KR100629217B1

KR100629217B1 - 인성 및 준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 우수한표면경화 베어링용 강

Info

Publication number: KR100629217B1
Application number: KR1020047011130A
Authority: KR
Inventors: 마츠자키아키히로; 이와모토타카시; 고토마사오; 키자와카츠히코
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤; 가부시키가이샤 제이텍트
Priority date: 2002-04-18
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2006-09-27
Also published as: JP4313983B2; US20050081962A1; JP2003306743A; WO2003087421A1; CN1297680C; EP1496132A4; EP1496132A1; KR20040071326A; US7413704B2; CN1617943A

Abstract

준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 우수하고, 게다가 상온에서의 인성도 우수한 표면경화 베어링용 강을 제공한다. 구체적 해결수단은 하기와 같다. 질량％로, C: 0.15질량％ 이상, 0.25질량％ 이하, Si: 0.5질량％ 이상, 2.O질량％ 이하, Mn: 0.3질량％ 이상, 2.O질량％ 이하, Cr: 1.3질량％ 이상, 2.5질량％ 이하, Mo: 0.3질량％ 이상, 1.O질량％ 이하 및 0: 0.0012질량％ 이하를, (Si＋Mo)≥1.O질량％를 만족하는 범위에서 함유하고, 잔부는 철 및 불가피한 불순물의 조성으로 하며, 또한 산화물계 비금속 개재물의 최대 직경을, 피검면적이 320mm²인 때에 12.5㎛ 이하, 아울러 등가원의 직경이 3㎛ 이상의 산화물계 비금속 개재물의 개수를, 피검면적이 320mm²인 때에 250개 이하로 하고, 더욱이 침탄처리에 의하여, 표층부의 C농도를 0.7질량％ 이상, 1.2％ 이하의 범위로 조정한다.

베어링용 강, 표면경화 베어링, 구름 베어링, 구름접촉 피로수명, 인성.

Description

인성 및 준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 우수한 표면경화 베어링용 강{STEEL FOR CASE HARDENING BEARING EXCELLENT IN TOUGHNESS AND ROLLING FATIGUE LIFE IN QUASI-HIGH TEMPERATURE REGION}

본 발명은, 로울러 베어링(roller bearing)이나 볼 베어링(ball bearing)과 같은 구름 베어링(ball-and-roller bearing)에 사용되는 표면경화 베어링용 강(case hardening bearing steel)에 관한 것이다.

특히, 베어링의 사용환경의 가혹화, 그 중에서도 고속화, 고면압화(高面壓化)에 따른 사용온도의 상승에 적절하게 대응하여, 150℃로부터 250℃의 온도역(이하, 「준고온역(準高溫域, intermediate temperature)」이라 함)에서 사용하여도, 우수한 구름접촉 피로수명 특성(rolling contact fatigue life characteristic)을 발휘할 수가 있고, 또한 인성(toughness)도 우수한 내열 표면경화 베어링용 강에 관한 것이다.

구름 베어링 등에 사용되는 내열 베어링 재료는, 준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 길 것이 요구된다. 그 때문에, 예컨대 특공소54-41014호 공보에서는, 탄화물 형성원소를 다량으로 첨가함으로써, 상온 및 고온에 있어서의 특성의 개선을 꾀하고 있다. 또한, 특개평3-253542호 공보에서는, 뜨임연화저항(retardation of softening during tempering)에 착안하여, Si나 Mo를 증가시킨 강재(鋼材)를 제안하고 있다. 그러나, 원래 인성이 낮은 베어링 강에 상기의 원소를 첨가하면, 더욱 인성이 저하한다. 사용상, 한계나 여러가지의 제약이 발생하고 있었다.

그 외에, 특개소63-60257호 공보에는, 성분중, 특히 S 및 O를 저감함으로써, 내피팅성(pitting resistance)이나 내구성을 개선한 침탄용 강이 제안되어 있다. 그러나, 이 강종(鋼種)에 있어서도, 준고온역에서는 반드시 안정한 구름접촉 피로수명을 얻을 수는 없었다.

발명의 개시

본 발명은, 상기의 문제를 유리하게 해결하는 것으로서, 준고온역(準高溫域)에서의 구름접촉 피로수명(rolling contact fatigue life)이 우수하고, 게다가 상온에서의 인성도 우수한 표면경화 베어링용 강(case hardening bearing steel)을 제안하는 것을 그 목적으로 한다.

발명자들은, 상기의 문제를 해결하도록 표면경화 강의 준고온역에서의 구름접촉 피로수명에 미치는 합금원소의 영향에 대하여 여러가지 검토를 행하였다. 표면경화 강의 경우, 표면으로부터 깊이 1mm 전후의 층만이 고C영역이 되어 경화되고 있기 때문에, 구름접촉 피로시의 응력상태가, 고탄소 베어링 강과는 다르다. 따라 서, 고탄소 베어링 강과는, 구름접촉 피로시의 조직변화 및 그에 미치는 합금원소의 영향이 다르다고 생각된다.

거기에서, 발명자들은, 이 점에 관하여 합금원소의 영향을 검토한 결과, Si나 Mo의 증가가 유효하다는 것을 밝혀냈다.

또한, 준고온역에서의 구름접촉 피로수명은, 단지 금속조직에만 지배되는 것이 아니라, 산화물계 비금속 개재물(oxide nonmetallic inclusion)의 존재에도 강하게 영향을 받는다는 것을 알았다. 특히 산화물계 비금속 개재물의 사이즈 및 개수를 제어하는 것이, 준고온역에서의 구름접촉 피로수명의 개선에 극히 유효하다는 것을 새롭게 알았다.

더욱이, 이러한 고합금 타입의 베어링 강의 인성을 개선하기 위한 수법에 대하여도 여러가지의 검토를 행한 결과, 강재의 내부의 C량을 저하시켜, 표층부만을 침탄처리에 의하여 적절한 C농도로 조정하면, 고온역(高溫域)에서의 우수한 구름접촉 피로수명과 동시에, 인성도 아울러 확보할 수 있다는 것을 알았다.

본 발명은, 상기의 지견(知見)에 입각한 것이다.

즉, 본 발명은,

C : 0.15질량％ 이상, 0.25질량％ 이하,

Si : 0.5질량％ 이상, 2.O질량％ 이하,

Mn : 0.3질량％ 이상, 2.O질량％ 이하,

Cr : 1.3질량％ 이상, 2.5질량％ 이하,

Mo : 0.3질량％ 이상, 1.0질량％ 이하, 및

O : 0.0012질량％ 이하를,

(Si＋Mo）≥ 1.O질량％를 만족하는 범위에서 함유하고, 잔부(殘部)는 철 및 불가피한 불순물의 조성으로부터 이루어지고, 또한 산화물계 비금속 개재물의 최대 직경이 피검면적(被檢面積)이 320mm²인 때에 12.5㎛ 이하이며, 또한 등가원의 직경(diameter of the equivalent circle)이 3㎛ 이상의 산화물계 비금속 개재물의 개수가 피검면적이 320mm²인 때에 250개 이하이고, 더욱이 침탄처리에 의하여, 표층부의 C농도를 0.7질량％ 이하, 1.2질량％ 이하의 범위로 조정한 것을 특징으로 하는, 인성 및 준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 우수한 표면경화 베어링용 강이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

이하, 본 발명에 있어서, 강의 성분조성을 상기의 범위로 한정한 이유에 대하여 설명한다.

C : 0.15질량％ 이상, 0.25질량％ 이하

C는, 기지(基地)에 고용하거나 또는 탄화물을 형성하여, 강재의 강도, 인성의 향상에 기여하는 원소이다. 베어링 부재의 강도 및 인성의 확보를 위하여 함유시킨다. 그러나, 함유량이 0.15질량％ 미만에서는 그 첨가효과가 부족하며, 한편 0.25질량％ 초과에서는 필요 이상으로 경화하고, 또한 인성도 저하하므로, C는 0.15질량％ 이상, 0.25질량％ 이하의 범위로 한정하였다.

Si : 0.5질량％ 이상, 2.O질량％ 이하

Si는, 기지에 고용하여 뜨임연화저항(retardation of softening during tempering)의 증대에 의하여, 담금질, 뜨임후의 강도를 높여 준고온역에서의 구름접촉 피로수명을 향상시키는 유용원소이다. 그러나, 함유량이 0.5질량％에 미치지 못하면 그 첨가효과가 부족하고, 한편 2.O질량％를 초과하면 가공성이 저하하기 때문에, Si는 0.5질량％ 이상, 2.O질량％ 이하의 범위로 한정하였다.

Mn : 0.3질량％ 이상, 2.O질량％ 이하

Mn은, 강의 담금질성을 향상시키는 것에 의하여 기지 마르텐사이트(martensite)의 인성, 경도를 향상시켜, 구름접촉 피로수명의 향상에 유효하게 작용한다. 이 목적을 위해서는, 적어도 0.3질량％를 함유시킬 필요가 있지만, 함유량이 너무 지나치게 많으면 피삭성(被削性)을 현저하게 열화시키므로, Mn은 0.3질량％ 이상, 2.O질량％ 이하의 범위로 한정하였다.

Cr : 1.3질량％ 이상, 2.5질량％ 이하

Cr은, 담금질성의 향상, 강도의 향상 및 내마모성의 향상에 유효하게 기여하고, 나아가서는 구름접촉 피로수명을 향상시키는 유용성분이다. 그러나, 함유량이 1.3질량％에 미치지 못하면 그 첨가효과가 부족하고, 한편 2.5질량％ 초과에서는 구름접촉 피로수명 및 피삭성이 열화하므로, Cr은 1.3질량％ 이상, 2.5질량％ 이하의 범위로 한정하였다.

Mo : 0.3질량％ 이상, 1.O질량％ 이하

Mo은, 기지에 고용하여 뜨임연화저항의 증대에 의하여 담금질, 뜨임후의 강도를 높여 준고온역에서의 구름접촉 피로수명을 향상시키는 원소로서 유효하게 기 여한다. 그러나, 함유량이 0.3질량％에 미치지 못하면 그 첨가효과가 부족하고, 한편 1.0질량％를 초과하면 가공성이 저하하기 때문에, Mo은 0.3질량％ 이상, 1.O질량％ 이하의 범위로 한정하였다.

(Si＋Mo）≥ 1.O질량％

본 발명에서 목표로 하는, 고온 뜨임후에 우수한 경도와 준고온역에서 우수한 구름접촉 피로수명을 얻기 위해서는, 상기한 성분 중에서도 특히 Si와 Mo이 중요하고, 전술한 소망의 효과를 안정하게 얻기 위해서는, 이들의 원소를 합계로 1.O질량％ 이상 함유시키는 것이 불가결하다. 따라서, 본 발명에서는 (Si＋Mo）≥ 1.O질량％의 범위로 한정하였다.

O : 0.0012질량％ 이하

본 발명에서는, 산화물계 비금속 개재물의 사이즈 및 개수를 제어하는 것이 중요하다. 그를 위해서는 산화물계 비금속 개재물의 형성원소인 산소는 극력저감하는 것이 바람직하다. 이 관점으로부터, 산소는 0.0012질량％ 이하로 억제한다.

이상, 본 발명의 최적 성분조성범위에 대하여 설명하였지만, 본 발명에서 기대한 목적도 달성하기 위해서는, 성분조성을 상기의 범위로 한정하는 것만으로는 불충분하고, 강중에 형성되는 산화물계 비금속 개재물의 사이즈와 개수를 아울러 제어하는 것이 중요하다.

즉, 발명자들은, 구름접촉 피로수명 및 인성에 악영향을 미치는 산화물계 비금속 개재물에 대하여, 그 사이즈와 개수에 대하여 계통적인 연구를 행하였다. 그 결과, 사이즈와 개수를 동시로 제어함으로써 준고온역에서 우수한 구름접촉 피로수 명을 얻을 수 있다는 것을 발견했다.

즉, 산화물계 비금속 개재물의 최대 직경을 12.5㎛ 이하로 억제함과 동시에, 등가원의 직경이 3㎛ 이상의 산화물계 비금속 개재물의 개수를, 피검면적이 320mm²인 때에 250개 이하로 제어함으로써, 준고온역에 있어서 우수한 구름접촉 피로수명을 얻을 수 있다는 것을 알았다.

여기에, 산화물계 비금속 개재물의 사이즈와 개수를 상기의 범위로 제어하는 데는, 강중 산소함유량을 0.0012질량％ 이하로 억제하고, 강재의 제조공정 중, 특히 RH탈가스 등의 진공탈가스공정(vacuum degassing process)에 있어서 탈가스 시간을 연장하여, 개재물의 분리, 미세화, 부상(浮上)을 촉진하는 것이 적절하다.

또한, 탈가스공정 이외의 제조공정에 대하여는, 특히 한정됨이 없이, 종래부터의 공지의 방법에 따라서 행하면 좋다.

또한, 본 발명에서는, 상기의 강재를 제조한 후, 침탄처리에 의하여, 강재의 표층부의 C농도를 0.7질량％ 이상, 1.2질량％ 이하의 범위로 조정하는 것이 중요하다.

침탄처리를 실시하는 것에 의하여, 표면이 단단하게 될 뿐만 아니라, 압축잔류응력(residual compressive stress)이 부여되어, 구름접촉 피로수명이 향상된다. 표층부의 C농도가 0.7질량％에 미치지 못하면 상기의 효과를 얻을 수 없고, 한편 1.2질량％ 초과에서는 필요 이상으로 경도가 상승하여, 구름접촉 피로과정에서의 조직변화에 따른 수명열화를 야기한다. 표층부의 C농도는 0.7질량％ 이상, 1.2질량 ％ 이하의 범위로 한정하였다.

여기에서, 표층부와는, 강의 표면으로부터 0.5mm 깊이까지의 범위를 말한다. 또한, 표층부의 C농도를 상기의 범위로 제어하기 위해서는, 침탄처리를, 카본 포텐셜(carbon potential)이 0.7％에서부터 1.2％의 조건으로 행하면 좋다.

전로정련후, RH탈가스처리를 실시한 후, 연속주조에 의하여, 표 1에 나타낸 여러가지의 성분조성이 되는 다수의 블룸(bloom)을 제조하였다. 계속하여, 1240℃，30시간의 확산소둔을 행한 후, 직경 65mm의 봉강(棒鋼)으로 압연하였다. 그 후, 상기 봉강에 연화소둔을 실시한 후, 충격시험편 및 구름접촉 피로시험편의 형상으로 가공하였다. 또한, 상기의 제조공정 중, 산화물계 비금속 개재물의 석출상태의 제어는, RH탈가스처리시의 탈가스 시간의 조정에 의하여 행하고, 발명예에 있어서는 종래예보다도 탈가스 시간을 연장했다.

충격시험편은, 반경:20mm의 원형 노치(깊이:3mm)를 갖는 10mm²의 샤르피(charpy) 시험편, 또한 구름접촉 피로시험편은, 스러스트형(thrust type) 시험편으로 하였다.

상기한 바와 같이 가공된 각 시험편에 대하여, No.1의 종래예(SUJ2)는 담금질ㆍ뜨임처리를, 또한 발명예 및 비교예는 어느 것이나, 침탄담금질ㆍ뜨임처리를 실시한 후, 각 시험에 제공하였다.

또한, 구름접촉 피로수명은, 스러스트 시험에 있어서의 시험 윤활유 온도를 150℃로 하고, 누적파손확률(cumulative failure probability)이 10％인 때의 파단까지의 응력부하회수(stress loading number, B10수명)을 구하여, 종래예(SUJ2)의 수명을 1이라고 했을 때의 상대값으로 평가하였다.

얻어진 결과를 표 1에 나타내었다. 성분조성 및 개재물 조건이 본 발명의 요건을 만족하는 발명예 No.2, 3, 4, 5 및 No.14는 어느 것이나, 중심부의 인성은 물론, 준고온역에서의 구름접촉 피로수명이 종래예에 비하여 현격히 향상되어 있다.

이에 대하여, 비교예 No.6, 7은, 합금성분은 본 발명의 적정범위를 만족하고 있지만, O량과 개재물 조건이 본 발명의 적정범위로부터 벗어나고 있다. 구름접촉 피로수명은, 종래예에 비교하면 높지만, 발명예에 비교하면 낮아, 충분한 개선효과가 얻어지지 않고 있다.

비교예 No.8은, C량이 본 발명의 상한을 초과하고 있기 때문에, 구름접촉 피로수명은 종래예에 비하여 향상되고 있지만, 중심부의 경도가 높고, 인성이 현저하게 저하되어 있다.

비교예 No.9는, C량이 본 발명의 하한에 미치지 못하기 때문에, 구름접촉 피로수명은 종래예에 비하여 향상되고 있지만, 중심부의 경도가 낮고, 강도부족이었다.

비교예 No.10, 11, 12는, 성분조성이 본 발명의 적정범위를 일탈하고 있기 때문에, 충분히 만족할 정도의 구름접촉 피로수명의 개선효과가 얻어지지 않고 있다.

비교예 No.13, 15는, 발명예 No.14와 동일조성의 강이며, 침탄조건을 바꾸어 침탄후의 표층부의 C량을 변화시킨 것이다. 비교예 No.13, 15는 침탄후의 표층부의 C량이 본 발명의 적정범위를 일탈하고 있으므로, 인성은 양호하였지만, 구름접촉 피로수명은 현저하게 낮다.

본 발명에 의하면, 준고온역에서의 구름접촉 피로수명과 상온에서의 인성을 양립시킨 표면경화 베어링용 강을 안정하게 제공할 수가 있고, 베어링의 장수명화(長壽命化) 및 안전성의 향상에 크게 공헌한다.

Claims

C : 0.15질량％ 이상, O.25질량％ 이하,

Si : 0.5질량％ 이상, 2.O질량％ 이하,

Mn : O.3질량％ 이상, 2.O질량％ 이하,

Cr : 1.3질량％ 이상, 2.5질량％ 이하,

Mo : 0.3질량％ 이상, 1.O질량％ 이하, 및

0 : 0.0012질량％ 이하를,

(Si＋Mo）≥ 1.O질량％를 만족하는 범위에서 함유하고, 잔부(殘部)는 철 및 불가피한 불순물의 조성으로부터 이루어지며, 또한 산화물계 비금속 개재물(oxide nonmetallic inclusion)의 최대 직경이 피검면적(被檢面積)이 320mm²인 때에 12.5㎛ 이하이고, 아울러 등가원의 직경(diameter of the equivalent circle)이 3㎛ 이상의 산화물계 비금속 개재물의 개수가 피검면적이 320mm²인 때에 250개 이하이며, 더욱이 침탄처리에 의하여, 표층부의 C농도를 0.7질량％ 이상, 1.2질량％ 이하의 범위로 조정한 것을 특징으로 하는, 인성(toughness) 및 준고온역(準高溫域, intermediate temperature)에서의 구름접촉 피로수명(rolling contact fatigue life)이 우수한 표면경화 베어링용 강(case hardening bearing steel).