베어링강·스프링강

계열 개요

베어링강과 스프링강은 모두 담금질과 뜨임을 거쳐 성능이 정해지는 강이지만, 부품이 견뎌야 하는 하중은 서로 다릅니다. 베어링강은 좁은 접촉면에 큰 압력이 반복해서 걸리는 구름 접촉에서 마모와 피로를 견뎌야 하고, 스프링강은 하중을 받아 변형된 뒤에도 원래 모양으로 돌아오는 탄성을 오래 유지해야 합니다. 아래에서는 SUJ2, SUP9, SUP12의 특성을 일반 공학 지식으로 설명합니다.

SUJ2는 고탄소 크롬강입니다. 담금질하면 단단한 마르텐사이트 바탕에 미세한 탄화물이 흩어진 조직이 되고, 이 조직이 구름 베어링에 필요한 경도와 내마모성, 구름 접촉 피로를 견디는 성질을 줍니다. 구름 접촉 피로는 표면 아래의 비금속 개재물 주변에서 시작되는 경우가 많아서, 베어링강은 성분과 함께 청정도(비금속 개재물이 적은 정도)가 중요합니다.

SUP9와 SUP12는 주로 열간 성형 스프링에 쓰는 스프링강입니다. SUP9는 망간과 크롬으로 경화능을 확보한 Mn-Cr강이고, SUP12는 규소를 높이고 크롬을 더한 Si-Cr강입니다. 규소는 탄성 한도와 처짐(하중을 받은 뒤 남는 영구 변형)을 견디는 성질을 높이는 원소여서, 반복 하중이 큰 코일 스프링에는 Si-Cr강이 선택되는 경우가 많습니다. 판스프링이나 토션바처럼 단면이 큰 부품은 경화능이 중요해서 Mn-Cr강이 쓰이는 경우가 많습니다. 가는 선을 상온에서 감는 스프링에는 피아노선이나 오일 템퍼선 같은 별도 규격의 선재를 쓰는 편입니다.

주요 원소의 역할

탄소(C): 담금질 후 경도와 강도를 정하는 기본 원소입니다. SUJ2는 탄소가 높아 단단한 마르텐사이트와 탄화물이 함께 남고, 스프링강은 중·고탄소 범위에서 탄성 한도와 피로 강도를 확보합니다. 탄소가 지나치게 높으면 인성이 떨어지고 담금질 균열의 위험이 커집니다.
크롬(Cr): 경화능을 높여 단면 속까지 고르게 경화시킵니다. SUJ2에서는 크롬을 함유한 미세 탄화물이 내마모성에 보태지고, SUP9·SUP12에서는 뜨임 중 연화를 늦춰 큰 단면에서도 균일한 조직과 강도를 얻도록 돕습니다.
규소(Si): 바탕 조직에 녹아 들어가 탄성 한도와 처짐을 견디는 성질을 높이고, 뜨임 중 연화를 늦춥니다. 가열할 때 표면 탈탄이 생기기 쉬운 점이 단점이어서, 규소가 높은 SUP12는 탈탄층 관리가 특히 중요합니다. SUJ2와 SUP9에서는 주로 탈산 목적으로 적은 양이 들어갑니다.
망간(Mn): 경화능을 높이고, 황을 황화망간으로 묶어 열간 가공 중 균열을 줄입니다. SUP9에서는 크롬과 함께 경화능을 확보하는 중심 원소입니다. 지나치게 많으면 뜨임 취성에 민감해질 수 있습니다.
인(P)·황(S): 불순물로 보고 낮게 관리합니다. 인은 결정립계를 취약하게 해 인성을 낮추고, 황은 황화물 개재물이 되어 피로 특성을 떨어뜨릴 수 있습니다.
산소·비금속 개재물(청정도): 단단한 산화물계 개재물은 반복 하중에서 피로 균열의 시작점이 됩니다. 구름 접촉 피로 수명이 중요한 베어링강과 반복 하중에서의 피로 수명이 중요한 스프링강 모두 산소와 개재물을 낮게 유지하는 것이 중요하고, 주문 사양에 비금속 개재물 시험이나 초음파 탐상 같은 항목을 함께 정하는 경우가 있습니다.

열처리·공급 상태

SUJ2 소재 상태: 구상화 소둔(탄화물을 둥글게 만드는 연화 열처리)한 상태로 지정하는 경우가 많습니다. 고탄소강은 압연 상태에서 층상 펄라이트(판 모양 탄화물)가 많아 단단하고 가공이 어렵습니다. 구상 탄화물 조직은 절삭과 냉간 가공을 쉽게 하고, 담금질할 때 조직이 고르게 변하도록 돕습니다.
SUJ2 부품 열처리: 침탄으로 표면만 경화하는 강과 달리, 담금질 온도로 가열해 기름에 담금질하고 저온에서 뜨임하는 전체 경화(속까지 경화) 방식이 일반적입니다. 공석 조성보다 탄소가 높은 과공석강이어서 가열할 때 탄화물을 일부 녹이지 않고 남기며, 남은 탄화물이 내마모성에 기여합니다. 경화되는 깊이에는 단면 크기에 따른 한계가 있어, 두꺼운 링에는 망간·규소나 몰리브덴을 더해 경화능을 높인 베어링강이 따로 쓰입니다.
치수 안정성: 담금질 후 남는 잔류 오스테나이트는 시간이 지나거나 온도가 오르면 변태해 부품 치수를 바꿀 수 있습니다. 정밀 부품이나 사용 온도가 높은 부품은 심랭(서브제로) 처리나 높은 온도의 안정화 뜨임으로 치수 변화를 줄이기도 합니다.
소재 조직·표면 사양: 고탄소강은 압연과 소둔 중 표면이 탈탄되기 쉽고, 탄소와 크롬의 편석으로 탄화물이 띠 모양으로 모이거나, 압연 후 냉각 중 결정립계를 따라 그물 모양으로 석출될 수 있습니다. 열처리 후 경도 불균일과 피로 수명 저하로 이어질 수 있어, 베어링강 사양에는 탈탄층 깊이, 탄화물 조직, 구상화 정도, 비금속 개재물을 함께 지정하는 경우가 많습니다.
SUP9·SUP12 열처리: 열간 성형 스프링은 가열한 소재를 코일이나 판 모양으로 성형한 뒤 기름에 담금질하고, 중온에서 뜨임해 템퍼드 마르텐사이트 조직을 만듭니다. 뜨임 온도가 높을수록 인성은 커지고 강도는 낮아지므로, 요구하는 탄성 한도와 인성의 균형에 맞춰 정합니다.
쇼트피닝과 세팅: 열처리 후 쇼트피닝으로 표면에 압축 잔류응력을 주면 피로 수명이 길어집니다. 큰 하중을 미리 걸어 초기 처짐을 없애는 세팅(프리세팅)을 함께 하는 경우도 많습니다.
SUP9·SUP12 소재 상태: 열간 압연 상태의 봉강과 평강을 쓰는 경우가 많고, 가열 성형과 열처리는 스프링을 만드는 단계에서 이루어집니다. 탈탄층과 표면 흠은 피로 강도를 직접 낮추므로 탈탄층 깊이 한도와 표면 상태를 함께 정하고, 필요하면 박피하거나 연삭한 봉재를 지정하기도 합니다.

규격 대조표

구분	강종	SAE·AISI	EN
고탄소 크롬 베어링강	SUJ2	52100	100Cr6
스프링강	SUP9	—	—
스프링강	SUP12	—	—

성분 범위

성분 범위는 적용 규격으로 확인합니다.

대표 용도

구름 베어링: 볼 베어링과 롤러 베어링의 내륜·외륜과 전동체(볼·롤러)에 SUJ2가 쓰입니다.
리니어 샤프트: 리니어 부시 안에서 직선으로 움직이는 축처럼 표면 경도, 내마모성, 진직도가 함께 필요한 축에 SUJ2를 쓰는 경우가 많습니다.
정밀 소형 부품: 게이지, 핀, 롤러, 부시처럼 높은 경도와 내마모성이 필요한 부품에도 SUJ2가 쓰이는 경우가 있습니다.
자동차 코일 스프링·스태빌라이저 바: SUP9와 SUP12가 쓰입니다. 규소를 높인 SUP12는 반복 하중이 큰 코일 스프링에서 선택되는 경우가 많습니다.
판스프링·토션바: 단면이 큰 부품이어서 경화능이 중요하며, 망간과 크롬으로 경화능을 확보한 SUP9를 쓰는 경우가 많습니다.

이 강종을 다루는 제품군

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