KR20100124347A

KR20100124347A - 저탄소 마르텐사이트계 Ｃｒ 함유 강

Info

Publication number: KR20100124347A
Application number: KR1020107023771A
Authority: KR
Inventors: 가츠히사 야마우치; 야스시 가토; 다쿠미 우지로; 다카코 야마시타
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2008-04-25
Filing date: 2009-04-23
Publication date: 2010-11-26
Also published as: ES2543726T3; EP2287350B1; CN102016096B; TW201000647A; TWI390051B; US20110030851A1; CN102016096A; EP2287350A1; US8333849B2; EP2287350A4; JP5343683B2; JP2009280912A; WO2009131248A1

Abstract

700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 처리를 실시한 후에도 HRC 로 31 이상의 경도를 유지할 수 있는 내뜨임 연화성을 갖는 브레이크 디스크용 소재를 제공한다. 구체적으로는, C : 0.02 ∼ 0.10 %, N : 0.02 ∼ 0.10 % 이며 또한 C＋N : 0.08 ∼ 0.16 %, Si : 0.5 % 이하, Al : 0.1 % 이하, Mn : 0.3 ∼ 3.0 %, Cr : 10.5 ∼ 13.5 %, Nb : 0.05 ∼ 0.60 %, V : 0.15 ∼ 0.80 % 이며 또한 Nb＋V : 0.25 ∼ 0.95 %, Ni : 0.02 ∼ 2.0 %, Cu : 1.5 % 이하를 함유하고, Fp 값 (=－230C＋5Si－5Mn－6Cu＋10Cr－12Ni＋32Nb＋22V＋12Mo＋8W＋10Ta＋40Al－220N) 이 80.0 ∼ 96.0 이며, 담금질 후의 경도가 HRC 로 31 ∼ 40, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 후의 경도가 HRC 로 31 이상인 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강.

Description

저탄소 마르텐사이트계 Ｃｒ 함유 강{LOW-CARBON MARTENSITIC CR-CONTAINING STEEL}

본 발명은, 오토바이 (motorcycles) 나 자전거 (bicycles) 등의 이륜차의 디스크 브레이크 (disc brakes) 의 디스크에 사용되는, 내식성이 우수하고, 적정한 담금질 경도를 가짐과 함께, 브레이크 제동시의 발열에 대한 뜨임 연화 저항도 우수한 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강에 관한 것이다.

오토바이나 자전거 등의 이륜차의 디스크 브레이크의 디스크 (브레이크 패드 (brake pads) 에 의한 슬라이딩부 (slide section)) 는, 제동 (braking) 시에는 브레이크 패드와의 마찰열 (friction heat) 에 의해 500 ℃ 정도까지 반복 승온되는 경우가 있다. 그 때문에, 브레이크 디스크에 사용되는 소재에는, 제동시의 발열에 대해 연화되지 않는 내열성 (내뜨임 연화성 (temper softening resistance)) 가 필요하게 된다.

한편, 브레이크 디스크의 경도가 너무 높으면, 제동시에 브레이크 스퀄 (brake squeal) 을 일으키거나 브레이크 패드의 마모가 커지거나 한다. 따라서, 브레이크 디스크에는 적정한 경도 범위가 존재하여, 통상 HRC (로크 웰 경도의 C 스케일 (Rockwell hardness scale C)) 로 31 ∼ 38 정도가 적정으로 되어 있다. 단, 그의 상한은 브레이크 패드의 종류나 브레이크 패드와 디스크와의 조합에 따라서도 변화하기 때문에, HRC 로 40 을 초과하는 레벨까지 허용되는 경우도 있다.

또, 브레이크 디스크는, 미관상의 문제나 브레이크 성능 저하에 대한 악영향이 우려되기 때문에, 내식성 (내청성) 이 우수할 것도 요구된다. 이 때문에, 브레이크 디스크용 소재로서는, 종래 브레이크 디스크로서 필요로 되는 내식성을 갖는 것뿐만 아니라, 담금질한 상태에서 적정한 경도를 가지며, 또한, 500 ℃ 에서 1 시간 정도 뜨임 처리되어도, 거의 적정한 경도를 유지할 수 있는 12 ∼ 13 mass% 의 Cr 을 함유하는 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 (martensitic stainlesss steel) 이 많이 사용되고 있다.

그러나, 브레이크의 제동 능력 향상 등의 고성능화나 경량화, 혹은 디자인의 다양화를 도모하는 관점에서는, 브레이크 디스크 및 그 소재에 대하여 더욱 우수한 내열성이 요구되고 있다. 이 요구에 응하기 위해서, 각종 고내열강 (high heat resistant steel) 이 제안되어 있다. 예를 들어, 일본 공개특허공보 2001-220654호 및 일본 공개특허공보 2007-070654호에는, C, Cu, Nb, V 및 Mo 등의 뜨임 연화 저항을 높이는 원소를 첨가 또는 증량하여, 담금질 후뿐만 아니라 550 ∼ 650 ℃ 에서 1 시간 정도의 뜨임 후에도, HRC 로 30 이상의 경도를 유지할 수 있는 내뜨임 연화성이 우수한 강이 제안되어 있다.

또, 일본 공개특허공보 2005-307346호에는, Nb, Ni 및 V 를 적정량 첨가하고, 또한 고 N 화하여 상대적으로 저 C 로 함으로써, 내식성이 우수하고, HRC 32 ∼ 38 이라는 적정 담금질 경도를 확보할 수 있으며, 또한, 600 ℃ 에서 2 hr 유지의 뜨임 후에도, 여전히 HRC 32 이상의 고경도를 유지할 수 있는 강이 제안되어 있다.

통상, 오토바이나 자전거 등의 제동시에, 브레이크 디스크가 650 ∼ 700 ℃ 의 온도역까지 가열되는 경우는 거의 없다. 그러나, 브레이크 디스크용 소재가 그러한 온도역에서도 내열성을 가짐으로써, 브레이크의 고성능화나, 박육화에 의한 경량화, 혹은 디자인의 자유도의 확대 등의 장점이 생긴다. 특히, 대·중형의 오토바이, 그 중에서도 스포츠 타입의 오토바이에서는 그 장점이 커서 소재의 고내열화에 대한 기대는 크다.

그래서, 본 발명의 목적은, 종래부터 사용되거나 혹은 제안되어 있는 소재보다 높은 내열성 (내뜨임 연화성) 을 갖는 브레이크 디스크용 소재를 제공하는 것에 있다. 구체적인 본 발명의 목표는, 담금질 후의 경도가 HRC 로 31 ∼ 40 이며, 또한, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 처리를 실시한 후에도 HRC 로 31 ∼ 38 의 적정한 경도를 유지할 수 있는 내뜨임 연화성을 갖는 브레이크 디스크용 소재를 제공하는 것에 있다.

즉, 본 발명은, C : 0.02 ∼ 0.10 mass%, N : 0.02 ∼ 0.10 mass% 이며 또한 C＋N : 0.08 ∼ 0.16 mass%, Si : 0.5 mass% 이하, Al : 0.1 mass% 이하, Mn : 0.3 ∼ 3.0 mass%, Cr : 10.5 ∼ 13.5 mass%, Nb : 0.05 ∼ 0.60 mass%, V : 0.15 ∼ 0.80 mass% 이며 또한 Nb＋V : 0.25 ∼ 0.95 mass%, Ni : 0.02 ∼ 2.0 mass%, Cu : 1.5 mass% 이하, 잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1) 식 ;

Fp 값=－230C＋5Si－5Mn－6Cu＋10Cr－12Ni＋32Nb＋22V＋12Mo＋8W＋10Ta＋40Al－220N … (1)

단, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타냄.

로 나타내지는 Fp 값이 80.0 ∼ 96.0 이며, 담금질 후의 경도가 HRC 로 31 ∼ 40, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 후의 경도가 HRC 로 31 이상인 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강이다.

본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 상기 성분 조성에 추가하여 또한, Mo, W 및 Ta 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.1 ∼ 2.0 mass% 함유하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 상기 성분 조성에 추가하여 또한, Ca : 0.0002 ∼ 0.0030 mass%, Mg : 0.0002 ∼ 0.0030 mass% 및 B : 0.0002 ∼ 0.0060 mass% 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 담금질 처리 후에, δ 페라이트상이 체적% 로 5 % 이하를 포함하는 조직인 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강이다.

또, 본 발명은, 상기 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브레이크 디스크이다.

본 발명에 의하면, 700 ℃ 의 온도에서 뜨임되어도, HRC 로 31 이상의 경도를 유지할 수 있는 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 강을 오토바이나 자전거 등의 브레이크 디스크에 사용한 경우에는, 브레이크의 고성능화나 박육화에 의한 경량화가 도모될 뿐만 아니라, 디자인의 자유도를 확대하는 것도 가능해진다.

도 1 은 본원의 실시예에 있어서, 발명예 및 조성이 본원 발명의 범위 내인 비교예의 Fp 값과 700 ℃ 뜨임 처리 후의 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본원의 실시예에 있어서, 발명예 및 조성이 본원 발명의 범위 내인 비교예의 Fp 값과 담금질 후의 δ 페라이트 (delta ferrite phase) 량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본원의 실시예에 있어서, 발명예 및 조성이 본원 발명의 범위 내인 비교예의 δ 페라이트량과 700 ℃ 뜨임 처리 후의 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4 는 본원의 실시예에 있어서, 발명예 및 조성이 Cu (2.24 mass%) 에서 벗어난 비교예의 Cu 의 첨가량과 500 ℃ 뜨임 처리 후의 경도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5 는 본원의 실시예에 있어서, 발명예 및 조성이 Cu (2.24 mass%) 에서 벗어난 비교예의 Cu 의 첨가량과 뜨임시의 경도 증가 (500 ℃ 뜨임 처리 후의 경도와 담금질 처리 후의 경도의 차) 의 관계를 나타내는 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해, Cr 함유 강의 내열성에 미치는 각종 성분의 영향에 대해 상세하게 조사하였다. 그 결과, 담금질 가열시에 생성되고, 담금질 (quenching) 후에도 잔존하는 종래에는 적정하게 제어되지 않던 δ 페라이트상 (de1ta ferrite phase) 의 양을 저감시키도록 각 원소의 첨가량을 조정한 다음, C, N, Nb 나 V 를 적정량 동시 첨가함으로써, 이들 원소의 고용 효과 (solid so1ution effect) 와 석출물의 효과 (precipitation effect) 에 의해, 700 ℃ 의 온도에서의 뜨임 (tempering) 에 대해서도 충분한 내열성을 갖는 것을 알아냈다. 또한, Mo, W 및 Ta 를 적정량 첨가함으로써 보다 안정적으로 내열성을 확보할 수 있는 점 및, Ca, Mg 및 B 를 적정량 첨가함으로써 내식성이나 제조성 (열간 가공성 (hot workability)) 의 개선을 도모할 수 있음을 알아냈다. 본 발명은, 상기 지견에 추가적인 검토를 가하여 개발한 것이다. 또한, 본원 발명에서 말하는 δ 페라이트란, 담금질시에 생성되는 페라이트상을 가리킨다.

이후, 특별히 언급하지 않는 한, 본원 명세서에서 페라이트는 δ 페라이트를 의미한다.

본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 브레이크 디스크용으로서 충분한 내식성 (내청성) 을 가짐과 함께, 담금질한 상태에서의 경도가 HRC : 31 ∼ 40, 바람직하게는 HRC : 33 ∼ 38 이며, 또한, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 후에도 HRC : 31 이상의 경도를 유지할 수 있는 내열성 (내뜨임 연화성) 을 갖는 것에 특징을 갖는다. 또한, 상기 담금질한 상태에는, 담금질 후, 목적에 따라 가벼운 정도의 변형제거 소둔 (stress release annealing) 이나 뜨임 처리를 실시한 상태도 포함하는 것으로 한다.

이하, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강의 성분 조성에 대해 설명한다.

C : 0.02 ∼ 0.10 mass%, N : 0.02 ∼ 0.10 mass% 이며 또한 C＋N : 0.08 ∼ 0.16 mass%

C 및 N 은, 강 중에 고용되거나, 또는 Nb 나 V 등과 탄화물, 질화물 또는, 탄질화물 (carbide, nitride or carbonitride) 을 형성하여 석출되고, 담금질 후나 뜨임 후의 경도를 높이는 효과를 갖는, 본 발명에 있어서는 중요한 원소이다. 담금질 후 및 뜨임 후에도 소정의 경도를 확보하기 위해서는, C 및 N 은 각각 0.02 mass% 이상 함유하는 것이 필요하고, 또한 C 와 N 의 합계로 0.08 mass% 이상 함유하는 것이 필요하다. 그러나, C 는, 0.10 mass% 를 초과하여 과잉으로 첨가하면, 조대한 석출물이 증가하여 오히려 뜨임 연화를 억제하는 효과를 저하시키고, 또 내식성이나 인성 (靭性) 도 저하시킨다. 또, N 도, 0.10 mass% 를 초과하여 과잉으로 첨가하면, 열간 연성 (hot ductility) 이 현저하게 저하되고, 주조나 열간 압연에 의해 딱지나 균열의 발생 원인이 되어 제조를 곤란하게 한다. 따라서, C 및 N 의 상한은 각각 0.10 mass% 로 한다.

또한, C 와 N 의 합계가 0.16 mass% 를 초과하면, 제조성, 펀칭 가공성 (punching workability), 내열성의 모든 특성이 저하된다. 따라서, C, N 은 각각 0.02 ∼ 0.10 mass% 이며, 또한, 그 합계량은 0.08 ∼ 0.16 mass% 의 범위로 한다. 또한, 내열성을 안정적으로 확보하는 관점에서는, C 는 0.03 mass% 이상, N 은 0.04 mass% 이상인 것이 바람직하고, 그 합계량도 0.10 mass% 이상인 것이 바람직하다. 또, 700 ℃ 에서 뜨임 처리 후의 경도는, HRC 가 31 이상인 적정 범위 내에서 높을수록 바람직하지만, N 을 0.04 mass% 이상 첨가함으로써, HRC 32 이상을 안정적으로 확보할 수 있다.

Si : 0.5 mass% 이하

Si 는, 탈산제 (deoxidizing agent) 로서 첨가되는 원소이며, 그 효과를 얻기 위해서는 Mn 과 함께 0.05 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.5 mass% 를 초과하여 과도하게 첨가하면, 담금질시에 페라이트상이 생성되기 쉬워져 경도가 저하되는 원인이 된다. 따라서, Si 는 0.5 mass% 이하로 한다.

A1 : 0.1 mass% 이하

A1 은, 탈산제로서 첨가되는 원소인데, 0.04 mass% 를 초과하여 첨가해도 탈산 효과가 포화된다. 또, A1 의 과잉된 첨가는, A1 계 개재물에 의한 표면 결함의 증가나 펀칭 가공성의 저하를 초래한다. 특히, A1 의 함유량이 0.1 mass% 를 초과하면, 그 악영향이 현저해지므로 상한은 0.1 mass% 로 한다. 바람직하게는, 0.04 mass% 이하이다. 또한 A1 은 Si 와 마찬가지로, 담금질시에 페라이트상을 생성시키기 쉽게 하기 때문에, 경도 저하의 원인이 되기도 한다. 따라서, Si 를 0.1 mass% 이상 첨가하는 경우에는, A1 은 0.02 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Mn : 0.3 ∼ 3.0 mass%

Mn 은, 탈산 효과가 있는 것 외에, 담금질시의 페라이트상의 생성을 억제하고, 담금질 후에 안정적으로 적정한 경도를 확보하기 위해서 유용한 원소로, 이 효과를 얻기 위해서는 0.3 mass% 이상 첨가할 필요가 있다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, 펀칭 가공성이나 내식성이 현저하게 저하되기 때문에, 3.0 mass% 이하로 한다. 또한, 담금질성을 안정적으로 확보하는 관점에서는 0.5 mass% 이상, 펀칭 가공성이나 내식성을 향상시키는 관점에서는 2.5 mass% 이하인 것이 바람직하다.

Cr : 10.5 ∼ 13.5 mass%

Cr 은, 본 발명의 강에서는, 내식성을 향상시키기 위한 필수 원소이며, 디스크용 소재에 요구되는 내식성을 얻기 위해서는, 10.5 mass% 이상의 첨가가 필요하다. 한편, 13.5 mass% 를 초과하여 첨가하면, 펀칭 가공성이나 인성이 저하됨과 함께, 담금질 후에 충분한 마르텐사이트상 (martensitic phase) 이 생성되지 않아 적정한 담금질 경도의 확보가 곤란해진다. 따라서, Cr 은 10.5 ∼ 13.5 mass% 의 범위로 한다. 또한, 내청성을 중시하는 경우에는 11.0 mass% 이상, 펀칭 가공성이나 내열성을 중시하는 경우에는 13.0 mass% 이하인 것이 바람직하다.

Nb : 0.05 ∼ 0.60 mass%, V : 0.15 ∼ 0.80 mass% 이며 또한 Nb＋V : 0.25 ∼ 0.95 mass%

Nb 및 V 는, 강 중에 고용되거나, C 및 N 과 탄질화물을 형성하거나 함으로써, 뜨임에 의한 연질화를 억제하는 효과가 높아, 본 발명이 목적으로 하는 내열성, 즉, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 후에도 HRC : 31 이상의 경도를 확보하기 위해서 필요한 원소이다. 또, 그 효과를 얻기 위해서는, Nb 와 V 를 동시에 첨가하는 것이 중요하며, Nb 를 0.05 mass% 이상, V 를 0.15 mass% 이상, 또한 그 합계량을 0.25 mass% 이상으로 할 필요가 있다. 그러나, Nb 및 V 를 과잉으로 첨가하면, 담금질시에 페라이트상이 생성되어, 오히려 담금질 후 혹은 뜨임 후의 경도가 저하되는 원인이 되므로, Nb 및 V 는 각각, 0.60 mass% 이하, 0.80 mass% 이하, 또한 그 합계량을 0.95 mass% 이하로 한다. 따라서, Nb 는, 0.05 ∼ 0.60 mass%, V 는, 0.15 ∼ 0.80 mass%, 또한 Nb 및 V 의 합계량을 0.25 ∼ 0.95 mass% 의 범위로 한다. 또한, 내열성을 안정적으로 확보하는 관점에서는, Nb 를 0.10 mass% 이상으로 하고, Nb 와 V 의 합계량은 0.35 mass% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또, Nb 또는 V 를 과잉으로 첨가하면 열간 가공성의 저하에 의해 결함이 발생하기 쉬워지기 때문에, 제조성의 관점에서 Nb 및 V 의 합계량은 0.80 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다.

Ni : 0.02 ∼ 2.0 mass%

Ni 는, 담금질시의 페라이트상의 생성을 억제하여, 담금질성을 높이거나 내식성을 향상시키거나 하는 원소이다. 그것들의 효과를 얻기 위해서는, 0.02 mass% 이상 첨가할 필요가 있다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 담금질 전의 경도가 증가하여 펀칭 가공성이 저하되고, 또 담금질 후의 경도가 소정의 범위를 초과하는 경우도 있기 때문에, 상한은 2.0 mass% 로 한다. 특히, 펀칭 가공성을 확보하기 위해서, 담금질 전의 경도를 HRB 로 95 이하로 하려면, Ni 는 1.5 mass% 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 0.1 ∼ 1.4 mass% 의 범위이다.

Cu : 1.5 mass% 이하

Cu 는, 내식성을 향상시키는 원소이며, 또 뜨임시에 500 ∼ 600 ℃ 의 온도에서 석출시켜 뜨임 연화를 억제하는 효과를 갖는 원소이기도 하다.

도 4 및 도 5 는, 후술하는 본원의 실시예 (표 1, 표 2, 표 3 및, 표 4) 로부터, 발명예 및 조성이 Cu (2.24 mass%) 에서 벗어난 비교예를 플롯한 것으로, 각각 Cu 의 첨가량과 500 ℃ 뜨임 처리 후의 경도의 관계를 나타내는 도면과 Cu 의 첨가량과 뜨임시의 경도 증가 (500 ℃ 뜨임 처리 후의 경도와 담금질 처리 후의 경도의 차) 의 관계를 나타내는 도면이다. 이들 도면으로부터, Cu 첨가에 의해 500 ℃ 뜨임 후의 표면 경도가 상승하고 있어 연화가 억제되고 있음을 알 수 있다. 따라서, 상기의 효과를 얻으려면, Cu 는 적극적으로 첨가하는 것이 바람직하다.

그러나, Nb 나 V 와 함께 Cu 를 과잉으로 첨가하면, 뜨임시의 석출에 의해 경도가 적정 범위를 크게 초과하여 브레이크 스퀄이나 패드 마모의 원인이 된다. 또한, 다소의 경도의 초과는, 브레이크 구조나 패드의 종류 선택 등에 따라 허용할 수도 있지만, HRC : 42 를 초과하는 레벨이 되면 허용할 수 있는 범위를 초과하게 된다. 따라서, Cu 의 첨가는, 도 4 에 나타내는 바와 같이 1.5 mass% 이하로 한다 (0 mass% 포함함). 또한, 뜨임시의 경도가 HRC : 41 을 초과하지 않기 위해서는, 0.5 mass% 이하인 것이 바람직하다.

또한, 후술하는 Fp 값이 95.0 을 초과하고, 열간 압연시에 δ 페라이트상이 4 ∼ 5 vol% 정도 생성되는 경우에는, 열간 가공성의 저하에 의해 딱지나 균열 등의 결함이 발생하기 쉽다. 특히 Cu 를 첨가한 경우에는, 주조시에 Cu 편석부가 형성되고, 열간 압연시에 오스테나이트상과 페라이트상의 계면에 있는 융점이 낮은 Cu 편석부에서 균열이 발생되기 쉬워진다. 이것을 방지하려면, Ni 의 첨가가 유효하지만, Ni 는 고가의 원소이다. 따라서, 원료 비용을 저감시키는 데에 있어서는, Cu 는 0.3 mass% 이하가 바람직하고, 경우에 따라서는, 첨가하지 않고 불가피적 불순물 레벨로 해도 된다.

Fp 값 : 80.0 ∼ 96.0

본 발명이 목적으로 하는 내열성 (내뜨임 연화성) 을 얻기 위해서는, 상기 성분이 소정의 범위 내에 있는 것 외에, 추가로, 하기 (1) 식 ;

로 나타내지는 Fp 값이 80.0 ∼ 96.0 을 만족하도록 함유하는 것이 필요하다. 이 Fp 값은, 담금질시의 δ 페라이트상 생성의 용이함을 나타내는 것으로, 값이 클수록 δ 페라이트 형성능이 높은 것을 나타낸다. 도 1 및 도 2 는, Fp 값과 700 ℃ 뜨임 처리 후의 경도 및 Fp 값과 담금질 처리 후의 δ 페라이트량을 나타낸 것이다. 또, 도 3 은, δ 페라이트량과 700 ℃ 뜨임 처리 후의 경도의 관계를 나타낸 것이다. 또한, 도 1, 도 2 및 도 3 은, 후술하는 본원의 실시예 (표 1, 표 2, 표 3, 표 4) 로부터, 발명예 및 조성이 본원 발명의 범위 내인 비교예를 플롯한 것이다.

도 1 및 도 2 로부터, Fp 값이 96.0 을 초과하면 급격하게 δ 페라이트량이 증가하여, 700 뜨임 처리 후의 경도가 저하되고 있음을 알 수 있다. 요컨대, 담금질시에 생성되는 δ 페라이트상의 양이 많으면, 뜨임 연화가 진행되기 쉬워진다. 또한, 500 ℃ ∼ 670 ℃ 의 뜨임 처리에서는, δ 페라이트량이 5 % 를 초과해도 급격한 연화는 관찰되지 않았다. 이 때문에, 종래 요구되는 내열성이 670 ℃ 이하인 경우에는, δ 페라이트량을 엄밀하게 제어할 필요가 없어 그다지 고려되지 않았던 것으로 생각된다. δ 페라이트상의 양이 수 vol% 이상 존재해도 500 ∼ 670 ℃ 의 내열성을 만족시키는 것은 가능하지만, 700 ℃ 의 내열성을 만족시키기 위해서는, 이와 같이 δ 페라이트상의 양도 엄밀하게 제어할 필요가 있는 것으로 판명되었다. 이와 같은 δ 페라이트와 700 ℃ 에서의 뜨임 연화성과의 관계는 신규 지견이다.

본원 발명자들은, 특히 700 ℃ 라는 고온의 뜨임에 대해 적정한 경도를 유지하기 위해서는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 적어도 δ 페라이트상이 체적% 로 5 % 이하인 것이 필요하고, 바람직하게는 3 % 이하, 더욱 바람직하게는 1 % 이하인 것이 바람직함을 지견하고, 종래에 없는 내열성을 달성한 것이다. 그러기 위해서는, Fp 값은 96.0 이하일 필요가 있다. 바람직하게는, 95.0 이하이다. 한편, Fp 값이 80.0 보다 낮아지면, 담금질 전의 경도 증가에 의한 펀칭 가공성의 저하나 담금질 후의 경도 초과, 혹은 잔류 오스테나이트상 (retained austenite phase) 의 형성에 의해, 700 ℃ 뜨임 후에 적정한 경도가 얻어지지 않게 되므로 80.0 이상으로 한다. 따라서, Fp 값은 80.0 ∼ 96.0 의 범위로 한다. 바람직하게는 85.0 ∼ 95.0 의 범위이다.

본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 상기 성분에 추가하여 또한, 내열성을 향상시키기 위해, Mo, W 및 Ta 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.1 ∼ 2.0 mass% 의 범위로 함유할 수 있다.

Mo, W 및 Ta 는, 강 중에 고용되거나 혹은 석출물을 형성함으로써, 뜨임에 의한 연질화를 억제하는 효과가 있다. 특히, 뜨임 온도가 650 ℃ 를 초과하는 온도 영역에 있어서의 연질화의 억제에 효과가 있으므로, 700 ℃ 에서의 뜨임 후의 경도 저하도 작아진다. 이 효과를 얻기 위해서는, Mo, W 및 Ta 중에서 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.1 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, 열간 변형 저항의 증가에 의한 제조성의 저하나, 담금질 전의 경도 상승에 의한 펀칭 가공성의 저하, 혹은 조직 중에 편재되어 담금질시의 페라이트상 생성에 의한 700 ℃ 뜨임 후의 경도 저하 등의 원인이 되기 때문에, 합계로 2.0 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, Mo, W 및 Ta 는, 내열성의 요구 레벨에 따라, 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.1 ∼ 2.0 mass% 의 범위에서 첨가하는 것이 바람직하다. 또한, 내열성 향상의 관점에서는, 0.2 mass% 이상인 것이 보다 바람직하고, 또, 제조성이나 가공성 혹은 비용 저감의 관점에서는, 1.5 mass% 이하인 것이 보다 바람직하다.

또, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 상기 성분에 추가하여 또한, 제조성이나 내식성을 향상시키기 위해서, Ca : 0.0002 ∼ 0.0030 mass%, Mg : 0.0002 ∼ 0.0030 mass% 및 B : 0.0002 ∼ 0.0060 mass% 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 첨가할 수 있다.

Ca, Mg 및 B 는, 열간 가공성에 유해한 S 나 P 의 악영향을 억제하여, 열간 압연 등의 제조성 향상에 효과가 있다. 그 효과를 얻기 위해서는, Ca 는 0.0002 mass% 이상, Mg 는 0.0002 mass% 이상, B 는 0.0002 mass% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 과잉으로 첨가하면, Ca, Mg 는 내식성을 저하시키고, B 는 주조성이나 열간 가공성을 저하시키기 때문에, Ca, Mg 는, 각각 0.0030 mass% 이하, B 는 0.0060 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, Ca, Mg 및 B 는, 필요에 따라, Ca : 0.0002 ∼ 0.0030 mass%, Mg : 0.0002 ∼ 0.0030 mass%, B : 0.0002 ∼ 0.0060 mass% 의 범위에서 1 종 또는 2 종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, Ca : 0.0005 ∼ 0.0030 mass%, Mg : 0.0005 ∼ 0.0030 mass%, B : 0.0005 ∼ 0.0060 mass% 의 범위이다.

또한, 불가피적 불순물로서, S 를 0.005 mass% 를 초과하여 함유하는 경우에는, 내식성을 확보하는 관점에서, Ca 는 0.0010 mass% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 상기 성분 이외의 잔부는, Fe 및 불가피적 불순물로 이루어진다. 단, 불가피적 불순물 중 P 나 S 는, 열간 가공성이나 인성, 내식성을 저하시키는 유해 원소이기 때문에, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하고, P : 0.05 mass% 이하, S : 0.008 mass% 이하로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, P : 0.03 mass% 이하, S : 0.005 mass% 이하이다.

또, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강은, 본 발명의 작용 효과를 저해하지 않는 범위 내이면, 상기 이외의 성분의 함유를 제한하는 것은 아니며, 예를 들어, 내열성, 내식성 및 제조성을 향상시키는 관점에서, Ti 를 0.1 mass% 이하, Co 를 0.4 mass% 이하 혹은 REM, Hf, Y, Zr, Sb 를 합계로 0.05 mass% 이하 함유해도 된다.

이어서, 본 발명의 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강의 제조 방법에 대해 설명한다.

본 발명의 Cr 함유 강의 제조 방법은, 브레이크 디스크용 소재의 제조 방법으로서 공지된 방법을 적용할 수 있으며, 예를 들어, 이하와 같은 제조 방법인 것이 바람직하다.

상기 성분 조성을 만족시키는 강을, 전로 (steel converter), 전기로 (electric furnace) 등에서 용제하고, 다시 그 용강을 VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) 나 AOD (Argon Oxygen Decarburization) 등에서 2 차 정련 (secondary refining) 한 후, 연속 주조법 (continuous casting) 혹은 조괴-분괴 압연법으로 두께 100 ∼ 250 ㎜ 의 슬래브 (slab) 로 한다. 또한, 생산성이나 강판 재질의 균일성의 관점에서는, 연속 주조법이 바람직하다.

이어서, 상기와 같이 하여 얻은 슬래브를, 1000 ∼ 1300 ℃ 로 가열 후, 열간 압연하여 판두께가 3 ∼ 10 ㎜ 인 열연 강판으로 하고, 필요에 따라 열연판 소둔하여, 쇼트블라스팅 (shotblasting) 이나 산세 (pickling), 연삭 (grinding) 등을 실시하여 스케일 제거 (descale) 하고, 추가로 필요에 따라 스킨 패스 압연 (skin pass rolling) 등의 형상 교정을 실시하여, 브레이크 디스크용 소재로 한다. 이 때, 브레이크 디스크에 대한 펀칭 (punching) 을 용이하게 하기 위해, 열연판 소둔은 650 ∼ 900 ℃ 의 온도에서 실시하고, 경도를 HRB (로크 웰 경도 B 스케일) 로 100 이하로 하는 것이 바람직하다. HRB : 95 이하이면 더욱 바람직하다.

또한, 두께가 3 ㎜ 이하인 브레이크 디스크의 경우에는, 그 소재는, 3 ㎜ 이하로 열간 압연한 열연 강판을 사용하거나, 혹은 3 ㎜ 이상의 열연 강판에, 추가로 냉간 압연을 실시하고, 또한 필요에 따라, 소둔, 스케일 제거, 형상 교정 등을 실시한 냉연 강판을 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로, 브레이크 디스크를 제조하는 방법에 대해 설명한다.

우선, 브레이크 디스크의 제조 방법은, 종래 공지된 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 상기와 같이 하여 얻은 열연 강판 혹은 냉연 강판의 코일 혹은 잘라냄판으로부터, 펀칭 가공 등에 의해 원반 형상으로 펀칭하고, 다시 냉각이나 마모분 등의 배출 기능을 갖는 홈이나 작은 구멍 등을 펀칭 가공하여 원하는 형상으로 한다. 이어서, 고주파 유도 가열 장치 (high-frequency induction heating device) 나, 배치식 (batch type) 혹은 연속식 (continuous type) 의 열처리로를 이용하여, 950 ∼ 1250 ℃ 의 온도로 가열 후, 공랭 이상의 냉각 속도로 냉각시키는 담금질 처리를 실시하고, 그 후, 산세 처리나 표면 연마 (surface polishing) 에 의한 스케일 제거, 부동태화 처리 (passivation treatment) 등의 산처리 (acidic treatment) 나 도장 (coating) 에 의한 방청 처리 (rust-proofing) 등을 실시하여 브레이크 디스크로 하는 것이 바람직하다. 또한, 담금질 처리의 방법으로서는, 형상 교정 (shape correction) 을 겸한 금형 냉각 (die quenching) 을 이용해도 된다. 또, 필요에 따라, 변형제거 소둔을 실시해도 된다. 또한, 본 발명의 강은, 담금질 처리만으로 브레이크 디스크에 사용할 수 있는 것 (뜨임 처리 불요) 이 큰 특징의 하나이지만, 뜨임 처리를 실시하고 나서 사용해도 된다.

실시예

표 1, 표 2, 표 3 및 표 4 에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 고주파 진공 용해로 (high-frequency melting furnace) 에서 용제하여 100 kg 의 강괴로 하고, 이어서, 이들 강괴를 통상적인 조건으로 열간 압연하여 판두께가 4 ㎜ 인 열연판으로 하였다. 그 후, 이 열연판에 불활성 가스 (inert gas) 분위기 중에서 650 ∼ 850 ℃ × 8 시간 이상의 소둔 후, 서랭시키는 열처리를 실시하여 열연 소둔재로 하였다. 또한, 상기 열간 압연시에는, 압연시의 균열 발생의 유무나 압연 하중의 조사를 실시하고, 또 압연한 열연판에 대해서는 강판 표면을 육안 관찰하여, 딱지 (scab) 나 균열 등의 결함 발생의 유무를 조사하고, 균열 등의 발생이 큰 것을 제조성 × (bad), 균열 등의 발생이 경미하여 실용상 문제가 없는 것을 제조성 △ (pass), 전혀 문제가 관찰되지 않은 것을 제조성 ○ (good) 으로 평가하였다.

상기와 같이 하여 얻은 열연 소둔판을 이용하여, 하기의 시험을 실시하였다.

(1) 담금질성 시험 (hardenability test)

상기 열연 소둔판으로부터, 판두께 × 30 ㎜ × 30 ㎜ 크기의 시험편을 채취하여, 표 5 및 표 6 에 나타낸 각종 조건으로 가열 후, 공랭시키는 담금질 처리를 실시하였다. 이어서, 담금질 후의 시험편 표면의 스케일을 연삭, 연마하여 제거 후, JIS Z2245 의 규정에 준거하여 로크 웰 경도계로 표면 경도 HRC 를 5 점 측정하고, 그 평균값을 그 재료의 담금질 경도로 하였다. 그리고, 담금질 후의 경도가, HRC 로 31 ∼ 40 인 것을 합격으로 판정하였다.

(2) 내열성 (내뜨임 연화성) 시험

상기 담금질 후의 시험편에, 다시 500 ℃ × 1 시간, 650 ℃ × 1 시간 및 700 ℃ × 1 시간의 3 수준으로 가열 후, 공냉시키는 뜨임 처리를 실시한 후, 시험편 표면의 스케일을 연삭에 의해 제거하고 나서, JIS Z2245 의 규정에 준거하여 로크 웰 경도계로 표면 경도 HRC 를 5 점 측정하고, 그 평균값을 구하여 내열성을 평가하였다. 그리고, 700 ℃ × 1 시간의 뜨임 처리 후의 경도가 HRC 로 31 이상인 것을 합격으로 판정하였다.

(3) 내식성 시험

상기 열연 소둔재로부터, 판두께 × 70 ㎜ × 150 ㎜ 크기의 시험편을 채취하여, 시험편 표면을 #320 의 에머리 연마지로 습식 연마한 후, JIS Z2371 의 규정에 준거한 염수 분무 시험 (SST) 을 실시하였다. SST 시험은 48 시간 실시하고, 시험 후의 시험편 표면을 육안 관찰하여, 발청점의 수를 측정하고, 발청점이 없는 것을 ○ (good), 1 ∼ 4 개를 △ (pass), 5 개 이상을 × (bad) 로 하고, ○, △ 를 합격으로 하였다.

(4) δ 페라이트량의 측정

δ 페라이트량의 측정은, 담금질 후의 시험편 단면을 연마하고, 무라카미 시약 (Murakami test reagent) 으로 부식시킨 후, 광학 현미경 (optical microscope) 에 의해 조직을 관찰하였다. 각 시험편에 대해 400 배로 5 시야의 광학 현미경 사진을 촬영하고, 화상 해석 (image analysis) 에 의해 δ 페라이트상의 양을 측정하여, 그 평균값을 구하였다.

상기 시험의 결과를 표 5 및 표 6 에 함께 나타냈다. 표 5 및 표 6 으로부터, 본 발명에 적합한 성분 조성을 갖는 강 No. 1 ∼ 12, 강 No. 23 ∼ 26 및 강 No. 30 ∼ 34 는 모두 담금질 후의 경도가 HRC : 31 ∼ 40 이며, 700 ℃ 에서의 뜨임 후의 경도가 HRC : 31 이상으로, 우수한 뜨임 연화 저항성을 가지고 있으며, 또 내식성이나 제조성도 우수함을 알 수 있다.

이에 대하여, 본 발명의 성분 조성을 만족시키지 않는 강 No. 13 ∼ 22, 강 No. 27 ∼ 29 및 강 No. 35 ∼ 40 의 강판은, 담금질 후의 경도가 HRC : 31 ∼ 40 이 아니거나, 또 예를 들어, 담금질 후의 경도가 HRC : 31 ∼ 40 을 만족시키고 있더라도 700 ℃ 에서의 뜨임 후의 경도가 HRC : 31 미만이거나, 혹은 제조성이나 내식성 중 어느 것이 본 발명의 목표를 만족시키지 못함을 알 수 있다.

또한, 강 No. 16 에 관해서, 제조성이 △ 로 되어 있는데, 이것은 Nb, V 가 과잉으로 열간 가공성의 저하에 의해 결함이 발생하였기 때문이다. 또, 강 No. 25 에 관해서, 내청성이 △ 로 되어 있는데, 이것은 S 가 0.005 mass% 이상이며 또한, Ca 가 0.0010 mass% 를 초과하여 내식성이 뒤떨어졌기 때문이다.

또, 강 No. 35 ∼ 38 은, 앞서 본원 출원인이 개발한 600 ℃, 2 시간의 뜨임 후의 경도가, HRC 32 이상인 발명예 (일본 공개특허공보 2005-307346호의 표 1 의 강 No. F, G, L 및 X) 인데, 강 No. 35 는, Fp 값은 본원 발명의 범위에 있지만, V 가 본원 발명의 범위를 벗어나 있기 때문에, 700 ℃ 뜨임 후의 HRC 31 이상을 얻을 수 없었다. 또, 36 ∼ 38 은, Fp 값이 본원 발명의 범위의 상한값을 벗어났기 때문에, 담금질 후의 δ 페라이트량이 9 체적% 이상이 되어, 700 ℃ 뜨임 후의 HRC 31 이상을 얻을 수 없었던 것이다.

Claims

C : 0.02 ∼ 0.10 mass%, N : 0.02 ∼ 0.10 mass% 이며 또한 C＋N : 0.08 ∼ 0.16 mass%,
Si : 0.5 mass% 이하,
Al : 0.1 mass% 이하,
Mn : 0.3 ∼ 3.0 mass%,
Cr : 10.5 ∼ 13.5 mass%,
Nb : 0.05 ∼ 0.60 mass%, V : 0.15 ∼ 0.80 mass% 이며 또한
Nb＋V : 0.25 ∼ 0.95 mass%,
Ni : 0.02 ∼ 2.0 mass%,
Cu : 1.5 mass% 이하,
잔부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지고, 하기 (1) 식으로 나타내지는 Fp 값이 80.0 ∼ 96.0 이며, 담금질 후의 경도가 HRC 로 31 ∼ 40, 700 ℃ 에서 1 시간의 뜨임 후의 경도가 HRC 로 31 이상인 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강.
기
Fp 값=－230C＋5Si－5Mn－6Cu＋10Cr－12Ni＋32Nb＋22V＋12Mo＋8W＋10Ta＋40Al－220N … (1)
단, 상기 식 중의 각 원소 기호는, 그 원소의 함유량 (mass%) 을 나타냄.
제 1 항에 있어서,
상기 성분 조성에 추가하여 또한, Mo, W 및 Ta 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 합계로 0.1 ∼ 2.0 mass% 함유하는 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 성분 조성에 추가하여 또한, Ca : 0.0002 ∼ 0.0030 mass%, Mg : 0.0002 ∼ 0.0030 mass% 및 B : 0.0002 ∼ 0.0060 mass% 중에서 선택되는 1 종 또는 2 종 이상을 함유하는 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강.
제 1 항 내지 제 3 항의 임의의 항에 있어서, 담금질 처리 후에, δ 페라이트상이 체적% 로 5 % 이하를 포함하는 조직인 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 저탄소 마르텐사이트계 Cr 함유 강으로 이루어지는 브레이크 디스크.