KR101360657B1

KR101360657B1 - 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강

Info

Publication number: KR101360657B1
Application number: KR1020110136156A
Authority: KR
Inventors: 김관호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2014-02-10
Also published as: KR20130068785A

Abstract

중량%로 C: 0.50~1.20%, Si: 0.15~2.00%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, Cr: 0.10~1.60%, Ce: 0.01~0.30%, 추가적으로 Ti: 0.003%이하 및 N: 0.01%이하 중 1종 또는 2종 모두, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재로서 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강이 제공된다.
본 발명에 따르면, 고탄소 고크롬을 함유하면서도 소재 중심부에서의 편석 및 거대 탄화물이 감소되고 결정립이 미세하여 피로수명이 향상된 베어링강을 제공할 수 있다.

Description

피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강{HIGH CARBON CHROMIUM BEARING STEEL HAVING IMPROVED FATIGUE LIFE}

본 발명은 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강에 관한 것이다.

베어링강의 피로파괴에 의한 피로수명 저하를 방지하기 위한 대표적인 종래기술로는 일본 공개특허공보 2005-066606호 또는 일본 공개특허공보 2009-127078 호 등에서와 같이 개재물을 저감하여 청정도를 향상시킴으로써 이루어져 왔다. 그러나 최근 제강기술의 발전과 함께 청정도 향상기술도 한계에 이르러 베어링강의 피로수명 향상을 위한 새로운 접근방법의 모색이 필요하고, 이를 위한 방법으로서 담금질시 결정립을 미세화하여 균열전파 저항성을 향상시키는 방법이 있다. 일본 공개특허공보 2007-63626호와 2007-63627호에서는 베어링강에 Ti, Nb 등을 첨가하여 구상화 탄화물의 종횡비를 3 이하로 하고 단위면적당 개수를 1.15 개/㎛² 이상으로 제어함으로써 담금질시 소재 표층의 결정립을 3.5 ㎛ 이하로 미세화하였다. 그러나 일반적으로 고탄소 고크롬 베어링강의 구상화 탄화물 종횡비는 Ti, Nb을 첨가하지 않아도 3 이하로 될 뿐만 아니라 표층의 결정립만 미세화할 경우 소재 내부와의 미세조직 이방성에 의한 피로특성 저하의 우려가 있다.

본 발명의 일 측면은 미세 등축정 형성을 통한 편석 저감과 소재 전체에서의 결정립 미세화를 통하여 피로수명을 증가시킨 고탄소 크롬 베어링강을 제시하고자 한다.

그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로 C: 0.50~1.20%, Si: 0.15~2.00%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, Cr: 0.10~1.60%, Ce: 0.01~0.30%, Ti: 0.003%이하, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재로서 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 고탄소 고크롬을 함유하면서도 소재 중심부에서의 편석 및 거대 탄화물이 감소되고 결정립이 미세하여 피로수명이 향상된 베어링강을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강종의 VN 석출물 조직사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강종의 표층(a)과 중심부(b)의 미세조직 사진이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.

일반적으로 베어링강은 고탄소 고크롬 함유로 인해 소재 중심부에서의 편석 및 거대탄화물 생성을 피할 수 없는 것으로 인식되고 있다. 즉, 응고시 고상과 액상 간에는 용질원소의 용해도 차이가 존재하여 고액 계면 선단에 용질원자가 배출되어 쌓이게 되고 이것은 수지상정간의 미세편석 발생으로 이어진다. 이와 같은 수지상정간의 미세편석은 응고 완료시 소재 중심부에 응고 수축공이 발생하면 수축공 내부로 흡입되어 다량의 중심편석을 유발한다. 이로 인해 소재 중심편석대에 거대탄화물이 생성되는 것이다.

거대탄화물 제거를 위한 가장 효과적인 방법은 주조재 중심부에 미세한 등축정을 다량 형성시켜 편석을 저감하는 방법이다. 주조시 소재 중심부에 미세한 등축정 형성을 촉진시킬 수 있는 방법으로는 접종제(Inoculant)를 투입하는 방법이 있다. 베어링강은 고탄소강으로서 주조시 오스테나이트로 응고가 시작되기 때문에 등축정 형성을 촉진시키기 위한 접종제로는 오스테나이트와 격자불일치가 작은 CeO₂나 Ce₂O₃가 바람직하다. 예를 들어, 오스테나이트와의 격자불일치는 CeO₂가 6.7 %이고 Ce₂O₃는 11.0 %로서 기타 석출물 및 개재물보다 월등히 작다.

베어링강의 피로파괴는 베어링 전동시 볼이나 롤러의 전동체와 내외륜(Inner or Outer Ring)에 개재물, 편석, 이상조직 발생, 오염된 윤활환경 등에 의해 균열이 발생한 후 결정립계를 따라 균열이 전파되어 박리(Flaking)되는 현상이다.

베어링강의 피로수명 향상을 위한 새로운 접근방법으로는 담금질시 결정립을 미세화하여 균열전파 저항성을 향상시키는 방법이 있다. 다만, 표층부의 결정립만 미세화할 경우 소재 내부와의 미세조직 이방성에 의한 피로특성 저하의 우려가 있다.

따라서 담금질시 소재 전체에서의 결정립 미세화를 위해서는 좀 더 강력하게 결정립 성장을 억제할 수 있는 수단이 필요하다. 이를 위하여 본 발명은 Ce을 첨가하여 Ce 산화물이 접종제로 작용하도록 하여 주조시 미세 등축정 형성을 통한 편석 저감으로 거대탄화물 생성을 감소시키자 한다. 또한, 필요에 따라 Ti, N. V를 첨가하여 TiN, VN, VC, V(C,N) 등을 석출하여 이들이 결정립계를 피닝(pinning)하여 결정립 성장을 억제하고 미세화함으로써 균열전파 저항성을 향상시켜 피로수명을 증가시키고자 한다.

이를 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로 C: 0.50~1.20%, Si: 0.15~2.00%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, Cr: 0.10~1.60%, Ce: 0.01~0.30%, Ti: 0.003%이하, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재로서 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강을 제공한다.

상기 각 성분의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다. 이하, 각 성분의 함량 단위는 특별히 언급하지 않은 경우에는 중량%임에 유의할 필요가 있다.

C: 0.98~1.20 중량%

탄소는 베어링의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소이다. 만일 탄소의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로 탄소의 함량은 0.98 중량% 이상인 것이 바람직하다. 반면, 탄소 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성이 떨어지므로 상기 탄소 함량의 상한은 1.20 중량%로 한정한다.

Si : 0.15~2.00 중량%

규소의 함량이 낮을 경우 경화능의 문제가 발생할 수 있으므로 0.15 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 규소의 함량이 너무 높을 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고 C와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석이 증가하기 때문에 상기 규소의 함량은 2.00 중량%를 상한으로 한다.

Mn : 0.05~0.45 중량%

망간은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이다. 따라서, 상기 Mn은 0.05 중량% 이상 함유되는 것이 바람직하다. 다만, 망간의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가하기 때문에 상기 망간의 함량은 0.45 중량% 이하로 한다.

P: 0.025 중량% 이하

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

S: 0.025 중량% 이하

S은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 Mn과 결합하여 유화물을 형성함으로써 피로수명을 저하시키는 악영향을 미치므로 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서 제강과정 등의 부하를 고려할 때에는 그 함량을 0.025 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Cr: 1.43~1.60 중량%

Cr은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 1.43 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr의 함량이 과다하면 그 효과가 포화하기 때문에 상기 크롬의 함량은 1.60 중량% 이하로 한다. 따라서 Cr의 함량은 1.43~ 1.60 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Ce : 0.01~0.30 중량%

Ce은 접종제로 투입되어 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.01 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Ce의 함량이 과다하면 제강공정의 안정성이 상당히 저하되고 산화물 형성이 급격히 진행되어 등축정 형성 촉진 효과가 포화하기 때문에 상기 세륨의 함량은 0.30 중량% 이하로 한다.

Ti: 0.003 중량% 이하(0%는 제외)

Ti은 질화물(TiN) 형성에 의한 오스테나이트 결정립 성장 억제 효과가 있기 때문에 첨가해도 좋지만 그 함유량이 0.003 중량%를 넘으면 피로특성이 떨어지기 때문에 첨가하는 경우에는 0.003 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

N: 0.01 중량% 이하

N은 불가피한 불순물로서 존재하지만 TiN, VN, VCN 등의 질화물 또는 탄질화물을 형성하고 오스테나이트 결정립 미세화에 효과가 있다. 그러나 과도하게 첨가하면 재료의 가공성을 떨어지게 하기 때문에 첨가하는 경우에는 0.01 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 강재는 중량%로 V: 0.001~0.3%를 더 함유할 수도 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다

V: 0.001 ~ 0.3 중량%

V을 첨가하면 질화물(VN)이나 탄질화물(VCN)을 형성함으로써 오스테나이트 결정립 성장 억제 효과가 있기 때문에 0.001 중량% 이상 첨가해도 좋지만 그 함유량이 0.3 중량%를 넘으면 피로특성이 떨어지기 때문에 첨가하는 경우에는 0.3 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

예시적 구현예에 있어서, 상기 강재의 구 오스테나이트 결정립 크기가 2.0 내지 3.2 ㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

구 오스테나이트 결정립 크기가 2.0 내지 3.2 ㎛에서는 결정립 미세화에 의하여 균열전파저항성이 향상되어 피로수명이 향상된다.

또한, 상기 강재가 V: 0.001~0.3%를 더 함유하면 강재의 구 오스테나이트 결정립 크기가 2.1 내지 2.8 ㎛로 측정되었다. 즉, V로 인하여 강재의 오스테나이트 결정립 크기가 좀 더 작아져서, 결정립 미세화에 의한 균열전파저항성이 더욱 향상되어 피로수명이 더욱 향상되는 것을 알 수 있다.

본 발명에서 대상으로 하는 강에서 오스테나이트 결정립은 상온에서는 존재하지 않으므로, 본 발명에서 말하는 '오스테나이트 결정립'이란 '구 오스테나이트 결정립'을 의미할 수 있다.

비교강 대비 필요에 따라 Ti, N, V의 1종 이상을 첨가하면 담금질 후 오스테나이트 결정립 크기를 더욱 감소시키고 피로수명을 크게 향상시키는 효과가 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

[ 실시예 ]

하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분을 갖는 베어링강을 주조하였다. 각 성분의 함량 단위는 중량%이다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ce	Ti	N	V
비교강 1	0.99	0.25	0.34	0.009	0.008	1.47	-	-	-	-
비교강 2	1.01	0.24	0.25	0.012	0.007	1.50	0.104	-	-	-
발명강 1	1.01	0.23	0.38	0.013	0.004	1.45	0.087	0.0017	0.0044	-
발명강 2	1.00	0.25	0.34	0.010	0.006	1.48	0.112	0.0028	0.0053	-
발명강 3	1.01	0.23	0.33	0.012	0.005	1.46	0.124	0.0018	0.0064	0.012
발명강 4	0.99	0.24	0.34	0.013	0.007	1.47	0.119	0.0022	0.0062	0.051
발명강 5	1.00	0.25	0.31	0.011	0.004	1.45	0.108	0.0024	0.0074	0.114
발명강 6	0.98	0.26	0.30	0.012	0.006	1.43	0.110	0.0027	0.0087	0.195
발명강 7	1.01	0.23	0.29	0.010	0.006	1.46	0.156	0.0026	0.0093	0.292

주조된 베어링강은 950 ~ 1100℃에서 0.5 ~ 2 시간 가열하여 TiN이 석출되도록 하였고, 그 후 열간압연을 실시하였다. 열간압연 후에는 750 ~ 830℃에서 6 시간 가열하여 구상화 열처리를 실시하였고 이 구상화 열처리 도중에 VN 및 VCN이 석출되도록 하였다. 구상화 열처리 후에는 담금질 처리를 하였는데, 담금질 처리는 840℃에서 1 시간 가열한 후 70℃로 유냉(Oil Quenching)하였고 그 후 170℃에서 1.5 시간 뜨임 처리를 하였다.

담금질-뜨임 처리 후에는 구 오스테나이트 결정립 크기를 측정한 후 쓰러스트 타입 접촉피로시험(Thrust-type Rolling Contact Fatigue Test)을 실시하여 피로수명을 평가하였다. 시험조건으로는 접촉응력 5,836 MPa, 회전수 1000 rpm으로 하여 강종당 24 개를 시험하여 B₁₀ 수명을 구하였다.

하기 표 2에 비교강과 발명강 각각에 대한 제조조건, 구 오스테나이트 결정립 크기 및 B₁₀ 수명을 나타내었다.

구분	열간압연 전 가열		구상화		담금질 가열		뜨임		구 오스테나이트 결정립 크기 (㎛)	B₁₀ 수명(×10⁷회)
구분	온도 (℃)	시간 (hr)	온도 (℃)	시간 (hr)	온도 (℃)	시간 (hr)	온도 (℃)	시간 (hr)	구 오스테나이트 결정립 크기 (㎛)	B₁₀ 수명(×10⁷회)
비교강 1	1050	0.5	790	6	840	1	170	1.5	6.8	2.4
비교강 2	1050	0.5	790						5.1	5.3
발명강 1	1050	0.5	790						3.2	7.1
발명강 1	1150	1.5	790						2.7	7.9
발명강 2	1050	0.5	790						2.0	7.5
발명강 2	1150	1.5	790						2.4	8.2
발명강 3	1050	0.5	790						2.8	7.9
	1050	0.5	820						2.4	8.3
	1150	1.5	820						2.2	8.7
발명강 4	1050	0.5	790						2.6	8.1
발명강 5	1050	0.5	790						2.2	9.5
발명강 5	1150	1.5	820						2.1	10.6
발명강 6	1050	0.5	790						2.3	9.3
발명강 7	1050	0.5	790						2.2	9.6

표 2를 통해 비교강 대비 Ti, N, V을 첨가함에 따라 구 오스테나이트 결정립 크기가 작아질 뿐만 아니라 피로수명도 크게 증가하는 효과가 있음을 확인할 수 있다.

또한, 도 1은 표 2의 발명강 3의 두 번째 제조조건에 따른 조직사진으로서 검은 반점으로 보이는 것이 VN 석출물이다. 도 2는 표 2의 발명강 1의 첫 번째 제조조건에 따른, 표층(a)과 중심부(b)에 대한 미세조직 사진으로서 두 부분에서 오스테나이트 결정립 크기의 차이가 거의 없음을 확인할 수 있다.

결론적으로, Ce을 첨가하여 편석이 저감된 베어링강에 필요에 따라 Ti, N, V 중에서 1종 이상을 첨가하면 비교강 대비 담금질 후 오스테나이트 결정립 크기를 감소시키고 피로수명을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

Claims

중량%로 C: 0.98~1.20%, Si: 0.15~2.00%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, Cr: 1.43~1.60%, Ce: 0.01~0.30%, Ti: 0.003%이하(0%는 제외), N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재로서, 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강.
제 1항에 있어서,
상기 강재는 중량%로 V: 0.001~0.3%를 더 함유하는, 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강.
제 1항에 있어서,
상기 강재의 구 오스테나이트 결정립 크기가 2.0 내지 3.2 ㎛인, 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강.