KR20030054285A

KR20030054285A - 이물환경하에서 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한베어링강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20030054285A
Application number: KR1020010084426A
Authority: KR
Inventors: 유선준; 박성운
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2003-07-02

Abstract

본 발명은 베어링강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고온 이물환경하에서 우수한 피로수명과 내마모성을 갖는 베어링강과 이를 침탄질화 및 열처리를 통해 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

이물환경하에서 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한 베어링강 및 그 제조방법{Bearing steel having excellent high temperature fatigue life and wear resistance under contaminated environment and manufacturing method for the same}

일반적으로, 침탄질화 베어링강은 표면에 잔류 압축응력이 발생하여 전동피로에 강한 특성을 나타낸다.

그러나, 자동차 변속기에 사용되는 베어링강은 변속기의 사용환경이 고온, 고하중이고, 윤활유와 같은 이물이 존재하는 환경에서 사용됨에 따라, 사용중에 윤활유, 철계 파편 등의 이물에 의해 표면 크랙이 발생되게 된다.

이와 같이 표면 크랙이 발생되면, 크랙으로의 응력집중 현상이 일어나 결국 표면박리가 일어나게 된다.

따라서, 자동차 변속기에 사용되는 베어링강은 이물환경에서도 파괴되지 않고, 오랫동안 사용 가능하게 고온 내피로특성이 요구된다.

지금까지 자동차 변속기용 베어링강은 청정환경 및 상온 이물환경에서 장수명을 목표로 개발되어 왔으며, 따라서 청정환경에서 내부 기점형 박리에 의한 피로특성 및 상온 이물환경에서의 피로특성은 우수하나, 고온에서의 표면기점 박리에 의한 피로특성에는 취약한 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 고온 이물환경하에서 높은 피로수명과 내마모성을 갖는 베어링강과 이를 침탄질화 및 열처리를 통해 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 첨부된 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이물환경하에서 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한 베어링강은, 중량%로, C:0.4∼0.6%, Mn:1.5∼2.5%, Cr:0.6∼1.4%, Si:0.5∼1.5%, Al:0.01∼0.05%, N:0.025∼0.05%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이물환경하에서 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한 베어링강의 제조방법은, 중량%로, 중량%로, C:0.4∼0.6%, Mn:1.5∼2.5%, Cr:0.6∼1.4%, Si:0.5∼1.5%, Al:0.01∼0.05%, N:0.025∼0.05%,P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 베어링강을 제조하고, 920∼950℃의 온도범위에서 침탄질화 열처리하며, 830∼860℃ 범위로 가열하여 2차 담금질 열처리하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 베어링강의 성분조성은 중량%로, C:0.4∼0.6%, Mn:1.5∼2.5%, Cr:0.6∼1.4%, Si:0.5∼1.5%, Al:0.01∼0.05%, N:0.025∼0.05%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어져 있다.

여기서, C는 0.4∼0.6%로 함유됨이 바람직하다.

만약, 0.4% 미만으로 함유될 경우에는 열처리후 필요되는 강도와 경화능을 확보하기 어려우며, 0.6%를 초과하여 함유되면, 탄소함량이 너무 높아 표면경화의 효과가 없어지기 때문에 바람직하지 않다.

그리고, 침탄질화 열처리후 담금질시 경화능과 표면경도를 확보하고, 잔류 오스테나이트(retained austenite)의 변형을 방지하여 안정화시키기 위해 첨가하는 Mn은 1.5∼2.5%범위로 함유됨이 적당하다.

1.5% 미만으로 첨가될 경우, 고온에서 잔류 오스테나이트의 안정화 효과가 없어 피로수명을 저하시키며, 2.5%를 초과하여 첨가되면, 다량의 잔류 오스테나이트의 함유에 따라 소재를 연화시켜 내마모성을 저하시키기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 침탄열처리시 크롬탄화물을 석출시켜 경화능을 향상시키는 원소로서 작용하는 Cr은 0.6∼1.4% 범위로 함유되는 것이 좋다.

즉, 기본적으로 0.6% 이상 첨가되어야 경화능 향상 효과를 발휘하며, 1.4%를 초과하여 첨가될 경우, 결정입계에 크롬탄화물을 석출시켜 피로수명을 단축시키기 때문에 바람직하지 않다.

나아가, 고온경도를 유지해 줌으로써 고온 내마모성을 향상시키는 역할의 Si는 0.5∼1.5% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

만약, 0.5% 미만으로 첨가될 경우에는 고온경도를 증가시키는 효과를 발휘하지 못하며, 1.5%를 초과하여 첨가될 경우에는 빌렛(billet)에서 선재 제조시 가열로에서 소재의 탈탄을 가속화시켜 압연시 소재에 결함을 발생시키기 때문에 바람직하지 않다.

또한, Al은 강중의 질소와 반응하여 AlN 화합물 형태로 석출되어 장시간 침탄열처리시 결정립을 미세화시키는 작용을 하며, 이러한 Al은 0.01∼0.05% 정도 첨가되어야 한다.

그 이유는 0.01% 이상 첨가되어야 결정립 미세화 효과를 발휘하며, 0.05%를 초과하여 첨가되면, 강중 개재물로 존재하여 피로수명을 현저히 떨어뜨리기 때문에 바람직하지 않다.

그리고, N은 알루미늄과 결합하여 화합물을 형성하는 동시에 침탄질화 열처리 후에 생성되는 잔류 오스테나이트를 안정화시키는 역할을 하며, 그 함유량은 0.025∼0.05% 범위가 바람직하다.

만약, 0.025% 미만으로 첨가되면, 상기한 효과를 발휘하지 못하며, 상기 상한치를 초과하여 첨가되면, 조직내에 고용질소로 존재하여 연속주조시 열간가공성을 떨어뜨려 바람직하지 않다.

이상과 같은 조성을 가지는 베어링강의 침탄질화 열처리는 920∼950℃의 온도범위에서 적정시간 실시하는 것이 바람직하다.

만약, 침탄질화 열처리온도가 920℃ 미만이면, 침탄질화 열처리시 C, N의 확산속도가 늦어 표면경화의 효과가 없으며, 950℃를 초과하면, 열처리온도가 너무 높아 오스테나이트 결정립이 성장하여 담금질시 마이크로 크랙(micro crack)이 발생되어 바람직하지 않다.

다음으로, 제조공정중 2차 담금질시의 가열온도는 830∼860℃ 범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

만약, 담금질의 온도가 830℃보다 낮으면, 열처리 후의 소재에 잔류 오스테나이트양이 극소량 존재하게 되어, 경도는 우수하나 크랙저항성이 나빠진다.

그리고, 담금질의 온도가 860℃보다 높을 경우에는 잔존 탄화물의 양이 너무 적고, 연성조직인 잔류 오스테나이트의 양이 너무 많아져, 크랙저항성은 개선되나 경도가 낮아 내마모성이 열악하기 때문에 바람직하지 않다.

실시예

먼저, 하기 표 1의 조성을 갖는 베어링강을 진공유도용해로에서 주조하고 8㎜로 압연한 후, 930℃에서 5시간 침탄질화 열처리 후에 고온 이물환경하에서의 피로수명을 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타낸다.

성분함유량(중량%)	C	Mn	Cr	Si	Al	N	고온(80℃)이물환경피로수명(회, ×100,000)	기타
비교예1	0.3	0.7	0.5	0.3	0.008	0.015	1.4	담금질시 크랙발생
실시예1	0.41	1.54	1.25	0.8	0.024	0.025	2.5
실시예2	0.54	2.38	1.35	1.2	0.022	0.04	3.2
비교예2	0.7	2.62	1.8	2.0	0.06	0.06	1.8	가열시탈탄

표 1을 참조하면, C, Mn, Cr, Si, Al 및 N의 함량이 각각 0.3, 0.7, 0.5, 0.3, 0.008 및 0.015%인 비교예1의 소재의 경우, 침탄질화 열처리후 오스테나이트 결정립의 크기가 커져 담금질 후 마이크로 크랙이 발생되었다.

그리고, C, Mn, Cr, Si, Al 및 N의 함량이 각각 0.7, 2.62, 1.8, 2.0, 0.06 및 0.06%인 비교예2의 소재의 경우, 가열시 탈탄이 심하게 일어나 표면부에 결함이 발생되었다.

더불어, 고온(80℃) 이물환경하에서의 피로수명은 비교예1의 경우, 1.4X100,000회로 매우 낮은 값을 나타냈으며, 비교예2의 경우에도 1.8X100,000회로 본 발명에 따른 실시예1과 2의 경우보다 매우 낮은 값을 나타내었다.

그러나, 본 발명에 따른 실시예1과 2의 경우에는 기타 문제점이 발생되지 않았고, 고온에서의 피로수명도 우수한 값을 나타내었다.

다음으로, 상술한 실시예2의 성분조성을 가지는 소재에 대해 제조공정중 2차 담금질시의 열처리온도를 각각 810℃, 840℃, 860℃ 및 880℃로 한 경우들에 대하여, 200℃에서 템퍼링(tempering) 열처리한 후, 그 미세조직, 경도, 고온 피로수명, 고온 마모량을 측정하고, 그 결과를 다음의 표 2에 나타낸다.

구분	2차담금질열처리온도(℃)	잔류 오스테나이트량(%)	경도(HRc)	고온(80℃)이물환경피로수명(회, ×100,000)	고온(80℃)마모량(g/hr)	비고
비교예1	810	23	66	1.75	1.2	피로수명열악
실시예1	840	32	62	2.30	1.5
실시예2	860	33	61	2.60	1.8
비교예2	880	38	58	2.40	2.4	내마모성열악

표 2를 참조하면, 비교예1 즉, 2차 담금질 열처리온도가 810℃인 경우에는 잔류 오스테나이트량이 23%로 낮아 경도가 HRc 66으로 높고, 따라서 고온(80℃) 마모량이 적은 우수한 내마모성을 나타내었으나, 고온(80℃) 피로수명이 1.75X100,000회로 매우 낮게 나타났다.

한편, 비교예2 즉, 2차 담금질 열처리온도가 880℃인 경우에는 잔류 오스테나이트량이 38%로 과다하여, 고온 피로수명은 2.4X100,000회로 우수하였으나, 경도가 낮아 고온 내마모성이 열악하였다.

그러나, 본 발명에 따른 실시예1과 2 즉, 2차 담금질온도를 각각 840℃ 및 860℃로 한 경우에는 잔류 오스테나이트량이 30∼35%정도로 경도, 내마모성, 고온 피로수명이 모두 우수하였다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 고온 이물환경하에서 우수한 기계적특성을 갖는 베어링강이 제공됨에 따라, 자동차 변속기의 베어링과 같이 대응하는 조건에서 사용될 고성능의 베어링이 제조될 수 있어, 장시간 사용 등의 다대한 효과가 발휘될 수 있다.

Claims

중량%로, C:0.4∼0.6%, Mn:1.5∼2.5%, Cr:0.6∼1.4%, Si:0.5∼1.5%, Al:0.01∼0.05%, N:0.025∼0.05%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한 베어링강.
중량%로, C:0.4∼0.6%, Mn:1.5∼2.5%, Cr:0.6∼1.4%, Si:0.5∼1.5%, Al:0.01∼0.05%, N:0.025∼0.05%, P:0.02%이하, S:0.02%이하, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe로 이루어지는 베어링강을 제조하고, 920∼950℃의 온도범위에서 침탄질화 열처리하며, 830∼860℃ 범위로 가열하여 2차 담금질 열처리하는 것을 특징으로 하는 고온 피로수명 및 내마모성이 우수한 베어링강의 제조방법.