SUJ2(고탄소 크롬 베어링 강)이란? 특성·용도·가공 포인트에 대해 해설

SUJ2란 높은 경도와 내마모성을 겸비한 고탄소 크롬 베어링 강철입니다. 베어링용 재료로 널리 채택되었으며 기계 부품의 수명 연장에 필수적인 강재 중 하나입니다.
이번 내용에서는, SUJ2의 기본적인 성분이나 특성, 용도 예, 가공시의 주의점까지를 알기 쉽게 해설합니다. 타강재와의 비교나 RoHS 대응과 같은 환경규제 측면의 고려도 언급할 수 있으므로 설계·개발 담당자는 참조해 주세요

SUJ2(고탄소 크롬 베어링강)이란

SUJ2는 고탄소 크롬 베어링 강철입니다. 화학조성은 이하와 같습니다.

단위 %

고탄소 고크롬 성분으로 높은 내마모성과 뛰어난 강도, 피로 특성을 갖추고 있어 베어링 구슬과 레이스(궤도 바퀴)에 요구되는 엄격한 성능에 대응할 수 있습니다.

SUJ2는 출하 시에는 구형화 어닐링된 상태로 공급됩니다. 구형화 어닐링이란 강철 중의 탄화물을 구형으로 하여 부드럽고 가공하기 쉬운 조직으로 만드는 열처리로, 고탄소강인 SUJ2에서는 필수적인 처리입니다.

JIS에서는 SUJ1~SUJ5까지의 5종류의 베어링강이 규정되어 있습니다만, SUJ2가 일반용 베어링재의 표준강종으로서 가장 널리 사용되고 있습니다.

SUJ2의 특성(경도・강도・내마모성)

SUJ2의 주요 물리적 특성 치수는 다음과 같습니다.

고경도・고내마모성

SUJ2의 가장 큰 특징은 열처리를 통해 매우 높은 경도와 내마모성을 실현할 수 있다는 점입니다. 구형화 어닐링 상태에서는 HBW201 이하이지만, 적절한 열처리를 하면 고경도화가 가능합니다.

예를 들어, SUJ2 소재를 유소입한 후 저온에서 열처리하면 일반적인 탄소 공구강(SK강)과 동등한 수준의 경도가 되어 뛰어난 내마모성, 내구성을 가져옵니다.

고강도・고내피로성

SUJ2의 인장강도에 대해 공칭값은 기계부품용 재료로서 매우 높은 강도를 가집니다. 회전 피로 수명을 좌우하는 내피로 강도도 중시되고 있으며, 비금속 개재물의 저감이나 조직 제어에 의해 피로 특성이 높아지고 있습니다.

고강도이면서 우수한 내피로성으로 인해 SUJ2제의 베어링 부품은 장시간의 반복 하중에도 견디고 마모나 플레이킹(표면 박리)을 일으키기 어렵게 되었습니다.

열처리성

SUJ2는 합금 원소로서 크롬을 포함하지만 몰리브덴이나 니켈 등은 함유하고 있지 않기 때문에 열처리성은 중간 정도입니다. 두께의 대경 부품에서는 표면에서 심부에 걸쳐 경도차가 발생하기 쉽고, 심부까지 균일하게 경화시키는 것은 어렵습니다.

대형 베어링 등 심부까지 높은 경도가 필요한 경우에는 열처리성을 높인 SUJ3나 SUJ4와 같은 철강 종류가 사용됩니다.

내식성 

SUJ2의 낮은 내식성에는 주의가 필요합니다. 다른 일반적인 탄소강과 마찬가지로 습기와 수분이 있는 환경에서는 녹슬기 쉬우며 부식 환경에서 사용하기에는 적합하지 않습니다.

내식성이 요구되는 용도로 고경도의 베어링재가 필요한 경우는 스테인레스계 베어링강인 SUS440C(마르텐사이트계 스테인레스강)의 교체를 검토합시다. SUS440C는 열처리로 SUJ2 동등한 경도를 얻을 수 있으며, 내식성을 갖춘 재료입니다.

SUJ2의 용도・사용 예

SUJ2는 높은 경도와 내구성 때문에 주로 회전 운동부의 베어링 요소에 널리 사용됩니다. 대표적인 용도는 아래와 같습니다.

SUJ2 의 가공성과 가공시의 포인트 

SUJ2의 가공성

SUJ2는 고탄소강이기는 하지만 적절하게 구워진다면 가공성(피삭성)은 그다지 나쁘지 않습니다. 구형화 어닐링된 SUJ2의 절삭성은 기계 구조용 탄소강 S45C와 거의 다르지 않다고 합니다.

「깎기 쉽다」는 것은 어디까지나 연소 연화 상태인 점에 주의가 필요합니다. SUJ2는 경화 능력이 높은 강재로, 담금질 후에는 시판 초경 공구에서도 치아가 서지 않는 경도가 됩니다. 가공은 반드시 담금질 전의 부드러운 상태에서 실시하고, 마무리한 후에 열처리를 실시하는 것이 원칙입니다.

SUJ2 가공시의 포인트 

고정밀 부품을 제작하기 위해서는 다음 사항에 주의합시다.

• 공정 계획
  담금질에 의해 치수 변화나 왜곡이 발생하기 때문에 고정밀도가 요구되는 부분은 열처리 후 연마 마감을 하는 것이 일반적입니다. 설계 단계에서 「가공→열처리→마감 연마」의 프로세스를 고려하여 도면 치수에 가공대를 설치할 필요가 있습니다.
• 칩 처리
  고탄소강은 절삭 시 단단하고 긴 칩이 나오기 쉽고, 방치하면 칩에 의한 마감면의 흠집이나 가공 불량의 원인이 됩니다. 절삭 조건의 최적화나 브레이커가 장착된 칩의 선정, 고압 쿨런트의 활용 등을 통해 칩을 잘게 쪼개 효율적으로 배출하는 대책이 효과적입니다.
• 공구의 선정
  피삭성 향상을 위해 코팅 초경 공구나 세라믹 공구 등 내마모성이 우수하고 장시간 안정 절삭이 가능한 공구를 사용합니다. SUJ2 가공에서는 공구 수명도 짧아지기 쉬우므로 비용과 정밀도의 균형을 보고 공구 교환 시기를 관리합니다.
• 열처리 변형 대책
  가공 완료 후에 열처리할 때는 진공 열처리나 염욕 열처리 등 변형을 억제하는 방법을 선택하고, 열처리도 적절히 실시합니다. 필요에 따라 고주파 열처리를 채용하여 부품 전체가 아니라 표면층만 경화시킴으로써 변형을 저감하는 것도 검토합시다.

무연재와의 비교·환경 규제에의 대응

납은 강재의 피삭성을 향상시키기 위해 널리 사용되어 온 금속입니다. 유해 중금속이기 때문에 최근에는 RoHS 지령 등의 환경규제에 의해 사용이 엄격히 제한되고 있습니다. 기계 가공 용도의 금속에는 예외적으로 납 함유가 인정되고 있지만, 경과 조치이기 때문에 장래적으로는 규제 대상이 될 가능성이 높습니다.

이러한 흐름으로부터, 철강 재료에 있어서도 무연 쾌삭강의 개발이 진행되고 있습니다. 납을 사용하지 않고 피삭성을 개선하기 위해 황, 칼슘, 텔루륨, 비스무트 등을 첨가한 무연 쾌삭강 개발이 진행되고 있습니다.

SUJ2는 JIS 성분 범위상 원래 납을 포함하지 않으며 RoHS 대응상 유리합니다. 고탄소 베어링강인 SUJ2는 피삭성보다 내구성을 중시하기 때문에 납 첨가는 일반적이지 않지만 특수 주문 강재로 납이나 황을 첨가한 예도 있습니다.

환경 규제에 적합한 제품에서는 재료 선정 시 강재의 납 함유량을 확인해야 합니다. 쾌삭강을 검토할 때는 납리스 사양인지 확인하고 조달처의 데이터 시트에서 납 함유량을 확인하는 것이 좋습니다.

SUJ2와 다른 재료의 비교(다른 베어링 ·철강 종류의 차이)

SUJ2와 유사한 재료, 대체 재료와의 주요 차이점을 살펴 보겠습니다.

SUJ2와 유사한 재료의 차이

일본 산업 규격(JIS G 4805)에서 규정된 고탄소 크롬 베어링강의 화학 조성은 다음과 같습니다.

단위 %

SUJ3는 실리콘, 망간을 첨가하여 열처리성을 향상시킨 재료입니다. 주로 대경 베어링에 사용됩니다. 몰리브덴을 첨가한 SUJ4는 더욱 열처리성을 향상시켰습니다. 대형, 고속 베어링 등 특수 용도용으로 사용되는 재료입니다. SUJ5는 SUJ3에 몰리브덴을 첨가한 철강 종류입니다.

SUJ2와 다른 종류의 철강 재질의 차이

SUJ2와 다른 종류의 철강 재질의 주요 차이점을 이하에 정리합니다.

설계단계에서는 먼저 SUJ2를 기준으로 검토하고 필요에 따라 「녹이 슬기 때문에 스테인레스재」 「딱딱하지 않아도 되니까 S45C」와 같은 대체안을 비교하는 것이 좋습니다.

정리

SUJ2(고탄소 크롬 베어링강)는 베어링 용도를 중심으로 기계 부품의 재료 선정에서 자주 등장하는 스테디셀러 특수강입니다. 높은 경도와 내마모성, 내피로성을 가지며 긴 수명으로 고부하에 견디는 부품을 실현할 수 있습니다. 방청성이 낮거나 가공 후 열처리의 필요성 등 취급상의 주의도 있어, 그러한 특성을 올바르게 이해하고 사용하는 것이 중요합니다.

이번 내용에서 소개한 내용을 참고하여 SUJ2의 특성을 이해하고 재료 선정 및 설계 검토에 활용하시기 바랍니다.