JP4297559B2 - 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用いる鋼の成分に関し、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、かつ使用時の軟化抵抗にも優れた好適な鋼の成分に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ニ輪車のディスクブレーキでは、耐磨耗性が重要な特性となる。耐磨耗性は、一般に硬さが高いほど大きくなる。しかし、硬さが高くなり過ぎると、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（ロックウェル硬さＣスケール）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、ディスクブレーキ材料は、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。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ている（特開昭５７−１９８２４９号公報）。Ｍｎに加えて、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も開示されている（特開昭６１−１７４３６１号公報）。
【０００４】
これらの鋼では、９００〜１１５０℃の広い焼入れ温度で所望の硬さが得られ所期の目的が達成されている。ところで、ディスクブレーキは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が求められる。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℃程度になる場合が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は、高々５５０℃程度とみなせるので、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と考えられる。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もＣｕの添加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）。本先行技術では、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１０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。しかし、Ｃｕの時効析出を利用するだけでは、５５０℃の焼戻しを行った後もディスクブレーキとしての好適な硬さ、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣを必ず保証することは容易ではない。
【０００６】
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）。本先行技術では、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。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。よって、ディスクブレーキ用に今までに提案された焼入れままで使用する従来鋼では、ブレーキ発熱で５５０℃程度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。
【０００７】
【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、焼入れ安定性に優れさらに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。
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、かつこの硬さが得られる焼入れ温度範囲が広く、さらに、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新たに明らかにすることが、本発明の解決しようとする課題である。
【０００８】
【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ＳｉおよびＣｕを好適量添加して焼戻し軟化抵抗を得ることにより、所望の硬さと焼入れ安定性に優れ、かつ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。 すなわち、本発明の骨子とするところは、以下の通りである。
（１） 質量％で、
Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、 Ｓｉ：１．０〜２．５％、
Ｍｎ：０．５〜２．０％、 Ｃｒ：１０〜１５％、
Ｎｉ：０．５％以下、 Ｃｕ：０．５〜２．０％
を含有し、次式で表されるγｐが８５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。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］
＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］
−５２［％Ａｌ］−４．１［％Ｗ］−１４．８［％Ｖ］
−４．１［％Ｍｏ］＋１８９
（２） １０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後の硬さが、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲で、かつ、１０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後５５０℃×３０分、空冷の焼戻しを行った後の硬さが、３２ＨＲＣ以上を有することを特徴とする前記（１）記載のディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、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、かつこの硬さが得られる焼入れ温度範囲が広く、さらに、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。本発明者等は、Ｓｉ：１．５％、Ｍｎ：１．４５％、Ｃｒ：１２．５％、Ｃｕ：１．０％をベース成分として、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。
【００１０】
▲２▼ できるだけ広い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。本発明で関係するオーステナイト形成元素は、Ｃ、Ｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕである。一方で、フェライト形成元素、典型的には、Ｃｒ、Ｓｉなど、を添加すると逆にオーステナイト相領域は小さくなる。従って、本発明を構成する成分元素がオーステナイト相領域の大きさに及ぼす影響を明らかにすれぱ、できるだけ広い焼入れ可能温度域の確保を可能とする構成元素の選択と量を求めることができる。
【００１１】
本発明者等は、本発明の構成成分元素とオーステナイト相領域の大きさとの関係を調査して、少なくとも９００〜１１５０℃の温度域でオーステナイトの面積率が９０％以上となる成分組成の組み合わせの条件として、以下のγｐが８５以上必要であることを確認した。本条件を満足すれば高温で９０％以上のオーステナイト面積率（残りはフェライト）が得られる。本発明のマルテンサイト系ステンレス鋼は１０〜１５％のＣｒを含有するので、いわゆる焼入れ硬化能を有しており、焼入れ加熱時のオーステナイトはほぼ全部がマルテンサイトに変態する。よって、本条件式を満足すれば、９００〜１１５０℃という広い焼入れ温度で、焼入れ後９０％以上のマルテンサイト面積率が得られる。
【００１２】
▲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。本発明者等は、マルテンサイトの焼戻しによる軟化抵抗を増すため、Ｃｕの時効析出強化をより有効に機能させる添加元素の効果を種々検討し、ＳｉとＣｕの複合添加が有効であることを見出した。本発明者等は、Ｃ＋Ｎ：０．０７％、Ｍｎ：１．５％、Ｃｒ：１２．２％をベースにＳｉとＣｕを変化させた鋼を実験室溶解し、熱間圧延の後、熱処理用の試験片を切り出し、１０５０℃×１０ｍｉｎ油冷の焼入れ処理を行って試験片断面の硬さを測定した。さらに、同様の焼入れを行った後、引き続いて５５０℃×３０ｍｉｎ空冷の焼戻しを行い試験片断面の硬さを測定した。焼入れままの硬さはいずれの成分の試験片においても３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲にあった。焼入れ・焼戻し後の硬さ測定結果を図１に示す。図１は、Ｃｕ添加量を０．６、１．０、１．５、２．０％と変化させたときの焼戻し後硬さ（ＨＲＣ）に及ぼすＳｉ添加量の影響を示したものである。Ｃｕ：０．６、１．０、１．５、２．０％の各鋼について、Ｓｉを１％以上にすれば、５５０℃で焼戻しを行っても、３２ＨＲＣ以上の硬さを維持することが可能となる。また、Ｓｉ添加量が一定の場合、Ｃｕ添加量が多いほど焼戻し後の硬さは大きくなる。このようにＳｉとＣｕの添加により焼戻し焼戻し軟化抵抗が増大する理由は次のように考えられる。焼入れままでＣｕは鋼中に固溶しているが、５５０℃近傍で焼戻しを行なうとＣｕが析出して強化に寄与する。鋼中のＳｉは、Ｃｕの析出物を微細に分散する傾向を持つ。析出強化は析出粒子が微細に分散するほど大きくなるので、Ｓｉ添加によりＣｕの析出強化代が大きくなり、焼戻しに伴う軟化を補う効果を発揮して、焼入れままの硬さからの低下を小さく抑えることができる。
本発明者等は、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。
【００１３】
以下に、本発明の成分限定理由を述べる。
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。
【００１４】
Ｓｉは、焼戻し軟化抵抗を増大するために添加する。Ｓｉは本発明鋼が焼入れ後５５０℃程度で焼戻しを受けたときに析出するＣｕをより微細分散して、Ｃｕによる析出強化をより有効に寄与せしめる効果を有する。このようなＳｉの効果を発現するために１．０％以上の添加を行う。しかし、２．５％を超えて添加しても本効果は飽和する上、過度の添加は靭性を損なうので上限を２．５％とする。
【００１５】
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、発誘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。
【００１６】
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。
【００１７】
Ｎｉは、Ｍｎと同様焼入れ可能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上限を０．５％とする。
【００１８】
Ｃｕは焼入れ可能温度域を拡大するためと５５０℃程度の焼戻し中に析出させて析出強化により鋼の焼戻し軟化抵抗を得るために添加する。Ｃｕによる析出強化は、上述のように１．０％以上のＳｉを複合添加することにより５５０℃の焼戻し後も３２ＨＲＣを維持し得る程有効に機能する。このようなＣｕの効果を得るために少なくとも０．５％以上のＣｕを添加する。しかし、Ｃｕは過度に添加すると熱間加工性を低下させるし、Ｃｕの析出で靭性が低下するので、上限を２．０％とする。
【００１９】
また、本発明では、９００〜１１５０℃の温度範囲で安定して、焼入れを行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８５以上を満足するように添加成分を調整する。

【００２０】
【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５５０℃で３０分間焼戻した。
【００２１】
【表１】

【００２２】
焼入れまま、焼戻し後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以上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５５０℃程度に上昇しても使用中に軟化してブレーキと耐磨耗性を損なうことはない。
【００２３】
【表２】

【００２４】
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る。さらに、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、焼戻しにより軟化し、ブレーキ使用中の耐磨耗性劣化が生じてしまう。
【発明の効果】
本発明により、焼入れ安定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。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｃ＋Ｎ：０．０７％、Ｍｎ：１．５％、Ｃｒ：１２．２％を含有する鋼を１０５０℃×１０ｍｉｎ油冷→５００℃×３０ｍｉｎ空冷の焼入れ・焼戻しを行なったときの硬さに及ぼすＳｉとＣｕの添加量の影響を示した図表である。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．１％、
   Ｓｉ：１．０〜２．５％、
   Ｍｎ：０．５〜２．０％、
   Ｃｒ：１０〜１５％、
   Ｎｉ：０．５％以下、
   Ｃｕ：０．５〜２．０％
   を含有し、次式で表されるγｐが８５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。
   γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］
   ＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］
   −５２［％Ａｌ］−４．１［％Ｗ］−１４．８［％Ｖ］
   −４．１［％Ｍｏ］＋１８９
2. １０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後の硬さが、３２ＨＲＣ〜３８ＨＲＣの範囲で、かつ、１０５０℃×１０分加熱、油冷の焼入れ後５５０℃×３０分、空冷の焼戻しを行った後の硬さが、３２ＨＲＣ以上を有することを特徴とする請求項１記載のディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼。

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