CN101473149B - 无级变速器用带轮 - Google Patents

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Abstract

目的在于提供一种满足作为带式CVT所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持的要求课题的带轮。是一种在带轮与单元间进行动力传递的无级变速器的带轮，其具有如下特性：由含有特定量Mn的钢材构成，在该钢材表面，具有含特定量Mn的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层，该表面硬化层能够稳定获得高于SCr420现行材的0.115以上的摩擦系数，耐磨耗性也维持在大体同等水平或有所改善。

Description

无级变速器用带轮
技术领域
本发明涉及一种带轮(pulley)构件，其为汽车等的无级变速器用，其中在带式无级变速器(带式CVT)中，经由单元(element)高效率地向带传递驱动力。
背景技术
带式CVT为了改善汽车的燃油效率，而对汽车的搭载量逐渐增加。在全社会对抑制二氧化碳排放量强烈要求的背景下，最近，在进一步使带式CVT高效率化的方向上技术开发又有所推进。带式CVT是通过使由多层的金属带捆扎的被称为单元的多个块状部件相对向并由两个带轮进行夹挤，利用单元—带轮滑动时的摩擦力进行动力传递。因此，通过提高带轮单元间的摩擦系数，能够提高动力传递的效率。
另一方面，从使带轮—单元间的滑动稳定的观点出发，也需要提高带轮和单元的耐磨耗性，当为高摩擦(系数)且磨耗量也多(耐磨耗性差)时，可预想到动力传递性能会逐渐降低。这相反在耐磨耗性良好而为低摩擦(系数)的情况下也同样。
针对这样的课题，历来就提出有改善磨擦的技术。例如，如专利文献1所述的，提出有一种提高摩擦系数的方法，其通过将带轮表面的粗糙度控制在一定的状态下来提高润滑油的排出性，其结果是，减少了在带轮-单元间所形成的油膜厚度，提高了金属间接触的比例。
另外在专利文献2、3中公开有一种方法，其通过喷丸清理来向带轮等的接触表面赋予强压缩应力，从而改善转动疲劳强度，使滑动面的耐磨耗性提高以维持高摩擦系数。
此外，历来在这种带轮中还使用SCr420H等，含有一定量Mn、Cr的机械构造用合金钢。另外在专利文献4、5、6中提出有一种用于带轮的 渗碳用钢，其调整C、Si、Mn等的成分组成，从而改善了疲劳强度等的机械的特性。
专利文献1：特开2002-213580号公报
专利文献2：特开平5-157146号公报
专利文献3：特开2000-130527号公报
专利文献4：特开2000-160288号公报
专利文献5：特开2005-200667号公报
专利文献6：特开2006-28568号公报
专利文献1存在的问题是，虽然对钢材表面的硬化和图案采用电子束加工，但作为汽车用部件生产性差，成本也高，因此作为带式CVT用带轮欠缺实用性。另外，若根据专利文献2、3的方法，则通过喷丸清理而精加工的钢材表面的耐磨耗性确实有所提高，但是带式CVT用带轮所要求的摩擦系数的提高效果却依然不充分。
带式CVT用带轮所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持，就是这种本来相反的要求课题，若为了使摩擦系数而提高单元-带轮间的接触比例，则耐磨耗性降低的倾向强。为此就要调整带轮表面的硬度，改良润滑油，虽然这些努力工业上也在做，但现状是还没有见到包含润滑油在内的合适的组合。
因此，至今为止虽然并不是为了满足上述要求课题，但对SCr420H等的表面渗碳钢进行渗碳淬火回火处理，在磨削加工后，其还是能够作为带式CVT带轮使用。此外，在带式CVT用带轮中，还公知SK1～SK7、SCM、SCM440、SCM445、SKD11等适用。但是，满足上述要求课题的带轮专用构件的开发几乎没有进行，从而无法满足带式CVT用带轮所要求的提高摩擦系数和维持耐磨耗性的要求课题。
发明内容
本发明为了解决这一课题而做，提供一种满足所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持的要求课题的带式CVT用带轮。
为了达成该目的，本发明的要旨是，一种在带轮与单元间进行动力传递的无级变速器的带轮，其由如下这种钢材构成：分别含有C：0.1～0.3质量％、Si：0.1～0.5质量％、Mn：1～10质量％、Cr：6～20质量％，并由余量Fe和不可避免的杂质构成，在该钢材表面具有含1～10质量％的Mn和6～20质量％的Cr且具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层。
为了达成上述目的，优选所述表面硬化层的氮含量为3～25at.％。另外，同样优选所述表面硬化层的表面硬度为Hv750～950。
本发明所说的所谓带式CVT用带轮所要求的摩擦系数的提高，是定量性的，优选所述表面硬化层的摩擦系数为0.115以上。
在本发明中，分析实际的带轮-单元的接触状态，设定模拟滑动试验条件，探索在该环境下使摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持并立的带轮表面的材料条件，从而达成本发明。
即，在本发明中，使带轮表面(带轮用钢材表面)成为含有特定量Mn的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层。由此，相比现有的渗碳SCr420H钢材可以进一步提高带式CVT用带轮的摩擦系数。另外，同时还能够抑制单元侧的磨耗量，能够维持可耐受实用的耐磨耗性。即，能够提供一种带式CVT用带轮，其满足所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持的要求课题。
氮化层或渗碳氮化层中的Mn的特定量的含有，有助于带轮表面(带轮用钢材表面)的摩擦系数的提高的机理还不一定明确。但是明确的是，确认到在带轮和单元表面的滑动部生成的境界润滑膜中有Mn掺入，氮化层或渗碳氮化层中的Mn有助于带轮表面(带轮用钢材表面)的摩擦系数的提高。因此，氮化层或渗碳氮化层中的Mn，通过改变对摩擦磨耗举动有强烈影响的境界润滑膜的结构特性，从而具有使摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持并立的可能性。
附图说明
图1是表示旋叶片与盘型的滑动磨耗试验的要领的说明图。
具体实施方式
以下对于构成本发明的无级变速器带轮的钢材的成分限定理由进行说明。以下或前述各元素量的表示单位全部为质量％。
构成本发明的无级变速器带轮的钢材，为了满足作为带轮的需要强度等的机械的特性，并且使摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持并立，而分别含有C：0.1～0.3质量％、Si：0.1～0.5质量％、Mn：1～10质量％，并由余量Fe和不可避免的杂质构成。
C：0.1～0.3质量％
C满足作为带轮的需要强度等的机械的特性。若C含量过少，则C的固溶强化不足，除了强度降低以外，淬火性也降低。另一方面，若C含量过多，则对带轮的加工性降低。因此，C含量为0.1～0.3质量％的范围。优选为0.15～0.25质量％。
Si：0.1～0.5质量％
Si满足作为带轮的需要强度等的机械的特性，也有脱氧效果。若Si含量过少，则Si的固溶强化不足，除了强度降低以外，脱氧性也降低。低于0.05％时其效果过小。另一方面，若Si含量过多，则对带轮的加工性降低。因此Si含量为0.1～0.5质量％的范围。
Mn：1～10质量％
Mn是重要合金元素，其使带式CVT用带轮的表面硬化层的摩擦系数与现有的渗碳SCr420H钢材相比，以磨擦系数计提高到0.115以上，同时单元侧的磨耗量也能够抑制到与现行的现状下的渗碳SCr420H钢材同等以下。如前述，通过该钢材的氮化处理或渗碳氮化处理的任意一种表面硬化处理，钢材中的Mn被含有在带轮表面(钢材表面)所形成的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层中，从而发挥这些效果。
为了使Mn发挥这些效果，即，使钢材表面所形成的所述表面硬化层中含有1质量％以上的Mn，需要使钢材中的Mn含量为1质量％以上。钢材中的Mn含量低于1质量％时，即使经过钢材的氮化处理或渗碳氮化处理的表面硬化热处理，也不能使钢材表面所形成的所述表面硬化层中含有1质量％以上的Mn。换言之，就是不能使带式CVT用带轮的摩擦系数提高到0.115以上，同时不能维持耐受实用的耐磨耗性。
另一方面，若钢材中的Mn含量超过10质量％，则钢材表面所形成的 所述表面硬化层的Mn含量也超过10质量％而变得过高，从而得不到摩擦系数的提高效果，单元侧的磨耗量增大的倾向加强。即，钢材中的Mn含量上下脱离1～10质量％的本发明范围时，则得不到摩擦系数的提高效果，单元侧的磨耗量增大。在此，单元磨耗量增大(对方攻击性增加)的问题比Mn含量少量更显著。
在此，如后述的实施例，当Mn含量为3质量％时，Mn含量比低于此和超过它的其他发明例相比，都具有表面硬化层的摩擦系数高达0.120的摩擦系数。根据这一点可知，表面硬化层的摩擦系数提高的效果并不与Mn含量成比例提高，而是在Mn含量为3质量％附近显示出极大值。因此，为了无论带式CVT用带轮的使用环境的是否不同都能更稳定发挥Mn的效果，优选使钢材中的Mn含量为该3质量％附近的2～6质量％的含量范围。
Mn含量超过6质量％时，与6质量％以下的摩擦系数的提高效果相比没有太大差别，在带式CVT用带轮的使用环境中，虽然有摩擦系数的提高效果，但有比起6质量％以下的摩擦系数的提高效果则有降低的可能性。这一点上，若还考虑Mn含量增加的成本增长和制造成本增长，则Mn含量优选为6质量％以下。因此，优选的钢材中的Mn含量范围、优选的表面硬化层的Mn含量范围为2～6质量％。
Cr：1～20质量％
钢材中除了Mn以外，还优选选择性的含有1～20质量％的Cr，并且据此，所述表面硬化层除了含有Mn以外，还优选含有1～20质量％的Cr。通过Cr的复合添加(含有)，既可以得到进一步的摩擦系数的提高效果，又可以改善单元的耐磨耗性(抑制对方攻击性)。Cr的这种效果被推测为会带来的是比Mn更容易生成碳化物和氮化物。这一效果在含有优选的2质量％以上的Cr时显著，能够得到与现行材料基本相同或同等以上的耐磨耗性。
另一方面，若钢材中和所述表面硬化层中的Cr含量超过20质量％而过大，则摩擦系数反而降低，Mn的添加至含有效果相抵的倾向变强。另外，带轮表面的硬度稍稍降低，带轮的磨耗量有一点增加的倾向变强。因此，Cr含量应该抑制在20质量％以下，为了不损害摩擦系数的提高效果， 优选将其抑制在10质量％以下。
因此，钢材中和所述表面硬化层中的Cr含量优选为1～20质量％的范围，更优选为2～10质量％的范围。
本发明带轮由以上述元素为基本成分，余量由Fe和不可避免的杂质构成的钢材构成。但是，以通常的渗碳用钢材，氮化用钢材废料为熔解原料时，将这些钢材含有的这样的下述元素为不可避免的杂质元素而含有的可能性高，极力降低会造成成本上升。因此，在本发明中，在不阻碍本发明的效果的范围内，在钢材中以下述元素为不可避免的杂质元素，可以只分别含有下述含量。Ti：0.050％以下、N：0.0250％以下、Al：0.10％以下、Ni、Cu、Mo合计为2.0％以下、B：0.0050％以下、V：0.10％以下、Nb：0.10％以下、Ca：0.0050％以下、Mg：0.0050％以下、Zr：0.050％以下、REM：0.020％以下、S：0.10％以下、P：0.10％以下、O：0.0030％以下。
(钢材制造方法)
由以上的成分组成构成的本发明的无级变速器用的钢材自身，能够通过与通常的渗碳用钢材、氮化用钢材同样的常规方法制造。即，由以上的成分组成构成的钢坯在铸造后，遵循常规方法适宜实施热轧、热锻等热加工，再实施冷轧、冷锻等冷加工。通过这些加工而被加工成粗略形状的构件，其后再实施氮化处理、渗碳氮化处理，适宜实施成为无级变速器用带轮的精加工。
(表面硬化层)
作为钢材的表面硬化处理，能够适用后述的现在工业上进行的氮化、渗碳氮化等处理方法。通过这些氮化、渗碳氮化等处理，在由所述成分组成构成的钢材表面，会形成含有1～10质量％的Mn，并且还选择性地含有1～20质量％的Cr，并具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层。表面硬化层的厚度优选为50μm以上，更优选为100μm以上。表面硬化层的厚度的上限未被特别限定，可以根据钢材的寿命及成本任意设定。
作为钢材的表面硬化处理，渗碳没有优势，而氮化、渗碳氮化等处理之所以在摩擦系数的提高效果这一点上有优势，被推测是因为通过氮化或渗碳氮化，生成于钢材表面附近(表面硬化层)的Mn3N等Mn系氮化物 和CrN等Cr系氮化物更有助于摩擦系数提高。
(表面硬化层硬度)
为了使带式CVT用带轮的摩擦系数为0.115以上，使之与现有的渗碳SCr420H钢材相比有所提高，同时将单元侧的磨耗量抑制在现行的现有渗碳SCr420H钢材的同等以下，优选表面硬化处理后的表面硬化层的表面硬度的基准为Hv750～950的范围。低于Hv750时，存在带轮表面的耐磨耗性不充分的可能性。另一方面，若超过Hv950，则存在单元磨耗量的增加倾向变强的可能性。
(表面硬化层厚度)
为了更稳定地发挥所述摩擦系数提高效果，表面硬化层需要具有10μm以上的平均厚度(距表面的深度)。表面硬化层的平均厚度低于10μm时，在带式CVT用带轮的使用环境中，不能更稳定发挥Mn和Cr的所述摩擦系数提高效果。该表面硬化层的平均厚度也用于保证上述表面硬化层硬度。
(表面硬化层氮含量)
为了使带式CVT用带轮的摩擦系数为0.115以上，使之与现有的渗碳SCr420H钢材相比有所提高，同时将单元侧的磨耗量抑制在现行的现有渗碳SCr420H钢材的同等以下，优选表面硬化处理后的表面硬化层的氮含量的基准为3～25at.％的范围，更优选为8～20at.％的范围。氮含量低于3at.％时，表面硬化层的Mn、Cr含量即使满足规定，但氮含量不足，所述Mn系氮化物和Cr系氮化物仍不足，硬度变低，有带轮表面的摩擦系数提高和耐磨耗性不充分的可能性。另一方面，若氮含量超过25at.％，则表面硬度变得过高，存在单元磨耗量的增加倾向变强的可能性。另外，氮化处理的成本增加。
此表面硬化层的氮浓度能够通过来自硬化层表面的EPMA(利用电子射线显微探针的微小部X射线微分析法)的定量分析得到。
(表面硬化处理)
作为现在工业上进行的氮化处理，是将钢材在氨气(NH3)气氛下，进行500～600℃×1～100hr左右处理。另外，渗碳氮化处理是在甲烷等碳氢化合物气体和CO气体气氛下，在900～1000℃×1～100hr左右的渗碳 处理后的冷却过程中，进行500～600℃×50～100hr左右氮化处理。
在该氮化或渗碳氮化处理钢材上，被称为白层的氮化物层在表面生成时，优选通过切削和研磨等表面加工除去该层的方法。这时，表面的氮浓度多达到20at.％以下，因此要注意。
氮化或渗碳氮化处理材应该注意氮化深度(硬化层厚度)，根据硬化处理条件预备性地把握氮化深度和表面硬度等的分布，确认在范围内后，再进行表面加工。其后，对氮化或渗碳氮化处理钢材进行淬火回火处理。
其次，列举实施例更具体地说明本发明，但本发明不受这一实施例限定性地解释。
实施例
如表1所示，在使Mn、Cr含量发生种种变化的化学成分的钢材表面，以相同的条件进行氮化处理或渗碳氮化处理，形成氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层，测定并评价各表面硬化层的摩擦系数和耐磨耗性。其结果也显示在表1中。
同时，测定各表面硬化层的平均厚度(μm)、氮含量(平均，at.％)、表面硬度(平均，Hv)。其结果也显示在表1中。
与表1的各钢材一起而作为其他杂质的Ti、N、Al、Ni、Cu、Mo、B、V、Nb、Ca、Mg、Zr、REM、S、P、O的合计量为0.15％以下。
钢材在加工成图1所示的盘1A形状后，以下述条件进行表面硬化处理，之后薄薄地进行表面磨削，精加工成表面粗糙度Ra0.7～1.3μm。然后，加热到875℃的温度后进行水淬火，进行200℃×1hr的回火处理，得到试验用的钢材。
(表面硬化处理)
氮化处理：在氨气(NH3)气氛下对钢材进行540～550℃×72hr处理。
渗碳氮化处理：在甲烷等碳氢化合物气体气氛下，在950℃×50hr的渗碳处理后，在此冷却过程中流通500℃×3hr氨气(NH3)而进行氮化处理。
(旋叶片与盘型滑动试验)
以上述得到的试验用的钢材(盘1A形状)作为滑动对手材，通过图1所示的圆盘型的旋叶片2A，在CVT油中进行旋叶片与盘型的滑动磨耗 试验。然后，测定油中摩擦系数(在润滑油中的摩擦系数)。另外，测定盘1A侧和旋叶片2A侧的磨耗料量。
旋叶片2A使用SK5(硬度：HRC57～59，前端R4mm，镜面化)。滑动试验条件为，载荷为100N进行300m滑动后，将载荷提高到500N使之滑动1000m。滑动速度恒定为0.7mm/s，作为市场销售CVT油，使用温度100℃的日产汽车纯正油，(商品名：NS2)。
(摩擦系数测定)
对滑动试验结束前50m的盘1A的摩擦系数μ进行平均化处理并计算。在摩擦系数μ的测定中，使用社钢造机社制，自动摩擦系数测定装置(商品名：3销型油中基础滑动磨耗试验机)。
(磨耗量测定)
旋叶轮磨耗量是在滑动试验结束后，测定前端磨耗宽度的平均值，换算成比磨耗量而计算。盘磨耗量是在滑动试验结束后，以触针式粗糙度计测定滑动痕迹的磨耗断面积4处并平均化。
(摩擦系数，耐磨耗性的评价)
磨擦系数、耐磨耗性的评价，是以对作为现行材的SCR420材进行了同样地表面硬化处理的为基准，进行比较。即，即使耐磨耗性与现行材SCR420材同等或提高，而摩擦系数与现行材SCR420材同等或较之低的例子仍评价为×。另外，耐磨耗性与现行材SCR420材同等或提高，摩擦系数比现行材SCR420材高的例子评价为○。然后，在此○之内摩擦系数提高到0.120以上的例子评价为◎。
(表面硬度)
用松泽精机社制的显微维氏硬度计(商品名“微小硬度计”)，施加10g的载荷，测定3处上述得到的试验用的钢材表面(硬化层表面，滑动试验前)的硬度，硬度HV为它们的平均值。
(表面硬化层的氮量)
通过EPMA定量分析表面硬化层表面的氮浓度(at.％)。EPMA的测定条件为，加速电压：10kV，电流：2～5x10-8A，测定区域：100μm边。测定在3处进行，氮浓度为其平均。表面硬化层的Mn和Cr的含量通过与母材的Mn和Cr的含量相同的发射光谱分析进行。测定在3处进行， 含量为其平均。
由表1可知，发明例1～22具有本发明的范围内的成分组成，含有规定量的Mn或Mn和Cr，在该钢材表面，具有含有规定量的Mn或Mn和Cr，并且具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表面硬化层。发明例的表面硬化层，氮含量为3～25at.％的范围。而且，发明例的表面硬化层，表面硬度为Hv750～950的范围。
其结果是，发明例1～22，其表面硬化层的摩擦系数为0.115以上，能够高于现行材(比较例23、24)的摩擦系数，耐磨耗性也能够维持在大体同等水平或有所改善。其中，特别是发明例3、17，其Mn含量为3质量％，与Mn含量低于此或超过它的其他发明例相比，具有表面硬化层的摩擦系数高达0.120的摩擦系数。另外，Mn含量为3质量％、不含Cr的发明例20，摩擦系数也比较高。由这一点可知，表面硬化层的摩擦系数提高效果，不会与Mn含量成比例提高，而是在Mn含量为3质量％附近显示出极大值。
还有，相对于现行材(比较例23、24)的摩擦系数0.114，仅仅使摩擦系数提高0.001(摩擦系数仅为0.115)，就能够提高带式CVT用带轮的动力传递的效率。这一点意味着，相对于现行材(比较例23、24)的摩擦系数0.114，发明例3、17将摩擦系数高达0.120，提高了0.006，从而能够显著地提高带式CVT用带轮的动力传递的效率(动力传递性能)。
相对于此，现行材(比较例23、24)其验能够提高耐磨耗性，也不能提高表面硬化层的摩擦系数，不能兼具这两种特性。这一点与Mn含量过少的比较例25、26，相反Mn含量过多的比较例27、28相同。
因此，由这些结果证明了本发明的带式CVT用带轮的钢材要件的意义。
[表1]
虽然详细地并参照特定的实施方式说明了本发明，但从业者都明白，能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种变更和修正。本申请基于2006年8月30日申请的日本专利申请(特愿2006-234055)，其内容参照于此并有所吸收借鉴。
产业上的利用可能性
如以上说明的，根据本发明，能够提供一种兼具两种行性的带轮，其可满足作为带式CVT所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持的要求课题。

Claims (5)

1.一种无极变速器用带轮，是在带轮与单元间进行动力传递的无级变速器的带轮，其特征在于，由如下的钢材构成：该钢材含有C：0.1～0.3质量％、Si：0.1～0.5质量％、Mn：1～10质量％、Cr：6～20质量％，余量是Fe和不可避免的杂质，并且，在该钢材表面具有表面硬化层，该表面硬化层是含1～10质量％的Mn和6～20质量％的Cr并具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化层的任一种。
2.根据权利要求1所述的无极变速器用带轮，其特征在于，所述表面硬化层的氮含量为3～25at.％。
3.根据权利要求1或2所述的无极变速器用带轮，其特征在于，所述表面硬化层的表面硬度为Hv750～950。
4.根据权利要求1或2所述的无极变速器用带轮，其特征在于，所述表面硬化层的摩擦系数为0.115以上。
5.根据权利要求3所述的无极变速器用带轮，其特征在于，所述表面硬化层的摩擦系数为0.115以上。
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