KR100211423B1 - 전동체를 구비한 기계부품 - Google Patents

전동체를 구비한 기계부품

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KR100211423B1
KR100211423B1 KR1019950703457A KR19950703457A KR100211423B1 KR 100211423 B1 KR100211423 B1 KR 100211423B1 KR 1019950703457 A KR1019950703457 A KR 1019950703457A KR 19950703457 A KR19950703457 A KR 19950703457A KR 100211423 B1 KR100211423 B1 KR 100211423B1
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rolling
steel
hardened
outer member
gas
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KR1019950703457A
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노리유키 쓰시마
히로카즈 나카시마
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스마 요시쓰기
에누티에누 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 내면에 롤링면을 구비한 외측부재, 외면에 롤링면을 구비한 내측부재 및 외측부재와 내측부재의 롤링면 사이에 끼워져 있는 전동체들에 관한 것이다. 활용 베어링 또는 자동차용 등속조인트로 사용되는 기계부품은 소형화 및 경량화가 요구되고 있다. 복잡한 형상의 외측부재는 용이하게 조립될 수 있는 중탄소강으로 형성되고 외측부재의 롤링면이 경화층을 형성하기 위하여 고주파경화될 때 우수한 내마모성을 가질 수 있다. 그러나 베어링 또는 조인트가 소형화 및 경량화됨에 따라 롤링면에 적용되는 작용압력은 증가하는 경향이 있다. 이러한 상황에서 해결 과제는 높은 작용 압력 하에서 볼과 같은 전동체의 피로수명을 연장하는 것이다.
본 발명의 전동체를 구비한 기계부품에 있어서, 외측부재는 외측부재의 롤링면에서 고주파경화로 얻은 경화층을 구비하고 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70중량% 및 규소 및/또는 알루미늄을 0.5 ~ 1.0중량% 함유한 중탄소강으로 형성되며, 외측부재의 롤링면을 회전하거나 미끄러질 수 있는 전동체들이 경화 및 템퍼링처리된 고탄소크롬 베어링강으로 형성되고 외측부재의 표층부가 침탄질화처리되어서 높은 작용압력하에서 전동체의 전동 수명을 연장시킨다.

Description

[발명의 명칭]
전동체를 구비한 기계부품
[도면의 간단한 설명]
제1(a)도 및 제1(b)도는 각각 본 발명에 따른 자동차에 사용되는 휠용 베어링 및 고정형 볼 조인트의 종단면도이다.
제2도는 침탄질화 및 템퍼링처리된 강볼(Steel ball)의 단면에서의 표층부의 비커스 경도(Vickers hardness) 분포를 나타낸다.
제3(a)도 및 제3(b)도는 침탄질화 및 템퍼링처리된 강볼의 표면 부근의 단면에서의 금속조직의 현미경 사진이다(배율 : 400, 부식액 : 피크르산(picric acid)알코올 용액).
제4도는 저온에서 침탄질화 및 템퍼링처리된 후 500℃의 고온에서 1시간 동안 템퍼링처리된 강볼의 단면에서의 표층부의 비커스 경도를 나타낸다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명은 등속조인트(constant velocity joint)나 롤링접촉베어링(rolling contact bearing)과 같은 전동체(rolling contanct element)를 구비한 기계부품에 관한 것으로 더욱 상세하게는 특수한 형태의 철강들과 이들의 조립에 있어서 열처리법을 채택함으로써, 피로수명(fatigue life)을 개선시킨 전동체를 구비한 기계부품에 관한 것이다.
강제(鋼製)의 등속조인트의 외륜(outer ring), 구름 베어링의 하나인 휠(wheel)용 베어링이 외륜(이하, 이들 외륜들을 '외측부재(outer member)'라 한다.) 및 볼 나사의 외측부재는 두꺼운 벽부분과 얇은 벽부분을 갖는 복잡한 형상을 하고 있다. 상기 부품들은 침탄(carburizing) 또는 담금질경화(quench hardening) 시킬 때, 쉽게 그 형상이 뒤틀어진다. 게다가 등속조인트의 외측부재의 측상의 나사부나 휠용 베어링의 외측 부재의 장착 홀(mounting hole)부는 경화될 때 그 인성(toughness)이 저하된다. 따라서, 이들 부품들은 경화시키지 않고 둘 필요가 있다. 이러한 이유로, 상기한 부품들은 조립할 때에는 중탄 소구조용 철강을 사용하여 왔고, 필요한 표층부부에만 담금질(국부담금질) 하기에 가장 적합한 고주파경화(induction hardening)를 롤링부재(rolling element) 또는 슬라이딩부재(sliding element)의 롤링면 또는 슬라이딩면에 적용하여 표피경화층(case-hardened layers)을 형성하여 왔다. 게다가 상기한 기계부품인 베어링이나 조인트에 사용되는 볼과 롤러(이하, '전동체'라 한다)는 단순한 형상을 하고 있기 때문에 이들은 베어링강(bearing steel)으로 만들어지며, 보다 상세하게는 담금질성과 전동피로수명(rolling fatigue life)이 우수한 고탄소크롬 베어링강 (탄소 1% 및 크롬 1.5%등을 포함)으로 만들어져 있으며, 사용전에 담금질경화 및 템퍼링(tempering)시킨다.
전술한 고주파경화에 적용되는 재료로는 쉽게 단조(鍛造)될 수 있는 구조용 탄소강뿐만 아니라 적어도 탄소(C) 0.6 ~ 0.8% (중량%, 이하 '%'라 한다) 및 규소(Si)와 알루미늄(Al)을 총량으로 0.5 ~ 1.0% 함유한 구조용 철강이 개발되어 이용되어 왔다(일본 특허 공개 공보 제3-199,340호, 제1-127, 651호), 이러한 형태의 철강들은 저렴하고 단조가 용이하기 때문에 복잡한 형상의 외측부재의 성형에 적합하고 국부적인 고주파경화시의 열처리 과정에서의 변형이 적으며 단단한 내질부(core)를 가지고 있다. 게다가 고주파 경화 및 템퍼링 후에 얻어지는 경화층은 내열성 및 내마모성이 우수하기 때문에 전동피로수명이 길어서 외측부재와 내륜(inner ring)(이하, '내측부재(inner member)'라 한다)에 바람직하게 사용되어 왔다.
또한, 상기한 고탄소크롬 베어링강으로 만들어지고, 그의 표면에 침탄질화처리 후 담금질경화시킨다음 템퍼링처리를 한 베어링 부품이 제안되었다(미국 특허 제3,216,869호), 또, 경화 후 비교적 고온에서 템퍼링시킴으로써 내질부의 오스테나이트(austenite) 잔류량을 극소량으로 감소시킬 수 있고, 표층의 침탄층에는 적량의 오스테나이트가 잔류하게 되어 상기한 베어링 또는 조인트의 전동피로수명을 개선시킬 수 있는 열처리법이 공지되어 있다(일본 특허 공개 공보 제62-218,542호).
일반적으로 중탄소강으로 구성된 고주파 경화처리된 재료가 베어링의 레이스(Race)부재나 등속조인트의 외측부재에 사용되는 경우, 이러한 외측부재의 수명은, 담금질경화된 고탄소크롬 베어링강으로 만들어진 전동체의 수명보다 짧다. 그러나 상술한 바와 같이 고주파경화처리된 중탄소강으로 만들어진 수명이 더 긴 회측부재가 발달되고, 또 자동차용 베어링이나 등속조인트에 소형화 및 경량화가 요구됨에 따라 롤링면 등에 적용되는 작용압력(contact stress)이 증가하는 경향이 있다. 이러한 높은 작용압력하에서의 실시조건에서는 담금질경화된 고탄소크롬 베어링강으로 만들어진 전동체의 전동피로수명이 외측부재의 전동피로수명에 비해 만족스럽지 못하다.
높은 작용압력 하에서의 전동체의 피로수명에 있어서 이러한 상대적인 감소는 전동체 표면의 스폴링(spalling) 때문이며, 이러한 스폴링은 고주파경화처리된 재료로 만들어진 경화된 외측부재의 롤링면이나 슬라이딩면이 마모됨으로써 발생되는 마모 분말(abrasion powder)에 의해 유발된다. 전동체 표면의 스폴링은 전동체와 베어링이나 조인트 특히 등속조인트의 외측부재 사이의 슬라이딩면에서 전동체의 슬라이딩 이동과 롤링 이동이 모두 일어나는 경우에 자주 발생한다.
또, 외측부재의 마모를 방지하거나 감소시키기 위하여 외측부재로서 상술한 고탄소크롬 베어링강으로 만들어진 담금질경화된 부품이나 침탄질화처리된 부품들을 사용하는 경우에는 복잡한 형상으로 단조시키기가 어렵다. 절삭가공에 있어서 신뢰도가 커야 하며, 이러한 절삭가공은 대량생산(양산성(量産性))에 부적합하고 제조비용을 증가시키므로 실용적이지 못하다.
따라서 본 발명의 목적은 이상의 문제를 해결하고, 외측부재의 롤링면의 피로수명을 연장시키는 것에 부응하여 전동체의 스폴링에 의한 수명한계를 개선함으로써 피로수명이 길고 신뢰도가 높으며 양산성이 우수한 전동체부재 또는 베어링을 구비한 기계부품을 제공하는 것이다.
본 발명은 내면에 롤링면 또는 슬라이딩면을 구비한 외측부재, 외면에 롤링 면 또는 슬라이딩면을 구비한 내측부재 및 전기한 외측부재와 내측부재의 롤링면 또는 슬라이딩면 사이에 회전하거나 미끄러질 수 있게 끼워져 있는 전동체를 포함하며, 전기한 외측부재는 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70%와 규소 또는 알루미늄 중 1종 또는 배합물을 총량으로 0.5 ~ 1.0% 함유하는 철강으로 형성되고, 전기한 롤링면 또는 슬라이딩면에 고주파경화처리에 의한 경화층을 갖고 있으며, 전기한 전동체가 경화 및 템퍼링처리된 고탄소크롬 베어링강으로 형성되고, 그의 외주면에 침탄질화처리된 표층부를 갖고 있음을 특징으로 한다.
이와 같이 전동체를 구비한 기계부품에는 등속조인트, 휠용 베어링 및 볼 나사들이 포함된다. 전동체로는 볼뿐만 아니라 원통형 롤러 및 원추형 롤러 등이 사용된다.
외측부재는 필수적으로 탄소 0.50 ~ 0.70%를 함유한 고주파경화용 중탄소강으로 형성되고, 그의 롤링면 및 슬라이딩면은 고주파경화처리된 후에 템퍼링처리되기 때문에 담금질처리되지 않은 그의 내질부는 거의 부드러운 상태로 남겨져 내충격성이 우수한 반면 롤링면 등의 담금질 경화된 표층부에는 고주파경화처리시의 변형으로 인한 압축응력이 잔류하게 되어 경화층은 내마모성이 우수하고, 표층부에서의 균열로 인한 표면 스폴링의 진행을 방지할 수 있어 기계 베어링 또는 조인트의 전동피로수명을 연장시킬 수 있다.
이러한 고주파경화용 철강 중의 탄소 함량이 0.50% 미만인 경우에는 재료의 고주파경화성이 불충분해지는 반면 함량이 0.70%를 초과하는 경우에는 재료는 열간 가공성(hot workability)이 저하된다. 따라서, 탄소의 함량 범위는 0.50 ~ 0.70%가 되어야 하고, 더욱 바람직하게는 0.60 ~ 0.70%가 되어야 한다.
이러한 고주파경화용 철강은 규소 및/또는 알루미늄을 총량으로 0.5 ~ 1.0%함유하기 때문에 철강의 템퍼연화저항성(temper softening resistance)이 알루미늄 및/또는 규소에 의해 강화되어 높은 작용압력의 사용조건에서 롤링면이 발열되어도 경화층의 연화정도가 작다. 이렇게 하여 경화층은 내열성이 우수해질 수 있다. 게다가 통상적인 템퍼링온도 170℃보다 더 높은 온도 범위인 180 ~ 260℃에서 철강이 템퍼링처리될 때에도 표피 경화층의 경도가 거의 감소되지 않고, 철강내의 오스테나이트의 잔류랑을 15부피% 이하의 적량으로 조정할 수 있어서, 경화층의 실제적인 경도와 인성을 강화시킬 수 있다.
규소와 알루미늄의 함유량의 총량이 0.5% 미만인 경우에는 철강의 템퍼연화저항성과 내열성이 불충분해지고, 총량이 1.0%를 초과하는 경우에는, 철강의 열간 가공성이 불충분해진다. 따라서, 규소와 알루미늄의 총량은 0.5 ~ 1.0%의 범위이어야 한다. 통상적으로 규소 0.70 ~ 0.90% 및 알루미늄 0.03%을 함유한 알루미늄 킬드강(Al killed steel)이 사용된다.
그의 그외의 성분인 망간(Mn)과 크롬(Cr)의 함량은 각각 1.5% 이하이어야 한다. 그러나, 망간은 내질부의 인성을 강화시켜 주며, 고주파경화에 의한 표피경화층의 담금질성(hardenability)을 강화시켜 주기 때문에, 망간의 함량은 1.0 ~ 1.2%의 범위로 조정되어야 한다. 크롬은 첨가되지 않거나, 통상 0.3% 이하이다.
반면에 전동체의 고탄소크롬 베어링강은 기본 조성으로 탄소 0.90 ~ 1.10%, 규소 0.15 ~ 0.70%, 망간 1.0% 이하 및 크롬 1.0 ~ 1.6%를 함유한 철강이다. 이러한 조성의 철강이 침탄질화처리되면 전동체의 표층부에서 탄소/질소가 농축된 층의 Ms점이 낮아져서 오스테나이트처리 후의 담금질 과정에서 내질부에서의 마텐자이트(martensite)변형보다 침탄질화된 표층부에서의 마텐자이트 변형이 더 천천히 일어난다. 결과적으로, 변형 후에도 표층부에 잔류압축응력이 발생하고, 오스테나이트의 잔류량이 증가하게 되며 표층부의 매트릭스 중에 미세한 탄질화물(carbonitrides)이 분산, 침전되어, 전동체의 경도, 내마모성 및 피로강도(fatigue resistance)를 증가시킨다.
침탄질화, 담금질된 전동체는 외측부재 또는 내측부재의 롤링면의 마모에 의해 발생되는 마모 분말이 내부에 들어올때에도 침탄질화된 전동체 표면의 스폴링을 지연시키고 그의 수명을 연장시킨다. 결과적으로 롤링 접촉베어링 전체 또는 등속조인트 전체의 수명이 길어지고 긴 수명에 대한 신뢰도가 향상된다.
고탄소크롬 베어링강으로는 JIS의 SUJ2 스틸(표 4 참조 : DIN의 100Cr6)스틸 및 SAE의 52100 스틸에 상당함)이 바람직하게 사용된다. 이러한 고탄소크롬 베어링강의 침탄질화처리는 가스 침탄질화법을 사용하는 경우에는 일반적으로 흡열형 가스(CO : 약 20%, H2: 약35% 및 N2: 약 40%의 조성을 갖는 흡열형 가스, 이하 'RX 가스'라 한다)에 메탄 등의 탄화수소를 첨가하여 탄소 포텐셜을 증가시키고, 질화제로서 암모니아를 첨가한 분위기 중에서 전동체를 가열, 유지시킴으로서 실시한다. RX 가스 대신에, 질소계 발열형 가스(CO : 약 2% 이하, H2: 약 2% 이하 및 N2: 잔량의 조성으로 된 비산화성 발열형 가스, 이하, 'NX 가스'라 한다)와 질소가스도 또한 이용될 수 있다.
상기한 전동체의 표층부를 질소가스 또는 상기한 NX 가스와 탄화수소가스와 암모니아가스와의 혼합가스 중에서 침탄질화시키는 경우에는 표층부는 고도로 질화될 수 있고 담금질에 의해 충분히 경화될 수 있어 내마모성과 피로강도가 향상될 수 있다. 종래의 RX 가스에 질화제로 암모니아가슬 배합한 분위기에서는 수소가스를 다량으로 함유하고 있는 반면, NX 가스를 기초로 한 분위기에서는 수소가스의 함량을 감소시킬 수 있다. 이는 전동체를 사용하는 동안, 수소취성(embrittlement)에 대한 공포를 감소시킬 수 있다.
본 발명에서, 내측부재로서는 대략 원통형상의 단순한 형상을 하고 있는 침탄처리된 저탄소크롬 구조용 철강(탄소 : 0.13 ~ 0.48%, 크롬 : 0.90 ~ 1.20%, 예를 들어 표 4의 JIS 의 SCr415 스틸 등등), 고주파경화처리된 중탄소구조용 철강(탄소 : 0.47 ~ 0.61%, 예를 들어 표 4의 JIS의 S53C 스틸) 및 전술한 담금질경화된 고탄소크롬 베어링강(예를 들어 표 4의 JIS의 SUJ2 스틸 등등)으로부터 선택할 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 롤링접촉베어링 또는 등속조인트를 구비한 기계부품에서는 외측부재가 중탄소담금질용 철강으로 형성되어 성형성이 우수하기 때문에 복잡한 형상의 외측부재를 형성할 수 있다. 게다가 외측부재는 롤링면 및 슬라이딩면을 포함한 그의 내면이 전기한 중탄소강의 고주파경화처리된 경화층으로 형성되어 있기 때문에 전동체가 회전하고 미끄러질 때 내마모성에 있어서 전동체에 비하여 나쁘지만 스폴링 저항성(spalling resistance)에 있어서는 우수하다. 반면에, 전동체가 고탄소크롬강으로 형성되는 경우, 그의 외주면은 침탄질화담금질에 의한 경화표층부를 가지게 되므로 담금질경화된 부재에 비해 내마모성과 전동피로저항성이 우수하다. 따라서, 상기한 조인트 또는 베어링은 전체적으로 피로수명이 길어진다.
외측부재는 복잡한 형상을 가질 때에도 가공성형 및 고주파가열에 의한 열처리를 용이하게 실시할 수 있다. 게다가, 단순한 형상의 전동체는 침탄질화처리에 적합하기 때문에 내측부재에 적합한 재질을 선택하면 베어링 또는 조인트의 경량화를 쉽게 달성할 수 있으며, 성형·열처리의 비용을 증가시키지 않고도 양산화 시키기에 적합하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
제1(a)도는 일례로서, 구조자체는 종래 공지된 것으로 자동차의 차륜을 지지하는데 사용되는 휠용 베어링의 종단면도이다. 외측부재로서 사용되는 베어링 외륜(7)에는 외측에 일체로 플랜지(flange)(5)가 형성된다. 플랜지(5)에는 자동차의 차륜을 고정하는 고정용 볼트(도시되지 않음)가 삽입되는 볼트 홀(51)이 설치된다. 외륜(7)의 내면에는 전동체로서 2조의 볼(8)이 전후위치에 배열되어 구르게 되는 롤링면(6)을 갖는 롤링홈(60)이 전후에 2열로 설치된다.
내측부재로서 사용되는 내륜(2)는 각각의 말단의 직경확장부(21)에 인접하여 상기 볼(8)이 구르게 되는 롤링면(1)을 갖는, 전후 한 쌍의 내륜 2a, 2b가 형성되고, 그의 다른쪽 말단면이 서로 접해 있는 상태에서 외륜(7)의 중공부(hollow)내에 배치되어 롤링면(1)이 볼(8)과 미끄러지게 접촉하는 외륜(7)내에 회전할 수 있게 지지되고 있다.
이러한 구조에서 본 발명에 따르면 외륜(7)은 알루미늄(Al) 및/또는 규소(Si)가 첨가된 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70%를 함유한 중탄소강으로 그의 플랜지(5)도 포함하여 함께 고온단조(hot forging)에 의해 일체로 형성된다. 롤링 홈(60)의 롤링면(6)과 그의 외주부에만 고주파경화 및 템퍼링처리 경화층(61)이 형성된다.
반면에 내륜(2)는 비교적 원통형에 가까운 형상을 하고 있기 때문에 고탄소크롬 베어링강인 JIS의 SUJ2 스틸로 형성되어, 일체로 담금질경화된 후 템퍼링처리된다.
또, 볼(8)은 SUJ2 스틸로 형성되어 가스침탄질화처리된 후 일체로 담금질경화 및 템퍼링처리된다. 결과적으로 볼(8)의 표층에는 고경도의 침탄질화층(도시되지 않음)이 형성된다.
제1(b)도는 본 발명의 다른 형태의 등속조인트형의 일종인 고정형 볼 조인트의 실시예를 나타낸 것이다. 외측부재로 사용되는 외륜(7)에서 마우스부(7a)의 내주면에 롤링면(6)을 갖는 수개의 스트립의 롤링 홈(6)이 축방향을 따라 배치된다. 마우스부(7a)의 말단부에는 일체로 돌출된 축의 스템(7b)에는 외주상에 나사전조(thread-rolling)에 의해 세레이션(serration)(71)이 형성된다. 외륜(7)은 알루미늄 및/또는 규소가 첨가된 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70%를 함유한 상기한 중탄소강으로 고온단조에 의해 일체로 형성된다. 마우스부(7a)의 내주면은 롤링면(6)을 포함하고 있으며 고주파경화된 후 템퍼링처리된 경화층(61)이 형성되어 있다.
외륜(7)의 마우스부(7a)내에서, 내측부재로 사용된 내륜(2)는 롤링 홈(10)내에 고정되어 전동체로 사용되는 볼(8)을 통해 지지된다. 이러한 내륜(2)는 침탄경화된 후 템퍼링처리된 SCr415스틸로 형성되며, 적어도 롤링 홈 내의 롤링면(1)이 경화된다. 볼(8)은 가스침탄질화처리된 후, 경화 및 템퍼링처리된 SUJ2-스틸로 형성된다.
게다가 , 본 발명의 또다른 형태인 볼 나사(도시되지 않음)는 내측부재로서의 나사 축과 외측부재로서의 너트가 전동체로 사용되는 볼에 의해 작동되는 기계부품이다. 본 발명에서 너트는 알루미늄 및/또는 규소가 첨가된 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70%를 함유한 상기한 중탄소강으로 고온단조에 의해 형성되며, 너트의 볼 롤링면은 고주파경화처리된다. 볼은 가스 침탄질화처리된 후에 경화 및 템퍼링처리된 SUJ2스틸로 형성된다. 볼 나사의 축은 담금질경화된 SUJ2 스틸 또는 침탄경화된 구조용 저크롬강으로 형성된다.
이하, 이러한 외측부재를 형성하는 고주파경화처리용 철강으로 만들어진 3개의 샘플에 대하여 상기 전동피로수명 시험을 실시하였다.
외측부재를 형성하는 고주파경화용 철강으로는 규소(Si)가 첨가된 중탄소강(조성 : 탄소 0.65%, 규소 0.80%, 망간 1.10%, 인 0.015%, 황 0.010%, 알루미늄 0.030% 및 크롬 0.20% 이하 'NKJ65 스틸'이라 한다)을 사용하였고, 정밀 연마대로 원통형상으로 시삭가공한 후, 통상의 방법에 따라 170℃에서 2시간 동안 샘플의 외주면을 고주파경화한 후 템퍼링처리하여 직경 12mm, 길이 22mm의 원통형 시편을 완성하였다.
비교예로서, 구조용 중탄소강인 JIS의 S53C스틸 및 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2 스틸중에서 선택하여 원통형상으로 시삭가공하고 S53C 스틸을 고주파경화처리한 후 170℃에서 2시간 동안 템퍼링처리하였고, SUJ2 스틸은 850℃에서 0.5시간 동안 오스테나이트화하고 오일 내에서 급냉각하여 담금질경화시킨 후, 180℃에서 2시간 동안 템퍼링처리하여, 동일한 원통형 시편을 완성하였다.
그런 다음, 원통형 시편에 대해, 원통형 전동피로수명 시험계(NTN Co., Ltd. 제조)를 사용하여 헤르츠 최대접촉응력 600kgf/mm2의 하중하에서의 회전수 23,120rpm으로 수명시험을 실시하였다. 표 1에 시험결과를 나타내었다.
표 1에 나타난 결과에 따라 피로수명에 있어서 NKJ65 스틸의 고주파경화된 시편이 SUJ2 스틸의 담금질경화된 시편보다 우수하다는 것을 알 수 있다. 반면에 S53C 스틸은 NKJ65 스틸 및 SUJ2 스틸에 비해 피로수명이 훨씬 떨어짐을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예로서 이미 상술한 활용 베어링을 상정하여 외륜으로 중탄소강(S53C 스틸과 상기한 조성의 NKJ675 스틸)의 고주파경화처리된 샘플을 내륜으로서 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2 스틸의 경화 및 템퍼링처리된 샘플 및 전동체로서 고탄소크롬 베어링강인 SUJ2 스틸의 침탄질화경화처리된 볼을 사용하여 JIS의 베어링 제6206호(외륜 직경 62mm, 내륜 직경 30mm)의 볼 베어링을 형성하였다. 얻은 베어링들의 전동피로수명을 시험하였다.
볼의 침탄질화는 광택담금질에 의해 용적비로 광택담금질용 RX 가스 100부에 프로판 가스 1부와 암모니아가스 10부를 가한 분위기 중에서 850℃에서 1.5시간 동안 가열한 후 오일에 담금질하였다. 그런 다음 170℃에서 2시간 동안 템퍼링을 실시하였다.
비교예로서 외륜으로는 고탄소크롬강인 SUJ2 스틸의 담금질경화처리된 샘플을 볼로는 동일한 SUJ2 스틸의 담금질경화처리된 샘플을 사용한 베어링의 수명 시험을 실시하였다. 열처리조건은 850℃에서 0.5시간 동안 오스테나이트화한 후, 오일 중에서 담금질하고, 160℃에서 2시간 동안 템퍼링하였다. 그 결과는 표 2에 나타내었다.
수명 시험은 베어링 하중 700kgf, 회전수 2000rpm 및 터빈 오일 VG56을 사용한 회전윤할조건에서 베어링 6206을 사용하여 실시하였다.
표 2에 따르면 수명시험동안 파손된 베어링에 있어서, 종래의 중탄소강의 외륜과 고탄소크롬강의 담금질경화된 볼의 조합보다 본 발명의 실시예에서와 같이 중탄소강의 외륜과 고탄소크롬강의 침탄질화처리된 볼의 조합인 경우에 볼 자체의 표면 스폴링이 덜 일어나는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예의 스폴링빈도는 의륜, 볼을 일체로 담금질경화처리한 경우와 유사한 정도이며, 수명은 연장되었음을 알 수 있다.
이하, 외륜을 중탄소강의 고주파경화처리된 샘플로 전동체의 볼을 고탄소크롬강인 SUJ2 스틸의 침탄질화처리된 샘플로 사용한 전술한 고정형 볼 조인트의 실시예를 설명한다.
전동체는 직경이 16.669mm인 볼로서 광택담금질을 이용하여 담체 가스로서 RX 가스와 NX 가스중에서 선택하고 실온 1기압에서 담체 가스100부, 침탄제로서 부탄 가스 1부 및 질화제로서 암모니아가스 10부를 혼합한 분위기 중에서 850℃에서 2시간 동안 침탄질화처리를 실시하고 볼을 오일에 담금질한 후, 170℃에서 2시간 동안 템퍼링하였다.
제2도는 침탄질화경화처리된 후 템퍼링처리된 두 가지 유형의 강볼 단면에서의 표면에서 내질부까지를 마이크로비커스 경도계(Micro-Vickers hardness tester)로 측정한 경도 분포 곡선을 나타낸 것이다. 침탄질화처리시에는 내질부보다 표층부분이 다소 단단해지지만, NX 가스를 기초로 한 분위기 중에서 열처리한 볼(도면에서 a 곡선)이 RX가스를 기초로 한 분위기 중에서 열처리한 볼(도면에서 b곡선)보다 표층부의 경도가 더 높다. 즉, 경도를 록웰 C 경도(rockwell chardness)로 환산하면, a 곡선의 경도가 b곡선의 경도보다 HRC 1 ~ 2 정도 더 높다.
제3(a)도 및 제3(b)도는 두 가지 유형의 열처리된 강볼의 단면에서의 표면 부근의 현미경 사진이다. NX 가스를 기치로 한 분위기 중에서 침탄질화된 강볼의 표층에서 미세한 탄화물이 관찰된다(제3(a)도). 이러한 미세한 탄화물은 내마모성을 개선시키는 것으로 추정된다. 제4도는 제2도에 나타낸 강볼에서와 마찬가지로 저온에서 템퍼링처리한 후 500℃의 고온에서 1시간 더 템퍼링처리하여 얻은 두 가지 유형의 강볼의 경도 분포를 나타낸 것이다. 내질부는 고온에서의 템퍼링에 의해 경도가 Hv 500 이하로 부드럽지만 표층은 여전히 Hv 600이상의 경도를 갖는다. 이러한 경도를 갖는 것은 사용중의 마찰에 의해 롤링면이 발열되더라도 표층부가 연화되기는 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 표층의 경도는 표면으로부터 침투된 질소가 침탄화물로서 석출, 분산되어 제공된다. 또, 제4도에서 NX 가스를 기초로 한 분위기 중에서 침탄질화처리된 강볼 표면의 경화층의 경도(도면에서 a 곡선)가 RX가스를 기초로 한 분위기 중에서 침탄질화처리된 강볼 표면의 경화층의 경도(도면에서 b 곡선)보다 더 높다. 경도에 있어서의 이러한 차이는 표층부에서의 질소량의 차이에 기인한 것으로 추정된다.
이하, 고정형 볼 조인트에 대해 실시한 수명시험에 대해 설명한다. 고정형 볼 조인트는 제1(b)도에 나타낸 고정형 볼 조인트이다. 외륜은 S53C 스틸 및 상기한 NKJ65 스틸의 단조품을 마우스부 내의 내주면에 형성하다. 고주파가 열경화하여 형성한다. 내륜은 종래와 동일하게 SCr415 스틸의 침탄경화된 샘플로 하였다.
전동체로서 사용된 볼들은 SUJ2스틸의 침탄질화경화처리된 샘플들이었다. 침탄질화용 노(furnace)내의 분위기 가스로는 상술한 실시예에서 나타낸 바 있는 RX 가스 또는 NX 가스를 담체 가스로 사용하였다. 각 가스는 프로판 가스와 암모니아가스를 혼합하여 형성하였다. 열처리 조건들은 상술한 실시예에서와 동일하다. 비교예들은 종래의 SUJ2 스틸로 만들어진 담금질 경화된 볼을 사용한 볼조인트이었다.
고정형 볼 조인트의 수명시험은 작동각도(activation angle) 6, 하중토크(torque) 21kgf-m 및 회전수 1700rpm의 조건에서 실시하였다.
시험결과는 표 3에 나타내었다. 외륜으로서 동일하게 고주파경화처리된 샘플을 사용하는 경우에는 조인트의 수명을 연장시키는데 침탄질화경화된 볼들이 종래의 담금질경화된 볼들보다 더 효과적이다. 게다가 전동피로수명을 연장시키는데에는 NX 가스를 기초로 한 분위기 중에서 열처리한 침탄질화경화된 샘플이 RX 가스를 기초로 한 분위기 중에서 열처리한 침탄질화경화된 샘플보다 우수함을 알 수 있다.
1) 내륜은 침탄질화경화된 SCr415 스틸이다.
하중토크 : 21kgf-m, 회전수 : 1700rpm, 작동각도 : 6°
2) 본 발명의 실시예
본 발명의 실시예에서는 침탄질화가스로서 NX가스를 기초로 한 혼합가스를 사용하였다. 그러나 이러한 혼합가스 대신에 질소가스에 탄화수소가스 및 암모니아 가스를 혼합한 가스를 사용할 수 있다.
[산업적 이용가능성]
본 발명의 전동체를 구비한 기계부품은 복잡한 형상의 외측부재, 특히 회전 동력송신장치용 등속조인트 차륜을 회전할 수 있게 지지하는데 사용되는 휠용 베어링 및 자동차의 기계조절용 볼 나사를 포함한 기계부품에 적합하며 자동차 공업 및 그 외의 기계공업 분야에서 이용될 수 있다.

Claims (2)

  1. 내면에 롤링면 또는 슬라이딩면을 구비한 외측부재, 외면에 롤링면 또는 슬라이딩면을 구비한 내측부재; 및 상기한 외측부재와 내측부재의 롤링면 또는 슬라이딩면 사이에 회전하거나 미끄러질 수 있게 끼워져 있는 전동체를 포함하는 기계부품에 있어서, 상기한 외측부재는 적어도 탄소 0.50 ~ 0.70%와 규소 또는 알루미늄중 1종 또는 배합물을 총량으로 0.5 ~ 1.0% 함유한 철강으로 형성되고, 상기한 롤링면 또는 슬라이딩면에 고주파경화처리에 의한 경화층을 갖고 있으며, 상기한 전동체는 경화 및 템퍼링처리된 고탄소크롬 베어링강으로 형성되고, 그의 외주면에 침탄질화처리된 표층부를 갖고 있으며, 상기한 기계부품은 고정형 볼 조인트이거나 휠용 베어링인 것을 특징으로 하는 전동체를 구비한 기계부품.
  2. 제1항에 있어서 상기한 전동체의 표층부가 질소가스 또는 질소계 발열형 가스와 탄화수소가스 및 암모니아가스와의 혼합가스 중에 침탄화되어 경화된 표층부임을 특징으로 하는 전동체를 구비한 기계부품.
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