(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．６５超〜０．９０ｗｔ％，Ｓｉ：０．５超〜２．０ｗｔ％，Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｐ：０．０２５ｗｔ％以下，Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下，Ｃｕ：０．３ｗｔ％以下，Ｃｒ：４．０超〜６．０ｗｔ％，Ａｌ：０．０５ｗｔ％以下，Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下，Ｎ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｔｉ：０．００５ｗｔ％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を球状化焼鈍した鋼であって，この鋼からなる部品を焼入焼もどしした時に，その部品の未固溶炭化物を除くマトリックス中の固溶Ｃ量が０．４０超〜０．６５ｗｔ％を有し，その部品の硬さがＨｖ７００以上になることを特徴とする，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品用鋼。
【請求項２】
請求項１において，更に，Ｎｉ：１．０％以下，Ｍｏ：１．０％以下の１種および２種を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなっていることを特徴とする，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品用鋼。
【請求項３】
請求項１又は２において，焼入および焼もどしに関して，高周波誘導加熱を用いる，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品用鋼。
【請求項４】
Ｃ：０．６５超〜０．９０ｗｔ％，Ｓｉ：０．５超〜２．０ｗｔ％，Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｐ：０．０２５ｗｔ％以下，Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下，Ｃｕ：０．３ｗｔ％以下，Ｃｒ：４．０超〜６．０ｗｔ％，Ａｌ：０．０５ｗｔ％以下，Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下，Ｎ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｔｉ：０．００５ｗｔ％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を球状化焼鈍した鋼からなる部品を焼入焼もどしした後に，その部品の未固溶炭化物を除くマトリックス中の固溶Ｃ量が０．４０超〜０．６５ｗｔ％を有し，その部品の硬さがＨｖ７００以上であることを特徴とする，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品。
【請求項５】
請求項４において，更に，Ｎｉ：１．０％以下，Ｍｏ：１．０％以下の１種および２種を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなっていることを特徴とする，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品。
【請求項６】
請求項４又は５において，焼入および焼もどしに関して，高周波誘導加熱を用いる，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は，摩擦係数の大きい潤滑油を介して，接触の摩擦力により動力を伝達する部品，例えばトロイダル式無段変速機等に使用される鋼，および部品に関して，良好な接触疲労特性を示す動力伝達部品用鋼，およびその鋼を用いた動力伝達部品について提案する。
【０００２】
【従来技術】
一般に，自動車や産業機械等に用いられ，接触疲労を受ける部品としては歯車や軸受が代表される。歯車は動力伝達部品として，特に自動車用変速機に，また，軸受は回転体の支持部に使用されており，動力損失の原因となる接触による摩擦力の低減が重要とされている。
【０００３】
近年，この歯車による変速機に代るものとして，ドロイダル式無段変速機が採用され始めている。このトロイダル式無段変速機は，歯車の機械的かみ合いで動力を伝達するのではなく，駆動側回転体（円盤状部品，ディスクと呼ぶ）と従動側回転体（円盤状部品，ディスクと呼ぶ）との間に複数のローラを配置し，それぞれの接触部に発生する摩擦力によって回転し，動力を伝達するものである。従って，円盤状部品の上をローラが転がるため，その接触部においてスピンすべりが生じて発熱し，さらに，動力を伝達するため接触部表面には通常の転がり接触にはない大きな摩擦力が発生する。このため，構成部品に使用される鋼にとって，軸受等と比べて非常に苛酷な環境と考えられている。ここで，スピンすべりとは，円盤状部品の上をローラが転動する時，接触面内における周速の差から生じるすべりを意味する。
【０００４】
従来から，接触疲労をともなう歯車や軸受等には，ＳＣＲ４２０やＳＣＭ４２０に代表される肌焼鋼や，ＳＵＪ２に代表される高炭素クロム軸受鋼が主に使用されている。しかし，これらの鋼をトロイダル式無段変速機等の用途に用いると，早期破損を起こす問題があった。そこで，このような特殊な使用環境下において，良好な接触疲労特性を有する鋼，およびその鋼を用いた部品が要望されている。
【０００５】
【解決しようとする課題】
こうした状況のもとに提案された鋼はこれまでに，特開平８−３２６８６２，特開平１０−１０３４４０，などに開示されている。たとえば，特開平８−３２６８６２は表面硬化処理として高周波焼入を採用しているが，本用途に対して疲労寿命向上効果が十分ではない。また，特開平１０−１０３４４０は表面硬化処理として浸炭を採用しているが，浸炭や浸炭窒化含めた方法は，十分な疲労寿命向上効果が得られておらず，また，これらの処理はその処理に膨大な時間とエネルギーを必要とし，同時にＣＯ２排出等の環境問題も生じる問題があった。
【０００６】
これらの問題点を考慮し，本発明の目的は，熱処理として通常の焼入焼もどし，または高周波焼入において，軸受等とは異なり，高面圧で，かつ，大きな摩擦力と高温という非常に苛酷な環境となる動力伝達部品，たとえばトロイダル式無段変速機等に関して，良好な接触疲労特性を示す動力伝達部品用鋼，および動力伝達部品を提供することにある。
【０００７】
【課題の解決手段】
発明者らは鋭意検討を実施した結果，上記の課題を解決するために，Ｃ：０．６５超〜０．９０ｗｔ％，Ｓｉ：０．５超〜２．０ｗｔ％，Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｐ：０．０２５ｗｔ％以下，Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下，Ｃｕ：０．３ｗｔ％以下，Ｃｒ：４．０超〜６．０ｗｔ％，Ａｌ：０．０５ｗｔ％以下，Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下，Ｎ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｔｉ：０．００５ｗｔ％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を球状化焼鈍した鋼であって，この鋼からなる部品を焼入焼もどしした時に，その部品の未固溶炭化物を除くマトリックス中の固溶Ｃ量が０．４０超〜０．６５ｗｔ％を有し，その部品の硬さがＨｖ７００以上になることを特徴とし，更に，Ｎｉ：１．０％以下，Ｍｏ：１．０％以下の１種および２種を含有することができ，更に，焼入および焼もどしに関して，高周波誘導加熱を用いることができる，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品用鋼を提供する。
【０００８】
また，更に，Ｃ：０．６５超〜０．９０ｗｔ％，Ｓｉ：０．５超〜２．０ｗｔ％，Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下，Ｐ：０．０２５ｗｔ％以下，Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下，Ｃｕ：０．３ｗｔ％以下，Ｃｒ：４．０超〜６．０ｗｔ％，Ａｌ：０．０５ｗｔ％以下，Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下，Ｎ：０．０３０ｗｔ％以下，Ｔｉ：０．００５ｗｔ％以下を含有し，残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋼を球状化焼鈍した鋼からなる部品を焼入焼もどしした後に，その部品の未固溶炭化物を除くマトリックス中の固溶Ｃ量が０．４０超〜０．６５ｗｔ％を有し，その部品の硬さがＨｖ７００以上であることを特徴とし，更に，Ｎｉ：１．０％以下，Ｍｏ：１．０％以下の１種および２種を含有することができ，更に，焼入および焼もどしに関して，高周波誘導加熱を用いることができる，良好な接触疲労特性を有する摩擦力により動力を伝達する動力伝達部品を提供する。
【０００９】
以下に各合金元素の限定理由について説明する。
Ｃ：０．６５超〜０．９０ｗｔ％
Ｃは鋼の強度を保持するために必須の元素であり，焼入焼もどし処理の後に未固溶炭化物を残留させた上で所要の硬さを得るためには，０．６５ｗｔ％超の含有量が必要である。しかし，その含有量が多過ぎれば，大型の共晶炭化物や粒界にネット状の炭化物を析出し易くなり，冷間および熱間加工性を阻害し製造性を悪化させるため上限を０．９０ｗｔ％とした。好ましくは０．７０〜０．８０ｗｔ％が望ましい。
【００１０】
Ｓｉ：０．５超〜２．０ｗｔ％
Ｓｉは本発明にとって重要な元素の１つであり，発明者らは焼戻し軟化抵抗を与えるだけでなく，接触摩擦力によって動力伝達する部品において，その接触疲労特性の劣化を抑制する効果を見出した。その効果のためには０．５ｗｔ％を超えた含有量が必要である。しかし過剰に添加してもその効果は飽和するばかりでなく，鋼の変態点を高めるので熱処理温度を高温とする必要を生ずるほか，鍛造性および冷間加工性を損なうなどの弊害をもたらすので，Ｓｉ含有量の上限を２．０ｗｔ％とする。好ましくは１．１〜１．７ｗｔ％が望ましい。
【００１１】
Ｍｎ：１．０ｗｔ％以下
Ｍｎは鋼の焼入れ性を向上することにより基地マルテンサイトの靭性，硬度を向上させる元素であるが，過剰に添加すると素材の軟化焼鈍を困難とし，また加工性および熱間加工性をも劣化させるため上限を１．０ｗｔ％とする。
Ｐ：０．０２５ｗｔ％以下
Ｐは鋼中に多量に存在すると結晶粒界に偏析し，粒界を脆化させる原因になる元素である。従って，可能な限り低いことが望ましく，上限を０．０２５ｗｔ％に規制する。
Ｓ：０．０３５ｗｔ％以下
Ｓは切削性を向上させる元素であるが，多量に添加すると大型のＭｎＳ等の非金属介在物を生成し，疲労特性を劣化させるため上限を０．０３５ｗｔ％とする。
【００１２】
Ｃｕ：０．３ｗｔ％以下
Ｃｕは鋼の焼入れ性，耐食性を向上させる元素であるが，しかし本発明においては，その含有量が多すぎれば赤熱脆性等の不具合を起こし，製造性を悪化させるので上限を０．３ｗｔ％とする。
Ｎｉ：１．０ｗｔ％以下
Ｎｉは鋼中マトリックスを強化して靭性を向上させる点で，疲労特性の向上に有効な元素である。しかし含有量が多くなるとその効果が飽和するばかりか冷間加工性を阻害し，また焼入れ時に残留オーステナイト量が増加し，硬さが低下して疲労特性を劣化させ，さらに材料コストの上昇を招くことからその含有量は１．０ｗｔ％以下とする。
【００１３】
Ｃｒ：４．０〜６．０ｗｔ％
Ｃｒは本発明にとって必須の元素の１つで，焼戻し軟化抵抗性を与えるだけでなく，炭化物を生成することで耐摩耗性を付与し，さらに，本発明において，Ｓｉと同時に添加することにより，接触摩擦力によって動力伝達する部品において，接触疲労特性の劣化を抑制する効果を見出した。その効果のためには４．０ｗｔ％を超えて添加する必要がある。しかし過剰に添加してもその効果は飽和し，むしろ巨大な炭化物を析出させることで返って疲労特性を劣化させる場合があり，さらにはいたずらにコストを高めるのみなので，その含有量上限を６．０ｗｔ％とする。
【００１４】
Ｍｏ：１．０ｗｔ％以下
ＭｏはＣｒと同様に炭化物形成元素であり，硬度や耐摩耗性に影響を与え，さらに焼戻し軟化抵抗性も向上させる。本発明においては，その添加により接触疲労特性をさらに改善できることを見出したことから添加することができる。しかし，ＭｏはＣｒよりもより安定な炭化物を形成することから，その含有量が多くなると，疲労特性を劣化させる大型の共晶炭化物の生成を促進させ，さらに固溶Ｃ量を確保するために焼入れ温度の高温化を招くことで熱処理コストを上昇させ，さらに熱間加工性等の鋼の生産性にも悪影響を及ぼすので，１．０ｗｔ％以下とする。
【００１５】
Ａｌ：０．０５ｗｔ％以下
Ａｌは鋼を製造する上で脱酸剤として使用するため不可避に存在するもので，Ｎと結合して，結晶粒の成長を抑制することが知られている一方，過剰に添加すると酸化物系介在物となりやすく，接触疲労特性に悪影響を及ぼすので，上限を０．０５ｗｔ％とする。
Ｏ：０．００１５ｗｔ％以下
ＯはＡｌと結合することで，接触疲労特性の低下を招く硬質な非金属介在物を形成する元素であるため，可能な限り低いことが望ましく，０．００１５ｗｔ％以下に規制した。
【００１６】
Ｎ：０．０３０ｗｔ％以下
ＮはＡｌと結合して結晶粒の成長を抑制することが知られており，その効果のために添加することが可能であるが，しかし過剰に添加すると，鋳造欠陥等の不具合を生じるので，その含有量上限を０．０３０ｗｔ％とする。
Ｔｉ：０．００５ｗｔ％以下
ＴｉはＮと結合して，大型で硬質な非金属介在物を生成しやすく接触疲労特性を劣化させるので，可能な限り低いことが望ましく，０．００５ｗｔ％以下に規制した。
焼入後のマトリックス中の固溶Ｃ量：０．４０超〜０．６５ｗｔ％
本発明において，部品を焼入焼もどしした時のマトリックス中の固溶Ｃ量が，摩擦力によって動力伝達する際の接触疲労特性に影響することを見出した。その向上のためにはその固溶Ｃ量を０．４０超〜０．６５ｗｔ％の範囲にする必要がある。０．４０ｗｔ％以下になると焼入焼もどし硬さが低下して接触疲労特性の劣化を招き，また，０．６５ｗｔ％を超える固溶Ｃ量になると，たとえば，必要な硬さは維持できていても接触疲労特性を劣化させることを見出したので上限を０．６５ｗｔ％とした。好ましくは０．４５〜０．６０ｗｔ％が望ましい。
【００１７】
焼入焼もどし硬さ：Ｈｖ７００以上
本発明に係わる対象部品は接触荷重を受けるため，塑性変形を防止し，その面圧に耐える必要があることから下限をＨｖ７００とした。
【００１８】
【発明の実施の形態】
発明者らは本発明を成すために，対象となる鋼あるいは部品が使用される環境を再現した試験を実施する必要があると考えた。すなわち，高面圧，摩擦力による動力伝達，高温，また接触面内におけるスピンすべり等が考慮された試験でなければならない。
【００１９】
図１は本発明に係わる試験で用いた接触疲労試験機を示す。本試験機は円盤状試験片（従動円盤）２上において，垂直荷重を受けた２ないし３つの駆動ローラ１が駆動モータ３にて転動し，十分な摩擦力を与えるために動力吸収機４によって制動している従動円盤２を，接触面２１に発生する摩擦力を利用して駆動させるものである。
【００２０】
表１は，本試験機と，一般に歯車の代用評価として用いられるローラピッチング試験機と，軸受の代用評価として用いられるスラスト型転動寿命試験機の特徴を合わせて示す。表１より，本試験機は，スピンすべりを伴いながら，接触摩擦力により動力伝達をおこなう部品を，評価するのに適している。
表２は本発明を成すために各種検討を実施した供試材の化学成分の一覧表を示す。これらの供試材は，ＶＩＭで溶製し，分塊圧延後，熱間で鍛伸および据込み鍛造した素形材を用い，硬さを低減して機械加工を容易にするため，球状化焼鈍として，８５０℃で５ｈｒ保持後，５５０℃まで１５℃／ｈｒの徐冷を施した後に，所定の寸法に機械加工して，所定の焼入熱処理を施した。さらに表面を仕上加工することでスケールや脱炭層を除去して試験に供した。
【００２１】
表３は各供試材の熱処理（熱処理の詳細は，表４，図２，図３及び図４に記載），および仕上加工後の表面のマトリックス中の固溶Ｃ量と表面硬さを示す。なお，図３および図４中のＣ．Ｐ．とは浸炭雰囲気中のカーボン・ポテンシャルを意味する。ここで，固溶Ｃ量はＸ線回折によるγ（２２０）の格子定数測定から求めており，表面硬さは１０ｋｇのビッカース硬度計で測定した。測定は，円盤状試験片（従動円盤）２における駆動ローラ１との接触面２１において行った。
これらの供試材を図１に示した接触疲労試験機において，表５に示す条件で試験を実施し，接触疲労特性は，接触面における剥離損傷の発生までの回転数として計測した。その結果を表６に示し，ここで，平均寿命比は鋼Ｒ（ＪＩＳ−ＳＵＪ２）を１とした比で表わしている。
【００２２】
以下に本発明に係わる実施例について説明する。本発明鋼は表２における鋼Ａ〜Ｊであり，表３における鋼Ｅ２および鋼Ｅ３は，鋼Ｅに関して熱処理条件を変化させて，マトリックス中の固溶Ｃ量および硬さを変化させたものである。また表３における鋼Ｈ２は，鋼Ｈの熱処理に高周波焼入を用いたものである。これらの本発明鋼は，表６に示す平均寿命比が４．１〜６．２の良好な接触疲労特性を有することがわかる。
【００２３】
一方，比較鋼は表２における鋼Ｋ〜鋼Ｐであり，本発明鋼に対し，鋼ＫはＣ量が多く，また，鋼ＮはＣ量が低くなっており，表６に示すごとく十分な寿命向上が得られず，また，鋼ＬはＳｉ量が，鋼ＭはＣｒ量が本発明鋼より低く，同様に十分な寿命向上が得られていない。さらに，鋼ＯはＴｉ量が本発明鋼より高く，非金属介在物が多くなっていると考えられるため十分な効果がえられていない。
ここで，鋼Ｐは化学成分は本発明の範囲内であるが，表３中の鋼Ｐ，Ｐ２およびＰ３として，それぞれ表４中の▲４▼，▲５▼および▲６▼の熱処理条件としたものであり，鋼Ｐは焼入温度が高く，マトリックス中の固溶Ｃ量が多くなっており，また，鋼Ｐ２は焼入温度が低く，マトリックス中の固溶Ｃ量が少なくなっており，また，鋼Ｐ３はマトリックス中の固溶Ｃ量は本発明の範囲内であるが，焼もどし温度が高く，硬さが本発明の範囲よりも低いものである。従って，これら鋼Ｐ〜Ｐ３に関して，表６に示すごとく，本発明鋼に比べて十分な寿命向上が得られていない。
【００２４】
さらに，表２における鋼Ｑ〜Ｔは従来鋼を示しており，表３にその熱処理とマトリックス中の固溶Ｃ量および硬さを示している。ここで，鋼ＱはＪＩＳ−ＳＵＪ２であり，鋼ＲはＪＩＳ−ＳＣＭ４２０であり，鋼Ｓは特開平８−３２６８６２に相当し，鋼Ｔは特開平１０−１０３４４０に相当するものである。いずれの従来鋼も本発明鋼に対して合金量が低く，さらに浸炭する鋼Ｒと鋼Ｔはマトリックス中の固溶Ｃ量が高く，表６に示すごとく十分な寿命向上が得られていない。これらの比較鋼および従来鋼の結果は発明の妥当性を示すものである。
【００２５】
以上に本発明の実施例を詳述したが，これは一例であり，本発明の意図を逸脱しない範囲で，摩擦力によって動力を伝達する動力伝達部品用鋼，および動力伝達部品に適用可能である。
【００２６】
【表１】
0003607583.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003607583.tif 000003
【００２８】
【表３】
0003607583.tif 000004
【００２９】
【表４】
0003607583.tif 000005
【００３０】
【表５】
0003607583.tif 000006
【００３１】
【表６】
0003607583.tif 000007
【００３２】
【発明の効果】
本発明は潤滑油を介して接触し，その摩擦力を利用することで動力伝達を行う動力伝達部品用鋼および動力伝達部品に関して，溶製時の適正な化学成分と熱処理後の固溶Ｃ量と硬さを制御することにより，摩擦力により動力を伝達する部品に関して，一般的に用いられるＳＵＪ２，ＳＣＭ４２０および他の従来鋼に対して，十分な接触疲労特性向上効果を確保するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の接触疲労特性を測定する接触疲労試験機の概要を示す。
【図２】表３における熱処理のうち，高周波焼入に関するヒートパターンを示す。
【図３】表３における熱処理のうち，一部の浸炭に関するヒートパターンを示す。
【図４】表３における熱処理のうち，一部の浸炭に関するヒートパターンを示す。
【符号の説明】
１．．．駆動ローラ，
２．．．円盤状試験片（従動円盤），
２１．．．接触面，
３．．．駆動モータ，
４．．．動力吸収機，
【図１】
0003607583.tif 000008
【図２】
0003607583.tif 000009
【図３】
0003607583.tif 000010
【図４】
0003607583.tif 000011