KR100508463B1

KR100508463B1 - 구름피로수명이 우수한 베어링용 강

Info

Publication number: KR100508463B1
Application number: KR10-2000-7007005A
Authority: KR
Inventors: 아쯔미다꾸야; 호시노도시유끼; 아마노겐이찌; 야스모또사또시; 고또마사오
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 고요 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 1998-11-10
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2005-08-17
Also published as: CA2317658A1; JP2000144326A; JP3779078B2; EP1048744A1; WO2000028100A1; KR20010033504A; EP1048744A4; TW454042B

Abstract

본 발명은 롤러베어링 또는 볼베어링이라는 구름베어링의 요소부재로서 사용되며, 특히 구름피로수명이 우수한 베어링용 부재를 제공하는 베어링용 강에 관한 것이다. 즉, C: 0.95 ∼ 1.10 질량%, Cr: 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%, O: 0.0015 질량% 이하 및 Sb: 0.0010 질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름피로수명이 우수한 베어링용 강이다. 그리고, 또한 Si: 2.5 질량% 이하, Mn: 2.5 질량% 이하, Mo: 2.5 질량% 이하, Ni: 3.0 질량% 이하, Nb: 1.5 질량% 이하, V: 1.5 질량% 이하, Cu: 2.0 질량% 이하 및 Al: 0.08 질량% 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유시켜도 된다.

Description

구름피로수명이 우수한 베어링용 강{BEARING STEEL EXCELLENT IN ROLLING FATIGUE LIFE}

본 발명은 롤러베어링 또는 볼베어링이라는 구름베어링의 요소부재로서 사용되는 베어링용 강(鋼)에 관한 것이다. 특히 구름피로수명이 우수한 베어링용 부재를 제공하기 위한 베어링용 강이다.

구름베어링 등에 사용되는 베어링용 강은 구름피로수명이 긴 것이 요구된다. 일반적으로, 베어링의 구름피로수명에는 강 중에 존재하는 경질의 산화물계 비금속개재물이 악영향을 미치는 것은 잘 알려져 있다.

그래서, 이러한 비금속개재물량의 저감에 의해 구름피로수명의 향상을 도모하기 위해, 종래 주로 강 중 산소량을 저감시키는 노력이 이루어져 왔다. 제강기술의 진보에 의해 Si 또는 Al 을 탈산재로서 첨가한 강에서는, 강 중 산소량을 0.0010 질량% 이하까지 저감시킬 수 있게 되었다. 그 결과, 강 중에 존재하는 경질의 산화물계 비금속개재물의 양은 대폭 삭감되어 구름피로수명은 향상되었다.

그러나, 이러한 저산소화에 의한 구름피로수명의 향상은 이미 한계에 달하고 있는 것이 실정이다.

그런데 최근에는, 구름피로수명의 향상을 보다 한층 지향하는 움직임이 있다. 예를 들면, 일본 공개특허공보 평 3-126839 호에서는 단위면적 또는 단위체적 중의 산화물계 비금속개재물의 개수를 조정하는 것, 즉 이들의 분포를 조정하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본 공개특허공보 평 5-25587 호에서는 한계치통계에 의해 추정되는 산화물계 비금속개재물의 예측최대직경을 조정하는 것, 즉 이들의 형태를 조정하는 방법이 개시되어 있다. 모두, 산화물계 비금속개재물의 양 이외의 분포 또는 형태를 조정하여 산화물계 비금속개재물의 영향을 적게하는 방법이다.

그러나, 상기 공지기술에 따라 단위면적당의 산화물계 비금속개재물의 개수나 최대직경을 보다 저감시키기 위해서는 더욱 제강설비의 개선 또는 제조공정의 개선이 필요하다. 따라서, 이들을 실현하기 위해서는 거액의 투자가 필요하며 제조비용의 상승을 초래하는 것을 피할 수는 없다. 게다가, 구름피로수명을 보증하기 위해서는 비금속개재물에 대한 상세한 평가가 필요하기 때문에 생산성의 저하도 불가피해진다.

한편, 불순물의 저감에 의해 구름피로수명을 개선하는 기술이 일본 공개특허공보 평 10-68047 호, 동 평 10-158790 호, 동 평 10-168547 호 등에 개시되어 있다. 또한, 산화물계 이외의 경질의 비금속개재물인 황화물계 비금속개재물을 제어하는 방법도 일본 공개특허공보 평 9-291340 (PCT/JP97/00549) 호에 개시되어 있다. 모두, 피로파단(破斷)의 기점이 될 수 있는 물질을 감소시키는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, 모두 Si 또는 Al 을 탈산재로서 첨가한 강을 대상으로 하고 있으며, Si 또는 Al 산화물의 형성은 불가피하며 구름피로수명에 편차가 있고 그 향상에도 한계가 있었다.

그래서 본 발명의 주된 목적은, 성분조성의 조정만으로 제조가 가능하며, 생산성의 면에서 유리하고 더욱 우수한 구름피로수명을 갖는 베어링용 강을 제공하는 것에 있다.

도 1 은 B₁₀ 수명에 미치는 Sb 양의 영향을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 상기한 목적을 감안하여 그 실현을 위해 이루어진 것이다. 최근의 제강기술에 의하면, 탈산재로서 Si 및 Al 를 첨가하지 않아도 C 를 1 질량% 정도 포함할 경우에는 O 의 함량을 0.0010 질량% 정도까지 저감시키는 것은 가능해졌다. 또, Si 또는 Al 첨가에 의한 담금질성의 개선이나 구름피로수명의 향상은 Cr 을 다량으로 첨가하는 것으로 대체할 수 있다. 그래서 본 발명자들은, C 를 1 질량% 정도 포함하며 Si 및 Al 을 함유하지 않고, O 를 10 ppm 정도로 저감시키고 Cr 을 다량으로 함유하는 소재를 사용하여 불순물원소의 영향을 검토하였다. 그 결과, 불순물원소로서 강 중에 혼입하는 Sb 의 존재가 구름피로수명에 악영향을 미치는 것을 발견한 것이다.

C: 0.98-1.05 질량%, Cr: 1.65-3.45 질량%, O: 0.0008-0.0012 질량%, Sb: 0.0001-0.0100 질량% 를 함유하고, 잔부가 실질적으로 Fe 로 이루어지는 시료에서 구름피로수명을 조사하였다. 또한, 산화물계 비금속개재물의 개수는 100 ∼ 200 개/320 mm² 로 그 최대직경은 피검면적 320 mm² 일 때에 8 ∼ 12 ㎛ 이었다. 도 1 에 구름피로수명에 미치는 강 중의 Sb 양의 영향을 나타낸다. 강 중의 Sb 양을 0.0015 질량% 이하까지 저감시키자 구름피로수명이 향상되었다. 0.0010 질량% 정도가 되면 이 개선효과는 포화하였다. 이와 같은 현상의 이유는 반드시 명백하지는 않지만, 강 중의 Sb 양이 일정한도를 초과하면, 과잉의 Sb 가 결정입계로 편석(偏析)하여 피로균열의 진전을 조장하고 파괴의 발생을 촉진시키기 때문으로 생각된다.

상기 내용을 토대로 개발한 본 발명의 요지구성은 다음과 같다.

C: 0.95 ∼ 1.10 질량%, Cr: 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%, O: 0.0015 질량% 이하 및 Sb: 0.0010 질량% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름피로수명이 우수한 베어링용 강이다. 그리고, 또한 Si: 2.5 질량% 이하, Mn: 2.5 질량% 이하, Mo: 2.5 질량% 이하, Ni: 3.0 질량% 이하, Nb: 1.5 질량% 이하, V: 1.5 질량% 이하, Cu: 2.0 질량% 이하 및 Al: 0.08 질량% 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유시켜도 된다.

이하에, 본발명에서의 성분의 한정이유를 나타낸다.

C: 0.95 ∼ 1.10 질량%

C 는 기지에 고용되어 마르텐사이트의 강화에 유효하게 작용하는 원소이다. 담금질 및 템퍼링 후의 강도확보와 그에 따른 구름피로수명을 향상시키기 위해 함유시킨다. 함유량이 0.95 질량% 미만에서는 이들 효과를 얻을 수 없다. 한편, C 양이 1.10 질량% 를 초과하면 주조시에 거대 탄화물이 생성되어 가공성 및 구름피로수명을 저하시킨다. 따라서 0.95 ∼ 1.10 질량% 를 범위로 한다.

Cr: 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%

Cr 은 탄화물을 안정화시키고 담금질 후에 탄화물을 잔류시킴으로써 내마모성을 향상시키기 위해 유용하다. 또, 담금질성을 향상시킴과 동시에 구형상화 조직촉진에 의해 냉간가공성을 향상시킨다. Cr 첨가량이 1.60 질량% 이하에서는 이들 효과를 얻을 수 없다. 3.50 질량% 를 초과하여 첨가하면 담금질에 의해 잔류하는 탄화물량이 증가한다. 그 결과, 기지에 고용되는 C 양이 저하되어, 강도 나아가 구름피로수명이 저하된다. 따라서, Cr 첨가량은 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%, 바람직하게는 1.60 초과 ∼ 2.50 질량% 로 한다.

O: 0.0015 질량% 이하

O 는 경질의 산화물계 비금속개재물을 형성하여 구름피로수명을 저하시키기 때문에 적은 함량이 바람직하지만, 0.0015 질량% 까지는 허용된다. 따라서, O 함유량은 0.0015 질량% 이하, 바람직하게는 0.0010 질량% 이하로 한다.

Sb: 0.0010 질량% 이하

Sb 는 본 발명에서 특히 중요한 원소이다. 탈탄층의 생성을 억제하여 열처리생산성을 향상시키는 작용을 갖는 점에서는 바람직하다. 그러나, 열간가공성이나 인성(靭性)을 저하시켜 구름피로수명을 현저하게 저하시킨다. 이 때문에, Sb 양은 0.0010 질량% 이하로 제한할 필요가 있다.

또한, 이하에 나타내는 원소 중 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것도 가능하다.

Si: 2.5 질량% 이하

Si 는 템퍼링중 연화(軟化) 저항을 증대시키는 원소이다. 그 결과, 담금질 및 템퍼링 후의 강도를 높여 구름피로수명을 향상시킨다. 또, 용제시의 탈산제로서 강의 저산소화에도 기여하는 원소이기도 하다. 그러나, 2.5 질량% 를 초과하여 첨가하면 가공성 및 인성이 저하된다. 이 때문에, Si 는 2.5 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.15 ∼ 2.0 질량% 의 범위로 첨가한다.

Mn: 2.5 질량% 이하

Mn 은 강의 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 기지 마르텐사이트의 인성 및 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 2.5 질량% 를 초과하여 첨가하면 피절삭성 및 인성이 저하된다. 이 때문에, Mn 은 2.5 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.10 ∼ 2.0 질량% 의 범위로 첨가한다.

Mo: 2.5 질량% 이하

Mo 는 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 2.5 질량% 를 초과하여 첨가하면 탄화물이 안정화된다. 그 결과, 강도가 저하되어 구름피로수명은 저하된다. 또, Mo 는 고가의 원소이기도 하다. 따라서, Mo 는 2.5 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.10 ∼ 1.5 질량% 의 범위로 첨가한다.

Ni: 3.0 질량% 이하

Ni 는 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 3.0 질량% 를 초과한 첨가의 효과는 포화되고 있다. 또, Ni 는 고가의 원소이기도 하다. 따라서, Ni 는 얻어지는 효과와 비용의 관계 때문에 3.0 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.10 ∼ 2.0 질량% 의 범위로 첨가한다.

Nb: 1.5 질량% 이하

Nb 는 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 1.5 질량% 를 초과하여 첨가하면 탄화물이 안정화된다. 그 결과, 강도가 저하되어 구름피로수명은 저하된다. 또, Nb 는 고가의 원소이기도 하다. 따라서, Nb 는 1.5 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.05 ∼ 1.0 질량% 의 범위로 첨가한다.

V: 1.5 질량% 이하

V 는 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 1.5 질량% 를 초과하여 첨가하면 탄화물이 안정화된다. 그 결과, 강도가 저하되어 구름피로수명은 저하된다. 또, V 는 고가의 원소이기도 하다. 따라서, V 는 1.5 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.05 ∼ 1.0 질량% 의 범위로 첨가한다.

Cu: 2.0 질량% 이하

Cu 는 담금질성을 향상시키는 원소이다. 그 결과, 강도를 향상시켜 구름피로수명을 향상시킨다. 그러나, 2.0 질량% 를 초과하여 첨가하면 단조성(鍛造性) 이 저하된다. 따라서, Cu 는 2.0 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.10 ∼ 1.5 질량% 의 범위로 첨가한다.

Al: 0.08 질량% 이하

Al 은 템퍼링 연화 저항을 증대시키는 원소이다. 그 결과, 담금질 및 템퍼링 후의 강도를 높여 구름피로수명을 향상시킨다. 또, 용제시의 탈산제로서 강의 저산소화에도 기여하는 원소이기도 하다. 한편, 0.08 질량% 를 초과하여 첨가하면 가공성 및 인성을 저하시킨다. 따라서, Al 은 0.08 질량% 이하로 첨가한다. 바람직하게는 0.005 ∼ 0.05 질량% 의 범위로 첨가한다.

상기의 각 원소에 의해 본 발명은 구성되지만, 보다 바람직한 실시형태로서 불순물원소로서의 P, S, Ti 및 N 은 하기 범위로 억제하는 것이 바람직하다.

P: 0.025 질량% 이하

P 는 강의 인성 및 구름피로수명을 저하시킨다. 따라서, 가능한 한 적은 양이 바람직하다. 그 허용상한은 0.025 질량% 이고, 바람직하게는 0.015 질량% 를 상한으로 한다.

S: 0.025 질량% 이하

S 는 Mn 과 결합하여 MnS 를 형성하여 피절삭성을 향상시킨다. 그러나, 다량으로 함유시키면 구름피로수명을 저하시킨다. 그 허용상한은 0.025 질량% 이고, 바람직하게는 0.010 질량% 를 상한으로 한다.

Ti: 0.010 질량% 이하

Ti 는 경질의 질화물을 형성하여 구름피로수명을 저하시킨다. 따라서, 가능한 한 적은 양이 바람직하다. 그 허용상한은 0.010 질량% 이고, 바람직하게는 0.005 질량% 를 상한으로 한다.

N: 0.015 질량% 이하

N 은 경질의 질화물을 형성하여 구름피로수명을 저하시킨다. 따라서, 가능한 한 적은 양이 바람직하다. 그 허용상한은 0.015 질량% 이고, 바람직하게는 0.008 질량% 를 상한으로 한다.

이하에 본 발명의 실시예를 나타낸다. 또한, 본 발명의 실시형태는 이 실시예에 한정되는 것은 아니다.

표 1 및 표 2 에 나타낸 화학조성을 갖는 강을 전로 (轉爐) 에서 용제하고, 그 후 연속주조에 의해 400 ×560 ㎜ 의 블룸으로 하였다. 그 블룸에 1200 ℃ 에서 30 시간의 확산 어닐링을 실시하고, 그 후 열간압연에 의해 직경 65 ㎜의 봉강(棒鋼)으로 하였다. 그 봉강에 860 ℃ 의 어닐링하여, 760 ∼ 800 ℃ 의 구형상화 어닐링을 실시하고, 또한 830 ℃ 에서 30 분 유지 후 오일 담금질하여 180 ℃ 에서 2 시간의 템퍼링을 실시하였다. 그 템퍼링재를 절삭 및 래핑마무리하여 65 ㎜(직경)×5 ㎜(두께) 의 원반형 구름피로수명 시험편을 각 강별로 12 매씩 얻었다.

구름피로시험은 삼식(森式)스러스트형 구름피로시험기를 사용하여 헤르츠최대접촉응력: 5260 MPa, 반복응력수: 30 Hz, 및 윤활유: #68 터빈유의 조건으로 행하였다. 이 시험결과를 와이불(Weibull) 분포에 따르는 것으로 하여 확률지상에 정리하고, B₁₀ 수명 (누적파손확률: 10 % 에서의 박리발생까지의 총부하회수) 을 구했다. 종래 강인 강 1 (JIS 강종: SUJ2) 의 수명을 1 로 하였을 때의 상대비로 평가하였다.

평가결과는 표 1 및 표 2 에 합쳐 나타내었다. 표 1 및 표 2 에 분명히 나타난 바와 같이, 강 2 및 강 6 ∼ 강 25 의 발명강은 B₁₀ 수명비가 종래 강 (강 1) 의 1.7 ∼ 5.6 배라는 우수한 값을 갖고 있다.

이에 대해, 비교강인 강 4 는 C 가, 강 5 는 O 가, 각각 본 발명의 범위를 벗어나 있고, B₁₀ 수명비는 종래 강 보다 열악하다. 또, 비교예인 강 3 은 화학조성이 Sb 를 제외하고 발명 강인 강 2 와 큰 차가 없다. 그럼에도 불구하고, 강 3 의 B₁₀ 수명비는 1.1 이고, 강 2 의 3.2 에 비교하여 열악하다. 확실히 Sb 양 저감의 효과가 나타나고 있다.

본 발명에 의하면, Cr 을 다량으로 첨가하고 특히 강 중의 Sb 양을 0.0010 질량% 이하로 억제하는 등의 성분조정만에 의해, 구름피로수명이 각별히 우수한 베어링용 강을 얻을 수 있다. Sb 양의 제한은 스크랩의 관리에 의해 용이하게 실현할 수 있고, 생산성의 면에서도 바람직하여 공업적으로 기여하는 바가 크다.

Claims

C: 0.95 ∼ 1.10 질량%,

Cr: 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%,

O: 0.0015 질량% 이하 및

Sb: 0.0010 질량% 이하

를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름피로수명이 우수한 베어링용 강.
C: 0.95 ∼ 1.10 질량%,

Cr: 1.60 초과 ∼ 3.50 질량%,

O: 0.0015 질량% 이하 및

Sb: 0.0010 질량% 이하

를 함유하고, 또한

Si: 2.5 질량% 이하,

Mn: 2.5 질량% 이하,

Mo: 2.5 질량% 이하,

Ni: 3.0 질량% 이하,

Nb: 1.5 질량% 이하,

V: 1.5 질량% 이하,

Cu: 2.0 질량% 이하 및

Al: 0.08 질량% 이하

중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구름피로수명이 우수한 베어링용 강.