(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが０．５ｍｍ以下の窒化される動力伝達用のマルエージング鋼帯において、質量％でＴｉ：０．４〜１．０％、Ｃ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜２０．０％、Ｃｏ：２．０を超えて５．０％未満、Ｍｏ：２．５〜４．０％、Ａｌ：０．２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする動力伝達用マルエージング鋼帯。
【請求項２】
請求項１に記載の化学組成に加え、更にＭｇ：５〜１００ｐｐｍを含有することを特徴とする動力伝達用マルエージング鋼帯。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストの動力伝達用マルエージング鋼帯に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マルエージング鋼は、２０００ＭＰａ前後の非常に高い引張強さをもつため、高強度が要求される自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに使用されている。
通常のマルエージング鋼の代表的な組成としては、質量％で１８％Ｎｉ−８％Ｃｏ−５％Ｍｏ−０．４５％Ｔｉ−０．１％Ａｌ−残部Ｆｅであり、高価なＣｏを多量に含有する。そのため、マルエージング鋼素材が高価なものであり、最近では原料の高騰もあり、更に高価な素材となる。
従来から高価なＣｏを低減するマルエージング鋼については検討されており、例えば「コバルトを含まないマレージング鋼」として特開平１１−２５６２７８号公報（特許文献１参照）や、「コバルトおよびチタンを含まないマレージング鋼」として特開平１１−２６４０５４号公報（特許文献２参照）に、Ｃｏを無添加とするマルエージング鋼がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５６２７８号公報
【特許文献２】特開平１１−２６４０５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述したＣｏを含まないマルエージング鋼は、確かにＣｏを無添加としているものの、Ｍｏを多量に含むことから、Ｆｅ２Ｍｏ（ラーベス）が析出し素材が脆化する。また、酸化物系介在物となるＡｌを多量に含むことから、疲労破壊の危険性が高まるものであり、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトには未だ不十分なものである。
本発明の目的は、低コストの省資源型でありながら、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに最適な動力伝達用マルエージング鋼帯を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上述した課題を解決するためになされたものである。
即ち本発明は、厚さが０．５ｍｍ以下の窒化される動力伝達用のマルエージング鋼帯において、質量％でＴｉ：０．４〜１．０％、Ｃ：０．０１％以下、Ｎｉ：８．０〜２０．０％、Ｃｏ：２．０を超えて５．０％未満、Ｍｏ：２．５〜４．０％、Ａｌ：０．２％以下、Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下、Ｍｎ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下、Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下、残部はＦｅ及び不可避的不純物からなる動力伝達用マルエージング鋼帯である。
好ましくは、上述の化学組成に加え、更にＭｇ：５〜１００ｐｐｍを含有する動力伝達用マルエージング鋼帯である。
なお、本発明の動力伝達用マルエージング鋼帯には、必要に応じて結晶粒を微細化するのに有効なＢを靱性が劣化させない程度の０．０１％以下の範囲で含有させても良いし、靭性や延性の改善効果があるとされるＣａを０．１％以下の範囲で含有させても良い。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の動力伝達用マルエージング鋼帯は、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトとして十分適用可能でありながら、安価なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明者は低コストの自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに最適な窒化される動力伝達用マルエージング鋼帯を検討するに当たり、求められる引張強度を改めて検討してみた。
従来から無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに最適な動力伝達用マルエージング鋼帯としては、十分な疲労強度を得るため、約２０００ＭＰａ程度の引張強さを実現するように合金設計がなされている。これは、引張強さの上昇により、疲労強度が向上することに基づいているが、実際には、引張強さが約１２００ＭＰａ程度以上になると疲労強度は引張強さを上昇させてもほとんど向上しなくなる。即ち、約１２００ＭＰａ程度の引張強さがあれば十分な疲労強度が得られている。
そこで、過剰に引張強さを高くしなくとも、１４００Ｍｐａ程度の引張強度を実現でき、且つ、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに十分適用可能な低コスト（省資源型）マルエージング鋼として、Ｃｏを従来レベルより遥かに低減し、且つ過剰添加すると素材の脆化要因となるＭｏについても極力低減したことが最大の特徴である。
なお、本発明は自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルト用の鋼帯であるため、厚さが０．５ｍｍ以下のものを対象とする。厚みの下限は求められる寸法精度を考慮すると０．１ｍｍ程度ある。
以下に、本発明の限定理由を詳しく説明する。なお、化学組成は質量％として示している。
【０００８】
Ｔｉ：０．４〜１．０％
Ｔｉは時効処理により微細な金属間化合物を形成し、析出することによって強化に寄与する必要不可欠な元素であり、窒化性を考慮して０．４％以上含有させるが、その含有量が１．０％を越えて含有させると窒化性、延性、靱性が劣化するため、Ｔｉの含有量を０．４〜１．０％とした。
Ｃ：０．０１％以下
Ｃは炭化物を形成し、金属間化合物の析出量を減少させて疲労強度を低下させるため本発明ではＣの上限を０．０１％以下とした。好ましくは０．００７％以下であり、下限については、今現在の技術的な限界としては１０ｐｐｍとするのがせいぜいである。
Ｎｉ：８．０〜２０．０％
Ｎｉは靱性の高い母相組織を形成させるためには不可欠の元素であるが、８．０％未満では靱性が劣化する。一方、２０％を越えるとオーステナイトが安定化し、マルテンサイト組織を形成し難くなることと、コストの観点から、Ｎｉは８．０〜２０．０％とした。
【０００９】
Ｃｏ：２．０を超えて５．０％未満
高価なＣｏにおいては、本発明ではＣｏ：２．０を超えて５．０％未満の範囲内で必須添加する。その理由の第１は、マトリックスであるマルテンサイト組織を安定性に大きく影響することなく、Ｍｏの固溶度を低下させることによってＭｏが微細な金属間化合物を形成して析出するのを促進することによって析出強化に寄与するに最低限必要な範囲であるからである。
理由の第２は、高価なＣｏの添加量が５．０％を超えると、コストの低減効果が乏しくなるためである。
なお、本発明において、Ｃｏを低いレベルながら必須添加としたことで、従来から用いられている高Ｃｏのマルエージングの端材やスクラップを溶解原料として用いることができ、更にコストの低減効果が向上する。Ｃｏの好ましい下限は３．０％であり、更に好ましい下限は３．５％、更に好ましい範囲は４．０〜５．０％未満である。
【００１０】
Ｍｏ：２．５〜４．０％
Ｍｏは時効処理により、微細な金属間化合物を形成し、マトリックスに析出することによって強化に寄与する元素であるが、その含有量が２．５％未満の場合その効果が少なく、また４．０％を越えて含有すると延性、靱性を劣化させるＦｅ２Ｍｏの粗大析出物を形成しやすくなることと、コストが向上するため、Ｍｏの含有量を必要最低限の範囲として２．５〜４．０％とした。好ましい範囲は２．５〜３．５％である。
Ａｌ：０．２％以下
Ａｌは脱酸作用を持っているため、脱酸元素として添加するが、過度の添加は疲労破壊の起点となる酸化物系介在物を形成することから、その上限を０．２％とする。下限については脱酸元素として０．０２％程度である。
Ｐ：０．０２％以下、Ｓ：０．０２％以下
Ｐ、Ｓは粒界脆化させたり、介在物を形成して疲労強度を低下させるので、０．０２％以下とすると良く、好ましくは０．０１％以下であり、無添加レベル以下でも良い。
Ｍｎ：０．５％以下、Ｓｉ：０．５％以下
Ｓｉ、Ｍｎは脆化をもたらす粗大な金属間化合物の析出を促進して延性、靭性を低下させたり、介在物を形成して疲労強度を低下させるので、Ｓｉ、Ｍｎ共に０．５％以下にした。好ましくは０．２％未満、更に好ましくは０．０１％以下とすれば良く、無添加レベル以下でも良い。
【００１１】
Ｏ：３０ｐｐｍ以下、Ｎ：３０ｐｐｍ以下
Ｏは酸化物系介在物を形成するため、３０ｐｐｍ以下に制限する。Ｏが３０ｐｐｍを超えて含有すると疲労強度が著しく低下するため、その含有量を３０ｐｐｍ以下にした。好ましくは２０ｐｐｍ以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては１ｐｐｍとするのがせいぜいである。
Ｎは窒化物や炭窒化物系介在物を形成するため、３０ｐｐｍ以下に制限する。Ｎが３０ｐｐｍを超えて含有すると疲労強度が著しく低下するため、その含有量を３０ｐｐｍにした。好ましくは２０ｐｐｍ以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては２ｐｐｍとするのがせいぜいである。
【００１２】
本発明において、残部はＦｅ及び不可避的不純物としたが、上述の化学組成に加え、更にＭｇ：５〜１００ｐｐｍを含有させても良い。
Ｍｇ５〜１００ｐｐｍ含有させることで、インゴットの酸素濃度を安定して下げることができ、酸化物の組成がＡｌ２Ｏ３に代表されるＡｌを主成分とする酸化物に代わり、金属元素としてＭｇを主要成分とする酸化物となり、更にそのサイズも微細化するため、必要に応じて添加する。このＭｇの効果を得るには５ｐｐｍ未満では前述の効果が得にくく、１００ｐｐｍを超えると靭性が劣化するので、Ｍｇを添加する場合には５〜１００ｐｐｍの範囲とするのが良い。好ましくは１０〜７０ｐｐｍの範囲である。
このような金属元素としてＭｇを主要成分とする酸化物とは、ＭｇＯ単独のものや例えばＭｇＯとＡｌ２Ｏ３の複合酸化物となったもの等があり、例えばＥＤＸ（エネルギー分散型エックス線分析装置）で分析した時、Ｏを除いて検出される金属元素のうち、Ｍｇが最も多く検出されるか、２番目に多く検出されるかの何れかのものを言う。
【００１３】
本発明において、Ｍｇを適量添加すると、溶解中に存在する酸素は典型的な介在物であるアルミナの起源となるＡｌよりも親和力の高いＭｇと結びついてＭｇを主要成分とする酸化物系介在物を形成する。
そして、このＭｇを主要成分とする酸化物系介在物の凝集性はアルミナより弱く、Ｍｇを主要成分とする酸化物系介在物が多数形成することに伴い、Ｍｇを主要成分とする酸化物を核としてＴｉＣやＴｉＣＮが生成することで鋼塊中における前記のＴｉ系介在物も微細化する。
更に、上述の金属元素としてＭｇを主要成分とする酸化物系介在物のうち、ＭｇＯの室温硬度は４００〜５００ｋｇ／ｍｍ２であり、一般的な塑性加工で分断することが可能であるが、例えばＡｌ２Ｏ３の室温硬度は１７００〜１８００ｋｇ／ｍｍ２と高く、塑性加工を施しても容易に分断されない。
そこで、本発明においては、Ａｌ２Ｏ３等のアルミナ系介在物と比較して硬さが半分以下の低硬度の、金属元素としてＭｇを主要成分とする酸化物系介在物を積極的に形成させることで、マルエージング鋼帯の製造工程である熱間加工、冷間加工で引き伸ばされたり、或いは更に微細に分断されたりして、その結果、酸化物系介在物のサイズを更に小さくすることができ、適量なＭｇ添加により疲労特性を改善させることができる。
なお、Ｍｇを添加することにより酸化物系介在物であれば製品において１５μｍ以下に、Ｔｉ系介在物であれば１２μｍ以下に微細化することができる。
【実施例】
【００１４】
以下、実施例として更に詳しく本発明を説明する。
本発明の動力伝達用マルエージング鋼帯は、低コストでありながら引張強さにおいても約１２００ＭＰａ程度を実現できることにあるため、製造方法においても、従来からマルエージング鋼に適用されてきた真空二重溶解は、製造コストが高まるため、必ずしも適用する必要はなく、今回は真空誘導溶解により製造した。
比較材として、特許文献１に示されるＣｏ無添加材も製造した。
次に、ＶＩＭ後の鋼塊を１２５０℃でソーキングを行なった後、熱間鍛造を行なって熱間鍛造品とし、熱間圧延後、溶体化処理と冷間圧延を繰り返し、厚み０．５ｍｍのマルエージング鋼帯を製造し、８２０℃×１時間の溶体化処理と４８０℃×５時間の時効処理を行い動力伝達用マルエージング鋼帯とした。なお、上記の冷間圧延での総圧延率は７５％である。
化学組成を表１に示す。Ｎｏ．１〜４が本発明、Ｎｏ．５が比較材である。
【００１５】
【表１】
0004766584.tif 000002
【００１６】
次に、上記の動力伝達用マルエージング鋼帯を用いて室温で引張強さを測定した。靭性を測定するために２Ｖノッチのシャルピー衝撃試験を行った。この時、０．５ｍｍの鋼帯ではシャルピー衝撃試験片の採取が困難であったため、熱間圧延材から試験片を採取し、８２０℃×１時間の溶体化処理と４８０℃×５時間の時効処理後に試験を行った。
また、動力伝達用マルエージング鋼帯には、介在物の大きさが微細であることが求められるため、上記の引張試験片を採取した近傍の位置から介在物測定用の試料（ダライ粉：２０ｇ）を採取し、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトにおいて有害とされるＴｉＮやＴｉＣＮのＴｉ系介在物の大きさを測定した。更に、酸化物系介在物の大きさも、同様に上記の引張試験片を採取した近傍の位置から介在物測定用の試料（ブロック：１ｇ）を採取し、測定した。
【００１７】
Ｔｉ系介在物は硝酸と塩酸の混合溶液で試料を溶解後、フィルターでろ過し、フィルター上のＴｉ系介在物の残渣を電子顕微鏡で観察を行い、サイズを調査した。酸化物系介在物は、エレクトロンビーム溶解で試料を溶解させ、浮上してきた酸化物系介在物について、電子顕微鏡で観察を行い、サイズを調査した。
この時、Ｔｉ系介在物の大きさは、窒化物系介在物は矩形形状であるため、長辺ａと短辺ｂを測定し、面積ａ×ｂに相当する円の直径をその最大長さとし、酸化物系介在物は、酸化物系介在物に外接する円の直径を非金属介在物の最大長さとした。
引張強さ、シャルピー衝撃値及びＴｉ系介在物の最大長さ、酸化物系介在物の最大長さを表２に示す。
【００１８】
【表２】
0004766584.tif 000003
【００１９】
上記の通り、本発明のＮｏ．１〜４の動力伝達用マルエージング鋼帯は、引張強さが何れも１２５０ＭＰａ〜１５００ＭＰａ程度の範囲であり、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに用いても十分な引張強さを有している。靭性も５０Ｊ／ｃｍ２以上の値となっており、強度レベルが異なることを考慮してもＭｏを低減していることから比較材と比較し、各段に優れている。１０７回程度の高サイクル領域において、優れた疲労強度が得られるレベルである。
また、疲労破壊の起点となるＴｉ系介在物や酸化物系介在物の大きさも比較材と比較し、極めて微細なサイズとなっていることも分かる。この本発明のＴｉ系介在物が１０．５μｍ以下、酸化物系介在物が２３μｍ以下の大きさであれば、１０７回以上の高サイクル領域において優れた疲労強度が得られるレベルである。
以上、説明する通り、省資源型のマルエージング鋼でありながら、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに十分適用でき、しかも、真空二重溶解も必ずしも必要無く、優れたコストの低減効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の低コストのマルエージング鋼は、優れた引張強度、靭性を有し、更に介在物も微細化可能であるため、自動車エンジンの無段変速機用部品として最適となる。