KR20050122222A

KR20050122222A - 전동피로수명에 우수한 강재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20050122222A
Application number: KR1020057018274A
Authority: KR
Inventors: 타카시 이와모토; 아키히로 마츠자키; 카즈히코 오노; 마사오 고토; 히사시 하라다; 히사토 니시사카
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 고요 세이코 가부시키가이샤
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-12-28
Also published as: JP4252837B2; CA2517594A1; JP2004315890A; EP1614761A1; WO2004092434A1; TW200424324A; EP1614761B1; US7763124B2; TWI267556B; CA2517594C; CN1774521A; CN100439540C; KR20070074664A; EP1614761A4; US20060081314A1

Abstract

본 발명은, 질량%로, C : 0.7 - 1.1%, Si : 0.2 - 2.0%, Mn : 0.4 - 2.5%, Cr : 1.6 - 4.0%, Mo : 0.1% 이상 0.5% 미만, Al : 0.010 - 0.050%를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피불순물로 되며, 담금질 뜨임 처리를 하고, 또한 잔류 세멘타이트의 입자지름이 0.05 - 1.5㎛, 구오스테나이트 입자지름이 30㎛ 이하인 전동피로수명에 우수한 강재 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 강재를 베어링강으로 사용하면, 가혹한 사용환경에서도 베어링의 수명을 보다 길게 할 수 있다.

Description

전동피로수명에 우수한 강재 및 그 제조방법 {STEEL MATERIAL WITH EXCELLENT ROLLING FATIGUE AND METHOD OF PRODUCING THE SAME}

본 발명은, 롤러 베어링(roller bearing) 또는 볼(ball) 베어링와 같은 구름 베어링 등에 사용되는 강재, 특히, 가혹한 사용환경에서도 전동피로수명(轉動疲勞壽命)에 우수한 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 및 산업기계 등에 사용되는 구름 베어링의 소재로서는, 종래로부터, JIS G 4805에 규정되어 있는 고탄소 크롬 베어링강 SUJ2가 가장 많이 사용되고 있다.

일반적으로, 베어링강으로는, 그 전동피로수명의 길이가 중요한 성질 중의 하나로 요구된다. 지금까지, 베어링강의 전동피로수명에 영향을 주는 인자로서는, 강 중 비금속 개재물이 가장 주요한 인자로 생각되고 있다. 그 때문에, 예를 들면 특개평1-306542호 공보나 특개평3-126839호 공보에는, 강 중의 산소량을 낮게 하여, 비금속 개재물의 양, 형상 및 크기를 제어하여 전동피로수명을 향상시키는 방법이 개시되어 있다.

그렇지만, 본 발명자들은, 베어링강의 전동피로수명에 관하여 여러 가지의 연구를 행한 바, 고부하 또는 고온인 가혹한 사용환경에 있어서는, 이하에서 서술하는 바와 같은 현상이 생기기 때문에, 상술한 방법과 같이 단순히 비금속 개재물의 양, 형상 및 크기를 제어하는 것만으로는 전동피로수명을 충분히 향상시킬 수 없다는 것을 발견했다.

즉, 베어링의 사용환경이 가혹화되는 것에 수반하여, 베어링의 내외륜과 전동체와의 접촉시에 발생하는 전단응력에 의해 베어링강의 접촉면의 하층부분(표층부)에 백색의 마이크로 조직변화층이 생성되고, 이 변화층이 전동회수가 증가함에 따라 점점 성장하여 최종적으로는 피로박리를 일으켜, 전동피로수명을 저하시킨다. 특히, 더욱 가혹한 사용환경인 고면압하(高面壓下)(소형화)에서의 온도상승은, 이 마이크로 조직변화층이 발생하기까지의 전동회수를 단축하고, 현저하게 전동피로수명을 저하시킨다.

따라서, 이러한 사용환경의 가혹화에 수반한 전동피로수명의 저하를 억제하는 데는, 종래기술에서 비금속 개재물의 양, 형상 및 크기를 제어하는 것만으로는 불충분하고, 마이크로 조직의 경시적(經時的)인 변화를 억제하는 것이 필요하다.

고부하 전동피로시의 반복하는 응력부하에 의한 마이크로 조직의 변화를 억제할 수 있는 베어링강으로서, 본 발명자들은, 특개평6-287691호 공보에 있어서, C : 0.5 - 1.5wt%, Cr : 2.5wt%초과 8.0wt%이하, Sb : 0.001 - 0.015wt%, O : 0.002wt%이하를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피불순물로 된 베어링강 및 이 베어링강에 Si : 0.5wt%초과 2.5wt%이하, Mn : 0.05 - 2.0wt%, Mo : 0.05 - 0.5wt%, Al : 0.005 - 0.07wt% 등을 더 함유시킨 베어링강을 제안했다. 이러한 베어링강에서는, B₅₀ 고부하 전동피로수명(전동피로수명 시험에서의 누적파손확률 50%에 있어서 마이크로 조직변화층이 박리하기까지의 총부하회수)이 향상한다.

그렇지만, 현재로는, 베어링의 사용환경이 특개평6-287691호 공보의 출원시보다 더욱 가혹하게 되고 있고, 단순히 화학조성의 규정만으로는 충분한 전동피로수명이 얻어지지 않는다. 그 때문에, 더욱 전동피로수명에 우수한 베어링용 강재가 열망되고 있다.

본 발명자들은, 여러 가지 검토를 행하여, 강재 사용시의 마이크로 조직을 좁게 규정하는 것에 의해, 종래보다도 가혹한 사용환경에 있어서도, 베어링의 수명을 더 길게 할 수 있는 이하의 전동피로수명에 우수한 강재를 발견했다.

즉, 질량%로, C : 0.7 - 1.1%, Si : 0.2 - 2.0%, Mn : 0.4 - 2.5%, Cr : 1.6 - 4.0%, Mo : 0.1% 이상 0.5% 미만, Al : 0.010 - 0.050%를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피불순물로 되며, 담금질 뜨임 처리를 하고, 또한 잔류 세멘타이트(cementite)의 입자지름이 0.05 - 1.5㎛, 구(舊)오스테나이트(austenite) 입자지름이 30㎛ 이하인 전동피로수명에 우수한 강재이다.

또한, 이 전동피로수명에 우수한 강재는, 상기 성분을 가진 강재에 750 - 850℃에서 가열 후 0.015℃/s 이하의 냉각속도로 700℃이하까지 냉각하는 구상화(球狀化) 풀림을 행하는 공정과, 구상화 풀림 후의 강재에 담금질 뜨임 처리를 행하는 공정을 갖는 방법에 의해 제조할 수 있다.

발명의 실시의 형태

본 발명자들은, 가혹한 사용환경에 있어서 반복하는 응력부하에 의한 베어링강에 마이크로 조직의 변화에 관하여 검사하여, 이하의 지식을 얻었다.

1) 마이크로 조직의 변화의 주원인은, 강재의 경질한 부분으로의 응력집중과 그 주변에 있어서 탄소(C)의 확산이고, 응력집중을 완화하거나, C의 확산을 억제하면, 마이크로 조직의 변화를 억제할 수 있다.

2) 강 중의 C의 확산을 억제하는 데는, 담금질 시의 가열단계에 있어서, 오스테나이트(이하, γ로 표시한다) 입자를 미세화함과 동시에, 담금질 뜨임 처리 후에 잔류하는 세멘타이트의 입자지름을 0.05 - 1.5㎛로 하면 좋다.

3) 상기한 JIS G 4805의 고탄소 베어링강 SUJ2에 있어서는, 용강을 주조할 때에 정출(晶出)하는 조대(粗大)한 탄화물의 영향으로, 담금질 뜨임 처리를 실시한 후에 입자지름이 5㎛ 이상의 「공정탄화물(共晶炭化物)」로 불리는 조대탄화물이 잔류하는 것이 있으나, 이것은 응력집중원으로 작용하여, 마이크로 조직의 변화를 촉진한다. 또한, 구상화 풀림 시에 생성하는 구상탄화물도 그 사이즈의 조대화에 수반하여 응력집중원으로 작용하여, 마이크로 조직의 변화를 촉진한다.

본 발명은, 이와 같은 지식에 근거하여 행한 것으로, 이하에서 그 상세한 설명을 한다.

(I) 화학조성

C : C는, 강의 기지(基地)에 고용(固溶)하고, 마르텐사이트(martensite)를 강화하여, 담금질 뜨임 처리 후의 경도를 확보하며, 전동피로수명을 향상시킨다. 그를 위해서는, C를 0.7질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 1.1질량%를 넘으면 공정탄화물과 같은 조대탄화물의 형성을 촉진함과 더불어, 강 중의 C의 확산에 의한 마이크로 조직의 변화를 조장(助長)하여, 전동피로수명을 저하시킨다. 따라서, C는 0.7 - 1.1질량%로 한다.

Si : Si는, 강의 탈산제로서의 작용 외, 기지에 고용하여 담금질 후의 뜨임 시에 강도가 저하하는 것을 억제한다. 또한, 전동부하환경에 있어서 마이크로 조직의 변화를 억제한다. 그를 위해서는, Si를 0.2질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 2.0질량%를 넘으면 단조성(鍛造性), 기계가공성(被削性) 등을 대폭으로 떨어뜨린다. 따라서, Si는 0.2 - 2.0질량%로 한다.

Mn : Mn은, 강의 탈산제로서 작용하고, 저산소화에 유효한 원소이다. 또한, 담금질성을 향상시켜서, 기지인 마르텐사이트의 인성(靭性) 및 강도를 향상시키고, 전동피로수명을 향상시킨다. 또한, 세멘타이트를 안정화시켜, 마이크로 조직의 변화를 억제하는 효과도 가진다. 그를 위해서는, Mn을 0.4질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 2.5질량%를 넘으면 단조성, 기계가공성을 대폭으로 떨어뜨린다. 따라서, Mn은 0.4 - 2.5질량%로 한다.

Cr : Cr은, 세멘타이트를 안정화시켜서 강 중의 C의 확산을 억제함과 더불어, 세멘타이트의 조대화를 억제하여 응력집중을 방지하고, 전동피로수명을 향상시킨다. 그를 위해서는, Cr을 1.6질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 4.0질량%를 넘으면 마르텐사이트에서의 C의 고용량을 저하시켜서 담금질 뜨임 처리 후의 경도를 저하시켜, 전동피로수명을 저하시킨다. 따라서, Cr은 1.6 - 4.0질량%로 한다.

Mo : Mo은, 기지에 고용하여, 담금질 후의 뜨임 시에 있어서 강도저하를 억제하는 작용을 가진다. 또한, 담금질 뜨임 처리 후의 경도 및 전동피로수명을 향상시킨다. 또한, 탄화물의 안정화에 의해 마이크로 조직의 변화를 억제하는 작용도 가진다. 그를 위해서는, Mo을 0.1질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 0.5질량% 이상 첨가하여도 그 효과는 포화하고, 코스트 상승을 초래한다. 따라서, Mo은, 0.1질량% 이상 0.5질량% 미만으로 한다.

Al : Al은, 강의 탈산제로서 필요하고, 또한 강 중의 N과 결합하여 담금질 뜨임 처리 후의 구γ 입자를 미세화하여, 전동피로수명을 향상시킨다. 그를 위해서는, Al을 0.010질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 0.050질량%를 넘으면 다량으로 석출(析出)하는 AlN에 의해 전동피로수명이 저하한다. 따라서, Al은 0.010 - 0.050질량%로 한다.

이러한 원소에 더하여, 또한, 질량%로, Ni : 0.5 - 2.0%, V : 0.05 - 1.00%, Nb : 0.005 - 0.50%, Sb : 0.0010 - 0.0050%의 그룹으로부터 선택된 적어도 1 종류의 원소를 함유시키는 것이, 이하에서 서술하는 이유로 바람직하다.

Ni : Ni는, 기지에 고용하여, 담금질 후의 강도저하를 억제하기 위해, 필요에 따라 첨가된다. 충분한 효과를 얻는 데는, Ni을 0.5질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 2.0질량%를 넘으면 다량의 잔류γ 를 생성하여, 담금질 뜨임 처리 후의 강도를 저하시킨다. 따라서, Ni은 0.5 - 2.0질량%로 한다.

V : V는, 안정한 탄화물을 형성하고, 경도를 상승시킴과 더불어, 마이크로 저직의 변화를 억제하여 전동피로수명을 향상시키는 것으로서, 필요에 따라 첨가된다. 충분한 효과를 얻는 데는, V를 0.05질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 1.00질량%를 초과하면 고용C가 저하하고, 담금질 뜨임 처리 후의 경도가 저하한다. 따라서, V는 0.05 - 1.00질량%로 한다.

Nb : Nb는, V와 마찬가지로 안정한 탄화물을 형성하여, 경도를 상승시킴과 더불어, 마이크로 조직의 변화를 억제하여 전동피로수명을 향상시키는 것으로서, 필요에 따라 첨가된다. 충분한 효과를 얻는 데는, Nb를 0.005질량% 이상으로 할 필요가 있지만, 0.50질량%를 넘어도 그 효과는 포화한다. 따라서, Nb는 0.005 - 0.50질량%로 한다.

Sb : Sb는, 열처리시의 탈탄(脫炭)을 억제함과 더불어, 담금질 뜨임 처리 후의 구γ 입자를 미세화하는 것으로 전동피로수명을 향상시키는 것으로서, 필요에 따라 첨가된다. 충분한 효과를 얻는 데는, Sb를 0.0010질량% 이하로 할 필요가 있지만, 0.0050질량%를 넘으면 그 효과가 포화할 뿐만 아니라, 열간가공성 및 인성이 떨어진다. 따라서, Sb는 0.0010 - 0.0050질량%로 한다.

(II) 잔류 세멘타이트의 입자지름

베어링용의 C량이 높은 강재는 담금질 뜨임 처리를 받지만, 처리 후의 강재에는 담금질 전에 존재하는 세멘타이트가 잔류한다. 상술한 바와 같이, 이 잔류 세멘타이트는, 강 중의 C의 확산을 억제하고, 가혹한 사용환경에 있어서 반복하는 응력부하에 의한 베어링강의 마이크로 조직의 변화를 억제한다. 그러나, 잔류 세멘타이트의 평균 입자지름이 0.05㎛ 미만이면 세멘타이트의 체적에 대한 표면적의 비율이 크게 되어, 기지에서의 C의 용출(溶出)을 촉진하기 위한 C의 확산억제효과가 충분하게 얻어지지 않고, 1.5㎛을 넘으면 잔류 세멘타이트와 기지의 경계면에서의 응력집중이 증대함으로써, 마이크로 조직의 변화가 촉진된다. 따라서, 담금질 뜨임 처리 후의 잔류 세멘타이트의 입자지름은 0.05 - 1.5㎛일 필요가 있다.

(III) 구γ 입자지름

상술한 마이크로 조직변화의 억제에 더하여, 전동피로에 의해 발생한 균열의 전파를 억제하는 것도, 전동피로수명의 향상에는 효과적이다. 가혹한 사용환경에 있어서 그 향상으로는, 담금질 뜨임 처리 후의 구γ 입자지름을 30㎛ 이하로 할 필요가 있다.

(IV) 제조방법

본 발명에서는, 상술한 본 발명 범위의 화학조성을 가지는 강을 용제(溶製)하여, 예를 들면 연속주조로 주편으로 한 후, 열간압연에 의해 봉강(棒鋼)으로 한 강재를 출발재료로 한다. 그리고, 이 강재에, 통상의 조건으로 풀림을 행한 후, 750 - 850℃로 가열함하고 나서 0.015℃/s 이하의 속도로 700℃ 이하까지 냉각하는 구상화 풀림을 행한 후, 담금질 뜨임 처리를 행한다. 이러한 구상화 풀림에 의해, 담금질 뜨임 처리 후의 잔류 세멘타이트의 입자지름을 0.05 - 1.5㎛로 할 수 있다. 구상화 풀림의 가열온도가 850℃를 넘으면, 구상화 세멘타이트가 조대하게 되고, 담금질 뜨임 처리 후의 잔류 세멘타이트도 조대하게 되며, 가열 후의 냉각시에서 새롭게 층상의 세멘타이트가 형성된다. 또한, 가열온도가 750℃ 미만에서는, 구상화 풀림 전에 존재하는 펄라이트가 남아, 소망하는 잔류 세멘타이트가 얻어지지 않는다.

담금질 뜨임 처리는, 통상 이 분야에서 행해지고 있는 조건으로 행한다. 특히, 담금질 시의 가열온도가 800℃ 미만이면 구상화 세멘타이트의 모상(母相) 오스테나이트로의 고용이 충분하게 진행하지 않아, 담금질 뜨임 처리 후에 충분한 경도가 얻어지지 않게 됨과 동시에, 잔류 세멘타이트의 조대화를 초래한다. 반대로 가열온도가 950℃를 넘으면 세멘타이트의 고용이 과잉하게 진행됨과 동시에, 오스테나이트 입자의 조대화를 초래한다. 따라서, 담금질 뜨임 처리 후에 소망의 잔류 세멘타이트를 얻고, 구γ 입자지름을 300㎛ 이하로 하는 데는, 담금질시의 가열온도를 800 - 950℃로 하는 것이 중요하다. 또한, 담금질 뜨임 처리 후의 세멘타이트의 체적률은, 주로 C량에 따라 변화하지만, 본 발명의 조성범위에서는 3 - 25%로 된다.

표 1에 나타낸 시료 No.1 - 25의 화학조성을 가진 강을 전로(轉爐)에서 용제 후, 연속주조하여 주편으로 하였다. 표 1의 시료 No.1 - 7의 화학조성은 본 발명범위 외이고, 시료 No.1은 JIS G 4805의 SUJ2에 상당하는 종래강, 시료 No.2는 C가, 시료 No.3은 Si가, 시료 No.4 는 Mn이, 시료 No.5는 Cr이, 시료 No.6 Mo이, 시료 No.7은 Al이 각각 본 발명범위 외이다. 얻어진 주편은, 1240℃으로 30분간 소둔(燒鈍)한 후, 65mmφ의 봉강으로 열간압연 하였다.

얻어진 봉강의 직경의 1/4에 상당하는 위치로부터 절삭가공에 의해 15mmφ × 20mm의 원주상 시험편 및 전동피로를 측정하는 시험편(이하, 전동피로시험펀이라고 함)을 채취하여, 풀림, 구상화 풀림, 담금질 뜨임의 순서로 열처리를 행했다. 구상화 풀림은, 표 1에 나타낸 가열온도로부터 0.004 - 0.020℃/s의 냉각속도로 650℃까지 냉각하고, 그 후 방냉(放冷)하였다. 전동피로 시혐편에 관해서는, 탈탄층을 완전하게 제거할 목적으로, 다시 표면으로부터 1mm 이상 연마 후, 래핑(lapping) 마무리를 행하여, 시험편 치수가 12mmφ × 20mm로 되도록 했다.

각 시료의 원주상 시험편을 사용하여, 원주의 축방향으로 절단하고, 그 절단면을 피크린산 알콜(picric acid alcohol) 용액, 초산 알콜 용액으로 순차 부식하고, 마이크로 조직을 관찰하여, 화상해석(畵像解析)에 의해 잔류 세멘타이트의 평균 입자지름 및 평균 구γ 입자지름을 측정했다.

또한, 각 시료의 전동피로 시험편을 사용하여, 레이디얼 타입(radial type)의 전동피로수명시험기에 의해, 헤르츠(hertz) 최대 접촉응력 5880Mpa, 반복응력 수 약 46500cpm의 조건으로 전동피로시험을 행했다. 시험결과는, 이른바 「웨이블(Weibull) 분포」에 따른 것으로서 확률지(確率紙) 위에 정리, 종래 강을 사용한 시료 No.1의 평균수명(상술한 B₅₀ 고부하 전동피로수명)을 1로 할 때의 비(比)로서 평가했다. 또한, 종래보다 가혹한 사용환경에서도 더욱 긴 전동피로수명이 얻어지는 것은, 이 비가 10 이상인 것이 필요하다.

결과를 표 1에 나타낸다.

본 발명범위 내의 화학조성을 가지고, 잔류 세멘타이트의 입자지름 및 구γ 입자지름도 본 발명범위 내에 있는 시료 No.9 - 18 및 20 - 25는, 어느 것도 종래 강의 시료 No.1 보다 10배 이상의 높은 B₅₀을 나타내고 있고, 종래보다 가혹한 사용환경에 있어서도 우수한 전동피로수명을 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 시료 No.10에서 담금질시의 가열온도를 통상의 온도범위 외로 한 시료 No.10b, 10c에서는, 소망의 잔류 세멘타이트의 입자지름, 구γ 입자지름이 얻어지지 않고, B₅₀이 현저하게 낮다.

한편, 본 발명범위 외의 화학조성을 가진 시료 No.2 - 7의 B₅₀은, 어느 것도 종래 강의 시료 No.1에 비교하여 동등 이하이다. 특히, Cr양이 낮은 시료 No.5에서는 잔류 세멘타이트의 입자지름이 1.5㎛를 넘고, 또한 Al양이 낮은 시료 No.7에서는 구γ 입자지름이 30㎛를 넘으며, B₅₀이 현저하게 낮다.

또한, 화학조성이 본 발명범위 내에 있어도, 잔류 세멘타이트의 입자지름이 1.5㎛를 넘은 시료 No.8 및 잔류 세멘타이트의 입자지름이 0.05㎛ 미만인 시료 No.19는, 종래 강의 시료 No.1보다는 높은 B₅₀을 나타내지만, 그 비는 기껏해야 3.8 정도로 충분하지 않다.

Claims

질량%로, C : 0.7 - 1.1%, Si : 0.2 - 2.0%, Mn : 0.4 - 2.5%, Cr : 1.6 - 4.0%, Mo : 0.1% 이상 0.5% 미만, Al : 0.010 - 0.050%를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피불순물로 되며, 담금질 뜨임 처리를 하고, 또한 잔류 세멘타이트의 입자지름이 0.05 - 1.5㎛, 구오스테나이트 입자지름이 30㎛ 이하인 전동피로수명에 우수한 강재.
제 1항에 있어서,

질량%로, Ni : 0.5 - 2.0%, V : 0.05 - 1.00%, Nb : 0.005 - 0.50%, Sb : 0.0010 - 0.0050%의 그룹으로부터 선택된 적어도 1 종류의 원소를 더 함유한 전동피로수명에 우수한 강재.
질량%로, C : 0.7 - 1.1%, Si : 0.2 - 2.0%, Mn : 0.4 - 2.5%, Cr : 1.6 - 4.0%, Mo : 0.1% 이상 0.5% 미만, Al : 0.010 - 0.050%를 함유하고, 나머지가 Fe 및 불가피불순물로 된 강재에, 750 - 850℃로 가열 후, 0.015℃/s 이하의 냉각속도로 700℃까지 냉각하는 구상화 풀림을 행하는 공정과,

상기 구상화 풀림 후의 강재에, 담금질 뜨임 처리를 행하는 공정과,

를 포함하는 전동피로수명에 우수한 강재의 제조방법.
제 3항에 있어서,

질량%로, Ni : 0.5 - 2.0%, V : 0.05 - 1.00%, Nb : 0.005 - 0.50%, Sb : 0.0010 - 0.0050%의 그룹으로부터 선택된 적어도 1 종류의 원소를 더 함유한 강재를 사용하는 전동피로수명에 우수한 강재의 제조방법.