KR20090098781A - 스틸 블랭크의 변형 방법 - Google Patents

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제랄 갸이
브뤼노 갸이야르-알르망
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오베르 앤드 뒤발
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Abstract

본 발명은 스틸 블랭크의 변형방법에 관한 것이다.
본 발명은 특히 매우 우수한 기계적 특성을 얻기 위한 니딩을 포함하는 스틸 블랭크의 변형 방법에 관한 것이다.
상기에서 얻은 생성물은 특히 가압 설비 부재의 성형 분야에 이용할 수 있다.
스틸 블랭크, 니딩, 가압설비

Description

스틸 블랭크의 변형 방법{PROCESS FOR TRANSFORMING STEEL BLANKS}
본 발명은 스틸 블랭크, 특히 하나 이상의 가합 설비 부재를 성형하기 위한 블랭크의 변형 방법에 관한 것이다.
특히 실린더 헤드의 스토퍼 또는 슬리브, 또는 가압 설비 부재 성형용 튜브, 특히 대포(cannon)용 튜브를 포함하는 4,000 내지 10,000 bar에 견딜 수 있는 가압 설비의 부재를 제조하기 위한 매우 고성능의 스틸이 최근 수년 동안 개발되어 왔다. 이러한 스틸은 매우 엄격히 한정된 조성물의 품질에 부합하여야 하고, 특히 저온에서 매우 높은 항복점, 및 항복점/인성 비의 매우 우수한 기계적 품질을 나타내야 한다.
실리콘 및 망간 함량은 매우 낮으나, 크롬, 몰리브덴 및 니켈 함량은 비교적 높도록 하는 것이 특히 필요하다.
종래 기술에서 이러한 기계적 특성에 부합하는 스틸 제조를 위한 다양한 조성물들이 제안된 바 있으나, 이러한 스틸의 기계적 특성은 추가적인 개선이 필요하다. 상기 조성물은 특히 독일 특허 DE 195 31 260 C2에 개시되어 있다. 따라서 상기 조성물은, 특히 저온에서 항복점 및 항복점/인성 비와 관련된 기계적 특성이 개선되어야 한다.
이러한 형태의 스틸에 대한 통상적인 변형 방법을 사용하면, 상기 스틸을 특히 4,000 내지 10,000 bar에 견디는 가압 설비 분야에서 매우 높은 항복점 및(또는) 우수한 저온 항복점/인성 비를 갖는 튜브로서 사용하고자 하는 경우 최적의 기계적 특성을 얻을 수 없게 된다.
반면에, 통상적으로 알려진 방법들은 유의적인 산업적 활성에는 상용하지 않는 지속 기간을 갖는다. 이는 오스테나이트화 단계에 이은 100-200 시간 동안의 펄라이트 어닐링 단계를 포함하는 DE 195 31 260에 기재된 방법의 경우 뚜렷하다.
<발명의 목적>
본 발명의 주목적은 상기에서 언급한 기술적 문제점을 해결하고, 가압 설비 부재 성형에 적합한, 특히 항복점 및 저온에서의 최적화된 항복점/인성 비 사이의 절충점과 관련된 기계적 특성을 얻을 수 있는 스틸 조성물을 제공하는 것이다.
본 발명의 주목적은 또한 상기에서 언급한 기술적 문제점을 해결하는 것으로, 특히 매우 높은 탄성 한계와 더불어 높은 수준의 연성을 포함하는 매우 우수한 기계적 특성 갖는 상기에 언급한 조성물을 얻을 수는 변형 방법의 제공을 포함한 기술적 문제를 해결하는 것이다.
본 발명의 목적은 특히 비용-효율 및 제조 시간과 관련하여 산업적으로 수행하는 가압 설비의 제조 부재 범위 내에서 기술적 문제점을 해결하는 것이다.
특히, 본 발명은, 전체 조성물 중
탄소 0.35-0.43 중량%,
망간 <0.20 중량%,
실리콘 <0.20중량%,
니켈 3.00-4.00중량%,
크롬 1.30-1.80중량%,
몰리브덴 0.70-1.00중량%,
바다듐 0.20-0.35중량% 및
잔량의 철 뿐만 아니라 최저 수준으로 유지되는 불가결한 불순물, 특히 구리(바람직하게는 <0.100중량%) ; 알루미늄 (바람직하게는 <0.015중량%) 및 황 (바람직하게는 <0.002중량%), 인 (바람직하게는 <0.010중량%), 주석(바람직하게는 <0.008중량%), 비소(바람직하게는 <0.010중량%) 및 안티몬(바람직하게는 <0.0015); 및 일반적으로 제조 공정에 기인하여 본질적으로 주 재료에 의해서 일반적으로 도입된 칼슘(바람직하게는 <0.004중량%), 이산소(dioxygen) (바람직하게는 <0.004dioxygen), 이수소(dihydrogen)(바람직하게는 <0.0002dioxygen) 및 이질소(dinitrogen)(바람직하게는 <0.007중량%)을 포함하는 스틸 조성물에 관한 것이다.
상기 조성물을 사용함으로써, 4,000 내지 10,000 bar에 견디는 가압 설비의 부재, 예를 들어 포미(砲尾) 플러그 또는 슬리브 또는 대포 튜브와 같은 가압 설비의 튜브를 형성하는데 필요한 기계적 특성의 요구에 부합하게 할 수 있다.
놀랍게도 상기에서 언급한 기술적 문제점을 해결하고, 상기에서 언급한 스틸 조성물에 대해 매우 우수한 항복점 및 우수한 저온에서의 항복점/인성 비를 얻을 수 있고, 니딩 속도(keading rate)는 특히 관형 또는 실린더형의 스틸 성분 중 최대 단면에서 5, 바람직하게는 4.5 이하임이 밝혀졌다.
따라서 본 발명은 실질적으로 관형 또는 실린더형의 스틸 블랭크 변형 방법에 대해 기술하며, 상기 스틸 블랭크는, 전체 조성물에 대하여
탄소 0.35-0.43 중량%,
망간 <0.20 중량%,
실리콘 <0.20 중량%,
니켈 3.00-4.00 중량%,
크롬 1.30-1.80 중량%,
몰리브덴 0.70-1.00 중량%,
바나듐 0.20-0.35 중량%, 및
잔량의 철, 뿐만 아니라 불가결한 불순물로서 이질소(바람직하게는 N2<70ppm), 이산소(바람직하게는 O2<30ppm) 및 이수소(바람직하게는 H2<2ppm)를 포함하고,
상기 방법은 실질적으로 관형 또는 실린더형 중 최대 단면의 니딩 속도가 5 미만, 바람직하게는 4.5 미만이 되도록 하기 위한 니딩에 의한 블랭크의 변형 단계를 포함한다.
스틸 내의 응리를 감소시키기 위해 충분한 시간 동안 온도를 상승시키는 것을 포함한 단조에 의한 상기에 언급한 스틸의 변형을 수행하는 것이 유익하다. 단조 전에 잉곳의 온도 유지는 화학적 균질화를 제공하고, 기계적 특성을 개선시키는데 관여할 수 있다.
크랙을 회피할 수 있고, 5 미만, 바람직하게는 4.5 미만의 니딩 속도를 얻을 수 있는 온도에서 튜브를 연신시키기 위해서 1회 이상의 가열 조작을 수행할 수도 있다.
실질적으로 실린더형 블랭크는, 예를 들어 다각형 또는 평탄한 실린더 형상을 갖는 블랭크를 의미한다. 튜브는 유익하게는 니딩 후 천공에 의해 얻을 수 있다.
따라서 내경이 80 mm 이하인 튜브를 제조할 수 있다. 예를 들어, 105 mm, 120mm, 140mm, 및 155mm 튜브를 대포 튜브를 위한 매우 우수한 기계적 특성으로 제조할 수 있다. 두께는 일반적으로 100mm 이상이며, 이는 직경 400mm까지 상승시킬 수 있다.
유익하게는, 니딩 후, 상기 방법은 스틸의 구조를 개선시키기 위한 어닐링을 포함한다.
바람직하게는, 어닐링 조작은 스틸을 50mm 두께에 대해 900이상의 온도로, 예를 들어, 1 시간 이상 유지시키고, 약 400가지 공냉시킴으로써 스틸의 구조를 개선시키기 위한 정상화 단계를 포함한다.
단조 및(또는) 정상화 후 냉각 속도 조절은 재료의 기계적 특성을 개선시키는데 관여한다.
바람직하게는, 어닐링은, 이수소 함량이 상기 처리를 필요로 하는 경우, 약 650의 온도로 유지시키는 것을 포함한 플라크 방지 어닐닝 단계를 포함한다.
유익하게는, 상기 방법은 정상화 또는 플라크 방지 어닐링 동안 냉각시 크랙의 위험을 회비하기 위해 1회 이상의 오븐-냉각을 포함한다.
바람직하게는, 열 처리는 본질적으로 전체적인 마르텐사이트 구조 및 바람직하게는 전체적인 마르텐사이트 구조를 갖는 스틸 실린더 또는 튜브를 얻기 위해 니딩 종료 시 얻어진 스틸 실린더 또는 튜브 상에서 수행된다. 상기 열처리는 유익하게는 본질적으로 전체적인 마르텐사이트 구조에 이르게 하고 크랙의 위험을 감소시키기 위해 적절한 냉각력을 갖는 유체(예를 들어, 오일) 중에서의 켄칭을 포함한다. 상기 열 처리는 유익하게는 본질적으로 스틸의 최대 경도에 이르게 하기 위한 템퍼링을 포함한다. 상기 열처리는 유익하게는 본질적으로 스틸 실린더 또는 튜브를 따라 기계적 특성의 균일성을 얻기 위한 1회 이상의 템퍼링 조작을 포함한다.
매우 우수한 기계적 특성(저온에서 높은 항복점, 우수한 인성)이 오일 켄칭을 이용한 경우에도 보장되었고, 이는 그로 인해 크랙의 위험이 켄칭 조작 동안 감소되었기 때문에 매우 유익한 것이다.
특정 실시형태에 따르면, 불순물은 감소시키고, 변형 후 훌륭한 기계적 특성을 갖는 블랭크를 얻음으로써 조성물을 최적화하기 위한 전기전도성 슬래그 재용해(ESR) 또는 진공 아크 재용해(VAR)를 포함한 스틸 블랭크의 제조 방법에 의해 실질적으로 관형 또는 실린더 형태의 스틸 블랭크가 얻어진다.
본 발명은 상기에 기재된 방법의 임의의 단계에서 얻어질 수 있는, 가압 설비 부재를 성형하기 위한 스틸 블랭크에 관한 것이다.
단지 예증의 방식으로 나타낸 실시예를 참고로 하는 하기의 예시적인 설명으로부터 본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점이 당업자들에게 명백하게 나타날 것이나, 이는 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
하기의 실시예들은 본 발명의 구성요소이며, 실시예를 포함한 총괄적인 명세서로부터 선행 기술에 비해 신규한 것으로 나타난 임의의 특징도 그의 작용 및 일반성에 있어 본 발명의 구성요소이다.
따라서 각 실시예는 일반적인 범위를 갖는다.
그러나 하기의 실시예에 있어 모든 %는 다른 특별한 언급이 없으면 중량%이고, 온도도 다른 특별한 언급이 없으면 이고, 압력 또한 다른 특별한 언급이 없으면 대기압(atm)이다.
실시예
실시예 1: 변형: 단조
무기, 예를 들어, 저온에서 매우 높은 항복점 및 우수한 항복점/인성 비를 갖는 대포 튜브에 사용할 수 있는 튜브를 제공하기 위하여, 전체 조성물에 대하여 실질적으로,
탄소 0.37-0.42 중량%,
망간 <0.15 중량%,
실리콘 <0.100 중량%,
니켈 3.50-3.80 중량%,
크롬 1.50-1.70 중량%,
몰리브덴 0.70-1.00 중량%, 및
바나듐 0.25-0.30 중량%,
뿐만 아니라 불가결 불순물로서 이산소(바람직하게는 <0.004), 이수소(바람직하게는 <0.0002) 및 이질소(바람직하게는 < 0.007)를 포함하는, 실질적으로 관형 또는 실리더 형의 하나(또는 그 이상)의 스틸 블랭크를 변형시켰다.
스틸의 가스 성분(O2, N2, H2)은 제조 동안 및 잉곳 캐스팅 동안 가스 분석기로 투입하였다. 산소 활성 및 수소 부분 압력을 전기 화학적 장비(02 cell, Hydriss probe)로 제조 동안 측정하였다.
이러한 블랭크는 하기의 변형 단계를 거쳤다:
1. 단조 전 잉곳 가열:
생성물 상의 응리를 감소시키기 위한 잉곳 가열(예를 들어, 8-10 톤 잉곳에 대해 10 시간 이상, 약 1200 까지);
2. 크랙을 회피하고, 단면, 현저하게는 가장 큰 단면 상에서 5 이하, 바람직하게는 4.5 이하의 니딩 속도를 얻기 위한 1회 이상의 가열 조작을 포함한, 얻어 진 잉곳의 단조(예를 들어, 내경 120 mm의 튜브를 제조하기 위해).
상기 단조는 현저하게는 하기 단계를 포함할 수 있다:
- 제1 가열 후, 예를 들어, 1200-1230℃의 온도에서 4 시간 이상 재연소시키는 단계.
- 제2 가열 연신 수행 단계.
상기 방법에 따르면, 예를 들어
- 포미: Ø 350 x 1500 mm
- Ø 300 x 800 mm
- Ø 250 x 2500 mm
- 배럴: Ø 235 x 1600 minimum, 총 길이 > 6300 mm
와 같은 외부 치수에 따른 실린더 또는 관형 블랭크를 얻을 수 있다.
그에 따라 포미에서 4.5 미만의 니딩 속도가 얻어지고, 이러한 형태의 스틸 등급에서 통상적으로 얻어지는 니딩 속도가 5 이상 이기 때문에, 이는 매우 놀라운 것이다.
블랭크가 관형이 아닌 경우, 목적하는 튜브를 얻기 위해 천공 과정을 이어서 수행한다.
바람직하게는, 본질적으로 완전한 마르텐사이트 구조를 얻고, 그에 따라 가입 설비 부재, 예를 들어 대포 튜브로서 적용하는데 있어 보다 우수한 항복점을 얻기 위해, 잔조 후에 어닐링을 수행한다.
실시예 2: 변형 : 단조 후 어닐링
스틸의 미세구조를 개선시켜 냉각 시 크랙의 위험을 회피하고, 냉각 후 생성물 상에서 "플레이크" 또는 "DDH" 형태의 발생을 회피하기 위하여, 블랭크가 고체 또는 액체 슬래그 중에서 ESR 공정에 의해 또는 진공 재용해(VAR) 방법에 의해 재용해되었을 때 플레이크 방지 어닐링을 이용하여, 예를 들어 실시예 1에서 얻은 튜브 상에서 단조 후 어닐링을 수행하였다.
실시예 3: 변형 : 품질 열 처리
예를 들어, 실시예 2에서 얻은 튜브 또는 실린더는 유익하게는 품질 열처리를 포함한 열처리 프로파일에 조정될 수 있다. 이 열처리는 튜브 또는 실린더에 필요로하는 모든 기계적 특성을 부여하면서 및 -40 ℃에서의 K1c 또는 J1c 및 -40℃에서 항복점/인성의 절충점을 최적화하기 위한 목적을 갖는다.
오일 켄칭 또는 다른 적절한 냉각 유체를 사용한 켄칭은 현저하게는 전체적인 마르텐사이트 구조에 이르게 하는 동시에 크랙킹의 위함을 회피시킨다. 이 품질 열처리는 최대 경도에 이르게 하는 1차 템퍼링을 포함하고; 2차 템퍼링은 튜브를 따라 기계적 특성의 큰 균잉성을 보장할 수 있으면서 탄성 수준을 개선시킬 수 있는 온도에서 수행된다.
마지만 템퍼링 조작 후 오븐에서 3차 템퍼링 조작 및 저속 냉각을 수행함으로써, 튜브의 최종 직진도를 보정하고 및 최종 기계가공 동안 변형을 방지할 수 있다.
예로서, 품질 열처리는 하기와 같은 사항을 포함한다:
- 오스테나이트화 + 켄칭:
- 튜브를 약 450 ℃미만의 온도에서 오븐에 도입
- 예를 들어, 약 80 ℃/h 이하의 속도로 온도를 약 850 ℃까지 상승시킴.
- 120mm의 튜브 블랭크에 대해 850 ℃이상의 온도를 4 시간 이상 동안 유지시킴;
- 임의 지점에서의 온도, 예를 들어, 약 150 ℃가 얻어질 때까지, 예를 들어, 오일을 기공으로 주입하여 오일 켄칭한 후, 예를 들어, 약 80℃까지 냉각.
-약 500 ℃ 이상의 온도에서 1차 템퍼링
-약 550 ℃ 이상의 온도에서 2차 템퍼링
-약 500 ℃ 이상의 온도에서 3차 템퍼링.
상기 템퍼링 조작은 적절한 직진도를 보장하기 위해 생성물을 회정하도록 세팅하여 수직으로 수행할 수 있다.
공정 동안, 튜브 또는 실린더의 일반적인 적절한 직진도를 보장하기 위해 고온 직진도 조작(straightening operation)을 수행할 수 있다. 따라서, 하기의 기계적 특성을 얻을 수 있다:
1,350 MPa < Rm < 1,600 Mpa;
1,250 < Rp0.2% < 1,450 Mpa
A% > 12%;
Z% > 35%
저온에서 훌륭한 탄성 및 인성이 얻어졌다:
KV (-40℃) >28 J
K1c (ou KQ)(-40℃) > 110 Mpa1/2
이러한 강도 및 인성 값이 1,450 Mpa 이하의 항복점(Rp0.2%)에 대해 얻어졌다. 이는 스틸의 성분 요소(C, Ni, Cr, Mo, V)의 선택 및 열기계적 처리(단조, 열 처리)에 의해 현저하기 얻어졌다.
얻어진 기계적 특성의 예:
<표 1>
전기 아크 오븐(FEA) + 진공 아크 탈기(VAD)로 제조
Figure 112009012941785-PCT00001
Figure 112009012941785-PCT00002
<표 2>
일렉트로슬래그 재용해(ESR)로 제조
Figure 112009012941785-PCT00003
Figure 112009012941785-PCT00004
<표 3>
진공 아크 재용해(VAR)로 제조
Figure 112009012941785-PCT00005

Claims (13)

  1. 전체 조성물에 대하여
    탄소 0.35-0.43 중량%,
    망간 <0.20 중량%,
    실리콘 <0.20 중량%,
    니켈 3.00-4.00 중량%,
    크롬 1.30-1.80 중량%,
    몰리브덴 0.70-1.00 중량%,
    바나듐 0.20-0.35 중량%, 및
    잔량의 철, 뿐만 아니라 불가결한 불순물로서 이질소, 이산소 및 이수소를 포함하고,
    실질적으로 5 미만의 관형 또는 실린더형의 최대 단면의 니딩 속도를 얻기 위해 니딩에 의해 블랭크를 변형시키는 단계를 포함하는, 실질적으로 관형 또는 실린더형 스틸 블랭크의 변형 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법이 니딩 후, 스틸의 구조를 개선시키기 위한 어닐링을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 어닐링이 스틸의 구조를 개선시키기 위한 정상화 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 어닐링이 온도를 약 650℃로 유지시키는 것을 포함하는 플레이크 방지 어닐링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법이 냉각 시, 현저하게는 플레이크 방지 어닐링 또는 정상화 동안 크랙의 위험을 회피하기 위하여 적어도 오븐-냉각을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 실질적으로 전체적인 마르텐사이트 구조를 갖는 스틸 실린더 또는 튜브를 얻기 위하여 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따라 얻은 스틸 실린더 또는 튜브 상에 열처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 열처리가 실질적으로 전체적인 마르텐사이트 구조를 얻고 크랙의 위험을 감소시키기 위해 오일 켄칭 또는 냉각력에 적절한 유체를 사용한 켄칭을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 실질적으로 스틸의 최대 경도를 얻기 위해 상기 열처리가 1차 템퍼링 조작을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 스틸 실린더 또는 튜브를 따라 기계적 특징의 균일성을 실질적으로 얻기 위해 상기 열처리가 하나 이상의 템퍼링 조작을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 일렉트로슬래그 재용해(ESR) 또는 진공 아크 재용해(VAR)를 포함한 스틸 블랭크의 생성(elaborating) 방법에 의해 실질적으로 관형 또는 실린더형의 스틸 블랭크 가 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 스틸의 기계적 특성을 개선시키기 위해 상기 방법이 단조 및(또는) 정상화 단계를 포함하고, 단조 및(또는) 정상화 후 냉각 속도의 조절을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 화학적 조성을 균질화하고 기계적 특성을 개선하는데 참여하기 위해, 상기 방법이 단조와 단조 전에 잉곳의 온도를 유지시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 정의된 바와 같은 방법에 의해 얻어질 수 있는, 가압 설비 부재를 성형하기 위한 스틸 블랭크.
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