KR100946045B1 - 고온 이물 피로수명이 우수한 베어링강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 엔진 등에서 고온으로 사용되는 침탄질화 베어링강의 제조방법에 관한 것이다.

이 제조방법은 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 1.20~2.00%, Mn: 1.50~2.50%, Cr: 1.1~1.30%, V: 0.30~0.50%, Al: 0.030~0.050%, N: 0.020~0.030%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 침탄하여 표면의 탄소농도가 0.9~1.2중량%가 되도록 하고, 870~910℃에서 침질하여 표면의 탄소와 질소의 농도의 합이 1.2~1.7중량%가 되도록 한 다음 담금질한 후, 830~860℃에서 2차로 담금질 하는 것을 포함하여 이루어진다.

이 제조방법은 탄화물 형성 및 안정화 원소를 보강한 합금에 침탄질화 및 2단 담금질을 통하여 표면경도의 저하 없이 잔류 오스테나이트 양을 증가시키고 조직을 미세화 함으로써, 고온 이물 환경에서 베어링 수명을 기존 침탄 베어링에 비해 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 합금내 실리콘 함량의 증가와 표층에 질소확산의 효과로 베어링의 내열성도 증가시킬 수 있다.

침탄질화 베어링, 이물환경, 고온경도, 피로수명

Description

고온 이물 피로수명이 우수한 베어링강의 제조방법{Method for manufacturing bearing steel having excellent fatigue life at high temperature and contaminated environment}

도 1은 비교재 및 발명재의 고온 피로수명 시험결과를 나타내는 그래프

도 2는 비교재 및 발명재의 경도 시험결과를 나타내는 그래프

본 발명은 자동차 엔진 등에서 고온으로 사용되는 침탄질화 베어링강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화물 형성 및 안정화 원소를 보강한 합금에 침탄질화 및 2단 담금질을 통하여 표면경도의 저하 없이 잔류 오스테나이트 양을 증가시키고 조직을 미세화 함으로써, 고온 이물 환경에서 피로수명을 향상시킨 베어링강의 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 엔진 변속기 베어링은 대부분 0.2중량% 전후의 탄소에 Mn, Cr, Ni, Mo 등 의 합금원소를 약간 함유한 저탄소 저합금강을 침탄열처리하여 표면에 높은 경도(Hv 650~730)를 유지하고 중심부 일수록 경도를 낮게 하여 파단에 대한 인성을 높여 사용하여 왔다. 한편 이들 부품에서는 작동환경에서 철계 마모분 및 파편등 이물 입자들이 전동면에 유입됨에 따라, 이를 기점으로 베어링이 조기파손이 발생되며, 수명을 단축시킨다. 특히, 고온에서 사용할 경우에는 소재가 연화가 되어 피로 수명 및 경도가 저하된다. 일반적으로, 상온에서 이물환경에 대한 베어링의 피로수명은 잔류 오스테나이트가 응력집중을 줄이는 효과를 가지기 때문에 잔류 오스테나이트를 증가시킴으로써 증가된다.

이를 실현하기 위해 베어링의 담금질 전 침탄 또는 침탄질화 등을 통해 마르텐사이트 변태온도를 크게 강하시키는 탄소(C)나 질소(N)를 표면부에 증가시키는 것이다. 종래 침탄강을 사용한 자동차, 산업기계용 침탄 베어링들도 근래에는 많은 경우 이물 저항성 향상을 위해 열처리 공정을 개발하여 잔류 오스테나이트 양을 종래 수준(15~20 부피%) 보다 높여 제조하고 있다. 그러나, 이와 같은 베어링은 고온에서 연화되어 피로수명이 감소되는 문제점이 있다.

한편, 베어링의 궤도 표면에 잔류 오스테나이트 양이 증가되면 이물저항성은 향상되지만 고온에서 마르텐사이트로 분해되어 피로수명이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탄화물 형성 및 안 정화 원소를 보강한 합금에 침탄질화 및 2단 담금질을 통하여 표면경도의 저하 없이 잔류 오스테나이트 양을 증가시키고 조직을 미세화 함으로써, 베어링 강의 고온 이물 환경에서의 피로수명을 향상시키는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 1.20~2.00%, Mn: 1.50~2.50%, Cr: 1.1~1.30%, V: 0.30~0.50%, Al: 0.030~0.050%, N: 0.020~0.030%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 침탄하여 표면의 탄소농도가 0.9~1.2중량%가 되도록 하고, 870~910℃에서 침질하여 표면의 탄소와 질소의 농도의 합이 1.2~1.7중량%가 되도록 한 다음 담금질한 후, 830~860℃에서 2차로 담금질 하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

C: 0.30~0.50중량%

침탄강은 탄소농도 0.2중량% 정도의 것이 대부분 사용된다. 탄소의 함량이 높아지면 일정한 유효경화 깊이를 얻는데 필요한 시간이 줄어든다.?또한, 탄소의 함량이 높아지면 담금질시 단면 전체에 걸친 변태응력이 줄어들어 열처리 변형이 줄어든다는 이점도 있다. 그러나, 모재의 탄소함량이 높은 강을 적용 시 부품의 중심 경도 가 높아져 재료파단에 대한 인성이 저하되고, 표면과 중심의 탄소농도 차이가 줄어들어 침탄질화층을 충분히 확보할 수 없어 피로수명이 저하되므로, 탄소함량 0.3중량% 이상의 중탄소강 사용이 꺼려져 왔다.

한편, 본 발명자는 기지 탄소농도가 베어링 재료의 피로수명을 측정한 결과, 소재의 탄소농도가 0.30~0.50중량%에서는 이들 성능에 열화요인이 없음을 확인할 수 있었다.

상기 C의 함량이 0.30중량% 미만이면 유효경화 깊이를 얻는데 필요한 시간이 늘어나고, 0.50중량%를 초과하면 표층의 압축잔류응력 감소가 예상될 뿐 아니라 열처리 후 중심부와 특성이 구별되는 침탄층의 깊이를 충분히 확보할 수 없으며, 또한 합금의 높은 경화능으로 인해 베어링의 열간 단조 후 공냉된 소재의 경도가 지나치게 높아져 이후 절삭가공이 곤란해지므로, 그 함량을 0.30~0.50중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 1.20~2.00중량%

상기 Si는 고온에서 경도 저하를 방지하는 성분으로, 고온환경에서 베어링의 작동 또는 발열에 대한 경도저하를 억제한다. 상기 Si의 함량이 1.20중량% 미만이면 상기 경도 저하 방지효과가 없고, 2.00중량%를 초과하면 강 중 실리케이트계 개재물이 증가되므로, 그 함량을 1.20~2.00중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 1.50~2.50중량%

상기 Mn은 Cr과 함께 경화능을 향상시키는 성분으로, 1.50중량% 미만 첨가되면 대형의 베어링에서 충분한 담금질 성능을 부여할 수 없고, 2.50중량%를 초과하면 열간 단조후 공냉된 단조링의 경도가 지나치며 담금질 균열 민감성이 높아져 부적합하므로, 그 함량을 1.50~2.50중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, Mn의 경우 잔류 오스테나이트를 고온에서 안정화하는 역할을 하는 주요 성분으로써, 그 함량이 1.5중량% 이하인 경우 상기 효과가 미미하였으며, 2.5중량%를 초과하는 경우 경화능 너무 증대되어 중심부분에 인성의 개선 효과가 없어지기 때문이다.

Cr: 1.1~1.30중량%

상기 Cr은 강에 적절한 경화능을 부여하고 바나듐(V)과 함께 기지에 미세한 탄질화물을 석출시켜 마르텐사이트 조직을 미세화하고 완성품 표면에 잔류 오스테나이트를 증가시켜 경도 저하를 효과적으로 방지하여 내마모성을 증가시키는데 유효한 성분이다. 상기 Cr의 함량이 1.1중량% 미만이면 적정량의 탄화물 석출이 어렵고, 1.30중량%를 초과하면 침탄 후 초석탄화물이 형성되고 2차 담금질 가열시 오스테나이트 입계에 조대한 탄화물이 우선 석출되어 피로수명을 단축시키므로, 그 함량을 1.1~1.30중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

V: 0.30~0.50중량%

상기 V는 미세한 바나듐 탄질화물을 형성시켜 경도를 증가시키는 동시에 침탄 시 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는데 유효한 성분으로, Cr과 함께 기지에 매우 미세한 탄질화물을 분산시켜 석출경화 효과를 극대화 한다. 상기 V의 함량이 0.30중량% 미만이면 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.50중량%를 초과하면 제조비의 상승을 초래하므로, 그 함량을 0.30~0.50중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.030~0.050중량%, N: 0.020~0.030중량%

상기 Al과 N은 강중에 미세한 AlN 화합물을 석출하여 열처리시 결정립 성장을 효과적으로 억제할 수 있는 성분이다. 상기 Al의 함량이 0.030중량% 미만이거나 질소의 함량이 0.020중량% 미만이면 결정립 성장의 억제효과가 없으며, Al의 함량이 0.050중량%를 초과하거나 N의 함량이 0.030중량%를 초과하면 알루미나 또는 TiN과 같은 개재물이 증가되어 피로수명을 단축시키므로, 그 함량을 Al은 0.030~0.050중량%, N: 0.020~0.030중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기와 같이 조성되는 강재를 침탄하여 표면의 탄소농도가 0.9~1.2중량%가 되도록 하고, 870~910℃에서 침질하여 표면의 탄소와 질소의 농도의 합이 1.2~1.7중량%가 되도록 한 다음 담금질한다.

본 발명의 베어링이 열처리 후 표면에 잔류 오스테나이트 25~50부피%를 함유하면서 Hv 650-730의 높은 경도를 유지하려면, 2차 담금질을 통한 미세한 탄질화물의 석출 강화가 필요하다. 침탄질화 후 1차 담금질 뜨임만 할 경우, 잔류 오스테나이트를 얻기 위한 표면의 탄소+질소 농도는 0.9~1.2중량%로 충분하다.?하지만, 본 발명에서는 2차 담금질이 실시되기 때문에 1차 담금질로 과포화된 탄소 및 질소의 상당량이 재가열 과정에서 Cr, V 등과 함께 탄질화물로 석출되고 베어링내 고용량은 크게 감소되어 담금질 후 잔류 오스테나이트 양도 크게 감소된다. 따라서, 본 발명의 베어링에 탄질화물 석출과 함께 25~50부피% 의 오스테나이트를 잔류시키려면 최종 담금질 직전 표면 탄소+질소의 함량을 1.2~1.7중량%로 높게 유지해야 한다. 여기서 표면의 탄소농도를 1.2중량% 이상으로 하게 되면 열처리 분위기의 열처리로 내부에 그을음 발생 가능성이 높아지고, 부품의 침탄층에 입계 탄화물 석출이 조장되어 피로수명이 저하될 수 있다. 따라서, 제품의 표면 탄소 농도는 0.9~1.2중량% 가 되도록 침탄하고 이후 적당량(베이스 가스의 2~5부피%)의 암모니아를 투입하여 최종 담금질 직전 표면부 탄소+질소의 총량이 1.2~1.7중량% 가 되도록 한다.

상기 침탄 후 침질기의 온도를 870~910℃ 범위로 한 것은 910℃를 초과하면 침질에 작용하는 로내 미분해 암모니아량이 급격히 감소되어 0.3중량% 이상의 표면 질소농도를 얻기가 어렵고, 870℃ 미만에서는 탄소?고용한계의 감소가 커서 입계 탄화물 석출이 조장되기 때문이다.

이후, 830~860℃에서 2차로 담금질한다. 상기 2차 담금질시 재가열 온도가 830℃ 미만이면 오스테나이트화가 불충분하여 부품 중심 저탄소부에 페라이트가 잔류되며 표면의 고탄소부에는 탄화물 석출량이 과다해져 잔류 오스테나이트 양이 목표에 미 달되게 되고, 860℃를 초과하면 가열 중에 석출된 탄질화물이 급격히 재용해되어 경화층에 잔류하여 석출물의 양이 과소해지므로, 소정의 높은 경도를 얻을 수 없게 된다.?따라서, 상기 2차 담금질 시 재가열 온도는 830~860℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제조된 베어링강의 표면부 잔류 오스테나이트 양은 25~50부피%이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같이 조성되는 발명재를 침탄하여 표면의 탄소농도가 0.9~1.2중량%가 되도록 하고, 870~910℃에서 침질하여 표면의 탄소와 질소의 농도의 합이 1.2~1.7중량%가 되도록 한 다음 담금질하였다. 이후, 830~860℃에서 2차 담금질하였다.

상기와 같이 제조된 시편을 고온인 80℃의 이물윤활 조건으로 구름피로 시험한 결과는 도1과 같다. 또한, 시편의 템퍼링 온도에 따른 표면경도를 측정하였으며, 그 결과는 도2와 같다.

도 1은 비교재(기존의 침탄강)와 발명재를 고온인 80℃ 이물윤활 조건으로 구름피로 시험한 결과로, 발명재는 기존 침탄품에 비해 향상된 내구성능을 나타내었다.

도 2는 비교재(기존의 침탄강) 및 발명재의 템퍼링 온도에 따른 표면경도의 변화를 나타낸 것으로, 발명재가 뜨임저항성, 즉 내열강성이 기존 침탄강에 비해 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 탄화물 형성 및 안정화 원소를 보강한 합금에 침탄질화 및 2단 담금질을 통하여 표면경도의 저하 없이 잔류 오스테나이트 양을 증가시키고 조직을 미세화 함으로써, 고온 이물 환경에서 베어링 수명을 기존 침탄 베어링에 비해 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 합금내 실리콘 함량의 증가와 표층에 질소확산의 효과로 베어링의 내열성도 증가시킬 수 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, C: 0.30~0.50%, Si: 1.82~2.00%, Mn: 1.50~2.50%, Cr: 1.1~1.30%, V: 0.30~0.50%, Al: 0.030~0.050%, N: 0.024~0.030%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 침탄하여 표면의 탄소농도가 0.9~1.2중량%가 되도록 하고, 870~910℃에서 침질하여 표면의 탄소와 질소의 농도의 합이 1.2~1.7중량%가 되도록 한 다음 담금질한 후, 830~860℃에서 2차로 담금질 하는 것을 포함하여 이루어지는 고온 이물 피로수명이 우수한 베어링강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 베어링강의 표면부 잔류 오스테나이트 양이 25~50부피%인 것을 특징으로 하는 고온 이물 피로수명이 우수한 베어링강의 제조방법.

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