KR20200044861A - 침탄 베어링 부품용 강재 - Google Patents

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다카히사 스즈키
유타카 네이시
다이스케 히라카미
고헤이 가네타니
다카시 사다
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

인성, 표면 기점 박리 수명 및 내마모성이 우수한 침탄 베어링 부품용 강재를 제공한다. 본 발명에 의한 침탄 베어링 부품용 강재는, 질량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.15~0.45%, Mn: 0.40~1.50%, P: 0.015% 이하, S: 0.005% 이하, Cr: 0.60~2.00%, Mo: 0.10~0.35%, V: 0.20~0.40%, Al: 0.005~0.100%, Ca: 0.0002~0.0010%, N: 0.0300% 이하, 및 O: 0.0015% 이하를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지고, 식 (1)~(3)을 만족한다.
1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
A1/A2＞0.50 (2)
2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
식 (2)는, 원 상당 직경 1μm 이상인 황화물 중, 1mol% 이상의 Ca를 함유하는 황화물의 면적률을 나타낸다.

Description

침탄 베어링 부품용 강재
본 발명은, 침탄 베어링 부품용 강재에 관한 것이며, 더 상세하게는, 광산 기계 용도나 건설 기계 용도의 중형 또는 대형의 베어링 부품으로서 적용 가능한 침탄 베어링 부품용 강재에 관한 것이다.
광산 기계 용도 또는 건설 기계 용도에 이용되는 중형 또는 대형의 베어링 부품용의 강재로서, 베어링강 및 표면 경화강이 이용되고 있다. 베어링강은, JIS G 4805(2008)에 규정된 SUJ3 및 SUJ5로 대표된다. 표면 경화강은, JIS G 4053(2008)에 규정된 SNCM815로 대표된다. 이들 강재는, 다음의 방법에 의해 베어링 부품으로 제조된다. 강재에 대해 소정의 공정(열간 단조, 절삭 가공 등)을 실시하여, 원하는 형상의 중간품을 제조한다. 중간품에 대해, 담금질 뜨임, 또는, 침탄 담금질 뜨임 등의 열처리를 실시하여, 강재의 경도 및 마이크로 조직을 조정한다. 이상의 공정에 의해, 원하는 베어링 성능(마모, 표면 기점 박리 수명, 전동 피로 특성 등)을 갖는 베어링 부품을 제조한다.
베어링 성능으로서, 특히 마모나 표면 기점 박리 수명의 향상이 요구되는 경우, 상술한 열처리로서, 침탄 처리가 실시되는 경우가 있다. 본 명세서에 있어서, 침탄 처리란, 침탄 담금질 및 뜨임, 또는, 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하는 처리를 의미한다. 침탄 처리에서는, 강재의 표층의 탄소 농도, 또는, 탄소 농도 및 질소 농도를 높임으로써, 강재의 표층을 경화시킨다.
본 명세서에서는, 침탄 처리가 실시된 베어링 부품을 침탄 베어링 부품이라고도 한다. 침탄 베어링 부품의 베어링 성능을 더 높이는 기술이 일본국 특허공개 평 8-49057호 공보(특허문헌 1), 일본국 특허공개 2008-280583호 공보(특허문헌 2), 일본국 특허공개 평 11-12684호 공보(특허문헌 3), 일본국 특허공개 2013-147689호 공보(특허문헌 4)에 제안되어 있다.
특허문헌 1에 개시된 구름 베어링은, 궤도륜 및 전동체 중 적어도 하나가, C: 0.1~0.7중량%, Cr: 0.5~3.0중량%, Mn: 0.3~1.2중량%, Si: 0.3~1.5중량%, Mo: 3중량% 이하의 중저탄소 저합금강에 V: 0.8~2.0중량%를 함유시킨 강을 소재로 한다. 그 소재를 이용하여 형성한 제품의 열처리 시에 침탄 또는 침탄 질화 처리를 실시하고, 제품 표면의 탄소 농도를 0.8~1.5중량%이며 또한 표면의 V/C 농도비가 1~2.5의 관계를 만족하도록 한다. 이 구름 베어링은, 표면에 V탄화물을 석출하여 내마모성을 높일 수 있다고 특허문헌 1에는 기재되어 있다.
특허문헌 2에 개시된 표면 경화강은, 질량%로 C: 0.1~0.4%, Si: 0.5% 이하, Mn: 1.5% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Cr: 0.3~2.5%, Mo: 0.1~2.0%, V: 0.1~2.0%, Al: 0.050% 이하, O: 0.0015% 이하, N: 0.025% 이하, V+Mo: 0.4~3.0%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 조성을 갖는다. 이 표면 경화강에서는, 뜨임 처리 후의 표층 C 농도가 0.6~1.2%이고, 표면 경도가 HRC 58 이상 64 미만이며, 표층에 분산 석출하는 V계 탄화물 중 입경 100nm 미만의 미세한 V계 탄화물의 개수 비율이 80% 이상이다. 이 표면 경화강에서는, V계 탄화물을 미세 분산시켜 수소의 트랩사이트로 함으로써, 내수소 취성을 높일 수 있어, 면피로 수명을 높일 수 있다고 특허문헌 2에는 기재되어 있다.
특허문헌 3에 개시된 냉간 단조용 표면 경화강은, 페라이트+펄라이트의 면적률이 75% 이상이며, 페라이트의 평균 입경이 40μm 이하이며, 펄라이트의 평균 입경이 30μm 이하이다. 상술한 마이크로 조직을 가짐으로써, 이 냉간 단조용 표면 경화강은, 내마모성을 높일 수 있다고 특허문헌 3에는 기재되어 있다.
특허문헌 4에 개시된 침탄 베어링강 강재는, 질량%로, C: 0.05~0.30%, Si: 0.05~1.0%, Mn: 0.10~2.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.008% 이하, Al: 0.010~0.050%, Cr: 0.4~2.0%, N: 0.010~0.025% 및 O: 0.0015% 이하를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 갖는다. 이 침탄 베어링강 강재에서는, 강재의 길이 방향 종단면 100mm2 중의 최대 산화물 직경인 √AREAmax와, 최대 황화물 직경인 √AREAmax의 측정을 각각 30개소에 있어서 행하고, 극값 통계 처리를 이용하여 산출되는 30000mm2 중에 있어서의 산화물의 예측 최대 직경인 예측 √AREAmax가 50μm 이하이며, 황화물의 예측 최대 직경인 예측 √AREAmax가 60μm 이하이다. 또한, 30개소의 최대 산화물 및 최대 황화물의 평균 애스펙트비가 각각, 5.0 이하이다. 또한, 30개소의 최대 산화물의 평균 조성에 있어서의 질량%로의 함유량이, CaO: 2.0~20%, MgO: 0~20% 및 SiO2: 0~10%이고, 또한 잔부가 Al2O3이며, CaO와 Al2O3의 2원계 산화물, CaO, MgO와 Al2O3의 3원계 산화물, CaO, SiO2와 Al2O3의 3원계 산화물 및 CaO, MgO, SiO2와 Al2O3의 4원계 산화물 중 어느 하나로 이루어진다. 또한, 30개소의 최대 황화물의 평균 조성에 있어서의 질량%로의 함유량이, CaS: 100%의 CaS의 1원계 황화물, 또는, CaS: 1.0% 이상, MgS: 0~20%이고, 또한 잔부가 MnS이며, CaS와 MnS의 2원계 황화물, 또는 CaS, MgS와 MnS의 3원계 황화물로 이루어진다. 개재물인 산화물 및 개재물인 황화물의 사이즈를 억제하고, 또한, 최대 산화물 및 최대 황화물의 애스펙트비를 억제함으로써, 전동 피로 특성을 높일 수 있다고 특허문헌 4에는 기재되어 있다.
일본국 특허공개 평 8-49057호 공보 일본국 특허공개 2008-280583호 공보 일본국 특허공개 평 11-12684호 공보 일본국 특허공개 2013-147689호 공보
그런데, 최근, 충격 환경하, 빈윤활 환경하, 또는 고면압 조건하에서의 베어링 부품의 장수명화의 요구가 더 높아지고 있으며, 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명의 추가적인 향상이 요구되고 있다. 광산 기계 용도나 건설 기계 용도에 적용되는 중형 및 대형의 베어링 부품에서는 특히, 토사 또는 암석을 포함하는 환경에서 사용된다. 그 때문에, 베어링 부품의 사용 중에 있어서, 토사 또는 암석의 일부 등이 이물로서 베어링 내에 침입하는 경우가 있다. 이러한 이물이 혼입한 상태에 있어서도, 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명의 향상이 요구된다.
인성 및 표면 기점 박리 수명을 높이기 위해서, 종래, 상술한 SNCM으로 대표되는 표면 경화강에 대해, 침탄 처리, 또는 침탄 질화 처리를 실시하여 잔류 오스테나이트를 증가시킨다. 그러나, 잔류 오스테나이트는 연질이기 때문에, 잔류 오스테나이트가 증가하면, 내마모성이 저하된다.
또, 특허문헌 1에 개시된 베어링 부품에서는, V 함유량이 많다. 그 때문에, 조대한 V탄화물이나 V탄질화물이 생성되어, 인성이 낮은 경우가 있다. 특허문헌 2에 개시된 표면 경화강에서는, S 함유량, P 함유량에 따라, 인성이 낮은 경우가 있다. 특허문헌 3에서 제안된 기술은, 인성이나, 담금질성에 문제가 발생하는 경우가 있다. 특허문헌 4에 제안된 기술에서는, 사용 중에 이물이 혼입한 경우에 있어서의 피로 특성에 대해 검토되어 있지 않다.
본 개시의 목적은, 담금질성이 우수하고, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품이 인성 및 내마모성이 우수하며, 또한, 사용 중의 침탄 베어링 내에 이물이 혼입한 경우여도 표면 기점 박리 수명이 우수한, 침탄 베어링 부품용 강재를 제공하는 것이다.
본 개시에 의한 침탄 베어링 부품용 강재는,
질량%로,
C: 0.25~0.45%,
Si: 0.15~0.45%,
Mn: 0.40~1.50%,
P: 0.015% 이하,
S: 0.005% 이하,
Cr: 0.60~2.00%,
Mo: 0.10~0.35%,
V: 0.20~0.40%,
Al: 0.005~0.100%,
Ca: 0.0002~0.0010%,
N: 0.0300% 이하,
O: 0.0015% 이하,
Ni: 0~1.00%,
B: 0~0.0050%,
Nb: 0~0.100%, 및,
Ti: 0~0.10%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며, 식 (1)~식 (3)을 만족한다.
1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
A1/A2＞0.50 (2)
2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
여기서, 식 (1) 및 식 (3) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 함유되어 있지 않은 경우, 그 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (2) 중의 A1은, 압연 방향과 평행한 단면 상의 4mm2 이상의 총 면적의 관찰 영역에 있어서의, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. A2는, 관찰 영역에 있어서의, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다.
본 개시의 침탄 베어링 부품용 강재는, 담금질성이 우수하고, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품이 인성 및 내마모성이 우수하며, 또한, 사용 중의 침탄 베어링 내에 이물이 혼입한 경우에도 표면 기점 박리 수명이 우수하다.
도 1은, 침탄 베어링 부품용 강재로부터의 샘플 채취 위치에 대하여 설명하는 모식도이다.
도 2는, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 임의 영역의 SEM상의 명도를 복수 계조로 나타낸 경우의, 영역의 명도와 대응하는 명도를 갖는 영역의 면적 비율의 관계의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 3은, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 임의 영역의 SEM상의 일례를 나타내는 모식도이다.
도 4는, 조질 열처리 조건의 일례를 설명하는 히트 패턴을 나타내는 도면이다.
도 5는, 내마모성 평가 시험에 이용한 소롤러 시험편의 중간품의 측면도이다.
도 6은, 내마모성 평가 시험에 이용한 소롤러 시험편의 측면도이다.
도 7은, 내마모성 평가 시험에 이용한 대롤러의 정면도이다.
본 발명자들은 침탄 베어링 부품용 강재의 담금질성과, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품의 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명에 대해 조사 및 검토했다. 그 결과, 본 발명자들은 다음의 지견을 얻었다.
(A) 침탄 베어링 부품용 강재에 침탄 처리를 실시하여 제조되는 침탄 베어링 부품의 내마모성을 향상시키기 위해서는, 침탄 베어링 부품의 표층에 탄화물 및/또는 탄질화물 등의 미세한 석출물을 분산하는 것이 유효하다. 본 명세서에 있어서, 탄화물 및 탄질화물의 총칭을, 「탄화물 등」이라고도 칭한다. 침탄 베어링 부품의 내마모성에는, 침탄 베어링 부품의 표면 경도 및 잔류 오스테나이트량이 영향을 미친다. 따라서, 침탄 베어링 부품의 내마모성의 향상에는, 침탄 베어링 부품의 표층에 미세한 V 함유 탄화물 등(V를 함유하는 탄화물 등)을 분산시키고, 또한, 표면 경도 및 잔류 오스테나이트량에 영향을 주는 V 함유량, Cr 함유량 및 Mo 함유량을 조정하는 것이 유효하다.
V는 탄화물 및/또는 탄질화물(즉, 탄화물 등)을 생성한다. 이하, V를 함유 하는 탄화물 등을 「V탄화물 등」이라고도 한다. V 함유량을 높이면, V탄화물 등의 생성에 의해, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품의 내마모성이 높아진다. 그러나, V 함유량이 너무 높으면, 열간 가공성이 저하되어, 열간 가공 시(열간 압연 시 또는 열간 단조 시)에 균열이 생긴다. 또한, 강재에 미고용의 조대한 V탄화물 등이 잔존하면, 침탄 베어링 부품의 심부의 인성이 저하된다. 또한, 조대한 V탄화물 등은 응력 집중원이 된다. 그 때문에, 침탄 베어링 부품이 사용되는 환경하에서, 조대한 V탄화물 등은 피로 기점이 되기 쉽고, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하되기 쉬워진다.
이에 본 발명자들은, 조대한 V탄화물 등의 생성을 억제하는 방법을 검토했다. 그 결과, V 함유량을 억제하면서, V 함유량과 Cr 함유량 및 Mo 함유량의 밸런스를 조정하면, 조대한 V탄화물 등의 생성을 억제할 수 있는 것을 발견했다.
V탄화물 등의 석출물을 미세 분산시키려면, 석출핵 생성 사이트를 증가시키는 것이 유효하다. Cr, Mo 및 V를 복합하여 함유하면, 석출핵 생성 사이트가 증가한다. 그 결과, 다수의 V탄화물 등이 생성된다. 그러나, 이들 V탄화물 등이 열간 압연 공정의 가열 공정에서 충분히 고용되지 않고 강 중에 잔존하면, 침탄 베어링 부품에 조대한 V탄화물 등이 존재하는 경우가 있다. 이 경우, 조대한 V탄화물 등이 피로 기점이 되어, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 그 때문에, 적어도 열간 압연 공정에 있어서, V탄화물 등이 충분히 고용되는 편이 바람직하다. 그러나, V 함유량, Cr 함유량 및 Mo 함유량이 너무 높으면, 열간 압연 공정에 있어서, 미고용의 V탄화물 등이 잔존한다. 그 결과, 조대한 V탄화물 등이 침탄 베어링 부품용 강재 중에 잔존해버린다. 따라서, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품의 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명을 고려하여, V 함유량, Cr 함유량 및 Mo 함유량을 조정할 필요가 있다.
이상의 지견을 고려하여, 본 발명자들은, 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성이 다음의 식 (1)을 만족하면, V탄화물 등의 적절한 생성을 실현할 수 있어, 침탄 베어링 부품의 인성, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 높아지는 것을 발견했다.
1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
Fn1=0.4Cr+0.4Mo+4.5V로 정의한다. Fn1은 석출핵 생성 사이트의 지표이다. Fn1이 1.20 이하이면, 석출핵 생성 사이트가 불충분해지고, 침탄 처리 후에 있어서, 미세한 V탄화물 등의 생성이 불충분해진다. 이 경우, 침탄 베어링 부품의 내마모성을 충분히 향상시킬 수 없다. 한편, Fn1이 2.75 이상이면, 침탄 베어링 부품용 강재에 있어서, 미고용의 V탄화물이 잔존한다. 이 경우, 침탄 베어링 부품의 인성이 저하된다. 이 경우, 또한, 침탄 베어링 부품에 있어서, 조대한 V탄화물 등이 형성되는 경우가 있다. 그 결과, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. Fn1이 1.20보다 높고, 2.75 미만이면, 후술하는 조건을 만족하는 것을 조건으로, 우수한 인성, 우수한 내마모성 및 우수한 표면 기점 박리 수명을 얻을 수 있다.
(B) 침탄 베어링 부품의 심부에는 또한, 높은 강도가 요구된다. 그 때문에, 침탄 베어링 부품용 강재에는, 충분한 담금질성이 요구된다. 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성이 다음의 식 (3)을 만족하면, 침탄 베어링 부품이 광산 기계 용도나 건설 기계 용도에 적용 가능한 중형 부품 및 대형 부품이어도, 충분한 담금질성을 확보할 수 있어, 고강도가 얻어진다. 여기서, 중형의 베어링 부품이란 예를 들면, 외경이 100~300mm인 베어링 부품이며, 대형의 베어링 부품이란 예를 들면, 외경이 300mm 이상인 베어링 부품이다.
2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
여기서, 식 (3) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 함유되어 있지 않은 경우, 그 원소 기호에는 「0」이 대입된다.
(C) 침탄 베어링 부품이 중형 또는 대형인 경우, 침탄 베어링 부품은, 높은 강도를 얻기 위한 우수한 담금질성과 더불어, 우수한 인성이 요구된다. 침탄 베어링 부품의 조직은, 뜨임 마르텐사이트 조직을 주로 하는 조직이다. 이러한 조직의 인성에 대해서는, 주로 뜨임 마르텐사이트 조직의 강도 및 하부 조직에 영향을 미치는 C 함유량, 입계 취화를 초래하는 P 함유량, 및, 강재 중에 내재되는 황화물의 양이 영향을 미친다.
따라서, 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재에서는, 대형의 베어링 부품으로서 요구되는 강도를 얻기 위해, C 함유량을 0.25% 이상으로 한다. 또한, 인성을 확보하기 위해서 P 함유량을 0.015% 이하, S 함유량을 0.010% 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, 황화물은 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명에도 큰 영향을 준다. 그 때문에, 표면 기점 박리 수명도 고려하여, S 함유량을 0.005% 이하로 제한한다.
(D) 상술한 바와 같이, 광산 기계 용도 또는 건설 기계 용도의 베어링 부품은 대형이다. 또한, 광산 기계 및 건설 기계는, 토사나 암석 등이 광산 기계 및 건설 기계에 접촉 또는 충돌하는 가혹한 환경에서 사용된다. 따라서, 토사나 암석 등의 광산 기계 또는 건설 기계로의 충돌에 의해, 광산 기계 용도 또는 건설 기계 용도의 베어링 부품에도, 충돌 등의 외력이 가해진다. 또한, 광산 기계 용도 또는 건설 기계 용도의 베어링에서는, 토사나 암석의 일부가 이물로서 베어링 내에 혼입하기 쉽다. 따라서, 광산 기계 또는 건설 기계 용도의 침탄 베어링 부품에는, 고강도 및 고인성이 요구될 뿐만 아니라, 이물이 혼입한 상태에서도 우수한 표면 기점 박리 수명이 요구된다.
종전에는, 이물의 혼입을 상정하고 있지 않은 표면 기점 박리 수명의 검토는 이루어지고 있지만, 이물이 혼입한 상태에서의 표면 기점 박리 수명에 대해서는 검토되어 있지 않다. 이에, 본 발명자들은, 베어링 내에 이물이 혼입하는 가혹한 사용 환경하에 있어서의 표면 기점 박리 수명에 대해 검토를 행했다.
종전에는, 이물의 혼입을 고려하고 있지 않았기 때문에, 표면 기점 박리 수명에 대해서는, 조대한 개재물인 조대 황화물 및 조대 산화물이 영향을 미친다고 생각되어 왔다. 그 때문에, 예를 들면, 특허문헌 4에 있어서도, 극값 통계에서의 예측 최대 직경의 산화물 및 황화물에 주목하고 있다.
그러나, 본 발명자들의 검토에 의해, 이물이 혼입된 사용 조건하에서는, 베어링 부품의 국소에 응력이 집중하기 때문에, 원 상당 직경이 50μm 이상인 조대 개재물에 단순히 주목하는 것만으로는 표면 기점 박리 수명이 충분히 개선되지 않음을 알 수 있었다. 추가적인 검토의 결과, 이물 혼입하에서의 표면 기점 박리 수명에는, 조대 개재물뿐만 아니라, 강 중에 분산되는 모든 황화물(조대 및 미세를 불문한다)이 균열의 기점이 되는 것이 판명되었다. 그리고, 본 발명자들의 추가적인 검토의 결과, 이물 혼입하에서의 표면 기점 박리 수명에 있어서는, 원 상당 직경이 50μm 이상인 조대 황화물뿐만 아니라, 원 상당 직경이 50μm 미만인 미세 황화물도 포함한 모든 황화물에 있어서, 구상화한 황화물의 비율을 높이는 것이 유효함을 알 수 있었다.
상술한 지견에 의거하여, 본 발명자들은, 강재 중의 미세 황화물(원 상당 직경이 50μm 미만인 황화물), 및, 조대 황화물(원 상당 직경이 50μm 이상인 황화물)을 포함하는, 모든 사이즈의 황화물의 구상화에 대해 검토를 행했다. 황화물은 통상, 고온에서 변형되기 쉽다. 그 때문에, 황화물은 열간 압연 시에 용이하게 변형되어, 연신한다. 베어링 부품의 이물 혼입하에서의 사용 환경에 있어서, 연신한 황화물은, 사이즈를 불문하고, 피로 기점이 되어, 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, 표면 기점 박리 수명을 높이려면, 고온에 있어서의 황화물의 변형 저항을 높이는 것이 유효하다. 이 경우, 열간 압연 시에 황화물이 연신되기 어려워, 구상을 유지하기 쉽다. 그 때문에, 이물 혼입하에서의 사용 환경에 있어서, 황화물이 피로 기점이 되기 어렵다. 황화물에 Ca가 고용되면, 고온에서의 황화물의 변형 저항이 높아진다. 그 때문에, Ca가 고용된 황화물은, 열간 압연 후에도 구상을 유지하기 쉬워, 애스펙트비(황화물의 장경/단경)가 작다.
조대 황화물의 경우, 그 대부분이, 복수의 미세 황화물이 응집한 복합 황화물이다. 따라서, Ca를 함유하는 황화물과 Ca를 함유하지 않은 황화물이 응집하여 복합 황화물이 형성되면, Ca 함유에 의한 구상화가 진행되기 쉽다. 즉, 복수의 황화물이 응집하여 형성되는 조대 황화물에 대해서는, Ca 함유에 의한 구상화는 비교적 용이하게 진행되기 쉽다.
한편, 사이즈가 작은 미세 황화물은, 응집하지 않고 개개로 존재하는 황화물(복합이 아닌 황화물)이 다수를 차지한다. 즉, 종전의 침탄 베어링 부품용 강재 중의 미세한 황화물은, MnS 단체의 Ca 비함유 미세 황화물(Ca를 함유하고 있지 않은 미세한 황화물)과, CaS 단체의 Ca 함유 미세 황화물(Ca를 함유하고 있는 미세한 황화물)이 각각 독립적으로 다수 존재한다. 이 경우, CaS로 이루어지는 Ca 함유 미세 황화물은 열간 가공(열간 압연, 열간 단조) 후에도 비교적 구상을 유지하지만, MnS로 이루어지는 Ca 비함유 미세 황화물은 열간 가공에 의해 연신해버려, 애스펙트비가 높아진다. 그 결과, 침탄 베어링 부품에 있어서, 이물 혼입하에서의 사용 환경에서의 표면 기점 박리 수명이 낮아진다.
이에, 본 발명자들은, 조대 황화물뿐만 아니라, 단체의 황화물로서 존재하기 쉬운 미세 황화물에 대해서도 Ca를 함유할 수 있으면, 강재 중의 모든 사이즈의 황화물에 있어서, 열간 가공 후에 있어서도 구상 상태를 유지하고 있는 황화물의 비율을 높일 수 있다고 생각했다. 그리고 이 경우, 침탄 베어링 부품을 이물 혼입하의 환경에서 사용해도, 표면 기점 박리 수명을 향상할 수 있다고 생각했다. 따라서, 강재 중의 미세 및 조대한 황화물에 있어서의, 구상화율의 향상에 대해 검토를 행했다.
검토의 결과, 강재 중의 미세 황화물 및 조대 황화물에 있어서, Ca 함유량이 1mol% 이상인 황화물의 열간 압연 후의 애스펙트비는, Ca 함유량이 1mol% 미만인 황화물의 열간 압연 후의 애스펙트비보다 작은 것이 판명되었다. 추가로 검토한 결과, 본 발명자들은, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 황화물이 다음의 식 (2)를 만족하면, 황화물의 열간 가공 시의 변형 저항이 높아지고, 그 결과, 이물 혼입하에 있어서의 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 높아지는 것을 발견했다.
A1/A2＞0.50 (2)
여기서 A1은, 압연 방향과 평행한 단면 상의 4mm2 이상의 총 면적의 관찰 영역에 있어서의, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. A2는, 상기 관찰 영역에 있어서의, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다.
Fn2=A1/A2로 정의한다. Fn2는, 열간 압연 후의 침탄 베어링 부품용 강재 중의 황화물 중, 구상 상태의 황화물의 비율을 나타내는 지표이다. Fn2가 0.50 이하이면, 열간 압연 시에 황화물이 연신하여, 열간 압연 후의 강재에 있어서, 황화물 전체에 대한, 구상 상태의 황화물의 비율이 작다. 이 경우, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품을 이물이 혼입하는 환경(이물 혼입하)에서 사용한 경우, 연신한 황화물이 피로 기점이 되어, 표면 기점 박리 수명이 저하되기 쉽다. 한편, Fn2가 0.50보다 큰 경우, 열간 압연 후의 강재에 있어서, 황화물 전체에 대한, 구상 상태의 황화물의 비율이 충분히 크다. 그 때문에, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품을 이물이 혼입하는 환경(이물 혼입하)에서 사용한 경우, 황화물이 피로 기점이 되기 어려워, 표면 기점 박리 수명이 향상한다.
이상의 지견에 의거하여 완성한, 본 실시형태에 의한 침탄 베어링 부품용 강재는 다음의 [1]~[3] 중 어느 하나의 구성을 갖는다.
[1]
질량%로,
C: 0.25~0.45%,
Si: 0.15~0.45%,
Mn: 0.40~1.50%,
P: 0.015% 이하,
S: 0.005% 이하,
Cr: 0.60~2.00%,
Mo: 0.10~0.35%,
V: 0.20~0.40%,
Al: 0.005~0.100%,
Ca: 0.0002~0.0010%,
N: 0.0300% 이하,
O: 0.0015% 이하,
Ni: 0~1.00%,
B: 0~0.0050%,
Nb: 0~0.100%, 및,
Ti: 0~0.10%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며, 식 (1)~식 (3)을 만족하는 침탄 베어링 부품용 강재.
1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
A1/A2＞0.50 (2)
2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
여기서, 식 (1) 및 식 (3) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 함유되어 있지 않은 경우, 그 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (2) 중의 A1은, 압연 방향과 평행한 단면 상의 4mm2 이상의 총 면적의 관찰 영역에 있어서의, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. A2는, 관찰 영역에 있어서의, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다.
[2]
상기 [1]에 기재된 침탄 베어링 부품용 강재로서,
화학 조성은,
Ni: 0.05~1.0%, 및,
B: 0.0003~0.0050%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 침탄 베어링 부품용 강재.
[3]
상기 [1] 또는 상기 [2]에 기재된 침탄 베어링 부품용 강재로서,
화학 조성은,
Nb: 0.005~0.100%, 및,
Ti: 0.010~0.100%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 침탄 베어링 부품용 강재.
이하, 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재에 대해 상세하게 설명한다. 원소에 관한 「%」는, 특별히 언급이 없는 한, 질량%를 의미한다.
[침탄 베어링 부품에 대해]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재는, 침탄 베어링 부품에 이용된다. 침탄 베어링 부품이란, 침탄 처리된 베어링 부품을 의미한다. 본 명세서에 있어서, 침탄 처리란, 침탄 담금질 및 뜨임, 또는, 침탄 질화 담금질 및 뜨임을 실시하는 처리를 의미한다.
베어링 부품이란, 베어링의 부품을 의미한다. 베어링 부품은 예를 들면, 궤도륜, 전동체 등이다. 궤도륜은 내륜이어도 되고 외륜이어도 되며, 궤도반이어도 된다. 궤도륜은, 궤도면을 갖는 부재이면, 특별히 한정되지 않는다. 전동체는 볼이어도 되고 롤러여도 된다. 롤러는 예를 들면, 원통 롤러, 침상 롤러, 원추 롤러, 구면 롤러 등이다.
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재는, 이들 베어링 부품에 적용된다. 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재는 예를 들면, 봉강, 또는, 선재이다.
[화학 조성]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성은, 다음의 원소를 함유 한다.
C: 0.25~0.45%
탄소(C)는, 강의 담금질성을 높여, 담금질 후의 강재의 심부의 강도 및 인성을 높인다. C는 또한, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품의 내마모성 및 표면 기점 박리 수명을 높인다. C 함유량이 0.25% 미만이면, 이들의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, C 함유량이 0.45%를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.25~0.45%이다. C 함유량의 바람직한 하한은 0.26%이며, 더 바람직하게는 0.28%이며, 더 바람직하게는 0.33%이다. C 함유량의 바람직한 상한은 0.44%이며, 보다 바람직하게는 0.43%이며, 더 바람직하게는 0.42%이다.
Si: 0.15~0.45%
실리콘(Si)은, 강을 탈산한다. Si는 또한, 강의 강도를 높여, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품의 내마모성을 높인다. Si는 또한, 강의 뜨임 연화 저항을 높여, 침탄 베어링 부품이 고온에서 사용될 때의 침탄 베어링 부품의 연화를 억제한다. Si 함유량이 0.15% 미만이면, 이들의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Si 함유량이 0.45%를 초과하면, 강이 너무 단단해져, 절삭 시의 공구 수명이 저하된다. 강이 너무 단단해지면 또한, 인성 및 열간 가공성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.15~0.45%이다. Si 함유량의 바람직한 하한은 0.18%이며, 더 바람직하게는 0.20%이며, 더 바람직하게는 0.25%이다. Si 함유량의 바람직한 상한은 0.43%이며, 더 바람직하게는 0.40%이며, 더 바람직하게는 0.35%이다.
Mn: 0.40~1.50%
망간(Mn)은, 강의 담금질성을 높여, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 높인다. Mn 함유량이 0.40% 미만이면, 이 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Mn 함유량이 1.50%를 초과하면, 강이 너무 단단해져, 절삭 시의 공구 수명이 저하된다. 강이 너무 단단해지면 또한, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.40~1.50%이다. Mn 함유량의 바람직한 하한은 0.45%이며, 더 바람직하게는 0.50%이며, 더 바람직하게는 0.58%이다. Mn 함유량의 바람직한 상한은 1.30%이며, 더 바람직하게는 1.20%이며, 더 바람직하게는 1.10%이며, 더 바람직하게는 1.10%이며, 더 바람직하게는 0.75%이다.
P: 0.015% 이하
인(P)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, P 함유량은 0% 초과이다. P는 결정립계에 편석(偏析)하여, 침탄 베어링 부품의 인성 및 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, P 함유량은 0.015% 이하이다. P 함유량의 바람직한 상한은 0.013%이며, 더 바람직하게는 0.012%이며, 더 바람직하게는 0.011%이다. P 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나, P 함유량을 극도로 저감하면, 제조 비용이 높아진다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려했을 경우, P 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.001%이다.
S: 0.005% 이하
황(S)은 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, S 함유량은 0% 초과이다. S는 황화물을 형성한다. 황화물은, 침탄 베어링 부품의 인성을 저하시킨다. 황화물은 또한, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, S 함유량은 0.005% 이하이다. S 함유량의 바람직한 상한은 0.004%이며, 보다 바람직하게는 0.003%이다. S 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나, S 함유량을 극도로 저감하면, 제조 비용이 높아진다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려했을 경우, S 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.001%이다.
Cr: 0.60~2.00%
크롬(Cr)은, 강의 담금질성을 높인다. Cr은 또한, 침탄 처리 시에 V 및 Mo와 더불어, 미세한 V탄화물 등의 생성을 촉진하여, 침탄 베어링 부품의 내마모성을 높인다. Cr 함유량이 0.60% 미만이면, 이들의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Cr 함유량이 2.00%를 초과하면, 조대한 V탄화물 등이 강 중에 생성된다. 이 경우, 침탄 베어링 부품의 인성 및 표면 기점 박리 수명이 저하된다. Cr 함유량이 2.00%를 초과하면 또한, 열간 가공 중에 있어서도 조대한 탄화물 등이 잔존하여, 강의 열간 가공성 및 절삭성을 저하한다. 따라서, Cr 함유량은 0.60~2.00%이다. Cr 함유량의 바람직한 하한은 0.70%이며, 더 바람직하게는 0.80%이며, 더 바람직하게는 0.85%이다. Cr 함유량의 바람직한 상한은 1.90%이며, 더 바람직하게는 1.80%이며, 더 바람직하게는 1.70%이다.
Mo: 0.10~0.35%
몰리브덴(Mo)은, 강의 담금질성을 높인다. Mo는 또한, 침탄 처리 시에 V 및 Cr과 미세한 석출물을 형성하여, 침탄 베어링 부품의 내마모성을 높인다. Mo 함유량이 0.10% 미만이면, 이들의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Mo 함유량이 0.35%를 초과하면, 강의 열간 가공성 및 절삭성이 저하된다. Mo 함유량이 0.35%를 초과하면 또한, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 또, 제조 비용도 높아진다. 따라서, Mo 함유량은 0.10~0.35%이다. Mo 함유량의 바람직한 하한은 0.12%이며, 더 바람직하게는 0.15%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다. Mo 함유량의 바람직한 상한은 0.33%이며, 보다 바람직하게는 0.30%이며, 더 바람직하게는 0.28%이다.
V: 0.20~0.40%
바나듐(V)은, 강의 담금질성을 높인다. V는 또한, 침탄 처리 시에 Cr 및 Mo와 결합하여 미세한 석출물인 V탄화물 등을 형성하여, 침탄 베어링 부품의 내마모성을 높인다. V 함유량이 0.20% 미만이면, 이들의 효과는 얻어지지 않는다. 한편, V의 함유량이 0.40%를 초과하면, 미고용의 조대한 V탄화물 등이 강 중에 잔존한다. 그 결과, 침탄 베어링 부품의 인성 및 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 조대한 탄화물 등이 잔존한 경우 또한, 강의 열간 가공성 및 절삭성이 저하된다. 따라서, V 함유량은 0.20~0.40%이다. V 함유량의 바람직한 하한은 0.22%이며, 더 바람직하게는 0.24%이며, 더 바람직하게는 0.25%이다. V 함유량의 바람직한 상한은 0.38%이며, 더 바람직하게는 0.37%이며, 더 바람직하게는 0.35%이다.
Al: 0.005~0.100%
알루미늄(Al)은 강을 탈산한다. Al 함유량이 0.005% 미만이면, 이 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Al 함유량이 0.100%를 초과하면, 조대한 산화물이 생성되어, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, Al 함유량은 0.005~0.100%이다. Al 함유량의 바람직한 하한은 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.015%이며, 더 바람직하게는 0.020%이다. Al 함유량의 바람직한 상한은 0.060%이며, 더 바람직하게는 0.050%이며, 더 바람직하게는 0.045%이다.
Ca: 0.0002~0.0010%
칼슘(Ca)은, 황화물 중에 고용되어, 황화물을 구상화한다. Ca는 또한, 고온에 있어서의 황화물의 변형 저항을 높여, 열간 압연 시에 있어서의 황화물의 연신을 억제하여 구상을 유지한다. 그 결과, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 높아진다. Ca 함유량이 0.0002% 미만이면, 이 효과는 얻어지지 않는다. 한편, Ca 함유량이 0.0010%를 초과하면, 조대한 산화물이 생성되어, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명이 저하된다. 따라서, Ca 함유량은 0.0002~0.0010%이다. Ca 함유량의 바람직한 하한은 0.0003%이며, 더 바람직하게는 0.0004%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이다. Ca 함유량의 바람직한 상한은 0.0009%이며, 보다 바람직하게는 0.0008%이며, 더 바람직하게는 0.0007%이다.
N: 0.0300% 이하
질소(N)는 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, N 함유량은 0% 초과이다. N은 강 중에 고용되어, 강의 열간 가공성을 저하시킨다. 따라서, N 함유량은 0.0300% 이하이다. N 함유량의 바람직한 상한은 0.0200%이며, 더 바람직하게는 0.0150%이며, 더 바람직하게는 0.0100%이다. N 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나, N 함유량의 과잉한 저감은, 제조 비용을 높인다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려하면, N 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이다.
O: 0.0015% 이하
산소(O)는 불가피하게 함유되는 불순물이다. 즉, O 함유량은 0% 초과이다. O는 산화물을 형성하여, 강의 강도를 저하시킨다. 산화물은 또한, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다. 따라서, O 함유량은 0.0015% 이하이다. O의 함유량의 바람직한 상한은 0.0013% 이하이며, 더 바람직하게는 0.0011%이다. O 함유량은 가능한 한 낮은 편이 바람직하다. 그러나, O 함유량의 과잉한 저감은, 제조 비용을 높인다. 따라서, 통상의 공업 생산을 고려하면, O 함유량의 바람직한 하한은 0.0001%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이다.
본 발명에 의한 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성의 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다. 여기서, 불순물이란, 상기 침탄 베어링 부품용 강재를 공업적으로 제조할 때에, 원료로서의 광석, 스크랩, 또는 제조 환경 등으로부터 혼입되는 것이며, 본 개시의 침탄 베어링 부품용 강재에 악영향을 주지 않는 범위에서 허용되는 것을 의미한다.
[임의 원소에 대해]
상술한 침탄 베어링 부품용 강재는 또한, Fe의 일부 대신에, Ni 및 B로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두 임의 원소이며, 어느 원소나 강의 담금질성을 높인다.
Ni: 0~1.00%
니켈(Ni)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ni 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ni는 강의 담금질성을 높인다. Ni는 또한, 담금질 후의 강의 인성을 높인다. Ni가 조금이라도 함유되면, 이들의 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ni 함유량이 1.00%를 초과하면, 그 효과가 포화하여, 강재 비용도 높아진다. 따라서, Ni 함유량은 0~1.00%이다. 상기 효과를 유효하게 얻기 위한 Ni 함유량의 바람직한 하한은 0.05%이며, 더 바람직하게는, 0.10%이며, 더 바람직하게는 0.20%이다. Ni 함유량의 바람직한 상한은 0.95%이며, 보다 바람직하게는 0.90%이며, 더 바람직하게는 0.80%이다.
B: 0~0.0050%
붕소(B)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, B 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, B는 담금질성을 높인다. B는 또한, 담금질 시의 오스테나이트 입계에 있어서의 P나 S의 편석을 억제한다. B가 조금이라도 함유되면, 이들의 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, B 함유량이 0.0050%를 초과하면, BN이 생성되어 강의 인성이 저하된다. 따라서, B 함유량은 0~0.0050%이다. 상기 효과를 유효하게 얻기 위한 B 함유량의 바람직한 하한은 0.0002%이며, 더 바람직하게는 0.0003%이며, 더 바람직하게는 0.0005%이며, 더 바람직하게는 0.0010%이다. B 함유량의 바람직한 상한은 0.0030%이며, 보다 바람직하게는 0.0025%이며, 더 바람직하게는 0.0020%이다.
상술한 침탄 베어링 부품용 강재는 또한, Fe의 일부 대신에, Nb 및 Ti로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유해도 된다. 이들 원소는 모두 임의 원소이며, 어느 원소나 결정립을 미세화한다.
Nb: 0~0.100%
니오브(Nb)는 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Nb 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Nb는 미세한 탄화물 등을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 강의 강도가 높아진다. Nb가 조금이라도 함유되면, 이 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Nb 함유량이 0.100%를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Nb 함유량은 0~0.100%이다. 상기 효과를 유효하게 얻기 위한 Nb 함유량의 바람직한 하한은 0.005%이며, 보다 바람직하게는 0.010%이며, 더 바람직하게는 0.030%이다. Nb 함유량의 바람직한 상한은 0.090%이며, 더 바람직하게는 0.080%이며, 더 바람직하게는 0.070%이다.
Ti: 0~0.10%
티탄(Ti)은 임의 원소이며, 함유되지 않아도 된다. 즉, Ti 함유량은 0%여도 된다. 함유되는 경우, Ti는 미세한 탄화물 등을 형성하여, 결정립을 미세화한다. 이에 의해, 강의 강도가 높아진다. Ti가 조금이라도 함유되면, 이 효과가 어느 정도 얻어진다. 그러나, Ti 함유량이 0.10%를 초과하면, 강의 인성이 저하된다. 따라서, Ti 함유량은 0~0.10%이다. 상기 효과를 유효하게 얻기 위한 Ti 함유량의 바람직한 하한은 0.01%이며, 더 바람직하게는 0.015%이며, 더 바람직하게는 0.02%이다. Ti 함유량의 바람직한 상한은 0.09%이며, 더 바람직하게는 0.08%이며, 더 바람직하게는 0.075%이다.
[식 (1)에 대해]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성은 또한, 각 원소가 상술한 범위를 만족하는 것을 전제로 하여, 또한, 식 (1)을 만족한다.
1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
여기서, 식 (1) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다.
Fn1=0.4Cr+0.4Mo+4.5V로 정의한다. Fn1은, 미세한 탄화물 등의 석출핵 생성 사이트의 지표이다. Fn1이 1.20 이하이면, 석출핵 생성 사이트가 불충분해진다. 이 경우, 침탄 처리에 의해, 미세한 V탄화물 등이 충분히 석출되지 않는다. 그 때문에, 침탄 베어링 부품의 내마모성이 충분히 얻어지지 않는다. 한편, Fn1이 2.75 이상이면, 석출핵 생성 사이트가 과잉으로 증가한다. 이 경우, 침탄 베어링 부품의 내마모성이 높아지지만, 침탄 베어링 부품용 강재에 있어서, 미고용의 탄화물 등이 잔존한다. 이 경우, 침탄 처리 후의 침탄 베어링 부품에 조대한 V탄화물 등이 존재한다. 침탄 베어링 부품 내의 조대한 V탄화물 등은, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명 및 인성을 저하한다.
Fn1이 1.20 초과~2.75 미만이면, 침탄 베어링 부품에 있어서, 우수한 내마모성, 우수한 표면 박리 수명 및 우수한 인성이 얻어진다. Fn1의 바람직한 하한은 1.30이며, 더 바람직하게는 1.40이며, 더 바람직하게는 1.50이다. Fn1의 바람직한 상한은 2.60이며, 더 바람직하게는 2.50이며, 더 바람직하게는 2.40이다.
[식 (2)에 대해]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재 중의 황화물은, 식 (2)를 만족한다.
A1/A2＞0.50 (2)
식 (2) 중의 A1은, 압연 방향과 평행한 단면 상의 4mm2 이상의 총 면적의 관찰 영역에 있어서의, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. A2는, 상기 관찰 영역에 있어서의, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. 여기서, 압연 방향이란, 침탄 베어링 부품용 강재의 길이 방향(축 방향)에 상당한다.
Fn2=A1/A2로 정의한다. Fn2는, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 사이즈의 황화물 중, 구상 상태의 황화물의 비율(애스펙트비가 작은 황화물의 비율)을 나타내는 지표이다. Fn2가 0.50 이하이면, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 황화물 중, Ca 함유량이 1mol% 이상인 Ca 함유 황화물의 비율이 적다. 즉, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 황화물 중, Ca 함유량이 1mol% 미만인 Ca 비함유 황화물의 비율이 많다. 상술한 바와 같이, Ca 함유 황화물은 열간 가공을 받아도 연신하기 어려워, 구상 상태를 유지한다. 즉, Ca 함유 황화물의 애스펙트비(애스펙트비=황화물의 장경/단경)는, 열간 압연을 받아도 작은 채로 유지된다. 한편, Ca 비함유 황화물은 열간 압연을 받으면 연신한다. 즉, Ca 비함유 황화물의 애스펙트비는, 열간 압연을 받으면 커진다. Fn2가 0.50 이하인 경우, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 황화물 중, 열간 압연 후의 형상이 연신 상태가 되는 Ca 비함유 황화물의 비율이 많아진다. 이 경우, 광산 기계 용도 및 건설 기계 용도와 같은 사용 중인 침탄 베어링 내에, 토사나 암석의 일부 등의 이물이 혼입하는 환경에 있어서, 침탄 베어링 부품 중의 조대한 황화물뿐만 아니라, 미세한 황화물도 피로 기점이 되어, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명을 저하시킨다.
Fn2가 0.50을 초과하는 경우, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 황화물 중, Ca를 함유하고 있는 Ca 함유 황화물의 비율이 충분히 많다. 즉, 침탄 베어링 부품용 강재 중의 원 상당 직경이 1μm 이상인 황화물 중, 열간 압연 후에 있어서도 구상 상태를 유지하는 황화물의 비율이 충분히 많다. 그 때문에, 침탄 베어링 부품에 있어서 피로 기점을 적게 할 수 있고, 그 결과, 이물이 혼입하는 환경에 있어서, 침탄 베어링 부품을 사용한 경우여도, 표면 기점 박리 수명을 충분히 높일 수 있다. Fn2의 바람직한 하한은 0.52이며, 더 바람직하게는 0.55이며, 더 바람직하게는 0.57이며, 더 바람직하게는 0.60이다.
Fn2는 다음의 방법으로 구한다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 침탄 베어링 부품용 강재(1)의 압연 방향에 상당하는 중심축(C1)을 포함하는 임의의 중심부로부터, 한 변이 10mm인 입방체 시험편(10)을 채취한다. 즉, 채취된 입방체 시험편(10)은, 중심축(C1)을 포함한다. 이 입방체 시험편의 6개의 표면 중, 중심축(C1)과 평행한 4개의 표면(S10) 중 어느 하나를 피검면으로 한다. 피검면(S10)은, 10mm×10mm의 정방형이다. 피검면(S10)은, 침탄 베어링 부품용 강재의 중심축(C1)과 평행이다. 즉, 피검면(S10)은, 침탄 베어링 부품용 강재(1)의 압연 방향과 평행이다. 입방체 시험편(10)을 수지 포매한 후, 피검면(S10)을 경면 연마한다.
경면 연마 후의 피검면(S10) 내의 황화물을 SEM(주사형 전자 현미경)에 의해 특정한다. 구체적으로는, 500배의 배율로 피검면(S10) 내의 임의의 관찰 영역을 100개소 선택한다. 관찰 영역의 총 면적(즉, 100개소의 관찰 영역의 총 면적)은, 4mm2 이상으로 한다. 각 관찰 영역에 있어서, SEM으로 관찰되는 반사 전자상의 콘트라스트에 의거하여, 황화물을 특정한다. 반사 전자상에서는, 관찰 영역이 그레이 스케일 화상으로 표시된다. 반사 전자상 내에 있어서의 모상, 황화물, 산화물의 콘트라스트는 각각 상이하다.
황화물을 나타내는 명도(복수 계조)의 수치 범위를 SEM 및 EDS(에너지 분산형 X선 마이크로 애널라이저)에 의해 미리 결정해 둔다. 이하, 미리 황화물을 나타내는 명도로 결정된 수치 범위를 기준 범위라고 한다. 관찰 영역에 있어서, 명도가 기준 범위 내인 영역을 결정한다. 이하, 명도가 기준 범위 내인 영역을 황화물 영역이라고 한다.
도 2는, 관찰 영역 내의 SEM상의 명도 분포의 일례를 나타내는 모식도이다. 도 2의 가로축은 명도를 나타낸다. 도 2의 세로축은 관찰 영역 중의 대응하는 명도의 면적 비율(%)을 나타낸다. 도 2 중의 영역(A1)은, 산화물을 나타낸다. 영역(A2)은 황화물을 나타낸다. 영역(A3)은 Fe 모상을 나타낸다. 도 2의 경우, 도 2 중의 B1~B2의 명도 범위를 기준 범위로서 결정한다. 다음에, 기준 범위(B1~B2)의 명도의 영역을, 관찰 영역으로부터 특정한다. 도 3은, 관찰 영역의 SEM상의 모식도이다. 도 3 중의 영역(X1~X4)은, 기준 범위(B1~B2)의 명도를 갖는 영역이며, 이 영역은 황화물에 상당한다. 따라서, 영역(X1~X4)을 황화물 영역으로서 특정한다. 또한, 도 3에 있어서의 영역(Y1~Y3) 중의 영역(Z1~Z3)은, 산화물에 상당하는 영역이다. 즉, 영역(Y1~Y3)은, 황화물 및 산화물로 이루어지는 복합 개재물이다.
특정된 각 황화물 영역(X1~X4)의 원 상당 직경을 산출한다. 원 상당 직경이란, 각 황화물 영역(X1~X4)의 면적을, 동일한 면적을 갖는 원으로 환산했을 경우의 원의 직경을 의미한다. 황화물 영역(X1~X4)의 원 상당 직경을 산출함에 처하여, 각각의 황화물 영역 내에 존재하는 산화물(도 3에 있어서의 Z1~Z3의 영역)의 면적은 제외하고 산출한다. 100개소의 관찰 영역(총 면적 4mm2 이상)에 있어서, 산출된 원 상당 직경이 1μm 이상이 되는 황화물 영역의 총 면적(μm2)을 A2로 정의한다.
다음에, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적 A1을 다음의 방법으로 구한다. 상술한 100개소의 관찰 영역(총 면적 4mm2 이상)에 있어서, 원 상당 직경이 1μm 이상이 되는 각 황화물 영역을 EDS에 의해 정량 분석한다. 정량 분석된 각 황화물 영역 중, 1mol% 이상의 Ca를 함유하는 황화물의 영역을 특정한다.
황화물 중의 Ca의 EDS 정량 분석에서는, 반정량적인 분석 방법을 이용한다. 관찰 영역 중에는, 단독의 황화물이 존재할 뿐만 아니라, 상술한 바와 같이, 황화물과 산화물을 포함하는 복합 개재물도 존재한다.
SEM상에 의해 특정된 황화물 영역이 복합 개재물 중의 황화물인 경우를 상정한다. 이 경우, 황화물을 목표로 하여 EDS 장치의 입사 전자를 입사해도, 황화물뿐만이 아니라, 황화물에 인접하는 산화물에도 입사 전자가 닿는 경우가 있다. 이러한 경우, 분석 결과에는 황화물뿐만 아니라 산화물의 분석값도 포함된다. 산화물은 Ca 산화물일 가능성이 있다. 그 때문에, 황화물의 성분 분석값에는 실제보다 많은 Ca가 포함될 가능성이 있다. 그 때문에, 다음의 방법에 의해, 반정량적으로 황화물의 Ca량을 산출한다.
상술한 침탄 베어링 부품용 강재 중의 황화물은, S 이외에는, 실질적으로 Mn, Ca 및 Fe를 포함한다. Mn, Ca 및 Fe는, 이 순서대로 S와 우선적으로 결합하여, MnS, CaS 및 FeS를 형성한다. 따라서, 이 성질을 이용하여 황화물 중의 Ca 함유량을 반정량 분석한다. 반정량적 방법은 이하와 같다. 이하에 나타내는 함유량은 mol%이다.
EDS 정량 분석으로 측정된 황화물 중의 S 함유량과 Mn 함유량을 비교한다. S 함유량이 Mn 함유량보다 적은 경우, 분석된 황화물 영역에는, MnS가 형성되어 있고, Ca는 포함되지 않는다고 판단한다. 이 경우, Mn 함유량에서 S 함유량을 차감한 차분치의 Mn은, 산화물에 포함되어 있다고 생각된다. 한편, S 함유량이 Mn 함유량보다 많은 경우, S 함유량에서 Mn 함유량을 차감한 차분치에 상당하는 Ca가, CaS로서 황화물 영역에 포함된다고 판단한다. Ca 함유량이 차분치보다 많은 경우, 그 잉여분의 Ca는 CaO로서 산화물을 형성하고 있다고 판단한다. 또한, 측정된 Ca 함유량이 차분치보다 적은 경우, 황화물 영역에는 또한 FeS가 형성되어 있다고 판단한다.
이상의 반정량적인 측정 방법에 의해, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 각 황화물 영역 중의 Ca 함유량을 특정한다. 그리고, 1μm 이상의 원 상당 직경을 가지며, 또한, 1mol% 이상의 Ca를 함유하는 황화물 영역의 총 면적(μm2)을 구하고, 구한 총 면적을 A1로 정의한다. 또한, A1을 산출하는 경우도, 황화물 영역 내에 존재하는 산화물(도 3에 있어서의 Z1~Z3의 영역)의 면적은 제외하고 산출한다.
이상의 방법에 의해 정의한 총 면적 A1 및 A2를 이용하여, Fn2를 구한다. 또한, 황화물의 원 상당 직경을 1μm 이상으로 한 것은, 상술한 방법에 있어서 원 상당 직경이 1μm 미만인 황화물에 대해 EDS를 이용한 반정량 분석에 의해 정밀하게 조성 분석을 행하는 것이 곤란하며, 또한, 1μm 이상의 황화물을 대상으로 하여 Fn2를 구하면, 침탄 베어링 부품의 표면 기점 박리 수명과 충분한 상관이 얻어지기 때문이다. 황화물의 원 상당 직경의 상한은 특별히 한정되지 않지만, 본 실시형태의 화학 조성 및 제조 공정에 있어서는, 황화물의 원 상당 직경의 최대값은 예를 들면, 500μm이며, 바람직하게는 200μm이다.
[식 (3)에 대해]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성은 또한, 각 원소가 상술한 범위를 만족하는 것을 전제로 하여, 식 (3)을 만족한다.
2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
여기서, 식 (3) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 함유되어 있지 않은 경우, 그 원소 기호에는 「0」이 대입된다.
Fn3=2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V로 정의한다. Fn3은 담금질성의 지표이다. Fn3이 2.55 이하이면, 담금질성이 낮다. 이 경우, 담금질 후의 강재의 심부 경도가 저하된다. 그 때문에, 침탄 베어링 부품의 강도가 저하된다. 따라서, Fn3은 2.55 초과이다. Fn3의 바람직한 하한은 2.70이며, 보다 바람직하게는 2.85이며, 더 바람직하게는 3.00이다.
[침탄 베어링 부품용 강재의 제조 방법]
상술한 침탄 베어링 부품용 강재의 제조 방법의 일례를 설명한다. 이후에 설명하는 침탄 베어링 부품용 강재의 제조 방법은, 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재를 제조하기 위한 일례이다. 따라서, 상술한 구성을 갖는 침탄 베어링 부품용 강재는, 이후에 설명하는 제조 방법 이외의 다른 제조 방법에 의해 제조되어도 된다. 그러나, 이후에 설명하는 제조 방법은, 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재의 제조 방법의 바람직한 일례이다. 본 실시형태에서는, 침탄 베어링 부품용 강재의 일례로서, 봉강 또는 선재의 제조 방법을 설명한다.
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재의 제조 방법의 일례는, 용강을 정련하고, 주조하여 소재(주편)를 제조하는 제강 공정과, 소재를 열간 가공하여 침탄 베어링 부품용 강재를 제조하는 열간 가공 공정을 구비한다. 이하, 각 공정에 대해 설명한다.
[제강 공정]
제강 공정은, 정련 공정과 주조 공정을 포함한다.
[정련 공정]
정련 공정에서는 처음에, 식 (1) 및 식 (3)을 만족하는 상기 화학 조성을 갖는 용강을 제조한다. 식 (1) 및 식 (3)을 만족하는 상술한 화학 조성의 용강을 제조할 수 있으면, 정련 공정의 구체적 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 정련 공정은 예를 들면, 다음의 방법으로 실시한다. 주지의 방법으로 제조된 용선(鎔銑)에 대해 전로(轉爐)에서의 정련(1차 정련)을 실시한다. 전로로부터 꺼낸 용강에 대해, 주지의 2차 정련을 실시한다. 2차 정련에 있어서, 성분 조정의 합금 원소의 첨가를 실시하여, 상기 화학 조성을 만족하는 용강을 제조한다.
[주조 공정]
정련 공정에서 제조된 용강을 연속 주조기의 턴디시에 옮긴다. 주조 공정에서는, 턴디시 내의 용강 온도를 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서, 12~100분 유지한다. 이하, 턴디시에서의 용강 온도의 유지에 대해 설명한다.
상술한 식 (2)를 만족하기 위해서는, 복수의 황화물이 응집하여 형성되는 조대한 황화물뿐만 아니라, 응집하기 어려운 미세한 황화물에 대해서도, Ca를 함유 시킬 필요가 있다. 용강 중에 CaO를 다수 존재시키면, 미세한 황화물에 있어서도 Ca를 함유하기 쉽다. 용강 중의 Ca 함유량이 2~10ppm 함유되어 있으면, 용강 중에 있어서 다수의 CaO를 분산시킬 수 있다.
또한, 용강 중에 있어서, Ca를 액상 상태로 존재시킨다. 구체적으로는, Ca를 AlCaO로서 존재시킨다. 용강에 있어서, AlCaO는 액상으로 존재한다. 액상의 AlCaO 중의 Ca가 MnS와 결합함으로써, Ca 함유 황화물이 생성되기 쉬워진다. Ca 함유 황화물의 정출 온도는, Ca 비함유 황화물의 정출 온도보다 고온이다. 따라서, 턴디시 내의 용강 온도를 용강의 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서 12~100분 유지한다. 이 경우, 턴디시 내에 있어서, 용강 중에 액상의 AlCaO가 존재하는 상태에서, Ca 함유 황화물을 다수 생성할 수 있다.
액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서의 용강 온도의 유지 시간이 12분 미만인 경우, Ca 함유 황화물이 정출하기 전에, CaO가 정출해버려, Ca가 고상이 된다. 그 때문에, Ca 함유 황화물이 생성되기 어려워, Ca 비함유 황화물이 다수 생성되어버린다. 이 경우, 복수의 황화물이 응집하여 생성되는 조대한 황화물은 1mol% 이상의 Ca를 함유하지만, 미세한 황화물에서는, Ca를 함유하고 있지 않은 Ca 비함유 미세 황화물이 다수 생성되어버린다. 그 때문에, Fn2가 0.50 이하가 되기 쉽다.
한편, 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서의 용강 온도의 유지 시간이 100분을 초과하면, Ca 함유 황화물이 생성되지만, 생성된 Ca 함유 황화물이 응집해 부상하여, 용강의 액면 상의 슬러그에 흡수되어버린다. 그 때문에, 용강 중의 Ca 함유 황화물의 양이 적어진다. 이 경우, 용강 중의 Ca 함유 황화물이 적어지고, 또한, 용강 온도의 저하와 더불어 Ca 비함유 황화물이 생성되기 때문에, Fn2가 0.50 이하가 되기 쉽다.
턴디시 내에 있어서, 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서의 용강 온도의 유지 시간을 12~100분으로 하면, Ca 함유 황화물을 충분히 생성할 수 있다. 그 때문에, 강재 중의 황화물 중, Ca 함유 황화물의 비율을 많게 할 수 있어, Fn2를 0.50보다 크게 할 수 있다.
액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서의 용강 온도의 유지 시간의 바람직한 하한은 15분이며, 더 바람직하게는 18분이며, 더 바람직하게는 20분이다. 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위에서의 용강 온도의 유지 시간의 바람직한 상한은 90분이며, 더 바람직하게는 80분이며, 더 바람직하게는 70분이다.
상기 화학 조성의 용강에 있어서, 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위는 예를 들면, 1550~1650℃이다. 바람직하게는, 1550~1600℃의 용강 온도의 유지 시간이 12~100분이다.
또한, 턴디시 내의 용강 온도는, 주지의 턴디시 내 가열 장치(턴디시 히터)를 이용하여 조정한다. 턴디시 히터는 예를 들면, 플라즈마 가열식이어도 되고, 유도 가열식이어도 된다.
턴디시 내에서 상술한 온도 범위에서 유지된 용강을 주형에 붓고, 연속 주조법에 의해, 소재(주편)를 제조한다. 소재인 주편은, 블룸 또는 빌릿이다.
[열간 가공 공정]
제조된 소재를 열간 가공하여, 침탄 베어링 부품용 강재(봉강 또는 선재)를 제조한다. 열간 가공 공정에서는 통상, 1회 또는 복수 회의 열간 가공을 실시한다. 복수 회 열간 가공을 실시하는 경우, 최초의 열간 가공은 예를 들면, 분괴 압연 또는 열간 단조를 이용한 압연(조압연)이며, 다음 회 이후의 열간 가공은, 연속 압연기를 이용한 압연이다. 연속 압연기에서는, 한 쌍의 수평 롤을 갖는 수평 스탠드와, 한 쌍의 수직 롤을 갖는 수직 스탠드가 교대로 일렬로 배열된다. 마무리 압연 후의 침탄 베어링 부품용 강재를, 실온이 될 때까지 냉각한다. 조압연 및 연속 압연기를 이용한 압연에 의해, 빌릿을 제조하고, 그 후, 그 빌릿을 재가열하고, 연속 압연기를 이용한 압연을 추가로 실시하여, 원하는 사이즈의 봉강 또는 선재를 제조해도 된다.
이상의 공정에 의해, 본 실시형태에 의한 침탄 베어링 부품용 강재를 제조한다. 또한, 열간 가공 공정 후의 강재에 대해, 필요에 따라, 불림 처리나 구상화 소둔 처리를 실시하여, 침탄 베어링 부품용 강재를 제조해도 된다.
[침탄 베어링 부품의 제조 방법]
본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재를 이용한 침탄 베어링 부품의 제조 방법의 일례는 다음과 같다.
침탄 베어링 부품용 강재에 대해 열간 단조를 실시하여, 중간품을 제조한다. 중간품에 대해 기계 가공을 실시한다. 기계 가공은 예를 들면, 절삭 가공이다. 열간 단조 후의 중간품에 대해 또한, 냉간 단조를 실시하여 중간품을 제조해도 된다.
기계 가공 후의 중간품에 대해, 침탄 처리를 실시한다. 침탄 처리는 주지의 조건에서 실시하면 된다. 침탄 처리는 가스 침탄 처리여도 되고, 진공 침탄 처리여도 되고, 플라즈마 침탄 처리여도 된다. 침탄 처리는, 침탄 공정과, 담금질 공정을 포함한다. 침탄 공정에서는, 중간품을 침탄 온도에서 소정 시간 유지한다. 침탄 온도는 Ac3 변태점 이상이며, 예를 들면 850~1100℃이다. 예를 들면, 가스 침탄 처리에 있어서의 침탄 공정에서는, 캐리어 가스로서 흡열형 변성 가스(RX 가스)를 노 내에 장입한다. RX 가스는, 부탄, 프로판 등의 탄화수소 가스를 공기와 혼합시키고, 가열된 Ni 촉매를 통과시켜 반응시킨 가스이며, CO, H2, N2 등을 포함하는 혼합 가스이다. 가스 침탄 처리에 있어서의 침탄 공정에서는 또한, 부탄, 프로판 등의 탄산수소 가스인 인리치 가스를 노 내에 장입한다. 침탄 공정에서는, 목표로 하는 표면 탄소 농도에 따라 인리치 가스량을 제어하고, 목표로 하는 침탄 깊이에 따라 침탄 공정의 유지 시간을 조정한다. 침탄 베어링 부품의 표면에 있어서의 탄소 농도는 예를 들면, 0.6~0.8%이다. 침탄 공정에서의 유지 시간은 예를 들면 2~15시간이다. 담금질 공정은 침탄 공정에 이어서, 동일한 노 내에서 실시된다. 담금질 공정에서는, 중간품을 담금질 온도에서 소정 시간 유지한다. 담금질 온도는 예를 들면, 800~900℃이다. 담금질 온도에서 소정 시간 유지한 후, 중간품을 급랭한다. 급랭 방법은 수랭이어도 되고, 유랭이어도 된다.
담금질 공정에 있어서 중간품을 상기 담금질 온도(800~900℃)에서 유지하고 있을 때 또한, 암모니아 가스를 노 내에 유입시키는 질화 공정을 실시해도 된다. 암모니아 가스의 유량은 목표의 표면 질화 농도에 따라 제어한다. 목표로 하는 표면 질소 농도는 예를 들면, 0.1~0.6%이다.
침탄 처리 후(담금질 공정 후)의 중간품에 대해, 주지의 뜨임을 실시한다. 뜨임 온도는 예를 들면, 140~250℃이며, 유지 시간은 1~3시간이다.
이상의 공정에 의해 침탄 베어링 부품이 제조된다. 본 실시형태의 침탄 베어링 부품용 강재를 이용하여 주지의 침탄 처리에 의해 제조된 침탄 베어링 부품은, 내마모성 및 표면 기점 박리 수명이 우수하다.
실시예
표 1에 나타내는 다양한 화학 조성을 갖는 용강을, 전로를 이용하여 제조했다.
Figure pct00001
상기 용강을 이용하여 연속 주조를 실시하여 주편을 제조했다. 또한, 연속 주조 시에 있어서, 턴디시 내의 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위의 용강 온도의 유지 시간 τ(분)은 표 2에 나타내는 시간이었다.
Figure pct00002
제조된 주편을 가열하여 분괴 압연 및 그 후의 연속 압연을 실시하여, 160mm×160mm의 빌릿을 제조했다. 이 때의 주편의 가열 온도는 1000℃~1300℃였다. 또한, 제조된 빌릿을 다시 가열한 후, 열간 압연을 실시하여, 직경 60mm의 봉강을 제조했다. 이 때의 빌릿의 가열 온도는 1000℃~1300℃였다.
각 시험 번호의 직경 60mm의 봉강의 일부를 절단했다. 침탄 베어링 부품의 제조 공정을 모의하고, 절단된 봉강에 대해 열간 단조를 실시하여, 직경 30mm의 봉강을 제조했다. 직경 30mm의 봉강에 대해, 불림 처리를 실시했다. 구체적으로는, 직경 30mm의 봉강을 870℃에서 1시간 유지한 후, 공랭했다.
직경 60mm의 봉강 및 직경 30mm의 봉강에 대해, 구상화 소둔 처리를 실시했다. 구상화 소둔에서는, 직경 60mm의 봉강 및 직경 30mm의 봉강을 760℃에서 4시간 유지한 후, 15℃/시간에서 600℃까지 냉각하고, 그 후 공랭했다.
구상화 소둔 처리 후의 봉강(직경 60mm 및 직경 30mm)을 이용하여, 다음의 담금질성 평가 시험, 개재물 평가 시험 및 인성 평가 시험을 실시하여, 담금질성, 개재물 및 인성을 평가했다. 또한, 각 강재에 침탄 처리를 실시한 침탄 베어링 부품의 내마모성 및 표면 기점 박리 수명을 평가했다.
[담금질성 평가 시험]
담금질성 평가 시험은, 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm의 봉강으로부터, 플랜지가 달린 직경 25mm, 길이 100mm의 조미니 시험편을 기계 가공에 의해 제작했다. 각 시험 번호의 시험편에 대해, JIS G 0561(2011)에 준거한 조미니 시험을 실시했다. 시험 후, 수랭단으로부터 시험편의 길이 방향으로 11mm 위치에서의 경도 J11을 측정했다. 측정된 경도 J11로 담금질성을 평가했다. 대형의 침탄 베어링 부품에 적용되는 침탄 베어링 부품용 강재에서는, 경도 J11이 로크웰 경도 HRC로 32 이상인 것이 바람직하다. 따라서, J11이 로크웰 경도 HRC로 32 이상인 경우, 담금질성이 높다고 판단했다(표 2 중에서 「E」). 한편, 경도 J11이 로크웰 경도 HRC로 32 미만인 경우, 담금질성이 낮다고 판단했다(표 2 중에서 「NA」).
[개재물 평가 시험]
개재물 평가 시험은, 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm의 봉강으로부터, 봉강의 중심축 상의 한 점을 중심으로 한, 한 변이 10mm인 입방체 시험편을 기계 가공에 의해 제작했다. 피검면은, 봉강의 길이 방향(압연 방향)과 평행한 10mm×10mm의 표면으로 했다. 시험편을 수지 포매한 후, 피검면을 경면 연마했다.
경면 연마 후의 피검면 내의 황화물을 SEM(주사형 전자 현미경)에 의해 특정했다. 구체적으로는, 500배의 배율로 피검면 내의 임의의 관찰 영역을 100개소 선택했다. 관찰 영역의 총 면적(즉, 100개소의 관찰 영역의 총 면적)은, 4mm2였다. 각 관찰 영역에 있어서, SEM으로 관찰되는 반사 전자상의 콘트라스트에 의거하여, 황화물을 특정했다. 황화물을 나타내는 명도(복수 계조)의 수치 범위에 대해서는, SEM 및 EDS(에너지 분산형 X선 마이크로 애널라이저)에 의해 미리 결정해 두고, 상술한 바와 같이, 미리 황화물을 나타내는 명도로 결정된 수치 범위를 기준 범위로 했다. 상술한 방법에 의해, 기준 범위의 명도의 영역(황화물 영역)을, 관찰 영역으로부터 특정했다. 특정된 각 황화물 영역의 원 상당 직경을 상술한 방법에 의해 산출했다. 황화물 영역의 원 상당 직경을 산출함에 처하여, 각각의 황화물 영역 내에 존재하는 산화물의 면적은 제외하고 산출했다. 100개소의 관찰 영역(총 면적 4mm2)에 있어서, 산출된 원 상당 직경이 1μm 이상이 되는 황화물 영역의 총 면적(μm2)을 A2로 정의했다.
다음에, 1mol% 이상의 Ca를 함유하며, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적 A1을 다음의 방법으로 구했다. 상술한 100개소의 관찰 영역(총 면적 4mm2)에 있어서, 원 상당 직경이 1μm 이상이 되는 각 황화물 영역을 EDS에 의해 정량 분석했다. 정량 분석된 각 황화물 영역 중, 1mol% 이상의 Ca를 함유 하는 황화물의 영역을 특정했다. 황화물 중의 Ca의 EDS 정량 분석에서는, 상술한 방법에 의해, 반정량적인 분석 방법을 이용했다. 상술한 반정량적인 측정 방법에 의해, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 각 황화물 영역 중의 Ca 함유량을 특정했다. 그리고, 1μm 이상의 원 상당 직경을 가지며, 또한, 1mol% 이상의 Ca를 함유 하는 황화물 영역의 총 면적(μm2)을 구하고, 구한 총 면적을 A1로 정의했다. 또한, A1을 산출하는 경우도, 황화물 영역 내에 존재하는 산화물의 면적은 제외하고 산출했다. 구한 A1 및 A2를 이용하여, 각 시험 번호에서의 Fn2(=A1/A2)를 구했다.
[인성 평가 시험]
인성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm의 봉강에 대해, 도 4에 나타내는 히트 패턴의 조질 열처리(담금질 및 뜨임)를 실시했다. 도 4를 참조하여, 구체적으로는, 직경 30mm의 봉강을 900℃에서 4시간 유지하고, 그 후, 기름 담금질을 실시했다(도 4 중 「OQ」). 기름 담금질 후의 봉강에 대해 또한, 180℃에서 2시간 유지하는 뜨임 처리를 실시하고, 그 후, 공랭했다(도 4 중 「AC」).
상기 조질 열처리를 실시한 봉강으로부터, V노치를 갖는 샤르피 시험편을 제작했다. 샤르피 시험편의 길이 방향은, 봉강의 길이 방향으로 했다. 각 시험 번호의 샤르피 시험편에 대해, JIS Z 2242(2009)에 준거한 샤르피 충격 시험을 실온에서 실시했다. 시험에 의해 얻어진 흡수 에너지를, 잘라냄부의 원단면적(시험 전의 시험편의 잘라냄부의 단면적)으로 나누어, 충격값 vE20(J/cm2)을 구했다.
대형의 침탄 베어링 부품에 적용되는 강재에서는, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 이상인 경우, 인성이 높다고 판단했다(표 2 중에서 「E」). 한편, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만인 경우, 인성이 낮다고 판단했다(표 2 중에서 「NA」).
[내마모성 평가 시험]
내마모성 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 30mm의 봉강으로부터 기계 가공에 의해 도 5에 나타내는 중간품을 제작했다. 도 5는, 중간품의 측면도이다. 도 5 중의 수치는, 중간품의 각 부위의 치수(mm)를 나타낸다. 도 5 중의 「φ」 옆의 수치는, 직경(mm)을 나타낸다.
중간품에 대해 침탄 처리(본 실시예에서는 침탄 담금질 및 뜨임)를 실시한 후, 마무리 가공을 실시하고, 침탄 베어링 부품을 모의한 도 6에 나타내는 형상의 시험편(소롤러 시험편)을 제조했다. 도 6은 시험편의 측면도이다. 도 6 중의 수치는, 시험편의 각 부위의 치수(mm)를 나타낸다. 도 6 중의 「φ」 옆의 수치는, 직경(mm)을 나타낸다. 이 때, 시험편의 표면 C 농도가 0.8%, 표면 경도가 로크웰 경도 HRC로 62가 되도록, 상기 침탄 처리 조건을 조정했다.
내마모성 평가 시험으로서, 각 시험 번호의 소롤러 시험편에 대해, 롤러 피칭 시험(2원통 구름 피로 시험)을 실시했다. 구체적으로는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 직경을 130mm, 크라우닝 반경을 150mm로 하는 대롤러를 준비했다. 대롤러는, JIS 규격의 SCM420의 규격을 만족하는 화학 조성을 가지며, 일반적인 제조 공정, 즉, 불림, 시험편 가공, 가스 침탄로에 의한 침탄 처리 및 연마의 공정에 의해 제작되었다. 소롤러 시험편의 중심축과 대롤러의 중심축이 평행이 되도록, 소롤러 시험편과 대롤러를 배치했다. 그리고, 롤러 피칭 시험을, 다음에 나타내는 조건에서 실시했다. 소롤러 시험편의 중앙부(직경 26mm의 부분)에 대해, 대롤러의 표면을 꽉 눌렀다. 소롤러 시험편의 회전수를 1500rpm으로 하고, 접촉부에서의 소롤러 시험편과 대롤러의 회전 방향을 동일 방향으로 하고, 미끄러짐률을 -40%로 했다. 대롤러의 회전 속도를 V1(m/sec), 소롤러 시험편의 회전 속도를 V2(m/sec)로 했을 때, 미끄러짐률(%)은, 이하의 식에 의해 구했다.
미끄러짐률=(V2-V1)/V2×100
시험 중의 소롤러 시험편과 대롤러의 접촉 응력을 3000MPa로 했다. 시험 중, 윤활제(시판된 오토매틱 트랜스미션용 오일: ATF)를 유온 80℃의 조건에서, 대롤러와 소롤러 시험편의 접촉 부분(시험부의 표면)에 회전 방향과 반대 방향에서 2L/min으로 내뿜었다. 반복 수를 2×107회까지로 하고, 반복 수 2×107회 후에 시험을 종료했다.
내마모성 평가 시험 후의 소롤러 시험편을 이용하여, 평균 마모 깊이(μm), 표면 경도(HRC), 및, 표면 C 농도(질량%)를 다음의 방법으로 구했다.
[평균 마모 깊이]
시험 후의 시험편의 슬라이딩 부분의 조도를 측정했다. 구체적으로는, 소롤러 시험편의 주면에 있어서, 원주 방향으로 90° 피치로 4개소의 위치에서, 조도 프로파일을 측정했다. 각 측정 개소에 있어서, 측정된 조도 프로파일에서의 최대 마모 깊이를, 각 측정 개소에서의 마모 깊이로 정의했다. 상기 4개소의 마모 깊이의 평균치를 평균 마모 깊이(μm)로 정의했다.
평균 마모 깊이가 10μm 이하인 경우, 내마모성이 우수하다고 판단했다(표 2 중에서 「E」). 한편, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하는 경우, 내마모성이 낮다고 판단했다(표 2 중에서 「NA」).
[표면 경도]
시험 후의 소롤러 시험편의 주면 중, 슬라이딩 부분 이외의 영역(이하, 미슬라이딩 부분이라고 한다)에 있어서, 원주 방향에 대해 90° 피치로 4개소의 측정 위치를 특정했다. 특정된 각 측정 위치에 있어서, JIS Z 2245(2011)에 준거하여, C 스케일을 이용한 로크웰 경도 시험을 실시했다. 각 측정 개소의 로크웰 경도 HRC의 평균을, 표면에서의 로크웰 경도 HRC로 정의했다.
[표면 C농도]
시험 후의 소롤러 시험편의 미슬라이딩 부분을, 축방향에 대해 수직으로 절단했다. 미슬라이딩 부분을 포함하는 절단면을 포함하는 시험편을 채취하고, 절단면에 대해 매입 연마 마무리를 행했다. 그 후, 전자선 마이크로 애널라이저(EPMA)를 이용하여, 미슬라이딩 부분의 표면으로부터 10μm 깊이까지, 0.1μm 피치로 C 농도를 측정했다. 측정된 값의 평균치를, 표면 C 농도(질량%)로 정의했다.
[이물 혼입 사용 환경에서의 표면 기점 박리 수명 평가 시험]
표면 기점 박리 수명 평가 시험을 다음의 방법으로 실시했다. 직경 60mm의 봉강으로부터, 직경 60mm, 두께 5.5mm의 원판형상의 조(粗)시험편을 채취했다. 조시험편의 두께(5.5mm)는, 봉강의 길이 방향에 상당했다.
각 시험 번호의 조시험편에 대해, 침탄 처리(본 실시예에서는 침탄 담금질 및 뜨임)를 실시하여, 침탄 베어링 부품을 모의한 시험편을 제조했다. 이 때, 각 시험편의 표면 C 농도가 0.80%, 및 표면의 로크웰 경도 HRC가 60이 되도록, 침탄 처리 조건을 조정하여 침탄 처리를 실시했다. 얻어진 시험편의 표면을 랩핑 가공하여, 전동 피로 시험편으로 했다. 각 시험 번호의 침탄 처리 후의 표면 C 농도(질량%) 및 표면 경도 HRC를 표 2에 나타낸다. 표면 C 농도 및 표면 경도의 측정 방법은, 내마모성 평가 시험에서의 표면 C 농도 및 표면 경도의 측정 방법과 동일하게 했다.
스러스트형의 전동 피로 시험기를 이용하여, 전동 피로 시험을 실시했다. 시험 시에 있어서의 최대 접촉면압을 5.0GPa로 하고, 반복 속도를 1800cpm(cycle per minute)으로 했다. 시험 시에 사용한 윤활유에는, 이물로서, 빅커스 경도로 750(Hv), 100~180μm의 입도로 분급한 고속도강 가스 아토마이즈 분말을 혼입했다. 가스 아토마이즈 분말의 혼입량은 윤활유에 대해 0.02%로 했다. 시험 시에 사용하는 강구로서, JIS G 4805(2008)에 규정된 SUJ2의 조질재를 이용했다.
전동 피로 시험 결과를 와이불 확률지 상에 플롯하고, 10% 파손 확률을 나타내는 L10 수명을 「표면 기점 박리 수명」으로 정의했다. 이물 혼입이라는 가혹한 사용 환경하(본 시험)에 있어서, L10 수명이 7.0×105 이상이면, 표면 기점 박리 수명이 우수하다고 판단했다(표 2 중에서 「E」). 한편, L10 수명이 7.0×105 미만이면, 표면 기점 박리 수명이 짧다고 판단했다(표 2 중에서 「NA」).
[시험 결과]
표 2에 시험 결과를 나타낸다. 표 2를 참조하여, 시험 번호 1~17의 침탄 베어링 부품용 강재의 화학 조성은 적절하며, 식 (1) 및 식 (3)을 만족했다. 또한, 연속 주조 시의 턴디시 내의 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위의 용강 온도의 유지 시간 τ(분)이 적절하며, 식 (2)를 만족했다. 그 때문에, 이들 시험 번호의 침탄 베어링 부품용 강재에서는, 담금질성이 우수했다. 또한, 이들 시험 번호의 강재에 대해서 침탄 처리를 실시한, 침탄 베어링 부품을 모의한 시험편에서는, 내마모성, 표면 기점 박리 수명, 및, 인성이 우수했다.
한편, 시험 번호 18에서는, P 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다.
시험 번호 19에서는, S 함유량이 너무 높았다. 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다. 또한, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명도 짧았다.
시험 번호 20에서는, C 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 경도 J11이 로크웰 경도 HRC로 32 미만이 되어, 담금질성이 낮았다.
시험 번호 21에서는, C 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다.
시험 번호 22에서는, Si 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하여, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 23에서는, Si 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다.
시험 번호 24에서는, Mn 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 25에서는, Mn 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다.
시험 번호 26에서는, Cr 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하여, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 27에서는, Cr 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다. 또한, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 28에서는, Mo 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하여, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 29에서는, Mo 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 30에서는, V 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하여, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 31에서는, V 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, 충격값 vE20이 15.0J/cm2 미만이 되어, 인성이 낮았다. 또한, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 32에서는, Fn1이 너무 낮았다. 그 때문에, 평균 마모 깊이가 10μm를 초과하여, 내마모성이 낮았다.
시험 번호 33에서는, Fn3가 너무 낮았다. 그 때문에, 경도 J11이 로크웰 경도 HRC로 32 미만이 되어, 담금질성이 낮았다.
시험 번호 34는, Ca 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, Fn2가 낮았다. 그 결과, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 35는, Ca 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 낮았다.
시험 번호 36은, Ca 함유량이 너무 낮았다. 그 때문에, Fn2가 낮았다. 그 결과, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 37에서는, S 함유량이 너무 높았다. 그 때문에, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 38에서는, 화학 조성이 식 (1) 및 식 (3)을 만족했지만, 연속 주조 시의 턴디시 내의 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위의 용강 온도의 유지 시간 τ(분)이 너무 짧았다. 그 때문에, Fn2가 식 (2)를 만족하지 않았다. 그 결과, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
시험 번호 39에서는, 화학 조성이 식 (1) 및 식 (3)을 만족했지만, 연속 주조 시의 턴디시 내의 액상선 온도+50℃~액상선 온도+100℃의 범위의 용강 온도의 유지 시간 τ(분)이 너무 길었다. 그 때문에, Fn2가 식 (2)를 만족하지 않았다. 그 결과, L10 수명이 7.0×105 미만이 되어, 표면 기점 박리 수명이 짧았다.
이상, 본 발명의 실시형태를 설명했다. 그러나, 상술한 실시형태는 본 발명을 실시하기 위한 예시에 지나지 않는다. 따라서, 본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 일 없이, 그 취지를 일탈하지 않은 범위 내에서 상술한 실시형태를 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

Claims (3)

  1. 질량%로,
    C: 0.25~0.45%,
    Si: 0.15~0.45%,
    Mn: 0.40~1.50%,
    P: 0.015% 이하,
    S: 0.005% 이하,
    Cr: 0.60~2.00%,
    Mo: 0.10~0.35%,
    V: 0.20~0.40%,
    Al: 0.005~0.100%,
    Ca: 0.0002~0.0010%,
    N: 0.0300% 이하,
    O: 0.0015% 이하,
    Ni: 0~1.00%,
    B: 0~0.0050%,
    Nb: 0~0.100%, 및
    Ti: 0~0.10%를 함유하고, 잔부는 Fe 및 불순물로 이루어지는 화학 조성을 가지며, 식 (1)~식 (3)을 만족하는, 침탄 베어링 부품용 강재.
    1.20＜0.4Cr+0.4Mo+4.5V＜2.75 (1)
    A1/A2＞0.50 (2)
    2.7C+0.4Si+Mn+0.45Ni+0.8Cr+Mo+V＞2.55 (3)
    여기서, 식 (1) 및 식 (3) 중의 원소 기호에는, 대응하는 원소의 함유량(질량%)이 대입된다. 대응하는 원소가 함유되어 있지 않은 경우, 그 원소 기호에는 「0」이 대입된다. 식 (2) 중의 A1은, 압연 방향과 평행한 단면 상의 4mm2 이상의 총 면적의 관찰 영역에 있어서의, 1mol% 이상의 Ca를 함유하고, 또한, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다. A2는, 상기 관찰 영역에 있어서의, 1μm 이상의 원 상당 직경을 갖는 황화물의 총 면적(μm2)이다.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Ni: 0.05~1.00%, 및
    B: 0.0003~0.0050%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 침탄 베어링 부품용 강재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 화학 조성은,
    Nb: 0.005~0.100%, 및
    Ti: 0.01~0.10%로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는, 침탄 베어링 부품용 강재.
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