KR20220056182A - 비틀림 응력을 받는 구성요소를 위한 강 재료 및 이 강 재료로부터 비틀림 응력을 받는 구성요소를 제조하는 방법 - Google Patents

비틀림 응력을 받는 구성요소를 위한 강 재료 및 이 강 재료로부터 비틀림 응력을 받는 구성요소를 제조하는 방법 Download PDF

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스테펜 짐머만
칼 메이웨스
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잘쯔기터 플래시슈탈 게엠베하
만네스만 프리시전 튜브스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 위한 강 재료에 관한 것이며, 강 재료는 800 MPa의 최소 인장 강도를 가지며, 미세구조는 50 부피% 초과의 베이나이트로 구성되며, 중량%로: C: 0.02 내지 0.3; Si: 최대 0.7; Mn: 1.0 내지 3.0; P: 최대 0.02; S: 최대 0.01; N: 최대 0.01; Al: 최대 0.1; Cu: 최대 0.2; Cr: 최대 1.0; Ni: 최대 0.3; Mo: 최대 0.5; Ti: 최대 0.2; V: 최대 0.2; Nb: 최대 0.1; B: 최대 0.01; 여기서 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25가 충족되며, 나머지는 철 및 제련 유도 불순물인, 조성을 구비하는 합금을 갖는다. 강 재료는 값이 싸고 비틀림 응력을 받는 구성요소에 사용할 때 우수한 비틀림 피로 강도를 갖는다. 본 발명은 또한 강 재료로 만들어진 구성요소를 제조하는 방법 및 그로 만들어진 구성요소에 관한 것이다.

Description

비틀림 응력을 받는 구성요소를 위한 강 재료 및 이 강 재료로부터 비틀림 응력을 받는 구성요소를 제조하는 방법
본 발명은 비틀림 응력을 받는 구성요소를 위한 강 재료 및 이 강 재료로부터 비틀림 응력을 받는 구성요소를 제조하는 방법 및 그로부터의 구성요소에 관한 것이다. 이러한 비틀림 응력을 받는 구성요소는 일반적으로 냉간 인발이 가능한 심리스(seamless) 또는 용접된 튜브로 구성된다.
구동 샤프트, 카르단 샤프트(cardan shaft), 스프링 로드 또는 토션 스프렝과 같은 이러한 비틀림 응력을 받는 구성요소는 주로 자동차 및 상용차 산업에서 사용되지만 기계 공학에도 적용할 수 있다. 이러한 구성요소는 토크 전달 중에 비틀림 응력을 받는다.
경쟁이 치열한 시장은 자동차 샌산업체가 차량 소비를 줄이는 동시에 가능한 가능한 최고 수준의 편안함과 탑승자 보호를 유지 및 개선하기 위한 솔루션을 끊임없이 찾아야 한다는 것을 의미한다. 한편으로는 모든 차량 구성요소의 중량 감소가 결정적인 역할을 하며, 다른 한편으로는 작동 중 높은 정적, 동적 및 주기적인 응력이 발생하는 경우 개별 구성요소의 가능한 가장 유리한 동작과 또한 충돌이 발생한다.
구동 샤프트의 경우, 현재 자동차 산업의 메가 트렌드는 승용차 구동계(passenger car drive train)의 전동화다. 지역 배출량을 줄이는 것은 기술변화의 큰 동인(drive) 중 하나이다. 구동계 구성요소에 대한 요구사항은 전기 모터의 특성에 따라 변경된다. 전기 모터를 사용하면 높은 토크를 직접적이고 연속적이며 단기적으로 제공할 수 있다. 전기 모터에 사용되는 회복 기술은 부하 집합체와 부하 사이클을 더 높은 값으로 추가로 변경한다. 예를 들어 교번하는 비틀림 응력으로 인한 결과적인 작동 부하는 예를 들어 카르단 샤프트 튜브의 구동계의 피로 특성에 대한 요구사항이 증가한다.
여기에서뿐만 아니라 내연 기관 및 내연 기관과 전기 모터의 조합(하이브리드 드라이브)을 사용하여 통상적으로 구동되는 자동차의 경우에도 구동계의 피로 특성에 대한 높은 요구사항에도 불구하고 중량을 더 줄이고 이에 의해 작동 동안 오염 물질을 배출을 줄이기 위한 시도가 이루어진다. 또한, 이는 제조 중 재료 소비를 줄이고 자동차의 주행 다이내믹(driving dynamic)을 더 향상시킨다.
예비 재료 공급 업체는 고강도 및 초고강도 강을 제공함으로써 벽 두께를 줄이는 동시에 제조 및 작동 중에 개선된 부품 거동을 달성할 수 있다는 점에서 이 요구사항을 고려하려고 시도한다. 이러한 맥락에서, 고강도 및 초고강도 강은 인장 강도가 적어도 800 MPa 또는 적어도 1000 MPa인 강으로 이해된다.
특허 명세서 DE 693 07 393 T2는 단조품(forging) 및 그 제조 방법을 개시한다. 단조품은 다음 원소를 포함하는 재료로 만들어진다: C: 0.2-0.6 Si: 1.25-2.0; Mn: 0.5-1.5; V: 0.04-0.2; S:0-0.2; Cr: 0-0.5; Al: 0-0.1; N: 0-0.04; Nb: 0-0.1; Ti: 0-0.05; 나머지는 철이다. 강 합금의 미세구조는 주로 페라이트-펄라이트(ferritic-pearlitic)로 설명되며 높은 Si 함량은 개선된 피로 강도에 유리한 것으로 설명된다.
공개 문서 DE 10 2015 111 150 A1은 다음의 중량%로 구성된 섀시 및 구동 부품을 위한 강 합금을 개시한다: C: 0.12-0.22, Mn: 1.5-2.5, Si: 0.45-0.85, Cr: < 1.5, V: > 0.04, B: 0.0010-0.0040, Ti: 0.02-0.1 및 선택적으로 Mo ≤ 0.6%, 나머지는 철 및 제련 유도 불순물이다. 강 합금의 목적은 증가된 탄소 함량으로 인해 성형 또는 용접 중 열 영향 구역(heat-affected zone)의 템퍼링 공정으로 인해 부품 특성에 부정적인 영향을 미치는 것을 피하는 것이다. 템퍼링된 베이나이트 및/또는 템퍼링된 마르텐사이트로 구성되는 템퍼링된 미세 구조는 섀시 또는 구동 부품의 이러한 열 영향 구역에서 형성된다. 이러한 미세구조는 열의 영향을 받지 않는 차량 부품이 계속해서 충분한 경도를 가지면서 본 발명에 따른 기계적 특성 값, 즉 탄성 한계 및 인장 강도를 충족할 수 있도록 하기 위한 것이다. 본 발명에 따르면, 이러한 미세구조는 열 영향 구역을 생성하는 열처리에 의해 형성된다. 가열에 의해 영향을 받지 않는 재료의 미세구조는 알려져 있지 않다.
특허 명세서 DE 697 18 784 T2는 우수한 가공성을 갖는 강 및 그와 함께 제조되고 특히 크랭크샤프트일 수 있는 강 제품을 개시한다. 강 제품은 중량%로 다음의 화학조성을 갖는다: C: 0.05-0.6; S: 0.002-0.2; Ti: 0.04-1.0; N: <0.008; Nd: 0-0.1; Se: 0-0.5; Te: 0-0.05; Ca: 0-0.01; Pb: 0-0.5; Bi: 0-0.4; Si: 0-1.61; Mn: 0-3.5; P: < 0.07; Al: 0-0.05; Cu: 0-1.10; Ni: 0-2.0; Cr: 0-3.0; Mo: 0-0.54; V: 0-0.31; Nb: 0-0.1; B: 0-0.02; 나머지는 철 및 불가피한 불순물이다. 강 제품의 미세구조는 적어도 90% 페라이트 및 펄라이트 또는 적어도 90% 베이나이트 또는 적어도 90% 페라이트 및 베이나이트로 지정된다. 또한, 바람직한 실시예는 50% 이상이 마르텐사이트에 의해 형성되는 미세구조를 갖는 것이다. 특히 우수한 가공성을 보장하기 위해 직경이 10μm보다 크지 않아야 하는 미세구조의 티타늄 카르보설파이드(titanium carbosulphide)의 크기뿐만 아니라 Ti의 양 및 Ti와 S의 비율에 특히 주의를 기울인다. Nb + V + Ti의 조건은 확립되거나 조사되지 않는다.
특허 명세서 DE 10 2006 016 099 B4는 축방향으로 서로를 따르는 샤프트 부분으로부터 조립되는 중공 트랜스미션 샤프트를 제조하는 방법을 개시한다. 이들 샤프트 부분 중 적어도 하나는 중량%로 다음의 합금 성분을 갖는 강으로 만들어 진다: C: 0.1-0.3 Si: < 0.8, Mn: 1.3-2.5, Cr: 0.8-1.8; Mo: < 0.3; Nb: < 0.06; Ti: < 0.06; B: < 0.004; 나머지는 철과 제련 유도 불순물이다. 이 강 합금은 공기 경화성(air-hardening)이라는 장점이 있다고 한다. 공기 경화성 강은 느린 냉각 속도에서도 마르텐사이트 또는 베이나이트 함량이 높은 미세구조를 나타내어 용접 심(weld seam)의 열 영향 구역의 영역에서 경도 저하가 발생하는 용접 시 단점을 제거한다. 전반적으로, 샤프트 부분은 상이한 특성, 특히 상이한 강도를 갖는 강으로 유리하게 제조되어야 한다.
공개 문헌 DE 10 2007 033 950 A1은 다음의 질량 분율을 포함하는 강 합금으로 구성되는 공작물을 개시한다: C: 0.11-0.18; Si: 0.1-0.3; Mn: 1.6-2.2; P: < 0.0015; S: < 0.010; Cr: 1.25-2.0; N: < 0.020; Nb: 0.02-0.06; B: 0.001-0.004; Ti: 0.001-0.050 및 나머지는 철 및 제련 유도 불순물이다. 0.11 내지 0.18%의 C 함량은 더 높은 강도를 허용하고 동시에 예를 들어 0.09 내지 0.12%의 C 함량에서 발생하는 포정 응고(peritectic solidification)의 단점을 피해야 한다.
공지된 합금 조성으로, 비틀림 피로 강도에 대한 중요한 요건을 충족시키는 비틀림 응력을 받는 구성요소에 대한 특성을 달성하는 것은 지금까지 불가능했다. 예를 들어, 비틀림 모멘트가 ± 1200 내지 ± 1800 Nm인 200,000 로드 사이클(L)이 필요하다. 동일하거나 개선된 구성요소 거동으로 중량 감소를 달성할 수도 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 비용 효율적이고 비틀림 응력을 받는 구성요소의 비틀림 피로 강도에 필요한 특성이 신뢰성 있게 달성되는 비틀림 응력을 받는 구성요소를 위한 강 재료를 제공하는 것이다. 또한, 이 강 재료로부터 비틀림 응력을 받는 구성요소를 생산하는 비용 효율적인 방법이 제공되어야 한다. 또한, 대응하는 경량화된 구성요소가 제공되어야 한다. 특히, 700 MPa 초과의 항복 강도에서 800 MPa 초과의 강도 및 ± 1200 내지 ± 1800 Nm의 비틀림 모멘트에서 적어도 200,000 LC에 대한 비틀림 피로 강도가 달성되어야 한다.
본 발명의 교시에 따르면, 이 목적은 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 위한 강 재료에 의해 달성되며, 여기서 강 재료는 800 MPa의 최소 인장 강도를 갖는 주로 베이나이트 미세구조를 가지며 미세 구조는 중량%로 다음의 합금 조성을 갖는 50% 초과, 바람직하게는 적어도 70%의 베이나이트로 구성된다: C: 0.02 내지 0.3, Si: 최대 0.7, Mn: 1.0 내지 3.0, P: 최대 0.02, S: 최대 0.01, N: 최대 0.01, Al: 0.1 이하, Cu: 최대 0.2, Cr: 최대 1.0, Ni: 최대 0.3, Mo: 최대 0.5, Ti: 최대 0.2, V: 최대 0.2, Nb: 최대 0.1, B: 최대 0.01, 여기서 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25가 충족되며, 나머지는 철 및 제련 유도 불순물이다.
광범위한 조사의 틀 내에서 주로 베이나이트 미세구조를 갖느 강 재료는 비틀림 응력을 받는 구성요소의 교번 비틀림 응력의 경우 우수한 특성을 갖는 것으로 인식되었다. 또한, 본 발명에 따른 강 재료를 사용하여 준(quasi), 즉 대략적으로 등방성 기계적 특성이 달성되고, 이는 특히 현재 응력 하에서 피로 강도의 상당한 증가를 초래한다는 것이 추가로 인식되었다. 따라서 본 발명에 따르면, 50 부피% 초과의 베이나이트가 강 재료에 존재한다.
미세구조가 적어도 70 부피%, 특히 유리하게는 적어도 90 부피%의 베이나이트를 갖고 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트 및 페라이트의 비율의 30 부피% 미만, 바람직하게는 10 부피% 미만인 경우 요구되는 기계적 특성을 달성하는데 유리하다.
공지된 합금 조성과 비교하여, 피로 강도에 필요한 기계적 특성은 50 부피% 초과의 베이나이트를 포함하는 미세구조를 갖는 본 발명에 따른 강 재료로 안전하게 달성될 수 있다. 특히 비틀림 모멘트가 ± 1200 내지 ± 1800 Nm인 200,000 LC의 비틀림 피로 강도가 적어도 800 MPa의 강도 및 700 MPa 초과의 항복 강도로 달성될 수 있다. 동시에 10% 초과의 중량 감소를 달성할 수 있다.
특정 합금 조성을 갖는 본 발명에 따른 베이나이트 강 재료의 사용은 일반적으로 기계적 응력을 받는 튜브에 대한 준-등방성 기계적 특성 때문에 매우 유리하지만, 특히 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트에 대해 구성요소로서 용접 튜브를 위한 출발 재료로서 강 스트립이 시험 방향에 관계 없이 이미 높은 인장 강도 및 연신율을 가지기 때문에 구성 요소, 특히 구동 샤프트가 이 강 재료부터 생산된 후에도 유지되거나 훨씬 더 높다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 방법에 사용되는 베이나이트 강은 프리튜브(pre-tube)(중공)의 제조 공정 동안 이미 대응한느 온도 제어를 통해 미세구조를 얻는다. 출발 재료로서 열간 스트립의 경우 미세구조가 예를 들어 열기계 압연(thermomechanical rolling)에 의해 조정될 수 있으며, 냉간 스트립의 경우 예를 들어 용융 아연 도금 중 또는 냉간 압연 후 어닐링 공정에 의해 조정될 수 있다. 심 없이 제조된 프리튜브의 경우 튜브의 열간 압연 시 온도 제어를 통해 미세구조 설정을 조정할 수 있다.
이 합금 개념과 베이나이트 미세구조를 사용하는 특별한 이점은 또한 50 부피% 초과의 베이나이트와 페라이트, 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트의 작은 비율만을 포함하는 매우 미세하고 균질한 미세구조에 있으며, 이로 인해 교대 비틀림 응력 하에서 피로 강도에 매우 긍정적인 영향을 미치는 준, 즉 대략 등방성 재료 특성이 달성될 수 있다.
비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 위한 강 재료가 다음과 같은 합금 원소 중 적어도 하나 이상에 대해 최적화된 중량%로 본 발명에 따른 이전에 설명된 합금 조성을 갖는 경우 특히 균일하고 균질한 재료 특성이 달성될 수 있다: C: 0.02 내지 0.11 및/또는 Si: 0.01 내지 0.5 및/또는 Mn: 1.4 내지 2.2 및/또는 Al: 0.015 내지 0.1 및/또는 Cr: 최대 0.3 및/또는 Ni: 최대 0.2 및/또는 Mo: 0.05 내지 0.5 및/또는 B: 최대 0.004 및/또는 0.05 ≤ Ni + V + Ti ≤ 0.2.
본 발명의 다른 개선될 실시예에서, 강 재료는 다음과 같은 합금 원소 중 적어도 하나 이상에 대해 추가로 최적화된 중량%로 본 발명에 따른 이전에 설명되고 이미 최적화된 합금 조성을 갖는다: C: 0.05 내지 0.11 및/또는 Si: 0.1 내지 0.5 및/또는 Mn: 1.5 내지 2.0 및/또는 N: 0.003 내지 0.01 및/또는 Al: 0.03 내지 0.1 및/또는 Ni: 최대 0.15 및/또는 Mo: 0.1 내지 0.3 및/또는 Ti: 0.04 내지 0.2.
적어도 0.003 내지 0.01 중량%의 질소의 첨가는, 탄소 및 0.1 내지 0.2 중량%의 최소 티타늄 함량과 조합하여, 티타늄 탄질화물의 형성을 통해 고강도 및 인성 특성을 갖는 세립 미세구조를 유리하게 제공한다. 또한, 0.1 내지 0.3 중량%의 함량으로 몰리브덴을 첨가함으로써, 형성되는 석출물이 유리하게는 매우 작게 유지된다.
비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 제조하기 위한 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 강 재료로 구성된 심리스 또는 용접된 프리튜브로부터 제조되는 것을 제공하며, 여기서 프리튜브는 구성요소의 필요한 최종 직경에 비해 직경이 확대되고 벽 두께가 두꺼워지며 다음 단계를 거친다:
- 650 내지 850℃의 온도 범위에서 로(furnace)에서 5 내지 30 분의 로 체류 시간으로 프리튜브를 어닐링 한 후 실온으로 냉각하는 단계,
- 프리튜브의 벽 두께가 프리튜브의 외부 직경보다 더 큰 비율로 감소되는 구성요소의 필요한 최종 직경까지 적어도 하나의 드로잉 절차를 사용하여 프리튜브를 드로잉하는 단계,
- 선택적으로 구성요소의 필요한 길이로 조정, 특히 굽힘 교정(bend-straightening) 및 분리하는 단계.
조사 결과 강의 뚜렷한 항복 강도가 이 어닐링 처리에 의해 유리하게 방지되기 때문에 지정된 어닐링 온도 및 유지 시간에서 구성요소의 달성 가능한 강도와 관련하여 최상의 결과를 얻을 수 있음이 밝혀졌다.
프리튜브가 700 내지 800℃의 범위, 특히 유리하게는 720 내지 780℃의 범위의 온도로 가열되는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.
요구되는 특성을 달성하기 위한 다른 필수 측면은 드로잉 공정 동안 프리튜브의 벽 두께 감소율이 프리튜브의 직경의 감소율보다 높게 설정된다는 것이다. 비율이 2:1 초과, 특히 유리하게는 5:1 초과로 설정되면 구성요소의 높은 비틀림 피로 강도에 유리한 것으로 밝혀졌다. 드로잉 공정에서 재료의 냉간 응고에 의해 생성되는 방향 의존적 튜브 특성은 비틀림 응력에 따라 최적으로 조정된다.
본 발명에 따르면, 프리튜브는 심 없이 제조된 튜브 또는 용접된 튜브일 수 있다. 용접된 튜브로서 고주파 유도 용접(HFI) 또는 레이저 빔 용접과 같은 일상적인 용접 방법을 통해 열간 스트립 또는 냉간 스트립에서 제조될 수 있다.
합금 원소는 일반적으로 목표된 방식으로 특정 특성에 영향을 미치기 위해 강에 첨가된다. 따라서 합금 원소는 다른 강의 다른 특성에 영향을 미칠 수 있다. 효과 및 상호 작용은 일반적으로 재료의 양, 추가 합금 원소의 존재 및 용액 상태에 크게 의존한다. 상관 관계는 다양하고 복잡하다. 합금 원소의 효과는 이하에서 더 상세히 논의될 것이다.
탄소(C)는 강에서 가장 중요한 합금 원소로 간주된다. 탄소 함량을 최대 2.0 중량%로 설정하면 철이 먼저 강으로 바뀐다. 이러한 사실에도 불구하고 탄소 함량은 강의 제조 과정에서 급격히 감소한다. 탄소는 원자 반경이 작기 때문에 철 격자에 침입하여 용해된다(interstitially dissolved). 용해도는 α-철에서 최대 0.02 중량%이며 β-철에서 최대 2.06 중량%이다. 용해된 형태에서 탄소는 강의 경화성을 상당히 증가시킨다. 용해된 상태에서 생성된 격자 장력으로 인해 확산 과정이 방해를 받아 변환 과정이 지연된다. 또한 탄소는 오스테나이트의 형성을 촉진시키므로 낮은 온도에서 오스테나이트 영역이 확장된다. 강제 용해된 탄소 함량이 증가함에 따라 격자 변형 및 이에 따른 마르텐사이트의 강도 값이 증가한다. 또한, 탄소는 탄화물을 형성하는데 필요하다. 거의 모든 강에서 발생하는 대표적인 것이 시멘타이트(Fe3C)이다. 그러나, 실질적으로 더 단단한 특수 탄화물은 예를 들어 크롬, 티타늄, 니오븀 및 바나듐과 같은 다른 금속으로 형성될 수 있다. 따라서, 석출물의 유형뿐만 아니라 분포 및 범위도 강도 증가에 결정적으로 중요하다. 따라서, 한편으로는 충분한 강도 다른 한편으로는 양호한 용접성을 확보하기 위해 최소 C 함량은 0.02 중량%로 고정되고 최대 C 함량은 0.3 중량%로 고정된다. 바람직하게는 최소 C 함량은 0.02 중량%, 특히 바람직하게는 0.05 중량%로 고정되며, 최대 C 함량은 0.11 중량%로 고정된다.
주조하는 동안 실리콘(Si)은 산소와 결합하여 강의 편석과 불순물을 줄인다. 또한, 혼합 결정 경화를 통해 실리콘은 파단 연신율이 약간 감소하면서 페라이트의 강도 및 항복 강도 비율을 증가시킨다. 다른 중요한 효과는 실리콘이 페라이트 형성을 더 짧은 시간으로 이동시켜 ?칭 경화 전에 충분한 페라이트 생성을 허용한다는 것이다. 페라이트의 형성은 오스테나이트가 탄소로 풍부해지고 안정화되도록 한다. 또한, 실리콘은 카바이드의 형성을 방지하여(탄소 고갈 없음) 특히 베이나이트 형성 영역에서 저온 영역에서 오스테나이트를 안정화시킨다. 또한, 실리콘 함량이 높으면 열간 압연 중에 강하게 부착되는 스케일이 형성될 수 있으며, 상기 스케일은 추가 공정을 손상시킬 수 있다. 이러한 이유로 최대 실리콘 함량은 0.7 중량%로 고정된다. 바람직하게는, 최소 Si 함량은 0.1 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 중량%로 고정되며, 최대 Si 함량은 0.5 중량%로 고정된다.
망간(Mn)은 유해한 황을 황화 망간으로 전환하기 위해 탈황의 목적으로 거의 모든 강에 첨가된다. 또한, 망간은 혼합 결정 경화를 통해 페라이트의 강도를 증가시키고 α-/β-변환을 더 낮은 온도로 이동시킨다. 합금화에 의해 다상 강에 망간을 첨가하는 주된 이유는 잠재적인 경도 증가의 상당한 개선이다. 확산 억제로 인해 펄라이트 및 베이나이트 전환이 더 긴 시간으로 이동하고 마르텐사이트 시작 온도가 감소한다. 따라서 망간 함량은 1.00 내지 3.00 중량%로 고정된다. 한계값이 포함된다. 바람직하게는, 최소 Mn 함량은 1.4 중량%, 특히 바람직하게는 1.5 중량%로 고정되며, 최대 Mn 함량은 2.2 중량%, 특히 바람직하게는 2.0 중량%로 고정된다.
인(P)은 철광석의 미량 원소로서 철 격자에 치환 원자로 용해된다. 인은 혼합 결정 경화를 통해 경도를 증가시키고 경화성을 향상시킨다. 그러나, 인은 특히 낮은 확산율로 인해 분리 경향이 강하고 인성 수준을 크게 감소시키기 때문에 일반적으로 가능한 한 인 함량을 낮추려는 시도가 이루어진다. 결정립계에 인이 부착되면 일반적으로 결정립계 균열이 발생한다. 또한, 인은 인성에서 취성 거동으로의 전이 온도를 최대 300℃까지 증가시킨다. 열간 압연 중에 결정립계의 표면 근처 인 산화물은 파괴 균열(fracture cracking)을 유발할 수 있다. 그러나, 일부 강에서는 낮은 비용과 높은 강도 증가로 인해 미세 합금 원소로 소량(0.1% 미만) 사용된다. 예를 들어, 인은 또한 부분적으로 다상 강의 강도 보조제로 사용된다. 이러한 이유로, 인함량은 0.02 중량%로 제한된다.
황(S)은 인과 마찬가지로 철광석에서 미량 원소로 결합된다. 강에서는 편석 경향이 강하고 취성 효과가 크기 때문에 일반적으로 바람직하지 않다. 따라서 가능한 한 낮은 용융물 내 황의 양을 달성하기 위한 시도가 이루어진다(예를 들어 심 진공 처리에 의해). 또한, 존재하는 황은 망간을 첨가하여 비교적 무해한 화합물인 황화 망간(MnS)으로 전환된다. 황화 망간은 종종 압연 공정 중에 라인에서 압연되며 전환을 위한 핵 생성 사이트로 기능한다. 주로 확산 제어 변환의 경우 이는 뚜렷한 라인의 미세구조를 생성하고 매우 뚜렷한 라인 형성의 경우 기계적 특성을 손상시킬 수 있다(예를 들어, 분산된 마르텐사이트 섬 대신 뚜렷한 마르텐사이트 라인, 등방성 재료 거동 없음, 파단 연신율 감소). 이러한 이유로 황 함량은 0.01 중량%로 제한된다.
알루미늄(Al)은 일반적으로 철에 용해된 산소와 질소를 결합시키기 위해 합금화를 통해 강에 첨가된다. 따라서 산소와 질소는 산화 알루미늄과 질화 알루미늄으로 변환된다. 이러한 석출물은 핵 생성 사이트를 증가시켜 결정립 미세화에 영향을 줄 수 있으며 따라서 인성 특성 및 강도 값을 증가시킬 수 있다. 티타늄이 충분한 양으로 존재하면 질화 알루미늄은 석출되지 않는다. 티타늄 질화물은 더 낮은 형성 엔탈피를 가지므로 더 높은 온도에서 형성된다. 용해된 상태에서 알루미늄은 실리콘과 같이 페라이트의 형성을 더 짧은 시간으로 이동시켜 다상 강에서 충분한 페라이트의 형성을 가능하게 한다. 또한 탄화물 형성을 억제하여 오스테나이트를 안정화시킨다. 따라서 Al 함량은 최대 0.1 중량%, 유리하게는 0.015 내지 최대 0.10 중량%, 특히 유리하게는 0.03 내지 0.10 중량%로 제한된다.
몰리브덴(Mo)의 첨가는 크롬의 첨가와 유사한 방식으로 수행되어 경화성을 향상시킨다. 펄라이트 및 베이나이트 전환은 더 긴 시간으로 이동하고 마르텐사이트 시작 온도는 감소한다. 또한, 몰리브덴은 템퍼링 저항을 상당히 증가시켜 아연욕에서 강도의 손실이 예상되지 않으며 혼합 결정 경화로 인한 페라이트의 강도 증가에 영햐을 미친다. Mo 함량은 치수, 레이아웃 구성 및 미세구조 설정에 따라 합금화에 의해 선택적으로 첨가되며, 효과를 달성하기 위해 최소 추가는 0.050 중량%여야 한다. 비용상의 이유로, Mo 함량은 최대 0.50 중량%, 바람직하게는 0.05 내지 0.5 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 0.3 중량%로 고정된다. 크롬을 선택적으로 첨가하는 경우, 최대 함량은 비용상의 이유로 1.0 중량%, 바람직하게는 0.3 중량%로 제한된다.
티타늄(Ti)은 고온에서 매우 안정적인 질화물(TiN)과 황화물(TiS2)을 형성한다. 이들은 질소 함량에 따라 용융물에 부분적으로만 용해된다. 이렇게 생성된 석출물이 슬래그와 함께 제거되지 않으면 높은 형성 온도로 인해 재료에 상당히 큰 입자를 형성하고 일반적으로 기계적 특성에 도움이 되지 않는다. 인성에 대한 긍정적인 효과는 자유 질소와 산소의 결합에 의해 생성된다. 따라서, 티타늄은 니오븀과 같은 다른 미세 합금 원소가 질소에 결합되지 않도록 보호한다. 그러면 최적의 효과를 발휘할 수 있다. 산소 및 질소 함량을 낮춰 낮은 온도에서만 생성되는 질화물은 추가로 오스테나이트 결정립 성장을 효과적으로 방해할 수 있다. 제거되지 않은 티타늄은 1150℃의 온도에서 티타늄 탄화물을 형성하여 결정립 미세화(오스테나이트 결정립 성장 억제, 지연된 재결정화에 의한 결정립 미세화 및/또는 α/β 변환의 핵 수 증가) 및 석출 경화에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 티타늄은 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25 중량% 조건에 따라 선택적으로 합금화에 의해 첨가된다. 티타늄은 0.05 중량% ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.20 중량%의 조건에 따라 합금화하여 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄이 합금 원소로 선택되는 경우, Ti 함량은 전술한 합계 조건을 준수하면서 최대 0.2 중량%, 바람직하게는 0.04 내지 0.2 중량%이다.
바나듐(V)에 의한 탄화물 및 질화물 형성은 먼저 약 1000℃의 온도에서 시작하거나 α/β 변환 후에도, 즉 티타늄 및 니오븀보다 훨씬 나중에 시작된다. 따라서 바나듐은 오스테나이트에 제공되는 석출물의 수가 적기 때문에 결정립 미세화 효과가 거의 없다. 오스테나이트 결정립 성장은 또한 바나듐 탄화물의 늦은 석출에 의해 방해받지 않는다. 따라서, 강도 증가 효과는 거의 전적으로 석출 경화에 기반한다. 바나듐의 한 가지 장점은 오스테나이트에 대한 높은 용해도와 낮은 석출 온도로 인한 미세석출의 높은 체적 비율이다. 따라서 바나듐은 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25 중량% 조건에 따라 선택적으로 합금화에 의해 첨가된다. 바나듐은 0.05 중량% ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.20 중량%의 조건에 따라 합금화하여 첨가되는 것이 바람직하다. 합금 원소로 바나듐이 선택되는 경우, V 함량은 전술한 합 조건을 준수하면서 최대 0.2 중량%이다.
니오븀(Nb)은 모든 미세 합금 원소 중에서 가장 효과적으로 재결정화의 지연에 영향을 미치고 추가로 오스테나이트 결정립 성장을 방해하기 때문에 상당한 결정립 미세화에 영향을 미친다. 그러나, 강도 증가 효과는 결정립 미세화 효과가 증가하고 강도 증가 입자의 수가 많기 때문에(고온에서 TiN에서 티타늄이 제거됨) 티타늄보다 질적으로 더 많을 것으로 추정된다. 니오븀 탄화물은 약 1200℃에서 형성된다. 위에서 설명한 바와 같이 질소를 제거하는 티타늄과 함께, 니오븀은 저온 범위(상대적으로 작은 탄화물 크기)에서 탄화물을 형성하여 강도 증가 효과를 높일 수 있다. 니오븀의 추가 효과는 α/β 전환의 지연과 용해된 상태에서 마르텐사이트 시작 온도의 감소이다. 한편으로 이는 용질 드래그 효과에 의해 발생하고 다른 한편으로는 입자 미세화에 의해 발생한다. 이는 미세구조의 강도 증가에 영향을 미치므로 마르텐사이트 형성 시 팽창에 대한 저항도 높아진다. 니오븀의 사용은 매우 낮은 용해도 임계값에 의해 제한된다. 이는 석출의 양을 제한하지만, 주로 매우 조대한 입자를 포함하는 조기 석출 형성에 영향을 미친다. 따라서 석출 경화는 주로 낮은 C 함량(높은 과포화 가능) 및 열간 변형 공정(변형 유도 석출)을 갖는 강에서 실질적으로 효과적일 수 있다. 따라서 니오븀은 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25 중량% 조건에 따라 선택적으로 합금화에 의해 첨가된다. 니오븀은 0.05 중량% ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.20 중량%의 조건에 따라 합금화하여 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀을 합금 원소로 선택한 경우, Nb 함량은 전술한 합 조건을 준수하면서 최대 0.1 중량%이다.
붕소(B)는 각각 질소 및 탄소와 질화물 및 탄화물을 형성한다. 그러나 이는 일반적으로 바람직하지 않다. 한편으로는 낮은 용해도로 인해 적은 양의 석출물만이 형성되며 다른 한편으로는 이들은 대부분 결정립계에서 석출된다. 용해된 상태에서 극소량의 붕소는 잠재적인 경도 증가에 상당한 개선을 가져온다. 붕소의 활성 메커니즘은 결정적으로 해결되지 않았다. 가설적으로, 붕소 원자는 바람직하게는 오스테나이트 결정립계에 부착되고 그 위치에서 오스테나이트 영역으로부터 냉각 시 페라이트의 형성을 크기 지연시킨다고 가정할 수 있다. 그 결과, 베이나이트의 형성이 촉진된다. 붕소의 효능은 입자 크기가 증가하고 탄소 함량이 증가함에 따라(0.8 중량% 초과) 감소한다. 60 ppm을 초과하는 양은 또한 붕소 탄화물이 결정립계에서 핵으로 작용하기 때문에 경화성을 감소시킨다. 붕소는 산소에 대한 친화력이 매우 높아 표면에 가까운 영역(최대 0.5 mm)에서 붕소 함량을 감소시킬 수 있다. 이러한 맥락에서, 1000℃ 초과의 어닐링은 권장되지 않는다. 이는 또한 붕소가 1000℃ 초과의 어닐링 온도에서 과도하게 조대한 입자를 형성할 수 있기 때문에 권장된다. 전술한 이유로, B 함량은 최대 0.01%, 바람직하게는 최대 0.004 중량%의 값으로 제한된다.
기계적 특성에 대한 비교 시험은 하기 표 1에 명시된 합금 조성을 갖는 강에 대해 공간을 이유로 나누어 중량%로 수행하였다. KSG 1000이라고 하는 본 발명에 따른 제1 합금 조성이 종래의 비교 합금 KSG 800과 함께 표시된다. 나머지의 철 및 제련 유도 불순물은 당연하게 존재하지만 구체적으로 나열되지 않는다.
Figure pct00001
Figure pct00002
구성요소, 특히 구동 샤프트의 다양한 가능한 최종 가공 상태의 영향에 대한 조사를 위해, 표 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 합금 조성을 갖ㄴ느 열간 스트립이 튜브의 주요 재료로 조사되었다. DIN 10305 파트 2 및 파트 3에 따라 상태 “CR1” 및 “A”에서 치수(mm로 외부 직경 × 벽 두께)가 60×2인 프리튜브(중공)가 주요 재료로 제조되었다. 이러한 방식으로 제조된 프리튜브에 더하여, 중공은 본 발명에 따라 어닐링된 다음 다른 직경 및 벽 두께 감소로 냉간 인발되었다. 또한 조정 시 굽힘 교정 공정의 영향을 조사하였다.
기계적 특성에 대한 결과가 하기 표 2에 도시된다. 모든 값은 달성될 기계적 특성에 대한 사양과 대응한다.
Figure pct00003
도 1은 표 2에 따른 샘플에 대한 인장 시험 결과를 도시한다. 예상대로 특히 높은 강도는 냉간 인발 튜브로 달성될 수 있으며, 여기서 조정 굽힌 교정 공정은 큰 영향을 미치지 않는다.
비틀림 시험의 결과는 도 2에 도시된다. 피로 강도에 대한 우수한 결과는 특히 57 mm × 1.5 mm 냉간 인발 튜브에서 달성된다. 이들 튜브의 경우, 25%의 프리튜브의 벽 두께 감소율은 프리튜브의 직경 감소율(5%)보다 더 높다. 이에 반해 50 mm × 1.7 mm 튜브의 경우 프리튜브의 벽 두께 감소율은 약 12%이며 프리튜브의 직경의 감소율은 약 17%이다.
본 발명에 따라 표준 등급 KSG 800 및 강 KSG 1000으로 제조된 냉간 인발 구성요소, 특히 구동 샤프트에 대한 결과의 비교가 아래 표 3에 도시된다.
Figure pct00004
1400 Nm의 토크에서 필요한 200,000번의 하중 주기는 표준 품질의 60 mm의 외부 직경과 1.6 mm의 벽 두께를 갖는 튜브 및 본 발명에 따른 베이나이트 강으로 구성되는 57 mm × 1.5 mm 튜브로 달성된다. 특히 튜브 길이 1 미터 당 중량 감소 및 튜브 길이 1 미터 당 질량 관성 모멘트와 관련하여 본 발명에 따른 강의 사용에 대한 결과적인 이점은 중요하다.
순수한 기계적 기술적 특성 외에도 노치는 피로 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트와 같은 비틀림 응력을 받는 구성요소의 수명을 줄이는 영향을 미친다. 외부 노치(표면 상의 스크래치, 홈) 및 내부 노치(결함, 개재물, 동일 및 다른 상 사이의 상 경계)를 구별해야 한다. 구성요소에 존재하는 고유한 응력 조건은 구성요소의 외부 작동 부하 외에도 달성될 구성요소의 부하 주기에 영향을 미친다.
외부 노치는 구성요소의 제조 공정에서 줄일 수 있다. 내부 노치의 밀도 및 크기는 강 재료의 제조 공정에 영향을 받는다. 제철소에서는 강 재료의 품질 향상을 위한 결함 및 개재물의 밀도 및 크기 감소를 지속적으로 추구한다. 그러나, 상 경계의 밀도 및 유형은 설정된 미세구조에 따라 다르다. 이 경우 베이나이트 미세구조는 고전적인 다상 미세구조에 비해 유리한 것으로 판명되었다. 그 이유는 베이나이트의 미세구조 성분이 일반적으로 비교적 작고 성분 사이의 경도 차이가 비교적 작기 때문이다. 결과적으로 주어진 상 경계의 밀도에 대해 상전이에서의 응력 집중은 고전적인 다상 미세구조(예를 들어, 페라이트와 마르텐사이트가 있는 이중상 미세구조)에 비해 더 낮다. 더 낮은 응력 집중은 더 낮은 노치 효과와 동일시된다. 이상적으로는 완전한 베이나이트 미세구조가 형성되며, 이는 추가 튜브 제조에도 유지된다. 순수한 베이나이트 미세구조는 마르텐사이트 미세구조를 가진 재료보다 고유 응력이 더 적다. 그들은 높은 연신율 및 인성과 결합된 매우 높은 강도의 달성을 허용한다. 높은 인성은 반복적인 하중 하에서 급격한 균열 성장을 방지한다. 강의 화학적 조성 외에도 높은 조정된 베이나이트 비율은 따라서 이전에 설명된 구성요소, 예를 들어 구동 샤프트의 특성을 달성하는데 매우 중요하다.

Claims (11)

  1. 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 위한 강 재료로서,
    상기 강 재료는 800 MPa의 최소 인장 강도를 가지며, 미세구조는 50 부피% 초과의 베이나이트로 구성되며, 중량%로:
    C: 0.02 내지 0.3
    Si: 최대 0.7
    Mn: 1.0 내지 3.0
    P: 최대 0.02
    S: 최대 0.01
    N: 최대 0.01
    Al: 최대 0.1
    Cu: 최대 0.2
    Cr: 최대 1.0
    Ni: 최대 0.3
    Mo: 최대 0.5
    Ti: 최대 0.2
    V: 최대 0.2
    Nb: 최대 0.1
    B: 최대 0.01
    여기서 0.02 ≤ Nb + V + Ti ≤ 0.25가 충족되며, 나머지는 철 및 제련 유도 불순물인, 조성을 구비하는 합금을 갖는,
    강 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 미세구조는 적어도 70 부피%, 바람직하게는 적어도 90 부피%의 베이나이트로 구성되며, 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트 및 페라이트의 비율은 30 부피% 미만, 바람직하게는 10 부피% 미만인,
    강 재료.
  3. 제1항 및 제2항에 있어서,
    다음 원소 중 하나 이상에 대해 조성은 중량%로:
    C: 0.02 내지 0.11 및/또는
    Si: 0.01 내지 0.5 및/또는
    Mn: 1.4 내지 2.2 및/또는
    Al: 0.015 내지 0.1 및/또는
    Cr: 최대 0.3 및/또는
    Ni: 최대 0.2 및/또는
    Mo: 0.05 내지 0.5 및/또는
    B: 최대 0.004 및/또는
    0.05 ≤ Ni + V + Ti ≤ 0.2인,
    강 재료.
  4. 제3항에 있어서,
    다음 원소에 대해 조성은 중량%로:
    C: 0.05 내지 0.11 및/또는
    Si: 0.1 내지 0.5 및/또는
    Mn: 1.5 내지 2.0 및/또는
    N: 0.003 내지 0.01 및/또는
    Al: 0.03 내지 0.1 및/또는
    Ni: 최대 0.15 및/또는
    Mo: 0.1 내지 0.3 및/또는
    Ti: 0.04 내지 0.2인,
    강 재료.
  5. 제1항 내지 제4항 중 적어도 한 항에 따른 강 재료로 구성되는 심리스 또는 용접된 프리튜브로부터 제조되는 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 구동 샤프트를 제조하는 방법으로서,
    상기 프리튜브는 구성요소의 필요한 최종 치수와 비교하여 확대된 직경 및 더 큰 벽 두께를 가지며,
    - 650 내지 850℃의 온도 범위에서 로(furnace)에서 5 내지 30 분의 로 체류 시간으로 상기 프리튜브를 어닐링 한 후 실온으로 냉각하는 단계;
    - 상기 프리튜브의 벽 두께가 프리튜브의 외부 직경보다 더 큰 비율로 감소되는 구동 샤프트의 필요한 최종 직경까지 적어도 하나의 드로잉 절차를 사용하여 프리튜브를 드로잉하는 단계;
    - 선택적으로 구성요소의 필요한 길이로 조정, 특히 굽힘 교정(bend-straightening) 및 분리하는 단계;를 거치는,
    방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프리튜브는 700 내지 800℃ 범위의 온도에서 어닐링되는,
    방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프리튜브는 720 내지 780℃ 범위의 온도에서 어닐링되는,
    방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 적어도 한 항에 있어서,
    드로잉 공정 동안 프리튜브의 두께 감소와 프리튜브의 직경 감소의 비율은 2:1 초과, 유리하게는 5:1 초과인,
    방법.
  9. 제5항 내지 제8항 중 적어도 한 항에 있어서,
    심 없이 제조된 프리튜브는 열간 또는 냉간 스트립으로 제조된 열간 압연된 그리고 용접된 튜브인,
    방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 적어도 한 항에 따른 강 재료로부터 제조된 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 비틀림 응력을 받고 관형인 구동 샤프트.
  11. 튜브, 특히 비틀림 응력을 받는 구성요소, 특히 바람직하게는 구동 샤프트를 제조하기 위한 제1항 내지 제4항 중 적어도 한 항에 따른 강 재료의 용도.
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