 공간 발생으로 펠릿 형성이 용이하지 못하다.
스퍼터링을 위해 금속 분말을 균질화한 후 스퍼터 건(200)의 분말 장착부에 도포하여 장착시킨다. 스퍼터 건(200)에 장착되는 금속 분말은 펠릿 형태로 1 내지 10mm 두께로 장착되는 것이 바람직하다. 금속 분말이 1mm 두께 미만으로 장착되면 스퍼터링이 너무 일찍 끝나 금속 분말을 다시 장착해야 하는 교대 시간이 짧아지는 단점이 있어 공정상 번거로우며, 10mm를 초과하는 두께로 창착되면 금속 분말이 뭉친 상태로 튜브(t)의 표면에 증착될 수 있으므로, 튜브(t) 표면에 증착되는 박막의 두께가 불균해지는 단점이 있다.
스퍼터링의 경우, 방전류 0.1 내지 0.5A, 방전전압 100 내지 300V 조건으로 상온에서 1 내지 5mTorr Ar 분압 하에서 1분 내지 1시간 동안 이루어질 수 있다. 방전류가 0.1A 미만이거나 방전전압이 100V 미만이면 튜브(t)의 표면에 박막 증착이 충분히 이루어지지 못하고, 특히 방전전압이 100V 미만이 되면 전압이 충분하지 못하여 플라즈마가 꺼지게 된다. 방전류가 0.5A를 초과하거나 방전전압이 300V를 초과하게 되면 튜브(t) 표면과 금속 분말이 과반응되어 오히려 스퍼터링 증착에 걸림돌이 될 수 있다.
이때 2종 이상의 금속 분말을 사용하여 스퍼터링한 후, 180 내지 200℃ 조건으로 열처리하게 되면 2종 이상의 금속 분말 간 확산 이동이 이루어져 금속 분말 간에 상호 고용됨으로써, 박막을 견고히 할 수 있다. 스퍼터링 후 180℃ 미만에서 열처리하는 경우 스퍼퍼링 후의 박막을 견고히 해주기 어렵고, 박막 내에 합금 형태의 금속을 형성하기 어려워진다. 반면, 200℃를 초과하는 조건에서 열처리하게 되면 박막의 표면에 부분적인 박리 현상이 일어날 수 있어, 오히려 튜브 표면과 박막 간의 밀착력이 감소되는 단점이 있다.
예컨대 금속 분말로 아연, 주석 및 마그네슘의 3원계를 사용한 경우 열처리를 통하여 아연과 마그네슘이 주석을 향해 확산 이동되고 주석이 아연과 마그네슘을 향해 확산 이동되는데, 이때 아연과 주석은 마그네슘과 결합된 상태에서 분리되지 않으므로, 강관 표면에서 단계적 부식 지연을 달성할 수 있다. 이를 위해 금속 분말은 아연 60 내지 90중량%, 주석 0.1 내지 30중량% 및 마그네슘 0.1 내지 10중량%로 구성될 수 있다.
아연은 튜브의 표면을 보호하는 역할을 하므로, 아연이 60중량% 미만이면 튜브의 수명을 연장해주기에 미미한 양이고, 90중량%를 초과하면 마그네슘과 결합되지 못하고 잔존하는 아연으로 인해 박막 표면의 균일도를 향상시키기 어렵다.
주석은 쉽게 산화되지 않고 부식에 대한 저항성이 커서 합금의 부식을 방지해준다. 주석이 0.1중량% 미만이면 합금에 부분적으로 부식 발생이 초래될 수 있으며, 30중량%를 초과하게 되면 열에 노출 시 취성을 유발할 수 있으므로 바람직하지 않다.
마그네슘의 경우 아연의 내구성과 내식성으로 인하여 튜브의 수명을 연장시킬 수 있게 해준다. 마그네슘이 0.1중량% 미만이면 스퍼터링을 통해 증착되는 박막의 내구성과 내식성 향상에 도움이 되지 못할 뿐만 아니라, 마그네슘을 중심으로 아연과 주석이 서로 결합되지 못하여 금속 분말들 간에 상호 고용이 이루어지기 어려워진다. 반면, 마그네슘이 10중량%를 초과하면 기계적 성질에 의해 산화 요인이 될 수 있으므로 바람직하지 못하다.
열처리는 열을 가하여 특정 원자가 다른 원자 사이에 침투하여 합금이 형성될 수 있도록 열을 가하는 것으로, 침입형 고용화, 치환형 고용화 및 금속간 화합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 박막이 형성될 수 있다. 앞서 예로 들었듯이, 열처리를 통해 아연 및 마그네슘은 주석을 향해 확산 이동하고, 주석은 아연 및 마그네슘을 향해 확산 이동하여 튜브의 표면에 합금 박막이 형성될 수 있는 것이다. 이렇게 형성된 합금 박막에는 아연, 주석 및 마그네슘이 각각 존재하고, 일부가 고용화되어 아연-마그네슘-주석 합금이 존재할 수 있다. 이처럼 스퍼터링 후 열처리를 거치면 박막에는 아연, 주석, 마그네슘 및 아연-마그네슘-주석 합금이 있으므로, 부식의 속도를 지연시킬 있어 내식성이 우수한 박막을 얻을 수 있게 된다.
특히 마그네슘의 경우 부식 환경에서 빠르게 부식이 되어 버리는데, 마그네슘이 아연과 주석과 결합된 상태에서 분리되지 않기 때문에, 부식 지연이 가능하다.
또는 경우에 따라, 제1스퍼터 건(210) 및 제2스퍼터 건(220)을 포함하는 듀얼 스퍼터 건을 이용하여 튜브(t)의 표면에 단계적인 스퍼터링 증착도 가능하다. 앞서 설명한 바에 의하면 아연, 주석 및 마그네슘의 3원계 금속 분말을 혼합한 후 단일 스퍼터 건(200)에 장착하여 스퍼터링할 수 있다 하였으나, 듀얼 스퍼터 건을 사용하게 되는 경우 먼저, 제1스퍼터 건(210)에 아연 분말을 장착하여 튜브(t)의 표면에 스퍼터링을 통해 아연 박막을 형성하고, 제1스퍼터 건(210)과 일정 간격 이격된 위치에 배치된 제2스퍼터 건(220)에 주석 및 마그네슘의 혼합 분말을 장착하여 아연 박막 상에 스퍼터링을 통해 주석-마그네슘 박막을 형성할 수도 있다.
이 경우, 단일 스퍼터 건(200)을 사용한 경우와 마찬가지로 스퍼터링 후의 열처리를 통해 아연과 마그네슘은 주석을 향해 확산 이동하고, 주석은 아연 및 마그네슘을 향해 확산 이동하여 결국에는 튜브의 표면에 합금 박막이 형성될 수 있는 것이다.
이와 같은 스퍼터링단계에 따르면 스퍼터링 중 미세한 특성 변화가 튜브에 중요한 영향을 미치는 것을 알 수 있으므로, 상술한 스퍼터링 공정을 통하여 금속 분말의 타겟(target) 안정성 및 고순도화를 달성할 수 있게 된다.
또한 스퍼터링을 위한 금속 분말의 펠릿 밀도를 높임으로써, 금속 분말 간의 기공을 최소화하여 고전압이 발생되는 스퍼터링 공정 중 아크방전 발생으로 박막 표면에 입자를 형성시킴에 의해 불순물 가스가 방출됨에 따라 금속 분말 표면에 예상치 못한 부식 형성을 예방할 수 있게 된다.
다음으로, 교정단계는 튜브의 형태를 교정하는 단계이다(S60).
교정단계는 조관, 광휘소둔, 재결정, 급랭 및 스퍼터링 공정에서 모든 처리가 완료된 튜브의 형태를 보정하고 교정함으로써, 제품의 완성도를 높이기 위한 과정을 의미한다.
교정단계에서는 튜브의 외부를 감싸는 프레임이 구비되고, 프레임의 내부에서 유압에 의해 튜브의 외면을 가압하여 튜브의 형상을 보정하는 가압수단이 구비된 교정장치를 이용할 수 있다. 즉 프레임은 튜브의 외면을 감싸는 구조물로, 프레임 상에 변형 우려가 있는 튜브를 가압하면서 형상 보정이 가능한 가압수단이 설치될 수 있도록 한다.
마지막으로, 후처리단계는 교정된 튜브를 절단하고 연마하는 단계이다(S70).
교정된 튜브를 필요 또는 용도에 따라 소정의 길이로 절단하고, 면취작업을 하여 단부를 매끄럽게 할 수 있다. 절단에 이어서, 튜브의 외면을 연마하고, 내면 또한 연마하여 표면 작업을 진행한다. 이때 발생된 파티클과 불순물을 제거하기 위해 세척을 함으로써 본 단계를 마무리한다.
이러한 과정을 거쳐 생산되는 강관과, 종래 통상적인 방법으로 생산되는 강관의 물성을 평가하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
구분 측정값
(본 발명)		 측정값
(종래)		 시험규격
생산속도
(m/분)		 1.8 1.2 제3자 입회 시험(10회)
경도
(HRb)		 88 96 ASTM A249
항복강도
(N/mm2)		 200 170
인장강도
(N/mm2)		 500 485
연신율
(%)		 40 26
외경공차
(mm)		 ±0.2 - ASTM 1016
표 1을 참조하면, 기존의 강관 생산속도가 1.2m/분이고, 제조된 강관의 경도가 96HRb, 항복강도가 170N/mm2, 인장강도가 485N/mm2, 연신율이 26%에 불과한 반면, 본 발명의 제조방법으로는 강관이 1.8m/분의 속도로 생산되었고, 이렇게 제조된 강관의 경도는 88HRb, 항복강도는 200N/mm2, 인장강도는 500N/mm2, 연신율은 40%이며, 외경공차는 ±0.2mm로 측정되었다. 이를 통해 모재와 용접부 간의 조직을 일체화시켜 강관의 품질을 높일 수 있음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법에 관한 것으로, 강판를 재단하여 용접부(w2)가 형성된 튜브(t)로 성형한 후, 튜브(t)를 환원성 분위기에서 광휘소둔 열처리하고, 재결정화시켜 용접부(w2)의 조직을 안정화시킨 다음, 급랭, 교정, 절단 및 연마를 함으로써, 강관을 제조할 수 있는데 특징이 있다.
특히 재결정 과정에서 나선형 코일(110)과, 나선형 코일(110)의 단부에 길이방향으로 연장된 직선형 코일(120)이 교번하여 배치된 승온코일라인(100)의 내부로 튜브(t)가 통과하면서, 용접부(w2)의 결정립 크기가 15 내지 22㎛ 범위로 제어됨으로써, 튜브(t)의 조직과 일체화될 수 있다는 점에 의미가 있다.
따라서 본 발명에서와 같은 광휘소둔단계 및 재결정단계를 포함한 열처리를 통하여 제조되는 강관은 모재인 튜브(t)와 용접부(w2) 사이의 조직 차이로 인하여 발생될 수 있는 품질 저하를 방지하여 제품성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
t: 튜브
w1: 접합부
w2: 용접부
100: 승온코일라인
110: 나선형 코일
120: 직선형 코일
200: 스퍼터 건
210: 제1스퍼터 건
220: 제2스퍼터 건

Claims (7)

  1. 강판을 재단하여 용접부가 형성된 튜브로 성형하는 조관단계;
    상기 튜브를 환원성 분위기에서 열처리하여 산화를 방지하는 광휘소둔단계;
    상기 열처리된 튜브를 재열처리하여 상기 튜브와 상기 용접부의 조직을 안정화시키는 재결정단계;
    상기 재결정된 튜브의 탄화 및 입계부식을 방지하는 급랭단계;
    1종 이상의 금속 분말을 스퍼터 건에 장착하고, 스퍼터 공간에 반응 가스를 유입하면서 상기 금속 분말에 전력을 인가하며 상기 스퍼터 공간에 플라즈마 분위기를 형성하여 상기 금속 분말을 스퍼터링함으로써, 상기 튜브의 표면에 박막을 형성하는 스퍼터링단계;
    상기 급랭된 튜브의 형태를 교정하는 교정단계; 및
    상기 교정된 튜브를 절단하고 연마하는 후처리단계;를 포함하고,
    상기 재결정단계는,
    나선형 코일과, 상기 나선형 코일의 단부에 길이방향으로 연장된 직선형 코일이 교번하여 배치된 승온코일라인의 내부로 상기 튜브가 통과하면서, 상기 용접부의 결정립 크기가 조절되어 상기 튜브의 조직에 일체화되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재결정단계는,
    상기 튜브를 1,040 내지 1,100℃로 재열처리하여 상기 용접부의 결정립 크기가 15 내지 22㎛로 조절되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스퍼터링은,
    상기 스퍼터 공간에 설치되는 제1스퍼터 건과 제2스퍼터 건을 포함하는 듀얼 스퍼터 건을 이용하여 실시되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 튜브의 표면으로부터 상기 제1스퍼터 건 및 상기 제2스퍼터 건의 이격 거리를 제어하여 상기 박막의 두께가 조절되는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브의 표면에 박막을 형성하기 전에는,
    상기 튜브의 표면에 레이저 조사를 통해 형성되는 마이크로 거칠기 패턴과, 상기 마이크로 거칠기 패턴 상에 전기화학적 에칭을 통해 형성되는 나노 거칠기 패턴을 포함하는 복합 구조의 패턴층을 형성하는 것을 특징으로 하는 열처리 특성이 우수한 강관의 제조방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 강관.
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