KR101616656B1

KR101616656B1 - 베어링 강과 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101616656B1
Application number: KR1020147010102A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 하시무라; 마사후미 미야자키; 히데아키 야마무라; 다카히사 스즈키; 다카시 후지타
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2016-04-28
Also published as: US9732407B2; EP2770077B1; CN103890209A; JPWO2013058131A1; EP2770077A1; US20140261906A1; CN103890209B; IN2014DN03266A; EP2770077A4; KR20140069169A; JP5652555B2; WO2013058131A1

Abstract

베어링 강이며, 금속 조직이, 개재물로서, Rare Earth Metal, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 복합 산황화물과, TiN과, MnS와, Al₂O₃과, Al 및 Ca를 포함하는 복합 산화물을 함유하고, 상기 개재물의 합계 개수에 대해 상기 복합 산황화물의 개수가, 50％ 이상 100％ 미만이고, 또한 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 복합 산황화물의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 2개 이하이고, 상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.0개 미만이다.

Description

베어링 강과 그 제조 방법 {BEARING STEEL AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은, REM(Rare Earth Metal) 복합 산황화물의 생성을 제어함으로써, 알루미늄 산화물, 질화티탄, 황화물 망간 등의 유해 개재물의 영향을 억제한, 우수한 피로 특성을 갖는 베어링 강과 그 제조 방법에 관한 것이다.

본원은, 2011년 10월 20일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2011-230832호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

베어링 강은, 각종 산업 기계나 자동차 등에 사용되는 「볼 베어링」이나 「롤러 베어링」 등의 구름 베어링에 사용된다. 또한, 최근, 예를 들어 자기 기록 매체인 하드 디스크 장치에 사용되는 디스크 구동용 등의 베어링으로서도 사용되고 있다. 그 밖에, 전자 기기, 가전 제품, 계기, 의료 기기 등의 베어링으로서도 사용되고 있다.

이들 베어링에 사용되는 베어링 강은, 구름 피로 특성이 우수한 것이 요구된다. 베어링 강 중에 포함되는 개재물이 조대하고, 또한 다량이면 피로 수명에 악영향을 미친다. 따라서, 피로 특성의 향상의 목적으로부터, 개재물은 가능한 한 미세하고, 또한 소량인 것이 요망되고 있다.

베어링 강에 포함되는 유해 개재물로서, 알루미나(Al₂O₃) 등의 산화물, 황화망간(MnS) 등의 황화물, 질화티탄(TiN) 등의 질화물 등이 알려져 있다.

전로나 진공 처리 용기에서 정련된 용강 중에는, 다량의 용존 산소가 포함된다. 알루미나 개재물은, 이 용존 산소와, 산소와 친화력이 강한 Al이 화합함으로써 생성된다.

또한, 제강 공정에서 사용되는 레이들 등은 알루미나계 내화물로 구축되는 경우가 많다. 따라서, 용강을, Al이 아닌, Si나 Mn으로 탈산한 경우라도, 용강과 상기 내화물의 반응에 의해 용강 중에 Al이 용출되고, 이 Al이 재산화됨으로써, 용강 중에 알루미나가 생성된다. 알루미나 개재물은, 경질인 동시에, 응집, 합체되어 조대한 알루미나 클러스터로 되므로, 피로 특성을 떨어뜨리는 원인으로 된다.

알루미나 개재물의 저감 및 제거에 대해서는, RH(Ruhrstahl-Hausen) 진공 탈가스 장치나 분체 취입 장치 등의 2차 정련 장치의 적용에 의한 탈산 생성물의 저감이 주로 행해지고 있다. 그 밖에, 단기(斷氣)나 슬래그 개질 등에 의한 재산화 방지, 슬래그 커트에 의한 혼입 산화물의 저감 및 그 조합에 의한 개재물의 저감이 행해지고 있다.

예를 들어, Al을 0.005질량％ 이상 함유하는 Al 킬드강을 제조할 때, 용강 중에 Ca, Mg 및 REM(Rare Earth Metal)로부터 선택되는 2종 이상과 Al으로 이루어지는 합금을 투입함으로써, 생성되는 개재물 중의 알루미나를 30∼85질량％의 범위 내로 조정하는 제조 방법이 알려져 있다.

특허문헌 1에는, 알루미나 클러스터 생성 방지를 위해, REM, Mg, Ca로부터 선택된 2종 이상을 첨가함으로써, 생성되는 개재물을 저융점의 복합 개재물로 하는 기술이 개시되어 있다. 단, 이 기술은, 슬리버 흠집 방지에 유효할지도 모르지만, 베어링 강에서 요구되는 레벨로까지 유해 개재물의 크기를 미세하게 할 수 없다. 이것은, 개재물을 저융점 개재물로 하면, 이들 개재물이 응집, 합체되어 보다 조대화되어 버리기 때문이다.

REM을 첨가하는 경우, REM이 개재물을 구상화하여, 피로 특성이 향상된다고 하는 작용 효과를 갖는다. 이와 같이 개재물의 형태를 제어하기 위해, 필요에 따라서 REM을 첨가해도 되지만, 0.010질량％를 초과하는 첨가는, 개재물을 증가시켜, 오히려 피로 수명을 저하시킨다. 예를 들어, 특허문헌 2에는, REM 첨가량을 0.010질량％ 이하로 제어할 필요성이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 2에는, 그 메커니즘이나, 개재물의 조성 및 존재 상태에 관한 개시가 없다.

또한, MnS 등의 황화물은, 단조 등의 소성 가공에 의해 그 형상이 연신되므로, 반복 응력이 부하되었을 때에, 피로 축적원으로 되어 파괴 기점으로 되고, 그리고 피로 특성을 떨어뜨린다. 따라서, 피로 특성을 개선하기 위해서는, 이러한 황화물을 제어할 필요가 있다.

황화물의 생성을 방지하는 방법으로서는, Ca를 첨가함으로써 탈황하는 방법이 알려져 있다. 그러나, Ca의 첨가에 의해 형성되는 Al-Ca-O 복합 산화물은, 소성 가공에 의해 그 형상이 연신되기 쉬워, 반복 응력이 부하되었을 때에, 피로 축적원으로 되어 파괴 기점으로 되기 쉽다고 하는 문제를 갖는다. 이것에 더하여, Ca의 첨가는, TiN에 대해 효과를 갖지 않는다.

또한, TiN 등의 질화물은, 매우 경질이며 또한 뾰족한 형상으로 석출되므로, 피로 축적원으로 되어 파괴 기점으로 되고, 그리고 피로 특성을 떨어뜨린다. 예를 들어, 특허문헌 3에는, Ti가 0.001질량％ 초과 첨가되면 피로 특성이 악화되는 것이 개시된다.

TiN의 생성을 억제하기 위해서는, Ti 함유량을 0.001질량％ 이하로 조정하는 것이 중요해진다. 그러나, Ti는 용선이나 슬래그에도 포함되어 있으므로, 안정적으로 함유량을 낮게 하는 것이 어렵다. 따라서, Ti, N을 용강 단계에서 고효율로 제거하는 것이 필요해지지만, 제강 비용이 높아져 버려 바람직하지 않다.

상술한 바와 같이, 베어링 강으로서 요구되는 피로 특성을 향상시키기 위해 필요해지는, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN 등의 유해 개재물을 제어하는 기술은, 현 상태에서 발견되지 않는다.

일본 특허 공개 평09-263820호 공보 일본 특허 공개 평11-279695호 공보 일본 특허 공개2004-277777호 공보

본 발명의 일 실시 형태는, 전술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하여, 피로 특성이 우수한 베어링 강과 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

본 발명자들은, 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 실험 및 검토를 거듭한 결과, 상기 유해 개재물의 생성과 그 석출 형태를 제어하기 위해, REM, Al 및 Ca 등의 화학 성분의 함유량을 조정함과 함께, 탈산 방법 및 베어링 강 제조 방법을 제어함으로써, 베어링 강의 금속 조직에, REM, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 복합 개재물(이하, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이라 칭함)을 형성시키는 것을 발견하였다.

Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물이, 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태됨으로써, 조대한 알루미나 클러스터가 형성되는 것이 억제되고, 또한 상기 복합 산화물이 소성 가공에 의해 연신되어 조대해지는 것이 억제된다. 그리고, 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이, 강 중의 S를 고정화함으로써, 조대 MnS의 생성이 억제된다. 이것에 더하여, 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에, TiN이 복합 석출됨으로써, 단독으로 존재하는 TiN의 개수가 감소한다.

본 발명의 요지는, 다음과 같다.

(1) 본 발명의 일 실시 형태에 관한 베어링 강은, 화학 성분이, 질량％로, C:0.9％∼1.5％, Si:0.1％∼0.8％, Mn:0.1％∼1.5％, Cr:0.5％∼2.0％, Al:0.01％∼0.05％, Ca:0.00001％∼0.0050％, Rare Earth Metal:0.0001％∼0.050％, O:0.0001％∼0.0030％를 함유하고, Ti:0.005％ 미만, N:0.015％ 이하, P:0.03％ 이하, S:0.05％ 이하로 제한하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 금속 조직이, 개재물로서, Rare Earth Metal, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 복합 산황화물과, TiN과, MnS와, Al₂O₃과, Al 및 Ca를 포함하는 복합 산화물을 함유하고, 상기 개재물의 합계 개수에 대해 상기 복합 산황화물의 개수가, 50％ 이상 100％ 미만이고, 또한 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 복합 산황화물의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 2개 이하이고, 상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.0개 미만이다.

(2) 상기 (1)에 기재된 베어링 강에서, 상기 화학 성분의 상기 S 함유량이, S:0.01％ 초과∼0.05％일 때, 상기 Ca 함유량을, Ca:0.00050％∼0.0050％로 해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 베어링 강에서, 상기 화학 성분이 질량％로, V:0.05％∼0.70％, Mo:0.05％∼1.00％, W:0.05％∼1.00％, Ni:0.10％∼3.50％, Cu:0.10％∼0.50％, Nb:0.005％∼0.050％ 미만, B:0.0005％∼0.0050％, 중 적어도 하나를 더 함유해도 된다.

(4) 상기 (1)∼(3) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강에서, 상기 복합 산황화물의 Al 함유량이, Al₂O₃ 환산으로, 20질량％ 이하여도 된다.

(5) 상기 (1)∼(4) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강에서, 긴 직경이 10㎛ 이상인 상기 MnS의 개수와, 상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 합계로 5개 이하여도 된다.

(6) 상기 (1)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강에서, 상기 Cu 및 상기 Ni의 질량％로 나타낸 함유량이 Cu≤Ni를 만족시켜도 된다.

(7) 본 발명의 일 실시 형태에 관한 베어링 강의 제조 방법은, Al을 사용하여 용강을 탈산하는 Al 탈산 공정과, 상기 Al 탈산 공정 후의 상기 용강을, Rare Earth Metal을 사용하여 5분 이상 10분 이하의 탈산을 행하는 REM 탈산 공정과, 상기 REM 탈산 공정 후의 상기 용강을, 주조하여, 화학 성분이, 질량％로, C:0.9％∼1.5％, Si:0.1％∼0.8％, Mn:0.1％∼1.5％, Cr:0.5％∼2.0％, Al:0.01％∼0.05％, Ca:0.00001％∼0.0050％, Rare Earth Metal:0.0001％∼0.050％, O:0.0001％∼0.0030％를 함유하고, Ti:0.005％ 미만, N:0.015％ 이하, P:0.03％ 이하, S:0.05％ 이하로 제한하고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 주조편을 얻는 주조 공정과, 상기 주조편을, 1270℃∼1300℃의 온도 범위로 가열하여, 상기 가열 후에, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서 60초 이상의 유지를 행하는 가열 유지 공정과, 상기 가열 유지 공정 후의 상기 주조편을, 열간 소성 가공하여 열간 가공 강재를 얻는 열간 가공 공정을 갖는다.

(8) 상기 (7)에 기재된 베어링 강의 제조 방법에서, 상기 용강의 화학 성분이, 질량％로, S:0.01％ 초과∼0.05％를 함유할 때, 상기 REM 탈산 공정 후이며 상기 주조 공정 전의 상기 용강에, Ca를 첨가하여 진공 탈가스 처리를 행하는 진공 탈가스 공정을 더 가져도 된다.

(9) 상기 (7) 또는 (8)에 기재된 베어링 강의 제조 방법에서, 상기 주조편의 상기 화학 성분이 질량％로, V:0.05％∼0.70％, Mo:0.05％∼1.00％, W:0.05％∼1.00％, Ni:0.10％∼3.50％, Cu:0.10％∼0.50％, Nb:0.005％∼0.050％ 미만, B:0.0005％∼0.0050％, 중 적어도 하나를 더 함유해도 된다.

(10) 상기 (7)∼(9) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강의 제조 방법에서, 상기 주조 공정에서, 상기 용강을 주형 내에서 수평 방향으로 0.1m/분 이상 0.5m/분 이하로 선회시켜 주조해도 된다.

(11) 상기 (7)∼(10) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강의 제조 방법에서, 상기 열간 가공 공정 후의 상기 열간 가공 강재를, 700℃∼750℃의 온도 범위로 가열하여, 30시간 이상 50시간 이하 유지함으로써 연질화 강재를 얻는 연질화 열처리 공정을 더 가져도 된다.

(12) 상기 (7)∼(11) 중 어느 한 항에 기재된 베어링 강의 제조 방법에서, 상기 REM 탈산 공정 후이며 상기 진공 탈가스 공정 전의 상기 용강에 CaO-CaF₂를 첨가하여 탈황을 행하는 플럭스 공정을 더 가져도 된다.

본 발명의 상기 형태에 관한 베어링 강과 그 제조 방법에 따르면, Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태됨으로써, 조대한 알루미나 클러스터의 형성과, 상기 복합 산화물이 연신되어 조대해지는 것이 억제되고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화함으로써 조대한 MnS의 생성이 억제되고, 그리고 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 TiN을 복합함으로써 단독으로 존재하는 TiN의 개수가 감소한다. 이들의 결과, 상기 과제를 해결하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 베어링 강의 금속 조직 사진이다.
도 2는 종래 기술에 관한 베어링 강의 금속 조직 사진이다.
도 3은 긴 직경이 10㎛ 이상인 MnS 및 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN의 합계 개수와, 베어링 강의 피로 특성의 관계이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 일 실시 형태에 관한 베어링 강의 기본 성분에 관하여, 수치 한정 범위와 그 한정 이유에 대해 설명한다. 여기서, 기재하는 ％는, 질량％이다.

Al:0.01％∼0.05％

Al(알루미늄)은 탈산 원소이며, 또한 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 형성에 필요한 원소이다. 이들의 효과를 얻기 위해서는, Al 함유량이 0.01％ 이상일 필요가 있다. 그러나, Al 함유량이 0.05％를 초과하면, Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물이, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태되지 않는다. 이것은, Al 함유량이 0.05％ 초과인 경우, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물보다도, Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물이 안정 상태로 되기 때문이라고 생각된다.

Al₂O₃은, 경질 산화물로, 피로 특성 저하의 요인으로 될 뿐만 아니라, 주조시의 내화물의 내구성도 크게 저하시킨다. 연속 주조시에는, 이 경질 산화물이, 노즐에 부착되어 노즐 막힘을 조장한다. Al-Ca-O 복합 산화물은, Al₂O₃ 만큼 경질은 아니지만, 통상 Al₂O₃보다 사이즈가 커, 피로 특성을 떨어뜨리는 원인으로 된다. 따라서, Al 함유량의 상한을 0.05％로 한다.

REM:0.0001％∼0.050％

REM(Rare Earth Metal)은 강력한 탈황, 탈산 원소로, 본 발명의 일 형태의 효과를 충분히 발휘시키기 위해, 극히 중요한 원소이다. 여기서, REM이라 함은, 원자 번호가 57인 란탄으로부터 71인 루테슘까지의 15원소에, 원자 번호가 21인 스칸듐과 원자 번호가 39인 이트륨을 첨가한 합계 17원소의 총칭이다.

REM 함유량이 0.0001％ 미만인 경우, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태되지 않는 Al₂O₃과 Al-Ca-O 복합 산화물이 증가한다. 그로 인해, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 화합되지 않는 S에 의해 조대 MnS가 생성되고, 그리고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에 석출되지 않고 단독으로 존재하는 TiN이 증가한다.

REM 함유량이 0.050％를 초과하면, 고비용으로 될 뿐만 아니라, 생성된 REM 함유 개재물에 의해, 주조시의 노즐 폐색이 발생하기 쉬워져 제조성이 악화된다. 따라서, REM 함유량을 0.0001％∼0.050％로 한다. 보다 바람직하게는, REM 함유량을 0.0003％∼0.050％로 하고, 더욱 바람직하게는, REM 함유량을 0.001％ 초과∼0.050％로 하고, 가장 바람직하게는, REM 함유량을 0.003％ 초과∼0.050％로 한다.

C:0.9％∼1.5％

C(탄소)는 켄칭시의 경도를 확보하여 피로 수명을 향상시키는 원소이며, 또한 구상 탄화물의 분산과 매트릭스의 마르텐사이트 변태에 의해 강도를 향상시키는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, C 함유량이 0.9％ 이상일 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 1.5％를 초과하면, 내마모성은 향상되지만, 모재의 경도가 지나치게 높아져 절삭시의 공구 수명이 저하되고, 또한 켄칭 크랙의 원인으로 된다. 따라서, C 함유량을 0.9％∼1.5％로 한다. 보다 바람직하게는, C 함유량의 하한값을 1.0％, 상한값을 1.2％로 한다.

Si:0.1％∼0.8％

Si(규소)는 켄칭성을 높여, 피로 수명을 향상시키는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Si 함유량이 0.1％ 이상이어야 한다. 그러나, Si 함유량이 0.8％ 초과에서는, 상기 효과가 포화되고, 이것에 더하여, 모재의 경도가 높아져 절삭시의 공구 수명이 저하되고, 또한 켄칭 크랙의 원인으로 된다. 따라서, Si 함유량을 0.1％∼0.8％로 한다. 보다 바람직하게는, Si 함유량은 하한값을 0.15％, 상한값을 0.7％로 한다.

Mn:0.1％∼1.5％

Mn(망간)은, 켄칭성을 높여 강도를 높이고, 피로 수명을 향상시키는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Mn 함유량이 0.1％ 이상이어야 한다. 그러나, Mn 함유량이 1.5％ 초과에서는, 상기한 켄칭성 향상 효과가 포화된다. 또한, 모재의 경도가 높아져 절삭시의 공구 수명의 저하를 초래하고, 나아가서는 켄칭 크랙의 원인으로 된다. 따라서, Mn 함유량을 0.1％∼1.5％로 한다. 보다 바람직하게는, Mn 함유량의 하한값을 0.2％, 상한값을 1.15％로 한다. 가장 바람직하게는, Mn 함유량의 하한값을 0.5％ 초과, 상한값을 1.15％로 한다.

Cr:0.5％∼2.0％

Cr(크로뮴)은, 켄칭성을 높여 피로 수명을 향상시키는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해서는, Cr 함유량이 0.5％ 이상이어야 한다. 그러나, Cr 함유량이 2.0％ 초과에서는, 상기 효과가 포화된다. 또한, 모재의 경도가 높아져 절삭시의 공구 수명의 저하를 초래하고, 나아가서는 켄칭 크랙의 원인으로 된다. 따라서, Cr 함유량을 0.5％∼2.0％로 한다. 보다 바람직하게는, Cr 함유량의 하한값을 0.9％, 상한값을 1.6％로 한다. 가장 바람직하게는, Cr 함유량의 하한값을 1.0％ 초과, 상한값을 1.6％ 미만으로 한다.

Ca:0.00001％∼0.0050％

Ca(칼슘)는, 탈산 원소 및 탈황 원소이다. Ca는, 산화물을 연질화하는 작용도 갖는다. 쾌삭강에 Ca를 첨가하면, 절삭 중에 보호막(Belag)이라고 하는 산화물 피막이 절삭열에 의해 생성되고, 공구 표면을 피복·보호하여 절삭 공구 수명을 연장시키는 것이 알려져 있다.

그리고, Ca는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 형성에 필요한 원소이다. 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화함으로써 조대한 MnS의 생성이 억제된다. 그러나, Ca 함유량이 0.00001％ 미만인 경우, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 형성되지 않고, Ca를 포함하지 않는 REM-Al-O-S 복합 산황화물이 형성된다.

이 Ca를 포함하지 않는 REM-Al-O-S 복합 산황화물은, S를 고정화하는 효과가 작다. S를 고정화하는 효과를 높이기 위해서는, Ca와 REM을 포함하는 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 형성시킬 필요가 있다. 그러기 위해서는, Ca 함유량을, 0.00001％ 이상으로 할 필요가 있다. 바람직하게는, Ca 함유량의 하한값을 0.00010％로 한다. 더욱 바람직하게는, Ca 함유량의 하한값을 0.00050％로 한다. 또한, 0.00001％ 레벨인 강 중의 Ca 함유량을 검출하기 위해서는, 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석법(ICP-AES:Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry), 또는 필요에 따라서, 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS:Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry) 등의 고감도 원소 분석법을 사용하면 된다.

통상, 강은, Ca를 의도적으로 첨가하지 않아도, 불가피적으로, 0.0001％ 정도의 Ca를 함유하고 있다. 이 불가피적으로 함유되는 Ca도, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 형성하는 효과를 갖는다. 따라서, 불가피적으로 함유되는 Ca가 0.00001％ 이상인 경우에는, Ca를 의도적으로 첨가하지 않아도 된다. 불가피적으로 함유되는 Ca에 의해 형성되는 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이, S를 고정화하는 효과를 발휘한다.

기본적으로는 청정도 강인 베어링 강에서는 연마면에 확인되는 개재물 수도 적으므로, 개재물(REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN 등)의 조성을 EPMA(전자선 마이크로 분석, Electron Probe Micro Analysis), 또는 EDX(에너지 분산형 X선 분석, Energy Dispersive X-Ray Analysis)를 구비한 SEM(주사형 전자 현미경, Scanning Electron Microscope) 등을 이용하여 직접 해석할 수 있다. 즉, 전자선을 조사한 경우의 X선 신호로부터, 개재물 중의 Al이나 Ca나 S의 유무 등을 개재물마다 해석하므로, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 또한 그 신호 강도로부터 조성 비율을 반정량적이지만 산출하는 것이 가능하다. 또한, 필요에 따라서, EDX를 구비한 TEM(투과형 전자 현미경, Transmission Electron Microscope) 등을 이용하여 직접 해석해도 된다. 본 발명자들은, Ca 함유량이 0.00001％ 미만인 고순도 원료를 포함하는 다양한 원료(주조편)를 사용하여, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 형성되기 위한 Ca 하한값을, 상기 분석 방법에 의해 조사하였다. 그 결과, 상기한 바와 같이, 강 중(주조편)의 Ca 함유량이 0.00001％ 이상일 때에, 개재물로서, Ca를 포함하지 않는 REM-Al-O-S 복합 산황화물이 아닌, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 형성되는 것을 발견하였다.

REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 S를 고정화하는 효과를 더욱 높이고자 하는 경우, Ca를 의도적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 예를 들어, S가 높은 함유량이고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 S를 고정화하는 효과를 더욱 높이고자 하는 경우, Ca를 의도적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 구체적으로는, S 함유량이 0.01％ 초과∼0.05％일 때, Ca 함유량이 0.00050％∼0.0050％로 되도록 Ca를 의도적으로 첨가하는 것이 바람직하다. 이 결과, 가령 S 함유량이 0.01％ 초과∼0.05％인 고함유량이라도, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화하는 효과가 충분히 높아지고, 그리고 MnS의 석출이 충분히 억제된다.

또한, Ca 함유량이 0.0050％를 초과하면, 조대한 산화물인 Al-Ca-O 복합 산화물 및 CaO가 많이 형성되어, 피로 수명이 손상된다. 특히, Al₂O₃에 Ca가 복합된 Al-Ca-O 복합 산화물은, 통상 Al₂O₃보다 사이즈가 커, 피로 특성을 떨어뜨린다. 따라서, Ca 함유량의 상한값은 0.0050％ 이하로 한다. 또한, Ca는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물 중에 고용되어 있고, 단독으로 CaS가 존재하는 것은 아니다.

O:0.0001％∼0.0030％

O(산소)는, 탈산에 의해 강으로부터 제거되어야 하는 원소이지만, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 석출시키기 위해 필요한 원소이다. 이 효과를 얻기 위해서는, O 함유량이 0.0001％ 이상일 필요가 있다. 단, O 함유량이 0.0030％를 초과하면, 산화물이 다수 잔존하여, 피로 수명의 저하를 초래한다. 따라서, O 함유량의 상한값은 0.0030％ 이하로 한다. 또한, 상기 O 함유량은, 강 중에 고용되는 산소와, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이나 Al₂O₃에 포함되는 산소 등을 합계한 토탈 산소(T.0:Total Oxygen)를 의미한다.

상기한 기본 성분 외에, 본 실시 형태에 관한 베어링 강은, 불가피적 불순물을 함유한다. 여기서, 불가피적 불순물이라 함은, 스크랩 등의 부 원료나, 제조 공정으로부터 불가피적으로 혼입되는, Ti, N, P, S, Mg, Pb, Sb, Sn, Cd 등의 원소를 의미한다. 이 중에서, Ti, N, P 및 S는, 본 발명의 일 형태의 효과를 충분히 발휘시키기 위해, 이하와 같이 제한할 필요가 있다. 여기서, 기재하는 ％는, 질량％이다. 또한, 불순물 함유량의 제한 범위에는 0％가 포함되지만, 공업적으로 안정되게 0％로 하는 것이 어렵다.

Ti:0.005％ 미만

Ti(티타늄)는 불순물로, TiC, TiN 및 TiS 등의 미세 개재물을 생성하여, 피로 특성을 떨어뜨리는 원소이다. 특히 TiN은, 각형 형상으로 석출되므로, 반복 응력이 부하되었을 때에 응력 집중되어, 파괴 기점으로 되기 쉽다. 따라서, 이 각형 형상으로 석출되는 TiN을 억제하는 것이 매우 중요하다.

금속 조직에 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 존재하는 경우, TiN은, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 우선적인 핵 생성 사이트로 하여 복합 석출한다. 그리고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 도 1에 도시하는 대략 구 형상인 REM-Ca-Al-O-S-TiN 복합 산황화물로 된다. 그 결과, 도 2 중의 B로서 나타내는, 뾰족한 각형 형상이며 경질인 TiN이, 단독으로 석출되는 것이 억제된다. 또한, 상기 금속 조직에 대해, 상세한 것은 후술한다.

TiN을 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 복합 석출시켜, 단독으로 존재하는 TiN의 석출량을 저감시키기 위해서는, Ti 함유량을 0.005％ 미만으로 제한할 필요가 있다. 또한, 종래, TiN에 의한 피로 특성의 열화를 억제하기 위해서는, Ti 함유량을 0.001％ 이하로 할 필요가 있었다. 그러나, 본 발명의 일 형태에서는, Ti 함유량이 0.005％ 미만이면, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 효과에 의해, 종래 지식 레벨보다도 Ti가 많이 포함되어도 피로 특성이 양호해진다. 이와 같이 Ti 함유량을 0.005％ 미만으로 제한하면, 안정적으로 피로 특성이 좋은 베어링 강을 제조하는 것이 가능해진다.

TiN 석출량을 저감시키기 위해서는, Ti 함유량이 적을수록 바람직하므로, 상기 제한 범위에 0％가 포함된다. 그러나, Ti 함유량을 0％로 하는 것은, 기술적으로 용이하지 않고, 또한 안정적으로 0.0002％ 이하로 하는 데에도 제강 비용이 높아진다. 따라서, Ti 함유량의 제한 범위는, 0.0002％ 초과∼0.005％ 미만인 것이 바람직하다. 제강 비용의 관점에서, Ti 함유량의 제한 범위를 0.001％ 초과∼0.005％ 미만으로 하면 더욱 바람직하다. 또한, 통상의 조업 조건에서는, 불가피적으로, Ti가 0.003％ 정도 함유된다.

N:0.015％ 이하

N(질소)은 불순물로, 질화물을 형성하여 피로 특성을 떨어뜨리고, 또한 변형 시효에 의해 연성 및 인성에 악영향을 미치는 원소이다. N 함유량이 0.015％를 초과하면 상기 폐해가 현저해진다. 따라서, N 함유량을 0.015％ 이하로 제한한다.

질화물량을 저감시키기 위해서는, N 함유량이 적을수록 바람직하므로, 상기 제한 범위에 0％가 포함된다. 그러나, N 함유량을 0％로 하는 것은, 기술적으로 용이하지 않고, 또한 안정적으로 0.0008％ 미만으로 하는 데에도 제강 비용이 높아진다. 따라서, N 함유량의 제한 범위는, 0.0008％∼0.015％인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, N 함유량의 제한 범위를 0.0008％∼0.010％로 한다.

P:0.03％ 이하

P(인)는 불순물로, 결정립계에 편석되어 피로 수명을 손상시키는 원소이다. P 함유량이 0.03％를 초과하면, 피로 수명의 저하가 현저해진다. 따라서, P 함유량을 0.03％ 이하로 제한한다.

피로 수명의 저하를 억제하기 위해서는, P 함유량이 적을수록 바람직하므로, 상기 제한 범위에 0％가 포함된다. 그러나, P 함유량을 0％로 하는 것은 기술적으로 용이하지 않고, 또한 안정적으로 0.0005％ 미만으로 하는 데에도 제강 비용이 높아진다. 따라서, P 함유량의 제한 범위는, 0.0005％∼0.03％인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, P 함유량의 제한 범위를 0.0005％∼0.02％로 한다.

S:0.05％ 이하

S(황)는 불순물로, 황화물을 형성하는 원소이다. S 함유량이 0.05％를 초과하면, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에 포함되는 REM과 Ca의 S를 고정화하는 효과가 불충분해지고, 도 2 중의 D로서 나타내는 조대한 MnS가 형성되어, 피로 수명을 손상시킨다. 따라서, S 함유량을 0.05％ 이하로 제한할 필요가 있다.

MnS 석출을 억제하기 위해서는, S 함유량이 적을수록 바람직하므로, 상기 제한 범위에 0％가 포함된다. 그러나, S 함유량을 0％로 하는 것은 기술적으로 용이하지 않고, 또한 안정적으로 0.0003％ 이하로 하는 데에도 제강 비용이 높아진다. 따라서, S 함유량의 제한 범위는, 0.0003％ 초과∼0.05％인 것이 바람직하다. 또한, S에는 피삭성을 높이는 작용이 있어, S 함유량이 0.005％ 이상인 경우에 피삭성이 향상된다. 이로 인해, 피삭성을 중시하는 경우에는, S 함유량의 제한 범위를 0.005％∼0.05％로 해도 된다.

S 함유량이 0.05％ 이하이고, 또한 불가피적으로 Ca가 0.00001％ 이상 함유되면, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 S를 고정화하는 효과에 의해, MnS의 석출량이 허용 범위 내로 억제된다. 이 경우, Ca를 의도적으로 첨가하지 않아도 된다. 단, S를 고정화하는 효과를 더욱 높이고자 하는 경우에, Ca를 의도적으로 첨가하는 것이 바람직하다. S 함유량이 상기 제한 범위 내에서 높은 함유량일 때, 구체적으로는, S 함유량이 0.01％ 초과∼0.05％일 때, Ca를 첨가하여, Ca 함유량을 0.00050％∼0.0050％로 하는 것이 바람직하다. 이 결과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화하는 효과가 충분히 높아지고, 그리고 MnS의 석출이 충분히 억제된다.

또한, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화하는 효과는, REM과 Ca에 의해 얻어지지만, REM은 주조시의 노즐 폐색 등의 문제를 가지므로, 상기 상한값 이상으로 첨가할 수 없다. 따라서, S를 고정화하는 효과는, Ca 함유량에 의해 제어하는 것이 바람직하다.

이상이, 본 실시 형태에 있어서의 강의 기본 성분(기본 원소)이다. 상기한 기본 원소가 함유 또는 제한되고, 잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 그러나, 이 기본 성분에 더하여, 잔량부인 철의 일부 대신에 본 실시 형태에서는, 필요에 따라서 이하의 선택 원소를 강 중에 함유시켜도 된다. 또한, 이들 선택 원소가 강 중에 불가피적으로, 예를 들어 각 선택 원소의 하한 미만의 양만큼 혼입되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다.

즉, 본 실시 형태에 관한 베어링 강은 선택 성분으로서, V, Mo, W, Ni, Cu, Nb, B 중 적어도 하나를 더 함유해도 된다. 이하에, 선택 성분의 수치 한정 범위와 그 한정 이유를 설명한다. 여기서, 기재하는 ％는, 질량％이다.

V:0.05％∼0.70％

V는, 탄화물, 질화물, 탄질화물을 생성하는 원소이다. V의 첨가에 의해, 원 상당 직경이 0.2㎛ 미만인 미세한 V의 탄화물, 질화물, 탄질화물을 생성하여, 템퍼링 연화 저항의 향상, 항복점의 상승 및 구 오스테나이트의 미세화 등의 효과를 갖는다. V 함유량을 많게 하고, 템퍼링 시간을 연장시킴으로써, 상기 석출물을 충분히 석출시켜, 경도와 인장 강도를 상승시킬 수도 있다.

이들 효과를 얻기 위해서는, V 함유량을 0.05％∼0.70％로 하는 것이 바람직하다. V 함유량이 0.05％ 미만에서는, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 보다 바람직하게는, V 함유량의 하한값을 0.10％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 V가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

V 함유량이 0.70％ 초과에서는, 켄칭 전의 가열에서도 충분히 용해되지 않아, 조대한 구상 탄화물, 이른바 미용해 탄화물이 잔류하여, 가공성이나 피로 특성을 저해시킬 우려가 있다. 또한, V를 첨가함으로써, 가공 전의 깨짐이나, 신선시의 단선의 원인으로 되는 과냉 조직을 발생하기 쉬워진다. 따라서, V 함유량의 상한값은 0.70％인 것이 바람직하다. 베어링 제조시의 품질의 편차를 억제하여, 제조 안정성을 중시하는 경우에는, V 함유량의 상한값이 0.50％인 것이 바람직하고, 또는 0.30％ 이하인 것이 더욱 바람직하다.

Mo:0.05％∼1.00％

Mo는, 켄칭성을 높이는 원소이며, 또한 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 원소이다. Mo는, 강 중에서 Mo 함유 탄화물을 생성하는 원소이기도 하다. 이들 효과를 얻기 위해, Mo 함유량을 0.05％∼1.00％로 하는 것이 바람직하다.

Mo 함유 탄화물이 석출되는 온도는, V 함유 탄화물 등에 비하면 낮다. 저온에서 템퍼링을 행하는 베어링 강에 있어서, Mo 함유 탄화물은, 상기 특성을 향상시키는 데에 유효하다. 따라서, Mo 함유량의 하한값은 0.05％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mo 함유량의 하한값을 0.10％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 Mo가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

Mo 함유량이 1.00％ 초과로 되면, 열간 압연이나, 가공 전의 열처리 후의 냉각시에, 과냉 조직이 발생하기 쉬워진다. 과냉 조직은, 시효 균열이나 가공시의 깨짐의 원인으로 된다. 따라서, Mo 함유량의 상한값을 1.00％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Mo 함유량의 상한값을 0.50％로 한다.

베어링 제조시의 품질 편차를 억제하여, 제조 안정성을 확보하기 위해서는, Mo 함유량의 상한값을 0.20％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각시의 온도 편차에 기인하는 변태 변형을 정밀하게 제어하여, 형상 정밀도를 안정시키기 위해서는, Mo 함유량의 상한값을 0.15％로 하는 것이 바람직하다.

W:0.05％∼1.00％

W는, Mo와 마찬가지로, 켄칭성을 높여, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 원소이며, 또한 강 중에서 탄화물로서 석출되는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해, W 함유량을 0.05％∼1.00％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, W 함유량의 하한값을 0.10％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 W가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

한편, W 함유량이 1.00％ 초과로 되면, Mo와 마찬가지로, 열간 압연이나, 가공 전의 열처리에서의 냉각시에, 과냉 조직이 발생하기 쉬워진다. 따라서, W 함유량의 상한값을 1.00％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, W 함유량의 상한값을 0.50％로 한다.

베어링 제조시의 품질 편차를 억제하여, 제조 안정성을 확보하기 위해서는, W 함유량의 상한값을 0.20％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉각시의 온도 편차에 기인하는 변태 변형을 정밀하게 제어하여, 형상 정밀도를 안정시키기 위해서는, W 함유량의 상한값을 0.15％로 하는 것이 바람직하다.

Ni:0.10％∼3.50％

Ni는, 강의 강도를 높이는 원소이다. 이 효과를 얻기 위해, Ni 함유량을 0.10％∼3.50％로 하는 것이 바람직하다. Ni 함유량이 0.10％ 미만에서는, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Ni 함유량의 하한값을 0.10％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ni 함유량의 하한값을 0.20％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 Ni가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

한편, Ni 함유량이 3.50％ 초과로 되면, 잔류 오스테나이트량이 많아지고, 그 결과, 켄칭을 행해도 경도가 상승하지 않아, 베어링 강으로서 요구되는 경도를 만족시킬 수 없을 우려가 있다. 또한 잔류 오스테나이트를 많이 포함하는 베어링은, 그 사용에 수반하여, 팽창 변태인 마르텐사이트 변태가 발생하여, 베어링 제품의 형상 정밀도를 저하시킬 우려가 있다. 따라서, Ni 함유량의 상한값을 3.50％로 하는 것이 바람직하다.

Ni는 고가의 원소이므로, 제조 비용을 저감하기 위해서는, Ni 함유량의 상한값을 2.50％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ni 함유량의 상한값을 1.00％로 한다.

Ni는, Cu와 공존하는 경우, Cu의 폐해를 억제하는 원소이기도 하다. Cu는, 강의 열간 연성을 저하시켜, 종종, 열간 압연이나 열간 단조에 있어서, 깨짐이나 흠집의 원인으로 된다. 그러나, Cu와 동시에 Ni를 첨가하면, Cu와 Ni는 합금상을 형성하여, 열간 연성의 저하를 억제한다. 따라서, 강 중에 Cu가 존재하는 경우에는, Ni를 첨가하는 것이 바람직하다. Ni 함유량은 상기 범위 내이며, 또한 Cu 및 Ni의 질량％로 나타낸 함유량이, Cu≤Ni를 만족시키는 것이 바람직하다.

Cu:0.10％∼0.50％

Cu는, 내식성을 높이고, 그리고 탈탄을 억제하는 원소이다. 이들 효과를 얻기 위해, Cu 함유량을 0.10％∼0.50％로 하는 것이 바람직하다. Cu 함유량이 0.10％ 미만에서는, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Cu 함유량의 하한값을 0.10％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Cu 함유량의 하한값을 0.20％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 Cu가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

한편, Cu 함유량이 0.50％ 초과로 되면, 열간 연성이 저하되어 주조, 압연, 단조 등의 제조 공정에서의 깨짐이나 흠집의 발생 원인으로 될 우려가 있다. 따라서, Cu 함유량의 상한값을 0.50％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Cu 함유량의 상한값을 0.40％로 한다. 또한, 상기한 바와 같이, Cu 함유량은 상기 범위 내이며, 또한 Cu 및 Ni의 질량％로 나타낸 함유량이, Cu≤Ni를 만족시키는 것이 바람직하다. 그 결과, 열간 연성의 저하를 억제하여, 베어링 강의 품질을 양호하게 유지할 수 있다.

Nb:0.005％∼0.050％ 미만

Nb는, 강 중의 C, N과 결부되어, 탄화물, 질화물, 탄질화물을 생성하는 원소이다. 미량의 첨가로도, 첨가하지 않는 경우에 비해, 결정립의 조대화를 방지하는 효과를 갖는다. 또한, Nb를, V 등의 탄화물, 질화물, 탄질화물을 생성하는 원소와 복합 첨가하는 경우, Nb는, V보다도 질화물을 생성하기 쉬워, 그 결과, V가 질화물을 생성하지 않고, 오스테나이트 입경의 미세화에 유효한 V 함유 탄화물이 생성되기 쉬워진다고 하는 효과도 갖는다. 이와 같이, 미량의 Nb 첨가로도, 보다 효과적으로, 오스테나이트 입경 제어나, 템퍼링 연화 저항의 부여를 행할 수 있다.

상기 효과를 얻기 위해, Nb 함유량을 0.005％∼0.050％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. Nb 함유량이 0.005％ 미만에서는, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Nb 함유량의 하한값을 0.005％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Nb 함유량의 하한값을 0.010％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 Nb가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

한편, Nb는, 열간 연성을 저하시키는 원소이기도 하다. Nb 함유량이 0.050％ 이상으로 되면, 주조, 압연, 단조 등의 제조 공정에서의 깨짐의 발생 원인으로 되어, 제조성을 크게 손상시킬 우려가 있다. 따라서, Nb 함유량의 상한값을 0.050％ 미만으로 하는 것이 바람직하다. 냉간 가공성이나, 절삭성을 중시하는 경우에는, Nb 함유량의 상한값을 0.030％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Nb 함유량의 상한값을 0.020％로 한다. V 등의 켄칭성을 높여, 템퍼링 연화 저항을 향상시키는 원소와 복합 첨가하는 경우에는, Nb 함유량의 상한값을 0.010％로 해도 된다.

B:0.0005％∼0.0050％

B는, 미량의 첨가로, 강의 켄칭성을 높이는 원소이다. 또한, B는, 모재가 고탄소강인 경우, 열간 압연 후의 냉각 과정에서 B와 Fe를 함유하는 탄화물을 생성하고, 페라이트의 성장 속도를 증가시켜, 강재의 가공성을 향상시키는 원소이다. 또한, B는, 오스테나이트 입계에 편석됨으로써 P의 입계 편석을 억제하여 입계 강도를 향상시키고, 그리고, 피로 강도, 충격 강도를 향상시키는 원소이기도 하다.

상기 효과를 얻기 위해, B 함유량을 0.0005％∼0.0050％로 하는 것이 바람직하다. B 함유량이 0.0005％ 미만에서는, 상기 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, B 함유량의 하한값을 0.0005％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, B 함유량의 하한값을 0.0010％로 한다. 또한, 하한 미만의 양의 B가 강 중에 함유되어도, 본 실시 형태에 있어서의 효과를 손상시키지 않는다. 또한, 합금 비용의 저감을 위해서는, 이 선택 원소를 의도적으로 강 중에 첨가할 필요가 없으므로, 하한값을 0％로 해도 된다.

한편, B 함유량이 0.0050％ 초과로 되면, 상기 효과가 포화되고, 또한 주조, 압연, 단조 등의 제조시에, 마르텐사이트나 베이나이트 등의 과냉 조직을 용이하게 생성하여, 제품의 제조성이나 충격 강도를 떨어뜨릴 우려가 있다. 따라서, B 함유량의 상한값을 0.0050％로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, B 함유량의 상한값을 0.0030％로 한다.

다음으로, 본 실시 형태에 관한 베어링 강의 금속 조직에 대해 설명한다.

상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 베어링 강의 금속 조직은, Rare Earth Metal, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 복합 산황화물(REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물)과, Al₂O₃과, Al 및 Ca를 포함하는 복합 산화물(Al-Ca-O 복합 산화물)과, MnS와, TiN과, 그 밖의 개재물을 포함한다. 또한, 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에, TiN이 우선적으로 석출되어, REM-Ca-Al-O-S-TiN 복합 산황화물로 된다. 여기서, 이 REM-Ca-Al-O-S-TiN 복합 산황화물의 TiN은, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에 TiN이 석출되어 복합화되어 있는 것을 나타낸다.

강에 첨가된 REM은, 우선 강 중의 Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물과 반응하고, 이들 산화물의 O를 빼앗아 REM 산화물을 생성한다. 이 REM 산화물이, 이어서, 강 중에 불가피적으로 함유되어 있는 Ca와, 또는 필요에 따라서 첨가되는 Ca와 반응하여 REM 복합 산화물로 된다. 이 REM 복합 산화물이, 강 중에 포함되는 불순물인 S를 흡수하여, REM, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 된다. 이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에, TiN이 우선적으로 석출된다.

이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 다음의 효과를 갖는다. Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물 등의 산화물이 금속 조직에 잔존하는 것을 억제하고, 조대한 황화물인 MnS가 생성되는 것을 억제하고, 및 질화물인 TiN이 단독으로 존재하는 것을 억제한다. 그 결과, 베어링 강의 피로 특성이 향상된다.

이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 대략 구 형상이며, 단조 등의 소성 가공에 의해 연신 혹은 파쇄되는 일이 없다. 따라서, 반복 응력이 부하되었을 때에, 파괴 기점으로 되기 어렵다. 여기서, 대략 구 형상이라 함은, 도 1에 도시되는 개재물 표면의 최대 요철이 0.5㎛ 이하이거나, 또는 개재물의 긴 직경을 짧은 직경으로 나눈 값이 3 이하인 것을 의미한다.

상기 효과를 얻기 위해서는, 금속 조직 중의 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수가, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN 등의 개재물의 합계 개수에 대해 50％ 이상 100％ 미만일 필요가 있다. REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수가, 50％ 미만에서는, 베어링 강의 피로 특성을 향상시키는 효과가 얻어지지 않는다. 또한, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수를 100％로 하는 것은, 실질적으로 곤란하다. 보다 바람직하게는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수를 60％ 이상 100％ 미만으로 한다. 또한, 이 개수 비율을 구할 때, 예를 들어 1㎛ 이상의 개재물을 주로 고려하면 된다.

또한, 상기 효과를 얻기 위해서는, 긴 직경이 5㎛ 이상인 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 2개 이하일 필요가 있다. 여기서, 긴 직경이 5㎛ 미만인 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 규정 내의 산소량, 유황량으로는 존재하고 있어도 무해하므로, 고려하는 것으로부터 제외한다.

긴 직경이 5㎛ 이상인 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수가 0.001개 미만에서는, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN 등의 유해 개재물을 억제하는 효과가 불충분하다. 또한, 긴 직경이 5㎛ 이상인 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수가 2개 초과에서는 그 효과가 포화되고, 또한 석출량이 지나치게 많아, 피로 특성을 떨어뜨린다. 보다 바람직하게는, 긴 직경이 5㎛ 이상인 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 개수를, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.5개 이하로 한다.

또한, 확실하게 베어링 강의 피로 특성을 향상시키기 위해서는, 반복 응력이 부하될 때에 파괴 기점으로 되는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수를 적게 할 필요가 있다. 구체적으로는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.0개 미만일 필요가 있다.

REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 1.0개 이상에서는 베어링 강의 피로 특성을 향상시키는 효과가 충분하지 않다. 한편, 베어링 강의 피로 특성을 최적으로 향상시키기 위해서는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가 적을수록 바람직하다. 그러나, 실질적으로, 0.001개 미만으로 하는 것은 곤란하다. 따라서, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수를, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.0개 미만으로 하였다. 바람직하게는, 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 0.7개 이하이고, 보다 바람직하게는, 0.001개 이상 0.5개 이하이다.

REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN 등의 개재물의 개수는, EPMA(전자선 마이크로 분석, Electron Probe Micro Analysis), 또는 EDX(에너지 분산형 X선 분석, Energy Dispersive X-Ray Analysis)를 구비한 SEM(주사형 전자 현미경, Scanning Electron Microscope) 및 TEM(투과형 전자 현미경, Transmission Electron Microscope) 등을 이용하여 계측할 수 있다.

베어링 강의 연신 방향과 직교하는 절단면을 관찰면으로 하여, 상기 현미경으로 관찰하여 개재물의 존재를 식별하고, 그리고 EPMA 또는 EDX를 사용하는 조성 분석을 행하여, 이들 개재물의 종류를 동정(同定)하면 된다. 관찰 위치는, 예를 들어 환봉 형상인 경우, 상기 관찰면(길이 방향에 수직한 단면)에서 본 경우의 반경을 단위 ㎜로 r이라 하였을 때, 베어링 강(열간 가공 강재)의 표면으로부터 1/2r의 깊이까지의 영역을 평균적으로 관찰하면 된다. 관찰 배율은, 긴 직경이 1㎛ 이상인 개재물을 식별할 수 있는 배율 이상으로 하고, 또한 관찰 시야는, 최저라도 합계 1000㎟로 되도록 복수 시야 관찰한다. 그리고, 각 개재물의 존재 비율과, 관찰면 1㎟당의 존재 개수를 구하면 된다.

다음으로, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 Al 함유량은, Al₂O₃ 환산으로, 20질량％ 이하인 것이 바람직하다. 바꾸어 말하면, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 Al 함유량은, Al 원자 환산으로, 10.6질량％ 이하인 것이 바람직하다. 그 이유는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 융점이, 용강의 융점보다 높아져, 경질인 개재물로 되기 때문이다. 일반적으로, 용강보다 융점이 높은 개재물은 경도가 높아진다.

보다 확실하게, 상기 개재물의 융점을 용강의 융점보다 높게 하여, 경질인 개재물로 하기 위해서는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 Al 함유량이, Al₂O₃ 환산으로, 10질량％ 이하인 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 Al 함유량이, Al₂O₃ 환산으로, 5질량％ 이하로 한다. 또한, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에 TiN을 우선적으로 석출시키기 위해서는, 상기 개재물 중에, Al₂O₃ 환산으로, 1질량％ 이상의 Al이 포함되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, TiN은, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면을 우선적인 핵 생성 사이트로 하여 복합 석출한다. 그리고, REM-Ca-Al-O-S-TiN 복합 산황화물이 형성된다. 그 결과, 경질이며 뾰족한 각형 형상인 TiN의 단독의 석출이 억제된다.

이 REM-Ca-Al-O-S-TiN 복합 산황화물도, 도 1에 도시하는 바와 같이, 그 형상이 대략 구 형상이며, 파괴 기점으로 되기 어려운 무해 개재물이다. 또한, TiN이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 우선 핵 생성 사이트로 하여 복합 석출하는 이유는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 결정 격자 구조와 TiN의 결정 격자 구조가 유사하기 때문이라고 추정된다.

상기 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에, Ti는 산화물로서 포함되지 않는다. 이것은, C 함유량이 0.9％∼1.5％로 높으므로, 탈산시의 산소 레벨이 낮아, Ti 산화물의 생성이 극히 적기 때문이라고 생각된다. 또한, 상기 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에 Ti가 산화물로서 포함되지 않는 것이, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 결정 격자 구조와 TiN의 결정 격자 구조가 유사한 이유 중 하나라고 추정된다.

통상, 강에 Al과 Ca가 동시에 함유될 때, 강의 금속 조직에 Al-Ca-O 복합 산화물이 형성된다. 그러나, 이 Al-Ca-O 복합 산화물도, REM의 첨가에 의해, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태되어, 고융점화된다. 그로 인해, Al-Ca-O 복합 산화물이, 소성 가공에 의해 연신되어 조대해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제조 방법으로서 상세하게 후술하지만, 용강에 REM을 첨가한 후, 필요에 따라서 Ca를 첨가하므로, Ca계의 황화물인 CaS나 Ca-Mn-S 등은 형성되기 어렵다.

상기한 바와 같이, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화함으로써, 조대 MnS의 생성이 억제된다. 그리고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 TiN을 복합함으로써, 금속 조직 중에 단독으로 석출되는 TiN의 개수가 감소한다. 그 결과, 피로 특성이 향상된다. 단, 본 실시 형태에 관한 베어링 강의 금속 조직 중에 포함되는, MnS의 석출량과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 석출량이라 함은, 물론 적은 것이 이상적이지만, 제로로까지 저감시킬 필요는 없다.

베어링 강으로서 요구되는 피로 특성을 확실하게 만족시키기 위해서는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 금속 조직 중의 MnS 및 TiN의 석출량이, 다음 조건을 만족시키는 것이 바람직하다. 긴 직경이 10㎛ 이상인 MnS의 개수와, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 합계로 5개 이하인 것이 바람직하다.

긴 직경이 10㎛ 이상으로 연신된 MnS는, 반복 응력이 부하되었을 때에 파괴의 기점으로 되므로, 피로 수명에 악영향을 미친다. 긴 직경이 10㎛ 이상으로 연신된 MnS는 모두 피로 수명에 악영향을 미치므로, 이 긴 직경에 상한값은 없다. 마찬가지로, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는, 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN은, 그 각진 형상이 파괴 기점으로 되므로, 피로 수명에 악영향을 미친다. 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN은 모두 피로 수명에 악영향을 미치므로, 이 긴 직경에 상한값은 없다.

도 3에, 긴 직경이 10㎛ 이상인 MnS 및 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN의 합계 개수(MnS와 단독으로 존재하는 TiN의 합계 개수)와, 베어링 강의 피로 특성(L10 피로 수명)의 관계를 나타낸다.

도 3에 나타내어지는 바와 같이, 상기 MnS의 개수와, 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 합계로 5개 초과로 되면, 베어링 강의 피로 특성이 떨어진다. 따라서, 상기 MnS와 상기 TiN의 합계 개수는, 상기 범위로 제어되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 상기 합계 개수를, 관찰면 1㎟당, 4개 이하로 한다. 가장 바람직하게는, 상기 합계 개수를, 관찰면 1㎟당, 3개 이하로 한다. 또한, 상기 MnS와 상기 TiN의 상기 합계 개수의 하한값은 0.001개 초과이다.

이상, 설명한 바와 같이, 베어링 강의 피로 특성에 악영향을 미치는 유해 개재물인 Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물은, 주로 REM의 첨가 효과에 의해, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물로 변태되므로, 그 존재량이 저감된다. 또한, 유해 개재물인 MnS는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에 포함되는 REM과 Ca의 탈황 효과, 특히 Ca의 탈황 효과에 의해 그 석출량이 억제된다. 그리고, 유해 개재물인 TiN은, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에 우선적으로 석출되므로, 단독으로 석출되는 양이 저감된다. 이들의 결과, 피로 특성이 우수한 베어링 강을 얻는 것이 가능해진다.

다음으로, 본 실시 형태에 관한 베어링 강의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 베어링 강의 제조 방법에서는, 용강을 정련할 때의 탈산제의 투입 순서가 중요해진다.

Al 탈산 공정으로서, 성분 조성을 조정한 용강에 Al을 첨가하여 탈산을 행한다. Al 탈산 공정 후의 용강에, REM 탈산 공정으로서, REM을 첨가하여 5분 이상 10분 이하의 탈산을 행한다. 필요에 따라서, REM 탈산 공정 후의 용강에, 진공 탈가스 공정으로서, Ca를 첨가하여 진공 탈가스 처리를 행해도 된다. 이 순서로 탈산제를 첨가하여 용강을 레이들 정련함으로써, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 생성되어, 유해한 Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN의 생성을 억제할 수 있다.

REM의 첨가에는 미슈 메탈 등을 사용하면 되고, 괴상의 미슈 메탈을 정련 말기에 용강에 첨가하면 된다. 또한, 필요에 따라서, REM 탈산 공정 후이며 진공 탈가스 공정 전의 용강에, 플럭스 공정으로서, CaO-CaF₂ 등의 플럭스를 첨가하여 적절하게 탈황 및 개재물의 개질을 행해도 된다.

처음에 Al 탈산 공정을 행하는 이유는, Al 이외의 원소를 사용하여 탈산하면 비용이 높아지기 때문이다. Al 탈산 공정 후에 REM 탈산 공정을 행하는 이유는, Al 탈산 공정에서 생성되는 Al₂O₃ 및 용강에 불가피적으로 함유되는 Ca와 반응함으로써 생성되는 Al-Ca-O 복합 산화물을, REM과 반응시켜, 금속 조직 중에 잔존하는 양을 저감시키기 위함이다.

또한, REM 탈산 공정에서 5분 이상 10분 이하의 탈산을 행하는 이유는, 5분 미만에서는 Al-Ca-O 복합 산화물이 잔존하여, 이것을 방지할 수 없기 때문이다. 한편, REM 탈산 공정에서의 탈산 시간의 상한값은, 특별히 한정되지 않지만, 10분 초과에서는 그 효과가 포화된다.

REM 탈산 공정 후에, 필요에 따라서, Ca를 첨가하여 진공 탈가스 공정을 행하는 이유는, REM보다 Ca를 먼저 첨가하면, 즉, REM 탈산 공정 전에 진공 탈가스 공정을 행하면, 저융점이고, 또한 연신되기 쉬운 Al-Ca-O 복합 산화물이 다수 생성될 우려가 있기 때문이다. 불가피적으로 함유되는 Ca량에서는, 상기 Al-Ca-O 복합 산화물이 형성되기 어렵다. 그러나, 의도적으로 첨가되는 Ca량(예를 들어, 0.00050％ 이상)에서는, 상기 Al-Ca-O 복합 산화물이 다수 생성될 우려가 있다. 이 Al-Ca-O 복합 산화물이 생성되면, 가령 Ca 첨가 후에 REM을 첨가해도, 이 개재물을 충분히 변태시키는 것이 어렵다. 또한, 상기 공정순으로 하는 이유는, Ca를 함유하는 황화물인 CaS나 Ca-Mn-S 등의 형성을 억제할 수 있기 때문이기도 하다.

이 Ca를 첨가하는 진공 탈가스 공정은, 용강의 화학 성분이, 질량％로, S:0.01％ 초과∼0.05％를 함유할 때에 행하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, S 함유량이 0.01％ 초과∼0.05％인 경우, Ca 함유량이 0.00050％∼0.0050％로 되도록 Ca를 첨가하는 것이 바람직하다. 그 결과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 S를 고정화하는 효과가 더욱 높아진다. 그리고, MnS의 석출이 충분히 억제된다.

또한, 필요에 따라서, REM 탈산 공정 후이며 진공 탈가스 공정 전에 플럭스 공정을 행하는 이유는, REM보다 플럭스를 먼저 첨가하면, 즉, REM 탈산 공정 전에 플럭스 공정을 행하면, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 Al 함유량이, Al₂O₃ 환산으로, 20질량％ 초과로 되고, 그 결과, 이 복합 산황화물의 융점이 낮아져 파쇄되기 쉬워지기 때문이다. 이 파쇄된 복합 산황화물은, 연신된 개재물과 마찬가지로 피로 특성에 악영향을 미치므로, REM 첨가에 의한 개재물의 개질 효과가 충분하지 않게 된다.

계속해서, 주조 공정으로서, 상기 REM 탈산 공정 후, 또는 진공 탈가스 공정 후의 용강을 주조하여 주조편을 얻는다. 이 주조 공정에서는, 용강을 주형 내에서 수평 방향으로 0.1m/분 이상 0.5m/분 이하로 선회시켜 주조 응고시키는 것이 바람직하다.

상기한 Al 탈산이나 REM 탈산 등의 레이들 정련에 의해 형성되는 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 그 비중이 6 정도로, 강의 비중인 7에 가깝다. 그로 인해, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물은, 용강 중에서 부상 분리되기 어렵고, 주형 내에 용강이 주입되었을 때에 하강류에 의해 주조편 미응고층 깊이까지 침입하여, 주조편의 중심부에 편석되기 쉽다. 주조편의 중심부에 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물이 편석되면, 주조편의 표층부에서 복합 산황화물의 양이 상대적으로 적어진다. 그리고, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 석출의 우선 핵 생성 사이트로 하는 TiN의 무해화 효과가, 주조편의 표층부에서 손상된다.

따라서, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 편석을 방지하기 위해, 필요에 따라서, 주형 내의 용강을 수평 방향으로 교반하여 선회시켜, 개재물을 균일 분산시키는 것이 바람직하다. 용강을 주형 내에서 수평 방향으로 0.1m/분 이상 0.5m/분 이하로 선회시킴으로써, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 균일 분산을 도모할 수 있다. 주형 내 선회 속도가 0.1m/분 미만에서는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 균일하게 분산시키는 효과가 작다. 또한, 통상의 조건에 있어서 상정되는 상기 선회 속도의 범위의 상한은, 0.5m/분이다. 용강을 교반하기 위한 방법으로서는, 예를 들어 전자력 등을 적용하면 된다.

다음으로, 가열 유지 공정으로서, 상기 주조 공정 후의 주조편을, 1270℃∼1300℃의 온도 범위로 가열하여, 이 가열 후에, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서 60초 이상의 유지를 행한다. 이 가열 유지 공정에서는, 상기 주조 공정 후에, 실온까지 냉각한 주조편을 재가열하여 유지해도 되고, 혹은 실온까지 냉각되어 있지 않은 주조편을 재가열하여 유지해도 된다. 공업적으로는 재질의 균질화를 위해, 1200℃∼1250℃의 온도 범위의 노 내에서 72시간 정도의 장시간 가열하는 경우도 있고, 복합 산황화물의 제어에는 문제없다. 따라서, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서의 유지 시간의 상한값은 특별히 한정되지 않지만, 통상의 조업 조건을 고려하여, 이 상한값을 100시간으로 하면 된다.

1270℃∼1300℃의 온도 범위로 가열하는 이유는, 1270℃ 미만에서는, 용체화 처리 온도로서 불충분하고, 주조 공정 후의 냉각 중에 석출된, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립된 TiN을, 용해하여 고용시킬 수 없기 때문이다. 1300℃ 초과에서는, 가열을 위해 고가의 설비가 필요해지고, 가열 비용도 상승한다.

상기 가열 후에, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서 유지를 행하는 이유는, 상기 가열에 의해 용해된 TiN을, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면에 우선적으로 복합 석출시키기 위함이다. REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물의 표면을 우선 핵 생성 사이트로 하여 TiN을 석출시키고, 충분히 성장시키기 위해서는, 60초 이상의 유지가 필요하다. 또한, 공업적으로는 재질의 균질화를 위해, 72시간 정도의 장시간 가열하는 경우도 있다. 이 경우라도, 복합 산황화물의 제어에 문제는 없다.

또한, 일반적인 강, 예를 들어 저탄소강에서는, 1270℃∼1300℃의 온도 범위로 가열한 후, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서 유지해도 TiN이 고용되어 있는 상태이며, 석출되지 않는다. 그러나, 본 실시 형태에 관한 강에서는, C 함유량이 0.9％∼1.5％인 고탄소강이므로, 강의 N 용해도가 낮기 때문에, 상기 온도 범위에서 유지하면, TiN이 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물 상으로 우선적으로 석출되어 성장한다고 생각된다.

계속해서, 열간 가공 공정으로서, 상기 가열 유지 공정 후의 주조편에, 열간 단조나 열간 압연 등의 소성 가공을 실시하여 열간 가공 강재(베어링 강)를 얻는다. 이 열간 가공은, A_rm(과공석강에 있어서, 냉각시에, 오스테나이트로부터 시멘타이트가 생기기 시작하는 온도) 이상, 1200℃ 이하의 온도 범위에서 행하는 것이 바람직하다. 열간 가공을 A_rm의 온도 미만에서 행하면, 시멘타이트 분율이 상승하여 소성 가공성이 저하되고, 또한 1200℃ 초과에서 행하면, 가열하기 위한 에너지를 과잉으로 사용하여 비용 증가를 초래하기 때문이다. 또한, 가열 유지 공정 후의 주조편을 냉각하는 일 없이, 이 열간 가공 공정에 제공하는 것이, 비용의 관점에서 바람직하다. 또한, 이 열간 가공 공정에서 열간 가공 강재에 형상을 부여하여 최종 형상을 갖는 제품(베어링 강 또는 베어링)으로 해도 된다.

본 실시 형태에 관한 베어링 강은, 질량％로, 0.9％∼1.5％의 C를 함유하는 과공석강이므로, 상기 열간 가공 강재는, 통상, 판 형상의 초석 시멘타이트와 펄라이트를 주로 갖는 금속 조직을 나타낸다. 그리고, 그 경도는 비커스 경도로 250Hv∼400Hv 정도의 경질인 것으로 된다.

열간 가공 공정 후의 열간 가공 강재는 경질이므로, 열간 가공 강재에 구상화 어닐링 등의 열처리를 실시하는 연질화 열처리 공정을 행하는 것이 바람직하다. 이 연질화 열처리 공정에서는, 열간 가공 강재를, 700℃∼750℃의 온도 범위에서, 30시간 이상 50시간 이하 유지하는 것이 바람직하다. 유지 시간이 30시간 미만에서는 연질화가 불충분하고, 유지 시간이 50시간 초과에서는 그 효과가 포화된다. 이 연질화 열처리 공정에 의해, 탄화물의 구상화가 진행되어, 열간 가공 강재를 연질화 강재로 할 수 있다.

이 연질화 강재를, 필요에 따라서, 냉간 가공 공정 및 절삭 공정 중 적어도 어느 한쪽에 제공함으로써, 최종 부품 형상에 가까운 형태로 성형하면 된다. 계속해서, 켄칭 공정으로서, 상기 냉간 가공 공정, 또는 상기 절삭 공정 후의 최종 부품 형상에 가까운 형태인 강재를, 경도를 높이기 위해, 830℃ 이상 900℃ 이하의 온도 범위로부터 켄칭하는 것이 바람직하다. 이 켄칭 공정에 의해, 상기 강재의 경도를 비커스 경도로 800Hv 이상으로 할 수 있다. 또한, 필요에 따라서, 최종 마무리 공정으로서, 켄칭 공정 후의 강재를, 연삭 등의 고경도 또한 고정밀도의 가공이 가능한 방법을 사용하여, 정밀 치수가 요구되는 베어링 미끄럼 이동부 등의 최종 마무리를 행하여, 최종 부품 형상인 베어링으로 하면 된다.

실시예 1

이하, 실시예에 의해 본 발명의 일 형태의 효과를 더욱 구체적으로 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되지 않는다. 본 발명은, 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한, 다양한 조건을 채용할 수 있다.

성분 조성을 조정한 용강에, 레이들 정련으로서, 표 1∼표 3 중에 나타내는 순서로, Al 탈산 공정, REM 탈산 공정, 그리고 필요에 따라서, 플럭스 공정 또는 Ca를 첨가하는 진공 탈가스 공정을 실시하였다. 표 중, 밑줄로 나타내는 수치는, 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다. Al 탈산 공정에서는 금속 Al을, REM 탈산 공정에서는 미슈 메탈을, 진공 탈가스 공정에서는 Ca-Si 합금을, 플럭스 공정에서는 CaO:CaF₂＝50:50(질량비)의 플럭스를 사용하였다.

이 레이들 정련 후의 용강을, 주조 공정으로서, 연속 주조 장치에 의해 한 변이 300㎜인 주조편으로 주조하였다. 표 4∼표 9 중에, 주조편의 성분 조성을 나타낸다. 이 성분 조성의 잔량부는, 철 및 불가피적 불순물이다. 표 중, 밑줄로 나타내는 수치는, 본 발명의 범위 밖인 것을 나타내고, 공란은 무첨가인 것을 나타낸다. 또한, 상기 주조 공정에서는, 표 1∼표 3 중에 나타내어진 조건으로 전자 교반에 의한 주형 내 선회를 행하였다. 주조 공정 후의 주조편에, 가열 유지 공정으로서, 표 1∼표 3 중에 나타내어진 가열 유지 조건의 열처리를 행하였다.

가열 유지 공정 후의 주조편을, 열간 가공 공정으로서, 1190℃의 온도로 열간 단조하여, 20㎜의 환봉 형상인 열간 가공 강재(베어링 강)로 하였다. 이 열간 가공 강재에, 필요에 따라서, 연질화 열처리 공정으로서, 720℃의 온도로 40시간의 열처리를 실시하여, 연질화 강재(베어링 강)로 하였다. 그리고, 절삭 공정으로서, 10㎜의 환봉 형상으로 되도록 연삭 가공을 행하였다. 절삭 공정 후의 강재에, 켄칭 공정으로서, 850℃의 온도로부터 켄칭 처리를 행하여, 제품인 베어링 강으로 하였다.

금속 조직의 관찰은, 상기 베어링 강의 연신 방향과 직교하는 절단면이 관찰 면으로 되도록, 선택적 정전위 전해 에칭법(SPEED법)으로 처리한 후, 강 중의 개재물을 주사형 전자 현미경으로 관찰하였다. 그리고, EDX를 사용하는 조성 분석에 의해 개재물의 종류를 동정하였다. 상기 관찰은, 상기 관찰면(길이 방향에 수직한 단면)에서 본 경우의 반경을 단위 ㎜로 r이라 하였을 때, 표면으로부터 1/2r의 깊이까지의 영역을 평균적으로, 관찰 시야가 합계 1000㎟ 이상으로 되도록 복수 시야에서 행하여, 각 개재물의 개수를 측정하였다. 표 10∼표 12 중에, 개재물의 합계 개수에 대한 복합 산황화물의 개수 분율, 긴 직경이 5㎛ 이상인 복합 산황화물의 관찰면 1㎟당의 존재 개수, 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN의 관찰면 1㎟당의 존재 개수, 긴 직경이 10㎛ 이상인 MnS의 개수와 상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 긴 직경이 5㎛ 이상인 TiN과의 관찰면 1㎟당의 합계 개수 및 복합 산황화물의 Al₂O₃ 환산에서의 Al 함유량을 나타냈다.

또한, 피로 특성은, 상기 베어링 강을 초음파 피로 시험에 의해 하중 조건 1000㎫로 측정하고, 와이블 통계를 사용하여 L10 피로 특성으로서 평가하였다. 피로 특성은, L10 피로 특성이, 10×10⁶회 이상인 경우를 합격으로 하였다. 또한, 기계적 특성의 평가로서, 상기 베어링 강을 180℃로 템퍼링한 후에, 비커스 경도 Hv를 측정하였다. 기계적 특성은, 180℃ 템퍼링 경도가, 600Hv 이상인 경우를 합격으로 하였다.

측정 결과 및 평가 결과를 표 10∼표 12 중에 나타낸다. 표 중, 밑줄로 나타내는 수치는, 본 발명의 범위 밖인 것을 나타낸다. 표 중, No.1∼No.61이 발명예이고, No.62∼No.98이 비교예이다. 표 10∼표 12에 나타내는 바와 같이, 발명예에서는, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물에 TiN이 복합 석출된 것[표 중, REM-Ca-Al-O-S-(TiN)으로 나타냄]이 많고, Al₂O₃ 및 Al-Ca-O 복합 산화물은 거의 관찰되지 않았다.

또한, 발명예의 No.1∼No.61은, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물, TiN, MnS 등의 개수나 분율에 관한 수치가, 모두 목표를 달성하고 있다. 그 결과, 모두 L10 피로 특성이, 10×10⁶회 이상으로 되어 합격이었다. 또한, 마찬가지로, 모두 180℃ 템퍼링 비커스 경도 Hv가, 600Hv 이상으로 되어 합격이었다.

이에 반해, 비교예의 No.62∼No.98은, 화학 조성, 금속 조직 또는 제조 방법이, 목표를 달성하고 있지 않다. 그 결과, L10 피로 특성 및/또는 180℃ 템퍼링 비커스 경도가 불충분하게 되어 있다.

비교예 No.62∼65는 Ca 첨가량이 본 발명 범위를 하회하고, 그 결과, 산황화물의 생성률이 낮고, 또한 연신된 황화물 개수가 많아, L10 피로 특성이 불충분해졌다.

비교예 No.66은, 가열 온도와 유지 시간이 본 발명 범위를 하회하고, 그 결과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가 많아, L10 피로 특성이 불충분해졌다.

비교예 No.67, 68, 73∼75, 78∼98은, 첨가 성분이 본원 규정의 범위를 벗어나고, 그 결과, L10 피로 특성이 부족 또는 켄칭 크랙, 가공에 의한 깨짐을 발생하여, 베어링으로서의 성능을 만족시킬 수 없다.

비교예 No.69는, REM 첨가량이 본 발명 범위를 상회하고, 그 결과, 내화물에의 부착이 많아, 제조 불능이라 판정되었다.

비교예 No.70, 72는, 레이들 정련시의 처리 순서가 본 발명과는 다르므로, 그 결과, 산황화물 또는 산화물의 형태가 변화되고, 개재물이 커져, L10 피로 특성이 불충분하였다.

비교예 No.71은, REM 탈산 시간이 본 발명 범위를 하회하고, 그 결과, 산황화물의 생성률이 낮고, 또한 연신된 황화물 개수가 많아져, L10 피로 특성이 불충분해졌다.

비교예 No.76은, 유지 온도가 본 발명 범위를 하회하고, 그 결과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가 많아, L10 피로 특성이 불충분해졌다.

비교예 No.77은, 유지 온도가 본 발명 범위를 상회하고(그로 인해, 그 후의 냉각시에 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서의 유지 시간이 60초 이하였으므로), 그 결과, REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 TiN의 개수가 많아, L10 피로 특성이 불충분해졌다.

본 발명의 상기 형태에 따르면, 강의 금속 조직에 REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물을 형성시킴으로써, 유해 개재물인, Al₂O₃, Al-Ca-O 복합 산화물, MnS 및 TiN의 생성과 그 석출 형태를 제어할 수 있다. 그 결과, 피로 특성이 우수한 베어링 강과 그 제조 방법을 제공하는 것이 가능해지므로, 산업상 이용 가능성이 높다.

A : REM-Ca-Al-O-S 복합 산황화물
B : TiN
C : 초석 시멘타이트
D : MnS

Claims

화학 성분이, 질량％로,
C:0.9％∼1.5％,
Si:0.1％∼0.8％,
Mn:0.1％∼1.5％,
Cr:0.5％∼2.0％,
Al:0.01％∼0.05％,
Ca:0.00001％∼0.0050％,
Rare Earth Metal의 총 함유량:0.0001％∼0.050％,
O:0.0001％∼0.0030％,
를 함유하고,
Ti:0.005％ 미만,
N:0.015％ 이하,
P:0.03％ 이하,
S:0.05％ 이하,
로 제한하고,
잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지고,
금속 조직이,
개재물로서, Rare Earth Metal, Ca, O, S 및 Al을 포함하는 복합 산황화물과, TiN과, MnS와, Al₂O₃과, Al 및 Ca를 포함하는 복합 산화물을 함유하고,
상기 개재물의 합계 개수에 대해 상기 복합 산황화물의 개수가, 50％ 이상 100％ 미만이고, 또한 가장 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 복합 산황화물의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 2개 이하이고,
상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 가장 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 0.001개 이상 1.0개 미만인 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제1항에 있어서, 상기 화학 성분의 상기 S 함유량이,
S:0.01％ 초과 0.05％ 이하,
일 때, 상기 Ca 함유량을,
Ca:0.00050％∼0.0050％,
로 하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제1항에 있어서, 상기 화학 성분이 질량％로,
V:0.05％∼0.70％,
Mo:0.05％∼1.00％,
W:0.05％∼1.00％,
Ni:0.10％∼3.50％,
Cu:0.10％∼0.50％,
Nb:0.005％ 이상 0.050％ 미만,
B:0.0005％∼0.0050％,
중 적어도 하나를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제2항에 있어서, 상기 화학 성분이 질량％로,
V:0.05％∼0.70％,
Mo:0.05％∼1.00％,
W:0.05％∼1.00％,
Ni:0.10％∼3.50％,
Cu:0.10％∼0.50％,
Nb:0.005％ 이상 0.050％ 미만,
B:0.0005％∼0.0050％,
중 적어도 하나를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합 산황화물의 Al 함유량이, Al₂O₃ 환산으로, 20질량％ 이하인 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가장 긴 직경이 10㎛ 이상인 상기 MnS의 개수와, 상기 복합 산황화물과 독립적으로 존재하는 가장 긴 직경이 5㎛ 이상인 상기 TiN의 개수가, 관찰면 1㎟당, 합계로 5개 이하인 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제3항에 있어서, 상기 Cu 및 상기 Ni의 질량％로 나타낸 함유량이, Cu≤Ni를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
제4항에 있어서, 상기 Cu 및 상기 Ni의 질량％로 나타낸 함유량이, Cu≤Ni를 만족시키는 것을 특징으로 하는, 베어링 강.
Al을 사용하여 용강을 탈산하는 Al 탈산 공정과,
상기 Al 탈산 공정 후의 상기 용강을, Rare Earth Metal을 사용하여 5분 이상 10분 이하의 탈산을 행하는 REM 탈산 공정과,
상기 REM 탈산 공정 후의 상기 용강을, 주조하여, 화학 성분이, 질량％로,
C:0.9％∼1.5％,
Si:0.1％∼0.8％,
Mn:0.1％∼1.5％,
Cr:0.5％∼2.0％,
Al:0.01％∼0.05％,
Ca:0.00001％∼0.0050％,
Rare Earth Metal의 총 함유량:0.0001％∼0.050％,
O:0.0001％∼0.0030％,
를 함유하고,
Ti:0.005％ 미만,
N:0.015％ 이하,
P:0.03％ 이하,
S:0.05％ 이하,
로 제한하고,
잔량부가 철 및 불가피적 불순물로 이루어지는 주조편을 얻는 주조 공정과,
상기 주조편을, 1270℃∼1300℃의 온도 범위로 가열하여, 상기 가열 후에, 1200℃∼1250℃의 온도 범위에서 60초 이상의 유지를 행하는 가열 유지 공정과,
상기 가열 유지 공정 후의 상기 주조편을, 열간 소성 가공하여 열간 가공 강재를 얻는 열간 가공 공정을 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 용강의 화학 성분이, 질량％로,
S:0.01％ 초과 0.05％ 이하,
를 함유할 때,
상기 REM 탈산 공정 후이며 상기 주조 공정 전의 상기 용강에, Ca를 첨가하여 진공 탈가스 처리를 행하는 진공 탈가스 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제9항에 있어서, 상기 주조편의 상기 화학 성분이 질량％로,
V:0.05％∼0.70％,
Mo:0.05％∼1.00％,
W:0.05％∼1.00％,
Ni:0.10％∼3.50％,
Cu:0.10％∼0.50％,
Nb:0.005％ 이상 0.050％ 미만,
B:0.0005％∼0.0050％,
중 적어도 하나를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제10항에 있어서, 상기 주조편의 상기 화학 성분이 질량％로,
V:0.05％∼0.70％,
Mo:0.05％∼1.00％,
W:0.05％∼1.00％,
Ni:0.10％∼3.50％,
Cu:0.10％∼0.50％,
Nb:0.005％ 이상 0.050％ 미만,
B:0.0005％∼0.0050％,
중 적어도 하나를 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조 공정에서, 상기 용강을 주형 내에서 수평 방향으로 0.1m/분 이상 0.5m/분 이하로 선회시켜 주조하는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열간 가공 공정 후의 상기 열간 가공 강재를, 700℃∼750℃의 온도 범위로 가열하여, 30시간 이상 50시간 이하 유지함으로써 연질화 강재를 얻는 연질화 열처리 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.
제10항 또는 제12항에 있어서, 상기 REM 탈산 공정 후이며 상기 진공 탈가스 공정 전의 상기 용강에 CaO-CaF₂를 첨가하여 탈황을 행하는 플럭스 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 베어링 강의 제조 방법.