JP4188328B2 - 二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板 - Google Patents

Description

本発明は、二輪車のディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板に関し、特に、ディスクブレーキに加工後、焼入れままで、ディスクブレーキとして必要な硬さが安定して得られ、耐銹性に優れ、かつ、使用時の軟化抵抗にも優れた、二輪車のディスクブレーキに好適なマルテンサイト系ステンレス鋼板に関するものである。

二輪車のディスクブレーキは、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高いほど大きくなる。一方、硬さが高すぎるとディスク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（ロックウェル硬さ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、ＳＵＳ４２０Ｊ２を焼入れ焼き戻しして所望の硬さに調節し、ディスクブレーキとしていいたが、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。特許文献１において、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鋼組成を特徴とする低炭素マルテンサイト系ステンレス鋼オートバイディスクブレーキ用材料に関する発明が開示された。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添加で補ったものである。

これに対し、特許文献２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に関する発明が開示されている。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、ＮｉおよびＣｕを添加したものである。

しかしながら、上記特許文献１に記載の発明は、多量のＭｎＳを形成するため耐銹性に劣ってしまうという問題があった。また、特許文献２に記載の発明は、Ｍｎと比較して高価なＮｉ，Ｃｕを必須の成分とするため、コスト上昇は避けられないという問題があった。
特開昭５７−１９８２４９号公報 特開平０８−０６０３０９号公報

そこで、本発明は、ＣおよびＮ添加量を限定し、かつＭｎを主体とするオーステナイト形成元素およびフェライト系形成元素の含有量を限定し、Ｓ量とＡｌ量、Ｃａ量を限定することにより、安価で焼入れ安定性、耐銹性に優れた、焼入れままで使用する二輪車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ものである。

本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％で、
Ｃ ：０．０２〜０．０６％、 Ｓｉ：０．０２〜０．４％、
Ｍｎ：１．４〜２．０％、 Ｐ ：０．０４％以下、
Ｓ ：０．００１〜０．０１０％、 Ｎ ：０．０１０〜０．０２５％、
Ｃｒ：１０〜１５％、 Ｎｉ：０．２％以下、
Ｃｕ：０．２％以下、 Ａｌ：０．００１％超０．０２％以下、
Ｃａ：０．０００１〜０．００１０％
を含有し、さらに、Ｃ，Ｎ，Ａｌ，Ｓが、
Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．０８％、 ９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９
の関係を満たし、かつ、下記（１）式で表されるγｐが９０以上を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］ −１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］＋１８９ （１）（２）前記Ｃｕ量に替えて、質量％で、
Ｃｕ：０．２％超０．７％以下
を含有することを特徴とする、上記（１）に記載の二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。

本発明により、安価で焼入れ安定性、耐銹性に優れた、焼入れままで使用する二輪車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、工業的価値は極めて高い。

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、耐銹性については、最近、二輪車が販売されるまでに発銹してしまう場合が散見され、これまで以上の耐銹性が求められるようになってきた。しかし、ディスクブレーキ材料には、オーステナイト形成元素であるＭｎが必須であり、そのＭｎが耐銹性を劣化させると言われていて、改善は困難と思われていた。

ところが、本発明者らは、そのＭｎによる耐銹性の劣化機構を検討したところ、耐銹性に有害であるＭｎＳの影響は小さく、水溶性のＣａＳが形成されていることが、耐銹性を最も劣化させる原因であることを見出した。さらに、ＣａＳが生成させない条件の検討を進めた結果、Ａｌ，Ｃａ，Ｓを一定範囲に限定することがＣａＳを生成させないことを見出し、これにより、耐銹性を改善できることが判明した。

発明者らは、以上の知見を基に詳細な検討を進め、発明を完成した。
初めに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。しかし、０．０６％を超えて添加すると硬度が硬すぎて、ブレーキの鳴き、靭性劣化等の不具合を生じることから、０．０６％を上限とする。また、０．０２％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０．０２％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。しかし、０．０２５％を超えて添加するとブレーキ制動時の加熱で微細な窒化物が形成されるために、０．０２５％を上限する。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、所定の硬さレベルに調整するためには、０．０５％以上０．０８％以下とする必要がある。

Ｓｉは、脱酸成分として有効であり、同じく脱酸成分であるＡｌ量の制限が耐銹性確保のために必須であるので、本発明では脱酸を助けるために添加する。しかし、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。よって、その好適範囲は、０．０２％以上０．４％以下とする。

Ｍｎは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、オーステナイト形成元素であり、他のオーステナイト形成元素（ＮｉやＣｕ）と比較して安価なため、本発明では、非常に重要である。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、１．４％以上の添加を必要とする。しかし、２．０％を超えると、本発明を持ってしても、耐銹性の劣化が見られるため、２．０％を上限とする。

Ｐは、鋼中に不可避的に含まれる成分であるが、０．０４％を超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１０％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、１５％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でフェライト相が生成・混入するようになり、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、１０％以上１５％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が、非常に高価なため本発明では、不可避的に含まれる程度とし、０．２％以下とする。

Ｃｕは、Ｍｎ，Ｎｉと同じく、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が、Ｎｉ同様高価なため本発明では、不可避的に含まれる程度とし、０．２％以下とする。しかし、Ｃｕは、ブレーキ制動発熱によるディ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、０．２％超０．７％以下の添加が好ましい。０．７％を超えると靭性が劣化するため好ましくない。

Ａｌは、脱酸剤として非常に有用であり、特許文献１に記載の発明においても、０．０５％以下になるようにＡｌを使用して脱酸することが好ましいと記載されている。ところが、本発明者らの詳細な検討により、Ａｌを過大に添加した場合、溶湯中にＣａＳが発生しやすい傾向があることが判明した。これは、３ＣａＯ＋３Ｓ＋２Ａｌ→３ＣａＳ＋Ａｌ_２Ｏ_３という反応が起きているためと推定している。この反応が実質的に起こらない条件を検討した結果、ＡｌとＳとＣａを一定範囲に制限することで可能となることを見出した。具体的には、Ａｌは、０．００１％超０．０２％以下とする。０．００１％以下ではＳｉの効果を加味しても脱酸が不十分となりやすいため好ましくなく、０．０２％を超えるとＣａＳが生成しやすくなり、耐銹性が劣化するからである。

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０．０１０％を超えて含有すＣａＳが生成しやすいため、０．０１０％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。

さらに、ＡｌとＳは、９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９を満足する必要がある。これを満足しない場合もＣａＳが生成しやすくなり、耐銹性が劣化するからである。

Ｃａは、その好適範囲を０．０００１％以上０．００１０％以下とする。０．００１０％超であると、本発明を持ってしても、ＣａＳの生成を防止できず、耐銹性が劣化するからである。また、０．０００１％未満の場合、本発明でなくとも、ＣａＳは生成せず、耐銹性は十分なためである。しかし、０．０００１％未満とするためには、製鋼コストの非常な増大を伴う。

さらに、これら述べてきた各元素は、その成分範囲の中で、９００〜１０５０℃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γｐが９０以上を満足するよう相互に調整される必要がある。γｐが９０未満であると、焼入れしてもフェ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。
γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］ −１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］＋１８９（１）

次に製造方法について詳細に説明する。
以上述べてきた成分と残部Ｆｅおよび不可避的不純物を含むスラブ、インゴット等の鋼片（以下、単にスラブともいう。）を溶製し、熱間圧延（以下、熱延ともいう。）によって、２〜８ｍｍ程度の熱延板とした後、焼鈍を行って軟化させ、酸洗して製品とする。酸洗せずにショットブラストによる仕上げでもよい。

酸洗仕上げまたはショットブラスト仕上げされた熱延板は、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、９００〜１１００℃に加熱されてから焼き入れられ、両面が研磨されて、ブレーキディスクとなる。

以下、実施例に従って、さらに詳細に本発明を説明する。
表１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６ｍｍの熱延板を得た。さらに、８５０℃まで加熱して徐冷する軟化焼鈍を施した後、９５０℃で１０分間保持後、水冷する焼入れ処理を行った。これら鋼板から、各種試験片を採取し、評価試験を行った。焼入れ材の硬さ試験は、ＪＩＳ 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。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（ＪＩＳ Ｚ ２３７１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。また、焼き戻し軟化特性に関しては、５５０℃、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。これらの結果を表２に示す。

Ａ鋼からＤ鋼は、１２％Ｃｒ−１．５％Ｍｎ−０．１％Ｃｕ系で、Ａｌ，Ｓを変化させたものである。Ａ鋼はＳが多く、かつ、９×Ａｌ＋１９×Ｓも０．１９９を超えるため、耐銹性が十分でない。また、Ｄ鋼は、Ａｌが多く、かつ、９×Ａｌ＋１９×Ｓも０．１９９を超えるため、耐銹性が十分でない。Ｂ，Ｃ鋼は、本発明を満足する成分系であり、焼入れ後の硬さも合格であり、耐銹性も合格である。Ｅ鋼は、Ｃａ量が多い例であり、耐銹性が十分でない。

Ｆ鋼からＪ鋼は、Ａ鋼からＥ鋼に対してＣｕが高い場合である。この場合、焼き戻し後の硬さが低Ｃｕ鋼よりも高くなっており、焼き戻し軟化抵抗が高いことを示している。しかし、Ｆ鋼は、Ｓが高く、Ｉ鋼はＡｌが高く、Ｊ鋼はＣａが高いため、いずれも耐銹性が不合格である。本発明鋼である、Ｇ，Ｈ鋼は、焼入れ後の硬さ、耐銹性は合格で、かつ、焼き戻し軟化抵抗も高く、非常に優れている。

Ｋ鋼からＬ鋼は他の成分を変化させたもので、本発明鋼であるＫ鋼，Ｌ鋼は、焼入れ後の硬さおよび耐銹性は合格であり、かつ、Ｃｕを多く含むＬ鋼は焼き戻し軟化特性に優れている。Ｍ鋼，Ｎ鋼はＭｎが低いために、γｐが９０以下となるため、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、Ｃが少ないＯ鋼、Ｐ鋼は、Ｃ＋Ｎも少なくなっているため、十分焼きが入った状態でも硬さが不足している。

以上から、本発明鋼がディスクブレーキ用材料として優れた特性を有していることは明らかである。また、本発明鋼は、オーステナイト形成元素として、主としてＭｎを使用し、特に高価なＮｉをほとんど含有しないため、安価である。

Claims (2)

1. 質量％で、
   Ｃ ：０．０２〜０．０６％、
   Ｓｉ：０．０２〜０．４％、
   Ｍｎ：１．４〜２．０％、
   Ｐ ：０．０４％以下、
   Ｓ ：０．００１〜０．０１０％、
   Ｎ ：０．０１０〜０．０２５％、
   Ｃｒ：１０〜１５％、
   Ｎｉ：０．２％以下、
   Ｃｕ：０．２％以下、
   Ａｌ：０．００１％超０．０２％以下、
   Ｃａ：０．０００１〜０．００１０％
   を含有し、さらに、Ｃ，Ｎ，Ａｌ，Ｓが、
   Ｃ＋Ｎ：０．０５〜０．０８％、
   ９×Ａｌ＋１９×Ｓ≦０．１９９
   の関係を満たし、かつ、下記（１）式で表されるγｐが９０以上を満足し、残部Ｆｅおよび不可避的不純物からなることを特徴とする、二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。
   γｐ＝４２０［％Ｃ］＋４７０［％Ｎ］＋２３［％Ｎｉ］＋９［％Ｃｕ］＋７［％Ｍｎ］ −１１．５［％Ｃｒ］−１１．５［％Ｓｉ］−５２［％Ａｌ］＋１８９ （１）
2. 前記Ｃｕ量に替えて、質量％で、
   Ｃｕ：０．２％超０．７％以下
   を含有することを特徴とする、請求項１に記載の二輪車ディスクブレーキ用マルテンサイト系ステンレス鋼板。