CN1298034A - 抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢 - Google Patents

抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢 Download PDF

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Abstract

提供制动期间加热至500℃以上时不易发生性能劣化尤其硬度下降,而同时又保持传统钢耐磨性、抗锈蚀性和韧性的制动盘用不锈钢。该钢含以wt%计:C:0.01—0.1%,N:0.03%或更低,C+N:0.04—0.1%,Si:1%或更低,Mn∶2%或更低,Ni∶低于0.5%,Cr∶10—15%,以及Nb∶0.02—0.5%,余者为Fe和不可避免的杂质;淬火热处理后的硬度为30—40HRC;而且,使硬度降至30HRC以下的回火软化温度至少为530℃。还优选添加至少一种下述元素:0.1—2%的Cu,0.1—1%的Mo,0.01—0.5%的Ti,0.01—0.5%的V或0.0005—0.01%的B,且γp值至少为70%。

Description

抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢
本发明涉及抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，而且，更具体地，涉及具有优异的抗制动生热引起的软化的性能，以及能满足双轮车辆、摩托雪撬等的制动盘用材料所要求的硬度、淬透性和抗锈蚀性的马氏体不锈钢。
要求双轮车辆等的制动盘用材料具有例如耐磨性、抗锈蚀性和韧性等性能，而且，一种JISSUS410型马氏体不锈钢一直主要用于此用途。虽然耐磨性一般随硬度的提高而得以改善，但是，当硬度过高时，由于闸与垫片发生接触，就会产生所谓的制动噪声。因此，制动盘的硬度须控制在规定范围。
为了在淬火热处理后将硬度稳定控制在规定范围并且确保充分的韧性和抗锈蚀性，在日本未审专利申请公开57-198249,59-70748和10-152760以及日本专利公开2-7390中公开了具有调整后的Mn,Cu等以及C+N的量的钢化学组成。即，上述公开物提出了获得所要求的淬火后硬度的方法，该方法为先通过控制钢中的Mn和Cu含量来在高温下充分确保获得奥氏体相，之后再控制C和N的含量。基于这些化学组成，已能够提供双轮车辆的制动盘用的能满足耐磨性、抗锈蚀性和韧性要求的材料。
与此同时，最近的双轮车辆的性能要求是在更高速度下具有更高的制动力，并且要求当制动盘在制动期间被加热至高于500℃的温度时，制动盘的材料性能，特别是硬度不能变坏。然而，由于上述钢具有马氏体相的基体组织，因此，当加热温度超过500℃时上述钢会发生回火软化。因此，一直试图开发能满足上述要求的制动盘用材料。
本发明的目的是提供一种制动盘用不锈钢，该不锈钢在制动期间被加热至超过500℃的温度时其材料性能，尤其是硬度较不易于发生劣化，而同时又能保持传统钢的耐磨性、抗锈蚀性和韧性。
为了实现上述目的，本发明人对不会损害制动盘所要求的原始性能并且不会明显增大成本的化学组成和添加元素进行了调查和实验研究。结果，本发明人发现：通过限制化学组成的范围，以便将涉及耐磨性的淬火后硬度保持在30-40HRC，优选32-38HRC的范围并且不损害抗锈蚀性和韧性，以及之后再通过添加适量的能抑制回火软化的Nb，能够将使硬度降至30HRC(洛氏硬度C型)以下的回火软化温度提高30-100℃或更高。
基于上述认识，本发明得以完成，本发明的要点如下：
(1)一种抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于：所述钢含有，以wt％计：
C:0.01-0.1％，
N:0.03％或更低，
C+N:0.04-0.1％，
Si:1％或更低，
Mn:2％或更低，
Ni:低于0.5％，
Cr:10-15％，
Nb:0.02-0.5％，
余者为Fe和不可避免的杂质；其中淬火热处理后的硬度为30-40HRC；使硬度降低至30HRC以下的回火软化温度至少为530℃。
(2)一种根据项目(1)的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于进一步含有，以wt％计，至少一种下述元素：
Cu:0.1-2％，或
Mo:0.1-1％。
(3)一种根据项目(1)或(2)的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，特征在于其进一步含有，以wt％计，至少一种下述元素：
Ti:0.01-0.5％，
V:0.01-0.5％，或
B:0.0005-0.01％。
(4)一种根据项目(1)-(3)中之任一项的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于由钢的化学组成计算出的其表达式如下的γp值至少为70％。
γP=420×[％C]+470×[％N]+23×[％Ni]+9×[％Cu]+7×[％Mn]-11.5×[％Cr]-11.5×[％Si]-12×[％Mo]-47×[％Nb]-52×[％Al]-49×[％Ti]-23×[％V]-500×[％B]+189
图1示出的是回火温度与分别添加有0.06％和0.14％的Nb的钢硬度之间的关系，图中用于对照的传统钢中未添加Nb。
下面详述本发明的实施方案和限制条件。
C是获得规定的淬火后硬度必不可少的元素，而且，因此，与N一起添加以达到所要求的硬度水平。然而，由于C的添加量超过0.1％时会导致硬度过高并出现例如制动噪声和韧性下降等不足，因此其上限设定为0.1％。另一方面，当碳量低于0.01％时，为获得所要求的硬度需要添加过多的N，因此，碳的下限设定为0.01％。
同C一样，N也是获得规定的淬火后硬度必不可少的元素，而且，因此，与C一起添加，以达到所要求的硬度水平。然而，当氮的添加量超过0.03％时，会由于在制动生热期间析出细小的Nb的氮化物而使韧性显著降低，因此，氮含量上限设定为0.03％。
Si，作为钢中不可避免存在的元素，是一种有效的脱氧剂。然而，其添加量超过1％时会大幅降低淬火热处理后的韧性，因此，Si的上限设定为1％。
Mn也是钢中不可避免存在的元素。它能有效使奥氏体相在高温下稳定存在并且确保淬透性。然而，其添加量超过2％时会损害抗锈蚀性能。因此，Mn的上限设定为2％。
Ni是一种在工业熔炼期间钢中不可避免少量存在的元素，它同Mn一样，能有效使奥氏体相在高温下稳定和确保淬透性。然而，当其添加量为0.5％或更高时，会使奥氏体相过度稳定，即使热处理后慢速冷却，也会发生淬火硬化，从而在加工成制动盘期间难于发生回火软化。因此，其添加量设定为低于0.5％。
Cr是维持双轮车辆的制动盘所要求的抗锈蚀性必需的基本元素之一。如果其含量低于10％，就不能获得所要求的抗锈蚀性。另一方面，如果Cr的添加量超过15％，则高温下形成奥氏体相的温度变窄，会导致在淬火温度范围不能转变成马氏体相的铁素体相形成，从而不能获得所要求的淬火后的硬度。为此，Cr含量的范围设定为10-15％。
Nb是一种抑制因制动生热所引起的回火软化的重要元素，并且，因此是一种实现本发明的目的必不可少的添加元素。为了展示这一作用，必须添加至少0.02％的Nb，但添加量超过0.5％时会导致韧性下降。因此，其上限设定为0.5％。
据认为，Nb具有抑制回火软化作用的原因在于Nb能抑制因加热使得马氏体转变时形成的许多位错消失所引起的钢基体软化这一回复现象的发生以及能通过形成细小的Nb的碳氮化物来抑制由于粗大的Cr的碳氮化物的形成而引起的软化。
图1示出了回火温度与Nb添加量分别为0.06％和0.14％的钢硬度之间的关系(所述钢指的是实施例1的表1中的D和E)，对照钢是未添加Nb的传统钢(此钢在实施例1的表1中示为U)。由该图可证实，少量Nb的添加能显著提高回火软化温度。
C+N的量与淬火后的硬度直接相关。为了将硬度控制在规定水平，必须使C+N的量保持在0.04-0.1％的范围。
同Mn或Ni一样，Cu是一种能有效使奥氏体相高温稳定和确保淬透性的元素。并且，其添加量至少0.1％时上述效果显著。然而，当添加量超过2％时，钢在回火加热期间会发生硬化，结果使韧性明显下降。为此，其上限设定为2％。
同Cr一样，Mo是一种改善抗锈蚀性和进一步提高制动盘质量的元素，原因在于其能抑制回火时的韧性下降。为获得这些效果，须添加至少0.1％的Mo。然而，如果Mo的添加量超过1％，同Cr一样，高温下形成奥氏体相的温度范围就会变窄，导致不能在淬火温度范围转变成马氏体相的铁素体相形成。结果不能获得所要求的淬火后硬度。
Ti,V或B的抑制回火软化的作用不如Nb显著。然而，当适当量的上述元素同Nb一起添加时，抑制回火软化的作用会得到进一步增强。为使该效果明显，须添加不少于0.01％的Ti或V或者不少于0.0005％的B。然而，如果添加高于0.5％的Ti或V或者高于0.01％的B，会使韧性显著下降。因此，确定上述添加量分别为这些元素的上限。
以上对每种构成元素的添加量范围以及确定所述范围的原因进行了介绍。
为了使淬火后的硬度稳定保持在规定范围，除了对每种构成元素的量加以规定外，还必须控制能影响高温下奥氏体存在范围的化学组成的平衡。作为确定奥氏体范围的一个指数，由下述方程示出的γP是很有效的。通过控制化学组成使由所述方程计算出的γP为70或更高，可以确保高温下形成奥氏体相的温度范围。然而，优选使γP的值保持在80或更高的水平，以确保在工业化的热处理中具有充分的淬火温度范围以及使淬火后的硬度稳定保持在规定范围。
γP=420×[％C]+470×[％N]+23×[％Ni]+9×[％Cu]+7×[％Mn]-11.5×[％Cr]-11.5×[％Si]-12×[％Mo]-47×[％Nb]-52×[％Al]-49×[％Ti]-23×[％V]-500×[％B]+189
至于其它的不可避免的杂质，则希望将它们控制在下述范围内。
要求S和O的含量为0.02％或更低，因为S会形成硫化物而O会形成氧化物，从而导致锈蚀的发生。
要求P含量为0.05％或更低，因为它会损害淬火和回火加热时的韧性。
尽管Al是一种有效的脱氧剂，但如果过量添加，它会在熔炼期间与炉渣反应，造成钢中CaS型夹杂物的增加和锈蚀的发生。因此，要求将Al的含量控制为0.03％或更低。
实施例1
制备出化学组成如表1所示的钢锭并热轧至5mm厚。然后，在加热至850℃并通过慢冷软化热处理后，切裁成数块钢板以便进行各种热处理。随后将每块钢板高频加热至950℃并保温10分钟，之后再通过水冷进行淬火处理，从一些淬火后的钢板上切割出用于硬度测量、抗锈蚀性能评价和进行JISNo.4的亚尺寸冲击试验的试样。其它淬火后的钢板则进一步加热至400-700℃并保温1小时，然后进行空冷热处理。同样地，从这些钢板上切割出用于硬度测量以评价软化性能、抗锈蚀性能的评价以及JIS No.4亚尺寸冲击试验的试样。
采用使钢的硬度软化至低于30HRC的回火温度来评价软化性能，其中硬度采用洛氏硬度试验方法(JISZ2245)测定。通过抛光试样表面至粗糙度400号并且对试样进行100小时的盐雾试验(JISZ 2371)来评价抗锈蚀性。采用由在25℃下试样的夏氏冲击试验(JISZ 2242)获得的夏氏冲击值来评价韧性，所获结果示于表2中。
由表2可看出，根据本发明的每种钢均具有高的回火软化温度，而且，每种钢的使硬度至少保持在30HRC的水平的回火软化温度均超过530℃。另外，也可以看出，冲击值和抗锈蚀性能均优异，而未含Nb的对照钢的回火软化温度低至约500℃。而且，由于淬火后的硬度不足、韧性低等，Nb的添加量不合适或者其它组元的量不合适的其它对照钢均不适于作为制动盘用材料。
本发明能够提供对制动生热引起的软化具有优异抵抗能力的钢，而且，还能够提供制动盘用材料所要求的淬透性、抗锈蚀性和韧性，因此，本发明可应用于要求制动能力高的双轮车辆的制动盘。
表1
编号    C   Si   Mn    P    S   Cr   Ni   Nb   Cu   Mo   Ti   V     B    Al    N   C+N     γp     备注
  A  0.048  0.26  1.48  0.027  0.008  12.2  0.1  0.06  0.61  0.008  0.019  0.067     89.71     本发明制
  B  0.053  0.31  1.49  0.026  0.009  12.1  0.1  0.12  0.65  0.006  0.019  0.072     90.10     本发明钢
  C  0.056  0.19  1.58  0.026  0.008  12.0  0.2  0.21  0.53  0.009  0.016  0.072     89.95     本发明钢
  D  0.063  0.21  0.97  0.026  0.007  12.2  0.1  0.06  0.004  0.016  0.079     86.33     本发明钢
  E  0.066  0.29  1.58  0.030  0.008  12.1  0.2  0.14  0.006  0.015  0.081     90.05     本发明钢
  F  0.049  0.14  1.87  0.031  0.006  12.1  0.3  0.31  0.004  0.015  0.06 4     81.08     本发明钢
  G  0.057  0.16  1.49  0.027  0.007  12.0  0.2  0.08  0.21  0.005  0.019  0.076     90.52     本发明钢
  H  0.056  0.18  1.82  0.025  0.005  11.9  0.1  0.18  0.38  0.011  0.021  0.077     84.92     本发明钢
  I  0.055  0.15  1.43  0.026  0.004  12.3  0.2  0.11  0.52  0.15  0.007  0.021  0.076     90.75     本发明钢
  J  0.048  0.22  1.55  0.026  0.007  12.2  0.1  0.09  0.65  0.27  0.004  0.019  0.067     86.58     本发明钢
  K  0.053  0.21  1.47  0.027  0.003  12.1  0.1  0.05  0.55  0.22  0.007  0.020  0.073     91.28     本发明钢
  L  0.049  0.13  1.78  0.031  0.008  12.2  0.1  0.26  1.23  0.55  0.005  0.014  0.063     81.12     本发明钢
  M  0.066  0.31  1.61  0.028  0.009  12.2  0.2  0.09  0.28  0.005  0.016  0.082     87.48     本发明钢
  N  0.064  0.25  1.52  0.029  0.006  12.1  0.2  0.07  0.04  0.008  0.014  0.078     90.13     本发明钢
  O  0.064  0.29  1.53  0.029  0.009  12.1  0.1  0.11  0.27  0.08  0.005  0.017  0.081     83.66     本发明钢
  P  0.061  0.30  1.59  0.030  0.007  12.1  0.3  0.12  0.34  0.19  0.09  0.006  0.018  0.079     90.81     本发明钢
  Q  0.065  0.31  1.49  0.025  0.007  12.2  0.1  0.08  0.28  0.11  0.005  0.016  0.081     91.19     本发明钢
  R  0.061  0.12  0.89  0.018  0.004  12.3  0.1  0.06  0.08  0.007  0.018  0.079     81.68     本发明钢
  S  0.069  0.27  1.67  0.031  0.005  12.1  0.1  0.10  0.22  0.12  0.003  0.014  0.083     81.77     本发明钢
  T  0.052  0.28  1.48  0.025  0.005  12.2  0.2  0.11  0.0032  0.009  0.015  0.067     82.09     本发明钢
  U  0.055  0.23  1.51  0.025  0.004  12.1  0.2  0.08  0.55  0.33  0.0011  0.008  0.018  0.073     89.05     本发明钢
  V  0.059  0.23  1.64  0.024  0.007  12.1  0.1  0.08  0.54  0.21  0.04  0.05  0.0009  0.005  0.019  0.078     90.61     本发明钢
  W  0.053  0.28  1.55  0.029  0.008  12.1  0.1  0.005  0.018  0.071     90.24     对照钢
  X  0.067  0.18  1.55  0.031  0.011  12.2  0.1  0.22  0.051  0.018  0.085     89.25     对照钢
  Y  0.062  0.28  0.88  0.025  0.006  12.0  0.1  0.08  0.004  0.017  0.079     90.06     对照钢
  Z  0.062  0.28  1.49  0.025  0.006  12.1  0.2  0.72  0.008  0.016  0.078     60.96     对照钢
 ZA  0.061  0.15  1.87  0.027  0.008  12.1  0.1  0.12  1.67  0.003  0.014  0.075     69.88     对照钢
 ZB  0.058  0.21  1.55  0.030  0.006  12.1  0.1  0.15  2.97  0.063  0.015  0.073    108.40     对照钢
 ZC  0.048  0.37  0.56  0.026  0.007  12.4  0.1  0.08  0.32  0.29  0.007  0.013  0.061     69.91     对照钢
表2
 编号  淬火后硬度(HRC)     夏氏冲击值  (kg/cm2)   盐雾试验结果(生锈)  使硬度降至30HRC以下的回火温度℃     备注
   淬火态    (500℃回火)
A     34.5      5.6      4.3     未锈蚀     570     本发明钢
B     36.2      4.8      4.0     未锈蚀     620     本发明钢
C     36.5      4.7      3.6     未锈蚀     650     本发明钢
D     36.7      5.2      4.3     未锈蚀     580     本发明钢
E     36.9      4.8      3.6     未锈蚀     630     本发明钢
F     34      5.2      4.1     未锈蚀     660     本发明钢
G     36.5      5.4      5.6     未锈蚀     600     本发明钢
H     35.3      5.6      5.4     未锈蚀     610     本发明钢
I     36.2      4.8      5.0     未锈蚀     590     本发明钢
J     34.8      5.5      5.8     未锈蚀     580     本发明钢
K     36.2      4.9      4.9     未锈蚀     570     本发明钢
L     32.8      6.2      6.3     未锈蚀     630     本发明钢
M     37.3      4.6      4.8     未锈蚀     590     本发明钢
N     37.8      4.5      3.6     未锈蚀     590     本发明钢
O     33.8      5.8      5.7     未锈蚀     630     本发明钢
P     35.6      5.4      5.6     未锈蚀     640     本发明钢
Q     37.5      4.7      3.6     未锈蚀     660     本发明钢
R     33.3      5.3      3.5     未锈蚀     580     本发明钢
S     32.9      5.4      5.5     未锈蚀     600     本发明钢
T     35.3      4.9      3.5     耒锈蚀     630     本发明钢
U     36.1      5.1      4.6     未锈蚀     600     本发明钢
V     37.2      4.7      5.0     未锈蚀     630     本发明钢
W     35.8      5.2      5.1     未锈蚀     510     对照钢
X     37.9      4.8      5.3     锈蚀     490     对照钢
Y     37.4      5.4      4.4     未锈蚀     500     对照钢
Z     27.8      1.8      0.9     未锈蚀     对照钢
ZA     28.7      3.1      2.4     未锈蚀     对照钢
ZB     35.7      4.3      0.6     锈蚀     510     对照钢
ZC     28.2      4.5      5.1     未锈蚀     对照钢

Claims (4)

1．抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于：所述钢含有，以wt％计：
C:0.01-0.1％，
N:0.03％或更低，
C+N:0.04-0.1％，
Si:1％或更低，
Mn:2％或更低，
Ni:低于0.5％，
Cr:10-15％，
Nb:0.02-0.5％，
余者为Fe和不可避免的杂质；其中淬火热处理后的硬度为30-40HRC；并且，使硬度降至30HRC以下的回火软化温度至少为530℃。
2．根据权利要求1的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于进一步含有，以wt％计，至少一种下述元素：
Cu:0.1-2％，或者
Mo:0.1-1％。
3．根据权利要求1或2的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于还含有，以wt％计，至少一种下述元素：
Ti:0.01-0.5％，
V:0.01-0.5％，或者
B:0.0005-0.01％。
4．根据权利要求1-3中任一项的抗回火软化性能优异的制动盘用不锈钢，其特征在于用下式表示的由钢的化学组成计算出的γP值至少为70％：γp=420×[％C]+470×[％N]+23×[％Ni]+9×[％Cu]+7×[％Mn]-11.5×[％Cr]-11.5×[％Si]-12×[％Mo]-47×[％Nb]-52×[％Al]-49×[％Ti]-23×[％V]-500×[％B]+189
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