KR20030044797A - 베어링 부품, 그 열처리 방법 및 구름 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전동 피로에 대해 장수명이며, 높은 균열강도를 가지며 또한 경년 치수 변화율의 증대가 억제된 베어링 부품, 그 열처리 방법 및 구름 베어링을 제공한다.
베어링 부품(1, 2, 3)의 강을 A1 변태점을 초과하는 침탄질화 처리 온도(T1)로 침탄질화 처리 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각한 후, A1 변태점 이상이며 침탄질화 처리 온도 미만의 담금질 온도(T2)로 재가열하고, 그 후 담금질을 행한다.

Description

베어링 부품, 그 열처리 방법 및 구름 베어링{Bearing Part, Heat Treatment Method Thereof, and Rolling Bearing}
본 발명은 자동차의 컴프레서 등에 사용되는 구름 베어링, 거기에 사용되는 베어링 부품 및 그 열처리 방법에 관한 것이다.
베어링 부품의 전동 피로에 대해 장수명(長壽命)을 가지게 하는 열처리 방법으로서, 담금질 가열시의 분위기 RX 가스 중에 또한 암모니아 가스를 첨가하는 등 그 베어링 부품의 표층부에 침탄질화 처리를 시행하는 방법이 있다(예를 들면, 일본 특개평8-4774호 공보, 일본 특개평11-101247호 공보). 이러한 침탄질화 처리를 이용함으로써, 표층부를 경화시키고, 또한 마이크로 조직 중에 잔류 오스테나이트를 생성시켜 전동 피로수명을 향상시킬 수 있다.
그러나 상기한 침탄질화 처리 방법은 확산 처리이므로, 장시간 고온으로 유지할 필요가 있기 때문에 조직이 조대화되는 등 균열강도의 향상을 도모하는 것은 곤란하다. 또한 잔류 오스테나이트의 증가에 의한 경년 치수 변화율의 증대도 문제가 된다.
한편, 전동 피로에 대해 장수명을 확보하고, 균열강도를 향상시키고, 경년치수 변화율의 증대를 막는 데에는 강의 합금 설계에 의해 행하는 것이 가능하다. 그러나 합금 설계에 의하면 원재료 코스트가 높아지는 등의 문제점이 발생한다.
금후의 베어링 부품은 사용 환경의 고하중화, 고온화에 수반하여, 종래보다도 큰 하중 조건이면서 또한 보다 고온에서 사용할 수 있는 특성을 구비하는 것이 요구된다. 이 때문에 전동 피로 특성이 장수명이고, 고도의 균열강도와 치수 안정성을 갖는 베어링 부품이 필요하게 된다.
본 발명은 전동 피로에 대해 장수명이며 고도의 균열강도를 가지며 경년 치수 변화율의 증대가 억제된 베어링 부품, 그 열처리 방법 및 구름 베어링을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 베어링 부품의 열처리 방법은, 베어링 부품의 열처리 방법으로서, 베어링 부품용 강을 A1 변태점을 초과하는 침탄질화 처리 온도에서 침탄질화 처리한 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각하고, 그 후, A1 변태점 이상이며 침탄질화 처리 온도 미만의 담금질 온도로 재가열하여 담금질을 행한다.
이 구성에 의해, 침탄질화 처리 후 A1 변태점 미만의 온도로 냉각한 후에 최종적인 담금질을 행하기 때문에 오스테나이트 입경을 미세하게 할 수 있다. 이 결과, 샤르피(Charpy) 충격치, 파괴 인성치, 균열강도, 전동 피로수명 등을 향상시킬 수 있다.
또한, 예를 들면 오스테나이트가 변태하는 온도까지 냉각함에 의해, 침탄질화 처리할 때의 오스테나이트 입계와 최종 담금질 할 때의 오스테나이트 입계를 무관하게 할 수 있다. 또한 최종 담금질할 때의 가열 온도가 침탄질화 처리시의 가열 온도보다도 낮기 때문에 침탄질화 처리 효과가 미치는 표층부에 있어서의 미용해 탄화물이나 미용해 질화물 양은 침탄질화 처리할 때보다 증대된다. 이 때문에 최종 담금질의 가열 온도에 있어서, 침탄질화 처리할 때보다 미용해 탄화물 등의 양의 비율이 증대하고, 오스테나이트 양의 비율이 저하된다. 게다가 철-탄소 2원 상태도(본 발명의 대상으로 하는 강은 탄소만을 포함하는 것은 아니지만, 근사적으로 높은 정밀도로 철-탄소 2원 상태도를 적용할 수 있다)로부터, 상기 석출물과 오스테나이트와의 공존 영역에 있어서, 담금질 온도의 저하에 수반하여 오스테나이트에 고용되는 탄소 농도도 낮아진다.
최종 담금질 온도로 가열한 때, 오스테나이트 입자의 성장을 방해하는 미용해 시멘타이트 양이 많기 때문에 오스테나이트 입자는 미세하게 된다. 또한 담금질에 의해 오스테나이트로부터 마르텐사이트나 베이나이트로 변태한 조직은 탄소 농도가 낮기 때문에 침탄질화 처리 온도에서 담금질한 조직과 비교하여 인성이 풍부한 조직으로 된다.
또한 베어링 부품용 강이란, 베어링 부품에 보통 사용되는 강으로서, 보통 담금질 등의 열처리가 적용되어 사용되는 강이다.
상기 본 발명의 베어링 부품의 열처리 방법에서는, 재가열시의 담금질 온도의 온도 영역을 790℃ 내지 830℃의 온도 영역으로 할 수 있다.
이 구성에 의해, 오스테나이트 결정립의 성장이 생기기 어려운 온도로 재가열하여 담금질하기 때문에 오스테나이트 입경을 미세하게 할 수 있다.
본 발명의 베어링 부품은, 상기한 어느 하나의 베어링 부품의 열처리 방법이 행하여지고, 오스테나이트 결정 입경을 평균 입경으로 8㎛ 이하로 할 수 있다.
오스테나이트 입경을 평균 입경으로 8㎛ 이하로 함으로써, 전동 피로강도뿐만 아니라, 샤르피 충격치, 파괴 인성치, 압괴(押壞)강도 등을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 베어링 부품은, 베어링 부품용 강으로 이루어진 베어링 부품으로서, 침탄질화층을 구비하고, 담금질 후의 마이크로 조직에 있어서, 그 오스테나이트 결정립이 평균 입경으로 8㎛ 이하이다.
이 구성에 의해, 높은 전동 피로수명을 갖고 있으면서, 어느 것이나 우수한 샤르피 충격치, 파괴 인성치, 압괴강도 등을 확보할 수 있다.
본 발명의 베어링 부품의 강은, 침탄질화 처리된 표층 이외의 부분에서, 적어도 탄소를 0.6 내지 1.2중량%, 규소를 0.15 내지 1.1중량%, 망간을 0.3 내지 1.5중량% 함유할 수 있다.
상기한 구성에 있어서, 탄소가 1.2중량%를 초과하면 구상화 소둔을 행하여도 소재 경도가 높기 때문에 냉간 가공성을 저해하고, 냉간 가공을 행하는 경우에 충분한 냉간 가공량과 가공 정밀도를 얻을 수 없다. 또한 침탄질화 처리시에 과침탄 조직으로 되기 쉽고, 균열강도가 저하될 위험성이 있다. 다른 한편, 탄소 함유량이 0.6중량% 미만의 경우에는, 필요한 표면 경도와 잔류 오스테나이트 양을 확보하는데 장시간을 필요로 하거나, 재가열 후의 담금질로 필요한 내부 경도를 얻기 어렵게 된다.
Si 함유율을 0.15 내지 1.1중량%로 하는 것은, Si가 내템퍼링 연화 저항을높이고 내열성을 확보하고, 이물 혼입 윤활하에서의 구름 피로수명 특성을 개선할 수 있기 때문이다. 실리콘 함유율이 0.15중량% 미만에서는 이물 혼입 윤활하에서의 구름 피로수명 특성이 개선되지 않고, 한편, 1.1중량%를 초과하면 노르말라이징(normalizing) 후의 경도를 너무 높게 하여 냉간 가공성을 저해한다.
Mn은 침탄질화층과 심부의 담금질 경화능을 확보하는데 유효하다. Mn 함유율이 0.3중량% 미만에서는 충분한 담금질 경화능을 얻을 수 없고, 심부에 있어서 충분한 강도를 확보할 수 없다. 한편, Mn 함유율이 1.5중량%를 초과하면, 경화능이 너무 과대하게 되어 노르말라이징 후의 경도가 높아지고 냉간 가공성이 저해된다. 또한 오스테나이트가 너무 안정화되어 심부의 잔류 오스테나이트 양을 과대하게 하여 경년 치수 변화를 조장한다.
또한 본 발명의 강은, 말할 것도 없이 Fe를 주성분으로 하고, 상기한 원소 외에 불가피적 불순물을 함유하고 있다. 불가피적 불순물로서는, 인(P), 유황(S), 질소(N), 산소(0), 알루미늄(Al) 등이 있다. 이들의 불가피적 불순물 원소의 양은 각각 0.1중량% 이하이다.
본 발명의 베어링 부품의 강은, 또한 2.O중량% 이하의 크롬을 함유할 수 있다.
상기한 바와 같이, 또한 2.0중량% 이하의 크롬을 함유함에 의해 표층부에 있어서 크롬의 탄화물이나 질화물을 석출하여 표층부의 경도를 향상하기 쉬워진다. Cr 함유율을 2.0중량% 이하로 한 것은, 2.O중량%를 초과하면 냉간 가공성이 현저하게 저하되며, 2.0중량%를 초과하여 함유하더라도 상기 표층부의 경도 향상의 효과가 작기 때문이다.
본 발명의 베어링 부품은, 구름 베어링에 있어서의 궤도륜 및 전동체의 적어도 한쪽일 수 있다.
이 구성에 의해, 전동 피로수명이 우수하고, 높은 내균열성을 갖는 궤도륜 및/또는 전동체를 얻을 수 있다.
본 발명의 구름 베어링은, 상기한 어느 하나의 베어링 부품을 포함할 수 있다.
이 구성에 의해, 피로수명에 대한 내구성이 우수하고 높은 내균열성을 갖는 구름 베어링을 얻을 수 있다.
본 발명의 구름 베어링은 내륜, 외륜 및 복수의 전동체를 갖는 구름 베어링이다. 이 구름 베어링에서는 내륜, 외륜 및 전동체중 적어도 어느 하나의 부재가 침탄질화층을 가지며 그 부재의 오스테나이트 결정립의 입도 번호가 10번을 초과하는데 있다.
오스테나이트 입경이 미세함에 의해, 전동 피로수명을 대폭적으로 개선할 수 있다. 오스테나이트 입경의 입도 번호가 10번 이하에서는, 전동 피로수명은 크게 개선되지 않기 때문에 10번을 초과하는 범위로 한다. 보통, 11번 이상으로 한다. 오스테나이트 입경은 세밀할수록 바람직하지만, 보통, 13번을 초과하는 입도 번호를 얻는 것은 어렵다. 또한 상기한 베어링 부품의 오스테나이트 입자는, 침탄질화 처리의 영향을 크게 받고 있는 표층부에서도, 그보다 내측의 내부에서도 변화하지 않는다. 따라서 상기한 결정 입도 번호의 범위의 대상이 되는 위치는 표층부 및 내부로 한다.
상기한 구름 베어링에 있어서의 내륜, 외륜 및 복수의 전동체 중의 어느 하나의 부재는 구름 베어링에 조립되는 베어링 부품이다. 그 베어링 부품의 오스테나이트 입자의 입도 번호가 상기 범위에 있을 때 전동 피로수명이 향상된다.
본 발명의 구름 베어링은 내륜, 외륜 및 복수의 전동체를 갖는 구름 베어링에 있어서, 내륜, 외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 부재가 침탄질화층을 갖는 강을 포함하고, 파괴 응력치가 2650MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
본원 발명자들은, 베어링 부품용의 강을 A1 변태점을 초과하는 침탄질화 처리 온도로 침탄질화 처리한 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각하고, 그 후에 A1 변태점 이상의 담금질 온도 영역으로 재가열하여 담금질을 행함으로써, 침탄질화 처리층을 갖는 강의 파괴 응력치를, 종래에서는 얻어지지 않았던 2650MPa 이상이 가능한 것을 발견하였다. 이로써, 종래보다도 파괴 응력치가 우수하고, 그로 인해 강도가 높은 구름 베어링을 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 베어링 부품은 구름 베어링에 조립되는 베어링 부품으로서, 침탄질화층을 갖는 강을 포함하고, 파괴 응력치가 2650MPa 이상인 것을 특징으로 한다.
이 베어링 부품에 있어서도, 상술한 구름 베어링과 마찬가지로 종래보다도 파괴 응력치가 우수하고, 그로 인해 균열강도가 높은 베어링 부품을 얻을 수 있다.
본 발명의 구름 베어링은 내륜, 외륜 및 복수의 전동체를 갖는 구름 베어링이다. 이 구름 베어링에서는 내륜, 외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 부재가침탄질화층을 가지며 그 부재의 수소 함유율이 0.5ppm 이하이다.
이 구성에 의해, 수소에 기인하는 강의 취화를 경감할 수 있다. 수소가 0.5ppm을 초과하면 균열강도가 저하되어 과혹한 하중이 가하여지는 부위에는 사용할 수 어렵게 된다. 수소량은 낮은 쪽이 바람직하다. 그러나 0.3ppm 미만으로 줄이기 위해서는 장시간의 가열이 필요하게 되고, 오스테나이트 입경이 조대화하여 오히려 인성이 열화되어 버린다. 이 때문에 보다 바람직한 수소 수소량은 0.3 내지 0.5ppm의 범위이다. 더욱 바람직한 것은 0.35 내지 0.45ppm의 범위이다.
또한 상기한 수소 함유율은, 확산성 수소는 측정의 대상으로는 하지 않고, 소정 온도 이상에서 강으로부터 방출되는 비확산성 수소만을 측정의 대상으로 한다. 확산성 수소량은 샘플 사이즈가 작으면, 상온에서도 샘플로부터 방출되어 흩어져 빠저나가 버리기 때문에 측정 대상에서 제외하고 있다. 비확산성 수소는 강중의 결함부 등에 트랩되어 있고, 소정의 가열 온도 이상에서 비로서 샘플로부터 방출되는 수소이다. 이 비확산성 수소로 한정하더라도, 수소 함유율은 측정 방법에 따라 크게 변동한다. 상기한 수소 함유율 범위는 열전도도법에 의한 측정 방법에 의한 범위이다, 또한 후기하는 바와 같이, LECO사제 DH-103형 수소 분석장치 또는 그것에 준하는 측정장치를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다.
또한 상기한 부재의 오스테나이트 입자의 입도 번호가 10번을 초과하는 것이 바람직하다.
오스테나이트 입경이 미세함에 의해, 전동 피로수명을 대폭적으로 개선할 수 있다. 오스테나이트 입경의 입도 번호가 10번 이하에서는, 고온하에서의 전동 피로수명은 크게 개선되지 않기 때문에 10번을 초과하는 입도 번호로 한다. 오스테나이트 입경은 세밀할수록 바람직하지만, 보통, 13번을 초과하는 입도 번호를 얻기는 어렵다. 또한 상기한 베어링 부품의 오스테나이트 입자는 침탄질화 처리의 영향을 크게 받고 있는 표층부에서도, 그보다 내측의 내부에서도 변화하지 않는다.
상기한 구름 베어링에 있어서의 내륜, 외륜 및 복수의 전동체 중의 어느 하나의 부재는 구름 베어링에 조립되는 베어링 부품이다. 그 베어링 부품의 수소 함유율이 상기 범위에 있을 때 균열강도가 향상되고, 또한 더하여 그 오스테나이트 입자의 입도 번호가 상기 범위에 있을 때 전동 피로수명이 향상한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 구름 베어링을 도시한 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 열처리 방법을 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 열처리 방법의 변형예를 설명하는 도면.
도 4A 및 도 4B는 베어링 부품의 조직, 특히 오스테나이트 입자를 도시한 도면으로서. 도 4A는 본 발명예의 베어링 부품, 도 4B는 종래의 베어링 부품.
도 5A는 도 4A를 도시한 오스테나이트 입계를 도시한 도면이며, 도 5B는 도 4B를 도시한 오스테나이트 입계를 도시한 도면.
도 6은 정압괴(靜壓壞)강도 시험(파괴 응력치 측정)의 시험편을 도시한 도면.
도 7A 및 도 7B는 전동 피로수명 시험기의 개략도로서, 도 7A는 정면도, 도 7B는 측면도.
도 8은 정적 파괴 인성 시험의 시험편을 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 외륜2 : 내륜
3 : 전동체10 : 구름 베어링
11 : 구동 롤12 : 안내 롤
13 : (3/4)"볼21 : 전동 피로수명 시험편
T1 : 침탄질화 처리 온도T2 : 담금질 가열 온도
다음에 도면을 이용하여 본 발명의 실시 형태에 관해 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 구름 베어링을 도시한 개략 단면도이다. 도 1에 있어서, 구름 베어링(10)은 외륜(1)과 내륜(2)과 전동체(3)를 주로 갖고 있다. 도면은 레이디얼 베어링을 도시하고 있지만, 볼 베어링, 원추 롤러 베어링, 롤러 베어링, 니들 롤러 베어링도 마찬가지로 본 발명의 실시 형태의 대상이 된다. 전동체(3)는 외륜(1)과 내륜(2) 사이에 배열된 지지기에 의해 전동 가능하게 지지되어 있다.
이들의 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 그 강재의 오스테나이트 결정립의 평균 입경이 8㎛ 이하이다.
이들의 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 그 강재의 표층 이외의 부분에서 탄소를 0.6내지 1.2중량%, 규소를 0.15 내지 1.1중량%, 망간을 0.3 내지 1.5중량% 함유한다. 또한 소정의 경우에는, 또한 2중량% 이하의 크롬을 함유한다.
이들의 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 파괴 응력치가 2650MPa 이상이다.
또한 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 그 강중의 수소 함유율이 0.5ppm 이하이다.
또한 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 그 부재의 오스테나이트 결정립의 입도 번호가 10번을 초과하는 범위에 있다.
또한 외륜(1), 내륜(2) 및 전동체(3)중 적어도 어느 하나의 부재는 침탄질화층을 갖는 강재로 이루어지고, 또한 그 샤르피 충격치가 6.2J/㎠ 이상이다.
다음에, 이들 구름 베어링의 외륜, 내륜 및 전동체의 적어도 하나의 베어링 부품에 행하는 침탄질화 처리를 포함하는 열처리에 관해 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시 형태에 있어서의 열처리 방법을 설명하는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시 형태에 있어서의 열처리 방법의 변형예를 설명하는 도면이다. 도 2는 1차 담금질 및 2차 담금질을 행하는 방법을 나타내는 열처리 패턴이고, 도 3은 담금질 도중에 재료를 A1 변태점 온도 미만으로 냉각하고, 그 후, 재가열하여 최종적으로 담금질하는 방법을 나타내는 열처리 패턴이다. 어느 것이나 본 발명의 실시 양태의 예이다. 이들 도면에 있어서, 처리(T1)(가열 온도 T1)에서는 강의 소지에 탄소나 질소를 확산시키고 또한 탄소의 용입을 충분히 행한 후, A1 변태점 미만으로 냉각한다. 다음에 도면중의 처리(T2)(가열 온도 T2)에 있어서, 처리(T1)보다도 저온으로 재가열하고, 그로부터 기름 담금질을 행한다. 처리(T2) 가열 온도(T2)는 침탄질화층에서는 철-탄소 2원계 상태도에 있어서, 과공석(過共析) 영역으로서, 오스테나이트와 석출물(시멘타이트나 질화물)과의 공존 영역에 해당한다.
상기한 열처리를 보통 담금질, 즉 침탄질화 처리에 계속하여 그대로 1회 담금질하는 것보다도, 표층 부분을 침탄질화하면서 균열강도를 향상시키고 경년 치수 변화율을 감소시킬 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기한 열처리 방법에 의하면, 오스테나이트 결정립의 입경을 종래의 2분의1 이하가 되는 마이크로 조직을 얻을 수 있다. 상기한 열처리를 받은 베어링 부품은 전동 피로 특성이 장수명이고 균열강도를 향상시키고 경년 치수 변화율도 감소시킬 수 있다.
도 4A 및 4B는 베어링 부품의 마이크로 조직, 특히 오스테나이트 입자를 도시한 도면이다. 도 4A는 본 발명예의 베어링 부품이고, 도 4B는 종래의 베어링 부품이다. 즉 상기 도 2에 도시한 열처리 패턴을 적용한 베어링강의 오스테나이트 결정 입도를 도 4A에 도시한다. 또한 비교를 위해, 종래의 열처리 방법에 의한 베어링강의 오스테나이트 결정 입도를 도 4B에 도시한다. 또한 도 5A 및 도 5B는 상기 도 4A 및 도 4B를 도시한 오스테나이트 결정립계를 도시한 도면이다. 이들 오스테나이트 결정 입도를 나타내는 조직으로부터 종래의 오스테나이트 입경은 JIS 규격의 입도 번호로 10번이고, 또한 본 발명에 의한 열처리 방법에 의하면 12번의 세립을 얻을 수 있다. 또한 도 4A의 평균 입경은 절편법으로 측정한 결과 5.6㎛이였다.
(실시예)
다음에 본 발명의 실시예에 관해 설명한다.
(실시예 1)
JIS 규격 SUJ 2재(1.O중량%C - 0.25중량%Si - 0.4중량%Mn - 1.5중량%Cr)를 사용하여 본 발명의 실시예 1을 행하였다. 표 1에 나타낸 각 시료의 제조 이력을 이하에 나타낸다.
(시료 A 내지 D ; 본 발명예) : 침탄질화 처리 850℃, 유지 시간 150분간, 분위기는 RX 가스와 암모니아 가스와의 혼합 가스로 하였다. 도 2에 도시한 열처리 패턴에 있어서, 침탄질화 처리 온도 850℃에서 1차 담금질을 행하고, 뒤이어 침탄질화 처리 온도보다 낮은 온도 영역 780℃ 내지 830℃로 가열하고 2차 담금질을 행하였다. 단, 2차 담금질 온도 780℃의 시료 A는 담금질 부족 때문에 시험 대상에서 제외하였다.
(시료 E, F ; 비교예) : 침탄질화 처리는 본 발명예 A 내지 D와 같은 이력으로 행하고, 2차 담금질 온도(T2)를 침탄질화 처리 온도 850℃ 이상의 850℃ 내지 87O℃에서 행하였다.
(종래 침탄질화 처리품 ; 비교예) : 침탄질화 처리 850℃, 유지 시간 150분간, 분위기는 RX 가스와 암모니아 가스와의 혼합 가스로 하였다. 침탄질화 처리 온도에서 그대로 담금질을 행하고, 2차 담금질은 행하지 않았다.
(보통 담금질품 ; 비교예) : 침탄질화 처리를 행하지 않고, 850℃로 가열하여 담금질하였다. 2차 담금질은 행하지 않았다.
상기한 시료에 대해, (1) 수소량의 측정, (2) 결정 입도의 측정, (3) 샤르피 충격 시험, (4) 파괴 응력치의 측정, (5) 전동 피로 시험의 각 시험을 행하였다. 다음에 이들의 시험 방법에 관해 설명한다.
Ⅰ. 실시예 1의 시험 방법
(1) 수소량의 측정
수소량은, LECO사제 DH-103형 수소 분석장치에 의해, 강중의 비확산성 수소량을 분석하였다. 확산성 수소량은 측정하지 않는다. 이 LECO사제 DH-103형 수소 분석장치의 사양을 하기에 나타낸다.
분석 범위 : 0.01 내지 50.00ppm
분석 정밀도 : ±0.1ppm 또는 ±3%H(어느 큰 쪽)
분석 감도 : 0.01ppm
검출 방식 : 열전도도법
시료 중량 사이즈 : 10mg 내지 35g(최대 : 직경 12㎜×길이 100㎜)
가열로 온도 범위 : 50℃ 내지 1100℃
시약 : 안하이드론(상품명, 주요성분 : Mg(ClO4)292%), 아스카라이트(상품명, 주요성분 : NaOH 80%)
캐리어 가스 : 질소 가스, 가스 도징 가스(gas dosing gas) : 수소 가스, 어느 가스도 순도 99.99%이상, 압력 40PSI(2.8kgf/㎠)이다.
측정 순서의 개요는 이하와 같다. 전용 샘플러로 채취한 시료를 샘플러마다 상기한 수소 분석장치에 삽입한다. 내부 확산성 수소는 질소 캐리어 가스에 의해 열전도도 검출기로 인도된다. 이 확산성성 수소는 본 실시예에서는 측정하지 않는다. 다음에, 샘플러로부터 시료를 꺼내고 저항 가열로 내에서 가열하여 비확산성 수소를 질소 캐리어 가스에 의해 열전도도 검출기로 인도한다. 열전도도 검출기에 있어서 열전도도를 측정함으로써 비확산성 수소량을 알 수 있다.
(2) 결정 입도의 측정
결정 입도의 측정은, JIS G 0551의 강의 오스테나이트 결정 입도 시험방법에 의거하여 행하였다.
(3) 샤르피 충격 시험
샤르피 충격 시험은, JIS Z 2242의 금속재료의 샤르피 충격 시험 방법에 의거하여 행하였다. 시험편은 JIS Z 2202에 나타낸 U노치 시험편(JIS3호 시험편)을 이용하였다.
(4) 파괴 응력치의 측정
도 6은 정압괴 강도 시험(파괴 응력치의 측정)의 시험편을 도시한 도면이다. 도면중의 P방향으로 하중을 부하하고 파괴되기 까지의 하중을 측정한다. 그 후, 얻어진 파괴 하중을 하기에 나타내는 만곡 빔(curved beam)의 응력 계산식에 의해 응력치로 환산한다. 또한 시험편은 도 6에 도시한 시험편에 한정되지 않고, 다른 형상의 시험편을 이용하여도 좋다.
도 6의 시험편의 볼록 표면에 있어서의 섬유 응력을 σ1, 오목 표면에 있어서의 섬유 응력을 σ2라고 하면, σ1및 σ2는 하기 식에 의해 구하여진다(기계공학편람 A4편 재료역학 A4-40). 여기서, N은 원환 형상 시험편의 축을 포함하는 단면의 축력(軸力), A는 횡단면적, e1은 외반경, e2는 내반경을 나타낸다. 또한 κ는 휘여진 빔의 단면 계수이다.
σ1= (N/A) + {M/(Aρ0)} [1 + e1/{κ(ρ0+ e1)}]
σ2= (N/A) + {M/(Aρ0)} [1 - e2/{κ(ρ0- e2)}]
κ = (1/A)∫A{η/(ρ0+ η)}dA
(5) 전동 피로 시험
전동 피로수명 시험의 시험 조건을 표 2에 나타낸다. 또한 도 7A 및 7B는 전동 피로수명 시험기의 개략도이다. 도 7A는 정면도이고, 도 7B는 측면도이다. 도 7A 및 7B에 있어서, 전동 피로수명 시험편(21)은 구동 롤(11)에 의해 구동되고,볼(13)과 접촉하여 회전한다. 볼(13)은, (3/4)"의 볼로서, 안내 롤에 가이드 되어 전동 피로수명 시험편(21) 사이에서 높은 면압을 서로 미치면서 전동한다.
Ⅱ. 실시예 1의 시험 결과
(1) 수소량
침탄질화 처리한 채로의 종래 침탄질화 처리품은, 0.72ppm으로 상당히 높은 값으로 되어 있다. 이것은, 침탄질화 처리의 분위기에 포함되는 암모니아(NH3)가 분해하여 수소가 강 중으로 침입하였기 때문이라고 생각된다. 이에 대해, 시료 B 내지 D는, 수소량은 0.37 내지 0.40ppm으로서 반분 가깝게 까지 감소한다. 이 수소량은 보통 담금질품과 같은 레벨이다.
상기한 수소량의 저감에 의해, 수소의 고용(固溶)에 기인하는 강의 취화를 경감할 수 있다. 즉, 수소량의 저감에 의해, 본 발명예의 시료 B 내지 D의 샤르피 충격치는 크게 개선되었다.
(2) 결정 입도
결정 입도는 2차 담금질 온도가, 침탄질화 처리시의 담금질(1차 담금질) 온도보다 낮은 경우, 즉 시료 B 내지 D의 경우, 오스테나이트 입자는, 결정 입도 번호 11 내지 12로 현저하게 미세화 되었다. 시료 E 및 F 및 종래 침탄질화 처리품 및 보통 담금질품의 오스테나이트 입자는 결정 입도 번호 10으로서, 본 발명예의 시료 B 내지 D보다 조대한 결정립으로 되어 있다. 상기 실시 형태의 열처리에 의해, 침탄질화층뿐만 아니라 그 내부의 오스테나이트 입경도 미세화 되고, 침탄질화층과 그 내부의 오스테나이트 입경은 거의 같은 결정 입도 번호를 얻을 수 있다. 이와 같은 경향은 본 실시예뿐만 아니라 다른 실시예에서도 얻어졌다.
(3) 샤르피 충격 시험
표 1에 의하면, 종래 침탄질화 처리품의 샤르피 충격치는 5.33J/㎠인데 비해 본 발명예의 시료 B 내지 D의 샤르피 충격치는 6.30 내지 6.65J/㎠로 높은 값이 얻어져 있다. 이 중에서도, 2차 담금질 온도가 낮은 쪽이 샤르피 충격치가 높아지는 경향을 나타낸다. 보통 담금질품의 샤르피 충격치는 6.70J/㎠로서 높다.
(4) 파괴 응력치의 측정
상기 파괴 응력치는, 내균열강도에 상당한다. 표 1에 의하면, 종래 침탄질화 처리품은 2330MPa의 파괴 응력치로 되어 있다. 이에 비해 시료 B 내지 D의 파괴 응력치는 2650 내지 2840MPa로서 개선된 값이 얻어진다. 보통 담금질품의 파괴 응력치는 2770MPa로서 시료 B 내지 F의 파괴응력치와 동등하다. 이와 같은 시료 B 내지 D의 개선된 내균열강도는, 오스테나이트 결정립의 미세화와 더불어, 수소 함유율의 저감에 의한 효과가 크다고 추정된다.
(5) 전동 피로 시험
표 1에 의하면, 보통 담금질품은 침탄질화층을 표층부에 갖지 않는 것을 반영하여 전동 피로수명(L10)은 가장 낮다. 이에 비해 종래 침탄질화 처리품의 전동 피로수명은 3.1배로 된다. 시료 B 내지 F중, 2차 담금질을 침탄질화 처리 온도(T1)보다 낮은 온도로 행한 시료 B 내지 D의 전동 피로수명은 종래 침탄질화 처리품보다 더욱 한층더 향상된다. 본 발명의 시료 E, F는, 종래 침탄질화 처리품과 동등하거나, 그보다 낮은 값이 얻어진다.
상기를 정리하면, 본 발명예의 시료 B 내지 F는 수소량이 낮아지고, 샤르피 충격치와 내균열강도가 향상된다. 그러나 전동 피로수명까지 포함하여 개선할 수 있는 것은, 또한 오스테나이트 결정 입도를 입도 번호로 11번 정도 이상으로 미세화 한 시료 B 내지 D이다. 따라서 본 발명예에 해당하는 것은 시료 B 내지 F이지만, 보다 바람직한 본 발명의 범위는 2차 담금질 온도를 침탄질화 처리 온도(T1)보다 낮게 하여 결정립의 미세화를 더욱 도모한 시료 B 내지 D의 범위이다.
(실시예 2)
다음에 실시예 2에 관해 설명한다. 하기의 A재, B재 및 C재에 관해 일련의 시험을 행하였다. 열처리용 소재로는, JIS 규격 SUJ 2재(1.O중량%C - 0.25중량% Si - 0.4중량% Mn - 1.5중량%Cr)를 사용하고, A재 내지 C재를 공통으로 하였다. A재 내지 C재의 제조 이력은 다음과 같다.
(A재 : 비교예) : 보통 담금질만(침탄질화 처리하지 않는다).
(B재 : 비교예) : 침탄질화 처리 후에 그대로 담금질한다(종래의 침탄질화 담금질), 침탄질화 처리 온도 845℃, 유지 시간 150분간, 침탄질화 처리의 분위기는 RX 가스 + 암모니아 가스로 하였다.
(C재 : 본 발명예) : 도 2의 열처리 패턴을 행한 베어링강, 침탄질화 처리 온도 845℃, 유지 시간 150분간, 침탄질화 처리의 분위기는 RX 가스 + 암모니아 가스로 하였다. 최종 담금질 온도(T2)는 800℃로 하였다.
(1) 전동 피로수명
전동 피로수명 시험의 시험 조건 및 시험 장치는, 상술한 바와 같이, 표 2 및 도 7A 및 7B에 도시한 바와 같다. 이 전동 피로수명 시험 결과를 표 3에 나타낸다.
표 3에 의하면, 비교예의 B재는, 마찬가지로 비교예로서 보통 담금질만을 행한 A재의 L10수명(시험편 10개중 1개가 파손되는 수명)의 3.1배를 나타내고, 침탄질화 처리에 의한 장수화의 효과가 인정된다. 이에 대해, 본 발명예의 C재는, B의 1.74배, 또한 A재의 5.4배의 장수명을 나타내고 있다. 이 개선의 주된 원인은 마이크로 조직의 미세화에 의한 것이라고 생각된다.
(2) 샤르피 충격 시험
샤르피 충격 시험은, U노치 시험편을 이용하여, 상술한 JIS Z 2242에 준한 방법에 의해 행하였다. 시험 결과를 표 4에 나타낸다.
침탄질화 처리를 행한 B재(비교예)의 샤르피 충격치는 보통 담금질의 A재(비교예)보다 높지 않지만, C재는 A재와 동등한 값이 얻어진다.
(3) 정적 파괴 인성치의 시험
도 8은 정적 파괴 인성 시험의 시험편을 도시한 도면이다. 이 시험편의 노치부에 미리 균열을 약 1㎜ 준 후에 3점 휨에 의한 정적 하중을 가하고, 파괴 하중(P)을 구하였다. 파괴 인성치(KIC치)의 산출에는 다음에 나타낸 (I)식을 이용하였다. 또한 시험 결과를 표 5에 나타낸다.
KIC= (PL√a/BW2){5.8 - 9.2(a/W) + 43.6(a/W)2- 75.3(a/W)3+ 77.5(a/W)4} …(I)
미리 균열 깊이가 침탄질화층 깊이보다도 커졌기 때문에 비교예의 A재와 B재에서 차이는 없다. 그러나 본 발명예의 C재는 비교예에 대해 약 1.2배의 값이 얻어진다.
(4) 정압괴 강도 시험(파괴 응력치의 측정)
정압괴 강도 시험편은, 상술한 바와 같이 도 6에 도시한 형상의 것을 이용하였다. 도면 중, P방향으로 하중을 부가하여 정압괴 강도 시험을 행하였다. 시험 결과를 표 6에 나타낸다.
침탄질화 처리를 행한 B재는 보통 담금질의 A재보다도 약간 낮은 값이다. 그러나 본 발명의 C재는, B재보다도 정압괴 강도가 향상되고, A재와 손색 없는 레벨이 얻어 졌다.
(5) 경년 치수 변화율
유지 온도 130℃, 유지 시간 500시간에 있어서의 경년 치수 변화율의 측정 결과를, 표면 경도, 잔류 오스테나이트 양(0.1㎜ 깊이)과 아울러 표 7에 나타낸다.
잔류 오스테나이트 양이 많은 B재의 치수 변화율에 비해 본 발명예의 C재는 2분의1 이하로 억제된 것을 알 수 있다.
(6) 이물 혼입 윤활하에 있어서의 수명 시험
볼 베어링 62O6을 사용하여, 표준 이물을 소정량 혼입시킨 이물 혼입 윤활하에서의 전동 피로수명을 평가하였다. 시험 조건을 표 8에, 또한 시험 결과를 표 9에 나타낸다.
A재에 비해 종래의 침탄질화 처리를 시행한 B재는 약 2.5배가 되고, 또한 본 발명예의 C재는 약 2.3배의 장수명이 얻어졌다. 본 발명예의 C재는, 비교예의 B재에 비해 잔류 오스테나이트가 적은 것이지만, 질소의 침입과 미세화된 마이크로 조직의 영향으로 거의 동등한 장수명이 얻어졌다.
상기한 결과로부터, 본 발명예의 C재, 즉 본 발명의 열처리 방법에 의해 제조된 베어링 부품은, 종래의 침탄질화 처리로는 곤란하였던 전동 피로수명의 장수화, 균열강도의 향상, 경년 치수 변화율의 저감의 3항목을 동시에 만족한다는 것을 알 수 있었다.
본 발명의 베어링 부품 및 구름 베어링을 사용함으로써, 침탄질화 처리층을 형성하면서, 베어링 부품의 오스테나이트 입경을 입도 번호로 11번 이상으로 미세화 하고, 수소 함유율도 저감되기 때문에 전동 피로수명이 크게 개선되어, 우수한 내균열강도와 내경년성을 얻을 수 있다.

Claims (17)

  1. 베어링 부품의 열처리 방법으로서,
    베어링 부품용 강을 A1 변태점을 초과하는 침탄질화 처리 온도((T1)로 침탄질화 처리한 후, A1 변태점 미만의 온도로 냉각하고, 그 후, 상기 A1 변태점 이상이며 상기 침탄질화 처리 온도 미만의 담금질 온도(T2)로 재가열하여 담금질을 행하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품의 열처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금질 온도의 온도 영역이 790℃ 내지 830℃의 온도 영역인 것을 특징으로 하는 베어링 부품의 열처리 방법.
  3. 상기 제 2 항에 기재된 베어링 부품 열처리 방법이 행하여지고, 오스테나이트 결정 입경이 평균 입경으로 8㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  4. 상기 제 3 항에 기재된 베어링 부품(1, 2, 3)을 포함하는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
  5. 베어링 부품용 강으로 이루어진 베어링 부품(1, 2, 3)으로서, 침탄질화층을 구비하며, 퀀칭 조직 및 퀀칭/템퍼링 조직의 어느 한쪽의 마이크로 조직에 있어서,그 오스테나이트 결정립이 평균 입경으로 8㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 베어링 부품 강이 침탄질화 처리된 표층 이외의 부분에서, 탄소를 0.6 내지 1.2중량%, 규소를 0.15 내지 1.1중량%, 망간을 0.3 내지 1.5중량% 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 베어링 부품 강이 또한 2.0중량% 이하의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 베어링 부품이 구름 베어링(10)에 있어서의 궤도륜(1, 2) 및 전동체(3)의 적어도 한쪽인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  9. 상기 제 5 항에 기재된 베어링 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
  10. 구름 베어링(10)에 조립되는 베어링 부품으로서,
    침탄질화 처리층을 가지며, 오스테나이트 결정립의 입도 번호가 10번을 초과하는 범위에 있는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  11. 내륜(2), 외륜(1) 및 전동체(3)를 갖는 구름 베어링(10)에 있어서,
    상기 내륜, 외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 부재가 상기 제 10 항에 기재된 베어링 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
  12. 구름 베어링(10)에 조립되는 베어링 부품(1, 2, 3)으로서,
    침탄질화층을 갖는 강을 포함하고, 파괴 응력치가 2650MPa 이상인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  13. 내륜(2), 외륜(1) 및 전동체(3)를 갖는 구름 베어링(10)에 있어서,
    상기 내륜, 외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 부재가 상기 제 12 항에 기재된 베어링 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
  14. 구름 베어링에 조립되는 베어링 부품으로서,
    침탄질화 처리층을 가지며 수소 함유율이 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  15. 제 14 항에 있어서,
    오스테나이트 입자의 입도 번호가 10번을 초과하는 것을 특징으로 하는 베어링 부품.
  16. 내륜(2), 외륜(1) 및 전동체(3)를 갖는 구름 베어링(10)에 있어서,
    상기 내륜, 외륜 및 전동체 중 적어도 어느 하나의 부재가 상기 제 14 항에 기재된 베어링 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 구름 베어링.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 부재의 오스테나이트 입자의 입도 번호가 10번을 초과하는 것을 특징으로 하는 구름 베어링.

KR1020020073071A 2001-11-29 2002-11-22 베어링 부품, 그 열처리 방법 및 구름 베어링 KR100951216B1 (ko)

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