KR940001140B1 - 베어링의 열처리방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

베어링이 열처리방법

제1도는 본 발명 열처리 방법을 설명하는 그래프.

제2도 내지 제5도는 각각 본발명 열처리방법과 종래기술에 따른 열처리방법을 실시한 베어링을 250℃ 온도로 유지시킨 상태에서의 측정값 변화를 비교도시한 그래프로서, 제2도는 베어링외륜이 외경치수 변화 그래프.

제3도는 베어링외륜의 궤도치수 변화 그래프.

제4도는 베어링외륜의 진원도 변화 그래프.

제5도는 베어링이 경도변화 그래프.

본 발명은 베어링이 열처리 방법에 관한 것으로, 특히 고온에서 치수안정성이 우수하고 경도저하가 적은 베어링을 제조할 수 있도록 한 베어링의 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 구름베어링은 하우징에 장착된 외륜과, 그 내부에 샤프트가 끼워진 내륜 사이에서 볼 또는 로울러등과 같은 전동체가 상대회전될 수 있도록 조립되어 회전동력 전달에 관여하는 기계요소로서, 이러한 구름베어링(이하 간단히 베어링이라 한다)은 동작특성상 샤프트를 매개로 소정의 하중을 받으면서 상당한 속도로 회전되게 되므로 외륜과 내륜 및 전동체사이의 마찰에 따른 마모 및 온도상승이 발생하게 되는바, 특히 대하중·고속 회전용 베어링인 경우에는 내마모 특성 뿐만 아니라 내열성이 충분히 갖춰져야만 베어링으로서 제성능을 발휘할 수 있게 되므로, 베어링의 재료라던가, 가공정밀도, 또는 열처리방법등이 베어링이 성능 및 그 수명에 주요한 관련인자로 작용하게 된다.

종래 베어링이 재료로는 탄소 0.9∼1.0% 크롬 1∼1.5%가 함유된 고탄소크롬 베어링강이 주로 사용되는바, 이러한 고탄소크롬 베어링강으로 제조한 일반 베어링은 담금질후 140∼180℃ 정도의 온도로 뜨임작업을 실시하게 되고, 또 이는 통상 동작온도가 120℃ 이하의 온도에서 사용되게 된다. 그런데 사용온도 한계가 450℃정도까지 가능한 내열베어링인 경우에는 조직강화로 인한 충분한 내열성을 부여하기 위해 몰리브덴이라던가 바나듐 또는 텅스텐등과 같은 특수합금원소를 첨가한 내열강계통의 베어링강을 그 소재로 사용하고 있다.

그런데 베어링의 사용온도 조건이 약 150℃ 이상의 고온인 경우, 이에 일반 베어링강으로 제조한 베어링을 사용할 경우, 그 조직강화가 불충분하여 베어링의 동작중 온도상승에 의해 외륜의 외경이라던가 궤도칫수 또는 진원도등에 칫수변화가 발생하면서 변형하게 되고, 또 경도저하로 인해 베어링의 성능이 크게 저하됨은 물론 수명이 더욱 단축되어 진다.

즉, 베어링의 동작특성상 요구되는 내마모성이라던가 내열성은 베어링의 조직 에 따라 결정되는바, 통상적으로 베어링의 조직은 열처리로써 소정의 조직으로 만들어 주게 된다. 환언하면 베어링강으로 제작된 베어링을 820∼860℃ 온도로 1∼2시간동안 가열하여 기지조직인 오오스테나이트에 탄소를 충분히 고용시킨뒤, 이를 40∼120℃ 온도의 오일에 담금질하여 기지조직을 경도가 매우 큰 투루스타이트 또는 마르텐사이트조직으로 변태시키게 되는바, 이때 소정 원인에 의해 마르텐사이트로 변태하지 않은 미변태조직인 잔류오오스테나이트 조직이 남는 것이 일반적이다.

그런데 이와 같이 안정화된 잔류오오스테나이트조직은 베어링의 사용도중 온도상승에 의해 장시간에 걸쳐 서서히 투루스타이트 또는 마르텐사이트로 변태하게 되는바, 이에따라 베어링의 칫수상 변화가 생기게 되고, 특히 고온에서 동작하는 베어링의 경우에는 상기와 같은 잔류오오스테나이트의 변태가 급격히 이루어짐에 따라 칫수변형, 예컨대 외륜의 진원도가 변하게 되고, 또 사용도중 발생하는 고열에 의해 베어링조직을 뜨임열처리하게 되는 고온템퍼링효과가 수반되어 조직의 경도저하가 심하게 됨으로써 베어링의 성능 및 수명이 크게 단축된다고 하는 결점이 있는 것이다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반결점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 잔류오오스테나이트량을 최소화함으로써 베어링의 사용도중의 변태량을 극소화하여 베어링의 칫수안정성을 높이고, 경도저하를 방지하여 성능 및 수명이 향상된 베어링의 열처리방법을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고탄소크롬 베어링강으로 제조된 베어링을 800∼900℃ 온도로 2∼3시간동안 가열하는 동안 연화저항원소를 함유하는 암모니아개스를 주입하여 베어링표면층에 연화저항원소를 침투시키는 원소확산 처리단계와, 연화저항원소가 침투된 베어링을 40∼120℃ 온도의 오일에 투입하는 담금질 단계와, 담금질된 베어링을 상온으로 유지시킨 후 0℃ 이하 온도로 처리하는 심냉처리단계 및, 심냉처리된 베어링을 200℃ 이상의 온도에서 유지시키는 고온뜨임 단계로 이루어져, 상기 연화저항원소가 베어링표면에 침투·확산됨에 따라 고온에서 경도저하를 방지함과 더불어 심냉처리를 통해 미변태 잔류조직을 경화조직으로 신속하게 변태시킨뒤 뜨임작업을 통해 이러한 변태를 촉진키셔 안정화시킴으로써 베어링의 사용도중, 특히 고온에서의 칫수변화 및 경도저하를 억제할 수 있게 되는 것이다.

이하 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

본 발명은 통상적으로 사용되는 탄소 0.9∼1.0%, 크롬 1∼1.5%가 함유된 고탄소크롬 베어링강으로 제조된 외륜과 내륜 및 전동체로 이루어진 구름볼베어링 (#6310)을 담금질 온도인 800∼900℃ 온도에서 2∼3시간동안 가열하면서 동시에 가열로 내부로 고온에서의 연화저항성이 큰 원소를 함유하는 기체, 예컨대 본발명 실시예에서는 암모니아개스를 주입한다.

이와 같이 주입된 암모니아개스는 고온에서 열분해되어 질소와 발생기수소로 분해되는바, 이때 발생된 질소가 베어링의 표면층 내부로 침투되어 0.5∼0.7㎜ 깊이로 확산됨에 따라 베어링의 표면층 내부에서는 상기 질소(N₂)와 원자와 철(Fe)원자가 결합하여 질화철을 생성하는 질화경화반응이 일어나게 된다.

이와 같이 표면층에 질화철이 생성된 베어링을 40∼120℃ 온도로 유지된 오일에 담금질하게 되면 기지조적인 면심입방격자의 오오스테나이트는 급냉에 따라 체심입방격자인 마르텐사이트의 경화조직으로 변태하게 됨과 더불어 이 마르텐사이트조직의 격자내부에 상기 질소원자가 고용됨에 따라 수반되는 변태형상에 의해 전체조직의 경도가 크게 증하게 된다.

이어 이와같이 마르텐사이트조직으로 변태된 베어링을 상온으로 유지시킨후 바로 미변태 잔류조직을 경화조직으로 변태시키기 위해 액체질소등에 투입하여 베어링을 0℃ 이하, 예컨대 약 -80℃ 정도 온도로 유지함으로써 잔류된 미변태조직인 오오스테나이트를 경화조직인 마르텐사이트 또는 투루스타이트로 완전변태시킴과 더불어 그 변태속도를 촉진시키게 된다.

다음 상기와 같이 경화조직으로 변태된 베어링은 그 경도가 크기는 하나, 취성이라던가 담금질시의 내부응력등이 남아 있게 되므로 이를 제거하기 위해 뜨임작업을 실시하는바, 본 발명에서는 베어링의 실제 동작시 사용조건이 약 250℃임을 고려하여 통상적인 뜨임온도인 140∼180℃ 온도보다 높은 200∼350℃ 온도에서 1∼2시간 유지시킴으로써 경화조직의 균질화 및 인성등을 부여함과 동시에 그 조직을 안정화시켜 베어링의 사용도중의 조직변화를 미연에 방지하게 되는바, 이와 같은 일련의 열처리작업을 통해 본 발명의 열처리의 1싸이클을 완료하게 된다.

다음에는 상기와 같은 본발명 열처리방법을 실시한 베어링을 종래 열처리방법을 실시한 베어링과 비교하여 그 작용효과를 설명하기로 한다.

제2, 3, 4도는 본 발명 열처리방법을 실시한 구름볼베어링(#6310)과 종래 열처리방법을 실시한 베어링(#6310)을 250℃ 온도로 유지시키면서 시간경과에 따른 외륜의 외경치수 변화와 궤도치수 및 진원도의 변화를 각각 비교도시한 그래프로서, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 베어링은 동작시간 경과 및 온도상승에 대하여도 그 칫수상 변화가 극히 적음에 반하여, 종래기술에 따른 베어링은 동작전후의 그 칫수변화가 상당히 크고, 또 온도상승에 따라 칫수의 변화정도 불규칙하여 내륜및 전동체와의 사이에 불규칙한 마모등으로 인한 성능 및 내구성이 현저하게 저하됨을 알 수 있는바, 이와 같이 종래기술에서의 칫수변화가 큰 것은 열처리과정에서 경화조직으로 변태하지 못한 잔류오오스테나이트가 베어링의 동작중 발생되는 고온에 의해 서서히 변태가 진행되면서 변형되기 때문이다.

이에 반하여 본 발명에서는 열처리과정중 연화저항원소의 주입 및 심냉처리를 통하여 오오스테나이트를 경화조직인 트루스타이트 또는 마르텐사이트로 변태시켜 잔류된 오오스테나이트량을 극소화 하였기 때문에, 결국 베어링의 동작중 온도상승에 의해서도 더이상 변태가 일어나지 않음으로 해서 그 칫수변화가 거의 없게 되는 것이다.

또한 제5도에 도시된 바와같이, 본 발명 열처리방법과 종래 열처리방법을 각각 실시한 베어링을 로크웰 경도시험(C 스케일)을 통해 그 경도값을 측정한 결과, 본 발명에 따른 베어링은 그 동작초기에 약간의 경도감소가 있을뿐 동작시간 경과에 따라 약 H_RC=60 정도의 경도값을 유지함에 반하여, 종래방법에 따른 베어링은 동작시간 경과에 따라 경도값이 현저하게 감소함을 알 수 있는바, 이는 상기 설명에서와 같이 본 발명에 따른 베어링은 기지조직인 오오스테나이트의 거의 전부가 경화조직으로 변태됨으로 인하여 자체 경도가 크고, 또 잔류오오스테나이트량이 극히 적기때문에 베어링이 동작시간이 경과함에 따라 발생되는 열에 의한 변태의 영향이 극히 적어 소정의 최소요구 경도값을 유지하고 있으므로써 베어링의 성능 및 내구성이 현저히 향상되어 진다.

한편, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 여러가지로 변형하여 실시할 수 있는바, 예컨대, 베어링의 사용조건 또는 요구되는 경도값에 따라 뜨임온도를 200℃ 이상에서 적절히 선택할 수도 있으며, 또 본 발명은 상기 실시예의 구름 베어링외에 기타 특수한 베어링에도 적용할 수 있음은 물론이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명은, 베어링을 소정 온도로 가열한 후 질소와 같은 연화저항원소를 베어링의 표면층에 침투확산 시킨뒤 담금질하고, 이를 0℃ 이하에서 심냉처리하여 잔류오오스테나이트를 완전히 경화조직으로 변태시킨후 고온에서 뜨임작업을 실시하도록 함으로써, 베어링 사용도중에 변태량을 극소화하여 칫수안정성을 높일 뿐만 아니라 경도저하를 방지하여 베어링의 성능 및 수명을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 고탄소크롬 베어링강으로 제조된 베어링을 800∼900℃ 온도로 2∼3시간동안 가열하면서 연화저항원소를 함유하는 암모니아개스를 주입하여 베어링표면층에 연화저항원소를 침투시키는 원소확산 처리단계와, 연화저항원소가 침투된 베어링을 40∼120℃ 온도의 오일에 투입하는 담금질단계, 담금질된 베어링을 상온에서 유지시킨후 0℃ 이하 온도로 처리하는 심냉처리단계 및, 심냉처리된 베어링을 200∼350℃의 온도에서 1∼2시간동안 유지시키는 고온뜨임단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 베어링의 열처리방법.