KR101253807B1 - 고Ｓｉ 베어링강 및 고Ｓｉ 베어링강의 구상화 열처리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 고Si 베어링강을 제공한다. 또한, 상기 고Si 베어링강을 800~850℃로 3~8시간 가열하고, 40~50℃/시간의 냉각속도로 A1~A1-10℃까지 제1냉각하며, 20℃/시간 이하의 냉각속도로 650~700℃까지 제2냉각한 후 100℃/시간 이하의 냉각속도로 130℃까지 제3냉각하는 고Si 베어링강의 구상화 열처리 방법을 제공한다. 상기 구상화 열처리 방법에 의하여 탄화물을 90%이상 구상화시켜 냉간압조성이 우수한 고Si베어링강을 제공할 수 있다.

베어링강, 구상화, 열처리, 탄화물

Description

고Ｓｉ 베어링강 및 고Ｓｉ 베어링강의 구상화 열처리방법{High Silicon Bearing Steel And Spheroidizing Annealing Method for High Silicon Bearing Steel}

본 발명은 고Si 베어링강 및 상기 고Si 베어링강의 구상화 열처리 방법에 관한 것으로서 냉간압조성이 우수한 고Si 베어링강 및 이를 제조하기 위한 열처리 방법에 관한 것이다.

베어링은 회전하는 기계의 축을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 하는 기계요소를 의미한다.

회전하는 기계에서는 단위시간당 수많은 회전이 발생하게 되고, 그에 따라 회전하는 축을 지지하는 베어링에는 반복하중이 회전수에 비례하여 전달되게 된다. 이렇게 베어링에 반복하중이 전달되기 때문에 베어링은 반복하중에 따른 피로파괴에 대한 저항성이 높아야 하며, 내마모성이 우수할 필요가 있다. 상기와 같은 베어링을 제조하기 위해서는 그 소재가 되는 강의 조성을 적절히 제어하고, 이를 제강- 연주-압연으로 이어지는 과정을 통하여 강선재를 제조한 후, 상기 제조된 강선재를 베어링으로 가공하는 과정이 필요하다.

이때, 전로 또는 전기로에서 제강 후 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속개재물의 양을 저감시키고, 진공탈가스 공정을 거쳐 산소의 함량(T[O])을 12ppm 이하까지 낮춘 상태에서 정련하며, 이후 연속주조로 주편을 응고시킨 후 주편 중심부에 존재하는 편석과 거대탄화물을 제거하기 위해 균열확산처리를 실시한 다음 빌레트로 압연된다.

그 후 압연공장에서 소재를 연화시켜주기 위하여 극서냉 조업을 실시하여 베어링강 선재 또는 봉재로 생산되며, 생산된 소재는 구상화 열처리(Spheroidizing annealing)를 거쳐 베어링의 전동체인 볼이나 롤러 또는 내외륜으로 가공되고, 경화열처리로서 담금질 및 뜨임 처리를 한 후 연마공정을 거쳐 최종 제품인 베어링으로 생산된다.

열간압연 후 선재 또는 봉재 상태의 베어링강의 미세조직은 기지상이 펄라이트로 구성되어 있으며, 일부 초석 세멘타이트가 존재하는 경우도 있다. 이와 같은 선재 또는 봉재 상태의 베어링강은 펄라이트를 구성하는 층상 세멘타이트나 망상으로 나타나는 초석 세멘타이트가 그대로 존재하여 냉간가공성이 나빠지고, 특히 담금질 처리시 균열이나 변형 발생을 초래하기 때문에 세멘타이트를 구상화시켜 베어 링강의 강도를 낮춰줘야 하며 이러한 열처리를 구상화 열처리라고 한다.

세멘타이트가 구상화되면 단단한 세멘타이트에 의하여 차단된 연한 페라이트 조직이 상호 연속적으로 연결되고, 특히 가열시간이 길어짐에 따라 구상 세멘타이트는 서로 응집하여 입자수가 적어지므로 페라이트의 연속성은 더욱 좋아진다. 따라서 경도는 저하되고 소성가공이나 절삭가공이 용이해지며, 담금질 처리 후 인성이 증가된다.

베어링강의 구상화 열처리는 보통 2단계로 이루어지는데, 1단계에서는 베어링강을 A1 변태온도와 Acm 변태온도 사이의 온도로 가열한 다음 항온유지하여 오스테나이트 기지상에 미세한 세멘타이트 구형 입자들이 균일하게 분포하는 조직을 만든 다음, 2단계로서 A1 온도 이하로 서냉시켜 미세한 세멘타이트 구형 입자들을 일정한 크기로 성장시키게 된다.

일본특허공개공보 제2004-315890호에서는 Si: 0.5~2.0 중량%, Mn: 0.4~ 2.5 중량%, Cr: 1.6~4.0 중량%인 베어링강을 750~850℃에서 장시간 유지한 다음 700℃까지 0.004~0.015℃/s로 서냉하는 구상화 열처리 방법을 제시하였다. 그러나 상기 방법에서는 종래의 베어링강에 비해 Si 함량 뿐만 아니라 Mn과 Cr 함량도 크게 증가되었다.

그리고, 일본특허공개공보 제2007-113034호에서는 Si: 0.35~0.99 중량%인 베어링강을 790℃에서 2시간 가열한 다음 680℃까지 20 ℃/hr로 서냉하고 이후 680℃ 이후에서는 공냉하는 방법이 제시되었다. 그러나 이 방법에서는 Si 함량이 1.00 중량% 미만으로 제한되어 있다.

또한, 일본특허공개번호 제2007-231345호에서는 Si: 0.1~1.0중량%인 베어링강을 770~840℃에서 15~30시간의 장시간 유지 후 20℃/시간 이하의 냉각속도로 냉각하는 구상화 열처리 방법이 제안되었으나, 구상화 열처리시 1단계 유지시간이 15시간 이상으로 상당히 길다는 단점이 있고 뿐만 아니라 Si의 함량이 1.00~2.00중량%, Mn: 0.20~1.00중량%, Cr: 0.10~1.60중량%인 베어링강에 대한 구상화 열처리 방법은 제시되지 않았다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 구상화 열처리 문제점들을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 탄화물이 90%이상 구상화되어 냉간압조성이 우수한 고Si 베어링강 및 상기 고Si 베어링강의 구상화 열처리 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일구현례로서 베어링강은 중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 규소(Si)+망간(Mn)+크롬(Cr)≥ 2.0 중량%를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 베어링강의 미세조직은 페라이트 기지내에 평균직경 2㎛ 이하의 세멘타이트를 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 상기 세멘타이트 입자는 구상의 형태로 균일하게 분포되고, 상기 세멘타이트 입자의 구상화율은 90%이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일구현례로서 베어링강의 구상화 열처리 방법은 중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이 하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베어링강을 가열하는 가열단계 및 상기 기열단계 후 가열된 베어링강을 다단계로 냉각하는 냉각단계를 포함한다.

상기 가열단계는 상기 베어링강을 800~850℃로 3~8시간 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉각단계는 3단계로 이루어지며, 상기 3단계의 냉각단계는 상기 베어링강을 40~50℃/시간의 냉각속도로 A1~A1-10℃까지 냉각하는 제1냉각단계, 상기 제1냉각단계 후 상기 베어링강을 20℃/시간 이하의 냉각속도로 650~700℃까지 냉각하는 제2냉각단계 및 상기 제2냉각단계 후 상기 베어링강을 100℃/시간 이하의 냉각속도로 130℃까지 냉각하는 제3냉각단계를 포함한다. 상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 규소(Si)+망간(Mn)+크롬(Cr)≥ 2.0 중량%를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 고Si 베어링강을 구상화 열처리한 경우 탄화물이 90%이상 구상화되어 냉간압조성이 우수한 베어링강을 제공할 수 있다.

본 발명은 종래의 널리 상용화된 베어링강에 비해 다른 합금원소의 함량은 같고 규소 함량이 더 높은 베어링강의 구상화 열처리에 대한 것으로서, 이를 통해 베어링강에 잔존하는 탄화물의 구상화율을 극대화하여 냉간압조성이 우수한 베어링강을 제조할 수 있다.

본 발명의 일구현례인 고Si 베어링강의 성분계 및 조성범위를 설명한다.

탄소(C): 0.50~1.20중량%

탄소는 베어링의 강도를 확보하기 위하여 첨가하여야 하는 매우 중요한 원소이다. 탄소의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로 탄소의 함량은 0.50중량% 이상인 것이 바람직하다. 반면에, 탄소의 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대 탄화물이 잔존하게 되어 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성을 저하시키므로 상기 탄소 함량의 상한은 1.20중량%로 정하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 1.0~2.0중량%

규소의 함량이 낮을 경우에는 경화능의 문제가 발생할 수 있으므로 1.00중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 규소의 함량이 너무 높을 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고 탄소와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석이 증가하기 때문에 상기 규소의 함량은 2.00중량%를 상한으로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.20~1.0중량%

망간은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이다. 따라서, 상기 망간은 0.20중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 망간의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석이 증가하기 때문에 상기 망간의 함량은 1.0중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.02중량% 이하

인은 결정입계에 편석되어 강재의 인성을 저하시키는 원소이다. 따라서, 그 함량을 적극적으로 제한하는 것이 보다 바람직하다. 다만, 제강과정 등의 부하를 고려할 때 그 함량을 0.02중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.02중량% 이하

황은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 망간과 결합하여 유화물을 형성함으로써 피로수명을 저하시키는 악영향을 미치므로 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 제강과정 등의 부하를 고려할 때에는 그 함량을 0.02중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.10~1.60중량%

크롬은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.10중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 크롬의 함량이 과다하면 상기 효과가 포화되기 때문에 상기 크롬의 함량은 1.60중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 규소(Si)+망간(Mn)+크롬(Cr)≥ 2.0 중량%를 만족하는 것이 바람직한데, 상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)의 함량의 합이 2.0중량% 이상인 경우에 베어링강의 소입성을 확보하기 용이하다.

상기 베어링강의 미세조직은 페라이트와 세멘타이트로 이루어져 있는 것이 바람직한데, 페라이트 기지내에 평균직경 2㎛ 이하의 세멘타이트를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 그리고, 상기 세멘타이트 입자는 구상의 형태로 균일하게 분포되고, 상기 세멘타이트 입자의 구상화율은 90%이상인 것이 바람직하다.

본 발명의 일구현례로서 상기 성분계 및 조성범위를 만족하는 베어링강의 구상화 열처리 방법을 설명한다.

중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베어링강을 일정온도 범위로 가열한 후 가열된 베어링강을 다단계로 냉각한다.

상기 가열단계에서는 800~850℃로 3~8시간 가열하는 것이 바람직하다. 800℃ 미만의 온도범위로 가열하는 경우에는 베어링강의 탄화물의 구상화율이 저조하다. 특히 규소함량이 1.00중량% 이상인 경우에는 800℃이상으로 가열할 경우에 효과적으로 탄화물이 구상화되고 이로 인하여 효율적인 냉간가공이 가능하다.

또한, 상기 냉각단계는 3단계로 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 3단계의 냉각단계는 상기 베어링강을 40~50℃/시간의 냉각속도로 A1~A1-10℃까지 냉각하는 제1냉각단계, 상기 제1냉각단계 후 상기 베어링강을 20℃/시간 이하의 냉각속도로 650~700℃까지 냉각하는 제2냉각단계 및 상기 제2냉각단계 후 상기 베어링강을 100℃/시간 이하의 냉각속도로 130℃까지 냉각하는 제3냉각단계를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.

제1냉각단계에서는 상기 가열된 베어링강을 40~50℃/시간의 냉각속도로 A1 변태온도~A1 변태온도-10℃까지 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 제1냉각단계에서 상기 온도범위를 한정하는 것은 초석 세멘타이트의 생성을 방지하기 위한 것이며, 더불어, 상기 가열단계에서 생성된 구상화 탄화물의 시드의 성장을 방지하기 위한 것이다. 제2냉각단계에서는 제1냉각단계에서 냉각된 베어링강을 20℃/시간 이하의 냉각속도로 650~700℃까지 냉각하는데, 구상화 탄화물 시드를 일정하게 성장시키기 위한 것이다. 또한, 제3냉각단계에서는 상기 제2냉각단계에서 냉각된 베어링강을 100℃/시간 이하의 냉각속도로 130℃까지 냉각하는데 이는 공냉을 하여 상기 온도 까지 도달할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표1에 비교예1 및 발명예1 내지 3의 베어링강의 성분계 및 조성범위를나타내었다. 비교예1은 발명예에 비하여 Si의 함량이 현저히 낮으며, 기존의 가장 많이 사용되고 있는 베어링강과 유사한 성분을 갖는 강이다. 발명예1 내지 3은 비교예1에 비하여 Si의 함량만 각각 1.00 중량%, 1.50 중량%, 2.00 중량%로 높인 고Si 베어링강이다.

각각의 비교예 및 발명예의 베어링강에 대하여 선재압연을 한 후 도1에 나타낸 바와 같은 구상화 열처리를 실시하였다. 각각의 베어링강을 790~850℃ 범위의 온도에서 6시간 가열하였다가 735℃까지 45℃/시간의 냉각속도로 냉각하고, 이후 다시 670℃까지 10℃/시간의 냉각속도로 서냉하였다가 130℃까지 80℃/시간의 냉각속도로 냉각하였다.

구분	C(wt%)	Si(wt%)	Mn(wt%)	P(wt%)	S(wt%)	Cr(wt%)	O2(wt%)
비교예1	0.99	0.25	0.34	0.009	0.008	1.47	0.0010
발명예1	1.00	1.04	0.35	0.012	0.008	1.53	0.0009
발명예2	1.00	1.52	0.34	0.010	0.009	1.48	0.0008
발명예3	0.99	2.00	0.34	0.010	0.009	1.48	0.0010

비교예1 및 발명예2를 각각 선재압연한 후의 미세조직을 관찰하여 도2 및 도3에 나타내었다. 발명예2는 비교예1에 비하여 펄라이트 조직에서의 세멘타이트가 좀 더 두꺼운 것으로 나타났다.

비교예1을 790℃로 가열하여 구상화 열처리를 한 후 미세조직을 도4에 나타내었고 발명예2를 790℃로 가열하여 구상화 열처리를 한 후 미세조직을 도5에 나타내었다. 저Si 베어링강인 비교예1은 790℃로 가열한 경우에도 구상화율이 약 92%가 되었으나, 고Si 베어링강인 발명예2는 790℃로 가열한 경우에는 구상화율이 약 65%로 상당히 저조하였다.

그러나, 구상화 열처리의 1단계 가열온도를 830℃로 증가시킨 경우 발명예2의 구상화율은 약 94%로 크게 증가하였고 이는 도6을 통하여 확인할 수 있다. 도4 내지 도6에 나타낸 구상 탄화물들의 크기는 모두 2㎛ 이하였으며, 이로부터 Si함량이 1.00 중량% 이상인 고Si 베어링강의 구상화 열처리는 800~850℃에서 실시할 경우 효과적으로 탄화물들이 구상화될 수 있음을 알 수 있다.

도1은 본 발명의 일실시예인 구상화 열처리 공정을 시간 대비 온도로 나타낸 그래프;

도2는 비교예1의 선재압연 후 미세조직의 전자현미경 사진;

도3은 발명예2의 선재압연 후 미세조직의 전자현미경 사진;

도4는 비교예1의 790℃에서의 구상화 열처리 후 미세조직의 광학현미경 사진;

도5는 발명예2의 790℃에서의 구상화 열처리 후 미세조직의 광학현미경 사진; 및

도6은 발명예2의 830℃에서의 구상화 열처리 후 미세조직의 광학현미경 사진.

Claims (8)

1. 중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,

   미세조직은 페라이트 기지내에 평균직경 2㎛ 이하의 세멘타이트를 포함하는 고Si 베어링강.
2. 제1항에 있어서, 상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 규소(Si)+망간(Mn)+크롬(Cr)≥ 2.0 중량%를 만족하는 고Si 베어링강.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 세멘타이트 입자는 구상의 형태로 균일하게 분포되고, 상기 세멘타이트 입자의 구상화율이 90%이상인 것을 포함하는 고Si 베어링강.
5. 중량%로, 탄소(C): 0.50~1.20%, 규소(Si): 1.0~2.0%, 망간(Mn): 0.20~1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 크롬(Cr): 0.10~1.60%, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베어링강을 가열하는 가열단계; 및

   상기 가열단계 후 가열된 베어링강을 다단계로 냉각하는 냉각단계를 포함하는 고Si 베어링강의 구상화 열처리방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 가열단계는 상기 베어링강을 800~850℃로 3~8시간 가열하는 것을 포함하는 고Si 베어링강의 구상화 열처리방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 냉각단계는 3단계로 이루어지며, 상기 3단계의 냉각단계는 상기 베어링강을 40~50℃/시간의 냉각속도로 A1~A1-10℃까지 냉각하는 제1냉각단계;

   상기 제1냉각단계 후 상기 베어링강을 20℃/시간 이하의 냉각속도로 650~700℃까지 냉각하는 제2냉각단계; 및

   상기 제2냉각단계 후 상기 베어링강을 100℃/시간 이하의 냉각속도로 130℃까지 냉각하는 제3냉각단계를 포함하는 고Si 베어링강의 구상화 열처리방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 규소(Si), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)은 규소(Si)+망간(Mn)+크롬(Cr)≥ 2.0 중량%를 만족하는 고Si 베어링강의 구상화 열처리방법.

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