JP2020164901A - ディスクローター用フェライト系ステンレス鋼およびブレーキ用ディスクローター - Google Patents
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- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
【課題】本発明は、自動車のディスクローターなどへの適用を想定し、７００℃においても耐食性を確保しつつ、靭性もある程度確保することを課題とし、そのようなステンス鋼を提供することを目的とする。【解決手段】Ｃ：０．００１〜０．０３５％、Ｓｉ：０．０１〜２．００％、Ｍｎ：０．０５〜５．００％、Ｐ：０．０５０％以下、Ｓ：０．０５００％以下、Ｃｒ：１０．０〜２０．０％、Ｎｉ：０．０５〜３．００％、Ｎｂ：０．１０〜１．００％、Ｔｉ：０．００１〜０．１００％Ａｌ：０．００１〜３．００％Ｎ：０．００１〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼であり、また、式１を満たすとさらによい。２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４≦５０ ・・・式１【選択図】なし
Description
本発明は、ディスクローター用フェライト系ステンレス鋼に関する。
自動車のブレーキシステムのひとつとしてディスクブレーキが広く用いられている。これはタイヤと結合されたディスクローターと呼ばれる円盤状の構造物をブレーキパッドで押しはさむことで、自動車の運動エネルギーを摩擦熱に変換することによりその速度を低下させるものである。このディスクローターの材質にはその制動力やコスト等から一般に片状黒鉛鋳鉄が用いられている。
鋳鉄は耐食性を向上させる元素が添加されていないため耐食性に劣る。特に雨後などは放置するとすぐに赤さびが発生する。従来この赤さびは、ホイールの形状からあまり目立たなかった。しかし近年の燃費向上の要請によりホイールにアルミが多用化され、またスポークの形状が細くなると、そのさびが外観上目立つようになり、その改善が望まれてきている。
耐食性に優れる材料としてステンレス鋼があり、バイクなどの二輪車にはマルテンサイト系のＳＵＳ４１０系の材料が広く用いられている。これは二輪車ではブレーキが人目につきやすく耐食性や意匠性が重視されるためである。一方でステンレス鋼は熱伝導性が鋳鉄よりも劣る。二輪車においてはブレーキシステムがむき出しで、冷却されやすいためステンレス鋼の適用が可能となっている。しかし、四輪車の場合はタイヤを含むブレーキシステムがタイヤハウス内に収められているため、二輪車よりも冷却能が低いステンレス鋼製ディスクローターは前記構造の自動車（四輪車、三輪車、等）へ適用されていなかった。
一方、近年のエコカーでは、ブレーキの摩擦熱を電気として回収する「回生ブレーキ」の採用が急激に伸びている。これは従来捨てられていたブレーキとパッドの摩擦による熱エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムである。この適用によりブレーキとパッド間で発生していた摩擦熱が低減するため、従来のシステムに比較して制動負荷が小さくなるために、鋳鉄よりも熱伝導性が劣るステンレス鋼でも適用の可能性が広がっている。
二輪車用に広く用いられているＳＵＳ４１０系ステンレス鋼は外観上の意匠性とさびにくさの観点からＣｒを１３％程度含有し、制動性の観点から硬度を高くするためＣを０．０３〜０．０５％程度含有したマルテンサイト系ステンレス鋼である。二輪車ではブレーキ制動時の負荷から生じるローターの温度上昇は２００℃程度、最大で５００℃程度と言われている。一方、例えば四輪車の場合は、二輪車よりも車体も重くかつ乗員数が多い場合にはそれに応じてその負荷は大きくなる。四輪で分散するとしても高速からのブレーキ時は最大では５００℃を超過し７００℃に達する場合もあるといわれている。マルテンサイト系ステンレス鋼は５００℃を超過するとマルテンサイト組織が分解し硬度低下を生じる場合がある。さらに、その際にＣｒがＣと結びつき耐食性を劣化させる懸念もある。そのため四輪用ブレーキローターとしては５００℃を超過し７００℃の高温域まで材質的（特に耐食性）に安定なステンレス鋼が望まれている。
また前記の四輪ディスクブレーキローターの厚さは現行鋳鉄での板状のソリッド型でも６〜１２ｍｍ程度の厚さを有する。鋳鉄は耐食性が劣るためにその厚みに腐食代を見込んでいる。腐食代を片側１ｍｍと仮定しても４〜１０ｍｍ程度の厚みが必要となる。鋳鉄は鋳造で製造されるため、製造上の制約から歩留まりが低い。ディスクブレーキローターをステンレス鋼化すると、板金からのプレス成形による生産性の向上が見込まれるため、材料費が高いとされるステンレス鋼も生産性が向上することにより、トータルコストでは競争力を有すると考えられる。ただしステンレス鋼はその組織によっては４〜１０ｍｍ程度の厚さでも靭性が劣る場合がある。靭性が低いと鋼板製造やディスク加工時に割れが問題となる可能性だけでなく、実走行においても極寒期に急ブレーキをかけた際に破損する恐れも想定される。
特許文献１には四輪車用ステンレス鋼ディスクローターが開示されている。これはＣ含有量が０．４％以下と高く、マルテンサイト組織、あるいはマルテンサイト相とフェライト相の混合組織からなるステンレス鋼板からなり、優れたホットプレス成形性と高強度が特徴とされている。しかしＣ含有量が高いマルテンサイト組織を有するため、約７００℃まで高温となった場合の耐食性の低下や靭性が懸念されるがそれについては記載がない。
特許文献２には焼戻し軟化抵抗と靭性に優れるブレーキディスクが示されており、マルテンサイト系ステンレス鋼でも耐食性と靭性に優れると記載されている。特許文献２では高温のブレーキを模擬した試験として６００℃の焼戻し処理を実施しているが、四輪車で達すると想定される７００℃での評価は実施していない。また製造時に焼戻し処理工程が付加されるため、コスト的にも不利となる。
特許文献３には耐食性と靭性に優れたディスクブレーキローター用マルテンサイトステンレス鋼が開示されている。特許文献３に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ローター製造時の焼入れ処理時の冷却速度が遅くなった場合に耐食性が低下することを抑えることを特徴としている。しかし、これもマルテンサイト系ステンレス鋼のため前述したように７００℃まで高温となった場合の耐食性低下改善の記載はない。
前述したように、自動車のディスクローターは高速からの制動時には最大で約７００℃の温度に達することがある。このため、７００℃に加熱された場合でも耐食性を含む特性低下がないことが求められる。また厚手のステンレス鋼では靭性低下による破損が懸念されるため、高い靭性が要求される。以上のことから、本発明は、ディスクローター用ステンレス鋼として、７００℃においても耐食性を確保しつつ、靭性もある程度確保することを課題とし、そのようなステンス鋼板を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明者らは以下を検討した。
まず二輪車で主に用いられているマルテンサイト系ステンレス鋼により高速からの制動によるローターの高温化を模擬して、高温に加熱・冷却後の耐食性および強度を測定した。その結果、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼は５００℃までは特性の変化は認められないが、それ以上の温度になると耐食性および強度が低下した。特に７００℃になると極端に劣化することを確認した。これはマルテンサイト組織が５００℃以上となるとマルテンサイト組織内のＣｒが拡散し、粒界近傍でＣｒの炭化物が析出し粗大化するに起因する。
まず二輪車で主に用いられているマルテンサイト系ステンレス鋼により高速からの制動によるローターの高温化を模擬して、高温に加熱・冷却後の耐食性および強度を測定した。その結果、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼は５００℃までは特性の変化は認められないが、それ以上の温度になると耐食性および強度が低下した。特に７００℃になると極端に劣化することを確認した。これはマルテンサイト組織が５００℃以上となるとマルテンサイト組織内のＣｒが拡散し、粒界近傍でＣｒの炭化物が析出し粗大化するに起因する。
そこで７００℃の高温でも安定な組織を有するフェライト系ステンレス鋼に着目し、さらにＣｒの炭窒化物の生成を抑制するため、よりＣとの親和力の高いＮｂを含有したステンレス鋼の適用を見出した。
フェライト系ステンレス鋼はマルテンサイト系ステンレス鋼よりは強度は低いが、添加元素によっては従来用いられている鋳鉄より高い強度が得られる。しかし、フェライト系ステンレス鋼は厚手（板厚が厚くなると靭性の低下が懸念されるため靭性低下を抑制する成分を種々検討しその方針を見出した。
本発明は、上記知見に基づくものであって、その要旨は以下のとおりである。
本発明は、上記知見に基づくものであって、その要旨は以下のとおりである。
（１）
質量％で
Ｃ：０．００１〜０．０３５％、
Ｓｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜５．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｃｒ：１０．０〜２０．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．００％、
Ｎｂ：０．１０〜１．００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１００％
Ａｌ：０．００１〜３．００％
Ｎ：０．００１〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（２）
さらに質量％で
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｓｎ：３．００％以下、
Ｃｕ：３．００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、
Ｗ：１．０００％以下、
Ｖ：１．０００％以下
Ｓｂ：０．１００％以下、
Ｃｏ：０．５００％以下、
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｍｇ：０．００５０％以下、
Ｚｒ：０．０３００％以下、
Ｇａ：０．０１００％以下、
Ｔａ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有し、（１）に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（３）
シャルピー試験衝撃値２０Ｊ／ｃｍ２となる温度ｖＴ２０が５０℃以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（４）
前記フェライト系ステンレス鋼の成分が式１を満足することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４≦５０・・・（式１）
ただし、ｔは板厚（ｍｍ）を、各元素記号は当該元素の含有量（質量％）を示し、含まない場合は０を代入する。
（５）
前記フェライト系ステンレス鋼は、自動車に用いられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（６）
前記フェライト系ステンレス鋼は、回生ブレーキが搭載された自動車に用いられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（７）
上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載のフェライト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とするブレーキ用ディスクローター。
（８）
自動車に用いることを特徴とする（７）に記載のブレーキ用ディスクローター。
（９）
回生ブレーキが搭載された自動車に用いることを特徴とする（７）に記載のブレーキ用ディスクローター。
質量％で
Ｃ：０．００１〜０．０３５％、
Ｓｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜５．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｃｒ：１０．０〜２０．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．００％、
Ｎｂ：０．１０〜１．００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１００％
Ａｌ：０．００１〜３．００％
Ｎ：０．００１〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（２）
さらに質量％で
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｓｎ：３．００％以下、
Ｃｕ：３．００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、
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Ｖ：１．０００％以下
Ｓｂ：０．１００％以下、
Ｃｏ：０．５００％以下、
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ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有し、（１）に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（３）
シャルピー試験衝撃値２０Ｊ／ｃｍ２となる温度ｖＴ２０が５０℃以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（４）
前記フェライト系ステンレス鋼の成分が式１を満足することを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４≦５０・・・（式１）
ただし、ｔは板厚（ｍｍ）を、各元素記号は当該元素の含有量（質量％）を示し、含まない場合は０を代入する。
（５）
前記フェライト系ステンレス鋼は、自動車に用いられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（６）
前記フェライト系ステンレス鋼は、回生ブレーキが搭載された自動車に用いられることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
（７）
上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載のフェライト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とするブレーキ用ディスクローター。
（８）
自動車に用いることを特徴とする（７）に記載のブレーキ用ディスクローター。
（９）
回生ブレーキが搭載された自動車に用いることを特徴とする（７）に記載のブレーキ用ディスクローター。
本発明により、７００℃の高温に達しても、安定した耐食性を有し、尚且つ靭性も確保したディスクローター用ステンレス鋼が得られる。特に、自動車用ブレーキローターや回生ブレーキを搭載した自動車用ブレーキローターに適用すると、よりその効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。特に断りのない限り、成分に関する「％」は鋼中の質量％を示す。
Ｃ：０．００１〜０．０３５％
Ｃは、腐食性を低下させることとフェライト組織の安定化のため、その含有量を低く抑える必要がある。そのため、Ｃの含有量を０．０３５％以下とする。好ましくは０．００２％以上にするとよい。しかしながら、Ｃ量を過度に低めることは精練コストを上昇させるため、Ｃ量を０．００１％以上とする。好ましくは、０．０２０％以下にするとよい。
Ｃは、腐食性を低下させることとフェライト組織の安定化のため、その含有量を低く抑える必要がある。そのため、Ｃの含有量を０．０３５％以下とする。好ましくは０．００２％以上にするとよい。しかしながら、Ｃ量を過度に低めることは精練コストを上昇させるため、Ｃ量を０．００１％以上とする。好ましくは、０．０２０％以下にするとよい。
Ｓｉ：０．０１〜２．００％
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるとともに、強度や耐酸化性を改善する元素である。そのため、Ｓｉの含有量を０．０１％以上とする。好ましくは０．１０％以上に、さらに好ましくは０．３０％以下にするとよい。ただし、Ｓｉの過度な含有は加工性を低下させるため、Ｓｉの含有量を２．００％以下とする。好ましくは１．００％以下に、さらに好ましくは０．３０％以下にするとよい。
Ｓｉは、脱酸剤として有用な元素であるとともに、強度や耐酸化性を改善する元素である。そのため、Ｓｉの含有量を０．０１％以上とする。好ましくは０．１０％以上に、さらに好ましくは０．３０％以下にするとよい。ただし、Ｓｉの過度な含有は加工性を低下させるため、Ｓｉの含有量を２．００％以下とする。好ましくは１．００％以下に、さらに好ましくは０．３０％以下にするとよい。
Ｍｎ：０．０５〜５．００％
Ｍｎは、脱酸元素として有用であり、強度も向上させるので、含有量を０．０５％以上とする。好ましくは０．１０％以上に、より好ましくは１．５０％以下にするとよい。一方、過剰量に含有させると、耐食性を劣化させるため、Ｍｎ含有量を５．００％以下とする。好ましくは３．００％以下、より好ましくは１．５０％以下にするとよい。
Ｍｎは、脱酸元素として有用であり、強度も向上させるので、含有量を０．０５％以上とする。好ましくは０．１０％以上に、より好ましくは１．５０％以下にするとよい。一方、過剰量に含有させると、耐食性を劣化させるため、Ｍｎ含有量を５．００％以下とする。好ましくは３．００％以下、より好ましくは１．５０％以下にするとよい。
Ｐ：０．０５０％以下
Ｐは、加工性・溶接性・耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Ｐの含有量を０．０５０％以下とする。好ましくは、Ｐの含有量は、０．０３０％以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上０．００５％以上含有してもよい。
Ｐは、加工性・溶接性・耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Ｐの含有量を０．０５０％以下とする。好ましくは、Ｐの含有量は、０．０３０％以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上０．００５％以上含有してもよい。
Ｓ：０．０５００％以下
Ｓは、耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Ｓの含有量を０．０５００％以下とする。好ましくは、Ｓの含有量は、０．００４０％以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上０．００５０％以上含有してもよい。
Ｓは、耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Ｓの含有量を０．０５００％以下とする。好ましくは、Ｓの含有量は、０．００４０％以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上０．００５０％以上含有してもよい。
Ｃｒ：１０．０〜２０．０％
Ｃｒは、耐食性を確保するために重要な元素であるので、含有量を１０．０％以上とする。好ましくは１０．５％以上に、より好ましくは１１．０以上にするとよい。一方、Ｃｒの含有量を増加させるほど、耐食性は向上するが、加工性、製造性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量は２０．０％以下とする。好ましくは１９．０％以下に、より好ましくは１８．０％以下にするとよい。
Ｃｒは、耐食性を確保するために重要な元素であるので、含有量を１０．０％以上とする。好ましくは１０．５％以上に、より好ましくは１１．０以上にするとよい。一方、Ｃｒの含有量を増加させるほど、耐食性は向上するが、加工性、製造性を低下させる。そのため、Ｃｒ含有量は２０．０％以下とする。好ましくは１９．０％以下に、より好ましくは１８．０％以下にするとよい。
Ｎｉ：０．０５〜３．００％
Ｎｉも、耐食性を向上させるため、０．０５％以上含有することができる。好ましくは０．０８％以上に、より好ましくは０．０９％以上にするとよい。一方、上限は特に限定しないが、多量の含有は合金コスト増加に繋がるため、Ｎｉ含有量を３．００％以下にする。好ましくは１．００％以下に、より好ましくは０．６０％以下にするとよい。
Ｎｉも、耐食性を向上させるため、０．０５％以上含有することができる。好ましくは０．０８％以上に、より好ましくは０．０９％以上にするとよい。一方、上限は特に限定しないが、多量の含有は合金コスト増加に繋がるため、Ｎｉ含有量を３．００％以下にする。好ましくは１．００％以下に、より好ましくは０．６０％以下にするとよい。
Ｎｂ：０．１０〜１．００％
Ｎｂは、ＣやＮとの親和力が高く、優先的にＮｂ炭窒化物を生成することにより、Ｃｒの炭窒化物の生成を抑制し、耐食性を向上させることができるため、０．１０％以上含有することができる。好ましくは０．２０％以上に、より好ましくは０．２５％以上にするとよい。一方、多量の含有は再結晶性しにくくなり組織が粗くなり、また靭性を低下させるため、１．００％以下にするとよい。好ましくは０．８０％以下に、より好ましくは０．６０％以下にするとよい。
Ｎｂは、ＣやＮとの親和力が高く、優先的にＮｂ炭窒化物を生成することにより、Ｃｒの炭窒化物の生成を抑制し、耐食性を向上させることができるため、０．１０％以上含有することができる。好ましくは０．２０％以上に、より好ましくは０．２５％以上にするとよい。一方、多量の含有は再結晶性しにくくなり組織が粗くなり、また靭性を低下させるため、１．００％以下にするとよい。好ましくは０．８０％以下に、より好ましくは０．６０％以下にするとよい。
Ｔｉ：０．００１〜０．１００％
Ｔｉは、ＣやＮの安定化作用により耐食性を担保するため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００２％以上にするとよい。一方、多量に含有すると靭性を低下させるため０．０１０％以下とする。好ましくは０．０５０％以下にするとよい。
Ｔｉは、ＣやＮの安定化作用により耐食性を担保するため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００２％以上にするとよい。一方、多量に含有すると靭性を低下させるため０．０１０％以下とする。好ましくは０．０５０％以下にするとよい。
Ａｌ：０．００１〜３．０００％
Ａｌは、製造上の脱酸剤として用いられることがあるため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０１５％以上にするとよい。一方、靭性を低下させる元素であるため３．０００％以下とする。好ましくは、２．０００％以下、さらに好ましくは０．８００％以下にするとよい。
Ａｌは、製造上の脱酸剤として用いられることがあるため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０１５％以上にするとよい。一方、靭性を低下させる元素であるため３．０００％以下とする。好ましくは、２．０００％以下、さらに好ましくは０．８００％以下にするとよい。
Ｎ：０．００１〜０．０５０％
Ｎは、強度の向上や耐孔食性に有用な元素であるため０．００１％含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、耐粒界腐食性、加工性を低下させるため、Ｎの含有量は０．０５０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下にするとよい。
Ｎは、強度の向上や耐孔食性に有用な元素であるため０．００１％含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、耐粒界腐食性、加工性を低下させるため、Ｎの含有量は０．０５０％以下とする。好ましくは０．０２０％以下にするとよい。
上記鋼成分の残部はＦｅおよび不純物である。ここで不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石やスクラップ等のような原料をはじめとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。
また、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、Ｆｅに代えて、さらにＮｉ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｂ、Ｗ、Ｖ、Ｓｂ、Ｃｏ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｚｒ、Ｇａ、Ｔａ、ＲＥＭの１種または２種以上を含有することができる。
Ｍｏ：３．００％以下
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０５％以上にするとよい。しかし、過剰の含有は、加工性や靭性を低下させるとともに、高価であるためコストアップに繋がる。そのため、Ｍｏ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下にするとよい。
Ｍｏは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０５％以上にするとよい。しかし、過剰の含有は、加工性や靭性を低下させるとともに、高価であるためコストアップに繋がる。そのため、Ｍｏ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下にするとよい。
Ｓｎ：３．００％以下
Ｓｎは耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０５％以上にするとよい。しかし、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｓｎ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下にするとよい。
Ｓｎは耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０５％以上にするとよい。しかし、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｓｎ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下にするとよい。
Ｃｕ：３．００％以下
Ｃｕは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｃｕ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下に、より好ましくは０．０９％以下にするとよい。
Ｃｕは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．０１％以上含有することができる。好ましくは０．０２％以上、さらに好ましくは０．０５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｃｕ含有量を３．００％以下とする。好ましくは１．００％以下に、より好ましくは０．０９％以下にするとよい。
Ｂ：０．０１００％以下
Ｂは、２次加工性を向上させるのに有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰な添加は却って伸びの低下による加工性低下を招くため、Ｂ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下にするとよい。
Ｂは、２次加工性を向上させるのに有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰な添加は却って伸びの低下による加工性低下を招くため、Ｂ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下にするとよい。
Ｗ：１．０００％以下
Ｗは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｗ含有量を１．０００％以下とする。好ましくは０．８００％以下にするとよい。
Ｗは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｗ含有量を１．０００％以下とする。好ましくは０．８００％以下にするとよい。
Ｖ：１．０００％以下
Ｖは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｖ含有量を１．０００％以下とする。好ましくは０．５００％以下にするとよい。
Ｖは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｖ含有量を１．０００％以下とする。好ましくは０．５００％以下にするとよい。
Ｓｂ：０．１００％以下
Ｓｂは、耐全面腐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上とする。好ましくは０．０１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｓｂ含有量を０．１００％以下とする。好ましくは０．０８０％以下にするとよい。
Ｓｂは、耐全面腐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上とする。好ましくは０．０１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｓｂ含有量を０．１００％以下とする。好ましくは０．０８０％以下にするとよい。
Ｃｏ：０．５００％以下
Ｃｏは、二次加工性と靭性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上とする。好ましくは０．０１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｃｏ含有量を０．５００％以下とする。好ましくは０．３００％以下にするとよい。
Ｃｏは、二次加工性と靭性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上とする。好ましくは０．０１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｃｏ含有量を０．５００％以下とする。好ましくは０．３００％以下にするとよい。
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｃａは、脱硫に有効な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．００１％以上含有するとよい。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰に含有すると、水溶性の介在物ＣａＳが生成して耐食性を低下させるため、０．００５０％以下にするとよい。好ましくは０．００３０％以下にするとよい。
Ｃａは、脱硫に有効な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．００１％以上含有するとよい。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰に含有すると、水溶性の介在物ＣａＳが生成して耐食性を低下させるため、０．００５０％以下にするとよい。好ましくは０．００３０％以下にするとよい。
Ｍｇ：０．００５０％以下
Ｍｇは、組織を微細化し、加工性、靭性の向上にも有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．０００１％以上含有するとよい。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰な添加は耐食性の低下を招くため、Ｍｇ含有量を０．００５０％以下とする。好ましくは０．００３０％以下にするとよい。
Ｍｇは、組織を微細化し、加工性、靭性の向上にも有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため０．０００１％以上含有するとよい。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰な添加は耐食性の低下を招くため、Ｍｇ含有量を０．００５０％以下とする。好ましくは０．００３０％以下にするとよい。
Ｚｒ：０．０３００％以下
Ｚｒは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．００１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｚｒ含有量を０．０３００％以下とする。好ましくは０．０１００％以下にするとよい。
Ｚｒは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．００１０％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｚｒ含有量を０．０３００％以下とする。好ましくは０．０１００％以下にするとよい。
Ｇａ：０．０１００％以下
Ｇａは、耐食性と耐水素脆化性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｇａ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下にするとよい。
Ｇａは、耐食性と耐水素脆化性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．０００１％以上含有することができる。好ましくは０．０００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｇａ含有量を０．０１００％以下とする。好ましくは０．００５０％以下にするとよい。
Ｔａ：０．０５０％以下
Ｔａは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｔａ含有量を０．０５０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下にするとよい。
Ｔａは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００５％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ｔａ含有量を０．０５０％以下とする。好ましくは０．０３０％以下にするとよい。
ＲＥＭ：０．００１〜０．１００％
ＲＥＭは、脱酸効果等を有するので、精練で有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００３％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、ＲＥＭ含有量を０．１００％以下とする。好ましくは０．０５０％以下にするとよい。
ここで、ＲＥＭ（希土類元素）は、一般的な定義に従い、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）の２元素と、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。ＲＥＭは、これら希土類元素から選択される１種以上であり、ＲＥＭの量とは、希土類元素の合計量である。
ＲＥＭは、脱酸効果等を有するので、精練で有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため、０．００１％以上含有することができる。好ましくは０．００３％以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、ＲＥＭ含有量を０．１００％以下とする。好ましくは０．０５０％以下にするとよい。
ここで、ＲＥＭ（希土類元素）は、一般的な定義に従い、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）の２元素と、ランタン（Ｌａ）からルテチウム（Ｌｕ）までの１５元素（ランタノイド）の総称を指す。ＲＥＭは、これら希土類元素から選択される１種以上であり、ＲＥＭの量とは、希土類元素の合計量である。
本実施形態のステンレス鋼は、上述してきた元素以外は、Ｆｅおよび不純物（不可避的不純物を含む）からなるが、以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることができる。
上記成分組成に係るフェライト系ステンレス鋼の高温（７００℃）到達後の耐食性および靭性について以下のように評価した。
高温化の熱処理としては５００℃と７００℃で１時間保持した後、水冷した。これらの熱処理をした試験材（熱処理材）と、比較のために熱処理をしない試験材および従来の鋳鉄による試験材を準備した。これら試験材の表面を＃６００エメリー紙を用いて湿式研磨した。これをＪＩＳで定められる塩水噴霧試験に２４時間供し、さびの発生有無を評価した。その結果、熱処理をしない試験材は従来の鋳鉄以外はさびが発生しなかった。一方、熱処理材ではＳＵＳ４１０系のステンレス鋼（マルテンサイト系ステンレス鋼）はさびが発生したが、Ｃが０．０３５％以下のフェライト系ステンレス鋼では、さびがまったく発生しなかった。
高温化の熱処理としては５００℃と７００℃で１時間保持した後、水冷した。これらの熱処理をした試験材（熱処理材）と、比較のために熱処理をしない試験材および従来の鋳鉄による試験材を準備した。これら試験材の表面を＃６００エメリー紙を用いて湿式研磨した。これをＪＩＳで定められる塩水噴霧試験に２４時間供し、さびの発生有無を評価した。その結果、熱処理をしない試験材は従来の鋳鉄以外はさびが発生しなかった。一方、熱処理材ではＳＵＳ４１０系のステンレス鋼（マルテンサイト系ステンレス鋼）はさびが発生したが、Ｃが０．０３５％以下のフェライト系ステンレス鋼では、さびがまったく発生しなかった。
また一般にフェライト系ステンレス鋼の靭性はマルテンサイト系ステンレス鋼に比較して低下する。この靭性を向上させるにはＮｂの添加およびＴｉの低減、加えてＭｎ，Ｓｉ，Ｎ添加量の適正化が必要であることが分かった。その成分の影響を定量化するために以下の評価をおこなった。靭性の評価法としては、ＪＩＳ Ｚ ２２４２に規定されるシャルピー試験法がある。この試験法により各温度にて衝撃値を測定すると、低温になるとある温度で急激に衝撃値が低下する。その温度―衝撃値曲線を得ることで、衝撃値が２０Ｊ／ｃｍ２となる温度をｖＴ２０として指標化した。この関係を鋭意調べた結果、ｖＴ２０の値が５０℃以下であれば、ディスクローターとしての特性を有することを明らかにした。好ましいｖＴ２０の値は３０℃以下であり、より好ましくは０℃以下である。
次に、靭性ｖＴ２０に及ぼす主要な添加元素と板厚ｔとの関係についてさらに鋭意調査した結果、以下（１）式の関係を見出した。
２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４＝ｖＴ２０（℃） …（１）
ここでｔは板厚（ｍｍ）、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｎｂは各の元素の添加量（質量％）であり、含まない場合は０を代入する。
２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４＝ｖＴ２０（℃） …（１）
ここでｔは板厚（ｍｍ）、Ｃ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｎｂは各の元素の添加量（質量％）であり、含まない場合は０を代入する。
即ち、式１の値が５０℃以下になるとよい。好ましくは、式１の値が３０℃以下であり、より好ましくは０℃以下になるとよい。この（１）式を満たすようなＣ，Ｓｉ，Ｍｏ，Ｎｂ添加量および板厚となるフェライト系ステンレス鋼であれば、当該効果を有することを明らかにした。
ここではＮについても同様に検討したが、今回検討した範囲では靭性に及ぼすＮの効果が明瞭でないために（１）式には含めなかった。
ここではＮについても同様に検討したが、今回検討した範囲では靭性に及ぼすＮの効果が明瞭でないために（１）式には含めなかった。
本実施形態のステンレス鋼の製造方法は、特に限定されない。ステンレス鋼板を製造する一般的な方法を適用してもよい。例えば、転炉または電気炉で上記の成分組成を有する溶鋼とし、ＡＯＤ炉やＶＯＤ炉等で精錬される。その後、連続鋳造法または造塊法で鋼片とし、次いで、熱間圧延し、熱延板の焼鈍・酸洗の工程、冷間圧延、仕上げ焼鈍などを経て、本実施形態のステンレス鋼が製造される。必要に応じて、熱延板の焼鈍などを省略してもよいし、冷間圧延−仕上げ焼鈍−酸洗を繰り返し行ってもよい。各工程の間に表面研削を行ってもよい。
表１に示す成分組成のステンレス鋼を溶製してスラブを鋳造し、当該スラブを１１００〜１２５０℃の範囲で加熱し、板厚４０ｍｍになるまで粗圧延を行い、粗圧延終了温度を測温した。その後１０秒保持した後、基本的に板厚６ｍｍになるまで仕上圧延し冷却した。その後、８００〜９８０℃で１分間の均熱処理後に水冷した。温度条件は再結晶完了後の結晶粒度から決定した。結晶粒度はフェライト組織の場合はＪＩＳ Ｇ ０５５１に準拠した粒度番号を７±１をねらい、この粒度となるよう熱処理条件を調整した。マルテンサイト組織が一部または全部となる場合はそれより粒度番号が大きい値のままとした。なお結晶粒度はＬ方向断面の板厚中央部分からから任意に５か所測定し、その平均値で評価した。この熱処理板をショット・酸洗を施し試験材とした。
なお板厚は基本的に６ｍｍとしたが、一部試験片ではその影響を見るために４．５ｍｍ、８．０ｍｍ、１０．０ｍｍ厚の試験材も製造した。
なお板厚は基本的に６ｍｍとしたが、一部試験片ではその影響を見るために４．５ｍｍ、８．０ｍｍ、１０．０ｍｍ厚の試験材も製造した。
［耐食性］
作製した鋼板を、ブレーキの高温環境を模擬して５００℃および７００℃で一時間熱処理し空冷したサンプルを酸洗でスケール処理した後に表面を砥粒＃６００番のエメリー紙で湿式研磨処理した。これらから幅が７５ｍｍ、長さが１５０ｍｍである試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に準拠した塩水噴霧試験を２４時間実施した。
作製した鋼板を、ブレーキの高温環境を模擬して５００℃および７００℃で一時間熱処理し空冷したサンプルを酸洗でスケール処理した後に表面を砥粒＃６００番のエメリー紙で湿式研磨処理した。これらから幅が７５ｍｍ、長さが１５０ｍｍである試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｚ ２３７１に準拠した塩水噴霧試験を２４時間実施した。
塩水噴霧試験後のさび程度は、ＪＩＳ Ｇ ０５９５に準拠する方法でレイティングナンバを判定し、レイティングナンバが９以上の鋼種は表１中に符号「◎」で、レイティングナンバが８〜６の鋼種は表１中に符号「○」で、レイティングナンバが５以下の鋼種は表１中に符号「×」で示し、◎および○を合格とした。
［靭性］
シャルピー衝撃試験は以下のように行った。試験材よりサブサイズシャルピー衝撃試験片をＪＩＳ Ｚ ２２０２に準拠して採取し、圧延方向の垂直方向を衝撃方向としてＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠した金属材料の衝撃試験を各温度で実施した。得られた温度−衝撃値の曲線から３回の試験の平均値が２０Ｊ／ｃｍ２以上となる温度をｖＴ２０として評価した。この温度が５０℃以下であれば合格とした。なお、８０度でも上記を満たさない場合は表内で「＞８０」と表記した。
シャルピー衝撃試験は以下のように行った。試験材よりサブサイズシャルピー衝撃試験片をＪＩＳ Ｚ ２２０２に準拠して採取し、圧延方向の垂直方向を衝撃方向としてＪＩＳ Ｚ ２２４２に準拠した金属材料の衝撃試験を各温度で実施した。得られた温度−衝撃値の曲線から３回の試験の平均値が２０Ｊ／ｃｍ２以上となる温度をｖＴ２０として評価した。この温度が５０℃以下であれば合格とした。なお、８０度でも上記を満たさない場合は表内で「＞８０」と表記した。
表１に示した結果のとおり、本発明範囲であるＡ１〜Ａ２７では耐食性および靭性とも良好な結果を示した。またＡ２８〜Ａ３０はＡ２７と同じ材料を用いて板厚を変更させた場合の結果である。板厚が厚くなるほど靭性は低下するが、本発明範囲の成分では１０ｍｍ厚でも目標の靭性値を満たした。
これに対して比較例Ｂ１〜Ｂ６はいずれかの成分が本発明範囲外である。Ｂ１のマルテンサイト組織のものは、５００℃熱処理では耐食性を有するものの、７００℃の熱処理では耐食性が低下した。なおＢ１はマルテンサイト組織のため、靭性は（１）式とは合致しない。Ｂ２はＣｒ含有率が低いため耐食性が劣位となり、Ｂ３からＢ６では靭性を低下させる元素が発明範囲外のために靭性が劣位となった。
参考として従来使用されている黒鉛鋳鉄では、耐食性は熱処理温度の関わらずきわめて劣位となる。
参考として従来使用されている黒鉛鋳鉄では、耐食性は熱処理温度の関わらずきわめて劣位となる。
以上の説明から明らかなように、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、ブレーキのディスクローターに利用することができる。そのため、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼をディスクブレーキに適用することで、ブレーキの美観向上だけでなく、耐食性や耐久性向上による寿命向上が期待され社会的高エンドを高めることが可能となり、産業上きわめて有益である。
Claims (9)
- 質量％で
Ｃ：０．００１〜０．０３５％、
Ｓｉ：０．０１〜２．００％、
Ｍｎ：０．０５〜５．００％、
Ｐ：０．０５０％以下、
Ｓ：０．０５００％以下、
Ｃｒ：１０．０〜２０．０％、
Ｎｉ：０．０５〜３．００％、
Ｎｂ：０．１０〜１．００％、
Ｔｉ：０．００１〜０．１００％
Ａｌ：０．００１〜３．００％
Ｎ：０．００１〜０．０５０％を含有し、残部がＦｅおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。 - さらに質量％で
Ｍｏ：３．００％以下、
Ｓｎ：３．００％以下、
Ｃｕ：３．００％以下、
Ｂ：０．０１００％以下、
Ｗ：１．０００％以下、
Ｖ：１．０００％以下
Ｓｂ：０．１００％以下、
Ｃｏ：０．５００％以下、
Ｃａ：０．００５０％以下
Ｍｇ：０．００５０％以下、
Ｚｒ：０．０３００％以下、
Ｇａ：０．０１００％以下、
Ｔａ：０．０５０％以下、
ＲＥＭ：０．１００％以下
の１種または２種以上を含有し、請求項１に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。 - シャルピー試験衝撃値２０Ｊ／ｃｍ２となる温度ｖＴ２０が５０℃以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
- 前記フェライト系ステンレス鋼の成分が式１を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
２０ｔ＋２０９６Ｃ＋１１８Ｓｉ＋７６Ｍｏ＋１６１Ｎｂ−２３４≦５０
ただし、ｔは板厚（ｍｍ）を、各元素記号は当該元素の含有量（質量％）を示し、含まない場合は０を代入する。 - 前記フェライト系ステンレス鋼は、自動車に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
- 前記フェライト系ステンレス鋼は、回生ブレーキが搭載された自動車に用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載のフェライト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とするブレーキ用ディスクローター。
- 自動車に用いることを特徴とする請求項７に記載のブレーキ用ディスクローター。
- 回生ブレーキを搭載した自動車に用いることを特徴とする請求項７に記載のブレーキ用ディスクローター。
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