KR102127626B1

KR102127626B1 - 베어링용 조괴재 및 제조 방법

Info

Publication number: KR102127626B1
Application number: KR1020197012282A
Authority: KR
Inventors: 미노루 혼조; 기요시 우와이; 신지 미타오
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 엔티엔 가부시키가이샤
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2020-06-29
Also published as: EP2762587A1; KR20140073506A; US9732395B2; JPWO2013046678A1; US20150041026A1; JP5433111B2; EP2762587A4; CN103827337A; CN103827337B; WO2013046678A1; EP2762587B1; KR102011531B1; KR20190049908A

Abstract

조괴재에 의한 베어링강에 있어도, 편석부에 있어서의 편석도 및 최대 개재물 직경을 억제하는 수단에 대해 제공한다.
C : 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하, Si : 0.15 질량％ 이상 0.50 질량％ 미만, Mn : 0.60 질량％ 이상 1.50 질량％ 이하, Cr : 0.50 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하, Mo : 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, P : 0.025 질량％ 이하, S : 0.025 질량％ 이하, Al : 0.005 질량％ 이상 0.500 질량％ 이하, O : 0.0015 질량％ 이하 및 N : 0.0030 질량％ 이상 0.015 질량％ 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 추가로 편석도가 2.8 이하이고, 극값 통계에 의해 산출되는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치를 60 ㎛ 이하로 한다.

Description

베어링용 조괴재 및 제조 방법{INGOT FOR BEARING AND PRODUCTION PROCESS}

본 발명은, 자동차, 풍력 발전, 수송 기계, 전기 기계 및 정밀 기계나, 그 외 일반 산업 기계 등에 사용되는 베어링의 소재로서 바람직한, 우수한 전동 (轉動) 피로 수명 특성을 갖는 베어링용 조괴재와 그 제조 방법에 관한 것이다.

이러한 종류의 베어링에 제공하는 강으로는, 고탄소 크롬강 (JIS G 4805 규격 SUJ2) 이 많이 이용되고 있다. 일반적으로, 베어링강은, 전동 피로 수명 특성이 우수한 것이 중요한 성질 중 하나이지만, 이 전동 피로 수명은, 강 중의 비금속 개재물 혹은 공정 (共晶) 탄화물에 의해 저하되는 것으로 생각되고 있다.

최근의 연구에서는, 전동 피로 수명의 저하에 미치는 영향으로서, 강 중의 비금속 개재물의 영향이 가장 큰 것으로 생각되고 있어, 강 중 산소량의 저감을 통해 비금속 개재물의 양 및 크기를 제어함으로써, 베어링 수명을 향상시키는 방책이 취해져 왔다.

예를 들어, 특허문헌 1 및 2 등에 제안이 있고, 이들은, 강 중의 산화물계 비금속 개재물의 조성, 형상 혹은 분포 상태를 컨트롤하는 기술이지만, 비금속 개재물이 적은 베어링강을 제조하려면, 고가의 용제 (溶製) 설비 혹은 종래 설비의 대폭적인 개조가 필요하여, 경제적인 부담이 크다는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 3 에는, 탄소의 중심 편석률 그리고 강 중의 산소량 및 황 함유량을 제어함으로써, 전동 피로 수명 특성을 향상시키고자 하는 기술이 제안되어 있지만, 전술한 바와 같이, 산소 함유량을 더욱 감소시켜, 한층 더 비금속 개재물이 적은 베어링강을 제조하기 위해서는, 고가의 용제 설비 혹은 종래 설비의 대폭적인 개조가 필요하여, 경제적인 부담이 큰 것이 문제가 된다.

그래서, 강 중의 비금속 개재물의 저감뿐만 아니라, 강 중의 공정 탄화물을 저감시키는 것에 대해서도 주목되어 오고 있다. 예를 들어, 고탄소 크롬강은, 0.95 질량％ 이상의 C 를 함유하여 매우 경질로, 강의 내마모성은 양호하지만, 주편 (鑄片) 중심부에 발생하는 편석 (이하, 중심 편석으로 약칭한다) 의 정도가 높아지고, 나아가서는 주편 중에 거대한 공정 탄화물이 생성되기 때문에, 전동 피로 수명을 저하시키는 문제가 있었다. 그 때문에, 주편 중앙부를 타발 (打拔) 하여 폐재로 하거나, 장시간의 확산 처리 (이하, 소킹으로 약칭한다) 를 실시하여, 이들을 충분히 소산 (消散) 시키고 나서 사용되고 있다.

이와 같은 편석의 문제에 관해, 특허문헌 4 에서는, C : 0.6 ∼ 1.2 질량％ 등 특정 성분 조성을 갖고, 선상 또는 봉상 압연재에 있어서의 축심을 통과하는 종단면의 중심선에 있어서, 그 종단면의 축심을 포함하여 그 축심선으로부터 편측에 각각 D/8 (D : 그 종단면의 폭) 이내의 중심 영역에 나타나는, 두께 2 ㎛ 이상의 탄화물의 총 단면적을, 상기 종단면적에 대해 0.3 ％ 이하로 하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 동 문헌에는, 전동 피로 수명 특성에 미치는 거대 탄화물량의 영향이 정량적으로 밝혀져 있고, 전동 피로 수명을 저하시키는 거대 공정 탄화물이 강 중에 잔존하는 것을 나타내고 있다.

특허문헌 5 에는, C : 0.50 ∼ 1.50 질량％ 및 Sb : 0.0010 ∼ 0.0150 질량％ 등의 특정 성분 조성을 갖고, 탈탄층의 형성이 적고, 열처리 생산성이 우수한 베어링강이 개시되어 있다. 동 문헌에 기재된 기술에서는, Sb 를 첨가함으로써, 강의 탈탄층의 형성이 적고, 열처리 후의 절삭 혹은 연삭 공정의 생략에 의한 열처리 생산성의 향상을 목적으로 하고 있지만, Sb 는 인체에 대해 강한 독성이 있을 것으로 의심되기 때문에 적용에는 신중함이 요구된다. 또, Sb 를 첨가하면 중심 편석부에 Sb 가 농화되어, 중심 편석을 악화시킨다. Sb 가 농화된 부분에서는, 국소적인 경화를 발생시키기 때문에, 모재와의 경도차가 생겨, 전동 피로 파괴의 기점이 되고, 전동 피로 수명의 저하를 초래할 가능성이 있다.

여기서, 고탄소 크롬 베어링강의 주조시에 생기는 중심 편석 및 그 중심 편석부에 생기는 거대 공정 탄화물을 소산시키기 위해, 예를 들어, 특허문헌 6 에는, 주조재를 일단 압연하여 빌릿으로 하고, 이 빌릿을 소킹하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 소킹 중의 강 중 온도는 불균일하기 때문에, 부분적으로 소킹 온도가 고상선을 초과하는 온도가 된 경우, 다시 부분적으로 용해가 시작되어, 공정 반응을 일으켜 추가적인 거대 공정 탄화물이 생성된다는 문제점도 있었다.

그 때문에, 베어링의 용도에 따라서는, 상기 서술한 고탄소 크롬강이 아니라, 저탄소 합금강을 사용하는 경우가 있다. 예를 들어, 기소강 (肌燒鋼) 은, 고탄소 크롬강에 이어 많이 이용되고 있다. 그러나, 기소강은, C 량을 0.23 질량％ 이하로 하고, 필요한 퀀칭 (quenching) 성과 기계적 강도를 얻기 위해 적당량의 Mn, Cr, Mo 및 Ni 등이 첨가되고, 피로 강도 향상의 관점에서, 침탄 또는 침탄 질화 처리에 의해 표면을 경화시키고 있다.

예를 들어, 특허문헌 7 에는, C : 0.10 ∼ 0.35 ％ 등의 특정 화학 조성을 갖고, Q ＝ 34140 － 605[％Si] ＋ 183[％Mn] ＋ 136[％Cr] ＋ 122[％Mo] 로 정의되는, 강 중의 탄소 확산의 활성화 에너지를 34000 ㎉ 이하로 함으로써, 단시간에 침탄 가능한 기소강이 개시되어 있다.

마찬가지로, 특허문헌 8 에는, C : 0.1 ∼ 0.45 ％ 등의, 특정 화학 조성을 갖고, 침탄층의 오스테나이트 결정립도가 7 번 이상, 표면의 탄소 함유량이 0.9 ∼ 1.5 ％ 이며, 표면의 잔류 오스테나이트량이 25 ∼ 40 ％ 인 전동 피로 특성이 우수한 침탄재에 관한 기술이 개시되어 있다.

그러나, 상기 서술한 침탄 혹은 침탄 질화를 실시함으로써 전동 피로 수명 특성이 향상되지만, 제조 비용의 상승을 초래하거나, 변형이나 치수 변화가 크고 수율이 저하되기 때문에, 제품 비용의 상승을 초래하는 것이 문제였다.

또, 베어링강의 용도에 따라서는 대단면화가 필요해지기 때문에, 침탄 혹은 침탄 질화를 실시하는 설비의 대폭적인 개조가 필요하여, 경제적인 부담이 큰 것도 문제가 된다.

일본 공개특허공보 평1-306542호 일본 공개특허공보 평3-126839호 일본 공개특허공보 평7-127643호 일본 특허공보 제3007834호 일본 공개특허공보 평5-271866호 일본 공개특허공보 평3-75312호 일본 특허공보 제4066903호 일본 특허공보 제4050829호

그런데, 풍력 발전, 수송 기계, 그 외 일반 산업 기계는 해마다 대형화되고 있어, 이것들에 사용하는 베어링강의 추가적인 대단면화가 급무로 되어 있었다. 이 베어링강의 대단면화에는, 종래, 연속 주조로 제조되고 있던 소재를 조괴법으로 제조함으로써, 소단면부터 대단면까지 대응하는 것이 가능해지지만, 이 조괴법으로 제조된 강 (이하, 조괴재라고 한다) 에서는, V 편석부나 역 V 편석부와 같은 편석부가 베어링강의 전주면 (轉走面) 에 나타나면, 오히려 전동 피로 수명 특성이 저하되는 것이 특히 문제가 된다. 왜냐하면, 조괴재는, 연속 주조재의 경우와 비교하여 편석 정도가 높고, 따라서, 편석도나 비금속 개재물의 크기도 커지기 때문에, 이들을 억제하는 것이 중요해진다.

그래서, 본 발명은, 조괴재에 의한 베어링강에 있어서도, 상기한 편석부에 있어서의 편석도나 조대한 비금속 개재물의 생성을 억제하는 수단에 대해 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하는 수단에 대해 예의 구명한 결과, 종래의 베어링강에 대해, C, Si, Mn, Cr 및 Al 의 첨가량을 적정화함과 함께, 제조 조건을 최적화함으로써, 편석도의 저감, 조대한 비금속 개재물의 생성 억제가 가능한 것을 알아냈다. 특히 조괴재에서 문제가 되고 있던 V 편석부나 역 V 편석부에서의 편석도의 저감, 조대한 비금속 개재물의 생성을 억제할 수 있어, 전동 수명 특성이 우수한 베어링강을 제공 가능한 것을 지견하였다.

즉, 발명자들은, C, Si, Mn, Cr, Al 및 Mo 량을 변화시키며, 또한 후술하는 (1) 식으로 나타내는 편석도를 변화시킨 베어링강을 조괴재로 제작하여, 그 조직 및 전동 피로 수명 특성을 예의 조사한 결과, 조괴재라 하더라도 성분 조성 및 편석도가 소정의 범위를 만족시키는 강이면, 전동 피로 수명 특성이 향상되는 것을 알아냈다. 또, 단조시의 단련 성형비를 변화시킨 베어링강을 조괴재로 제작하여, 그 조직 및 전동 피로 수명 특성을 예의 조사한 결과, 조괴재라 하더라도 단련 성형비가 소정의 범위를 만족시키는 강이면, 전동 피로 수명 특성이 향상되는 것을 알아내어, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 요지 구성은, 다음과 같다.

1. C : 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하,

Si : 0.15 질량％ 이상 0.50 질량％ 미만,

Mn : 0.60 질량％ 이상 1.50 질량％ 이하,

Cr : 0.50 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하,

Mo : 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,

P : 0.025 질량％ 이하,

S : 0.025 질량％ 이하,

Al : 0.005 질량％ 이상 0.500 질량％ 이하,

O : 0.0015 질량％ 이하 및

N : 0.0030 질량％ 이상 0.015 질량％ 이하

를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고, 하기 (1) 식으로 정의되는 편석도가 2.8 이하이고, 추가로 극값 통계에 의해 산출되는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치가 60 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.

C_Mo(max)/C_Mo(ave) ≤ 2.8 … (1)

단, C_Mo(max) 는 Mo 의 강도치의 최대치, 그리고 C_Mo(ave) 는 Mo 의 강도치의 평균치

2. 상기 성분 조성에 더하여, 추가로,

Cu : 0.005 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하 및

Ni : 0.005 질량％ 이상 1.00 질량％ 이하

중에서 선택되는 1 종 또는 2 종을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 베어링용 조괴재.

3. 상기 성분 조성에 더하여, 추가로,

W : 0.001 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,

Nb : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하,

Ti : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하,

Zr : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하 및

V : 0.002 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하

중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 또는 2 에 기재된 베어링용 조괴재.

4. 상기 성분 조성에 더하여, 추가로,

B : 0.0002 질량％ 이상 0.005 질량％ 이하

를 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 내지 3 중 어느 하나에 기재된 베어링용 조괴재.

5. 상기 1 내지 4 중 어느 하나에 기재된 성분 조성을 갖는 강을, 조괴법으로 주편으로 하고, 그 후, 단련 성형비가 2.0 이상이 되는 단조, 및, 1150 ℃ 이상 1350 ℃ 미만의 온도역에서 10 시간 초과 가열하는 가열 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재의 제조 방법.

여기서, 상기 단련 성형비는, JIS G 0701 에 기재된 실체 단련으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래의 베어링강에 비해 훨씬 우수한 내전동 피로 수명 특성을 갖는 베어링용 조괴재를 안정적으로 제조하는 것이 가능해진다. 또, 이 때문에, 소단면 내지 대단면의 베어링강의 제조를 실현할 수 있어, 풍력 발전기나 수송 기계, 그 외 일반 산업 기계의 대형화에도 기여하여, 산업상 유익한 효과를 가져온다.

도 1 은, 각단조 (角鍛造) 후의 강편으로부터 미크로 조직 관찰용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 환단조 (丸鍛造) 후의 강편으로부터 미크로 조직 관찰용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 3 은, EPMA 에서의 피검 면적을 나타내는 도면이다.
도 4 는, EPMA 에 있어서 라인 분석을 실시하는 위치를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 각단조 후의 강편으로부터 전동 피로 수명 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 시험편 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 환단조 후의 강편으로부터 전동 피로 수명 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.

다음으로, 본 발명의 베어링강에 대해 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 베어링강에 있어서의 성분 조성의 각 성분 함유량의 한정 이유부터 순서대로 설명한다.

C : 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하

C 는, 강의 강도를 높여, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키기에 유효한 원소로, 본 발명에서는 0.56 질량％ 이상 함유시킨다. 한편, 0.70 질량％ 를 초과하여 함유하면, 소재의 주조 중에 거대 공정 탄화물이 생성되어, 전동 피로 수명의 저하를 초래한다. 이상으로부터, C 량은 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.56 질량％ 이상 0.67 질량％ 이하이다.

Si : 0.15 질량％ 이상 0.50 질량％ 미만

Si 는, 탈산제로서, 또, 고용 강화에 의해 강의 강도를 높여, 강의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는 0.15 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 0.50 질량％ 이상의 첨가는, 강 중의 산소와 결합하여, 산화물로서 강 중에 잔존하여 전동 피로 수명 특성의 열화를 초래한다. 또한, 편석부에 농화된 경우에는, 공정 탄화물을 생성시키기 쉽게 한다. 이상으로부터, Si 의 상한은 0.50 질량％ 미만으로 한다. 바람직하게는 0.15 질량％ 이상 0.45 질량％ 이하이다.

Mn : 0.60 질량％ 이상 1.50 질량％ 이하

Mn 은, 퀀칭성을 향상시키고, 강의 강인성을 높여, 강재의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는 0.60 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 1.50 질량％ 를 초과하는 첨가는, 전동 피로 수명 특성을 저하시킨다. 또, 편석부에 농화된 경우에는, 비금속 개재물을 생성시키기 쉽게 한다. 이상으로부터, Mn 의 상한은 1.50 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.60 질량％ 이상 1.45 질량％ 이하이다.

Cr : 0.50 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하

Cr 은, Mn 과 마찬가지로 강의 강인성을 높여, 강재의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는 0.50 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 1.10 질량％ 를 초과하는 첨가는, 공정 탄화물을 생성시키기 쉽게 하여, 전동 피로 수명 특성을 저하시키기 때문에, Cr 의 상한은 1.10 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.60 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하이다.

Mo : 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하

Mo 는, 퀀칭성이나 템퍼링 후의 강도를 높여, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 0.05 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 0.5 질량％ 를 초과하는 첨가는, V 편석, 역 V 편석 혹은 중심 편석부에 Mo 의 농화층을 형성하여, Mo 의 편석도를 악화시켜, 강재의 내전동 피로 수명 특성의 저하를 초래하기 때문에, Mo 의 상한은 0.5 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.05 질량％ 이상 0.40 질량％ 이하이다.

P : 0.025 질량％ 이하

P 는, 강의 모재 인성, 전동 피로 수명을 저하시키는 유해한 원소로, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다. 특히, P 의 함유량이 0.025 질량％ 를 초과하면, 모재 인성 및 전동 피로 수명의 저하가 커진다. 따라서, P 는 0.025 질량％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.020 질량％ 이하이다. 또한, 공업적으로는 P 함유량을 0 ％ 로 하는 것은 곤란하여, 0.002 질량％ 이상 함유되는 경우가 많다.

S : 0.025 질량％ 이하

S 는, 비금속 개재물인 MnS 로서 강 중에 존재한다. 베어링강은 전동 피로의 기점이 되기 쉬운 산화물이 적기 때문에, 산화물에 이어 전동 피로의 기점이 되기 쉬운 MnS 가 강 중에 다량으로 존재하면 전동 피로 수명의 저하를 초래한다. 따라서, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하고, 본 발명에서는 0.025 질량％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.020 질량％ 이하이다. 또한, 공업적으로는 S함유량을 0 ％ 로 하는 것은 곤란하여, 0.0001 질량％ 이상 함유되는 경우가 많다.

Al : 0.005 질량％ 이상 0.500 질량％ 이하

Al 은, 탈산제로서, 또, 질화물로서 생성시키고 오스테나이트 입자를 미세화하여, 인성 그리고 전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 0.005 질량％ 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나, 0.500 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 조대한 산화물계 개재물이 강 중에 존재하게 되어, 강의 전동 피로 수명 특성의 저하를 초래한다. 이상으로부터, Al 함유량의 상한은 0.500 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.450 질량％ 이하이다.

O : 0.0015 질량％ 이하

O 는, Si 나 Al 과 결합하여, 경질인 산화물계 비금속 개재물을 형성하기 때문에, 전동 피로 수명의 저하를 초래한다. 따라서, O 는 가능한 한 낮은 편이 좋고, 0.0015 질량％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.0012 질량％ 이하이다. 또한, 공업적으로는 O 함유량을 0 ％ 로 하는 것은 곤란하여, 0.0003 질량％ 이상 함유되는 경우가 많다.

N : 0.0030 질량％ 이상 0.015 질량％ 이하

N 은, Al 과 결합하여 질화물계 비금속 개재물을 형성하고, 오스테나이트 입자를 미세화하여, 인성 그리고 전동 피로 수명 특성을 향상시키기 때문에, 0.0030 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 0.015 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 질화물계 개재물이 강 중에 다량으로 존재하기 때문에, 전동 피로 수명 특성의 저하를 초래한다. 또, 강 중에서 질화물로서 생성되지 않는 N (프리 N) 이 다량으로 존재하게 되어, 인성의 저하를 초래하기 때문에, N 함유량의 상한은 0.015 질량％ 로 한다. 바람직하게는 0.010 질량％ 이하로 한다.

극값 통계에 의해 산출되는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치가 60 ㎛ 이하

다음으로, 발명자들은, 표 1 에 나타내는 성분 조성, 표 2 에 나타내는 제조 조건에 따라 조괴재를 제작하여, 상기한 식 (1) 에 따르는 Mo 의 편석도 (이하, 간단히 편석도라고도 한다), 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성을 조사하였다. 또한, 기준강 A-1 은 베어링강으로서 매우 일반적으로 사용되고 있는 JIS SUJ2 상당 강이다. 편석도, 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성은, 후술하는 실시예와 동일한 시험 방법으로 실시하였다. 단조 후의 강편으로부터, 도 1 에 나타내는 바와 같이 비금속 개재물 관찰용 및 EPMA 매핑용의 시험편을, 그리고 도 5 에 나타내는 바와 같이 전동 피로 시험편을 각각 채취하여, 후술하는 시험법으로 편석도, 비금속 개재물 직경 그리고 전동 피로 수명 특성을 각각 조사하였다.

여기서, 시험편은, 각각 단조 후의 강편의, 조괴재의 보텀측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

이들의 평가 결과를 표 3 에 나타낸다. 단련 성형비 (보텀측) 가 2.0 미만인 조건 No.1-2 및 1-3 에 의해 얻어진 조괴재는, 최대 개재물 직경이 커지기 때문에, 전동 피로 수명 특성이 기준인 No.1-1 (강 No.A-1) 에 비해 거의 개선되지 않았다. 단련 성형비가 2.0 이상으로 제조되고, 최대 개재물 직경이 60 ㎛ 이하인 No.1-4 ∼ 1-8 의 조괴재는, No.1-1 (강 No.A-1) 에 비해 우수한 전동 피로 수명 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 이상으로부터, 단련 성형비를 2.0 이상으로 제어하고, 강 중에 조대한 비금속 개재물이 생성되는 것을 억제함으로써, 전동 피로 수명 특성이 향상되는 것이 판명되었다.

따라서, 조괴재에 있어서의 비금속 개재물의 최대 직경을 60 ㎛ 이하로 규제하는 것이 전동 피로 수명 특성의 향상에 유효하다. 여기서, 비금속 개재물의 최대 직경을 규제함에 있어서는, 극값 통계에 의해 산출되는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치를 60 ㎛ 이하로 한다. 왜냐하면, 실시하고 있는 전동 피로 시험에서의 위험 체적이 면적으로 하여 30000 ㎟ 상당이기 때문에, 여기서는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치로 하였다.

편석도 (C_Mo(max)/C_Mo(ave)) ≤ 2.8

또, 발명자들은, 표 4 에 나타내는 성분 조성 그리고 표 5 에 나타내는 제조 방법에 따라 베어링강을 제작하여, 편석도, 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성을 조사하였다. 또한, 표 5 에 있어서의 가열 온도 1 은, 단조를 실시하기 위해, 또한 편석도 저감을 위한 조괴재의 가열 처리시의 온도이며, 가열 온도 2 는, 편석도를 더욱 저감시키기 위해 단조 후에 실시한 가열 처리시의 온도이다. 편석도, 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성은, 후술하는 실시예와 동일한 시험 방법으로 실시하였다. 이 단조 후의 강편으로부터, 도 1 에 나타내는 바와 같이 비금속 개재물 관찰용 및 EPMA 매핑용 시험편을, 그리고 도 5 에 나타내는 바와 같이 전동 피로 시험편을 각각 채취하여, 후술하는 시험법으로 편석도, 비금속 개재물 직경 그리고 전동 피로 수명 특성을 각각 조사하였다.

이들의 평가 결과를 표 6 에 나타낸다. 단련 성형비가 2.0 미만인 조건 No.2-2 및 2-3 에 의해 얻어진 조괴재는, 편석도가 커져, 전동 피로 수명 특성이 기준인 No.2-1 (강 No.A-1) 에 비해 거의 개선되지 않았다. 단련 성형비가 2.0 이상으로 제조되고, 편석도가 2.8 이하인 No.2-4 ∼ 2-8 의 조괴재는, No.2-1 (강 No.A-1) 에 비해 우수한 전동 피로 수명 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 이상으로부터, 단련 성형비를 2.0 이상으로 제어하고 편석도를 2.8 이하로 하면, 전동 피로 수명 특성은 향상되는 것이 판명되었다.

또한, 발명자들은, 표 7 에 나타내는 성분 조성에 따라 베어링강을 제작하여, 편석도, 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성을 조사하였다. 편석도, 최대 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성은, 후술하는 실시예와 동일한 시험 방법으로 실시하였다. 전동 피로 수명 특성에 미치는 편석도의 영향을 조사하기 위해, 제조 조건은 동일하게 하고, Mo 량을 변화시킴으로써 편석도를 변화시켰다. 즉, 전로 (轉爐) 에서 용제한 후, 조괴법으로 1350 ㎜ × 1250 ㎜ 단면 (톱측), 1280 × 830 ㎜ 단면 (보텀측) 의 조괴재 (잉곳) 로 하고, 얻어진 조괴재를 800 ㎜ 각단면으로 단조하고, 1270 ℃ 에서 48 시간의 균열 처리를 실시하였다. 그 후, 650 ㎜ 의 각단면으로 단조하였다. 단조 후의 강편으로부터, 도 1 에 나타내는 바와 같이 비금속 개재물 관찰용 및 EPMA 매핑용의 시험편을, 그리고 도 5 에 나타내는 바와 같이 전동 피로 시험편을 각각 채취하여, 후술하는 시험법으로 Mo 편석도, 비금속 개재물의 직경 그리고 전동 피로 수명 특성을 각각 조사하였다. 여기서, 시험편은, 각각 단조 후의 강편의, 조괴재의 보텀측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

상기한 조사 결과를 표 8 에 나타낸다. 동 표로부터, Mo 편석도가 2.8 이하가 되면, 전동 피로 수명 특성이 개선됨을 알 수 있다. 한편, 편석도가 2.8 초과가 되면, 전동 피로 수명 특성이 거의 개선되지 않았다. 이상으로부터, 편석도를 2.8 이하로 함으로써, 전동 피로 수명 특성이 향상되는 것이 판명되었다. 또한, 강 중의 Mo 의 편석이 없어지는 경우에는, 편석도가 1.0 이 되기 때문에, 편석도의 하한은 1.0 인 것이 바람직하다.

여기서, 전동 피로 수명에 악영향을 미치는 편석이 생기는 원소로서, Mo 이외에서는 Cr, P, S 를 들 수 있다. 이들도 편석도를 2.8 이하로 할 필요가 있지만, 이들 원소는 Mo 에 비해 확산 속도가 크다. 그 때문에, Mo 의 편석도를 2.8 이하로 하면, 이들 원소의 편석도는 2.8 보다 작은 값이 된다. 따라서 Mo 의 편석도에만 주목하여 이 값을 특정하였다.

또한, 본 발명에서는, 조괴법에 의해 제조한 조괴재라 하더라도, 공정 탄화물의 생성을 억제하는 것이 가능하기 때문에, 조괴법에 의해 제조되는 조괴재에 적용하면 특히 효과가 있다. 그리고, 베어링강의 소재를 조괴재로 함으로써, 소단면부터 대단면까지의 베어링 제품에 대응하는 것이 가능해진다.

또한, 상기한 기본 성분에 더하여, 이하에 나타내는 각 성분을 적절히 첨가하는 것이 가능하다.

Cu : 0.005 ∼ 0.5 질량％ 및 Ni : 0.005 ∼ 1.00 질량％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종

Cu 및 Ni 는, 퀀칭성이나 템퍼링 후의 강도를 높여, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 필요로 하는 강도에 따라 선택하여 첨가할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Cu 및 Ni 는 0.005 질량％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cu 는 0.5 질량％, Ni 는 1.00 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 오히려 강의 피삭성이 저하되기 때문에, Cu 및 Ni 는 0.5 질량％ 및 1.00 질량％ 를 각각 상한으로 하여 첨가하는 것이 바람직하다.

마찬가지로, 본 발명의 베어링강에서는, 강도를 높이거나 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키거나 하기 위해, 상기 성분에 더하여 추가로 이하의 성분을 첨가할 수 있다.

W : 0.001 ∼ 0.5 질량％, Nb : 0.001 ∼ 0.1 질량％, Ti : 0.001 ∼ 0.1 질량％, Zr : 0.001 ∼ 0.1 질량％ 및 V : 0.002 ∼ 0.5 질량％ 중 1 종 또는 2 종 이상

W, Nb, Ti, Zr 및 V 는, 모두 퀀칭성이나 템퍼링 후의 강의 강도를 높여, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 필요로 하는 강도에 따라 선택하여 첨가할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, W, Nb, Ti 및 Zr 은, 각각 0.001 질량％ 이상, V 는 0.002 질량％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, W 및 V 는 0.5 질량％, Nb, Ti, Zr 은 0.1 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 오히려 강의 피삭성이 저하되기 때문에, 이들의 값을 상한으로 하여 첨가하는 것이 바람직하다.

B : 0.0002 ∼ 0.005 질량％

B 는, 퀀칭성의 증대에 의해 템퍼링 후의 강의 강도를 높여, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 필요에 따라 첨가할 수 있다. 이 효과를 얻기 위해서는, 0.0002 질량％ 이상으로 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.005 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 가공성이 열화되기 때문에, B 는 0.0002 ∼ 0.005 질량％ 의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명의 베어링용 조괴재에 있어서는, 상기 이외의 성분은, Fe 및 불가피적 불순물이다. 이때, 불가피적 불순물로는, Sb, Sn, As 및 Hf 등을 들 수 있다.

다음으로, 본 발명의 베어링용 조괴재를 제조하는 조건에 대해 설명한다.

상기의 성분 조성을 갖는 베어링용 조괴재는, 진공 용해로 또는 전로, 나아가서는 탈가스 공정 등의 공지된 정련법으로 용제하고, 이어서, 조괴법에 의해 주편으로 된다. 주편은, 추가로 압연, 단조 등의 성형 공정을 거쳐 베어링 부품으로 된다.

얻어진 주편의 중심부에는 Mo 의 편석이 생겨 있으므로, 상기 서술한 Mo 의 편석도를 2.8 이하로까지 저감시키기 위한 처리를 실시할 필요가 있다. 이 처리로서, 이하에 나타내는 가열 처리가 필요하다.

가열 온도 : 1150 ℃ 이상 1350 ℃ 미만

강의 전동 피로 수명 특성 향상을 위해, 중심 편석부에서의 Mo 의 편석도를 저감시킬 필요가 있다. 또, 조괴법으로 주조한 경우에는, 주편의 중앙 부근에는, 주조 방향의 편석 (V 편석), 주조 방향과 역방향의 편석 (역 V 편석) 이 생기기 쉽지만, 소정 조건에서 가열을 실시함으로써, 이 편석을 저감시킬 수도 있다. 가열 온도가 1150 ℃ 미만인 경우, 편석도의 저감이 작아, 상기 효과를 얻을 수 없다. 가열 온도가 1350 ℃ 이상이 되면, 편석도가 큰 부분에서 용융이 일어나, 강재에 균열이 발생한다. 이상으로부터 가열 온도는 1150 ℃ 이상 1350 ℃ 미만으로 한다. 바람직하게는 1150 ℃ 이상 1300 ℃ 이하이다.

가열 유지 시간 : 10 시간 초과

전술한 바와 같이, 강의 전동 피로 수명 특성 향상을 위해서는, Mo 의 편석도 및, V 편석, 역 V 편석을 저감시킬 필요가 있다. 편석도의 저감을 위해서는, 가열 온도를 높게 하는 것이 효과적이지만 한계가 있다. 따라서, 10 시간 초과의 가열 유지를 실시하여, 편석도를 저감시킨다. 가열 유지 시간이 10 시간 이하인 경우, 편석도의 저감이 작아, 상기한 효과를 얻을 수 없다. 그 때문에, 본 발명에서는, 가열 유지 시간을 10 시간 초과로 한정하였다. 상한은 특별히 정할 필요는 없지만, 현실적으로는 100 시간이다.

또한, 가열 처리를 복수 회로 나누어 실시해도 되고, 이 경우, 각 가열 처리에 있어서의 1150 ℃ 이상 1350 ℃ 미만에서의 유지 시간의 합계 시간이 10 시간 초과가 되면 된다. 또, 주편에는 열간 단조를 실시하여 원하는 단면 형상으로 되지만, 상기한 가열 처리는 열간 단조를 실시함에 있어서의 주편의 가열 단계 (단조 전 가열) 에서 실시해도 되고, 또, 단조 전 가열과는 별도로 주편에 가열 처리를 실시해도 된다. 또한, 열간 단조 후에 상기의 조건에서 가열 처리를 실시하도록 해도 된다.

또한, 단조시에는, 단련 성형비가 2.0 이상이 되는 연신을 실시할 필요가 있다. 상기 서술한 바와 같이, 조괴법에 의해 제조된 주편의 내부에는, 조대한 포로시티의 집합체인 블로홀 등의 내부 결함이 발생하기 쉽기 때문에, 열간 단조에 의해 저감시킨다. 또, 강 중에 존재하는 비금속 개재물을 분단하여 미세화한다. 이 효과를 얻기 위해서는, 단련 성형비를 2.0 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단련 성형비가 2.0 미만인 경우, 조대한 블로홀 등의 결함 및 조대한 비금속 개재물이 존재하게 되어, 베어링강에 가공 중에 내부 균열이 발생하거나 전동 피로 수명 특성이 저하되게 된다. 이상으로부터, 단련 성형비는 2.0 이상으로 하는 실체 단련을 실시할 필요가 있다. 또한, 바람직한 단련 성형비는 2.5 이상이다. 상한은 특별히 정할 필요는 없지만, 현실적으로는 8.0 미만이다.

또한, 단련 성형비란, JIS G 0701 에 기재된 실체 단련에 있어서의 단련 성형비를 가리킨다. 즉, 단조 전의 단면적 A 와 단조 후의 단면적 a 의 비 A/a 를 의미한다.

실시예

표 9 에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 전로에 의해 용제하고, 이어서 조괴법에 의해 표 10 에 나타내는 조건에서 단조 및 가열을 실시하여, 베어링용 조괴재로 하였다. 또한, 표 10 에 있어서의 가열 1 및 2 는, 단조를 실시하기 위한 가열이지만, 편석을 저감시킬 목적도 겸하고 있다. 가열 3 은, 단조 후에 편석도를 저감시키기 위한 가열이다. 이 단조품에 대해, Mo 의 편석도, 비금속 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성을 이하와 같이 조사하였다.

[최대 개재물 직경]

최대 개재물 직경은, 단조한 강편의 (T₁/2, T₂/2) 부 (중심부) 및 (T₁/2, T₂/4) 부 (T₁ ＝ T₂ 는 각단조한 강편의 변의 길이 : 도 1), 혹은 D/4 부 및 D/2 부 (D 는 환단조한 강편의 직경 : 도 2) 로부터 연신 방향 단면이 관찰면이 되도록 미크로 조직 관찰용 샘플을 채취하고, 광학 현미경으로 배율 200 배로 100 ㎟ 의 관찰 (도 3 의 피검면 10 ㎜ × 10 ㎜) 을 30 개 실시하여, 각각에 있어서의 비금속 개재물의 단축 및 장축의 길이를 측정하고, {(단축 길이) × (장축 길이)}^1/2 에 의해 개재물 직경으로 환산하고, 이들 측정치에 기초하여, 극값 통계에 의해 30000 ㎟ 중의 최대 개재물 직경을 예측하고, 이것을 채용하였다. 여기서, 극값 통계에 의한 최대 개재물 직경의 예측은, 일본 트리볼로지 학회 제 2 종 연구회에 의한 「베어링강에 있어서의 비금속 개재물의 평가법 연구회 페이즈 Ⅱ 보고서」에 기재되어 있는 극값 통계법을 사용하였다. 또, 시험편은 각각, 단조 후의 강편의, 조괴재의 보텀측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

[편석도]

편석도는, 상기한 비금속 개재물을 평가한 샘플을 사용하여, 전자선 마이크로 애널라이저 (이하, EPMA 로 나타낸다) 를 이용하여 구하였다. EPMA 의 측정 조건은, 빔 직경 : 30 ㎛φ, 가속 전압 : 20 ㎸, 전류 : 4 × 10^-7 A 로, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 샘플의 중앙부 6 ㎜ × 6 ㎜ 의 면 분석을 실시하고, 면 분석을 실시한 영역 중, Mo 강도치가 높은 부분을 포함하는 선 상에서 도 4 에 나타내는 바와 같이 라인 분석을 실시하여, Mo 의 강도의 최대치 C_Mo(max) 와 평균치 C_Mo(ave) 를 구하였다. 또, 그 강도의 최대치와 평균치의 비 C_Mo(max)/C_Mo(ave) 를 가지고 편석도로 정의하였다.

[내전동 피로 수명 특성]

전동 피로 수명 특성은, 실제로 단조, 절삭, 퀀칭·템퍼링을 실시하고, 실제로 사용하여 평가하는 것이 바람직하지만, 이것으로는 평가에 장시간을 갖는다. 그 때문에, 전동 피로 수명 특성의 평가는, 래디얼형의 전동 피로 수명 시험기에 의해 평가하였다. 단조 후의 강편의 (T₁/2, T₂/4) 부 (T₁ ＝ T₂ 는 각단조한 강편의 변의 길이 : 도 5), 혹은 D/4 부 (D 는 환단조한 강편의 직경 : 도 6) 로부터 60 ㎜φ × 5.3 ㎜ 의 원반을 잘라내고, 950 ℃ 로 가열 후 20 분 유지하고, 25 ℃ 의 오일로 퀀칭을 실시하고, 그 후, 170 ℃ 로 가열 후 1.5 시간 유지하는 템퍼링을 실시하고, 60 ㎜φ × 5 ㎜ 의 원반으로 평면 연마를 실시하여 시험면을 경면으로 마무리하였다. 이렇게 하여 얻어진 시험편은, 스러스트 전동 피로 시험기를 사용하여, 직경 약 38 ㎜ 의 원주 상을 강구 (鋼球) 가 구르도록 하여, 5.8 ㎬ 의 헤르츠 최대 접촉 응력이 가해지도록 하여 전동 피로 시험에 제공하였다. 여기서, 시험편은, 각각 단조 후의 강편의, 조괴재의 보텀측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

그 평가는, 시험편에 박리가 발생할 때까지의 응력 부하 횟수를 10 장 ∼ 15 장의 시험편에 대해 구하고, 와이블지를 사용하여 누적 파손 확률과 응력 부하 횟수의 관계로 정리한 후, 누적 파손 확률 10 ％ (이하, B₁₀ 수명으로 나타낸다) 를 구하였다. 이 B₁₀ 수명이 기준강 (A-1 : SUJ2 상당 강) 에 대해 10 ％ 이상 향상된 경우에, 전동 피로 수명 특성이 향상되었다고 판단하였다.

표 11 에, 편석도, 비금속 개재물 직경 및 전동 피로 수명 특성 시험의 결과를 나타낸다. 본 발명에 따르는 성분 조성, 편석도 C_Mo(max)/C_Mo(ave) 를 만족시키는 No.D-1 ∼ D-7, D-12 ∼ D-16 및 D-26 ∼ D-31 의 강은, 편석도, 비금속 개재물도 본 발명의 범위 내로 제어되어, 양호한 전동 피로 수명 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 이에 반해, 성분 조성이 본 발명의 범위 내라 하더라도, 제조 조건이 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 No.D-23 ∼ D-25 의 강은, 편석도 또는 비금속 개재물이 커져, 내전동 피로 수명 특성이 거의 개선되지 않았음을 알 수 있다. 또, 성분 조성이 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 No.D-8 ∼ D-11 및 D-17 ∼ D-22 의 강은, 제조 조건이 본 발명의 범위 내라 하더라도, 내전동 피로 수명 특성이 거의 개선되지 않았음을 알 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명의 조괴재를 사용하면, 전동 피로 수명 특성이 우수한 베어링강을 조괴법에 의한 저렴한 수법으로 제조할 수 있어, 산업상 매우 가치가 높은 베어링강을 제공할 수 있다.

Claims

C : 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하,
Si : 0.15 질량％ 이상 0.50 질량％ 미만,
Mn : 0.60 질량％ 이상 1.50 질량％ 이하,
Cr : 0.50 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하,
Mo : 0.05 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,
P : 0.025 질량％ 이하,
S : 0.025 질량％ 이하,
Al : 0.005 질량％ 이상 0.500 질량％ 이하,
O : 0.0015 질량％ 이하 및
N : 0.0030 질량％ 이상 0.015 질량％ 이하
를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물의 성분 조성을 갖고, 하기 (1) 식으로 정의되는 편석도가 2.8 이하이고, 추가로 극값 통계에 의해 산출되는 30000 ㎟ 에 있어서의 최대 개재물 직경의 예측치가 60 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.
C_Mo(max)/C_Mo(ave) ≤ 2.8 … (1)
단, C_Mo(max) 는 Mo 의 강도치의 최대치, 그리고 C_Mo(ave) 는 Mo 의 강도치의 평균치
제 1 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
Cu : 0.005 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하 및
Ni : 0.005 질량％ 이상 1.00 질량％ 이하
중에서 선택되는 1 종 또는 2 종을 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
W : 0.001 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,
Nb : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하,
Ti : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하,
Zr : 0.001 질량％ 이상 0.1 질량％ 이하 및
V : 0.002 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하
중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
B : 0.0002 질량％ 이상 0.005 질량％ 이하
를 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.
제 3 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
B : 0.0002 질량％ 이상 0.005 질량％ 이하
를 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링용 조괴재.