KR20130140598A - 플래시-벗 용접된 베어링 부품 - Google Patents

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KR20130140598A
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토르 룬드
비크토르 레시나
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아크티에볼라게트 에스케이에프
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Abstract

베어링 부품(10)은 하나 이상의 플래시 벗 용접 조인트 및 스틸을 포함한다. 상기 스틸은 최대 20 ppm의 S와 최대 15 ppm의 O의 중량을 포함하고, 상기 스틸은 황화물 함유물을 포함하며 황화물 함유물의 5% 미만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유한다.

Description

플래시-벗 용접된 베어링 부품{FLASH-BUTT WELDED BEARING COMPONENT}
본 발명은 베어링 부품에 관한 것으로, 즉 볼 베어링, 롤러 베어링, 니들 베어링, 테이퍼진 롤러 베어링, 구형 롤러 베어링, 토로이달 롤러 베어링, 볼 스러스트 베어링, 롤러 스러스트 베어링, 테이퍼진 롤러 스러스트 베어링, 휠 베어링, 허브 베어링 유닛, 스루잉 베어링(slewing bearing), 볼 스크류, 또는 롤링 접촉 또는 조합된 롤링 및 슬라이딩과 같은 교번 헤르츠 응력(Hertzian stress)에 노출되는 응용을 위한 부품들 중 하나 이상의 일부로 구성되는 부품에 관한 것이다.
플래시-벗 용접 또는 "플래시 용접(flash welding)"은 금속 레일, 체인 또는 파이프의 세그먼트를 결합하기 위한 저항 용접 기술이며, 여기서 세그먼트는 나란히 정렬되고 전류에 의해 가열되어 세그먼트의 단부들을 용융 및 용접하는 전기 아크를 생성하고 예외적으로 강하고 평활한 조인트를 산출한다.
플래시 벗 용접 회로는 저-전압, 고-전류 에너지원(통상적으로 용접 변압기) 및 2개의 클램핑 전극으로 구성된다. 용접되는 2개의 세그먼트는 전극 내에서 클램프 고정되며 이들이 만날 때까지 함께 보내져서 라이트 접촉(light contact)을 형성한다. 변압기를 여자화시킴에 따라 고밀도 전류가 서로 접촉하는 영역을 통하여 흐른다. 플래싱은 개시되고, 세그먼트는 플래싱 동작을 유지시키기 위해 충분한 힘과 속도로 서로 단조된다. 열 구배가 용접되는 2개의 변부에 형성된 후에 업셋 력(upset force)이 용접을 완료하기 위해 인가된다. 이 업셋 력은 가열된 금속의 더 차가운 구역에서 용접 이물질이 있는 용접 구역으로부터 슬래그, 산화물, 및 용융된 금속을 배출시킨다. 조인트는 그 위 클램프가 용접된 용품을 빼내기 위해 개방되기 전에 다소 냉각된다. 용접 이물질은 제 위치에 보유될 수 있거나 또는 전단(shearing )에 의해 제거될 수 있으며, 반면 용접된 용품은 필요 요건에 따라 여전히 고온의 상태이거나 또는 그라인딩된다.
국제 공보 제WO 2006/103021호에는 적어도 0.7%의 탄소 함유량 및 하이퍼유텍틱 조성물(hypereutectic composition)을 갖는 롤러 베어링 스틸의 냉간-롤링된 프로파일로부터 제조된 용접된 롤러 베어링 링이 개시된다. 용접된 롤러 베어링 링은 벗 용접에 의해 수득된 연성-어닐링되고 조대-그레인의 결절성 시멘타이트 조인트를 포함한다. 용접된 조인트 주위의 영역은 더 많은 카바이드 개수 및 잔여 링 영역에 비해 더 미세한 구조를 갖는 마르텐사이트 시멘타이트 구조를 포함한다. 플래시 벗 용접 공정 동안에, 2개의 표면들이 서로 단조될 때, 2개의 표면의 평면에 대해 수직인 재료 유동이 생성된다. 이 재료 유동은 2개의 표면의 평면에 수직하게 배향된 그레인 구조 도는 섬유 유동을 형성한다. 재료 내에 존재하는 함유물은 이 재료 유동 내로 혼입된다.
종래의 베어링 스틸 내에서, 주된 함유물 유형은 황 함량이 통상적으로 산소 함량보다 높기 때문에 황화물이다. 황화물은 신장된 형상을 갖기 때문에, 이 황화물은 플래시 벗 용접 동안에 대부분이 배향될 수 있으며, 이에 따라 용접 조인트의 영역에 스틸을 비등방성으로 만든다. 베어링 부품의 수명은 예컨대, 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 황화물 함유물과 같은 산소-함유 함유물에 의해 가장 부정적인 영향을 받으며, 이는 이러한 함유물이 매트릭스 접촉을 가질 때 이러한 함유물이 균열 개시자(crack initiator)로서 작용하기 때문이다. 베어링 링과 같은 부품이 플래시 벗 용접될 때, 혼입된 황화물을 나르는 생성된 섬유 유동은 플래시 벗 용접 조인트를 포함하지 않는 베어링에 비해 완성된 용접된 베어링 링 내에서 피로 균열 개시 및 전파에 대해 바람직하지 못할 것이다. 추가로, 베어링 스틸 내의 황화물은 용접 구역에서의 오스테나이트 내에서 완전히 또는 부분적으로 녹는다. 냉각 시에, 황화물은 용접 구역을 상당히 취약하게 하는 그레인바운더리에서 바람직하게는 떨어질 것이다.
플래시 벗 용접 동안에 황화물에 따른 이들 문제점을 극복하기 위하여, 가능한 0에 근접하게 베어링 스틸의 황 함량을 감소시키는 것이 선호되지 못하며, 이는 바람직하지 못한 복합 알루미네이트 함유물을 형성하고 알루미네이트 형태의 산화물 함유물에 유입되는 마그네슘 및 칼슘을 생성하기 때문이다. 순수한 알루미네이트는 경성이고 깨지기 쉬우며, 이 알루미네이트는 고온 성형 동안에 파열되고 이에 따라 고도의 성형 변형을 이용하는 베어링 부품의 제조자에게 상당한 문제점을 야기한다. 그러나, 복합 알루미네이트는 경성이지만 깨지기 쉽지 않아서 이 알루미네이트는 롤링 동안에 원래의 상태로 유지될 것이며, 따라서 완성된 베어링 부품 내로 혼입될 것이다. 복합 알루미네이트 함유물이 높은 하중에 노출되는 베어링 부품의 영역에 위치된다면, 이는 피로 파괴가 개시되는 위치이다.
본 발명의 목적은 개선된 피로 특성을 갖는 적어도 하나의 플래시 벗 용접 조인트를 포함하는 베어링 부품을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 최대 20 ppm의 S와 최대 15 ppm의 O의 중량을 포함하고, 황화물 함유물의 5% 미만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 황화물 함유물을 포함하는 베어링 부품에 의해 구현된다.
플래시 벗 용접이 생성하는 바람직하지 못한 섬유 유동의 부정적인 효과는 이러한 스틸로부터 플래시 벗 용접되는 베어링 부품을 제조함으로써 제한될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 깨끗한 스틸을 이용함에 따라 더 우수한 용접 조인트를 갖는 용접된 베어링 부품이 제공되며, 이는 용접된 베어링 부품이 이와는 달리 발생되는 바와 같이 구조적 취약부의 영역을 포함하지 않기 때문이다. 따라서, 이러한 용접된 베어링 부품은 이러한 스틸을 포함하지 않는 플래시 벗 용접 베어링 링에 비해 고도의 구조적 일체성을 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라서, 스틸은 최대 10 ppm의 O와 최대 8 ppm의 O를 포함한다.
본 발명의 실시 형태에 따라서, 스틸은 0.1 중량% 내지 1.20 중량%의 C를 함유한다. 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라서, 스틸은 0.15 중량% 내지 0.40 중량%의 C를 함유한다. 이 스틸은 예를 들어, ISO 683-17:1999 ASTM A-295-98와 같은 ASTM A295 / A295M - 09 유형 또는 조합된 롤링 및 슬라이딩과 같은 교번 헤르츠 응력(Hertzian stress)에 노출되는 응용에 대해 적합한 임의의 그 외의 다른 고-탄소 경화 스틸(high-carbon through-hardened steel)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라서, 본 발명은 Ca, Mg, Te 또는 예컨대, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu와 같은 란타나이드(lanthanide)의 군으로부터 선택된 요소를 포함한다. 본 발명의 추가 실시 형태에 따라서, 스틸은 상기 군으로부터 선택된 요소의 10-30 ppm의 중량을 포함한다.
황화물 함량이 산소 함량과 실질적으로 동일한 수준으로 감소된 후에 베어링 스틸(즉, 베어링 부품에서 사용하기에 적합한 스틸)에 이러한 요소의 첨가는 스틸 내에 잔류하는 황화물 함유물의 총 개수를 감소시키며 및/또는 최종 베어링 부품의 기계적 특성에 악 영향을 덜 미치는 형태로 잔여 함유물의 형태를 변경시킬 것이다(예를 들어, 텔루륨은 황화물 함유물을 구상화시킴). 베어링 스틸에 대한 이러한 요소의 첨가에 따라 황화물 함유물의 5% 미만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유한다. 이러한 요소의 첨가에 따라 또한 모든 황화물 함유물은 3:1 미만의 종횡비를 가지며(즉, 함유물의 가장 짧은 직경에 대한 함유물의 가장 긴 직경의 비율), 황화물 함유물의 최대 길이는 ASTM E2283-03 극단값 분석을 사용하여 평가된 3의 축소 변량(Reduced Variate)에서 125 μm이다. 이러한 황화물 함유물은 이의 피로 특성에 따라 베어링 부품에 덜 손상을 입힌다. 게다가, 3:1 초과의 종횡비를 가지며 125 μm 초과의 최대 길이를 갖는 황화물 함유물의 부재에 따라 모든 방향으로 스틸이 더 균일하게 형성되고 이에 따라 스틸 내에서 방향적 비등방성이 감소된다.
본 발명의 실시 형태에 따라서, 베어링 부품은 볼 베어링, 롤러 베어링, 니들 베어링, 테이퍼진 롤러 베어링, 구형 롤러 베어링, 토로이달 롤러 베어링, 볼 스러스트 베어링, 롤러 스러스트 베어링, 테이퍼진 롤러 스러스트 베어링(tapered roller thrust bearing), 휠 베어링, 허브 베어링 유닛, 스루잉 베어링(slewing bearing), 볼 스크류, 또는 롤링 접촉 또는 조합된 롤링 및 슬라이딩과 같은 교번 헤르츠 응력(Hertzian stress)에 노출되는 응용을 위한 부품들 중 하나 이상의 일부로 구성된다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따라서, 베어링 부품은 베어링 링 또는 베어링 링 세그먼트로 구성되며, 상기 세그먼트들 중 둘 이상은 베어링 링에 용접될 수 있다.
본 발명은 첨부된 예시적 도면에 따라 비-제한적인 예시로서 하기에서 추가로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따르는 베어링 부품을 예시적으로 도시하는 도면.
도 2는 표준 스틸 내에 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 황화물 함유물의 퍼센트를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따르는 베어링 부품의 스틸 내에 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 황화물 함유물의 퍼센트를 도시하는 도면.
도 4는 플래시 벗 용접 전에 본 발명의 실시 형태에 따르는 베어링 링을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따라 베어링 부품의 2개의 단부가 플래시 벗 용접되는 것을 도시하는 도면.
도 6은 플래시 벗 용접 동안에 베어링 부품의 표면에서 재료 유동을 나타내는 도면.
도 1에는 베어링 부품(10), 즉 수십 그램으로부터 수천톤의 하중-지지 능력(load-carrying capacity)을 가지며 10 mm 직경으로부터 수 미터 직경까지 범위를 가질 수 있는 롤링 요소가 예시적으로 도시된다. 본 발명에 따르는 베어링 부품은 즉 임의의 크기를 가질 수 있으며, 임의의 하중-지지 능력을 갖는다. 베어링 부품(10)은 내부 링(12), 외부 링(14) 및 일련의 롤링 요소(16)를 갖는다. 롤링 요소 베어링(10)의 내부 링(12), 외부 링(14) 및/또는 일련의 롤링 요소(16), 및 바람직하게는 롤링 요소 베어링(10)의 모든 롤링 접촉 부분은 최대 20 ppm의 S와 최대 15 ppm의 O, 바람직하게는, 최대 20 ppm S와 최대 8 ppm O의 중량을 포함하는 스틸로 제조된다. 스틸 내에 함유된 5% 미만의 황화물 함유물은 인캡슐화되고(encapsulated) 매립된 산화물 함유물이다. 모든 황화물 함유물은 3:1 미만의 종횡비 및 3의 축소 변량(Reduced Variate)에서 125 μm이다(ASTM E2283-03 극단값 분석을 사용하여 결정됨).
롤링 요소 베어링(10)의 적어도 일부가 예를 들어, 0.70% 내지 1.20%의 탄소를 함유하도록 제조된다. 예를 들어, 스틸은 하기 조성물을 가질 수 있다:
0.70-0.95 중량%의 탄소
0.05-1.5 중량%의 규소
0.15-0.50 중량%의 망간
0.5-2.5 중량%의 크롬
0.10-1.5 중량%의 몰리브덴
니오븀 단독으로 또는 이와 조합하여, 최대 0.25 중량%의 바나듐
나머지는 Fe이고, 통상적으로 발생되는 불순물은 10-30 ppm의 Ca, 최대 20 ppm의 S 및 최대 15 ppm의 O, 바람직하게는 최대 10 ppm의 O 또는 가장 바람직하게는 최대 8 ppm의 O를 포함한다.
도 2 및 도 3에는 각각 본 발명에 따르는 베어링 부품의 스틸 내에 그리고 표준 스틸 내의 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 황화물 함유물의 퍼센트가 도시된다. 본 발명에 따르는 베어링 부품의 스틸의 황화물 함유물의 단지 약 1%만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 것으로 보여질 수 있다. 역으로, 표준 스틸 내에서 스틸의 황화물 함유물의 대략 80%는 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유한다. 본 발명에 따르는 베어링 부품의 스틸의 피로 강도(950 MPa로 회전 빔 시험으로 측정)는 표준 스틸의 피로 강도보다 실질적으로 높은 것으로 밝혀졌다.
도 4에는 플래시 벗 용접되기 전에 롤러 베어링의 내부 링과 같은 개방 베어링 링(open bearing ring, 12)이 도시된다. 베어링 링(12)은 최대 20 ppm의 S와 최대 15 ppm의 O의 중량을 포함하고, 황화물 함유물을 포함하며 황화물 함유물의 5% 미만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유한다. 예시된 실시 형태에서, 개방 베어링 링(12)은 플래시 벗 용접 조인트를 형성하기 위하여 플래시 벗 용접에 의해 서로 용접되는 2개의 단부(12a, 12b)를 포함한다. 이러한 베어링 링(12)은 둘 이상의 베어링 링 섹그먼트를 포함할 수 있으며 이의 단부들은 복수의 플래시 벗 용접 조인트를 포함하는 베어링 링을 형성하기 위해 플래시 벗 용접에 의해 서로 용접된다.
도 5에는 서로 플래시 벗 용접되는 개방 베어링 링(12)의 단부(12a, 12b)가 도시된다. 개방 베어링 링(12)의 단부(12a, 12b)는 제어된 속도로 클램프 고정되고 보내지며, 변압기(transformer, 18)로부터의 전류가 인가된다. 2개의 단부(12a, 12b) 사이에 아크(arc)가 생성된다. 플래시 벗 용접 공정의 개시 시에, 아크 간격(20)은 2개의 표면(12a, 12b)을 세척하고 안정화시키기에 충분히 크다. 간격(20)의 감소, 그 뒤 폐쇄 및 개방에 따라 2개의 표면(12a, 12b)들 사이에 열이 생성된다. 2개의 표면(12a, 12b)에서 온도가 단조 온도에 도달될 때, 압력이 도 3에서의 화살표(19) 방향으로 인가된다(또는 이동식 단부가 고정식 단부에 대해 단조됨). 2개의 표면(12a, 12b)들 사이에 플래시가 생성됨에 따라 용접 영역 내의 재료가 도 6에서의 화살표(24)로 지시된 바와 같이 베어링 링(12)의 내측 및 외측 표면(12c, 12d)을 향하여 표면(12a, 12b)으로부터 외측의 반경방향으로 유동할 수 있다.
예를 들어, 물-, 오일-, 또는 중합체-기반 켄치(quench)에서 냉각된 후에, 용접된 베어링 링(12)의 내측 및 외측 표면(12d, 12c)에 축적되는 임의의 용접 이물질이 제거될 수 있다. 본 발명에 따라서, 용접된 베어링 링은 이의 구조적 일체성을 추가로 향상시키기 위하여 제2 열 처리 및 업셋팅 력(upsetting force)에 노출될 수 있다.
청구항의 범위 내에 있는 본 발명의 추가 변형예가 당업자에게 자명할 것이다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 플래시 벗 용접 조인트 및 스틸을 포함하는 베어링 부품(10)으로서,
    상기 스틸은 최대 20 ppm의 S와 최대 15 ppm의 O의 중량을 포함하고, 상기 스틸은 황화물 함유물을 포함하며 황화물 함유물의 5% 미만이 인캡슐화되거나 또는 매립된 산화물 함유물을 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품(10).
  2. 제1항에 있어서, 황화물 함유물의 최대 길이는 축소 변량(Reduced Variate)에서 125 μm인 베어링 부품(10).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스틸은 최대 10 ppm의 O와 최대 8 ppm의 O를 포함하는 베어링 부품(10).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 황화물 함유물은 3:1 미만의 종횡비를 갖는 베어링 부품(10).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스틸은 0.1 중량% 내지 1.20 중량%의 C를 함유하는 베어링 부품(10).
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스틸은 0.15 중량% 내지 0.40 중량%의 C를 함유하는 베어링 부품(10).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스틸은 Ca, Mg, Te, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb 또는 Lu의 군으로부터 선택된 요소를 포함하는 베어링 부품(10).
  8. 제7항에 있어서, 상기 스틸은 상기 요소의 10 내지 30 ppm의 중량을 포함하는 베어링 부품(10).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 볼 베어링, 롤러 베어링, 니들 베어링, 테이퍼진 롤러 베어링, 구형 롤러 베어링, 토로이달 롤러 베어링, 볼 스러스트 베어링, 롤러 스러스트 베어링, 테이퍼진 롤러 스러스트 베어링, 휠 베어링, 허브 베어링 유닛, 스루잉 베어링(slewing bearing), 볼 스크류, 또는 롤링 접촉 또는 조합된 롤링 및 슬라이딩과 같은 교번 헤르츠 응력(Hertzian stress)에 노출되는 응용을 위한 부품들 중 하나 이상의 일부로 구성되는 베어링 부품(10).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 베어링 링(12) 또는 베어링 링 세그먼트로 구성되는 베어링 부품(10).
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