JP4744013B2

JP4744013B2 - 耐磨耗性に優れた摺動部材用Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金

Info

Publication number: JP4744013B2
Application number: JP2001194594A
Authority: JP
Inventors: 建次郎伊東; 輝彦末次; 広森川; 隆山内
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2021-06-27
Also published as: JP2003013187A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディスクブレーキのロータ材，ディスク材等の摺動部材として好適な耐磨耗性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
産業の発展に伴って高速化，高効率化の要求はあらゆる分野で強くなっており、高速化に対応した設備改善や材料開発が進められている。設備の高速化によって高速運転が可能となるが、運転時や停止時の速度制御で必要とされる制動システムの負荷が大きくなる。その結果、ディスクブレーキのロータ材ではより高い品質が要求され，摺動部材と接触する部位においても高品質が要求される。各部位における要求特性には、安定した摩擦係数，耐食性が挙げられる。しかも、高速化に対応する材料に関する要求に応えるため、抜本的な新材料の開発が急務とされている。
【０００３】
たとえば、車両運搬設備，電動輸送設備等のディスクブレーキは大半が鋳鉄製ディスクを使用しているが、鋳鉄製ディスクでは重量が嵩み、設備全体の大型化が避けられない。鋳鉄製ディスクは、消費エネルギーを節減する上でもネックとなる。そのため、ディスクの軽量化が種々検討されているが、制動部品としての要求特性やコスト面から鋳鉄製ディスクを凌駕する材料が実用化されていない。
自動車用ディスクブレーキにも、ねずみ鋳鉄等の高炭素鋳鉄が使用されている。この種の鋳鉄は、多量に含有する炭素を黒鉛としてマトリックスに分散させた組織をもち、温度，湿度等の環境変化に拘らず比較的安定した摩擦特性を呈する。また、熱伝導性も良好で摩擦熱が分散されるため、局部的な温度上昇に起因する歪変形を緩和させる作用があり、他の材料系にみられない特性を示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ねずみ鋳鉄等は、衝撃値や延性が低いため塑性加工が極めて困難な材料である。そのため、ブレーキディスクの製造に際しては、プレス加工を採用できず、個々の製品ごとに鋳型を製作し鋳造する鋳造法に拠らざるを得ない。しかも、湿潤環境では短期間に腐食して赤錆が発生する致命的な欠陥がある。更には、高強度化が困難な材料であることから、軽量化を犠牲にしながら、厚肉化によって部材の強度を向上させている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｃｕを主体とする第二相が微細分散したＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金をねずみ鋳鉄に代えて使用することにより、ねずみ鋳鉄に比較して耐食性や靭性が格段に優れ、高強度化が可能なために薄肉化による軽量化で高速，高効率化に適し、摩擦特性が安定し耐磨耗性に優れた摺動部材を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の摺動部材用Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、その目的を達成するため、Ｃ：０．７０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：０．１〜５．０質量％，Ｃｕ：３．１３〜７．５質量％，Ｔｉ：０．０５〜１．５０％及びＮｂ：０．０５〜１．５０質量％の１種又は２種を合計で０．０５〜２．０質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成をもち、Ｃｕを主体とする第二相とＴｉ及び／又はＮｂの炭化物がマトリックスに分散析出していることを特徴とする。
【０００７】
Ｔｉ，Ｎｂの単独又は合計含有量は、Ｃ含有量との間で（Ｔｉ質量％＋Ｎｂ質量％）≧１０×Ｃ質量％の関係を満足していることが好ましい。規制量のＴｉ，Ｎｂを添加することによって，マトリックスの固溶Ｃ量が０．２質量％以下に抑えられる。
マトリックスは、マルテンサイトを含むフェライト相の組織をもっている。マトリックスに含まれるマルテンサイト量を焼入れ等の熱処理により調整すると、要求特性に応じた強度をＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金に付与できる。
【０００８】
【作用】
本発明者等は、高強度で安定した摩擦係数を得るため、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2を用い、摩擦係数の経時変化をねずみ鋳鉄と比較調査した。図１の調査結果にみられるように、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2は、試験初期段階でねずみ鋳鉄と同等の摩擦係数を示したものの、時間の経過と共に摩擦係数が上昇して異常音を発生した。また、摩擦試験がある時間経過した時点で摩擦係数が急激に上昇し、焼付き現象が発生した。他方、ねずみ鋳鉄では、摩擦係数が実質的に上昇しなかった。
【０００９】
ねずみ鋳鉄の摩擦係数が安定している原因を解明するため、ねずみ鋳鉄の摩擦面における挙動を検討した。ねずみ鋳鉄は、マトリックスに分散析出した多量の球状黒鉛が摩擦面の潤滑性や熱拡散性に有効に作用するため、安定した摩擦係数を維持する。しかし、必要量の黒鉛晶出には少なくとも３質量％以上のＣ含有量を必要とし、靭性を著しく低下させる原因となる。多量のＣ含有は、耐食性改善元素として添加したＣｒをＣｒ炭化物として消費し、Ｃｒ添加による耐食性向上効果を損なうことにもなる。
【００１０】
そこで、本発明者等は、球状黒鉛に代わる元素又は析出物を調査検討した。その結果、製鋼段階でＣｕを溶鋼に添加し、マトリックス及び鋼表面にＣｕを主体とする第二相を析出させるとき、耐食性や靭性を劣化させることなく、球状黒鉛と同様に摩擦係数を安定化させた鋼材が得られることを見出した。実際、Ｃｕを主体とする第二相を分散析出させた鋼材では、図２に示すようにねずみ鋳鉄とほぼ同様に摩擦係数が安定しており、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2でみられる焼付きは皆無であった。
Ｃｕを主体とする第二相の分散析出により摩擦係数の安定化及び焼付き防止が図られる理由は定かでないが、析出した第二相を介した熱流路が形成されることから熱拡散率が上昇し、第二相自体が自己潤滑性を発現したこと等に拠るものと考えられる。何れにしても、Ｃｕを主体とする第二相の析出によって安定した摩擦係数が維持され、異常な温度上昇がないことは、本発明者等が見出した知見である。
【００１１】
Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、焼入れ等の熱処理でマルテンサイト化することにより高強度化される。Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、図３に示すようにマルテンサイト量が多くなるほど硬質化し強度が向上する。そのため、マルテンサイト量を調節することにより、要求特性に応じた強度が付与される。たとえば、マトリックスに２０％以上のマルテンサイト量を生成させると、マルテンサイトが生じていないＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金やねずみ鋳鉄に比較して１．３倍以上の強度を示す。したがって、ねずみ鋳鉄製部材に比較して板厚を強度向上分だけ薄くでき、軽量化が可能となる。
【００１２】
更に、Ｔｉ，Ｎｂを添加してＴｉ，Ｎｂの炭化物をマトリックスに析出させるとき、耐磨耗性が向上する。因みに、Ｔｉ，Ｎｂ無添加鋼の焼入れ温度を高く設定することによって焼入れ後の硬さをあげた場合、図４にみられるように磨耗量が若干低下するものの、顕著な磨耗抑制効果が得られない。これに対し、同じ組成の材料にＴｉ，Ｎｂを添加し、約０．５質量％の割合でＴｉ，Ｎｂの炭化物を析出させると比磨耗量が著しく向上した。図４にみられる比磨耗量の差は、Ｔｉ，Ｎｂ系炭化物の析出が耐磨耗性の改善に有効であることを示している。
【００１３】
本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、ねずみ鋳鉄以上の耐食性を確保するため４〜２０質量％のＣｒを含んでいる。一般のマイルドな大気環境での耐食性は４質量％以上のＣｒ含有で顕著になるが、海塩粒子や酸性雨等に曝される環境下では１０質量％以上のＣｒ含有量が好ましい。しかし、２０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、焼入れ等の熱処理によっても十分なマルテンサイト量が得られず、延性低下等に起因して製造コストも上昇する。
【００１４】
Ｃは、焼入れ後の硬さに大きな影響を及ぼす成分であり、Ｃ含有量が多いほど高強度化する。しかし、０．７０質量％を超える過剰量のＣ含有は、高温強度が高くなりすぎて熱間圧延時の負荷が大きくなり、耳割れ発生等に起因する歩留の低下を招く原因となる。また、凝固過程でＣｒとの共晶炭化物が生成し、炭化物を固溶させる加工や熱処理が必要となる。このようなことから、Ｃ含有量の上限を０．７０質量％に設定した。
高炭素鋼を高温から焼入れすると、高強度が得られるものの靭性が著しく低下する。低下した靭性は、一般には低温での歪取り焼鈍等によって回復される。本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金においても、高強度が要求される刃物等の用途にあっては低温での歪取り焼鈍によって耐食性を損なうことなく靭性が回復される。
【００１５】
他方、強度レベルを下げるとき、或いは強度が若干低下しても十分な靭性が必要なバイク用ロータ材等の用途にあっては、高い焼戻し温度が設定される。焼戻し温度が高くなると、具体的には高炭素鋼の焼入れ材を６００℃で焼戻し処理すると、マルテンサイトに固溶しているＣｒとＣが結合し、クロム炭化物となって析出し始める。クロム炭化物の析出に伴い析出物周囲でＣｒが消費され、腐食環境に曝されたときＣｒ欠乏相が腐食起点となるため、耐食性が著しく低下する。Ｃｒ欠乏相に起因する耐食性の低下は、焼入れ後のマルテンサイトに固溶しているＣ量を極力低減することにより防止できる。固溶Ｃ量の低減は、クロム炭化物が析出するような高温での焼戻し処理が施されてもＣｒと結合するＣの補給がないことを意味し、結果としてクロム炭化物の析出が押えられる。
【００１６】
固溶Ｃ量は、Ｔｉ，Ｎｂの添加によってマトリックス中のＣを炭化物として固定することにより低減できる。固溶Ｃ量の低減に及ぼすＴｉ，Ｎｂの影響は、（Ｔｉ質量％＋Ｎｂ質量％）≧１０×Ｃ質量％を満足するようにＴｉ，Ｎｂの１種又は２種を添加するとき顕著となる。Ｔｉ，Ｎｂ合計量２．０質量％以下、且つで（Ｔｉ質量％＋Ｎｂ質量％）≧１０×Ｃ質量％を満足する条件下でＴｉ，Ｎｂを添加することによって固溶Ｃ量が０．２０質量％以下に低下し、耐食性に悪影響を及ぼすＣｒ欠乏相を伴ったクロム炭化物の析出が防止される。
【００１７】
Ｎｉは、焼入れ・焼戻し等で生成するマルテンサイト量を調整する上で有効な合金成分であり、靭性を改善する作用も呈する。このような作用・効果は０．１質量％以上のＮｉで顕著になり、Ｎｉの増量に応じて焼入れマルテンサイトの靭性も向上する。しかし、５．０質量％を超える過剰量のＮｉが含まれると、熱処理法によってはオーステナイトが生成・残存し、強度が低下する。過剰量のＮｉ添加は、材料コストの上昇にもつながるので好ましくない。Ｃｕは、耐焼付き性の改善に有効なＣｕを主体とする第二相を析出させるために必要な合金成分である。第二相の安定析出には、少なくとも３．１３質量％以上のＣｕ添加が必要とされる。しかし、過剰量のＣｕ添加は高温脆化を引き起こすので、Ｃｕ含有量の上限を７．５質量％に設定した。Ｃｕを主体とする第二相の析出量が０．２体積％以上になると、耐焼付き性の改善が顕著になる。
【００１８】
以上の基本成分系をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金に、高耐食性に有効な３質量％以下のＭｏ，高温靭性の改善に有効な０.０１質量％以下のＢ，耐高温酸化性に有効な３質量％以下のＡｌを必要に応じて添加することもできる。また、製造上から混入する不純物に関しては、Ｐを０．０５質量％以下，Ｓを０．０１質量％以下，Ｓｉを３質量％以下，Ｍｎを３質量％以下に規制することが好ましいが、これら成分は切削性，高温強度を得るために個々の上限を超えて添加することも可能である。
【００１９】
【実施例】
表１の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を常法に従って溶製し、インゴットに鋳造した。各インゴットを熱間鍛造した後、熱間圧延でホットバーに仕上げ、ディスクブレーキ用のロータ材に切削加工した。作製されたロータ材を１０５０℃に１０分間保持した後、水焼入れし、４００℃×１時間の焼戻し処理を施した。
【００２０】

【００２１】
熱処理されたロータ材から試験片を切り出し、Ｃｕを主体とする第二相及びＴｉ，Ｎｂ系炭化物の析出量を測定し、熱処理後の組織を観察した。
第二相の析出量は、試験片をイオンミーリングして作製された薄膜を透過型電子顕微鏡で観察し、析出物がＣｕを主体とする第二相であることをＥＤＸ分析で確認した後、透過型電子顕微鏡の観察写真から析出物の面積を算出し、更に薄膜の厚みを乗じることによって体積割合として求めた。
【００２２】
Ｔｉ，Ｎｂ系炭化物の析出量は、沃素アルコール溶液に浸漬した試験片を超音波照射して金属部を溶解した後、液中に残った炭化物の残渣量から算出した。炭化物の形態は、残渣のＸ線解析で同定した。
熱処理後の組織については、試験片の鏡面研磨仕上げした面を化学エッチングし、顕微鏡観察によってフェライト，マルテンサイトを相別判定した。
調査結果を表２に示す。表中、未結合炭素量ΔＣは、ΔＣ＝１０×Ｃ質量％−（Ｔｉ質量％＋Ｎｂ質量％）の計算値を示す。
【００２３】

【００２４】
次いで、各ロータ材の摩擦特性，耐食性，機械特性を以下の試験条件で調査した。
〔摩擦磨耗試験〕
ピンオンディスク型摩擦磨耗試験機を用い、市販の自動車用ディスクパットを１０ｍｍ角に切り出してピン側にセットし、表１に掲げたロータ材をディスク側にセットした。試験荷重４００Ｎを加え、摩擦面における摩擦速度を２ｍ／秒に設定し、ディスクパットにロータ材を長時間摺動させた。この試験条件下で、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2にみられたような摩擦係数が急激に変化する焼付き発生までの時間を求めた。そして、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2の変化点（２０００秒）までの時間と比較し、摩擦係数の変化点がマルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2より長いものを○，短いものを×として耐焼付き性を評価した。
【００２５】
同じピンオンディスク型摩擦磨耗試験機のピン側に接触面が直径５ｍｍの円柱状試験片を取り付け、炭化ケイ素粉末を塗布した研磨紙をディスク側に貼り付け、円柱状試験片に４０Ｎの荷重を加えて０．７ｍ／秒の摩擦速度で研磨紙に摺擦させた。摩擦距離が０．５ｋｍに達したとき、摩擦磨耗試験機から試験片を取り外し、磨耗量を測定した。測定値をマルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2の磨耗量と比較し、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2の磨耗量より少ないものを○，多いものを×として耐磨耗性を評価した。
【００２６】
〔腐食試験〕
雨水による腐食を想定し、試験片に水道水を７２時間噴霧した後、試験片表面を観察し、錆が検出されなかったものを○，錆がわずかに検出されたものを△，多量の錆が発生したものを×として耐食性を評価した。
焼戻し後の耐食性については、４８時間の塩水噴霧試験後に試験片表面の発錆状態を調査し、６００℃の高温焼戻し材で錆が発生しなかったものを◎とする他は同様な判定基準で評価した。
〔機械特性〕
各ロータ材のビッカース硬さを測定すると共に、シャルピー衝撃試験によって衝撃値を測定した。ビッカース硬さがねずみ鋳鉄の硬さ１７０ＨＶを超えるものを○，１７０ＨＶ以下を×として強度を評価した。また、衝撃値がねずみ鋳鉄の衝撃値５Ｊ／ｃｍ²を超えるものを○，５Ｊ／ｃｍ²以下を×として靭性を評価した。
【００２７】
調査結果を表２に示す。Ｃｕ無添加のマルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2やＣｕ添加量が不足する比較例No.２では、安定した摩擦特性が得られず、摩擦磨耗試験開始後１８４０秒経過した時点から異常な摩擦係数の変化が検出された。これに対し、Ｃｕ：１．５１質量％（第二相の析出量：０．５４体積％）の本発明例No.１では、摩擦係数の変化が２４５０秒経過した時点から摩擦係数が変化した。この対比から、Ｃｕを主体とする第二相の析出により、摩擦係数の変化点が長時間側に改善されていることが確認される。以上の結果から、Ｃｕを１.０〜７.５質量％添加したＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2に比較して摩擦係数が安定した値で推移し、マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2や比較例No.２よりも優れた摩擦特性を呈することが判った。
【００２８】
耐磨耗性に関しては、Ｔｉ，Ｎｂの添加量が少ないためＴｉ，Ｎｂ系炭化物の析出量が０．１質量％以下の比較例No.１ではマルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2と同程度の磨耗量に留まっていた。他方、０．１質量％以上のＴｉ，Ｎｂ系炭化物を析出させた本発明例No.１〜６は、何れもマルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2に比較して耐磨耗性が格段に優れていた。一般のマイルドな雨水環境では、比較例No.1やねずみ鋳鉄にみられるように、Ｃｒ含有量が４質量％を下回ると腐食が極端に激しく、防食処理や環境の改善が必要であった。この種の腐食は、本発明例No.１のように６.３２質量％のＣｒ含有量になると軽減し、耐食性が向上していた。更にＣｒ含有量が１０質量％を超える本発明例No.２〜５は、腐食の発生がなく、十分な耐食性をもっていた。
【００２９】
本発明例No.１〜６のビッカース硬さは、マルテンサイト量が最も少ないNo.４においても２６０ＨＶであり、ねずみ鋳鉄の硬さ１７０ＨＶに比較して約１.５倍の強度であった。また、マルテンサイト量１００％の本発明例No.１は、ねずみ鋳鉄の約４倍に当る６８０ＨＶの硬さをもち、板厚で半分以上の軽量化が可能といえる。
本発明例No.１〜６は、鍛造・熱延で作り込み焼入れしたままの状態で２０Ｊ／ｃｍ²以上の高い衝撃値を示した。この衝撃値をねずみ鋳鉄の衝撃値５Ｊ／ｃｍ²と比較することから明らかなように、本発明例No.１〜６のロータ材は、ねずみ鋳鉄製ロータ材との対比で靭性が格段に優れたロータ材である。
【００３０】

【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉを主成分とするマトリックスにＣｕを主体とする第二相及びＴｉ，Ｎｂ系炭化物を分散析出させているので、優れた耐焼付き性及び耐磨耗性を示す。そのため、ディスクブレーキ等の制御差動時に安定した摩擦・磨耗特性を示し、ねずみ鋳鉄製摺動材と同様に安全且つ円滑な制動過程や制動操作が可能となる。また、鍛造、熱延を施すことで靭性に優れ、Ｃｒ添加によって優れた耐食性が付与される。更には、熱処理で生成するマルテンサイト量を調整することにより、必要強度も付与されるため、ねずみ鋳鉄製に比較して摺動部材の軽量化も図られる。このような長所を活用し、自動車や自動二輪車のブレーキ用ロータ材を初めとし、各種産業機器の速度制御装置，制動装置等に組み込まれる軽量で耐食性に優れた摺動部材が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】マルテンサイト系ステンレス鋼SUS420J2とねずみ鋳鉄の摩擦係数の経時変化を対比したグラフ
【図２】Ｃｕを主体とする第二相を析出させたＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金とねずみ鋳鉄の摩擦係数の経時変化を対比したグラフ
【図３】焼入れ・焼戻しによって生成したマルテンサイト量がＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金の硬さに及ぼす影響を表したグラフ
【図４】耐磨耗性に及ぼすＴｉ，Ｎｂ系炭化物の影響を表したグラフ

Claims

Ｃ：０．７０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：０．１〜５．０質量％，Ｃｕ：３．１３〜７．５質量％，Ｔｉ：０．０５〜１．５０％及びＮｂ：０．０５〜１．５０質量％の１種又は２種を合計で０．０５〜２．０質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成をもち、Ｃｕを主体とする第二相とＴｉ及び／又はＮｂの炭化物がマトリックスに分散析出していることを特徴とする耐磨耗性に優れた摺動部材用Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金。
（Ｔｉ質量％＋Ｎｂ質量％）≧１０×Ｃ質量％を満足する量のＴｉ及び／又はＮｂが添加され、マトリックスの固溶Ｃ量が０．２質量％以下に抑えられている請求項１記載の摺動部材用Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金。