KR20080034958A - 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육전봉 용접 강관 및 그 제조 방법 - Google Patents

담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육전봉 용접 강관 및 그 제조 방법 Download PDF

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데쓰오 이시쓰카
히로유키 미무라
모토후미 고유바
나오키 다카스기
다카히로 이치야마
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신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Abstract

본 발명은 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 질량%로 C: 0.25 내지 0.4%, Si: 0.01 내지 0.50%, Mn: 0.8 내지 1.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, Al: 0.05% 이하, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 00005 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.005%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 식<1>로 나타내는 임계 냉각 속도 Vc가 30℃/s 미만이며, 두께 t와 외경 D의 비인 t/D가 0.15 초과 내지 0.30의 범위인 후육 전봉 용접 강관.
logVc=2.94-0.75β … <1>
다만, β=2.7C+0.4Si+Mn
고강도 후육 전봉 용접 강관, 스태빌라이저, 담금질성, 열간 가공성, 피로

Description

담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법{HIGHLY STRONG, THICK ELECTRIC RESISTANCE-WELDED STEEL PIPE EXCELLENT IN QUENCHING PROPERTY, HOT FORMING PROCESSABILITY AND FATIGUE STRENGTH, AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}
본 발명은 자동차의 주행 안정성을 확보하기 위한 중공 스태빌라이저(stabilizer)에 적합하고, 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차의 연비 향상 대책의 하나로서 차체의 경량화가 추진되고 있다. 자동차의 코너링시에 차체의 롤링을 완화하고, 고속 주행시에 차체의 안정성을 확보하는 스태빌라이저도 그 대상이라고 할 수 있다. 종래에, 스태빌라이저는 봉강 등의 중실재(中實材)를 필요한 형상으로 가공하여 제조하였지만, 경량화를 달성하기 위하여 이음매 없는(seamless) 강관이나 전봉(電縫) 용접 강관 등의 중공재를 사용하여 제조되는 것이 많아지고 있다.
스태빌라이저용 전봉 용접 강관으로서 WO2002/070767호 공보에는 조성을 규정함으로써, 전봉 용접부 및 모재부의 금속 조직이 균일하고, 전봉 용접부 및 모재의 경도 차가 작고, 가공성이 우수한 중공 스태빌라이저용 전봉 용접 강관이 개시 되어 있고, 또한 일본 공개 특허 공보 평2004-011009호에는 Ti, N의 함유량을 규정함으로써 담금질성을 확보하는 중공 스태빌라이저용 전봉 용접 강관이 개시되어 있다.
일본 공개 특허 공보 2004-009126호에는 강관의 두께 t와 외경 D와의 비 t/D가 20% 이상이고, 인장 강도가 400 내지 755 N/㎟로 하는 중공 스태빌라이저용 전봉 용접 강관이 제안되어 있고, 축경(縮徑) 압연에 의하여 두께를 증가시키는 것이 개시되어 있다.
또한, 일본 공개 특허 공보 2003-201543호에는 소관(素管)을 축경 압연하여 인장 강도가 580 ㎫ 초과, 항복비가 70% 이하인 하이드로포밍에 견디는 가공성이 우수한 자동차 구조 부재용 고강도 강관을 제안하고 있고, 또한 일본 공개 특허 공보 2004-292922호에는 축경 압연에 있어서의 가열 온도, 축경률 등을 특정함으로써 굽힘 가공, 축경 가공, 관단 편평 가공 등의 복합 2차 가공성이 우수한 고장력 강관의 제조 방법이 제안되어 있다.
또한, 일본 공개 특허 공보 2005-076047호에는 소재 소관을 냉간 굽힘 가공에 의하여 스태빌라이저 형상으로 성형하는 성형 공정과, 이 성형 강관에 담금질, 담금질 열처리를 실시하는 중공 스태빌라이저의 제조 방법에 있어서, 상기 소재 소관을 모강관에 가열 처리를 실시한 후, 압연 온도 600 내지 850℃, 누적 축경률 40% 이상으로 드로잉 압연을 실시한 것으로 하는, 내피로 특성이 우수한 중공 스태빌라이저의 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허 제3,653,871호 공보에는 질량%로, C: 0.15 내지 0.3%, Mn: 0.5 내지 2.0%, Cu: 0.05 내지 0.30%를 포함하고, 또한, Si≤0.41%, P≤0.02%, Al≤0.03%, Nb≤0.020%, B≤0.001%, Ti≤0.01%, Cr≤0.42% 중에서 선택 되는 1종 이상을 함유하고, 불가피한 불순물로서 0≤Ni+Mo<0.15% 및 S≤0.003%로 한정하고, 잔부가 Fe로 이루어지는 가공성이 우수하고, 부식에 의한 수소 침입 후의 잔류 강도율이 높은 담금질용 전봉 강관이 개시되어 있다.
그런데, 예를 들면, 스태빌라이저는 전봉 용접 강관을 더 축경 압연하고, 필요한 두께/외경비로 한 후육 전봉 용접 강관을, 1) 굽힘 가공 등의 냉간 성형 가공에 의하여 필요한 형상으로 성형하고, 이것을 가열, 수냉하여 담금질한 후 템퍼링을 실시하거나, 또는 2) 후육 전봉 용접 강관을 가열하고, 프레스 등의 열간 성형 가공에 의하여 필요한 형상으로 성형하고, 이어서 수냉하여 담금질한 후, 템퍼링을 실시함으로써 제조된다. 후자의 열간 성형 가공에 의한 방법은 전자의 냉간 성형 가공에 의한 방법과 비교할 때 가공 성형이 용이하고, 복잡한 형상에도 대응할 수 있다는 점에서 우수하기 때문에 제조 프로세스로서 유리하다.
그러나, 이 방법에서는 가열 후에 성형하기 때문에 담금질까지의 시간이 길어져서 성형한 부재의 온도가 저하되고, 프레스 금형과 소재 강관(전봉 용접 강관)과의 접촉에 의한 온도의 저하가 발생하거나, 또는 가열 스케일의 생성에 의한 온도의 불균일이 발생하는 등 전체적으로 충분한 담금질 상태를 확보하는 것이 곤란하게 되어 담금질 부족이 발생할 우려가 있기 때문에 담금질성이 더 우수한 강관용 강재를 필요로 한다. 이 때문에 스태빌라이저용 강에는 높은 담금질성을 갖는 B 첨가 강을 적용하는 것이 일반적이지만, B 첨가 강은 열간 가공성이 부족하고, 열간 성형 가공시에 균열이나 흠이 발생하기 쉬운 것이 큰 문제로 여겨지고 있다. 또한, B 첨가 강은 스태빌라이저에 있어서 중요한 특성인 피로 강도가 낮아지는 경우가 있다.
또한, 차체의 경량화는 한층 더 가속화하는 추세에 있고, 스태빌라이저용 전봉 용접 강관으로서 더 강도가 높은 것이 요구되고 있다.
상기 WO2002/070767호 공보, 일본 공개 특허 공보 평2004-011009호, 일본 공개 특허 공보 2004-009126호, 일본 공개 특허 공보 2003-201543호, 일본 공개 특허 공보 2004-292922호, 일본 공개 특허 공보 2005-076047호, 일본 공개 특허 공보 2005-076047호, 특허 제3653871호 등에 기재된 스태빌라이저용 전봉 용접 강관이나 고강도 강관은 자동차 구조 부재용 강관으로서 유용하기는 하지만, 전술한 바와 같이, 자동차 구조용 부재의 제조 공정에 있어서의 프로세스의 변화에 의하여 발생하는 문제에 대하여 충분히 대응할 수 있는 것은 아니다. 또한, 피로 특성의 면에 있어도 충분한 것이라고는 할 수 없다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 충분한 담금질성을 갖는 동시에 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명의 후육 전봉 용접 강관은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서 용접성, 인성을 해치지 않을 정도로 극도로 C를 증가시켜 강도(경도)를 향상시키는 동시에 N 함유량의 범위를 엄밀하게 한정함으로써 열간 가공성과 피로 강도를 향상시키고, 강재의 조성을 임계 냉각 속도 Vc가 특정의 범위가 되도록 조정함으로써 담금질성을 확보하도록 한 것이다. 또한, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관의 제조에 있어서는 가열 온도, 단면 감소율을 특정의 범위로 하여 전봉 용접 강관에 축경 압연을 실시하는 것이다.
그 요지로 하는 것은 다음과 같다.
(1) 질량%로, C: 0.25 내지 0.4%, Si: 0.01 내지 0.50%, Mn: 0.8 내지 1.5%, P: 0.05% 이하, S: 0.05% 이하, Al: 0.05% 이하, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.01%, N: 0.001 내지 0.05%를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 식 <1>로 나타내는 임계 냉각 속도 Vc가 30℃/s 미만이며, 두께 t와 외경 D의 비인 t/D가 0.15 초과 내지 0.30의 범위인 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
1ogVc=2.94-0.75β <1>
다만, β=2.7C+0.4Si+Mn
(2) 질량%로, Cr: 0.1 내지 1%, Mo: 0.05 내지 1%, V: 0.01 내지 0.5%, Ni: 0.1 내지 1%의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
단, 식 <1>에 있어서,
β=2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+2Mo
(3) 질량%로, Nb: 0.01 내지 0.1%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 강관.
(4) 질량%로, Ca: 0.0002 내지 0.005%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (3)의 어느 하나에 기재된 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
(5) (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 성분을 갖는 전봉 용접 강관을 800 내지 1200℃로 가열하고, 단면 감소율이 40 내지 80%인 범위에서 축경 압연하는 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관의 제조 방법.
본 발명의 후육 전봉 용접 강관은 담금질성이 매우 우수하기 때문에 스태빌라이저 등의 자동차 구조용 부재의 제조에 있어서, 예를 들면 열간 성형 가공을 실시한 후, 즉시 담금질 처리를 실시한 경우에도 충분한 담금질 효과를 얻을 수 있고, 또한 담금질 수단도 수냉에 한정하지 않으며 수냉에 비하여 냉각 속도가 낮은 기름 담금질에 의하여도 충분한 담금질 효과를 얻을 수 있다.
또한, 열간 가공성이 우수하기 때문에 자동차 부재를 제조함에 있어서 열간 성형하여도 균열이나 흠이 발생하기 어렵다. 또한, 피로 강도가 우수하기 때문에 반복 하중에 대한 내구성이 높다. 또한, 강도가 높기 때문에 스태빌라이저 등 자동차 구조용 부재를 더 경량화할 수 있게 된다.
도 1은 후육 전봉 용접 강관용 강재의 담금질, 템퍼링 후의 경도와 C량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2는 850℃에서의 드로잉 값과 N 함유량과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3은 피로 시험의 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명을 실시하기 위한 최선의 실시 상태
본 발명자들은 스태빌라이저용 후육 전봉 용접 강관의 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도를 향상시키는 동시에 강도를 더 강화하는 방법을 검토하였다.
먼저, 강도에 대하여 검토를 하고, C량을 변화시킨 표 1에 나타내는 조성의 전봉 용접 강관용 강재(시험재 A, B, C) 및 비교 강 (종래재 A, B)에 대하여 수냉 담금질, 템퍼링 후의 경도를 조사하였다. 도 1은 수냉 담금질, 템퍼링 후의 경도의 변화와 C량과의 관계를 나타낸 것이다.
도 1로부터 알 수 있는 바와 같이, C량이 증가함에 따라 경도가 증가하고, 예를 들면, 종래재의 경도 레벨보다 거의 10% 이상 높아져 있어, 강도를 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 그 효과는 C: 0.25% 이상으로 하면, 한층 현저하다는 것을 알 수 있다.
Figure 112008013094942-PCT00001
다음으로, 담금질성에 대하여 검토하였다.
도 1에는 100% 및 90% 마르텐사이트 조직의 경도와 C량의 관계를 동시에 나타내었지만, 시험재 A, B, C는 적어도 90% 마르텐사이트 조직까지 담금질이 들어가면 종래재의 10% 이상의 경도가 확보될 수 있다는 것을 알 수 있다. 따라서, 담금질성의 지표로서는, 예를 들면 철과 강, 74 (1988) P. 1073에 의하여 종래부터 알려져 있는 90% 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있는 임계 냉각 속도 Vc (℃/sec)를 사용하면 좋다. 이것은 통상, 아래와 같이 <1> 식으로 나타내고 있다.
1ogVc=2.94-0.75β … <1>
다만, β=2.7C+0.4 Si+Mn, 또는β=2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+2Mo.
도 1로부터, 물 담금질로는 90% 이상의 마르텐사이트 조직이 얻어지고 있는 것은 분명하지만, 기름 담금질의 경우에는 물 담금질에 비하여 냉각 속도가 크게 감소한다. 통상, 스태빌라이저에 사용되는 사이즈의 강관을 기름 담금질하였을 때에 달하는 냉각 속도는 30 ℃/s이다. 따라서, 기름 담금질로도 90% 마르텐사이트 조직을 확보하기 위해 본 발명에 있어서는 임계 냉각 속도 Vc를 30℃/sec 미만으로 하였다.
전술한 바와 같이, 소재 강관의 강도를 향상시키기 위하여, C량을 늘리는 동시에, <1>로 나타내는 임계 냉각 속도 Vc가 30℃/sec 미만이 되도록 성분을 선택하는 것이다.
다음으로, 본 발명자들은 열간 가공성 및 피로 강도를 향상시키는 방법에 대해 검토하였다.
본 발명자들은 열간 성형이 실시되는 600 내지 900℃의 온도 영역에서, B 첨가 강의 열간 가공성이 좋지 않는 원인을 조사한 결과, 강 중의 N량이 열간 변형 저항에 크게 영향을 미치는 것을 밝혀내었다. 즉, 본 발명자들은 0.3C-1.1Mn-0.020Ti-0.0013B 강에 대하여, N 함유량을 0.01% 내지 0.001%의 범위에서 변화시킨 시험재를 제작하고, 실제로 열간 성형되는 온도 범위 내인 850℃에서 단축(單軸)의 인장시험을 실시하고, 그 때의 드로잉 값을 측정하였다.
도 2에 850℃에서의 드로잉 값과 N 함유량의 관계를 나타낸다.
도 2로부터 알 수 있는 바와 같이, N 함유량이 적어질수록 드로잉 값이 커지고, 즉 열간 가공성이 향상되는 것을 알 수 있다. N 함유량이 0.005%까지 내려가면, 드로잉 값은 열간 성형이 대략 가능하게 되는 기준인 40%까지 상승하고, N 함유량이 0.004% 미만에서는 열간 성형을 문제없이 실시할 수 있는 50% 이상에까지 드로잉 값이 이르러 있다. 그 이유는 N 함유량이 줄어듦으로써 열간 성형을 실시하는 온도 영역에서 석출되는 TiN의 양이 줄어들기 때문이라는 것을 밝혀내었다. 즉, 일반적으로 B 첨가 강에는 B의 담금질성 향상 효과를 저하시키는 BN의 석출을 억제하기 위하여, N를 고정하는 효과가 높은 Ti를 반드시 함유시키지만, 그 때문에 B 첨가 강에서는 열간 성형을 실시하는 온도 영역에서 TiN이 석출되기 때문에 열간 가공성이 좋지 않다는 것을 밝혀낸 것이다.
또한, TiN의 다량 석출은 스태빌라이저의 중요한 특성인 피로 강도도 저하시키는 것도 밝혀내었다. 또한, TiN의 다량 석출은 인성에도 불리하다. 한편, TiN이 적당량 존재함으로써 γ 입자의 성장이 억제되어 인성의 향상에 기여하는 면도 있다. 따라서, 종래에는 그다지 엄밀하게 관리되지 않았던 N 함유량을 엄밀하게 관리함으로써, B 첨가 강의 열간 가공성, 피로 강도, 인성을 바람직한 것으로 하는 것이 가능하게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관은 C 함유량을 높이고, 또한 N 함유량을 소량으로 억제함으로써, 강도를 향상시키고 열간 가공성 및 피로 강도를 향상시키는 동시에 그 밖의 성분을 적절하게 제어함으로써 임계 냉각 속도 Vc를 낮추고, 담금질성을 향상시킨 것이다.
이하에, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관의 화학 성분에 대하여 설명한다.
C는 기지 중에 고용 또는 탄화물로서 석출되고, 강의 강도를 증가시키는 원소이다.
종래 이상으로 고강도인 자동차 구조용 부재로서는, 90% 마르텐사이트 조직이고, 적어도 Hv400의 경도가 요구되기 때문에, C는 0.25% 이상 함유시키는 것이 필요하지만, 0.4%를 초과하여 함유하면 가공성이나 용접성이 열화(劣化)되기 때문에 함유량을 0.25 내지 0.4%의 범위로 한다.
Si는 고용 강화에 기여하는 합금 원소로서, 그 효과를 얻기 위하여는 0.01% 이상 함유하는 것이 필요하다. 또한, 템퍼링 연화 저항성을 높이는 효과가 있고, 그 효과를 얻기 위하여는 0.25% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 한편, 0.5%를 초과하여 첨가하면 인성이 저하된다. 이 때문에, 함유량을 0.01 내지 0.50%의 범위로 한다. 또한, 좋기로는 0.25 내지 0.35%이다.
Mn는 담금질성을 향상시키는 원소로서, 함유량이 0.8% 미만이면 담금질성의 향상 효과를 충분히 확보할 수 없고, 또한, 1.5%를 초과하면 용접성 및 용접부의 건전성에도 악영향을 미치기 때문에 함유량을 0.8 내지 1.5%의 범위로 한다.
Al는 용강의 탈산재로서 필요한 원소이고, 또한 N을 고정하는 원소이기도 하기 때문에, 그 양은 결정 입자 지름이나 기계적 성질에 큰 영향을 미친다. 함유량이 0.05%를 초과하면, 결정 입자 지름이 조대화하고 인성이 저하하거나 비금속 개재물이 많아지고 제품에 표면 흠결이 발생하기 쉬워지기 때문에 그 함유량은 0.05% 이하로 한다. 더 좋기로는 0.03% 이하이다.
B는 미량의 첨가로 강재의 담금질성을 대폭 향상시키는 원소이며, 또한 입계 강화의 효과도 있다. 함유량이 0.0005% 미만에서는 담금질성을 향상 효과를 기대할 수 없고, 한편 0.01%를 초과하면 조대한 B 함유 상을 생성하는 경향이 있으며, 또한 취화를 일으키기 쉬워진다. 이 때문에, 그 함유량은 0.0005% 내지 0.01%로 한다. 더 좋기로는 0.0010 초과 내지 0.0020%이다.
N은 질화물 또는 탄질화물을 석출시키고 강도를 높이는 효과를 갖는 원소이다. 그러나, B 첨가 강에 있어서는 BN의 석출에 의한 담금질성의 저하나, 전술한 바와 같이, BN의 석출을 방지하기 위하여 첨가되는 Ti에 의하여 TiN의 석출에 의한 열간 가공성이나 피로 강도의 저하 또는 인성의 저하가 문제가 된다. 한편, TiN은 고온시에서의 γ 입자 지름의 조대화를 억제하여 인성을 향상시키는 효과도 갖는다. 그 때문에, 열간 가공성, 피로 강도 및 인성의 밸런스를 최적의 것으로 하기 위하여, 그 함유량은 0.001 내지 0.005%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.002 내지 0.004 미만%이다.
Ti는 강 중의 N를 TiN으로 고정하여 BN의 석출을 억제함으로써, B 첨가에 의한 담금질성을 안정적이고 효과적으로 향상시키도록 작용한다. 따라서, TiN의 화학량론에 맞도록 최소한 N 함유량의 3.42배 이상을 첨가해야 하고, 전술한 N 함유량의 범위로부터 Ti 함유량의 범위도 자동적으로 결정된다. 그러나, 탄화물로서 석출되는 부분도 있으므로, N의 고정을 더 확실하게 하기 위하여, 이론값 보다 높은 0.005 이상으로 하고, 한편, 0.05%를 초과하면 인성이 열화되는 경향이 있기 때문에 0.005 내지 0.05%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.01 내지 0.02%이다.
P는 내용접 균열성 및 인성에 악영향을 미치는 원소이기 때문에, 0.05% 이하로 한정한다. 더 좋기로는 0.03% 이하이다.
S는 강재의 비금속 개재물의 형성에 영향을 미쳐서 강관의 굽힘성, 편평성(扁平性) 등의 가공성을 열화시키는 동시에 인성의 열화나 이방성 및 재가열 균열 감수성 증대의 원인이 된다. 또한, 용접부의 건전성에도 악영향을 미친다. 이 때문에, 그 함유량은 0.05% 이하로 한정한다. 더 좋기로는 0.01% 이하이다.
본 발명의 후육 전봉 용접 강관은 필요에 따라서, Cr, Mo, V, Ni의 1종 또는 2종 이상 및/또는 Ca, Nb의 1종 이상을 함유할 수 있다.
Cr는 담금질성을 향상시키는 원소이며, 또한 기지(基地) 중에 M23C6형 탄화물을 석출시키는 효과가 있고, 강도를 높이는 동시에 탄화물을 미세화하는 작용을 한다. 함유량이 0.1% 미만에서는 이들의 작용, 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또한 1%를 초과하면 전봉 용접시에 결함이 발생하기 쉽다. 이 때문에, 그 함유량은 0.1 내지 1%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.1 내지 0.6%이다.
Mo는 담금질성을 향상시키는 효과가 있는 원소이며, 고용 강화를 일으키는 효과가 있는 원소이다. 함유량 0.05% 미만에서는 이들 효과를 충분히 기대할 수 없고, 또한 1%를 초과하면 조대 탄화물을 석출하기 쉬우며, 인성을 열화시키기 때문에 그 함유량을 0.05 내지 1%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.1 내지 0.5%이다.
Ni는 담금질성 및 인성을 향상시키는 효과가 있는 원소이다. 함유량이 0.1% 미만이면 그 효과를 기대할 수 없고, 한편, 1%를 초과하면, 담금질 후에도 잔류 γ가 존재할 가능성이 있어서, 피로 내구성을 열화시킨다. 이 때문에, 그 함유량은 0.1 내지 1%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.015 내지 0.5%이다.
V는 담금질성을 향상시키는 효과를 갖는 원소이며, V 탄질화물에 의한 석출 강화 효과가 있는 원소이다. 함유량이 0.01% 미만이면 효과를 충분히 기대할 수 없고, 한편 0.5%를 초과하면 조대 탄화물을 석출하기 쉽고, 인성을 열화시키기 때문에 그 함유량은 0.01 내지 0.5%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.02 내지 0.05%이다.
Nb는 Nb 탄질화물에 의한 석출 강화의 효과가 있는 이외에도, 구오스테나이트 입경을 미세화하고, 인성을 향상시키는 효과가 있다. 또한 표면의 탈탄을 억제하는 효과가 있다.
함유량이 0.01% 미만이면 강도, 인성의 향상 효과가 충분하지 않고, 0.1%를 초과하여 함유하면, 탄화물이 증가하여 인성이 저하된다. 이 때문에, 그 함유량은 0.01 내지 0.1%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.02 내지 0.04%이다.
Ca는 산화물, 황화물의 형상을 구상(球狀)으로 하여 가공성을 향상시키는 효과가 있는 원소이다. 함유량이 0.0002% 미만이면 효과를 충분히 기대할 수 없고, 한편, 0.005%를 초과하면 강 중의 산화물이 증가하여 인성을 열화시키기 때문에 그 함유량은 0.0002 내지 0.005%의 범위로 한다. 더 좋기로는 0.0002 내지 0.004%이다.
다음으로, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관에 있어서, 강관의 두께 t(㎜)와 강관의 외경 D (㎜)와의 비인 t/D의 범위를 0.15 초과 내지 0.30으로 한 이유에 대하여 설명한다.
스태빌라이저의 경량화를 위해서는 t/D가 작을수록 좋다. 그러나, t/D가 작을수록 사용시에 가하여지는 주응력이 커지기 때문에 피로 특성이 저하된다. 한편, t/D가 커지면 경량화의 효과가 적어질 뿐 아니라, 전봉 강관의 제조가 곤란하게 된다. 최소한의 피로 강도를 확보하기 위하여 t/D의 하한을 0.15 초과로 하고, 제조성과 경량화의 관점에서 상한을 0.30으로 정하였다.
본 발명의 후육 전봉 용접 강관의 제조 방법에 대하여 설명한다.
필요한 화학 조성이 되도록 용제한 용강을 주조하여 주물편으로 하거나, 또는 일단 강괴로 만든 후, 열간 압연하여 강편으로 하고, 그 주물편 또는 강편을 열간 압연하여 열간 압연 강판으로 한다.
이 열간 압연 강판을 통상의 전봉 용접 강관의 제조 방법, 예를 들면 열간 또는 냉간에서의 전기 저항 용접에 의하여 전봉 용접 강관으로 한다.
본 발명의 후육 전봉 용접 강관은, 전술한 바와 같이 강관의 두께/외경의 비인 t/D를 0.15 초과 내지 0.30으로 하는 것이고, 전봉 용접 강관 조관기의 능력이 이와 같은 범위의 두께/외경 비의 전봉 용접 강관의 조관 능력을 가진 경우에는, 상기 열간 압연 강판을 사용하여 직접 본 발명의 후육 전봉 용접 강관을 제조할 수 있다.
그러나, 전봉 용접 강관은 두께가 두꺼울수록, 관의 외경이 작을수록, 또한 강관용 강재의 강도가 높을수록 제조하기가 곤란하다. 일반적으로 두께/외경비인 t/D가 0.15 이하인 전봉 용접 강관은 통상의 전봉 용접 강관 조관기에 의하여 제조 가능하지만, t/D가 0.15를 초과하면 제조 능력을 초과하기 때문에 통상의 전봉 용접 강관 조관기로는 t/D가 0.15 초과 내지 0.30인 본 발명의 후육 전봉 용접 강관을 직접 제조하는 것이 곤란한 경우가 많다.
따라서, 통상의 전봉 용접 강관의 조관기로 두께/외경 비가 0.15 이하인 전봉 용접 강관(이를 '모관(母管)'이라고도 한다)을 제조하고, 이것에 열간으로 축경 압연을 실시하여 두께/외경 비가 0.15 초과 내지 0.30인 후육 전봉 용접 강관을 제조하는 것이다.
축경 압연은 스트래치 리듀서(stretch reducer) 등을 사용하여 실시할 수 있다.
스트래치 리듀서는 압연 축의 주위에 3롤 또는 4롤을 갖는 압연 스탠드 복수 개를 압연 축에 직렬로 구비한 압연 장치로서, 이 압연 장치의 각 압연 스탠드의 롤 회전수 및 압하력을 조정함으로써, 강관의 관축 방향(압연 방향)의 장력 및 원주 방향의 압축력을 제어하고, 이것에 의하여 두께/외경 비를 증가시키는 축경 압연을 실시할 수 있다.
즉, 축경 압연에 있어서는 강관의 외경의 압하력에 의하여 외경이 축소되는 한편, 두께는 증가하지만, 다른 한편으로, 강관의 관축 방향으로 작용하는 장력에 의하여 두께가 감소하므로, 양자의 밸런스에 의하여 최종 두께가 결정된다. 이와 같이 축경 압연한 강관의 두께는 상기 압연 스탠드 사이의 장력에 의하여 주로 결정되므로, 목표 두께를 얻기 위한 압연 스탠드간의 장력을 압연 이론 등으로 구하고 그 장력이 작용하도록 각 압연 스탠드의 롤 회전수를 설정할 필요가 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 상기 전봉 용접 강관(모관)을 800 내지 1200℃로 가열하고, 단면 감소율 40 내지 80%로 열간 축경 압연을 실시하고, 두께/외경 비를 0.15 초과 내지 0.30으로 한 후육 전봉 용접 강관으로 하는 것이다.
여기서, 단면감소율이란, (축경 전의 강관의 외경-축경 후의 강관의 외경)/축경 전의 강관의 외경×100 (%)이다.
축경 압연시의 전봉 용접 강관의 가열 온도는 800℃ 미만에서는 변형 저항이 크고, 한편 1200℃를 초과하면, 가열 스케일이 현저하게 발생하여 표면 성상이 열화된다. 이 때문에, 가열 온도는 800 내지 1200℃의 범위로 한다.
또한, 축경 압연시의 단면 감소율이 40% 미만에서는 압축력이 불충분하고, 두께/외경 비가 0.15 이하이면 전봉 용접 강관(모관)으로부터 두께/외경 비가 0.15 초과 내지 0.30인 후육 전봉 용접 강관으로 하는 것이 곤란하다. 한편, 단면 감소율이 80%를 초과하면, 축경 압연에 의한 강관의 표면 흠결의 발생이 현저하고, 또한, 균일한 형상을 확보하기 곤란하게 된다. 이 때문에, 축경 압연에 있어서의 단면 감소율은 40 내지 80%로 한다.
또한, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관이 축경 압연에 의하여 제조된 것인지 아닌지 여부는 관축 방향에 수직인 단면(C 단면)의 내면의 다각형화(polygonization) 상태의 관찰 또는 두께 측정에 의하여 판단할 수 있다.
예를 들면, 축경 압연에 사용되는 스트래치 리듀서는, 전술한 바와 같이 압연축의 주위에 3롤 또는 4롤을 갖는 압연 스탠드 복수 개를 압연 축에 직렬로 구비한 압연 장치로서, 통상 인접하는 압연 스탠드(예를 들면, N 및 N+1 압연 스탠드)의 롤은 위상이 어긋나 있어서, 3롤 압연 스탠드의 경우에는 60˚, 4롤 압연 스탠드의 경우에는 45˚만큼 위상이 어긋나게 한 배치로 되어 있다.
따라서, 축경 압연에 의하여 제조된 후육 전봉 용접 강관의 관축 방향에 수직인 단면(C 단면)의 내면 형상은 스트래치 리듀서가 3롤의 압연 스탠드를 구비한 경우에는 육각형, 4롤의 압연 스탠드를 구비한 경우에는 팔각형이 된다.
또한, 스트래치 리듀서의 연속하는 4개의 압연 스탠드(예를 들면, N, N+1, N+2, N+3 압연 스탠드)에 있어서 롤의 위상을, 3롤 압연 스탠드의 경우에 30˚, 60˚, 90˚ 어긋나게 하고, 4롤 압연 스탠드의 경우에 22.5˚, 45˚ 67.5˚ 어긋나게 한 경우에는 축경 압연 후의 후육 전봉 용접 강관의 관축 방향에 수직인 단면(C 단면)의 내면 형상은 각각 3롤 압연 스탠드를 구비한 경우에는 십이각형, 4롤 압연 스탠드를 구비한 경우에는 십육각형이 된다.
이와 같이, 후육 전봉 용접 강관의 관축 방향에 수직인 단면의 내면 형상이 전술한 바와 같은 다각형 모양으로 되어 있는 경우에는 이 후육 전봉 용접 강관이 축경 압연에 의하여 제조된 것임을 알 수 있다.
표 2에 나타내는 조성을 갖는 각종 강을 용제하여 주물편으로 주조하였다. 이 주물편을 1150℃로 가열하고, 압연 마무리 온도 890℃, 권취 온도 630℃로 열간 압연하고, 판 두께 6 ㎜의 강판으로 하였다. 이 열간 압연 강판을 소정의 폭으로 슬릿하고, 고주파 전봉 용접에 의하여 외경 90 ㎜의 전봉 용접 강관(모관)으로 하였다. 이어서 고주파 유도 가열에 의하여 이 강관을 980℃로 가열한 후, 축경 압연을 실시하여, 두께 7 ㎜, 외경 35 ㎜의 후육 전봉 용접 강관으로 하였다.
또한, 표 2의 No. 1 강으로 제조한 전봉 용접 강관에 대하여, 축경 압연에 있어서의 단면 감소율을 변화시키고, 두께 5 내지 7.5 ㎜, 외경 30 내지 35 ㎜의 후육 전봉 용접 강관을 제조하였다.
얻은 후육 전봉 용접 강관을 960℃로 가열하여 수냉하고, 담금질을 실시하여, 300℃×1 hr 및 350℃×1 hr의 템퍼링을 실시하였다. 이 강관으로부터 시험편을 채취하여 각종 시험을 실시하고, 본 발명의 후육 전봉 용접 강관의 특성을 확인하였다.
경도는 두께 중심부를 Hv 9.8 N으로 5점 계측하여 평균값을 구하였다. 열간 가공성은 평행부의 직경이 6 ㎜인 단축 인장시험 편을 사용하여 850℃에서 인장하고, 파단부 단면적의 감소율에 의하여 평가하였다.
또한, 피로 특성은 스프링 논문집, 28 (1983) P.46에 기재되어 있는 방법에 의하여, 도 3에 나타내는 굽힘 반경 60 ㎜로 굽힌 피로 시험편을 채취하여 한쪽을 고정하고, 동일한 직경의 중실재로 제1 주응력 진폭이 600 ㎫가 되는 응력 조건으로 양쪽 진동의 피로 시험을 실시하여 파단 반복 수를 구하였다.
이들 특성의 결과를 표 2 및 표 3에 나타낸다.
Figure 112008013094942-PCT00002
Figure 112008013094942-PCT00003
표 2에 나타낸 본 발명의 화학 성분을 갖는 No. 1 내지 11의 강은 경도, 열간 가공성 및 피로 강도에 있어서 우수한 특성이 있는 것을 알 수 있다.
이에 대하여, No. 12의 강은 임계 냉각 속도 Vc가 크기 때문에 담금질이 충분히 들어가지 않고, C량도 0.22%로 낮아 충분한 경도를 얻을 수 없었던 예이다. No. 13의 강은 N량이 너무 높았기 때문에 열간 가공성이 나쁘고, 또한 피로 특성도 다소 낮았던 예이다. No. 14의 강은 C량이 부족하였기 때문에, 300℃에서의 담금질으로도 자동차 구조용 부재로서 최저한으로 필요한 경도를 얻을 수 없었던 예이다.
표 3에 나타낸 본 발명 강관 No.a 내지 e는 파단 반복 수가 50×103 회를 넘는 충분한 피로 강도를 보유하고 있음을 알 수 있다.
이에 대하여, No. f의 강관은 t/D가 너무 작아서 충분한 피로 강도를 얻을 수 없었던 예이다.

Claims (5)

  1. 질량%로,
    C: 0.25 내지 0.4%,
    Si: 0.01 내지 0.50%,
    Mn: 0.8 내지 1.5%,
    P: 0.05% 이하,
    S: 0.05% 이하,
    Al: 0.05% 이하,
    Ti: 0.005 내지 0.05%,
    B: 0.0005 내지 0.01%,
    N: 0.001 내지 0.005%
    를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 식 <1>로 나타내는 임계 냉각 속도 Vc가 30℃/s 미만이며, 두께 t와 외경 D의 비인 t/D가 0.15 초과 내지 0.30의 범위인 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
    logVc= 2.94-0.75β <1>
    다만, β=2.7C+0.4Si+Mn
  2. 제1항에 있어서, 질량%로,
    Cr: 0.1 내지 1%,
    Mo: 0.05 내지 1%,
    V: 0.01 내지 0.5%,
    Ni: 0.1 내지 1%의 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
    다만, 식 <1>에 있어서,
    β=2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+2Mo
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질량%로,
    Nb: 0.01 내지 0.1%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 질량%로, Ca: 0.0002 내지 0.005%를 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 기재된 성분을 갖는 전봉 용접 강관을 800 내지 1200℃로 가열하고, 단면 감소율이 40 내지 80%의 범위에서 축경 압연하는 것을 특징으로 하는 담금질성, 열간 가공성 및 피로 강도가 우수한 고강도 후육 전봉 용접 강관의 제조 방법.
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