JP2009280912A - 低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼 - Google Patents

Abstract

【課題】７００℃で１時間の焼戻し処理を行った後でもＨＲＣで３１以上の硬さを保持することできる耐焼戻し軟化性を有するブレーキディスク用素材を提供する。
【解決手段】Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０２〜０．１０％でかつＣ＋Ｎ：０．０８〜０．１６％、Ｓｉ：０．５％以下、Ａｌ：０．１％以下、Ｍｎ：０．３〜３．０％、Ｃｒ：１０．５〜１３．５％、Ｎｂ：０．０５〜０．６０％、Ｖ：０．１５〜０．８０％でかつＮｂ＋Ｖ：０．２５〜０．９５％、Ｎｉ：０．０２〜２．０％、Ｃｕ：１．５％以下を含有し、Ｆｐ値（＝−２３０Ｃ＋５Ｓｉ−５Ｍｎ−６Ｃｕ＋１０Ｃｒ−１２Ｎｉ＋３２Ｎｂ＋２２Ｖ＋１２Ｍｏ＋８Ｗ＋１０Ｔａ＋４０Ａｌ−２２０Ｎ）が８０．０〜９６．０であり、焼入れ後の硬さがＨＲＣ３１〜４０、７００℃で１時間の焼戻し後の硬さがＨＲＣ３１以上である低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼。
【選択図】図３

Description

本発明は、オートバイや自転車などの二輪車のディスクブレーキのディスクに用いられる、耐食性に優れ、適正な焼入れ硬さを有すると共に、ブレーキ制動時の発熱に対する焼戻し軟化抵抗にも優れる低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼に関するものである。

オートバイや自転車などの二輪車のディスクブレーキのディスク（ブレーキパッドによる摺動部）は、制動時には、ブレーキパッドとの摩擦熱により５００℃程度まで繰り返し昇温される場合がある。そのため、ブレーキディスクに用いられる素材には、制動時の発熱に対して軟化しない耐熱性（耐焼戻し軟化性）が必要とされる。

一方、ブレーキディスクの硬さが高過ぎると、制動時にブレーキ鳴きを起こしたり、ブレーキパッドの磨耗が大きくなったりする。従って、ブレーキディスクには、適正な硬さ範囲が存在し、通常、ＨＲＣ（ロックウェル硬さのＣスケール）で３１〜３８程度が適正とされている。ただし、その上限は、ブレーキパッドの種類やブレーキパッドとディスクとの組み合わせによっても変化するため、ＨＲＣで４０を超えるレベルまで許容される場合もある。

また、ブレーキディスクは、美観上の問題や、ブレーキ性能低下への悪影響が懸念されることから、耐食性（耐錆性）に優れることも要求される。このため、ブレーキディスク用の素材としては、従来、ブレーキディスクとして必要とされる耐食性を有するだけでなく、焼入れたままの状態で適正な硬さを有し、かつ、５００℃で１時間程度の焼戻し処理を受けても、ほぼ適正な硬さを保持することができる１２〜１３ｍａｓｓ％のＣｒを含有する低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼が多く使用されている。

しかしながら、ブレーキの制動能力向上等の高性能化や軽量化、あるいはデザインの多様化を図る観点からは、ブレーキディスクおよびその素材に対して、さらに優れた耐熱性が求められるようになってきている。この要求に応えるため、各種の高耐熱鋼が提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、Ｃ，Ｃｕ，Ｎｂ，ＶおよびＭｏなどの焼戻し軟化抵抗を高める元素を添加または増量して、焼入れ後だけでなく、５５０〜６５０℃で１時間程度の焼戻し後においても、ＨＲＣで３０以上の硬さを保持することができる耐焼戻し軟化性に優れる鋼が提案されている。また、特許文献３には、Ｎｂ，ＮｉおよびＶを適正量添加し、さらに、高Ｎ化して相対的に低Ｃとすることにより、耐食性に優れ、ＨＲＣ３２〜３８という適正焼入れ硬さを確保でき、かつ、６００℃で２ｈｒ保持の焼戻し後もなおＨＲＣ３２以上の高硬度を維持できる鋼が提案されている。

特開２００１−２２０６５４号公報 特開２００７−０７０６５４号公報 特開２００５−３０７３４６号公報

通常、オートバイや自転車などの制動時に、ブレーキディスクが６５０〜７００℃の温度域まで加熱されることはほとんどない。しかし、ブレーキディスク用素材がそのような温度域でも耐熱性を有することによって、ブレーキの高性能化や、薄肉化による軽量化、あるいは、デザインの自由度の拡大などのメリットが生じる。特に、大・中型のオートバイ、中でもスポーツタイプのオートバイでは、そのメリットが大きく、素材の高耐熱化に対する期待は大きい。

そこで、本発明の目的は、従来から使用されあるいは提案されている素材よりも高い耐熱性（耐焼戻し軟化性）を有するブレーキディスク用素材を提供することにある。具体的な本発明の目標は、焼入れ後の硬さがＨＲＣで３１〜４０であり、かつ、７００℃で１時間の焼戻し処理を行った後でもＨＲＣで３１〜３８の適正な硬さを保持することできる耐焼戻し軟化性を有するブレーキディスク用素材を提供することにある。

発明者らは、上記課題を解決するため、Ｃｒ含有鋼の耐熱性に及ぼす各種成分の影響について詳細に調査した。その結果、焼入れ加熱時に生成して焼入れ後も残存し、従来、適正に制御されていなかったδフェライト相の量を低減するよう各元素の添加量を調整した上で、Ｃ，Ｎ，ＮｂやＶを適正量同時添加することにより、これら元素の固溶効果と析出物の効果によって、７００℃の温度での焼戻しに対しても十分な耐熱性を有することを見出した。さらに、Ｍｏ，ＷおよびＴａを適正量添加することにより、より安定して耐熱性を確保できること、および、Ｃａ，ＭｇおよびＢを適正量添加することによって、耐食性や製造性（熱間加工性）の改善を図ることができることを見出した。なお、本発明において用いる「δフェライト」とは、焼入れ処理における加熱時に生成するフェライト相の意味である。
本発明は、上記知見にさらに検討を加えて開発したものである。

すなわち、本発明は、Ｃ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％でかつＣ＋Ｎ：０．０８〜０．１６ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．１ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．３〜３．０ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１０．５〜１３．５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．０５〜０．６０ｍａｓｓ％、Ｖ：０．１５〜０．８０ｍａｓｓ％でかつＮｂ＋Ｖ：０．２５〜０．９５ｍａｓｓ％、Ｎｉ：０．０２〜２．０ｍａｓｓ％、Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以下、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式；
Ｆｐ値＝−２３０Ｃ＋５Ｓｉ−５Ｍｎ−６Ｃｕ＋１０Ｃｒ−１２Ｎｉ＋３２Ｎｂ＋２２Ｖ＋１２Ｍｏ＋８Ｗ＋１０Ｔａ＋４０Ａｌ−２２０Ｎ ・・・（１）
ただし、上記式中の各元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
で表されるＦｐ値が８０．０〜９６．０であり、焼入れ後の硬さがＨＲＣで３１〜４０、７００℃で１時間の焼戻し後の硬さがＨＲＣで３１以上である低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼である。

本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、上記成分組成に加えてさらに、Ｍｏ，ＷおよびＴａのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする。

また、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、上記成分組成に加えてさらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％およびＢ：０．０００２〜０．００６０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする。

また、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、焼入れ処理後のδフェライト相が５ｖｏｌ％以下の組織を有することを特徴とする。

また、本発明は、上記の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼からなることを特徴とするブレーキディスクである。

本発明によれば、７００℃の温度で焼戻しを受けても、ＨＲＣで３１以上の硬さを維持することができる低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼を提供することができる。したがって、本発明の鋼をオートバイや自転車等のブレーキディスクに用いた場合には、ブレーキの高性能化や薄肉化による軽量化が図れるだけでなく、デザインの自由度を拡大することも可能となる。

Ｆｐ値と焼入れ処理後のδフェライトの量との関係を示すグラフである。 Ｆｐ値と７００℃焼戻し処理後の硬さとの関係を示すグラフである。 δフェライト量と７００℃焼戻し処理後の硬さとの関係を示すグラフである。 Ｃｕ添加量と５００℃焼戻し後の硬さとの関係を示すグラフである。 Ｃｕ添加量と５００℃焼戻しによる硬さ上昇代との関係を示すグラフである。

本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、ブレーキディスク用として十分な耐食性（耐錆性）を有すると共に、焼入れままの状態における硬さがＨＲＣ：３１〜４０、好ましくはＨＲＣ：３３〜３８であり、かつ、７００℃で１時間の焼戻し後においてもＨＲＣ：３１以上の硬さを維持可能な耐熱性（耐焼戻し軟化性）を有するところに特徴を有する。なお、上記焼入れままの状態には、焼入れ後、目的に応じて軽度の歪取り焼鈍や焼戻し処理を行った状態をも含むものとする。

先ず、本発明を開発する契機となった実験について、以下に説明する。
Ｃ：０．０１〜０．１２ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０１〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｓｉ：０．４ｍａｓｓ％以下、Ａｌ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｍｎ：０．５〜２．３ｍａｓｓ％、Ｃｒ：１０．５〜１３．５ｍａｓｓ％、Ｎｂ：０．５５ｍａｓｓ以下、Ｖ：０．８４ｍａｓｓ％以下、Ｎｉ：２．２４ｍａｓｓ％以下、Ｃｕ：２．２ｍａｓｓ％以下を含有し、下記（１）式；
Ｆｐ値＝−２３０Ｃ＋５Ｓｉ−５Ｍｎ−６Ｃｕ＋１０Ｃｒ−１２Ｎｉ＋３２Ｎｂ＋２２Ｖ＋１２Ｍｏ＋８Ｗ＋１０Ｔａ＋４０Ａｌ−２２０Ｎ ・・・（１）
ただし、上記式中の各元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
で定義さるＦｐ値を７０〜１１０の範囲で変化させた各種成分組成を有する鋼を高周波真空溶解炉で溶製して１００ｋｇの鋼塊とした後、これらの鋼塊を熱間圧延して板厚が４ｍｍの熱延板とし、その後、この熱延板に、不活性ガス雰囲気中で６５０〜８５０℃×８ｈｒ焼鈍後、徐冷する熱処理を施して熱延焼鈍材とした。

次いで、上記熱延焼鈍板から、板厚×３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの試験片を採取し、９８０〜１２４０℃×０．２〜１０ｍｉｎ加熱後、空冷する焼入れ処理を施し、得られた焼入れ後の試験片の表面を研削してのスケールを除去した後、ＪＩＳ Ｚ２２４５の規定に準拠してロックウェル硬度計で表面硬さＨＲＣを各試験片について５点ずつ測定し、その平均値をその材料の焼入れ硬さとした。
また、上記焼入れ後の試験片の厚さ方向断面を研磨し、村上試薬（赤血塩のアルカリ溶液）で腐食後、その鋼組織を光学顕微鏡を用いて４００倍で５視野ずつ写真撮影し、各視野のδフェライト相の面積率を画像解析して求め、５視野の平均値をその試験片のδフェライト相の量（ｖｏｌ％）とした。
さらに、上記焼入れ後の試験片に、７００℃×１時間加熱後、空冷する焼戻し処理を施した後、試験片表面を研削してスケールを除去し、上記と同様にして、表面硬さＨＲＣを測定し、耐熱性（耐焼戻し軟化性）を評価した。

図１は、上記試験結果から得られたＦｐ値と焼入れ処理後のδフェライトの量との関係を、また、図２は、Ｆｐ値と７００℃焼戻し処理後の硬さとの関係を示したものである。これらの図から、Ｆｐ値が９６．０を超えると、焼入れ処理後のδフェライト量が急激に増加し、それと同時に、焼戻し処理後の硬さも急激に低下していること、すなわち、焼入れ時に生成するδフェライト相の量が多くなると、７００℃の温度での焼戻し処理では、軟化が進み易くなる。したがって、７００℃という高温での耐焼戻し軟化性を検討する上では、このδフェライト相の分率（ｖｏｌ％）は極めて重要であることがわかる。

図３は、δフェライト量と７００℃焼戻し処理後の硬さとの関係を示したものである。この図から、７００℃という高温で焼戻しを受けても適正な硬さを維持し続けるためには、δフェライト相の量が５ｖｏｌ％以下が必要であることがわかる。そして、図２から、δフェライト相の量を５ｖｏｌ％以下とするためには、Ｆｐ値を９６．０以下とする必要があること、より安定してδフェライト相を低減するには、Ｆｐ値９５．０以下が好ましいことがわかる。好ましいδフェライト相の量は、３ｖｏｌ％以下、より好ましくは１ｖｏｌ％以下である。
上記のように、５００〜６７０℃の温度範囲での耐熱性（耐焼戻し軟化性）を満足させるためには、δフェライト相が数ｖｏｌ％存在していても問題はないが、７００℃という高温での耐熱性を満たすためには、δフェライト相の分率を厳密に制御する必要があることが判明した。このような、δフェライトトと７００℃での焼戻し軟化性との関係は、本発明において見出された新規な事項である。

次に、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼の成分組成を上記範囲に限定する理由について説明する。
Ｃ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％でかつＣ＋Ｎ：０．０８〜０．１６ｍａｓｓ％
Ｃ，Ｎは、鋼中に固溶し、または、ＮｂやＶなどと炭窒化物を形成して析出し、焼入れ後や焼戻し後の硬さを高める効果を有する、本発明においては重要な元素である。焼入れ後および焼戻し後においても所定の硬さを確保するためには、ＣおよびＮはそれぞれ０．０２ｍａｓｓ％以上含有することが必要であり、さらに、ＣとＮの合計で０．０８ｍａｓｓ％以上含有することが必要である。しかし、Ｃは、０．１０ｍａｓｓ％を超えて過剰に添加すると、粗大な析出物が増加し、却って、焼戻し軟化を抑制する効果を低下させ、また、耐食性や靭性も低下させる。また、Ｎも、０．１０ｍａｓｓ％を超えて過剰に添加すると、高温延性が低下し、鋳造時や熱間圧延時に割れやヘゲを引き起こして、製造性を低下させる原因となる。よって、ＣおよびＮの上限は、それぞれ０．１０ｍａｓｓ％とする。さらに、ＣとＮの合計が０．１６ｍａｓｓ％を超えると、製造性、打抜き加工性、耐熱性の何れの特性も低下する。よって、Ｃ，Ｎは、それぞれ０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％で、かつ、その合計量は０．０８〜０．１６ｍａｓｓ％の範囲とする。
なお、耐熱性を安定して確保する観点からは、Ｃは０．０３ｍａｓｓ％以上、Ｎは０．０４ｍａｓｓ％以上であることが好ましく、その合計量も０．１０ｍａｓｓ％以上であることが好ましい。また、７００℃焼戻し処理後の硬さは、ＨＲＣが３１以上の適正範囲内で高いほど好ましいが、Ｎを０．０４ｍａｓｓ％以上添加することで、ＨＲＣ３２以上を安定して確保することができる。

Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下
Ｓｉは、脱酸剤として添加される元素であり、その効果を得るためには、Ｍｎと共に０．０５ｍａｓｓ％以上添加することが望ましい。しかし、０．５ｍａｓｓ％を超えて過度に添加すると、焼入れ時にδフェライト相が生成し易くなり、硬さが低下する原因となる。よって、Ｓｉは０．５ｍａｓｓ％以下とする。

Ａｌ：０．１ｍａｓｓ％以下
Ａｌは、脱酸剤として添加される元素であるが、０．０４ｍａｓｓ％を超えて添加しても脱酸効果が飽和する。また、Ａｌの過剰な添加は、Ａｌ系介在物による表面欠陥の増加や打抜き加工性の低下を引き起こす。特に、Ａｌの含有量が０．１ｍａｓｓ％を超えると、その悪影響が顕著となるので、上限は０．１ｍａｓｓ％とする。好ましくは、０．０４ｍａｓｓ％以下である。さらに、Ａｌは、Ｓｉと同様、焼入れ時にδフェライト相を生成し易くするため、硬さ低下の原因にもなる。したがって、Ｓｉを０．１ｍａｓｓ％以上添加する場合には、Ａｌは０．０２ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。

Ｍｎ：０．３〜３．０ｍａｓｓ％
Ｍｎは、脱酸効果がある他、焼入れ時のδフェライト相の生成を抑制し、焼入れ後に安定して適正な硬さを確保するために有用な元素であり、この効果を得るためには、０．３ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。しかし、過剰に添加すると、打抜き加工性や耐食性が著しく低下するため、３．０ｍａｓｓ％以下とする。なお、焼入れ性を安定して確保する観点からは、０．５ｍａｓｓ％以上、打抜き加工性や耐食性を向上する観点からは、２．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。

Ｃｒ：１０．５〜１３．５ｍａｓｓ％
Ｃｒは、本発明の鋼では、耐食性を向上するための必須元素であり、ディスク用素材に求められる耐食性を得るためには、１０．５ｍａｓｓ％以上の添加が必要である。一方、１３．５ｍａｓｓ％を超えて添加すると、打抜き加工性や靭性が低下すると共に、焼入れ後に十分なマルテンサイト相が生成せず、適正な焼入れ硬さの確保が困難になる。よって、Ｃｒは１０．５〜１３．５ｍａｓｓ％の範囲とする。なお、耐錆性を重視する場合には１１．０ｍａｓｓ％以上、打抜き加工性や耐熱性を重視する場合には１３．０ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。

Ｎｂ：０．０５〜０．６０ｍａｓｓ％、Ｖ：０．１５〜０．８０ｍａｓｓ％でかつＮｂ＋Ｖ：０．２５〜０．９５ｍａｓｓ％
ＮｂおよびＶは、鋼中に固溶したり、Ｃ，Ｎと炭窒化物を形成したりすることにより、焼戻しによる軟質化を抑制する効果が高く、本発明が目的とする耐熱性、即ち、７００℃で１時間の焼戻し後においてもＨＲＣ：３１以上の硬さを確保するために必要な元素である。また、その効果を得るためには、ＮｂとＶを同時に添加することが重要であり、Ｎｂを０．０５ｍａｓｓ％以上、Ｖを０．１５ｍａｓｓ％以上、かつその合計量を０．２５ｍａｓｓ％以上とする必要がある。しかし、Ｎｂ，Ｖを過剰に添加すると、焼入れ時にδフェライト相が生成し、却って、焼入れ後あるいは焼戻し後の硬さが低下する原因となるので、Ｎｂ，Ｖは、それぞれ、０．６０ｍａｓｓ％以下、０．８０ｍａｓｓ％以下、かつ、その合計量を０．９５ｍａｓｓ％以下とする。よって、Ｎｂは、０．０５〜０．６０ｍａｓｓ％、Ｖは、０．１５〜０．８０ｍａｓｓ％、かつその合計量を０．２５〜０．９５ｍａｓｓ％の範囲とする。
なお、耐熱性を安定して確保する観点からは、Ｎｂを０．１０ｍａｓｓ％以上とし、ＮｂとＶの合計量は０．３５ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。また、Ｎｂおよび／またはＶを過剰に添加すると、熱間加工性が低下して割れやヘゲが発生しやすくなるので、製造性を確保する観点からは、ＮｂとＶの合計量を０．８０ｍａｓｓ％以下にするのが好ましい。

Ｎｉ：０．０２〜２．０ｍａｓｓ％
Ｎｉは、焼入れ時のδフェライト相の生成を抑制し、焼入れ性を高めたり、耐食性を向上したりする元素である。それらの効果を得るためには、０．０２ｍａｓｓ％以上添加する必要がある。一方、過剰に添加すると、焼入れ前の硬さが増加して打抜き加工性が低下し、また、焼入れ後の硬さが、所定の範囲を超える場合もあるため、上限は２．０ｍａｓｓ％とする。特に、打抜き加工性を確保するために、焼入れ前の硬さをＨＲＢで９５以下とするには、Ｎｉは１．５ｍａｓｓ％以下であることが好ましい。より好ましくは、０．１〜１．４ｍａｓｓ％の範囲である。

Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以下
Ｃｕは、耐食性を向上する元素であり、また、焼戻し時に５００〜６００℃の温度で析出し、焼戻し軟化を抑制する効果を有する元素でもある。図４は、後述する実施例におけるＣｕ添加量と５００℃焼戻し処理後の硬さとの関係を、また、図５は、同じく実施例におけるＣｕ添加量と５００℃焼戻し処理による硬さ上昇量との関係を示したものであり、Ｃｕ添加により焼戻し後の硬さが上昇していることがわかる。したがって、上記効果を得るには、Ｃｕは積極的に添加することが好ましい。

しかし、Ｃｕは、鋳造組織中に低融点の富Ｃｕ相を形成するため、添加量が多いほど、熱間加工性が低下し、割れやヘゲなどの表面欠陥が発生しやすくなる。さらに、ＮｂやＶと共に、Ｃｕを過剰に添加すると、焼戻し時の析出により硬さが適正範囲を大きく超過し、ブレーキ鳴きやパッド磨耗の原因となる。多少の硬さの超過は、ブレーキ構造やパッドの種類の選択などによって許容できることもあるが、ＨＲＣ：４２を超えるレベルになると許容範囲を超えてしまう。よって、Ｃｕの添加は、１．５ｍａｓｓ％以下とする。なお、焼戻し時の硬さがＨＲＣ：４１を超えないためには、０．５ｍａｓｓ％以下であるのが望ましい。

さらに、後述するＦｐ値が９５．０を超え、熱間圧延時にδフェライト相が４〜５ｖｏｌ％程度生成する場合には、熱間加工性の低下によるヘゲや割れなどの表面欠陥がより発生しやすく、特に、Ｃｕを添加した場合には、鋳造時にＣｕ偏析部が形成され、熱間圧延時にオーステナイト相とδフェライト相の界面にある融点の低いＣｕ偏析部で割れを生じやすくなる。これを防止するにはＮｉの添加が有効であるが、Ｎｉは高価な元素である。したがって、原料コストを低減する上では、Ｃｕは０．３ｍａｓｓ％以下が好ましく、場合によっては、添加せずに不可避的不純物レベルとしてもよい。

Ｆｐ値：８０．０〜９６．０
本発明が目的とする耐熱性（耐焼戻し軟化性）を得るためには、上記成分が上記所定の範囲内にあることの他に、前述したように、さらに下記（１）式；
Ｆｐ値＝−２３０Ｃ＋５Ｓｉ−５Ｍｎ−６Ｃｕ＋１０Ｃｒ−１２Ｎｉ＋３２Ｎｂ＋２２Ｖ＋１２Ｍｏ＋８Ｗ＋１０Ｔａ＋４０Ａｌ−２２０Ｎ ・・・（１）
ただし、上記式中の各元素記号は、その元素の含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
で定義されるＦｐ値が、８０．０〜９６．０を満たすよう含有することが必要である。
このＦｐ値は、焼入れ時におけるδフェライト相の生成のし易さを示す指標値であり、この値が大きいほどδフェライト形成能が高いことを示す。ただし、Ｆｐ値を８０．０より低く下げ過ぎると、焼入れ処理前の鋼硬さが上昇し過ぎて、打抜き加工性の低下を招いたり、焼入れ後の硬さが過剰に上昇したり、さらには、残留オーステナイト相の形成により、７００℃焼き戻し後に適正な硬さが得られなくなったりする。よって、本発明においては、上記（１）式で定義されるＦｐ値は、８０．０〜９６．０の範囲に制限する。好ましくは８５．０〜９５．０の範囲である。

本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、上記成分に加えてさらに、耐熱性を向上するために、Ｍｏ，ＷおよびＴａの内から選ばれる１種または２種以上を、合計で０．１〜２．０ｍａｓｓ％の範囲で含有することができる。
Ｍｏ，ＷおよびＴａは、鋼中に固溶しあるいは析出物を形成することにより、焼戻しによる軟質化を抑制する効果がある。特に、焼戻し温度が６５０℃を超える温度領域における軟質化の抑制に効果があるので、７００℃での焼戻し後の硬さの低下も小さくなる。この効果を得るためには、Ｍｏ，ＷおよびＴａの内から選ばれる１種または２種以上を合計で０．１ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加すると、熱間変形抵抗の増加による製造性の低下や、焼入れ前の硬さ上昇による打抜き加工性の低下、あるいは組織中に偏在して焼入れ時のδフェライト相生成による７００℃焼き戻し後の硬さ低下などの原因となるため、合計で２．０ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。よって、Ｍｏ，ＷおよびＴａは、耐熱性の要求レベルに応じて、１種または２種以上を合計で０．１〜２．０ｍａｓｓ％の範囲で添加するのが好ましい。なお、耐熱性向上の観点からは、０．２ｍａｓｓ％以上であることがより好ましく、また、製造性や加工性あるいはコスト低減の観点からは、１．５ｍａｓｓ％以下であることがより好ましい。

また、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、上記成分に加えてさらに、製造性や耐食性を向上するために、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％およびＢ：０．０００２〜０．００６０ｍａｓｓ％の内から選ばれる１種または２種以上を添加することができる。
Ｃａ，ＭｇおよびＢは、熱間加工性に有害なＳやＰの悪影響を抑制し、熱間圧延などの製造性の向上に効果がある。その効果を得るためには、Ｃａは０．０００２ｍａｓｓ％以上、Ｍｇは０．０００２ｍａｓｓ％以上、Ｂは０．０００２ｍａｓｓ％以上添加することが好ましい。しかし、過剰に添加すると、Ｃａ，Ｍｇは耐食性を低下させ、Ｂは、鋳造性や熱間加工性を低下させるため、Ｃａ，Ｍｇは、それぞれ０．００３０ｍａｓｓ％以下、Ｂは、０．００６０ｍａｓｓ％以下とするのが好ましい。よって、Ｃａ，ＭｇおよびＢは、必要に応じて、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００２〜０．００６０ｍａｓｓ％の範囲で、１種または２種以上を添加することが好ましい。より好ましくは、Ｃａ：０．０００５〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００５〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｂ：０．０００５〜０．００６０ｍａｓｓ％の範囲である。なお、不可避的不純物として、Ｓを０．００５ｍａｓｓ％超え含有する場合には、耐食性を確保する観点から、Ｃａは０．００１０ｍａｓｓ％以下に制限するのが好ましい。

本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、上記成分以外の残部は、Ｆｅおよび不可避的不純物からなる。ただし、不可避的不純物のうち、ＰやＳは、熱間加工性や靭性、耐食性を低下させる有害元素であるため、できるだけ低減するのが好ましく、Ｐ：０．０５ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００８ｍａｓｓ％以下とすることが好ましい。さらに好ましくは、Ｐ：０．０３ｍａｓｓ％以下、Ｓ：０．００５ｍａｓｓ％以下である。

また、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼は、本発明の作用効果を害さない範囲内であれば、上記以外の成分の含有を拒むものではなく、例えば、耐熱性、耐食性および製造性を向上する観点から、Ｔｉを０．１ｍａｓｓ％以下、Ｃｏを０．４ｍａｓｓ％以下あるいはＲＥＭ，Ｈｆ，Ｙ，Ｚｒ，Ｓｂを合計で０．０５ｍａｓｓ％以下含有してもよい。

次に、本発明の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼の製造方法について説明する。
本発明のＣｒ含有鋼の製造方法は、ブレーキディスク用素材の製造方法として公知の方法を適用することができ、例えば、以下のような製造方法であるのが好ましい。
上記成分組成を満たす鋼を、転炉、電気炉などで溶製し、さらにその溶鋼をＶＯＤやＡＯＤなどで二次精錬した後、連続鋳造法あるいは造塊−分塊圧延法で厚さ１００〜２５０ｍｍのスラブとする。なお、生産性や鋼板材質の均一性の観点からは、連続鋳造法が好ましい。

次いで、上記のようにして得たスラブを、１０００〜１３００℃に加熱後、熱間圧延して板厚が３〜１０ｍｍの熱延鋼板とし、必要に応じて熱延板焼鈍し、ショットブラストや酸洗、研削などを施してスケール除去し、さらに必要に応じてスキンパス圧延などの形状矯正を行い、ブレーキディスク用素材とする。この際、ブレーキディスクへの打ち抜きを容易にするため、熱延板焼鈍は６５０〜９００℃の温度で行い、硬さをＨＲＢ（ロックウェル硬さＢスケール）で１００以下にするのが好ましい。ＨＲＢ：９５以下であればさらに好ましい。

なお、厚さが３ｍｍ以下のブレーキディスクの場合には、その素材は、３ｍｍ以下に熱間圧延した熱延鋼板を用いるか、あるいは、３ｍｍ以上の熱延鋼板に、さらに冷間圧延を施し、さらに必要に応じて、焼鈍、スケール除去、形状矯正などを行った冷延鋼板を用いるのが好ましい。

次に、ブレーキディスクを製造する方法について説明する。
まず、ブレーキディスクの製造方法は、従来公知の方法を用いることができ、例えば、上記のようにして得た熱延鋼板あるいは冷延鋼板のコイルあるいは切り板から、打抜き加工などにより円盤状に打ち抜き、さらに、冷却や磨耗粉などの排出機能を有する溝や小孔などを打ち抜き加工し、所望の形状とする。次いで、高周波誘導加熱装置や、バッチ式あるいは連続式の熱処理炉を用いて、９５０〜１２５０℃の温度に加熱後、空冷以上の冷却速度で冷却する焼入れ処理を行い、その後、酸洗処理や表面研磨によるスケール除去、不動態化処理などの酸処理や塗装による防錆処理などを施してブレーキディスクとするのが好ましい。なお、焼入れ処理の方法としては、形状矯正を兼ねた金型冷却を用いてもよい。また、必要に応じて、歪取り焼鈍を行ってもよい。さらに、本発明の鋼は、焼入れ処理のみでブレーキディスクに使用できること（焼戻し処理不要）が大きな特徴の１つであるが、焼戻し処理を行ってから使用してもよい。

表１−１および表１−２に示す成分組成を有する鋼を高周波真空溶解炉で溶製して１００ｋｇの鋼塊とした後、これらの鋼塊を通常の条件で熱間圧延して板厚が４ｍｍの熱延板とした。その後、この熱延板に、不活性ガス雰囲気中で６５０〜８５０℃×８時間以上の焼鈍後、徐冷する熱処理を施して熱延焼鈍材とした。なお、上記熱間圧延の際には、圧延時の割れ発生の有無や圧延荷重の調査を行い、また、圧延した熱延板については鋼板表面を目視観察して、ヘゲや割れ等の欠陥発生の有無を調査し、割れ等の発生が大きいものを製造性×、割れ等の発生が軽微で実用上問題ないものを製造性△、まったく問題が認められなかったものを製造性○と評価した。

上記のようにして得た熱延焼鈍板を用いて、下記の試験を行った。
（１）焼入れ試験
上記熱延焼鈍板から、板厚×３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさの試験片を採取し、表２−１および表２−２に示した各種条件に加熱後、空冷する焼入れ処理を施した。次いで、焼入れ後の試験片の表面のスケールを研削、研磨して除去後、ＪＩＳ Ｚ２２４５の規定に準拠してロックウェル硬度計で表面硬さＨＲＣを５点測定し、その平均値をその材料の焼入れ硬さとした。そして、焼入れ後の硬さが、ＨＲＣで３１〜４０のものを合格と判定した。
（２）耐熱性（耐焼戻し軟化性）試験
上記焼入れ後の試験片に、さらに５００℃×１時間、６５０℃×１時間および７００℃×１時間の３水準に加熱後、空冷する焼戻し処理を施した後、試験片表面のスケールを研削により除去してから、ＪＩＳ Ｚ２２４５の規定に準拠してロックウェル硬度計で表面硬さＨＲＣを５点測定し、その平均値を求め、耐熱性を評価した。そして、７００℃×１時間の焼戻し処理後の硬さがＨＲＣで３１以上のものを合格と判定した。
（３）δフェライト量の測定
上記焼入れ後の試験片の断面を研摩し、村上試薬で腐食した後、光学顕微鏡を用いて４００倍で５視野の組織を写真撮影し、得られた組織写真を画像解析してδフェライト分率を測定し、５視野の平均値を、その試料のδフェライト相の量とした。
（４）耐食性試験
上記熱延焼鈍材から、板厚×７０ｍｍ×１５０ｍｍの大きさの試験片を採取し、試験片表面を＃３２０のエメリー研磨紙で湿式研磨したのち、ＪＩＳ Ｚ２３７１の規定に準拠した塩水噴霧試験（ＳＳＴ）を行った。ＳＳＴ試験は、４８時間行い、試験後の試験片表面を目視観察し、発錆点の数を測定し、発錆点なしを耐食性優（○）、１〜４個を耐食性良（△）、５個以上を耐食悪（×）とし、○、△を合格とした。

上記試験の結果を表２−１および表２−２に併せて示した。これらの表から、本発明に適合する成分組成を有するＮｏ．１〜１２、２３〜２６および３０〜３４の鋼板は、いずれも焼入れ後の硬さがＨＲＣ：３１〜４０で、７００℃での焼き戻し後の硬さがＨＲＣ：３１以上であり、優れた焼き戻し軟化抵抗性を有していること、また、耐食性や製造性にも優れていることがわかる。
これに対して、本発明の成分組成を満たしていないＮｏ．１３〜２２、２７〜２９および３５〜４０の鋼は、焼入れ後の硬さがＨＲＣ：３１〜４０でないか、また、例え、焼入れ後の硬さがＨＲＣ：３１〜４０を満たしていても、７００℃での焼き戻し後の硬さがＨＲＣ：３１未満であるか、あるいは製造性か耐食性のいずれかが本発明の目標を満たしていないことがわかる。ここで、Ｎｏ．３５〜３８の鋼は、引用文献３に記載された発明例の鋼Ｎｏ．Ｆ，Ｇ，ＬおよびＸに相当するものである。
なお、Ｎｏ．１６の鋼は、Ｎｂ，Ｖを過剰に含有しているため、熱間加工性が低下して表面欠陥が発生した例を、また、Ｎｏ．２５の鋼は、ＳとＣａの含有量が発明範囲を超えているため、耐食性が低下した例である。

Claims (5)

1. Ｃ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％、Ｎ：０．０２〜０．１０ｍａｓｓ％でかつＣ＋Ｎ：０．０８〜０．１６ｍａｓｓ％、
   Ｓｉ：０．５ｍａｓｓ％以下、
   Ａｌ：０．１ｍａｓｓ％以下、
   Ｍｎ：０．３〜３．０ｍａｓｓ％、
   Ｃｒ：１０．５〜１３．５ｍａｓｓ％、
   Ｎｂ：０．０５〜０．６０ｍａｓｓ％、Ｖ：０．１５〜０．８０ｍａｓｓ％でかつＮｂ＋Ｖ：０．２５〜０．９５ｍａｓｓ％、
   Ｎｉ：０．０２〜２．０ｍａｓｓ％、
   Ｃｕ：１．５ｍａｓｓ％以下、
   残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、下記（１）式で表されるＦｐ値が８０．０〜９６．０である成分組成を有し、焼入れ後の硬さがＨＲＣで３１〜４０、７００℃で１時間の焼戻し後の硬さがＨＲＣで３１以上である低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼。
   記
   Ｆｐ値＝−２３０Ｃ＋５Ｓｉ−５Ｍｎ−６Ｃｕ＋１０Ｃｒ−１２Ｎｉ＋３２Ｎｂ＋２２Ｖ＋１２Ｍｏ＋８Ｗ＋１０Ｔａ＋４０Ａｌ−２２０Ｎ ・・・（１）
   ただし、上記式中の元素記号は、各元素の含有量（ｍａｓｓ％）を示す。
2. 上記成分に加えてさらに、Ｍｏ，ＷおよびＴａのうちから選ばれる１種または２種以上を合計で０．１〜２．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項１に記載の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼。
3. 上記成分に加えてさらに、Ｃａ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％、Ｍｇ：０．０００２〜０．００３０ｍａｓｓ％およびＢ：０．０００２〜０．００６０ｍａｓｓ％のうちから選ばれる１種または２種以上を含有することを特徴とする請求項１または２に記載の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼。
4. 焼入れ処理後のδフェライト相が５ｖｏｌ％以下の組織を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の低炭素マルテンサイト系Ｃｒ含有鋼からなることを特徴とするブレーキディスク。

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