JP4107556B2 - 無段変速機用転動体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、転がり軸受、あるいはトロイダル式無段変速機に使用される転動体およびその製造方法に関するものであり、その転動疲労強度向上、主に、転動中のオイル分解等により発生した水素が鋼中に侵入することを抑制することにより、侵入水素による水素脆性的な短寿命剥離を抑制し、さらには曲げ疲労強度も向上するようにした無段変速機用転動体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の無段変速機用転動体としては、例えば特開平７−７１５５５号公報に記載されているものがある。同公報には、トロイダル式無段変速機において、転動体である入力および出力のディスクやパワーローラに浸炭処理および研削仕上げを施し、転動面の耐疲労割れ寿命の向上を図ることが記載されている。
【０００３】
また、特開平１０−１８４８３６号公報には、トロイダル式無段変速機において、転動体に浸炭鋼を用いると共に、その表面に研削仕上げ加工を施すことにより、パワーローラ外輪のベアリング面溝部の転動疲労強度を向上させて、耐久性に優れた転動体を得ることが記載されている。さらに、特開２０００−２９１７５７号公報には、パワーローラのベアリング溝部にショットピーニング工法よって圧縮残留応力を付与することにより、玉が軌道溝を転動する際に生じる接触面圧を緩和して、パワーローラ軸受けの疲れ寿命低下を抑制することが記載されている。
【０００４】
しかし、これらの従来技術は、転動中にオイル分解等により発生した水素が転動体中に侵入することで発生する水素脆性的な短寿命剥離を積極的に抑制するには至っていない。この水素侵入抑制を目的とした軸受けとしては、特開平２−１９０６１５号公報に、グリース封入軸受において軸受の転動面に黒染め処理により四三酸化鉄の被膜を形成し、転動面の剥離を防止して寿命の向上を図ることが記載されている。
【０００５】
さらに、特開平６−３１３４３４号公報には、耐蝕性転がり軸受において、外輪、内輪、転動体および保持器のうち少なくとも１つにニッケルめっきを施し、塩水噴霧などの厳しい腐食条件下における耐蝕性やなじみ性の向上を図ることが記載されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、トロイダル式無段変速機は、入力および出力のディスクと、両ディスクに潤滑油を介して接触するパワーローラを備え、トラクションドライブにより入力ディスクの回転がパワーローラを介して出力ディスクに伝達される。この際、各ディスクとパワーローラの間には高い押し付け荷重が加わり、とくに、パワーローラを構成するベアリング溝部における接触面圧は最大で３ＧＰａを越えるものとなる。そして、ベアリング溝部では、上記の高面圧に加えて、トラクション力やラジアル方向の荷重を受けながらボールが転動するため、ミクロな金属接触や転がり摩擦抵抗の増大に伴う表面接線力の増大により、転動疲労寿命が低下する恐れがあるという問題点があり、従来ではこのような問題点を解決することが課題であった。
【０００７】
また、グリースで潤滑を行う軸受では、ミクロな金属接触により転動面に形成された新生面が触媒的な作用をして、グリースと転動面の間でトライボケミカル的な反応を促進し、化学分解により生成した水素が基材中に侵入し、転動疲労寿命が低下する恐れがあるという問題点があった。
【０００８】
この対策としては、黒染め処理（１３０〜１６０℃の苛性ソーダ水溶液に浸漬）が報告されているが、作業環境が劣悪であり、工業的には好ましくない。また、黒染め処理により形成された表面の四三酸化鉄皮膜は、高温、高面圧の過酷な条件化では皮膜の残存性が不充分であり、十分な水素侵入抑制効果が発揮できない場合がある。さらに、鋼中の介在物周辺に水素が濃化している場合、介在物起点の曲げ疲労強度を低下させることがあるという報告がある。（鉄と鋼・Ｖｏｌ．８６（２０００）Ｎｏ．１１の第６９頁）
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、比較的簡単な表面処理により、ミクロな金属接触による新生面の形成を低減させるとともに水素が透過し難い保護被膜を形成して基材への水素の侵入を抑制し、転動疲労寿命の向上、とくに、転動中のオイル分解等により発生した水素が基材中に侵入することで発生する水素脆性的な短寿命剥離の抑制を実現すると共に、転動中に侵入してくる水素を低減することで鋼中の水素濃度を低下させ、介在物起点の曲げ疲労強度を向上させることができる無段変速機用転動体およびその製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わる無段変速機用転動体は、請求項１として、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．１〜２０μｍとした構成とし、請求項２として、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．３〜１５μｍとした構成とし、請求項３として、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さが０．３〜１５μｍ、被膜の表面粗さがＲａ０．０４〜０．０８、被膜の硬度がＨｖ３１０〜６８５であって、被膜形成手段が、ストライクめっき、ストライクめっきと電気めっきの両方、及びストライクめっきと無電解めっきの両方のうちのいずれか１つの手段である構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１１】
また、本発明に係わる無段変速機は、請求項４に記載しているように、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜をディスクおよびパワーローラの少なくとも一方の転がり接触をする部位に形成したことを特徴とし、請求項５に記載しているように、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜をディスクおよびパワーローラの少なくとも一方のトラクション面に形成したことを特徴とし、請求項６に記載しているように、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を少なくともパワーローラのベアリング溝部に形成したことを特徴としている。
【００１２】
さらに、本発明に係わる無段変速機用転動体の製造方法は、請求項７として、請求項１〜３のいずれかに記載の無段変速機用転動体を製造するに際し、転動体の転動面に、ストライクめっきまたは電気めっきを各々単独または両方、あるいはストライクめっきと無電解めっきを複合して施すことによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成する構成とし、請求項８として、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いる構成とし、請求項９として、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜５×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いる構成とし、請求項１０として、転動体に電気めっきによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成するに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いる構成とし、請求項１１として、転動体にめっき処理を施した後、２００℃以下の温度でベーキング処理を行う構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【００１３】
【発明の作用】
本発明の請求項１に係わる無段変速機用転動体では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体において、その転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成しているので、被膜により、ミクロな金属接触による新生面の生成が抑制されると共に、ニッケル（Ｎｉ）が水素の透過し難い保護被膜として作用し、転動中のトライボケミカル反応等により生成された水素の基材への侵入が抑制される。ここで、当該無段変速機用転動体では、被膜の厚さを０．１〜２０μｍとしている。これは、被膜の厚さを０．１μｍよりも小さくすると、金属接触の低減効果や基材に対する水素の侵入の抑制効果が不充分になり、被膜の厚さを２０μｍよりも大きくすると、被膜の厚さの増大とともに被膜内の応力が過大になって比較的早期に被膜剥離が発生し、耐フレーキング性の向上つまり転動疲労寿命の向上にあまり寄与しなくなるからである。
【００１４】
本発明の請求項２に係わる無段変速機用転動体では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体においてその、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．３〜１５μｍとしているので、被膜により、ミクロな金属接触による新生面の生成が抑制されると共に、ニッケル（Ｎｉ）が水素の透過し難い保護被膜として作用し、転動中のトライボケミカル反応等により生成された水素の基材への侵入が抑制される。これにより、水素侵入の抑制効果および金属接触の低減効果を得るための品質がより安定し且つ生産性も向上する。
【００１５】
本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体において、ストライクめっき、ストライクめっきと電気めっきの両方、及びストライクめっきと無電解めっきの両方のうちのいずれか１つの被膜形成手段により、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．３〜１５μｍ、被膜の表面粗さをＲａ０．０４〜０．０８、被膜の硬度をＨｖ３１０〜６８５としているので、被膜により、ミクロな金属接触による新生面の生成が抑制されると共に、ニッケル（Ｎｉ）が水素の透過し難い保護被膜として作用し、転動中のトライボケミカル反応等により生成された水素の基材への侵入が抑制される。これにより、水素侵入の抑制効果および金属接触の低減効果を得るための品質がより一層安定し且つ生産性もさらに向上する。
【００１６】
本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体では、被膜の表面粗さをＲａ０．０４〜０．０８としている。これは、表面粗さＲａを０．１よりも大きく、より厳密には０．０８よりも大きくすると、転動部での金属接触率が増加し、転動部の温度上昇に伴う素材の軟化や相手材を含めた表面損傷による表面起点型の転動疲労寿命が低下するからである。なお、表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳＢ０６０１−１９９４やＪＩＳＢ０６５１に準処したものである。
【００１８】
本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体では、被膜の硬度をＨｖ３１０〜６８５としている。これは、被膜の硬度をＨｖ３００よりも小さく、より厳密にはＨｖ３１０よりも小さくすると、被膜の耐摩耗性が不充分となり、優れた性能を持続的に得ることが困難になるからであり、被膜の硬度をＨｖ７００よりも大きく、より厳密にはＨｖ６８５より大きくすると、とくに被膜の厚さを１０〜１５μｍと比較的厚くした場合に被膜の応力が増大し、接触面圧が高面圧の摺動条件下において被膜の脆性的な割れを生じる恐れがあるからである。なお、硬度Ｈｖは、めっき処理を施した状態、もしくはめっき処理後に２００℃以下の温度でベーキング処理を施した状態での硬度であり、その測定は、ＪＩＳＢ７７２５やＪＩＳＺ２２４４に準処したものである。
【００２１】
本発明の請求項４に係わる無段変速機では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、ディスクおよびパワーローラの少なくとも一方の転がり接触をする部位に、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成している。
【００２２】
ここで、無段変速機において転がり接触をする部位を図５に示す。図示のトロイダル式無段変速機は、エンジン側に連結される入力軸１０１と、軸線方向に所定範囲だけ移動可能な入力側ディスク１０３と、軸線回りに回転自在な出力側ディスク１１２と、入力側ディスク１０３を出力側ディスク１１２に向けて押圧する押圧装置１０２と、両ディスク１０３，１１２間に配置した一対のトラニオン１０４を備えており、各ディスク１０３，１１２およびトラニオン１０４から成る構成を２組備えたものとなっている。
【００２３】
一対のトラニオン１０４には、それぞれピボットシャフト１０５が取付けてある。各ピボットシャフト１０５には、パワーローラ外輪１０６が固定してあると共に、ベアリングを構成する複数のボール１０８およびラジアルニードル軸受１０９を介してパワーローラ内輪１０７が軸回りに回転自在に取付けてある。パワーローラ内輪１０７は、潤滑油を介して各ディスク１０３，１１２の転動面１０３ａ，１１２ａに接触している。また、両出力側ディスク１１２は、入力軸１０１との間にラジアルニードル軸受１１３が介装してあると共に、入力軸１０１の軸線回りに回転する出力ギア１１４に連結してある。
【００２４】
上記の無段変速機は、入力軸１０１が回転すると、押圧装置１０２を介して入力側ディスク１０３が回転し、この入力側ディスク１０３の回転により、その転動面１０３ａに対して転がり接触する一対のパワーローラ内輪１０７がそれぞれ回転し、これらパワーローラ内輪１０７と転動面１１２ａにて接触する出力側ディスク１１２が回転し、この出力側ディスク１１２とともに出力ギア１１４が回転する。そして、入力軸１０１から出力ギア１１４に回転伝達を行う間に、紙面垂直方向の図示しない回動軸を中心にしてトラニオン１０４とともにパワーローラ内輪１０７を回動させ、各ディスク１０３，１１２に対するパワーローラ内輪１０７の接触位置を移動させることで変速比を無段階的に変化させる。
【００２５】
上記の無段変速機において、転がり接触をする部位としては、各ディスク１０３，１１２の転動面１０３ａ，１１２ａ、パワーローラ内輪１０７の転動面１０７ａ、パワーローラ外輪１０６および内輪１０７のベアリング溝部１０６ｂ，１０７ｂ、ピボットシャフト１０５とパワーローラ内輪１０７の間に介装したラジアルニードル軸受１０９、および入力軸１０１と出力側ディスク１１２の間に介装したラジアルニードル軸受１１３などが挙げられる。また、とくに曲げ応力がかかる部位としては、パワーローラ外輪１０６の内周部Ｆ１や各ディスク１０３，１１２の小径部Ｆ２，Ｆ３などが挙げられる。
【００２６】
そして、当該無段変速機では、上記の転がり接触をする部位の一部あるいは全部に被膜を形成しており、この被膜により、金属接触の低減や基材に対する水素の侵入が抑制され、各部位の転動疲労寿命が向上する。また、転がり接触する部位からの各部品への水素の侵入が抑制されることにより、部品全体としての鋼中含有水素量が低下するため、曲げ応力がかかる部位の水素濃度も低下し、各部品の曲げ疲労強度が向上する。なお、当然のことながら、図５に符号を付して説明した部位以外のベアリング類に被膜を形成することも可能である。
【００２７】
本発明の請求項５に係わる無段変速機では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、高面圧を受ける部分としてディスクおよびパワーローラの少なくとも一方のトラクション面、すなわち図５に示す各ディスク１０３，１１２やパワーローラ内輪１０７の転動面１０３ａ，１１２ａ，１０７ａの一部あるいは全部に、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成しているので、この被膜により、金属接触の低減や基材に対する水素の侵入が抑制され、トラクション面の転動疲労寿命が向上する。また、トラクション面からディスクやパワーローラへの水素の侵入が抑制されることにより、全体としての鋼中含有水素量が低下するため、曲げ応力がかかる部位の水素濃度も低下し、ディスクやパワーローラの曲げ疲労強度が向上する。
【００２８】
本発明の請求項６に係わる無段変速機では、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、高面圧で且つ負荷回数が最大になる部分として少なくともパワーローラのベアリング溝部、すなわち図５に示すベアリング溝部１０６ｂ，１０７ｂに、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成しているので、この被膜により、金属接触の低減や基材に対する水素の侵入の抑制が成され、被膜の優れた性能が持続的に得られると共に、ベアリング溝部の転動疲労寿命が向上する。また、ベアリング溝部から基材への水素の侵入が抑制されることにより、基材全体としての鋼中含有水素量が低下するため、曲げ応力がかかる部位の水素濃度も低下し、基材の曲げ疲労強度が向上する。
【００２９】
本発明の請求項７に係わる無段変速機用転動体の製造方法では、転動体の転動面に、ストライクめっきまたは電気めっきを各々単独または両方、あるいはストライクめっきと無電解めっきを複合して施すことにより、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成する。つまり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするめっきを施すことで、基材に対する耐摩耗性が向上し、被膜の優れた性能が持続的に得られる。なお、ストライクめっきを単独、あるいは電気めっきまたは無電解めっきとの複合によりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を基材上に形成させた場合、基材に対する被膜の密着性がより向上し、優れた性能をより持続的に得ることができる。
【００３０】
本発明の請求項８に係わる無段変速機用転動体の製造方法では、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）の低い電流密度の電流を用いる。これは、０．１×１０²Ａ／ｍ²（０．１Ａ／ｄｍ²）よりも小さい電流密度では、生産性が不充分なものとなり、１０×１０²Ａ／ｍ²（１０Ａ／ｄｍ²）よりも大きい電流密度では、生産性は上がるものの、形成しためっき被膜の表面粗さが粗くなる傾向にあり、品質を安定して確保することが困難になるからである。
【００３１】
本発明の請求項９に係わる無段変速機用転動体の製造方法では、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜５×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜５Ａ／ｄｍ²）の低い電流密度の電流を用いる。これにより生産性の低下を最大限に抑制しつつ、形成しためっき被膜の表面粗さが向上するので、より安定した品質を確保できる。
【００３２】
本発明の請求項１０に係わる無段変速機用転動体の製造方法では、転動体に電気めっきによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成するに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）の電流密度の電流を用いる。これは、０．１×１０²Ａ／ｍ²（０．１Ａ／ｄｍ²）よりも小さい電流密度では、生産性が不充分なものとなり、１０×１０²Ａ／ｍ²（１０Ａ／ｄｍ²）よりも大きい電流密度では、生産性は上がるものの、形成しためっき被膜の表面粗さが粗くなる傾向にあり、品質を安定して確保することが困難になるからである。
【００３３】
本発明の請求項１１に係わる無段変速機用転動体の製造方法では、転動体にめっき処理を施した後、２００℃以下の温度条件下でベーキング処理を行う。これにより、電気めっきあるいは無電解めっきの際に基材もしくは被膜内に侵入した水素、および浸炭焼入れあるいは浸炭窒化焼入れ等の熱処理の際に基材に侵入した水素が放出される。ここで、ベーキング処理時の温度を２００℃よりも高くすると、ベーキングによる脱水素量は増加するものの、基材が高温保持により軟化したり、ショットピーニング等により圧縮残留応力を付与した部位の残留応力が低下したりする場合がある。したがって、ベーキング処理時の温度を２００℃以下とすることにより、脱水素効果を確保しつつ基材の軟化や残留応力の低下を防止する。また、ベーキング処理は、真空炉にて行うのがより望ましく、これにより脱水素効果がさらに高められる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わる無段変速機用転動体によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体において、転動面に、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とし且つ厚さが０．１〜２０μｍの被膜を形成したことにより、比較的簡単な表面処理でありながら、ミクロな金属接触を充分に低減させることができると共に、基材への水素の侵入を充分に抑制することができ、転動体の転動疲労寿命を大幅に向上させて、被膜の優れた性能を長期にわたって維持することができる。
【００３５】
本発明の請求項２に係わる無段変速機用転動体によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体において、比較的簡単な表面処理でありながら、ミクロな金属接触を充分に低減させることができると共に、基材への水素の侵入を充分に抑制することができ、転動体の転動疲労寿命を大幅に向上させて、被膜の優れた性能を長期にわたって維持することができ、とくに、水素侵入の抑制効果および金属接触の低減効果を得るための品質をより安定させることができ、生産性の向上も実現することができる。
【００３６】
本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体において、比較的簡単な表面処理でありながら、ミクロな金属接触を充分に低減させることができると共に、基材への水素の侵入を充分に抑制することができ、転動体の転動疲労寿命を大幅に向上させて、被膜の優れた性能を長期にわたって維持することができ、とくに、水素侵入の抑制効果および金属接触の低減効果を得るための品質がより一層安定させることができ、生産性のさらなる向上を実現することができる。
【００３７】
また、本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体によれば、被膜の表面粗さを規定したことにより、転動部での金属接触率の増加や表面損傷による表面起点型の転動疲労寿命の低下をより確実に防止することができる。
【００４０】
さらに、本発明の請求項３に係わる無段変速機用転動体によれば、被膜の硬度を規定したことにより、被膜の耐摩耗性を維持しつつ被膜を比較的厚くした場合でも被膜の応力を抑制し、被膜の脆性的な割れや剥離を防止することができる。
【００４２】
本発明の請求項４に係わる無段変速機によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、ディスクおよびパワーローラの少なくとも一方の転がり接触をする部位に、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成したことにより、転がり接触をする各部位の転動疲労強度および曲げ疲労強度を大幅に向上させて、長期にわたって優れた性能を維持することができ、これにより無段変速機全体の耐久性能を著しく高めることができると共に、ユニットの大容量化や小型化も実現することができる。
【００４３】
本発明の請求項５に係わる無段変速機によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、ディスクおよびパワーローラの少なくとも一方のトラクション面に、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成したことにより、高面圧を受けるトラクション面の転動疲労強度およびディスクやパワーローラの曲げ疲労強度を大幅に向上させて、長期にわたって優れた性能を維持することができ、これにより無段変速機全体の耐久性能を著しく高めることができると共に、ユニットの大容量化や小型化も実現することができる。
【００４４】
本発明の請求項６に係わる無段変速機によれば、ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、少なくともパワーローラのベアリング溝部に、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を形成したことにより、高面圧で且つ負荷回数が最大となるベアリング溝部における転動疲労強度および曲げ疲労強度を大幅に向上させて、長期にわたって優れた性能を維持することができ、これにより無段変速機全体の耐久性能を著しく高めることができると共に、ユニットの大容量化や小型化も実現することができる。
【００４５】
本発明の請求項７に係わる無段変速機用転動体の製造方法によれば、比較的簡単な表面処理を採用したうえで、ミクロな金属接触の低減や基材への水素の侵入を抑制して転動疲労寿命の大幅な向上を実現し得る転動体を得ることができ、とくに、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すことにより、基材に対する被膜の密着性および耐摩耗性を高めることができ、被膜の優れた性能を持続的に得ることができる。
【００４６】
本発明の請求項８に係わる無段変速機用転動体の製造方法によれば、請求項７と同様の効果を得ることができるうえに、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施す際に、０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）の電流密度の電流を印加することで、生産性を高めることができると共に、被膜の表面粗さを適切なものにして安定した品質を確保することができる。
【００４７】
本発明の請求項９に係わる無段変速機用転動体の製造方法によれば、請求項７と同様の効果を得ることができるうえに、転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施す際に、０．１×１０²〜５×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜５Ａ／ｄｍ²）のより低い電流密度の電流を印加することで、生産性の低下を最大限に抑制しつつ、被膜の表面粗さを適切なものにしてより安定した品質を確保することができる。
【００４８】
本発明の請求項１０に係わる無段変速機用転動体の製造方法によれば、請求項７〜９と同様の効果を得ることができるうえに、転動体に電気めっきによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成する際に、０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）の電流密度の電流を印加することで、請求項８、９と同様に、生産性を高めることができると共に、被膜の表面粗さを適切なものにして安定した品質を確保することができる。
【００４９】
本発明の請求項１１に係わる無段変速機用転動体の製造方法によれば、請求項７〜１０と同様の効果を得ることができるうえに、転動体にめっき処理を施した後、２００℃以下の温度条件下でベーキング処理を行うことにより、基材の軟化や残留応力の低下を防止しつつ充分な脱水素効果を得ることができ、品質のさらなる安定化を実現することができる。また、ベーキング処理を真空炉で行えば脱水素効果をより一層高めることができる。
【００５０】
【実施例】
図１は、本発明に係わる無段変速機および無段変速機用転動体の一実施例を説明する図である。
【００５１】
図１（ａ）に示すトロイダル式無段変速機は、入力軸１、押圧装置２、入力側ディスク３、一対のトラニオン４、出力側ディスク１２および出力軸１３等により構成されている。
【００５２】
一対のトラニオン４には、それぞれピボットシャフト５が取付けてある。各ピボットシャフト５には、パワーローラ外輪６が固定してあると共に、ベアリングを構成する複数のボール８およびラジアルニードル軸受９を介してパワーローラ内輪７が軸回りに回転自在に取付けてある。パワーローラ内輪７は、潤滑油を介して各ディスク３，１２の転動面３ａ，１２ａに接触している。
【００５３】
上記の無段変速機は、入力軸１が回転すると、カム板２ａ、保持器２ｂおよびローラ２ｃから成る押圧装置２を介して入力側ディスク３が回転し、この入力側ディスク３の回転により、その転動面３ａに対して転がり接触する一対のパワーローラ内輪７がそれぞれ回転し、これらパワーローラ内輪７と転動面１２ａにて接触する出力側ディスク１２が回転し、この出力側ディスク１２とともに出力軸１３が回転する。
【００５４】
そして、上記の如く入力軸１から出力軸１３に回転伝達を行う間に、図中仮想線で示す回動軸１０を中心にしてトラニオン４とともにパワーローラ内輪７を回動させ、各ディスク３，１２に対するパワーローラ内輪７の接触位置を移動させることで変速比を無段階的に変化させる。
【００５５】
上記の無段変速機において、転動体としては、各転動面３ａ，１２ａを有するディスク３，１２、両ディスク３，１２に接触する転動面を有するパワーローラ内輪７および外輪６が挙げられる。このとき、パワーローラ内輪７および外輪６では、ボール８と接触するベアリング溝部７ａ，６ａも転動面である。
【００５６】
そして、本発明に係わる無段変速機では、図１（ｂ）に示すように、回転伝達時に高面圧が加わる部分として、少なくともパワーローラ内輪７および外輪６のベアリング溝部７ａ，６ａにニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜が形成してある。このとき、被膜は、厚さを０．１〜２０μｍとし、その表面粗さをＲａ０．１以下とし、被膜形成後の母材の表面粗さをＲａ０．１以下としている。また、被膜の硬度をＨｖ３００以上とし、さらに、被膜中に０．１〜１２質量％のりん（Ｐ）を含有したものとなっている。
【００５７】
すなわち、ベアリング溝部７ａ，６ａに、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成することで、ミクロな金属接触による新生面の生成を抑制すると共に、転動中のトライボケミカル反応等により生成された水素の基材への侵入を抑制して、転動疲労寿命を向上させるようにしており、この際、被膜の厚さを０．１〜２０μｍとすることで、金属接触の低減効果や基材に対する水素の侵入の抑制効果をより充分なものにし、また、比較的早期に被膜剥離が発生するような事態も防止している。
【００５８】
さらに、ベアリング溝部７ａ，６ａに形成した被膜および被膜形成後の母材は、その表面粗さをＲａ０．１以下とすることで、転動部での金属接触率の増加や、転動部の温度上昇に伴う素材の軟化や相手材を含めた表面損傷による表面起点型の転動疲労寿命の低下を防止することができる。そして、ベアリング溝部７ａ，６ａに形成した被膜の硬度をＨｖ３００以上とすることで、充分な耐摩耗性を確保し、０．１〜１２質量％のりん（Ｐ）を含有させることで、Ｎｉ₃Ｐの析出硬化により耐摩耗性を充分に確保すると共に、被膜の靭性低下に伴う被膜の脆性的な割れや剥離の発生を防止して、優れた性能が持続的に得られるものとなっている。
【００５９】
また、上記被膜は、ベアリング溝部７ａ，６ａのほか、各ディスク３，１２の転動面３ａ，１２ａやパワーローラ内輪７の転動面にも形成することが可能であり、その具体的な製造方法としては、転動体にストライクめっきまたは電気めっきを各々単独または両方、あるいはストライクめっきと無電解めっきを複合して施すことで、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成する。
【００６０】
つまり、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すことで、基材に対する被膜の密着性および耐摩耗性が向上する。また、転動体にストライクめっきを施す際には、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の低い電流密度の電流を用いることが望ましく、さらに、転動体に電気めっきを施す際には、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いることが望ましく、これらの電流設定により、生産性が充分なものになると共に、形成しためっき被膜の表面粗さが適切なものとなって品質が安定する。
【００６１】
さらに、めっき処理を施した後、２００℃以下の温度条件下でベーキング処理を行うことで、基材の軟化や残留応力の低下を防止しつつ充分な脱水素効果を得ることができ、品質のさらなる安定化を実現できる。また、ベーキング処理を真空炉で行えば、脱水素効果をより一層高めることができる。
【００６２】
次に、本発明に係わる無段変速機用転動体に関し、いくつかの実施例および比較例を説明する。
【００６３】
後記する各実施例および比較例のいずれの試料も図１（ｂ）に示すパワーローラ内輪７および外輪６である。これらの試料は、表１に示す組成すなわちＣ：０．２質量％、Ｓｉ：０．２５質量％、Ｍｎ：０．８質量％、Ｃｒ：１．１質量％、Ｍｏ：０．１５質量％、Ｐ：０．０１５質量％、Ｓ：０．００９質量％を含有する鉄鋼製素材を鍛造成形したのち粗加工し、図２に示す熱処理条件すなわち９５０℃で１０〜２０時間加熱し、８５０℃で１時間保温し、６０℃の油中で冷却し、その後、８４０℃で１時間加熱し、６０℃の油中で冷却し、１７０℃で２時間保温する工程により浸炭窒化処理を行った。
【００６４】
【表１】

【００６５】
そして、パワーローラ内輪７および外輪６のベアリング溝部７ａ，６ａに研削超仕上げを行い、仕上げ加工後のパワーローラ内輪７および外輪６に、下記のめっき条件によりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成した。なお、完成後のベアリング溝部７ａ，６ａの母材部分は、表面粗さＲａが０．０２〜０．１０程度になり、表面硬さＨｖが７００〜７２０程度になるようにした。
【００６６】
（めっき浴の組成Ａ〜Ｃ）
Ａ ストライクめっき浴（Ｎｉ系）
塩化ニッケル ２００ｇ／Ｌ
塩酸 ８０ｇ／Ｌ
ほう酸 ３０ｇ／Ｌ
ｐＨ １以下
めっき浴温度 ５０〜５５℃
電流密度 ０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）
Ｂ 電気めっき浴（Ｎｉ系）
６０％スルファミン酸ニッケル ８００ｇ／Ｌ
塩化ニッケル １５ｇ／Ｌ
ほう酸 ４５ｇ／Ｌ
サッカリンソーダ ５ｇ／Ｌ
５０％次亜リン酸 ０ｇ／Ｌ，０．６ｇ／Ｌ，１ｇ／Ｌ
ｐＨ ４〜５
めっき浴温度 ５５〜６０℃
電流密度 ０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²（０．１〜１０Ａ／ｄｍ²）
Ｃ 無電解めっき浴（Ｎｉ系）
塩化ニッケル １６ｇ／Ｌ
次亜リン酸ナトリウム ２４ｇ／Ｌ，３５ｇ／Ｌ
コハク酸ナトリウム １６ｇ／Ｌ
リンゴ酸 １８ｇ／Ｌ
ジエチルアミン １０ｇ／Ｌ
ｐＨ ５〜６
めっき浴温度 ９０〜９５℃
【００６７】
また、各測定値の測定方法は以下の通りである。
被膜の厚さは、転動体の転動面に形成した被膜の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察することにより測定した。
【００６８】
被膜の表面粗さＲａは、触針式表面粗さ測定装置を用い、カットオフ０．０８ｍｍで測定した。なお測定装置は、ＪＩＳＢ０６５１（触針式表面粗さ測定器）に準処するものである。
【００６９】
被膜を形成した後の母材の表面粗さＲａは、軸受転動疲労試験装置を用いたベアリング溝部の転動疲労寿命試験実施後の供試材をめっき被膜剥離液（シアン系めっき被膜剥離液／商品名；キザイ（株）製リップマスター＃１２１９）に浸漬し、めっき被膜のみを完全に化学的に除去後、ベアリング溝部の非転動部分に対して触針式表面粗さ測定装置を用いてカットオフ０．０８ｍｍで測定した。なお測定装置はＪＩＳ−Ｂ−０６５１（触針式表面粗さ測定器）に準拠するものである。
【００７０】
作製した転動体の被膜硬度は、被膜が薄いためにその断面方向から市販のマイクロビッカース硬度計を用いて測定することが難しい場合（とくに被膜の厚さが１０μｍ以下の場合）があるので、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を電気めっきあるいは無電解めっきにより形成する際に、その処理時間だけを規定よりも長くし、その他は同一条件とし、ニッケルを主成分とする被膜の厚さが３０μｍ程度になるようにしたものを供試材として測定を行った。
【００７１】
すなわち、被膜の硬度測定は、ニッケルを主成分とする被膜の厚さが３０μｍ程度になるように作製した転動体を供試材とし、供試材をマイクロカッターで切断して樹脂に埋め込み、断面を研磨加工した後、被膜の断面方向から市販のマイクロビッカース硬度計を用いて、試験荷重０．４９Ｎ（０．０５ｋｇｆ）を負荷して行った。なお、マイクロビッカース硬度計は、ＪＩＳＢ７７２５（ビッカース硬さ試験−試験機の検証）に準処するものである。また、上記試験を実施するうえでは、ＪＩＳＺ２２４４（ビッカース硬さ試験−試験の検証）を基礎とするが、供試材の形状を考慮して上記方法にて測定した。
【００７２】
被膜中のりん（Ｐ）の含有量は、蛍光Ｘ線分析装置を用いて測定した。すなわち、りんの含有量が既知で且つ含有量が異なる複数個のサンプルを測定し、この際の強度により強度−含有量の検量線を作成した。そして、本発明の転動体を適当なサイズに切断し、サンプルと同様の条件で測定し、その測定強度を前述の検量線に基づいてりんの含有量に換算した。
【００７３】
（実施例１〜７，１１，１７，１８）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、電気めっきにより被膜を形成する際に、実施例５では、５０％次亜リン酸を０．６ｇ／Ｌ添加した浴を、実施例６では、５０％次亜リン酸を１ｇ／Ｌ添加した浴を、実施例１〜４，７，１１，１７，１８では、５０％次亜リン酸を添加しない浴を使用した。
【００７４】
（実施例８〜１０）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、無電解めっき浴Ｃを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、無電解めっきにより被膜を形成する際に、実施例８および９では、次亜リン酸ナトリウムを２４ｇ／Ｌ添加した浴を、実施例１０では、次亜リン酸ナトリウムを３５ｇ／Ｌ添加した浴を使用した。
【００７５】
（実施例１２）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施さず、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を直接形成した。
【００７６】
（実施例１３）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、無電解めっき浴Ｃを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、無電解めっきにより被膜を形成する際に、次亜リン酸ナトリウムを４６ｇ／Ｌ添加した浴を使用した。
【００７７】
（実施例１４）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、この実施例１４では、被膜を形成する際に印加する電流密度を７×１０²Ａ／ｍ²とした。得られた表面粗さＲａは０．１２であった。
【００７８】
（実施例１５）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、この実施例１５では、被膜を形成する際に印加する電流密度を１５×１０²Ａ／ｍ²とした。得られた表面粗さＲａは０．１２であった。
【００７９】
（実施例１６）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。このめっき処理の後に、ベーキング処理として、真空炉にて１３０℃で２０時間保持をした。
【００８０】
（実施例１９）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、次亜リン酸ナトリウム２４ｇ／Ｌを添加した無電解めっき浴Ｃを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。このめっき処理の後に、ベーキング処理として、真空炉にて１３０℃で２０時間保持をした。
【００８１】
（実施例２０〜２２）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっき被膜のみを施した。
【００８２】
なお、上記各実施例１〜２２におけるストライクめっきや電気めっきの際に印加する電流の電流密度の値、各条件により形成された被膜の特性値（厚さ、表面粗さ、硬度，りんの含有量、および被膜形成後の母材表面粗さ）を後の表２に示す。
【００８３】
（比較例１，２）
めっき処理を施さず且つ表面粗さの異なる２種類のパワーローラ内輪および外輪とした。
【００８４】
（比較例３）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、ストライクめっき浴Ａを使用してニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施したのち、電気めっき浴Ｂを使用してニッケルを主成分とする被膜を形成した。なお、この比較例３では、被膜を形成する際に印加する電流密度を７×１０²Ａ／ｍ²としたが、処理時間が長いことから被膜の厚さが２４μｍとなり、実施例に比べて被膜が厚いものとなった。
【００８５】
（比較例４）
パワーローラ内輪および外輪のベアリング溝部に、苛性ソーダ水溶液への浸漬を行う黒染め処理により酸化鉄の被膜を形成した。
【００８６】
上記の各実施例１〜２２および比較例１〜４において作成した各試料（パワーローラ内輪および外輪）に対し、軸受転動疲労試験装置を用いてベアリング溝部の転動疲労寿命試験を行った。図３に示す軸受転動疲労試験装置は、筐体２０内において、プレート２１により外輪６の下面を保持すると共に、パワーローラ内輪７の上面に回転軸２２を所定の加圧力で当接させ、プレート２１を通してパワーローラ内輪７の内側に潤滑油を供給しながら、回転軸２２とともにパワーローラ内輪７を回転させる構造になっている。
【００８７】
当該試験では、潤滑油としてトラクションオイルを３Ｌ／ｍで供給し、この強制潤滑下において、ベアリング溝部７ａ，６ａにおける最大接触面圧が３．４ＧＰａとなるように回転軸２２による加圧力を設定した。また、転動疲労寿命の値は、振動センサを用い、パワーローラ内輪７または外輪６のベアリング溝部７ａ，６ａがフレーキングに至るまでの時間とした。上記の試験結果を表２に示す。
【００８８】
【表２】

【００８９】
また、図４（ａ），（ｂ）には剥離部近傍における転がり方向断面の組織写真を示す。図４（ａ），（ｂ）には、形態の異なる白色組織が見られるが、本実験条件ではすべての剥離品の剥離部近傍に図４（ａ）に示すＡタイプまたは図４（ｂ）に示すＢタイプの組織変化が観察された。Ａタイプは、比較的長寿命の試料に観察された。一方、Ｂタイプは、比較的短寿命の試料に観察された。
【００９０】
表３は、組織変化形態の異なる転動疲労試験後の試料から転動部を切り出し、鋼中の拡散性水素量を測定した結果を示すものである。なお、測定は、昇温脱離ガス分析装置（日本真空技術（株）UPM-ST-200R型）を用い、加熱温度４００℃以下にて放出された水素量を拡散性水素量とした。表３より、短寿命でフレーキングを生じたＢタイプの場合、Ａタイプに比べて、水素侵入量が多いことがわかる。Ｂタイプは、侵入水素が起因となった水素脆性的な剥離形態であると言える。つまり、侵入水素を抑制することにより、組織変化形態がＢタイプからＡタイプにシフトして長寿命化することが考えられる。
【００９１】
【表３】

【００９２】
表２から明らかなように、本発明の各実施例１〜２２では、被膜の厚さ、被膜の表面粗さ、被膜の硬度、被膜中のりん（Ｐ）の含有量、あるいはめっきの際に印加する電流の電流密度を各々設定すること、また、めっき処理後にベーキング処理を施すことにより、転動疲労寿命試験の結果、本発明に基づく実施例は、図４（ｂ）に示すＢタイプの組織変化形態を呈しており、比較例に対して、大幅に転動疲労寿命が向上していることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる無段変速機用転動体を用いたトロイダル式無段変速機を説明する断面図（ａ）およびパワーローラにおける被膜形成部位を示す片側省略の断面図（ｂ）である。
【図２】実施例１〜２２および比較例１〜４における試料に対する熱処理工程を示す説明図である。
【図３】軸受転動疲労試験装置の概略断面図である。
【図４】剥離部近傍に観察された組織変化形態を示す組織写真である。
【図５】無段変速機において転がり接触をする部位および曲げ応力がかかる部位を説明する断面図である。
【符号の説明】
３ １０３ 入力側ディスク（転動体）
６ １０６ パワーローラ外輪（転動体）
６ａ １０６ｂ ベアリング溝部
７ １０７ パワーローラ内輪（転動体）
７ａ １０７ｂ ベアリング溝部
１２ １１２ 出力側ディスク（転動体）

Claims (11)

1. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．１〜２０μｍとしたことを特徴とする無段変速機用転動体。
2. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さを０．３〜１５μｍとしたことを特徴とする無段変速機用転動体。
3. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機に用いる転動体であって、転動面にニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成すると共に、被膜の厚さが０．３〜１５μｍ、被膜の表面粗さがＲａ０．０４〜０．０８、被膜の硬度がＨｖ３１０〜６８５であって、被膜形成手段が、ストライクめっき、ストライクめっきと電気めっきの両方、及びストライクめっきと無電解めっきの両方のうちのいずれか１つの手段であることを特徴とする無段変速機用転動体。
4. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜をディスクおよびパワーローラの少なくとも一方の転がり接触をする部位に形成したことを特徴とする無段変速機。
5. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜をディスクおよびパワーローラの少なくとも一方のトラクション面に形成したことを特徴とする無段変速機。
6. ディスクに潤滑油を介してパワーローラを接触させた構成を有する無段変速機において、請求項１〜３のいずれかに記載の被膜を少なくともパワーローラのベアリング溝部に形成したことを特徴とする無段変速機。
7. 請求項１〜３のいずれかに記載の無段変速機用転動体を製造するに際し、転動体の転動面に、ストライクめっきまたは電気めっきを各々単独または両方、あるいはストライクめっきと無電解めっきを複合して施すことによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成することを特徴とする無段変速機用転動体の製造方法。
8. 転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いることを特徴とする請求項７に記載の無段変速機用転動体の製造方法。
9. 転動体にニッケル（Ｎｉ）を主成分とするストライクめっきを施すに際し、印加する電流として０．１×１０²〜５×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いることを特徴とする請求項７に記載の無段変速機用転動体の製造方法。
10. 転動体に電気めっきによりニッケル（Ｎｉ）を主成分とする被膜を形成するに際し、印加する電流として０．１×１０²〜１０×１０²Ａ／ｍ²の電流密度の電流を用いることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の無段変速機用転動体の製造方法。
11. 転動体にめっき処理を施した後、２００℃以下の温度でベーキング処理を行うことを特徴とする請求項７〜１０のいずれかに記載の無段変速機用転動体の製造方法。

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