(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、高強度及び高疲労強度を有し、且つ安価な無段変速機用リングを提供することにあり、そのため、高価なＣｏを含まず、かつ疲労強度を低下させるＴｉ，Ａｌをほとんど含まない鋼を提供することにある。【解決手段】  上記課題を解決するため、本発明の高窒素鋼では、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０〜１０．０％、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｎｉ：７．０〜１５．０％、Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎ：０．３５〜０．８％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０〜１０．０％、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｎｉ：７．０〜１５．０％、Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎ：０．３５〜０．８％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする高窒素鋼。
【請求項２】
請求項１に規定した成分に加え、質量％で、Ｂ：０．０１％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｗ：０．５０％以下、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有することを特徴とする高窒素鋼。
【請求項３】
断面組織において観察される介在物の外形線に接する最大幅平行線の間隔が７μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高窒素鋼。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高窒素鋼からなることを特徴とする無段変速機用リング材料。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高窒素鋼に対し、５０〜８０％の減面率で最終冷間圧延した後、３００〜６５０℃の温度範囲にて時効処理を施すことにより、無段変速機用リング材料を得ることを特徴とする無段変速機用リング材料の製造方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の無段変速機用リング材料からなる無段変速機用リング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高窒素鋼、並びに該高窒素鋼からなる無段変速機用リング材料及びその製造方法、並びに該無段変速機用リング材料からなる無段変速機用リングに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近の自動車用変速装置には、いわゆるＣＶＴ（Continuously Variable Transmission）と称されるベルト式無段変速機が多用されている。ベルト式無段変速機とは、Ｖ溝間隔を変換できる１対のプーリと、両プーリ間に張設された動力伝達ベルトからなるものである。該動力伝達ベルトには、複数の無端状の金属リング（以下、無段変速機用リング又はＣＶＴ用リングという）を重ね合わせた状態で保持したものが用いられている。このような無段変速機用リングは、使用時に繰り返し曲げ応力が加わることから、高強度及び高疲労強度が要求される。そのため従来より、無段変速機用リングの材料としてマルエージング鋼が用いられている（特許文献１）。マルエージング鋼とは、高ニッケルの超強力鋼であって、溶体化処理によって過飽和マルテンサイト中にＴｉ，Ａｌ等の合金元素を固溶した状態を得、これらを時効処理により析出させることによって高張力と高靭性を付与したものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３３７４５２号公報
【特許文献２】特開平８−２６９６３２号公報
【特許文献３】特開平９−２７９３１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マルエージング鋼は、非常に高強度が得られる一方で、Ｔｉ，Ａｌ系の介在物を含むために疲労強度に関しては必ずしも高くない。疲労強度は一般に、硬さ、引張強さに比例して上昇する傾向があるが、硬さが約４００ＨＶ以上、引張強さが約１２００ＭＰａ以上の高強度材では、硬さ、引張強さが上昇しても疲労強度は上昇しなくなる。この傾向はマルエージング鋼も例外ではない。そこで、マルエージング鋼に替わる高い疲労強度を備えた無段変速機用リング材料が求められている。また、マルエージング鋼は通常、高価な元素であるＣｏを多量に含むことから、素材が非常に高価であり、より安価な無段変速機用リング材料が求められている。
【０００５】
本発明の課題は、高強度及び高疲労強度を有し、且つ安価な無段変速機用リングを提供することにあり、そのため、高価なＣｏを含まず、かつ疲労強度を低下させるＴｉ，Ａｌをほとんど含まない鋼、及びそれからなる無段変速機用リング材料、及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段・発明の効果】
【０００６】
上記課題を解決するため、本発明者等は、無段変速機用リング材料として用いる鋼として高窒素鋼に着目した。高窒素鋼とは、例えばオーステナイト系やマルテンサイト系のステンレス鋼において、侵入型元素である窒素（Ｎ）のマトリックスへの固溶量を高めて強度と耐食性を向上させたものであり、また高価なＣｏを含有しないものである（引用文献２、３参照）。しかしながら、従来の高窒素鋼は、高強度を示すものの、無段変速機用リングとして用いるのに十分な疲労強度を有していない場合が多かった。そこで、本発明者等が鋭意研究を重ねた結果、介在物形成元素であるＴｉ，Ａｌ，Ｏを極力低減させることで、無段変速機用リングに好適に用いることが可能な疲労強度を備えた高窒素鋼を見出した。
【０００７】
すなわち、本発明の高窒素鋼では、質量％で、Ｃ：０．１０％以下、Ｓｉ：１．０％以下、Ｍｎ：１．０〜１０．０％、Ｓ：０．０１％以下、Ｃｕ：３．０％以下、Ｎｉ：７．０〜１５．０％、Ｃｒ：１５．０〜２５．０％、Ｍｏ：５．０％以下、Ｎ：０．３５〜０．８％、Ｔｉ：０．０１％以下、Ａｌ：０．０１％以下、Ｏ：０．００５％以下を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなることを特徴とする。
【０００８】
疲労環境下で疲労荷重が作用した場合、組織中の介在物等の欠陥が疲労応力の集中を生じ、そのような欠陥が起点となって内部破壊型の疲労破壊を引き起こす。そのため、鋼に高疲労強度を付与するためには、組織中の介在物のサイズや量を低減することが必要となる。そこで、本発明では、介在物形成元素であるＴｉ，Ａｌ，Ｏを極力低減することにより、高疲労強度を実現している。
以下、本発明の数値限定理由について説明する。
【０００９】
Ｃ（炭素）：０．１０％以下
Ｃは、侵入型元素であって強度の向上に寄与する。しかし、多量の添加はＮの固溶量を低下させると共に、Ｃｒと結合して炭化物を形成し、母相の固溶Ｃｒ量を低下させることで耐食性を劣化させるため、その上限を０．１０％とする必要がある。
【００１０】
Ｓｉ（ケイ素）：１．０％以下
Ｓｉは、主として溶解精錬時の脱酸剤として作用する元素である。しかし、多量に含有すると製造性を劣化させるため、その上限を１．０％とする。
【００１１】
Ｍｎ（マンガン）：１．０〜１０．０％
Ｍｎは、オーステナイト生成元素であり、且つ窒素の固溶量を著しく増加させるため強度向上に寄与する。そのためには１．０％以上の添加が必要である。また、多量の添加は熱間加工性を劣化させるため、その範囲を１．０〜１０．０％とする。
【００１２】
Ｓ（硫黄）：０．０１％以下
Ｓは、ＭｎＳを形成し、冷間加工時において割れの起点となり、冷間加工性を著しく劣化させるため、その上限を０．０１％とする。
【００１３】
Ｃｕ（銅）：３．０％以下
Ｃｕは、オーステナイト生成元素で、オーステナイト相の安定化に寄与すると共に、オーステナイト系ステンレス鋼の冷間加工性を向上させるが、多量の添加は強度の低下を招くため、その上限を３．０％とする。
【００１４】
Ｎｉ（ニッケル）：７．０〜１５．０％
Ｎｉは、オーステナイト生成元素であり、オーステナイト相安定に寄与する。そのためには７．０％以上の含有が必要である。ただし、多量の添加は強度の低下を招くと共に、コストの上昇を招くため、その範囲を７．０〜１５．０％とする。
【００１５】
Ｃｒ（クロム）：１５．０〜２５．０％
Ｃｒは、ステンレス鋼の窒素の固溶量増加、及び耐食性を向上させる元素として有効であると共に、フェライト生成元素である。そのため１５．０％以上の含有が必要である。しかし、多量の添加はフェライト・オーステナイト２相組織やσ相の析出を招くため、その範囲を１５．０％〜２５．０％とする。
【００１６】
Ｍｏ（モリブデン）：５．０％以下
Ｍｏは、ステンレス鋼の窒素の固溶量増加、及び耐食性を向上させる元素として有効である。しかし、フェライト生成元素であるため、多量の添加はフェライト・オーステナイト２相組織やσ相の析出を招くと共に、熱間加工性を劣化させるため、その上限を５．０％とする。
【００１７】
Ｎ（窒素）：０．３５〜０．８％
Ｎは、侵入型元素であって、強度の向上、オーステナイト相の安定、耐食性向上及び加工後の時効処理による強度向上に寄与する。そのためには０．３５％以上の含有が必要である。一方、多量の添加は窒化物が完全に固溶せず、固溶化温度が高くなると共に、冷間加工性及び靭延性を劣化させるため、その範囲を０．３５％〜０．８％とする。
【００１８】
Ｔｉ（チタン）：０．０１％以下
Ｔｉは、添加すると結晶粒の微細化及び強度の向上に寄与すると言われているが、Ｃ，Ｎ，Ｏなどと結合しやすく、Ｎを多量に添加した本合金の場合、ＴｉとＮとが結合することで窒化物系の介在物（ＴｉＮ等）を生成し、疲労破壊の起点となり、かえって疲労強度などの疲労特性を低下させてしまう。また、窒化物系の介在物生成により、固溶窒素量が減少して強度が低下してしまう。そのため、高疲労強度の要求される用途に用いる場合、Ｔｉ添加量を極力低減することが必要である。そこで、その上限を０．０１％とする。
【００１９】
Ａｌ（アルミニウム）：０．０１％以下
Ａｌは、脱酸剤として使用されるが、Ｎ，Ｏなどと結合しやすく、Ｎを多量に添加した本合金の場合、Ｎを多量に添加した本合金の場合、ＡｌとＮとが結合することで窒化物系の介在物（ＡｌＮ等）を生成し、疲労破壊の起点となり、かえって疲労強度などの疲労特性を低下させてしまう。また、窒化物系の介在物生成により、固溶窒素量が減少して強度が低下してしまう。そのため、高疲労強度の要求される用途に用いる場合、Ａｌ添加量を極力低減することが必要である。そこで、その上限を０．０１％とする。
【００２０】
Ｏ（酸素）：０．００５％以下
Ｏは、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３などの酸化物を生成し、疲労強度などの疲労特性を低下させるため、極力低減する必要がある。しかし、極端な低減は製造コストの上昇を招く。そのため、十分な疲労強度を得ることができる上限として０．００５％とする。
【００２１】
次に、本発明の高窒素鋼では、上記成分に加えて、質量％で、Ｂ：０．０１％以下、Ｖ：０．５０％以下、Ｗ：０．５０％以下、Ｍｇ：０．００１〜０．０１０％、Ｃａ：０．００１〜０．０１０％のうちのいずれか１種または２種以上を含有させることができる。以下、数値限定理由について説明する。
【００２２】
Ｂ（ホウ素）：０．０１％以下
Ｂは、熱間加工性の改善に寄与するため、必要により添加することができる。しかし、多量に添加すると窒素と結合し、逆に熱間加工性を低下させるため、その上限を０．０１％とする必要がある。
【００２３】
Ｃａ（カルシウム）：０．００１〜０．０１０％、Ｍｇ（マグネシウム）：０．００１〜０．０１０％
Ｃａ，Ｍｇは、熱間加工性を改善する元素であるため、必要により１種または２種以上添加することができる。そのためには各々０．００１％以上の含有が必要となる。しかし、多量に添加すると、逆に熱間加工性を劣化させることになるので、その範囲を各々０．００１〜０．０１０％とする。
【００２４】
Ｖ（バナジウム）：１．０％以下、Ｗ（タングステン）：１．０％以下
Ｖ，Ｗは、結晶粒の微細化及び強度の向上に寄与するため、必要により１種または２種以上添加することができる。しかし、多量に添加すると、窒素と結合して固溶Ｎ量を低下させるため、その上限を１．０％とする。
【００２５】
次に、鋼に高疲労強度を付与するためには、組織中の介在物のサイズや量を低減することが必要であるが、具体的には、本発明の高窒素鋼では、断面組織において観察される介在物の外形線に接する最大幅平行線の間隔が７μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
以上に記載した本発明の高窒素鋼は、高強度及び高疲労強度を有し、またＣｏを含有しないため、無段変速機用リングに用いるための無段変速機用リング材料として適用できる。
【００２７】
また、無段変速機用リング材料を得るためには、上記高窒素鋼に対し、５０〜８０％の減面率で最終冷間圧延した後、３００〜６５０℃の温度範囲にて時効処理を施すことが好ましい。従来のマルエージング鋼からなる無段変速機用リング材料に匹敵する高強度を得るには、上記高窒素鋼に対して充分な冷間圧延及び時効処理を施す必要がある。そのため、最終冷間圧延においては５０％以上の減面率とするのが好ましい。一方、減面率が過大となるとその効果は飽和し、また現実的でないため、上限を８０％とする。また、時効処理においては、その効果を得るには３００℃以上で行う必要がある。一方、処理温度が過大となると内部応力が除かれて逆に強度が低下してしまうため、上限を６５０℃とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、ベルト式無段変速機１０を示す概略構成図、図２は、プーリ１３、１４に掛け渡される動力伝達ベルト２０を示す図である。
【００２９】
図１に示すように、ベルト式無段変速機１０は、エンジン１１などの駆動源にクラッチ１２を介して接続される入力側プーリ１３と、車軸に接続される出力側プーリ１４と、入力側プーリ１３および出力側プーリ１４に掛け渡されるベルト２０と、を有している。入力側プーリ１３および出力側プーリ１４のそれぞれは、可動シーブおよび固定シーブを有している。一方のプーリ１３（１４）の可動シーブおよび固定シーブは、他方のプーリ１４（１３）の軸方向反対側となるように配置されている。各可動シーブと固定シーブとの間に形成されたＶ溝に、ベルト２０が嵌め込まれ巻き掛けられている。エンジン１１の駆動力は、入力側プーリ１３に入力され、ベルト２０を介して出力側プーリ１４に伝達され、この出力側プーリ１４から車軸に伝達される。
【００３０】
各可動シーブは、エンジン１１により駆動される例えばオイルポンプから吐出された作動油が背面側に供給され、推力が加えられる。この推力によって各可動シーブを軸方向に移動させると、Ｖ溝の幅が連続的に変化し、ベルト２０の巻き掛け位置が変化し、各プーリ１３、１４におけるベルト２０の巻き掛け半径が変化する。これにより、入力側プーリ１３と出力側プーリ１４との間の変速比が無段階に変化し、入力側プーリ１３に入力された回転力は、無段階に変速されて出力側プーリ１４に伝達される。
【００３１】
図２によると、ベルト２０は、ベルト本体として機能する無端状の可撓性の環帯状部材３０と、環帯状部材３０が巻き掛けられる複数の板状のエレメント４０と、を有している。エレメント４０は、相互に接触状態となるように多数重ねて環状に整列配置されている。
図３（Ａ）は、ベルト２０の横断面図、図３（Ｂ）は、同図（Ａ）に示されるエレメント４０の右側面図である。なお、図３（Ａ）に示されるように、環帯状部材３０の横断面で見て当該環帯状部材３０の両端部を結ぶ方向を、環帯状部材３０およびエレメント４０の幅方向とする。
【００３２】
図示するように、環帯状部材３０は、金属製の薄いリング（本発明の無段変速機用リング）３１が複数枚積層されて形成されている。すなわち、リング３１は、上記成分に規定される本発明の高窒素鋼からなる無段変速機用リング材料にて構成されている。
【００３３】
エレメント４０は、環帯状部材３０の内周側に位置するボディ部４１と、環帯状部材３０の外周側に位置するヘッド部４２と、ボディ部４１とヘッド部４２とを幅方向中央部にて相互に接続する幅の狭いネック部４３とを有している。ボディ部４１とヘッド部４２との間には、環帯状部材３０を嵌め込むためのリング受容溝４４が形成されている。リング受容溝４４は、ネック部４３の図中左右両側に設けられている。リング受容溝４４を形成するボディ部４１の端面（図３（Ａ）において上面）は、環帯状部材３０の内周面との接触面をなすサドル面４５を形成している。また、ボディ部４１の両側面（図３（Ａ）において左右両面）は、プーリ１３、１４との接触面をなすテーパ形状のフランク部４６を形成している。
【実施例】
【００３４】
本発明の効果を確認するために、以下の実験を行った。
まず、真空誘導炉にて表１の化学成分の合金を各々５０ｋｇ溶解し、均質加熱後、熱間鍛造で厚さ３０ｍｍ×幅１００ｍｍの帯とした後、１１００℃で１時間保持して水冷する溶体化処理を行った。次いで、冷間圧延と焼鈍を繰り返した後、３０〜８０％の減面率で最終冷間圧延を行い、０．５ｍｍ以下の所定の寸法にした後、５００℃で１時間保持後、空冷の時効処理を行った。そして、各試験材を以下に記述する各試験に供した。試験結果を表２に示す。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
（引張試験）
試験材からＪＩＳ Ｚ ２２０１に規定されるＪＩＳ１３Ｂ号試験片を採取し、ＪＩＳ
Ｚ ２２４１に規定される方法で常温の引張試験を行って、その引張強度（ＭＰａ）を測定した。
【００３７】
（疲労強度試験）
試験材からＪＩＳ２号試験片を採取し、ＪＩＳ Ｚ ２２７５に規定される方法で常温の疲労強度試験を行って、その疲労強度強度（ＭＰａ）を測定した。
【００３８】
（介在物長測定）
断面組織において、面積０．１１２ｍｍ２の視野について、光学顕微鏡の倍率を４００倍として計１４４視野観察し、ＣＣＤカメラにて取り込んだ画像を画像解析することにより、介在物の最大長（介在物長ともいう）を測定した。ここで上記観察における延べ観察面積は約１６．１３ｍｍ２である。なお、「介在物の最大長」とは、例えば図４に示すように、断面組織において観察される介在物Ｉの外形線ＯＬに接する平行線のうち、最大幅の平行線ＰＭの間隔Ａをいう。
【００３９】
【表２】
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【００４０】
表２によると、本発明の高窒素鋼からなる発明鋼１〜８は、マルエージング鋼からなる比較鋼１と比較して、強度・疲労強度が同等もしくはそれ以上であった。また、この疲労強度の結果に関しては、発明鋼１〜８において疲労強度の劣化の原因となる介在物の最大長が、比較鋼１より小さくなっていることからも裏付けられる。
【００４１】
また、同一の鋼種で異なる減面率の最終冷間圧延を施した発明鋼５及び７については、減面率が５０％以上である実施例５（ｂ），７（ｂ）は、５０％未満である実施例５（ａ），７（ａ）よりもそれぞれ高強度かつ高疲労強度を有することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】ベルト式無段変速機を示す概略構成図
【図２】プーリに掛け渡される無段変速機用ベルトを示す図
【図３】図３（Ａ）はベルトの横断面図、図３（Ｂ）は同図（Ａ）に示されるエレメントの右側面図
【図４】介在物の最大長の概念を表す図
【符号の説明】
【００４３】
１０  ベルト式無段変速機
１３  入力側プーリ
１４  出力側プーリ
２０  無段変速機用ベルト
３０  環帯状部材
３１  リング
４０  エレメント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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