無段変速機用鋼、素材鋼板および無段変速機ベルト
【課題】工程負荷の少ない製造プロセスで合理的な強度・疲労特性が付与できる無段変速機ベルト用の鋼を提供する。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１≧８０、Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２≧５０となるように成分調整された無段変速機ベルト用の鋼。
【解決手段】質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１≧８０、Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２≧５０となるように成分調整された無段変速機ベルト用の鋼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無端金属ベルトからなる無段変速機用の鋼、およびその鋼を用いた無段変速機ベルト用素材鋼板、並びに無段変速機ベルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無段変速機ベルトに用いる金属リング材としては１８Ｎｉマルエージング鋼が使用されてきた。この材料は焼入れ状態でほぼマルテンサイト単相であり、時効処理によって硬度を上昇させ、さらに窒化処理で表面層を硬化させることで素材の耐摩耗性や疲労特性を付与することが可能である。しかし、１８Ｎｉマルエージング鋼はＣｏを１０％以上含有しているために非常に高価であり、リサイクル性にも問題がある。また、リング溶接時の熱履歴で硬度が上昇するので、そのままリング圧延に供すると板厚制御や周長制御が難しくなる。このため、リング溶接後に焼鈍工程を入れているのが現状であり、工程負荷も大きい。
【０００３】
下記特許文献１、２には、１８Ｎｉマルエージング鋼よりもさらに疲労特性を向上させた無段変速機ベルト用材料として、準安定オーステナイト系ステンレス鋼を使用したものが記載されている。これは、リング圧延時に加工誘起マルテンサイトを生成させ、さらに時効窒化処理を施すことにより非常に高い疲労特性を実現したものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６３９９８号公報
【特許文献２】特開２００２−５３９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２の準安定オーステナイト系鋼は、溶体化処理後において基本的にオーステナイト単相組織であるから、十分な量の加工誘起マルテンサイトを確保するためにはリング圧延の工程に大きな負荷がかかる。特に溶接部はひずみの少ないオーステナイト単相組織となるため、母材部と溶接部とでほとんど差のない組織状態を得るにはリング圧延での負荷を増大させる必要がある。また、リング圧延後もオーステナイト相が多く存在するので窒化処理には長時間を要する。特許文献１によると時効窒化処理は２０分以上必要であるとされるが、発明者らのその後の調査の結果、２０分程度の短時間では必ずしも安定して窒化が達成されないことがわかった。
【０００６】
一方、昨今では無段変速機の設計技術の進歩等により、特許文献１、２の材料ほど高い疲労特性を必要としないリング材の用途も増えつつある。特許文献１、２の材料はコストおよび特性の面で必ずしも合理的とは言えない。
本発明は、Ｃｏ等の特殊元素を添加することなくリサイクル性に優れた合金元素で構成され、実施しやすく工程負荷の少ないプロセスでコスト・性能バランスに優れた無段変速機ベルトが製造できる鋼、および素材鋼板を提供すること、並びにその素材鋼板を用いた無段変速機ベルトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは詳細な研究の結果、上記目的は、化学組成が厳密にコントロールされた鋼を用い、中間製品である素材鋼板の段階において金属組織を適切にコントロールすることにより達成できることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明では以下の化学組成にコントロールされた鋼を提供する。
質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％好ましくは０.００１〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上、かつ下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上である化学組成。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
【０００９】
ここで、Ｔｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＢは任意添加元素であり、その下限の０％は、製鋼工程で行われる通常の元素分析手法において測定限界以下の場合である。(１)式および(２)式の元素記号の箇所には質量％で表された各元素の含有量の値が代入される。
【００１０】
また本発明では、前記の鋼からなり、中間製品の段階で以下の金属組織にコントロールされた無段変速機ベルト用素材鋼板を提供する。
[１] 残留オーステナイト相：０〜２５体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、リング圧延に供するための素材鋼板。
[２] 溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相からなり、もしくは冷間圧延加工された状態でこの金属組織をもつ、窒化処理に供するための素材鋼板。この場合、表面に、バレル研磨、ショットピーニング処理またはショットブラスト処理を施してなる加工層を有していても構わない。
【００１１】
ここで、リング圧延とは、リング状の無端金属ベルトを２個のドラムあるいはプーリーに架けて張力を付与した状態で回動させながら圧延ロールで冷間圧延する圧延方法である。マトリクス（鋼素地）はフェライト相、オーステナイト相およびマルテンサイト相をいう。金属組織中にはマトリクス以外に析出物や介在物が含まれていて構わない。残留オーステナイト相が０体積％、かつフェライト相が０体積％の場合は、マトリクスがマルテンサイト単相の組織状態を意味する。
【００１２】
さらに本発明では、前記の鋼からなり、最終的に以下の構造を有する無段変速機ベルトを提供する。
溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ無段変速機ベルト。特に、当該ベルトから切り出した長手方向の試験片についての引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、両振り曲げ疲労試験（回転数：６００ｒｐｍ、応力比＝最大応力／最小応力：−１）による疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上であるものが好適な対象となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来の１８Ｎｉマルエージング鋼を用いた場合に比べリング圧延時に周長制御・板厚制御がし易く、かつ、得られた無段変速機ベルトはリサイクル性に優れる。また、準安定オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合に比べリング圧延や窒化処理の工程負荷を大幅に軽減でき、かつ、母材と溶接部で特性にほとんど差のない無段変速機ベルトが容易に製造できる。さらに本発明によれば、優れた強度・疲労特性を安定して付与することが可能である。したがって本発明は、コストと性能のバランスに優れた無段変速機ベルトを提供するものであり、無段変速機の普及に寄与しうるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明者らの検討によれば、残留オーステナイト相が１０体積％以下であるマルテンサイト主体の組織状態とした上で窒化処理を施すことにより、最終的に引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上といった優れた強度・疲労特性を無段変速機ベルトに安定的に付与できることが明らかになった。そのためには、鋼の化学組成および中間製品における金属組織を厳密に管理することが必要となる。以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１５】
〔化学組成〕
以下、成分元素の「％」は特に示さない限り「質量％」を意味する。
Ｃ：０.１５％以下
Ｃはオーステナイト形成元素であり、マルテンサイト相の強化に極めて有効である。しかし、Ｃ含有量の増加に伴い溶体化処理後の冷却過程あるいは窒化処理時に粒界に析出するＣｒ炭化物が増加し、耐粒界腐食性や疲労特性の低下要因となる。これは熱処理条件等の最適化によりある程度回避できるが、工業的な限界を考慮するとＣ含有量の上限は０.１５％に制限される。Ｃ含有量の下限は特に制限されないが、０.００５％以上とすることが好ましく、０.０１％以上が更に好ましい。
【００１６】
Ｓｉ：３.０％以下
Ｓｉは通常、脱酸目的で添加されるが、マルテンサイト相を固溶強化し、特にリング圧延後の高強度化に寄与する。またひずみ時効により時効硬化能を向上させる効果も有する。しかし、Ｓｉ含有量が多くなると高温割れを誘発し易く、製造上の問題を生じるとともに、フェライト相の含有率が高くなり却って強度低下を招くことになる。このためＳｉ含有量は３.０％以下に制限される。
【００１７】
Ｍｎ：１.０％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、溶体化処理後のマルテンサイト相比を高めて強度向上に寄与する。しかし、多量のＭｎ含有は溶体化処理後の残留オーステナイト量を多くし、強度低下の要因となる。また、Ｓと結合してＭｎＳの形で析出し、疲労特性に悪影響を及ぼすことがある。このためＭｎ含有量１.０％以下に制限される。特に好ましいＭｎ含有量は０.２〜０.８％である。
【００１８】
Ｐ：０.０６％以下
Ｐは固溶強化能が大きい元素であるが、Ｔｉ等と結合してリン化物を形成し、高強度域における疲労特性を低下させることがある。したがってＰ含有量は低いほど望ましく、本発明では０.０６％以下に制限される。
【００１９】
Ｓ：０.０１％以下
Ｓは熱間圧延での耳切れ発生の面で好ましくない元素である。また、Ｍｎ、Ｔｉ等と結合して析出物を形成し、疲労特性に悪影響を及ぼす。したがってＳ含有量は低いほど望ましく、本発明では０.０１％以下に制限される。
【００２０】
Ｎｉ：０.０５〜７.０％
ＮｉはＭｎと同様に溶体化処理後のマルテンサイト相比を高めて強度を向上させる作用を呈する。この作用を十分に発揮させるには０.０５％以上のＮｉ含有が望ましい。一方、多量のＮｉ含有は溶体化処理後の残留オーステナイト量を増加させ、強度低下の要因となる。このためＮｉ含有量は０.０５〜７.０％に規定する。
【００２１】
Ｃｒ：８.０〜１８.０％
Ｃｒは固溶強化に寄与するとともに、耐食性を付与する上で重要である。無段変速機の用途では少なくとも８.０％のＣｒ含有量を確保することが望ましい。ステンレス鋼としての耐食性を得るには１１.０％以上好ましくは１３.０％以上のＣｒ含有量を確保するとよい。しかし、Ｃｒ含有量が多すぎるとマルテンサイト主体の金属組織を得ることが難しくなり、無段変速機ベルトとしての十分な強度が確保できなくなる恐れがある。この弊害はＣｒ含有量が１８.０％を超えると顕著に現れるようになる。したがってＣｒ含有量の上限は１８.０％に規定する必要がある。
【００２２】
Ｎ：０.１０％以下
ＮはＣと同様にオーステナイト形成元素であり、マルテンサイト相の強化に寄与する。ただし、Ｎを多量に含有すると溶体化処理後の残留オーステナイト量が多くなり強度低下の要因となる。また、Ｔｉとの非金属介在物が生成し易くなり、疲労特性の低下を招く恐れがある。このためＮ含有量は０.１０％以下に制限される。Ｎ含有量の好ましい範囲は０.００５〜０.０７％である。
【００２３】
Ｔｉ：０.０５％以下
Ｔｉは析出硬化作用を有するが、本発明ではＴｉによる前記作用を特に利用する必要はない。むしろ、Ｔｉを含有させるとＴｉ窒化物が多くなり、却って無段変速機ベルトの疲労特性を損なう場合があることがわかってきた。本発明では優れた疲労特性を安定して付与する観点から、Ｔｉは無添加とするか、あるいは０.０５％以下の含有量にとどめる。
【００２４】
Ｃｕ：３.０％以下
Ｃｕは時効硬化に寄与する。０.５％以上のＣｕ含有量とすることが効果的である。ただし、過剰のＣｕ添加は熱間加工性の低下を招くので、Ｃｕを添加する場合は３.０％以下の範囲で行う必要がある。
【００２５】
Ｍｏ：３.０％以下
Ｍｏは時効処理時に炭化物を微細に分散させる効果を有するとともに、Ｃｒ含有量が多い場合にはステンレス鋼としての耐食性を高める効果がある。さらにＭｏには、高温で時効した場合にひずみの急激な解放を抑制する効果があり、時効を兼ねた窒化処理の高温・短時間化に寄与し得る。ただし、Ｍoを多量に添加してもこれらの効果は飽和するとともに、原料コストの増大を招き合理的でない。したがって、Ｍｏを添加する場合は３.０％以下の範囲で行うことが望ましい。特に好ましいＭｏの含有量範囲は０.５〜２.０％である。
【００２６】
Ｂ：０.０１５％以下
ＢはＮと微細な析出物を形成して最終焼鈍時の結晶粒粗大化を抑制するとともに、熱間圧延温度域でのδフェライト相とオーステナイト相の粒界における結合力を高めて熱間加工性を改善する作用があり、特に熱延耳切れの防止に有効である。このような作用を十分に発揮させるためには０.００１％以上のＢ添加が特に効果的である。しかし、過度の添加は低融点硼化物の形成を招き、逆に熱間加工性を劣化させる。このため、Ｂを添加する場合は０.０１５％以下の範囲で行う必要がある。
【００２７】
その他、熱間加工性改善等の目的でＣａ、ＲＥＭ（希土類元素）、Ｙ、Ｍｇを含有させてもよい。この場合、無段変速機ベルトとして必要な疲労特性その他の材料特性を損なわないよう、それぞれ０.０５％以下の含有量とすることが望ましい。
【００２８】
Ｄ値：８０以上
本発明では下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上になるように各成分元素の含有量を調整する。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｄ値は溶体化処理し水冷した鋼板（溶体化処理鋼板）における残留オーステナイト量と良い相関を有する指標である。本発明では後述のように、残留オーステナイト相が２５体積％以下の溶体化処理鋼板を用意することが望ましい。Ｄ値が８０以上となるように合金元素含有量を調整することで溶体化処理鋼板の残留オーステナイト量を２５体積％以下にコントロールすることができる。
【００２９】
Ｘ値：５０以上
本発明ではさらに下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上になるように各成分元素の含有量を調整する。
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
Ｘ値は溶体化処理鋼板におけるフェライト量と良い相関を有する指標である。後述するように、最終的に十分な強度・疲労特性を得るためには、溶体化処理後の段階でフェライト量が５０体積％以下に抑えられていることが望ましい。Ｘ値が５０以上となるように組成調整することで溶体化処理鋼板のフェライト量を５０体積％以下にコントロールすることができる。
【００３０】
〔製造工程〕
本発明では、溶体化処理鋼板を出発材料として以下の工程を有するプロセスで目的の無段変速機ベルトを得ようというものである。
（溶体化処理鋼板）→溶接によるリング化→リング圧延→必要に応じて機械的表面処理→窒化処理→（無段変速機ベルト）
【００３１】
〔リング圧延に供するための素材鋼板〕
リング圧延に供するための溶体化処理鋼板の段階での素材鋼板としては、残留オーステナイト量が２５体積％になっていることが望ましい。これを超える多量の残留オーステナイト相が存在する場合は、後工程のリング圧延で所望の組織を得るのに多大な工程負荷を要するか、あるいは所望の組織を得ることが不可能となる。
【００３２】
一方、鋼板中にフェライト相が多いと強度不足が生じる。種々検討の結果、無段変速機ベルトとして引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上かつ疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上の強度・疲労特性を安定して得るには、当該ベルトにおいてフェライト量が５０体積％以下になっていることが極めて有効である。フェライト量はリング圧延や窒化処理で実質的に変化しないので、溶体化処理鋼板の段階でフェライト量が５０体積％以下になっていればよい。
【００３３】
以上のことから、リング圧延に供するための素材鋼板として、フェライト相：０〜５０体積％、残留オーステナイト相：０〜２５体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ溶体化処理鋼板を用意することが好ましい。
なお、溶体化処理鋼板は一般的な「溶製→熱間圧延→冷間圧延」のプロセスで得ることができる。
【００３４】
〔窒化処理に供するための素材鋼板〕
上記の溶体化処理鋼板を一定長さに切断し、長手方向の両端部同士を溶接で接合して無端金属ベルトにする。次いで、無端金属ベルトにリング圧延を施し、窒化処理に供するためのリング状素材鋼板を得る。リング圧延後に表面に圧縮応力を付与するための機械的表面処理（後述）を施してもよい。
【００３５】
窒化処理に供するための素材鋼板においては、残留オーステナイト相が１０体積％以下になっていることが極めて重要である。残留オーステナイト相が多い状態で窒化処理に供すると、Ｎの拡散が遅いことに起因して表層が十分に窒化されず、窒化層の厚さ変動が大きくなることから、疲労特性のバラツキが生じやすい。このような窒化の不具合は、残留オーステナイト相を１０体積％以下に低減したとき、顕著に改善されるのである。窒化処理に供する段階での好ましい金属組織は、母材および溶接部とも、残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の組織である。
【００３６】
溶体化処理後の段階で１０体積％を超える残留オーステナイト相が存在している場合は、その残留オーステナイト相の一部または全部をリング圧延によって加工誘起マルテンサイト相に変態させることが肝要である。ただし、リング圧延率は３〜６０％の範囲で設定することが好ましい。リング圧延率が３％未満ではベルト全周において均一な特性を得るのが困難であり、逆に６０％を超えると過度の加工ひずみが導入され疲労特性が急激に低下するからである。本発明で規定する化学組成の鋼板であって、残留オーステナイト量が２５体積％以下に調整されている溶体化処理鋼板を素材としたとき、３〜６０％のリング圧延率の範囲で、母材および溶接部とも、残留オーステナイト相の量を１０体積％以下にすることができる。
【００３７】
リング圧延後には、必要に応じてリング状鋼板の表面に圧縮応力を付与するための機械的表面処理を施すことができる。この処理を行うと最終製品における疲労特性を安定して向上させる上で一層有利となる。具体的な手段として、バレル研磨、ショットピーニング処理、ショットブラスト処理が挙げられる。これらは１種のみを採用してもよいし、２種以上を順次施す「複合処理」としてもよい。
【００３８】
〔無段変速機ベルト〕
リング圧延あるいは更に機械的表面処理を経たリング状鋼板は、窒化処理に供する。例えば３００〜６００℃の窒化環境下に１〜１２０分間曝す条件で窒化処理を行うと、時効処理を兼ねることができ、疲労特性とともに強度の向上を図ることができる。
【００３９】
窒化処理温度が３００℃未満ではＮの拡散速度が遅く、十分な窒化深さが得られない。逆に６００℃を超えるとマルテンサイトの焼戻しおよびリング圧延で付与したひずみの回復が起こるため、母材および溶接部の強度レベルが低下し、それに伴って無段変速機ベルトとしての十分な疲労特性が得られない。一方、窒化処理時間については、本発明の素材鋼板を用いると、最長でも１２０分間の窒化処理で十分な窒化深さが得られる。本発明の素材鋼板はＮの拡散が遅い残留オーステナイト相の量が０〜１０体積％と少なく、残部のマトリクスはＮの拡散が比較的速いマルテンサイト相、あるいはマルテンサイト相とフェライト相で構成されているからである。ただし、１分未満だと十分な窒化深さを安定して得ることが難しい。通常、１０〜１００分程度の窒化処理時間を確保することが、製品品質の安定性および経済性の観点から好ましい。
【００４０】
窒化方法は特に規定されないが、例えば「ガス窒化法」、「塩浴窒化法」、「ガス浸硫窒化法」、「プラズマ窒化法」などが適用できる。
【００４１】
ガス窒化法としては、アンモニアガスを含むガス環境が使用できる。例えば、アンモニアガスに、ＲＸガス（吸収型変成ガス；ＣＯ＋Ｈ2＋Ｎ2）、プロパンガス、ブタンガス、(ＣＯ2＋ＣＯ)混合ガス等を混合した雰囲気を採用することができる。
【００４２】
塩浴窒化法の場合は、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯおよびＫＣＮＯの１種以上を基本成分とし、これにＮａ2ＣＯ3およびＫ2ＣＯ3の１種以上を添加した３００〜６００℃塩浴を使用することができる。
【００４３】
ガス浸硫窒化法の場合は、アンモニアガスを基本成分とするガスにＨ2Ｓが混合され、さらに必要に応じてＣＯ2、Ｎ2を含む混合ガスが使用できる。
【００４４】
プラズマ窒化法の場合は、窒素ガスを基本成分とし、必要に応じてＨ2を含む減圧ガス雰囲気中にリング状鋼板を設置し、当該リング状鋼板と電極との間に生成させたプラズマによって、当該リング状鋼板を３００〜６００℃に加熱すればよい。プラズマを発生させる電極として金属製密閉容器の炉壁を利用することが効率的である。すなわち、リング状鋼板と炉壁の間に生成されたプラズマによってリング状鋼板を加熱するとよい。
【００４５】
以上の製造法で作られる無段変速機ベルトは優れた強度および疲労特性を有する。なかでも板厚０.０３〜０.５ｍｍ、幅３〜５０ｍｍであり、引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上の合理的な特性を有する無段変速機ベルトがコストおよび性能バランスに優れたものとして提供できる。
【実施例】
【００４６】
表１に示す組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鍛造、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延を行い、１０２０℃で１分間保持したのち水冷する溶体化処理を施して、リング圧延に供するための素材鋼板（以下「リング圧延前鋼板」という）を製造した。各リング圧延前の素材鋼板から幅２０ｍｍのベルトを切り出し、長手方向の両端部同士をＴＩＧ溶接にて接合して無端金属ベルトとした。これを２個のプーリーに架けて張力を付与した状態で回動させ、３０％の圧延率でリング圧延を行って板厚０.１８ｍｍのリング状鋼板とした。次いで、一部を除いて、バレル研磨、ショットブラスト処理およびショットピーニング処理の１種以上の機械的表面処理を施し、窒化処理に供するための素材鋼板（以下「窒化処理前鋼板」という）を得た。その後、ガス窒化法による窒化処理に供した。ガス環境は「５０体積％アンモニアガス＋５０体積％ＮＸガス」からなる混合ガスとし、温度は４８０℃、保持時間は６０分とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
リング圧延前鋼板、窒化処理前鋼板について、Ｘ線回折および光学顕微鏡観察により鋼板内部の残留オーステナイト量とフェライト量を調べた。なお、残留オーステナイト相とフェライト相を除く残部のマトリクスはマルテンサイト相であった。
また、窒化処理後の無端金属ベルト（無段変速機ベルトの製品に相当）から試験片を切り出し、引張試験および疲労試験を行った。引張試験はＪＩＳ Ｚ２２０１に規定の１３Ｂ号試験片を用いてＪＩＳ Ｚ２２４１に準じて行った。疲労試験は長さ１００ｍｍ、幅８ｍｍの平行部を有する試験片を用いて、回転数６００ｒｐｍ、応力比（最大応力／最小応力）＝−１の条件で両振り曲げ疲労試験を行い、ＪＩＳ Ｚ２２７３に準じて疲れ限度を測定した。
結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２から判るように、本発明例のものはリング圧延後に母材および溶接部ともに残留オーステナイト相が１０体積％以下であり、窒化処理後において引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上の強度・疲労特性を余裕を持ってクリアした。特に、例えばリング圧延率３０％、窒化処理温度４８０℃、窒化処理時間６０分という、営業生産ラインで実施しやすく工程負荷の少ないプロセスで引張強さ１４００Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度７００Ｎ／ｍｍ2以上という優れた強度・疲労特性が安定して得られることが確認された。
【００５１】
これに対し、比較例Ｑ１はＤ値が８０未満と低い鋼を使用したため、リング圧延前鋼板の残留オーステナイト量が２５体積％を超えたことに起因して窒化処理前鋼板の残留オーステナイト量が１０体積％を超え、結果的に窒化が不十分となって疲労特性に劣った。Ｑ２はＸ値が５０未満と低い鋼を使用したためフェライト量が５０体積％を超え、窒化処理後の引張強さ、疲れ限度とも低かった。Ｑ３はＳとＴｉが高い鋼を使用し、Ｑ４はＴｉが高い鋼を使用したため、いずれも窒化処理後にＴｉ系介在物が多く分布し、疲れ限度が低かった。Ｑ５はＣが高い鋼を使用したため時効処理後の引張強さが過度に高くなりとともに、疲れ限度は低くなった。Ｑ６はＮが高い鋼を使用したためＴｉＮが多く分布し、疲れ限度が低かった。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無端金属ベルトからなる無段変速機用の鋼、およびその鋼を用いた無段変速機ベルト用素材鋼板、並びに無段変速機ベルトに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、無段変速機ベルトに用いる金属リング材としては１８Ｎｉマルエージング鋼が使用されてきた。この材料は焼入れ状態でほぼマルテンサイト単相であり、時効処理によって硬度を上昇させ、さらに窒化処理で表面層を硬化させることで素材の耐摩耗性や疲労特性を付与することが可能である。しかし、１８Ｎｉマルエージング鋼はＣｏを１０％以上含有しているために非常に高価であり、リサイクル性にも問題がある。また、リング溶接時の熱履歴で硬度が上昇するので、そのままリング圧延に供すると板厚制御や周長制御が難しくなる。このため、リング溶接後に焼鈍工程を入れているのが現状であり、工程負荷も大きい。
【０００３】
下記特許文献１、２には、１８Ｎｉマルエージング鋼よりもさらに疲労特性を向上させた無段変速機ベルト用材料として、準安定オーステナイト系ステンレス鋼を使用したものが記載されている。これは、リング圧延時に加工誘起マルテンサイトを生成させ、さらに時効窒化処理を施すことにより非常に高い疲労特性を実現したものである。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６３９９８号公報
【特許文献２】特開２００２−５３９３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２の準安定オーステナイト系鋼は、溶体化処理後において基本的にオーステナイト単相組織であるから、十分な量の加工誘起マルテンサイトを確保するためにはリング圧延の工程に大きな負荷がかかる。特に溶接部はひずみの少ないオーステナイト単相組織となるため、母材部と溶接部とでほとんど差のない組織状態を得るにはリング圧延での負荷を増大させる必要がある。また、リング圧延後もオーステナイト相が多く存在するので窒化処理には長時間を要する。特許文献１によると時効窒化処理は２０分以上必要であるとされるが、発明者らのその後の調査の結果、２０分程度の短時間では必ずしも安定して窒化が達成されないことがわかった。
【０００６】
一方、昨今では無段変速機の設計技術の進歩等により、特許文献１、２の材料ほど高い疲労特性を必要としないリング材の用途も増えつつある。特許文献１、２の材料はコストおよび特性の面で必ずしも合理的とは言えない。
本発明は、Ｃｏ等の特殊元素を添加することなくリサイクル性に優れた合金元素で構成され、実施しやすく工程負荷の少ないプロセスでコスト・性能バランスに優れた無段変速機ベルトが製造できる鋼、および素材鋼板を提供すること、並びにその素材鋼板を用いた無段変速機ベルトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明者らは詳細な研究の結果、上記目的は、化学組成が厳密にコントロールされた鋼を用い、中間製品である素材鋼板の段階において金属組織を適切にコントロールすることにより達成できることを知見した。
【０００８】
すなわち、本発明では以下の化学組成にコントロールされた鋼を提供する。
質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％好ましくは０.００１〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上、かつ下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上である化学組成。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
【０００９】
ここで、Ｔｉ、Ｃｕ、ＭｏおよびＢは任意添加元素であり、その下限の０％は、製鋼工程で行われる通常の元素分析手法において測定限界以下の場合である。(１)式および(２)式の元素記号の箇所には質量％で表された各元素の含有量の値が代入される。
【００１０】
また本発明では、前記の鋼からなり、中間製品の段階で以下の金属組織にコントロールされた無段変速機ベルト用素材鋼板を提供する。
[１] 残留オーステナイト相：０〜２５体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、リング圧延に供するための素材鋼板。
[２] 溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相からなり、もしくは冷間圧延加工された状態でこの金属組織をもつ、窒化処理に供するための素材鋼板。この場合、表面に、バレル研磨、ショットピーニング処理またはショットブラスト処理を施してなる加工層を有していても構わない。
【００１１】
ここで、リング圧延とは、リング状の無端金属ベルトを２個のドラムあるいはプーリーに架けて張力を付与した状態で回動させながら圧延ロールで冷間圧延する圧延方法である。マトリクス（鋼素地）はフェライト相、オーステナイト相およびマルテンサイト相をいう。金属組織中にはマトリクス以外に析出物や介在物が含まれていて構わない。残留オーステナイト相が０体積％、かつフェライト相が０体積％の場合は、マトリクスがマルテンサイト単相の組織状態を意味する。
【００１２】
さらに本発明では、前記の鋼からなり、最終的に以下の構造を有する無段変速機ベルトを提供する。
溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ無段変速機ベルト。特に、当該ベルトから切り出した長手方向の試験片についての引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、両振り曲げ疲労試験（回転数：６００ｒｐｍ、応力比＝最大応力／最小応力：−１）による疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上であるものが好適な対象となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、従来の１８Ｎｉマルエージング鋼を用いた場合に比べリング圧延時に周長制御・板厚制御がし易く、かつ、得られた無段変速機ベルトはリサイクル性に優れる。また、準安定オーステナイト系ステンレス鋼を用いた場合に比べリング圧延や窒化処理の工程負荷を大幅に軽減でき、かつ、母材と溶接部で特性にほとんど差のない無段変速機ベルトが容易に製造できる。さらに本発明によれば、優れた強度・疲労特性を安定して付与することが可能である。したがって本発明は、コストと性能のバランスに優れた無段変速機ベルトを提供するものであり、無段変速機の普及に寄与しうるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
発明者らの検討によれば、残留オーステナイト相が１０体積％以下であるマルテンサイト主体の組織状態とした上で窒化処理を施すことにより、最終的に引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上といった優れた強度・疲労特性を無段変速機ベルトに安定的に付与できることが明らかになった。そのためには、鋼の化学組成および中間製品における金属組織を厳密に管理することが必要となる。以下、本発明を特定するための事項について説明する。
【００１５】
〔化学組成〕
以下、成分元素の「％」は特に示さない限り「質量％」を意味する。
Ｃ：０.１５％以下
Ｃはオーステナイト形成元素であり、マルテンサイト相の強化に極めて有効である。しかし、Ｃ含有量の増加に伴い溶体化処理後の冷却過程あるいは窒化処理時に粒界に析出するＣｒ炭化物が増加し、耐粒界腐食性や疲労特性の低下要因となる。これは熱処理条件等の最適化によりある程度回避できるが、工業的な限界を考慮するとＣ含有量の上限は０.１５％に制限される。Ｃ含有量の下限は特に制限されないが、０.００５％以上とすることが好ましく、０.０１％以上が更に好ましい。
【００１６】
Ｓｉ：３.０％以下
Ｓｉは通常、脱酸目的で添加されるが、マルテンサイト相を固溶強化し、特にリング圧延後の高強度化に寄与する。またひずみ時効により時効硬化能を向上させる効果も有する。しかし、Ｓｉ含有量が多くなると高温割れを誘発し易く、製造上の問題を生じるとともに、フェライト相の含有率が高くなり却って強度低下を招くことになる。このためＳｉ含有量は３.０％以下に制限される。
【００１７】
Ｍｎ：１.０％以下
Ｍｎはオーステナイト生成元素であり、溶体化処理後のマルテンサイト相比を高めて強度向上に寄与する。しかし、多量のＭｎ含有は溶体化処理後の残留オーステナイト量を多くし、強度低下の要因となる。また、Ｓと結合してＭｎＳの形で析出し、疲労特性に悪影響を及ぼすことがある。このためＭｎ含有量１.０％以下に制限される。特に好ましいＭｎ含有量は０.２〜０.８％である。
【００１８】
Ｐ：０.０６％以下
Ｐは固溶強化能が大きい元素であるが、Ｔｉ等と結合してリン化物を形成し、高強度域における疲労特性を低下させることがある。したがってＰ含有量は低いほど望ましく、本発明では０.０６％以下に制限される。
【００１９】
Ｓ：０.０１％以下
Ｓは熱間圧延での耳切れ発生の面で好ましくない元素である。また、Ｍｎ、Ｔｉ等と結合して析出物を形成し、疲労特性に悪影響を及ぼす。したがってＳ含有量は低いほど望ましく、本発明では０.０１％以下に制限される。
【００２０】
Ｎｉ：０.０５〜７.０％
ＮｉはＭｎと同様に溶体化処理後のマルテンサイト相比を高めて強度を向上させる作用を呈する。この作用を十分に発揮させるには０.０５％以上のＮｉ含有が望ましい。一方、多量のＮｉ含有は溶体化処理後の残留オーステナイト量を増加させ、強度低下の要因となる。このためＮｉ含有量は０.０５〜７.０％に規定する。
【００２１】
Ｃｒ：８.０〜１８.０％
Ｃｒは固溶強化に寄与するとともに、耐食性を付与する上で重要である。無段変速機の用途では少なくとも８.０％のＣｒ含有量を確保することが望ましい。ステンレス鋼としての耐食性を得るには１１.０％以上好ましくは１３.０％以上のＣｒ含有量を確保するとよい。しかし、Ｃｒ含有量が多すぎるとマルテンサイト主体の金属組織を得ることが難しくなり、無段変速機ベルトとしての十分な強度が確保できなくなる恐れがある。この弊害はＣｒ含有量が１８.０％を超えると顕著に現れるようになる。したがってＣｒ含有量の上限は１８.０％に規定する必要がある。
【００２２】
Ｎ：０.１０％以下
ＮはＣと同様にオーステナイト形成元素であり、マルテンサイト相の強化に寄与する。ただし、Ｎを多量に含有すると溶体化処理後の残留オーステナイト量が多くなり強度低下の要因となる。また、Ｔｉとの非金属介在物が生成し易くなり、疲労特性の低下を招く恐れがある。このためＮ含有量は０.１０％以下に制限される。Ｎ含有量の好ましい範囲は０.００５〜０.０７％である。
【００２３】
Ｔｉ：０.０５％以下
Ｔｉは析出硬化作用を有するが、本発明ではＴｉによる前記作用を特に利用する必要はない。むしろ、Ｔｉを含有させるとＴｉ窒化物が多くなり、却って無段変速機ベルトの疲労特性を損なう場合があることがわかってきた。本発明では優れた疲労特性を安定して付与する観点から、Ｔｉは無添加とするか、あるいは０.０５％以下の含有量にとどめる。
【００２４】
Ｃｕ：３.０％以下
Ｃｕは時効硬化に寄与する。０.５％以上のＣｕ含有量とすることが効果的である。ただし、過剰のＣｕ添加は熱間加工性の低下を招くので、Ｃｕを添加する場合は３.０％以下の範囲で行う必要がある。
【００２５】
Ｍｏ：３.０％以下
Ｍｏは時効処理時に炭化物を微細に分散させる効果を有するとともに、Ｃｒ含有量が多い場合にはステンレス鋼としての耐食性を高める効果がある。さらにＭｏには、高温で時効した場合にひずみの急激な解放を抑制する効果があり、時効を兼ねた窒化処理の高温・短時間化に寄与し得る。ただし、Ｍoを多量に添加してもこれらの効果は飽和するとともに、原料コストの増大を招き合理的でない。したがって、Ｍｏを添加する場合は３.０％以下の範囲で行うことが望ましい。特に好ましいＭｏの含有量範囲は０.５〜２.０％である。
【００２６】
Ｂ：０.０１５％以下
ＢはＮと微細な析出物を形成して最終焼鈍時の結晶粒粗大化を抑制するとともに、熱間圧延温度域でのδフェライト相とオーステナイト相の粒界における結合力を高めて熱間加工性を改善する作用があり、特に熱延耳切れの防止に有効である。このような作用を十分に発揮させるためには０.００１％以上のＢ添加が特に効果的である。しかし、過度の添加は低融点硼化物の形成を招き、逆に熱間加工性を劣化させる。このため、Ｂを添加する場合は０.０１５％以下の範囲で行う必要がある。
【００２７】
その他、熱間加工性改善等の目的でＣａ、ＲＥＭ（希土類元素）、Ｙ、Ｍｇを含有させてもよい。この場合、無段変速機ベルトとして必要な疲労特性その他の材料特性を損なわないよう、それぞれ０.０５％以下の含有量とすることが望ましい。
【００２８】
Ｄ値：８０以上
本発明では下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上になるように各成分元素の含有量を調整する。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｄ値は溶体化処理し水冷した鋼板（溶体化処理鋼板）における残留オーステナイト量と良い相関を有する指標である。本発明では後述のように、残留オーステナイト相が２５体積％以下の溶体化処理鋼板を用意することが望ましい。Ｄ値が８０以上となるように合金元素含有量を調整することで溶体化処理鋼板の残留オーステナイト量を２５体積％以下にコントロールすることができる。
【００２９】
Ｘ値：５０以上
本発明ではさらに下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上になるように各成分元素の含有量を調整する。
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
Ｘ値は溶体化処理鋼板におけるフェライト量と良い相関を有する指標である。後述するように、最終的に十分な強度・疲労特性を得るためには、溶体化処理後の段階でフェライト量が５０体積％以下に抑えられていることが望ましい。Ｘ値が５０以上となるように組成調整することで溶体化処理鋼板のフェライト量を５０体積％以下にコントロールすることができる。
【００３０】
〔製造工程〕
本発明では、溶体化処理鋼板を出発材料として以下の工程を有するプロセスで目的の無段変速機ベルトを得ようというものである。
（溶体化処理鋼板）→溶接によるリング化→リング圧延→必要に応じて機械的表面処理→窒化処理→（無段変速機ベルト）
【００３１】
〔リング圧延に供するための素材鋼板〕
リング圧延に供するための溶体化処理鋼板の段階での素材鋼板としては、残留オーステナイト量が２５体積％になっていることが望ましい。これを超える多量の残留オーステナイト相が存在する場合は、後工程のリング圧延で所望の組織を得るのに多大な工程負荷を要するか、あるいは所望の組織を得ることが不可能となる。
【００３２】
一方、鋼板中にフェライト相が多いと強度不足が生じる。種々検討の結果、無段変速機ベルトとして引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上かつ疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上の強度・疲労特性を安定して得るには、当該ベルトにおいてフェライト量が５０体積％以下になっていることが極めて有効である。フェライト量はリング圧延や窒化処理で実質的に変化しないので、溶体化処理鋼板の段階でフェライト量が５０体積％以下になっていればよい。
【００３３】
以上のことから、リング圧延に供するための素材鋼板として、フェライト相：０〜５０体積％、残留オーステナイト相：０〜２５体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ溶体化処理鋼板を用意することが好ましい。
なお、溶体化処理鋼板は一般的な「溶製→熱間圧延→冷間圧延」のプロセスで得ることができる。
【００３４】
〔窒化処理に供するための素材鋼板〕
上記の溶体化処理鋼板を一定長さに切断し、長手方向の両端部同士を溶接で接合して無端金属ベルトにする。次いで、無端金属ベルトにリング圧延を施し、窒化処理に供するためのリング状素材鋼板を得る。リング圧延後に表面に圧縮応力を付与するための機械的表面処理（後述）を施してもよい。
【００３５】
窒化処理に供するための素材鋼板においては、残留オーステナイト相が１０体積％以下になっていることが極めて重要である。残留オーステナイト相が多い状態で窒化処理に供すると、Ｎの拡散が遅いことに起因して表層が十分に窒化されず、窒化層の厚さ変動が大きくなることから、疲労特性のバラツキが生じやすい。このような窒化の不具合は、残留オーステナイト相を１０体積％以下に低減したとき、顕著に改善されるのである。窒化処理に供する段階での好ましい金属組織は、母材および溶接部とも、残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の組織である。
【００３６】
溶体化処理後の段階で１０体積％を超える残留オーステナイト相が存在している場合は、その残留オーステナイト相の一部または全部をリング圧延によって加工誘起マルテンサイト相に変態させることが肝要である。ただし、リング圧延率は３〜６０％の範囲で設定することが好ましい。リング圧延率が３％未満ではベルト全周において均一な特性を得るのが困難であり、逆に６０％を超えると過度の加工ひずみが導入され疲労特性が急激に低下するからである。本発明で規定する化学組成の鋼板であって、残留オーステナイト量が２５体積％以下に調整されている溶体化処理鋼板を素材としたとき、３〜６０％のリング圧延率の範囲で、母材および溶接部とも、残留オーステナイト相の量を１０体積％以下にすることができる。
【００３７】
リング圧延後には、必要に応じてリング状鋼板の表面に圧縮応力を付与するための機械的表面処理を施すことができる。この処理を行うと最終製品における疲労特性を安定して向上させる上で一層有利となる。具体的な手段として、バレル研磨、ショットピーニング処理、ショットブラスト処理が挙げられる。これらは１種のみを採用してもよいし、２種以上を順次施す「複合処理」としてもよい。
【００３８】
〔無段変速機ベルト〕
リング圧延あるいは更に機械的表面処理を経たリング状鋼板は、窒化処理に供する。例えば３００〜６００℃の窒化環境下に１〜１２０分間曝す条件で窒化処理を行うと、時効処理を兼ねることができ、疲労特性とともに強度の向上を図ることができる。
【００３９】
窒化処理温度が３００℃未満ではＮの拡散速度が遅く、十分な窒化深さが得られない。逆に６００℃を超えるとマルテンサイトの焼戻しおよびリング圧延で付与したひずみの回復が起こるため、母材および溶接部の強度レベルが低下し、それに伴って無段変速機ベルトとしての十分な疲労特性が得られない。一方、窒化処理時間については、本発明の素材鋼板を用いると、最長でも１２０分間の窒化処理で十分な窒化深さが得られる。本発明の素材鋼板はＮの拡散が遅い残留オーステナイト相の量が０〜１０体積％と少なく、残部のマトリクスはＮの拡散が比較的速いマルテンサイト相、あるいはマルテンサイト相とフェライト相で構成されているからである。ただし、１分未満だと十分な窒化深さを安定して得ることが難しい。通常、１０〜１００分程度の窒化処理時間を確保することが、製品品質の安定性および経済性の観点から好ましい。
【００４０】
窒化方法は特に規定されないが、例えば「ガス窒化法」、「塩浴窒化法」、「ガス浸硫窒化法」、「プラズマ窒化法」などが適用できる。
【００４１】
ガス窒化法としては、アンモニアガスを含むガス環境が使用できる。例えば、アンモニアガスに、ＲＸガス（吸収型変成ガス；ＣＯ＋Ｈ2＋Ｎ2）、プロパンガス、ブタンガス、(ＣＯ2＋ＣＯ)混合ガス等を混合した雰囲気を採用することができる。
【００４２】
塩浴窒化法の場合は、ＮａＣＮ、ＫＣＮ、ＮａＣＮＯおよびＫＣＮＯの１種以上を基本成分とし、これにＮａ2ＣＯ3およびＫ2ＣＯ3の１種以上を添加した３００〜６００℃塩浴を使用することができる。
【００４３】
ガス浸硫窒化法の場合は、アンモニアガスを基本成分とするガスにＨ2Ｓが混合され、さらに必要に応じてＣＯ2、Ｎ2を含む混合ガスが使用できる。
【００４４】
プラズマ窒化法の場合は、窒素ガスを基本成分とし、必要に応じてＨ2を含む減圧ガス雰囲気中にリング状鋼板を設置し、当該リング状鋼板と電極との間に生成させたプラズマによって、当該リング状鋼板を３００〜６００℃に加熱すればよい。プラズマを発生させる電極として金属製密閉容器の炉壁を利用することが効率的である。すなわち、リング状鋼板と炉壁の間に生成されたプラズマによってリング状鋼板を加熱するとよい。
【００４５】
以上の製造法で作られる無段変速機ベルトは優れた強度および疲労特性を有する。なかでも板厚０.０３〜０.５ｍｍ、幅３〜５０ｍｍであり、引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上の合理的な特性を有する無段変速機ベルトがコストおよび性能バランスに優れたものとして提供できる。
【実施例】
【００４６】
表１に示す組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鍛造、熱間圧延、中間焼鈍、冷間圧延を行い、１０２０℃で１分間保持したのち水冷する溶体化処理を施して、リング圧延に供するための素材鋼板（以下「リング圧延前鋼板」という）を製造した。各リング圧延前の素材鋼板から幅２０ｍｍのベルトを切り出し、長手方向の両端部同士をＴＩＧ溶接にて接合して無端金属ベルトとした。これを２個のプーリーに架けて張力を付与した状態で回動させ、３０％の圧延率でリング圧延を行って板厚０.１８ｍｍのリング状鋼板とした。次いで、一部を除いて、バレル研磨、ショットブラスト処理およびショットピーニング処理の１種以上の機械的表面処理を施し、窒化処理に供するための素材鋼板（以下「窒化処理前鋼板」という）を得た。その後、ガス窒化法による窒化処理に供した。ガス環境は「５０体積％アンモニアガス＋５０体積％ＮＸガス」からなる混合ガスとし、温度は４８０℃、保持時間は６０分とした。
【００４７】
【表１】
【００４８】
リング圧延前鋼板、窒化処理前鋼板について、Ｘ線回折および光学顕微鏡観察により鋼板内部の残留オーステナイト量とフェライト量を調べた。なお、残留オーステナイト相とフェライト相を除く残部のマトリクスはマルテンサイト相であった。
また、窒化処理後の無端金属ベルト（無段変速機ベルトの製品に相当）から試験片を切り出し、引張試験および疲労試験を行った。引張試験はＪＩＳ Ｚ２２０１に規定の１３Ｂ号試験片を用いてＪＩＳ Ｚ２２４１に準じて行った。疲労試験は長さ１００ｍｍ、幅８ｍｍの平行部を有する試験片を用いて、回転数６００ｒｐｍ、応力比（最大応力／最小応力）＝−１の条件で両振り曲げ疲労試験を行い、ＪＩＳ Ｚ２２７３に準じて疲れ限度を測定した。
結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
【００５０】
表２から判るように、本発明例のものはリング圧延後に母材および溶接部ともに残留オーステナイト相が１０体積％以下であり、窒化処理後において引張強さ１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度６５０Ｎ／ｍｍ2以上の強度・疲労特性を余裕を持ってクリアした。特に、例えばリング圧延率３０％、窒化処理温度４８０℃、窒化処理時間６０分という、営業生産ラインで実施しやすく工程負荷の少ないプロセスで引張強さ１４００Ｎ／ｍｍ2以上、疲れ限度７００Ｎ／ｍｍ2以上という優れた強度・疲労特性が安定して得られることが確認された。
【００５１】
これに対し、比較例Ｑ１はＤ値が８０未満と低い鋼を使用したため、リング圧延前鋼板の残留オーステナイト量が２５体積％を超えたことに起因して窒化処理前鋼板の残留オーステナイト量が１０体積％を超え、結果的に窒化が不十分となって疲労特性に劣った。Ｑ２はＸ値が５０未満と低い鋼を使用したためフェライト量が５０体積％を超え、窒化処理後の引張強さ、疲れ限度とも低かった。Ｑ３はＳとＴｉが高い鋼を使用し、Ｑ４はＴｉが高い鋼を使用したため、いずれも窒化処理後にＴｉ系介在物が多く分布し、疲れ限度が低かった。Ｑ５はＣが高い鋼を使用したため時効処理後の引張強さが過度に高くなりとともに、疲れ限度は低くなった。Ｑ６はＮが高い鋼を使用したためＴｉＮが多く分布し、疲れ限度が低かった。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上、かつ下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上となるように成分調整された無段変速機ベルト用の鋼。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
【請求項２】
Ｂ含有量が０.００１〜０.０１５％である請求項１に記載の無段変速機ベルト用の鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼からなる溶体化処理された鋼板であって、残留オーステナイト相：０〜２５体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、リング圧延に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項４】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項５】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相からなる冷間圧延加工された金属組織をもつ、窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項６】
表面に、バレル研磨、ショットピーニング処理またはショットブラスト処理を施した加工層をもつ請求項４または５に記載の窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項７】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ無段変速機ベルト。
【請求項８】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもち、当該ベルトから切り出した長手方向の試験片についての引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、両振り曲げ疲労試験（回転数：６００ｒｐｍ、応力比＝最大応力／最小応力：−１）による疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上である無段変速機ベルト。
【請求項１】
質量％で、Ｃ：０.１５％以下、Ｓｉ：３.０％以下、Ｍｎ：１.０％以下、Ｐ：０.０６％以下、Ｓ：０.０１％以下、Ｎｉ：０.０５〜７.０％、Ｃｒ：８.０〜１８.０％、Ｎ：０.１０％以下、Ｔｉ：０〜０.０５％、Ｃｕ：０〜３.０％、Ｍｏ：３.０％以下、Ｂ：０〜０.０１５％、残部Ｆｅおよび不可避的不純物であり、下記(１)式で定義されるＤ値が８０以上、かつ下記(２)式で定義されるＸ値が５０以上となるように成分調整された無段変速機ベルト用の鋼。
Ｄ＝−１６６７Ｃ−２８Ｓｉ−３３Ｍｎ−６１Ｎｉ−４２Ｃｒ−１６６７Ｎ−３０Ｃｕ−４２Ｍｏ＋１３１１ ……(１)
Ｘ＝４２０Ｃ−１１.５Ｓｉ＋７Ｍｎ＋２３Ｎｉ−５Ｃｒ＋４７０Ｎ＋９Ｃｕ−１２Ｍｏ＋８２ ……(２)
【請求項２】
Ｂ含有量が０.００１〜０.０１５％である請求項１に記載の無段変速機ベルト用の鋼。
【請求項３】
請求項１または２に記載の鋼からなる溶体化処理された鋼板であって、残留オーステナイト相：０〜２５体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、リング圧延に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項４】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ、窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項５】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板であって、母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相からなる冷間圧延加工された金属組織をもつ、窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項６】
表面に、バレル研磨、ショットピーニング処理またはショットブラスト処理を施した加工層をもつ請求項４または５に記載の窒化処理に供するための無段変速機ベルト用素材鋼板。
【請求項７】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもつ無段変速機ベルト。
【請求項８】
請求項１または２に記載の鋼からなり、溶接でリング状にした鋼板のベルトであって、表面に窒化層を有し、窒化層を除く内部は母材および溶接部とも残留オーステナイト相：０〜１０体積％、フェライト相：０〜５０体積％、残部のマトリクスがマルテンサイト相の金属組織をもち、当該ベルトから切り出した長手方向の試験片についての引張強さが１３５０Ｎ／ｍｍ2以上、両振り曲げ疲労試験（回転数：６００ｒｐｍ、応力比＝最大応力／最小応力：−１）による疲れ限度が６５０Ｎ／ｍｍ2以上である無段変速機ベルト。
【公開番号】特開２００６−２６５６６３（Ｐ２００６−２６５６６３Ａ）
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−８７１８６（Ｐ２００５−８７１８６）
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１０月５日（２００６．１０．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月２４日（２００５．３．２４）
【出願人】（０００００４５８１）日新製鋼株式会社 (1,178)
【Ｆターム（参考）】
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