KR101685490B1

KR101685490B1 - 피로내구성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101685490B1
Application number: KR1020150088341A
Authority: KR
Inventors: 차성철; 홍승현; 고영상; 정우상; 서진유
Original assignee: 현대자동차주식회사; 한국과학기술연구원
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2016-12-13
Also published as: DE102015220728A1; CN106256917B; US20160369370A1; CN106256917A

Abstract

본 발명은 피로내구성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전체 합금강 중량에 대하여, 철(Fe)을 주 성분으로 하여 인(P) 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 구리(Cu) 0.01 ~ 0.1중량%, 알루미늄(Al) 0.01 ~0.06 중량%, 질소(N) 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하, 산소(O) 0 중량% 초과 0.001 중량%, 탄소(C)는 0.8 ~ 1.0 중량%, 규소(Si)는 0.9 ~ 1.6 중량%, 망가니즈(Mn)는 0.5 ~ 1.00 중량%, 니켈(Ni)은 0.1 ~ 0.6 중량%, 크로뮴(Cr)는 1.4 ~ 1.55 중량%, 몰리브데넘(Mo)은 0.2 ~ 0.5 중량% 및 바나듐(V)은 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하를 포함 함으로써, 베어링강의 경도, 강도, 인성, 피로강도 및 피로수명 등 내구성을 향상시키는 효과가 있으며, 상기 베어링강의 고강도화를 가능하게 하여, 박육화 및 약 20 %의 경량화 등을 통해, 자동차 설계의 자유도를 확보하고, 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있는 베어링강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

피로내구성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법{BEARING ALLOY STEEL IMPROVED FATIGUE DURABILITY AND THE METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 피로내구성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 구상화된 복합탄화물을 함유함으로써, 우수한 경도, 강도, 인성을 갖고 피로강도 및 피로수명 등을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 세계적으로 환경문제가 대두되고 있는 바, 산업 전 범위에서 이러한 문제에 대응하기 위하여 연료절감을 하는 방법을 찾아 나서고 있다. 연료 절감을 이룩하기 위하여, 자동차 산업분야에서 제시하는 해결책으로 자동차 엔진의 효율을 좋게 하는 것과 자동차의 경량화를 하는 것이 있다. 차량을 경량화 하게 되면 자동차의 연비를 늘릴 수 있는 좋은 대책이 될 수 있다. 그러나 자동차의 경량화를 하게 되면 차량에서 요구되는 강도와 내구성을 만족시키지 못하는 문제가 발생하게 된다. 따라서, 이를 해결하는 것이 자동차 산업의 최대 목표가 되고 있다.

따라서, 친환경이라는 트랜드 아래 자동차 업계는 유럽규제 기준, 2021년까지 이산화탄소 배출량을 현재 대비, 27% 수준인 95 g/km으로 저감하는 것을 목표로 다양한 친환경 차량을 개발하고 있다. 또한, 2025년 미국 기업평균연비 규제치 (CAFE, Corporate Average Fuel Economy) 54.5 mpg (23.2 km/l)를 만족하기 위해 자동차 메이커들은 다운사이징, 연비향상 기술 개발에 매진하고 있다.

통상적으로, 부품수의 증대 또는 중량의 증가에 대응하기 위하여 소재를 경량화한다. 이때 경량화하는 방법으로 소재의 고강도화 또는 소재표면을 경화하기 위한 열처리 기술을 많이 이용한다. 또한, 부품의 형상이 복잡해 지는 것을 대응하기 위하여 정밀 접합, 저변형 용접 기술 및 저변형 열처리 기술을 이용한다. 이에 더하여, 소음을 줄이기 위한 기술로 열처리로 인한 변형을 저감시키는 기술과 소음 저감 및 제진 기술을 이용한다.

특히, 자동차의 연비 극대화를 위한 엔진 및 변속기의 고성능 및 고효율화 기술을 개발 중인데, 이러한 기술은 다단화, 신개념 발진장치 및 2-펌프시스템의 고효율화, 융합 하이브리드 기술, 자동/수동 융합변속기 및 하이브리드 변속기 기술 등을 포함한다.

상기 엔진 및 변속기 관련 기술에 사용되는 합금강은 엔진의 부품, 수동 또는 자동변속기의 케리어, 에뉼러스 기어, 기어, 샤프트류 및 싱크로 허브 등에 사용되고, 상기 합금강의 사용비율은 엔진에서는 엔진 중량대비 32-40%이고, 변속기에서는 변속기 중량대비 약 58 ~ 62 중량%에 해당한다. 특히 변속기, 보다 구체적으로 기어나 샤프트의 소재는 경량화 및 다운사이징 요구에 의한 고강도화 및 고내구화 소재의 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 그러나, 부품의 다운사이징 및 사이즈 축소 및 연비향상에 관련된 기술은 엔진부품에 가해지는 하중을 증가시키고, 소착, 마찰 및 마모 등으로 인한 부품의 품질저하 및 내구수명을 저하시키는 문제가 있었다. 더 나아가, 부품의 가혹도가 증대 및 소재의 내구력이 부족으로 인하여 표면손상이 발생하고, 윤활류 없이 사용할 경우 표면온도가 상승하여, 고온 또는 많은 회전이 필요한 환경에서는 경도의 저하가 발생하는 바, 기존의 베어링강의 내구성 보강이 필요하게 되었다.

일반적으로, 자동차의 변속기의 기어류는 엔진 동력을 직접 차동계로 전달시키는 것은 물론, 엔진의 동력을 자동차의 주행 상태에 맞게 2개 또는 그 이상의 축 사이에서 회전이나 동력을 효율적으로 전달하는 역할을 하는 부품으로, 굽힘응력과 접촉응력 등을 동시에 받는다. 상기 기어류에서는 소재의 내구성이 부족한 경우, 굽힘피로강도의 부족으로 인한 피로파손(치절손)과 접촉피로강도 부족으로 인한 피로손상(피팅)이 많이 발생한다. 따라서, 상기 기어류에서는 높은 경도, 강도, 인성, 피로강도 및 피로수명 등의 물성이 요구된다.

이와 같은 요구의 대안으로, 현재 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C) 1.00 중량%, 실리콘(Si) 0.27 중량%, 망가니즈(Mn) 0.38 중량%, 인(P) 0.012 중량%, 황(S) 0.005 중량%, 구리(Cu) 1.46 중량%, 니켈(Ni) 0.05 중량%, 크로뮴(Cr) 1.46 중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.02 중량%, 알루미늄(Al) 0.017 중량%, 질소(N) 0.0035 중량% 및 산소(O) 0.0006 중량%를 포함하는 SUJ2와 같은 베어링강이 사용되고 있다. 그러나 이러한 베어링강은 내구성의 문제가 있어 피니언 샤프트의 표면손상(플레이킹) 및 핀 마모가 심한 문제가 있었다.

이에, 본 발명자는 경도, 강도, 인성, 피로강도 및 피로수명 등의 물성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법을 개발하고자 하였다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 일본 공개특허공보 특개2001-294972호(2001.10.26.공개) 등에 개시되어 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C), 실리콘(Si), 망가니즈(Mn), 인(P), 황(S), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo), 알루미늄(Al), 질소(N), 산소(O) 및 바나듐(V)을 포함함으로써, 경도, 강도 및 인성 등의 물성이 개선되어 내구성 및 피로강도와 피로수명을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법을 제공하고자 함에 있다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 전체 합금강 중량에 대하여, 철(Fe)을 주 성분으로 하여 탄소(C)는 0.8 ~ 1.0 중량%, 규소(Si)은 0.9 ~ 1.6 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 구리(Cu) 0.01 ~ 0.1중량%, 알루미늄(Al) 0.01 ~0.06 중량%, 질소(N) 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하 및 산소(O) 0 중량% 초과 0.001 중량%이하인 것을 포함하는 베어링강을 제공한다.

더불어, 본 발명에서의 상기 베어링강은 망가니즈(Mn)를 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 망가니즈(Mn)는 0.5 ~ 1.00 중량%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서의 상기 베어링강은 니켈(Ni)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 니켈(Ni)은 0.1 ~ 0.6 중량%인 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에서의 상기 베어링강은 크로뮴(Cr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 크로뮴(Cr)은 1.4 ~ 1.55 중량%인 것이 바람직하다.

더불어, 본 발명에서의 상기 베어링강은 몰리브데넘(Mo)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 몰리브데넘(Mn)은 0.2 ~ 0.5 중량%인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서의 상기 베어링강은 바나듐(V)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 바나듐(V)은 0 초과 0.4 중량% 이하인 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에서의 상기 베어링강은 망가니즈(Mn), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo) 또는 바나듐(V) 중에서 어느 하나 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하며 이 때, 망가니즈(Mn)는 0.5 ~ 1.00 중량%, 니켈(Ni)은 0.1 ~ 0.6 중량%, 크로뮴(Cr)는 1.4 ~ 1.55 중량%, 몰리브데넘(Mo)은 0.2 ~ 0.5 중량% 및 바나듐(V)은 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하인 것이 바람직하다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명인 베어링강의 제조방법에 의하면 상기 베어링용 합금강의 소재를 혼합하여 선재(線材, wire rod)를 제조하는 단계; 상기 선재를 제 1차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계; 상기 제 1차 구상화 열처리된 합금강을 신선(伸線, wire drawing)하는 단계; 상기 제 1차 구상화 열처리로 신선(伸線, wire drawing)된 합금강을 제 2차 구상화 열처리하는 단계; 상기 제 2차 구상화 열처리된 합금강을 단조(鍛造)하는 단계; 상기 단조된 합금강을 ??칭(quenching)하는 단계; 및 상기 ??칭된 합금강을 템퍼링(tempering)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서의 상기 제 1차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계는 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

나아가, 본 발명에서의 상기 제 2차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계는 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

더불어, 본 발명에서의 상기 ??칭(quenching)하는 단계는 840 ~ 860 ℃에서 0.5 ~ 2 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서의 상기 템퍼링(tempering)하는 단계는 150 ~ 190 ℃에서 0.5 ~ 2 시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

본 발명인 전체 합금강 중량에 대하여, 철(Fe)을 주성분으로 하고, 탄소(C), 실리콘(Si), 망가니즈(Mn), 인(P), 황(S), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo), 알루미늄(Al), 질소(N), 산소(O) 및 바나듐(V)을 포함한 베어링강 및 이의 제조방법에 의하면, 베어링강의 합금성분 조절과 공정조건제어를 통해 Me3C, Me7C3, Me23C6(Me: Cr, Fe, Mn) 등 복합 탄화물을 미세하게 형성하여 베어링의 경도, 강도 및 인성 등의 물성이 개선되어 내구성 및 피로강도와 피로수명을 향상시키는 효과가 있다. 더 나아가, 상기 베어링강의 고강도화를 가능하게 하여, 박육화 및 약 20 %의 경량화 등을 통해, 자동차 설계의 자유도를 확보하고, 제조원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

본 발명인 상기 상기 베어링강을 이용하여 제조된 자동차용 변속기 및 엔진에 의하면, 차량의 내구성을 증가시키고, 자동차의 경량화를 가능하게 하여 연비를 증가시키고 환경오염을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 베어링강의 제조하는 방법의 순서도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 피로내구성을 향상시킨 베어링강 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 일 관점에서 본 발명은 피로내구성을 향상시킨 베어링강에 관한 것이다.

본 발명에 따른 내구성을 향상시킨 베어링강은 전체 합금강 중량에 대하여, 철(Fe)을 주 성분으로 하여 인(P) 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 구리(Cu) 0.01 ~ 0.1중량%, 알루미늄(Al) 0.01 ~0.06 중량%, 질소(N) 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하 및 산소(O) 0 중량% 초과 0.001 중량%인 것을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명은 발명의 필요에 따라 탄소(C)는 0.8 ~ 1.0 중량%, 규소(Si)는 0.9 ~ 1.6 중량%, 망가니즈(Mn)는 0.5 ~ 1.00 중량%, 니켈(Ni)은 0.1 ~ 0.6 중량%, 크로뮴(Cr)는 1.4 ~ 1.55 중량%, 몰리브데넘(Mo)은 0.2 ~ 0.5 중량% 및 바나듐(V)은 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하 중 어느 하나 이상을 선택적으로 추가하여 형성될 수 있다.

보다 상세하게, 본 발명에 따른 베어링강을 구성하는 성분의 수치 한정 이유는 다음과 같다.

(1) 탄소(C) 0.8 ~ 1.0 중량%

상기 탄소(C)는 베어링강의 강도를 확보하는데 중요한 원소로서, 잔류하는 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 탄소(C)의 함량은 전체 합금강 중량에 대하여, 약 0.8 ~ 1.0 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 탄소(C)의 함량이 0.8 중량% 미만일 경우, 베어링강의 강도를 충분하게 얻지 못하며, 피로강도의 저하 등을 초래하게 되는 문제가 있다. 반면에 상기 탄소(C)의 함량이 1.0 중량% 초과일 경우, 용해되지 않은 거대 탄화물이 잔존하여, 피로강도 및 내구수명 등을 저하시키고, ??칭(quenching) 전 가공성 등이 저하되는 문제가 있다.

(2) 실리콘(Si) 0.9 ~ 1.6 중량%

상기 실리콘(Si)은 탈산제로 역할을 하고, 합금강의 핀홀 형성을 억제하고, 기지에 고용되어 고용강화 효과에 의해 합금강의 강도를 높이고, 탄소(C)의 활동도 등을 증대시키는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 실리콘(Si)의 함량은 전체 합금강 중량에 대하여, 약 0.9 ~ 1.6 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 실리콘(Si)의 함량이 약 0.9 중량% 미만일 경우, 충분히 제거되지 못한 산소에 의한 산화물이 합금강에 잔존하여 합금강의 강도를 저하시키고, 충분한 고용강화 효과를 나타내기 어려운 문제가 있다. 반면에 상기 실리콘(Si)의 함량이 약 1.6 중량% 초과일 경우, 지나친 실리콘(Si)의 함량에 의해 탄소(C)와 자리경쟁 반응과 같은 조직 내 상호간 침투 반응에 의해 탈탄이 발생될 수 있으며, ??칭(Quenching) 전 경도의 상승으로 인하여 가공성이 급격히 저하되는 문제가 있다.

(3) 망가니즈(Mn) 0.5 ~ 1.0 중량%

상기 망가니즈(Mn)는 합금강의 소입성 개선 및 합금강의 강도 등을 향상시키는 역할을 한다.

상기와 같은 역할을 위하여, 상기 망가니즈(Mn)의 함량은 약 0.5 ~ 1.0 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 망가니즈(Mn)의 함량이 약 0.5 중량% 미만일 경우, 함금강의 소입성을 개선하는 효과가 저하되는 문제가 있다. 반면, 상기 망가니즈(Mn)의 함량이 약 1.0 중량% 초과일 경우, ??칭 전 가공성이 저하되며, 중심편석 및 피로수명을 저하시키는 MnS가 석출되는 문제가 있다.

(4) 니켈(Ni) 0.1~0.6 중량%

상기 니켈(Ni)은 합금강의 결정립을 미세화하며, 오스테나이트와 페라이트에 고용되어 기지강화하는 역할을 한다. 나아가, 저온에서 충격에 대한 인성 및 경화능력을 향상시키고, A1 변태점의 온도를 낮추어 오스테나이트를 확장시킨다. 또한 탄소의 활동도를 증가시키는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 니켈(Ni)의 함량은 약 0.1 ~ 0.6 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 니켈(Ni)의 함량이 약 0.1 중량% 미만일 경우, 결정립의 미세화 효과를 충분히 얻기 어려우며, 고용강화 및 기지강화 등의 충분한 향상 효과를 얻기 어렵다는 문제가 있다. 반면, 상기 니켈(Ni)의 함량이 약 0.6 중량% 초과일 경우, 합금강에 적열취성 등을 유발할 수 있는 문제가 있다.

(5) 크로뮴(Cr) 1.4 ~ 1.55 중량%

상기 크로뮴(Cr)은 합금강의 소입성을 개선하고, 경화능을 부여하는 동시에 합금강의 조직을 미세화하고, 열처리에 의한 구상화하는 역할을 한다. 또한, 시멘타이트 내 라멜라를 단화하는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 크로뮴(Cr)의 함량은 약 1.4 ~ 1.55 중량% 인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 크로뮴(Cr)의 함량이 약 1.4 중량% 미만일 경우, 소입성과 경화능이 제한될 수 있으며, 조직의 충분한 미세화 및 구상화를 얻을 수 없는 문제가 있다. 반면, 상기 크로뮴(Cr)의 함량이 약 1.55 중량% 초과일 경우, 함량 증가에 대한 효과가 미미하여 제조원가의 상승을 초래하는 문제가 있다.

(6) 몰리브데넘(Mo) 0.2 ~ 0.5 중량%

상기 몰리브데넘(Mo)은 합금강의 소입성을 증가시켜, 템퍼링 후 합금강의 경화능 및 인성 등을 향상시키고 취성 저항성을 부여하는 역할을 한다. 또한, 탄소의 활동도를 감소시킨다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 몰리브데넘(Mo)의 함량은 약 0.2 ~ 0.5 중량% 인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 몰리브데넘(Mo)의 함량이 약 0.2 중량% 미만일 경우, 합금강의 경화능 및 인성 등을 충분히 확보할 수 없다. 반면, 상기 몰리브데넘(Mo)의 함량이 약 0.5 중량% 초과일 경우, 합금강의 가공성(절삭성) 및 생산성 등이 저하되고, 함량 증가에 대한 효과가 미미하여 제조원가를 상승을 초래하는 문제가 있다.

(7) 바나듐(V) 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하

상기 바나듐(V)은 탄화물과 같은 석출물 등을 형성하고, 석출강화 효과를 통해, 기지조직의 강화, 강도 및 내마모성을 향상시키며, 탄소의 활동도를 감소시킨다. 또한, 동일 냉각속도에서 합금강의 강도를 증가시킬 수 있다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 바나듐(V)의 함량은 0 중량% 초과 약 0.4 중량% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 바나듐(V)의 함량이 약 0.4 중량% 초과일 경우, 합금강의 인성과 경도 등이 오히려 저하될 수 있는 문제가 있다.

(8) 알루미늄(Al) 0.01 ~ 0.06 중량%

상기 알루미늄(Al)은 강력한 탈산제의 역할을 하며, 합금강의 청정도를 개선함은 물론, 합금강 내의 질소(N)와 반응하여 질화물을 형성함으로써, 결정립을 미세화시키는 역할을 하는 원소이다.

이와 같은 역할을 하기 위하여, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 0.01 ~ 0.06 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 알루미늄(Al)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우, 탈산제, 청정도 및 결정립의 미세화와 관련된 충분한 효과를 얻기 어려운 문제가 있다. 반면, 상기 알루미늄(Al)의 함량이 0.06 중량% 초과일 경우, 조대 산화 개재물 등이 형성되어 강의 피로수명 등을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.

(9) 질소(N) 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하

상기 질소(N)는 오스테나이트를 안정화시키고, 결정립을 미세화하며, 합금강의 인장강도, 항복강도 및 연신율 등을 향상시키는 역할을 한다. 다만 불순물 또는 AlN(질화알루미늄)을 형성으로 내구수명이 저하 될 수 있다.

이와 같은 역할을 위하여, 상기 질소(N)의 함량은 0 중량% 초과 약 0.006 중량% 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 질소(N)의 함량이 약 0.006 중량% 초과하는 경우, 취성을 유발하고 내구수명 등을 저하시킬 수 있는 문제가 있다.

(10) 산소(O) 0중량% 초과 0.001 중량% 이하

상기 산소(O)는 합금강의 불순물 생성을 증가시켜 청정도를 저하시킬 뿐만 아니라, 접촉피로를 통해 합금강을 열화시키는 역할을 한다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 상기 산소(O)의 함량을 0.001 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 산소(O)의 함량이 약 0.001 중량% 초과하는 경우, 합금강의 불순물을 증가시켜 접촉피로로 인하여 열화시키는 문제가 있다.

(11) 인(P) 0중량% 초과 0.03 중량% 이하

상기 인(P)은 결정립계의 편석을 유도하여 합금강의 인성을 저하시키는 역할을 한다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 상기 인(P)의 함량을 0중량% 초과 0.03 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 인(P)의 함량이 약 0.03 중량% 초과일 경우, 합금강의 인성을 저하시키는 문제가 있다.

(12) 황(S) 0중량% 초과 0.01 중량% 이하

상기 황(S)은 합금강의 피삭성을 증대시켜 가공을 용이하게 하지만, 입계편석으로 합금강강의 인성을 저하시키는 것은 물론, 망가니즈(Mn)와 반응하여 MnS를 형성함으로써, 합금강의 피로수명을 저하시키는 역할을 한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 황(S)의 함량을 0중량% 초과 0.01 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 황(S)을 0.01중량% 초과일 경우, 합금강의 인성을 저하시켜 강의 피로수명을 저하시키는 문제가 발생한다.

(13) 구리(Cu) 0.01 ~ 0.1 중량%

상기 구리(Cu)는 합금강의 경화능력 등을 향상시키는 역할을 한다.

이와 같은 역할을 하기 위하여, 상기 구리(Cu)의 함량을 0.01 ~ 0.1 중량% 로 한정하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 구리(Cu)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우, 충분한 경화능력 향상의 효과를 얻을 수 없는 문제가 있다. 한편, 상기 구리(Cu)의 함량이 0.1 중량% 초과일 경우, 고용한도가 초과되므로 강의 강도 향상 효과가 포화되어, 제조비용이 증가는 물론 적열취성이 유발될 수 있는 문제가 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 베어링강은 경도, 강도, 인성, 피로강도, 피로수명 등이 우수하여, 자동차 부품 등에 적용되는 것이 바람직하며, 특히 자동 또는 수동 변속기 등에 적용되는 것이 보다 바람직하며, 그 중에서 케리어, 에뉼러스 기어, 기어, 샤프트류 또는 싱크로 허브 등에 적용되는 것이 가장 바람직하다.

이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 피로내구성을 향상시킨 베어링강의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 피로내구성을 향상시킨 베어링강은 공지의 기술을 참조하여 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진자가 적절히 제조할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 피로내구성을 향상시킨 베어링강의 제조방법은 상기 베어링용 합금강의 소재를 혼합하는 단계(S10); 상기 합금강을 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 제 1차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계(S20); 상기 제 1차 열처리된 합금강을 신선(伸線)하는 단계(S30); 상기 제 1차 구상화 열처리로 신선(伸線)된 합금강을 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 제 2차 구상화 열처리하는 단계(S40); 상기 제 2차 구상화 열처리된 합금강을 단조(鍛造)하는 단계(S50); 상기 단조된 합금강을 840 ~ 860 ℃에서 0.5 ~ 2시간 동안 ??칭(quenching)하는 단계(S60); 및 상기 ??칭된 합금강을 150 ~ 190 ℃에서 0.5 ~ 2 시간 동안 템퍼링(tempering)하는 단계(S70); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 베어링강의 제조방법은 강 내에 복합탄화물이 형성되고 구상화되는 것을 특징으로 하며, 상기 복합탄화물은 석출물인 Me₃C, Me₇C₃ 및 Me₂₃C₆ 탄화물 그리고 MeC 탄화물 등으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 Me₃C, Me₇C₃ 탄화물 및 Me₂₃C₆ 탄화물의 Me는 크로뮴(Cr), 철(Fe) 및 망가니즈(Mn)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하며, 상기 MeC 탄화물의 Me는 바나듐(V) 및 몰리브데넘(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것이 바람직하다. 상기와 같은 복합 탄화물을 형성할 경우, 베어링강의 강도 및 경도 등을 향상시키고, 내구수명 등을 연장시키는 효과가 있다.

상기 베어링용 합금강의 소재를 혼합하는 단계는 전술한 바대로, 철(Fe)을 주 성분으로 하여 인(P), 황(S), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 질소(N) 및 산소(O)에 탄소(C), 규소(Si), 망가니즈(Mn), 니켈(Ni), 크로뮴(Cr), 몰리브데넘(Mo) 또는 바나듐(V) 중에서 선택된 어느 하나 이상의 원소를 추가하여 혼합하여 본 합금성분의 선재(線材, wire rod)를 만들 수 있다.

한편, 상기 제조방법 중 ??칭하는 단계는 약 840 ~ 860 ℃의 온도에서 약 0.5 ~ 2 시간 동안 실시하는 것이 바람직하며, 상기 템퍼링하는 단계는 약 150 ~ 190 ℃의 온도에서 약 0.5 ~ 2 시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

상기 ??칭의 온도가 약 840 ℃ 미만이거나 ??칭의 시간이 약 0.5 시간 미만일 경우, 급냉조직이 불균일하여 소재의 편차가 발생할 수 있다. 반면, 상기 ??칭의 온도가 약 860 ℃ 초과하거나 ??칭의 시간이 약 2 시간 초과일 경우, 상기 1차 및 2차 구상화 열처리 단계로 형성된 구상화 복합탄화물이 용해될 수 있는 문제가 있다.

또한, 상기 템퍼링의 온도가 약 150 ℃ 미만이거나 템퍼링 시간이 약 0.5 시간 미만일 경우, 베어링강의 인성 등의 물성 확보가 난이하다. 반면, 상기 템퍼링의 온도가 약 190 ℃ 초과하거나 템퍼링 시간이 약 2 시간 초과일 경우, 베어링강의 경도 등이 급격이 저하되어, 내구수명 향상이 어려울 수 있다.

한편, 상기 제조방법 중 제1차 및 제2차 구상화 열처리 단계의 온도가 각각 약 720 ℃ 미만이거나 상기 구상화 열처리 시간이 약 4 시간 미만일 경우, 복합탄화물이 구상화 되는 시간이 많이 소요되어 제조비용이 급증할 수 있다. 반면, 상기 제1차 및 제2차 구상화 열처리 단계의 온도가 약 850 ℃ 초과할 경우, 형성된 복합탄화물이 용해되어 냉각공정 시 구형의 복합탄화물 대신 라멜라 형태의 복합탄화물이 형성될 가능성이 상당히 증가하는 문제가 있다. 또한, 상기 제1차 및 제2차 구상화 열처리 단계의 시간이 약 8 시간 초과일 경우, 복합 탄화물의 구상화 속도가 둔화되어 제조비용이 급증할 수 있는 문제가 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 피로내구성을 향상시킨 베어링강의 물성을 비교하기 위하여 하기 표 1에 기재된 바와 같은 성분을 갖고, 하기 표 2에 기재된 제1차 및 제2차 구상화 열처리 온도, ??칭 온도 및 시간, 템퍼링 온도 및 시간 조건이 적용된 비교예 및 실시예를 제조하였다.

상기 표 1은 종래 베어링강에 따른 비교예 1 내지 비교예 10의 구성성분 및 함량과 본 발명에 따른 실시예 1 내지 실시예 3의 구성성분 및 ?t랑을 비교한 표이다.

상기 표 2는 상기 표 1의 구성성분 및 함량을 갖는 비교예 1 내지 10과 실시예 1 내지 3의 제조 조건 중, 제 1차 및 제 2차 구상화 열처리 온도, ??칭 단계의 온도와 시간 및 템퍼링 단계의 온도와 시간을 나타낸 표이다. 여기서 상기 비교예 1 내지 10과 실시예 1 내지 3 모두 본 발명에 따른 제 1차 및 제 2차 구상화 열처리 온도, ??칭 단계의 온도와 시간 및 템퍼링 단계의 온도와 시간을 만족하였다.

상기 표 3은 상기 표 1의 구성성분 및 함량을 갖는 비교예 1 내지 10과 실시예 1 내지 3을 표 2의 조건에 따라 제조한 후 상온에서의 경도, 300℃에서의 경도, 면압이 6.2GPa 일때 150℃에서의 L10수명까지의 회전 굽힘 피로 시험기의 회전수와 이를 고려한 내구수명을 비교한 표이다.

상기 상온에서의 경도, 300℃에서의 경도 및 면압이 6.2GPa 일때 150℃에서의 경도는 KS B 0811 측정법에 따라, 마이크로 비커스 경도계를 이용하여 300gf에서 측정하였으며, 상기 회전 굽힘 피로 시험기의 회전수 는 KS B ISO 1143 측정법에 따라, 최대굴곡모멘트 약 20 kgfm, 회전수 약 200 ~ 3000 RPM, 최대하중 약 100 kg 이내 및 전기 3상, 220V, 7kW의 조건으로, 직경 약 4 mm의 표준선경을 사용하여 회전 굽힘 피로시험기을 통해 L10 수명을 측정하였다. 상기 L10 수명은 시편의 내구수명으로서, 시편의 약 10 % 가 손상될 때까지의 회전 굽힘 피로시험기의 총 회전수를 의미한다.

이에 따라, 상온(약25℃)에서의 경도를 살펴보면, 실시예1 내지 3이 비교예1 내지 10 보다 상온에서의 경도가 8.9% ~ 17.5% 향상된 것을 상기 표3에서 확인할 수 있다. 이와 더불어, 300℃에서의 경도를 살펴보면, 실시예1 내지 3이 비교예1 내지 10 보다 상온에서의 경도가 14.4% ~ 19.4% 향상된 것을 상기 표3에서 확인할 수 있다.

또한, 면압이 6.2 GPa일 때, 150 ℃에서 L10 수명에 대한 상기 회전 굽힘 피로시험기의 회전수는 실시예 1 내지 3의 평균값이 18,469,333 회로서, 비교예 1 내지 10의 평균값인 9,055,000 회보다 약 2배 높다는 것을 확인할 수 있다. 즉 본원의 발명이 종래기술에 비하여 192.3% ~ 221.1% 향상된 것을 상기 표3에서 확인할 수 있다.

또한, 상기 회전 굽힘 피로시험기의 회전수를 기초로 비교예 1 내지 10 및 실시예 1 내지 3의 내구수명을 비교하기 위하여, 비교예 1의 회전 굽힘 피로시험기의 회전수인 8,400,000 회를 100 %의 내구수명으로 기준을 정하고, 기준이 되는 상기 비교예 1의 회전 굽힘 피로시험기의 회전수보다 비교예 2 내지 10과 실시예 1 내지 3의 회전 굽힘 피로시험기의 회전수가 얼마만큼 증감 되었는지 그 차이를 백분율로 나타내었다. 즉, 비교예 1 내지 10 및 실시예 1 내지 3의 내구수명 비교를 위한 백분율은 비교예 1을 기준으로한 나머지 비교예 2 내지 10과 실시예 1 내지 3의 회전 굽힘 피로시험기의 회전수의 상대적 증감 정도를 나타낸 값이다.

여기서, 비교예 및 실시예의 내구수명 비교를 통해, 상기 회전굽힘피로시험기의 회전수와 마찬가지로 실시예 1 내지 3의 내구수명이 비교예 1 내지 10의 내구수명보다 약 2 배 정도 높다는 것을 상기 표3 에서 확인 할 수 있었다.

이와 같이 비교예보다 우수한 실시예의 경도 및 내구수명의 이유 등을 알아보기 위하여, 비교예 1과 실시예 1 내지 3에 포함된 복합탄화물의 종류 및 부피%를 하기 표 4와 같이 나타내었다.

상기 표 4는 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 포함된 복합탄화물의 함량을 비교한 표이다. 상기 표 4에서 알 수 있듯이, 비교예 1의 복합탄화물은 주로 Me₃C를 포함하고, 미량의 MoC를 포함하는 반면, 실시예 1 내지 3은 Me₃C와 MoC 뿐만 아니라, VC, NbC를 상대적으로 골고루 포함한다. 이러한 복합탄화물의 구성 차이는 실시예가 비교예보다 우수한 경도와 내구수명 등을 갖는 이유 중의 하나로 볼 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 성분 및 함량 범위를 만족하고, 본 발명에 따른 열처리 공정을 거쳐 제조된 실시예 1 내지 3은 다양한 복합탄화물 등을 포함함으로써, 비교예 1 내지 10 보다 강도 및 내구수명 등이 우수하다는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

Claims

전체 합금강 중량에 대하여, 철(Fe)을 주 성분으로 하여 탄소(C)는 0.8 ~ 1.0 중량%, 규소(Si)은 0.9 ~ 1.6 중량%, 인(P) 0 중량% 초과 0.03 중량% 이하, 황(S) 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하, 구리(Cu) 0.01 ~ 0.1중량%, 알루미늄(Al) 0.01 ~0.06 중량%, 질소(N) 0 중량% 초과 0.006 중량% 이하, 산소(O) 0 중량% 초과 0.001 중량%이하, 망가니즈(Mn) 0.5 ~ 1.00 중량%, 니켈(Ni) 0.1 ~ 0.6 중량%, 크로뮴(Cr) 1.4 ~ 1.55 중량%, 몰리브데넘(Mo) 0.2 ~ 0.5 중량% 및 바나듐(V) 0 중량% 초과 0.4 중량% 이하를 포함하며, 상온 및 300℃에서의 경도값이 800Hv 이상이며,
상기 합금강 내에 복합탄화물이 형성되고 구상화되는 것을 특징으로 하며,
상기 복합탄화물은 석출물인 Me₃C, Me₇C₃ 및 Me₂₃C₆ 탄화물 그리고 MeC 탄화물으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하며,
상기 Me₃C, Me₇C₃ 탄화물 및 Me₂₃C₆ 탄화물의 Me는 크로뮴(Cr), 철(Fe) 및 망가니즈(Mn)로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것이며,
상기 MeC 탄화물의 Me는 바나듐(V) 및 몰리브데넘(Mo)으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상인 것인 것을 특징으로 하는 베어링강.
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제 1항의 베어링용 합금강의 소재를 혼합하여 선재(線材, wire rod)를 제조하는 단계;
상기 선재를 제 1차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계;
상기 제 1차 구상화 열처리된 합금강을 신선(伸線, wire drawing)하는 단계;
상기 제 1차 구상화 열처리로 신선(伸線, wire drawing)된 합금강을 제 2차 구상화 열처리하는 단계;
상기 제 2차 구상화 열처리된 합금강을 단조(鍛造)하는 단계;
상기 단조된 합금강을 ??칭(quenching)하는 단계; 및
상기 ??칭된 합금강을 템퍼링(tempering)하는 단계;를 포함하되,
상기 제 1차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계는 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 수행되고,
상기 제 2차 구상화(球狀化) 열처리하는 단계는 720 ~ 850 ℃에서 4 ~ 8 시간 동안 수행되고,
상기 ??칭(quenching)하는 단계는 840 ~ 860 ℃에서 0.5 ~ 2 시간 동안 수행되며,
상기 템퍼링(tempering)하는 단계는 150 ~ 190 ℃에서 0.5 ~ 2 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 베어링강의 제조방법.
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