KR100325712B1 - 구상화열처리의촉진이가능한베어링강선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링강의 구상화 열처리시 열처리 시간을 단축하기 위하여 소재의 제조시 변태전에 급냉처리를 하여 조직을 미세화시키고 이 효과에 의하여 후공정인 구상화 열처리 시간의 단축이 가능한 베어링강 선재의 제조방법에 관한 것으로, 베어링강 선재의 제조방법에서 냉각속도를 4∼10℃/sec 사이의 속도로 하여 초석 시멘타이트의 생성량을 줄여주고, 펄라이트 층상간격을 감소시켜 줌으로서 후공정인 구상화 열처리 공정의 단축이 가능한 조직을 형성시키는 것을 특징으로하는 베어링강 선재의 제조방법을 요지로 한다.

Description

구상화 열처리의 촉진이 가능한 베어링강 선재의 제조방법{A method of manufacturing bearing steel}

본 발명은 베어링강의 구상화 열처리시 열처리 시간을 단축하기 위하여 소재의 제조시 변태전에 급냉(quenching)처리를 하여 조직을 미세화시키고 이 효과에의하여 후공정인 구상화 열처리 시간의 단축이 가능한 베어링강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 약 1wt% 의 탄소와 1.5wt%의 크롬을 함유한 베어링강은 제강공장의 래들내에서 강환원성 분위기를 유지하여 정련함으로서 비금속 개재물의 양을 낮추어 주고 RH 탈가스 공정을 거쳐 산소의 함량을 10ppm 까지 낮추어진 상태에서 정련한다. 잉곳주조 제품은 응고응력(solidification stress) 및 편석을 제거하기 위하여 분괴공장에서 약 3일 동안 서냉로에 장입한 후 블룸(bloom)으로 압연된다. 블룸의 표면흠등을 제거하기 위하여 전면 핫 스카핑(hot scarfing)을 실시한 후 강편공장에서 빌렛으로 압연되며, 압연 후 급냉으로 열응력에 의한 소재의 크랙 생성을 방지하기 위하여 적치 공냉을 실시함으로서 냉각속도를 감소시킨다. 빌렛은 다시한 번 전면 핫 스카핑 공정을 거친 후 선재 공장에서 선재압연 후 극 서냉으로 냉각하여 선재의 제품으로 생산된다. 한편 연속주조 공정을 거친 경우 블룸을 만들어 강편공정에서 빌렛으로 압연하거나 직적 빌렛을 만들어 선재압연하게 된다.

선재공장에서 생산된 선재는 열처리 공정에서 소재의 연화를 목적으로 720℃에서 5시간 동안 유지한다. 그리고 약 15-20%로 신선가공을 한 후 두단계로 구상화처리를 한다. 구상화 열처리 후 볼의 형태로 냉간압조되며 냉간압조후 용도에 적정한 강도와 인성을 확보해 주기 위하여 조질열처리(quenching and tempering)를 한다. 도 1에 볼 베어링강의 제조공정을 도식적으로 나타내었다.

구상화 처리시의 반응을 보면, Ac₁온도보다 높은 온도에서는 소재의 초석시멘타이트의 네트워크(network)가 부분적으로 용해되며 펄라이트 조직이 완전히 분해되어 그 후 냉각과정 동안 펄라이트 메트릭스에서 구상화된 시멘타이트로의 상변태가 일어난다. 구상화 열처리 후에도 초기조직인 시멘타이트 네트워크가 잔존하게 되면 강의 인성을 약화시킨다.

일반적으로 알려진 구상화 열처리는 다음의 3가지 유형으로 분류되고 있다.

1) A₁온도 보다 20∼30℃ 높은 온도에서 일정한 시간 동안 가열하고, A₁직하의 온도에서 장시간 유지하는 방법

2) A₁온도 직하의 온도에서 장시간 가열하는 방법

3) A₁온도를 중심으로 20∼30℃ 정도 높은 온도와 A₁직하의 온도에서 반복적으로 가열하는 방법

상기의 3가지 방법에 있어서

1)의 방법은 일반적으로 중,저탄소강에서 많이 행하여지고 있는 방법으로 A₁온도 이상에서의 어닐링(annealing, 소둔)에 의하여 오스테나이트 조직속에 용질의 상태로 녹아있던 탄소가 A₁직하의 온도에서 일정시간 유지되면 구상화 탄화물로 석되어 나온다. 이 방법에 있어서의 하나의 중요한 변수로 A₁변태점 이하의 온도로 냉각속도 의영향을 들 수 있다. 이 냉각속도는 생성되는 탄화물의 형상 및 분포에 큰 영향을 미친다. 변태가 일어나는 온도인 A₁이하에서의 가열시 A₁온도와의 온도차는 구상화된 탄화물의 형상에 큰 영향을 준다. A₁온도에 가까워질수록 조대하고연질인 구상화 조직을 얻을 수 있다.

2)의 방법에 있어서는 고온에서의 가열시간이 길어짐에 따라 시멘타이트 라멜라가 붕상으로의 형태변화를 통해 둥근 형태의 탄화물로 석출되는 효과를 이용하는 방법으로 오랜시간이 필요하게 되는 단점이 있으므로 신선가공을 통한 펄라이트의 파괴를 이용하면 가열시간의 단축이 용이하다.

3)의 방법은 A₁온도 이상에서 층상 펄라이트의 탄화물이 부분적으로 오스테나이트의 용해과정과 A₁이하의 온도에서의 석출하는 과정에서의 반복에 의하여 구상화를 촉진하는 방법이며 실제 생산에 적용하기에는 온도 및 냉각속도의 조절이 번잡하고 과정이 매우 복잡하다.

도 2의 (a)에서 보듯이 베어링강의 현미경 조직을 살펴보면, 종래에는 냉각속도가 2℃/sec 이하로서 상온에서 많은 양의 초석 시멘타이트가 형성된다. 이를 구상화시키면 초석 시멘타이트 및 펄라이트 조직을 790℃에서 완전히 분해시킨다. 그 후 극 서냉하는 동안 펄라이트 매트릭스에서 구상화된 시멘타이트로 상변태되며 720℃의 온도에서 5시간 유지시켜 구상화된 탄화물을 안정화시키고 로에서 극 서냉을 시켜 저온조직(베이나이트 혹은 마르텐사이트)의 생성을 억제시켜 냉간가공성의 저하를 방지시킨다. 그러나 이와 같은 열처리 공정에서 초석 시멘타이트가 두껍거나 펄라이트의 층상간격이 크면 열처리 시간이 너무 길어 소재의 생산성을 저하시킬 뿐 만 아니라 장시간 가열로 인한 소재의 열처리 비용의 증가, 더 나아가 장시간 가열로 인한 소재의 탈탄층의 두께가 증가되어 소재의 품질이 열악해지는 단점이 있을 뿐만 아니라 탈탄층을 제거하기 위한 필링(peeling) 처리등으로 인해 실수율이 감소될 가능성도 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 베어링강 소재의 제조시 변태전 급냉처리에 의하여 연속냉각곡선을 왼쪽으로 이동시킴으로서 입계에 생성되는 초석 시멘타이트의 양을 줄여줌과 동시에 변태온도를 낮추어줌으로서 펄라이트의 층상간격을 좁게 함으로서 구상화 열처리시 펄라이트의 분해를 빠르게 하여 탄화물의 구상화를 촉진시켜 열처리 시간이 획기적으로 단축이 가능하게 하여 원가절감의 효과가 크게 하는 베어링강 선재의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 베어링강의 제조공정을 도시한 블럭도.

도 2는 본 발명재와 비교재의 냉각속도에 의해 제조된 광학 현미경 조직을 나타낸 사진, (a)는 비교재, (b)는 본 발명재.

도 3은 본 발명재와 비교재의 구상탄화물의 층간 간격을 주사식 전자 현미경 조직을 나타낸 사진, (a)는 비교재, (b)는 본 발명재.

도 4는 구상화 열처리시 본 발명재(b)와 비교재(a)의 구상화 탄화물의 형상 비교를 나타낸 조직사진.

도 5는 구상화 열처리시 본 발명재(b)와 비교재(a)의 구상화 탄화물의 또 다른 형상 비교를 나타낸 조직사진.

도 6은 본 발명재와 비교재의 연속냉각곡선을 나타내는 도면이다.

통상의 화학조성을 갖는 강을 전로(轉爐)에서 용재하고, 통상의 제조공정인 래들퍼니스와 RH탈가스 설비에서 불순물을 제거한 다음, 그 후 연속주조에 의해서 강편을 만들고, 그 강편을 열간압연에 의해 선재로 제조한 다음 냉각처리 조건을 제어함으로써 후공정인 구상화 열처리 속도의 단축이 가능한 베어링강 선재의 제조방법에 있어서,

상기 냉각속도를 4∼10℃/sec 의 속도로 냉각하여 초석 시멘타이트의 생성량과 펄라이트 층상간격을 감소시켜 줌으로서 구상화 열처리 속도의 단축을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 구상화 열처리의 촉진이 가능한 베어링강 선재의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 통상의 베어링강 소재의 제조공정을 깊이 있게 연구한 결과 베어링강의 선재 냉각시 냉각속도를 통상적인 2℃/sec 보다 빠른 4∼10℃의 범위에서 냉각시키면 제품의 입계에 생성되는 초석 시멘타이트의 양이 줄어들 뿐만아니라 펄라이트 층상간격도 작아져 후공정에서 구상화 열처리시 초석 시멘타이트의 분해속도가 빨라짐으로서 탄화물의 구상화가 통사재보다 촉진된다는 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

상기 베어링강의 선재 냉각시 냉각속도를 4 ∼ 10℃/sec 의 범위로 한정한 이유는 냉각속도가 4℃/sec 미만인 경우에는 냉각시 펄라이트의 변태온도가 높아짐에 따라 초석 시멘타이트의 형성이 많아지며, 펄라이트의 층상간격이 두꺼워서 후 공정에서의 구상화 열처리시 초석 시멘타이트가 분해되는 시간이 늦어질 뿐 아니라 이로 인하여 탄화물이 구상화하는 시간이 늦어지기 때문이다. 또한 냉각속도가 10℃/sec 보다 빠를 경우에는 펄라이트의 조직이 아닌 베이나이트나 마르텐사이트와 같은 저온조직이 나타나게 되어 소재의 경도가 너무 높아지게 되어 구상화 열처리 전에 소재의 신선을 위하여 소재의 풀림 열처리를 해야되기 때문에 전체적으로 구상화 열처리 촉진에 의한 열처리 공정에서의 원가절감의 효과가 없어지기 때문이다.

이하 본 발명을 실시예에 따라 보다 상세하게 설명한다.

(실시예)

본 발명 대상 소재의 합금성분은 표 1과 같다.

Tr: Trace

도 1은 본 발명이 적용되는 베어링강의 생산공정을 나타낸 것으로서, 상기 표 1에 나타낸 화학조성을 갖는 강을 전로(轉爐)에서 용제하고, 래들퍼니스와 RH탈가스 설비에서 불순물을 제거한 다음, 그 후 연속주조에 의해서 400 ×560 mm 의 강편으로 만들었다. 그 강편을 열간압연에 의해 65 mmφ의 선재로 제조한 다음 저온열처리를 하였다. 이 저온열처리에 의해 제조된 조직사진을 도 2에 나타내었다. 이후의 공정은 신선과 구상화열처리를 하는 데 생략한다.

도 2는 본 발명의 효과를 보이기 위한 소재의 광학현미경 조직 사진으로서 발명재(b)는 830℃에서 소재의 냉각시 냉각속도 8℃/sec 로 냉각하였고, 비교재(a)는 냉각속도 2℃/sec 로서 현장 생산 라인에서 제조한 것이다. 발명재(b)의 경우에는 입계에 초석 시멘타이트의 생성이 매우 드물게 보이지만 비교재(a)의 경우에는 초석 시멘타이트가 매우 두껍게 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

도 3은 발명재(b)와 비교재(a)의 구상화 탄화물의 형상을 전자현미경을 이용하여 관찰한 것으로 비교재(a)의 경우에는 층상간격이 발명재(b)에 비하여 큰 것을 알 수 있다.

도 4는 발명재(b)와 비교재(a)를 각각 790℃의 온도에서 5분동안 가열한후 급냉(quenching) 처리를 한 조직으로 발명재(b)의 경우에는 초석 시멘타이트가 끊어져 있음을 알 수 있고, 비교재(a)의 경우에는 초석 시멘타이트가 끊어져 있지 않고 연결되어 있으므로 발명재(b)의 쪽이 초석 시멘타이트의 분해속도가 빠르다는 것을 알 수 있다.

도 5는 발명재(b)와 비교재(a)를 각각 790℃의 온도에서 10분동안 가열한 후 급냉처리를 한 조직으로 발명재(b)의 경우에는 시멘타이트가 어느정도 구상화되어 있음을 알 수 있고, 비교재(a)의 경우에는 초석 시멘타이트의 분해가 시작되고 있음을 알 수 있다 . 따라서 발명재(b)의 구상화속도가 비교재(a)에 비하여 빠르다는 것을 알 수 있다.

도 6은 발명재(b)와 비교재(a)의 연속냉각곡선으로 발명재의 경우에는 비교재(a) 대비 초석 시멘타이트 및 변태온도가 낮음을 알 수 있다.

상기와 같은 결과로 볼 때 베어링강의 소재 제조시 냉각속도를 통상적인 2℃/sec의 속도보다 빠른 범위인 4∼10℃/sec 속도로 높여 초석 시멘타이트의 생성량을 줄여주고, 펄라이트의 간격을 줄여 줌으로서 초석 시멘타이트의 분해속도가 빠르며 펄라이트의 구상화 속도가 빠르므로 본 냉각방법을 적용할 경우에는 구상화 열처리의 공정의 단축이 가능하다.

Claims (1)

1. 통상의 화학조성을 갖는 강을 전로(轉爐)에서 용재하고, 통상의 제조공정인 래들퍼니스와 RH탈가스 설비에서 불순물을 제거한 다음, 그 후 연속주조에 의해서 강편을 만들고, 그 강편을 열간압연에 의해 선재로 제조한 다음 냉각처리 조건을 제어함으로써 후공정인 구상화 열처리 속도의 단축이 가능한 베어링강 선재의 제조방법에 있어서,

   상기 냉각속도를 4∼10℃/sec 의 속도로 냉각하여 초석 시멘타이트의 생성 량과 펄라이트 층상간격을 감소시켜 줌으로서 구상화 열처리 속도의 단축을 할 수 있는 것을 특징으로 하는 구상화 열처리의 촉진이 가능한 베어링강 선재의 제조방법.

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