KR20140102873A

KR20140102873A - 고강도를 가지는 열간 가스 성형 강관 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140102873A
Application number: KR1020130016294A
Authority: KR
Inventors: 김광순; 김동학
Original assignee: 현대하이스코 주식회사
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2013-02-15
Publication date: 2014-08-25

Abstract

본 발명은, 고강도 및 다양한 형상을 구현하는 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 열간 가스 성형 강관의 제조 방법은, 강관을 가열하는 단계; 상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계; 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계; 및 상기 강관을 냉각하는 단계;를 포함한다.

Description

고강도를 가지는 열간 가스 성형 강관 및 그 제조 방법{Hot gas blow forming steel pipe having high strength and method of manufacturing the same}

본 발명의 기술적 사상은 강재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고강도를 가지는 열간 가스 성형 강관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

강관은 다양한 방법으로 성형되어 다양한 분야에 사용된다. 파이프 형상의 강관을 형성하는 방법은, 프레스 압착에 의한 프레스 성형과 고압의 물을 내부에 충진하여 확관시켜 성형하는 하이드로포밍 성형 등이 있다.

프레스 성형은, 금형을 강관에 압착하여 금형의 형상에 따라 강관을 성형하는 성형 방법이다. 상기 프레스 성형은 2차원 레이 아웃과 단순한 형상으로의 성형만이 가능할 뿐이며, 이에 따라 강관의 형상을 다양하게 변화시키기 어려우며, 특히 강관의 원래 크기에 비하여 확대시켜 성형하기 어려운 한계가 있다.

하이드로포밍 성형은, 강관을 금형 내에 삽입한 후, 상기 강관 내에 가압된 물을 주입하여 강관을 확관하여 금형의 형상으로 성형하는 성형 방법이다. 상기 하이드로포밍 성형은 물을 이용하여 성형하므로 일반적으로 낮은 온도에서 상기 강관을 성형하게 되며, 이에 따라 다양한 형상의 성형품을 구현하기 어렵고, 고강도 강관을 구현하기 어려운 한계가 있다.

최근 미국 등의 선진국에서는 자동차의 천정 강도를 높게 요구하는 법규가 제정되아 시행되고 있다. 따라서, 부품의 중량을 증가시키지 않고, 재료 자체 또는 형상에 의한 고강도를 구현할 수 있는 자동차용 강관에 대한 요구가 있다.

1. 한국공개특허 제10-2011-0128996호

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 고강도 및 다양한 형상을 구현하는 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 고강도 및 다양한 형상을 구현하는 열간 가스 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 가스 성형 강관의 제조 방법은, 강관을 가열하는 단계; 상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계; 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계; 및 상기 강관을 냉각하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는, 상기 가스가 가열된 온도를 가질 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는, 상기 강관은 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 온도를 가질 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는, 상기 금형 사이에 형성된 홈을 통하여 상기 가스를 상기 강관 내에 주입하여 이루어질 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 냉각하는 단계는, 상기 강관 내에 냉각 유체를 주입하여, 상기 강관과 상기 냉각 유체를 직접적으로 접촉시킴으로써 이루어질 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 냉각하는 단계는, 상기 강관에 마르텐사이트 변태를 발생시킬 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관을 냉각하는 단계는, 상기 강관에 상기 금형을 접촉시켜 상기 강관을 냉각시킬 수 있다.

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

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 강관은, 0.22 wt% 내지 0.28 wt% 범위의 탄소(C)를 포함하거나, 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위의 탄소를 포함하거나, 또는 0.32 wt% 내지 0.38 wt% 범위의 탄소를 포함할 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 가스 성형 강관의 제조 방법은, 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; 개별화된 상기 강관을 가열하는 단계; 상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계; 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계; 및 상기 강관을 냉각하는 단계;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 가스 성형 강관은, 상술한 방법을 이용하여 형성한 열간 가스 성형 강관으로서, 상기 열간 가스 성형 강관은 탄소를 0.22 wt% 내지 0.38 wt% 범위로 포함하고, 1200 MPa 내지 1800 MPa의 강도를 가진다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 가스 성형 강관의 제조 방법은, 가스를 이용하여 강관을 성형하고, 냉각 유체를 이용하여 상기 강관을 냉각시킴으로써, 고강도 및 다양한 형상을 구현하는 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 가스 성형 강관의 제조 방법에 의하여 형성된 강관은 약 1200 MPa 내지 약 1800 MPa의 강도를 가질 수 있다. 종래 기술에 따른 하이드로포밍 방법에 의하여 제조된 강관이 약 1000 MPa의 강도를 가지므로, 본 발명은 더 높은 강도를 가지는 강관을 제공할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 열간성형 방법에 의하여 제조된 강관이 최대 약 1800 MPa의 강도를 가지므로, 본 발명은 상기 열간성형 방법에 필적하는 강도를 가지는 강관을 제공할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 열간성형 방법은 다양한 형상의 강관을 제조하는 데에는 한계가 있는 반면, 본 발명은 다양한 형상의 강관을 제공할 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 가스 성형 강관의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 공정 단계에 따라 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법에 의하여 형성된 열간 가스 성형 강관의 미세 구조를 설명하기 위한 철-탄소 상태도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법에서의 예시적인 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관 제조 방법에 의하여 제조된 강관이 적용되는 부품을 나타내는 개략도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법을 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 강관의 예로서 강관(steel pipe)에 대하여 설명하기로 한다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니고, 다양한 형상의 강관에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 열간 가스 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 가스 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 가스 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 가스 성형하는 단계(S7)에서는, 상기 개별화된 강관을 열간 가스 성형용 금형에 삽입하고 가압함으로써, 상기 개별화된 강관을 원하는 형상으로 열간 가스 성형한다.

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

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

도 3 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법(S10)을 공정 단계에 따라 도시한 개략도이다. 도 3 내지 도 7에서, 좌측 도면들은 강관의 장 방향의 단면들을 나타내고, 우측 도면들은 강관의 단 방향의 단면들을 나타낸다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법(S10)에 의하여 형성된 열간 가스 성형 강관의 미세 구조를 설명하기 위한 철-탄소 상태도이다.

도 2를 참조하면, 상기 열간 가스 성형 강관의 제조 방법(S10)은, 강관을 가열하는 단계(S20), 상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계(S30), 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계(S40), 및 상기 강관을 냉각하는 단계(S50);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 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.

강관(10)은, 예를 들어 약 0.22 wt% (중량비) 내지 약 0.28 wt% 범위의 탄소(C)를 포함하거나, 약 0.28 wt% 내지 약 0.32 wt% 범위의 탄소를 포함하거나, 또는 약 0.32 wt% 내지 약 0.38 wt% 범위의 탄소를 포함할 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.

또한, 강관(10)은, 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 더 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 가스 성형 시에 강관(10)의 열간 가스 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 8의 A3 온도선 이상의 온도이며, 상기 A3 온도선은 탄소 및 기타 원소의 조성에 따라 변화할 수 있다. 예를 들어, 강관(10)이 0.22 wt% 내지 약 0.28 wt% 범위의 탄소(C)를 포함하는 경우에는, 약 800℃ 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, 도 4 및 도 5를 참조하면, 금형 내에 상기 강관을 삽입하는 단계(S30)는 금형(20) 내에 가열된 강관(10)을 삽입한다. 도 4는 금형(20)의 하측 부분에 강관(10)을 안착시킨 형태를 도시한다. 도 5는 금형(20)의 상측 부분을 금형(20)의 상기 하측 부분과 밀착시켜, 금형(20) 내에 강관(10)이 삽입된 형태를 도시한다.

금형(20)은 강관(10)에 원하는 성형 형상을 형성할 수 있는 한 쌍의 금형으로 구성될 수 있다. 금형(20)은 상온(약 25℃)의 온도를 가지거나 열처리로 등에서 미리 적절한 온도로 예열될 수 있다.

금형(20)은 그 내부에 가열 요소(22)를 포함할 수 있고, 필요한 경우 금형(20)은 가열 요소(22)에 의하여 가열될 수 있다. 가열 요소(22)는 열선이나 세라믹 히터 등으로 구성될 수 있다. 가열 요소(22)는 금형(20)를 원하는 온도로 가열할 수 있고, 예를 들어 강관(10)의 마르텐사이트 변태개시온도보다 높은 온도로 금형(20)을 가열하여 유지시킬 수 있다. 가열 요소(22)는 금형(20)을, 예를 들어 약 400℃ 이상의 온도로 가열할 수 있다. 예를 들어, 가열 요소(22)는 금형(20)을, 예를 들어 약 400℃ 내지 약 450℃ 범위의 온도로 유지시킬 수 있다. 또한, 대안적으로 가열 요소(22)는 금형(20)을, 예를 들어 약 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 가열할 수 있는 온도를 제공한 후, 금형(20)과 접촉하는 강관(10)의 부분에서 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 냉각 속도로 금형(20)을 냉각시키는 온도 프로파일을 제공할 수 있다.

금형(20)은 그 내부에 냉각 요소(24)를 포함할 수 있고, 필요한 경우 금형(20)은 냉각 요소(24)에 의하여 냉각될 수 있다. 냉각 요소(24)는 냉각수 또는 냉각 기체가 유동하는 냉각수 유로로 구성되거나, 또는 전기적 방법에 의하여 냉각을 제공하는 냉각 매체일 수 있다. 냉각 요소(24)는 금형(20)을 원하는 온도로 냉각시킬 수 있고, 예를 들어 강관(10)의 마르텐사이트 변태개시온도 보다 낮은 온도로 금형(20)을 냉각하여 유지시킬 수 있다. 냉각 요소(24)는 금형(20)를 예를 들어 약 400℃ 이하의 온도, 예를 들어 상온(약 25℃)으로 냉각시킬 수 있다.

가열 요소(22)와 냉각 요소(24)는 별개로 구성되어 서로 다른 위치에 위치할 수 있다. 또는 가열 요소(22)와 냉각 요소(24)는 일체화되어 구성될 수 있고, 예를 들어 강관(10)의 가열과 냉각을 모두 제공하는 구성 요소일 수 있다. 금형(20) 내에서의 가열 요소(22)와 냉각 요소(24)의 위치는 다양하게 변화할 수 있다. 가열 요소(22)와 냉각 요소(24)는 선택적이며(optional) 생략될 수 있다. 또한, 가열 요소(22)와 냉각 요소(24)가 금형(20)의 내부에 위치하지 않고, 금형(20)의 외측에 위치하여 금형(20)의 온도를 제어하는 경우도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

금형(20)은 강관(10)과 접촉하는 표면에, 강관(10)을 원하는 형상으로 성형하는 성형 표면(28)을 가질 수 있다. 성형 표면(28)은 원하는 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있다.

금형(20)이 강관(10)을 내부에 두고 맞물리는 경우에는, 금형(20)의 일측(26)은 밀폐 형상을 가질 수 있고, 금형(20)의 타측(27)은 홈과 같은 개구 형상을 가질 수 있다. 상기 개구 형상에 가스관(30)이 삽입될 수 있다.

도 2 및 도 6을 참조하면, 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계(S40)는, 강관(10) 내에 고압의 가스를 주입하여 강관(10)이 확대되어 금형(20)에 밀착되고, 이에 따라 강관(10)을 금형(20)의 형상에 상응하는 형상을 가지게 된다.

상기 가스는 가스관(30)을 통하여 강관(10) 내에 주입될 수 있다. 주입된 상기 가스에 의하여, 강관(10)은 팽창될 수 있고, 이에 따라 금형(20)의 성형 표면(28)에 밀착되어 원하는 성형 형상을 구현할 수 있다. 도 6에서는 상기 가스의 주입에 의한 강관(10)에 미치는 가스 압력을 점선으로 개략적으로 도시한다.

상기 가스는 공기를 포함하거나 또는 질소, 아르곤, 헬륨과 같은 불활성 가스를 포함할 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 가스는 산소와 같은 산화성 가스 또는 수소와 같은 환원성 가스를 포함할 수 있다.

상기 가스가 주입되는 가스관(30)은 선택적인 구성 요소로서 별개의 가스관을 금형(20)내에 삽입하여 구현되거나, 또는 금형(20) 사이에 형성된 홈에 의하여 구현될 수 있다.

상기 가스를 금형(20) 내의 강관(10)에 주입하기 위하여 필요한 부차적인 구성요소들, 예를 들어 가스 저장소(미도시) 및/또는 가스 가압 분사장치(미도시) 등은 간명한 설명을 위하여 생략되어 있다.

강관(10)이 열간 성형되는 동안 상기 가스는 상온 또는 가열된 온도를 가질 수 있다. 또한, 금형(20)은 상온 또는 가열된 온도를 가질 수 있다.

금형(20)이 상온을 가지는 경우에는, 금형(20)이 냉각 요소(24)에 의하여 냉각될 수 있다. 반면, 금형(20)이 가열된 온도를 가지는 경우에는, 금형(20)이 가열 요소(22)에 의하여 가열되거나 또는 금형(20)이 미리 가열된 온도에서 가열 요소(22)에 의하여 유지될 수 있다.

상기 가스 및 금형(20)의 온도는 강관(10)의 원하는 특성에 따라 다양하게 변화될 수 있고, 예를 들어 상기 가스 및 금형(20)은 강관(10)이 마르텐사이트 변태가 발생되는 온도를 가지거나 또는 상기 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 온도를 가질 수 있다. 즉, 강관(10)은 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 온도를 가지거나, 또는 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 온도를 가질 수 있다. 금형(20)의 전체적인 온도 프로화일은 가능한 균일하게 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 가스 및 금형(20)은, 예를 들어 약 400℃ 이상의 온도를 가질 수 있고, 예를 들어 약 400℃ 내지 약 450℃ 범위의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 상기 가스 및 금형(20)의 온도 범위는 예시적이며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 도 7을 참조하면, 상기 강관을 냉각하는 단계(S50)는, 강관(10) 내에 냉각 유체를 주입하여 강관(10)과 냉각 유체를 직접적으로 접촉시킴으로써, 강관(10)을 냉각한다.

상기 냉각 유체는 냉각 유체관(40)을 통하여 강관(10) 내에 주입될 수 있다. 주입된 상기 냉각 유체에 의하여, 강관(10)은 냉각될 수 있다. 도 7에서는 상기 냉각 유체의 주입 방향을 실선으로 개략적으로 도시한다.

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.

상기 냉각 유체에 의하여 강관(10)은 냉각될 수 있다. 강관(10)의 냉각 속도에 따라 강관(10)은 다양한 미세구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 강관(10)의 냉각 속도가 빠른 경우에는, 강관(10)은 마르텐사이트 변태에 의한 마르텐사이트 구조를 가질 수 있다. 또는, 강관(10)의 냉각 속도가 느린 경우에는, 강관(10)은 페라이트(ferrite) 구조 또는 페라이트 및 퍼얼라이트(pearlite) 혼합 구조를 가질 수 있다. 일반적으로, 강관(10)이 마르텐사이트 구조를 가지면, 강관(10)의 강도는 증가되고 연신율은 감소된다. 반면, 강관(10)이 페라이트(ferrite) 구조 또는 페라이트 및 퍼얼라이트(pearlite) 혼합 구조를 가지면, 강관(10)의 강도는 감소되고 연신율은 증가된다.

냉각 유체관(40)은 가스관(30)이 삽입된 금형(20) 사이의 홈에 삽입된 수 있다. 냉각 유체관(40)은 강관(10)을 효율적으로 냉각시키기 위하여 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있다. 상기 노즐의 개수와 배열은 다양하게 변화할 수 있다.

냉각 유체관(40)과 가스관(30, 도 6 참조)의 위치는 예시적이며, 다양하게 변화할 수 있다. 예를 들어, 냉각 유체관(40)과 가스관(30)은 동일한 방향에서 서로 대체되도록 위치하거나, 서로 동일한 방향에서 공존하도록 위치하거나, 서로 다른 방향에 위치할 수 있다.

상기 냉각 유체를 금형(20) 내의 강관(10)에 주입하기 위하여 필요한 부차적인 구성요소들, 예를 들어 냉각 유체 저장소(미도시) 및/또는 냉각 유체 가압 분사장치(미도시) 등은 간명한 설명을 위하여 생략되어 있다.

또한, 강관(10)은 금형(20)에 의하여 냉각될 수 있다. 예를 들어, 금형(20)은 냉각 요소(24)에 의하여 냉각되고, 강관(10)에 냉각된 금형(20)을 접촉시켜 강관(10)을 냉각시킬 수 있다. 냉각 유체관(40)으로부터 분사된 상기 냉각 유체에 의한 강관(10)의 냉각과 냉각 요소(24)에 의하여 냉각된 금형(20)에 의한 강관(10)의 냉각이 함께 수행되거나 별개로 수행될 수 있다.

이어서, 강관(10)으로부터 금형(20)을 제거하여, 열간 가스 성형된 강관(10)을 완성한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법(S10)에서의 예시적인 온도 프로파일을 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 강관을 가열하는 단계(S20)에서는, 상기 강관을 약 950℃로 가열한다. 상기 강관을 상기 금형 내에 삽입하는 단계(S30)에서는, 상기 강관은 약 850℃의 온도를 가질 수 있다. 또한, 상기 금형이 맞물리어 닫히게 되면, 상기 강관은 약 800℃의 온도를 가질 수 있다. 상기 강관을 삽입하는 단계는, 약 8초 이내일 수 있다. 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계(S40)에서는, 상기 강관은 약 800℃의 온도로부터 약 460℃의 온도로 저하될 수 있다. 성형 시간은, 예를 들어 약 1초 내지 약 1분 범위일 수 있고, 예를 들어 약 2초 내지 약 5초 범위일 수 있다. 상기 강관을 냉각하는 단계(S50)에서는, 상기 강관의 온도는 약 460℃의 온도로부터 약 50℃의 이하의 온도, 예를 들어 상온(약 25℃)으로 냉각될 수 있다. 냉각 시의 냉각 속도는, 예를 들어 약 30℃/초 내지 약 60℃/초의 범위일 수 있고, 예를 들어 약 50℃/초일 수 있다.

그러나, 도 9에 도시된 온도 프로 화일은 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 열간 가스 성형 강관의 제조 방법에 의하여 형성된 강관은 약 1200 MPa 내지 약 1800 MPa의 강도 및 약 7% 내지 약 8%의 연신율을 가질 수 있다.

종래 기술에 따른 하이드로포밍 방법에 의하여 제조된 강관이 약 1000 MPa의 강도를 가지므로, 본 발명은 더 높은 강도를 가지는 강관을 제공할 수 있다.

종래 기술에 따른 열간성형 방법에 의하여 제조된 강관이 최대 약 1800 MPa의 강도를 가지므로, 본 발명은 상기 열간성형 방법에 필적하는 강도를 가지는 강관을 제공할 수 있다. 또한, 종래 기술에 따른 열간성형 방법은 다양한 형상의 강관을 제조하는 데에는 한계가 있는 반면, 본 발명은 다양한 형상의 강관을 제공할 수 있다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관 제조 방법에 의하여 제조된 강관이 적용되는 부품을 나타내는 개략도이다. 도 10 및 도 11은 자동차에 바디와 루프를 연결하는 "핫스탬핑 판재" 및 그 내에 삽입되는 "필라"를 예시적으로 도시한다.

도 10 및 도 11을 참조하면, A 필라(100)는 핫스탬핑 판재(200) 내에 삽입된다. 필라(100)는 제1 부분(110), 제2 부분(120), 제3 부분(130), 제4 부분(140), 및 제5 부분(150)으로 구성되고, 조립에 의하여 형성될 수 있다.

제1 부분(110)은, 제2 부분(120), 제3 부분(130), 제4 부분(140), 및 제5 부분(150)은 도시된 바와 같은 적절한 형상을 가질 수 있고, 이러한 형상들은 본 발명의 기술적 사상에 따른 강관 제조 방법에 의하여 구현될 수 있다.

제1 부분(110)은 약 5% 확관된 형상일 수 있고, 약 5% 확관된 형상일 수 있고, 제2 부분(120)은 약 1.3% 확관된 형상일 수 있고, 제3 부분(130)은 약 -2.3% 확관된 형상일 수 있고, 제4 부분(140)은 약 4.8% 확관된 형상일 수 있고, 및 제5 부분(150)은 약 4.8% 확관된 형상일 수 있다.

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

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 2의 열간 가스 성형 강관의 제조 방법(S10)을 나타내는 개략도이다. 도 12에 도시된 공정 단계는 도 6을 참조하여 설명한 공정 단계에 상응할 수 있다. 따라서, 도 4 및 도 5에 도시된 공정 단계들을 수행한 후에 도 12에 도시된 공정 단계를 수행할 수 있다.

도 12를 참조하면, 상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계(S40)는, 강관(10) 내에 가스를 주입함과 동시에 금형(20a)의 양단부에 위치한 액셜 펀치(90, axial punch)를 이용하여 강관(10)을 압축한다. 이에 따라, 액셜 펀치(90)에 의한 압력과 가스에 의한 압력에 의하여 강관(10)이 성형되고 금형(20a)의 형상에 상응하는 형상을 가지게 된다. 이러한 경우에는, 강관(10)이 가스와 액셜 펀치(90)에 의하여 성형되므로, 성형 시간을 단축시킬 수 있고, 보다 균일한 성형체의 형성이 가능할 수 있다.

금형(20a)은 액셜 펀치(90)가 삽입될 수 있도록, 양 단부 또는 적어도 일 단부가 개방될 수 있다. 가스 주입부(30)는 액셜 펀치(90) 내에 위치할 수 있다. 액셜 펀치(90)는 종래의 하이드로포밍(hydroforming)에서 사용되는 방식을 채용할 수 있으며, 예를 들어 가압 장치(미도시) 등에 연결될 수 있다.

이어서, 도 12의 공정 단계를 수행하여 강관(10)을 성형한 후에, 도 7에 도시된 공정 단계를 수행할 수 있다. 도 7의 냉각 유체관(40)은 액셜 펀치(90) 내에 삽입될 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, 20a: 금형, 22: 가열 요소, 24: 냉각 요소,
26: 일측, 27: 타측, 28: 성형 표면, 30: 가스관,
40: 냉각 유체관, 90: 엑셜 펀치,
100: A 필라, 110: 제1 부분, 120: 제2 부분, 130: 제3 부분,
140: 제4 부분, 150: 및 제5 부분, 200: 핫스탬핑 판재,

Claims

강관을 가열하는 단계;
상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계;
상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계; 및
상기 강관을 냉각하는 단계;
를 포함하는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는,
상기 가스가 가열된 온도를 가지는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는,
상기 강관은 마르텐사이트 변태가 발생하지 않는 온도를 가지는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계는,
상기 금형 사이에 형성된 홈을 통하여 상기 가스를 상기 강관 내에 주입하여 이루어지는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 냉각하는 단계는,
상기 강관 내에 냉각 유체를 주입하여, 상기 강관과 상기 냉각 유체를 직접적으로 접촉시킴으로써 이루어지는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 냉각하는 단계는,
상기 강관에 마르텐사이트 변태를 발생시키는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 냉각하는 단계는,
상기 강관에 상기 금형을 접촉시켜 상기 강관을 냉각시키는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관을 가열하는 단계는 850℃ 내지 1000℃ 범위의 온도로 상기 강관을 가열하는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관은, 0.22 wt% 내지 0.28 wt% 범위의 탄소(C)를 포함하거나, 0.28 wt% 내지 0.32 wt% 범위의 탄소를 포함하거나, 또는 0.32 wt% 내지 0.38 wt% 범위의 탄소를 포함하는, 열간 가스 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 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 10 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 가스 성형 강관의 제조 방법.
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;
개별화된 상기 강관을 가열하는 단계;
상기 강관을 금형 내에 삽입하는 단계;
상기 강관 내에 가스를 주입하여 상기 강관을 열간 가스 성형하는 단계; 및
상기 강관을 냉각하는 단계;
를 포함하는, 열간 가스 성형 강관의 제조 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 방법을 이용하여 형성한 열간 가스 성형 강관으로서,
상기 열간 가스 성형 강관은 탄소를 0.22 wt% 내지 0.38 wt% 범위로 포함하고,
1200 MPa 내지 1800 MPa의 강도를 가지는, 열간 가스 성형 강관.