CN104220608A - 环形金属环的制造方法及制造装置以及环形金属环 - Google Patents

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Abstract

环形金属环的制造方法将由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件，切断为规定宽度的环形体来制造所述环形金属环，在环状部件的外周形成熔融/凝固层，并且熔融/凝固层在环形体的周向上连续地相连。

Description

环形金属环的制造方法及制造装置以及环形金属环
技术领域
本发明涉及车辆的无级变速器的动力传递所使用的环形金属环的制造方法及其制造装置以及环形金属环。
背景技术
搭载于车辆的无级变速器，例如使用环形金属带在驱动轴带轮与从动轴带轮之间进行回转动作的带式无级变速器，该环形金属带通过在多个被层叠的环形金属环上卡合多个构件而构成。该无级变速器与改变齿轮的组合来进行变速的多级变速器不同，能够连续且无级地变更变速比，因此，燃料消耗性能好，但近年来，存在以进一步提高燃料消耗性能为目的而使变速比幅度扩大的倾向。然而，若变速比幅度被扩大，则向带施加的负荷上升，因此，需要强度比当前强度更高的高强度的环形金属环。
通常，作为环形金属环所使用的材料，公知有具有优异的强度特性的马氏体时效钢(maraging steel)。为了提高该马氏体时效钢的环形金属环的强度(尤其是疲劳强度)，公开有如下技术：通过在比约750℃的奥氏体化开始温度低的特定的温度范围(约500～750℃左右)进行加热，来生成逆相变奥氏体相(例如参照专利文献1、2)。
另一方面，作为马氏体时效钢的环形金属环在超高周区域(VeryHigh Cycle Region)(超过10的7次方的区域)使得疲劳极限降低的原因，以内部的夹杂物(TiN等)为起点这种情况是已知的。因此，公开有如下技术：在真空感应电炉内使不包含TiN类夹杂物的含Ti钢(例如马氏体时效钢)用原材料熔化，将铸造成的含Ti钢材作为电极利用真空电弧熔化法再熔化，从而使TiN类夹杂物微细化(例如参照专利文献3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-3946号公报
专利文献2：日本特开2004-315875号公报
专利文献3：日本特开2001-214212号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，如专利文献1、2的技术那样，若大量(15～25体积％或25～35体积％)地生成逆相变奥氏体相，则在拉伸试验中延伸率增加但屈服强度降低，因此，高负荷下的疲劳寿命明显降低。例如如《材料》((J.Soc.Mat.Sci.,Japan),Vol.44,No.497,pp.181-186,Feb.1995)中刊登的论文“逆相变奥氏体对18％Ni马氏体时效钢的疲劳特性的影响”所记载的那样，在马氏体时效钢中，逆相变奥氏体使疲劳强度提高2～3体积％左右。
然而，为了利用逆相变将残留奥氏体量稳定地控制在2～3体积％左右，需要使时效温度在480℃附近保持100小时以上或者在530℃左右保持7小时以上，无论哪种情况生产率都大大降低。另外，若设为600℃左右的高温，则也可以进行短时间处理，但存在如下问题：即便在相同的氮化条件下进行处理，也会导致氮化状态产生偏差或奥氏体量产生偏差而难以得到稳定的强度保证。
另外，如专利文献3的技术那样，在利用真空电弧熔化法进行再熔化的量产设备中，冷却速度通常较慢，因此，难以使非金属夹杂物的尺寸稳定地微细化到不易成为疲劳破坏的起点这种程度的大小即约7μm以下。在利用真空电弧熔化法进行再熔化的量产设备中，为了提高冷却速度，减少熔化的量即可，但生产率大幅降低，因此，并不现实。另外，使用不包含非金属夹杂物的高品质的原料从成本方面来看并不优选。
本发明为了解决上述问题点而作出，其目的在于提供一种环形金属环的制造方法及制造装置以及环形金属环，可以确保规定的残留奥氏体量并使非金属夹杂物微细化来提高疲劳强度而不会阻碍生产率。
用于解决课题的方案
(1)用于解决上述课题的本发明一方案的环形金属环的制造方法是将由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件切断为规定宽度的环形体来制造环形金属环的制造方法，其特征在于，在所述环状部件的外周形成熔融/凝固层，并且所述熔融/凝固层在所述环形体的周向上连续地相连。
根据上述方案，在由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件的外周形成熔融/凝固层，因此，在熔融/凝固层，熔点比其他合金元素高的钼(Mo)优先凝固而形成偏析部。由于钼是奥氏体稳定化元素，因此，在钼偏析部中，在本来应转变为马氏体的部位奥氏体相大量残留。
另外，熔融/凝固层在环形体的周向上连续地相连，因此，在环形体上，钼偏析部在周向上连续地形成。即，因钼偏析部而残留的残留奥氏体相在环形体的周向上连续地形成。奥氏体在从外部被施加压力时，一部分转变为马氏体(形变诱发马氏体)，但此时晶体结构从面心立方晶格变化为体心立方晶格，体积膨胀。因此，压缩应力作用于容易产生裂纹的晶界。其结果是，可以抵抗外部应力而抑制裂纹的加剧。此时的残留奥氏体量优选为对于疲劳特性是有效的2～3体积％左右，在本发明中可以实现。因此，即便恒定的应力振幅反复作用于利用上述方法制造的环形金属环，上述环形金属环也可以使疲劳寿命大幅提高。
(2)在(1)所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述熔融/凝固层通过对所述环状部件的外周局部地进行加热、冷却而形成。
根据上述方案，熔融/凝固层通过对环状部件的外周局部地进行加热、冷却而形成，因此，可以形成钼偏析部而不会使环状部件的形状崩溃变形。
另外，由于是局部性的加热、冷却，所以，熔融/凝固层在熔融后立刻被冷却。因此，虽然原料中包含的TiN等非金属夹杂物在熔融过程中被分解，但由于凝固过程中的冷却速度快，因此，非金属夹杂物的再结晶的生长被抑制，可以促进微细化。由于非金属夹杂物的微细化被促进，因此，可以抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。因此，可以使环形金属环的疲劳寿命进一步提高。
在该情况下，由于是局部性的加热、冷却，因此，不需要进行专利文献3的技术那样的在原料制造工序中的再熔化，对生产率的影响少。而且，对纯度高的原料的限制也减少，从而也能够有助于降低成本。另外，根据需要，在熔融/凝固工序之后进行固溶(退火)热处理，从而也可以实现钼偏析部内的钼的均匀化。
(3)在(1)或(2)所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述熔融/凝固层通过对所述环状部件的外周呈螺旋状或圆环状地进行加热、冷却而形成。
根据上述方案，熔融/凝固层通过对环状部件的外周呈螺旋状或圆环状地进行加热、冷却而形成，因此，通过任意设定螺旋或圆环的宽度以及进给节距，可以将熔融/凝固层形成于环状部件的整周或形成于在周向上连续的一部分。例如，通过使螺旋或圆环的宽度以及进给节距为环形体的宽度以内，可以在环形体的外周形成至少一圈熔融/凝固层。因此，既可以在环形体的整周形成钼偏析部，也可以仅在欲强化的部位形成钼偏析部。其结果是，可以在周向的规定宽度大致相等地确保规定的残留奥氏体量，从而可以提高环形金属环的疲劳强度。
(4)在(3)所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述熔融/凝固层形成在所述环形体的轴向端部。
根据上述方案，由于熔融/凝固层形成在环形体的轴向端部，因此，可以在环形体的轴向端部在周向上大致相等地确保规定的残留奥氏体量。与环形金属环的轴向中央部相比，在将环形金属环用于无级变速器时的应力振幅更大地作用于轴向端部。因此，通过在应力振幅较大地作用的环形金属环的轴向端部在周向上大致相等地确保规定的残留奥氏体量，从而可以有效地提高环形金属环的疲劳强度。
(5)在(1)或(2)所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述熔融/凝固层通过使在轴向上对所述环状部件的外周进行加热、冷却而形成的多个线状熔融/凝固层的邻接的所述线状熔融/凝固层彼此连续而形成。
根据上述方案，熔融/凝固层通过使在轴向上对环状部件的外周进行加热、冷却而形成的多个线状熔融/凝固层的邻接的所述线状熔融/凝固层彼此连续而形成，因此，可以在环状部件的整个外周大致相等地确保规定的残留奥氏体量。因此，在被切断为规定宽度而形成的环形体的整周，可以大致相等地确保规定的残留奥氏体量。在此，在使邻接的线状熔融/凝固层彼此连续而形成的情况下，只要环状部件的外周侧连续即可，内周侧不一定连续。这是因为：在将环形金属环用于无级变速器时，相比环形金属环的内周侧，应力振幅更大地作用于外周侧。
(6)在(2)至(5)中任一项所述的环形金属环的制造方法中，优选为，强制地进行所述冷却。
根据上述方案，由于强制地进行冷却，因此，可以缩短凝固时间，可以在维持环状部件的外形形状、厚度的同时形成熔融/凝固层。另外，由于凝固过程中的TiN等的再结晶速度快，因此，非金属夹杂物的生长被抑制，可以进一步促进微细化。由于非金属夹杂物的微细化进一步被促进，因此，可以进一步抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。因此，可以使环形金属环的疲劳寿命进一步提高。
(7)在(2)至(6)中任一项所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述加热是激光加热或等离子体加热。
根据上述方案，由于加热是激光加热或等离子体加热，因此，热输入密度高，即便是含有高熔点的合金元素(例如，钼)的合金钢，熔融速度也快，从而可以在短时间内在由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件的外周形成熔融/凝固层。因此，不会阻碍环形金属环的生产率。而且，由于激光加热或等离子体加热是局部性的加热、冷却，因此，非金属夹杂物的微细化被促进，可以抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。
(8)在(1)至(7)中任一项所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述环状部件通过将由所述马氏体时效钢构成的板材的端部彼此接合而形成。
根据上述方案，由于环状部件通过将由马氏体时效钢构成的板材的端部彼此接合而形成，因此，可以简单地制作任意外径的环状部件。接合方法除激光焊接或等离子焊接之外还包括扩散接合等。
(9)在(1)至(8)中任一项所述的环形金属环的制造方法中，优选为，所述环状部件通过对所述马氏体时效钢的钢坯进行挤压成形而形成。
根据上述方案，由于环状部件通过对马氏体时效钢的钢坯进行挤压成形而形成，因此，可以制作无接缝的环状部件。由于形成由含有钼的马氏体时效钢构成的无接缝的环状部件，因此，在通过熔融/凝固而形成的钼偏析部，残留奥氏体在周向上以更均等的量连续地残留。
(10)用于解决上述课题的本发明的其他方案的环形金属环的制造装置是在(1)至(9)中任一项所述的环形金属环的制造方法中使用的环形金属环的制造装置，其特征在于，具有：将所述环状部件以能够向周向旋转的方式保持的保持装置；以及与所述环状部件的外周面相对的局部加热装置。
根据上述方案，只要是具有将环状部件以能够向周向旋转的方式保持的保持装置以及与环状部件的外周面相对的局部加热装置这种程度即可，因此，可以通过简单的装置在短时间内在环状部件的外周连续地形成熔融/凝固层。例如在呈螺旋状或圆环状地形成熔融/凝固层时，保持装置使环状部件连续地旋转，在形成多个线状熔融/凝固层时，保持装置使环状部件间歇性地旋转。环状部件向轴向的移动可以由保持装置来进行。另外，也可以不使环状部件在轴向上移动而使局部加热装置的焰炬移动或使其摇摆。
(11)用于解决上述课题的本发明的其他方案的环形金属环是用于车辆用无级变速器的环形金属环，其特征在于，所述环形金属环由含有钼的低碳合金钢构成，环形体的整周或在周向上连续的一部分熔融、凝固。
根据上述方案，环形金属环用于车辆用无级变速器，环形金属环由含有钼的低碳合金钢构成，环形体的整周或在周向上连续的一部分熔融、凝固，因此，在环形金属环的整周或在周向上连续的一部分形成有钼偏析部。由于钼是奥氏体稳定化元素，因此，在钼偏析部中，奥氏体相大量残留。奥氏体在从外部被施加应力时转变为马氏体(形变诱发马氏体)。此时，晶体结构从面心立方晶格变化为体心立方晶格。在从面心立方晶格变化为体心立方晶格时，晶体的体积膨胀，因此，作为压缩应力而作用于容易产生裂纹的晶界。因此，可以抵抗外部应力而抑制裂纹的加剧。其结果是，即便恒定的应力振幅反复作用于环形金属环，也可以使疲劳寿命提高。另外，由于是低碳合金钢，因此，热相变马氏体的形成少，所以，可以避免硬度过度上升，并可以维持规定的延伸率。因此，根据本发明的其他方案的结构，可以在维持规定的硬度和延伸率的同时在环形金属环的周向上连续地确保规定的残留奥氏体量，可以提高针对在周向上反复进行作用的应力振幅的疲劳强度。
(12)在(11)所述的环形金属环中，优选为，所述低碳合金钢是马氏体时效钢。
根据上述方案，由于低碳合金钢是马氏体时效钢，因此，通过时效处理可以确保优异的强度特性。
发明的效果
根据本发明，可以确保规定的残留奥氏体量并使非金属夹杂物微细化来提高疲劳强度而不会阻碍生产率。
附图说明
图1是本发明的实施方式的环形金属环的制造工序。
图2是图1所示的制造工序中的、熔融/凝固工序的详细图。
图3是图1所示的制造工序中的、熔融/凝固工序的详细图。
图4是图1所示的制造工序中的、熔融/凝固工序的详细图。
图5是通过图1所示的熔融/凝固工序而形成在环状部件上的熔融/凝固层的示意剖视图。
图6是通过图1所示的熔融/凝固工序而形成在环形体的轴向端部的熔融/凝固层的示意剖视图。
图7是表示图1所示的各制造工序中的残留奥氏体量的曲线图表。
图8是表示图1所示的制造工序中的、熔融/凝固工序的前后的非金属夹杂物的尺寸的柱状图表。
图9是表示由图1所示的制造工序制成的环形金属环的疲劳寿命的图表(S-N线图)。
图10是由图1所示的制造工序制成的环形金属环的整体图。
具体实施方式
接着，参照附图详细说明本发明的环形金属环的制造方法及制造装置以及环形金属环的实施方式。图1表示本发明的实施方式即环形金属环的制造工序。图2～图4表示图1所示的制造工序中的、熔融/凝固工序的详细图。图5表示通过图1所示的熔融/凝固工序而形成在环状部件上的熔融/凝固层的示意剖视图。图6表示通过图1所示的熔融/凝固工序而形成在环形体的轴向端部的熔融/凝固层的示意剖视图。
<环形金属环的制造工序>
如图1所示，环形金属环的制造工序具有：(a)环状部件的形成工序、(b)接合工序、(c)熔融/凝固工序、(d)固溶1(退火)工序、(e)环切断工序、(f)轧制工序、(g)固溶2工序、(h)周长调节工序、(i)时效/氮化处理工序。在此，以作为本发明的特征的(a)环状部件的形成工序、(b)接合工序、(c)熔融/凝固工序为中心进行说明，其他的工序在必要的范围内进行说明。
(a)环状部件的形成工序是形成在轴向上具有规定的长度且在轴向上敞开的筒状体的工序。环状部件的形成工序包括：将卷材状的带钢切断后进行弯曲加工的切断/弯曲方法、对规定的钢坯进行挤压成形的挤压成形方法、将管状的钢管切断的管切断方法等。例如，在图1(a)所示的切断/弯曲方法中，将带状的马氏体时效钢板Z从卷材放出并切断为规定尺寸的片材ZS之后，将端部彼此对接地进行弯曲加工。弯曲加工使用辊或金属模进行。另外，在挤压成形方法(未图示)中，将钢坯制成中空的形状并插入到挤压成形模模体中，插入芯轴(芯棒)并利用滑枕(ram)进行推压，从模具的开口部挤压成形环状部件。此时，优选为，将钢坯以及滑枕等加热到1000～1300℃左右进行成形。这是为了提高钢坯的塑性流动性以便能够降低挤压载荷。
环状部件1的厚度为0.4～0.5mm左右。另外，环状部件1的直径为约100～200mm左右。在本实施方式中使用的马氏体时效钢一定包含铁、镍、钼，可以根据需要应用添加钴、钛、铝等。另外，马氏体时效钢中的镍的含量不限于18重量％，也可以是20～25重量％左右。钼的含量优选至少为3重量％以上。这是因为：若使镍增加，虽然容易形成奥氏体相，但若未在一定程度含有熔点比其他合金元素的熔点高的钼，则在凝固过程中难以形成钼偏析部。
(b)接合工序是在环状部件的形成工序使用了切断/弯曲方法的情况下将端部彼此接合的工序。接合方法包括将端部熔融的焊接方法、除去端部的氧化覆膜进行扩散接合的方法等。在图1(b)所示的焊接方法中，使焊接装置2与环状部件1的对接部13相对，使环状部件1或焊接装置2的焊炬在轴向(箭头F的方向)上移动来进行对焊。焊接装置2例如应用能够使焊接部局部地熔融的激光焊接装置或等离子焊接装置。焊接部21从环状部件1的外周面贯通至内周面而形成。若在焊接部21与母材部22之间的边界产生收缩(shrinkage)，则成为强度降低的原因，因此，选定不产生收缩的焊接条件(焊点直径、焦距、焊接速度等)。另外，在环状部件的形成工序使用挤压成形方法、管切断方法的情况下，当然省略接合工序。
(c)熔融/凝固工序是如下的工序：使局部加热装置3与环状部件1的外周上方相对，从环状部件1的外周面侧进行加热、冷却，从而在环状部件1的外周连续地形成熔融/凝固层4(41、42、43)。如图2～图4所示，熔融/凝固层的形成方法包括各种方法。局部加热装置3优选焊接装置2所使用的激光焊接装置或等离子焊接装置。除由设备的通用化带来的成本降低之外，还可以将熔融/凝固层4中的钼偏析部形成为与焊接部21大致相同程度，因此，可以使钼偏析部中的偏析量在周向上大致均匀化。
如图2～图4所示，局部加热装置3具有加热焰炬31和冷却喷嘴32。加热焰炬31从环状部件1的外周在法线方向上离开规定的距离而与环状部件1的外周相对。加热焰炬31的热输入直径优选为比焊接时大。这是因为：在焊接时，将具有稍微的间隙的对接部13熔融，因此，熔融金属的滴下、烧穿成为问题，但在熔融/凝固层4中，该问题少，也可以缩短加工时间。但是，若使加热焰炬31的热输入直径过大，则环状部件1的形状崩溃变形，因此，选定不会因连续地进行熔融/凝固而产生形状崩溃变形这种程度的热输入直径。
如图2～图4所示，在局部加热装置3，与加热焰炬31邻接地在进给方向后部具有冷却喷嘴32。冷却喷嘴32倾斜成使其下端靠近加热焰炬31。从冷却喷嘴32喷射压缩空气或氮气、氩气等惰性气体以便对利用加热焰炬31使其熔融了的部位迅速进行强制冷却。
另外，进行强制冷却的方法，除利用上述冷却喷嘴32的方法之外，也包括从环状部件1的内径侧进行冷却的方法。例如，包括在保持环状部件1的内径侧的保持装置7上设置使冷却水循环的循环管(未图示)的方法。另外，在来自加热焰炬31的输入热量少的情况下，也可以不进行强制冷却而进行自冷却。
图2所示的方法是形成沿着环状部件1的轴向延伸的线状熔融/凝固层41的方法。通过使保持环状部件1的保持装置7在轴向(箭头F的方向)上移动，线状熔融/凝固层41自环状部件1的前端连续地形成至后端。线状熔融/凝固层41以在周向上邻接的线状熔融/凝固层41彼此连续的方式重叠而形成。为了使邻接的线状熔融/凝固层41彼此重叠，保持装置7在每次形成一条线状熔融/凝固层41时，使环状部件1绕周向旋转恒定的角度。另外，通过将线状熔融/凝固层41形成在环状部件1的轴对称位置(旋转了180度的位置)，从而也可以使得线状熔融/凝固层41难以受到邻接的线状熔融/凝固层41中的热输入温度的影响。
图3所示的方法是在环状部件1的轴向上以规定的间隔形成多个圆环状熔融/凝固层42的方法。各圆环状熔融/凝固层42通过使保持环状部件1的保持装置7的旋转轴绕周向(箭头R的方向)转一圈而形成。当在图1(b)接合工序中使用了焊接方法的情况下，圆环状熔融/凝固层42与在轴向上延伸的焊接部21交叉。此时，由于焊接部21再次熔融、凝固，因此，在圆环状熔融/凝固层42形成在周向上连续的钼偏析部。圆环状熔融/凝固层42既能够以邻接的圆环状熔融/凝固层42彼此重叠的方式在整周形成，也可以限定欲强化的部位而形成。
图5(图3的Q-Q截面)示意性表示邻接的圆环状熔融/凝固层42彼此重叠的状态。如图5所示，圆环状熔融/凝固层42从环状部件1的外周面11贯通至内周面12而形成。局部加热装置3以与环状部件1的外周上方相对的状态进行加热，因此，圆环状熔融/凝固层42的环状部件1的外周侧A1增大、内周侧A2减小。此时，设定进给节距P以使邻接的圆环状熔融/凝固层42彼此的重叠量B至少在外周侧A1重叠。这是因为：在作为环形金属环10(参照图10)使用时，作用于环形金属环10的外周侧的应力振幅比作用于内周侧的应力振幅大，容易给疲劳强度带来影响。
图6(图3的Q-Q截面)示意性表示未使邻接的圆环状熔融/凝固层42彼此重叠而限定于欲强化的部位来形成的状态。如图6所示，圆环状熔融/凝固层42形成在后述的环形体5的轴向端部53。这是因为：在作为环形金属环10(参照图10)使用时，作用于环形金属环10的轴向端部53的应力振幅比作用于轴向中央部的应力振幅大，容易给疲劳强度带来影响。即便在该情况下，圆环状熔融/凝固层42也从环形体5的外周51贯通至内周52而形成。也可以在该轴向端部53形成圆环状熔融/凝固层42的同时切断环形体5。例如，存在一边向激光焊接装置供给辅助气体一边同时进行轴向端部53的熔融/凝固和切断的方法。
图4所示的方法是形成沿着环状部件1的外周延伸的螺旋状熔融/凝固层43的方法。螺旋状熔融/凝固层43通过使保持环状部件1的保持装置7的旋转轴绕周向(箭头R的方向)旋转的同时在轴向上以进给速度V进行移动，从而在环状部件1的外周形成为螺旋状。关于螺旋状熔融/凝固层43，既能够以邻接的螺旋状熔融/凝固层43彼此重叠的方式在整周形成，也可以限定于欲强化的部位而形成。使邻接的螺旋状熔融/凝固层43彼此重叠的想法与圆环状熔融/凝固层42的情况相同(参照图5)。另外，未使邻接的螺旋状熔融/凝固层43彼此重叠而限定于欲强化的部位来形成的想法也基本上与圆环状熔融/凝固层42的情况相同(参照图6)。但是，当在环形体5的轴向端部53形成螺旋状熔融/凝固层43时，需要使局部加热装置3在与环形体5的轴向端部53对应的位置进行使轴向的进给速度V大致为零的不规则的轴向进给。
图1所示的(d)固溶1(退火)工序是使在对环状部件1进行焊接、熔融/凝固的过程中环状部件1局部变硬了的硬度均质化的工序。因此，固溶1(退火)工序根据需要进行即可。另外，(e)环切断工序是考虑下一个轧制工序中的延伸率而切断为作为环形金属环10使用的宽度的工序。另外，(f)轧制工序是对切断为规定宽度的环形体进行轧制以使其成为作为轧制环形体6所需的规定长度的工序。通过进行轧制，硬度也上升。另外，(g)固溶2工序是使轧制环形体6的轧制组织再结晶而恢复因轧制而变形了的金属晶粒形状的工序。另外，(h)周长调节工序是进行轧制环形体6所需的周长修正以便形成多个进行层叠的环形金属环10的工序。另外，(i)时效/氮化处理工序是如下的工序：针对进行了周长修正的轧制环形体6，通过时效处理来确保规定的硬度并且通过氮化处理来形成均匀的氮化层。从(d)固溶1(退火)工序起到(i)时效/氮化处理工序为止的工序是以往公知的，因此，省略详细的说明。
图10表示由上述制造工序制成的环形金属环10。如图10所示，在多个被层叠的环形金属环10上卡合多个构件(element)9，从而构成环形金属带100。环形金属带100起到在驱动侧的驱动轴带轮C1与从动侧的从动轴带轮C2之间传递驱动力的作用。因此，环形金属环10在通过各带轮C1、C2通过时反复产生弯曲变形，反复的拉伸应力进行作用。
以下对由上述制造工序制成的环形金属环10与由以往的制造工序制成的环形金属环相比疲劳强度如何提高的机理进行说明。
<残留奥氏体的增加>
针对利用以下成分的马氏体时效钢通过上述制造工序制成的环形金属环，测定了各工序中的奥氏体量。图7示出表示图1所示的各制造工序中的残留奥氏体量的曲线图表。横轴中的附图标记(a)～(i)是上述的各制造工序。纵轴是以体积％表示残留奥氏体量的值。残留奥氏体量使用X射线衍射仪对金属晶体结构进行分析来测定。
马氏体时效钢的合金成分比率(重量％)为：镍(Ni)为18％左右、钴(Co)为9％左右、钼(Mo)为5％左右、钛(Ti)为0.45％左右、铝(Al)为0.1％左右、碳(C)为0.03％以下。
如图7所示，在以往的制造工序中，奥氏体量大致恒定而未看到增加。相比之下，在本发明的实施方式的制造工序中，在(c)熔融/凝固工序中，奥氏体量增加到约2倍，在(f)轧制工序中暂时降低，但在(g)固溶2工序中回到原来增加的奥氏体量，此后并未特别变动。
上述情况可认为是：在熔融/凝固过程中引起合金成分的偏析(主要是钼)，从而使得奥氏体在该偏析部稳定化，即便在回到常温时也不转变为马氏体而以奥氏体的形态残留。此时的残留奥氏体量为约3体积％。残留奥氏体量为约2～3体积％的值是可以期待疲劳强度的显著提高的值。另外，在(f)轧制工序中，以约50％左右的压下率进行轧制，因此，亚稳态奥氏体相的马氏体化推进，因此，被认为奥氏体量临时减少。
<非金属夹杂物(inclusion)的降低>
接着，在(c)熔融/凝固工序的前后，对作为非金属夹杂物的TiN测定了夹杂物尺寸。图8示出表示图1所示的制造工序中的熔融/凝固工序的前后的非金属夹杂物的尺寸的柱状图表。在从(d)固溶1(退火)工序起到(i)时效/氮化处理工序为止的工序中，TiN夹杂物尺寸不变，因此，该测定结果可以解释为是环形金属环10中的TiN夹杂物尺寸。另外，马氏体时效钢的合金成分比率(重量％)与上述测定了残留奥氏体量时的合金成分比率相同。
TiN夹杂物尺寸如下进行测定：选取5克材料，在酸中溶解之后，用电子显微镜观察利用3μm的过滤器进行了过滤后的材料来进行测定。针对该测定结果，使用极值统计方法推定最大夹杂物尺寸。
图8所示的以往的夹杂物尺寸是从(c)熔融/凝固工序之前的材料采集的最大夹杂物尺寸，约为5.8μm。相比之下，本发明的实施方式的夹杂物尺寸是从(c)熔融/凝固工序之后的材料采集的最大夹杂物尺寸，约为3.6μm。这样，可以判明最大夹杂物尺寸通过(c)熔融/凝固工序大幅减少。由此，抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏的效果大这种情况是很明显的。
这次最大夹杂物尺寸大幅减少的理由可以推定为：在前述(c)熔融/凝固工序中，原料中包含的TiN等非金属夹杂物熔融时分解，因是局部熔融，故通过自冷却或强制冷却被急冷，从而抑制了凝固过程中的再结晶时的生长。
<疲劳强度的提高>
接着，针对由上述制造工序制成的环形金属环10，说明利用环单体进行了疲劳试验(专用试验)的结果。图9示出表示由图1所示的制造工序制成的环形金属环的疲劳寿命的图表(S-N线图)。纵轴表示负荷应力(应力振幅)，横轴表示直至破断为止的重复次数。横轴是对数标度。
如图9所示，由本发明的实施方式的制造方法制成的环形金属环10相比以往的环形金属环，疲劳寿命增加到约2～3倍。即便负荷应力(应力振幅)增加，上述倾向也不变。因此，在近年来以进一步提高燃料消耗性能为目的而扩大无级变速器中的变速比幅度的情况下，也可以说是非常有效的。
<疲劳强度提高的机理>
根据上述内容，对提高了环形金属环10的疲劳强度的机理进行整理，则如下所述。即，环形金属环10由含有钼的低碳合金钢(马氏体时效钢)构成，在环形体5的整周或在周向上连续的一部分，熔点高的钼优先凝固而形成钼偏析部。在钼偏析部中，奥氏体相大量残留。奥氏体在外部应力的作用下使得一部分奥氏体转变为马氏体(形变诱发马氏体)。此时，晶体结构从面心立方晶格变化为体心立方晶格，体积膨胀，因此，作为压缩应力而作用于容易产生裂纹的晶界，可以抵抗外部应力而抑制裂纹的加剧。即，在形成于熔融/凝固层4(41、42、43)的钼偏析部中残留的奥氏体相起到抑制裂纹加剧的效果。
另外，在通过局部加热来形成熔融/凝固层4(41、42、43)时，原料中包含的TiN等非金属夹杂物在被急冷的凝固过程被微细化。由于非金属夹杂物被微细化，因此，可能成为内部裂纹的起点的非金属夹杂物大幅减少。即，通过局部加热而形成的熔融/凝固层4(41、42、43)也起到减少在超高周区域(超过10的7次方的区域)中以夹杂物为起点的效果。
根据以上说明，由在整周或在周向上连续的一部分形成有熔融/凝固层4(41、42、43)的环形体5制成的环形金属环10，形成奥氏体相大量残留的钼偏析部，并且，减少可能成为裂纹起点的非金属夹杂物，从而使得疲劳强度大幅提高。
<作用效果>
如以上已详细说明的那样，根据本实施方式的环形金属环10的制造方法，在由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件1的外周形成熔融/凝固层4(41、42、43)，因此，在熔融/凝固层4(41、42、43)，熔点比其他合金元素的熔点高的钼(Mo)优先凝固而形成偏析部。由于钼是奥氏体稳定化元素，因此，在钼偏析部中，在本来应转变为马氏体的部位奥氏体相大量残留。
另外，熔融/凝固层4(41、42、43)在环形体5的周向上连续地相连，因此，在环形体5上，钼偏析部在周向上连续地形成。即，因钼偏析部而残留的残留奥氏体相在环形体5的周向上连续地形成。奥氏体在从外部被施加压力时，一部分转变为马氏体(形变诱发马氏体)，但此时晶体结构从面心立方晶格变化为体心立方晶格，体积膨胀。因此，压缩应力作用于容易产生裂纹的晶界。其结果是，可以抵抗外部应力而抑制裂纹的加剧。此时的残留奥氏体量优选为对于疲劳特性是有效的2～3体积％左右，在本发明中，实现了上述残留奥氏体量。因此，即便恒定的应力振幅反复作用于利用上述方法制造的环形金属环10，上述环形金属环10也可以使疲劳寿命大幅提高。
另外，根据本实施方式，由于熔融/凝固层4(41、42、43)通过对环状部件1的外周局部地进行加热、冷却而形成，因此，可以形成钼偏析部而不会使环状部件1的形状崩溃变形。
另外，由于是局部性的加热、冷却，因此，熔融/凝固层4(41、42、43)在熔融之后立刻被冷却。因此，虽然原料中包含的TiN等非金属夹杂物在熔融过程中被分解，但由于凝固过程中的冷却速度快，因此，非金属夹杂物的再结晶的生长被抑制，可以促进微细化。由于非金属夹杂物的微细化被促进，因此，可以抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。因此，可以使环形金属环10的疲劳寿命进一步提高。
在该情况下，由于是局部性的加热、冷却，因此，不需要进行专利文献3的技术那样的在原料制造中的再熔化，对生产率的影响少。另外，对纯度高的原料的限制也减少，从而也能够有助于成本降低。另外，根据需要，在熔融/凝固工序之后进行固溶(退火)热处理，从而也可以实现钼偏析部内的钼的均匀化。
另外，根据本实施方式，由于熔融/凝固层42、43通过对环状部件1的外周呈螺旋状或圆环状进行加热、冷却而形成，因此，通过任意设定螺旋或圆环的宽度以及进给节距，可以将熔融/凝固层42、43形成于环状部件1的整周或形成于在周向上连续的一部分。例如，通过使螺旋或圆环的宽度以及进给节距为环形体5的宽度以内，可以在环形体5的外周至少形成一圈熔融/凝固层42、43。因此，既可以在环形体5的整周形成钼偏析部，也可以仅在欲强化的部位形成钼偏析部。其结果是，可以在周向的规定宽度大致相等地确保规定的残留奥氏体量，从而可以提高环形金属环10的疲劳强度。
另外，根据本实施方式，熔融/凝固层42、43形成在环形体5的轴向端部53，因此，可以在环形体5的轴向端部53在周向上大致相等地确保规定的残留奥氏体量。与环形金属环10的轴向中央部相比，在将环形金属环10用于无级变速器时的应力振幅更大地作用于轴向端部53。因此，通过在应力振幅较大地作用的环形金属环10的轴向端部53在周向上大致相等地确保规定的残留奥氏体量，从而可以有效地提高环形金属环10的疲劳强度。
另外，根据本实施方式，熔融/凝固层4通过使在轴向上对环状部件1的外周进行加热、冷却而形成的多个线状熔融/凝固层41的邻接的线状熔融/凝固层41彼此连续而形成，因此，可以在环状部件1的整个外周大致相等地确保规定的残留奥氏体量。因此，在被切断为规定宽度而形成的环形体5的整周，可以大致相等地确保规定的残留奥氏体量。在此，在使邻接的线状熔融/凝固层41彼此连续而形成的情况下，只要环状部件1的外周侧连续即可，内周侧不一定连续。这是因为：在将环形金属环10用于无级变速器时，相比环形金属环10的内周侧，应力振幅更大地作用于外周侧。
另外，根据本实施方式，由于强制地进行冷却，因此，可以缩短凝固时间，可以在维持环状部件1的外形形状、厚度的同时形成熔融/凝固层4(41、42、43)。另外，由于凝固过程中的TiN等的再结晶速度快，因此，非金属夹杂物的生长被抑制，可以进一步促进微细化。由于非金属夹杂物的微细化进一步被促进，因此，可以进一步抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。因此，可以使环形金属环10的疲劳寿命进一步提高。
另外，根据本实施方式，由于加热是激光加热或等离子体加热，因此，热输入密度高，即便是含有高熔点的合金元素(例如，钼)的合金钢，熔融速度也快，从而可以短时间内在由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件1的外周形成熔融/凝固层4(41、42、43)。因此，不会阻碍环形金属环10的生产率。另外，由于激光加热或等离子体加热是局部性的加热、冷却，因此，非金属夹杂物的微细化被促进，可以抑制以夹杂物为起点的疲劳破坏。
另外，根据本实施方式，由于环状部件1通过将由马氏体时效钢构成的板材的端部彼此接合而形成，因此，可以简单地制作任意外径的环状部件1。接合方法除激光焊接或等离子焊接之外还包括扩散接合等。
另外，根据本实施方式，由于环状部件1通过对马氏体时效钢的钢坯进行挤压成形而形成，因此，可以制作无接缝的环状部件1。由于形成由含有钼的马氏体时效钢构成的无接缝的环状部件1，因此，在因熔融/凝固而形成的钼偏析部，残留奥氏体在周向上以更均等的量连续地残留。
另外，根据本发明的其他实施方式，只要是具有将环状部件1以能够向周向旋转的方式保持的保持装置7以及与环状部件1的外周面相对的局部加热装置3这种程度即可，因此，可以通过简单的装置在短时间内在环状部件1的外周连续地形成熔融/凝固层4(41、42、43)。例如在呈螺旋状或圆环状地形成熔融/凝固层42、43时，保持装置7使环状部件1连续地旋转，在形成多个线状熔融/凝固层41时，保持装置7使环状部件1间歇性地旋转。环状部件1向轴向的移动可以由保持装置7来进行。另外，也可以不使环状部件1在轴向上移动而使局部加热装置3的加热焰炬31移动或使其摇摆。
另外，根据本发明的其他实施方式，是用于车辆用无级变速器的环形金属环10，环形金属环10由含有钼的低碳合金钢构成，环形体5的整周或在周向上连续的一部分熔融、凝固，因此，在环形金属环10的整周或在周向上连续的一部分形成有钼偏析部。由于钼是奥氏体稳定化元素，因此，在钼偏析部中，奥氏体相大量残留。奥氏体在从外部被施加应力时转变为马氏体(形变诱发马氏体)。此时，晶体结构从面心立方晶格变化为体心立方晶格。在从面心立方晶格变化为体心立方晶格时，晶体的体积膨胀，因此，作为压缩应力而作用于容易产生裂纹的晶界。因此，可以抵挡外部应力而抑制裂纹的加剧。其结果是，即便恒定的应力振幅反复作用于环形金属环10，也可以使疲劳寿命提高。另外，由于是低碳合金钢，因此，热相变马氏体的形成少，所以，可以避免硬度过度上升，并可以维持规定的延伸率。因此，根据本发明的其他实施方式的结构，可以在维持规定的硬度、延伸率的同时在环形金属环10的周向上连续地确保规定的残留奥氏体量，可以提高针对在周向上反复进行作用的应力振幅的疲劳强度。
另外，根据本发明的其他实施方式，由于低碳合金钢是马氏体时效钢，因此，可以通过时效处理确保优异的强度特性。
上述本实施方式可以在不变更本发明的主旨的范围内进行变更。
例如，在本实施方式中，形成在环状部件1外周的熔融/凝固层4(41、42、43)从环状部件1的外周11贯通至内周12，但不一定需要贯通至环状部件1的内周12。这是因为：相比环形金属环10的内周侧，在将环形金属环10用于无级变速器时对其进行作用的应力振幅更大地作用于环形金属环10的外周侧。在该情况下，熔融/凝固层4(41、42、43)可以在更短时间内形成，因此，可以进一步提高生产率。
工业实用性
本发明可以用作环形金属环的制造方法及制造装置以及环形金属环，该环形金属环构成在车辆的驱动轴带轮和从动轴带轮之间进行回转动作的驱动带。
附图标记说明
1  环状部件
2  焊接装置
3  局部加热装置
4  熔融/凝固层
5  环形体
6  轧制环形体
7  保持装置
9  构件
10  环形金属环
11  环状部件的外周面
12  环状部件的内周面
31  加热焰炬
32  冷却喷嘴
41  线状熔融/凝固层
42  圆环状熔融/凝固层
43  螺旋状熔融/凝固层
53  环形体的轴向端部
100  环形金属带

Claims (12)

1.一种环形金属环的制造方法，将由含有钼的马氏体时效钢构成的环状部件，切断为规定宽度的环形体来制造所述环形金属环，其特征在于，
在所述环状部件的外周形成熔融/凝固层，并且所述熔融/凝固层在所述环形体的周向上连续地相连。
2.如权利要求1所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述熔融/凝固层通过对所述环状部件的外周局部地进行加热、冷却而形成。
3.如权利要求1或2所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述熔融/凝固层通过对所述环状部件的外周呈螺旋状或圆环状地进行加热、冷却而形成。
4.如权利要求3所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述熔融/凝固层形成在所述环形体的轴向端部。
5.如权利要求1或2所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述熔融/凝固层通过使在轴向上对所述环状部件的外周进行加热、冷却而形成的多个线状熔融/凝固层的邻接的所述线状熔融/凝固层彼此连续而形成。
6.如权利要求2～5中任一项所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
强制地进行所述冷却。
7.如权利要求2～6中任一项所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述加热是激光加热或等离子体加热。
8.如权利要求1～7中任一项所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述环状部件通过将由所述马氏体时效钢构成的板材的端部彼此接合而形成。
9.如权利要求1～7中任一项所述的环形金属环的制造方法，其特征在于，
所述环状部件通过对所述马氏体时效钢的钢坯进行挤压成形而形成。
10.一种环形金属环的制造装置，是在权利要求1至权利要求9中任一项所述的环形金属环的制造方法中使用的环形金属环的制造装置，其特征在于，具有：
将所述环状部件以能够向周向旋转的方式保持的保持装置；以及
与所述环状部件的外周面相对的局部加热装置。
11.一种环形金属环，用于车辆用无级变速器，其特征在于，
所述环形金属环由含有钼的低碳合金钢构成，环形体的整周或在周向上连续的一部分熔融、凝固。
12.如权利要求11所述的环形金属环，其特征在于，
所述低碳合金钢是马氏体时效钢。
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