KR20140129368A - 전동 피로특성이 우수한 축받이용 강재 및 축받이 부품 - Google Patents

전동 피로특성이 우수한 축받이용 강재 및 축받이 부품 Download PDF

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마사키 시마모토
도모코 스기무라
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가부시키가이샤 고베 세이코쇼
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Abstract

본원발명의 축받이용 강재는, 강재의 화학성분 조성을 적절히 조정하고, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 평균 조성이 CaO: 10 내지 45%, Al2O3: 20 내지 45%, SiO2: 30 내지 50%, MnO: 15% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 MgO: 3 내지 10%이고, 잔부가 불가피 불순물로 이루어지며, 또한, 강재의 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경이 20㎛ 이하임과 더불어, 구상(球狀) 세멘타이트 조직을 갖는다.

Description

전동 피로특성이 우수한 축받이용 강재 및 축받이 부품{BEARING STEEL WITH EXCELLENT ROLLING FATIGUE CHARACTERISTICS, AND BEARING PARTS}
본 발명은, 각종 산업기계나 자동차 등에 사용되는 축받이용 전동체(轉動體)(롤, 니들, 볼 등)으로서 이용했을 때에, 우수한 전동(轉動) 피로특성을 발휘하는 축받이용 강재, 및 이러한 축받이용 강재로부터 얻어지는 축받이 부품에 관한 것이다.
각종의 산업기계나 자동차 등의 분야에서 사용되고 있는 축받이용 전동체(롤, 니들, 볼 등)에는, 레이디얼(radial) 방향으로부터 높은 반복 응력이 부여된다. 그 때문에, 축받이용 전동체에는 전동 피로특성이 우수할 것이 요구되고 있다.
전동 피로특성은 강 중에 비금속 개재물이 존재하는 것에 의해 저하된다는 것이 알려져 있다. 종래, 제강 프로세스에 의해 강 중의 산소 함유량을 될 수 있는 한 적게 하려는 시도가 되어 왔다. 그러나, 전동 피로특성에 대한 요구는 산업기계류의 고성능화, 경량화에 대응하여 해마다 엄하게 되고 있다. 축받이 부품의 추가적인 내구성 향상을 위해, 축받이용 강재에는 더한층 양호한 전동 피로특성이 요구되고 있다.
전동 피로특성을 개선하는 기술로서, 지금까지도 다양한 것이 제안되어 있다. 예컨대 특허문헌 1에는, C, Si, Mn, Al 등의 원소의 범위를 적절히 조정함과 더불어, 산화물계 개재물의 조성에 따라 그 개수를 규정함으로써, 신선성과 피로특성이 우수한 강재가 개시되어 있다.
그러나, 이 기술은 강재의 조직을 미세 펄라이트로 하는 것이며, 구상 탄화물을 분산시킨 조직은 아니기 때문에, 전동 피로특성 및 내마모성이 불충분하다.
또한 특허문헌 2에는, C: 0.6 내지 1.2%, Si: 0.1 내지 0.8%, Mn: 0.1 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.010% 이하, Cr: 0.5 내지 2.0%, Al: 0.005% 이하, Ca: 0.0005% 이하, O: 0.0020% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지며, 비금속 개재물에 대하여, 산화물의 평균 조성이 CaO: 10 내지 60%, Al2O3: 20% 이하, MnO: 50% 이하 및 MgO: 15% 이하이고, 잔부 SiO2 및 불순물로 이루어짐과 더불어, 강재의 길이 방향 종단면의 10개소의 100mm2의 면적 중에 존재하는 산화물의 최대 두께의 산술 평균치와, 황화물의 최대 두께의 산술 평균치가 각각 8.5㎛ 이하인 축받이 강재가 개시되어 있다.
그러나, 이 기술에서는, 개재물이 연신되어 두께가 저감됨으로써, 쓰러스트(thrust) 방향의 하중이 부여되는 부재의 전동 피로특성은 개선되지만, 롤, 니들, 볼 등의 전동체와 같이 레이디얼 방향으로부터 하중이 부여되는 경우에는, 전동 피로특성은 충분하다고는 말할 수 없어, 조기 박리가 생기는 것이 예상된다.
한편, 특허문헌 3에는, C: 0.85 내지 1.2%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.05 내지 0.6%, P ≤0.03%, S ≤0.010%, Cr: 1.2 내지 1.7%, Al ≤0.005%, Ca ≤0.0005%, O ≤0.0020%를 함유하고, 잔부가 Fe와 불순물로 이루어지는 화학성분을 가지며, 비금속 개재물에 대하여, 산화물의 평균 조성이 CaO: 10 내지 60%, Al2O3 ≤35%, MnO ≤35% 및 MgO ≤15%이고, 잔부가 SiO2와 불순물로 이루어짐과 더불어, 강재의 길이 방향 종단면 10개소의 100mm2의 면적 중에 존재하는 산화물의 최대 두께의 산술 평균치와, 황화물의 최대 두께의 산술 평균치가 각각 8.5㎛ 이하이고, 또한 강재의 표면으로부터 R/2부 위치(「R」은 축받이 강재의 반경)에서의 평균 단면 경도가 비커스 경도로 290 이하인 축받이 강재가 개시되어 있다.
그러나, 이 기술에 있어서도, 개재물이 연신되어 두께가 저감됨으로써, 쓰러스트 방향의 하중이 부여되는 부재의 전동 피로특성은 개선되지만, 롤, 니들, 볼 등의 전동체와 같이 레이디얼 방향으로부터 하중이 부여되는 경우에는, 전동 피로특성은 충분하다고는 말할 수 없어, 조기 박리가 생기는 것이 예상된다.
일본 특허공개 2007-92164호 공보 일본 특허공개 2009-30145호 공보 일본 특허공개 2010-7092호 공보
본 발명은 이러한 상황 하에 이루어진 것으로서, 그 목적은, 롤, 니들, 볼 등, 레이디얼 방향의 하중이 반복 부여되는 축받이 부품에 대하여, 종래 기술보다도 더욱 전동 피로특성이 우수한 것으로 하여, 조기 박리를 억제할 수 있는 축받이용 강재를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 전동 피로특성이 우수한 축받이용 강재는, C: 0.8 내지 1.1%(질량%의 의미, 성분 조성에 대하여 이하 같음), Si: 0.15 내지 0.8%, Mn: 0.10 내지 1.0%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음), S: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음), Cr: 1.3 내지 1.8%, Al: 0.0002 내지 0.005%, Ca: 0.0002 내지 0.0010% 및 O: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음)를 각각 포함하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 평균 조성이 CaO: 10 내지 45%, Al2O3: 20 내지 45%, SiO2: 30 내지 50%, MnO: 15% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 MgO: 3 내지 10%이고, 잔부가 불가피 불순물로 이루어지며, 또한, 강재의 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경이 20㎛ 이하임과 더불어, 구상(球狀) 세멘타이트 조직을 갖는다.
본 발명의 축받이용 강재는, 구체적으로는, 구상화 소둔 후에 냉간 가공율 5% 이상으로 가공하여 얻어진 것을 들 수 있다. 또한, 이러한 축받이용 강재를 이용하는 것에 의해, 전동 피로특성이 우수한 축받이 부품이 얻어진다.
본 발명에 의하면, 강재의 화학성분 조성을 적절히 조정함과 더불어, 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 조성을 제어하여, 개재물 그 자체를 연질화시켜 분단(分斷)되기 쉽게 함과 더불어, 강재의 길이 방향의 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경을 소정 이하로 제어함으로써, 종래 기술보다도 더욱 전동 피로특성이 우수하여, 조기 박리를 억제할 수 있는 축받이용 강재가 실현된다. 이러한 축받이용 강재는, 롤, 니들, 볼 등, 레이디얼 방향의 하중이 반복 부여되는 축받이 부품의 소재로서 매우 유용하다.
도 1은 산화물계 개재물의 최대 장직경과 L10 수명의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 냉간 가공율과 산화물계 개재물의 최대 장직경의 관계를 나타내는 그래프이다.
본 발명자들은, 레이디얼 방향의 하중이 반복 부여되는 축받이 부품의 전동 피로특성의 향상을 목표로 하여, 특히 개재물 제어를 중심으로 검토했다. 그 결과, 강재의 화학성분 조성을 적절히 조정함과 더불어, Si 탈산에 의해 산화물계 개재물의 조성을 제어하여, 개재물 그 자체를 연질화시켜 분단되기 쉬운 것으로 하면 좋다는 것, 및 구상화 소둔 후에 소정의 가공율로 냉간 가공을 실시하여 강재의 길이 방향의 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경을 소정 이하로 제어하면, 전동 피로특성이 매우 양호하게 된다는 것을 발견해내어, 본 발명을 완성하였다.
일반적으로, 청정유(淸淨油) 환경(이물질이 혼입되어 있지 않은 윤활유에서의 환경)에서의 축받이용 강재의 전동 피로특성(전동 피로수명)은, 비금속 개재물(특히, 산화물계 개재물)이 응력 집중원으로 되고, 그것이 기점이 되어 박리되기 쉬운 상태가 된다는 것은 종래부터 알려져 있다. 본 발명자들이, 레이디얼 전동 피로 시험기를 이용하여, 산화물계 개재물의 형태와 전동 피로특성의 관계에 대하여 검토한 바에 의하면, 산화물계 개재물을 연질화시킴과 더불어, 길이 방향의 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경을 짧게 하면, 전동 피로특성을 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌다. 한편, 상기 레이디얼 전동 피로 시험기란, 점 접촉 전동 피로 시험기의 의미이며, 롤, 니들 등의 축받이 부품에 레이디얼 방향으로부터의 하중을 걸어 전동 피로를 시험하는 장치이다(예컨대, 「NTN TECHNICAL REVIEW」 No.71(2003), 도 2).
축받이용 강재 중의 산화물계 개재물을 연질화시키기 위해서는, 산화물계 개재물의 성분 조성(평균 조성)을 하기와 같이 조정할 필요가 있다. 한편, 이 성분 조성은 합계(CaO, Al2O3, SiO2, MnO 및 MgO의 합계)로 100%가 된다는 것이 상정되어 있지만, 미량의 불순물(예컨대, CuO나 NiO 등)을 포함할 수도 있다.
[CaO: 10 내지 45%]
산성 산화물인 SiO2를 기본 조성으로 하는 산화물은, 염기성인 CaO를 포함하는 것에 의해, 산화물의 액상선 온도가 내려가, 압연 온도역에서 연성을 나타내게 된다. 이러한 효과는, 산화물의 평균 조성에 있어서의 CaO 함유량이 10% 이상에서 얻어진다. 그러나, CaO 함유량이 지나치게 높으면, 조대한 개재물이 되기 때문에, 45% 이하로 할 필요가 있다. 한편, 산화물계 개재물에 있어서의 CaO 함유량의 바람직한 하한은 13% 이상(보다 바람직하게는 15% 이상)이며, 바람직한 상한은 43% 이하(보다 바람직하게는 41% 이하)이다.
[Al2O3: 20 내지 45%]
양성(兩性) 산화물인 Al2O3는, 산화물의 평균 조성에 있어서의 함유량이 45%를 초과하면, 압연 온도역에서 Al2O3(코런덤)상이 정출(晶出)되거나, MgO와 함께 MgO·Al2O3(스피넬)상이 정출된다. 이들의 고상(古相)은 경질이고 압연·냉간 가공 시에 분단되기 어려워, 조대한 개재물로서 존재하고, 가공 중에 보이드(void)가 생성되기 쉬워져, 전동 피로특성을 악화시킨다. 이러한 관점에서, 산화물의 평균 조성에 있어서의 Al2O3 함유량은 45% 이하로 할 필요가 있다. 한편, 산화물계 개재물 중의 Al2O3 함유량이 20% 미만이 되면, 열간 가공 시에 개재물의 변형 저항이 높아져, 그 후의 냉간 가공에서 미세화 효과가 얻어지지 않는다. 한편, 산화물계 개재물에 있어서의 Al2O3 함유량의 바람직한 하한은 22% 이상(보다 바람직하게는 24% 이상)이며, 바람직한 상한은 43% 이하(보다 바람직하게는 41% 이하)이다.
[SiO2: 30 내지 50%]
SiO2는, 산화물계 개재물에 30% 이상 함유됨으로써 융점을 저하시켜 연질의 개재물이 되고, 그 결과, 열간 가공 및 냉간 가공 시에 개재물의 변형 저항을 저하시킨다. 그리고, 냉간 가공 시에 개재물이 분단되어 미세화됨으로써 전동 피로특성이 개선된다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 산화물계 개재물 중에 SiO2를 30% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, SiO2 함유량이 50%를 초과하면, 점성이나 융점이 상승하여, 경질의 개재물이 되어, 그 후의 냉간 가공 시에 개재물이 분단되기 어렵게 된다. 한편, 산화물계 개재물에 있어서의 SiO2 함유량의 바람직한 하한은 32% 이상(보다 바람직하게는 35% 이상)이며, 바람직한 상한은 45% 이하(보다 바람직하게는 40% 이하)이다.
[MnO: 15% 이하(0%를 포함하지 않음)]
MnO는 산화물로서는 염기성을 갖고, SiO2계 산화물의 연질화를 조장하는 효과가 있다. 그러나, MnO 함유량이 15%를 초과하면, 압연 온도역에서 MnO·Al2O3(Galaxite)상이 정출된다. 이 고상은, 경질이고 압연·냉간 가공 시에 분단되기 어려워, 조대한 개재물로서 존재하여, 전동 피로특성을 악화시킨다. 따라서, 산화물의 평균 조성에 있어서의 MnO 함유량은 15% 이하로 했다. 한편, 산화물계 개재물에 있어서의 MnO 함유량의 바람직한 하한은 2% 이상(보다 바람직하게는 5% 이상)이며, 바람직한 상한은 13% 이하(보다 바람직하게는 11% 이하)이다.
[MgO: 3 내지 10%]
MgO는 염기성 산화물이며, 소량으로 SiO2계 산화물을 연질화시킬 수 있고, 또한 산화물의 융점을 내리는 효과가 있어, 열간 가공 시에 산화물의 변형 저항이 저하되기 때문에, 미세화되기 쉬워진다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 산화물계 개재물 중에 3% 이상 함유되는 것이 필요하다. 한편, MgO의 함유량이 10%를 초과하면, 경질의 MgO상 및 Al2O3과 함께 MgO·Al2O3(스피넬)상의 정출량이 증가하기 때문에, 열간 및 냉간 가공 시에 산화물의 변형 저항이 증가되어, 조대화된다. 그 때문에, 산화물 중의 MgO 함유량을 3 내지 10%로 하는 것이 전동 피로특성의 개선에 바람직하다. 한편, 산화물계 개재물에 있어서의 MgO 함유량의 바람직한 하한은 3.5% 이상(보다 바람직하게는 4.0% 이상)이며, 바람직한 상한은 9.6% 이하(보다 바람직하게는 9.4% 이하)이다.
본 발명의 축받이용 강재는, 구상화 소둔되어 구상 세멘타이트 조직을 갖는 것이지만, 구상화 소둔 후에 소정의 가공율로 냉간 가공을 실시하는 것에 의해(후술함), 강재의 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경이 20㎛ 이하인 것으로 되어 있다.
[길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경: 20㎛ 이하]
청정유 환경에서, 축받이는 일정한 반복 하중을 받으면, 비금속계 개재물에 응력 집중이 생겨, 균열 발생, 전파를 거쳐 박리에 이른다. 압연 방향에 대하여, 산화물계 개재물의 최대 장직경이 큰 경우에는, 피로를 받는 전주면(轉走面)에 개재물이 존재할 확률이 높아지고, 또한 높은 응력 집중이 생겨, 조기 박리되기 쉬워진다. 이러한 현상을 억제하기 위해서, 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경을 20㎛ 이하로 했다. 이 최대 장직경은 바람직하게는 18㎛ 이하이며, 보다 바람직하게는 16㎛ 이하이다.
본 발명의 강재는, 축받이용 강재로서의 기본 성분을 만족시킴과 더불어, 산화물계 개재물의 성분 조성을 적절히 제어하기 위해서, 그 화학성분 조성도 적절히 조정할 필요가 있다. 이러한 관점에서, 강재의 화학성분 조성의 범위 설정 이유는 다음과 같다.
[C: 0.8 내지 1.1%]
C는, 담금질 경도를 증대시키고, 실온, 고온에서의 강도를 유지하여 내마모성을 부여하기 위한 필수적인 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, C는 적어도 0.8% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 1.1%를 초과하여 과잉으로 되면, 축받이의 심부에 거대 탄화물이 생성되기 쉬워져, 전동 피로특성에 악영향을 미치게 된다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.85% 이상(보다 바람직하게는 0.90% 이상)이며, 바람직한 상한은 1.05% 이하(보다 바람직하게는 1.0% 이하)이다.
[Si: 0.15 내지 0.8%]
Si는, 탈산 원소로서 유효하게 작용하는 외에, 담금질·템퍼링 연화 저항을 높여 경도를 높이는 작용을 갖고 있다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 0.15% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 과잉으로 되어 0.8%를 초과하면, 단조 시에 금형 수명이 저하될 뿐만 아니라, 비용 증가를 초래하게 된다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.20% 이상(보다 바람직하게는 0.25% 이상)이며, 바람직한 상한은 0.7% 이하(보다 바람직하게는 0.6% 이하)이다.
[Mn: 0.10 내지 1.0%]
Mn은, 강재 매트릭스의 고용 강화 및 담금질성을 향상시키는 원소이다. Mn 함유량이 0.10%를 하회하면 그 효과가 발휘되지 않고, 1.0%를 상회하면 저급 산화물인 MnO 함유량이 증가되어, 전동 피로특성을 악화시키는 외에, 가공성이나 피삭성(被削性)이 현저히 저하된다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.2% 이상(보다 바람직하게는 0.3% 이상)이며, 바람직한 상한은 0.8% 이하(보다 바람직하게는 0.6% 이하)이다.
[Cr: 1.3 내지 1.8%]
Cr은, 담금질성의 향상과 안정된 탄화물의 형성에 의해 강도 및 내마모성을 향상시키고, 이것에 의해 전동 피로특성의 개선에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 1.3% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 과잉으로 되어 1.8%를 초과하면, 탄화물이 조대화되어, 전동 피로특성 및 절삭성을 저하시킨다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 1.4% 이상(보다 바람직하게는 1.5% 이상)이며, 바람직한 상한은 1.7% 이하(보다 바람직하게는 1.6% 이하)이다.
[P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음)]
P는, 결정립계에 편석하여 전동 피로특성에 악영향을 미치는 불순물 원소이다. 특히, P 함유량이 0.05%를 초과하면, 전동 피로특성의 저하가 현저해진다. 따라서, P 함유량은 0.05% 이하로 억제할 필요가 있다. 바람직하게는 0.03% 이하, 보다 바람직하게는 0.02% 이하로 하는 것이 좋다. 한편, P는 강재에 불가피하게 포함되는 불순물이며, 그 양을 0%로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.
[S: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음)]
S는, 황화물을 형성하는 원소이며, 그 함유량이 0.01%를 초과하면, 조대한 황화물이 잔존하기 때문에, 전동 피로특성이 열화된다. 따라서, S의 함유량은 0.01% 이하로 억제할 필요가 있다. 전동 피로특성의 향상이라는 관점에서는, S 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하고, 바람직하게는 0.007% 이하, 보다 바람직하게는 0.005% 이하로 하는 것이 좋다. 한편, S는 강재에 불가피하게 포함되는 불순물이며, 그 양을 0%로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.
[Al: 0.0002 내지 0.005%]
Al은, 바람직하지 않은 원소이며, 본 발명의 강재에 있어서는, Al은 극력 적게 할 필요가 있다. 따라서, 산화 정련 후의 Al 첨가에 의한 탈산 처리는 행하지 않는다. Al 함유량이 많아져, 특히 0.005%를 초과하여 버리면, Al2O3을 주체로 하는 경질 산화물의 생성량이 많아지고, 더구나 압하된 후에도 조대한 산화물로서 잔존하기 때문에, 전동 피로특성이 열화된다. 따라서, Al의 함유량을 0.005% 이하로 했다. 한편, Al 함유량은 0.004% 이하로 하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.003% 이하이다. 단, Al 함유량을 0.0002% 미만으로 하면, 산화물계 개재물 중의 Al2O3 함유량이 지나치게 적어져, 개재물의 변형 저항이 높아져, 미세화 효과가 얻어지지 않는다. 따라서, Al 함유량의 하한은 0.0002% 이상(바람직하게는 0.0005% 이상)으로 했다.
[Ca: 0.0002 내지 0.0010%]
Ca는, 강재 중의 개재물을 제어하고, 개재물을 열간 가공에 연신되기 쉽게 하며, 또한 냉간 가공 중에 파괴하여 미세화되기 쉬운 것으로 하여, 전동 피로특성을 개선하는데 유효하다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ca 함유량은 0.0002% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Ca 함유량이 과잉으로 되어 0.0010%를 초과하면, 산화물 조성에 있어서의 CaO의 비율이 지나치게 높아져, 조대한 산화물이 되어 버린다. 따라서, Ca 함유량은 0.0010% 이하로 했다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0003% 이상(보다 바람직하게는 0.0005% 이상)이며, 바람직한 상한은 0.0009% 이하(보다 바람직하게는 0.0008% 이하)이다. 한편, Ca는 보통 용제(溶製) 시에 합금 원소로서 최후에 투입한다.
[O: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음)]
O는 바람직하지 않은 불순물 원소이다. O의 함유량이 많아져, 특히 0.0030%를 초과하면, 압하된 후에 조대한 산화물이 수많이 잔존하여, 전동 피로특성이 저하된다. 따라서, O 함유량은 0.0030% 이하로 할 필요가 있다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0024% 이하(보다 바람직하게는 0.0020% 이하)이다.
본 발명에서 규정하는 함유 원소는 상기한 대로이고, 잔부는 철 및 불가피 불순물이며, 상기 불가피 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 들어가는 원소(예컨대, As, H, N 등)의 혼입이 허용될 수 있다.
상기한 바와 같이 산화물계 개재의 성분 조성으로 제어하기 위해서는, 하기의 순서에 따르면 좋다. 우선, 강재를 용제할 때에, 보통 실시되는 Al 첨가에서의 탈산 처리를 행함이 없이, Si 첨가에 의한 탈산을 실시한다. 이 용제 시에는, CaO, Al2O3, MnO의 조성 제어를 위해, 강 중에 포함되는 Al 함유량을 0.0002 내지 0.005%, Ca 함유량을 0.0002 내지 0.0010%, Mn 함유량을 0.10 내지 1.0%로 각각 제어한다. 또한, MgO 함유량은, 용제 시에, MgO를 포함하는 내화물을 용해로나 정련 용기, 반송 용기로서 이용하여, 합금 투입 후의 용제 시간을 5 내지 30분으로 제어하는 것에 의해 제어할 수 있다. 또한, SiO2 조성은, 다른 산화물 조성을 상기와 같이 컨트롤하는 것에 의해 얻어진다.
또한, 산화물계 개재물의 길이 방향 단면의 최대 장직경을 20㎛ 이하로 하기 위해서는, 상기한 바와 같이 화학성분 조성으로 제어한 강재에 대하여, 압연 및 구상화 소둔을 행하고, 그 후, 가공율 5% 이상으로 냉간 가공함으로써, 개재물이 분단되어 최대 장직경이 저감된 구상화 세멘타이트 강재를 얻을 수 있다.
상기 냉간 가공은 개재물을 분단하여 최대 장직경이 20㎛ 이하로 되도록 하기 위한 것이지만, 그것을 위해서는 적어도 냉간 가공율을 5% 이상으로 할 필요가 있다. 이 냉간 가공율의 상한에 관해서는, 특별히 한정되지 않지만, 보통 50% 정도가 된다. 한편, 상기 「냉간 가공율」은, 가공 전의 강재 단면적을 S0, 가공 후의 강재 단면적을 S1로 했을 때, 하기 식(1)과 같이 표시되는 값(감면율(減面率): RA)이다.
냉간 가공율 = {(S0-S1)/S0}×100(%) … (1)
상기 이외의 제조 조건(예컨대, 열간 압연 조건, 구상화 소둔 조건 등)은 일반적인 조건에 따르면 좋다(하기 실시예 참조).
본 발명의 축받이용 강재는, 소정의 부품 형상으로 된 후, 담금질·템퍼링되어 축받이 부품으로 제조되지만, 강재 단계의 형상에 관해서는 이러한 제조에 적용될 수 있는 바와 같은 선상·막대상의 어느 것이나 포함될 수 있고, 그 크기도 최종 제품에 따라 적절히 정해질 수 있다.
이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 변경을 가하여 실시하는 것은 물론 가능하며, 그들은 어느 것이나 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
실시예
하기 표 1에 나타내는 각종 화학성분 조성의 강재(강종)을, 소형 용해로(150kg/1ch)에서, 보통 실시되는 Al 첨가에서의 탈산 처리를 행함이 없이, Si 첨가에서의 탈산 처리를 행하여 용제하여(단, 강종 11은 Al 첨가에서의 탈산 처리), φ245mm×480mm의 주편(鑄片)을 제작했다. 이때, MgO 함유량은, 용제 시에 MgO를 포함하는 내화물을 용해로나 정련 용기, 반송 용기로서 이용하는 것에 의해 조정했다. 또한 용강 투입 후의 용제 시간을 조정함과 더불어(하기 표 1), 강 중에 포함되는 Al 함유량, Ca 함유량, Mn 함유량을 하기 표 1과 같이 제어했다. 각 강재 중의 산화물계 개재물 조성을 하기 표 1에 병기한다(측정 방법은 후술한다).
[표 1]
Figure pat00001
얻어진 주편을 가열로에서 1100 내지 1300℃로 가열한 후, 900 내지 1200℃에서 분괴 압연을 실시했다. 그 후, 830 내지 1100℃에서 압연하여, 소정의 직경(φ 20mm)까지 열간 압연 또는 열간 단조를 실시했다.
상기 열간 압연재 또는 열간 단조재를 760 내지 800℃의 온도 범위에서 2 내지 8시간 가열한 후, 10 내지 15℃/시의 냉각 속도로 (Ar1 변태점-60℃)의 온도까지 냉각하고나서 대기 방냉하는 것에 의해(구상화 소둔), 구상화 세멘타이트를 분산시킨 구상화 소둔재를 얻었다.
상기 구상화 소둔재를 다양한 냉간 가공율로 냉간 가공을 실시하여, 선재로 했다(φ 15.5 내지 20.0mm: 냉간 가공 후 선직경). 그 후, φ 12mm, 길이 22mm의 시험편을 잘라내어, 840℃에서 30분간 가열 후에 기름 담금질을 실시하고, 160℃에서 120분간 템퍼링을 실시했다. 이어서, 마무리 연마를 실시하여 표면 조도: 0.04㎛ Ra 이하의 레이디얼 전동 피로 시험편을 제작했다.
상기 각 시험편에 있어서의 산화물계 개재물의 조성(평균 조성), 및 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 길이의 측정은 하기의 방법에 따랐다.
[산화물계 개재물의 평균 조성의 측정]
각 시험편의 직경 D의 1/2의 위치에서의 강재의 길이 방향(압연 방향에 상당)으로, 20mm(압연 방향 길이)×5mm(표층으로부터의 깊이)의 마이크로 시료(조직 관찰용 시료)를 10개 잘라내어, 단면을 연마했다. 단직경 1㎛ 이상의 임의의 산화물계 개재물을 100mm2 내의 면적(연마면)에서 EPMA로 조성 분석을 행하여, 산화물 함유량으로 환산했다. 이때의 EPMA의 측정 조건은 하기와 같다.
(EPMA의 측정 조건)
EPMA 장치: 「JXA-8500F」 상품명 일본전자사 제품
EDS 분석: 써모 피셔 사이언티픽(Thermo Fisher Scientific) system six
가속 전압: 15kV
주사 전류: 1.7 nA
[산화물계 개재물의 최대 길이의 측정]
각 시험편의 직경 D의 1/2의 위치에서의 강재의 길이 방향(압연 방향에 상당)으로, 20mmL(압연 방향 길이)×5mm(표층으로부터의 깊이)의 마이크로 시료(조직 관찰용 시료)를 10개 잘라내어, 단면을 연마했다. 각 시료의 연마면(100mm2)에 있어서, 광학현미경에 의해 산화물계 개재물의 최대 장직경을 측정하여, 1000mm2 중에서 가장 큰 장직경을 최대 장직경으로 했다. 한편, 측정 면적이 적은 경우에는, 극치 통계법에 의해 1000mm2당 예측 최대 장직경을 구하여도 좋다.
상기에서 얻어진 레이디얼 전동 피로 시험편을 이용하여, 레이디얼 전동 피로 시험기(「점 접촉형 수명 시험기」 상품명 NTN사 제품)으로써, 반복 속도: 46485cpm, 면압: 5.88GP, 중지 횟수: 3억회(3×108회)의 조건으로 레이디얼 전동 피로 시험을 실시했다. 이때 각 강재에서 15개씩의 시험편으로 실시하여, 피로수명 L10(누적 파손 확률 10%에 있어서의 피로 파괴까지의 응력 반복수: 이하 「L10 수명」이라고 부르는 경우가 있음)을 평가하여, L10 수명이 3000만회(3×107회) 미만인 것이 없고(반복 횟수가 3×107회 미만에서 박리 없음), 종래 강(강재 No.11)을 이용하여 실시했을 때의 L10 수명(시험 No.6)과의 비(수명비)가 2.5 이상(L10 수명이 2750만회 이상에 상당)인 것을 전동 피로수명이 우수하다고 했다.
이들의 측정 결과[레이디얼 전동 피로시험 평가 결과(L10 수명, 수명비, 반복 횟수가 3×107회 미만인 박리 개수), 산화물계 개재물의 최대 장직경]을 가공 도중의 냉간 가공율 및 냉간 가공 후 선직경과 함께 하기 표 2에 나타낸다.
[표 2]
Figure pat00002
이들의 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 즉, 시험 No.3 내지 5, 12 내지 14, 17 내지 21, 29는, 본 발명에서 규정하는 화학성분 조성(강재의 화학성분 조성 및 산화물계 개재물 조성) 및 산화물계 개재물의 최대 장직경의 요건을 만족하고 있어, 모두 전동 피로수명이 우수하다는 것을 알 수 있다.
이에 비하여, 시험 No.1, 2, 6 내지 11, 15, 16, 22 내지 28, 30 내지 38은, 본 발명에서 규정하는 요건의 어느 것인가를 만족하지 않는 예이어서, 양호한 전동 피로수명이 얻어지고 있지 않다는 것을 알 수 있다.
이 중, 시험 No. 1, 2, 10, 11, 15, 16은, 냉간 가공율이 낮기 때문에 산화물계 개재물의 최대 장직경이 커져 있어(화학성분 조성은 본 발명에서 규정하는 범위 내), 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.6, 7은, Al 탈산 처리에 의해 얻어진 강종(강종 No.11: 종래의 알루미늄 킬드강)을 이용한 예이며, Al 함유량이 과잉으로 되어 산화물계 개재물 중의 Al2O3 함유량이 높아져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.8, 9, 24는, Al 함유량이 과잉인 강종(강종 No.8)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물 중의 Al2O3 함유량이 높아지고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.22, 23은, Ca 함유량이 부족한 강종(강종 No.9)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물 중의 CaO 함유량이 적고 또 SiO2 함유량이 높아져 있으며, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.25는, Al 함유량이 부족한 강종(강종 No.10)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물 중의 Al2O3 함유량이 적어지고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.26, 27은, Mn 함유량이 과잉인 강종(강종 No.6)을 이용하고, 용제 시간이 2분으로 단시간에 처리한 예이며, 또한 산화물계 개재물 중의 MnO 함유량이 높고, MgO 함유량이 저하되며, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.28은, 용제 시간이 35분으로 장시간에 처리한 예이며, 내화 중의 MgO가 혼입되고, 산화물계 개재물 중의 MgO 함유량이 높아져 있고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다. 시험 No.30은 Ca 함유량이 과잉인 강종(강종 No.12)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물 중의 CaO 함유량이 높고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.31은, S 함유량이 과잉인 강종(강종 No.13)을 이용한 예이며, MnS 생성량이 증대되는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 악화되어 있다. 시험 No.32는, Si, Mn 및 P의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어나는 강종(강종 No.14)을 이용한 예이며, 강도 저하를 초래하는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.33은, Cr 함유량이 부족한 강종(강종 No.15)을 이용한 예이며, 원하는 구상화 조직이 얻어지지 않는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 저하되어 있다. 시험 No.34는, C 함유량 및 Cr 함유량이 과잉인 강종(강종 No.16)을 이용한 예이며, 거대한 탄화물이 생성되는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.35는, C 함유량이 부족한 강종(강종 No.17)을 이용한 예이며, 원하는 구상화 조직이 얻어지지 않는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 저하되어 있다. 시험 No.36은, 용제 시간이 1분으로 단시간에 처리한 예이며, 산화물계 개재물 중의 MgO 함유량이 저하되고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
시험 No.37은, Mn 함유량이 과잉인 강종(강종 No.20)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물 중의 MnO 함유량이 높고, 또한 산화물계 개재물의 최대 장직경도 커져 있어, 전동 피로특성이 악화되어 있다. 시험 No.38은, O 함유량이 과잉인 강종(강종 No.21)을 이용한 예이며, 산화물계 개재물이 조대하게 되는 것이 예상되어, 전동 피로특성이 악화되어 있다.
이들의 데이타에 근거하여, 산화물계 개재물의 최대 장직경(단지 「최대 장직경」이라고 표시)과 L10 수명의 관계를 도 1에, 냉간 가공율(%)과 최대 장직경의 관계를 도 2에 나타낸다. 한편, 도 1에 있어서, 「○」는 본 발명예(시험 No.3 내지 5, 12 내지 14, 17 내지 21 및 29),「■」는 종래 예(시험 No.6, 7), 「×」는 C, Si, Cr, P, S의 함유량이 본 발명에서 규정하는 범위를 만족하는 강종(강종1 내지 5, 7 내지 10, 12, 15, 19, 21)을 이용하고 다른 요건을 만족하지 않는 비교예(시험 No.1, 2, 8 내지 11, 15, 16, 22 내지 28, 30, 33, 36 내지 38)를 각각 도시한 것이다. 또한, 도 2에 있어서, 「○」는 강종 1을 이용한 예(시험 No.1 내지 5), 「△」는 강종 3을 이용한 예(시험 No.10 내지 14), 「◇」는 강종 4를 이용한 예(시험 No.15 내지 19), 「■」는 종래 예(시험 No.6, 7), 「×」는 비교예(시험 No.8, 9, 22, 23, 25, 26)를 각각 도시한 것이다.
도 1의 결과로부터, 최대 장직경을 20㎛ 이하로 하는 것에 의해, 양호한 전동 피로특성(L10 수명)이 발휘될 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한 도 2의 결과로부터, 냉간 가공율을 5% 이상으로 하는 것에 의해, 최대 장직경을 20㎛ 이하로 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. C: 0.8 내지 1.1%(질량%의 의미, 성분 조성에 대하여 이하 같음),
    Si: 0.15 내지 0.8%,
    Mn: 0.10 내지 1.0%,
    P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않음),
    S: 0.01% 이하(0%를 포함하지 않음),
    Cr: 1.3 내지 1.8%,
    Al: 0.0002 내지 0.005%,
    Ca: 0.0002 내지 0.0010%, 및
    O: 0.0030% 이하(0%를 포함하지 않음)
    를 각각 포함하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지며,
    강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 평균 조성이 CaO: 10 내지 45%, Al2O3: 20 내지 45%, SiO2: 30 내지 50%, MnO: 15% 이하(0%를 포함하지 않음) 및 MgO: 3 내지 10%이고, 잔부가 불가피 불순물로 이루어지며, 또한, 강재의 길이 방향 단면의 산화물계 개재물의 최대 장직경이 20㎛ 이하임과 더불어, 구상 세멘타이트 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 전동 피로특성이 우수한 축받이용 강재로서,
    상기 강재는 구상화 소둔 후에 감면(減面)율 5% 이상으로 냉간 가공하여 얻어지는 축받이용 강재.
  2. 제 1 항에 기재된 축받이용 강재로 이루어지는 축받이 부품.
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