JP2007070654A - 焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い耐熱性を保ちながら、比較的低温で焼きが入りやすい焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供する。
【解決手段】 質量％で、Ｃ：0.05〜0.10％、Si：0.1％以上１％以下、Mn：0.2〜2.0％、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.010％以下、Ｎ：0.010〜0.025％、Cr：11〜14％、Ni：0.5〜２％、Cu：0.5〜２％、Mo：１〜２％、Nb：0.03〜0.3％、Al：0.01％以下、Ti：0.1％以下、Ｃ＋Ｎ：0.06〜0.1％を満足し、残部Feおよび不可避不純物からなり、下記(1)式のγｐが80以上を満たすことを特徴とする。
γｐ＝420［％Ｃ］＋470［％Ｎ］＋23［％Ni］＋９［％Cu］＋７［％Mn］−11.5［％Cr］−11.5［％Si］−52［％Al］−12［％Mo］−47［％Nb］＋189・・・(1)
【選択図】 図１

Description

本発明は、二輪車のディスクブレーキ用鋼板に関し、特に、ブレーキに加工後、１０００℃未満のような比較的低温度からの焼入れままで、ブレーキとして必要な硬さが安定して得られ、使用時のディスク温度が６５０℃にも達する場合にも軟化しにくい耐熱性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板に関するものである。

二輪車のディスクブレーキ用鋼板には、耐磨耗性、耐銹性、靭性等の特性が要求される。耐磨耗性は一般に硬さが高いほど大きくなる。一方、硬さが高す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、ブレーキの硬さは、３２〜３８ＨＲＣ（ロックウェル硬さＣスケール）が求められる。これらの要求特性から、二輪車ディスクブレーキ材料にはマルテンサイト系ステンレス鋼板が用いられている。

従来、ＳＵＳ４２０Ｊ２を焼入れ焼き戻しして所望の硬さに調節し、ブレーキとしていたが、この場合、焼入れと焼き戻しの２つの熱処理工程を要するという問題があった。これに対し、特許文献１において、ＳＵＳ４２０Ｊ２の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ことができ、かつ、焼入れままで使用できる鋼組成に関する発明が開示された。これは、低Ｃ、Ｎ化し、かつ、それによるオーステナイト温度域の縮小、つまり、焼入れ温度域が狭くなることをオーステナイト形成元素であるＭｎ添加で補ったものである。また、特許文献２において、低Ｍｎ鋼で焼入れままで使用できるオートバイディスクブレーキ用鋼板に関する発明が開示されている。この鋼板は、Ｍｎを低下させる代わりに、オーステナイト形成元素として同様の効果を持つ、ＮｉおよびＣｕを添加したものである。

最近、二輪車においても車体の軽量化が望まれており、二輪ブレーキディスクの軽量化が検討されている。この場合、課題となるのが制動時の発熱に起因するディスク材軟化によるディスクの変形であり、これを解決するためには、ディスク材の耐熱性を向上させる必要がある。この解決策の１つとして焼き戻し軟化抵抗の向上があり、特許文献３において、Ｎｂ、Ｍｏ添加による耐熱性向上法に関する発明が開示された。しかし、耐熱性向上効果は５３０℃までであった。さらに、特許文献４において、６００℃を超える温度でも焼き戻し軟化が起こりにくい鋼板に関する発明が開示されている。さらに、特許文献５において、１０００℃を超える温度からの焼入れ処理を行うことにより優れた耐熱性を有するディスク材に関する発明が開示されている。
特開昭５７−１９８２４９号公報 特開平０８−０６０３０９号公報 特開２００１−２２０６５４号公報 特開２００４−３４６４２５号公報 特開２００５−１３３２０４号公報

ところで、特許文献５に記載の発明のような１０００℃を超える温度からの焼入れ処理よりも低い１０００℃未満の温度域からの焼入れ処理の方が、エネルギーコスト、製造コストの面で有利である。しかし、焼入れままで使用することを前提として、例えば、６００℃を超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を発現するように合金添加等で耐熱性を向上させようとすると、９００℃から１０００℃程度の比較的低温からの焼き入れでは硬度が上昇しにくい、いわゆる、焼き入れ性が低下する現象が起こりやすいという問題がある。このような問題に対し、特許文献４に記載の発明ではなんら示唆もなく、特許文献５に記載の発明では、そもそも高温からの焼き入れを指向している。

そこで、本発明は、焼入れままで使用することを前提とし、６００℃を超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を有するなど高い耐熱性を保ちながら、９００〜１０００℃程度の比較的低温からの焼入れでも焼きが入りやすい、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することを目的とするものである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１） 質量％で、Ｃ：０．０５％以上０．１０％以下、Ｓｉ：０．１％以上１％以下、Ｍｎ：０．２％以上２．０％以下、Ｐ：０．０４％以下、Ｓ：０．０１０％以下、Ｎ：０．０１０％以上０．０２５％以下、Ｃｒ：１１％以上１４％以下、Ｎｉ：０．５％以上２％以下、Ｃｕ：０．５％以上２％以下、Ｍｏ：１％以上２％以下、Ｎｂ：０．０３％以上０．３％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｔｉ：０．１％以下を含有し、さらに、Ｃ、Ｎは、Ｃ＋Ｎ：０．０６％以上０．１％以下を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるγｐが８０以上を満足することを特徴とする、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−１２［％Ｍｏ］−４７［％Ｎｂ］＋１８９・・・（１）

本発明により、焼入れままで使用する二輪車ディスクブレーキ用鋼板であって、９００〜１０００℃といった比較的低い焼入れ温度域から焼き入れても、３２〜３８ＨＲＣの硬さが得られる焼入れ性に優れた、６００℃を超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を有する耐熱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板を提供することができ、製造者のみならず本鋼板を利用する者にとっても多大な利益を得ることができ、工業的価値は極めて高い。

本発明を実施するための最良の形態と限定条件について詳細に説明する。
本発明者らは、焼入れままで使用できる二輪車ディスクブレーキ材料について、詳細な検討を行ってきた。その中で耐熱性に関する検討では、焼き戻し軟化抵抗の向上の検討を中心に進めてきた。焼き戻し軟化抵抗を向上させるには、Ｎｂ、Ｍｏを中心とする合金元素を添加するが、そのために焼き入れしても硬度が上昇しにくい、いわゆる、焼き入れ性が低下することが課題になっていた。本発明者らはこの点について詳細に検討を進めた結果、ＣとＭｏを有効に組み合わせることにより、焼き入れ性を確保しつつ焼き戻し軟化抵抗の向上を達成できることを見出した。すなわち、焼き入れ後所定の硬さを得るための必須元素であるＣとＮとでは、Ｎｂ、Ｍｏを中心とする合金添加量を増加させた場合の、焼き入れ性の低下に対する効果が異なることに着目した。図１に、同じＣ＋Ｎ量（０．０８％）で、ＣとＮとの割合の異なる鋼（Ａ１鋼、Ａ２鋼。具体的成分は表１参照。）の焼き入れ性の評価結果を示す。同図から、Ｎが多い場合（Ａ２鋼）は、合金添加量を増加させると、焼き入れ性が低下するが、Ｃが多い場合（Ａ１鋼）では、合金添加量を増加させても、焼き入れ性が低下しにくいことが分かる。この効果はＭｏを添加する場合に顕著に現れることも見出した。

また、耐熱性に関し、Ｎｂを微量含有する場合には、Ｔｉを制限することにより焼き戻し軟化抵抗が向上することも見出した。
本発明者らは、以上の知見を基にさらに詳細な検討を進め、本発明を完成させたものである。

初めに各成分に関する限定条件を述べる。
Ｃは、焼入れ後所定の硬さを得るためには必須の元素であり、所定の硬度レベルになるようにＮと組み合わせて添加する。本発明のようにＮｂ、Ｍｏを中心とする合金添加により耐熱性を向上させる場合、Ｎに対してＣを多く添加する方が好ましい。しかし、０．１０％を超えて添加すると硬度が硬すぎて、ブレーキの鳴き、靭性劣化等の不具合を生じることから、０．１０％を上限とする。また、０．０５％未満では、硬さを得るためにＮを過大に添加しなければならないことから０．０５％を下限とする。

Ｎは、Ｃと同様に焼入れ後に所定の硬度を得るためには有用な元素であり、所定の硬度レベルになるようにＣと組み合わせて添加する。本発明のようにＮｂ、Ｍｏを中心とする合金添加により耐熱性を向上させる場合、Ｎに対してＣを多く添加し、Ｎは少なくする方が好ましい。０．０２５％を超えて添加すると焼き入れ性の低下を招くため、これを上限とする。また、Ｎを０．０１０％未満とすることは製鋼コストの増大になるため、０．０１０％を下限とする。

Ｃ＋Ｎは、焼入れ後の硬さに直接関係する量であり、添加量が増加するほど硬くなる。耐熱性を向上させるための、Ｎｂ、Ｍｏを中心とする合金元素の多量添加のために問題となる焼入れ性低下の問題を回避して、所定の硬さレベルであるＨＲＣ３２〜３８を満足するように調整するためには、０．０６％以上０．１％以下とする必要がある。
Ｓｉは、フェライト形成元素として非常に強力であり、この点では抑制する必要がある。しかし、脱酸材として有用である。よって、その好適範囲は、０．１％以上１％以下とする。１％を超えるとオーステナイト形成元素であるＮｉ、Ｃｕ、Ｍｎを過度に添加する必要があるため好ましくなく、０．１％未満では脱酸効果が乏しくなるため好ましくない。

Ｍｎは、重要なオーステナイト形成元素である。本発明では、Ｎｉ、Ｃｕとともに高温でのオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するため、０．２％以上の添加を必要とする。２．０％を超えると、耐銹性の劣化が見られるため、２％を上限とする。Ｍｎは、Ｎｉ、Ｃｕと異なり耐熱性を向上させる効果はないため、より耐熱性向上が必要な場合は、１％以下が好ましい。

Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、０．０４％を越えて含有すると靭性が低下するために０．０４％を上限とした。
Ｃｒは、二輪ディスクブレーキ材料として必要な耐銹性を確保するための必要な基本元素であり、その含有量が１１％未満では十分な耐銹性を得ることができない。また、Ｃｒはフェライト形成元素であるため、１４％を超えて添加すると、オーステナイト相生成温度域が縮小し、焼入れ温度域でマルテンサイト相に変態しないフェライト相が生成し、焼入れ後の硬さを満足することができなくなる。よって、Ｃｒ添加量は、１１％以上１４％以下とする。

Ｎｉは、Ｍｎと同じくオーステナイト形成元素であり、高温でオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。また、焼き戻し軟化抵抗の向上に寄与するため、０．５％以上添加する。２％を超えて添加すると靭性の低下を招くため、２％を上限とする。
Ｃｕは、Ｍｎ、Ｎｉと同じく、オーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。Ｃｕはブレーキ制動発熱によるディスクの軟化を抑制することに効果的であり、大型バイク向け用途等でディスクの制動発熱が高くなるような場合は、０．５％以上添加する。しかし、２％を超えて添加すると靭性が劣化するため上限は２％とする。

Ａｌは、脱酸剤として非常に有用であるが耐銹性を劣化させる懸念があるため、本発明ではできるだけ抑制する。よって、０．０１％を上限とする。
Ｓは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、本発明では０．０１０％を越えて含有するとＣａＳが生成しやすいため、０．０１％を上限とする。また、Ｓを０．００１％未満とすることは製鋼コストの非常な増大を招くため、０．００１％を下限とすることが好ましい。

Ｍｏは、本発明で非常に重要な元素である。Ｍｏを適量添加することにより焼き戻し軟化抵抗は顕著に向上するとともに、焼き入れ性も向上する。この焼き戻し軟化抵抗の向上機構はいまだ明らかではないが、０．０５％以上のＣ量である場合、その向上効果が顕著であることから、Ｃｒ炭化物の析出および粗大化を抑制し、高温でも転位運動を抑制可能で焼き戻し軟化抵抗を向上させているものと考えている。また、焼き入れ性の向上機構についても、Ｃｒ炭化物の析出抑制によって固溶Ｃを確保していることが原因であると推定している。一方、従来技術では、ＣとＭｏの組み合わせに着目していなかったため、焼き入れ性の向上効果を見出せなかったものと考えている。しかし、１％未満ではその効果が得られないため、Ｍｏは、１％以上の添加が必要である。また、２％を超えるＭｏの添加は靭性を劣化させるためＭｏの上限は２％とする。

Ｎｂも、本発明で非常に重要な元素である。Ｎｂを適量添加することにより焼き戻し軟化抵抗が顕著に向上する。この機構はいまだ明らかではないが、ＮｂはＮと相関が大きく、Ｃｒ窒化物の析出および粗大化を抑制し、転位運動を抑制し焼き戻し軟化抵抗を向上させているものと考えている。本発明ではＮを抑制しているが、ある程度含有しているためＮｂの焼き戻し抵抗向上効果も充分有効である。しかし、ＮｂはＮと結びついてＮｂＮの形で析出しやすく、この形で析出すると強化機能がなく、Ｎの固溶強化効果を減少させ、さらに、焼き入れ性を減少させる原因となるので、過剰の添加は避ける必要がある。そのため、焼き戻し軟化抵抗を向上させるためには、０．０３％以上の添加が必要である。一方、０．３％を超える添加は焼き入れ性が劣化するため上限は０．３％とする。

Ｔｉは、本発明では制限すべき元素である。Ｔｉを添加すると粗大なＴｉＮ（Ｃも固溶する）の形で析出するため強化機能がないばかりでなく、固溶Ｎ、さらには固溶Ｃを減少させてしまい、焼き入れ性および耐熱性を低下させる。さらに、本発明のようにＮｂの微量添加により焼き戻し軟化抵抗を向上させている場合は特に顕著に影響する。そのため、Ｔｉ量は０．１％以下にする必要がある。耐熱性の必要性が高い場合は、さらに低減させて、０．０５％以下が好ましい。

さらに、これら述べてきた各元素はその成分範囲の中で、９００〜１１００℃の温度範囲で安定して焼入れを行えるために、次式（１）で表されるガンマポテンシャルγｐが、８０以上を満足するよう相互に調整される必要がある。γｐが８０未満であると、焼入れしてもフェライト相が残る場合があり、所定の硬度レベルに達しない場合があるからである。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−１２［％Ｍｏ］−４７［％Ｎｂ］＋１８９・・・（１）
焼き入れ温度に関しては、あまり高温すぎる場合は、製造時間の増大、コストの増加を招くため、９００℃以上１０００℃以下で行うことが好ましく、その温度範囲からの焼き入れでも本発明鋼は、所定の硬さ範囲を満足する。
次に製造方法について詳細に説明する。

以上述べてきた成分と残部Ｆｅおよび不可避的不純物を含むスラブ、インゴット等の鋼片（以下、単にスラブともいう。）を溶製し、熱間圧延によって、２ｍｍ〜８ｍｍ程度の熱延板とした後、焼鈍を行って、軟化させた後、酸洗して製品の鋼板とする。酸洗せずにショットブラストによる仕上げでもよい。
これらの鋼板は、ブレーキディスク製造工程において、ディスク形状に加工された後、９００〜１０００℃に加熱されてから焼き入れられ、両面を研磨されて、ブレーキディスクとなる。

以下、実施例に従って、さらに詳細に本発明を説明する。
表１に示す化学成分を有する厚み２００ｍｍの鋼片を溶製した後、熱間圧延によって、厚さ６ｍｍの熱延板を得た。さらに、８５０℃まで加熱して徐冷する軟化焼鈍を施した。 これらの鋼板から、焼き入れ性評価試験片を採取し、残りは９５０℃または１０００℃で１０分間保持後、水冷する焼入れ処理を行った。

焼き入れ性評価は、８５０℃〜１１００℃の温度に１０分間保持した後に、水冷した焼入れ材を、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠した、ロックウェル硬さ試験（ＨＲＣ）で硬さ測定することで行った。ＨＲＣで３２から３８が合格である。
焼き入れ処理した鋼板から、各種試験片を採取し、評価試験を行った。焼き戻し軟化特性に関しては、５５０℃から６５０℃で１時間の焼き戻しを行った後、焼入れ材の硬さ試験と同様にロックウェル試験で評価した。焼き戻し後の硬さがＨＲＣ３０を下回らないことが合格基準である。また、耐銹性試験は、試験片両面を＃２４０研磨し、２４０時間の塩水噴霧試験（ＪＩＳ Ｚ ２３７１準拠）を行い、発銹程度を調査した。発銹しないものを合格、発銹したものを不合格とした。

図１に焼き入れ性評価試験の結果を示す。同じＣ＋Ｎ量で高ＣであるＡ１鋼は焼き入れ温度９００℃から１１００℃の温度範囲でＨＲＣ３２〜３８の所定範囲を満たし、かつ、ほぼ一定の硬さを示すが、高ＮであるＡ２鋼は９５０℃でぎりぎり所定範囲に到達するも、焼き入れ温度を上げてもＡ１鋼に比べて到達硬さも低く、Ａ１鋼の方が焼き入れ性に優れていることが分かる。

図２に焼き戻し軟化抵抗の評価結果を示す。本発明例であるＡ１鋼は６５０℃、１ｈの焼き戻しにおいても硬さがＨＲＣ３０以上あり、優れた耐熱性を示している。比較例であるＡ２鋼もかなり優れた耐熱性を示しているが、初期硬さが低いこともあり、６００℃以上ではＨＲＣ３０を下回っている。
耐銹性試験の結果は両鋼とも合格であった。
以上から、本発明鋼は、耐熱性に優れると共に、焼き入れ性に優れていることが明らかである。

表２に示す化学成分を有する厚み２００ｍｍの鋼片を溶製した後、熱間圧延によって、厚さ６ｍｍの熱延板を得た。さらに、８５０℃まで加熱して徐冷する軟化焼鈍を施した。 これらの鋼板は９００℃、９５０℃、１０００℃で１０分間保持後、水冷する焼入れ処理を行った。
焼き入れ処理した鋼板から、各種試験片を採取し、評価試験を行った。焼き戻し軟化特性に関しては、６００℃および６５０℃で１時間の焼き戻しを行った後、ＪＩＳ Ｚ ２２４５に準拠した、ロックウェル硬さ試験（ＨＲＣ）で行った。ＨＲＣで３２から３８が合格である。焼き戻し後の硬さがＨＲＣ３０を下回らないことが合格基準である。また、耐銹性試験は、試験片両面を＃２４０研磨し、２４０時間の塩水噴霧試験（ＪＩＳ Ｚ ２３７１準拠）を行い、発銹程度を調査した。発銹しないものを合格、発銹したものを不合格とした。

これらの結果を表３に示す。
Ｂ１鋼からＢ５鋼は、１２．５Ｃｒ−１．２Ｎｉ−１Ｃｕ系でＭｏを変化させたものである。Ｂ１鋼は焼き入れ性が不十分で耐熱性も低い。これはＭｏが低いために炭化物の析出抑制が不十分なためであると推定している。Ｂ２鋼からＢ４鋼は本発明鋼であり、焼き入れ性、耐熱性ともに充分である。Ｂ５鋼はＭｏが多いために焼き入れ性、耐熱性が充分であるが、靭性が低くなり使用中に割れる危険性があるため好ましくない。

Ｃ１鋼からＣ５鋼はＭｏ以外の成分を変化させたもので、Ｃ１鋼、Ｃ２鋼も本発明鋼であり、焼き入れ性、耐熱性ともに充分である。Ｃ＋Ｎが低いＣ３鋼は十分焼きが入った状態でも硬さが不足している。また、γｐが低いＣ４鋼も焼入れ性が不十分となり、焼入れ後の硬さが低く、不合格である。また、Ｔｉが多いＣ５鋼は焼き戻し後のＨＲＣが３０以下となり耐熱性が不合格である。
なお、今回の供試鋼の耐銹性が全て合格であった。Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等耐銹性を向上させる元素が多量に含有されているためであると推定している。
以上から、本発明鋼が耐熱性に優れるとともに焼き入れ性に優れており、ディスクブレーキ用材料として好適であることは明らかである。

ＣとＮの合計量を同じにした高Ｃ低Ｎ鋼と低Ｃ高Ｎ鋼についての焼き入れ性評価試験の結果を示す図である。 ＣとＮの合計量を同じにした高Ｃ低Ｎ鋼と低Ｃ高Ｎ鋼についての焼き戻し軟化抵抗の評価試験の結果を示す図である。

Claims (1)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０５％以上０．１０％以下、
   Ｓｉ：０．１％以上１％以下、
   Ｍｎ：０．２％以上２．０％以下、
   Ｐ ：０．０４％以下、
   Ｓ ：０．０１０％以下、
   Ｎ ：０．０１０％以上０．０２５％以下、
   Ｃｒ：１１％以上１４％以下、
   Ｎｉ：０．５％以上２％以下、
   Ｃｕ：０．５％以上２％以下、
   Ｍｏ：１％以上２％以下、
   Ｎｂ：０．０３％以上０．３％以下、
   Ａｌ：０．０１％以下、
   Ｔｉ：０．１％以下
   を含有し、さらに、Ｃ、Ｎは、
   Ｃ＋Ｎ：０．０６％以上０．１％以下
   を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるγｐが８０以上を満足することを特徴とする、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
   γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］−１２［％Ｍｏ］−４７［％Ｎｂ］＋１８９・・・（１）
   
   
   
   

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