KR101664193B1 - 오스템퍼링 열처리를 이용한 고수명의 베어링용 강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링용 강에 오스템퍼링 열처리를 적용하여 수명을 향상시키는 것에 대한 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전경화 고탄소크롬 베어링강계 합금강을 이용하여 담금질-템퍼링 열처리 대신에 오스템퍼링 열처리 적용하여 인성을 향상시켜 수명을 연장시키는 베어링용 강의 제조방법에 관한 것이다.

Description

오스템퍼링 열처리를 이용한 고수명의 베어링용 강의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING STEEL FOR BEARING WITH LONG LIFE MANUFACTURED BY AUSTEMPERING HEAT TREATMENT}

본 발명은 베어링용 강에 오스템퍼링 열처리를 적용하여 수명을 향상시키는 것에 대한 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전경화 고탄소크롬 베어링강계 합금강을 이용하여 담금질-템퍼링(QT) 열처리 대신에 오스템퍼링 열처리 적용하여 인성을 향상시켜 수명을 연장시키는 베어링용 강의 제조방법에 관한 것이다.

베어링은 회전운동이 작용하는 부위에서 필수 불가결하게 사용되며, 자동차, 철도차량 및 각종 산업기계에 사용되고 있으며 1 대의 자동차에는 100개 이상의 베어링이 사용되고 있을 정도로 많은 부품에 사용되고 있다. 베어링 수명은 구름 피로수명과 거의 일치하는데 구름 접촉부에서는 반복 응력을 많이 받아 재료의 피로현상이 발생하는 것으로 피로가 진행됨에 따라 궤도면 또는 전동체가 박리가 된다. 이때 피로균열은 강종에 비금속 개재물 존재 시 그 주위에 생긴 응력집중에 의해 발생하는 경우가 있으며 주로 비금속 개재물과 기지의 소성 변형능의 차이에 기인하여 소성 가공 중에 응력이 집중됨에 따라 피로 균열이 시작되고 박리가 일어나게 된다. 이와 같이 베어링강에 함유되어 있는 비금속 개재물에서 피로균열이 일어남에 따라 강중의 비금속 개재물의 함량을 낮추는 개선을 통하여 비금속개재물 주위에서 생기는 피로 균열의 가능성이 감소하게 되었다.

또한, 피로 과정 중 일어나는 조직변화에 따라 피로 파괴가 일어나는 것에 대해 연구가 이루어지고 있다. 피로 초기에 기지조직인 템퍼드 마르텐사이트가 소성변형으로 슬립이 일어나 균열이 생성 및 전파가 일어나게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 한국공개특허 제10-2005-0085495호에서는 고가의 Cr 함량을 저감시키고, S, Al, Ti, N의 함량을 제어하고, 담금질-템퍼링(QT) 열처리를 통해 내피팅성 부식성을 향상시킨 베어링 부품을 개시하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로 종래의 QT 열처리 대신에 오스템퍼링 열처리를 적용하여 종래 페라이트 + 마르텐사이트 조직을 가지는 베어리강 조직에 하부베이나이트 조직을 생성시켜 종래 베어링용 강 대비 고수명을 가지는 베어링용 강을 개발하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 오스템퍼링 열처리를 통하여 인성을 향상시켜 제조공정 중 인성 부족으로 인하여 파손이 일어나는 것을 방지할 수 있는 인성이 우수한 베어링강의 제조공정 기술개발을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 QT 열처리를 오스템퍼링 열처리로 대체하여 베어링의 인성을 향상에 따른 이물 환경 내에서 베어링의 이물에 대한 수명을 향상시키는 제조공정 기술을 개발하여 고수명의 베어링용 강을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 오스템퍼링 열처리 조건을 적용한 고수명의 베어링용 강의 제조방법은 C : 0.90 ~ 1.10 중량%, Si : 0.20 ~ 0.60 중량%, Mn : 0.20 ~ 0.60 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Cu : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 1.30 ~ 1.60 중량%, Mo : 0.10 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.025 중량% 이하(0 미포함) 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를, 845℃ ~ 870℃의 오스테나이트 + 시멘타이트 2상구역의 온도에서 가열하는 단계, 및 200℃ ~ 300℃ 염욕로에 넣어 냉각을 실시한 후 3 ~ 5시간 등온 유지를 실시하는 단계를 포함한다.

상기 방법으로 제조된 베어링용 강은 하부베이나이트 조직이 생성되고 미세 탄화물을 갖게 되어 조직 미세화에 따른 응력 완화 및 미세한 탄화물 석출로 인하여 베어링용 강의 인성이 향상되어, 고수명을 갖는다.

또한 바람직하게는, 상기 베어링용 강은 58HRc 이상의 경도와, 40J 이상의 충격 인성을 갖는다.

본 발명의 제조방법에 따르면, 기존의 베어링강에 수행되는 QT열처리를 오스템퍼링 열처리로 대체시킴으로써 베어링의 인성을 향상시켜 이로 인하여 기존대비 높은 전동피로수명을 확보 및 제조공정 중 파손에 의한 손실을 줄일 수 있다.

또한, 오스템퍼링 열처리를 통한 인성 향상으로 인하여, 윤활 및 사용시 발생되는 이물질에 의한 이물환경 내에서의 베어링 수명향상에도 기여할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 베어링용 강은 고강도 및 고인성을 가져 이물환경에도 고 수명을 갖는다.

도 1은 본 발명의 오스템퍼링 열처리 사이클을 도시한 것이다.
도 2는 QT 열처리 및 오스템퍼링 열처리 조건에 따른 경도 및 충격값을 나타낸 것이다.
도 3은 QT 열처리 및 오스템퍼링 열처리 조건에 따른 조직사진을 나타낸 도면이다.
도 4는 QT 열처리 및 오스템퍼링 열처리 조건에 따른 일반 환경과 이물 환경에서의 전동피로 수명을 나타낸 것이다.

본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다. 용어 약이라는 것은 참조 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.

본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명의 베어링강의 오스템퍼링 열처리 방법은 C : 0.90 ~ 1.10 중량%, Si : 0.20 ~ 0.60 중량%, Mn : 0.20 ~ 0.60 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Cu : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.30 ~ 1.60 중량%, Mo : 0.10 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.025 중량% 이하(0 미포함) 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 845℃ ~ 870℃의 오스테나이트 + 시멘타이트 2상 구역의 온도에서 가열하는 단계 및 200℃ ~ 300℃ 염욕로에 넣어 냉각을 실시한 후 3 ~ 5시간 등온 유지하는 단계를 포함한다. 이를 통해 하부베이나이트 조직이 생성되어 조직 미세화에 따른 응력 완화 및 미세한 탄화물 석출로 인하여 베어링강의 인성을 향상시켜 고 수명을 가지는 베어링용 강을 제조할 수 있다.

본 발명은, QT 열처리 대신에 오스템퍼링 열처리를 적용함으로써, 페라이트+ 마르텐사이트 조직에 하부 베이나이트를 생성시켜 페라이트와 마르텐사이트 계면의 응력집중을 완화하고, 마르텐사이트 입자를 미세화시키며 미소균열의 생성 및 성장을 지연시켜 파괴인성 및 연성을 향상시킬 수 있다. 이를 통해, 베어링 수명을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 합금성분 첨가 및 성분범위 한정 이유를 설명한다.

C : 0.90 중량% ~ 1.10 중량%

강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소로 ??칭 시 오스테나이트에 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성시키고 탄소량 증가에 따라 ??칭 경도를 향상시키지만 ??칭 변형 가능성을 크게 만든다. 0.90 중량% 미만인 경우 베어링강에서 요구하는 피로강도가 낮아 조기 파손이 발생될 수 있다. 따라서 베어링 부품으로 적용하기는 적합하지 않아 그 중량을 0.90 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 반면 1.10중량% 초과하여 첨가하는 경우 강종 생산 시 응고 중 미용해된 탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시키는 원인이 된다. 따라서 탄소함량 상한은 1.10%중량으로 한정한다.

Si : 0.20 중량% ~ 0.60 중량%

규소는 경화능에 영향을 주는 원소로서 그 함량이 너무 낮은 경우 경화능이 저하되는 문제를 발생시키며 베어링 부품이 차량에 장착되어 실제 구동시 발생되는 열에 의해 부품의 연화 현상이 발생된다. 따라서 경화능 및 연화저항성 확보를 위해 그 중량을 0.20 중량% 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나 과다 첨가되었을 경우, 탈탄을 촉진하고 가공성을 저해시키는 원인이 될 수 있다. 따라서 그 중량을 0.60 중량% 이하로 한정한다.

Mn : 0.20 중량% ~ 0.60 중량%

소입성계수가 높기 때문에 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 있어서 중요한 원소이다. 0.20 중량% 미만인 경우, 소입성 확보가 어려워 원하는 강도를 얻기 어려우며 반면에 망간의 함량이 높을수록 소입 전의 가공성 및 인성을 저해하고 강 중에 함유된 황 성분과 결합하여 비금속개재물인 MnS의 석출을 증가시키기 때문에 0.20 ~ 0.60 중량%로 한정한다.

P : 0.025 중량% 이하(0 미포함)

강 중에 균일하게 분포되어 있으면 크게 해롭지 않지만 일반적으로 결정립계에 편석되어 해로운 화합물인 Fe₃P를 형성하여 강재의 인성을 저하시키는 원소이다. 이 Fe₃P는 소준 처리를 해도 균질화되지 않기 때문에 그 함량을 적극적으로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하를 고려하여 그 함량을 0.025중량% 이하로 한정한다.

S : 0.025 중량% 이하(0 미포함)

보통 망간, 아연 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키지만 베어링강의 MnS 황화물 증가 시 피로성능을 저하시킬 수 있으므로 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하를 고려하여 그 함량을 0.025중량% 이하로 한정한다.

Cu : 0.25 중량% 이하(0 미포함)

Cu는 상온에서 페라이트에 고용되어 고용강화효과를 나타내어 강도 및 경도를 개선하는 원소이지만 0.25 중량% 보다 많으면 열간 가공성의 문제가 발생되는 적열취성의 원인이 되기 때문에 0.25 중량% 이하로 한정한다.

Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함)

크롬과 함께 가장 중요하고 보편적인 합금용 원소이다. 오스테나이트와 페라이트에 잘 고용되어 기지강화에 이용되며, 강의 저온인성을 향상시키는 원소이지만 소재의 제조원가를 높여 경제적이지 않다. 따라서, 그 함량을 0.20중량% 이하로 한정한다.

Cr : 1.30 ~ 1.60 중량%

크롬은 강의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이며 강의 조직을 미세화 하는데 효과적인 원소이다. 반면, 탄소와 함께 베어링강의 탄화물을 형성하며 크롬함량이 증가할수록 탄소의 편석을 조장하며 1.60 중량%를 초과하는 경우에는 변형 저항성의 저하까지도 초래한다. 강도를 확보하며 탄화물 편석을 제어하기 위해 그 함량을 1.30 ~ 1.60중량%로 한정한다.

Mo : 0.10 중량% 이하(0 미포함)

0.1 중량% 첨가만으로 니켈보다 경화능을 10배까지 향상시킬 수 있으며 템퍼 취성 저항성을 부여한다. 크롬과 함께 첨가하면 경화능 향상 효과가 더욱 좋지만 가격이 고가이므로 소재의 제조원가를 높여 경제적이지 않다. 따라서, 그 함량을 0.10 중량% 이하로 한정한다.

Al : 0.025 중량% 이하(0 미포함)

강력한 탈산제이며 질화물인 AlN은 미세 석출하여 강의 결정립 미세화에 효과적이므로 인성을 향상시킬 수 있다. 하지만 0.025 중량% 초과로 첨가하게 되면 강의 제조 공정 중 재산화성 개재물을 생성시킬 수 있다. 따라서, 그 함량을 0.025중량% 이하로 한정한다.

상기 조성 이외에 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명은 기존 담금질-템퍼링 열처리 대신 오스템퍼링 열처리의 적용을 통한 고수명을 갖는 베어링강을 구체적으로 설명한다.

본 발명에서 상기의 조성을 갖는 강재는 아래와 같은 오스템퍼링 열처리 공정을 거침으로써 기존 QT열처리 대비 인성이 우수한 물성을 가질 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 오스템퍼링 열처리 공정, 구체적으로는 하부베이나이트 조직을 생성시키는 열처리 공정을 도시한 것이다.

먼저, 강재를 마모저항성을 향상을 목적으로 구형 탄화물 생성을 위하여 880℃ 온도에서 80~100분/인치로 유지하고 10~20℃/Hr의 냉각속도로, 보다 바람직하게는 14.9℃/Hr의 냉각속도로 670℃까지 냉각한 후 공냉처리를 하는 구상화 어닐링을 실시한다. 이후 구형 탄화물 잔존시키기 위하여 오스테나이트 + 시멘타이트 2상구역인 845 ~ 870℃ 온도에서 30~40분/인치로 가열하고 200 ~ 300℃ 염욕로에 넣어 냉각을 실시한 후 3 ~ 5시간 등온 유지를 실시하여 하부베이나이트 조직을 생성시킨다.

이하에서 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.

하기 표 1에 나타난 성분을 포함하고 잔량의 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 본 발명의 오스템퍼링 열처리를 적용한 것과 종래의 QT 열처리 적용하여 그 효과를 비교하였다.

구분 (단위: 중량%)	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	Al
강재	0.97	0.28	0.38	0.014	0.005	0.07	0.04	1.43	0.03	0.007

본 발명은 QT 열처리를 대체하여 오스템퍼링 열처리를 적용하여 인성이 우수한 베어링강을 얻어 고수명의 베어링강을 얻는 것을 목적으로 한다. 상기 표 1의 강종을 이용하여 하기의 QT 열처리 조건 및 오스템퍼링 열처리 조건으로 소재를 열처리 한 후 경도 시험 및 충격시험을 행하여 그 특성을 도 2에 나타내었다.

QT 열처리는, 켄칭(Quenching)을 845℃에서 30분/인치 열처리 후 유냉하여 템퍼링(Tempering)을 각각 180℃와 300℃의 온도로 1시간/인치 유지한 후 공냉 후 평가를 하였다. 오스템퍼링 열처리는, 845℃에서 30분/인치로 열처리한 후 염욕에 넣어 각각 220℃, 240℃ 및 300℃의 온도로 5시간 항온 유지한 후 평가를 하였다.

도 2에서 QT 열처리 및 오스템퍼링 열처리 조건에 따른 경도 및 충격값을 나타내었다. 도 2를 보면, 종래의 QT 열처리 대비 오스템퍼링 열처리의 경우가 충격인성이 5배 이상 향상된 것이 관찰되었다. 하지만, 베어링강에서 내마모성을 얻기 위해서는 58HRc 이상의 경도가 필요하기 때문에 오스템퍼링 열처리 조건에서 220℃ 온도의 등온유지 조건이 베어링강의 내마모성을 유지하면서 인성을 향상시킬 수 있는 조건으로 관찰된다.

도 3은 담금질-템퍼링 열처리와 오스템퍼링 열처리에 따른 미세조직의 사진이다. 도 3에서 (a)는 담금질-템퍼링 열처리를 적용한 미세조직으로서, ??칭(Quenching)을 845℃에서 30분/인치 열처리 후 유냉하여 템퍼링(Tempering)을 180℃온도에서 1시간/인치 유지한 후 공냉한 조직이며, (b)는 오스템퍼링 열처리를 적용한 미세조직으로 845℃에서 30분/인치 열처리한 후 염욕에 넣어 220℃의 온도로 5시간 항온 유지한 조직이다. 오스템퍼링 열처리한 시편(b)에서 구상화 탄화물이 미세하게 관찰된다. 충격인성은 오스테나이트 결정입도 및 탄화물의 크기에 의해 결정되는데 인성을 향상시키기 위해서는 오스테나이트의 결정입도를 미세화하고 조대한 탄화물의 함량 줄이거나 탄화물의 입자를 미세하게 만들어야 한다. 따라서 담금질-템퍼링 열처리 대비 오스템퍼링 열처리한 소재가 조대한 탄화물이 없고 미세한 탄화물이 관찰되므로 우수한 인성이 관찰될 것으로 판단된다.

도 4는 담금질-템퍼링 열처리와 오스템퍼링 열처리 조건에 따라 정상적인 환경과 이물 환경 하에서의 전동피로 수명을 측정한 결과이다. 담금질-템퍼링 열처리는 켄칭을 845℃에서 30분/인치 열처리한 후 유냉하여 템퍼링을 180℃온도에서 1시간/인치 유지한 후 공냉한 조건이며, 오스템퍼링 열처리는 845℃에서 30분/인치 열처리한 후 염욕에 넣어 220℃의 온도로 5시간 항온 유지한 조건이다. 평가 결과 오스템퍼링 열처리 한 것이 QT 열처리를 실시한 소재 대비 정상적인 환경 및 이물환경 두 조건 모두 높은 전동피로 수명이 관찰되었다.

따라서, 본 발명의 오스템퍼링 열처리를 적용한 베어링강이 담금질-템퍼링 열처리를 적용한 베어링강 대비 우수한 인성 및 전동피로에서의 고 수명이 관찰되는 것을 보아 고 수명의 베어링을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (3)

1. C : 0.90 ~ 1.10 중량%, Si : 0.20 ~ 0.60 중량%, Mn : 0.20 ~ 0.60 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Cu : 0.25 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량%이하(0 미포함), Cr : 1.30 ~ 1.60 중량%, Mo : 0.10 중량% 이하(0 미포함), Al : 0.025 중량% 이하(0 미포함)을 포함하고 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 845℃ ~ 870℃의 오스테나이트 + 시멘타이트 2상구역의 온도에서 가열하는 단계; 및 200℃ ~ 300℃ 염욕로에 넣어 냉각을 실시한 후 3 ~ 5시간 등온 유지하는 단계를 포함하는, 베어링용 강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 베어링용 강은 하부베이나이트 조직 및 미세 탄화물을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링용 강의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 베어링용 강은 58HRc 이상의 경도와, 40J 이상의 충격 인성을 갖는 것을 특징으로 하는 베어링 강재의 제조방법.

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