JP2009270589A

JP2009270589A - 耐疲労特性の優れたプーリおよびそのシーブ面の耐疲労特性向上方法

Info

Publication number: JP2009270589A
Application number: JP2008119143A
Authority: JP
Inventors: Takashi Fujita; 崇史藤田; Toshizo Tarui; 敏三樽井; Taku Yoshida; 卓吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-04-30
Also published as: JP5020884B2

Abstract

【課題】ピッチング疲労特性に優れたプーリおよびピッチング疲労特性向上方法を提供する。
【解決手段】シーブ面表面の残留応力が下記(A)式を満足し、かつ、シーブ面の平均表面粗度が0.3μm以下であることを特徴とする疲労特性に優れたプーリ、および、ピッチング疲労特性向上方法である。
(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)<-1.5 ・・・ (A)
【選択図】図2

Description

本発明は、プーリのシーブ面における耐ピッチング疲労特性の優れたプーリおよびその耐ピッチング疲労特性向上方法に関する。

例えば、自動車等に用いられる動力伝達装置であるCVT(連続可変トランスミッション（Continuous Variable Transmission）)は、燃費の向上を目的に、益々小型軽量化される傾向にあり、それに伴って動力伝達部であるCVTプーリに対する負荷はさらに大きくなっているため、より一層優れたプーリ強度およびプーリのシーブの耐疲労強度が要求されている。

図1は、ベルト型CVTプーリの模式図である。CVTプーリは、ベルトとCVTプーリのシーブが接触することによって生じる剪断応力によるシーブ面のピッチング疲労が問題となっている。昨今、CVTは、運転のし易さ、加速性能、燃費の点から小・中型自動車を中心に普及し、より高容量型の開発が進められているが、高容量化するとCVTプーリのシーブ面にかかる面圧が高くなるため、より一層の耐ピッチング疲労特性が要求されている。

耐ピッチング疲労特性向上のためには、面粗度を小さくして表面欠陥をなくすこと、表層を硬化すること、圧縮残留応力を付与することが有効であることが知られており、従来の強化方法として、切削仕上げ、浸炭焼入・浸窒焼入等による表層マルテンサイト化による硬化、ショットピーニング(加工硬化)、硬質皮膜コーティングおよびそれらの組み合わせが主に行われている。それぞれについて以下に説明する。

<浸炭・浸窒焼入>
例えば、特許文献1には、浸炭・浸窒による表面硬化処理方法が開示されているが、歯車センター穴の浸炭層切れに対して穴開け工程を工夫することによって、浸炭層切れのない歯車を提供するものである。しかしながら、特許文献1における硬化処理では、歯車表面におけるピッチング疲労に対して十分な効果が得られなかった。

<ショットピーニング>
例えば、特許文献2には、ショット球をガラスとすることにより、ショットピーニングによる肌荒れを防止する方法が提案されている。しかし、この方法は、鋼球によるショットピーニングに比べ、残留応力が入り難いため、長時間処理が必要であり、生産性が低下する上、ガラスが砕けるため、再利用率が鋼球より低く、コスト上昇を招くと言う問題点があった。

<硬質皮膜コーティング>
特許文献3には、TiN等の硬質皮膜を歯車にコーティングすることにより、ピッチング寿命を向上させる方法が開示されている。しかし、この方法は処理コストが著しく上昇し、かつ表面にコーティングしたTiNが剥離しやすいため、長期に亘る材質確保が困難であると言う問題点があった。

<超音波打撃処理>
特許文献4には、振動数10kHz〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で歯車歯面を打撃し、耐ピッチング疲労を向上させる方法が開示されている。しかし、この方法では、CVTプーリのシーブ面に超音波振動端子の打撃痕が残り、の耐ピッチング疲労特性向上のために必要な面粗度を満足することができなかった。
特開2002-102994号公報特開2000-42923号公報特開2000-2315号公報特開2006-105352号公報

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、耐ピッチング疲労特性に優れたプーリおよびその耐疲労特性向上方法を提供するものであり、具体的には下記の3点の課題を満足させるショットピーニングに変わる圧縮残留応力付与方法である。
１）肌荒れのない表面強化法である。
２）簡便(低コスト)な強化法である。
３）大きな圧縮残留応力を付加することが可能な強化方法である。

前述の課題を解決するために鋭意検討の結果、本発明者等は、超音波振動する端子でCVTプーリのシーブ面を打撃することにより、表面粗度が小さく、しかも、大きな圧縮の残留応力を付与し、耐ピッチング疲労強度の大幅向上が可能であることを見出した。また、本発明は、CVTプーリに限定されることなく、一般的なプーリの耐疲労強度向上にも適用できるものであり、本発明の要旨とするところは、以下の内容である。

（１）プーリのシーブ面表面の残留応力が下記(A)式を満足し、かつ、該シーブ表面の平均表面粗度が0.3μm以下であることを特徴とする耐疲労特性の優れたプーリ。
(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)<-1.5 ・・・ (A)

（２）前記（A）式が-2.4以上であることを特徴とする（１）記載の耐疲労特性の優れたプーリ。

（３）プーリのシーブ面に、振動数が10kHz以上60kHz以下、振幅が0.01μm以上0.3μm以下で振動する超音波振動端子を、常時該シーブ面と該超音波振動端子が接触するように押し付けながら、該超音波振動子を該シーブ面上で移動させることを特徴とするプーリのシーブ面の耐疲労特性向上方法。

（４）前記プーリのシーブ面上で、超音波振動子を1mm/s以上1000mm/s以下の速度で移動させることによる（３）記載のプーリのシーブ面の耐疲労特性向上方法。

（５）前記プーリの回転速度が5rpm異常3000rpm以下で、かつ超音波振動子が該プーリのシーブ面の径方向に移動することを特徴とする（４）記載のプーリのシーブ面の耐疲労特性向上方法。

本発明により、CVTプーリのシーブ面に超音波打撃処理を施して、表層に圧縮残留応力を導入することによって、ピッチング疲労特性に優れたCVTプーリおよび簡便な疲労強度向上方法を提供することができ、CVTプーリのシーブ面がピッチング疲労破壊することがなくなり、部品の信頼性を増すことができる。また、強化分相応の部品の軽量化が可能となり、燃費向上・コスト削減に寄与する等、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に説明する。
図2は、本発明をCVTプーリのシーブ面に適用した場合のピッチング疲労特性向上方法の実施形態を例示する図である。図2において、2はCVTのプーリ、2aはそのシーブ、2bはシーブ面、3は超音波振動端子を示す。図2に示すように、軸回転するCVTプーリ2のシーブ面2bに、超音波振動端子3を押付けて、シーブ面に対して垂直方向に振動を与えながら、シーブ面2b上を移動させることによって、シーブ面の表面に大きな圧縮残留応力を付与して、ピッチング疲労強度を向上させることができる。なお、超音波振動子の振動方向は、CVTプーリのシーブ面に対し垂直が望ましいが、5°以内の傾きであれば問題はない。

このCVTプーリのシーブ表面における残留応力は、下記(A)式を満足することが必要である。
(残留応力[MPa])/(シーブ面ビッカース硬度Hv.)<-1.5 ・・・ (A)

ピッチング疲労特性を向上させるためには、表面ビッカース硬度も圧縮残留応力（通常、圧縮応力は負数として表現される）も大きいほど好ましく、更に圧縮残留応力と表面ビッカース硬度の比がある程度高めることが必要である。

本発明者らは、上記(A)式にある（残留応力[MPa]）/(シーブ面ビッカース硬度Hv.)を耐ピッチング疲労特性を評価する指標として導入した。その理由は以下のとおりである。

圧縮残留応力が存在すれば耐疲労特性が改善されることは知られているが、表面強度に対し圧縮残留応力の絶対値が小さいと、表面強度のバラツキに埋もれてしまい、表面強度と圧縮残留応力の相関を明確に把握することができない。本発明者らの実験結果によれば、耐疲労特性向上の顕著な効果を把握するためには、圧縮残留応力の絶対値で表面強度の概ね５０％以上は必要であることが分かった。

上記したように圧縮残留応力と表面強度の比が重要であることが分かったが、表面強度自体の測定は困難であることから、表面強度と概ね比例関係にあり測定も容易である表面硬度（ここでは、ビッカース硬度Hv.）を用いて、圧縮残留応力[MPa]とシーブ表面ビッカース硬度Hv.の比を本発明では指標として採用した。そして、この比の絶対値が大きいほど、耐疲労特性向上効果はよくなり、その比が５０％を超えると耐疲労特性向上効果が顕著であることが判明した。この観点から、式(A)は、耐疲労特性向上効果を示す指標とすることができる。

残留応力が表面強度の絶対値で５０％程度となるとき、式（A）の値が−１．５（絶対値で１．５）となるので、このとから、式（A）の値が-1.5超（絶対値で1.5未満）では、顕著な疲労強度向上が認められないこととなり、式（A）の上限値を-1.5とした。

また、一方、式(A)の下限値は特に定まらないが、現在入手可能な超音波打撃処理では、(残留応力[MPa])/(表面ビッカース硬度Hv.)を-2.4未満にすることは困難であることから、その下限値は-2.4程度である。

なお、表面ビッカース硬度の測定はJIS B 7774に準拠し、試験荷重300gf[2.942N](HV 0.3)で行なうこととする。一方、残留応力の測定は、本発明ではX線を用いて行っている。

X線を用いた残留応力の測定方法の詳細はここでは省略するが、極簡単に測定原理を説明すると、試験材料に内部応力があると、X線の入射角度を変えた場合、デバイ環のプロフィルに変化が生じること、即ち、材料が弾性変形を受け内部応力が存在すると、材料を構成している結晶粒の格子面間隔が変化し、X線回折線は応力のない状態の反射位置から移動すると共に、その幅が広がる現象を利用して残留応力を測定する方法である。この変化を精度よく捉えて材料の残留応力を知る方法がX線応力測定法である。(参考図書:「残留応力のX線評価−基礎と応用」、田中啓介・秋庭義明・鈴木賢二(共著)、養賢堂(2006))

CVTプーリのシーブ面に超音波打撃処理を行なう場合は、超音波振動端子3の先端形状は特に問わないが、通常は、球状、蒲鉾状、ないしはシーブ面の曲率に合致した鞍型状の先端形状を有する振動端子を用い、図2に示すように、シーブ面内を移動させながら行なうことが好ましい。超音波振動子の移動速度が1mm/s未満であると、生産性が阻害されるため、下限を1mm/s以上とし、一方、1000mm/sより上であると、十分な圧縮応力が付与されないため、上限を1000mm/s以下とした。

また、超音波振動端子による打撃処理の条件は、振動数10kHz〜60kHz、振幅0.01μm〜0.3μmが好ましい。超音波振動子の振動数を10kHz〜60kHzとするのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなることが実験で確認されたからである。

同様に、超音波振動する振動子の先端の振幅を0.01μm以上とするのも、これ未満の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、0.3μm超では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度および粗度が低下すると共に、疲労強度も低下するため、振幅の上限を0.3μmとする。

更に、通常の超音波打撃処理では、超音波振動子がCVTプーリのシーブ面上を飛び跳ねるように打撃するため、シーブ面表面に振動子の打撃によるくぼみ状の変形が残り、それがシーブ面の表面粗度を大きくし、耐疲労特性を悪化させる要因のひとつになっているので、超音波打撃処理中、超音波振動子の押し付け力および超音波振動の発信-停止周期等を制御することによって、超音波振動子を、常時被処理面であるCVTプーリのシーブ面に接するように押し付けながら、シーブ面上を移動させなければならない。

これにより、超音波のエネルギーが効率よく被処理材に伝達され、大きな圧縮残留応力が被処理材に付与されるだけでなく、処理後の面粗度を0.3μm以下にすることが可能となり、疲労寿命向上効果が期待できる。

こうして、ショットピーニングを用いた圧縮残留応力付与工程では必要であった面粗度向上を目的とした研削工程が不要となり、研削により除去される浸炭層を考慮する必要がなくなるため、研削代の分浸炭層を浅くすることが可能となって、コスト低減に有効となる。また、付随効果として、処理中の騒音が小さくなる効果もある。

実際のCVTのシーブ面への超音波打撃処理においては、図2に示したように、CVTの軸等を旋盤でつかんで軸回転させ、超音波振動子をシーブ面に押し付けた状態でシーブ面の径方向に移動することが考えられる。

この時、CVTの回転速度が5rpm未満であると、生産性が阻害されるために、CVTの回転速度の下限を5rpm以上とした。一方、3000rpmより上の速度では、十分な圧縮応力が付与されないため、その上限を3000rpm以下とした。前述したように、超音波振動子のシーブ面径方向の移動速度が1mm/s未満であると、生産性が阻害されるため、下限を1mm/s以上とし、一方、1000mm/sより上であると、十分な圧縮応力が付与されないため、上限を1000mm/s以下とした。

以上のように、本発明は、ショットピーニングに代わる圧縮残留応力付与手法であり、ショットピーニングに比べて以下のような特徴を有する。
１）付与される圧縮残留応力が高い。
２）表面粗度が小さい。
３）ショット球のように飛散するものもないため、装置が簡便で小型化可能である。

なお、本発明は、CVTの鋼材成分および熱処理条件は問わず適用することができ、例えば、JIS G 4104で規定されるSCR420等の鋼材に浸炭焼入を施したCVTプーリの疲労特性向上に特に効果を発揮する。

以上、これまでCVTプーリのシーブ面への適用を中心に説明したが、前述したように、一般的なプーリのシーブ面へも適用できるものであり、更に、シーブ面以外の摺動箇所、例えば、ベアリングの軸や軸受けにもこの技術は有効である。

本発明のピッチング疲労強度の向上に関する実施例を示す。
表1中の鋼A(SCR420)の化学成分の鋼から、直径が26mm、幅28mmの円筒部を有する、図3に示すような、ローラー状試験片(小ローラー4)を作製した。また、同一素材から直径130mm、幅18mmの大ローラーを作製した。

ローラー状試験片と大ローラーを、図4に示す浸炭条件で浸炭油焼入し、その後180℃×1時間焼戻しを行った。その後、直径で50μmの研削を行った。

浸炭時に生じる粒界酸化層深さは、小ローラー4の断面を走査型電子顕微鏡で2000倍で観察したところ約15μmであり、この研削により粒界酸化層は十分除去された。なお、研削後の粗さはR_maxで2μm以下であった。

小ローラー4について、表2に示した条件で、本発明の超音波処理を施したもの、および、無処理ないしは範囲外処理を施した比較材を用意した。超音波処理に用いた端子は、ローラー状試験片(小ローラー4)に合致するように、曲率半径13mmの鞍型状の先端を持ち、処理は小ローラー4を旋盤に挟んで60rpmで回転させ、それに超音波端子を接触させて、軸方向に10mm/sの速度で走査することにより、面処理を行なった。処理の様子を図3に示す。

なお、表2中で超音波振動子をシーブ面に押し付け、常時接触状態で処理したものを「常時接触」、通常の超音波振動処理のように、特にシーブ面に押し付けることなく超音波振動子がシーブ面上を飛び跳ねるような状態で処理したものを「断続」とした。

ピッチング疲労寿命の評価として、上記ローラー状試験片4と大ローラーを組み合わせたローラーピッチング試験を行った。試験条件は、試験片の回転数1000rpm、すべり率40%、潤滑剤にはオートマチック用オイルを用い、油温は約80℃で行った。

評価は、健全なままで10⁷回まで回転が可能な最大面圧をその鋼材のピッチング疲労強度とした。なお、面圧はヘルツ面圧で計算した。残留応力は、試験後小ローラーの転動面以外の超音波処理面について、X線を用いて測定した。

以上のことから、本発明は、比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。

ベルト型CVTの模式図である。本発明のCVTプーリのシーブ面のピッチング疲労特性向上方法の実施形態を例示する図である。本発明の実施例に用いた試験方法を示す図である。本発明の実施例に用いた浸炭焼入条件を示す図である。

符号の説明

1 CVTプーリのベルト
2 CVTプーリ（プライマリープーリ）
2’ CVTプーリ（セカンダリプーリ）
2a CVTプーリのシーブ
2b CVTプーリのシーブ面
3 超音波振動子
4 小ローラー試験片

Claims

プーリのシーブ面の残留応力が下記(A)式を満足し、かつ、該シーブ面の平均表面粗度が0.3μm以下であることを特徴とする耐疲労特性の優れたプーリ。
(残留応力[MPa])/(シーブ面ビッカース硬度Hv.)<-1.5 ・・・ (A)
前記（A）式が-2.4以上であることを特徴とする請求項１記載の耐疲労特性の優れたプーリ。
プーリのシーブ面に、振動数が10kHz以上60kHz以下、振幅が0.01μm以上0.3μm以下で振動する超音波振動端子を、常時該シーブ面と該超音波振動端子が接触するように押し付けながら、該超音波振動子を該シーブ面上で移動させることを特徴とするプーリのシーブ面の耐ピッチング疲労特性向上方法。
前記プーリのシーブ面上で、超音波振動子を1mm/s以上1000mm/s以下の速度で移動させることを特徴とする請求項３記載のプーリのシーブ面の耐疲労特性向上方法。
前記プーリの回転速度が5rpm以上3000rpm以下で、かつ超音波振動子が該プーリのシーブ面の径方向に移動することを特徴とする請求項４記載のプーリのシーブ面の耐疲労特性向上方法。