KR20090113331A - 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관 및 그것을 이용한 드라이브 샤프트, 및 그 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법 - Google Patents
일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관 및 그것을 이용한 드라이브 샤프트, 및 그 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
만네스만 제관법에 의해 열간 압연된 소관을 냉간 드로잉함으로써 얻어지는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관이며, 그 용도에 적용할 수 있는 이음매가 없는 강관의 최대 내면 주름 깊이 0.1mm 이하, 및 축경부에서 내경 축경률이 30% 이상이고 내면의 최대 주름 깊이가 0.20mm 이하를 확보하기 위해, 특정한 화학 조성으로 이루어지는 강종을 이용하여, 만네스만 제관법에 의한 천공 압연, 연신 압연 후의 정형압연에 있어서의 공형 형태의 조정과, 그 후의 냉간 드로잉에서의 두께 가공도의 조정을 행한다. 이에 의해, 양단부의 축경부를 형성하는 일체 성형형의 자동차용 드라이브 샤프트로서 우수한 비틀림 피로 특성을 확보할 수 있으며, 경량화나 정숙성에 최적인 중공 부재로서 사용할 수 있다. 이것에 이용함으로써, 자동차용 드라이브 샤프트를 효율적으로 제조할 수 있다.
Description
본 발명은, 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관 및 그것을 이용한 드라이브 샤프트, 및 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 일체 성형형 자동차용 드라이브 샤프트의 경량화나 정숙성에 최적이고, 비틀림 피로 특성이 우수한, 중공 부재로서 이용되는 냉간 마무리 이음매가 없는 강관, 또한 이 이음매가 없는 강관을 효율적으로 제조하는 방법, 및 이들 냉간 마무리 이음매가 없는 강관을 이용하여 제조되는 드라이브 샤프트에 관한 것이다.
최근, 지구 환경 보호의 필요성은 점점 높아져, 자동차 공업의 분야에 있어서도, 자동차 차체의 경량화를 도모하고, 에너지 절약 효과를 더욱 높이는 것이 요청되고 있다. 이 때문에, 차체 경량화의 관점에서, 자동차용 부품을 중실(中實) 부재로부터 중공(中空) 부재로 전환하는 시도가 이루어지고, 자동차의 드라이브 샤 프트에도, 소재 자체가 중공인 강관을 소재로 하는 중공 부재가 채용되고 있다.
중공 드라이브 샤프트에는 접합형의 드라이브 샤프트와 일체 성형형의 드라이브 샤프트가 있다. 접합형의 드라이브 샤프트는, 중간부에 고주파 담금질 등의 열처리를 행하지 않는 강관을 사용하고, 등속 조인트나 차동 기어에 연결되는 양단에는 중실재, 단조재(鍛造材)를 사용하여, 상기 중간부에 마찰 압접이나 용접에 의해 접합한 구조이다. 일체 성형형의 드라이브 샤프트는, 예를 들면, 강관 부재를 이용하여, 등속 조인트와의 체결부가 되는 양 관단부를 축경(縮徑) 후육화(厚肉化)하고, 연결 요소로서의 스플라인 가공을 행하며, 전체에 고주파 담금질을 행한 것이 알려져 있다.
자동차용 드라이브 샤프트는, 엔진의 회전축의 토크를 타이어에 전달하는 중요 보안 부품이므로, 충분한 비틀림 강성이나 비틀림 피로 강도를 확보할 필요가 있다.
그런데, 드라이브 샤프트용의 중공 소재로서 이음매가 없는 강관을 이용하는 경우, 제조 조건에 따라서는 강관의 내면에 주름형상 흠집, 즉 길이 방향에 수직인 단면의 내표면에 형성되는 요철 흠집(이하, 「내면 주름」이라고 한다)이 잔존하는 경우가 있다. 내면 주름이 잔존하면, 이것이 피로 균열의 기점 등 파손의 요인이 되기 쉽고, 드라이브 샤프트의 내피로 강도를 현저하게 저하시키게 된다.
도 1은, 이음매가 없는 강관을 열간(熱間)으로 제조하는 만네스만 제관법의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다. 이 제관 방법은, 소정 온도로 가열된 중실의 둥근 빌릿(1)을 피압연재로 하여, 천공 압연기(3)로 축심부(軸心部)에 천공을 형성하여 중공 소관(素管)(2)을 제조하고, 후속하는 맨드릴 밀(4)의 연신 압연 장치에 송급하여 연신 압연한다. 맨드릴 밀(4)을 통과한 중공 소관(2)은, 다음에 재열로(再熱爐)(5)에 장입되어, 재가열된 후, 스트레치 리듀서(6)의 정경압연(定徑壓延) 장치에 통과시켜 냉간 가공용의 소관 등에 이용되는 이음매가 없는 강관이 제조된다.
이러한 제관법에 있어서, 도시하는 스트레치 리듀서(6)의 구성에서는, 중공 소관(2)을 압하(壓下)하는 한 쌍의 압연 롤(6r)은, 패스라인을 중심으로 하여 대향 배치된 3개의 공형(孔型) 압연 롤(6r)로 이루어지고, 이들 공형 압연 롤(6r)이 복수의 스탠드에 배치되며, 인접하는 롤 스탠드 사이에서는 각각의 공형 압연 롤(6r)이 패스라인에 대해 수직인 면 내에서 압하 방향을 60°마다 어긋나게 하여 교차 배치된다.
그 밖의 스트레치 리듀서(6)의 구성으로서는, 패스라인에 대해 수직인 면 내에서 압하 방향을 90°마다 어긋나게 하여 교차 배치되는 4개의 공형 압연 롤을 구비한 4롤식의 정경압연 장치, 또한, 각 스탠드에 대향하는 2개의 공형 압연 롤을 구비한 2롤식의 정경압연 장치가 채용되고 있다.
그러나, 정경압연 장치로서 이용되는 스트레치 리듀서에서는, 맨드릴 등의 내면 규제 공구를 이용하지 않고, 중공 소관을 외경 줄임 압연에 의해 마무리하므로, 열간 압연된 강관의 내면에 세로줄무늬형상의 주름이 발생하기 쉽다.
또한, 상기 도 1에 나타낸 스트레치 리듀서(6)의 예에서는, 3개의 압연 롤로 이루어지는 외경 줄임 압연이므로, 중공 소관은 패스라인에 대해 3방향으로부터 압 하를 받는다. 이 때문에, 열간 마무리된 강관의 내면 형상은 진원(眞圓)이 되지 않고, 각이 지거나 다각형화한 원이 되며, 그 내표면에는 요철 형상이 형성되기 쉽다.
이러한 이음매가 없는 강관의 내면 주름의 문제를 해결하기 위해, 일본국 특허 제2822849호 공보에서는, 스트레치 리듀서에 있어서의 압하량을 각 스탠드 사이에서 균일 상태로 함과 더불어, 제조된 강관의 내면을 숏블라스트 연삭 등에 의해 내면 절삭하여, 드라이브 샤프트 등의 자동차용 이음매가 없는 강관을 제조하는 방법이 제안되어 있다. 이 제조 방법에 의하면, 열간 압연된 이음매가 없는 강관의 내면을 20μm∼500μm 절삭 가공함으로써, 강관 내면에 발생한 주름을 제거하여, 내피로 강도의 향상을 도모하는 것으로 하고 있다.
그러나, 이러한 숏블라스트에 의한 내면 연삭에는 방대한 처리 시간이 필요해진다. 구체적으로는, 드라이브 샤프트용으로서 채용되는 강관은, 내경(이하에서는 특별한 언급이 없는 한, 내경, 외경 모두 직경을 나타낸다)이 15∼25mm 정도인 소경 부재가 대상이 되지만, 이들 관 내면에 대해, 상기 연삭량을 확보하기 위해 쇼트 가공을 행하기 위해서는, 수십분부터 수시간의 방대한 처리 시간이 필요해진다. 이 때문에, 상기 일본국 특허 제2822849호 공보에서 제안된 제조 방법에서는, 제조 비용이 증가함과 더불어, 공업상 필요해지는 양산성을 확보할 수 없다는 큰 문제가 있다.
상술한 바와 같이, 이음매가 없는 강관의 경우, 특히 널리 공업적으로 채용되고 있는, 스트레치 리듀서와 같은 내부 규제 공구가 없는 압연 공정을 거친 것 은, 그 압연 기구로부터 강관에 내면 주름이 생기기 쉽다는 문제를 안고 있다. 따라서, 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관에 있어서는, 내면 주름의 발생 억제가 중요한 과제이다.
특히, 이음매가 없는 강관을 일체 성형형 드라이브 샤프트의 소재로서 이용하는 경우, 내면 주름 또는 비틀림 피로 강도에 대한 축경 가공의 영향이 염려된다. 전봉(電縫) 강관을 소재로서 이용하는 것은, 치수 정밀도나 마무리 정밀도가 양호한 강판을 파이프형상으로 성형하여 전기 저항 용접으로 맞대기 용접한 구조를 가지므로, 내면 주름의 염려가 거의 없어, 일체 성형형 드라이브 샤프트에 채용되기 시작하고 있지만(예를 들면, 일본국 특허공개 2002-356742호 공보 참조), 이음매가 없는 강관에 관해 상술한 문제가 있으므로, 본격 채용에는 이르고 있지 않다.
그러나, 전봉 강관은, 그 축선 방향을 따라 연장되는 용접 부분(전봉부)에서 파손이 생기기 쉽고, 동력 전달 샤프트로서 강도 저하를 초래한다는 문제가 있다. 이음매가 없는 강관을 소재로서 이용하는 경우에는, 이러한 염려가 없으므로, 본격 채용을 향한 개선이 강하게 요청되고 있다.
전술한 바와 같이, 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관에 있어서는, 피로 강도를 확보하는 관점에서, 내면 주름을 어떻게 억제할지가 큰 과제이지만, 일체 성형형 드라이브 샤프트로서 이음매가 없는 강관을 이용하는 경우에는, 내면 주름의 발생을 제한하는 요구가 더욱 심해진다.
즉, 마찰 압접형 등, 접합형 드라이브 샤프트의 경우에 있어서는, 사용되는 이음매가 없는 강관이 냉간 마무리 가공된 경우, 그 냉간 마무리 가공 후의 내면 주름이 그대로 드라이브 샤프트의 내면이 된다. 이 때, 일체 성형형 드라이브 샤프트를 제조하는 경우는, 냉간 마무리 가공된 양단부에 축경 가공이 행해지고, 해당부는 후육화의 가공을 받게 되지만, 이 축경 가공에 따라 관 내면의 주름 깊이가 현저하게 증가하는 것이 염려된다.
또한 이음매가 없는 강관을 중공 소재로서 이용하여, 일체 성형형의 중공 드라이브 샤프트를 제조하는 경우에, 관단의 줄임 가공이나 전조(轉造) 가공에 기인하는 균열을 발생시키지 않는 것이 요구된다. 또, 드라이브 샤프트의 성능을 높이기 위해, 냉간 가공 후의 열처리에 의해 강관 내면까지 경화시킴과 동시에 고인성(高靭性)을 확보하여, 담금질성과 인성을 겸비시키는 것도 요청된다.
바꿔 말하면, 일체 성형형 드라이브 샤프트용으로서 최적인 냉간 마무리 이음매가 없는 강관에는, 복잡한 성형이 문제없이 얻어지는 냉간 가공성, 적정한 열처리에 의한 담금질성과 인성의 겸비, 또한 드라이브 샤프트로서의 피로 강도(비틀림 피로 강도)를 모두 만족하는 것이 필요해진다.
본 발명은, 이러한 기술적 배경을 감안하여 이루어진 것이고, 비틀림 피로 특성에 있어서 충분한 강도를 확보하고, 동시에 냉간 가공성을 구비하며, 담금질성과 인성을 겸비할 수 있는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관과, 그 일체 성형형 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관의 저렴한 제조 방법을 제공함과 더불어, 우수한 비틀림 피로 특성이나 인성을 발휘할 수 있는 일체 성형형 드라이브 샤프트를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
드라이브 샤프트는, 자동차 엔진의 회전축 토크를 타이어에 전달하는 부품이므로, 피로 파괴의 기점이 될 수 있는 결함을 발생시키지 않는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 이음매가 없는 강관을 중공 드라이브 샤프트의 소재로서 이용하는 경우, 스트레치 리듀서 등의 정경압연 장치에서는, 내면 규제 공구를 이용하지 않고 중공 소관을 외경 줄임 압연에 의해 마무리하므로, 열간 압연된 강관에 세로줄무늬형상의 내면 주름이 발생하기 쉽다.
통상, 회전축 토크를 전달할 때에, 드라이브 샤프트의 외표면에는, 내표면에 비해 큰 전단 응력이 작용한다. 이 때문에, 드라이브 샤프트의 내표면에 주름 등의 결함이 없는 상태로, 내외 표면 모두 피로 한도 전단 응력이 충분히 큰 경우에는, 피로 균열은, 내표면보다 큰 전단 응력이 작용하는 외면측에서부터 발생, 성장하게 된다.
또, 외면측에 대해서는, 가령 피로 강도에 문제를 발생할 정도의 흠집이 있었던 경우에 있어서도, 외면 검사가 용이하므로, 대응이 용이하다.
따라서, 내표면에 내면 주름이 존재하는 경우여도, 내표면측의 피로 한도 전단 응력이 외면측에서 규정되는 전단 응력을 넘지 않도록, 내표면측에 발생하는 내면 주름을 관리할 수 있으면, 중공 부재로서 제조된 강관에 잔존하는 내면 주름이어도, 결과적으로 드라이브 샤프트의 피로 수명에 영향을 주지 않아, 실용상, 문제가 되지 않는다.
이러한 관점에서, 본 발명자가, 드라이브 샤프트의 피로 수명에 미치는 냉간 마무리 가공된 강관에 잔존하는 내면 주름의 깊이와 비틀림 피로 강도의 관계를 상세하게 조사한 결과, 마찰 압접형 드라이브 샤프트에 관해, 내면 주름의 깊이를 0.20mm 이하로 할 필요가 있는 것을 알아내어, 먼저 내표면에 잔존하는 내면 주름 깊이를 규정하는 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관을 제안하였다(필요하면, WO2007/111258호 공보를 참조).
그런데, 일체 성형형 드라이브 샤프트에 있어서는, 양단부에 축경부가 설치되고, 이 축경부에서 후육화의 가공을 받으므로, 이 축경 가공의 과정에서, 관 내면의 주름 깊이가 현저하게 증가한다는 문제가 파생된다.
도 2는, 이음매가 없는 강관의 축경 가공에 있어서의 내면 주름의 초기 깊이와 내경 축경률의 관계를 나타낸 도면이다. 상기 도면에서 이용한 공시관(供試管)은, 외경 36mm, 두께 8.0mm로 냉간 드로잉된 이음매가 없는 강관이고, 축경 가공 과정에 있어서의 공시관의 내표면에 잔존하는 내면 주름의 깊이 최대치의 변화를 조사한 것이다.
이하의 설명에 있어서, 내면 주름의 깊이의 수치를 나타낼 때는, 특별한 언급이 없는 한, 주름 깊이의 최대치를 표기하는 것으로 한다. 또, 내경 축경률(%)은, 축경 가공 전의 내경을 ID로 하고, 축경 가공 후의 내경을 IDf로 한 경우에, 하기 (3) 식에서 정의되는 값으로 한다.
내경 축경률={(ID-IDf)/ID}×100(%) …(3)
상기 도 2에 있어서, 초기 주름 깊이 0.2mm의 공시관은, 관 내면에 0.2mm 깊이의 인공 흠집을 부여한 냉간 마무리 이음매가 없는 강관(내경 축경 가공 전의 강관 내면의 최대 주름 깊이는 0.2mm)이며, 내경 축경률(%)을 변화시켜 내경 축경 가공을 행한 경우에, 축경 가공 전의 0.2mm의 주름 깊이가 내경 축경률 40%에서 0.32mm이고, 내경 축경률 61.9%에서는 0.44mm까지 증가하는 것을 알 수 있다.
동일하게, 초기 주름 깊이 0.1mm의 공시관은, 관 내면에 0.1mm 깊이의 인공 흠집을 부여한 냉간 마무리 이음매가 없는 강관이지만, 내경 축경률(%)을 변화시켜 축경 가공을 행한 경우에, 축경 가공 전의 관 내면 최대 주름 깊이가 0.1mm이었던 것이, 내경 축경률 61.9%에서 0.30mm 강까지 증가하고 있다.
바꿔 말하면, 접합형 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관을 제조하는 경우에는, 상술한 본 발명자의 지견과 같이, 강관에 잔존하는 내면 주름으로서 0.2mm의 길이가 허용된다고 해도, 일체 성형형 드라이브 샤프트용 이음매가 없는 강관에 있어서는, 부재 가공 단계에 있어서의 내경 축경을 수반하는 가공에서의 주름 깊이의 증가를 예상하여, 보다 엄격한 내면 주름의 깊이 관리가 필요해진다.
도 3은, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 구성을 예시하는 도면이고, 왼쪽 반분의 구성은 외관 구성을 나타내며, 오른쪽 반분은 단면 구성을 나타내고 있다. 일체 성형형 드라이브 샤프트의 양단부에는, 연결 요소로서의 스플라인(7)이 설치되고, 또한 부츠부(8)가 가공된다. 도 3에서 나타낸 축경부(9)는, 스웨이징 가공 등에 의해 축경 가공이 행해지는 영역이고, 드라이브 샤프트용 강관의 양단부에 설치된다.
도 4는, 상기 도 3에 나타낸 바와 같이, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 양단에 설치된 축경부의 피로 특성을 평가하기 위해 스플라인 가공부를 모의한 시험편의 개략 형태를 나타낸 도면이다. 스플라인(7) 가공부는, 양단의 지그(10)에 마찰 압접부(11)를 통해 유지된다. 본 발명자는, 도 4에 나타낸 스플라인(7) 가공부를 모의한 시험편을 이용하여, 비틀림 피로 시험 특성을 시뮬레이트 조사하였다.
시뮬레이트 조사의 결과에서는, 소정의 화학 조성으로 이루어지는 이음매가 없는 강관을 이용하는 한에 있어서는, 축경부의 후육화한 강관 부재의 외면에 스플라인 가공을 행한 비틀림 피로 시험에 의해, 축경 가공 후의 관 내면의 최대 주름 깊이가 0.2mm 이하이면, 관 내면으로부터의 피로 파괴는 발생하지 않고, 모두 외면으로부터의 피로 파괴인 것이 판명되었다.
그러나, 소정의 화학 조성을 만족하지 않는 이음매가 없는 강관을 이용하는 경우에는, 예를 들면 축경 가공 후의 관 내면의 최대 주름 깊이가 0.2mm 이하여도, 만족스러운 피로 강도는 확보할 수 없는 것을 알 수 있었다.
또한, 시뮬레이트 조사의 결과에 의하면, 관 내면의 최대 주름 깊이는, 상기 도 2에 나타낸 바와 같이, 내경 축경률의 증가에 의해 급증하는 경향이 있으므로, 내면 주름의 깊이 억제는 내경 축경률을 최대한 억제하는 것이 유효하다. 그러나, 드라이브 샤프트 양단부의 비틀림 강성을 확보하기 위해서는, 축경부의 형성과 후육화는 필수이고, 그 양 관단부에서는 적어도 30%의 내경 축경률이 필요해진다.
현실에 있어서의 양 관단의 축경 가공에서의 내경 축경률이 통상 50% 정도인 것이 상정된다. 이러한 현실적인 상정으로부터, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 용도에 적용할 수 있는 이음매가 없는 강관의 최대 내면 주름 깊이는 0.1mm 이하인 것이 필요하다고 판단되었다.
또한, 여러 가지의 이음매가 없는 강관의 제관 조건의 검토를 거듭함으로써, 관 내면에 잔존하는 내면 주름으로서 0.1mm 이하의 깊이는, 만네스만 제관법에 의한 천공 압연, 연신 압연 후의 정형압연에 있어서의 공형 형태의 조정과, 그 후의 냉간 드로잉에서의 두께 가공도의 조정에 의해 달성할 수 있는 것을 알아내었다.
본 발명은, 상술한 지견에 의거하여 이루어진 것이고, 하기 (1), (4)의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관, (2), (4)의 드라이브 샤프트 및, (3), (4)의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법이다.
(1) 질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, 하기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지고, 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면에 잔존하는 내면 주름의 최대 깊이가 0.10mm 이하인 것을 특징으로 하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관이다.
단, Ti, N 및 B를 함유량 %로 하여, N-14×Ti/47.9≥0인 경우에
Beff=B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)
동일하게, N-14×Ti/47.9<0인 경우에
Beff=B …(1b)
(2) 이음매가 없는 강관에 축경부를 형성하는 축경 가공을 행하여 일체 성형된 드라이브 샤프트로서, 질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, 상기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지고, 상기 축경 가공 시에, 축경부의 적어도 일부의 가공도가 내경 축경률로 30% 이상이고, 상기 축경부의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면에 잔존하는 내면의 최대 주름 깊이가 0.20mm 이하인 것을 특징으로 하는 드라이브 샤프트이다.
(3) 질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, 또한 상기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지는 빌릿을 이용한 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법으로서, 상기 빌릿을 이용하여 만네스만 제관법에 의한 천공 압연에 이어 연신 압연한 후, 적어도 2개의 공형 압연 롤을 구비한 복수의 스탠드로 이루어지는 정경압연 장치를 이용하여 정경압연할 때에, 상기 각 스탠드에 있어서 서로 인접하는 공형 압연 롤의 대향하는 에지부에 접선을 그어, 각각의 접선이 이루는 각도 β(도) 중 전체 스탠드에서 최소의 각도를 βmin(도)로 한 경우에, 하기 (2) 식의 관계를 만족하는 공형 압연 롤을 이용하여 소관을 압연하고, 또한 상기 소관을 냉간 드로잉할 때에, 당해 소관의 최소 두께부에 있어서의 두께 가공도를 10% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법이다.
단, (2) 식에 있어서, D : 정경압연 후의 관 외경(mm), t : 정경압연 후의 관 두께(mm) 및 ln(x) : x의 자연로그로 하고,
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)
본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법에서는, 냉간 드로잉 후에 풀림(燒鈍) 또 불림(燒準)을 행하는 것이 바람직하다.
(4) 상기 (1), (2)의 화학 조성으로서, 또 상기 (3)의 제조 방법에서 이용하는 빌릿 조성으로서, Fe의 일부 대신에, 하기의 (a)∼(c)의 군 중에서 선택된 1군 또는 2군 이상의 원소를 더 함유시키는 것이 바람직하다.
(a) Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하 및 Mo : 1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
(b) V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Zr : 0.1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
(c) Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 희토류 원소(REM) : 0.01% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관에 의하면, 만네스만 제관법에 의해 열간 압연된 소관을 이용하여 냉간 드로잉을 행함으로써, 특별한 관 내면의 연삭 등의 절삭 가공을 행하지 않고, 우수한 비틀림 피로 특성, 냉간 가공성을 구비하며, 동시에 담금질성과 인성을 겸비할 수 있으며, 신뢰성이 있는 일체 성형형 드라이브 샤프트가 제조 가능해지고, 그 제조 공정의 합리화와 함께, 자동차용 드라이브 샤프트의 경량화나 정숙성의 향상에 기여할 수 있다.
따라서, 본 발명의 제조 방법을 적용함으로써, 자동차용 드라이브 샤프트를 저렴한 제조 비용으로, 또한 효율적으로 제조할 수 있으므로, 공업적으로 효과가 크고, 널리 적용할 수 있다.
도 1은, 이음매가 없는 강관을 열간으로 제조하는 만네스만 제관법의 제조 공정의 일례를 설명하는 도면이다.
도 2는, 이음매가 없는 강관의 축경 가공에 있어서의 내면 주름의 초기 깊이와 내경 축경률의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 구성을 예시하는 도면이고, 왼쪽 반분의 구성은 외관 구성을 나타내며, 오른쪽 반분은 단면 구성을 나타내고 있다.
도 4는, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 양단에 설치된 축경부의 피로 특성을 평가하기 위해 스플라인 가공부를 모의한 시험편의 개략 형태를 나타낸 도면이다.
도 5는, 3롤식의 스트레치 리듀서에 이용되는 압연 롤에 있어서의 공형 형상을 나타낸 도면이다.
도 6은, 본 발명에 이용하는 공형 압연 롤을 규정하기 위해 에지부에 그은 접선이 이루는 각도의 산출 요령을 설명하는 도면이다.
도 7은, 스트레치 리듀서에 이용되는 다른 압연 롤에 있어서의 부분적인 공형 프로필을 나타낸 도면이다.
도 8은, 실시예 2에서 이용한 비틀림 피로 시험에 사용된 시험편의 스플라인 가공 형상을 나타낸 단면도이다.
본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관이 상기의 특징을 발휘하기 위해 필요한, 강 조성 및 제조 조건에 대해 항목을 나누어 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 강의 화학 조성은 「질량%」로 나타낸다.
1. 강 조성
C : 0.30∼0.38%
C는, 강의 강도를 증가하여 내피로 강도를 향상시키는 원소이지만, 인성을 저하시켜, 담금질 균열 감수성을 높이는 작용이 있다. 그 함유량이 0.30% 미만이면, 충분한 강도가 얻어지지 않는다. 한편, 함유량이 0.38%를 초과하면, 냉간 가공성 및 인성을 저하시킴과 더불어, 수요자의 공정인 고주파 담금질 단계에서 담금질 균열이 생길 우려가 있다.
Si : 0.50% 이하
Si는, 탈산제로서 필요한 원소이다. 그러나, 그 함유량이 0.5%를 초과하면 냉간 가공성을 확보할 수 없으므로, 0.5% 이하로 하였다. Si 함유량은 적어지면 질수록 냉간 가공성이 향상한다. 따라서, 보다 과혹한 냉간 가공에도 대응할 수 있도록, Si 함유량은 0.22% 이하로 하는 것이 바람직하고, 더욱 큰 가공을 받는 경우에는, 0.14% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
Mn : 0.30∼2.00%
Mn은, 열처리 시의 담금질성을 확보하여, 강도와 인성을 개선하는데 유효한 원소이다. 그 효과를 발휘하여 전체 두께에 걸쳐 내면까지 충분히 경화시키기 위해서는, Mn 함유량을 0.3% 이상으로 할 필요가 있다. 한편, Mn을 2.0% 초과하여 함유시키면, 냉간 가공성이 저하한다. 이 때문에, Mn 함유량은 0.3∼2.0%로 하였다. 또, 양호한 밸런스로 담금질성 및 냉간 가공성을 확보하기 위해서는, Mn 함유량은 1.1∼1.7%로 하는 것이 바람직하고, 또한 1.2∼1.4%로 하는 것이 보다 바람직하다.
P : 0.025% 이하
P은, 강 중에 불순물로서 포함되고, 응고 시에 최종 응고 위치 근방에 농화되며, 또한 입계에 편석(偏析)하여 열간 가공성, 인성 및 피로 강도를 저하시킨다. P 함유량이 0.025%를 초과하면, 입계 편석에 의한 인성 저하가 현저해지고, 입계 파괴를 야기하여 비틀림 피로 강도를 불안정하게 한다. 구동축의 인성 및 피로 강도를 고수준으로 유지하기 위해서는, 바람직한 P 함유량은 0.009% 이하이다.
S : 0.005% 이하
S은, 강 중에 불순물로서 포함되고, 응고 시에 입계에 편석하여, 열간 가공성 및 인성을 저하시킴과 더불어, 심리스 강관을 중공축 소재로서 채용할 때, 특히 냉간 가공성 및 비틀림 피로 강도를 저하시킨다. 이 때문에, 드라이브 샤프트의 중공축 소재에 이용되는 심리스 강관으로서 필요한 냉간 가공성 및 열처리 후의 비틀림 피로 강도를 확보하기 위해서는, S 함유량은 0.005% 이하로 할 필요가 있다.
Cr : 0.15∼1.0%
Cr은, 냉간 가공성을 그다지 저하시키지 않고 피로 강도를 높이는 원소이며, B와 동일하게 담금질성의 향상에도 유효한 원소이다. 따라서, Cr 함유량은, 소정의 피로 강도를 확보하기 위해, 0.15% 이상으로 한다. 한편, Cr는 1.0%를 초과하여 함유하면, 냉간 가공성의 저하가 현저해진다. 이 때문에, Cr 함유량은 0.15∼1.0%로 하였다.
또한, 양호한 밸런스로 피로 강도, 냉간 가공성 및 담금질성을 확보하기 위해서는, Cr 함유량은 0.2∼0.8%로 하는 것이 바람직하고, 0.3∼0.6%로 하는 것이 보다 바람직하다.
Al : 0.001∼0.05%
Al은, 탈산제로서 작용하는 원소이다. 탈산제로서의 효과를 얻기 위해서는, 0.001% 이상의 함유가 필요하지만, 그 함유량이 0.05%를 초과하면, 알루미나계 개재물이 증가하여 피로 강도가 저하함과 더불어, 절삭면의 표면 성상(性狀)을 저하시킨다. 이 때문에, Al 함유량은 0.001∼0.05%로 하였다. 또한, 안정된 표면 품질을 확보하기 위해서는, Al 함유량은 0.001∼0.03%로 하는 것이 바람직하다.
하기의 Ti, N 및 B는, 강의 담금질성을 확보하기 위해, 각각의 원소 함유량을 규정함과 동시에, 또한 서로의 함유량 밸런스를 규정하는 조건식을 만족할 필요가 있다.
Ti : 0.005∼0.05%
Ti은, 강 중의 N를 TiN으로서 고정하는 작용을 갖고 있다. 그러나, Ti 함유량이 0.005% 미만에서는, N를 고정하는 능력이 충분히 발휘되지 않으며, 한편, 0.05%를 초과하면, 강의 냉간 가공성 및 인성이 저하한다. 이 때문에, Ti 함유량은 0.005∼0.05%로 한다.
N : 0.02% 이하
N는, 인성을 저하시키는 원소이며, 강 중에서 B와 결합하기 쉽다. N 함유량이 0.02%를 초과하면, 냉간 가공성 및 인성이 현저하게 저하하므로, 그 함유량은 0.02% 이하로 하였다. 냉간 가공성 및 인성을 향상시키는 관점에서는, 0.01% 이하가 바람직하고, 0.007% 이하가 보다 바람직하다.
B : 0.0005∼0.01%
B는, 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 함유량이 0.0005% 미만에서는, 담금질성이 부족하고, 한편, 0.01%를 초과하여 함유하면, 냉간 가공성 및 인성이 저하한다. 그 때문에, B 함유량은 0.0005∼0.01%로 하였다.
또한, B가 담금질성을 향상시키는 것을 전제로 하여, 하기 (1a) 또는 (1b) 식에서 규정하는 Beff가 0.0001 이상을 만족할 필요가 있다.
즉, N-14×Ti/47.9≥0인 경우에,
Beff=B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14 …(1a)
동일하게, N-14×Ti/47.9<0인 경우에
Beff=B …(1b)
B가 담금질성을 향상시키는 능력을 발휘하기 위해서는, 강 중의 N의 영향을 없앨 필요가 있다. B는 N와 결합하기 쉽고, 강 중에 유리된 N가 존재하면, N와 결합하여 BN가 생성되어, B가 구비하는 담금질성을 향상시키는 작용이 발휘되지 않는다. 이 때문에, N 함유량에 따라 Ti을 첨가하여, TiN으로서 고정함으로써, B를 강 중에 존재시켜 담금질성에 유효하게 작용시키기 위해, 상기 (1a) 또는 (1b) 식에서 규정하는 Beff가 0.0001 이상을 만족할 필요가 있다.
또, Beff의 값은 커지면 질수록 담금질성이 향상하므로, Beff가 0.0005 이상을 만족하는 것이 바람직하고, 또한 Beff가 0.001 이상을 만족하는 것이 보다 바람직하다.
O(산소) : 0.0050% 이하
O는, 인성 및 피로 강도를 저하시키는 불순물이다. O 함유량이 0.0050%를 초과하면, 인성 및 피로 강도가 현저하게 저하하므로, 0.0050% 이하로 규정하였다.
또한, 본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관은, 내피로 강도에 더하여 여러 특성을 개선하기 위해, 상기의 강 조성에 더하여, Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하, Mo : 1% 이하, V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하, Zr : 0.1% 이하, Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 희토류 원소(REM) : 0.01% 이하의 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다.
Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하 및 Mo : 1% 이하
Cu, Ni 및 Mo은, 모두 담금질성을 향상시켜 강의 강도를 높이며, 피로 강도의 향상에 유효한 원소이다. 이들의 효과를 얻고 싶은 경우에는, 어느 하나를 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다. 상기의 효과를 얻기 위해서는, Cu, Ni 및 Mo의 어느 원소의 경우나, 0.05% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 그 함유량이 1%를 초과하면, 냉간 가공성이 현저하게 저하한다. 이 때문에, 함유시키는 경우에는, Ni, Mo 및 Cu, 어느 경우나 1%를 상한으로 한다.
V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Zr : 0.1% 이하
V, Nb 및 Zr은, 모두 탄화물을 형성하고, 결정립 조대화(粗大化)의 방지에 의해 인성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 따라서, 강의 인성을 향상시키는 경우에, 어느 하나를 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다. 상기의 효과를 얻기 위해서는, V, Nb 및 Zr의 어느 원소의 경우나, 0.005% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 모두 0.1%를 초과하는 함유가 되면, 조대한 석출물이 생성되어, 오히려 인성을 저하시킨다. 이 때문에, 함유시키는 경우에는, V, Nb 및 Zr의 함유량은 0.1%를 상한으로 하였다.
Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 REM(희토류 원소) : 0.01% 이하
Ca, Mg 및 REM는, 냉간 가공성 및 비틀림 피로 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 이들의 효과를 얻고 싶은 경우에, 어느 하나를 1종 또는 2종을 함유시킬 수 있다. Ca, Mg 및 REM의 어느 원소나, 0.0005% 이상의 함유에서 현저한 효과가 얻어진다. 그러나, 모두 0.01%를 초과하는 함유가 되면, 조대한 개재물이 생성되어, 오히려 피로 강도를 저하시킨다. 이 때문에, 함유시키는 경우에는, Ca, Mg 및 REM의 함유량은, 모두 0.0005∼0.01%로 하는 것이 바람직하다.
2. 제조 조건
2-1. 열간 공정에서의 제조 조건
본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 강관의 제조 방법의 일례로서, 상기 도 1에 나타낸 바와 같이, 맨드릴 밀 및 스트레치 리듀서를 이용한 만네스만 제관법을 들 수 있다. 이 때, 스트레치 리듀서로의 정경압연에 있어서, 압연되는 관 내면의 진원도(眞圓度)를 적절히 향상시켜, 압연 과정에서의 내면 형상의 다각화를 억제하고, 내면 주름의 발생 및 진전을 유효하게 억제할 수 있다.
구체적으로는, 천공 압연에 이어 연신 압연한 후, 복수의 스탠드로 이루어지는 스트레치 리듀서 등의 정경압연 장치를 이용하여 정경압연할 때에, 상기 각 스탠드에 있어서 서로 인접하는 공형 압연 롤의 대향하는 에지부에 접선을 그어, 각각의 접선이 이루는 각도 β(도) 중 전체 스탠드에서 최소의 각도를 βmin(도)로 한 경우에, 하기 (2) 식을 만족하는 공형 압연 롤을 이용하는 것이 필요해진다.
이 때, D : 정경압연 후의 관 외경(mm), t : 정경압연 후의 관 두께(mm) 및 ln(x) : x의 자연로그로 한다.
βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)
도 5는, 3롤식의 스트레치 리듀서에 이용되는 압연 롤에 있어서의 공형 형상을 나타낸 도면이다. 스트레치 리듀서에 배치되는 공형 압연 롤(6r)의 공형 형상은, 패스라인에 위치하는 공형 중심 O보다 바깥쪽으로 오프셋(오프셋량(S))된 공형 중심 O'으로부터 반경(R)의 원호를 갖고 있고, 이 원호가 압연 롤(6r)의 플랜지측 벽면(F)과 직접 교차하도록 공형 프로필(PR)을 구성하고 있다. 그리고, 압연 롤(6r)의 에지부(E)는, 공형 프로필(PR)의 단부가 되며, 상기 반경(R)의 원호의 단부에 상당한다.
전술한 바와 같이, 스트레치 리듀서에 의한 정경압연 시에는, 피압연관의 압연 롤의 에지부 상당 위치에서 내면 주름이 발생하고 있으므로, 공형 프로필을 적정하게 함과 더불어, 에지부 상당 위치에 있어서의 관 내면의 곡률 반경, 평균 내반경(단축과 장축의 평균치) 및 내면 주름의 깊이의 사이에는 일정한 관계가 있으므로, 상기 (2) 식에서 표시되는 바와 같이, t/D에 대해 각도 β를 소정의 값으로 설정하면 된다.
도 6은, 본 발명에 이용하는 공형 압연 롤을 규정하기 위해 에지부에 그은 접선이 이루는 각도의 산출 요령을 설명하는 도면이다. 우선, 스트레치 리듀서의 각 스탠드에 배치된 압연 롤(6ra)의 에지부(Ea)에 접선(에지부(Ea) 근방의 공형 프로필의 접선)(La)을 긋고, 압연 롤(6ra)에 인접하는 압연 롤(6rb)의 에지부 중, 에지부(Ea)에 대향하는 에지부(Eb)에 접선(에지부(Eb) 근방의 공형 프로필의 접선)(Lb)을 그어, 양 접선(La, Lb)이 이루는 각도 β를 산출한다.
다음에, 각각에 산출된 각도 β 중 전체 스탠드에서 최소가 되는 각도를 βmin로 하여, 상기 (2) 식을 만족하도록, 공형 압연 롤(6r)의 공형 프로필을 설정하면 된다. 상술한 바와 같이 설정이 이루어진 압연 롤(6r)을 이용하여 스트레치 리듀서에 의한 정경압연을 하면, 피압연관의 내면 주름의 발생을 억제하고, 내면 주름이 발생한 경우여도, 그 진전을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 7은, 스트레치 리듀서에 이용되는 다른 압연 롤에 있어서의 부분적인 공 형 프로필을 나타낸 도면이다. 본 발명에서 대상이 되는 압연 롤(6r)의 공형 프로필은, 상기 도 5 및 도 6에 한정되는 것은 아니고, 도 7(a)에 나타낸 바와 같이, 공형 압연 롤(6r)의 공형 프로필(PR)로서, 반경이 상이한 복수의 원호로 이루어지며, 플랜지측 벽면(F)과 직접 교차하는 형상을 채용하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어서의 공형 압연 롤(6r)의 에지부(E)는, 가장 플랜지측에 위치하는 원호(반경(Rn))의 단부에 상당한다.
또한, 도 7(b), (c)에 나타낸 바와 같이, 공형 프로필(PR)과 공형 압연 롤(6r)의 플랜지측 벽면(F)의 사이에, 원호로 이루어지는 「릴리프」나, 직선으로 이루어지는 「릴리프」를 형성한 형상인 경우에도 채용할 수 있다. 이 경우에 있어서의 공형 압연 롤(6r)의 에지부(E)는, 공형 프로필(PR)을 구성하는 원호의 단부(가장 플랜지측에 위치하는 원호의 단부)에 상당한다.
2-2. 냉간 공정에서의 제조 조건
전술한 바와 같이, 스트레치 리듀서에 의한 정경압연된 소관은, 외경 줄임 압연에 수반하여 2∼4방향으로부터 압연 롤에 의한 압하를 받으므로, 압연 롤의 에지부 상당 위치에서 내면 주름을 발생하거나, 각이 지는 경우가 있다. 특히, 상기 (2) 식을 만족하는 공형 압연 롤을 이용하지 않는 경우에는, 내면 주름이나 각짐의 발생이 현저해진다.
본 발명의 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 강관에서는, 열간 압연으로 소관을 제관한 후, 드로잉 가공을 행함으로써, 내면 주름의 조장을 억제할 뿐만 아니라, 발생한 각짐을 개선할 수 있다. 또한, 제품인 강관의 내외면 전체의 평활화도 도모할 수 있다.
본 발명에서 적용하는 드로잉 가공은, 심금(芯金)(플러그) 드로잉을 행하는 한에 있어서는, 원통 플러그 및 SF 플러그(세미플로팅 플러그) 중 어느 것을 이용해도 된다.
본 발명에서 적용하는 드로잉 가공에서는, 단면 감소율이나 평균 두께 가공도를 특별히 한정하는 것은 아니지만, 열간 제관 후의 강관의 원둘레 방향 최소 두께부에 있어서의 냉간 드로잉 단계에서의 두께 가공도를 10% 이상 확보할 필요가 있다.
전술한 바와 같이, 열간 압연 후의 강관의 내면 형상은, 진원이 되지 않고, 각이 지거나, 다각형화하고 있으므로, 편육(偏肉) 등도 겹쳐 당해 강관의 최소 두께부(각이 진 바닥부)에 있어서, 소정의 두께 가공도를 확보할 수 없으며 내면 주름이 조장되는 경향이 있다. 그러나, 상기 최소 두께부에 있어서의 냉간 드로잉 단계에서의 두께 가공도를 10% 이상으로 확보함으로써, 내면 주름의 조장을 억제할 수 있고, 상기 (2) 식의 관계를 만족하는 정경압연과 조합함으로써, 강관 내면의 최대 주름 깊이를 0.1mm 이하로 억제할 수 있다.
또한, 냉간 드로잉된 강관에는 풀림, 또는 불림의 열처리를 행하는 것이 바람직하다. 일체 성형형 드라이브 샤프트에 가공할 때에, 양단부에서의 축경 가공을 용이하게 하기 위해서이다. 불림 처리를 행하는 경우에는 850℃∼950℃, 풀림 처리를 행하는 경우에는 680℃∼720℃의 온도 범위에서 열처리하는 것이 바람직하다.
2-3. 일체 성형형 드라이브 샤프트로의 가공
일체 성형형 드라이브 샤프트의 개략 형상은, 상기 도 3에 나타낸 바와 같다. 일체 성형형 드라이브 샤프트의 제작은, 본 발명의 제관 방법에 의거하여 냉간 마무리 이음매가 없는 강관을 제작하고, 그 중 강관 내면의 최대 주름 깊이를 억제한 강관의 양단부에 스웨이징 가공 등에 의해, 축경부를 형성하여 후육화의 가공을 행한다. 축경 가공에 있어서의 내경 축경률은, 적어도 30% 이상으로 한다. 내경 축경률이 30% 미만에서는, 관단부에 있어서 충분한 비틀림 강성을 확보할 수 없다.
또, 도 2에 나타낸 바와 같이, 내경 축경률이 30% 미만에서는, 축경 가공에 수반된 관 내면의 주름 깊이의 증가가 현저해지지는 않으므로, 냉간 마무리의 상태에서 내면 주름 깊이가 0.1mm 이하인 것이 반드시 요구되지 않는다. 이 때문에, 본원 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트는, 축경 가공부의 적어도 일부가 내경 축경률 30% 이상인 것으로 한다.
내경 축경률의 상한은 특별히 정해지지 않지만, 60%를 초과하면, 냉간 드로잉 후의 관 내면의 주름 깊이가 상당히 작은 것이 아닌 한, 축경부의 관 내면에 잔존하는 최대 주름 깊이를 0.2mm 이하로 억제하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 내경 축경률의 상한은 60%로 하는 것이 바람직하고, 52% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 도 3에 나타낸 바와 같이, 드라이브 샤프트의 양단부에는, 연결 요소로서의 스플라인 가공 등의 필요한 가공을 더한다. 필요한 기계 특성을 확보하기 위 해 고주파 담금질, 뜨임을 행하는 것이 바람직하다. 이 담금질 뜨임에 의해, 경도로서 Hv : 550∼595를 확보할 수 있다. 그러나, 경도가 Hv600을 초과하면 피로 특성이 저하할 우려가 있다.
실시예
(실시예 1)
실시예에서는, 표 1에 나타낸 화학 조성을 갖는 빌릿을 이용하였다. 그리고, 표 2의 열간 제관의 란에 나타낸 바와 같이, 통상의 만네스만-맨드릴 밀 마무리에 의한 천공 압연에 의해, 3롤식 스트레치 리듀서의 공형 형상(공형 압연 롤의 최소 플랜지 접촉각 βmin)을 변화시켜, 외경 45.0mm, 두께 7.0∼7.4mm의 냉간 드로잉용의 소관을 제조하였다.
[표 1]
이 때의 관 원둘레 방향에서의 최소 두께, 및 발생한 내면 주름의 깊이를 측정하였다. 이 때의 열간 제관 공정에서의 가공 조건(스트레치 리듀서의 압연 롤 조건 외), 및 최소 두께 및 내면 주름 깊이의 측정 결과도 표 2의 열간 제관의 란에 나타낸다.
상기 냉간 드로잉용의 소관은, 냉간 드로잉에 의해, 외경 36.0mm, 두께 6.2mm의 성품(成品)으로 마무리하고, 그 후, 최종 열처리로서 불림(870℃에서 5min 균열)을 행하여, 냉간 마무리 이음매가 없는 강관을 제조하였다.
냉간 드로잉 후의 성품의 치수, 단면 감소율, 평균 두께 가공도, 최소 두께부의 두께 가공도, 내면 주름 깊이 및 냉간 드로잉 후의 비커스 경도를 표 2의 냉간 드로잉의 란에 나타낸다. 여기에서, 단면 감소율은, 드로잉 가공 전의 단면적을 A로 하고, 드로잉 가공 후의 단면적을 Af로 한 경우에, 다음의 (4) 식에서 정의되는 값이다.
단면 감소율={(A-Af)/A}×100(%) …(4)
또, 두께 가공도는, 드로잉 가공 전의 두께 T로 하고, 드로잉 가공 후의 두께 Tf로 한 경우에, 다음의 (5) 식에서 정의되는 값이다.
두께 가공도={(T-Tf)/T}×100(%) …(5)
상기 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 일체 성형형 드라이브 샤프트로서의 피로 특성을 평가하기 위해, 관단의 축경 가공용으로 상기 강관을 절단하여, 내경 축경률 32.6%, 50% 및 61.9%의 축 줄임 가공을 행하였다. 축경 가공의 조건 및 축경 가공 후의 주름 깊이의 측정 결과를 표 2에 나타낸다. 또한, 내면 주름의 깊이 측정은, 강관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서, 관단으로부터 마이크로 관찰용의 시료를 채취하여, 내면 전체 둘레의 마이크로 관찰에 의해 행하였다.
[표 2]
표 2에 있어서의 공시재 A∼C의 결과는, 스트레치 리듀서의 정경압연 단계에서 본원에 규정하는 공형 형상의 롤을 이용하여, 냉간 드로잉 시의 소관의 최소 두께부의 두께 가공도를 10% 이상으로 함으로써, 냉간 마무리 상태에서의 내면 주름 깊이를 0.1mm 이하로 억제하는 것이 가능한 것을 나타낸다.
그리고, 공시재 A 및 B는, 축경 가공 시의 내경 축경률을 32.9% 및 50%로 한 것으로, 축경 후의 최대 주름 깊이는 0.12mm 및 0.16mm로 억제할 수 있었다. 그러나, 축경 가공 시의 내경 압축률이 61.9%가 되는 공시재 C는, 축경 후의 내면 주름 깊이가 0.30mm로까지 증가하였다.
표 2에 있어서, 공시재 D, E는, 스트레치 리듀서의 정경압연 단계에서의 공형 형상이, 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 것을 이용하여, 냉간 드로잉 시의 소관의 최소 두께부의 두께 가공도를 10% 이상으로 한 경우이지만, 열간 제관 후의 주름 깊이가 이미 0.14mm로 크고, 냉간 드로잉 후는 0.17mm로까지 증가하여, 축경 가공 시의 내경 압축률이 50%인 경우도 61.9%인 경우도, 모두 축경 가공 후의 내면 주름 깊이가 0.20mm를 크게 웃도는 결과가 되었다.
표 2에 있어서, 공시재 F, G는, 스트레치 리듀서의 정경압연 단계에서 본 발명에서 규정하는 공형 형상의 롤을 이용하여, 냉간 드로잉 시의 소관의 최소 두께부의 두께 가공도를 6.1%로 한 것이다. 이 경우, 열간 제관 후의 내면 주름 깊이가 0.05mm임에도 불구하고, 냉간 드로잉 후는 0.13mm까지 증가하여, 축경 가공 후에 있어서는, 내경 압축률이 50%인 경우도 61.9%인 경우도, 모두 축경 후의 내면 주름 깊이가 0.20mm를 크게 웃도는 결과가 되었다.
표 2에 있어서, 공시재 H, I는, 스트레치 리듀서의 정경압연 단계에서 본 발명에서 규정하는 공형 형상의 롤을 이용하여, 냉간 드로잉 시의 소관의 최소 두께부의 두께 가공도를 12.7%로 한 것이다. 이 경우, 열간 제관 후의 내면 주름 깊이 가 0.02mm, 냉간 드로잉 후도 0.03mm로 억제할 수 있으며, 축경 가공 후에 있어서는, 내경 압축률이 61.9%인 경우에서조차도, 내면 주름 깊이를 0.07mm로 억제할 수 있었다.
(실시예 2)
실시예 1에서 축경 가공된 공시재 A∼I를 이용하여, 비틀림 피로 시험을 실시하였다. 축경 가공이 행해진 공시재는, 상기 도 4에 나타낸 바와 같이, 시험편의 길이 중앙부를 냉간 드로잉 후의 외경으로부터 3.5mm 절삭하여(두께를 1.75mm 줄여), 150mm 길이의 평행부를 형성하고, 이 부분에 절삭 가공으로 스플라인을 형성, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 스플라인 가공부를 모의하기 위한 시험편으로 하였다.
도 8은, 실시예 2에서 이용한 비틀림 피로 시험에 사용된 시험편의 스플라인 가공 형상을 나타낸 단면도이다. 스플라인 가공부의 톱니수는, 상기 외경 절삭 후의 외경에 따라 약간 상이하지만, 25∼31의 범위이고, 오목부의 깊이는 0.98mm, 오목부 바닥의 로컬 곡률 반경을 0.4mm, 오목부 벽면의 경사 각도를 25도(°)로 하였다.
이렇게 해서 얻어진 일체 성형형 드라이브 샤프트의 양단부의 줄임 가공 후의 상태를 모의하는 시험편에서, 고주파 담금질(920℃의 무심 담금질(through hardening)) 및 (150℃×3Hr)의 열처리를 행한 후, 최대 전단 응력 τ=427N/mm2(맥동)의 조건 하에서 비틀림 피로 시험을 실시하여, 파단까지의 반복수(회)와 전자현 미경에 의한 파괴 기점부의 파면(破面) 관찰을 행하였다.
비틀림 피로 시험의 결과를 표 3에 나타낸다. 이 때의 합격의 판정 기준은, 반복수가 30만회 이상이며, 또한 파괴가 외면을 기점으로 하는 것으로 하고, 이 판정 기준을 만족하는 경우에는 평가를 ○로 하고, 만족하지 않는 경우에는 ×로 하였다.
[표 3]
표 3에 나타낸 결과로부터, 내경 축경 가공 후의 내면 주름의 깊이가 0.20mm 초과인 경우(공시재 C∼G)에는, 피로 파괴가 내면 주름을 기점으로 발생하고 있고, 내면 주름의 존재가 축경 가공 후의 비틀림 피로 특성의 장해가 되는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 축경 가공 후의 내면 주름의 깊이가 0.20mm 이하로 제어된 경우(공시재 A, B, H 및 I)는, 외면의 스플라인 가공부를 기점으로 하는 파괴가 되고, 파단까지의 반복수도 30만회를 초과하는 결과였다. 이들의 결과로부터, 일체 성형형 드라이브 샤프트의 내경 축경부의 비틀림 피로에 대해서는, 축경부에 있어서의 내면 주름의 허용 깊이는 0.20mm인 것을 확인할 수 있었다.
본 발명의 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관은, 만네스만 제관법에 의해 열간 압연된 소관을 이용하여 냉간 드로잉을 행함으로써, 관 내면에 잔존하는 주름 깊이를 억제할 수 있고, 양단부의 축경부를 형성하는 일체 성형형의 자동차용 드라이브 샤프트로서도 우수한 비틀림 피로 특성을 확보할 수 있으며, 경량화나 정숙성에 최적인 중공 부재로서 사용할 수 있다. 이에 의해, 본 발명의 제조 방법을 적용함으로써, 자동차용 드라이브 샤프트를 저렴한 제조 비용으로, 또한 효율적으로 제조할 수 있으므로, 공업적으로 효과가 크고, 널리 적용할 수 있다.
Claims (7)
- 질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며,하기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지고,길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면에 잔존하는 내면 주름의 최대 깊이가 0.10mm 이하인 것을 특징으로 하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관.단, Ti, N 및 B를 함유량 %로 하여, N-14×Ti/47.9≥0인 경우에Beff=B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)동일하게, N-14×Ti/47.9<0인 경우에Beff=B …(1b)
- 청구항 1에 있어서,Fe의 일부 대신에, 하기의 (a)∼(c)의 군 중에서 선택된 1군 또는 2군 이상의 원소를 더 함유하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관.(a) Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하 및 Mo : 1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(b) V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Zr : 0.1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(c) Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 희토류 원소(REM) : 0.01% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
- 이음매가 없는 강관에 축경부(縮徑部)를 형성하는 축경 가공을 행하여 일체 성형된 드라이브 샤프트로서,질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며,하기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지고,상기 축경 가공 시에, 축경부의 적어도 일부의 가공도가 내경 축경률로 30% 이상이고, 상기 축경부의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면에 잔존하는 내면의 최대 주름 깊이가 0.20mm 이하인 것을 특징으로 하는 드라이브 샤프트.단, Ti, N 및 B를 함유량%로 하여, N-14×Ti/47.9≥0인 경우에Beff=B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)동일하게, N-14×Ti/47.9<0인 경우에Beff=B …(1b)
- 청구항 3에 있어서,Fe의 일부 대신에, 하기의 (a)∼(c)의 군 중에서 선택된 1군 또는 2군 이상의 원소를 더 함유하는 드라이브 샤프트.(a) Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하 및 Mo : 1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(b) V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Zr : 0.1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(c) Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 희토류 원소(REM) : 0.01% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
- 질량%로, C : 0.30∼0.38%, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.30∼2.00%, P : 0.025% 이하, S : 0.005% 이하, Cr : 0.15∼1.0%, Al : 0.001∼0.05%, Ti : 0.005∼0.05%, N : 0.02% 이하, B : 0.0005∼0.01% 및 O(산소) : 0.0050% 이하를 포함하고, 잔부가 Fe 및 불순물이며, 또한 하기 (1a) 또는 (1b) 식에서 정의되는 Beff가 0.0001% 이상을 만족하는 화학 조성으로 이루어지는 빌릿을 이용한 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법으로서,상기 빌릿을 이용하여 만네스만 제관법에 의한 천공 압연에 이어 연신 압연 한 후,적어도 2개의 공형(孔型) 압연 롤을 구비한 복수의 스탠드로 이루어지는 정경압연(定徑壓延) 장치를 이용하여 정경압연할 때에, 상기 각 스탠드에 있어서 서로 인접하는 공형 압연 롤의 대향하는 에지부에 접선을 그어, 각각의 접선이 이루는 각도 β(도) 중 전체 스탠드에서 최소의 각도를 βmin(도)로 한 경우에, 하기 (2) 식의 관계를 만족하는 공형 압연 롤을 이용하여 소관(素管)을 압연하고,또한 상기 소관을 냉간 드로잉할 때에, 당해 소관의 최소 두께부에 있어서의 두께 가공도를 10% 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법.단, (1a) 및 (1b) 식에 있어서, Ti, N 및 B를 함유량 %로 하여,N-14×Ti/47.9≥0인 경우에Beff=B-10.8×(N-14×Ti/47.9)/14…(1a)동일하게, N-14×Ti/47.9<0인 경우에Beff=B …(1b)단, (2) 식에 있어서, D : 정경압연 후의 관 외경(mm), t : 정경압연 후의 관 두께(mm) 및 ln(x) : x의 자연로그로 하고,βmin≥1.13×10×ln(t/D×100)+1.37×102…(2)
- 청구항 5에 있어서,상기 빌릿의 화학 조성이, Fe의 일부 대신에, 하기의 (a)∼(c)의 군 중에서 선택된 1군 또는 2군 이상의 원소를 더 함유하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법.(a) Cu : 1% 이하, Ni : 1% 이하 및 Mo : 1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(b) V : 0.1% 이하, Nb : 0.1% 이하 및 Zr : 0.1% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상(c) Ca : 0.01% 이하, Mg : 0.01% 이하 및 희토류 원소(REM) : 0.01% 이하 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상
- 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,상기 냉간 드로잉 후에 풀림(燒鈍) 또 불림(燒準)을 행하는 것을 특징으로 하는 일체 성형형 드라이브 샤프트용 냉간 마무리 이음매가 없는 강관의 제조 방법.
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