JP3986996B2

JP3986996B2 - 金属リングの窒化処理方法

Info

Publication number: JP3986996B2
Application number: JP2003109728A
Authority: JP
Inventors: 将臣猿山; 貞次鈴木; 直樹成田; 雅志 ▲高▼垣
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004315869A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無段変速機用ベルト等に用いられるマルエージング鋼製の金属リングの窒化処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車等の無段変速機（ＣＶＴ）の動力伝達のために、複数の金属リングを積層して積層リングを形成し、該積層リングを所定形状のエレメントに組み付けて保持したＣＶＴ用ベルトが知られている。
【０００３】
前記積層リングを形成する金属リングは、マルエージング鋼等のＮｉ、Ｍｏを含む低炭素鋼からなり、例えば前記低炭素鋼の薄板を長方形に切断し、該薄板を長辺に沿って丸め、短辺側の端部同士を溶接して円筒状のドラムを形成した後、該ドラムを所定幅に裁断して無端状の金属リングとする。そして、前記金属リングを圧延して０．１〜０．３ｍｍ程度の厚さとした後、さらに所定の周長に周長補正することにより製造されている。
【０００４】
前記マルエージング鋼は、適温に加熱することによりマルテンサイト状態において時効硬化を生じ、高強度、高靱性を兼ね備える超強力鋼であるので、前記金属リングに賞用される。しかし、前記金属リングを積層した積層リングを前記ＣＶＴの動力伝達のために用いる場合には、該積層リングからなるＣＶＴ用ベルトがＶ溝間隔を変換自在の１対のプーリ間に張設されて用いられる。従って、前記金属リングは、該プーリ間を走行するときには直線状態となり、該プーリに沿って走行するときには湾曲状態となり、前記直線状態と湾曲状態との繰り返しにより過酷な曲げ変形を加えられる。
【０００５】
そこで、前記金属リングは、さらに耐摩耗性、耐疲労強度を備えることが必要とされ、このために前記時効硬化後の金属リングに表面硬化処理を施すことが行われている。前記表面硬化処理は、一般に、前記金属リングに窒化処理を施して、該金属リング表面に窒化層を形成することにより行われる。前記窒化処理としては、例えば、ガス窒化処理またはガス軟窒化処理がある。
【０００６】
前記ガス窒化処理またはガス軟窒化処理によれば、アンモニアの分解により生じる窒素がマルエージング鋼の金属組織中に浸透し、前記金属リングの表面に窒化層を形成して硬化させる。この結果、前記金属リングの耐摩耗性、耐疲労強度を向上させることができる。
【０００７】
前記ガス窒化処理またはガス軟窒化処理の際にアンモニアの分解を促進して、優れた硬度を備える窒化層を形成するために、例えば、鋼材料を、アンモニア４０〜９０容量％、酸素０．２〜３容量％を含み、残部が窒素からなる雰囲気下、５００〜６００℃の温度に１２０〜３６０時間保持する技術が知られている。前記技術はプラスチック成形用金型等の鋼材料の窒化処理に用いられるものであり、前記条件下に窒化処理を行うことにより、表面から０．２５ｍｍの深さまで前記窒化層を形成し、硬度を向上させることができるとされている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
一方、前記金属リングは、表面に優れた硬度を備え、しかも前記窒化層を形成した後も高い靱性を保持していることが望まれるため、前記窒化層の内部に窒化されていない部分を備えている必要がある。しかしながら、前述のアンモニアの分解を促進して、優れた硬度を備える窒化層を形成する技術によれば、表面から０．２５ｍｍの深さまで前記窒化層が形成されるため、該技術を前記範囲の厚さを備える前記金属リングに適用すると、該金属リングの厚さ全体に亘って前記窒化層が形成され、前記窒化層の形成後に高い靱性を保持することが難しくなるという問題がある。
【０００９】
前記問題を解決するために、本出願人は、前記ガス窒化処理またはガス軟窒化処理により、前記金属リングの表面に形成される前記窒化層の厚さが該金属ベルトの厚さ全体の２０〜４０％となるようにする技術について、既に特許出願している（特許文献２参照）。前記技術は、前記金属リングを、アンモニアと窒素とからなる雰囲気またはアンモニアとＲＸガスとからなる雰囲気下、例えば４５０〜５００℃の範囲の温度に６０〜９０分間保持するものである。前記技術によれば、前記金属リングの内部には窒化されない部分が残存するので、この部分により高い靱性を得ることができる。しかし、前記金属リングでは、さらに靱性を向上させることが望まれる。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６２−２７０７６１号公報
【特許文献２】
特開２０００−３３７４５３号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる不都合を解消して、優れた硬度と靱性とを備えるマルエージング鋼製の金属リングを得ることができる窒化処理方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明の金属リングの窒化処理方法は、マルエージング鋼製の金属リングを、少なくともアンモニアを含む雰囲気下、４５０〜５００℃の範囲の処理温度に３０〜１２０分の範囲の処理時間が経過するまで保持して窒化処理する方法において、加熱炉に該金属リングを収容し、該加熱炉内を該処理温度に昇温する工程と、該処理温度に昇温された該加熱炉内に、アンモニア５０〜９０容量％、酸素０．１〜０．９容量％を含み、残部が実質的に窒素からなる第１の混合ガスを導入し、該処理温度に保持して該金属リングの表面に窒化層を形成する工程と、該処理時間の１／３〜１／２が経過したときに、該加熱炉内の雰囲気を、アンモニア０〜２５容量％を含み、残部が窒素からなる第２の混合ガスに置換し、該処理時間の残りの時間が経過するまで該処理温度に保持し、該窒化層に含まれる窒素を、一部は該雰囲気内に気化せしめて該金属リングから脱離せしめ、一部は該金属リングのさらに内部に拡散せしめる工程とからなることを特徴とする。
【００１３】
本発明の窒化処理方法では、まず、加熱炉にマルエージング鋼製の金属リングを収容し、該加熱炉内の温度を４５０〜５００℃の範囲の処理温度に昇温する。
【００１４】
前記加熱炉内の温度が４５０℃未満では窒化処理を行うことができず、５００℃を超えると窒化処理の加熱によりさらに時効が進んで過時効となり、マルテンサイトが析出して硬度が低下する。
【００１５】
次に、前記加熱炉内の温度が前記範囲の処理温度に達したならば、アンモニア５０〜９０容量％、酸素０．１〜０．９容量％を含み、残部が実質的に窒素からなる第１の混合ガスを該加熱炉内に導入し、該処理温度に保持する。
【００１６】
このようにすると、前記アンモニアの分解により生成する窒素が前記金属リング内に拡散し、該金属リングの表層に窒化層が形成される。このとき、前記アンモニアの分解により、窒素と同時に水素が生成するが、水素の分圧が高くなると前記アンモニアの分解が抑制されたり、または水素が窒素と再結合したりするために、窒化が阻害される。
【００１７】
そこで、本発明の窒化処理方法では、前記第１の混合ガスに前記範囲の量の酸素を含有させることにより、前記水素を該酸素と結合させ、水の状態で系外に除去する。この結果、前記アンモニアの分解を促進させることができる。
【００１８】
前記第１の混合ガスに含まれるアンモニアの量は、５０容量％未満では十分に窒化層を形成することができず、前記金属リングの表面に所望の硬度を付与することができない。一方、前記アンモニアの量が９０容量％を超えると、生成する窒素の量が過剰になり、前記金属リングの金属組織に窒化鉄等の化合物が形成され、窒化が不均一になるので好ましくない。
【００１９】
また、前記第１の混合ガスに含まれる酸素の量は、０．１容量％未満では該酸素が水素と結合して該水素を除去する効果が十分に得られない。一方、前記酸素の量が０．９％を超えると、前記金属リングの金属組織に酸化物が形成され、或いは前記アンモニアの分解が過度に促進されて生成する窒素の量が過剰になるので好ましくない。
【００２０】
次に、本発明の窒化処理方法では、前記３０〜１２０分の処理時間の１／３〜１／２が経過したならば、前記金属リングに前記窒化層が形成されたものとして、前記加熱炉内の雰囲気を、アンモニア０〜２５容量％を含み、残部が窒素からなる第２の混合ガスに置換し、該処理時間の残りの時間が経過するまで前記処理温度に保持する。
【００２１】
前記加熱炉内の雰囲気を前記第２の混合ガスに置換すると、前記窒化層に含まれる窒素が、一部は前記雰囲気内に気化して前記金属リングから脱離し、一部は該金属リングのさらに内部に拡散する。この結果、前記金属リングの表面に、該表面からの深さに従って、硬度が同程度ずつ低減する構成を備え、優れた硬度と共に優れた靱性を備える窒化層が形成される。
【００２２】
前記加熱炉内の雰囲気の前記第２の混合ガスへの置換を前記処理時間の１／３以上の時間が経過しないうちに行うと、前記窒化層の形成が不十分となり、前記金属リングの表面で所望の硬度が得られないことがある。一方、前記置換を前記処理時間の１／２を超えた時期に行うと、前記窒化層が過剰に前記金属リングの内部まで形成され、十分な靱性が得られないことがある。
【００２３】
前記第２の混合ガスに含まれるアンモニア量は、２５容量％を超えると、前記窒化層に含まれる窒素の一部を前記金属リングから脱離させる効果と、他の一部を該金属リングのさらに内部に拡散させる効果とのいずれの効果も得られない。
【００２４】
また、前記処理時間は、３０分未満未満では窒化処理を行うことができず、１２０分を超えると窒化処理の加熱によりさらに時効が進んで過時効となり、マルテンサイトが析出して硬度が低下する。
【００２５】
本発明の窒化処理方法によれば、前記金属リング内部の窒化されない部分により保持されている靱性に加えて、前記構成の窒化層によっても靱性が得られるので、該金属リングの靱性をさらに向上させることができる。
【００２６】
また、本発明の窒化処理方法において、前記第１の混合ガスに含まれる酸素は、純酸素に代えて、空気等の酸素含有気体を用いることにより、コストを低減することができる。前記空気は、全体の２０容量％の酸素を含み、残部は微量の他の成分を含む以外、実質的に窒素からなるので好都合である。
【００２７】
純酸素に代えて空気を用いる場合、前記第１の混合ガスは、アンモニア５０〜９０容量％、空気０．５〜４．５容量％を含み、残部が窒素からなるものとすればよい。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１はＣＶＴ用ベルトとして用いられる金属リングの製造工程を模式的に示す工程説明図、図２は本実施形態の窒化処理方法を示す工程説明図、図３は金属リングの表面からの深さと硬度との関係を示すグラフである。
【００２９】
前記金属リングを製造する際には、まず、図１示のようにマルエージング鋼の薄板１をベンディングしてループ化したのち、端部同士を溶接して円筒状のドラム２を形成する。このとき、前記マルエージング鋼は溶接の熱により時効硬化を示すので、ドラム２の溶接部分２ａの両側に硬度の高い部分が出現する。
【００３０】
そこで、次に、ドラム２を真空炉３に収容して８２０〜８３０℃の温度に２０〜６０分間保持することにより第１の溶体化処理を行い、硬度ムラを除去する。前記第１の溶体化処理が終了したならば、ドラム２を真空炉３から搬出し、所定幅に裁断して金属リングＷを形成する。
【００３１】
前記のようにして形成された金属リングＷは、次に圧下率４０〜５０％で圧延される。金属リングＷは、前記圧延により０．２ｍｍの厚さとされ、表面から３０μｍ程度の厚さで圧延組織が形成されている。そこで、圧延された金属リングＷを、加熱炉４に収容して第２の溶体化を行うことにより、前記圧延組織を消滅させると共に、均一な金属結晶粒を形成させる。
【００３２】
溶体化された金属リングＷは、次に周長補正した後、加熱炉５に収容し、４４０〜４８０℃の範囲の温度に６０〜１２０分間保持して時効処理を行う。そして、前記時効処理が終了したならば、金属リングＷを加熱炉５内で冷却し、窒化装置である加熱炉６に移送して、窒化処理を行う。
【００３３】
図２に示すように、本実施形態の窒化処理では、まず、前記時効処理が施された金属リングＷを加熱炉６に搬入し、加熱炉６内を所定時間ｔ₁の間に室温から所定の窒化処理温度まで加熱する。このとき、加熱炉６内は窒素雰囲気とされており、前記窒化処理温度は４５０〜５００℃の範囲に設定されている。
【００３４】
加熱炉６内の雰囲気温度が前記窒化処理温度に達したならば、次に、加熱炉６内に第１の混合ガスを導入する。前記第１の混合ガスは、アンモニア５０〜９０容量％、空気０．５〜４．５容量％を含み、残部が窒素である。前記空気は、約２０容量％の酸素を含んでいるので、前記第１の混合ガスは、アンモニア５０〜９０容量％、酸素０．１〜０．９容量％を含み、残部が実質的に窒素となっている。そして、前記第１の混合ガス雰囲気下、所定時間ｔ₂の間、前記窒化処理温度に保持することにより、金属リングＷの表面に窒化層を形成させる。
【００３５】
次に、金属リングＷの表面に窒化層が形成されたならば、加熱炉６内に第２の混合ガスを導入し、所定時間ｔ₃の間に、前記第１の混合ガスを該第２の混合ガスで置換する。前記第２の混合ガスは、アンモニア０〜２５容量％を含み、残部が窒素である。そして、加熱炉６内の雰囲気が前記第１の混合ガスから前記第２の混合ガスに置換された後、該第２の混合ガス雰囲気下、さらに所定時間ｔ₄の間、前記窒化処理温度に保持することにより、金属リングＷの窒化を完了させる。
【００３６】
このとき、前記窒化処理温度に保持して前記窒化処理にを行う処理時間（ｔ₂＋ｔ₃＋ｔ₄）は、３０〜１２０分の範囲に設定される。また、前記第１の混合ガス雰囲気下に前記窒化処理温度に保持する時間ｔ₂経過後、前記第２の混合ガスを導入する時期は、前記処理時間の１／３〜１／２の範囲に設定される。この結果、表面に窒化層が形成されて硬度が向上しており、内部の窒化されていない部分により靱性が保持されている金属リングＷが得られる。しかも、前記金属リングＷは、前記窒化層が表面からの深さに従って硬度が同程度ずつ低減する構成を備えており、該窒化層によりさらに優れた靱性を得ることができる。
【００３７】
そして、加熱炉６内を所定時間ｔ₅の間に前記窒化処理温度から室温まで放冷して窒化処理を完了し、加熱炉６から表面に窒化層が形成された金属リングＷを搬出する。
【００３８】
次に、本実施形態の方法で得られた金属リングＷの表面からの深さと硬度との関係を図３（ａ）に示す。また、前記処理時間（ｔ₂＋ｔ₃＋ｔ₄）を通じて加熱炉６内を第１の混合ガス雰囲気とし、第２の混合ガスで置換しない従来の方法で得られた金属リングＷの表面からの深さと硬度との関係を図３（ｂ）に示す。
【００３９】
本実施形態の方法で得られた金属リングＷは、図３（ａ）に示すように、最表面で、ヴィッカース硬度（Ｈｖ_0.3）８００以上の優れた硬度を備えている。また、表面から４０μｍ以下の内部に、硬度が一定で窒化されていない部分を備える一方、表面から４０μｍの深さまでは、硬度が同程度ずつ低減する窒化層が形成されている。従って、本実施形態の方法で得られた金属リングＷは、内部の窒化されていない部分による靱性に、前記構成の窒化層による靱性が付加され、優れた靱性を備えていることが明らかである。
【００４０】
これに対して、従来の方法で得られた金属リングＷは、図３（ｂ）に示すように、最表面の硬度がヴィッカース硬度（Ｈｖ_0.3）８００以上であり、表面から４０μｍ以下の内部に、硬度が一定で窒化されていない部分を備える点では、本実施形態の方法で得られた金属リングＷと同一である。
【００４１】
しかし、表面から１０μｍの深さの範囲で硬度が急激に低下しており、表面から４０μｍの深さまで硬度が同程度ずつ低減するようになってはいない。従って、従来の方法で得られた金属リングＷでは、内部の窒化されていない部分による以上の靱性を得ることができないことが明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＶＴ用ベルトとして用いられる金属リングの製造工程を模式的に示す工程説明図。
【図２】本発明のの窒化処理方法を示す工程説明図。
【図３】金属リングの表面からの深さと硬度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
６…加熱炉、Ｗ…金属リング。

Claims

マルエージング鋼製の金属リングを、少なくともアンモニアを含む雰囲気下、４５０〜５００℃の範囲の処理温度に３０〜１２０分の範囲の処理時間が経過するまで保持して窒化処理する方法において、
加熱炉に該金属リングを収容し、該加熱炉内を該処理温度に昇温する工程と、
該処理温度に昇温された該加熱炉内に、アンモニア５０〜９０容量％、酸素０．１〜０．９容量％を含み、残部が実質的に窒素からなる第１の混合ガスを導入し、該処理温度に保持して該金属リングの表面に窒化層を形成する工程と、
該処理時間の１／３〜１／２が経過したときに、該加熱炉内の雰囲気を、アンモニア０〜２５容量％を含み、残部が窒素からなる第２の混合ガスに置換し、該処理時間の残りの時間が経過するまで該処理温度に保持し、該窒化層に含まれる窒素を、一部は該雰囲気内に気化せしめて該金属リングから脱離せしめ、一部は該金属リングのさらに内部に拡散せしめる工程とからなることを特徴とする金属リングの窒化処理方法。
前記第１の混合ガスは、アンモニア５０〜９０容量％、空気０．５〜４．５容量％を含み、残部が窒素からなることを特徴とする請求項１記載の金属リングの窒化処理方法。