KR100712581B1

KR100712581B1 - 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강 및 그 제조 방법 및베어링 부품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100712581B1
Application number: KR1020057010491A
Authority: KR
Inventors: 히로마사 다까다; 준조오 신베; 히데까즈 미찌오까; 다께끼 시라이
Original assignee: 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤; 티에치케이 가부시끼가이샤
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2003-12-11
Publication date: 2007-04-30
Also published as: JP4368308B2; WO2004057049A1; CN100593039C; EP1574592A4; CN1726295A; AU2003289042A1; EP1574592A1; KR20050085495A; EP1574592B1; JPWO2004057049A1; AU2003289042A8

Abstract

질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.1 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 8.0 ％를 함유하고, Mo : 0.5 ％ 이하, N : 0.02 ％ 이하(0 ％ 포함함)로 제한하고, 또한 하기 식 1을 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강이다.

Cr － 300 × S ≥ 2.0

베어링 강, 담금질, 마르텐사이트계 스테인레스 강, 템퍼링

Description

제조성과 내식성이 우수한 베어링 강 및 그 제조 방법 및 베어링 부품 및 그 제조 방법{BEARING STEEL EXCELLENT IN WORKABILITY AND CORROSION RESISTANCE, METHOD FOR PRODUCTION THEREOF, AND BEARING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 비교적 온화한 부식 환경 및 방청 오일의 사용이 제한되는 환경에서 사용하는 베어링 부품의 소재가 되는 내식성 베어링 강 및 상기 베어링 강의 봉강(棒鋼) 또는 선재를 제조하는 제조 방법 및 상기 봉강 또는 선재로 제조한 베어링 부품이나 정밀 기기 부품에 관한 것이다.

본 발명은 직접 이동 운동 안내 시스템용 레일과 캐리지, 볼나사, XY 테이블 및 회전 운동하는 구름 베어링, 슬립 베어링, 강구(鋼球) 등 베어링 부품 일반 및 정밀 기기 부재에 적용된다.

베어링 부품 중에는 전동(轉動) 부분이 비교적 온화한 부식 환경으로 이루어진 상태에서 사용되지만, 그 사용 목적의 요청으로부터 방청제나 윤활제를 적용할 수 없는 것이 있다. 현재, 이와 같은 베어링에는 마르텐사이트계 스테인레스 강과 같은 고합금강이 적용되어 있다.

일본 공업 규격(JIS)으로 규격화되어 있는 마르텐사이트계 스테인레스 강은 Cr을 적어도 11.5 질량 ％ 이상 함유하는 강이다. 특히, 베어링용으로서 사용되고 있는 SUS 440은 0.6 질량 ％ 이상의 C, 16 질량 ％ 이상의 Cr을 함유한다.

이와 같은 고Cr강은 고가일 뿐만 아니라, 매우 담금질이 쉽기 때문에, 주조로부터 봉강 또는 선재까지의 제조 공정에 있어서, 균열의 방지, 전단성의 확보 등으로 인해, 가열－가공 후에 서냉하는 것이 필수이다.

또한, 강의 열간 연성이 낮은 것이나, 높은 담금질 온도를 필요로 하는 등의 점에서 부품 제조성도 나쁘기 때문에, 최종 부품의 비용이 매우 높아진다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해, SUS 440보다 저합금이고, 또한 필요한 내식성과 전동 피로 강도를 겸비하는 강이 검토되어 왔다.

예를 들어, 일본 특허 공개 평9－195008호 공보에는 내식 베어링 강으로서, C를 0.75 내지 0.85 질량 ％로, Cr을 8.0 내지 10.5 질량 ％ 함유하고, 평균 탄화물간 거리가 0.45 ㎛ 이상, 1.00 ㎛ 이하인 베어링 강이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평11－217653호 공보에는 피삭성(被削性)이 우수한 고내식 고 강도 마르텐사이트계 스테인레스 강으로서, C를 0.25 내지 0.50 질량 ％로, Cr을 10 내지 16 질량 ％로 함으로써 C/Cr의 비를 크게 하여 내식성을 높이고, 또한 Si를 1.0 질량 ％ 이상으로 함으로써 절삭성을 높인 강이 개시되어 있다.

오스테나이트계 스테인레스 강에 있어서는 N(질소)이 내식성을 높이는 것이 알려져 있지만, 마르텐사이트계 스테인레스 강에서는 담금질 가열 시에 고체 용융하는 N을 강화 원소로서 이용하는 예도 있다.

예를 들어, 일본 특허 공개 평7－233442호 공보에는 전동 피로 특성이 우수 한 내마모식 베어링 강으로서, C를 0.5 내지 1.3 질량 ％로, Cr을 11 내지 20 질량 ％로, N을 0.06 내지 0.20 질량 ％ 함유하는 강이 개시되어 있다.

마르텐사이트계 스테인레스 강과 그 대체 강은 내식성이 우수한 동시에, 베어링 강으로서 충분한 전동 피로 특성을 구비한 강이다. 그러나, 이들 강은 이하의 문제를 갖고 있다.

즉, (a) 고Cr 조성이므로 합금 비용이 높고, (b) 매우 담금질이 쉽기 때문에, 강 덩어리, 강편 및 봉강 또는 선재의 각 제조 공정에서 서냉을 실시하여 연질화하고, 전단성의 저하나 지연 파괴를 방지할 필요가 있는 점에서 제조성이 나쁘다는 문제이다.

본 발명은 고가의 Cr 함유량을 더 저감시켜도, 또한 종래 강 평균의 내식성과 전동 피로 수명을 구비하고, 또한 강 덩어리, 강편 및 봉강 또는 선재로의 제조성이 우수한 내식성 베어링 강과 상기 베어링 강 소재의 제조 방법 및 상기 소재를 이용하여 제조한 베어링 부품과 그 제조 방법을 제공하여 상기 문제의 해결을 도모하는 것이다.

합금 비용을 저감시키는 제1 수단은 Cr 함유량을 저감시키는 것이다. 그러나, Cr은 내식성을 높이기 위해 필요한 합금 성분이므로, 어떠한 방법으로 내식성을 보상하는 것이 필요하다.

본 발명자는 베어링 부품에 요구되는 내식성이 주로 내피팅 부식성인 것에 주목하였다. Cr의 부동태 피막이 부식 총량을 저감시키는 것은 잘 알려져 있지만, 피팅 부식의 발생에 관해서도 Cr에 의한 억제 효과는 크다.

그러나, 피팅 부식은 어떠한 표면 결함을 기점으로 하여 우선적으로 형성되는 것이므로, 피팅 부식의 발생에는 결함으로서 작용하는 제2 상을 형성하는 합금 성분, 특히 S, Al, Ti 및/또는 N의 영향이 크다고 생각된다.

그래서, Cr량을 최저한으로 억제하면서 내피팅 부식성을 높이는 것을 목표로 하여 다양한 강 조성에 대해 검토하였다.

처음에, 질량 ％로, 0.5 ％ C－0.2 ％ Si－0.5 ％ Mn－0.02 ％ P－잔량부 Fe 및 불가피 불순물을 기본 조성으로 하고, Cr, S, Ni, Al, Ti, Mo 및 N의 각 함유량을 바꾼 강 및 저Cr 함유량의 종래 강으로서, 0.5 ％ C－0.2 ％ Si－0.3 ％ Mn－0.02 ％ P－0.018 ％ S－10.5 ％ Cr－0.03 ％ Al－0.5 ％ Mo－0.025 ％ N－잔량부 실질 Fe의 강(이하, A강이라 함)을 진공 용해로 용해하고, 16 ㎏의 잉곳에 주조하여 열간 단조로 직경 45 ㎜의 봉강으로 하였다.

그 후, 실제의 베어링 부품의 제조 공정을 재현하기 위해, 1000 ℃－600초 가열－서냉의 담금질, 950 ℃－10800초 가열－서냉의 어닐링, 또한 1000 ℃－300초 가열－유냉－ 150 ℃－3600초 가열－방냉의 QT 처리(담금질－템퍼링 처리)를 행하고, 그 후, 연삭 마무리로, 표면 거칠기 Rz 1.0 ㎛, 직경 40 ㎜의 봉강으로 마무리하였다.

이들 강에 대해 JIS C0028을 기준으로 저온 사이클이 없는 온습윤 사이클 시험(24 hr/사이클)을 행하고, 피팅 부식 발생까지의 사이클 수를 비교하여 도1에 정리하였다.

도1에서는 비교 결과를 Cr 함유량과 S 함유량으로 정리하였다. ◎는 A강(종래 강)보다도 우수한(피팅 부식 발생까지의 사이클 수가 종래 강보다도 많음) 것, ○는 동등한 것, 또한 △는 뒤떨어지는(피팅 부식 발생까지의 사이클 수가 종래 강보다도 적음) 것을 나타내고 있다.

도1에 있어서, 주석이 없는 플롯은 Ni, Al, Ti 및 Mo가 0 ％이고, N을 0.01 ％ 함유하는 강에 관한 것이다. 도1로부터 Cr은 3 ％ 이상 필요하고, S는 Cr 및/또는 Ni와 관계시키고, 저감시킬 필요가 있는 것을 알 수 있다.

또한, 내식성의 향상 효과를 갖는 Ni 및/또는 Mo를 첨가하면 내식성은 향상되지만, 한편 Al, Ti 및/또는 N을 저감시키면, 마찬가지로 내식성이 향상되는 것을 알 수 있다. 도1에서는 Ni : 0 ％의 보조선과 Ni : 1.0 ％의 보조선에 의해 Ni의 영향을 나타냈다.

예를 들어, Ni : 0 ％이고, N : 0.01 ％를 함유하는 강은 Ni : 0 ％의 보조선보다 상측의 영역(고Cr－저S 영역)이고, A강(종래 강)과 동등 이상의 내피팅 부식성을 구비하고 있다. 또한, Ni : 1.0 ％를 함유하는 강도, 마찬가지로 A강(종래 강)과 동등 이상의 내피팅 부식성을 구비하고 있다.

본 발명자는 JIS C0028호에 규정된 온습윤 사이클 시험으로, 내피팅 부식성을 평가한 결과, 10 질량 ％ Cr을 함유하는 A강(종래 강)과 동등한 내피팅 부식성을 3 내지 8 질량 ％의 Cr 첨가와, 강 중 개재물 및/또는 석출물 양의 저감과의 조합으로 실현할 수 있는 것을 발견하였다.

또한, JIS C0028호에 규정된 온습윤 사이클 시험은 염이나 산과 접촉하지 않는 비교적 온화한 부식 환경을 재현하는 시험이다.

또한, 본 발명자는, 도2 및 도3에 도시한 바와 같이 A강(종래 강)의 연속 냉각 변태(CCT)선도, 및 A강과 동등한 내식성을 구비한다고 생각되는 "0.50 ％ C－0.2 ％ Si－0.6 ％ Mn－0.02 ％ P－5.0 ％ Cr－0.5 ％ Mo－0.5 ％ Ni－0.015 ％ N－잔량부 실질 Fe의 강" (이하, B강이라 함)의 연속 냉각 변태(CCT)선도를 작성하였다.

도2 및 도3으로부터 B강은 Cr량이 A강보다도 5 ％ 이상 적음에도 불구하고, 페라이트, 베이나이트의 변태 소음이 단시간측에 있고, A강(종래 강)보다도 담금질이 쉬운 것을 알 수 있다. 즉, B강과 같은 성분 조성의 강은 A강 또는 스테인레스 베어링 강과 마찬가지로 소재 봉강이나 선재를 압연할 때에는 연화를 위한 후열처리가 필요해진다.

그래서, 본 발명자는 또한 내식성을 유지하면서 담금질이 어려운 성분 조성을 검토하였다. 그 결과, 적어도 Cr량 4 내지 7 ％의 조성 범위에서 CCT선도 상의 베이나이트 변태 소음에 미치는 Cr의 영향은 현저하지 않은 것 및 이 조성 범위에서 미량의 Mn 및/또는 Mo의 첨가가 베이나이트 변태 소음을 단시간측으로 크게 이동시키는 것을 발견하였다.

즉, 강의 내식성을 유지하면서 담금질하기 어렵게 하기 위해서는 Cr을 증가시키고, 또한 Mn 및/또는 Mo를 저감시키는 것이 합리적인 것을 발견하였다.

또한, 페라이트 변태를 촉진하는 방법으로서 페라이트 안정화 원소인 Si를 이용하는 방법과, 소재 압연 시의 γ결정립을 미세화하고 페라이트, 베이나이트 변태를 촉진하므로, V 및/또는 Nb의 탄질화물을 이용하는 방법을 병용하는 것이 효과적인 것을 발견하였다.

또한, 본 발명자는 본 발명 강에 관한 압연재를 확실하게 연질화하기 위해, 강 소재의 제조 방법을 검토하였다. 그 결과, 본 발명 강의 압연에 담금질한 강 등의 합금강의 연질화에 이용하는 제어 압연 및 제어 냉각을 적용하면, 페라이트 파라이트, 또한 은 베이나이트 변태가 촉진되어 마르텐사이트 분률(分率)이 저감되는 것을 확인하였다.

제어 압연에 의해, 특별히 서냉을 하지 않아도 냉각 후의 경도가 저감되고, 샤 절단성을 확보하여 지연 파괴를 방지할 수 있었다. 또한, 마르텐사이트 변태를 억제하고, 냉각 중의 굽힘 발생도 방지할 수 있었다.

그리고, 상기 연질화 효과를 발휘하는 조건으로서는 압연 종료 온도(마무리 온도)를 950 ℃ 미만으로 하고, 또한 페라이트, 파라이트, 베이나이트의 변태 온도 영역인 800 내지 400 ℃를 0.3 ℃/초 이하로 냉각하는 것이 바람직한 것을 확인하였다.

또한, 본 발명자는 일반적으로 선재 압연 공장에 있어서, 압연 라인에 계속해서 어닐링, 서냉의 목적으로 설치되어 있는 연속 열처리로를 활용하여 강의 연질화를 도모하는 제조 방법에 대해서도 검토하였다.

본 발명 강 평균으로 담금질이 어려워지면, 압연 라인에 이어지는 열처리로를, 연질화를 위해 유효하게 활용할 수 있다.

즉, 본 발명 강을 열간 압연한 후, 오스테나이트 상태에서 열처리로에 넣어 파라이트 변태 온도 영역으로 재가열하고, 그 상태에서 페라이트ㆍ파라이트 변태 온도 영역으로 보정 또는 서냉하면, 단시간에 연질인 파라이트 또는 페라이트ㆍ파라이트 조직을 얻을 수 있다.

한편, 종래 강의 경우에는 연질화를 위한 처리 시간이 매우 길어져 연속로(爐)의 생산성을 현저히 저하시키게 된다.

이상의 검토로부터 본 발명을 완성하였다. 그리고, 본 발명의 요지로 하는 점은 이하와 같다.
(1) 질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％를 함유하고, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 하기 수학식 1을 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.

Cr － 300 × S ≥ 2.0

(2) 또한, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (1)에 기재된 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
(3) 질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％, Ni : 2.0 ％ 이하를 함유하고, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 하기 수학식 2를 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.

Cr ＋ 2.0 × Ni － 300 × S ≥ 2.

(4) 또한, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
(5) 또한, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하고, Ti : 0.01 % 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 상기 (3)에 기재된 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
(6) 질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％, Ni : 2.0 ％ 이하를 함유하고, Mo : 0.5 ％ 이하, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 상기 수학식 2를 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
(7) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 베어링용 강 소재를 제조하는 방법에 있어서, 압연 종료 온도를 950 ℃ 미만으로 하고, 또한 압연 종료 후의 800 내지 400 ℃에 있어서의 평균 냉각 속도를 0.5 ℃/초 이하로 하는 것을 특징으로 하는 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법.
(8) 상기 (1) 내지 (6) 어느 하나에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 베어링용 강 소재를 제조하는 방법에 있어서, 압연 종료 후, 계속해서 400 ℃ 이상의 온도로부터 재가열로에 넣어 600 내지 750 ℃로 900초 이상 보유 지지하는 것을 특징으로 하는 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법.
(9) 상기 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 베어링 강을 소재로 하여 담금질-템퍼링 처리 공정을 포함하는 제조 공정에서 제조한 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 베어링 부품.
(10) 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법으로 제조한 연질인 베어링용 강 소재를 담금질-템퍼링 처리 공정을 포함하는 베어링 부품 제조 공정에 공급하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 베어링 부품의 제조 방법.

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도1은 온습윤 사이클 시험에 의한 내식성의 평가 결과를 종래 강[10 ％ Cr강(A강)]의 내식성과 비교하여 나타내는 도면이다.

도2는 A강의 CCT선도이다.

도3은 A강과 동등한 내식성을 구비하는 5 ％ Cr강의 CCT선도이다.

이하에, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 강의 성분 조성에 관한 한정 이유에 대해 설명한다. 또한, ％는 질량 ％를 의미한다.

C : C는 담금질-템퍼링에 의해 표면 경도 HRC 52 이상을 얻고, 전동 피로 강도를 높이기 위해, 0.3 ％ 이상 필요하다. 바람직하게는 0.4 ％ 이상이다. 한편, 0.6 ％를 넘게 함유하면 담금질 경도가 필요 이상으로 높아져 담금질 후의 기계 가공이 곤란해질 뿐만 아니라, 담금질 균열이 발생하기 쉬워진다. 그로 인해, C함유량의 상한을 0.6 ％로 한다.

Si : Si는, 본 발명 강에 있어서는 페라이트 변태를 촉진하여 소재인 봉강 또는 선재의 제조 시에 상기 봉강 또는 선재를 연질화하기 위해 첨가한다. 0.1 ％ 미만의 첨가에서는 페라이트 변태의 촉진 효과를 기대하는 것은 불가능하다. 한편, 2.0 ％를 넘게 함유하면 냉간 및 열간에서의 변형 저항이 높아져 가공성이 저하된다.

Mn : Mn은 S와 결합하고 MnS를 형성하여 열간 연성과 피삭성을 높이는 작용을 이룬다. S를 MnS로서 고정하기 위해서는 최저 0.1 ％의 Mn이 필요하다. 한편, 고체 용융 상태에 있는 Mn이 많아지면 강에 담금질하기 쉬워진다.

베어링 부품은 QT 처리하여 사용되므로, QT 처리에만 착안하면 담금질하기 쉬운 것에 문제는 없지만, 베어링 부품의 소재인 봉강 또는 선재의 제조성에 착안하면 압연재에 담금질하여 경화된 경우, 냉각 후의 전단 불가능, 굽힘 발생, 지연 파괴 발생의 위험성이 높아진다.

즉, 베어링 부품의 소재인 봉강 또는 선재의 압연 후의 경도 제어가 소재의 제조성을 확보하는 데 있어서 매우 중요하다.

봉강 또는 선재의 압연 후에 마르텐사이트 조직 분률이 높아져 경화되는지 여부는 Mn 이외의 합금 원소와 그 함유량, 압연 조건 및 냉각 속도에도 따르지만, 본 발명 강의 성분 조성의 경우, Mn을 0.5 ％를 넘게 지나치게 첨가하면 봉강 또는 선재의 압연 후에 연질화를 위한 서냉이 필요해지고, 이 결과, 제조 비용이 크게 상승한다. 그로 인해, Mn 함유량의 상한을 0.5 ％로 한다.

Cr : Cr은 대기 환경, 또는 온화한 부식 환경에서 최저한의 내식성을 얻기 위해 최저 3.0 ％ 필요하다. Cr 함유량이 많을수록 내피팅 부식성은 향상되지만, 지나치게 함유하면 강재의 비용이 높아질 뿐만 아니라, 봉강 소재 또는 선재 소재 의 압연 시에 있어서의 압연 반력이 커져 제어 압연이 곤란해진다. 그로 인해, Cr 함유량의 상한을 8.0 ％로 한다. 바람직하게는 7.0 ％ 이하이다.

Mo : Mo는 내피팅 부식성을 높이는 작용을 이룬다. 그러나, Mo는 미량의 첨가로 담금질하기 쉽게 하므로, 봉강 소재 또는 선재 소재의 압연 후에 바람직하지 않은 마르텐사이트 조직을 늘리는 작용을 이룬다. 그로 인해, 봉강 소재 또는 선재 소재의 경도를 제조상 지장이 없는 범위로 억제하기 위해, Mo를 0.5 ％ 이하로 제한한다. 또한, 바람직하게는 0.2 ％ 미만이다.

V, Nb : V와 Nb는 봉강 또는 선재의 압연 조직을 연질인 조직으로 하는 하나의 수단으로서, V 및/또는 Nb의 석출물을 이용하기 위해 첨가한다. V 및/또는 Nb의 석출물은 봉강 또는 선재의 압연 시에 있어서의 오스테나이트 조직의 조대화 방지 및 재결정의 지연 작용을 통해 페라이트 변태를 촉진시키는 효과를 발휘한다.

V, Nb 모두 이 효과를 기대하기 위해서는 모두 0.01 ％ 이상의 함유가 필요하다. 한편, 0.1 ％를 넘으면 석출 강화 작용에 의해 압연재가 경화되므로, 어느 쪽의 상한도 0.1 ％로 한다.

Ni : Ni는 Cr과 마찬가지로 함유량이 많을수록 내식성이 증가되므로, 필요에 따라서 소정량 첨가하지만, Ni량이 많아질수록 담금질성이 높아지고, 압연 후의 봉강 또는 선재의 경도가 증가되어 지연 파괴의 위험성이 높아진다. 그로 인해, 경도를 억제하기 위해 Ni는 2.0 ％ 이하로 한정한다. 확실하게 봉강 또는 선재의 경도를 저감시키기 위해 바람직한 Ni 함유량은 1.0 ％ 이하이다.

N : 다량의 N의 첨가는 피팅 부식의 발생 기점이 되는 조대한 질화물의 생성 원인이 된다. 그로 인해, 조대한 질화물의 생성을 억제하기 위해, N을 0.02 ％ 이하(0 ％를 포함함)로 제한한다.

Al : Al은 미세 AlN으로서 석출하여 담금질 시에 결정립의 조대화를 방지하고, 담금질 왜곡을 저감시키는 작용을 이루므로 적량 첨가한다. 그러나, Al이 산화물로서 존재하면 피팅 부식의 발생 기점이 되므로, 높은 내식성을 필요로 하는 경우에는 0.04 ％ 이하(0 ％를 포함함)로 제한한다.

Ti : Ti는 주로 TiN으로서 석출하여 봉강 또는 선재의 압연 시에 있어서의 결정립의 조대화를 방지하고, 연질화를 촉진하는 작용을 이룬다. 그러나, 용제 방법에 따라서는 조대한 TiN이 생성되어 피팅 부식의 발생 기점이 되므로, Ti 함유량은 0.01 ％ 이하(0 ％를 포함함)로 제한한다.

Cr － 300 × S ≥ 2.0(수학식 1) 및 Cr ＋ 2.0 × Ni － 300 × S ≥ 2.0(수학식 2) : 본 발명 강에 있어서는 Ni를 함유하지 않은 경우, Cr과 S는 수학식 1을 만족시키고, 또한 Ni를 함유하는 경우, Cr, Ni 및 S는 수학식 2를 만족시킬 필요가 있다.

내식성을 높이는 Cr과 Ni와, 피팅 부식의 기점이 되는 MnS의 생성에 기여하는 S의 밸런스는 본 발명에 있어서 매우 중요하다. Cr과 S, 또는 Cr, Ni 및 S가 상기 수학식 1 또는 2를 만족시킬 때, 본 발명 강은 JIS C0028로 규정하는 부식 환경에 있어서, 10 ％ Cr의 종래 강과 동등 이상의 내피팅 부식성을 실현한다.

또한, S는 피삭성의 요구가 특별히 엄격하지 않는 한 0.01 ％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

O : O는 산화물을 형성하여 강 중에 분산한다. 산화물은 질화물과 마찬가지로 피팅 부식의 발생 기점이 되므로, 그 양은 소량인 것이 바람직하다. 또한, 산화물은 베어링 부품의 사용 중의 전동 부하 시에 파괴 기점이 되어 전동 피로 수명을 저하시키기 때문에, 0.0015 ％ 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 특히, 높은 수명을 필요로 하는 경우에는 0.0010 ％ 이하로 제한한다.

그 밖의 원소에 대해서는 이하와 같다.

Cu는 내피팅 부식성을 매우 약간이지만 손상시키는 경향이 있고, 또한 담금질하기 쉽게 하므로, 함유량은 0.2 ％ 미만으로 제한한다. P는 통상의 함유량(0.05 ％ 이하 정도)의 범위 내에 있으면, 내피팅 부식성 및 기계적 특성에 특별히 영향을 받지 않는다.

그 밖에, Ca, Mg, Te, Hf, Zr, Ce, Sb 등을 황화물의 미세화, 피삭성의 향상, 탈탄 방지 등의 목적에 따라서 본 발명 강의 특성을 저해시키지 않는 범위에서 미량 첨가한다. 상기 원소는 산화물을 형성하므로, 다량의 첨가는 피하는 것이 바람직하다.

본 발명의 베어링 강을 베어링용 강 소재(봉강 또는 선재)에 열간 압연할 때, 상기 베어링 강재를 확실하게 연질화시키기 위해, 압연 종료 온도를 950 ℃ 미만으로 한다. 압연 종료 온도를 950 ℃ 미만으로 함으로써 압연 후의 오스테나이트 결정립을 미세화하는 동시에, 2차 재결정을 효과적으로 방지할 수 있다.

또한, 압연 종료 후에는 800 내지 400 ℃의 온도 영역을 평균 0.5 ℃/초 이하의 냉각 속도로 냉각한다. 이 냉각에 의해, 페라이트, 파라이트 및 베이나이트 의 변태가 촉진된다. 상기 압연 종료 온도와, 냉각 영역 및 냉각 속도의 조합으로 페라이트, 파라이트의 변태가 촉진되어 베어링용 강 소재가 연질화된다.

본 발명의 베어링 강을 베어링용 강 소재(봉강 또는 선재)에 열간 압연한 후, 또한 페라이트, 파라이트 변태를 촉진하여 베어링용 강 소재를 확실하게 연질화하기 위해, 400 ℃ 이상의 온도로부터 재가열로에 넣어 600 내지 750 ℃로 900초 이상 보유 지지한다.

재가열 전의 온도가 400 ℃ 미만이면 강의 성분 조성에 따라서는 부분적으로 마르텐사이트 변태가 개시되어 균일한 조직을 얻을 수 없다. 보유 지지 온도 600 내지 750 ℃는 페라이트, 파라이트의 변태 온도 영역이므로, 이 온도 영역에서 연질화가 용이해진다.

상기 보유 지지 온도에서의 보유 지지 시간은 900초 이상으로 한다. 보유 지지 시간을 900초 미만으로 하고, 또한 급속한 냉각을 행하면, 미변태의 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어 경도에 변동이 생길 가능성이 있다.

본 발명 강을 소재로 하여 담금질-템퍼링 처리에 의해 제조된 베어링 부품은 베어링 부품으로서 필요한 경도 및 피로 수명을 구비하고 있다. 담금질은 대기 중 불활성 가스 분위기 중 또는 진공 중에서의 담금질, 또는 고주파 담금질을 이용할 수 있다.

충분한 경도를 얻기 위해서는 담금질 온도를 950 ℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 템퍼링은 주로 내부 응력을 제거하여 왜곡의 발생을 방지할 목적으로 행하기 때문에, 150 ℃ 이하에서 행하는 것이 바람직하다. 150 ℃를 넘게 템 퍼링하면 경도가 크게 저하된다.

본 발명의 베어링 부품은 본 발명의 베어링용 강 소재를 소요 형상으로 성형 가공한 후, 담금질-템퍼링 처리를 실시하여 전동 피로 강도를 높인 것이다. 담금질은 대기 중, 불활성 가스 분위기 중 또는 진공 중에서의 담금질, 또는 고주파 담금질을 이용할 수 있다.

담금질은 경도가 안정되는 조건을 선택할 필요가 있다. 예를 들어, 이후의 표1에 나타내는 강을 담금질하는 경우, 담금질 가열 온도 950 내지 1050 ℃에서 안정된 경도(HRC 62 이상)을 얻을 수 있다.

여기서, 본 발명 강의 바람직한 성분 조성 예를 표1에 나타낸다.

C강은 내피팅 부식성을 높이는 Cr 및 Ni를 각각 5.7 ％ 및 0.5 ％ 함유하고, 피팅 부식의 기점을 형성하는 S, N, Ti 및 O를 각각 0.02 ％ 이하, 0.02 ％ 이하, 0.01 ％ 이하 및 0.0010 ％ 이하로 억제한 강이다.

탄소 함유량을 0.50 ％ 이상으로 하면 담금질 템퍼링 후에 Hv 700 이상의 경도를 얻을 수 있고, 종래 강 평균의 전동 피로 수명을 확보할 수 있다. 즉, C강은 종래 강(전술한 A강[10 ％ Cr강]) 평균의 내피팅 부식성과 전동 피로 특성을 구비하는 것이다.

D강은 Cr을 6.1 ％ 함유하고, 또한 S, Ti 및 O의 각 함유량을 저감시킴으로써 종래 강 평균의 내부식성을 부여한 것이다. C강과 비교하여 Si 함유량이 0.7 ％로 높고, 압연 후의 파라이트 변태가 촉진되므로, D강은 보다 연질인 봉강 또는 선재를 얻기 쉬운 성분 조성의 베어링 강이다.

C강 및 D강을 전로(轉爐)에서 용제하여 220 × 220 ㎜의 주조 부재에 주입하고, 분괴 압연을 하여 강편으로 하였다. 이 강편을 봉강과 선재로 압연하였다.

봉강은 가열 온도 1050 ℃, 마무리 온도 880 ℃에서 직경 65 ㎜로 압연한 것이다. 이 봉강을 냉각할 때, 800 내지 400 ℃ 사이에 있어서의 평균 냉각 속도는 0.32 ℃/초였다. 냉각 중에 굽힘 등의 이상은 없었다.

냉각 후의 봉강의 조직은 약간의 마르텐사이트가 혼재하지만, C강, D강도 목적으로 하는 연질인 파라이트 주체의 조직이 되었다. 그 결과, 봉강의 경도는 C강은 390 Hv, D강은 375 Hv가 되어 전단 절단에 문제는 생기지 않았다.

즉, C강 및 D강을 봉강으로 제조할 때, 압연 후의 서냉 등의 특별한 후열처리를 행할 필요가 없어 전부 통상의 저합금강과 같은 제조 방법을 채용할 수 있었다.

선재는 가열 온도 1100 ℃, 마무리 온도 920 ℃에서 직경 16 ㎜로 압연하고, 압연 후, 2톤 코일로 권취한 것이다. 코일 측면의 중앙부가 660 ℃가 된 시점에서 분위기 온도 720 ℃의 연속 열처리로에 넣어 2400초 보유 지지하고, 그 후, 상기 노의 후방실에서 약간 냉각한 후 690 ℃에서 노로부터 취출하여 방냉하였다.

냉각 후의 선재의 조직은 대략 100 ％의 파라이트 조직이고, 경도는 C강이 255 Hv, D강이 267 Hv였다. 즉, 선재 코일의 제조에 있어서는 연속 열처리로를 사용함으로써 선재를 용이하게 연질화할 수 있고, 지연 파괴를 방지할 수 있다.

상기 제조 조건으로 제조한 C강 및 D강을 소재로 하는 베어링 부품의 성능 및 A강(전술한 종래 강)을 소재로 하는 베어링 부품의 성능은 부품 제조 공정과 동 일한 열처리 공정을 경유하여 제작한 전동 피로 시험 부재로, 이하와 같이 평가하였다.

즉, 직경 65 ㎜의 봉강 소재를 구형상화 어닐링－1000 ℃ 담금질－130 ℃ 템퍼링의 처리를 실시한 후, 연삭ㆍ펀칭 가공하고, 드러스트식 전동 피로 시험 부재(직경 60.5 ㎜, 두께 5.0 ㎜, 표면 거칠기 Ry ＝ 1.0 ㎛)로 마무리하여 상기 시험 부재를 강구수 6, 헤르츠 응력 4116 ㎫, 회전수 2000 rpm의 조건으로 드러스트 전동 피로 시험에 제공하였다.

n ＝ 20의 시험 결과로부터 C강, D강 및 A강(종래 강)의 L10 수명은 5.8 ×10⁶회, 6.0 × 10⁷회, 6.3 × 10⁷회로 구해지고, 본 발명 강인 C강 및 D강은 A강(종래 강)과 동등한 전동 피로 수명을 구비하고 있는 것을 알 수 있다.

또한, C강, D강 및 A강(종래 강)에 구형상화 어닐링－1000 ℃ 담금질－130 ℃ 템퍼링의 처리를 실시한 후, 직경 55 ㎜, 길이 100 m, 표면 거칠기 Ry ＝ 1.0 ± 0.2 ㎛의 봉형상 시험 부재에 선삭 가공하여 상기 시험 부재에 대해 JIS C0028을 기초로 하여 저온 사이클이 없는 온습윤 사이클 시험(24 hr/사이클)을 행하여 내식성을 평가하였다.

시험기 바닥면과 수평으로 둔 시험 부재의 상반분(상부로부터 관찰한 경우)의 피팅 부식수는 16 사이클 시험 후, A강(종래 강)의 20에 대해 C강이 16, D강이 7이었다.

또한, 본 발명 강은 담금질-템퍼링 처리를 실시하면 어닐링 상태보다도 내식 성이 향상된다.

이와 같이 담금질-템퍼링 처리를 실시하여 제조되는 베어링 부품은, 구체적으로는 직접 이동 운동 안내 시스템용 레일과 캐리지, 볼나사, XY 테이블 및 회전 운동하는 구름 베어링, 슬립 베어링, 강구 등 베어링 부품 일반 및 베어링 기능을 구비하는 정밀 기기 부재이다.

[실시예]

표2에 나타내는 성분 조성의 강을 100 ㎏, 진공 용해로 용해하여 잉곳에 주조하였다. 번호 30은 내식 베어링 강으로서 이용되고 있는 10 ％ Cr 내식 강이고, 번호 32는 내식성의 요구가 없는 부품에 적용되어 가장 널리 사용되고 있는 베어링 강 SUJ2이다.

상기 강의 잉곳의 일부를 열간 단조로 직경 30 ㎜의 봉강으로 성형하여 서냉한 후, 1000 ℃로 600초 재가열하여 오일 담금질하고, 그 후, 130 ℃에서 3600초 템퍼링하였다.

상기 봉강을 직경 26 ㎜, 길이 150 ㎜, 표면 거칠기 Ry ＝ 1.0 내지 1.2 ㎛의 봉강으로 마무리하여 내식성 시험 시료로 하였다.

내식성은 JIS C0028을 기초로 하는 저온 사이클이 없는 온습윤 사이클 시험(24 hr/사이클)에서의 발수(發銹)로 평가하였다. 발수 상태의 평가 결과를 표3에 나타낸다.

본 발명 강의 피팅 부식의 정도는 Cr을 10％ 함유하는 종래 강과 동등하다. 표3의 부식 상황에 있어서, ○표는 미소한 피팅 부식이 시료 전체에서 5개 이하인 것, △표는 피팅 부식이 5 내지 25개인 경미한 것, ×표는 26개 이상의 녹 발생이 있는 것을 나타낸다.

삭제

10 ％의 Cr을 함유하는 종래 강 번호 30은 피팅 부식이 모두 없지는 않지만, 온습윤 16 사이클 후까지 경미한 녹(△표)으로 그쳐 있다. 또한, 통상의 베어링 강 번호 32(SUJ2)에 있어서는 4 사이클 후에, 시료 전체에 녹이 발생하였다. 이에 대해 본 발명 강은 종래의 내식 베어링 강 번호 30과 동등 이상의 내식성을 구비하고 있다.

동일하게 100 ㎏ 진공 용해 잉곳의 일부를 열간 단조로 직경 70 ㎜의 봉강으로 성형하여 냉각한 후, 상기 봉강으로부터 두께 9 ㎜의 원반 형상 시료를 20매 잘라냈다. 그리고, 상기 원반 형상 시료를 1000 ℃로 600초 재가열하여 물담금질하고, 그 후, 130 ℃에서 3600초 템퍼링하였다.

이들 시료를 드러스트식 전동 피로 시험 부재(직경 60.5 ㎜, 두께 5.0 ㎜, 표면 거칠기 Ry ＝ 1.0 ㎛)로 마무리하여 강구수 6, 헤르츠 응력 4116 ㎫, 회전수 2000 rpm, 중단 횟수 1.1 × 10⁸회의 조건으로 행하는 드러스트 전동 피로 시험에 제공하였다. 시험 결과는 L10 수명으로 평가하여 표3에 함께 나타낸다.

본 발명 강의 L10 수명은 경도가 종래의 고Cr 내식 강(종래 강)의 번호 30(L10 ＝ 6.29 × 10⁷)과 동등한 경우, 종래 강과 동등하다.

본 발명의 베어링용 강 소재의 제조 방법을 실험실에서 직경 8 ㎜, 길이 12 ㎜의 시험 부재를 봉강 압연하여 재현하였다. 이 시험 부재를 진공 중에서 1000 ℃에서 600초 가열한 후, 5 ℃/초에서 920 ℃로 냉각하여 길이 방향에 50 ％의 업세팅 가공하고, 그 후, 0.5 ℃/초에서 실온까지 냉각하였다.

그리고, 시험 부재의 1/4 두께 부분의 마르텐사이트 분률을 측정하였다. 봉강 압연 후, 마르텐사이트가 50 ％ 이상이 되면 냉각 바닥에서의 굽힘이 발생하고, 시어 전단의 불량의 발생 및 지연 파괴 발생의 확률이 커진다.

표4에 조직 중의 마르텐사이트 분률을 나타내지만, 본 발명 강에 있어서는 모두 마르텐사이트 분률이 50 ％ 미만이다.

또한, 본 발명의 다른 베어링용 강 소재의 제조 방법을 실험실에서 상기 직경 8 ㎜, 길이 12 ㎜의 시험 부재를 선재 압연하고, 계속해서 연속 열처리하여 재현하였다.

상기 시험 부재를 진공 중에서, 1050 ℃에서 600초 가열한 후, 5 ℃/초에서 1000 ℃로 냉각하고, 길이 방향에 50 ％의 업세팅 가공하고, 그 후, 0.7 ℃/초에서 410 ℃까지 냉각하였다.

그 후, 즉시 3 ℃/초에서 700 ℃까지 가열, 900초 보유 지지한 후, 1 ℃/초에서 실온까지 냉각하였다.

그 결과를 표4에 나타낸다. 본 발명 강의 전체가 Hv 300 미만의 경도가 되었다. 즉, 본 발명의 제조 방법에 따르면, 베어링용 강 소재의 경도를 지연 파괴가 생기지 않을 정도의 경도로 제어할 수 있다.

본 발명 강은 종래 강과 비교하여 저Cr 조성이고, 매우 담금질하기 어렵기 때문에, 베어링 부품용 소재가 되는 봉강 또는 선재를 연질화하기 위한 서냉이 불필요하고, 베어링 부품용 소재의 제조성이 우수하다.

또한, 본 발명의 베어링 강을 담금질-템퍼링하여 제조한 베어링 부품은 온습윤 환경 하에 있어서, Cr을 10 ％ 이상 함유하는 내식 베어링 강(종래 강)과 동등한 내피팅 부식성을 구비하고 있다.

따라서, 본 발명에 따르면, 내피팅 부식성을 구비하는 베어링 부품을 저비용으로 제조하여 제공할 수 있으므로, 기계 부품 제조 기술로서의 이용 가능성이 높은 것이고, 기계 기술 산업의 발전에 공헌한다.

Claims

질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％를 함유하고, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 하기 식 1을 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.

Cr － 300 × S ≥ 2.0……(1)
제1항에 있어서, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％, Ni : 2.0 ％ 이하를 함유하고, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 하기 식 2를 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.

Cr ＋ 2.0 × Ni － 300 × S ≥ 2.0……(2)
제3항에 있어서, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
제3항에 있어서, 질량 ％로, Nb : 0.01 내지 0.1 ％, V : 0.01 내지 0.1 ％의 1종 또는 2종을 함유하고, Ti : 0.01 % 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.
질량 ％로, C : 0.3 내지 0.6 ％, Si : 0.25 내지 2.0 ％, Mn : 0.1 내지 0.5 ％, Cr : 3.0 내지 7.0 ％, Ni : 2.0 ％ 이하를 함유하고, Mo : 0.5 ％ 이하, N : 0.02 ％ 이하로 제한하고, 또한 하기 식 2를 만족시키는 S를 함유하는 것을 특징으로 하는 제조성과 내식성이 우수한 베어링 강.

Cr ＋ 2.0 × Ni － 300 × S ≥ 2.0……(2)
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 베어링용 강 소재를 제조하는 방법에 있어서, 압연 종료 온도를 950 ℃ 미만으로 하고, 또한 압연 종료 후의 800 내지 400 ℃에 있어서의 평균 냉각 속도를 0.5 ℃/초 이하로 하는 것을 특징으로 하는 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 어느 한 항에 기재된 성분 조성을 갖는 강을 열간 압연하여 베어링용 강 소재를 제조하는 방법에 있어서, 압연 종료 후, 계속해서 400 ℃ 이상의 온도로부터 재가열로에 넣어 600 내지 750 ℃로 900초 이상 보유 지지하는 것을 특징으로 하는 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강을 소재로 하여 담금질-템퍼링 처리 공정을 포함하는 제조 공정에서 제조한 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 베어링 부품.
제7항에 기재된 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법으로 제조한 연질인 베어링용 강 소재를 담금질-템퍼링 처리 공정을 포함하는 베어링 부품 제조 공정에 공급하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 베어링 부품의 제조 방법.
제8항에 기재된 연질인 베어링용 강 소재의 제조 방법으로 제조한 연질인 베어링용 강 소재를 담금질-템퍼링 처리 공정을 포함하는 베어링 부품 제조 공정에 공급하는 것을 특징으로 하는 내식성이 우수한 베어링 부품의 제조 방법.