(57)【要約】  転がり、摺動部材は、Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成される。球状炭化物の平均粒径を０．６μｍ以下、球状炭化物の量を面積率で６．０％以下とする。転がり、摺動部材を、トロイダル型無段変速機における側面に凹状軌道面を有するディスク４、９、およびディスク４、９の軌道面4b、9b上を転動するローラ16のうちの少なくともいずれか１つに用いる。この発明の転がり、摺動部材を用いたトロイダル型無段変速機によれば、長寿命化を図ることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成され、球状炭化物の平均粒径が０．６μｍ以下、球状炭化物の量が面積率で６．０％以下となされている転がり、摺動部材。
【請求項２】
側面に凹状軌道面を有するディスク状動力伝達部材と、ディスク状動力伝達部材の軌道面上を転動するローラ状動力伝達部材とを備えたトロイダル型無段変速機であって、両動力伝達部材のうちの少なくともいずれか１つが、請求項１記載の転がり、摺動部品からなるトロイダル型無段変速機。
【請求項３】
Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により所定の形状に形成された加工済み素材に、８５０〜９５０℃に加熱して急冷する焼入処理を施した後２５０〜３５０℃に加熱する焼戻し処理を施し、これにより球状炭化物の平均粒径を０．６μｍ以下、球状炭化物の量を面積率で６．０％以下とする転がり、摺動部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、転がり、摺動部材、これを用いたトロイダル型無段変速機および転がり、摺動部材の製造方法に関する。【０００２】
この明細書および特許請求の範囲において、転がり、摺動部品とは、純然たる転がり接触、純然たるすべり接触、および転がり接触とすべり接触とが混在した接触を行う部品をいうものとする。
【背景技術】
【０００３】
車両、たとえば自動車に用いられるトロイダル型無段変速機として、フルトロイダル型やハーフトロイダル型が知られているが、これらトロイダル型無段変速機において、トルク伝達部材である転がり、摺動部材としての入出力ディスクとローラとの接触部は高温（１００℃以上）かつ高面圧（数千ＭＰａ以上、たとえば最大接触面圧で４０００ＭＰａ以上）にさらされ、また入出力ディスクの軌道面は、例えば３個のローラが配置されているときは３点から大きな垂直応力が繰り返し作用するとともに、動力伝達の際に油膜のせん断応力に相当する大きなせん断応力が繰り返し作用する。一方、ローラの外周面には大きな垂直応力と大きなせん断応力が繰り返し作用する。よって、入出力ディスクの軌道面やローラの外周面は、表面に垂直応力のみが主に作用する通常の転がり軸受の転動面などと比較すると、特有の過酷な接触条件といえる。このような過酷な接触条件では、一般的な転がり疲労組織である 黒色組織（Dark Etching Area）の他に白色組織（White Etching Area）が発生し、短寿命になることが判明した。白色組織は、応力誘起変態により表層部の残留オーステナイトがマルテンサイトへ変態することにより発生すると考えられる。【０００４】
このため、上述したような組織変化に伴う剥離などの表面損傷が発生しない高い疲労強度が要求される。【０００５】
このような要求を満たすべく、トロイダル型無段変速機のローラや各ディスクの表面の残留圧縮応力を１０００ＭＰａ以上、微小硬度をＨｖ７５０以上、残留オーステナイト量を１０％以下とする技術が提案されている（例えば、特許文献１、請求項１参照）。ところが、特許文献１記載のローラやディスクは、所定形状に形成された加工済み素材に、浸炭または浸炭窒化処理を施し、その後ショットピーニングを施すことにより製造されている（特許文献１、請求項２参照）。そのため、製造コストが高くなるという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−１８８７０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明の目的は、上記問題を解決し、長寿命化を図ることができるとともに、安価に製造することができる転がり、摺動部材、これを用いたトロイダル型無段変速機および転がり、摺動部材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】
【０００７】
この発明による転がり、摺動部材は、Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成され、球状炭化物の平均粒径が０．６μｍ以下、球状炭化物の量が面積率で６．０％以下となされているものである。【０００８】
この発明の転がり、摺動部材において、用いられる鋼中の各元素含有量、球状炭化物の平均粒径および量の限定理由は次の通りである。【０００９】
Ｃ含有量
Ｃは、基地に固溶してマルテンサイトを強化し、焼戻し後の硬度を確保するとともに転動疲労寿命特性を向上させる効果を有するが、０．９wt％未満であるとこのような効果が得られず、１．１wt％を越えると巨大炭化物が生成して転動疲労寿命特性が低下する。Ｃ含有量は０．９５〜１．０５wt％であることが好ましい。【００１０】
Ｓｉ含有量
Ｓｉは、マルテンサイト組織中の微細炭化物の析出を抑制し、転がり疲労に伴うマルテンサイトの強度低下を抑制する効果を有するが、０．５wt％未満であると強度低下抑制効果が少なく、３wt％を越えると靭性が低下して転がり疲労寿命が低下する。Ｓｉ含有量は１．０〜２．０wt％であることが好ましい。【００１１】
Ｍｎ含有量
Ｍｎは、鋼の焼入性を向上させることにより基地マルテンサイトの靭性を高め、硬度および転動疲労寿命特性を向上させる効果を有するが、０．０５wt％未満であるとこのような効果が得られず、０．５wt％を越えると被削性が著しく低下する。Ｍｎ含有量は０．３〜０．４８wt％であることが好ましい。【００１２】
Ｃｒ含有量
Ｃｒは、炭化物形成を促進するとともに、マルテンサイト変態が完了するＭｆ点を下げることにより残留オーステナイト相を増加（安定化）させる効果を有するが、２．０wt％未満であると炭化物の析出量が少なくなり、５．０wt％を越えると炭化物の析出量が多くなりすぎて熱処理後の硬度が低くなり、転がり疲労寿命が低下する。Ｃｒ含有量は２．０〜３．５wt％であることが好ましい。【００１３】
Ｍｏ含有量
Ｍｏは、基地に固溶して焼戻し後の硬度を確保するとともに転動疲労寿命特性を向上させる効果を有するが、０．０５wt％未満であるとこのような効果が得られず、０．５wt％を越えると上記効果が飽和状態になるとともに、コストが高くなる。Ｍｏ含有量は０．２〜０．４５wt％であることが好ましい。【００１４】
球状炭化物の平均粒径
球状炭化物の平均粒径が０．６μｍを越えると、転がり接触時の応力集中源として働くので、０．６μｍ以下とする。なお、球状炭化物の平均粒径の下限は、０．２μｍであることが好ましい。これよりも小さいと、耐摩耗性が低下するおそれがあるからである。球状炭化物の平均粒径は０．４〜０．６μｍであることが好ましい。【００１５】
球状炭化物の面積率
球状炭化物の面積率が６％を越えると、マルテンサイト中の固溶炭素量が低下してマルテンサイトの硬度が低下し、その結果転がり疲労寿命が低下するので、６％以下とする。なお、球状炭化物の面積率の下限は、０．３％であることが好ましい。これよりも少ないと、マトリクス中の固溶炭素濃度が高くなり、転がり寿命が低下するおそれがあるからである。球状炭化物の面積率は４〜６％であることが好ましい。【００１６】
この発明による転がり、摺動部材において、残留オーステナイト量が１０〜２５％であることが好ましい。残留オーステナイトは、転がり接触時の応力集中を緩和し、転がり疲労寿命を向上させる効果を有するが、残留オーステナイト量が１０％未満であると応力集中の緩和効果が少なくなる。一方、残留オーステナイトは準安定組織であるため、長年の使用期間における寸法変化の原因になることから、残留オーステナイト量の上限を２５％にすることが好ましい。残留オーステナイト量は、１１〜２１％であることが望ましい。【００１７】
この発明によるトロイダル型無段変速機は、側面に凹状軌道面を有するディスク状動力伝達部材と、ディスク状動力伝達部材の軌道面上を転動するローラ状動力伝達部材とを備えたトロイダル型無段変速機であって、両動力伝達部材のうちの少なくともいずれか１つが、上述したこの発明による転がり、摺動部品からなるものである。【００１８】
この発明による転がり、摺動部材の製造方法は、Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により所定の形状に形成された加工済み素材に、８５０〜９５０℃に加熱して急冷する焼入処理を施した後２５０〜３５０℃に加熱する焼戻し処理を施し、これにより球状炭化物の平均粒径を０．６μｍ以下、球状炭化物の量を面積率で６．０％以下とするものである。【００１９】
焼入処理時の加熱温度を８５０〜９５０℃、焼戻し処理時の加熱温度を２５０〜３５０℃に限定したのは、Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼から形成された素材に、上記温度範囲で焼入処理および焼戻し処理を施すことにより、球状炭化物の平均粒径を０．６μｍ以下、球状炭化物の量を面積率で６．０％以下とすることができるからである。なお、焼入処理時の加熱温度は８６０〜９４０℃であることが好ましく、焼戻し処理時の加熱温度は２６０〜３００℃であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
この発明の転がり、摺動部材によれば、長時間使用したとしても、白色組織の発生を抑制することができ、長寿命化を図ることができる。しかも、浸炭または浸炭窒化や、ショットピーニングを施すことなく、焼入処理および焼戻し処理を施すだけで製造することが可能になり、製造コストが安価になる。【００２１】
この発明のトロイダル型無段変速機によれば、ディスク状動力伝達部材およびローラ状動力伝達部材の長寿命化を図ることができる。【００２２】
この発明の転がり、摺動部材の製造方法によれば、製造コストが安価になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。【００２４】
図１はこの発明による転がり、摺動部材をディスク状動力伝達部材およびローラ状動力伝達部材に用いたトロイダル型無段変速機としてのフルトロイダル型無段変速機のバリエータの部分を示す。【００２５】
図１において、トロイダル型無段変速機のバリエータ(1)には、自動車の動力源(2)により回転駆動される入力軸(3)が設けられており、入力軸(3)の軸方向両端部にはそれぞれ入力側の動力伝達部材としての入力ディスク(4)（ディスク状動力伝達部材）が嵌め被せられている。【００２６】
各入力ディスク(4)の中心部にはスプライン穴(4a)が形成され、各入力ディスク(4)の軸方向内側面、すなわち他の入力ディスク(4)を向いた側面には、円環状の凹状軌道面(4b)が入力軸(3)と同心状に形成されている。そして、入力軸(3)に形成されたスプライン軸部(3a)が入力ディスク(4)のスプライン穴(4a)内に挿入されることにより、入力ディスク(4)が入力軸(3)と一体に回転するとともに、入力軸(3)の長さ方向に若干移動しうるようになっている。入力軸(3)における入力ディスク(4)よりも軸方向外側に係止リング(5)が固定されており、これにより両入力ディスク(4)の互いに離反する方向への移動が阻止されている。【００２７】
入力軸(3)における両入力ディスク(4)間の部分の外周に、筒状の出力軸(8)が、入力軸(3)に対して同心状にかつ相対回転可能に嵌め被せられている。出力軸(8)の両端と入力ディスク(4)との間には所定の間隔があけられている。出力軸(8)の軸方向両端部にはそれぞれ動力伝達部材としての出力ディスク(9)（ディスク状動力伝達部材）が嵌め被せられている。【００２８】
各出力ディスク(9)の中心部にはスプライン穴(9a)が形成され、各出力ディスク(9)の軸方向外側面、すなわち入力ディスク(4)を向いた側面には、円環状の凹状軌道面(9b)が入力軸(3)および出力軸(8)と同心状に形成されている。そして、出力軸(8)に形成されたスプライン軸部(8a)が出力ディスク(9)のスプライン穴(9a)内に挿入されることにより、出力軸(8)が出力ディスク(9)と一体に回転するとともに、出力ディスク(9)が出力軸(8)の長さ方向に若干移動しうるようになっている。また、出力軸(8)における両出力ディスク(9)よりも軸方向内側の部分にはそれぞれ有歯ベルト車(8b)が一体に形成されており、有歯ベルト車(8b)に巻掛けられた有歯ベルト(11)を介して、図示しない従動側に動力が伝達されるようになっている。【００２９】
各出力ディスク(9)における軌道面(9b)とは反対の側面側には、隙間(12)を介してバックアップ板(13)が配置されている。隙間(12)はケーシング(14)および図示しないシール手段により密封されており、隙間(12)に対して油圧源(15)から油圧を供給することによっって出力ディスク(9)を対向する入力ディスク(4)側へ付勢し、これにより所定の端末負荷が加えられるようになっている。【００３０】
互いに対向する入力ディスク(4)の軌道面(4b)と出力ディスク(9)の軌道面(9b)との間の部分はそれぞれトロイド状隙間として構成されており、各トロイド状隙間に、両軌道面(4b)(9b)と転動接触する複数、ここでは３つの動力伝達部材としてのローラ(16)（ローラ状動力伝達部材）が円周方向に等間隔をおいて配置されている。各ローラ(16)は、キャリッジ(17)によって回転自在に支持されており、各ローラ(16)の両軌道面(4b)(9b)に対する接触位置がキャリッジ(17)の傾動によって変更されるようになっている。【００３１】
上記バリエータ(1)においては、油圧源(15)により出力ディスク(9)を入力ディスク(4)側に付勢すると、トロイド状隙間内の各ローラ(16)が両ディスク(4)(9)の軌道面(4b)(9b)に対して高荷重で転がり接触をし、ローラ(16)を介して両ディスク(4)(9)が連結されることによって、入力軸(3)から出力軸(8)へのトルク伝達が行われる。この際、各ローラ(16)の両ディスク(4)(9)の軌道面(4b)(9b)に対する接触位置をキャリッジ(16)の傾動により変更することによって、出力ディスク(9)の回転数を増減することが可能となり、その結果変速比が可変となる。【００３２】
上記構成のフルトロイダル型無段変速機において、一方の入力ディスク(4)、この入力ディスク(4)の軌道面(4b)に対向する軌道面(9b)を有する出力ディスク(9)、および両ディスク(4)(9)の軌道面(4b)(9b)に転がり接触するローラ(16)のうち互いに接触する２つの部材のうちの少なくともいずれか一方、すなわち両ディスク(4)(9)およびローラ(16)、両ディスク(4)(9)のみ、またはローラ(16)のみが、Ｃ：０．９〜１．１wt％、Ｓｉ：０．５〜３．０wt％、Ｍｎ：０．０５〜０．５wt％、Ｃｒ：２．０〜５．０wt％、Ｍｏ：０．０５〜０．５wt％を含み、残部Ｆｅおよび不可避不純物からなる鋼により形成され、球状炭化物の平均粒径が０．６μｍ以下、球状炭化物の量が面積率で６．０％以下となされている。【００３３】
上記実施形態においては、この発明による転がり、摺動部材を用いたフルトロイダル型無段変速機を例示したが、この発明による転がり、摺動部材をハーフトロイダル型無段変速機にも適用可能であることはもちろんである。特に、ディスクとローラとの接触部のスピン成分が大きいフルトロイダル型無段変速機において、本発明の効果は大きくなる。【００３４】
また、この発明による転がり、摺動部材は、その他転がり軸受、一方向クラッチなどの各種転がり、摺動部材にも適用可能である。特に、振動衝撃の大きい用途、たとえばオルタネータ用転がり軸受の転動体や軌道輪に好適に用いられる。【００３５】
以下、図２を参照して、この発明の具体的実施例を比較例とともに説明する。【００３６】
実施例１〜３および比較例１〜３
表１に示す組成を有する６種類の鋼を用いて直径５８ｍｍ、厚み８ｍｍの円板状被検ローラ(20)および円板状ディスク(22)を次の方法により製造した。すなわち、上記鋼に旋削加工を施して所定の形状に形成した後、表１に示す温度で４５分間加熱した後急冷する焼入処理と、表１に示す温度で１２０分間加熱する焼戻し処理を施し、さらに研磨することによって、被検ローラ(20)および円板状ディスク(22)を製造した。
【表１】
2006041184.tif 000002
【００３７】
また、実施例１の組成を有する鋼を用いて直径５８ｍｍ、厚み８ｍｍの円板状ダミーローラ(21)を次の方法により製造した。すなわち、上記鋼に旋削加工を施して所定の形状に形成した後、８５０℃で４５分間加熱した後急冷する焼入処理と、２６０℃で１２０分間加熱する焼戻し処理を施し、さらに研磨することによって、ダミーローラ(21)を製造した。【００３８】
そして、被検ローラ(20)外周面の転動面の表層部における球状炭化物の平均粒径および量（面積率）と、残留オーステナイト量とを測定した。これらの測定位置は、後述する運転時の最大接触面圧から計算したせん断応力が最大になる深さである。【００３９】
ついで、図２に示すように、両ローラ(20)(21)およびディスク(22)の中心にそれぞれ回転軸(20a)(21a)(22a)を固定し、両ローラ(20)(21)の回転軸(20a)(21a)が水平でかつ互いに平行になるとともに、ディスク(22)の回転軸(22a)が垂直になり、さらに両ローラ(20)(21)の転動面（外周面）が、ディスク(22)両側面の軌道面における径方向および周方向の同一位置に転がり接触するように配置した。両ローラ(20)(21)は、１つのモータ(23)により、変速機(24)を介して異なる回転数で回転させられるようになっており、被検ローラ(20)がディスク(22)の軌道面に対してスリップする。【００４０】
ついで、清浄な潤滑油を使用し、表２に示す運転条件で、被検ローラ(20)の転動面に剥離が生じるまで両ローラ(20)(21)を回転させた。
【表２】
2006041184.tif 000003
【００４１】
運転終了後、被検ローラ(20)外周面の転動面の表層部における球状炭化物の平均粒径および量（面積率）と、残留オーステナイト量とを、上述した測定位置で測定した。【００４２】
ついで、球状炭化物の平均粒径変化指数Ｘ、球状炭化物の面積率変化指数Ｙおよび残留オーステナイトの応力誘起変態指数Ｚを、次式(i)〜(iii)により求めた。【００４３】
平均粒径変化指数Ｘ＝（A0−Aa）／（Na−N0）  …(i)
面積率変化指数Ｙ＝（B0−Ba）／（Na−N0）  …(ii)
応力誘起変態指数Ｚ＝（γ0−γa）／（Na−N0）  …(iii)
ここで、A0：運転開始前の平均粒径、Aa：運転終了後の平均粒径、B0：運転開始前の面積率、Ba：運転終了後の面積率、γ0：運転開始前の残留オーステナイト量、γa：運転終了後の残留オーステナイト量、Na：剥離発生時の応力繰り返し数、N0：１０６（残留オーステナイト量が低下し始める応力繰り返し数）である。【００４４】
これらの結果を表３および図３〜図５に示す。
【表３】
2006041184.tif 000004
【００４５】
表３および図３〜図５に示す結果から、実施例１〜３の被検ローラ(20)においては、剥離発生までの応力繰り返し数が、比較例１〜３の被検ローラ(20)に比べて著しくなっており、その結果この発明による転がり、摺動部材の寿命が長くなることが分かる。また、運転終了後の被検ローラ(20)の転動面を観察したところ、実施例１〜３の被検ローラ(20)には白色組織は発生していなかった。一方、比較例１〜３の被検ローラ(20)の剥離は白色組織剥離であった。【００４６】
また、上述した試験を行って平均粒径変化指数Ｘが０〜０．００５、面積率変化指数Ｙが０〜０．０１、応力誘起変態指数Ｚが０．２以下の場合に、その鋼からなる転がり、摺動部材が長寿命になるということを評価することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
この発明による転がり、摺動部材は、たとえばトロイダル型無段変速機のローラや各ディスクとして好適に使用される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】フルトロイダル型無段変速機のバリエータの部分を示す概略縦断面図である。
【図２】実施例１〜３および比較例１〜３を評価するために行った試験の被検ローラ、ダミーローラおよびディスクの配置を示す概略図である。
【図３】球状炭化物平均粒径変化指数と応力繰り返し数との関係を示すグラフである。
【図４】球状炭化物面積率変化指数と応力繰り返し数との関係を示すグラフである。
【図５】残留オーステナイトの応力誘起変態指数と応力繰り返し数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
(4)：入力ディスク（ディスク状動力伝達部材）
(4b)：軌道面
(9)：出力ディスク（ディスク状動力伝達部材）
(9b)：軌道面
(16)：ローラ（ローラ状動力伝達部材）
【図１】
2006041184.tif 000005
【図２】
2006041184.tif 000006
【図３】
2006041184.tif 000007
【図４】
2006041184.tif 000008
【図５】
2006041184.tif 000009
【国際調査報告】
2006041184.tif 000010
2006041184.tif 000011
2006041184.tif 000012
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