KR20150013885A

KR20150013885A - 스테인리스강제 브레이크 디스크와 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20150013885A
Application number: KR1020147036084A
Authority: KR
Inventors: 신이치 데라오카; 요시하루 이노우에; 유우지 고야마; 마사아키 고바야시; 도시오 다노우에
Original assignee: 닛폰 스틸 앤드 스미킨 스테인레스 스틸 코포레이션
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2014-02-07
Publication date: 2015-02-05
Also published as: JPWO2014123229A1; IN2014DN09051A; CN104321456B; US9523402B2; CN104321456A; JP5714185B2; US20150101898A1; KR101656980B1; WO2014123229A1

Abstract

본 발명은, 인성, 내식성, 내 마모성이 우수한 브레이크 디스크이며, 질량％로, C:0.030∼0.080％, Si:0.05％∼1.0％, Mn:1.0∼1.5％, P:0.035％ 이하, S:0.015％ 이하, Cr:11.0∼14.0％, Ni:0.01∼0.50％, V:0.001∼0.15％, Nb:0.1％ 미만, Ti:0.05％ 이하, Zr:0.05％ 이하, Al:0.05％ 이하, N:0.015∼0.060％, B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하, O:0.0080％ 이하를 함유하고, 식 1의 AT값을 0.055∼0.090으로 하고, 식 2를 만족시키고, EBSD의 IQ값이 4000 이상인 페라이트상 분율을 1％∼15％, 샤르피 충격값을 50J/㎠ 이상으로 하고, 경도를 32∼38HRC로 한다.

Description

스테인리스강제 브레이크 디스크와 그 제조 방법 {STAINLESS STEEL BRAKE DISC AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 이륜차의 브레이크 디스크와 그 제조 방법에 관한 것으로, 비교적 저비용이며, 내식성이나 인성, 내 마모성이 우수한 이륜차용 브레이크 디스크에 관한 것이다.

이륜차의 브레이크 디스크에는, 내 마모성, 내 녹성, 인성 등의 특성이 요구된다. 내 마모성은 일반적으로 경도가 높을수록 커진다. 한편, 경도가 지나치게 높으면 브레이크와 패드 사이에서 이른바 브레이크의 노이즈가 발생하므로, 브레이크의 경도는, 32∼38HRC(로크웰 경도 C 스케일)가 요구된다. 이들 요구 특성으로부터, 이륜차의 브레이크 디스크에는 마르텐사이트계 스테인리스 강판이 사용되고 있다.

종래, SUS420J2를 켄칭 템퍼링하여 원하는 경도로 조정하여, 브레이크 디스크로 하고 있었지만, 이 경우, 켄칭과 템퍼링의 2종류의 열처리 공정을 필요로 하는 문제가 있었다. 이에 대해, 특허문헌 1에 있어서, SUS420J2 강의 종래 강보다 넓은 켄칭 온도 범위에서, 안정적으로 원하는 경도를 얻을 수 있고, 또한 켄칭 상태로 사용되는 강 조성에 관한 발명이 개시되었다. 이것은, (C＋N)량을 저감화하고, 또한 그것에 의한 오스테나이트화 온도 범위의 축소, 즉, 켄칭 온도 영역이 좁아지는 것을 오스테나이트 형성 원소인 Mn 첨가로 보충한 것이다. 또한, 특허문헌 2에 있어서, 저Mn강에서 켄칭 상태로 사용되는 오토바이 디스크 브레이크용 강판에 관한 발명이 개시되어 있다. 이 강판은, Mn을 저하시키는 대신, 오스테나이트 형성 원소로서 마찬가지의 효과를 갖는, Ni 및 Cu를 첨가한 것이다.

또한, 최근 이륜차에 있어서도 차체의 경량화가 요망되고 있어, 이륜 브레이크 디스크의 경량화가 검토되고 있다. 이 경우, 과제로 되는 것이 제동시의 발열에 기인하는 디스크재 연화에 의한 디스크 변형이며, 이것을 해결하기 위해서는, 디스크재의 내열성을 향상시킬 필요가 있다. 이 해결책 중 하나로서, 템퍼링 연화 저항의 향상이 있고, 특허문헌 3에 있어서, Nb, Mo 첨가에 의한 내열성 향상법에 관한 발명이 개시되었다. 특허문헌 4에 있어서 1000℃를 초과하는 온도로부터의 켄칭 처리를 행함으로써 우수한 내열성을 갖는 디스크재에 관한 발명이 개시되어 있다. 템퍼링 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크로서, 특허문헌 5에는 구 오스테나이트립의 평균 입경을 8㎛ 이상으로 하는 마르텐사이트 조직을 갖는 브레이크 디스크가, 특허문헌 6에는 켄칭 조직의 면적률로 75％ 이상이 마르텐사이트이며, Nb를 0.10％ 이상 0.60％ 이하로 하는 발명이 개시되어 있다.

일본 특허 공개 소57-198249호 공보 일본 특허 공개 평8-60309호 공보 일본 특허 공개 제2001-220654호 공보 일본 특허 공개 제2005-133204호 공보 일본 특허 공개 제2006-322071호 공보 일본 특허 공개 제2011-12343호 공보

그런데, 높은 내열성이나 켄칭 인성, 내열성을 얻기 위해서는, 합금 원소량의 첨가량 증가나, 켄칭 가열 온도에서의 유지 시간의 증가가 필요해져, 합금 비용, 생산 비용이 상승한다. 또한, 켄칭 조직을 구 오스테나이트 입경이나, 광학 현미경에 의한 마르텐사이트상률로 정량화하는 것은 대부분의 경우 곤란하여, 품질 관리에 어려움이 있었다.

본 발명의 목적은, 브레이크 디스크의 고효율의 켄칭 조건을 전제로 하여, 인성, 내식성, 내 마모성이 우수한 브레이크 디스크를, 그 성분 설계, 켄칭 가열 조건 설계, 조직 평가 기술과 함께 제공하는 것이다.

본 발명자들은, 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 인성에 미치는 켄칭 가열 조건이나 조직, 성분의 영향에 대해 검토하였다. 우선, 12％Cr-1.1％Mn-0.06％C-0.01％N강에 대한 950℃에 있어서의 켄칭 가열 시간이, 켄칭 후의 강의 표면 경도(이하, 켄칭 경도라 하는 경우가 있음)와 인성에 미치는 영향을 조사하였다. 도 1의 (a), (b)의 횡축은 켄칭 가열 시간(초), (a)의 종축은 켄칭 경도, (b)의 종축은 인성이다. 도 1의 (b)에 나타내는 바와 같이, 켄칭 가열 시간이 길어지면 인성의 저하가 일어나는 것을 알 수 있었다.

이러한 인성의 저하는 켄칭 조직의 변화에 의한다고 생각되었지만, 특허문헌 5의 방법에서는, 오스테나이트 입계를 판별할 수 없고, 또한 특허문헌 6의 방법에서도, 마르텐사이트와 페라이트를 명확하게 식별할 수 없어, 마르텐사이트 비율을 측정할 수 없었다.

따라서, 조직의 정량화 방법으로서 전자선 후방 산란 회절법(Electron Backscatter Diffraction : EBSD)의 적용을 행하였다. EBSD를 사용하여 결정 구조가 다른 2상의 상 분율을 측정하는 것은 일반적으로 행해지고 있고, 예를 들어 2상 스테인리스강에 있어서의 페라이트와 오스테나이트의 상 분율 측정이 되어 있다. 저탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 켄칭 조직에 있어서, 페라이트와 마르텐사이트는 마찬가지의 결정 구조를 가지므로, 종래의 방법으로는 식별이 곤란하다. 본 발명자들은, EBSD 패턴의 이미지 퀄리티값(IQ : Image Quality)을 사용함으로써, 마르텐사이트와 페라이트의 식별을 시도하여, IQ값이 4000 이상인 조직을 페라이트로 가정하기로 하였다. 즉, 고전위 밀도의 마르텐사이트상은 결정 구조의 흐트러짐을 포함하므로 IQ값이 저하되고, 페라이트상은 저전위 밀도이므로, IQ값이 높아진다고 상정한 것이다. 상기 도 1에 나타내는 결과를 얻기 위한 시험에서, 950℃에서 5초간 보정 후 급냉한 샘플로 측정한 IQ 맵핑도를 도 2에 나타낸다. 도 2의 좌측의 그레이 스케일 사진에서는, 줄무늬 형상으로 IQ값이 높은 조직이 관찰된다. IQ값을 4000 이상과 4000 미만으로 2치화하여(도 2 우측의 사진), 4000 이상의 면적률을 구한 바 3.4％였다. 따라서, 도 1의 실험 샘플에 대해, IQ 맵핑으로부터 구한 IQ값 4000 이상의 면적률을 페라이트상률이라 생각하고, 페라이트상률이 켄칭 후의 인성에 미치는 영향을 조사하였다. 도 3은 도 1의 실험 샘플로부터 구해진 상기 IQ값 4000 이상의 면적률(％)과 도 1의 (b)의 샤르피 충격값의 대비를 나타내고 있다. 페라이트상률은 켄칭 후의 인성에 크게 영향을 미쳐, 1％ 이상일 때, 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상으로 되어, 양호한 인성을 나타내는 것을 알 수 있었다.

그러나, 켄칭 후의 인성을 향상시키기 위해 페라이트 분율을 높이는 것은, 내식성이나 켄칭 경도의 저하를 초래하는 것이 우려된다. 발명자들은, 페라이트와 마르텐사이트의 2상 조직에 있어서의, 내식성과 켄칭성을 개선하는 시즈를 탐색한 결과, N이 유효하게 작용하는 것을 발견하였다. 도 4에서는, 상기 도 1의 실험 샘플에서 사용된 12％Cr-1.1％Mn-0.06％C강의 N량을 변화시키고, 페라이트상 분율 5％로 켄칭한 경우에 있어서의, 상기 C강의 내식성과 켄칭 경도의 평가 결과를 나타낸 도면이다. 도 4의 (a)의 켄칭 경도(경도 HRc)는 샘플 표면을 연마하여 로크웰 경도 C 스케일로 평가한 것이고, 도 4의 (b)의 내식성[녹 면적률(％)]은 표면을 #600 연마 마무리한 후, JISZ2371 「염수 분무 시험 방법」에 규정된 염수 분무 시험을 4시간 행하였을 때 평가한 결과이다. 페라이트상률이 5％라도, N량을 0.015％ 이상으로 함으로써, 페라이트와 마르텐사이트의 2상 조직에 있어서 양호한 내식성과 켄칭 경도가 얻어지는 것이 발견되었다. 또한, N량을 0.015％ 이상으로 함으로써 녹 면적률(％)이 10％ 이하로 되어, 내식성이 개선되는 것도 발견하였다. 한편, N량을 0.08％로 하면, 기포 기인의 결함에 기인하여 내식성이 나빠져, 녹 면적률이 40％로 되었다.

이들 지식을 기초로, 켄칭 후의 인성이 우수하고, 내식성과 켄칭 경도가 우수한 브레이크 디스크를 그 조직 제어와 평가 기술과 함께 제공하는 것이 가능해졌다.

본 발명은, 이들 지식에 기초하여 이른 것이며, 본 발명의 과제를 해결하는 수단, 즉, 본 발명의 페라이트계 스테인리스 강판에 의한 스테인리스강제 브레이크 디스크 및 그 제조 방법은 이하와 같다.

(1) 질량％로, C:0.030∼0.080％, Si:0.05％∼1.0％, Mn:1.0∼1.5％, P:0.035％ 이하, S:0.015％ 이하, Cr:11.0∼14.0％, Ni:0.01∼0.50％, V:0.001∼0.15％, Nb:0.10％ 미만, Ti:0.05％ 이하, Zr:0.05％ 이하, Al:0.05％ 이하, N:0.015∼0.060％, B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하, O:0.0080％ 이하 함유하고, 식 1의 AT값을 0.055 이상, 0.090 이하로 하고, 식 2를 만족시키고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, EBSD 패턴의 이미지 퀄리티값이 4000 이상으로 규정되는 페라이트상 분율을 1％ 이상 15％ 이하로 하고, 표면 경도를 32HRC 이상, 38HRC 이하로 하는 스테인리스강제 브레이크 디스크.

식 1 및 식 2에 있어서, N, B, Ti, Zr, Nb, Al, O는, 각각의 원소 함유량(질량％)을 의미한다.

(2) 질량％로, Cu:1.0％ 이하, Mo:0.5％ 이하, Sn:0.3％ 이하, Sb:0.3％ 이하, REM:0.2％ 이하, Ga:0.3％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 스테인리스강제 브레이크 디스크.

(3) 질량％로, C:0.030∼0.080％, Si:0.05％∼1.0％, Mn:1.0∼1.5％, P:0.035％ 이하, S:0.015％ 이하, Cr:11.0∼14.0％, Ni:0.01∼0.50％, V:0.001∼0.15％, Nb:0.10％ 이하, Ti:0.05％ 이하, Zr:0.05％ 이하, Al:0.05％ 이하, N:0.015∼0.060％, B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하, O:0.0080％ 이하, 식 1의 AT값을 0.055 이상, 0.090 이하로 하고, 식 2를 만족시키고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물인 스테인리스강으로 이루어지는 브레이크 디스크를, 950℃ 내지 1050℃의 온도 범위로 가열되고, 0.1초 초과, 5초 이하의 보정(保定)을 취하여 급냉하는 처리로 하고, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간을 50초 이하로 하는 것을 특징으로 하는 스테인리스강제 브레이크 디스크의 제조 방법.

(4) 강판이, 질량％로, Cu:1.0％ 이하, Mo:0.5％ 이하, Sn:0.3％ 이하, Sb:0.3％ 이하, REM:0.2％ 이하, Ga:0.3％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 (3)에 기재된 스테인리스강제 브레이크 디스크의 제조 방법.

본 발명의 조직, 조성 제어 기술에 의해, 우수한 인성이나 내식성을 갖고, 켄칭 경도를 규정 범위로 제어함으로써 얻어지는 우수한 내 마모성을 갖는 브레이크 디스크를 얻는 것이 가능해진다. 그 품질은, 안전면으로부터도 장식성의 관점에서 바람직한 것이다.

도 1은 본 실시 형태에 있어서의 마르텐사이트계 스테인리스강의, 판 두께 3.0㎜의 열연 어닐링판을 고주파 유도 가열 장치에서 평균 가열 속도 50℃/s로 승온하고, 950℃에서 1초 내지 10분간의 보정을 취한 후, 100℃/s의 냉각 속도로 냉각하여 켄칭한 후, 샤르피 충격 시험편을 판 두께 그대로의 서브 사이즈 시험편으로 제작하고, 상온에서 시험을 행하였을 때의, 가열 온도에서의 유지 시간(켄칭 가열 시간)과 (a) 켄칭 경도(경도 HRc), (b) 인성(샤르피 충격값)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 실시 형태에 있어서의 마르텐사이트계 스테인리스강을 고주파 유도 가열 장치에서 평균 가열 속도 50℃/s로 승온하고, 950℃에서 5초 보정을 취한 후, 100℃/s의 냉각 속도로 냉각하여 켄칭한 재료에 대해, 단면의 조직을 EBSD 장치에 의해 EBSD 패턴을 측정하고, 얻어진 EBSD 패턴에 대해 IQ 맵핑을 행한 결과를, 그레이 스케일로 표기한 것과, IQ값 4000 이상과 미만으로 2치화한 그래프이다.
도 3은 도 1에 나타낸 켄칭 샘플에 대해, 도 2의 설명에 기재된 방법으로 EBSD 맵핑을 행하여, 페라이트 분율을 측정하고, 페라이트 분율과 인성의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 실시 형태와 비교용 마르텐사이트계 스테인리스강의, 판 두께 3.0㎜의 열연 어닐링판을 고주파 유도 가열 장치에서 평균 가열 속도 50℃/s로 승온하고, 켄칭 후의 시료에 있어서의 단면 조직의 EBSD 패턴의 IQ 맵핑에 의한 이미지 퀄리티값이 4000 이상인 값을 나타내는 페라이트상률이 5％로 통일되도록 가열 온도와 보정 시간을 950∼1050℃에서 0∼5초의 범위로 제어하고, 100℃/s의 냉각 속도로 냉각하여 켄칭한 후, 내식성을 염수 분무 시험으로, 표면 경도를 로크웰 경도계 C 스케일로 측정하여, N량이 (a) 켄칭 경도와 (b) 내식성에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다. 우선, 본 실시 형태의 스테인리스 강판의 강 조성을 한정한 이유에 대해 설명한다. 또한, 조성에 대한 ％의 표기는, 특별히 언급이 없는 경우는, 질량％를 의미한다.

C:0.030∼0.080％

C는, 켄칭 후 소정의 경도를 얻기 위해 필수적인 원소로, 소정의 경도 레벨로 되도록 N과 조합하여 첨가한다. C의 과잉 첨가를 피하고 N의 효과를 최대한으로 이용하기 위해, 본 발명에서는 0.08％를 상한으로 한다. 이것을 초과하여 첨가하면 경도가 지나치게 단단하여, 브레이크의 노이즈, 인성 저하 등의 문제를 발생시키기 때문이다. 경도 제어와 내식성 향상의 관점에서 상한은 바람직하게는, 0.060％이다. 또한, 한편 0.030％ 미만에서는, 경도를 얻기 위해 N을 과잉으로 첨가해야 하므로, 0.030％를 하한으로 한다. 켄칭 경도의 안정성의 점으로부터는 0.040％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Si:0.05％∼1.0％

Si는, 용해 정련시에 있어서의 탈산을 위해 필요한 것 외에, 켄칭 열처리시의 산화 스케일 생성을 억제하는 데에도 유용하고 그 효과는 0.05％ 이상에서 발현되므로, 0.05％ 이상으로 하였다. 단, Si는 용선(溶銑) 등의 원료로부터 혼입되기 때문에, 과도한 저하는 비용 증가로 이어지므로, 0.10％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한 Si는 오스테나이트 단상 온도 영역을 좁게 하여, 켄칭 안정성을 손상시키므로, 1.0％ 이하로 하였다. 또한, 오스테나이트 안정화 원소의 첨가량을 저감시켜 비용을 낮추기 위해서는 0.60％ 이하가 바람직하다.

Mn:1.0∼1.5％

Mn은, 탈산제로서 첨가되는 원소임과 함께, 오스테나이트 단상 영역을 확대하여 켄칭성의 향상에 기여한다. 그 효과는 1.0％ 이상에서 명확하게 나타나므로, 1.0％ 이상으로 한다. 안정적으로 켄칭성을 확보하기 위해서는 1.1％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 단, Mn은 켄칭 가열시의 산화 스케일의 생성을 촉진시켜, 그 후의 연마 부하를 증가시키므로, 그 상한을 1.5％ 이하로 하였다. MnS 등의 입화물에 기인하는 내식성의 저하도 고려하면 1.3％ 이하가 바람직하다.

P:0.035％ 이하

P는 원료인 용선이나 페로크롬 등의 주 원료 중에 불순물로서 포함되는 원소이다. 열연 어닐링판이나 켄칭 후의 인성에 대해서는 유해한 원소이므로, 0.035％ 이하로 한다. 또한, 바람직하게는 0.030％ 이하이다. 과도한 저감은 고순도 원료의 사용을 필수로 하는 등, 비용의 증가로 이어지므로 바람직하게는, P의 하한은 0.010％이다.

S:0.015％ 이하

S는, 황화물계 개재물을 형성하여, 강재의 일반적인 내식성(전면 부식이나 공식)을 열화시키므로, 그 함유량의 상한은 적은 쪽이 바람직하고, 상한을 0.015％로 한다. 또한, S의 함유량은 적을수록 내식성은 양호해지지만, 저S화에는 탈황 부하가 증대되고, 제조 비용이 증대되므로, 그 하한을 0.001％로 하고, 상한을 0.008％로 하는 것이 바람직하다.

Cr:11.0∼14.0％

Cr은, 본 발명에 있어서, 내 산화성이나 내식성 확보를 위해 필수적인 원소이다. 11.0％ 미만에서는, 이들 효과는 발현되지 않고, 한편, 14.0％ 초과에서는 오스테나이트 단상 영역이 축소되어 켄칭성을 손상시키므로, 11.0∼14.0％로 한다. 또한, 내식성의 안정성이나 프레스 성형성을 고려하면, 하한을 12.0％로 하고, 상한을 13.0％로 하는 것이 바람직하다.

Ni:0.01∼0.50％

Ni는, 페라이트계 스테인리스강의 합금 원료 중에 불가피적 불순물로서 혼입되고, 일반적으로 0.01∼0.10％의 범위에서 함유된다. 또한, 공식의 진전 억제에 유효한 원소이며, 그 효과는 0.05％ 이상의 첨가에서 안정적으로 발휘되므로 하한을 0.05％로 하는 것이 바람직하다. 한편, 다량의 첨가는, 열연 어닐링판에 있어서 고용 강화에 의한 프레스 성형성의 저하를 초래할 우려가 있으므로, 그 상한을 0.5％로 한다. 또한, 합금 비용을 고려하면 하한을 0.03으로 하고, 상한을 0.15％로 하는 것이 바람직하다.

V:0.001∼0.15％

V는, 페라이트계 스테인리스강의 합금 원료에 불가피적 불순물로서 혼입되어, 정련 공정에 있어서의 제거가 곤란하므로, 일반적으로 0.001∼0.15％의 범위에서 함유된다. 또한, 미세한 탄질화물을 형성하여, 브레이크 디스크의 내 마모성을 향상시키는 효과를 가지므로, 필요에 따라서, 의도적인 첨가도 행해지는 원소이다. 그 효과는 0.02％ 이상의 첨가에서 안정적으로 발현되므로, 하한을 0.02％로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과잉으로 첨가하면, 석출물의 조대화를 초래할 우려가 있어, 그 결과, 켄칭 후의 인성이 저하되어 버리므로, 상한을 0.15％로 한다. 또한, 제조 비용이나 제조성을 고려하면, 하한을 0.03％로 하고, 상한을 0.08％로 하는 것이 바람직하다.

Nb:0.10％ 이하

Nb는, 탄질화물을 형성함으로써 스테인리스강에 있어서의 크롬 탄질화물의 석출에 의한 예민화나 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그러나, 브레이크 디스크에 있어서는 노이즈를 발생시키기 쉽게 하는 것 외에, 대형 개재물 기점의 파괴에 의해 인성의 저하를 초래하므로, 0.10％ 이하로 한다. 겨울철의 인성을 고려하면, 바람직하게는 0.01％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, Nb는 함유하고 있지 않아도 된다.

Ti:0.05％ 이하

Ti는, Nb와 마찬가지로 탄질화물을 형성함으로써, 스테인리스강에 있어서의 크롬 탄질화물의 석출에 의한 예민화나 내식성의 저하를 억제하는 원소이다. 그러나, Nb와 마찬가지로 브레이크 디스크에 있어서는, 대형의 개재물을 형성함으로써, 인성의 향상이나 노이즈의 원인으로 되므로, 그 상한은 0.05％ 이하로 한다. 겨울철의 인성을 고려하면 0.03％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에 있어서, 인성을 향상시키는 것을 목적으로 하는 경우, Ti를 0.02％ 이상 0.03％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, Ti는 함유하고 있지 않아도 된다.

Zr:0.05％ 이하

Zr은, Nb나 Ti 등과 마찬가지로 탄질화물을 형성하여 Cr 탄질화물의 형성을 억제하고 내식성을 향상시키는 원소이다. 인성을 향상시키는 효과는, Zr의 함유량이 0.005％ 근방으로부터 발현된다. 한편, Zr은, Nb나 Ti와 마찬가지로 브레이크 디스크에 있어서, 대형의 개재물을 형성함으로써, 인성의 향상이나 노이즈의 원인으로 되므로, 그 상한은 0.05％ 이하로 한다. 겨울철의 인성을 고려하면 0.03％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 단, Zr은 함유하고 있지 않아도 된다.

Al:0.05％ 이하

Al은, 탈산 원소로서 첨가되는 것 외에, 내 산화성을 향상시키는 원소이다. 그 효과는 0.001％ 이상에서 얻어지므로, 하한을 0.001％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 고용 강화나 대형의 산화물계 개재물의 형성에 의해 브레이크 디스크의 인성을 손상시키므로, 그 상한은 0.05％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.03％ 이하로 하는 것이 바람직하다. Al은 함유하고 있지 않아도 된다.

B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하

B는, 열간 가공성의 향상에 유효한 원소이며, 그 효과는 0.0002％ 이상에서 발현되므로, 0.0002％ 이상으로 한다. 보다 넓은 온도 영역에 있어서의 열간 가공성을 향상시키기 위해서는 0.0010％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 한편, 과도한 첨가는 붕화물과 탄화물의 복합 석출에 의해 켄칭성을 손상시키므로, 0.0050％를 상한으로 한다. 내식성도 고려하면 0.0025％ 이하가 바람직하다.

O:0.0080％ 이하

O는, 산화물 등의 형태로 불가피적으로 포함되는 것으로 저감시키는 것이 바람직하지만, 과도한 저감에는 많은 탈산 원소의 첨가나, 정련 시간의 장시간화로 이어져, 비용이 증가하므로 상한을 0.0080％로 하였다. 산화물을 기점으로 하는 프레스성의 저하나 브레이크 디스크의 인성 저하를 고려하면 0.0010％ 이상, 0.0070％ 이하가 바람직하다.

N:0.015∼0.060％

N은, 본 발명에 있어서 매우 중요한 원소 중 하나이다. C와 마찬가지로 켄칭 후에 소정의 경도를 얻기 위해서는 필수적인 원소로, 소정의 경도 레벨로 되도록 C와 조합하여 첨가한다. 켄칭 경도를 32HRC 이상으로 하기 위해서는, N량을 0.015％ 이상으로 할 필요가 있다. 한편, N량이 0.06％를 초과하면 켄칭 경도가 38HRC를 초과하여, 브레이크의 노이즈가 발생한다. 그로 인해, 켄칭 경도의 관점에 있어서, N량의 상한은 0.06％로 된다.

또한, 켄칭 가열시에 오스테나이트와 페라이트의 2상 조직으로서 켄칭하는 경우에는 Cr 탄화물의 석출, 즉, 예민화 현상이 발생하기 쉬워져 내식성이 저하 되는 경우가 있지만, 질소의 첨가에 의해 Cr 탄화물의 석출을 억제하여 내식성의 향상 효과를 나타낼 수 있다. 그 효과는 N량이 0.015％ 이상에서 발현되므로, N량의 하한을 내식성의 관점에서도 0.015％로 한다. 또한, 부동태 피막의 강화에 의한 내식성의 향상 효과도 고려하면, 하한을 0.030％로 하는 것이 바람직하다. 한편, 기포 기인의 결함의 형성에 의한 수율의 저하를 초래하는 것이 우려되므로, 0.060％를 상한으로 한다. 또한, 도 4의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 녹 면적률을 확실하게 10％ 미만까지 저감시켜 내식성의 향상 효과를 한층 확실하게 하는 관점에서, N량의 하한을 0.035％로 하고, N량의 상한을 0.055％로 하는 것이 더욱 바람직하다.

이상과 같이, 브레이크 디스크에 우수한 내식성과, 규정 범위의 켄칭 경도를 부여하는 관점에서, N량의 범위는 0.015％ 이상 또한 0.06％ 이하로 된다. 특히, 내식성의 향상 효과의 관점을 고려하면, N량의 범위는, 0.030％ 이상 또한 0.06％ 이하의 범위가 바람직하고, 0.035％ 이상 또한 0.055％ 이하가 더욱 바람직하다.

켄칭 경도가 32HRC 이상 38HRC 이하

켄칭 경도는 브레이크 디스크의 내 마모성을 향상시키기 위해 32HRC 이상으로 한다. 또한, 경도가 지나치게 높으면 제동시에 노이즈를 발생시키므로, 38HRC 이하로 한다. 미끄럼 이동 마모에 의한 수명 저하를 고려하면 33HRC 이상, 37HRC 이하로 하는 것이 바람직하다.

EBSD의 IQ값이 4000 이상인 상 분율을 1％ 이상 15％ 이하로 한다.

EBSD의 맵핑에서 IQ값이 4000 이상인 조직은 페라이트 조직이라 추측되지만, 페라이트 조직은 브레이크 디스크의 인성에 크게 영향을 미쳐, 지나치게 적으면 인성이 저하되므로 1.0％ 이상으로 한다. 한편, IQ값이 4000 이상인 상 분율이 많아지면 켄칭 경도가 저하되므로, 그 상한을 15％ 이하로 한다. 켄칭 경도나 내식성의 안정화를 고려하면, EBSD의 IQ값이 4000 이상인 상 분율을 2％ 이상 10％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

목적으로 하는 켄칭 경도를 얻기 위해서는, 마르텐사이트의 경도를 지배하는 C, N량의 제어가 중요하다. N은, C와 비교하여 마르텐사이트의 경도에 미치는 영향이 작지만, 페라이트로부터 오스테나이트로의 변태를 촉진시킴으로써, 켄칭 후의 경도를 높이는 효과가 있다. B는 켄칭 가열 온도에서도 안정된 질화물이나 탄화물을 형성하여, 켄칭 경도를 낮추는 작용이 있다. 이로 인해, 식 1의 AT값이 0.055 미만에서는, 켄칭 경도 32HRC를 얻기 위해, 가열 유지 시간을 길게 하여 마르텐사이트 비율을 높이는 것이 필요해져, 켄칭 후의 인성을 저하시킨다. 그로 인해, AT값의 하한을 0.050으로 하고, 바람직하게는 0.060 이상이다. 한편, AT값이 0.090을 초과하면 켄칭 경도가 38HRC를 초과하여, 켄칭 인성을 저하시키거나, 혹은 브레이크 디스크의 노이즈를 발생시킨다. 그로 인해 AT값의 상한을 0.090으로 하고, 제조성 등도 고려하면 0.080 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 식 1 및 하기 식 2에 있어서, N, B, Ti, Zr, Nb, Al, O는, 각각의 원소 함유량(질량％)을 의미한다.

Ti, Zr, Nb, Al 등은 탄질화물을 형성하여 켄칭 후의 인성을 저하시키므로, 저감시키는 것이 바람직하다. 또한 이들 원소는 개개의 양뿐만 아니라, 복합된 탄질화물, 산화물을 형성하는 경우가 있으므로, 식 2의 PV값으로 관리하는 것이 바람직하다. PV값이 0.1을 초과하면 켄칭 인성의 저하가 발생한다. 그로 인해 PV값의 상한을 0.1로 하고, 바람직하게는 0.05 이하로 하는 것이 바람직하다. PV값의 하한은 특별히 설정할 필요는 없지만, 극단적으로 낮추는 것은 정련 공정의 부하를 크게 하므로, 0.01 이상으로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는, 상기 원소에 더하여, Cu:1.0％ 이하, Mo:0.5％ 이하, Sn:0.3％ 이하 중 1종 이상을 첨가하는 것이 바람직하다.

Cu:1.0％ 이하

Cu는, 용제시에 스크랩으로부터의 혼입 등 불가피적 불순물로서 0.01％ 정도 함유되는 경우가 많고, 또한 오스테나이트 안정화 원소로서 켄칭성의 향상을 위해 적극적인 첨가가 행해지는 경우도 있다. 단, 과도한 첨가는 열간 가공성의 저하나, 원료 비용의 증가로 이어지므로 1.0％ 이하를 상한으로 한다. 산성비에 의한 녹 발생 등을 고려하면 하한을 0.02％ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

Mo:0.5％ 이하

Mo는, 템퍼링 연화 저항을 높이는 원소이므로 필요에 따라서 첨가하면 되고, 이들 효과를 발휘시키기 위해, 하한을 0.01％로 하는 것이 바람직하다. Mo는 페라이트상의 안정화 원소로, 과도한 첨가는, 오스테나이트 단층 온도 영역을 좁게 함으로써 켄칭 특성을 손상시키므로, 그 상한을 0.5％ 이하로 한다. Cr과 N의 밸런스로부터 브레이크 디스크로서 필요한 내식성은 이미 확보되어 있으므로, 0.2％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Sn:0.3％ 이하

Sn은, 템퍼링 연화 저항을 높이는 원소이므로 필요에 따라서 첨가하면 되고, 이들 효과를 발휘시키기 위해, 하한을 0.01％로 하는 것이 바람직하다. Sn은 페라이트상의 안정화 원소로, 과도한 첨가는, 오스테나이트 단상 온도 영역을 좁게 함으로써 켄칭 특성을 손상시키므로, 그 상한을 0.3％ 이하로 한다. Cr과 N의 밸런스로부터 브레이크 디스크로서 필요한 내식성은 이미 확보되어 있으므로, 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다.

Sb:0.3％ 이하

Sn과 마찬가지의 작용 효과를 발현하는 원소로서, 0.3％ 이하로 첨가해도 된다. 하한을 0.005％로 하는 것이 바람직하다.

REM(희토류 원소):0.2％ 이하

REM은, 내 산화성의 향상에 유효하며, 필요에 따라서 첨가한다. 하한은 0.001％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 0.20％를 초과하여 첨가해도 그 효과는 포화되어, REM의 입화물에 의한 내식성 저하를 발생시키므로, 상한을 0.2％로 한다. 제품의 가공성이나 제조 비용을 고려하면, 0.002％∼0.05％로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 있어서, REM은, 일반적인 정의에 따르는 것이며, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y)의 2원소와, 란탄(La)으로부터 루테튬(Lu)까지의 15원소(란타노이드)의 총칭을 가리킨다. 단독으로 첨가해도 되고, 혼합물이어도 된다.

Ga:0.3％ 이하

Ga는, 내식성 향상을 위해, 0.3％ 이하로 첨가해도 된다. 하한은 0.0002％로 하는 것이 바람직하다. 0.0020％ 이상이 더욱 바람직하다.

그 밖의 성분에 대해 본 발명에서는 특별히 규정하는 것은 아니지만, 본 발명에 있어서는, Ta, Bi 등을 필요에 따라서 첨가해도 상관없다. 또한, As, Pb 등의 일반적인 유해한 원소나 불순물 원소는, 가능한 한 저감시키는 것이 바람직하다.

켄칭 가열 조건이, 950℃ 내지 1050℃의 온도 범위이며, 보정 시간을 0.1초 초과, 5초 이하로 하여 급냉함과 함께, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간을 50초 이하로 한다.

EBSD의 맵핑 분석에 의해 IQ값이 4000 이상으로 되는 상의 비율을 1.0％ 이상 15％ 이하로 하기 위해서는, 켄칭 가열시에 오스테나이트 단상 조직으로 해서는 안 된다. 따라서, 가열 온도의 상한은 1050℃ 이하로 하면 바람직하다. 한편, 950℃ 미만에서는 오스테나이트 비율이 적어 켄칭 경도가 얻어지지 않으므로, 가열 온도는 950℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 최고 가열 온도에 있어서의 유지 시간은, 가열 온도와 마찬가지로 켄칭 조직의 페라이트와 오스테나이트의 상 분율에 크게 영향을 미친다. 페라이트상의 분율을 목적으로 하는 범위 내로 하기 위해서는, 켄칭 가열 온도에서의 유지 시간을 0.1초 초과로 하고, 5초 이하로 할 필요가 있다. 가열 승온 과정에 있어서의 조직 변화도 고려하면, 가열 속도의 적정 범위도 존재하지만, 일정한 가열 속도를 유지하는 것은 곤란하므로, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간으로 제어하는 것이 효율적이며, 가열 유지 중의 온도 변동도 흡수하여 평가하는 것이 가능하다. 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간은 고주파 경화 가열시의 승온 속도로부터 50초 이하로 한다. 50초보다 길어지면 오스테나이트 단상 조직으로 되어 브레이크 디스크의 인성을 손상시킨다. 또한, 100℃/s를 초과하는 급속 가열은, 설비의 소모를 빠르게 하기 때문에 바람직하지 않으므로, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간은 10초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 가열하고 보정 후의 냉각은 급냉으로 한다. 100℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각한다. 금형 켄칭하여 급냉할 수 있다.

각 청구항에 기재하는 성분과 페라이트상률을 가짐으로써, 각 청구항에 규정하는 경도를 실현할 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명의 효과를 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에서 사용한 조건에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서는, 우선, 표 1에 나타내는 성분 조성의 강을 용제하여 슬래브로 주조하였다. 이 슬래브를 1240℃로 가열 후, 마무리 온도를 800∼950℃의 범위 내로 하여, 판 두께 3.6㎜까지 열간 압연하여, 열연 강판으로 하고, 750∼900℃의 온도 영역에서 권취하였다. 열연판 어닐링을 800∼900℃의 온도 영역까지 승온되는 박스 어닐링로에서 행하여 노냉하여 열연 어닐링판으로 하였다.

열연 어닐링판 표면의 스케일을 숏 블라스트에 의해 제거한 후, 직경 240㎜의 원반 형상으로 프레스 성형하였다.

원반을 하기 소정의 조건에서 켄칭하고, 원반 표면을 #80 연마 마무리한 후, 표면 경도를 로크웰 경도계 C 스케일로 평가하였다. 또한, 원반의 켄칭 인성을 평가하기 위해, 원반으로부터 샤르피 충격 시험편을 제작하여, 실온에서 충격값을 측정하였다(JISZ2242 「금속 재료의 샤르피 시험 방법」). 내식성의 평가는, 표면을 #600 연마 마무리한 후, 염수 분무 시험을 4시간(JISZ2371 「염수 분무 시험 방법」) 행하여, 녹 면적률을 측정하였다. 단면 조직을 EBSD법으로 측정하고, IQ값 맵핑으로부터, IQ값이 4000 이상으로 되는 상의 면적률을 측정하였다. 켄칭 경도 HRC가 32 이상, 38 이하를 합격으로 하였다. 내식성은, 녹 면적률이 10％ 이하를 합격으로 하였다. 또한, 샤르피 충격값이 50J/㎠ 이상인 경우, 원반의 켄칭 인성이 합격이라고 평가하였다.

표 1에 나타내는 각 번호(No.)의 성분을 갖는 원반을, EBSD의 IQ값이 4000 이상으로 되도록, 고주파 유도 가열 장치에서 약 80℃/s로 승온하고, 950∼1050℃의 온도 영역에서 0.1초 초과∼5초 이하의 유지를 행한 후, 금형 켄칭하여 100℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하였다. 최종적으로 얻어진 샘플에 대해 평가한 결과를 표 2에 나타낸다.

표 3에 나타내는 「강 No.」는 표 1의 「No.」에 대응하고 있다. 각 샘플에 대해 표 3에 나타내는 열처리 조건에서 켄칭하여 가열을 행한 후, 금형 켄칭하여 100℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하고, 최종적으로 얻어진 샘플에 대해 품질의 평가를 행하였다.

비교예로서, 본 발명 밖의 조성, 켄칭 가열 조건, IQ값이 4000 이상으로 되는 면적률이 본 발명 밖으로 되는 샘플에 대해서도 마찬가지의 평가를 행하였다.

[표 1-1]

[표 1-2]

[표 2-1]

[표 2-2]

[표 3]

표 1, 2로부터 명백한 바와 같이, 본 발명을 적용한 성분 조성, EBSD의 IQ값이 4000 이상으로서 식별되는 페라이트상률을 갖는 본 발명예에서는, 켄칭 경도(HRC), 켄칭 후의 인성(샤르피 충격값), 내식성이 양호하고, 열연 흠집도 확인되지 않았다.

또한, 본 발명예 No.26의 강 조성의 Sn 성분 대신에 Sb(0.05％), REM(0.01％) 혹은 Ga(0.003％)를 함유하는 것 이외에, 다른 성분 조성이 본 발명예 No.26과 동일한 성분 조성을 갖는 강을 각각 용제하였다. 이어서, 용제된 각각의 강으로부터, 성분 조성 이외, 본 발명예 No.26과 동일한 제조 조건에서 원반 형상의 샘플을 제조하였다. 이들 샘플에 대해 표 2에 나타내어진 평가 항목과 동일한 평가를 행한 바, 이들 샘플은, 본 발명예 No.26과 동등한 특성을 갖는 것이 확인되었다.

한편, 표 3에 나타내는 바와 같이, 켄칭 가열 온도, 유지 시간이 본 발명 범위로부터 벗어나는 비교예에서는, IQ값이 4000 이상으로 되는 페라이트상률이 본 발명 범위를 벗어나고, 켄칭 경도, 샤르피 충격값, 내식성, 표면 흠집 중 어느 하나가, 1개 이상 불합격이었다. 이에 의해, 비교예에 있어서의 브레이크 디스크의 특성이 떨어지는 것을 알 수 있다.

구체적으로는, No.31, 34, 35, 52∼54는, 식 1의 AT값이 0.055 미만이거나, 0.090 초과였으므로, 켄칭 경도가 목표 범위 밖이었다. No.37, 44∼47, 55∼56은 PV값이 0.1 초과였으므로, 켄칭 후의 인성이 낮았다. No.32, 39는 각각, Si, Cr량이 높았으므로, 켄칭 경도가 낮았다. No.36은 P가 높아, 인성이 불량하였다. No.38은 Cr이 낮았으므로 내식성이 불량하였다. No.40, 41은 Ni가 낮거나, 혹은 지나치게 높으므로, 페라이트 면적률이 15％를 초과하거나, 1.0 미만으로 되었으므로 켄칭 경도가 불량하였다. No.43은 V가 높았으므로, 켄칭 경도가 낮았다. No.49는 B가 높으므로 M₂₃(CB)₆이 석출되어 내식성을 손상시켰다. No.51은 N이 낮았으므로, 켄칭 경도가 낮았다. 또한, No.34에서는 저Mn으로 인해 열연 가열시에 오스테나이트 입계에 S가 편석되어 열연 흠집을 발생시켰다. No.48에서는 Cu가 높으므로, 열연 가열시에 Cu의 입계 편석에 의한 열간 가공성의 저하를 발생시켜 열연 흠집이 발생하였다.

표 3의 기호 a1, a2, a5, a6, a8은 켄칭 가열시의 최고 가열 온도가, 950℃ 미만, 1050℃ 초과이거나, 유지 시간 없음 또는 보정 시간이 5초 초과, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간(가열·유지 시간)이 50초를 초과하고 있었으므로, 페라이트 분율이 1％ 미만, 혹은 15％ 초과로 되어, 켄칭 경도나 샤르피 충격값, 염수 분무 시험에서 평가된 내식성 중 어느 하나가 불합격으로 평가되었다. a3, a4, a7은, 강 성분이 본 발명 범위 밖이었으므로, 브레이크 디스크의 제조 조건이 본 발명의 범위 내라도, 특성을 만족시키지 않아 불합격으로 평가되었다.

이들 결과로부터, 상술한 지식을 확인할 수 있고, 또한 상술한 각 강 조성 및 교정을 한정하는 근거를 뒷받침할 수 있었다.

이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 브레이크 디스크는, EBSD법으로 평가되는 조직의 최적화가 켄칭 가열 조건의 제어에 의해 이루어져 있어, 양호한 인성이 얻어져 있음과 함께, 2상 조직이라도 질소량을 최적화함으로써 내식성의 열화가 없는 고품질의 브레이크 디스크로 된다. 또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 성형품을, 특히 오토바이나 자전거의 브레이크 디스크에 적용함으로써, 부품의 수명을 길게 할 수 있게 되어, 사회적 기여도를 높일 수 있다. 요컨대, 본 발명은 산업상 이용 가능성을 충분히 갖는다.

Claims

질량％로,
C:0.030∼0.080％, Si:0.05％∼1.0％, Mn:1.0∼1.5％, P:0.035％ 이하, S:0.015％ 이하, Cr:11.0∼14.0％, Ni:0.01∼0.50％, V:0.001∼0.15％, Nb:0.10％ 이하, Ti:0.05％ 이하, Zr:0.05％ 이하, Al:0.05％ 이하, N:0.015∼0.060％, B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하, O:0.0080％ 이하, 식 1의 AT값을 0.055 이상, 0.090 이하로 하고, 식 2를 만족시키고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물이고, EBSD 패턴의 이미지 퀄리티값이 4000 이상으로 규정되는 페라이트상 분율을 1％ 이상 15％ 이하로 하고, 표면 경도를 32HRC 이상, 38HRC 이하로 하는, 스테인리스강제 브레이크 디스크.

식 1 및 식 2에 있어서, N, B, Ti, Zr, Nb, Al, O는, 각각의 원소 함유량(질량％)을 의미함.
제1항에 있어서,
질량％로, Cu:1.0％ 이하, Mo:0.5％ 이하, Sn:0.3％ 이하, Sb:0.3％ 이하, REM:0.2％ 이하, Ga:0.3％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스테인리스강제 브레이크 디스크.
질량％로, C:0.030∼0.080％, Si:0.05％∼1.0％, Mn:1.0∼1.5％, P:0.035％ 이하, S:0.015％ 이하, Cr:11.0∼14.0％, Ni:0.01∼0.50％, V:0.001∼0.15％, Nb:0.10％ 이하, Ti:0.05％ 이하, Zr:0.05％ 이하, Al:0.05％ 이하, N:0.015∼0.060％, B:0.0002％ 이상, 0.0050％ 이하, O:0.0080％ 이하, 식 1의 AT값을 0.055 이상, 0.090 이하로 하고, 식 2를 만족시키고, 잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물인 스테인리스강으로 이루어지는 브레이크 디스크를,
950℃ 이상 1050℃ 이하의 온도로 가열한 후, 당해 가열 온도에서 0.1초 초과, 5초 이하 동안 보정한 후, 100℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각하고, 가열 개시로부터 냉각 개시까지의 시간을 50초 이하로 하는 것을 특징으로 하는, 스테인리스강제 브레이크 디스크의 제조 방법.

식 1 및 식 2에 있어서, N, B, Ti, Zr, Nb, Al, O는, 각각의 원소 함유량(질량％)을 의미함.
제3항에 있어서,
상기 스테인리스강이, 질량％로, Cu:1.0％ 이하, Mo:0.5％ 이하, Sn:0.3％ 이하, Sb:0.3％ 이하, REM:0.2％ 이하, Ga:0.3％ 이하 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하는 것을 특징으로 하는, 스테인리스강제 브레이크 디스크의 제조 방법.