JP4283405B2

JP4283405B2 - ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼

Info

Publication number: JP4283405B2
Application number: JP2000001666A
Authority: JP
Inventors: 明彦高橋; 阿部　　雅之; 雅之天藤
Original assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel and Sumikin Stainless Steel Corp
Priority date: 2000-01-07
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2020-01-07
Also published as: JP2001192780A

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、鋼成分を特定し、オーステナイト化後水冷やガス冷却の種々の冷却速度で冷却しても、冷却ままで、ブレーキとして必要な硬さが得られ、かつ靱性にも優れた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は一般に耐磨耗性が求められる。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（ロックウェル硬さＣスケール：ＨＲＣ）は、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣが求められる。二輪車やスノーモービルのようにディスクブレーキが直接目に触れる場合は、美観上耐銹性も必要となる。従って、ディスクブレーキ用材料として、自硬性と耐銹性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼が開発されてきた（特開昭５７−１９８２４９号公報）。この鋼は、焼入れままでブレーキとして所望の硬さを安定して得るため、低Ｃ、低Ｎ化した上、焼入れ性の低下を主にＭｎを適量添加して補うものである。
【０００３】
また、焼入れままだけではなく、使用中のブレーキ制動発熱による軟化に対する抵抗を有する鋼も開示されている（特開平１０−１５２７６０号公報）。この鋼は、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１０未満となり、優れた軟化抵抗を有するものである。
【０００４】
ところが、最近ディスクブレーキヘの要求特性は多様化し、熱伝導性の良いブレーキが求められるようになっている。この要求に対応するためブレーキ加工メーカーは、Ｃｕをマルテンサイト系ステンレス鋼で挟んだ３層構造のディスクブレーキを製造している。このブレーキでは、Ｃｕとステンレス鋼の接合は真空中でロウ付けで行われる。製造工程省略と酸化防止の目的で、ロウ付けしたブレーキ素材をそのまま真空中で加熱・冷却して、いわゆる真空焼入れを行う方法が採られている。
【０００５】
このような製造工程を採った場合、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では焼入れ硬さが不十分で、耐磨耗性すなわちブレーキ寿命が低下する。同時に、十分な焼入れ組織が得られないために、焼入れ後の靱性にも劣るという欠点がある。
また、ブレーキ制動発熱による軟化を抑制するために、Ｃｕによる析出硬化を活用する場合は、靱性が著しく低下する場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記従来鋼の持つ欠点を有利に克服し、水冷や油冷の冷却速度のみならず、ガス焼入れの場合のように冷却速度が遅い場合でも、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が安定して得られ、併せて熱処理ままや使用中の靱性にも優れたマルテンサイト系ステンレス鋼の成分組成を明らかにすることにある。
【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、かつ焼入れ性を得るためにＭｎ、Ｎｉ、Ｃｕを適量添加し、中でもＮｉ添加で、オーステナイト化後種々の冷却速度で冷却しても所望の硬さになるようにすると共に、熱処理ままのみならずＣｕの時効析出後でも優れた靱性が得られるようにした好適組成で構成されるマルテンサイト系ステンレス鋼である。
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％、
Ｎｉ：０．５〜２．０％、Ｃｕ：０．５〜２．０％
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。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明者は、オーステナイト化後種々の速度による冷却ままで、ディスクブレーキとしての好適な硬さ、すなわち３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを有する鋼を検討するにあたり、焼入れ性の増大に寄与するオーステナイト形成元素の添加効果を検討した。
ＣｒやＭｏも焼入れ性の増大に寄与すると考えられるが、これらはフェライト形成元素であり、フェライト生成元素の過度の添加は、オーステナイト化温度域を狭め、結果として熱処理可能な加熱温度域を狭くするので、検討の対象から外した。
Ｃ、Ｎは典型的なオーステナイト形成元素であるが、添加量により冷却後の硬さが大きく変動するので、比較的低廉なオーステナイト形成元素であるＭｎ、Ｃｕ、Ｎｉの効果を検討した。
【０００９】
Ｃ＋Ｎ：０．０７２％、Ｃｒ：１２．２％をべ一スに、
▲１▼ ２．０％Ｍｎ、
▲２▼ １．３％Ｍｎ−１．７％Ｃｕ、
▲３▼ １．３％Ｍｎ−０．８％Ｎｉ
を含有する鋼を、１０５０℃×ｌ０min 加熱でオーステナイト化した後、０．０１、０．１、１、ｌ０℃／ｓの一定の冷却速度で室温まで冷却し、硬さ（ＨＲＣ）を測定した。結果を図１に示す。
【００１０】
図１は、オーステナイト化後の冷却ままの硬さが冷却速度により変化する様子を、２％Ｍｎ、１．７％Ｃｕ、０．８％Ｎｉ添加鋼についてそれぞれ見たものである。図において、Ｎｉの添加により０．０１℃／ｓからｌ０℃／ｓの非常に広い冷却速度範囲でディスクブレーキで要求される３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満足するので、水冷や油冷の高冷却速度から真空熱処理の低冷却速度まで、いかなるオーステナイト化後の冷却速度でも要求硬さ範囲を安定して得られることが分かる。
【００１１】
Ｍｎを増やした２．０％Ｍｎ鋼は、冷却速度が０．１℃／ｓまで低下すると硬さの下限を外れてしまう。Ｃｕを添加した１．３％Ｍｎ−１．７％Ｃｕ鋼では、高冷速側では硬さが高過ぎ、低冷速の０．１℃／ｓでは硬さが低すぎる。さらに冷却速度が０．０１℃／ｓまで低下すると再び硬さが上昇するが、これは冷却中にＣｕが析出したことによるものである。いずれにしても、ＭｎやＣｕの添加量を増して、種々の冷却速度で３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの硬さ範囲に収めるのは困難である。
【００１２】
これに対して、Ｎｉを添加した１．３％Ｍｎ−０．８％Ｎｉ鋼は、０．０１℃／ｓから１０℃／ｓに至る広い冷却速度範囲で、安定して３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの硬さ範囲が達成できる。すなわち、Ｎｉ添加により水冷や油冷の高冷却速度から真空熱処理の低冷却速度まで、いかなる冷却速度でもディスクブレーキで要求される硬さ範囲を安定して得られることを知見した。
【００１３】
次に、本発明者らは表１に化学組成を示す種々の鋼（本発明鋼１〜１０）を実験室で溶製して、オーステナイト化−冷却後、ならびに更に５５０℃で焼戻しを行った後の２mmＶノッチシャルピー衝撃値を測定した。結果を表２に示す。
０．５５％から１．８５％のＮｉ添加（本発明鋼１〜６）で、冷却ままで１００J/cm²以上の衝撃値を有し、マルテンサイト系ステンレス鋼としては優れた衝撃値を示す。また、一般にマルテンサイト系ステンレス鋼は５５０℃程度で焼き戻すとＣｒの炭化物の析出により衝撃値が低下することが知られているが、これらの鋼では焼戻し後も少なくとも６０J/cm²の衝撃値を有し、靱性に優れることを確認した。
【００１４】
本発明者らは、靱性に及ぼすＮｉ添加の効果は１％以上のＣｕを添加して、Ｃｕの析出により５５０℃の焼戻し（ブレーキ制動発熱による焼戻しを想定）に対する軟化抵抗を持たせた場合にも有利に発揮されることを知見した。表１の本発明鋼７〜ｌ０のようにＣｕを１．２５〜１．８５％含有し、５５０℃の焼戻し後でもＣｕの析出で３２ＨＲＣ以上の硬さを維持する場合でも、表２に示すように衝撃値は非常に優れることを知見した。
【００１５】
本発明者らは、上述の知見に基づき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。
【００１６】
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。本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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、発銹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。
【００１９】
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。
【００２０】
Ｎｉは、Ｍｎと同様焼入れ可能温度域を広げるだけでなく、水冷や油冷の高冷却速度から真空熱処理の低冷却速度までオーステナイト化後のいかなる冷却速度でも、ディスクブレーキで要求される硬さ範囲を安定して得るためと、熱処理まま（焼入れ処理）ならびに焼戻し後の優れた靱性を得るために、０．５％以上添加する。しかし、Ｎｉは高価である上、過度に添加すると冷却後に室温で残留するオーステナイト量が増大し、硬さが低下する場合があるので、上限を２．０％とする。
【００２１】
Ｃｕは、焼入れ可能温度域を拡大するため０．５％以上添加する。また、Ｃｕはブレーキ制動発熱による軟化を抑制するのにも効果的で、制動発熱が６００℃まで高くなるような場合には、望ましくは１．０％以上を添加する。しかし、過度に添加すると熱間加工性を低下させるし、Ｃｕの析出で靱性が低下するので、上限を２．０％とする。
【００２２】
【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ｌ０分間加熱してオーステナイト化後、窒素ガスで室温まで冷却した。サンプルの温度を熱電対で測定しながら、ｌ０℃／ｓおよび０．１℃／ｓの一定の冷却速度で冷却した。冷却まま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。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。
【００２３】
また、１／４サブサイズの２mmＶノッチシャルピー衝撃試験片を作製し、０℃の衝撃値を測定した。試験数は３で、フルサイズの試験片に換算した平均の衝撃値を求めた。また上記の熱処理（冷却速度はｌ０℃／ｓ）後さらに５５０℃で３０分間加熱後空冷する焼戻しを行い、同様に硬さ並びに衝撃値の測定を行った。結果を表２に示す。
【００２４】
本発明の条件に従う鋼の場合、オーステナイト化後の冷却ままで、冷却速度が異なっても、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを満足し、所望の硬さが得られる。またオーステナイト化後の冷却まま、ならびに更に５５０℃で焼戻しを行った後も優れた衝撃値を有している。特に、Ｃｕを１％以上添加して５５０℃の焼戻し後も３２ＨＲＣを維持する場合、Ｃｕによる析出硬化が生じていても良好な靱性を保つことができる。
【００２５】
しかし、本発明の条件にない比較鋼においては、比較鋼１、２、３は冷却速度０．１℃／ｓのときの硬さが低く、さらにＮｉは添加せずにＭｎ＋Ｃｕを添加した比較鋼２は、冷却速度１０℃／ｓのとき硬さが高過ぎてしまう。また比較鋼１、２、３ではオーステナイト化後冷却ままの衝撃値は、本発明鋼のそれに比べて相対的に低い。さらに比較鋼２、３では焼戻し後の衝撃値が顕著に低下する。比較鋼４では冷却速度に依らずオーステナイト化後の冷却ままで、硬さは所望の範囲を満足するが、焼戻しを行った場合Ｃｕ析出による衝撃値の低下が著しい。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【発明の効果】
本発明により、オーステナイト化後水冷やガス冷却の種々の冷却速度で冷却しても、冷却ままで、ブレーキとして必要な硬さが得られ、かつ靱性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が提供できるため、工業的効果は非常に大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】２％Ｍｎ、１．７％Ｃｕ、０．８％Ｎｉ添加鋼について、オーステナイト化後の冷却ままの硬さが冷却速度により変化する状況を示す図。

Claims

質量％で、
Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、
Ｓｉ：０．５％以下、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、
Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｎｉ：０．５〜２．０％、
Ｃｕ：０．５〜２．０％
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。