KR101178954B1 - Low carbon alloy steel tube having ultra high strength and excellent toughness at low temperature and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 출원은 2003년 10월 10일에 출원된 미국 가출원번호 60/509,806 및 2004년 10월 5일에 출원된 미국 비-가출원번호의 이득을 주장한다.This application is directed to US Provisional Application No. 60 / 509,806, filed Oct. 10, 2003, and US Non-Provisional Application No., filed October 5, 2004. Insist on the benefits.
본 발명은 저온에서 초고강도 및 우수한 인성을 가진 저탄소 합금 강철 튜브 및 또한 그러한 강철 튜브를 제조하는 방법에 관한 것이다. 강철 튜브는, 예를 들면, 자동차 에어백 팽창기와 같은, 자동차 구속장치 부품들의 용기용 부품을 제조하는데 특히 적합하다. The present invention relates to low carbon alloy steel tubes having ultra high strength and good toughness at low temperatures and also to methods of making such steel tubes. Steel tubes are particularly suitable for manufacturing parts for containers of automotive restraint parts, such as, for example, automobile airbag inflators.
차량 탑승자 보호 시스템용 에어백 팽창기는 엄격한 구조적 및 기능적 기준을 충족시킬 것이 요구된다. 따라서, 엄격한 절차 및 인내력이 제조공정에 부과된다. 현장 경험은 당업이 과거의 구조적 및 기능적 기준을 충족시키는데 성공적이었다는 것을 나타내고, 동시에 제조 원가의 지속적인 감소도 또한 중요하지만, 개선되고 그리고/또는 신규한 특성들이 진화된 요건을 충족시키기 위해 필요하다. Airbag inflators for vehicle occupant protection systems are required to meet stringent structural and functional criteria. Therefore, rigorous procedures and endurance are imposed on the manufacturing process. Field experience indicates that the industry has been successful in meeting past structural and functional criteria, while at the same time a continuous reduction in manufacturing costs is also important, but improved and / or new features are needed to meet the evolving requirements.
에어백 또는 보조구속장치는 오늘날의 많은 차량에서 중요한 안전 설비이다. 과거에, 에어백 시스템은 폭발성 화학물질을 이용하는 유형이었으나, 그것들은 값이 비싸고 환경 및 재활용 상의 문제들 때문에, 최근에는, 아르곤 가스 또는 유사물로 채워진 강철 튜브로 만들어진 어큐뮬레이터(accumulator)를 사용하는 신규 유형의 팽창기가 개발되었고, 이 유형이 점차로 사용되고 있다. Air bags or auxiliary restraints are important safety equipment in many vehicles today. In the past, airbag systems were of the type that used explosive chemicals, but because of their high cost and environmental and recycling issues, in recent years a new type using an accumulator made of steel tubes filled with argon gas or the like Inflators have been developed, and this type is increasingly used.
상기의 어큐뮬레이터는 자동차 충돌시 단일 또는 다중 단계 파열(burst)로, 에어백으로 불어 넣어지는 고압의 가스 또는 유사물을 평상시에 보존하는 용기이다. 따라서, 그러한 어큐뮬레이터로서 사용되는 강철 튜브는 극히 짧은 기간의 시간에 높은 변형률로 응력을 받아야 한다. 따라서, 보통의 압력 실린더와 같은 단순한 구조와 비교하여, 상기의 강철 튜브는 뛰어난 치수 정밀도, 가공성, 및 용접성을 가질 필요가 있고 그것은 또한 높은 강도, 인성, 및 파열(bursting)에 대한 우수한 내성을 가져야 한다. 치수 정밀도는 에어백을 부풀리는 가스의 매우 정확한 부피를 보증하는데 중요하다. The accumulator is a container that normally stores a high-pressure gas or the like that is blown into an air bag in a single or multi-stage burst in an automobile crash. Thus, steel tubes used as such accumulators must be stressed with high strain rates in a very short period of time. Therefore, compared with the simple structure like a normal pressure cylinder, the above steel tube has excellent dimensional accuracy, workability, And need to have weldability and it should also have high strength, toughness, and good resistance to bursting. Dimensional precision is important to ensure a very accurate volume of gas inflating the airbag.
냉간 성형 특성은, 어큐뮬레이터는 이음매없는 튜브가 제조된 후 최종 형상으로 성형되기 때문에, 어큐뮬레이터를 제조하는데 사용되는 관형 부재(members)에 매우 중요하다. 용기 배치에 따라 다른 형상들이 냉간성형에 의해 얻어질 것이다. 냉간성형 후에 균열 및 표면상의 결함이 없는 압력 용기를 얻는 것이 중요하다. 더욱이, 냉간성형 후에 저온에서조차 매우 우수한 인성을 가지는 것이 극히 중요하다. Cold forming properties are very important for the tubular members used to make the accumulator because the accumulator is molded into the final shape after the seamless tube is made. Other shapes may be obtained by cold forming depending on the container arrangement. It is important to obtain a pressure vessel free from cracks and surface defects after cold forming. Moreover, it is extremely important to have very good toughness even at low temperatures after cold forming.
지금까지 개발된 강철은 매우 우수한 용접성을 갖고, 본 출원의 경우 용접 전 예열이나 용접 후 열처리를 요구하지 않는다. 하기식에 의해 정의된 바에 따른, 탄소 등가물(equivalent)은, The steels developed so far have very good weldability and the present application does not require pre-weld preheating or post-weld heat treatment. As defined by the formula, the carbon equivalent is
Ceq = %C + %Mn/6 + (%Cr+%Mo+%V)/5 + (%Ni+%Cu)/15Ceq =% C +% Mn / 6 + (% Cr +% Mo +% V) / 5 + (% Ni +% Cu) / 15
요구되는 용접성을 얻기 위해 약 0.63% 미만이어야 한다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기에 정의된 바와 같은 탄소 등가물은 더 나은 용접성 보장을 위해 약 0.60% 미만이어야 한다. It should be less than about 0.63% to obtain the required weldability. In a preferred embodiment of the present invention, the carbon equivalent as defined above should be less than about 0.60% to ensure better weldability.
가스 용기를 제조하기 위해, 본 발명에 따라 만들어진 냉간-인발된 튜브는 일정 길이로 절단되고 그 후에 다른 알려진 기술(크림핑, 스웨이징, 또는 동종의 방법)을 사용하여 냉간성형된다. 선택적으로, 용접된 튜브가 사용될 수 있었다. 그 다음에, 어큐뮬레이터를 제조하기 위해, 말단 캡(cap) 및 확산기(diffuser)가 마찰 용접, 가스 텅스텐 아크 용접 또는 레이저 용접과 같은 적절한 기술에 의해 용기의 각 말단에 용접된다. 이러한 용접은 매우 중요하고, 그 자체로 상당한 노동 및, 어떤 경우에는 압력 용기 및 에어백 전개를 통하여 용접 완전성을 보증하는 시험을 필요로 한다. 이들 용접은 금이 가거나 실패할 수 있다는 것이 관찰되었고, 따라서 어큐뮬레이터의 완전성 및 가능하기는 에어백의 작동을 위태롭게 한다. To produce a gas container, cold - drawn tubes made in accordance with the present invention are cut to length and then cold formed using other known techniques (crimping, swaging, or the like). Alternatively, welded tubes could be used. Then, to manufacture the accumulator, an end cap and a diffuser are welded to each end of the vessel by a suitable technique such as friction welding, gas tungsten arc welding or laser welding. Such welding is very important and in itself requires testing to ensure weld integrity through considerable labor and, in some cases, pressure vessel and airbag deployment. It has been observed that these welds can crack or fail, thus the integrity and possibly accumulating the accumulators endanger the operation of the airbag.
팽창기는 에어백 전개 중에 그들의 구조적 온전함을 유지하는 것을 보장하기위해 시험된다. 이러한 시험들 중 하나는 소위 파열 시험이다. 이것은 캐니스터가일반적인 운영상의 사용 즉 에어백 전개 중에 예상되는 것보다 상당히 더 높은 내부 압력을 받는 파괴형 시험이다. 이러한 시험에서, 팽창기는 파열이 일어날 때까지 내부 압력의 증가를 겪는다. Inflators are tested to ensure their structural integrity during airbag deployment. One of these tests is the so-called burst test. This is a destructive test where the canister is subjected to significantly higher internal pressures than expected during normal operational use, ie airbag deployment. In this test, the inflator undergoes an increase in internal pressure until rupture occurs.
파열 시험을 재검토하고 이러한 시험으로부터의 시험 캐니스터 견본을 연구함에 있어서, 파괴가 다른 선택적 방법을 통해 일어난다는 것이 밝혀졌다: 연성 파괴, 취성 파괴(brittle fracture), 및 때때로 이러한 두 방식의 조합. 연성 파괴에서는, (파열하는 기포에 의해 나타나는 것과 같은) 개방된 벌지(bulge)로 예시되는 결과된(outturned) 파열(rupture)이 일어난다는 것이 관찰되었다. 파열된(ruptured) 표면은 튜브 외부 표면에 대하여 대략 45도 기울어져 있고, 대상(subject) 영역 내에 국한된다. 한편, 취성 파괴에서는 팽창기의 길이를 따라 제지-안된(non-arresting) 길이 방향의 균열이 나타나고, 그것은 재료의 취성 구역을 나타낸다. 이 경우에, 파괴 표면은 일반적으로 튜브 외부 표면이 될 것이다. 이러한 두 가지 파괴 방식은 주사 전자 현미경하에서 관찰될 때 독특한 표면을 가진다 - 갈라짐은 취성을 나타내고, 딤플(dimples)은 연성 파괴의 특징이다. In reviewing the rupture test and studying the test canister specimens from these tests, it has been found that fracture occurs through other optional methods: ductile fracture , brittle fracture, and sometimes a combination of these two approaches. In ductile fracture, it has been observed that an outturned rupture occurs, which is illustrated by an open bulge (as represented by a bursting bubble). The ruptured surface is inclined approximately 45 degrees with respect to the tube outer surface and is localized in the subject area. On the other hand, brittle fracture results in non-arresting longitudinal cracks along the length of the inflator, which indicate brittle zones of material. In this case, the fracture surface will generally be the tube outer surface. These two modes of destruction have a unique surface when viewed under a scanning electron microscope-cracks are brittle and dimples are characteristic of ductile failure.
때때로, 이러한 두 가지 파괴 방식의 조합이 관찰될 수 있고, 취성 균열은 연성의, 파열 영역으로부터 퍼질 수 있다. 에어백 팽창기를 포함하는 전체 시스템은 매우 다양한 기후에서 작동하는 차량들에 이용될 수 있기 때문에, 재료는 매우 낮은 온도에서 높은 온도까지의, 폭넓은 온도 범위에 걸쳐 연성 행동을 나타내는 것이 중요하다.Sometimes a combination of these two modes of failure can be observed, and brittle cracks can spread from the ductile, ruptured areas. Since the entire system, including the airbag inflator, can be used in vehicles operating in a wide variety of climates, it is important that the material exhibit soft behavior over a wide temperature range, from very low to high temperatures.
본 발명의 요약SUMMARY OF THE INVENTION
본 발명은 초고강도(최소 UTS 145 ksi) 그리고 그 결과로서 매우 높은 파열 압력을 가지는 냉간성형에 적합한 저탄소 합금 강철 튜브에 관한 것이다. 더욱이, 강철은 저온에서 훌륭한 인성을 가지고, -60℃, 즉, -60℃ 미만의 연성-취성 천이 온도(DBTT), 및 가능하게는 심지어 -100℃ 만큼 낮은 온도에서 보장된 연성 행동을 가진다. 본 발명은 또한 그러한 강철 튜브를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a low carbon alloy steel tube suitable for cold forming with very high strength (minimum UTS 145 ksi) and consequently very high burst pressure. Moreover, steel has good toughness at low temperatures, and has a ductile behavior that is guaranteed at temperatures as low as -60 ° C., ductile-brittle transition temperature (DBTT), and possibly even as low as -100 ° C. The invention also relates to a method for producing such a steel tube.
본 발명의 재료는 차량 구속장치 부품용 용기의 부품을 만들도록 설계되고, 그 예로는 자동차 에어백 팽창기가 있다. The material of the present invention is designed to make parts of a container for vehicle restraint parts, for example an automobile airbag inflator.
본 발명은 여러 형태의 구현예를 허용하지만, 현재 바람직한 구현예로 기술될 것이고, 그러나, 본 발명이 본 발명의 예시로 간주되고 설명되는 특정 구현예로 한정하려는 의도는 아니라는 것을 이해할 것이다. While the invention allows for various forms of implementation, it will be described as being the presently preferred embodiment, however, it will be understood that the invention is not intended to be limited to the specific embodiments considered and described as an illustration of the invention.
본 발명은 저장된 가스 팽창기 압력 용기로 사용되는 강철 관(tubing)에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 -60℃에서 보증된 연성 행동, 즉, -60℃ 미만의 연성-취성 천이 온도를 가진 이음매없는(seamless) 압력 용기 용도의 저탄소 초고강도 강철 등급(grade)에 관한 것이다. The present invention relates to steel tubing used as stored gas expander pressure vessels. More specifically, the present invention relates to a low carbon ultra high strength steel grade for use in seamless pressure vessels with a guaranteed ductile behavior at -60 ° C, ie, ductile-brittle transition temperatures below -60 ° C. will be.
더 상세하게는, 본 발명은 화학 조성 및 팽창기를 제조하기 위해 사용되는 이음매없는 강철 관을 얻기 위한 제조 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention relates to a manufacturing method for obtaining a seamless steel tube used for making chemical compositions and expanders.
이음매없는 저탄소 초고강도 강철을 제조하는 방법의 개략적인 설명은 하기와 같다. A schematic description of a method of making a seamless low carbon ultra high strength steel is as follows.
1. 강철 제조1. steel fabrication
2. 강철 주조2. steel casting
3. Tue 열간압연(hot rolling)3. Tue hot rolling
4. 열간압연된 중공(hollow) 마감 작업4. Hot Rolled Hollow Finish
5. 냉간인발5. Cold Drawn
6. 열처리6. Heat treatment
7. 냉간-인발 튜브 마감 작업7. Cold-drawn tube finishing work
강철-제조 공정의 주된 목적들 중의 하나는 탄소, 규소, 황, 인, 및 망간의 제거에 의해 철을 정련하는 것이다. 특히, 황 및 인은 재료의 기계적 특성을 악화시키기 때문에 강철에 해롭다. 레이들 야금이 기초 강철 제조 작업에서의 더 빠른 처리를 허용하는 특정 정제 단계를 수행하기 위한 기초 처리 전 또는 후에 사용된다. One of the main purposes of the steel-making process is to refine iron by removal of carbon, silicon, sulfur, phosphorus and manganese. In particular, sulfur and phosphorus are harmful to steel because they deteriorate the mechanical properties of the material. Ladle metallurgy is used before or after foundation treatment to perform certain purification steps that allow for faster treatment in foundation steel fabrication operations.
강철-제조 공정은 매우 낮은 황 및 인 함량을 얻기 위해 극도의 청정한 실행 하에 수행되고, 이것은 생성물에 요구되는 높은 인성을 얻는데 중요하다. 따라서, ASTM E45 기준 - Worst Field 방법(방법 A)의 지침 하에 수준 2 또는 2 미만의 -박(thin) 시리즈, 및 수준 1 또는 1 미만의 -중(heavy) 시리즈-의 개재물(inclusion)의 목적이 부과되었다. 본 발명의 바람직한 구현예에서, 상기에 언급된 기준에 따라 측정되듯이 최대 미세개재물(microinclusion) 함량은 하기 표와 같아야 한다. The steel-making process is carried out under extreme clean run to obtain very low sulfur and phosphorus contents, which is important for obtaining the high toughness required for the product. Therefore, the purpose of inclusion of the -thin series below level 2 or below 2 and the -heavy series below level 1 or below under the guidance of ASTM E45-Worst Field Method (Method A). Was imposed. In a preferred embodiment of the invention, the maximum microinclusion content should be as shown in the table below, as measured in accordance with the above-mentioned criteria.
더욱이, 극청정(extreme clean) 실행은 크기가 30㎛ 이하인 과대(oversize) 개재물 컨텐츠를 얻을 수 있게 한다. 이러한 개재물 컨텐츠는 총 산소 함량을 20ppm으로 제한하면서 얻어진다. Moreover, an extreme clean run makes it possible to obtain oversize inclusion content that is less than 30 μm in size. This inclusion content is obtained while limiting the total oxygen content to 20 ppm.
이차 야금에서 극청정 실행은 개재물과 불순물이 부양되도록 레이들 노에서 불활성 기체를 버블링함으로써 수행된다. 불순물과 개재물을 흡수시킬 수 있는 유체 슬래그의 생성, 및 액체 강철에 SiCa의 첨가에 의한 개재물의 크기와 형상 변형은 낮은 개재물 컨텐츠를 갖는 고품질 강철을 만들어낸다. In secondary metallurgy, the ultra-clean run is performed by bubbling an inert gas in the ladle furnace to support inclusions and impurities. The generation of fluid slag that can absorb impurities and inclusions, and the size and shape deformation of inclusions by the addition of SiCa to liquid steel, results in high quality steel with low inclusion content.
얻어진 강철의 화학적 조성은 하기와 같을 것이다. 각각의 경우에 "%"는 "질량 퍼센트"를 의미한다:The chemical composition of the steel obtained will be as follows. In each case "%" means "mass percent":
탄소(C)Carbon (C)
C는 강철의 강도를 저렴하게 증가시키는 원소이지만, 그의 함량이 0.06% 미만인 경우에는 원하는 강도를 얻기 어렵다. 한편, 강철이 0.18%를 초과하는 C 함량을 가지면, 냉간(cold) 가공성, 용접성 및 인성이 감소한다. 그러므로, C 함량 범위는 0.06%~0.18%이다. C 함량의 바람직한 범위는 0.07%~0.12% 및 심지어 더 바람직한 범위는 0.08~0.11%이다. C is an element which increases the strength of steel at low cost, but when its content is less than 0.06%, it is difficult to obtain the desired strength. On the other hand, if the steel has a C content of more than 0.18%, cold workability, weldability and toughness decrease. Therefore, the C content ranges from 0.06% to 0.18%. The preferred range of C content is 0.07% to 0.12% and even more preferred range is 0.08 to 0.11%.
망간(Mn)Manganese (Mn)
Mn은 강철의 경화가능성을 증가시키는데 효과적인 원소이고, 따라서 그것은 강도와 인성을 증가시킨다. 그것의 함량이 0.5% 미만이면 원하는 강도를 얻기 어렵고, 반면에 그것이 1.5%를 초과하면 밴딩(banding) 구조 자국이 남고, 인성은 감소한다. 따라서, Mn 함량은 0.5%~1.5%이다. 그러나, 바람직한 Mn 범위는 1.00%~1.40%이고, 더 바람직한 범위는 1.03%~1.18%이다.Mn is an effective element for increasing the hardenability of steel, and therefore it increases strength and toughness. If its content is less than 0.5%, it is difficult to obtain the desired strength, whereas if it exceeds 1.5%, banding structure marks are left and toughness is reduced. Therefore, Mn content is 0.5%-1.5%. However, the preferred Mn range is 1.00% to 1.40%, more preferably 1.03% to 1.18%.
규소(Si)Silicon (Si)
Si는 강철 제조 처리 중에 탈산소 효과를 가지는 원소이고 또한 강철의 강도를 증가시킨다. Si 함량이 0.10% 미만이면, 강철은 산화되기 쉽고, 한편 0.50%를 초과하면, 그러면 인성과 가공성이 모두 감소한다. 그러므로, Si 함량은 0.1%~0.5%이다. 바람직한 Si 범위는 0.15%~0.35%이다. Si is an element having a deoxygenation effect during the steel fabrication process and also increases the strength of the steel. If the Si content is less than 0.10%, the steel is easy to oxidize, while if it exceeds 0.50%, then both the toughness and the workability decrease. Therefore, Si content is 0.1%-0.5%. Preferable Si ranges are 0.15%-0.35%.
황(S)Sulfur (S)
S는 강철의 인성을 감소시키는 원소이다. 따라서, S 함량은 최대 0.015%로 제한된다. 바람직한 최대값은 0.010%이고, 더 바람직한 최대값은 0.003%이다. S is an element that reduces the toughness of steel. Thus, the S content is limited to at most 0.015%. Preferred maximums are 0.010% and more preferred maximums are 0.003%.
인(P)Phosphorus (P)
P는 강철의 인성의 감소를 일으키는 원소이다. 따라서, P 함량은 최대 0.025%로 제한된다. 바람직한 최대값은 0.015%이고, 더 바람직한 최대값은 0.012%이다. P is an element causing the reduction of toughness of steel. Thus, the P content is limited to a maximum of 0.025%. Preferred maximum is 0.015%, more preferred maximum is 0.012%.
니켈(Ni)Nickel (Ni)
Ni은 강철의 강도와 인성을 증가시키는 원소이지만, 그것은 매우 고가이고, 따라서 Ni는 최대 0.50%로 제한된다. 바람직한 최대값은 0.20%이고 더 바람직한 최대값은 0.10%이다. Ni is an element that increases the strength and toughness of steel, but it is very expensive, so Ni is limited to a maximum of 0.50%. Preferred maximums are 0.20% and more preferred maximums are 0.10%.
크롬(Cr)Chrome (Cr)
Cr은 강철의 강도, 인성, 및 내식성을 증가시키는데 효과적인 원소이다. 그것의 함량이 0.10% 미만이면 원하는 강도를 얻기가 어렵다. 반면, 1.0%를 초과하면, 용접 구역에서의 인성은 현저히 감소된다. 따라서, Cr 함량은 0.1%~1.0%이다. 하지만, 바람직한 Cr 범위는 0.55~0.80%이고, 더 바람직한 범위는 0.63%~0.73%이다. Cr is an effective element for increasing the strength, toughness, and corrosion resistance of steel. If its content is less than 0.10%, it is difficult to obtain the desired strength. On the other hand, if it exceeds 1.0%, the toughness in the weld zone is significantly reduced. Therefore, Cr content is 0.1%-1.0%. However, the preferred Cr range is 0.55 to 0.80%, more preferably 0.63% to 0.73%.
몰리브덴(Mo)Molybdenum (Mo)
Mo은 강철의 강도를 증가시키는데 효과적인 원소이고 템퍼링 중에 연화를 지연시키는데 기여한다. 함량이 0.10% 미만이면 원하는 강도를 얻기 어렵고, 반면에 함량이 1.0%를 초과하면, 용접 구역에서의 인성은 현저하게 감소한다. 따라서, Mo 함량은 0.1%~1.0%이다, 하지만, 이 철합금은 고가이므로 최대 함량을 낮출 필요가 있다. 그러므로, 바람직한 Mo 범위는 0.30%~0.50%이고, 더 바람직한 함량은 0.40%~0.45%이다. Mo is an effective element for increasing the strength of steel and contributes to retarding softening during tempering. If the content is less than 0.10%, it is difficult to obtain the desired strength, while if the content is more than 1.0%, the toughness in the welding zone is significantly reduced. Therefore, Mo content is 0.1%-1.0%, However, since this iron alloy is expensive, it is necessary to lower the maximum content. Therefore, the preferred Mo range is 0.30% to 0.50%, more preferably 0.40% to 0.45%.
바나듐(V)Vanadium (V)
V은 소량으로 첨가되더라도, 강철의 강도를 증가시키는데 효과적인 원소이고, 템퍼링 중에 연화를 지체시킨다. V의 함량은 0.01%~0.1%가 최적이라는 것이 밝혀져 있다. 하지만, 이 합금철은 고가이므로 최대 함량을 낮출 필요가 있다. 그러므로, 바람직한 V 범위는 0.01%~0.07%이고, 더 바람직한 범위는 0.03%~0.05%이다. V is an effective element to increase the strength of steel, even in small amounts, and delays softening during tempering. It is found that the content of V is optimal from 0.01% to 0.1%. However, since the ferroalloy is expensive, it is necessary to lower the maximum content. Therefore, the preferred V range is 0.01% to 0.05%, and more preferably 0.03% to 0.05%.
티타늄(Ti)Titanium (Ti)
Ti은 소량으로 첨가되더라도, 강철의 강도를 증가시키는데 효과적인 원소이다. Ti 함량은 0.01%~0.1%이 최적이라는 것이 밝혀져 있다. 하지만, 이 합금철은 고가이므로 최대 함량을 낮출 필요가 있다. 그러므로, 바람직한 Ti 범위는 0.01%~0.05%이고, 더 바람직한 범위는 0.025%~0.035%이다. Ti, even when added in small amounts, is an effective element for increasing the strength of steel. It is found that the Ti content is optimally 0.01% to 0.1%. However, since the ferroalloy is expensive, it is necessary to lower the maximum content. Therefore, the preferred Ti range is 0.01% to 0.05%, and more preferably 0.025% to 0.035%.
구리(Cu)Copper (Cu)
이 원소는 파이프의 내식성을 향상시키고, 그러므로 Cu 함량은 0.05%~0.35% 의 범위이고 더 바람직한 범위는 0.15%~0.30%이다. This element improves the corrosion resistance of the pipe, therefore the Cu content is in the range of 0.05% to 0.35% and more preferably in the range of 0.15% to 0.30%.
알루미늄(Al)Aluminum (Al)
이 원소는 개재물 함량을 감소시키고 강철 입자(grain)를 정련하기 위해 강철 제조 처리 중에 강철에 첨가된다. 바람직한 Al 함량은 0.010%~0.050%의 범위이다 This element is added to the steel during the steel fabrication process to reduce the inclusion content and to refine the steel grain. Preferred Al content is in the range of 0.010% to 0.050%
상기에 기재되지 않은 다른 원소들의 바람직한 범위는 하기와 같다:Preferred ranges of other elements not described above are as follows:
원소element 중량weight
니오브 최대 0.05%Niobium up to 0.05%
Sn 최대 0.05%Sn max 0.05%
Sb 최대 0.05%Sb up to 0.05%
Pb 최대 0.05%Pb up to 0.05%
As 최대 0.05%As max 0.05%
관 또는 체임버를 제조하는데 사용되는 강철의 단일 레이들에서의 잔여 원소는 하기와 같을 것이다:Residual elements in a single ladle of steel used to make tubes or chambers would be as follows:
Sn+Sb+Pb+As ≤ 최대 0.15%, 및 Sn + Sb + Pb + As ≤ 0.15% at maximum, and
S+P ≤ 0.025 S + P ≤ 0.025
다음 단계는 이음매없는 강철 튜브를 성형하기 위해 구멍 뚫리고 압연될 수 있는 고형 강철 막대를 제조하기 위한 강철 주조이다. 강철은 강철 공장에서 둥근 고형 강편으로 주조되고, 강철축을 따라 균일한 직경을 가진다. The next step is steel casting to produce solid steel rods that can be drilled and rolled to form seamless steel tubes. The steel is cast into round solid steel slabs in a steel mill and has a uniform diameter along the steel axis.
초고청정강의 고형 실린더형 강편은 약 1200℃~1300℃의 온도로 가열되고,이 온도에서 압연 처리된다. 바람직하게는, 강편은 약 1250℃의 온도로 가열되고, 그 후에 압연기를 통과한다. 강판은, 바람직하기는 공지의 Manessmann 공정을 사용하여 구멍이 뚫리고, 그 후에 열간압연중에 그 길이는 상당히 증가하면서 외부 직경 및 벽 두께는 상당히 감소된다. 예를 들면, 148mm 외부 직경 고형 막대는 열간압연되어 벽 두께가 3.25mm인, 외부 직경 48.3mm의 열간압연 튜브가 된다. The solid cylindrical steel slab of ultra high clean steel is heated to the temperature of about 1200 degreeC-1300 degreeC, and is rolled at this temperature. Preferably, the slabs are heated to a temperature of about 1250 ° C. and then passed through a rolling mill. The steel sheet is preferably drilled using the known Manessmann process, after which the outer diameter and wall thickness are significantly reduced while its length increases significantly during hot rolling. For example, a 148 mm outer diameter solid rod is hot rolled into a hot rolled tube of outer diameter 48.3 mm with a wall thickness of 3.25 mm.
열간압연된 튜브의 횡단 영역에 대한 고형 강편의 횡단 영역의 비율로 측정되는 횡단 영역의 감소는, 원하는 기계적 특성을 얻는데 필요한 정련된 미세구조를 얻는데 중요하다. 그러므로, 최소 횡단 영역 감소는 15:1이고, 각각 바람직하기는 20:1 및 가장 바람직하기는 25:1의 최소 횡단 영역 감소를 가진다. The reduction of the cross section, measured as the ratio of the cross section of the solid slabs to the cross section of the hot rolled tube, is important for obtaining the refined microstructure necessary to achieve the desired mechanical properties. Therefore, the minimum cross-sectional area reduction is 15: 1, and each has a minimum cross-sectional area reduction of 20: 1 and most preferably 25: 1.
이와 같이 제조된 초고청정 철강의 이음매없는 열간압연 튜브는 실온으로 냉각된다. 이와 같이 제조된 초고청정 철강의 이음매없는 열간압연 튜브는 튜브 주위의 원주로 및 튜브 축을 따라 길이로 둘 다에서, 대략 균일한 벽 두께를 갖는다. The seamless hot rolled tube of ultra-clean steel thus produced is cooled to room temperature. The seamless hot rolled tubes of the ultra-clean steel thus produced have a substantially uniform wall thickness, both in the circumference of the tube and in length along the tube axis.
열간압연된 튜브는 그 후 다른 마감 단계들을 통과하고, 예를 들면 2~4 조각으로 길이로 절단되고, 그것의 말단은 잘라지고(cropped), 필요하다면 공지의 회전식 교정 장치를 사용하여 교정되고, 전자기 시험 또는 초음파 시험과 같은, 하나 이상의 다른 공지 기술에 의해 비-파괴적으로 시험된다. The hot rolled tube is then passed through different finishing steps, cut into lengths, for example 2-4 pieces, the ends of which are cropped and, if necessary, calibrated using known rotary straightening devices, It is tested non-destructively by one or more other known techniques, such as electromagnetic tests or ultrasonic tests.
열간압연된 튜브의 각각의 조각 표면들은 이후 냉간인발을 위해 적절히 컨디셔닝된다. 이 컨디셔닝은 산 용액에 침지에 의한 산세(pickling) 및 알려진 징크 포스페이트 및 소듐 에스테아라테 배합물, 또는 반응성 오일과 같은 윤활제의 적절한 층의 적용을 포함한다. 표면 컨디셔닝 후에 이음매없는 튜브는 냉간인발되고, 인발된 튜브의 외부 직경보다 더 작은 직경을 가진 외부 다이를 통해 잡아당겨진다. 대부분의 경우, 튜브의 내부 표면은 또한 인발 중에 심봉이 다이에 가까이 유지되도록, 로드의 한 끝에 고정된 내부 심봉에 의해 지지된다. 이러한 인발 작업은 실온 이상으로 튜브를 사전 가열할 필요없이 수행된다. Each piece surface of the hot rolled tube is then properly conditioned for cold drawing. This conditioning includes pickling by immersion in an acid solution and application of a suitable layer of lubricant, such as known zinc phosphate and sodium esterate combinations, or reactive oils. After surface conditioning the seamless tube is cold drawn and pulled through an outer die having a diameter smaller than the outer diameter of the drawn tube. In most cases, the inner surface of the tube is also supported by an inner mandrel fixed to one end of the rod such that the mandrel stays close to the die during drawing. This drawing operation is performed without the need to preheat the tube above room temperature.
이음매없는 튜브는 최소한 한 번 그렇게 냉간인발되고, 각각의 통과(pass)는 외부 직경 및 튜브의 벽 두께를 둘 다 감소시킨다. 그렇게 제조된 냉간-인발된 강철 튜브는 튜브 축을 따라 균일한 외부 직경을 가지고, 튜브 주위 원주로 및 튜브 축을 따라 길이로 둘 다 균일한 벽 두께를 가진다. 그렇게 냉간-인발된 튜브는 바람직하게는 10~70mm의 외부 직경, 및 바람직하게는 1~4mm의 벽 두께를 가진다. The seamless tube is so cold drawn at least once, and each pass reduces both the outer diameter and the wall thickness of the tube. The cold-drawn steel tube so produced has a uniform outer diameter along the tube axis, and has a uniform wall thickness both in the circumference of the tube and in length along the tube axis. Such cold-drawn tubes preferably have an outer diameter of 10 to 70 mm, and preferably a wall thickness of 1 to 4 mm.
냉간-인발된 튜브는 그 후에 오스테나이트화(austenizing) 노에서 최소한 상위 오스테나이트화 온도, 또는 Ac3(여기에 개시된 특정 화학의 경우, 약 880℃임), 그러나 바람직하게는 약 920℃ 초과 및 약 1050℃ 미만의 온도에서 열처리된다. 이 최대 오스테나이트화 온도는 입자 조잡화를 피하기 위해 부과된다. 이 처리는 연료 노 또는 유도-형 노에서 수행될 수 있지만, 바람직하게는 후자에서 수행될 수 있다. 노에서 주행 시간(transit time)은 사용되는 노의 유형에 크게 의존한다. 이러한 적용에 요구되는 높은 표면 품질은 유도형 노를 사용했을 때 더 잘 얻어진다는 것이 밝혀졌다. 이것은 산화가 일어나는 것을 방해하는, 매우 짧은 주행 시간이 관련된 유도 공정의 특성 때문이다. 바람직하기는, 오스테나이트화 가열 속도는 적어도 초당 약 100℃이지만, 더 바람직하게는 적어도 초당 약 200℃이다. 극히 높은 가열 속도 및, 그 결과로써 매우 짧은 가열 시간은 매우 우수한 입자 미세구조를 얻는데 중요하고, 결국 요구되는 기계적 특성을 보증한다. The cold-drawn tube is then at least the upper austenitizing temperature, or Ac3 (in the case of certain chemistry disclosed herein, about 880 ° C.), but preferably above about 920 ° C. and about in an austenizing furnace. Heat treatment at a temperature below 1050 ° C. This maximum austenitization temperature is imposed to avoid particle coarsening. This treatment can be carried out in fuel furnaces or induction-type furnaces, but preferably in the latter. The transit time in the furnace depends largely on the type of furnace used. It has been found that the high surface quality required for this application is better obtained with induction furnaces. This is due to the nature of the induction process, which involves a very short run time that prevents oxidation from occurring. Preferably, the austenitization heating rate is at least about 100 ° C. per second, but more preferably at least about 200 ° C. per second. Extremely high heating rates and, as a result, very short heating times are important for obtaining very good particle microstructures, which in turn guarantees the required mechanical properties.
더욱이, 유도 노의 코일 내부 직경에 의해 정의되는 둥근 영역에 대한 튜브의 외부 직경에 의해 정의되는 둥근 영역의 비율로써 정의되는, 적절한 충전 인자는 요구되는 높은 가열 속도를 얻기 위해 중요하다. 최소 충전 인자는 약 0.16이고, 바람직한 최소 충전 인자는 약 0.36이다. Moreover, a suitable filling factor, defined as the ratio of the rounded area defined by the outer diameter of the tube to the rounded area defined by the coil inner diameter of the induction furnace, is important for obtaining the required high heating rate. The minimum fill factor is about 0.16 and the preferred minimum fill factor is about 0.36.
노의 출구 구역에서 또는 가까이에서 튜브는 적절한 담금질 유체에 의해 담금질된다. 담금질 유체는 바람직하게는 물 또는 수-기재 담금질 용액이다. 튜브 온도는 바람직하게는 적어도 초당 약 100℃의 속도로, 더 바람직하게는 적어도 초 당 약 200℃의 속도로, 주위 온도로 급속히 떨어진다. 이러한 극히 높은 냉각 속도는 완전한 미세구조 변형을 얻기 위해 중요하다. At or near the exit zone of the furnace the tube is quenched by a suitable quenching fluid. The quenching fluid is preferably a water or water-based quenching solution. The tube temperature drops rapidly to ambient temperature, preferably at a rate of at least about 100 ° C. per second, more preferably at a rate of at least about 200 ° C. per second. This extremely high cooling rate is important for obtaining complete microstructure deformation.
강철 튜브는 그 후에 적절한 온도와 순환 시간으로 Ac1 미만의 온도에서 템퍼링된다. 바람직하게는, 템퍼링 온도는 약 400-600℃이고 더 바람직하게는 약 450-550℃이다. 담금 시간은 매우 우수한 온도 균질성을 보증하기에 충분할 정도로 길 것이지만, 그것이 너무 길면, 원하는 기계적 특성이 얻어지지 않는다. 따라서, 약 2-30분, 바람직하게는 약 4-20분의 담금 시간이 사용되어왔다. 템퍼링 처리는 바람직하게는 보호 감소 또는 튜브의 탈탄소 및 산화를 피하기 위해 중성의 대기에서 수행된다. The steel tube is then tempered at a temperature below Ac1 with appropriate temperature and circulation time. Preferably, the tempering temperature is about 400-600 ° C. and more preferably about 450-550 ° C. The immersion time will be long enough to ensure very good temperature homogeneity, but if it is too long, the desired mechanical properties are not obtained. Thus, a soak time of about 2-30 minutes, preferably about 4-20 minutes, has been used. The tempering treatment is preferably carried out in a neutral atmosphere to reduce the protection or to avoid decarbonization and oxidation of the tubes.
이와 같이 제조된 초고강도 강철 튜브는 다른 마감 단계들을 통과하고, 공지의 회전식 교정 장치에서 교정되고, 그리고 하나 이상의 공지의 기술에 의해 비-파괴적으로 시험된다. 바람직하기는, 이런 종류의 적용의 경우, 튜브는 둘 다 공지된 초음파 및 전자기적 기술에 의해 시험되어야 한다. The ultra high strength steel tube thus produced is passed through different finishing steps, calibrated in known rotary straightening devices, and tested non-destructively by one or more known techniques. Preferably, for this kind of application, the tubes must both be tested by known ultrasonic and electromagnetic techniques.
열처리 후에 관은 원하는 외형과 매우 낮은 표면 조도(roughness)를 갖는 튜브를 얻기 위해 화학적으로 처리될 수 있다. 예를 들면, 튜브는 황산 및 염산 용액에서 산세될 수 있고, 징크 포스페이트를 사용하여 인산화되고 석유-기재 오일, 수-기재 오일, 또는 미네랄 오일을 사용하여 기름칠 될 수 있다.After the heat treatment, the tubes can be chemically treated to obtain tubes with the desired appearance and very low surface roughness. For example, the tubes can be pickled in sulfuric acid and hydrochloric acid solutions, phosphorylated using zinc phosphate and oiled using petroleum-based oils, water-based oils, or mineral oils.
기술된 방법에 의해 얻어진 강철 튜브는 본 발명에 대해 언급된 요건에 부합되도록 하기 기계적 특성을 가질 것이다. The steel tube obtained by the described method will have the following mechanical properties to meet the requirements mentioned for the present invention.
항복 강도(yield strength) 최소 약 125ksi(862MPa)Yield strength minimum about 125 ksi (862 MPa)
더 바람직하게는 최소 135ksi(930MPa)More preferably at least 135 ksi (930 MPa)
인장 강도 최소 약 145ksi(1000MPa)Seal Minimum strength of about 145 ksi (1000 MPa)
연신율 최소 약 9%Elongation At least about 9%
경도 최대 약 40 HRCHardness up to approximately 40 HRC
더 바람직하게는 최대 37 HRCMore preferably up to 37 HRC
항복 강도, 인장 강도, 연신율, 및 경도 시험은 기준 ASTM E8 및 ASTM A370에 기술된 절차에 따라 수행될 것이다. 인장력 시험에 대해, 전체 튜브 부분을 평가하기 위한 실제 크기 견본이 바람직하다. surrender Strength, tensile strength, elongation, and hardness The test will be performed according to the procedures described in standards ASTM E8 and ASTM A370. For the tensile test, an actual size sample for evaluating the entire tube portion is preferred.
편평 시험(flattening test)은 49 CFR의 명세서 DOT 39, 178.65절의 요건에 따를 것이다. 따라서, 튜브 부분은 60도 각도로 각진 V-형 공구로 편평하게(flattened)하는 경우, 반대편이 튜브 벽 두께의 6배로 멀어질 때까지 균열이 생기지 않을 것이다. 이 시험은 개발된 강철에 의해 완전히 충족된다. The flattening test will be in accordance with the requirements of Specification DOT 39, section 178.65 of 49 CFR. Thus, if the tube portion is flattened with a V-shaped tool angled at a 60 degree angle, no cracking will occur until the opposite side is six times the tube wall thickness. This test is fully met by the developed steel.
강도와 인성 사이의 양호한 균형을 얻기 위해, 선행의 (때때로 이전의) 오스테나이트 입자 크기는 ASTM E-112 기준에 따라 측정함에 따르면, 바람직하게는 7 또는 더 미세하고 더 바람직하게는 9 또는 더 미세할 것이다. 이것은 오스테나이트처리 중에 극히 짧은 열 순환 덕분에 달성된다. In order to obtain a good balance between strength and toughness, the preceding (sometimes earlier) austenitic particle size is preferably 7 or finer and more preferably 9 or finer, as measured according to the ASTM E-112 standard. something to do. This is achieved thanks to extremely short thermal cycling during austenite treatment.
기술된 방법에 의해 얻어진 강철 튜브는 본 발명에 대해 언급된 요건에 따르기 위해 언급된 특성을 가질 것이다. The steel tube obtained by the described method will have the properties mentioned to comply with the requirements mentioned for the present invention.
당업계의 요구는 거칠기(roughness) 요건이 더 낮은 값이 되도록 계속 강요하고 있다. 본 발명은 예를 들면, 외부 및 내부 표면 둘 다에서, 최대 3.2 microns의 마감된 관의 표면 마감을 갖는 양호한 시각적 외관을 갖는다. 이 요건은 냉간인발, 짧은 오스테나이트화 시간, 감소 또는 중성 대기 템퍼링, 및 처리의 다른 단계에서 적절한 표면 화학물질 조건조절을 통해 얻어진다. The need in the art continues to impose roughness requirements at lower values. The present invention has a good visual appearance with surface finish of closed tubes of up to 3.2 microns, for example, on both outer and inner surfaces. This requirement is achieved through cold drawing, short austenitization time, reduced or neutral atmospheric tempering, and appropriate surface chemical conditioning at different stages of treatment.
수폭발(hydroburst) 압력 시험은 튜브 부분의 말단을 봉인함으로써, 예를 들면, 튜브 말단에 평강판을 용접함으로써 수행될 것이다. 최대 후프 응력(hoop stress)이 발생할 수 있도록 300mm 튜브 부분(section)은 속박 없이(constraint free) 남아 있는 것이 중요하다. The hydroburst pressure test will be performed by sealing the end of the tube portion, for example by welding a flat plate to the end of the tube. It is important that the 300 mm tube section remain constraint free so that maximum hoop stress can occur.
튜브 부분의 고압밀봉(pressurization)은 펌핑 오일, 물, 알콜 또는 그것들의 혼합물에 의해 수행될 것이다. Pressurization of the tube portion may be performed by pumping oil, water, alcohol or mixtures thereof.
파열 시험 압력 요건은 튜브 크기에 의존한다. 파열이 시험되면, 초고강도 강철 이음매없는 튜브는 -60℃에서 확실한 연성 거동을 갖는다. 생성된 샘플에 대해 수행된 시험은 이 등급이 -60℃ 미만의 연성-취성 천이 온도를 가지면서, -60℃에서 확실한 연성 거동을 가진다는 것을 보여준다. Burst test pressure requirements depend on tube size. When rupture is tested, the ultra high strength steel seamless tube has a definite ductile behavior at -60 ° C. The tests performed on the resulting samples show that this grade has a ductile-brittle transition temperature of less than -60 ° C, while having a certain ductile behavior at -60 ° C.
발명자는 Charpy 충격 시험(ASTM E23에 따라) 대신, 주변 온도 및 낮은 온도에서 수행되는 파열(burst) 시험이 훨씬 더 대표적인 검증 시험이라는 것을 발견했다. 이것은 이들 생성물에 비교적 얇은 벽 두께 및 작은 외부 직경이 사용되고, 그러므로 Charpy 충격 시험을 위한 표준 ASTM 견본이 튜브로부터 가로 방향으로 규격화될 수 없다는 사실에 기인한다. 더욱이, 이러한 서브사이즈 샤르피 충격 탐침을 얻기 위해, 평편 변형(flattening deformation)이 만곡된 튜브 탐침에 적용되어야 한다. 이것은 강철 기계적 특성, 특히 충격 강도에 민감한 영향을 미친다. 그러므로, 대표적인 충격 시험은 이 절차로 얻어지지 않는다. The inventors found that, instead of the Charpy impact test (according to ASTM E23), the burst test performed at ambient and low temperatures is a much more representative verification test. This is due to the fact that relatively thin wall thicknesses and small outer diameters are used for these products and therefore standard ASTM specimens for Charpy impact testing cannot be standardized transversely from the tube. Moreover, in order to obtain such a subsized Charpy impact probe, a flattening deformation must be applied to the curved tube probe. This has a sensitive influence on steel mechanical properties, in particular impact strength. Therefore, a representative impact test is not obtained with this procedure.
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