KR101802424B1 - 베어링강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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이선호
최윤길
신철수
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강은 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

베어링강 및 그 제조 방법{BEARING STEEL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 베어링강 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 휠 베어링의 외륜 및 허브 샤프트(hub shaft)에 적용되는강재는 탄소가 0.55 내지 0.59 중량%, 실리콘이 0.15 내지 0.30 중량%, 망간(Mn)이 0.75 내지 0.90 중량% 등을 갖는 S55C급의 중탄소강이다. 이러한 중탄소강을 열간단조 후 고주파 열처리로 표면경화하여 궤도 및 주요 부분의 내마모성을 확보하고 강성을 강화하여 사용되고 있다. 또한, 외륜 및 허브 샤프트의 궤도부는 높은 면압이 반복적으로 작용하므로 우수한 구름접촉피로(Rolling Contact Fatigue) 수명이 요구된다.
이러한 중탄소강 기반의 베어링강은 고주파 열처리 온도가 높아 오버히팅에 의한 결정립 조대화, 냉각 불량 등의 ??칭 불량이 발생할 확률이 높아 최근의 자동차 고마력화, 경량화 추세에 따라 상기 부품이 사용되는 환경이 더욱 가혹해져 구동 부품에 요구되는 구름접촉피로 수명 및 피로강도를 포함하는 내구 성능을 종래의 소재 및 열처리로는 만족시키기 어려운 상황이다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 중탄소강 기반에 실리콘, 바나듐, 알루미늄 등의 결정립 미세화 합금원소를 첨가하고 고주파 열처리에 의해 결정립을 미세화시킨 베어링강 및 그의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강은 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지 0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.
베어링강은 기재 및 기재 표면에 형성된 경화층을 포함하고, 기재는 페라이트 및 펄라이트 조직을 포함하고, 경화층은 템퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite) 조직을 포함한다.
기재는 오스테나이트 결정립의 평균 직경이 22.5 내지 31.8㎛ 일 수 있다.
경화층은 오스테나이트 결정립의 평균 직경이 5㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강의 제조 방법은 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지 0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속주조하고 압연하는 단계; 압연된 강을 열간단조하는 단계; 및 열간단조된 강을 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계를 포함한다.
열간단조하는 단계는 1,150 내지 1,250℃의 온도에서 열간단조할 수 있다.
열간단조하는 단계 이후, 노말라이징하는 단계 또는 조질처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
노말라이징하는 단계는 880 내지 910℃의 온도에서 노말라이징할 수 있다.
조질처리하는 단계는 850 내지 880℃에서 ??칭하는 단계 및 500 내지 550℃에서 템퍼링하는 단계를 포함할 수 있다.
고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계에서 고주파 ??칭의 온도는 750℃ 내지 1000℃일 수 있다. 더욱 구체적으로, 고주파 ??칭의 온도는 780℃ 내지 850℃일 수 있다.
고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계에서 템퍼링 온도는 150 내지 200℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 휠 베어링은 전술한 베어링강으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 휠 베어링은 전술한 베어링강의 제조 방법에 의해 제조된 베어링강으로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 중탄소강 기반에 결정립 미세화 원소를 첨가하고 저온에서 열처리를 함으로써 표면에 미세한 오스테나이트 결정립이 경화층에 형성된 베어링강을 제공할 수 있으며 이러한 베어링강에 의해 자동차용 휠 베어링을 제조함으로써 내구성능이 향상된 자동차용 휠 베어링을 제공할 수 있다.
결정립을 미세화시켜 인성을 향상해 크랙발생을 낮추며, 수명이 향상된 베어링을 제공할 수 있다.
도 1은 실시예 1에서 제조한 베어링강의 경화층의 미세조직을 나타낸 도면이다.
도 2는 비교예 1에서 제조한 베어링강의 경화층의 미세조직을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강을 사용한 휠 베어링의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
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 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 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 의한 베어링강 및 그의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강은 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지 0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다.
탄소(C)의 양은 0.51wt% 내지 0.56wt%이다. 강중 탄소(C)는 강도, 경도를 결정하는 주 원소로 고주파 열처리 후 자동차용 휠 베어링에 요구되는 표면경도 700HV 이상을 확보하기 위해서는 0.51wt%가 첨가되어야 한다. 너무 많이 첨가되면 강의 경도가 높아져 단조성, 절삭성이 저하되기 때문에 전술한 범위로 제한한다.
실리콘(Si)의 양은 0.30wt% 내지 0.55wt%이다. 실리콘(Si)은 기지에 고용되어 입계 강화, 고주파 열처리시 오스테나이트의 핵생성 사이트(site)의 증가 및 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 고주파 경화층의 결정립을 미세화시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 오스테나이트 결정립 미세화를 위하여 첨가하며 0.3wt% 미만으로 첨가하면 충분한 피로강도를 확보 및 결정립 미세화 효과를 얻을 수 없고, 너무 많이 첨가되면 강의 경도가 높아져 단조성, 절삭성이 저하되기 때문에 전술한 범위로 제한한다.
망간(Mn)의 양은 0.60wt% 내지 0.90wt%이다. 망간(Mn)은 강의 담금질성과 강도를 향상시키는 원소이며, 황(S)과 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성을 향상시키고, 너무 많이 첨가하면 강의 경도가 높아져 단조성, 절삭성이 저하되기 때문에 전술한 범위로 제한한다.
인(P)의 양은 0.025wt% 이하이다. 인(P)은 강중에 포함되는 불가피한 불순물로 강 중에 극히 취약한 Fe3P 형태로 결정립계에 오스테나이트 결정립계에 편석하여 입계강도, 피로강도, 충격저항 및 구름접촉피로 수명을 저하시킨다. 또한 담금질 균열을 조장하므로 가능한한 낮은 것이 바람직하다. 따라서 인의 함유량은 전술한 범위로 제한한다.
황(S)의 양은 0.008wt% 이하이다. 황(S)은 강 중에 포함되는 불가피한 불순물로 강 중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성을 향상시키지만 그 함유량이 많으면 결정립계에 편석하여 입계강도, 열간가공성을 저해시키기 때문에 가능한 한 낮은 것이 바람직하며 황의 함유량은 전술한 범위로 제한한다.
크롬(Cr)의 양은 0.01wt% 내지 0.20wt%이다. 크롬(Cr)은 담금질성 및 경화층의 충분한 두께를 확보하여 피로강도를 향상시킨다. 또한, 탄화물을 형성하여 충격저항성을 향상시킨다. 그러나 그 함유량이 너무 적으면 충분한 경화층 확보가 어렵고, 너무 많으면 잔류 탄화물 생성을 조장하고, 입계강도를 저하시켜 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
몰리브덴(Mo)의 양은 0.08wt% 이하이다. 몰리브덴(Mo)은 강 중에 포함되는 불가피한 원소로 고주파 담금질 후 경화층의 경도를 높인다. 하지만, 그 함유량이 너무 많으면 경도 상승 효과는 포화되고, 제조 단가가 상승하므로 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
니켈(Ni)의 양은 0.25wt% 이하이다. 니켈(Ni)은 고주파 담금질성 향상, 탄화물의 성장을 억제하여 입계강도 저하를 방지하여 피로강도를 향상시키는 원소이다. 하지만, 다량 첨가시 가공성 열화, 피로강도 및 제조 단가 상승으로 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
바나듐(V)의 양은 0.01wt% 내지 0.20wt%이다. 바나듐(V)은 본 발명의 강재의 결정립을 미세화하기 위하여 첨가되는 원소로, 탄소(C), 질수(N)과 결합하여 미세 탄질화물을 형성하여 결정립을 미세화시키고, 오스테나이트 조대화 온도를 높이고, 피로강도 및 인성을 향상시킨다. 또한, 고주파 담금질성의 향상, 템퍼 연화 저항성을 향상시켜 고온 강도를 개선시킨다. 0.01wt% 미만에서는 그 효과가 작고, 0.2wt% 이상 첨가하면 그 효과가 포화되며 강도는 증가하나 인성이 저하되고 제조 단가 상승하기 때무에 전술한 범위로 제한한다.
구리(Cu)의 양은 0.20wt% 이하이다. 구리(Cu)는 제강시 철광석, 스크랩 또는 제조 환경으로부터 혼입되는 원소로 탄소(C), 망간(Mn)과 마찬가지로 고주파 담금질성을 향상시키나, 너무 많으면 열간 가공시 균열 발생 및 강의 피로 강도가 저하된다. 따라 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
티타늄(Ti)의 양은 0.003wt% 이하이다. 티타늄(Ti) 강 중에 포함되는 불가피한 원소로, 강 중 탄소, 질소와 결합하여 탄화물 및 탄질화물인 TiN과 TiCN을 형성시켜 구름접촉피로(Rolling Contact Fatigue) 파괴의 기점이 되어 피로 수명을 저해시키기 때문에 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
알루미늄(Al)의 양은 0.01wt% 내지 0.05wt% 이다. 알루미늄(Al)은 제강시 탈산제로 첨가되는 합금 성분이며 결정립 미세화 원소로 고주파 열처리시 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하므로 고주파 경화층의 결정립을 미세화한다. 알루미늄(Al)이 너무 적으면 그 효과가 나타나지 않고, 너무 많으면 고주파 담금질성의 저하 및 Al2O3 비금속 개재물을 형성하여 강의 피로 수명의 저하를 초래하기 때문에 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다.
산소(O)의 양은 0.0015wt% 이하이다. 산소(O)는 강 중에 포함되는 불가피한 불순물로, 구름접촉피로 파괴 기점에 되는 알루미나(Al2O3) 등이 산화물계 비금속 개재물을 형성시키는 유해한 원소이다. 따라서, 산소 함유량이 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 최근 자동차용 휠 베어링은 높은 내구성이 요구되기 때문에 강 중 산소 함유량은 전술한 범위로 제한한다.
칼슘(Ca)의 양은 0.001wt% 이하이다. 칼슘(Ca)는 강 중 포함되는 불가피한 원소로 칼슘(Ca) 함유량이 너무 많으면 조대한 산화물을 형성하여 구름접촉피로수명을 저하시키므로 그 함유량을 전술한 범위로 제한한다. 또한, 자동차용 휠 베어링강에서는 탈산제로 첨가되어서는 안된다.
전술한 원소들을 제외한 베어링강의 나머지는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강은 중탄소강 기반에 결정립 미세화 원소를 첨가하고, 저온에서 열처리를 함으로써 표면에 평균 오스테나이트 결정립이 미세한 경화층이 형성된다.
즉, 베어링강은 기재 및 기재 표면에 형성된 경화층을 포함할 수 있게 된다.
이 때, 기재는 페라이트 및 펄라이트 조직을 포함하고, 경화층은 템퍼드 마르텐사이트 조직을 포함한다. 기재 및 경화층의 조성 성분은 전술한 전체 베어링강의 성분과 동일하다.
기재는 페라이트 및 펄라이트 조직을 포함하며, 구체적으로 페라이트 부피 분율이 3 내지 15% 일 수 있다. 이 때, 오스테나이트 결정립의 평균 직경은 22.5 내지 31.8㎛일 수 있다.
경화층은 기재와는 달리 템퍼드 마르텐사이트 조직을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서는 저온에서 고주파 ??칭하는 공정을 통해 미세한 오스테나이트 결정립을 갖는 경화층을 형성시켜, 구름접촉 피로 수명 등 내구성능을 향상시킬 수 있게 된다. 이 때, 구체적으로 평균 오스테나이트 결정립 직경이 5㎛ 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로 평균 오스테나이트 결정립 직경이 0.1 내지 5㎛일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 오스테나이트 결정립을 미세하게 제어함으로써, 베어링강의 구름접촉 피로 수명을 향상시킬 수 있다.
경화층의 두께는 자동차 휠 베어링의 외륜 두께에 대해서 25 내지 65% 일 수 있고, 허브 두께에 대해서 15 내지 25% 일 수 있다. 전술한 범위에서 베어링강의 구름접촉 피로 수명을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 휠 베어링은 전술한 베어링강으로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강의 제조 방법은 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지 0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속주조하고 압연하는 단계; 압연된 강을 열간단조하는 단계 및 열간단조된 강을 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계를 포함한다.
먼저, 강을 연속주조하고 압연한다. 강의 성분에 대한 설명은 전술하였으므로, 반복되는 설명은 생략한다. 연속주조 및 압연에 대해서도 일반적인 연속주조 및 압연 공정을 따르므로, 상세한 설명은 생략한다.
다음으로, 압연된 강을 열간단조한다.
열간단조는 제품 형상에 따라 1,150 내지 1,250℃의 온도에서 열간단조할 수 있다.
또한 열간단조하는 단계 이후, 필요에 따라 노말라이징(Normalizing) 또는 조질처리(Quenching and Tempering)를 실시할 수 있다.
노말라이징하는 단계는 880 내지 910℃의 온도에서 노말라이징할 수 있다.
조질처리하는 단계는 850 내지 880℃에서 ??칭하는 단계 및 500 내지 550℃에서 템퍼링하는 단계를 포함할 수 있다.
다음으로, 열간단조된 강을 고주파 ??칭 및 템퍼링한다. 고주파 ??칭은 자동차용 휠 베어링의 궤도부를 포함한 주요 부위에 구름접촉피로 수명, 내마모성 및 강도를 확보하기 위하여 실시한다. 고주파 ??칭시 가열 온도는 750℃ 내지 1,000℃일 수 있다. 더욱 구제적으로, 고주파 ??칭 단계의 가열 온도는 780℃내지 850℃일 수 있다. 고주파 ??싱시 가열 온도가 너무 낮으면 강의 오스테나이트화가 이루어지지 않아 불완전 변태에 의해 페라이트(Ferrite)의 잔류, 경도 및 경화 깊이 부족으로 구름접촉피로 수명을 확보할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 고주파 ??칭시 가열 온도가 너무 높으면, 오스테나이트 결정립의 조대화, 과도한 잔류 오스테나이트로 인하여 베어링의 구름접촉피로 수명에 부정적인 영향을 미치게 된다. 고주파 ??칭시 냉각 완료 온도는 100℃ 이하일 수 있으며, 냉각 속도는 700 내지 750℃/sec 일 수 있다. 고주파 ??칭은 ??칭을 고주파 유도 가열에 의해 수행하는 것을 의미한다.
다음으로, 150 내지 200℃에서 템퍼링할 수 있다. 템퍼링은 고주파 템퍼링 또는 로(爐) 템퍼링할 수 있다.
이처럼 본 발명의 일 실시예에서 제시하는 일련의 공정을 통해 기재 및 기재 표면에 형성된 경화층이 형성된다. 기재 및 경화층의 조직에 대한 설명은 전술한 것과 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 베어링강을 사용한 휠 베어링의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 휠 베어링(1)은, 설명의 편의를 위하여, 다양한 종류의 휠 베어링 중 하나를 예시한 것으로 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에 예시된 휠 베어링(1)에 한정되어 적용되지 않고, 다양한 종류의 휠 베어링에 적용될 수 있다.
한편, 설명의 편의상 휠 베어링을 구성하는 모든 구성요소에서 휠(도시하지 않음)에 가까운 쪽을 아웃보드(outboard)라 칭하고, 휠에서 먼 쪽을 인보드(inboard)라 칭하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 베어링(1)은 허브(2), 내륜(3), 외륜(4), 그리고 복열의 전동체들(5)을 포함한다. 본 명세서에서는 복열의 전동체(5)가 사용된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 전동체의 열(row)의 개수는 당업자가 임의로 정할 수 있다. 통상적으로, 복열의 전동체들(5)은 복수개의 전동체들을 플라스틱 재질로 만들어진 제1, 2리테이너에 끼움으로써 형성된다.
허브(2)는 실린더 형상으로, 허브(2)의 아웃보드 단부에는 차량의 휠이 결합된다. 이를 위하여, 허브(2)의 아웃보드 단부에는 반경 바깥쪽으로 돌출되는 허브 플랜지(10)와, 회전축을 따라 아웃보드 쪽으로 돌출되는 파일럿이 형성된다. 허브 플랜지(10)에는 볼트공이 천공되어 있어 차량의 휠이 볼트 등의 결합 수단으로 허브(2)에 결합할 수 있도록 되어 있으며, 파일럿은 허브(2)에 휠을 장착할 시 휠을 가이드하고 지지하는 역할을 한다. 또한, 허브(2)의 인보드 단부에는 단차부(12)가 형성되어 있다. 허브(2)의 단차부(12)와 허브 플랜지(10) 사이의 외주면에는 허브궤도(20a)가 형성되어 있으며, 허브 플랜지(10)와 허브궤도(20a) 사이에는 플랜지 베이스가 형성되어 있다.
내륜(3)은 상기 허브(2)의 단차부(12)에 압입되며, 상기 내륜(3)의 외주면에는 내륜궤도(20b)가 형성되어 있다.
외륜(4)은 상기 허브(2)의 반경 바깥쪽에 장착되어 허브(2)와 내륜(3)을 감싸고 있다. 외륜(4)의 반경 내측면에는 상기 허브궤도(20a) 및 내륜궤도(20b)에 각각 대응하는 제1,2외륜궤도(21a, 21b)가 형성되어 있으며, 반경 외측면의 일부는 반경 외측으로 돌출되어 플랜지를 형성한다. 상기 플랜지에는 볼트공(도시하지 않음)이 천공되어 볼트 등의 결합 수단에 의하여 외륜(4)이 차체(특히, 너클)에 결합된다.
제1열의 전동체(5)는 상기 허브궤도(20a)와 제1외륜궤도(21a) 사이에 배치되어 있다. 제2열의 전동체(5)는 내륜궤도(20b)와 제2외륜궤도(21b) 사이에 배치되어 있다. 제1, 2열의 전동체(5)는 허브(2) 및 내륜(3)과 상기 외륜(4)의 상대 회전을 허용한다.
또한, 상기 허브 플랜지(10)와 외륜(4)의 아웃보드 단 사이에는 먼지나 수분 등의 이물질이 침입하는 것을 방지하기 위한 제1실링부재가 장착되어 있으며, 상기 외륜(4)의 인보드 단과 상기 내륜(3)의 외주면 사이에는 먼지나 수분 등의 이물질이 침입하는 것을 방지하기 위한 제2실링부재가 장착되어 있다. 상기 제1, 2실링부재는 동일한 타입의 실링부재이거나 다른 타입의 실링부재일 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 휠 베어링(1)에서 상기 허브(2)와 외륜(4)에는 경화층(22)이 형성된다. 구체적으로, 허브(2)에서는 제1실링부재의 립이 접촉할 수 있고 외부의 충격을 주로 흡수하는 상기 플랜지 베이스로부터 허브궤도(20a), 내륜궤도(20b)를 거쳐 단차부(12)의 축방향 연장부의 적어도 일부분까지의 구간은 전체가 열처리될 수 있다. 또한, 외륜(4)에서는 상기 제1외륜궤도(21a)부터 제2외륜궤도(21b)까지의 구간은 전체가 열처리될 수 있다. 상기 경화층(22)은 고주파 ??칭 등의 방법으로 형성될 수 있으며, 일정 두께만 형성될 수도 있다.
이하, 본원 발명에 의한 베어링강의 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
<실험예 1> : 강 조성
표 1은 본 발명에 의한 베어링강의 기준강 및 이에 주요 합금원소를 첨가하여 제조한 베어링강의 성분을 나타낸 표이다.
하기의 표 1 및 표 2와 같은 조성을 가진 강재를 제조하기 위하여 100톤 전기로에서 용해한 다음 정련 및 진공탈가스 공정을 거쳐 블룸(Bloom), 빌렛(Billet)을 제조한다. 이 빌렛을 연속주조(Continuous casting) 공정을 거쳐 최종 Φ55, 65mm 봉강을 제조하였다. 이와 같은 공정으로 제조한 봉강의 미세조직, 기계적 물성을 표 3에 나타내었다. 비교강은 현재 상용강으로 사용하고 있는 S55C계 베어링강을 기준으로 하였다. 표 3에 나타낸 것과 같이 발명강(실시예 1)은 비교강(비교예 1)과 비교하면, 동일한 미세조직을 갖지만, 항복강도, 인장강도, 연신율 및 회전굽힘피로 강도 등 모든 기계적 물성이 크게 향상되었다. 단, 회전굽힘피로 시편은 노말라이징 처리한 시편을 사용하여 실시하였다.
성분 C Si Mn P S Cr Mo Ni V
실시예 1 0.53 0.47 0.79 0.008 0.003 0.15 0.010 0.04 0.09
실시예 2 0.54 0.49 0.75 0.009 0.003 0.14 0.010 0.03 0.12
실시예 3 0.54 0.50 0.78 0.009 0.004 0.15 0.009 0.04 0.10
비교예 1 0.56 0.25 0.79 0.011 0.002 0.16 0.010 0.04 0.007
성분 Cu Ti Al O Ca Fe
실시예 1 0.086 0.0024 0.034 0.00051 0.0004 잔부
실시예 2 0.082 0.0022 0.031 0.0005 0.0003 잔부
실시예 3 0.084 0.0024 0.040 0.0006 0.0004 잔부
비교예 1 0.078 0.0019 0.014 0.00063 0.0002 잔부
성분 미세조직
항복강도
(MPa)
인장강도
(MPa)
연신율
(%)
회전굽힘
피로 강도
(MPa)
실시예 1 페라이트 + 펄라이트 507 870 20 373
실시예 2 페라이트 + 펄라이트 488 860 18.2 366
실시예 3 페라이트 + 펄라이트 452 848 16.4 329
비교예 1
 페라이트 +
펄라이트		 424 820 17 314
<실험예 2> : 고주파 열처리 온도
발명강(실시예 1)과 비교강(비교예 1)을 직경 Φ12mm, 길이 100mm의 환봉 시편을 제작하여 고주파 열처리 가열 온도에 따른 오스테나이트 결정립 직경을 측정하여 하기 표 4에 나타내었다. 본 발명강은 비교강에 비하여 모든 고주파 열처리 가열 온도 구간에서 오스테나이트 결정립 직경이 미세하게 나타났고, 특히, 가열 온도 800℃ 이하의 저온에서 5㎛ 이하의 미세한 오스테나이트 결정립을 얻을 수 있다.
강성분 미세조직 고주파 열처리 온도 평균 오스테나이트
결정립 직경
(㎛)
실시예 1 Tempered martensite 700℃ 4.5
실시예 1 Tempered martensite 750℃ 5.5
실시예 1 Tempered martensite 780℃ 5.0
실시예 1 Tempered martensite 820℃ 8.7
실시예 1 Tempered martensite 840℃ 8.2
실시예 1 Tempered martensite 870℃ 12.4
실시예 1 Tempered martensite 940℃ 16.8
실시예 1 Tempered martensite 950℃ 15.4
비교예 1 Tempered martensite 700℃ 6.7
비교예 1 Tempered martensite 750℃ 8.9
비교예 1 Tempered martensite 780℃ 12.5
비교예 1 Tempered martensite 820℃ 13.6
비교예 1 Tempered martensite 840℃ 19.8
비교예 1 Tempered martensite 870℃ 19.7
비교예 1 Tempered martensite 940℃ 21.3
비교예 1 Tempered martensite 950℃ 17.9
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 강을 780℃의 온도로 고주파 열처리하여 오스테나이트 결정립 미세조직을 도 1 및 도 2에 나타내었다. 도 1에서 나타나듯이, 실시예 1에서 제조한 베어링강은 경화층에 미세한 오스테나이트 결정립 조직이 균일하게 형성된 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 2에서 나타나듯이, 비교예 1에서 제조한 베어링 강은 경화층에 조대한 오스테나이트 결정립 조직이 형성된 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3> : 구름접촉피로 시험
발명강과 비교강을 구름접촉피로 시험을 실시하였다. 구름접촉피로 시험은 스러스트 타입(Thrust type)의 구름접촉피로 시험기를 사용하였다. 구름접촉피로 시험에 사용한 시편은 외경 60mm, 내경 30mm, 두께 8mm인 원반 형상이고, 표면 경화 깊이가 3mm가 되도록 800℃에서 고주파 ??칭한 후 160℃에서 템퍼링하였다. 구름접촉피로 시험은 상기 시편을 사용하여 최대 접촉면압(Contact stress) 5.8GPa, 회전 속도 1,500rpm, 청정 윤활 조건에서 시편에서 박리가 발생할 때까지 시험하여 회전수를 측정하여, 와이블(Weibull) 분포에서 10% 파손 확률을 나타내는 L10 수명으로 평가하였다.
표 5는 발명강(실시예 1)과 비교강(비교예 1)을 실험예 2, 3의 실험 결과로 미세조직, 경화층의 평균 오스테나이트 결정립 직경, 기계적 물성 및 구름접촉피로 수명을 나타내었다.
표 5에서 나타나듯이, 본 발명의 일 실시예에 의한 조성을 만족하는 실시예 1은 경화층의 평균 오스테나이트 결정립 직경이 5㎛를 만족하고, 인장강도, 연신율, 회전굽힘피로 수명 및 구름접촉피로 수명 등의 면에서 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 일 실시예에 의한 조성을 만족하지 못하는 비교예 1은 평균 오스테나이트 결정립 직경이 조대하게 발생하며, 인장강도, 연신율, 회전굽힘피로 수명 및 구름접촉피로 수명 등의 면에서 열악함을 확인할 수 있다.
강성분 미세조직 평균 오스테나이트
결정립
직경
(㎛)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 L10 수명
(x106)
실시예 1 Tempered martensite 5.0 1,888 2,405 3.7 1.9
실시예 2 Tempered martensite
7.3
1,873
2,206
2.9
1.3
실시예 3 Tempered martensite
9.8
1,869
2,109
1.7
1.2
비교예 1 Tempered martensite 12.5 1,877 2,005 <1.0 0.6
<실험예 4> : 자동차 휠 베어링 내구시험
3세대 자동차 휠 베어링에서 외륜과 허브를 실시예 1과 비교예 1의 베어링강으로 휠 베어링을 제작하여 내구수명을 비교 평가하였다.
이하, 휠 베어링 제조공정을 설명하면, 외륜과 허브는 각각 Φ55mm, Φ65mm 봉강을 사용하여 1,200℃에서 열간단조한 뒤 노말라이징(Normalizing) 처리하고 궤도부를 포함한 주요 부위를 각각 약 800℃(실시예 1) 및 약 900℃(비교예 1)에서 고주파 열처리하여 오비탈 포밍(Orbital forming) 공정을 거쳐서 최종 제작하였다.
표 6에서 나타나듯이, 본 발명의 실시예 1은 자동차 휠 베어링에 요구되는 모든 성능을 만족하고, 특히, Service life 수명이 비교예 1보다 월등히 우수한 효과가 있음을 확인할 수 있다.
강성분 Service Life (hr) High-load test Curb impact test
실시예 1 443 1.68 No crack
비교예 1 215 1.66 No Crack
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 휠 베어링, 2 : 허브,
3 : 내륜, 4 : 외륜,
5: 전동체, 12 : 단차부,
20a : 허브궤도, 20b : 내륜궤도,
21a : 제1외륜궤도, 21b : 제2외륜궤도,
22 : 경화층

Claims (13)

  1. 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    베어링강은 기재 및 상기 기재 표면에 형성된 경화층을 포함하고, 상기 기재는 페라이트 및 펄라이트 조직을 포함하고, 상기 경화층은 템퍼드 마르텐사이트 조직을 포함하고, 상기 기재는 평균 오스테나이트 결정립 직경이 22.5 내지 31.8㎛이고, 상기 경화층은 평균 오스테나이트 결정립 직경이 5㎛이하인 베어링강.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 중량 퍼센트(wt%)로 탄소(C):0.51 내지 0.56%, 실리콘(Si):0.30 내지0.55%, 망간(Mn):0.60 내지 0.90%, 인(P):0.025% 이하(0%를 제외함), 황(S):0.008% 이하(0%를 제외함), 크롬(Cr):0.01 내지 0.20%, 몰리브덴(Mo):0.08% 이하(0%를 제외함), 니켈(Ni):0.25%이하(0%를 제외함), 바나듐(V):0.01 내지 0.20%, 구리(Cu):0.20% 이하(0%를 제외함), 티타늄(Ti): 0.003% 이하(0%를 제외함), 알루미늄(Al):0.01 내지 0.05%, 산소(O): 0.0015% 이하(0%를 제외함) 및 칼슘(Ca):0.001% 이하(0%를 제외함)을 포함하고, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속주조하고 압연하는 단계;
    압연된 강을 열간단조하는 단계;
    조질처리하는 단계;
    조질처리된 강을 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계를 포함하고,
    상기 열간단조하는 단계는 1,150 내지 1,250℃의 온도에서 열간단조하고,
    상기 조질처리하는 단계는 850 내지 880℃에서 ??칭하는 단계 및 500 내지 550℃에서 템퍼링하는 단계를 포함하고,
    기재 및 상기 기재 표면에 형성된 경화층을 포함하고, 상기 기재는 페라이트 및 펄라이트 조직을 포함하고, 상기 경화층은 템퍼드 마르텐사이트 조직을 포함하고, 상기 기재는 평균 오스테나이트 결정립 직경이 22.5 내지 31.8㎛이고, 상기 경화층은 평균 오스테나이트 결정립 직경이 5㎛이하인 베어링강이 되도록 하는 베어링강의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제5항에 있어서,
    상기 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계에서 고주파 ??칭의 온도는 750℃ 내지 1000℃인 베어링강의 제조 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계에서 고주파 ??칭의 온도는 780 내지 850℃인 베어링강의 제조 방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 고주파 ??칭 및 템퍼링하는 단계에서 템퍼링 온도는 150 내지 200℃인 베어링강의 제조 방법.
  13. 제 1 항에 의한 베어링강으로 이루어진 자동차용 휠 베어링.
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