JP5278889B2 - 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

本発明は、二輪車の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、使用時の軟化抵抗に優れ、かつ生産性に優れた成分の鋼に関する。

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。

従来は、ＳＵＳ４２０Ｊ１を焼入れ・焼戻しの熱処理により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た（下記特許文献１）。しかし、この鋼はＭｎを１．０〜２．５％含有するため、焼き入れ熱処理時におけるスケールが厚くなり研摩性を損ねる事が懸念される。

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（下記特許文献２）。この鋼では、焼入れ安定性と耐鋳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靱性が低下することが危惧される。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。

この問題を改善するために、Ｎ量を０．０３％以下に制限することで、制動発熱による軟化抵抗を改善すると共に、γｐを９０以上にする事によって９００〜１１５０℃の温度範囲で安定して焼入れを行なえるように考えられた組成が開示されている（下記特許文献３）。しかしながら、当該組成では熱間加工性が低く、鋼帯の幅端部に耳割れと呼ばれる亀裂が生じ、歩留まりを低下させる問題があった。
特開昭５７−１９８２４９号公報 特開昭６１−１７４３６１号公報 特開２００３−３２１７５３号公報

本発明の課題は、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、制動発熱による軟化抵抗、更に製造性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。

本発明は、Ｃ及び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すると共に、γｐで表される熱間圧延における相バランスを最適化することによって、所望の硬さと焼入れ安定性に優れ、かつ耐銹性、靭性、制動発熱軟化抵抗が高く、かつ熱間圧延時における割れ感受性を下げる事で製造性を高めた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、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
（１）質量%で、Ｃ：０．０２５〜０．０５５％、Ｎ：０．０１５〜０．０２５％、Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、Ｍｎ：１．４０〜１．５０％、Ｎｉ：０．２％以下、Ｃｒ：１２〜１３％、Ｃｕ：０．５０％〜０．６０％、Ａｌ：０．００１％〜０．０１０％を含み、Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．０７％を満足し、かつ次式で表されるγｐが８５〜９０未満を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ後の硬さがＨＲＣで３２〜３８であり、焼き入れままであ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。
γｐ=４２０[％Ｃ]＋４７０[％Ｎ]＋２３[％Ｎｉ]＋９[％Ｃｕ]＋７[％Ｍｎ]
−１１．５[％Ｃｒ]−１１．５[％Ｓｉ]−５２[％Ａｌ]＋１８９
（２）焼入れままの硬さと６００℃で１０分間焼戻し後の硬さの差がＨＲＣで１０未満であることを特徴とする（１）に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。

本発明により、製造性に優れ、焼入れ安定性、耐銹性、靭性、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安価に提供できるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明者らは、従来技術の項で述べた０．０２％のＮ，０．６％のＣｕを含有し、γｐを９０以上とする低Ｃマルテンサイト系ステンレス鋼を量産し溶解から熱延、焼鈍、酸洗等各工程における製造性を確認してきた。その結果、当該成分系では熱延鋼帯の幅端部において耳割れと呼称される細かい亀裂が発生しやすく、製造した熱延鋼帯の幅端部を切断除去する必要が生じ、歩留まりを低下させる頻度が、一般的なマルテンサイト系ステンレス鋼に比べて高い事が判明した。

そこで、耳割れの出た鋼帯と出なかった鋼帯を採取し、高温状態図を実験で確認すると共に、同様の成分を有する鋼塊をラボ溶解鋳造して、グリーブル試験機により高温延性を評価した結果、耳割れの出なかった鋼帯の成分は、熱延時におけるオーステナイト安定度が特定の範囲にあることを見出した。更に、ラボ鋳片を用いた高温延性評価においても実機の耳割れ発生と同様の傾向が確認された。耳割れの発生した高温延性の低い鋼材において脆化挙動を調べた結果、加熱温度が１２００℃程度と高い場合においては、δフェライトとオーステナイトの界面における亀裂発生が確認された。また、加熱温度が１１００℃と低い場合においては、オーステナイト粒界において濃化したＳ等の不純物元素によるオーステナイト粒界脆化が生じていると考えられた。即ち、熱延時におけるδフェライトをＳ等の不純物元素を吸収してオーステナイト粒界脆化を防止するのに必要な最低限度に制御することで、当該鋼における熱間加工性を確保する最適成分範囲を見出した。

以上の結果、次式で表されるγｐが８５以上９０未満を満足すれば、所期の目的が達成されることを知見した。
γｐ=４２０[％Ｃ]＋４７０[％Ｎ]＋２３[％Ｎｉ]＋９[％Ｃｕ]＋７[％Ｍｎ]
−１１．５[％Ｃｒ]−１１．５[％Ｓｉ]−５２[％Ａｌ]＋１８９
この式における［％Ｃ］、［％Ｎ］、［％Ｎｉ］、［％Ｃｕ］、［％Ｍｎ］、［％Ｃｒ］、［％Ｓｉ］、［％Ａ１］はそれぞれの成分の質量％を示す。

また、本発明者らは、γｐをこのような狭レンジに制御すると共に、ディスクブレーキに必要な焼入れ硬さ、靭性、耐食性、焼き戻し軟化抵抗を確保するためには、製鋼負荷は大きくなるものの、各主成分元素をある程度狭い範囲に制御する事が必要である事を見出し、本発明の完成に至った。

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。

Ｃは、焼き入れ後の耐食性を確保するために上限を設けた、また焼き戻し軟化抵抗を高めるために下限を設定した。したがって、Ｃの範囲を０．０２５〜０．０５５％とする。

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Ｃｒ２Ｎが微細に析出し、靭性低下の原因になるので.上限を０．０２５％とする、また、固溶Ｎは耐食性を高める効果があるため下限を０．０１５％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０．０５〜０．０７％とする。

Ｓｉは、脱酸元素として不可欠であるが、過度の添加はγｐを低下させるため、下限を０．２５％、上限を０．３５％とする。

Ｍｎは脱酸と焼入れ可能温度域を拡大するため、また、熱延時におけるＳをＭｎＳとして固定し固溶Ｓを低減する事で高温延性を改善する作用を有するため下限を１．４０％とした。しかしながら、過度の添加はγｐを上げることで、逆に高温延性を損ねるため、１．５０％を上限とした。

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０．２％とする。

Ｃｒは耐食性を確保するため最低１２％以上を必要とする。しかし、１３％を超えるとフェライト主体の組織となり、γｐの制御が困難であるため、上限を１３％とする。

Ｃｕは、焼入れ可能温度域を拡大するため０．５０％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、Ｃｕの析出で靱性が低下するので、上限を０．６０％とする。

Ａｌは、精錬時のスラグ塩基度を調整し脱硫するために、下限を０．００１％とする。但し、あまり高くなると脱硫時に水溶性介在物CaSが晶出し耐食性を低下させるため、上限を０．０１０％とする。

また、本発明では、熱延時の相バランスを最適化する事で高温延性を改善し耳割れの発生を防止するため、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、９０未満を満足するように添加成分を調整する。
γｐ=４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］
＋７［％Ｍｎ］−１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］
−５２［％Ａｌ］＋１８９
この式における［％Ｃ］、［％Ｎ］、［％Ｎｉ］、［％Ｃｕ］、［％Ｍｎ］、［％Ｃｒ］、［％Ｓｉ］、［％Ａ１］はそれぞれの成分の質量％を示す。

耳割れに対しては、δフェライトが少なすぎると、オーステナイト粒界にSが偏析し、粒界脆化を起こす事で耳割れが発生するため、Sを固溶し無害化するうえで最小限度のδフェライトの存在が必要となる。また、δ相分率が高くなると今度はδフェライトとオーステナイトの強度差、変形能の違いによってδフェライトとオーステナイトの界面に亀裂が生じ耳割れの原因となるため、δフェライトの量が多すぎてはいけない。したがって、熱間圧延時に、γｐを８５〜９０にする事によって、好ましいδフェライト量２〜２０％を確保することで、耳割れを防止し、高い歩留まりを得ることが可能となる。

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。実験室で熱間圧延し、熱延板における耳割れの有無を評価した。熱延加熱温度は1180℃、仕上げ温度は930℃、空冷で冷却し、800℃で巻き取り処理を行なった。引き続き、熱延板を８５０℃で４時間焼鈍後炉冷し、焼き入れ熱処理用のサンプルを切り出し、焼き入れ熱処理を行った。熱処理は、９５０℃に１０分間加熱後に焼入れを行った。さらに、焼入れたサンブルを６００℃で１０分間焼戻し、二輪車のブレーキ制動発熱を模擬した。耳割れの有無は熱延板２ｍ長さの両端部性状を目視観察し、亀裂の有無を評価した。

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。

耐銹性については、JIS塩水噴霧試験500時間後の外観観察により、錆の有無により評価した。

本発明の条件に従う場合、熱延板において耳割れが発生しなかった。また焼入れままで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。

しかし、比較例１は、γｐが低すぎるため、熱延時のδフェライト量が多く、耳割れが発生した。一方、比較例2では、γｐが高すぎるため、熱延時のδフェライト量が極めて少ないため、耳われが発生した。また、比較例3は、Ｎが0.015に満たないため、焼入れ後の耐食性が低い。比較例4は、Ｍｎが低すぎるため、熱延時の耳割れが発生した。

同様に、本発明のいずれかの条件から外れる比較例は、本発明例に比べて特性が劣り、総合評価が不合格だった。

以上の実施例により、本発明の効果が確認された。

Claims (2)

1. 質量%で、
   Ｃ：０．０２５〜０．０５５％、
   Ｎ：０．０１５〜０．０２５％、
   Ｓｉ：０．２５〜０．３５％、
   Ｍｎ：１．４０〜１．５０％、
   Ｎｉ：０．２％以下、
   Ｃｒ：１２〜１３％、
   Ｃｕ：０．５０％〜０．６０％、
   Ａｌ：０．００１％〜０．０１０％を含み、
   Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．０７％を満足し、
   かつ次式で表されるγｐが８５〜９０未満を満足し、残部がＦｅおよび不可避的不純物からなり、焼入れ後の硬さがＨＲＣで３２〜３８であり、焼き入れままであ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。
   γｐ=４２０[％Ｃ]＋４７０[％Ｎ]＋２３[％Ｎｉ]＋９[％Ｃｕ]＋７[％Ｍｎ]
   −１１．５[％Ｃｒ]−１１．５[％Ｓｉ]−５２[％Ａｌ]＋１８９
2. 焼入れままの硬さと６００℃で１０分間焼戻し後の硬さの差がＨＲＣで１０未満であることを特徴とする請求項１に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。