(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルエージング鋼の鋼板の端部同士を溶接してリング状に形成した後、所定の長さに圧延して得られた無端状金属ベルトにガス軟窒化処理を施して、無段変速機の動力伝達ベルトに用いられる無端状金属ベルトを製造する方法において、前記無端状金属ベルトを、アンモニアガスに対して露点＋４℃のＲＸガスを体積比０．０５〜０．５の範囲で混合した混合雰囲気中、４８０〜５２０℃の範囲の温度下、４５〜６０分間の範囲でガス軟窒化処理することを特徴とする無端状金属ベルトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無段変速機の動力伝達ベルトに用いられる無端状金属ベルトの製造方法に関し、さらに詳しくはガス軟窒化処理を用いる前記無端状金属ベルトの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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無段変速機が知られている。前記無段変速機では、前記動力伝達ベルトとして複数の無端状金属ベルトを重ね合わせた状態で保持したものが用いられている。
【０００３】
前記無端状金属ベルトは、前記プーリ間を走行するときには直線状態を呈する一方、前記プーリに沿って走行するときには湾曲状態を呈し、前記直線状態と湾曲状態との繰り返しによる過酷な曲げ変形が加えられる。そこで、前記無端状金属ベルトは、前記過酷な曲げ変形に耐える強度を備えることが必要とされる。
【０００４】
前記過酷な曲げ変形に耐える強度を備える材料としてマルエージング鋼が知られている。前記マルエージング鋼は、１７〜１９％のＮｉの他、Ｃｏ，Ｍｏ，Ｔｉを含む低炭素鋼であり、溶体化後、適温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、高強度、高靱性を兼ね備える超強力鋼であるので、前記無端状金属ベルトに賞用される。
【０００５】
前記無端状金属ベルトは、前記マルエージング鋼の薄板の端部同士を溶接してリング状に形成し、所定の長さに圧延した後、時効処理を施して時効硬度を発現させることにより形成されている。しかし、前記動力伝達ベルト用無端状金属ベルトに用いる場合には、さらに、耐摩耗性、耐疲労強度を備えることが望まれるので、前記マルエージング鋼に表面硬化処理を施すことが行われている。
【０００６】
前記時効処理後の表面硬化処理として、例えばガス軟窒化処理により、前記マルエージング鋼の表層部に窒化層を形成することが行われている。前記ガス軟窒化処理は、前記無端状金属ベルトを、ＲＸガスとアンモニアガスとの混合雰囲気下に加熱することにより行われる。前記ＲＸガスは、メタン、エタン、プロパン等に空気を混合してＮｉ触媒を用いた吸熱型変成炉中で変成したガスであり、ＣＯ、Ｈ2 、Ｎ2 を主成分とし、微量のＣＯ2 等を含む。
【０００７】
前記マルエージング鋼は、前記のように低炭素鋼でありしかも多量のＮｉを含むので、純粋のアンモニアのみによるガス窒化処理によっては窒化が不安定である。しかし、無端状金属ベルトは、前記ＲＸガスとアンモニアガスとの混合雰囲気下に加熱することにより、前記ＲＸガス中のＣＯの分解により生じるＣが前記マルエージング鋼の表層部に吸着し、浸透する浸炭を生じる。この結果、前記マルエージング鋼の組織中に前記Ｃを核としてセメンタイト（Ｆｅ3 Ｃ）が形成され、アンモニアガスによる前記無端状金属ベルトの窒化を容易にすることができる。
【０００８】
従来、前記無端状金属ベルトのガス軟窒化処理は、露点０〜＋２℃の範囲のＲＸガスは一般にＣＯ２４％、Ｈ２３１％、ＣＯ２０．１８〜０．２５％、残部Ｎ２からなり、そのＲＸガスとアンモニアガスとをＲＸガス／アンモニアガスの体積比０．６〜１．０の範囲、例えば０．７で混合した混合雰囲気中、５７０〜５８０℃の範囲の温度に１〜３時間保持することにより行われている。
【０００９】
次に、前記ガス軟窒化に関与する化学反応を示す。
【００１０】
【化１】
0004308368.tif 000002
【００１１】
前記式（１）〜（３）は、いずれも平衡状態を示しており、ギブスの自由エネルギー（ΔＧ）の値がマイナスであれば右に、プラスであればに左に反応が進み易い。各反応のΔＧを図２に示す。
【００１２】
前記式（１）はブルドワ反応と呼ばれており、前記５７０〜５８０℃の範囲の温度では、ΔＧの値がプラスであるために、反応が左に進み易くＣを生成し、このＣが前記マルエージング鋼（無端状金属ベルト）の表層部に吸着する。前記式（２）はアンモニア反応と呼ばれており、前記５７０〜５８０℃の範囲の温度では、ΔＧの値がマイナスであるために、反応が右に進み易く、アンモニアが分解してＮを生成する。この結果、前記マルエージング鋼の組織中に前記Ｃを核として形成されるセメンタイト（Ｆｅ3 Ｃ）が、前記Ｎを取り込んで、安定な窒化層が形成される。
【００１３】
また、式（３）は水性ガス反応と呼ばれており、反応が右に進むと、水を生成して前記窒化層の形成を阻害する。式（３）はＲＸガス中のＨ2 が多いと、反応が右に進み易いので、ＲＸガスの組成に占めるＨ2 の量に注意することが必要である。
【００１４】
かかる従来のガス軟窒化処理によれば、前記無端状金属ベルトの表面に前記窒化層を形成することにより前記無端状金属ベルトを硬化させ、耐摩耗性及び耐疲労強度を向上させることができる。
【００１５】
しかしながら、前記従来のガス軟窒化では、前記無端状金属ベルトの表面に過剰のＣが吸着して煤が付着するために、窒化層が均一に形成されず、所要の耐疲労強度が得られにくいとの不都合がある。
【００１６】
【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、優れた耐疲労強度を得ることができる無端状金属ベルトの製造方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、前記従来技術の問題を解決するために種々検討を行った。
【００１８】
まず、前記無端状金属ベルトのガス軟窒化処理において、前記無端状金属ベルトの表面に吸着するＣの量を低減するために、アンモニアガスに対するＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を小さくすることが考えられる。ところが、この様にすると、相対的にガス軟窒化処理においてアンモニアガスの比率が高くなり、前記窒化層の形成に伴って前記無端状金属ベルトの表面に化合物層が形成されるとの問題がある。前記化合物層は、前記無端状金属ベルトに亀裂等の欠陥を発生させる虞がある。
【００１９】
そこで、次に、前記化合物層の形成を防止する技術について検討したところ、前記体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を小さくすると共に、前記ガス軟窒化処理の温度を従来の５７０〜５８０℃から４８０〜５２０℃と低くすればよいことが判明した。しかし、前記４８０〜５２０℃の範囲の温度では、アンモニアガスの窒化能力が低減する上、前記体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を小さくしてもなお前記無端状金属ベルトの表面のＣが過剰になって、窒化層が均一に形成されないとの問題がある。
【００２０】
前記無端状金属ベルトの表面のＣについて式（１）を勘案すると、図２から、前記４８０〜５２０℃の範囲の温度では、ΔＧの値がプラスであり、しかも絶対値が大であるため、左に進む反応が促進され、前記の様に前記体積比を小さくしても、前記Ｃが過剰に生成するものと考えられる。
【００２１】
本発明者らは、前記知見に基づいてさらに検討を重ねた結果、ＲＸガスの露点を高くしてＣＯ２を増大させることにより、式（１）の反応が左に進んでＣを生成することを抑制し、前記無端状金属ベルトの表層部に吸着するＣを低減することができることを見出し、本発明に到達した。
【００２２】
即ち、本発明の無端状金属ベルトの製造方法は、マルエージング鋼の鋼板の端部同士を溶接してリング状に形成した後、所定の長さに圧延して得られた無端状金属ベルトにガス軟窒化処理を施して、無段変速機の動力伝達ベルトに用いられる無端状金属ベルトを製造する方法において、前記無端状金属ベルトを、アンモニアガスに対して露点＋４℃のＲＸガスを体積比０．０５〜０．５の範囲で混合した混合雰囲気中、４８０〜５２０℃の範囲の温度下、４５〜６０分間の範囲でガス軟窒化処理することを特徴とする。
【００２３】
本発明の製造方法によれば、前記条件でガス軟窒化処理を行うことにより、前記式（１）のブルドワ反応においてＣの過剰な生成が抑制されるので、式（２）のアンモニア反応による前記無端状金属ベルトを窒化する能力が高められる。この結果、前記無端状金属ベルトの表面に均一な窒化層を形成することができ、優れた耐疲労強度を得ることができる。
【００２４】
前記ＲＸガスは、露点の値によりＣＯ２の含有量が異なり、露点が＋４℃未満では、前記式（１）においてＣの過剰な生成を十分に抑制することができない。一方、露点が＋４℃を超えると、前記式（３）の水性ガス反応が盛んになり、該反応により生成する水が配管内に結露するので、操業上好ましくない。また、Ｃ濃度を抑制させる為のＣＯ２（酸化性ガス）の増加、露点（Ｈ２Ｏ）の増加は、マルエージング鋼に含有されるＴｉ及びＭｏの最表面での酸化を発生させる為に、表面硬度低下、窒化層深さのバラツキが確認され、好ましくない。
【００２５】
前記アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）が０．０５未満であるときには、前記無端状金属ベルトの表面に対する浸炭が不十分になり、窒化処理に長時間を要する。また、前記無端状金属ベルトの表面に化合物層が形成されやすくなる。
【００２６】
一方、前記アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比が０．５を超えると、前記無端状金属ベルトの表面及びガス軟窒化処理を行う装置内に煤が付着しやすくなる。また、前記ＲＸガスの体積比が０．５を超えると混合雰囲気中のＨ2 の量が増加し、窒化能力が低減する。
【００２７】
前記ガス軟窒化処理の処理温度が４８０℃未満であるときには、前記アンモニアガスによる窒化能力が十分に得られない。また、前記処理温度が５２０℃を超えると、前記化合物層が形成される。
【００２８】
また、前記ガス軟窒化処理により形成される窒化層は、前記無端状金属ベルトの最表層部で最も硬度が大であり、前記無端状金属ベルトの内部に向かうほど硬度が小になる硬度勾配を形成する。前記無段階変速機の動力伝達ベルトに好適な耐摩耗性及び耐疲労強度を得るために、前記無端状金属ベルトは前記硬度勾配が高からず低からず、中程度となることが望まれる。
【００２９】
前記ガス軟窒化処理では、処理温度が４５分間未満では前記硬度勾配が低く緩やかになり、６０分間を超えると前記硬度勾配が高く急峻になって、いずれも前記無段階変速機の動力伝達ベルトに好適な耐摩耗性及び耐疲労強度が得られない。
【００３０】
【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は本実施形態の製造方法により得られた無端状金属ベルトの耐疲労強度を示すグラフである。
【００３１】
本実施形態に用いるマルエージング鋼は、Ｃが０．０３％以下、Ｓｉが０．１０％以下、Ｍｎが０．１０％以下、Ｐが０．０１％以下、Ｓが０．０１％以下の低炭素鋼であり、１８〜１９％のＮｉ、４．７〜５．２％のＭｏ、０．０５〜０．１５％のＡｌ、０．５０〜０．７０％のＴｉ、８．５〜９．５％のＣｏを含む１８％のＮｉ鋼である。
【００３２】
本実施形態の製造方法では、まず、前記組成を有するマルエージング鋼の薄板をベンディングしてループ化したのち、端部を溶接して円筒状体を形成する。次に、これを真空炉中、８２０〜８３０℃に２０〜６０分間保持して溶体化処理する。前記溶体化処理により、結晶を再配列し、溶接歪を除去することができる。
【００３３】
次に、前記円筒状体を所定の幅に切断し、リング状体を形成する。前記リング状体は前記切断により、その端部にエッジが立っているので、バレル研磨により面取りしたのち、圧下率４０〜５０％で冷間圧延し、無端状金属ベルトを形成する。
【００３４】
次に、前記無端状金属ベルトを熱処理装置に収容して、時効処理及びガス軟窒化処理を行う。前記熱処理装置は、時効処理室とガス軟窒化処理室とが直線的に配置されて開閉自在の扉を介して連通される様になっていてもよく、時効処理室とガス軟窒化処理室とが全く分離して備えられていてもよい。また、時効処理とガス軟窒化処理とを１室で逐次行うようにしてもよい。
【００３５】
本実施形態では、まず４８０〜５２０℃の範囲の温度で、６０分間未満の時効処理行い、次いで４８０〜５２０℃の範囲の温度で、４５〜６０分間のガス軟窒化処理を行う。
【００３６】
本実施形態のガス軟窒化処理では、露点が＋４℃のＲＸガスを用いる。前記ＲＸガスの組成は、露点が＋４℃の場合にはＣＯ約２４％、Ｈ２約３１％、ＣＯ２０．３０〜０．３４％で、残部がＮ２である。
【００３７】
本実施形態のガス軟窒化処理は、アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）が０．０５〜０．５である雰囲気下に行う。
【００３８】
次に、露点がそれぞれ＋２℃、＋４℃の２種のＲＸガスを用い、アンモニアガスに対するＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）０．１４、処理温度５００℃、処理時間６０分の条件でガス軟窒化処理を行って、無端状金属ベルトを製造した。前記ＲＸガスの露点と無端状金属ベルトの物性との関係を表１に示す。表１において、無端状金属ベルト表面のＣ及びＮの濃度は、オージエ分析により表面から深さ１．３μｍの位置の部分について測定した。また、窒化層の厚さについては目視により測定した。
【００３９】
【表１】
0004308368.tif 000003
【００４０】
表１から、本実施形態のように露点＋４℃のＲＸガスを用いることにより、従来の露点＋２℃のＲＸガスを用いる場合に比較して、無端状金属ベルトの表面のＣ濃度が低くなり、Ｎ濃度が高くなることが明らかである。この結果、本実施形態で得られた無端状金属ベルトは、従来の露点＋２℃のＲＸガスを用いて得られたものに比較して、表面硬度及び圧縮残留応力が大であり、耐摩耗性及び耐疲労強度に優れていることが明らかである。
【００４１】
次に、表１の場合と同一条件でガス軟窒化処理して製造した無端状金属ベルトを可動プーリと固定プーリとの間に巻き回し、前記可動プーリに４０００Ｎの引張荷重を掛けて回転させた。このとき、前記ＲＸガスの露点と無端状金属ベルトが破損するまでの回転回数との関係を図１に示す。
【００４２】
図１から、本実施形態のように露点＋４℃のＲＸガスを用いる場合には無端状金属ベルトが破損するまでの回転回数を１０７回以上とすることができ、従来の露点＋２℃のＲＸガスを用いる場合の１０５回に比較して、格段に優れた耐疲労強度が得られることが明らかである。
【００４３】
次に、露点＋４℃のＲＸガスを用い、アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を変えて、処理温度５００℃、処理時間６０分の条件でガス軟窒化処理を行い、無端状金属ベルトを製造した。アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）と無端状金属ベルトの物性との関係を表２に示す。表２において、窒化層の厚さについては目視により測定した。
【００４４】
【表２】
0004308368.tif 000004
【００４５】
表２から、本実施形態のようにアンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を０．０５〜０．５とする（例として０．２の場合を示す）ことにより、前記範囲を超える０．７の場合（従来例）よりも無端状金属ベルトの表面の硬度が大になることが明らかである。
【００４６】
また、表２から、本実施形態の０．０５〜０．５の範囲未満の０の場合（アンモニアガスのみを用いるガス窒化処理）によれば、本実施形態よりも無端状金属ベルトの表面の硬度は大になるものの、無端状金属ベルトの表面に化合物層が形成されるとともに、本実施形態の半分の厚さの窒化層の形成に本実施形態の２倍の時間を要することが明らかである。
【００４７】
次に、露点＋４℃のＲＸガスを用い、アンモニアガスに対する前記ＲＸガスの体積比（ＲＸガス／アンモニアガス）を０．１４として、処理温度及び処理時間を変えてガス軟窒化処理を行い、無端状金属ベルトを製造した。ガス軟窒化処理の時間及び温度と無端状金属ベルトに形成される硬度勾配の状態との関係を表３に示す。表３において、ＡＡは無段階変速機の動力伝達ベルトに最適な硬度勾配、ＢＢは適用可能な硬度勾配、ＣＣは勾配が低く不適当な硬度勾配、ＤＤは勾配が高く不適当な硬度勾配をそれぞれ示す。
【００４８】
【表３】
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【００４９】
表３から、ガス軟窒化処理の処理温度を４８０〜５２０℃の範囲とし、加熱時間を４５〜６０分の範囲とすることにより、無段階変速機の動力伝達ベルトに最適な硬度勾配を得ることができることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＲＸガスの露点と無端状金属ベルトの耐疲労強度との関係を示すグラフ。
【図２】  ガス軟窒化処理に関する反応のギブスの自由エネルギーを示すグラフ。
【符号の説明】
符号なし。
【図１】
0004308368.tif 000006
【図２】
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