JP5633466B2 - Continuously variable transmission belt and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、無段階変速機ベルト及びその製造方法に関し、特に、浸炭・焼入れ処理及び窒化処理を施した無段階変速機ベルト及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a continuously variable transmission belt and a manufacturing method thereof, and more particularly to a continuously variable transmission belt subjected to carburizing / quenching treatment and nitriding treatment and a manufacturing method thereof.
近年、自動車では環境問題の観点から低燃費化が強く望まれていて、変速機として低燃費化に貢献できるベルト式無段階変速機(以下、「CVT」と呼ぶ)が多く用いられている。CVTでは、薄い板厚の金属ベルト(無段階変速機ベルト)を複数枚重ねてベルトが構成され、このベルトをエレメントと呼ばれる摩擦部材に組付けて使用される。 In recent years, automobiles have been strongly demanded to reduce fuel consumption from the viewpoint of environmental problems, and belt-type continuously variable transmissions (hereinafter referred to as “CVT”) that can contribute to reducing fuel consumption are often used as transmissions. In the CVT, a plurality of thin metal belts (stepless transmission belts) are stacked to form a belt, and the belt is assembled to a friction member called an element and used.
金属ベルトは、エレメントに組付けられた状態で回転して動力を伝達する。このため、金属ベルトには、回転中に張力や繰り返し曲げ応力が作用するとともに、エレメントとの間で摩擦が生じる。従って、金属ベルトは、引張強度、疲労強度などの様々な特性が要求されるものであり、現状では、引張強度、疲労強度などに優れたマルエージング鋼で構成されるようになっている。 The metal belt rotates to transmit power by being assembled to the element. For this reason, tension and repeated bending stress act on the metal belt during rotation, and friction occurs with the element. Accordingly, the metal belt is required to have various properties such as tensile strength and fatigue strength, and is currently made of maraging steel having excellent tensile strength and fatigue strength.
マルエージング鋼として、例えば、下記特許文献1に記載されたものがある。下記特許文献1では、先ず、マルエージング鋼に対して825度〜960度の適当な温度で固溶化処理が施される。そして、490度で時効処理が施され、次いで、450度〜470度においてガス窒化が施される。これにより、このマルエージング鋼では、時効硬化により内部硬さが500HV以上になるとともに、窒化により表面硬さが800HV以上になり、且つ表面に1200MPa程度の大きな圧縮残留応力が生じることになる。こうして、マルエージング鋼を用いて引張強度、疲労強度に優れた金属ベルトが製造されている。
As maraging steel, there exists what was described in the following
ところで、マルエージング鋼は、含有している合金元素(Ni、Co、Mo等)が時効硬化により金属間化合物を形成し、この金属間化合物が析出することで、高い引張強度を得ている。また、疲労強度に関しては、含有しているTiが、窒化によって表面に生じる圧縮残留応力を大きくして、疲労強度の向上に大きく貢献している。しかしながら、マルエージング鋼は高価な合金元素を多く含有するものであるため、マルエージング鋼で構成された金属ベルトはコストが高くなるという問題がある。そこで、マルエージング鋼に換えて普通の鋼材を用いて安価に金属ベルトを製造することが望まれている。 By the way, maraging steel has obtained high tensile strength because the alloying element (Ni, Co, Mo, etc.) which it contains forms an intermetallic compound by age hardening, and this intermetallic compound precipitates. Regarding fatigue strength, the contained Ti increases the compressive residual stress generated on the surface by nitriding, and greatly contributes to the improvement of fatigue strength. However, since maraging steel contains a lot of expensive alloy elements, there is a problem that the metal belt made of maraging steel is expensive. Therefore, it is desired to manufacture a metal belt at low cost using ordinary steel instead of maraging steel.
ここで、普通の鋼材を用いて金属ベルトを製造する場合、大きな引張強度を得るために、炭素鋼に対して焼入れ処理を施すことが考えられる。焼入れ処理によって引張強度を得る場合、多くの合金元素を添加する必要がなく、コストメリットがあるためである。しかしながら、炭素鋼の場合には、大きな引張強度を得ることができるが、大きな疲労強度を得る、即ち表面に大きな圧縮残留応力を生じさせることができない。これは、Cを多く含有する炭素鋼の場合、Cを多く含有しないマルエージング鋼と異なり、固溶状態のTiを多く含むことができず、窒化により表面に大きな圧縮残留応力が生じないためである。 Here, when manufacturing a metal belt using a normal steel material, in order to obtain a big tensile strength, it is possible to quench the carbon steel. This is because when tensile strength is obtained by quenching, it is not necessary to add many alloy elements and there is a cost merit. However, in the case of carbon steel, a large tensile strength can be obtained, but a large fatigue strength, that is, a large compressive residual stress cannot be generated on the surface. This is because, in the case of carbon steel containing a large amount of C, unlike maraging steel that does not contain a lot of C, it cannot contain a large amount of Ti in a solid solution state, and nitriding does not cause a large compressive residual stress on the surface. is there.
即ち、炭素鋼のような鋼材では、Tiを添加しても、製鋼(溶解)の過程でCとTiとが化合する。これにより、チタン炭化物(TiC)の介在物が形成されて、CとTiとがそれぞれ別個に固溶状態として存在しない(存在し難い)。従って、Tiが多く添加されても、CとTiとの化合によりTiが固溶状態として存在しないため、窒化によって表面に生じる圧縮残留応力を大きくすることができず、炭素鋼の疲労強度を大きくすることができない。また、仮にTiがCより多く含まれている場合、CとTiとの化合によりCが固溶状態として存在しなくなるため、焼入れ処理によって引張強度が大きくなるという効果が生じなくなる。以上要するに、炭素鋼を用いて金属ベルトを製造する場合には、引張強度を大きくし且つ疲労強度を大きくすることができなかった。 That is, in a steel material such as carbon steel, even if Ti is added, C and Ti are combined in the process of steelmaking (dissolution). As a result, inclusions of titanium carbide (TiC) are formed, and C and Ti do not exist (are unlikely to exist) as separate solid solutions. Therefore, even if a large amount of Ti is added, since Ti does not exist as a solid solution due to the combination of C and Ti, the compressive residual stress generated on the surface by nitriding cannot be increased, and the fatigue strength of carbon steel is increased. Can not do it. Further, if Ti is contained more than C, C does not exist in a solid solution state due to the combination of C and Ti, so that the effect of increasing the tensile strength due to the quenching process does not occur. In short, when a metal belt is manufactured using carbon steel, the tensile strength cannot be increased and the fatigue strength cannot be increased.
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、引張強度及び疲労強度が大きい無段階変速機ベルトを安価に製造することができる無段階変速機ベルトの製造方法、及び引張強度及び疲労強度が大きく且つ安価な無段階変速機ベルトを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and a continuously variable transmission belt manufacturing method capable of manufacturing a continuously variable transmission belt having high tensile strength and fatigue strength at low cost, and tensile strength. It is another object of the present invention to provide a continuously variable transmission belt that has a high fatigue strength and is inexpensive.
上記した課題を達成するために、本発明の無段階変速機ベルトの製造方法は、以下の構成を有する。
(1)質量%で、Cが0.05%以下であり、Tiが0.1%以上であり且つ1.0%以下であるリング部材を形成するリング部材形成工程と、前記リング部材に対して浸炭処理を施すとともに焼入れ処理を施す浸炭・焼入れ工程と、前記浸炭・焼入れ処理されたリング部材に対して窒化処理を施す窒化工程と、を備えたことを特徴とする。
(2)(1)に記載された無段階変速機ベルトの製造方法において、前記浸炭・焼入れ工程では、浸炭処理を施した後で且つ焼入れ処理を施す前に、拡散処理を施すことを特徴とする。ここで、「拡散処理」とは、リング部材の変態温度で所定時間加熱保持して、リング部材のCの含有量の分布を均一化する処理である。
(3)(1)又は(2)に記載された無段階変速機ベルトの製造方法において、前記リング部材形成工程で形成されるリング部材において、質量%で、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下であることを特徴とする。
(4)(1)乃至(3)の何れかに記載された無段階変速機ベルトの製造方法において、前記リング部材形成工程で形成されるリング部材において、質量%で、Cが0.001%以下であることを特徴とする。
(5)(1)乃至(4)の何れかに記載された無段階変速機ベルトの製造方法において、前記リング部材形成工程では、Tiを含有する金属素材を形成し、前記金属素材を厚み0.42mmの薄板に形成し、前記薄板を丸めて管状薄板を形成し、前記管状薄板の周方向端部を溶接して薄肉パイプを形成し、前記薄肉パイプを切断して前記リング部材を形成することを特徴とする。
In order to achieve the above-described problems, a method for manufacturing a continuously variable transmission belt according to the present invention has the following configuration.
(1) A ring member forming step for forming a ring member in which C is 0.05% or less, Ti is 0.1% or more, and 1.0% or less in terms of mass%, and the ring member A carburizing / quenching process for performing a carburizing process and a quenching process, and a nitriding process for performing a nitriding process on the carburized / quenched ring member.
(2) In the method of manufacturing a continuously variable transmission belt described in (1), the carburizing / quenching step is characterized by performing a diffusion treatment after the carburizing treatment and before the quenching treatment. To do. Here, the “diffusion process” is a process in which the distribution of C content in the ring member is made uniform by heating and holding for a predetermined time at the transformation temperature of the ring member.
(3) In the method of manufacturing a continuously variable transmission belt described in (1) or (2), in the ring member formed in the ring member forming step, Ti is 0.3% or more by mass%. And 0.7% or less.
(4) In the method of manufacturing a continuously variable transmission belt according to any one of (1) to (3), in the ring member formed in the ring member forming step, C is 0.001% by mass%. It is characterized by the following.
(5) In the method of manufacturing a continuously variable transmission belt according to any one of (1) to (4), in the ring member forming step, a metal material containing Ti is formed, and the metal material has a thickness of 0. forming a thin plate of .42Mm, a tubular sheet formed by rolling a pre-Symbol thin plate, to form a thin pipe is welded to the circumferential end portion of the tubular sheet, the ring member by cutting the thin pipe It is characterized by forming.
また、上記した課題を達成するために、本発明の無段階変速機ベルトは、以下の構成を有する。
(6)Tiを含有するリング部材に対して浸炭・焼入れ処理を施すとともに窒化処理を施すことによって製造された無段階変速機ベルトであって、質量%で、Cが0.2%以上であり且つ0.8%以下であるとともに、Tiが0.1%以上であり且つ1.0%以下であり、表面には、質量%で、前記リング部材に含有されていたTiの10%以上がチタン窒化物として存在し、表面から厚さ方向の中心部には、質量%で、前記リング部材に含有されていたTiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在し、表面からの厚さ方向の中心部のビッカース硬度が、400HV以上であり且つ600HV以下であることを特徴とする。
(7)(6)に記載された無段階変速機ベルトにおいて、質量%で、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下であることを特徴とする。
(8)(6)又は(7)に記載された無段階変速機ベルトにおいて、質量%で、Cが0.3%以上であり且つ0.5%以下であることを特徴とする。
In order to achieve the above-described problems, the continuously variable transmission belt of the present invention has the following configuration.
(6) A continuously variable transmission belt manufactured by subjecting a ring member containing Ti to carburizing / quenching treatment and nitriding treatment, wherein the belt is mass% and C is 0.2% or more. And 0.8% or less, and Ti is 0.1% or more and 1.0% or less, and the surface contains 10% or more of Ti contained in the ring member by mass%. Present as titanium nitride, in the central portion in the thickness direction from the surface, 10% or more of Ti contained in the ring member is present as Ti in a solid solution state, and the thickness from the surface is present. The Vickers hardness at the center in the vertical direction is 400 HV or more and 600 HV or less.
(7) The continuously variable transmission belt described in (6) is characterized in that, in mass%, Ti is 0.3% or more and 0.7% or less.
(8) The continuously variable transmission belt described in (6) or (7) is characterized in that C is 0.3% or more and 0.5% or less in mass%.
上記した無段階変速機ベルトの製造方法の作用効果について説明する。
(1)本発明の無段階変速機ベルトの製造方法によれば、先ず、リング部材形成工程において形成されるリング部材は、Cの含有量が極めて少ないものであるのに対して、Tiの含有量が比較的多いものである。このため、このリング部材では、チタン炭化物(TiC)の析出物がほとんど生成されていない。そして、浸炭処理によって、リング部材にCが多く入り込み、固溶状態であるCとTiとが別個に多く存在するようになる。次いで、焼入れ処理によって、Cが過飽和に閉じ込められてマルテンサイト状態になり、リング部材の硬度が著しく上昇する。こうして、リング部材は、引張強度が十分大きいものになる。その後、窒化処理によって、固溶状態で適度に存在するTiが、微細な析出物を生成し表面に大きな圧縮残留応力を生じさせる。こうして、無段階変速機ベルトは、疲労強度が十分大きいものになる。そして、この無段階変速機ベルトは、高価な合金元素が多く含まれるマルエージング鋼から製造されたものではなく、普通の鋼材で構成されたリング部材から製造されたものである。従って、この製造方法によれば、引張強度及び疲労強度が大きい無段階変速機ベルトを安価に製造することができる。
(2)この場合には、拡散処理によって、リング部材の表面(裏面)と厚さ方向の中心部との間でCの含有量の差をなくすことができ、拡散処理の後の焼入れ処理によって、安定した品質のリング部材(無段階変速機ベルト)を製造することができる。また、浸炭処理の後に拡散処理を施すため、浸炭処理を低温で行うことができ、より精密に且つ短時間で処理することができる。更に、Cがリング部材の内部にまで入り込んでいない状態で浸炭処理を素早く終了し、その後の拡散処理によってCの含有量を均一化することで、浸炭・焼入れ工程における処理時間を短くすることができる。
(3)この場合には、固溶状態であるTiが、窒化によって無段階変速機ベルトの表面の圧縮残留応力を特に大きくすることができ、疲労強度を十分大きくすることができる。
(4)この場合には、チタン炭化物の介在物が形成されることによって生じる弊害を十分抑えることができる。
(5)この場合には、溶接されているリング部材に対して浸炭・焼入れ処理が施されるため、Cの含有量を任意に定めることができ、極めて大きな引張強度を有する無段階変速機ベルトを製造することができる。即ち、溶接する前ではCの含有量が極めて少ないため、溶接しても溶接部分に割れが生じることがない。そして、溶接した後に浸炭・焼入れ処理を施すため、Cの含有量を0.4%より大きくして、引張強度を極めて大きくすることができる。従って、この製造方法によれば、極めて大きな引張強度を必要とする無段階変速機ベルトであっても、製造することができる。
The operation and effect of the above-described stepless transmission belt manufacturing method will be described.
(1) According to the method of manufacturing a continuously variable transmission belt of the present invention, first, the ring member formed in the ring member forming step has a very low C content, whereas the Ti content is low. The amount is relatively large. For this reason, in this ring member, the deposit of titanium carbide (TiC) is hardly produced | generated. And, by the carburizing process, a large amount of C enters the ring member, and a large amount of C and Ti that are in a solid solution state are present separately. Next, due to the quenching process, C is confined in supersaturation and becomes a martensite state, and the hardness of the ring member is significantly increased. Thus, the ring member has a sufficiently high tensile strength. Thereafter, Ti, which is appropriately present in a solid solution state by nitriding, generates fine precipitates and causes a large compressive residual stress on the surface. Thus, the continuously variable transmission belt has sufficiently high fatigue strength. And this continuously variable transmission belt is not manufactured from the maraging steel in which many expensive alloy elements are contained, but is manufactured from the ring member comprised with the normal steel material. Therefore, according to this manufacturing method, a continuously variable transmission belt having high tensile strength and fatigue strength can be manufactured at low cost.
(2) In this case, the diffusion treatment can eliminate the difference in the C content between the front surface (back surface) of the ring member and the central portion in the thickness direction, and by quenching treatment after the diffusion treatment. A ring member (stepless transmission belt) with stable quality can be manufactured. Further, since the diffusion treatment is performed after the carburizing treatment, the carburizing treatment can be performed at a low temperature, and the treatment can be performed more precisely and in a short time. Further, the carburizing process can be quickly completed in a state where C does not enter the ring member, and the content of C is made uniform by subsequent diffusion processing, thereby shortening the processing time in the carburizing / quenching process. it can.
(3) In this case, Ti in a solid solution state can particularly increase the compressive residual stress on the surface of the continuously variable transmission belt by nitriding, and can sufficiently increase the fatigue strength.
(4) In this case, adverse effects caused by the formation of titanium carbide inclusions can be sufficiently suppressed.
(5) In this case, since the welded ring member is subjected to carburizing and quenching treatment, the C content can be arbitrarily determined, and the continuously variable transmission belt having extremely high tensile strength. Can be manufactured. That is, since the content of C is very small before welding, cracks do not occur in the welded portion even when welding. And since it carburizes and quenches after welding, C content can be made larger than 0.4% and tensile strength can be made very large. Therefore, according to this manufacturing method, even a continuously variable transmission belt that requires extremely high tensile strength can be manufactured.
上記した無段階変速機ベルトの作用及び効果について説明する。
(6)本発明の無段階変速機ベルトによれば、Cが0.2%〜0.8%であるため、無段階変速機ベルトが要求される引張強度の範囲を満たすようになっている。また、Tiが0.1%〜1.0%であるため、無段階変速機ベルトが要求される疲労強度の範囲を満たすようになっている。また、表面には含有されたTiの10%以上がチタン窒化物として存在するとともに、厚さ方向の中心部には含有されたTiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在するため、この無段階変速機ベルトには窒化処理が適切に施されていることになる。更に、厚さ方向の中心部ではビッカース硬度が400HV〜600HVであるため、無段階変速機ベルトとして要求される内部硬度の範囲を満たすようになっている。そして、この無段階変速機ベルトは、高価な合金元素が多く含まれるマルエージング鋼から製造されたものではなく、普通の鋼材から製造されたものである。従って、この無段階変速機ベルトは、引張強度及び疲労強度が大きく且つ安価なものである。
(7)この場合には、固溶状態であるTiが窒化によって無段階変速機ベルトの表面の圧縮残留応力を特に大きくしているため、疲労強度が十分大きい無段階変速機ベルトになっている。
(8)この場合には、引張硬度が無段階変速機ベルトに要求される最適な範囲になっている。
The operation and effect of the above-described continuously variable transmission belt will be described.
(6) According to the continuously variable transmission belt of the present invention, since C is 0.2% to 0.8%, the continuously variable transmission belt satisfies the required tensile strength range. . Further, since Ti is 0.1% to 1.0%, the continuously variable transmission belt satisfies the required fatigue strength range. In addition, 10% or more of Ti contained on the surface exists as titanium nitride, and 10% or more of Ti contained in the central portion in the thickness direction exists as Ti in a solid solution state, This continuously variable transmission belt is appropriately subjected to nitriding treatment. Furthermore, since the Vickers hardness is 400 HV to 600 HV at the central portion in the thickness direction, it satisfies the range of internal hardness required for a continuously variable transmission belt. The continuously variable transmission belt is not manufactured from maraging steel containing a lot of expensive alloy elements, but manufactured from ordinary steel. Therefore, this continuously variable transmission belt has high tensile strength and fatigue strength and is inexpensive.
(7) In this case, Ti, which is in a solid solution state, increases the compressive residual stress on the surface of the continuously variable transmission belt by nitriding, so that the fatigue belt has a sufficiently large fatigue strength. .
(8) In this case, the tensile hardness is in the optimum range required for the continuously variable transmission belt.
本発明に係る無段階変速機ベルト及びその製造方法について、図面を参照しながら以下に説明する。図1(A)は、金属ベルト1の外観形状を示した説明図であり、図1(B)は、金属ベルト1の部分拡大図であり、図1(C)は、金属ベルト1が使用される状態を示した断面図である。
A continuously variable transmission belt and a manufacturing method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 (A) is an explanatory view showing the appearance of the
金属ベルト1は、ベルト式無段階変速機において動力伝達用ベルトとして用いられるものであり、本発明の無段階変速機ベルトに相当する。図1(A)に示したように、金属ベルト1は薄板状のリングであり、図1(B)に示したように、断面形状が径外方向に凸となる曲線形状、所謂クラウニングR形状になっている。そして、図1(C)に示したように、複数枚の金属ベルト1が重ね合わされて一組のベルトBTが構成されていて、一対のベルトBTがエレメント2に組付けられて動力伝達用ベルトとして機能している。なお、クラウニングR形状は、図1(C)に示したように、ベルトBTをエレメント2の凹部2aに挿入して組付ける場合に、金属ベルト1の重なり合った状態を安定させるために設けられている。
The
本実施形態では、上記した金属ベルト1は、図2に示した各工程を経て、製造されるようになっている。図2は、金属ベルト1を製造するための工程を示したフローチャートである。図2に示したように、素材形成工程では、金属ベルト1の素材と成る金属素材が形成される(ステップ10)。即ち、VIM溶解炉(真空誘導溶解装置)の溶製により、質量%で、Cが0.001%以下であり、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下であり、Siが0.5%以下であり、Mnが0.8%以下であり、Crが1.0%以上であり且つ6.0%以下であり、Moが0.5%以上であり且つ1.5%以下であり、残りがFe及び不可避的不純物である金属素材が形成される。上記した金属素材の化学組成は、例えばICP−MS(誘導結合プラズマ質量分析計)を用いた化学分析によって、正確に測定される。
In the present embodiment, the
C:0.001%以下、Ti:0.3%〜0.7%、
この理由については、後に詳しく説明する。
Mn:0.8%以下、
Mnは、任意元素であって含有させなくてもよいが、溶製時の脱酸剤として有効な元素であるので少量含有させることができる。Mnの含有量が多すぎると延性が低下し、冷間圧延が難しくなるため、その上限値を0.8パーセントとする。
C: 0.001% or less, Ti: 0.3% to 0.7%,
The reason for this will be described in detail later.
Mn: 0.8% or less,
Mn is an optional element and does not need to be contained, but can be contained in a small amount because it is an effective element as a deoxidizer during melting. If the Mn content is too large, the ductility decreases and cold rolling becomes difficult, so the upper limit is set to 0.8%.
Cr:1.0%〜6.0%、
Crは、後述する焼入れ処理による内部の硬度向上に有効であり、また、後述する窒化処理による表面近傍の硬度向上にも有効である。これらの効果を得るために、Crの含有量の下限値を1.0%とする。一方、Crの含有量が多すぎると、後述する窒化処理によってCrの窒化物が多く生成され、窒素濃度分布が不連続になる。これにより、圧縮残留応力が低下して、疲労強度の低下を招くことになる。このため、Crの含有量の上限値を6.0%とする。
Cr: 1.0% to 6.0%,
Cr is effective for improving the internal hardness by a quenching process, which will be described later, and is also effective for improving the hardness near the surface by a nitriding process, which will be described later. In order to obtain these effects, the lower limit of the Cr content is set to 1.0%. On the other hand, when the content of Cr is too large, a large amount of Cr nitride is generated by the nitriding treatment described later, and the nitrogen concentration distribution becomes discontinuous. As a result, the compressive residual stress is lowered and the fatigue strength is lowered. For this reason, the upper limit of the content of Cr is set to 6.0%.
Mo:0.5%〜1.5%、
Moは、延性を損なうことなく強度、靭性を向上させるのに有効な元素である。その効果を得るために、Moの含有量の下限値を0.5%とする。一方、Moの含有量が多くなりすぎてもその効果が飽和してコストアップを招くため、Moの含有量の上限値を1.5%とする。
なお、上記した不可避的不純物とは、例えば、S、P、N、O、Al等である。
Mo: 0.5% to 1.5%
Mo is an element effective for improving strength and toughness without impairing ductility. In order to obtain the effect, the lower limit value of the Mo content is set to 0.5%. On the other hand, even if the Mo content is excessive, the effect is saturated and the cost is increased, so the upper limit of the Mo content is set to 1.5%.
The inevitable impurities described above are, for example, S, P, N, O, Al, and the like.
ここで、図2のフローチャートに戻る。素材形成工程の後、管状形成工程では、金属素材の薄板を丸めて管状薄板が形成される(ステップ11)。即ち、上記した金属素材から熱間鍛造によって厚板を形成し、この厚板から冷間圧延によって薄板(鋼帯)を形成する。図3は、薄板3が丸められる状態の説明図である。図3に示したように、薄板3が丸められて管状薄板4が形成される。
Here, it returns to the flowchart of FIG. After the material forming process, in the tubular forming process, a thin sheet of metal material is rolled to form a tubular sheet (step 11). That is, a thick plate is formed from the above-described metal material by hot forging, and a thin plate (steel strip) is formed from the thick plate by cold rolling. FIG. 3 is an explanatory diagram of a state in which the thin plate 3 is rolled. As shown in FIG. 3, the thin plate 3 is rolled to form the tubular
次に、溶接工程では、管状薄板4の周方向端部をレーザ溶接によって接合して薄肉パイプ5が形成される(ステップ12)。図4は、溶接された薄肉パイプ5の説明図である。この溶接工程では、管状薄板4のCの含有量は0.001%以下という極めて小さい値であるため、溶接部分に割れが生じることがない。なお、管状薄板4のCの含有量が0.4%を超える場合には、溶接部分に割れが生じることになる。溶接工程の後、薄肉パイプ5の溶接部分が硬くなっているため、焼鈍処理を施して、薄肉パイプ5の硬さを均一にする。
Next, in the welding process, the
続いて、リング状切断工程では、薄肉パイプ5を専用のリング切断機を用いて輪切りにして、図5に示したように、リング部材6が形成される(ステップ13)。なお、図5は、切断されたリング部材6の説明図である。このリング部材6では、厚さが0.42mm程度であり、直径が100mm程度であり、幅が10mm程度になっている。リング状切断工程の後、リング部材6に生じるバリを除去するため、バレル研磨機を用いてバレル研磨を施す。
Subsequently, in the ring-shaped cutting process, the
その後、圧延工程では、図6に示したように、リング部材6の直径が大きくなるように圧延機を用いて圧延して、リング部材6Aが形成される(ステップ14)。なお、図6は、圧延されたリング部材6の説明図である。ここで、圧延されたリング部材6をリング部材6Aと呼ぶことにする。このリング部材6Aでは、厚さd(図7(A)参照)が0.18mm程度になっている。このリング部材6Aが、本発明に係るリング部材形成工程により形成されたリング部材に相当する。また、このリング部材6Aでは、上述した金属部材と同様、質量%で、Cが0.001%以下であり、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下になっている。
Thereafter, in the rolling process, as shown in FIG. 6, the
そして、図2に示したように、浸炭・焼入れ処理では、リング部材6Aに対して浸炭処理が施されるとともに焼入れ処理が施される。先ず、浸炭処理について説明する。浸炭処理では、COガス、H2ガス、N2ガスの混合ガス雰囲気の中で、リング部材6Aが加熱処理される。具体的に、処理温度は850度〜950度程度であり、保持時間は30分〜1時間程度である。ここで、図7(A)は、リング部材6Aの部分断面図であり、図7(B)は、浸炭処理されたリング部材6AのCの含有量を示した説明図である。このガス浸炭処理では、図7(B)に示したように、リング部材6AのCの含有量が、表面(裏面)から厚さ方向の中心部まで0.3%〜0.4%になるように、混合ガス雰囲気が調整される。
As shown in FIG. 2, in the carburizing / quenching process, the
次に、浸炭処理の効果について説明する。浸炭処理が施される前のリング部材6Aでは、Cの含有量が0.001%以下である。このようにCの含有量が極めて少ないリング部材6Aに対して、仮に焼入れ処理を行っても、引張強度を大きくすることができない。このため、浸炭処理によってCの含有量を大きくすることで、その後の焼入れ処理によって引張強度を大きくすることができる。
Next, the effect of the carburizing process will be described. In the
ここで、浸炭処理を施さずに、素材形成工程の製鋼(溶解)の過程で、Cの含有量を例えば0.05%より大きくすることが考えられる。しかしながら、この場合には、固溶状態であるCとTiとが化合して、チタン炭化物(TiC)の析出物が形成され、CとTiがそれぞれ別個に固溶状態として存在しなくなる(存在し難くなる)。また、チタン炭化物の析出物が成長して、大きな介在物となることもある。こうして、製鋼の過程でCの含有量を大きくしても、形成されたチタン炭化物の析出物によって、焼入れ処理による引張強度が大きくなるという効果を生じさせることができない。このため、浸炭処理を行うことで、チタン炭化物の析出物を形成せず、固溶状態のCが存在するようになり、焼入れ処理によって引張強度を大きくすることができる。なお、浸炭処理では、製鋼(溶解)のように鋼が溶けるまで温度が高くないため、形成されるチタン炭化物の量が少なく、固溶状態のCを含有させることができる。ここで、介在物とは、析出物が大きな塊になったものであって、強度を大幅に低下させるものである。このため、製品においては介在物を起点にして破壊が生じるようになっている。 Here, it is conceivable that the content of C is made larger than 0.05%, for example, in the process of steelmaking (dissolution) in the material forming step without performing the carburizing treatment. However, in this case, C and Ti in a solid solution state combine to form titanium carbide (TiC) precipitates, and C and Ti no longer exist in a solid solution state. It becomes difficult.) In addition, titanium carbide precipitates may grow and become large inclusions. Thus, even if the C content is increased during the steelmaking process, the effect of increasing the tensile strength due to the quenching treatment cannot be produced by the formed titanium carbide precipitates. For this reason, by performing the carburizing process, a precipitate of titanium carbide is not formed and C in a solid solution state is present, and the tensile strength can be increased by the quenching process. In the carburizing treatment, since the temperature is not high until the steel is melted as in steelmaking (dissolution), the amount of titanium carbide formed is small, and C in a solid solution state can be contained. Here, the inclusions are the ones in which the precipitates are formed into large lumps and greatly reduce the strength. For this reason, in a product, destruction starts from the inclusion.
続いて、焼入れ処理について説明する。焼入れ処理では、オーステナイト状態になっているリング部材6Aが、空冷される。なお、水、油等によって急冷しても良い。これにより、Cが過飽和に閉じ込められてマルテンサイト状態になり、リング部材6Aの硬度が著しく上昇する。このとき、リング部材6Aの厚さ方向の中心部においても、焼きが入り、ビッカース硬さが550HV程度まで上昇する。こうして、リング部材6Aは、引張強度が十分大きなものになる。浸炭・焼入れ処理されたリング部材6Aをリング部材6Bと呼ぶこととする。
Subsequently, the quenching process will be described. In the quenching process, the
ここで、図2のフローチャートに戻る。浸炭・焼入れ処理の後、歪矯正・周長調整工程では、焼入れ処理によって生じた歪が矯正されるとともに周長が調整される(ステップ16)。図8は、歪矯正及び周長調整されたリング部材6Bの説明図である。図8に示したように、リング部材6Bは、一対のローラ7,7の間に架け渡されて、ローラ7,7の間が拡がる方向にテンションが付加された状態で、回転する。こうして、歪が矯正されるとともに周長が調整されることになる。歪矯正及び周長調整されたリング部材6Bをリング部材6Cと呼ぶこととする。
Here, it returns to the flowchart of FIG. After the carburizing / quenching process, in the distortion correction / peripheral length adjusting process, the distortion generated by the quenching process is corrected and the perimeter is adjusted (step 16). FIG. 8 is an explanatory diagram of the
そして、図2に示したように、窒化処理では、リング部材6Cに対して窒化処理が施される(ステップ17)。窒化処理では、NH3ガス、N2ガスの混合ガス雰囲気の中で、リング部材6Cが加熱処理される。具体的に、処理温度は400度〜500度程度であり、保持時間は30分〜1時間程度である。ここで、図9は、窒化処理されたリング部材6Cの表面からの深さとビッカース硬度との関係を示した説明図である。このガス窒化処理では、図9に示したように、表面のビッカース硬度が850HV以上であり且つ厚さ方向の中心部(表面からの深さが90μmである部分)のビッカース硬度が550HV程度になるように、混合ガス雰囲気が調整される。こうして、窒化処理されたリング部材6Cが、図1(A),(B),(C)に示した金属ベルト1である。
Then, as shown in FIG. 2, in the nitriding process, the nitriding process is performed on the
次に、窒化処理の効果について説明する。窒化処理が施される前のリング部材6Cでは、固溶状態であるTiが比較的多く存在する。これは、浸炭処理において、含有されるCと固溶状態であるTiとが化合してチタン炭化物が形成されるが、全てがチタン炭化物にならないためである。このため、固溶状態であるTiの窒化によって、金属ベルト1の表面に生じる圧縮残留応力を大きくすることができ、金属ベルト1の疲労強度を大きくすることができる。言い換えると、発明者は、鋭意研究を行った結果、固溶状態であるTiが適度に存在している状態で窒化することで、金属ベルト1の表面に生じる圧縮残留応力を大きくすることができ、疲労強度を大きくすることができることを見出した。
Next, the effect of nitriding will be described. In the
そこで、本実施形態の金属ベルト1と、マルエージング鋼から成る金属ベルト1Xと、比較品としての金属ベルト1Yとの疲労寿命(疲労強度)を比較するため、疲労試験を行った。疲労試験では、専用の疲労試験機を用いて、複数のローラの間で金属ベルト1,1X,1Yに定められたテンションを付加しつつ、複数のローラを回転させて金属ベルト1,1X,1Yに繰り返し曲げ応力を付加する。そして、金属ベルト1,1X,1Yが破断するまでの繰り返し曲げ回数で評価した。比較品としての金属ベルト1Yは、質量%で、Cが0.35%以下であり、Siが0.2%であり、Mnが0.8%であり、Crが1.0%であり、Moが1.0%以下であり、残りがFe及び不可避的不純物である金属素材を用いて、図2に示した各工程(浸炭処理を除いても良い)を経て、製造されたものである。即ち、金属ベルト1Yは、金属ベルト1と異なり、Tiが含有されていない金属素材から製造されたものである。
Therefore, a fatigue test was performed to compare the fatigue life (fatigue strength) of the
ここで、図10(A)は、本実施形態の金属ベルト1の表面における圧縮残留応力Psと、比較品としての金属ベルト1Yの表面における圧縮残留応力Psとを示した表である。また、図10(B)は、本実施形態の金属ベルト1と、マルエージング鋼から成る金属ベルト1Xと、比較品としての金属ベルト1Yとの疲労寿命を比較したグラフである。図10(A)に示したように、金属ベルト1では、金属ベルト1Yに比して、表面に生じる圧縮残留応力Psが大きくなっている。また、図10(B)に示したように、金属ベルト1の疲労寿命は、金属ベルト1Xの疲労寿命と同程度であるのに対して、金属ベルト1Yの疲労寿命は、金属ベルト1,1Xの疲労寿命の約10分の1程度である。
Here, FIG. 10A is a table showing the compressive residual stress Ps on the surface of the
このため、図10(A)(B)から、固溶状態として適度に存在するTiが窒化することで、表面に生じる圧縮残留応力Psが大きくなって、疲労強度が大きくなることが分かる。また、普通の鋼材から成る金属ベルト1であっても、高価な合金元素が多く含まれているマルエージング鋼から成る金属ベルト1Xと同程度の疲労強度を持たせることができることが分かる。従って、本実施形態の金属ベルト1は、安価且つ疲労強度が大きいものである。
For this reason, it can be seen from FIGS. 10 (A) and 10 (B) that when Ti that is present as a solid solution is nitrided, the compressive residual stress Ps generated on the surface increases and the fatigue strength increases. Further, it can be seen that even the
続いて、金属ベルト1における各成分の濃度について説明する。図11は、金属ベルト1の表面からの深さと金属ベルト1における各成分の濃度との関係を示した説明図である。図11に示したように、固溶状態であるN等は、表面からの深さが大きくなる程、濃度が減少している。これは、表面からの深さが大きくなるほど、窒化処理によるNの侵入が少なくなるためである。なお、固溶状態であるN等とは、固溶状態であるNの他に、Ti以外の元素との窒化物を含むものである。
Next, the concentration of each component in the
また、図11に示したように、含有されているTiは、チタン窒化物(TiN)と固溶状態のTiとチタン炭化物(TiC)との3形態で、存在している。そして、チタン窒化物及びチタン炭化物の一部は主に微細な析出物としてマトリックス(Fe)組織に固溶している。こうして、特に、微細な析出物であるチタン窒化物の分布が、金属ベルト1の窒化層(表面から深さが約30μmまでの部分)のビッカース硬度の分布に大きく寄与している。この結果、図9に示したように、表面ではビッカース硬度が900HV以上になっている。 In addition, as shown in FIG. 11, the contained Ti exists in three forms of titanium nitride (TiN), solid solution Ti, and titanium carbide (TiC). A part of titanium nitride and titanium carbide are dissolved in the matrix (Fe) structure mainly as fine precipitates. Thus, in particular, the distribution of titanium nitride, which is a fine precipitate, greatly contributes to the distribution of the Vickers hardness of the nitride layer of the metal belt 1 (the portion from the surface to a depth of about 30 μm). As a result, as shown in FIG. 9, the surface has a Vickers hardness of 900 HV or higher.
また、図11に示したように、含有されているCの大部分が、焼入れ処理によって過飽和にマトリックス(Fe)組織に固溶していて、マルテンサイト状態になっている。この過飽和である固溶状態のCの分布が、深さが30μmである部分から厚さ方向の中心部(深さが90μmである部分)までのビッカース硬度の分布に大きく寄与している。この結果、図9に示したように、深さが30μmである部分から厚さ方向の中心部(深さが90μmである部分)までのビッカース硬度が550HV〜600HVになっている。なお、金属素材においては元々Cの含有量は0.001%以下であったため、図11に示したように含有されているCは、浸炭処理によって含有されたものである。こうして、Cの含有量が極めて少ない普通の鋼材(金属素材)から成る金属ベルト1であっても、浸炭・焼入れ処理及び窒化処理によって、金属ベルト1に図9に示したビッカース硬度を持たせることができる。こうして、本実施形態の金属ベルト1は、引張強度が大きいものになっている。
As shown in FIG. 11, most of the contained C is supersaturated in the matrix (Fe) structure by quenching, and is in a martensite state. This supersaturated solid solution C distribution greatly contributes to the distribution of Vickers hardness from the portion having a depth of 30 μm to the central portion in the thickness direction (portion having a depth of 90 μm). As a result, as shown in FIG. 9, the Vickers hardness from the portion having a depth of 30 μm to the central portion in the thickness direction (portion having a depth of 90 μm) is 550 HV to 600 HV. In addition, since the content of C was originally 0.001% or less in the metal material, C contained as shown in FIG. 11 is contained by carburizing treatment. Thus, even with a
ここで、Cの含有量が多い金属素材を用いて、図2に示した各工程(浸炭・焼入れ処理及び窒化処理)を経て製造された金属ベルト1Z(欠陥品)について、図12を用いて説明する。ここで、金属ベルト1Zを形成する金属素材は、本実施形態の金属ベルト1を形成する金属素材に比して、Cの含有量のみが多いもの、例えばCの含有量が0.3%より大きいものとする。図12は、金属ベルト1Zにおいて表面からの深さと各成分の濃度との関係を示した説明図である。
Here, with respect to the metal belt 1Z (defective product) manufactured through the respective steps shown in FIG. 2 (carburizing / quenching treatment and nitriding treatment) using a metal material having a high C content, FIG. 12 is used. explain. Here, the metal material forming the metal belt 1Z has a higher C content than the metal material forming the
図12に示したように、金属ベルト1Zでは、多量のチタン炭化物(TiC)の析出物が存在する。これは、金属素材を造る製鋼(溶解)の過程で、固溶状態であるCとTiとが化合してしまうためである。これにより、焼入れ処理において、固溶状態であるCがほとんど存在しないため、ビッカース硬度を大きくすることができない。即ち、図12に示したように、過飽和にマトリックス(Fe)組織に固溶しているCが少ない。このため、この金属ベルト1Zは、表面からの深さが30μmである部分から厚さ方向の中心部まででビッカース硬度が200HV程度であり、金属ベルトとしての強度を満たさない欠陥品である。更に、この金属ベルト1Zでは、窒化処理において、固溶状態であるTiがほとんど存在しないため、図12に示したように、チタン窒化物がほとんど形成されていない。従って、この金属ベルト1Zは、表面及び表面近傍のビッカース硬度は小さく、且つ疲労強度が小さいものである。 As shown in FIG. 12, in the metal belt 1Z, a large amount of titanium carbide (TiC) precipitates are present. This is because C and Ti, which are in a solid solution state, are combined in the process of steelmaking (dissolution) for producing a metal material. Thereby, in hardening process, since C which is a solid solution state does not exist, Vickers hardness cannot be enlarged. That is, as shown in FIG. 12, there is little C that is supersaturated and dissolved in the matrix (Fe) structure. For this reason, this metal belt 1Z is a defective product having a Vickers hardness of about 200 HV from a portion having a depth of 30 μm from the surface to the center portion in the thickness direction and not satisfying the strength as a metal belt. Further, in this metal belt 1Z, since Ti which is in a solid solution state hardly exists in the nitriding treatment, as shown in FIG. 12, titanium nitride is hardly formed. Therefore, the metal belt 1Z has a small Vickers hardness near the surface and a small fatigue strength.
次に、本実施形態の金属ベルト1を形成する金属素材において、Cの含有量について説明する。金属素材のCの含有量は、質量%で0.05%以下である必要がある。これは、上述したように、金属素材を造る製鋼(溶解)の過程で固溶状態であるCとTiとが化合して、固溶状態であるTiが少なくなり、窒化処理による効果を得ることができなくなるためである。即ち、Cの含有量が0.05%より大きい場合には、Tiと化合したCによってチタン炭化物(TiC)が成長し、疲労強度を低下させるためである。従って、金属素材のCの含有量は少ない程良い。こうして、発明者は、金属素材のCの含有量が0.001%以下である場合に、チタン炭化物の介在物が形成されることによって生じる弊害を十分抑えることができて、特に好ましいことを見出した。
Next, the C content in the metal material forming the
続いて、本実施形態の金属ベルト1を形成する金属素材において、Tiの含有量について説明する。金属素材のTiの含有量は、質量%で0.1%以上であり且つ1.0%以下である必要がある。Tiの含有量の下限値が0.1%であるのは、0.1%より小さい場合に、固溶状態であるTiの窒化による効果を得ることができなくなるためである。即ち、図10(B)で示した金属ベルト1Yのように、疲労強度が小さいものになるためである。
Subsequently, the Ti content in the metal material forming the
一方、金属素材のTiの含有量の上限値が1.0%である理由について、図13を用いて説明する。図13(A)は、Tiの含有量が0.5%である場合と1.0%である場合とにおいて、金属ベルトの表面からの深さとN濃度との関係を示したグラフである。また、図13(B)は、Tiの含有量が0.5%である場合と1.0%である場合とにおいて、金属ベルトの表面における圧縮残留応力Psを示した表である。 On the other hand, the reason why the upper limit of the Ti content of the metal material is 1.0% will be described with reference to FIG. FIG. 13A is a graph showing the relationship between the depth from the surface of the metal belt and the N concentration when the Ti content is 0.5% and 1.0%. FIG. 13B is a table showing the compressive residual stress Ps on the surface of the metal belt when the Ti content is 0.5% and when it is 1.0%.
図13(A)に示したように、Tiの含有量が0.5%である場合には、金属ベルトの表面近傍におけるN濃度分布勾配は急であるのに対して、Tiの含有量が1.0%である場合には、金属ベルトの表面近傍におけるN濃度分布勾配は緩やかである。このようにN濃度分布勾配に差が出るのは、Tiの含有量が多い程、窒化処理において表面から侵入するNがTiに遭遇する確率が高くなるためである。即ち、Tiの含有量が多い程、表面から侵入するNがTiと反応して深くまで入り込み、N濃度分布勾配が緩やかになる。そして、N濃度分布勾配が緩やかである程、金属ベルトの表面に圧縮残留応力Psが生じ難くなるという関係がある。 As shown in FIG. 13A, when the Ti content is 0.5%, the N concentration distribution gradient in the vicinity of the surface of the metal belt is steep, whereas the Ti content is low. When it is 1.0%, the N concentration distribution gradient in the vicinity of the surface of the metal belt is gentle. The reason for the difference in the N concentration distribution gradient is that the greater the Ti content, the higher the probability that N entering from the surface will encounter Ti in the nitriding process. That is, as the Ti content increases, N entering from the surface reacts with Ti and enters deeper, and the N concentration distribution gradient becomes gentler. Further, there is a relationship that the compressive residual stress Ps is less likely to occur on the surface of the metal belt as the N concentration distribution gradient becomes gentler.
こうして、図13(B)に示したように、Tiの含有量が0.5%である場合には、金属ベルトの表面の圧縮残留応力Psは1200MPs程度であり、金属ベルトは疲労強度が十分大きなものになる。しかしながら、Tiの含有量が1.0%である場合には、金属ベルトの表面の圧縮残留応力Psは900MPa程度であり、金属ベルトは疲労強度が小さいものになる。このことから、金属素材のTiの含有量は1.0%以下であることが必要である。そして、発明者は、窒化によって金属ベルトの表面の圧縮残留応力Psを特に大きくすることができる範囲として、Tiの含有量が0.3%以上であり且つ0.7%以下であることが好ましいことを見出した。 Thus, as shown in FIG. 13B, when the Ti content is 0.5%, the compressive residual stress Ps on the surface of the metal belt is about 1200 MPs, and the metal belt has sufficient fatigue strength. It will be big. However, when the Ti content is 1.0%, the compressive residual stress Ps on the surface of the metal belt is about 900 MPa, and the metal belt has a low fatigue strength. For this reason, the Ti content of the metal material needs to be 1.0% or less. And as a range which the inventor can enlarge especially the compressive residual stress Ps of the surface of a metal belt by nitriding, it is preferable that content of Ti is 0.3% or more and 0.7% or less. I found out.
次に、上述したように製造された金属ベルト1では、以下に示す化学成分及び硬度を有することに特徴がある。即ち、この金属ベルト1では、質量%で、Cが0.2%以上であり且つ0.8%以下であるとともに、Tiが0.1%以上であり且つ1.0%以下である。また、金属ベルト1の表面には、質量%で、リング部材6A(金属素材)に含有されていたTiの10%以上がチタン窒化物(TiN)として存在している。また、金属ベルト1の表面から厚さ方向の中心部、即ち金属ベルト1において表面からの深さが90μmである部分には、質量%で、リング部材6Aに含有されていたTiの10%以上が、チタン炭化物やチタン窒化物ではなく、固溶状態であるTiとして存在している。上記した金属ベルト1の化学成分は、例えばEPMA(電子マイクロアナライザ)とSEM(走査型電子顕微鏡)とを用いて測定される。更に、金属ベルト1の表面から厚さ方向の中心部では、ビッカース硬度が400HV以上であり且つ600HV以下である。上記した化学成分及び硬度の範囲について、説明する。
Next, the
C:0.2%〜0.8%、
Cの含有量とビッカース硬度とは比例関係にあり、金属ベルト1として最低限要求されるビッカース硬度を満たすため、Cの含有量の下限値を0.2%とする。一方、浸炭・焼入れ処理によってCは0.8%まで入り込むため、Cの含有量の上下値を0.8%とする。ここで、発明者は、Cの含有量が0.3%以上であり且つ0.5%以下である場合に、金属ベルト1に要求される最適なビッカース硬度(引張強度)の範囲を満たすことを見出した。
C: 0.2% to 0.8%
The C content and the Vickers hardness are in a proportional relationship, and in order to satisfy the minimum Vickers hardness required for the
Ti:0.1%〜1.0%、
Tiの含有量が0.1%より小さい場合には、上述したようなTiの窒化による効果が得られていないため、Tiの含有量の下限値を0.1%とする。また、Tiの含有量が1.0%より大きい場合には、上述したように疲労強度が小さいものになっているため、Tiの含有量の上限値を1.0%とする。ここで、発明者は、上述したように金属ベルト1の表面の圧縮残留応力Ps、即ち疲労強度を大きくできる範囲として、Tiの含有量が0.3%以上であり且つ0.7%以下であることが好ましいことを見出した。
Ti: 0.1% to 1.0%
When the Ti content is less than 0.1%, the effect of Ti nitriding as described above is not obtained, so the lower limit of the Ti content is set to 0.1%. Further, when the Ti content is greater than 1.0%, the fatigue strength is small as described above, so the upper limit of the Ti content is 1.0%. Here, as described above, the inventor considered that the compressive residual stress Ps on the surface of the
金属ベルト1の表面:Tiの10%以上がチタン窒化物として存在、
金属ベルトの表面で、リング部材6A(金属素材)に含有されていたTiのうち10%未満しかチタン窒化物が形成されていなければ、上述したような固溶状態のTiの窒化による効果が得られていないことになる。即ち、窒化処理が適切に施されていないことになる。よって、金属ベルト1の表面にTiの10%以上がチタン窒化物として存在していることを条件とする。
The surface of the metal belt 1: 10% or more of Ti exists as titanium nitride,
If less than 10% of the Ti contained in the
金属ベルト1の厚さ方向の中心部:Tiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在、
金属ベルトの表面から厚さ方向の中心部、即ち金属ベルト1において表面からの深さが90μmである部分に、Tiの10%未満しか固溶状態で存在していなければ、上述したような固溶状態のTiの窒化による効果が得られていないことになる。即ち、窒化処理が適切に施されていないことになる。又は、金属ベルト1の中心部まで窒化処理が施されていて、表面から侵入するNがTiと反応して深くまで入り込んでいることになる。このときには、N濃度分布勾配は緩やかであり、金属ベルトの表面に生じる圧縮残留応力Psが小さく、金属ベルト1は疲労強度が小さいものになっている。よって、金属ベルト1の中心部にTiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在していることを条件とする。
The central portion of the
If less than 10% of Ti is present in a solid solution state in the central portion in the thickness direction from the surface of the metal belt, that is, in the portion where the depth from the surface is 90 μm in the
金属ベルト1の厚さ方向の中心部:ビッカース硬度が400HV〜600HV
ビッカース硬度が400HVより小さい場合には、金属ベルト1の内部硬度として最低限要求されるビッカース硬度を満たさない。よって、ビッカース硬度の下限値を400HVとする。一方、ビッカース硬度が600HVより大きい場合には、金属ベルトの表面硬度と内部硬度との差が小さくなり、金属ベルト1は靭性が低いものである。この場合、繰り返し曲げ応力が作用したときに発生する亀裂の進展が抑制されず、金属ベルト1に要求される疲労強度を満たさない。よって、ビッカース硬度の上限値を600HVとする。
Center portion of
When the Vickers hardness is smaller than 400 HV, the Vickers hardness required as the minimum internal hardness of the
本実施形態の作用効果について説明する。
この実施形態の無段階変速機ベルトの製造方法によれば、先ず、リング部材形成工程において形成されるリング部材6Aは、Cの含有量が極めて少ないものであるのに対して、Tiの含有量が比較的多いものである。このため、このリング部材6Aでは、チタン炭化物(TiC)の析出物がほとんど生成されていない。そして、浸炭処理によって、リング部材6AにCが多く入り込み、固溶状態であるCとTiとが別個に多く存在するようになる。次いで、焼入れ処理によって、Cが過飽和に閉じ込められてマルテンサイト状態になり、リング部材6Bの硬度が著しく上昇する。こうして、リング部材6Bは、引張強度が十分大きいものになる。その後、窒化処理によって、固溶状態で適度に存在するTiが、微細な析出物を生成し表面に大きな圧縮残留応力を生じさせる。こうして、金属ベルト1は、疲労強度が十分大きいものになる。そして、この金属ベルト1は、高価な合金元素が多く含まれるマルエージング鋼から製造されたものではなく、普通の鋼材で構成されたリング部材6Aから製造されたものである。従って、この製造方法によれば、引張強度及び疲労強度が大きい金属ベルト1を安価に製造することができる。
The effect of this embodiment is demonstrated.
According to the manufacturing method of the continuously variable transmission belt of this embodiment, first, the
また、この実施形態の無段階変速機ベルトの製造方法によれば、溶接工程の後に、溶接されたリング部材6Aに対して浸炭・焼入れ処理が施される。このため、Cの含有量を任意に定めることができ、極めて大きな引張強度を有する金属ベルト1を製造することができる。即ち、Cの含有量と引張強度との間には比例関係があるため、大きな引張強度を有する金属ベルトを製造するためには、Cの含有量を大きくする必要がある。しかし、従来においては、大きな引張強度を得るために、製鋼(溶解)の過程でCの含有量を0.4%より大きくすると、溶接工程において溶接部分に割れが生じるという問題があった。これに対して、本実施形態の製造方法によれば、溶接工程の前においてCの含有量が極めて少ないため、溶接工程において溶接部分に割れが生じることがない。そして、溶接工程の後に、浸炭・焼入れ処理においてCの含有量を0.4%より大きくすることにより、引張強度を極めて大きくすることができる。従って、この製造方法によれば、極めて大きな引張強度を必要とする金属ベルト1であっても、製造することができる。
Moreover, according to the manufacturing method of the continuously variable transmission belt of this embodiment, carburizing and quenching processing is performed on the welded
また、この実施形態の金属ベルト1(無段階変速機ベルト)によれば、Cが0.2%〜0.8%であるため、金属ベルト1が要求される引張強度の範囲を満たすようになっている。また、Tiが0.1%〜1.0%であるため、金属ベルト1が要求される疲労強度の範囲を満たすようになっている。また、表面には、含有されたTiの10%以上がチタン窒化物として存在するとともに、厚さ方向の中心部には、含有されたTiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在するため、この金属ベルト1には窒化処理が適切に施されていることになる。更に、厚さ方向の中心部ではビッカース硬度が400HV〜600HVであるため、金属ベルト1として要求される内部硬度の範囲を満たすようになっている。そして、この金属ベルト1は、高価な合金元素が多く含まれるマルエージング鋼から製造されたものではなく、普通の鋼材から製造されたものである。従って、この金属ベルト1は、引張強度及び疲労強度が大きく且つ安価なものである。
Further, according to the metal belt 1 (stepless transmission belt) of this embodiment, since C is 0.2% to 0.8%, the
次に、第2実施形態について説明する。
この第2実施形態では、浸炭・焼入れ工程において、浸炭処理を施した後で且つ焼入れ処理を施す前に、リング部材6A(図6参照)に拡散処理が施される。浸炭処理では、COガス、H2ガス、N2ガスの混合ガス雰囲気の中で、リング部材6Aが加熱処理される。具体的に、処理温度は600度〜900度程度であり、保持時間は5分〜30分程度である。続いて、拡散処理では、H2ガス、N2ガスの混合ガス雰囲気の中で、リング部材6Aが加熱保持される。具体的に、処理温度は850度〜950度程度であり、保持時間は30分〜1時間程度である。
Next, a second embodiment will be described.
In the second embodiment, in the carburizing / quenching step, the diffusion treatment is performed on the
ここで、拡散処理とは、リング部材6Aの変態温度で所定時間加熱保持して、リング部材6AのCの含有量の分布を均一化する処理である。その後、焼入れ処理では、オーステナイト状態になっているリング部材6Aが冷やされて、マルテンサイト状態になる。浸炭処理と、拡散処理及び焼入れ(冷却)処理とを行う場合、一つの炉を用いて温度と混合ガス雰囲気とを調節すると良い。これは、冷却及び加熱によるエネルギーの無駄を減らすためである。
Here, the diffusion process is a process of heating and holding for a predetermined time at the transformation temperature of the
第2実施形態の作用効果について、図14を用いて説明する。
図14(A)は、拡散処理する前のリング部材6AのCの含有量を示した説明図である。一方、図14(B)は、拡散処理した後のリング部材6AのCの含有量を示した説明図である。図14(A)に示したように、拡散処理する前、即ち浸炭処理した直後では、表面(裏面)と厚さ方向の中心部とでは、Cの含有量に大きな差がある。ここで、仮にこの状態のリング部材6Aに対して焼入れ処理を施した場合には、表面(裏面)のCの含有量のみが大きいことによって、表面(裏面)のみが硬くなり過ぎて、後の歪矯正・周長調整工程(図8参照)でリング部材6Bが破断し易い。更に、この場合には、厚さ方向の中心部のCの含有量のみが小さいことによって、内部硬さが低くなり、金属ベルト1としての強度を満たさなくなる。そこで、図14(B)に示したように、拡散処理によって、表面(裏面)と厚さ方向の中心部との間でCの含有量の差をなくすことができ、上記した問題が発生することを防止できる。即ち、拡散処理の後の焼入れ処理によって、安定した品質のリング部材6B(金属ベルト1)を製造することができる。
The effect of 2nd Embodiment is demonstrated using FIG.
FIG. 14A is an explanatory view showing the C content of the
また、この第2実施形態によれば、浸炭処理において混合ガス雰囲気の制御が容易になる。即ち、第1実施形態では、浸炭処理において図7(B)に示したうように、表面(裏面)から厚さ方向の中心部までCの含有量が0.3%〜0.4%になるように、混合ガス雰囲気を精密に制御する必要がある。これに対して、第2実施形態によれば、拡散処理を施すため、浸炭処理では、図14(A)に示したように、表面(裏面)のCの含有量が0.4%より大きく且つ厚さ方向の中心部のCの含有量が0.3%より小さくても良い。これにより、浸炭処理を低温で行うことができるためコントロールし易く、より精密に且つ短時間で処理することができる。 Moreover, according to this 2nd Embodiment, control of mixed gas atmosphere becomes easy in a carburizing process. That is, in the first embodiment, as shown in FIG. 7B in the carburizing process, the C content is 0.3% to 0.4% from the front surface (back surface) to the center in the thickness direction. Therefore, it is necessary to precisely control the mixed gas atmosphere. On the other hand, according to the second embodiment, since the diffusion treatment is performed, in the carburization treatment, the C content on the front surface (back surface) is larger than 0.4% as shown in FIG. Further, the C content in the central portion in the thickness direction may be smaller than 0.3%. Thereby, since the carburizing process can be performed at a low temperature, it is easy to control, and the process can be performed more precisely and in a short time.
また、この第2実施形態によれば、第1実施形態に比して、浸炭・焼入れ工程における処理時間を短くすることができる。即ち、第1実施形態では、浸炭処理において上述したように混合ガス雰囲気を精密に制御するため、多くの時間がかかる(30分〜1時間)。これに対して、第2実施形態によれば、浸炭処理において混合ガス雰囲気をコントロールし易く、短い時間で済む(5分〜30分)。そして、拡散処理においては、リング部材6Bが薄いもの(厚さが0.18mm程度)であるため、Cの含有量の分布を均一にする時間は比較的短い。こうして、第2実施形態の浸炭・焼入れ工程では、Cがリング部材6Bの内部にまで入り込んでいない状態で浸炭処理を素早く終了し、その後の拡散処理によってCの含有量を均一化することで、浸炭・焼入れ工程における処理時間を短くすることができる。第2実施形態のその他の作用効果は、第1実施形態の作用効果と同様であるため、その説明を省略する。
Moreover, according to this 2nd Embodiment, the process time in a carburizing and hardening process can be shortened compared with 1st Embodiment. That is, in the first embodiment, it takes a lot of time (30 minutes to 1 hour) to precisely control the mixed gas atmosphere as described above in the carburizing process. On the other hand, according to the second embodiment, it is easy to control the mixed gas atmosphere in the carburizing process, and a short time is required (5 to 30 minutes). In the diffusion treatment, since the
以上、本発明に係る無段階変速機ベルト及びその製造方法において、本発明はこれに限定されることはなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、第2実施形態においては、浸炭処理と、拡散処理及び焼入れ(冷却)処理とを行う場合、一つの炉を用いて温度と混合ガス雰囲気とを調節した。しかしながら、二つの炉を用いて、一つ目の炉でリング部材6Aに浸炭処理を施した後に冷却して、二つ目の炉で再加熱してリング部材6Bに拡散処理及び焼入れ(冷却処理)を施しても良い。
また、各実施形態において、質量%で、Cが0.05%以下であり、Tiが0.1%以上であり且つ1.0%以下であるリング部材6Aを、素材形成工程と管状形成工程と溶接工程とリング状切断工程と圧延工程(図2参照)とによって形成したが、リング部材6Aを形成するためのリング部材形成工程は、上記した工程に限定されるものではなく、適宜変更可能である。
As described above, in the continuously variable transmission belt and the manufacturing method thereof according to the present invention, the present invention is not limited to this, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
For example, in the second embodiment, when the carburizing process, the diffusion process, and the quenching (cooling) process are performed, the temperature and the mixed gas atmosphere are adjusted using one furnace. However, using two furnaces, the
Moreover, in each embodiment, the
1 金属ベルト
2 エレメント
3 薄板
4 管状薄板
5 薄肉パイプ
6,6A,6B,6C リング部材
1
Claims (8)
前記リング部材に対して浸炭処理を施すとともに焼入れ処理を施す浸炭・焼入れ工程と、
前記浸炭・焼入れ処理されたリング部材に対して窒化処理を施す窒化工程と、を備えたことを特徴とする無段階変速機ベルトの製造方法。 A ring member forming step of forming a ring member in which, by mass%, C is 0.05% or less, Ti is 0.1% or more and 1.0% or less;
Carburizing / quenching step for carburizing and quenching the ring member;
And a nitriding step of nitriding the carburized / quenched ring member. A method for producing a continuously variable transmission belt.
前記浸炭・焼入れ工程では、浸炭処理を施した後で且つ焼入れ処理を施す前に、拡散処理を施すことを特徴とする無段階変速機ベルトの製造方法。 The method of manufacturing a continuously variable transmission belt according to claim 1,
In the carburizing / quenching process, a diffusion process is performed after the carburizing process and before the quenching process.
前記リング部材形成工程で形成されるリング部材において、質量%で、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下であることを特徴とする無段階変速機ベルトの製造方法。 In the method for manufacturing a continuously variable transmission belt according to claim 1 or 2,
A ring member formed in the ring member forming step, wherein, in mass%, Ti is 0.3% or more and 0.7% or less, and the method of manufacturing a continuously variable transmission belt.
前記リング部材形成工程で形成されるリング部材において、質量%で、Cが0.001%以下であることを特徴とする無段階変速機ベルトの製造方法。 The method of manufacturing a continuously variable transmission belt according to any one of claims 1 to 3,
A ring member formed in the ring member forming step, wherein C is 0.001% or less by mass%, and the method for manufacturing a continuously variable transmission belt.
前記リング部材形成工程では、
Tiを含有する金属素材を形成し、
前記金属素材を厚み0.42mmの薄板に形成し、
前記薄板を丸めて管状薄板を形成し、
前記管状薄板の周方向端部を溶接して薄肉パイプを形成し、
前記薄肉パイプを切断して前記リング部材を形成することを特徴とする無段階変速機ベルトの製造方法。 In the manufacturing method of the continuously variable transmission belt according to any one of claims 1 to 4,
In the ring member forming step,
Forming a metal material containing Ti,
Forming the metal material into a thin plate having a thickness of 0.42 mm;
The tubular sheet is formed by rolling a pre-Symbol thin plate,
Welding the circumferential end of the tubular thin plate to form a thin pipe,
A method of manufacturing a continuously variable transmission belt, wherein the thin pipe is cut to form the ring member.
質量%で、Cが0.2%以上であり且つ0.8%以下であるとともに、Tiが0.1%以上であり且つ1.0%以下であり、
表面には、質量%で、前記リング部材に含有されていたTiの10%以上がチタン窒化物として存在し、
表面から厚さ方向の中心部には、質量%で、前記リング部材に含有されていたTiの10%以上が固溶状態であるTiとして存在し、
表面からの厚さ方向の中心部のビッカース硬度が、400HV以上であり且つ600HV以下であることを特徴とする無段階変速機ベルト。 A continuously variable transmission belt manufactured by subjecting a ring member containing Ti to carburizing / quenching treatment and nitriding treatment,
In mass%, C is 0.2% or more and 0.8% or less, and Ti is 0.1% or more and 1.0% or less,
On the surface, 10% or more of Ti contained in the ring member by mass% is present as titanium nitride,
At the center in the thickness direction from the surface, 10% or more of Ti contained in the ring member is present as Ti in a solid solution state in mass%,
A continuously variable transmission belt, wherein a Vickers hardness at a central portion in a thickness direction from the surface is 400 HV or more and 600 HV or less.
質量%で、Tiが0.3%以上であり且つ0.7%以下であることを特徴とする無段階変速機ベルト。 The continuously variable transmission belt according to claim 6,
A continuously variable transmission belt characterized in that, by mass%, Ti is 0.3% or more and 0.7% or less.
質量%で、Cが0.3%以上であり且つ0.5%以下であることを特徴とする無段階変速機ベルト。 In the continuously variable transmission belt according to claim 6 or 7,
A continuously variable transmission belt characterized in that C is 0.3% or more and 0.5% or less in terms of mass%.
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