JP2013108114A - Brake disc material and brake disc - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To produce a brake disc excellent in resistance to thermal cracking.SOLUTION: The brake disc material used is a steel-based material which contains ≥0.15 mass% and ≤0.30 mass% C, ≥0.25 mass% and ≤1.3 mass% Si, ≥0.3 mass% Mn, ≥0.25 mass% and ≤1.0 mass% Ni, ≥0.6 mass% and ≤1.0 mass% Cr, ≥0.4 mass% Mo, ≥0.05 mass% and ≤0.22 mass% V, and ≥0.10 mass% Al and is characterized in that, based on respective mass percentages of metals, the carbon equivalent Ceq represented by formula (1) is ≥0.60 mass% and ≤0.86 mass%, the total of Mn and Ni is 1.3 mass% or less, and the balance comprises iron and impurities. Formula (1) is Ceq (wt.%)=C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14.

Description

この発明は、鉄道車両などで用いるブレーキディスク用材料と、それを用いたブレーキディスクに関する。   The present invention relates to a material for a brake disc used in a railway vehicle and the like, and a brake disc using the material.

鉄道車両、自動車、航空機などの制動に用いられるディスクブレーキは、車軸や車輪とともに回転するブレーキディスクにブレーキパッドを押し付けて、車輪及びブレーキディスクの運動エネルギーを摩擦により生じる熱エネルギーに変換するものである。従って、ブレーキディスクは高速回転しながら表面に強い摩擦力を受けるので、車両用構造材料で一般に求められる強度や靭性を有するだけでなく、耐摩耗性、耐熱き裂性に優れたものであることが求められる。ブレーキディスク用の鋼系材料としては、そのような特性をバランスよく満足するものを求めて、多くの元素を添加したものが種々提案されている。   Disc brakes used for braking railway vehicles, automobiles, airplanes, etc., press brake pads against brake discs that rotate with axles and wheels, and convert the kinetic energy of the wheels and brake discs into thermal energy generated by friction. . Therefore, since the brake disk receives a strong frictional force on the surface while rotating at high speed, it not only has the strength and toughness generally required for structural materials for vehicles, but also has excellent wear resistance and heat crack resistance. Is required. Various steel-based materials for brake discs have been proposed in which many elements are added in order to satisfy such characteristics in a well-balanced manner.

例えば、特許文献1に記載のようなブレーキディスク用鋼が挙げられる。この材料は、質量%で、Cを0.1〜0.6%、Siを0.01〜1.2%、Mnを0.2〜2.0%、Niを0.8〜3.0%、Crを1.3〜5.0%、Moを0.1〜3.0%、Vを0.005〜0.5%含有し、残部が鉄と不純物とからなり、かつ、CとCrとMoとVとの量が所定の関係式を満たすようにしたものである。   For example, steel for brake discs as described in Patent Document 1 can be mentioned. This material is, by mass%, C 0.1-0.6%, Si 0.01-1.2%, Mn 0.2-2.0%, Ni 0.8-3.0. %, Cr 1.3-5.0%, Mo 0.1-3.0%, V 0.005-0.5%, the balance consisting of iron and impurities, and C and The amounts of Cr, Mo, and V satisfy a predetermined relational expression.

また、耐熱き裂性を向上させることが求められる。そのようなブレーキディスク用材料として、Cを0.15質量%以上、0.30質量%以下、Siを0.3質量%以上、1.3質量%以下、Mnを0.3質量%以上、Crを0.6質量%以上、1.0質量%以下、Moを0.4質量%以上、Alを0.15質量%以下の範囲で有し、炭素当量Ceqが0.60質量%以上、0.86質量%以下であり、MnとNiとの合計が1.3質量%以下であり、残分が鉄と不純物とからなるブレーキディスク用材料が特許文献2に記載されている。   In addition, it is required to improve the heat cracking resistance. As such a brake disc material, C is 0.15 mass% or more, 0.30 mass% or less, Si is 0.3 mass% or more, 1.3 mass% or less, Mn is 0.3 mass% or more, Cr is 0.6% by mass or more, 1.0% by mass or less, Mo is 0.4% by mass or more, Al is 0.15% by mass or less, and the carbon equivalent Ceq is 0.60% by mass or more. Patent Document 2 describes a brake disc material that is 0.86% by mass or less, the sum of Mn and Ni is 1.3% by mass or less, and the balance is iron and impurities.

この特許文献2にかかる材料の特性は、鉄を主成分とする材料は、加熱と冷却を繰り返す焼き入れによって、マルテンサイト構造への変態を起こすことがあるという事実に基づく。マルテンサイト構造は、鉄鋼系材料を一般的な方法で鋳造することで取りうる構造よりも硬度が高いが脆いため、マルテンサイト変態を起こした箇所はき裂を生じやすい。また、ブレーキディスクはブレーキパッドと摺動する箇所に集中して熱がかかるため、変態を起こすのはディスクの表面付近の一部であり、局所的な塑性変形が生じて、き裂発生に至る。従って、マルテンサイト変態を起こしやすいと、耐熱き裂性は低いものとなる。従って、このマルテンサイト構造への変態が起こりにくい成分比率及び他の条件を見出すことで、耐熱き裂性を高めている。   The characteristics of the material according to Patent Document 2 are based on the fact that a material containing iron as a main component may cause a transformation to a martensite structure by repeated heating and cooling. The martensite structure is higher in hardness than a structure that can be obtained by casting a steel-based material by a general method, but is brittle. Therefore, a portion where martensitic transformation has occurred is likely to crack. Also, since the brake disc is concentrated and heated at the point where it slides against the brake pad, the transformation occurs in a part near the surface of the disc, causing local plastic deformation and cracking. . Therefore, if the martensitic transformation is likely to occur, the thermal cracking property is low. Therefore, the heat cracking resistance is enhanced by finding the component ratio and other conditions that are unlikely to cause transformation to the martensite structure.

特開2005−36312号公報JP-A-2005-36312 特開2010−270392号公報JP 2010-270392 A

ところで、特に高速で高温に曝されるブレーキディスクでは、耐摩耗性や耐熱き裂性だけでなく、高温環境下でも変形しにくい耐熱変形性、寒冷地等の低温環境でも脆化しにくいことが望まれる。そこでこの発明は、特許文献2の材料で達成された耐熱き裂性だけでなく、高い耐熱変形性と耐衝撃性とも備えたブレーキディスクを得ることを目的とする。   By the way, especially for brake discs exposed to high temperatures at high speeds, not only wear resistance and heat cracking resistance, but also resistance to heat deformation that is difficult to deform even in a high temperature environment, it is desirable that the brake disc is not easily brittle even in a low temperature environment such as a cold region. It is. Therefore, an object of the present invention is to obtain a brake disk having not only the heat cracking resistance achieved with the material of Patent Document 2, but also high heat deformation resistance and impact resistance.

この発明は、ブレーキディスクの材料として、C,Si、Mn、Ni、Cr、Moを有する従来の特許文献2に記載の鉄鋼系材料に、少量のV、又は、少量のVとNbとを含有させることで、上記の課題を解決したのである。   The present invention contains a small amount of V or a small amount of V and Nb in the steel-based material described in Patent Document 2 having C, Si, Mn, Ni, Cr, and Mo as the material of the brake disk. By doing so, the above problems were solved.

具体的に利用可能な鉄鋼系材料の範囲は、Cを0.15質量%以上、0.30質量%以下、Siを0.25質量%以上、1.3質量%以下、Mnを0.3質量%以上、Niを0.25質量%以上、1.0質量%以下、Crを0.6質量%以上、1.0質量%以下、Moを0.4質量%以上の範囲で有し、それぞれの元素の質量含有百分率の値から下記式(1)で示される炭素当量Ceqが0.60質量%以上、0.86質量%以下であり、MnとNiとの合計が1.3質量%以下であり、
さらに、Vを0.05質量%以上0.22質量%以下含有してNbが不可避不純物量未満、又は、Vを0.05質量%以上0.09質量%以下含みかつNbを0.06質量%以下含有し、残分が鉄と不純物とからなる鉄鋼系材料が、この発明にかかる鉄鋼系材料として好適な性質を発揮する。
Specifically, the range of steel materials that can be used is 0.15 mass% or more and 0.30 mass% or less of C, 0.25 mass% or more and 1.3 mass% or less of Si, and 0.3 Mn or less. % By mass, Ni: 0.25% by mass or more, 1.0% by mass or less, Cr: 0.6% by mass or more, 1.0% by mass or less, Mo: 0.4% by mass or more, From the value of the mass content percentage of each element, the carbon equivalent Ceq represented by the following formula (1) is 0.60 mass% or more and 0.86 mass% or less, and the total of Mn and Ni is 1.3 mass%. And
Further, V is contained in an amount of 0.05% by mass or more and 0.22% by mass or less, and Nb is less than an inevitable impurity amount, or V is contained in an amount of 0.05% by mass or more and 0.09% by mass or less, and Nb is 0.06% by mass. % Or less, and the remainder comprising iron and impurities exhibits properties suitable as a steel material according to the present invention.

Ceq(wt%)=C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14 (1)   Ceq (wt%) = C + Si / 24 + Mn / 6 + Cr / 5 + Ni / 40 + Mo / 4 + V / 14 (1)

この発明は、特許文献2に記載の合金材料と同様に、鉄を主成分とする材料は、加熱と冷却を繰り返す焼き入れによって、マルテンサイト構造への変態を起こすことがあるという事実に基づく。この発明ではその上でさらに、NiとVを上記範囲で含有することにより、又はそれにさらにNbを含有することにより、特許文献2に記載の合金を上回る耐熱変形性、耐衝撃性を発揮させることに成功した。ただし、VとNbの添加によって性能が向上する範囲は極めて限られており、それよりも過剰になると逆に性能が悪化しやすいため、他の元素以上に含有量を限られた範囲に調製しなければならない。   This invention is based on the fact that, as with the alloy material described in Patent Document 2, a material containing iron as a main component may cause transformation to a martensite structure by repeated quenching of heating and cooling. In addition, in this invention, by further containing Ni and V in the above range, or by further containing Nb, the heat distortion resistance and impact resistance exceeding those of the alloy described in Patent Document 2 are exhibited. succeeded in. However, the range in which the performance is improved by the addition of V and Nb is extremely limited, and conversely, if it is excessive, the performance tends to deteriorate. Therefore, the content is adjusted to a limited range over other elements. There must be.

なお、この発明にかかる材料は、不可避不純物と上記の元素以外に、アルミニウムを0.2質量%以下の範囲で含んでいてもよい。なお、不可避不純物の量は元素により異なるが、ほとんどの場合、0.05質量%未満であり、0.01質量%未満であることが好ましい。   In addition, the material concerning this invention may contain aluminum in 0.2 mass% or less in addition to an unavoidable impurity and said element. The amount of inevitable impurities varies depending on the element, but in most cases, it is less than 0.05% by mass, preferably less than 0.01% by mass.

なお、炭素当量CeqはJIS G 0203(5103)で規定され、炭素以外の含有元素について、硬度や強度を主に向上させる影響度を、炭素の影響度に換算した値である。一般に、高ければ高いほど鋼の硬度が高くなる。   The carbon equivalent Ceq is defined by JIS G 0203 (5103), and is a value obtained by converting the degree of influence that mainly improves the hardness and strength of contained elements other than carbon into the degree of influence of carbon. In general, the higher the steel, the higher the hardness of the steel.

なお、硬度は、ブレーキディスク用材料としては少なくとも300HV以上の硬度を必要とする。好ましくは330HV以上である。   The hardness of the brake disc material requires at least 300 HV or more. Preferably it is 330HV or more.

この発明にかかる合金によるブレーキディスクを用いることにより、ディスクブレーキの置かれる環境で生じる加熱と冷却の環境でも、ブレーキディスクの摺動部におけるマルテンサイト組織の生成を抑えて、ブレーキディスクの摺動部における熱き裂の発生や、それによる破損を防止することができる。また、それとともに、ディスクブレーキの耐熱変形性を向上させ、低温環境下であっても脆化しにくくすることができる。   By using the brake disc made of the alloy according to the present invention, the generation of martensite structure in the sliding portion of the brake disc is suppressed even in the heating and cooling environment generated in the environment where the disc brake is placed, and the sliding portion of the brake disc It is possible to prevent the occurrence of thermal cracks and damage caused by them. At the same time, the heat distortion resistance of the disc brake can be improved and it can be made difficult to become brittle even in a low temperature environment.

ブレーキディスクの例を示す概略図Schematic showing an example of a brake disc 実施例の高温引張試験結果のグラフExample high temperature tensile test results graph 試験片の寸法図Dimensional drawing of specimen 熱衝撃試験機の斜視図Perspective view of thermal shock tester 熱衝撃試験機の断面図Cross section of thermal shock tester 熱衝撃試験時の試験片の温度変化を示すグラフGraph showing temperature change of test piece during thermal shock test 熱衝撃試験の参照例とする写真Photo as reference example for thermal shock test

以下、この発明の実施形態について具体的に説明する。
この発明にかかるブレーキディスクに用いる材料は、主として鉄からなり、具体的には次のような構成からなる。なお、以下の比率は全て質量%であり、鋳造前の材料配合時の値ではなく、鋳造後に得られるブレーキディスクそのものでの値である。
Embodiments of the present invention will be specifically described below.
The material used for the brake disc according to the present invention is mainly made of iron, and specifically has the following configuration. In addition, all the following ratios are mass%, and are not the value at the time of compounding the material before casting but the value in the brake disc itself obtained after casting.

上記のブレーキディスク用材料は、Cを0.15質量%以上含有することが必要である。0.15質量%未満であると、硬度及び引張強度が不足し、ブレーキディスクに必要な機械的性質を確保できなくなる可能性が高くなる。一方で、Cの含有量は0.30質量%以下である必要がある。Cが0.30質量%を超えると、耐熱き裂性の低下が無視できないものとなる。より確実に耐熱き裂性の低下を避けるには、0.25質量%以下であるとよい。また、この他に炭素当量Ceqに関与する元素を勘案しての含有率制限がある。   The above brake disk material needs to contain 0.15% by mass or more of C. If it is less than 0.15% by mass, the hardness and the tensile strength are insufficient, and there is a high possibility that the mechanical properties required for the brake disk cannot be ensured. On the other hand, the C content needs to be 0.30% by mass or less. When C exceeds 0.30% by mass, a decrease in heat cracking resistance cannot be ignored. In order to more surely avoid a decrease in heat cracking resistance, the content is preferably 0.25% by mass or less. In addition to this, there is a content rate limitation in consideration of elements involved in the carbon equivalent Ceq.

上記のブレーキディスク用材料は、Siを0.25質量%以上含有することが必要である。Siは脱酸効果を有し、鋳造時に鋳造欠陥を生じさせる元となる酸素を奪うことで、鋳造欠陥を抑制する効果を有する。0.25質量%未満ではこの効果が不十分となり、鋳造欠陥が生じる可能性が無視できないものとなってくる。より確実に脱酸効果を確保するには、0.5質量%以上であると好ましい。一方で、1.3質量%を超えて含有させても、鋳造欠陥を防止する脱酸効果への寄与はほとんど向上せず、伸びが低下するおそれが出てくるので、1.3質量%以下である必要がある。伸び低下の抑制の点から好ましくは1.0質量%以下である。また、この他に後述する炭素当量Ceqに関与する元素を勘案しての含有率制限がある。   The brake disk material described above needs to contain 0.25% by mass or more of Si. Si has a deoxidizing effect, and has an effect of suppressing casting defects by depriving oxygen that is a cause of casting defects during casting. If it is less than 0.25% by mass, this effect is insufficient, and the possibility of casting defects cannot be ignored. In order to ensure the deoxidation effect more reliably, it is preferably 0.5% by mass or more. On the other hand, even if the content exceeds 1.3% by mass, the contribution to the deoxidation effect for preventing casting defects is hardly improved, and the elongation may decrease. Need to be. Preferably it is 1.0 mass% or less from the point of suppression of elongation reduction. In addition to this, there is a content rate restriction in consideration of elements involved in the carbon equivalent Ceq described later.

上記のブレーキディスク用材料は、Mnを0.3質量%以上含有する必要がある。Mnも脱酸効果を有し、Siと併用することで鋳造欠陥を防止する効果をより徹底させる効果がある。Mnが0.3質量%未満であると鋳造欠陥が生じる可能性が無視出来ないものとなってくる。一方、1.0質量%を超えると焼き入れ性過大のおそれが出てくるため、1.0質量%以下であることが好ましい。また、後述するNiとの合計量について、耐熱き裂性の付与の点から事実上の上限(1.3質量%)が存在する。   The above brake disk material needs to contain 0.3% by mass or more of Mn. Mn also has a deoxidizing effect, and has the effect of more thoroughly preventing the casting defects by using it together with Si. If Mn is less than 0.3% by mass, the possibility of casting defects cannot be ignored. On the other hand, if it exceeds 1.0% by mass, there is a risk of excessive hardenability, so that it is preferably 1.0% by mass or less. Moreover, about the total amount with Ni mentioned later, there exists a virtual upper limit (1.3 mass%) from the point of provision of heat cracking property.

上記のブレーキディスク用材料は、Niを0.25質量%以上含有する必要がある。Niは、低温における脆化を抑制する効果がある。0.25質量%未満であると、脆化をしやすくなるおそれが生じる。一方、1.0質量%以下であることが好ましい。1.0質量%を超えると過剰な焼入れが生じて、脆化が生じる。これらの脆化は特に低温で問題となる。また、後述するMnとの合計量について、耐熱き裂性の付与の点からこの範囲でさらに限定条件を有する。   The above brake disk material needs to contain Ni in an amount of 0.25% by mass or more. Ni has the effect of suppressing embrittlement at low temperatures. If it is less than 0.25% by mass, it tends to be brittle. On the other hand, it is preferable that it is 1.0 mass% or less. If it exceeds 1.0% by mass, excessive quenching occurs and embrittlement occurs. These embrittlements are particularly problematic at low temperatures. Moreover, about the total amount with Mn mentioned later, it has further limitation conditions in this range from the point of provision of heat cracking property.

上記のブレーキディスク用材料は、Crを0.6質量%以上含有する必要がある。Crが0.6質量%未満であると耐酸化性が不十分になってしまう。一方で、Crが1.0質量%を超えると、焼入れ性が大きくなり、すなわちマルテンサイト変態が起こりやすくなり、耐熱き裂性が大きく低下することになるため、Crは1.0質量%以下である必要がある。   The above brake disk material needs to contain 0.6 mass% or more of Cr. When Cr is less than 0.6% by mass, the oxidation resistance becomes insufficient. On the other hand, if Cr exceeds 1.0% by mass, the hardenability increases, that is, martensite transformation is likely to occur, and the heat cracking resistance is greatly reduced. Need to be.

上記のブレーキディスク用材料は、Moを0.4質量%以上含有する必要がある。Moも硬度及び引張強度に寄与し、0.4質量%未満であると、これら機械的性質が不十分になってしまう。一方、Moは含有量が増えても、Crのように焼入れ性が大きくなる作用は少ないため、単独では耐熱き裂性を保持するための上限は特に規定されない。ただし、炭素と同様の作用をわずかながら有するので、上記炭素当量の一項として、事実上の上限が存在する。また、実際には1.5質量%を超えて含有させても、硬度及び引張強度への向上効果はほとんど現れなくなってしまい無駄となるので、1.5質量%以下であるとよい。   The above brake disk material needs to contain 0.4% by mass or more of Mo. Mo also contributes to hardness and tensile strength, and if it is less than 0.4% by mass, these mechanical properties become insufficient. On the other hand, even if the content of Mo is increased, there is little effect of increasing the hardenability like Cr, so that the upper limit for maintaining the heat cracking resistance is not particularly specified by itself. However, since it has an effect similar to that of carbon, there is a practical upper limit as a term of the carbon equivalent. Moreover, even if it contains more than 1.5 mass% actually, the improvement effect on hardness and tensile strength will hardly appear and it will be useless, Therefore It is good that it is 1.5 mass% or less.

上記のブレーキディスク材料は、Vを0.05質量%以上含有する必要がある。Vは主に耐熱変形性に寄与し、さらに適量の添加によって低温で脆化しにくくさせることができる。0.05質量%未満であると、その効果は限定的になってしまう。しかし、Vの添加により低温で脆化しくくさせる範囲は限定的であり、Vが過剰であると逆に脆化しやすくなってしまう。このため、Vの含有量は0.22質量%以下である必要がある。   The above brake disc material needs to contain V of 0.05% by mass or more. V mainly contributes to heat distortion resistance, and can be made hard to become brittle at a low temperature by addition of an appropriate amount. If it is less than 0.05% by mass, the effect is limited. However, the range of making V brittle at a low temperature by the addition of V is limited, and if V is excessive, it tends to become brittle. For this reason, content of V needs to be 0.22 mass% or less.

また、Vの含有量が0.05質量%以上、0.09質量%以下の範囲である場合には、Nbを添加することによって、さらに耐高温変形性を向上させ、低温で脆化しにくくさせることができる。Vが多すぎる環境でNbを添加してしまうと逆に脆化しやすくなってしまう。一方、Vが少なすぎると、Nbとの連動効果が発揮されない可能性がある。なお、含有させるNbの量は、0.06質量%以下であることが望ましい。Nbも多すぎると逆に脆化しやすくなってしまうためである。逆に、Vの値が前記の範囲より過剰である場合にNbの含有量が不可避不純物量以上であると、低温での脆化が無視できなくなる。この不可避不純物量以上でないとは、0.02質量%未満であると好ましく、0.01質量%未満であるとより好ましい。   In addition, when the V content is in the range of 0.05% by mass or more and 0.09% by mass or less, by adding Nb, the high temperature deformation resistance is further improved and the embrittlement is difficult to occur at a low temperature. be able to. On the contrary, if Nb is added in an environment where V is too much, it tends to become brittle. On the other hand, if V is too small, the interlocking effect with Nb may not be exhibited. The amount of Nb to be contained is preferably 0.06% by mass or less. This is because if Nb is too much, it tends to become brittle. On the contrary, when the value of V is excessive from the above range and the Nb content is more than the amount of inevitable impurities, embrittlement at low temperature cannot be ignored. The amount not more than this inevitable impurity amount is preferably less than 0.02% by mass and more preferably less than 0.01% by mass.

上記のブレーキディスク用材料は、Alを0.02質量%以上含有することができる。Alも脱酸効果を有し、Siよりも比較的少量で効果を発揮する。Alが0.02質量%未満であると脱酸効果が不十分となり、鋳造欠陥が生じる可能性が無視できないものとなる。ただし、これは同様に脱酸効果に寄与するSiやMnの量を調整したり、製造方法を工夫したりすることで解決可能である。このため、Alを含有しなくてもこの発明に用いる材料としての要件は満たす。一方で、典型元素であるAlが増えすぎると、靭性の低下に繋がることがあり、また、0.10質量%を超えて含有しても鋳造欠陥を防止する脱酸効果への寄与はほとんど向上しないので、0.10質量%以下であるとよい。   The brake disc material can contain 0.02% by mass or more of Al. Al also has a deoxidizing effect and exerts its effect in a relatively small amount compared to Si. If the Al content is less than 0.02% by mass, the deoxidation effect is insufficient and the possibility of casting defects cannot be ignored. However, this can also be solved by adjusting the amount of Si or Mn contributing to the deoxidation effect or by devising a manufacturing method. For this reason, even if it does not contain Al, the requirements as a material used for this invention are satisfied. On the other hand, if Al, which is a typical element, increases too much, it may lead to a decrease in toughness, and the contribution to the deoxidation effect that prevents casting defects is almost improved even if the content exceeds 0.10% by mass. Therefore, the content is preferably 0.10% by mass or less.

次に、上記のブレーキディスク用材料を構成する元素のうち、AlとFe以外の元素について、下記式(1)で示される炭素当量Ceqが、0.60質量%以上である関係を満足する必要がある。この炭素当量は、炭素以外の元素が性質に及ぼす影響度を炭素の影響度に換算した値であり、これが0.60質量%未満であると、ブレーキディスクとして必要な硬度300HVを得られない。また、0.70質量%以上であると、硬度を安定して得ることができるので好ましい。一方で、Ceqが0.86質量%以下である関係を満足する必要がある。これが0.86質量%を超えると、炭素の含有量が多すぎる場合と同様に、耐熱き裂性が低下しすぎてしまう。   Next, among the elements constituting the brake disk material described above, the elements other than Al and Fe must satisfy the relationship in which the carbon equivalent Ceq represented by the following formula (1) is 0.60% by mass or more. There is. This carbon equivalent is a value obtained by converting the influence of elements other than carbon on the properties into the influence of carbon. If this is less than 0.60% by mass, the hardness of 300 HV required for a brake disk cannot be obtained. Moreover, it is preferable that it is 0.70 mass% or more because hardness can be stably obtained. On the other hand, it is necessary to satisfy the relationship that Ceq is 0.86% by mass or less. If this exceeds 0.86% by mass, the heat cracking resistance will be too low, as in the case where the carbon content is too high.

Ceq(wt%)=C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14 ……(1)   Ceq (wt%) = C + Si / 24 + Mn / 6 + Cr / 5 + Ni / 40 + Mo / 4 + V / 14 (1)

さらに、上記のブレーキディスク用材料に含まれるMnとNiとの合計量は、1.3質量%以下である必要がある。MnとNiは、含有率が増加して耐熱き裂性を損なうか否かの寄与について、一体となって寄与する。耐熱き裂性への関与について、これらの化学的性質が類似しているためと考えられる。   Furthermore, the total amount of Mn and Ni contained in the above brake disc material needs to be 1.3% by mass or less. Mn and Ni contribute together as to whether or not the content rate is increased and the thermal crack resistance is impaired. It is thought that these chemical properties are similar in terms of participation in heat cracking resistance.

上記のブレーキディスク用材料が含有する元素は、上記のC,Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Nb以外には、鉄が主成分を占めるものである。それ以外には、意図的に含めるのではなく混入されうる不純物となる元素が、この発明にかかるブレーキディスク用材料が必要とする性能を阻害しない範囲で含まれていることが許容される。この不純物は、鋳造のための溶湯を調整するるつぼや鋳型に残存する、それまでに利用された溶湯に含まれていた元素が残存したものや、環境保護の点からスクラップを材料にする際に除外しきれない元素などである。   The elements contained in the above-mentioned brake disk material are those in which iron occupies the main component other than the above-mentioned C, Si, Mn, Ni, Cr, Mo, V, and Nb. In addition to this, it is allowed that an element which becomes an impurity which is not intentionally included but can be mixed in is contained within a range not impairing the performance required by the brake disc material according to the present invention. This impurity is left in the crucible or mold that adjusts the molten metal for casting, the elements contained in the molten metal used so far, or when scrap is made into materials from the viewpoint of environmental protection Elements that cannot be excluded.

上記の不純物となる元素の含有量は以下の通りであると好ましい。Pは0.05質量%以下であると好ましい。0.05質量%を超えると、破壊起点となり、低温において脆化する。Sも0.05質量%以下であると好ましい。0.05質量%を超えると、破壊起点となり、高温において脆化する。その他、CuやTiの他、他の元素の含有量は0.05質量%以下であると好ましい。これらの元素が含まれることで、不測の作用を発揮して、この発明にかかるブレーキディスク用材料の性質を阻害するおそれがあるためである。またこれらの元素が含まれる事で不要なコストアップにつながる。なお、これら不純物である元素の含有量は少ないほどよく、0質量%であると望ましい。   The content of the element serving as the impurity is preferably as follows. P is preferably 0.05% by mass or less. When it exceeds 0.05 mass%, it becomes a fracture starting point and embrittles at a low temperature. S is also preferably 0.05% by mass or less. When it exceeds 0.05 mass%, it becomes a fracture starting point and becomes brittle at a high temperature. In addition, the content of other elements in addition to Cu and Ti is preferably 0.05% by mass or less. This is because the inclusion of these elements may cause an unexpected action and hinder the properties of the brake disc material according to the present invention. In addition, the inclusion of these elements leads to unnecessary cost increase. Note that the content of these elements as impurities is preferably as small as possible, and is preferably 0% by mass.

上記の元素の含有率は、原料となる元素の配合比ではなく、鋳造後に実際に得られる物の含有率である。その具体的な測定方法はスパーク発光分析法(JIS G 1253)による。   The content of the above element is not the compounding ratio of the elements that are the raw materials, but the content of the product that is actually obtained after casting. The specific measurement method is based on a spark emission analysis method (JIS G 1253).

上記の構成であるブレーキディスク用材料により、一般的な鋳造方法によってディスクブレーキ用ブレーキディスクを製造すると、耐熱き裂性が高く、硬度、引張強度等の機械的性質に優れ、耐熱変形性を向上させ、低温で脆化しにくいものとすることができる。   When a brake disc for a disc brake is manufactured by a general casting method using the brake disc material having the above structure, it has high heat cracking resistance, excellent mechanical properties such as hardness and tensile strength, and improved heat distortion resistance. And can be made hard to become brittle at low temperatures.

図1はこのブレーキディスクの一例である鉄道車両用ブレーキディスクの概念図である。ブレーキディスク1は、その中央の取付孔2に鉄道車両の車軸4が嵌め込まれ、取付孔2の周囲の複数のボルト孔3で車輪5にボルト締めされた状態で使用される。これにより、ブレーキディスク1と車輪5は同軸回転する。ブレーキ作動時にはブレーキディスク1の車輪5と反対側の面にブレーキパッド6が押し付けられる。この際にブレーキパッド6は回転せず、ブレーキディスク1は停止するまでしばらくの間回転しつづけるために、ブレーキパッド6がブレーキディスク1上の円環状部分7を摺動する。これにより、円環状部分7に高熱が生じる。ブレーキによって停止した後は加熱が止まり、緩やかに空冷され、鉄道車両が動き始めるとそれによって空冷される。この加熱と冷却の繰り返しを受けることによる負担と、ブレーキディスク1の中でも特に円環状部分7に加熱が集中することで、熱き裂が生じやすい環境が整うが、この発明にかかるブレーキディスク用材料を用いることで、このような環境でも高い耐熱き裂性を発揮できる。   FIG. 1 is a conceptual diagram of a brake disc for a railway vehicle that is an example of the brake disc. The brake disk 1 is used in a state where an axle 4 of a railway vehicle is fitted in a central mounting hole 2 and bolted to a wheel 5 by a plurality of bolt holes 3 around the mounting hole 2. Thereby, the brake disc 1 and the wheel 5 rotate coaxially. When the brake is operated, the brake pad 6 is pressed against the surface of the brake disc 1 opposite to the wheel 5. At this time, the brake pad 6 does not rotate and the brake disk 1 continues to rotate for a while until it stops, so that the brake pad 6 slides on the annular portion 7 on the brake disk 1. As a result, high heat is generated in the annular portion 7. After stopping by the brake, the heating stops, it is slowly cooled by air, and when the railway vehicle starts to move, it is cooled by air. The burden of receiving repeated heating and cooling and the concentration of heating especially in the annular portion 7 of the brake disc 1 can provide an environment in which thermal cracks are likely to occur. By using it, it is possible to exhibit high heat crack resistance even in such an environment.

また、前記円環状部分7周辺に生じた高熱による変形も、この発明にかかるブレーキディスク材料を用いると、高温域での強度を向上できるため、抑制することができる。   Further, deformation due to high heat generated around the annular portion 7 can be suppressed by using the brake disc material according to the present invention, since the strength in the high temperature range can be improved.

さらに、寒冷地等では、ブレーキディスクが低温により脆化し使用時に破壊されるおそれがあるが、この発明にかかるブレーキディスク材料を用いることで低温で脆化しにくくすることができる。   Furthermore, in cold districts and the like, the brake disc may become brittle due to low temperatures and be destroyed during use, but by using the brake disc material according to the present invention, it can be made difficult to become brittle at low temperatures.

以下、この発明について実施例により具体的に検討した例を説明する。
<高温引張試験>
鋳造後にスパーク発光分析法(JIS G 1253)によって測定した成分が下記の表1の組成となるそれぞれの鋳鋼材を、1600℃まで昇温した後、1550℃まで冷却して、30mm×30mm×100mmの砂型に鋳込んで、950℃で3時間保持した後、炉を一旦常温まで冷し、また980℃まで昇温して3時間保持した後常温まで水冷し、さらに650℃まで昇温して3時間保持した後、常温まで空冷する熱処理を行って、溶製試験片を作製した。なお、0.01質量%未満は検出限界未満となる。
Hereinafter, an example in which the present invention is specifically examined by way of examples will be described.
<High temperature tensile test>
Each cast steel material whose components measured by spark emission analysis (JIS G 1253) after casting had the composition shown in Table 1 below was heated to 1600 ° C., then cooled to 1550 ° C., and 30 mm × 30 mm × 100 mm. After casting in a sand mold and holding at 950 ° C. for 3 hours, the furnace is once cooled to room temperature, heated to 980 ° C. and held for 3 hours, then cooled to room temperature and further heated to 650 ° C. After holding for 3 hours, heat treatment was performed to air-cool to room temperature to produce a molten test piece. In addition, less than 0.01 mass% is less than a detection limit.

JIS G 0567に則り、700℃にて高温引張試験を行った。その評価結果を表1に示す。なお、評価にあたっては、V及びNbを含有しない基準例を基準とし、これに対してV及びNbを含有するそれぞれの試験例の性質が向上したか否かで評価した。また、基準例及びNbを有さない実施例1〜4について、X軸にVの含有率を、Y軸に測定された耐力の値をとったグラフを図2に示す。耐力はV量に対して一次関数に近い上昇を示した。   A high temperature tensile test was performed at 700 ° C. in accordance with JIS G 0567. The evaluation results are shown in Table 1. In the evaluation, a reference example not containing V and Nb was used as a reference, and the evaluation was made based on whether or not the properties of the respective test examples containing V and Nb were improved. Moreover, about Examples 1-4 which do not have a reference example and Nb, the graph which took the content rate of V on the X-axis and the yield strength measured on the Y-axis is shown in FIG. The yield strength increased to a linear function with respect to the V amount.

<熱衝撃試験>
鋳造後にスパーク発光分析法(JIS G 1253)によって測定した成分が下記の表2の組成となるそれぞれの鋳鋼材を、高温引張試験と同様に溶製し、図3に示す切り欠きを有する円柱型試験片(高さ20mm、φ25±0.2)を機械加工により作製した。側面には幅6mm、深さ3mmであり、対向する一対の溝が上下方向に設けてある。上底面の中央には、深さ5mm、φ5±0.2の穴を空けてある。側面の算術平均粗さは約2.0である。
<Thermal shock test>
Each cast steel material whose components measured by the spark emission analysis method (JIS G 1253) after casting have the composition shown in Table 2 below are melted in the same manner as in the high temperature tensile test, and a cylindrical type having notches shown in FIG. A test piece (height 20 mm, φ25 ± 0.2) was prepared by machining. The side surface has a width of 6 mm and a depth of 3 mm, and a pair of opposed grooves are provided in the vertical direction. A hole having a depth of 5 mm and φ5 ± 0.2 is formed in the center of the upper bottom surface. The arithmetic mean roughness of the side is about 2.0.

この円柱型試験片を急加熱、急冷する熱衝撃試験機20の概略図を図4に、断面図を図5に示す。本体21は上端が開放された管厚の円筒形で、その内部に上記の試験片11を収納できる。本体21の周囲には高周波コイル31が巻き付けてあり、この高周波コイル31により、収納した試験片11を3秒で1000℃にまで加熱できる。   FIG. 4 shows a schematic diagram of a thermal shock tester 20 that rapidly heats and cools this cylindrical specimen, and FIG. 5 shows a cross-sectional view thereof. The main body 21 has a cylindrical shape with an open upper end, and the test piece 11 can be accommodated therein. A high frequency coil 31 is wound around the main body 21, and the stored test piece 11 can be heated to 1000 ° C. in 3 seconds by the high frequency coil 31.

本体21の上端環部には、等間隔に内部へ通じる穴が空いている。このうちの半分が空気を供給するための空気孔22であり、残りは冷却水を供給するための冷水孔23である。これらは交互に設けられている。それぞれに、空気供給管24、冷水供給管25が繋がっており、本体21の内部に張り巡らされた孔路を通じて、本体21の内周面に多数空けた空気噴出口27、冷水噴出口28へと空気及び冷水を供給して、試験片11を冷却することができる。なお、供給された水は排出管29を通じて排出される。   The upper end ring portion of the main body 21 has holes that lead to the inside at equal intervals. Half of these are air holes 22 for supplying air, and the rest are cold water holes 23 for supplying cooling water. These are provided alternately. The air supply pipe 24 and the cold water supply pipe 25 are connected to each other, and a large number of air outlets 27 and cold water outlets 28 are formed in the inner peripheral surface of the main body 21 through a hole extending inside the main body 21. And the test piece 11 can be cooled by supplying air and cold water. The supplied water is discharged through the discharge pipe 29.

この熱衝撃試験機により、図6に示すような急加熱と急冷とからなる温度変化を繰り返した。この温度変化はまず、高周波コイル31からの加熱により、3秒ほどで1000℃にまで昇温させる急加熱を行う。次に、高周波コイル31による加熱を停止し、冷水噴出口28からの冷水供給を20秒間行い、冷水供給の後は空冷を30秒間行う。これにより、高温化した試験片11を速やかに急冷する。このような急加熱と急冷とを繰り返す熱サイクルを50回繰り返して、割れ発生の有無を目視及び浸透探傷試験により確認した。   With this thermal shock tester, temperature changes consisting of rapid heating and rapid cooling as shown in FIG. 6 were repeated. This temperature change is first performed by rapid heating in which the temperature is raised to 1000 ° C. in about 3 seconds by heating from the high frequency coil 31. Next, heating by the high frequency coil 31 is stopped, cold water is supplied from the cold water outlet 28 for 20 seconds, and after cooling water is supplied, air cooling is performed for 30 seconds. Thereby, the test piece 11 heated to high temperature is rapidly cooled. The thermal cycle of repeating such rapid heating and rapid cooling was repeated 50 times, and the presence or absence of cracks was confirmed by visual inspection and penetration testing.

割れの評価は、具体的に上記の熱サイクルを10回、20回、30回、50回繰り返した時点で割れの進行を観察して評価した。その判断の大まかな基準とした四タイプの参照例を図7に示す。写真中、表面が染まっている箇所は、浸透探傷のための色素が付着している箇所であり、試験片に傷が入っていることを示す。まず、「×」と評する例を参照例1及び2に示す。参照例1は、熱サイクル20回の時点で切り欠きの最も深いところから、周方向に傷が延びていき、熱サイクル50回ではっきりとした割れを示す線が生じている。参照例2は熱サイクルを50回まで到達させる前に、20回でき裂が繋がって周辺部分が剥離している。これらのように、熱サイクル50回までに明白な割れが認められた試験片を「×」と評価する。次に、「△」と評する例を参照例3に示す。熱サイクル50回終了時において、切り欠きの最深部から微細な割れが認められる。このように、50回経過後に2mm未満の微細割れが生じた試験片を「△」と評価する。また、「○」と評価する例は、参照例4のように、熱サイクル50回終了時において、割れも浸透探傷の色素も認められないものである。なお、浸透探傷試験は、JIS Z 2343に従って行った。   Specifically, the crack was evaluated by observing the progress of the crack when the above heat cycle was repeated 10 times, 20 times, 30 times, and 50 times. FIG. 7 shows four types of reference examples based on rough criteria for the determination. In the photograph, the portion where the surface is dyed is a portion where a dye for penetrant flaw detection is attached, and indicates that the test piece is flawed. First, examples described as “x” are shown in Reference Examples 1 and 2. In Reference Example 1, scratches extend in the circumferential direction from the deepest notch at the time of 20 thermal cycles, and a line showing a clear crack is generated at 50 thermal cycles. In Reference Example 2, before reaching the thermal cycle up to 50 times, the crack was connected 20 times and the peripheral portion was peeled off. Like these, the test piece by which the clear crack was recognized by 50 heat cycles is evaluated as "x". Next, Reference Example 3 shows an example that evaluates as “Δ”. At the end of 50 thermal cycles, fine cracks are observed from the deepest part of the notch. Thus, the test piece in which the fine crack of less than 2 mm produced after 50 progresses is evaluated as "(triangle | delta)". Further, in the example evaluated as “◯”, as in Reference Example 4, at the end of 50 thermal cycles, neither a crack nor a dye for penetrant flaw detection is observed. In addition, the penetration flaw detection test was performed according to JIS Z 2343.

<硬度判断基準>
硬さ試験はビッカース硬さ試験方法 JIS Z 2244に則り、荷重100gにて試験した。そのHV0.10の値が、ブレーキディスクとして必要な値300を超えるか、及び基準例の値346.0を超えるか否かで評価したところ、実施例2〜6のいずれでも基準例の硬度を上回り、良好な結果を示した。
<Hardness criteria>
The hardness test was performed at a load of 100 g in accordance with Vickers hardness test method JIS Z 2244. When the value of HV0.10 exceeds the value 300 required as a brake disk and whether or not the value of the reference example exceeds 346.0, the hardness of the reference example is any of Examples 2 to 6. The result was excellent.

<低温耐衝撃性試験>
低温における脆化の度合いを試験するために、鋳造後にスパーク発光分析法(JIS G 1253)によって測定した成分が下記の表3の組成となるそれぞれの鋳鋼材を高温引張試験と同様に溶製し、JIS Z 2202シャルピー衝撃試験片のVノッチ試験片に機械加工により作製し、JIS Z 2242に記載のVノッチシャルピー衝撃試験(−20℃)に供した。この温度はブレーキディスクの一般的な使用温度の下限値を想定している。その−20℃における吸収エネルギーEの値と、基準例に対する評価である相対評価を表3に示す。実施例1及び7は基準例に近い組成でVの量を増加させたものであり、特に実施例1は大幅な吸収エネルギーEの向上が見られる。しかし、Vの量がそれ以上に増えると吸収エネルギーEの値は一様ではないが下降する傾向にあり(実施例2,3,4)、比較例1までVが過剰(0.43%)になると基準例よりも性能が悪化してしまった。
<Low temperature impact resistance test>
In order to test the degree of embrittlement at a low temperature, each cast steel material whose components measured by spark emission analysis (JIS G 1253) after casting had the composition shown in Table 3 below was melted in the same manner as in the high temperature tensile test. A V-notch test piece of a JIS Z 2202 Charpy impact test piece was machined and subjected to a V-notch Charpy impact test (−20 ° C.) described in JIS Z 2242. This temperature assumes the lower limit of the general operating temperature of the brake disc. Table 3 shows the value of the absorbed energy E at −20 ° C. and the relative evaluation which is the evaluation with respect to the reference example. In Examples 1 and 7, the amount of V was increased with a composition close to that of the reference example. In particular, Example 1 shows a significant improvement in absorbed energy E. However, when the amount of V increases further, the value of the absorbed energy E is not uniform but tends to decrease (Examples 2, 3, and 4), and V is excessive (0.43%) until Comparative Example 1. Then, the performance was worse than the reference example.

また、Nbを含有する群(実施例5,8〜10)は、Vが同量であってNbを含有しない例と比べると吸収エネルギーEは若干低下する傾向にあるが、Nbが適量であればその減少幅は許容範囲に収まる。ただし、Vが多くなるとNbの添加による吸収エネルギーEの低下は基準例を下回ることになってしまう(比較例2)。また、Nbが多すぎてもやはり基準例を下回ることになってしまう(比較例3)。   Further, in the group containing Nb (Examples 5, 8 to 10), the absorbed energy E tends to be slightly reduced as compared with an example in which V is the same amount and Nb is not contained, but Nb is an appropriate amount. If so, the decrease is within an acceptable range. However, when V increases, the decrease in absorbed energy E due to the addition of Nb will be lower than the reference example (Comparative Example 2). Moreover, even if there is too much Nb, it will still fall below a reference example (comparative example 3).

一方、Niの量の変動によっても吸収エネルギーEの量は変動し、Niが上記の範囲より下回っても(比較例4,5)、上回っても(比較例6)、基準例を下回ることになってしまう。   On the other hand, the amount of absorbed energy E also fluctuates due to fluctuations in the amount of Ni. turn into.

1 ブレーキディスク
2 取付孔
3 ボルト孔
4 車軸
5 車輪
6 ブレーキパッド
7 円環状部分
11 試験片
20 熱衝撃試験機
21 本体
22 空気孔
23 冷水孔
24 空気供給管
25 冷水供給管
27 空気噴出口
28 冷水噴出口
29 排出管
31 高周波コイル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Brake disc 2 Mounting hole 3 Bolt hole 4 Axle 5 Wheel 6 Brake pad 7 Ring-shaped part 11 Test piece 20 Thermal shock test machine 21 Main body 22 Air hole 23 Cold water hole 24 Air supply pipe 25 Cold water supply pipe 27 Air outlet 28 Cold water Spout 29 Discharge pipe 31 High frequency coil

Claims (4)

Cを0.15質量%以上、0.30質量%以下、Siを0.25質量%以上、1.3質量%以下、Mnを0.3質量%以上、Niを0.25質量%以上、1.0質量%以下、Crを0.6質量%以上、1.0質量%以下、Moを0.4質量%以上、Alを0.10質量%以下の範囲で有し、
かつ、Vを0.05質量%以上0.22質量%以下含みかつNbの含有量が不可避不純物量未満、又は、Vを0.05質量%以上0.09質量%以下含みかつNbを0.06質量%以下含有し、
それぞれの元素の質量含有百分率の値から下記式(1)で示される炭素当量Ceqが0.60質量%以上、0.86質量%以下であり、MnとNiとの合計が1.3質量%以下であり、残分が鉄と不純物とからなるブレーキディスク用材料。

Ceq(wt%)=C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Ni/40+Mo/4+V/14 ……(1)
C is 0.15 mass% or more, 0.30 mass% or less, Si is 0.25 mass% or more, 1.3 mass% or less, Mn is 0.3 mass% or more, Ni is 0.25 mass% or more, 1.0 mass% or less, Cr 0.6 mass% or more, 1.0 mass% or less, Mo 0.4 mass% or more, and Al 0.10 mass% or less,
And V contains 0.05 mass% or more and 0.22 mass% or less and the content of Nb is less than the amount of inevitable impurities, or V contains 0.05 mass% or more and 0.09 mass% or less and Nb is 0.00. Containing not more than 06% by mass,
From the value of the mass content percentage of each element, the carbon equivalent Ceq represented by the following formula (1) is 0.60 mass% or more and 0.86 mass% or less, and the total of Mn and Ni is 1.3 mass%. A brake disc material consisting of iron and impurities.
Ceq (wt%) = C + Si / 24 + Mn / 6 + Cr / 5 + Ni / 40 + Mo / 4 + V / 14 (1)
Alを0.02質量%以上含有する請求項1に記載のブレーキディスク用材料。   The brake disc material according to claim 1, which contains 0.02 mass% or more of Al. Cが0.25質量%以下であり、Siが0.5質量%以上、1.0質量%以下であり、Mnが1.0質量%以下であり、Moが1.5質量%以下であり、Ceqが0.70質量%以上である請求項1又は2に記載のブレーキディスク用材料。   C is 0.25% by mass or less, Si is 0.5% by mass or more and 1.0% by mass or less, Mn is 1.0% by mass or less, and Mo is 1.5% by mass or less. The brake disc material according to claim 1, wherein Ceq is 0.70% by mass or more. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載のブレーキディスク用材料からなるブレーキディスク。   A brake disk comprising the brake disk material according to any one of claims 1 to 3.
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