WO2014119501A1 - 鋳鉄及びブレーキ部品 - Google Patents

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茂仁 張
公章 古屋
博之 渡邊
新川 雅樹
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株式会社リケン
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    • F16D2200/0008Ferro
    • F16D2200/0013Cast iron

Definitions

  • the present invention relates to cast iron and brake parts suitable for use in a brake device such as a vehicle, and more particularly to cast iron and brake parts that can achieve a reduction in weight of a brake disk by providing a high specific heat.
  • Brake devices such as automobiles and motorcycles include a brake disc that rotates with the wheels and a brake pad that is pressed against the brake disc. Brake discs are required to have high thermal conductivity in order to suppress functional deterioration due to generated frictional heat.
  • flake graphite cast iron, CV graphite cast iron, and spheroidal graphite cast iron have been used as materials for realizing such demands at low cost.
  • flake graphite cast iron can improve thermal conductivity by increasing the graphite length because graphite is a good thermal conductor.
  • Patent Document 1 relates to corrosion-resistant cast iron, and in a carbon equivalent range of 3.8 to 4.5%, in mass%, C: 2.8 to 4%, Si: 1.5 to 3. 0%, Mn: 0.3 to 1.2%, P: 0.2% or less, S: 0.06 to 0.25%, Cu: 0.15 to 3.5%, and the balance: Fe and inevitable It consists of impurities and suppresses rusting by changing the Cu content.
  • Patent Document 2 relates to a disc for a disc brake.
  • C 2.8 to 3.8%
  • Si 1.8 to 3.4%
  • Mn 0.5 to 1 0.0%
  • S 0.02-0.1%
  • Cr 0.1-1.5%
  • Mo 0.1-1.0%
  • Ni 0.1-1.2%
  • Ce It consists of 0.01 to 0.05%
  • Cu 0.1 to 1.2%
  • balance Fe and unavoidable impurities, and heat crack resistance is improved by increasing the strength with Ce.
  • Patent Document 3 has a sliding part and a hub attachment part, and is a brake part having an integral structure made by casting with a single molten metal, in mass%, C: 3.5 to 3.90%, Si: 2.3 to 3.0%, Mn: 0.7 to 1.1%, P: ⁇ 0.05%, S: 0.08 to 0.012%, Cu: 0.7 to 1.2 %, Balance: iron and inevitable impurities, CE value 4.3-4.7, tensile strength 15-20kgf / mm 2 , damping capacity 12-20 ⁇ 10-3 , inner surface of hub mounting hole Is subjected to induction hardening so as to have a hardness of HRB 90-105.
  • Patent Document 4 is a high thermal conductivity corrosion-resistant cast iron, in which carbon equivalent: in the range of 4-5%, mass%, C: 3-4.5%, Si: 1.5-3.0 %, Mn: 0.5 to 1.5%, P: 0.2% or less, S: 0.06 to 0.25%, Cu: 0.15 to 3.5%, Ca: 0.02 to 0 0.1%, Al: 0.02 to 0.1%, balance: iron and inevitable impurities, and acicular graphite is formed in the structure, thereby improving high thermal conductivity and corrosion resistance.
  • carbon equivalent in the range of 4-5%, mass%, C: 3-4.5%, Si: 1.5-3.0 %, Mn: 0.5 to 1.5%, P: 0.2% or less, S: 0.06 to 0.25%, Cu: 0.15 to 3.5%, Ca: 0.02 to 0 0.1%, Al: 0.02 to 0.1%, balance: iron and inevitable impurities, and acicular graphite is formed in the structure, thereby improving high thermal conductivity and corrosion resistance.
  • cast iron focusing on increasing the specific heat has not been made.
  • cast iron contains a relatively large amount of Cu.
  • Cu has a high material cost, its reduction is desired.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and it is possible to reduce the cost by reducing the Cu content and to achieve a reduction in the weight of brake parts and the like by having a high specific heat. It aims to provide cast iron and brake parts that can be made.
  • the present inventors can obtain high specific heat (for example, 600 J / kg / K or more) when using cast iron having the following composition. It was concluded that the greenhouse gas emission control effect could be obtained sufficiently. And earnest research was repeated to obtain such specific heat.
  • Cast iron consists of ferrite, cementite, graphite, and other trace inclusions.
  • the inventors of the present invention have studied the increase in specific heat of ferrite having the largest weight fraction, and as a result of investigating various elements that are solid-solved in ferrite and have an effect of improving specific heat, Si is the most effective and produces carbide. It has been found that it can be easily dissolved in ferrite.
  • Si The effect of Si is remarkably exhibited when 3.5% or more is added to cast iron.
  • Si concentrates mainly in ferrite in cast iron, and the weight fraction in ferrite becomes 4% or more. In general, at this concentration, it is said that Fe 3 Si precipitates in an equilibrium state, but from the result of analysis by X-ray diffraction, Fe 3 Si is hardly detected under normal production conditions. In other words, it is considered that Si that does not form an ordered structure and is dissolved in an irregular and supersaturated state improves the specific heat of ferrite.
  • the cast iron of the present invention has been made based on the above knowledge, and in terms of mass%, C: 3.0 to 4.8%, Si: 3.5 to 5.0%, Mn: 0.5 to 2. 0%, Sn and / or Sb, Sn: 0.02 to 0.2%, Sb: 0.01 to 0.2%, Cu: 0.5% or less, balance: Fe and inevitable impurities It is characterized by that.
  • the cast iron of the present invention may further contain Cr: 0.05 to 1.5% by mass.
  • the cast iron of the present invention preferably has a specific heat at 200 ° C. of 600 J / kg / K or more, and a thermal conductivity at 200 ° C. of 44 W / m / K or more.
  • the area ratio of pearlite in the base structure is preferably 90% or more.
  • the brake component of the present invention is manufactured from the cast iron.
  • C 3.0 to 4.8% C is an element necessary for precipitating graphite in the matrix structure.
  • Graphite is a good conductor of heat and increases the thermal conductivity of cast iron and has the effect of quickly releasing the absorbed heat energy. If the C content is less than 3.0%, it becomes difficult to obtain 44 W / m / K, which is the same thermal conductivity as the cast iron of the current material. On the other hand, if the C content exceeds 4.8%, the melting point of the cast iron becomes too high and it becomes difficult to dissolve, and the strength is significantly reduced, so that addition becomes difficult. Therefore, the C content is set to 3.0 to 4.8%.
  • Si 3.5-5.0%
  • Si is an element that increases the specific heat of cast iron. If the Si content is less than 3.5%, it is difficult to obtain a target specific heat of 600 J / kg / K. On the other hand, if the Si content exceeds 5%, the viscosity of the molten metal becomes high and casting becomes difficult. Therefore, the Si content is set to 3.5 to 5.0%.
  • Mn 0.5 to 2.0% Mn is mixed from raw material scrap and has the effect of strengthening the base structure. If the Mn content is less than 0.5%, such an effect is poor. On the other hand, when the content of Mn exceeds 2%, chilling of the base structure becomes remarkable and machinability is lowered. Therefore, the Mn content is set to 0.5 to 2.0%.
  • P 0.2% or less P improves the fluidity of the molten metal.
  • the content of P as an inevitable impurity is desirably 0.2% or less.
  • the content of S as an inevitable impurity is desirably 0.25% or less.
  • Sn and Sb In the present invention, addition of Si is indispensable for increasing the specific heat, but Si has an action of promoting ferritization. However, when the ferrite fraction is increased, the strength and wear resistance are reduced. Therefore, in the present invention, one or two elements selected from the group of Sn and Sb are contained as an element for promoting the pearlization of the base tissue and improving the strength.
  • the cast iron contains Cu, but Cu has a high material cost. Therefore, the present inventors have found Sn and Sb as elements that promote the formation of pearlite in the base structure in the same manner as Cu. Although Sn and Sb have a material cost of the same mass higher than that of Cu, an equivalent pearlite effect can be obtained with a content less than Cu, and as a result, the Cu content can be reduced to 0.5% or less. And cost reduction can be achieved.
  • Cu 0.5% or less
  • Sn and / or Sb as an element that obtains the same effect as Cu
  • a pearlite effect is exhibited even when the Cu content is 0.5% or less. can do.
  • the Cu content can be further reduced, and in some cases Cu may not be contained.
  • Cu is contained in a small amount in the raw material of cast iron, and it is substantially difficult to make the content 0 (zero), and about 0.01% is inevitably detected. Therefore, the lower limit of the Cu content is unavoidable, and for example, 0.01% is mentioned as the lower limit.
  • the Cu content may be set to 0 (zero).
  • Sn 0.02% to 0.2%
  • Sn is a powerful pearlite-promoting element that suppresses ferrite precipitation. By concentrating Sn in a narrow range between the graphite and the base boundary, the growth of graphite due to repeated cycles of frictional heat due to braking is suppressed, and the progress of thermal cracks is prevented. When Sn is less than 0.02%, the pearlite effect is small. On the other hand, if Sn is added in excess of 0.2%, the toughness is lowered and the toughness against heat cracks is lowered. Therefore, the Sn content is 0.02% to 0.2%.
  • Sb 0.01 to 0.20%
  • Sb is an element that suppresses the precipitation of ferrite and stabilizes pearlite.
  • Sb contributes to the improvement of the hardness of cast iron containing A-type graphite obtained in order to refine the graphite size in the pearlite matrix. If Sb is less than 0.01%, the contribution to improvement of the base structure, that is, stabilization of pearlite is small and insufficient. When the Sb content exceeds 0.2%, the impact value is remarkably lowered and D-type graphite is easily formed.
  • the Sb content is 0.01% to 0.20%.
  • Cr 0.05% to 1.5%
  • the Cu content can be reduced (or the Cu content is substantially 0).
  • carbide is contained. May become unstable, so it is preferable to contain Cr.
  • Cr is an element that stabilizes carbides, densifies the structure and improves strength, and is desirably contained in an amount of 0.05% or more.
  • Cr concentrates to cementite and stabilizes pearlite. That is, Cr has the effect of suppressing the growth phenomenon and reducing the rate of change in volume due to heating and cooling.
  • Cr hardly forms a solid solution in ferrite and forms a carbide, so that the contribution to the improvement of specific heat is small.
  • the Cr content exceeds 1.5%, chill is likely to be generated in the base structure, and the machinability is lowered. Therefore, the upper limit must be 1.5%. Therefore, the Cr content is 0.05% to 1.5%.
  • Alloy elements such as Ni, Mo and V can be contained in a small amount as follows in order to improve the structure and properties of cast iron.
  • Ni more than 0% and 1.2% or less Ni is an element that promotes graphitization and suppresses chilling to improve machinability. It also has the effect of improving the strength of the base organization. However, since Ni is very expensive, it cannot be added in a large amount. In order to achieve both the above effects and cost, it is desirable to contain Ni in excess of 0% and 1.2% or less.
  • the lower limit of the Ni content can be, for example, 0.01%.
  • Mo more than 0% and 1.0% or less Mo is an element that stabilizes carbides, densifies the structure, and improves strength. In order to obtain such an effect, it is desirable to contain Mo. On the other hand, Mo hardly dissolves in ferrite and forms carbides, and therefore contributes little to improving specific heat. Therefore, the Mo content is desirably more than 0% and 1.0% or less. The lower limit of the Mo content can be, for example, 0.001%.
  • V Over 0% and 0.35% or less V is an element that stabilizes carbides, densifies the structure, and improves strength. In order to obtain such an effect, V is desirably contained. On the other hand, since V is hard to dissolve in ferrite and forms a carbide, its contribution to improving specific heat is small. Therefore, the V content is desirably more than 0% and 0.35% or less. The lower limit of the V content can be, for example, 0.01%.
  • the specific heat needs to be 600 J / kg / K or more in order to obtain a sufficient lightening effect (particularly in the case of a brake disc).
  • the average temperature of the brake disc is about 200 ° C.
  • the specific heat at 200 ° C. is preferably 600 J / kg / K or more.
  • the heat conductivity in 200 degreeC is 44 W / m / K or more.
  • the cast iron of the present invention can be applied to any of flake graphite cast iron, CV graphite cast iron, and spheroidal graphite cast iron.
  • spheroidal graphite cast iron has high tensile strength because graphite is spherical, but its thermal conductivity is insufficient. Therefore, flake graphite cast iron having high thermal conductivity or CV graphite cast iron having a balance between thermal conductivity and tensile strength is suitable, and flake graphite cast iron is desirable as long as low tensile strength is allowed.
  • the area ratio of pearlite in the base tissue is 90% or more, thereby ensuring sufficient strength.
  • the area ratio of pearlite was determined by image processing from the metal structure photograph of the cross section of cast iron, (1) extracting the structure excluding graphite, (2) extracting pearlite structure excluding graphite and ferrite, Area) / (area of pearlite + ferrite).
  • the present invention has found an effect of improving the specific heat of Si, which has not been known so far, and can contain 3.5 to 5.0%, thereby imparting high specific heat to cast iron (particularly brake parts manufactured from cast iron). it can.
  • the heat capacity is improved even with the same weight, so that the temperature rise of the sliding part due to frictional heat can be suppressed. Therefore, cast iron and parts using it can be reduced by reducing thermal expansion, reducing heat cracks, reducing thermal degradation, etc.
  • the lifespan is improved.
  • the weight can be reduced to the same heat capacity, the weight reduction of the brake parts can be achieved.
  • the heat load of the brake pad can be reduced by lowering the temperature of the brake pad as the counterpart material, and the components of the brake pad can be made inexpensive. .
  • a cast iron sample having the chemical composition shown in Table 1 was made.
  • the specific heat, the area ratio of pearlite, and the thermal conductivity of each cast iron sample were measured, and the results shown in Table 1 were obtained.
  • the presence or absence of defects during casting of each cast iron sample was visually observed, and the results are also shown in Table 1.
  • Specific heat was measured by differential scanning calorimetry.
  • the thermal conductivity was measured by a laser flash method.
  • the area ratio of pearlite was measured as described above. Defects at the time of casting were evaluated as “Yes” when the surface of the cast iron sample was visually observed and shrinkage cavities, hot water boundaries, etc. were confirmed.
  • Examples 1 to 8 have chemical components within the scope of the present invention, and Comparative Example 1 is FC250 (gray cast iron) which is an example of a current material. In Comparative Examples 1 to 5, chemical components that depart from the scope of the present invention are underlined. In addition, the specific heat, the thermal conductivity, and the area ratio of pearlite are also underlined if they depart from the target range of the present invention. 1 to 3 are graphs showing the results shown in Table 1. FIG.
  • each of Examples 1 to 8 of the present invention has higher specific heat and thermal conductivity than Comparative Example 1 (current material), and the area ratio of pearlite is the same as that of Cu.
  • the content of was able to be 0.5% or less.
  • Comparative Example 1 had a low specific heat because the Si content was less than 3.5%. As shown in FIG. 1, in order to obtain a specific heat of 600 J / kg / K or more, the Si content needs to be 3.5% or more.
  • Comparative Example 3 had a very low thermal conductivity because the C content was less than 3.0% while the Si content was the same level as in Example 1. As shown in FIG. 2, in order to obtain a thermal conductivity of 44 W / m / K or more, the C content needs to be 3.0% or more.
  • Comparative Example 4 is one in which the content of C is set to the same level as in Example 1 but the Si content is more than 5.0%. As shown in Table 1, in Comparative Example 4, the specific heat was very high, but casting defects occurred because the viscosity of the molten metal was high.
  • Comparative Example 5 the Si content was about 0.8% lower than that of Example 1 and less than 3.5%, and the specific heat was improved as compared with Comparative Example 1, but 600 J / kg. / K was not exceeded.
  • a pearlite ratio (perlite area ratio) of 90% or more is secured, a specific heat is 600 J / kg / K or more, and a thermal conductivity is 44 W / m /. K or more.
  • Brake discs of the same type and size were produced from the cast iron samples of Example 7 and Comparative Example 1, and this was mounted on an automobile and decelerated from 200 km / h to 0 km / h at 0.6 G.
  • the temperature change of the brake disc at this time is shown in FIG. It can be seen that the temperature of the brake disc of Example 7 is significantly lower than that of Comparative Example 1. That is, in Example 7, since the specific heat was improved, the amount of heat energy absorbed was large, and the temperature increase of the brake disc was suppressed. Therefore, according to the present invention, it is possible to reduce the weight of the brake disk as much as the specific heat of the brake disk is improved, to improve the life of the brake pad, and to reduce the components of the brake pad.
  • the present invention is not limited to a disc-shaped brake component, and can be applied to a brake component having an arbitrary shape such as a cylindrical shape or a long plate shape.
  • the present invention can be applied to all brake components and brake devices such as brakes for transportation equipment such as automobiles, motorcycles, trains, and brakes for mechanical equipment such as presses.

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Abstract

本発明は、高い比熱を有することにより、ブレーキ部品の軽量化等を達成することができる鋳鉄及びブレーキ部品を提供するものである。本発明の鋳鉄は、質量%で、C:3.0~4.8%、Si:3.5~5.0%、Mn:0.5~2.0%、Sn及び/又はSbであって、Sn:0.02~0.2%、Sb:0.01~0.2%、Cu:0.5%以下、残部:Fe及び不可避不純物からなる鋳鉄である。

Description

鋳鉄及びブレーキ部品
 本発明は車両等のブレーキ装置に用いて好適な鋳鉄及びブレーキ部品に係り、特に、高い比熱を備えることによりブレーキディスクの軽量化を達成可能な鋳鉄及びブレーキ部品に関する。
 自動車や自動二輪車等のブレーキ装置は、車輪とともに回転するブレーキディスクと、ブレーキディスクに押し付けられるブレーキパッドとを備えている。ブレーキディスクには、発生する摩擦熱による機能低下を抑制するため高い熱伝導率が要求される。このような要求を低コストで実現する材料として、従来、片状黒鉛鋳鉄、CV黒鉛鋳鉄、球状黒鉛鋳鉄が用いられている。特に、片状黒鉛鋳鉄は、黒鉛が熱の良導体であるために黒鉛長さを大きくすることにより、熱伝導率の向上が可能である。
 鋳鉄に関する先行技術文献としては以下のものがある。特許文献1に記載のものは、耐食性鋳鉄に関するもので、炭素当量3.8~4.5%の範囲で、質量%で、C:2.8~4%、Si:1.5~3.0%、Mn:0.3~1.2%、P:0.2%以下、S:0.06~0.25%、Cu:0.15~3.5%、及び残部:Fe及び不可避不純物からなり、Cuの含有量を変化させて発錆を抑制している。
 特許文献2に記載のものは、ディスクブレーキ用ディスクに関するもので、質量%で、C:2.8~3.8%、Si:1.8~3.4%、Mn:0.5~1.0%、S:0.02~0.1%、Cr:0.1~1.5%、Mo:0.1~1.0%、Ni:0.1~1.2%、Ce:0.01~0.05%、Cu:0.1~1.2%、残部:Fe及び不可避的不純物からなり、Ceで高強度化することで耐ヒートクラック性を向上させている。
 特許文献3に記載のものは、摺動部とハブ取付け部を有し、単一溶湯による鋳造製一体構造のブレーキ部品であって、質量%で、C:3.5 ~3.90%、Si:2.3~3.0%、Mn:0.7~1.1%、P:<0.05%、S:0.08~0.012%、Cu:0.7~1.2%、残部:鉄及び不可避的不純物からなり、CE値が4.3~4.7、引張強さが15~20kgf/mm、減衰能が12~20×10-3で、ハブ取付け孔内面には硬さHRB90~105になるよう高周波焼入れが施されている。
 特許文献4に記載のものは、高熱伝導耐食鋳鉄であって、炭素当量:4~5%の範囲で、質量%で、C:3~4.5%、Si:1.5~3.0%、Mn:0.5~1.5%、P:0.2%以下、S:0.06~0.25%、Cu:0.15~3.5%、Ca:0.02~0.1%、Al:0.02~0.1%、残部:鉄及び不可避不純物からなり、組織中に針状黒鉛を生成させたことにより、高熱伝導性と耐食性を向上させている。
特公昭59-011653号公報 特開2002-105581号公報 特開平5-214480号公報 特開平7-3380号公報
 ところで、近年、自動車等の運輸装置には、温室効果ガスの排出規制に伴い益々の軽量化が要望されており、特に鋳鉄の塊からなるブレーキディスクはかなりの重量物となるため、その軽量化が強く要望されている。
 ここで、ブレーキディスクとブレーキパッドによる制動は、運動エネルギーを熱エネルギーに変換する作用を伴い、ブレーキディスクは、熱エネルギーを吸収し、車両の停止後は熱エネルギーを放出する。従って、ブレーキディスクの熱伝導率が高いほど、熱エネルギーを迅速に放出することができる。また、ブレーキディスクの比熱が高いほど、熱エネルギーを蓄える能力が高く、熱エネルギーを吸収したときの温度上昇を抑制することができる。このため、ブレーキディスクの比熱が高いほど、ブレーキディスクを小型化することができる。
 しかしながら、比熱を高めることに着目した鋳鉄の開発は、現在のところなされていないのが現状である。
 又、一般に、強度や耐摩耗性を確保するため、鋳鉄にはCuが比較的多く含まれるが、Cuは材料コストが高いため、その低減が要望されている。
 本発明は、そのような事情に鑑みてなされたもので、Cu含有量を低減してコストダウンを図ることができると共に、高い比熱を有することにより、ブレーキ部品の軽量化等を達成することができる鋳鉄及びブレーキ部品を提供することを目的としている。
 本発明者等は、鋳鉄及びそれを用いたブレーキディスクを軽量化するために検討を重ねた結果、以下の組成の鋳鉄を用いると、高い比熱(例えば、600J/kg/K以上)が得られ、温室効果ガスの排出抑制効果をも十分に得られるとの結論に達した。そして、そのような比熱を得るために鋭意研究を重ねた。
 鋳鉄はフェライト、セメンタイト、黒鉛及びその他の微量な介在物からなる。本発明者等はこのうちもっとも重量分率の大きいフェライトの高比熱化を検討し、フェライトに固溶し比熱向上効果のある元素を種々調査した結果、Siが最も効果が大きく、また炭化物を作らず容易にフェライト中に固溶させることができることが判明した。
 Siの効果は鋳鉄中に3.5%以上添加したときに顕著に発現する。Siは鋳鉄中で主としてフェライト中に濃化し、フェライト中での重量分率は4%以上になる。一般に、この濃度では、平衡状態でFeSiが析出すると言われているが、X線回折による分析の結果からはFeSiは通常の製造条件ではほとんど検出されない。すなわち規則構造を作らず不規則かつ過飽和に固溶したSiがフェライトの比熱を向上させていると考えられる。
 本発明の鋳鉄は上記知見に基づいてなされたものであり、質量%で、C:3.0~4.8%、Si:3.5~5.0%、Mn:0.5~2.0%、Sn及び/又はSbであって、Sn:0.02~0.2%、Sb:0.01~0.2%、Cu:0.5%以下、残部:Fe及び不可避不純物からなることを特徴とする。
 又、本発明の鋳鉄は、さらに、質量%で、Cr:0.05~1.5%を含んでもよい。
 本発明の鋳鉄は、200℃における比熱が600J/kg/K以上であることが好ましく、200℃における熱伝導率が44W/m/K以上であることが好ましい。
 本発明の鋳鉄は、基地組織におけるパーライトの面積率が90%以上であることが好ましい。
 本発明のブレーキ部品は、前記鋳鉄から製造されてなる。
 以下、本発明の数値限定の根拠を本発明の作用とともに説明する。なお、以下の説明において「%」は「質量%」の意味である。
C:3.0~4.8%
 Cは基地組織に黒鉛を析出させるために必要な元素である。黒鉛は熱の良導体で鋳鉄の熱伝導率を高め、吸収した熱エネルギーを速やかに放出する作用を奏する。Cの含有量が3.0%未満では、現行材の鋳鉄と同等の熱伝導率である44W/m/Kを得ることが困難となる。一方、Cの含有量が4.8%を超えると、鋳鉄の融点が高くなり過ぎて溶解が困難になるとともに、強度低下が著しくなるため添加が困難になる。よって、Cの含有量は3.0~4.8%とする。
Si:3.5~5.0%
 Siは鋳鉄の比熱を高める元素である。Siの含有量が3.5%未満では、目標とする比熱である600J/kg/Kを得ることが困難となる。一方、Siの含有量が5%を超えると、溶湯の粘度が高くなり鋳造が困難になる。よって、Siの含有量は3.5~5.0%とする。
Mn:0.5~2.0%
 Mnは原料のスクラップから混入し基地組織を強化する効果がある。Mnの含有量が0.5%未満ではそのような効果が乏しくなる。一方、Mnの含有量が2%を超えると、基地組織のチル化が顕著となり、被削性を低下させる。よって、Mnの含有量は0.5~2.0%とする。
P:0.2%以下
 Pは溶湯の流動性を向上させるが、鋳鉄を脆化させるため、不可避不純物としてPの含有量は0.2%以下とすることが望ましい。
S:0.25%以下 
 Sの含有量が0.25%を超えると、MnSの生成量が過多となって白銑化傾向が増大し、被削性が低下する。よって、不可避不純物としてのSの含有量は0.25%以下とすることが望ましい。
 Sn及びSb
 本発明では比熱を高めるためにSiの添加が必須であるが、Siはフェライト化を促進する作用を有する。ところが、フェライト分率が大きくなると強度低下や耐摩耗性の低下をもたらす。そこで、本発明においては、基地組織のパーライト化を促進して強度を向上させる元素として、Sn及びSbの群から選ばれる1種又は2種を含有する。
 ここで、強度や耐摩耗性を確保するため、鋳鉄にはCuが含まれるが、Cuは材料コストが高い。そこで、本発明者らは、Cuと同様に基地組織のパーライト化を促進する元素として、Sn及びSbを見出した。Sn及びSbは、同一質量の材料コストはCuよりも高いが、Cuより少ない含有量で同等のパーライト化効果が得られるため、結果としてCuの含有量を0.5%以下に低減することができ、コストダウンを図ることができる。
Cu:0.5%以下
 上述のように、Cuと同等の効果を得る元素として、Sn及び/又はSbを含有させることで、Cuの含有量を0.5%以下としてもパーライト化効果を発揮することができる。
 なお、Sn及び/又はSbの含有量をその規定範囲内で多くすれば、Cuの含有量をさらに低減することができ、場合によってはCuを含有しなくてもよい。なお、Cuは鋳鉄の原材料に微量含まれ、含有量を0(ゼロ)とすることは実質的に困難であり、0.01%程度は不可避的に検出される。従って、Cuの含有量の下限は不可避量とし、例えば下限として0.01%が挙げられる。但し、将来的にCuを含まないで鋳鉄を製造できる場合は、Cuの含有量を0(ゼロ)としてもよい。
Sn:0.02%~0.2%
 Snはフェライトの析出を抑制し、強力なパーライト化促進元素である。黒鉛と基地境界との狭い範囲にSnを濃化させることで、制動による摩擦熱の繰り返しサイクルによる黒鉛の成長を抑制し、熱亀裂の進展を防止する。Snが0.02%未満の場合、パーライト化効果が小さい。一方、Snを0.2%を超えて添加すると、靱性を低下させてヒートクラックに対するタフネスを低下させる。よって、Snの含有量は0.02%~0.2%とする。
Sb:0.01~0.20%
 Sbはフェライトの析出を抑制し、パーライトを安定させる元素である。Sbはパーライト基地の中で、黒鉛サイズを微細化するため得られるA型黒鉛を含む鋳鉄の硬度の向上に寄与する。Sbは0.01%未満では基地組織の改善、すなわちパーライト安定化への寄与が少なく不十分である。Sbの含有量が0.2%を超えると、衝撃値が著しく低下し、D型黒鉛が形成しやすい。Sbの含有量は0.01%~0.20%とする。
Cr:0.05%~1.5% 
 上述のように、鋳鉄にSn及び/又はSbを含有させると、Cuの含有量を低減(又はCuの含有量を実質的に0)することができるが、SnやSbを含有させると、炭化物が不安定になる場合があるので、Crを含有することが好ましい。
 Crは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、0.05%以上含有することが望ましい。なお、Crはセメンタイトに濃化し、パーライトを安定化する。すなわち、Crは成長現象を抑制し、加熱、冷却による体積の変化率を小さくする効果がある。一方、Crはフェライトに固溶し難く炭化物を形成するため、比熱向上への寄与は小さい。又、Crの含有量が1.5%を超えると、基地組織にチルが発生しやすく、被削性を低下させるため、1.5%を上限とする必要がある。よって、Crの含有量は0.05%~1.5%とする。
 Ni、Mo、Vなどの合金元素は、鋳鉄の組織や性質を向上させるために、以下のように少量含有することができる。 
Ni:0%を超え1.2%以下 
 Niは黒鉛化を促進する元素でチル化を抑制して切削性を良好にする。また基地組織の強度を向上する作用を有する。ただし、Niは非常に高価であるため多量に添加することはできない。上記効果とコストの両立のため、Niを、0%を超え1.2%以下含有することが望ましい。Niの含有量の下限は、例えば0.01%とすることができる。
Mo:0%を超え1.0%以下 
 Moは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、そのような効果を得るためにMoを含有することが望ましい。一方、Moはフェライトには固溶し難く炭化物を形成するため比熱向上への寄与は小さい。よって、Moの含有量は0%を超え1.0%以下であることが望ましい。Moの含有量の下限は、例えば0.001%とすることができる。
V:0%を超え0.35%以下 
 Vは炭化物を安定にし、組織を緻密にして強度を向上する元素であり、そのような効果を得るためにVを含有することが望ましい。一方、Vはフェライトには固溶し難く炭化物を形成するため比熱向上への寄与は小さい。よって、Vの含有量は0%を超え0.35%以下であることが望ましい。Vの含有量の下限は、例えば0.01%とすることができる。
 前述のように、十分な軽量化効果(特にブレーキディスクの場合)を得るには、比熱が600J/kg/K以上であることが必要である。ここで、加速と制動を繰り返す自動車においては、ブレーキディスクの平均温度は200℃程度であるので、200℃における比熱が600J/kg/K以上であることが望ましい。また、本発明の鋳鉄においては、200℃における熱伝導率が44W/m/K以上であることが望ましい。これにより、吸収した熱エネルギーの放出が速やかに行われ、ブレーキディスクへのヒートクラックの発生が抑制される。 
 本発明の鋳鉄は、片状黒鉛鋳鉄、CV黒鉛鋳鉄、及び球状黒鉛鋳鉄のいずれにも適用することができる。ただし、球状黒鉛鋳鉄は、黒鉛が球状のため引張強度は高いが熱伝導率は不充分である。よって、熱伝導率が高い片状黒鉛鋳鉄、または熱伝導率と引張強度のバランスがとれたCV黒鉛鋳鉄が好適であり、さらには低い引張強度が許される限り片状黒鉛鋳鉄が望ましい。
 また、本発明においては、基地組織におけるパーライトの面積率が90%以上であることが好適であり、これにより、充分な強度を確保することができる。なお、パーライトの面積率は、鋳鉄の断面の金属組織写真から画像処理によって、(1)黒鉛を除いた組織を抽出し、(2)黒鉛及びフェライトを除き、パーライト組織を抽出し、(パーライトの面積)/(パーライト+フェライトの面積)によって算出した。
 本発明は、従来知られていなかったSiの比熱向上効果を見出して3.5~5.0%含有することにより、鋳鉄(特に鋳鉄から製造されたブレーキ部品)に高い比熱を付与することができる。これにより、同一重量でも熱容量が向上するため摩擦熱による摺動部の温度上昇を抑制することができ、よって、熱膨張軽減、ヒートクラック軽減、熱劣化軽減などにより、鋳鉄及びそれを用いた部品の寿命が向上する。また、同一熱容量まで重量を減少することができるため、ブレーキ部品の軽量化を達成することができる。さらに、鋳鉄から製造されたブレーキ部品の場合、相手材であるブレーキパッドの温度が低下することでブレーキパッドの熱負荷を低減することができ、ブレーキパッドの成分を低廉なものにすることができる。 
本発明の実施例におけるSi添加量と比熱との関係を示すグラフを示す図である。 本発明の実施例におけるC添加量と熱伝導率との関係を示すグラフを示す図である。 ブレーキディスクにおける制動時の時間と温度との関係を示すグラフを示す図である。
 化学成分と組織の影響を調査するため、表1に示す化学成分の鋳鉄サンプルを試作した。各鋳鉄サンプルの比熱、パーライトの面積率、熱伝導率を測定し、表1に示す結果を得た。また、各鋳鉄サンプルの鋳造時の欠陥の有無を目視で観察し、その結果を表1に併記した。
 比熱は示差走査熱量測定により行った。また、熱伝導率はレーザーフラッシュ法により行った。パーライトの面積率は、上述の通り測定した。 鋳造時の欠陥は、鋳鉄サンプルの表面を目視し、引け巣、湯境いなどが確認される場合を「有」とした。
 実施例1~8は本発明の範囲内の化学成分を有し、比較例1は現行材の一例であるFC250(ねずみ鋳鉄)である。比較例1~5において、本発明の範囲を逸脱する化学成分には下線を付してある。また、比熱、熱伝導率、及びパーライトの面積率において、本発明が目標とする範囲を逸脱するものにも下線を付してある。図1~図3は、表1に示す結果をグラフにしたものである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 表1から分かるように、本発明の実施例1~8はいずれも、比較例1(現行材)と比べて高い比熱及び熱伝導率が得られ、パーライトの面積率は同等であると共に、Cuの含有量を0.5%以下とすることができた。
 比較例1は、Siの含有量が3.5%に満たないため、比熱が低い値となった。図1に示すように、600J/kg/K以上の比熱を得るためには、Siの含有量が3.5%以上であることが必要である。
 比較例2はC及びSiの含有量を実施例1と同レベルにしつつも、パーライト化元素のSn及びSbの含有量をゼロとしたため、パーライトの面積率が実施例1~5と比べて大幅に低くなった。
 このことから、表1に示すように、90%以上のパーライトの面積率を得るためには、Sn、Sbのうち少なくとも1種を添加することが必要である。
 比較例3はSiの含有量を実施例1と同レベルにしつつも、Cの含有量を3.0%未満としたため熱伝導率が非常に低くなった。図2に示すように、44W/m/K以上の熱伝導率を得るためには、Cの含有量は3.0%以上であることが必要である。
 比較例4はCの含有量を実施例1と同レベルにしつつも、Si量を5.0%よりも多くしたものである。表1に示すように、比較例4では、比熱は非常に高いが、溶湯の粘度が高いために鋳造欠陥が発生した。
 比較例5は、Siの含有量を実施例1のものよりも約0.8%低くし、3.5%未満としたものであり、比較例1よりも比熱が向上したが、600J/kg/Kを超えなかった。
 各実施例はSn、Sbの少なくとも1種を添加することで90%以上のパーライト率(パーライトの面積率)を確保すると共に、比熱が600J/kg/K以上、熱伝導率が44W/m/K以上であった。
 実施例7と比較例1の鋳鉄サンプルから同型同大のブレーキディスクを作製し、これを自動車に装着して200km/hから0km/hまで0.6Gで減速させた。このときのブレーキディスクの温度変化を図3に示す。実施例7のブレーキディスクの温度は比較例1に比べ大幅に低下していることが分かる。すなわち、実施例7では、比熱が向上したことによって熱エネルギーの吸収量が大きく、ブレーキディスクの温度上昇が抑制されたものである。したがって、本発明によれば、ブレーキディスクの比熱が向上した分、ブレーキディスクの軽量化が可能であるとともに、ブレーキパッドの寿命が向上し、ブレーキパッドの成分を低廉化することができる。
 本発明は、ディスク状のブレーキ部品に限定されるものではなく、円筒状や長板状など任意の形状のブレーキ部品に適用可能である。 
 本発明は、自動車、自動二輪車、列車等の運輸装置のブレーキやプレス等の機械設備のブレーキなど、あらゆるブレーキ部品及びブレーキ装置に適用可能である。

Claims (6)

  1.  質量%で、C:3.0~4.8%、Si:3.5~5.0%、Mn:0.5~2.0%、Sn及び/又はSbであって、Sn:0.02~0.2%、Sb:0.01~0.2%、Cu:0.5%以下、残部:Fe及び不可避不純物からなることを特徴とする鋳鉄。
  2.  さらに、質量%で、Cr:0.05~1.5%を含むことを特徴とする請求項1に記載の鋳鉄。
  3.  200℃における比熱が600J/kg/K以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載の鋳鉄。
  4.  200℃における熱伝導率が44W/m/K以上であることを特徴とする請求項1~3のいずれかに記載の鋳鉄。
  5.  基地組織におけるパーライトの面積率が90%以上であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の鋳鉄。
  6.  請求項1~5のいずれかに記載の鋳鉄から製造されたブレーキ部品。
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