KR20090094242A

KR20090094242A - 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20090094242A
Application number: KR1020097009428A
Authority: KR
Inventors: 유지 아라이; 다카시 다카노
Original assignee: 수미도모 메탈 인더스트리즈, 리미티드
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-15
Publication date: 2009-09-04
Also published as: WO2008050628A1; CN101528964A; EP2078764A4; US8496763B2; CA2667534C; TW200831684A; TWI410505B; CA2667534A1; US20090238714A1; EP2078764B1; JPWO2008050628A1; MX2009004425A; EP2078764A1; KR101081223B1; ES2396114T3; JP5018784B2; CN101528964B; AR063381A1; PL2078764T3

Abstract

본 발명은 담금질·템퍼링을 행하지 않고, 노멀라이징 열 처리만으로 제조 가능한, 인장 강도 850MPa 이상, －20℃에서의 내 버스트 성능을 가지는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관은 질량%로, C：0.08∼0.20%, Si：0.1∼1.0%, Mn：0.6∼2.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：0.05∼1.0%, Mo : O.05∼1.0%, Al : 0.002∼0.10%를 포함하고, Ca：0.0003∼0.01%, Mg：0.0003∼0.01%, 및 REM(희토류 원소)：0.0003∼0.01%로부터 선택된 적어도 1종과, Ti：0.002∼0.1% 및 Nb：0.002∼0.1%로부터 선택된 적어도 1종을 더 포함하고, 하기의 식(1)로 정의되는 Ceq가 0.45∼0.63의 범위인 강 조성을 가지고, 금속 조직이, 페라이트＋베이나이트의 혼합 조직이다 : Ceq＝C＋Si/24＋Mn/6＋(Cr＋Mo)/5＋(Ni＋Cu)/15 … 식(1)

식(1) 중의 원소 기호는 그 원소의 질량%로의 함유량의 수치를 의미한다.

Description

에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관과 그 제조 방법{SEAMLESS STEEL TUBE FOR AIRBAG ACCUMULATORS AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}

본 발명은, 고 강도 및 고 인성(靭性)이 요구되는 에어백 어큐뮬레이터용에 적합한 심리스 강관과, 그 강관을 낮은 비용으로 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, －20℃에서 내압 버스트(burst) 시험(폐관(閉管)의 내압을 높여 파열시키는 시험)을 행해도 취성(脆性) 파면(破面)을 나타내지 않는 고 강도·고 인성을 갖춘 에어백 어큐뮬레이터용 강관과 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 자동차 산업에 있어서는, 안전성을 추구한 장치의 도입이 적극적으로 진행되고 있다. 그 중에서도, 충돌 시에 탑승원이 핸들이나 인스트루먼트패널(instrumentpanel) 등에 충돌하기 전에, 이들과 탑승원의 사이에 가스 등으로 에어백을 긴급 전개시켜, 탑승원의 운동 에너지를 흡수하여 상해 경감을 도모하는 에어백 시스템이 개발되어, 대다수의 자동차에 탑재되기까지 이르고 있다.

종래의 에어백 시스템에서는, 폭발성 약품을 사용하여 에어백을 전개하는 방법이 일반적으로 채용되어 왔다. 그러나, 환경 리사이클을 가능하게 하는 관점에서, 고압 충전 가스를 사용하여 에어백을 전개하는 에어백 시스템이 개발되어, 그 적용이 넓어지고 있다.

고압 충전 가스를 사용하는 에어백 시스템에서는, 충돌 시에 에어백 내로 내뿜는 불활성 가스(예를 들어, 아르곤)와 같은 전개용 가스를 축압 용기(어큐뮬레이터) 내에서 항상 고압으로 유지하고, 충돌 시에는 어큐뮬레이터로부터 단번에 가스를 에어백으로 내뿜게 하여 에어백을 전개시킨다. 어큐뮬레이터는 일반적으로 적절한 길이로 절단한 강관의 양단에 뚜껑체를 용접함으로써 제조된다.

에어백의 어큐뮬레이터(이하, 에어백 어큐뮬레이터 혹은 간단히 어큐뮬레이터라고 한다)는, 예를 들면 300kgf/㎠ 정도의 고압의 가스가 이에 항상 충전되어 있으므로, 장기간 그러한 고압력에 견딜 필요가 있다. 또한, 가스를 뿜어낼때는 매우 단시간에 큰 변형 속도로 응력이 부하되므로, 어큐뮬레이터는 이 응력에도 견딜 필요가 있다. 또한, 자동차의 연비 개선으로 연결되는 에어백 시스템의 소형 경량화를 가능하게 하기 위해서, 에어백 어큐뮬레이터에는 충전 가스의 고압화와 박육화가 요망된다.

이 때문에, 에어백 어큐뮬레이터의 제조에는, 고압에서는 용접관보다 일반적으로 신뢰성이 높은 심리스 강관이 이용된다. 종래의 압력 실린더나 라인 파이프와 같은 간단한 구조물과는 달리, 에어백 어큐뮬레이터용 강관에는, 높은 치수 정밀도, 가공성 및 용접성에 추가하여, 가스의 충전압에 충분히 견디기 위한 850MPa 이상의 인장 강도와, 저온에서의 사용을 고려하여, －20℃ 이하에서의 버스트 시험에서의 파괴가 연성(延性)으로서 나타나는 뛰어난 저온 내 버스트성(인성)이 요구된다.

에어백 어큐뮬레이터에 매우 적합하게 이용되는 심리스 강관과 그 제조 방법이, 예를 들면, 특허 문헌 1∼4에 개시되어 있다.

이들 특허 문헌에 제안된 방법에서는, 제조 공정 중에 강관에 담금질·탬퍼링을 실시함으로써, 필요한 고 강도와 내 버스트 성능을 가지는 심리스 강관을 제조한다. 그러나, 담금질·탬퍼링 열처리의 실시는, 강관의 제조 공정을 번잡하게 하여 생산성을 저하시키고, 추가하여 제조 비용을 상승시킨다는 문제가 있다. 따라서, 가능한한 용이한 열처리를 실시하는 것만으로, 원하는 성능을 만족시키는 심리스 강관의 제조 방법이 요망된다.

특허 문헌 5에는, 담금질·탬퍼링 열처리를 이용하지 않는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법이 개시되어 있다. 이 특허 문헌에는, 제관한 강관을, 850∼1000℃에서 노멀라이징(normalizing)한 후, 소정의 치수로 냉간 가공을 실시한 채로, 혹은 응력 제거 소둔, 노멀라이징, 또는 담금질·탬퍼링 처리를 더 실시함으로써, 고 치수 정밀도로 가공성과 용접성이 뛰어나고, 또한, 고 강도, 고 인성 강관을 제조할 수 있는 것이 기재되어 있다. 그러나, 특허 문헌 5에 기재된 방법은 인장 강도가 590MPa급인 심리스 강관의 제조를 목적으로 하고, 거기에 기재되어 있는 실시예로 얻어지는 강관의 인장 강도는, 최대에서도 814MPa에 머물러, 최근의 에어백 어큐뮬레이터의 충전 가스의 고압화, 박육화의 요구에 부응하기에는 불충분하다.

특허 문헌 6에도 담금질·탬퍼링 처리 이외에, 어닐링, 노멀라이징, 혹은 열처리가 없는 냉간 가공 그대로인 에어백용 심리스 강관이 개시되어 있는데, 목표로 하는 인장 강도는 590MPa 이상에 머무른다. 이 특허 문헌은 냉간 가공 후의 열처리의 종류를 명확하게 하고 있을 뿐이고, 열처리의 조건에 대해서는 특별히 제한하고 있지 않은 것으로부터도 알 수 있듯이, 강 조성에 의해 그 목적 달성을 도모하려는 것이다.

특허 문헌 4에는, 담금질·탬퍼링에 대신하여, 노멀라이징에 의해 열처리를 행하는 고 강도·고 인성·고 가공성의 에어백용 심리스 강관의 제조 방법이 제안되어 있다. 이 방법에서는, C：0.01∼0.10%, Si：0.5% 이하, Mn：0.10∼2.00%, Cr：1.0%초과∼2.0%, Mo：0.5%이하, 임의 선택적으로 Cu：1.0%이하, Ni : 1.0%이하, Nb：0.10%이하, V：0.10%이하, Ti：0.10%이하, B：0.005%이하 중로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 조성의 강 소재를 제관하여 심리스 강관으로 한 후, 850∼1000℃의 범위 내의 온도로 가열하여 공냉하는 노멀라이징 처리를 실시하고, 그 후, 냉간 드로잉하여 소정 치수의 강관으로 한다. 그러나, 노멀라이징 조건에 관한 실시예는 부족하다. 또한, 이 방법은, 1.0%초과의 Cr 함유량을 전제로 하고 있으므로, 합금 비용이 비교적 높고, 저온 인성에도 의문이 있다.

특허 문헌 4에서는 저온 인성의 평가는, 낙하 충격 시험으로 평가되어 있다. 낙하 충격 시험은, 간단한 저온 인성의 평가 방법으로서, 특허 문헌 6등에도 이용되고 있다. 특허 문헌 6에 있어서의 저온 인성의 평가 결과에서는, 어닐링 등의 열처리를 실시한 심리스 강관과 냉간 가공 그대로의 심리스 강관에서 낙하 충격 시험 결과가 동등하다. 이로부터도, 간단한 평가 방법에 불과한 낙하 충격 시험이, 오늘날 에어백 어큐뮬레이터에 요구되는 엄격한 요구 성능을 적절하게 평가할 수 있을지 의문이다.

상기 각 특허문헌에도 시사되어 있는 바와같이, 에어 백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조에 있어서는, 외경 치수, 두께 치수 정밀도를 향상시키기 위해 냉간 드로잉 등의 냉간 가공이 일반적으로 필수 불가결하다. 특허 문헌 7의 단락 [0003]∼[0004]에 기재되어 있는 바와같이, 에어백 어큐뮬레이터는 조립을 위해 외경 치수 정밀도가 요구되는 부품인데, 자동차의 중량 증가를 피할 필요가 있으므로, 강관 강도를 증대시키기 위해서 강관의 두께를 두껍게 하는 것은 불가능하다. 게다가, 에어백이 운전석뿐만 아니라 조수석이나 나아가 뒷쪽 좌석에도 탑재되게 되어, 한차에 복수의 에어 백을 설치하기 때문에, 어큐뮬레이터의 비용 저감의 요구가 높아지고 있다.

특허 문헌 1 : 일본국 공개특허 평8-325641호 공보

특허 문헌 2 : 일본국 공개특허 평10-140250호 공보

특허 문헌 3 : 일본국 특허공개 2002-294339호 공보

특허 문헌 4：일본국 특허공개 2004-27303호 공보

특허 문헌 5：일본국 특허공개 평 10-140249호 공보

특허 문헌 6：일본국 특허공개 평 10-140283호 공보

특허 문헌 7：일본국 특허공개 평 11-199929호 공보

도 1은 본 발명에 따른 화학 조성을 가지는 강재의 C당량과 인장 강도의 관계를 종래의 강재와 대비하여 나타내는 그래프이다.

본 발명의 목적은, 담금질·템퍼링을 수반하지 않는 간편하고 쉬운 열처리를 실시하는 것만으로 제조 가능한, 어큐뮬레이터의 충전 가스의 고압화와 박육화에 충분히 대응 가능한, 850MPa 이상의 인장 강도를 가지고, －20℃에서의 버스트 시험에 있어서 취성 파괴되지 않는 높은 저온 내 버스트 성능을 가지는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 이러한 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.

에어백 어큐뮬레이터용 강관의 얇고 가는 직경화는, 자동차의 연비 향상뿐만 아니라, 에어백의 비용 저감에도 기여한다. 제관 후에 행하는 냉간 가공은, 에어백 어큐뮬레이터용 강관의 치수 정밀도의 확보와, 얇고 가는 직경화를 위해서 필수 불가결하다. 그러나, 현실에서는, 냉간 가공이 강관의 저온 인성 혹은 내 버스트성에 현저한 영향을 주어, 특히 강관을 고강도로 할수록, 저온 인성 혹은 내 버스트성의 확보가 어려워진다. 따라서, 고강도와 저온 내 버스트성의 양립이 가능해지도록 강의 화학 조성이나 열처리 프로세스를 선정할 필요가 있다.

본 발명자 들은, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 강도 및 저온 내 버스트 성능에 미치는 강관의 화학 조성, 금속 조직 및 각 공정의 제조 조건의 영향을 조사했다. 그 결과, C당량(이하, Ceq라고 표기한다)을 적정한 범위로 하고, 최종적으로 원하는 치수법으로 마무리하기 위한 냉간 드로잉 가공 전에, 노멀라이징 열처리를 실시하고, 강관의 금속 조직을 페라이트＋베이나이트의 2상 조직으로 함으로써, 담금질·템퍼링 열처리를 실시하지 않고, 에어백 어큐뮬레이터 용도로서 850MPa를 초과하는 인장 강도 및 －20℃에서의 버스트 시험에서도 균열이 진전되지 않는 높은 내 버스트 성능을 가지는 심리스 강관으로 되는 것을 발견했다.

본 발명은, 질량%로, C : 0.08∼0.20%, Si：0.1∼1.0%, Mn：0.6∼2.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：0.05∼1.0%, Mo : O.05∼1.0%, Al : 0.002∼0.10%를 포함하고, Ca：0.0003∼0.01%, Mg：0.0003∼0.01%, 및 REM(희토류 원소)：0.0003∼0.01%로부터 선택된 적어도 1종과, Ti：0.002∼0.1% 및 Nb：0.002∼0.1%로부터 선택된 적어도 1종을 더 포함하고, 하기의 식(1)로 정의되는 Ceq가 0.45∼0.63의 범위이고, 잔부 Fe 및 불순물로 본질적으로 이루어지는 강 조성을 가지고, 금속 조직이, 베이나이트 면적율이 10% 이상인 페라이트＋베이나이트의 혼합 조직인 것을 특징으로 하는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관이다 :

Ceq＝C＋Si/24＋Mn/6＋(Cr＋Mo)/5＋(Ni＋Cu)/15 … 식(1)

상기 강 조성에 있어서, Fe의 일부를, Cu：0.05∼0.5% 및 Ni：0.05∼1.5%로부터 선택된 1종 또는 2종에 의해 치환해도 된다.

본 발명은 또한, 상기의 강 조성을 가지는 심리스 강관을 제관하는 공정과, 강관을 소정의 치수로 하기 위해서 마무리 냉간 가공하는 공정을 포함하고, 담금질·템퍼링을 위한 열처리 공정을 포함하지 않는, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법으로서, 상기 마무리 냉간 가공 공정의 전에, 강관을 Ac₃ 변태점(變態點)∼1000℃의 범위 내의 온도로 가열한 후에 공냉함에 의한 노멀라이징 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법이다.

에어백 어큐뮬레이터용 강관에 소정의 치수 정밀도와 양호한 표면 성상을 부여하기 위해서는, 최종적으로 냉간 드로잉 가공이라는 냉간 가공을 실시하면 된다. 그러나, 이 냉간 가공에 의해 인성이 저하하여, 양호한 내 버스트성을 얻을 수 없다. 이 때문에, 종래는 냉간 가공의 전이나 후에 담금질·템퍼링을 실시하고, 강의 금속 조직을 템퍼링 마텐자이트 혹은 템퍼링 베이나이트로 하는 것이 일반적이었다. 그러나, 담금질·템퍼링 열처리는, 그 자체가 고온이고 또한 장시간을 요하는데다, 담금질 후의 휘어짐 제거 등의 추가 공정이 필요해져, 생산성의 저하와 제조 비용의 상승을 일으킨다.

여기서, 냉간 가공 전의 강관에, 담금질·템퍼링을 대신할 수 있는 열처리를 검토한 결과, 강 조성에 있어서의 개개의 원소의 함유량 및 C당량의 조정과, 노멀라이징을 조합하여, 금속 조직을 페라이트＋베이나이트의 2상 조직으로 조정함으로써, 고강도로 뛰어난 내 버스트 성능을 확보할 수 있는 것이 판명되었다.

특히, 최근에는 어큐뮬레이터의 경량화를 위해서 어큐뮬레이터용 강관의 박육화가 시도되고 있다. 이 때문에, 담금질·템퍼링 시의 치수 변화가 보다 크게 나타나는 경향이 있고, 이것이 큰 기술 과제로 되어 있다. 현재는 어큐뮬레이터용 강관은 2.5∼2.0mm까지 박육화가 진행되고, 이에 따라 850MPa 이상의 인장 강도가 요구된다.

본 발명에 의하면, 850MPa 이상의 높은 인장 강도를 가지고, 또한 －20℃에서의 버스트 시험에 있어서 균열이 진전되지 않는 높은 내 버스트 성능을 가지는 강관이, 치수 정밀도 확보를 위한 최종 냉간 가공의 전이나 후에 담금질·템퍼링의 열처리를 행하지 않고 얻어진다. 따라서, 어큐뮬레이터 압력의 고압화, 강관의 박육화에 충분히 대응할 수 있는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관을 낮은 가격으로 또한 고능률로 생산하여, 제공할 수 있다.

(A) 강관의 화학 조성 및 금속 조직

본 발명에 있어서 강의 화학 조성을 상술과 같이 규정한 이유는 다음과 같다. 본 명세서에 있어서는, 특별한 설명이 없는 한, 「%」는 모두 「질량%」이다.

C：0.08∼0.20%

C는, 낮은 비용으로 강의 강도를 높이는데 유효한 원소이다. 그 함유량이 0.08% 미만에서는, 담금질·템퍼링 열처리를 실시하지 않고, 원하는 850MPa 이상의 인장 강도로 하는 것이 곤란하다. 한편, C함유량이 0.20%를 넘으면, 가공성 및 용접성이 저하한다. C함유량의 바람직한 범위는, 0.08∼0.16%, 보다 바람직한 범위는 0.09∼0.13%이다.

Si：0.1∼1.0%

Si는, 탈산 작용을 가지는 외에, 강의 담금질성을 높여 강도를 향상시키는 원소이고, 이를 위해 0.1% 이상의 함유량이 필요하다. 그러나, 그 함유량이 1.0%를 초과하면 인성이 저하한다. Si 함유량의 바람직한 범위는 0.2∼0.5%이다.

Mn：0.6∼2.0%

Mn은 노멀라이징 후의 공냉으로, 페라이트＋베이나이트 2상 조직을 얻기 쉽게 하고, 그에 따라 강의 강도와 인성을 향상시키는데 유효하다. Mn 함유량이 0.6% 미만에서는 충분한 강도와 인성을 얻을 수 없고, 2.0%를 초과하면 용접성이 악화된다. Mn 함유량의 바람직한 범위는 0.8∼1.8%, 보다 바람직한 범위는 1.0∼1.6%이다.

P：0.025% 이하

P는, 입계(粒界) 편석에 기인하는 강의 인성 저하를 초래하고, 특히 그 함유량이 0.025%를 초과하면 인성의 저하가 현저해진다. P의 함유량은 바람직하게는 0.020% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다.

S：0.010% 이하

S는, 특히 강관의 둘레 방향(T방향)의 인성을 저하시키고, 그 함유량이 0.010%를 초과하면 인성 저하가 현저해진다. S함유량은 바람직하게는 0.005% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.003% 이하이다.

Cr：0.05∼1.0%

Cr은, 담금질·템퍼링 열처리를 실시하지 않고, 강의 강도와 인성을 높이는데 유효한 원소이며, 이를 위해서는 0.05% 이상이 필요하다. 그러나, 그 함유량이 1.0%를 초과하면, 반대로 인성의 저하를 초래한다. Cr 함유량의 바람직한 범위는 0.2∼0.8%, 보다 바람직한 범위는 0.4∼0.7%이다.

Mo：0.05∼1.0%

Mo는, 담금질·템퍼링 열처리를 실시하지 않고, 강의 강도와 인성을 높이는데 유효한 원소이고, 이를 위해서 0.05% 이상의 양으로 함유시킨다. 그러나, 그 함유량이 1.0%를 초과하면 반대로 인성의 저하를 초래한다. Mo 함유량의 바람직한 범위는 0.1∼1.0%, 보다 바람직한 범위는 0.15∼0.70%이다.

Al：0.002∼0.10%

Al은 탈산(脫酸) 작용을 가지고, 강의 인성 및 가공성을 높이는데 유효한 원소이다. Al 함유량이 0.002% 미만에서는 탈산이 불충분하고, 강의 청정도가 손상되어, 인성이 저하한다. 그러나, 0.10%를 초과하여 Al을 함유시키면, 오히려 인성이 저하한다. Al 함유량의 바람직한 범위는 0.005∼0.08%, 보다 바람직한 범위는 0.01∼0.06%이다. 본 발명에서 말하는 Al 함유량이란, 산 가용(可溶) Al(소위 「sol.Al」)의 함유량을 가리킨다.

Ca, Mg, REM의 1종 또는 2종 이상：각각 0.0003∼0.01%

Ca, Mg 및 REM(희토류 원소, 즉, Ce, La, Y, Nd 등)은, 어느것이나 강 중의 S와 결합하고, 황화물로서 S를 고정하는 작용을 가지고, 이 작용에 의해 강의 인성의 이방성을 개선하고, 내 버스트성을 높이는 효과가 있다. 따라서, 담금질·템퍼링에 의한 인성 개선에 의지하지 않는 본 발명에서는, Ca, Mg 및/또는 REM에 의한 인성의 이방성(異方性) 개선은 필수 불가결하다. 그 효과를 얻기 위해서, Ca, Mg, REM로부터 선택된 적어도 1종의 원소를 0.0003% 이상의 양으로 함유시킨다. 또한, REM은, Ce, La, Y, Nd 등의 각각 단독 원소에서의 첨가거나, 미슈 메탈(misch metal)과 같은 희토류 원소 혼합물의 첨가여도 된다. 그러나, 어떠한 원소에 대해서나, 0.01%를 초과하여 함유시키면, 개재물이 클러스터(cluster) 형상으로 되어, 오히려 강의 인성이 저하한다. 첨가량의 바람직한 범위는 어떠한 원소에 대해서나, 0.0005∼0.005%이다.

Nb 및 Ti의 1종 또는 2종：각각 0.002∼0.1%

Nb 및 Ti는, 노멀라이징 열처리의 가열 시에 탄질화물을 형성하여, 오스테나이트 입경을 미세화하고, 나아가서는 공냉 시의 상변태로 발생하는 페라이트＋베이나이트의 세립화(細粒化)를 촉진하여, 인성을 향상시킨다. 이 작용은 Nb와 Ti의 어느것에서나 동일하게 얻어지므로, 어느 한쪽을 0.002% 이상의 양으로 함유시키면 된다. 그러나, 보다 현저하게 상기 작용을 얻기 위해, Nb 및 Ti를 각각 0.002% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 각각의 함유량이 0.1%를 초과하면 오히려 인성이 저하한다. Nb와 Ti의 각각의 함유량은 보다 바람직하게는 0.003∼0.1%이고, 보다 더욱 바람직하게는 0.005∼0.08%이다.

Nb와 Ti의 2종 모두 첨가하는 경우, 이들 합계량이 0.003% 이상, 0.1% 이하인 것이 바람직하고, 0.005∼0.08%의 범위 내인 것이 보다 바람직하다. 이 경우, Nb와 Ti의 각각의 함유량이 0.005∼0.05%의 범위 내인 것이 특히 바람직하다.

Ceq：0.45∼0.63

담금질·템퍼링 열처리 대신에 노멀라이징 열처리에 의해, 에어백 어큐뮬레이터용의 강관으로서의 강도와 내 버스트 성능을 강관에 부여하기 위해서는, 노멀라이징에 의해, 페라이트＋베이나이트 2상 조직을 얻을 필요가 있다. 이를 위해, C, Si, Mn, Cr, Mo, Cu, Ni의 함유량은 적정한 밸런스로 하는 것이 중요하고, 그 적정한 밸런스는 하기 식(1)로 정의되는 Ceq가 0.45에서 0.63까지의 범위에 들어가도록 하는 것이다. Ceq가 0.45미만에서는, 어닐링 후의 금속 조직이 페라이트＋펄라이트 2상 조직으로 되어버려, 고 강도와 저온 인성의 양립이 곤란하다. 한편, Ceq가 0.63을 초과하면, 오히려 저온 인성이 저하해 버린다. 바람직한 Ceq의 범위는 0.47에서 0.62의 사이이고, 더욱 바람직한 Ceq의 범위는 0.50에서 0.60의 사이이다.

Ceq＝C＋Si/24＋Mn/6＋(Cr＋Mo)/5＋(Ni＋Cu)/15 … 식(1)

식 중의 원소 기호는, 그 원소의 질량%로 나타낸 함유량의 수치이다. Cu 및 Ni는 임의 첨가 원소이기 때문에, 이들을 첨가하지 않는 경우는, 식(1)의 대응하는 원소 기호의 항에 0을 대입한다.

본 발명에 관한 강은, 그 조성에 하기의 임의 첨가 원소로부터 선택된 적어도 1종을 더 함유해도 된다.

Ni：0.05∼1.5%

Ni는, 노멀라이징 후의 공냉으로 페라이트＋베이나이트 2상 조직을 얻기 쉽게 함과 더불어, 강의 인성을 높이는 작용이 있다. 이들 Ni의 작용은 불순물 레벨의 함유량으로도 얻을 수 있지만, 보다 현저하게 그 효과를 얻기 위해서는, Ni를 0.05% 이상의 함유량으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Ni는 고가의 원소이고, 특히 그 함유량이 1.5%를 초과하면 비용 상승이 현저해진다. 따라서, 첨가하는 경우의 Ni의 함유량은 0.05∼1.5%로 하는 것이 좋다. 보다 바람직한 Ni의 함유량은 0.1∼1.0%이다.

Cu : 0.05∼0.5%

Cu는, 노멀라이징 후의 공냉으로 페라이트＋베이나이트 2상 조직을 얻기 쉽게 함과 더불어, 강의 인성을 높이는 작용이 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, Cu는 0.05% 이상의 함유량으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Cu는 0.5%를 초과하여 첨가하면, 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, 첨가하는 경우의 Cu의 함유량은 0.1∼0.4%로 하는 것이 좋다.

금속 조직：페라이트＋베이나이트의 2상 조직

본 발명에서는, 강관이 페라이트＋베이나이트의 2상 조직을 가짐으로써, 담금질·템퍼링을 행하지 않고 강도와 저온 인성을 양립해 확보할 수 있다.

본 발명에 있어서의 페라이트＋베이나이트의 2상 조직은, 페라이트와 베이나이트를 주체로 하는 조직을 의미한다. 금속 조직이 펄라이트 등의 제3상을 함유하는 경우에도, 「페라이트와 베이나이트」이외의 상이 면적율로 10% 미만이면, 강도 및 인성에 현저한 영향을 주지 않는다. 따라서, 페라이트＋베이나이트의 2상 조직은, 면적율로 10% 미만의 다른 상을 함유하는 조직도 포함한다. 또한, 페라이트＋베이나이트의 2상 조직은 면적율로 적어도 10%의 베이나이트를 함유한다. 이는, 베이나이트의 면적율이 10% 미만에서는 페라이트 단층 조직과 실질적으로 동일한 결과로 되어, 강도와 저온 인성의 양립이 곤란해지기 때문이다. 따라서, 페라이트와 베이나이트 이외의 상이 면적율로 10% 미만이어도, 베이나이트의 면적율이 10%미만인 것은, 본 발명에서 의미하는 페라이트＋베이나이트의 2상 조직에는 해당하지 않는다.

본 발명에 관한 심리스 강관의 제조 방법은, 기본적으로는, 통상의 심리스 강관의 제조 방법과 동일하게, 제관, 열처리, 마무리 냉간 가공의 각 공정을 거친다. 본 발명의 방법의 특징으로서, 담금질·텀퍼링의 열처리는 행하지 않는다.

(B) 제관

상기와 같이 화학 조성을 조정한 강을 소재로 하여, 심리스 강관을 제조한다. 심리스 강관의 제관법으로는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면, 만네스만(mannesmann)-맨드럴밀(mandrel mill) 방식에 의해 천공(穿孔)과 연신 압연을 행하고, 얻어진 원관을 치수 측정기(sizer) 또는 리듀서(reducer)에 의해 축경(縮徑) 압연하는 것을 포함하는, 열간 압연에 의한 심리스 강관의 제조 방법이 예시되어 있다.

(C) 노멀라이징 열처리

제관된 심리스 강관에 노멀라이징 열처리를 실시한다. 노멀라이징의 가열 온도는 1000℃ 넘으면 오스테나이트 입자의 조대(粗大)화를 초래하고, 나아가서는 공냉 시의 상 변태로 발생하는 페라이트 입경을 조대화시켜 버린다. 한편, 노멀라이징 가열 온도가 Ac₃ 변태점을 밑돌면, 가열했다고 해도 제관 시에 석출된 탄화물이 고용(固溶)하지 않고 불균일하게 조대화되어 버려, 인성이 저하한다. 따라서, 노멀라이징의 가열 온도는 Ac₃ 변태점 이상에서 1000℃ 이하의 범위로 한다. 이 노멀라이징 후의 공냉 중에, 강의 금속 조직은 페라이트＋베이나이트의 2상 조직이 된다. 노멀라이징 열 처리 후, 필요에 따라서, 산세(酸洗) 등에 의해 탈스케일 처리를 행할 수 있다.

마무리의 냉간 가공의 부담을 경감하기 위해서, 노멀라이징 전에, 조(粗)가공으로서 냉간 가공을 심리스 강관에 실시해도 된다. 이 때 발생한 재질 이방성은, 그 후에 행하는 노멀라이징에 의해 해소되므로, 문제가 되지 않는다. 이 조 가공의 냉간 가공에 있어서의 감면율은 50% 이하로 하는 것이 바람직하다.

(D) 마무리 냉간 가공

상기와 같이 제관 및 열처리된 심리스 강관은, 소정의 치수 정밀도, 표면 성상이 얻어지는 조건 하에서 냉간 가공된다. 냉간 가공은, 소정의 치수 정밀도와 표면 성상이 얻어지기만 하면 되므로, 냉간 가공 방법이나 가공도는 특별히 규정되지 않는다. 냉간 가공 방법은 예를 들면, 냉간 드로잉, 냉간 압연 등이어도 되고, 2종 이상을 조합해도 된다. 냉간 가공의 가공도는 감면율로 3%이상으로 하는 것이 바람직하다.

(E) 응력 제거 소둔

마무리의 냉간 가공을 실시한 강관에는, 잔류 응력이 발생하므로, 응력 제거소둔을 실시하는 것이 바람직하다. 응력 제거 소둔의 온도는 450℃에서 650℃의 범위 내가, 강도와 인성의 양립의 점에서 바람직하다.

이상과 같은 제조 공정의 후, 필요에 따라서, 구멍형 롤을 조합하여 구성하는 스트레이트너(straightener)에 의한 휘어짐 교정을 실시하여, 제품으로 된다.

이하의 실시예에 의해 본 발명을 예증하는데, 본 발명은 실시예에 의해 전혀 제한되지 않는다.

실시예 1

본 예에서는, 다른 화학 조성을 가지는 다수의 강재에 대해서, 인장 강도, 저온 인성 및 금속 조직을 조사하기 위해, 판재를 이용해 시험을 행했다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강괴 50kg을 진공 용해로 조제했다. 표 1에 있어서의 강 No.1에서 10은, 화학 조성 중의 각 성분의 함유량 및 Ceq가 본 발명에서 규정하는 조건을 만족하는 강이다. 한편, 강 No. 11에서 15는, 화학 조성 중의 어느 하나의 원소 또는 Ceq가 본 발명에서 규정하는 조건으로부터 벗어난 비교용의 강이다. 이들 강종은 어느것이나, Ac₁ 변태점이 710℃에서 770℃의 범위 내, Ac₃ 변태점이 820℃에서 880℃의 범위 내였다.

상기 강괴를 1250℃로 가열한 후, 열간 압연에 의해 두께 10mm의 판재를 작성했다. 이 열간 압연 판재에 표 2에 나타내는 것과 같은 조건으로 열처리 및 냉간 압연을 실시하고, 성능 평가용의 판재를 작성했다. 즉, 열간 압연 판재를 900℃로 가열하고, 이 온도에서 10분간 균열한 후에 공냉하는 노멀라이징 열처리를 실시했다. 또한, 이 때의 공냉은 800℃에서 500℃ 사이의 평균 냉각 속도로 2∼3℃／초였다. 다음에, 노멀라이징을 실시한 판재에 냉간 압연을 실시하고, 두께 6mm로 마무리한 후, 응력 제거 소둔을 위해서, 450℃에서 600℃ 사이의 범위의 어느 온도로 가열하여 20분간 균열하여 공냉하는 열처리를 실시했다. 이와 같이 하여 작성된 판재에 대해서, 인장 시험, 샤르피 충격 시험 및 금속 조직 관찰을 행했다. 시험 결과도 표 2에 함께 나타낸다.

인장 시험은, 판재의 압연 방향에 직교하는 방향에서 채취된 직경 4mm, 평행부 길이 34mm의 환봉 시험편을 이용하여, JIS Z2241로 규정한 금속 재료 인장 시험 방법에 준하여 실시했다.

샤르피 충격 시험은, 판재의 압연 방향에 직교하는 방향에서 채취된 길이 55mm, 폭 4mm, 두께 10mm의 직방체 길이의 중심에 노치 각도 45°, 노치 깊이 2mm, 노치 바닥 반경 0.25mm의 V형 노치를 두께 방향으로 부여하여 작성된 서브 사이즈 시험편을 이용하여, JIS Z2242 01로 규정한 금속 재료의 샤르피 충격 시험 방법에 준하여 각종 온도에서 실시하고, 파면율이 100% 연성인 하한 시험 온도(vTr 100)를 구했다.

금속 조직 관찰에서는, 판재의 종단면을 관찰면으로 하여 10mm각의 입방체를 채취하고, 이를 수지에 메워넣어 연마한 후, 나이탈 부식액으로 관찰면을 부식하고, 부식면을 광학 현미경에 의해 관찰했다. 금속 조직은, 이하와 같이 판정했다.

(1) 페라이트가 주체이고, 면적율로 베이나이트 조직이 10% 이상, 펄라이트가 10% 미만인 경우：페라이트＋베이나이트 2상

(2) 페라이트가 주체이며, 면적율로 펄라이트 조직이 10%이상, 베이나이트가 10% 미만인 경우：페라이트＋펄라이트 2상 조직

표 1에 나타낸 테스트 하의 강의 범위에서는, 상기 (1), (2) 이외의 형태는 관찰되지 않았다.

인장 시험 및 샤르피 충격 시험의 결과는, 에어백 어큐뮬레이터용 강관의 재료에 적합하도록 다음과 같이 평가했다. 즉, 인장 시험에 대해서는 인장 강도가 850MPa 이상인 경우를 합격, 850MPa 미만인 경우를 불합격으로 했다. 샤르피 충격 시험에 대해서는, 파면율이 100% 연성인 시험 온도의 하한 온도(vTr 100)가 －20℃이하인 경우를 합격, －20℃초과인 경우를 불합격으로 했다.

<표 1>

<표 2>

표 2에 나타내는 바와같이, 본 발명에서 규정하는 화학 조성을 가지는 강 No.1∼10에 대해서는, 금속 조직이 페라이트＋베이나이트 2상 조직이며, 인장 강도 및 샤르피 충격 시험의 결과가 양쪽 모두 합격이었다. 따라서, 이들은 에어백 어큐뮬레이터용 강관용 재료로서 매우 적합한 강도와 인성을 가지고 있다.

한편, 강 No. 11에서는, Ceq가 범위보다 낮기 때문에, 인장 강도가 너무 낮았다. 강 No.12에서는 Ceq가 범위보다 높았기 때문에, 인장 강도는 합격이지만, 샤르피 충격 시험에 의한 저온 인성이 불합격이다. 강 No.13에서는, Ti, Nb가 어느것도 첨가되어 있지 않으므로, 저온 인성이 불합격이었다. 강 No.14에서는, Ceq는 범위 내였지만, Mn 함유량이 너무 낮았으므로, 금속 조직이 페라이트＋펄라이트로 되어 저온 인성이 불합격이었다. 강 No.15에서, Ceq는 범위 내였지만, Ca, Mg, REM중 어느것도 첨가되어 있지 않았으므로, 저온 인성이 불합격이었다.

실시예 2

표 3에 나타내는 화학 조성을 가지는 강 소재(강 No.16, 17)을 이용하여, 만네스만 맨드럴 방식의 심리스 강관 제조 설비를 이용하여, 외경 31.8mm, 두께 2.7mm의 심리스 강관을 제관했다. 어떠한 강이나 본 발명의 범위 내의 화학 조성을 가진다.

강 No.16의 심리스 강관에는, 통상의 방법에서의 냉간 드로잉에 의해, 외경을 25.0mm, 두께를 2.25mm로 하는 조 가공(감면율 35%)을 실시했다. 그 후, 이 강관을 900℃로 가열하여 5분간 균열한 후에 공냉함으로써 노멀라이징 열처리를 실시했다. 이 강관을 조 가공과 동일한 방법에서의 냉간 드로잉에 의해 외경 20.0mm, 두께 1.85mm으로 마무리한 후(감면율 34%), 500℃로 가열하여 20분간 균열한 후에 공냉하는 응력 제거 소둔을 행하여, 제품 강관을 얻었다.

강 No.14의 심리스 강관에는, 조 가공을 행하지 않고, 900℃로 가열하여 5분간 균열한 후에 공냉하는 노멀라이징 열처리를 실시했다. 그 후, 통상의 방법에서의 냉간 드로잉에 의해, 외경 25.0mm, 두께 2.Omm로 마무리한 후(감면율 41%), 470℃로 가열하여 20분간 균열(均熱)한 후에 공냉하는 응력 제거 소둔을 행하여, 제품 강관을 얻었다.

상기 2종류의 제품 강관을 이용하여, 이하와 같이 하여 강도, 인성, 내 버스트 성능의 평가를 행했다. 시험 결과도 표 3에 함께 나타낸다.

인장 강도는, 강관의 길이 방향에서 채취한 JIS Z2201에 규정의 11호 시험편을 이용하여, JIS Z2241에 규정의 금속 재료 인장 시험 방법에 준해 시험했다.

인성의 평가는, 실온에서 전개한 강관으로부터 둘레 방향(T방향)이 길이 방향이 되도록 길이 55mm, 폭 1.85mm, 두께 10mm의 직방체를 채취하고, 이 직방체의 길이의 중심에, 노치 각도 45°, 노치 깊이 2mm, 노치 바닥 반경 0.25mm의 V형 노치를 두께 방향으로 부여하여 작성한 서브 사이즈 시험편을 이용하여, JIS Z2242 01에 규정의 금속 재료의 샤르피 충격 시험 방법에 준해 실시했다.

버스트 시험은, 제품 강관으로부터 250mm 길이의 강관을 3개 잘라내고, 양단에 뚜껑체를 용접하여 강관을 밀폐하고, －20℃로 유지된 밀폐 강관 내에 한쪽 뚜껑체를 관통하는 도입구로부터 액체(에탄올)를 충전하여 관 내의 내압을 높임으로써 강관을 버스트(파열)시킴으로써 행했다. 내 버스트성은 －20℃에서의 버스트 시의 균열의 진전 정도를 관찰함으로써 실시했다.

<표 3>

표 3에 나타내는 바와같이, 강 No.16 및 17의 어떠한 심리스 강관이나, 인장 강도, 인성, 내 버스트 성능이 모두 양호했다. 이 결과로부터, 본 발명의 심리스 강관이 에어백 어큐뮬레이터 용도로서의 성능을 만족하는 것이 확인되었다. 즉, 냉간 가공이 노멀라이징 열처리 전의 조 가공과 이 열처리 후의 마무리 가공의 2단계에서 행한 경우(강 No.16)뿐만 아니라, 조 가공을 행하지 않고 마무리 가공만으로 제품화한 경우(강 No.17)에도, 담금질·템퍼링을 행하지 않고, 노멀라이징이라는 간단한 열처리만으로, 에어백 어큐뮬레이터에 요구되는 성능을 구비한 심리스 강관을 제조할 수 있었다.

도 1은, C당량과 인장 강도의 상관 관계를, 본 발명에 관한 강(표 1의 강 No.1-10 및 No.16, 17)과, 특허 문헌 5, 6의 실시예에 나타내는 강에 대해서 비교하여 나타내는 그래프이다. 이로부터도 알 수 있듯이, 본 발명의 경우, 강도 레벨이 꽤 높은 재질이 얻어진다. 본 발명에 관한 강은 또한 저온 인성에도 뛰어나고, 실제의 내 버스트 성능에 있어서도 그 우위성이 검증되어 있어, 에어백 어큐뮬레이터용으로 뛰어난 재료이다.

Claims

질량%로, C：0.08∼0.20%, Si：0.1∼1.0%, Mn：0.6∼2.0%, P：0.025% 이하, S：0.010% 이하, Cr：0.05∼1.0%, Mo : O.05∼1.0%, Al : 0.002∼0.10%를 포함하고, Ca：0.0003∼0.01%, Mg：0.0003∼0.01%, 및 REM(희토류 원소)：0.0003∼0.01%로부터 선택된 적어도 1종과, Ti：0.002∼0.1% 및 Nb：0.002∼0.1%로부터 선택된 적어도 1종을 더 포함하고, 하기의 식(1)로 정의되는 Ceq가 0.45∼0.63의 범위이고, 잔부 Fe 및 불순물로 본질적으로 이루어지는 강 조성을 가지고, 금속 조직이, 베이나이트 면적율이 10% 이상인 페라이트＋베이나이트의 혼합 조직인 것을 특징으로 하는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관(seamless steel tube) :

Ceq＝C＋Si/24＋Mn/6＋(Cr＋Mo)/5＋(Ni＋Cu)/15 … 식(1)

식(1) 중의 원소 기호는 그 원소의 질량%로의 함유량의 수치를 의미한다.
청구항 1에 있어서,

상기 강 조성에 있어서, Fe의 일부가 Cu：0.05∼0.5% 및 Ni：0.05∼1.5%로부터 선택된 1종 또는 2종에 의해 치환되어 있는, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관.
청구항 1 또는 2에 기재된 강 조성을 가지는 심리스 강관을 제관하는 공정과, 강관을 소정의 치수로 하기 위해서 마무리 냉간 가공하는 공정을 포함하는 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법으로서,

상기 마무리 냉간 가공 공정의 전에, 강관을 Ac₃ 변태점(變態點)∼1000℃의 범위 내의 온도로 가열한 후에 공냉하는 것에 의한 노멀라이징(normalizing) 열처리 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 마무리 냉간 가공 공정을 냉간 드로잉 가공에 의해 행하는, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 마무리 냉간 가공 공정의 후에, 강관에 450∼650℃의 온도로 응력 제거 소둔을 실시하는 공정을 더 포함하는, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법.
청구항 3에 있어서,

상기 노멀라이징 열처리 공정의 전에, 강관을 냉간 가공에 의해 조(粗) 가공하는 공정을 더 포함하는, 에어백 어큐뮬레이터용 심리스 강관의 제조 방법.