JP3637984B2 - トロイダル式無段変速機用転動体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば自動車などの無段変速機として使用されるトロイダル式無段変速機における入力ディスク，出力ディスク，パワーローラに利用されるトロイダル式無段変速機用転動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トロイダル式無段変速機は、例えば図１に示すように、潤滑油を介して接触する転動体、すなわち入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３から主に構成され、入力ディスク１と出力ディスク２に挟まれたパワーローラ３の回転軸を傾動させることによって、入力ディスク１および出力ディスク２との接触点の回転半径を連続的に変化させ、入力ディスク１の回転速度を無段階に変えて出力ディスク２に伝達し、出力ディスク２の回転動力を同軸に固定された歯車４を介して出力歯車５に伝達する仕組みとなっている。
【０００３】
トロイダル式無段変速機の転動体は、大きな動力を伝達するため、高面圧下での転動疲労寿命に優れる深い硬化層が要求される（例えば特開平７−７１５５５号公報など）。そのため、処理時間が長時間にわたることから、生産性が非常に悪く、コストアップを招いてしまう。
【０００４】
そこで、迅速に疲労強度を付与するために、高周波焼入れ処理を施した場合、鋼材としては、ＪＩＳ Ｇ ４０５１，４０５２，４１０２，４１０３，４１０４，４１０５，４１０６などに規定される機械構造用炭素鋼および低合金鋼のうちの中炭素レベルのものが用いられる。
【０００５】
そして、これらの炭素鋼あるいは低合金鋼からなるトロイダル式無段変速機用転動体に高周波焼入れ処理を施すに際しては、まず第１段階として、例えば図２（ａ）および（ｂ）に示すように、転動体の内径面１ａ，２ａ，３ａ、および底面１ｂ，２ｂ，３ｂの形状に合わせて作成した誘導加熱コイルＣ1 ，Ｃ2 およびＣ3 ，Ｃ4 によって、これら内径面および底面を加熱して焼入れしたのち、第２段階として、第１段階で焼入れされた内径面１ａ，２ａ，３ａ、および底面１ｂ，２ｂ，３ｂが第２段階の熱によって鈍されないように、これら内径面および底面を冷却しながら、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、転動体の転動面１ｃ，２ｃおよび３ｃの形状に合わせて作成した誘導加熱コイルＣ5 およびＣ6 によって、これら転動面１ｃ，２ｃおよび３ｃを加熱して焼入れするようにしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の２段階方式による高周波焼入れ方法においては、第１段階で焼入れされた面を第２段階の焼入れ時の熱によって鈍されないように冷却してはいるものの、図３に示すように、第２段階における加熱部位と隣接するような部分Ａ，Ｂ，Ｃにおいては、どうしても加熱を避けることができず、このような部分では、第１段階の焼入れによって得られた硬度が低下してしまう傾向があった。このため、転動面に作用する高い面圧により剥離を生じて、転動疲労寿命が短くなったり、塑性変形を生じて陥没したり、さらには軟化部分を起点として疲労破壊するという問題点があり、このような問題点を解決することが従来のトロイダル式無段変速機用転動体における品質上の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、従来のトロイダル式無段変速機用転動体における上記課題に着目してなされたものであって、第１段階で焼入れされた面が、第２段階の焼入時の熱影響を受けたとしても、高い硬度を維持し、転動面に剥離や塑性変形を生じることがなく、疲労寿命に優れたトロイダル式無段変速機用転動体を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために、トロイダル式無段変速機用転動体の素材となる鋼材成分や結晶粒度などの焼入れ性や焼入れ後の熱影響による軟化特性（軟化抵抗性），疲労寿命などに及ぼす影響について鋭意検討を重ねた結果、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ，Ｎｉ、結晶粒微細化に効果のあるＡｌ，Ｎ，Ｎｂ、軟化抵抗性を高めるＳｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗを所定量添加し、さらに軟化抵抗性を表す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を所定値以上とすることにより、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することを見出すに至った。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づくものであって、本発明の請求項１に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としており、本発明の請求項２に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｓ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としており、本発明の請求項３に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．４Ｃｒ＋１．４Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．３Ｗで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成とし、請求項４に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上、およびＳ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．４Ｃｒ＋１．４Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．３Ｗで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としてこのようなトロイダル式無段変速機用転動体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
また、請求項１あるいは請求項２記載のトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項５記載のトロイダル式無段変速機用転動体においては、Ｙ＝３．２Ｃ＋０．６Ｓｉ＋２．２Ｍｎで表わされるＹ値が４．５以下である構成、さらに請求項３あるいは請求項４記載のトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項６記載のトロイダル式無段変速機用転動体においては、Ｙ＝３．２Ｃ＋０．６Ｓｉ＋２．２Ｍｎ＋１．２Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋０．７Ｖ＋０．４Ｗで表わされるＹ値が４．５以下である構成としたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の作用】
以下、本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体の化学成分範囲，Ｘ値，Ｙ値および表層部焼入れ組織の結晶粒度限定理由をそれぞれの作用と共に説明する。
【００１２】
Ｃ：０．４〜０．６％
Ｃは、高周波焼入れ後の表面硬化層および芯部の硬さを確保するのに寄与する元素であって、とくに第１段階の高周波焼入れで高い表面硬度を確保することにより、第２段階の高周波焼入れに際して熱影響を受けても高い硬さがもたらされる。このために本発明では、０．４％以上の添加を要する。しかし、多すぎると被削性が低下すると共に、靭性の劣化を招くので、上限値を０．６％とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．１〜０．５％
Ｓｉは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制するのに寄与する元素であり、このためには０．１％以上の添加が必要である。一方、添加量が０．５％を超えると被削性を悪くするので、上限値を０．５％とする。
【００１４】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは、鋼材の溶製時に脱酸剤として添加されると共に、鋼の焼入れ性を向上させる作用を有し、高周波焼入れによる硬化層を深くして、転動体の転動疲労寿命を向上させるのに寄与する元素であり、０．２％以上の添加を要する。しかし、２．０％を超えて添加すると、素材が硬くなり、加工性が劣化するので、上限値を２．０％とする。
【００１５】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、粒界強度を低下させ、表面硬化層の靭性を劣化させるので、その上限値を０．０２％とする。
【００１６】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、鋼材の溶製時に脱酸剤として添加されると共に、焼入れ時の昇温に際してオーステナイト結晶粒の成長を抑制する作用を有し、このような作用を期待するには、０．００５％以上の添加を必要とする。一方、０．１％を超えて添加したとしても、結晶粒成長の抑制に対する働きが飽和するばかりか、硬質の非金属介在物が多数生成して、転動疲労寿命の低下を招くので上限値を０．１％とする。
【００１７】
Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、硬質の介在物を生成し、転動疲労寿命に悪影響を与えるので、その上限を０．００５％とする。
【００１８】
Ｎ：０．００５〜０．０３％
Ｎは、ＡｌＮを生成してオーステナイト結晶粒を微細化し、転動疲労寿命を向上させる。しかし、０．００５％未満の含有量では、このような作用が期待できず、逆に０．０３％を超えた場合には、鍛造や熱間圧延時の割れの原因となるので、０．０３％をその上限とする。
【００１９】
Ｏ：０．００２％以下
Ｏは、Ａｌ2 Ｏ3 やＳｉ2 Ｏ3 などの酸化物系介在物を多く生成して疲労強度、とくに転動疲労寿命を劣化させると共に、切削加工時の超硬工具の寿命に悪影響を及ぼすので、０．００２％をその上限とする。
【００２０】
Ｎｉ：０．２〜２．０％
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層を深くする作用を有する。 しかし、０．２％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多すぎると被削性を損なうので、上限値を２．０％とする。
【００２１】
Ｃｒ：０．２〜２．０％
Ｃｒは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制するのに寄与する。また、焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層を深くする。しかし、０．２％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多すぎると被削性を損なうので、上限値を２．０％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させるのに顕著な作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制する。また、高周波焼入れ部のオーステナイト結晶粒を微細化するのに寄与する。しかし、０．０５％未満では、これらの作用を期待できず、逆に添加量が多いと被削性が劣化するので、上限値を１．０％とする。
【００２３】
Ｖ：０．０３〜０．５％
Ｖは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制する。しかし、０．０３％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多いと被削性が劣化するので、上限値を０．５％とする。
【００２４】
Ｗ：０．０３〜０．５％
Ｗは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させると共に、内部硬さを高める作用を有する。しかし、０．０３％未満では、このような作用を期待できず、添加量が０．５％を超えると素材硬さが高くなり、被削性に悪影響を及ぼすので、上限値を０．５％とする。
【００２５】
Ｎｂ：０．０１〜０．１％
Ｎｂは、結晶粒度の微細化作用を有するので、０．０１％以上を添加する。しかし、０．１％を超えて添加しても微細化作用が飽和するので、０．１％を上限値とする。
【００２６】
Ｓ：０．０３〜０．１％
Ｓは、鋼の被削性の向上に寄与する元素であり、このような作用を期待するには、０．０３％以上の添加を要する。しかし、添加量が多すぎるとＭｎＳ組成の非金属介在物が増加し、転動疲労寿命に悪影響を与えるので、０．１％を上限値とする。
【００２７】
Ｐｂ：０．０１〜０．３％
Ｐｂは、被削性向上元素であり、このような作用を期待するには、０．０１％以上添加する必要がある。ただし、０．３％を超えて添加すると転動疲労寿命が低下するので、０．３％を上限値とする。
【００２８】
Ｔｅ，Ｓｅ：０．００５〜０．１％
Ｔｅ，Ｓｅは、Ｐｂと同様に被削性向上元素であり、このような作用を期待するには、いずれも０．００５％以上添加する必要がある。ただし、０．１％を超えて添加すると転動疲労寿命が低下するので、いずれも０．１％を上限値とする。
【００２９】
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは、ＭｎＳと複合介在物を生成して球状化するため、鋼の靭性を劣化させることなく被削性を向上させる作用を有する元素である。このような作用は、添加量が０．０００５％未満では期待できず、０．０１％を超えると作用が飽和するので、０．０１％をその上限とする。
【００３０】
Ｚｒ：０．００５〜０．１％
Ｚｒは、Ｃａと同様に、熱間圧延時にＭｎＳの変形を抑制してＭｎＳの球状化に寄与し、鋼の靭性を劣化させることなく被削性を向上させる作用を有する元素である。このような作用は、添加量が０．００５％未満では期待できず、０．１％を超えるとＺｒＯ2 などの非金属介在物が多く生成して、転動疲労寿命が低下するので、０．１％を上限値とする。
【００３１】
Ｘ値：２．５以上
本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体において、その疲労強度を確保するためには、２段階方式の高周波焼入れに際して、最初（第１段階）に高周波焼入れされた面は、第２段階の焼入れにおける高周波加熱の熱影響を受けたとしても軟化せず、高い硬度を備えていなければならない。とくに、疲労破壊の起点となる表面および転動面における最大せん断応力位置（表面より０．８ｍｍ深さ）における硬さを高くすることが要求される。本発明者は、第１段階で焼入れされた部分が第２段階の焼入れによる熱影響を受けた場合の鋼成分と硬度の関係について種々検討した結果として、次式を見出し、これによって求めたＸ値が２．５以上の値をとるときに、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することを確認した。
【００３２】
オーステナイト結晶粒度：粒度番号９以上
オーステナイト結晶粒度は、焼入れ性に影響を及ぼし、結晶粒の微細化により転動疲労寿命および曲げ疲労強度が向上する。このような作用を期待するには、結晶粒度番号で９以上に微細化する必要がある。
高周波焼入材の結晶粒度に影響を及ぼす因子としては、材料因子として高周波焼入処理を施す前の組織、Ａｌ，Ｎ量、Ｎｂ，Ｍｏ等の炭窒化物形成元素の添加、高周波焼入条件としては出力、加熱時間、焼入れ時の冷却速度等が挙げられる。
【００３３】
本発明の場合、例えば水冷の場合、請求項１および２の炭素鋼では、出力×時間が８００ｋＷ・ｓｅｃ以下、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどの炭化物形成元素添加の請求項３および４の鋼では、出力×時間が１０００ｋＷ・ｓｅｃ以下の条件で加熱することにより結晶粒度が粒度番号で９番以上を得ることができる。
【００３４】
Ｙ値：４．５以下
焼入れに先立って、鋼素材を部品形状に切削加工するに際して、素材の硬さが高いと切削加工のコストが上昇したり、切削加工自体が不可能になったりする。本発明者は、焼入れ前の素材硬さに及ぼす鋼成分の影響について検討した結果、次式により求められるＹ値を４．５以下に規制することにより、焼入れ前の鋼素材の硬さが抑制され、素材の切削加工性が大幅に向上することを見出した。
【００３５】
このように、本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ、結晶粒微細化作用を有するＡｌ，Ｎ、軟化抵抗性を高めるＳｉを所定量添加して軟化抵抗性を示す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を２．５以上にし、さらに表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度を粒度番号９以上としたものであるから、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することになる。
【００３６】
また、本発明の他の請求項あるいは実施態様に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、さらに焼入れ性を向上させるＮｉ、結晶粒微細化作用を有するＮｂ、軟化抵抗性を高めるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗの１種以上、被削性を向上させるＳ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒの１種以上を必要に応じてそれぞれ添加し、さらに必要に応じて焼入れ前の素材硬さを示す指標として新たに見出された数式により求められるＹ値を４．５以下に規制するようにしているので、トロイダル式無段変速機用転動体として要求される種々の特性がさらに改善されることになる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３８】
まず、表１〜３に示す化学組成の素材鋼（発明組成２３種、比較組成１３種）を用いて、入力ディスク，出力ディスク，パワーローラの粗形状および切削性試験片（８５φ×２５０Ｌ）形状に熱間鍛造したのち、焼き鈍し処理して、所定の部品形状に切削加工した。
【００３９】
【表１】
【００４０】
【表２】
【００４１】
【表３】
【００４２】
そして、入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３用の切削素材については、２段階の高周波焼入れ処理、すなわち第１段階として内径面１ａ，２ａ，３ａおよび底面１ｂ，２ｂ，３ｂを出力８０ｋＷ，周波数３０ｋＨｚで７秒間加熱して水冷焼入れし、続いて第２段階として転動面１ｃ，２ｃ，３ｃ（図２参照）を出力３０ｋＷ，周波数１００ｋＨｚの条件で２０秒間加熱したのち水冷することによって焼入れを行った。その後、１６０℃×２時間の焼戻し処理を施し、仕上げ研磨加工を行うことによって入力ディスク１，出力ディスク２，パワーローラ３（トロイダル式無段変速機用転動体）を得た。
【００４３】
上記によって得られた各転動体１ないし３のビッカース硬度およびオーステナイト結晶粒度を測定し、その結果を表４，５に示す。
【００４４】
なお、硬さは、図４（ａ）および（ｂ）に示すａ−ａ線およびｂ−ｂ線に沿って、表面より０．１ｍｍの位置、および表面より０．８ｍｍの位置（最大せん断応力作用位置）で測定した。また、オーステナイト結晶粒度については、ＪＩＳＧ ０５５１に従って、図４（ａ）および（ｂ）に示すａ−ａ線およびｂ−ｂ線上の表面より０．１ｍｍの位置で測定した。
【００４５】
【表４】
【００４６】
【表５】
【００４７】
また、切削性試験片については、焼き鈍し処理ののち、表６に示す条件により切削加工性を調査した。その結果を表４，５に併せて示す。
【００４８】
【表６】
【００４９】
さらに、このようにして製作したトロイダル式無段変速機用転動体、すなわち入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３を組合わせて、図１に示したようなトロイダル式無段変速機に組込み、表７に示す条件のもとで、目標繰り返し数１×１０7 回まで耐久試験を実施した。その結果を表４，５に併せて示す。
【００５０】
【表７】
【００５１】
表４，５に示す結果から明らかなように、素材鋼の化学成分，表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度および軟化抵抗性の指標としてのＸ値、あるいは焼入れ前の素材硬さの指標としてのＹ値などが本発明の要件を満足する実施例１ないし２１のトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼き鈍し後の素材硬さが低く、切削加工時の工具摩耗量が少なく良好な切削性を示すと共に、第２段階の高周波焼入れを行っても、表面より０．１ｍｍの位置、および０．８ｍｍの位置（最大せん断応力作用位置）で高い硬度が得られ、１×１０7 回を超える良好な耐久性を示すことが確認された。
【００５２】
これに対し、素材鋼の化学成分やＸ値などが本発明の要件を満足しない比較例２４ないし３６のトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼き鈍し後の素材硬さが高くて切削性が劣ったり、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化によって転動体としての耐久性が劣ったりする不具合が生じることが判明した。
【００５３】
すなわち、比較例２４の転動体においては、素材鋼のＣ量が少ないため、第２段階高周波焼入れの熱影響部の硬さが得られず、疲労寿命が短く、逆にＣ量が多すぎる比較例２５および２６の転動体においては、素材硬さが高いため、工具の摩耗量が著しく多くなることが確認された。
【００５４】
また、比較例２７の転動体においては、素材鋼のＳｉ量が少なく、軟化抵抗性が低いので熱影響部の硬さを確保することができないため疲労寿命が短く、Ｓｉ量およびＭｎ量が過剰な比較例２８および２９の転動体においては、素材硬さが高いため工具の摩耗量が著しく多く、切削性に劣ることが確認された。
【００５５】
比較例３０の転動体においては、素材鋼のＴｉ量が多く、硬質の介在物が生成することから切削加工時の工具摩耗量が多い。
【００５６】
また、比較例３１においては、素材鋼のＮ含有量が少なく、結晶粒が粗大化しているため疲労寿命が短く、比較例３２においては、Ｏ含有量が多く、介在物が多く生成しているため、切削加工時の工具摩耗量が多い。
【００５７】
そして、素材鋼のＮｉ量，Ｃｒ量，Ｍｏ量が多い比較例３３，３４，３５の転動体においては、素材硬さが高いため、工具の摩耗量が著しく多くなることが確認された。
【００５８】
さらに、比較例３６の転動体においては、素材鋼のＶ量が多く、素材硬さが高くなっているため、チッピング（欠け）が発生する結果となった。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ、結晶粒微細化に有効なＡｌ，Ｎ、軟化抵抗性を向上させるＳｉを所定量添加し、軟化抵抗性を示す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を２．５以上にし、さらに表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度を粒度番号９以上に微細化すると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上で、最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上としたものであるから、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしても軟化を防止することができ、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に維持して転動体の転動疲労寿命を大幅に向上させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００６０】
本発明の請求項２に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、被削性を向上させるＳ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒなどが添加されているので、素材鋼の被削性を改善することができ、当該転動体の加工コストの低減を達成することができるという優れた効果がもたらされる。
【００６１】
また、本発明の請求項３に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼入れ性を向上させるＮｉ、結晶粒微細化作用を有するＮｂ、軟化抵抗性を高めるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどが添加されているので、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に確実に維持することができ、転動体の転動疲労寿命をより確実に向上させることができるという優れた効果がもたらされる。
【００６２】
さらに、本発明の請求項４に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、上記Ｓ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒなどと共に、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどが添加されているので、被削性の改善によって当該転動体の加工コストの低減を達成することができると同時に、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に確実に維持することができ、転動体の転動疲労寿命をより確実に向上させることができるというさらに優れた効果がもたらされる。
【００６３】
本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項５および請求項６記載の転動体においては、焼入れ前の素材硬さを示す指標として新たに見出された数式により求められるＹ値を４．５以下に規制したものであるから、素材鋼の切削加工性を確実に改善することができ、加工コストをさらに確実に低減させることができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル式無段変速機の構造および原理を示す概略説明図である。
【図２】（ａ） 入力ディスクおよび出力ディスクの高周波焼入れの第１段階を示す概略説明図である。
（ｂ） パワーローラの高周波焼入れの第１段階を示す概略説明図である。
（ｃ） 入力ディスクおよび出力ディスクの高周波焼入の第２段階を示す概略説明図である。
（ｄ） パワーローラの高周波焼入れの第２段階を示す概略説明図である。
【図３】（ａ） 入力ディスクのおよび出力ディスクの軟化部分を示す断面説明図である。
（ｂ） パワーローラの軟化部分を示す断面説明図である。
【図４】（ａ） 本発明の実施例における硬度測定位置を示す入力ディスクおよび出力ディスクの断面図である。
（ｂ） 本発明の実施例における硬度測定位置を示すパワーローラの断面図である。
【符号の説明】
１ 入力ディスク（トロイダル式無段変速機用転動体）
２ 出力ディスク（トロイダル式無段変速機用転動体）
３ パワーローラ（トロイダル式無段変速機用転動体）
【産業上の利用分野】
本発明は、例えば自動車などの無段変速機として使用されるトロイダル式無段変速機における入力ディスク，出力ディスク，パワーローラに利用されるトロイダル式無段変速機用転動体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
トロイダル式無段変速機は、例えば図１に示すように、潤滑油を介して接触する転動体、すなわち入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３から主に構成され、入力ディスク１と出力ディスク２に挟まれたパワーローラ３の回転軸を傾動させることによって、入力ディスク１および出力ディスク２との接触点の回転半径を連続的に変化させ、入力ディスク１の回転速度を無段階に変えて出力ディスク２に伝達し、出力ディスク２の回転動力を同軸に固定された歯車４を介して出力歯車５に伝達する仕組みとなっている。
【０００３】
トロイダル式無段変速機の転動体は、大きな動力を伝達するため、高面圧下での転動疲労寿命に優れる深い硬化層が要求される（例えば特開平７−７１５５５号公報など）。そのため、処理時間が長時間にわたることから、生産性が非常に悪く、コストアップを招いてしまう。
【０００４】
そこで、迅速に疲労強度を付与するために、高周波焼入れ処理を施した場合、鋼材としては、ＪＩＳ Ｇ ４０５１，４０５２，４１０２，４１０３，４１０４，４１０５，４１０６などに規定される機械構造用炭素鋼および低合金鋼のうちの中炭素レベルのものが用いられる。
【０００５】
そして、これらの炭素鋼あるいは低合金鋼からなるトロイダル式無段変速機用転動体に高周波焼入れ処理を施すに際しては、まず第１段階として、例えば図２（ａ）および（ｂ）に示すように、転動体の内径面１ａ，２ａ，３ａ、および底面１ｂ，２ｂ，３ｂの形状に合わせて作成した誘導加熱コイルＣ1 ，Ｃ2 およびＣ3 ，Ｃ4 によって、これら内径面および底面を加熱して焼入れしたのち、第２段階として、第１段階で焼入れされた内径面１ａ，２ａ，３ａ、および底面１ｂ，２ｂ，３ｂが第２段階の熱によって鈍されないように、これら内径面および底面を冷却しながら、図２（ｃ）および（ｄ）に示すように、転動体の転動面１ｃ，２ｃおよび３ｃの形状に合わせて作成した誘導加熱コイルＣ5 およびＣ6 によって、これら転動面１ｃ，２ｃおよび３ｃを加熱して焼入れするようにしていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の２段階方式による高周波焼入れ方法においては、第１段階で焼入れされた面を第２段階の焼入れ時の熱によって鈍されないように冷却してはいるものの、図３に示すように、第２段階における加熱部位と隣接するような部分Ａ，Ｂ，Ｃにおいては、どうしても加熱を避けることができず、このような部分では、第１段階の焼入れによって得られた硬度が低下してしまう傾向があった。このため、転動面に作用する高い面圧により剥離を生じて、転動疲労寿命が短くなったり、塑性変形を生じて陥没したり、さらには軟化部分を起点として疲労破壊するという問題点があり、このような問題点を解決することが従来のトロイダル式無段変速機用転動体における品質上の課題となっていた。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、従来のトロイダル式無段変速機用転動体における上記課題に着目してなされたものであって、第１段階で焼入れされた面が、第２段階の焼入時の熱影響を受けたとしても、高い硬度を維持し、転動面に剥離や塑性変形を生じることがなく、疲労寿命に優れたトロイダル式無段変速機用転動体を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記目的を達成するために、トロイダル式無段変速機用転動体の素材となる鋼材成分や結晶粒度などの焼入れ性や焼入れ後の熱影響による軟化特性（軟化抵抗性），疲労寿命などに及ぼす影響について鋭意検討を重ねた結果、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ，Ｎｉ、結晶粒微細化に効果のあるＡｌ，Ｎ，Ｎｂ、軟化抵抗性を高めるＳｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗを所定量添加し、さらに軟化抵抗性を表す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を所定値以上とすることにより、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することを見出すに至った。
【０００９】
本発明は、上記知見に基づくものであって、本発明の請求項１に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としており、本発明の請求項２に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｓ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としており、本発明の請求項３に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．４Ｃｒ＋１．４Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．３Ｗで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成とし、請求項４に係わるトロイダル式無段変速機用転動体は、重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上、およびＳ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ＋０．４Ｃｒ＋１．４Ｍｏ＋０．４Ｖ＋０．３Ｗで表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上である構成としたことを特徴としてこのようなトロイダル式無段変速機用転動体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１０】
また、請求項１あるいは請求項２記載のトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項５記載のトロイダル式無段変速機用転動体においては、Ｙ＝３．２Ｃ＋０．６Ｓｉ＋２．２Ｍｎで表わされるＹ値が４．５以下である構成、さらに請求項３あるいは請求項４記載のトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項６記載のトロイダル式無段変速機用転動体においては、Ｙ＝３．２Ｃ＋０．６Ｓｉ＋２．２Ｍｎ＋１．２Ｎｉ＋０．４Ｃｒ＋０．４Ｍｏ＋０．７Ｖ＋０．４Ｗで表わされるＹ値が４．５以下である構成としたことを特徴としている。
【００１１】
【発明の作用】
以下、本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体の化学成分範囲，Ｘ値，Ｙ値および表層部焼入れ組織の結晶粒度限定理由をそれぞれの作用と共に説明する。
【００１２】
Ｃ：０．４〜０．６％
Ｃは、高周波焼入れ後の表面硬化層および芯部の硬さを確保するのに寄与する元素であって、とくに第１段階の高周波焼入れで高い表面硬度を確保することにより、第２段階の高周波焼入れに際して熱影響を受けても高い硬さがもたらされる。このために本発明では、０．４％以上の添加を要する。しかし、多すぎると被削性が低下すると共に、靭性の劣化を招くので、上限値を０．６％とする。
【００１３】
Ｓｉ：０．１〜０．５％
Ｓｉは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制するのに寄与する元素であり、このためには０．１％以上の添加が必要である。一方、添加量が０．５％を超えると被削性を悪くするので、上限値を０．５％とする。
【００１４】
Ｍｎ：０．２〜２．０％
Ｍｎは、鋼材の溶製時に脱酸剤として添加されると共に、鋼の焼入れ性を向上させる作用を有し、高周波焼入れによる硬化層を深くして、転動体の転動疲労寿命を向上させるのに寄与する元素であり、０．２％以上の添加を要する。しかし、２．０％を超えて添加すると、素材が硬くなり、加工性が劣化するので、上限値を２．０％とする。
【００１５】
Ｐ：０．０２％以下
Ｐは、粒界強度を低下させ、表面硬化層の靭性を劣化させるので、その上限値を０．０２％とする。
【００１６】
Ａｌ：０．００５〜０．１％
Ａｌは、鋼材の溶製時に脱酸剤として添加されると共に、焼入れ時の昇温に際してオーステナイト結晶粒の成長を抑制する作用を有し、このような作用を期待するには、０．００５％以上の添加を必要とする。一方、０．１％を超えて添加したとしても、結晶粒成長の抑制に対する働きが飽和するばかりか、硬質の非金属介在物が多数生成して、転動疲労寿命の低下を招くので上限値を０．１％とする。
【００１７】
Ｔｉ：０．００５％以下
Ｔｉは、硬質の介在物を生成し、転動疲労寿命に悪影響を与えるので、その上限を０．００５％とする。
【００１８】
Ｎ：０．００５〜０．０３％
Ｎは、ＡｌＮを生成してオーステナイト結晶粒を微細化し、転動疲労寿命を向上させる。しかし、０．００５％未満の含有量では、このような作用が期待できず、逆に０．０３％を超えた場合には、鍛造や熱間圧延時の割れの原因となるので、０．０３％をその上限とする。
【００１９】
Ｏ：０．００２％以下
Ｏは、Ａｌ2 Ｏ3 やＳｉ2 Ｏ3 などの酸化物系介在物を多く生成して疲労強度、とくに転動疲労寿命を劣化させると共に、切削加工時の超硬工具の寿命に悪影響を及ぼすので、０．００２％をその上限とする。
【００２０】
Ｎｉ：０．２〜２．０％
Ｎｉは、鋼の焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層を深くする作用を有する。 しかし、０．２％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多すぎると被削性を損なうので、上限値を２．０％とする。
【００２１】
Ｃｒ：０．２〜２．０％
Ｃｒは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制するのに寄与する。また、焼入れ性を高め、高周波焼入れによる硬化層を深くする。しかし、０．２％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多すぎると被削性を損なうので、上限値を２．０％とする。
【００２２】
Ｍｏ：０．０５〜１．０％
Ｍｏは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させるのに顕著な作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制する。また、高周波焼入れ部のオーステナイト結晶粒を微細化するのに寄与する。しかし、０．０５％未満では、これらの作用を期待できず、逆に添加量が多いと被削性が劣化するので、上限値を１．０％とする。
【００２３】
Ｖ：０．０３〜０．５％
Ｖは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させる作用を有し、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化を抑制する。しかし、０．０３％未満では、このような作用を期待できず、逆に添加量が多いと被削性が劣化するので、上限値を０．５％とする。
【００２４】
Ｗ：０．０３〜０．５％
Ｗは、高周波焼入れ部の軟化抵抗性を向上させると共に、内部硬さを高める作用を有する。しかし、０．０３％未満では、このような作用を期待できず、添加量が０．５％を超えると素材硬さが高くなり、被削性に悪影響を及ぼすので、上限値を０．５％とする。
【００２５】
Ｎｂ：０．０１〜０．１％
Ｎｂは、結晶粒度の微細化作用を有するので、０．０１％以上を添加する。しかし、０．１％を超えて添加しても微細化作用が飽和するので、０．１％を上限値とする。
【００２６】
Ｓ：０．０３〜０．１％
Ｓは、鋼の被削性の向上に寄与する元素であり、このような作用を期待するには、０．０３％以上の添加を要する。しかし、添加量が多すぎるとＭｎＳ組成の非金属介在物が増加し、転動疲労寿命に悪影響を与えるので、０．１％を上限値とする。
【００２７】
Ｐｂ：０．０１〜０．３％
Ｐｂは、被削性向上元素であり、このような作用を期待するには、０．０１％以上添加する必要がある。ただし、０．３％を超えて添加すると転動疲労寿命が低下するので、０．３％を上限値とする。
【００２８】
Ｔｅ，Ｓｅ：０．００５〜０．１％
Ｔｅ，Ｓｅは、Ｐｂと同様に被削性向上元素であり、このような作用を期待するには、いずれも０．００５％以上添加する必要がある。ただし、０．１％を超えて添加すると転動疲労寿命が低下するので、いずれも０．１％を上限値とする。
【００２９】
Ｃａ：０．０００５〜０．０１％
Ｃａは、ＭｎＳと複合介在物を生成して球状化するため、鋼の靭性を劣化させることなく被削性を向上させる作用を有する元素である。このような作用は、添加量が０．０００５％未満では期待できず、０．０１％を超えると作用が飽和するので、０．０１％をその上限とする。
【００３０】
Ｚｒ：０．００５〜０．１％
Ｚｒは、Ｃａと同様に、熱間圧延時にＭｎＳの変形を抑制してＭｎＳの球状化に寄与し、鋼の靭性を劣化させることなく被削性を向上させる作用を有する元素である。このような作用は、添加量が０．００５％未満では期待できず、０．１％を超えるとＺｒＯ2 などの非金属介在物が多く生成して、転動疲労寿命が低下するので、０．１％を上限値とする。
【００３１】
Ｘ値：２．５以上
本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体において、その疲労強度を確保するためには、２段階方式の高周波焼入れに際して、最初（第１段階）に高周波焼入れされた面は、第２段階の焼入れにおける高周波加熱の熱影響を受けたとしても軟化せず、高い硬度を備えていなければならない。とくに、疲労破壊の起点となる表面および転動面における最大せん断応力位置（表面より０．８ｍｍ深さ）における硬さを高くすることが要求される。本発明者は、第１段階で焼入れされた部分が第２段階の焼入れによる熱影響を受けた場合の鋼成分と硬度の関係について種々検討した結果として、次式を見出し、これによって求めたＸ値が２．５以上の値をとるときに、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することを確認した。
オーステナイト結晶粒度：粒度番号９以上
オーステナイト結晶粒度は、焼入れ性に影響を及ぼし、結晶粒の微細化により転動疲労寿命および曲げ疲労強度が向上する。このような作用を期待するには、結晶粒度番号で９以上に微細化する必要がある。
高周波焼入材の結晶粒度に影響を及ぼす因子としては、材料因子として高周波焼入処理を施す前の組織、Ａｌ，Ｎ量、Ｎｂ，Ｍｏ等の炭窒化物形成元素の添加、高周波焼入条件としては出力、加熱時間、焼入れ時の冷却速度等が挙げられる。
【００３３】
本発明の場合、例えば水冷の場合、請求項１および２の炭素鋼では、出力×時間が８００ｋＷ・ｓｅｃ以下、Ｎｂ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどの炭化物形成元素添加の請求項３および４の鋼では、出力×時間が１０００ｋＷ・ｓｅｃ以下の条件で加熱することにより結晶粒度が粒度番号で９番以上を得ることができる。
【００３４】
Ｙ値：４．５以下
焼入れに先立って、鋼素材を部品形状に切削加工するに際して、素材の硬さが高いと切削加工のコストが上昇したり、切削加工自体が不可能になったりする。本発明者は、焼入れ前の素材硬さに及ぼす鋼成分の影響について検討した結果、次式により求められるＹ値を４．５以下に規制することにより、焼入れ前の鋼素材の硬さが抑制され、素材の切削加工性が大幅に向上することを見出した。
このように、本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ、結晶粒微細化作用を有するＡｌ，Ｎ、軟化抵抗性を高めるＳｉを所定量添加して軟化抵抗性を示す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を２．５以上にし、さらに表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度を粒度番号９以上としたものであるから、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしてもさほど軟化することがなく、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間が高い硬度に維持され、転動体の転動疲労寿命が大幅に向上することになる。
【００３６】
また、本発明の他の請求項あるいは実施態様に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、さらに焼入れ性を向上させるＮｉ、結晶粒微細化作用を有するＮｂ、軟化抵抗性を高めるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗの１種以上、被削性を向上させるＳ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒの１種以上を必要に応じてそれぞれ添加し、さらに必要に応じて焼入れ前の素材硬さを示す指標として新たに見出された数式により求められるＹ値を４．５以下に規制するようにしているので、トロイダル式無段変速機用転動体として要求される種々の特性がさらに改善されることになる。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００３８】
まず、表１〜３に示す化学組成の素材鋼（発明組成２３種、比較組成１３種）を用いて、入力ディスク，出力ディスク，パワーローラの粗形状および切削性試験片（８５φ×２５０Ｌ）形状に熱間鍛造したのち、焼き鈍し処理して、所定の部品形状に切削加工した。
【００３９】
【表１】
【表２】
【表３】
そして、入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３用の切削素材については、２段階の高周波焼入れ処理、すなわち第１段階として内径面１ａ，２ａ，３ａおよび底面１ｂ，２ｂ，３ｂを出力８０ｋＷ，周波数３０ｋＨｚで７秒間加熱して水冷焼入れし、続いて第２段階として転動面１ｃ，２ｃ，３ｃ（図２参照）を出力３０ｋＷ，周波数１００ｋＨｚの条件で２０秒間加熱したのち水冷することによって焼入れを行った。その後、１６０℃×２時間の焼戻し処理を施し、仕上げ研磨加工を行うことによって入力ディスク１，出力ディスク２，パワーローラ３（トロイダル式無段変速機用転動体）を得た。
【００４３】
上記によって得られた各転動体１ないし３のビッカース硬度およびオーステナイト結晶粒度を測定し、その結果を表４，５に示す。
【００４４】
なお、硬さは、図４（ａ）および（ｂ）に示すａ−ａ線およびｂ−ｂ線に沿って、表面より０．１ｍｍの位置、および表面より０．８ｍｍの位置（最大せん断応力作用位置）で測定した。また、オーステナイト結晶粒度については、ＪＩＳＧ ０５５１に従って、図４（ａ）および（ｂ）に示すａ−ａ線およびｂ−ｂ線上の表面より０．１ｍｍの位置で測定した。
【００４５】
【表４】
【表５】
また、切削性試験片については、焼き鈍し処理ののち、表６に示す条件により切削加工性を調査した。その結果を表４，５に併せて示す。
【００４８】
【表６】
さらに、このようにして製作したトロイダル式無段変速機用転動体、すなわち入力ディスク１，出力ディスク２およびパワーローラ３を組合わせて、図１に示したようなトロイダル式無段変速機に組込み、表７に示す条件のもとで、目標繰り返し数１×１０7 回まで耐久試験を実施した。その結果を表４，５に併せて示す。
【００５０】
【表７】
表４，５に示す結果から明らかなように、素材鋼の化学成分，表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度および軟化抵抗性の指標としてのＸ値、あるいは焼入れ前の素材硬さの指標としてのＹ値などが本発明の要件を満足する実施例１ないし２１のトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼き鈍し後の素材硬さが低く、切削加工時の工具摩耗量が少なく良好な切削性を示すと共に、第２段階の高周波焼入れを行っても、表面より０．１ｍｍの位置、および０．８ｍｍの位置（最大せん断応力作用位置）で高い硬度が得られ、１×１０7 回を超える良好な耐久性を示すことが確認された。
【００５２】
これに対し、素材鋼の化学成分やＸ値などが本発明の要件を満足しない比較例２４ないし３６のトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼き鈍し後の素材硬さが高くて切削性が劣ったり、第２段階の高周波焼入れ時の熱影響による軟化によって転動体としての耐久性が劣ったりする不具合が生じることが判明した。
【００５３】
すなわち、比較例２４の転動体においては、素材鋼のＣ量が少ないため、第２段階高周波焼入れの熱影響部の硬さが得られず、疲労寿命が短く、逆にＣ量が多すぎる比較例２５および２６の転動体においては、素材硬さが高いため、工具の摩耗量が著しく多くなることが確認された。
【００５４】
また、比較例２７の転動体においては、素材鋼のＳｉ量が少なく、軟化抵抗性が低いので熱影響部の硬さを確保することができないため疲労寿命が短く、Ｓｉ量およびＭｎ量が過剰な比較例２８および２９の転動体においては、素材硬さが高いため工具の摩耗量が著しく多く、切削性に劣ることが確認された。
【００５５】
比較例３０の転動体においては、素材鋼のＴｉ量が多く、硬質の介在物が生成することから切削加工時の工具摩耗量が多い。
【００５６】
また、比較例３１においては、素材鋼のＮ含有量が少なく、結晶粒が粗大化しているため疲労寿命が短く、比較例３２においては、Ｏ含有量が多く、介在物が多く生成しているため、切削加工時の工具摩耗量が多い。
【００５７】
そして、素材鋼のＮｉ量，Ｃｒ量，Ｍｏ量が多い比較例３３，３４，３５の転動体においては、素材硬さが高いため、工具の摩耗量が著しく多くなることが確認された。
【００５８】
さらに、比較例３６の転動体においては、素材鋼のＶ量が多く、素材硬さが高くなっているため、チッピング（欠け）が発生する結果となった。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、靭性や疲労強度に有害なＰおよびＯを規制すると共に、硬さおよび焼入れ性を確保するＣ，Ｍｎ、結晶粒微細化に有効なＡｌ，Ｎ、軟化抵抗性を向上させるＳｉを所定量添加し、軟化抵抗性を示す指標として新たに見出された数式により求められるＸ値を２．５以上にし、さらに表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度を粒度番号９以上に微細化すると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上で、最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上としたものであるから、いったん焼入れされた部分が熱影響を受けたとしても軟化を防止することができ、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に維持して転動体の転動疲労寿命を大幅に向上させることができるという極めて優れた効果がもたらされる。
【００６０】
本発明の請求項２に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、被削性を向上させるＳ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒなどが添加されているので、素材鋼の被削性を改善することができ、当該転動体の加工コストの低減を達成することができるという優れた効果がもたらされる。
【００６１】
また、本発明の請求項３に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、焼入れ性を向上させるＮｉ、結晶粒微細化作用を有するＮｂ、軟化抵抗性を高めるＣｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどが添加されているので、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に確実に維持することができ、転動体の転動疲労寿命をより確実に向上させることができるという優れた効果がもたらされる。
【００６２】
さらに、本発明の請求項４に係わるトロイダル式無段変速機用転動体においては、上記Ｓ，Ｐｂ，Ｔｅ，Ｓｅ，Ｃａ，Ｚｒなどと共に、Ｎｉ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｖ，Ｗなどが添加されているので、被削性の改善によって当該転動体の加工コストの低減を達成することができると同時に、焼入れ硬化層の表面から最大せん断応力位置までの間を高い硬度に確実に維持することができ、転動体の転動疲労寿命をより確実に向上させることができるというさらに優れた効果がもたらされる。
【００６３】
本発明に係わるトロイダル式無段変速機用転動体の実施態様として請求項５および請求項６記載の転動体においては、焼入れ前の素材硬さを示す指標として新たに見出された数式により求められるＹ値を４．５以下に規制したものであるから、素材鋼の切削加工性を確実に改善することができ、加工コストをさらに確実に低減させることができるという優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】トロイダル式無段変速機の構造および原理を示す概略説明図である。
【図２】（ａ） 入力ディスクおよび出力ディスクの高周波焼入れの第１段階を示す概略説明図である。
（ｂ） パワーローラの高周波焼入れの第１段階を示す概略説明図である。
（ｃ） 入力ディスクおよび出力ディスクの高周波焼入の第２段階を示す概略説明図である。
（ｄ） パワーローラの高周波焼入れの第２段階を示す概略説明図である。
【図３】（ａ） 入力ディスクのおよび出力ディスクの軟化部分を示す断面説明図である。
（ｂ） パワーローラの軟化部分を示す断面説明図である。
【図４】（ａ） 本発明の実施例における硬度測定位置を示す入力ディスクおよび出力ディスクの断面図である。
（ｂ） 本発明の実施例における硬度測定位置を示すパワーローラの断面図である。
【符号の説明】
１ 入力ディスク（トロイダル式無段変速機用転動体）
２ 出力ディスク（トロイダル式無段変速機用転動体）
３ パワーローラ（トロイダル式無段変速機用転動体）
Claims (6)
- 重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、
Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ
で表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。 - 重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｓ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み，残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、
Ｘ＝３．１Ｃ＋１．２Ｓｉ＋０．３Ｍｎ
で表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。 - 重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、
で表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。 - 重量％で、Ｃ：０．４〜０．６％，Ｓｉ：０．１〜０．５％，Ｍｎ：０．２０〜２．０％，Ｐ：０．０２％以下，Ａｌ：０．００５〜０．１％，Ｔｉ：０．００５％以下，Ｎ：０．００５〜０．０３％，Ｏ：０．００２％以下と共に、Ｎｉ：０．２〜２．０％，Ｃｒ：０．２〜２．０％，Ｍｏ：０．０５〜１．０％，Ｖ：０．０３〜０．５％，Ｗ：０．０３〜０．５％，Ｎｂ：０．０１〜０．１％の群から選択される１種以上、およびＳ：０．０３〜０．１％，Ｐｂ：０．０１〜０．３％，Ｔｅ：０．００５〜０．１％，Ｓｅ：０．００５〜０．１％，Ｃａ：０．０００５〜０．０１％，Ｚｒ：０．００５〜０．１％の群から選択される１種以上を含み、残部がＦｅおよび不可避的不純物であって、
で表わされるＸ値が２．５以上の構造用鋼からなり、高周波焼入処理が施され表層部焼入れ組織のオーステナイト結晶粒度が粒度番号で９以上であると共に、表層部の硬さがＨｖ６０２以上、かつ最大せん断応力位置における硬さがＨｖ５９７以上であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。 - 請求項１または請求項２記載のトロイダル式無段変速機用転動体において、
Ｙ＝３．２Ｃ＋０．６Ｓｉ＋２．２Ｍｎ
で表わされるＹ値が４．５以下であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。 - 請求項３または請求項４記載のトロイダル式無段変速機用転動体において、
で表わされるＹ値が４．５以下であることを特徴とするトロイダル式無段変速機用転動体。
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