KR20030070316A - 고기능성 베어링강의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 우수한 내구성을 필요로 하는 베어링강을 새로운 열처리방법과 합금성분을 설계하여 기존의 베어링강보다 원가를 절감하면서도 기능성이 향상된 제품을 만드는 방법에 대하여 연구하였다.

그 동안 대형 및 소형으로 사용되고 있는 베어링의 수명이 다할 경우 자주 교체되면서도 고가의 베어링을 항상 준비하여야 하고, 제조나 열처리 과정에서 C성분의 변동을 맞추기 어려워 많은 불량률을 발생시켜왔다. 이러한 문제는 산업현장에서는 일단 공장작업을 중지하여야 하므로 많은 경제적인 손실을 가져오게 된다. 따라서 최근 자동차 부품을 시작으로 기계부품의 경량화, 내구성 및 고강도와 고인성을 만족시키는 강재의 설계가 다량으로 이루어지고 있다. 더욱이 최근 논의되고 있는 소입베이나이트계 비조질강은 인성과 함께 C성분이 낮아서 용접성도 개선할 수 있어 고강도, 고인성의 기계부품용 재료로서 큰 관심을 받고 있다.

본 연구에서는 기존의 소입, 소려의 조질강과 동등이상의 물성을 얻을 수 있는 직접 소입용 저탄소 하부베이나이트계 비조질강의 제조기술을 제공한다.

Description

고기능성 베어링강의 제조 방법{Method for producing of high function bearing steel}

본 발명은 우수한 내구성, 고강도, 고인성의 작용을 지닌 베어링강을 제조하는 것으로 기존의 이와 관련된 베어링강의 제조기술을 보면 우선 합금의 설계를 한 뒤 소입(담금질), 소려(뜨임) 라는 장시간(6∼10hr)의 열처리과정을 거쳐서 만들어지는데 이 방법은 산업현장의 특성상 시간과 인력이 많이 소모되게 되고 또 그 과정에서 탈탄현상이 발생하여 제품의 성능까지 떨어지는 비경제적인 방법에 속한다.

따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 합금의 설계→열처리방법의 개선(시간단축, 탈탄방지, 강도와 인성 개선)을 통하여 경제성이 우수한 새로운 품질의 베어링강의 설계와 제조기술을 확립하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출한 것으로 기존의 합금설계와 차이점은 아래의 표(table)에서 볼 수 있는 바와 같이 C%가 다르다는 것이다. 이것은 금속학적인 측면에서 볼 때 대단히 중요한 사안으로서 C%가 낮다는 것은 가공성, 용접성, 인성이 좋다는 것을 의미하며 제품에

Table 1. Chemical composition. (wt%, aim)

서 C%의 조절도 용이하다는 것을 의미한다. 그러나 탄소함량(C%)이 적다는 것은 강도가 현저하게 떨어지는 문제점이 있으므로 소입(Quenching, 급냉법)을 하고(조건설정), 경제성이 좋도록 비조질(열처리과정을 생략한 것)처리를 하며 이러한 처리만으로도 기존제품과 기계적인 성질이 동등이상의 특성을 갖도록 제조조건을 확립하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 과정으로 소입 하부베이나이트계 베어링강을 제조한다.

(1) 소재의 제조

본 개발강의 화학성분은 저탄소 Bainite계 비조질강 B1∼B4로 표기한 조성으로 합금원소를 조성하였으며, 소재의 제조는 50kg급 진공유도용해로(VIM : Vacuum Induction Melting)에서 용해하였다. 용해는 전해철을 초기 장입(42kg-합금철 중량)하여 용락시킨 후 일반 합금철을 먼저 용해하고 일정온도에 도달하면 C-Al-V-Ti순으로 탈산 및 탈질화 처리하여 ingot(시편)를 제조하였다. 출탕을 할 때 용탕의온도는 1,600℃이며 진공도는 10^-2mmHg였으며. 성분의 Spec. 및 분석치를 표 3에 나타내었다. 이렇게 얻은 각주형 ingot를 아래와 같이 2종류로 열간단조하여 공시재로 사용하였다.

VIM(50kg)용해→ 전면 절단(□160×35mm)→ 가열(1,200℃→60min)→ 공시재 단조(32mm) → 절단(300mm)→ 가열(1,200℃×30min)→ 냉각(공냉)→시편가공(인장, 충격, 경도)

VIM(50kg)용해→ 4등분 절단(□70×60mm)→ 가열(1,200℃×60min)→ 공시재 단조(32mm) → 시편가공

(2) 기초 품질평가

본 개발강의 기초 품질평가를 위해 공시재를 사용하여 Check 성분치, Gas 분석치 및 비금속개재물 함량을 조사하였다.

(3) 열처리 및 기계적 성질 시험

열간단조 할 때 가열온도 및 냉각속도에 따른 기계적 성질을 조사하기 위해 공시재를 1,200℃로 열처리한 후 공냉하여 기계적 성질에 알아보았다.

열처리된 시편의 기계적 성질을 조사하기 위하여 공시재의 중심부에서 시험편을 채취하여 인장시험, 충격시험 및 단면경도 실험을 상온에서 실시하였다.

① 인장시험은 평행부 직경 14mm, 표점거리 50mm의 KS 4호 시험편을 25Ton 용량의 INSTRON 8502를 사용하여 2회 측정하여 평균하였다.

② 충격시험은 2mm U-notch의 KS 3호 시험편을 30kg Charpy 시험기를 이용하여 3회 측정 후 평균값을 구하였다.

③ 경도시험은 열처리된 시편의 중심부에서 표면까지 4mm간격으로 시편 당13회 측정한 값 중 최대 및 최소값을 제외한 나머지 값의 평균값으로 하였다.

(4) 미세조직 관찰

미세조직은 열처리조건 및 냉각속도 조건의 시편에 대해 시편의 단면을 절단, 연마하여 HF로 부식시킨 후 금속광학현미경을 이용하여 100배와 400배의 배율로 관찰하였다.

(5) 냉각속도에 따른 충격시험

본 개발강 Steel B1에 대해 냉각속도 변화에 따른 인성의 변화를 알아보기 위하여 Gleeble 1500을 이용 그림 1과 같은 Gleeble용 충격시편을 가공하여, 1,200℃로 가열한 후 냉각속도를 B1은 0.5, 1, 3, 5, 10, 15, 20, 25℃/sec로 달리하여 냉각시킨 다음 2mm U-notch의 KS 3호 시험편으로 최종 가공하여 Charpy 충격시험을 행하였다.

Fig. 1. Specimen shape and size for heat treatment using Gleeble 1500before Charpy impact test.

Fig. 2. Specimen shape and size for continuous cooling transformation test.

(6) 연속냉각변태(CCT) 시험

본 소재는 단조직 후 냉각속도에 따라 소재특성 및 조직의 변화가 크게 달라지므로 1,200℃에서 냉각할 때 냉각속도에 의한 변태개시 온도와 변태생성물을 조사하는 것은 본 소재의 특성을 파악하는데 매우 중요한 자료가 된다. 시편은 그림 2와같이 직경 10mm, 길이 120mm의 열팽창 시험용 시편으로 가공한 후 열간가공성 재현시험기인 Gleeble 1500을 이용하여 1,200℃로 가열 후 7가지의 냉각속도로 연속냉각변태시험을 행하였으며, 이 실험으로 얻은 변태개시 및 완료 온도를 측정하고 미세조직과 경도를 측정하여 연속냉각변태곡선을 작성하였다. 연속냉각변태시험의 시험조건은 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Experimental condition of continuous cooling transformation test.

(7) 실험결과

가. 기초 품질평가

본 개발강의 기초 품질평가를 위해 공시재를 사용하여 check 성분치, gas 분석치 및 비금속개재물 함량을 조사하여 각각 표3∼표5에 나타내었다.

Table 3. Chemical composition of tested steel. (wt%)

Table 4. The result of gas analysis of tested steel.

Table 5. The non-metallic inclusion of tested steel.

나. 열처리 및 기계적 성질

표 6은 1,200℃에서 열처리한 후 공냉한 B1의 기계적 성질을 나타낸 것으로 T.S.은 목표값 보다 높으나 Y.S., EL은 미달되는 것으로 나타났다.

Table 6. The Mechanical properties of tested steel.

사진 1의 광학현미경 조직사진 관찰결과 B1은 Bainite위주의 조직이라는 것을 알 수 있었다.

다. 냉각속도에 따른 인성 및 경도 변화

그림 3과 4는 냉각속도 변화에 따른 B1의 인성 및 경도변화를 나타낸 그래프이다. 본 소재의 경우 조직이 하부베이나이트계(베이나이트+마르텐사이트) 조직으로 커다란 인성 및 경도의 변화는 없었으나 15, 20℃/sec 냉각속도에서 충격치 및경도값이 가장 높음을 알 수 있었다.

Fig. 3. The change of toughness per cooling rate.

Fig. 4. The change of hardness per cooling rate.

본 발명온 상기한 바와 같이 우수한 내구성, 고강도, 고인성, 내충격성등의 기계적성질과 경제성이 우수한 제품을 기존의 설비로 손쉽게 현장에서 제조, 응용할 수 있기 때문에 제조원가의 절감과 경제적인 이익을 베어링강의 제조업체에 제공하게 되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 베어링강의 제조 방법에 있어서 C% 성분의 혼합설계를 C% 0.10%로 낮추게 됨에도 불구하고 기존의 제품과 동등이상의 강도를 유지하는 혼합비율
2. 제 1항에 의해 설계된 원자재 성분을 소입하부베이나이트계 조직이 되도록 처리하여 기계적성질과 경제성이 우수한 베어링강의 재료를 개발하는 공정