JP2019119898A

JP2019119898A - Ｃｖｔリング素材、ｃｖｔリング部材及びこれらの製造方法

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Publication number: JP2019119898A
Application number: JP2017253738A
Authority: JP
Inventors: 毅志宇田川; Takeshi Udagawa; 伊藤　幸夫; Yukio Ito; 幸夫伊藤
Original assignee: Aichi Steel Corp
Current assignee: Aichi Steel Corp
Priority date: 2017-12-28
Filing date: 2017-12-28
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】マルエージング鋼よりも安価に提供でき、高強度特性が得られ、かつ、生産性を向上可能なＣＶＴリング素材を提供すること。【解決手段】Ｃ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、Ｓｉ：０質量％超え２．５０質量％以下、Ｍｎ：１．００質量％超え２．００質量％以下、Ｓ：０質量％超え０．０３０質量％以下、Ｃｒ：１．００質量％以上４．００質量％以下、Ｍｏ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、Ｖ：０質量％超え１．００質量％以下、Ａｌ：０質量％超え０．０３０質量％以下、Ｏ：０質量％超え０．００５０質量％以下、を含有し、残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、さらに、式１の関係を満たす化学成分を有する、ＣＶＴリング素材にある。式１：７．９×［Ｍｎ］−１５１．２×［Ｓ］−８２１．６×［Ａｌ］＋２２４１．５×［Ｏ］＋１７．６＜２７【選択図】図１

Description

本発明は、窒化処理することを前提とした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る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。

リング部材には、強度、疲労寿命などの様々な特性が要求されることから、現状では、強度、疲労寿命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、高強度で疲労寿命特性に優れ、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、２）。これらの鋼は、材料費が安価であり、かつ、要求される特性を満足する。しかしながら、大量生産を行う場合の生産性の向上等を考慮すると、必須工程となる焼き入れ工程を、従来よりも短時間で処理可能とし、生産性の向上が可能な鋼の開発も望まれていた。

国際公開ＷＯ２０１５／０８７８６９号特開２０１１−１９５８６１号

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でき、高強度特性が得られ、かつ、生産性を向上可能なＣＶＴリング素材及びその製造方法、並びに、そのＣＶＴ素材を用いた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。

本発明の一態様は、Ｃ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％超え２．５０質量％以下、
Ｍｎ：１．００質量％超え２．００質量％以下、
Ｓ：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ｃｒ：１．００質量％以上４．００質量％以下、
Ｍｏ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｖ：０質量％超え１．００質量％以下、
Ａｌ：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ｏ：０質量％超え０．００５０質量％以下、を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、さらに、式１の関係を満たす化学成分を有する、ＣＶＴリング素材にある。
式１：７．９×［Ｍｎ］−１５１．２×［Ｓ］−８２１．６×［Ａｌ］＋２２４１．５×［Ｏ］＋１７．６＜２７、（ただし、［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ａｌ］及び［Ｏ］は、それぞれ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ及びＯの含有質量％の値を示す。）

本発明の他の態様は、上記ＣＶＴリング素材からなる母材の表面に窒化層が形成されている、ＣＶＴリング部材にある。

本発明のさらに他の態様は、上記ＣＶＴリング素材の製造方法であって、
上記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、ＣＶＴリング素材の製造方法にある。

本発明のさらに他の態様は、上記製造方法によりＣＶＴリング素材を作製し、
該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にある。

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。これにより、優れた強度特性を具備することができる。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ため、材料コストを低減することができる。そのため、上記ＣＶＴリング素材を用いて作製されるＣＶＴ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。この場合、化学成分においてＭｎ含有量を従来よりも高めていることによって、焼き入れ性を向上させることができる。これにより、従来よりも高い生産性で上記ＣＶＴリング素材を作製することができる。

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る窒化層（表面硬化層）の形成状態を安定化させることができ、狙いとする高強度特性と優れた疲労寿命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リング素材の化学成分は、以下のコンセプトに基づき、多数の実験によって定めたものである。
（１）Ｎｉ、Ｃｏを含有させず、かつ、Ｍｏ含有量を低減することによって、これらの高価な元素の含有量を大幅に減らし、原料コストを低減する。
（２）Ｃ、Ｓｉ、Ｍｏ等の強度特性を左右する元素の含有範囲を最適化することにより、製品の強度を確保する。
（３）Ｍｎ含有量を比較的高い範囲で最適化することにより焼入性を向上させ、焼入れ工程の合理化による生産性向上を図る。
（４）Ｍｎ含有量が高い範囲における、Ｓ、Ａｌ、Ｏの含有範囲の最適化により、ＭｎＳの微細化を促し、疲労強度低下抑制及び延性低下の抑制を図る。
以下に、各成分範囲の限定理由についてさらに説明する。

Ｃ（炭素）：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、
Ｃは、高強度化に有効な元素であり、ＣＶＴリング部材に必要な強度を確保するためには、Ｃ含有量は０．３０質量％以上とすることが必要であり、０．４５質量％以上とするのが好ましい。一方、Ｃを過剰に添加すると製造性を悪化させることに加え、粗大な炭化物の生成による強度低下のおそれがあるため、Ｃ含有量は０．７０質量％以下とする。

Ｓｉ（シリコン）：０質量％超え２．５０質量％以下、
Ｓｉは、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、不可避的不純物として含まれる。一方、Ｓｉは、高強度化に有効な元素であるので添加することが好ましいが、過剰添加により、製造性の悪化、及び窒化性を阻害する要因となるおそれがあるため、Ｓｉ含有量は２．５質量％以下とする。

Ｍｎ（マンガン）：１．００質量％超え２．００質量％以下、
Ｍｎは、焼き入れ性向上に有効であり、その効果を確実に得るために、１．００質量％以上添加する。一方、Ｍｎを過剰添加すると残留オーステナイトが生成して強度低下を招くため、Ｍｎ含有量は２．００質量％以下とする。

Ｓ（硫黄）：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ｓは、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、不可避的不純物として含まれる。一方、Ｓは、Ｍｎと共にＭｎＳを形成する元素である。ＭｎＳが多量に発生することを抑制するため、Ｓ含有量は０．０３０質量％以下に制限する。

Ｃｒ（クロム）：１．００質量％以上４．００質量％以下、
Ｃｒは、窒化性を確保するのに必要な元素である。このような作用効果を得るために、Ｃｒ含有量は１．００質量％以上とし、好ましくは１．５０質量％以上とする。一方、Ｃｒを過剰添加すると、粗大な炭化物の生成を促すことによる強度低下のおそれがあるだけでなく、コストアップとなるので、Ｃｒ含有量は４．００質量％以下とする。

Ｍｏ（モリブデン）：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｍｏは、鋼材の高強度化に有効な元素であり、その効果を得るために、０．５０質量％以上添加する。一方、Ｍｏを過剰に添加するとコストアップとなるため、Ｍｏ含有量は３．００質量％以下とする。

Ｖ（バナジウム）：０質量％超え１．００質量％以下、
Ｖは、鋼材の高強度化に有効であると共に、窒化性の向上に有効な元素であるので添加する。一方、Ｖを過剰に添加するとコストアップとなるため、Ｖ含有量は１．００質量％以下とする。

Ａｌ（アルミニウム）：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ａｌは、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、不可避的不純物として含まれる。一方、Ａｌは、Ｏと結合してＡｌ₂Ｏ₃を生成させる。粗大なＡｌ₂Ｏ₃が生成した場合には疲労寿命が低下するおそれがあるため、Ａｌの含有量を０．０３０質量％以下に制限する。

Ｏ（酸素）：０質量％超え０．００５０質量％以下、
Ｏは、鋼材の製造過程において意図的に添加しなくても、不可避的不純物として含まれる。Ｏは、Ａｌと結合してＡｌ₂Ｏ₃を生成させる。粗大なＡｌ₂Ｏ₃が生成した場合には疲労寿命が低下するおそれがあるため、Ｏの含有量を０．００５０質量％以下に制限する。

次に、上記ＣＶＴリング素材の化学成分は、各元素の含有範囲が上記範囲内にあるだけでなく、式１を満足することが重要である。
式１は、７．９×［Ｍｎ］−１５１．２×［Ｓ］−８２１．６×［Ａｌ］＋２２４１．５×［Ｏ］＋１７．６＜２７、（ただし、［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ａｌ］及び［Ｏ］は、それぞれ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ及びＯの含有質量％の値を示す。）である。上記の個々の化学成分範囲を満足した上で、式１を満足することによって、Ａｌ₂Ｏ₃を微細化させ、それをＭｎＳの析出核として作用させることにより、ＭｎＳを微細化させることができ、延性低下の抑制及び疲労強度低下の抑制が可能となる。

次に、上記ＣＶＴリング素材の製造方法では、上述したごとく、上記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。

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。一方、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もできる。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。

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℃以上とすることにより、ＣＶＴリング素材をオーステナイト化することが可能となる。本発明の鋼においては、Ｍｎ含有量を最適化しているため、空冷で焼き入れすることが可能であり、連続炉等で処理することができ、生産性の向上が可能となる。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、歪みの矯正加工や周長調整が困難な場合、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。焼戻し処理における加熱温度が２５０〜４００℃の範囲は、材料を脆化させてしまうおそれがあるため、上述した範囲の温度を選択する。

また、焼入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窒化層を形成し、ＣＶＴリング部材を作製することができる。窒化層は、母材に比較して窒素含有量が高く母材よりも硬度が向上した表面硬化層である。

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リング部材の表面の窒化層（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、窒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、窒化層の表面硬さが高くなり過ぎる場合がある。その結果、ＣＶＴリング部材の脆化によって疲労寿命の低下を招くおそれがある。

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。

（実施例１）
上記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、３０ｋｇＶＩＭ（Vacuum Induction Melting）装置を用いて表１に示す化学成分を有する鋳塊を作製した。得られた鋳塊に鍛伸加工を施し、厚さ７ｍｍ、幅１５５ｍｍ、長さ３００ｍｍの板材を作製した。板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、厚さ０．４２ｍｍ、幅２００ｍｍ、長さ５００ｍｍのサイズに圧延した。圧延後の板材を約３００ｍｍの長さに切断後、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、周長３００ｍｍの粗リング材を得た。

その後、粗リング材をバレル研磨によって研磨して切断バリを除去した。さらに、熱処理にて軟化焼鈍後、０．２０ｍｍ厚まで冷間圧延した。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。得られた圧延済みのリング材に焼入・焼戻しを施した。焼入れは、リング材を９５０℃に２分間保持した後、空冷するという条件で行った。また、その後の焼戻しは、リング材を４２５℃に１時間保持するという条件で行った。

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窒化層（表面硬化層）を形成した。以上により、表１に示すＣＶＴリング部材（試料１〜２１）を得た。

以上の試験体について、ＣＶＴリング部材の引張強度、疲労寿命を、以下の方法により評価した。

＜引張強度＞
引張強度は、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リング部材に引張荷重を加えた。そして、試験開始からＣＶＴリング部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度とした。その結果を表１に示した。なお、引張強度の測定は、室温環境下にて行った。引張強度の評価においては、引張強度が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。

＜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テンションを掛けながら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、現行品であるマルエージング鋼を評価した場合の疲労寿命の平均繰り返し数である１×１０⁶回を基準回数とし、基準回数以上を合格「○」、基準回数未満を不合格「×」とした。

表１に示すように、実施例にあたる試料１〜１１は、上記特定の範囲の化学成分を有し、かつ、式１を満足しているため、窒化ばらつきが小さく、良好な引張強度特性を有し、かつ、疲労寿命の特性にも優れたものとなった。そのため、試料１〜１１は、現行品であるマルエージング鋼の代替として十分に使用できることが理解できる。

一方、比較例に当たる試料１２〜２３は、引張強度、疲労寿命のうち少なくとも一方が不合格となる結果となった。
試料１２は、Ｃ含有量が上記特定の範囲よりも少なかったため、引張強度が低くなった。
試料１３は、Ｃの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、疲労寿命が劣る結果となった。

試料１４は、Ｓｉの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、疲労寿命が劣る結果となった。
試料１５は、Ｍｎの含有量が上記特定の範囲よりも少なかったため、引張強度が低くなった。

試料１６は、Ｍｎの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、引張強度が低くなると共に、疲労寿命が劣る結果となった。
試料１７は、Ｓの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、疲労寿命が劣る結果となった。

試料１８は、Ｃｒの含有量が上記特定の範囲よりも少なかったため、疲労寿命が劣る結果となった。
試料１９は、Ｃｒの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、この場合も、疲労寿命が劣る結果となった。

試料２０は、Ｍｏの含有量が上記特定の範囲よりも少なかったため、引張強度が低くなり、疲労寿命が劣る結果となった。
試料２１は、Ａｌの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、疲労寿命が劣る結果となった。

試料２２は、Ｏの含有量が上記特定の範囲よりも多かったため、疲労寿命が劣る結果となった。
試料２３は、式１を満たしていないため、疲労寿命が不合格となった。

Claims

Ｃ：０．３０質量％以上０．７０質量％以下、
Ｓｉ：０質量％超え２．５０質量％以下、
Ｍｎ：１．００質量％超え２．００質量％以下、
Ｓ：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ｃｒ：１．００質量％以上４．００質量％以下、
Ｍｏ：０．５０質量％以上３．００質量％以下、
Ｖ：０質量％超え１．００質量％以下、
Ａｌ：０質量％超え０．０３０質量％以下、
Ｏ：０質量％超え０．００５０質量％以下、を含有し、
残部がＦｅ及び不可避的不純物よりなり、さらに、式１の関係を満たす化学成分を有する、ＣＶＴリング素材。
式１：７．９×［Ｍｎ］−１５１．２×［Ｓ］−８２１．６×［Ａｌ］＋２２４１．５×［Ｏ］＋１７．６＜２７、（ただし、［Ｍｎ］、［Ｓ］、［Ａｌ］及び［Ｏ］は、それぞれ、Ｍｎ、Ｓ、Ａｌ及びＯの含有質量％の値を示す。）
請求項１に記載のＣＶＴリング素材からなる母材の表面に窒化層が形成されている、ＣＶＴリング部材。
請求項１に記載のＣＶＴリング素材の製造方法であって、
上記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、ＣＶＴリング素材の製造方法。
上記焼入処理が完了した後、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３に記載のＣＶＴリング素材の製造方法。
請求項３または４に記載の製造方法によりＣＶＴリング素材を作製し、
該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。