JP2001003142A - ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 焼入れままで使用に供する二輪車ディスクブ
レーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼において焼入れ
安定性、制動発熱による軟化に対する抵抗を併せ持たせ
る成分組成を提供する。 【解決手段】 重量％で、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１
％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、Ｍｎ：０．５〜２．０
％、Ｃｒ：１０〜１５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：
０．５〜２．０％を含有し、次式で表されるγｐが８５
以上を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からな
るディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。
γp=420[%C]+470[%N]+23[%Ni]+9[%Cu]+7[%Mn]-11.5[%C
r]-11.5[%Si]-52[%Al]-4.1[%W]-14.8[%V]-4.1[%Mo]+189

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二輪車のディスク
ブレーキに用いる鋼の成分に関し、ブレーキに加工後、
焼入れままで、ブレーキとして必要な硬さが安定して得
られ、かつ使用時の軟化抵抗にも優れた好適な鋼の成分
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ニ輪車のディスクブレーキでは、耐磨耗
性が重要な特性となる。耐磨耗性は、一般に硬さが高い
ほど大きくなる。しかし、硬さが高くなり過ぎると、ブ
レーキとパッドの間でいわゆるブレーキの鳴きが生じる
ため、ブレーキの硬さ（ロックウェル硬さＣスケール）
は、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣが求められる。以上の硬さ
調整および耐銹性を得るため、ディスクブレーキ材料
は、マルテンサイト系ステンレス鋼が用いられている。

【０００３】従来は、ＳＵＳ４２０Ｊ１を焼入れ・焼戻
しして所望の硬さに調整し、ブレーキとしていた。この
場合、焼入れと焼戻しの２つの熱処理工程を要するた
め、省工程・省エネルギーの目的で、焼入れままでブレ
ーキとして使用できるマルテンサイト系ステンレス鋼へ
の要望が高まった。この要望に対し、低Ｃ、Ｎ化し、こ
れに伴ってオーステナイト温度域が縮小し、焼入れ可能
温度域が狭くなることをオーステナイト形成元素のＭｎ
添加で補うことにより、焼入れままで、従来鋼より広い
焼入れ温度域で、安定して所望の硬さを得る鋼組成が開
示されている（特開昭５７−１９８２４９号公報）。Ｍ
ｎに加えて、Ｃｕ、Ｎをそれぞれ０．５〜１．０％、
０．０３〜０．０７％添加して、焼入れ安定性を確保す
る組成も開示されている（特開昭６１−１７４３６１号
公報）。

【０００４】これらの鋼では、９００〜１１５０℃の広
い焼入れ温度で所望の硬さが得られ所期の目的が達成さ
れている。ところで、ディスクブレーキは使用前の硬さ
のみならず、使用に伴う軟化が小さく、使用による耐磨
耗性の劣化が小さいことが求められる。軟化の原因はブ
レーキによる制動発熱であり、ディスクブレーキの温度
は５５０℃程度になる場合があると言われている。従っ
て、制動発熱相当の焼戻しを受けて生じる軟化量が低い
ことが必要となる。発熱によるディスクブレーキの温度
は、高々５５０℃程度とみなせるので、５５０℃までの
焼戻しを行って硬さが低下しなければ、使用中の軟化は
問題にはならないと考えられる。しかし、従来のディス
クブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し軟
化抵抗は、せいぜい５００℃までが限度で、５００℃を
超えた温度で焼戻しを行うと、顕著に硬さが低下してし
まう。

【０００５】このブレーキ制動発熱による軟化を抑制す
る目的からもＣｕの添加が効果的であることが明らかに
されている（特開平１０−１５２７６０号公報）。本先
行技術では、望ましくはＣｕ添加量を１．０％以上とす
ることにより、ブレーキ制動で６００℃にまで加熱され
るような場合でも、ロックウェルＣスケールの硬さの差
が１０未満となり、優れた軟化抵抗を有することが開示
されている。しかし、Ｃｕの時効析出を利用するだけで
は、５５０℃の焼戻しを行った後もディスクブレーキと
しての好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを必ず保証
することは容易ではない。

【０００６】マルテンサイト系ステンレス鋼において５
００〜６００℃の温度範囲の加熱を行った後の硬さを高
くする成分系も明らかにされている（特開昭５３−４３
０２３号公報）。本先行技術では、加熱による焼戻し軟
化の程度がＣ量およびＣｒ量に大きく左右され、Ｃ量、
Ｃｒ量が多いほど微細な炭化物の析出が多く見られ、い
わゆる二次硬化現象を示すことが開示されている。しか
し、この場合にはディスクブレーキヘの適用を想定した
鋼ではないために、Ｃ量を上げるので、焼入れままの硬
さが必然的に高くなり、焼入れままでディスクブレーキ
としての好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣに収める
という前提を満足することができない。よって、ディス
クブレーキ用に今までに提案された焼入れままで使用す
る従来鋼では、ブレーキ発熱で５５０℃程度の温度域に
達した場合、焼戻し軟化が避けられないという課題があ
った。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の持つ課題を有利に解決し、焼入れ安定性に優
れさらに制動発熱による軟化に対する抵抗に優れた焼入
れままで使用に供する二輪車ディスクブレーキ用マルテ
ンサイト系ステンレス鋼の成分組成を提供することにあ
る。すなわち、焼入れままでディスクブレーキとしての
好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを有し、かつこの
硬さが得られる焼入れ温度範囲が広く、さらに、５５０
℃の焼戻しを行った後も３２ＨＲＣ以上の硬さを有する
マルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成を新たに明ら
かにすることが、本発明の解決しようとする課題であ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ＣおよびＮ添
加量を限定し、かつオーステナイト形成元素およびフェ
ライト形成元素の含有量を限定し、さらにＳｉおよびＣ
ｕを好適量添加して焼戻し軟化抵抗を得ることにより、
所望の硬さと焼入れ安定性に優れ、かつ制動発熱軟化抵
抗が高いマルテンサイト系ステンレス鋼の好適組成を得
るものである。すなわち、本発明の骨子とするところ
は、以下の通りである。 （１） 重量％で、 Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、Ｓｉ：０．１〜２．５％、 Ｍｎ：０．５〜２．０％、 Ｃｒ：１０〜１５％、 Ｎｉ：０．５％以下、 Ｃｕ：０．５〜２．０％ を含有し、次式で表されるγｐが８５以上を満足し、残
部がＦｅおよび不可避的不純物からなるディスクブレー
キ用マルテンサイト系ステンレス鋼。 γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎ
ｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃ
ｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−４．１
［％Ｗ］−１４．８［％Ｖ］−４．１［％Ｍｏ］＋１８
９ （２） １０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後の硬
さが、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲で、かつ、１０５
０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後５５０℃×３０分、
空冷の焼戻しを行った後の硬さが、３２ＨＲＣ以上を有
することを特徴とする前記（１）記載のディスクブレー
キ用マルテンサイト系ステンレス鋼。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明者等は、焼入れままでディ
スクブレーキとしての好適な硬さ、すなわち３２ＨＲＣ
〜３８ＨＲＣを有し、かつこの硬さが得られる焼入れ温
度範囲が広く、さらに、５５０℃の焼戻しを行った後も
３２ＨＲＣ以上の硬さを有するマルテンサイト系ステン
レス鋼を以下のように設計した。 焼入れままの硬さの制御：焼入れままで十分な硬さ
を安定して得るためには、焼入れ後の組織をマルテンサ
イト主体にすべきである。望ましくは、面積率で９０％
以上がマルテンサイトであることが好ましい。マルテン
サイトが得られれば、その硬さは基本的にはＣ＋Ｎ量で
決まるので、ディスクブレーキとして好適な硬さが得ら
れるＣ＋Ｎ量に制御すれば良い。本発明者等は、Ｓｉ：
１．５％、Ｍｎ：１．４５％、Ｃｒ：１２．５％、Ｃ
ｕ：１．０％をベース成分として、ＣとＮを種々に変化
させた鋼を実験室で溶解し、１０５０℃×１０ｍｉｎの
加熱後油冷して硬さを測定した。その結果、Ｃ＋Ｎ：
０．０５〜０．１％とすれば、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣ
を満足することを確認した。

【００１０】 できるだけ広い焼入れ可能温度域の確
保：９０％以上のマルテンサイト面積率が得られる焼入
れ可能温度域ができるだけ広いことが必要である。マル
テンサイトは、高温のオーステナイトが相変態して形成
される組織であるので、広い焼入れ可能温度域を得るた
めには、高温でオーステナイト相の存在する領域ができ
るだけ大きいことが望まれる。ところで、マルテンサイ
ト系ステンレス鋼のオーステナイト相領域の大きさは、
いわゆるオーステナイト形成元素を添加すれば、大きく
なることが分かっている。本発明で関係するオーステナ
イト形成元素は、Ｃ、Ｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕである。一
方で、フェライト形成元素、典型的には、Ｃｒ、Ｓｉな
ど、を添加すると逆にオーステナイト相領域は小さくな
る。従って、本発明を構成する成分元素がオーステナイ
ト相領域の大きさに及ぼす影響を明らかにすれぱ、でき
るだけ広い焼入れ可能温度域の確保を可能とする構成元
素の選択と量を求めることができる。

【００１１】本発明者等は、本発明の構成成分元素とオ
ーステナイト相領域の大きさとの関係を調査して、少な
くとも９００〜１１５０℃の温度域でオーステナイトの
面積率が９０％以上となる成分組成の組み合わせの条件
として、以下のγｐが８５以上必要であることを確認し
た。本条件を満足すれば高温で９０％以上のオーステナ
イト面積率（残りはフェライト）が得られる。本発明の
マルテンサイト系ステンレス鋼は１０〜１５％のＣｒを
含有するので、いわゆる焼入れ硬化能を有しており、焼
入れ加熱時のオーステナイトはほぼ全部がマルテンサイ
トに変態する。よって、本条件式を満足すれば、９００
〜１１５０℃という広い焼入れ温度で、焼入れ後９０％
以上のマルテンサイト面積率が得られる。

【００１２】 焼戻し軟化抵抗の付与：マルテンサイ
ト系ステンレス鋼のマルテンサイトの硬さは、基本的に
はマルテンサイト変態で鋼中に多量に導入された転位が
固溶ＣやＮによって固着される結果もたらされる。この
マルテンサイトを焼戻すと、転位密度の減少、炭化物や
窒化物の析出が生じ、軟化が生じる。本発明者等は、マ
ルテンサイトの焼戻しによる軟化抵抗を増すため、Ｃｕ
の時効析出強化をより有効に機能させる添加元素の効果
を種々検討し、ＳｉとＣｕの複合添加が有効であること
を見出した。本発明者等は、Ｃ＋Ｎ：０．０７％、Ｍ
ｎ：１．５％、Ｃｒ：１２．２％をベースにＳｉとＣｕ
を変化させた鋼を実験室溶解し、熱間圧延の後、熱処理
用の試験片を切り出し、１０５０℃×１０ｍｉｎ油冷の
焼入れ処理を行って試験片断面の硬さを測定した。さら
に、同様の焼入れを行った後、引き続いて５５０℃×３
０ｍｉｎ空冷の焼戻しを行い試験片断面の硬さを測定し
た。焼入れままの硬さはいずれの成分の試験片において
も３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲にあった。焼入れ・焼
戻し後の硬さ測定結果を図１に示す。図１は、Ｃｕ添加
量を０．６、１．０、１．５、２．０％と変化させたと
きの焼戻し後硬さ（ＨＲＣ）に及ぼすＳｉ添加量の影響
を示したものである。Ｃｕ：０．６、１．０、１．５、
２．０％の各鋼について、Ｓｉを１％以上にすれば、５
５０℃で焼戻しを行っても、３２ＨＲＣ以上の硬さを維
持することが可能となる。また、Ｓｉ添加量が一定の場
合、Ｃｕ添加量が多いほど焼戻し後の硬さは大きくな
る。このようにＳｉとＣｕの添加により焼戻し焼戻し軟
化抵抗が増大する理由は次のように考えられる。焼入れ
ままでＣｕは鋼中に固溶しているが、５５０℃近傍で焼
戻しを行なうとＣｕが析出して強化に寄与する。鋼中の
Ｓｉは、Ｃｕの析出物を微細に分散する傾向を持つ。析
出強化は析出粒子が微細に分散するほど大きくなるの
で、Ｓｉ添加によりＣｕの析出強化代が大きくなり、焼
戻しに伴う軟化を補う効果を発揮して、焼入れままの硬
さからの低下を小さく抑えることができる。本発明者等
は、上述の、、の３つの要件をはじめて好適に満
足して合金設計することにより、本発明を完成するに至
った。

【００１３】以下に、本発明の成分限定理由を述べる。
ＣおよびＮは、マルテンサイトの硬さを高め耐磨耗性を
得るのに有効な元素である。本発明の構成成分組成にお
いて、焼入れままでディスクブレーキとして所望の最低
の硬さ３２ＨＲＣを得るために、Ｃ＋Ｎの下限を０．０
５％とする。一方、Ｃ＋Ｎの上限は、ディスクブレーキ
として所望の最高の硬さ３８ＨＲＣに収めるために、
０．１０％とする。

【００１４】Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を増大するために
添加する。Ｓｉは本発明鋼が焼入れ後５５０℃程度で焼
戻しを受けたときに析出するＣｕをより微細分散して、
Ｃｕによる析出強化をより有効に寄与せしめる効果を有
する。このようなＳｉの効果を発現するために１．０％
以上の添加を行う。しかし、２．５％を超えて添加して
も本効果は飽和する上、過度の添加は靭性を損なうので
上限を２．５％とする。

【００１５】Ｍｎは脱酸と焼入れ可能温度域を拡大する
ために０．５％以上添加する。しかし、多量に添加する
と鋼中にＭｎＳが多量に残存し、発誘起点となって耐銹
性を劣化させるので上限を２．０％とする。

【００１６】Ｃｒは耐食性を確保するため最低１０％以
上を必要とする。しかし、１５％を超えるとフェライト
主体の組織となり、所望の硬さが得られなくなるので、
上限を１５％とする。

【００１７】Ｎｉは、Ｍｎと同様焼入れ可能温度域を広
げる効果を有するが、高価であるため本発明では上限を
０．５％とする。

【００１８】Ｃｕは焼入れ可能温度域を拡大するためと
５５０℃程度の焼戻し中に析出させて析出強化により鋼
の焼戻し軟化抵抗を得るために添加する。Ｃｕによる析
出強化は、上述のように１．０％以上のＳｉを複合添加
することにより５５０℃の焼戻し後も３２ＨＲＣを維持
し得る程有効に機能する。このようなＣｕの効果を得る
ために少なくとも０．５％以上のＣｕを添加する。しか
し、Ｃｕは過度に添加すると熱間加工性を低下させる
し、Ｃｕの析出で靭性が低下するので、上限を２．０％
とする。

【００１９】また、本発明では、９００〜１１５０℃の
温度範囲で安定して、焼入れを行えるようにするため、
オーステナイト形成元素とフェライト形成元素の好適組
成として、次式で表されるγＰが８５以上を満足するよ
うに添加成分を調整する。 γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎ
ｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃ
ｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−４．１
［％Ｗ］−１４．８［％Ｖ］−４．１［％Ｍｏ］＋１８
９

【００２０】

【実施例】表１に示す成分の鋼を実験室で溶製し、イン
ゴットを作製した。実験室で熱間圧延後熱処理用のサン
プルを切り出し、熱処理を行った。熱処理は、１０５０
℃に１０分間加熱後油冷して焼入れを行った。さらに、
焼入れたサンプルを５５０℃で３０分間焼戻した。

【００２１】

【表１】

【００２２】焼入れまま、焼戻し後のサンプルについ
て、ロックウェルＣスケールの硬さを測定した。結果を
表２に示す。焼入れままの硬さは、ディスクブレーキで
一般に要求される３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満たす必要
がある。焼戻しに伴う軟化抵抗に関しては、焼戻し後の
硬さが３２ＨＲＣ以上を維持しているかどうかを確認し
た。この硬さを維持していれば、ブレーキ制動発熱でデ
ィスクブレーキの温度が５５０℃程度に上昇しても使用
中に軟化してブレーキと耐磨耗性を損なうことはない。

【００２３】

【表２】

【００２４】本発明の条件に従う鋼の場合、焼入れまま
で３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満足し、所望の硬さが得ら
れる。さらに、５５０℃で焼戻しを行っても、依然とし
て３２ＨＲＣ以上の硬さを維持しており、優れた軟化抵
抗を有している。しかし、従来鋼である比較鋼は、焼入
れままの硬さは所望の硬さを満足するものの、焼戻しに
より軟化し、ブレーキ使用中の耐磨耗性劣化が生じてし
まう。

【発明の効果】本発明により、焼入れ安定性と制動発熱
による軟化に対する抵抗の両方に優れた焼入れままで使
用に供する二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系
ステンレス鋼が提供できるため工業的効果は非常に大き
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｃ＋Ｎ：０．０７％、Ｍｎ：１．５％、Ｃｒ：
１２．２％を含有する鋼を１０５０℃×１０ｍｉｎ油冷
→５００℃×３０ｍｉｎ空冷の焼入れ・焼戻しを行なっ
たときの硬さに及ぼすＳｉとＣｕの添加量の影響を示し
た図表である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ１６Ｄ 65/12 Ｆ１６Ｄ 65/12 Ｅ Ｍ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 重量％で、 Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、 Ｓｉ：０．１〜２．５％、 Ｍｎ：０．５〜２．０％、 Ｃｒ：１０〜１５％、 Ｎｉ：０．５％以下、 Ｃｕ：０．５〜２．０％ を含有し、次式で表されるγｐが８５以上を満足し、残
   部がＦｅおよび不可避的不純物からなるディスクブレー
   キ用マルテンサイト系ステンレス鋼。 γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎ
   ｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃ
   ｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−４．１
   ［％Ｗ］−１４．８［％Ｖ］−４．１［％Ｍｏ］＋１８
   ９
2. 【請求項２】 １０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ
   後の硬さが、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲で、かつ、
   １０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後５５０℃×３
   ０分、空冷の焼戻しを行った後の硬さが、３２ＨＲＣ以
   上を有することを特徴とする請求項１記載のディスクブ
   レーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。