JP3911254B2 - ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二輪車のディスクブレーキに関し、ブレーキに加工後、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、耐銹性に優れかつ使用時の軟化抵抗にも優れた好適な成分の鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
二輪車のディスクブレーキは、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、硬さが高過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、３５±３ＨＲＣ（ロックウェル硬さＣスケール）が求められる。以上の硬さ調整および耐銹性を得るため、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が用いられている。
【０００３】
従来は、ＳＵＳ４２０Ｊ１を焼入れ・焼戻しして所望の硬さに調整し、ブレーキとしていた。この場合、焼入れと焼戻しの２つの熱処理工程を要するため、省工程・省エネルギーの目的で、焼入れままでブレーキとして使用できるマルテンサイト系ステンレス鋼への要望が高まった。
【０００４】
この要望に対し、低Ｃ，Ｎ化し、これに伴ってオーステナイト温度域が縮小し、焼入れ可能温度域が狭くなることをオーステナイト形成元素のＭｎ添加で補うことにより、焼入れままで、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鋼組成が開示された（特開昭５７−１９８２４９号公報）。しかし、この鋼はＭｎを１．０〜２．５％含有するため、耐銹性に有害なＭｎＳを多量に含み、耐銹性を犠牲にして焼入れ安定性を優先した鋼と言わざるを得ない。
【０００５】
この点を改善するために、Ｍｎは低く抑え、その代わりに耐銹性を害しないＣｕ，Ｎをそれぞれ０．５〜１．０％、０．０３〜０．０７％添加して、焼入れ安定性を確保する組成が開示された（特開昭６１−１７４３６１号公報）。
この鋼では、焼入れ安定性と耐銹性は目的通り確保されたが、Ｎを０．０３％以上添加しているため、ブレーキ使用中の制動発熱で焼戻しを受けた場答、微細な窒化物が析出して靭性が低下することが懸念される。また、ブレーキによる制動発熱は、５００〜６００℃に達する場合もあると言われており、以上述べた従来鋼では、これらの温度域に達した場合、焼戻し軟化が避けられないという課題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来技術の持つ課題を有利に解決し、焼入れ安定性、耐銹性、靭性に優れ、さらに必要に応じて、制動発熱による軟化に対する抵抗に優れた焼入れままで使用に供する、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の成分組成を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＣおよびＮ添加量を限定し、かつオーステナイト形成元素およびフェライト形成元素の含有量を限定し、さらにＣｕを好適量添加することにより、所望の硬さと焼入れ安定性に優れ、かつ耐銹性にも優れ、併せて靭性も良好で、必要に応じて制動発熱軟化抵抗が高いマルテンサイト系ステンレス鋼の好適組成を得るものである。
【０００８】
すなわち、本発明の骨子とするところは、重量％で、Ｃ：０．０２〜０．１０％、Ｎ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．５〜１．５％、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｒ：１２．２〜１５％、Ｃｕ：０．５〜０．６％を含み、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％を満足し、かつ次式で表されるγｐが９０以上を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼である。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］
＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］
−５２［％Ａｌ］＋１８９
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、従来技術の項で述べた０．０５％のＮ、０．６％のＣｕを含有する低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼からブレーキディスクを作製し、１００００回の制動繰り返しを行い、靭性変化を調査した。靭性は、ＪｌＳ４号の５．０mmサブサイズ試験片を用いた衝撃試験で評価した。試験温度２５℃で評価した結果、ブレーキ制動後は焼入れままに比べて、吸収エネルギーが約１０Ｊ低下した。ブレーキから観察用サンプルを作製し、電顕観察を行った結果、制動後にはＣｒ₂ Ｎの微細な析出物が形成されていることが判明した。
【００１０】
そこで、実験室溶解で、Ｃｕ：１％で固定し、窒素のみを変化させた材料を製造し、制動試験後のＣｒ₂ Ｎの析出に及ぼすＮ添加量の影響を検討した結果、Ｎ添加量が０．０３％を超えるとＣｒ₂ Ｎの析出量が著しく増大し、靭性低下の主因となることを確認した。単にＮを低減しただけでは、オーステナイト生成温度域が縮小し、焼入れ可能温度域が狭くなるため、９００〜１１５０℃の温度範囲で安定して、３５±３ＨＲＣを満足する好適組成範囲を確定するために種々の成分を実験室溶解して検討を行った。
【００１１】
以上の結果、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％で、かつ次式で表されるγｐが９０以上を満足すれば、所期の目的が達成されることを知見した。

【００１２】
また、本発明者らは、いわゆるＣｕの時効析出によりブレーキ制動発熱による軟化を抑制できるのではないかと考え、焼戻し軟化抵抗に及ぼすＣｕ添加量の影響を検討した。
そこで、０．０５％Ｃ−０．０１５％Ｎ−０．２５％Ｓｉ−０．９％Ｍｎ−０．１５％Ｎｉ−１２．５％Ｃｒ鋼をベースにＣｕ添加量を変化した。熱延後９５０℃から焼入れを行い、さらに６００℃で１０分間加熱後空冷して焼戻し処理を行い、焼戻しによる硬さの低下に及ぼすＣｕ量の影響を調査し、本発明の完成に至った。
【００１３】
次に、本発明の成分限定理由を述べる。
ＣおよびＮは、硬さを高め耐磨耗性を得るのに有効な元素である。Ｎは、過度に添加するとブレーキ制動発熱による焼戻しでＣｒ₂ Ｎが微細に析出し、靭性低下の原因になるので上限を０．０３％とする。また、ディスクブレーキとして所望の硬さ、３５±３ＨＲＣを得るために、Ｃ＋Ｎの範囲を０．０５〜０．１％とする。したがって、Ｃの範囲を０．０２〜０．１０％とする。
【００１４】
Ｓｉは、脱酸元素が残存したものであり、過度に添加すると非金属介在物が鋼中に残存して靭性低下等の弊害をもたらすため、０．５％を上限に添加する。
Ｍｎは脱酸と焼入れ可能温度域を拡大するために０．５％以上添加する。上限は必要とする耐銹性に応じて決めればよいが、多量に添加すると鋼中にＭｎＳが多量に残存し、発銹起点となって耐銹性を劣化させるので、上限を１．５％とする。より厳しい耐銹性が要求される場合は、１．２％を上限とするのが好ましい。
【００１５】
Ｎｉは、Ｍｎと同様焼入れ加工温度域を広げる効果を有するが、高価であるため、本発明ではスクラップから混入する程度にとどめ、上限を０．５％とする。
Ｃｒは耐食性を確保するため最低１２．２％以上を必要とする。しかし、１５％を超えるとフェライト主体の組織となり、所望の硬さが得られなくなるので、上限を１５％とする。
【００１６】
Ｃｕは、焼入れ可能温度域を拡大するため０．５％以上０．６％以下添加する。
【００１７】
また、本発明では、９００〜１１５０℃の温度範囲で安定して焼入れを行なえるようにするため、オーステナイト形成元素とフェライト形成元素の好適組成として、次式で表されるγｐが９０以上を満足するように添加成分を調整する。

【００１８】
【実施例】
表１に示す成分の鋼を実験室で溶製し、インゴットを作製した。実験室で熱間圧延、焼鈍後熱処理用のサンプルを切り出し、熱処理を行った。熱処理は、９５０℃に１０分間加熱後水冷して焼入れを行った。さらに、焼入れたサンプルを６００℃で１０分間焼戻し、ブレーキ制動による焼戻しを模擬した。
【００１９】
焼入れまま、焼戻し後のそれぞれのサンプルについて、ロックウェルＣスケールの硬さとＪｌＳ４号の１／２サイズサブ試験片を用いた衝撃試験を行った。焼入れままの硬さは、ディスクブレーキで一般に要求される、３５±３ＨＲＣを満たす必要がある。衝撃特性は、焼入れままおよび焼戻し後の両方について、目安として２５℃の吸収エネルギーが３０Ｊ以上ある場合を、靭性に優れると判断した。焼戻しに伴う軟化抵抗に関しては、焼入れままの硬さと焼戻し後の硬さの差が１０ＨＲＣ未満であれば、軟化抵抗に優れると考えた。
【００２０】
【表１】

【００２１】
本発明の条件に従う場合、焼入れままで３５±３ＨＲＣを満足し、所望の硬さが得られる。また、焼入れままおよび焼戻し後共に優れた衝撃特性を有する。
【００２２】
しかし、比較例１は、Ｃ＋Ｎが低すぎるため、焼入れままの硬さが要求特性を満たさない。一方、比較例２では、Ｃ＋Ｎが０．１を超えるために、焼入れままの硬さが高くなりすぎる。また、比較例３は、γｐが９０に満たないため、焼入れままの硬さが低く、粗大なフェライト粒が混在するため、衝撃特性も低い。比較例４は、Ｎが０．０３％を超えるため、焼戻しによる靭性劣化が著しい。
【００２３】
【発明の効果】
本発明により、焼入れ安定性、耐銹性、靭性に優れ、さらに必要に応じて、制動発熱による軟化に対する抵抗に優れた、焼入れままで使用に供する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が提供できるため、工業的効果は非常に大きい。

Claims (1)

1. 重量％で、
   Ｃ ：０．０２〜０．１０％、
   Ｎ ：０．０３％以下、
   Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｍｎ：０．５〜１．５％、
   Ｎｉ：０．５％以下、
   Ｃｒ：１２．２〜１５％、
   Ｃｕ：０．５〜０．６％
   を含み、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％を満足し、かつ次式で表されるγｐが９０以上を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなるデイスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。
   γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］
   ＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］
   −５２［％Ａｌ］＋１８９