KR20130109184A - 고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조 방법 - Google Patents

고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

피처리재를 침탄 분위기 중에서 Ac1 변태점보다 고온으로 가열하고, 이어서, 침탄 분위기를 유지하면서 하기 (1) 식을 만족하는 온도 T까지 70℃／Hr 이하로 서냉하여, 그 후 산화 분위기 중에서 냉각하는 제조 방법이다.
Ar1-20≥T(℃)≥300℃···(1)
이 방법에 의하면, 강재 표면의 탈탄층 또는 과침탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위 내의, 절삭 여분이 적은 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강을, 열간 제관 후의 강관을 이용하여 효율적으로 제조할 수 있다.

Description

고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조 방법{HIGH-CARBON CHROMIUM BEARING STEEL, AND PROCESS FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은, 베어링의 소재로서 이용되는 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
따로 기재가 없는 한, 본 명세서에 있어서의 용어의 정의는 다음과 같다.
「침탄」：가스 침탄 등의 처리에 의해 강재 표면으로부터 탄소를 침투시키는 것을 말한다.
「탈탄」：열처리 등에 의해 강재 표층부의 탄소 농도가 모재의 탄소 농도보다 감소하는 것을 말한다.
「복탄」：탈탄에 의해 탄소 농도가 감소한 부분을 침탄시켜 탈탄 전의 상태로 되돌리는 것을 말한다.
「과침탄」：복탄이 과도하게 진행됨으로써 침탄이 너무 진행되어 강재 표면의 탄소 농도가 모재의 탄소 농도를 초과하는 것을 말한다.
「%」：대상물(고탄소 크롬 베어링강)에 포함되는 각 성분의 질량 백분율을 나타낸다.
베어링에 사용되는 궤도륜은, 국부적으로 큰 면압을 반복해서 받기 때문에 내마모성이 요구된다. 이러한 베어링의 궤도륜에는 JIS G 4805에 규정되는 고탄소 크롬 베어링강이 이용되고 있다. 이 강은, 모재의 탄소 함유량을 높여, 탄화물을 구상화되는 열처리(구상화 소둔 처리)를 실시한 것이며, 단단한 강 표면과 양호한 슬라이드 이동 특성, 피삭성을 발휘한다.
상기의 고탄소 크롬 베어링강은, 모재의 탄소 함유량이 많기 때문에, 고온으로 가열하면, 노내 분위기를 특별히 제어하지 않는 한 그 표면이 탈탄된다. 이 베어링강과 같은 강재는, 주조-분괴 압연-열간 제관의 공정에서, 통상, 탈탄성 분위기에서 고온으로 가열되므로, 압연 가공(냉간 압연, 냉간 인발)된 후에 있어서도 강재 표면에 탈탄층이 잔존한다.
고탄소 크롬 베어링강은, 절단, 절삭, 담금질 등의 가공이 실시되어, 궤도륜 등의 부품으로서 사용하는데 제공되지만, 절삭 후에도 탈탄층이 존재하면, 탈탄층 부분에 있어서 소정의 강도, 조직을 얻지 못하고 슬라이드 이동성의 열화를 초래한다. 따라서, 탈탄층이 깊은 경우에는 절단 전에 연삭 등의 수단으로 탈탄층을 제거하는 것도 행해지지만, 공정수의 증가, 수율의 저하 등에 의해 제조 비용이 큰폭으로 증가한다.
그 해결 방법으로서 분위기 제어에 의해 탈탄층에 복탄시키는 열처리 방법이 개시되어 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1에서는, 고온의 오스테나이트역에서의 침탄에 대해서 기재되어 있다. 즉, 베어링강 혹은 과공석강을 대상으로 하여, 구상화 소둔의 히트 패턴의 초기에, Acm 변태점 이상의 오스테나이트(γ)역으로 가열하고 침탄 처리를 하여, 종래의 구상화 소둔에서 발생하고 있었던 탈탄을 방지할 수 있는 구상화 소둔 방법이 개시되어 있다.
이에 반해, 특허 문헌 2, 특허 문헌 3에서는, 페라이트역에서의 침탄에 대해서 기재되어 있다. 특허 문헌 2에서는, 고온의 γ상보다 저온의 α상이 탄소의 확산 속도가 현격히 빨라, α상 영역에서도 충분히 복탄되는 것을 명백히함과 함께, 구상화 소둔을 할 때에, A1 변태점 이하의 720~700℃의 온도역에서 침탄 분위기로서 탈탄층의 복탄과 구상화를 동시에 행하는 고탄소 크롬 베어링강의 침탄·열처리 방법이 개시되어 있다.
또, 특허 문헌 3에서는, 피처리재의 추출 온도, 추출부의 분위기 가스 유속과 노내 압력, 냉각 속도, A1 변태점 이하 500℃ 이상의 온도역에서 분위기의 (CO)2/CO2치를 제어함으로써 그을음의 발생을 방지하고, 복탄에 의한 탈탄층의 저감을 도모할 수 있는 열처리 방법이 개시되어 있다.
한편, 특허 문헌 4에서는, 가스 침탄과 탄소 확산에 의한 탈탄 레벨 제어에 대해서 기재되어 있다. 즉, 분위기 소둔로에서 구상화와 동시에 복탄 및 과침탄시키고, 이어서 직접 재료를 직화식 소둔로에서 계속해서 구상화함과 동시에 과침탄 부분의 스케일 오프와 탄소의 확산을 충분히 진행시킴으로써 탈탄 레벨을 제어하는 고탄소 크롬 베어링강의 탈탄 억제 방법이 개시되어 있다.
특허 문헌 5에서는, 탈스케일 후에 있어서의 복탄에 대해서 기재되어 있다. 즉, 침탄 분위기에서의 열처리에 앞서 탈스케일 처리에 의해 산소분을 제거하여 복탄하기 쉬운 상태로 하고, 그 후, 침탄 분위기에서 소둔함으로써 복탄 혹은 과침탄되는 고탄소 크롬 베어링강 강관 절단 링의 복탄 처리 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 6, 특허 문헌 7에서는, 스케일 중 산소 분의 제거 혹은 스케일 제거에 의한 탈탄 방지에 대해서 기재되어 있다. 특허 문헌 6에서는, 최종 가열에 앞서, 분위기의 (CO)2/CO2를 제어하여 스케일 중의 산소분을 제거하고, 최종 열처리에서는 복탄도 탈탄도 시키지 않는 분위기 제어를 행하는 강재의 열처리 방법이 개시되어 있다. 또, 특허 문헌 7에서는, 직접 재료를 직화식 열처리노를 이용하여 강관에 구상화 소둔을 실시할 때에, 스케일 제거 후에 양관 끝을 밀폐하여 소둔하는 강관 내면의 탈탄 방지 방법이 개시되어 있다. 피처리재 내면은 노내 분위기 가스의 반응이 없어, 피처리재 내부에서의 탄소 확산이 진행되기 때문이라고 생각되고 있다.
특허 문헌 8에서는, 흑연 도포에 의한 내면 탈탄 방지에 대해서 기재되어 있다. 즉, 탈탄성 분위기노에서 강관을 열처리할 때에, 흑연과 고온에서 연소되기 어려운 액체의 혼합물을 관내면에 도포함으로써, 관내면의 카본 포텐셜을 상승시켜 복탄시키는 강관의 내면 탈탄 방지 방법이 개시되어 있다.
일본국 특허 공개 평2-54717호 공보 일본국 특허 공개 평3-126858호 공보 일본국 특허 공개 평5-148611호 공보 일본국 특허 공개 평4-136117호 공보 일본국 특허 공개 2003-27144호 공보 일본국 특허 공개 2000-319723호 공보 일본국 특허 공개 평5-78734호 공보 일본국 특허 공개 평3-2327호 공보
그러나, 상기 서술한 특허 문헌 1에 나타낸 방법에서는, γ역에서 강을 장시간 가열하면, 오스테나이트 결정립이 조대화되어, 균일하게 분산된 구상 탄화물을 얻을 수 없다는 문제가 있다.
특허 문헌 2에 기재된 방법에서는, 침탄성 가스로서 CO, H2, CO2 및 N2의 혼합 가스를 이용하지만, 그 가스 조성의 제어는 곤란하며 또한 고비용이다. A1 변태점보다 높은 온도역에서도 침탄 분위기로 하고, 냉각을 N2분위기에서 행하는 경우에는, 경도가 높은 과침탄층이 깊어져, 베어링 제조 시의 절삭 공정에 있어서 절삭 능률이 저하된다. 또, 특허 문헌 3에 기재된 분위기의 (CO)2/CO2치를 제어하는 방법에서는, 탄소 농도가 0.6% 이상으로 높은 경우에는 강재의 카본 포텐셜이 높아지기 때문에 복탄되기 어렵고, 탈탄층이 깊은 경우에 충분히 복탄되지 않는다.
특허 문헌 4에 기재된 방법에서는, 분위기 소둔로에서 복탄시킨다고 하고 있지만, 소관의 탈탄층의 탄소 농도가 0.5% 이하로 탈탄이 큰 경우에는 분위기 소둔로에서의 복탄이 불충분해져, 직접 재료를 직화식 소둔로에서의 탄소의 확산에 의해서도 탈탄은 억제되지 않는다.
미리 탈스케일에 의해 복탄되기 쉬운 상태로 하는 특허 문헌 5에 기재된 방법에서는, 특히 소관의 탈탄층이 얕은 경우에는 과침탄층이 깊어져, 가공 시의 절삭 능률이 저하된다. 또, 분위기의 (CO)2/CO2를 제어하여 스케일 중의 산소분을 제거하는 특허 문헌 6에 기재된 방법에서는, 소관의 스케일이 두꺼운 경우에 스케일 중의 산소분을 제거하지 못하고, 소관의 탈탄층이 깊은 경우에는 스케일의 산소분을 제거해도, 최종 열처리 후에 탈탄층이 잔존하는 문제가 있다.
특허 문헌 7에 기재된 방법에서는, 밀폐 마개를 하기 위해 공정수가 증가하는 문제가 있다. 또, 탈탄층이 깊은 경우에는 탄소 확산에 의해 복탄시키기 위해서는 장시간의 소둔이 필요하여, 열처리 공정이 비효율화된다. 특허 문헌 8에 기재된 방법에서도, 관내면으로의 흑연과 고온에서 연소되기 어려운 액체의 혼합물의 도포에 많은 공정수, 비용을 필요로 할 뿐만 아니라, 소경의 강관에서는 내면으로의 도포가 곤란하다.
이와 같이, 복탄이 충분히 행해지지 않아, 탈탄층이 잔존한다는 문제가 남는 한편, 복탄이 과도하게 진행됨으로써 경도가 높은 과침탄층이 발생하여, 고탄소 크롬 베어링강에 절단, 절삭, 담금질 등의 가공이 실시될 때, 절삭 공구의 수명이 짧아진다는 문제도 있다. 또, 공정수, 비용의 증가를 피할 수 없다는 문제도 있다.
본 발명은 종래 기술에 있어서의 상기의 과제를 근거로 하여 검토한 결과 이루어진 것이며, 복탄이 불충분하여 탈탄층이 많이 잔존하거나, 복탄이 과도하게 진행된 두꺼운 과침탄층이 존재하지 않는, 베어링의 소재로서 이용되는 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강을 효율적으로 제조하는 방법, 및 그 방법으로 제조된 고탄소 크롬 베어링강을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
본 발명자들은, 상기의 과제를 해결하기 위해 검토를 거듭한 결과, 열간 제관 후의 강관에 대해, 이하의 수단을 강구함으로써 종래 제안되어 온 방법에 있어서의 문제를 해소할 수 있는 것을 확인했다.
즉, 고탄소 크롬 베어링강을 제조할 때에, 열간 제관 후의 강관을 침탄 분위기에 있어서 AC1 변태점(저온으로부터 가열해 가는 경우의 A1 변태점)보다 고온으로 가열한다. 그 후 침탄 분위기를 유지하면서, (Ar1 변태점 -20)℃ 이하의 적정한 온도까지 서냉하여 탈탄층의 침탄을 촉진하여 복탄시킨다. 이 때, 침탄이 너무 진행되어 과침탄이 되는 경우도 있다. 이어서, 산화 분위기로서 냉각함으로써 탈탄층 또는 과침탄층의 깊이를 적정 범위로 제어한다. 상기 (Ar1 변태점 -20)℃ 이하의 적정한 온도는, 주조로부터 열간 제관에 이르는 프로세스에서 발생하는 탈탄의 정도에 따라 정한다.
이 방법에 의하면, 피처리재(열간 제관 후의 강관)의 탈탄의 정도에 따라 산화 분위기에서 냉각을 개시하는 온도를 조정함으로써, 복탄의 촉진 또는 과침탄의 억제 및 탈탄층 깊이 또는 과침탄층 깊이의 적정 범위으로의 제어가 가능해진다. 따라서, 종래 제안되어 온 방법에 있어서의 문제, 즉, 과침탄층이 깊어지는(상기 한 특허 문헌 2, 5에 기재된 방법), 복탄이 불충분하여 탈탄층이 잔존하는(특허 문헌 3, 4, 6에 기재된 방법), 열처리 공정이 비효율화되는(특허 문헌 7에 기재된 방법), 많은 공정수, 비용을 필요로 하는(특허 문헌 8에 기재된 방법) 등의 문제를 해소하며, 구상화와 복탄을 동시에 행하여, 탈탄층 깊이가 0~0.2mm, 또는 과침탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위(즉, 강관에 있어서, 통상, 허용 탈탄층 깊이로 되어 있는 범위) 내로 제어된, 절삭 여분이 적고 깎기 쉬운, 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강을 효율적으로 제조할 수 있다.
또, 본 발명에서 말하는 고탄소 크롬 베어링강이란, JIS G 4805의 SUJ1~5로 대표되는 탄소의 함유량이 많은 고탄소 크롬강이며, 또한, 필요에 따라 Mo, W 및 V 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 강도 대상으로 할 수 있다.
본 발명의 요지는, 하기 (1)의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법, 및 하기 (2)~(3)의 고탄소 크롬 베어링강이다.
(1) 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법으로서, 피처리재를 침탄 분위기 중에서 Ac1 변태점보다 고온으로 가열하고, 이어서, 침탄 분위기를 유지하면서 하기 (1) 식을 만족하는 온도 T까지 70℃／Hr 이하로 서냉하여, 그 후 산화 분위기 중에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법.
Ar1-20≥T(℃)≥300℃···(1)
여기서, 「Ac1」란, 저온으로부터 가열해 가는 경우에, 페라이트(α)와 시멘타이트(θ)의 2상 영역으로부터 오스테나이트(γ)와 시멘타이트의 2상 영역이 되는 A1 변태점이다. 또, 「Ar1」란 고온으로부터 냉각해 가는 경우에, 오스테나이트와 시멘타이트의 2상 영역으로부터 페라이트와 시멘타이트의 2상 영역이 되는 A1 변태점이다.
상기 「피처리재」란, 고탄소 크롬 베어링강의 제조 과정에 있어서, 용해, 주조 후, 다양한 열간 제관법(압출 제관, 펀칭 제관, 만네스만 제관 등)에 의해 얻어진 소관이다.
(2) 상기 (1)에 기재된 방법에 의해 제조되며, 또한, C：0.6~1.5%, Cr：0.5~5.0%, Si：1.0% 이하, Mn：2.0% 이하를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물인 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강.
(3) Fe의 일부 대신에, Mo：1.0% 이하, W：1.0% 이하 및 V：1.0% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 상기 (2)에 기재된 고탄소 크롬 베어링강.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법은, 열간 제관 후의 소관에 대해 구상화 소둔을 행하는 공정에 있어서, 침탄 분위기에서 복탄 또는 과침탄을 촉진한 후, 산화 분위기로 함으로써 탈탄층 깊이 또는 과침탄층 깊이를 제어하는 방법이다. 이 방법에 의하면, 절삭 여분이 적고 절삭 능률의 저하를 억제할 수 있는 피삭성이 우수한 본 발명의 고탄소 크롬 베어링강을 효율적으로 제조할 수 있다.
도 1은, 본 발명에서 채용하는 구상화 소둔 처리의 히트 패턴의 일례를 나타내는 도이다.
도 2는, 피처리재의 탄소 농도의 EPMA선 분석 결과로, 피처리재의 외표면으로부터의 거리와 탄소 농도의 관계를 나타내는 도이다.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법은, 상기와 같이, 열간 제관 후의 소관에 대한 구상화 소둔과 그 후의 냉각의 방법을 특징으로 하는 제조 방법이며, 베어링강의 제조 방법에 있어서의 기본적인 부분에 대해서는, 특별히 제한은 없다. 즉, 본 발명의 대상인 고탄소 크롬 베어링강의 조성이 되도록 강을 용해하여, 주조한 후, 다양한 열간 제관법(압출 제관, 펀칭 제관, 만네스만 제관 등)에 의해 소관이 되며, 이 소관에 대해 본 발명에서 규정하는 구상화 소둔을 실시한다. 구상화 소둔 전후의 공정에서 탈스케일, 그 외의 열처리, 냉간 가공을 행해도 된다.
본 발명의 제조 방법에 있어서, 구상화 소둔 처리를 침탄 분위기 중에서 행하는 것은, 강재의 카본 포텐셜 및 열간 제관에 이르는 프로세스에 의존하여 발생한 탈탄층의 침탄을 촉진하여 복탄시키기 위해서이지만, 이 때 침탄이 너무 진행되어 과침탄이 되는 경우도 있다.
침탄 분위기로 하기 위한 분위기 가스의 제어 방법에 대해서는, 특별히 제한은 없다. 분위기 가스의 예로서는, 흡열형 변성 가스(RX 가스) 만을 이용하는 방법, RX 가스에 발열형 변성 가스(NX 가스)를 혼합한 CO-CO2-H2-H2O-N2계 가스를 이용하는 방법 등을 들 수 있다.
RX 가스 만을 이용하여 침탄 분위기로 하는 경우에는, 필요한 RX 가스 발생을 위한 연료비가 높아진다. 한편, RX 가스와 NX 가스의 혼합 가스를 사용하는 경우에는, RX 가스 만의 분위기보다 카본 포텐셜은 낮지만, NX 가스 발생을 위한 연료비가 RX 가스보다 낮기 때문에, 비교적 염가이다. 양가스의 투입비에 의해 분위기 가스의 카본 포텐셜을 제어할 수 있다.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법은, 이와 같이 열간 제관 후의 소관에 대해 침탄 분위기 중에서 가열, 유지한 후, 침탄 분위기를 유지하면서 상기 (1) 식을 만족하는 온도까지 서냉하는 구상화 소둔 처리를 행하여 침탄을 촉진하고, 그 후 산화 분위기 중에서 냉각함으로써 탈탄층 깊이 또는 과침탄층 깊이를 제어하는 방법이다.
구상화 소둔 처리는, 통상 이용되는 어느 방법이어도 된다. 예를 들면, (a) A1 변태점의 바로 아래에서 장시간 유지하는 방법, (b) A1 변태점의 바로 위와 바로 아래에서 반복해서 가열하는 방법, (c) A1 변태점의 바로 위에서 가열한 후 서냉하는 방법이 있다.
도 1은, 본 발명에서 채용하는 구상화 소둔 처리의 히트 패턴의 일례이며, 상기 (c)의 구상화 소둔 처리 방법에 상당한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 피처리재(열간 제관 후의 소관)를 침탄 분위기 중에서 Ac1 변태점보다 고온으로 가열, 유지하고, 이어서, 침탄 분위기 중에서 상기 (1) 식을 만족하는 온도 T(즉, (Ar1-20)℃ 이하이며 300℃ 이상의 범위 내의 온도)까지 서냉하는 구상화 소둔 처리를 행한다. 도시한 예에서는, 800℃로 가열, 유지하고, 냉각 속도 70℃／Hr(시간) 이하로, T에 대응하는 시간축 상의 t점까지 서냉하고 있다. 그 후, 산화 분위기 중에서 냉각한다.
구상화 소둔 시간은, 침탄에 충분한 시간을 확보하기 위해, 침탄 분위기에 있어서, A1 변태점보다 높은 온도에서는 120분간 이상, A1 변태점 이하(즉, A1 변태점에서 (1) 식을 만족하는 온도 T까지의 온도역)에서는 15분간 이상 유지하는 것이 바람직하다.
침탄 분위기로 하는 온도 영역을 (1) 식을 만족하는 온도, 즉(Ar1-20)℃ 이하이며 300℃ 이상으로 한 이유는 다음과 같다.
즉, 열간 제관한 소관이 얻어질 때까지의 공정에서 발생하는 탈탄층이 깊을 수록, 침탄 분위기로 하는 온도역을 크게 하여 충분히 복탄시키고, 열간 제관한 소관이 얻어질 때까지의 공정에서 발생하는 탈탄층이 깊은 경우에는, 다량으로 복탄시킬 필요가 있기 때문에 침탄 분위기로 하는 온도역을 크게 할 필요가 있으며, 그에 수반하여 산화 분위기로 하는 온도역은 작아진다. 반대로, 탈탄층이 얕은 경우에는, 그만큼 복탄시킬 필요가 없기 때문에, 침탄 분위기로 하는 온도역은 작아진다. 그래서, 침탄 분위기로부터 산화 분위기로 바꾸는 온도에 폭을 두어, 강재의 카본 포텐셜과 열간 제관에 이르는 프로세스에서 발생하는 탈탄의 정도에 따라, (1) 식을 만족하는 온도, 즉, 침탄 분위기 중에서의 서냉을 종료하고, 산화 분위기에서의 냉각을 개시하는 온도를 결정할 수 있도록 하기 위해서이다.
만일 (Ac1-20)℃보다 높은 온도에서 산화 분위기로 한 경우에는, 침탄 분위기에서의 탈탄층의 복탄이 충분하지 않은 데다가, 그 후의 산화 분위기에서 탈탄되어 버려 탈탄층 깊이가 0.2mm를 넘는 경우가 생긴다. 또, 상기 서술한 바와 같이, 탈탄층이 깊은 경우에는 침탄 분위기로 하는 온도역을 충분히 크게 하기 위해 산화 분위기로 바꾸는 온도를 예를 들면 상온으로 하는 것도 필요하게 된다.
상기 도 1에 있어서, 파선으로 둘러싸인 부분은, 이와 같이 탈탄의 정도에 따라 (1) 식을 만족하는 온도 T를 적절히 결정하는 것이 가능한 범위를 나타내고 있다. 즉, 이 범위의 상한은 (Ar1 변태점)-20℃이며, 하한은 300℃이다. 실제의 조업에서는, 상온까지 침탄 분위기로 하는 것은 가능하지만, 과침탄층 깊이를 제어하는 관점이나 분위기 가스가 고비용이 되기 때문에, 산화 분위기로 하는 온도는 최저 300℃로 한다.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법에 있어서의 특징의 하나는, 이와 같이 피처리재의 카본 포텐셜과 열간 제관에 이르는 프로세스에서 발생하는 탈탄의 정도에 따라, (1) 식을 만족하는 온도, 즉 산화 분위기에서의 냉각을 개시하는 온도를 결정할 수 있는 점이다.
실제의 조업에서 (1) 식을 만족하는 온도 T를 결정할 때에는, 피처리재(열간 제관한 소관)에 발생한 탈탄의 정도를, 피처리재의 C함유량 및 열간 제관에 이르는 프로세스와 관련 지어 파악해 두고, 한편, 탈탄의 정도와 (1) 식을 만족하는 온도 T의 상관성을 실조업을 통해 미리 구해 둔다. 그 실적을 거듭함으로써, (1) 식을 만족하는 온도 T를 적확하게 결정하여, 탈탄층 깊이 또는 과침탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위 내로 제어된, 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강을 제조하는 것이 가능해진다.
산화 분위기에 있어서의 냉각 속도는, 강재 표층과 탄소의 반응에 의한 과침탄을 저감시키기 위한 시간을 확보할 수 있도록 상한을 200℃／min으로 하는 것이 바람직하다. 하한은, 특별히 규정하지 않지만, 생산 효율을 고려하면 10℃／Hr로 하는 것이 바람직하다. 전형적으로는, 산화 분위기에 있어서의 냉각은, 공기 중에서 방냉하면 된다.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강은, 상기 본 발명의 제조 방법을 적용하여 얻을 수 있는 베어링강으로, 상기한 대로, C：0.6~1.5%, Cr：0.5~5.0%, Si：1.0% 이하, Mn：2.0% 이하를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 강이다. 또한, 필요에 따라, Mo：1.0% 이하, W：1.0% 이하 및 V：1.0% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것이어도 된다.
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강에 포함되는 각 성분의 작용 효과와 그 함유량의 한정 이유에 대해서 설명한다.
C：0.6~1.5%
C는 베어링의 강도, 경도, 및 내마모성을 향상시켜, 그 수명을 높이는데 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해, C함유량은 0.6% 이상으로 했다. 한편, C함유량이 많아지면 강재의 카본 포텐셜이 높아지기 때문에, 열간 제관에 이르는 프로세스에서 발생하는 탈탄의 정도가 크고, 분위기 제어에 의한 복탄은 곤란해진다. 또, C함유량의 증가에 수반하여, 강 중의 탄화물이 거대화되는 경향이 되어, M3C(M：Fe, Cr)계의 거대 탄화물이 석출되고, 베어링의 전동 피로 특성을 저하시킨다. 따라서, C함유량은 1.5% 이하로 했다. C함유량의 바람직한 범위는, 0.8~1.2%이다. 보다 바람직하게는 0.95~1.1%이다.
Cr：0.5~3.0%
Cr은 침탄을 촉진함과 함께 탄화물의 균일 미세화에 기여하는 유효한 원소이다. 이러한 효과를 얻기 위해 0.5% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 3% 이하의 경우에는, Cr탄화물의 석출이 적고 탄화물은 시멘타이트가 주체이기 때문에, 침탄 반응이 C의 확산에 율속되어 탄화물의 성장이 빨라, 침탄 처리를 신속히 행하게 하는 것이 가능하다. 보다 바람직한 Cr함유량은 0.9~1.6%이다.
Si：1.0% 이하
Si는 강의 탈산에 필요한 성분이지만, 그 함유량이 1.0%를 넘으면 침탄을 억제하는 작용이 심해져, 복탄을 충분히 행할 수 없게 된다. 또, 강의 인성도 열화된다. 따라서, Si함유량은 1.0% 이하로 억제하는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 Si함유량은 0.15% 이상 0.7% 이하이다.
Mn：2.0% 이하
Mn은, Si와 마찬가지로 탈산제로서 유효하다. 또, Mn은, 불순물로서 함유되는 S에 기인하는 열간 가공성의 열화를 억제하는 작용이 있다. 한편, 과잉한 Mn은 취화를 초래할 뿐만이 아니라, Ac1 변태점을 과도하게 저하시켜 침탄 처리의 유효 온도를 저하시키고, 결과적으로 처리 시간을 길게 하지 않으면 안되게 된다. 그 때문에, Mn의 상한은 2.0%로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.15%이다.
본 발명의 베어링강에는, 필요에 따라, Mo, W 및 V 중 어느 1종 이상을 적극적으로 첨가 함유시켜도 된다.
Mo, W：1.0% 이하
Mo, W는 모두 담금질성의 향상에 유효한 원소이며, 뜨임 연화 저항을 높여 강의 인성 향상에 유효하게 작용한다. 단, 다량으로 함유시켜도 강인화 효과가 포화되기 때문에, 첨가하는 경우의 Mo, W의 함유량은 모두 1.0% 이하로 하는 것이 좋다. 바람직하게는 0.25% 이하이다. Mo, W의 함유량의 하한은 특별히 정하지 않지만, 그 효과를 현저하게 얻기 위해서는, Mo, W 중 어느 하나에 대해서도, 0.01% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
V：1.0% 이하
V는 침탄 중에 C와 결합하여 MC형의 특수 탄화물이 되어, Fe, Cr의 탄화물과 함께 분산 석출되어 전동 피로 수명을 향상시키는 작용이 있다. 그러나, 1.0%를 넘어 함유시켜도 전동 피로 수명 향상의 효과가 포화되기 때문에, 첨가하는 경우의 V의 함유량은 1.0% 이하로 하는 것이 된다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법은, 열간 제관 후의 소관에 대해 구상화 소둔을 행하는 공정에 있어서, 침탄 분위기에서 복탄 또는 과침탄을 촉진한 후, 산화 분위기로 함으로써 탈탄층 깊이 또는 과침탄층 깊이를 제어하는 방법으로서, 또, 종래 기술의 일부에서 보여지는 많은 공정수나 비용을 수반하지 않는다. 본 발명의 고탄소 크롬 베어링강은, 이 본 발명의 방법에 의해 제조된 베어링강으로, 절삭 여분이 적고 절삭 능률의 저하를 억제할 수 있어, 피삭성이 우수하다.
<실시예>
열간 제관에 의해 얻어진 JIS G 4805에 규정되는 SUJ2에 해당하는 재질의 강관(85.0φ×7.7t(mm))를, Ar1 변태점보다 고온으로 가열한 후에, 660℃까지 70℃／Hr로 서냉하는 구상화 소둔을, 침탄 분위기에서 180분간 걸쳐 행했다. 660℃보다 낮은 온도역에서는, 산화 분위기에서 냉각 속도를 70℃／min으로 하여 냉각했다. 즉, 660℃보다 낮은 온도역에서는, 공기 중에서 냉각했다.
상기 강관의 화학 조성을 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
침탄 분위기 가스로서는, RX 가스와 NX 가스의 혼합 가스(CO：12vol%, CO2：0.6vol%, O2：0.2vol%, H2O：0.7%, H2：21vol%, 잔부 N2)를 사용하고, 산화 분위기 가스로서는, CO2：0.03%, O2：21%, 잔부 N2)를 사용했다. 즉, 산화 분위기 가스는 특별한 분위기 가스를 준비하는 것이 아니라 대기 분위기로 했다.
상기 구상화 소둔 및 냉각 후의 강관(피처리재)의 외표면 근방의 탄소 농도를 EPMA선 분석에 의해 측정했다.
도 2는 피처리재의 탄소 농도의 EPMA 선 분석 결과로, 피처리재의 외표면으로부터의 거리와 탄소 농도의 관계를 나타내는 도이다. 여기서, 0.01mm피치로 측정한 탄소 농도의 수치 데이터를, 연속하는 10점의 수치의 평균치를 취하여 0.1mm 피치로 수치 데이터의 정리를 한 탄소 농도가, 연속하여 「모재의 탄소 농도(%)+0.05(%) 이상」이 된 위치와 외표면으로부터의 거리를 과침탄층 깊이로 하고 있다.
도 2로부터, 과침탄층 깊이는 0.03mm이며, 과침탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위 내에 있는 것을 알 수 있다.
또한, 구상화 소둔 및 냉각 후에 탈탄층이 발생하는 경우에 대해서도, 피처리재의 외표면 근방의 탄소 농도를 EPMA선 분석에 의해 측정하고, 상기와 마찬가지로 수치 데이터의 정리를 한 탄소 농도가, 연속하여 「모재의 탄소 농도(%)-0.05(%) 이하」가 된 위치와 외표면으로부터의 거리를 탈탄층 깊이로 함으로써, 탈탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위 내에 있는 것을 확인했다.
상기 시험의 결과, 본 발명의 제조 방법에 의하면, 침탄 분위기에서 복탄 또는 과침탄을 촉진한 후, 산화 분위기로 함으로써 탈탄층 또는 과침탄층의 깊이를 제어하여, 절삭 여분이 적고 또한 절삭하기 쉬운 피삭성이 우수한 고탄소 크롬 베어링강의 제조가 가능하다는 것을 확인할 수 있었다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명의 고탄소 크롬 베어링강은, 강재 표면의 탈탄층 또는 과침탄층 깊이가 0~0.2mm의 범위 내의, 절삭 여분이 적은 피삭성이 우수한 베어링강이다. 이 베어링강은, 침탄 분위기에서 구상화 소둔 처리를 행한 후, 산화 분위기에서 냉각하는 본 발명의 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법에 의해 효율적으로 제조할 수 있다. 따라서, 본 발명은 관련하는 산업분야에 있어서 유효하게 이용할 수 있다.

Claims (3)

  1. 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법으로서,
    피처리재를 침탄 분위기 중에서 Ac1 변태점보다 고온으로 가열하고, 이어서, 침탄 분위기를 유지하면서 하기 (1)식을 만족하는 온도 T까지 70℃／Hr 이하로 서냉하여, 그 후 산화 분위기 중에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강의 제조 방법.
    Ar1-20≥T(℃)≥300℃···(1)
    여기서, Ac1：저온으로부터 가열해 가는 경우의 A1 변태점
    Ar1：고온으로부터 냉각해 가는 경우의 A1 변태점
  2. 청구항 1에 기재된 방법에 의해 제조되며,
    또한, 질량%로, C：0.6~1.5%, Cr：0.5~5.0%, Si：1.0% 이하, Mn：2.0% 이하를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물인 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강.
  3. 청구항 2에 있어서,
    Fe의 일부 대신에, 질량%로, Mo：1.0% 이하, W：1.0% 이하 및 V：1.0% 이하 중 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 고탄소 크롬 베어링강.
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