JP4766584B2 - 動力伝達用マルエージング鋼帯 - Google Patents
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Description
通常のマルエージング鋼の代表的な組成としては、質量%で18%Ni−8%Co−5%Mo−0.45%Ti−0.1%Al−残部Feであり、高価なCoを多量に含有する。そのため、マルエージング鋼素材が高価なものであり、最近では原料の高騰もあり、更に高価な素材となる。
従来から高価なCoを低減するマルエージング鋼については検討されており、例えば「コバルトを含まないマレージング鋼」として特開平11−256278号公報(特許文献1参照)や、「コバルトおよびチタンを含まないマレージング鋼」として特開平11−264054号公報(特許文献2参照)に、Coを無添加とするマルエージング鋼がある。
本発明の目的は、低コストの省資源型でありながら、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに最適な動力伝達用マルエージング鋼帯を提供するものである。
即ち本発明は、厚さが0.5mm以下の窒化される動力伝達用のマルエージング鋼帯において、質量%でTi:0.4〜1.0%、C:0.01%以下、Ni:8.0〜20.0%、Co:2.0を超えて5.0%未満、Mo:2.5〜4.0%、Al:0.2%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、Mn:0.5%以下、Si:0.5%以下、O:30ppm以下、N:30ppm以下、残部はFe及び不可避的不純物からなる動力伝達用マルエージング鋼帯である。
好ましくは、上述の化学組成に加え、更にMg:5〜100ppmを含有する動力伝達用マルエージング鋼帯である。
なお、本発明の動力伝達用マルエージング鋼帯には、必要に応じて結晶粒を微細化するのに有効なBを靱性が劣化させない程度の0.01%以下の範囲で含有させても良いし、靭性や延性の改善効果があるとされるCaを0.1%以下の範囲で含有させても良い。
従来から無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに最適な動力伝達用マルエージング鋼帯としては、十分な疲労強度を得るため、約2000MPa程度の引張強さを実現するように合金設計がなされている。これは、引張強さの上昇により、疲労強度が向上することに基づいているが、実際には、引張強さが約1200MPa程度以上になると疲労強度は引張強さを上昇させてもほとんど向上しなくなる。即ち、約1200MPa程度の引張強さがあれば十分な疲労強度が得られている。
そこで、過剰に引張強さを高くしなくとも、1400Mpa程度の引張強度を実現でき、且つ、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに十分適用可能な低コスト(省資源型)マルエージング鋼として、Coを従来レベルより遥かに低減し、且つ過剰添加すると素材の脆化要因となるMoについても極力低減したことが最大の特徴である。
なお、本発明は自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルト用の鋼帯であるため、厚さが0.5mm以下のものを対象とする。厚みの下限は求められる寸法精度を考慮すると0.1mm程度ある。
以下に、本発明の限定理由を詳しく説明する。なお、化学組成は質量%として示している。
Tiは時効処理により微細な金属間化合物を形成し、析出することによって強化に寄与する必要不可欠な元素であり、窒化性を考慮して0.4%以上含有させるが、その含有量が1.0%を越えて含有させると窒化性、延性、靱性が劣化するため、Tiの含有量を0.4〜1.0%とした。
C:0.01%以下
Cは炭化物を形成し、金属間化合物の析出量を減少させて疲労強度を低下させるため本発明ではCの上限を0.01%以下とした。好ましくは0.007%以下であり、下限については、今現在の技術的な限界としては10ppmとするのがせいぜいである。
Ni:8.0〜20.0%
Niは靱性の高い母相組織を形成させるためには不可欠の元素であるが、8.0%未満では靱性が劣化する。一方、20%を越えるとオーステナイトが安定化し、マルテンサイト組織を形成し難くなることと、コストの観点から、Niは8.0〜20.0%とした。
高価なCoにおいては、本発明ではCo:2.0を超えて5.0%未満の範囲内で必須添加する。その理由の第1は、マトリックスであるマルテンサイト組織を安定性に大きく影響することなく、Moの固溶度を低下させることによってMoが微細な金属間化合物を形成して析出するのを促進することによって析出強化に寄与するに最低限必要な範囲であるからである。
理由の第2は、高価なCoの添加量が5.0%を超えると、コストの低減効果が乏しくなるためである。
なお、本発明において、Coを低いレベルながら必須添加としたことで、従来から用いられている高Coのマルエージングの端材やスクラップを溶解原料として用いることができ、更にコストの低減効果が向上する。Coの好ましい下限は3.0%であり、更に好ましい下限は3.5%、更に好ましい範囲は4.0〜5.0%未満である。
Moは時効処理により、微細な金属間化合物を形成し、マトリックスに析出することによって強化に寄与する元素であるが、その含有量が2.5%未満の場合その効果が少なく、また4.0%を越えて含有すると延性、靱性を劣化させるFe2Moの粗大析出物を形成しやすくなることと、コストが向上するため、Moの含有量を必要最低限の範囲として2.5〜4.0%とした。好ましい範囲は2.5〜3.5%である。
Al:0.2%以下
Alは脱酸作用を持っているため、脱酸元素として添加するが、過度の添加は疲労破壊の起点となる酸化物系介在物を形成することから、その上限を0.2%とする。下限については脱酸元素として0.02%程度である。
P:0.02%以下、S:0.02%以下
P、Sは粒界脆化させたり、介在物を形成して疲労強度を低下させるので、0.02%以下とすると良く、好ましくは0.01%以下であり、無添加レベル以下でも良い。
Mn:0.5%以下、Si:0.5%以下
Si、Mnは脆化をもたらす粗大な金属間化合物の析出を促進して延性、靭性を低下させたり、介在物を形成して疲労強度を低下させるので、Si、Mn共に0.5%以下にした。好ましくは0.2%未満、更に好ましくは0.01%以下とすれば良く、無添加レベル以下でも良い。
Oは酸化物系介在物を形成するため、30ppm以下に制限する。Oが30ppmを超えて含有すると疲労強度が著しく低下するため、その含有量を30ppm以下にした。好ましくは20ppm以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては1ppmとするのがせいぜいである。
Nは窒化物や炭窒化物系介在物を形成するため、30ppm以下に制限する。Nが30ppmを超えて含有すると疲労強度が著しく低下するため、その含有量を30ppmにした。好ましくは20ppm以下である。なお、下限については、今現在の技術的な限界としては2ppmとするのがせいぜいである。
Mg5〜100ppm含有させることで、インゴットの酸素濃度を安定して下げることができ、酸化物の組成がAl2O3に代表されるAlを主成分とする酸化物に代わり、金属元素としてMgを主要成分とする酸化物となり、更にそのサイズも微細化するため、必要に応じて添加する。このMgの効果を得るには5ppm未満では前述の効果が得にくく、100ppmを超えると靭性が劣化するので、Mgを添加する場合には5〜100ppmの範囲とするのが良い。好ましくは10〜70ppmの範囲である。
このような金属元素としてMgを主要成分とする酸化物とは、MgO単独のものや例えばMgOとAl2O3の複合酸化物となったもの等があり、例えばEDX(エネルギー分散型エックス線分析装置)で分析した時、Oを除いて検出される金属元素のうち、Mgが最も多く検出されるか、2番目に多く検出されるかの何れかのものを言う。
そして、このMgを主要成分とする酸化物系介在物の凝集性はアルミナより弱く、Mgを主要成分とする酸化物系介在物が多数形成することに伴い、Mgを主要成分とする酸化物を核としてTiCやTiCNが生成することで鋼塊中における前記のTi系介在物も微細化する。
更に、上述の金属元素としてMgを主要成分とする酸化物系介在物のうち、MgOの室温硬度は400〜500kg/mm2であり、一般的な塑性加工で分断することが可能であるが、例えばAl2O3の室温硬度は1700〜1800kg/mm2と高く、塑性加工を施しても容易に分断されない。
そこで、本発明においては、Al2O3等のアルミナ系介在物と比較して硬さが半分以下の低硬度の、金属元素としてMgを主要成分とする酸化物系介在物を積極的に形成させることで、マルエージング鋼帯の製造工程である熱間加工、冷間加工で引き伸ばされたり、或いは更に微細に分断されたりして、その結果、酸化物系介在物のサイズを更に小さくすることができ、適量なMg添加により疲労特性を改善させることができる。
なお、Mgを添加することにより酸化物系介在物であれば製品において15μm以下に、Ti系介在物であれば12μm以下に微細化することができる。
本発明の動力伝達用マルエージング鋼帯は、低コストでありながら引張強さにおいても約1200MPa程度を実現できることにあるため、製造方法においても、従来からマルエージング鋼に適用されてきた真空二重溶解は、製造コストが高まるため、必ずしも適用する必要はなく、今回は真空誘導溶解により製造した。
比較材として、特許文献1に示されるCo無添加材も製造した。
次に、VIM後の鋼塊を1250℃でソーキングを行なった後、熱間鍛造を行なって熱間鍛造品とし、熱間圧延後、溶体化処理と冷間圧延を繰り返し、厚み0.5mmのマルエージング鋼帯を製造し、820℃×1時間の溶体化処理と480℃×5時間の時効処理を行い動力伝達用マルエージング鋼帯とした。なお、上記の冷間圧延での総圧延率は75%である。
化学組成を表1に示す。No.1〜4が本発明、No.5が比較材である。
また、動力伝達用マルエージング鋼帯には、介在物の大きさが微細であることが求められるため、上記の引張試験片を採取した近傍の位置から介在物測定用の試料(ダライ粉:20g)を採取し、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトにおいて有害とされるTiNやTiCNのTi系介在物の大きさを測定した。更に、酸化物系介在物の大きさも、同様に上記の引張試験片を採取した近傍の位置から介在物測定用の試料(ブロック:1g)を採取し、測定した。
この時、Ti系介在物の大きさは、窒化物系介在物は矩形形状であるため、長辺aと短辺bを測定し、面積a×bに相当する円の直径をその最大長さとし、酸化物系介在物は、酸化物系介在物に外接する円の直径を非金属介在物の最大長さとした。
引張強さ、シャルピー衝撃値及びTi系介在物の最大長さ、酸化物系介在物の最大長さを表2に示す。
また、疲労破壊の起点となるTi系介在物や酸化物系介在物の大きさも比較材と比較し、極めて微細なサイズとなっていることも分かる。この本発明のTi系介在物が10.5μm以下、酸化物系介在物が23μm以下の大きさであれば、107回以上の高サイクル領域において優れた疲労強度が得られるレベルである。
以上、説明する通り、省資源型のマルエージング鋼でありながら、自動車エンジンの無段変速機用部品の動力伝達用ベルトに十分適用でき、しかも、真空二重溶解も必ずしも必要無く、優れたコストの低減効果が得られる。
Claims (2)
- 厚さが0.5mm以下の窒化される動力伝達用のマルエージング鋼帯において、質量%でTi:0.4〜1.0%、C:0.01%以下、Ni:8.0〜20.0%、Co:2.0を超えて5.0%未満、Mo:2.5〜4.0%、Al:0.2%以下、P:0.02%以下、S:0.02%以下、Mn:0.5%以下、Si:0.5%以下、O:30ppm以下、N:30ppm以下、残部はFe及び不可避的不純物からなることを特徴とする動力伝達用マルエージング鋼帯。
- 請求項1に記載の化学組成に加え、更にMg:5〜100ppmを含有することを特徴とする動力伝達用マルエージング鋼帯。
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