KR101408548B1

KR101408548B1 - 베어링용 강

Info

Publication number: KR101408548B1
Application number: KR1020137006289A
Authority: KR
Inventors: 마사키 가이즈카; 무츠히사 나가하마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2014-06-17
Also published as: TWI448567B; EP2617848A1; TW201211279A; KR20130037227A; WO2012035884A1; CN103097565B; US20130183191A1; CN103097565A; US9598752B2; JP2012062515A; JP5425736B2; EP2617848A4; BR112013005533A2

Abstract

구상화 소둔 후에 실시되는 냉간 가공에 있어서 양호한 냉간 가공성을 발휘할 수 있고, 또한 베어링 부재 등으로서 양호한 내마모성이나 전동 피로 특성도 확보할 수 있는 베어링용 강은, C: 0.9∼1.10%, Si: 0.05∼0.49%, Mn: 0.1∼1.0%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.03∼0.40%, Al: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), N: 0.002∼0.025%, Ti: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 O: 0.0025% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 시멘타이트의 평균 종횡비가 2.00 이하, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.35∼0.6μm임과 더불어, 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도가 0.45개/μm² 이상이다.

Description

베어링용 강{BEARING STEEL}

본 발명은 자동차나 각종 산업 기계 등에 사용되는 베어링 부품이나 기계 구조용 부품에 적용되는 베어링용 강에 관한 것이며, 특히 냉간 가공에 의해 베어링 부품이나 기계 구조용 부품을 제조할 때에 양호한 냉간 가공성을 발휘함과 더불어, 가공 후의 부품에 있어서 우수한 내마모성과 전동(轉動) 피로 특성을 발휘하는 베어링용 강에 관한 것이다.

베어링 부품이나 기계 구조용 부품은, 선재나 봉강을 절단, 단조, 절삭 등의 가공을 행하는 것에 의해 최종 형상으로 가공되게 된다. 특히 냉간 가공(냉간 압연 또는 냉간 단조)에 관해서는, 압연재 그대로는 지나치게 단단하여 냉간 가공이 곤란하기 때문에, 냉간 가공성의 향상을 목적으로 하여 냉간 가공에 앞서서 구상화(球狀化) 소둔이 실시되는 것이 일반적이다.

양호한 냉간 가공성을 확보하는 것은, 생산성의 향상이나 에너지 절약화를 도모하여, 비용 저감이나 CO₂ 배출량 삭감이라는 관점에서도 중요하다. 양호한 냉간 가공성을 확보하기 위해서는, 변형 저항이 낮은 것, 가공에 의한 깨짐이 생기지 않는 것 등이 필요한 특성이다.

또한, 베어링이나 크랭크 샤프트 등의 부품은 기계류의 회전부나 접동부(摺動部)를 지지하는 중요한 부품이며, 접촉 면압이 상당히 높고, 또한 외력이 변동되는 일도 있어, 사용되는 환경이 과혹한 경우가 많아, 그의 소재인 강재에는 우수한 내구성이 요구된다.

최근, 이러한 요구는 기계류의 고성능화나 경량화가 진행됨에 따라 해마다 엄격해지고 있다. 축 부품의 내구성 향상을 위해서는, 윤활성에 관한 기술의 개선도 중요하지만, 강재가 내마모성이나 전동 피로 특성이 우수한 것이 특히 중요한 요건이 된다.

베어링에 이용되는 강재로서는, 종래부터 JIS G 4805(1999)에서 규정되는 SUJ2 등의 고탄소 크로뮴 베어링 강이 자동차나 각종 산업 기계 등의 여러 가지 분야에서 사용되고 있다. 그러나, 이 강재는 탄소(0.95∼1.1질량%)와 Cr(1.3∼1.6질량%)의 함유량이 높고, 전동 피로 특성 등에 악영향을 미치는 조대한 공정(共晶) 탄화물(예를 들면 10μm 이상의 석출물)이 생성되기 쉽다. 이 조대한 공정 탄화물의 생성을 방지하기 위해서는, 분괴 압연 후에 고온(1250℃ 정도)이면서도 장시간(17시간 정도)의 확산 소둔을 실시하고 나서 압연하지 않으면 안되어, 제조 비용이 높았다. 또한 이 강재로 제조한 베어링 부품은 전동 피로 특성이 불충분하다는 문제가 알려져 있었다.

이러한 상황 하에, 베어링용 강으로서 이미 다양한 기술이 제안되어 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, C(0.6∼0.95질량% 미만)와 Cr(1.3질량% 미만)의 함유량을 저감시키고, B(0.0002∼0.01질량%)를 소정량 함유시키는 것에 의해, 균질화 열처리의 생략과 구상화 소둔 시간의 단축에 의해 제조 비용을 억제함과 더불어, 우수한 전동 피로 특성과 내마모성을 확보하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서는, 냉간 단조성에 대한 배려가 이루어지고 있지 않고, 냉간 단조 시에 깨짐이 발생하는 등의 문제가 생기는 경우가 있다.

한편, 특허문헌 2에는, C(0.70∼0.95질량%)의 함유량을 저감시켜 확산 소둔 시간의 단축을 도모하면서, Sb(0.0010질량% 미만)를 소정량 함유시키는 것에 의해 전동 피로 특성의 향상을 도모하는 기술이 제안되어 있다. 그러나, 이 기술에서도, 냉간 단조성에 대한 배려가 이루어지고 있지 않고, 냉간 단조 시에 깨짐이 발생하는 등의 문제가 생기는 경우가 있다.

또한 특허문헌 3에는, 구상화 소둔 처리 후, 냉간 신선한 후의 페라이트 평균 입경 및 시멘타이트 평균 입경을 규정하여 냉간 가공성을 향상시킨 특허가 개시되어 있다. 그러나, C와 Cr의 함유량이 많고, 공정 탄화물이 생성되는 경우가 있기 때문에, 확산 소둔이 필수적이게 되고, 또한 추가로 구상화 소둔한 후, 20∼40%로 냉간 신선을 실시하기 때문에, 강재의 수율이 악화되어, 제조 비용이 높아진다.

일본 특허공개 2000-96185호 공보 일본 특허공개 평10-158790호 공보 일본 특허공개 2001-294972호 공보

본 발명은 상기와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 구상화 소둔 후에 실시되는 냉간 가공에 있어서 양호한 냉간 가공성을 발휘할 수 있고, 또한 베어링 부재 등으로서 양호한 내마모성이나 전동 피로 특성도 확보할 수 있는 베어링용 강을 확립하는 것에 있다. 나아가, 본 발명의 다른 목적은 이와 같은 우수한 특성을 겸비하는 베어링용 강을 확산 소둔을 생략하여도 생산하는 것이 가능해지는 강재를 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 베어링용 강은, C: 0.9∼1.10%(질량%의 의미, 이하 동일), Si: 0.05∼0.49%, Mn: 0.1∼1.0%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 0.03∼0.40%, Al: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), N: 0.002∼0.025%, Ti: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 O: 0.0025% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 시멘타이트의 평균 종횡비(aspect ratio)가 2.00 이하, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.35∼0.6μm임과 더불어, 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도가 0.45개/μm² 이상인 점에 요지를 갖는 것이다.

본 발명에서는 추가로 다른 원소로서 Cu: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 것도 바람직하고, 또한 추가로 다른 원소로서 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 및/또는 V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)를 포함하는 것도 바람직한 실시태양이다.

본 발명에 의하면, 화학 성분 조성을 적절히 조정함과 더불어, 적절한 크기(종횡비, 원 상당 직경)의 시멘타이트를 강재 내에 적절히 분산(개수 밀도)시키는 것에 의해, 양호한 냉간 가공성과 함께 우수한 내마모성이나 전동 피로 특성(이하, 전동 피로 특성과 내마모성을 합쳐서 「내구성」이라고 하는 경우가 있음)도 확보할 수 있는 베어링용 강이 실현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 베어링용 강을 베어링 부품에 적용했을 때에는, 과혹한 환경에서 이용되어도 우수한 내구성을 발휘할 수 있는 것으로 된다. 또한 Cr을 저감한 본 발명의 베어링용 강은, 종래의 SUJ2에서 필수적이라고 여겨지고 있던 장시간의 확산 소둔을 필요로 하지 않고, 게다가 구상화 소둔 처리도 단시간에 행할 수 있기 때문에, 생산성의 향상이나 에너지 절약화를 도모하여, 비용 저감이나 CO₂ 배출량을 삭감한다는 관점에서도 유용하다.

도 1은 실시예 No. 2의 강편에서 확인된 조대한 탄화물의 사진이다.
도 2는 시멘타이트의 평균 원 상당 직경과 변형 저항 저감률 및 L10 수명비의 관계를 플롯팅한 그래프이다.
도 3은 시멘타이트의 개수 밀도와 마모비의 관계를 플롯팅한 그래프이다.

본 발명자들은 우수한 냉간 가공성과 내구성을 발휘하는 베어링용 강의 실현을 목표로 하여 다양한 각도에서 검토하였다. 그리고, 강재의 냉간 가공성을 양호하게 하고, 또한 내구성을 향상시키기 위해서는, 강재의 화학 성분 조성을 적절히 제어함과 더불어, 시멘타이트를 제어하는 것, 특히 하기 (A) 및 (B)의 요건을 만족시키는 것이 유효하다는 지견이 얻어졌다:

(A) 냉간 가공성과 전동 피로 특성의 향상을 위해서는, 시멘타이트의 크기(평균 원 상당 직경과 평균 종횡비)를 소정의 범위로 제어하는 것, 및

(B) 내마모성의 향상을 위해서는, 시멘타이트의 개수 밀도를 소정의 범위로 제어하는 것.

본 발명자들은 상기 지견에 기초하여 강재의 냉간 가공성, 내마모성 및 전동 피로 특성을 향상시키기 위해 예의 연구를 거듭하였다. 그 결과, 강재 중의 화학 성분 조성을 제어함과 더불어, 그의 제조 조건을 제어하여, 구상화 소둔 후에 시멘타이트의 평균 종횡비가 2.00 이하, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.35∼0.6μm이고, 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도가 0.45개/μm² 이상이도록 하면, 강재의 상기 특성을 양호하게 할 수 있다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

또한 본 발명에서는 Cr 함유량을 저감시키는 것에 의해 조대한 공석(共析) 탄화물의 생성을 억제하고 있지만, Cr 함유량을 저감시키면 상기 규정의 시멘타이트를 만족하는 강을 얻는 것이 어려워진다. 그래서, 제조 조건에 대하여 연구를 거듭한 결과, Cr 함유량을 저감시켜도, 제조 조건을 엄밀히 제어하는 것에 의해, 상기 규정의 시멘타이트를 만족할 수 있음과 더불어, 종래 강(SUJ2)에서 필수적이라고 여겨지고 있던 장시간의 확산 소둔을 생략하고, 게다가 구상화 소둔 처리 시간을 단축하여도, 상기 우수한 특성을 갖는 본 발명의 베어링용 강을 제조 가능하다는 것을 발견하였다.

우선, 본 발명에서 특정하는 시멘타이트에 대하여 설명한다.

본 발명에서는, 시멘타이트의 평균 종횡비가 2.00 이하일 필요가 있다. 이 평균 종횡비가 2.00보다도 커지면, 냉간 가공 시에 시멘타이트에 응력이 집중되기 쉬워져, 계면에서 균열이 발생하여 깨짐이 발생하기 쉬워짐과 더불어, 전동 피로 특성도 나빠진다. 평균 종횡비는 바람직하게는 1.90 이하, 보다 바람직하게는 1.70 이하이다. 상기 종횡비는 시멘타이트의 장직경과 단직경의 비이고, 후기 실시예에 기재된 측정 방법에 기초하는 것이다. 또한 본 발명의 평균 종횡비는 12 시야의 평균값이다.

또한 본 발명에서는, 시멘타이트의 평균적인 크기도 냉간 가공성이나 전동 피로 특성에 영향을 주기 때문에, 평균 원 상당 직경을 0.35∼0.6μm로 할 필요가 있다. 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.35μm 미만인 경우, 분산 강화에 의해 변형 저항이 증대되어, 냉간 가공성이 악화된다. 또한 0.35μm 미만인 경우, 담금질·템퍼링 처리에 의해 시멘타이트가 소실되어 버려, 원하는 내구성이 얻어지지 않게 된다. 바람직한 평균 원 상당 직경은 0.40μm 이상, 보다 바람직하게 0.45μm 이상이다. 한편, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.6μm를 초과하면, 담금질·템퍼링 후의 시멘타이트 주위의 취약부가 커지기 때문에, 균열이 발생·진전되기 쉬워져, 전동 피로 특성이 나빠진다. 바람직한 평균 원 상당 직경은 0.55μm 이하, 보다 바람직하게 0.5μm 이하이다.

상기 원 상당 직경이란, 시멘타이트의 크기에 착안하여, 그의 면적이 동일해지도록 상정한 원의 직경을 구한 것이며, 후기 실시예에서 설명하지만, 주사형 전자 현미경(SEM)의 관찰면 상에서 확인되는 시멘타이트의 것이고, 본 발명의 평균 원 상당 직경이란, 12 시야의 평균값이다.

또 본 발명에서는, 상기 시멘타이트를 관찰했을 때에 확인되는 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도가 0.45개/μm² 미만이면, 경질인 시멘타이트의 분산에 의한 내마모성 향상 효과가 유효하게 발휘되지 않게 된다. 따라서, 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도는 바람직하게는 0.48개/μm² 이상, 보다 바람직하게는 0.51개/μm² 이상이다. 개수 밀도의 상한에 대해서는, 특별히 한정되지 않지만, 너무 지나치게 많아지면, 분산 강화에 의해 변형 저항이 증대되어, 냉간 가공성이 악화되는 경우가 있다. 시멘타이트의 개수 밀도는 바람직하게는 1.0개/μm² 이하, 보다 바람직하게는 0.75개/μm² 이하이다. 본 발명의 개수 밀도는 후기 실시예에서 설명하지만, 12 시야를 관찰하여 얻어진 값이다.

한편, 상기 시멘타이트의 관찰에 있어서는 관찰로부터는 조대한 석출물은 제외하고 있다. 조대한 석출물이란 예를 들면 장직경이 10μm 이상인 것을 말한다.

상기 시멘타이트의 각 값은, 실시예에 기재한 방법에 기초하여 측정한 것이다. 실시예에서 기재하고 있지만, 본 발명에서는 강재의 D/4 위치(D는 직경)를 관찰한 값을 채용하고 있다. 이는, D/4 위치의 측정 결과가 상기 본 발명의 규정을 만족시키면, 냉간 가공성뿐만 아니라, 가공 후의 부품의 내마모성과 전동 피로 특성이 우수한 특성을 발휘하기 때문이다.

본 발명의 강재는 Cr의 함유량의 저감을 포함하여 그의 화학 성분 조성(C, Si, Mn, P, S, Cr, Al, N, Ti, O 등)도 적절히 조정할 필요가 있는데, 이들 성분의 범위 한정 이유는 하기와 같다.

[C: 0.9∼1.10%]

C는 담금질 경도를 증대시키고, 실온, 고온에서의 강도를 유지하며, 시멘타이트를 분산시켜 내마모성, 전동 피로 특성을 부여함과 더불어, 냉간 가공성을 향상시키기 위해 필수적인 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, C는 0.9% 이상 함유시키지 않으면 안되고, 바람직하게는 0.95% 이상, 보다 바람직하게는 0.97% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, C 함유량이 지나치게 많아지면 심부(芯部)에 거대 탄화물이 생성되기 쉬워져, 전동 피로 특성에 오히려 악영향을 미치게 되기 때문에, C 함유량은 1.10% 이하, 바람직하게는 1.07% 이하, 보다 바람직하게는 1.03% 이하로 억제해야 한다.

[Si: 0.05∼0.49%]

Si는 매트릭스의 고용 강화 및 담금질성을 향상시키기 위해 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Si는 0.05% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.1% 이상, 보다 바람직하게는 0.2% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Si 함유량이 지나치게 많아지면 냉간 가공성이 현저히 저하되기 때문에, Si 함유량은 0.49% 이하, 바람직하게는 0.35% 이하, 보다 바람직하게는 0.30% 이하로 억제해야 한다.

[Mn: 0.1∼1.0%]

Mn은 매트릭스의 고용 강화 및 담금질성 향상에 유용한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn은 0.1% 이상 함유시킬 필요가 있고, 바람직하게는 0.15% 이상, 보다 바람직하게는 0.2% 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, Mn 함유량이 지나치게 많아지면 냉간 가공성이 현저히 저하되기 때문에, Mn 함유량은 1.0% 이하, 바람직하게는 0.85% 이하, 보다 바람직하게는 0.8% 이하로 억제해야 한다.

[P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음)]

P는 불가피적으로 불순물로서 함유하는 원소이지만, 입계에 편석되고, 냉간 가공성을 저하시키기 때문에 극력 저감하는 것이 바람직하지만, 극단적으로 저감하는 것은 제강 비용의 증대를 초래하게 된다. 이러한 점에서, P 함유량은 0.05% 이하로 하였다. 바람직하게는 0.04% 이하, 보다 바람직하게는 0.03% 이하로 저감하는 것이 좋다.

[S: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음)]

S는 불가피적으로 불순물로서 함유하는 원소이지만, FeS로서 입계에 석출되고, 냉간 가공성을 저하시키는 원소이다. 또한, MnS로서 석출되고, 전동 피로 특성을 저하시키기 때문에 극력 저감하는 것이 바람직하지만, 극단적으로 저감하는 것은 제강 비용의 증대를 초래하게 된다. 이러한 점에서, S 함유량은 0.05% 이하로 하였다. 바람직하게는 0.04% 이하, 보다 바람직하게는 0.03% 이하로 저감하는 것이 좋다.

[Cr: 0.03∼0.40%]

Cr은 C와 결합되어 탄화물을 형성하여, 내마모성 및 냉간 가공성을 향상시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 Cr 함유량은 0.03% 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는 0.1% 이상, 보다 바람직하게는 0.2% 이상이다. 그러나, Cr은 편석되기 쉬운 원소이기 때문에, Cr 함유량이 과잉으로 되면, 조대한 탄화물이 생성되어, 전동 피로 특성이 오히려 저하된다. 따라서 Cr량은 0.40% 이하로 한다. 바람직하게는 0.35% 이하, 보다 바람직하게는 0.3% 이하이다.

[Al: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Al은 탈산 원소로서 유효하고, 강 중의 산소량을 저감하여, 전동 피로 특성을 높이는 작용을 가짐과 더불어, N과 결합해서 AlN을 형성하여 전동 피로 특성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Al을 0.015% 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, 이 Al량이 과잉으로 되면, 알루미나계의 개재물이 조대화되어 전동 피로 특성을 저하시킨다. 따라서 Al량은 0.05% 이하, 바람직하게는 0.04% 이하, 보다 바람직하게는 0.03% 이하이다.

[N: 0.002∼0.025%]

N은 상기 Al과 결합하고, Al계 질소 화합물의 미세 분산에 의한 전동 피로 특성 향상 효과를 발휘시키는 원소이다. 이와 같은 효과를 발휘시키기 위해서는, N 함유량은 0.002% 이상, 바람직하게는 0.004% 이상, 보다 바람직하게는 0.005% 이상이다. 그러나, N 함유량이 과잉으로 되면, 조대한 TiN을 형성하여 전동 피로 특성이 저하된다. 따라서 N량은 0.025% 이하, 바람직하게는 0.020% 이하, 보다 바람직하게는 0.010% 이하이다.

[Ti: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Ti는 강 중의 N과 결합해서 TiN을 생성하여, 전동 피로 특성에 악영향을 미칠 뿐만 아니라 냉간 가공성이나 열간 가공성도 해치는 유해 원소이어서, 극력 저감하는 것이 바람직하지만, 극단적으로 저감하는 것은 제강 비용의 증대를 초래하게 된다. 이러한 점에서, Ti 함유량은 0.0030% 이하로 할 필요가 있다. 한편, Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.0015% 이하, 보다 바람직하게는 0.0010% 이하이다.

[O: 0.0025% 이하(0%를 포함하지 않음)]

O는 강 중의 불순물 형태에 큰 영향을 미치고, 전동 피로 특성에 악영향을 미치는 Al₂O₃나 SiO₂ 등의 개재물을 형성하기 때문에, 극력 저감하는 것이 바람직하지만, 극단적으로 저감하는 것은 제강 비용의 증대를 초래하게 된다. 이러한 점에서, O 함유량은 0.0025% 이하로 할 필요가 있다. 한편, O 함유량의 바람직한 상한은 0.002% 이하, 보다 바람직하게는 0.0015% 이하이다.

본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기와 같고, 잔부는 철 및 불가피 불순물이며, 이 불가피 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 반입되는 원소의 혼입이 허용될 수 있다. 한편, 전동 피로 특성을 높이기 위해, 하기 원소를 규정 범위 내에서 적극적으로 함유시키는 것도 가능하다.

[Cu: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함함]

Cu, Ni 및 Mo는 어느 것이나 모상의 담금질성 향상 원소로서 작용하고, 경도를 높여 전동 피로 특성의 향상에 기여하는 원소이고, 임의의 1종 이상을 함유시킬 수 있다. 이들 효과는 어느 것이나 바람직하게는 0.03% 이상, 보다 바람직하게 0.05% 이상 함유시키는 것에 의해 유효하게 발휘된다. 그러나, 어느 것도 0.25%를 초과하면 가공성이 열화되게 된다. 바람직하게는 0.23% 이하, 보다 바람직하게 0.20% 이하이다.

[Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 및/또는 V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음)]

Nb 및 V는 어느 것이나 N과 결합함으로써 질소 화합물을 형성하여, 결정립을 정립화(整粒化)하고, 전동 피로 특성을 향상시키는 데에 있어서 유효한 원소이고, 단독으로 사용하거나 병용할 수 있다. 이들 효과는 어느 것이나 바람직하게는 0.001% 이상, 보다 바람직하게는 0.003% 이상 함유시키는 것에 의해 유효하게 발휘된다. 그러나, 어느 것의 함유량도 0.5%를 초과하면, 결정립이 미세화되어, 불완전 담금질 상(相)이 생성되기 쉬워진다. 바람직한 함유량은 각각 0.3% 이하, 보다 바람직하게는 0.1% 이하이다.

본 발명에서는 Cr 함유량을 상기 범위로 규정하고 있는데, Cr 함유량을 0.40% 이하로 저감시키면 상기 소정 크기의 시멘타이트를 안정적으로 분산시키는 것이 어려워진다. 그 때문에 본 발명의 강재에 있어서, 구상화 소둔 후에 소정 크기의 시멘타이트를 확보하기 위해서는, 그의 제조 조건(특히 압연 후에 행하는 구상화 소둔 조건)도 적절히 제어할 필요가 있다. 본 발명에서는, 열간 압연하여 얻어진 강재를 평균 승온 속도 40∼100℃/hr로 균열(均熱) 온도(A1점+10℃∼A1점+40℃)까지 가열하고, 상기 균열 온도에서 4∼8시간 유지한 후, 상기 균열 온도로부터 (A1점-60℃)까지를 일차 냉각 속도(평균 냉각 속도)로 5∼15℃/hr의 범위로 하고, 또한 실온(25℃)까지의 이차 냉각을 방냉(放冷)으로 함으로써, 상기 소정 크기의 시멘타이트를 안정적으로 분산시킬 수 있다.

상기 평균 승온 속도가 40℃/hr 미만이면, 시멘타이트가 조대화되어 버려, 상기 원하는 평균 원 상당 직경의 시멘타이트가 얻어지지 않게 됨과 더불어, 시멘타이트의 분산 상태(즉, 소정의 개수 밀도)가 얻어지지 않게 된다. 100℃/hr를 초과하면, 펄라이트를 분단할 수 없고, 시멘타이트의 종횡비가 상기 소정값을 초과해 버린다. 또한 100℃/hr를 초과하면 시멘타이트가 작아져, 상기 소정의 평균 원 상당 직경을 갖는 시멘타이트가 얻어지지 않게 된다. 바람직한 평균 승온 속도는 50℃/hr 이상, 보다 바람직하게는 60℃/hr 이상, 바람직하게는 90℃/hr 이하, 보다 바람직하게 80℃/hr 이하이다.

상기 균열 온도가 A1점+10℃ 미만이면, 펄라이트를 분단할 수 없고, 시멘타이트의 종횡비가 상기 소정값을 초과해 버린다. 또한 균열 온도가 A1점+40℃를 초과하면 펄라이트 중의 시멘타이트가 과잉으로 고용되어 재생 펄라이트가 석출되기 때문에, 종횡비가 상기 소정값을 초과해 버린다.

상기 균열 온도(A1점+10℃∼A1점+40℃)에서의 유지 시간이 4시간 미만이면, 시멘타이트 직경이 작아져, 상기 소정 크기가 얻어지지 않게 된다. 또한 유지 시간이 8시간을 초과하면 시멘타이트의 조대화가 진행되어, 시멘타이트 직경이 커져, 상기 소정 크기가 얻어지지 않게 됨과 더불어, 시멘타이트의 분산 상태가 얻어지지 않게 된다.

상기 일차 냉각 속도가 5℃/hr 미만인 냉각에서는, 시멘타이트가 조대화되어, 원하는 크기가 얻어지지 않게 된다. 또한 15℃/hr를 초과하면 시멘타이트 직경이 작아져, 상기 소정 크기가 얻어지지 않게 된다.

한편, 일차 냉각은 균열 온도로부터 (A1점-60℃)까지의 범위로 한 것은, 상기 규정의 시멘타이트를 확실히 얻기 위해 설정한 온도이다. 따라서, 상기 규정의 시멘타이트가 얻어지는 것이면, 일시 냉각 종료 온도가 높아도 좋다(예를 들면 A1점-50℃ 등). 또한 A1점-60℃를 초과하여 상기 일차 냉각 속도로 냉각을 하면, 생산성이 악화된다.

또한 상기 이차 냉각 속도는 특별히 한정되지 않지만, 생산성 향상의 관점에서 방냉(대기 방냉)으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강재는, 상기와 같은 구상화 소둔을 실시한 후, 소정의 부품 형상으로 가공되고, 계속해서 담금질·템퍼링되어 베어링 부품 등으로 제조되는 것인데, 강재 단계의 형상에 대해서는 이러한 제조에 적용할 수 있는 선상·봉상의 어느 것이나 포함하는 것이며, 그의 사이즈도 최종 제품에 따라 적절히 정할 수 있다.

한편, 상기 본 발명의 베어링용 강은, 구상화 소둔을 행한 후의 조직을 규정하고 있는데, 구상화 소둔 후에 상기 규정의 조직을 만족하는 베어링용 강은, 소정의 부품 형상으로 가공되고, 계속해서 담금질·템퍼링되어 제조된 베어링 부품으로서 사용한 경우에, 우수한 내마모성과 전동 피로 특성을 발휘하는 것을 실험에 의해 확인하였다(후기 실시예 참조).

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니며, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 물론 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

하기 표 1에 나타내는 각종 화학 성분 조성의 강재를 가열로에서 1100∼1300℃로 가열한 후, 900∼1200℃에서 분괴 압연을 실시하였다. 그 후, 800∼1100℃의 온도 범위에서 열간 압연(압연을 모방한 단조도 포함함)하여 직경: 65mm의 환봉재(丸棒材)를 제작하였다.

얻어진 환봉재를, 표 2에 기재된 구상화 열처리 조건(승온 속도, 균열 온도, 균열 시간, A1점-60℃까지의 일차 냉각 속도)에서 구상화 소둔을 실시하여 시험재를 얻었다. 이때, A1점-60℃로부터 실온(25℃)까지는 대기 방냉하였다(이차 냉각).

한편, No. 1만 분해 압연을 실시한 후, 소킹로(soaking furnace)에서 1230℃, 17시간의 소킹(확산 소둔)을 실시하고 나서 열간 압연을 행하였다(No. 1을 비교 대상이 되는 기준 강으로 하였다).

[거대 탄화물의 유무]

각 시험재의 D/2 위치(D는 직경)에 대하여, 단면 매크로 조직을 광학 현미경(배율: 100배)으로 관찰하여(관찰수 1 시야), 거대 탄화물의 유무를 확인하였다. 도 1의 사진에 나타내는 바와 같은 10μm 이상의 거대 탄화물이 확인 가능한 경우, 거대 탄화물 「있음」으로 판단하였다.

[시멘타이트의 개수 밀도·평균 원 상당 직경·평균 종횡비]

시험재를 긴 방향(압연 방향)에 대하여 수직으로 절단하고, 이 종단면(압연 방향에 대하여 수직 방향)의 D/4 위치(D는 직경)에서 다시 시험재를 긴 방향으로 수평으로 절단하고, 이 수평 절단면을 경면 연마하고, 5% 피크랄로 부식시켜 금속 조직을 드러나게 한 후, 이 수평 절단면에서의 상기 D/4 위치 라인 상의 임의의 12 개소(1 시야당 2688μm²)를 주사 전자 현미경(배율: 2000배)으로 관찰·촬영하고, 화상의 콘트라스트로부터 흰 부분을 시멘타이트 입자라고 판별하여 마킹하였다. 입자 해석 소프트([입자 해석 III forwindows. Version 3.00, SUMITOMO METAL TECHNOLOGY제])를 이용하여, 상기 마킹한 각 시멘타이트 입자의 면적으로부터 원 상당 직경(μm)을 산출하고, 12 시야의 평균값을 구하였다(「평균 원 상당 직경」).

또한 단위 면적당 존재하는 원 상당 직경이 0.13μm 이상인 시멘타이트 입자의 개수(개/μm²)를 구하였다(「개수 밀도」).

추가로 시멘타이트의 종횡비를 구하고, 12 시야의 평균값을 구하였다(「평균 종횡비」).

한편, 상기 시멘타이트의 측정에 있어서는 0.13μm 미만인 것은 측정 대상 외로 하였다.

[냉간 가공성(깨짐·변형 저항)]

상기 시험재를 이용하여, 시험재의 중심부로부터 직경: 14mm, 높이: 21mm의 원주 시험편을 잘라내어, 냉간 가공성을 평가하기 위한 시험편으로 하였다.

시험편은 프레스 시험기를 이용하여 가공률(압축률) 60%로 냉간 가공한 후, 시험편의 측면을 광학 현미경으로 관찰하여(배율: 20배), 깨짐 발생의 유무를 확인하였다. 또한 시험편을 가공률(압축률) 40%로 냉간 가공했을 때의 변형 저항(MPa)을 측정하고, 강종 No. 1의 시험편의 변형 저항과의 대비에 의해 변형 저항 저감률을 산출하여, 평가를 행하였다. 한편, 상기 가공률은 [{(1-L/L₀)}×100(%)](L은 가공 전의 시험편의 길이, L₀은 가공 후의 시험편의 길이)로 표시되는 것이다.

평가 기준: 시험편에 깨짐이 없고, 또한 변형 저항 저감률이 No. 1의 시험편에 대하여 5% 이상인 것을 냉간 가공성이 우수하다(○)고 판단하였다. 한편, 변형 저항은 No. 1보다도 높은 것, 또는 변형 저항이 저감되어도 변형 저항 저감률이 5% 미만인 것은 냉간 가공성이 뒤떨어진다(×)고 판단하였다.

[전동 피로 특성]

시험재로부터 스러스트(thrust) 시험편(형상: 원반, 크기: Φ 60mm × 2mm 두께)을 제작하고, 스러스트형 전동 피로 시험기(「FJ-5T」, 주식회사후지시험기제작소제)에 의해 반복 속도: 1800rpm, 면압: 5.3GPa, 중지 횟수: 2×10⁸회의 조건에서 각 시험편에 관하여 전동 피로 시험을 각 16회씩 실시하여 피로 수명 L₁₀(와이불(weibull) 확률지에 플롯팅하여 얻어지는 누적 파손 확률 10%에서의 피로 파괴까지의 응력 반복수)을 평가하였다.

No. 1의 시험편의 피로 수명 L₁₀(L10 수명)을 1.0으로 하고, 1.0 이상의 L10 수명을 갖는 시험편을 전동 피로 특성이 우수하다고 판단하였다.

[내마모성]

상기 스러스트 시험편에 대하여, 스러스트형 전동 피로 시험기에 의해 반복 속도: 1800rpm, 면압: 5.3Gpa, 중지 횟수: 1×10⁸회의 조건에서 회전시켰을 때의 마모 깊이를 마모량으로 하였다. 이때 각 강재에 있어서의 시험 횟수는 각각 3회씩(n = 3)으로 하였다. No. 1의 시험편의 마모량을 1로 하고, 1.00 이하의 마모량을 갖는 시험편을 내마모성이 우수하다고 판단하였다.

이들 결과로부터 다음과 같이 고찰할 수 있다. 즉, No. 3∼6, 8, 9, 12, 13, 16, 17, 20, 21, 23, 24 및 27∼29는 본 발명에서 규정하는 요건(화학 성분 조성, 시멘타이트의 원 상당 직경, 종횡비, 개수 밀도)을 만족하는 것으로, 어느 것이나 깨짐이 생기는 일 없이 종래 강(No. 1: SUJ2)과 비교하여 변형 저항도 낮아 냉간 가공성이 우수하고, 또한 가공 후의 시험편의 전동 피로 특성이나 내마모성도 우수하였다.

No. 2는 Cr 함유량이 많기 때문에, 강편에 거대 탄화물이 생기고 있어, 냉간 가공성, 전동 피로 특성 및 내마모성이 뒤떨어지짐과 더불어, 시험편에 깨짐이 생겼다.

No. 7, 10, 11, 14, 15, 18, 19 및 22는 본 발명에서 규정하는 구상화 열처리 조건의 범위를 벗어나는 예이다.

No. 7은 승온 속도가 느리기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경과 개수 밀도가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있어, 전동 피로 특성과 내마모성이 뒤떨어졌다.

No. 10은 승온 속도가 빠르기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경과 평균 종횡비가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있어, 냉간 가공성, 전동 피로 특성 및 내마모성이 뒤떨어짐과 더불어, 시험편에 깨짐이 생겼다.

No. 11은 균열 온도가 낮기 때문에, 시멘타이트의 평균 종횡비가 본 발명에서 규정하는 범위를 상회하고 있어, 냉간 가공성, 전동 피로 특성 및 내마모성이 뒤떨어짐과 더불어, 시험편에 깨짐이 생겼다.

No. 14는 균열 온도가 높기 때문에, 시멘타이트의 평균 종횡비가 본 발명에서 규정하는 범위를 상회하고 있어, 전동 피로 특성 및 내마모성이 뒤떨어짐과 더불어, 시험편에 깨짐이 생겼다.

No. 15는 균열 시간이 짧기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있어, 냉간 가공성이 뒤떨어졌다.

No. 18은 균열 시간이 길기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경과 개수 밀도가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있어, 전동 피로 특성과 내마모성이 뒤떨어졌다.

No. 19는 일차 냉각 속도(A1점-60℃까지의 냉각 속도)가 느리기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 본 발명에서 규정하는 범위를 상회하고 있어, 전동 피로 특성이 뒤떨어졌다.

No. 22는 일차 냉각 속도가 빠르기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 본 발명에서 규정하는 범위를 하회하고 있어, 냉간 가공성이 뒤떨어졌다.

No. 25, 26 및 30∼31은 본 발명에서 규정하는 화학 성분의 범위를 벗어나는 예이다.

No. 25는 C 함유량이 적기 때문에, 시멘타이트의 개수 밀도가 불충분해져, 내마모성이 뒤떨어졌다.

No. 26은 Si, Mn, P, S, Al, Ti, O가 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있기 때문에, 시멘타이트의 개수 밀도가 불충분해져, 냉간 가공성과 전동 피로 특성이 뒤떨어졌다.

No. 30은 Cr, O 함유량이 많기 때문에, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 본 발명의 규정을 하회함과 더불어, 강편에 거대 탄화물이 생기고 있어, 전동 피로 특성이 뒤떨어졌다.

No. 31은 Si, Mn, N, P, S 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있기 때문에, 전동 피로 특성이 뒤떨어졌다.

No. 32는 Cr과 N이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나고 있기 때문에, 냉간 가공성과 전동 피로 특성이 뒤떨어졌다.

이들 데이터에 기초하여, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경과 변형 저항 저감률(냉간 가공성) 및 L10 수명비(전동 피로 특성)의 관계를 도 2(본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성을 만족시키고, 또한 평균 종횡비가 2.00 이하인 예만을 플롯팅)에 나타내는데, 시멘타이트의 크기를 적절히 제어하는 것이 냉간 가공성과 전동 피로 특성의 향상에 유효하다는 것을 알 수 있다.

마찬가지로 하여 시멘타이트의 개수 밀도와 마모비(내마모성)의 관계를 도 3(본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성을 만족시키고, 또한 종횡비가 2.00 이하인 예만을 플롯팅)에 나타내는데, 시멘타이트의 개수 밀도를 적절히 제어하는 것이 내마모성의 향상에 유효하다는 것을 알 수 있다.

Claims

C: 0.9∼1.10%(질량%의 의미, 이하 동일),
Si: 0.05∼0.49%,
Mn: 0.1∼1.0%,
P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음),
S: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음),
Cr: 0.03∼0.40%,
Al: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음),
N: 0.002∼0.025%,
Ti: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음) 및
O: 0.0025% 이하(0%를 포함하지 않음)를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 시멘타이트의 평균 종횡비가 2.00 이하, 시멘타이트의 평균 원 상당 직경이 0.35∼0.6μm임과 더불어, 원 상당 직경 0.13μm 이상의 시멘타이트의 개수 밀도가 0.45개/μm² 이상인 것을 특징으로 하는 베어링용 강.
제 1 항에 있어서,
추가로 다른 원소로서 Cu: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음), Ni: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 Mo: 0.25% 이하(0%를 포함하지 않음)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 베어링용 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
추가로 다른 원소로서 Nb: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 V: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않음) 중 1종 이상을 포함하는 베어링용 강.