(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１８％Ｎｉ系マルエージング鋼からなる板厚０．１〜０．３ｍｍの無端リングを５００Ｈｖ以上の硬さに時効熱処理したのち、当該リングに表面における窒素濃度が０．５％以上、窒素の浸入深さが板厚中心までの距離の２０〜５０％、かつ圧縮残留応力値が６００ＭＰａ以上となる窒化処理を施すことを特徴とする無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法。
【請求項２】
窒化処理がアンモニアガスを用いたガス窒化またはガス軟窒化であることを特徴とする請求項１記載の無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車等に使用されるベルト式無段変速機における金属ベルトの構成部品として用いられる金属ベルト用無端リングの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のようなベルト式無段変速機に用いられる金属ベルトは、図１に示すような形状を有し、例えば約４００枚の金属ブロックＢを約９枚程度積層された２組の金属製無端リングＲで無端状に連結したものであって、当該無端リングＲは、動力伝達に伴う高い引張強度と、プーリーに巻き付くことによって生ずる繰り返し曲げ応力に耐え得る疲労強度が要求されることから、無端リングＲには、超強力鋼として知られるマルエージング鋼が用いられ、さらに窒化処理が行われている。
【０００３】
このマルエージング鋼には、窒化処理するに際して、酸化による不働態皮膜が形成されるため、窒素の浸入が妨害され、均一な窒化処理が困難であるという問題があったが、これについては、例えば特開平１１−２２９１１３号公報などにより、均一な窒化方法が提案されている。
【０００４】
一方、このような金属ベルト用無端リングは、上記のように１０枚前後のリングが積層されて使用されるため、リングの窒化処理前後の周長伸び量のばらつきを小さくする必要がある。このため、従来では、ガス窒化に際してアンモニア濃度を薄くして窒素の侵入量を少なくし、窒化深さを浅くようにした、特開昭５９−８０７７２号公報に記載されたマルエージング鋼の窒化処理方法が良いとされていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、エンジンの高出力化や、小型軽量化のニーズが高まっており、このような要求を満たすために、金属ベルトのさらなる高強度化が望まれているが、素材金属については、実用材料の中でも最高強度を有するマルエージング鋼を使用しているので、材料面での対応は限界と考えざるを得ず、窒化などの表面硬化処理による高強度化を図ることが望ましいと言える。
【０００６】
しかしながら、前述のような周長ばらつきの問題から、窒化深さの浅い窒化処理しか検討されておらず、高トルク化への対応としては、無端リングの板厚を増したり、使用枚数を多くしたりする対策を採らざるを得ないという問題があった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、従来の金属ベルト用無端リングにおける上記課題に鑑みてなされたものであって、疲労強度に優れ、しかも窒化処理に基づく周長ばらつき量の少ない無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法は、１８％Ｎｉ系マルエージング鋼からなる板厚０．１〜０．３ｍｍの無端リングを５００Ｈｖ以上の硬さに時効熱処理したのち、当該リングに表面における窒素濃度が０．５％以上、窒素の浸入深さが板厚中心までの距離の２０〜５０％、かつ圧縮残留応力値が６００ＭＰａ以上となる窒化処理を施す構成とし、当該金属ベルト用無端リングの製造方法実施の一形態として請求項２に係わる製造方法においては、窒化処理がアンモニアガスを用いたガス窒化またはガス軟窒化である構成としており、無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の作用】
本発明に係わる無段変速機の金属ベルト用無端リングは、図２に示すような工程によって製造される。
【００１０】
すなわち、例えば、約０．３ｍｍの板厚に圧延された１８％Ｎｉ系マルエージング鋼粗材をレーザビームあるいはプラズマビーム溶接によって環状に接合した後、８００〜８５０℃に加熱して固溶化処理を行い、次いで板幅１２．５ｍｍに切断する。そしてバレル研磨の後、およそ板厚０．１８ｍｍ、周長７００ｍｍにリング圧延し、８００〜８５０℃に加熱して再度固溶化処理を施す。そして、寸法矯正を行うと共に、４８０〜５１０℃に加熱することにより時効硬化処理を実施した後、４５０℃前後の温度で１０〜６０分程度の窒化処理を行う。
【００１１】
なお、本発明において使用する１８％Ｎｉ系マルエージング鋼とは、質量比で、Ｃ：０．０３％以下、Ｓｉ：０．１％以下、Ｍｎ：０．１％以下、Ｎｉ：１７〜１９％、Ｍｏ：３〜５．５％、Ｃｏ：７〜９．５％、Ａｌ：０．０５〜０．２％、Ｔｉ：０．１５〜０．８％の化学成分のものを意味する。
【００１２】
図５は、上記したように、板厚０．３ｍｍの１８％Ｎｉ系マルエージング鋼を用いて、プラズマ溶接、固溶化熱処理および圧延によって、板厚：０．１８ｍｍ、幅：１２．５ｍｍ、リング周長：７００ｍｍの無端リングに加工した後、図３（ａ）に示すように、加熱温度：４８０℃、保持時間：３時間の時効処理を行い、Ｈｖ５７０の硬度に調整した後、図３（ｂ）に示すように、温度を４５０℃に固定し、保持時間を種々に変化させて窒化処理を行った場合の無端リングの疲労強度を板厚の中心部までの距離（板厚の１／２）に対する窒化深さの割合（％）で整理した結果を示すものであって、疲労強度は、窒化深さ約２８％、すなわち無端リングの両表面から約０．０２５ｍｍの深さに窒化層が形成されたリング（処理時間１５分）においてピーク値を示し、板厚中心に対する窒化深さが２０％〜５０％の範囲に最適値を有することが判明した。
【００１３】
なお、図５において、窒化深さ０％のものは窒化処理を行っていないものである一方、窒化深さ６０％のものにおいては、最表面に白色層と呼ばれる脆弱な化合物層が形成されており、いずれも疲労強度が低下することが判る。
【００１４】
また、上記窒化処理に際しては、不働態皮膜を除去するため、炉内を４５０℃に昇温して、残留アンモニア濃度４０％に雰囲気保持した後、リングを炉内に装入し、塩化メチレンを１０ｍｌから４０ｍｌ程度注入して窒化処理を行うようにした。さらに、疲労強度については、図４に示すように、１６０ｍｍ径の大ローラＬ１  と８０ｍｍ径の小ローラＬ２  に得られた無端リングを掛装し、５０００Ｎの一定引張り荷重を加えた状態でリングを１０００ｒｐｍで回転させたときの破断までの繰り返し数（回転数）によって評価した。
【００１５】
図６は、白色層の形成によって疲労強度が低下するという上記の結果に基づいて、残留アンモニア濃度４０％のガス窒化処理における白色層の形成領域を窒化処理温度と処理時間について調べたものであり、例えば、処理温度が４５０℃の場合には８０分以上の処理、処理温度が５００℃の場合には５０分以上の処理を避けるべきであることが判る。なお、このグラフは、残留アンモニア濃度が４０％のときの結果であって、アンモニア濃度によって白色層の形成領域がずれることに留意する必要がある。
【００１６】
また、図７は、上記によって得られた各無端リングにおける窒化深さと周長変化量との関係を図示したものであって、窒素侵入量の増加に伴って周長変化量も増加するものの、窒素濃度を高くしても窒化後のリング周長のばらつきが大きくなることはなく、窒化後のリング周長伸びが窒素量と強い相関があることから、周長伸びを窒素量によって予測することが可能になり、リング周長のばらつきの問題については解消できることが判明した。
【００１７】
なお、本発明に係わる金属ベルト用無端リングの製造方法において、時効処理後の硬さを５００Ｈｖ以上とするのは、内部硬さあるいは時効硬さが５００Ｈｖに満たない状態、すなわち十分に時効が進行していない状態で窒化処理を行うと、窒化層が脆くなり、十分な時効強度が得られないという不具合が生じることによる。
【００１８】
また、窒化層の表面窒素濃度を０．５％以上としたのは、表面窒素濃度が０．５％を下回った場合には、十分な疲労強度を得るための表面硬さおよび圧縮残留応力が得られなくなることによる。
【００１９】
そして、圧縮残留応力値を６００ＭＰａ以上としたのも、圧縮残留応力値が６００ＭＰａ未満となると、十分な疲労強度が得られなくなることに基づく。
【００２０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる無段変速機の金属ベルト用無端リングの製造方法においては、１８％Ｎｉ系マルエージング鋼からなる無端リングを５００Ｈｖ以上の硬さに時効熱処理したのち、表面窒素濃度が０．５％以上、窒素の浸入深さが板厚中心までの距離の２０〜５０％、圧縮残留応力値が６００ＭＰａ以上となる窒化処理を施すようにしているので、リングの周長伸びのばらつきを増大させることなく、金属ベルト用無端リングの引張および疲労強度を大幅に向上させることができ、当該製造方法の実施形態として請求項２にに係わる金属ベルト用無端リングの製造方法においては、窒化処理として、アンモニアガスを用いたガス窒化処理、あるいはガス軟窒化処理を施すようにしているので、窒素濃度や窒化深さのコントロールが比較的容易であるとともに、ガス軟窒化処置においては比較的低温で処理ができることから、歪みを抑えることができるという優れた効果がもたらされる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて、さらに具体的に説明する。
【００２２】
図２に示したように、板厚０．３ｍｍの１８％Ｎｉ系マルエージング鋼に、プラズマ溶接、固溶化熱処理および圧延を施すことによって、板厚：０．１８ｍｍ、幅：１２．５ｍｍ、リング周長：７００ｍｍの無端リングに加工した。
【００２３】
次に、図３（ａ）ないし（ｃ）に示すヒートパターンを組み合わせた種々の条件のもとに、時効処理および窒化処理を行い、得られた無端リングの時効硬さ、窒化処理後の圧縮残留応力、表面硬度、内部硬さ、表面窒素濃度および窒化深さをそれぞれ測定すると共に、図４に示した方法（引張り荷重：５０００Ｎ、回転速度：１０００ｒｐｍ）によって各無端リングの疲労強度を調査した。
【００２４】
なお、窒化処理に際しては、リング表面の不働態皮膜を除去するために、炉内昇温、雰囲気調整（残留アンモニア濃度４０％）およびリング装入ののち、１０ｍｌから４０ｍｌ程度の塩化メチレンを炉内に注入した。
【００２５】
これらの結果を表１に合わせて示す。
【００２６】
【表１】
0003630299.tif 000002
【００２７】
表１に示すように、１８％Ｎｉ系マルエージング鋼からなる無端リングに、３時間の時効熱処理、および窒化処理を施すことによって、内部硬さが５００Ｈｖ以上であると共に、表面窒素濃度が０．５％以上、窒化深さが板厚中心までの距離の２０〜５０％の窒化層を備え、さらに６００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を有するようにした本発明Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに係わる金属ベルト用無端リングにおいては、いずれも極めて良好な疲労強度を備えていることが確認された。
【００２８】
これに対して、窒化処理時間が８分と短く、表面窒素濃度が低く、窒化深さが浅い比較例Ｅ、逆に窒化処理時間が７５分と長く、窒化深さが深い比較例Ｆ、および時効処理時間が１時間と短いために時効硬さが５００Ｈｖに満たない比較例Ｇの無端リングにおいては、いずれも十分な疲労強度が得られず、時効処理を窒化処理と同時（窒化しながら時効）に行った比較例Ｈにおいては、比較的高い圧縮残留応力が得られるものの、疲労強度はあまり高くないことが判明した。この理由は、必ずしも明確になっていないが、結晶粒界の母材中のチタンが窒素との析出物を作り、粒界強度が低下したことによるものと考えられる。また、窒化処理を行わず、時効処理のみを施した比較例Ｉの無端リングにおいては、圧縮残量応力が低く、比較例の中でも最低レベルの疲労強度を示すことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる無端リングを用いた無段変速機用金属ベルトの形状および構造を示す概略説明図である。
【図２】本発明に係わる無端リングの製造工程の一例を示す説明図である。
【図３】（ａ）時効処理におけるヒートパターンの一例を示す説明図である。
（ｂ）窒化処理におけるヒートパターンの一例を示す説明図である。
（ｃ）時効処理と窒化処理を同時に行う場合のヒートパターンを示す説明図である。
【図４】無端リングの疲労試験方法を示す概略説明図である。
【図５】無端リングの窒化深さと疲労強度の関係を示すグラフである。
【図６】白色層形成に及ぼす窒化時間と窒化温度の関係を示すグラフである。
【図７】無端リングの窒化深さと周長変化量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
Ｒ    金属ベルト用無端リング
【図１】
0003630299.tif 000003
【図２】
0003630299.tif 000004
【図３】
0003630299.tif 000005
【図４】
0003630299.tif 000006
【図５】
0003630299.tif 000007
【図６】
0003630299.tif 000008
【図７】
0003630299.tif 000009