KR20120107522A

KR20120107522A - 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20120107522A
Application number: KR1020127022016A
Authority: KR
Inventors: 신야 사까모또; 히또시 아사히; 쥰이찌 오까모또; 세이지 이시바시
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-10-02
Also published as: JP4860786B2; JPWO2011108764A1; KR101471730B1; WO2011108764A1; CN102782173A; CN103924155A; CN103924155B

Abstract

저비용으로 제조 가능한, 가속 냉각 상태에서, 고강도, 고인성을 갖는 시임리스 강관이며, 질량％로, C:0.03 내지 0.20％, Si:0.01 내지 0.50％, Mn:0.80 내지 3.00％를 함유하고, P:0.020％ 이하, S:0.0080％ 이하, Al:0.050％ 이하, N:0.0080％ 이하, O:0.0050％ 이하로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, β＝2.7C＋0.4Si＋Mn＋0.45Ni＋Mo(원소 기호는 각 원소의 함유량 [질량％])가 2.50 내지 4.00, Pcm＝C＋Si/30＋(Mn＋Cu)/20＋Ni/60＋Mo/15＋V/10이 0.15 내지 0.30이고, 조직이 플래쉬 마르텐사이트로 이루어지고, 구 오스테나이트의 평균 입경이 50 내지 200㎛인 것을 특징으로 한다.

Description

인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관과 그 제조 방법{HIGH-STRENGTH SEAMLESS STEEL PIPE FOR MECHANICAL STRUCTURE WHICH HAS EXCELLENT TOUGHNESS, AND PROCESS FOR PRODUCTION OF SAME}

본 발명은, 특히 실린더, 부시, 붐 등의 구조 부재 및 샤프트 등의 기계용 부재에 적합한 시임리스 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차나 산업 기계 등에 사용되는 기계 부품의 대부분은, 막대강을 단조(鍛造), 절삭 가공해서 소정의 형상으로 한 후, 조질 열처리에 의해, 소정의 기계적 성질이 부여된다.

최근에는, 부품의 제조 비용 저감을 위해, 또한 기계 등의 경량화를 위해, 부품에 요구되는 기계적 성질을 갖는 강관을 소재로 하여 중공 형상 부품을 제조하고, 단조 공정의 단축 및 열처리 공정을 생략하는 경우도 증가하고 있다.

그러나 일반적으로, 강관은, 막대 강보다도 고가이고, 특히 시임리스 강관은 제조 비용이 높다. 그로 인해, 강관을 중공 형상 부품의 소재로 하여 사용해도, 비용 절감의 효과가 충분하지 않다.

지금까지, 요구되는 기계적 성질을 갖고, 또한 제조 비용을 저감한 저렴한 강관을 제공하기 위해, 다양한 검토가 행해지고 있다.

특허문헌 1에는, 특정한 조성의 소관에, 특정한 온도 영역에서 교축 압연과 경사 압연을 조합한 가공을 실시함으로써, 마이크로 조직을 페라이트 입경 2㎛ 이하의 미세하고 또한 균일한 페라이트, 시멘타이트 조직으로 하고, 고강도이며 또한 연성(延性)?인성(靭性)이 우수한 강관을 제조하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는, 외표면으로부터만의 가속 냉각에 의해, 외면, 내면의 냉각 속도의 차이가 발생하는 환경이라도, 판 두께 방향 전체면에 걸쳐, 고강도, 고인성을 양립할 수 있는 최적의 조직을 생성하는 기술이 개시되어 있다.

특허문헌 3에는, Al과 Ti의 첨가량을 최적화하여 입내 변태를 활용하고, 또한 시임리스 압연 후의 가속 냉각에 의해 제조하는, 고강도, 고인성을 양립할 수 있는 미세한 금속 조직을 갖는 강관이 개시되어 있다. 그러나 이 기술에서는, 입내 변태를 활용하기 위해 Al량을 저감할 필요가 있어, 탈산의 비용이 높아진다.

특허문헌 4에는, 기계 구조 부재용 강관을 저렴하게 제조하는 것을 목적으로 하여, 주로 Cr 첨가 강에서, 금속 조직이, 자기 템퍼링 마르텐사이트 단독 조직, 또는 하부 베이나이트와의 혼합 조직인 강관이 개시되어 있다. 자기 템퍼링 마르텐사이트라 함은, 가속 냉각 중에 오스테나이트 상(相)이 마르텐사이트 변태하고, 가속 냉각 정지 후의 방냉에 의해 미세한 시멘타이트가 라스(lath) 내에 석출된 조직이다.

최근의, 기계 구조용 부품의 용도 확대나, 환경 문제에 대응한 배기 가스 삭감의 요청에 수반하여, 요구되는 기계적 성질을 유지하면서, 또한 저비용의 시임리스 강관이 요구되고 있다. 그러나 종래의 기술에서는, 고강도, 고인성을 유지하고, 또한 저비용화하기 위해서는 한계가 있었다.

또한, 강관의 켄칭성을 향상시키기 위해서는, 통상 Cr을 첨가하지만, Cr을 첨가하면, 압연시의 롤이나 플러그와의 시징에 기인하는 표면 흠집이 발생한다고 하는 문제가 있었다.

일본 특허 출원 공개 제2000-312907호 공보 일본 특허 출원 공개 제2008-266700호 공보 일본 특허 출원 공개 제2009-52106호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-262468호 공보

본 발명은, 상기한 바와 같은 현상에 비추어 이루어진 것이며, 특히 실린더, 부시, 붐 등의 구조 부재 및 샤프트 등의 기계용 부재에 적합한, 고강도, 고인성이며, 용접성이 우수하고, 또한 표면 흠집의 발생을 억제할 수 있는 기계 구조용 시임리스 강관의 제공 및 적정한 열처리에 의해 기계 구조용 시임리스 강관을 저렴하게 제조하는 방법의 제공을 과제로 한다.

본 발명자들은, 표면 흠집의 발생을 방지하기 위해, Cr을 첨가하지 않는 성분 조성의 강관에 대해, 강관의 열처리 공정의 생략에 의한 비용 저감의 검토를 행하였다. 구체적으로는, 가속 냉각 상태의 강관(가속 냉각 후, 열처리를 실시하지 않고 제조되는 강관)에 주목하고, 검토하였다.

가속 냉각 상태의 강관의 조직의 구 오스테나이트의 입경은 100㎛ 정도이며, 켄칭, 템퍼링 처리(이하,「QT 처리」라 함)를 실시한 강관(이하,「QT 강관」이라 함)에서는 20 내지 30㎛ 정도이다.

또한, 탈산 원소인 Al량을 0.010％ 이하로 저감하여, Ti를 첨가하면, 입내 변태를 활용하여 입경을 미세하게 하는 것이 가능하다. 그러나 본 발명에서는, 제조 비용을 저감하기 위해, 통상 탈산에 필요로 하는 0.010％ 초과의 Al을 첨가한다.

따라서, 종래 가속 냉각 상태의 강관의 조직의 입경은, QT 강관의 조직의 입경과 비교하여 조대하여, QT 강관과 동등하거나 또는 동등 이상의 강도 및 인성은 확보할 수 없다고 여겨지고 있었다.

또한, 표면 흠집의 발생을 방지하기 위해 Cr을 첨가하지 않으면 켄칭성이 저하되므로, 강도 확보는 더욱 곤란하고, 강도 확보를 위해 Cr 이외의 금속을 첨가하면, 비용이 상승한다고 여겨지고 있었다.

그러나 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 강관의 성분 조성을 적정하게 함으로써, 인성에 유해한 조직인 상부 베이나이트의 생성을 억제할 수 있어, Cr을 첨가하지 않는 가속 냉각 상태의 강관이라도, 용접성을 손상시키는 일 없이, QT 강관과 동등한 강도 및 인성이 얻어지는 것을 발견하였다.

본 발명은, 상기 지식에 기초하여 이루어진 것이며, 그 요지는 이하와 같다.

(1) 질량％로,

C :0.03 내지 0.20％,

Si:0.01 내지 0.50％,

Mn:0.80 내지 3.00％,

Al:0.010％ 초과, 0.050％ 이하

를 함유하고,

P :0.020％ 이하,

S :0.0080％ 이하,

N :0.0080％ 이하,

O :0.0050％ 이하

로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 수학식 1에 의해 구해지는 β가 2.50 내지 4.00, 하기 수학식 2에 의해 구해지는 Pcm이 0.15 내지 0.30이고, 조직이 플래쉬 마르텐사이트로 이루어지고, 구 오스테나이트의 입경이 50 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Mo, V는 각 원소의 함유량 [질량％]임.

(2) 상기 강관이, 질량％로,

B : 0.0001 내지 0.0030％

를 더 함유하고, 상기 수학식 1 대신에 하기 수학식 3에 의해 구해지는 β가 2.50 내지 4.00, 상기 수학식 2 대신에 하기 수학식 4에 의해 구해지는 Pcm이 0.15 내지 0.30인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.

[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Mo, V, B는 각 원소의 함유량 [질량％]임.

(3) 상기 강관이, 질량％로,

Ni:1.00％ 이하,

Cu:1.00％ 이하,

Mo:1.50％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 또는 (2)의 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.

(4) 상기 강관이, 질량％로,

Ti:0.050％ 이하,

Nb:0.050％ 이하,

V :0.050％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3)의 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.

(5) 상기 강관이, 질량％로,

Ca:0.0040％ 이하,

Mg:0.0010％ 이하,

REM:0.005％ 이하

중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (4)의 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.

(6) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 기계 구조용 고강도 시임리스 강관의 제조 방법이며,

상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 성분을 갖는 강을 시임리스 압연하고, 그 후,

개시 온도 750 내지 950℃에서, 냉각 속도가 10 내지 50℃/초인 가속 냉각을 실시하는 것을 특징으로 하는 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관의 제조 방법.

본 발명에 따르면, 가속 냉각 상태의 강관에 있어서, 가속 냉각시에 상부 베이나이트의 생성을 억제하는 것이 가능해진다. 그 결과, QT 처리를 행하는 일 없이, 저비용으로, QT 강관과 동등한 인성을 갖는, 가속 냉각 상태의 강관을 제조하는 것이 가능해진다.

본 발명의 시임리스 강관은, 가속 냉각 상태로, 상부 베이나이트의 생성을 억제하여 인성을 개선하기 위해, 켄칭성의 지표인 β를 적정한 범위로 제어하고, 또한 용접성을 확보하기 위해, 용접성의 지표인 Pcm을 적정한 범위로 제어한 것이다. 이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명에서, 강관의 화학 성분을 한정한 이유를 서술한다. 이하,「％」는, 「질량％」를 의미하는 것으로 한다.

C는, 강도 향상에 극히 유효한 원소이다. 목표로 하는 강도를 얻기 위해서는, 0.03％ 이상의 C를 첨가할 필요가 있다. 한편, 0.20％ 초과의 C를 첨가하면, 저온 인성이 저하되어, 용접시에 균열을 발생한다. 따라서, C량은 0.03 내지 0.20％로 한정한다. 강도를 높이기 위해서는, C량은 0.07％ 이상이 바람직하다. 한편, 인성을 확보하기 위해서는, C량은 0.15％ 이하가 바람직하다.

Si는, 탈산 원소로, 강도의 향상에 기여하는 원소이다. 첨가 효과를 얻기 위해서는, 0.01％ 이상의 Si의 첨가가 필요하다. 강도를 향상시키기 위해서는, Si량은 0.10％ 이상이 바람직하다. 한편, Si를, 0.50％를 초과하여 첨가하면, 상부 베이나이트가 생성되어 저온 인성을 손상시키므로, Si량의 상한은 0.50％로 제한한다. Si량의 바람직한 상한은 0.25％이다.

Mn은, 저온 변태 조직의 생성을 촉진시키는 원소로, 강도와 저온 인성의 밸런스를 향상시키기 위해 유효하다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.80％ 이상의 Mn을 첨가하는 것이 필요하다. 그러나 Mn량이 3.00％보다도 많으면, 저온 인성을 손상시키는 경우가 있으므로, 3.00％를 상한으로 한다. 강도와 저온 인성의 밸런스를 향상시키기 위해 바람직한 Mn량의 범위는, 1.50 내지 2.40％이다.

P 및 S는 불순물이며, 과잉으로 함유하면 인성이 저하되어, 용접성이 저하된다. 따라서, P 및 S의 함유량의 상한은, 각각 0.020％ 및 0.0080％로 한다. P 및 S의 함유량은, 인성을 확보하기 위해 첨가량이 적은 쪽이 바람직하고, 각각 0.015％ 이하 및 0.0050％ 이하가 보다 바람직하다. P 및 S는 함유하지 않는 것이 바람직하므로, 하한값은 규정하지 않는다. 단, P 및 S의 함유량을 0.0010％ 미만으로 하면 제조 비용이 증대되므로, 0.0010％를 하한으로 하는 것이 바람직하다.

Al은 강력한 탈산 원소로, 탈산의 비용의 관점에서, 0.010％ 초과를 첨가한다. Al을 과잉으로 첨가하면 조대한 Al 산화물이 생성되어, 저온 인성이 떨어지므로, 상한을 0.050％로 제한한다. 인성을 높이기 위해서는, Al량의 상한을 0.035％로 하는 것이 보다 바람직하다.

N은 불순물이며, 0.0080％를 초과하면, 조대한 TiN이 생성되어, 인성이 저하되므로 상한을 0.0080％로 제한한다. N의 함유량은, 0.0060％ 미만이 바람직하고, 0.0050％ 이하이면 더욱 바람직하다. N은 함유하지 않는 것이 바람직하므로, 하한은 특별히 규정하지 않는다. 단, N의 함유량을 0.0010％ 미만으로 하면 제조 비용이 증대되므로, 0.0010％를 하한으로 하는 것이 바람직하다.

O는 0.0050％를 초과하여 함유하면, 조대한 산화물이 생성되어, 저온 인성을 손상시키므로, 상한을 0.0050％로 한다. O는 함유하지 않는 것이 바람직하므로, 하한은 특별히 규정하지 않는다. 단, O의 함유량을 0.0010％ 미만으로 하면 제조 비용이 증대되므로, 0.0010％를 하한으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강에는, B을 더 첨가해도 좋다. B는, 켄칭성을 높여, 강의 강인화에 기여하는 원소이다. 그 효과를 얻기 위해서는, 0.0001％ 이상의 B를 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, B의 첨가량이 0.0030％보다 많으면 BN 등의 석출물을 발생시켜, 켄칭성이 저하되는 경우가 있다. 보다 바람직한 B량의 범위는, 0.0010 내지 0.0020％이다.

또한, Ni, Cu, Mo 중 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋다. 이들은, 켄칭성을 높이는 원소로, 본 발명의 강의 강인화에 기여한다.

Ni는, 저온 인성을 떨어뜨리는 일 없이 강도를 향상시키는 원소이기도 하며, 첨가의 효과를 얻기 위해서는 0.05％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 1.00％를 초과하여 Ni를 첨가하면, 편석되어 조직이 불균일해져, 인성이 떨어지는 일이 있으므로, Ni량의 상한은 1.00％로 하는 것이 바람직하다. Ni의 첨가량은 0.80％ 미만이 바람직하고, 0.50％ 이하가 보다 바람직하다. 더욱 바람직한 범위는, 0.25 내지 0.45％이다.

Cu 및 Mo는, 강도를 향상시키는 효과를 얻기 위해, 각각 0.05％ 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. Cu 및 Mo는, 첨가량이 각각 1.00％ 및 1.50％를 초과하면 용접성을 손상시키는 경우가 있다. 또한, Cu를 단독으로 첨가하면 표면 흠집이 발생하는 경우가 있으므로, Cu는 Ni와 동시에 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, Ti, Nb, V 중 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋다. 이들은, 석출 강화에 의해 강의 강도를 향상시키는 원소이다.

Ti는, 강을 석출 강화시키기 위해, 0.005％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 또한, 불순물인 N을 고정하고, 인성을 높이기 위해서는, 0.010％ 이상의 Ti를 첨가하는 것이 바람직하다. Ti량이, 0.050％를 초과하면, 조대한 Ti 산화물의 석출에 의해 인성이 저하되는 경우가 있으므로, 상한을 0.050％로 하는 것이 바람직하다. 또한, TiN의 조대화를 방지하여 저온 인성을 향상시키기 위해서는, Ti량의 상한을 0.035％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Nb는, 탄화물, 질화물 등의 석출물을 생성하여, 압연시의 오스테나이트의 재결정을 억제하여 조직을 미세화할 뿐만 아니라, 켄칭성을 증대시켜, 강의 강인화에 유효한 원소이다. Nb량이 0.050％를 초과하면, 조대한 Nb의 석출물이 생성되어, 인성이 떨어지는 경우가 있으므로 상한을 0.050％로 한다. Nb 첨가의 효과를 얻기 위해서는, 0.005％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

V는, 탄화물, 질화물을 생성하여, 석출 강화에 의해 강의 강도를 향상시키는 원소이며, 켄칭성을 높이는 효과도 갖는다. V량이 0.050％를 초과하면 탄화물, 질화물이 조대화되어 인성을 손상시키는 경우가 있으므로, V량의 상한을 0.050％로 하는 것이 바람직하다. V 첨가의 효과를 얻기 위해서는, 0.005％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다.

또한, Ca, Mg, REM 중 1종 또는 2종 이상을 첨가해도 좋다. 이들은, 개재물의 형상을 조정하여 가공성을 향상시키는 원소이며, 또한 황화물, 산화물 또는 황산화물로서 석출되어, 강관의 접합부의 경화를 방지하는 작용을 갖는다.

Ca, Mg 및 REM의 함유량은, 각각 0.0040％, 0.0010％ 및 0.005％를 초과하면, 개재물이 지나치게 많아져 연성이 떨어지므로, 상한을 각각 0.0040％, 0.0010％ 및 0.005％로 한다. 열간 가공성을 높이는 데에는, Ca, Mg 및 REM의 함유량의 하한을, 각각 0.0005％, 0.0005％ 및 0.0001％로 하는 것이 바람직하다.

상기한 원소의 잔량부는, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로서는, 스크랩으로부터 혼입되는 Sn, Bi 등을 들 수 있다. 또한, 탈산시에 필요에 따라서 첨가되는, Zr, Ta 등을, 본 발명의 특성을 손상시키지 않는 범위에서 함유해도 좋다.

본 발명의 시임리스 강관은, 상부 베이나이트의 생성을 억제하여, 인성을 개선한 점이 특징이다. 상부 베이나이트의 생성을 억제하기 위해서는, 강재의 켄칭성을 높이는 것이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 개개의 원소의 조성의 한정에 더하여, 또한 하기 수학식 1로 구해지는 β를, 2.50 내지 4.00의 범위로 한정한다. β는 강의 켄칭성의 지표이며, 수학식 1의 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

[수학식 1]

β가 2.50보다도 작아지면, 저온 인성이 떨어진다. 또한, β가 4.00을 초과하면, HAZ 인성, 용접성이 악화된다.

또한, 하기 수학식 2로 구해지는 Pcm을 0.15 내지 0.30으로 한정한다. 수학식 2의 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

[수학식 2]

Pcm이 0.15보다도 작아지면, 필요한 강도가 얻어지지 않게 되어, 더욱 용접성이 악화된다. Pcm이 0.30을 초과하면, 저온 인성이 열화되어, 더욱 용접성이 악화된다. 보다 바람직한 Pcm의 범위는, 0.20 초과 내지 0.30이다.

수학식 1, 수학식 2에 포함되는 선택 원소를 첨가하지 않을 때에는, 그 원소의 함유량은 0으로 하여 계산한다.

강관이 B를 함유할 때에는, 상기 수학식 1, 수학식 2 대신에, 하기 수학식 3, 수학식 4를 사용하여, β 및 Pcm을 구한다. 수학식 3 및 수학식 4의 원소 기호는, 각 원소의 함유량(질량％)을 나타낸다.

[수학식 3]

[수학식 4]

수학식 3, 수학식 4에 포함되는 선택 원소를 첨가하지 않을 때에는, 수학식 1, 수학식 2의 경우와 마찬가지로, 그 원소의 함유량은 0으로 하여 계산한다.

수학식 1 및 수학식 3에 의해 정의되는 β는, 강의 켄칭성에 미치는 각 원소의 영향을 가중한 경험식이다. 수학식 1과 수학식 3의 차이점은, Mo의 계수이다. 이것은, Mo를 단독으로 함유하는 경우와 비교하여, Mo와 B를 동시에 함유하는 경우는, 상승 효과에 의해 켄칭성을 향상시키는 Mo의 효과가 높아지는 것을 의미한다.

본 발명의 시임리스 강관의 금속 조직은, 플래쉬 마르텐사이트로 이루어진다. 플래쉬 마르텐사이트는, 라스상의 조직이며, 광학 현미경에 의한 관찰에서는 시멘타이트가 보이지 않는 점에서, 템퍼링 마르텐사이트나 베이나이트와는 다르다. 본 발명의 시임리스 강관은, 냉각 상태에서 제조되므로, 템퍼링 마르텐사이트는 포함되지 않는다. 또한, 본 발명의 시임리스 강관은, 인성을 저하시키는 상의 생성을 억제한 것이며, 상부 베이나이트도 포함되지 않는다.

플래쉬 마르텐사이트는, 냉각에 의해 오스테나이트가 변태된 조직이며, 구 오스테나이트의 입경이 클수록 인성이 저하된다. 그러나 시임리스 강관을 제조하는 경우, 일반적으로 강편의 가열 온도가 높아, 천공 및 압연에 의해 도입되는 누적 변형량을 확보할 수 없으므로, 구 오스테나이트를 미세하게 하는 것이 곤란하다.

본 발명에서는, 구 오스테나이트의 입경을 50㎛ 이상으로 한다. 이것은, QT 처리를 행하는 일 없이 구 오스테나이트의 입경을 50㎛ 미만으로 하기 위해서는, 저온에서 천공 및 압연을 행할 필요가 있어, 제조 비용이 높아지기 때문이다.

한편, 구 오스테나이트의 입경이 조대하면 인성이 저하되므로, 본 발명에서는, 인성을 확보하기 위해, 구 오스테나이트의 입경을 200㎛ 이하로 한다.

구 오스테나이트의 입경은, JIS G 0551에 준거하여 측정할 수 있다.

본 발명의 시임리스 강관은, 성분, 특히 켄칭성 지표 β 및 용접성 지표 Pcm을 적정한 범위로 함으로써, 금속 조직을 플래쉬 마르텐사이트로 하고, 구 오스테나이트의 입경을 50 내지 200㎛로 하는 것이다. 그리고 본 발명에 따르면, 특히 제조 비용이 상승하는 일 없이, 강도와 인성의 밸런스가 우수한 시임리스 강관을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 기계 구조용 시임리스 강관의 바람직한 특성은, 예를 들어 인장 강도가 780㎫ 이상, 더욱 바람직하게는 980㎫ 이상이고, 또한 -20℃에서의 샤르피 흡수 에너지가 100J 이상이다.

다음에, 본 발명의 시임리스 강관의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 강관은, 열간에서 약 1100 내지 1300℃에서 가열한 강편을 천공하고, 압연하여 제조되는 시임리스 강관이며, 시임리스 압연 후에 연신 공정을 거치는 경우도 있다. 결정립 미세화에 의한 고인성화의 관점에서는, 천공, 압연에 의해 누적 변형량을 증가시키는 것이 바람직하다.

시임리스 압연 후, 필요에 따라서, 마관(磨管), 정형 공정을 거쳐, 그 후, 소정의 온도까지 재가열한다. 또한, 재가열 전에, 강관의 온도가 600℃ 미만으로 되면, 부분적으로 변태가 발생하여, 재가열 후, 이상 입성장에 의해, 국소적으로 조대한 결정립을 발생시키는 경우가 있다. 또한, 재가열 전의 냉각시에 석출물을 발생시켜, 켄칭성을 높이는 원소의 고용량이 감소하여 켄칭성이 저하되는 경우가 있으므로, 강관의 온도를 600℃ 미만으로 하는 일 없이 재가열하는 것이 바람직하다.

재가열 후, 필요에 따라서 교축 압연을 실시하고, 강관을 가속 냉각한다. 가속 냉각을 개시할 때의 강관의 온도는, 지나치게 높으면 오스테나이트립이 조대화되어, 인성이 저하되는 경우가 있으므로, 950℃ 이하로 하고, 900℃ 이하가 바람직하다. 또한, 결정립계로부터의 페라이트 변태를 억제하기 위해, 가속 냉각을 개시할 때의 강관의 온도는 750℃ 이상으로 한다.

가속 냉각의 냉각 지나치게 속도가 느리면, 상부 베이나이트가 생성된다. 상부 베이나이트는, 비교적 고온에서 발생하는 베이나이트이며, 국부적인 취화 상인 섬 형상 마르텐사이트를 많이 함유하므로, 인성의 저하를 초래한다. 또한, 냉각 속도가 지나치게 빠르면, 균일한 냉각이 곤란해져, 냉각 후, 강관이 크게 변형되는 원인으로 된다. 따라서, 가속 냉각의 속도는 10 내지 50℃/초로 한다. 가속 냉각의 속도라 함은, 가속 냉각의 개시로부터 냉각 정지까지의, 평균 냉각 속도를 말한다.

냉각 정지 온도가 지나치게 높아도 상부 베이나이트가 생성되는 경우가 있어, 400℃ 이하에서 가속 냉각을 정지하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 250℃ 이하이다.

냉각 방법은, 물을 강관의 외표면에 직접 닿게 하는 방법, 강관 외주의 접선 방향에 닿게 하는 방법, 미스트 냉각 등으로부터 임의로 선정할 수 있다.

본 발명의 성분 조성을 갖는 강관을, 적절한 냉각 속도로 가속 냉각함으로써, 상부 베이나이트의 생성이 억제된, 플래쉬 마르텐사이트로 이루어지는 금속 조직이 얻어진다. 또한, 본 발명의 성분 조성을 갖는 강관은, 구 오스테나이트의 입경이 50 내지 200㎛이므로, 압연 온도를 낮게 하거나, 입내 변태를 활용할 필요가 없다. 따라서, 본 발명에 따르면, 비용을 상승시키는 일 없이, 강도 및 인성이 우수한 강관을 제조하는 것이 가능하다.

실시예

표 1에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 용제하고, 전로, 연속 주조 프로세스에 의해 직경 100 내지 170㎜의 강편을 주조하였다. 이들 강편을 1100 내지 1250℃로 가열하고, 만네스만-플러그밀 방식에 의해 천공, 압연하여, 900 내지 1000℃로 재가열 후, 표 2에 나타내는 조건으로 가속 냉각을 행하였다. 가속 냉각은, 물을 강관의 외표면에 직접 닿게 하는 방법에 의해 행하였다. 제조 후, 강관의 표면 흠집의 유무를 육안으로 확인하였다.

[표 1]

[표 2]

제조한 강관의 사이즈는, 표 2에 나타낸 바와 같다. 제조한 강관의 길이 방향 및 두께 방향의 중앙부 근방으로부터 시료를 채취하여, 광학 현미경을 사용하여 금속 조직을 관찰하고, 금속 조직을, 플래쉬 마르텐사이트, 상부 베이나이트, 하부 베이나이트, 펄라이트, 페라이트로 분류하였다. 또한, 구 오스테나이트의 입경은, JIS G 0551에 준거하여 측정하였다.

구 오스테나이트의 입경이라 함은, 마르텐사이트로 변태되기 전의 조직(고온에서의 조직)의 입경을 말한다. 구 오스테나이트의 입경은, 마르텐사이트로 변태된 후에도 변화되지 않으므로, 변태 후라도 측정 가능하다.

인장 시험은 원호 형상의 JIS 12호 인장 시험편을 사용하여 행하여, 항복 강도와 인장 강도를 측정하였다. 인성의 평가는, JIS Z 2242에 준거하여, 2㎜ V 노치 풀 사이즈 시험편을 사용하여, -20℃에서 샤르피 시험을 실시하고, 흡수 에너지를 측정하였다.

표 3에 결과를 나타낸다.

[표 3]

○ : 표면 흠집 없음 × : 표면 흠집 있음

M : 플래쉬 마르텐사이트, BL : 하부 베이나이트, BU: 상부 베이나이트,

P : 펄라이트, F : 페라이트

밑줄은 본 발명의 범위 밖인 것을 의미한다.

본 발명에서 규정하는 성분 조성, β 및 Pcm을 만족시키는 강 A 내지 I를 사용하여, 본 발명에서 규정하는 제조 방법으로 제조한 강관은, 조직이 플래쉬 마르텐사이트이고, 구 오스테나이트의 입경이 50 내지 200㎛로 된다.

그 결과, 기계 구조용 강관으로서 필요한 강도를 갖고, 또한 샤르피 충격 시험의 -20℃에 있어서의 흡수 에너지(vE－20)가 115J 이상으로 높은 값을 나타내고 있고, 인성도 우수하다.

강 G를 사용하여, 본 발명의 범위 내에서 냉각 개시 온도나 냉각 속도를 변화시켜 제조한 강관(No.7, 10 내지 13)은, 모두 적정한 금속 조직을 갖고, 또한 기계 구조용 강관으로서 필요한 강도를 갖는다. 또한, 샤르피 충격 시험 -20℃에 있어서의 흡수 에너지(vE-20)가 115J 이상으로 높은 값을 나타내고 있고, 인성도 우수하다.

No.14는, Cr을 함유하므로, 시임리스 압연에 의해 강관에 표면 흠집이 발생하였다.

No.15는, C가 본 발명에서 규정하는 하한을 하회하고 있고, β가 2.29로 켄칭성이 떨어져 있다. 그로 인해, 가속 냉각 후의 금속 조직은 상부 베이나이트와 하부 베이나이트로 되어, 그 결과, 강도가 약하고, 인성도 떨어져 있다.

No.16은, B가 본 발명에서 규정하는 상한을 초과하고 있고, β가 2.11로 켄칭성이 떨어져 있다. 가속 냉각 후의 금속 조직은 상부 베이나이트와 펄라이트로 되어, 그 결과, 강도가 약하고, 인성도 떨어져 있다.

No.17은, C가 본 발명에서 규정하는 상한을 초과하고 있으므로, 가속 냉각 후의 금속 조직은 플래쉬 마르텐사이트이지만, 강도가 지나치게 높아져, 인성이 저하되었다.

No.18은, 개개의 원소의 조성은 본 발명의 범위 내이지만, β가 4.01로 크다. 그 결과, 가속 냉각 후의 금속 조직은 플래쉬 마르텐사이트이지만, 강도가 지나치게 높아져, 인성이 저하되었다.

No.19는, 성분 조성, β 및 Pcm이 본 발명의 범위 내인 강 G를 사용하여 제조한 강관이지만, 냉각 개시 온도가 높으므로, 금속 조직이 상부 베이나이트와 페라이트로 되어, 강도가 약하고, 인성도 떨어져 있다.

No.20은, 강 G를 사용하여 제조한 강관이지만, 냉각 개시 온도가 높으므로, 구 오스테나이트의 평균 입경이 커지고, 그 결과, 인성이 저하되었다.

No.21은, 강 G를 사용하여 제조한 강관이지만, 냉각 속도가 느리므로, 금속 조직이 펄라이트와 페라이트로 되고, 또한 구 오스테나이트의 평균 입경이 작아져, 그 결과, 강도가 약하고, 인성도 약간 떨어져 있다.

이상 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 성분 조성, β 및 Pcm을 만족시키는 강을, 본 발명의 제조 방법으로 제조함으로써, QT 강관과 동등한 인성을 갖는, QT 처리를 실시하지 않는 가속 냉각 상태의 강관을 제조하는 것이 가능해진다.

본 발명에 따르면, 특히 실린더, 부시, 붐 등의 구조 부재 및 샤프트 등의 기계용 부재에 적합한, QT 강관과 동등하거나 또는 동등 이상의 인성을 갖는 시임리스 강관을, 저비용으로 제조하는 것이 가능해지므로, 자동차 산업, 기계 산업 등에의 공헌이 크다.

Claims

질량％로,
C :0.03 내지 0.20％,
Si:0.01 내지 0.50％,
Mn:0.80 내지 3.00％,
Al:0.010％ 초과, 0.050％ 이하
를 함유하고,
P :0.020％ 이하,
S :0.0080％ 이하,
N :0.0080％ 이하,
O :0.0050％ 이하
로 제한하고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 수학식 1에 의해 구해지는 β가 2.50 내지 4.00, 하기 수학식 2에 의해 구해지는 Pcm이 0.15 내지 0.30이고, 조직이 플래쉬 마르텐사이트로 이루어지고, 구 오스테나이트의 입경이 50 내지 200㎛인 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.
[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Mo, V는 각 원소의 함유량 [질량％]임.
제1항에 있어서, 상기 강관이, 질량％로,
B :0.0001 내지 0.0030％
를 더 함유하고, 상기 수학식 1 대신에 하기 수학식 3에 의해 구해지는 β가 2.50 내지 4.00, 상기 수학식 2 대신에 하기 수학식 4에 의해 구해지는 Pcm이 0.15 내지 0.30인 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.
[수학식 3]

[수학식 4]

여기서, C, Si, Mn, Ni, Cu, Mo, V, B는 각 원소의 함유량 [질량％]임.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 강관이, 질량％로,
Ni:1.00％ 이하,
Cu:1.00％ 이하,
Mo:1.50％ 이하
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강관이, 질량％로,
Ti:0.050％ 이하,
Nb:0.050％ 이하,
V :0.050％ 이하
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강관이, 질량％로,
Ca:0.0040％ 이하,
Mg:0.0010％ 이하,
REM:0.005％ 이하
중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 기계 구조용 고강도 시임리스 강관의 제조 방법이며,
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 성분을 갖는 강을 시임리스 압연하고, 그 후,
개시 온도 750 내지 950℃에서, 냉각 속도가 10 내지 50℃/초인 가속 냉각을 실시하는 것을 특징으로 하는, 인성이 우수한 기계 구조용 고강도 시임리스 강관의 제조 방법.