KR20230075465A

KR20230075465A - 고내식 스테인리스강 부품 및 그 제조 방법, 스테인리스강 부품의 열처리 방법, 그리고 구름 베어링 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20230075465A
Application number: KR1020237011790A
Authority: KR
Inventors: 쇼타 다네다; 게이키 마에노
Original assignee: 미네베아미츠미 가부시키가이샤
Priority date: 2020-09-25
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2023-05-31
Also published as: WO2022064643A1; US20230323499A1; JPWO2022064643A1; CN116194600A; DE112020007636T5

Abstract

표층부에 페라이트를 함유하지 않고, 고(高)내식성과 높은 경도를 양립시킨 마텐자이트계 스테인리스강제의 고내식 스테인리스강 부품을 제공한다. 고내식 스테인리스강 부품은, 중량비로, C를 0.35~0.43%, Si를 0.5% 이하, Mn을 0.5% 이하, P를 0.04% 이하, S를 0.04% 이하, Cr을 15~17%, W를 0.1~0.3%, Mo를 1.5~3.0%, B를 0.001~0.005%, N을 0.12~0.18% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어지고, 전체 외면의 표층부의 기지 조직이 잔류 오스테나이트와 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직으로 되어 있으며, 표면 경도가 HRC57 이상이다.

Description

고내식 스테인리스강 부품 및 그 제조 방법, 스테인리스강 부품의 열처리 방법, 그리고 구름 베어링 및 그 제조 방법

본 발명은, 내식성이 우수한 고(高)내식 스테인리스강 부품에 관한 것이다.

일반적으로, 내식성이 요구되는 구름 베어링에서는, 베어링 재료로서 SUS440C로 대표되는 마텐자이트계 스테인리스강이 사용된다. 그러나, SUS440C는, 내식성을 향상시키는 크롬을 16~18중량% 포함하는데, 경도를 확보하기 위해서 탄소 함유량도 0.95~1.2중량%로 높고, 그에 따라 20μm 정도의 크롬 탄화물이 다수 생성되므로 내식성은 그다지 높지 않다. 따라서, 강알칼리 소독액 또는 해수나 우수 등에 노출되는 것과 같은 혹독한 부식 환경에서의 사용에는 적합하지 않다. 또, 페라이트계 스테인리스강이나 오스테나이트계 스테인리스강은, 마텐자이트계 스테인리스강보다 내식성이 우수하지만, 저강도이며, 예를 들면 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간 가공을 실시해도 경도는 HRC40 정도이고, 구름 베어링에는 거의 사용되어 있지 않다.

그래서, 고내식성과 높은 경도를 겸비한 마텐자이트계 스테인리스강으로서, 특허 문헌 1과 같이, 탄소 함유량을 줄이는 대신에 질소와 몰리브덴을 함유시켜 고내식성과 높은 경도를 양립시킨 고내식 마텐자이트계 스테인리스강이 개발되어 있다.

일본국 특허 제5368887호 공보

특허 문헌 1에 개시된 고내식 마텐자이트계 스테인리스강은, 질소를 많이 고용한 것으로, 이러한 질소를 많이 고용한 마텐자이트계 스테인리스강은, 원하는 경도를 얻기 위해서 진공로(爐) 내에서 담금질된다. 크롬이나 몰리브덴은 페라이트 생성을 조장하는 원소인 것에 반해, 질소는 오스테나이트 안정화 원소이며, 페라이트 생성을 억제한다. 그 때문에, 진공 담금질 시에 표층부의 질소가 빠져 나오면 질소 농도가 저하함으로써 페라이트 억제 효과가 약해져, 표층부에 페라이트가 생성되어 원하는 경도를 얻을 수 없는 경우가 있다. 구름 베어링 규격의 JIS B1511:1993에서는, 구름 베어링의 궤도륜의 경도는 HRC57~65의 범위 내인 것이 요구되고 있는데, 본 발명자는 페라이트 생성에 의해서 표층부(표면으로부터 대략 깊이 50μm 이내의 범위)에 있어서의 경도가 HRC55 미만밖에 되지 않는 경우가 있는 것을 확인했다.

또, 페라이트는 체심 입방 격자 구조이기 때문에 탄소의 고용 한계가 낮다. 페라이트는 탄소의 고용 한계가 727℃에서 약 0.02중량%에 지나지 않는다. 따라서, 오스테나이트 온도역으로부터 냉각하여 표층부에 페라이트가 석출되기 시작하면 탄소는 페라이트의 외부로 방출된다. 이에 의해, 페라이트의 주위에 탄소가 농화되어 크롬 탄화물을 생성한다. 페라이트의 주위의 크롬이 탄화물에 사용됨으로써 크롬 결핍층이 되고, 결과적으로 페라이트 주변의 내식성이 저하한다는 문제도 발생한다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 표층부에 페라이트를 함유하지 않고, 고내식성과 높은 경도를 양립시킨 고내식 스테인리스강 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 질소를 많이 고용한 고내식 마텐자이트계 스테인리스강에 대해서, 질소 분압 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만의 질소 분위기에서 1050~1120℃의 범위의 온도까지 가열하여 담금질을 행함으로써, 고용된 질소가 표층부로부터 빠져 나오는 것이 억제되어 표층부에 페라이트 조직이 생성되지 않는 것을 발견했다.

본 발명은, 상기 지견에 의거하여 이루어진 것으로, 중량비로, C를 0.35~0.43%, Si를 0.5% 이하, Mn을 0.5% 이하, P를 0.04% 이하, S를 0.04% 이하, Cr을 15~17%, W를 0.1~0.3%, Mo를 1.5~3.0%, B를 0.001~0.005%, N을 0.12~0.18% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 고내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어지고, 전체 외면의 표층부의 기지 조직이 잔류 오스테나이트와 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직으로 되어 있으며, 표면 경도가 HRC57 이상인 고내식 스테인리스강 부품이다. 여기서, 「표층부」란, 표면으로부터 깊이가 약 50μm까지인 범위를 말한다.

본 발명의 고내식 스테인리스강 부품은, 전체 외면의 표층부의 기지 조직이 잔류 오스테나이트와 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직을 나타내기 때문에, 표층부에 있어서의 페라이트의 면적률이 제로, 즉 페라이트가 존재하지 않는다. 그 결과, HRC57 이상이라는 높은 표면 경도를 얻을 수 있다. 또, 표층부에 페라이트가 존재하지 않기 때문에 부분적으로 탄소가 농화하는 것과 같은 일이 없고, 따라서, 크롬 탄화물의 생성에 의한 크롬 결핍층의 형성이 억제되므로, 내식성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다른 특징은, 외륜 및/또는 내륜이 상기 고내식 스테인리스강 부품으로 구성된 구름 베어링이다. 본 발명의 또 다른 특징은, 복수의 단체(單體) 부품을 포함하는 조립품으로서, 적어도 하나의 상기 단체 부품이 상기 고내식 스테인리스강 부품인 조립품이다.

본 발명의 또 다른 특징은, 중량비로, C를 0.35~0.43%, Si를 0.5% 이하, Mn을 0.5% 이하, P를 0.04% 이하, S를 0.04% 이하, Cr을 15~17%, W를 0.1~0.3%, Mo를 1.5~3.0%, B를 0.001~0.005%, N을 0.12~0.18% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 고내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어지는 중간 부품을 준비하는 단계와, 상기 중간 부품을 질소 분압 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만의 질소 분위기에 있어서, 1050~1120℃의 범위 내의 온도까지 가열하여 담금질하는 단계를 포함하는 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법이다. 본 발명의 또 다른 특징은, 상기 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법을 포함하는 고내식 스테인리스강 부품의 제조 방법이다.

다음에, 본 발명에 있어서의 성분의 한정 이유를 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서 「%」는 특별히 언급하지 않는 한 「중량%」를 의미하는 것으로 한다.

·C:0.35~0.43%

C는 강 부품의 경도(내마모성)를 확보하는 데에 유효한 성분이지만, 오스테나이트 생성 원소이기도 하므로, 다량으로 첨가하면 공정 탄화물을 생성하기 쉽고, 균열이 발생하기 쉬워진다. 또, 과잉한 첨가는 내식성도 열화시키기 때문에, 양호한 내식성이 확인된 0.43%를 상한으로 했다. 그리고, 열처리 후의 표층부에 페라이트가 생성되지 않고, HRC57 이상의 경도가 얻어진 0.35%를 하한으로 했다.

·Si:0.5% 이하

Si를 과잉하게 함유하고 있으면 인성을 현저하게 저하시켜 열간 가공성에 유해해지므로 적은 편이 좋지만, 제조 비용을 고려하여 0.5% 이하로 했다.

·Mn:0.5중량% 이하

Mn은 오스테나이트 안정화 원소이며, 과도한 첨가는 잔류 오스테나이트량을 증가시키기 때문에, 열처리 후의 경도를 저하시켜, 내식성도 열화시키는 것 외에, 경년에 의한 치수 변화를 일으키기 쉽다. 따라서, Mn은 적은 편이 좋지만 제조 비용을 고려하여 함유량은 0.5% 이하로 했다.

·P:0.04% 이하

P는, 결정립계에 석출되어 냉간 취성을 일으키는 성분이므로, 냉간 취성을 피하기 위해서 가능한 한 적은 것이 바람직하지만, 제조 비용과의 균형상 함유량을 0.04% 이하로 했다.

·S:0.04% 이하

S는, 내식성을 열화시키거나 열간 가공성을 열화시키므로, 함유량을 0.04% 이하의 범위로 했다.

·Cr:15~17%

Cr은, 스테인리스강에 있어서, 강고한 부도체 피막을 형성하므로, 높은 내식성을 얻기 위해서는 불가결한 원소이며, 다량의 첨가가 필요하다. 염수 분무 시험 결과에서는 Cr 함유량이 15%를 하회하면, 후술하는 바와 같이 N의 함유량이 충분해도 양호한 내식성을 얻을 수 없었기 때문에 15%를 하한으로 했다. 그러나, Cr은 페라이트를 생성시킴으로써 마텐자이트화를 저해하는 요인이 될 수도 있다. Cr의 함유량이 17%를 초과하는 경우에는, 담금질 후의 표층부에 페라이트가 생성되어 있어, 경도의 저하를 초래하고 있었기 때문에, 17%를 상한으로 했다.

·Mo:1.5~3.0%

Mo는 N의 고용 한계를 높임과 더불어, 내식성을 개선하여, 담금질성을 향상시키는 효과를 갖는다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 1.5% 이상의 첨가가 필요하다. 그러나, 과도한 첨가는 인성의 저하와 표층 부근의 페라이트 생성을 초래하므로 3.0%를 상한으로 했다.

·N:0.12~0.18%

N은, 마텐자이트계 스테인리스강의 열처리 후의 표면 경도과 내식성을 향상시키기 위해서 매우 유효한 원소이다. 그러한 효과를 얻기 위해서는, N의 함유량은 0.12% 이상 필요하다. 한편, 가압 용해법보다 경제적인 대기 용해로 재료 중에 블로우(기포)의 발생이 없고, 실용에 제공할 수 있는 마텐자이트계 스테인리스강을 제강할 수 있었던 고용 한계는 0.18%였기 때문에, 0.18%를 상한으로 했다. 이에 의해서 제조 비용을 억제했다.

·B:0.001%~0.005%

B를 첨가하면 BN이 석출되어 강도의 향상에 유효하며, 또한 담금질성을 높이는데, 이 효과를 얻기 위해서는 0.001% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과도한 첨가는 인성의 저하를 초래하므로, 첨가량의 상한을 0.005% 이하로 한다.

·W:0.1%~0.3%

W는 내식성을 향상시킴과 더불어 고용 강화 원소로서 작용하여 강도의 향상에 기여하는 성분이다. 이 작용을 얻기 위해서는, 0.1% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 과도한 첨가는 인성의 저하를 초래하므로, 문제가 없는 성능이 얻어진 0.3%를 상한으로 했다.

·기지 조직

기지 조직은, 잔류 오스테나이트가 13체적% 이하, 잔부가 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직인 것이 바람직하다. 연질인 잔류 오스테나이트를 13체적% 이하로 억제하여, 잔부를 마텐자이트로 함으로써, HRC57 이상의 경도를 확보할 수 있다. 또한, 기지 조직이란, 탄화물이나 질화물 및 개재물을 제외한 기지(매트릭스)의 조직을 말한다.

본 발명에 의하면, 표층부에 페라이트를 함유하지 않고, 고내식성과 고경도를 양립시킨 고내식 스테인리스강 부품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 구름 베어링을 나타낸 단면도이다.
도 2는, 실시형태의 구름 베어링의 외륜 (A)와 내륜 (B)를 나타낸 단면도이다.
도 3은, 비교예의 구름 베어링의 외륜 (A)와 내륜 (B)의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 4는, 다른 비교예의 구름 베어링의 외륜 (A)와 내륜 (B)의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태의 금속 조직의 현미경 사진이다.

도 1은 본 발명의 실시형태의 구름 베어링(깊은 홈형 볼 베어링, 조립품)(10)을 나타내는 단면도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 구름 베어링(10)은, 궤도륜으로서 외륜(1)과 내륜(2)을 갖는다. 외륜(1)의 내주면에는 단면 호상(弧狀)의 궤도 홈(1a)이 형성되고, 내륜(2)의 외주면에는 단면 호상의 궤도 홈(2a)이 형성되어 있다. 궤도 홈(1a, 2a)의 사이에는, 전동체(轉動體)로서 둘레 방향을 따라서 복수의 볼(3)이 등간격으로 배치되어 있다. 복수의 볼(3)은, 유지기(4)의 복수의 포켓에 각각 유지되어 있다. 유지기(4)는 예를 들면 폴리아미드나 폴리에테르에테르케톤 등의 수지 또는 금속으로 형성할 수 있다. 또, 유지기(4)의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 관형(冠型) 유지기, 절삭 가공 유지기, 파형(波型) 유지기 등, 임의의 형상을 선택할 수 있다. 도 1의 유지기(4)는 관형 유지기이다.

외륜(1)과 내륜(2) 사이의 베어링 공간(5)은 금속제의 시일 부재(6)(금속 실드)로 밀봉되어 있다. 시일 부재(6)로서는 금속 실드에 한정하지 않고, 비접촉형 또는 접촉형의 고무 시일을 이용하는 것도 가능하다. 또, 베어링 공간(5)에는 윤활제로서 그리스가 봉입되어 있다. 사용되는 그리스는 구름 베어링(10)의 용도에 맞춰 선택된다. 대표적인 그리스로서는 리튬 비누 그리스와 우레아 그리스가 있는데, 이들로 한정되는 것은 아니다.

외륜(1)과 내륜(2)은 고내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 형성되어 있다. 또, 외륜(1)과 내륜(2)에는 담금질, 서브 제로 처리 및 뜨임을 포함하는 본 발명에 의한 열처리가 실시되어 있다. 외륜(1)과 내륜(2)의 전면에 걸쳐서 표층부의 기지 조직은 마텐자이트와 13체적% 이하의 잔류 오스테나이트로 구성되어 있으며, 페라이트는 생성되어 있지 않다.

즉, 외륜(1)과 내륜(2)의 전면에 걸쳐서 표층부에 있어서의 페라이트의 면적률은 제로이다. 그에 따라 표면 및 내부의 경도가 HRC57 이상으로 높아져 있다. 또한, 용도에 따라서는 외륜 또는 내륜에만 고내식성이 요구되는 경우가 있다. 그러한 경우는, 외륜에만 또는 내륜에만 본 발명에 의한 고내식 스테인리스강 부품을 이용해도 된다. 예를 들면, 자동차의 슬라이드 도어를 지지하는 구름 베어링은, 주로 외륜이 우수나 오수에 노출되므로, 외륜 쪽에 보다 높은 내식성이 요구된다.

볼(3)은 금속제 또는 세라믹스제로 할 수 있다. 또한, 구름 베어링의 전동체는 구상의 볼(3)로 한정하지 않고, 전동체를 원기둥상의 롤러로 해 구름 베어링을 롤러 베어링으로 하는 것도 가능하다. 볼(3)을 금속제로 했을 경우는, 그 재료를 외륜(1) 및 내륜(2)과 같은 고내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 할 수 있다. 이에 의해, 외륜(1) 및 내륜(2)과 같은 정도 이상의 내식성과 경도를 갖는 볼(3)을 얻을 수 있다. 그러나, 사용 환경이 혹독한 부식 환경이 아니면, 볼(3)은 그로스에 의해서 어느 정도는 방청되므로, 고내식 마텐자이트계 스테인리스강보다 내식성이 떨어지는 베어링강(예를 들면 SUJ2)이나 종래의 베어링용 마텐자이트계 스테인리스강(예를 들면 SUS440C) 등을 이용해도 된다.

도 2는 본 발명에 의한 열처리를 실시한 후의 본 실시형태의 외륜(1)과 내륜(2)을 나타내고 있다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 외륜(1)과 내륜(2)에서는 전면의 표층부에 페라이트가 생성되어 있지 않다. 한편, 도 3은 같은 열처리를 실시한 후의 비교예의 외륜(1)과 내륜(2)을 나타내고 있다. 비교예의 외륜(1)과 내륜(2)에서는 전면의 표층부에 페라이트가 생성되어 있다. 열처리 후, 외륜(1)의 단면, 외측 원통면(외경면)과 궤도 홈(1a), 및 내륜(2)의 단면, 내측 원통면(내경면)과 궤도 홈(2a)은, 연삭 가공으로 마무리된다.

도 4는 도 3의 외륜과 내륜에 마무리의 연삭 가공을 실시하여 표층부의 페라이트층을 제거한 후의 상태를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 외륜(1)의 단면, 외측 원통면과 궤도 홈(1a), 및 내륜(2)의 단면, 내측 원통면과 궤도 홈(2a)은, 연삭 가공으로 마무리되어 있으므로, 이들 부분에 있어서의 표층부의 페라이트층은 제거되어 있다. 그러나, 마무리 시에 연삭 가공이 행해지지 않는 궤도 홈(1a, 2a)의 축 방향 외측에 위치하는 원통면, 시일 부재(6)를 장착하기 위한 시일 홈이나 면취부(面取部) 등에는 마무리 후에도 표층부에 페라이트층이 남아 있는 상태가 된다. 전술한 바와 같이 표층부의 페라이트층은 내식성과 경도의 저하를 초래한다. 따라서, 도 4와 같은 외륜(1)과 내륜(2)을 이용한 구름 베어링에는 내식성과 경도가 떨어지는 부분이 남으므로 바람직하지 않다. 또, 궤도 홈(1a)의 표면은 수퍼 피니싱으로 마무리되므로, 도 4의 상태로 하기 위해서는 제거량이 너무 많아서 곤란하며, 제조 비용의 증대로 이어진다. 그 때문에, 열처리에서 표층부에 페라이트층을 생성시키지 않는 것은 제조 비용을 억제하기 위해서도 중요하다.

다음에, 실시형태의 구름 베어링을 얻기 위한 열처리 조건에 대해서 설명한다. 절삭 가공으로 외륜과 내륜을 형성한 후, 질소 분압 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만의 질소 분위기로 한 열처리로에서 1050~1120℃의 범위의 온도까지 가열하여 담금질하고, 이어서, -30~-90℃의 범위의 온도까지 냉각하는 서브 제로 처리를 행하고 나서 150~200℃의 범위의 온도로 뜨임을 행하는 것이 바람직하다. 서브 제로 처리는, 잔류 오스테나이트량을 저감시켜 경도를 높이는데 유효하기 때문이다.

·담금질 시의 질소 분압

질소 분압이 1000Pa 미만이면 담금질 시에 표층부의 질소 농도가 저하하여 페라이트가 생성된다. 한편, 질소 분압이 10000Pa 이상이면, 본 발명에 의한 마텐자이트계 스테인리스강의 경우, 표층부에 질소가 고용되어 질소 농도가 너무 높아질 우려가 있다. 질소의 외부로부터의 고용은, 담금질 뜨임 후의 잔류 오스테나이트 생성량을 증대시켜, 뜨임 경도의 저하를 초래한다. 또, 질소 첨가에 의해 질화물이 생성되는데, 외부로부터의 고용에 의해서 과잉하게 첨가되면 경도의 향상보다 인성 저하의 효과가 커져, 취성 파괴가 조장된다.

따라서, 표층부로부터 질소가 빠지지 않게 함과 더불어 질소의 외부로부터의 고용도 피하기 위해서, 질소 분압은 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만인 것이 바람직하다. 이러한 질소 분위기를 얻기 위해서는, 로 내 압력을 대기압으로부터 200Pa 이하, 보다 바람직하게는 100Pa 이하까지 감압하고 나서 질소 가스를 도입하는 것이 바람직하다. 이와 같이 질소 가스 도입 전에 로 내를 충분히 감압해 두면, 질소 가스 이외의 가스나 수분의 양이 저감되어, 금속과의 예기치 못한 반응을 피할 수 있다.

·담금질 온도

담금질 온도가 1050℃ 미만이면, 급랭(기름 또는 물 담금질)에 의한 마텐자이트의 생성이 충분하지 않고 HRC57 이상의 경도를 얻는 것이 곤란해진다. 한편, 담금질 온도가 1120℃를 초과하면, 구(舊) 오스테나이트 결정립의 조대화와 탄화물이 고용되기 때문에 HRC57 이상의 경도를 얻는 것이 곤란해진다. 따라서, 담금질 온도는 1050~1120℃인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 구름 베어링의 궤도륜이나 전동체로 한정되는 것은 아니며, 볼트나 너트 등 기계 부품으로서 이용되는 모든 고내식 스테인리스강 부품에 적용 가능하다.

실시예

표 1에 마텐자이트계 스테인리스강의 실시예와 비교예의 성분 함유량을 중량%로 나타낸다. 또, 본 발명의 바람직한 함유량 범위를 유효 범위라고 칭하여 나타낸다.

1. 경도 및 내식성 조사

표 1에 나타내는 성분의 마텐자이트계 스테인리스강의 바(bar)재를 기계 가공함으로써, 외경 13mm, 내경 11.54mm, 높이 4mm의 중간 부품을 제작하고, 열처리로를 이용하여 표 1에 나타내는 질소 분압 및 담금질 온도의 조건으로 담금질을 행하고, -30~-90℃의 온도 범위로 냉각하는 서브 제로 처리를 행한 후, 150~200℃의 온도 범위에서 뜨임을 행하여 링상의 시료를 얻었다.

이렇게 해 얻어진 시료의 표면으로부터 20μm의 깊이에 있어서의 경도를 측정했다. 또, 시료의 단면을 경면 연마한 후 에칭하여, 표면으로부터 깊이 50μm×폭 100μm의 영역의 조직을 금속 현미경으로 3개소 관찰했다. 그리고, 도 5에 나타내는 조직 사진을 화상 해석하여 50μm×100μm의 영역마다에 있어서의 페라이트의 면적률(면적%)을 산출하고, 그 평균치를 표 1에 나타냈다. 또, 잔류 오스테나이트(잔류 γ) 량은 X선 회절법에 의한 체적률(체적%)을 X선 응력 측정 장치(PROTO사 제조, 형식 번호 iXRD)로 측정하여 구했다.

또, 표 1에 나타내는 성분의 마텐자이트계 스테인리스강의 바재로부터 길이 50mm, 폭 20mm, 두께 2mm의 판을 기계 가공에 의해서 제작하고, 상기와 같은 조건으로 열처리를 행했다. 이렇게 해 얻어진 시료에 대해서, JIS Z2371에 준하여 96시간의 중성 염수 분무 시험을 행하고, JIS Z2371:2015 규격의 레이팅 넘버법에 의거하여 레이팅 넘버를 평가했다. 레이팅 넘버가 9.8 이상인 내식성을 양호라고 판단하여 평가를 「A」로 하고, 9.8 미만인 내식성을 불충분으로 해 평가를 「B」로 했다. 이상의 측정 결과 및 시험 결과는, 각 시료의 재료 성분과 함께 표 1에 나타내어져 있다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~5에서는, 본 발명의 필수 구성 요소인 성분 범위를 모두 만족하고, 질소 분압 및 담금질 온도의 바람직한 범위도 만족하고 있다. 그 결과, 표층부에 페라이트는 면적률이 제로로 존재하지 않고, 8.3~12.2체적%의 잔류 오스테나이트와, 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직으로 이루어지는 기지 조직이 형성되어 있었다. 또, 기지에 분산되는 탄화물 및 개재물의 장경이 10μm를 초과하는 것이 많아지면 내식성에 악영향을 미치지만, 실시예 1~5에서는, 기지의 2상 혼합 조직에 분산되어 있는 탄화물 및 개재물의 장경은 95% 이상이 10μm 이하였다. 따라서, 내식성을 나타내는 레이팅 넘버는 모든 실시예에 있어서 9.8 이상이며, 내식성은 「A」(양호)로 평가되었다. 또한, 표층부의 경도는 모두 HRC57 이상이며, JIS B1511:1993 규격으로 규정되는 구름 베어링의 궤도륜의 경도를 만족하고 있었다.

이에 비해서 비교예 1에서는, 담금질 시의 질소 분압을 1000Pa로 했으므로 표층부에 페라이트가 생성되지 않았지만, C의 함유량이 0.35% 미만이기 때문에, 표층부의 경도가 HRC55가 되어, 구름 베어링의 JIS B1511:1993 규격을 만족하지 않는 것이 되었다. 비교예 2에서는, 담금질 시의 질소 분압을 2000Pa로 했으므로 표층부에 페라이트가 생성되지 않았지만, N의 함유량이 0.12% 미만이기 때문에, 경도가 HRC56밖에 되지 않았다.

비교예 3에서는, 담금질 시의 질소 분압을 비교예 1과 같은 1000Pa로 했으므로 표층부에 페라이트가 생성되지 않았지만, 담금질 온도가 1050℃ 미만이었기 때문에, 마텐자이트의 생성이 불충분해져, HRC56의 경도밖에 얻을 수 없었다. 비교예 4에서는, 담금질 시의 질소 분압이 2000Pa로 표층부에 페라이트가 생성되지 않았지만, 담금질 온도가 1120℃를 초과하고 있었기 때문에, 구 오스테나이트 결정립의 조대화와 탄화물의 고용에 의해 경도가 HRC56밖에 되지 않았다.

비교예 5에서는, 담금질 시의 질소 분압이 70Pa밖에 없었기 때문에, 표층부의 페라이트량이 면적률로 28면적%에도 달하여, 경도가 HRC51밖에 되지 않았다. 비교예 6에서는, 담금질 시의 질소 분압이 700Pa였기 때문에, 표층부의 페라이트량이 19면적%에 달하여, 경도가 HRC52밖에 되지 않았다.

비교예 7에서는, 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa였음에도 불구하고, 표층부의 페라이트량은 6면적%이고 경도는 HRC54였다. 이것은, 비교예 7에서는 페라이트 생성 원소인 Cr의 함유량이 17%를 초과하고 있었기 때문에, 담금질 후의 표층부에 페라이트가 생성되어, 경도의 저하를 초래했다고 생각된다.

비교예 8에서는, 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa였음에도 불구하고, 표층부의 페라이트량은 4면적%이고 경도는 HRC53이었다. 이것은, 비교예 8에서는 C의 함유량이 0.35%를 하회하기 때문에, 오스테나이트의 생성이 불충분하고 페라이트가 잔류했기 때문인 것과, N의 함유량이 0.12% 미만이었기 때문인 것으로 생각된다.

비교예 9에서는, 담금질 시의 질소 분압이 2000Pa로 표층부에 페라이트가 존재하지 않았지만, C의 함유량이 0.43%를 초과했기 때문에 레이팅 넘버가 7이고 충분한 내식성이 있다고는 말할 수 없고, 내식성의 평가는 「B」(불충분)가 되었다. 비교예 10에서는, 담금질 시의 질소 분압이 2000Pa였기 때문에 페라이트는 생성되지 않았지만, N의 함유량이 0.10%로 낮았기 때문에, 레이팅 넘버가 8이고 내식성의 평가는 「B」가 되었다.

비교예 11에서는, 담금질 시의 질소 분압이 2000Pa였기 때문에 페라이트는 생성되지 않았지만, Cr의 함유량이 14.73%로 낮았기 때문에 충분한 내식성을 얻지 못하고, 레이팅 넘버가 8이고 내식성의 평가는 「B」가 되었다. 비교예 12에서는, 담금질 시의 질소 분압이 2000Pa였기 때문에 페라이트는 생성되지 않았지만, Mo의 함유량이 1.11%로 낮았기 때문에, 레이팅 넘버가 8이고 내식성의 평가는 「B」가 되었다.

또한, 비교를 위해서 SUS440C의 성분과 시험 결과를 표 1에 병기했다. 표 1에서 분명한 바와 같이, SUS440에서는, 경도는 HRC57이고, 구름 베어링으로서 사용할 수 있는 경도이지만, 레이팅 넘버가 5이고 내식성의 평가가 「B」이기 때문에, 혹독한 부식 환경에서의 사용을 견딜 수 있는 것은 아니다.

2. 조직 관찰

이하, 성분 함유량이 유효 범위 내이며 표층부에 페라이트가 존재하지 않는, 즉 페라이트 면적률이 제로인 실시예 1~3과, 성분 함유량이 유효 범위 내이지만 표층부에 페라이트가 존재하는 비교예 5, 6에 대해서 행한 조직 관찰에 대해서 세부사항을 기술한다. 표 2에 각 시료의 표층부의 3개소에 있어서의 페라이트량을 페라이트 면적률(면적%)로 나타내고, 표 3에 각 시료의 3개소의 페라이트 면적률의 평균치와 표면으로부터 깊이 20μm에 있어서의 3개소의 로크웰 C 경도(HRC)의 평균치를 나타낸다. 또한, 표 2에 첨부한 시료 라벨의 하이픈보다 좌측의 숫자(「70」~ 「7000」)는 담금질 시의 질소 분압(단위:Pa)을 나타낸다.

조직 관찰에서는, 시료의 단면을 경면 연마한 후에 나이탈로 부식시켜 금속 현미경으로 표층부의 표면으로부터 깊이 50μm×폭 100μm의 영역을 3개소 사진 촬영했다. 페라이트는 에칭되기 어려워 희게 보이므로, 화상 처리에 의해서 그 부분을 검게 해 면적률을 측정했다. 도 5는, 이렇게 해서 얻어진 화상 처리 후의 표층부의 조직 사진을 나타내고 있다. 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa 미만이었던 시료 70-1~70-3 및 시료 700-1~700-3에 관해서는, 화상 처리 후의 조직 사진에서 표층부의 상부가 검게 나타내어져, 시료 표면 부근에 페라이트가 생성되어 있는 것을 명확하게 알 수 있다. 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa 이상이었던 시료에는 화상 처리 후에도 검게 나타내어진 부분은 없어, 페라이트가 생성되어 있지 않은 것을 알 수 있다. 시료마다, 이와 같이 화상 처리한 조직 사진을 이용하여, 표면으로부터 깊이 50μm×폭 100μm의 영역에 대한 페라이트의 면적률을 산출하고, 그 평균치를 각 시료의 표층부에 있어서의 페라이트 면적률로 했다.

또한, 비교예 7과 8에 대해서도, 같은 방법으로 페라이트 면적률을 산출했다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 담금질 시의 질소 분압이 70Pa인 비교예 5에서는, 표층부에 26면적% 이상의 페라이트가 생성되어 있고, 700Pa에서 16~23면적%의 페라이트가 생성되어 있다. 그리고, 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa 이상이 되면, 페라이트는 생성되지 않으며, 페라이트의 면적률은 제로이다. 또, 표 3에 나타내는 바와 같이, 담금질 시의 질소 분압이 1000Pa 이상인 경우는, 표면으로부터 깊이 20μm의 개소의 경도는 HRC59 이상이 되어 있다. 이에 의해서, 표층부에 페라이트를 생성시키지 않기 위해서는 담금질 시의 질소 분압을 1000Pa 이상으로 하는 것이 유효하다는 것을 알 수 있었다.

3. 수명 시험

상기의 실시예 1~5, 비교예 5~8의 재료를 내륜과 외륜에 이용하여 단열의 깊은 홈형 볼 베어링을 시험 구름 베어링으로서 제작했다. 외륜은 외경 13mm, 내경 11.54mm, 폭 4mm로, 내륜은 외경 9mm, 내경 7mm, 폭 4mm로 했다. 볼은, 직경 1.588mm이고 재질을 DD400(마텐자이트 스테인리스강, 경도 HRC60)으로 했다. 유지기는, 폴리아미드제의 관형 유지기를 사용했다.

시험 구름 베어링은, 외륜을 홀더에 장착함과 더불어 내륜을 샤프트의 일단부에 고정하고, 샤프트의 타단 측을 시험 장치의 한 쌍의 구름 베어링에 삽입하여, 샤프트를 수평 방향으로 유지하면서 회전 가능하게 지지했다. 그리고, 수직 방향으로 431N(44kgf)의 레이디얼 하중을 홀더에 가하면서 샤프트를 5400rpm으로 회전시켜, 홀더에 장착한 시험 구름 베어링이 로크될 때까지(샤프트가 회전을 정지할 때까지) 시험을 행했다. 시험 개시로부터 시험 구름 베어링이 로크될 때까지의 경과 시간을 로크 시간으로 하고, 10개의 평균 로크 시간을 평가 지표로 했다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4에서는, 알기 쉽게 하기 위해서, 구름 베어링의 실시예와 비교예의 번호를 재료의 실시예와 비교예의 번호와 같게 하고 있다. 예를 들면, 실시예 1의 재료를 이용한 구름 베어링은 실시예 1로 칭하고 있다. 또, 페라이트층의 영향을 확인하기 위해서, 비교예는 궤도면의 표층 경도가 불충분한 그대로, 바꾸어 말하면, 표층부에 페라이트층을 남긴 상태에서 내륜과 외륜이 마무리되어 있다. 따라서, 비교예의 내륜과 외륜의 치수를 마무리한 후의 표층부는 도 3 (A)와 (B)에 나타내는 것과 같은 상태이다. 또, 각 실시예와 각 비교예의 10개의 구름 베어링에 대해서 시료 번호 1~10을 부여했다.

표 4에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~5의 구름 베어링에서는, 평균 로크 시간이 46~66시간인 것에 비해, 페라이트가 표층부에 존재하는 비교예 5~8의 구름 베어링에서는, 평균 로크 시간은 불과 3~4시간이었다. 이상의 결과로부터, 본 발명의 구름 베어링에서는, 표층부에 페라이트가 존재하지 않고, 경도가 충분하기 때문에 수명이 긴 것이 확인되었다.

본 발명은, 구름 베어링 등의 고내식 스테인리스강 부품의 분야에 이용 가능하며, 특히 혹독한 부식 환경에서 이용되는 고내식 스테인리스강 부품의 분야에 적절하게 이용 가능하다. 또, 상기 실시예에서는, 고내식 스테인리스강 부품을 구비한 구름 베어링의 경우를 예시했는데, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 고내식 스테인리스강 부품은 특히 혹독한 부식 환경에서 이용되는 조립품에 이용 가능하다.

1…외륜(고(高)내식 스테인리스강 부품), 1a…궤도 홈, 2…내륜(고내식 스테인리스강 부품), 2a…궤도 홈, 3…볼(전동체(轉動體)), 4…유지기, 5…베어링 공간, 6…시일 부재, 10…구름 베어링(조립품).

Claims

중량비로, C를 0.35~0.43%, Si를 0.5% 이하, Mn을 0.5% 이하, P를 0.04% 이하, S를 0.04% 이하, Cr을 15~17%, W를 0.1~0.3%, Mo를 1.5~3.0%, B를 0.001~0.005%, N을 0.12~0.18% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 고(高)내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어지고, 전체 외면의 표층부의 기지 조직이 잔류 오스테나이트와 마텐자이트를 포함하는 2상 혼합 조직으로 되어 있으며, 표면 경도가 HRC57 이상인, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 1에 있어서,
상기 2상 혼합 조직은, 13체적% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함하고 있는, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 2상 혼합 조직에 분산되어 있는 탄화물의 개수의 95% 이상은, 장경이 10μm 이하인, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
JIS Z2371 규격에 의한 중성 염수 분무 시험을 96시간 실시한 후의 레이팅 넘버가 9.8 이상인, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고내식 스테인리스강 부품은, 질소 분압 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만의 질소 분위기에서 1050~1120℃의 범위 내의 온도까지 가열되어 담금질되어 있는, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 5에 있어서,
상기 고내식 스테인리스강 부품은, 상기 담금질 후에, -30~-90℃의 범위 내의 온도까지 냉각하는 서브 제로 처리가 실시되고 나서, 150~200℃의 범위 내의 온도까지 가열되어 뜨임되어 있는, 고내식 스테인리스강 부품.
청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고내식 스테인리스강 부품은 구름 베어링의 궤도륜인, 고내식 스테인리스강 부품.
내륜과 외륜 사이에 복수의 전동체(轉動體)를 배치한 구름 베어링에 있어서, 적어도 외륜 또는 내륜이 청구항 7에 기재된 궤도륜인, 구름 베어링.
내륜과 외륜 사이에 복수의 전동체를 배치한 구름 베어링에 있어서, 내륜 및 외륜이 청구항 7에 기재된 궤도륜인, 구름 베어링.
복수의 단체(單體) 부품을 포함하는 조립품으로서, 적어도 하나의 상기 단체 부품이 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 기재된 고내식 스테인리스강 부품인, 조립품.
중량비로, C를 0.35~0.43%, Si를 0.5% 이하, Mn을 0.5% 이하, P를 0.04% 이하, S를 0.04% 이하, Cr을 15~17%, W를 0.1~0.3%, Mo를 1.5~3.0%, B를 0.001~0.005%, N을 0.12~0.18% 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피 불순물로 이루어지는 고내식 마텐자이트계 스테인리스강으로 이루어지는 중간 부품을 준비하는 단계와,
상기 중간 부품을 질소 분압 1000Pa 이상, 또한 10000Pa 미만의 질소 분위기에 있어서, 1050~1120℃의 범위 내의 온도까지 가열하여 담금질하는 단계
를 포함하는, 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 담금질 후에, 상기 중간 부품을 -30~-90℃의 범위 내의 온도까지 냉각하는 서브 제로 처리의 단계와,
상기 서브 제로 처리 후에 150~200℃의 범위 내의 온도까지 가열하여 뜨임하는 단계
를 포함하는, 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법.
청구항 11 또는 청구항 12에 있어서,
상기 스테인리스강 부품이, 구름 베어링의 궤도륜인, 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법.
청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 고내식 스테인리스강 부품의 열처리 방법을 포함하는, 고내식 스테인리스강 부품의 제조 방법.
내륜과 외륜 사이에 복수의 전동체를 배치한 구름 베어링의 제조 방법으로서, 적어도 내륜 또는 외륜이 청구항 14에 기재된 고내식 스테인리스강 부품의 제조 방법으로 제조되는, 구름 베어링의 제조 방법.