KR101586936B1 - 베어링강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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KR101586936B1 KR1020140098057A KR20140098057A KR101586936B1 KR 101586936 B1 KR101586936 B1 KR 101586936B1 KR 1020140098057 A KR1020140098057 A KR 1020140098057A KR 20140098057 A KR20140098057 A KR 20140098057A KR 101586936 B1 KR101586936 B1 KR 101586936B1
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송상민
박철우
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현대제철 주식회사
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Abstract

합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 구상화 열처리 특성의 향상으로 베어링의 수명을 향상시킬 수 있는 베어링강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 베어링강 제조 방법은 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 선재를 1차 구상화 열처리하는 단계; 상기 1차 구상화 열처리된 선재를 2차 구상화 열처리하는 단계; 상기 2차 구상화 열처리된 선재를 냉간단조 및 가공하는 단계; 및 상기 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 QT(Quenching & Tempering) 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

베어링강 및 그 제조 방법{STEEL FOR BEARING AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 베어링강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 구상화 열처리 특성의 향상으로 냉간단조성 및 가공성을 향상시킬 수 있는 베어링강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
베어링이라 함은 회전하고 있는 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.
이와 같이, 베어링에 반복하중이 전달되기 때문에 베어링은 반복하중에 따른 피로파괴에 대한 저항성이 높아야 하며, 내마모성이 우수할 필요가 있다. 따라서, 베어링을 제조하기 위해서는 그 소재가 되는 강의 조성을 적절히 제어하고, 이를 제강, 연주, 압연으로 이어지는 과정을 통하여 고강도의 선재를 제조한 후, 제조된 선재를 베어링으로 가공하는 과정이 필요하다.
특히, 베어링강은 구상화 열처리가 필수 공정이며, 구상화 열처리 특성은 냉간단조성 및 가공성에 영향이 큰 인자이다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0832960호(2008.05.27. 공고)가 있다.
본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 구상화 열처리 특성의 향상으로 냉간단조성 및 가공성을 향상시킬 수 있는 베어링강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법은 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 선재를 1차 구상화 열처리하는 단계; 상기 1차 구상화 열처리된 선재를 2차 구상화 열처리하는 단계; 상기 2차 구상화 열처리된 선재를 냉간단조 및 가공하는 단계; 및 상기 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 QT(Quenching & Tempering) 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강은 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 베어링강 및 그 제조 방법은 탄소(C) 및 크롬(Cr)의 함량을 0.8 ~ 1.1 중량% 및 1.8 ~ 2.0 중량%로 엄격히 제어함과 더불어, 1차 구상화 열처리 조건을 엄격히 제어함으로써, 실리콘(Si)의 함량이 1.5 중량% 이상으로 첨가되는 고탄소, 고크롬 베어링강에서도 우수한 구상화 열처리 특성을 확보하는 것이 가능하여 냉간단조성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 시편에 대한 온도별 탄소활동도를 측정한 결과를 나타내 그래프이다.
도 3은 비교예 1에 따른 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 비교예 2에 따른 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 5는 실시예 1에 따른 시편에 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 베어링강 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
베어링강
본 발명의 실시예에 따른 베어링강은 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성된다.
이때, 상기 베어링강은 브리넬 경도(Brinell Hardness) : 350 ~ 390HB를 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 베어링강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도를 확보하는 매우 중요한 원소일 뿐만 아니라, 잔류 오스테나이트를 안정화시키는데 필수적인 원소이다.
상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.8 ~ 1.1 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.8 중량% 미만일 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 1.1 중량%를 초과할 경우에는 미용해된 거대 탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성을 저해하는 요인으로 작용한다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 제강공정에서 강재 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 원소로 기지조직을 강화시키고, 템퍼링시 입실론 탄화물이 시멘타이트로의 천이를 지연시켜 베어링강의 냉간가공성 및 가공성을 향상시킨다.
상기 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 1.5 ~ 1.8 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우 상기 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 1.8 중량%를 초과할 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고, 구상화 열처리 특성이 저하되는데 기인하여 냉간단조성 및 가공성을 저하시키는 문제가 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이다.
망간(Mn)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.3 ~ 1.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.3 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.
인(P)
인(P)은 결정립계에 편석되어 베어링강의 인성을 저하시키는 원소이므로, 그 함량을 엄격히 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 베어링강 전체 중량의 0.03 중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
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 베어링강 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 제한하였다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 강의 소입성을 개성하여 경화능을 부여하고, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이다.
크롬(Cr)의 함량은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 1.8 ~ 2.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 1.8 중량% 미만일 경우에는 그 첨가 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 2.0 중량%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되므로 제조비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈(Ni)은 저온 충격인성 및 경화능을 향상시키는데 효과적인 원소이다.
상기 니켈(Ni)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 1.00 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 니켈 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 니켈(Ni)의 함량이 1.00 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 적열취성을 유발하는 문제가 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 경화능을 향상시키는데 효과가 있어 템퍼링 취화 저항성을 부여한다.
몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.01 ~ 1.00 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 1.00 중량%를 초과할 경우에는 가공성을 저해시키고 생산성을 떨어뜨리는 요인이 된다.
베어링강 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법은 1차 구상화 열처리 단계(S110), 2차 구상화 열처리 단계(S120), 냉간단조 및 가공 단계(S130) 및 QT 열처리 단계(S140)를 포함한다.
1차 구상화 열처리
1차 구상화 열처리 단계(S110)에서는 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 선재를 1차 구상화 열처리한다.
상기의 조성에서 실리콘(Si)은 고용강화 원소로 기지조직을 강화시키고, 템퍼링시 입실론 탄화물이 시멘타이트로의 천이를 지연시켜 베이링강의 특성을 향상시킨다. 그러나, 본 발명에서와 같이 실리콘(Si)이 1.5 중량% 이상 첨가될 경우에는 과도한 실리콘 첨가로 인하여 오히려 구상화 열처리 특성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로, 이를 해결하기 위해 1차 구상화 열처리 조건을 엄격히 제어하는 것이 바람직하다.
따라서, 1차 구상화 열처리는 880 ~ 920℃에서 10 ~ 15시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 1차 구상화 열처리 온도가 880℃ 미만이거나, 또는 1차 구상화 열처리 시간이 10시간 미만일 경우에는 탄화물이 구상화되는 시간이 너무 오래 걸리는데 기인하여 제조 시간 및 비용이 증가하는 문제가 있다. 반대로, 1차 구상화 열처리 온도가 920℃를 초과하거나, 또는 1차 구상화 열처리 시간이 15시간을 초과할 경우에는 완전 용해될 위험이 있다.
2차 구상화 열처리
2차 구상화 열처리 단계(S120)에서는 1차 구상화 열처리된 선재를 2차 구상화 열처리한다.
이때, 2차 구상화 열처리는 700 ~ 740℃에서 10 ~ 15시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 2차 구상화 열처리 온도가 700℃ 미만이거나, 또는 2차 구상화 열처리 시간이 10시간 미만일 경우에는 입실론 탄화물이 시멘타이트로 천이되어 구상화 열처리 특성이 저하될 우려가 있다. 반대로, 2차 구상화 열처리 온도가 740℃를 초과하거나, 또는 2차 구상화 열처리 시간이 15시간을 초과할 경우에는 더 이상의 효과 없이 제조 비용만을 상승시시키는 요인으로 작용할 수 있으므로, 경제적이지 못하다.
이러한 2차 구상화 열처리를 실시한 이후에는 상온까지 공냉이 실시될 수 있다.
냉간단조 및 가공
냉간단조 및 가공 단계(S130)에서는 2차 구상화 열처리된 선재를 냉간단조 및 가공한다. 이러한 냉간단조 및 가공을 실시하는 것에 의해 원하는 형태의 베어링 부품으로 가공이 이루어질 수 있다.
QT 열처리
QT 열처리 단계(S140)에서는 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 QT(Quenching & Tempering) 열처리한다.
이때, QT 열처리 단계(S140)는 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 840 ~ 860℃에서 30 ~ 120분 동안 열처리한 후 급냉하는 과정과, 급냉된 선재를 160 ~ 190℃에서 30 ~ 120분 동안 템퍼링하는 과정으로 세분화될 수 있다.
본 단계에서, QT 열처리 온도가 840℃ 미만이거나, 또는 QT 열처리 시간이 30분 미만일 경우에는 급냉 조직이 균일하지 못해 재질 편차가 발생될 수 있다. 반대로, QT 열처리 온도가 860℃를 초과하거나, 또는 QT 열처리 시간이 180분을 초과할 경우에는 구상 탄화물이 전부 용해될 위험이 있다.
또한, 템퍼링 온도가 160℃ 미만이거나, 또는 템퍼링 시간이 30분 미만일 경우에는 인성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 템퍼링 온도가 190℃를 초과하거나, 템퍼링 시간이 120분을 초과할 경우에는 경도가 급격히 저하되어 장 수명을 도모하는데 어려움이 따를 수 있다.
상기의 과정(S110 ~ S140)으로 제조되는 베어링강은 탄소(C) 및 크롬(Cr)의 함량을 0.8 ~ 1.1 중량% 및 1.8 ~ 2.0 중량%로 엄격히 제어함과 더불어, 1차 구상화 열처리 조건을 엄격히 제어함으로써, 실리콘(Si)의 함량이 1.5 중량% 이상으로 첨가되는 고탄소, 고크롬 베어링강에서도 우수한 구상화 열처리 특성을 확보하는 것이 가능하여 냉간단조성 및 가공성을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 베어링강은 열간단조를 실시한 후 구상화 열처리를 실시하고 있는데, 이 경우 대략 900℃ 이상의 고온 열처리 조건에서 열간단조가 이루어지는데 따른 비용 상승 문제가 있었으나, 본 발명에서는 합금 성분 조절 및 1차 및 2차 구상화 열처리 조건의 엄격한 제어로 1차 및 2차 구상화 열처리 단계 이후에 상온에서 냉간단조 및 가공 처리가 이루어질 수 있으므로, 제조 비용을 절감할 수 있게 된다.
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. 시편 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편을 제조하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112014072671877-pat00001

[표 2]
Figure 112014072671877-pat00002

2. 물성 평가
표 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편들에 대한 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 2는 비교예 1 ~ 2 및 실시예 1에 따른 시편에 대한 온도별 탄소활동도를 측정한 결과를 나타내 그래프이다.
[표 3]
Figure 112014072671877-pat00003
표 1 내지 표 3와 도 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따른 시편의 경우, 탄소 활동도가 0.762 및 0.759로 각각 측정되었고, 브리넬 경도(Brinell Hardness)는 386HB 및 371HB로 목표값을 모두 만족한 것을 알 수 있다.
이때, 비교예 1에 따른 시편의 경우 탄소 활동도가 0.756을 갖는 것을 알 수 있다. 다만, 비교예 1에 따른 시편의 경우 실리콘의 함량이 0.69 중량%로 낮게 첨가됨에 따라 브리넬 경도가 311HB로 가장 낮은 수치를 갖는 것을 확인하였다.
또한, 비교예 2 ~ 3에 따른 시편의 경우, 탄소 활동도가 0.912 및 0.906으로 각각 측정되어, 실시예 1에 비하여 상당히 높은 수치를 가지며, 브리넬 경도(Brinell Hardness) 역시 목표값에 미달하는 337HB 및 345HB를 각각 갖는 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 비교예 1 ~ 2에 따른 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 5는 실시예 1에 따른 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편의 경우 구상화 열처리 특성이 우수한 반면, 비교예 2에 따른 시편의 경우 구상화 열처리 특성이 열위한 것을 확인할 수 있다. 다만, 비교예 1에 따른 시편의 경우 실리콘의 함량이 0.69 중량%로 낮게 첨가됨에 따라 브리넬 경도가 목표값에 미달하는 것을 확인하였다.
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 : 1차 구상화 열처리 단계
S120 : 2차 구상화 열처리 단계
S130 : 냉간단조 및 가공 단계
S140 : QT 열처리 단계

Claims (6)

  1. 탄소(C) : 0.8 ~ 1.1 중량%, 실리콘(Si) : 1.5 ~ 1.8 중량%, 망간(Mn) : 0.3 ~ 1.0 중량%, 인(P) : 0.03 중량% 이하, 황(S) : 0.01 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.8 ~ 2.0 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 ~ 1.00 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 ~ 1.00 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 선재를 1차 구상화 열처리하는 단계;
    상기 1차 구상화 열처리된 선재를 2차 구상화 열처리하는 단계;
    상기 2차 구상화 열처리된 선재를 냉간단조 및 가공하는 단계; 및
    상기 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 QT(Quenching & Tempering) 열처리하는 단계;를 포함하되,
    상기 1차 구상화 열처리는 880 ~ 920℃에서 10 ~ 15시간 동안 실시하는 것을 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 구상화 열처리는
    700 ~ 740℃에서 10 ~ 15시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 QT 열처리는
    상기 냉간단조 및 가공 처리된 선재를 840 ~ 860℃에서 30 ~ 120분 동안 열처리한 후 급냉하는 단계와,
    상기 급냉된 선재를 160 ~ 190℃에서 30 ~ 120분 동안 템퍼링하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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