JP4784217B2 - 無段変速機ベルト、該ベルト用ステンレス鋼板及びその製造法 - Google Patents
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Description
別の観点からは、本発明は、板厚方向の中心を含む板厚中心部が、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、Ni:4.0〜13.0%、さらに、(C+N):0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼組成であるとともにオーステナイト相及びマルテンサイト相からなる複相組織であり、かつ、N及び/又はCを吸収させる熱処理および調質圧延し、炭化及び/又は窒化処理された後における板表面を含む板表面近傍部が、オーステナイト単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト相とオーステナイト相との複相組織であるとともに、単独で又は混合して析出した窒化物、炭化物又は炭窒化物を有することを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板である。
さらに別の観点からは、本発明は、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、及びNi:4.0〜13.0%を含有するとともに、C+N:0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物である鋼組成を有するステンレス鋼板に、このステンレス鋼板の板表面からN及び/又はCを吸収させてこの板表面を含む板表面近傍部のみをオーステナイト安定状態としてから調質圧延を行うことを含む熱処理を行うことによって、板厚方向の中心を含む板厚中心部はオーステナイト相及びマルテンサイト相からなる複相組織であり、かつ、板表面を含む板表面近傍部はオーステナイト単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト相とオーステナイト相との複相組織であるとともに、炭化及び/又は窒化処理に供されるステンレス鋼板を製造することを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法である。
これらの本発明に係る無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法では、N及び/又はCを吸収させる熱処理が、加熱温度1000℃以上及び露点−40℃以下で行われることが望ましい。
さらに、これらの本発明に係る無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法では、表面硬化処理が、窒化処理、炭化処理又は炭窒化処理であることが望ましい。
(i)Vリングは、準安定γ系ステンレス鋼板に、上述した成形工程、圧延工程及び表面硬化処理を順次行うことによって製造されるが、この際に、成形工程の前後に高温での熱処理(焼鈍)を行うことにより、最も強力なγ安定化元素かつ侵入型固溶強化元素の一つであるN及び/又はCを吸収させることができる。そして、この後に調質圧延を行う。これにより、表面硬化処理を行う前に、板表面を含む板表面近傍部のみを、γ単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト(α’)相とγ相との複相組織、すなわちγ安定状態とするとともに、板厚方向の中心を含む板厚中心部を準安定γ状態とすることができる。これにより、当然ながら、板表面近傍部の硬化も図ることができる。
(ii)このようにして調質圧延を終了したステンレス鋼板に、最終段階で行われる加工誘起α’相のγ母相への逆変態や回復による軟化を生じない低温域での熱処理を伴う表面硬化処理を行う。この表面硬化処理では、固溶度が大きいγ相の安定状態、すなわち50体積%未満のα’相とγ相との複相組織とした表面近傍部に対して、炭化処理及び/又は窒化処理を行うことにより、γ相の安定状態でない場合に比較して大幅な固溶強化を図ることが可能となる。
(iii)さらに、この表面硬化処理により、固溶限が大きいγ相の安定状態とした場合、調質圧延により導入された多数の転位上へ窒化物、炭化物及び炭窒化物を単独ないし混合して微細析出させることができる。これにより、γ相の安定状態でない場合に比較して、多数の微細析出物による大幅な強化や耐摩耗性の改善を図ることができるとともに、ベルトに必要となる延性を維持した上で、疲労破壊の起点となることを抑制できる。
本実施の形態の無段変速機ベルト用準安定γ系ステンレス鋼板は、板厚方向に関して、板厚方向の中心を含む板厚中心部と、この板厚中心部を除いて板表面を含む板表面近傍部とにより構成される。
(C:0.15%以下、N:0.15%以下、C+N:0.25%以下)
C及びNの含有量は、いずれも0.15%以下と限定する。C、Nはともに強力な固溶強化元素の一つである。しかし、それぞれの含有量が0.15%を越えると、最終段階で行われる表面硬化処理の熱処理において、各々の固溶限が低い加工誘起変態α’相を中心に粗大化合物が析出して脆化し、Vベルトに必要な延性を維持できなくなる。このため、C及びNの含有量は、ともに0.15%以下と限定する。同様の観点から望ましい範囲は0.13%以下である。
(Cr:3.0〜20.0%)
Crは、ステンレス鋼の基本元素であり、充分な耐食性を確保するには通常は少なくとも10.0%添加する必要があるが、本実施の形態の用途では高い耐食性は必ずしも必要とされない。また、Crは、主に表面硬化処理時の析出物を構成する主たる合金元素であるとともに、酸化被膜を形成する主たる構成元素でもある。このため、Cr含有量の下限は3.0%とする。一方、Crは、Nの固溶量を増加させてN吸収を促進する側面もあるものの、α安定化元素であるために過剰に添加すると、鋼中にα相を残存させ準安定γ状態を得られなくなる。このため、Cr含有量の上限は20.0%とする。同様の観点から、Cr含有量の下限は3.6%であることが望ましく、上限は19.2%であることが望ましい。
(Ni:4.0〜13.0%)
Niは、合金元素中で最も強力なγ安定化元素の一つであって室温でγ相組織を得るために、4.0%以上含有する。ただし、過度に添加すると加工誘起α’変態が起こらなくなり、高強度及び高靱性を得られなくなる。このため、Ni含有量は4.0%以上13.0以下と限定する。さらにNi含有量の下限は4.2%であることが望ましく、上限は12.6%であることが望ましい。
(a)Si:0.1〜3.0%及びMn:6.0%以下
Siは、溶製時の脱酸のための元素であるとともに、有効な固溶強化元素でもある。このため、Si含有量は0.1%以上であることが望ましい。しかし、3.0%超含有すると強固な酸化被膜を形成して、N、Cの吸収を阻害するおそれがあるとともに加工性が劣化する。このため、Si含有量は0.1%以上3.0%であることが望ましい。さらに、Si含有量の下限は0.15%であることが望ましく、上限は2.6%であることが望ましい。
(b)Mo:3.0%以下又はCu:3.0%以下の少なくとも1種、
Mo、Cuは、熱処理を活用した析出強化を考慮して適宜添加されるものであり、一般的には、γ安定度調整等の補助的意味で0.5%以下程度添加される。しかし、Mo、Cuは金属間化合物を形成する析出強化元素であるため、本実施の形態では0.5%超添加することにより表面硬化処理時の時効硬化が期待される。ただし、過度に添加すると、粗大な金属間化合物を生成して板製造が困難になるおそれがある。このため、Mo、Cuの含有量の上限は3.0%以下とすることが望ましく、同様の観点から2.6%以下とすることがさらに望ましい。
(c)Ti:0.01〜0.5%、Nb:0.01〜0.5%又はV:0.01〜0.5%の1種又は2種以上
Ti、Nb、Vは、板等の製造中の熱処理にて微細な化合物(Cr等の他合金元素を含む場合有)を析出して粒成長を抑制し、微細結晶粒組織を得ることを容易にする。このため、結晶粒微細化での強化を活用するため、いずれも0.01%以上添加することが有効である。ただし、過度に添加すると、粗大な析出物を発生して疲労特性が低下することがあるとともに、高価な元素であるために素材コストが上昇する。このため、Ti、Nb、Vの含有量はいずれも、0.01%以上0.5%以下とすることが望ましく、同様の観点から下限は0.04%、上限は0.46%とすることがさらに望ましい。
この準安定γ系ステンレス鋼板への低温域での表面硬化処理に関して詳細に調査・検討した結果、窒化処理及び/又は炭化処理は、複合吸収(窒素+炭素での固溶量増加)とそれによる効果的な表面硬化がなされることがわかった。なお、γ安定化によるさらなる窒化処理及び/又は炭化処理での固溶量増加が図られることがわかった。
N吸収処理(熱処理)、調質圧延後に表面硬化処理(炭化処理)を施した本発明材と、N吸収処理(熱処理)を施すことなく表面硬化処理(炭化処理)のみを単独で施した比較材との両者についての、板表面でのX線回折パターンを、図3にグラフで示す。
最後に、板製造中のC吸収の実施、製品板厚でのN化処理によっても同様の優れた性能を得られることを確認した。すなわち、処理を入れ替えた場合でも、板表面近傍部でのγ安定化と複合吸収による大幅な高性能化とがなされる。
供試材の組成を表1に示し、製造工程を表2に示し、さらに、N及び/又はC吸収を伴う熱処理、調質圧延後(表面硬化処理前の)諸特性を表3に示す。
硬度 :マイクロビッカース硬度計を用いて、板表面及び埋込、研磨後の圧延方向垂直断面を加重0.49Nで測定し、測定数n=5での最大、最少を除く中央値3点の平均値を算出した。
σ:曲げ応力(N/mm2)
E:ヤング率(N/mm2)
t:板厚(mm)
f:振幅(mm)
L:試験片の測定長さ(mm)
表3に示す本発明例No.MA2、MA4、MA5より、N及び/又はCの吸収により板表面での(C+N)量が0.25%超に増加し、これに伴いγ相量も増加することが確認される。
2a、2b 円錐型ディスク
3a、3b 円錐型ディスク
2、3 滑車(プーリ)
4 Vベルト
5、6 金属製のリング
7 エレメント
Claims (16)
- 質量%で、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、Ni:4.0〜13.0%、さらに、(C+N):0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼組成であるとともにオーステナイト相単相で、N及び/又はCを吸収させる熱処理を行うことにより、板表面を含む板表面近傍部の(C+N)量が0.25%を超えるとともに、調質圧延と炭化及び/又は窒化処理とに供されることを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 板厚方向の中心を含む板厚中心部は、質量%で、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、Ni:4.0〜13.0%、さらに、(C+N):0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼組成であるとともにオーステナイト相及びマルテンサイト相からなる複相組織であり、かつ、N及び/又はCを吸収させる熱処理および調質圧延後における板表面を含む板表面近傍部は、オーステナイト単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト相とオーステナイト相との複相組織であるとともに、炭化及び/又は窒化処理に供されることを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記板表面から10μmの深さの位置までにおける(C+N)量は0.25質量%超である請求項2に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 板厚方向の中心を含む板厚中心部は、質量%で、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、Ni:4.0〜13.0%、さらに、(C+N):0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物からなる鋼組成であるとともにオーステナイト相及びマルテンサイト相からなる複相組織であり、かつ、N及び/又はCを吸収させる熱処理および調質圧延し、炭化及び/又は窒化処理された後における板表面を含む板表面近傍部は、オーステナイト単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト相とオーステナイト相との複相組織であるとともに、単独で又は混合して析出した窒化物、炭化物又は炭窒化物を有することを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記板表面から10μmの深さの位置までにおける(C+N)量は0.60質量%超である請求項4に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記板表面の硬度がHv600〜1100であるとともに、前記板厚中心部の硬度がHv400〜600であることを特徴とする請求項4又は請求項5に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記板表面から10μmの深さの位置までにおけるオーステナイト相の割合は、前記板厚中心部におけるオーステナイト相の割合よりも10%以上高いことを特徴とする請求項2から請求項6までのいずれか1項に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記板表面近傍部におけるN濃度及び/又はC濃度は、前記板厚中心部におけるN濃度及び/又はC濃度よりも高いことを特徴とする請求項1から請求項7までのいずれか1項に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記鋼組成は、さらに、質量%で、Mo:3.0%以下又はCu:3.0%以下の少なくとも1種を有することを特徴とする請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 前記鋼組成は、さらに、質量%で、Nb:0.01〜0.5%を有することを特徴とする請求項1から請求項9までのいずれか1項に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板。
- 請求項4から請求項10までのいずれか1項に記載されたステンレス鋼板からなるリングを備えることを特徴とする無段変速機ベルト。
- 質量%で、C:0.15%以下、Si:0.1〜3.0%、Mn:6.0%以下、N:0.15%以下、Cr:3.0〜20.0%、及びNi:4.0〜13.0%を含有するとともに、(C+N):0.25%以下、残部Feおよび不可避的不純物である鋼組成を有するステンレス鋼板に、該ステンレス鋼板の板表面からN及び/又はCを吸収させて該板表面を含む板表面近傍部のみをオーステナイト安定状態とする熱処理を実施後、調質圧延を行うことによって、板厚方向の中心を含む板厚中心部はオーステナイト相及びマルテンサイト相からなる複相組織であり、かつ、板表面を含む板表面近傍部はオーステナイト単相組織、又は、50体積%未満のマルテンサイト相とオーステナイト相との複相組織であるとともに、炭化及び/又は窒化処理に供されるステンレス鋼板を製造することを特徴とする無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法。
- さらに、前記の熱処理、調質圧延後に表面硬化処理をこの順で行うことを特徴とする請求項12に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法。
- 前記N及び/又はCを吸収させる熱処理は、加熱温度1000℃以上及び露点−40℃以下で行われることを特徴とする請求項12又は請求項13に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法。
- 前記表面硬化処理は、加熱温度600℃以下の条件で行われることを特徴とする請求項13又は請求項14に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造方法。
- 前記表面硬化処理は、窒化処理、炭化処理又は炭窒化処理である請求項13から請求項15までのいずれか1項に記載された無段変速機ベルト用ステンレス鋼板の製造法。
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