(57)【要約】【課題】マルエージング鋼製金属リングに、防錆油を用いることなく、耐食性を付与することができる窒化処理方法を提供する。【解決手段】マルエージング鋼製金属リングを少なくともアンモニアを含む雰囲気下、所定温度に所定時間保持して窒化処理を行う。窒化処理後、無酸素雰囲気下に２００℃まで冷却を行う。酸素含有雰囲気下、１００〜２００℃の範囲の温度で冷却して、金属リングの表層に酸化物層を形成する。前記酸化物層は、０．１〜１μｍの範囲の厚さに形成する。前記金属リングは、無段変速機用ベルトに用いられる。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルエージング鋼製金属リングを少なくともアンモニアを含む雰囲気下、所定温度に所定時間保持して窒化処理を行う窒化処理方法において、
該窒化処理後、無酸素雰囲気下に２００℃まで冷却を行う第１の冷却工程と、
酸素含有雰囲気下、１００〜２００℃の範囲の温度で冷却して、該金属リングの表層に酸化物層を形成する第２の冷却工程とを備えることを特徴とするマルエージング鋼製金属リングの窒化処理方法。
【請求項２】
前記酸化物層は、０．１〜１μｍの範囲の厚さに形成することを特徴とする請求項１記載のマルエージング鋼製金属リングの窒化処理方法。
【請求項３】
前記金属リングは、無段変速機用ベルトに用いられることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマルエージング鋼製金属リングの窒化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無段変速機用ベルト等に用いられるマルエージング鋼製金属リングの窒化処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等の無段変速機（ＣＶＴ）の動力伝達のために、マルエージング鋼製の複数の金属リングを積層して積層リングを形成し、該積層リングを所定形状のエレメントに組み付けて保持したＣＶＴ用ベルトが知られている。
【０００３】
前記マルエージング鋼は、１７〜１９％のＮｉの他、Ｍｏ，Ａｌ，Ｔｉ等を含む低炭素鋼であり所定温度に加熱することによりマルテンサイト状態において時効硬化を生じる。また、前記マルエージング鋼は、前記時効硬化に加え、アンモニアを含む雰囲気中で所定温度に加熱する窒化処理を行うことにより、表面硬度を向上させることができる。この結果、前記マルエージング鋼は、高強度、高靱性、高硬度を兼ね備えることとなり、前記積層リングに賞用される。
【０００４】
前記時効処理と窒化処理との熱処理を施した金属リングは、前記熱処理により金属組織内に時効析出相が生じる。ところが、このような金属リングの表面に人の汗、脂肪等が付着すると、該時効析出相が母材との間に局部電池を形成して孔食を生じたりして、腐食されやすくなる。
【０００５】
前記孔食は、１８−８ステンレス鋼等の表面に形成された不動態における孔食と同様のメカニズムによって発生すると考えられる。一般に、１８−８ステンレス鋼等のステンレス鋼では、表面に酸化物層を形成して不動態化することにより耐食性を付与することが行われている。前記１８−８ステンレス鋼等では、表面の酸化被膜が剥離しても、その部分が再不動態化するが、該再不動態化した部分が蓋となって球冠形状を呈し、該蓋の下に孔食が生じる。前記孔食の内部では塩素イオン（Ｃｌ−）濃度が高くなって腐食されやすくなる。
【０００６】
前記熱処理後の金属リングは、大気中に放置すると、常温でも表面に酸化被膜が生じて不動態化する。前記酸化被膜は、γＦｅ２Ｏ３／Ｆｅ３Ｏ４／ＦｅＯと言われている。しかし、前記酸化被膜の厚さは数十オングストロームであって非常に薄いので、耐食性には殆ど寄与しない。そこで、前記熱処理後の金属リングでは防錆処理が不可欠であり、通常は、表面に防錆油を塗布した状態で保管される。
【０００７】
ところで、前記積層リングは、保管されている前記金属リングの中から、少しずつ周長の異なる複数の金属リングを選択して相互に嵌合することにより形成されるが、前記嵌合作業を容易にするために前記金属リングを脱脂する必要がある。この結果、前記金属リングは、前記積層リングを形成した後、再び腐食されやすい状態になるという問題がある。
【０００８】
前記問題を解決するために、防錆油を塗布することなく、前記金属リングに防錆処理を施し、前記積層リングを形成した後にも優れた耐食性を付与することが望まれる。
【０００９】
ステンレス鋼の表面に酸化物層を形成する方法として、例えば、ステンレス鋼にガス軟窒化処理を施すことにより該ステンレス鋼の表面に窒化層を形成した後、該窒化層の表面に硝酸塩ベースの塩浴を使用して酸化層を形成する方法が知られている（特許文献１参照）。
【００１０】
前記方法によれば、前記ステンレス鋼の表面から５〜３５μｍの深さでＦｅ３Ｏ４からなる酸化物層を形成することができるとされている。しかしながら、前記熱処理後の前記金属リングに前記方法を適用すると、前記酸化物層が該金属リングの内部の深いところにまで形成されるため、マルエージング鋼に含まれるＭｏ等の時効元素が酸化され、時効硬度が低下するという不都合がある。
【００１１】
また、ステンレス鋼の表面に酸化物層を形成する方法として、ステンレス鋼を窒化ガス雰囲気下で熱処理して該ステンレス鋼表面にε鉄窒化層を形成した後、非酸化雰囲気下で冷却し、３５０〜５５０℃の範囲の温度で空気中に曝露する方法も知られている（特許文献２参照）。
【００１２】
前記方法によれば、前記ステンレス鋼の表面から０．２〜１μｍの深さで酸化物層を形成することができ、該酸化物層は表面ではＦｅ３Ｏ４に近い成分を有し、深さを増すにつれてＦｅＯの含有量が増加するとされている。また、前記酸化物層は前記ε鉄窒化層と共存しているとされている。
【００１３】
しかしながら、前記金属リングでは、前記積層リングをＣＶＴに用いたときに表面に張力が付与されるため、金属リングの表面に前記窒化層が存在すると、応力集中等の原因になるという不都合がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開平９−１８４０５８号公報
【特許文献２】
特開昭５８−１２６９７７号公報
【非特許文献１】
”火力発電所酸素処理方法の研究”、〔ｏｎｌｉｎｅ〕、平成１５年３月１０日、九州電力株式会社、〔平成１５年３月２５日検索〕、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｋｙｕｄｅｎ．ｃｏ．ｊｐ／ｃｏｍｐａｎｙ／ｋｉｇｙｏ／ｇｉｊｕｔｓｕ１／ｒｅｓｅａｒｃｈ／ｓｔｅａｍ−ｐｏｗｅｒ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ＞
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、マルエージング鋼製金属リングに、防錆油を用いることなく、耐食性を付与することができる窒化処理方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、マルエージング鋼製金属リングを少なくともアンモニアを含む雰囲気下、所定温度に所定時間保持して窒化処理を行う窒化処理方法において、該窒化処理後、無酸素雰囲気下に２００℃まで冷却を行う第１の冷却工程と、酸素含有雰囲気下、１００〜２００℃の範囲の温度で冷却して、該金属リングの表層に酸化物層を形成する第２の冷却工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明の窒化処理方法では、まず、マルエージング鋼製金属リングを少なくともアンモニアを含む雰囲気下、所定温度に所定時間保持して窒化処理を行う。前記窒化処理は、時効処理が施された前記金属リングを、例えば、４５０〜５００℃の範囲の温度に３０〜９０分間の範囲の時間で保持することにより行う。
【００１８】
前記窒化処理が施された前記金属リングは、次に、無酸素雰囲気下に２００℃まで冷却される。前記冷却は、酸素含有雰囲気下に行うと、２００℃を超える温度で前記金属リングの表層に酸化物層が形成されて、マルエージング鋼に含まれる時効元素であるＭｏ、Ｔｉ、Ａｌ等が酸化されて十分な硬度が得られないことがある。
【００１９】
前記金属リングは、次に、酸素含有雰囲気下、１００〜２００℃の範囲、好ましくは１３０〜１９０℃の範囲の温度で冷却することにより、表層に酸化物層が形成される。前記酸化物層は、Ｆｅ２Ｏ３を主成分とし、αＦｅ２Ｏ３／（γＦｅ２Ｏ３）／Ｆｅ３Ｏ４／Ｆｅの状態で存在するものと考えられる。
【００２０】
尚、Ｆｅ２Ｏ３は通常赤錆の主成分とされるが、近年、火力発電のボイラ等の配管にＦｅ２Ｏ３被膜を生成させることにより耐食性を付与できることが知られている（例えば非特許文献１参照）。
【００２１】
前記酸素含有雰囲気下での冷却は、前記温度が１００℃未満では前記酸化物層を十分な厚さに形成できないことがある。また、前記温度が２００℃を超えると前記金属リングの表層に酸化物層が形成されることにより、マルエージング鋼に含まれる時効元素であるＭｏ、Ｔｉ、Ａｌ等が酸化されて十分な硬度が得られないことがある。
【００２２】
本発明の窒化処理方法によれば、前記マルエージング鋼製金属リングの表層に前記酸化物層が形成されるので、防錆油を用いることなく、該金属リングに耐食性を付与することができる。
【００２３】
また、本発明の窒化処理方法において、前記酸化物層は、０．１〜１μｍの範囲の厚さに形成することを特徴とする。前記酸化物層の厚さは、０．１μｍ未満では前記金属リングに耐食性を付与する効果を得ることができない。また、前記酸化物層の厚さが１μｍを超えると、該酸化物層が前記金属リングの内部の深いところにまで形成されるため、マルエージング鋼に含まれるＭｏ等の時効元素が酸化され、時効硬度が低下する。
【００２４】
本発明の窒化処理方法は、前記金属リングが例えば無段変速機用ベルトに用いられる場合に好適に用いることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１はＣＶＴ用ベルトに用いる金属リングの製造工程を模式的に示す工程説明図、図２は本実施形態の窒化処理方法を示す工程説明図、図３は本実施形態で得られた金属リングの孔食電位を示すグラフである。
【００２６】
前記金属リングを製造する際には、まず、図１示のようにマルエージング鋼の薄板１をベンディングしてループ化したのち、端部同士を溶接して円筒状のドラム２を形成する。このとき、前記マルエージング鋼は溶接の熱により時効硬化を示すので、ドラム２の溶接部分２ａの両側に硬度の高い部分が出現する。
【００２７】
そこで、次に、ドラム２を真空炉３に収容して７７０〜８３０℃の温度に６０〜１８０分間保持することにより第１の溶体化処理を行い、硬度ムラを除去する。前記第１の溶体化処理が終了したならば、ドラム２を真空炉３から搬出し、所定幅に裁断して金属リングＷを形成する。
【００２８】
前記のようにして形成された金属リングＷは、次に圧下率４０〜５０％で圧延される。金属リングＷは、前記圧延により圧延組織が形成されている。そこで、圧延された金属リングＷを、加熱炉４に収容して第２の溶体化を行うことにより、前記圧延組織を消滅させると共に、均一な金属結晶粒を形成させる。
【００２９】
溶体化された金属リングＷは、次に周長補正した後、加熱炉５に収容し、例えば４４０〜４８０℃の範囲の温度に６０〜１２０分間保持して時効処理を行う。そして、前記時効処理が終了したならば、金属リングＷを加熱炉５内で冷却し、窒化装置である加熱炉６に移送して、窒化処理を行う。
【００３０】
図２に示すように、本実施形態の窒化処理では、まず、前記時効処理が施された金属リングＷを窒素雰囲気とされた加熱炉６に搬入し、加熱炉６内を室温から４５０〜５００℃の範囲の温度まで、例えば６０分間で昇温する。
【００３１】
加熱炉６内の雰囲気温度が前記温度に達したならば、次に、加熱炉６内にアンモニアを含む窒化ガスを導入する。この結果、加熱炉６内の雰囲気は、窒素と前記窒化ガスとが混合されたアンモニアを含む雰囲気となる。そして、前記アンモニアを含む雰囲気下、前記温度に３０〜９０分間保持することにより、金属リングＷの表面に窒化層を形成させる窒化処理を行う。尚、前記アンモニアを含む窒化ガスは、加熱炉６内を室温から４５０〜５００℃の範囲の温度まで昇温する段階から導入するようにしてもよい。
【００３２】
次に、金属リングＷの表面に窒化層が形成されたならば、加熱炉６内の雰囲気を窒素雰囲気に置換し、前記窒化処理温度から２００℃まで、例えば６０分間で冷却する第１の冷却工程を行う。次に、２００℃まで冷却されたならば、加熱炉６内の雰囲気を酸素含有雰囲気として空気に置換し、１００〜２００℃の範囲の温度に、例えば５〜６０分間保持して徐冷する第２の冷却工程を行う。この結果、金属リングＷの表面に０．１〜１μｍの酸化物層が形成される。
【００３３】
そして、第２の冷却工程後、最終的に室温まで放冷することにより窒化処理を完了し、加熱炉６から表面に窒化層が形成された金属リングＷを搬出する。
【００３４】
次に、本実施形態で得られた金属リングＷの表層の原子組成を、Ｘ線光電子分光分析器にて分析した結果を表１に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１から、金属リングＷの表層には、金属と結合した酸素またはＦｅ酸化物が存在しており、前記酸化物層が形成されていることが明らかである。また、本実施形態で得られた金属リングＷは、薄い青灰色を呈しており、Ｆｅ２Ｏ３を主成分とし、αＦｅ２Ｏ３／（γＦｅ２Ｏ３）／Ｆｅ３Ｏ４／Ｆｅの状態の酸化物層を備えているものと考えられる。これに対して、前記窒化処理で、前記酸素含有雰囲気下での冷却を行わなかった金属リングＷはマルエージング鋼本来の銀光沢を備えており、外観上、明らかな差異が認められる。
【００３７】
また、前記酸化物層は、光学顕微鏡でも確認できないことから、０．１〜１μｍの厚さを備える薄膜であることが明らかである。尚、前記酸化物層の厚さは、前記酸素含有雰囲気下での冷却条件、例えば、１００〜２００℃の範囲の温度に保持する時間を変えることにより制御することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の窒化処理において、前記酸素含有雰囲気下での冷却条件を変えて、３種の金属リングＷ（実施例１〜３）を製造し、前記酸素含有雰囲気下での冷却を行わなかった金属リングＷ（比較例）と、孔食電位を比較した。実施例１の金属リングＷは前記酸素含有雰囲気下での冷却を１９０℃に１０分間保持し、実施例２の金属リングＷは１５０℃に１０分間保持し、実施例３の金属リングＷは１４０℃に１０分間保持して行った。結果を図３に示す。
【００３９】
図３から、実施例１〜３の金属リングＷは、いずれも比較例の金属リングＷに対して孔食電位が高く、優れた耐食性を備えていることが明らかである。
【００４０】
尚、本実施形態で得られた金属リングＷは、表１に示すように、前記酸化物層にＭｏ酸化物を含んでいる。しかし、前記酸化物層は、前述のように０．１〜１μｍの厚さの薄膜であるので、金属リングＷのより深い部分のＭｏは酸化されておらず、金属リングＷの硬度が低下することはない。
【００４１】
また、Ｍｏ酸化物は一般にステンレス鋼の不動態層に対する塩素イオンの吸着を阻害することが知られており、本実施形態で得られる前記酸化物層においても塩素イオンの吸着を阻害して、耐食性の向上に寄与することが期待される。
【００４２】
また、本実施形態では、酸素含有雰囲気として空気を用いているが、酸素を含む雰囲気であれば空気以外の雰囲気であってもよい。ただし、空気を用いることにより、前記酸化物層を簡便に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＶＴ用ベルトに用いる金属リングの製造工程を模式的に示す工程説明図。
【図２】本発明に係る窒化処理方法を示す工程説明図。
【図３】本発明に係る窒化処理方法で得られた金属リングの孔食電位を示すグラフ。
【符号の説明】
１…マルエージング鋼の薄板、  ６…窒化処理、  Ｗ…金属リング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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