KR20040059179A - 고온에서 내마모성이 우수한 베어링강의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온에서 사용되는 베어링강의 열처리 방법에 관한 것이다.

이 열처리 방법은 침탄질화열처리한 다음 담금질하고, 2차 담금질한 후, 템퍼링하는 것을 포함하여 이루어지는 베어링강의 제조방법에 있어서, 상기 2차 담금질 열처리 온도를 830~860℃로 하고, 2차 담금질 열처리 분위기를 탄소 포텐셜: 0.9~1.1% 및 NH₃가스: 2~5부피%로 하며, 상기 템퍼링 온도를 160~180℃로 행하는 것을 포함하여 이루어진다.

이 열처리 방법은 침탄질화, 2차 담금질 및 템퍼링 온도의 변화를 통하여 석출물을 다량으로 석출시켜 소재의 표면 경도를 향상시킴으로써, 표면경도를 1차적으로 증가시키고 뜨임시 온도를 변경하여 기지조직을 강화시킴으로써 2차적으로 표면 경도를 증가시킬 수 있다. 상기 효과는 고온에서 내마모성 및 경도의 향상을 가져온다.

Description

고온에서 내마모성이 우수한 베어링강의 열처리 방법{Method for heat treatment bearing steel having excellent abrasion resistance at high temperature}

본 발명은 고온에서 사용되는 베어링강의 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 침탄질화, 2차 담금질 및 템퍼링 온도의 제어를 통하여 석출물을 다량으로 석출시킴으로써, 고온에서 내마모성 및 경도를 향상시킨 베어링강의 열처리 방법에 관한 것이다.

침탄 부품은 대부분 0.2중량% 전후의 탄소에 Mn, Cr, Ni, Mo 등 합금원소를 약간 함유한 저탄소 저합금강을 침탄열처리하여 표면에 높은 경도(Hv 650~730)를 유지하고 중심부 일수록 경도를 낮게 하여 파단에 대한 인성을 높여 사용하여 왔다. 그러나, 이러한 부품들은 고온에서 사용할 경우에는 소재가 연화가 되어 경도가 저하되어 마모가 빨라져 조기 파손이 발생되는 경우가 빈번히 발생되고 있다. 일반적으로 사용되는 침탄부품의 피로수명은 잔류 오스테나이트가 응력집중을 줄이는 효과를 가지기 때문에 잔류 오스테나이트를 증가시킴으로써 증가된다.

이를 실현하기 위해 베어링의 담금질 전 침탄 또는 침탄질화 등을 통해 마르텐사이트 변태온도를 크게 강하시는 탄소(C)나 질소(N)를 표면부에 증가시키는 것이다. 종래 침탄강을 사용한 자동차, 산업기계용 침탄 베어링들도 근래에는 많은 경우 이물 저항성 향상을 위해 열처리 공정을 개발하여 잔류 오스테나이트 양을 종래 수준(15~20부피%)보다 높여 제조하고 있다. 그러나, 이와 같은 베어링은 고온에서 연화되어 피로수명이 감소되는 문제점이 있다.

한편, 베어링의 궤도 표면에 잔류 오스테나이트 양이 증가되면 이물저항성은 향상되지만 고온에서 마르텐사이트로 분해되어 피로수명이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 침탄질화, 2차 담금질 및 템퍼링 온도의 제어를 통하여 석출물을 다량으로 석출시킴으로써, 베어링강의 고온에서의 내마모성 및 경도를 향상시키는데, 그 목적이 있다.

도 1은 비교재 및 발명재의 고온 마모시험 결과를 나타내는 그래프

도 2는 비교재 및 발명재의 온도별 경도시험 결과를 나타내는 그래프

도 3은 비교재 및 발명재의 미세탄화물 개수를 비교한 그래프

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 침탄질화열처리한 다음 담금질하고, 2차 담금질한 후, 템퍼링하는 것을 포함하여 이루어지는 베어링강의 제조방법에 있어서, 상기 2차 담금질 열처리 온도를 830~860℃로 하고, 2차 담금질 열처리 분위기를 탄소 포텐셜: 0.9~1.1% 및 NH₃가스: 2~5부피%로 하며, 상기 템퍼링 온도를 160~180℃로 행하는 것을 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 열처리시 2차 담금질 열처리 온도 및 로 분위기를 변경하여 각각 탄화물을 다량으로 생성시켜 미세 탄화물 생성에 의해 경도를 상승시키고, 또한 최종 열처리시 템퍼링 온도를 변경하여 기지 조직인 템퍼드 마르텐사이트를 강하게 하여 경도를 상승시킨다. 또한, 이러한 효과에 의해 탄화물들이 고온에서 안정화됨으로써 고온 경도 및 내마모성도 동시에 향상시키는 것이 가능하다.

하기 표 1은 기존 열처리 방법과 본 발명에 도입된 열처리 방법을 비교한 것으로, 본 발명의 경우 2차 담금질시 가열 온도를 기존의 860~880℃에서 830~860℃로 변경하였다. 상기 2차 담금질은 석출물 양을 조정하여 경도를 상승시키기 위한 것이다. 여기서 가열온도를 860℃로 상한을 둔 것은 860℃를 초과하면 탄화물들이 고용되어 석출물이 작아져 경도 증가의 효과가 없기 때문이며, 830℃ 미만이면 온도저하에 따라 석출되는 양이 적기 때문이다. 또한, 2차 담금질시 로의 분위기를 종래의 탄소 포텐셜 0.6~1.0%에서 탄소 포텐셜 0.9~1.1% 및 NH₃가스 2-5부피%로 변화시켜 소재의 표면에 잔류 오스테나이트 양을 높이고 탄화물을 다량 석출시켜 경도도 높여준다.

여기서 2차 담금질 열처리 분위기의 탄소 포텐셜이 0.9% 미만이 되면 표면에 탄소량이 작아져 경도가 낮아지며, 1.1%를 초과하면 Cr과 결합하여 대형 탄화물이 발생하여 조기파손의 염려가 있다. 따라서, 상기 2차 담금질 열처리 분위기의 탄소 포텐셜은 0.9~1.1%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 2차 담금질 열처리 분위기의 NH₃가스가 2부피% 미만이면 생성되는 잔류 오스테나이트 양이 적어 피로수명의 향상에 득을 주지 못하며, 5부피%를 초과하면 표면에 생성되는 잔류 오스테나이트 양이 너무 많아 경도가 저하되어 내마모성이 저하되므로, 상기 2차 담금질 열처리 분위기의 NH₃가스는 2~5부피%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 템퍼링 열처리시 기존의 180~220℃에서 160~180℃로 변경하였다. 여기서 가열온도를 180℃로 상한을 둔 것은 180℃를 초과하면 기지조직인 템퍼드 마르텐사이트가 연화되어 강도저하가 발생되며, 160℃ 미만이면 조직이 너무 강화되어 인성이 감소하므로, 상기 템퍼링 온도는 180~220℃로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

본 발명에 사용된 소재의 성분은 하기 표 2와 같다.

하기 표 2와 같이 조성되는 강재를 침탄질화 열처리하고, 탄소 포텐셜 0.9~1.1%, NH₃가스 2~5부피%인 분위기로 830~860℃에서 2차 담금질한 후, 160~180℃로 템퍼링하였다.

상기와 같이 제조된 발명재와 비교재(기존의 침탄강)를 고온인 80℃에서 마모시험하였으며, 그 결과는 도 1과 같다.

또한, 발명재와 비교재(기존의 침탄강)을 템퍼링 온도에 따라 표면경도를 측정하였으며, 그 결과는 도 2와 같다.

도 1은 비교재(기존의 침탄강)과 발명재를 고온인 80℃에서 마모시험한 결과로, 발명재는 비교재에 비해 향상된 내마모성을 나타내었다.

도 2는 비교재(기존의 침탄강) 및 발명재의 템퍼링 온도에 따른 표면경도를 측정한 것으로, 발명재는 뜨임저항성, 즉 내열강성이 비교재에 비해 우수함을 알 수 있다.

도 3은 비교재와 발명재의 탄질화물 크기와 개수를 비교한 것으로, 발명재의 경우 비교재에 비해 미세 탄화물들이 다량으로 석출되어 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 침탄질화, 2차 담금질 및 템퍼링 온도의 변화를 통하여 석출물을 다량으로 석출시켜 소재의 표면 경도를 향상시킴으로써, 표면경도를 1차적으로 증가시키고 뜨임시 온도를 변경하여 기지조직을 강화시킴으로써 2차적으로 표면 경도를 증가시킬 수 있다. 상기 효과는 고온에서 내마모성 및 경도의 향상을 가져온다.

Claims (1)

1. 침탄질화열처리한 다음 담금질하고, 2차 담금질한 후, 템퍼링하는 것을 포함하여 이루어지는 베어링강의 제조방법에 있어서, 상기 2차 담금질 열처리 온도를 830~860℃로 하고, 2차 담금질 열처리 분위기를 탄소 포텐셜: 0.9~1.1% 및 NH₃가스: 2~5부피%로 하며, 상기 템퍼링 온도를 160~180℃로 행하는 것을 포함하여 이루어지는 고온에서 내마모성이 우수한 베어링강의 열처리 방법.