KR20120084816A

KR20120084816A - 베어링 강

Info

Publication number: KR20120084816A
Application number: KR1020127016345A
Authority: KR
Inventors: 미노루 혼조; 가즈쿠니 하세; 히데토 기무라
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-07-30
Also published as: EP2508637A4; KR101482365B1; EP2508637A1; US20130017117A1; EP2508637B1; CN102639736B; JP4775506B1; CN102639736A; JP2012107308A; WO2011065592A1

Abstract

베어링 강에 있어서, 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, 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, 또한 공정 탄화물 생성 지수 Ec 가 0 ＜ Ec ≤ 0.25 를 만족시키는 성분 조성으로 함으로써, 연속 주조재인 경우는 물론, 특히 조괴재에 의한 베어링 강이어도, 편석부에 있어서의 공정 탄화물의 생성을 억제한다.

Description

베어링 강{BEARING STEEL}

본 발명은, 자동차, 풍력 발전 (wind power), 수송 기계, 전기 기계 및 정밀 기계나, 그 밖의 일반 산업 기계 등에 사용되는 베어링의 소재로서 바람직한, 우수한 전동 피로 수명 (rolling contact fatigue life) 특성을 갖는 베어링 강 (bearing steel) 에 관한 것이다.

이런 종류의 베어링 강으로는, 고탄소 크롬강 (high carbon chromium steel : JIS G 4805 규격 SUJ2) 이 많이 이용되고 있다. 일반적으로, 베어링 강은 전동 피로 수명 특성이 우수한 것이 중요한 성질 중 하나인데, 이 전동 피로 수명은, 강 중의 비금속 개재물 혹은 공정 탄화물 (eutectic carbide) 에 의해 저하되는 것으로 생각되고 있다.

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

예를 들어, 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등의 제안이 있으며, 이들은 강 중의 산화물계 비금속 개재물의 조성, 형상 혹은 분포 상태를 컨트롤하는 기술이다. 그러나, 비금속 개재물이 적은 베어링 강을 제조하려면, 고가의 용제 (溶製) 설비가 필요하거나, 혹은 종래 설비의 대폭적인 개조가 필요하거나 하여, 경제적인 부담이 크다는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 3 에서는, 탄소의 중심 편석률 그리고 강 중의 산소량 및 황 함유량을 제어함으로써, 전동 피로 수명 특성을 향상시키고자 하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 산소 함유량을 더욱 감소시켜, 추가적인 비금속 개재물이 적은 베어링 강을 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 왔다. 예를 들어, 고탄소 크롬강은, 0.95 질량％ 이상의 C 를 함유하여 매우 경질이고, 강의 내마모성은 양호하지만, 주편 (鑄片) 중심부에 발생하는 편석 (이하, 중심 편석으로 약기한다) 의 정도가 높아지고, 나아가서는 주편 중에 거대한 공정 탄화물이 생성되기 때문에, 전동 피로 수명을 저하시키는 문제가 있었다. 그 때문에, 주편 중앙부를 타발하여 폐재로 하거나, 장시간의 확산 처리 (diffusion treatment : 이하, 소킹 (soaking) 으로 약기한다) 를 실시하여, 이들을 충분히 소산 (消散) 시키고 나서 사용되고 있다.

이와 같은 편석 문제와 관련하여, 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 포함하고 그 축심선으로부터 한쪽으로 각각 1/8?D (D : 그 종단면의 폭) 이내의 중심 영역에 나타나는 두께 2 ㎛ 이상의 탄화물의 총 단면적을, 상기 종단면적에 대하여 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 개시하고 있다.

특허문헌 5 에서는, C : 0.50 ? 1.50 질량％ 및 Sb : 0.0010 ? 0.0150 질량％ 등의 특정 성분 조성을 갖고, 탈탄층의 형성이 적고, 열처리 생산성이 우수한 베어링 강이 개시되어 있다. 동 문헌에서는, Sb 를 첨가함으로써, 강의 탈탄층의 형성을 줄이고, 열처리 후의 절삭 혹은 연삭 공정을 생략 가능하게 하여, 열처리 생산성을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나, Sb 는 인체에 대하여 강한 독성의 의혹이 있기 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 발생하고, 전동 피로 파괴의 기점이 되어, 전동 피로 수명의 저하를 초래할 가능성이 있다.

여기서, 고탄소 크롬 베어링 강의 주조시에 발생하는 중심 편석 및 그 중심 편석부에 생성되는 거대 공정 탄화물을 소산하기 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 시작되고, 공정 반응을 일으켜 추가적인 거대 공정 탄화물이 생성된다는 문제점이 있었다.

그 때문에, 베어링의 용도에 따라서는, 상기 서술한 고탄소 크롬강이 아니라, 저탄소 합금강을 사용하는 경우가 있다. 예를 들어, 표면 담금질강은, 고탄소 크롬강에 이어 많이 이용되고 있다. 그러나, 표면 담금질강은, 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 kcal 이하로 함으로써, 단시간에 침탄 가능한 표면 담금질강이 개시되어 있다.

동일하게, 특허문헌 8 에는, C : 0.1 ? 0.45 ％ 등의 특정 화학 조성을 갖고, 침탄층의 오스테나이트 결정 입도가 7 번 이상, 표면의 탄소 함유량이 0.9 ? 1.5 ％ 이고, 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 저하되거나 하기 때문에, 제품 비용의 상승을 초래하는 것이 문제였다.

또, 베어링 강의 용도에 따라서는 대단면 (large section) 화가 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

풍력 발전, 수송 기계, 그 밖의 일반 산업 기계는 해마다 대형화되고 있으며, 이들에 사용하는 베어링 강의 추가적인 대단면화가 급무가 되었다. 강괴의 제조 방법은 조괴법 (ingot casting) 과 연속 주조법 (continuous casting) 으로 크게 구별되는데, 이 베어링 강의 대단면화에는, 종래 연속 주조로 제조되었던 소재를 조괴법으로 제조함으로써, 소단면에서 대단면까지 대응할 수 있게 된다. 그러나, 이 조괴법으로 제조된 강 (이하, 조괴재라고 한다) 에서는, V 편석 (V-segregation) 부나 역 V 편석 (inverse V-segregation) 부와 같은 편석부에 거대한 공정 탄화물이 생성되는 것이 특히 문제가 된다. 왜냐하면, 조괴재는 연속 주조재인 경우와 비교하여 편석 정도가 높고, 따라서, 거대한 공정 탄화물의 생성 빈도도 높아지기 때문에, 공정 탄화물의 생성을 억제하는 것이 중요해지기 때문이다.

그래서, 본 발명은, 연속 주조재인 경우는 물론, 특히 조괴재에 의한 베어링 강에 있어서도, 상기한 편석부에 있어서의 공정 탄화물의 생성을 억제하는 방도에 대해 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명자들은, 상기 과제를 해결하는 수단에 대해 예의 구명한 결과, 종래의 베어링 강에 대하여, C, Si, Mn, Cr 및 Al 의 첨가량을 특정 범위로 한정함과 함께, 새롭게 공정 탄화물 생성 지수 (eutectic carbide formation index) 를 도입하고, 그 값도 특정 범위로 한정하는 것을 발견하였다. 즉, 이들 한정에 의해, 특히 조괴재에서 문제가 되었던 V 편석부나 역 V 편석부에서의 거대한 공정 탄화물의 생성을 회피할 수 있고, 따라서 전동 수명 특성이 우수한 베어링 강을 제공할 수 있음을 지견하였다.

즉, 발명자들은, C, Si, Mn, Cr 및 Al 량을 변화시키고, 또한 후술하는 (1) 식으로 나타내는 공정 탄화물 생성 지수 Ec 를 변화시킨 베어링 강을 조괴재로 제조하고, 그 조직 및 전동 피로 수명 특성을 예의 조사한 결과, 조괴재여도 성분 조성 및 Ec 값이 소정 범위를 만족시키는 강이면, 강 중에 공정 탄화물이 존재하지 않는 강을 얻을 수 있고, 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,

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 불순물로 이루어지는 성분 조성이고, 또한 하기 (1) 식으로 정의되는 공정 탄화물 생성 지수 Ec 가

0 ＜ Ec ≤ 0.25

를 만족시키는 것을 특징으로 하는 베어링 강.

Ec ＝ (－0.07 × [％ Si] － 0.03 × [％ Mn] ＋ 0.04 × [％ Cr] － 0.36 × [％ Al] ＋ 0.79) － [％ C] … (1)

단, [ ] 는 괄호 내의 각 성분의 함유량 (질량％)

2. 상기 성분 조성에 더하여, 추가로,

Cu : 0.005 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,

Ni : 0.005 질량％ 이상 1.00 질량％ 이하 및

Mo : 0.01 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하

중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 베어링 강.

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 중 어느 하나에 기재된 베어링 강.

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 베어링 강.

즉, 상기 1 ? 4 의 발명을 정리하면, 본 발명의 베어링 강은,

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, 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,

혹은 추가로 하기 (A) ? (C) 중 적어도 어느 것을 함유하고 :

(A) Cu : 0.005 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하, Ni : 0.005 질량％ 이상 1.00 질량％ 이하 및 Mo : 0.01 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상,

(B) 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 이상,

(C) B : 0.0002 질량％ 이상 0.005 질량％ 이하,

잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 성분 조성이고, 또한 상기 (1) 식으로 정의되는 공정 탄화물 생성 지수 Ec 가 0 ＜ Ec ≤ 0.25 를 만족시키는 것을 특징으로 하는 베어링 강이다.

본 발명에 의하면, 종래의 베어링 강에 비해 훨씬 우수한 내전동 피로 수명 특성을 갖는 베어링 강을 안정적으로 제조할 수 있다. 특히 조괴재의 적용이 허용되는 점에서, 소단면 내지 대단면의 베어링 강의 제조를 실현할 수 있어, 풍력 발전기나 수송 기계, 그 밖의 일반 산업 기계의 대형화에도 기여하여, 산업상 유익한 효과가 초래된다.

도 1 은 전동 피로 수명의 평가 결과 (종축 : B₁₀ 수명비) 를 Ec 값 (횡축 : 질량％) 과의 관계로서 정리한 그래프이다.
도 2 는 사각 단조 (square forging) 후의 강편으로부터 미크로 조직 (micro structure) 관찰용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 3 은 사각 단조 후의 강편으로부터 전동 수명 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 시험편 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 4 는 둥근 단조 (circular forging) 후의 강편으로부터 미크로 조직 관찰용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 5 는 둥근 단조 후의 강편으로부터 전동 수명 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 피검면 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 6 은 사각 단조 후의 강편으로부터 피삭성 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 시험편 사이즈를 나타내는 도면이다.
도 7 은 둥근 단조 후의 강편으로부터 피삭성 평가용 샘플을 채취할 때의 채취 위치와 시험편 사이즈를 나타내는 도면이다.

다음으로, 본 발명의 베어링 강에 대해 상세하게 설명한다.

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

? C : 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하

C 는 강의 강도를 높이고, 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 생성되고, 전동 피로 수명의 저하를 초래한다. 이상과 같은 점에서, C 량은 0.56 질량％ 이상 0.70 질량％ 이하로 한다.

? Si : 0.15 질량％ 이상 0.50 질량％ 미만

Si 는 탈산제로서 작용하고, 또 고용 강화에 의해 강의 강도를 높이고, 강의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키는 작용을 갖기 때문에, 이들 작용을 목적으로 첨가되는 원소이다. 이들 작용을 목적으로 하여, 본 발명에서는 Si 를 0.15 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 0.50 질량％ 이상의 첨가는, 강의 피삭성이나 단조성을 열화시킨다. 또, 강 중의 산소와 결합하고, 산화물로서 강 중에 잔존하여 전동 피로 수명 특성의 열화를 초래한다. 또한, 편석부에 농화된 경우에는, 공정 탄화물을 생성시키기 쉽게 한다. 이상과 같은 점에서, Si 의 상한은 0.50 질량％ 미만으로 한다.

? Mn : 0.60 질량％ 이상 1.50 질량％ 이하

Mn 은 퀀칭성을 향상시키고, 강의 강인성을 높이고, 강재의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는, 0.60 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 1.50 질량％ 를 초과하는 첨가는 피삭성을 저하시킨다. 또, 편석부에 농화된 경우에는, 공정 탄화물을 생성시키기 쉽게 한다. 이상과 같은 점에서, Mn 의 상한은 1.50 질량％ 로 한다.

? Cr : 0.50 질량％ 이상 1.10 질량％ 이하

Cr 은 Mn 과 동일하게 강의 강인성을 높이고, 강재의 내전동 피로 수명 특성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로, 본 발명에서는, 0.50 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 1.10 질량％ 를 초과하는 첨가는 피삭성을 저하시키기 때문에, Cr 의 상한은 1.10 질량％ 로 한다.

? P : 0.025 질량％ 이하

P 는 강의 모재 인성이나 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 하기 곤란하여, 0.003 질량％ 이상 함유되는 경우가 많다.

? S : 0.025 질량％ 이하

S 는 비금속 개재물인 MnS 로서 강 중에 존재한다. 베어링 강은 전동 피로의 기점이 되기 쉬운 산화물이 적기 때문에, 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 S 함유량을 0 ％ 로 하기 곤란하여, 0.0001 질량％ 이상 함유되는 경우가 많다.

? Al : 0.005 질량％ 이상 0.500 질량％ 이하

Al 은 탈산제로서 작용하고, 또 질화물을 생성시키고 오스테나이트 입자를 미세화하며, 인성 그리고 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 작용을 갖기 때문에, 이들 작용을 목적으로 첨가되는 원소이다. 이들 작용을 목적으로 하여, 본 발명에서는 Al 을 0.005 질량％ 이상 첨가한다. 그러나, 0.500 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 조대한 산화물계 개재물이 강 중에 존재하게 되어, 강의 전동 피로 수명 특성의 저하를 초래한다. 또, 편석부에 농화된 경우에는, 공정 탄화물을 생성시키기 쉽게 한다. 이상과 같은 점에서, 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, 경질의 산화물계 비금속 개재물을 형성하기 때문에, 전동 피로 수명의 저하를 초래한다. 따라서, O 는 가능한 한 낮은 것이 좋고, 0.0015 질량％ 이하로 한다. 또한 공업적으로는 O 함유량을 0 ％ 로 하기 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 형성함으로써, 오스테나이트 입자를 미세화하고, 인성 그리고 전동 피로 수명 특성을 향상시키기 때문에, 0.003 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.

? 공정 탄화물 생성 지수 Ec : 0 ＜ Ec ≤ 0.25

발명자들은, 다양한 성분 조성을 갖는 강을 진공 용해로에서 용제하고, 얻어진 강괴에 대해, 공정 탄화물의 유무를 조사하였다. 또한 그 결과에 관하여 파라미터 (주영향 원소) 의 선택을 다양하게 변경하며 회귀 계산을 실시하였다. 그 결과, 공정 탄화물의 생성을 억제할 수 있는 강 조성으로서, 이하의 (1) 식에 의해 정의되는 공정 탄화물 지수 Ec 값이 0 ＜ Ec ≤ 0.25 를 만족시키는 것이 필요하다는 지견을 얻었다.

단, [ ] 는 괄호 내의 각 성분의 함유량 (질량％)

또한, 발명자들은, 표 1 에 나타내는 성분 조성 그리고 Ec 값에 따라 베어링 강을 제조하여, 전동 피로 수명 특성을 조사하였다. 전동 피로 수명 특성은, 후술하는 실시예와 동일한 시험 방법으로 실시하였다.

또한, 공정 탄화물의 생성 유무, 전동 피로 수명 특성에 미치는 성분 조성 그리고 Ec 값의 영향을 조사하기 위해, 베어링 강의 제조 조건은 동등하게 하였다. 즉, 전로에서 용제한 후, 조괴법으로 1350 ㎜ × 1250 ㎜ 단면 (정상측), 1280 × 830 ㎜ 단면 (바닥측) 의 조괴재 (잉곳) 로 하고, 얻어진 조괴재를 550 ㎜ 사각 단면 (square section) 으로 단조하였다. 단조 후의 강편으로부터, 도 2 에 나타내는 바와 같이 공정 탄화물 생성 유무 관찰용 시험편, 그리고 도 3 에 나타내는 바와 같이 전동 피로 시험편을 채취하고, 후술하는 시험법으로 공정 탄화물의 생성 유무, 전동 피로 수명 특성 그리고 피삭성 (공구 수명비로 평가) 을 각각 조사하였다.

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

전동 피로 수명 그리고 피삭성 (공구 수명비로 평가) 의 평가 결과를 표 2 에, 이 전동 피로 수명 평가 결과 (종축 : B₁₀ 수명비) 와 Ec 값 (횡축 : 질량％) 의 관계로서 정리한 것을 도 1 에 각각 나타낸다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, Ec 값이 0 이하인 영역에서는, 강 중에 거대한 공정 탄화물이 생성되어 있고, Ec 값을 이 영역에서 증가시켜도 전동 피로 수명은 기준재의 수준으로부터 거의 개선되지 않았다. 그러나 Ec 값이 0 을 초과하면 공정 탄화물이 생성되지 않게 되고, 전동 피로 수명의 급격한 개선이 보여진다. 단, Ec 값이 0.25 초과가 되면, 첨가하는 C 량이 적어지기 때문에, 퀀칭 후의 강의 강도를 확보할 수 없게 되고, 전동 피로 수명이 저하되었다. 이상과 같은 점에서, Ec 값을 0 ＜ Ec ≤ 0.25 로 함으로써, 강 중에 공정 탄화물이 생성되지 않게 되고, 따라서, 전동 피로 수명 특성이 향상되는 것이 판명되었다. 또, Ec 값이 본 발명의 범위 내여도, C 량이 본 발명의 범위 외인 A-8, 및 Mn 량이 본 발명의 범위 외인 A-10 은, 강의 강도가 저하되었기 때문에, 전동 피로 수명이 저하되었다.

여기서, 상기와 같이 Ec 값을 규제하여 공정 탄화물이 없는 강으로 조제한 것은, 상기 서술한 바와 같이, 공정 탄화물이 강 중에 생성되면, 공정 탄화물을 기점으로 하여 전동 피로가 발생하고, 그 결과, 내전동 피로 수명 특성의 저하를 초래하기 때문이다.

또한, 본 발명에서는, 조괴법에 의해 제조한 조괴재여도, 공정 탄화물의 생성을 억제할 수 있는 점에서, 조괴법에 의해 제조되는 조괴재에 적용하면 특히 효과가 있다. 그리고, 소재를 조괴재로 함으로써, 소단면에서 대단면까지의 베어링 제품에 대응할 수 있게 된다는 효과도 있다.

또한, 상기한 기본 성분에 추가하여, 이하에 나타내는 각 성분을 적절히 첨가할 수 있다.

(A) Cu : 0.005 ? 0.5 질량％, Ni : 0.005 ? 1.00 질량％ 및 Mo : 0.01 ? 0.5 질량％ 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상

Cu, Ni 및 Mo 는 퀀칭성이나 템퍼링 후의 강도를 높이고, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 필요로 하는 강도에 따라 선택하여 (즉 Cu, Ni, Mo, Cu ＋ Ni, Cu ＋ Mo, Ni ＋ Mo 및 Cu ＋ Ni ＋ Mo 중 어느 것을 선택하여) 첨가할 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Cu 및 Ni 는 0.005 질량％ 이상, Mo 는 0.01 질량％ 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, Cu, Mo 는 0.5 질량％, Ni 는 1.00 질량％ 를 초과하여 첨가하면, 강의 피삭성이 저하되기 때문에, Cu, Ni, Mo 는 상기 값을 상한으로 하여 첨가하는 것이 바람직하다.

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

(B) 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 높이고, 강의 전동 피로 수명 특성을 향상시키는 원소로, 필요로 하는 강도에 따라 선택하여 (즉 W, Nb, Ti, Zr, V, W ＋ Nb, W ＋ Ti, W ＋ Zr, W ＋ V, Nb ＋ Ti, Nb ＋ Zr, Nb ＋ V, Ti ＋ Zr, Ti ＋ V, Zr ＋ V, W ＋ Nb ＋ Ti, W ＋ Nb ＋ Zr, W ＋ Nb ＋ V, W ＋ Ti ＋ Zr, W ＋ Ti ＋ V, W ＋ Zr ＋ V, Nb ＋ Ti ＋ Zr, Nb ＋ Ti ＋ V, Nb ＋ Zr ＋ V, Ti ＋ Zr ＋ V, W ＋ Nb ＋ Ti ＋ Zr, W ＋ Nb ＋ Ti ＋ V, W ＋ Nb ＋ Zr ＋ V, W ＋ Ti ＋ Zr ＋ V, Nb ＋ Ti ＋ Zr ＋ V 및 W ＋ Nb ＋ Ti ＋ Zr ＋ V 중 어느 것을 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, 강의 피삭성이 저하되기 때문에, 이들 값을 상한으로 하여 첨가하는 것이 바람직하다.

(C) B : 0.0002 ? 0.005 질량％

B 는 퀀칭성의 증대에 의해 템퍼링 후의 강의 강도를 높이고, 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.

기본 성분 이외의 원소를 추가하는 경우, (A), (B), (C) 의 각 원소군의 임의의 조합이 가능하다. 즉 어느 1 개의 원소군에서 원소를 선택하여 첨가해도 되고, 임의의 2 개의 원소군에서 각각 원소를 선택하여 첨가해도 되고, 나아가서는 모든 원소군에서 각각 원소를 선택하여 첨가해도 된다.

본 발명의 베어링 강에 있어서는, 상기 이외의 성분은, Fe 및 불가피적 불순물이다. 불가피적 불순물로는 Sn, Sb, As, Ca 등이 예시되는데 이것에 한정되는 것은 아니다.

상기 성분 조성을 갖는 베어링 강은, 진공 용해로 또는 전로, 나아가서는 탈가스 공정 등의 공지된 정련법으로 용제하고, 이어서, 조괴법 혹은 연속 주조법에 의해 주편이 된다. 본 발명에서는, 특히 공정 탄화물이 석출되기 쉬운 조괴법에 의해 주편으로 하는 경우에도, 공정 탄화물의 생성을 방지할 수 있으므로, 조괴재 (대형 주편을 제조할 수 있다) 에 적용할 수도 있다. 주편은, 추가로 압연, 단조 등의 성형 공정을 거쳐 베어링 부품이 된다.

실시예

[실시예 1]

표 3 에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 전로 정련 및 탈가스 공정에 의해 용제하고, 이어서 조괴법 또는 연속 주조에 의해 표 4 에 나타내는 사이즈의 주편으로 하였다. 이 주편을 가열로에 장입하여 1000 ? 1350 ℃ 로 가열 후, 표 4 에 나타내는 단면 사이즈로 단조를 실시하였다. 이 단조품에 대해 공정 탄화물의 유무 및 전동 피로 수명 특성을 이하와 같이 조사하였다.

[공정 탄화물의 유무]

공정 탄화물의 유무는, 단조된 강편의 (T₁/2, T₂/2) 부 (중심부) 및 (T₁/2, T₂/4) 부 (T₁ ＝ T₂ 는 사각 단조된 강편의 변의 길이 : 도 2), 혹은 D/4 부 및 D/2 부 (D 는 둥근 단조된 강편의 직경 : 도 4) 로부터 연신 방향 단면이 관찰면이 되도록 미크로 조직 관찰용 샘플을 채취하고, 3 ％ 나이탈 (nital) 로 부식 후, 주사형 전자 현미경 (SEM) 으로 배율 500 배로 관찰을 실시하여, 공정 탄화물의 유무를 조사하였다. 또한, 피검 면적은 10 ㎜ × 10 ㎜ 로 하였다. 여기서, 시험편은 각각 단조 후의 강편의 조괴재의 바닥측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

[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, 스러스트형의 전동 피로 수명 시험기 (thrust type rolling contact fatigue machine) 에 의해 이하와 같이 평가하였다. 단조 후의 강편의 (T₁/2, T₂/4) 부 (T₁ ＝ T₂ 는 사각 단조된 강편의 변의 길이 : 도 3), 혹은 D/4 부 (D 는 둥근 단조된 강편의 직경 : 도 5) 로부터 60 ㎜φ × 5.3 ㎜ 의 원반을 잘라내고, 950 ℃ 로 가열 후 20 분 유지하고, 25 ℃ 의 오일로 퀀칭을 실시하였다. 그 후, 170 ℃ 로 가열 후 1.5 시간 유지하는 템퍼링을 실시하고, 60 ㎜φ × 5 ㎜ 의 원반이 될 때까지 평면 연마 (flat polish) 를 실시하여, 시험면을 경면으로 마무리하였다. 이렇게 하여 얻어진 시험편은, 스러스트 전동 피로 시험기를 사용하고, 직경 약 38 ㎜ 의 원주 상을 강구 (鋼球) 가 구르도록 하여, 5.8 ㎬ 의 헤르츠 최대 접촉 응력 (maximum Hertzian contact stress) 이 가해지도록 하여 전동 피로 시험에 제공하였다. 여기서, 시험편은 각각 단조 후의 강편의 조괴재 혹은 연속 주조재의 바닥측에 상당하는 부분으로부터 채취하였다.

전동 피로 수명 특성의 평가는 이하와 같이 실시하였다. 시험편에 박리가 발생할 때까지의 응력 부하 횟수를 10 장 ? 15 장의 시험편에 대하여 구하고, 와이불 페이퍼 (Weibull probability paper) 를 사용하여 누적 파손 확률 (cumulative probability) 과 응력 부하 횟수의 관계로 정리하였다. 그 후, 누적 파손 확률 10 ％ (이하, B₁₀ 수명으로 나타낸다) 를 구하였다. 이 B₁₀ 수명이 기준강 (A-1 : SUJ2 상당 강) 에 대하여 10 ％ 이상 향상된 경우, 전동 피로 수명 특성이 향상된 것으로 판단하였다.

[피삭성]

피삭성은, 실제로 단조, 절삭, 퀀칭?템퍼링을 실시하고, 실제로 가공하여 평가하는 것이 바람직하지만, 이것으로는 평가에 장시간을 갖는다. 그 때문에, 피삭성의 평가는, 외주 선삭 시험에 의해 이하와 같이 평가하였다. 단조 후의 강편의 (T₁/2, T₂/4) 부 (T₁ ＝ T₂ 는 사각 단조된 강편의 변의 길이 : 도 6), 혹은 D/4 부 (D 는 둥근 단조된 강편의 직경 : 도 7) 로부터 60 ㎜φ × 270 ㎜ 의 환봉을 잘라내고, 950 ℃ 로 가열 후 20 분 유지하고, 25 ℃ 의 오일로 퀀칭을 실시하였다. 그 후, 170 ℃ 로 가열 후 1.5 시간 유지하는 템퍼링을 실시하였다. 이렇게 하여 얻어진 시험편은, 외주 선삭 시험기에 의해 피삭성의 평가를 실시하였다. 외주 선삭 시험은, 초경 (超硬) (P10) 의 절삭 공구를 사용하여, 윤활재 없이 절삭 속도 120 ㎜/min, 이송 속도 0.2 m/rev, 노치 1.0 ㎜ 로 실시하고, 공구의 플랭크면 마모량이 0.2 ㎜ 가 될 때까지의 시간을 공구 수명으로서 조사하였다. 각각의 강에 대해 얻어진 공구 수명을 기준강 (A-1 : SUJ2 상당 강) 에 대한 공구 수명의 값으로 나눔으로써, 수명의 저하 정도 (공구 수명비 ＝ 공구 수명/SUJ2 상당 강의 공구 수명) 를 평가하였다. 이 공구 수명비가 기준강에 대하여 15 ％ 이상 향상된 경우, 피삭성이 향상된 것으로 판단하였다.

표 5 에 공정 탄화물의 유무, 및 전동 피로 수명 특성 및 피삭성 시험의 결과를 나타낸다. 본 발명에 따른 성분 조성 및 Ec 값을 만족시키는 B-1 ? B-2, B-4 ? B-6, B-8, B-13 ? B-19, B-21 ? B-22, B-24 ? B-26 및 B-28 ? B-29 의 강은, 강 중에 공정 탄화물의 존재가 없고, 또한 양호한 전동 피로 수명 특성을 갖고 있음을 알 수 있다. 그 반면, 성분 조성이 본 발명의 범위 내여도, Ec 값이 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 B-3, B-7, B-12 및 B-23 의 강은, 강 중에 공정 탄화물이 존재하고, 전동 피로 수명이 저하되었음을 알 수 있다. 또, 성분 조성이 본 발명의 범위를 만족시키지 않는 B-9 ? B-11, B-20, B-27 및 B-31 ? B-34 의 강은, 전동 피로 수명이 저하되었음을 알 수 있다. Ec 값은 본 발명의 범위이지만, Cr 량이 본 발명의 범위 외인 B-30 의 강은, 피삭성이 불충분함을 알 수 있다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 전동 피로 수명 특성이 우수한 베어링 강을 저렴하게 제조할 수 있어, 산업상 매우 가치가 높은 베어링 강을 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,
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 불순물로 이루어지는 성분 조성이고, 또한 하기 (1) 식으로 정의되는 공정 탄화물 생성 지수 Ec 가
0 ＜ Ec ≤ 0.25
를 만족시키는 베어링 강.
Ec ＝ (－0.07 × [％ Si] － 0.03 × [％ Mn] ＋ 0.04 × [％ Cr] － 0.36 × [％ Al] ＋ 0.79) － [％ C] … (1)
단, [ ] 는 괄호 내의 각 성분의 함유량 (질량％)
제 1 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
Cu : 0.005 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하,
Ni : 0.005 질량％ 이상 1.00 질량％ 이하 및
Mo : 0.01 질량％ 이상 0.5 질량％ 이하
중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 베어링 강.
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 베어링 강.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 성분 조성에 더하여, 추가로,
B : 0.0002 질량％ 이상 0.005 질량％ 이하
를 함유하는 베어링 강.