KR20120058258A - 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법 - Google Patents

고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고탄소 크롬 베어링강 주편에 관한 것으로서, 일정량의 Ce을 첨가하고, 주조 후 적절한 조건으로 균열확산처리를 실시함으로써 베어링의 피로수명을 감소시키는 편석대의 거대탄화물을 보다 경제적으로 제거할 수 있는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일측면에 의하면, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고탄소 크롬 베어링강의용강을 주조하여 주편을 제조한 후, 주편을 1190~1250℃에서 1시간 이하 동안 유지하여 균열확산처리하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법이 제공된다.
본 발명에 의하면, 베어링의 피로수명을 감소시키는 편석대의 거대탄화물을 보다 경제적으로 제거할 수 있는 방법을 제공함으로써, 피로수명이 우수한 고탄소 크롬 베어링강 선재를 보다 경제적으로 제조할 수 있다.

Description

고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법{Method for Removing Large Carbide in Casting Product of High Carbon Chromium Bearing Steels}
본 발명은 고탄소 크롬 베어링강 주편에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일정량의 Ce을 첨가하고, 주조 후 적절한 조건으로 균열확산처리하여 주편 편석대의 거대탄화물을 제거하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법에 관한 것이다.
베어링강의 주조시 발생하는 편석은 베어링강의 기계적 성질에 가장 큰 악영향을 미친다.
예를 들면, 약 1.0 중량%의 탄소(C)와 1.4 중량%의 크롬(Cr)을 함유한 고탄소 크롬 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 정련한 후 주조한 다음, 이후 주조시 발생하는 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, 가공공정을 거쳐 베어링의 전동체인 볼이나 롤러, 내외륜으로 가공하고, 이어서 소입(Quenching) 및 소려(Tempering) 공정 및 연마공정을 거쳐 최종 제품인 베어링으로 생산된다.
상기와 같이 생산된 베어링강은 소재가 갖는 화학성분의 특성상 편석 발생이 불가피하여 거대탄화물의 생성이 용이하고, 피로시험 및 실제 사용 중에 이를 기점으로 하는 크랙(Crack)이 빈번하게 발생한다.
베어링강의 기계적 성질에 가장 큰 악영향을 미치는 편석대 거대탄화물 생성을 저감시키기 위한 종래 기술로는, 연속주조시 용강의 과열도를 20℃ 이하로 조정하고 주조속도를 약 0.63 m/min으로 조정하여 연주주편에 형성되는 등축정 비율을 높여 편석을 감소시키거나, 선재 제조시 강제 송풍 냉각구역에서 냉각속도를 조절하여 선재 중심부에서 생성되는 초석 세멘타이트의 양을 감소시킴과 동시에 펄라이트(Pearlite)의 층상간격을 작게 하여 소재 품질을 개선시키는 방법이 있다.
또한, 일본 공개특허 제96-132205호에는 수직형 연주기에서 조업시 10~100 ㎜의 경압하를 실시하여 베어링강에서의 편석을 감소시키는 방법이 제시되어 있으며, 일본 공개특허 제94-248302호에는 편석을 제어하기 위하여 응고부분에 롤(Roll)을 설치하고 경압하를 실시하는 기술이 제시되어 있는 등 설비에 의해 편석 발생을 제어하려는 시도가 다수 이루어져 왔다.
그러나, 베어링강 주편 중심부의 거대탄화물이 중심편석에 의해 생성되는 만큼 이를 근본적으로 해결하기 위해서는 고온에서 장시간 유지함으로써 확산을 통해 용해시키는 균열확산처리 방법이 가장 효과적이다.
이와 같은 고온 열처리 방법에 착안하여 일본 공개특허 제95-299550호에는 1150~1250℃에서 2~5시간 동안 유지하여 거대탄화물을 제거하는 기술이 제시되어 있고, 일본 공개특허 제2006-16683호에는 P 농도가 0.002~0.009질량%인 강을 사용하여 1150~1260℃에서 2시간 미만으로 유지하는 기술이 제시되어 있다.
그러나, 거대탄화물을 고도로 억제하기 위해 연주주편을 탄화물의 창출온도인 약 1150 ℃ 이상에서 수~십수 시간 동안 유지하는 것은 에너지 소모가 너무 커지게 될 뿐만 아니라 가열 유지 중에 주편의 표층에서 탈탄이 과도하게 진행되어 이후 강편압연하기 전에 핫스카핑(Hot Scarfing)을 행할 필요가 생기고 이로 인해 실수율도 떨어지게 된다.
따라서, 적정 균열확산처리 온도와 시간을 설정하여 보다 경제적으로 거대탄화물을 제거하는 기술이 요구된다.
본 발명의 일측면은 일정량의 Ce을 첨가하고, 주조 후 적절한 조건으로 균열확산처리를 실시함으로써 베어링의 피로수명을 감소시키는 편석대의 거대탄화물을 보다 경제적으로 제거할 수 있는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법을 제공하고자 하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명의 일측면에 의하면, 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고탄소 크롬 베어링강의용강을 주조하여 주편을 제조한 후, 주편을 1190~1250℃에서 1시간 이하 동안 유지하여 균열확산처리하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법이 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 베어링의 피로수명을 감소시키는 편석대의 거대탄화물을 보다 경제적으로 제거할 수 있는 방법을 제공함으로써, 피로수명이 우수한 고탄소 크롬 베어링강 선재를 보다 경제적으로 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명에 부합되는 고탄소 크롬강의 일례인 발명강의 균열확산처리전의 연주주편 중심부의 미세조직사진으로서, 거대탄화물이 생성되어 있는 것을 나타내고 있다.
도 2는 기존 범용강인 SUJ2강 주편을 균열확산처리한 후의 주편 중심부의 미세조직사진이다.
도 3은 본 발명에 부합되는 고탄소 크롬강의 일례인 발명강의 균열확산처리후의 연주주편 중심부의 미세조직사진으로서, 거대탄화물이 완전히 용해되어 있는 것을 나타내고 있다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C): 0.5~1.2%
탄소는 베어링강의 강도를 확보하는 매우 중요한 원소이다. 탄소의 함량이 낮을 경우에는 베어링의 강도와 피로강도가 낮아 베어링 부품으로 적합하지 않게 되므로, 탄소의 함량은 0.5% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나, 탄소의 함량이 너무 높을 경우에는 미용해된 거대 탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라, 담금질하기 전의 가공성이 떨어지므로 상기 탄소 함량의 상한은 1.2%로 하는 것이 바람직하다.
규소(Si): 0.15~2.0%
규소는 경화능에 영향을 주는 원소로서, 그 함량이 너무 낮을 경우 경화능의 문제가 발생할 수 있으므로, 0.15% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
다만, 규소의 함량이 너무 높을 경우에는 탄소와의 자리경쟁 반응에 따라 탈탄이 일어날 우려가 있고, 탄소와 마찬가지로 담금질하기 전의 가공성이 저하될 뿐만 아니라, 편석이 증가하기 때문에 상기 규소 함량의 상한은 2.0%로 하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.05~0.45%
망간은 강의 소입성을 개선하여 강도를 확보하는데 중요한 원소로서, 그 함량을 0.05% 이상 함유하는 것이 바람직하다.
다만, 망간의 함량이 너무 높을 경우에는 담금질하기 전의 가공성이 떨어질 뿐만 아니라, 편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가하기 때문에 상기 망간의 함량은 0.45% 이하로 하는 것이 바람직하다.
인(P): 0.025% 이하(0은 제외)
인은 결정립계에 편석되어 강재의 인성을 저하시키는 원소이므로, 그 함량은 적극적으로 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 제강과정 등의 부하를 고려할 때, 그 함량을 0.025% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S): 0.025% 이하(0은 제외)
황은 강의 피삭성을 높이는 작용을 하지만, 인과 마찬가지로 입계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 망간과 결합하여 MnS 황화물을 형성함으로써, 피로수명을 저하시키는 악영향을 미치므로, 그 함량을 제한하는 것이 바람직하다.
따라서, 제강과정 등의 부하를 고려할 때 그 함량을 0.025% 이하로 하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.1~1.6%
크롬은 강의 소입성을 개선하여 경화능을 부여하며, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.1% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나, 크롬의 함량이 과다하면 그 효과가 포화되기 때문에 그 함량을 1.6% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
세륨(Ce): 0.01~0.3%
베어링강에서 거대탄화물은 주조시 수지상정간의 미세편석이 응고 완료 시점에 소재 중심부에 응고 수축공이 발생하면 수축공 내부로 흡입되어 다량의 중심편석을 유발함으로써 생성되기 때문에, 거대탄화물 제거를 위한 가장 효과적인 방법은 주조재 중심부에 미세한 등축정을 다량 형성시켜 편석을 저감하는 방법이다.
주조시 소재 중심부에 미세한 등축정 형성을 촉진시킬 수 있는 방법으로는 접종제(Inoculant)를 투입하는 방법이 있다.
즉, 불균일핵생성을 촉진하는 접종제를 투입하면 용해된 접종제 속의 특정 성분이 신속하게 응고상과 격자불일치(Lattice Misfit)가 적은 산화물이나 석출물을 형성하게 되고, 이러한 산화물이나 석출물은 고액 계면의 계면에너지 증가를 최소화하여 불균일핵생성을 촉진함으로써 미세한 등축정이 형성되는 것이다.
베어링강은 고탄소강으로서 주조시 오스테나이트로 응고가 시작되기 때문에 등축정 형성을 촉진시키기 위한 접종제로는 오스테나이트와 격자불일치가 작은 산화물이나 석출물이 요구된다.
본 발명에서는 이러한 접종제로서 세륨 화합물을 채택하였다.
상기 세륨 화합물로는 AlCeO3, CeO2, Ce2O3, Ce2O2S, CeS, 및 Ce2S3 등이 있으며, 이중에서 CeO2 및 Ce2O3가 바람직하며, 오스테나이트와의 격자불일치는 CeO2가 6.7%인 반면, Ce2O3는 11.0%이기 때문에 베어링강의 주조시 미세한 등축정 형성을 촉진시키기 위한 접종제로는 CeO2가 가장 바람직하다.
본 발명에서 세륨은 상기한 세륨 화합물을 형성하여 접종제로 작용하기 위해 투입되어 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이므로 0.01% 이상 첨가하는 것이 바람직하다.
그러나, 세륨의 함량이 과다하면 제강공정의 안정성이 상당히 저하되고 산화물 형성이 급격히 진행되어 등축정 형성 촉진 효과가 포화되기 때문에 상기 세륨의 함량은 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 세륨의 첨가는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면, Fe-Ce-Si계 합금, Ca-Si-Ce계 합금, Al-Ce-Fe계 합금형태로 첨가될 수 있다.
상기 조성 이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
다만, 상기 조성 이외에 다른 성분이 포함될 수 있음을 배제하는 것은 아니다.
본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 고탄소 크롬 베어링강의 용강을 주조하여 주편을 제조한 후, 이 주편을 1190~1250℃로 가열하고, 이 온도에서 1시간 이하, 바람직하게, 0.5 ~ 1시간 동안 유지하는 균열확산처리를 행하여 편석대에 존재하는 거대탄화물이 제거된 고탄소 크롬 베어링강 주편을 제조한다.
편석대에 존재하는 거대탄화물을 제거하기 위하여 베어링강 주편을 균열확산처리하는 공정에서 가열온도(유지온도)는 1190~1250℃로 설정하는것이 바람직한데, 그 이유는 연주시 거대탄화물의 정출온도가 1150℃ 정도이기 때문에 온도가 너무 낮으면 중심부의 편석을 유발하는 합금원소의 확산이 늦어져 거대탄화물의 용해가 미흡하게 되고, 1250℃를 초과하는 온도로 가열하면 불필요한 에너지 소모 뿐만 아니라 탈탄으로 인한 핫스카핑 문제와 실수율의 저하가 발생하기 때문이다.
상기 유지시간은 1시간 이상도 가능하지만, 생산성 측면에서 1시간이하로 제한하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
(실시예)
하기 표 1과 같은 조성을 갖는 용강을 주조한 후, 하기 표 2의 가열온도 및 유지시간조건으로 균열확산처리한 후, 미세조직을 관찰하여 도 2 및 도 3에 나타나내었다. 또한, 거대탄화물의 용해여부를 조사하고 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
하기 표 1의 발명강은 기존 범용강인 SUJ2강에 접종제로 작용하는 Ce 화합물을 첨가한 것이다.
하기 표 2에서 ○는 거대탄화물이 완전히 용해된 것을 나타내고, X는 거대탄화물이 잔존하는 것을 나타낸다.
도 2는 비교강의 미세조직 사진으로서, 도 2의(a)는 가열온도 1200℃, 유지시간 0.5시간 균열확산처리한 것을 나타내고 도 2의(b)는 가열온도 1225℃, 유지시간 0.5시간 균열확산처리한 것을 나타내고, 도 3은 발명강의 미세조직 사진으로서,도 3의(a)는 가열온도 1200℃, 유지시간 0.5시간 균열확산처리한 것을 나타내고, 도 3의(b)는 가열온도 1225℃, 유지시간 0.5시간 균열확산처리한 것을 나타낸다.
또한, 도 1은 균열확산처리하기 전의 발명강(A2)의 미세조직을 나타낸다.
도 1에 나타난 바와 같이, 균열확산처리하기 전의 발명강의 편석대에는 거대탄화물이 형성되어 있음을 알 수 있다.

 화학조성(중량%) 비고
C Si Mn P S Cr Ce
SUJ2 0.99 0.25 0.34 0.009 0.008 1.47 - 비교강
A1 1.01 0.24 0.15 0.012 0.007 1.50 0.087
발명강
A2 1.01 0.23 0.18 0.013 0.004 1.45 0.131
A3 1.00 0.24 0.24 0.010 0.006 1.48 0.256
유지
시간 (hr)		 가열온도 (℃)
1190 1200 1210 1225 1240 1250
SUJ2 A1,A2,
A3		 SUJ2 A1,A2,
A3		 SUJ2 A1,A2,A3 SUJ2 A1,A2,A3 SUJ2 A1,A2,A3 SUJ2 A1,A2,A3
0.5 X ○ X ○ X ○ X ○ X ○ X ○
1 X ○ X ○ X ○ X ○ X ○ X ○
1.5 X ○ X ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
4 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
6 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○
상기 표 2 및 도 2 에 나타난 바와 같이, 비교강인 SUJ2강은 가열온도 1190℃ 및 1200℃에서 0.5 시간 -1.5시간 동안 유지했을 때와 가열온도 1210℃, 1225℃, 1240℃ 및 1250℃에서 0.5 시간 및 1시간 동안 유지하였을 때 거대탄화물이 완전히 용해되지 않고 결정립계에 흰색의 상으로 잔존하고 있음을 알 수 있다.
반면에, 상기 표 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 발명강인 A1, A2 및 A2강은 가열온도 1190℃-1250℃에서 0.5시간 동안 균열확산처리한 경우, 도 1에서와 같은 균열확산처리전에 존재하였던 거대탄화물이 완전히 용해되었음을 알 수 있다.

Claims (3)

  1. 중량%로, C: 0.5~1.2%, Si: 0.15~2.0%, Mn: 0.05~0.45%, P: 0.025% 이하(0은 제외), S: 0.025%이하(0은 제외), Cr: 0.1~1.6%, Ce: 0.01~0.3%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 고탄소 크롬 베어링강의 용강을 주조하여 주편을 제조한 후, 주편을 1190~1250℃에서 1시간 이하 동안 유지하여 균열확산처리하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 균열확산처리 시 유지시간이 0.5~1시간인 것을 특징으로하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Ce은 Fe-Ce-Si계 합금, Ca-Si-Ce계 합금 및 Al-Ce-Fe계 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 1종의 형태로 첨가되는 것을 특징으로하는 고탄소 크롬 베어링강 주편의 거대탄화물 제거방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018188008A1 (zh) * 2017-04-13 2018-10-18 龙南日升昌新材料研发有限公司 轴承钢及其制备方法

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