(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．２０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：５．０質量％以下，Ｃｕ：２．５６〜７．５質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を用意し、Ｃｕリッチの第二相がα相と共存する温度域にＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を保持してＣｕリッチの第二相を析出させた後、冷却することを特徴とする摺動部材用合金の製造方法。
【請求項２】
Ｃ：０．２０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：５．０質量％以下，Ｃｕ：２．５６〜７．５質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を用意し、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金をγ単相温度域から焼入れしてマルテンサイト相とした後、Ｃｕリッチの第二相が析出する温度域にＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を昇温保持することを特徴とする摺動部材用合金の製造方法。
【請求項３】
Ｃ：０．２０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：５．０質量％以下，Ｃｕ：２．５６〜７．５質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を用意し、Ｃｕリッチの第二相がγ相と共存する温度域からＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を焼入れし、Ｃｕリッチの第二相が焼入れマルテンサイト相に分散析出した組織にすることを特徴とする摺動部材用合金の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車，自動二輪，自転車等の摺動部材として好適に使用され、安定した摺動特性を呈し制動時の発熱温度条件下で軟化しない摺動部材用合金に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速道路網が整備されるにつれ、自動車や自動二輪の長時間高速走行が可能になっている。自転車に関しても、スポーツ用，競技用自転車等を始めとして高速化が要求されている。高速化に伴い、運転時や停止時の速度制御で必要とされる制動システムへの負荷が増大している。たとえば、制御システムのディスクブレーキにより高品質のロータ材が要求される。制動用途での要求特性には安定した摺動特性や耐食性があり、また高速化に伴って各種車両の軽量化が強く求められている。このような要求に応えるため、高強度化や高機能化を図った新材料の開発が急務になっている。
【０００３】
たとえば、自動車用ディスクブレーキのロータ材は、大半がねずみ鋳鉄等の鋳鉄材である。鋳鉄材は、マトリックスに黒鉛が分散した組織をもっているので温度，湿度等の環境変化に拘らず摺動特性が比較的安定しており、良好な熱伝導率のため制動時の摩擦熱が分散され局部的な昇温に起因する歪変形が緩和されるという他の材料ではみられない特性を備えている。
鋳鉄材は、摺動特性に優れているものの、肉厚のため軽量化に適した材料ではなく、衝撃値や靭性が低いため変形加工も極めて困難である。そのため、鋳鉄製ロータ材の製作は、プレス加工を採用できず１個の製品ごとに鋳型を使用する鋳造法に拠らざるを得ず、製品コストが高くつく。耐食性の点でも、外観や機能性を損ねる赤錆が湿潤環境下で早期に発生する欠点がある。
【０００４】
耐食性や軽量化の要求が強い自動二輪や自転車のディスクブレーキではロータ材が外部に露出した構造になっているので、耐食性に問題のある鋳鉄製部品に代え、高強度化が可能なマルテンサイト系ステンレス鋼が用いられるようになってきた。たとえば、Ｃ：０．２６〜０．４０質量％のＳＵＳ４２０Ｊ２の焼入れ・焼戻し材，Ｃ：０．１５質量％以下のＳＵＳ４１０系等がある。マルテンサイト系ステンレス鋼を自動二輪や自転車のロータ材に使用する場合、制動時のブレーキ音を抑えるため硬さをＨＲＣ３５±３程度に調質する必要があるが、マルテンサイト系ステンレス鋼ではＨＲＣ３５±３の硬さを維持しがたい。ロータ材に要求される耐食性等についても、マルテンサイト系ステンレス鋼は必ずしも自動二輪，自転車等の要求特性を満足していない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
自動二輪，自転車等の制動部材に使用されているＳＵＳ４２０Ｊ２は、多量のＣを含み、焼入れ硬さが約ＨＲＣ６０と高く、焼入れしたままではロータ材として使用できない。そのため、約５００〜７００℃の焼戻し処理を施すことにより、硬さをＨＲＣ３５±３に収めている。しかし、焼戻し処理によってＣｒ系炭化物が析出し、耐食性が著しく低下する。焼入れ・焼戻しの２回熱処理は、製造コストを上げる原因でもある。
【０００６】
他方、ＳＵＳ４１０は、Ｃ量及び焼入れ温度に応じて硬さを調整でき、焼入れ後の耐食性を低下させることなく、１回の熱処理（焼入れ）で硬さをＨＲＣ３５±３の範囲に収めることができる。しかし、焼入れ材は、焼入れ時に発生した熱歪が残留した焼入れマルテンサイト組織になっているため、ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼戻し材に比較して靭性に劣る。更には、制動時の発熱で歪の解放や微視的再結晶が進行しやすく、硬さがＨＲＣ３２を下回るまで軟質化すると、ブレーキ用ロータ材としての機能が損なわれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉを主成分とするマトリックスに分散析出したＣｕリッチの第二相の潤滑作用を利用することにより、摺動面での焼付きを防止して摺動特性を安定化させ、制動時の発熱温度条件下で軟化せず、耐食性，靭性に優れ、薄肉化により軽量化も可能な自動車，自動二輪，自転車等のディスク摺動部材として好適に使用される摺動部材用合金を提供することを目的とする。
【０００８】
Ｃｕリッチの第二相を析出させた摺動部材用合金は、フェライトマトリックスにＣｕリッチの第二相を析出させる析出処理，焼入れマルテンサイト組織のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を焼き戻してＣｕリッチの第二相を析出させる析出処理，Ｃｕリッチの第二相がオーステナイトマトリックスに共存した高温域から焼きいれてマルテンサイト組織に調整する焼入れ処理の何れによっても製造でき、ロータ材の使用形態に応じて製造方法が選択される。何れの場合も、Ｃ：０．２０質量％以下，Ｃｒ：４〜２０質量％，Ｎｉ：５．０質量％以下，Ｃｕ：２．５６〜７．５質量％を含み、残部Ｆｅおよび不可避的不純物組成に調整したＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金が使用される。
【０００９】
析出処理でＣｕリッチの第二相を析出させる場合、Ｃｕリッチの第二相／α相の共存温度域にＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を保持してＣｕリッチの第二相を析出させた後、冷却する。或いは、焼戻しマルテンサイト組織のＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を昇温保持して，Ｃｕリッチの第二相を析出させてもよい。焼入れ状態でＣｕリッチの第二相が析出した組織を得る場合、Ｃｕリッチの第二相がγ相と共存する温度域からＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を焼入れする。
【００１０】
【作用】
本発明者等は、ねずみ鋳鉄の摩擦試験過程における摩擦係数の経時変化を調査するため、ブレーキによる制動状態をシミュレートした実験を行った。ねずみ鋳鉄は、摩擦係数の経時変化を示した図１にみられるように、試験開始から６０分後の試験終了まで安定した摩擦係数を維持しており、長時間摺動性に優れた材料であるといえる。優れた摺動性は、ねずみ鋳鉄に分散析出している多量の黒鉛が潤滑性や熱拡散性に有効に寄与しているものと推察される。しかし、黒鉛の析出には少なくとも３質量％以上のＣ含有量が必要であり、結果として靭性の著しい低下を招く。
【００１１】
本発明では、析出黒鉛に代わる析出物が摺動性に及ぼす影響を調査した。従来からロータ材として使用されているＳＵＳ４２０Ｊ２では、焼戻し処理によってねずみ鋳鉄と同等な硬さに調質し、Ｃｒ系炭化物を析出させた。本発明で使用するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金では、同様に硬さを調質すると共にＣｕリッチの第二相を析出させた。
Ｃｒ系炭化物が析出したＳＵＳ４２０Ｊ２及びＣｕリッチの第二相が析出したＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を摩擦試験に供し、析出物が摺動性に及ぼす影響を調査した。図２の調査結果にみられるように、Ｃｒ系炭化物が析出したＳＵＳ４２０Ｊ２は、試験初期ではねずみ鋳鉄やＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金と同等の摩擦係数を示したが、試験時間が経過するに応じて異常音が発生し、所定時間経過した時点で摩擦係数が急激に上昇し、焼付き現象が生じた。
【００１２】
他方、Ｃｕリッチの第二相が析出したＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金では、摩擦係数がねずみ鋳鉄と同様な変化挙動を示し、焼付き現象が検出されなかった。
この対比から、鋼中及び鋼表面にＣｕリッチの第二相を析出させることによって、安定した摩擦係数が維持され、異常な温度上昇もなく、ねずみ鋳鉄と同等の摺動性が発現されることが判った。析出したＣｕリッチの第二相は、熱拡散率を上昇させると共に自己潤滑作用を発揮することにより摺動性の改善に有効なものと推察される。因みに、熱拡散率はＣｕ添加量の増加に応じて高くなっており（図３）、熱処理によってＣｕリッチの第二相を析出させると熱拡散率が一層上昇する。
【００１３】
Ｃｕリッチの第二相は、α相にＣｕリッチの第二相が共存する温度域（８００℃以下，好ましくは６００〜８００℃）にＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を保持した後、冷却することによりフェライトマトリックスに分散析出させることができる。この材料系は、産業機器や自動車等のロータ材に採用されているねずみ鋳鉄とほぼ同程度の硬さをもっており、ねずみ鋳鉄の欠点である耐食性，靭性を補う材料として使用される。
γ単相の温度域はＣｕ含有量に応じて異なるが、たとえばＣｕ３質量％で９００℃以上，Ｃｕ５質量％で１０５０℃以上からＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を焼入れすることによりマルテンサイト組織とした後、Ｃｕリッチの第二相が析出する温度域に昇温保持することによってもＣｕリッチの第二相が析出する。焼入れマルテンサイトは高い硬さを示すが、Ｃｕリッチの第二相の析出によって硬さが低下する。そのため、温度，時間等の析出条件によって必要硬さに調質でき、ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼入れ・焼戻し材の欠点である耐食性，摺動性を補った材料として使用される。
【００１４】
Ｃｕリッチの第二相がγ相と共存する温度域はＣｕ含有量に応じて異なるが、たとえばＣｕ３質量％で８００〜９００℃，Ｃｕ５質量％で８００〜１０５０℃からＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を焼入れすることによっても、マルテンサイト組織にＣｕリッチの第二相が分散析出した摺動部材用合金が得られる。Ｃｕリッチの第二相とγ相の共存域から焼入れすることによって生じるマルテンサイト相は、γ単相の温度域から焼入れした場合のマルテンサイト相に比較して硬さが低く、焼入れままの状態でＣｕリッチの第二相が析出しているので改めての析出処理が不要となる。得られたロータ材は、ＳＵＳ４１０を焼入れした場合の欠点である摺動性、耐高温軟化性を補った材料として使用される。
【００１５】
本発明で使用するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、ねずみ鋳鉄以上の耐食性を確保するためにＣｒ含有量を４〜２０質量％の範囲に調整している。一般のマイルドな大気環境下での耐食性を得る上で４質量％以上のＣｒが必要とされ、海塩粒子の飛来や酸性雨等の影響を受ける腐食性環境では１０質量％以上のＣｒが好ましい。しかし、２０質量％を超える過剰量のＣｒが含まれると、焼入れ処理によっても十分なマルテンサイト相が生成されず、加工性が低下して製造コストの上昇を招く。
【００１６】
Ｎｉは、焼入れ・焼戻し後に必要量のマルテンサイト相を生成させると共に靭性の改善に有効な合金成分である。しかし、５．０質量％を超える過剰量のＮｉを添加すると、焼入れ・焼戻し後に残留オーステナイトが生じやすくなり強度低下の原因となる。過剰量のＮｉ添加は、鋼材コストの面からも不利である。そのため、Ｎｉ含有量の上限を５．０質量％に設定した。Ｃｕは、安定した耐摩擦性の発現に有効なＣｕリッチの第二相を析出させるために必要な合金成分である。焼入れ時の硬さを確保し、Ｃｕリッチの第二相を安定析出させるためには、少なくとも２．５６質量％以上のＣｕが必要である。しかし、Ｃｕ添加量が７．５質量％を超えると、Ｃｕに起因する高温脆化のため熱延加工が困難になる。
【００１７】
Ｃは、焼入れ・焼戻し等の熱処理時にＣｒと反応してＣｒ系炭化物を生成しやすい合金成分である。Ｃｒ系炭化物が析出すると、析出物周辺のＣｒが消費され、腐食発生の起点になりやすいＣｒ欠乏層が生じる。そのため、Ｃ含有量を０．２０質量％以下に規制することにより、Ｃｒ系炭化物の析出量を少なくし、或いはＣｒ系炭化物の析出を抑制し、Ｃｒ系炭化物析出に起因する耐食性の劣化を防止する。
【００１８】
本発明で使用するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、以上の合金成分の外に、耐食性に有効な３質量％以下のＭｏ，高温靭性に有効な０．０１質量％以下のＢ，耐高温酸化性に有効な３質量％以下のＡｌを含むことができる。製造上から混入する成分にはＮ，Ｐ，Ｓ，Ｓｉ，Ｍｎ等があるが、それぞれＮ≦０．０７質量％，Ｐ≦０．０５質量％，Ｓ≦０．０１質量％，Ｓｉ≦３質量％，Ｍｎ≦３質量％に規制するときＣｕリッチの第二相の作用が阻害されず、良好な耐食性，靭性，強度が維持される。また、被削性や高温強度を改善する場合、混入制限の上限を超えた添加も可能である。
【００１９】
【実施例】
表１の組成をもつＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金を常法に従って溶製し、インゴットに鋳造した。各インゴットを熱間鍛造した後、熱間圧延でホットバーに仕上げた。
【００２０】
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【００２１】
各ホットバーに１１００℃×３０分→空冷の溶体化や、７８０℃×６時間→空冷の焼きなまし等の熱処理を施した後、ディスクブレーキ用のロータ材に切削加工した。熱処理条件を表２に示す。なお、比較鋼１０，１１は、熱間圧延で割れが発生したため、試料の造り込みや特性調査から除外した。
熱処理で生じた析出物は、イオンミーリングにより供試材から薄膜を作製し、透過型電子顕微鏡で薄膜を観察し、Ｃｕリッチの第二相であることをＥＤＸ分析で確認した。
【００２２】
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【００２３】
次いで、各ロータ材の耐高温軟化特性，摩擦特性，耐食性，機械特性を以下の試験条件で調査した。
〔高温軟化試験〕
高温軟化特性の調査に際しては、ロータ材に加工した供試材を熱処理してＣｕリッチの第二相とフェライト相又はマルテンサイト相の二相組織にした後、６００℃×６０分の軟化処理を施し、軟化処理前後のＨＲＣ硬さの差を求めた。そして、軟化処理後のＨＲＣ硬さが軟化処理前に比較して３以上低下した場合を軟質化したものと判定し、ＨＲＣ硬度差３未満を○，３以上を×として耐軟質化性を評価した。
【００２４】
〔摺動試験〕
ロータ材としての摺動性試験にはピンオンディスク型摩擦摩耗試験機を用い、市販の自動車用ディスクパットから切り出した１０ｍｍ角の相手材をピン側にセットし、ロータ材をディスク側にセットした。試験荷重４００Ｎ，摩擦面での摩擦速度２ｍ／秒の条件下で６０分間連続摺動させ、焼付き現象が発生する変化点までの経過時間を計測した。ＳＵＳ４２０Ｊ２の焼付き発生を示す変化点までの時間（２０００時間）と測定値を比較し、２０００秒以上の長時間にわたって摩擦係数が安定していたものを○，２０００秒に達しない時間で摩擦係数が急変したものを×として摺動性の優劣を評価した。
【００２５】
〔腐食試験〕
雨水による腐食を想定し、試験片に水道水を７２時間噴霧した後、試験片表面を観察し、錆発生の面積率を求めた。そして、錆が検出されなかったものを○，僅かな錆が観察されたものを△，錆が多量に発生したものを×として耐食性を評価した。
〔機械試験〕
シャルピー衝撃試験により各ロータ材の衝撃値を測定し、測定値がねずみ鋳鉄の衝撃値５Ｊ／ｃｍ2を超えるものを○，５Ｊ／ｃｍ2以下を×として靭性を評価した。
【００２６】
試験結果を表３に示す。鋼番号１，４に７８０℃×６時間→空冷の熱処理（請求項１）を施したロータ材は、α相とＣｕリッチの第二相の二相組織をもち、ねずみ鋳鉄（ＨＶ１７０）とＳＵＳ４２０Ｊ２の焼きなまし材（ＨＶ１８６）の中間値に当る硬さＨＶで１７５を示した。これらロータ材に６００℃×１時間の保持処理を施しても、硬さがそれぞれＨＶ１７２，１６８，１８５とほとんど変わらず、ねずみ鋳鉄と同様に耐軟化性に優れていることが判る。
他方、Ｃｕ無添加の比較鋼ＳＵＳ４１０を９５０℃から焼入れしたロータ材では、焼入れままの硬さが３７．１ＨＲＣであったが、６００℃×１時間の保持処理後に２６．４ＨＲＣまで硬さが低下し、硬度差ΔＨＲＣ＝−１０．７と軟化の程度が大きかった。
【００２７】
これに対し、Ｃｕを添加した鋼番号４に９５０℃×１０分→空冷（請求項３）の熱処理を施した場合、焼入れままの硬さが３６．７ＨＲＣであり、６００℃×１時間の保持処理後にも３６．８ＨＲＣの硬さが維持されていた。すなわち、保持処理前後の硬度差がΔＨＲＣ＝＋０．１に留まり、耐軟化性に優れていることが判る。
耐軟化性の相違は次のように考えられる。ＳＵＳ４１０のように焼入れままの材料は６００℃に加熱されると、焼入れマルテンサイトの分解や焼入れ時に生じた歪の解放等によって硬さが低下する。他方、Ｃｕ添加鋼を６００℃に加熱すると、マルテンサイト相に固溶していたＣｕの析出が開始され、Ｃｕリッチの第二相が生成する。Ｃｕリッチの第二相の析出過程で歪が誘起され、析出硬化が生じる。この析出硬化によって、焼入れマルテンサイトの分解や焼入れ時に生じた歪の解放等に起因する軟質化が相殺され、保持処理前後の硬度差が小さくなる。
【００２８】
鋼番号４に１０５０℃×１０分→空冷＋６５０℃×３０分→空冷の熱処理を施したロータ材は、焼入れ後にＣｕリッチの第二相の析出処理を施したものでは硬さが３７．７ＨＲＣであった。このロータ材は、６００℃×１時間の保持処理後にも３５．６ＨＲＣの硬さを示し、硬度差ΔＨＲＣ≦３の範囲に軟質化の程度が収まっていた。
摺動性については、ＳＵＳ４２０Ｊ２のようにＣｕ無添加の材料や鋼番号８のようにＣｕ添加量が０．０７質量％と少ない材料では、安定した摺動性が得られず、摩擦試験開始から約１８５０秒経過した時点で摩擦係数が異常に変化した。
【００２９】
他方、Ｃｕ含有量４．５４質量％の鋼番号３に９５０℃×１０分→空冷の熱処理（請求項３）でＣｕリッチの第二相を約１．９体積％の割合で析出させた材料では、約３１２０秒経過した時点で摩擦係数が変化しており、Ｃｕリッチの第二相の析出によって摩擦係数の変化点が長時間側に移行していた。多量にＣｕを添加した鋼番号４では、Ｃｕリッチの第二相が約２．６体積％の割合で析出しており、３６００秒の摩擦試験中に摩擦係数の変化が検出されなかった。しかし、鋼番号４を１１００℃のγ単相温度域から焼入れしたロータ材では、Ｃｕリッチの第二相の析出がなく、ＳＵＳ４２０Ｊ２と同様な摩擦過程を示し、約１９００秒経過した時点から摩擦係数が異常に変化した。以上の結果から、Ｃｕを２．５６〜７．５質量％添加してＣｕリッチの第二相を析出させることにより、ＳＵＳ４２０Ｊ２に比較して摩擦係数が安定レベルで推移し、ＳＵＳ４２０Ｊ２や鋼番号８よりも優れた摺動性を呈することが確認された。
【００３０】
耐食性についてみると、鋼中のＣｒ量が４質量％を下回る鋼番号７やねずみ鋳鉄は一般のマイルドな薄い環境で腐食しており、Ｃｒ量の低減に伴って腐食の度合いが大きかった。しかし、Ｃｒ含有量６．１５質量％の鋼番号１では腐食が軽減しており、Ｃｒ含有量の増加に従って耐食性が向上していた。また、腐食のない十分な耐食性を得る上では、１０質量％以上のＣｒが必要であった。
また、本発明で使用するＦｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金は、鍛造，熱延で造り込んだ材料を焼入れしたままの状態でも約１５Ｊ／ｃｍ2以上の衝撃値を示し、鋳造ままのねずみ鋳鉄（５Ｊ／ｃｍ2）に比較して靭性が格段に優れていることが判る。優れた靭性のため、薄肉化してもロータ材の要求特性を十分に満足し、ロータ材の軽量化が可能なことが理解できる。
【００３１】
0005105673.tif 000004
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉを主成分とするマトリックスにＣｕリッチの第二相を析出させることによって熱伝導度を向上させ、安定した摩擦特性及び潤滑機能が付与された摺動部材用合金を製造している。得られた摺動部材用合金からディスクブレーキのロータ材を作製すると、制動時に安定した摺動性が発現し、ねずみ鋳鉄と同様に安全でスムーズな制動操作が可能となる。更に，鍛造，熱延によって靭性に優れ、Ｃｕ添加によって耐食性が改善された摺動部材用合金となる。この摺動部材用合金は、高強度のため薄肉化による軽量化が可能であり、自動車，自動二輪，自転車等のロータ材を始めとし、各種産業機器での速度制御や制動制御用ブレーキのロータ材として使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  摩擦試験の経過時間に応じたねずみ鋳鉄の摩擦係数の変化を示すグラフ
【図２】  摩擦試験の経過時間に応じたマルテンサイト系ステンレス鋼ＳＵＳ420Ｊ2及び本発明Ｆｅ−Ｃｒ−Ｎｉ−Ｃｕ合金の摩擦係数の変化を示すグラフ
【図３】  熱拡散率に及ぼすＣｕ含有量の影響を示したグラフ
【図１】
0005105673.tif 000005
【図２】
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【図３】
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