JP6537659B1 - マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板、当該鋼板を用いたディスクブレーキロータの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(B)外観が美麗となるよう、ある程度の耐食性を有すること
(C)ハット形状に加工できること
C:0.020〜0.060%、
N:0.020〜0.070%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜1.5%、
P:0.040%以下、
S:0.015%以下、
Ni:0.01%〜1.0%
Cr:10.5〜13.5%、
Cu:0.01〜1.0%、
V:0.01%〜0.30%、及び
Al:0.001〜0.010%
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、
下記式(1)で表わされる熱間時の相バランス指標であるγpが80〜120であり、
結晶粒度がGSNで7〜10である
ことを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−48Zr−49V+189 ・・・ 式(1)
なお、上記式(1)における各元素には、当該元素の含有量(質量%)が導入される。
Mo:0.01〜0.50%、
Sn:0.003〜0.10%、
Nb:0.001〜0.30%、
Ti:0.05%以下、及び
B:0.0002〜0.0050%
の少なくとも1種を含む、上記[1] に記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。
本実施形態のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板は、自動車用ディスクブレーキロータの製造に適した、優れたホットスタンプ性と、ロータに必要な耐食性と、を得るために、成分及び組織を最適化したものである。また、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板は、フェライト組織がその大半を占め、ホットスタンプによる焼入れ処理後、マルテンサイト相、又はマルテンサイト相+フェライト相の組織となる鋼板である。さらに、本実施形態のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板は、必ず炭窒化物を含んでおり、さらには、焼入れ後、わずかにオーステナイト相が残留する場合もある。
まず、ロータ材として適したマルテンサイト系ステンレス鋼の組成を限定した理由について説明する。なお、組成についての%の表記は、特に断りのない場合は、質量%を意味する。
Cは、焼入れ後所定の硬さを得るために必須な元素であり、所定の硬度レベルになるようにNと組み合わせて添加する。0.020%未満であると、十分なマルテンサイト相が生成せず、強度が不足して好ましくない。0.060%を超えると、強度が高くなり過ぎ、ブレーキ鳴きが起こり易くなるため好ましくない。Cの好ましい範囲は、0.020〜0.050%である。なお、ブレーキ鳴きとは、ブレーキシステムに含まれるパッドとロータとの間で発生する摩擦力が原因で振動が起こる現象をいう。
Nは、Cと同様に焼入れ後に所定の硬度を得るために必須の元素であり、所定の硬度レベルになるようにCと組み合わせて添加する。また、耐食性向上にも効果がある。0.020%未満であると、十分なマルテンサイト相が生成せず、強度が不足して好ましくない。0.070%を超えると、強度が高くなり過ぎ、ブレーキ鳴きが起こり易くなるため好ましくない。Nの好ましい範囲は、0.030〜0.070%である。
Siは、溶解精錬時に脱酸のために必要である他、焼入れ熱処理時に酸化スケール生成を抑制するためにも有用であり、その効果は0.05%以上で発現する。但し、Siは溶銑等の原料から混入するため、過度な低下はコスト増に繋がる。このため、0.20%以上にすることが好ましい。また、過度なSiの添加はオーステナイト単相温度域を狭くし、焼入れ安定性を損ねるために1.0%以下とする。なお、オーステナイト安定化元素の添加量を低減しコストを下げるためには0.6%以下にすることが好ましい。
Mnは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、オーステナイト単相域を拡大し焼入れ性の向上に寄与する。その効果は0.5%以上で明確に現れる。但し、安定して焼入れ性を確保するためには、1.1%以上にすることが好ましい。また、過度なMnの添加は焼入れ加熱時の酸化スケールの生成を促進し、その後の研磨負荷を増加させるため、1.5%以下とした。なお、MnS等の粒化物に起因する耐食性の低下も考慮すると1.3%以下にすることが好ましい。
Pは原料である溶銑やフェロクロム等の主原料中に不純物として含まれる元素である。Pは熱延焼鈍板の靭性、ひいては熱延焼鈍板をホットスタンプにより焼入れした後の靭性に対しては有害な元素であるため、0.040%以下とする。さらに好ましくは0.030%以下である。過度な低減は高純度原料の使用を必須にするなど、コストの増加に繋がるため、好ましくは、Pの下限は0.010%である。
Sは、硫化物系介在物を形成し、鋼材の一般的な耐食性(全面腐食や孔食)を劣化させる。また、Sは、熱間加工性を低下させ、具体的には熱延鋼板の耳割れを発生させ易くする。このため、その含有量の上限は低いほうが好ましく、0.015%とする。また、Sの含有量は少ないほど耐食性は良好となるが、低S化には脱硫負荷が増大し、製造コストが増大するので、その下限を0.001%とするのが好ましい。なお、Sのさらに好ましい範囲は0.002〜0.008%である。なお、耳割れとは、圧延板の縁において起こる現象であって、材料が圧延板の幅方向に流れるために延伸が不足し、圧延方向の張力が生じて縁が割れる現象を意味する。
Niは孔食の進展抑制に有効な元素であり、その効果は0.01%以上の添加で安定して発揮されるため下限を0.01%とする。一方、多量の添加は、熱延焼鈍鋼板において固溶強化によるプレス成形性の低下を招くおそれがあるとともに高価な元素であるため、その上限を1.0%とする。Niの好ましい範囲は、0.01〜0.20%である。
Crは、本実施形態において、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。10.5%未満では、十分な耐銹性が得られない。一方、13.5%超ではマルテンサイト相の生成が乏しくなり、十分な強度が得られなくなる。Crのさらに好ましい範囲は、11.0〜12.5%である。
Cuは、δフェライトを含むマルテンサイト組織の耐食性向上に有効であり、その効果は0.01%以上で発現する。また、Cuはオーステナイト安定化元素として焼入れ性の向上のために積極的な添加が行われる場合もある。これに対し、過度な添加は熱間加工性の低下や、原料コストの増加に繋がるために1.0%以下とする。酸性雨による発銹などを考慮すると下限を0.02%以上にすることが好ましい。Cuの上限値のさらに好ましい値は0.50%である。
Vは、フェライト系ステンレス鋼の合金原料に不純物として混入し、精錬工程における除去が困難であるため、一般的に0.01〜0.10%の範囲で含有される。0.01%未満とすると製鋼コストの上昇を招く。また、Vは、微細な炭窒化物を形成し、ブレーキディスクの耐磨耗性を向上させる他、耐食性の向上にも効果を有するため、必要に応じて、意図的な添加も行われる元素である。その効果は0.02%以上の添加で安定して発現するため、下限を0.02%とすることが好ましい。一方、過剰に添加すると、析出物の粗大化を招くおそれがあり、その結果、焼入れ後の靭性が低下してしまうため、上限を0.30%とする。なお、製造コストや製造性を考慮すると、0.03%〜0.15%とすることが好ましい。
Alは、脱酸元素として添加される他、耐酸化性を向上させる元素である。その効果は0.001%以上で得られる。一方、過剰の添加は大型の酸化物系介在物を形成し易くする。本実施形態では母相の耐銹性をコスト低減のためにぎりぎりまで低減しているため、介在物の存在が耐銹性に大きく影響する。介在物が発銹起点となり易くなるためである。このような状況下では、介在物を小さく、また少なくするため、Alの上限を0.010%とする。Al含有量は低下させるほど好ましく、脱酸及びコストの兼ね合いから、0.003%以下とすることが好ましい。もちろん、Alは含有しいなくてもよい。なお、ここでいうAlの含有量はT.Alを意味する。
Moは、δフェライトを含むマルテンサイト組織の耐食性向上に有効であり、その効果は0.01%以上で発現する。Moは、焼入れ性の向上及び焼入れ後の耐熱性向上にも有効なため、0.02%以上とすることがより好ましい。鋼を焼入れし次いで焼戻しすると、硬度低下が起こるが、ここで、焼入れ後の耐食性とは、その低下代が小さい度合を意味し、「焼戻し軟化抵抗」とも呼ばれる。ブレーキディスクは焼入れて使用されるが、使用時のブレーキングでの抵抗発熱によりディスク材は加熱される。そのため、焼戻し軟化抵抗は重要である。Moはフェライト相の安定化元素であり、過度の添加は、オーステナイト単相温度域を狭くすることで焼入れ特性を損ねるため、その上限を0.50%とすることが好ましい。なお、Moのより好ましい上限は0.40%である。
Snは焼入れ後の耐食性向上に有効な元素であり、0.003%以上が好ましく、必要に応じて0.02%以上添加することがより好ましい。但し、過度な添加は熱延時の耳割れを促進するため0.10%以下にすることが好ましく、0.05%以下にすることがより好ましい。
Nbは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素であり、0.001%以上が好ましい。さらに、Nbは焼入れ後の耐熱性を大きく向上させる元素である。ここで、耐熱性とは、焼入れ後、熱を受けたときの軟化し難さを意味し、「焼戻し軟化抵抗」とも呼ばれる。しかしながら、Nbを過剰に添加した場合、ブレーキディスクにおいては、NbNを形成することで、靭性の低下やブレーキ鳴きの原因になるため、好ましくなく、0.30%を上限とし、より好ましくは0.20%を上限とする。
Tiは、ブレーキディスクにおいては、大きいTiNを形成することで、靭性の低下やブレーキ鳴きの原因になるため、その上限は0.05%以下とすることが好ましい。また、冬季の靭性を考慮すると0.01%以下にすることがより好ましい。但し、炭窒化物を形成することで、ステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素であるため、0.001%以上とすることがより好ましく、0.005%以上とすることがさらに好ましい。
Bは、熱間加工性の向上に有効な元素であり、その効果は0.0002%以上で発現するため、0.0002%以上添加してもよい。より広い温度域における熱間加工性を向上させるためには、0.0010%以上とすることがさらに好ましい。一方、過度な添加は硼化物と炭化物の複合析出により焼入れ性を損ねるため、0.0050%を上限とすることが好ましい。耐食性も考慮すると0.0025%以下とすることがさらに好ましい。
γp:80〜120
本実施形態の熱延鋼板は、マルテンサイト系ステンレス鋼からなる。マルテンサイト相(以下、M相)を得るためには、高温でオーステナイト相(以下、γ相)を生成する必要がある。また、マルテンサイト相の量は添加成分により決まるため、各元素を相互に調整し、相バランスを取る必要がある。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−48Zr−49V+189 ・・・ 式(2)
また、本実施形態の熱延鋼板は、ミクロ組織がフェライト相+炭窒化物であり、そのフェライト相の粒径は、JIS G 0551に示す粒度番号GSNで、7〜10が適している。7未満であると、高温でのオーステナイト相も大きくなり、ホットスタンプ時にしわが出易く延性破断するおそれがあるため好ましくない。これに対し、10を超えると、オーステナイト相が小さくなり過ぎ、延性が低下して好ましくない。
次に、本実施形態のディスクブレーキロータの製造方法について詳述する。
まず、上述したマルテンサイト系ステンレス鋼板を用意する。具体的には、通常用いられる工程、即ち、溶解・鋳造、熱延、熱延板焼鈍の各工程を経て鋼板を製造することができる。ここで、熱延板焼鈍は省略してもよい。また、最終工程として、ショットブラスト、又は酸洗によるスケールを除去を採用することもできる。
次に、所定のマルテンサイト系ステンレス鋼板を、950℃以上1150℃以下の高温に10sec以上30min以下の時間曝す。この工程では、鋼板の組織を、フェライト相+炭窒化物から、オーステナイト相+炭窒化物とする。なお、オーステナイト相+炭窒化物に加えて、一部フェライト相が残っていてもよい。
その後、鋼板をプレス加工により所定形状に加工する。プレス加工は、その開始時の温度を800℃以上とすることが、マルテンサイト変態を十分に生じさせるという点で好ましい。なお、プレス加工に関するその他の諸条件について特に限定されない。このようにして、所定形状の中間体を得る。
さらに、プレス加工で用いた金型をそのまま使用することで、プレス加工により得られた中間体を、当該金型中でそのまま冷却し、ディスクブレーキロータを得る。この過程で、オーステナイト相がマルテンサイト相に変態し、強度が向上する。このマルテンサイト変態後にも、ロータに、一部の残留オーステナイト相が存在することがあるが、ロータとなった時点でのミクロ組織は、基本的にはマルテンサイト相+炭窒化物か、或いは、マルテンサイト相+炭窒化物+フェライト相のいずれかであればよい。但し、残留オーステナイト相が極少量(ロータ表面から板厚の1/2の深さの面で測定した場合に、面積率で5%以下)存在していることは許容される。また、炭窒化物がなくなると、粒界のピン止め効果がなくなり、高温におけるオーステナイト相の粒成長が著しくなり、粗大化するため、好ましくない。
[熱延鋼板の作製]
表1に示す各成分の鋼A1〜A24、及び鋼a1〜a20を50kgインゴットに溶製し、熱延し、厚さ5mmの熱延板を得た。その後、850℃、10hの箱焼鈍を行い、硫酸酸洗して熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b20を得た。なお、熱延鋼板b19、b20については、熱延鋼板B2と成分は同じであるが、焼鈍条件を異ならせ、ひいては結晶粒度を変更した例である。また、表1中、式(2)γpとは、上述した式(2)におけるγpの値である。
(高温引張)
次に、これらの熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b20から、つば付き引張試験片を作製し、高温引張試験機にて、950℃以上1150℃以下の高温に、10sec以上30min以下保持後、降温して、800℃で引張試験(JIS G 0567 に準拠)を実施し、機械的特性(0.2%耐力、全伸び)を調査した。そして、0.2%耐力が100MPa、かつ、全伸びが80%以上の例を合格とした。
次いで、これらの熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b20に関して、ミクロ組織観察を行い、JIS G 0551に示す粒度番号GSNを測定した。そして、GSNが7〜10の例を合格とした。
また、これらの熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b20から、ホットスタンプ用サンプルを採取し、1050℃に加熱して5min保持後、取り出して図2に示すようなハット形状にホットスタンプを実施し、その成否を確認し、ハット形状に成形できた例を合格とした。なお、成形できた例については、硝ふっ酸で酸洗したのち、ブレーキ面に相当するフランジ部を、JIS Z 2245に準拠したロックウェルCスケール(HRC)試験による硬さ測定を行い、30以上40以下を合格とした。当該硬さが25未満では使用時の変形が大きくなり過ぎる一方、40を超えると使用時のブレーキ鳴きが大きくなるためである。
最後に、これらの熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b20に対して、耐食性試験として、JIS Z 2371に準拠した塩水噴霧試験(SST)を24h実施し、発銹なしを合格、発銹ありを不合格とした。
表2に示す熱延鋼板B3及び熱延鋼板B26を用いて、表3に示す種々の条件(鋼板を曝した温度、鋼板を高温に曝した時間、プレス加工温度)でホットスタンプを実施し、ホットスタンプ部品C1〜C16、及びホットスタンプ部品c1〜c16を得た。
Claims (6)
- 質量%で、
C:0.020〜0.060%、
N:0.020〜0.070%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜1.5%、
P:0.040%以下、
S:0.015%以下、
Ni:0.01%〜1.0%
Cr:10.5〜13.5%、
Cu:0.01〜1.0%、
V:0.01%〜0.30%、及び
Al:0.001〜0.010%
を含有し、残部がFe及び不可避的不純物であり、
下記式(1)で表わされる熱間時の相バランス指標であるγpが90〜120であり、
ミクロ組織がフェライト相と炭化物とからなり、前記フェライト相の粒径は、JIS G 0551に示す粒度番号GSNで、7〜10である
ことを特徴とする、マルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−48Zr−49V+189 ・・・ 式(1)
なお、前記式(1)における各元素には、当該元素の含有量(質量%)が導入される。 - 質量%で、
Mo:0.01〜0.50%、
Sn:0.003〜0.10%、
Nb:0.001〜0.30%、
Ti:0.05%以下、及び
B:0.0002〜0.0050%
の少なくとも1種を含む、請求項1に記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。 - 950℃以上1150℃以下の高温に、10sec以上30min以下の時間曝した後、800℃まで降温して測定した0.2%耐力が100MPa以下、全伸びが80%以上である、請求項1又は2に記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。
- 自動車ディスクブレーキロータに用いる、請求項1〜3のいずれか1項に記載のマルテンサイト系ステンレス熱延鋼板。
- 請求項1から4のいずれか1項に記載の熱延鋼板を、950℃以上1150℃以下の高温に10sec以上30min以下の時間曝した後、800℃以上でプレス加工を行い、次いでプレス加工したまま少なくとも200℃まで冷却することを特徴とする、ディスクブレーキロータの製造方法。
- 室温まで冷却する、請求項5に記載のディスクブレーキロータの製造方法。
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