(57)【要約】  表面に窒化層を備えたＣＶＴ用リング部材１である。質量％で、Ｃ：０．４３〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる化学成分を有する。引張強さが１７００ＭＰａ以上である。窒化層の表面硬度がＨＶ８００〜ＨＶ９５０である。
2015087869.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に窒化層を備えたＣＶＴ用リング部材であって、
質量％で、Ｃ：０．４３〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる化学成分を有し、
引張強さが１７００ＭＰａ以上であり、
上記窒化層の表面硬度がＨＶ８００〜ＨＶ９５０である、
ＣＶＴ用リング部材。
【請求項２】
結晶粒径が１５μｍ以下である、請求項１に記載のＣＶＴ用リング部材。
【請求項３】
質量％で、Ｃ：０．４３〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋳塊を準備し、
該鋳塊に塑性加工を加えて板材とし、
該板材を曲げ加工すると共に端面同士を溶接して粗リング材とし、
該粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延して所望板厚のリング材とし、
該リング材に、８５０℃〜１０００℃の加熱温度Ｔ１に加熱した後急冷する焼き入れ処理を施し、
その後、４００℃〜５００℃の処理温度Ｔ２で上記リング材に窒化処理を施す、
ＣＶＴ用リング部材の製造方法。
【請求項４】
上記焼き入れ処理を施した後には、焼き戻し処理を施す、請求項３に記載のＣＶＴ用リング部材の製造方法。
【請求項５】
上記焼き入れ処理時の上記加熱温度Ｔ１は、さらに、式２：０．０１５×Ｃ（％）−０．０１４×Ｃｒ（％）＋１．４６×Ｖ（％）−０．８１×Ｔ１／１０００＋０．７１≧０．０５の関係を満たす、請求項３又は４に記載のＣＶＴ用リング部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＶＴに使用される動力伝達用ベルトを構成するリング部材、すなわちＣＶＴ用リング部材及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
環境問題等の観点から自動車の低燃費化が強く望まれており、最近の自動車用変速装置には燃費向上に有利なベルト式の無段変速機（以下、適宜ＣＶＴという。）が多用されている。ＣＶＴに使用される動力伝達用ベルトは、金属製の薄い板厚のリング部材を複数層重ねて一組のＣＶＴベルトを構成し、そのＣＶＴベルト２組にエレメントと呼ばれる摩擦部材を複数組み付けて構成されている。【０００３】
ＣＶＴベルトは、ＣＶＴにおけるプーリに直接接触するものではないが、エレメントを組み付けた動力伝達用ベルトを構成する状態で回転して動力を伝え、その回転中に張力や曲げ応力を繰り返し受ける。そのため、ＣＶＴベルトを構成するリング部材の材料には、疲労強度に優れたものを用いる必要がある。さらに、近年の自動車の高出力性能化にともない、動力伝達用ベルトにもこれまで以上の高強度化が要求されるようになってきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２８５３０３号公報
【特許文献２】特開２０１１−１９５８６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来から、高強度材料として知られているマルエージング鋼がリング部材に適用されている。しかしながら、マルエージング鋼には、高価なＮｉ、Ｃｏ、Ｍｏが多量に含有されており、材料費が非常に高くなることが問題となっている。そこで、疲労強度に優れた高強度な材料を得るための手法として、例えば特許文献１に示されているように、鋼を高合金化することにより高強度化する手法が知られている。【０００６】
一方、特許文献２には、高価な合金元素の含有量を低減することにより、マルエージング鋼に比べてはるかに低コスト化され、かつ、マルエージング鋼と同等の疲労強度特性を有する優れた鋼が開示されている。しかし、特許文献２の鋼は、従来よりも格段に高い強度特性が要求される場合に、その要求レベルに達し得ない場合もある。それ故、ＣＶＴ用のリング部材に用いる鋼には、改善の余地が未だ存在するのが現状である。【０００７】
本発明は、かかる背景に鑑み、ＣＶＴベルト用として好適な強度特性を確保しつつ安価なＣＶＴ用リング部材及びその製造方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、表面に窒化層を備えたＣＶＴ用リング部材であって、
質量％で、Ｃ：０．４３〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる化学成分を有し、
引張強さが１７００ＭＰａ以上であり、
上記窒化層の表面硬度がＨＶ８００〜ＨＶ９５０である、
ＣＶＴ用リング部材にある。【０００９】
本発明の他の態様は、質量％で、Ｃ：０．４３〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．５０〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅおよび不可避的不純物よりなる鋳塊を準備し、
該鋳塊に塑性加工を加えて板材とし、
該板材を曲げ加工すると共に端面同士を溶接して粗リング材とし、
該粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延して所望板厚のリング材とし、
該リング材に、８５０℃〜１０００℃の加熱温度Ｔ１に加熱した後急冷する焼き入れ処理を施し、
その後、４００℃〜５００℃の処理温度Ｔ２で上記リング材に窒化処理を施す、
ＣＶＴ用リング部材の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１０】
上記ＣＶＴ用リング部材は、上記特定の化学成分を有していると共に、表面に窒化層を有している。そして、引張強さ及び窒化層の表面硬度は、上記特定の範囲に調整されている。これにより、上記ＣＶＴ用リング部材は、高強度化要求を満たしつつ、マルエージング鋼のように高価な元素を多量に含有していないため、安価なものとすることができる。そして、上記製造方法によれば、このような優れたＣＶＴ用リング部材を製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例における、ＣＶＴ用リング部材の使用状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、上記ＣＶＴ用リング部材の化学成分における各成分範囲の限定理由について説明する。
【００１３】
Ｃ（炭素）：０．４３〜０．７０％；
Ｃは、高強度化に必要な元素であり、その効果を十分に得るためには０．４３％以上含有させることが必要である。一方、Ｃを過剰添加すると、製造性が悪化し、さらには、粗大な炭化物が形成されて強度が低下してしまうため、Ｃの添加は０．７０％を上限とする。
【００１４】
Ｓｉ（ケイ素）：２．５０％以下；
Ｓｉは、高強度化に必要な元素であり、その効果は微量でも得られるが、好ましくは、０．１０％%以上添加するのがよい。ただし、Ｓｉを過剰添加すると、製造性が悪化すると共に窒化性の阻害要因となるため、Ｓｉの添加は２．５０％を上限とする。
【００１５】
Ｍｎ（マンガン）：１．００％以下；
Ｍｎは、高強度化に必要な元素であり、その効果は微量でも得られるが、好ましくは０．１０％以上添加するのがよい。ただし、Ｍｎを過剰添加すると延性低下につながるため、Ｍｎの添加は１．００％を上限とする。
【００１６】
Ｃｒ（クロム）：１．５０〜４．００％；
Ｃｒは、高強度化および窒化性確保のために必要な元素であり、これらの効果を十分に得るためには、１．５０％以上の添加が必要である。ただし、Ｃｒを過剰添加すると、粗大な炭化物が形成されて強度が低下し、また、コストアップにもつながるため、４．００％を上限とする。
【００１７】
Ｍｏ（モリブデン）：０．５０〜３．００％；
Ｍｏは、高強度化に必要な元素であり、その効果を十分に得るためには０．５０％以上含有させることが必要である。ただし、Ｍｏを過剰添加するとコストアップになるため、３．００％を上限とする。
【００１８】
Ｖ（バナジウム）：１．００％以下（０％を除く）
Ｖは、高強度化及び窒化物性を確保するのに有効な元素である。ただし、Ｖを過剰添加するとコストアップになるため、１．００％を上限とする。
【００１９】
式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００；
上記化学成分が式１を満足することによって、疲労寿命が優れたものとなる。一方、式１を満足していない場合には、十分な疲労強度特性を確保することが困難となる。
【００２０】
次に、上記ＣＶＴ用リング部材の引張強さは、１７００ＭＰａ以上である。ＣＶＴ用リング部材は、使用時に高い引張荷重が付与される場合がある。この高い荷重で切れないリング部材にするためには、引張強さが１７００ＭＰａ以上必要である。この機械的性質は、上記製造方法の適用によって実現可能である。
【００２１】
また、上記ＣＶＴ用リング部材の窒化層の表面硬度は、ＨＶ８００〜ＨＶ９５０である。上記窒化層の表面硬度がＨＶ８００未満の場合には、エレメントとの接触によりリング部材が摩耗するおそれがある。一方、上記窒化層の表面硬度がＨＶ９５０を超えると材料が脆化してしまうため、リング部材としての強度を確保することが困難となる。そのため、上記窒化層の表面強度は上記範囲内とする。この特性の確保は、上記製造方法の適用によって実現可能である。
【００２２】
次に、上記ＣＶＴ用リング部材を製造する方法における各条件について説明する。
上記製造方法では、まず、上記特定の化学成分を有する鋳塊を準備し、該鋳塊に塑性加工を加えて板材とする。塑性加工としては、例えば、熱間圧延、熱間鍛造、冷間圧延、冷間鍛造等の公知の種々の塑性加工方法を適用することが可能である。通常は、熱間加工を実施した後、冷間加工を施して板材を作製する。なお、熱間加工によって板材表面に生成した黒皮（酸化皮膜）は、冷間加工の前に除去することが好ましい。黒皮の除去は、例えば、ピーリング等の機械加工や酸洗によって実施することができる。
【００２３】
次に、得られた上記板材を曲げ加工すると共に端面同士を溶接して粗リング材とする。曲げ加工は、上記板材を所定サイズに切断した後に、例えば、ロール曲げ加工方法等により行うことができる。溶接は、両端面を付き合わせた状態で、例えば、プラズマ溶接、レーザ溶接等により行うことができる。なお、上記粗リング材は、複数本のリング材分を含む広幅で作製しておき、次の工程の前に所望の幅に切断することが、工程の合理化に有効である。この場合には、幅切断の後に、バレル研磨等により切断面のバリ取りを実施することが好ましい。
【００２４】
次に、上記粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延して所望板厚のリング材とする。その後、リング材には、８５０℃〜１０００℃の範囲内の加熱温度Ｔ１に加熱した後急冷する焼き入れ処理を施し、必要に応じて当該焼き入れ処理後に焼き戻し処理を施す。
【００２５】
上記焼き入れ処理の加熱温度Ｔ１は、Ｃを固溶させ、内部硬さを確保するために８５０℃以上とする。ただし、上記焼き入れ処理の加熱温度が高すぎると結晶粒が粗大化し、延性が低下するので、１０００℃を上限とする。また、焼き入れ処理時の加熱温度Ｔ１は、さらに、式２：０．０１５×Ｃ（％）−０．０１４×Ｃｒ（％）＋１．４６×Ｖ（％）−０．８１×Ｔ１／１０００＋０．７１≧０．０５の関係を満たすことが好ましい。この場合には、ピン止め効果のあるＶ炭化物（ＶＣ）を充分に確保することができ、結晶粒の粗大化や延性の低下を抑えることが期待できる。特に、式２の条件を満たした場合には、結晶粒を１５μｍ以下に制御することが容易となる。なお、結晶粒の測定方法については後述する。
【００２６】
上記焼き入れ処理後においては、必要に応じて焼き戻し処理を追加することができる。焼き戻し処理により得られる効果は、その後の窒化処理の工程でも得られるため、窒化処理工程前にこれと別工程で行う必要はない。しかしながら、焼き入れ処理後から窒化処理を開始するまでの時間が非常に長い場合などには、焼き入れ処理後に焼き戻し処理を行う方が好ましい。焼き戻し処理を行う場合の処理温度は、４００℃〜５００℃の範囲、かつ、窒化処理温度以下とすることが好ましい。これにより、材料の脆化を抑制し、リング材の断面中心部分の引張強さを所定値以上に確保することができる。なお、焼き戻し処理温度が５００℃超の場合、内部硬さが低くなるため、結果的に引張強度が低下してしまう。
【００２７】
上記焼き入れ処理及び任意の焼き戻し処理を終えた後、通常は、これらの処理により生じた歪みを除去するための矯正加工を施す。この矯正加工は、リング材の周長を調整する処理と兼ねることができる。
【００２８】
その後、４００℃〜５００℃の処理温度Ｔ２で上記リング材に窒化処理を施す。この窒化処理では、リング材の表面硬さを確保するために、４００℃以上の処理温度Ｔ２とすることが必要である。ただし、窒化処理の処理温度Ｔ２が高すぎると過剰窒化となり、表面硬さが高くなりすぎ、脆化してしまうため、処理温度Ｔ２は５００℃を上限とする。
【００２９】
なお、窒化処理としては、窒素雰囲気又は窒素を含む混合ガス中で行うガス窒化の他、軟窒化、塩浴窒化、プラズマ窒化等の処理方法を用いることができる。
【実施例】
【００３０】
（実施例１）
上記ＣＶＴ用リング部材及びその製造法に係る実施例について説明する。本例では、表１及び２に示すごとく、複数種類の鋼材からなるＣＶＴ用のリング部材（試料１〜３２）を作製し、複数の項目について評価した。なお、本例で作製したＣＶＴ用リング部材１は、図１に示すごとく、複数層積層してＣＶＴベルト２を構成し、２組のＣＶＴベルト２を複数連なるエレメント３に組み付けられて使用されるものである。【００３１】
まず、表１及び２に示された化学成分を有する鋳塊をそれぞれ作製した。具体的には、各試料の原料の溶解、鋳込みを３０ｋｇＶＩＭ（Vacuum  Induction  Melting：真空誘導溶解装置）を用いて行い、鋳塊を得た。得られた鋳塊に塑性加工としての鍛伸加工を加えておよその寸法が長さ３００ｍｍ×幅１５５ｍｍ×厚さ７ｍｍの板材を製造した。さらに、得られた板材を機械加工にて黒皮を除去した後、冷間圧延にて圧延して、およその寸法が長さ５００ｍｍ×幅２００ｍｍ×厚さ０．３９ｍｍの板材を得た。【００３２】
得られた板材を約３００ｍｍの長さに切断後、ロール曲げ加工を施した後、長手方向の端面同士をプラズマ溶接して粗リング材とした後、約５〜１５ｍｍの幅に切断した。その後、粗リング材にバレル研磨を施して切断時に生じたバリを除去した。【００３３】
次に、上記粗リング材を、８６０℃に２時間保持する軟化焼鈍を施した後、冷間圧延を施して、０．２ｍｍ厚みまで圧延してリング材を得た。得られたリング材には焼き入れ処理を施した。さらに、一部の試料に対しては、任意の工程である焼き戻し処理も実施した。焼き入れ処理は、表１及び２に示す温度に加熱して６０分保持した後に、空冷することにより行った。焼き戻し処理条件は、焼き戻し温度４２５℃に１時間保持する条件とした。【００３４】
次に、上記リング材の矯正加工を兼ねた周長調整を実施した。具体的には、上記リング材を一対のローラ（図示略）の外周に掛け渡し、ローラとローラとの間を拡げる方向に張力をかけながらリング材を回転させることにより行った。【００３５】
次に、上記リング材をＮＨ3とＮ2との混合ガス中において３５０℃〜５５０℃の窒化処理温度に保持する窒化処理を行った。窒化処理温度は、それぞれ表１及び２に示す温度とした。窒化処理を終えた各リング部材（試料１〜３２）を用い、後述する評価を行った。【００３６】
＜引張強さ＞
引張強さは、一対のローラにリング部材を掛け渡し、一対のローラを介してリング部材を引っ張るという引張試験を行うことにより測定した。なお、引張強さは、上記引張試験においてリング部材が破断するまでの応力変化を測定し、最大応力をリング部材の断面積で割った値とした。【００３７】
＜窒化層硬さ＞
窒化層硬さは、窒化処理後のリング部材の表面において、マイクロビッカース（島津製）により測定した。【００３８】
＜結晶粒径＞
結晶粒径は、窒化処理後のリング部材の任意断面において、光学顕微鏡を用いて撮影した写真を用い、いわゆる「切断法」により測定した。切断法は、ＡＳＴＭに準拠するものであり、金属組織を撮影した写真上に既知の長さの直線を引き、これと交わる粒の数から計算する方法である。具体的には、界面活性剤を入れた塩酸ピクリン酸水溶液によりリング部材の任意断面をエッチングして得られた窒化層を含まない面を光学顕微鏡によって観察し、任意の１０視野における倍率１０００倍の写真を得る。次に、各写真上に、任意の長さＬ（ｍｍ）の直線を引き、この直線と交わる結晶粒の数ｎを求める。直線の長さＬ（ｍｍ）の値は、実際のスケールを考慮して、Ｌ’（μｍ）に換算する。そして、Ｌ’／ｎ（μｍ）を計算し、これを結晶粒径とする。そして、１０枚の写真から得られた１０個の結晶粒径の値の平均値を、最終的な結晶粒径の値として採用した。【００３９】
＜疲労寿命＞
疲労寿命は、リング部材を掛け渡す複数のローラを有し、そのローラ間でリング部材に対して定められたテンションをかけることができ、ローラを回転することによりリング部材に繰り返し曲げ応力をかけることのできる疲労試験機（図示略）を用いて測定した。評価は、現行品であるマルエージング鋼（試料１９）を試験した場合の疲労寿命の平均繰り返し数である１０6回を基準回数として行い、基準回数以上の結果が得られた場合を合格（○）、基準回数未満の結果の場合を不合格（×）とした。【００４０】
【表１】
2015087869.tif 000003
【００４１】
【表２】
2015087869.tif 000004
【００４２】
表１及び２から知られるごとく、試料１〜１８は、マルエージング鋼（試料１９）に比べて、高い引張強さ（内部硬さ）及び同等以上の窒化層硬さ（表面硬さ）が得られ、かつ、疲労特性も同等以上に優れるという結果が得られた。【００４３】
試料２０は、Ｃ含有量が低すぎ、引張強さ及び疲労特性に劣る結果となった。
試料２１は、Ｃ含有量が高すぎ、過剰に硬くなりすぎて、リング状に塑性加工ができなかったため、測定不能となった。
試料２２は、Ｓｉ含有量が高すぎ、窒化処理性が悪化してＮが浸入しにくくなるため、窒化層硬さが低い結果となった。
試料２３は、Ｍｎ含有量が高すぎ、靱性が低下して疲労特性に劣る結果となった。【００４４】
試料２４は、Ｃｒ含有量が低すぎ、窒化処理性が悪化して、窒化層硬さが低い結果となった。
試料２５は、Ｃｒ含有量が高すぎ、巨大炭化物が形成され疲労寿命試験において、早期破断を招く結果となった。
試料２６は、Ｍｏ含有量が低すぎ、引張強さが低い結果となった。【００４５】
試料２７は、製造時の焼き入れ処理における加熱温度が低すぎたため、Ｃの固溶が不十分となり、引張強さが低い結果となった。
試料２８は、製造時の焼き入れ処理における加熱温度が高すぎたため、旧オーステナイトの結晶粒が粗大化し、靱性が低下して疲労特性が劣る結果となった。【００４６】
試料２９は、製造時の窒化処理温度が低すぎたため、窒化層硬さが低い結果となった。
試料３０は、製造時の窒化処理温度が高すぎたため、窒化層硬さが高くなりすぎて靱性の低下を招き、疲労強度に劣る結果となった。【００４７】
試料３１は、式１を満たさない化学成分であったために、疲労特性に劣る結果となった。
試料３２は、式２を満たしていないため、結晶粒が粗大化し、靱性（延性）が低下する結果となった。
【図１】
2015087869.tif 000005
【国際調査報告】
2015087869.tif 000006
2015087869.tif 000007