KR100644843B1 - 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

만네스만 제관법에 의해 열간 마무리된 강철관에 간편한 내면 절삭가공과, 그 후의 냉간 추신을 실시함으로써, 강철관 내표면을 형성하는 요철 형상의 오목부 깊이(d)와, 표면 거칠기(Ra)와, 오목부 입구폭(w)을 규정하고, 또는, 마찬가지로, 요철 형상의 오목부 깊이(d)와, 내표면층의 비커스 경도(Hv)와, 오목부 입구폭(w)을 규정함으로써, 피로 강도가 우수한 동시에, 차체 경량화에 최적인 드라이브 샤프트용 중공 부재를 제조할 수 있다. 이에 따라, 자동차용 드라이브 샤프트를 저렴한 제조 비용으로, 또한 효율적으로 제조할 수 있으므로, 공업적으로 효과가 커진다.

Description

이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관 및 그 제조 방법{SEAMLESS STEEL TUBE FOR DRIVE SHAFT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 자동차용 드라이브 샤프트의 경량화에 최적이며, 또한 피로 강도가 우수한 중공 부재로서 이용되는 이음매가 없는 강철관 및 이음매가 없는 강철관을 효율적으로 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근에는, 지구 환경을 보호할 필요성이 높아지는 가운데, 자동차 차체의 경량화를 도모하고, 나아가, 에너지 절약 효과를 달성하는 것이 요구된다. 이 때문에, 차체 경량화의 관점에서, 자동차용 부품을 중실(中實) 부재로부터 중공(中空) 부재로 바꾸는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 시도에서, 자동차의 드라이브 샤프트에 대해서도 일부에서 중공 부재가 채용되기 시작되었다.

구체적으로, 자동차용 드라이브 샤프트에 요구되는 비틀림 강성을 확보하면서, 한층 더 경량화를 꾀하기 위하여, 부재의 중간부를 얇은 두께로 대직경화하는 동시에, 등속 죠인트와 체결하는 양 단부를 소직경으로 두껍게 한, 일체 성형의 드라이브 샤프트의 채용이 검토되고 있다. 이러한 드라이브 샤프트를 강철관으로 제조하기 위하여는, 중공 부재의 양 단부에 냉간(冷間) 축(軸) 축경(縮俓, Reducing) 가공 등을 실시하고, 양축 단부의 외경을 감소시키는 동시에 두께를 증가시킴에 의해 일체 성형된다.

자동차용 드라이브 샤프트는, 엔진의 회전축 토크를 타이어에 전달하는 중요 안전 부품이다. 여기서, 드라이브 샤프트의 피로 강도를 확보하기 위하여, 그 강도, 강성을 높여 주는 것이 바람직하므로, 담금질 등의 열처리가 실시된다. 담금질을 실시한 경우에는, 그러한 열처리에 의해 양호한 피로 강도를 유지하면서, 981MPa 이상의 고 강도화를 꾀하는 것도 가능해진다.

통상, 전술의 냉간 축경 가공에서는, 가공에 있어서 강철관 내면을 규제하는 공구를 이용하지 않으므로, 가공 조건에 따라서는 가공 후의 드라이브 샤프트의 내면에 주름이 발생하는 경우가 있다. 드라이브 샤프트에 내면 주름이 발생하면, 현저하게 피로 강도를 저하시키게 된다. 그래서, 드라이브 샤프트의 중공 부재에 이용되는 강철관의 제조에는, 강철관 내에 플러그 외에 코어드 바(cored bar)를 삽입하여, 냉간 추신(抽伸)을 소정 치수까지 반복하는 방법이 검토되고 있다.

그런데, 냉간 추신을 반복하는 방법으로, 강철관의 내표면을 원활하게 가공할 수 있고, 소정 치수로 마무리할 수 있지만, 평활한 내면을 얻기 위하여는, 수회에 걸치는 추신 가공과 중간 소둔을 반복할 필요가 있으므로, 제조 비용이 증가한다는 문제가 있다.

상기 문제를 해결하기 위하여, 일본국 특허 제2822849호 공보에서는, 만네스만(Mannesmann) 제관법으로 스트레치(stretch) 리듀서를 이용하여 능률적으로 이음매가 없는 강철관을 제조하고, 이 강철관 내면을 숏 블러스트(shot blast) 연삭 등 에 의해 내면 절삭하여, 드라이브 샤프트 등의 자동차용 이음매가 없는 강철관을 제조하는 방법이 제안되어 있다. 이 제조 방법에 의하면, 숏 블러스트에 의한 내면 연삭량이 증가하지만, 비교적 근소한 내면 절삭에 의해, 드라이브 샤프트용 중공 부재의 피로 강도를 적절히 향상시킬 수 있다.

이음매가 없는 강철관을 열간에서 제조하는 만네스만 제관법은, 중실(中實)의 빌렛(billet)의 중심부에 구멍을 뚫는 천공 공정과, 이 천공된 중공 소관(素管)의 두께 가공을 주된 목적으로 하는 연신 압연 공정과, 소관 외경을 감소시켜 목표 치수로 마무리하는 정(定)직경 압연 공정에 의해 구성된다.

통상, 천공 공정에서는 만네스만 천공기, 교차형 천공 압연기, 프레스 천공 밀 등의 천공 압연기가, 연신 압연 공정에서는 맨드릴 밀(mandrel mill), 플러그 밀, 앗셀 밀 등의 압연기가, 또한 정(定) 직경 압연 공정에서는 스트레치 리듀서나 사이저 등의 구멍형 압연기가 각각 이용된다.

도 1은 이음매가 없는 강철관을 열간에서 제조하는 만네스만 제관법의 제조 공정의 일례를 설명한 도면이다. 이 제관 방법은, 소정 온도로 가열된 중실의 둥근 빌렛(1)을 피 압연재로 하고, 이 둥근 빌렛(1)을 천공 압연기(소위, 천공기(piercer))(3)에 공급(送給)하여, 그 축심부에 구멍을 뚫어 중공 소관(2)을 제조한다. 이어서, 제조된 중공 소관(2)을 그대로, 혹은 필요에 따라 상기 천공 압연기와 동일 구성의 연장기(elongater)에 통과시켜 직경 확대, 박육화를 행한 후, 후속하는 연신 압연 장치(맨드릴 밀(4))에 공급하여 연신 압연한다.

맨드릴 밀(4)로 연신 압연할 때, 중공 소관(2)은 장착된 맨드릴 바(4b)와 소 관 외면을 규제하는 압연 롤(4r)에 의해 연신과 동시에 냉각된다. 이 때문에, 맨드릴 밀(4)을 통과한 중공 소관(2)은, 이어서 재열로(5)에 넣어져, 재가열된다. 그 후, 스트레치 리듀서(6)에 통과시켜 관을 연마하고, 형상 수정 및 사이징(sizing)을 행하는 세밀 조정(精整) 공정을 거쳐 이음매가 없는 강철관이 제품으로 제조된다.

이러한 제관법에 있어서, 천공 압연기(3), 맨드릴 밀(4) 및 스트레치 리듀서(6)에서는, 중공 소관(2)을 압하하는 압연 롤이 피 압연재가 진행하는 패스 라인(pass line)을 중심으로 하여, 1조 또는 복수조로 대향 배치된다.

예를 들면, 스트레치 리듀서(6)에서는, 천공 압연기(3) 및 맨드릴 밀(4)로 얻어진 중공 소관(2)을 압연 롤(6r)에 통과시켜, 외경 축경 압연하여 마무리 치수로 가공한다. 이 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이, 스트레치 리듀서(6)는 패스 라인과 밀 센터가 일치하도록 설치되고, 중공 소관(2)을 압하하는 한쌍의 압연 롤은, 패스 라인을 중심으로 하여 대향 배치된 3개의 압연 롤(6r)로 이루어지고, 이들 압연 롤(6r)이 복수 그룹 직렬로 배치된다. 인접하는 롤 스탠드 사이에서는 각각의 압연 롤(6r)이 패스 라인에 대해 수직인 면내에서 압하 방향을 60°마다 엇갈리게 해 교차 배치된다.

그런데, 상술과 같이, 스트레치 리듀서에서는, 맨드릴 등의 내면 규제 공구를 이용하지 않고, 중공 소관을 외경 축경 압연에 의해 마무리하므로, 열간 마무리된 강철관의 내면에 세로줄 형상의 주름이 발생하기 쉽다.

상기 일본국 특허 제2822849호 공보에서는, 열간 압연된 이음매가 없는 강철 관의 내면을 20㎛ 내지 500㎛ 절삭 가공함으로써, 강철관 내면에 발생한 주름을 제거하고, 피로 강도의 향상을 꾀한다. 그러나, 이러한 숏 블러스트에 의한 내면 연삭에는 방대한 처리 시간이 필요하게 된다.

구체적으로는, 드라이브 샤프트용으로서 채용되는 강철관은, 내경이 15㎜ 내지 25㎜ 정도의 소직경관이 대상이 되지만, 이들 관 내면에 대해, 상기 연삭량을 확보하기 위하여 숏 가공을 실시하기 위하여는, 몇십분에서 몇시간의 방대한 처리 시간이 필요해 진다. 이 때문에, 상기 일본국 특허 제2822849호 공보에서 제안된 제조 방법에서는, 제조 비용이 증대하는 동시에, 공업상 필요한 양산성을 확보할 수 없다는 큰 문제가 된다.

또한, 스트레치 리듀서에서는 3개의 압연 롤로 이루어진 외경 축경 압연이므로, 중공 소관은 패스 라인에 대해 3방향으로부터 압하를 받는다. 이 때문에, 열간 마무리된 강철관의 내면 형상은, 둥근 원으로 되지 않고, 각이 지거나 다각형화된 원으로 되고, 그 내표면에는 요철 형상이 형성된다. 이러한 내표면의 요철 형상을 둥근 원으로 교정하는 것은, 숏 블러스트 등의 연삭 가공만으로는 곤란하다.

또한, 드라이브 샤프트용 강철관은 스웨이징기(swaging machine) 등에 의해, 양 관 단부에 냉간 축경 가공이 실시되어, 길이 방향으로 외경, 두께가 변화한 제품 형상으로 마무리된다. 이 냉간 축경 가공에 수반되는 내경 축경률은 50 내지 70% 정도로 되고, 내표면에 요철 형상을 가지는 관재(管材)가 이러한 가공을 받으면, 이 요철 형상을 기점으로 하여, 더욱 깊은 주름을 성장시키게 된다.

통상, 중공 부재를 이용한 드라이브 샤프트에서는, 담금질에 의해 고 강도화 되지만, 고 강도화된 재료에서는, 내면 주름을 기점으로 하는 피로 균열이 용이하게 진전되어 피로 강도의 저하가 현저해 진다. 따라서, 상술한 981MPa 이상의 고강도의 부재에서는, 고 강도화에 수반하여 피로 균열 발생의 응력 집중 감수성이 높아져, 내면 품질의 문제가 현저해지는 경우가 많다.

본 발명은, 종래의 드라이브 샤프트 등의 자동차용 이음매가 없는 강철관의 제조에 수반되는 문제점에 비추어 이루어진 것으로서, 만네스만 제관법에 의해 열간 마무리된 강철관에 비교적 적은 내면 절삭 가공과, 그 후의 냉간 추신을 실시함으로써, 피로 강도가 우수한 동시에, 차체 경량화에 최적인 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상술의 과제를 해결하기 위하여, 다양한 검토를 한 결과, 전술의 냉간 축경 가공에 있어서의 주름의 성장, 진전은, 반드시 열간 압연후의 강철관에 존재하는 주름 깊이에 의존하지 않는 것, 및 최종 제품으로서의 드라이브 샤프트의 피로 수명은, 냉간 축경 가공전의 강철관 내면 주름 깊이에만 의존하는 것이 아님을 명확히 했다. 이하에, 본 발명자들이 밝힌 식견을 설명한다.

드라이브 샤프트는, 자동차 엔진의 회전축 토크를 타이어에 전달하는 중요 안전 부품이므로, 피로 파괴의 기점이 될 수 있는 표면 주름 손상은 발생시키지 않는 것이 바람직하다. 그 중공 부재로부터 최종 제품 형상으로의 마무리 공정은, 강철관의 부재 양단에 냉간 축경 가공이 실시되어, 드라이브 샤프트에 일체 성형된다.

그러나, 이 냉간 축경 가공에 수반하여, 강철관의 길이 방향으로 수직인 단면의 내표면에 형성된 요철 형상에서, 내면 주름이 발생하여, 성장하는 경우가 있다. 따라서, 드라이브 샤프트로서 이용되는 중공 부재의 성능은 냉간 축경 가공이 실시되어 최종 제품으로 마무리된 단계에서 평가할 필요가 있다.

상기의 관점에서, 상기 일본국 특허 제2822849호 공보에서 제안된 제조 방법에서는, 냉간 축경 가공전의 열간 마무리 강철관으로서, 즉 드라이브 샤프트로서의 반제품 단계에서 내면 주름을 제거하는 방법을 채용하고 있으므로, 제조 비용의 증대와 생산 효율의 저하를 초래하는 것에 불과하게 된다.

환언하면, 단지 냉간 축경 가공 전의 드라이브 샤프트용 강철관의 주름 깊이를 개선하는 것에 주목하는 것이 아니라, 오히려, 그 후의 냉간 축경 가공에 있어서 성장하는 내면 주름의 진전을 억제할 수 있는 강철관의 내면 품질을 명확히 함으로써, 냉간 축경 가공전에 허용할 수 있는 주름 깊이를 파악하여, 쓸데없이 장시간의 내면 연삭을 실시하지 않고, 낮은 제조 비용으로 효율적으로 소정의 피로 강도를 확보할 수 있다.

도 2는 회전축 토크를 전달할 때에 드라이브 샤프트의 내표면 및 외표면에 작용하는 전단 응력의 분포를 개념적으로 설명한 도면이다. 도 2에 도시한 전단 응력 분포로부터 명백한 바와 같이, 드라이브 샤프트의 외표면에는, 내표면에 비해 큰 전단 응력이 작용한다.

따라서, 드라이브 샤프트의 내표면에 완전히 주름이 없는 상태에서, 내표면 모두 피로 한도 전단 응력이 충분히 큰 경우에는, 피로 균열은 내표면보다 큰 전단 응력이 작용하는 외면측으로부터 발생, 성장하게 된다.

그러나, 내표면에 주름 손상이 존재하면, 그 주름을 기점으로 하여 균열이 진전되므로, 작용하는 전단 응력이 작아도 내표면측으로부터 피로 균열이 발생하는 경우가 있다.

바꿔 말하면, 내표면에 주름이 존재하는 경우라도, 내표면측의 피로 한도 전단 응력이 외면측에서 규정되는 전단 응력을 넘도록, 내표면측에 발생하는 주름을 관리할 수 있으면, 냉간 축경 가공으로 발생, 성장하는 주름은 결과적으로 제품의 피로 수명에 영향을 주지 않고, 실용상, 문제가 되지 않는다.

본 발명은 상기의 식견에 의거해 검토되고, 또한 일체 성형된 드라이브 샤프트가 충분한 피로 특성을 확보할 수 있는 조건 및 이 중공 부재를 효율적으로 제조할 수 있는 방법을 명백하게 하여 완성된 것으로, 하기 (1), (2)의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관 및 (3)의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관의 제조 방법을 요지로 한다.

(1) 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부의 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 또한, 강철관의 내표면의 표면 거칠기가 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛인 강철관으로서, 상기 오목부의 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상인 것을 특징으로 하는 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관이다.

(2) 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 또한, 강철관의 내표면층 500㎛에 있어서의 경도가 비커스(Vickers) 경도(Hv)로 200이하인 강철관으로서, 상기 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상인 것을 특징으로 하는 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관이다.

(3) 만네스만 제관법에 의해 이음매가 없는 강철관을 열간 가공할 때에, 연신 압연 후의 재가열 조건을 800 내지 1050℃로 하고, 정(定) 직경 압연에서의 최대 구멍형 타원률(장반경/단반경)을 1.1 이하의 조건으로 압연하여 열간 마무리한 후, 상기 열간 마무리의 강철관에 샌드 블러스트로 내면 연삭을 실시하고, 이어서 냉간 추신을 행하는 것을 특징으로 하는 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관의 제조 방법이다.

상기 (1) 및 (2)의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에서, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 미만인 경우에는, 어떠한 오목부의 입구폭(w)이라도, 냉간 축 가공 후에 드라이브 샤프트로서 필요한 피로 강도를 확보할 수 있다.

이 때문에, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 미만인 경우에는, 그 오목부의 입구폭(w)을 제한하지 않는 것으로 한다.

본 발명에서 「내표면을 형성하는 요철 형상」이란, 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관으로서, 냉간 축 가공되기 전의 내면 품질 상황을 나타내는 것이다. 더욱 자세히는, 열간 마무리된 강철관의 모남이나 다각형화, 또는 세로줄 형상의 내면 주름의 발생에 기인하여, 그 후의 내면 연삭 및 냉간 추신의 영향을 받은 내면 주름 등의 발생 상황을 나타낸다. 따라서, 이하의 설명에서는 「요철 형상」 및 「내면 주름」의 표현을 병용하는 경우가 있다.

도 1은 이음매가 없는 강철관을 열간에서 제조하는 만네스만 제관법의 제조 공정의 일례를 설명한 도면이다.

도 2는 회전축 토크를 전달할 때에 드라이브 샤프트의 내표면 및 외표면에 작용하는 전단 응력의 분포를 개념적으로 설명한 도면이다.

도 3은 강철관 내면에 발생한 줄무늬 형상 주름이나 모나게 되는 상황을, 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상으로서 도시한 도면이다.

도 4는 스트레치 리듀서의 압연 롤에 있어서의 구멍형 형상을 도시한 도면이다.

도 5는 실시예에서 사용한 피로 특성의 평가 시험편을 도시한 도면이다.

본 발명의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에서는, 드라이브 샤프트가 우수한 피로 강도를 발휘할 수 있도록, 내표면을 형성하는 요철 형상 중, 평균적인 요철 형상의 크기뿐만 아니라, 강철관 내표면의 전체를 감안해, 그 중에서 가장 큰 요철 형상을 소정의 범위에서 관리하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 강철관 내면에 발생한 줄무늬 형상 주름이나 모나게 되는 상황을, 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상으로서 도시한 도면이고, (a)는 오목부의 입구폭이 좁은 경우를, (b)는 오목부의 입구폭이 넓은 경우를 도시한다. 본 발명에서는, 강철관 단면의 내표면에 부분적으로 점재 하는 요철 형상의 크기를 식별하기 위하여, 도 3에 도시한 바와 같이, 그 오목부 바닥까지의 깊이를 d 및 그 입구의 폭을 w로 규정한다.

그리고, 피로 강도를 확보하기 위하여, d가 100㎛ 이하인 것을 전제 조건으로 하고, 그 중 오목부 바닥까지의 깊이가 비교적 깊고, d가 50㎛ 이상인 경우에는, w가 0.5d 이상으로 관리한다.

그런데, 오목부 바닥까지의 깊이가 얕고, d가 50㎛ 미만인 경우에는, 어떠한 오목부의 입구폭(w)이라도, 냉간 축 가공 후에 드라이브 샤프트로서 필요한 피로 강도를 확보할 수 있으므로, 그 오목부의 입구폭(w)을 제한하지 않는다.

또한, 본 발명의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에서는, 강철관의 내표면의 요철 형상을 소정의 거리에 걸쳐 측정하고, 평균적인 요철 형상의 레벨 지표를 소정의 범위에서 관리할 필요가 있다. 즉, 강철관의 내표면의 표면 거칠기를 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛에서 관리한다. 여기서 말하는 중심선 평균 거칠기(Ra)는, JIS B0601에 규정된 것이다.

전술과 같이, 스트레치 리듀서에서의 외경 축경 압연에서는, 중공 소관이 패스 라인에 대해 3방향으로부터 압연 롤에 의한 압하를 받지만, 내면 규제 공구를 이용하지 않으므로, 다수의 줄무늬 형상 주름 발생이나 모나게 된다. 그 후, 추신 가공을 실시함으로써, 줄무늬 형상 주름이나 모나는 것을 개선할 수 있는 동시에, 내외면 전체의 평활화가 도모된다.

본 발명자 들의 검토에 의하면, 스트레치 리듀서 압연 그대로의 열간 마무리 강철관에서는, 기껏 중심선 평균 거칠기(Ra)로 5 내지 10㎛ 이지만, 냉간 추신에 의해 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛까지 평활화되고, 이에 따라 피로 수명의 개선에 현저한 효과가 얻어진다. 이 때문에, 본 발명의 강철관 내표면의 표면 거칠기는, 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛으로 할 필요가 있다.

상술한 바와 같이, 강철관의 내표면을 형성하는 요철 형상 중, 큰 요철 형상을 소정의 범위로 관리함과 동시에, 강철관의 내표면의 요철 형상의 평균적인 레벨 지표를 소정의 범위에서 관리함으로써, 이들 작용과 더불어, 최종 단계에서의 냉간 축경 가공에서의 주름 깊이의 진전이 충분히 억제되어, 피로 강도를 향상시킬 수 있다.

냉간 축경 가공량은, 드라이브 샤프트 제품 형상에 따라서 결정되는 데, 일반적으로는, 외경 축경률이 30% 및 내경 축경률이 60% 전후로 설정된다. 이러한 냉간 축경 가공량을 대상으로 한 경우에, 본 발명의 강철관이 규정하는 내표면의 요철 형상 및 내표면의 표면 거칠기 조건은, 피로 강도를 향상시키기 때문에, 현저한 효과를 발휘한다.

본 발명의 다른 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에서는, 드라이브 샤프트가 우수한 피로 강도를 확보하기 위하여, 강철관의 내표면을 형성하는 요철 형상 중, 큰 요철 형상을 소정 범위에서 관리함과 동시에, 강철관의 내표면층 500㎛에 있어서의 경도를 비커스 경도 Hv≤ 200로 함으로써, 상기의 냉간 축경 가공량이 보다 높은 경우에도, 상기 경우와 마찬가지로 우수한 효과를 발휘할 수 있다.

이 경우에, 강철관의 내표면층 500㎛에 있어서의 경도란, 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내 표면 측으로부터 두께 방향으로의 거리가 100㎛, 200㎛, 300㎛, 400㎛ 및 500㎛인 각 점에서 측정한 경도의 평균치를 말한다.

내면측에서의 주름 발생에 미치는 경도 분포의 영향을 검토한 결과, 외면측의 경도가 다소 변화해도, 내면측의 주름 발생에는 직접적인 영향을 미치지 않는다. 또한, 내면측의 몇㎛ 내지 몇십㎛의 최표층의 근방에서는, 냉간 추신 시에 내면 규제 공구에 의한 전단 변형이 작용하므로, 두께부에서의 평균적인 경도 분포에 비해, 경도가 다소 높아지는 경우가 있다. 그러나, 상술한 강철관의 내표면층 500㎛에서의 경도를 비커스 경도로 측정하여 결과를 정리하면, 주름 진전과의 상관이 얻어진다.

본 발명의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에서는, 대상으로 하는 강철 종류의 화학 조성을 규정하고 있지 않지만, 드라이브 샤프트에 적합한 조성예로서, C : 0.20 내지 0.50%, Si : 0.1 내지 0.5% 및 Mn : 0.4 내지 2.0%를 함유하고, 잔부(殘部)는 P, S 등의 불순물 및 Fe로 이루어지는 조성을 예시할 수 있다.

또한, 피로 강도에 추가하여 다양한 특성을 개선하기 위하여는, 상기의 조성에 추가하여, Cr : 0 내지 1.5%, Ti : 0 내지 0.05%, Nb : 0 내지 0.05%, V : 0 내지 0.1%, Mo : 0 내지 1%, Ni : 0 내지 0.5%, Cu : 0 내지 0.5%, B : 0 내지 0.05% 및 Ca : 0 내지 0.01% 중, 1종 또는 2종 이상의 성분을 함유시킬 수 있다.

본 발명의 드라이브 샤프트용 강철관의 제조 방법의 일례로서, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 맨드릴 밀 및 스트레치 리듀서를 이용한 만네스만 제관법을 들 수 있다.

구체적으로는, 이음매가 없는 강철관을 열간 제관할 때에, 맨드릴 밀에 의한 압연후의 재가열 조건을 800 내지 1050℃로 하고, 스트레치 리듀서에서의 압연 온도를 충분히 고온으로 함과 동시에, 균일화를 꾀하는 것으로 한다. 이에 따라, 스트레치 리듀서 압연에 의한 강철관 내면의 진원도를 적절히 향상시켜, 압연 과정에서의 내면의 다각화의 발생을 유효하게 억제할 수 있다.

도 4는 스트레치 리듀서의 압연 롤에 있어서의 구멍형 형상을 도시한 도면이다. 전술과 같이, 스드레치 리듀서에 설치된 압연 스탠드는, 3개의 압연 롤(6r)로 이루어진다. 통상, 압연 롤(6r)에 있어서의 구멍형 형상은, 롤 구멍형의 장반경 ra/단반경 rb의 비로 표시되는 최대 구멍형 타원률로 관리된다.

본 발명의 제조 방법에서는, 고온 또한 균일하게 재가열된 중공 소관을 스트레치 리듀서로 압연하는 경우에, 최대 구멍형 타원률(ra/rb)이 l.1 이하인 압연 롤을 이용하여, 압하량의 균일성을 높인다.

상술의 재가열 조건 및 압연 롤의 최대 구멍형 타원률(ra/rb)을 규정함으로써, 스트레치 리듀서 압연후의 강철관 내면에 있어서의 진원도를 향상시켜, 내면 다각화를 유효하게 억제할 수 있다. 본 발명의 제조 방법에서는, 전술과 같이, 진원도가 높여진 열간 마무리 강철관의 내면을 연삭하고, 그 후, 냉간 추신으로 내면의 평활도를 높임으로써, 효율적으로 피로 강도가 우수한 드라이브 샤프트용 강철관의 내면 품질을 만들 수 있다.

즉, 열간 마무리 강철관의 내면을 샌드 블러스트 연삭한 후에, 냉간 추신으로 내표면의 평활화가 도모되므로, 전단(前段)의 샌드 블러스트에 의한 절삭 처리를 비교적 간편하게 할 수 있어, 단시간의 처리 및 미소한 절삭량으로 목적을 달성 할 수 있다. 예를 들면, 후술하는 실시예에서 나타내는 바와 같이, 본 발명에서, 연삭 시간은 10분 정도이고, 또한 연삭량은 20㎛ 내지 30㎛ 확보할 수 있으면 적용할 수 있다.

또한, 냉간 추신에서는 강철관 내면에 플러그의 내면 규제 공구를 접촉시켜 내면을 마무리하기 때문에, 외면뿐만 아니라 내면 거칠기를 작게 할 수 있다. 열간 마무리 강철관의 연삭 가공만에서는, 내표면의 표면 거칠기가, 중심선 표면 거칠기(Ra)로 5 내지 10㎛ 정도였던 것이, 냉간 추신 가공을 실시함으로써, 1 내지 4㎛까지 평활화할 수 있다.

본 발명의 드라이브 샤프트용 강철관 및 그 제조 방법의 효과를, 실시예 1 내지 3에 따라서 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

열간 마무리 후에 냉간 추신한 강철관, 또는 열간 마무리 그대로인 강철관에, 냉간 축경 가공을 실시하고, 비틀림 피로 강도를 조사함으로써 제품의 평가 시험을 실시했다. 테스트 재료의 화학 조성은, 질량%로 C : 0.40%, Si : 0.28%, Mn : 1.07%, Cr : 0.14%, Ti : 0.032% 및 B : 0.0014%를 함유하고, 잔부는 Fe로 했다.

우선, 둥근 빌렛에 천공 압연을 행한 후, 맨드릴 밀로 연신 압연을 실시하고, 900℃의 조건으로 재가열을 행하여, 스트레치 리듀서로 외경 축경 압연하여, 외경 51㎜, 내경 35㎜, 두께 8㎜의 열간 마무리 강철관을 제조했다. 그 후에, 연삭 시간을 바꿔, 여러가지 조건으로 샌드 블러스트에 의한 내면 연삭을 실시했다.

다음에, 내면 연삭후의 강철관에 산 세정, 윤활 처리를 실시하고, 원통 플러 그를 이용하여 냉간 추신을 행한 후, 700℃×20분의 소둔 처리를 실시하여, 외경 45㎜, 내경 31㎜, 두께 7㎜의 드라이브 샤프트용 강철관을 제조했다.

또한, 비교예로서, 냉간 추신의 유무에 의한 영향을 확인하기 위하여, 스트레치 리듀서로 압연하여 외경 45㎜, 내경 31㎜, 두께 7㎜의 열간 마무리 강철관을 제조하고, 상기와 같이 내면 연삭을 실시해, 드라이브 샤프트용 강철관을 제조했다.

다음에, 테스트 제공된 각 드라이브 샤프트용 강철관을 500㎜로 절단하고, 절단한 강철관의 양 관끝으로부터 미크로 관찰용의 시료를 각각 1개 채취하여, 강철관의 길이 방향에 수직인 단면의 내표면에 나타나는 요철 형상을 미크로 관찰했다.

이러한 미크로 관찰에서는, 수직인 단면에 존재하는 오목부 바닥까지의 최대 깊이(dmax)를 측정함과 동시에, d가 50㎛ 이상인 오목부의 깊이(d)와 출입구 폭(w)을 측정하여, w/d를 조사했다. 또한, 얻어진 각 드라이브 샤프트용 강철관의 내표면의 표면 거칠기(Ra)의 측정을 실시했다.

또한, 테스트 제공된 드라이브 샤프트용 강철관에, 약 30%의 냉간 축경 가공을 실시하고, 최종 제품의 드라이브 샤프트로서 이용되었을 때의 피로 수명을 평가하였다. 여기서의 평가 치수는, 외경 32㎜, 내경 14㎜, 두께 9㎜로 하고, 냉간 축경 가공에서의 내경 축경률은 약 55%로 했다. 테스트 제공된 드라이브 샤프트용 강철관의 내면 품질의 상이에 의해, 냉간 축경 가공에서의 주름 성장 상황에 상이가 발생하는 데, 이들을 피로 시험 결과로서 평가하였다.

도 5에 도시한 바와 같이, 피로 특성의 평가 시험편(7)은, 외면에서 적당한 길이 범위의 평행한 시험부(7a)를 시험편 중앙부에 깎아내 형성하고, 그 양 단측에 파지부(7b)를 형성했다. 도 5에 도시한 형상의 각 시험편(7)에 담금질, 어닐링한 후, 그 부하 토크를 다양하게 바꿔, 비틀림 피로 시험을 행하였다.

이상의 시험 조건과 시험 결과를 표 1에 표시한다. 여기서는, 열간 마무리후 냉간 추신된 강철관 및 열간 마무리 그대로의 강철관으로서, 드라이브 샤프트용 강철관으로 제공된 것을 테스트 강철관으로 한다.

<표 1>

강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 그 중 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상(w/d≥ 0.5)으로 되어 있고, 내표면의 표면 거칠기가 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛인 강철관에서는, 냉간 축경 가공후의 피로 시험에서 비틀림 부하 토크가 높은 값으로 되어 있다.

여기서, 중심선 평균 거칠기(Ra)는, 강철관을 축방향으로 반으로 쪼개고, 즉, 세로로 쪼개어, 내표면을 축방향으로 표면 거칠기계로 측정하였다.

한편, 오목부 바닥까지의 최대 깊이(dmax)가 50㎛ 미만으로 평활화되어 있으면, 오목부의 입구폭(w)이 상기 조건을 구비하지 않은 경우라도, 내면측을 기점으로 하는 파괴는 발생하지 않는다(샘플 No.9).

상술과 같이, 실시예 1에서, 열간 마무리 그대로의 강철관에 냉간 추신을 행함으로써, 표면 거칠기(Ra)의 개선이 촉진되고, 요철 형상의 제어와 강철관 내표면의 평활화와 더불어, 드라이브 샤프트용 강철관의 피로 특성이 현저하게 개선되었다.

(실시예 2)

실시예 1과 동일한 열간 공정과 연삭 처리를 실시한 후, 냉간 추신을 행하여 드라이브 샤프트용 강철관을 제조했다. 테스트 제공된 드라이브 샤프트용 강철관에 약 38%의 냉간 축경 가공을 실시하고, 최종 제품의 드라이브 샤프트로서 사용할 경우의 피로 수명을 평가하였다.

여기서의 평가 치수는, 외경 28㎜, 내경 9㎜, 두께 9.5㎜로 했다. 냉간 축경 가공에서의 내경 축경률은 약 71%로 되고, 실시예 1보다 엄격한 조건에서 피로 특성을 평가하였다.

평가에 있어서는, 실시예 1과 마찬가지로, 미크로 관찰용의 시료를 제작하고, dmax 및 w/d를 조사함과 동시에, 강철관의 내표면층 500㎛에서의 비커스 경도 (Hv)를 측정하였다.

단, 강철관의 내표면층 500㎛에서의 경도는, 냉간 축경 가공전의 열처리 조건을 780 내지 790℃로 가열하고, 그 후의 서냉 시간을 다양하게 조정함으로써 조정했다. 각각의 시험 조건과 시험 결과를 표 2에 표시한다.

<표 2>

표 2에 표시하는 결과로부터, 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 그 중 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상(w/d≥ 0.5)인 강철관으로서, 재료내 표면층에 있어서의 경도가 비커스 경도 Hv≤ 200이면, 피로 강도가 향상되는 것을 알았다.

또한, 바람직하게는 Hv≤180를 확보하면, 한층, 피로 특성을 향상시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

(실시예 3)

본 발명의 제조 조건에 대하여 확인하였다. 테스트 재료의 화학 조성은, 질량%로 C : 0.45%, Si : 0.23%, Mn : 0.76% 및 Cr : 0.16%를 함유하고, 잔부는 Fe로 했다.

상기 도 1에 도시한 바와 같이, 만네스만 제관법에 의해 둥근 빌렛에 천공 압연을 행한 후, 맨드릴 밀로 주로 두께 가공을 실시한 후, 이어서 재열로에 넣어, 900℃로 재가열했다.

다음에 스트레치 리듀서에서는, 재가열된 중공 소관을 20조의 3롤 압연 스탠드에 의해 압연을 실시했다. 이 압연에 있어서는, 맨드릴 바 그 밖의 코어드 바를 이용하지 않고 다수 조의 롤 군으로 압연했다.

스트레치 리듀서에 의해 열간 마무리된 강철관에 대해, 샌드 블러스트에 의한 내면 연삭을 행한 후, 산 세정, 윤활 처리를 실시하고, 원통 플러그를 이용하여 냉간 추신 가공을 추가하고, 이어서 700℃× 20분의 소둔 처리를 실시하여, 외경 45㎜, 내경 31㎜, 두께 7㎜의 드라이브 샤프트용 강철관을 제조했다.

또한, 실시예 1과 마찬가지로, 제조 공정의 상이에 의한 피로 특성의 상이를 조사하기 위하여, 냉간 추신의 유무에 의한 영향을 확인하는 비교예로서, 스트레치 리듀서에서의 압연 그대로 외경 45㎜, 내경 31㎜, 두께 7㎜의 열간 마무리 강철관을 제조하여, 내면 연삭을 실시하고, 이어서 700℃×20분의 소둔 처리하여 드라이브 샤프트용 강철관을 제조했다.

이에 따라, 냉간 축경 가공전의 드라이브 샤프트용 강철관으로서의 경도는, 내표면층 500㎛에서 Hv 193 내지 196으로 마무리되었다.

또한, 실시예 1과 동일한 조건으로, 테스트 제공된 드라이브 샤프트용 강철관에 약 30%의 외경 축경 가공을 실시한 후, 최종적으로 담금질 처리를 행하고, 최종 제품의 드라이브 샤프트로서 이용될 때의 피로 수명을 평가하였다. 여기서의 평가 치수는, 외경 32㎜, 내경 14㎜, 두께 9㎜로 했다.

표 3에 내표면의 요철 상황, 표면 거칠기, 냉간 추신 유무 및 샌드 블러스트에 의한 내면 연삭 시간에 따른 피로 수명의 평가 시험 결과를 표시한다.

<표 3>

표 3의 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조건으로 제조된 드라이브 샤프트용 강철관이면, 내면 연삭에 장시간을 요하지 않고, 우수한 피로 강도를 확보할 수 있다.

또한, 연삭량에 대해서는 강철관의 내경 치수에 따라 변동하지만, 두께로 20㎛ 내지 30㎛ 확보할 수 있으면 충분한 것을 확인했다. 그 후에 냉간 추신하면, 냉간 추신에 의해 강철관 내면이 내면 평활화되므로, 효율적으로 피로 강도가 우수한 드라이브 샤프트용의 중공 부재를 얻을 수 있다.

본 발명의 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관에 의하면, 만네스만 제관법에 의해 열간 마무리된 강철관에 간편한 내면 절삭 가공과, 그 후의 냉간 추신을 실시함으로써, 강철관 내표면을 형성하는 요철 형상의 오목부 깊이(d)와, 표면 거칠기(Ra)와, 오목부 입구폭(w)을 규정하고, 또는, 마찬가지로, 요철 형상의 오목부 깊이(d)와, 내표면층의 비커스 경도(Hv)와, 오목부 입구폭(w)을 규정함으로써, 피로 강도가 우수한 동시에, 차체 경량화에 최적인 드라이브 샤프트용 중공 부재를 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제조 방법을 적용함으로써, 자동차용 드라이브 샤프트를 저렴한 제조 비용으로, 또한 효율적으로 제조할 수 있으므로, 공업적으로 효과가 커진다.

Claims (4)

1. 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 또한, 강철관의 내표면의 표면 거칠기가 중심선 평균 거칠기(Ra)로 1 내지 4㎛인 강철관에 있어서,

   상기 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상인 것을 특징으로 하는 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관.

   단, 상기 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 미만인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)을 제한하지 않는 것으로 한다.
2. 강철관의 길이 방향에 수직인 단면에 있어서의 내표면을 형성하는 요철 형상이, 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 100㎛ 이하이고, 또한, 강철관의 내표면층 500㎛에 있어서의 경도가 비커스 경도(Hv)로 200이하인 강철관에 있어서,

   상기 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 이상인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)이 0.5d 이상인 것을 특징으로 하는 이음매가 없는 드라이브 샤프트용 강철관.

   단, 상기 오목부 바닥까지의 깊이(d)가 50㎛ 미만인 경우에, 그 오목부의 입구폭(w)을 제한하지 않는 것으로 한다.
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