KR101990941B1 - 롤링 피로 수명이 우수한 강 - Google Patents

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Abstract

강 중의 산소 함유량, 유황 함유량 및 Al 함유량을 규제하는 동시에, MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비 및 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물에 차지하는 개수의 비율을 규제함으로써 롤링 피로 수명이 우수한 기계용 부품에 사용되는 강이 제공된다. 이 강은, 표면 경도를 58 HRC 이상으로 하는 기계 부품에 사용하는 강으로, 강 중의 산소 함유량이 질량 비율로 8ppm 이하, 유황 함유량이 0.008 질량% 이하, Al 함유량이 0.011∼0.030 질량%이며, 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.25∼1.50의 범위로 규제하고, 또한 MgO―Al2O3계 산화물의 전체 산화물계 개재물에 차지하는 개수의 비율을 70% 이상으로 한, 롤링 피로 수명이 우수한 강이다.

Description

롤링 피로 수명이 우수한 강{STEEL HAVING EXCELLENT ROLLING FATIGUE LIFE}
본 출원은, 2012년 5월 7일자에 출원된 일본 특허 출원 제2012―105956호와 2013년 1월 15일자에 출원된 일본 특허 출원 제2013―5016호에 기초한 우선권을 주장하는 것이며, 그 전체의 개시 내용이 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은, 베어링, 기어, 허브 유닛, 토로이달형(toroidal type) CVT 장치, 등속(等速) 조인트, 및 크랭크 핀 등의 우수한 롤링 피로 수명이 요구되는, 표면 경도를 58 HRC 이상으로 경화시켜 사용되는 기계 부품이나 장치로서 적용되는 강(鋼)에 관한 것이다.
최근, 각종 기계 장치의 고성능화에 따라, 롤링 피로 수명이 요구되는 기계 부품이나 장치의 사용 환경은 과혹화(過酷化)되고 있다. 이에 따라, 이들 부품이나 장치의 수명 향상 및 신뢰성 향상에 대한 요구가 높아지고 있다. 이와 같은 요구에 대하여, 강재면(鋼材面)의 대책으로서는, 강 성분의 적정화나 롤링 피로 수명에 유해한 불순물 원소의 저감이 행해져 있어, 수명의 향상 및 신뢰성의 향상이 도모되고 있다.
강의 조성(組成)에 함유되는 불순물 원소 중, 예를 들면, 산소는, 알루미나 등의 파손의 기점(起点)으로 되는 산화물계 개재물(介在物)을 구성하는 원소이다. 따라서, 특히 유해성이 높은 산소에 관하여는, ppm 오더에의 함유량의 저감이 행해지고 있다. 또한, 높은 품질이 요구되는 경우에는, VAR, ESR 등의 특수 용해에 의해, 새로운 산소량의 저감이 행해지는 경우도 있다. 또한, 다른 불순물 원소에 관해서도, 그 함유량을 0.01 질량% 오더까지 저감시킴으로써, 이들의 악영향을 방지하는 대책이 취해지고 있다.
한편, 산화물계 개재물의 유해성 저감에 대해서도 검토되고 있다. 이들의 검토 중에서, 강 중에 존재하는 개재물을 SiO2―Al2O3―CaO계 개재물, 또는 SiO2―Al2O3―MnO계 개재물로 하고, 가공 후에서의 산화물계 개재물의 어스펙트비가 3.0 이상인 것이, 가공 후의 산화물계 개재물 중에 60% 이상 포함되는 것을 특징으로 하는 전동(轉動) 피로 특성이 우수한 강이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 또한, 강 중의 산화물의 개수에 관하여, {(MgO·Al2O3 개수＋MgO 개수)/전체 산화물계 개재물 개수}의 값을 0.80 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 고탄소계 고수명 베어링 강이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조). 또한, 알루미나계 산화물과 스피넬(spinel)계 산화물과의 합계 개수가 전체 산화물 개수의 60% 미만인 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링 강 및 그 제조 방법이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조). 동 특허 문헌 3 내에 한하여, 알루미나계 산화물이란, (MgO) 및 (SiO2)가 모두 3% 미만이며, 또한 (CaO)도 (CaO)/[(CaO)＋(Al2O3)]의 비로 0.08 이하인 것으로 정의되고, 스피넬계 산화물이란, 3%∼20%의 범위의 (MgO) 및 잔부(殘部)가 (Al2O3)인 2원계에, 15% 이내의 (CaO) 및/또는 15% 이내의 것(SiO2)이 혼입되는 경우가 있는 스피넬형 결정(結晶) 구조의 것으로 정의되어 있다. 또한, 개재물 직경을 (세로×가로)1/2로 정의한 경우의, 강 중의 3000㎟ 중에 존재하는 최대 개재물 직경을 가지는 산화물계 비금속 개재물, 또는 15㎛ 이상의 개재물 직경을 가지는 모든 산화물계 비금속 개재물의 조성이, 질량%로 SiO2: 30% 이상인 것을 특징으로 하는, 롤링 피로 수명이 우수한 기계용 부품에 사용되는 강이 제안되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 4 참조).
일본 공개특허 평3―79741호 공보 일본 공개특허 평8―3682호 공보 일본 공개특허 제2006―200027호 공보 일본 공개특허 제2008―240019호 공보
본 발명의 과제는, 롤링 피로 수명이 요구되는 기계 부품에서의 계산 수명에 대하여, 극히 조기의 파손을 억제하는 것이다. 그래서, 본 발명자들은, 그 신뢰성의 기준으로서 L1 수명(즉, 동일 로트의 시험편을 같은 조건 하에서 시험한 경우에, 그 중의 99%의 시험편은 박리시시키지 않고 회전하는 cycle수)에 주목했다.
롤링 피로 수명을 향상시키기 위한 비금속 개재물의 제어에 관하여, 본 발명자들은, 특히 롤링 피로 수명에 대하여 유해도가 높은, 산화물계 비금속 개재물의 영향을 경감하는 수단을 예의 (銳意) 검토했다. 그 결과, 강 중의 개재물을, 종래 기술에 있어서 오히려 피해야 했던, 경질 개재물인 Al이나 Mg를 함유하는 산화물계 주체의 조성으로 개질(改質)함으로써, L1 수명이 향상되는 것을 발견하였다.
롤링 피로 수명이 요구되는 부품에 대하여, 특히 계산 수명에 대하여 극히 조기의 박리(剝離)를 억제 가능한, L1 수명이 우수한 강을 제공하기 위해서는, 강 중의 산소 함유량을 질량 비율로 8ppm 이하, 유황 함유량을 0.008 질량% 이하로 하고, Al 함유량을 0.011∼0.030 질량%로 하고, 비금속 개재물에 관하여, 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.25∼1.50의 범위로 규제하고, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.30의 범위로 규제하고, 또한 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물에서 차지하는 개수의 비율을 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상으로 규제하면 된다는 것의 지견을 얻었다. 그리고, 여기서 정의한 MgO―Al2O3계 비금속 개재물에는, 질량%로 15% 이하의 CaO, 및/또는 질량%로 15% 이하의 SiO2를 함유한 것을 포함해도 된다. 산소 함유량을 질량 비율로 8ppm 이하, 유황 함유량을 0.008 질량% 이하로 하는 것은, 산화물계 개재물의 빈도, 및 비교적 연질로 연신되기 쉬운 황화물계 개재물의 크기와 빈도를 저감하기 위해서이다. 더욱 바람직하게는 산소 함유량은 질량 비율로 6ppm 이하, 유황 함유량은 0.003 질량% 이하로 한다. 또한, 연질의 개재물로 개질시키지 않기 때문에, 또한 경질인 것의 강 중에서 응집된 클러스터상으로 되기 쉬운 순알루미나(Al2O3)의 발생을 억제하기 위해, Al 함유량은 0.011∼0.030 질량%로 할 필요가 있다.
산화물계 개재물의 평균 조성 및 산화물계 개재물의 개수의 비율을 상기한 범위로 규제한 강에 있어서는, 산화물이 고융점을 가지는 조성이므로, 강의 주괴(鑄塊)를 제조하는 과정에 있어서 용강(溶鋼) 중으로부터 소경(小徑)의 산화물이 구형(球形)에 가까운 형태로 정출(晶出)한다. 또한, 구형에 가까운 형태로 창출하고 있어도, 그 후에 용강 중에서 응집된 클러스터상으로 되기 쉬운 순알루미나(Al2O3)의 발생을 억제하고 있으므로, 용강이 응고된 후의 주괴 내에 있어서 산화물계 개재물은 소경이면서 또한 구형에 가까운 형태로 분산되게 된다.
이어서, 열간(熱間) 가공으로 주괴를 압연하여 봉강으로 하고, 그 후, 봉강을 소재로 하여 새로운 열간 가공이나 냉간(冷間) 가공에 의해 부품의 소재로 하는 봉강이나 강관 또는 단조물(鍛造物)로 한 경우, 산화물계 개재물은 열간 또는 냉간의 가공 온도역에 있어서 모상(母相; parent phase)의 강보다 현저하게 경질인 개재물이므로, 가공 중에 모상에 추종하여 쉽게 변형되지 않아, 가공 후에도 비교적 구형에 가까운 형상을 유지할 수 있다.
그 후, 부품 소재는, 필요에 따라, 예를 들면, CRF와 같은 새로운 냉간 가공을 거친 후에, 절삭 가공되고, 또한 적정한 열처리에 의해 롤링 피로를 받는 부품에 원하는 표면 경도 58 HRC 이상으로 조정된 후, 기계 부품으로서 사용된다. 그러나, 롤링 피로를 받는 부품의 전송면 아래의 최대 응력 작용 방향은, 부품의 소재로 된 강재 중의 비금속 개재물의 최소 단면(斷面) 방향[예를 들면, 비교적 연질로 열간 가공에 의해 연신(延伸)되도록 한 산화물계 개재물이나 황화물계 개재물에 있어서는 압연(壓延) 방향과 수직인 방향]과는 반드시 일치하지 않는 경우가 있다.
본 발명자들은, 비교적 연질로 열간 가공으로 연신되는 산화물계 개재물을 함유시킨 강을 시험적으로 용제(溶製)하여, 동 강의 열간 압연 강재를 소재로 하였다. 그리고, 산화물계 개재물의 최대 단면 방향으로 되는 압연방향과 일치하는 면을 전송면으로 하여, 상기 소재에 스러스트식(thrust type)의 롤링 피로 수명 시험을 행하고, 극히 단수명의 박리에 대한 신뢰성 지표(指標)인 L1 수명을 평가했다. 그 결과, 압연 방향과 수직인 방향을 전송면으로 한 경우와 비교하여, L1 수명이 저하되는 것을 발견하였다. 이것은, 연질인 산화물 조성을 가지는 개재물의 융점이 낮으므로, 발생 빈도는 드물지만, 대형화된 개재물이 강 중에 잔존하고, 또한 그 개재물의 열간 압연 후에서의 최대 단면(즉, 결함의 크기로 간주됨)으로 되는 방향이 최대 응력 작용 방향과 거의 일치했기 때문인 것으로 추측된다. 그러므로, 통상의 부품 수명의 지표로서 평가되는 L10 수명(동일 로트의 시험편을 같은 조건 하에서 시험한 경우에, 그 중의 90%의 시험편 박리시시키지 않고 회전하는 cycle수)에서는 그 결과 나타나기 어렵지만, L1 수명의 평가에 의해, 극히 단수명의 박리가 생길 수 있는 것이 명확히 되었다.
이에 대하여, 본 발명자들이 제안하는, 강 중의 산화물계 개재물이 소경이며, 또한 구형에 가까운 형상으로 분산된 강에 있어서는, 상기한 결과와는 상이하고, 압연 방향과 일치하는 면을 전송면으로 하는 스러스트식의 롤링 피로 수명 시험에서의 L1 수명이 개선되어 있는 것을 발견하고, 본 발명에 이르렀다. 즉, 부품의 소재로 하는 강 중의 산화물계 개재물을 소경이며, 또한 구형에 가까운 형상으로 분산시킴으로써, 부품에 가공한 경우의 전송면이 원래의 소재의 압연 또는 연신 방향에 대하여, 어떤 방향으로 배치되었다고 해도, 항상 롤링 피로에서의 최대 응력 작용 방향에 대한 개재물 단면적(斷面績)을 최소화할 수 있으므로, 롤링 피로에 대한 유해성이 경감되어 롤링 피로 수명이 향상되는 것으로 생각된다.
본 발명이 해결하려고 하는 과제에 대하여, 인용 문헌 1∼4에 기재된 강은 모두 L1 수명이 평가되어 있지 않고, 부품의 계산 수명에 대하여 극히 조기의 박리에 대한 신뢰성이 보증되어 있지 않을 가능성이 있다. 또한, 인용 문헌 1에 기재된 강에서는, 강 중의 개재물을 SiO2―Al2O3―CaO계, 또는 SiO2―Al2O3―MnO계인 연신 성의 산화물에 제어하고, 또한 연신한 개재물을 많이 포함시키는 것이 목표이며, 이와 같은 강에서는 상기한 바와 같이, 부품의 전송면을 배치하는 방향에 따라서는 L1 수명이 뒤떨어지는 경우가 있다.
또한, 인용 문헌 2에 기재된 강에서는, 강 중의 산화물 개수에 관하여, {(MgO·Al2O3 개수＋MgO 개수)/전체 산화물계 개재물 개수}의 값을 0.80 이상으로 규제하고 있지만, 산화물 조성을 MgO·Al2O3 내지 MgO의 화학량론 조성을 가지는 산화물 주체에 개질하는 것이 필수 조건 하에서 있어, 이를 위해서는 정련 과정에서의 Mg 첨가, 및 강재 중의 Mg 함유가 필수로 되므로, 제조 비용 상승을 초래할 가능성이 있어, 범용성이 뒤떨어지는 경우가 있다. 또한, 산소 함유량이나 유황 함유량의 규제도 충분하다고는 말할 수 없어, L1 수명이 우수한 강을 안정적으로 제공하는데 있어서 충분한 기술은 아니다.
또한, 인용 문헌 3에 기재된 강에서는, 알루미나계(Al2O3 주체) 산화물과 스피넬계(MgO―Al2O3계) 산화물과의 합계 개수가 전체 산화물 개수의 60% 미만이도록 규제하여 개재물 조성의 연질화 제어를 행함으로써, L10 수명을 향상시키고 있다. 이에 대하여, 본 발명은 MgO―Al2O3계 산화물의 합계 개수가 전체 산화물 개수의 70% 이상이도록 규제함으로써, 극히 단수명에서의 박리에 대한 신뢰성의 지표인 L1 수명을 향상시킨 것이며, 양 발명의 기술적 사상은 전혀 상이하다.
또한, 인용 문헌 4에 기재된 강에서는, 개재물 직경을(세로×가로)1 /2로 정의한 경우의, 롤링 피로 수명에 대하여 유해한, 적어도 15㎛ 이상의 개재물 직경을 가지는 모든 산화물계 비금속 개재물의 조성에 대하여, 질량%로 SiO2: 30% 이상인 것을 특징으로 하고 있다. 이에 대하여, 본 발명에 의한 강에서의 산화물계 개재물에서의 SiO2의 함유율은, 질량%로 15% 이하로 규제되므로, 인용 문헌 4에 기재된 강과는 기술적 사상이 전혀 상이한 것이다.
본 발명은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 본 발명이 해결하려고 하는 과제는, 강 중의 산소 함유량, 유황 함유량, 및 Al 함유량을 규제하는 동시에, MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물에서 차지하는 개수의 비율을 규제함으로써, 롤링 피로 수명이 우수한 기계용 부품에 사용되는 강을 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 태양(態樣)에 의하면, 표면 경도를 58 HRC 이상으로 하는 기계 부품에 사용하는 강으로서,
강 중의 산소 함유량이 질량 비율로 8ppm 이하,
유황 함유량이 0.008 질량% 이하, 및
Al 함유량이 0.011∼0.030 질량%이며,
강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.25∼1.50의 범위로 규제하고, 또한
MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물에서 차지하는 개수의 비율을 70% 이상으로 하는 롤링 피로 수명이 우수한 강이 제공된다.
본 발명의 제2 태양에 의하면,
JIS(Japanese Industrial Standards) 규격에 있어서 규정되는 고탄소 크롬 베어링강 강재(鋼材)(SUJ),
SAE(Society of Automotive Engineers) 규격 또는 ASTM(American Society for Testing and Materials, 또는 ASTM International라고도 함) 규격 A295에 있어서 규정되는 52100,
DIN(Deutsches Institut fur Normung) 규격에 있어서 규정되는 100Cr6,
JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재(SC), 또는
JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 합금강 강재 중 크롬 강(SCr) 및 크롬 몰리브덴 강(SCM) 및 니켈 크롬 몰리브덴 강(SNCM)으로부터 선택한 어느 1종의 강으로 이루어지는 강재인 롤링 피로 수명이 우수한 강이 제공된다.
본 발명에 의한 롤링 피로 수명이 우수한 강은, 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것이며, 강 중의 산소 함유량, 유황 함유량, Al 함유량을 규제하는 동시에, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물에서 차지하는 개수의 비율을 규제함으로써, 롤링 피로 수명이 우수한 기계용 부품에 사용되는 강을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예인 롤링 피로 수명이 우수한 강에 대하여, 표를 참조하여 이하에 상세하게 설명을 한다.
본 명세서에서는, 「표면 경도를 58 HRC 이상으로 한다」란 「표면 경도를 록웰(Rockwell) 경도 시험에서의 C스케일로 58 이상의 값으로 한다」것을 의미하는 것으로 한다. 여기서, 록웰 경도 시험은, JIS(Japanese Industrial Standards) 규격에서 정하는 JIS(G0202)에 따른 것이다. 구체적으로는, 측정은, C스케일로, 압자(壓子)로서 선단의 곡률 반경 0.2㎜로, 또한 원추각 120°의 다이아몬드를 사용하고, 기준 하중을 98.07N(10kgf)로 하고, 시험 하중을 1471.0N(150kgf)로서 행해진다. 그리고, 측정 시의 압자의 샘플로의 침입 깊이 h(㎛)의 값을 이용하여, HR= 100―h/2의 식으로부터 록웰 경도가 계산된다.
본 발명의 실시예인 롤링 피로 수명이 우수한 강은, 표면 경도를 58 HRC 이상으로 하는 기계 부품에 사용하는 강으로서, 강 중의 산소 함유량이 질량 비율로 8ppm 이하, 유황 함유량이 0.008 질량% 이하, Al 함유량이 0.011∼0.030 질량%이며, 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.25∼1.50의 범위로 규제하고, 또한 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물에서 차지하는 개수의 비율을 70% 이상으로 한 강이다.
전술한 롤링 피로 수명이 우수한 강으로서는, 베어링을 비롯한 전동 피로 수명이 요구되는 용도에 사용되는 강의 종류인 것이 바람직하다. 구체적으로는, JIS 규격에 있어서 규정되는 고탄소 크롬 베어링강 강재(SUJ), SAE 규격 또는 ASTM 규격 A295에 있어서 규정되는 52100, DIN 규격에 있어서 규정되는 100Cr6, JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재(SC), 또는 기계 구조용 합금강 강재 중 어느 1종의 강재를 들 수 있다. 이 JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 합금 강재로서는, 그 중의 크롬 강(SCr), 크롬 몰리브덴 강(SCM), 또는 니켈 크롬 몰리브덴 강(SNCM)으로부터 선택한 어느 1종의 강으로 이루어지는 강재를 들 수 있다.
또한, 예를 들면, SAE 규격의 4320, 5120, 4140, 1053, 1055등과 같이 JIS 규격에 대응한 외국 규격강에 대해서도 본 발명의 적용이 가능하다.
본 발명에 의한 강의 모용강(母溶鋼)의 용제는 전기로법 또는 용광로―전로법(轉爐法) 중 어느 하나로 행해도 된다. 이어서, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율을 평가하는 방법에 대하여 이하에 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실시형태에서는, MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율을 양호한 정밀도로 평가하기 위해, 강재 단면의 임의의 개소(箇所)로부터 선택한 적어도 40㎟ 이상의 피검 면적에서의 개재물 직경이 1㎛ 이상의 산화물 개재물에 대하여, 에너지 분산형 X선 분석에 의해 산화물 조성의 성분 분석과 산화물 수의 카운트를 행한다. 그 조성 분석 결과와 산화물 카운트 수에 기초하여, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성, 및 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율을 산출할 수 있다. 그리고, 황화물이나 질화물과 복합한 산화물의 경우, 황화물이나 질화물을 구성하는 원소에 대해서는 제외하고 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성을 구하였다.
이상, 설명한 바와 같이 본 발명의 실시형태에서는, 강 중의 산소 함유량, 유황 함유량, 및 Al 함유량을 규제하는 동시에, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성, 및 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물에서 차지하는 개수의 비율을 규제함으로써, 롤링 피로 수명이 우수한 기계용 부품에 사용되는 강을 제공하는 것이 가능해진다.
실시예
다음에, 실시예인 공시재(供試材) 1∼24 및 비교예인 공시재 25∼30을 예로 들어, 본 발명의 롤링 피로 수명이 우수한 강을 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
표 1에 공시재의 성분 조성을 나타낸다. 그리고, 이하에 나타내는 각각의 공시재의 조성은, 같은 규격명으로 나타내고 있어도, 표 1에 각각 나타낸 바와 같이, 상이한 조성을 가지는 것이다. 표 1의 공시재 1∼6 및 공시재 25∼28에는 고탄소 크롬 베어링 강인 JIS의 SUJ2 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 7 및 공시재 29에는 JIS의 SCr420 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 8에는 JIS의 S53C 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 9, 공시재 30에는 JIS의 SCM420 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 10에는 JIS의 SNCM420 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 11 및 공시재 12에는 SAE 규격에 있어서 규정되는 52100로 분류되는 조성의 강을, 공시재 13 및 공시재 14에는 ASTM 규격 A295에 있어서 규정되는 52100에 분류되는 조성의 강을, 공시재 15 및 공시재 16에는 DIN 규격에 있어서 규정되는 100Cr6에 분류되는 조성의 강을, 공시재 17에는 JIS의 SUJ3 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 18에는 JIS의 SUJ5 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 19에는 SAE의 4320강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 20에는 SAE의 5120 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 21에는 JIS의 SCM435 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 22에는 SAE의 4140 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 23에는 JIS의 S55C 강으로 분류되는 조성의 강을, 공시재 24에는 SAE의 1053 강으로 분류되는 조성의 강을 사용하였다. 공시재 1∼30은, 아크 용해로에서 용제하고, 이어서, 레이들 정련(ladle refining)하고, 또한 진공 탈가스 장치에서 탈가스를 행하고, 연속 주조에 의해, 주괴를 제조하였다. 이 때, 실시예의 공시재 1∼24에 대해서는, 사전에 용강의 정련 과정에 있어서 적절히 시료를 채취해 개재물 조성을 확인하면서, 슬래그(slag) 조성을 적절히 조정하여 목적으로 하는 산화물 조성 범위와 개수의 비율을 만족시키도록 검토한 후, 모용강의 용제를 행하였다. 한편, 비교예의 공시재 25 및 공시재 26에 대해서는, 모용강의 정련 과정에 있어서 용강 중에의 Al의 첨가를 억제하고, Si 탈산을 주로 행함으로써 연질 개재물로의 개질을 행하였다. 또한, 비교예의 공시재 27∼30은 모용강의 정련 과정에서 용강 중에 Al을 적극 첨가하여 탈산을 행함으로써, MgO―Al2O3계 산화물이 적고, Al2O3을 주체로 하는 산화물로 이루어지도록 개질을 행하였다.
Figure 112014082754184-pct00001
※초크(chock) 부분은 청구의 범위를 벗어남
상기에서 얻어진 주괴에, 열간 가공을 행하여 직경 65㎜의 강재로 하였다.
[스러스트형(thrust type) 롤링 피로 시험]
공시재 1∼6과 공시재 11∼18과 공시재 25∼28의 강재에 800℃ 구형화(球形化) 소둔(燒鈍)을 행하고, 강재의 길이 방향에 대하여 평행한 방향으로부터 외경(外徑) 52㎜이며, 내경(內徑) 20㎜이며, 두께 5.8㎜의 원반으로 이루어지는 시험편을 제작하였다. 이 시험편을 835℃에서 20분 유지한 후, 오일 냉각에 의해 담금질(hardening)했다. 이어서, 담금질 한 시험편을 170℃에서 90분의 템퍼링 처리를 행하고, 원하는 58 HRC 이상의 경도를 얻었다. 그 후, 얻어진 시험편을 표면 연마하여, 스러스트형 롤링 피로 시험을 행하였다. 공시재 7, 공시재 9, 공시재 10, 공시재 19, 공시재 20, 공시재 29 및 공시재 30의 강재는, 925℃에서 표준화(normalizing)를 행한 후, 또한 공시재 21, 22의 강재는, 870℃ 표준화를 행한 후, 강재의 길이 방향에 대하여 평행한 방향으로부터 외경 52㎜이며, 내경 20㎜이며, 두께 8.3㎜의 원반으로 이루어지는 시험편을 제작하였다. 이 시험편을 930℃에서 침탄 처리한 후, 오일 냉각에 의해 담금질했다. 이어서, 담금질한 시험편을 180℃에서 90분의 템퍼링 처리를 행하고, 원하는 58 HRC 이상의 경도를 얻었다. 그 후, 얻어진 시험편을 표면 연마하여, 스러스트형 롤링 피로 시험을 행하였다. 공시재 8, 공시재 23, 공시재 24의 강재는 870℃ 표준화를 행한 후, 강재의 길이 방향에 대하여 평행한 방향으로부터 외경 52㎜이며, 내경 20㎜이며, 두께 8.3㎜의 원반으로 이루어지는 시험편을 제작하였다. 이 시험편을 고주파 담금질 한 후, 이어서, 180℃ 90 분의 템퍼링 처리를 행하고, 원하는 58 HRC 이상의 경도를 얻었다. 그 후, 얻어진 시험편을 표면 연마하여, 스러스트형 롤링 피로 시험을 행하였다. 스러스트형 롤링 피로 시험은, 최대 헤르츠 응력 Pmax: 5.3 GPa로 행하였다. 그리고, L1 수명을 구한 후에는, 1.5×107 cycle 정도에서의 중단 시험으로 하고, 시험 평가 시간의 단축을 도모하였다.
(산화물 조성 및 개수의 비율의 평가)
강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비가 0.25∼1.50이며, 또한 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물에서 차지하는 개수의 비율이 70% 이상인 것을 평가했다. 이 때, 공시재 1∼6과 공시재 11∼18과 공시재 25∼28의 강재는 800℃에서 구형화 소둔을 행한 후, 공시재 7, 공시재 9, 공시재 10, 공시재 19, 공시재 20, 공시재 29, 공시재 30의 강재는, 925℃에서 표준화를 행한 후, 또한 공시재 8, 공시재 21∼24의 강재는 870℃에서 표준화를 행한 후에, 모두 강재의 길이 방향에 대하여 평행한 방향으로부터 길이 방향으로 10㎜, 직경 방향으로 10㎜의 피검사 면적 100㎟ 및 두께 7㎜를 가지는 시험편을 잘라냈다. 이어서, 연마 시의 비금속 개재물의 탈락을 방지할 목적으로, 어느 시험편에 대해서도 담금질 템퍼링을 행한 후, 피검사 면에 경면(鏡面) 연마를 행하고, 에너지 분산형 (X)선 분석에 의해 산화물 조성의 성분 분석과 산화물 수의 카운트를 행하였다. 그 조성 분석 결과와 산화물 카운트 수에 기초하여, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율을 산출하였다.
이들 공시재의 각 시험편에 대하여, 표면 경도, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율, 및 스러스트형 롤링 피로 시험에 의한 L1 수명을 표 2에 나타낸다.
Figure 112014082754184-pct00002
※ L1 수명은, 비교예의 28의 것을 기준으로 하는 상대값임
표 2에 있어서, 비교예의 공시재 25∼30은, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및/또는 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물 개수의 개수의 비율이, 본 발명의 범위 밖의 것이다. 이들 비교재의 공시재 25∼30에 대하여, 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비, 및 강 중의 MgO―Al2O3계 산화물의 개수의 비율의 모두가, 본 발명의 범위를 만족시키는 실시예의 공시재 1∼24는 비교예에 비하여 L1 수명이 우수하다.

Claims (4)

  1. 표면 경도를 58 HRC 이상으로 하는 기계 부품에 사용하는 강(鋼)으로서,
    상기 강 중의 산소 함유량이 질량 비율로 8ppm 이하,
    유황 함유량이 0.008 질량% 이하, 및
    Al 함유량이 0.011∼0.030 질량%이며,
    상기 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성(組成)에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.25∼1.50의 범위로 규제하고, 또한
    상기 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물(介在物)에서 차지하는 개수의 비율을 70% 이상으로 한,
    롤링 피로 수명이 우수한 강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물의 평균 조성에서의 (MgO)/(Al2O3)의 질량%비를 0.30∼1.30의 범위로 규제한, 롤링 피로 수명이 우수한 강.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강 중에 존재하는 MgO―Al2O3계 산화물이 전체 산화물계 개재물에서 차지하는 개수의 비율을 80% 이상으로 한, 롤링 피로 수명이 우수한 강.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 롤링 피로 수명이 우수한 강이,
    JIS 규격에 있어서 규정되는 고탄소 크롬 베어링강 강재(鋼鋼材),
    SAE 규격 또는 ASTM 규격 A295에 있어서 규정되는 52100,
    DIN 규격에 있어서 규정되는 100Cr6,
    JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 탄소강 강재(鋼材), 또는
    상기 JIS 규격에 있어서 규정되는 기계 구조용 합금강 강재 중 크롬 강 및 크롬 몰리브덴 강 및 니켈 크롬 몰리브덴 강으로부터 선택한 어느 1종의 강으로 이루어지는 강재인, 롤링 피로 수명이 우수한 강.
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