WO2007029626A1

WO2007029626A1 - 焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板

Info

Publication number: WO2007029626A1
Application number: PCT/JP2006/317401
Authority: WO
Inventors: Yoshiharu Inoue; Masao Kikuchi
Original assignee: Nippon Steel & Sumikin Stainless Steel Corporation
Priority date: 2005-09-05
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN101258255A; JP4832834B2; JP2007070654A; CN101258255B; KR101031910B1; KR20080034981A

Abstract

本発明は、高い耐熱性を保ちながら、比較的低温で焼きが入りやすい焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼を提供するもので、質量％で、Ｃ：0.05～0.10％、Si：0.1％以上１％以下、Mn：0.2～2.0％、Ｐ：0.04％以下、Ｓ：0.010％以下、Ｎ：0.010～0.025％、Cr：11～14％、Ni：0.5～２％、Cu：0.5～２％、Mo：１～２％、Nb：0.03～0.3％、Al：0.01％以下、Ti：0.1％以下、Ｃ＋Ｎ：0.06～0.1％を満足し、残部Feおよび不可避不純物からなり、下記（１）式のγｐが80以上を満たすことを特徴とする。γｐ＝420［％Ｃ］＋470［％Ｎ］＋23［％Ni］＋９［％Cu］＋７［％Mn］−11.5［％Cr］−11.5［％Si］−52［％Al］−12［％Mo］−47［％Nb］＋189…（１）

Description

明細書焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイ卜系ステンレス鋼板技術分野

本発明は、二輪車のディスクブレーキ用鋼板に関し、特に、ブレ

—キに加工後、 1000°C未満のような比較的低温度からの焼入れままで、ブレーキとして必要な硬さが安定して得られ、使用時のディスク温度が 650 にも達する場合にも軟化しにくい耐熱性に優れたマルテンサイト系ステンレス鋼板に関する。背景技術

二輪車のディスクブレーキ用鋼板には、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髙いほど大きくなる。一方、硬さが高す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、 32〜38HRC (ロックゥエル硬さ Cスケール）が求められる。これらの要求特性から、二輪車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板が用いられている。

従来は、 SUS420 J 2を焼入れ焼き戻しして所望の硬さに調節し、ブレーキとしていたが、この場合、焼入れと焼き戻しの 2つの熱処理工程を要するという問題があった。これに対し、特開昭 57— 198249 号公報においては、 SUS420 J 2の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ことができ、かつ、焼入れままで使用できる鋼組成に関する発明が開示されている。これは、低 C , N化し、かつ、それによるオーステナイト温度域の縮小、つまり、焼入れ温度域が狭くなることをオーステナイト形成元素である Mn添加で補つたものである。また、特開平 8— 60309号公報において、低 Mn鋼で焼入れままで使用できるオートバイディスクブレーキ用鋼板が開示されている。この鋼板は、 Mnを低下させる代わりに、オーステナイト形成元素として同様の効果を持つ、 N iおよび Cuを添加したものである。

最近、二輪車においても車体の軽量化が望まれており、二輪ブレ —キディスクの軽量化が検討されている。この場合、課題となるのが制動時の発熱に起因するディスク材軟化によるディスクの変形であり、これを解決するためには、ディスク材の耐熱性を向上させる必要がある。この解決策の 1つとして焼き戻し軟化抵抗の向上があり、特開 2001— 220654号公報において、 Nb， Mo添加による耐熱性向上法が開示されている。しかし、耐熱性向上効果は 530°Cが限界であった。さらに、特開 2004— 346425号公報において、 600°Cを超える温度でも焼き戻し軟化が起こりにくい鋼板が開示されている。さらに、特開 2005— 133204号公報において、 1000°Cを超える温度からの焼入れ処理を行うことにより優れた耐熱性を有するディスク材が開示されている。発明の開示 '

ところで、特開 2005— 133204号公報に記載の発明のような 1000°C を超える温度からの焼入れ処理よりも低い 1000°C未満の温度域からの焼入れ処理の方が、エネルギーコスト、製造コストの面で有利である。しかし、焼入れままで使用することを前提として、例えば、 600°Cを超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を発現するように合金添加等で耐熱性を向上させようとすると、 900°Cから 1000°C程度の比較的低温からの焼き入れでは硬度が上昇しにくい、いわゆる、焼き入れ性が低下する現象が起こりやすいという問題がある。このような問題に対し、特開 2004— 346425号公報に記載の発明ではなんら示唆もなく、また、特開 2005— 133204号公報に記載の発明では、そもそも高温からの焼き入れを指向している。

そこで、本発明は、焼入れままで使用することを前提とし、 600 °Cを超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を有するなど高い耐熱性を保ちながら、 900〜 1000°C程度の比較的低温からの焼入れでも焼きが入りやすい、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は以下の通りである。

( 1 ) 質量％で、 C : 0.05%以上 0. 10%以下、 5 0. 1%以上 1 %以下、 Mn： 0. 2%以上 2.0%以下、 P ： 0.04%以下、 S ： 0.010% 以下、 N ： 0.010%以上 0. 025%以下、 Cr： 11%以上 14%以下、 Ni ： 0. 5%以上 2 %以下、 Cu： 0. 5%以上 2 %以下、 Mo : 1 %以上 2 %以下、 Nb： 0.03%以上 0. 3%以下、 Al : 0. 01%以下、 Π : 0. 1%以下を含有し、さらに、 C , Νは、 C + Ν ： 0. 06%以上 0. 1%以下を満足し、残部 Feおよび不可避的不純物からなり、下記（ 1 ) 式で表される T Pが 80以上を満足することを特徴とする、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイ卜系ステンレス鋼板。

7 P = 420 [% C ] + 470 [% N] + 23 [%Ni] + 9 [% Cu] + 7 [ Mn] - 11. 5 [% Cr] - 11. 5 [% Si] - 52 [%A1] - 12 [%Mo] ― 47 [%Nb] + 189- ( 1 ) 図面の簡単な説明

図 1は、 Cと Nの合計量を同じにした高 C低 N鋼と低 C高 N鋼についての焼き入れ性評価試験の結果を示す図である。図 2は、 Cと Nの合計量を同じにした高 C低 N鋼と低 C高 N鋼についての焼き戻し軟化抵抗の評価試験の結果を示す図である。発明を実施するための最良の形態

本発明を実施するための最良の形態と限定条件について詳細に説明する。

本発明者らは、焼入れままで使用できる二輪車ディスクブレーキ材料について、詳細な検討を行ってきた。その中で耐熱性に関する検討では、焼き戻し軟化抵抗の向上の検討を中心に進めてきた。焼き戻し軟化抵抗を向上させるには、 Nb， Moを中心とする合金元素を添加するが、そのために焼き入れしても硬度が上昇しにくい、いわゆる、焼き入れ性が低下することが課題になっていた。本発明者らはこの点について詳細に検討を進めた結果、 Cと Moを有効に組み合わせることにより、焼き入れ性を確保しつつ焼き戻し軟化抵抗の向上を達成できることを見出した。すなわち、焼き入れ後所定の硬さを得るための必須元素である Cと Nとでは、 Nb , Moを中心とする合金添加量を増加させた場合の、焼き入れ性の低下に対する効果が異なることに着目した。

図 1 に、同じ C + N量（0. 08 % ) で、 Cと Nとの割合の異なる鋼 ( A 1鋼、 A 2鋼。具体的成分は表 1参照。）の焼き入れ性の評価結果を示す。同図から、 Nが多い場合（A 2鋼）は、合金添加量を増加させると、焼き入れ性が低下するが、 Cが多い場合（A 1鋼）では、合金添加量を増加させても、焼き入れ性が低下しにくいことが分かる。この効果は Moを添加する場合に顕著に現れることも見出した。

また、耐熱性に関し、 Nbを微量含有する場合には、 T iを制 β艮することにより焼き戻し軟化抵抗が向上することも見出した。先ず、各成分に関する限定条件を述べる。

Cは、焼入れ後所定の硬さを得るためには必須の元素であり、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。本発明のように Nb, Moを中心とする合金添加により耐熱性を向上させる場合、 Nに対して Cを多く添加する方が好ましい。しかし、 0. 10%を超えて添加すると硬度が硬すぎて、ブレーキの鳴き、靱性劣化等の不具合を生じることから、 0. 10%を上限とする'。また、 0.05%未満では、硬さを得るために Nを過大に添加しなければならないことから 0.05%を下限とする。

Nは、 Cと同様に焼入れ後に所定の硬度を得るためには有用な元素であり、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。本発明のように Nb， Moを中心とする合金添加により耐熱性を向上させる場合、 Nに対して Cを多く添加し、 Nは少なくする方が好ましい。 0.025 %を超えて添加すると焼き入れ性の低下を招くため、これを上限とする。また、 Nを 0.010%未満とすることは製鋼コストの増大になるため、 0.010%を下限とする。

C + Nは、焼入れ後の硬さに直接関係する量であり、添加量が増加するほど硬くなる。耐熱性を向上させるための、 Nb， Moを中心とする合金元素の多量添加のために問題となる焼入れ性低下の問題を回避して、所定の硬さレベルである HRC32〜38を満足するように調整するためには、 0.06%以上 0. 1%以下とする必要がある。

Siは、フェライト形成元素として非常に強力であり、この点では抑制する必要がある。しかし、脱酸材として有用である。よって、その好適範囲は、 0. 1%以上 1 %以下とする。 1 %を超えるとォーステナイト形成元素である Ni， Cu， Mnを過度に添加する必要があるため好ましくなく、 0. 1%未満では脱酸効果が乏しくなるため好ましくない。 Mnは、重要なオーステナイト形成元素である。本発明では、 Ni， Cuとともに高温でのオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するため、 ' 0.2%以上の添加を必要とする。 2.0%を超えると、耐銹性の劣化が見られるため、 2 %を上限とする。 Mnは、 Ni， Cuと異なり耐熱性を向上させる効果はないため、より耐熱性向上が必要な場合は、 1 %以下が好ましい。

Pは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、 0.04%を越えて含有すると靭性が低下するために 0.04%を上限とした。

Crは、二輪ディスクブレーキ材料として必要な耐銹性を確保するための必要な基本元素であり、その含有量が 11%未満では十分な耐銹性を得ることができない。また、 Crはフェライト形成元素であるため、 14%を超えて添加すると、オーステナイト相生成温度域が縮小し、焼入れ温度域でマルテンサイト相に変態しないフェライト相が生成し、焼入れ後の硬さを満足することができなくなる。よって、 Cr添加量は、 11%以上 14%以下とする。

Niは、 Mnと同じくオーステナイト形成元素であり、高温でオーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。また、焼き戻し軟化抵抗の向上に寄与するため、 0.5%以上添加する。 2 %を超えて添加すると靭性の低下を招くため、 2 %を上限とする。

Cuは、 Mn， Niと同じく、オーステナイト相を確保して焼入れ性を確保するために有効な元素である。はブレーキ制動発熱によるデイスクの軟化を抑制することに効果的であり、大型バイク向け用途等でディスクの制動発熱が高くなるような場合は、 0.5%以上添加する。しかし、 2 %を超えて添加すると靭性が劣化するため上限は 2 %とする。

AIは、脱酸剤として非常に有用であるが耐銹性を劣化させる懸念があるため、本発明ではできるだけ抑制する。よって、 0.01%を上限とする。

Sは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、本発明では 0.01 0%を越えて含有すると CaSが生成しやすいため、 0. 01%を上限とする。また、 Sを 0. 001%未満とすることは製鋼コストの非常な増大を招くため、 0. 001%を下限とすることが好ましい。

Moは、本発明で非常に重要な元素である。 Moを適量添加することにより焼き戻し軟化抵抗は顕著に向上するとともに、焼き入れ性も向上する。この焼き戻し軟化抵抗の向上機構はいまだ明らかではないが、 0.05%以上の C量である場合、その向上効果が顕著であることから、 Cr炭化物の析出および粗大化を抑制し、高温でも転位運動を抑制可能で焼き戻し軟化抵抗を向上させているものと考えている。また、焼き入れ性の向上機構についても、 Cr炭化物の析出抑制によって固溶 Cを確保していることが原因であると推定している。一方、従来技術では、 Cと Moの組み合わせに着目していなかつたため、焼き入れ性の向上効果を見出せなかったものと考えている。しかし、 1 %未満ではその効果が得られないため、 Moは、 1 %以上の添加が必要である。また、 2 %を超える Moの添加は靭性を劣化させるため Moの上限は 2 %とする。

Nbも、本発明で非常に重要な元素である。 Nbを適量添加することにより焼き戻し軟化抵抗が顕著に向上する。この機構はいまだ明らかではないが、 Nbは Nと相関が大きく、 Cr窒化物の析出および粗大化を抑制し、転位運動を抑制し焼き戻し軟化抵抗を向上させているものと考えている。本発明では Nを抑制しているが、ある程度含有しているため Nbの焼き戻し抵抗向上効果も充分有効である。しかし、 Nbは Nと結びついて NbNの形で析出しやすく、この形で析出すると強化機能がなく、 Nの固溶強化効果を減少させ、さらに、焼き入れ性を減少させる原因となるので、過剰の添加は避ける必要がある

。そのため、焼き戻し軟化抵抗を向上させるためには、 0.03%以上の添加が必要である。一方、 0.3%を超える添加は焼き入れ性が劣化するため上限は 0.3 %とする。

Tiは、本発明では制限すべき元素である。 Tiを添加すると粗大な TiN (Cも固溶する）の形で析出するため強化機能がないばかりでなく、固溶 N、さらには固溶 Cを減少させてしまい、焼き入れ性および耐熱性を低下させる。さらに、本発明のように Nbの微量添加により焼き戻し軟化抵抗を向上させている場合は特に顕著に影響する。そのため、 Ti量は 0.1%以下にする必要がある。耐熱性の必要性が高い場合は、さらに低減させて、 0.05%以下が好ましい。

さらに、これら述べてきた各元素はその成分範囲の中で、 900〜1 100°Cの温度範囲で安定して焼入れを行えるために、次式（ 1 ) で表されるガンマポテンシャル r Pが、 80以上を満足するよう相互に調整される必要がある。ァ pが 80未満であると、焼入れしてもフエライト相が残る場合があり、所定の硬度レベルに達しない場合があるからである。

r P = 420 [% C] + 470 [% N] +23 [%Ni] + 9 [ % Cu] + 7 [%Mn] - 11.5 [%Cr] - 11.5 [%Si] -52 [%A1] — 12 [%Mo] -47 [ Nb] + 189··· ( 1 )

焼き入れ温度に関しては、あまり高温すぎる場合は、製造時間の増大、コストの増加を招くため、 900°C以上 1000°C以下で行うことが好ましく、その温度範囲からの焼き入れでも本発明鋼は、所定の硬さ範囲を満足する。

· ρとは、高温域でのオーステナイトの安定度を表す指標であり、上記 ( 1 ) 式は、文献「Etude des transformations isothermes dans les ac iers inoxydabi le semi-f err i t iques a 17% de chro me」（Memoires Sc i en t i f i QuesRev. Metal lurg. , LXIII, N° 7/8, 1966) から引用している。

次に製造方法について詳細に説明する。

上述した成分組成からなるスラブ（或いはインゴット等）を、熱間圧延によって、板厚 2〜 8 mm程度の熱延板とした後、焼鈍を行つて、軟化させた後、酸洗して製品の鋼板とする。酸洗せずにショッ卜ブラス卜による仕上げでもよい。

これらの鋼板は、ブレーキディスク製造工程において、ディスク形状に加工された後、 900〜 1000°Cに加熱後焼き入れし、両面を研磨されて、ブレーキディスクとする。

実施例

(実施例 1 )

表 1 に示す化学成分を有する厚み 200顏の鋼片を、熱間圧延によつて、板厚 6 111111の熱延板を得た。さらに、 850°Cまで加熱して徐冷する軟化焼鈍を施した。

これらの鋼板から、焼き入れ性評価試験片を採取し、残りは 950 °Cまたは 1000°Cで 10分間保持後、水冷する焼入れ処理を行った。表 1

(質量％)

焼き入れ性評価は、 850 〜 1100°Cの温度に 10分間保持した後に、水冷した焼入れ材を、 JIS Z 2245に準拠した、ロックウェル硬さ試験（HRC) で硬さ測定することで行った。 HRCで 32から 38が合格である。

焼き入れ処理した鋼板から、各種試験片を採取し、評価試験を行つた。焼き戻し軟化特性に関しては、 550°Cから 650°Cで 1時間の焼き戻しを行った後、焼入れ材の硬さ試験と同様にロックウェル試験で評価した。焼き戻し後の硬さが HRC 30を下回らないことが合格基準である。また、耐銹性試験は、試験片両面を # 240研磨し、 240時間の塩水噴霧試験（J I S Z 237 1準拠）を行い、発銹程度を調査した。発銹しないものを合格、発銹したものを不合格とした。

図 1 に焼き入れ性評価試験の結果を示す。同じ C + N量で高 Cである A 1鋼は焼き入れ温度 900°Cから 1 100°Cの温度範囲で HRC32〜38の所定範囲を満たし、かつ、ほぼ一定の硬さを示すが、高 Nである A 2鋼は 950°Cでぎりぎり所定範囲に到達するも、焼き入れ温度を上げても A 1鋼に比べて到達硬さも低く、 A 1鋼の方が焼き入れ性に優れていることが分かる。

図 2に焼き戻し軟化抵抗の評価結果を示す。本発明例である A 1 鋼は 650°C、 1 hの焼き戻しにおいても硬さが HRC30以上あり、優れた耐熱性を示している。比較例である A 2鋼もかなり優れた耐熱性を示しているが、初期硬さが低いこともあり、 600°C以上では HRC 30 を下回っている。

耐銹性試験の結果は両鋼とも合格であった。

以上から、本発明鋼は、耐熱性に優れると共に、焼き入れ性に優れていることが明らかである。

(実施例 2 )

表 2に示す化学成分を有する厚み 200mmの鋼片を溶製した後、熱間圧延によって、厚さ 6 mmの熱延板を得た。さらに、 850°Cまで加熱して徐冷する軟化焼鈍を施した。

これらの鋼板は 900°C、 950°C、 1000°Cで 10分間保持後、水冷する焼入れ処理を行つた。

焼き入れ処理した鋼板から、各種試験片を採取し、評価試験を行つた。焼き戻し軟化特性に関しては、 600°Cおよび 650°Cで 1時間の焼き戻しを行った後、 J I S Z 2245に準拠した、ロックウェル硬さ試験（HRC) で行った。 HRCで 32から 38が合格である。焼き戻し後の硬さが HRC 30を下回らないことが合格基準である。また、両銹性試験は、試験片両面を # 240研磨し、 240時間の塩水噴霧試験（J I S Z 23 71準拠）を行い、発銹程度を調査した。発銹しないものを合格、発銹したものを不合格とした。これらの結果を表 3に示す。 ·

B 1鋼から B 5鋼は、 12. 5 C r— 1. 2N i— 1 Cu系で Moを変化させたものである。 B 1鋼.は焼き入れ性が不十分で耐熱性も低い。これは Moが低いために炭化物の析出抑制が不十分なためであると推定している。 B 2鋼から B 4鋼は本発明鋼であり、焼き入れ性、耐熱性ともに充分である。 B 5鋼は Moが多いために焼き入れ性、耐熱性が充分であるが、靭性が低くなり使用中に割れる危険性があるため好ましくない。

C 1鋼から C 5鋼は Mo以外の成分を変化させたもので、 C 1鋼、 C 2鋼も本発明鋼であり、焼き入れ性、耐熱性ともに充分である。 C + Nが低い C 3鋼は十分焼きが入った状態でも硬さが不足している。また、ァ Pが低い C 4鋼も焼入れ性が不十分となり、焼入れ後の硬さが低く、不合格である。また、 T iが多い C 5鋼は焼き戻し後の HRCが 30以下となり耐熱性が不合格である。

なお、今回の供試鋼の耐銹性が全て合格であった。 N i， Cu, Mo等耐銹性を向上させる元素が多量に含有されているためであると推定している。

以上から、本発明鋼が耐熱性に優れるとともに焼き入れ性に優れており、ディスクブレーキ用材料として好適であることは明らかで

ζ拏 l tLW900Zd£/13d 9Z96Z0/.00J OAV 表 3

産業上の利用可能性

本発明により、焼入れままで使用する二輪車ディスクブレーキ用鋼板であって、 900〜 1000°Cといった比較的低い焼入れ温度域から焼き入れても、 32〜38HRCの硬さが得られる焼入れ性に優れた、 600 °Cを超える高温でも焼き戻し軟化抵抗効果を有する耐熱二輪車ディスクプレ一キ用マルテンサイト系ステンレス鋼板を提供することができ、製造者のみならず本鋼板を利用する者にとっても多大な利益を得ることができる。

Claims

請求の範囲

1. 質量％で、

C ： 0.05%以上 0. 10%以下、

Si ： 0. 1%以上 1 %以下、

Mn： 0.2%以上 2.0%以下、

P ： 0.04%以下、

S ： 0.010%以下、

N ： 0.010%以上 0.025 %以下、

Cr： U%以上 14%以下、

Ni ： 0.5%以上 2 %以下、 - Cu： 0.5%以上 2 %以下、

Mo： 1 %以上 2 %以下、

Nb： 0.03%以上 0.3%以下、

A1 ： 0.01%以下、

Ti ： 0. 1%以下

を含有し、さらに、 C , Nは、

C + N ： 0.06%以上 0. 1%以下

を満足し、残部 Feおよび不可避的不純物からなり、下記（ 1 ) 式で表されるァ pが 80以上を満足することを特徴とする、焼き入れ性に優れた耐熱ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。 7 P = 420 [% C] + 470 [% N] +23 [ Ni] + 9 [ Cu] + 7 [ %Mn] - 11.5 [%Cr] - 11.5 [%Si] - 52 [ A1] 一 12 [%Mo] 一 47 [ Nb] + 189- ( 1 ) Fig.1

焼き入れ温度 (°C)

Fig.2

00 50 500 5B0 600 650 700 焼き戻し温度 (°C)