JP2016125132A - 窒化部材及びそれを用いた摩擦伝動変速機 - Google Patents

Abstract

【課題】耐焼付性の向上に必要な表面硬さと耐転がり寿命の向上に必要な内部硬さとの両立化を図り得る窒化部材及びそれを用いた摩擦伝動変速機を提供する。
【解決手段】本発明の窒化部材は、質量％で、Ｃ：０．４０〜１．００％、Ｓｉ：０．１０〜１．４０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：２．００〜４．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上であり、内部硬さが５００ＨＶ以上であることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、窒化部材及びそれを用いた摩擦伝動変速機に関する。

現在、自動車の動力伝達は歯車を用いるのが主流であるが、この歯車方式では歯車の噛み合いに伴う歯面摩擦による動力損失や歯部の噛み合い騒音などを低減すべきという課題がある。このような課題を解決するために、例えば下記特許文献１に記載されているように、複数設けられた対となる入力側及び出力側ローラーの転がりによる摩擦伝動変速（以下、トラクションドライブともいう）を利用したものがある。トラクションドライブによる動力伝達は、例えば図１０（Ａ）に示されるように、所定大きさの法線荷重Ｐ（面圧）で圧接されたローラー１０１，１０２間に、適切な潤滑油１０３を使用して油膜を形成させ、その油膜でのトラクション力Ｔ（せん断抵抗力）によって行われる。ここで、トラクション係数μ（動力伝達係数）は、法線荷重Ｐに対するトラクション力Ｔの比で定義され、例えば図１０（Ｂ）に示されるように、法線荷重Ｐが大きいほど伝達容量は大きくなる。したがって、ローラー１０１，１０２には、トラクション係数μがほぼ一定となる法線荷重がＰ１以上の状態、すなわち高面圧の環境下で使用されることが望まれるため、耐転がり寿命（耐剥離性、耐陥没性）の向上が求められる。一方、トラクションドライブでは、変速時に変速前後の段間比分に相当する回転数差（周速差）が出力側ローラー間に生じる。このため、Ｈｉｇｈ側からＬｏｗ側への切り替えに際して、変速中の入力側及び出力側ローラー間に大きな滑りが発生する。この滑りによりローラーは最大４００℃の高温度の環境下に晒されることとなるので、耐滑り発熱性の確保、すなわち耐焼付性の向上も求められる。

ここで、耐焼付性の向上には、滑り発熱による温度上昇を防止するためにローラー間の摩擦低減を図ることが有効とされている。具体的には、ローラー表面の凹凸差を減らすことによって摩擦係数を小さくすること、つまり初期表面粗さを低減することの他、摺動時に表面粗さの劣化を防ぐことが有効であり、この劣化はローラーの高温環境下での硬さを確保することで防止することが可能である。
例えば、下記特許文献２に記載されたトランスミッション用部品では、合金元素（Ｍｏ，Ｖ）を調整した合金鋼に浸炭又は浸炭窒化処理を施すことで、耐熱性（５００℃焼戻し表面硬さ）を確保し、耐焼付性を向上させるようにしている。
また、下記特許文献３に記載された転がり軸受では、マルテンサイト系ステンレス鋼に軟窒化処理を施すことで、表面窒化層硬さを１２００〜１５００ＨＶとして耐焼付性を向上させるようにしている。
また、下記特許文献４に記載された転がり軸受では、セラミックコーティング処理を施すことにより、下記特許文献５に記載された摩擦伝達部材では、摩擦伝達部材の表面を覆う被膜（Ｎｉ，Ｃｏ，Ｃｒ，Ｍｏ）に高エネルギービ−ム処理を施すことにより、それぞれ耐焼付性を向上させるようにしている。

特開２００６−１７０３８９号公報 特開２００８−０２５０１１号公報 特開２００２−３６４６４８号公報 特開２００７−２９２１０４号公報 特開平６−２１２３９０号公報

上記したとおり、摩擦伝動変速においては、ローラーが最大４００℃の高温度の環境下に晒されることとなる。この場合、図１に示されるように、滑りによりローラーが耐えられる温度が４００℃を超えて、より高くなればなるほど、摩擦伝動変速における変速比幅向上率をより大きな値に設定することが可能である。すなわち、Ｈｉｇｈ側とＬｏｗ側との段間比の幅を大きくすることでき、加速性能、静粛性ひいては燃費を向上させることが可能となる。しかしながら、上記特許文献２〜５に記載された機械構造用鋼レベルの合金添加量では、耐焼付性の向上に必要な表面硬さと耐転がり寿命の向上に必要な内部硬さとの両立化を図ることができず、上記したような高面圧下で大きな滑りを伴うローラー等の部材に要求されるスペックを十分に満足することができなかった。

本発明は、上記問題に対処するためになされたものであり、その目的は、耐焼付性の向上に必要な表面硬さと耐転がり寿命の向上に必要な内部硬さとの両立化を図り得る窒化部材及びそれを用いた摩擦伝動変速機を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

上記目的を達成するために本発明の窒化部材は、質量％で、Ｃ：０．４０〜１．００％、Ｓｉ：０．１０〜１．４０％、Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．１０％以下、Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．３０％以下、Ｃｒ：２．００〜４．００％、Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、Ｖ：０．０２〜０．３０％、を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上であり、内部硬さが５００ＨＶ以上であることを特徴とする。この場合、窒化部材は、例えばトラクションドライブに使用されるのが好適である。

本発明の窒化部材では、上記した合金添加量を前提とすることで、窒化処理後の表面硬さを８５０ＨＶ以上とし、内部硬さを５００ＨＶ以上とすることができる。窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上であると、高速滑りを伴う接触が生じる環境下であっても、優れた耐焼付性を得ることができる。また、内部硬さが５００ＨＶ以上であると、高面圧下であっても、長い転がり寿命を得ることができる。

また、本発明者らは、本発明の窒化部材を上記特許文献１に記載されているような摩擦伝動変速機を構成する、複数の対となる入力側及び出力側ローラーに適用すると、図１に示されるように、滑りによりローラーが耐えられる温度が４００℃から５００℃へと向上すること、すなわち５００℃における軟化抵抗性が従来のものに比して向上するとの知見を得た。したがって、本発明の摩擦伝動変速機によれば、従来値（所定の基準値）と比較した場合の変速比幅向上率が向上し、ひいては車両の燃費を向上させることが可能となる。他方、変速比幅向上率を従来値と同じ大きさに設定した場合には、入力側及び出力側ローラー間の接触面圧の向上効果により入力側及び出力側ローラーを小型化し、又はそれらローラーの幅長を狭く設定することができ、ひいては入力側及び出力側ローラーで構成されるユニット重量を従来のものに比して削減することが可能となる。

本発明の窒化部材を、摩擦伝動変速機を構成する対となる入力側及び出力側ローラーに適用した場合における、変速機性能の向上を示すグラフ。 （Ａ）は回転ラジアルスラスト試験機を示す説明図。（Ｂ）は（Ａ）で用いる試験片の側面図。 （Ａ）はローラーピッチング試験で使用される負荷用ローラーと試験片とを示す正面図。（Ｂ）は（Ａ）の側面図。 図２の試験片を用いて表面硬さを測定する場合の説明図。 図３の試験片を用いて内部硬さを測定する場合の説明図。 表面硬さと焼付き限界荷重との関係を示すグラフ。 ５００℃焼戻し表面硬さと焼付き限界荷重との関係を示すグラフ。 内部硬さと剥離寿命との関係を示すグラフ。 内部硬さと陥没深さとの関係を示すグラフ。 （Ａ）は窒化部材によるトラクションドライブを示す説明図。（Ｂ）は法線荷重とトラクション係数との関係を示すグラフ。

以下、本発明の窒化部材における各元素の組成限定理由および限定条件について説明する。

（１）Ｃ：０．４０〜１．００％
Ｃは、焼入れ時のマルテンサイトの硬さを確保するための必須元素である。Ｃは、Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ等の炭化物形成元素と結合して炭化物を形成し、耐摩耗性、耐焼付性を向上させる。焼入れ焼戻しにより５００ＨＶ以上の内部硬さを得るためには、０．４０％以上の添加が必要である。他方、１．００％を超えて含有させると、炭化物量が多くなり過ぎ、靭性及び切削性が低下してしまうので、１．００％を上限とする。好ましくは０．６０〜０．８５％以下である。

（２）Ｓｉ：０．１０〜１．４０％
Ｓｉは、高温焼戻し硬さを高めるために有効な元素である。この効果を得るために０．１０％以上の添加が必要である。他方、１．４０％を超えて含有させると、窒化層が浅くなる他、熱間加工性が低下するとともに成分偏析を助長するため、１．４０％を上限とする。好ましくは０．３〜１．２％である。

（３）Ｍｎ：０．２０〜１．５０％
Ｍｎは、添加し過ぎると焼きなましによる硬さ低下が得られなくなるため、その含有を制限する必要がある。具体的には、１．５０％以下の含有とする。好ましくは１．００％以下である。他方、Ｍｎは、鋼の焼入れ性を高めるのに有効な元素であり、焼入れ焼戻しにより５００ＨＶ以上の内部硬さを得るためには、０．２０％以上の含有が必要である。好ましくは０．４０％以上である。

（４）Ｃｒ：２．００〜４．００％
Ｃｒは、マトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さ向上に寄与するとともに、炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。これらの効果を得るために２．００％以上の添加が必要である。好ましくは２．５０％以上である。他方、４．００％を超えて添加すると窒化層が浅くなる他、必要以上の炭化物を形成し、焼入れ焼戻し後において靭性及び仕上げ加工等の製造性が低下してしまうので、４．００％を上限とする。好ましくは３．６％以下である。

（５）Ｍｏ：０．０１〜０．５０％
Ｍｏも、Ｃｒと同様にマトリックス中に固溶して焼入性を高め、硬さ向上に寄与するとともに、炭化物を形成して耐摩耗性を向上させる。あるいは、焼入れ焼戻しにおける軟化抵抗性を高めるために有効な元素である。これらの効果を得るために０．０１％以上の添加が必要である。他方、過度の含有は、熱間加工性、靭性及び切削性が低下してしまうので、０．５０％以下の含有とする。好ましくは０．２５〜０．４５％である。

（６）Ｖ：０．０２〜０．３０％
Ｖは、安定な炭化物を形成する。また、結晶粒の粗大化を防止する効果があり、微細な炭化物を形成して耐摩耗性や硬さの向上に寄与する。また、焼入れ状態での残留オーステナイト量に大きく寄与する。これらの効果を得るとともに、残留オーステナイトを適切な量に制御するために０．０２％以上の添加が必要である。他方、過度の含有は、晶出炭化物量の増加による切削性の低下及び熱間加工性の低下を招くので、その含有量を０．３０％以下に制限する。好ましくは０．１０〜０．２５％である。

（７）Ｐ：０．０３％以下、Ｓ：０．１０％以下
Ｐ及びＳは不純物であって、製品の機械的性質にとって好ましくない成分であるから、できるだけ含有量を０％に近づけることが好ましい。０．０３％、０．１０％は、それぞれＰ，Ｓの許容限度である。

（８）Ｃｕ：０．３０％以下、Ｎｉ：０．３０％以下
Ｃｕ，Ｎｉは、炭化物の生成を抑制するので、炭化物の生成を促進するＣｒとのバランスを考慮に入れて、０．３０％以下に制限する。

（９）窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上
上述したように、耐焼付性の改善には、表面硬さの向上が有効であり、後述する試験結果によると、窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上である必要がある。より好ましくは１０００ＨＶ以上である。ここで、表面硬さ（表層硬さ）とは、試験片の表面に試験荷重を負荷したときの硬さを意味する。なお、上記特許文献２〜５に記載された発明も、硬さを向上させることで耐焼付性の改善を図るものであるが、特許文献２に記載の発明では、硬化処理層の硬度が７００〜７８０ＨＶを満足するに過ぎず、本願発明の要求スペックである表面硬さが８５０ＨＶ以上の条件を満たしていないので、耐焼付性の向上効果が本願発明に比べて劣る。
一方、特許文献３に記載の発明では、窒化層の硬度が１２００〜１５００ＨＶ（≧８５０ＨＶ）を満足しているが、マルテンサイト系ステンレス鋼を母材として用いるため、一般的な軸受鋼や工具鋼に比べて製造コストが高く、その用途が限られる。
また、特許文献４に記載の発明が適用されるセラミック軸受は、一般に製造コストが高く、しかも量産性に課題があるため、実用化は特殊な用途の軸受（例えば、工作機械の主軸用軸受等）に限られ、ローラー等の部材に適用することには向いていない。
また、特許文献５に記載の発明では、溶射被膜の表面硬さが８００ＨＶ程度であり、上記特許文献１に記載の発明と同様、本願発明の要求スペックである表面硬さが８５０ＨＶ以上の条件を満たしていないので、耐焼付性の向上効果が本願発明に比べて劣り、今後の使用条件の一層の過酷化に対応することは困難である。

（１０）内部硬さが５００ＨＶ以上
内部硬さとは、試験片の表面から１．００ｍｍの深さ位置における断面に試験荷重を負荷したときの硬さを意味する。本願発明の窒化部材をトラクションドライブに使用する場合、トラクション力を大きくするためには、窒化部材間の押し付け最大面圧を、少なくとも３．５ＧＰａ程度の大きさに設定することが必要となる。このように窒化部材間に作用する面圧が３．５ＧＰａの条件下では、表面から０．８ｍｍ程度の深さの部位に最大せん断力が発生するものと推定される。したがって、このせん断応力による塑性変形を抑制し（塑性変形深さが１０μｍ以下）、転がり寿命を確保するためには、後述する試験結果によると、内部硬さが５００ＨＶ以上である必要がある。より好ましくは５１０ＨＶ以上である。なお、窒化部材に塑性変形が生じると接触面圧が下がり、トラクション力が小さくなって、結果として伝達効率の低下を招来するため、塑性変形は出来るだけ抑制した方がよい。

本願発明では、更に以下の条件を満たすように設定することできる。
（１１）窒化処理で形成された窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上で、かつ、５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上
５００℃焼戻し表面硬さ（５００℃焼戻し表層硬さ）は、上記（９）と同様の方法で測定された値である。高速滑りが生ずる条件下では、窒化部材同士の摺動により最大５００℃の高温度になると考えられている。具体的には、５００℃の環境下にトータルで３時間程度晒されると想定されており、このような過酷な環境下においても、耐焼付性を維持する必要がある。そのためには、後述する試験結果によると、５００℃の状態を模擬的に再現した５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上である必要がある。５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上ない場合には、表面の軟化により使用中に焼付き、あるいは塑性変形が発生する可能性がある。より好ましくは７００ＨＶ以上である。
また、後述する試験結果によると、窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上である必要がある。すなわち、窒化化合物による硬質皮膜は耐焼付性の向上に有効であり、５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上の条件を満足するだけでは、耐焼付性を維持できない場合がある。

（１２）Ｃ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖをそれぞれ質量％で表したとき、下記式（１）を満たすこと。
１８≦−８．３Ｃ^２＋２１．６Ｃ＋３．３Ｃｒ＋６．１Ｍｏ＋１３．３Ｖ≦３０…（１）
上記式（１）は、窒化化合物層の厚さを１０μｍ以上としつつ、内部硬さを５００ＨＶ以上とするためのＣ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖにおけるパラメータ式を示す。式（１）の値が上限値３０を超えると、内部硬さが５００ＨＶ以上であることは満足するものの、窒化化合物層の厚さが１０μｍ未満となる。これとは逆に、式（１）の値が下限値１８未満になると、窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上であることは満足するものの、内部硬さが５００ＨＶ未満となる。式（１）の値の下限値を２０以上に設定することで、内部硬さをほぼ確実に５００ＨＶ以上に設定することができる。

（１３）窒化処理
窒化部材の最表面には、１０００ＨＶ前後の硬さを有する窒化化合物層が形成され、その直下に窒素拡散層が形成される。窒化処理では、通常４５０〜６００℃でガス雰囲気あるいは塩浴にて３時間程度処理されるため、低合金鋼の場合は内部の焼入れマルテンサイト組織が焼戻されて内部硬さが５００ＨＶ以下に軟化してしまう。これに対して、本願発明の窒化部材によれば、５００℃前後で２次硬化が生じるため、内部硬さ５００ＨＶ以上を確保することができる。

（鋼種、試験片形状）
まず、上記表１に示す合金組成（残部はＦｅ及び不可避不純物）の鋼を真空溶解炉を用いて溶製し、インゴットに鋳造した。次に、このインゴットを圧延してバー材にした後、耐焼付性を評価するための試験片１０（粗加工品）と、耐転がり寿命を評価するための試験片２０（粗加工品）とをそれぞれ複数作成した。試験片１０は、試験内容に応じて図１に示されるような円環状（例えば、外径φ７０×内径φ４０×厚さ１８ｍｍ）に形成した。また、試験片２０は、試験内容に応じて図２に示されるようなローラー部２１と軸部２２が一体の段付き円柱状（例えば、ローラー部２１の外径φ２６×軸部２２の軸長１３０ｍｍ）に形成した。この場合、各試験片１０，２０に対して転走面の表面粗さＲａがＲａ≦０．０４μｍとなるようなラップ仕上げ加工を施した。

（窒化方法）
上記各試験片１０，２０（粗加工品）に対し、下記の条件で熱処理を施した。すなわち、窒化処理の前に１０００℃で３０分間均熱保持後、油焼入れを行った。焼戻し処理は１６０℃で２時間行った。窒化処理は、シアン酸塩を主成分とする塩浴を用い（液体窒化、塩浴窒化）、処理温度５３０℃で３時間均熱保持後、空冷を行った。

（硬さ測定）
ビッカース硬さ（＝ＨＶ）は、「ＪＩＳ Ｚ２２４４」に規定されたビッカース硬さ試験法に従って測定したものであり、装置はマイクロビッカース硬さ試験機を用いた。圧子は「ＪＩＳ Ｂ７７２５」に規定されている対面角が１３６°のダイヤモンド四角錘圧子を用い、破壊されない程度の試験荷重で各試験片１０，２０の鏡面研磨された所定の面に窪みをつける。そして、この窪みの対角線長さd[ｍｍ]と試験荷重F[Ｎ]とから次式によって計算した値をビッカース硬さとした。
ＨＶ＝０．１８９×（Ｆ／ｄ^２）

この場合、試験片１０については、例えば図３に示されるように、窒化化合物層が形成された円環状の外周面を含みつつ内周面に達しない程度の深さ位置（例えば、表面から１０ｍｍ程度）が下側となるようにビッカース硬さ試験用ブロック１１を切り出した。試験荷重は５０ｇで負荷時間は１５秒とし、測定位置はビッカース硬さ試験用ブロック１１の外周面１１ａ（試験片１０の転走面に相当する）とした（表面直打ち）。

また、試験片２０については、例えば図４に示されるように、ローラー部２１を軸部２２の軸線と直交する向きに切断した。試験荷重は３００ｇで負荷時間は１５秒とし、測定位置はローラー部２１の転走面から１．００ｍｍの深さ位置における断面２１ａとした。

（窒化化合物層の厚さ測定）
試験片２０の断面組織を撮像し、窒化化合物層の断面厚さを５点抽出してその平均値を計算した。ここで、窒化化合物はＦｅ系窒化物を意味する。

（５００℃焼戻し表面硬さ測定）
試験片１０の表面の脱炭及び酸化を防止するため、真空雰囲気にて処理温度５００℃で３時間の追加焼戻し処理を実施した。表面硬さの測定は、上記試験片１０の場合と同じである（ビッカース硬さ試験用ブロック１１を切り出してその外周面１１ａを直打ち）。

（耐焼付性評価方法）
図１（Ａ）に示されるような回転ラジアルスラスト試験機を用いて、試験片１０に対して回転ラジアルスラスト試験を行った。回転ラジアルスラスト試験では、一対の試験片１０のうち一方を固定側、他方を回転側とし、油潤滑下にて回転側の試験片１０を介して固定側の試験片１０にラジアル荷重を負荷した。固定側の試験片１０の接触面の曲率半径を３０ｍｍ、回転側の試験片１０の回転数を２５００ｒｐｍとし、試験片１０間に焼付きが発生するまでラジアル荷重を、例えば６０秒で１００Ｎずつ段階的に増加させた。潤滑油はトラクションドライブ用オイルを用い、油温３２３Ｋ、流量１Ｌ／ｍｉｎで試験を行った。焼付き判定は、回転側の試験片１０に設置した接触温度計の温度が急上昇した時点とした。

（耐剥離性評価方法）
耐転がり寿命の評価方法の一つとして、図２に示されるようなローラーピッチング試験により、剥離寿命を評価することとした。ローラーピッチング試験では、負荷用ローラー３０と試験片２０を油潤滑下にて一定面圧で接触させ、滑りを与えながら回転させた。試験条件は面圧３．５ＧＰａ、すべり率１０％、回転数１８５０ｒｐｍとした。潤滑油はトラクションドライブ用オイルを用い、油温３２３Ｋ、流量４Ｌ／ｍｉｎで試験を行った。負荷用ローラー３０は、軸受鋼ＳＵＪ２を焼入れ・焼戻し後に表面研削したもの（例えば、直径１３０ｍｍ、曲率半径２０ｍｍのクラウニング加工を施したもの）を用いた。上記条件におけるピッチングが発生するまでの寿命を評価した。

（陥没量評価方法）
耐転がり寿命の評価方法の一つとして、更に陥没量を評価することとした。上記のローラーピッチング試験において、試験前及び試験後の試験片２０における未剥離部の形状プロファイルを測定し、初期面からの深さを陥没深さと定義した。試験片２０におけるローラー部２１の転走面について、表面粗さ測定器(東京精密株式会社製：SURFCOM 1500SD-13)を用いて軸方向の形状プロファイルを測定した。この場合、測定長さ２１ｍｍ、カットオフ波長０．８ｍｍとした。

表１に各鋼種における測定結果を示す。ここでは、回転ラジアルスラスト試験において焼付きが発生したときの焼付き限界荷重が１７００Ｎ以上（最大面圧２．０ＧＰａ以上）であれば、耐焼付性を良とした。また、ローラーピッチング試験において剥離寿命が１０^６回以上で、かつ、陥没量が１０μｍ以下であれば、耐転がり寿命特性を良とした。なお、表１の耐剥離性の欄において、「１．００Ｅ+０７」の記載は当該回数までピッチングが発生しなかったことを示している。

表１及び図５に示されるように、窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上であると、１７００Ｎ以上の焼付き限界荷重が得られることが分かる。また、内部硬さが５００ＨＶ以上であると、図７に示されるように１０^６回以上の剥離寿命が得られ、図８に示されるように１０μｍ以下の陥没深さが得られることが分かる。

発明鋼１〜５，８は窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上の条件を満たし、かつ、内部硬さが５００ＨＶ以上の条件を満たしている。さらに、発明鋼１〜５，８は窒化処理で形成された窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上で、かつ、５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上の条件を満たし、更に式（１）の条件をも満たしている。図６に示されるように、窒化処理で形成された窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上で、かつ、５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上である場合にも、１７００Ｎ以上の焼付き限界荷重が得られることが分かる。

ここで、発明鋼６は、窒化化合物層の厚さが９．１μｍであり、１０μｍ以上の条件を満たしていないが、１０μｍに近い値であるため、焼付き限界荷重が規定の１７００Ｎとなっている。発明鋼７は、５００℃焼戻し表面硬さが５４７ＨＶであり、５５０ＨＶ以上の条件を満たしていないが、５５０ＨＶに近い値であるため、焼付き限界荷重として規定の１７００Ｎよりやや高めの１８３０Ｎが得られている。

一方、比較鋼１，３，６は、それぞれＣ，Ｃｒ，Ｖが下限値を下回っているため、窒化処理時に内部硬さが不足し、いずれも剥離寿命が規定の１０^６回に達していない。比較鋼５はＭｏが下限値を下回っているため、剥離寿命は規定の１０^６回に達しているものの、内部硬さが不足している。

比較鋼２，４は、それぞれＳｉ，Ｃｒが上限値を上回ることに起因して、窒化化合物層の厚さが不足し、焼付き限界荷重が規定の１７００Ｎに達していない。比較鋼７は、式（１）の値が下限値を下回っているため、窒化処理時に内部硬さが不足し、剥離寿命が規定の１０^６回に達していない。そして、比較鋼１，３，５，６，７は、内部硬さの不足に起因して、いずれも陥没量が１０μｍを超えている。

また、比較例のばね鋼１，２は、Ｃｒが下限値を下回るとともに式（１）の値が下限値を下回っているため、窒化処理時に内部硬さが不足し、いずれも剥離寿命が規定の１０^６回に達していない。なお、ばね鋼２は、窒化後片肉３０μｍの研磨により窒化化合物層を除去しており、表面硬さが不足したため、焼付き限界荷重も規定の１７００Ｎに達していない。そして、ばね鋼１，２についても、比較鋼１，３，５，６，７と同様、内部硬さの不足に起因して、いずれも陥没量が１０μｍを超えている。

比較例の軸受鋼１，２及び工具鋼１は、いずれも窒化処理が施されないことにより、表面硬さが不足し、焼付き限界荷重が規定の１７００Ｎに達していない。また、比較例の工具鋼１，２は、Ｃｒ，Ｍｏが上限値を上回ることに起因して、いずれも式（１）の値が３０を上回っており、窒化処理により表面硬さは満足するものの、窒化化合物層の厚さが不足したため、焼付き限界荷重が規定の１７００Ｎに達していない。

以上の説明からも明らかなように、本発明の窒化部材によれば、窒化処理後の表面硬さを８５０ＨＶ以上とし、内部硬さを５００ＨＶ以上とすることができる。したがって、本発明の窒化部材をトラクションドライブに適用することによって、変速時において高速滑りを伴う環境下であっても優れた耐焼付性を得ることができ、また、動力の伝達を高めるために使用面圧を高くしても長い転がり寿命を得ることができる。

そして、本発明の窒化部材を摩擦伝動変速機（例えば、特開２００６−１７０３８９号公報に記載の摩擦伝動変速機）を構成する複数の対となる入力側及び出力側ローラーに適用すれば、滑りによりそれらローラーが耐えられる温度が４００℃から５００℃へと向上することにより、変速比幅向上率が、従来値（基準値）をＡとすると１．２Ａ〜２Ａ倍程度の大きさまで向上し、ひいては車両の燃費を１％程度向上させることができる（図１参照）。他方、変速比幅向上率を従来値と同じ大きさに設定した場合には、入力側及び出力側ローラー間の接触面圧の向上効果により入力側及び出力側ローラーを小型化し、又はそれらローラーの幅長を狭く設定することができ、入力側及び出力側ローラーで構成されるユニット重量を従来のものに比して１．５ｋｇ程度削減することができる。

１０ 試験片
１１ ビッカース硬さ試験用ブロック
１１ａ 外周面
２０ 試験片
２１ ローラー部
２１ａ 断面

Claims (6)

1. 質量％で、
   Ｃ：０．４０〜１．００％、
   Ｓｉ：０．１０〜１．４０％、
   Ｍｎ：０．２０〜１．５０％、
   Ｐ：０．０３％以下、
   Ｓ：０．１０％以下、
   Ｃｕ：０．３０％以下、
   Ｎｉ：０．３０％以下、
   Ｃｒ：２．００〜４．００％、
   Ｍｏ：０．０１〜０．５０％、
   Ｖ：０．０２〜０．３０％、
   を含有し、残部がＦｅ及び不可避不純物からなり、
   窒化処理後の表面硬さが８５０ＨＶ以上であり、内部硬さが５００ＨＶ以上であることを特徴とする窒化部材。
2. 前記窒化処理で形成された窒化化合物層の厚さが１０μｍ以上で、かつ、５００℃焼戻し表面硬さが５５０ＨＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の窒化部材。
3. Ｃ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖをそれぞれ質量％で表したとき、下記式（１）を満たすことを特徴とする請求項２に記載の窒化部材。
   １８≦−８．３Ｃ^２＋２１．６Ｃ＋３．３Ｃｒ＋６．１Ｍｏ＋１３．３Ｖ≦３０…（１）
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の窒化部材は、入力された駆動力を転がり摩擦により出力側に伝達する、複数の対となる入力側及び出力側ローラーに用いられ、前記複数の対となる入力側及び出力側ローラーにより、組み合わされたローラー対で定まる変速比に基づいて、入力された駆動力を出力側に伝達することを特徴とする摩擦伝動変速機。
5. 前記変速比を所定の基準値と比較した場合の変速比幅向上率の増大に対応して、車両の燃費を向上させたことを特徴とする請求項４に記載の摩擦伝動変速機。
6. 前記変速比を所定の基準値と同じ大きさに設定した場合、前記複数の対となる入力側及び出力側ローラーを小型化し、又はそれらローラーの幅長を狭く設定したことを特徴とする請求項４に記載の摩擦伝動変速機。

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