特開 2022-156733 高温摺動特性及び耐熱衝撃性に優れる鉄鋼系摺動材料及び摺動部材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022156733

(43)【公開日】2022-10-14

(54)【発明の名称】高温摺動特性及び耐熱衝撃性に優れる鉄鋼系摺動材料及び摺動部材

(51)【国際特許分類】

   C22C 38/00 20060101AFI20221006BHJP

   C22C 38/48 20060101ALI20221006BHJP

   F16D 65/12 20060101ALI20221006BHJP

【ＦＩ】

C22C38/00 301Z

C22C38/48

F16D65/12 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021060572

(22)【出願日】2021-03-31

(71)【出願人】

【識別番号】000142595

【氏名又は名称】株式会社栗本鐵工所

(71)【出願人】

【識別番号】390021577

【氏名又は名称】東海旅客鉄道株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100161746

【弁理士】

【氏名又は名称】地代 信幸

(72)【発明者】

【氏名】原田 尚紀

(72)【発明者】

【氏名】谷田 幸夫

(72)【発明者】

【氏名】中野 勝啓

(72)【発明者】

【氏名】福田 剛士

(72)【発明者】

【氏名】金森 成志

(72)【発明者】

【氏名】北澤 結寿華

(72)【発明者】

【氏名】神谷 真弘

【テーマコード（参考）】

3J058

【Ｆターム（参考）】

3J058AA41

3J058BA32

3J058BA41

3J058CB11

3J058EA03

3J058EA08

3J058EA09

3J058FA01

3J058FA21

3J058FA24

(57)【要約】

【課題】高温環境でも高い摩擦係数を維持できる鉄鋼系摺動材料を得る。
【解決手段】Ｃを０．１５質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉを０．２５質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎを０．３０質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを１．７質量％以下、Ｃｒを０．７質量％以上、１．３質量％未満、Ｍｏを０．４質量％以上、１．６０質量％以下、Ｖを０．４０質量％以下、Ｎｂを０．１２質量％以下、Ａｌを０．０９質量％以下含有し、
下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．６５質量％以上であり、残分が鉄と不純物とからなり、
Ｃｅｑ（質量％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ ……（１）
かつ、ＭｎとＮｉとの合計が１．４質量％以上、２．２質量％以下である鉄鋼系摺動材料を用いる。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｃを０．１５質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉを０．２５質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎを０．３０質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを１．７質量％以下、Ｃｒを０．７質量％以上、１．３質量％未満、Ｍｏを０．４質量％以上１．６０質量％以下、Ｖを０．４０質量％以下、Ｎｂを０．１２質量％以下、Ａｌを０．０９質量％以下含有し、
それぞれの金属の質量含有百分率の値から下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．６５質量％以上であり、残分が鉄と不純物とからなり、
Ｃｅｑ（質量％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ ……（１）
かつ、ＭｎとＮｉとの合計が１．４質量％以上、２．２質量％以下である鉄鋼系摺動材料。

【請求項2】

Ａｌを０．０１０質量％以上０．０９質量％以下含有する請求項１に記載の鉄鋼系摺動材料。

【請求項3】

Ｃを０．１５質量％以上０．２５質量％以下、Ｓｉを０．２５質量％以上０．５５質量％以下含有する、請求項１又は２に記載の鉄鋼系摺動材料。

【請求項4】

Ａ_ｃ３変態温度が８５０℃以上である請求項１乃至３のいずれかに記載の鉄鋼系摺動材料。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかに記載の鉄鋼系摺動材料からなる、摺動部材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、制動負荷の高い鉄道車両などで用いるブレーキディスクなどの高温摺動部材用鋼材に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄道車両、自動車、航空機などの制動に用いられるディスクブレーキは、車軸や車輪とともに回転するブレーキディスクにブレーキパッドを押し付けて、車輪及びブレーキディスクの運動エネルギーを摩擦により生じる熱エネルギーに変換するものである。従って、ブレーキディスクのような高温摺動材は高速回転しながら表面に強い摩擦力を受けるため、車両用構造材料で一般に求められる強度やじん性を有するだけでなく、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れたものであることが求められる。ブレーキディスク用の鋼系材料としては、そのような特性をバランスよく満足するものを求めて、多くの元素を添加したものが種々提案されている。

【0003】

例えば、特許文献１に記載のようなブレーキディスク用鋼が挙げられる。この材料は、質量％で、Ｃを０．１～０．６％、Ｓｉを０．０１～１．２％、Ｍｎを０．２～２．０％、Ｎｉを０．８～３．０％、Ｃｒを１．３～５．０％、Ｍｏを０．１～３．０％、Ｖを０．００５～０．５％含有し、残部が鉄と不純物とからなり、かつ、炭化物量を制御する目的でＣとＣｒとＭｏとＶとの量が所定の関係式を満たすようにしたものである。

【0004】

また、耐熱衝撃性を向上させることが求められる。そのようなブレーキディスク用材料として、特許文献２に記載のようなブレーキディスク用鋼が挙げられる。Ｃを０．１～０．６％、Ｓｉを１．２％を超えて２．０％以下、Ｍｎを０．２～２．０％、Ｎｉを０．８～３．０％、Ｃｒを１．０～５．０％、Ｍｏを０．５～２．０％、Ｖを０．０５～０．５％、Ａｌを０．００１～０．１０％の範囲で有し、Ｎを０．００１５～０．０２０％を有し、残部が鉄と不純物とからなり、Ａ_c３変態温度が８６０℃を超え、しかも、オーステナイト粒度番号が６．０以上で、かつ１３０ＭＰa・ｍ^1/2以上の破壊じん性値を有することを特徴としている。

【0005】

さらには、特許文献３に記載のような、ブレーキディスクの材料として、Ｃを０．１５％以上０．３０％以下、Ｓｉを０．２５％以上１．３％以下、Ｍｎを０．３％以上、Ｎｉを０．２５％以上１．０％以下、Ｃｒを０．６％以上１．０％以下、Ｍｏを０．４％以上、Ｖを０．０５％以上０．２２％以下、Ａｌを０．１０％以下、それぞれの金属の含有百分率の値から下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．６０％以上０．８６％以下であり、ＭｎとＮｉとの合計が１．３％以下であり、残分が鉄と不純物とからなる鋼系材料を用いる。

【0006】

Ｃｅｑ（質量％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ ……（１）

【0007】

特許文献３にかかる材料の特性は、鉄を主成分とする材料は、加熱と冷却を繰り返す焼き入れによって、マルテンサイト構造への変態を起こすことがあるという事実に基づく。マルテンサイト構造は、鉄鋼系材料を一般的な方法で鋳造することで取りうる組織よりも硬さが高いが脆いため、マルテンサイト変態を起こした箇所はき裂を生じやすい。また、ブレーキディスクはブレーキパッドと摺動する箇所に集中して熱がかかるため、変態を起こすのはディスクの表面付近の一部であり、局所的な塑性変形が生じて、き裂発生に至る。ゆえに、マルテンサイト変態を起こしやすいと、耐熱衝撃性は低いものとなる。これに対して、このマルテンサイト構造への変態が起こりにくい成分比率及び他の条件を見出すことで、耐熱衝撃性を高めている。

【0008】

また、特許文献４では、Ｃ：０．１～１．３０質量％、Ｓｉ：２．０質量％以下、Ｍｎ：１．２質量％未満、Ｃｒ：０．２０質量％超え０．９０質量％未満を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる成分組成を有し、鋼板表面にスケール層を有すると共に、該スケール層と鋼板地鉄との間に解離層を有することを特徴とするブラシ研摩によるスケール除去性に優れる熱間圧延鋼が挙げられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００５－３６３１２号公報

【特許文献2】特許第４９６２２９４号公報

【特許文献3】特許第５４７２８２８号公報

【特許文献4】特開２００６－２０６９７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

ところで、ブレーキディスクのような摺動材は高速からの制動時、ブレーキパッドのような相手材との摩擦によって、いわゆるヒートスポットにより局所的に９００℃以上の高温に昇温し、制動後には室温まで冷却という酸化を繰り返す。そのため、高温強度のみならず、常温での高いじん性を有することが求められる。さらには、制動中はディスク表面が高温に曝されるため、摺動部材表面が酸化し、酸化膜の付着、残存によって、摩擦係数が低下する傾向がある。これは、金属酸化物は金属よりも熱伝導率が低く、生成酸化物によって熱伝導が阻害され、摺動材及び相手材の表面が高温に曝され、相手材の崩壊、摩擦係数の低下がもたらされるためであると考えられる。そこで本発明は、特許文献３の材料で達成された高温での耐変形性、耐熱衝撃性及び高じん性の付与のみならず、高温での摩擦係数、即ち制動性能を維持することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この発明は、摺動材の鉄鋼系材料として、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏを有する従来の特許文献３に記載の鋼系材料に対し、酸化膜生成やそのはく離に関与するＳｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒの含有量の最適化を図り、かつ、耐熱衝撃性向上に対しては、Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ及びＮｂを適量含有させることで、上記の課題を解決したのである。

【0012】

具体的には、Ｃを０．１５質量％以上０．３０質量％以下、Ｓｉを０．２５質量％以上１．０質量％以下、Ｍｎを０．３０質量％以上１．０質量％以下、Ｎｉを以上１．７質量％以下、Ｃｒを０．７質量％以上１．３質量％未満、Ｍｏを０．４質量％以上１．６質量％以下、Ｖを０．４０質量％以下、Ｎｂを０．１２質量％以下、Ａｌを０．０９質量％以下、含有し、
それぞれの元素の質量含有百分率の値から下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが０．６５質量％以上であり、ＭｎとＮｉとの合計が１．４質量％以上、２．２質量％以下であり、残分が鉄と不純物とからなる鉄鋼系摺動材料により、目標となった値を満たすことができた。この具体的目標としては、８００℃における摩擦係数が０．３０以上、常温の硬さが３００ＨＶ以上、引張強さが８５０ＭＰａ以上、７００℃引張強さが２００ＭＰａ以上、Ａ_ｃ３変態温度は８５０℃以上である。

【0013】

Ｃｅｑ（質量％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ ……（１）

【0014】

さらに、Ａｌを０．０１０質量％以上含有させることで、脱酸効果を発揮し、鋳造欠陥が生じにくい材料とすることができる。

【0015】

まず、制動性能に必要な高温での摩擦係数の維持については、摺動時の表面における新たな挙動と特質を見出したことに基づく。摺動時には高温酸化によって酸化膜が生成し、相手材との摩擦、すなわち、せん断力によって酸化膜の除去（はく離）が繰り返されることが見出された。この知見に基づき、耐酸化性が高く摺動材料の酸化膜が生成しにくい方が、又は酸化膜のはく離性が高い方が、摩擦係数が高まることを見出した。

【0016】

その上で、摩擦後も残る酸化膜の厚みと、摩擦係数との間に相関関係があることを見出した。その相関関係に基づき、摩擦試験後においても残存する酸化物膜厚を判断することで、鉄鋼系摺動材料に必要な摩擦係数の範囲に調整できることがわかった。摩擦係数の目標は０．３以上であるが、それに相関が見出される酸化物膜厚によって、上記の適切と判断される配合比を見出すことが出来た。

【0017】

また、耐熱衝撃性の維持については、加熱と冷却を繰り返す焼き入れによって、熱応力と変態応力の繰返しで熱疲労が生じ、き裂発生に至る事実に基づく。熱疲労強度に優れる、即ち高温強さが高く、熱き裂が生じにくいことになる。そのために、高温強度については必須となるＭｏ、さらに適宜添加してよいＶ及びＮｂといった微細炭化物を生成する元素を含有させ、高強度化を図った。

【0018】

なお、上記の炭素当量ＣｅｑはＪＩＳ Ｇ ０２０３（５１０３）で規定され、炭素以外の含有元素について、硬さや強度を主に向上させる影響度を、炭素の影響度に換算した値である。一般に、高ければ高いほど硬さが高くなり、それに伴い引張強さも向上する。摺動材として必要な常温引張強さに対応する炭素当量を上記の範囲とした。

【発明の効果】

【0019】

この発明にかかる鉄鋼系摺動材料により、ブレーキディスク等の摺動部材を製造すると、制動性能が高く、耐熱衝撃性を確保した、好適なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】（ａ）実施例における摩擦係数測定用試験材料のリング形状を示す側面図、（ｂ）（ａ）の平面図、（ｃ）（ａ）の斜視図

【図2】実施例における摩擦係数測定用試験の配置図

【図3】（ａ）実施例における熱サイクル試験用酸化試験片の斜視図、（ｂ）実施例における熱サイクル試験の概略図

【図4】実施例における摩擦試験での摩擦係数と残存する酸化物膜厚とをプロットしたグラフ

【図5】実施例における摩擦試験での酸化物膜厚と熱サイクル試験での酸化物膜厚とをプロットしたグラフ

【図6】実施例における摩擦試験での摩擦係数と熱サイクル試験での酸化物膜厚とをプロットしたグラフ

【図7】（ａ）高摩擦係数である参考例１jの酸化物膜厚を示すＳＥＭ画像、（ｂ）低摩擦係数である参考例１ｈの酸化物膜厚を示すＳＥＭ画像

【図8】（ａ）Ｓｉ含有量を変動させた際の残存酸化物膜厚を示すグラフ、（ｂ）Ｍｎ含有量を変動させた際の残存酸化物膜厚を示すグラフ、（ｃ）Ｎｉ含有量を変動させた際の残存酸化物膜厚を示すグラフ、（ｄ）Ｃｒ含有量を変動させた際の残存酸化物膜厚を示すグラフ、（ｅ）Ｍｎ＋Ｎｉ含有合計量を変動させた際の残存酸化物膜厚を示すグラフ

【図9】（ａ）Ｍｏ含有量を変動させた際の７００℃引張強さを示すグラフ、（ｂ）Ｖ含有量を変動させた際の７００℃引張強さを示すグラフ、（ｃ）Ｎｂ含有量を変動させた際の７００℃引張強さを示すグラフ

【図10】熱衝撃試験に用いる円柱型試験片の形状を示す図

【図11】熱衝撃試験に用いる試験機の概略図

【図12】図１１の断面図

【図13】熱衝撃試験における温度変化の例を示すグラフ

【図14】熱衝撃試験の結果を示す写真

【図15】脱酸確認試験におけるＳｉの含有量の違いによる鋳造欠陥の有無を示す写真

【図16】脱酸確認試験におけるＡｌの含有量の違いによる鋳造欠陥の有無を示す写真

【図17】Ｍｎの焼き入れ性評価試験の結果を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、この発明の実施形態について具体的に説明する。
この発明にかかる鉄鋼系摺動材料は、主として鉄からなり、具体的には次のような構成からなる。なお、以下の比率は全て質量％であり、鋳造前の材料配合時の値ではなく、鋳造後に得られる摺動材料からなる摺動部材の成分そのものでの値である。

【0022】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｃを０．１５質量％以上含有することが必要である。０．１５質量％未満であると、硬さ及び引張強さが不足し、摺動材料に必要な機械的性質を確保できなくなる可能性が高くなる。一方で、Ｃの含有量は０．３０質量％以下である必要がある。Ｃが０．３０質量％を超えると、耐熱衝撃性の低下が無視できないものとなる。より確実に耐熱衝撃性の低下を避けるには、０．２５質量％以下であるとよい。また、この他に炭素当量Ｃｅｑに関与する元素を勘案しての含有率制限がある。

【0023】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｓｉを０．２５質量％以上含有することが必要である。Ｓｉは溶解時に脱酸効果を有し、鋳造時に鋳造欠陥を生じさせる元となる酸素を奪うことで、鋳造欠陥を抑制する効果を有する。０．２５質量％未満ではこの効果が不十分となり、鋳造欠陥が生じる可能性が無視できないものとなってくる。一方で、Ｓｉが多すぎると耐熱衝撃性が低下するおそれがある。一方で、後述する酸化試験において必要な摩擦係数の値を達成する性質に対応する残存酸化物膜厚の薄さに対応するため、１．０質量％以下である必要がある。また、この他に後述する炭素当量Ｃｅｑに関与する元素を勘案しての含有率制限がある。

【0024】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｍｎを０．３０質量％以上含有する必要がある。Ｍｎは焼き入れ性向上に寄与し、０．１質量％程度含有していれば焼入れ性が低下することを回避できる。ただし、Ｍｎが低すぎると酸化物膜厚がやや増える傾向にあるため、０．３０質量％以上であることが必要となり、好ましくは０．４０質量％以上である。一方、１．０質量％を超えると焼き入れ性が過大となる恐れが出てくるため、１．０質量％以下であることが必要であり、好ましくは０．８質量％以下である。

【0025】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｎｉを含んでいてもよい。含有する場合、１．７質量％以下であると好ましい。１．７質量％を超えると、摺動時に残存する酸化物膜厚が許容量を超えてしまうおそれが高くなる。また、後述するＭｎとの合計量について、同じく残存する酸化物膜厚の許容量によってさらに限定条件を有する。

【0026】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｃｒを０．７質量％以上含有する必要があり、好ましくは０．８質量％以上である。Ｃｒの量が不足していると、摺動時に残存する酸化物膜厚が許容量を超えてしまうおそれが高くなる。一方で、１．３質量％未満である必要があり、好ましくは１．２質量％以下である。多すぎても摺動時に残存する酸化物膜厚が許容量を超えてしまうおそれが高くなる。

【0027】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｍｏを０．４質量％以上含有する必要がある。Ｍｏは微細炭化物（Ｍｏ_２Ｃ）を形成し、硬さ及び引張強さ、特に高温強度の向上に寄与するが、０．４質量％未満であると、炭化物量が少なくなり、強度が不十分になってしまう。一方、Ｍｏは含有量が増えても、Ｃｒのように焼入れ性が大きくなる作用は少ないため、単独では耐熱衝撃性を保持するための上限は特に規定されない。ただし、炭素と同様の作用をわずかながら有するので、上記炭素当量の一項として、事実上の上限が存在する。また、実際には１．６質量％を超えて含有させても、高温強度向上の効果はほとんど現れなくなってしまい無駄となるので、１．６質量％以下であるとよく、好ましくは１．２質量％以下である。

【0028】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｖを０．０１質量％以上含有すると好ましい。Ｖは微細炭化物ＶＣを形成し、主に耐熱変形性、すなわち高温強度向上に寄与する。Ｖが０．０１質量％未満であると、その効果が限定的になってしまう。好ましくは０．０３質量％以上である。一方で、多すぎるとコスト的にも利点がなく、０．４０質量％以下に留めておくと、安定した性質向上効果が得られる。

【0029】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ｎｂを含有してもよい。ＮｂはＶと同様に微細炭化物ＮｂＣを形成し、主に耐熱変形性、すなわち高温強度向上に寄与する。ただし、多すぎると予期せぬ変化を起こす可能性があり、０．１２質量％以下に留めておくと、安定した性質向上効果が得られる。

【0030】

上記の鉄鋼系摺動材料は、Ａｌを含有してもよい。含有する場合、０．０１０質量％以上であると好ましい。Ａｌも脱酸効果を有し、Ｓｉよりも比較的少量で効果を発揮する。Ａｌが０．０１０質量％未満であると脱酸効果が不十分となり、鋳造欠陥が生じる可能性が無視できなくなる場合がある。一方で、Ａｌ含有量が増えすぎると、靭性の低下に繋がり、また、過剰に含有しても脱酸効果への寄与はほとんど向上しないので、含有量は０．０９質量％以下であることが好ましい。

【0031】

次に、上記の摺動材用材料を構成する元素のうち、Ｎｂ、Ａｌ及びＦｅ以外の元素について、下記式（１）で示される炭素当量Ｃｅｑが、０．６５％以上である関係を満足する必要がある。この炭素当量Ｃｅｑは、炭素以外の元素が性質に及ぼす影響度を炭素の影響度に換算した値であり、これが０．６５％未満であると、摺動材料として必要な強度が得られない恐れがある。

【0032】

Ｃｅｑ（質量％）＝Ｃ＋Ｓｉ／２４＋Ｍｎ／６＋Ｃｒ／５＋Ｎｉ／４０＋Ｍｏ／４＋Ｖ／１４ ……（１）

【0033】

さらに、上記のブレーキディスク用材料に含まれるＭｎとＮｉとの合計量は、１．４質量％以下２．２質量％以下である必要がある。ＭｎとＮｉは、熱サイクル特性に対して、一体となって寄与する。熱サイクル特性への関与について、これらの化学的性質が類似しており、変態温度を低下させる元素であるためである。合計量が１．４質量％以上であれば、残存する酸化物膜厚を維持しやすくなる。一方、多すぎても逆に酸化物膜厚が上がる傾向にある。

【0034】

上記の鉄鋼系摺動材料が含有する元素は、上記のＣ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｖ、Ｎｂ、Ａｌ以外には、鉄が主成分を占めるものである。それ以外には、意図的に含めるのではなく混入されうる不純物となる元素が、この発明にかかる鉄鋼系摺動材料が必要とする性能を阻害しない範囲で含まれていることが許容される。この不純物は、鋳造のための溶湯を調整するるつぼや鋳型に残存する、大物品に適用する場合はその際に用いる取鍋に残存する、それまでに利用された溶湯に含まれていた元素が残存したものや、環境保護の点からスクラップを材料にする際に除外しきれない元素などである。

【0035】

上記の不純物となる元素の含有量は以下の通りであると好ましい。Ｐは０．０５質量％以下であると好ましい。０．０５質量％を超えると、粒界に偏析するＰが高温強度を低下させ、耐熱衝撃性の低下が無視できなくなってくる。Ｓも０．０５質量％以下であると好ましい。その他、ＣｕやＴｉの他、他の元素の含有量は０．０５質量％以下であると好ましい。これらの元素が含まれることで、不測の作用を発揮して、この発明にかかる鉄鋼系摺動材料の性質を阻害するおそれがあるためである。またこれらの元素が含まれる事で不要なコストアップにつながる。なお、これら不純物である元素の含有量は少ないほどよく、検出限界未満であると望ましい。

【0036】

上記の元素の含有率は、原料となる元素の配合比ではなく、鋳造後に実際に得られる物の含有率である。その具体的な測定方法はスパーク発光分析法（ＪＩＳ Ｇ １２５３）による。

【0037】

上記の構成である鉄鋼系摺動材料により、一般的な鋳造方法によって摺動材を製造すると、耐熱衝撃性が高く、硬度、引張強さ等の機械的性質に優れ、耐熱変形性を向上させ、常温でじん性を有し、高温摺動時にも高摩擦係数を維持することができる。

【実施例0038】

以下、この発明について実施例により具体的に検討した例を説明する。本実施例は前提として、摩擦係数と、酸化物膜の厚みとの間に有意な相関関係があることを利用し、酸化物膜の厚みによって摺動材料としての実施例に該当するか否かの評価基準とする。摩擦係数が高いことは、ブレーキディスク等の摺動部材に用いるために望まれる性質である。しかし、摩擦係数の測定は手間がかかり、全ての実施例において測定することは現実的ではない。これに対して、本発明にかかる鉄鋼系摺動材料に類する環境では、摩擦係数と、摺動時に残存する酸化物膜の厚みとの間で相関関係があることが見出された。さらに、摺動試験において生じる酸化物膜の厚みと、熱サイクル試験によって生じる酸化物膜の厚みとの間に、有意な相関関係があることが見出された。つまり残存する酸化物膜の厚みを介して、より測定負荷の小さい熱サイクル試験によって生じる酸化物膜の厚みが、摩擦係数との間に相関関係があることが確認できた。この相関関係を前提として、熱サイクル試験において観測される酸化物膜の厚みが所定の範囲に収まる例は、高い摩擦係数を維持できる材料であることを示す。

【0039】

＜鋳塊の溶製と熱処理＞
それぞれの実施例及び比較例において、調整した原料を１６００℃まで昇温、溶解した後、溶鋼を１５５０℃まで冷却して、３０ｍｍ×３０ｍｍ×１００ｍｍ高さの砂型に鋳込んで、鋳塊を作製した。同時に２３ｍｍ×３７ｍｍ×３０ｍｍ高さの割り金型に溶鋼を鋳込んで成分分析用サンプルを採取した。鋳塊を９６０℃で３時間保持した後、一旦常温まで炉冷し、また９５０℃まで昇温して３時間保持した後常温まで水冷し、さらに６５０℃まで昇温して５時間保持した後、常温まで空冷する熱処理を行って、各試験に供した。

【0040】

＜成分分析＞
上記成分分析用サンプルを用い、ＪＩＳ Ｇ １２５３に規定するスパーク発光分光法により、各含有元素を測定した。以降の表において示す成分はこの値を示す。

【0041】

＜摩擦係数測定＞
それぞれの例にかかる試験材料を図１に示すリング１に加工した。一方、銅系焼結材を相手材として選択し、板（ディスク２）に加工した。図２に示す配置の電気炉内にて、押付圧として０．６ＭＰａ、回転数１０００ｒｐｍ、雰囲気：大気、温度８００℃にて試験を行い、トルクから摩擦係数を算出した。また、それぞれの残存する酸化物膜の厚みをＳＥＭにより４点測定し、その平均を残存酸化物膜厚とした。

【0042】

＜熱サイクル試験（酸化試験）＞
それぞれの例にかかる試験材料を、厚さ１ｃｍ、縦１０ｃｍ、横１０ｃｍで、中央に吊り下げ用の穴を空けた図３（ａ）に示す酸化試験片に加工した。この酸化試験片を９００℃に維持した電気炉内に導入し、図３（ｂ）に示すように石英管にて吊り下げて五分間加熱した。加熱後、電気炉から取り出して三分で常温まで空冷した。冷却後再び電気炉内に導入して同様に加熱、空冷を５０回繰り返した。その後、デジタルマイクロスコープにて酸化物膜の厚みを測定した。測定はそれぞれの例ごとに１２点で行い、その平均を求めた。

【0043】

＜摩擦係数と残存酸化物膜厚の相関関係について＞
表１に示すそれぞれの例の成分比となる試験片について、摩擦係数と、摩擦試験時における残存する酸化物膜の厚み（摩擦試験残存膜厚）と、熱サイクル試験における酸化物膜の厚み（酸化試験酸化物膜厚）を測定した。その結果を表１に示す。

【0044】

【表1】

【0045】

この結果のうち、摩擦係数μを縦軸に、摩擦試験酸化物膜厚（μｍ）を横軸にとって図４のようにプロットしたところ、負の相関関係を示し、特に低摩擦になる領域ではっきりとした相関関係があることを示した。次に、酸化試験（熱サイクル試験）酸化物膜厚（μｍ）を縦軸に、摩擦試験酸化物膜厚（μｍ）を横軸にとって、図５のようにプロットしたところ、正の相関関係を示した。従って、これらを繋げて、摩擦係数μを縦軸に、酸化試験（熱サイクル試験）酸化物膜（μｍ）を横軸にとって図６のようにプロットした。摩擦係数μはブレーキディスク用材料として用いる場合に０．３０以上であることが目標となるが、その条件に該当するには、酸化試験（熱サイクル試験）酸化物膜厚は２００μｍ以下であればよいことが示された。従って、以後の判断において本発明にかかる鉄鋼系摺動材料として用いることができる評価条件を、上記の熱サイクル試験（酸化試験）における「酸化試験酸化物膜厚が２００μｍ以下」であるものと設定する。これはすなわち、元の成分より摩擦係数が小さい酸化物の膜が表面に残留しにくく、あるいは剥がれやすくなり、材料そのものの高い摩擦係数を維持しやすいものを示す。

【0046】

また、上記のうち、参考例１ｊと参考例１ｈについて、摩擦試験後における表面付近の断面をＳＥＭにて撮影した。参考例１ｊの写真を図７（ａ）に、参考例１ｈの写真を図７（ｂ）に示す。摩擦係数が０．４０と高い参考例１ｊでは摩擦試験酸化物膜の厚みが１４．３３μｍと薄くなっている。一方、摩擦係数が０．１６と低い参考例１ｈでは、摩擦試験酸化物膜の厚みが４７．２３μｍと厚くなっていることが確認できた。このことから、付着して残存する酸化物膜が薄い場合は、摺動材－相手材間の熱交換が効率よく行われ、高い摩擦係数が得られていると考えられる。

【0047】

＜酸化物膜による評価試験＞
表２のように、主要変動元素として設定した元素の含有量を変化させ、それ以外の元素の含有量をできるだけ変動させないように調整した試験材料をそれぞれの実施例及び比較例として調製した。それぞれの試験材料について、次の試験を実施した。ただし、「０．５Si」はSiの含有量を０．５質量％前後に保って、他の要素を変動させた例群である。

【0048】

【表2】

【0049】

それぞれの主要変動元素ごとの実施例及び比較例を揃えた例群について、図８（ａ）～（ｄ）のそれぞれに、該当する元素含有量を横軸に、酸化試験の酸化物膜厚（μｍ）を縦軸にとってプロットし、その変動をスムージングした。主要変動元素がＳｉのものを図８（ａ）、Ｍｎのものを図８（ｂ）、Ｎｉのものを図８（ｃ）、Ｃｒのものを図８（ｄ）とする。さらに、それぞれの系列について、ＭｎとＮｉの合計量を横軸にとったものを図８（ｅ）に示す。それぞれの主要元素ごとの系列において、酸化物膜厚が２００μｍ以下であるものを実施例、超えるものを比較例とした。

【0050】

図８（ａ）において、Ｓｉが０．２５質量％以上１．０質量％以下の範囲で酸化物膜厚が２００μｍ以下となることが確認された。図８（ｂ）において、Ｍｎが０．１質量％では酸化物膜厚が２００μｍをわずかに超えるが、０．３質量％以上で確かに２００μｍ以下となることが確認された。なお、Ｍｎが１．１４質量％である比較例３ｃはこの酸化物膜厚の評価では好ましい値となっているが、焼き入れの点で１．０質量％を超えることは好ましくないため、比較例となっている。図８（ｃ）において、Ｎｉが１．７質量％以下の範囲で酸化物膜厚が２００μｍ以下になることが確認された。図８（ｄ）において、Ｃｒが０．７質量％以上１．３質量％未満の範囲で酸化物膜が２００μｍ以下になることが確認された。図８（ｅ）において、系統によって変動があるものの、Ｍｎ＋Ｎｉが１．４質量％以上２．２質量％以下の範囲であればいずれの系列でも酸化物膜が２００μｍ以下になることが確認された。

【0051】

＜他の元素についての酸化物膜による評価試験＞
表３に示すように、強度に関する含有元素（Ｃ，Ｍｏ、Ｖ及びＮｂ）、及び脱酸に関するＡｌについて調製し、他の元素の含有量をできるだけ変動させない例をそれぞれ調製した。いずれの元素についても、表３に示す範囲では、酸化試験における酸化物膜厚が２００μｍ以下になることが確認できた。

【0052】

【表3】

【0053】

＜引張強さ及び０．２％耐力評価試験＞
次に、表４に示す配合の材料について、次の評価を行った。常温での評価としては、ＪＩＳ Ｚ ２２４４（ビッカース硬さ試験）により硬さ(HV0.10）を測定し、ＪＩＳ Ｚ ２２４１（金属材料引張試験方法）に則り、常温での引張強さ（T.S)と０．２％耐力（Y.S)を測定した。高温での評価としてはＪＩＳ Ｇ ０５６７に則り、７００℃にて引張強さ（T.S)と０．２％耐力（Y.S)を測定した。なお、それぞれの測定は二回ずつ行い、その平均値を示す。

【0054】

【表4】

【0055】

上記表４に示す、炭素当量０．６５以上である全ての材料が、目標の常温硬さ３００ＨＶ以上及び引張強さ８５０ＭＰａ以上を発揮できた。うち、高温強度を向上させる炭化物形成元素であるＭｏ、Ｖ及びＮｂについての評価結果を、図９（ａ）～（ｃ）に示すグラフとともに述べる。

【0056】

まず、Ｍｏは０．４質量％以上の含有で目標である７００℃引張強さ２００ＭＰａを上回った。逆に１．２質量％以上含有しても、その効果は低下傾向にあったが、含有しない場合に比べ効果があることが確認できた。

【0057】

次に、Ｖはごく微量含有しても、高温強度を向上できた。Ｖを０．１質量％含有した例でも７００℃引張強さは２００ＭＰａ以上であるが、０．３質量％以上含有するとさらに引張強さが向上し、それよりさらに含有させた場合の上昇は一旦頭打ちとなった。

【0058】

さらに、実施例２１ａ～ｅに示すように、高温強度を高める場合にはＮｂをごく微量含有しても効果が見られた。その効果は０．１２質量％まで期待できることを確認した。

【0059】

＜熱衝撃試験及び変態温度測定＞
成分が下記の表５に示す組成の材料について、熱衝撃試験を実施し、鋼片の耐熱衝撃性を評価した。具体的には、表５に示す配合比であるそれぞれの材料を、上記と同様に溶製し、図１０に示す切り欠きを有する円柱型試験片（高さ２０ｍｍ、φ２５±０．２）を機械加工により作製した。側面には幅６ｍｍ、深さ３ｍｍであり、対向する一対の溝が上下方向に設けてある。上底面の中央には、深さ５ｍｍ、φ５±０．２の穴を空けてある。側面の算術平均粗さは約２．０である。

【0060】

この円柱型試験片を急加熱、急冷する熱衝撃試験機２０の概略図を図１１に、断面図を図１２に示す。本体２１は上端が開放された管厚の円筒形で、その内部に上記の試験片１１を収納できる。本体２１の周囲には高周波コイル３１が巻き付けてあり、この高周波コイル３１により、収納した試験片１１を３秒で１０００℃にまで加熱できる。

【0061】

本体２１の上端環部には、等間隔に内部へ通じる穴が空いている。このうちの半分が空気を供給するための空気孔２２であり、残りは冷却水を供給するための冷水孔２３である。これらは交互に設けられている。それぞれに、空気供給管２４、冷水供給管２５が繋がっており、本体２１の内部に張り巡らされた孔路を通じて、本体２１の内周面に多数空けた空気噴出口２７、冷水噴出口２８へと空気及び冷水を供給して、試験片１１を冷却することができる。なお、供給された水は排出管２９を通じて排出される。

【0062】

この熱衝撃試験機により、図１３の例に示すような急加熱と急冷とからなる温度変化を繰り返した。この温度変化はまず、高周波コイル３１からの加熱により、３秒ほどで１０００℃にまで昇温させる急加熱を行う。次に、高周波コイル３１による加熱を停止し、冷水噴出口２８からの冷水供給を２０秒間行い、冷水供給の後は空冷を３０秒間行う。これにより、高温化した試験片１１を速やかに急冷する。このような急加熱と急冷とを繰り返す熱サイクルを５０回繰り返して、割れ発生の有無を目視及び浸透探傷試験により確認した。それぞれの写真を図１４に示す。

【0063】

割れの評価は、具体的に上記の熱サイクルを１０回、２０回、３０回、５０回繰り返した時点で割れの進行を観察して評価した。熱サイクル５０回までに明白な割れが認められた試験片を「×」と評価する。また、「○」と評価する例は、熱サイクル５０回終了時において、割れも浸透探傷の色素も認められないものである。なお、浸透探傷試験は、ＪＩＳ Ｚ ２３４３に従って行った。

【0064】

【表5】

【0065】

さらに、表５に記載のそれぞれの例について、Ａ_Ｃ３変態温度を測定した。Ａ_Ｃ３変態温度が高ければマルテンサイト変態が抑制され、変態応力が低減される傾向にある。表５の例では、Ａ_Ｃ３変態温度が８５０℃以上であれば十分な熱衝撃性を有することが確認できた。

【0066】

＜脱酸効果確認試験＞
脱酸が不十分な場合、除去できなかった酸素が鋳塊内に気泡（ブローホール）による鋳造欠陥として存在する。成分分析用サンプルの内部を目視確認することにより、Ｓｉ及びＡｌ含有量が脱酸効果を発揮するかを確認した。

【0067】

表６にＳｉの脱酸効果を確認した材料の成分を示し、それぞれの鋳塊の写真を図１５に示す。Ｓｉが不足している比較例２４ａ、２４ｂでは鋳造欠陥が見られたが、Ｓｉが０．２５質量％である実施例２４では鋳造欠陥が見られず、Ｓｉによって十分な脱酸効果が発揮されることが示された。

【0068】

【表6】

【0069】

表７に、Ａｌの脱酸効果を確認した材料の成分を示し、それぞれの鋳塊の写真を図１６に示す。Ａｌが不足している比較例２５では鋳造欠陥が見られたが、Ａｌが０．０１０質量％以上含有された実施例２５ａ，２５ｂでは鋳造欠陥が無くなり、十分な脱酸効果が発揮されることが示された。

【0070】

【表7】

【0071】

＜Ｍｎの焼入れ性評価試験＞
表８にＭｎ含有量が焼入れ性に及ぼす影響を調査した材料の成分を示す。表８の成分を有する鉄鋼系摺動材料を焼入れした後に鋳塊を切断し、焼き入れ端（鋳塊表面）からの断面硬さを測定した。その結果を図１７のグラフに示す。Ｍｎが０．１質量％以上含有することで、焼入れ性が低下することはなく、強度に影響を及ぼすことはない。なお、表面から２ｍｍ程度の範囲で何れの鋼材も焼入れ硬さが低下しているが、これは熱処理時に高温で保持されることによる脱炭のためである。

【0072】

【表8】

【符号の説明】

【0073】

１ リング
２ ディスク
１１ 試験片
２０ 熱衝撃試験機
２１ 本体
２２ 空気孔
２３ 冷水孔
２４ 空気供給管
２５ 冷水供給管
２７ 空気噴出口
２８ 冷水噴出口
２９ 排出管
３１ 高周波コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】