JP4389726B2 - 無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板 - Google Patents
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その際、各プーリの溝幅を変化させることで各プーリの有効径を変化させ、変速を無段階で連続的に行う。
例えば下記特許文献1,特許文献2,特許文献3,特許文献4に、かかる18Niマルエージング鋼を自動車の無段変速機ベルトにおける金属帯リング材料として用いる点が開示されている。
この18Niマルエージング鋼は、溶体化熱処理状態でほぼマルテンサイト単相であり、時効処理によって析出硬化させ硬度を高めて使用する。
このような疲労破壊に対しては、表層に窒化処理を施して表層に圧縮応力を付与することで、表面を起点とする疲労破壊を防ぐことができる。
一方で従来、疲労限と考えられている107回を超える超高サイクル域においては、疲労破壊は表面を起点とせず内部の介在物を起点として起ると考えられている。
更に材料的にも高価な元素であるNi,Coが多量に添加されているため、鉄鋼材料の中では材料コストにおいても高いものとなっていた。
このため従来の18Niマルエージング鋼に比べ引張強度は若干劣るものの十分な強度が得られ、尚且つ良好な疲労特性を有する。
一方で高価な元素であるNi,Co,Moの添加量が少ないことから材料のコストを安価に抑制できる。
Ti,AlはOと反応して酸化物の介在物を生成せしめ、それらを破壊起点として疲労寿命を低下させる原因となる。
そこで本発明ではこれらTi,AlをOとともに低く規制してTi,Alの酸化物が介在物として生成するのを抑制しており、これによって疲労寿命をより一層向上せしめることができる。
しかしながらCrの添加量が少量に抑えられる限りにおいては、Crの添加は窒化特性を却って高めるとの知見が本発明者等の研究によって得られた。
即ち本発明ではCrを0.30%以上添加するが、その添加量は2.50%以下に抑えられており、その結果として耐食性を高めることができるとともに窒化特性もまた高めることができる。
尚本発明では薄鋼板の厚みを0.5mm以下となしておくことができる。
無段変速機ベルトにおけるエレメントと常に接触状態となる金属帯リングは耐摩耗性の要求される部材であり、従って表面硬さ800HV以上となした本発明の薄鋼帯板は、かかる金属帯リングとして好適に適用可能なものである(請求項5)。
C:0.10〜0.25%
Cは強力な固溶強化元素であるとともに、ベイナイト組織を得るために重要な元素である。また、焼入れ後の焼戻し処理により微細な炭化物,炭窒化物を析出させ高強度を得るために必須の元素であり、その効果は、0.10%以上添加しないと十分な強度が得られない。
しかし、多量に添加すると結晶粒界部に粗大な炭化物を生成することにより鋼の耐食性及び切欠靭性が低下し、また同様な理由で溶接部の強度低下をもたらす。
以上の影響による結果として疲労強度が低下するため、Cの含有率の上限は0.25%とする。
Siは鋼の溶製時における脱酸剤として添加される。余剰のSiは常温における鋼の強度を高めるが、冷間加工性を低下させるとともに鋼中に生成したSi酸化物が破壊の起点となって疲労特性を低下させるので含有率を極力低減する必要がある。
またSiの多量添加は窒化処理直前の熱処理(例えば焼戻し処理)時に酸化皮膜を生成して窒化性を劣化させるため、その上限を0.25%とする。
Mnは脱酸剤として添加するが、過剰に含有すると焼入れ性が増加し、ベイナイト組織を形成し難くなるので上限を0.40%とする。
Niはベイナイト組織調整のためにCr,Mo,Wとともに有効な元素である。
しかし5.00%未満では強度靭性が低く、逆に8.50%を超えると残留オーステナイトを生成し、強度上昇が小さくなり、また一方で焼戻し硬さが上昇し冷間加工性が劣化するため5.00〜8.50%とする。
Crの適量の添加は窒素の拡散を促進するため窒化特性を改善する。また、耐食性の改善にも効果がある。そのためその効果が現れる0.30%以上添加する。
しかし必要以上にCrを添加すると、却って表面に形成される酸化膜(不動態膜)が窒化処理時の窒素の拡散を妨げ、窒化層深さを浅くする。
このため耐食性,窒化特性の両方の改善効果が得られる条件としてCrの含有率の範囲を0.30〜2.50%とする。
Mo,Wはベイナイト組織調整のために必要であるとともに、焼戻し軟化抵抗を改良するために1.20%以上含有させる必要があるが、2.50%を超えて添加すると焼入れ性が増加し、ベイナイト組織のバランスが崩れるため含有率の範囲を1.20〜2.50%とする。
Cuは不純物元素として混入するものであるが、0.20%を超えると遅れ破壊特性や熱間加工性を害するので、Cu含有率の上限を0.20%とする。
Vは焼入れ性を増加させるとともに、結晶粒を微細化するため、0.05%以上必要であるが、0.15%超ではその効果が飽和するので含有率の範囲を0.05〜0.15%とする。
Coは焼きなまし硬さを向上させることなく高強度を得るため1.00%以上添加する。Coのベイナイトマルテンサイトの変態温度に対する影響はNi,Cr,Mo,Wよりも小さく、ベイナイトの安定生成に有効に働く。しかし6.00%を上回る過剰の添加は切欠靭性の低下を招き、疲労強度低下に繋がるのでCoの含有率の範囲を1.00〜6.00%とする。
Nは強力な固溶強化元素であるとともに、焼入れ後の焼戻し処理により微細な窒化物,炭窒化物を析出させ、高強度を得るために必須の元素であるが、疲労特性に影響を及ぼすTi系介在物やAl系介在物を形成するため極力低減する必要がある。本発明ではNの含有率の上限を0.010%とする。
Oは、SiO2,Al2O3等の酸化物を生成し、疲労強度等の疲労特性を低下させるため、極力低い方が望ましい。しかし極端な低下は製造コストの上昇を招くため、その上限を0.0050%に規制する。
Alは焼入れ後の焼戻し処理によりNi3Al等を形成し、強度の向上が期待できる元素であるが、N,O等と結合し易く、Tiと同様にAl系非金属介在物を形成し、却って疲労特性を悪化させるため、Tiと同様に極力低減することが望ましい。
またAlの増加はCrと同様に窒化層深さを低減するため、その上限を0.10%とした。
Tiは焼入れ後の焼戻し処理によりNi3Ti等を形成し、強度の向上が期待できる元素であるが、C,N,O等と結合し易く、Ti系非金属介在物を形成し、却って疲労特性を悪化させるため極力低減することが望ましい。従ってその上限を0.10%とした。
Pは粒界に偏析して粒界腐食感受性を高めるとともに、靭性の低下を招くため低い方が望ましいが、その改善効果は0.05%以下でほぼ飽和するため、その上限を0.05%とする。
Sは熱間加工性を劣化させるとともに、疲労特性や耐食性を著しく低下させるため極力低減することが望ましいが、0.03%以下にすれば十分な疲労特性,耐食性が得られるのでその上限を0.03%とした。
Zrは熱処理後の結晶粒を微細化する効果をもつ。結晶粒を微細化すれば鋼の限界圧縮率が増大するので、強い冷間加工を加えることができるようになる。その効果は含有率0.01%から現れ始めるが、含有率0.50%を超えてもその効果は飽和するため、含有率の範囲を0.01〜0.50%とする。
B,Ca,Mgは熱間加工性を向上させるのに有効な元素であることから添加してもよい。その効果は含有率0.0010%で現れ始めるが、過剰な添加は低融点のほう化物を粒界に形成したり、酸化物を形成したりして鋼の清浄度を悪化させ、熱間加工性や冷間加工性及び疲労強度の低下を招くため、これら元素の含有率の範囲を0.0010〜0.010%とする。
表1に示す化学組成の鋼を150kg溶解して鋳造し、1200℃×6hrの条件で均質化処理した後、1200℃以下の温度条件で熱間加工して厚さ3mmに加工し、その後冷間圧延により0.4mmほどの薄鋼帯板を得た。
この材料を焼入れ,焼戻し,窒化処理の順で熱処理を実施し、以下の条件で機械的特性(引張強度,0.2%耐力,伸び,絞り),母材硬さ,表層硬さ,耐食性,疲労特性について調査した。
焼入れは700〜1100℃/〜1hrにて実施する。ここでは850℃/10min/空冷の条件での結果を示す。
また、焼戻しは300〜600℃/〜100hrで実施する。本工程の短時間処理を想定して実施例では保持時間を2hr/空冷とし、表2の温度条件での結果を示している。
窒化処理はアンモニアと窒素の混合気流中にて300〜600℃/〜10hrで実施する。ここでは500℃/1hr/空冷とした。
また合金成分によっては焼戻し処理及び窒化処理の温度条件が揃えば、窒化処理で焼戻し処理を兼ねることも可能である。
JIS G 0555の、鋼中の非金属介在物の顕微鏡試験方法に準じて清浄度測定を実施した。
試験片は0.4mm×5mm×10mm形状とし、これを5枚重ね埋め込んで鏡面研磨し、エッチングしたものを用いた。
JIS Z 2241の、金属引張試験方法に準じて引張試験を行った。
試験片はJIS Z 22015号試験片とした。
JIS Z 2244の、ビッカース硬さ試験方法に準じて試験を行った。
試験片は0.4mm×5mm×10mm形状とし、これを埋め込んで鏡面研磨したものについて荷重0.5Nで硬さ測定を実施した。測定値は10点測定の平均値を採用した。
測定部位は横断面において表面から試料厚さの1/2の位置(T/2)の位置での硬さ測定とした。
JIS G 0563の、鉄鋼の窒化層表面硬さ測定方法に従って表面硬さを測定した。尚、測定荷重は0.1Nにて実施した。
JIS G 0562の、鉄鋼の窒化層深さ測定方法に従って窒化層深さを測定した。
JIS Z 2273の、金属材料の疲れ試験方法通則に従って疲労特性を調査した。
具体的には、図1に示しているように寸法0.4mm×10mm×60mm程度の試験片10に対して、最大応力1450N/mm2,最小応力0N/mm2,加振速度1000rpmの条件の下で振動を加えて試験片10を繰り返し曲げ変形させ、破断に到るまでの加振(変形)繰り返し回数を測定した。随時板のつけね部にかかる垂直応力の最大値を変化させて、破断までの繰り返し回数を測定することでS−N線図を作成した。
疲労特性の評価には、最大応力値を1000N/mm2とし、5回同様な試験を実施し、破断までの加振(変形)繰り返し回数が107回以上になるものが5回あった場合を◎、4回あった場合を○、2〜3回の場合を△、0回の場合を×として評価した。
試験片はφ15mm×50mm形状で表面は▽▽▽G仕上げとし、同様なものを各合金3本ずつ用意した。湿潤試験(50℃,95%RH以上)にて168hr保持後に発錆の有無を確認し、1本でも発錆が認められる場合を×、まったく無い場合を○で評価した。
これらの結果が表3に示してある。
また3.09%と本発明の上限である2.50%よりも多い比較例Wは、Cr炭化物の生成により十分な引張強度、0.2%耐力が得られるものの、窒化処理時のCrの窒素拡散促進効果と酸化膜(不動態膜)の形成による窒素拡散を抑制する効果のバランスで後者が勝るため窒化層深さが浅く、疲労特性が△と悪いものとなっている。
因みに図4には発明鋼Jの成分をベースとしてCr量を変化させたときのCr量と窒化層深さ,表面硬さ,耐食性,疲労特性との関係を示している。
図4より、少量のCr添加で窒化層深さ,表面硬さが改善されることが分る。
材料表面を窒化したため耐食性も良く、十分な窒化層深さ、表面硬さが得られる0.30%Cr添加で疲労特性は目標を満足できている。
しかしながら過剰のCr添加は表層に酸化皮膜を形成し、材料内への窒素の拡散が阻害されるため、十分な窒化特性が得られていない。
以上より、比較例X,Zでは十分な母材強度が得られないため窒化特性,疲労特性ともに悪い結果となっている。
またW添加量が1.52%でMo+1/2Wが0.76%となり、本発明のMo+1/2W量の下限値1.20%よりも少ない比較例Yは強化元素が不足するため、やはり引張強度,0.2%耐力,T/2硬さが不十分となり十分な疲労特性が得られていない。
また図4の結果に見られるようにCr含有量が本発明の範囲に入っていない比較例V,Wでは窒化特性が悪くなっているが、本発明の範囲内でCrを含有させた本発明例のものは窒化特性と耐食性の改善が両立している。Crを含有していない18Niマルエージング鋼の比較例2Fに比べても、Crを所定量添加していることによって窒化特性(窒化層深さ)が略同等以上となっており良好であることが分る。
表6の結果では,焼戻し時間としては保持時間が不十分なため、引張特性が若干落ち、硬さも落ちている。
Claims (6)
- 質量%で
C :0.10〜0.25%
Si:≦0.25%
Mn:≦0.40%
Ni:5.0〜8.5%
Cr:0.30〜2.50%
Mo+1/2W:1.20〜2.50%
Cu:≦0.20%
V :0.05〜0.15%
Co:1.00〜6.00%
N :≦0.010%
O :≦0.0050%
Al:≦0.10%
Ti:≦0.10%
P :≦0.05%
S :≦0.03%
残部Fe及びその他不可避的不純物から成る組成を有することを特徴とする無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。 - 質量%で
Zr:0.01〜0.50%
を更に含有することを特徴とする請求項1に記載の無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。 - 質量%で
B :0.0010〜0.010%
Ca:0.0010〜0.010%
Mg:0.0010〜0.010%
の1種若しくは2種以上を更に含有することを特徴とする請求項1,2の何れかに記載の無断変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。 - 非金属介在物量が清浄度dで0.05%以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。
- 表層に窒化処理が施されており、JIS G 0562に準拠した窒化層深さが20μm以上、JIS G 0563に準拠した表面硬さが800HV以上であることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載の無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。
- JIS Z 2241に準拠した引張試験における0.2%耐力が1250MPa以上であることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の無段変速機ベルトの金属帯リング用薄鋼帯板。
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