KR20150035006A

KR20150035006A - 베어링강 제조 방법

Info

Publication number: KR20150035006A
Application number: KR20130115074A
Authority: KR
Inventors: 손제영; 송상민; 박철우
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2015-04-06
Also published as: KR101546146B1

Abstract

니켈(Ni)을 다량 첨가한 후, 열간단조 후 구상화 열처리, QT 열처리를 통해 피로수명이 우수한 베어링강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 강재 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 블름 판재를 SRT(Slab reheating temperature) : 1100 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 판재를 열간압연하는 단계; (c) 상기 열간압연된 강을 770 ~ 810℃ 조건에서 2 ~ 3시간 구상화 열처리 한 후 냉각하는 단계; (d) 상기 구상화 열처리된 강을 820 ~ 880℃에서 15 ~ 30분 동안 가열한 후 급냉하는 켄칭 단계; 및 (e) 상기 켄칭을 실시한 강을 150 ~ 230℃ 조건으로 0.5 ~ 2시간 동안 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

베어링강 및 그 제조 방법{BEARING STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 베어링강 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피로수명이 향상된 고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 베어링강은 전로 또는 전기로에서 제강 후 래들 내에서 강환원성 분위기를 유지하면서 정련하여 비금속개재물의 양을 저감시키며, 진공탈가스 공정을 거쳐 산소 함량(T[O])을 12 ppm 이하까지 낮춘 상태에서 정련하며, 이후 주조공정으로 주편이나 강괴로 응고시킨 후 소재에 존재하는 편석과 거대 탄화물을 제거하기 위해 균열확산처리(Soaking)를 실시한 다음 빌레트로 압연된다. 그 후 압연공장에서 소재를 연화시켜주기 위하여 극서냉 조업을 실시하여 베어링강 선재 또는 봉재로 생산되며, 생산된 소재는 구상화 열처리(Spheroidizing annealing)를 거쳐 베어링의 전동체인 볼이나 롤러 또는 내외륜으로 가공하고, 이어서 경화열처리로서 담금질 및 뜨임 처리를 한 후 연마공정을 거쳐 최종 제품인 베어링으로 생산된다.

다만, 상기와 같이 주조공정을 통해 생산된 베어링강은 일반적으로 고탄소 고크롬 함유로 인해 소재에서의 편석 및 거대 탄화물 생성을 피할 수 없는 것으로 인식되고 있다. 즉 응고시 고상과 액상간에는 용질원소의 용해도 차이가 존재하여 고액 계면 선단에 용질원자가 배출되어 쌓이게 되고 이는 수지상정간의 미세편석 발생으로 이어진다. 이와 같은 수지상정간의 미세편석은 응고 완료시 소재 중심부에 발생하는 응고 수축공 내부로 흡입되어 다량의 중심편석을 유발하게 되고, 이로 인해 소재 중심편석대에 거대 탄화물이 생성되는 것이다. 이러한 거대 탄화물은 피로시험 및 실제 사용 중에 이를 기점으로 하는 조기 피로파단의 원인이 되어 베어링 박리(flaking) 현상을 유발한다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0832960호(2008.05.21. 등록)에 개시된 고탄소 크롬 베어링강의 제조방법이 있다.

본 발명의 목적은 고탄소 베어링강에 있어서 니켈(Ni)의 함량을 증가시킨 강재를 열간단조 후 구상화 및 QT(Quenching&Tempering) 열처리를 통해 피로수명이 향상된 베어링강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 블름 판재를 SRT(Slab reheating temperature) : 1100 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 판재를 열간압연하는 단계; (c) 상기 열간압연된 강을 770 ~ 810℃ 조건에서 2 ~ 3시간 구상화 열처리 한 후 냉각하는 단계; (d) 상기 구상화 열처리된 강을 820 ~ 880℃에서 15 ~ 30분 동안 가열한 후 급냉하는 켄칭 단계; 및 (e) 상기 켄칭을 실시한 강을 150 ~ 230℃ 조건으로 0.5 ~ 2시간 동안 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강재는 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며, L10 피로 수명이 5*10⁶이상을 만족하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 베어링강 및 그 제조 방법은 니켈(Ni)을 다량 첨가한 후, 열간단조 후 구상화 열처리, QT(Quenching&Tempering) 열처리를 통해 피로수명이 우수한 베어링강 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링강 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1의 피로 시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 베어링강 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

베어링강

본 발명에 따른 베어링강은 L10 피로 수명이 5*10⁶이상을 만족할 수 있다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 베어링강은 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

본 발명에서 탄소(C)는 마르텐사이트 생성 및 경화능 향상을 위해 첨가된다.

탄소(C)는 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.95 ~ 1.10 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.95 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 강도와 피로강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 1.10 중량%를 초과할 경우에는 미용해된 거대탄화물이 잔존하여 피로강도를 저하시킬 뿐만 아니라 담금질하기 전의 가공성이 떨어지는 문제점이 있다.

실리콘( Si )

본 발명에서 실리콘(Si)은 제강공정에서 강재 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과도 갖는다.

실리콘(Si)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.15 ~ 0.35 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.15 중량% 미만일 경우 경화능을 확보하기 어렵다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 0.35 중량%를 초과할 경우에는 인성 및 용접성이 저하되고, 강 중 산화개재물이 증가하여 저온인성 및 수소유기균열 저항성을 저하시킬 수 있다.

망간( Mn )

망간(Mn)은 직접 켄칭 시, 경화능 향상 및 마르텐사이트를 확보하기 위해 첨가된다.

망간(Mn)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.5 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.5 중량%를 초과할 경우에는 가공성이 떨어질 뿐만 아니라 중심편석 및 피로수명에 악영향을 미치는 MnS의 석출이 증가한다.

인(P), 황(S)

인(P)은 제조시 불가피하게 함유되는 불순물로써, 강 중에 포함되어 용접성 및 인성을 저하시키고 응고시 블름 중심부 및 오스테나이트 결정립계에 편석되는 문제점이 있으므로, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 베어링강 전체 중량의 0.025 중량% 이하로 제한하였다.

황(S)은 인(P)과 함께 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소로서, 망간과 반응하여 MnS를 형성하여 저온 충격인성을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 베어링강 전체 중량의 0.025 중량% 이하로 제한하였다.

크롬( Cr )

크롬(Cr)은 강의 소입성을 개성하여 경화능을 부여하고, 강의 조직을 미세화하는데 효과적인 원소이다.

크롬(Cr)의 함량은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 1.3 ~ 1.6 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 1.3 중량% 미만일 경우에는 그 효과를 보기 힘들다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 1.6 중량%를 초과할 경우에는 더 이상의 효과는 보기 힘들고 제조비만 상승하는 문제점이 있다.

니켈( Ni )

니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈(Ni)은 저온 충격인성 및 경화능을 향상시키는데 효과적인 원소이다.

니켈(Ni)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.5 ~ 2.0 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 함량이 0.5 중량% 미만일 경우에는 니켈 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 니켈(Ni)의 함량이 2.0 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 적열취성을 유발하는 문제가 있다.

몰리브덴( Mo )

몰리브덴(Mo)은 경화능을 향상시키는데 효과가 있어 템퍼링 취화 저항성을 부여한다.

몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 베어링강 전체 중량의 0.08 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.08 중량%를 초과할 경우 가공성을 저해시키고 생산성을 떨어뜨리는 요인이 된다.

강재 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재 제조 방법을 나타낸 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 강재 제조 방법은 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120), 구상화 열처리 단계(S130), 켄칭 단계(S140) 및 템퍼링 단계(S150)를 포함한다. 이때, 재가열 단계(S110)는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 및 인성 향상 등의 효과를 도출하기 위하여 재가열 단계(S110)를 실시하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에 따른 강재 제조 방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 블름은 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

재가열

재가열 단계(S110)에서는 상기의 조성을 갖는 블름을 1100 ~ 1250℃로 3시간 이상 재가열한다. 상기 조성을 갖는 블름은 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다. 재가열시 확산에 의하여 블름상에 존재하는 망간(Mn)과 인(P) 편석부가 완화된다.

재가열 온도가 1100℃ 미만일 경우에는 편석이 충분히 확산되지 못하여 저온인성 및 수소유기균열 저항성을 해치게 된다. 반대로, 재가열 온도가 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트의 결정립 크기가 증가하므로 저온인성이 나빠지는 문제점이 있다.

열간 압연

열간압연 단계(S120)에서는 가열로에서 재가열된 블름을 열간압연한다.

마무리 압연온도(Finish Rolling Temperature : FRT)는 700 ~ 790℃로 실시하는 것이 바람직하다. 마무리 압연온도(FRT)가 700℃ 미만일 경우에는 이상역 압연에 따른 인성 열화 및 항복비가 높아질 수 있다. 반대로, 마무리 압연온도(FRT)가 790℃를 초과할 경우에는 재결정 및 결정립 조대화로 인하여 강도 및 인성 확보가 어렵다.

구상화 열처리 단계

구상화 열처리 단계(S130)에서는 열간압연을 실시한 강재를 770 ~ 810℃ 조건에서 2 ~ 3시간 가열한 후, 590℃ 이하까지 15 ~ 20℃/h의 냉각속도로 서냉 후, 공냉을 실시한다.

구상화 시간이 2시간 미만이거나 구상화 온도가 770℃ 미만일 경우에는 탄화물이 모두 구상화 되지 못한다. 반대로, 구상화 시간이 3시간을 초과하거나 구상화 온도가 810℃를 초과할 경우에는 탄화물이 완전 용해될 위험이 있다.

켄칭 단계

켄칭 단계(S140)에서는 구상화 열처리 후 냉각된 강재에 강도와 경도를 부여하기 위한 공정으로써, 820 ~ 880℃의 온도까지 강재를 재가열한 후, 15 ~ 30분 동안 유지한 후, 180 ~ 230℃까지 급랭을 실시한다.

켄칭 온도가 820℃ 미만이거나 켄칭 시간이 15분 미만일 경우에는 표층부에 조대한 페라이트가 형성되어 인성이 크게 떨어진다. 반대로, 켄칭 온도가 880℃를 초과하고 켄칭 시간이 30분을 초과할 경우에는 저온변태 조직들이 다량 형성되는 문제점이 있다.

템퍼링 단계

템퍼링(Tempering) 단계(S150)는 켄칭을 실시한 강재의 내부 응력을 제거하기 위한 공정으로써, 130 ~ 230℃의 온도에서 0.5 ~ 2시간 동안 실시하는 것이 바람직하다.

템퍼링 온도가 130℃ 미만이거나 템퍼링 시간이 0.5 시간 미만일 경우 충분한 인성 회복이 어렵다. 반대로, 템퍼링 온도가 230℃를 초과하거나 템퍼링 시간이 2시간을 초과할 경우 경도가 급격히 감소하는 문제점이 있다.

상기한 제조 방법을 통해 형성되는 강재는 L10 피로 수명이 5*10⁶이상을 만족할 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 시편 제조

표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따른 시편을 제조하였다.

도 2는 본 발명의 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1의 피로 시험 결과를 나타낸 것이다.

[표 1] (단위 : 중량%)

[표 2]

2. 기계적 물성 평가

표 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편들에 대한 내진동 피로 수명 테스트를 실시한 결과를 나타낸 것이다. 전동 피로 수명 특성의 평가는, Tm러스트형의 전동 피로 수명 시험기 (thrust type rolling contact fatigue machine) 에 의해 평가되었다.

[표 3]

표 1 ~ 3 및 도 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편들은 본 발명의 목표값에 해당하는 L10 피로 수명이 5*10⁶이상을 만족하는 것을 알 수 있다.

반면, 실시예 1과 비교하여 니켈(Ni)이 미량 첨가되고, 구상화 열처리 온도 및 켄칭 시간이 본 발명에서 제시하는 범위에 미달하는 비교예 1에 따라 제조된 시편의 경우, 전동 피로 수명값이 3.6*10⁶를 가짐으로써, 목표값에 미달하는 것을 알 수 있다.

또한, 실시예 1과 비교하여 탄소(C) 및 니켈(Ni)이 미량 첨가되고, 구상화 열처리 시간이 본 발명에서 제시하는 범위를 초과한 비교예 2에 따라 제조된 시편의 경우에도 전동 피로 수명값이 2.5*10⁶를 가짐으로써, 목표값에 미달하는 것을 알 수 있다.

지금까지 살펴온 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링강 제조 방법에 따라 니켈(Ni)을 다량 첨가한 블름 강재를 구상화 열처리, 켄칭 및 템퍼링을 실시함에 따라 전동 피로 수명값이 5*10⁶이상을 만족하는 베어링강을 제조할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

S110 : 재가열 단계
S120 : 열간압연 단계
S130 : 구상화 열처리 단계
S140 : 켄칭 단계
S150 : 템퍼링 단계

Claims

(a) 탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 블름 판재를 SRT(Slab reheating temperature) : 1100 ~ 1250℃로 재가열하는 단계;
(b) 상기 재가열된 판재를 열간압연하는 단계;
(c) 상기 열간압연된 강을 770 ~ 810℃ 조건에서 2 ~ 3시간 구상화 열처리 한 후 냉각하는 단계;
(d) 상기 구상화 열처리된 강을 820 ~ 880℃에서 15 ~ 30분 동안 가열한 후 급냉하는 켄칭 단계; 및
(e) 상기 켄칭을 실시한 강을 150 ~ 230℃ 조건으로 0.5 ~ 2시간 동안 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 구상화 열처리를 실시한 강을 590℃이하까지 15 ~ 20℃/h의 냉각속도로 서냉한 후, 공랭을 실시하는 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 켄칭을 실시한 강을 180 ~ 230℃까지 급냉하는 것을 특징으로 하는 베어링강 제조 방법.
탄소(C) : 0.95 ~ 1.10 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.5 중량% 이하, 인(P) : 0.025 중량% 이하, 황(S) : 0.025 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.3 ~ 1.6 중량%, 니켈(Ni) : 0.5 ~ 2.0 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.08 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
L10 피로 수명이 5*10⁶이상을 가지는 것을 특징으로 하는 베어링강.