JP2019177403A - 無端金属リングの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接後の硬さ均質化するための熱処理としてオーステナイト変態温度以上の温度による加熱処理が不要で生産性に優れ、溶接部のくびれが抑制された無端金属リングが製造可能な、無端金属リングの製造方法を提供する。【解決手段】特定の化学組成を有する鋼板の端部同士を突合わせ溶接する無端金属リングの製造方法であって、バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けて溶接する溶接工程、又は、バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度以上で加熱しながら、端部同士を押し付けて、溶融した部分をバリとして押し出しながら溶接する溶接工程と、前記溶接工程後に、オーステナイト変態温度以下で加熱する熱処理工程と、を有する、無端金属リングの製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、無端金属リングの製造方法に関する。
無段変速機（ＣＶＴ）として、ベルト式ＣＶＴが知られている。ベルト式ＣＶＴ用の動力伝達用ベルトとして、金属リングを積層したベルト部材と、当該ベルト部材に支持された複数のエレメントからなる無端金属ベルトが知られている。
上記ベルト部材は、動力伝達時に、張力、曲げ応力、摩擦力などを受ける。そのため、ベルト部材や当該ベルト部材を構成する金属リングには、強度、耐摩擦性などの特性が要求され、様々な検討がなされている。
ベルト部材用の金属リングは、通常、鋼板の端部同士を溶接することによってリング形状に加工される。
本発明者らは、特許文献１において、高強度で耐摩耗性に優れ、従来よりも低コストで提供可能な無段変速機ベルトとして、特定の化学成分を有し、最表面から深さ０．０３ｍｍでの断面の硬度と内部硬度とが特定の関係にある無段変速機ベルトを開示している。特許文献１においては、上記無段変速機ベルトを製造するために、溶接後のリング材を、Ａ３変態点を超える８５０℃〜１０００℃で熱処理した後、６４０℃〜７５０℃で更に熱処理を行っている。
特許文献２には、溶接工程と、バレル工程と、窒化工程とを有し、前記溶接工程と前記バレル工程との間に、肉厚の溶接部に存在する凸部を削り取る溶接部研磨工程を有する金属リングの製造方法が開示されている。
特許文献３には、鋼製のリングを形成する方法であって、帯状にしたマルエージング鋼などの帯材をレーザ溶接又はプラズマアーク溶接により、溶接部の両端からそれぞれ中央付近に向けて２段階で溶接する方法が開示されている。しかしながら特許文献３の手法では、表面張力により溶接部にくびれが生じ、溶接部が帯材よりも細くなることがあった。
また、特許文献４及び５には、金属リングをバット溶接により溶接する方法が開示されている。
特開２０１１−１９５８６１号公報 特開２０１２−２５０２６６号公報 特開２０１５−１２０２００号公報 特開平０２−２５２８１号公報 特開昭６１−１７６４７９号公報
炭素を０．３０〜０．７０％程度含有する鋼板を溶接する場合、溶接部に樹枝状のデンドライト相が形成されやすい。そのため、オーステナイト変態温度以上に加熱して、溶接後の鋼板を均質化することが知られている（例えば特許文献１）。しかしながら、オーステナイト変態温度以上に加熱した後に空冷すると、鋼板が硬くなり、その後の圧延が困難となる。そのため、オーステナイト変態温度以上に加熱した鋼板は、長時間かけて除冷するか、特許文献１に記載のように、一度空冷した後、再度オーステナイト変態温度以下での熱処理を行う必要があった。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、溶接後の硬さ均質化するための熱処理としてオーステナイト変態温度以上の温度による加熱処理が不要で生産性に優れ、溶接部のくびれが抑制された無端金属リングが製造可能な、無端金属リングの製造方法を提供することを目的とする。
本実施の無端金属リングの製造方法は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる化学組成を有する鋼板の端部同士を突合わせ溶接する無端金属リングの製造方法であって、
バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けて溶接する溶接工程、又は、
バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度以上で加熱しながら、端部同士を押し付けて、溶融した部分を凸部として押し出しながら溶接する溶接工程と、
前記溶接工程後に、オーステナイト変態温度以下で加熱する熱処理工程と、を有する。
本実施の無端金属リングの製造方法の一実施形態は、前記熱処理工程後に、凸部を除去する工程を有する。
本発明によれば、溶接後の硬さ均質化するための熱処理としてオーステナイト変態温度以上の温度による加熱処理が不要で生産性に優れ、溶接部のくびれが抑制された無端金属リングが製造可能な、無端金属リングの製造方法を提供することができる。
図１は、本実施の無端金属リングの製造方法の一例を示すフローチャートである。 図２は、溶接工程の一例を示す模式的な工程図である。 図３は、本実施のバット溶接の一例を示す模式的な概略図である。 図４は、溶接工程後の鋼板の側面の写真である。 図５は、実施例の溶接工程後の鋼板溶接部の断面を示す顕微鏡写真である。 図６は、比較例の溶接工程後の鋼板溶接部の断面を示す顕微鏡写真である。 図７は、実施例及び比較例の溶接工程後の鋼板溶接部付近のビッカース硬さの分布を示すグラフである。
まず、本実施の無端金属リングの製造方法に用いる鋼板について説明する。本実施で用いる鋼板は、質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる化学組成を有する鋼板である。当該鋼板によれば、引張強さに優れた無端金属リングを得ることができる。当該鋼板の化学組成について説明する。
Ｃ：０．３０〜０．７０％
Ｃ（炭素）は、強度及び靱性を確保するために０．３０％以上必要である。一方、粗大な炭化物の形成による延性や靭性の低下を抑制する点から、Ｃの含有割合は、０．７０％以下とする。
Ｓｉ：２．５０％以下
Ｓｉ（ケイ素）は、延性の低下や、窒化性の低下を抑制する点から、２．５％以下とする。一方、高強度化の点から、０．１０％以上含有してもよい。
Ｍｎ：１．００％以下
Ｍｎ（マンガン）は、延性の低下を抑制する点から、１．００％以下とする。一方、高強度化の点から、０．１０％以上含有してもよい。
Ｃｒ：１．００〜４．００％
Ｃｒ（クロム）は、高強度化及び窒化性向上の点から１．００％以上とする。一方、Ｃｒの含有割合が高くなると却って窒化性が低下して、窒化処理が困難となるため、４．００％以下とする。
Ｍｏ：０．５０〜３．００％
Ｍｏ（モリブデン）の含有割合を０．５％以上とすることで、延性を損なうことなく強度及び靱性を向上させることができる。一方、当該強度及び靱性の向上効果は、３．００％以下で十分である。
Ｖ：１．００％以下
Ｖ（バナジウム）は、結晶粒径の微細化や、強度、靱性を向上させるため、０．１％以上含有してもよい。一方、粗大な炭化物を抑制して強度及び靱性の低下を抑制する点から、Ｖ含有割合は１．０％以下とする。
Ｎｉ：４．００％以下
上記鋼板は、更に、Ｎｉを含有してもよい。Ｎｉを含有することにより、炭化物の生成を抑制し、強度、靱性の向上することができる。Ｎｉを含有する場合、その含有割合は、４．０％以下であることが好ましく、２．０％以下であることがより好ましい。
式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００
上記鋼板は化学組成が上記式１を満たすことにより、疲労金属強度特性に優れ、疲労寿命に優れた金属リングとなる。
上記鋼板は、上記各元素以外の残部がＦｅ及び不可避不純物である。不可避不純物は、原料や製造工程により不可避的に混入する元素であり、当該元素の種類は特に限定されないが、例えば、Ｓ（硫黄）、Ｐ（リン）、Ｎ（窒素）、Ｏ（酸素）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｔｉ（チタン）などが挙げられる。
本実施において鋼板の幅Ｗ（図１参照）は、製造するＣＶＴベルトの幅に合わせてもよく、製造するＣＶＴベルトの幅より大きいものであってもよい。ＣＶＴベルトの幅よりも大きいものを用いる場合には、ＣＶＴベルト製造時に切断工程を設けて、ＣＶＴベルトの幅に合わせる。
本実施の製造方法によれば、溶接部のくびれが抑制されるため、所定のＣＶＴベルトの幅に合わせても強度に優れたＣＶＴベルトを製造することができる。
本実施において、鋼板の長さＬ（図１参照）は、製造するＣＶＴベルトに応じて適宜調整すればよい。
また、本実施において、鋼板の厚みは、用途等に応じて適宜調整すればよく、特に限定されないが、一例として、１００μｍ以上２００μｍ以下とすることができる。
図１を参照して、無端金属ベルトの製造方法について説明する。図１は、本実施の無端金属リングの製造方法の一例を示すフローチャートである。図１の例に示される無端金属ベルトの製造方法は、鋼板の端部同士を突合わせ、当該付き合わせ部位を溶接し、リング形状とする溶接工程（Ｓ１１）と、当該リング形状の鋼板をオーステナイト変態温度以下で過熱する熱処理工程（Ｓ１２）とを少なくとも有するものであり、更に、前記熱処理工程後に凸部を除去する工程を有することが好ましく、更に必要に応じて、切断工程等を有してもよいものである。以下、各工程について説明する。
図２を参照して、溶接工程について説明する。図２は、溶接工程の一例を示す模式的な工程図である。図２の例では、まず、ＣＶＴベルト用に幅Ｗを調整した帯状の鋼板１を準備する（図２（ａ））次いで、当該鋼板をリング状に曲げ成形させながら、鋼板の一端Ａと他端Ｂとを突合わせる（図２（ｂ）及び（ｃ））。次いで、バット溶接により端部同士を押し付けて溶接する（図２（ｄ））。
上記帯状の鋼板は、例えば長尺状の鋼板を切断して所定の大きさとしてもよく、所定の大きさで製造した鋼板を用いてもよい。
上記鋼板の曲げ成形は、例えば、ロールや金型を用いて行うことができる。
次いで、図３を参照して、本実施におけるバット溶接の詳細について説明する。図３は、本実施のバット溶接の一例を示す模式的な概略図である。図３（ａ）は鋼板の一端Ａと他端Ｂとを突合わせた状態の図であり、図３（ｂ）は溶接終了時の図である。なお、図３（ｂ）は電源部１３を省略している。図３の例では、鋼板の一端Ａを固定電極１１で挟み込み、鋼板の他端Ｂを水平方向に移動可能な可動電極１２で挟み込んでいる。なお、固定電極１１と可動電極１２の高さは揃えている。予め可動電極１２に固定電極１１方向への力Ｆを加えておき、電源部１３から電圧を加えると、突合せ部２が加熱される。
ここで、本実施の無端金属リングの製造方法は、加熱温度に応じて２つの実施形態がある。
バット溶接の第１実施形態は、前記鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けて溶接する方法である。当該第１実施形態によれば、溶接部にデンドライト相が形成されないため、オーステナイト変態温度以上に加熱して均質化する工程が不要となる。バット溶接によれば、溶接部に表面張力が発生する状態にはならないため、溶接部のくびれが抑制される。
上記融点温度よりも低い温度は、鋼板の化学組成に応じて予め設定した温度であり、軟化点より高く、融点より低い温度とすることが好ましい。鋼板端部の温度は、直接測定してもよく、予め所定の温度となる電源部１３の電圧及び加熱時間を設定してもよい。
鋼板端部が軟化したら、可動電極１２が移動し、突合せ部２が接合される。可動電極１２の移動距離ΔＬが所定値に達したときに電圧が切れるように設定することで、所定の長さのリングを安定して得ることができる。例えば、サブモータを有してもよいリミットスイッチなどにより移動距離ΔＬが所定値に達したときに自動で電圧が切れるように設定することができる。
バット溶接の第２実施形態は、前記鋼板の端部を溶融温度以上で加熱しながら、端部同士を押し付けて、溶融した部分を凸部として押し出しながら溶接する方法である。当該第２実施形態によれば、デンドライト相が形成される溶融した部分を凸部に押し出すため、当該凸部を除去することにより、デンドライト相を有しない無端金属リングを形成することができ、オーステナイト変態温度以上に加熱して均質化する工程が不要となる。
上記融点温度以上の温度は、鋼板の化学組成に応じて予め設定した温度であり、溶融開始温度に近い温度とすることが好ましい。鋼板端部の温度は、直接測定してもよく、予め所定の温度となる電源部１３の電圧及び加熱時間を設定してもよい。
鋼板端部が所定の温度に達したら、可動電極１２に加える力Ｆを大きくし、突合せ部２を接合する。可動電極１２の移動距離ΔＬが所定値に達したときに電圧が切れるように設定することで、所定の長さのリングを安定して得ることができる。
上記バット溶接の第１実施形態及び第２実施形態により溶接したリングは、いずれも図４に示されるように溶接部３に凸部を有しているため、通常、リングの厚みを一定とするために凸部を除去する工程を有する。当該凸部を除去する工程は、溶接工程後であれば、後述する熱処理工程の前後いずれであってもよいが、本実施においては、後述する熱処理工程後であることが好ましい。凸部の除去方法は、砥石による研磨やバレル研磨であってもよく、また、カンナのような刃具でそぎ落とす方法であってもよい。
次いで、溶接工程後のリング状の鋼板をオーステナイト変態温度以下で加熱する熱処理工程を行う。上述の溶接工程により得られたリング状の鋼板は、少なくともリング厚みの部分にデンドライト相を有しないため、オーステナイト変態温度以下での加熱により、リング全体の硬さを圧延可能な硬さで均一にすることができる。熱処理温度は、オーステナイト変態温度以下であれば特に限定されないが、例えば６４０℃〜７５０℃とすることが好ましい。熱処理時間は、例えば０．５〜３時間とすることができる。
上記本実施の無端金属リングの製造方法により得られた無端金属リングは、ＣＶＴ用の無端金属ベルト部材の材料として好適に用いることができる。
無端金属ベルト部材は、無端金属リングを、たとえば、圧延し、焼入れし、周長を調整し、更に必要に応じて窒化処理などをして、製造することができる。
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を具体的に説明する。なお、これらの記載により本発明を制限するものではない。
＜実施例：無端金属リングの製造＞
質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる化学組成を有する帯状の鋼板を準備した。
次いで図２及び図３の例に従って、鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けてバット溶接を行った。得られた溶接部３は図４に示されるようにバリ（凸部）を有していた。当該溶接後のリング状の鋼板を７００℃で１時間加熱し、空冷した後、バリをカンナのような刃具で除去し、無端金属リングを得た。図５に溶接工程後の鋼板溶接部の断面の顕微鏡写真を示す。また、図７に溶接工程後の鋼板溶接部付近のビッカース硬さの分布を示すグラフを示す。
＜比較例：無端金属リングの製造＞
前記実施例において、鋼板の端部を溶融温度よりも高い温度で加熱しながら、ゆっくりと端部同士を押し付けてバット溶接を行った以外は、前記実施例と同様にして、比較例の無端金属リングを得た。図６に溶接工程後の鋼板溶接部の断面の顕微鏡写真を示す。また、図７に溶接工程後の鋼板溶接部付近のビッカース硬さの分布を示すグラフを示す。
図６に示されるように、比較例の製造方法では、バット溶接後の溶接部にデンドライト相が生じていた。また、図７に示されるように比較例の溶接部は、デントライトが生じており、溶接部のビッカース硬さが低くばらついていた。一方、本発明の実施例の製造方法では、溶接後に完全に焼入れされた状態になっているため、接合部は、硬さが均一な状態になっている。当該実施例のリングを７００℃で加熱し空冷すると、接合部の硬さは鋼板と同様となり、無端金属リング全体を通して均一な硬さとなる。
１ 鋼板
２ 突合せ部
３ 溶接部
１１ 固定電極
１２ 可動電極
１３ 電源部

Claims (3)

  1. 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる化学組成を有する鋼板の端部同士を突合わせ溶接する無端金属リングの製造方法であって、
    バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けて溶接する溶接工程、又は、
    バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度以上で加熱しながら、端部同士を押し付けて、溶融した部分を凸部として押し出しながら溶接する溶接工程と、
    前記溶接工程後に、オーステナイト変態温度以下で加熱する熱処理工程と、を有する、無端金属リングの製造方法。
  2. 質量％で、Ｃ：０．３０〜０．７０％、Ｓｉ：２．５０％以下、Ｍｎ：１．００％以下、Ｃｒ：１．００〜４．００％、Ｍｏ：０．５０〜３．００％、Ｖ：１．００％以下を含有し、式１：１５９×Ｃ（％）＋９１×Ｓｉ（％）＋６８×Ｃｒ（％）＋１９８×Ｍｏ（％）＋６４６≧１０００の関係を満たし、残部がＦｅ及び不可避不純物よりなる化学組成を有する鋼板の端部同士を突合わせ溶接する無端金属リングの製造方法であって、
    バット溶接により、前記鋼板の端部を溶融温度よりも低い温度で加熱しながら、端部同士を押し付けて溶接する溶接工程と、
    前記溶接工程後に、オーステナイト変態温度以下で加熱する熱処理工程と、を有する、無端金属リングの製造方法。
  3. 前記熱処理工程後に、凸部を除去する工程を有する、請求項１又は２に記載の無端金属リングの製造方法。
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