KR20100133349A

KR20100133349A - 저온 충격 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100133349A
Application number: KR1020100120412A
Authority: KR
Inventors: 모토오 사토; 유키히로 우츠미; 겐이치 와타나베
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2010-12-21
Also published as: GB2449215B; JP2008261049A; GB0804797D0; KR20080084748A; GB2449215A; US8323560B2; US20080226491A1; JP5283937B2; CN101514433A

Abstract

본 발명은 인장 강도, 충격 흡수 성능이 우수하고, 또한 저온에서의 충격 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법을 제공하기 위한 것으로, C: 0.2 내지 0.4%, Si: 0.05 내지 0.5%, Mn: 0.5 내지 2.5%, P: 0.025% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Al: 0.15% 이하(0%를 포함하지 않음), Cu: 2% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 2% 이하(0%를 포함하지 않음), Ti: 0.2% 이하(0%를 포함하지 않음), B: 0.005% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하고, 잔부가 철 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강판으로서, 인장 강도가 1750N/㎟ 이상이고, 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상이고, 시험 온도 -40℃에서의 샤르피 충격값(Charpy impact value)이 50J/㎠ 이상인 강판으로 구성되는 저온 충격 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관을 제조한다.

Description

저온 충격 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING AUTOMOBILE HIGH-STRENGTH ELECTRIC RESISTANCE WELDED STEEL PIPE WITH EXCELLENT LOW-TEMPERATURE IMPACT PROPERTIES}

본 발명은 초고강도 전봉(電縫) 강관의 기술 분야에 속하고, 특히, 자동차 도어의 임팩트 빔이나 범퍼의 보강 부재 등, 경량이고 또한 고강도, 내충격 흡수 특성, 내충격 특성이 요구되는 자동차용 고강도 전봉 강관과 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근, 에너지 절약의 관점에서의 자동차의 연비 개선 요구가 강해지고 있다. 그래서, 차체의 경량화를 도모하도록 도어의 임팩트 빔 등 자동차의 보강 부품 용도에는, 인장 강도가 높은 고강도재의 요구가 강해지고 있다. 또한, 충돌 시의 탑승자의 안전 확보를 배경으로 하여, 차실 내로의 도어의 침입량이 작은 내충격 흡수 특성이 우수한 재료의 요구가 높아지고 있다. 또한, 자동차의 사용 환경으로부터, 한랭지에서의 충돌 사고를 상정하면, 저온 하에서의 충격 흡수 에너지가 높은 특성이 아울러 요구된다.

이러한 고강도 전봉 강관으로서, 마르텐사이트 조직강을 갖는 강관이 널리 이용되고 있다. 미국 특허 공개 제2005/34795호 공보에는, 고강도강으로 항복비를 저하시킨 강관과 그 제조 방법이 개시되어 있다. 당해 기술에서는, 항복 강도로서 JIS에 규정되어 있는 0.2% 영구 변형을 일으키는 응력으로 평가하면, 충돌 시의 흡수에너지는 과소 평가되게 된다. 이로부터, 0.1%의 영구 변형을 일으키는 응력으로 항복 강도를 구하는 방법이, 재료의 특성을 정확히 평가할 수 있는 기술로서, 개시되어 있다. 이 강관에서는, 항복 강도가 낮기 때문에 강관이 굽힘 변형을 받았을 때에, 저하중 영역에서 국부 좌굴(局部座屈; buckling)이 일어나, 높은 좌굴 하중(압괴 하중)이 얻어지지 않아, 굽힙 흡수 에너지가 저하한다. 그 결과, 높은 충격 흡수 에너지가 얻어지지 않는다.

일본 공개 특허 공보 제2001-164338호에는, 성분 조정한 강관을 고주파 담금질(quenching)하여, 고강도 강관을 얻는 기술이 개시되어 있다. 이 기술은, 담금질한 그대로 제조되는 강관이며, 0.2% 내력으로 구한 항복비는 75% 정도로 낮아, 높은 좌굴 하중(압괴 강도)이 얻어지지 않는다.

일본 공개 특허 공보 평4-180537호에는, 오스테나이트로부터 급랭하여, 마르텐사이트 조직을 얻은 후, 200℃ 내지 450℃의 고온으로 뜨임(tempering) 처리를 행함으로써, 인장 강도 TS≥100㎏f/㎟, 항복비≥80%의 강관을 얻는 방법이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 높은 항복 강도가 얻어지지만, 강관의 강도는 120㎏f/㎟ 정도로 낮은 값이다.

일본 공개 특허 공보 평4-276018호에는, 성분 조정한 강관을 급냉하고, 150℃ 내지 450℃의 온도로 과시효 처리를 하여, 페라이트와 마르텐사이트 조직을 얻고, 그 후 1% 내지 30%의 가공을 가한 후, 소부(燒付) 경화 처리(bake hardening process)하는 방법이 개시되어 있다. 이 기술에서는, 마르텐사이트 체적율은 70% 정도이며, 인장 강도도 170㎏f/㎟로 낮은 강도에 머무르고 있다.

그러나, 상기 종래의 강관은 인장 강도, 충격 흡수능, 저온 충격 특성의 3자가 밸런스 좋게 만족되고 있다고는 말할 수 없다. 본 발명은, 인장 강도 1750N/㎟급의 초고강도 강관으로서, 충격 흡수 성능이 우수한 것은 물론, 저온에서의 충격 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들이 예의 연구한 결과, 인장 강도, 충격 흡수능 및 저온에서의 충격 특성의 3자를 밸런스 좋게 만족시켜, 자동차 도어의 임팩트 빔 등의 보강 부재로서의 용도에 적합한 초고강도 담금질, 뜨임 강관을 발견했다. 즉, 강관으로서의 인장 강도, 충격 흡수능 및 저온 인성, 즉 시험 온도가 저온일 때의 충격 흡수 에너지를 확보할 수 있는 특성을 겸비하고, 또한 고주파 담금질에 대응한 담금질성을 고려하여 강 내의 성분 조성을 한정했다.

상기 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 자동차용 고강도 전봉 강관은,

C: 0.2 내지 0.4%(화학 성분의 경우, 질량%의 의미, 이하 동일),

Si: 0.05 내지 0.5%,

Mn: 0.5 내지 2.5%,

P: 0.025% 이하,

S: 0.01% 이하,

Al: 0.01 내지 0.15%,

Cu: 0.01 내지 2%,

Cr: 0.05 내지 2%,

Ti: 0.005 내지 0.2%,

B: 0.0002 내지 0.005%

를 포함하고, 인장 강도가 1750N/㎟ 이상, 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상, 시험 온도가 -40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상이다.

상기 자동차용 고강도 전봉 강관은,

또한,

Nb: 0.002 내지 0.2%,

V: 0.005 내지 0.5%,

Zr: 0.005 내지 0.5%,

Mo: 0.02 내지 1%,

Ni: 0.05 내지 3%,

Ca:0.0005 내지 0.005%

등의 원소를 포함하는 것이 추장(推奬)된다.

또한, 본 발명자들은 인장 강도 및 내충격 흡수능이 높고, 또한 저온 충격 특성이 높은 자동차용 고강도 전봉 강관을 얻는 데에 다음의 지견을 얻었다. 즉, 강의 화학 성분을 적절히 조정한 후에, 제조 조건을 규정함으로써, 강의 미크로 조직을 마르텐사이트 단상 조직으로 하고, 또한 저온에서 뜨임 처리를 행함으로써, 뜨임 마르텐사이트 조직으로 하여, 강 중에 미세한 철탄화물이 분산 석출된 결과, 강의 항복 강도 및 항복비를 향상시킬 수 있었다.

그 결과, 고하중 영역까지 국부 좌굴이 일어나지 않아, 굽힘 흡수 에너지가 증대하는 것, 더하여 상기 저온에서의 뜨임 조건을 적절히 조정함으로써, 담금질 시의 잔류 응력이나, 격자 변형을 개방함으로써, 저온에서의 충격 특성과 내지연파괴 특성이 향상하는 것을 발견했다.

요구되는 재료의 인장 강도의 상승은, 재료의 파단이 높은 응력에서 일어날 뿐만 아니라, 변형을 개시하는 응력, 즉 항복 강도의 상승도 도모하는 것이다. 이 항복 응력은, 동일한 인장 강도를 갖는 재료이더라도, 조직에 의해 변화하는 것이다. 자동차의 보강 부재는 많은 경우, 고주파 담금질 등의 열처리에 의해, 마르텐사이트 조직을 얻고 있다.

그러나, 이 상태의 조직은, 담금질 시의 급냉에 의한 잔류 응력이나 격자 변형이 높은 상태의 조직이며, 하중을 받았을 때에 변형을 일으키기 쉽게 되는 가동전위(可動轉位)가 많은 조직이라고 생각된다. 따라서, 담금질 조직인 마르텐사이트 조직에서는, 인장 강도는 높지만, 변형을 개시하는 항복 강도는 낮아, 얻어지는 재료의 항복 강도와 인장 강도의 비로 표시되는 항복비는 낮은 값으로 된다.

또한, 이 상태의 조직에서는, 재료 내부의 잔류 응력이 높고, 격자 변형이 높은 상태의 재료로 되기 때문에, 저온에서 충격 시험을 했을 때에 얻어지는 충격 흡수 에너지가 낮은 특성으로 된다. 즉, 저온 인성이 낮은 특성으로 되어, 한냉지 등에서 충격 하중을 받은 부품의 파손의 위험성이 높아지게 된다.

이 부족한 특성의 개선을 도모하기 위해서는, 저온에서 뜨임 처리하는 것이 매우 유용함이 밝혀졌다. 즉, 저온에서의 뜨임 처리에 의해, 마르텐사이트 중의 지나친 고용(固溶) C가 철탄화물로서 미세하게 분산 석출된다. 이 미세한 석출물이, 하중을 받았을 때에 일어나는 전위의 이동을 저해하게 되므로, 항복 강도가 상승하고, 항복비가 상승하게 된다. 그 결과, 굽힘 하중이 작용했을 때의 국부 좌굴이 일어나는 최대 하중, 즉 압괴 하중이 커지고, 동시에 부재가 부담할 수 있는 충격 흡수 에너지가 커진다. 또한, 동시에 담금질 시의 잔류 응력이나 격자 변형이 해방되므로, 인성값이 개선되어, 저온에서 시험했을 때의 충격 흡수 에너지가 커진다.

뜨임 처리 시에 일어나는 탄화물 석출은 처리되는 온도, 시간에 영향을 받으므로, 적정한 범위가 존재한다. 뜨임 온도가 지나치게 낮은 경우에는, 석출량이 부족하고, 강도 변화가 작아진다. 그 결과, 인장 강도는 담금질재(材)와 차이가 없는 높은 값으로 되지만, 담금질 시의 영향이 큰 인성은 낮은 값으로 되어, 충격 특성이 얻어지지 않는다. 한편, 뜨임 온도가 지나치게 고온으로 되면, 석출물의 성장이 일어나, 전위의 이동을 저해하는 능력이 작아져, 항복 강도가 저하된다. 이 상태에서는, 강도가 낮으므로 충격 흡수 특성은 낮게 되지만, 인성값은 크게 회복되므로, 충격 특성은 우수해진다.

이상의 지견으로부터 얻어진 본 발명의 자동차용 고강도 전봉 강관의 제조 방법은,

인장 강도가 1750N/㎟ 이상, 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상, 시험 온도가 -40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상인 강판에 의해 구성되는 전봉 강관을 제조하는 방법으로서, 상기의 화학 성분을 갖는 강판으로부터 강관을 형성하는 공정과, 상기강관을 Ac₃ 변태점 이상, 950℃ 이하의 온도로 가열한 후, 100℃/초 이상으로 냉각하는 고주파 담금질 공정과, 상기 강관을 100℃ 내지 250℃의 온도로 가열한 상태로 1분 내지 60분간 유지한 후, 냉각하는 뜨임 공정을 갖는 것이다.

본 발명에 따르면, 높은 인장 강도와 높은 항복 강도(0.1% 내력)를 확보할 수 있는 화학 성분을 갖는 전봉 강관을 고주파 담금질 후, 저온 뜨임 처리를 실시하고 있기 때문에, 인장 강도가 1750N/㎟ 이상이고, 또한 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상의 높은 특성으로 되어, 굽힘 변형을 받았을 때에 고하중 영역까지 국부 좌굴이 일어나지 않아, 충격 흡수 특성이 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관을 얻을 수 있다. 또한, -40℃에서의 충격 시험 시의 흡수 에너지(샤르피 충격값)가 50J/㎠ 이상으로 높고, 파면(破面)에는 취성(脆性)파면의 혼입이 없는 인성도 우수한 자동차용 고강도 전봉 강관을 얻을 수 있다.

도 1(a)는 3점 굽힘 시험 조건의 모식도, 도 1(b)는 하중-변위 곡선을 나타내는 도면,
도 2는 뜨임 온도와 항복 강도, 인장 강도의 변화를 나타내는 도면,
도 3은 뜨임 온도와 항복비의 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 따른 자동차용 고강도 전봉 강관과 그 제조 방법에 대하여 자세히 설명한다.

<<자동차용 고강도 전봉 강관>>

<화학 성분>

상술한 바와 같이, 본 발명의 자동차용 고강도 전봉 강관은 높은 인장 강도, 높은 충격 흡수 특성 및 높은 저온 충격 특성을 실현시키기 위해, 강 중의 화학 성분을 규정한 것에 하나의 특징을 갖는다. 따라서, 우선, 강의 화학 성분을 상기한 범위로 한정한 이유에 대하여 설명한다.

(C: 0.2 내지 0.4%)

본 발명은, 뜨임 마르텐사이트 조직에 의한 강화를 목표로 하는 것이고, 뜨임 마르텐사이트의 강도는 첨가 원소의 영향을 받지만, 강 중 C의 함유량으로 거의 결정된다. C는 강관 중에 마르텐사이트 등의 저온 변태 조직을 생성하고, 뜨임 처리 시에 미세한 철탄화물을 석출하고, 강관을 고강도화함과 아울러, 항복 강도의 상승을 얻기 위해 필수적인 원소이다. 특히 본 발명과 같이 1750N/㎟ 이상의 강도를 얻기 위해서는, 0.2% 이상의 함유량이 필요하다. 보다 바람직하게는 0.22% 이상, 더 바람직하게는 0.24% 이상이다. 그러나, C량이 과잉으로 되면, 강도는 상승하지만 연성이나 인성이 저하된다. 따라서, C량은 0.4% 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.35% 이하, 더 바람직하게는 0.32% 이하로 한다.

(Si: 0.05 내지 0.5%)

Si는, 강의 탈산제로서 사용되는 원소이며, 담금질성을 높이기 위해서도 유용하며, 연성을 열화시키지 않고, 강을 고용 강화하여 강도 확보에 유용한 원소이다. 또한, 전봉 용접으로 강관을 제조하는 경우, 용접부의 산화물을 배출하여, 건전성(健全性)을 유지하는 데에 매우 유효한 원소이기도 한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 0.05% 이상 첨가하는 것이 필요하다. 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.15% 이상으로 한다. 그러나, 과잉 첨가하면 표면 성상(性狀)이 열화함과 아울러, 인성을 열화시켜 바람직하지 못하다. 따라서, Si량은 0.5% 이하로 한다. 보다 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.35% 이하로 한다.

(Mn: 0.5 내지 2.5%)

Mn은, 강의 마르텐사이트 변태 온도를 저하시킴과 아울러, 담금질성을 향상시켜, 고강도를 안정하게 얻는 매우 유효한 원소이다. 이러한 효과를 안정하게 발현시키기 위해서는, 0.5% 이상의 첨가가 필요하다. 보다 바람직하게는 0.8% 이상, 더 바람직하게는 1.0% 이상으로 한다. 그러나, Mn을 과다하게 첨가하면 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 편석(偏析)이 커져 조직이 불균일하게 된다. 따라서, Mn량의 상한은 2.5%로 한다. 보다 바람직하게는 2% 이하, 더 바람직하게는 1.5% 이하로 한다.

(P: 0.025% 이하)

P는, 강의 연성을 열화시키지 않고 고용 강화하는 유용한 원소이지만, 반면, 입계(粒界)에 편석하기 쉬워, 입계 강도를 저하시키고, 인성을 저하시키며, 파면 천이(遷移) 온도를 상승시킨다. 따라서, P량은 0.025% 이하, 바람직하게는 0.020% 이하, 더 바람직하게는 0.015% 이하로 한다. 그러나, P량을 0%로 하는 것은 공업적으로는 곤란하다.

(S: 0.01% 이하)

S를 다량으로 함유시키면, 황화물계의 개재물이 증가하여, 인성의 열화나 용접부의 건전성 저하 등의 문제를 야기하므로, 0.01% 이하로 한다. 바람직하게는 0.008% 이하, 더 바람직하게는 0.005% 이하로 한다. 그러나, S량을 0%로 하는 것은 공업적으로는 곤란하다.

(Al: 0.15% 이하)

Al은, 용제(溶製) 시의 탈산제로서 첨가되어, 강의 청정도를 향상시키는 데 유용한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.01% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.02% 이상, 더 바람직하게는 0.03% 이상이다. 그러나, Al량이 과잉으로 되면 강 중에 개재물이 다량으로 생성되어, 강의 청정도가 손상됨과 아울러, 표면 결함의 원인으로 되므로, 0.15%를 상한으로 한다. 바람직하게는 0.1% 이하, 더 바람직하게는 0.08% 이하로 한다.

(Cu: 2% 이하)

Cu는, 생성 녹을 치밀화하여 대기 환경 하에서의 강의 부식 속도를 감소시킬 수 있고, 내지연파괴 특성의 향상을 도모하는 데에 유용한 원소이다. 또한, 강의 담금질성을 향상시켜, 고강도를 안정하게 얻기 위해서도 유용한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.01% 이상 함유시키면 좋다. 바람직하게는 0.03% 이상, 보다 바람직하게는 0.05% 이상으로 한다. 그러나, 한편으로는, Cu는 열간 압연 시에 취화(脆化)를 야기할 우려가 있으므로, 첨가량의 상한을 2%로 한다. 바람직하게는 1.5% 이하, 더 바람직하게는 1% 이하로 한다. 또한, 열간 압연 시의 취화를 억제하기 위해서는, Cu량의 50% 내지 100% 정도의 Ni와 함께 첨가하는 것이 바람직하다.

(Cr: 2% 이하)

Cr은 강의 담금질성을 향상시키기 위해 유용한 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.05% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, Cr을 과잉으로 함유시키면 전봉 강관의 용접 시에 페네트레이터(penetrator)가 발생하기 쉽게 되어, 고강도 강관으로서의 인성 저하의 원인으로 되므로, 2%를 함유량의 상한으로 한다. 바람직하게는 1.5% 이하, 더 바람직하게는 1% 이하로 한다.

(Ti: 0.2% 이하)

Ti는, 미세한 탄화물을 형성함으로써, 결정립의 미세화와 입자 성장 억제 효과를 갖는다. 또한, 확산성 수소의 트랩 사이트로서 작용하여, 강 소재의 수소 취화 감수성을 저하시킨다. 또한, 생성 녹의 치밀화 효과를 발휘하여, 내식성을 향상시킨다. 또한, 후술하는 B를 첨가한 강에서는, Ti의 탈질화 효과에 의해, B가 효과적으로 작용하여 소정의 담금질성이 확보된다. 이들의 효과를 얻기 위해서는, Ti를 예컨대 0.005% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.01% 이상, 더 바람직하게는 0.02% 이상으로 한다. 그러나, Ti를 과도하게 첨가하면 탄화물이 조대화(粗大化)하여 인성 열화를 초래하므로, 0.2%를 함유량의 상한으로 한다. 바람직하게는 0.15% 이하, 보다 바람직하게는 0.1% 이하로 한다.

(B: 0.005% 이하)

B는, 강의 담금질성을 크게 향상시키는 원소이다. 또한, 담금질 조직의 인성 향상에도 효과가 있는 유용한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.0002% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.0005% 이상, 더 바람직하게는 0.001% 이상으로 한다. 그러나, B를 과도하게 함유시키면 강 중에 Fe₂₃(C, B)₆으로 표시되는 복합 탄붕화물이 생성되어, 역으로 담금질성의 저하를 초래하여, 소정의 강도가 얻어지지 않으므로, 함유량의 상한을 0.005%로 한다. 보다 바람직하게는 0.0045% 이하, 더 바람직하게는 0.004% 이하로 한다.

본 발명의 강의 기본 성분 조성은, 상기한 대로이며, 잔부는 실질적으로 철이다. 단, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 함께 들어가는 불가피 불순물이 강 중에 포함되는 것은, 당연히 허용된다.

본 발명의 초고강도 전봉 강관에는, 강의 특성을 더욱 향상시키기 위해, 필요에 따라, 상기한 원소 이외에, Nb, V, Zr, Mo, Ni, Ca로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 더 함유시킬 수 있다.

(Nb: 0.2% 이하)

Nb는, Ti와 마찬가지로 안정적인 탄질화물을 형성하여, 담금질 시에 결정립의 조대화를 억제하고, 인성 열화를 방지하는 등의 유용한 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.002% 이상 함유시키면 좋다. 바람직하게는 0.005% 이상, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이다. 한편, Nb를 과잉으로 함유하면, 단시간에 강재가 가열되는 고주파 담금질에서는, 탄화물의 고용 부족에 기인하여, 매트릭스의 C 농도가 저하된다. 그 결과, 필요로 하는 강도가 얻어지지 않게 된다. 따라서, Nb의 함유량의 상한은 0.2%로 한다. 바람직하게는 0.15% 이하, 더 바람직하게는 0.1% 이하로 한다.

(V: 0.5% 이하)

V는, Ti와 마찬가지로 안정적인 탄질화물을 형성하여, 담금질 시에 결정립의 조대화를 억제하고, 인성 열화를 방지하는 등의 유용한 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 예컨대 0.005% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.01% 이상, 더 바람직하게는 0.02% 이상이다. 한편, V를 과잉으로 함유하면, 단시간에 강재가 가열되는 고주파 담금질에서는, 탄화물의 고용 부족에 기인하여, 매트릭스의 C 농도가 저하된다. 그 결과, 필요로 하는 강도가 얻어지지 않게 된다. 따라서, V의 함유량의 상한은 0.5%로 한다. 바람직하게는 0.3% 이하, 더 바람직하게는 0.2% 이하로 한다.

(Zr: 0.5% 이하)

Zr은, Ti와 마찬가지로 안정적인 탄질화물을 형성하고, 담금질 시에 결정립의 조대화를 억제하고, 인성 열화를 방지하는 등의 유용한 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.005% 이상 함유시키면 좋다. 바람직하게는 0.01% 이상, 보다 바람직하게는 0.02% 이상으로 한다. 한편, Zr을 과잉 함유하면, 단시간에 강재가 가열되는 고주파 담금질에서는, 탄화물의 고용 부족에 기인하여, 매트릭스의 C 농도가 저하된다. 그 결과, 필요로 하는 강도가 얻어지지 않게 된다. 따라서, Zr의 함유량의 상한은 0.5%로 한다. 바람직하게는 0.4% 이하, 더 바람직하게는 0.3% 이하로 한다.

(Mo: 1% 이하)

Mo는, 강의 담금질성을 향상시키는데 유용한 원소이며, Mo를 첨가함으로써 내지연파괴 특성을 열화시키는 C량을 증가시키지 않고, 보다 고강도의 강을 얻을 수 있다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.02% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.05% 이상, 더 바람직하게는 0.1% 이상으로 한다. 그러나, 과잉으로 첨가하면 연성의 저하를 야기함과 아울러, 고가의 원소이므로 제조 비용도 높아진다. 따라서, Mo의 함유량의 상한을 1%로 한다. 바람직하게는 0.8% 이하, 더 바람직하게는 0.6% 이하로 한다.

(Ni: 3% 이하)

Ni는, 강의 담금질성을 향상시키고, 동시에 철 원자 사이의 결합 에너지를 높임으로써 인성의 열화를 억제하면서, 고강도화를 도모하는데 매우 유용한 원소이다. 또한, 생성 녹의 치밀화에 의해, 강의 내식성을 향상시키는 효과도 갖는다. 이들의 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.05% 이상 함유시키면 좋다. 보다 바람직하게는 0.1% 이상, 더 바람직하게는 0.2% 이상으로 한다. 그러나, 과도하게 첨가하면 강재의 비용 상승을 초래하게 된다. 따라서, Ni량은 3%를 상한으로 한다. 바람직하게는 2.5% 이하, 더 바람직하게는 2% 이하로 한다.

(Ca: 0.005% 이하)

Ca는 황화물을 구상화(球狀化)하여, 소재의 가공성을 향상시킨다. 이들 효과를 얻기 위해서는, 예컨대, 0.0005% 이상 함유시키면 좋다. 그러나, 과잉으로 첨가하여도, 그 효과가 포화하고, 비용 증가로 되므로, 0.005%를 상한으로 한다. 바람직하게는 0.004% 이하, 더 바람직하게는 0.003% 이하로 한다.

<인장 강도가 1750N/㎟ 이상>

자동차 도어의 임팩트 빔 등, 자동차의 보강 부품으로서, 인장 강도가 1750N/㎟ 이상인 것이 필요하다. 바람직하게는, 1765N/㎟ 이상, 더 바람직하게는 1800N/㎟ 이상이다.

<0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상>

JIS에 규정되어 있는 항복 강도는, 0.2%의 영구 변형을 일으킬 때의 응력, 0.2% 내력이 이용되는 것이 일반적이지만, 강관은 0.2%의 영구 변형을 일으킬 때까지 상당한 충격 에너지를 흡수하기 때문에, 이 JIS에 규정되는 0.2% 내력을 이용한 항복비는, 자동차의 충격 흡수 부재로서는, 충격 흡수 특성을 과소 평가하고 있을 가능성이 있다. 따라서, 자동차 도어 임팩트 빔 등의 용도에서는, 0.1% 내력을 이용하는 쪽이 흡수 에너지를 적절히 평가할 수 있다고 생각되고, 이 값으로 본 발명을 규정하는 것으로 했다.

0.1% 내력의 값은, 담금질 마르텐사이트 조직에서는, 비교적 낮게 되지만, 후술하는 바와 같이, 예컨대, 저온 뜨임 처리를 행하면, 미세 석출물의 효과로 항복 강도가 상승하고, 압괴 하중이 상승한다. 압괴 하중의 상승을 얻기 위해 필요한 특성으로서, 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상이라고 정했다. 바람직하게는, 1360N/㎟ 이상, 보다 바람직하게는, 1400N/㎟ 이상으로 한다.

<-40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상>

샤르피 충격 시험에서 요구되는 흡수 에너지는, 시험편(試驗片)의 판 두께에 의존한다. JIS에서 규정되어 있는 충격 시험편의 형상: JIS4호 시험편은, 2㎜-V 노치를 부여한 시험편이며, 판 두께: 10㎜, 7.5㎜, 5㎜, 2.5㎜가 표준 시험편으로 된다. 실제로 충격 시험에서는, 대상 제품의 판 두께가 변화하면 시험편 판 두께도 변화되게 되므로, 판 두께의 영향을 더하여, 단위 면적당 흡수 에너지값(샤르피 충격값)으로 하고 있다.

본 발명에서 규정한 -40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상이라는 값은, 시험편의 온도가 -40℃에서 샤르피 충격 시험을 했을 때, 시험편의 파면에 취성파면이 혼입되지 않는 샤르피 충격값이며, 이 값보다 낮게 되면 취성파면이 혼입하게 된다. 이 값보다 높아지면 대부분이 연성(軟性)파면으로 된다.

<<자동차용 고강도 전봉 강관의 제조 방법>>

<열연 강판의 제조>

우선, 상기한 화학 성분을 갖는 강을 제강하여, 강편(슬래브)으로 하고, 이것이 열간 압연에 제공되지만, 슬래브의 가열 온도는, 예컨대, 1100℃ 이상, 권취 온도 650℃ 이하의 조건에서, 열간 압연을 행한다. 강편 가열 온도에 있어서는, 본 발명에 이용되는 강관에서는, 열간 압연 시의 압연 하중이 높아지는 경향이 있으므로, 압연 온도가 지나치게 낮아지지 않도록 하는 것이 바람직하고, 그래서, 강편의 가열 온도를 1100℃ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는, 1150℃ 이상, 더 바람직하게는, 1200℃ 이상으로 한다.

이 경우, 연속 주조된 강편을 그대로 압연하는 직접 압연이나 경(輕) 가열이나 강편을 한번 냉각한 후에 재가열을 하는 방법 등, 가열 방법은 특별히 한정되는 것은 아니다. 그러나, 가열 온도가 1300℃를 넘는 것은, 지나치게 열에너지를 낭비할 뿐, 특별히 이점은 없다.

강편의 열간 압연 시에는, 상술한 바와 같이 통상의 열간 압연을 하면 좋고, 특별한 조건 규제는 없지만, 열연 마무리 온도에 대해서는, 오스테나이트 단상 영역인 Ar₃ 변태점 이상의 온도로 하면 좋다. 권취는, 압연 강판 표면의 스케일의 제거성을 고려하여, 650℃ 이하의 온도에서 행하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 620℃ 이하, 더 바람직하게는, 600℃ 이하로 한다.

그러나, 권취 온도가 지나치게 낮으면, 베이나이트나 마르텐사이트의 저온 변태 조직이 혼입되어, 강도가 높아져, 관을 제조하기 어렵게 되므로, 하한 온도를 450℃ 이상으로 한다. 보다 바람직하게는 480℃ 이상, 더 바람직하게는 500℃ 이상으로 한다. 이러한 조건으로 제조한 열연 강판은, 통상의 전봉 강관의 강도 수준이다. 390N/㎟ 내지 690N/㎟ 정도로 되어, 통상의 열연 강판과 동등한 조건으로 관의 제조가 가능해진다.

<전봉 강관의 형성>

이와 같이 하여 얻어진 열연 강판(강대(鋼帶))을, 산세(酸洗), 연삭, 숏트 블러스트 등의 수단에 의해 표면의 스케일을 제거한 후, 소정 폭으로 슬릿 가공한 강대를 전봉 강관에 성형한다. 관 제조 시의 용접은, 일반적인 고주파 유도 저항 용접기를 이용한다.

전봉 강관의 단면 형상은, 관 제조 시의 상태 그대로의 원형 단면으로 사용하는 것이 비용적으로도, 열처리 작업의 용이성의 면에서도 유리하지만, 용도에 따라서는, 직사각형 단면을 갖는 각형 강관으로 가공하여 사용할 수도 있다.

<전봉 강관의 담금질>

얻어진 전봉 강관으로부터, 소망의 특성을 얻기 위한 열처리에는, 순차적으로 단시간 가열된 부분을 분사수 냉각하여 담금질을 행하는 고주파 담금질을 이용한다. 고주파 담금질은, 열처리 시의 형상 변형이 억제되고, 형상 특성이 우수한 전봉 강관을 얻을 수 있으므로 적합하다.

고주파 담금질은, Ac₃ 변태점 이상, 950℃ 이하의 온도 범위로 가열하고, 가열 후에는 100℃/초 이상으로 상온까지 냉각한다. 이와 같이 냉각 속도를 정한 것은, 목적으로 하는 마르텐사이트 조직을 얻기 위함이다. 냉각의 방법으로서, 예컨대, 수냉이 있다.

가열 온도가 Ac₃ 변태점보다 낮고, Ac₁ 내지 Ac₃ 변태점 사이의 2상 온도 영역으로 된 경우는, 그 가열 온도에서 존재하는 오스테나이트는, 마르텐사이트로 변태하여 경화하지만, 잔부의 페라이트는 경화하지 않으므로, 담금질 조직은 딱딱한 마르텐사이트와 부드러운 페라이트의 혼합 조직으로 되어, 담금질 본래의 목적에 따르지 않을 뿐만 아니라, 소망의 강도도 얻어지지 않는다. 따라서, 가열 온도는 바람직하게는 Ac₃ 변태점 이상이며, 보다 바람직하게는 Ac₃ 변태점+30℃ 이상으로 한다.

한편, 가열 온도가 950℃를 초과하면, 가열 시의 오스테나이트가 조대화하고, 담금질재의 인성이 저하된다. 그 결과, 소정의 시험 온도에서 소망의 흡수 에너지가 얻어지지 않게 된다. 따라서, 담금질 시의 가열 온도는 950℃ 이하로 하고, 보다 바람직하게는 920℃ 이하로 한다.

<전봉 강관의 뜨임>

얻어진 담금질 강관에 뜨임 처리를 행하여, 소망의 특성을 얻는다. 담금질 처리로 얻은 마르텐사이트 조직에서는, 동일 인장 강도에서도 항복 강도가 낮아, 국부 좌굴이 조기에 낮은 하중에서 일어나므로, 충격 흡수능이 낮다. 이 담금질 강관에 저온으로 뜨임 처리를 함으로써, 철탄화물이 미세하고, 또한 균일하게 분산 석출되어, 높은 항복 강도가 얻어져, 항복 강도가 높은 강관이 얻어진다. 동시에, 담금질 급냉 처리에 따라 내재하는 잔류 응력의 완화나, 격자 변형의 해방이 일어나, 저온 인성도 회복되게 된다.

이 때의 뜨임 처리 온도는, 100℃ 이상, 250℃ 이하의 온도 범위로 한다. 뜨임 온도가 100℃ 미만이면, 철탄화물의 석출이 부족하기 때문에, 소망의 항복 강도가 얻어지지 않는다. 따라서, 뜨임 처리 온도는 100℃ 이상, 바람직하게는 120℃ 이상, 더 바람직하게는 140℃ 이상으로 한다. 한편, 뜨임 온도가 250℃를 초과하면, 석출 탄화물의 성장이 일어나, 항복 강도가 크게 저하되기 때문에, 소망의 항복 강도가 얻어지지 않는다. 따라서, 뜨임 온도는 250℃ 이하, 보다 바람직하게는 230℃ 이하, 더 바람직하게는 210℃ 이하로 한다.

전봉 강관을 상기의 뜨임 온도로 유지하는 시간은 1분 이상, 60분 이하로 한다. 유지 시간이 1분 미만으로 단시간인 경우에는, 마르텐사이트 중 C의 확산 시간이 부족하여, 석출물이 적어지기 때문에, 소망의 항복 강도가 얻어지지 않는다. 따라서, 1분 이상, 바람직하게는 3분 이상, 보다 바람직하게는 5분 이상으로 한다. 또한, 균열 시간이 60분 초과 시에는, 석출물이 과다하게 되어, 인장 강도의 저하가 커진다. 또한, 열처리 시간을 길게 하면 생산성도 저하된다. 따라서, 뜨임 처리의 유지 시간은, 60분 이하이며, 바람직하게는 30분 이하, 보다 바람직하게는 20분 이하로 한다.

뜨임 처리를 행하는 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니라, 온도 관리가 용이한 전기로나 분위기로를 적용할 수 있다.

( 실시예 )

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 의해 제한을 받는 것이 아니라, 발명 내용에 적합할 수 있는 범위로 변경을 가하여 실시할 수 있고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 강편을 1250℃로 가열한 후, 표 2, 표 3에 나타내는 열연 조건으로 판 두께 2.0㎜의 열연 강판으로 압연했다. 이들의 열연 강판을 산세하여, 표면 스케일을 제거한 후, 외경 31.8㎜, 두께 2.0㎜의 전봉 강관을 제조했다. 이 강관을 전수(全數) 모두, 고주파 담금질 장치에 의해 900±20℃로 가열하고, 이 온도로부터 분사 수냉하는 고주파 담금질을 행하였다.

이 담금질에 계속해서, 표 2, 표 3에 나타내는 조건으로 저온 뜨임 처리를 행하였다. 저온 뜨임 처리 후의 강관으로부터 시험편을 채취하고, 후술하는 바와 같이, 항복 강도(0.1% 내력), 인장 강도, 충격 특성을 측정하였다. 항복비는 항복 강도/인장 강도에 의해 계산된다. 또, 표 2, 표 3에, 샤르피 충격 시험에 의한 샤르피 충격값, 도 1에 나타내는 3점 굽힘 시험에 의한 충격 흡수 특성 및 지연 파괴 시험의 결과도 함께 나타낸다.

인장 시험에는, JIS 12A호 시험편을 이용했다. 충격 시험은, JIS 4호 시험편에 준거하여, 강관 축 방향으로부터 잘라 낸 두께 2㎜의 V노치 시험편을 이용하고, 시험 온도 -40℃에서 반복 3회의 시험을 하여, 샤르피 충격값의 평균값을 구했다. 한편, 이 V노치는 강관 축 방향에 대하여 직각이다.

3점 굽힘 시험에서는, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 지점(支点)간 거리 750㎜로 하여, 곡율 150R의 압자(壓子)를 150㎜까지 밀어 넣었다. 이 때, 최대 압괴 하중 및 압자의 압입량(0 내지 150㎜)까지 압자에 걸리는 하중을 나타내는 곡선, 즉 하중-변위 곡선(도 1(b))의 면적에서 산출되는 흡수 에너지(kJ)를 측정했다. 한편,「최대 압괴 하중」은 강관이 변형하고(국부 좌굴을 일으킴), 하중이 저하될 때의 최대 하중을 의미한다.

내지연파괴 특성은, 고주파 담금질, 저온 뜨임 후의 전봉 강관으로부터, 길이 300㎜의 강관 형상의 시험편을 잘라내고, 이것을 100mol/㎥의 염산 수용액 중에 300시간 침지하고, 육안 검사로 침지 후의 수소 취화 균열을 관찰했다. 평가는, 균열의 유무로 하고, 표 2에는, 균열 비발생재를 ○, 균열 발생재를 ×로 나타내었다.

표 2, 표 3으로부터, 본 발명에 규정하는 화학 성분, 저온 뜨임의 조건을 만족시킨 것은, 인장 강도: 1750N/㎟ 이상, 0.1% 내력: 1320N/㎟ 이상을 만족하는 데다가, -40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상으로, 저온 충격 특성이 우수함을 알 수 있다.

시험 번호 1 내지 53은 화학 성분량이 본 발명의 규정을 만족하는 강 번호 1 내지 20의 강재를 이용한 것이지만, 시험 번호 1, 6, 19, 21, 23, 28, 33, 38, 40, 46은 본 발명에 규정하는 저온 뜨임을 행하지 않아, 본 발명에 규정하는 샤르피 충격값을 달성하지 않고 있다. 시험 번호 45, 51은 뜨임은 행하고 있지만, 뜨임 온도가 본 발명에서 규정하는 범위보다 높기 때문에, 시험 번호 45에서는 본 발명에서 규정하는 인장 강도를 달성하고 있지 않고, 시험 번호 51에서는 본 발명에서 규정하는 인장 강도, 0.1% 내력 모두를 달성하지 않고 있다.

강 번호 21의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 54에서는, 강재의 C량이 본 발명의 규정을 하회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 인장 강도를 달성하지 않고 있다.

강 번호 22의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 55에서는, 강재의 C량이 본 발명의 규정을 상회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 0.1% 내력을 달성하지 않고 있다.

강 번호 23의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 56에서는, 강재의 Si량이 본 발명의 규정을 상회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 샤르피 충격값을 달성하지 않고 있다.

강 번호 24의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 57에서는, 강재의 Mn량이 본 발명의 규정을 상회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 샤르피 충격값을 달성하지 않고 있다.

강 번호 25의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 58에서는, 강재의 Si량이 본 발명의 규정을 상회함과 아울러 Mn량이 본 발명의 규정을 하회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 인장 강도, 0.1% 내력 모두 달성하지 않고 있다.

강 번호 26의 강재를 이용하여 행한 시험 번호 59에서는, 강재의 Cr량, Ti량, B량이 본 발명의 규정을 하회하는 것이고, 본 발명에서 규정하는 저온 뜨임을 행했지만, 본 발명에서 규정하는 인장 강도를 달성하지 않고 있다.

또, 도 2및 도 3은 본 발명에서 규정하는 화학 성분을 갖는 강의 대표로서, 강 번호 2, 강 번호 13에 대하여, 뜨임 온도를 변화시켜 얻어진 여러 가지 특성을 나타내는 것이다. 도 2는 뜨임 온도에 대한 항복 강도(0.1% 내력), 인장 강도의 변화를 나타내는 도면이며, 도 3은 뜨임 온도에 대한 항복비의 변화를 나타내는 도면이다.

도 2로부터, 뜨임 온도가 100℃ 이상, 250℃ 이하일 때에, 비교적 높은 항복 강도(0.1% 내력)가 얻어지고 있는 것 및 뜨임에 의해 인장 강도는 저하하지만, 그래도 1750N/㎟ 이상을 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 도 3으로부터, 뜨임 온도가 100℃ 이상, 250℃ 이하일 때에, 비교적 높은 항복비가 얻어지는 것을 알 수 있다.

Claims

고강도 전봉 강관을 제조하는 방법으로서,
상기 강관을 Ac₃ 변태점 이상, 950℃ 이하의 온도로 가열한 후, 100℃/초 이상으로 냉각하는 고주파 담금질 공정과,
상기 강관을 100℃ 내지 250℃의 온도로 가열한 상태에서 1분 내지 60분간 유지한 후, 냉각하는 뜨임 공정을 포함하고,
상기 고강도 전봉 강관은
C: 0.2 내지 0.4%(화학 성분의 경우, 질량%의 의미, 이하 동일),
Si: 0.05 내지 0.5%,
Mn: 0.5 내지 2.5%,
P: 0.025% 이하,
S: 0.01% 이하,
Al: 0.01 내지 0.15%,
Cu: 0.01 내지 2%,
Cr: 0.05 내지 2%,
Ti: 0.005 내지 0.2%,
B: 0.0002 내지 0.005%
를 포함하고, 인장 강도가 1750N/㎟ 이상, 0.1% 내력이 1320N/㎟ 이상, 시험 온도가 -40℃에서의 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상인,
고강도 전봉 강관의 제조 방법.