KR20030076726A - 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가공성이 우수한 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관을 제공하는 것으로, 질량 %로, C : 0.20 내지 0.35 %, Si : 0.10 내지 0.50 %, Mn : 0.30 내지 1.00 %, Al : 0.01 내지 0.1O %, Cr : O.10 내지 1.00 %, Mo : 0.005 내지 1.00 %, Ti : 0.001 내지 0.02 %, B : 0.0005 내지 0.0050 %, N : 0.0010 내지 0.0100 %를 함유하고, N/14 < Ti/47.9를 만족하여 나머지부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지고, 또한 이상 임계 직경(Di)이 1.O(in) 이상을 확보하고, 또 강관의 관축 방향의 n값이 0.12 이상, 전기 재봉 용접부 및 모재의 경도차가 Hv 30 이하, 평균 페라이트 결정 입경이 3 내지 40 ㎛, 종횡비 0.5 내지 3.0의 페라이트 결정 입자가 페라이트상 전체에 차지하는 면적율이 90 % 이상, 평균 사이즈 20 ㎛ 이하의 제2 상을 갖는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.

Description

중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관 {ELECTRIC WELDED STEEL TUBE FOR HOLLOW STABILIZER}
자동차의 연비 향상 대책 중 하나로서 차체의 경량화가 진행되고 있고, 코너링시에 차체의 롤링을 완화하여 고속 주행시에 차체의 주행 안정성을 확보하는 스태빌라이저도 그 중에 포함된다. 종래의 스태빌라이저는 봉강을 제품 형상으로 가공한 중실재이지만, 경량화를 도모하기 위해 이음매가 없는 강관이나 전기 재봉 용접 강관 등의 중공재인 강관이 사용되는 일이 많아지고 있다.
또한 스태빌라이저의 제조에 있어서는, 복잡 형상으로의 가공, 혹은 단부 압착 등의 가공이 실시되기 때문에 가공성 및 용접부 건전성의 향상이 요구된다. 또, 높은 피로 강도를 얻기 위해 실시되는 열처리에 있어서 퀀칭성 확보가 요구된다.
중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관의 화학 성분은, 일본 특허 공보 평1-58264호 공보 및 일본 특허 공고 소61-45688호 공보에 기재되어 있다. 그러나, 퀀칭성 향상에 중요한 원소인 Mo의 규제가 없어, 열처리에 있어서 퀀칭성을 확보하기 위해서는 불충분하다. 또한, N 및 O에 대해서는 각각의 양적 제한이 없으므로 인성 및 산화물의 제어가 불충분하다. 또한, 어떠한 특허에 있어서도 금속 조직, n값, 경도에 대한 기재가 없어, 이들의 제한 없이 가공성을 향상시키는 것은 곤란하다.
가공성, 용접부 건전성, 퀀칭성 등의 특성이 요구되는 중공 스태빌라이저 미가공관으로서, 구조용 합금강 강관 혹은 기계 구조용 탄소강 강관 등의 적용이 있다. 그러나, 구조용 합금강 강관은 미가공관의 굽힘 가공성에 문제가 있고, 또한 기계 구조용강 강관은 퀀칭에 문제를 갖고 있다.
본 발명은 자동차의 주행 안정성을 확보하는 중공 스태빌라이저에 적합하고, 용접 충합부 및 열영향부를 포함하는 용접부와, 그 이외의 모재부와의 금속 조직 및 경도가 균일하며 또한 가공성이 우수한 전기 재봉 용접 강관에 관한 것이다.
본 발명은 이러한 중공 스태빌라이저 제조상의 여러 문제를 해소하기 위해, 스태빌라이저로서 적합한 특성을 갖는 새로운 전기 재봉 용접 강관을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해, 이하의 구조를 요지로 한다.
(1) 질량 %로,
C : 0.20 내지 0.35 %, Si : 0.10 내지 0.50 %,
Mn : 0.30 내지 1.00 %, Al : 0.01 내지 0.10 %,
Cr : 0.10 내지 1.00 %, Mo : 0.005 내지 1.00 %,
Ti : 0.001 내지 0.02 %, B : 0.0005 내지 0.0050 %,
N : 0.0010 내지 0.0100 %를 함유하고, 식 N/14 < Ti/47.9를 만족하고 나머지부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(2) 또한, 하기 식의 이상 임계 직경(Di)이 1.O(in) 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
Di = (0.06 + 0.4 ×% C) ×(1 + 0.64 ×% Si) ×
(1 + 4.1 ×% Mn) ×(1 + 2.33 ×% Cr) ×
(1 + 3.14 ×% Mo) ×{1 + 1.5 ×(0.9 - % C) ×% B²}
(3) 또, 질량 %로,
P : 0.030 % 이하, S : 0.020 %이하,
O : 0.015 % 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(4) 또한, 강관의 관축 방향의 n값이 O.12 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 한 항에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(5) 전기 재봉 용접부 및 모재의 경도차가 Hv 30 이하인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 한 항에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(6) 또, 평균 페라이트 결정 입경이 3 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 한 항에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(7) 종횡비 0.5 내지 3.0의 페라이트 결정 입자가 페라이트상 전체에 차지하는 면적율의 90 % 이상인 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
(8) 또한, 평균 사이즈 20 ㎛ 이하인 제2 상을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
본 발명에서는 특정 화학 조성을 갖는 열연소재를 이용하지만, 그 열연소재를 제조하는 수단은 특별히 한정되지 않는다. 또한, 전기 재봉 용접 강관의 제조 방법으로서 고주파 전류를 이용한 전기 저항 용접법에 있어서의 냉간 또는 열간으로 성형되는 전기 재봉 용접 강관 중 어느 것이나 적절하게 적용 가능하다.
우선, 강관의 화학 성분에 대해 설명한다.
C는 지철 중에 고체 용융 혹은 탄화물로서 석출하여 강철의 강도를 증가시키는 원소이고, 또 세멘타이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 등의 경질인 제2 상으로서 석출하여 고강도화와 동일한 신장의 향상에 기여한다. 강도 향상을 위해 0.20 % 이상의 C가 필요하지만, C 함유량이 0.35 %를 넘으면 가공성이나 용접성이 열화되기 때문에 0.20 내지 0.35 %의 범위로 규정하였다.
Si는 고체 용융 강화형의 합금 원소이며, 강도를 확보하기 위해 O.10 % 이상의 Si가 필요하지만, 0.50 %를 넘으면 전기 재봉 용접시에 용접 결함이 되는 Si - Mn계의 개재물을 생성하기 쉬워져 전기 재봉 용접부의 건전성에 악영향을 끼친다. 이로 인해, 0.10 내지 0.50 %의 범위로 규정하였다. 또 바람직하게는, 0.10내지 0.30 %이다.
Mn은 강도 및 퀀칭성을 향상시키는 원소이며, O.30 % 미만에서는 퀀칭시의 강도를 충분히 얻을 수 없고, 또한 1.00 %를 넘으면 용접성 및 용접부의 건전성에도 악영향을 끼치므로 0.30 내지 1.00 %의 범위로 규정하였다.
Al은 용강의 탈산재로서 사용되는 필요한 원소이며, 또 N을 고정하는 원소이기도 하고, 그 양은 결정 입경이나 기계적 성질에 큰 영향을 미친다. 이러한 효과를 갖기 위해서는 0.01 % 이상의 함유량이 필요하지만, 0.10 %를 넘으면 비금속 개재물이 많아져 제품에 표면 흠집이 발생되기 쉬워진다. 이로 인해 O.01 내지 0.10 %의 범위로 규정하였다.
Cr은 퀀칭성을 향상시키는 원소이며, 또 매트릭스 중에 M23C6형 탄화물을 석출시키는 효과를 갖고, 강도를 높이는 동시에 탄화물을 미세화하는 작용을 갖는다. 0.10 % 미만에서는 이들의 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또한 1.0 %를 넘으면 용접시에 페니트레이터를 발생하기 쉬워지므로 0.10 내지 1.0 %의 범위로 규정하였다.
Mo은 퀀칭성을 향상시키는 원소이며, 또 고체 용융 강화를 초래하는 원소인 동시에 M23C6을 안정화시키는 원소이다. O.O05 % 미만에서는 이 효과를 충분히 기대할 수 없고, 1.00 %를 넘으면 조대 탄화물을 석출하기 쉬워 인성을 열화시키므로, 0.005 내지 1.0 %의 범위로 규정하였다.
Ti은 B 첨가에 의한 퀀칭성을 안정적이고 또한 효과적으로 향상시키기 위해작용하지만, 0.001 % 미만에서는 효과를 기대할 수 없고 0.02 %를 넘으면 인성이 열화되는 경향이 있으므로, 0.001 내지 0.02 %의 범위로 규정하였다. 또 바람직하게는, N/14 < Ti/47.9의 식을 만족하는 범위이다.
B은 미량 첨가로 강재의 퀀칭성을 대폭 향상시키는 원소이며, 또 입계 강화 및 M23(C, B)6등으로서 석출 강화의 효과도 있다. 첨가량이 0.0005 % 미만에서는 퀀칭성에 효과를 기대할 수 없고, 또한 0.0050 %를 넘으면 조대한 B 함유상을 생성하는 경향이 있어 또한 취약화가 일어나기 쉬워진다. 이로 인해, 0.0005 내지 0.0050 %의 범위로 규정하였다.
N은, 질화물 또는 탄질화물을 석출시키고 강도를 높이는 중요한 원소 중 하나이다. O.0010 % 이상의 첨가에 의해 효과를 발휘하지만, 0.01 %를 넘으면 질화물의 조대화 및 고체 용융 N에 의한 시효 경화에 의해 인성이 열화되는 경향을 볼 수 있다. 이로 인해, 0.0010 내지 0.0100 %의 범위로 규정하였다.
P은 용접 균열성 및 인성에 악영향을 끼치는 원소이므로 0.030 % 이하로 규제하였다. 또 바람직하게는, 0.020 % 이하이다.
S은 강 중의 비금속 개재물에 영향을 미치고, 강관의 굽힘성 및 편평성을 열화시키는 동시에, 인성 열화, 이방성 및 재열 균열 감수성 증대의 원인이 된다. 또 용접부의 건전성에도 영향을 미치므로, 0.020 % 이하로 규정하였다. 또 바람직하게는, 0.010 %이다.
O는 인성에 악영향을 끼치는 산화물 생성의 원인이 되는 동시에, 피로 파괴의 기점이 되는 산화물을 생성하여 피로 내구성을 열화시키기 때문에, 상한을 0.015 %로 규정하였다.
하기 식에 따른 이상 임계 직경(Di)(in)은, 중공 스태빌라이저에 가공 후의 퀀칭 경도에 영향을 미치고, Di가 1.O(in) 미만에서는 필요 경도를 얻을 수 없으므로 그 하한을 1.O(in)으로 규정하였다.
Di = (0.06 + 0.4 ×% C) ×(1 + 0.64 ×% Si) ×
(1 + 4.1 ×% Mn) ×(1 + 2.33 ×% Cr) ×
(1 + 3.14 ×% Mo) ×{1 + 1.5 ×(0.9 - % C) ×% B²}
또한, 강관의 가공에 있어서 관축 방향의 n값이 0.12 미만인 경우는 가공성의 현저한 향상을 얻을 수 없으므로, n값을 0.12 이상으로 제한하였다. 또 바람직하게는, 0.15 이상이다.
피로 파괴의 원인인 응력 집중은, 용접에 의해 생긴 연화부나 용접 열영향부의 경화부에 생기기 쉬우므로, 강관의 원주 방향의 경도를 균일화하는 것도 피로 내구성의 향상에는 유효한 수단 중 하나이다. 모재 및 용접 열영향부를 포함하는 전기 재봉 용접부의 최고 경도와 최저 경도와의 경도차를 30 Hv 이하로 하면, 응력 집중이 완화되어 피로 내구성이 향상된다.
다음에, 제품 강관의 금속 조직에 대해 설명한다.
본 발명에 있어서의 페라이트상 및 제2 상은, 측정 단면을 버프 연마 후, 나이탈액으로 부식하여, 강관 길이 방향으로 평행한 단면을 광학 현미경 및 주사형 전자 현미경으로 조직 관찰을 실시하였다. 또, 제2 상의 사이즈가 0.5 ㎛ 미만인것에 대해서는 평균 사이즈의 계산으로부터 제외하였다.
강관 길이 방향으로 평행한 단면에서 페라이트상의 평균 결정 입경은, 3 ㎛보다 작으면 균일하게 신장이 저하하고, 40 ㎛를 넘으면 동일 신장의 향상을 기대할 수 없으므로, 가공성의 현저한 향상을 얻을 수 없다. 이로 인해, 페라이트상의 평균 결정 입경을 3 ㎛ 이상 40 ㎛ 이하로 규정하였다. 또 바람직하게는, 3 ㎛ 이상 20 ㎛ 이하이다.
강관 길이 방향으로 평행한 단면에 있어서의 페라이트상의 긴 변/짧은 변의 종횡비가 0.5 미만 혹은 3.0을 넘으면, 강관 길이 방향, 원주 방향 및 두께 방향의 신장이 불균일해지며 연성 향상의 효과가 적어져, 가공성의 현저한 향상을 얻을 수 없게 된다. 이로 인해, 긴 변/짧은 변의 종횡비를 0.5 내지 3.0으로 제한하였다. 또 바람직하게는, 긴 변/짧은 변의 종횡비는 0.5 내지 2.0이다.
또한, 페라이트상의 긴 변/짧은 변의 종횡비가 0.5 내지 3.0인 결정 입자가 면적율의 90 % 미만인 경우는 연성 향상의 효과가 적어져, 가공성의 현저한 향상을 얻을 수 없게 되므로 긴 변/짧은 변의 종횡비가 0.5 내지 3.0인 결정 입자의 면적율을 90 % 이상으로 규정하였다.
강관 길이 방향으로 평행한 단면에서 제2 상의 평균 사이즈는 20 ㎛을 넘으면 동일 신장의 향상을 기대할 수 없으므로, 가공성의 현저한 향상을 얻을 수 없다. 이로 인해, 제2 상의 평균 사이즈를 20 ㎛ 이하로 규정하였다. 또 바람직하게는, 1O ㎛ 이하인 동시에 평균 사이즈는 페라이트 평균 결정 입경 이하이다.
표 1의 조성을 갖는 각종 강을 용제하여 슬래브에 주조하였다. 이 슬래브를1150 ℃로 가열하고, 압연 마무리 온도 890 ℃, 권취 온도 630 ℃에서 판 두께 6.5 ㎜의 강판에 열간 압연하였다. 이 열연강판을 슬릿한 후, 고주파 전기 재봉 용접에 의해 외경 89.1 ㎜의 모강관으로 하였다. 계속해서, 고주파 유도 가열에 의해 모강관을 980 ℃로 가열한 후, 직경 축소 압연을 실시하여 직경 28 ㎜, 두께 7.5 ㎜의 강관으로 하였다.
또한, 표 1의 번호 N강의 모강관을 이용하여, 직경 축소 압연 조건을 변화시킨 직경 25 ㎜, 두께 6.0 ㎜의 강관으로 하고, n값, 경도 및 금속 조직을 조사하는 강관으로 하여 평가 결과를 표 2에 나타내었다.
이렇게 얻어진 강관에 대해 인장 시험을 실시하여 n값을 측정하였다. 또한 압박 확장 시험, 90도 2D 굽힘 시험 및 관단부의 압착 시험으로 가공성을 조사하고, 전기 재봉 용접부에 균열이 발생하지 않는 것을 가공성 양부의 판정 기준으로 하였다. 또한, 모재 및 열영향부를 포함하는 전기 재봉 용접부에 대해 경도 분포를 측정하여, 경도차 ΔHv가 30 이하를 합격 판정으로 하였다.
표 1에 나타낸 본 발명 범위의 본 발명예(번호 B, E, H, K, N, Q, S)는, 이상 임계 직경을 만족하고, 또한 굽힘 시험 및 관단부 밀착 편평 시험에 있어서도 균열이 발생되지 않았다. 그에 비교하여 본 발명의 범위를 벗어난 비교예에서는 하기와 같이 가공성이 열화되었다.
비교예(번호 A, D, G, J, M, P)는, 퀀칭성에 필요한 원소가 부족하여 이상 임계 직경을 만족하고 있지 않다. 비교예 번호 C는, C량이 기정치를 넘고 있으므로 가공성이 저하하고, 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험으로 균열이 발생하였다.비교예 번호 F는 Si량 및 비교예 번호 R은 Mn량이 각각 규정치를 넘고 있으므로, 전기 재봉 용접시에 Si - Mn계의 개재물을 생성하고, 용접 충합부의 가공성이 저하되었으므로 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다.
비교예 번호 L은, Cr량이 기정치를 넘고 있으므로 전기 재봉 용접시에 페니트레이터가 많이 생성되어 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 T는, 0량이 기정치를 넘고 있으므로 산화물이 많이 생성되어 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 I는, Ti량이 기정치를 넘고 있으므로 인성이 저하되어 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 0는, Mo량이 기정치를 넘고 있으므로 조대 탄화물이 많이 생성되어 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다.
또한, 표 1에 나타낸 본 발명예의 n값은 0.10 내지 0.11, 경도차는 Hv 32, 평균 페라이트 결정 입경은 41 내지 45 ㎛, 종횡비 0.5 내지 3.0의 페라이트 결정 입자가 페라이트상 전체에 차지하는 면적율은 86 내지 89 %, 제2 상의 평균 사이즈는 21 내지 25 ㎛이다.
표 2에 나타낸 본 발명 범위를 벗어난 비교예에서는, 하기와 같이 가공성이 열화되었다.
비교예 번호 1은 n값이 작기 때문에 가공성이 저하되어 관단부 압착 시험에 있어서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 2는 경도차가 Hv 51로 크기 때문에 가공성이 저하되어 관단부 압착 시험에 있어서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 5는 평균 페라이트 결정 입경이 1 ㎛로 작기 때문에 균일하게 신장이 저하되어 관단부압착 시험에서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 7은 평균 페라이트 결정 입경이 50 ㎛로 크며 제2 상과의 입계에서의 가공성이 저하되고, 또한 경도차가 크기 때문에 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다.
비교예 번호 8은 종횡비 0.5 내지 3.0의 페라이트 결정 입자가 페라이트상 전체에 차지하는 면적율이 75 %로 낮고, 또한 n값이 0.09로 낮으므로 가공성이 저하되어 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다. 비교예 번호 1O은 제2 상 평균 사이즈가 45 ㎛로 크고, 또한 경도차가 Hv 37이므로 굽힘 시험 및 관단부 압착 시험에서 균열이 발생하였다.
그에 비교하여 본 발명예(번호 2, 4, 6, 9, 11)는, 굽힘 시험 및 관단부 밀착 편평 시험에 있어서도 균열이 발생되지 않았다.
본 발명의 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관은, 전기 재봉 용접부 및 모재부의 금속 조직이 균일하며 전기 재봉 용접부와 모재부의 경도차가 작고, 가공성에도 우수하므로 경량화에 기여하는 동시에 가공 공정의 생략화에 공헌하는 것이 가능하다.

Claims (8)

  1. 질량 %로,
    C : 0.20 내지 0.35 %,
    Si : 0.10 내지 0.50 %,
    Mn : 0.30 내지 1.O0 %,
    Al : O.O1 내지 O.1O %,
    Cr : O.1O 내지 1.OO %,
    Mo : 0.005 내지 1.00 %,
    Ti : 0.001 내지 0.02 %,
    B : 0.0005 내지 0.0050 %,
    N : 0.0010 내지 0.0100 %를 함유하고, N/14 < Ti/47.9를 만족하고 나머지부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  2. 제1항에 있어서, 또한 하기 식의 이상 임계 직경(Di)이 2.54 ㎝[1.O (in)] 이상인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
    Di = (0.06 + 0.4 ×% C) ×(1 + 0.64 ×% Si) ×
    (1 + 4.1 ×% Mn) ×(1 + 2.33 ×% Cr) ×
    (1 + 3.14 ×% Mo) ×{1 + 1.5 ×(0.9 - % C) ×% B²}
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 또한 질량 %로,
    P : 0.030 %이하,
    S : 0.020 %이하,
    O : 0.015 % 이하인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 또한 강관의 관축 방향의 n값이 0.12 이상인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 재봉 용접부 및 모재의 경도차가 Hv 30 이하인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 또한 평균 페라이트 결정 입경이 3 내지 40 ㎛인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 종횡비 0.5 내지 3.0의 페라이트 결정 입자가 페라이트상 전체를 차지하는 면적율이 90 % 이상인 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 또한 평균 사이즈 20 ㎛ 이하의 제2 상을 갖는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저용 전기 재봉 용접 강관.
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