JP2005036278A - 自動車用金属ベルトの製造方法およびそれによって得られた自動車用金属ベルト - Google Patents

Abstract

【課題】マルエージング鋼より安価なステンレス鋼を用い、少ない熱処理工程で効果的な耐疲労性および耐磨耗性を付与することができる自動車用金属ベルトの製造方法を提供する。
【解決手段】素材であるオーステナイト系ステンレス鋼板を所定の大きさのリング状としてリングを形成するリング形成工程と、上記リングをローラー圧延して無端ベルトとする圧延工程と、上記無端ベルトをフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持するフッ化処理工程と、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記無端ベルトに対して浸炭処理を行ってその表層部に炭素を拡散浸透させて固溶強化した硬化層を形成する浸炭処理工程とを備えたことにより、表面に、炭素が拡散浸透して固溶強化した硬化層を形成するため、優れた耐磨耗性と耐疲労性を発揮する自動車用金属ベルトが得られる。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車用金属ベルトの製造方法およびそれによって得られた自動車用金属ベルトに関するものである。

自動車用金属ベルトは、複数の無端金属ベルトを積層状に重ね、この積層ベルトに多数の金属ブロックが取り付けられて構成されたもので、ベルト駆動式無段変速機等に用いられている。この自動車用金属ベルトは、常にテンションを掛けられた状態で高速回転して繰り返し変形する。したがって、積層ベルト間やベルトと金属ブロックとの間での耐磨耗性や、繰り返し応力による耐疲労性に優れたものが要求される。

このような要求に応えるため、例えば、下記の特許文献１に開示されたように、マルエージング鋼を素材とした無端金属ベルトに溶体化処理を施し、この溶体化処理状態の無端金属ベルトをローラに掛装して回転させながらローラ間隔を拡げることにより引張応力を負荷してベルトの外表面を優先的に塑性変形させ、その後ベルトの外表面に軟窒化処理を施す方法が提案されている。

ところが、上記従来の表面処理方法によると、マルエージング鋼という高価な材料を使用し、無端金属ベルトに８００℃以上の温度で溶体化処理を施し、その後時効処理を行い、更に５００℃以上の温度で塩浴（タフトライド）或はガスやイオンで軟窒化処理を行なう必要があるため製造コストが高いうえ熱処理工程が多くなるという問題があった。

また、上記の方法でマルエージング鋼を安価なステンレス鋼に置き換えた場合、窒化ではステンレス鋼に対して５００℃以下での有効な処理方法が無く、時効温度５００℃以下での窒化層の形成が難しい。すなわち、塩浴窒化（タフトライド）の場合、５００℃以下での塩浴の流動性保持が困難であり、ガス窒化・ガス軟窒化では、材料表面の浄化能力に劣ることからステンレスの酸化膜が５００℃〜６００℃でも除去できない。このため、ステンレス鋼に窒化処理した金属ベルトでは、耐摩耗性が劣ってしまうという問題があった。また、イオン窒化の場合、無端ベルトがリング形状を呈するため、どうしても処理工程が多工程となってしまう。

そこで、マルエージング鋼よりも安価なステンレス鋼に５００℃以下の低温で窒化を施すことにより無端金属ベルトを製造する方法も提案されている（特許文献２）。

特公平７−１７９９８号公報 特開平１１−２０００１０号公報

しかしながら、ステンレス鋼を素材に使うと、リング圧延工程の際に生じる加工硬化のばらつきが大きくなる。このような素材に窒化処理による強化を行なうと、窒化の際に脆い窒化層が表面に生成してしまい、所望の硬化層を得ることができなかったり、金属無端ベルト自体に周長方向の強度ばらつきが生じるおそれがあった。

本発明は、このような従来の問題を解決するためになされ、マルエージング鋼より安価なステンレス鋼を用いると共に、少ない熱処理工程で効果的な耐疲労性および耐磨耗性を付与することができる自動車用金属ベルトの製造方法およびそれによって得られた自動車用金属ベルトを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の自動車用金属ベルトの製造方法は、素材であるオーステナイト系ステンレス鋼板を所定の大きさのリング状としてリングを形成するリング形成工程と、上記リングをローラー圧延して無端ベルトとする圧延工程と、上記無端ベルトをフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持するフッ化処理工程と、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記無端ベルトに対して浸炭処理を行ってその表層部に炭素を拡散浸透させて固溶強化した硬化層を形成する浸炭処理工程とを備えたことを要旨とする。

また、上記目的を達成するため、本発明の自動車用金属ベルトは、オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、無端の帯状に形成された自動車用金属ベルトであって、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されていることを要旨とする。

本発明の自動車用金属ベルトの製造方法は、無端ベルトをフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行い、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記無端ベルトに対して浸炭処理を行う。このとき、上記フッ化処理により、無端ベルトの表面が活性化されて表面にフッ化膜が形成され、炭素が侵入しやすい状態となる。そして、浸炭処理を行なうことにより、無端ベルトの表面から炭素が侵入固溶する。侵入固溶した炭素は、炭化物粒子をつくらずに母材表層部に拡散し、無端ベルトの表層部に炭素固溶層すなわち硬化層を形成する。

このように、表面に、炭素が拡散浸透して固溶強化した硬化層を形成するため、得られた自動車用金属ベルトは、優れた耐磨耗性と耐疲労性を確保できる。すなわち、従来の窒化処理のようにＣｒＮのような脆い窒化物を形成して強化するのではなく、炭素を拡散浸透して固溶強化した硬化層により強化するため、窒化のような脆性を避けることができる。そして、炭素の固溶強化による硬化層は、比較的延性を有する特徴があることから、繰り返し応力の際の応力集中源となりうる脆性破壊を起こさず、疲労強度を大幅に向上することができる。

上記硬化層は、基相であるオーステナイト相中に、多量のＣ原子が侵入固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度の向上を実現している。しかも、上記炭素原子は、母材中のクロムとＣｒ_７Ｃ_２やＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物をほとんど形成することなく結晶格子中に侵入固溶していることから、上記炭素固溶層中にはクロム炭化物粒子が実質的に存在せず、母材に固溶するクロム量を減少させることもない。

したがって、炭化物粒子が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。
また、上記のようにして浸炭処理を行なった自動車用金属ベルトは、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じない。したがって、表面疵が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。しかも、上記浸炭処理で形成される炭素固溶層である硬化層は、母材と同程度の耐蝕性を維持することから、窒化品にくらべて耐食性も高く、表面腐食の発生も防止され、表面腐食が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。

本発明の自動車用金属ベルトの製造方法において、上記素材であるオーステナイト系ステンレス鋼は、準安定系オーステナイト系ステンレス鋼である場合には、常温の圧延加工によって加工誘起マルテンサイトの析出や加工硬化が生じ、母材が強化される。

また、本発明の自動車用金属ベルトは、オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、無端の帯状に形成され、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されている。

このように、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されているため、優れた耐磨耗性と耐疲労性を確保できる。しかも、従来の窒化処理のようにＣｒＮのような脆い窒化物を形成して強化するのではなく、炭素を拡散浸透して固溶強化した硬化層により強化するため、窒化のような脆性を避けることができる。また、炭素の固溶強化による硬化層は、比較的延性を有する特徴があることから、繰り返し応力の際の応力集中源となりうる脆性破壊を起こさず、疲労強度を大幅に向上することができる。

上記硬化層は、基相であるオーステナイト相中に、多量のＣ原子が侵入固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度の向上を実現している。しかも、上記炭素原子は、母材中のクロムとＣｒ_７Ｃ_２やＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物をほとんど形成することなく結晶格子中に侵入固溶していることから、上記炭素固溶層中にはクロム炭化物粒子が実質的に存在せず、母材に固溶するクロム量を減少させることもない。

したがって、炭化物粒子が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。
また、上記のようにして浸炭処理を行なった自動車用金属ベルトは、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じない。したがって、表面疵が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。しかも、上記浸炭処理で形成される炭素固溶層である硬化層は、母材と同程度の耐蝕性を維持することから、窒化品にくらべて耐食性も高く、表面腐食の発生も防止され、表面腐食が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。

本発明の自動車用金属ベルトにおいて、上記硬化層の表面硬度は、Ｈｖ６００以上である場合には、加工硬化では、せいぜいＨｖ５００程度に強化するのが精一杯であるが、表層部をそれ以上の硬度にすることにより、耐疲労性を大幅に向上させることができる。

本発明の自動車用金属ベルトにおいて、上記素材であるオーステナイト系ステンレス鋼は、準安定系オーステナイト系ステンレス鋼である場合には、常温の圧延加工によって加工誘起マルテンサイトの析出や加工硬化が生じ、母材が強化される。

本発明の自動車用金属ベルトにおいて、素材組織は、オーステナイト相と加工誘起マルテンサイト相とが混在した組織を呈している場合には、加工誘起マルテンサイトによる母材の強化により、引っ張り強度や疲労強度が一層向上する。

つぎに、本発明を実施するための最良の形態を詳しく説明する。

図１は、本発明の自動車用金属ベルトを示す。この自動車用金属ベルトは、無端状の金属帯から形成された無端リングが複数枚（約１０枚程度）積層された２組の積層無端リングＲと、上記積層無端リングＲに取り付けられる多数（例えば約４００枚程度）の金属ブロックＢとから構成されている。このような自動車用金属ベルトは、無断変速機のプーリーに巻回され、高いテンションが加わった状態で高速回転し、回転駆動力を伝達する。

上記積層無端リングＲを形成する無端リングは、図２に示すように、素材であるオーステナイト系ステンレス鋼板を所定の大きさのリング状としてリングを形成するリング形成工程と、上記リングをローラー圧延して無端ベルトとする圧延工程と、上記無端ベルトをフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持するフッ化処理工程と、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記無端ベルトに対して浸炭処理を行ってその表層部に炭素を拡散浸透させて固溶強化した硬化層を形成する浸炭処理工程とを備えている。また、必要に応じて、圧延工程とフッ化処理工程との間に時効処理工程を介在させることもできる。

上記素材とするオーステナイト系ステンレス鋼は、例えば鉄分を５０重量％以上含有し、クロム分を１２重量％以上含有するとともにニッケルを含有するオーステナイト系ステンレス鋼があげられる。

具体的には、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の１８−８系ステンレス鋼材や、クロムを２５重量％、ニッケルを２０重量％含有するオーステナイト系ステンレス鋼であるＳＵＳ３０９やＳＵＳ３１０Ｓ、さらに、クロム含有量が２３重量％、モリブデンを２重量％含むオーステナイト−フェライト２相系ステンレス鋼等があげられる。また、ニッケルを１９〜２２重量％、クロムを２０〜２７重量％、炭素を０．２５〜０．４５重量％含むＳＣＨ２１やＳＣＨ２２等の耐熱鋼鋳鋼も本発明のオーステナイト系ステンレス鋼に含む趣旨である。さらに、クロムを２０〜２２重量％、ニッケルを３．２５〜４．５重量％、マンガンを８〜１０重量％、炭素を０．４８〜０．５８重量％含むＳＵＨ３５や、クロムを１３．５〜１６重量％、ニッケルを２４〜２７重量％、モリブデンを１〜１．５重量％含むＳＵＨ６６０等の耐熱鋼も本発明のオーステナイト系ステンレス鋼として用いることができる。

上記オーステナイト系ステンレス鋼のなかでも、特に、１８−８系ステンレスよりもニッケル量のやや低い準安定系オーステナイト系ステンレス鋼を用いることが好ましい。このような準安定系オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＳＵＳ３０１等の１７−７系ステンレス鋼、よりニッケル量を少なくしたＳＵＳ２０２等の１８−５−８Ｍｎ−Ｎ系ステンレス鋼、ＳＵＳ２０１等の１７−４−６Ｍｎ−Ｎ系ステンレス鋼、ＳＵＳ３０１Ｊ等の１７−８系ステンレス鋼、析出硬化性を付与したＳＵＳ６３１等の１７−７ＰＨ系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３２等のＰＨ１５−７Ｍｏ系ステンレス鋼、ＳＵＳ６３０等の１７−４ＰＨ系ステンレス鋼等をあげることができる。素材として準安定系オーステナイトステンレスを用いることにより、後に行なう圧延加工を常温で行なうことにより、加工誘起マルテンサイトの析出や加工硬化が生じ、母材が強化され、引っ張り強度や疲労強度を向上させることができる。

まず、上記オーステナイト系ステンレス鋼からなる鋼板を所定の大きさのリング状としてリングを形成するリング形成工程を行なう。

上記リング形成工程は、ステンレス鋼板を素材としてプレス成形により略皿状に成形するとともに、その底部を打ち抜いて所定の大きさのリングを成形する。あるいは、ステンレス鋼板の両端部を溶接して円筒状に形成し、この円筒を所定の幅で帯状に切断することによりリングを成形する。あらかじめ帯状に切断したものを溶接してリングを成形しても良い。

ついで、上記リングをローラー圧延して無端ベルトとする圧延工程を行なう。

上記圧延工程は、例えば図３に示すように、リング形成工程で成形したリングを一対のローラ２０，２１に掛装し、一方のローラ２０をシリンダ（図示せず）等で所定の力Ｆで引っ張ってローラ２０，２１間隔を拡げるとともに、ローラ２１に押圧用ローラ２２を所定の圧力Ｆ′で押圧しながらローラ２０、２１、２２を回転させ、リングを冷間で圧延し、無端ベルト１０を形成する。この際の圧延加工率（板厚の縮小率）は１０〜７０％の範囲で可能であるが、４０〜６０％にすることが好ましい。

上記圧延工程は、素材であるオーステナイト系ステンレス鋼のＭｄ点以下の温度で冷間圧延するのが好ましい。このようにすることにより、素材組織は、オーステナイト相と加工誘起マルテンサイト相とが混在した組織を呈することとなり、加工誘起マルテンサイトの析出と加工硬化との相乗効果によって母材が強化され、引っ張り強度や疲労強度が一層向上するからである。なお、Ｍｄ点とは、オーステナイト系ステンレス鋼の塑性加工によってマルテンサイト化の起こる上限の温度をいい、鋼種によって決定される。上記準安定系オーステナイト系ステンレス鋼は、Ｍｄ点が常温以上であるため、常温で圧延加工しても加工誘起マルテンサイトの析出と加工硬化とが生じ、引っ張り強度や疲労強度を向上させることができる。

上記圧延工程により圧延加工した無端ベルト１０に対し、ラウンド処理により湾曲力を付与し、この後時効処理する場合には、通常３５０〜５００℃で熱処理を行って無端ベルト１０を時効硬化させる。

つぎに、上記無端ベルト１０をフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持してフッ化処理を行う。

ステンレス鋼から成形された無端ベルト１０は、その表面が酸化膜で覆われており、浸炭処理時に炭素がステンレスの組織中へ浸透するのを阻害されて固溶層が形成され難いので、その前処理としてフッ化処理工程を行うのである。このフッ化処理工程は、無端ベルト１０をフッ素系ガス雰囲気下で加熱状態で保持し、表面の酸化膜をフッ化膜に置換して活性化させる。

上記フッ化処理に用いられるフッ素系ガスとしては、ＮＦ_３，ＢＦ_３，ＣＦ_４，ＨＦ，ＳＦ_６，Ｃ_２Ｆ_６，ＷＦ_６，ＣＨＦ_３，ＳｉＦ_４，ＣｌＦ_３等からなるフッ素化合物ガスがあげられる。これらは、単独でもしくは２種以上併せて使用される。

また、これらのガス以外にも、分子内にフッ素（Ｆ）を含むフッ素系ガスも本発明のフッ素系ガスとして用いることができる。また、このようなフッ素化合物ガスを熱分解装置で熱分解させて生成させたＦ_２ガスや、あらかじめ作られたＦ_２ガスも上記フッ素系ガスとして用いることができる。このようなフッ素化合物ガスとＦ_２ガスとは、場合によって混合使用することができる。

これらのなかでも、本発明で使用するフッ素系ガスとして最も実用性を備えているのはＮＦ_３である。上記ＮＦ_３は、常温においてガス状を呈し、化学的安定性が高く、取扱いが容易だからである。このようなＮＦ_３ガスは、通常、後述するように、Ｎ_２ガスと組み合わせて、所定の濃度範囲内で希釈して用いられる。

上記に例示された各種のフッ素系ガスは、それのみで用いることもできるが、通常はＮ_２ガス等の不活性ガスで希釈されて使用される。このような希釈されたガスにおけるフッ素系ガス自身の濃度は、例えば、容量基準で１００００〜１０００００ｐｐｍであり、好ましくは２００００〜７００００ｐｐｍ、より好ましくは、３００００〜５００００ｐｐｍである。

上記フッ素系ガスを雰囲気ガスとして用いたフッ化処理は、後述するようなマッフル炉等の雰囲気加熱炉を使用し、炉内に無端ベルト１０を装入し、上記濃度のフッ素系ガス雰囲気下において加熱状態で保持することにより行なわれる。

このときの、加熱保持は、無端ベルト１０自体を、例えば、１８０〜６００℃、好適には２００〜４５０℃、より好適には２００〜３５０℃の温度に保持することによって行われる。上記フッ素系ガス雰囲気中での上記無端ベルト１０の保持時間は、通常は、１０数分〜数時間に設定される。無端ベルト１０をこのようなフッ素系ガス雰囲気下で加熱処理することにより、無端ベルト１０の表面に形成された、Ｃｒ_２Ｏ_３を含む不働態皮膜がフッ化膜に変化する。このフッ化膜は、不働態皮膜に比べ、浸炭に用いる炭素原子の浸透を容易にし、無端ベルト１０の表面は、上記フッ化処理によって炭素原子の浸透の容易な表面状態になるものと考えられる。

つぎに、上記フッ化処理と同時期またはその後に、上記無端ベルト１０に対して浸炭処理を行う。

浸炭処理は上記無端ベルト１０自体をＡ_１変態点以下、好ましくは６８０℃以下の浸炭処理温度に加熱し、ＣＯ＋Ｈ_２からなる浸炭用ガス、または、ＲＸガス〔ＣＯ２３容量％，ＣＯ_２１容量％，Ｈ_２３１容量％，Ｈ_２Ｏ１容量％，残部Ｎ_２〕＋ＣＯ_２からなる浸炭用ガス等を用い、炉内を浸炭用ガス雰囲気にして行われる。この浸炭用ガス雰囲気に、必要に応じてプロパンガス等の炭素源ガスをエンリッチすることもできる。

このように、本発明では、浸炭処理を従来公知の浸炭処理に比べて極めて低い温度領域で行うのである。この場合、上記ＣＯ＋Ｈ_２の比率は、ＣＯ２〜１０容量％、Ｈ_２３０〜９０容量％が好ましく、ＲＸ＋ＣＯ_２は、ＲＸが８０〜９０容量％、ＣＯ_２が３〜７容量％の割合が好ましい。また、浸炭に用いるガスは、ＣＯ＋ＣＯ_２＋Ｈ_２も用いられる。この場合、それぞれの比率は、ＣＯ５〜５５容量％、ＣＯ_２１〜３容量％、Ｈ_２５０〜９５容量％の割合が好適である。

上記浸炭処理の際の加熱温度すなわち浸炭処理温度としては、６８０℃以下すなわち４００〜６８０℃の温度が好適である。浸炭処理温度が６８０℃を超えると、無端ベルト１０の母材自体の軟化が生じやすくなるうえ、浸炭された炭素原子が母材に固溶したクロムと結合してクロム炭化物を生じ、母材自体に含まれるクロム量を減少させて表層部の耐蝕性が大幅に低下するうえ、浸炭層に侵入固溶した状態で存在する炭素量が減少し、所望の表面硬度が得られなくなるからである。また、加工誘起マルテンサイトと加工硬化によって強化された素材自身も軟化し、引っ張り強度や疲労強度を低下させてしまうからである。

同様の理由により、上記浸炭処理温度としてより好適なのは４００〜６００℃の温度範囲であり、さらに好適なのは４００〜５５０℃、もっと好適なのは４５０〜５００℃の温度範囲である。本発明においては、上記フッ化処理を行なうことにより、このような極めて低温における浸炭処理が可能となり、浸炭処理中にクロム炭化物粒子をほとんど生成させずに母材中に炭素を侵入固溶すなわち拡散浸透させ、表層部に固溶強化による硬化層を形成する。そして、加工誘起マルテンサイトと加工硬化によって強化された素材自身の軟化を防止し、引っ張り強度や疲労強度を確保できる。

このように処理することにより、無端ベルト１０の表層部に炭素が拡散浸透した炭素固溶層である硬化層が深く均一に形成される。この硬化層は、基相であるオーステナイト相中に、多量のＣ原子が侵入固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度の向上を実現している。しかも、上記炭素原子は、母材中のクロムとＣｒ_７Ｃ_２やＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物をほとんど形成することなく結晶格子中に侵入固溶していることから、上記炭素固溶層中にはクロム炭化物粒子が実質的に存在せず、母材に固溶するクロム量を減少させることもないことから、母材と同程度の耐蝕性を維持できるうえ、炭化物粒子が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。

また、上記のようにして浸炭処理を行なった無端ベルト１０は、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じない。したがって、表面疵が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。しかも、上記浸炭処理で形成される炭素固溶層である硬化層は、母材と同程度の耐蝕性を維持することから、窒化品にくらべて耐食性も高く、表面腐食の発生も防止され、表面腐食が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。

上記のようなフッ化処理および浸炭処理は、例えば、図４に示すような金属製のマッフル炉１で行うことができる。すなわち、このマッフル炉１内において、まずフッ化処理をし、このフッ化処理と同時期もしくはその後に浸炭処理を行う。フッ化処理と同時期もしくはその後に浸炭処理を行うというのは、例えば、フッ化処理の開始と同時に浸炭処理を開始してもよいし、まずフッ化処理だけを開始してフッ化処理の終了を待たずに浸炭処理を開始してもよいし、あるいは、フッ化処理を終了してから浸炭処理を開始してもよい趣旨である。

図４において、１はマッフル炉であり、外殻２と、内部が処理室に形成された内容器４と、上記内容器４と外殻２の間に設けられたヒータ３とを備えている。上記内容器４内には、ガス導入管５および排気管６が連通している。上記ガス導入管５には、浸炭ガスであるＨ_２，ＣＯが充填されたボンベ１５、およびフッ化処理ガスであるＮ_２＋ＮＦ_３，ＣＯ_２が充填されたボンベ１６が連通している。１７は流量計、１８はバルブである。

また、上記排気管６には、排ガス処理装置１４および真空ポンプ１３が接続されている。これにより、内容器４内の処理室内に処理ガスを導入して排出するようになっている。上記処理室内には処理ガスを攪拌するモーター７付きのファン８が設けられている。１１はワークである無端ベルト１０が装入されるかごである。

このマッフル炉１内に、例えば無端ベルト１０を入れ、ボンベ１６を流路に接続しＮＦ_３等のフッ素系ガスをマッフル炉１内に導入して加熱しながらフッ化処理をし、ついで排気管６からそのガスを真空ポンプ１３の作用で引き出し、排ガス処理装置１４内で無毒化して外部に放出する。ついで、ボンベ１５を流路に接続しマッフル炉１内に先に述べた浸炭用ガスを導入して浸炭処理を行い、その後、排気管６、排ガス処理装置１４を経由してガスを外部に排出する。この一連の作業によりフッ化処理と浸炭処理が行なわれる。

このようにしてフッ化処理と浸炭処理を行なうことにより、無端ベルト１０の表層部に、炭素固溶層である硬化層が形成される。

上記フッ化処理および浸炭処理によって形成される炭素固溶層である硬化層の深さは、５μｍ以上に設定するのが好適である。また、積層状態でない１枚の無端ベルト１０の厚みに対する硬化層の深さは、５％以上に設定するのが好適である。このようにすることにより、所望の疲労強度を得ることができるからである。上記１枚の無端ベルト１０の厚みに対する硬化層の深さは、７％以上がより好適であり、１０％以上であれば一層好適である。

上記フッ化処理および浸炭処理によって形成される炭素固溶層すなわち硬化層の表面硬度は、Ｈｖ６００以上とするのが好適である。これにより、加工硬化では、せいぜいＨｖ５００程度に強化するのが精一杯であるが、表層部をそれ以上の硬度にすることにより、耐疲労性を大幅に向上させることができる。上記表面硬度としては、Ｈｖ７００以上であればより好適であり、Ｈｖ８００以上であればより好適であり、Ｈｖ９００以上であれば一層好適である。

上記浸炭処理において、浸炭処理の温度が高くなり、特に４５０℃を越えると、たとえわずかでもＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物が硬化層の表面に析出するという現象が生じる。しかし、このような場合でも、その浸炭処理品である無端ベルト１０をＨＦ−ＨＮＯ_３，ＨＣｌ−ＨＮＯ_３等の強酸に浸漬して酸洗処理を行なうことにより、表面の析出物が除去され、母材なみの耐蝕性と、ビッカース硬度Ｈｖ８５０以上の高い表面硬度とを保持することができる。このように、本発明は、浸炭後の酸洗処理等によって表面のわずかの析出物を除去する場合を含む趣旨である。また、表面の析出物を除去しうる処理であれば、ショットブラストや乾式・湿式の各種バレル研磨等の機械的な除去法を採用することもできる。

上記のようなショットブラスト等の機械式研磨は、表面に析出した炭化物を除去する目的だけではなく、浸炭処理でスーチングが生じた際の表面のすすの除去等の目的でも行なわれる。

そして、浸炭処理後に、バレル研磨処理やショットピーニング処理等を施し、複数の無端リング１０を積層状に重ね合わせて金属製多層ベルトＲを形成する。このようにして形成された金属製多層ベルトＲは、きわめて高い耐摩耗性及び耐疲労強度を有することになる。

このように、上記自動車等金属ベルトの製造方法では、表面に、炭素が拡散浸透して固溶強化した硬化層を形成する。

そして、上記製造方法によって得られた自動車用金属ベルトは、オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、無端の帯状に形成され、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されている。また、素材組織は、オーステナイト相と加工誘起マルテンサイト相とが混在した組織を呈し、上記硬化層すなわち炭素固溶層は、主としてオーステナイト相に炭素が侵入固溶することにより形成される。

このように、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されているため、優れた耐磨耗性と耐疲労性を確保できる。しかも、従来の窒化処理のようにＣｒＮのような脆い窒化物を形成して強化するのではなく、炭素を拡散浸透して固溶強化した硬化層により強化するため、窒化のような脆性を避けることができる。また、炭素の固溶強化による硬化層は、比較的延性を有する特徴があることから、繰り返し応力の際の応力集中源となりうる脆性破壊を起こさず、疲労強度を大幅に向上することができる。

つぎに、実施例について説明する。

下記の表１に示す条件で本発明の自動車用金属ベルトの無端ベルトを製造した。下記の実施例でのフッ化処理雰囲気は、１０容量％ＮＦ_３＋残部Ｎ_２であり、浸炭処理雰囲気は、ＣＯ：４０容量％＋Ｈ_２４０容量％＋残部Ｎ_２とした。

上記実施例１の表面からの深さ方向の硬度分布を測定した結果を図５に示し、断面組織を図６に示す。同様に、実施例２の硬度分布および断面組織をそれぞれ図７および図８に、実施例３の硬度分布を図９に、実施例４の硬度分布を図１０に示す。

図５〜１０からわかるとおり、実施例１は、Ｈｖ１１４４の表面硬度で、硬化層の深さは約１７μｍであった。実施例２は、Ｈｖ１１８４の表面硬度で、硬化層の深さは約１４μｍであった。実施例３は、Ｈｖ８３６の表面硬度で、硬化層の深さは約２８μｍであった。実施例４は、Ｈｖ９８０の表面硬度で、硬化層の深さは約２０μｍであった。

つぎに、図１１に示したように、実施例１〜４の無端ベルトを２つのローラに巻回し、引張り荷重：５０００Ｎ、回転速度：１０００ｒｐｍで回転させ、各無端ベルトの疲労強度を調査した。

各実施例の無端ベルトの破断するまでの曲げ回数に関し、下記に示す結果が得られた。比較例として通常の窒化処理品についの疲労強度を測定した。この結果からわかるとおり、実施例の無端ベルトは比較例に比べて優れた疲労強度を発揮することがわかる。
実施例１：１０^８回以上
実施例２：１０^７回以上
実施例３：１０^９回以上
実施例４：１０^９回以上
比較例 ：１０^５回

以上のように、本発明によれば、表面に、炭素が拡散浸透して固溶強化した硬化層を形成するため、得られた自動車用金属ベルトは、優れた耐磨耗性と耐疲労性を確保できる。すなわち、従来の窒化処理のようにＣｒＮのような脆い窒化物を形成して強化するのではなく、炭素を拡散浸透して固溶強化した硬化層により強化するため、窒化のような脆性を避けることができる。そして、炭素の固溶強化による硬化層は、比較的延性を有する特徴があることから、繰り返し応力の際の応力集中源となりうる脆性破壊を起こさず、疲労強度を大幅に向上することができる。

上記硬化層は、基相であるオーステナイト相中に、多量のＣ原子が侵入固溶して格子歪を起こした状態となっており、母材に比べて著しく硬度の向上を実現している。しかも、上記炭素原子は、母材中のクロムとＣｒ_７Ｃ_２やＣｒ_２３Ｃ_６等の炭化物をほとんど形成することなく結晶格子中に侵入固溶していることから、上記炭素固溶層中にはクロム炭化物粒子が実質的に存在せず、母材に固溶するクロム量を減少させることもない。

したがって、炭化物粒子が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。
また、上記のようにして浸炭処理を行なった自動車用金属ベルトは、表面粗度もほとんど悪化せず、膨れによる寸法変化や磁性も生じない。したがって、表面疵が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。しかも、上記浸炭処理で形成される炭素固溶層である硬化層は、母材と同程度の耐蝕性を維持することから、窒化品にくらべて耐食性も高く、表面腐食の発生も防止され、表面腐食が応力集中源となって繰り返し応力による破壊の起点になることがほとんどなくなり、疲労強度の向上にとって極めて有利である。

本発明の自動車用金属ベルトを示す斜視図である。 本発明の自動車用金属ベルトの製造方法を示す工程図である。 圧延工程を示す概略図である。 フッ化処理および浸炭処理を行なう炉を示す図である。 実施例１の断面硬度分布の測定結果である。 実施例１の表層部組織写真である。 実施例２の断面硬度分布の測定結果である。 実施例２の表層部組織写真である。 実施例３の断面硬度分布の測定結果である。 実施例４の断面硬度分布の測定結果である。 疲労試験方法を示す概略図である。

符号の説明

１ マッフル炉
２ 外殻
３ ヒータ
４ 内容器
５ ガス導入管
６ 排気管
７ モーター
８ ファン
１０ 無端ベルト
１１ かご
１３ 真空ポンプ
１４ 排ガス処理装置
１５ ボンベ
１６ ボンベ
１７ 流量計
１８ バルブ
２０ ローラ
２１ ローラ
２２ 押圧用ローラ

Claims (6)

1. 素材であるオーステナイト系ステンレス鋼板を所定の大きさのリング状としてリングを形成するリング形成工程と、上記リングをローラー圧延して無端ベルトとする圧延工程と、上記無端ベルトをフッ素系ガス雰囲気下で加熱保持するフッ化処理工程と、上記フッ化処理と同時期および／またはその後に、上記無端ベルトに対して浸炭処理を行ってその表層部に炭素を拡散浸透させて固溶強化した硬化層を形成する浸炭処理工程とを備えたことを特徴とする自動車用金属ベルトの製造方法。
2. 上記素材であるオーステナイト系ステンレス鋼は、準安定系オーステナイト系ステンレス鋼である請求項１記載の自動車用金属ベルトの製造方法。
3. オーステナイト系ステンレス鋼を素材とし、無端の帯状に形成された自動車用金属ベルトであって、表層部に炭素が拡散浸透して固溶強化された硬化層が形成されていることを特徴とする自動車用金属ベルト。
4. 上記硬化層の表面硬度は、Ｈｖ６００以上である請求項３記載の自動車用金属ベルト。
5. 上記素材であるオーステナイト系ステンレス鋼は、準安定系オーステナイト系ステンレス鋼である請求項３または４記載の自動車用金属ベルト。
6. 素材組織は、オーステナイト相と加工誘起マルテンサイト相とが混在した組織を呈している請求項３〜５のいずれか一項に記載の自動車用金属ベルト。
   

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