JP2019189927A - 無端金属リング、及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】溶接部のくびれを抑制し、優れた疲労強度を有する無端金属リング、及びその製造方法を提供すること。【解決手段】マルエージング鋼板の端部同士を溶接して、リング形状とする溶接工程と、リング形状のマルエージング鋼板を８４５℃以上で焼鈍する焼鈍工程と、焼鈍後の鋼板を窒化する窒化工程と、を有する無端金属リングの製造方法であって、前記焼鈍工程において、炉の内部の水分量を示す露点温度を、下記式（１）を満たすように調整する、無端金属リングの製造方法。式（１）：（露点温度［℃］）≧（焼鈍温度８４５℃以上の時間［ｍｉｎ］）−３５［℃］【選択図】図１

Description

本発明は、無端金属リング、及びそ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、特定のマルエージング鋼板を用い、焼鈍温度を８７５〜９００℃とする、特定の無端金属リングの製造方法を開示している。特許文献１には、焼鈍温度を８７５℃以上と比較的高く設定することにより、溶接部のくびれが抑制できることが記載されている。
特開２０１３−２５２５４９号公報
本発明者らは鋭意検討の結果、焼鈍温度を高く設定することにより溶接部のくびれが抑制される一方で、マルエージング鋼板の表面にチタン窒化物が成長しやすくなり、当該チタン窒化物が無端金属リングの疲労強度の低下することがあるとの知見を得た。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、溶接部のくびれを抑制し、優れた疲労強度を有する無端金属リング、及びそ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、マルエージング鋼板の端部同士を溶接して、リング形状とする溶接工程と、
リング形状のマルエージング鋼板を８４５℃以上で焼鈍する焼鈍工程と、
焼鈍後の鋼板を窒化する窒化工程と、を有する無端金属リングの製造方法であって、
前記焼鈍工程において、炉の内部の水分量を示す露点温度を、下記式（１）を満たすように調整する。
式（１）：
（露点温度［℃］）≧（焼鈍温度８４５℃以上の時間［ｍｉｎ］）−３５［℃］
上記無端金属リングの製造方法の一実施形態は、前記炉が、窒素ガス供給路と、水素ガス供給路を備え、
更に、前記窒素ガス供給路が、水分供給源を通る分岐路を備え、
前記分岐路を通る窒素ガスの流量を調節することにより、前記露点温度を調整する。
本実施の無端金属リングは、モリブデンを５．７５〜６．０５質量％、コバルトを１２．０〜１７．０質量％、ニッケルを１７．０〜２０．０質量％、チタンを０．４〜０．５質量％、アルミニウムを０〜０．１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるマルエージング鋼板の無端金属リングであって、
チタン窒化物層の厚みが２μｍ以下である。
本発明によれば、溶接部のくびれを抑制し、優れた疲労強度を有する無端金属リング、及びそ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、式（１）を説明するためのグラフである。 図３は、炉内に水分を導入する手段の一例を示す、概略図である。 図４は、焼鈍温度とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである。 図５は、焼鈍時間とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである。 図６は、露点温度とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである。 図７は、実施例及び比較例の無単金属リングを用いた無端金属ベルトの耐久疲労試験結果を示すグラフである。 図８は、無端金属ベルトの一例を示す、模式的な断面図である。 図９は、無端金属ベルトの一例を示す、模式的な部分斜視図である。
まず、図１を参照して、本実施の無端金属リングの製造方法を説明する。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。本実施の無端金属リングの製造方法は、マルエージング鋼板の端部同士を付き合わせ、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、当該リング形状のマルエージング鋼板を後述する特定の条件で焼鈍する工程（Ｓ１２）と、焼鈍後の鋼板を窒化する工程（Ｓ１３）とを少なくとも有するものであり、必要に応じて、成形工程、切断工程、圧延工程、溶体化工程、周長調整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。
溶接工程の前に、通常、マルエージング鋼板をリング形状にする成形工程を有する。成形工程では、ロール状などの長尺のマルエージング鋼板を、所定の大きさに切断し、端部同士を付き合わせるようにしてリング形状に曲げ成形する。曲げ成形は、ロール又は金型を用いて行うことができる。なお、この段階におけるリング形状の幅は、所定のＣＶＴベルト用の幅であってもよく、所定のＣＶＴベルト用の幅より大きい円筒形状であってもよい。
次いで、溶接工程（Ｓ１１）では、前記整形工程で付き合わせた端部同士を溶接する。溶接方法は、例えば、レーザ溶接や、プラズマ溶接等、種々の溶接方法から適宜さ選択すればよい。
次いで、前記溶接工程によりリング形状となったマルエージング鋼板を焼鈍する（Ｓ１２）。本実施においては、炉の内部の水蒸気量を示す露点温度を、下記式（１）を満たすように調整し、８４５℃以上で焼鈍を行う。
式（１）：
（露点温度［℃］）≧（焼鈍温度８４５℃以上の時間［ｍｉｎ］）−３５［℃］
本実施の無端金属リングの製造方法は、上記式（１）を満たす条件で焼鈍を行うことにより、溶接部のくびれを抑制しつつ、マルエージング鋼板の表面形成されるチタン窒化物を抑制して疲労強度の低下を抑制できる。
ここで、式（１）について図２を参照して説明する。図２は、式（１）を説明するためのグラフであり、横軸に焼鈍時間、縦軸に露点温度を取っている。なお、本実施において焼鈍時間は、炉内の温度が８４５℃に達した時を開始時とし、８４５℃を下回るまでの時間である。また、露点温度は、炉内の水蒸気を含む空気を冷却したと仮定したときに凝結が始まる温度をいい、炉内の水蒸気量の指標である。図２中の直線１は、式（１）の≧が＝の場合の直線である。
通常、焼鈍時の炉内は高温であり、水蒸気量が低下するため露点温度は−４０℃以下となる（図２の成行き露点範囲）。
本実施においては、８４５℃以上の高温で焼鈍を行うことにより、溶接部のくびれを抑制することができる。また、焼鈍時に炉内に水分を導入して露点温度を上昇することにより、８４５℃以上の高温で焼鈍を行った場合であっても、その後の窒化工程におけるチタン窒化物の過大な成長を抑制し疲労強度を向上することができる。
ここで図４〜図６を参照して、焼鈍条件と窒化物生成量の関係を説明する。図４は、焼鈍温度とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである（焼鈍時間は１５分）。図５は、焼鈍時間とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである（焼鈍温度は８８０℃）。また、図６は、８８０℃で１５分焼鈍した場合の、露点温度とチタン窒化物生成量との関係を示すグラフである。図４及び図５に示されるように、焼鈍温度と焼鈍時間をそろえた場合、露点温度が高いほうが、チタン窒化物の生成が抑制されることがわかる。また、図６の例に示されるように、８８０℃で１５分の焼鈍条件では、概ね露点温度−２０℃までチタン窒化物生成の抑制効果が示されている。本発明者らは、種々の条件で、測定を行った結果、式（１）を満たす範囲であれば、チタン窒化物の生成が抑制されることを見出した。また、８７５℃以上で焼鈍することにより、溶接部のくびれが抑制できることも明らかとなった。
なお、図２に示されるように直線１は傾きが１である。即ち、前記式（１）には、（焼鈍温度８４５℃以上の時間［ｍｉｎ］）に、係数１［℃／ｍｉｎ］が掛けられており、各項の単位は一致している。
本実施において、炉内に水分を導入する手段は特に限定されない。好適な一例について図３を参照して説明する。図３は、炉内に水分を導入する手段の一例を示す概略図である。図３の例では、焼鈍用の炉１０が、窒素ガス供給路１と、水素ガス供給路３を備え、更に、前記窒素ガス供給路１が、水分供給源４を通る分岐路２を備えている。本実施においては、分岐路２を通る窒素ガスの流量を調節することにより、炉内に導入する水分量が調整され、露点温度を調整することができる。
本実施の無端金属リングの製造方法においては、焼鈍工程（Ｓ１２）の後、窒化工程（Ｓ１３）の前に、必要に応じて、切断工程、圧延工程、溶体化工程、周長調整工程などを有してもよい。
切断工程は、前記リングが円筒形状の場合に、所定の幅に切断し、複数のリングを形成する工程である。得られたリングは、必要に応じて切断時に形成されたバリを取り除くためにバレル研磨等を行ってもよい。
圧延工程は所定の幅のリングを、圧延して所定の周長及び厚みとする工程である。リングの厚みは、用途に応じて適宜調整すればよいものであるが、一例として、１００μｍ〜２００μｍ程度とすることができる。
圧延工程後に溶体化工程を有してもよい。溶体化工程により、圧延時に生じた加工応力を取り除くことができる。溶体化工程は、例えば、８２０〜８６０℃の範囲で１〜３分間の条件で行うことができる。
周長調整工程は、圧延後の複数のリングを積層可能なように周長を補正する工程である。周長調整工程は、例えば、まず互いに回転軸が平行で、近接離間方向に移動可能に配設された二つの回転プーリを準備する。次いで、当該回転プーリに沿って、金属リングを巻回し、その後、プーリを回転させながら、回転軸を徐々に離間させることで、金属リングを延伸して行う。
次いで、焼鈍工程後のリングは、更に必要に応じてエージング工程を経て、窒化工程（Ｓ１３）を行う。
エージング工程は、例えば、窒素雰囲気、又は還元雰囲気下、４５０〜５００℃程度の温度で、９０〜１８０分程度行うことでエージング処理することができる。
また、窒化工程は、例えば、５〜１５体積％のアンモニアガス、１〜３体積％の水素ガス、残りが窒素ガスとなる雰囲気下で、４００〜４５０℃程度の温度で、４０〜１２０分程度の条件で行うことができる。窒化処理により表面から２０〜３０μｍ程度の範囲で窒素の拡散層が形成されて、表面硬度が向上する。
次に、本実施の無端金属リングについて説明する。本実施の無端金属リングは、前記無端金属リングの製造方法により製造された無短金属リングであり、チタン窒化物層の厚みが２μｍ以下である。このような無端金属リングを用いることにより、ＣＶＴベルトの長寿命化を図ることができる。
無端金属リングに用いられるマルエージング鋼は、Ｃ（炭素）が０．０３％以下で、Ｍｏ（モリブデン）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｔｉ（チタン）及び、Ａｌ（アルミニウム）を合計で３０％以上有する鋼材であって、マルテンサイト化した後、エージングすることにより高強度及び高い強度と靭性を有する鋼材である。
マルエージング鋼の化学組成は、上記の範囲で適宜調整すればよい。本実施においては、モリブデンを５．７５〜６．０５質量％、コバルトを１２．０〜１７．０質量％、ニッケルを１７．０〜２０．０質量％、チタンを０．４〜０．５質量％、アルミニウムを０〜０．１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるマルエージング鋼板を用いることが好ましい。
モリブデンを５．７５〜６．０５質量％含有することで、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、モリブデンを５．７５質量％以上含有することで、溶接部にモリブデンが偏析しやすくなるが、１２．０〜１７．０質量％含有するコバルトの作用により、モリブデンは鉄の結晶構造に固溶されやすくなり、偏析が抑制される。
また、ニッケルを１７．０〜２０．０質量％含有することにより、低炭素マルテンサイト組織を安定して形成させる作用と、アルミニウムやチタンと金属間化合物を形成して強度向上に寄与する。また、０．４〜０．５質量％含有するチタンは、ニッケルと結びついて内部硬さを得るために必要な金属間化合物のＮｉ３ＴｉやＮｉ３（Ａｌ、Ｔｉ）を形成する。また、窒化物形成元素であり、マルエージング鋼の表面に窒素の拡散層を形成して表面硬さを得ることができる。また、アルミニウムがニッケルと結びついて内部硬さを得るために必要な金属間化合物のＮｉＡｌやＮｉ３Ａｌを形成する。また、アルミニウムも、窒化物形成元素であることから、窒化処理時には微細なＡｌＮを形成して表面硬さを得ることができる。一方、アルミニウムを０．１５質量％以下とすることで、疲労強度を低下させる酸化物系の介在物の形成が抑制される。このようなことから、アルミニウムは０超過０．１５質量％以下含有することが好ましい。
上述したモリブデン、コバルト、ニッケル、チタン、アルミニウム以外の残部は、鉄及び不純物とすればよい。
本実施飲む端金属リングは、車両のドライブ軸プーリとドリブン軸プーリとの間で周回動作する駆動ベルトを構成する無端金属ベルトとして好適に用いることができる。
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１：無端金属リングの製造＞
モリブデンを５．７５〜６．０５質量％、コバルトを１２．０〜１７．０質量％、ニッケルを１７．０〜２０．０質量％、チタンを０．４〜０．５質量％、アルミニウムを０〜０．１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるマルエージング鋼板を、前述の製造方法に従い、無端金属リングを製造した。焼鈍工程は、水分供給源を通る窒素ガスの流量を制御することにより、露点温度を−２０℃に調整しながら、８８０℃１５分焼鈍を行った。
得られた無端金属リングのチタン窒化物層の厚みは２μｍであった。
＜比較例１：無端金属リングの製造＞
実施例１において、焼鈍工程時に露点温度の調整をせず、８８０℃１５分焼鈍を行った以外は、実施例１と同様にして、比較例１の無端金属リングを得た。なお、焼鈍工程時の炉内の露点温度は−４５℃であった。また、得られた無端金属リングのチタン窒化物層の厚みは４μｍであった。
［耐久疲労試験］
実施例１で得られた無端金属リングを上記製造方法に従って周長調整を行い積層して９層ベルト部材２０を得た。当該ベルト部材を２個用い、図８及び図９に示されるようにエレメント３０を配置して、実施例１の無端金属ベルト１００を製造した。また、上記において、実施例１の無単金属リングの代わりに比較例１の無端金属リングを用いて、比較例１の無端金属ベルトを製造した。
上記実施例１及び比較例１の無端金属ベルトについて耐久疲労試験を行った。耐久疲労試験は、無端金属ベルトを二つのプーリに巻回し、負荷応力をかけながらリングを周回し、破断するまでの周回数を測定した。耐久疲労試験は、負荷応力を変えて繰り返し行った。結果を図７に示す。図７は、実施例及び比較例の耐久疲労試験結果を示すグラフであり、縦軸はリングへの負荷応力示し、縦軸は破断までの周回数を示す。また、図７中、三角の点が実施例１の無端金属ベルトの測定結果、丸の点が比較例１の測定結果を示す。図７に示されるように、実施例１の無端金属ベルトは、比較例１の無端金属ベルトと比較して、寿命が約５倍となることがわかる。
このように本実施の無端金属リングの製造方法によれば、溶接部のくびれを抑制し、優れた疲労強度を有し、長寿命な無端金属ベルトが得られることが明らかとなった。
１ 窒素ガス供給路
２ 分岐路
３ 水素ガス供給路
４ 水分供給源
１０ 炉
２０ ベルト部材
２１ 周長調整後の無端金属リング
３０ エレメント
１００ 無端金属ベルト

Claims (3)

  1. マルエージング鋼板の端部同士を溶接して、リング形状とする溶接工程と、
    リング形状のマルエージング鋼板を８４５℃以上で焼鈍する焼鈍工程と、
    焼鈍後の鋼板を窒化する窒化工程と、を有する無端金属リングの製造方法であって、
    前記焼鈍工程において、炉の内部の水分量を示す露点温度を、下記式（１）を満たすように調整する、無端金属リングの製造方法。
    式（１）：
    （露点温度［℃］）≧（焼鈍温度８４５℃以上の時間［ｍｉｎ］）−３５［℃］
  2. 前記炉が、窒素ガス供給路と、水素ガス供給路を備え、
    更に、前記窒素ガス供給路が、水分供給源を通る分岐路を備え、
    前記分岐路を通る窒素ガスの流量を調節することにより、前記露点温度を調整する、請求項１に記載の無端金属リングの製造方法。
  3. モリブデンを５．７５〜６．０５質量％、コバルトを１２．０〜１７．０質量％、ニッケルを１７．０〜２０．０質量％、チタンを０．４〜０．５質量％、アルミニウムを０〜０．１５質量％含有し、残部が鉄及び不可避不純物からなるマルエージング鋼板の無端金属リングであって、
    チタン窒化物層の厚みが２μｍ以下である、無端金属リング。
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