KR20140075955A

KR20140075955A - 1700 ＭＰａ 이상의 강도 영역을 포함하는 다중 조직을 가지는 열간 성형 강재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140075955A
Application number: KR1020120143745A
Authority: KR
Inventors: 박성필; 백승철
Original assignee: 현대하이스코 주식회사
Priority date: 2012-12-11
Filing date: 2012-12-11
Publication date: 2014-06-20

Abstract

본 발명은, 강성 확보와 충격 흡수를 동시에 구현하는 열간 성형 강관의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법은, 탄소를 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위로 포함하는 강관을 가열하는 단계; 서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계; 및 상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 강관을 열간 성형하는 단계;를 포함한다.

Description

차등 냉각에 의한 다중 조직을 가지는 열간 성형 강관 및 그 제조 방법{Hot forming steel pipe having multi-microstructure due to different cooling and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 강재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 차등 냉각에 의한 다중 조직을 가지는 열간 성형 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

열간 성형은 강관을 고온으로 가열한 후에 금형을 이용하여 성형함과 동시에 금형에 냉각 효과를 주어 강관의 온도를 급격하게 낮추는 ?칭 효과를 통하여 강관을 성형 전에 비하여 2배 이상의 강도를 가지게 하는 방법이다.

그러나, 이와 같은 열간 성형에 의하여 제조된 강관은 전체적으로 고강도가 유지되므로, 차량에의 적용시 차량 충돌에 의한 변형이 억제되므로 충돌 에너지 흡수가 일어나기 어려워진다. 따라서, 차량 충돌이 발생하는 경우, 승객은 충돌에 의한 외부 충격에 의하여 큰 상해를 입는 한계가 있다. 따라서, 강성 확보와 충격 흡수의 두 가지 목적을 동시에 달성할 수 있는 강관에 대한 요구가 있다.

1. 한국공개특허 제10-2012-0016777호 2. 한국공개특허 제10-2011-0062428호

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 강성 확보와 충격 흡수를 동시에 구현하는 열간 성형 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 강성 확보와 충격 흡수를 동시에 구현하는 열간 성형 강관을 제공하는 것이다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법은, 탄소를 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위로 포함하는 강관을 가열하는 단계; 서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계; 및 상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 강관을 열간 성형하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 열간 성형하는 단계는, 상기 금형 내에 형성된 냉각 유로를 통하여 공급된 상기 냉각 유체를 상기 금형으로부터 상기 강관의 일부에 직접적으로 분사하여, 상기 강관의 일부를 급냉시켜 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 열간 성형하는 단계는, 상기 강관의 일부에 마르텐사이트 변태를 발생시키는 온도로 유지된 상기 금형의 일부를 접촉시켜, 상기 강관의 일부에 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 열간 성형하는 단계는, 상기 강관의 일부는 상기 금형의 상기 서냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 방지될 수 있다. 상기 강관의 다른 일부는 상기 금형의 상기 급냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 발생할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 냉각 유체는 0℃ 내지 100℃ 범위의 물을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가열하는 단계는 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 상기 강관을 가열할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관은, 0.10 wt% 내지 0.25 wt% 범위의 실리콘(Si), 1.00 wt% 내지 1.60 wt% 범위의 망간(Mn), 0.001 wt% 내지 0.03 wt% 범위의 인(P), 0.001 wt% 내지 0.02 wt% 범위의 황(S), 및 0.001 wt% 내지 0.005 wt% 범위의 보론(B)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관은, 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 크롬(Cr), 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 몰리브덴(Mo), 및 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법은, 탄소를 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위로 포함하는 강판을 준비하는 단계; 상기 강판을 블랙다운 롤을 이용하여 반원형 강재로 성형하는 단계; 상기 반원형 강재를 핀 패스 롤을 이용하여 정원형 강재로 성형하는 단계; 상기 정원형 강재를 스퀴즈 롤을 이용하여 용접하여 접합하여 강관을 형성하는 단계; 상기 강관을 절단하여 개별화된 강관을 형성하는 단계; 상기 개별화된 강관을 가열하는 단계; 서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 개별화된 강관을 삽입하는 단계; 및 상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 개별화된 강관을 열간 성형하는 단계;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 성형 강관은, 상술한 방법을 이용하여 형성한 열간 성형 강관으로서, 상기 열간 성형 강관은 탄소를 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위로 포함하고, 상기 열간 성형 강관에서, 상기 금형의 상기 서냉 영역에 의하여 서냉된 부분은 800 MPa 내지 900 MPa의 강도 및 11% 내지 15%의 연신율을 가지고, 상기 열간 성형 강관에서, 상기 금형의 상기 급냉 영역에 의하여 급냉된 부분은 1700 MPa 내지 1900 MPa의 강도 및 7% 내지 8%의 연신율을 가질 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법은, 서냉 영역과 급냉 영역을 가지는 금형을 이용하고 냉각 유체를 강관에 직접적으로 분사하여 강관의 열간 성형을 수행한다. 따라서, 동일한 열간 성형 공정에서 급냉에 의한 강화 영역과 서냉에 의한 연화 영역을 동시에 형성할 수 있다. 이러한 강관은 강화 영역에 의한 강성 확보와 연화 영역에 의한 충격 흡수를 동시에 구현할 수 있다.

상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 성형 강관의 제조 방법을 공정 단계에 따라 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 성형 강관의 제조 방법에 의하여 형성된 열간 성형 강관의 미세 구조를 설명하기 위한 철-탄소 상태도이다.
도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관 제조 방법에 의하여 제조된 강관이 적용되는 부품을 나타내는 개략도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

본 명세서에서는 본 발명의 기술적 사상에 적용되는 강재의 예로서 강관(steel pipe)에 대하여 설명하기로 한다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 형상의 강재에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법(S1)을 도시하는 흐름도이다. 도 1의 제조 방법의 공정 단계들의 순서는 예시적이며, 다른 순서로 수행되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

도 1을 참조하면, 열간 성형 강관의 제조 방법(S1)은 판상의 원재료로부터 강관을 형성하는 여러 단계들을 포함할 수 있다. 구체적으로, 강관의 제조 방법(S1)은 원재료로서 강판을 준비하는 단계(S2), 상기 강판을 블랙다운 롤을 이용하여 반원형 강재로 성형하는 단계(S3), 상기 반원형 강재를 핀 패스 롤을 이용하여 정원형 강재로 성형하는 단계(S4), 상기 정원형 강재를 스퀴즈 롤을 이용하여 용접하여 접합하여 강관을 형성하는 단계(S5), 상기 강관을 절단하여 개별화된 강관을 형성하는 단계(S6) 및 상기 개별화된 강관을 열간 성형하는 단계(S7)를 포함한다.

원재료인 상기 강판은 열연 공정이 수행되어 권취된 열연 코일일 수 있다. 또는 상기 강판은 개별화된 강판일 수 있다. 상기 강판의 두께는 다양하게 변화할 수 있다. 상기 강판은 여러 단계의 성형에 의하여 강관으로 성형될 수 있으며, 예를 들어 롤 포밍(roll forming) 방법을 이용할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 방법에 의하여 강판을 강관으로 성형할 수 있다.

상기 강관은 원재료인 상기 강판과 동일한 합금으로 구성될 수 있다. 상기 강관은 매트릭스가 철로 구성된 철 합금으로 구성될 수 있고, 여러 가지 합금 원소를 포함할 수 있다.

상기 강판을 준비하는 단계(S2)에서는, 예를 들어 열연 공정을 마친 판형의 형상을 가지고 코일로서 권취된 열연 코일을 준비한다. 상기 강판은 도 1에 도시된 바와 같이 직사각형 단면(2)을 가질 수 있다.

상기 강판을 블랙다운 롤을 이용하여 반원형 강재로 성형하는 단계(S3)는, 상기 강판을 블랙다운 롤 사이에 통과시켜 압연하여, 반원형 강재로 성형한다. 상기 반원형 강재는 도 1에 도시된 바와 같이 반원형 단면(3)을 가질 수 있다.

상기 반원형 강재를 핀 패스 롤을 이용하여 정원형 강재로 성형하는 단계(S4)는 상기 반원형 강재를 핀 패스 롤 사이에 통과시켜 압연하여, 정원형 강재로 성형한다. 상기 정원형 강재는 도 1에 도시된 바와 같이 정원형 단면(4)을 가질 수 있다. 상기 단면의 실선은 정원형 강재의 양단부의 접촉 지점을 나타낸다.

상기 정원형 강재를 스퀴즈 롤을 이용하여 용접하여 접합하여 강관을 형성하는 단계(S5)는 상기 정원형 강재를 스퀴즈 롤 사이를 통과시키면서 상기 접촉 지점을 용접하여 접합시켜 강관을 형성할 수 있다. 이와 같은 용접에 의하여 형성된 강관은 도 1에 도시된 바와 같이 정원형 단면(5)을 가질 수 있다. 상기 용접은 다양한 방식으로 수행될 수 있고, 예를 들어 유도 코일 방식을 이용하는 ERW(electric resistance welding) 또는 가스 용접 방식을 이용하는 TIG(tungsten inert gas welding)을 이용할 수 있다. 상기 정원형 강재가 상기 스퀴즈 롤을 통과하기 전에 유도 코일에 의하여 국부적으로 가열될 수 있다. 이러한 가열은 상기 스퀴즈 롤에 의한 용접시 상기 정원형 강재에 야기될 수 있는 열충격을 완화시킬 수 있다. 상기 용접 단계를 수행한 후에, 상기 강관은 물과 같은 액체를 이용하여 냉각되거나 또는 공기를 이용하여 냉각될 수 있다.

상기 강관을 절단하여 개별화된 강관을 형성하는 단계(S6)에서는, 프레스 장치, 용접 장치, 또는 절단기들을 이용하여 상기 강관을 원하는 길이로 절단하여 상기 개별화된 강관을 형성한다.

상기 개별화된 강관을 열간 성형하는 단계(S7)에서는, 상기 개별화된 강관을 열간 성형용 금형에 삽입하고 가압함으로써, 상기 개별화된 강관을 원하는 형상으로 열간 성형한다. 상기 열간 성형하는 단계는 상기 개별화된 강관을 미리 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 열간 성형하는 단계는 상기 개별화된 강관을 영역에 따라 다른 온도에서 가압 성형하여 다른 냉각 속도에 의하여 형성된 다른 조직을 가지도록 수행될 수 있다.

강판을 준비하는 단계(S2) 내지 상기 개별화된 강관을 열간 성형하는 단계(S7)는 연속 공정에 의하여 수행되거나 또는 단속 공정에 의하여 수행될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 성형 강관의 제조 방법(S10)을 도시하는 흐름도이다. 도 2의 흐름도는 도 1의 강관의 제조 방법(S1)에서 강관을 열간 성형하는 단계(S7)에 상응할 수 있다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 성형 강관의 제조 방법(S10)을 공정 단계에 따라 도시한 개략도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 성형 강관의 제조 방법(S10)에 의하여 형성된 열간 성형 강관의 미세 구조를 설명하기 위한 철-탄소 상태도이다.

도 2를 참조하면, 상기 열간 성형 강관의 제조 방법(S10)은, 강관을 가열하는 단계(S20), 서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계(S30), 및 상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 강관을 열간 성형하는 단계(S40);를 포함한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 강관을 가열하는 단계(S20)는 강관(10)을 가열로(heating furnace) 등에서 가열한다. 상기 가열은 공기 분위기, 불활성 가스 분위기, 또는 진공 분위기에서 수행될 수 있다.

강관(10)은 도 1의 방법에 의하여 형성한 강관일 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 형상의 금속 제품에 적용될 수 있다. 예를 들어, 강관(10)을 대신하여 강판(steel plate)이 적용될 수 있다.

강관(10)은 철을 매트릭스로 포함하고, 다양한 원소가 합금화된 물질일 수 있다. 강관(10)은, 예를 들어 약 0.28 wt% (중량비) 내지 약 0.32 wt% 범위의 탄소(C), 약 0.10 wt% 내지 약 0.25 wt% 범위의 실리콘(Si), 약 1.00 wt% 내지 약 1.60 wt% 범위의 망간(Mn), 약 0.001 wt% 내지 약 0.03 wt% 범위의 인(P), 약 0.001 wt% 내지 약 0.02 wt% 범위의 황(S), 및 약 0.001 wt% 내지 약 0.005 wt% 범위의 보론(B)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 강관(10)은 망간(Mn)/실리콘(Si)이 6 내지 9의 범위를 가지도록 망간(Mn)과 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우에는 망간(Mn)과 실리콘(Si)에 의한 고융점 산화물이 발생될 수 있다.

또한, 강관(10)은 약 0.001 wt% 내지 약 0.05 wt% 범위의 크롬(Cr), 약 0.001 wt% 내지 약 0.05 wt% 범위의 몰리브덴(Mo), 및 약 0.001 wt% 내지 약 0.05 wt% 범위의 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 또한, 강관(10)은 약 0.001 wt% 내지 약 0.01 wt% 범위의 크롬(Cr), 약 0.001 wt% 내지 약 0.01 wt% 범위의 몰리브덴(Mo), 및 약 0.001 wt% 내지 약 0.01 wt% 범위의 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다. 이러한 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni)은 열간 성형 시에 강관(10)의 열간 성형 특성을 향상시키는 기능을 수행할 수 있다.

강관(10)은 오스테나이트(Austenite, γ-Fe)가 형성되는 온도 이상으로 가열될 수 있고, 이러한 가열에 의하여 강관(10)은 오스테나이트 미세 구조를 가질 수 있다. 오스테나이트 형성온도는 도 7의 A3 온도선 이상의 온도이며, 상기 A3 온도선은 탄소 및 기타 원소의 조성에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 강관(10)이 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위의 탄소(C)를 포함하는 경우에는, 약 770℃ 내지 850℃ 범위에서 오스테나이트 형성온도를 가질 수 있다. 따라서, 강관(10)은 오스테나이트 변태를 충분하게 발생시키기 위하여, 약 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 가열될 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계(S30)는 금형(20) 내에 가열된 강관(10)을 삽입한다. 금형(20)은 서냉 영역과 급냉 영역을 가질 수 있다. 또한, 금형(20)은 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사될 수 있다.

이하에서는, 강관(10)에 차등 냉각을 제공하는 금형(20)에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

금형(20)은 원하는 성형 형상을 형성할 수 있는 한 쌍의 금형으로 구성되고, 구체적으로 상부 금형(30)과 하부 금형(60)을 포함하여 구성될 수 있다.

상부 금형(30)은 상부 기저 부재(32)를 포함할 수 있고, 또한 상부 기저 부재(32) 상에 설치된 상부 서냉 금형 부재(40) 및 상부 급냉 금형 부재(50)를 포함할 수 있다. 상부 금형(30)이 상부 서냉 금형 부재(40) 및 상부 급냉 금형 부재(50)로 구성됨에 따라, 강관(10)의 일부를 급냉하고 다른 일부를 서냉하는 차등 냉각을 제공할 수 있다.

상부 서냉 금형 부재(40)는 강관(10)이 서냉되는 서냉 영역을 제공할 수 있고, 이에 따라 상부 서냉 금형 부재(40)와 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태를 방지할 수 있다.

상부 서냉 금형 부재(40)는 상부 가열 요소(42)를 포함할 수 있다. 상부 가열 요소(42)는 열선이나 세라믹 히터로 구성될 수 있다. 상부 가열 요소(42)는 상부 서냉 금형 부재(40)를 원하는 온도로 가열할 수 있고, 예를 들어 강관(10)의 마르텐사이트 변태개시온도보다 높은 온도로 상부 서냉 금형 부재(40)를 가열하여 유지시킬 수 있다. 상부 가열 요소(42)는 상부 서냉 금형 부재(40)를, 예를 들어 약 400℃ 이상의 온도로 가열할 수 있다. 예를 들어, 상부 가열 요소(42)는 상부 서냉 금형 부재(40)를 약 400℃ 내지 약 450℃ 범위의 온도로 유지시킬 수 있다. 또한, 대안적으로 상부 가열 요소(42)는 상부 서냉 금형 부재(40)를 약 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 가열할 수 있는 온도를 제공한 후, 상부 서냉 금형 부재(40)와 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 냉각 속도로 상부 서냉 금형 부재(40)를 냉각시키는 온도 프로파일을 제공할 수 있다.

상부 서냉 금형 부재(40)는 강관(10)과 접촉하는 표면에 강관(10)을 열간성형하는 성형 표면(48)을 가질 수 있다. 성형 표면(48)은 원하는 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

반면, 상부 급냉 금형 부재(50)는 강관(10)이 급냉되는 급냉 영역을 제공할 수 있고, 이에 따라 상부 급냉 금형 부재(50)와 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

상부 급냉 금형 부재(50)는 상부 냉각 요소(52)를 포함할 수 있다. 상부 냉각 요소(52)는 냉각수 또는 냉각 기체가 유동하는 냉각수 유로로 구성되거나, 또는 전기적 방법에 의하여 냉각을 제공하는 냉각 매체일 수 있다. 상부 냉각 요소(52)는 상부 급냉 금형 부재(50)를 원하는 온도로 냉각시킬 수 있고, 예를 들어 강관(10)의 마르텐사이트 변태개시온도 보다 낮은 온도로 상부 급냉 금형 부재(50)를 냉각하여 유지시킬 수 있다. 상부 냉각 요소(52)는 상부 급냉 금형 부재(50)를, 예를 들어 상부 서냉 금형 부재(40)를 예를 들어 약 400℃ 이하의 온도, 예를 들어 상온(약 25℃)으로 냉각시킬 수 있다. 또한, 상부 냉각 요소(52)는 선택적이며(optional) 생략될 수 있다.

상부 급냉 금형 부재(50)는 강관(10)에 냉각 유체를 분사하여 강관(10)을 급냉하는 상부 냉각 유체 노즐(54)을 포함할 수 있다. 상부 냉각 유체 노즐(54)은 상부 급냉 금형 부재(50)의 성형 표면(58)에 노출될 수 있다. 상부 냉각 유체 노즐(54)의 개수와 배열은 다양하게 변화할 수 있다.

상기 냉각 유체는 상부 냉각 유체 노즐(54)로부터 강관(10)에 직접적으로 분사되어 강관(10)을 급냉시킬 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체 또는 기체일 수 있다. 예를 들어, 상기 냉각 유체는 물을 포함할 수 있고, 약 0℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 또한, 상기 냉각 유체는 공기, 질소 수증기 등의 기체일 수 있고 약 -100℃ 내지 약 400℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 또한, 상기 냉각 유체는 액상화된 기체, 예를 들어 액체 질소를 포함할 수 있다.

상부 냉각 유체 노즐(54)은 상부 냉각 유로(56)와 연결될 수 있고, 상부 냉각 유로(56)는 냉각 유체 저장소(미도시)와 연결되어 상부 냉각 유체 노즐(54)에 상기 냉각 유체를 공급할 수 있다. 또한, 상부 냉각 유체 노즐(54)와 상부 냉각 유로(56)는 상부 급냉 금형 부재(50)를 냉각시킬 수 있다.

또한, 상부 급냉 금형 부재(50)는 강관(10)과 접촉하는 표면에 강관(10)을 성형하는 성형 표면(58)을 가질 수 있다. 성형 표면(58)은 원하는 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 성형 표면(58)은 성형 표면(48)에 비하여 온도가 낮으므로, 성형 표면(58)에 의한 강관(10)의 성형은 성형 표면(48)에 의한 강관(10)의 성형에 비하여 제한될 수 있다.

상부 서냉 금형 부재(40)와 상부 급냉 금형 부재(50)는 서로 다른 온도를 가지므로, 상호간의 열전달을 최소화하기 위하여, 상부 서냉 금형 부재(40)와 상부 급냉 금형 부재(50)를 이격하는 홈(34)이 배치될 수 있다.

도 4에서는 상부 급냉 금형 부재(50)가 중앙에 위치하고, 상부 급냉 금형 부재(50)의 양 단부에 상부 서냉 금형 부재(40)가 위치하는 배열에 대하여 도시되어 있으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상부 서냉 금형 부재(40)가 중앙에 위치하고 양 단부에 상부 급냉 금형 부재(50)가 위치하는 배열도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 예를 들어 일 단부에 상부 서냉 금형 부재(40)가 위치하고 타단부에 상부 급냉 금형 부재(50)가 위치하는 배열도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다. 또한, 복수의 상부 서냉 금형 부재(40)와 복수의 상부 급냉 금형 부재(50)가 다양한 순서로 배열되는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

하부 금형(60)은 하부 기저 부재(62)를 포함할 수 있고, 또한 하부 기저 부재(62) 상에 설치된 하부 서냉 금형 부재(70) 및 하부 급냉 금형 부재(80)를 포함할 수 있다. 하부 금형(60)이 하부 서냉 금형 부재(70) 및 하부 급냉 금형 부재(80)로 구성됨에 따라, 강관(10)의 일부를 급냉하고 다른 일부를 서냉하는 차등 냉각을 제공할 수 있다.

하부 서냉 금형 부재(70)는 강관(10)이 서냉되는 서냉 영역을 제공할 수 있고, 이에 따라 하부 서냉 금형 부재(70)와 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태를 방지할 수 있다.

하부 서냉 금형 부재(70)는 하부 가열 요소(72)를 포함할 수 있다. 하부 가열 요소(72)는 하부 서냉 금형 부재(70)를 원하는 온도로 가열할 수 있다. 하부 가열 요소(72)는 상술한 상부 가열 요소(42)와 동일한 구성을 가질 수 있고, 동일한 기능을 수행할 수 있다.

하부 서냉 금형 부재(70)는 강관(10)과 접촉하는 표면에 강관(10)을 열간성형하는 성형 표면(78)을 가질 수 있다. 성형 표면(78)은 원하는 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

반면, 하부 급냉 금형 부재(80)는 강관(10)이 급냉되는 급냉 영역을 제공할 수 있고, 이에 따라 하부 급냉 금형 부재(80)와 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

하부 급냉 금형 부재(80)는 하부 냉각 요소(82)를 포함할 수 있다. 하부 냉각 요소(82)는 하부 급냉 금형 부재(80)를 원하는 온도로 냉각시킬 수 있다. 하부 냉각 요소(82)는 선택적이며(optional) 생략될 수 있다. 하부 냉각 요소(82)는 상술한 상부 냉각 요소(52)와 동일한 구성을 가질 수 있고, 동일한 기능을 수행할 수 있다.

하부 급냉 금형 부재(80)는 강관(10)에 냉각 유체를 분사하여 강관(10)을 급냉하는 하부 냉각 유체 노즐(84)을 포함할 수 있다. 하부 냉각 유체 노즐(84)은 하부 급냉 금형 부재(80)의 성형 표면(88)에 노출될 수 있다. 하부 냉각 유체 노즐(84)의 개수와 배열은 다양하게 변화할 수 있다. 상기 냉각 유체는 하부 냉각 유체 노즐(84)로부터 강관(10)에 직접적으로 분사되어 강관(10)을 급냉시킬 수 있다. 하부 냉각 유체 노즐(84)은 상술한 상부 냉각 유체 노즐(54)과 동일한 구성을 가질 수 있고, 동일한 기능을 수행할 수 있다.

하부 냉각 유체 노즐(84)은 하부 냉각 유로(86)와 연결될 수 있고, 하부 냉각 유로(86)는 냉각 유체 저장소(미도시)와 연결되어 하부 냉각 유체 노즐(84)에 상기 냉각 유체를 공급할 수 있다. 또한, 하부 냉각 유체 노즐(84)와 하부 냉각 유로(86)는 하부 급냉 금형 부재(80)를 냉각시킬 수 있다.

또한, 하부 급냉 금형 부재(80)는 강관(10)과 접촉하는 표면에 강관(10)을 성형하는 성형 표면(88)을 가질 수 있다. 성형 표면(88)은 원하는 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있다. 성형 표면(88)은 성형 표면(78)에 비하여 온도가 낮으므로, 성형 표면(88)에 의한 강관(10)의 성형은 성형 표면(78)에 의한 강관(10)의 성형에 비하여 제한될 수 있다.

하부 서냉 금형 부재(70)와 하부 급냉 금형 부재(80)는 서로 다른 온도를 가지므로, 상호간의 열전달을 최소화하기 위하여, 하부 서냉 금형 부재(70)와 하부 급냉 금형 부재(80)를 이격하는 홈(64)이 배치될 수 있다.

도 4에서는 하부 급냉 금형 부재(80)가 중앙에 위치하고, 하부 급냉 금형 부재(80)의 양 단부에 하부 서냉 금형 부재(70)가 위치하는 배열에 대하여 도시되어 있으나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 상기 강관을 열간 성형하는 단계(S40)는, 금형(20)을 강관(10)에 접촉시켜 압착한다. 또한, 동시에 상기 냉각 유체에 의하여 강관(10)을 차등 냉각하여, 강관(10)을 열간 성형한다.

강관(10)은 상부 금형(30)과 하부 금형(60)에 접촉할 수 있고, 압력을 받아 성형될 수 있다. 강관(10)의 일부는 금형(20)의 서냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 방지되고, 강관(10)의 다른 일부는 금형(20)의 급냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 발생할 수 있다.

강관(10)의 제1 영역(12)은 상부 서냉 금형 부재(40)와 하부 서냉 금형 부재(70) 사이에서 압착되어 서냉되면서 성형될 수 있다. 상부 서냉 금형 부재(40)와 하부 서냉 금형 부재(70)는 각각 상부 가열 요소(42) 및 하부 가열 요소(72)에 의하여 가열될 수 있고, 마르텐사이트의 형성을 방지하는 온도 이상으로 가열될 수 있다. 상부 서냉 금형 부재(40)와 하부 서냉 금형 부재(70)은, 예를 들어 약 400℃ 이상의 온도로 가열될 수 있고, 예를 들어 약 400℃ 내지 약 450℃ 범위의 온도로 유지될 수 있다.

이와 같은 서냉에 의하여, 강관(10)의 제1 영역(12)에서는 마르텐사이트(martensite) 변태가 억제될 수 있고, 강관(10)의 제1 영역(12)은 페라이트(ferrite) 구조 또는 페라이트 및 퍼얼라이트(pearlite) 혼합 구조를 가질 수 있다.

강관(10)의 제2 영역(14)은 상부 급냉 금형 부재(50)와 하부 급냉 금형 부재(80) 사이에서 압착되어 급냉되면서 성형될 수 있다. 강관(10)의 제2 영역(14)에 냉각 유체를 금형(20)으로부터 강관(10)으로 직접적으로 분사하여, 강관(10)의 제2 영역(14)을 급냉시켜 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다. 또한, 강관(10)의 제2 영역(14)에 마르텐사이트 변태를 발생시키는 온도로 유지된 금형(20)의 일부를 접촉시켜, 강관(10)의 제2 영역(14)에 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

상부 급냉 금형 부재(50)와 하부 급냉 금형 부재(80)는 상부 냉각 요소(52)와 하부 냉각 요소(82)에 의하여 냉각될 수 있고, 마르텐사이트 변태를 발생시키는 온도로 냉각되어 유지될 수 있다. 상부 급냉 금형 부재(50)와 하부 급냉 금형 부재(80)는, 예를 들어 약 400℃ 이하의 온도, 예를 들어 상온(약 25℃)으로 냉각시킬 수 있다. 상부 급냉 금형 부재(50)와 하부 급냉 금형 부재(80)가 냉각됨에 따라 강관(10)의 제2 영역(14)은 급냉될 수 있다.

또한, 상부 냉각 유체 노즐(54)과 하부 냉각 유체 노즐(84)로부터 냉각 유체를 강관(10)에 직접적으로 분사하여 강관(10)을 냉각시킬 수 있다. 상기 냉각 유체는 액체 또는 기체일 수 있고, 예를 들어 약 0℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도를 가지는 물을 포함할 수 있다.

이와 같은 급냉에 의하여, 강관(10)의 제2 영역(14)에서는 마르텐사이트 변태가 발생할 수 있고, 강관(10)의 제2 영역(14)은 마르텐사이트 구조를 가질 수 있다.

도 6을 참조하면, 강관(10)으로부터 금형(20)을 제거하여, 열간 성형된 강관(10)을 완성한다.

강관(10)은 차등 냉각에 의한 다중 조직을 가질 수 있다. 즉, 강관(10)은 서냉되어 낮은 강도와 높은 연신율을 가지고 페라이트와 퍼얼라이트 구조를 가지는 연화 영역인 제1 영역(12)과 급냉되어 높은 강도와 낮은 연신율을 가지고, 마르텐사이트 구조를 가지는 강화 영역인 제2 영역(14)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 영역(12)과 제2 영역(14) 사이에는 이들의 중간 조직 및 중간 수치의 강도 및 연신율 특성을 가지는 전이 영역인 제3 영역(16)이 위치할 수 있다.

예를 들어, 강관(10)의 제1 영역(12)은 금형(20)의 서냉 영역에 의하여 서냉된 부분으로서, 약 800 MPa 내지 약 900 MPa의 강도 및 약 11% 내지 약 15%의 연신율을 가질 수 있다. 강관(10)의 제2 영역(14)은 금형(20)의 급냉 영역에 의하여 급냉된 부분으로서, 약 1700 MPa 내지 약 1900 MPa의 강도 및 약 7% 내지 약 8%의 연신율을 가질 수 있다.

본 발명의 기술적 사상은 강판 또는 강관에 적용가능하며, 다른 형상의 강관에도 적용가능하고, 또한 다른 금속에도 적용될 수 있다.

예를 들어, 강관(10)이 강판인 경우에는 열간 성형 중에 상기 강판의 표면들 모두를 금형에 접촉시켜 서냉 또는 급냉할 수 있다. 또한, 냉각 유체를 상기 강판에 직접적으로 분사시킴으로써 급냉 효과를 증가시킬 수 있다.

예를 들어, 강관(10)이 강관인 경우에는 열간 성형 중에 상기 강관의 표면들 모두를 금형에 접촉시켜 서냉 또는 급냉하기 어려울 수 있다. 즉, 상기 강관이 원형 표면을 가지므로, 상기 원형 표면 모두에 접촉하는 금형을 제작하는 것이 어려울 수 있고, 또는 비경제적일 수 있다. 따라서, 금형 만으로 상기 강관을 균일하게 급냉하기 어려울 수 있다. 그러나, 금형에 의한 냉각과는 별개로 또는 이와 함께 냉각 유체를 상기 강판에 직접적으로 분사시킴으로써 균일한 급냉을 구현할 수 있고, 또한 급냉 효과를 증가시킬 수 있다.

강관(10)은 다양한 기술 분야의 제품에 적용될 수 있고, 예를 들어 자동차 부품에 적용될 수 있다. 강관(10)의 강도와 연신율은 다양하게 변화할 수 있고, 이를 위하여 탄소 함량을 다양하게 변화할 수 있다. 예를 들어, 탄소를 약 0.22 wt% 내지 약 0.28 wt% 범위로 포함하는 강관은 소형차에 적용할 수 있다. 탄소를 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위로 포함하는 강관은 중형차에 적용할 수 있다. 탄소를 약 0.32 wt% 내지 약 0.38 wt% 범위로 포함하는 강관은 대형차에 적용할 수 있다.

도 8은 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관 제조 방법에 의하여 제조된 강관이 적용되는 부품을 나타내는 개략도이다. 도 8에서는 강관이 적용된 예를 도시하며, 본 발명의 기술적 사상은 이러한 강관에 한정되는 것은 아니다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관은 전방/후방 범퍼 빔(100)(bumper beam), 도어 빔(200))(door beam), 필라 빔(300)(pillar beam), 및 하부 스티프너(400)(lower stiffener) 등에 적용될 수 있다.

예를 들어, 범퍼 빔(100)은 중앙 부분에 급냉에 의하여 형성된 강화 영역(110)을 가지고, 강화 영역(110)의 양 단부에 서냉에 의하여 형성된 연화 영역(120)을 가질 수 있다. 이에 따라, 차량 충돌 시, 강화 영역(110)에 의하여 강성 확보를 구현하고, 연화 영역(120)에 의하여 충격 흡수를 구현할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

10: 강관, 20: 금형, 30: 상부 금형, 32: 상부 기저 부재, 34: 홈,
40: 상부 서냉 금형 부재, 42: 상부 가열 요소, 48: 성형 표면,
50: 상부 급냉 금형 부재, 52: 상부 냉각 요소,
54: 상부 냉각 유체 노즐, 56: 상부 냉각 유로, 58: 성형 표면,
60: 하부 금형, 62: 하부 기저 부재, 64: 홈,
70: 하부 서냉 금형 부재, 72: 하부 가열 요소, 78: 성형 표면,
80: 하부 급냉 금형 부재, 82: 하부 냉각 요소,
84: 하부 냉각 유체 노즐, 86: 하부 냉각 유로, 88: 성형 표면,
100: 범퍼 빔, 200: 도어 빔, 300: 필라 빔, 400: 하부 스티프너,

Claims

탄소를 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위로 포함하는 강관을 가열하는 단계;
서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계; 및
상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 강관을 열간 성형하는 단계;
를 포함하는 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 열간 성형하는 단계는,
상기 금형 내에 형성된 냉각 유로를 통하여 공급된 상기 냉각 유체를 상기 금형으로부터 상기 강관의 일부에 직접적으로 분사하여, 상기 강관의 일부를 급냉시켜 마르텐사이트 변태를 발생시키는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 열간 성형하는 단계는,
상기 강관의 일부에 마르텐사이트 변태를 발생시키는 온도로 유지된 상기 금형의 일부를 접촉시켜, 상기 강관의 일부에 마르텐사이트 변태를 발생시키는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 열간 성형하는 단계는,
상기 강관의 일부는 상기 금형의 상기 서냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 방지되고,
상기 강관의 다른 일부는 상기 금형의 상기 급냉 영역과 접촉하여 마르텐사이트 변태가 발생하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각 유체는 0℃ 내지 100℃ 범위의 물을 포함하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 가열하는 단계는 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 상기 강관을 가열하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관은, 0.10 wt% 내지 0.25 wt% 범위의 실리콘(Si), 1.00 wt% 내지 1.60 wt% 범위의 망간(Mn), 0.001 wt% 내지 0.03 wt% 범위의 인(P), 0.001 wt% 내지 0.02 wt% 범위의 황(S), 및 0.001 wt% 내지 0.005 wt% 범위의 보론(B)을 포함하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 강관은, 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 크롬(Cr), 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 몰리브덴(Mo), 및 0.001 wt% 내지 0.05 wt% 범위의 니켈(Ni) 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
탄소를 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위로 포함하는 강판을 준비하는 단계;
상기 강판을 블랙다운 롤을 이용하여 반원형 강재로 성형하는 단계;
상기 반원형 강재를 핀 패스 롤을 이용하여 정원형 강재로 성형하는 단계;
상기 정원형 강재를 스퀴즈 롤을 이용하여 용접하여 접합하여 강관을 형성하는 단계;
상기 강관을 절단하여 개별화된 강관을 형성하는 단계;
상기 개별화된 강관을 가열하는 단계;
서냉 영역과 급냉 영역을 가지고, 상기 급냉 영역에서 냉각 유체가 분사되는 금형 내에 상기 개별화된 강관을 삽입하는 단계; 및
상기 금형을 상기 강관에 압착하고 상기 냉각 유체에 의하여 상기 강관을 차등 냉각하여, 상기 개별화된 강관을 열간 성형하는 단계;
를 포함하는, 열간 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 형성한 열간 성형 강관으로서,
상기 열간 성형 강관은 탄소를 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위로 포함하고,
상기 열간 성형 강관에서, 상기 금형의 상기 서냉 영역에 의하여 서냉된 부분은 800 MPa 내지 900 MPa의 강도 및 11% 내지 15%의 연신율을 가지고,
상기 열간 성형 강관에서, 상기 금형의 상기 급냉 영역에 의하여 급냉된 부분은 1700 MPa 내지 1900 MPa의 강도 및 7% 내지 8%의 연신율을 가지는, 열간 성형 강관.