KR20170096038A

KR20170096038A - 전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재 및 베어링 부품

Info

Publication number: KR20170096038A
Application number: KR1020177020163A
Authority: KR
Inventors: 마사키 시마모토; 세이 기무라; 히로키 오타; 가쓰히로 이와사키; 아키히로 오와키; 도모코 스기무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-08-23
Also published as: TW201631180A; BR112017015350A2; JP2016135901A; WO2016117571A1; CN107208214A; EP3249068A4; JP6462376B2; TWI561646B; US20180016653A1; EP3249068A1

Abstract

본 발명의 베어링용 강재는 소정의 강 중 성분을 포함하고, 강 중에 포함되는 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물이 하기 (1) 및 (2)를 만족한다.
(1) 평균 조성이 CaO, Al₂O₃, SiO₂, TiO₂를 각각 특정량 함유하고, CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂≥60%
(2) 산화물계 개재물과 강의 계면에 있어서의, TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율이 산화물계 개재물 전체의 30% 이상

Description

전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재 및 베어링 부품

본 발명은 전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재 및 베어링 부품에 관한 것이다. 상세하게는 본 발명은 각종 산업 기계나 자동차 등에 사용되는, 롤러, 니들, 볼, 레이스 등의 베어링용의 전동체로서 이용했을 때에, 우수한 전동 피로 특성을 발휘하는 베어링용 강재 및 이와 같은 베어링용 강재로부터 얻어지는 베어링 부품에 관한 것이다.

각종 산업 기계나 자동차 등의 분야에 사용되는 베어링용의 전동체에는, 레이디얼 방향(회전체의 축과 수직 방향)으로부터 높은 반복 응력이 부여된다. 그 때문에, 베어링용의 전동체에는 전동 피로 특성이 우수할 것이 요구되고 있다. 전동 피로 특성에 대한 요구는 산업 기계류의 고성능화, 경량화에 대응해서 해마다 엄격해지고 있어, 베어링 부품의 더한층의 내구성 향상을 위해, 베어링용 강재에는 한층 더 양호한 전동 피로 특성이 요구되고 있다.

종래, 전동 피로 특성은 강 중에 생성되는 산화물계 개재물 중에서도, 주로 Al 탈산강을 이용했을 때에 생성되는 Al₂O₃ 등과 같은, 경질 산화물계 개재물의 개수 밀도와 깊이 상관되어 있어, 상기 경질 산화물계 개재물의 개수 밀도를 저감하는 것에 의해 전동 피로 특성이 개선된다고 생각되고 있었다. 그 때문에, 제강 프로세스에 있어서, 강 중의 산소 함유량을 저감해서 전동 피로 특성을 개선하는 시도가 이루어져 왔다.

그러나 근년에는, 전동 피로 특성과 산화물계 개재물로 대표되는 비금속계 개재물의 관계에 관한 연구가 진행되어, 산화물계 개재물의 개수 밀도와 전동 피로 특성은 반드시 상관 관계가 없다는 것이 판명되고 있다. 즉, 전동 피로 특성은 비금속계 개재물의 사이즈, 예를 들면 비금속계 개재물의 면적의 제곱근과 밀접한 상관 관계가 있어, 전동 피로 특성을 개선하기 위해서는, 비금속계 개재물의 개수 밀도를 저감하는 것보다도, 비금속계 개재물의 사이즈를 작게 하는 것이 유효하다는 것이 밝혀지고 있다.

그래서, 종래와 같은 Al 탈산강을 이용하는 것이 아니라, 강 중의 Al 함유량을 최대한 억제함과 더불어, Si 탈산강으로 함으로써, 생성되는 산화물의 조성을, Al₂O₃ 주체가 아닌 SiO₂, CaO 등을 주체로 하는 조성으로 제어하고, 이에 의해, 압연 공정에서 비금속계 개재물을 연신, 분단시켜서 비금속계 개재물의 사이즈를 저감하여, 전동 피로 특성을 개선하는 방법이 제안되고 있다.

예를 들면 특허문헌 1에는, 산화물의 평균 조성이 질량%로, CaO: 10∼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 평균의 값과 황화물의 최대 두께의 산술 평균의 값이, 각각 8.5μm 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 강재가 제안되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 상기 특허문헌 1에 기재된 산화물계 개재물에, 종래에 없는 산화물 성분으로서 ZrO₂를 소정량 포함하는 고청정도 Si 탈산 강재가 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, REM 개재물의 생성을 제어해서, 알루미나, TiN, 및 MnS의 유해한 개재물의 악영향을 해소하여, 우수한 내피로 특성을 갖는 스프링용 강과 그의 제조 방법이 기재되어 있다. 상세하게는 상기 특허문헌 3에는, 알루미나를 REM-Al-O-S 개재물로 개질해서 조대화를 방지할 수 있고, 또한 S를 REM-Al-O-S 개재물로서 고정화해서 조대 MnS를 억제하며, 추가로 REM-Al-O-S의 개재물에 TiN을 복합시키는 것에 의해 유해한 TiN의 개수 밀도를 줄이는 방법이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 4는 본원 출원인에 의해 개시된 기술이다. 상세하게는 상기 특허문헌 4에는, Si 탈산으로 얻어지는 산화물계 개재물 중에 TiO₂를 포함함으로써 상기 산화물계 개재물의 결정화를 억제할 수 있고, 모상의 강과 산화물계 개재물의 계면에 발생하는 공동(空洞)을 억제함으로써 전동 피로 특성이 극히 우수한 베어링용 강재가 얻어지는 것이 기재되어 있다.

일본 특허공개 2009-30145호 공보 일본 특허공개 2010-202905호 공보 일본 특허공개 2013-108171호 공보 일본 특허공개 2014-25083호 공보

그러나, 상기 특허문헌 1에서는, 강과 산화물계 개재물의 계면의 공동에 관해서, 공동을 억제하는 대처가 행해지고 있지 않기 때문에, 충분한 전동 피로 특성이 얻어지고 있다고는 말할 수 없다.

상기 특허문헌 2에도, 상기 계면의 박리에 의해 생기는 공동에 관한 기재는 일절 없다. 원래 비금속계 개재물 전체의 미세화에만 주안을 둔 기술이며, 실시예의 평가에 있어서도, ASTM E 45법의 C계 개재물 평점의 산술 평균값으로 평가되고 있는 것에 불과하다. 따라서, 이와 같이 해서 제조된 강재가, 반드시 우수한 전동 피로 특성을 발휘한다고는 할 수 없다.

또한, 상기 특허문헌 3에서는, 산화물계 개재물이 REM이나 Al과 같은 강탈산 원소로 구성되어 있고, Si와 같은 약탈산 원소를 주체로 하고 있지 않기 때문에, 산화물계 개재물과 강의 계면에 생성되는 박리를 억제할 수는 없다.

베어링용 강재에 있어서의 내전동피로 특성의 개선 요구는 강하여, 상기 특허문헌 4의 베어링용 강재에 있어서도, 전동 피로 특성의 더한층의 향상이 요망되고 있다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 전동 피로 특성이 극히 우수하고, 조기 박리를 억제할 수 있는 신규한 베어링용 강재를 제공하는 것에 있다.

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 따른 전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재는, 질량%로, C: 0.8∼1.1%, Si: 0.15∼0.8%, Mn: 0.1∼1.0%, Cr: 1.3∼1.8%, P: 0% 초과 0.05% 이하, S: 0% 초과 0.015% 이하, Al: 0.0002∼0.005%, Ca: 0.0002∼0.002%, Ti: 0.0005∼0.010%, N: 0.0030∼0.010%, O: 0% 초과 0.0030% 이하를 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 강 중에 포함되는 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물이 하기 (1) 및 (2)의 요건을 만족하는 것에 요지를 갖는다.

(1) 평균 조성이, 질량%로, CaO: 10∼50%, Al₂O₃: 10∼50%, SiO₂: 20∼70%, TiO₂: 1.0∼40%를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어짐과 더불어, CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂≥60%를 만족한다.

(2) 상기 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율이 산화물계 개재물 전체의 30% 이상이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 강재의 길이 방향에 평행으로 절단한 면에 존재하는 상기 산화물계 개재물의 어스펙트비(장경/단경)의 평균이 3.0 이하로 억제된 것이다.

본 발명에는, 상기의 베어링용 강재를 이용해서 얻어지는 베어링 부품도 본 발명의 범위 내에 포함된다.

본 발명에 의하면, 강재의 화학 성분 조성 및 강 중에 포함되는 산화물계 개재물의 조성이 적절히 제어되어 있기 때문에, 전동 피로 특성이 극히 우수하고, 조기 박리를 억제할 수 있는 베어링용 강재를 제공할 수 있었다. 이와 같은 베어링용 강재는 롤러, 니들, 볼 등 주로 레이디얼 방향의 하중이 반복 부여되는 베어링 부품의 소재로서 유용할 뿐만 아니라, 레이스 등 스트러스 방향의 하중도 반복 부여되는 베어링 부품의 소재로서도 유용하여, 하중이 부여되는 방향에 관계없이 전동 피로 특성을 안정적으로 개선할 수 있다.

본 발명자들은 전술한 특허문헌 4를 개시한 후에도, 전동 피로 특성이 한층 우수한 베어링용 강재를 제공하기 위해, 더 검토를 거듭해 왔다. 그 결과, Si 탈산으로 얻어지는 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되면, 당해 계면의 밀착성이 향상되어서 공극이 억제되는 결과, 전동 피로 특성이 한층 더 개선된다는 것이 판명되었다. 또 상기 소정 비율의 TiN을 생성시키기 위해서는, 예를 들면 분괴 압연, 분괴 단조, 열간 압연 등의 전에 행해지는 가열 시의 유지 시간을 종래보다도 약간 길게 제어하면 된다는 것을 발견하여, 본 발명을 완성했다.

이하, 본 발명에 도달한 경위를 상기 특허문헌 4, 나아가서는 상기 특허문헌 3과의 관계에서 상세하게 설명한다.

본 발명자들은 상기 특허문헌 4와 마찬가지로, 「Al에 의한 탈산 처리를 행하지 않더라도, 하중이 부여되는 방향에 관계없이 전동 피로 특성을 안정적으로 개선할 수 있고, 조기 박리를 억제할 수 있는 베어링용의 Si 탈산 강재의 제공」을 목적으로 하여, 전동 피로 특성의 레벨은 상기 특허문헌 4보다도 한층 우수한 Si 탈산 강재를 제공한다는 관점에서 검토를 거듭해 왔다.

Si 탈산으로 얻어지는 산화물계 개재물은 비정질이 되기 쉽고, 열간 압연 등으로 연신되기 쉽다는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 산화물계 개재물에 이방성이 생겨 버린다. 그 결과, 강재의 전동 피로 특성에 있어서도 이방성이 생겨 버리기 때문에, 바람직하지 않다. 그 한편으로, 산화물계 개재물의 조성을 제어함으로써 열간 가공 등의 고온역에서 결정화하여, 다결정체로 하는 것도 가능하다. 그러나, 다결정체가 된 산화물계 개재물은, 모상인 강에 비해서 변형 저항이 높기 때문에, 열간 가공이나 냉간 가공 시에 강(모상)과 산화물계 개재물의 계면에 공극을 발생시키기 쉽다. 계면에 발생한 공극은, 전동 피로 특성에 악영향을 미치기 때문에, 바람직하지 않다.

그래서 본 발명자들은 Si 탈산으로 얻어지는 상기 산화물계 개재물의 조성뿐만 아니라 TiN의 생성 상황을 제어하는 것에 의해 공극의 발생을 억제하는 방법에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, Si 탈산으로 얻어지는 상기 산화물계 개재물과 모상인 강의 계면에 소정량의 TiN을 생성시키면 상기 계면의 박리를 억제할 수 있어, 전동 피로 특성이 현저하게 향상된다는 것을 발견했다.

한편, TiN에 관해서는, 전술한 특허문헌 3에 보이는 바와 같이, 피로 특성에 유해하다는 보고가 다수 행해지고 있다. 그러나, 상기 보고는 모두, 특허문헌 3과 같이 Al 탈산강에 있어서 생성되는 TiN에 관한 것이다. 즉, Al 탈산강의 경우, Al₂O₃ 등[기타, MgO·Al₂O₃, (Ca, Al)계 산화물 등도 포함함]의 탈산 생성물이 용강 중에 고상(固相)으로 생성되기 때문에, 상기 탈산 생성물을 생성핵으로 해서 TiN이 생성되기 쉽다. 또한, Al₂O₃ 등은 용강 중에서 응집되어서 조대화되기 쉽기 때문에, Al₂O₃ 등에 생성된 TiN도 조대화되는 경향이 있다. 그 결과, Al₂O₃ 등의 상기 탈산 생성물과 TiN으로 이루어지는 복합 개재물은 조대화되는 경향이 있어, 전동 피로 특성에 악영향을 미친다고 생각된다. 또한, 조대화된 Al₂O₃ 등의 대부분을 TiN으로 피복하기 위해서는, 다량의 TiN을 생성시킬 필요가 있고, 오히려 복합 개재물의 조대화를 초래하여, 전동 피로 특성에 악영향을 미친다. 더욱이, TiN으로 피복할 수 없었던 Al₂O₃ 등의 산화물계 개재물과 강의 계면에는 박리가 생기기 때문에, 그 박리가 원인이 되어서 강재의 전동 피로 특성이 저하되어 버린다.

이와 같이 종래에 있어서도, 산화물계 개재물과 강의 계면에 생성되는 TiN에 주목한 기술은 다수 개시되어 있지만, 모두 특허문헌 3에 보이는 바와 같이 Al 탈산강을 대상으로 하는 것이며, 유해한 TiN의 개수 밀도를 저감해서 무해화하는 기술이 개시되어 있는 것에 불과하다. 상기 특허문헌 3의 방법에서는, 전동 피로 특성에 유해한 산화물계 개재물과 강의 계면에 생성되는 박리를 억제할 수는 없다.

이에 비해서, 본 발명에서는 Si 탈산강을 대상으로 하여, Al₂O₃ 등과 같은 조대화되기 쉬운 탈산 생성물은 생성되지 않는다. 상세는 후술하지만 본 발명의 강재는, SiO₂를 소정 범위 포함하고, CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂≥60%를 만족하는 탈산 생성물이 생성된다. 이들 탈산 생성물은, Al₂O₃ 등의 Al 탈산으로 생성되는 탈산 생성물에 비해서 저융점이고, 용강 중에서 응집되기 어려워 조대화되기 어려운 경향이 있다. 그 때문에, Si 탈산으로 생성된 탈산 생성물을 생성핵으로 해서 TiN이 생성되어서 복합 개재물이 형성되더라도, 당해 복합 개재물은 비교적 미세한 그대로이다. 또한, TiN은 결정 구조가 bcc인 α-Fe와의 격자 정합성이 우수하다는 것은 잘 알려져 있다. 그 때문에, TiN에 의해, 상기 복합 개재물과 강의 밀착성이 양호해지고, 그 결과, 상기 복합 개재물과 강의 계면의 박리가 억제된다고 생각된다. 그 결과, 전동 피로 특성이 비약적으로 개선되는 경향이 있다는 것이 판명되었다.

한편, 소정량의 TiN을 확보하기 위해서는, 전술한 바와 같이 분해 압연 등의 전에 행해지는 가열 시의 유지 시간을 종래보다도 길게 행하는 것이 필요하다. 이 점에서, 상기 특허문헌 4에서는, 전동 피로 특성을 개선하기 위해서, Si 탈산으로 얻어지는 산화물계 개재물을 비정질체로 유지하는 것에 주안을 두고, 상기 가열 시의 유지 시간은 종래와 마찬가지이며, 특별한 배려는 전혀 행해지고 있지 않았다. 상기 특허문헌 4에 있어서의 전동 피로 특성의 레벨을 높이는 데 있어서, 본 발명자들이 검토한 결과, 지금까지 유의하고 있지 않았던, 상기 가열 시의 유지 시간을 종래보다도 길게 행하면, 상기 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어, 산화물계 개재물과 강의 계면의 밀착성이 향상되어서 공극이 억제되어, 전동 피로 특성이 한층 더 개선된다는 것이 판명되어서, 본 발명을 완성했다.

이하, 본 발명의 베어링용 강재에 대해서 상세하게 설명한다. 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재는, 질량%로, C: 0.8∼1.1%, Si: 0.15∼0.8%, Mn: 0.1∼1.0%, Cr: 1.3∼1.8%, P: 0% 초과 0.05% 이하, S: 0% 초과 0.015% 이하, Al: 0.0002∼0.005%, Ca: 0.0002∼0.002%, Ti: 0.0005∼0.010%, N: 0.0030∼0.010%, O: 0% 초과 0.0030% 이하를 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며, 강 중에 포함되는 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물이 하기 (1) 및 (2)의 요건을 만족하는 것에 특징이 있다.

(2) 상기 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율이 30% 이상이다.

우선, 강 중 성분에 대해서 설명한다.

[C: 0.8∼1.1%]

C는 담금질 경도를 증대시켜, 실온, 고온에 있어서의 강도를 유지해서 내마모성을 부여하기 위한 필수의 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, C는 적어도 0.8% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, C 함유량이 1.1%를 초과해서 과잉이 되면, 베어링의 심부에 거대 탄화물이 생성되기 쉬워져, 전동 피로 특성에 악영향을 미치게 된다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.85% 이상, 보다 바람직하게는 0.90% 이상이다. 또한, C 함유량의 바람직한 상한은 1.05% 이하, 보다 바람직하게는 1.0% 이하이다.

[Si: 0.15∼0.8%]

Si는 탈산 원소로서 유효하게 작용하는 것 외에, 담금질·템퍼링 연화 저항을 높여서 경도를 높이는 작용을 갖고 있다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Si 함유량은 0.15% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Si 함유량이 과잉이 되어서 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% 이상이다. 또한, Si 함유량의 바람직한 상한은 0.7% 이하, 보다 바람직하게는 0.6% 이하이다.

[Mn: 0.1∼1.0%]

Mn은 강재 매트릭스의 고용 강화 및 담금질성을 향상시키는 원소이다. Mn 함유량이 0.1%를 하회하면 그 효과가 발휘되지 않고, 1.0%를 상회하면 저급 산화물인 MnO 함유량이 증가하여, 전동 피로 특성을 악화시키는 것 외에, 가공성이나 절삭성이 현저하게 저하된다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.2% 이상, 보다 바람직하게는 0.3% 이상이다. 또한, Mn 함유량의 바람직한 상한은 0.8% 이하, 보다 바람직하게는 0.6% 이하이다.

[Cr: 1.3∼1.8%]

Cr은 담금질성의 향상과 안정한 탄화물의 형성에 의해, 강도 및 내마모성을 향상시켜, 이에 의해 전동 피로 특성의 개선에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Cr 함유량은 1.3% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Cr 함유량이 과잉이 되어서 1.8%를 초과하면, 탄화물이 조대화되어서 전동 피로 특성 및 절삭성을 저하시킨다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 1.35% 이상, 보다 바람직하게는 1.4% 이상이다. 또한, Cr 함유량의 바람직한 상한은 1.7% 이하, 보다 바람직하게는 1.6% 이하이다.

[P: 0% 초과 0.05% 이하]

P는 결정립계에 편석되어서 전동 피로 특성에 악영향을 미치는 불순물 원소이다. 특히 P 함유량이 0.05%를 초과하면, 전동 피로 특성의 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 불가피적으로 포함되는 불순물이어서, 그의 양을 0%로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.

[S: 0% 초과 0.015% 이하]

S는 황화물을 형성하는 원소이며, 그의 함유량이 0.015%를 초과하면, 조대한 황화물이 잔존하기 때문에, 전동 피로 특성이 열화된다. 따라서, S의 함유량은 0.015% 이하로 억제할 필요가 있다. 전동 피로 특성의 향상이라는 관점에서는, S 함유량은 낮으면 낮을수록 바람직하고, 바람직하게는 0.007% 이하, 보다 바람직하게는 0.005% 이하로 하는 것이 좋다. 한편, S는 강재에 불가피적으로 포함되는 불순물이어서, 그의 양을 0%로 하는 것은 공업 생산상 곤란하다.

[Al: 0.0002∼0.005%]

Al은 탈산 원소이며, 산화물계 개재물의 평균 조성을 제어하기 위해서 Al의 함유량을 제어할 필요가 있다. 본 발명에서는 Si에 의한 탈산을 행하기 때문에, Al 탈산강과 같이 산화 정련 후의 Al 첨가에 의한 탈산 처리는 행하지 않는다. Al 함유량이 많아져 0.005%를 초과하면, Al₂O₃을 주체로 하는 경질인 산화물의 생성량이 많아지고, 게다가 압하한 후에도 조대한 산화물로서 잔존하므로, 전동 피로 특성이 열화된다. 따라서, Al 함유량의 상한을 0.005% 이하로 한다. Al 함유량은 바람직하게는 0.002% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0015% 이하이다. 단, Al 함유량을 0.0002% 미만으로 하면, 산화물 중의 Al₂O₃ 함유량이 지나치게 적어져, SiO₂를 많이 포함하는 산화물계 개재물이 생성되어서 전동 피로 특성이 열화된다. 또한, Al 함유량을 0.0002% 미만으로 제어하기 위해서는, Al의 혼입을 억제하기 위해서, 강 중 성분뿐만 아니라, 플럭스 중의 Al₂O₃ 함유량도 적게 할 필요가 있지만, 고탄소강인 베어링 강에 있어서 Al₂O₃ 함유량이 적은 플럭스는 매우 고가여서, 경제적이지 않다. 따라서, Al 함유량의 하한을 0.0002%로 한다. 바람직하게는 0.0003% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상이다.

[Ca: 0.0002∼0.002%]

Ca는 산화물 중의 CaO 함유량을 제어하여, 전동 피로 특성을 개선하는 데 유효하다. 이와 같은 효과를 발휘시키기 위해, Ca 함유량은 0.0002% 이상으로 한다. 그러나, Ca 함유량이 과잉이 되어서 0.002%를 초과하면, 산화물 조성에 있어서의 CaO의 비율이 지나치게 높아져 버려, 산화물이 조대화되어서 전동 피로 특성이 저하된다. 따라서, Ca 함유량은 0.002% 이하로 한다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0003% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상이다. 또한, Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0015% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0010% 이하이다.

[Ti: 0.0005∼0.010%]

Ti는 본 발명을 특징짓는 원소이다. 소정량의 Ti를 첨가함으로써, 산화물계 개재물과 강의 계면에 소정량의 TiN이 생성되어, 상기 계면의 박리를 억제할 수 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 더욱이, 산화물계 개재물 중의 TiO₂ 농도를 제어할 수 있어, 어스펙트비의 저감화(상세는 후술한다)에도 유효하게 작용하여, 전동 피로 특성이 한층 향상된다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, Ti 함유량은 0.0005% 이상으로 할 필요가 있다. 단, Ti의 함유량이 많아져서 0.010%를 초과하면, TiN이 조대화됨과 더불어 TiO₂계 산화물의 조대화를 초래하여, 전동 피로 특성이 악화된다. 따라서, Ti 함유량의 상한을 0.010% 이하로 한다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.0008% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.0011% 이상이다. 또한, Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.0050% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.0030% 이하이다.

[N: 0.0030∼0.010%]

N도 상기 Ti와 마찬가지로, 본 발명을 특징짓는 원소이다. 소정량의 N을 첨가함으로써, 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어, 상기 계면의 박리를 억제할 수 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, N 함유량은 0.0030% 이상으로 할 필요가 있다. 단, N의 함유량이 많아져서 0.010%를 초과하면, TiN이 조대화되기 때문에 전동 피로 특성이 악화된다. 따라서, N 함유량의 상한은 0.010% 이하로 한다. N 함유량의 바람직한 하한은 0.0035% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.004% 이상이다. 또한, N 함유량의 바람직한 상한은 0.008% 이하이고, 보다 바람직하게는 0.007% 이하이다.

[O: 0% 초과 0.0030% 이하]

O는 바람직하지 않은 불순물 원소이다. O의 함유량이 많아져서 0.0030%를 초과하면, 조대한 산화물이 생성되기 쉬워져, 열간 압연 및 냉간 압연 후에 있어서도 조대한 산화물로서 잔존하여, 전동 피로 특성에 악영향을 미친다. 그 때문에, O 함유량의 상한을 0.0030% 이하로 한다. 전동 피로 특성을 개선하기 위해서는 O 함유량을 가능한 한 저감하는 것이 좋고, 예를 들면 O 함유량의 바람직한 상한은 0.0025% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.0020% 이하이다. 한편, O 함유량의 하한은 전동 피로 특성 개선의 관점에서는 특별히 한정되지 않지만, 경제성 등을 고려하면, 바람직하게는 0.0004% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.0008% 이상이다. O 함유량을 0.0004% 미만으로 제어하기 위해서는 용강으로부터의 O 제거를 엄밀하게 행할 필요가 있지만, 용강 처리 시간이 길어지는 등 경제적이지 않기 때문이다.

본 발명에 포함되는 원소는 상기와 같고, 잔부는 철 및 불가피 불순물이다. 상기 불가피 불순물로서, 원료, 자재, 제조 설비 등의 상황에 따라 들어가는 원소를 들 수 있고, 예를 들면 As, H, Ni 등의 혼입이 허용될 수 있다.

다음으로, 강재 중에 존재하는 산화물계 개재물에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이 본 발명에서는, 강 중에 포함되는 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물이 하기 (1) 및 (2)의 요건을 만족하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 있어서, 특히 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물에 주목한 이유는 이하와 같다. 즉, 전동 피로 특성은 산화물계 개재물의 치수가 클수록 악영향도가 크다고 말해지고 있다. 그래서, 전동 피로 특성에 악영향을 미칠 가능성이 있는, 치수가 큰 산화물계 개재물을 평가하기 위해, 상기 사이즈의 산화물계 개재물을 제어하기로 했다.

이하, 차례로 설명한다.

[CaO: 10∼50%]

CaO는 SiO₂를 주체로 한 산화물의 액상선 온도 저하에 효과가 있다. 그 때문에, 산화물의 조대화를 억제해서, 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN을 생성시키는 효과가 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 또한, CaO에는, 산화물계 개재물을 결정화하는 효과가 있다. 그 때문에, 산화물계 개재물의 어스펙트비 저감에 중요한 역할을 한다. 이와 같은 효과는, 산화물계 개재물의 평균 조성에 있어서의 CaO 함유량을 10% 이상으로 제어하는 것에 의해 얻어진다. 그러나, CaO 함유량이 지나치게 높으면, 산화물계 개재물이 조대화되어서 전동 피로 특성이 악화되어 버리기 때문에, 그 상한을 50% 이하로 할 필요가 있다. 산화물계 개재물 중에서 차지하는 CaO 함유량의 바람직한 하한은 20% 이상이고, 보다 바람직하게는 25% 이상이다. 또한, CaO 함유량의 바람직한 상한은 45% 이하이고, 보다 바람직하게는 40% 이하이다.

[Al₂O₃: 10∼50%]

Al₂O₃은 SiO₂를 주체로 한 산화물의 액상선 온도를 내리는 효과가 있다. 그 때문에, 산화물의 조대화를 억제해서, 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN을 생성시키는 효과가 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 또한, Al₂O₃에는, 산화물계 개재물을 결정화하는 효과가 있다. 그 때문에, 산화물계 개재물의 어스펙트비 저감에 중요한 역할을 한다. 이와 같은 효과는, 산화물계 개재물의 평균 조성에 있어서의 Al₂O₃ 함유량을 10% 이상으로 제어하는 것에 의해 얻어진다. 한편, 산화물계 개재물의 평균 조성에 있어서의 Al₂O₃ 함유량이 50%를 초과하면, 용강 중 및 응고 과정에서 Al₂O₃(코런덤) 결정상이 정출되거나, MgO와 함께 MgO·Al₂O₃(스피넬) 결정상이 정출된다. 이들 고상은 경질이고, 조대한 개재물로서 존재하며, 가공 중에 공동이 생성되기 쉬워져, 전동 피로 특성을 악화시킨다. 이러한 관점에서, 산화물계 개재물의 평균 조성에 있어서의 Al₂O₃ 함유량은 50% 이하로 할 필요가 있다. 산화물계 개재물에 있어서의 Al₂O₃ 함유량의 바람직한 하한은 20% 이상이고, 보다 바람직하게는 25% 이상이다. 또한, Al₂O₃ 함유량의 바람직한 상한은 45% 이하이고, 보다 바람직하게는 40% 이하이다.

[SiO₂: 20∼70%]

SiO₂는 산화물계 개재물의 액상선 온도를 내리는 효과가 있다. 그 때문에, 산화물의 조대화를 억제해서, 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN을 생성시키는 효과가 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 이와 같은 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, 산화물계 개재물 중에 SiO₂를 20% 이상 함유시킬 필요가 있다. 그러나, SiO₂ 함유량이 70%를 초과하면 산화물이 조대화되어서 전동 피로 특성이 악화된다. 또한, 산화물이 연신되어서 어스펙트비가 커지기 때문에, 전동 피로 특성이 악화된다. 산화물계 개재물 중에 있어서의 SiO₂ 함유량의 바람직한 하한은 25% 이상이고, 보다 바람직하게는 30% 이상이다. 또한, SiO₂ 함유량의 바람직한 상한은 60% 이하이고, 보다 바람직하게는 45% 이하이다.

[TiO₂: 1.0∼40%]

TiO₂는 SiO₂를 주체로 한 산화물의 액상선 온도를 내리는 효과가 있다. 그 때문에, 산화물의 조대화를 억제해서, 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN을 생성시키는 효과가 있다. 그 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 이와 같은 효과는, 산화물계 개재물의 평균 조성에 있어서의 TiO₂ 함유량을 1.0% 이상으로 제어하는 것에 의해 얻어진다. 그러나, TiO₂ 함유량이 지나치게 많으면, 산화물이 조대화되어서 전동 피로 특성이 악화되어 버리기 때문에, 그 상한을 40% 이하로 할 필요가 있다. 산화물계 개재물 중에 있어서의 TiO₂ 함유량의 바람직한 하한은 3% 이상이고, 보다 바람직하게는 5% 이상이다. 또한, TiO₂ 함유량의 바람직한 상한은 35% 이하이고, 보다 바람직하게는 30% 이하이다.

[CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂≥60%]

전술한 바와 같이 CaO, Al₂O₃, SiO₂, 및 TiO₂는 본 발명에 있어서의 산화물계 개재물의 주요 성분이며, 각각의 함유량을 제어하지만, 본 발명에서는, 추가로 이들의 합계량도 적절히 제어할 필요가 있다. 이에 의해, 산화물계 개재물과 강의 계면에 소정 비율의 TiN을 생성시켜서 계면의 박리를 억제하여, 전동 피로 특성을 개선할 수 있다. 상기의 합계량이 60% 미만이면, 산화물이 조대화되어 버려 TiN에 의한 상기 계면 제어가 충분히 얻어지지 않아, 전동 피로 특성이 악화된다. 상기 합계량은 많을수록 좋고, 바람직한 하한은 65% 이상이며, 보다 바람직하게는 70% 이상이다. 한편, 그 상한은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 100%여도 된다.

[산화물계 개재물과 모상인 강(강재의 기지상(基地相))의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율이 산화물계 개재물 전체의 30% 이상]

상기 계면에 생성되는 TiN이란, 후기하는 실시예의 란에 나타내는 바와 같이, 당해 산화물계 개재물과 모상인 강(강재의 기지상)의 계면에 생성되는 TiN을 의미한다. 이 TiN은 전동 피로 특성의 개선에 극히 중요하고, 상기 계면에 TiN이 생성됨으로써, 산화물계 개재물과 모상인 강의 계면의 박리가 억제된다. 전동 피로 특성에 유해한 계면 박리가 억제되는 결과, 전동 피로 특성이 개선된다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서는, 상기 계면에 생성되는 TiN의 개수 비율을 30% 이상으로 한다. 상기 TiN의 개수 비율은 많을수록 좋고, 바람직한 하한은 40% 이상이며, 보다 바람직하게는 50% 이상이다. 한편, 그 상한은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 100%여도 된다.

TiN이 생성되어 있는 상기 산화물계 개재물의 개수 비율의 측정 방법은, 후기하는 실시예의 란에서 상세하게 기술한다.

본 발명 강재에 포함되는 산화물은, CaO, Al₂O₃, SiO₂, 및 TiO₂로 구성되고, 잔부는 불순물이다. 산화물계 개재물에 있어서의 불순물로서는, 제조 과정 등에서 불가피적으로 포함되는 불순물을 들 수 있다. 불순물은, 산화물계 개재물의 결정화 상태나 어스펙트비 등에 악영향을 미치지 않고, 원하는 특성이 얻어지는 한도에 있어서 포함될 수 있지만, 불순물 전체(합계량)로서, 대체로, 20% 이하로 제어되어 있는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 예를 들면 REM₂O₃, MgO, MnO, ZrO₂, Na₂O, K₂O, Li₂O, Cr₂O₃, NbO, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃을 각각 약 10% 이하의 범위로 함유할 수 있다. 한편, 본 발명에 있어서, REM이란, 란타노이드 원소(La부터 Lu까지의 15원소) 및 Sc(스칸듐)와 Y(이트륨)를 포함하는 의미이다. 이들 원소 중에서도, La, Ce 및 Y로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종의 원소를 함유하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 La 및/또는 Ce를 함유하는 것이 좋다.

또 본 발명에서는, 상기와 같이 강 중 성분 및 산화물 조성을 적절히 제어하는 것에 의해, 상기 강재의 길이 방향에 평행으로 절단한 면에 존재하는 산화물계 개재물의 어스펙트비(장경/단경)의 평균(이하, 간단히 어스펙트비라고 부르는 경우가 있다)이 3.0 이하로 저감된 것으로 된다. 이에 의해, 하중이 부여되는 방향에 관계없이 전동 피로 특성을 안정적으로 개선할 수 있다. 상기 어스펙트비는 작을수록 좋고, 대체로, 2.5 이하인 것이 바람직하며, 2.0 이하인 것이 더욱 바람직하다.

어스펙트비의 측정 방법은, 후기하는 실시예의 란에서 상세하게 기술한다.

다음으로, 상기 강재를 제조하는 방법에 대해서 설명한다. 본 발명에서는, 특히 소정의 산화물 조성이 얻어지도록, 특히 용제 공정, 나아가서는 열간 가공의 각 공정에 유의해서 제조하면 되고, 그 이외의 공정은, 베어링용 강의 제조에 통상 이용되는 방법을 적절히 선택해서 이용할 수 있다.

상기 산화물 조성을 얻기 위한 바람직한 용제 방법은 이하와 같다.

우선 강재를 용제할 때에, 통상 실시되는 Al 첨가로의 탈산 처리를 행하지 않고, Si 첨가에 의한 탈산을 실시한다. 이 용제 시에는 CaO, 및 Al₂O₃의 각 함유량을 제어하기 위해서, 강 중에 포함되는 Al 함유량을 상기와 같이 0.0002∼0.005%, Ca 함유량을 상기와 같이 0.0002∼0.002%로 각각 제어한다.

또한, TiN의 바람직한 제어 방법은 이하와 같다. 우선, 통상적 방법에 따라 용제 시에, 강 중에 포함되는 Ti 함유량이 상기와 같이 0.0005∼0.010%, N 함유량이 상기와 같이 0.0030∼0.010%의 범위 내로 제어되도록 Ti, N을 첨가하면 된다. Ti의 첨가 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, Ti를 함유하는 철계 합금을 첨가해서 조정해도 되고, 또는 슬래그 조성의 제어에 의해 용강 중의 Ti 농도를 제어해도 된다. N의 첨가 방법도 특별히 한정되지 않고, N을 함유하는 합금을 첨가해서 조정해도 되고, 또는 용강을 가스 교반할 때에 질소를 이용해서 제어해도 되며, 용강과 접촉하는 가스상 중의 질소 분압을 제어해도 된다.

또, 산화물계 개재물과 강의 계면에 소정량의 TiN을 생성시키기 위해서는, 분해 압연, 분해 단조, 또는 열간 압연의, 적어도 어느 하나의 공정 전에 행해지는 가열(약 700∼1300℃) 시, 유지 시간을 일정 이상 제어하는 것이 유효하다. 예를 들면, 분해 압연 또는 분해 단조 전에 행해지는 가열 시의 유지 시간을 종래(대체로 1∼1.5시간 정도)보다도 길게, 약 2.0시간 이상으로 제어하는 것이 유효하다. 유지 시간은 길수록 좋고, 예를 들면 2.5시간 이상인 것이 바람직하며, 3.0시간 이상인 것이 보다 바람직하다. 한편, 그 상한은 특별히 한정되지 않지만, 제조 효율 등을 고려하면, 대체로, 20.0시간 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 유지 시간의 범위는, 각 공정에 의해 유지 온도가 상위하기 때문에, 유지 온도에 따른 바람직한 유지 시간을 설정하는 것이 권장된다.

또한, TiO₂의 제어 방법으로서는 특별히 한정되지 않고, 당해 기술 분야에서 통상 이용되는 방법에 기초하여, 용제 시에 강 중에 포함되는 Ti 함유량이 상기와 같이 0.0005∼0.010%의 범위 내로 제어되도록 Ti를 첨가하면 된다. Ti의 첨가 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, Ti를 함유하는 철계 합금을 첨가해서 조정해도 되고, 또는 슬래그 조성의 제어에 의해 용강 중의 Ti 농도를 제어해도 된다.

한편, SiO₂는 다른 산화물을 상기와 같이 컨트롤하는 것에 의해 얻어지는 것이다.

본 발명에서는, 상기와 같이 화학 성분 조성으로 제어한 강재에 대해서, 통상적 방법에 따라, 압연 및 구상화 소둔을 행한 후, 열간 가공 또는 냉간 가공을 행한다.

이와 같이 해서 본 발명의 강재를 얻은 후, 소정의 부품 형상으로 하고, 담금질·템퍼링하면, 본 발명의 베어링 부품이 얻어진다. 강재 단계의 형상에 대해서는, 이러한 제조에 적용할 수 있는 선상·봉상 모두 포함하는 것이며, 그의 사이즈도 최종 제품에 따라서 적절히 결정할 수 있다.

상기 베어링 부품으로서는, 예를 들면 롤러, 니들, 볼, 레이스 등을 들 수 있다.

이하, 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예에 의해 제한되지 않고, 전·후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 변경을 가해서 실시하는 것은 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

실시예

(1) 주편의 제조

소형 용해로(용량 170kg/1ch)를 이용하여, 하기 표 1에 나타내는 각종 화학 성분 조성의 공시강(잔부는 철 및 불가피적 불순물)을 용제해서, 주편(주편 상부의 직경이 φ245mm, 주편 하부의 직경이 φ210mm이고, 주편의 높이가 480mm)을 제작했다. 용제 시에는 MgO계 내화물의 래들(取鍋; ladle)을 이용하여, 통상 실시되는 Al 탈산 처리를 행하지 않고, C, Si, Mn 및 Cr을 이용해서 용강의 용존 산소량을 조정한 후, 하기 일부의 예를 제외하고, Ti원, Ca원을 이 순서로 투입하여, Ti 함유량, Ca 함유량을 제어했다.

강재 No. 49는 비교를 위해, Al 첨가에 의한 탈산 처리를 실시했다. 또한, 강재 No. 36은 Ca원을 첨가함과 동시에 Mg 합금을 첨가했다. 그 결과, 강재 No. 36에서는 산화물계 개재물의 MgO 농도가 높아져, 표 2에 나타내는 바와 같이 CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂의 합계량이 낮아졌다. 이때, 산화물계 개재물 중의 MgO의 함유량은 용제 시에 MgO를 포함하는 내화물을 용해로나 정련 용기, 반송 용기 등에 이용하는 것에 의해 조정했다. 예를 들면, 합금 투입 후의 용제 시간을 조정함으로써 산화물계 개재물 중의 MgO 함유량을 조정했다.

한편, 본 실시예에서는, 상기 Ca원으로서 Ni-Ca 합금을, 상기 Ti원으로서 Fe-Ti 합금을, 각각 이용했다. 또한, N은 분위기 중의 질소 분압을 제어함과 더불어, Ti원 첨가 전에 질화 망간을 첨가함으로써 조정했다.

(2) 압연재의 제조

이와 같이 해서 얻어진 주편을 가열로에서 1100∼1300℃의 온도로 가열하여, 이 온도역(유지 온도역)에서, 표 2에 기재된 「가열로 유지 시간」 동안 유지한 후, 900∼1200℃의 온도에서 분괴 압연했다. 본 실시예에서는, 산화물계 개재물과 강의 계면에 소정량의 TiN을 생성시키기 위해서, 주편을 가열하는 상기 가열로에서 주편을 2.0시간 이상 가열 유지했다. 그 후, 가열로에서 830∼1200℃의 온도로 가열하여, 강재를 1.0시간 동안 유지한 후, 830∼1100℃의 온도에서 압연을 실시하여, φ65mm의 열간 압연재를 얻었다.

(3) 산화물계 개재물의 평균 조성 측정용 시험편의 제작과 평균 조성의 결정

상기 열간 압연재를 760∼800℃의 온도에서 2∼8시간 가열한 후, 10∼15℃/시의 평균 냉각 속도로 (Ar₁ 변태점-60℃)의 온도까지 냉각하고 나서 대기 방냉하는(구상화 소둔) 것에 의해, 구상화 시멘타이트를 분산시킨 구상화 소둔재를 얻었다. 이와 같이 해서 얻어진 구상화 소둔재로부터 φ60mm, 두께 30mm의 시험편을 잘라내어, 840℃의 온도에서 30분간 가열한 후, 기름 담금질하고, 이어서 160℃의 온도에서 20분간 템퍼링을 행해서, 산화물계 개재물의 평균 조성 측정용 시험편을 제작했다.

이와 같이 해서 얻어진 각 시험편에 대해서, 직경 D의 1/4의 위치에서 압연 방향에 평행으로 절단한 면으로부터, 20mm×20mm의 마이크로 시료를 1개 잘라내어, 단면을 연마했다. 연마면을 니혼전자데이텀사제의 전자선 마이크로프로브 X선 분석계(Electron Probe X-ray Micro Analyzer: EPMA, 상품명 「JXA8500F」)를 이용해서 관찰하여, 단경이 1μm 이상인 산화물계 개재물에 대해서 성분 조성을 정량 분석했다. 이때, 관찰 면적을 100mm²(연마면)로 하고, 산화물계 개재물의 중앙부에서의 성분 조성을 특성 X선의 파장 분산 분광에 의해 정량 분석했다. 분석 대상 원소는 Ca, Al, Si, Ti, Ce, La, Mg, Mn, Zr, Na, K, Cr, O(산소)로 하고, 기지 물질을 이용해서 각 원소의 X선 강도와 원소 농도의 관계를 미리 검량선으로서 구해 두고, 분석 대상으로 하는 상기 산화물계 개재물로부터 얻어진 X선 강도와 상기 검량선으로부터, 각 마이크로 시료에 포함되는 원소량을 정량하여, 그 결과를 산술 평균함으로써 개재물의 평균 조성을 구했다. 이와 같이 해서 얻어진 정량 결과 중, 산소 함량이 5% 이상인 개재물을 산화물로 했다. 이때, 하나의 개재물로부터 복수의 원소가 관측된 경우에는, 그들 원소의 존재를 나타내는 X선 강도의 비로부터 각 원소의 단독 산화물로 환산해서 산화물의 조성을 산출했다. 본 발명에서는, 상기 단독 산화물로서 질량 환산한 것을 평균해서, 산화물의 평균 조성으로 했다. 한편, REM의 산화물은, 금속 원소를 M으로 표시하면, 강재 중에 M₂O₃, M₃O₅, MO₂ 등의 형태로 존재하지만, 본 실시예에서는, 관측되는 모든 산화물을 M₂O₃으로 환산해서 REM 산화물의 평균 조성을 산출했다.

(4) 산화물계 개재물의 어스펙트비의 결정

상기 산화물계 개재물 평균 조성 측정용 시험편을 이용하고, 단경이 1μm 이상인 임의의 산화물계 개재물(분석 대상 원소는 Ca, Al, Si, Ti, Ce, La, Mg, Mn, Zr, Na, K, Cr, O(산소))을 100개 선택하고, 각각의 장경과 단경을 측정해서, 각각의 산화물계 개재물의 어스펙트비(=장경/단경)를 산출했다. 그 결과를 산술 평균함으로써 산화물계 개재물의 평균의 어스펙트비를 구했다.

(5) 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율의 측정

상기 산화물계 개재물 평균 조성 측정용 시험편을 이용하고, 관찰 면적 100mm²(연마면)에 대해서, 우선, 전자선 마이크로프로브 X선 분석계를 이용해서, 단경이 1μm 이상인 산화물계 개재물(분석 대상 원소는 Ca, Al, Si, Ti, Ce, La, Mg, Mn, Zr, Na, K, Cr, O(산소)이고, 산소 함량이 5% 이상인 개재물)을 5개 선택했다. 5개의 산화물계 개재물의 선정 기준에 대해서는, 관찰 면적 100mm²중에 존재하는 산화물계 개재물 중, 그의 사이즈가 가장 큰 것부터 순번대로 5개를 선택했다. 산화물계 개재물의 사이즈가 가장 큰 것을 선정한 이유는, 전동 피로 특성은 산화물계 개재물의 치수가 클수록 악영향도가 크다고 말해지고 있기 때문이다. 한편, 산화물계 개재물의 사이즈는, 상기 관찰면에 나타나 있는 산화물계 개재물의 면적으로 대소를 비교했다. 그 후, 대상의 산화물계 개재물에 대해서, FIB법(Focused Ion Beam, 집속 이온 빔 가공법)에 의해 산화물계 개재물이 TEM 관찰 가능한 두께까지 박편화됐다. 장치는 히타치제작소제의 집속 이온 빔 가공 관찰 장치 FB2000A를 이용해서, 가속 전압 30kV, 이온원에는 Ga를 이용했다. 그 후, 박편화된 산화물계 개재물을 TEM 관찰했다. 장치는 니혼전자제의 전계 방출형 투과 전자 현미경 JEM-2010F를 이용하고, Noran제 EDX(Energy dispersive X-ray spectrometry) 분석 장치 Vantage로, 산화물계 개재물과 강의 계면에 대해서 EDX 분석을 실시했다. 분석 대상 원소는 Ca, Al, Si, Ti, Ce, La, Mg, Mn, Zr, Na, K, Cr로 하고, Ti 농도가 30% 이상인 상을 선정하여, 그 상에 대해서 전자선 회절에 의한 동정 해석을 행하여, 입방정의 결정 구조를 나타내는 것을 TiN이라고 판단했다. 이때, 대상의 산화물계 개재물과 강의 계면(산화물계 개재물과 모상인 강(강재의 기지상)의 계면)에 TiN이 생성되어 있는 경우(즉, TiN으로서 판단하는 상기 방법으로 TiN이 존재한다고 확인된 경우), 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물이 있다고 판단하여, 측정한 5개의 산화물계 개재물 중에 존재하는, 상기 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율을 측정했다.

(6) 스러스트 전동 피로 시험편의 제조와 전동 피로 시험

상기 (3)에서 얻어진 구상화 소둔재로부터 φ60mm, 두께 6mm의 시험편을 잘라내어, 840℃의 온도에서 30분간 가열한 후, 기름 담금질을 하고, 이어서 160℃의 온도에서 120분간 템퍼링을 행했다. 마지막으로 마무리 연마를 실시해서, 표면 거칠기 Ra 0.04μm 이하의 스러스트 전동 피로 시험편을 제작했다. 이와 같이 해서 얻어진 스러스트 전동 피로 시험편을 이용하여, 스러스트 피로 시험기(스러스트형 전동 피로 시험기 「FJ-5T」, 후지시험기제작소제)로, 부하 속도 1200rpm, 강구수 3개, 면압 5.24GPa, 중지 횟수 2억회의 조건에서 스러스트 전동 피로 시험을 실시했다.

전동 피로 수명의 척도로서, 통상, 피로 수명 L₁₀(누적 파손 확률 10%에 있어서의 피로 파괴까지의 응력 반복수, 이하 「L₁₀ 수명」이라고 부르는 경우가 있다)이 이용된다. 상세하게는, L₁₀이란, 시험 결과를 와이블 확률지에 플로팅해서 얻어지는 누적 파손 확률 10%에 있어서의 피로 파괴까지의 반복수의 의미이다(「베어링」, 이와나미 전서, 소다 노리무네 저를 참조). 각 강재에 대하여, 16개의 시료를 이용하여 상기의 시험을 행해서 L₁₀ 수명을 결정했다. 이어서, 종래 강의 강재 No. 49의 L₁₀ 수명(1.2×10⁷회)에 대한 각 강재의 L₁₀ 수명의 수명비를 구하여, 하기 기준으로 평가했다.

·불가(전동 피로 수명이 뒤떨어짐): L₁₀ 수명 5.4×10⁷회 미만(4.5배 미만의 수명비)

·가능(전동 피로 수명이 우수함): L₁₀ 수명 5.4×10⁷회 이상 6.0×10⁷회 미만(4.5배 이상 5.0배 미만의 수명비)

·양호(전동 피로 수명이 특히 우수함): L₁₀ 수명 6.0×10⁷회 이상 6.5×10⁷회 미만(5.0배 이상 5.4배 미만의 수명비)

·우수(전동 피로 수명이 특별히 우수함): L₁₀ 수명 6.5×10⁷회 이상(5.4배 이상의 수명비)

한편, 상기 합격 기준의 최저 레벨인 「가능」의 수명비(4.5배 이상)는, 전술한 특허문헌 4의 실시예에서 가장 높은 수명비가 얻어진 표 2의 시험 No. 11, 시험 No. 35(수명비 3.5배)를 초과하는 것으로, 본 실시예에서는, 상기 특허문헌 4보다도 높은 합격 기준을 설정하고 있다.

이들의 결과를 표 2에 기재한다. 한편, 표 2의 시험 No.는 동일한 숫자의 표 1의 강재 No.를 이용한 것을 나타낸다. 또한 표 중, 「E+07」은 「×10⁷」의 의미이고, 「E+06」은 「×10⁶」의 의미이다.

[표 1A]

[표 1B]

[표 2A]

[표 2B]

이들의 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다.

우선, 표 2의 시험 No. 8∼12, 15∼19, 22∼24, 27∼29, 32∼35, 38∼46, 48은 모두 본 발명에서 규정하는 화학 성분 조성(강재의 화학 성분 조성 및 산화물 조성) 및 TiN의 개수 비율을 만족하는 예이며, 산화물계 개재물의 어스펙트비도 적절히 제어되어 있기 때문에, 전동 피로 수명이 우수하다는 것을 알 수 있다.

한편, 본 실시예에서는, 스러스트 방향에서의 전동 피로 특성을 측정하고 있지만, 본 발명의 강재는 어스펙트비가 작기 때문에, 레이디얼 방향의 전동 피로 특성도 양호하다고 추정된다.

이에 비해서, 이하의 시험 No.는 본 발명의 어느 요건을 만족하지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 1은 강 중 C량이 많은 표 1의 강재 No. 1을 이용한 예, 시험 No. 2는 강 중 Mn량이 많은 표 1의 강재 No. 2를 이용한 예, 시험 No. 3은 강 중 Cr량이 많은 표 1의 강재 No. 3을 이용한 예, 시험 No. 4는 강 중 Cr량이 적은 표 1의 강재 No. 4를 이용한 예, 시험 No. 5는 강 중 P량이 많은 표 1의 강재 No. 5를 이용한 예, 시험 No. 6은 강 중 S량이 많은 표 1의 강재 No. 6을 이용한 예이며, 모두 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 7은 Al 함유량이 과잉된 표 1의 강재 No. 7을 이용한 예이며, 산화물 중의 Al₂O₃ 함유량이 많아져, 전동 피로 특성이 저하됐다.

한편, 시험 No. 13은 Al 함유량, Ca 함유량, Ti 함유량이 부족한 표 1의 강재 No. 13을 이용한 예이다. 상기 시험 No. 13에서는, Al, Ca, Ti의 각 산화물이 모두, 본 발명에서 규정하는 범위를 벗어남과 더불어, TiN도 생성되지 않고, 산화물계 개재물의 어스펙트비도 벗어나기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 14는 Ca 함유량이 많은 표 1의 강재 No. 14를 이용한 예이며, 산화물 중의 CaO 함유량이 많아, 전동 피로 특성이 저하됐다.

한편, 시험 No. 20은 Ca 함유량이 적은 표 1의 강재 No. 20을 이용한 예이며, 산화물 중의 CaO 함유량이 적어, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 21은 Ti 함유량이 많은 표 1의 강재 No. 21을 이용한 예이며, 산화물 중의 TiO₂ 함유량이 많아, 전동 피로 특성이 저하됐다.

한편, 시험 No. 25는 Ti 함유량이 적은 표 1의 강재 No. 25를 이용한 예이며, 산화물 중의 TiO₂ 함유량이 적고, TiN도 생성되지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 26은 N 함유량이 많은 표 1의 강재 No. 26을 이용한 예이며, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 30은 N 함유량이 적은 표 1의 강재 No. 30을 이용한 예이며, 소정의 TiN이 생성되지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 31은 O 함유량이 많은 표 1의 강재 No. 30을 이용한 예이며, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 36은 (CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂)의 합계량이 적은 표 1의 강재 No. 36을 이용한 예이며, 소정의 TiN이 생성되지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 37은 가열로의 유지 시간이 짧은 예이며, 소정의 TiN이 생성되지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 47은 Al 농도가 비교적 높은 상태에서 용제 시간이 장시간이었기 때문에, 용강 중의 Al과 산화물 개재물 중의 SiO₂의 산화 환원 반응이 진행되고, SiO₂ 함유량이 부족하여, 전동 피로 특성이 저하됐다.

시험 No. 49는 Al 탈산 처리에 의해 얻어진 표 1의 강재 No. 49(종래의 알루미늄 킬드 강)를 이용한 예이며, Al 함유량이 과잉이 되어서 산화물 중의 Al₂O₃ 함유량이 매우 높아져 있고, 원하는 TiO₂ 등도 전혀 생성되지 않으며, 또한 소정의 TiN도 생성되지 않기 때문에, 전동 피로 특성이 저하됐다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시태양을 참조해서 설명했지만, 본 발명의 정신과 범위를 일탈함이 없이 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있다는 것은 당업자에게 분명하다.

본 출원은 2015년 1월 23일 출원된 일본 특허출원(특원 2015-011560)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 원용된다.

본 발명의 베어링용 강재는 우수한 전동 피로 특성을 갖고, 롤러나 니들, 볼, 레이스 등의 베어링용의 전동체로서 유용하다.

Claims

질량%로,
C: 0.8∼1.1%,
Si: 0.15∼0.8%,
Mn: 0.1∼1.0%,
Cr: 1.3∼1.8%,
P: 0% 초과 0.05% 이하,
S: 0% 초과 0.015% 이하,
Al: 0.0002∼0.005%,
Ca: 0.0002∼0.002%,
Ti: 0.0005∼0.010%,
N: 0.0030∼0.010%,
O: 0% 초과 0.0030% 이하
를 함유하고, 잔부는 철 및 불가피적 불순물로 이루어지며,
강 중에 포함되는 단경 1μm 이상의 산화물계 개재물이 하기 (1) 및 (2)의 요건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전동 피로 특성이 우수한 베어링용 강재.
(1) 평균 조성이, 질량%로, CaO: 10∼50%, Al₂O₃: 10∼50%, SiO₂: 20∼70%, TiO₂: 1.0∼40%를 함유하고, 잔부는 불순물로 이루어짐과 더불어, CaO+Al₂O₃+SiO₂+TiO₂≥60%를 만족한다.
(2) 상기 산화물계 개재물과 강의 계면에 TiN이 생성되어 있는 산화물계 개재물의 개수 비율이 산화물계 개재물 전체의 30% 이상이다.
제 1 항에 있어서,
상기 강재의 길이 방향에 평행으로 절단한 면에 존재하는 상기 산화물계 개재물의 어스펙트비(장경/단경)의 평균이 3.0 이하로 억제된 것인 베어링용 강재.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 베어링용 강재로 이루어지는 베어링 부품.