KR100187554B1

KR100187554B1 - 고탄소계 고수명 베아링강

Info

Publication number: KR100187554B1
Application number: KR1019960700515A
Authority: KR
Inventors: 다쓰로 오치; 유지 가와우찌
Original assignee: 다나카 미노루; 신닛폰 세테쓰 가부시키가이샤
Priority date: 1994-06-16
Filing date: 1995-06-16
Publication date: 1999-06-01
Also published as: AU2683095A; CA2169474A1; AU676804B2; EP0721996A1; EP0721996B1; JP3556968B2; WO1995034692A1; CN1129465A; BR9506268A; US5705124A; EP0721996A4; CA2169474C; DE69514903D1; ATE189484T1; KR960704081A; DE69514903T2; JPH083682A; CN1040668C

Abstract

베아링부품에 있어 우수한 전동피로특성을 얻을 수 있도록

C : 0.70 ∼ 1.20%, Si : 0.15 ∼ 1.70%, Mn : 0.15 ∼ 1.20%, Cr : 0.50 ∼ 2.00%, Mo : 0.05 ∼ 1.50%, S : 0.001 ∼ 0.03%, Al : 0.010 ∼ 0.05%, N : 0.003 ∼ 0.015%, 총 Mg : 0.0005 ∼ 0.0300%를 함유하고 P : 0.025% 이하, Ti : 0.0040%,이하, 총산소(T.O) : 0.0015% 이하로 제한하며, 필요에 따라 추가로 특정량의 V, Nb, Ni의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 또한 강중에 함유되는 Mg계 산화물의 갯수비가 0.8 이상으로 되는 고탄소계 고수명베아링강.

Description

고탄소계 고수명 베아링강(高炭素系高壽命軸受綱)

본 발명은 전동 피로특성(rolling fatigue characteristics)이 우수한 고탄소계 베아링강(軸受鋼)에 관한 것으로, 또한, 고부하(高負荷)에 사용되는 외륜, 내륜, 베아링, 볼등의 축수부품용으로 적합한 베아링강에 관한 것이다.

최근 자동차엔진의 고출력화 및 환경규제대응에 따라, 베아링부품에 있어서도 전동피로수명(轉動疲勞壽命) 향상을 지향하고저 하는 열망이 강하게 일고 있다. 그래서, 지금까지 강의 고청정화에 의한 고수명화가 도모되어 왔다. 이는 베아링부품의 전동피로파괴는 비금속개재물이 기점(起点)이라고 하는 생각때문이었다. 따라서, 지금까지 산소 함유량을 낮추고 강의 청정화를 기하므로써 베아링강의 수명을 늘리고저하는 시도가 계속되어 왔다.

예컨데 일본금속학회 제32권 6호 441 ∼ 443 페이지에는 편심로저출강(偏心爐底出鋼), RH진공탈가스등의 조합에 의해 강에 함유된 산소함유량을 3 ∼ 6ppm 으로 줄이게 되면 산화물계 개재물(酸化物系介在物)이 저감되어 전동피로수명이 향상될 수 있음이 소개되어 있다.

그러나, 전술한 공정으로 베어링강의 수명을 연장시키는 것은 특히 강이 고부하가 걸리는 곳에 이용될 때에는 그리 만족스럽지 못하다. 그 반면, 일본특허공개공보 3-644430 호에는 전술한 바와 같이 강에 함유되는 산소의 량을 낮추고 그대신 Al₂O₃-SiO₂-CaO (MnO) 계의 산화물개재물을 0.002 ∼ 0.005% 로 증가시킬 때에는 강의 청정도가 향상되어 수명향상이 된다는 것이 나타나 있다.

그렇긴하나 이렇게해서 얻어지는 베아링강이라도 고부하하에서 사용되면 충분히 수명이 연장되지 못하는 실정이다.

전술한 바와 같이, 긴 수명을 가진 강의 개발은 특히 베아링강이 고부하하에서 사용되는 곳에서 강하게 소망되어 왔다.

본 발명은 베아링부품용고탄소강, 특히 고부하하에서 사용되는 고탄소강을 제공하므로써 우수한 전동피로특성(轉動疲勞特性)을 부여하는데 목적이 있다.

본 발명의 요지를 이하에 설명한다.

(1) 중량비(%)로 C : 0.70 ∼ 1.20%, Si : 0.15 ∼ 1.70%, Mn : 0.15 ∼ 1.20%, Cr : 0.50 ∼ 2.00%, Mo : 0.05 ∼ 1.50%, S : 0.001 ∼ 0.03%, Al : 0.010 ∼ 0.05%, N : 0.003 ∼ 0.015%, 총 Mg : 0.0005 ∼ 0.0300%를 함유하고 P : 0.025% 이하, Ti : 0.0040%,이하, 총산소량 : 0.0015% 이하로 제한되며, 나머지는 철분(Fe) 및 기타 불가피함유불순물로 이루어지는 고탄소계 고수명베아링강 (A high carbon bearing steel)

(2) 중량비(%)로 C : 0.70 ∼ 1.20%, Si : 0.15 ∼ 1.70%, Mn : 0.15 ∼ 1.20%, Cr : 0.50 ∼ 2.00%, Mo : 0.05 ∼ 1.50%, S : 0.001 ∼ 0.03%, Al : 0.010 ∼ 0.05%, N : 0.003 ∼ 0.015%, 총 Mg : 0.0005 ∼ 0.0300%, 그리고 여기에 V : 0.03 ∼ 0.7%, Nb : 0.005 ∼ 0.3%, Ni : 0.10 ∼ 2.00% 중 하나 또는 둘 이상의 원소가 추가로 선택되어 함유되고, 또한 P : 0.025%이하, Ti : 0.0040%이하, 총 산소량 : 0.0015%이하로 제한되며, 나머지는 철분(Fe) 및 기타 불가피함유불순물로 이루어지는 고탄소계 고수명베아링강

(3) 강중에 함유되는 산화물이 갯수비로서 다음식을 만족하는 위 제(1)항 또는 제(2)항에 의한 고탄소계고수명베아링강

(MgO·Al₂O₃갯수 + MgO 갯수) / (산화물계 개재물총갯수) ≥ 0.80

고부하하에서도 우수한 전동피로특성을 가질 수 있는 고탄소베아링강을 실현하기 위하여 본 발명자들은 열심히 연구한 끝에 다음의 사실을 발견할 수 있었다.

(1) 고부하하에서의 전동피로과정에 있어서는, 전동피로파괴가 주위에 백색조직(白色組織), 탄화물조직에 따라오는 비금속개재물이 기점(起点)이 된다. 이들 백색조직, 탄화물조직은 경도의 저하를 수반한다. 이들 백색조직, 탄화물조직의 생성은 비금속개재물의 미세화로 억제된다.

(2) 이상으로부터, 고수명화를 위해서는, 비금속개재물의 미세화가 효과적이다. 비금속개재물의 미세화는 두가지 잇점을 갖고 있다. 즉

(i) 크랙발생의 원인이 되는 응력집중의 감소와,

(ii) 이번에 새로이 발견된 백색조직, 탄화물조직생성억제의 두가지 효과가 있다. 더우기, 전동피로과정에서의 비금속개재물 주변의 백색조직, 탄화물조직생성의 억제, 경도저하방지가 주요 포인트이다.

(3) 비금속개재물을 미세화시키기 위해서는 Mg을 적당량 첨가시키는 것이 효과적인 데 이는 본 발명자들이 창안한 발명을 기재한 일본특허공개공보 7-54103 호에 나타나 있다.

이 방법의 기본개념은 다음과 같다. 즉, Al을 함유하는 실용탄소강에 Mg을 첨가하고, 산화물조성을 Al₂O₃로 부터 MgO·Al₂O₃또는 MgO 로 변환하므로써, 산화물 응집합체를 방지하고, 미세 분산을 도모한다. 여기에서 MgO·Al₂O₃또는 MgO는 Al₂O₃와 비교하여, 용강과의 접촉에 있어 계면에너지가 적기 때문에, 응집합체로 하기 어렵고, 미세분산이 달성된다. 비금속개재물의 미세화에는 상술한 바와 같이 크랙, 즉 균열 발생을 위한 응력집중의 감소와 백색조직, 탄화물조직생성억제라는 두가지 효과가 있고, 따라서 Mg의 첨가하는 고수명화에 큰 효과가 있다.

(4) 다음, 백색조직, 탄화물조직생성을 억제, 경도저하를 방지하기 위해서는 다음의 각각이 효과가 있다.

(i) Mg첨가

(ii) Si 첨가량의 증가

(5) 상술한 내용이외에도 다음의 단계를 부가하면 백색조직, 탄화물조직생성억제, 경도저하방지효과가 커진다.

(i) V, Nb 첨가

(ii) Ni 첨가

본 발명을 이하에 설명하고 각 화학조성범위한정 이유등에 대해서도 설명한다.

C :

C는 최종제품의 베아링부품으로서 필요한 전동피로강도와 내마모성을 얻기위해 유효한 원소이며, 0.70%미만에서는 그 효과가 불충분하고 또한, 1.20%를 넘으면 망상의 입계초석세멘타이트량이 현저해져서, 구상화소둔 후의 가공성, 최종제품강도의 열화를 초래하므로, 함유량을 0.70 ∼ 1.20%로 하였다.

Si :

Si은 탈산원소로서 및 전동피로과정에서의 백색조직, 탄화물조직생성억제, 경도저하방지에 따른 최종제품의 수명을 증가시킴을 목적으로 첨가하나, 0.15%미만에서는 효과가 불충분하고, 한편, 1.70%를 넘으면, 이들 효과는 포화되고 오히려 최종제품의 인성의 열화를 초래하므로, 그 함유량을 0.15 ∼ 1.70%로 하였다.

Mn :

Mn은 경화능을 향상시키는 원소로서, 최종제품의 수명을 증가시키는 효과를 갖고 있으나, 0.15%미만에서는 효과가 불충분하고, 한편, 1.2%를 초과하면 그 효과가 포화되어 오히려 최종제품의 인성의 열화를 초래하므로 그 함유량을 0.15 ∼ 1.20%로 하였다.

Cr :

Cr은 경화능을 향상시키고 강인화를 도모함과 아울러 탄화물의 형성을 조장함을 통하여 내마모성을 향상시키는데 유효하다. 이 효과는 0.5%미만에서는 불충분하고, 한편 2.0%를 넘으면 그 효과가 포화되어 오히려 최종제품의 인성의 열화를 초래하므로 그 함유량을 0.50 ∼ 2.0%로 하였다.

Mo :

Mo은 경화능향상 및 전동피로과정에서의 백색조직, 탄화물조직생성억제에 의한 최종제품의 수명을 증가시킴을 목적으로 첨가하나, Mo이 0.05%미만에서는 효과가 미미하고, Mo이 1.5% 이상에서는 효과가 포화되어 오히려 최종제품의 인성의 열화를 초래하므로 그 함유량을 0.05 ∼ 1.50%로 하였다.

S :

S는 강중에서 MnS로 존재하고, 피삭성을 향상시키며 조직의 미세화에 기여하나, 0.001%미만으로는 효과가 미미하고, 0.03%를 넘으면 그 효과가 포화되어 오히려 전동피로특성을 해치므로 S의 함유량은 0.001 ∼ 0.03%로 하였다.

Al :

Al은 탈산원소 및 결정립미세화원소로 첨가하나, 0.010%미만에서는 그 효과가 불충분하고, 0.05%를 넘으면 그 효과가 포화되어 오히려 인성을 열화시키므로 그 함유량을 0.010 ∼ 0.05%로 하였다.

N :

N은 AlN의 석출거동을 통하여 오스테나이트립의 미세화에 기여하나, 0.003% 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 0.015%를 초과하면, 그 효과는 포화되어 오히려 인성의 열화를 초래하므로 그 함유량을 N : 0.003 ∼ 0.015%로 하였다.

총 Mg (Total Magnesium)

Mg는 강탈산원소이고, 강중의 Al₂O₃과 반응하여 Al₂O₃로 부터 O를 빼앗아 MgO·Al₂O₃또는 MgO를 생성하므로 첨가한다. 이를 위해서 Al₂O₃량, 즉 총 O중량%에 따라 일정량이상의 Mg를 첨가하지 않으면 미반응의 Al₂O₃이 잔존되므로 바람직스럽지 못하다. 이 점에 관하여 실험을 거듭한 결과, 총 Mg중량%를 0.0005%이상으로 하므로써, 미반응Al₂O₃이 남지못하게 하고, 산화물을 완전히 MgO·Al₂O₃또는 MgO로 할 수 있음을 알았다. 그리나 총 Mg중량%를 0.0300%를 넘게 첨가하면, Mg탄화물, Mg유화물의 생성이 일어나서 재질상 좋지 않은 결과가 된다. 따라서, Mg함유량은 0.0005 ∼ 0.0300%로 하였다. 한편, 총 Mg 함유량이라 함은 강중의 가용성 Mg 함유량(soluble Mg content)과 산화물을 형성하고 있는 Mg 함유량 및 기타 Mg화합물(불가피적으로 생성)을 형성하고 있는 Mg함유량의 합이다.

P :

P는 강중에서의 입계편석과 중심편석을 일으키고, 최종제품의 강도열화의 원인이 된다. 특히 P가 0.025%를 넘으면 강도의 열화가 현저해지기 때문에 0.025% 이하로 제한한다.

Ti :

Ti은 경질석출물 TiN을 생성하고, 이것이 백색조직, 탄화물 조직생성을 이끌고, 결국 전동피로파괴의 지점이 되며, 최종제품의 전동수명열화의 원인이 된다. 특히 Ti이 0.0040%를 넘으면 수명의 열화가 현저해지기 때문에 0.0040%이하로 제한한다.

총 산소(O)량 :

본 발명에서 총 산소함유량이라 함은 강중의 용존산소(O)함유량과 산화물(주로 알루미나)을 형성하고 있는 산소(O)함유량의 합으로서, 총 산소(O)함유량은 산화물을 형성하고 있는 산소함유량과 대략 일치한다. 따라서, 총 산소(O)함유량이 높을수록 개질해야할 강중의 Al₂O₃가 많아지게 된다. 따라서, 본 발명의 효과가 기대되는 한계 총 산소함유량에 대해 검토한 바, 총 산소(O)함유량이 0.0015중량%를 넘으면, Al₂O₃의 량이 너무 많아지게 되고, Mg을 첨가하여도 강중의 Al₂O₃전량을 MgO·Al₂O₃또는 MgO로 변환할 수가 없게 되어, 강재중에 알루미나가 잔존함이 판명되었다. 이 위에, 본 발명에 있어서는 총 산소함유량을 0.0015중량%이하로 제한하였다.

다음, 제2의 발명강에는 전동피로과정에서의 경도저하방지, 백색조직, 탄화물조직 생성억제를 목적으로 하여 V, Nb, Ni 의 1종 또는 2종 이상을 함유시킬 수 있다.

Nb, V :

V, Nb은 설출경화에 의한 전동피로과정에서의 경도저하 방지를 겨냥해 첨가하나, V : 0.03% 미만, Nb : 0.005% 미만에서는 그 효과가 불충분하고, 한편, V : 0.7%, Nb : 0.3% 를 초과하면 그 효과는 포화되어 오히려 인성을 열화시키므로, 그 함유량을 V : 0.03 ∼ 0.7%, Nb : 0.005% ∼ 0.3%로 하였다.

Ni :

Ni은 경화능의 향상 및 전동피로과정에서의 백색조직, 탄화물조직생성억제에 의한 최종제품의 수명을 증가시키는 것을 목적으로 첨가하나, Ni : 0.10%미만에서는 그 효과가 불충분하고, Ni : 2.00%를 넘으면 그 효과는 포화되어 경제적으로 바람직스럽지 못하므로 그 함유량을 Ni : 0.10 ∼ 2.00%로 하였다.

다음, 제3의 발명강에 있어서, 산화물계 개재물의 개별비율을 규정한 이유를 설명한다. 강의 정련공정에서는 일부 불가피적인 혼입으로 본 발명범위외에, 즉, MgO·Al₂O₃및 MgO 이외의 산화물계 개재물이 존재한다. 이 량을 개별비율로 전체의 20% 미만으로 하므로써, 산화물계 개재물의 미세분산이 높은 수준으로 안정화되고 또한 재질향상효과가 인정되므로, (MgO·Al₂O₃갯수 + MgO 갯수) / 총산화물계 개재물 갯수 ≥ 0.8로 규정하였다.

한편, 본 발명강의 제조방법은 특히 한정한 바 없다. 즉 모용강(母溶鋼)의 용제는 고로-전로법 또는 전기로법의 어느 것이라도 좋다. 또한, 모용강으로의 성분첨가도 한정되는 것은 아니고, 각 첨가성분함유금속 또는 그 합금을 모용강에 첨가하면 좋고, 첨가방법도 자연낙하에 의한 첨가법, 불활성가스로의 취입방법, Mg원을 충전하여 철제와이어를 용강중에 공급하는 방법 등을 자유로이 채용해도 좋다. 또한, 모용강으로 부터 강괴를 제조하고, 이 강괴를 압연하는 방법도 한정되는 것은 아니다.

이하에 본 발명의 효과를 실시예로 구체적으로 설명코저 한다.

고로-전로-연속주조법에 의해 표 1 및 표 2에서 나타나 있는 화학성분을 가진 주편을 제조하였다.

고로에서 배출되는 용선은 탈인·탈류되어 전로에 장입(裝入)하고, 이어서 래들로 배출하였다.

RH 처리동안 모용강에 첨가되는 미리 지정된 Al, Si, Mn, Cr 및 Mo의 량을 갖는 모용강을 얻기 위해 산소송풍에 의해 정련한 다음, 이 모용강은 탈가스처리에 들어가고 RH 처리로 개재물제거를 행하였다.

RH 처리에 이어 래들에 있는 모용강에 Mg 합금을 첨가하였는데 이 합금은 Si-Mg 합금, Fe-Si-Mg 합금, Fe-Mn-Mg 합금, Fe-Si-Mn-Mg 합금(상술한 합금은 각기 Mg를 0.5 ∼ 30 중량% 함유한다.) 으로 부터 적어도 하나 이상 선택되는 Mg계합금이다. 그리고 Al-Mg 합금은 각기 Mg 함량을 5 ∼ 70 중량%를 가지며, Mg 합금은 Mg 합금 입자로 채워진 철선을 모용강에 공급하는 방식으로 첨가하였다. 강슬라브는 연속주조에 의해 이로부터 만들어지게 되는 것이다.

이 강슬라브는 분괴압연으로 볼룸으로 만들어, 압연하여 직경 65mm의 환봉으로 제조하였다. 이 강재의 압연방향단면의 산화물의 갯수비, 크기를 측정한 결과, 표 3 및 표 4에서 보는 바와 같이 본 발명강은 모두 적정범위에 들었다.

본 발명강재를 구상화소둔 후, 전동피로시험편을 제작하고, 이를 840℃에서 가열 및 팍칭하고 이어 160℃에서 템퍼링(tempering)하였다.

이 시편은 모리의 스러스트형 전동피로시험기(헬츠최대접촉응력 : Hertzian maximum contact stress : 540 kgf/㎟) 및 원통형전동피로시험편에 의한 점접촉형전동피로시험기 (헬츠최대접촉응력 : 600 kgf/㎟)에 의해 전동피로특성에 대한 평가를 행하였다. 피로수명의 척도로서는 통상, 시험결과를 와블 확율지(Weibull probability paper)에 플롯트하여 얻어지는 누적파손확율 10%에서의 피로파괴까지의 응력을 되풀이하는 수(數)가 L수명으로 사용된다. 표 3 및 표 4는 비교예 13의 L수명을 1로 한때의 각 강재의 L수명의 상대치를 나타낸 것이다. 본 발명 실시예상의 제1, 2, 4 및 6번은 제1 발명강이고, 제8, 9, 10, 11은 제2 발명강을 나타낸다. 이들 실시예에서, 이들 강은 비교강 13에 비해 양호한 피로특성을 나타낸다. 또한, 제3, 5, 7, 12번은 본 발명상의 제3의 강에 대한 실시예로서 여기에서 MgO형의 산화물의 갯수비는 적어도 0.8 이상이다. 이 강들은 제1강의 제1번강 및 기타 다른 번호의 강과 또한 본 발명 제2강의 제8번강 및 기타 다른 번호의 강에 비하여 보다 더 양호한 피로특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 또한, 10회전 피로후의 시험편에 대해 백색대조직(白色帶組織) 및 탄화물조직의 유무를 조사하고, 그 결과를 표 3, 4에 아울러 표시하였으나 본 발명강에서는 백색대조직, 탄화물조직의 생성이 억제되어 있다. 그반면, 비교예 제13번강에서 Mo 및 Mg의 함유량은 본 발명의 함유량범위보다 낮았다. 비교예 제14, 16 및 17번 강에서의 Mg, Si 및 Mo 함유량은 본 발명상의 함량범위보다 낮았으며, 비교예의 제15번강에서의 Mg함량은 본 발명상의 함량범위보다 높았다. 이상 말한 비교예에서의 모든 시험편들은 각기 비교예 13번강의 그것에 비해 6배 정도 피로수명이 적었음을 나타내고 있다. 그리고 백색조직 및 탄화물조직도 모든 비교예상의 시험편에 존재함이 관측되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 산화물계개재물의 미세화와 전동피로과정에서의 백색조직과 탄화물조직생성의 억제, 경도저하방지가 실현가능하게 되고, 베아링부품으로서 고부하하에서의 전동피로수명이 비약적으로 향상될 수 있는 베아링용강의 제공이 가능해져서 산업상효과가 매우 현저함을 알 수 있었다.

Claims

중량비(%)로서, C : 0.70 ∼ 1.20%, Si : 0.15 ∼ 1.70%, Mn : 0.15 ∼ 1.20%, Cr : 0.50 ∼ 2.00%, Mo : 0.05 ∼ 1.50%, S : 0.001 ∼ 0.03%, Al : 0.010 ∼ 0.05%, N : 0.003 ∼ 0.015%, 총 Mg : 0.0005 ∼ 0.0300%를 함유하고, P : 0.025% 이하, Ti : 0.0040%,이하, 총산소(T.O) : 0.0015% 이하로 제한하며, 잔부는 철과 기타 불가피함유불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고탄소계 고수명베아링강(高炭素系高壽命軸受綱).
중량비(%)로서, C : 0.70 ∼ 1.20%, Si : 0.15 ∼ 1.70%, Mn : 0.15 ∼ 1.20%, Cr : 0.50 ∼ 2.00%, Mo : 0.05 ∼ 1.50%, S : 0.001 ∼ 0.03%, Al : 0.010 ∼ 0.05%, N : 0.003 ∼ 0.015%, 총 Mg : 0.0005 ∼ 0.0300%를 함유하고, 또한 V : 0.03 ∼ 0.7%, Nb : 0.005 ∼ 0.3%, Ni : 0.10 ∼ 2.00% 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하고, 또한 P : 0.025%이하, Ti : 0.0040%이하, 산소량(O) : 0.0015%이하로 제한하고, 잔부는 철과 기타 불가피함유불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고탄소계 고수명베아링강.
상기 제1항에 기재되어 있는, 상기 강중에 포함되는 산화물이 갯수비로서 다음식을 만족하는 고탄소계 고수명베아링강.

(MgO·Al₂O₃갯수 + MgO 갯수) / 총산화물계 개재물 갯수 ≥ 0.80
상기 제2항에 기재되어 있는, 상기 강중에 포함되는 산화물이 갯수비로서 다음의 식을 만족하는 고탄소계 고수명베아링강.

(MgO·Al₂O₃갯수 + MgO 갯수) / 총산화물계 개재물 갯수 ≥ 0.80