JP6615255B2 - 自動車用ディスクブレーキロータ - Google Patents
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Description
C:0.02〜0.10%、
N:0.01〜0.10%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜1.5%、
P:0.040%以下、
S:0.015%以下、
Ni:0.01〜2.0%
Cr:10.5〜16.0%、
Cu:0.01〜1.0%
V:0.01%〜0.50%、及び
Al:0.001〜0.010%
を含有し、残部がFe及び不可避不純物であり、
下記式(1)で表わされる熱間時の相バランス指標γpが70〜120である、上記[1]又は[2]に記載のディスクブレーキロータ。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−48Zr−49V+189 ・・・ 式(1)
Mo:0.01〜1.0%、
Sn:0.003〜0.10%、
Nb:0.001〜0.30%、
Ti:0.05%以下、
B:0.0002〜0.0050%
の少なくとも1種を含有する、上記[3]に記載のディスクブレーキロータ。
本実施形態のディスクブレーキロータは、自動車用ディスクブレーキロータに適した、優れた特性(靭性、強度、及び耐食性等)を得るために、少なくとも組織を最適化したものである。
まず、ディスクブレーキロータとして適した組織を得るための組成を限定した理由について説明する。なお、組成についての%の表記は、特に断りのない場合は、質量%を意味する。
Cは、焼入れ後所定の硬さを得るために必須な元素であり、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。0.02%未満であると、十分なマルテンサイト相が生成せず、強度が不足して好ましくない。0.10%を超えると、強度が高くなり過ぎ、ブレーキ鳴きが起こり易くなるため好ましくない。Cの好ましい範囲は、0.03〜0.08%である。なお、ブレーキ鳴きとは、ブレーキシステムに含まれるパッドとロータとの間で発生する摩擦力が原因で振動が起こる現象をいう。
Nは、Cと同様に焼入れ後に所定の硬度を得るために必須の元素であり、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。また、耐食性向上にも効果がある。0.01%未満であると、十分なマルテンサイト相が生成せず、強度が不足して好ましくない。0.10%を超えると、強度が高くなり過ぎ、ブレーキ鳴きが起こり易くなるため好ましくない。Nの好ましい範囲は、0.03〜0.07%である。
Siは、溶解精錬時に脱酸のために必要である他、焼入れ熱処理時に酸化スケール生成を抑制するためにも有用であり、その効果は0.05%以上で発現する。但し、Siは溶銑等の原料から混入するため、過度な低下はコスト増に繋がる。このため、0.20%以上にすることが好ましい。また、過度なSiの添加はオーステナイト単相温度域を狭くし、焼入れ安定性を損ねるために1.0%以下とする。なお、オーステナイト安定化元素の添加量を低減しコストを下げるためには0.6%以下にすることが好ましい。
Mnは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、オーステナイト単相域を拡大し焼入れ性の向上に寄与する。その効果は0.5%以上で明確に現れる。但し、安定して焼入れ性を確保するためには、1.1%以上にすることが好ましい。また、過度なMnの添加は焼入れ加熱時の酸化スケールの生成を促進し、その後の研磨負荷を増加させるため、1.5%以下とした。なお、MnS等の粒化物に起因する耐食性の低下も考慮すると1.3%以下にすることが好ましい。
Pは原料である溶銑やフェロクロム等の主原料中に不純物として含まれる元素である。Pは熱延焼鈍板の靭性に対しては有害な元素であるため、0.040%以下とする。さらに好ましくは0.030%以下である。過度な低減は高純度原料の使用を必須にするなど、コストの増加に繋がるため、好ましくは、Pの下限は0.010%である。
Sは、硫化物系介在物を形成し、鋼材の一般的な耐食性(全面腐食や孔食)を劣化させる。また、Sは、熱間加工性を低下させ、具体的には熱延鋼板の耳割れを発生させ易くする。このため、その含有量の上限は低いほうが好ましく、0.015%とする。また、Sの含有量は少ないほど耐食性は良好となるが、低S化には脱硫負荷が増大し、製造コストが増大するので、その下限を0.001%とするのが好ましい。なお、Sのさらに好ましい範囲は0.002〜0.008%である。なお、耳割れとは、圧延板の縁において起こる現象であって、材料が圧延板の幅方向に流れるために延伸が不足し、圧延方向の張力が生じて縁が割れる現象を意味する。
Niは孔食の進展抑制に有効な元素であり、その効果は0.01%以上の添加で安定して発揮されるため下限を0.01%とする。一方、多量の添加は、熱延焼鈍鋼板において固溶強化によるプレス成形性の低下を招くおそれがあるとともに高価な元素であるため、その上限を2.0%とする。Niの好ましい範囲は、0.01〜1.0%である。
Crは、本実施形態において、耐酸化性や耐食性確保のために必須な元素である。具体的には、熱延鋼板中に粒界に生成したCr炭窒化物は、焼入れの高温保持時に結晶粒の粗大化を抑制する効果も有する。10.5%未満では、十分な耐銹性等が得られない。一方、16.0%超ではマルテンサイトの生成が乏しくなり、十分な強度が得られなくなる。Crのさらに好ましい範囲は、11.0〜15.5%である。
Cuは、δフェライトを含むマルテンサイト組織の耐食性向上に有効であり、その効果は0.01%以上で発現する。また、Cuはオーステナイト安定化元素として焼入れ性の向上のために積極的な添加が行われる場合もある。これに対し、過度な添加は熱間加工性の低下や、原料コストの増加に繋がるために1.0%以下とする。酸性雨による発銹などを考慮すると下限を0.02%以上にすることが好ましい。Cuの上限値のさらに好ましい値は0.50%である。
Vは、フェライト系ステンレス鋼の合金原料に不純物として混入し、精錬工程における除去が困難であるため、一般的に0.01〜0.10%の範囲で含有される。0.01%未満とすると製鋼コストの上昇を招く。また、Vは、微細な炭窒化物を形成し、ブレーキディスクの耐磨耗性を向上させる他、耐食性の向上にも効果を有するため、必要に応じて、意図的な添加も行われる元素である。その効果は0.02%以上の添加で安定して発現するため、下限を0.02%とすることが好ましい。一方、過剰に添加すると、析出物の粗大化を招くおそれがあるため、また、粒界のCr窒化物を減少させ過ぎると粒界が粗大化しやすくなり、いずれも焼入れ後の靭性が低下させてしまうため、上限を0.50%とする。その結果、焼入れ後の靭性が低下してしまうため、上限を0.50%とする。なお、製造コストや製造性を考慮すると、0.03%〜0.2%とすることが好ましい。
Alは、脱酸元素として添加される他、耐酸化性を向上させる元素である。その効果は0.001%以上で得られる。一方、過剰の添加は大型の酸化物系介在物を形成し易くする。本実施形態では母相の耐銹性をコスト低減のためにぎりぎりまで低減しているため、介在物の存在が耐銹性に大きく影響する。介在物が発銹起点となり易くなるためである。このような状況下では、介在物を小さく、また少なくするため、Alの上限を0.010%とする。Al含有量は低下させるほど好ましく、脱酸及びコストの兼ね合いから、0.003%以下とすることが好ましい。もちろん、Alは含有しなくてもよい。なお、ここでいうAlの含有量はT.Alを意味する。
Moは、δフェライトを含むマルテンサイト組織の耐食性向上に有効であり、その効果は0.01%以上で発現する。Moは、焼入れ性の向上及び焼入れ後の耐熱性向上にも有効なため、0.02%以上とすることがより好ましい。鋼を焼入れし次いで焼戻しすると、硬度低下が起こるが、ここで、焼入れ後の耐食性とは、その低下代が小さい度合を意味し、「焼戻し軟化抵抗」とも呼ばれる。ブレーキディスクは焼入れて使用されるが、使用時のブレーキングでの抵抗発熱によりディスク材は加熱される。そのため、焼戻し軟化抵抗は重要である。Moはフェライト相の安定化元素であり、過度の添加は、オーステナイト単相温度域を狭くすることで焼入れ特性を損ねるため、その上限を1.0%とすることが好ましい。なお、Moのより好ましい上限は0.8%である。
Snは焼入れ後の耐食性向上に有効な元素であり、0.003%以上が好ましく、必要に応じて0.02%以上添加することがより好ましい。但し、過度な添加は熱延時の耳割れを促進するため0.10%以下にすることが好ましく、0.05%以下にすることがより好ましい。
Nbは、炭窒化物を形成することでステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素であり、0.001%以上が好ましい。さらに、Nbは焼入れ後の耐熱性を大きく向上させる元素であることを考慮すると、0.05%以上とすることがより好ましい。ここで、耐熱性とは、焼入れ後、熱を受けたときの軟化し難さを意味し、「焼戻し軟化抵抗」とも呼ばれる。しかしながら、Nbを過剰に添加した場合、ブレーキディスクにおいては、NbNを形成することで、靭性の低下やブレーキ鳴きの原因になるため、好ましくなく、0.30%を上限とし、より好ましくは0.20%を上限とする。
Tiは、ブレーキディスクにおいては、大きいTiNを形成することで、靭性の低下やブレーキ鳴きの原因になるため、その上限は0.05%以下とすることが好ましい。また、冬季の靭性を考慮すると0.01%以下にすることがより好ましい。但し、炭窒化物を形成することで、ステンレス鋼におけるクロム炭窒化物の析出による鋭敏化や耐食性の低下を抑制する元素であるため、0.001%以上とすることがより好ましく、0.005%以上とすることがさらに好ましい。
Bは、熱間加工性の向上に有効な元素であり、その効果は0.0002%以上で発現するため、0.0002%以上添加してもよい。より広い温度域における熱間加工性を向上させるためには、0.0010%以上とすることがさらに好ましい。一方、過度な添加は硼化物と炭化物の複合析出により焼入れ性を損ねるため、0.0050%を上限とすることが好ましい。耐食性も考慮すると0.0025%以下とすることがさらに好ましい。
γp:70〜120
本実施形態のディスクブレーキロータは、マルテンサイト系ステンレス鋼からなる。マルテンサイト(以下、M)を得るためには、高温でオーステナイト(以下、γ)を生成する必要がある。また、マルテンサイトの量は添加成分により決まるため、各元素を相互に調整し、バランスを取る必要がある。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−48Zr−49V+189 ・・・ 式(2)
本実施形態のディスクブレーキロータの金属組織は、マルテンサイト及び炭窒化物を含み、フェライトを任意選択的に含む組織である。なお、体積%で、オーステナイトが1%未満存在していることは許容される。
本実施形態のディスクブレーキロータにおいては、板厚が4〜10mmであることが好ましい。ロータの板厚が4mm以下では自動車ディスクロータとして薄すぎ、10mmを超えると厚すぎてブレーキシステム全体が大きくなりすぎるため好ましくない。ディスクブレーキロータのさらに好ましい板厚は、4〜8mmである。
次に、本実施形態のディスクブレーキロータの製造方法について詳述する。
まず、上述の組成を有するマルテンサイト系ステンレス鋼板を用意する。具体的には、通常用いられる工程、即ち、溶解・鋳造、熱延、熱延板焼鈍の各工程を経て鋼板を製造することができる。ここで、熱延板焼鈍は省略してもよい。また、最終工程として、ショットブラスト、又は酸洗によるスケールを除去を採用することもできる。
次に、所定のマルテンサイト系ステンレス鋼板を、950℃以上1150℃以下の高温に1sec以上30min以下の時間曝す。この工程では、鋼板の組織を、フェライト相+炭窒化物から、オーステナイト相+炭窒化物とする。なお、オーステナイト相+炭窒化物に加えて、一部フェライト相が残っていてもよい。
その後、鋼板をプレス加工により所定形状に加工する。プレス加工は、その開始時の温度を800℃以上とすることが、マルテンサイト変態を十分に生じさせるという点で好ましい。なお、プレス加工に関するその他の諸条件について特に限定されない。このようにして、所定形状の中間体を得る。
さらに、プレス加工で用いた金型をそのまま使用することで、プレス加工により得られた中間体を、当該金型中でそのまま冷却し、ディスクブレーキロータを得る。この過程で、オーステナイトがマルテンサイトに変態し、強度が向上する。このマルテンサイト変態後にも、ロータに、一部の残留オーステナイトが存在することがあるが、ロータとなった時点でのミクロ組織は、基本的にはマルテンサイト+炭窒化物か、或いは、マルテンサイト+炭窒化物+フェライトのいずれかであればよい。但し、残留オーステナイトが極少量(ロータ表面から板厚の1/2の深さの面で測定した場合に、面積率で5%以下)存在していることは許容される。また、炭窒化物がなくなると、粒界のピン止め効果がなくなり、高温におけるオーステナイトの粒成長が著しくなり、粗大化するため、好ましくない。
[ロータの作製]
表1に示す各成分の鋼A1〜A24、及び鋼a1〜a18を50kgインゴットに溶製し、熱延し、厚さ4〜9mmの熱延板を得た。その後、850℃、10hの箱焼鈍を行い、硫酸酸洗して熱延鋼板B1〜B24、及び熱延鋼板b1〜b18を得た。なお、表1中、式(2)γpとは、上述した式(2)におけるγpの値である。
次に、これらのロータD1〜D8及びロータd1〜d8のそれぞれについて、組織観察を行うとともに、炭窒化物量(抽出残渣に関する)を測定し、さらに、機械的特性(靭性、硬さ、及び耐食性)について評価し、これらの結果を基に総合評価を行った。
組織については、王水でエッチングを行った後、光学顕微鏡にて観察を行い、フェライト、マルテンサイト、炭窒化物、オーステナイトの存在有無を確認した。そして、マルテンサイト及び炭窒化物を含む組織である場合、或いは、マルテンサイト、炭窒化物及びフェライトを含む組織である場合を、本発明内とし、その他の場合を本発明外とした。その結果を表3に示す。
抽出残渣用のサンプルから、電解にて抽出残渣を採取し、炭窒化物の量を評価した。炭窒化物の量が0.02%〜2%の場合を本発明内とし、それ以外の場合を本発明外とした。その結果を表3に併記する。
靱性については、JIS Z 2242に準拠したシャルピー衝撃試験を行った。試料は、板厚に深さ2mmのVノッチを刻んだサブサイズ試験片を用いた。試験片の破壊に要したエネルギーが10J/cm2以上の場合を優、5J/cm2以上10J/cm2未満の場合を良とする一方、5J/cm2未満の場合を不良とした。その結果を表3に併記する。なお、本明細書において、優及び良は合格であり、不可は不合格である。
強度の指標として、JIS Z 2245に準拠したロックウェルCスケール(HRC)試験による硬さ測定を行い、30以上40以下の場合を優、25以上30未満の場合を良とした。これに対し、25未満は使用時の変形が大きくなりすぎるため好ましくなく、また40を超えると使用時のブレーキの鳴きが大きくなるため好ましくないのでいずれも不可とした。その結果を表3に併記する。
耐食性については、JIS Z 2371に準拠した塩水噴霧試験(SST)を24h実施し、発銹なしを優、流れさび発生5個以下を良とする一方、流れさび発生5個超を不可とした。その結果を表3に併記する。
実施例1において得たサンプルC1〜C24、及びサンプルc1〜c1のそれぞれについて、1000〜1050℃、5〜30sec保持後、金型焼入れを行い、その後、実施例1と同様に表面及び端面を研削して、ロータE1〜E24及びロータe1〜e18を作製した。そして、これらのロータE1〜E24及びロータe1〜e18に対して、実施例1と同様の評価試験を行った。その結果を表4に示す。なお、表4の備考欄については、e4はSi不足のため脱酸不足であり、e11及びe12はNi、Cuが過剰に添加されているため、γが多量に存在した。
Claims (4)
- 質量%で、
C:0.02〜0.10%、
N:0.01〜0.10%、
Si:0.05〜1.0%、
Mn:0.5〜1.5%、
P:0.040%以下、
S:0.015%以下、
Ni:0.01〜0.20%
Cr:10.5〜16.0%、
Cu:0.01〜0.50%
V:0.01%〜0.50%、及び
Al:0.001〜0.010%
を含有し、残部がFe及び不可避不純物であり、
下記式(1)で表わされる熱間時の相バランス指標γpが70〜120であり、
マルテンサイト及び炭窒化物を含み、フェライトを任意選択的に含む組織であり、
前記炭窒化物が、質量で、0.02〜2%であり、
板厚が4〜10mmである、自動車用ディスクブレーキロータ。
γp=420C+470N+23Ni+9Cu+7Mn−11.5Cr−11.5Si−52Al−12Mo−47Nb−7Sn−49Ti−49V+189 ・・・ 式(1)
ここで、式(1)中の各元素記号には、当該元素の含有量が代入される。 - さらに、質量%で、
Mo:0.05〜1.0%、
Sn:0.003〜0.10%、
Nb:0.01〜0.10%、
Ti:0.005〜0.05%、
B:0.0002〜0.0050%
の少なくとも1種を含有する、請求項1に記載の自動車用ディスクブレーキロータ。 - 自動車のディスクブレーキロータとして用いられる、請求項1又は2に記載の自動車用ディスクブレーキロータ。
- マルテンサイト系ステンレス鋼からなる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の自動車用ディスクブレーキロータ。
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