KR20090042937A

KR20090042937A - 무단 변속기용 풀리

Info

Publication number: KR20090042937A
Application number: KR1020097003842A
Authority: KR
Inventors: 쥰 가또오; 히데오 하따; 겐지 야마모또
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-05-04
Also published as: JP2008057624A; ATE530809T1; CN101473149A; CN101473149B; EP2058560A1; US20100009795A1; EP2058560A4; JP4206112B2; WO2008026459A1; EP2058560B1; KR101076582B1; US8523722B2

Abstract

벨트 CVT로서 요구되는 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지의 요구 과제를 만족하는 풀리를 제공하는 것을 목적으로 한다. 풀리와 엘리먼트 사이에서 동력 전달하는 무단 변속기의 풀리로서, Mn을 특정량 포함하는 강재로 이루어지고, 이 강재 표면에 Mn을 특정량 포함하는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 쪽의 표면 경화층을 갖고, 이 표면 경화층이 SCr420 현행재를 상회하는 0.115 이상의 마찰 계수를 안정적으로 얻을 수 있어, 내마모성도 대략 동등하게 유지하거나 혹은 개선하는 특성을 갖는다.

벨트 CVT, 마찰 계수, 내마모성, 표면 경화층, 풀리

Description

무단 변속기용 풀리{PULLEY FOR CONTINUOUSLY VARIABLE TRANSMISSION}

본 발명은 자동차 등의 무단 변속기용, 그 중에서도 벨트식 무단 변속기(벨트 CVT)에 있어서, 엘리먼트를 통하여 벨트로 구동력을 효율적으로 전달하는 풀리 부재에 관한 것이다.

벨트 CVT는, 자동차의 연비 개선을 위해 자동차로의 탑재량이 점차 증가하고 있다. 탄산 가스 배출량 억제가 사회적으로 강하게 요구되고 있는 배경도 있어, 최근에는 벨트 CVT를 더 고효율화하는 방향으로 기술 개발이 진행되고 있다. 벨트 CVT는 다층의 금속 벨트로 묶은 엘리먼트라고 불리는 다수의 블록 형상 부품을 대향하는 2개의 풀리 사이에 끼워 넣고, 엘리먼트-풀리가 미끄럼 이동할 때의 마찰력으로 동력 전달을 행한다. 따라서, 풀리-엘리먼트 사이의 마찰 계수를 올림으로써 동력 전달의 효율을 높일 수 있다.

한편, 풀리-엘리먼트 사이의 미끄럼 이동을 안정시키는 관점에서 풀리나 엘리먼트의 내마모성 향상도 필요하여, 고마찰(계수)이어도 마모량이 많은(내마모성이 떨어지는) 경우에는 동력 전달 성능이 점차 저하되는 것이 예상된다. 이것은, 반대로 내마모성이 좋아도 저마찰(계수)인 경우에도 동일하다.

이와 같은 과제에 대하여, 종래부터 마찰 마모 특성을 개선하는 기술이 제안 되고 있다. 예를 들어, 특허 문헌1에 기재되어 있는 바와 같이 풀리 표면의 거칠기를 일정한 상태로 제어함으로써 윤활유의 배출성을 높여, 결과적으로 풀리-엘리먼트 사이에 형성되는 유막 두께를 줄여 금속간 접촉의 비율을 올려 마찰 계수를 올리는 방법이 제안되어 있다.

또한, 특허 문헌2, 3에는 숏블라스트에 의해 풀리 등의 접촉 표면에 강한 압축 응력을 부여하여 전동(轉動) 피로 강도를 개선하여 미끄럼 이동면의 내마모성을 향상시켜 고마찰 계수를 유지하는 방법이 개시되어 있다.

또한, 종래부터 이러한 종류의 풀리에는 SCr420H 등, Mn, Cr을 일정량 포함하는 기계 구조용 합금강이 사용되고 있다. 또한, 특허 문헌4, 5, 6에는 C, Si, Mn 등의 성분 조성을 조정하여 피로 강도 등의 기계적인 특성을 개선한, 풀리에 사용되는 침탄용 강이 제안되어 있다.

특허 문헌1 : 일본 특허 출원 공개2002-213580호 공보

특허 문헌2 : 일본 특개평5-157146호 공보

특허 문헌3 : 일본 특허 출원 공개2000-130527호 공보

특허 문헌4 : 일본 특허 출원 공개2000-160288호 공보

특허 문헌5 : 일본 특허 출원 공개2005-200667호 공보

특허 문헌6 : 일본 특허 출원 공개2006-28568호 공보

특허 문헌1은, 강재 표면의 경화와 패터닝에 전자 빔 가공을 사용하고 있으나, 자동차용 부품으로서는 생산성이 나쁘고, 비용도 높아지기 때문에, 벨트 CVT용 풀리로서는 실용성이 결여되는 문제가 있다. 또한, 특허 문헌2, 3의 방법에 따르면, 숏블라스트로 마무리한 강재 표면의 내마모성은 확실히 향상되나, 벨트 CVT용 풀리에 요구되는 마찰 계수의 향상 효과는 여전히 불충분하다.

벨트 CVT용 풀리에 요구되는, 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지는, 이렇게 원래 상반되는 요구 과제로서, 마찰 계수를 향상시키기 위해 엘리먼트-풀리 사이의 접촉 비율을 늘리면 내마모성은 저하되는 경향이 강하다. 그 때문에 풀리 표면의 경도를 조정하거나, 윤활유를 개량하거나 하는 노력이 공업적으로 행해지고 있으나, 윤활유를 포함시킨 적합한 조합은 발견되고 있지 않은 것이 현 상황이다.

따라서, 지금까지는 상기 요구 과제를 만족하는 것은 아니나, SCr420H 등의 표피경화강에 침탄 켄칭 템퍼링 처리를 행하고, 연삭 처리 후에 벨트 CVT용 풀리로서 사용해 왔다. 그 외, 벨트 CVT용 풀리에는 SK1 내지 SK7, SCM, SCM440, SCM445, SKD11 등의 적용도 공지이기는 하다. 그러나, 상기 요구 과제를 만족하는 풀리 전용 부재의 개발은 대부분 행해지고 있지 않아, 벨트 CVT용 풀리에 요구되는, 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지의 요구 과제를 만족하지 못했다.

본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 요구되는 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지의 요구 과제를 만족하는, 벨트 CVT용 풀리를 제공하는 것이다.

이 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 요지는 풀리와 엘리먼트 사이에서 동력 전달하는 무단 변속기의 풀리로서, C:0.1 내지 0.3질량％, Si:0.1 내지 0.5질량％, Mn:1 내지 10질량％를 각각 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재로 이루어지고, 이 강재 표면에 Mn을 1 내지 10질량％ 포함하는 동시에, 10㎛ 이상의 평균 두께를 갖는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층을 갖는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 상기 강재가 Cr을 1 내지 20질량％ 더 포함하는 동시에, 상기 표면 경화층이 Cr을 1 내지 20질량％ 더 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 마찬가지로 상기 표면 경화층의 질소 함유량이 3 내지 25at.％인 것이 바람직하다. 또한, 마찬가지로 상기 표면 경화층의 표면 경도가 Hv750 내지 950인 것이 바람직하다.

본 발명에서 말하는, 벨트 CVT용 풀리에 요구되는 마찰 계수의 향상이란, 정량적으로는 상기 표면 경화층의 마찰 계수가 0.115 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에서는 실제의 풀리-엘리먼트의 접촉 상태를 해석하여 모의 미끄럼 이동 시험 조건을 설정하여 그 환경에 있어서의 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지를 양립시킬 수 있는 풀리 표면의 재료 조건을 탐색하여 본 발명에 이르렀다.

즉, 본 발명에서는 풀리 표면(풀리용 강재 표면)을, Mn을 특정량 함유하는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층으로 한다. 이에 의해, 벨트 CVT용 풀리의 마찰 계수를 현재의 침탄 SCr420H 강재에 비하여 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 동시에 엘리먼트측의 마모량도 억제할 수 있어 실용에 견딜 수 있는 내마모성을 유지할 수 있다. 즉, 요구되는 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지의 요구 과제를 만족하는, 벨트 CVT용 풀리를 제공할 수 있다.

질화층 또는 침탄 질화층으로의 Mn의 특정량의 함유가 풀리 표면(풀리용 강재 표면)의 마찰 계수의 향상에 기여하는 기구는 반드시 분명하지는 않다. 그러나, 풀리와 엘리먼트 표면의 미끄럼 이동부에 생성되는 경계 윤활막 내에 Mn이 도입되고 있는 것을 확인하고 있으며, 풀리 표면(풀리용 강재 표면)의 마찰 계수의 향상에 질화층 또는 침탄 질화층 중의 Mn이 기여하고 있는 것은 명확하다. 따라서, 질화층 또는 침탄 질화층 중의 Mn이 마찰 마모 거동에 강하게 영향을 주는 경계 윤활막의 구조 특성을 바꿈으로써 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지를 양립시키고 있을 가능성이 있다.

도 1은 베인 온 디스크형의 미끄럼 이동 마모 시험의 요령을 도시하는 설명도이다.

(강재 성분 조성)

본 발명의 무단 변속기 풀리를 구성하는 강재의, 성분 한정 이유에 대하여 이하에 설명한다. 이하, 혹은 상기한 각 원소량의 표시 단위는 모두 질량％이다.

본 발명의 무단 변속기 풀리를 구성하는 강재는 풀리로서의 필요 강도 등의 기계적인 특성을 만족하는 동시에, 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지를 양립시키기 위해, C:0.1 내지 0.3질량％, Si:0.1 내지 0.5질량％, Mn:1 내지 10질량％를 각각 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것으로 한다.

C:0.1 내지 0.3질량％

C는 풀리로서의 필요 강도 등의 기계적인 특성을 만족한다. C 함유량이 너 무 적으면 C의 고용 강화가 부족하여 강도가 저하되는 것 외에, 켄칭성도 저하된다. 한편，C 함유량이 너무 많으면 풀리로의 가공성이 저하된다. 따라서, C 함유량은 0.1 내지 0.3질량％의 범위로 한다. 바람직하게는 C 함유량은 0.15 내지 0.25질량％이다.

Si:0.1 내지 0.5질량％

Si는 풀리로서의 필요 강도 등의 기계적인 특성을 만족하고, 탈산 효과도 있다. Si 함유량이 너무 적으면 Si의 고용 강화가 부족하여 강도가 저하되는 것 외에, 탈산 효과도 저하된다. 0.05％ 미만에서는 그 효과가 너무 적다. 한편，Si 함유량이 너무 많으면 풀리로의 가공성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.1 내지 0.5질량％의 범위로 한다.

Mn:1 내지 10질량％

Mn은 벨트 CVT용 풀리의 표면 경화층의 마찰 계수를 현재의 침탄 SCr420H 강재에 비하여 마찰 계수로 0.115 이상으로 향상시키고, 동시에 엘리먼트측의 마모량도 현행의 현재의 침탄 SCr420H 강재와 동등 이하로 억제할 수 있는, 중요 합금 원소이다. 상기한 바와 같이, 강재 중의 Mn은 이 강재의 질화 처리 또는 침탄 질화 처리 중 어느 한 표면 경화 처리에 의해 풀리 표면(강재 표면)에 형성되는, 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층에 함유되어, 이들 효과를 발휘한다.

Mn이 이들 효과를 발휘하는, 즉 강재 표면에 형성되는 상기 표면 경화층에 Mn이 1질량％ 이상 함유되기 위해서는, 강재 중의 Mn 함유량을 1질량％ 이상으로 할 필요가 있다. 강재 중의 Mn 함유량이 1질량％ 미만에서는 강재의 질화 처리 또 는 침탄 질화 처리의 표면 경화 처리에 의해서도 강재 표면에 형성되는 상기 표면 경화층에 Mn을 1질량％ 이상 함유시킬 수 없다. 바꾸어 말하면, 벨트 CVT용 풀리의 마찰 계수를 0.115 이상으로 향상시키고, 동시에 실용에 견딜 수 있는 내마모성을 유지할 수 없다.

한편, 강재 중의 Mn 함유량이 10질량％를 초과하면 강재 표면에 형성되는 상기 표면 경화층의 Mn 함유량도 10질량％를 초과하여 너무 높아져, 마찰 계수의 향상 효과를 얻을 수 없어, 엘리먼트측의 마모량이 증대되는 경향이 강해진다. 즉, 강재 중의 Mn 함유량이 1 내지 10질량％의 본 발명 범위를 상하로 벗어나는 경우에는 마찰 계수의 향상 효과가 얻어지지 않고, 엘리먼트측의 마모량이 증대된다. 여기서, 엘리먼트 마모량이 증대되는(상대 공격성이 증가되는) 문제는 Mn 함유량이 적은 경우에 더 현저하다.

여기서, 후술하는 실시예와 같이 Mn 함유량이 3질량％인 경우, Mn 함유량이 그 미만이나 그것을 초과하는 다른 발명예에 비하여, 표면 경화층의 마찰 계수가 0.120으로 높은 마찰 계수를 갖는다. 이 점으로부터, 표면 경화층의 마찰 계수 향상 경 효과는, Mn 함유량에 비례하여 향상되는 것이 아니라, Mn 함유량이 3질량％ 부근에서 극대값을 나타낸다. 따라서, 벨트 CVT용 풀리의 사용 환경의 차이와 상관없이, Mn의 효과를 보다 안정적으로 발휘시키기 위해서는 강재 중의 Mn 함유량을 이 3질량％ 근방의 2 내지 6질량％의 함유량 범위로 하는 것이 바람직하다.

Mn 함유량이 6질량％를 초과한 경우에는, 6질량％ 이하의 마찰 계수의 향상 효과에 비하여 그다지 큰 차이가 없고, 벨트 CVT용 풀리의 사용 환경에 따라서는 마찰 계수의 향상 효과는 있기는 하나, 도리어 6질량％ 이하의 마찰 계수의 향상 효과보다도 저하될 가능성이 있다. 이 점, Mn 함유량이 증가하는 비용 증가나 제조 비용 증가도 고려하면 Mn 함유량은 6질량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 따라서, 바람직한 강재 중의 Mn 함유량 범위, 바람직한 표면 경화층의 Mn 함유량 범위는 2 내지 6질량％이다.

Cr:1 내지 20질량％

강재가 Mn 외에, Cr을 1 내지 20질량％ 선택적으로 더 포함하는 동시에, 이에 의해 상기 표면 경화층이 Mn 외에 Cr을 1 내지 20질량％ 더 포함하는 것이 바람직하다. Cr의 복합 첨가(함유)에 의해 가일층의 마찰 계수의 향상 효과를 얻으면서, 엘리먼트의 내마모성을 개선(상대 공격성을 억제)하는 것이 가능하다. Cr의 이러한 효과는 Mn보다도 탄화물이나 질화물을 생성하기 쉬운 것이 기여하고 있다고 추고된다. 이 효과는, 바람직하게는 Cr을 2질량％ 이상 함유하는 경우에 현저하며, 현행재(現行材)와 거의 동등하거나 혹은 동등 이상의 내마모성을 얻을 수 있다.

한편, 강재 중이나 상기 표면 경화층 중의 Cr 함유량이 20질량％를 초과하여 너무 커지면 도리어 마찰 계수가 저하되어 Mn의 첨가 내지 함유 효과가 상쇄되는 경향이 강해진다. 또한, 풀리 표면의 경도가 약간 저하되어 풀리의 마모량이 약간이긴 하나 증가하는 경향이 강해진다. 따라서, Cr 함유량은 20질량％ 이하로 억제해야 하고, 마찰 계수의 향상 효과를 손상시키지 않기 위해서는 바람직하게는 10질량％ 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

따라서, 강재 중과 상기 표면 경화층 중의 Cr 함유량은 1 내지 20질량％의 범위인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 2 내지 10질량％의 범위로 한다.

본 발명의 풀리는 상기 원소를 기본 성분으로 하여 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재로 된다. 단, 통상의 침탄용 강재, 질화용 강재 스크랩을 용해 원료로 한 경우, 이들 강재가 포함하는 하기 원소를 불가피적 불순물 원소로서 포함할 가능성이 높아, 최대한 저감되는 것은 비용 상승이 된다. 따라서, 본 발명에서는 강재 중에 본 발명의 효과를 저해하지 않는 범위에서 하기 원소를 불가피적 불순물 원소로서, 하기 함유량만큼 각각 포함해도 된다. Ti:0.050％ 이하, N:0.0250％ 이하, Al:0.10％ 이하, Ni, Cu, Mo의 합계 2.0％ 이하, B:0.0050％ 이하, V:0.10％ 이하, Nb:0.10％ 이하, Ca:0.0050％ 이하, Mg:0.0050％ 이하, Zr:0.050％ 이하, REM:0.020％ 이하, S:0.10％ 이하, P:0.10％ 이하, O:0.0030％ 이하.

(강재 제조 방법)

이상의 성분 조성으로 이루어지는, 본 발명의 무단 변속기용 풀리용의 강재 자체는, 통상의 침탄용 강재, 질화용 강재와 동일한 상법에 의해 제조할 수 있다. 즉, 이상의 성분 조성으로 이루어지는 강편 주조 후에 열간 압연, 열간 단조 등의 열간 가공, 또한 냉간 압연, 냉간 단조 등의 냉간 가공을 상법에 따라 적절하게 실시한다. 이들 가공에 의해 거친 형상으로 가공된 부재는, 그 후 질화 처리, 침탄 질화 처리가 실시되어, 무단 변속기용 풀리로의 마무리 가공이 적절하게 실시된다.

(표면 경화층)

강재의 표면 경화 처리로서는, 후술하는, 현재 공업적으로 행해지고 있는 질화, 침탄 질화 등의 처리 방법을 적용할 수 있다. 이들 질화, 침탄 질화 등의 처리에 의해 상기 성분 조성으로 이루어지는 강재 표면에 Mn을 1 내지 10질량％ 포함하는 동시에, Cr을 선택적으로 1 내지 20질량％ 더 포함하는, 10㎛ 이상의 평균 두께를 갖는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 쪽의 표면 경화층을 형성한다. 표면 경화층의 두께는 바람직하게는 50㎛ 이상, 더 바람직하게는 100㎛ 이상이다. 표면 경화층의 두께의 상한은 특별히 한정되지 않고, 강재의 수명 및 비용으로부터 임의로 설정하는 것이 가능하다.

강재의 표면 경화 처리로서, 침탄이 아니라, 질화, 침탄 질화 등의 처리가 마찰 계수의 향상 효과면에서 우위인 것은, 질화 혹은 침탄 질화에 의해 강재 표면 근방(표면 경화층)에 생성되는, Mn₃N 등의 Mn계 질화물이나, CrN 등의 Cr계 질화물이 마찰 계수 향상에 의해 기여하기 때문이라고 추고된다.

(표면 경화층 경도)

벨트 CVT용 풀리의 마찰 계수를 0.115 이상으로 현재의 침탄 SCr420H 강재에 비하여 향상시키고, 동시에 엘리먼트측의 마모량도 현행의 현재의 침탄 SCr420H 강재와 동등 이하로 억제하기 위해 표면 경화 처리 후의 표면 경화층의 표면 경도의 목표는 Hv750 내지 950의 범위인 것이 바람직하다. Hv750 미만에서는 풀리 표면의 내마모성이 불충분하게 될 가능성이 있다. 한편, Hv950을 초과하면 엘리먼트 마모량의 증가 경향이 강해질 가능성이 있다.

(표면 경화층 두께)

표면 경화층으로서, 벨트 CVT용 풀리의 사용 환경의 차이와 상관없이, Mn이나 Cr의 상기 마찰 계수 향상 효과를 보다 안정적으로 발휘시키기 위해서는 표면 경화층이 10㎛ 이상의 평균 두께(표면으로부터의 깊이)를 가질 필요가 있다. 표면 경화층의 평균 두께가 10㎛ 미만에서는 벨트 CVT용 풀리의 사용 환경에 따라서는 Mn이나 Cr의 상기 마찰 계수 향상 효과를 보다 안정적으로 발휘할 수 없다. 이 표면 경화층의 평균 두께는 상기 표면 경화층 경도를 보증하기 위해서이기도 하다.

(표면 경화층 질소 함유량)

벨트 CVT용 풀리의 마찰 계수를 0.115 이상으로, 현재의 침탄 SCr420H 강재에 비하여 향상시키는 동시에, 엘리먼트측의 마모량도 현행의 현재의 침탄 SCr420H 강재와 동등 이하로 억제하기 위해 표면 경화 처리 후의 표면 경화층의 질소 함유량의 목표는 3 내지 25at.％의 범위인 것이 바람직하고, 8 내지 20at.％의 범위인 것이 더 바람직하다. 질소 함유량이 3at.％ 미만에서는 표면 경화층의 Mn, Cr 함유량이 규정을 만족시켜도 질소가 부족하여 상기 Mn계 질화물이나 Cr계 질화물이 부족하므로 경도가 낮아져 풀리 표면의 마찰 계수 향상이나 내마모성이 불충분해질 가능성이 있다. 한편, 질소 함유량이 25at.％를 초과하면 표면 경도가 너무 높아져, 엘리먼트 마모량의 증가 경향이 강해질 가능성이 있다. 또한, 질화 처리의 비용이 증가한다.

이들 표면 경화층의 질소 농도는 경화층 표면으로부터의 EPMA(전자선 마이크로프로브에 의한 미소부 X선 마이크로 분석법)에 의한 정량 분석에 의해 얻을 수 있다.

(표면 경화 처리)

현재 공업적으로 행해지고 있는 질화 처리로서는, 강재를 암모니아(NH₃) 가스 분위기 하에서 500 내지 600℃×1 내지 100hr 정도 처리한다. 또한, 침탄 질화 처리는 메탄 등의 탄화수소 가스나 CO 가스 분위기 하에서 900 내지 1000℃×1 내지 100hr 정도의 침탄 처리 후의 냉각 과정에서 500 내지 600℃×50 내지 100hr 정도 질화 처리한다.

이 질화 혹은 침탄 질화 처리 강재에서, 백층이라고 불리는 질화물층이 표면에 생성되는 경우에는 그 층을 절삭이나 연마 등의 표면 가공에 의해 얇게 제거하는 편이 바람직하다. 그 경우, 표면의 질소 농도는 20at.％ 이하로 되는 경우가 많으므로 주의한다.

질화 혹은 침탄 질화 처리 강재에서는 질화 깊이(경화층 두께)에 주의해야 하며, 경화 처리 조건에 따른 질화 깊이나 표면 경도 등의 분포를 예비적으로 파악하여 범위 내인 것을 확인한 후에, 표면 마무리를 행한다. 그 후, 질화 혹은 침탄 질화 처리 강재를 켄칭 템퍼링 처리한다.

다음에, 실시예를 들어 본 발명을 더 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이러한 실시예에 의해 한정적으로 해석되는 것은 아니다.

<실시예>

표1에 나타낸 바와 같이, Mn, Cr 함유량을 다양하게 바꾼 화학 성분의 강재 표면에 동일한 처리 조건으로 질화 처리 또는 침탄 질화 처리하여 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층을 형성하고, 이들 각 표면 경화층의 마찰 계수와 내마모성을 측정, 평가했다. 이들 결과도 표1에 나타낸다.

동시에, 이들 각 표면 경화층의 평균 두께(㎛), 질소 함유량(평균, at.％), 표면 경도(평균, Hv)를 측정했다. 이들 결과도 표1에 나타낸다.

표1의 각 강재 모두 그 밖의 불순물로서 Ti, N, Al, Ni, Cu, Mo, B, V, Nb, Ca, Mg, Zr, REM, S, P, O의 합계량은 0.15％ 이하였다.

강재는, 도 1에 도시하는 디스크 1A 형상으로 가공 후, 하기 조건으로 표면 경화 처리한 후, 얇게 표면 연삭하여 표면 조도 Ra 0.7 내지 1.3㎛로 마무리했다. 그리고, 875℃의 온도로 가열한 후에 수냉을 행하고, 200℃×1hr의 템퍼링 처리를 행하여 시험용의 강재를 얻었다.

(표면 경화 처리)

질화 처리:강재를 암모니아(NH₃) 가스 분위기 하에서 540 내지 550℃×72hr 처리했다.

침탄 질화 처리:메탄 등의 탄화수소 가스 분위기 하에서 950℃×50hr의 침탄처리 후, 그 냉각 과정에서 500℃×3hr 암모니아(NH₃) 가스를 흘려 질화 처리했다.

(베인 온 디스크형 미끄럼 이동 시험)

상기 얻은 시험용의 강재[디스크(1A) 형상]를 미끄럼 이동 상대재로서, 도 1에 도시하는 원반형의 베인(2A)에 의해, 베인 온 디스크형의 미끄럼 이동 마모시험 을 CVT오일 중에서 행하였다. 그리고, 오일 중 마찰 계수(윤활유 중에서의 마찰 계수)를 측정했다. 또한, 디스크(1A)측과 베인(2A)측의 마모료량을 측정했다.

베인(2A)은 SK5(경도:HRC57 내지 59, 선단부 R4㎜, 경면화)를 사용했다. 미끄럼 이동 시험 조건은, 하중을 100N으로 300m 미끄럼 이동 후, 하중을 500N으로 올려 1000m 미끄럼 이동시켰다. 미끄럼 이동 속도는 0.7㎜/s로 일정하게 하여, 시판 CVT오일로서 온도 100℃의 닛산 자동차 순정유(상품명:NS2)를 사용했다.

(마찰 계수 측정)

미끄럼 이동 시험 종료 전 50m에서의 디스크(1A)의 마찰 계수μ를 평균화 처리하여 산출했다. 마찰 계수μ의 측정에는 신코엔지니어링사 제품, 자동 마찰 계수 측정 장치(상품명:3핀형 오일 중 기초 미끄럼 이동 마모 시험기)를 사용했다.

(마모량 측정)

베인 마모량은 미끄럼 이동 시험 종료 후, 선단부 마모 폭의 평균값을 측정하여 비마모량으로 환산하여 산출했다. 디스크 마모량은 미끄럼 이동 시험 종료 후, 미끄럼 이동 흔적의 마모 단면적을 촉침식 조도계로 4개소 측정하여 평균화했다.

(마찰 계수, 내마모성의 평가)

마찰 계수, 내마모성의 평가는 비교로서, 현행재인 SCR420재를 마찬가지로 표면 경화 처리한 것을 기준으로 하여 행했다. 즉, 내마모성이 현행재 SCR420재와 동등하거나 혹은 향상되어도 마찰 계수가 현행재 SCR420재와 동등하거나 낮은 예를 ×로 평가했다. 또한, 내마모성이 현행재 SCR420재와 동등하거나 혹은 향상되어 있으며, 마찰 계수가 현행재 SCR420재보다도 높아진 예를 ○로 평가했다. 그리고, 이 ○ 중에서 마찰 계수가 0.120 이상으로 향상된 예를 ◎로 평가해다.

(표면 경도)

상기 얻은 시험용의 강재 표면(경화층 표면, 미끄럼 이동 시험 전)의 경도를 마츠자와 정밀기계사 제품인 마이크로 비커스 경도계(상품명 「미소 경도계」)로, 10g의 하중을 가하여 3개소 측정하고, 경도 HV는 그들의 평균값으로 하였다.

(표면 경화층의 질소량)

EPMA에 의해 표면 경화층 표면의 질소 농도(at.％)를 정량 분석했다. EPMA의 측정 조건은 가속 전압:10㎸, 전류:2 내지 5×10^-8A, 측정 에어리어:한변을 100㎛으로 했다. 측정은 3개소 행하고 질소 농도는 그 평균으로 했다. 표면 경화층의 Mn과 Cr의 함유량은 모재의 Mn과 Cr의 함유량과 동일하게 발광 분광 분석에 의해 행하였다. 측정은 3개소 행하고 함유량은 그 평균으로 했다.

표1로부터 알 수 있는 바와 같이, 발명예1 내지 22는 본 발명 범위 내의 성분 조성을 갖고，Mn 혹은 Mn과 Cr을 소정량 포함하고, 이 강재 표면에 Mn 혹은 Mn과 Cr을 소정량 포함하는 동시에, 10㎛ 이상의 평균 두께를 갖는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층을 갖는다. 발명예의 표면 경화층은 질소 함유량이 3 내지 25at.％의 범위이다. 그리고, 발명예의 표면 경화층은 표면 경도가 Hv750 내지 950의 범위이다.

그 결과, 발명예1 내지 22는 표면 경화층의 마찰 계수가 0.115 이상으로, 현 행재(비교예23, 24)를 상회하는 마찰 계수를 안정적으로 얻을 수 있고, 내마모성도 거의 동등하게 유지하거나 혹은 개선되어 있었다. 이 중에서도, 특히 발명예3, 17은, Mn 함유량이 3질량％로, Mn 함유량이 그 미만이나 그것을 초과하는 다른 발명예에 비하여, 표면 경화층의 마찰 계수가 0.120으로 높은 마찰 계수를 갖는다. 또한, Mn 함유량이 3질량％이고 Cr을 포함하지 않는 발명예20도, 비교적 마찰 계수가 높다. 이 점으로부터, 표면 경화층의 마찰 계수 향상 경 효과는, Mn 함유량에 비례하여 향상되는 것이 아니라, Mn 함유량이 3질량％ 부근에서 극대값을 나타내는 것을 알 수 있다.

또한, 현행재(비교예23, 24)의 마찰 계수 0.114에 대하여, 마찰 계수를 0.001 향상시키는 것만으로 (마찰 계수를 0.115로 하는 것만으로), 벨트 CVT용 풀리의 동력 전달의 효율을 높일 수 있다. 이 점, 현행재(비교예23, 24)의 마찰 계수 0.114에 대하여, 발명예3, 17이 마찰 계수 0.120으로, 0.006이나 높이는 것은 벨트 CVT용 풀리의 동력 전달의 효율(동력 전달 성능)을 현저하게 높일 수 있는 것을 의미한다.

이에 대해, 현행재(비교예23, 24)는 내마모성은 향상시킬 수 있어도 표면 경화층의 마찰 계수를 향상시킬 수 없어, 이들 양 특성을 겸비하지 못한다. 이 점은, Mn 함유량이 너무 적은 비교예25, 26, 반대로 Mn 함유량이 너무 많은 비교예27, 28도 마찬가지이다.

따라서, 이들 결과로부터, 본 발명 벨트 CVT용 풀리의 강재 요건의 의의가 뒷받침된다.

본 발명을 상세하게 또한 특정한 실시 형태를 참조하여 설명했으나, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있는 것은 당업자에게 있어서 명백하다. 본 출원은 2006년 8월 30일 출원의 일본 특허 출원(일본 특허 출원2006-234055)에 기초하는 것이며, 그 내용은 여기에 참조로서 포함된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 벨트 CVT로서 요구되는 마찰 계수의 향상과 내마모성의 유지의 요구 과제를 만족하여 양 특성을 겸비하는 풀리를 제공할 수 있다.

Claims

풀리와 엘리먼트 사이에서 동력 전달하는 무단 변속기의 풀리이며, C:0.1 내지 0.3질량％, Si:0.1 내지 0.5질량％, Mn:1 내지 10질량％를 각각 포함하고, 잔량부 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 강재로 이루어지고, 이 강재 표면에 Mn을 1 내지 10질량％ 포함하는 동시에, 10㎛ 이상의 평균 두께를 갖는 질화층 또는 침탄 질화층 중 어느 한 표면 경화층을 갖는 것을 특징으로 하는, 무단 변속기용 풀리.
제1항에 있어서, 상기 강재가 Cr을 1 내지 20질량％ 더 포함하는 동시에, 상기 표면 경화층이 Cr을 1 내지 20질량％ 더 포함하는, 무단 변속기용 풀리.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 표면 경화층의 질소 함유량이 3 내지 25at.％인, 무단 변속기용 풀리.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 경화층의 표면 경도가 Hv750 내지 950인, 무단 변속기용 풀리.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 표면 경화층의 마찰 계수가 0.115 이상인, 무단 변속기용 풀리.