KR20150060276A - 베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품과 베어링 - Google Patents

Abstract

베어링강의 열처리 방법이 개시된다. 베어링강을 1차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 1단계 담금질 공정, 상기 1차 담금질 처리된 베어링강을 2차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 공기 중에서 냉각하는 2단계 뜨임 공정, 상기 2단계 뜨임 처리된 베어링강을 3차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 3단계 담금질 공정, 및 상기 3단계 담금질 처리된 베어링강을 4차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 이후에 공기 중에서 냉각시키는 4단계 뜨임 공정을 포함하여, 피로수명을 연장시키고, 내부식성 및 내마모성을 향상시킬 수 있다.

Description

베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품과 베어링{Heat treating method of bearing steel, bearing and bearing elements manufactured by the method}

본 발명은 베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베어링 부품의 표면에 침질층을 형성시켜 전동피로수명이 우수한 베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 회전하는 요소와 회전하지 않는 요소 사이에 장착되어 회전하는 요소의 회전을 원활하게 하는 장치로서, 통상적으로는 내륜과 외륜 및, 내륜과 외륜 사이에 배치되는 볼이나 롤러 등과 같은 전동체를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 베어링이 빠른 속도로 회전하는 구동축을 지지하도록 설치되는 경우에는, 베어링 부품들 사이, 즉 내륜과 외륜 및 전동체 사이의 마찰열에 의해 온도가 상승함에 따라 윤활 성능이 저하됨과 더불어 마모가 발생하게 되고, 이러한 마모가 지속적으로 이루어지면 베어링이 제기능을 원활하게 수행하지 못하고 파손될 수 있다.

따라서 베어링은 적절한 베어링 성능을 유지하고 그 수명을 연장시키기 위해 베어링강으로 제작한 다음에 적절한 열처리 공정을 거쳐서 제조하고 있다.

예를 들면, 베어링강으로 제작된 베어링 부품들을 850℃ 내지 880℃의 높은 온도 조건에서 30분 내지 60분 동안 가열하는 가열공정과, 40℃ 내지 80℃의 오일에 투입하여 담금질시키는 담금질 공정 및, 잔류 응력을 제거하기 위해 160℃ 내지 180℃의 온도 조건에서 90분 내지 120분 동안에 유지하는 뜨임 공정을 거쳐서 베어링 부품들이 제조되고 있었다.

그러나 상기와 같은 종래의 베어링강의 열처리 방법을 통해 제조된 베어링은 마찰이 심하고, 고열환경에 노출되며, 각종 금속 입자들로 오염된 작동 환경에 적용할 수 밖에 없는 베어링에 충분한 내마모성과 내열성을 부여하기에 부족하였다.

즉, 자동차의 트랜스밋션이나 휠, 엔진, 구동축 등에 베어링이 사용될 경우에, 베어링과 인접하게 배치된 부품들로부터 떨어져 나온 금속 입자나 금속 파편들이 베어링 윤활유에 유입되고, 이렇게 유입된 이물질은 베어링의 궤도면을 손상시키고, 또한 베어링이 장시간 고온 환경에서 작동됨에 따라 열화로 인해 그 수명이 급격히 저하될 우려가 있었다.

이에 따라 이물질에 대한 저항성이 보다 향상되고, 그 수명을 연장시킬 수 있는 베어링강의 열처리 방법이 도 1에 제시되고 있다.

즉 베어링강으로 제작된 베어링 부품을 1.05 중량%의 탄소 포텐셜(C.P)과 4~5V%의 암모니아 가스로 조성되는 침탄질화 분위기에서 850℃ 정도의 높은 온도로 약 300분 동안에 가열하여 베어링 부품의 표면에 침질층을 형성한 후에 80℃ 정도의 오일에 투입하여 10분 내지 20분 동안 1차 담금질하는 공정과, 1차 담금질된 베어링 부품을 0.90%의 탄소 포텐셜(C.P)을 가지는 중립 분위기에서 790 ~ 830℃의 높은 온도로 약 60분간 가열하여 침질층을 균질화 처리한 후에 100℃ 정도의 오일에 투입하여 약 20분 동안 2차 담금질하는 공정 및, 2차 담금질된 베어링 부품에 인성을 부여하기 위해 180℃ 정도의 온도에서 약 150분간 가열한 다음에 공기 중에서 냉각하는 저온 뜨임 공정으로 이루어진다.

그런데 상기와 같은 종래의 베어링강의 열처리 방법에서는 1차 담금질 처리후의 질소 농도가 0.5 ~ 0.8 중량%로 형성된 침질층이 2차 담금질 공정에 의해 질소 확산으로 0.1 ~ 0.2 중량%로 그 질소 농도가 감소하게 되는 데, 결정립의 미세화에 따른 피로 수명의 상승 효과는 있지만, 질소 농도의 감소로 인해 압축잔류응력에 의한 피로 수명 상승효과는 미미하고, 표면층의 질소 농도의 감소로 내부식 특성이 감소하게 되는 등의 결점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 피로 수명의 연장과 더불어 내부식성 및 내마모성을 효과적으로 증가시킬 수 있는 베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품과 베어링을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 열처리 방법은, 베어링강을 1차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 1단계 담금질 공정, 상기 1차 담금질 처리된 베어링강을 2차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 공기 중에서 냉각하는 2단계 뜨임 공정, 상기 2단계 뜨임 처리된 베어링강을 3차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 3단계 담금질 공정, 및 상기 3단계 담금질 처리된 베어링강을 4차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 이후에 공기 중에서 냉각시키는 4단계 뜨임 공정을 포함할 수 있다.

상기 1단계 담금질 공정은, 0.85 중량% 내지 1.25 중량%의 탄소 포텐셜을 가지는 중성 분위기에서 행해질 수 있다.

상기 1차 가열 온도는 850 ~ 870℃의 온도이고, 상기 소정 기간은 40분 내지 80분일 수 있다.

상기 1단계 담금질 공정에서 급냉은 오일에 의해 행해질 수 있다.

상기 2단계 뜨임 공정에서 상기 2차 가열 온도는 450 ~ 550℃이고, 상기 소정시간은 130분 내지 170분일 수 있다.

상기 3단계 담금질 공정은, HCN 400 ~ 600ppm을 포함하는 침탄질화 분위기에서 행해질 수 있다.

상기 3단계 담금질 공정에서 3차 가열 온도는 780 ~ 820℃이고, 상기 소정 시간은 200분 내지 300분일 수 있다.

상기 3단계 담금질 공정에서 급냉은 오일에 의해 행해질 수 있다.

상기 3단계 담금질 공정에 의해 상기 베어링강의 표면에 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층이 형성될 수 있다.

상기 4단계 뜨임 공정에서 상기 4차 가열 온도는 120 ~ 180℃이고, 상기 소정시간은 130분 내지 170분일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 열처리 방법에 의해 제조된 베어링 및 베어링 부품은 내륜 혹은 외륜을 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 열처리 방법 및 그 방법에 의해 제조된 베어링 부품과 베어링에 의하면, 베어링강의 표면에 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층이 유지됨과 더불어 결정립이 미세화되어 베어링강의 피로수명이 종래에 비해 약 4배 정도로 상승하게 된다.

또한 베어링강의 표면에 형성된 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층으로 인해 베어링강의 내부식성이 향상된다.

그리고 고온에서 2단계 뜨임 공정을 실시함에 따라 되고, 미용해 탄화물이 증가하여 내마모성도 향상되게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 베어링강의 열처리 방법의 일예를 도시한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 베어링강의 열처리 방법의 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면 및 그 깊이에 대한 질소 농도 변화 그래프이다.
도 4는 종래 기술에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면 및 그 깊이에 대한 질소 농도 변화 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베어링강의 열처리 방법은, 베어링강 혹은 베어링강으로 제조된 베어링 부품을 1.05 중량%(C.P: 1.05%)의 탄소 포텐셜을 가지는 중성 분위기에서 850 ~ 870℃의 높은 온도(1차 가열 온도)로 약 60분간 가열한 다음에 오일로 급속 냉각시키는 1단계 담금질 공정을 포함할 수 있다.

상기와 같은 1단계 담금질 공정을 통해 베어링강 혹은 베어링강으로 제조된 베어링 부품을 열처리하면, 베어링강에는 마르텐사이트 조직이 형성될 수 있다.

물론 상기 1단계 담금질 공정은 0.85 중량% 내지 1.25 중량%의 탄소 포텐셜을 가지는 중성 분위기에서 40분 내지 80분 동안에 행해질 수 있다.

다음으로, 상기 1단계 담금질 처리된 베어링강을 450 ~ 550℃의 높은 온도(2차가열 온도)로 130분 내지 170분 동안에 바람직하기로는 약 150분 동안에 가열한 후에 공기 중에서 냉각하는 2단계 뜨임 공정을 포함할 수 있다.

상기와 같이 2단계 뜨임 공정을 실시하면, 1단계 담금질 처리된 베어링강의 미용해 탄화물을 석출할 수 있다.

이어서, 2단계 뜨임 처리된 베어링강을 HCN 400 ~ 600ppm을 포함하는 침탄질화 분위기에서 780 ~ 820℃(3차 가열 온도) 높은 온도로 200분 내지 300분 동안 가열한 다음에 오일로 급냉시키는 3단계 질소고용 담금질 공정을 포함할 수 있다.

상기와 같은 3단계 담금질 공정이 행해지면, 베어링강의 표면에는 질소 농도가 0.5 ~ 0.7 중량%로 침질층이 형성될 수 있다.

다음으로 3단계 담금질 처리된 베어링강을 120 ~ 180℃(4차 가열 온도)의 온도로 130분 내지 170분 동안에 바람직하기로는 150분 동안에 가열한 이후에 공기 중에서 냉각시키는 4단계 뜨임 공정을 포함할 수 있다.

상기 4단계 뜨임 공정이 행해지면 베어링강에는 인성이 부여되게 된다.

상기와 같은 일련의 열처리 공정을 거쳐서 제조된 베어링강과 이러한 베어링강으로 내륜 혹은 외륜과 같은 베어링 부품을 제조하면, 특히 침탄질화 분위기에서 행해지는 3단계 담금질 공정에 의해 베어링강의 표면에 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층이 유지됨과 더불어 결정립이 미세화되어 베어링강의 피로수명이 종래에 비해 약 4배 정도로 상승하게 된다.

또한 베어링강의 표면에 형성된 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층으로 인해 베어링강의 내부식성이 향상된다.

그리고 고온에서 2단계 뜨임 공정을 실시함에 따라 되고, 미용해 탄화물이 증가하여 내마모성도 향상되게 된다.

본 발명의 실시 예에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면 및 그 깊이에 대한 질소 농도 변화 그래프를 도시한 도 3을 참조하면, 베어링강의 표면에는 질소 농도가 약 0.65 중량%의 침질층이 형성되고, 베어링강의 표면으로부터 0.2mm 깊이까지는 질소 농도가 약 0.65 중량%로부터 0.2 중량%까지 선형적으로 감소하다가 표면으로부터 깊이 0.2mm부터 0.7mm까지는 질소 농도가 약 0.20 중량%로부터 0.1 중량%까지 완만하게 감소하는 특성을 보인다.

종래 기술에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면 및 그 깊이에대한 질소 농도 변화 그래프를 도시한 도 4를 참조하면, 베어링강의 표면에는 질소 농도가 약 0.38 중량%의 침질층이 형성되고, 베어링강의 표면으로부터 0.2mm 깊이까지는 질소 농도가 약 0.38 중량%로부터 0.1 중량%까지 선형적으로 감소하다가 표면으로부터 깊이 0.2mm부터 0.7mm까지는 질소 농도가 약 0.10 중량%로 거의 변화가 없는 특성을 보인다.

도 3 및 도 4의 그래프를 비교하여 보면, 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면에 형성된 침질층의 질소 농도(약 0.65 중량%)가 종래 기술에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면에 형성된 침질층의 질소 농도(약 0.38중량%)보다 크게 되고, 또한 표면으로부터 약 0.7mm의 깊이까지의 범위에서도 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면에 형성된 침질층의 질소 농도가 종래 기술에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강의 표면에 형성된 침질층의 질소 농도보다 전반적으로 크게 되어, 본 발명의 실시 예에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강은 종래 기술에 따른 열처리 방법으로 열처리한 베어링강에 비해 내부식성이 우수하게 된다.

상기 그래프는 Glow Discharge Analyser(SPECTRUMA, GDA 750)과, 스펙트로미터(Ametek, LAB LAVM10)의 장비를 사용하여 질소 침투 깊이 변화에 대한 질소 농도의 변화를 측정한 결과이다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (12)

1. 베어링강을 1차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 1단계 담금질 공정;
   상기 1차 담금질 처리된 베어링강을 2차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 공기 중에서 냉각하는 2단계 뜨임 공정;
   상기 2단계 뜨임 처리된 베어링강을 3차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 다음에 급냉시키는 3단계 담금질 공정; 및
   상기 3단계 담금질 처리된 베어링강을 4차 가열 온도로 소정 시간 동안 가열한 이후에 공기 중에서 냉각시키는 4단계 뜨임 공정;
   을 포함하는 베어링강의 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1단계 담금질 공정은, 0.85 중량% 내지 1.25 중량%의 탄소 포텐셜을 가지는 중성 분위기에서 행해지는 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 1차 가열 온도는 850 ~ 870℃의 온도이고,
   상기 소정 기간은 40분 내지 80분인 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 1단계 담금질 공정에서 급냉은 오일에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 2단계 뜨임 공정에서 상기 2차 가열 온도는 450 ~ 550℃이고, 상기 소정시간은 130분 내지 170분인 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 3단계 담금질 공정은, HCN 400 ~ 600ppm을 포함하는 침탄질화 분위기에서 행해지는 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 3단계 담금질 공정에서 3차 가열 온도는 780 ~ 820℃이고,
   상기 소정 시간은 200분 내지 300분인 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 3단계 담금질 공정에서 급냉은 오일에 의해 행해지는 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 3단계 담금질 공정에 의해 상기 베어링강의 표면에 0.5 ~ 0.7 중량%의 질소 농도를 가진 침질층이 형성된 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 4단계 뜨임 공정에서 상기 4차 가열 온도는 120 ~ 180℃이고, 상기 소정시간은 130분 내지 170분인 것을 특징으로 하는 베어링강의 열처리 방법.
11. 제1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 따른 열처리 방법으로 열처리된 베어링강으로 제조된 내륜 혹은 외륜을 포함하는 베어링 부품.
12. 제11항에 따른 베어링 부품을 포함하는 베어링.

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