KR20000003192A - 과공석강 선재의 초석세멘타이트 억제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼베어링 등에 이용되는 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 과공석강 선재의 열간가공공정에서 제조비용의 상승이 없을 뿐 아니라, 설비에 무리가 가지 않는 냉각조건의 제어를 통해 결정립계로 이동하는 탄소를 억제함으로써 초석세멘타이트의 생성을 억제하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.95-1.10%, Si:0.15-0.35%, Mn:0.25-1.15%, Cr:0.90-1.60%, P:0.025%이하, S:0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 재가열하여 열간상태에서 선재로 압연하고, 권취한 후 냉각하는 공정을 포함한 선재의 제조방법에 있어서, 상기 재가열된 빌렛을 1000-1200℃의 압연마무리 온도조건으로 열간압연한 다음, 150℃/sec이하의 속도로 냉각하여 권취한 후 초석세멘타이트의 생성이 개시하는 온도까지 서냉하는 것을 포함하여 이루어지는 과공석강 선재의 초석세멘타이트 억제방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

과공석강 선재의 초석세멘타이트 억제방법

본 발명은 볼베어링(ball bearing) 등에 적용되는 과공석강 선재의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 과공석강 선재의 결정입계에 초석세멘타이트의 석출을 억제 또는 감소시켜 최종제품의 피로수명을 개선하고자 하는 것이다.

과공석강 조성을 갖는 선재는 보통 베어링 예를들어, 볼베어링등에 이용되는데, 이러한 선재의 제조방법은 다음과 같다. 과공석강 조성을 갖는 용강을 블룸(bloom)으로 주조하고, 이 블룸을 재가열한 다음에 추출하여 빌렛(billet)으로 압연한 다음, 빌렛을 1000-1200℃에서 약 2시간 재가열한 다음에 추출하여 원하는 직경(예를들어 5.5-13mm)의 선재로 압연한다. 상기 선재압연는 약 950-1200℃의 온도에서 마무리열간압연 하고, 공석변태온도 보다 약간 높은 온도(예를들어 820℃)까지 수냉한 다음에 링(ring)의 형태로 권취하여 롤러 콘베어(roller conveyor)상에서 서냉시킨다.

이와 같이 열간압연된 과공석 조성의 선재의 미세조직은 통상 초석세멘타이트와 펄라이트로 구성되어 있다. 이러한 조직을 갖는 선재를 구상화열처리한 다음 일정한 크기로 절단하고, 절단된 소재는 냉간압조에 의해 용도에 맞게 성형(예를들어 볼 모양)한 후 최종적으로 연마하여 제품으로 완성시킨다.

이와 같이 제조되는 과공석강 제품중에 가장 중요한 것이 피로수명이다. 이 피로수명은 제품(예를들어 볼 베어링)의 표면품질과 밀접한 관계가 있다. 표면품질을 결정하는 요소는 구상화된 탄화물의 형상 및 균일도와 비금속개재물이다. 구상화된 탄화물의 형상과 균일도는 구상화되기 이전의 초석세멘타이트와 펄라이트 조직에 의해 결정된다. 초석세멘타이트는 펄라이트를 구성하는 세멘타이트 보다 수 십배 이상으로 두껍기 때문에 초석세멘타이트에서 구상화된 세멘타이트 입자는 펄라이트의 세멘타이트에서 구상화된 세멘타이트입자 보다 훨씬 조대하다. 즉, 초석세멘타이트로 부터 생성된 조대한 구상 세멘타이트 입자와 펄라이트로 부터 생성된 미세한 구상 세멘타이트 입자가 혼합된 상태이다. 피로응력에 의한 피로균열은 조대한 구상세멘타이트와 기지조직사이의 계면에서 생성되기 쉬우므로 조대한 세멘타이트가 혼재하게 되면 피로수명이 짧게 된다. 따라서, 볼 베어링의 피로수명을 향상시키기 위해서는 선재 제조과정에서 초석세멘타이트의 석출을 억제시키던지 또는 감소시켜야 한다.

일반적으로 평형상태에서 합금원소가 첨가되지 않으면 초석세멘타이트는 강의 탄소농도가 0.8%를 초과하게 되면 생성된다. 통상의 연속냉각처럼 비평형상태가 되면 초석세멘타이트가 생성되는 탄소농도는 0.8% 보다 다소 높게 되는데 그 정도는 냉각속도가 클수록 더 커진다.

그런데, 용강으로 부터 선재를 제조하는 과정에서 평균적인 탄소농도는 초석세멘타이트가 생성되는 탄소농도 보다 낮은데도 초석세멘타이트가 생성되는 탄소농도 보다 높은 부분이 생기는데, 이는 소재의 부위에 따라서 편석이 발생하기 때문이다. 즉, 용강이 응고되는 과정에서 초기에 응고되는 곳 보다 나중에 응고되는 곳의 탄소농도가 높게 되는 것이 일반적인 현상이다. 즉, 강이 응고될 때 응고편석에 의해 제일 늦게 응고되는 곳의 탄소농도가 높게 되는 것이다. 따라서, 초석세멘타이트의 생성을 억제시키던지 또는 감소시키기 위해서는 응고과정에서 탄소가 편석되는 것을 억제하던지 또는 편석된 탄소농도를 균질하게 할 필요가 있다. 또는, 탄소농도가 높더라도 냉각속도를 빠르게 하여 초석세멘타이트가 생성되는 임계탄소농도를 높게 할 필요가 있다.

지금까지 과공석강 선재에서 초석세멘타이트의 생성을 억제시키기 위해서 연속주조공정에서는 경압하, 주조속도의 감소, 용강과열도의 감소등, 응고시 탄소의 중심편석을 감소시키기 위한 방법을 강구해 왔다. 탄소의 중심편석을 저감시키기 위해서는 응고과정에서 제어하는 것이 가장 효과적이다. 그러나, 연속주조공정에서 탄소의 편석을 저감시키는데 기술적 한계가 있고 또 저속주조에 따른 생산성감소 등의 한계가 있다.

따라서, 선재압연공정에서는 확산균열 및 급속냉각 등에 초점을 맞추어 왔다. 선재압연공정에서 편석된 탄소농도를 확산시키기 위한 균열은 제조원가의 상승을 유발하고 또 급속냉각은 공냉설비상의 한계가 있다.

본 발명자는 기존의 선재압연공정에서의 확산균열과 급속냉각과는 달리, 제조원가의 상승의 유발없이 열간가공 및 냉각조건을 제어을 통해 초석세멘타이트의 생성 및 성장을 효과적으로 억제시키는 방법을 다각도로 연구하여 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉, 본 발명은 과공석강 선재의 열간가공공정에서 제조비용의 상승이 없을 뿐 아니라, 설비에 무리가 가지 않는 냉각조건의 제어를 통해 결정립계로 이동하는 탄소를 억제함으로써 초석세멘타이트의 생성을 억제하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C:0.95-1.10%, Si:0.15-0.35%, Mn:0.25-1.15%, Cr:0.90-1.60%, P:0.025%이하, S:0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 재가열하여 1000-1200℃의 압연마무리 온도조건으로 열간압연한 다음, 150℃/sec이하의 속도로 냉각하여 권취한 후 초석세멘타이트의 생성이 개시하는 온도까지 서냉하는 것을 포함하여 구성된다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명은 열간압연직후에 냉각속도제어를 통하여 결정입내에 있는 탄소가 결정입내에서 이용하여 비평형 편석되는 것을 억제하는 한편, 결정입계가 비평형적으로 편석된 탄소를 결정입내로 다시 이동할 수 있도록 하여 결정입계에 탄소의 농도를 가능한 최소화하므로써 초석세멘타이트가 석출을 억제 또는 감소시키는데, 그 특징이 있다.

이러한 본 발명에 적합한 강조성은 중량%로, C:0.95-1.10, Si:0.15-0.35%, Mn:0.25-1.15%, Cr:0.90-1.60%, P:0.025%이하, S:0.025%이하를 포함하는 것이다.

이러한 강의 성분한정이유를 설명하면, 먼저, 탄소는, 선재의 내마모성 및 기지조직을 강화하는 원소이다. 이와 같이 내마모성 및 강도를 확보하기 위해서는 탄화물입자와 마르텐사이트가 혼합된 조직을 확보해야한다. 과공석강 선재의 최종적인 미세조직은 구상화된 탄화물입자와 템퍼링함 마르텐사이트인 기지조직으로 구성되어 있다. 구상화된 탄화물의 주된 역할은 내마모성을 확보하고, 기지조직인 마르텐사이트의 주된 역할은 압축강도를 확보하는 것으로, 탄소의 대부분은 탄화물로 존재하여 내마모성을 향상시키는데 필요하고 나머지는 기지조직을 강화시키는데 필요하다. 따라서, 탄소가 0.95%미만으로 첨가되면 강도와 내마모성이 확보되지 않고 1.1%를 넘으면 선재제조과정에서 초석세멘타이트가 생성되고 이 초석세멘타이트는 펄라이트를 구성하는 세멘타이트 보다 수 십배 두껍기 때문에 탄화물로 구상화되어도 조대하게 되므로 제품의 피로균열이 쉽게 발생되고 피로수명이 짧게 된다.

상기 Si는 기지조직인 마르텐사이트에 고용되어 강화시키는 원소로서 이를 위해 0.15%이상 첨가하는 것이 필요하나 Si가 0.35%를 넘으면 열처리시에 소재의 표면에서 탄소가 산화되어 쉽게 제거되므로 피로균열이 발생되기 쉽다.

상기 Mn은 기지조직인 마르텐사이트를 강화시키고 또 마르텐사이트가 쉽게 생성되도록 하는 원소로서 이를 위해 0.25%이상 첨가하나 1.15%를 넘게 첨가되면 소재표면에 있는 조직의 결정입계가 산화되기 쉽다. 따라서, Mn은 0.25-1.15%의 범위로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 Cr은 탄화물에 고용되어 탄화물의 강도를 향상시키는 원소로 이를 위해 0.90%이상 첨가하나 1.6%초과하여 첨가되면 조대한 탄화물이 강의 응고과정부터 생성되어 제품의 피로수명을 감소시킨다. 따라서, 0.90-1.60%로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 P은 주상정사이에 편석되어 열간취화를 일으키기도 하고 또 냉간에서 신선가공할때에 단선을 유발시키므로 가능한한 낮게 관리하는 것이 유리하므로 본 발명에서는 0.025%이하로 관리한다.

상기 S은 저융점인 FeS의 형태로 결정입계에 석출되어 열간취화을 유발시키므로 가능한한 낮게 관리하는 것이 유리하므로 본 발명에서는 0.025%이하로 관리한다.

상기와 같이 조성되는 빌렛을 재가열하여 열간압연하는데, 이때의 재가열은 통상적으로 1000-1250℃의 온도에서 행해지며 재가열시간은 빌렛의 두께 등에 따라 달라지며 통상 1.5-2.5시간 행해지는데 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다.

상기와 같이 재가열하여 열간압연하는데, 이때의 마무리압연 온도는 1000-1200℃로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 압연온도가 1000℃ 보다 낮으면 압연기의 소모전력이 많아지고 또 압연에 의해 소재 내부에 축적되는 에너지가 크게 되어 재결정 및 초석세멘타이트 생성을 위한 구동력이 커짐에 따라 초석세멘타이트의 생성이 촉진되기 때문이다.

상기와 같이 열간선재압한 다음에 종래에는 곧바로 권취온도(820℃)까지 1초이하의 시간동안 냉각속도를 약 280℃/sec로 급냉하여 코일형상으로 권취한 다음 약 1℃/sec로 서냉하였다. 그런데, 본 발명자의 연구에 의하면, 선행기술에서와 같이 고온에서 열간압연한 다음에 냉각속도가 빠르면 빠를수록 재결정된 오스테나이트 결정입계에 비평형적으로 많은 양의 탄소가 편석되어 초석세멘타이트는 두껍게 되는 것으로 밝혀졌다. 특히, 선행기술에서와 같이 압연온도에서 권취온도까지의 냉각속도가 280℃/sec의 경우 냉각도중 결정립내에서 결정립계로 이동하는 탄소량이 결정립내에서 결정립계로 이동하는 탄소량 보다 많기 때문에 결정입내에 편석되는 탄소량이 많아진다. 또 권취온도는 보통 820℃이므로 초석세멘타이트의 생성개시온도까지의 냉각시간이 짧아져 권취한 후의 냉각속도를 1℃/sec로 하더라도 결정입계에 탄소가 다시 결정입내로 이동할 시간이 짧아지기 때문에 결정입계의 탄소가 그대로 남아있어 초석세멘타이트는 두껍게 되는 것이다.

이를 보다 야금학적으로 설명하면 다음과 같다. 열간압연직후의 재결정조직은 미세하고 성장하려는 구동력이 크다. 또, 강의 결정격자에는 각각의 온도에 평형되는 원자공공(vacancy)이 존재하고, 이 원자공공은 탄소와 결합하여 존재하는 것이 더 안정하다. 보다 높은 온도에서는 보다 높은 농도의 원자공공이 존재하고 보다 높은 온도의 원자공공과 탄소의 쌍(pair)이 존재한다. 온도가 떨어지면 이 원자공공과 탄소의 쌍의 농도도 자연적으로 낮게 된다. 이 때 원자공공과 탄소의 쌍은 표면 또는 결정입계등으로 이동하여 그곳에서 소멸되므로서 그 농도가 낮아진다. 이때 냉각속도가 빠르게 되면 결정입계에서 이쌍의 농도와 결정입계 내에서의 쌍의 농도는 그 차이(농도구배)가 크게 되므로 결정입계내의 원자공공과 탄소의 쌍이 더 빠르게 결정입계 쪽으로 이동하여 결정립계에서 원자공공은 소멸되고 탄소는 남게된다. 냉각속도가 매우 빠르기 때문에 결정입계에 비평형적으로 편석된 탄소가 결정입내로 역확산되는 양은 결정입계에 편석되는 양보다 적게된다.

따라서, 열간압연한 직후에 빠르게 냉각하면 탄소는 결정입계에 비평형적으로 많은 양의 편석되어 농도가 높게 되므로 초석세멘타이트는 두껍게 된다. 따라서, 초석세멘타이트의 생성을 억제시키기 위해서는 오스테나이트 결정입계에 탄소가 비평형적으로 많이 편석되는 것을 억제할 필요가 있다. 따라서, 마무리압연한 직후에 냉각속도를 가능한 늦추는 것이 중요하다.

본 발명의 실시에 의하면 열간압연한다음에 권취하기전 냉각속도는 150℃/sec이하로 하면 초석세멘타이트의 발생정도가 선행기술에 비해 상당히 줄어든다. 이때의 냉각속도의 제어는 분사되는 물의 양의 조절로서 가능하다. 또한, 보다 바람직하게는 마무리압연한직후 인위적인 냉각공정없이 곧바로 권취하는 것이다. 바꿔말하면 권취온도를 마무리압연온도로 하는 것이다. 이와 같이 하면 초석세멘타이트 발생정도가 현격히 줄어들고 부가적으로 냉각에 따른 비용도 줄어든다.

상기와 같이 냉각속도를 제어하여 권취한 다음에는, 결정립내에 탄소가 계속하여 결정립계로 이동하는 것을 막는 한편, 결정립계에 편석된 탄소가 다시 결정입내로 이동하도록 초석세멘타이트가 생성되는 직상온도까지 서냉시킬 필요가 있다.

여기서, 서냉은 권취한 직후 선재를 대기와 차단하여 (예를들어 롤러 콘베어상에서 커버로 덮은 상태) 냉각하는 것으로 대기중에 방치하는 것 보다 더 느린 냉각속도를 의미하는 것이다.

이때의 서냉은, 본 발명의 실시에 의하면 0.1-3℃/sec의 냉각속도로 하는 것이다. 이때, 열간압연한 직후의 냉각속도를 50℃/sec 이내로 제어하는 경우 서냉속도를 0.1-10℃/sec로 하여도 초석세멘타이트 발생정도가 선행기술보다 개선되는 것을 알 수 있다. 서냉속도를 0.1℃/sec이상으로 한정하는 것은 냉각속도가 이 보다 느리면 초석세멘타이트의 석출온도가 높아져 결정립계의 탄소가 다시 결정립내로 충분히 이동할 시간적 여유가 없기 때문이다.

[실시예]

아래 표 1과 같은 조성의 소재를 표 2와 같은 조건에서 선재를 제조하여 초석세멘타이트를 관찰한 결과를 나타냈다.

강종	화학성분(중량%)
	C	Si	Mn	Cr	P	S
A	0.982	0.20	0.36	1.44	0.011	0.002
B	0.996	0.20	0.34	1.41	0.012	0.002
C	0.978	0.20	0.34	1.40	0.010	0.004

상기 표 2에 나타난 것처럼, 강종 A, B, C를 가지고 마무리압연온도에서 각각 직경 5.5mm와 10mm로 압연하여 선재를 얻은 다음에 권취온도까지 수냉, 부분수냉 및 미수냉(열간압연직후 인위적인 냉각없이 바로 권취)으로 냉각속도를 달리하면서 권취하였다. 이때 수냉의 정도는 권취온도에 의해서 결정하였다.

먼저, 강종A 및 B를 가지고 마무리압연온도가 1100℃와 1050℃일 때 그에 따른 수냉속도를 150℃/s미만으로 한 경우와 권취온도를 압연온도와 같게 하여 초석세멘타이트가 석출하는 온도 직상까지 서냉(0.1-3℃/s)한 발명예들의 경우 초석세멘타이트의 생성이 억제되었고, 이는 종래예들 보다 개선됨을 알 수 있었다.

강종C를 가지고 마무리압연온도를 1050℃로 하고 수냉속도를 50℃/s미만으로 하여 권취하고 초석세멘타이트가 석출하는 온도 직상까지 5-10℃/sec로 한 경우 초석세멘타이트 생성이 억제되었다.

이와 같이, 본 발명은 초석세멘타이트 생성이 억제되는 선재를 제공할 수 있으며, 이 선재는 볼베어링 등에 적용되면 우수한 피로수명을 나타낸다. 이러한 본 발명은 볼베어링에 한정되는 것이 아니라, 우수한 피로수명이 요구되는 각종 제품에 적용될 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 과공석강 선재의 초석세멘타이트의 생성이 억제된 선재를 제공할 수 있으며, 이 선재는 구상화된 탄화물이 균일하게 되므로 제품의 피로수명이 향상되는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, C:0.95-1.10%, Si:0.15-0.35%, Mn:0.25-1.15%, Cr:0.90-1.60%, P:0.025%이하, S:0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 빌렛을 재가열하여 열간상태에서 선재로 압연하고, 권취한 후 냉각하는 공정을 포함한 선재의 제조방법에 있어서, 상기 재가열된 빌렛을 1000-1200℃의 압연마무리 온도조건으로 열간압연한 다음, 150℃/sec이하의 속도로 냉각하여 권취한 후 초석세멘타이트의 생성이 개시하는 온도까지 서냉하는 것을 포함하여 이루어지는 과공석강 선재의 초석세멘타이트 억제방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 서냉은 0.1-3℃/sec의 냉각속도임을 특징으로 하는 방법