JP2018172749A - Ｃｖｔリング用鋼、窒化用ｃｖｔリング素材及びその製造方法、並びにｃｖｔリング部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルエージング鋼よりも安価に提供可能であり、製造過程における圧延性に優れたＣＶＴリング用鋼、この鋼から構成され、優れた強度を有する窒化用ＣＶＴリング素材及びその製造方法、並びに、このＣＶＴリング素材を素材として作製され、優れた疲労寿命を有するＣＶＴリング部材及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＣＶＴリング用鋼は、Ｃ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｓｉ：２．５０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｃｒ：１．００質量％以上４．００質量％以下を含有し、下記式１の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる化学成分を有している。
式１：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）＋３５．４７２＞０
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＶＴリング用鋼、この鋼から構成された窒化用ＣＶＴリング素材及びその製造方法、並びに、このＣＶＴリング素材から作製されたＣＶＴリング部材及びその製造方法に関する。

環境問題等の観点から自動車の低燃費化が強く望まれており、最近の自動車用変速装置には燃費向上に有利なベルト式の無段変速機（以下、適宜ＣＶＴという。）が多用されている。ＣＶＴに使用される動力伝達用ベルトは、金属製の薄い板厚のリング部材を複数層重ねて一組のＣＶＴベルトを構成し、そのＣＶＴベルト２組にエレメントと呼ばれる摩擦部材を複数組み付けて構成されている。

ＣＶＴベルトは、ＣＶＴにおけるプーリに直接接触するものではないが、エレメントを組み付けた動力伝達用ベルトを構成する状態で回転して動力を伝え、その回転中に張力や曲げ応力を繰り返し受ける。そのため、ＣＶＴベルトを構成するリング部材の材料には、疲労強度に優れたものを用いる必要がある。さらに、近年の自動車の高出力性能化にともない、動力伝達用ベルトにもこれまで以上の高強度化が要求されるようになってきた。

リング部材には、強度、耐摩耗性などの様々な特性が要求されることから、現状では、強度、耐摩耗性等に非常に優れた特性を有するマルエージング鋼がＣＶＴリング用鋼材料として用いられている。しかし、マルエージング鋼は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｍｏ（モリブデン）及びＣｏ（コバルト）等の高価な元素が多量に添加されているため、非常に高価なものとなっている。

そこで、本出願人らは、鋭意検討の結果、高強度で耐摩耗性に優れ、マルエージング鋼よりも安価に提供可能なＣＶＴリング部材を開発した（特許文献１、特許文献２）。さらに、近年の自動車の高出力性能化にともない、動力伝達用ベルトにもこれまで以上の高い疲労寿命が要求されるようになってきた。

ＣＶＴリング部材は、通常、以下のようにして作製されている。即ち、板材をリング状に曲げ加工した後、端部同士を溶接して無端ベルト状を呈する粗リング材を作製する。この粗リング材に冷間圧延や軟化焼鈍等を適宜組み合わせて実施し、素材となるＣＶＴリング素材を作製する。このＣＶＴリング素材に窒化処理を施すことにより、ＣＶＴリング部材を得ることができる。

特開２０１１−１９５８６１号公報 国際公開ＷＯ２０１５／０８７８６９号

特許文献１及び特許文献２のＣＶＴリング部材は、上述した製造過程における、粗リング材を冷間圧延する作業での圧延性に未だ改善の余地がある。即ち、特許文献１及び特許文献２のようにＣＶＴリング部材の素材として高強度の鋼を使用する場合には、上述した製造過程における、粗リング材を冷間圧延する際の圧延条件が過酷になる。そのため、生産性を向上しようとすると、冷間圧延後のリング材の端部に割れが生じやすいという問題がある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、マルエージング鋼よりも安価に提供可能であり、製造過程における圧延性に優れたＣＶＴリング用鋼、この鋼から構成され、優れた強度を有する窒化用ＣＶＴリング素材及びその製造方法、並びに、このＣＶＴリング素材から作製され、優れた疲労寿命を有するＣＶＴリング部材及びその製造方法を提供しようとするものである。

即ち、本発明の一態様は、以下の［１］〜［３］に係るＣＶＴリング用鋼にある。

［１］Ｃ（炭素）：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｓｉ（シリコン）：２．５０質量％以下、Ｍｎ（マンガン）：１．００質量％以下、Ｃｒ（クロム）：１．００質量％以上４．００質量％以下を含有し、下記式１の関係を満たし、残部がＦｅ（鉄）及び不可避的不純物よりなる化学成分を有する、ＣＶＴリング用鋼。
式１：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）＋３５．４７２＞０

［２］Ｖ：１．００質量％以下、Ｎｉ：４．００質量％以下及びＭｏ：０．５０質量％未満のうち１種または２種以上をさらに含有し、下記式２の関係を満たしている、［１］に記載のＣＶＴリング用鋼。
式２：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−０．８７９×Ｎｉ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）−１３．９９０×Ｍｏ（質量％）−４．６２５×Ｖ（質量％）＋３５．４７２＞０

［３］Ａｌ：０．０６０質量％以下、Ｔｉ：０．１０質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以下及びＺｒ：０．２０質量％以下からなる群のうち１種または２種以上と、Ｎ：０．００６質量％以上０．０３０質量％以下とをさらに含んでおり、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒからなる群のうち１種または２種以上の元素の窒化物または炭窒化物から構成され、Ｆｅ母相中に分散された第二相粒子を有している、［１］または［２］に記載のＣＶＴリング用鋼。

本発明の他の態様は、以下の［４］に係る窒化用ＣＶＴリング素材にある。
［４］上記の態様のＣＶＴリング用鋼から構成されており、
引張強さが１５００ＭＰａ以上であり、
無端ベルト状を呈する、窒化用ＣＶＴリング素材。

本発明のさらに他の態様は、以下の［５］に係るＣＶＴリング部材にある。
［５］上記の態様の窒化用ＣＶＴリング素材からなる母材の表面に表面硬化層が形成されており、
厚み方向断面における、最表面から中心部へ０．０３ｍｍの深さにおける硬さＨ_Ａ［ＨＶ］と、厚み方向中央部の内部硬さＨ_Ｂ［ＨＶ］とが、Ｈ_Ａ≦１．１Ｈ_Ｂ、かつ、Ｈ_Ｂ≧４５０の関係を満たし、
上記表面硬化層の表面硬さが６５０ＨＶ以上である、ＣＶＴリング部材。

本発明のさらに他の態様は、以下の［６］〜［７］に係る窒化用ＣＶＴリング素材の製造方法にある。

［６］上記の態様のＣＶＴリング用鋼の鋳塊を準備し、
上記鋳塊に塑性加工を施して板材を作製し、
上記板材を曲げ加工するとともに端面同士を溶接して粗リング材を作製し、
上記粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延を施して板厚所望のリング材を作製し、
上記リング材を８５０〜１０００℃に加熱した後急冷して焼入処理を行う、窒化用ＣＶＴリング素材の製造方法。

［７］上記焼入処理の後、上記リング材を１５０〜２５０℃または４００〜５００℃のいずれかの範囲内に加熱して焼戻し処理を行う、［６］に記載の窒化用ＣＶＴリング素材の製造方法。

本発明のさらに他の態様は、以下の［８］に係るＣＶＴリング部材の製造方法にある。
［８］上記の態様の製造方法により窒化用ＣＶＴリング素材を作製し、
上記窒化用ＣＶＴリング素材に４００〜５００℃の温度で窒化処理を行う、ＣＶＴリング部材の製造方法。

上記ＣＶＴリング用鋼における化学成分は、各元素の含有量が上記特定の範囲内であるとともに、上記特定の関係を満たしている。上記ＣＶＴリング用鋼は、このように調整された特定の化学成分を有しているため、優れた圧延性を有している。また、上記窒化用ＣＶＴリング素材の製造過程において、冷間圧延時のリング材の端部の割れの発生を抑制することができる。

さらに、ＣＶＴリング用鋼中に任意元素を上記特定の範囲内で含有させることにより、ＣＶＴリング用鋼中に窒化物または炭窒化物から構成され、Ｆｅ母相中に分散された第二相粒子を有することができる。その結果、ＣＶＴリング素材の製造過程において冷間圧延後のリング材の端部に割れの発生を抑止することができる。

また、上記ＣＶＴリング素材は、マルエージング鋼に比べて合金元素の含有量が少ない上記ＣＶＴリング用鋼から構成されているため、材料コストを低減することができる。更に、上記ＣＶＴリング素材は、少なくとも上記特定の化学成分を有していることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。

また、上記ＣＶＴリング部材は、上記の態様のＣＶＴリング素材の表面に表面硬化層を形成することにより作製することができる。上記ＣＶＴリング部材は、上記ＣＶＴリング素材を母材としており、上記特定の範囲の硬さを有しているため、疲労寿命に優れている。さらに、上記ＣＶＴリング部材は、マルエージング鋼に比べて合金元素の含有量が少ないため、マルエージング鋼を使用した従来のＣＶＴリング部材に比べて上記リング部材を安価に提供することができる。

また、上記の態様のＣＶＴリング素材の製造方法においては、上記特定の範囲の化学成分を有するリング材に、上記特定の条件で焼入処理を行う。これにより、上記特定の範囲の引張強さを有する上記ＣＶＴリング素材を作製することができる。また、上記ＣＶＴリング素材において、焼入処理後、窒化処理前にさらに焼戻し処理を行うことで、ＣＶＴリング素材中に固溶した炭素からなる鉄炭化物が生成したり、炭素若しくは炭化物の形態を制御して後に実施する窒化処理により侵入した窒素の拡散や窒化物の生成を安定化したＣＶＴリング部材とすることができる。

また、上記の態様のＣＶＴリング部材の製造方法によれば、上記ＣＶＴリング素材への窒化処理により得られた表面硬化層（表面硬さ）や上記ＣＶＴリング部材における強度特性を安定化することができる。
また、上記ＣＶＴリング素材に窒化処理を行うことにより、表面硬化層を有するＣＶＴリング部材を作製することができ、狙いとする疲労強度を得ることができる。

実施例における、ＣＶＴリング部材の使用状態を示す説明図である。

上記ＣＶＴリング用鋼における各成分範囲の限定理由について、以下に説明する。

・Ｃ（炭素）：０．３０質量％以上０．７０質量％以下
Ｃは、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度を高くする作用を有している。Ｃの含有量を上記特定の範囲とすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。Ｃの含有量が０．３０質量％未満の場合には、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度を高くすることが難しい。

上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度をより高くする観点からは、Ｃの含有量をより多くすることが好ましい。しかし、Ｃの含有量が過度に多い場合には、上記ＣＶＴリング用鋼中に粗大な炭化物が形成されるおそれがある。ＣＶＴリング用鋼中に粗大な炭化物が存在すると、ＣＶＴリング素材の製造過程において、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生しやすくなる。また、ＣＶＴリング用鋼中の粗大な炭化物は、強度低下の原因となるおそれがある。そのため、圧延性及び強度の低下を回避する観点から、Ｃの含有量は０．７０質量％以下とする。

・Ｓｉ（シリコン）：２．５質量％以下
上記ＣＶＴリング用鋼中には、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、通常、０．０３質量％程度のＳｉが不可避的不純物として含まれている。上記ＣＶＴリング用鋼中のＳｉの含有量を不可避的不純物としてのＳｉ量よりも多い０．０３質量％以上とすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度をより高くする観点からは、Ｓｉの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。

Ｓｉの含有量が２．５０質量％を超える場合には、上記ＣＶＴリング用鋼の圧延性の低下を招くおそれがある。また、この場合には、ＣＶＴリング部材の製造過程において、ＣＶＴリング素材に窒化処理を施す際に、表面硬化層の形成が妨げられるおそれがある。

・Ｍｎ（マンガン）：１．００質量％以下
上記ＣＶＴリング素材中には、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、通常、０．０２質量％程度のＭｎが不可避的不純物として含まれている。ＣＶＴリング素材中のＭｎの含有量を不可避的不純物としてのＭｎ量よりも多い０．０２質量％以上とすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。上記リング部材の強度をより高くする観点からは、Ｍｎの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。

Ｍｎの含有量が過度に多くなると、添加量に見合った作用効果を得ることが難しい。そこで、Ｍｎによる強度向上の効果を得る観点から、Ｍｎの含有量は１．００質量％以下とする。

・Ｃｒ（クロム）：１．００質量％以上４．００質量％以下
Ｃｒは、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度を高くする作用を有している。また、Ｃｒは、窒化処理後のＣＶＴリング部材における表面硬化層の表面硬さの向上に有効な元素である。Ｃｒの含有量を上記特定の範囲にすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。また、Ｃｒの含有量を上記特定の範囲にすることにより、上記ＣＶＴリング部材の表面硬化層の表面硬さを高くすることもできる。

Ｃｒの含有量が１．００質量％未満の場合には、上述した作用効果を得ることが難しい。一方、Ｃｒの含有量が４．００質量％を超える場合には、Ｃｒの存在により炭化物の成長が過度に促進され、粗大な炭化物が形成されるおそれがある。その結果、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度がかえって低下するおそれがある。また、この場合には、それ以上Ｃｒを添加しても、添加量に見合った作用効果を得ることが難しい。更に、Ｃｒは比較的高価な元素であるため、Ｃｒの含有量が過度に多くなると、上記ＣＶＴリング用鋼やＣＶＴリング素材、ＣＶＴリング部材の原料コストの増大を招く。原料コストの増大や強度の低下を回避しつつＣｒによる上述した作用効果を得る観点から、Ｃｒの含有量は４．００質量％以下とする。

上記ＣＶＴリング用鋼において、上述した必須成分の含有量は、下記式１の関係を満たしている。
式１：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）＋３５．４７２＞０

上記ＣＶＴリング用鋼は、個々の必須成分の含有量を上記特定の範囲内にした上で、更に上記式１を満たす化学成分を有していることにより、粗リング材を冷間圧延する際の圧延性を向上させ、割れの発生を抑制することができる。このような作用効果は、後述する実施例から明らかである。

上記ＣＶＴリング用鋼は、上述した必須成分以外に、任意成分として、Ｖ（バナジウム）、Ｎｉ（ニッケル）及びＭｏ（モリブデン）のうち１種または２種以上を含んでいてもよい。

・Ｖ（バナジウム）：１．００質量％以下
Ｖは、任意成分であり、必ずしも含まれていなくてもよいが、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度を高くする作用を有している。また、Ｖは、窒化処理後における表面硬化層の表面硬さの向上に有効な元素である。Ｖの含有量を上記特定の範囲にすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現し、かつ、上記ＣＶＴリング部材の表面硬化層の表面硬さをより高くすることができる。これらの作用効果をより高める観点からは、Ｖの含有量を０．０５質量％以上とすることが好ましい。

Ｖの含有量が１．００質量％を超える場合には、粗大な炭化物が構成され、圧延性や強度を低下させるおそれがあるため、添加量に見合った作用効果を得ることが難しい。また、Ｖは比較的高価な元素であるため、Ｖの含有量が過度に多くなると、上記ＣＶＴリング用鋼やＣＶＴリング素材、ＣＶＴリング部材の原料コストの増大を招く。原料コストの増大を回避しつつＶによる上述した作用効果を得る観点から、Ｖの含有量は１．００質量％以下とする。

・Ｎｉ（ニッケル）：４．００質量％以下
Ｎｉは、任意成分であり、必ずしも含まれていなくてもよいが、必要に応じて添加することにより、焼入性を向上させるために有効な元素である。また、Ｎｉは、炭化物の生成を抑制する作用を有しており、粒界に形成される炭化物の量をより低減することができる。そして、粒界に形成される炭化物の量を低減することにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。また、Ｎｉの含有量を上記特定の範囲にすることにより、焼入性をより向上させることができるとともに、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度をより高くすることができる。これらの作用効果をより高める観点からは、Ｎｉの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。

Ｎｉの含有量が４．００質量％を超える場合には、添加量に見合った作用効果を得ることが難しい。また、Ｎｉは比較的高価な元素であるため、Ｎｉの含有量が過度に多くなると、上記ＣＶＴリング用鋼やＣＶＴリング素材、ＣＶＴリング部材の原料コストの増大を招く。原料コストの増大を回避しつつＮｉによる上述した作用効果を得る観点から、Ｎｉの含有量は４．００質量％以下とする。

・Ｍｏ（モリブデン）：０．５０質量％未満
Ｍｏは、任意成分であり、必ずしも含まれていなくてもよいが、必要に応じて添加することにより、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度を高くするとともに、焼戻し処理中の炭化物の成長を抑制させるために有効である。Ｍｏの含有量を上記特定の範囲とすることにより、上記特定の範囲の強度特性を実現することができる。これらの作用効果をより高める観点からは、Ｍｏの含有量を０．１０質量％以上とすることが好ましい。

Ｍｏの含有量が０．５０質量％以上の場合には、粗リング材を冷間圧延する際の圧延性の低下を招くおそれがある。また、Ｍｏは比較的高価な元素であるため、Ｍｏの含有量が過度に多くなると、上記ＣＶＴリング用鋼やＣＶＴリング素材、ＣＶＴリング部材の原料コストの増大を招く。原料コストの増大を回避しつつＭｏによる上述した作用効果を得る観点から、Ｍｏの含有量は０．５０質量％未満とする。

上記ＣＶＴリング用鋼がＶ、Ｎｉ及びＭｏのうち１種または２種以上を含んでいる場合、必須成分及びＶ、Ｎｉ、Ｍｏの含有量は、個々の成分の含有量を上記特定の範囲内にした上で、下記式２を満たしている必要がある。これにより、ＣＶＴリング用鋼の圧延性をより向上させることができる。
式２：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−０．８７９×Ｎｉ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）−１３．９９０×Ｍｏ（質量％）−４．６２５×Ｖ（質量％）＋３５．４７２＞０

また、上記ＣＶＴリング用鋼は、上記必須成分の他に、Ａｌ（アルミニウム）：０．０６０質量％以下、Ｔｉ（チタン）：０．１０質量％以下、Ｎｂ（ニオブ）：０．１０質量％以下及びＺｒ（ジルコニウム）：０．２０質量％以下からなる群のうち１種または２種以上と、Ｎ（窒素）：０．００６質量％以上０．０３０質量％以下とを含んでいてもよい。

Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒは、単独で添加されていてもよく、２種以上が添加されていてもよい。これらの元素とＮとが共存することにより、Ｆｅ母相中に、これらの元素の窒化物や炭窒化物からなる第二相粒子を分散させることができる。そして、上記第二相粒子は、結晶粒界の移動を妨げる、いわゆるピン止め効果により、焼入処理中の結晶粒の粗大化を抑制することができる。その結果、上記ＣＶＴリング部材の疲労寿命を高くすることができる。

一方、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ及びＮのうちいずれかの化学成分を上記特定の範囲よりも過剰に添加すると、上記元素からなる窒化物や炭窒化物からなる第二相粒子が粗大、かつ多量に分散されるため、ＣＶＴリング素材を製造する過程における冷間加工性を低下させるおそれがある。またＣＶＴリング素材の製造過程において冷間圧延後のリング材への端部に割れが発生するおそれがある。

上記ＣＶＴリング用鋼から構成された窒化用ＣＶＴリング素材は、無端ベルト状を呈している。ＣＶＴリング素材の板厚は、例えば、０．１５〜０．２２ｍｍの範囲内から適宜設定することができる。また、ＣＶＴリング素材は、１５００ＭＰａ以上の引張強さを有している。上記ＣＶＴリング素材は、少なくとも上記特定の範囲の化学成分を有しているため、このような高い水準の引張強さを実現することができる。

上記ＣＶＴリング素材に窒化処理を施し、ＣＶＴリング素材の表面に表面硬化層を形成することにより、ＣＶＴリング部材を得ることができる。ＣＶＴリング部材は、厚み方向断面における、最表面から中心部へ０．０３ｍｍの深さにおける硬さＨ_Ａ［ＨＶ］と、厚み方向中央部の内部硬さＨ_Ｂ［ＨＶ］とが、Ｈ_Ａ≦１．１Ｈ_Ｂ、かつ、Ｈ_Ｂ≧４５０の関係を満たし、かつ、表面硬化層の表面硬さが６５０ＨＶ以上である。ＣＶＴリング部材は、少なくとも、上記特定の化学成分を備え、かつ、引張強さが上記特定の範囲であるＣＶＴリング素材を母材とすることにより、上述した狙いの強度特性を実現することができる。

上記ＣＶＴリング素材は、上記特定の範囲の化学成分を有する鋳塊を準備し、
上記鋳塊に塑性加工を施して板材を作製し、
上記板材を曲げ加工するとともに端面同士を溶接して無端ベルト状を呈する粗リング材を作製し、
上記粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延を施して板厚所望のリング材を作製し、
上記リング材を８５０〜１０００℃に加熱した後急冷して焼入処理を行うことにより作製することができる。

上記製造方法において、鋳塊から板材を作製する際の塑性加工としては、例えば、熱間圧延、熱間鍛造、冷間圧延、冷間鍛造等の公知の種々の塑性加工方法を適用することが可能である。通常は、熱間加工を実施した後、冷間加工を施して板材を作製する。なお、熱間加工によって板材表面に生成した黒皮（酸化皮膜）は、冷間加工の前に除去することが好ましい。黒皮の除去は、例えば、ピーリング等の機械加工や酸洗によって実施することができる。

上記板材に曲げ加工を行ってリング状に成形した後、端面同士の突合せ溶接を行うことにより粗リング材を作製することができる。曲げ加工には、例えば、ロール曲げ加工等の公知の方法を適用することができる。溶接には、例えば、プラズマ溶接、レーザ溶接等の公知の方法を適用することができる。

粗リング材は、ＣＶＴリング部材１本に相当する幅を有する板材から作製することもできる。しかし、工程の合理化の観点からは、ＣＶＴリング部材複数本に相当する幅広の板材を管状に溶接しておき、当該管を所望の幅に切断して粗リング材を作製することが好ましい。この場合には、切断の後に、バレル研磨等により切断面のバリ取りを実施することが好ましい。

このようにして得られた粗リング材に軟化焼鈍処理を行うことにより、溶接による熱影響を除去するとともに冷間圧延時の圧延性を向上させることができる。その後、粗リング材に冷間圧延を行うことにより、所望の板厚を備えたリング材を得ることができる。このときのリング材の板厚は、最終的に得ようとするＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の板厚とほぼ同一である。リング材の板厚は、例えば、０．１５〜０．２２ｍｍの範囲内から適宜設定することができる。

上述した方法等により準備されたリング材を８５０〜１０００℃に加熱した後急冷して焼入処理を行うことにより、ＣＶＴリング素材を得ることができる。焼入処理における加熱温度を８５０℃以上とするのは、短時間にＣＶＴリング素材をオーステナイト化し、焼入れするのに必要な温度であるためである。一方、加熱温度が１０００℃を超える場合には、結晶粒の粗大化により、上記ＣＶＴリング素材やＣＶＴリング部材の強度の低下を招くおそれがある。かかる問題を回避する観点から、焼入処理における加熱温度は１０００℃以下とする。

上述した焼入処理の後、必要に応じて、上記リング材に焼戻し処理を行ってもよい。焼戻し処理における加熱温度は、１５０〜２５０℃または４００〜５００℃のいずれかの範囲とすることができる。

１５０〜２５０℃の加熱温度で焼戻し処理を行う場合には、焼入処理において固溶したＣを鉄炭化物としてＣＶＴリング素材中に析出させることができる。また、４００〜５００℃の加熱温度で焼戻し処理を行う場合には、上述した鉄炭化物が成長することにより安定化された鉄炭化物や合金炭化物をＣＶＴリング素材中に形成することができる。

そして、焼戻し処理における加熱温度を上述のように制御することにより、ＣＶＴリング素材中の炭素若しくは炭化物の形態を制御することができる。その結果、後に行う窒化処理の際に、ＣＶＴリング素材中に侵入した窒素の拡散や、窒化物の生成により得られた表面硬化層の形成をムラなく行うことができる。更に、窒化処理が施されたＣＶＴリング部材における、表面硬化層の表面硬さや断面中心部分の引張強さのムラを低減することができる。

また、焼戻処理または焼戻し処理が完了した後、必要に応じて、これらの処理により生じた歪みを除去するための矯正加工や、ＣＶＴリング素材の周長を所望の範囲に調整するための周長調整を行ってもよい。これらの加工は、別々の工程として行ってもよく、矯正加工と周長調整とを兼ねた１つの工程として行ってもよい。

その後、４００〜５００℃の温度で上記ＣＶＴリング素材に窒化処理を行うことにより、ＣＶＴリング素材の表面に表面硬化層を形成し、ＣＶＴリング部材を作製することができる。窒化処理における処理温度を上記特定の範囲とすることにより、ＣＶＴリング部材の表面硬化層の表面硬さを適正な範囲にすることができる。処理温度が４００℃未満の場合には、表面硬化層の表面硬さが不十分となり、ＣＶＴリング部材の疲労寿命の低下を招くおそれがある。一方、処理温度が５００℃を超える場合には、過剰窒化となるため、表面硬化層の表面硬さが過度に高くなる。その結果、ＣＶＴリング部材の脆化によって疲労寿命が低下するおそれがある。

なお、ＣＶＴリング部材の表面硬化層の表面硬さは、８００〜９５０ＨＶであることが好ましい。また、窒化処理としては、窒素単独又はアンモニア等の窒素化合物単独のガス、又は、それらの窒素化合物を含む混合ガスの雰囲気中で行うガス窒化、軟窒化、塩浴窒化、プラズマ窒化等の種々の方法を適用することができる。窒化処理は表面性状の影響を受けやすいため、必要に応じて、窒化処理前に機械的に若しくは化学的な研磨処理、酸化若しくは還元雰囲気による最表面の均質化処理を行ってもよい。

（実施例１）
上記ＣＶＴリング用鋼、この鋼から構成されたＣＶＴリング素材及びその製造方法、並びにこのＣＶＴリング素材から作製されたＣＶＴリング部材及びその製造方法の実施例について、以下に説明する。図１に示すように、本例のＣＶＴリング部材１は、ＣＶＴにおける、動力伝達用ベルト３を構成する部品として用いられる。動力伝達用ベルト３は、多数のエレメント２と、エレメント２に組み付けられた２組のＣＶＴベルト１０とを有している。ＣＶＴベルト１０は、互いに積層された複数のＣＶＴリング部材１から構成されている。

本例のＣＶＴリング素材及びＣＶＴリング部材の作製方法を以下に詳説する。

まず、ＶＩＭ（Vacuum Induction Melting）装置を用いて表１に示す化学成分を有する鋳塊（合金記号Ａ〜ＡＭ）を作製した。なお、表１における化学成分の含有量については、任意元素であるＮｉ、Ｍｏ、Ｖ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｎを意図的に添加した鋳塊の合金記号のみ数値を記載し、任意元素を意図的に添加していない鋳塊の合金記号には「−」を一律に記載した。

得られた鋳塊に鍛伸加工を施し、厚さ７ｍｍの板材を作製した。板材表面に存在する黒皮を機械加工により除去した後、冷間圧延により、板材の厚さを０．３９ｍｍとした。次いで、板材にロール曲げ加工を施して管状に成形し、プラズマ溶接により端面同士の突合せ溶接を行った。得られた管を５〜１５ｍｍの幅に切断し、板厚０．３９ｍｍ、周長３００ｍｍの粗リング材を得た。

次に、粗リング材にバレル研磨、軟化焼鈍処理及び冷間圧延を順次行い、板厚０．２０ｍｍのリング材を作製した。なお、軟化焼鈍処理における加熱温度は８６０℃とし、保持時間は２時間とした。

リング材を表２及び表３に示す焼入温度まで加熱して６０分間保持した後、空冷して焼入処理を行った。なお、表２及び表３に示す焼入温度は、各リング材のＡｃｍ変態点＋５０℃が８５０〜１０００℃の範囲内である場合には、リング材のＡｃｍ変態点＋５０℃である。また、この温度が８５０℃未満の場合には焼入温度を８５０℃とし、１０００℃を超える場合には焼入温度を１０００℃とした。

焼入処理が完了した後、リング材を４２５℃で１時間加熱して焼戻し処理を行った。その後、リング材に、矯正加工を兼ねた周長調整を施し、ＣＶＴリング素材を作製した。図には示さないが、周長調整においては、一対のローラ間にリング材を掛け渡し、ローラ同士の距離を拡げる方向にテンションをかけながらリング材を回転させた。

周長調整の後、４２５℃の窒化温度でＣＶＴリング素材に窒化処理を行った。本例においては、ＮＨ₃とＨ₂との混合ガス中において、上記ＣＶＴリング素材を上記特定の窒化温度に保持することにより窒化処理を行い、母材としてのＣＶＴリング素材の表面に表面硬化層を形成した。以上により、表２及び表３に示すＣＶＴリング部材（試験体１〜３９）を得た。

以上の試験体について、粗リング材の圧延性及びＣＶＴリング素材の引張強さを以下の方法により評価した。また、窒化処理後のＣＶＴリング部材の内部硬さや表面硬化層の表面硬さ等で現される硬さ特性及び疲労寿命を、以下の方法により評価した。

＜引張強さ＞
図には示さないが、一対のローラにＣＶＴリング素材を掛け渡した後、ローラに加わる荷重を測定しながらローラ間の距離を徐々に広げて、ＣＶＴリング素材に引張荷重を加えた。そして、試験開始からＣＶＴリング素材が破断するまでの最大荷重をＣＶＴリング素材の断面積で除した値をＣＶＴリング素材の引張強さとした。その結果を表２及び表３に示した。なお、引張強さの測定は、室温環境下にて行った。引張強さの評価においては、引張強さが１５００ＭＰａ以上の場合を合格と判定し、１５００ＭＰａ未満の場合を不合格と判定した。

＜圧延性指数＞
各試験体における化学成分の含有量（表１参照）を用いて、下記式１または下記式２のいずれかにより圧延性指数Ｒを算出した。その結果を表２及び表３に示した。なお、表１における「化学成分」欄中の記号「−」は、当該元素が含まれていない、あるいは、当該元素の含有量が不可避的不純物レベルであることを示す。

下記式１及び下記式２においては、記号「−」が付された元素の含有量を０質量％として圧延性指数Ｒを算出した。また、化学成分中にＶ、Ｎｉ及びＭｏのいずれも含まれていない場合には下記式１を用いて圧延性指数Ｒを算出し、Ｖ、Ｎｉ及びＭｏのうち１種または２種以上が含まれている場合には下記式２を用いて圧延性指数Ｒを算出した。
式１：Ｒ＝−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）＋３５．４７２
式２：Ｒ＝−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−０．８７９×Ｎｉ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）−１３．９９０×Ｍｏ（質量％）−４．６２５×Ｖ（質量％）＋３５．４７２

圧延性指数の評価においては、上述の方法により算出した圧延性指数Ｒの値が０を超える場合には粗リング材を冷間圧延してリング材とするに際し、割れが発生するおそれが少ないとして合格と判定し、圧延性指数Ｒの値が０以下の場合にはリング材に割れが発生するおそれが高いとして不合格と判定した。

＜冷間圧延時の割れ＞
冷間圧延後のリング材の板幅方向における端部を目視観察し、冷間圧延による割れの発生の有無を評価した。そして、リング材の端部に割れがない場合には、表２及び表３中の「割れの有無」欄に記号「Ａ」を記載し、割れがある場合には同欄に記号「Ｂ」を記載した。冷間圧延時の割れの評価においては、リング材の端部に割れがない記号Ａの場合を合格と判定し、割れが発生した記号Ｂの場合を不合格と判定した。

＜厚み方向断面における硬さ＞
ビッカース硬度計を使用し、ＣＶＴリング部材の厚み方向断面における幅方向の中央部での、最表面から中心部へ０．０３ｍｍの深さでの硬さＨ_Ａ［ＨＶ］及び厚み方向中央部の内部硬さＨ_Ｂ［ＨＶ］を測定した。各試験体における内部硬さＨ_Ｂの値は、表２及び表３中の「内部硬さ」欄に示した通りであった。内部硬さの評価においては、内部硬さＨ_Ｂが４５０ＨＶ以上の場合にＣＶＴリング部材としての強度特性を満足するため合格と判定し、４５０ＨＶ未満の場合をＣＶＴリング部材としての強度特性を満足しないため不合格と判定した。

また、表２及び表３中の「Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂ」の欄には、最表面から中心部へ０．０３ｍｍの深さでの硬さＨ_Ａの値が内部硬さＨ_Ｂの値の１．１倍以下である場合に記号「Ａ」を記載し、硬さＨ_Ａの値が内部硬さＨ_Ｂの値の１．１倍を超える場合に記号「Ｂ」を記載した。硬さＨ_Ａと内部硬さＨ_Ｂとの比Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂの評価については、硬さＨ_Ａの値が内部硬さＨ_Ｂの値の１．１倍以下である記号Ａの場合を合格と判定し、硬さＨ_Ａの値が内部硬さＨ_Ｂの値の１．１倍を超える記号Ｂの場合を不合格と判定した。

＜表面硬化層の表面硬さ＞
ビッカース硬度計を用いてＣＶＴリング部材の表面硬化層の表面硬さ［ＨＶ］を測定した。表２及び表３中の「表面硬さ」の欄には、表面硬化層の表面硬さが６５０ＨＶ以上の場合に記号「Ａ」を記載し、６５０ＨＶ未満の場合に記号「Ｂ」を記載した。表面硬化層の表面硬さの評価においては、表面硬化層の表面硬さが６５０ＨＶ以上である記号Ａの場合を合格と判定し、６５０ＨＶ未満である記号Ｂの場合を不合格と判定した。

＜疲労寿命＞
複数のローラを有する疲労試験機（図示略）を用いて疲労寿命を評価した。疲労試験機は、ローラを回転させることにより、複数のローラに掛け渡された試験体に繰り返し曲げ応力を加えることができるように構成されている。試験体が破断するまでに加えられた曲げ応力の繰り返し数を疲労寿命とし、表２及び表３中の「疲労寿命」の欄に、疲労寿命が５×１０⁶回以上の場合に記号「Ａ＋」、１×１０⁶回以上５×１０⁶回未満の場合に記号「Ａ」、１×１０⁶回未満の場合に記号「Ｂ」を記載した。

疲労寿命の評価においては、疲労寿命が１×１０⁶回以上である記号Ａ、Ａ＋の場合を合格と判定し、１×１０⁶回未満である記号Ｂの場合を不合格と判定した。なお、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材の疲労寿命は、通常１×１０⁶〜５×１０⁶回程度である。

表１及び表２に示すように、本発明の実施例にあたる試験体１〜２６は、上記特定の範囲の化学成分を有するＣＶＴリング用鋼から構成されているため、ＣＶＴリング素材の引張強さ狙いとする値以上となった。また、これらの試験体は、圧延性指数Ｒの値が０を超えているため、ＣＶＴリング素材の製造過程において粗リング材に冷間圧延を行った後に、リング材の端部に割れが発生しなかった。

更に、窒化処理を行った後のＣＶＴリング部材は、厚み方向断面における幅方向中央部での内部硬さやＨ_Ａ／Ｈ_Ｂの値、表面硬化層の表面硬さが上記特定の範囲を満足しているため、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材と同等以上の疲労寿命を有している。以上の結果から、試験体１〜２６は、優れた圧延性を有するとともに、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材と同等以上の強度特性及び疲労寿命を確保しつつ、マルエージング鋼よりも安価に提供可能であることが理解できる。

表１及び表３に示すように、比較例にあたる試験体２７〜３９において、試験体２７は、Ｃの含有量が上記特定の範囲よりも少なかった。そのため、ＣＶＴリング素材としての引張強さが狙いの値よりも低かった。また、試験体２７は、窒化処理後のＣＶＴリング部材の内部硬さが狙いの値よりも低く、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも疲労寿命が劣っていた。
試験体２８は、Ｃの含有量が上記特定の範囲よりも多く、かつ、圧延性指数Ｒが０以下であったため、圧延性に劣り、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。
試験体２９は、Ｓｉの含有量が上記特定の範囲よりも多く、かつ、圧延性指数Ｒが０以下であったため、圧延性に劣り、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。

試験体３０は、Ｃｒの含有量が上記特定の範囲よりも低かったため、ＣＶＴリング素材としての引張強さが狙いの値よりも低かった。また、試験体３０は、窒化処理後のＣＶＴリング部材の内部硬さが狙いの値よりも低く、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも疲労寿命が劣っていた。
試験体３１は、Ｃｒの含有量が上記特定の範囲よりも多いため、圧延性指数Ｒが０以下となった。その結果、圧延性に劣り、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。また、試験体３１の疲労寿命はマルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも劣っていた。

試験体３２、３３は、Ｍｏの含有量が上記特定の範囲よりも多く、かつ、圧延性指数Ｒが０以下であったため、圧延性に劣り、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。また、試験体３２、３３の疲労寿命はマルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも劣っていた。

試験体３４は、Ｖの含有量が上記特定の範囲よりも多いため、圧延性指数Ｒが０以下となった。その結果、圧延性に劣り、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。
試験体３５〜３８は、任意に添加するＡｌ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒのいずれかの含有量が上記特定の範囲よりも多かった。そのため、試験体３６、３７については、冷間圧延後のリング材の端部に割れが発生した。また、試験体３５〜３８の疲労寿命は総じてマルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも劣っていた。
試験体３９は、任意に添加するＮの含有量が上記特定の範囲よりも高かったため、疲労寿命がマルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材よりも劣っていた。

（実施例２）
本例は、ＣＶＴリング部材の製造過程において、焼戻し処理の条件や窒化処理の条件を変更した例である。本例においては、表１の合金記号Ａに示す化学成分を有する鋳塊を準備し、焼戻し処理の条件や窒化処理の条件を表４に示すように変更した以外は、実施例１と同様の方法によりＣＶＴリング部材（試験体４０〜４７）を作製した。また、ＣＶＴリング部材の断面における内部硬さや表面硬化層の表面硬さ、硬さＨ_Ａと内部硬さＨ_Ｂとの比Ｈ_Ａ／Ｈ_Ｂの値及び疲労寿命を、実施例１と同一の方法により評価した。

表４に示す試験体４０のように、ＣＶＴリング部材は、焼戻し処理を行わなくてもマルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材と同等以上の疲労寿命を確保することができる。
焼戻し処理を行う場合には、試験体４１、４３、４５、４６に示すように、焼戻し温度を適正な範囲内とすることにより、マルエージング鋼からなる従来のＣＶＴリング部材と同等以上の疲労寿命を確保することができる。

焼戻し温度が適正な範囲を外れた場合には、試験体４４に示すように、かえって疲労寿命の悪化を招いた。
窒化処理時の窒化温度が適正な範囲よりも低い場合には、試験体４２に示すように、表面硬化層の表面硬さの低下を招いた。
窒化処理時の窒化温度が適正な範囲よりも高い場合には、過剰窒化となり、試験体４７に示すように、所望する硬さ特性を実現することができなかった。

１ ＣＶＴリング部材
１０ ＣＶＴベルト
２ エレメント
３ 動力伝達用ベルト

Claims (8)

1. Ｃ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｓｉ：２．５０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％以下、Ｃｒ：１．００質量％以上４．００質量％以下を含有し、下記式１の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなる化学成分を有する、ＣＶＴリング用鋼。
   式１：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）＋３５．４７２＞０
2. 上記ＣＶＴリング用鋼は、さらに、Ｖ：１．００質量％以下、Ｎｉ：４．００質量％以下及びＭｏ：０．５０質量％未満のうち１種または２種以上を含有し、下記式２の関係を満たしている、請求項１に記載のＣＶＴリング用鋼。
   式２：−２１．４５２×Ｃ（質量％）−３．５８０×Ｓｉ（質量％）−７．７７２×Ｍｎ（質量％）−０．８７９×Ｎｉ（質量％）−３．０８３×Ｃｒ（質量％）−１３．９９０×Ｍｏ（質量％）−４．６２５×Ｖ（質量％）＋３５．４７２＞０
3. 上記ＣＶＴリング用鋼は、さらに、Ａｌ：０．０６０質量％以下、Ｔｉ：０．１０質量％以下、Ｎｂ：０．１０質量％以下及びＺｒ：０．２０質量％以下からなる群のうち１種または２種以上と、Ｎ：０．００６質量％以上０．０３０質量％以下とを含んでおり、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｂ及びＺｒからなる群のうち１種または２種以上の元素の窒化物または炭窒化物から構成され、Ｆｅ母相中に分散された第二相粒子を有している、請求項１または２に記載のＣＶＴリング用鋼。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載されたＣＶＴリング用鋼から構成されており、
   引張強さが１５００ＭＰａ以上であり、
   無端ベルト状を呈する、窒化用ＣＶＴリング素材。
5. 請求項４に記載の窒化用ＣＶＴリング素材からなる母材の表面に表面硬化層が形成されており、
   厚み方向断面における、最表面から中心部へ０．０３ｍｍの深さにおける硬さＨ_Ａ［ＨＶ］と、厚み方向中央部の内部硬さＨ_Ｂ［ＨＶ］とが、Ｈ_Ａ≦１．１Ｈ_Ｂ、かつ、Ｈ_Ｂ≧４５０の関係を満たし、
   上記表面硬化層の表面硬さが６５０ＨＶ以上である、ＣＶＴリング部材。
6. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のＣＶＴリング用鋼の鋳塊を準備し、
   上記鋳塊に塑性加工を施して板材を作製し、
   上記板材を曲げ加工するとともに端面同士を溶接して粗リング材を作製し、
   上記粗リング材を軟化焼鈍した後に冷間圧延を施して板厚所望のリング材を作製し、
   上記リング材を８５０〜１０００℃に加熱した後急冷して焼入処理を行う、窒化用ＣＶＴリング素材の製造方法。
7. 上記焼入処理の後、上記リング材を１５０〜２５０℃または４００〜５００℃のいずれかの範囲内に加熱して焼戻し処理を行う、請求項６に記載の窒化用ＣＶＴリング素材の製造方法。
8. 請求項６または７に記載の製造方法により窒化用ＣＶＴリング素材を作製し、
   上記窒化用ＣＶＴリング素材に４００〜５００℃の温度で窒化処理を行う、ＣＶＴリング部材の製造方法。

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