KR20120040913A

KR20120040913A - 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120040913A
Application number: KR1020100102427A
Authority: KR
Inventors: 이재승
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-10-20
Filing date: 2010-10-20
Publication date: 2012-04-30
Also published as: KR101262458B1

Abstract

본 발명은 자동차의 엔진, 변속기 및 바퀴, 철강기계의 압연 롤, 건설기계 등의 자동차 및 기계산업분야에 널리 사용되는 베어링용 강선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링용 강선재에 치환형 고용체인 실리콘을 첨가하여 가열과 냉각시 소재 내 밀도 변화를 최소화함으로써, 온도변화에 따른 소재의 열변형과 미세조직적 열화를 최소화한 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명의 강선재의 제조방법은, 중량 %로, C: 0.9~1.4%, Si: 1.5~3.0%, Mn: 0.3~0.7%, Cr: 0.8~1.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 원소를 포함하는 강선재를 850~900℃의 2상역 온도에서 1~3시간 구상화 열처리를 실시하는 단계; 상기 열처리된 강선재를 0.3℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계; 상기 냉각된 강선재를 830℃에서 1시간 이상 균질화 열처리를 실시하고 5~10℃/s의 냉각속도로 소입하는 단계; 상기 소입된 강선재를 300℃ 이하에서 1시간 이상 소려 처리하는 단계를 포함한다.

Description

열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재 및 그 제조방법{STEEL FOR BEARING HAVING EXCELLENT THERMAL DEFORMATION RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 자동차의 엔진, 변속기 및 바퀴, 철강기계의 압연 롤, 건설기계 등의 자동차 및 기계산업분야에 널리 사용되는 베어링용 강선재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 베어링용 강선재에 치환형 고용체인 실리콘을 첨가하여 가열과 냉각시 소재 내 밀도 변화를 최소화함으로써, 온도변화에 따른 소재의 열변형과 미세조직적 열화를 최소화한 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근들어 화석에너지의 효율성과 함께 에너지 사용으로 인해 발생하는 환경적 문제의 해결이 시급한 걸림돌로 대두되고 있다. 또한, 21C 신성장 동력으로 녹색사업이 각광 받기 시작하여, 자동차 및 기계산업에서는 소재의 경량화와 고효율화 등이 강하게 요구되고 있다.

베어링이란, 회전하고 있는 기계의 축을 일정한 위치에 고정시키고 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축의 회전을 돕는 기계요소로서, 상기의 자동차 및 기계산업분야에서 자동차의 엔진, 변속기 및 바퀴, 철강기계의 압연 롤등으로 널리 사용된다.

따라서, 베어링에는 기계의 하중을 지지하기 위하여 높은 강도 및 인성이 요구되며, 더불어 빠른 회전 운동이 가능하도록 높은 치수 정밀도와 함께 회전 중에 발생되는 열변형에 대한 저항성이 필요하다.

온도변화에 따라 상변태가 발생하지 않는 스테인레스을 제외한 대부분의 강선재는 저온에서 체심입방형(BCC) 구조인 페라이트 상으로 존재하고, A1 변태점 이상으로 가열되면 면심입방형(FCC) 구조인 오스테나이트 상으로 변태를 시작하게 된다. 이때, 상변태 온도 전후에서는 상변태로 인한 소재내의 결정구조가 변화되고 이에 따라 밀도변화가 수반되어, 이 온도영역에서 재료는 빠른 속도로 팽창하거나 수축하게 된다. 따라서, 가열과 냉각이 반복적으로 일어나는 사용환경하에서는 이로 인한 열변형으로 표면균열이 연속적으로 성장하게 되고, 결국 조기 절손에까지 이를 수 있다. 특히, 베어링과 같은 높은 치수 정밀도를 요구하고 사용 중 마찰로 인해 온도변화가 빈번하게 발생하는 제품에서는 이러한 문제들의 해결이 시급하며, 최근에는, 엔진의 고출력화나 주변부품의 소형화에 따라, 이러한 열변형의 문제가 더욱 중요해 지고 있다.

일반적으로 강도와 내열성이 함께 요구되는 경우에는 주로, Ni, Cr 등을 다량 첨가한 고가의 오스테나이트계 스테인리스강을 주로 사용해 왔지만, 이러한 오스테나이트계는 페라이트계에 비해 격자상수가 커서 베어링 사용 중 반복적으로 나타나는 팽창/수축(가열/냉각)의 열피로 환경속에서 불리할 수 밖에 없다.

또한, 기존의 페라이트계 베어링강은 200~400℃의 고온 환경하에서 사용시 탄화물의 조대화로 인하여 강도 저하 등이 발생되는 문제가 있다.

따라서, 열피로 환경속에서의 열변형과 탄화물 조대화로 인한 강도 저하문제가 모두 해결된 베어링강의 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로, 실리콘을 첨가하여 가열과 냉각시 소재 내 밀도 변화를 최소화하여 열변형과 미세조직적 열화를 최소화할 뿐만 아니라, 고용강화와 석출강화의 효과로 고온에서의 탄화물의 안정성이 확보 될 수 있는 열변형 저항성이 우수한 페라이트계 베어링용 강선재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 중량 %로, C: 0.9~1.4%, Si: 1.5~3.0%, Mn: 0.3~0.7%, Cr: 0.8~1.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 원소를 포함하고, 그 조직이 템퍼드 마르텐사이트 혹은 템퍼드 마르텐사이트와 구상화 세멘타이트의 2상으로 구성되는 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재를 제공한다.

상기 베어링용 강선재는 10mm 시험편의 가열 중 페라이트에서 오스테나이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 수축량이 0.0015mm이하인 것이 바람직하다.

상기 베어링용 강선재는 10mm 시험편의 냉각 중 오스테나이트에서 페라이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 팽창량이 0.0002mm이하인 것이 바람직하다.

또한, 이를 실현하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 강선재의 제조방법은,

중량 %로, C: 0.9~1.4%, Si: 1.5~3.0%, Mn: 0.3~0.7%, Cr: 0.8~1.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 원소를 포함하는 강선재를 850~900℃의 2상역 온도에서 1~3시간 구상화 열처리를 실시하는 단계; 상기 열처리된 강선재를 0.3℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계; 상기 냉각된 강선재를 830℃에서 1시간 이상 균질화 열처리를 실시하고 5~10℃/s의 냉각속도로 소입하는 단계; 상기 소입된 강선재를 300℃ 이하에서 1시간 이상 소려 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의한 베어링용 강선재의 제조방법에 따르면, 가열/냉각 시 상변태에 의한 열변형량을 최소화시킴으로써, 열변형으로 인한 균열 및 절손을 현저하게 줄일 수 있으며, 높은 치수 정밀도를 요구하는 부품에 사용가능한 효과가 있다. 또한, 고가의 합금원소를 사용하지 않고도, 강도 및 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재를 제조함으로써, 보다 경제적인 효과가 있다.

도 1의 (a)는 가열 시 Si첨가량에 따른 열변형량의 변화를 나타낸 그래프이며, 도 1의 (b)는 냉각 시 Si첨가량에 따른 열변형량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 2는 소려 온도에 따른 미세조직의 차이를 확인해 보기 위한 것으로, (a) 는 비교예 2와 실시예2를 각각 300℃에서 소려한 경우의 미세조직사진을 나타내며, (b)는 비교예 2와 실시예2를 각각 450℃에서 소려한 경우의 미세조직사진을 나타낸다.

본 발명은 베어링용 강선재에 관한 것으로서, 온도변화에 따른 소재의 열변형과 미세조직적 열화를 최소화하기 위하여, 실리콘을 첨가하여 가열과 냉각 시 소재 내 밀도 변화를 줄이고, 고용강화와 석출강화의 효과로 탄화물의 안정성이 확보되도록 한다.

이하, 본 발명을 강선재의 성분과 그 제조방법으로 구분하여 상세히 설명한다.

먼저 강선재 성분에 대해 설명한다. 아래 각 원소의 함량은 중량%를 나타낸다.

탄소 : 0.9~1.4%

탄소는 소재의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 상기 탄소의 함량이 0.9% 미만인 경우에는 강선재에 요구되는 최소강도를 확보할 수 없으며, 그 함량이 1.4%를 초과하는 경우에는 초석 세멘타이트의 억제가 불가능하여 소재의 연성이 현저하게 감소한다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.9~1.4%로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘 : 1.5~3.0%

실리콘은 대표적인 페라이트 형성 원소(Ferrite former)로 철원자에 비해 원자크기가 작아 상변태 시 열변형량을 최소화할 수 있다. 또한, 실리콘은 세멘타이트 내에 고용도가 거의 없으며, 재료내부의 탄소 원자의 활성(activity 혹은 chemical potential)을 크게 향상시키는 원소로서, 페라이트 상에만 선택적으로 농축되어 사용 중 세멘타이트의 고온 안정성을 향상시키는, 즉 성장속도를 크게 지연시키는 효과가 있다.

강도기여 측면에서 실리콘은 타 원소대비 높은 고용 강화 효과를 기대할 수 있기 때문에 고온 소려에 따른 조직 열화 및 강도저하를 최소화할 수 있다. 일반적으로 마르텐사이트 조직의 소려 시 모재내에 과포화된 탄화물은 석출하여 성장하게 되는데, 이때 실리콘은 이러한 탄화물의 성장속도를 낮추는 것으로도 알려져 있어 석출강화 측면에서도 큰 효과를 기대할 수 있다. Si의 함량이 1.5% 미만일때는 그 효과가 미약하고, 그 함량이 3.0%를 초과하는 경우에는 탄화물의 흑연화로 인해 효과가 사라진다. 따라서, Si의 함량은 1.5~3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간 : 0.3~0.7%

망간은 강선재 내에 존재할 경우 강선재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이다. 상기 Mn의 함량이 0.3% 미만인 경우에는 요구되는 충분한 강도 및 소입성을 얻기 어렵고, 0.7%를 초과하는 경우에는 인성이 저하된다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.3~0.7%로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬 : 0.8~1.5%

크롬은 흑연화, 템퍼 연화성 및 소입성을 확보하는데 유용한 원소로 Cr함량이 0.8% 미만인 경우에는 충분한 템퍼 연화성 및 소입성 등을 확보하기 어렵고 실리콘 첨가에 따른 흑연화를 억제하는 것이 어렵다. 또한, 1.5%를 초과하는 경우에는 변형저항성의 저하를 초래하여 오히려 강도저하로 이어질 수 있다. 따라서 상기 Cr의 함량은 0.8~1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명 강선재의 제조조건에 대하여 설명한다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 강선재에 대해 850~900℃의 2상역 온도에서 구상화 열처리를 실시한 후, 상기 구상화 열처리된 강선재를 냉각한다.

다음으로, 냉각된 강선재에 균질화 열처리를 실시한 후 소입하고, 소입된 강선재를 소려함으로서 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재가 제조된다.

본 발명의 제조방법에 사용되는 강선재는 통상의 방법으로 제조된다.

상기 구상화 열처리 시간은 소재의 충분한 성형성 확보를 위한 연화처리로서 1시간 이상으로 제한하는 것이 바람직하지만, 3시간 이상을 초과하게 되면 탄화물의 성장 조대화를 억제하는 것이 어려워지기 때문에 상기 구상화 열처리 시간은 1~3시간으로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 구상화 열처리 후 냉각 시 냉각속도는 0.30℃/s로 제한하는 것이 바람직하다. 좀 더 바람직하게는 0.05~0.3℃/s로 제한하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 0.05℃/s 미만인 경우에는 냉각속도가 느려 생산성 저하로 연결될 수 있고 0.3℃/s를 초과하는 경우에는 펄라이트 조직의 생성억제와 구상화 탄화물의 성장을 통해 경도를 저하시켜 원하는 수준의 성형성을 얻을 수 있는 효과를 기대하기 어렵다.

상기와 같이 냉각된 강선재를 830℃에서 1시간 이상 균질화 열처리를 하는 것이 바람직하다.

상기 소입시 그 냉각속도는 5~10℃/s로 제한하는 것이 바람직하다. 5℃/s 미만인 경우에는 느린 냉각속도로 인해 완전한 소입 조직을 얻지 못할 수 있다.

상기와 같이 소입된 강선재를 300℃이하에서 1시간 이상 소려 처리하는 것이 바람직하다. 300℃ 이상에서 소려하는 경우에는 회복이 빠르게 진행되어 미세조직이 크게 열화되어 최종 소재에서 충분한 경도를 확보하지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.

상기의 제조방법으로 제조된 본 발명 강선재의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트 기지내에 미세한 구상화 세멘타이트(탄화물)가 분포된 형태로 구성된다. 미세한 구상화 탄화물은 베어링의 구동 중 마모를 최소화하고 고온에서 미세조직이 안정되도록 하는 역할을 한다.

상기의 제조방법으로 제조한 강선재는 가열 중 10mm 시험편을 기준으로 페라이트에서 오스테나이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 수축량이 0.0015mm이하인 것이 바람직하며, 냉각 중 10mm 시험편을 기준으로 오스테나이트에서 페라이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 팽창량이 0.0002mm이하인 것이 바람직하다.

상기 시험편의 수축량이 0.0015mm 이하이거나 팽창량이 0.0002mm 이하인 경우에는 가열/냉각시 열변형이 작아 피로수명이 우수한 장점이 있는 반면에 수축량이 0.0015mm를 초과하거나 팽창량이 0.0002mm를 초과하는 경우에는 소재의 사용 중 높은 수축/팽창량으로 인해 피로환경 중 조기절손 등의 문제점이 발생할 수 있음으로 수축량 및 팽창량은 상기와 같이 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시 예 1)

하기 표 1과 같은 화학조성과 조직을 갖는 강 선재에 대하여 딜라토메터를 이용하여 가열 및 냉각과정에서의 열변형량을 측정하였고, 이후 4 ball 피로시험기를 통해 각각에 대한 L10피로수명 평가를 실시한 결과를 하기 표 1에 나타내었다. (표 1에 나타낸 소재의 상변태시 수축과 팽창량 시험은 10mm시험편을 기준으로 하였다.)

하기 표 1의 비교재 2, 발명재 1 및 2에 대한 열변형량 변화 그래프를 조사하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.

또한, 비교재 1 및 발명재 2에 대하여 소려온도에 따른 미세조직변화를 조사하고 그 결과를 도 2에 나타내었다, 도 2의 (a)는 300℃에서 소려한 강선재의 미세조직을 나타내고, 도 2의 (b)는 400℃에서 소려한 강 선재의 미세조직을 나타낸다.

	화학성분/wt%				열변형량/mm		L10피로수명
	C	Si	Mn	Cr	가열(수축량)	냉각(팽창량)	L10피로수명
비교재 1	0.97	-	0.42	1.20	0.0032	0.0005	13만회
비교재 2	1.00	0.25	0.45	1.21	0.0030	0.0005	25만회
비교재 3	1.05	0.30	0.40	1.18	0.0031	0.0005	72만회
발명재 1	1.00	1.52	0.43	1.23	0.0013	0.0001	142만회
발명재 2	1.10	2.00	0.42	1.22	0.0008	0.0001	221만회
발명재 3	1.03	1.73	0.45	1.19	0.0002	0.0001	180만회

도 1은 가열 및 냉각 시 비교재 2와 실시예 1, 2의 열변형량 변화 그래프를 나타낸 것이다. 가열조건에서는 온도 증가에 따라 시험편은 연속적으로 팽창한다. 하지만, 상변태가 발생하는 구간에서는 온도증가에 따라 시험편의 수축이 발생하는데, 도 1(a)를 참고하면 Si첨가량이 증가함에 따라 수축량이 급속히 감소하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있다. 이와는 반대로 냉각조건에서는 온도가 감소함에 따라 시험편은 연속적으로 수축하나, 상변태가 발생하는 구간에서는 시험편의 팽창이 발생하는데, 도 1 (b)를 참고하면 Si첨가량이 증가함에 따라 팽창량이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 다양한 Si첨가량에 따른 변화를 표 1에 정리하여 나타내었다.

상기 표 1의 결과를 참고하면, Si를 첨가하지 않는 것에 비해 Si를 1.5%이상 첨가하면, 가열 및 냉각 시 열변형량이 50%이상 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 치환형 고용강화 원소인 Si이 상변태 시 오스테나이트와 페라이트의 격자상수에 미치는 영향에 기인한 것으로, Si의 첨가는 오스테나이트 격자상수변화에는 거의 영향을 미치지 않는 반면, 페라이트의 격자상수는 크게 감소시켜 상기와 같은 결과의 원인이 된다. 냉각시에는 이러한 Si의 효과가 더욱 명확히 관찰되는데, 도 1에서 알 수 있는 것과 같이, 오스테나이트로부터 페라이트와 세멘타이트로의 변태가 거의 동일한 온도구간에서 나타나며 시편의 변형량은 C가 완전히 고용된 오스테나이트로부터 상변태가 생성될 때 변화가 나타나고, Si이 1.5%이상 첨가되면 냉각 중 변태가 일어날 때 시편의 길이감소가 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있다. 이러한 열변형량은 표 1에 나타낸 바와 같이 비교예의 피로수명은 약 70만회의 값을 가지는 반면 실시예에서는 140만회 이상의 값을 가져 2배 이상의 피로수명을 나타내는 것을 알 수 있으며, 따라서, 가열, 냉각 시 본 발명의 수축량, 팽창량을 가지는 경우 비교예에 비해 피로수명이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다.

또한, 소려 온도에 따른 미세조직의 변화를 알아보기 위하여 비교예 2(0.25% Si)와 실시예 2(2.0% Si)를 각각 300℃와 450℃에서 소려 처리 후 미세조직을 도 2에 나타내었다.

도 2의 (a)와 (b)를 비교하면 450℃에서 소려 한 (b)에 비해 300℃에서 소려 한 경우 탄화물이 균질하게 분포되어 있으며 그 크기도 450℃에 비해 확연히 작아, 고온에서도 탄화물이 안정되어 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 도 2의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있는 것과 같이, Si을 0.25%로 포함하는 경우보다 2.0%로 포함하는 경우 탄화물이 균질하고 작게 분포되어 있어 탄화물의 고온안정성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims

중량 %로, C: 0.9~1.4%, Si: 1.5~3.0%, Mn: 0.3~0.7%, Cr: 0.8~1.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 원소를 포함하고, 그 조직이 템퍼드 마르텐사이트 혹은 템퍼드 마르텐사이트와 구상화 세멘타이트의 2상으로 구성되는 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재.
청구항 1에 있어서,
상기 강선재의 10mm 시험편의 가열 중 페라이트에서 오스테나이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 수축량이 0.0015mm이하인 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 강선재의 10mm 시험편의 냉각 중 오스테나이트에서 페라이트로 상변태 시 상변태에 의한 최대 팽창량이 0.0002mm이하인 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재.
중량 %로, C: 0.9~1.4%, Si: 1.5~3.0%, Mn: 0.3~0.7%, Cr: 0.8~1.5%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 원소를 포함하는 강선재를
850~900℃의 2상역 온도에서 1~3시간 구상화 열처리를 실시하는 단계;
상기 열처리된 강선재를 0.3℃/s 이하의 속도로 냉각하는 단계;
상기 냉각된 강선재를 1시간 이상 균질화 열처리를 실시하고 5~10℃/s의 냉각속도로 소입하는 단계;
상기 소입된 강선재를 소려 처리하는 단계를 포함하는 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 소려는 300℃이하의 온도에서 1시간 이상 행하는 단계를 포함하는 열변형 저항성이 우수한 베어링용 강선재의 제조방법.