KR101271899B1

KR101271899B1 - 고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101271899B1
Application number: KR1020100075869A
Authority: KR
Inventors: 김관호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-06-05
Also published as: EP2602349A4; CN103201399A; US20130139991A1; WO2012018239A3; JP6038026B2; KR20120013710A; EP2602349B1; US9062359B2; CN103201399B; EP2602349A2; JP2013537586A; WO2012018239A2

Abstract

본 발명은 베어링강 주조시 편석을 최소화하고, 편석대에서의 거대 탄화물의 생성을 저감시켜 피로수명이 우수한 베어링강을 제공하고자 하는 것으로, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고탄소 크롬 베어링강 및 이를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조방법{HIGH CARBON AND CHROMIUM BEARING STEEL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 베어링강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주조재의 편석대를 미세화하여 편석발생을 저감시킴으로서, 베어링 소재의 피로수명을 향상시킬 수 있는 고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 베어링강은 전로 또는 전기로에서 제강 후 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속개재물의 양을 저감시키며, 진공탈가스 공정을 거쳐 산소 함량(T[O])을 12 ppm 이하까지 낮춘 상태에서 정련하며, 이후 주조공정으로 주편이나 강괴로 응고시킨 후 소재에 존재하는 편석과 거대 탄화물을 제거하기 위해 균열확산처리(Soaking)를 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 가공하고, 이어서 경화열처리로서 담금질 및 뜨임 처리를 한 후 연마공정을 거쳐 최종 제품인 베어링으로 생산된다.

상기와 같이 주조공정을 통해 생산된 베어링강은 일반적으로 고탄소 고크롬 함유로 인해 소재에서의 편석 및 거대 탄화물 생성을 피할 수 없는 것으로 인식되고 있다. 즉 응고시 고상과 액상간에는 용질원소의 용해도 차이가 존재하여 고액 계면 선단에 용질원자가 배출되어 쌓이게 되고 이는 수지상정간의 미세편석 발생으로 이어진다. 이와 같은 수지상정간의 미세편석은 응고 완료시 소재 중심부에 발생하는 응고 수축공 내부로 흡입되어 다량의 중심편석을 유발하게 되고, 이로 인해 소재 중심편석대에 거대 탄화물이 생성되는 것이다. 이러한 거대 탄화물은 피로시험 및 실제 사용 중에 이를 기점으로 하는 조기 피로파단의 원인이 되어 베어링 박리(flaking) 현상을 유발한다. 도 1은 수축공 내부에 생성된 거대 탄화물을 나타내었으며, 수축공의 일부가 채워지지 않고 남아 있음을 확인할 수 있다.

베어링강의 기계적 성질에 가장 큰 악영향을 미치는 주조재 편석대의 거대 탄화물을 제거하는 종래 기술로는 주조시 경압하를 실시하여 수축공 내부로 미세편석이 흡입되는 것을 방지하는 방법과 주조 후 1000℃ 이상의 고온에서 균열확산처리(soaking)를 실시하여 중심편석 및 거대 탄화물을 확산시켜 제거하는 방법이 있다.

또한, 일본 공개공보 제1996-132205호에서는 수직형 연속 주조 조업시 10~100㎜의 경압하를 실시하여 베어링강에서의 편석을 감소시키는 방법이 제시되어 있고, 일본 공개공보 제1994-248302호에서는 편석을 제어하기 위해서 응고부분에 롤(roll)을 설치하고 경압하를 실시하는 기술이 제시되는 등 설비에 의해 편석 발생을 제어하려는 시도가 다수 이루어져왔다.

일본 공개공보 제1995-299550호에서는 주편을 경압하로 압연하고 분괴압연에 앞서, 1150~1250℃에서 2~5시간 동안 균열확산처리(soaking)하여 거대 탄화물을 제거하는 기술이 제시되어 있고, 일본 공개공보 제2006-016683호에서는 P 농도가 0.002~0.009질량%인 강을 사용하여 1150~1260℃에서 2시간 미만으로 유지하여 거대 탄화물을 억제하는 기술이 제시되어 있고, 일본 공개공보 제2009-127113호에서는 1050℃ 이상의 고온에서 1~4시간 동안 유지하여 거대 탄화물을 축소 또는 확산 소멸시킨 고탄소 크롬 베어링강에 대한 기술이 제시되어 있다.

그러나, 현재의 기술로는 주조시 경압하에 의해 편석 및 거대 탄화물 생성을 완벽하게 방지하는 것이 불가능하기 때문에 주조 후 균열확산처리가 반드시 필요하다. 더욱이 거대 탄화물 형성을 억제하기 위해 주조된 소재를 탄화물의 창출온도인 약 1150℃ 이상에서 수~십수 시간 동안 유지하여 균열확산처리하는 것은 에너지 소모가 너무 커지게 될 뿐만 아니라, 가열 유지 중에 소재의 표층에서 탈탄이 과도하게 진행되어 이후 강편압연하기 전에 핫스카핑(hot scarfing)할 필요가 생기고 이로 인해 실수율도 떨어지게 된다.

따라서 베어링강 주조재 편석대의 거대 탄화물이 수지상정간의 미세편석이 편석으로 발전되어 생성되는 만큼 이를 근본적으로 해결하기 위한 기술이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 일측면은 편석발생을 저감하고, 편석대에서의 거대 탄화물의 생성을 억제시켜 피로수명이 우수한 베어링강 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고탄소 크롬 베어링강을 제공한다.

또한, 본 발명은 용선을 정련한 후 주조하여 베어링 강을 제조하는 방법에 있어서,

접종제로서 Ce 화합물을 이용하여 베어링 강을 제조하는 고탄소 크롬 베어링강의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 기존의 베어링강 대신에 Mn의 첨가를 줄일 수 있고, 별도의 균열열처리 하지 않아 경제성을 높일 수 있고, 편석대에서 등축정 결정립의 미세화를 도모하여 편석의 발생을 저감하고, 거대 탄화물의 크기를 월등히 감소시켜 피로수명이 우수한 베어링강을 제공할 수 있다.

도 1은 수축공 내부에 형성된 거대 탄화물 미세조직을 나타낸 사진임.
도 2(a) 및 (b)는 각각 비교예와 발명예 2의 편석대 등축정 미세조직을 나타낸 사진임.
도 3(a) 및 (b)는 각각 비교예와 발명예 2의 편석대 등축정 결정립 크기 분포를 나타낸 그래프임.
도 4(a) 및 (b)는 각각 비교예와 발명예 2의 편석대 전자탐침 미소분석(Electron Probe X-ray Micro Analysis) 결과임.
도 5는 발명예 2의 오스테나이트 결정립 사이의 삼중점(triple junction)에서 관찰한 CeO₂ 산화물 사진임.
도 6(a) 및 (b)는 각각 비교예와 발명예 2의 편석대내 거대 탄화물 미세조직을 나타낸 사진임.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자는 베어링강 주조시 편석을 최소화하고, 편석대에서의 거대 탄화물의 생성을 저감시켜 피로수명이 우수한 베어링강을 얻기 위한 방안으로 주조시 편석이 발생할 수 있는 편석대에 미세한 등축정을 다량 형성시키는 방법이 효과적이라는 사실을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명에서, 편석대는 주조로 인한 주조재에서 편석이 발생할 수 있는 부위를 의미하는 것으로서, 주조의 종류, 동일한 주조라도 공정에 따라 상이하다. 가령, 잉곳주조시에는 잉곳의 꼭대기 부분에 편석대가 형성되고, 연속주조시에는 주조재의 중심부에 편석대가 형성된다.

본 발명자는 주조된 베어링 강의 미세한 등축정을 다량 형성하기 위해서, 접종제(inoculant)를 이용하는 방안을 고안하게 되었다. 상기 접종제는 불균일 핵생성을 촉진하는 것으로, 접종제 속의 특정 성분이 신속하게 응고상과 격자불일치(Lattice Misfit)가 적은 화합물이나 석출물을 형성하게 되고, 이러한 화합물이나 석출물은 고액 계면의 계면 에너지 증가를 최소화하여 불균일 핵생성을 촉진하게 되고, 이를 통해 미세한 등축정의 형성을 촉진시키게 된다.

이러한 접종제로써 바람직하게는 오스테나이트와 격자불일치가 작은 화합물이나 석출물일 것이 요구되며, 이러한 접종제로는 AlCeO₃, CeO₂, Ce₂O₃, Ce₂O₂S, CeS, Ce₂S₃, TiC, TiN, TiO₂, Al₂O₃ 등이 사용될 수 있다. 바람직한 접종제로는 CeO₂나 Ce₂O₃가 있으며, 오스테나이트와의 격자불일치는 CeO₂가 6.7%인 반면 Ce₂O₃는 11.0%이기 때문에 베어링강의 주조시 미세한 등축정 형성을 촉진시키기 위한 접종제로는 CeO₂가 보다 바람직하다.

이하, 본 발명 베어링강의 조성에 대하여 상세히 설명한다(중량%).

탄소(C): 0.5~1.2%

탄소는 베어링강의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소이다. 탄소의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로, 탄소의 함량은 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 반면, 탄소의 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대 탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라, 담금질하기 전의 가공성이 떨어지므로 상기 탄소 함량의 상한은 1.2%로 하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 0.15~2.0%

규소는 경화능에 영향을 주는 원소로서, 그 함량이 너무 낮을 경우 경화능의 문제가 발생할 수 있으므로, 0.15% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 다만, 규소의 함량이 너무 높을 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고, 탄소와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 저하될 뿐만 아니라, 편석이 증가하기 때문에 상기 규소 함량의 상한은 2.0%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.05~0.45%

망간은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소로서, 그 함량을 0.05% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 다만, 망간의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라, 편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가하기 때문에 상기 망간의 함량은 0.45% 이하로 하는 것이 바람직하다.

인(P): 0.025% 이하(0은 제외)

인은 결정립계에 편석되어 강재의 인성을 저하시키는 원소이다. 따라서, 그 함량을 적극적으로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하를 고려할 때, 그 함량을 0.025% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S): 0.025% 이하(0은 제외)

황은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 망간과 결합하여 MnS 황화물을 형성함으로써, 피로수명을 저하시키는 악영향을 미치므로, 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하를 고려할 때 그 함량을 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.1~1.6%

크롬은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.1% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 크롬의 함량이 과다하면 그 효과가 포화되기 때문에 그 함량을 1.6% 이하로 하는 것이 바람직하다.

세륨(Ce): 0.01~0.3%

세륨은 접종제로 작용하기 위해 투입되어 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 세륨의 함량이 과다하면 제강공정의 안정성이 상당히 저하되고 산화물 형성이 급격히 진행되어 등축정 형성 촉진 효과가 포화되기 때문에 상기 세륨의 함량은 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 다만, 상기 조성 이외에 다른 조성을 포함될 수 없음을 배제하는 것은 아니다.

전술한 바와 같이, 상기 Ce는 본 발명 베어링강의 제조시에 Ce 화합물을 형성하여 오스테나이트 결정립이 불균일 핵생성되도록 하는 접종제로 작용하는 역할을 한다. 상기 Ce 화합물은 Ce산화물, Ce탄화물, Ce질화물, Ce황화물 등이 될 수 있으며, 구체적으로는 AlCeO₃, CeO₂, Ce₂O₃, Ce₂O₂S, CeS 및 Ce₂S₃등이 될 수 있다. 이 중에서는 CeO₂ 또는 Ce₂O₃이 바람직하고, 보다 바람직하게는 CeO₂로 한다.

상기 Ce 화합물은 상기 주조에 의한 주조조직과 격자불일치(Lattice Misfit)가 15% 이하인 것이 바람직하다. 상기 격자불일치가 15%를 초과하면 Ce 화합물을 기점으로 하는 오스테나이트 결정립의 불균일 핵생성이 어려워지므로, 등축정의 미세화 효과를 기대할 수 없기 때문에, 주조조직과의 격자불일치가 15% 이하인 것이 바람직하다.

상기 Ce 화합물이 오스테나이트 결정립의 불균일 핵생성 사이트로 작용하기 위해서는 그 형태가 구형인 것이 바람직하고, 그 평균입경은 20㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한 상기 Ce 화합물은 5~200개/㎟로 균일하게 분포되어 있는 것이 바람직하다.

상기 Ce 화합물의 평균입경이 20㎛를 초과하면 오스테나이트 결정립의 불균일 핵생성 사이트로서의 접종제 효과가 미비하다. 또한, Ce 화합물의 개수가 5개/㎟ 미만이면 생성된 등축정이 미세화되지 않고 조대화되며, 그 개수가 200개/㎟를 초과하면 그 효과가 중첩되어 포화되기 때문에 그 개수를 200개/㎟ 이하로 하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명 베어링강의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명 베어링강은 용선을 정련한 후 주조하여 제조하는 방법에 있어서, 접종제로서 Ce 화합물을 이용하여 베어링 강을 제조한다. 상기 Ce 화합물은 베어링 강의 제조시에 접종제로서 작용하여 오스테나이트 결정립이 불균일 핵생성을 통해 결정립 미세화를 확보한다.

본 발명은 상기 용선의 정련시에 Ce를 함유한 화합물을 투입하여, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce:0.01~0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 제조한다.

상기 Ce를 함유한 화합물은 상기 접종제로서 설명된 Ce 화합물과 구별된다. 상기 Ce를 함유한 화합물은 접종제로서 작용하는 Ce 화합물, 구체적으로는 Ce산화물, Ce탄화물, Ce질화물, Ce황화물 등이 될 수 있고, 정련 중에 투입되어, 반응을 통해 상기 Ce 화합물을 형성할 수 있는 물질까지 포함한다. 이러한 물질은 그 종류가 다양하며, 구체적인 일예로는 Fe-Al-Ce계 합금철을 들 수 있다. 또한, 상기 Fe-Al-Ce계 합금철도 그 함량에 따라서 그 종류를 다양하게 할 수 있다.

상기 조성을 만족하는 용강을 주조하는 단계를 포함한다. 상기 주조는 통상의 베어링강 제조를 위한 방법에 의하고, 그 방법을 특별히 한정하는 것은 아니다. 통상적으로 적용될 수 있는 잉곳주조(Ingot Casting)방법과 연속주조(Continuous Casting)방법이 모두 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 만족하는 베어링강을 주조하였다. 상기 주조는 통상의 연속주조 방법으로 행하였다. 비교예는 기존의 가장 많이 사용되는 베어링강을 나타낸 것이고, 발명예 1 내지 3은 비교예에 비해 Mn의 함량을 줄이고, Ce를 첨가한 것으로, Mn은 편석 및 MnS 석출량을 감소시키기 위해 적게 첨가하였다.

구분(중량%)	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ce
비교예	0.99	0.25	0.34	0.009	0.008	1.47	0
발명예1	1.01	0.24	0.15	0.012	0.007	1.50	0.087
발명예2	1.01	0.23	0.18	0.013	0.004	1.45	0.131
발명예3	1.00	0.24	0.24	0.010	0.006	1.48	0.256

상기 비교예와 발명예 2의 주조재 편석대의 등축정 미세조직을 관찰하여 각각 도 2(a) 및 (b)에 나타내었다. 도 2(a)와 (b)를 비교하면, 비교예에 비해 발명예 2에서는 등축정 조직이 훨씬 미세한 것을 알 수 있다.

한편, 상기 비교예와 발명예 2의 등축정 결정립의 크기 분포를 관찰하고, 그 결과를 각각 도 3(a) 및 (b)에 나타내었다. 도 3(a)의 비교예는 응고 조직의 등축정 결정립 평균 크기가 약 496㎛ 정도이나, 도 3(b)의 발명예 2에서는 등축정 결정립 평균 크기가 약 325㎛ 정도로 훨씬 미세한 것을 확인할 수 있었다.

Ce의 첨가에 의한 베어링강 주조재 편석대의 등축정 결정립 미세화 효과는 결국 편석의 저감으로 나타나는 것을 확인하기 위해서, 비교예와 발명예 2의 각 합금원소 분포 양상을 분석한 전자탐침 미소분석(Electron Probe X-ray Micro Analysis)을 행하고, 그 결과를 각각 도 4(a) 및 (b)에 나타내었다. 도 4(a)의 결과에서 알 수 있듯이, 비교예에서는 Mn, Cr, C의 편석이 심한 것을 확인할 수 있으나, 도 4(b)에 나타난 발명예 2에서는 비교예에 비해 편석이 상당히 저감되는 것을 확인할 수 있다.

상기와 같이, 등축정 결정립 미세화 효과와 이를 통한 편석의 저감은 첨가된 Ce이 용강 내에서 화합물을 형성하여 오스테나이트 결정립이 불균일 핵생성되도록 하는 접종제의 역할을 하기 때문이며, 상기 발명예 2에서 오스테나이트 결정립 사이의 삼중점(triple junction)에서 관찰된 CeO₂ 산화물을 관찰하여 도 5에 나타내었다.

또한, Ce의 첨가로 인한 등축정 결정립 미세화와 편석 저감 효과는 주조재 편석대에서 거대 탄화물 생성을 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 도 6의 (a), (b)는 각각 비교예와 발명예 2에서 편석대에서 거대 탄화물 미세조직을 관찰한 사진으로, 도 6의 (a)에 나타난 바와 같이, 비교예에서는 약 125㎛의 거대 탄화물이 관찰된 반면, 도 6의 (b)에 나타난 발명예 2에서는 약 43㎛의 거대 탄화물이 관찰되었다.

Claims

중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하며, 접종제로서 Ce 화합물을 포함하고, 상기 Ce 화합물은 1㎟당 5~200개의 분포로 분산되어 있는 고탄소 크롬 베어링강.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 Ce 화합물은 Ce 산화물, Ce 질화물 및 Ce 탄화물로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 고탄소 크롬 베어링강.
청구항 1에 있어서,
상기 Ce 화합물은 AlCeO₃, Ce₂O₃, Ce₂O₂S, Ce₂S_3, CeS, Ce₂O₃및 CeO₂로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 고탄소 크롬 베어링강.
청구항 1에 있어서,
상기 Ce 화합물은 상기 베어링강의 주조조직과 격자불일치(Lattice Misfit)가 15% 이하인 고탄소 크롬 베어링강.
청구항 1에 있어서,
상기 Ce 화합물은 구형이고, 평균입경이 20㎛이하인 고탄소 크롬 베어링강.
삭제
용선을 정련한 후 주조하여 베어링 강을 제조하는 방법에 있어서,
상기 정련시 접종제로서 Ce를 함유한 화합물을 투입하여 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 제조하는 단계; 및
상기 용강을 주조하여 상기 Ce 화합물이 1㎟당 5~200개의 분포로 분산되도록 하는 단계를 포함하는 고탄소 크롬 베어링강의 제조방법.
삭제
청구항 8에 있어서,
상기 Ce를 함유한 화합물은 Ce 산화물, Ce 질화물, Ce 탄화물 및 Fe-Al-Ce계 합금철로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상인 고탄소 크롬 베어링강의 제조방법.