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Die
Erfindung betrifft einen rostfreien Stahl für eine Bremsscheibe mit ausgezeichneter
Erweichungsbeständigkeit
bei Anlaßtemperaturen
bzw. Anlaßerweichungsbeständigkeit
und insbesondere einen martensitischen rostfreien Stahl, der ausgezeichnete
Beständigkeit
gegen Erweichung als Ergebnis von durch Bremsen verursachter Wärmeerzeugung
hat sowie die Härte,
Härtbarkeit
und Rostbeständigkeit
erfüllt,
die von einem Material für
eine Bremsscheibe eines Zweiradfahrzeugs, eines Motorschlittens
usw. gefordert werden.
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Ein
Material für
eine Bremsscheibe eines Zweiradfahrzeugs usw. muß solche Eigenschaften wie
Abriebbeständigkeit,
Rostbeständigkeit
und Zähigkeit
haben, und ein martensitischer rostfreier Stahl JIS SUS410 wurde
hauptsächlich
für solche
Anwendungen eingesetzt. Obwohl sich die Abriebbeständigkeit
mit zunehmender Härte
allgemein verbessert, wird durch den Kontakt zwischen Bremse und
Klötzen
ein sogenanntes Bremsgeräusch
erzeugt, wenn die Härte
zu hoch ist. Daher steuert man die Härte einer Bremsscheibe so,
daß sie
in einem vorgeschriebenen Bereich liegt.
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Zur
stabilen Härtesteuerung
in einem vorgeschriebenen Bereich nach Wärmebehandlung durch Abschrecken
und zur Gewährleistung
ausreichender Zähigkeit
und Rostbeständigkeit
sind die chemischen Zusammensetzungen von Stählen mit geregelten Mengen
von Mn, Cu usw. sowie C + N in den JP-A-57-198249 (US-A-4452649),
59-70748 und 10-152760 (US-A-5979614) und in der japanischen veröffentlichten
Patentschrift Nr. 2-7390 (JP-A-61-174361) offenbart. Das heißt, diese
Dokumente stellen Verfahren dar, die gewünschte Härte nach Abschrecken durch
Steuern der Gehalte von C und N zu erhalten, nachdem das ausreichende
Gewährleisten
der Austenitphase bei hoher Temperatur durch Steuern der Gehalte
von Mn und Cu in Stahl vorausging. Aufgrund dieser chemischen Zusammensetzungen
war es möglich,
Materialien für
Bremsscheiben für
Zweiradfahrzeuge bereitzustellen, die abriebbeständig, rostbeständig und
zäh sind.
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Inzwischen
verlangt die Leistung neuerer Zweiradfahrzeuge eine höhere Bremskraft
bei höherer
Geschwindigkeit, und erforderlich ist, daß die Materialeigenschaften,
besonders die Härte,
einer Bremsscheibe nicht beeinträchtigt
sind, wenn die Scheibe beim Bremsen auf eine Temperatur über 500°C erwärmt wird.
Da die o. g. Stähle
aber eine martensitische Phasenmatrix haben, erfahren sie eine Anlaßerweichung
bei Erwärmung
auf eine Temperatur über
500°C. Daher
strebt man die Entwicklung eines Materials für eine Bremsscheibe an, das
die o. g. Anforderungen erfüllt.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen rostfreien Stahl für eine Bremsscheibe
bereitzustellen, der weniger anfällig
gegenüber
Beeinträchtigung
von Materialeigenschaften, besonders Härtebeeinträchtigung, bei Erwärmung auf
eine Temperatur über
500°C beim
Bremsen ist, während
er die Abriebbeständigkeit, Rostbeständigkeit
und Zähigkeit
eines herkömmlichen
Stahls wahrt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wurden im Rahmen der Erfindung chemische Zusammensetzungen
und Zusatzelemente erforscht und experimentell untersucht, die nicht
die von einer Bremsscheibe geforderten ursprünglichen Eigenschaften beeinträchtigen
und die Kosten nicht wesentlich erhöhen. Als Ergebnis wurde im Rahmen
der Erfindung festgestellt, daß die
Anlaßerweichungstemperatur
zur Senkung der Härte
auf unter 30 HRC (Rockwell-Härte,
C-Skala) um 30°C
bis 100°C
oder mehr erhöht
werden kann durch Einschränken
des chemischen Zusammensetzungsbereichs, so daß die Härte nach Abschrecken, die mit
der Abriebfestigkeit zusammenhängt,
im Bereich von 30 bis 40 HRC, vorzugsweise 32 bis 38 HRC, gehalten
wird und die Rostbeständigkeit
und Zähigkeit
nicht beeinträchtigt
werden, und durch anschließendes
Zugeben einer geeigneten Menge von Nb, was die Anlaßerweichung
unterdrückt.
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Die
Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
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Die
Erfindung wird weiter beschrieben unter Bezugnahme auf die Zeichnung:
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1 ist ein Diagramm der Beziehung
zwischen der Anlaßtemperatur
und der Härte
der Stähle,
denen 0,06% bzw. 0,14% Nb zugegeben sind, im Vergleich zu einem
herkömmlichen
Stahl, dem kein Nb zugegeben ist.
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Im
folgenden werden die Ausführungsformen
und die einschränkenden
Bedingungen der Erfindung näher
beschrieben.
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C
ist ein unabdingbares Element, um eine vorgeschriebene Härte nach
Abschrecken zu erhalten, und wird daher in Kombination mit N so
zugegeben, daß der
gewünschte
Härtegrad
erreicht wird. Da aber seine Zugabe über 0,1% hinaus die Härte übermäßig steigert
und solche Nachteile wie Bremsgeräusche und Zähigkeitsbeeinträchtigung
verursacht, ist die Obergrenze mit 0,1% festgelegt. Liegt andererseits
seine Menge unter 0,01%, ist eine übermäßige Menge von N zum Erhalten
der gewünschten
Härte erforderlich,
weshalb die Untergrenze mit 0,01% festgelegt ist.
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Wie
C ist N ein unverzichtbares Element, um eine vorgeschriebene Härte nach
Abschrecken zu erhalten, und wird daher in Kombination mit C so
zugegeben, daß der
gewünschte
Härtegrad
erreicht wird. Da aber seine Zugabe über 0,03% hinaus die Zähigkeit
infolge der Ausfällung
feiner Nb-Nitride bei durch Bremsen verursachter Wärmeerzeugung
beeinträchtigt,
ist die Obergrenze mit 0,03% festgelegt.
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Si,
das zwangsläufig
in Stahl enthalten ist, ist als Desoxidationsmittel wirksam. Allerdings
senkt seine Zugabe über
1% hinaus erheblich die Zähigkeit
nach Wärmebehandlung
durch Abschrecken, weshalb die Obergrenze mit 1% festgelegt ist.
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Mn,
das auch zwangsläufig
im Stahl enthalten ist, ist ein Element, das zur Gewährleistung
der Austenitphase bei hoher Temperatur und zur Gewährleistung
der Härtbarkeit
wirksam ist. Allerdings beeinträchtigt seine
Zugabe über
2% die Rostbeständigkeit,
weshalb die Obergrenze mit 2% festgelegt ist.
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Ni,
das in einer kleinen Menge im Stahl während eines industriellen Schmelzverfahrens
aufgenommen wird, ist ein Element, das wie Mn zur Gewährleistung
der Austenitphase bei hoher Temperatur und zur Gewährleistung
der Härtbarkeit
wirksam ist. Da aber seine Zugabe mit 0,5% oder mehr die Austenitphase übermäßig stabilisiert,
kommt es zur Abschreckhärtung
auch bei langsamer Abkühlung
nach der Wärmebehandlung,
was es erschwert, Anlaßerweichung
beim Bearbeiten zu einer Scheibenbremse zu realisieren. Daher ist
die Zugabemenge mit unter 0,5% festgelegt.
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Cr
ist eines der Grundelemente, die zur Wahrung der Rostbeständigkeit
notwendig sind, die von einer Scheibenbremse für ein Zweiradfahrzeug gefordert
wird, und liegt sein Gehalt unter 10%, läßt sich die erforderliche Rostbeständigkeit
nicht erhalten. Wird dagegen mehr als 15% Cr zugegeben, verengt
sich der Temperaturbereich zur Bildung der Austenitphase bei hoher
Temperatur, wodurch eine Ferritphase gebildet wird, die im Abschrecktemperaturbereich
nicht in eine Martensitphase übergeht,
weshalb die erforderliche Härte nach
Abschrecken nicht erreicht werden kann. Aus diesem Grund ist der
Bereich des Cr-Gehalts mit 10 bis 15% festgelegt.
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Nb
ist ein wichtiges Element zum Unterdrücken der Anlaßerweichung
als Ergebnis von durch Bremsen verursachter Wärmeerzeugung, weshalb es ein
unverzichtbares Zugabeelement ist, um die Aufgabe der Erfindung
zu lösen.
Zur Demonstration der Wirkung ist es notwendig, mindestens 0,02%
Nb zuzugeben, aber eine Zugabe über
0,5% führt
zur Beeinträchtigung
der Zähigkeit.
Daher ist die Obergrenze mit 0,5% festgelegt.
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Man
geht davon aus, daß der
Effekt von Nb auf die Unterdrückung
der Anlaßerweichung
dadurch erhalten wird, daß Nb
die Erholungserscheinung unterdrückt,
wenn sich die Stahlmatrix wegen des durch Wärme bewirkten Verschwindens
vieler bei der Martensitumwandlung gebildeter Versetzungen erweicht,
und auch durch Bildung feiner Nb-Carbonitride die Erweichung infolge
der Bildung grober Cr-Carbonitride unterdrückt.
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1 zeigt die Beziehung zwischen
der Anlaßtemperatur
und der Härte
der Stähle
mit Nb-Zugabe von 0,06% bzw. 0,14% (die Stähle sind als D und E in Tabelle
1 von Beispiel 1 bezeichnet) im Vergleich zu einem herkömmlichen
Stahl ohne Nb-Zugabe
(der Stahl ist als X in Tabelle 1 von Beispiel 1 bezeichnet). Anhand
dieser Darstellung bestätigt
sich, daß eine
Nb-Zugabe in einer kleinen Menge die Anlaßerweichungstemperatur erheblich
steigert.
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Die
Menge von C + N steht im direkten Zusammenhang mit der Härte nach
Abschrecken, und um die Härte
auf einen vorgeschriebenen Grad zu steuern, ist es notwendig, die
Menge im Bereich von 0,04% bis 0,1% zu halten.
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Wie
Mn oder Ni ist Cu ein Element, das zur Gewährleistung der Austenitphase
bei hoher Temperatur und zur Gewährleistung
der Härtbarkeit
wirksam ist, und ein wesentlicher Effekt wird bei der Zugabe von
mindestens 0,1% nachgewiesen. Übersteigt
die Zugabemenge aber 2%, härtet
der Stahl beim Erwärmen
zum Anlassen, was zu einem merklichen Zähigkeitsrückgang führt. Daher ist die Obergrenze
mit 2% festgelegt.
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Wie
Cr ist Mo ein Element, das die Rostbeständigkeit verbessert und die
Qualität
einer Bremsscheibe weiter erhöht,
da es einen Zähigkeitsrückgang beim
Anlassen unterdrückt.
Um diese Wirkungen zu erhalten, muß mindestens 0,1% Mo zugegeben
werden. Wird aber mehr als 1% Mo zugegeben, verengt sich wie bei
Cr der Temperaturbereich zur Bildung der Austenitphase bei hoher
Temperatur, was die Bildung einer Ferritphase verursacht, die sich
in einem Abschrecktemperaturbereich nicht in eine Martensitphase
umwandelt, weshalb die erforderliche Härte nach Abschrecken nicht
erhalten werden kann.
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Ti,
V oder B haben keine so auffallende Wirkung auf die Unterdrückung der
Anlaßerweichung
wie Nb. Bei Zugabe einer richtigen Menge in Kombination mit Nb läßt sich
aber der Effekt der Unterdrückung
der Anlaßerweichung
weiter verstärken.
Zum Nachweis des Effekts ist es notwendig, mindestens 0,01% Ti oder
V oder mindestens 0,0005% B zuzugeben. Werden aber mehr als 0,5%
Ti oder V oder mehr als 0,01% B zugegeben, geht die Zähigkeit
merklich zurück,
weshalb diese Zahlen als jeweilige Obergrenzen für diese Elemente bestimmt sind.
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Der
Bereich der Zugabemenge jedes der Elementarbestandteile und der
Grund für
die Einschränkung des
Bereichs wurden zuvor beschrieben.
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Zur
stabilen Wahrung der Härte
nach Abschrecken im vorgeschriebenen Bereich ist es neben der Festlegung
jedes der Elementarbestandteile notwendig, die Bilanz der chemischen
Zusammensetzung zu steuern, die den Austenitbereich bei hoher Temperatur
beeinflußt.
Als Index, der den Austenitbereich bestimmt, ist γP,
ausgedrückt
durch die unten dargestellte Gleichung, wirksam. Der Temperaturbereich
zur Bildung der Austenitphase bei hoher Temperatur läßt sich
durch Steuern der chemischen Zusammensetzung so gewährleisten,
daß γP in
der Berechnung durch die Gleichung mindestens 70 beträgt. Bevorzugt
ist aber, den Wert von γP auf 80 oder darüber zu halten, um einen ausreichenden
Abschrecktemperaturbereich bei industrieller Wärmebehandlung zu gewährleisten
und um die Härte
nach Abschrecken stabil im vorgeschriebenen Bereich zu halten. γP = 420 × [%C]
+ 470 × [%N]
+ 23 × [%Ni]
+ 9 × [%Cu]
+ 7 × [%Mn] – 11,5 × [%Cr] – 11,5 × [%Si] – 12 × [%Mo] – 47 × [%Nb] – 52 × [%Al] – 49 × [%Ti] – 23 × [%V] – 500 × [%B] +
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Für andere
unvermeidliche Verunreinigungen ist erwünscht, sie in den folgenden
Bereichen zu begrenzen:
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Erwünscht ist,
daß die
Gehalte von S und O höchstens
0,02% betragen, da sie Rost durch Bildung von Sulfiden im Fall von
S und Oxiden im Fall von O verursachen können.
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Erwünscht ist,
daß der
Gehalt von P höchstens
0,05% beträgt,
da er die Zähigkeit
beim Abschrecken und Erwärmen
zum Anlassen beeinträchtigt.
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Obwohl
Al als Desoxidationsmittel wirksam ist, reagiert es bei übermäßiger Zugabe
während
des Schmelzens mit Schlacke, was zur Erhöhung CaS-artiger Einschlüsse im Stahl
führt und
Rosterzeugung bewirkt. Aus diesem Grund ist erwünscht, den Gehalt auf höchstens
0,03% zu begrenzen.
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Beispiel 1
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Blöcke mit
den chemischen Zusammensetzungen nach Tabelle 1 wurden hergestellt
und auf eine Dicke von 5 mm warmgewalzt. Anschließend wurden
nach Erwärmung
auf 850°C
und Wärmebehandlung
zum Erweichen durch langsames Abkühlen Stahlbleche für vielfältige Wärmebehandlungen
ausgeschnitten. Jedes Blech wurde danach durch Hochfrequenzerwärmung auf
950°C erwärmt und
10 min gehalten, wonach es eine Abschreckwärmebehandlung durch Abkühlen mit
Wasser erfuhr. Prüfstücke zur
Härtemessung,
Bewertung der Rostbeständigkeit
und JIS-Schlagprüfung
an Untergrößen Nr.
4 wurden aus einigen der Bleche im abgeschreckten Zustand ausgeschnitten.
Andere Bleche im abgeschreckten Zustand wurden weiter auf 400°C bis 700°C erwärmt, 1 Stunde
gehalten und dann einer Wärmebehandlung
durch Luftkühlung
unterzogen. Prüfstücke zur
Härtemessung,
um Erweichungseigenschaften zu untersuchen, Bewertung der Rostbeständigkeit
und JIS-Schlagprüfung
an Untergrößen Nr.
4 wurden gleichermaßen
aus ihnen ausgeschnitten.
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Die
Bewertung der Erweichungseigenschaften erfolgte anhand der Anlaßtemperatur
zum Erweichen des Stahls auf unter 30 HRC durch Härtemessung
mit dem Rockwell-Härteprüfverfahren
(JIS Z 2245). Die Bewertung der Rostbeständigkeit erfolgte durch Polieren
der Oberfläche
der Prüfstücke auf
eine Rauheit von 400 und Durchführen
eines 100-stündigen
Salzsprühversuchs
daran (JIS Z 2371). Die Zähigkeitsbewertung
erfolgte durch die Charpy-Kerbschlagzähigkeit, erhalten anhand des
Charpy-Schlagversuchs
an den Prüfstücken bei
einer Temperatur von 25°C
(JIS Z 2242). In Tabelle 2 sind die Ergebnisse gezeigt.
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Aus
Tabelle 2 geht hervor, daß jeder
erfindungsgemäße Stahl
eine hohe Anlaßerweichungstemperatur hat
und die Anlaßerweichungstemperatur
zur Beibehaltung der Härte
von mindestens 30 HRC für
jeden Stahl 350°C übersteigt.
Außerdem
ist deutlich, daß Kerbschlagzähigkeiten
und Rostbeständigkeit
ausgezeichnet sind. Bei den kein Nb enthaltenden Vergleichsstählen beträgt die Anlaßerweichungstemperatur
nur rund 500°C.
Ferner sind die anderen Vergleichsstähle mit ungeeigneten Zugabemengen
von Nb oder ungeeigneten anderen Komponenten wegen ungenügender Härte nach
Abschrecken, geringer Zähigkeit
usw. nicht als Materialien für
Bremsscheibengeeignet.
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Die
Erfindung kann einen Stahl bereitstellen, der ausgezeichnete Beständigkeit
gegen Anlaßerweichung
als Ergebnis von durch Bremsen verursachter Wärmeerzeugung hat, und kann
ferner für
die Härtbarkeit,
Rostbeständigkeit
und Zähigkeit
sorgen, die von einem Material für
eine Bremsscheibe gefordert sind, weshalb sie auf eine Bremsscheibe
für ein
Zweiradfahrzeug anwendbar ist, für
das ein hohes Bremsvermögen erforderlich
ist.
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