KR101572368B1 - 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법 - Google Patents

베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법 Download PDF

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Abstract

베어링강의 신규 합금 설계시, 표준 시편의 카본 활동도와 테스트하고자 하는 테스트 시편의 카본 활동도의 계산 값을 비교 판별하는 것을 통해 구상화 열처리에 따른 조직 특성 및 기계적 물성 값을 미리 예측할 수 있는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법은 (a) 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리하는 단계; (b) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 카본 활동도를 계산하여, 표준 시편의 카본 활동도와 비교하는 단계; 및 (c) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성을 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법{METHOD FOR PREDICTING SPHEROIDIZATION HEAT TREATMENT PROPERTY OF BEARING STEEL}
본 발명은 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베어링강의 신규 합금 설계시, 표준 시편의 카본 활동도와 테스트하고자 하는 테스트 시편의 카본 활동도의 계산 값을 비교 판별하는 것을 통해 구상화 열처리에 따른 조직 특성 및 기계적 물성 값을 미리 예측할 수 있는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법에 관한 것이다.
베어링강은 볼 베어링(ball bearing) 또는 궤도륜에 사용되는 볼을 제조하는데 사용되는 강을 말한다. 이러한 베어링강은 그 사용특성상 경도가 높으면서도 특히 전동피로수명이 길어야 하며 내마모성 또한 우수하여 사용 중에 치수의 변화가 없어야 한다.
따라서, 베어링강은 반복하중에 따른 피로파괴에 대한 저항성이 높아야 하며, 내마모성이 우수할 필요가 있다. 이러한 베어링강을 제조하기 위해서는 그 소재가 되는 강의 조성을 적절히 제어하고, 이를 제강, 연주로 이어지는 과정을 통하여 고강도의 봉강 또는 선재를 제조한 후, 열간 혹은 냉간 단조, 구상화 열처리, 가공, QT(Quenching & Tempering) 열처리, 연마 등의 과정으로 베어링 부품을 제조하게 된다.
이때, 베어링강의 제조시 가공을 용이하게 하기 위하여 구상화 열처리 과정이 필수적으로 실시해야 하나, 이러한 구상화 열처리는 대략 30 ~ 40 시간이나, 그 이상의 시간이 소용된다. 따라서, 베어링강의 신규 합금 성분계를 개발할 시, 구상화 특성을 평가하는데 많은 시간이 소요되고 있다.
관련 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-1996-0023181호(1996.07.18. 공개)가 있다.
본 발명의 목적은 베어링강의 신규 합금 설계시, 표준 시편의 카본 활동도와 테스트하고자 하는 테스트 시편의 카본 활동도의 계산 값을 비교 판별하는 것을 통해 구상화 열처리에 따른 조직 특성 및 기계적 물성 값을 미리 예측할 수 있는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법은 (a) 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리하는 단계; (b) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 카본 활동도를 계산하여, 표준 시편의 카본 활동도와 비교하는 단계; 및 (c) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성을 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법은 베어링강의 신규 합금 설계시, 표준 시편의 카본 활동도와 테스트하고자 하는 테스트 시편의 카본 활동도의 계산 값을 비교 판별하는 것을 통해 구상화 열처리에 따른 조직 특성 및 기계적 물성 값을 미리 예측할 수 있으므로, 실험실 규모에서 단 시간내에 최적의 신규 합금성분계를 알아냄으로써, 개발 일정을 단축시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 표준 시편 및 테스트 시편 1, 2에 대한 탄소 활동도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 표준 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 테스트 시편 1에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 5는 테스트 시편 2에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법은 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리 단계(S110), 복수의 테스트 시편을 표준 시편의 카본 활동도와 비교 단계(S120) 및 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성 판별 단계(S130)를 포함한다.
복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리
복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리하는 단계(S110)에서는 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리한다.
이러한 구상화 열처리는 가공성을 향상시키기 위한 목적으로 실시하게 되며, 700 ~ 870℃의 온도 범위에서 선택되는 것이 바람직한데, 이는 베어링강 제조시, 구상화 열처리가 700 ~ 870℃에서 30 ~ 40 시간 동안 실시되기 때문이다. 만일, 베어링강 제조시, 구상화 열처리 온도가 700℃ 미만이거나, 구상화 열처리 시간이 30 시간 미만일 경우에는 탄화물이 구상화되는 시간이 너무 오래 걸리는 문제가 있다. 반대로, 베어링강 제조시, 구상화 열처리 온도가 870℃를 초과하거나, 구상화 열처리 시간이 40 시간을 초과할 경우에는 완정 용해될 위험이 있다.
복수의 테스트 시편을 표준 시편의 카본 활동도와 비교
복수의 테스트 시편을 표준 시편의 카본 활동도와 비교하는 단계(S120)에서는 복수의 테스트 시편에 대한 카본 활동도를 계산하여, 표준 시편의 카본 활동도와 비교한다.
표준 시편은 중량%로, C : 1.1 ~ 1.3%, Si : 1.2 ~ 1.6%, Mn : 0.5 ~ 1.0%, Cr : 1.40 ~ 1.55%, Ni : 0.01 ~ 0.1% 및 Mo : 0.01 ~ 0.04%를 포함하고, P : 0.03% 이하, S : 0.01% 이하, Cu : 0.01 ~ 0.1%, Al : 0.01 ~ 0.06%, 및 N : 0.01% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 합금 성분계를 이용하는 것이 바람직하다.
이때, 복수의 테스트 시편 각각은 표준 시편의 합금 성분계 내에서 선택될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 표준 시편의 합금 원소 이외의 다른 합금 원소가 더 첨가될 수도 있다.
복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성 판별
복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성을 판별하는 단계(S130)에서는 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성을 판별한다.
이때, 구상화 열처리 특성 판별은 복수의 테스트 시편과 표준 시편 간의 최종 미세조직 및 기계적 물성 값을 비교하는 방식으로 실시된다. 이러한 구상화 열처리 판별 결과, 탄소(C) 및 실리콘(Si)의 함량이 증가할수록 카본 활동도가 증가하고, 크롬(Cr)의 함량이 증가할수록 카본 활동도는 감소하는 경향을 나타내는 것을 알아내었다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법은 베어링강의 신규 합금 설계시, 표준 시편의 카본 활동도와 테스트하고자 하는 테스트 시편의 카본 활동도의 계산 값을 비교 판별하는 것을 통해 구상화 열처리에 따른 조직 특성 및 기계적 물성 값을 미리 예측할 수 있으므로, 실험실 규모에서 단 시간내에 최적의 신규 합금성분계를 알아냄으로써, 개발 일정을 단축시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 베어링강의 표준 시편에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)는 베어링강의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소일 뿐만 아니라, 잔류 오스테나이트를 안정화시키는데 필수적인 원소이다. 탄소(C)는 베어링강 전체 중량의 1.1 ~ 1.3 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 1.1 중량% 미만일 경우에는 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 1.3 중량%를 초과할 경우에는 미용해된 거대 탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성을 저해하는 요인으로 작용한다.
실리콘(Si)은 제강공정에서 강재 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과도 갖는다. 실리콘(Si)은 베어링강 전체 중량의 1.2 ~ 1.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 1.2 중량% 미만일 경우 상기 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 1.6 중량%를 초과할 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고 탄소와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 저하될 우려가 크다.
망간(Mn)은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이다. 망간(Mn)은 베어링강 전체 중량의 0.5 ~ 1.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.5 중량% 미만일 경우에는 망간 첨가 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.0 중량%를 초과할 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가하는 문제가 있다.
크롬(Cr)은 강의 소입성을 개성하여 경화능을 부여하고, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이다. 크롬(Cr)은 베어링강 전체 중량의 1.40 ~ 1.55 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 1.40 중량% 미만일 경우에는 그 첨가 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 1.55 중량%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되므로 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈(Ni)은 저온 충격인성 및 경화능을 향상시키는데 효과적인 원소이다. 니켈(Ni)은 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 니켈 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 니켈(Ni)의 함량이 0.1 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 적열취성을 유발하는 문제가 있다.
몰리브덴(Mo)은 경화능을 향상시키는데 효과가 있어 템퍼링 취화 저항성을 부여한다. 몰리브덴(Mo)은 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 0.04 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.01 미만일 경우에는 그 첨가 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.04 중량%를 초과할 경우에는 가공성을 저해시키고 생산성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
한편, 인(P)은 결정립계에 편석되어 베어링의 인성을 저하시키는 원소이므로, 그 함량을 엄격히 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 베어링 전체 중량의 0.03% 이하로 제한하였다. 황(S)은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인(P)과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 Mn과 결합하여 유화물을 형성함으로써 피로수명을 저하시키는 악영향을 미친다. 따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 베어링 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 제한하였다.
구리(Cu)는 니켈(Ni)과 함께 강의 경화능을 향상시키는 역할을 한다. 구리(Cu)는 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리(Cu)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 구리(Cu)의 함량이 0.1 중량%를 초과할 경우에는 고용 한도를 초과하기 때문에 더 이상의 강도 증가에 기여하지 못하며, 적열취성을 유발하는 문제가 있다.
알루미늄(Al)은 강력한 탈산제로 작용하고, 강을 청정화하는 효과를 가지며, 강 중의 질소와 화합물을 형성하여 결정립을 미세화하는 원소이므로 함유되어 있는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)은 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 0.06 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 알루미늄 첨가 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 알루미늄(Al)의 함량이 0.06 중량%를 초과할 경우에는 청정화 작용이 오히려 저하될 뿐만 아니라 피로수명도 저하되는 문제가 있다.
질소(N)는 불가피한 불순물로서, AlN 등의 개재물을 형성시켜 내부 품질을 저하시키는 문제가 있다. 이때, 질소(N)의 함량이 베어링강 전체 중량의 0.01 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 고용질소에 의해 시효성이 저하될 수 있다. 따라서, 질소(N)는 본 발명에 따른 베어링 전체 중량의 0.01 중량% 이하의 함량비로 제한하였다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 테스트 시편 준비
표 1에 기재된 조성의 시편을 800℃에서 6시간 유지한 후 다시 720℃에서 6시간 유지 하였으며, 총 32시간 동안 구상화 열처리를 하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112014030176994-pat00001

2. 구상화 열처리 특성 평가
표 2는 표준 시편 및 테스트 시편 1, 2에 대한 구상화 열처리 온도별 카본 활동도 값을 측정한 결과를 나타낸 것이고, 도 2는 표준 시편 및 테스트 시편 1, 2에 대한 탄소 활동도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
[표 2]
Figure 112014030176994-pat00002
표 1, 표 2 및 도 2를 참조하면, 탄소(C) 및 실리콘(Si)의 함량이 증가할수록 카본 활동도가 증가하고, 크롬의 함량이 증가할수록 카본 활동도는 감소하는 경향을 나타내는 것을 확인하였다.
따라서, 테스트 시편 2는 표준 시편과 구상화 열처리 온도별 카본 활동도 값이 유사한 값을 나타내는 것을 확인하였다. 반면, 테스트 시편 1은 표준 시편에 비하여 구상화 열처리 온도별 카본 활동도 값이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이는, 구상화 열처리를 실시하는 온도구역인 오스테나이트와 시멘타이트가 공존하는 구역에서 오스테나이트의 카본 활동도가 증가하면 시멘타이트에서 오스테나이트로 카본 확산이 지연되며, 이로 인해 구상화 열처리가 불리하다는 것을 예측할 수 있다.
한편, 도 3은 표준 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 4 및 도 5는 테스트 시편 1 및 2에 대한 최종 미세조직을 각각 나타낸 사진이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 테스트 시편 2의 경우에는 표준 시편과 마찬가지로 구상화가 잘 진행된 것을 확인하였으며, 이로부터 적합한 합금설계를 갖는다는 것을 예측할 수 있다. 반면, 테스트 시편 1의 경우에는 망상탄화물이 다량 존재하는 것을 확인할 수 있으며, 이로부터 부적합한 합금설계를 갖는다는 것을 예측할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리 단계
S120 : 복수의 테스트 시편을 표준 시편의 카본 활동도와 비교 단계
S130 : 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성 판별 단계

Claims (4)

  1. (a) 복수의 테스트 시편을 온도 구간별로 구상화 열처리하는 단계;
    (b) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 카본 활동도를 계산하여, 표준 시편의 카본 활동도와 비교하는 단계; 및
    (c) 상기 복수의 테스트 시편에 대한 구상화 열처리 특성을 판별하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 표준 시편은
    중량%로, C : 1.1 ~ 1.3%, Si : 1.2 ~ 1.6%, Mn : 0.5 ~ 1.0%, Cr : 1.40 ~ 1.55%, Ni : 0.01 ~ 0.1% 및 Mo : 0.01 ~ 0.04%를 포함하고,
    P : 0.03% 이하, S : 0.01% 이하, Cu : 0.01 ~ 0.1%, Al : 0.01 ~ 0.06%, 및 N : 0.01% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 합금 성분계 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 구상화 열처리는
    720 ~ 870℃의 온도 범위에서 선택되는 것을 특징으로 하는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 구상화 열처리 특성 판별은
    상기 복수의 테스트 시편과 표준 시편 간의 최종 미세조직 및 기계적 물성 값을 비교하는 방식으로 실시하는 것을 특징으로 하는 베어링강의 구상화 열처리 특성 예측 방법.
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