KR101713677B1 - 전동피로수명 특성이 우수한 고질소 공기 경화형 베어링강 및 그 제조방법 - Google Patents

전동피로수명 특성이 우수한 고질소 공기 경화형 베어링강 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 종래의 고탄소 고크롬 베어링강의 제조공정인 열간가공 후 구상화 열처리 및 유냉을 생략한 공기경화형 고질소 베어링용 강재 및 그 제조방법으로, 중량%로 C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.020 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 구성에 의한 본 발명강은 Si, Cr을 증량하고, N을 첨가하여 공냉만으로 요구강도 확보와 상변태를 구현하고 연화저항성 향상 및 N의 고용강화를 통해 전동피로수명을 향상시켰다.

Description

전동피로수명 특성이 우수한 고질소 공기 경화형 베어링강 및 그 제조방법{STEEL FOR HIGH NITROGEN AIR HARDENED BEARING WITH HIGH PERFORMANCE ON ROLLING CONTACT FATIGUE AND METHOD PRODUCING THE SAME}
본 발명은 전동피로수명 특성이 우수한 베어링용 강재에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 구상화 열처리(Spheroidized Annealing) 및 재가열 유냉(Oil Quenching)을 생략하면서도 고질소 첨가에 따른 고용강화와 합금원소 최적화에 의해 경화특성을 구현하여 전동피로특성이 종래의 고탄소 고크롬 베어링강보다 향상된 고질소 공기 경화형(Air Hardening) 베어링용 강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
베어링은 기계요소의 하나로써 회전 또는 왕복 운동하는 상대 부품에 접하여 하중을 받아 축 등을 지지하는 부품이다. 마찰에 의한 에너지 손실이나 발열을 감소시키기 위해 축을 정확하고 매끄럽게 회전시키는 부품으로써, 회전하는 부위에 필수적인 부품이다.
회전체에 적용되는 베어링의 특성상 회전수에 비례하여 반복하중이 가해지고, 이에 따른 피로파괴의 저항성이 높아야 하기 때문에 고경도 및 이에 따른 내마모성이 우수할 필요가 있다.
자동차 및 각종 산업기계의 광범위한 베어링 소재로 사용 중인 종래의 고탄소 고크롬 베어링용 강재는 구상화 열처리(Spheroidized Annealing)를 통하여 피삭성을 확보 한 후 유냉(Oil Quenching) 및 저온 템퍼링(Tempering)처리를 하는 소위 SA-QT공정에 의해 피로강도 및 내마모성이 확보된다. 종래의 고탄소 고크롬 베어링용 강재는 오스테나이트(Austenite)와 시멘타이트(Cementite) 이상영역인 Ac1온도 이상으로 재가열 후 급냉하는 과정을 거쳐야만 고경도의 마르텐사이트가 얻어지며, 이어지는 템퍼링 공정에 의해 마르텐사이트 내의 과포화되어 존재하는 탄소를 탄화물로 석출시켜 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)를 얻을 수 있다. 하지만 이와 같은 QT공정은 급격한 조직변태 및 열영향에 의해 치수의 변형을 유발하며 ??칭 균열(Quenching Crack)의 위험에 노출된다. 또한, 구상화 열처리 및 재가열 유냉 공정은 장시간 가열 및 과다한 에너지 소비와 환경문제를 야기하고 생산성을 저하하여 원가를 상승시킨다.
최근 개발된 등록특허 제10-1254782호, “침탄열처리 후 오일 담금질 및 뜨임을 생략한 공기경화형 고강도 기계구조용 부품강 및 그 제조방법”의 경우, 발명의 목적이 침탄열처리 후 소입-소려(QT) 공정을 생략하는 것이 주요 특징으로 탄소(C)의 특허 청구항은 0.19~0.25 중량%로 실시하였다. 이는 기어용 저탄소 합금강의 침탄공정에 관한 내용이며, 강도 확보를 위해 바나듐(V), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb)이 첨가되었으나 소입-소려(QT) 후 경도가 35HRC 수준으로써 60HRC 이상의 경도를 요구하는 베어링용으로 적용하기에는 부적절하다.
또한, 일부 용도에 국한되어 사용 중인 OVAKO677(OVAKO STEEL BRAND NAME)의 경우, Mo와 같은 고가의 합금원소가 다량 첨가되고, 압연 환봉 상태에서 60HRC 이상의 경도를 나타내어 절단 등의 후처리를 위해 압연 후 환봉 상태에서 반드시 연화 열처리(Annealing)를 적용해야만 한다. 이로 인해 생산 원가가 증가하고 적용되는 품목도 한정되어 종래의 고탄소 고크롬 베어링강을 대체하기는 어렵다.
이에 본 발명자들은 고가의 합금원소를 다량 사용하지 않으면서도 저가의 Si, Cr을 증가하여 경화능을 확보하고 200PPM 이상의 N에 의해 경화능 향상 및 고용강화 효과를 구현하는 고질소 공기 경화형(Air Hardening) 베어링강을 개발하였다. 최적화된 성분에 의해 압연 환봉 상태에서도 연화 열처리의 생략이 가능하고, 열간가공 이후 구상화 열처리와 유냉 공정을 생략하여 생산원가 저감이 가능하면서도 전동피로특성이 우수한, 기존의 고탄소 고크롬 베어링강의 대체 강종을 완성하였다.
본 발명의 목적은 자동차 및 산업기계용으로 사용되는 기존의 고탄소 고크롬 베어링강을 대체할 수 있는 새로운 고질소 공기 경화형(Air Hardening) 베어링강으로써, 우수한 전동피로특성을 나타내고 구상화 열처리 및 유냉 공정의 생략이 가능하여 생산원가를 저감할 수 있는 베어링용 강재 및 이의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.030 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 구상화 열처리(Spheroidized Annealing) 및 유냉(Oil Quenching)을 생략하는 것을 특징으로 하는 자동차 및 산업기계용 베어링용 강재를 제공한다.
또한, 상기 본 발명의 목적은,
C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.030 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 조성으로 이루어진 강을 주조하는 단계, 상기 강을 압연하는 단계, 상기 압연한 강의 연화 열처리를 생략하는 단계, 상기 압연한 강을 열간가공 하는 단계 및 상기 열간 가공한 강을 경화 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 압연된 강의 어닐링 공정 및 경화 열처리 시 구상화 열처리 및 유냉 공정을 생략하는 것을 특징으로 하는 자동차 및 산업기계용 베어링용 강재의 제조방법에 의해 달성된다.
바람직하게는, 상기 열간가공은 1,150 ~ 1,250℃의 온도 영역에서 열간단조 한다.
바람직하게는, 상기 열간단조 후에 1~5℃/s의 냉각속도로 300℃ 이하의 온도 영역으로 냉각한다.
바람직하게는, 상기 열간 단조 후에 냉각 시 팬냉 등을 통하여 최대 10℃/s의 냉각단계를 더 포함할 수 있다.
상기 설명한 바와 같이, 본 발명강은 기존의 공기 경화형(Air Hardening) 강에 비해 압연 후 연화 열처리를 생략하고, 고탄소 고크롬 베어링강에 비해 구상화 열처리 및 유냉 공정을 생략하여 생산원가 절감 및 제조 프로세스를 단축하였으며, 전동피로특성을 기존강에 비해 향상 시킬 수 있어 고수명을 요구하는 베어링 강재를 제공 할 수 있다.
도 1은 발명강과 비교강의 오스테나이징(Austenizing) 가열, 유지 후 1℃/s의 냉각속도로 공기 경화된 시편의 경도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 900℃에서 1℃/s의 냉각속도로 공냉한 발명강과 비교강의 조직사진을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질량효과를 나타내며, 각 시편의 크기별 900℃에서 1℃/s의 냉각속도로 공기 경화 후 경도분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는 발명강과 비교강의 전동피로시험결과를 나타낸다. 비교강은 구상화 열처리 및 재가열 유냉 후 저온 템퍼링을 적용했으며, 이에 반해 발명강은 공기 ㄱ경화 후 저온 템퍼링만 진행하여 평가한 결과이다.
도 5는 발명강과 OVAKO677의 압연 후 미세조직 및 경도를 나타낸다.
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 베어링용 강재는 C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.030 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명의 베어링용 강재의 성분을 상세히 설명한다.
탄소(C) : 0.50 ~ 0.60 중량%
C는 강의 강도를 높이는데 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 담금질 시 오스테나이트에 고용되어 마르텐사이트 조직을 형성시키고 탄소량 증가에 따라 ??칭 경도를 향상시키지만, ??칭 변형 가능성을 크게 만들 수 있다. 종래의 고탄소 고크롬 베어링용 강재에서는 0.90 중량% 이상 첨가하여 구상화열처리, 유냉 및 템퍼링 후 강도 및 피로성능을 확보하고 있다. 탄소함량 증가에 따른 입계 시멘타이트 및 거대탄화물을 분해하기 위해 주조 상태에서 장시간 균질확산열처리가 필요하여 생산성을 저하시키고 에너지 소모를 증가시킨다. 따라서, 유해한 탄화물이 형성되지 않으면서 공냉만으로 강도를 확보할 수 있고, 최대 함량을 나타낼 수 있도록, C의 함량은 0.50 ~ 0.60 중량%인 것이 바람직하다.
규소(Si) : 1.70 ~ 1.90 중량%
선철과 탈산제에서 잔류된 것으로 SiO2와 같은 화합물을 형성하지 않는 한, 페라이트 속에 고용되므로 강의 기계적 성질에 큰 영향을 미치지 않는다. 그 함량이 1.70 중량% 미만인 경우 경화성능의 문제가 발생할 수 있다. 적정량의 Si 첨가는 시멘타이트의 성장속도를 지연시켜 베어링 구동중에 발생되는 열 영향에 따른 연화저항성을 향상시킬 수 있으나 1.90 중량% 초과하여 첨가 시에는 인성이 저하되고 소성가공성을 해치기 때문에 첨가량에 한계가 있다. 따라서, Si의 함량은 1.70 ~ 1.90 중량% 인 것이 바람직하다.
망간(Mn) : 0.70 ~ 0.90 중량%
경화능계수가 높기 때문에 강재의 경화능을 향상시켜 강도를 확보하는데 있어서 중요한 원소이다. 다만, Mn의 함량이 높을수록 ??칭 전의 가공성 및 인성을 저해하고 강 중에 함유된 S 성분과 결합하여 비금속개재물인 MnS의 석출을 증가시키기 때문에 종래의 베어링용 강재에서는 0.45 중량% 이하로 한정하고 있다. 본 발명강의 경우 유냉을 생략하여 1℃/s의 공냉만으로도 종래의 베어링강과 유사한 경화능 확보가 필요하다. 따라서, Mn의 함량은 0.70 ~ 0.90 중량%인 것이 바람직하다.
인(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 노말라이징(Normalizing) 처리를 해도 균질화되지 않기 때문에 그 함량을 적극적으로 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하 및 생산원가를 고려하여 P의 함량은 0.025 중량% 이하인 것이 바람직하다.
황(S) : 0.025 중량% 이하(0 미포함)
보통 Mn, Zn 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키지만, 베어링용 강재의 MnS 황화물이 증가하는 경우 피로성능을 저하시킬 수 있다. 따라서, 제강과정 등의 부하 및 생산원가를 고려하여 S의 함량은 0.025 중량% 이하인 것이 바람직하다.
니켈(Ni) : 0.20 중량% 이하(0 미포함)
Cr과 함께 가장 중요하고 보편적인 합금용 원소이다. 오스테나이트와 페라이트에 잘 고용되어 기지강화에 이용되며, 강의 저온인성을 향상시키는 원소이지만 소재의 제조원가를 높여 경제적이지 않다. 따라서, Ni의 함량은 0.20% 이하인 것이 바람직하다.
크롬(Cr) : 1.70 ~ 1.90 중량%
Cr은 강의 경화능을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이며 강의 조직을 미세화 하는데 효과적인 원소이다. 반면, 종래의 고탄소 고크롬 베어링강에서는 C와 함께 유해한 탄화물을 형성하고, Cr함량이 증가할수록 C의 편석을 조장한다. 하지만 본 발명강은 C함량을 0.50 ~ 0.60 중량%로 한정하여 종래의 유해한 탄화물이 형성되지 않으므로, 공기경화를 위한 경화능 확보 및 제조원가를 낮추어 경제성을 확보하기 위해 그 함량은 1.70 ~ 1.90 중량%인 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo) : 0.08 ~ 0.12 중량%
Mo는 Ni보다 경화능을 10배까지 향상시킬 수 있으며 템퍼취성 저항성을 부여한다. Cr과 함께 첨가하면 경화능 향상 효과가 더욱 좋지만 가격이 고가이므로 소재의 제조원가를 높여 경제적이지 않다. 따라서, Mo의 함량은 0.08 ~ 0.12 중량% 이하인 것이 바람직하다.
알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.030 중량%
강력한 탈산제이며 질화물인 AlN은 미세 석출하여 강의 결정립 미세화에 효과적이므로 인성을 향상시킬 수 있다. 하지만 0.015 중량% 이하에서는 탈산이나 결정립 미세화 작용이 작아지기 때문에 바람직하지 않고 과잉의 첨가는 Al2O3와 같은 비금속개재물의 증가 및 재산화의 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, Al의 함량은 0.015 ~ 0.030 중량%인 것이 바람직하다.
질소(N) : 0.030 ~ 0.040 중량%
N은 Al, V 등과 반응하여 질소화합물을 형성하며 결정입계에 석출되어 오스테나이트 결정립 성장을 방해하는 피닝효과를 부여한다. 또한, 고용된 N은 다른 침입형 원소보다 고용강화 효과가 크기 때문에 N함량 증가에 따라 강도를 증가시키면서도 연성을 유지시키는 효과가 있다. 하지만 고용한도를 벗어난 과잉의 N은 응고 시 N가스로 배출되면서 응고 후 주조결함의 원인이 되므로, 본 발명강의 N고용한도 내에서 유해결함을 방지하면서도 강도 및 경화능 증가효과를 부여해야 한다. 따라서, N의 함량은 0.030 ~ 0.040 중량% 이하인 것이 바람직하다.
이하 본 발명의 제조방법을 상세히 설명한다.
C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.020 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 상기 조성으로 이루어진 강을 주조하는 단계, 상기 강을 압연하는 단계, 상기 압연한 강의 연화 열처리를 생략하는 단계, 상기 압연한 강을 열간가공 하는 단계 및 상기 열간 가공한 강을 경화 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 압연된 강의 어닐링 공정 및 경화 열처리 시 구상화 열처리 및 유냉 공정을 생략하는 것을 특징으로 한다.
상기 열간가공은 1,150 ~ 1,250℃의 온도 영역에서 열간단조하는 것을 가라킨다.
상기 열간단조 후에 1~5℃/s의 냉각속도로 300℃ 이하의 온도 영역으로 냉각한다. 상기 열간 단조 후에 냉각 시 팬냉 등을 통하여 최대 10℃/s의 냉각단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 압연한 강에서 연화 열처리를 생략한 것을 특징으로 하는데, 생략되는 연화 열처리는 압연 후 절단 등의 후처리를 위해 경도를 낮추기 위한 열처리로써, 회복 및 재결정에 의한 응력제거를 위해 600 ~ 800℃의 온도 영역에서의 열처리를 생략하는 것을 의미한다.
실시예
이하에서는 구체적인 실시예를 들어서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명의 조성을 갖는 실시예 1 ~ 2와 종래의 고탄소 고크롬베어링강의 조성을 갖는 비교예 1 ~ 2 및 OVAKO677의 조성을 갖는 비교예 3의 화학 성분을 나타낸다. 표 1에 따른 합금 설계안으로 500kg VIM(Vacuum Induction Melting)을 이용하여 잉곳(Ingot)을 주조하고 이를 1,170 ~ 1,230℃에서 재가열 후 최종 Φ70mm의 환봉을 제조하였다.
(단위 : 중량%)
구분 C Si Mn P S Ni Cr Mo Al N
실시예 1 0.56 1.76 0.84 0.012 0.012 0.07 1.80 0.10 0.026 0.030
실시예 2 0.57 1.75 0.83 0.010 0.009 0.05 1.79 0.10 0.024 0.031
비교예 1 0.98 0.25 0.41 0.012 0.008 0.06 1.43 0.03 0.016 0.003
비교예 2 1.01 0.27 0.40 0.011 0.010 0.06 1.41 0.03 0.017 0.004
비교예 3 0.70 1.50 1.47 0.013 0.012 0.07 1.12 0.26 0.014 0.009
a) 이 환봉을 1,150 ~ 1,250℃에서 열간단조를 실시한다.
b) 열간단조 후에 1~5℃/s의 냉각속도로 공냉하여 300℃ 이하의 온도 영역으로 냉각한다. 여기서 냉각속도는 공냉조건에서 마르텐사이트조직을 얻을 수 있도록 1℃/s 내지 5℃/s로 행해진다.
c) 공냉 후 저온 템퍼링(150 ~ 250℃)을 행한다.
표 1에 따른 실시예 1 ~ 2와 비교예 1 ~ 2의 소재를 Φ25mm로 가공 한 이후, 850 ~ 1,200℃에서 가열, 유지 한 후 1℃/s의 냉각속도로 공냉하여 경도측정 및 미세조직을 관찰하였다.
도 1은 이에 대한 경도를 나타낸 것으로 종래의 고탄소 고크롬 베어링강인 비교예 1 ~ 2는 압연 후의 경도와 가열 및 공냉 후의 경도가 모두 유사한 반면, 발명강인 실시예 1 ~ 2는 900℃ 이상에서 가열 및 유지 후 공냉한 경우 60HRC 이상의 경도가 확보되었다.
이는 종래의 고탄소 고크롬 베어링강을 Ac1 이상의 온도로 가열 및 유지 후 유냉을 시행했을 경우와 유사한 경도이며 공기 경화(Air Hardening) 되었음을 알 수 있다. 실시예 1 ~ 2의 경우 900 ~ 1,200℃ 가열조건 모두 유사한 경도를 나타내지만, 가열온도가 높을수록 결정립 크기가 성장하는 점을 고려하면 실시예의 최적화된 오스테나이징 온도는 900℃ 임을 알 수 있다.
도 2는 실시예 1 ~ 2와 비교예 1 ~ 2의 900℃에서 가열 및 유지 후 공냉된 미세조직을 나타낸다. 종래강인 비교예 1 ~ 2의 경우 미세한 입계 시멘타이트 및 펄라이트 조직을 나타내고 이는 압연 후의 미세조직과 유사하다. 하지만 실시예 1 ~ 2의 경우 경화조직인 마르텐사이트로 상변태 되어 공기 경화 되었음을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 질량효과(Mass Effect)를 나타낸다. 압연 된 환봉을 각각 Φ25mm, Φ50mm 및 Φ70mm로 가공하여 900℃에서 가열 및 유지 후 공냉한 이후 경도를 측정하였다. Φ25mm의 경우 표면에서 중심부까지 60HRC 이상의 경도를 나타내어 완전한 경화가 이루어졌지만, Φ50mm 및 Φ70mm의 소재는 질량효과에 따라 경화되지 않고 30 ~ 40HRC 수준으로 나타났다. Mo 또는 Cr 등의 경화능 향상원소를 다량 첨가하면 Φ50mm 및 Φ70mm에서도 공냉만으로 완전경화가 이루어 질 수 있겠지만, 본 발명의 목적은 종래의 고탄소 고크롬 베어링강의 대체가 가능한 강종을 개발하는 것이기 때문에 실현 가능성을 염두하여 생산원가에 대한 경제성을 고려하지 않을 수 없다. 또한, 자동차 및 각종 산업기계에 사용되는 베어링 부품의 두께는 대부분 25mm 이하의 얇은 두께가 적용되므로 추가적인 합금첨가 없이도 본 발명에서 제안한 성분범위만으로도 성능 발휘가 가능하다.
도 4는 표 1에 따른 실시예 1 ~ 2와 비교예 1 ~ 2의 최적화된 공정에 따른 전동피로수명평가(Rolling Contact Fatigue Test) 결과를 나타낸다. 본 발명의 실시예 1 ~ 2는 압연된 환봉을 가공하여 900℃에서 가열 및 유지 후 공냉한 다음 180℃에서 템퍼링 열처리를 실시하였다. 종래의 고탄소 고크롬 베어링강인 비교예 1 ~ 2의 경우는 압연된 환봉을 800℃에서 구상화 열처리를 진행 한 다음 가공하여 845℃에서 유냉 및 180℃에서 템퍼링 열처리를 실시하였다. 전동피로수명평가는 1,800rpm 및 5.8GPa 조건에서 진행되었다.
표 2에서의 L10 수명은 전동피로시험기에서 피로평가를 하였을 때 박리파괴가 10% 발생하는 사이클 수를 나타내는 것이다. 평가결과 종래의 비교예 1 ~ 2는 4.7 ~ 6.0백만회, 본 발명의 실시예 1 ~ 2는 10.4 ~ 11.4백만회로 피로수명이 향상됨을 확인하였다.
구분 시험편 평균 경도( HRC ) 미세조직 L 10 수명( X10 6 Cycle)
실시예 1 61.6 템퍼드 마르텐사이트 10.38
실시예 2 61.2 템퍼드 마르텐사이트 11.42
비교예 1 61.4 템퍼드 마르텐사이트
+구상화 시멘타이트		 6.01
비교예 2 61.8 템퍼드 마르텐사이트
+구상화 시멘타이트		 4.73
도 5는 표 1에 따른 실시예 1 ~ 2와 비교예 3의 압연 후 미세조직 및 경도를 나타낸다. OVAKO677 조성을 갖는 비교예 3은 과다한 경화원소 첨가에 의해 압연 후에도 마르텐사이트의 조직을 나타내며 62HRC의 경도를 갖는다. 비교예 3의 경우 절단 등의 압연 후 가공을 위해서는 반드시 600 ~ 800℃의 연화 열처리를 적용해야만 하며 이는 제조 원가의 상승 및 생산 시간을 증가시키는 이유가 된다. 본 발명의 실시예에 따라 제조된 베어링용 강재는 압연 후 펄라이트 조직을 나타내며 35HRC의 경도를 가지므로 압연 후 가공을 위한 별도의 연화 열처리 생략이 가능하다. 이는 고가의 Mo를 다량 사용하지 않으면서도 N에 의한 공기 경화(Air Hardening)를 구현함으로써 얻게 되는 제조 원가의 절감 및 생산시간 단축효과로 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 베어링용 강재는 종래의 고탄소 고크롬 베어링강의 제조공정인 구상화 열처리 및 유냉 공정을 생략하고, OVAKO677의 제조공정인 연화 열처리 또한 생략이 가능하여 생산성 향상 및 제조원가 절감의 효과를 확보 할 수 있고, Si에 의한 연화저항성 및 N에 의한 고용강화 효과가 수반되어 동등 이상의 피로수명을 구현할 수 있다. 또한, 자동차 및 각종 산업기계에 사용되는 두께 25mm 이하의 베어링 부품에 최적화되어 Mo와 같은 고가의 합금원소를 다량 첨가하지 않고도 최적화된 성분으로 공기 경화(Air Hardening) 특성을 나타내어 경제적인 측면까지 고려되었으므로 실제 고탄소 고크롬 베어링강의 대체 강종으로써 그 가능성을 더욱 높일 것으로 예상된다.
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 게시된 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 (4)

  1. C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.030 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고,
    열간가공 후에 구상화 열처리 및 재가열 유냉을 생략하고 공기 중에서 냉각하는 방법으로 제조되고, 압연 후 펄라이트 조직을 갖는 베어링용 강재.
  2. 경화 열처리된 베어링강의 제조방법으로서,
    C : 0.50 ~ 0.60 중량%, Si : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mn : 0.70 ~ 0.90 중량%, P : 0.025 중량% 이하(0 미포함), S : 0.025 중량% 이하(0 미포함), Ni : 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr : 1.70 ~ 1.90 중량%, Mo : 0.08 ~ 0.12 중량%, Al : 0.015 ~ 0.030 중량%, N : 0.030 ~ 0.040 중량% 및 나머지가 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진 강을 주조하는 단계;
    상기 강을 압연하는 단계;
    상기 압연한 강을 1,150 ~ 1,250℃의 온도 영역에서 열간단조하여 열간가공하는 단계; 및
    상기 열간가공 후에 구상화 열처리 및 재가열 유냉을 생략하고 공기 중에서 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 베어링강은 압연 후 펄라이트 조직을 갖는 특징으로 하는 경화 열처리된 베어링강의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서, 상기 열간단조 후에 1℃/s 내지 5℃/s의 냉각속도로 300℃ 이하의 온도영역으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 경화 열처리된 베어링강의 제조방법.
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