JP6202034B2 - 金属リング及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、金属リング及びその製造方法に関し、特にベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リング及びその製造方法に関する。
入力側プーリと出力側プーリとをスチール製の伝動ベルトにより接続したスチールベルト式無段変速機（ＣＶＴ：Continuously Variable Transmission）が、自動車等に用いられている。このスチールベルト式ＣＶＴにおける伝動ベルトは、入れ子状に積層された複数枚の薄板金属リングからなる金属リング積層体に、多数のエレメントを隙間なく整列させて取り付けた構造を有している。金属リング積層体の張力によってエレメントを入力側及び出力側プーリに押し付け、入力側プーリから出力側プーリへ動力を伝達する。
エレメントと入力側及び出力側プーリとの摩擦力を確保するため、金属リング積層体を構成する各金属リングには高い張力がかかる。そのため、析出強化型の超強力鋼であるマルエージング鋼が、金属リングに使用されている。また、金属リングには高張力状態で繰り返し曲げ応力も加わる。そのため、疲労強度を高める目的で、金属リングの表面に圧縮残留応力を付与する窒化処理が施される。
ここで、通常の窒化処理では、金属リングの主面（内外周面）及び端面に均一な窒化層が形成される。もしくは、主面に形成される窒化層（主面部の窒化層）よりも端面に形成される窒化層（端部の窒化層）の方が厚くなる。端部の窒化層の厚さが大きくなると、端部の窒化層より内部の非窒化部における引張残留応力が大きくなり、端部を起点とした疲労破壊が起こり易くなるという問題があった。
このような問題を解決するため、特許文献１には、窒化処理前に端面上に窒化阻害膜を形成することにより、端部の窒化層の厚さを小さくした金属リングが開示されている。端部の窒化層の厚さを小さくしたため、端部を起点とした疲労破壊を抑制される。
国際公開第２０１１／１３５６２４号
発明者は、ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リング及びその製造方法に関し、以下の課題を見出した。
金属リングの一方の端面は、エレメントと接触しているため、耐摩耗性が要求される。特許文献１に開示された金属リングでは、端部の窒化層の厚さを小さくしたため、端面の表面硬さが低下し、その結果、端面の耐摩耗性が低下してしまう問題があった。
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面の耐摩耗性の低下を抑制するものである。
本発明の一態様に係る金属リングは、
ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リングであって、
主面に形成された第１窒化層と、
端面に形成された第２窒化層と、を備え、
前記第２窒化層の厚さが、前記第１窒化層の厚さよりも小さく、
前記端面の表面硬さが、前記主面の表面硬さよりも大きいものである。
本発明の一態様に係る金属リングでは、第２窒化層の厚さが、第１窒化層の厚さよりも小さいため、端部を起点とした疲労破壊を抑制可能である。また、端面の表面硬さが、主面の表面硬さよりも大きい。すなわち、端部の第２窒化層が薄いにも関わらず、端面の表面硬さが高い。そのため、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面の耐摩耗性の低下を抑制することができる。
金属リングは、時効処理時に析出しない窒素親和性金属を含有するマルエージング鋼からなることが好ましい。また、前記窒素親和性金属としてＣｒを含有することが好ましい。簡易かつ安価に金属リングを製造することができる。
本発明の一態様に係る金属リングの製造方法は、
ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リングの製造方法であって、
前記金属リングの素材の主面に窒素親和性金属が濃化した濃化層を形成する工程と、
前記濃化層を除去し、前記主面において、前記窒素親和性金属が欠乏した欠乏層を露出させる工程と、
前記濃化層を形成した後に、前記金属リングの端面において、バルク層を露出させる工程と、
前記主面に前記欠乏層が露出し、かつ、前記端面に前記バルク層が露出した前記金属リングを窒化する工程と、を備えたものである。
本発明の一態様に係る金属リングの製造方法では、窒化処理前に、端面における窒素親和性金属の濃度が、主面における窒素親和性金属の濃度よりも高くなっている。窒化処理により、端面では窒素親和性金属の濃度が高いため、多くの窒素原子がトラップされ、薄いにも関わらず硬い第２窒化層が得られる。従って、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面の耐摩耗性の低下を抑制することができる。
窒化する工程の前に、前記主面に前記欠乏層が露出し、かつ、前記端面に前記バルク層が露出した前記金属リングを時効処理する工程をさらに備え、前記金属リングが、時効処理時に析出しない窒素親和性金属を含有するマルエージング鋼からなることが好ましい。また、前記窒素親和性金属としてＣｒを含有することが好ましい。簡易かつ安価に金属リングを製造することができる。
本発明により、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面の耐摩耗性の低下を抑制することができる。
第１の実施形態に係る金属リングの断面図である。 第１の実施形態に係る金属リングを適用したベルト式無段変速機の断面図である。 第１の実施形態に係る金属リングを適用したベルト式無段変速機の側面図である。 第１の実施形態に係る金属リングの製造方法を示すフローチャートである。 第１の実施形態に係る金属リングの製造方法を示す斜視図である。 雰囲気炉内においてパイプ状素材を焼鈍する様子を模式的に示す斜視図である。 窒素親和性金属であるＣｒの濃化層を形成したサンプルにおいて、グロー放電発光分析装置によるＣｒの深さ方向分析を行った結果を示すグラフである。 時効処理後のサンプルにおいて、グロー放電発光分析装置による窒素の深さ方向分析を行った結果を示すグラフである。 端面の窒化層厚さに対する端面の表面硬さの変化を示すイメージ図である。 窒化量に対する端面の窒化層厚さの変化を示すイメージ図である。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
（第１の実施形態）
まず、図１〜図３を参照して、第１の実施形態に係る金属リングについて説明する。図１は、第１の実施形態に係る金属リングの断面図である。図２は、第１の実施形態に係る金属リングを適用したベルト式無段変速機の断面図である。図３は、第１の実施形態に係る金属リングを適用したベルト式無段変速機の側面図である。
＜金属リングの構成＞
まず、本実施形態に係る金属リング１１について説明する。
本実施形態に係る金属リング１１は、金属薄板からなる帯状部材である。図１上側に示すように、金属リング１１は、その断面において、表面すなわち外周面１１ａ、内周面１１ｂ及び両方の端面１１ｃに窒化層１２を有している。換言すると、バルク層である非窒化部１１ｄの外縁全体が、窒化層１２により囲まれている。
なお、金属リング１１は、幅方向中央部が幅方向両端部より外周面１１ａ側にわずかに突出するように緩やかに湾曲している。
図１下側の部分拡大図に示すように、窒化層１２は、金属リング１１の外周面１１ａ及び内周面１１ｂに形成された第１窒化層１２ａ、１２ｂと、金属リング１１の両端面１１ｃに形成された第２窒化層１２ｃとから構成されている。
ここで、本実施形態に係る金属リング１１では、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃが、第１窒化層１２ａ、１２ｂの厚さＰａ、Ｐｂよりも小さくなっている。このように、端部の第２窒化層１２ｃが薄いため、第２窒化層１２ｃより内部の非窒化部１１ｄにおける引張残留応力の増大を抑制し、端部を起点とした疲労破壊を抑制することができる。窒化層の厚さＰａ〜Ｐｃは、例えばナイタルエッチング後のミクロ組織観察により測定することができる。
さらに、本実施形態に係る金属リング１１では、第２窒化層１２ｃが形成された端面１１ｃの表面硬さが、第１窒化層１２ａ、１２ｂが形成された主面（外周面１１ａ及び内周面１１ｂ）の表面硬さよりも大きくなっている。このように、端面１１ｃの表面硬さが大きいため、端面１１ｃの耐摩耗性の低下を抑制することができる。表面硬さは、例えばマイクロビッカース硬さ試験により測定することができる。
なお、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃが第１窒化層１２ａ、１２ｂの厚さＰａ、Ｐｂよりも小さいにもかかわらず、端面１１ｃの表面硬さが外周面１１ａ及び内周面１１ｂの表面硬さよりも大きくなる理由については後述する。
このように、本実施形態に係る金属リング１１では、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃが第１窒化層１２ａ、１２ｂの厚さＰａ、Ｐｂよりも小さく、かつ、端面１１ｃの表面硬さが外周面１１ａ及び内周面１１ｂの表面硬さよりも大きい。すなわち、端部の第２窒化層１２ｃが薄いにも関らず、端面１１ｃの表面硬さが大きいため、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面１１ｃの耐摩耗性の低下を抑制することができる。
また、窒化層１２は、第２窒化層１２ｃと第１窒化層１２ａ、１２ｂとの間に表面が湾曲した４つの面取部を有しており、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃは、面取部において第１窒化層１２ａ、１２ｂに近付くほど大きくなっている。また、金属リング１１の各面取部の表面の曲率半径は、窒化層の厚さＰａ〜Ｐｃよりも大きくなっている。
金属リング１１は、例えばマルエージング鋼からなる。マルエージング鋼は、炭素濃度を０．０３質量％以下とし、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｔｉ（チタン）、Ａｌ（アルミニウム）などを添加した析出強化型の超強力鋼であって、時効処理によって高強度及び靱性が得られる。マルエージング鋼の組成は、特に限定されないが、一例として、１８質量％程度のＮｉ、１０質量％程度のＣｏ、５質量％程度のＭｏ、合計１質量％程度のＴｉ及びＡｌを含有している。
本実施形態に係る金属リング１１を構成するマルエージング鋼は、さらに時効処理時に析出しない窒素親和性金属を含有していることが好ましい。窒素親和性金属とは、Ｆｅ（鉄）よりも窒素との化学的親和力が大きい金属元素である。窒素親和性金属としては、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｒ（クロム）などを挙げることができる。このうち、Ｔｉ、Ａｌは時効処理時に析出し、Ｃｒは時効処理時に析出しない。従って、本実施形態に係る金属リング１１は、Ｃｒを含有するマルエージング鋼からなることが好ましい。Ｃｒ濃度は、０．５〜１．５質量％であることが好ましい。
時効処理時に析出しない窒素親和性金属は、後工程である窒化処理時に窒素原子のトラップサイトとして機能する。本実施形態に係る金属リング１１では、端面１１ｃの表層におけるこのような窒素親和性金属の濃度が、主面すなわち外周面１１ａ、内周面１１ｂの表層における窒素親和性金属の濃度よりも高くなっている。すなわち、端面１１ｃの表層では窒素親和性金属の濃度が高いため、多くの窒素原子がトラップされ、薄くかつ硬い第２窒化層１２ｃが得られる。同時に、外周面１１ａ、内周面１１ｂの表層では窒素親和性金属の濃度が低いため、窒素原子が内部に侵入し易く、第２窒化層１２ｃよりも厚くかつ硬さのより小さい第１窒化層１２ａ、１２ｂが得られる。
その結果、本実施形態に係る金属リング１１では、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃを第１窒化層１２ａ、１２ｂの厚さＰａ、Ｐｂよりも小さくしつつ、端面１１ｃの表面硬さを外周面１１ａ及び内周面１１ｂの表面硬さよりも大きくすることができる。すなわち、端部の第２窒化層１２ｃが薄いにも関らず、端面１１ｃの表面硬さを大きくすることができるため、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面１１ｃの耐摩耗性の低下を抑制することができる。
＜金属リングを適用したベルト式無段変速機の構成＞
次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る金属リング１１を適用したベルト式無段変速機１について説明する。
図２及び図３に示すように、周長がわずかに相違する複数枚（例えば１０枚程度）の金属リング１１を入れ子状に積層することにより、左右一対の金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒが構成される。図３に示すように、この一対の金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒに、多数（例えば４００枚程度）のエレメント１５を隙間なく整列させて取り付けることにより、伝動ベルト２が構成される。ここで、エレメント１５の板厚方向が、金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒの周方向に一致している。
図２に拡大図で示すように、エレメント１５は、胴部１５ｄ、頭部１５ｆ、及び両者を幅方向中央部で連結する首部１５ｇから構成されている。胴部１５ｄは、入力側プーリ４、出力側プーリ５に係合する端面部１５ａ、１５ｂ及びロッキングエッジ部１５ｃを有する。頭部１５ｆには、互いに積層方向に凹凸をなして係合する凹凸係合部１５ｅが形成されている。そして、首部１５ｇの両側において、胴部１５ｄ及び頭部１５ｆの間に、一対の金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒが挿入されている。
図３に示すように、金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒ及び多数のエレメント１５からなる伝動ベルト２は、入力側プーリ４及び出力側プーリ５に巻き掛けられている。伝動ベルト２の２つの湾曲区間において、金属リング積層体１０Ｌ、１０Ｒの張力によってエレメント１５が入力側プーリ４及び出力側プーリ５に押し付けられる。そのため、入力側プーリ４から出力側プーリ５へ動力を伝達することができる。
ここで、図３に示すように、ベルト式無段変速機１は、入力軸３に連結された入力側プーリ４と、出力軸６に連結された出力側プーリ５と、両者の間に巻き掛けられた動力伝達用の伝動ベルト２と、を備えている。このベルト式無段変速機１では、図示しない車両のエンジンからクラッチやトルクコンバータを介して入力軸３に動力が入力される。一方、出力軸６から図示しない減速歯車機構や差動歯車装置を介して左右の駆動輪に動力が出力される。
図２に示すように、出力側プーリ５は、出力軸６に固定された固定側シーブ部材５ａと、出力軸６に軸方向変位可能に支持された可動側シーブ部材５ｂとを有している。固定側シーブ部材５ａと可動側シーブ部材５ｂとの間に略Ｖ字形の溝が形成され、溝幅Ｗを変更することができる。出力側プーリ５には、圧縮コイルばね７及び油圧アクチュエータ８が付設されている。圧縮コイルばね７は、出力側プーリ５の溝幅Ｗを縮小させるダウンシフト方向に可動側シーブ部材５ｂを付勢する。油圧アクチュエータ８は、可動側シーブ部材５ｂの背面側に油圧を作用させ、可動側シーブ部材５ｂを軸方向に変位させる。このような構成により、出力側プーリ５に対する伝動ベルト２の巻き掛かり半径ｒを、最小半径ｒｍｉｎから最大半径ｒｍａｘの範囲内で変化させることができる。
なお、圧縮コイルばね７のような付勢部材を有しない点を除けば、入力側プーリ４は出力側プーリ５と略同様な構成を有している。詳細には図示しないが、入力側プーリ４は、入力軸３に固定された固定側シーブ部材と、この固定側シーブ部材との間に略Ｖ字形の溝を形成するよう入力軸３に軸方向に変位可能に支持された可動側シーブ部材とを有している。さらに、可動側シーブ部材をアップシフト方向に付勢可能な油圧アクチュエータを有している。
＜金属リングの製造方法＞
次に、図４、図５を参照して、第１の実施形態に係る金属リングの製造方法について説明する。図４は、第１の実施形態に係る金属リングの製造方法を示すフローチャートである。図５は、第１の実施形態に係る金属リングの製造方法を示す斜視図である。
まず、図４に示すように、金属リングの素材であるパイプ状素材の主面（外周面及び内周面）に窒素親和性金属の濃度がバルク層よりも高くなった濃化層を形成する（ステップＳＴ１）。具体的には、減圧雰囲気もしくは窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気などの非酸化雰囲気において、８２０〜９００℃程度の温度で６０分程度、焼鈍を行うことにより、窒素親和性金属の濃化層を形成することができる。後述するように、濃化層は除去するため、２μｍ程度以下とすることが好ましい。
ここで、窒素親和性金属は酸素親和性金属でもある。そのため、非酸化雰囲気において焼鈍することにより、パイプ状素材の内部の窒素親和性金属が、酸素が吸着した表面に向かって拡散してくる。そのため、パイプ状素材の主面（外周面及び内周面）に窒素親和性金属の濃化層を形成することができる。同時に、濃化層の形成に伴い、濃化層の内側には窒素親和性金属の濃度がバルク層よりも低くなった欠乏層が形成される。
酸化雰囲気において焼鈍した場合、酸素がパイプ状素材の表面に留まらずに内部へ高速拡散するため、表面近傍に窒素親和性金属の濃化層は形成されない。一方、非酸化雰囲気であっても、雰囲気中に酸素が少な過ぎる場合にも、窒素親和性金属の濃化層は形成されない。従って、所望の濃化層が形成される酸素分圧や露点を把握した上で、焼鈍の雰囲気を管理することが好ましい。
一例として、窒素ガスに１〜３体積％程度の水素ガスを加え、露点を−１０〜０℃程度とした雰囲気で焼鈍することが好ましい。
図５の上側に示すように、パイプ状素材は、シート状素材の端面同士を溶接することにより、容易に製造することができる。ステップＳＴ１における焼鈍は、溶接部を均質化する効果も兼ねている。当然のことながら、パイプ状素材は、このような溶接パイプに限定されるものではなく、継目無パイプであってもよい。
また、図６は、雰囲気炉内においてパイプ状素材を焼鈍する様子を模式的に示す斜視図である。図６に示すように、パイプ状素材を立てた状態でトレイ上に略等間隔に整列させ、雰囲気炉内において焼鈍することが好ましい。
図７は、窒素親和性金属であるＣｒの濃化層を形成したサンプルにおいて、グロー放電発光分析装置によるＣｒの深さ方向分析を行った結果を示すグラフである。
サンプルは、窒素親和性金属としてＣｒを１質量％添加したマルエージング鋼である。窒素ガスに２体積％の水素ガスを加え、露点を−５℃とした雰囲気において、８８０℃で６０分の焼鈍を行った。露点−４０℃の窒素ガスに露点＋１０℃の窒素ガスを混合することにより、露点を−５℃に調整した。
図７に示すように、１〜２μｍの深さ（厚さ）の濃化層が形成されている。そして、濃化層の内側に１０μｍ程度の深さ（厚さ）の欠乏層が形成されている。
次に、図４に示すように、パイプ状素材から金属リング１１を切り出し、端面１１ｃを形成する（ステップＳＴ２）。これにより、端面１１ｃにバルク層を露出させる。この様子を、図５の下側に示す。ここで、金属リング１１の主面である外周面１１ａ、内周面１１ｂの表面近傍にはステップＳＴ１により濃化層が形成されている。一方、ステップＳＴ１よりも後のステップＳＴ２により得られた端面１１ｃではバルク層が露出し、表面近傍には濃化層及びその内部の欠乏層が形成されていない。
なお、ステップＳＴ２では、切断によらず端面にバルク層を露出させてもよい。例えば、リボン状のシート状素材から形成された金属リング１１の表面（外周面１１ａ、内周面１１ｂ、端面１１ｃ）に濃化層を形成した後（ステップＳＴ１）、端面１１ｃを研磨するなどして、端面１１ｃにバルク層を露出させてもよい。
次に、図４に示すように、金属リング１１の主面である外周面１１ａ、内周面１１ｂに形成されている窒素親和性金属の濃化層を除去し、窒素親和性金属の欠乏層を露出させる（ステップＳＴ３）。この結果、バルク層が露出した端面１１ｃの表層近傍における窒素親和性金属の濃度が、主面すなわち外周面１１ａ、内周面１１ｂの表層近傍における窒素親和性金属の濃度よりも高くなる。
具体的には、バレル研磨により、濃化層を除去することができる。バレル研磨により、ステップＳＴ２の切断によるバリも除去できる。また、バレル研磨により、四隅の面取部も形成される。
なお、濃化層を除去方法は、バレル研磨に限らず、砥石研磨やブラシ研磨などであってもよい。また、濃化層を除去方法は、研磨などの機械的な除去方法に限定されるものではなく、エッチングなどの化学的な除去方法であってもよい。
また、ステップＳＴ３とステップＳＴ２の順番は入替可能である。
図７に示した例では、バレル研磨により表面から約２μｍ削り取った。これにより、欠乏層を露出させることができた。
最後に、図４に示すように、金属リング１１を時効処理した後、窒化処理する（ステップＳＴ４）。この結果、金属リング１１の外周面１１ａ及び内周面１１ｂに第１窒化層１２ａ、１２ｂが形成され、両端面１１ｃに第２窒化層１２ｃが形成される。
上述の通り、ステップＳＴ３により、端面１１ｃの表層における窒素親和性金属の濃度が、主面すなわち外周面１１ａ、内周面１１ｂの表層における窒素親和性金属の濃度よりも高くなっている。そのため、ステップＳＴ４の窒化処理において、端面１１ｃの表層近傍では窒素親和性金属により多くの窒素原子がトラップされ、薄くかつ硬い第２窒化層１２ｃが得られる。同時に、外周面１１ａ、内周面１１ｂの表層近傍では窒素原子が内部に侵入し易く、第２窒化層１２ｃよりも厚くかつ硬さのより小さい第１窒化層１２ａ、１２ｂが得られる。
この結果、本実施形態に係る金属リング１１では、第２窒化層１２ｃの厚さＰｃを第１窒化層１２ａ、１２ｂの厚さＰａ、Ｐｂよりも小さくしつつ、端面１１ｃの表面硬さを外周面１１ａ及び内周面１１ｂの表面硬さよりも大きくすることができる。
時効処理は、例えば、窒素雰囲気もしくは還元雰囲気において、４５０〜５００℃程度の温度で、９０〜１８０分程度行うことが好ましい。
窒化処理は、例えば、５〜１５体積％のアンモニアガス、１〜３体積％の水素ガス、残りが窒素ガスとなる雰囲気において、４００〜４５０℃程度の温度で、４０〜１２０分程度行うことが好ましい。なお、雰囲気中の水素ガスはアンモニアガスの熱分解により発生するものである。
また、ステップＳＴ３の後、ステップＳＴ４の前に、以下の処理を行うことが好ましい。ステップＳＴ３の後、金属リング１１を所定の厚さまで薄くするとともに所定の周長まで延伸するために、圧延することが好ましい。その後、ひずみを除去するために、窒素雰囲気もしくは還元雰囲気において、８００〜９００℃程度の温度で、５〜３０分程度焼鈍することが好ましい。さらに、焼鈍した金属リング１１に張力を加え、所定の周長まで高精度に調整した後、ステップＳＴ４の時効処理を行うことが好ましい。
このような一連の好ましい処理を行った窒化処理後のサンプルの外周面１１ａについて、グロー放電発光分析装置による窒素の深さ方向分析を行った。図８は、時効処理後のサンプルの外周面１１ａにおいて、グロー放電発光分析装置による窒素の深さ方向分析を行った結果を示すグラフである。図８における実施サンプルは、上述の窒素親和性金属としてＣｒを１質量％添加したマルエージング鋼である。一方、図８における比較サンプルは、Ｃｒを含有しないマルエージング鋼である。その他の条件は同様である。
なお、溶接部の均質化を目的として、比較サンプルについても、上述のＣｒの濃化層を形成するための焼鈍と同一条件の焼鈍を行った。比較サンプルはＣｒを含有していないため、当然のことながら、比較サンプルではＣｒの濃化層は形成されない。
図８に示すように、実施サンプルでは、比較サンプルに比べ、表面近傍の窒素濃度が低くなった。さらに、実施サンプルでは、比較サンプルに比べ、窒素原子が内部まで侵入し、窒化層が厚くなった。これに伴い、実施サンプルの外周面１１ａの表面硬さは、比較サンプルの外周面１１ａの表面硬さよりも低くなった。
Figure 0006202034
表１に、比較サンプル、実施サンプルについて、外周面１１ａの表面硬さ及び窒化層厚さ、端面１１ｃの表面硬さ及び窒化層厚さをまとめて示した。表面硬さは、マイクロビッカース硬さ試験により測定した。窒化深さは、ナイタルエッチング後のミクロ組織観察により測定した。
比較サンプルでは、端面１１ｃの第２窒化層１２ｃの厚さが、外周面１１ａの第１窒化層１２ａの厚さよりも大きくなっている。そのため、端面１１ｃの表面硬さが、外周面１１ａの表面硬さよりも大きくなっている。
これに対し、実施サンプルでは、端面１１ｃの第２窒化層１２ｃの厚さが、外周面１１ａの第１窒化層１２ａの厚さよりも小さくなっている。にもかかわらず、端面１１ｃの表面硬さが、外周面１１ａの表面硬さよりも大きく、比較サンプルと同等の硬さを維持している。
また、実施サンプルでは、比較サンプルに比べ、外周面１１ａの第１窒化層１２ａの厚さが厚くなる一方で、硬さは低下している。しかしながら、このような構成により、外周面１１ａが、製造工程において不可避的に発生する微細傷や介在物に対して鈍感になるため、かえって好ましい。
上述の通り、実施サンプルでは、端面１１ｃの表層におけるＣｒ濃度が、外周面１１ａの表層におけるＣｒ濃度よりも高くなっている。そのため、窒化処理において、端面１１ｃの表層近傍ではＣｒ原子により多くの窒素原子がトラップされ、薄くかつ硬い第２窒化層１２ｃが得られる。同時に、外周面１１ａの表層近傍ではＣｒ原子が欠乏しているため、窒素原子が内部に侵入し易く、第２窒化層１２ｃよりも厚くかつ硬さのより小さい第１窒化層１２ａが得られる。その結果、端部を起点とした疲労破壊を抑制するとともに、端面１１ｃの耐摩耗性の低下を抑制することができる。
実施サンプルでは、比較サンプルに比べ、疲労耐久寿命が１．６倍に向上した。
＜従来例に対する優位性＞
次に、図９、図１０を参照して、特許文献１に示された従来例に対する本発明の優位性について説明する。図９は、端面の窒化層厚さに対する端面の表面硬さの変化を示すイメージ図である。図１０は、窒化量に対する端面の窒化層厚さの変化を示すイメージ図である。図９に示すように、窒化層厚さと表面硬さは略比例関係にある。図１０に示すように、窒化量が増加するにつれて窒化層厚さは徐々に飽和するような曲線となる。
従来例に係る金属リングは、窒化処理前に端面上に窒化阻害膜を形成することにより、主面に形成される窒化層の厚さよりも端面に形成される窒化層の厚さを小さくしたものである。すなわち、端面から侵入する窒素原子の数を減らすことにより、窒化層の厚さを小さくしている。
これに対し、本発明に係る金属リングは、窒素原子をトラップさせるＣｒなどの窒素親和性金属を含有している。すなわち、本発明では、窒素親和性金属により窒素原子をトラップさせ、窒素原子の内部への侵入を抑制することにより窒化層の厚さを小さくしている。
そのため、図９に破線で示すように、同じ窒化層厚さで比較した場合、本発明の方が、従来例よりも多くの窒素原子を含有しており、表面硬さを大きくすることができる。すなわち、本発明では、端部の第２窒化層が薄いにも関わらず、端面の表面硬さを高くすることができる。
また、図１０に示すように、同じ窒化量（反応した窒素の量）で比較した場合、従来例の方が本発明よりも窒化層厚さは大きくなる。そのため、同じ窒化層厚さで比較した場合、本発明の方が、従来例に比べ、窒化量に対する窒化層厚さの変化の傾きが小さくなる。すなわち、本発明の方が、従来例に比べ、所望の窒化層厚さ及び表面硬さを安定して得ることができる。
＜他の実施形態＞
上述のように、窒素親和性金属としては、時効析出しないＣｒなどを添加することが好ましい。しかしながら、マルエージング鋼に元来含まれているＡｌ、Ｔｉを上述の窒素親和性金属として用いてもよい。この場合、時効処理を行わないか、時効処理においてＡｌ、Ｔｉを亜時効とすることにより、未析出のＡｌ、Ｔｉを窒化処理時の窒素のトラップサイトとして利用する。他方、時効処理を行わない場合や亜時効の場合、硬さが低下する。これを補うために、予めＭｏやＣｏの添加量を増加させておくことが好ましい。但し、ＭｏやＣｏは高価であるため、このような観点からもＣｒを添加し、充分な時効処理を行う方が好ましい。
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
１ ベルト式無段変速機
２ 伝動ベルト
３ 入力軸
４ 入力側プーリ
５ 出力側プーリ
５ａ 固定側シーブ部材
５ｂ 可動側シーブ部材
６ 出力軸
８ 油圧アクチュエータ
１０Ｌ、１０Ｒ 金属リング積層体
１１ 金属リング
１１ａ 外周面
１１ｂ 内周面
１１ｃ 端面
１１ｄ 非窒化部
１２ 窒化層
１２ａ、１２ｂ 第１窒化層
１２ｃ 第２窒化層
１５ エレメント
１５ａ 端面部
１５ｃ ロッキングエッジ部
１５ｄ 胴部
１５ｅ 凹凸係合部
１５ｆ 頭部
１５ｇ 首部

Claims (6)

  1. ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リングであって、
    主面に形成された第１窒化層と、
    端面に形成された第２窒化層と、を備え、
    前記第２窒化層の厚さが、前記第１窒化層の厚さよりも小さく、
    前記端面の表面硬さが、前記主面の表面硬さよりも大きい、
    金属リング。
  2. 時効処理時に析出しない窒素親和性金属を含有するマルエージング鋼からなることを特徴とする、
    請求項１に記載の金属リング。
  3. 前記窒素親和性金属としてＣｒを含有することを特徴とする、
    請求項２に記載の金属リング。
  4. ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いる金属リングの製造方法であって、
    前記金属リングの素材の主面に窒素親和性金属が濃化した濃化層を形成する工程と、
    前記濃化層を除去し、前記主面において、前記窒素親和性金属が欠乏した欠乏層を露出させる工程と、
    前記濃化層を形成した後に、前記金属リングの端面において、前記濃化層及び前記欠乏層が形成されていない前記素材内部のバルク層を露出させる工程と、
    前記主面に前記欠乏層が露出し、かつ、前記端面に前記バルク層が露出した前記金属リングを窒化する工程と、を備え、
    前記端面に形成された第２窒化層の厚さが、前記主面に形成された第１窒化層の厚さよりも小さく、
    前記端面の表面硬さが、前記主面の表面硬さよりも大きくなる、
    金属リングの製造方法。
  5. 窒化する工程の前に、前記主面に前記欠乏層が露出し、かつ、前記端面に前記バルク層が露出した前記金属リングを時効処理する工程をさらに備え、
    前記金属リングが、前記時効処理時に析出しない前記窒素親和性金属を含有するマルエージング鋼からなることを特徴とする、
    請求項４に記載の金属リングの製造方法。
  6. 前記窒素親和性金属としてＣｒを含有することを特徴とする、
    請求項４又は５に記載の金属リングの製造方法。
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