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技術 ディスクローター用フェライト系ステンレス鋼およびブレーキ用ディスクローター

出願人 日鉄ステンレス株式会社
発明者 松橋透吉澤俊希
出願日 2019年3月28日 (1年10ヶ月経過) 出願番号 2019-064713
公開日 2020年10月8日 (4ヶ月経過) 公開番号 2020-164901
状態 未査定
技術分野 鋼の加工熱処理
主要キーワード 腐食代 制動負荷 レイティングナンバ エコカー ブレーキローター 衝撃方向 美観向上 マルテンサイトステンレス鋼
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重要な関連分野

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課題

本発明は、自動車ディスクローターなどへの適用を想定し、700℃においても耐食性を確保しつつ、靭性もある程度確保することを課題とし、そのようなステンス鋼を提供することを目的とする。

解決手段

C:0.001〜0.035%、Si:0.01〜2.00%、Mn:0.05〜5.00%、P:0.050%以下、S:0.0500%以下、Cr:10.0〜20.0%、Ni:0.05〜3.00%、Nb:0.10〜1.00%、Ti:0.001〜0.100%Al:0.001〜3.00%N:0.001〜0.050%を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼であり、また、式1を満たすとさらによい。20t+2096C+118Si+76Mo+161Nb−234≦50 ・・・式1

概要

背景

自動車ブレーキシステムのひとつとしてディスクブレーキが広く用いられている。これはタイヤと結合されたディスクローターと呼ばれる円盤状の構造物ブレーキパッドで押しはさむことで、自動車の運動エネルギー摩擦熱に変換することによりその速度を低下させるものである。このディスクローターの材質にはその制動力コスト等から一般に片状黒鉛鋳鉄が用いられている。

鋳鉄耐食性を向上させる元素が添加されていないため耐食性に劣る。特に雨後などは放置するとすぐに赤さびが発生する。従来この赤さびは、ホイールの形状からあまり目立たなかった。しかし近年の燃費向上の要請によりホイールにアルミが多用化され、またスポークの形状が細くなると、そのさびが外観上目立つようになり、その改善が望まれてきている。

耐食性に優れる材料としてステンレス鋼があり、バイクなどの二輪車にはマルテンサイト系のSUS410系の材料が広く用いられている。これは二輪車ではブレーキ人目につきやすく耐食性や意匠性重視されるためである。一方でステンレス鋼は熱伝導性が鋳鉄よりも劣る。二輪車においてはブレーキシステムがむき出しで、冷却されやすいためステンレス鋼の適用が可能となっている。しかし、四輪車の場合はタイヤを含むブレーキシステムがタイヤハウス内に収められているため、二輪車よりも冷却能が低いステンレス鋼製ディスクローターは前記構造の自動車(四輪車、三輪車、等)へ適用されていなかった。

一方、近年のエコカーでは、ブレーキの摩擦熱を電気として回収する「回生ブレーキ」の採用が急激に伸びている。これは従来捨てられていたブレーキとパッド摩擦による熱エネルギー電気エネルギーに変換するシステムである。この適用によりブレーキとパッド間で発生していた摩擦熱が低減するため、従来のシステムに比較して制動負荷が小さくなるために、鋳鉄よりも熱伝導性が劣るステンレス鋼でも適用の可能性が広がっている。

二輪車用に広く用いられているSUS410系ステンレス鋼は外観上の意匠性とさびにくさの観点からCrを13%程度含有し、制動性の観点から硬度を高くするためCを0.03〜0.05%程度含有したマルテンサイト系ステンレス鋼である。二輪車ではブレーキ制動時の負荷から生じるローター温度上昇は200℃程度、最大で500℃程度と言われている。一方、例えば四輪車の場合は、二輪車よりも車体も重くかつ乗員数が多い場合にはそれに応じてその負荷は大きくなる。四輪で分散するとしても高速からのブレーキ時は最大では500℃を超過し700℃に達する場合もあるといわれている。マルテンサイト系ステンレス鋼は500℃を超過するとマルテンサイト組織が分解し硬度低下を生じる場合がある。さらに、その際にCrがCと結びつき耐食性を劣化させる懸念もある。そのため四輪用ブレーキローターとしては500℃を超過し700℃の高温域まで材質的(特に耐食性)に安定なステンレス鋼が望まれている。

また前記の四輪ディスクブレーキローターの厚さは現行鋳鉄での板状のソリッド型でも6〜12mm程度の厚さを有する。鋳鉄は耐食性が劣るためにその厚みに腐食代を見込んでいる。腐食代を片側1mmと仮定しても4〜10mm程度の厚みが必要となる。鋳鉄は鋳造で製造されるため、製造上の制約から歩留まりが低い。ディスクブレーキローターをステンレス鋼化すると、板金からのプレス成形による生産性の向上が見込まれるため、材料費が高いとされるステンレス鋼も生産性が向上することにより、トータルコストでは競争力を有すると考えられる。ただしステンレス鋼はその組織によっては4〜10mm程度の厚さでも靭性が劣る場合がある。靭性が低いと鋼板製造やディスク加工時に割れが問題となる可能性だけでなく、実走行においても極寒期に急ブレーキをかけた際に破損する恐れも想定される。

特許文献1には四輪車用ステンレス鋼ディスクローターが開示されている。これはC含有量が0.4%以下と高く、マルテンサイト組織、あるいはマルテンサイト相フェライト相混合組織からなるステンレス鋼板からなり、優れたホットプレス成形性と高強度が特徴とされている。しかしC含有量が高いマルテンサイト組織を有するため、約700℃まで高温となった場合の耐食性の低下や靭性が懸念されるがそれについては記載がない。

特許文献2には焼戻し軟化抵抗と靭性に優れるブレーキディスクが示されており、マルテンサイト系ステンレス鋼でも耐食性と靭性に優れると記載されている。特許文献2では高温のブレーキを模擬した試験として600℃の焼戻し処理を実施しているが、四輪車で達すると想定される700℃での評価は実施していない。また製造時に焼戻し処理工程が付加されるため、コスト的にも不利となる。

特許文献3には耐食性と靭性に優れたディスクブレーキローター用マルテンサイトステンレス鋼が開示されている。特許文献3に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ローター製造時の焼入れ処理時の冷却速度が遅くなった場合に耐食性が低下することを抑えることを特徴としている。しかし、これもマルテンサイト系ステンレス鋼のため前述したように700℃まで高温となった場合の耐食性低下改善の記載はない。

概要

本発明は、自動車のディスクローターなどへの適用を想定し、700℃においても耐食性を確保しつつ、靭性もある程度確保することを課題とし、そのようなステンス鋼を提供することを目的とする。C:0.001〜0.035%、Si:0.01〜2.00%、Mn:0.05〜5.00%、P:0.050%以下、S:0.0500%以下、Cr:10.0〜20.0%、Ni:0.05〜3.00%、Nb:0.10〜1.00%、Ti:0.001〜0.100%Al:0.001〜3.00%N:0.001〜0.050%を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼であり、また、式1を満たすとさらによい。20t+2096C+118Si+76Mo+161Nb−234≦50 ・・・式1なし

目的

そのため四輪用ブレーキローターとしては500℃を超過し700℃の高温域まで材質的(特に耐食性)に安定なステンレス鋼が望まれている

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

質量%でC:0.001〜0.035%、Si:0.01〜2.00%、Mn:0.05〜5.00%、P:0.050%以下、S:0.0500%以下、Cr:10.0〜20.0%、Ni:0.05〜3.00%、Nb:0.10〜1.00%、Ti:0.001〜0.100%Al:0.001〜3.00%N:0.001〜0.050%を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とするディスクローターフェライト系ステンレス鋼

請求項2

さらに質量%でMo:3.00%以下、Sn:3.00%以下、Cu:3.00%以下、B:0.0100%以下、W:1.000%以下、V:1.000%以下Sb:0.100%以下、Co:0.500%以下、Ca:0.0050%以下Mg:0.0050%以下、Zr:0.0300%以下、Ga:0.0100%以下、Ta:0.050%以下、REM:0.100%以下の1種または2種以上を含有し、請求項1に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。

請求項3

シャルピー試験衝撃値20J/cm2となる温度vT20が50℃以下であることを特徴とする請求項1または2に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。

請求項4

前記フェライト系ステンレス鋼の成分が式1を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。20t+2096C+118Si+76Mo+161Nb−234≦50ただし、tは板厚(mm)を、各元素記号は当該元素含有量(質量%)を示し、含まない場合は0を代入する。

請求項5

前記フェライト系ステンレス鋼は、自動車に用いられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。

請求項6

前記フェライト系ステンレス鋼は、回生ブレーキが搭載された自動車に用いられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。

請求項7

請求項1〜4のいずれか1項に記載のフェライト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とするブレーキ用ディスクローター。

請求項8

自動車に用いることを特徴とする請求項7に記載のブレーキ用ディスクローター。

請求項9

回生ブレーキを搭載した自動車に用いることを特徴とする請求項7に記載のブレーキ用ディスクローター。

技術分野

0001

本発明は、ディスクローターフェライト系ステンレス鋼に関する。

背景技術

0002

自動車ブレーキシステムのひとつとしてディスクブレーキが広く用いられている。これはタイヤと結合されたディスクローターと呼ばれる円盤状の構造物ブレーキパッドで押しはさむことで、自動車の運動エネルギー摩擦熱に変換することによりその速度を低下させるものである。このディスクローターの材質にはその制動力コスト等から一般に片状黒鉛鋳鉄が用いられている。

0003

鋳鉄耐食性を向上させる元素が添加されていないため耐食性に劣る。特に雨後などは放置するとすぐに赤さびが発生する。従来この赤さびは、ホイールの形状からあまり目立たなかった。しかし近年の燃費向上の要請によりホイールにアルミが多用化され、またスポークの形状が細くなると、そのさびが外観上目立つようになり、その改善が望まれてきている。

0004

耐食性に優れる材料としてステンレス鋼があり、バイクなどの二輪車にはマルテンサイト系のSUS410系の材料が広く用いられている。これは二輪車ではブレーキ人目につきやすく耐食性や意匠性重視されるためである。一方でステンレス鋼は熱伝導性が鋳鉄よりも劣る。二輪車においてはブレーキシステムがむき出しで、冷却されやすいためステンレス鋼の適用が可能となっている。しかし、四輪車の場合はタイヤを含むブレーキシステムがタイヤハウス内に収められているため、二輪車よりも冷却能が低いステンレス鋼製ディスクローターは前記構造の自動車(四輪車、三輪車、等)へ適用されていなかった。

0005

一方、近年のエコカーでは、ブレーキの摩擦熱を電気として回収する「回生ブレーキ」の採用が急激に伸びている。これは従来捨てられていたブレーキとパッド摩擦による熱エネルギー電気エネルギーに変換するシステムである。この適用によりブレーキとパッド間で発生していた摩擦熱が低減するため、従来のシステムに比較して制動負荷が小さくなるために、鋳鉄よりも熱伝導性が劣るステンレス鋼でも適用の可能性が広がっている。

0006

二輪車用に広く用いられているSUS410系ステンレス鋼は外観上の意匠性とさびにくさの観点からCrを13%程度含有し、制動性の観点から硬度を高くするためCを0.03〜0.05%程度含有したマルテンサイト系ステンレス鋼である。二輪車ではブレーキ制動時の負荷から生じるローター温度上昇は200℃程度、最大で500℃程度と言われている。一方、例えば四輪車の場合は、二輪車よりも車体も重くかつ乗員数が多い場合にはそれに応じてその負荷は大きくなる。四輪で分散するとしても高速からのブレーキ時は最大では500℃を超過し700℃に達する場合もあるといわれている。マルテンサイト系ステンレス鋼は500℃を超過するとマルテンサイト組織が分解し硬度低下を生じる場合がある。さらに、その際にCrがCと結びつき耐食性を劣化させる懸念もある。そのため四輪用ブレーキローターとしては500℃を超過し700℃の高温域まで材質的(特に耐食性)に安定なステンレス鋼が望まれている。

0007

また前記の四輪ディスクブレーキローターの厚さは現行鋳鉄での板状のソリッド型でも6〜12mm程度の厚さを有する。鋳鉄は耐食性が劣るためにその厚みに腐食代を見込んでいる。腐食代を片側1mmと仮定しても4〜10mm程度の厚みが必要となる。鋳鉄は鋳造で製造されるため、製造上の制約から歩留まりが低い。ディスクブレーキローターをステンレス鋼化すると、板金からのプレス成形による生産性の向上が見込まれるため、材料費が高いとされるステンレス鋼も生産性が向上することにより、トータルコストでは競争力を有すると考えられる。ただしステンレス鋼はその組織によっては4〜10mm程度の厚さでも靭性が劣る場合がある。靭性が低いと鋼板製造やディスク加工時に割れが問題となる可能性だけでなく、実走行においても極寒期に急ブレーキをかけた際に破損する恐れも想定される。

0008

特許文献1には四輪車用ステンレス鋼ディスクローターが開示されている。これはC含有量が0.4%以下と高く、マルテンサイト組織、あるいはマルテンサイト相フェライト相混合組織からなるステンレス鋼板からなり、優れたホットプレス成形性と高強度が特徴とされている。しかしC含有量が高いマルテンサイト組織を有するため、約700℃まで高温となった場合の耐食性の低下や靭性が懸念されるがそれについては記載がない。

0009

特許文献2には焼戻し軟化抵抗と靭性に優れるブレーキディスクが示されており、マルテンサイト系ステンレス鋼でも耐食性と靭性に優れると記載されている。特許文献2では高温のブレーキを模擬した試験として600℃の焼戻し処理を実施しているが、四輪車で達すると想定される700℃での評価は実施していない。また製造時に焼戻し処理工程が付加されるため、コスト的にも不利となる。

0010

特許文献3には耐食性と靭性に優れたディスクブレーキローター用マルテンサイトステンレス鋼が開示されている。特許文献3に記載のマルテンサイト系ステンレス鋼は、ローター製造時の焼入れ処理時の冷却速度が遅くなった場合に耐食性が低下することを抑えることを特徴としている。しかし、これもマルテンサイト系ステンレス鋼のため前述したように700℃まで高温となった場合の耐食性低下改善の記載はない。

先行技術

0011

特開2016−117925号公報
特開2006−291240号公報
特開2002−121656号公報

発明が解決しようとする課題

0012

前述したように、自動車のディスクローターは高速からの制動時には最大で約700℃の温度に達することがある。このため、700℃に加熱された場合でも耐食性を含む特性低下がないことが求められる。また厚手のステンレス鋼では靭性低下による破損が懸念されるため、高い靭性が要求される。以上のことから、本発明は、ディスクローター用ステンレス鋼として、700℃においても耐食性を確保しつつ、靭性もある程度確保することを課題とし、そのようなステンス鋼板を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0013

上記課題を解決するために、本発明者らは以下を検討した。
まず二輪車で主に用いられているマルテンサイト系ステンレス鋼により高速からの制動によるローターの高温化を模擬して、高温に加熱・冷却後の耐食性および強度を測定した。その結果、従来のマルテンサイト系ステンレス鋼は500℃までは特性の変化は認められないが、それ以上の温度になると耐食性および強度が低下した。特に700℃になると極端に劣化することを確認した。これはマルテンサイト組織が500℃以上となるとマルテンサイト組織内のCrが拡散し、粒界近傍でCrの炭化物析出し粗大化するに起因する。

0014

そこで700℃の高温でも安定な組織を有するフェライト系ステンレス鋼に着目し、さらにCrの炭窒化物の生成を抑制するため、よりCとの親和力の高いNbを含有したステンレス鋼の適用を見出した。

0015

フェライト系ステンレス鋼はマルテンサイト系ステンレス鋼よりは強度は低いが、添加元素によっては従来用いられている鋳鉄より高い強度が得られる。しかし、フェライト系ステンレス鋼は厚手(板厚が厚くなると靭性の低下が懸念されるため靭性低下を抑制する成分を種々検討しその方針を見出した。
本発明は、上記知見に基づくものであって、その要旨は以下のとおりである。

0016

(1)
質量%で
C:0.001〜0.035%、
Si:0.01〜2.00%、
Mn:0.05〜5.00%、
P:0.050%以下、
S:0.0500%以下、
Cr:10.0〜20.0%、
Ni:0.05〜3.00%、
Nb:0.10〜1.00%、
Ti:0.001〜0.100%
Al:0.001〜3.00%
N:0.001〜0.050%を含有し、残部がFeおよび不純物であることを特徴とするディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
(2)
さらに質量%で
Mo:3.00%以下、
Sn:3.00%以下、
Cu:3.00%以下、
B:0.0100%以下、
W:1.000%以下、
V:1.000%以下
Sb:0.100%以下、
Co:0.500%以下、
Ca:0.0050%以下
Mg:0.0050%以下、
Zr:0.0300%以下、
Ga:0.0100%以下、
Ta:0.050%以下、
REM:0.100%以下
の1種または2種以上を含有し、(1)に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
(3)
シャルピー試験衝撃値20J/cm2となる温度vT20が50℃以下であることを特徴とする(1)または(2)に記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
(4)
前記フェライト系ステンレス鋼の成分が式1を満足することを特徴とする(1)〜(3)のいずれか1つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
20t+2096C+118Si+76Mo+161Nb−234≦50・・・(式1)
ただし、tは板厚(mm)を、各元素記号は当該元素の含有量(質量%)を示し、含まない場合は0を代入する。
(5)
前記フェライト系ステンレス鋼は、自動車に用いられることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
(6)
前記フェライト系ステンレス鋼は、回生ブレーキが搭載された自動車に用いられることを特徴とする(1)〜(4)のいずれか1つに記載のディスクローター用フェライト系ステンレス鋼。
(7)
上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載のフェライト系ステンレス鋼を用いたことを特徴とするブレーキ用ディスクローター。
(8)
自動車に用いることを特徴とする(7)に記載のブレーキ用ディスクローター。
(9)
回生ブレーキが搭載された自動車に用いることを特徴とする(7)に記載のブレーキ用ディスクローター。

発明の効果

0017

本発明により、700℃の高温に達しても、安定した耐食性を有し、尚且つ靭性も確保したディスクローター用ステンレス鋼が得られる。特に、自動車用ブレーキローターや回生ブレーキを搭載した自動車用ブレーキローターに適用すると、よりその効果が得られる。

0018

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。特に断りのない限り、成分に関する「%」は鋼中の質量%を示す。

0019

C:0.001〜0.035%
Cは、腐食性を低下させることとフェライト組織の安定化のため、その含有量を低く抑える必要がある。そのため、Cの含有量を0.035%以下とする。好ましくは0.002%以上にするとよい。しかしながら、C量を過度に低めることは精練コストを上昇させるため、C量を0.001%以上とする。好ましくは、0.020%以下にするとよい。

0020

Si:0.01〜2.00%
Siは、脱酸剤として有用な元素であるとともに、強度や耐酸化性を改善する元素である。そのため、Siの含有量を0.01%以上とする。好ましくは0.10%以上に、さらに好ましくは0.30%以下にするとよい。ただし、Siの過度な含有は加工性を低下させるため、Siの含有量を2.00%以下とする。好ましくは1.00%以下に、さらに好ましくは0.30%以下にするとよい。

0021

Mn:0.05〜5.00%
Mnは、脱酸元素として有用であり、強度も向上させるので、含有量を0.05%以上とする。好ましくは0.10%以上に、より好ましくは1.50%以下にするとよい。一方、過剰量に含有させると、耐食性を劣化させるため、Mn含有量を5.00%以下とする。好ましくは3.00%以下、より好ましくは1.50%以下にするとよい。

0022

P:0.050%以下
Pは、加工性・溶接性・耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Pの含有量を0.050%以下とする。好ましくは、Pの含有量は、0.030%以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上0.005%以上含有してもよい。

0023

S:0.0500%以下
Sは、耐食性を劣化させる元素であるため、少ない方がよく、その含有量を制限する必要がある。そのため、Sの含有量を0.0500%以下とする。好ましくは、Sの含有量は、0.0040%以下にするとよい。一方、過剰な低下は精錬時の負荷が高いため、実操業上0.0050%以上含有してもよい。

0024

Cr:10.0〜20.0%
Crは、耐食性を確保するために重要な元素であるので、含有量を10.0%以上とする。好ましくは10.5%以上に、より好ましくは11.0以上にするとよい。一方、Crの含有量を増加させるほど、耐食性は向上するが、加工性、製造性を低下させる。そのため、Cr含有量は20.0%以下とする。好ましくは19.0%以下に、より好ましくは18.0%以下にするとよい。

0025

Ni:0.05〜3.00%
Niも、耐食性を向上させるため、0.05%以上含有することができる。好ましくは0.08%以上に、より好ましくは0.09%以上にするとよい。一方、上限は特に限定しないが、多量の含有は合金コスト増加に繋がるため、Ni含有量を3.00%以下にする。好ましくは1.00%以下に、より好ましくは0.60%以下にするとよい。

0026

Nb:0.10〜1.00%
Nbは、CやNとの親和力が高く、優先的にNb炭窒化物を生成することにより、Crの炭窒化物の生成を抑制し、耐食性を向上させることができるため、0.10%以上含有することができる。好ましくは0.20%以上に、より好ましくは0.25%以上にするとよい。一方、多量の含有は再結晶性しにくくなり組織が粗くなり、また靭性を低下させるため、1.00%以下にするとよい。好ましくは0.80%以下に、より好ましくは0.60%以下にするとよい。

0027

Ti:0.001〜0.100%
Tiは、CやNの安定化作用により耐食性を担保するため、0.001%以上含有することができる。好ましくは0.002%以上にするとよい。一方、多量に含有すると靭性を低下させるため0.010%以下とする。好ましくは0.050%以下にするとよい。

0028

Al:0.001〜3.000%
Alは、製造上の脱酸剤として用いられることがあるため、0.01%以上含有することができる。好ましくは0.015%以上にするとよい。一方、靭性を低下させる元素であるため3.000%以下とする。好ましくは、2.000%以下、さらに好ましくは0.800%以下にするとよい。

0029

N:0.001〜0.050%
Nは、強度の向上や耐孔食性に有用な元素であるため0.001%含有することができる。好ましくは0.005%以上にするとよい。一方、耐粒界腐食性、加工性を低下させるため、Nの含有量は0.050%以下とする。好ましくは0.020%以下にするとよい。

0030

上記鋼成分の残部はFeおよび不純物である。ここで不純物とは、鋼を工業的に製造する際に、鉱石スクラップ等のような原料をはじめとして、製造工程の種々の要因によって混入する成分であって、本発明に悪影響を与えない範囲で許容されるものを意味する。

0031

また、本実施形態のフェライト系ステンレス鋼は、Feに代えて、さらにNi、Mo、Sn、Cu、B、W、V、Sb、Co、Ca、Mg、Zr、Ga、Ta、REMの1種または2種以上を含有することができる。

0032

Mo:3.00%以下
Moは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.01%以上含有することができる。好ましくは0.05%以上にするとよい。しかし、過剰の含有は、加工性や靭性を低下させるとともに、高価であるためコストアップに繋がる。そのため、Mo含有量を3.00%以下とする。好ましくは1.00%以下にするとよい。

0033

Sn:3.00%以下
Snは耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.01%以上含有することができる。好ましくは0.05%以上にするとよい。しかし、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Sn含有量を3.00%以下とする。好ましくは1.00%以下にするとよい。

0034

Cu:3.00%以下
Cuは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.01%以上含有することができる。好ましくは0.02%以上、さらに好ましくは0.05%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Cu含有量を3.00%以下とする。好ましくは1.00%以下に、より好ましくは0.09%以下にするとよい。

0035

B:0.0100%以下
Bは、2次加工性を向上させるのに有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため0.0001%以上含有することができる。好ましくは0.0005%以上にするとよい。一方、過剰な添加は却って伸びの低下による加工性低下を招くため、B含有量を0.0100%以下とする。好ましくは0.0050%以下にするとよい。

0036

W:1.000%以下
Wは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.001%以上含有することができる。好ましくは0.005%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、W含有量を1.000%以下とする。好ましくは0.800%以下にするとよい。

0037

V:1.000%以下
Vは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.001%以上含有することができる。好ましくは0.005%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、V含有量を1.000%以下とする。好ましくは0.500%以下にするとよい。

0038

Sb:0.100%以下
Sbは、耐全面腐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.001%以上とする。好ましくは0.010%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Sb含有量を0.100%以下とする。好ましくは0.080%以下にするとよい。

0039

Co:0.500%以下
Coは、二次加工性と靭性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.001%以上とする。好ましくは0.010%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Co含有量を0.500%以下とする。好ましくは0.300%以下にするとよい。

0040

Ca:0.0050%以下
Caは、脱硫に有効な元素であり、含有する場合、その効果を得るため0.001%以上含有するとよい。好ましくは0.0005%以上にするとよい。一方、過剰に含有すると、水溶性介在物CaSが生成して耐食性を低下させるため、0.0050%以下にするとよい。好ましくは0.0030%以下にするとよい。

0041

Mg:0.0050%以下
Mgは、組織を微細化し、加工性、靭性の向上にも有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため0.0001%以上含有するとよい。好ましくは0.0005%以上にするとよい。一方、過剰な添加は耐食性の低下を招くため、Mg含有量を0.0050%以下とする。好ましくは0.0030%以下にするとよい。

0042

Zr:0.0300%以下
Zrは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、0.0001%以上含有することができる。好ましくは0.0010%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Zr含有量を0.0300%以下とする。好ましくは0.0100%以下にするとよい。

0043

Ga:0.0100%以下
Gaは、耐食性と耐水素脆化性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、0.0001%以上含有することができる。好ましくは0.0005%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ga含有量を0.0100%以下とする。好ましくは0.0050%以下にするとよい。

0044

Ta:0.050%以下
Taは、耐食性を向上させる元素であり、含有する場合、その効果を得るために、0.001%以上含有することができる。好ましくは0.005%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、Ta含有量を0.050%以下とする。好ましくは0.030%以下にするとよい。

0045

REM:0.001〜0.100%
REMは、脱酸効果等を有するので、精練で有用な元素であり、含有する場合、その効果を得るため、0.001%以上含有することができる。好ましくは0.003%以上にするとよい。一方、過剰の含有はコスト増加に繋がるため、REM含有量を0.100%以下とする。好ましくは0.050%以下にするとよい。
ここで、REM(希土類元素)は、一般的な定義に従い、スカンジウム(Sc)、イットリウム(Y)の2元素と、ランタン(La)からルテチウム(Lu)までの15元素(ランタノイド)の総称を指す。REMは、これら希土類元素から選択される1種以上であり、REMの量とは、希土類元素の合計量である。

0046

本実施形態のステンレス鋼は、上述してきた元素以外は、Feおよび不純物(不可避的不純物を含む)からなるが、以上説明した各元素の他にも、本発明の効果を損なわない範囲で含有させることができる。

0047

上記成分組成に係るフェライト系ステンレス鋼の高温(700℃)到達後の耐食性および靭性について以下のように評価した。
高温化の熱処理としては500℃と700℃で1時間保持した後、水冷した。これらの熱処理をした試験材熱処理材)と、比較のために熱処理をしない試験材および従来の鋳鉄による試験材を準備した。これら試験材の表面を#600エメリー紙を用いて湿式研磨した。これをJISで定められる塩水噴霧試験に24時間供し、さびの発生有無を評価した。その結果、熱処理をしない試験材は従来の鋳鉄以外はさびが発生しなかった。一方、熱処理材ではSUS410系のステンレス鋼(マルテンサイト系ステンレス鋼)はさびが発生したが、Cが0.035%以下のフェライト系ステンレス鋼では、さびがまったく発生しなかった。

0048

また一般にフェライト系ステンレス鋼の靭性はマルテンサイト系ステンレス鋼に比較して低下する。この靭性を向上させるにはNbの添加およびTiの低減、加えてMn,Si,N添加量の適正化が必要であることが分かった。その成分の影響を定量化するために以下の評価をおこなった。靭性の評価法としては、JIS Z 2242に規定されるシャルピー試験法がある。この試験法により各温度にて衝撃値を測定すると、低温になるとある温度で急激に衝撃値が低下する。その温度—衝撃値曲線を得ることで、衝撃値が20J/cm2となる温度をvT20として指標化した。この関係を鋭意調べた結果、vT20の値が50℃以下であれば、ディスクローターとしての特性を有することを明らかにした。好ましいvT20の値は30℃以下であり、より好ましくは0℃以下である。

0049

次に、靭性vT20に及ぼす主要な添加元素と板厚tとの関係についてさらに鋭意調査した結果、以下(1)式の関係を見出した。
20t+2096C+118Si+76Mo+161Nb−234=vT20(℃) …(1)
ここでtは板厚(mm)、C,Si,Mo,Nbは各の元素の添加量(質量%)であり、含まない場合は0を代入する。

0050

即ち、式1の値が50℃以下になるとよい。好ましくは、式1の値が30℃以下であり、より好ましくは0℃以下になるとよい。この(1)式を満たすようなC,Si,Mo,Nb添加量および板厚となるフェライト系ステンレス鋼であれば、当該効果を有することを明らかにした。
ここではNについても同様に検討したが、今回検討した範囲では靭性に及ぼすNの効果が明瞭でないために(1)式には含めなかった。

0051

本実施形態のステンレス鋼の製造方法は、特に限定されない。ステンレス鋼板を製造する一般的な方法を適用してもよい。例えば、転炉または電気炉で上記の成分組成を有する溶鋼とし、AOD炉やVOD炉等で精錬される。その後、連続鋳造法または造塊法で鋼片とし、次いで、熱間圧延し、熱延板焼鈍酸洗の工程、冷間圧延仕上げ焼鈍などを経て、本実施形態のステンレス鋼が製造される。必要に応じて、熱延板の焼鈍などを省略してもよいし、冷間圧延−仕上げ焼鈍−酸洗を繰り返し行ってもよい。各工程の間に表面研削を行ってもよい。

0052

表1に示す成分組成のステンレス鋼を溶製してスラブを鋳造し、当該スラブを1100〜1250℃の範囲で加熱し、板厚40mmになるまで粗圧延を行い、粗圧延終了温度を測温した。その後10秒保持した後、基本的に板厚6mmになるまで仕上圧延し冷却した。その後、800〜980℃で1分間の均熱処理後に水冷した。温度条件は再結晶完了後の結晶粒度から決定した。結晶粒度はフェライト組織の場合はJIS G 0551に準拠した粒度番号を7±1をねらい、この粒度となるよう熱処理条件を調整した。マルテンサイト組織が一部または全部となる場合はそれより粒度番号が大きい値のままとした。なお結晶粒度はL方向断面の板厚中央部分からから任意に5か所測定し、その平均値で評価した。この熱処理板ショット・酸洗を施し試験材とした。
なお板厚は基本的に6mmとしたが、一部試験片ではその影響を見るために4.5mm、8.0mm、10.0mm厚の試験材も製造した。

0053

[耐食性]
作製した鋼板を、ブレーキの高温環境を模擬して500℃および700℃で一時間熱処理し空冷したサンプルを酸洗でスケール処理した後に表面を砥粒#600番のエメリー紙で湿式研磨処理した。これらから幅が75mm、長さが150mmである試験片を切り出し、JIS Z 2371に準拠した塩水噴霧試験を24時間実施した。

0054

塩水噴霧試験後のさび程度は、JIS G 0595に準拠する方法でレイティングナンバを判定し、レイティングナンバが9以上の鋼種は表1中に符号「◎」で、レイティングナンバが8〜6の鋼種は表1中に符号「○」で、レイティングナンバが5以下の鋼種は表1中に符号「×」で示し、◎および○を合格とした。

0055

[靭性]
シャルピー衝撃試験は以下のように行った。試験材よりサブサイズシャルピー衝撃試験片をJIS Z 2202に準拠して採取し、圧延方向の垂直方向衝撃方向としてJIS Z 2242に準拠した金属材料衝撃試験を各温度で実施した。得られた温度−衝撃値の曲線から3回の試験の平均値が20J/cm2以上となる温度をvT20として評価した。この温度が50℃以下であれば合格とした。なお、80度でも上記を満たさない場合は表内で「>80」と表記した。

0056

表1に示した結果のとおり、本発明範囲であるA1〜A27では耐食性および靭性とも良好な結果を示した。またA28〜A30はA27と同じ材料を用いて板厚を変更させた場合の結果である。板厚が厚くなるほど靭性は低下するが、本発明範囲の成分では10mm厚でも目標靭性値を満たした。

0057

これに対して比較例B1〜B6はいずれかの成分が本発明範囲外である。B1のマルテンサイト組織のものは、500℃熱処理では耐食性を有するものの、700℃の熱処理では耐食性が低下した。なおB1はマルテンサイト組織のため、靭性は(1)式とは合致しない。B2はCr含有率が低いため耐食性が劣位となり、B3からB6では靭性を低下させる元素が発明範囲外のために靭性が劣位となった。
参考として従来使用されている黒鉛鋳鉄では、耐食性は熱処理温度の関わらずきわめて劣位となる。

実施例

0058

0059

以上の説明から明らかなように、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼は、ブレーキのディスクローターに利用することができる。そのため、本発明に係るフェライト系ステンレス鋼をディスクブレーキに適用することで、ブレーキの美観向上だけでなく、耐食性や耐久性向上による寿命向上が期待され社会的エンドを高めることが可能となり、産業上きわめて有益である。

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