JP4202573B2 - 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、二輪車やスノーモービルなどのディスクブレーキに使用されるマルテンサイト系ステンレス鋼であって、鋼成分を特定することによってブレーキに加工後、焼入れままでブレーキとして必要な硬さが得られ、かつ使用時の軟化抵抗にも優れたディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディスクブレーキに求められる重要な特性は耐磨耗性である。耐磨耗性は、一般に硬さが高いほど大きくなる。しかし、硬さが高くに過ぎると、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（ロックウエル硬さＣスケール：ＨＲＣ）は、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣが求められる。以上の硬さ調整および耐銹性を得るため、ディスクブレーキ用ステンレス鋼はマルテンサイト系が用いられている。
【０００３】
従来から、焼入れままでブレーキとして所望の硬さが安定して得られるマルテンサイト系ステンレス鋼として、低Ｃ、低Ｎ化した上、Ｍｎを適量添加する鋼組成が開示されている（特開昭５７−１９８２４９号公報）。
【０００４】
ディスクブレーキの使用性能を考慮した場合、使用前の硬さのみならず、使用に伴う軟化が小さく、使用による耐磨耗性の劣化が小さいことも重要となる。軟化の原因はブレーキによる制動発熱であり、ディスクブレーキの温度は５５０℃程度になる場合もあると言われている。従って、制動発熱相当の焼戻しを受けて生じる軟化量が低いことが必要となる。発熱によるディスクブレーキの温度を５５０℃程度とみなすと、５５０℃までの焼戻しを行って硬さが低下しなければ、使用中の軟化は問題にはならない。しかし、従来のディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼の焼戻し軟化抵抗は、せいぜい５００℃までが限度で、５００℃を超えた温度で焼戻しを行うと、顕著に硬さが低下してしまう。
【０００５】
このブレーキ制動発熱による軟化を抑制する目的から、Ｃｕの時効析出による強化が効果的であることが明らかにされている（特開平１０−１５２７６０号公報）。この先行技術では、望ましくはＣｕ添加量を１．０％以上とすることにより、ブレーキ制動で６００℃にまで加熱されるような場合でも、ロックウェルＣスケールの硬さの差がｌ０未満となり、優れた軟化抵抗を有することが開示されている。
【０００６】
しかし、Ｃｕの析出硬化は４５０〜５００℃で最も大きくなるので、ディスクブレーキとしての好適な硬さの上限を超してしまう場合があると言う欠点があった。マルテンサイト系ステンレス鋼において５００〜６００℃の温度範囲の加熱を行った後の硬さを高くする成分系も明らかにされている（特開昭５３−４３０２３号公報）。この先行技術では、加熱による焼戻し軟化の程度がＣ量およびＣｒ量に大きく左右され、Ｃ量、Ｃｒ量が多いほど微細な炭化物の析出が多く見られ、いわゆる二次硬化現象を示すことが開示されている。
【０００７】
しかしこの場合には、ディスクブレーキヘの適用を想定した鋼ではないためにＣ量を上げるので、焼入れままの硬さが必然的に高くなり、焼入れままでディスクブレーキとしての好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣに収めるという前提を満足することができない。
【０００８】
よって、ディスクブレーキ用に今までに提案された従来鋼では、ブレーキとして使用後にはディスクブレーキとしての好適な硬さ範囲を維持しがたいという欠点があった。
【０００９】
【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欠点を有利に克服し、焼入れ後だけでなく、制動発熱による軟化に対する抵抗に優れ、使用後でもディスクブレーキとして要求される硬さ範囲を保つことができるディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供することにある。
すなわち、焼入れままでディスクブレーキとしての好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを有し、かつ５５０℃の焼戻しを行った後も３２ＨＲＣ以上の硬さを有する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が、本発明の解決しようとする課題である。
【００１０】
【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であるＭｎおよびＮｉ，Ｃｕを適量添加し、さらにＮｂと同時にＺｒ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上を好適量添加して焼戻し軟化抵抗を得ることにより、焼入れままで所望の硬さが得られ、かつ制動発熱軟化抵抗の高い好適組成のマルテンサイト系ステンレス鋼を得るものである。
【００１１】
すなわち、本発明の骨子とするところは、質量％で、
Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、 Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、 Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｎｂ：０．０５〜０．５％を含有し、
Ｚｒ：０．０５〜０．５％、 Ｔａ：０．０５〜０．５％、
Ｔｉ：０．０５〜０．５％のうち１種または２種以上を含有し、
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。
本発明は更に、Ｎｉ：０．５％以下、Ｃｕ：０．５〜１．０％のいずれかまたは両方を必要に応じて含有させることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、焼入れままでディスクブレーキとしての好適な硬さ、すなわち３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを有し、かつ５５０℃の焼戻しを行った後も３２ＨＲＣ以上の硬さを有するマルテンサイト系ステンレス鋼を以下のように設計した。
▲１▼焼入れままの硬さの制御：焼入れままで十分な硬さを安定して得るためには、焼入れ後の組織をマルテンサイト主体にすべきである。望ましくは、面積率で９０％以上がマルテンサイトであることが好ましい。マルテンサイトが得られれば、その硬さは基本的にはＣ＋Ｎ量で決まるので、ディスクブレーキとして好適な硬さが得られるＣ＋Ｎ量に制御すれば良い。本発明者は、Ｓｉ：０．３％、Ｍｎ：１．４％、Ｃｒ：１２％をべース成分として、ＣとＮを種々に変化させた鋼を実験室で溶解し、１０５０℃×１０min の加熱後油冷して硬さを測定した。その結果、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％とすれば、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満足することを確認した。
【００１３】
▲２▼焼入れ可能温度域の確保：９０％以上のマルテンサイト面積率が得られる焼入れ可能温度域ができるだけ広いことが必要である。マルテンサイトは、高温のオーステナイトが相変態して形成される組織であるので、広い焼入れ可能温度域を得るためには、高温でオーステナイト相の存在する領域ができるだけ大きいことが望まれる。ところで、マルテンサイト系ステンレス鋼のオーステナイト相領域の大きさは、いわゆるオーステナイト形成元素を添加すれば大きくなることが分かっている。本発明では、焼入れ後の硬さを調節する目的でＣ，Ｎの量を制限するので、これらを補うオーステナイト形成元素としてＭｎ，Ｎｉ，Ｃｕを添加する。
【００１４】
▲３▼焼戻し軟化抵抗の付与：マルテンサイト系ステンレス鋼のマルテンサイトの硬さは、基本的にはマルテンサイト変態で鋼中に多量に導入された転位が固溶ＣやＮによって固着される結果もたらされる。このマルテンサイトを焼戻すと、転位密度の減少、炭化物や窒化物の析出が生じ、軟化が生じる。本発明者は、マルテンサイトの焼戻しによる軟化抵抗を増すため、種々の元素を検討した結果、Ｎｂの添加が有効であることを見出した。しかし、Ｎｂを単独で添加しただけでは安定して軟化抵抗を上げることができないことが判明した。これは、ディスクブレーキ材料の焼入れ前の熱履歴によって、焼入れ後に固溶しているＮｂ量が変化すること、また、ディスクブレーキの使用状態によって、固溶Ｎｂが析出する速度が異なるためと考えられた。
【００１５】
そこで本発明者らは、Ｎｂと複合して添加することにより焼戻し軟化抵抗を増大する効果を持つ元素を検討した。その結果、Ｎｂと合せて添加して有効な元素としてＺｒ，Ｔａ，Ｔｉの効果を見い出した。これらの元素は固溶状態では焼戻しの遅延に対し大きな効果は見られないが、焼戻し後の電子顕微鏡観察の結果、Ｎｂが析出する際にＮｂとの微細な複合炭化物、窒化物を形成し、いわゆる析出硬化によって焼戻し軟化分を補うことが明らかとなった。すなわちＮｂに加えて、Ｚｒ，Ｔａ，Ｔｉを複合添加することにより、たとえＮｂが析出し固溶Ｎｂが減少して焼戻しが進展しても、今度はＮｂの複合析出物が強化に寄与する機構で焼戻し軟化抵抗が維持できるということを知見した。
【００１６】
本発明者は、上述の▲１▼，▲２▼，▲３▼の３つの要件をはじめて好適に満足して合金設計することにより、本発明を完成するに至った。
以下に本発明の成分限定理由を述べる。
【００１７】
ＣおよびＮは、マルテンサイトの硬さを高め耐磨耗性を得るのに有効な元素である。木発明の構成成分組成において、焼入れままでディスクブレーキとして所望の最低の硬さ３２ＨＲＣを得るために、Ｃ＋Ｎの下限を０．０５％とする。一方、Ｃ＋Ｎの上限は、ディスクブレーキとして所望の最高の硬さ３８ＨＲＣに収めるために、０．１０％とする。
【００１８】
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靱性低下等の弊害をもたらすため、０．５％を上限に添加する。
【００１９】
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。しかし、多量に添加すると鋼中にＭｎＳが多量に残存し、発鋳起点となって耐銹性を劣化させるので、上限を２．０％とする。
【００２０】
Ｃｒは耐食性を確保するため最低１０％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。
【００２１】
ＮｉはＭｎと同様焼人れ可能温度域を広げる効果を有するが、Ｍｎと比較して高価であるため本発明では必要に応じて０．５％を上限として添加する。
【００２２】
Ｃｕも焼入れ可能温度域を拡大するため元素であり、必要に応じて０．５％以上添加する。しかし、過度に添加すると熱間加工性を低下させるし、使用中の析出で硬さが大きくなりすぎる場合があるので、上限を１．０％とする。
【００２３】
Ｎｂは５５０℃までのブレーキ制動発熱による焼戻しの進展に対する抵抗を得るために添加する。本効果を得るため少なくとも０．０５％以上添加する。しかし、過度に添加すると、焼入れままの硬さを上げて硬さ調整を困難にするので、上限を０．５％とする。
【００２４】
さらに本発明では、Ｚｒ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上を、それぞれ０．０５〜０．５％だけ添加する。Ｚｒ，Ｔａ，Ｔｉの１種または２種以上をＮｂと複合して添加することにより、焼戻し軟化抵抗を安定して得ることができる。これらの元素は焼戻しが進展した場合、Ｎｂと複合の炭化物、窒化物を形成して析出硬化で焼戻し後の硬さの維持に寄与する。本効果を得るためには少なくとも夫々０．０５％以上の添加が必要である。しかし、過度に添加するとＮｂと同様に焼入れままの硬さを上げて硬さ調整を困難にするので、上限を夫々０．５％とする。
【００２５】
［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、１０５０℃に１０分間加熱後油冷して焼入れを行った。さらに、焼入れたサンプルを４５０℃および５５０℃で３０分間焼戻した。
【００２６】
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スケールの硬さを測定した。結果を表２に示す。
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３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満たす必要がある。焼戻しに伴う軟化抵抗に関しては、焼戻し後の硬さが３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを維持しているかどうかを確認した。この硬さを維持していれば，ブレーキ制動発熱でディスクブレーキの温度が上昇しても、使用中に軟化してブレーキの耐磨耗性を損なうことはない。
【００２７】
表２の結果から、本発明の条件に従う鋼の場合、焼入れままで３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満足し、所望の硬さが得られている。さらに、４５０℃や５５０℃で焼戻しを行っても、依然として３２ＨＲＣ以上の硬さを維持しており、優れた軟化抵抗を有している。しかし、従来鋼である比較鋼は、焼入れままの硬さは所望の硬さを満足するものの、焼戻しにより所望の硬さ範囲を逸脱し、ブレーキとしての使用性能が低下してしまう。
【００２８】
【表１】

【００２９】
【表２】

【００３０】
【発明の効果】
本発明により、焼入れ性と制動発熱による軟化に対する抵抗の両方に優れた焼入れままで使用に供する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 (2)

1. 質量％で、
   Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、
   Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｍｎ：０．５〜２．０％、
   Ｃｒ：１０〜１５％、
   Ｎｂ：０．０５〜０．５％
   を含有し、
   Ｚｒ：０．０５〜０．５％、
   Ｔａ：０．０５〜０．５％、
   Ｔｉ：０．０５〜０．５％
   のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。
2. 質量％で、
   Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、
   Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｍｎ：０．５〜２．０％、
   Ｃｒ：１０〜１５％、
   Ｎｂ：０．０５〜０．５％
   および
   Ｎｉ：０．５％以下、
   Ｃｕ：０．５〜１．０％
   のうちの１種または２種、さらに
   Ｚｒ：０．０５〜０．５％、
   Ｔａ：０．０５〜０．５％、
   Ｔｉ：０．０５〜０．５％
   のうちの１種または２種以上を含有し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とするディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。