JP2019196830A - 無端金属ベルト、及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】最内層の金属リングに係る引張応力を十分に低減でき、耐摩耗性に優れた無端金属ベルトを提供すること。【解決手段】複数の金属リングが積層したベルト部材と、当該ベルト部材により支持されるエレメントと、を備える、無端金属ベルトであって、前記複数の金属リングのうち、最内層の金属リングがマルエージング鋼板であり、他の金属リングが、表面に窒化層を有し、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し、引張強さが1700MPa以上であり、前記窒化層の表面硬度がHV800〜HV950である、無端金属ベルト。【選択図】図1

Description

本発明は、無端金属ベルト、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の材質の一つとして、高い強度と靭性を有するマルエージング鋼が知られている(例えば特許文献1)。しかしながらマルエージング鋼はNi、Co、Mo等を多く含有し、高価であることから、代替可能な材質が検討されている。
特許文献2には、複数枚の無端帯状薄板金属バンドを厚み方向に重ねた積層バンドにおいて、最も内側のバンドをマルエージング鋼とし、他の層を析出硬化型ステンレス鋼とする構成が開示されている。
特許文献3には、複数の薄い無端ベルト状の金属性のリングシートを径方向に重ねて構成された金属リング部材において、最内周及び最外周のリングシートをマルエージング鋼とし、中間のリングシートを析出硬化型ステンレス鋼とする構成が開示されている。特許文献3によれば、当該金属リング部材が十分な強度及び耐久性を有するとされている。
また特許文献4及び5には、特定の組成を有し、表面に窒化層を有するCVT用リング部材が開示されている。
特開昭61−17743号公報 特開昭62−37535号公報 特開平11−351334号公報 特開2011−195861号公報 国際公開第2015/087869号
本発明者らは、後述する比較例に示されるように、ベルト部材を構成する金属リングを同一の材質にした場合、最内層の金属リングに、他の層よりも大きな引張応力が生じるとの知見を得た。例えば特許文献3に示されるように中間の層に析出硬化型ステンレス鋼を用いることで、最内層の引張応力の緩和が予測される。しかしながら、ステンレス鋼は、通常、Crを10%以上含有するため窒化処理が困難である。そのため、ステンレス鋼は耐摩耗性が低く、特にエレメントの首部13(図1参照)と接触するリング端面の摩耗の問題があった。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、最内層の金属リングに係る引張応力を十分に低減でき、耐摩耗性に優れた無端金属ベルト、及びその製造方法を提供することを目的とする。
本実施の無端金属ベルトは、複数の金属リングが積層したベルト部材と、
当該ベルト部材により支持されるエレメントと、を備える、無端金属ベルトであって、
前記複数の金属リングのうち、最内層の金属リングがマルエージング鋼板であり、
他の金属リングが、表面に窒化層を有し、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し、引張強さが1700MPa以上であり、前記窒化層の表面硬度がHV800〜HV950である。
上記無端ベルトの一実施形態は、前記最内層の金属リングが、前記他の金属リングよりも薄いものである。
本実施の無端金属ベルトの製造方法は、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金属板をリング状に成形し、窒化処理することにより、金属リングを製造する工程と、
別途、前記金属板よりも薄いマルエージング鋼板をリング状に成形することにより、最内層用の金属リングを製造する工程と、
前記最内層用の金属リングの外周に1個以上の前記金属リングを積層して、ベルト部材とする工程と、
前記ベルト部材にエレメントを配置する工程と、を有する。
本発明によれば、最内層の金属リングに係る引張応力を十分に低減でき、耐摩耗性に優れた無端金属ベルト、及びその製造方法を提供することができる。
図1は、本実施の無端金属ベルトの一例を示す、模式的な断面図である。 図2は、本実施の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。 図3は、本実施の無端金属ベルトの製造方法の一例を示す、フローチャートである。 図4は、金属リングの製造工程の一例を示す、フローチャートである。 図5は、最内層の金属リングの製造工程の一例を示す、フローチャートである。 図6は、実施例および比較例の金属リングにかかる最大引張応力を示すグラフである。
まず、図1及び図2を参照して、本実施の無端金属ベルトの構成について説明する。図1は、本実施の無端金属ベルトの一例を示す、模式的な断面図であり、図2は、本実施の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。
図1及び図2の例に示される無端金属ベルト100は、複数の金属リング1が積層したベルト部材10と、エレメント20を備えている。当該エレメント20は公知のものの中から適宜選択して用いることができる。図1の例では、当該エレメント20は、基体部11と頭部12とこれらを接続する首部13を有し、頭部には、凸部14と当該凸部の裏面に凹部(図示せず)を有している。基体部11の側面15が通常プーリと接触する。2つのベルト部材10は、それぞれエレメント20の基体部11と頭部12と首部13により形成される間隙に配置されエレメントを支持する。エレメント20は、通常、図2の例に示されるように複数有しており、凸部14は、別のエレメントの凹部と係合して配置される。図2は無端金属ベルトの一部であり、エレメント20は、ベルト部材10の円周に渡って配置されている。
このような無端金属ベルト100において、ベルト部材10を構成する最内層の金属リング1aは、エレメント20のサドル面16と接触する。また、ベルト部材10の側面は、エレメント20の首部13と接触する。
本実施の無端金属ベルトは、ベルト部材の最内層の金属リングとして、高強度で高靭性のマルエージング鋼を用い、他の金属リングとして、表面硬度がHV800〜950の窒化層を表面に有し、引張強さが1700MPa以上の上記特定の組成を有する鋼を用いる。その結果、最内層に係る引張応力を抑制し、且つ、ベルト部材側部とエレメントとの接触による摩耗を抑制して、無端金属ベルトの耐久性が向上する。また、最内層のみをマルエージング鋼とすることにより、コストの低減も可能となる。
なお本実施において最内層の金属リング以外の金属リングを他の金属リングという。
ベルト部材の最内層を構成するマルエージング鋼は、C(炭素)が0.03%以下で、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、エージングすることにより高強度、及び高い靭性を有する鋼材である。
本実施においてマルエージング鋼の化学組成は、公知の範囲で適宜選択すればよい。一例として、質量%で、C:0.03%以下、Ni:18〜19%、Co:8.5〜9.5%、Mo:4.7〜5.2%、Ti:0.4〜0.7%、Al:0.05〜0.15%含有し、Cr(クロム)を0.5〜1.5%含んでいてもよく、残部がFe(鉄)及び不可避不純物よりなる化学組成などとすることができる。
マルエージング鋼のエージング処理方法は、特に限定されず、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。
本実施で用いるマルエージング鋼は、更に、窒化処理される。窒化処理することにより、表面硬度を向上することができる。窒化処理は、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分程度行うことができる。なお、雰囲気中の水素ガスはアンモニアガスの熱分解により発生するものである。
本実施において、最内層の金属リングの厚みは、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。本実施において、最内層の金属リングの厚みは、後述する他の金属リングの厚みよりも薄いことが好ましく、5μm以上薄いことがより好ましい。最内層の金属リングを薄くすることにより、最内層の金属リングの曲げ耐性をさらに向上することができる。また、最内層の金属リングを他の金属リングよりも薄くすることにより、他のリングとの荷重の分担の比率を相対的に小さくすることができ、最内層の金属リングに係る応力をより低減し、ベルト全体としての耐久性が向上する。また、5μm以上の板厚差により途中工程での誤品検知も可能である。
本実施において、前記最内層の金属リング以外の他の金属リングは、表面に窒化層を有し、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し、引張強さが1700MPa以上であり、前記窒化層の表面硬度がHV800〜HV950である。このような金属リングを用いることにより、最内層の金属リングに係る応力を低減することができ、また、エレメントと接触する側面の耐摩耗性にも優れている。
当該他の金属リングの化学組成について説明する。
C:0.30〜0.70%
C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、2.50%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0.50%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1.00%以下とする。
Ni:4.00%以下
上記他の金属リングは、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、4.00%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
上記他の金属リング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。
上記他の金属リングの化学組成は、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、Tiなどが挙げられる。
上記他の金属リングは引張強さが1700MPa以上である。他の層に引張強さが1700MPa以上の金属リングを用いることにより、最内層の金属リングに係る引張応力を低減することができる。
本実施において引張強さは、対象となる金属リングを一対のローラに掛け渡し、当該一対のローラを介して金属リングを引っ張る引張試験により測定した。なお、引張強さは、上記引張試験において金属リングが破断するまでの荷重変化を測定し、最大荷重をリング部材の断面積で割った値とする。
また、上記他の金属リングは窒化層の表面硬度がHV800〜HV950である。表面硬度がHV800以上であることにより、エレメントと接触するリング側面の摩耗を抑制することができる。一方、表面硬度がHV950以下とすることによりリングの脆化を抑制し、強度を確保することができる。
本実施において、他の金属リングの厚みは、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。
また、他の金属リングにおいて窒化層の厚みは特に限定されないが、例えば、5μm以上50μm以下とすることができる。
本実施において、1つのベルト部材を構成する金属リングの積層数は、最内層の金属リングと他の金属リングとの合計で、少なくとも2層あればよく、例えば2〜12層とすることができる。
次に、図3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3は、本実施の無端金属ベルトの製造方法の一例を示す、フローチャートである。図3の例に示される無端金属ベルトの製造方法は、特定の化学組成を有する金属板を用いて金属リングを製造する工程(S11)と、これとは別にマルエージング鋼板を用いて最内層用の金属リングを製造する工程(S12)と、前記最内層用の金属リングの外周に前記他の金属リングを積層してベルト部材を成形する工程(S13)と、ベルト部材にエレメントを配置して無端金属ベルトを製造する工程(S14)を有している。本実施の製造方法によれば、最内層の金属リングに係る引張応力を十分に低減でき、耐摩耗性に優れた前述の無端金属ベルトを好適に製造することができる。また、本実施の製造方法は、前記マルエージング鋼板が前記金属板よりも薄いものを用いるため、外観上判別が困難なマルエージング鋼板と、前記金属板との取り違いを防止することができる。
ここで、図4を参照して、金属リングを製造する工程(S11)の詳細について説明する。図4は、金属リングの製造工程の一例を示す、フローチャートである。図4の例に示されるように、金属リングは、金属板の切断工程(S21)と、溶接工程(S22)と、焼鈍工程(S23)と、リング切断工程(S24)と、圧延工程(S25)と、焼入工程(S26)と、周長調整工程(S27)と、窒化処理工程(S28)とを有し、必要に応じて、例えば、焼入工程(S26)後に行う焼き戻し工程など、他の工程を有してもよいものである。
鋼材(金属板)の切断工程(S21)は、ロール状など長尺の金属板を、所定の大きさに切り出す工程である。切り出された金属板は、端部同士を付き合わせるようにして、筒状に湾曲する。
溶接工程(S22)は、筒状とした金属板の端部同士を付き合わせた部位を溶接し、筒状のドラムを形成する。
次いで、焼鈍工程(S23)において、前記ドラムを焼鈍して前記溶接により生じた歪みを除去する。
次いで、リング切断工程(S24)では、焼鈍後のドラムを所定の幅に切断し、複数のリングを形成する。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(S25)では、得られた金属リングを圧延して、金属リングを所定の周長に近づける。圧延工程後に、焼入工程(S26)を行い、必要に応じて当該焼入工程後に焼き戻し工程を行う。
焼入工程(S26)は、例えば、金属リングを850℃〜1000℃に加熱した後急冷する。また焼き戻し工程は、例えば、400〜500℃で、かつ、窒化処理温度以下で行うことができる。
次いで、周長調整工程(S27)により、金属リングを所定の周長とする。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、プールを回転させながら、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、周長を調整する。
周長調整後の金属リングは、窒化処理工程(S28)を行う。窒化処理は、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分程度行うことができる。
このようにして、引張強さが1700MPa以上で、窒化層の表面硬度がHV800〜HV950の金属リングを得ることができる。
次に、図5を参照して、最内層用の金属リングの製造工程(S12)について説明する。図5は、最内層の金属リングの製造工程の一例を示す、フローチャートである。図5の例に示されるように、最内層陽の金属リングは、前述のマルエージング鋼を用い、当該マルエージング鋼の切断工程(S31)と、溶接工程(S32)と、焼鈍工程(S33)と、リング切断工程(S34)と、圧延工程(S35)と、必要に応じて溶体化工程(S36)と、周長調整工程(S37)と、エージング工程(S38)と、窒化処理工程(S39)とを行うことにより製造することができる。
ここで、溶体化工程(S36)は、圧延時に生じた加工応力を取り除くことができ、圧延工程後に必要に応じて行われる。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。
エージング工程(S38)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分程度行うことができる。
また、窒化処理工程(S39)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。
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。
<製造例1:金属リング1の製造>
長尺のマルエージング鋼板を準備し、前述の金属リングの製造工程に従って、厚みが約180μmで、ヤング率が190GPaの金属リング1を製造した。
<製造例2:金属リング2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である長尺の金属板を準備し、前述の金属リングの製造工程に従って、厚みが約185μm、窒化層の厚みが30μm、引張強さが1700MPa以上、窒化層の表面硬度がHV800〜HV950、ヤング率が210GPaの金属リング2を製造した。
<実施例:無端金属ベルトの製造>
最内層に前記製造例1の金属リング1を用い、当該金属リング1の外周に8個の金属リング2を積層して、9層のベルト部材を得た。当該ベルト部材を2個用い、図1及び図2のようにエレメントを配置して、実施例の無端金属ベルトを得た。
<比較例:無端金属ベルトの製造>
ベルト部材を構成する金属リングをいずれも金属リング1として、9層のベルト部材を得た。当該ベルト部材を2個用い、図1及び図2のようにエレメントを配置して、比較例の無端金属ベルトを得た。
図6に、実施例及び比較例で用いたベルト部材1及び2に関し、最内層及び最内層に隣接する2層目の最大引張応力の算出結果を示す。図6に示されるように、実施例の最内層にかかる最大引張応力は、比較例の最内層にかかる最大引張応力と比較して、6.4%低減することが示された。実施例では、第2層の最大引張応力が上昇しており、最内層にかかる引張応力が、他の層に分散したものと推測される。このように本実施によれば、最内層の金属リングに係る引張応力を十分に低減でき、耐摩耗性に優れ、耐久性に優れた無端金属ベルトを得ることができる。
1 金属リング
1a 最内層の金属リング
10 ベルト部材
11 基体部
12 頭部
13 首部
14 凸部
15 側面
16 サドル面
20 エレメント
100 無端金属ベルト

Claims (3)

  1. 複数の金属リングが積層したベルト部材と、
    当該ベルト部材により支持されるエレメントと、を備える、無端金属ベルトであって、
    前記複数の金属リングのうち、最内層の金属リングがマルエージング鋼板であり、
    他の金属リングが、表面に窒化層を有し、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し、引張強さが1700MPa以上であり、前記窒化層の表面硬度がHV800〜HV950である、無端金属ベルト。
  2. 前記最内層の金属リングが、前記他の金属リングよりも薄い、請求項1に記載の無端金属ベルト。
  3. 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金属板をリング状に成形し、窒化処理することにより、金属リングを製造する工程と、
    別途、前記金属板よりも薄いマルエージング鋼板をリング状に成形することにより、最内層用の金属リングを製造する工程と、
    前記最内層用の金属リングの外周に1個以上の前記金属リングを積層して、ベルト部材とする工程と、
    前記ベルト部材にエレメントを配置する工程と、を有する、無端金属ベルトの製造方法。
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