KR101536405B1

KR101536405B1 - 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101536405B1
Application number: KR1020130099889A
Authority: KR
Inventors: 김관호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2015-07-13
Also published as: KR20150022272A

Abstract

본 발명은 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.90~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.45%, Cr: 1.35~1.60%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, O: 0.0015%이하, Al: 0.05%이하, Ti: 0.0035%이하, N: 0.0070%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 최대 크기가 14㎛이하인 비금속 개재물을 포함하며, 상기 비금속 개재물 중 크기가 1~14㎛인 것이 450개/㎟ 이하로 존재하는 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 피로수명이 10⁹회 이상으로 매우 우수한 내피로특성을 갖는 고탄소 크롬 베어링용 강을 제공할 수 있다.

Description

내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법{STEEL FOR HIGH CARBON CHROMIUM BEARING HAVING EXCELLENT FATIGUE RESISTANCE PROPERTIES AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 코탄소 크롬 베어링용 강은 용선을 전로 또는 전기로에서 제강한 후 Si과 Al을 통한 복합탈산을 실시한 다음 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속개재물의 양을 저감시키며, 진공탈가스 공정을 거쳐 산소의 함량을 12ppm 이하로 낮춘 뒤, 주조공정으로 주편이나 강괴로 응고시킨 후 소재에 존재하는 편석과 거대 탄화물을 제거하기 위해 균열확산처리(Soaking)를 실시한 다음 빌레트로 압연된다.

이러한 고탄소 크롬 베어링용 강의 피로수명에 영향을 미치는 야금학적 인자로는 비금속개재물과 편석 등이 있는데, 이 중 비금속개재물은 가장 큰 악영향을 미치는 것으로 인식되고 있다.

그러나, 일반적으로 Si 및 Al 복합탈산을 행하는 경우에는 용강 중에 존재하는 비금속 개재물의 크기가 보통 15㎛이상일 뿐만 아니라 특히 알루미나(Al₂O₃)의 경우에는 경도가 2000Hv 정도로 상당히 높아 베어링강의 최종 물성인 피로수명에 매우 치명적이다. 특히, 알루미나 개재물은 베어링 전동 중 버터플라이(butterfly)라는 백색 이상조직을 발생시켜 피로수명을 크게 저하시킨다. 이에 따라 베어링강의 피로수명을 향상시키기 위하여 기존의 제강 정련 방법들은 알루미나를 포함한 비금속개재물의 저감을 목적으로 이루어져 왔다.

특허문헌 1에서는 Ti의 함량을 20ppm이하로 하고, 구상탄화물의 평균입경을 0.60㎛이하로 제한하며, 피검 면적 200mm²에 있어서 폭 2.5㎛이상, 길이 10㎛이상에 걸쳐 연속하고 있는 TiN 무리의 개수가 50개 이하인 것을 특징으로 하는 마무리 연마가공성이 뛰어난 고청정도 베어링용 강을 제공하고 있으나, 알루미나 개재물에 대한 제한은 언급되어 있지 않다.

특허문헌 2에서는 구상탄화물의 단위면적당 개수가 1.15개/㎛²이상이고 표층부의 구오스테나이트 입경(AGS)을 미세화함으로써 피로특성이 우수한 베어링용 강을 제조할 수 있다고 개시하고 있으나, 개재물의 크기와 개수에 대한 제한은 두고 있지 않다.

특허문헌 3에서는 강중에 포함되는 산화물계 개재물의 평균 조성이 CaO: 1~45%, Al₂O₃: 20~45%, SiO₂: 30~50%, MnO: 15%이하, MgO: 3~10%, 잔부 불가피한 불순물로 이루어지며, 강재의 압연방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 길이가 20㎛이하임과 동시에 구상 세멘타이트 조직을 가지는 베어링용 강을 제공하고 있다. 그러나, 상기 기술에는 산화물계 개재물에 대한 최대 길이만 언급되어 있을 뿐 그 크기나 개수에 대해서는 제한을 두고 있지 않다.

일본 공개특허공보 특개2002-339041호 일본 공개특허공보 특개2007-063627호 일본 공개특허공보 특개2012-214829호

본 발명은 합금조성과 비금속 개재물의 크기 및 개수를 제어함으로써 우수한 내피로특성을 갖는 고탄소 크롬 베어링용 강 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.90~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.45%, Cr: 1.35~1.60%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, O: 0.0015%이하, Al: 0.05%이하, Ti: 0.0035%이하, N: 0.0070%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 최대 크기가 14㎛이하인 비금속 개재물을 포함하며, 상기 비금속 개재물 중 크기가 1~14㎛인 것이 450개/㎟ 이하로 존재하는 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.90~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.45%, Cr: 1.35~1.60%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, O: 0.0015%이하, Al: 0.05%이하, Ti: 0.0035%이하, N: 0.0070%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 30~60분동안 RH환류시키는 단계; 및 상기 RH환류된 용강을 연속주조하여 강재를 얻는 단계를 포함하고, 상기 RH환류된 용강을 연속주조하기 전, Ar 가스로 실링(sealing)하는 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 피로수명이 매우 뛰어난 고탄소 크롬 베어링용 강을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강종들에 대하여 L₁₀피로수명과 개재물 최대크기와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강종들에 대하여 L₁₀피로수명과 단위면적당 개재물 개수와의 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명자는 베어링용 강의 가장 중요한 특성인 피로수명에 가장 직접적인 영향을 미치는 비금속 개재물의 크기와 개수를 동시에 제어하는 경우, 피로수명을 상당히 높일 수 있다는 식견하에 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명을 설명한다. 먼저 본 발명의 합금조성에 대하여 설명한다.

C: 0.90~1.10중량%

C는 베어링의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소이다. C의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로 상기 C의 함량은 0.90중량%이상인 것이 바람직하다. 반면, 탄소 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성이 떨어지므로 상기 C의 함량은 1.10중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Si: 0.15~0.35중량%

Si의 함량이 낮을 경우 경화능의 문제가 발생할 수 있으므로 0.15중량%이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, Si의 함량이 너무 높을 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고 C와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석이 증가하기 때문에 상기 Si의 함량은 0.35중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Mn: 0.25~0.45중량%

Mn은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이며, 상기 효과를 위해서, 상기 Mn은 0.25중량%이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만, Mn의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가하기 때문에 상기 Mn의 함량은 0.45중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Cr: 1.35~1.60중량%

Cr은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 1.35중량%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr의 함량이 과다하면 그 효과가 포화하기 때문에 상기 크롬의 함량은 1.60중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

P : 0.025중량%이하

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

S : 0.025중량%이하

S는 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. 다만, 제강과정 등의 부하를 고려할 때 그 함량을 0.025중량%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

O: 0.0015중량%이하

O는 제조시 불가피하게 함유되는 원소이며, 산화물계 비금속 개재물이 조대하게 형성되어 피로수명이 급격히 저하시키므로 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 이론상 O의 함량을 0%로 제한하는 것이 가능하나, 제조공정상 필연적으로 첨가될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 상기 O의 함량의 상한은 0.0015중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.05중량%이하

Al은 탈산제로서 작용할 뿐만 아니라 AlN과 같은 질화물을 생성시켜 오스테나이트 결정립을 미세화하는 효과가 있으나, 그 함량이 0.05중량%를 초과하는 경우에는 조대한 산화물계 개재물이 강 중에 존재하게 되어 전동피로수명 특성이 저화되기 때문에, 상기 Al의 함량은 0.05중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Ti: 0.0035중량%이하

Ti는 TiN과 같은 질화물 형성에 의한 오스테나이트 결정립 성장 억제 효과가 있으나, 그 함량이 0.0035중량%를 초과하는 경우에는 피로특성이 저하되기 때문에, 상기 Ti의 함량은 0.0035중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

N: 0.0070중량%이하

N은 불가피한 불순물로서 존재하지만 TiN, AlN 등과 같은 질화물을 형성하여 결정립을 미세화시키는 효과가 있다. 그러나, 상기 N의 함량이 0.0070중량%를 초과하는 경우에는 재료의 가공성을 저해하기 때문에 0.0070중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명이 제공하는 베어링용 강은 최대 크기가 14㎛이하인 비금속 개재물을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 비금속 개재물의 최대 크기가 14㎛를 초과하는 경우에는 베어링 전동 중 반복응력이 개재물 주위에 집중되어 버터플라이(Butterfly)라는 백색 이상조직이 생겨 전동피로수명 특성이 현저하게 저하되는 단점이 있다.

또한, 상기 비금속 개재물 중 크기가 1~14㎛인 것이 450개/㎟ 이하로 존재하는 것이 바람직하다. 상기 1~14㎛의 크기를 갖는 비금속 개재물은 피로특성에 직접적인 영향을 미치는 거대 비금속 개재물로서 그 수를 가능한 낮은 수준으로 제어하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 450개/㎟ 이하로 제어하는 것이 유리하다. 만일, 450개/㎟를 초과하는 경우에는 과다한 개재물 개수로 인해 백색 이상조직인 버터플라이 발생 가능성이 증가하여 베어링의 전동피로수명을 현저하게 저하시키는 단점이 있다.

물론, 본 발명의 강은 1㎛미만의 크기를 갖는 비금속 개재물 또한 포함할 수 있는데, 이러한 수준의 크기를 갖는 비금속 개재물은 관찰 현미경의 종류에 따라 발견되지 않을 수 있을 뿐만 아니라 피로 수명에 극히 작은 영향을 미치므로, 본 발명에서는 그 수를 특별히 한정하지 않는다.

한편, 상기 언급한 비금속 개재물은 산화물계, 유화물계 및 질화물계 중 하나 이상일 수 있다.

본 발명이 제안하는 베어링용 강은 전술한 바와 같은 조건을 만족함으로써, L₁₀ 수명이 10⁹회 이상으로서 매우 우수한 수준의 내피로특성을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명 베어링용 강의 제조방법에 대하여 설명한다.

전술한 바와 같은 합금조성을 갖는 용강을 제조한 뒤, 상기 용강을 2차 정련시 30~60분동안 RH환류시킨다. 상기 RH환류 시간이 30분 미만일 경우에는 강 중에 존재하는 H, O, N 등의 가스 성분을 효과적으로 제거하지 못하며, 60분을 초과하는 경우에는 가스 성분 제거효과가 포화될 뿐만 아니라 장시간의 공정으로 인해 제조원가가 상승하는 단점이 있다.

이후, 상기 RH환류된 용강을 연속주조 공정으로 이송시키는 중에 Ar 가스로 실링(sealing)하는 것이 바람직하다. 즉, RH환류된 용강을 연속주조하기 전까지 Ar 실링함으로써 용강이 산소와 반응하여 재산화되는 것을 방지하여 개재물 수나 그 크기가 증가하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

상기 용강을 연속주조함으로써, 개재물의 수와 크기가 효과적으로 저감된 강재를 얻을 수 있다. 상기 강재는 이후 가열 및 열간압연 공정을 통해 선재로 제조될 수 있다. 상기 가열 및 열간압연 공정은 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 방법을 이용할 수 있으므로, 본 발명에서는 상기 가열 및 열간압연 공정 조건에 대하여 특별히 한정하지 않는다.

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

(실시예)

하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 용강을 하기 표 1의 조건으로 RH환류 및 Ar가스 실링을 실시한 뒤, 연속주조하여 블룸을 얻었다. 이와 같이 얻어진 블룸에 대하여 1050℃에서 90분 동안 가열한 후, 열간압연을 실시하여 15mm의 직경을 갖는 선재를 제조하였다. 상기 선재에 대하여 개재물의 크기를 측정한 뒤, 측정된 값들은 극치통계로 분석하여 개재물 최대크기를 예측하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 상기 선재에 대하여 이미지 분석기(Image Analyzer)로 산화물, 유화물 및 질화물 등의 모든 개재물을 관찰 및 분석하여 1~14㎛의 개재물 수를 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 상기 선재에서 시편을 채취하여 790℃에서 6시간 구상화열처리를 실시하여 페라이트 기지에 구상 세멘타이트들이 균일하게 분포하는 미세조직을 얻은 다음 840℃로 가열하였다가 70℃로 급냉시킨 후 다시 170℃에서 90분간 템퍼링하여 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 만든 뒤, 초음파피로실험을 실시하였다. 초음파피로실험은 20kHz의 주파수로 상온에서 실시하였으며, 강종별 시편 개수는 24개였다. 각 강종의 피로수명은 24개의 각 시편별 피로시험 결과를 Weibull Plot으로 정리한 다음, 10% 누적 파손 확률에 해당하는 값으로 정하였고, 이를 L₁₀피로수명이라 한다.

상기 표 1에서 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 바와 같이, 적정시간 동안 RH환류를 행함과 동시에 Ar실링을 행한 발명예 1 및 2의 경우에는 비금속 개재물의 최대 크기가 14㎛이하이고, 단위면적당 개수가 450개/㎟ 이하인 것을 알 수 있다.

반면, RH환류시간이 충분하지 않고, Ar 실링을 행하지 않은 비교예 1 내지 4의 경우에는 비금속 개재물의 최대 크기가 15.7~22.0㎛이고, 단위면적당 개수가 473~791개/㎟로서, 발명예 1 및 2에 비하여 높은 수준임을 알 수 있다.

도 1은 상기 초음파피로시험을 통해 얻어진 L₁₀피로수명과 개재물 최대크기와의 관계를 나타낸 그래프이며, 도 2는 상기 초음파피로시험을 통해 얻어진 L₁₀피로수명과 단위면적당 개재물 개수와의 관계를 나타낸 그래프이다.

도 1 및 2에서 알 수 있듯이, 발명예 1 및 2의 경우에는 본 발명이 제안하는 조건을 만족하여 10⁹회 이상의 피로수명을 가지고 있는 반면, 비교예 1 내지 4의 경우에는 비금속 개재물의 최대 크기와 단위면적당 수가 본 발명의 조건을 만족하지 않아 피로수명이 현저히 저하되었음을 알 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.90~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.45%, Cr: 1.35~1.60%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하 (0% 제외), O: 0.0015%이하, Al: 0.05%이하 (0% 제외), Ti: 0.0035%이하 (0% 제외), N: 0.0070%이하 (0% 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
최대 크기가 14㎛이하인 비금속 개재물을 포함하며,
상기 비금속 개재물 중 크기가 1~14㎛인 것이 450개/㎟ 이하로 존재하는 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강.
청구항 1에 있어서,
상기 강은 L₁₀피로수명이 10⁹회 이상인 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강.
(단, L₁₀피로수명이란 20kHz의 주파수로 상온에서 초음파피로실험을 실시한 뒤, 피로시험 결과를 Weibull Plot으로 정리한 다음, 10% 누적 파손 확률에 해당하는 값을 의미함.)
중량%로, C: 0.90~1.10%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.25~0.45%, Cr: 1.35~1.60%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하 (0% 제외), O: 0.0015%이하, Al: 0.05%이하 (0% 제외), Ti: 0.0035%이하 (0% 제외), N: 0.0070%이하 (0% 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용강을 30~60분동안 RH환류시키는 단계; 및
상기 RH환류된 용강을 연속주조하여 강재를 얻는 단계를 포함하고,
상기 RH환류된 용강을 연속주조하기 전, Ar 가스로 실링(sealing)하는 내피로특성이 우수한 고탄소 크롬 베어링용 강의 제조방법.