KR100382212B1 - 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강 - Google Patents
뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 제동시 500℃를 초과하는 온도로 가열될 때 재료 특성의 저하, 특히 경도의 저하에 덜 민감하고, 또한 종래 강의 내마모성, 내청성 및 인성을 유지하는 브레이크 디스크용 스테인레스강을 제공한다.
상기 브레이크 디스크용 스테인레스강은, 중량 %로 C : 0.01 내지 0.1%, N : 0.03% 이하, C + N : 0.04 내지 0.1%, Si : 1% 이하, Mn : 2% 이하, Ni : 0.5% 미만, Cr : 10 내지 15%, Nb : 0.02 내지 0.5%, 및 Fe와 불가피한 불순물의 잔부로 구성되고, 담금질 열처리 후 경도는 30 내지 40 HRC 범위이고, 30 HRC 이하로 경도를 낮추기 위한 뜨임 연화 온도는 530℃ 이상인 것을 특징으로 한다. 추가로, 상기는 Cu : 0.1 내지 2%, Mo : 0.1 내지 1%, Ti : 0.01 내지 0.5%, V : 0.01 내지 0.5% 또는 B : 0.0005 내지 0.01% 중 하나 이상을 첨가하고, 강의 화학조성으로부터 계산된 γP의 값이 70% 이상인 것이 바람직하다.
Description
본 발명은 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강에 관한 것으로서, 특히 이륜차, 설상차(snowmobile) 등의 브레이크 디스크용 재료에 대해 요구되는 경도, 경화능 및 내청성(rusting resistance)을 만족시킬 뿐만 아니라, 제동시 발생된 열에 의한 연화에 대한 저항이 우수한 마르텐사이트 스테인레스강에 관한 것이다.
이륜차 등의 브레이크 디스크용 재료는 내마모성, 내청성 및 인성과 같은 특성들이 있어야 하고, 주로 JIS SUS410종 마르텐사이트 스테인레스강이 그러한 용도로 사용되어 왔다. 비록 내마모성은 일반적으로 경도를 증가시킴으로써 개선되지만, 경도가 너무 높으면 브레이크와 패드 사이의 접촉에 의해 브레이크 노이즈(brake noise)가 발생한다. 따라서, 상기 브레이크 디스크의 경도는 규정된 범위내에서 제어된다.
담금질 열처리 후 규정된 범위내로 경도를 안정하게 제어하고 충분한 인성과 내청성을 확보하기 위해서, C+N 뿐만 아니라 규정된 양의 Mn, Cu 등을 가진 강의 화학조성이 일본 특개소 제57-198249호 공보, 일본 특개소 제59-70748호 공보, 일본 특개소 제10-152760호 공보 및 일본 특공평 제2-7390호 공보에 개시되어 있다. 즉, 이상의 것들은 강내에 Mn 및 Cu의 함량을 제어하므로써 고온에서 오스테나이트상을 충분히 확보한 후, C 및 N의 함량을 제어하므로써 담금질 후 바람직한 경도를 얻는 방법을 제시한다. 이러한 화학조성으로 인하여, 이륜차에 대하여 내마모성, 내청성 및 인성을 만족하는 브레이크 디스크용 재료를 제공하는 것이 가능하게 되었다.
한편, 최근 이륜차의 주행시 고속에서 높은 제동력이 요구되고, 제동과정에서 500℃이상의 온도로 가열될 때 브레이크 디스크의 재료 특성, 특히 경도가 열화되지 않는 것이 필요하다. 상기 언급된 강들은 마르텐사이트상의 기지(matrix)를 가지고 있지만, 500℃ 이상의 온도로 가열될 때 뜨임 연화를 겪게 된다. 따라서 상기 요구들을 만족하는 브레이크 디스크용 재료의 개발이 요망되고 있다.
본 발명의 목적은 제동동안 500℃ 이상의 온도로 가열될 때 재료 특성의 저하, 특히 경도 저하에 덜 민감하고, 종래 강의 내마모성, 내청성 및 인성을 유지한 브레이크 디스크용 스테인레스강을 제공하기 위한 것이다.
상기 언급된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명가들은 비용의 상당한 증가를 요하지 아니하며 브레이크 디스크의 요구된 고유의 특성들을 손상시키지 않은 화학조성 및 부가 성분들을 조사하였고 실험적으로 연구하였다. 결과적으로, 본 발명가들은, 화학조성의 범위를 조절하여 내마모성에 관련되는 담금질 후 경도를 30 내지 40 HRC 범위내에, 바람직하게는 32 내지 38HRC 범위에서 유지하며 내청성 및 인성이 열화되지 않게 하고, 그 후 뜨임 연화를 억제하는 Nb을 적당량 첨가하므로써, 30 HRC(로크웰 경도 C스케일) 아래로 경도를 낮추는 뜨임 연화 온도가 30 내지 100℃ 이상으로 증가될 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 상기 기술된 지식을 바탕으로 완성되었고, 그 요지는 다음과 같다.
(1) 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강으로서,
상기 강은, 중량 %로,
C : 0.01 내지 0.1%,
N : 0.03% 이하,
C + N : 0.04 내지 0.1%,
Si : 1% 이하,
Mn : 2% 이하,
Ni : 0.5% 미만,
Cr : 10 내지 15%,
Nb : 0.02 내지 0.5%, 및
Fe와 불가피한 불순물의 잔부로 구성되고,
담금질 열처리 후 경도는 30 내지 40 HRC 범위이고, 30 HRC 이하로 경도를 낮추기 위한 뜨임 연화 온도는 530℃ 이상인 것을 특징으로 하였다.
(2) (1)에 따른 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강으로서,
상기 강은 중량 %로, 추가로
Cu : 0.1 내지 2%, 또는
Mo : 0.1 내지 1% 중 하나 이상을 함유한 것을 특징으로 하였다.
(3) (1) 또는 (2)에 따른 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강으로서,
상기 강은 중량 %로, 추가로
Ti : 0.01 내지 0.5%,
V : 0.01 내지 0.5%, 또는
B : 0.0005 내지 0.01% 중 하나 이상을 함유한 것을 특징으로 하였다.
(4) (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 따른 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강으로서,
아래와 같은 강의 화학조성 식으로부터 계산된 γP의 값이 70% 이상인 것을 특징으로 하였다.
γP= 420 x [%C] + 470 x [%N] + 23 x [%Ni] + 9 x [%Cu] + 7 x [%Mn] -11.5 x [%Cr] - 11.5 x [%Si] - 12 x [%Mo] - 47 x [%Nb] - 52 x [%Al] - 49 x [%Ti] - 23 x [%V] - 500 x [%B] + 189
도 1은 Nb이 첨가되지 않은 종래 강과 비교하여, 각각 0.06% 및 0.14%의 Nb이 첨가된 강들의 뜨임 온도와 경도사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 및 한정 조건들을 상세히 설명한다.
C는 담금질 후 규정된 경도를 얻기 위해 필수 불가결한 성분이고, 바람직한 경도 수준을 얻기 위해 N와 함께 첨가된다. 그러나, 이를 0.1% 초과하여 첨가하면 경도를 극도로 상승시키지만, 브레이크 노이즈 및 인성의 저하와 같은 결점을 발생시키므로, 상한을 0.1%로 설정하였다. 한편, 그의 양이 0.01% 미만일 때는, 바람직한 경도를 얻기 위해서는 많은 양의 N가 요구되므로, 그 하한을 0.01%로 설정하였다.
N는 C와 마찬가지로 담금질 후 규정된 경도를 얻기 위한 필수 불가결한 성분이고, 바람직한 경도 수준을 얻기 위해 C와 함께 첨가된다. 그러나, 0.03% 초과하여 첨가하면 제동에 의해 열이 발생하는 동안 미세한 Nb 질화물의 석출로 인하여 인성을 상당히 악화시키기 때문에 그의 상한을 0.03%로 설정하였다.
강에 불가피하게 첨가된 Si은 탈산제로서 효과적인 성분이다. 그러나, 이를 1% 초과하여 첨가하면 담금질 열처리 후 인성을 뚜렷히 저하시키므로, 그의 상한을 1%로 설정하였다.
또한, 강에 불가피하게 첨가된 Mn은 고온에서 오스테나이트상을 확보하고 담금질성을 확보하는데 효과적인 성분이다. 그러나, 이를 2% 초과하여 첨가하면 내청성을 악화시키기 때문에, 그의 상한을 2%로 설정하였다.
Ni은 공업적 용제시 미량 함유되는 불가피한 성분이고, Mn과 마찬가지로 고온에서 오스테나이트상을 확보하고 담금질성을 확보하는데 유용한 성분이다. 그러나, 0.5% 이상의 첨가는 오스테나이트상을 현저히 안정화시키기 때문에, 서냉각이 열처리 후에 적용될 때 담금질 경화가 발생하여, 브레이크 디스크 가공시에 뜨임 연화 실현을 어렵게 만든다. 따라서 첨가량을 0.5% 미만으로 설정하였다.
Cr은 이륜차용 브레이크 디스크의 요구된 내청성을 유지하기 위한 기본적인 필요 성분중의 하나이고, 그의 함량이 10% 미만이면 요구된 내청성은 얻어질 수 없다. 한편, 만약 15% 초과의 Cr이 첨가된다면, 고온에서 오스테나이트상을 형성하기 위한 온도 영역이 좁아져, 담금질 온도 영역에서 마르텐사이트상으로 변태되지 않고 페라이트상을 생성하여, 담금질 후 요구된 경도는 얻어질 수 없다. 이러한 이유로, Cr 함량의 범위가 10 내지 15%로 설정되었다.
Nb은 제동시 발생하는 열에 의한 뜨임 연화를 억제하는데 중요한 성분으로서, 본 발명의 목적을 성취하기 위해서 필수 불가결하게 첨가되는 성분이다. 이러한 효과를 나타내기 위해서, 0.02% 이상의 Nb이 첨가되는 것이 필요하지만, 그러나 0.5%를 초과하여 첨가하면 인성을 악화시키는 결과를 초래한다. 이러한 이유로, 상한을 0.5%로 설정하였다.
Nb가 뜨임 연화를 억제하는 효과는, Nb가 마르텐사이트 변태시 도입된 다수의 전위가 가열에 의해 소멸됨에 따라 강 매트릭스가 연화하는 회복현상을 억제하고, 이와 동시에 미세한 Nb 탄질화물을 형성함으로써 조대한 Cr 탄질화물에 의한 연화를 억제하는 방식으로 얻어지는 것으로 여겨진다.
도 1은 Nb을 각각 0.06% 및 0.14% 첨가한 강(실시예 1의 표 1에서 D 및 E로 나타내진 강)의 뜨임 온도와 강의 경도사이의 관계를 Nb이 첨가되지 않은 종래 강(실시예 1의 표 1에서 U로 나타내진 강)과 비교하여 나타내었다. 도면으로부터 적은 양의 Nb의 첨가가 뜨임 연화 온도를 뚜렷히 상승시키는 것으로 확인되었다.
C+N의 양은 담금질 후 경도와 직접적으로 관련되어 있고, 규정된 수준으로 경도를 제어하기 위해서, 그 양을 0.04% 내지 0.1%의 범위로 유지할 필요가 있다.
Cu는 Mn 또는 Ni과 마찬가지로 고온에서 오스테나이트상을 확보하고 담금질성을 확보하는데 효과적인 성분이고, 이러한 효과는 0.1% 이상을 첨가할 때 충분하게 나타난다. 그러나, 2% 초과의 양을 첨가할 때, 강은 뜨임 열처리동안 경화되어 인성을 뚜렷히 감소시키는 결과를 초래한다. 이러한 이유로, 그의 상한을 2%로 설정하였다.
Mo은 Cr과 마찬가지로 내청성을 개선시키고, 뜨임시 인성의 저하를 억제하여 브레이크 디스크의 질을 강화하는 성분이다. 이러한 효과를 얻기 위해, 0.1% 이상의 Mo을 첨가할 필요가 있다. 그러나, Mo가 1% 초과하여 첨가된다면, Cr과 마찬가지로 오스테나이트상을 형성하는 온도 범위는 담금질 온도 범위에서 마르텐사이트상으로 변태하지 않는 페라이트상을 형성하는 고온에서 협소해진다. 따라서 담금질 후 요구된 경도는 얻어질 수 없다.
Ti, V 또는 B는 Nb 만큼 뜨임 연화 억제에 미치는 뚜렷한 효과를 가지지는 못한다. 그러나, 적당한 양이 Nb와 함께 첨가될 때, 뜨임 연화 억제의 효과는 더욱 강화될 수 있다. 이러한 효과가 나타나게 하기 위해서, 0.01% 이상의 Ti 또는 V, 또는 0.0005% 초과의 B가 첨가될 필요가 있다. 그러나, 만약 0.5% 초과의 Ti 또는 V, 또는 0.01% 이상의 B가 첨가된다면, 인성은 뚜렷히 악화되기 때문에, 이러한 수치들이 상기 각각의 성분에 대한 상한으로 설정되었다.
이상으로, 구성 성분 각각의 첨가량의 범위 및 상기 범위의 한정 이유를 기술하였다.
규정된 범위내로 담금질 후 경도를 안정하게 보유하기 위해서, 구성 성분들 각각에 대한 규정에 부가적으로, 고온에서 오스테나이트 범위에 영향을 미치는 화학조성의 균형을 제어할 필요가 있다. 오스테나이트 범위를 결정하는 지수로서, 아래의 방정식에 의해 나타내어진 γP가 효과적이다. 고온에서 오스테나이트상을 형성하기 위한 온도 범위는 방정식으로 계산된 γP가 70 이상이 되도록 화학조성을 제어하므로써 확보될 수 있다. 그러나, 상기 γP값은 공업적 열처리에서 충분한 담금질 온도 범위를 확보하고 규정된 범위내에서 담금질 후 안정하게 경도를 보유하기 위해서 80 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.
γP= 420 x [%C] + 470 x [%N] + 23 x [%Ni] + 9 x [%Cu] + 7 x [%Mn] - 11.5 x [%Cr] - 11.5 x [%Si] - 12 x [%Mo] - 47 x [%Nb] - 52 x [%Al] - 49 x [%Ti] - 23 x [%V] - 500 x [%B] + 189
다른 불가피한 불순물에 대해서는, 다음과 같은 범위내로 그들을 제어하는 것이 바람직하다.
S 및 O의 함량은 각각 그들이 S의 경우에서 황화물 및 O의 경우에서 산화물을 발생시키기 때문에 0.02% 이하로 되는 것이 바람직하다.
P의 함량은 담금질 및 뜨임을 위한 가열시 인성을 저하시키기 때문에 0.05% 이하로 하는 것이 바람직하다.
비록 Al은 탈산제로써 효과적이지만, 만약 많은 양이 첨가된다면, 용제시 슬래그와 반응하고, 강내에 CaS 형 개재물의 증가를 초래하고, 녹을 발생시킨다. 상기 이유로, 0.03% 이하로 함량을 조절하는 것이 바람직하다.
실시예 1
표 1에서 나타낸 화학조성을 가진 강괴(ingot)가 제조된 후, 5mm의 두께로 열간압연되었다. 그 다음에, 850℃로 가열되고, 서냉에 의해 연화를 위해 열처리되어진 후, 강 시트는 다양한 열처리를 위해 절단되었다. 결과적으로, 각 강 시트들은 고주파 가열에 의해 950℃로 가열되어 10분동안 유지된 후, 수냉하여 담금질 열처리되었다. 경도 측정, 내청성의 평가 및 JIS 제 4호 서브사이즈 충격 시험을 위한 시험편이 약간의 담금질된 강판들로부터 절단되었다. 추가로, 각 담금질된 강판들은 400 내지 700℃로 가열되었고, 1 시간동안 유지된 후 공냉으로 열처리되었다. 연화 특성을 조사하기 위한 경도 측정, 내청성의 평가 및 JIS 제 4호 서브사이즈 충격 시험용 시험편이 그들로부터 절단되었다.
연화 특성은 로크웰 경도 시험 방법(JIS Z 2245)으로 경도를 측정하였고, HRC 30 이하로 강을 연화하기 위한 뜨임 온도로 평가되었다. 내청성은 거칠기 # 400으로 시험편들을 연마하고, 100 시간 염수 분사 시험(JIS Z 2371)하여 평가되었다. 인성은 25℃의 온도에서 시험편의 샤르피 충격 시험으로부터 얻어진 샤르피 충격치에 의해 평가되었다(JIS Z 2242). 결과들이 표 2에 나타내어졌다.
표 2로부터, 본 발명에 따른 모든 강이 높은 뜨임 연화 온도를 가지며, 30 HRC 이상의 경도를 보유하기 위한 뜨임 연화 온도가 모든 강에 있어서 530℃를 초과함을 관찰할 수 있다. 또한, 충격치 및 내청성이 우수하다는 것을 관찰할 수 있다. Nb을 함유하지 않은 비교 강의 경우에서, 뜨임 연화 온도는 500℃로 낮다. 나아가, Nb의 첨가량이 부적절하거나 다른 부적절한 구성 성분을 갖는 비교강들은 담금질 후 불충분한 경도, 낮은 인성때문에 브레이트 디스크용 재료로는 부적당하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 제동시 발생되는 열에 의한 뜨임 연화에 대한 우수한 저항을 가진 강을 제공할 수 있고, 브레이크 디스크용 재료에서 요구된 담금질성, 내청성 및 인성을 제공할 수 있어, 높은 제동능력이 요구되는 이륜차용 브레이크 디스크에 적용될 수 있다.
Claims (4)
- 중량 %로,C : 0.01 내지 0.1%,N : 0.014 내지 0.03%,C + N : 0.04 내지 0.1%,Si : 1% 이하,Mn : 2% 이하,Ni : 0.5% 미만,Cr : 10 내지 15%,Nb : 0.02 내지 0.5%, 및Fe와 불가피한 불순물의 잔부로 구성되고,담금질 열처리 후 경도는 30 내지 40 HRC 범위이고,30 HRC 이하로 경도를 낮추기 위한 뜨임 연화 온도는 530℃ 이상이며,아래와 같은 강의 화학조성 식으로부터 계산된 γP의 값이 80% 이상인 것을 특징으로 하는 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강.γP= 420 x [%C] + 470 x [%N] + 23 x [%Ni] + 9 x [%Cu] + 7 x [%Mn] - 11.5 x [%Cr] - 11.5 x [%Si] - 12 x [%Mo] - 47 x [%Nb] - 52 x [%Al] - 49 x [%Ti] - 23 x [%V] - 500 x [%B] + 189
- 제 1 항에 있어서,중량 %로,Cu : 0.1 내지 2%, 또는Mo : 0.1 내지 1% 중 하나 이상을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,중량 %로,Ti : 0.01 내지 0.5%,V : 0.01 내지 0.5%, 또는B : 0.0005 내지 0.01% 중 하나 이상을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 뜨임 연화 저항이 우수한 브레이크 디스크용 스테인레스강.
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