KR20110010195A

KR20110010195A - 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법

Info

Publication number: KR20110010195A
Application number: KR1020090067630A
Authority: KR
Inventors: 김관호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2011-02-01

Abstract

본 발명은 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법에 관한 것으로서, 높은 탄소량과 크롬량으로 인하여 베어링강 주편 내부에 존재하기 쉬운 거대탄화물을 용해하여 베어링의 피로수명을 현저히 향상시킬 수 있는 균열확산처리 방법을 제공하는 것이다. 상세하게는 중량%로, C: 0.95~1.05%, Si: 0.35~1.0%, Mn: 0.45~1.0%, Cr: 1.30~1.60%, P 와 S를 각각 0.025중량% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 압연전에 1190~1250℃의 범위로 재가열하여 1시간 이상 유지하는 것이다.

균열확산처리, 편석, 거대탄화물, 고탄소, 고크롬, 베어링강

Description

고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법{SOAKING METHOD OF HIGH CARBON AND CHROMIUM BEARING STEEL}

본 발명은 고탄소 고크롬 베어링강의 균열확산처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링강용 주편 내부에 존재하기 쉬운 거대탄화물을 제거하여 베어링의 피로수명을 현저히 향상시킬 수 있는 균열확산처리 방법에 관한 것이다.

베어링은 회전하고 있는 기계의 축을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 역할을 한다. 회전하는 기계는 단위시간당 많은 회전을 하고, 그에 따라 회전하는 축을 지지하는 베어링에는 반복하중이 회전수에 비례하여 전달된다. 베어링은 반복하중을 전달받기 때문에 반복하중에 따른 피로파괴에 대한 저항성 및 내마모성이 우수해야 한다.

베어링강의 연속주조시 주편의 중심부에 발생하는 중심편석은 베어링강의 기계적 성질에 큰 영향을 미친다.

일반적으로 약 1.0 중량%의 탄소와 1.4 중량%의 크롬을 함유한 고탄소 고크롬 베어링강은 전로에서 제강 후 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속개재물의 양을 저감시키며, 진공탈가스(RH) 공정을 거쳐 산소 함량(T.[O])을 12 ppm까지 낮춘 상태에서 정련하며, 이후 연속주조 후 주편(Bloom) 중심부에 존재하는 편석을 제거하기 위해 균열확산처리(Soaking)를 실시하고 빌레트로 압연된다.

그 후 선재압연공장에서 소재를 연화시켜주기 위하여 극서냉 조업을 실시하여 베어링강 선재로 생산되며, 생산된 소재는 신선 및 구상화 열처리, 냉간압조와 연삭을 거쳐 베어링의 전동체인 볼로 가공되고, 소입(Quenching)공정, 소려 (Tempering)공정 및 연마공정을 거친다.

상기와 같이 연주공정을 통해 생산된 베어링강은 잉곳 주조(Ingot Casting)된 강에 비해 소재 중심부에 편석 및 초석 세멘타이트, 즉, 거대탄화물이 용이하게 생성되어 피로시험중이나 실제 사용 중에 이를 기점으로 하는 크랙(Crack)이 빈번하게 발생한다.

종래부터 상기 탄소 편석의 문제를 해결하기 위하여 여러가지 대안이 제시되어 왔다. 그 중 하나는 연속주조시 용강의 과열도를 20℃ 이하로 조절하고 주조속도를 약 0.63 m/min으로 제어하여 주편에 형성되는 등축정 비율을 높여 편석을 감 소시키거나, 선재 제조시 강제 송풍 냉각구역에서 냉각속도를 조절하여 선재 중심부에서 생성되는 초석 세멘타이트의 양을 감소시키고, 펄라이트의 층상간격을 작게 하여 소재 품질을 개선시키는 방법이 있다.

또한, 일본 특허공개공보 제1996-132205호에서는 수직형 연주기에서 조업시 10~100mm의 경압하를 실시하여 베어링강용 주편의 편석을 감소시킬 수 있는 방법이 제안되었으며, 일본 특허공개공보 제1996-090186호에서는 편석을 제어하기 위해 응고부분에 롤을 설치하여 경압하 하였다. 상기와 같이 설비에 의해 편석을 제어하고자 하는 기술이 다수 제안되었다.

그러나, 이러한 종래의 기술을 이용할 경우에는 편석을 일정 수준까지는 저감시킬 수 있지만 한계가 있었다. 거대 탄화물이 일정 수준 잔류하는 등의 문제는 여전히 해결되지 않았었다.

이러한 기술적 한계를 해결하는 방법으로서 균열확산처리하는 방법이 대두되었는데, 상기 균열확산처리라 함은 탄소의 확산이 용이하게 일어날 정도의 온도로 주편을 가열함으로써 탄소의 농도를 주편 전부위에 걸쳐 균일하게 하는 열처리를 말한다.

상기와 같은 고온 열처리 방법에 착안하여 일본 특허공개공보 제1995-299550 호에서는 1150~1250℃에서 2~5시간 동안 유지하여 거대탄화물을 제거하는 기술이 제시되었고, 일본 특허공개공보 제2006-016683호에서는 P 함량이 0.002~0.009 중량%인 강을 사용하여 1150~1260℃에서 2시간 미만으로 유지하는 기술이 제시되었다.

그러나 거대탄화물을 고도로 억제하기 위해 연주주편을 탄화물의 창출온도인 약 1150℃ 이상에서 수시간~수십시간 동안 유지하는 것은 에너지 소모가 너무 크고 가열 유지 중에 주편의 표층에서 탈탄이 과도하게 진행되어 이후 강편을 압연하기 전에 핫스카핑(Hot Scarfing)할 필요가 생기고 이로 인해 실수율도 떨어지게 된다.

또한, 종래 이러한 균열확산열처리에 대한 바람직한 방법이 몇몇 제안되기는 하였으나, 상기와 같은 균열확산처리 조건은 강 중 존재하는 합금성분계에 따라 그 적용이 달라져야 할 것으로서 이에 대한 적합한 연구가 필요하다.

본 발명은 주편을 압연하기 전 고온에서 균열확산처리를 하여 거대탄화물을 제거함으로써, 베어링강의 피로수명을 현저히 개선할 수 있는 고탄소 크롬 베이링강의 균열확산처리 방법을 제공한다.

본 발명의 일구현례로서, 균열확산처리 방법은 베어링강의 주편 내부에 형성된 거대탄화물을 제거하는 균열확산처리 방법에 있어서, 중량%로, C: 0.95~1.05%, Si: 0.35~1.0%, Mn: 0.45~1.0%, Cr: 1.30~1.60%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 압연전에 1190~1200℃의 범위로 재가열하여 1.5시간 이상 유지하는 것이다. 상기 주편은 불순물로서 P 와 S를 각각 0.025중량% 이하로 포함할 수 있다. 또한, 상기 균열확산처리는 6시간 이하 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 일구현례로서, 균열확산처리 방법은 베어링강의 주편 내부에 형성된 거대탄화물을 제거하는 균열확산처리 방법에 있어서, 중량%로, C: 0.95~1.05%, Si: 0.35~1.0%, Mn: 0.45~1.0%, Cr: 1.30~1.60%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 압연전에 1210~1250℃의 범위로 재가열하여 1시간 이상 유지하는 것이다. 상기 주편은 불순물로서 P 와 S를 각각 0.025중량% 이하로 포함할 수 있다. 또한, 상기 균열확산처리는 6시간 이하 실시하는 것이 바람직 하다.

본 발명은 균열확산처리에 적합한 고탄소 크롬 베어링강의 성분 및 조성범위를 도출하고 상기 성분 및 조성범위를 갖는 주편을 일정조건하에서 균열확산처리하여 주편 내부에 존재하는 거대탄화물을 용해시켜 베어링강의 피로수명을 현저히 향상시킬 수 있다.

본 발명은 주편 내부에 생성되는 거대탄화물을 제거하기 위하여 주편을 압연 전 1190~1200℃에서 1.5시간 이상 및 1210~1250℃에서 1시간 이상 유지시켜서 주편 내부에 생성된 거대탄화물을 용해시킬 수 있는 방법을 제공한다.

(성분계)

C : 0.95~1.05중량%

탄소는 베어링의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소이다. 만일 탄소의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로 탄소의 함량은 0.95중량% 이상인 것이 바람직하다. 반면에, 탄소 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 수 있으므로 상기 탄소 함량의 상한은 1.05 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

Si : 0.35~1.0중량%

규소의 함량이 낮을 경우 경화능이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로 0.35중량% 초과하여 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 규소의 함량이 너무 높을 경우에는 탈탄과 가공성 문제 뿐만 아니라 열간압연 후 구상화공정에서 세멘타이트 입자의 구상화가 미흡해지기 때문에 상기 규소의 함량은 1.0중량%(미만)를 상한으로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.45~1.0중량%

망간은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소이다. 따라서, 상기 Mn은 0.45중량% 이상 함유되는 것이 바람직하다. 다만, 망간의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어지고 중심편석이 증가하기 때문에 상기 망간의 함량은 1.0중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

Cr : 1.30~1.60중량%

크롬은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 1.30중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 크롬의 함량이 과다하면 그 효과가 포화하기 때문에 상기 크롬의 함량은 1.60중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

P : 0.025중량% 이하

인은 결정입계에 편석되어 강재의 인성을 저하시키는 원소이다. 따라서, 그 함량을 적극적으로 제한하는 것이 보다 바람직하다. 따라서, 제강과정 등의 부하를 고려할 때 상기 인의 함량은 0.025중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

S : 0.025중량% 이하

황은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라 망간과 결합하여 유화물을 형성함으로써 피로수명을 저하시키므로 제강과정 등의 부하를 고려할 때에는 상기 황의 함량은 0.025중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

(균열확산처리방법)

현재까지 상기와 같은 새로운 성분계에 대한 균열확산처리 방법은 제안되어 있지 않은 실정이다. 본 발명에서와 같이 망간과 규소의 함량이 높은 경우에는 연주시 망간과 규소의 편석이 더욱 심화되고, 이로인해 거대탄화물의 생성이 더욱 촉진되어 그 크기가 거대화되고 그 양도 많아지게 된다. 따라서, 많은 양의 거대탄화물을 제거하기 위해서는 기존의 강에 비하여 고온 및 장시간의 균열확산처리가 필요하며 이에 따라 이하에서와 같이 상기 성분계에 대한 균열확산처리 방법을 제안하고자 한다. 균열확산처리는 처리온도와 처리시간이 중요한 조건이므로 이에 대하 여 설명한다.

1. 균열확산처리 온도

본 발명에서 제안하는 성분계로 탄소가 용이하게 확산할 수 있도록 하기 위해서는 균열확산처리 온도는 1190℃ 이상으로 한정하는 것이 바람직하다. 균열확산처리 온도가 낮을 경우에는 주편의 중심에 위치하는 거대 탄화물이 완전히 용해 및 확산되기 어려우므로 바람직하지 않다. 반면에, 균열확산처리 온도가 너무 높을 경우에는 에너지가 불필요하게 소모될 뿐만 아니라, 주편 표면에서 탈탄이 일어나게 되고 탈탄이 일어난 부분은 경도가 부족하여 베어링으로 사용하기에 곤란하므로 이러한 부분을 제거하는 핫스카핑 작업이 필요하여 공정상 부하가 걸리고 소재의 손실이 발생하는 등의 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 균열확산처리 온도의 상한은 1250℃로 한정하는 것이 바람직하다.

2. 균열확산처리 시간

처리시간 역시 편석된 성분의 확산에 크게 영향을 미치는 인자이다. 충분한 확산을 유도하기 위해서는 균열확산처리 온도범위가 1210~1250℃인 경우에는 1시간이상 유지하는 것이 바람직하다. 다만, 균열확산처리 온도범위가 1190~1210℃인 경우에는 균열확산처리 온도가 낮아 1.5시간이상 유지하는 것이 바람직하다.

다만, 균열확산처리 시간을 길게하여도 균열확산처리 효율이 감소하는 것은 아니므로 균열확산처리 시간의 상한은 특별히 정할 필요가 없다. 다만, 소재의 탈탄과 처리 비용 등을 고려할 경우에는 상기 균열확산처리 시간의 상한은 6시간으로 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부하는 도면과 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

(실시예)

본 실시예에 사용된 베어링강 주편은 기존 범용강인 SUJ2강에 Si 및 Mn 함량만을 변화시킨 것으로서 이의 화학조성은 하기 표1에 나타내었다.

구분	C(중량%)	Si(중량%)	Mn(중량%)	P(중량%)	S(중량%)	Cr(중량%)
강종1	1.00	0.90	0.85	0.010	0.012	1.47

주편에 존재하는 거대탄화물을 제거하기 위하여 상기 표1의 베어링강 주편을 하기 표2의 조건으로 가열 및 유지하여 균열확산처리를 하였다. 균열확산처리시 온도를 1190℃, 1200℃, 1210℃, 1225℃, 1240℃ 및 1250℃로 변화시키면서 실시하였고, 각 온도별로 0.5시간, 1시간, 1.5시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간 및 6시간 동안 유지하였다.

상기와 같이 균열확산처리된 주편의 단면을 관찰하여 거대탄화물이 완전히 제거되었는지 여부를 평가하고 그 결과를 하기 표2에 나타내었다. 하기 표 2에서 × 표시한 것은 거대탄화물이 완전히 제거되지 못하여 잔존하고 있는 경우를 의미하고, ○표시한 경우는 미세 탄화물이 극소량 존재하거나 탄화물이 완전히 제거된 경우를 의미한다.

구분	1190℃	1200℃	1210℃	1225℃	1240℃	1250℃
0.5시간	×	×	×	×	×	×
1시간	×	×	○	○	○	○
1.5시간	○	○	○	○	○	○
2시간	○	○	○	○	○	○
3시간	○	○	○	○	○	○
4시간	○	○	○	○	○	○
5시간	○	○	○	○	○	○
6시간	○	○	○	○	○	○

강종1은 본 발명이 제어하고자 하는 성분계 및 조성범위를 만족하는 주편이며, 본 발명에서 제어하는 가열온도 및 가열시간에 따라 유사하게 거대탄화물이 용해되었다.

상기 표 2에서 볼 수 있듯이 0.5시간 균열확산처리한 경우에는 그 온도에 상관없이 탄화물을 완전히 제거할 수 없음을 알 수 있었다. 그러나, 1.5시간 균열확산처리를 한 경우에는 열처리 온도가 1190℃ 및 1200℃인 경우에는 거대 탄화물이 다소 잔존하여 완전한 균열확산처리 효과를 얻을 수는 없었으나 나머지 온도에서는 미세 탄화물이 약간 잔존하고 있을 뿐 거대 탄화물은 거의 존재하지 않아 충분한 균열확산처리 효과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 균열확산처리 시간이 1.5시간을 경과하면서부터는 1190℃ 이상의 온도에서는 거대 탄화물이 모두 제거되었음을 확인할 수 있었다.

상기 결과로부터 거대탄화물을 제거할 수 있는 바람직한 균열확산처리 조건은 1190~1200℃에서 1.5시간 이상, 또는 1210~1250℃에서 1시간 이상임을 알 수 있다.

강종1의 균열확산처리전의 미세조직사진을 도1에 나타내었으며, 도1을 통하여 거대탄화물이 중심부에 생성되어있음을 알 수 있다. 도2 및 3은 강종1을 각각 가열온도 1200℃와 1225℃에서 0.5 시간 동안 유지하였을 때 거대탄화물이 완전히 용해되지 않고 결정립계에 흰색의 상으로 잔존하고 있음을 보여주고 있다. 반면에, 도4 및 5는 강종1을 각각 가열온도 1200℃에서 1.5 시간, 1225℃에서 1 시간 동안 균열확산처리한 결과를 보여주는 것으로서, 거대탄화물이 완전히 용해되었음을 확인할 수 있다.

도1은 거대탄화물이 중심부에 생성되어 있는 균열확산처리전의 베어링강 주편의 미세조직사진;

도2는 본 발명의 범위를 벗어나는 균열확산처리조건으로 확산처리되어 거대탄화물이 잔존하고 있는 베어링강 주편의 미세조직 사진으로서, 1200℃-0.5시간 균열확산처리한 것을 나타낸 것;

도3은 본 발명의 범위를 벗어나는 균열확산처리조건으로 확산처리되어 거대탄화물이 잔존하고 있는 베어링강 주편의 미세조직 사진으로서, 1225℃-0.5시간 균열확산처리한 것을 나타낸 것;

도4는 본 발명에 부합되는 균열확산처리조건으로 확산처리되어 거대탄화물이 완전히 용해되어 있는 베어링강 주편의 미세조직 사진으로서 1200℃-1.5시간 균열확산처리한 것을 나타낸 것; 및

도5는 본 발명에 부합되는 균열확산처리조건으로 확산처리되어 거대탄화물이 완전히 용해되어 있는 베어링강 주편의 미세조직 사진으로서 1225℃-1시간 균열확산처리한 것을 나타낸 것.

Claims

베어링강의 주편 내부에 형성된 거대탄화물을 제거하는 균열확산처리 방법에 있어서, 중량%로, C: 0.95~1.05%, Si: 0.35~1.0%, Mn: 0.45~1.0%, Cr: 1.30~1.60%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 압연전에 1190~1200℃의 범위로 재가열하여 1.5시간 이상 유지하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 주편은 P 와 S를 각각 0.025중량% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 균열확산처리는 6시간 이하 실시하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.
베어링강의 주편 내부에 형성된 거대탄화물을 제거하는 균열확산처리 방법에 있어서, 중량%로, C: 0.95~1.05%, Si: 0.35~1.0%, Mn: 0.45~1.0%, Cr: 1.30~1.60%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 주편을 압연전에 1210~1250℃의 범위로 재가열하여 1시간 이상 유지하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.
제4항에 있어서, 상기 주편은 P 와 S를 각각 0.025중량% 이하로 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.
제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 균열확산처리는 6시간 이하 실시하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 균열확산처리 방법.