KR20190027967A - 침탄 질화 베어링용 강 - Google Patents

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고헤이 가네타니
다카시 사다
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Abstract

담금질성이 뛰어나고, 담금질 및 뜨임 후의 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 뛰어난, 침탄 질화 베어링용 강을 제공한다. 본 실시형태에 의한 침탄 질화 베어링용 강은, 질량%로, C:0.22~0.45%, Si:0.50% 이하, Mn:0.40~1.50%, P:0.015% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.30~2.0%, Mo:0.10~0.35%, V:0.20~0.40%, Al:0.005~0.10%, N:0.030% 이하, O:0.0015% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시킨다. 1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1) 2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)

Description

침탄 질화 베어링용 강{STEEL FOR CARBONITRIDED BEARING}
본 발명은, 베어링용 강에 관한 것이며, 더욱 상세하게는, 침탄 질화 담금질 및 뜨임이 실시되는 침탄 질화 베어링용 강에 관한 것이다.
중형이나 대형의 베어링 부품용 강재로는, JIS G 4805(2008)에 규정된 SUJ3, SUJ5로 대표되는 베어링 강과, JIS G 4053(2008)에 규정된 SNCM815로 대표되는 SNCM계 표면 담금질 강이 있다. 이들 강을 이용한 베어링 부품의 제조 공정의 일례는 다음과 같다. 강재에 대해 열간 가공(예를 들어 열간 단조), 및, 절삭 가공을 행하여 소정의 형상의 중간품을 제조한다. 중간품에 대해, 열처리를 실시하여, 소정의 경도 및 마이크로 조직으로 조정한다. 열처리는, 베어링 강의 경우에는 담금질 뜨임이며, 표면 담금질 강의 경우에는 침탄 처리(침탄 담금질 및 뜨임)이다. 이상의 공정에 의해, 베어링 부품을 제조한다.
베어링 부품에 따라서는, 뛰어난 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 요구되는 경우가 있다. 이 경우, 베어링 부품의 제조 공정에서의 상기 열처리로서, 침탄 처리 대신에 침탄 질화 처리(침탄 질화 담금질 및 뜨임)가 실시된다. 침탄 질화 처리는, 강재의 표층의 탄소 농도 및 질소 농도를 높여 강재 표층을 단단하게 한다.
베어링 부품 또는 베어링용 강재에 관한 기술은, 예를 들어, 일본국 특허 공개 평 8-49057호 공보(특허문헌 1), 일본국 특허 공개 2008-280583호 공보(특허문헌 2), 일본국 특허 공개 평 11-12684호 공보(특허문헌 3), 및, 일본국 특허 공개 평 6-287712호 공보(특허문헌 4)에 제안되어 있다.
특허문헌 1에서는, 다량의 V을 함유하는 강재에 대해 침탄 처리 또는 침탄 질화 처리를 실시하여, 표층에 V 탄화물을 석출한다. 이 V 탄화물에 의해, 구름 베어링이 뛰어난 내마모 특성을 갖는다고 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 1의 강재 중의 V 함유량은 0.8~2.0%로 높다. 그 때문에, 침탄 질화 처리를 실시한 경우, 조대한 V 탄화물 및 V 탄질화물이 생성되어, 베어링 부재의 인성이 큰 폭으로 저하되는 경우가 있다.
특허문헌 2에 개시된 베어링용 표면 담금질 강에서는, 베어링 수명에 대한 수소 취화에 착안해, V계 탄화물을 미세 분산시켜, 수소 트랩사이트의 효과를 높인다. 이에 의해, 면 피로 강도가 높아진다고 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 2에서 제안된 기술에서는, 강재에 포함되는 S양, P양에 따라서, 인성이 저하되는 경우가 있다.
특허문헌 3에서 개시된 냉간 단조용 표면 담금질 강에서는, 저비용화를 목적으로, 강의 성분 및 마이크로 조직을 조정하여, 구상화(球狀化) 풀림 처리의 신속화를 도모하고 있다.
그러나, 특허문헌 3에서 제안된 강재를 이용하여 베어링을 제조하는 경우, 담금질성 및 인성이 낮은 경우가 있다.
특허문헌 4에 개시된 강 부품은, 침탄 질화 담금질을 실시함으로써, 표층에 다량의 잔류 오스테나이트를 포함한다. 이에 의해, 표면 기점 박리 수명이 높아진다고 기재되어 있다.
그러나, 특허문헌 4의 강재는 고가의 Ni을 0.5% 이상 함유한다. 그 때문에, 중형 및 대형의 베어링 부품에 적용하는 경우, 제조 비용이 높아진다.
근년에는, 충격 환경하, 빈(貧)윤활 환경하, 및, 고면압 조건하에서의 베어링 부품의 장수명화의 요구가 높아지고 있고, 인성, 내마모성, 및, 표면 기점 박리 수명이 뛰어난 기술의 확립이 요망되고 있다. 종래, 인성 및 표면 기점 박리 수명을 높이기 위해서, JIS G 4053(2008)의 SCM, SNCM으로 대표되는 표면 담금질 강이나, Si, Mn, Mo, V 등의 합금 원소를 적정화한 표면 담금질 강에, 침탄, 침탄 질화를 행하고, 잔류 오스테나이트를 증가시키는 방법이 채용되어 왔다. 그러나, 잔류 오스테나이트는 연질의 조직이므로, 잔류 오스테나이트양이 증가하면, 내마모성이 저하된다.
일본국 특허 공개 평 8-49057호 공보 일본국 특허 공개 2008-280583호 공보 일본국 특허 공개 평 11-12684호 공보 일본국 특허 공개 평 6-287712호 공보
본 발명의 목적은, Ni을 함유하지 않아도 담금질성이 뛰어나고, 열처리 후의 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 뛰어난, 침탄 질화 베어링용 강을 제공하는 것이다.
본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강은, 질량%로, C:0.22~0.45%, Si:0.50% 이하, Mn:0.40~1.50%, P:0.015% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.30~2.0%, Mo:0.10~0.35%, V:0.20~0.40%, Al:0.005~0.10%, N:0.030% 이하, O:0.0015% 이하, B:0~0.0050%, Nb:0~0.10%, 및, Ti:0~0.10%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키는 화학 조성을 갖는다.
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1)
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)
본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강은, 담금질성이 뛰어나며, 열처리 후에 있어서, 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 뛰어나다.
도 1은, 실시예 1에서의 담금질성 평가 시험, 및 인성 평가 시험용 시험편에 대한 담금질 및 뜨임의 히트 패턴을 나타내는 도면이다.
도 2는, 롤러 피칭 시험에서 이용하는 소롤러 시험편의 중간품의 측면도 및 횡단면도이다.
도 3은, 도 2의 중간품으로부터 제조되는, 소롤러 시험편의 측면도 및 횡단면도이다.
본 발명자들은 강의 성분, 특히, C, Si, Cr, Mo, V이 침탄 질화 베어링용 강의 담금질성, 인성, 내마모성, 및, 표면 기점 박리 수명에 미치는 영향에 대해서 조사 및 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음과 같은 지견을 얻었다.
[내마모성 및 표면 기점 박리 수명에 대해서]
강재에 대해 침탄 질화 담금질, 뜨임 등의 표면 경화 처리를 실시하여, 강재의 내마모성을 높이기 위해서는, 강재의 표층에 V 탄화물 및 V 탄질화물 등의 미세한 V 석출물이 분산되어 있는 것이 유효하다. 그러나, 내마모성에는 또한, 표면 경화 처리 후의 강재의 표면 경도, 및, 강재 중의 잔류 오스테나이트양도 영향을 미친다. 따라서, 내마모성을 높이기 위해서는, V계 석출물을 미세 분산시키면서, 표면 경도 및 잔류 오스테나이트양에 영향을 미치는 V양, Cr양 및 Mo양을 조정하는 것이 유효하다.
V은 탄화물 및 탄질화물(이하, 탄질화물 등이라고 한다)을 생성한다. 따라서, V 함유량을 높이면, 침탄 질화 베어링 부재의 내마모성이 높아진다. 그러나, V 함유량이 너무 높으면, 강재의 열간 연성이 저하되어, 열간 가공시(열간 압연시 및 열간 단조시)에 균열이 발생하기 쉬워진다. 또한, 강재 중에 조대한 탄질화물 등이 존재하는 경우, 침탄 질화 처리 후의 베어링 부품의 심부(芯部)의 인성이 저하된다. 또한, 베어링 부품 내에 조대한 탄질화물 등이 잔존하면, 이들 조대 석출물이 응력 집중원이 된다. 이 경우, 이들 조대 석출물이 피로 기점이 되어, 표면 기점 박리 수명이 저하된다.
V 함유량을 억제하면서, V 함유량, Cr 함유량 및 Mo 함유량의 밸런스를 조정함으로써, 상술한 조대한 탄질화물 등의 생성이 억제된다. 이하, 이 점에 대해서 상세하게 기술한다.
탄화물 및 탄질화물과 같은 석출물을 미세 분산하기 위해서는, 석출물의 핵(석출핵)의 생성 사이트를 증가시키는 것이 유효하다. V, Cr 및 Mo을 복합하여 함유하면, 석출핵 생성 사이트는 증가해, 다수의 탄질화물 등이 석출된다. 그러나, 이들 탄질화물 등이 열간 압연 및 열간 단조 전의 가열 공정에서 고용되지 않고 잔존하면, 침탄 질화 처리에 있어서 잔존한 탄질화물 등이 조대화한다. 이 경우, 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, 열간 압연 및 열간 단조 전의 가열 공정에 있어서, 탄질화물 등을 충분히 고용시킨다.
탄질화물 등을 고용시키려면, 가열 온도를 높이면 된다. 그러나, 가열 온도를 높이면, 마이크로 조직(결정립)이 조대화되어 강재의 인성이 저하된다. 또, 설비상의 제약으로 인해, 가열 온도의 상한은 제한된다. 따라서, 인성의 저하를 억제하면서, 탄질화물 등을 충분히 고용할 수 있도록, V양, Cr양 및 Mo양을 조정하는 것이 유효하다.
이상의 고찰을 전제로 하여 조사 검토를 행한 결과, 본 발명자들은, 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성이 다음의 식 (1)을 만족시키면, 표면 기점 박리 수명의 저하 및 인성의 저하를 억제하면서, 내마모성을 높일 수 있음을 알아냈다.
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1)
여기서, 식 (1) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
fn1=0.4Cr+0.4Mo+4.5V으로 정의한다. fn1이 1.20 이하가 되면, 석출핵 생성 사이트가 부족하다. 이 경우, 미세한 탄질화물 등의 석출이 불충분해져, 내마모성이 저하된다. 한편, fn1이 2.60 이상인 경우, 내마모성은 높아지지만, 미고용의 조대 탄질화물 등이 잔존한다. 그 때문에, 표면 기점 박리 수명 및 인성이 저하된다.
[담금질성에 대해서]
침탄 질화 처리를 실시하여 제조되는 침탄 질화 베어링 부품의 소재인 침탄 질화 베어링용 강에는, 높은 담금질성이 요구된다. 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성이 식 (2)를 만족시키면, 베어링 부품이 대형이더라도 충분히 담금질 가능하며, 고강도가 얻어진다.
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)
여기서, 식 (2) 중의 각 원소에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. fn2=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V으로 정의한다. fn2에 규정되는 각 원소는 모두, 강의 담금질성을 높인다. 따라서, fn2가 2.20보다도 높으면, 충분한 담금질성이 얻어져, 베어링 부품에 있어서, 내마모성을 높이기 위해서 필요한 강도가 얻어진다.
[인성에 대해서]
중형 및 대형의 베어링 부품에는, 뛰어난 내마모성, 표면 기점 박리 수명과 더불어, 뛰어난 인성(파괴 인성)이 요구된다. 뜨임 마텐자이트를 주로 하는 조직의 강재의 파괴 인성은, 주로, 뜨임 마텐자이트 조직의 강도, 하부 조직에 영향을 주는 C 함유량, 입계 취화를 일으키는 P 함유량, 및, 강재 중의 황화물의 양이 영향을 준다.
따라서, 중형 및 대형의 베어링 부품에 요구되는 강도 및 파괴 인성을 얻기 위해서, C 함유량을 0.22% 이상으로 한다. 또한, 파괴 인성을 높이기 위해서, P 함유량을 0.015% 이하로 제한한다. 또, 황화물은 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, S 함유량은 0.005% 이하로 제한한다.
이상의 지견에 의거해 완성한 본 실시형태에 의한 침탄 질화 베어링용 강은, 질량%로, C:0.22~0.45%, Si:0.50% 이하, Mn:0.40~1.50%, P:0.015% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.30~2.0%, Mo:0.10~0.35%, V:0.20~0.40%, Al:0.005~0.10%, N:0.030% 이하, O:0.0015% 이하, B:0~0.0050%, Nb:0~0.10%, 및, Ti:0~0.10%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키는 화학 조성을 갖는다.
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1)
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)
여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
상기 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성은, B:0.0003~0.0050%, Nb:0.005~0.10%, 및, Ti:0.005~0.10%를 함유해도 된다.
이하, 본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강에 대해서 상세히 서술한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 기술하지 않는 한 질량%를 의미한다.
[침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성]
침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유한다.
C:0.22~0.45%
탄소(C)는, 강의 담금질성을 높인다. 그 때문에, 침탄 질화 베어링용 강에 대해 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하여 이루어지는 침탄 질화 베어링 부품의 심부의 강도 및 인성을 높인다. C는 또한, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 높인다. C 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 너무 높으면, 열간 가공 후에 있어서도 조대한 탄화물 및 탄질화물(탄질화물 등)이 잔존하여, 침탄 질화 베어링 부품의 인성 및 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.22~0.45%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.24%이며, 더욱 바람직하게는 0.25%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.44%이며, 또한 바람직하게는 0.42%이다.
Si:0.50% 이하
실리콘(Si)은, 불가피적으로 함유된다. Si는 강의 강도를 높인다. Si는 또한, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 높인다. 그러나, Si 함유량이 너무 높으면, 모재의 경도가 너무 높아져 절삭시의 공구 수명이 저하된다. Si 함유량이 너무 높으면 또한, 강재의 인성 및 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.50% 이하이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더욱 바람직하게는 0.02%이며, 더욱 바람직하게는 0.05%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.35%이며, 냉간 가공성을 고려하면, 더욱 바람직한 상한은 0.10%이다.
Mn:0.40~1.50%
망간(Mn)은, 강의 담금질성을 높이고, 또한, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 높인다. Mn 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 너무 높으면, 모재의 경도가 너무 높아져서 절삭시의 공구 수명이 저하된다. Mn 함유량이 너무 높으면 또한, 인성이 저하되거나, 담금질시에 균열이 발생한다. 따라서, Mn 함유량은 0.40~1.50%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.45%이며, 더욱 바람직하게는 0.48%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.30%이며, 더욱 바람직하게는 1.00% 이하이며, 더욱 바람직하게는 0.75%이다.
P:0.015% 이하
인(P)은, 불순물이다. P은 결정입계에 편석하여 침탄 질화 베어링 부품의 인성을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 0.0015% 이하이다. 바람직한 P 함유량의 상한은 0.013%이며, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
S:0.005% 이하
유황(S)은 불순물이다. S은, 강 중에서 황화물을 생성하여 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, S 함유량은 0.005% 이하이다. 표면 기점 박리 수명을 더욱 높이기 위한 S 함유량의 바람직한 상한은 0.004%이며, 더욱 바람직하게는 0.003%이다. S 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
Cr:0.30~2.0%
크롬(Cr)은, 강의 담금질성을 높여 침탄 질화 베어링 부품의 강도를 높인다. Cr은 또한, V 및 Mo과 복합하여 함유됨으로써, 침탄 질화 처리(침탄 질화 담금질 및 뜨임)시에 미세한 석출물이 생성되는 것을 촉진해, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성을 높인다. Cr 함유량이 너무 낮으면 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Cr 함유량이 너무 높으면, 침탄 질화 처리시의 침탄성이 저하된다. 따라서, Cr 함유량은 0.30~2.0%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.50%이며, 더욱 바람직하게는 0.60%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 1.8%이며, 더욱 바람직하게는 1.7%이다.
Mo:0.10~0.35%
몰리브덴(Mo)은, Cr과 마찬가지로, 강의 담금질성을 높인다. Mo은 또한, V 및 Cr과 복합하여 함유됨으로써, 침탄 질화 처리시에 미세한 석출물의 생성을 촉진해, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성을 높인다. Mo 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Mo 함유량이 너무 높으면, 강의 열간 가공성 및 절삭성이 저하되고, 또한, 제조 비용이 비싸진다. 따라서, Mo 함유량은 0.10~0.35%이다. Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.20%이며, 더욱 바람직하게는 0.22%이다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.30%이며, 더욱 바람직하게는 0.28%이다.
V:0.20~0.40%
바나듐(V)은, Cr 및 Mo과 마찬가지로, 강의 담금질성을 높인다. V은 또한, C 및 N와 결합하여 미세한 석출물(탄질화물 등)을 생성한다. 본 실시형태에서는, V, Cr 및 Mo이 복합하여 함유됨으로써, 침탄 질화 처리시에, 미세한 석출물이 다수 생성되어, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성이 높아진다. V 함유량이 너무 낮으면, 이들 효과가 얻어지지 않는다. 한편, V 함유량이 너무 높으면, 열간 가공 후에 있어서도 미고용의 조대한 탄화물 등이 잔존해, 침탄 질화 베어링 부품의 인성 및 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 또한, 강의 열간 가공성 및 절삭성도 저하된다. 따라서, V 함유량은 0.20~0.40%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0.21%이며, 더욱 바람직하게는 0.22%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.38%이며, 더욱 바람직하게는 0.36%이다.
Al:0.005~0.10%
알루미늄(Al)은, 강을 탈산한다. Al 함유량이 너무 낮으면, 이 효과가 얻어지지 않는다. 한편, Al 함유량이 너무 높으면, 조대한 산화물계 개재물이 강 중에 잔존하여, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, Al 함유량은 0.005~0.10%이다. Al 함유량의 바람직한 하한은 0.008%이며, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.050%이며, 더욱 바람직하게는 0.048%이다. 여기서 말하는 Al 함유량은, 전체 Al(Total Al)의 함유량을 의미한다.
N:0.030% 이하
질소(N)는 불순물이다. N는 강 중에 고용되어 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, N 함유량은 0.030% 이하이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.025%이며, 더욱 바람직하게는 0.020%이다. N 함유량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다.
O(산소):0.0015% 이하
산소(O)는 불순물이다. O는 강 중의 다른 원소와 결합하여 산화물을 생성해, 강재의 강도를 저하시킨다. O는 또한, 산화물을 생성함과 더불어, MnS의 조대화를 촉진하여, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, O 함유량은 0.0015% 이하이다. O 함유량의 바람직한 상한은 0.0013%이며, 더욱 바람직하게는 0.0012%이다. O 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다.
본 실시형태에 의한 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 침탄 질화 베어링용 강을 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등에서 혼입되는 것이며, 본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성은 또한, B, Nb, Ti으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 임의 원소이며, 모두, 침탄 질화 베어링의 강도를 높인다.
B:0~0.0050%
붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, B는 강의 담금질성을 높여, 침탄 질화 베어링 부품의 강도를 높인다. B는 또한, 담금질시에 오스테나이트 입계에 P 및 S이 편석되는 것을 억제한다. 그러나, B 함유량이 너무 높으면, B 질화물(BN)이 생성되어 강의 인성이 저하된다. 따라서, B 함유량은 0~0.0050%이다. B 함유량의 바람직한 하한은 0.0003%이며, 더욱 바람직하게는 0.0005%이며, 더욱 바람직하게는 0.0010%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0030%이며, 더욱 바람직하게는 0.0025%이다.
Nb:0~0.10%
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Nb는 강 중의 C 및 N와 결합해 탄화물, 질화물, 및, 탄질화물을 생성한다. 이들 석출물은 결정립을 미세화해, 석출 강화에 의해서 침탄 질화 베어링 부품의 강도를 높인다. 그러나, Nb 함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Nb 함유량은 0~0.10%이다. Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.080%이며, 더욱 바람직하게는 0.070%이다.
Ti:0~0.10%
티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 함유되는 경우, Ti는 Nb와 마찬가지로, 탄화물, 질화물, 및, 탄질화물을 생성하여 결정립을 미세화해, 침탄 질화 베어링 부품의 강도를 높인다. 그러나, Ti 함유량이 너무 높으면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Ti 함유량은 0~0.10%이다. Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 더욱 바람직하게는 0.010%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.080%이며, 더욱 바람직하게는 0.070%이다.
[식 (1)에 대해서]
본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성은 또한, 식 (1)을 만족시킨다.
1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
Cr, Mo 및 V은, 석출핵 생성 사이트를 생성하여, 탄질화물 등의 석출물의 생성을 촉진한다. fn1=0.4Cr+0.4Mo+4.5V으로 정의한다. fn1이 1.20 이하이면, 석출핵 생성 사이트가 부족하기 때문에, 미세한 탄질화물 등이 생성되기 어렵다. 그 때문에, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성이 저하된다. 한편, fn1이 2.60 이상이면, 석출핵 생성 사이트는 충분하며, 내마모성이 높아지지만, 열간 가공 후에 있어서도 미고용의 조대한 탄질화물 등이 강 중에 잔존한다. 이 경우, 침탄 질화 담금질 및 뜨임시에 있어서, 조대한 탄질화물 등이 더욱 성장하여 조대화된다. 그 때문에, 침탄 질화 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명 및 인성이 저하된다. 따라서, fn1의 하한은 1.20보다도 높고, fn1의 상한은 2.60 미만이다. fn1의 바람직한 하한은 1.22이다. fn1의 바람직한 상한은 2.58이다.
[식 (2)에 대해서]
본 실시형태의 침탄 질화 베어링용 강의 화학 조성은 또한, 식 (2)를 만족시킨다.
2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)
여기서, 식 (2) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
fn2=2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V으로 정의한다. fn2 내의 각 원소는 모두, 강의 담금질성을 높인다. 따라서, fn2는 침탄 질화 베어링용 강의 담금질성 및 침탄 질화 베어링 부품의 강도의 지표이다.
fn2가 2.20 이하이면, 강의 담금질성이 너무 낮다. 이 경우, 침탄 질화 베어링 부품의 심부의 경도가 저하되어, 침탄 질화 베어링 부품의 강도가 저하된다. 따라서, fn2는 2.20을 초과한다. 이 경우, 침탄 질화 베어링 부품의 강도가 충분히 높아진다. fn2의 바람직한 하한은 2.70이며, 더욱 바람직하게는 3.20이다.
[제조 방법]
상술한 침탄 질화 베어링용 강의 제조 방법, 및, 그 침탄 질화 베어링용 강을 이용하여 제조되는 침탄 질화 베어링 부품의 제조 방법의 일례를 설명한다.
[침탄 질화 베어링용 강재의 제조 방법]
상술한 화학 조성을 갖고, 또한, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키는 용강을 연속 주조법에 의해 주편으로 한다. 조괴(造塊)법에 의해 용강을 잉곳(강괴)으로 해도 된다. 주편 또는 잉곳을 열간 가공하여, 강편(빌릿)을 제조한다. 예를 들어, 분괴 압연에 의해 주편 또는 잉곳을 강편으로 한다. 강편 또는 주편을 열간 가공하여, 봉강 또는 선재 등의 침탄 질화 베어링용 강재를 제조한다. 열간 가공은, 열간 압연이어도 되고, 열간 단조(열간 단신 등)여도 된다. 필요에 따라서, 열간 압연 전의 강편 또는 주편에 대해 균열 확산 처리를 실시해도 된다. 제조된 침탄 질화 베어링용 강재에 대해, 필요에 따라서, 불림 처리나 구상화 풀림 처리를 실시해도 된다. 이상의 공정에 의해, 침탄 질화 베어링용 강재가 제조된다.
[침탄 질화 베어링 부품의 제조 방법]
상술한 침탄 질화 베어링용 강을 이용하여, 침탄 질화 베어링 부품을 제조한다. 처음에, 침탄 질화 베어링용 강재를 소정의 형상으로 가공하여 중간품을 제조한다. 가공 방법은 예를 들어, 열간 단조나 기계 가공이다. 기계 가공은 예를 들어, 절삭 가공이다.
제조된 중간품에 대해, 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하여, 침탄 질화 베어링 부품을 제조한다. 침탄 질화 담금질에서는, 침탄성 가스에 암모니아 가스를 함유한 분위기 가스 중에 있어서, 중간품을 A3 변태점 이상으로 가열 유지한 후, 급랭시킨다. 뜨임 처리에서는, 침탄 질화 담금질된 중간품을 100~500℃의 온도 범위 내에서 소정 시간 유지한다.
침탄 질화 베어링 부품의 표면 C 농도, 표면 N 농도 및 표면 경도는, 침탄 질화 담금질, 뜨임의 조건을 제어하여 조정된다. 구체적으로는, 표면 C 농도 및 표면 N 농도는, 침탄 질화 담금질시의 분위기 중의 카본 포텐셜 및 암모니아 농도 등을 제어함으로써 조정된다.
구체적으로는, 표면 C 농도는, 주로, 침탄 질화 담금질의 카본 포텐셜, 가열 온도, 및, 유지 시간으로 조정된다. 카본 포텐셜이 높고, 가열 온도가 높고, 유지 시간이 길수록, 표면 C 농도가 높아진다. 한편, 카본 포텐셜이 낮고, 가열 온도가 낮고, 유지 시간이 짧을수록, 표면 C 농도가 낮아진다.
표면 N 농도는, 주로, 침탄 질화 담금질의 암모니아 농도, 가열 온도, 및, 유지 시간으로 조정된다. 암모니아 농도가 높고, 가열 온도가 낮고, 유지 시간이 길수록, 표면 N 농도가 높아진다. 한편, 암모니아 농도가 낮고, 가열 온도가 높고, 유지 시간이 짧을수록, 표면 N 농도가 낮아진다. 또한, 표면 N 농도가 증가하면, 잔류 오스테나이트가 다량으로 생성되어, 표면 경도가 저하된다.
표면 경도는, 표면 C 농도 및 표면 N 농도와 관련된다. 구체적으로는, 표면 C 농도 및 표면 N 농도가 높아지면, 표면 경도도 높아진다. 한편, 표면 C 농도 및 표면 N 농도가 낮아지면, 표면 경도도 저하된다. 그러나, 표면 N 농도가 너무 높으면, 잔류 오스테나이트에 기인하여 표면 경도가 저하된다.
침탄 질화 담금질에 의해서 상승한 표면 경도는, 뜨임에 의해 저하될 수 있다. 뜨임 온도를 높게, 뜨임 온도에서의 유지 시간을 길게 하면, 표면 경도는 저하된다. 뜨임 온도를 낮게, 뜨임 온도에서의 유지 시간을 짧게 하면, 표면 경도는 높게 유지할 수 있다.
침탄 질화 담금질의 바람직한 조건은 다음과 같다.
분위기 중의 카본 포텐셜 CP:0.7~1.4
분위기 중의 카본 포텐셜 CP가 너무 낮으면, 침탄 질화 베어링 부품의 표면의 C 농도가 0.7% 미만이 된다. 이 경우, 충분한 양의 탄질화물을 분산시킬 수 없어, 내마모성이 저하된다. 한편, 카본 포텐셜 CP가 너무 높으면, 표면의 C 농도가 1.2%를 초과한다. 이 경우, 조대한 탄질화물 등이 잔존하기 때문에, 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, 카본 포텐셜 CP는 0.7~1.4이다.
분위기 중의 침탄 변성 가스 유량에 대한 암모니아 농도:1~6%
분위기 중의 침탄 변성 가스 유량에 대한 암모니아 농도가 너무 낮으면, 침탄 질화 베어링 부품의 표면의 N 농도가 0.15% 미만이 된다. 이 경우, 충분한 양의 탄질화물을 분산시킬 수 없어, 내마모성이 저하된다. 한편, 암모니아 농도가 너무 높으면, 표면 N 농도가 0.6%를 초과한다. 이 경우, 조대한 탄질화물이 잔존하기 때문에, 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, 암모니아 농도는 1~6%이다.
침탄 질화시의 유지 온도(침탄 질화 온도):830~930℃
침탄 질화 온도에서의 유지 시간:3시간 이상
침탄 질화 온도가 너무 낮으면, C 및 N의 확산 속도가 늦어진다. 이 경우, 소정의 열처리 성상을 얻기 위해서 필요한 처리 시간이 길어져, 생산 비용이 증대된다. 한편, 침탄 질화 온도가 너무 높으면, 분위기 중의 암모니아가 분해되어, 강재에 침입하는 N양이 감소함과 더불어, 침입한 C 및 N의 강재 매트릭스 중으로의 고용량이 증가한다. 이 경우, 충분한 양의 탄질화물을 분산시킬 수 없어, 내마모성이 저하된다. 따라서, 침탄 질화 온도는 830~930℃이다.
침탄 질화 온도에서의 유지 시간은, 강 표면에 충분한 C 농도 및 N 농도를 확보하기 위해서, 3시간 이상으로 한다. 또한, 유지 시간이 길수록 C 및 N가 강 중에 확산된다. 따라서, 유지 시간은 필요에 따라서 길게 해도 된다.
담금질 온도:830~930℃
담금질 온도에서의 유지 시간:1시간 이내
담금질 온도는 너무 낮으면, 강 중에 충분한 C를 고용시키지 못해, 강의 경도가 저하된다. 한편, 담금질 온도가 너무 높으면, 결정립이 조대화되어, 결정입계를 따른 조대한 탄질화물이 석출되기 쉬워진다. 이 경우, 구름 베어링으로서의 기능이 저하된다. 따라서, 담금질 온도는 830~930℃이다.
담금질 온도에서의 유지 시간은, 중간품 전체가 소정의 담금질 온도가 되기 위해서 필요한 시간 이상이면 된다. 그러나, 담금질 온도에서의 유지 시간이 1시간을 초과하면, 결정립이 조대화된다. 따라서, 담금질 온도에서의 유지 시간은 1시간 이내이다.
뜨임의 바람직한 조건은 다음과 같다.
뜨임 온도:150~200℃
뜨임 온도에서의 유지 시간:0.5~4시간
뜨임 온도가 너무 낮으면, 충분한 인성을 얻을 수 없다. 한편, 뜨임 온도가 너무 높으면, 표면 경도가 저하되어, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성이 저하된다. 따라서, 뜨임 온도는 150~200℃이다.
뜨임 온도에서의 유지 시간이 너무 짧으면, 충분한 인성이 얻어지지 않는다. 한편, 유지 시간이 너무 길면, 표면 경도가 저하되어, 침탄 질화 베어링 부품의 내마모성이 저하된다. 따라서, 뜨임 온도에서의 유지 시간은 0.5~4시간이다.
[침탄 질화 베어링 부품의 표면에 있어서의 C 농도, N 농도 및 로크웰 C 경도]
이상의 제조 공정에서 제조되는 침탄 질화 베어링 부품의 표면에서의 C 농도, N 농도 및 로크웰 C 경도 HRC는 다음과 같다.
표면의 C 농도:질량%로 0.7~1.2%
상술한 조건으로 침탄 질화 담금질 및 뜨임하여 제조된 침탄 질화 베어링 부품의 표면의 C 농도는 0.7~1.2%이다. 표면의 C 농도가 너무 낮으면, 표면 경도가 너무 낮아져서 내마모성이 저하된다. 한편, 표면의 C 농도가 너무 높으면, 조대한 탄질화물 등이 잔존하기 때문에, 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 표면의 C 농도가 0.7~1.2%이면, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 뛰어나다. 표면의 C 농도의 바람직한 하한은 0.75%이며, 더욱 바람직하게는 0.80%이다. 표면의 C 농도의 바람직한 상한은 1.1%이며, 더욱 바람직하게는 1.05%이며, 보다 바람직하게는 1.00%이다.
표면의 N 농도:질량%로 0.15~0.6%
침탄 질화 담금질 및 뜨임에 의해 제조된 침탄 질화 베어링 부품의 표면의 N 농도는 0.15~0.6%이다. 표면의 N 농도가 너무 낮으면, 침탄 질화 담금질 후의 잔류 오스테나이트양이 너무 적고, 또한 미세한 탄질화물의 생성이 억제되기 때문에, 내마모성이 저하된다. 한편, 표면의 N 농도가 너무 높으면, 잔류 오스테나이트가 과잉으로 많이 생성된다. 이 경우, 침탄 질화 베어링 부품의 표면의 경도가 저하되어, 강도 및 표면 기점 박리 수명이 오히려 저하된다. 표면의 N 농도가 0.15~0.6%이면, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 뛰어나다. 표면의 N 농도의 바람직한 하한은 0.18%이며, 더욱 바람직하게는 0.20%이다. 표면의 N 농도의 바람직한 상한은 0.58%이며, 더욱 바람직하게는 0.56%이며, 더욱 바람직하게는 0.54%이다.
표면의 C 농도 및 N 농도는 다음의 방법으로 측정된다. 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 이용하여, 침탄 베어링 부품의 임의의 표면 위치에 있어서, 표면으로부터 100μm 깊이까지, 1.0μm 피치로 C 농도 및 N 농도를 측정한다. 측정된 C 농도의 평균을 표면 C 농도(질량%)로 정의한다. 마찬가지로, 측정된 N 농도의 평균을 표면 N 농도(질량%)로 정의한다.
표면의 로크웰 C 경도 HRC:58~65
침탄 질화 베어링 부품의 표면의 로크웰 C 경도 HRC는 58~65이다. 표면의 로크웰 C 경도 HRC가 58 미만이면, 내마모성이 저하되며, 또한, 표면 기점 박리 수명도 저하된다. 한편, 표면의 로크웰 C 경도가 65를 초과하면, 미소한 균열이 발생한 경우의 신전(伸展) 감수성이 높아져, 표면 기점 박리 수명이 오히려 저하된다. 표면의 로크웰 C 경도는 58~65이면, 뛰어난 내마모성 및 뛰어난 표면 기점 박리 수명이 얻어진다. 표면의 로크웰 C 경도의 바람직한 하한은 58.5이며, 더욱 바람직하게는 59.0이다. 표면의 로크웰 C 경도의 바람직한 상한은 64.5이며, 더욱 바람직하게는 64.3이다.
침탄 질화 베어링 부품의 로크웰 C 경도 HRC는 다음의 방법으로 측정된다. 침탄 질화 베어링 부품의 표면 중, 임의의 4개의 측정 위치를 특정한다. 특정된 4개의 측정 위치에 있어서, JIS Z2245(2011)에 준거하여, C 스케일을 이용한 로크웰 경도 시험을 실시한다. 얻어진 로크웰 C 경도 HRC의 평균을, 표면에서의 로크웰 C 경도 HRC로 정의한다.
이상의 제조 공정에 의해, 상술한 침탄 질화 베어링용 강 및 침탄 질화 베어링 부품이 제조된다. 이하, 실시예에 의해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
표 1에 나타내는 다양한 화학 조성을 갖는 용강을 전로(轉爐)를 이용하여 제조했다.
Figure pat00001
표 1 중의 공란은, 원소가 의도적으로 함유되지 않았던(즉, 함유량은 불순물 레벨이며, 실질적으로 0%이다) 것을 나타낸다. 용강을 연속 주조하여 블룸을 제조했다. 블룸을 분괴 압연하여, 160mm×160mm의 직사각형 횡단면을 갖는 빌릿를 제조했다. 빌릿을 열간 압연하여, 직경 60mm인 봉강을 제조했다.
직경 60mm인 봉강의 일부를 절단했다. 절단 부분에 대해 열간 단신(鍛伸)을 실시하여, 직경 30mm인 봉강을 제조했다. 제조된 직경 30mm인 봉강에 대해 불림 처리를 실시했다. 구체적으로는, 직경 30mm인 봉강을, 920℃에서 1시간 유지한 후, 공랭했다.
직경 60mm인 봉강, 및, 불림 처리 후의 직경 30mm인 봉강에 대해, 구상화 풀림 처리를 실시했다. 구체적으로는, 각 봉강에 대해, 760℃에서 4시간 유지하고, 그 후, 15℃／시간으로 600℃까지 냉각하고, 그 후, 상온까지 공랭했다.
[평가 시험]
구상화 풀림 처리 후의 봉강을 침탄 질화 베어링용 강재로 하고, 각 강재의 담금질성, 인성, 내마모성, 및, 표면 기점 박리 수명을 평가했다.
[담금질성 평가 시험]
담금질성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm인 봉강으로부터, 플랜지가 달린 직경 25mm, 길이 100mm의 조미니(Jominy) 시험편을 기계 가공에 의해 제작했다. 각 시험 번호의 시험편에 대해, JIS G0561(2011)에 준거한 조미니 시험을 실시했다. 시험 후, 수냉단(端)으로부터 11mm 위치에서의 경도 J11로 담금질성을 평가했다. 대형의 침탄 질화 베어링 부품에 적용되는 베어링용 강재에서는, 경도 J11이 로크웰 C 경도 HRC로 32 이상인 것이 요구된다. 따라서, 담금질성 시험에서는, 경도 J11이 32 이상인 경우에 담금질성이 높다고 판단하고(표 2 중에서 「○」표시로 표기), 경도 J11이 32 미만인 경우에 담금질성이 낮다고 판단했다(표 2중에서 「×」표시로 표기).
Figure pat00002
[인성 평가 시험]
인성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 각 시험 번호의 직경 30mm인 봉강에 대해, 도 1에 나타내는 히트 패턴의 담금질 및 뜨임을 실시했다. 도 1을 참조하여, 담금질 처리에서는, 담금질 온도는 900℃로 하고, 유지 시간을 6시간으로 했다. 유지 시간 경과 후의 봉강을 유냉했다(도면 중「OQ」라고 기재). 뜨임 처리에서는, 뜨임 온도를 180℃로 하고, 유지 시간을 2시간으로 했다. 유지 시간 경과 후의 봉강을 공랭했다(도면 중 「AC」라고 기재).
상기 담금질 및 뜨임을 실시한 봉강으로부터, V 노치를 갖는 샤르피 시험편을 채취했다. 샤르피 시험편을 이용하여, JIS Z2242(2009)에 준거한 샤르피 시험을 실온에서 행했다. 시험에 의해 얻어진 흡수 에너지를, 절결부(切欠部)의 원단면적(시험 전의 시험편의 절결부의 단면적)으로 나누어, 충격치 vE20(J/cm2)를 구했다.
또한, 상기 담금질 및 뜨임을 실시한 봉강으로부터, 봉형상 4호 인장 시험편을 채취했다. 이 시험편을 이용하여, JIS Z2241(2011)에 준거한 인장 시험을 대기중, 실온에서 행하고, 0.2% 내력 σy(MPa)를 구했다.
얻어진 샤르피 충격치 vE20(J/cm2)과 0.2% 내력 σy (MPa)를 이용하여, 인성의 평가 지표 Index를 다음의 식으로 구했다.
Index=σy×(vE20)0.1
대형의 침탄 질화 베어링 부품에 베어링용 강재를 적용하기 위해서는, 상기 Index가 950 이상인 것이 요구된다. 따라서, 인성 평가 시험에서는, Index가 950이상인 경우, 인성이 뛰어나다고 판단했다(표 2 중에서 「○」표시로 표기). 한편, Index가 950 미만인 경우, 인성이 낮다고 판단했다(표 2 중에서 「×」표시로 표기).
[내마모성 평가 시험]
침탄 질화 베어링 부품의 내마모성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm인 봉강으로부터 도 2에 나타내는 소롤러 시험편의 중간품을 제작했다. 도 2는, 소롤러 시험편의 중간품의 일부 단면을 나타내는 측면도 및 횡단면도이다. 도 2 중의 수치는, 중간품의 각 부위의 치수(mm)를 나타낸다.
중간품에 대해 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하여, 침탄 질화 베어링 부품을 모의한 소롤러 시험편을 제작했다. 이 때, 소롤러 시험편의 표면 C 농도가 0.80%, 표면 N 농도가 0.30%, 표면 경도가 로크웰 C 경도 HRC로 60이 되도록, 침탄 질화 담금질 및 뜨임의 조건을 조정했다. 구체적으로는, 침탄 질화 담금질 처리는, 표 3에 나타내는 카본 포텐셜 CP, 분위기 중의 침탄 변성 가스에 대한 암모니아 농도, 가열 온도(본 실시예에서는 가열 온도=침탄 질화 처리 온도=담금질 온도) 및 유지 시간(=침탄 질화 처리 온도에서의 유지 시간+담금질 온도에서의 유지 시간)으로 실시하고, 냉각 방법은 유냉으로 했다. 뜨임 처리는, 표 2에 나타내는 뜨임 온도 및 유지 시간으로 실시해, 유지 시간 경과 후에는 공랭했다. 침탄 질화 담금질 및 뜨임 후의 중간품에 대해, 마무리 가공(절삭 가공)을 실시하여, 도 3에 나타내는 형상의 소롤러 시험편으로 했다.
Figure pat00003
내마모성 평가 시험으로서, 소롤러 시험편을 이용하여 롤러 피칭 시험(2원 통 구름 피로 시험)을 실시했다. 롤러 피칭 시험에 있어서, 소롤러 시험편과 함께, 직경 150mm인 원판형상의 대롤러 시험편을 준비했다. 대롤러 시험편의 소재는, JIS G 4805(2008)에 규정된 고탄소 크롬 베어링 강재 SUJ2에 상당했다. 대롤러 시험편의 원주면을 소롤러 시험편의 직경 26.0mm인 부분(이하, 시험부라고 한다)의 표면에 접촉시켜, 롤러 피칭 시험을 실시했다.
롤러 피칭 시험의 조건은 다음과 같았다. 윤활 환경하에서의 소롤러 시험편과 대롤러 시험편의 면압을 3.0GPa로 했다. 소롤러 시험편의 회전수를 1500rpm으로 하고, 미끄러짐률을 40%로 했다. 반복수 2×107회까지 시험을 실시했다.
시험 후, 소롤러 시험편의 시험부의 슬라이딩 부분의 축방향의 거칠기를 측정했다. 구체적으로는, 슬라이딩부에 있어서, 원주방향에 대해 90° 피치로 4개소의 거칠기 프로파일을 측정했다. 상기 4개소에서의 거칠기 프로파일의 최대 깊이를 마모 깊이로 정의하고, 이들 4개소의 마모 깊이의 평균을, 평균 마모 깊이(μm)로 정의했다. 평균 마모 깊이가 10μm 이하이면, 내마모성이 뛰어나다고 판단했다(표 2에 있어서 「○」표시로 표기). 한편, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과한 경우, 내마모성이 낮다고 판단했다(표 2에 있어서 「×」표시로 표기).
[표면 경도]
시험 후의 소롤러 시험편의 시험부의 표면 중, 슬라이딩 부분 이외의 영역(이하, 미슬라이딩 부분이라고 한다)에 있어서, 원주방향에 대해 90° 피치로 4개소의 측정 위치를 특정했다. 특정된 4개소의 측정 위치에 있어서, JIS Z2245(2011)에 준거하여, C 스케일을 이용한 로크웰 경도 시험을 실시했다. 각 측정 개소의 로크웰 C 경도 HRC의 평균을, 표면에서의 로크웰 C 경도 HRC로 정의했다.
[표면 C 농도 및 표면 N 농도]
소롤러 시험편의 시험부의 미슬라이딩 부분을 축방향에 대해 수직으로 절단했다. 미슬라이딩부를 포함하는 절단면을 포함하는 시험편을 채취하고, 절단면에 대해 매입(埋入) 연마 마무리를 행했다. 그 후, 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 이용하여, 미슬라이딩 부분의 표면으로부터 10μm 깊이까지, 0.1μm 피치로 C 농도 및 N 농도를 측정했다. 측정된 값의 평균치를, 표면 C 농도(질량%) 및 표면 N 농도(질량%)로 정의했다.
[표면 기점 박리 수명 평가 시험]
표면 기점 박리 수명 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 60mm인 봉강으로부터, 직경 60mm, 두께 5.5mm의 원판형상의 조(粗)시험편을 슬라이스하여 채취했다. 조시험편의 두께(5.5mm)는, 봉강의 길이 방향에 상당했다.
결점 시험편에 대해, 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하여, 침탄 질화 베어링 부품을 모의한 시험편을 제조했다. 이때, 각 시험편의 표면 C 농도가 0.80%, 표면 N 농도가 0.30%, 및, 표면 로크웰 C 경도 HRC가 60이 되도록, 상기 표 3에 나타내는 조건으로 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시했다. 얻어진 시험편의 표면을 랩핑 가공하여, 전동 피로 시험편으로 했다.
스러스트형의 전동 피로 시험기를 이용하여, 전동 피로 시험을 실시했다. 시험시에 있어서의 최대 접촉면압을 5.2GPa로 하고, 반복 속도를 1800cpm(cycle per minute)으로 했다. 시험시에 사용한 윤활유에는, 이물로서, 빅커스 경도로 750(Hv), 100~180μm의 입도로 분급한 고속도 강 가스 아토마이즈 분말을 혼입했다. 가스 아토마이즈 분말의 혼입량은 윤활유에 대해 0.02%로 했다. 시험시에 사용하는 강구로서, JIS G 4805(2008)에 규정된 SUJ2의 조질재를 이용했다.
전동 피로 시험 결과를 와이블 확률지 상에 플롯하고, 10% 파손 확률을 나타내는 L10 수명을 「표면 기점 박리 수명」으로 정의했다. 이물 혼입과 같은 가혹한 사용 환경하(본 시험)에 있어서, L10 수명이 7.0×105 이상이면, 표면 기점 박리 수명이 뛰어나다고 판단했다(표 2 중에서 「○」표시로 표기). 한편, L10 수명이 7.0×105 미만이면, 표면 기점 박리 수명이 짧다고 판단했다(표 2 중에서 「×」표시로 표기).
[시험 결과]
표 2에 시험 결과를 나타낸다. 표 2를 참조하여, 시험 번호 1~7의 베어링용 강재의 화학 조성은 적절하며, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시켰다. 그 때문에, 이들 시험 번호의 강재의 담금질성은 높고, 담금질 및 뜨임 후의 인성도 높았다.
또한, 시험 번호 1~7의 베어링용 강재를 침탄 질화 담금질 및 뜨임하여 제조된 침탄 질화 베어링 부품의 화학 조성은 적절하며, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키고, 또한, 모두 표면 C 농도가 0.7~1.2%이며, 표면 N 농도가 0.15~0.6%이며, 표면 경도 HRC가 58~65 내였다. 그 때문에, 뛰어난 내마모성 및 뛰어난 표면 기점 박리 수명을 나타냈다.
한편, 시험 번호 8의 P 함유량은 너무 높았다. 그 때문에, 담금질 및 뜨임 후의 인성이 낮았다.
시험 번호 9의 S 함유량은 너무 높았다. 그 때문에, L10 수명이 7.0×105 미만이며, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 낮았다. 조대한 황화물이 생성되었기 때문이라고 생각된다.
시험 번호 10의 fn1은 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과해, 침탄 베어링 부품의 내마모성이 낮았다.
시험 번호 11에서는, V이 함유되지 않았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과해, 침탄 베어링 부품의 내마모성이 낮았다.
시험 번호 12에서는, Mo 함유량은 너무 낮고 V 함유량이 너무 높은 결과, fn1이 너무 높았다. 그 결과, 인성 및 표면 기점 박리 수명이 낮았다.
시험 번호 13에서는, V 함유량이 너무 높은 결과, fn1이 너무 높았다. 그 결과, 인성 및 표면 기점 박리 수명이 낮았다.
시험 번호 14에서는, fn2가 너무 낮았다. 그 결과, 경도 J11이 32 미만이 되어, 담금질성이 낮았다.
시험 번호 15에서는, Cr 함유량이 너무 낮아서 Mo 함유량이 너무 낮았다. 그 결과, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과해, 침탄 베어링 부품의 내마모성이 낮았다.
시험 번호 16에서는, fn1이 너무 높았다. 그 결과, Index가 950 미만이 되어 인성이 낮았다. 또한, L10 수명이 7.0×105 미만이며, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 낮았다.
시험 번호 17에서는, fn2가 너무 낮았다. 그 결과, 경도 J11이 32 미만이 되어 담금질성이 낮았다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태로 한정되지 않고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (2)

  1. 질량%로,
    C:0.22~0.45%,
    Si:0.50% 이하,
    Mn:0.40~1.50%,
    P:0.015% 이하,
    S:0.005% 이하,
    Cr:0.30~2.0%,
    Mo:0.10~0.35%,
    V:0.20~0.40%,
    Al:0.005~0.10%,
    N:0.030% 이하,
    O:0.0015% 이하,
    B:0.0003~0.0050%,
    Nb:0~0.10%, 및,
    Ti:0~0.10%를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1) 및 식 (2)를 만족시키는 화학 조성을 갖는, 침탄 질화 베어링용 강.
    1.20<0.4Cr+0.4Mo+4.5V<2.60…(1)
    2.7C+0.4Si+Mn+0.8Cr+Mo+V>2.20…(2)
    여기서, 식 (1) 및 식 (2) 중의 각 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Nb:0.005~0.10%, 및,
    Ti:0.005~0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유하는, 침탄 질화 베어링용 강.
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