JP2016151061A

JP2016151061A - 耐摩耗性と加工性に優れたディスクブレーキロータ用熱延鋼鈑およびその製造方法

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Publication number: JP2016151061A
Application number: JP2015030744A
Authority: JP
Inventors: 敏洋近藤; Toshihiro Kondo; 幸男片桐; Yukio Katagiri; 智治重富; Tomoharu Shigetomi; 森川　茂; Shigeru Morikawa; 茂森川
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2015-02-19
Publication date: 2016-08-22
Anticipated expiration: 2035-02-19
Also published as: JP6498960B2

Abstract

【課題】自転車或いは原動機付き自転車等の制動用のディスクブレーキに用いられているステンレス鋼板が抱えている課題を解決し、ディスクブレーキロータとして不可欠な強度及び加工性を有しながら、現行の鋳鋼製ディスクと同等な耐摩耗性を兼備するディスクブレーキロータをステンレス鋼板に比べ安価に製造可能とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板の提供。
【解決手段】Ｃ:０.０４〜０.２０％、Ｓｉ:０.０１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜２.５％、Ｐ：０.０５％〜０.２０％、Ｃｕ:０.０３〜１.０％、Ｔｉ:０.０１〜０.１５％、残部が実質的にＦｅの組成を持つ鋼を連続鋳造し、熱延仕上げ温度Ａｒ３変態点以上〜＋３０℃、熱延巻取り温度４５０〜６００℃にて製造した熱延鋼板で、金属組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、さらにビッカース硬さが１８０〜２６０ＨＶであるディスクブレーキロータ用熱延鋼板。
【選択図】図１

Description

本発明は、自転車あるいは原動機付自転車等の制動に使用されるディスクブレーキロータの製造負荷を軽減できる、熱延鋼板およびその製造方法である。

一般にディスクブレーキは、ハブ部に装着されたディスクブレーキロータを油圧で制御したパッドで挟み込んで、車体を制動する機能を有している。制動時には、ディスクブレーキロータとパッドの間で摩擦が起りその摩擦熱で昇温するなどの熱履歴を受けることから、ロータ材の必要特性には耐摩耗性，耐熱性及び高温時の耐反り性等が求められている。さらに意匠性が求められる二輪車では耐食性も必要とされている。

従来より、自動車、鉄道車両等のディスクブレーキには、鋳鉄製ディスクロータが用いられており、自転車やスクーター等のロータ表面が露出している二輪車にはマルテンサイト系ステンレス鋼板が使用されている。
自動車に多く使用されている鋳鉄製ディスクは、耐摩耗性に優れ低コストで得られる等のメリットはあるが、重量が嵩むばかりでなく衝撃値が低いというデメリットがある。しかも延性が低いためにプレスによる加工は不可能で、鋳型を用いた鋳造法により製造されている。

一方、二輪車のディスクブレーキロータには意匠性の観点からステンレス鋼板が使用されており、特許文献１にはロータの素材として、低Ｃr高Ｍｎ系のマルテンサイト系ステンレス鋼板が焼入れのみで所定の硬さが得られ、焼戻しが不要のステンレス鋼板として提案されている。
また、特許文献２では、焼鈍‐酸洗後に圧下率５〜１５％の冷間圧延を施し、鋼板の硬度を上げて打抜き時のタ゛レを低減させるマルテンサイト系ステンレス鋼板の製造方法が考案されている。

特許文献３にはスクーターおよび自転車等は車体重量が軽いため、ディスクブレーキの性能も従来の二輪車ほどのものは必要なく材料の硬さは、比較的低いレベル(２５０ＨＶ以上)のものが提案されている。
さらに特許文献３には、これらのマルテンサイト系ステンレス鋼は、いずれも所定の硬さを確保するためには焼入れ処理が不可欠であること、また、必要以上硬質に焼入れ処理された場合、ディスクブレーキに仕上げる際の研削、研磨工程での負荷が大きく製造コストアッフ゜につながるという問題が上げられている。

さらに、特許文献４には自転車用ディスクブレーキロータの素材として必要な硬さレベルを満足する鋼帯として、ディスクブレーキロータ製造時の焼入れ工程を省略したマルテンサイト系ステンレス鋼板が提案がされている。

特開昭５７−１９８２４９号公報特開平１０−２５９４５８号公報特開２００１−２６２２８２号号公報特開２００５−２２０４００号公報

焼入れにより一定の硬さを得たステンレス製のディスクブレーキロータは、ブレーキ使用時におけるロータとパッドとの摩擦熱のために、ロータ部の温度が上昇して、長時間使用すると、材料が次第に焼き戻されて軟質化し、ブレーキ性能が劣化するという問題がある。

また、ステンレス鋼板を素材としたディスクブレーキロータの製造において、焼入れ前では打抜き加工時の端面にダレが生じ易くなる。一方、焼入れ後においては、打抜き時、端面に割れが生じ易いといった加工性に関する問題点や打抜き治具の金型寿命が短くなり、製造コストのアップにつながる等の問題点が出されている。

本発明は、鋳鋼製ディスクと同等もしくは優れる耐摩耗性を有し、ディスクブレーキ用ステンレス鋼板が抱えている上記課題を解決することにある。ディスクブレーキロータとして不可欠な強度および加工性を有しながら、現行の鋳鋼製ディスクと同等な耐摩耗性を兼備する熱延鋼板を提供することにより、ディスクブレーキロータをステンレス鋼板に比べ安価に製造可能とする。

本発明者らは、ディスクブレーキロータの耐摩耗性の観点から種々検討を重ねてきた結果、理由は明確ではないが耐摩耗性や強度を向上させるには、固溶強化能の高いＣ、Ｓｉ、Ｍｎを含有させることとＰ、Ｃｕを用いることが有効であることを見出した。ただし、単にＣ、Ｓｉ、Ｍｎ含有量の調整のみではディスクブレーキロータ材としての加工性は得られず、加工性の面からは微量のＴｉを添加することにより、良好な加工性が得られることを明らかにした。また、Ｐ、Ｃｕの作用により耐食性も向上することは公知の事実である。

さらに、各成分バランスを調整して高強度を確保することにより、ディスクブレーキロータとして優れた耐摩耗性および加工性を兼備した材料が得られることが判明した。

本発明の具体的構成は、以下のとおりである。
１）Ｃ:０.０４〜０.２０％、Ｓｉ:０.０１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜２.５％、Ｐ：０.０５％〜０.２０％、Ｓ:０.０２％以下、Ｃｕ:０.０３〜１.０％、Ｔｉ:０.０１〜０.１５％、酸可溶Ａｌ：０.００５〜０.１０％を含み、残部が実質的にＦｅの組成を持つ熱延鋼板であって、金属組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、さらにビッカース硬さが１８０〜２６０ＨＶであることを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板である。

２）Ｃ:０.０４〜０.２０％、Ｓｉ:０.０１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜２.５％、Ｐ：０.０５％〜０.２０％、Ｓ:０.０２％以下、Ｃｕ:０.０３〜１.０％、Ｔｉ:０.０１〜０.１５％、酸可溶Ａｌ：０.００５〜０.１０％、およびＮｂ：０.０１〜０.１５％、Ｍｏ:０.０１〜０.５０％の１種または２種を含有し、残部が実質的にＦｅの組成を持つ熱延鋼板であって、金属組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、さらにビッカース硬さが１８０〜２６０ＨＶであることを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板である。

３）請求項１又は２の組成を持つ鋼を連続鋳造し、熱延仕上げ温度Ａｒ３変態点以上〜＋３０℃、熱延巻取り温度４５０℃〜６００℃にて製造することを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板の製造方法。

本発明の熱延鋼板を用いた場合、現行の鋳鋼製やステンレス鋼板製のディスクブレーキロータより良好な加工性を兼備えているため、耐久性に優れたディスクブレーキロータをステンレス鋼板に比べ安価に製造できる。

摩擦・摩耗試験後の摩擦減量を示す図である。

以下、本発明における基材鋼の化学成分の効果および含有量限定の理由についてこれを個別に説明すると、以下のとおりである。

Ｃは高強度化に有効な元素であるが、溶接性の面から上限値を０.２０％とした。また、下限値はある程度の強度が得られる値として０.０４％とした。

Ｓｉは必要に応じて添加される合金元素であり、高強度化および耐食性を改善する。Ｓｉの作用は０.０１％未満では認められず、１.０％を超えて添加すると、強度は増大するものの表面性状が劣化する。

Ｍｎは強度の改善に寄与する元素である。Ｍｎによる強度改善効果はＭｎ含有量が多いほど大きい。しかし、Ｍｎ含有量が２.５％を超えると、強度はさらに増大するものの溶接性が著しく劣化する。

Ｐは本発明における特徴的な元素であり高強度化にも作用するばかりではなく、Ｃｕと複合して０.０５％以上含有させることにより密着性の良い緻密な腐食生成物を作り、これが耐食性の改善に寄与する。しかし、０.２０％を超えて含有させると加工性が劣化する。

Ｓは多量に含有すると熱間加工性を害するので、可能な限り少ないことが好ましいが、通常不可避的に含有されるＳ：０.０２％以下であれば本発明上何ら問題はない。

ＣｕはＰと複合して含有させることにより耐食性を改善させる。添加量０.０３％未満ではその効果は認められず、１.０％を超えて添加してもその効果は飽和するばかりか、製造コストが高くなる。

Ｔｉは、ＳやNを固定し、加工性や耐食性を改善するのに有効な元素である。Ｔｉの作用は０.０１％未満では認められず０.１５％を超えて添加しても、その効果が飽和するとともに製造コストの上昇を招く。

Ｎｂは必要に応じて添加される合金元素であり、鋼板の金属組織を微細化して常温、高温での強度を上げる。しかし、Ｎｂの作用は０.０１％未満では認められず、０.１５％を超えると強度は高くなるものの加工性が劣化する。

Ｍｏは高強度化と耐食性の改善に有効に作用する元素である。とくに耐食性の改善に効果があり、Ｐ,Ｃｕを複合添加した鋼の耐食性をさらに向上させる。添加量が０.０５％未満ではその効果は認められず、また、０.５％を超えて添加してもその効果が飽和するとともに加工性を劣化させ、製造コストのアップとなる。

熱延仕上出側温度：仕上出側温度はＡｒ３点以上〜＋５０℃とすることが望ましい。仕上出側温度が高くなるとスケール疵が発生し易くなり製造性が劣る。一方、仕上出側温度がＡｒ３点以下では、２相(γ＋α)域圧延となり表層部のフェライト粒が粗大化し加工性が劣化するとともに表面肌荒れの原因となる。

熱延巻取り温度：巻取り温度は低くなると機械的特性が劣化する。とくに伸びの低下により加工性が悪くなることから下限を４５０℃以上とした。上限はフェライト粒や炭化物の成長により、引張特性や加工性を劣化させることから６００℃以下とする。好ましくは５００℃〜５５０℃に規制する。

熱延鋼板の金属組織およびビッカース硬さは、鋼成分と熱延条件で決まり上述の仕上げ温度および巻取り温度にて、金属組織はフェライト相＋ベイナイト相となり、ビッカース硬さ１８０〜２６０ＨＶの熱延鋼板が得られる。ビッカース硬さが１８０ＨＶを割ると耐摩耗性が劣化し、逆にビッカース硬さが２６０ＨＶを超えると加工性が劣化する傾向にある。

上述の熱延鋼板を素材とし、打抜きまたはプレス加工にて成型し、そのままの状態でも使用ができる。また、ディスクブレーキロータの形状によっては溶接を施して使用することも可能である。さらに、ブレーキパッドが接触するロータ部の精度が必要とされる場合は、パッドが接触するロータ部を研磨して精度を上げて使用することも可能である。

表１に示すＮｏ.１〜Ｎｏ.７の鋼成分を溶製し、連続鋳造、熱延にて板厚５m mの熱延鋼板を製造した。表１において、Ｎｏ.１〜Ｎｏ.３が本発明で規定する化学成分を有するものであり、Ｎｏ.４〜Ｎｏ.９が比較鋼で、Ｎｏ.８、Ｎｏ.９は鋳鋼である。

Ｎｏ.１〜Ｎｏ.７の熱延鋼板については、室温での機械的特性、ビッカース硬さを調べた。引張試験はＪＩＳ Z２２０１の５号試験片を用いた。ビッカース硬さは、熱延鋼板および鋳鉄製ディスクロータより試験片を切出し、埋め込み−研磨後、ビッカース硬さ計を用いて荷重２０kgfで測定した。また加工性の指標である穴広げ性（λ）は、１５０mm□の試験片の中央部にφ１０mmの打抜き穴を開け、６０°円錐ポンチにて試験を行い評価した。

表２の結果に見られるように、本発明鋼であるＮｏ.１〜Ｎｏ.３のビッカース硬さは、本発明で規定する１８０〜２６０ＨＶの範囲にある。一方、比較鋼のＮｏ.４〜Ｎｏ.７のビッカース硬さは、硬さが本発明で規定する範囲より低い。また、加工性の指標であるＮｏ.１〜Ｎｏ.３の穴広げ性は、Ｔｉを含有しない比較鋼のＮｏ.５に比較し２〜３倍のλ値を示し良好である。

摩擦・摩耗試験は、ピン・オ・ディスク型摩擦・摩耗試験機(高千穂精機)を用いて行った。熱延鋼板および鋳鉄製のディスクロータから１２幅×１５長×５厚/m mの試験片を採取した。試験片を試験機の上部ホルタ゛ーに取付け、下部の回転ステージには、市販のブレーキパッドを取付けた。このとき試験片が接触する最外周（回転半径）は２４mmであった。摩擦・摩耗試験は、試験片に２０、６０、１２０Nの押付荷重を加え、回転速度は５０、１００、２００、５００ｒｐｍとし各１０分間づつ試験を行った(１２０N-５００rpm除く)。試験中においては摩擦力、摩擦係数、試験片温度をそれぞれ測定した。さらに、摩耗減量を求めるため試験片の重量を天秤にて測り、試験前、後の重量から摩耗減量を求めた。

表３に示すように、本発明鋼のＮｏ.１〜Ｎｏ.３の耐摩耗性は、比較鋼のＮｏ.８、Ｎｏ.９の鋳鋼に比較して同等もしくは優れる。一方、硬さが本発明で規定する範囲より低い比較鋼のＮｏ.４〜Ｎｏ.７の耐摩耗性は劣る。なお、各試験条件におけるＮｏ.１〜Ｎｏ.３の摩擦力、摩擦係数、試験片温度は、比較鋼のＮｏ.８、Ｎｏ.９の鋳鋼とほぼ同等であった。

産業上の利用分野

本発明により、二輪車用ディスクブレーキロータ用熱延鋼板およびそのディスクブレーキロータの製造方法を提供でき、特に、自転車あるいは原動機付自転車等のディスクブレーキに使用して好適な耐摩耗性、さらに、加工性が優れた熱延鋼板を熱延−酸洗したままで用いる熱処理が不要の熱延鋼板（鋼帯を含む、以下同じ）およびその製造方法を提供しうる。

Claims

Ｃ:０.０４〜０.２０％、Ｓｉ:０.０１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜２.５％、Ｐ：０.０５％〜０.２０％、Ｓ:０.０２％以下、Ｃｕ:０.０３〜１.０％、Ｔｉ:０.０１〜０.１５％、酸可溶Ａｌ：０.００５〜０.１０％を含み、残部が実質的にＦｅの組成を持つ熱延鋼板であって、金属組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、さらにビッカース硬さが１８０〜２６０ＨＶであることを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板。
Ｃ:０.０４〜０.２０％、Ｓｉ:０.０１〜１.０％、Ｍｎ：０.１〜２.５％、Ｐ：０.０５％〜０.２０％、Ｓ:０.０２％以下、Ｃｕ:０.０３〜１.０％、Ｔｉ:０.０１〜０.１５％、酸可溶Ａｌ：０.００５〜０.１０％、およびＮｂ：０.０１〜０.１５％、Ｍｏ:０.０１〜０.５０％の１種または２種を含有し、残部が実質的にＦｅの組成を持つ熱延鋼板であって、金属組織がフェライト＋ベイナイト組織であり、さらにビッカース硬さが１８０〜２６０ＨＶであることを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板。
請求項１又は２の組成を持つ鋼を連続鋳造し、熱延仕上げ温度Ａｒ３変態点以上〜＋５０℃、熱延巻取り温度４５０℃〜６００℃にて製造することを特徴とするディスクブレーキロータ用熱延鋼板の製造方法。