JPS62192528A - 耐摩耗性および疲労強度に優れたマルエ−ジング鋼製部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、耐ｒｆｌ耗性および疲労強度に優れたマルエ
ージング鋼製部材の製造方法に関する。本発明は、例え
ば、ＣＶＴベルト用フープの［１に利用することができ
る。ここでＣＶＴベルト用フープとはＶ溝間隔を変換で
きる一対のプーリを有する無段変速機においてトルクを
伝達する複数個のトルク伝達板の保持に用いる無端の遮
断材をいう。

［従来の技術］ マルエージング鋼は、時効硬化鋼として最も機械的性質
に優れており、高強度で靭性に富み、かつ冷間加工性に
も優れているなどの利点をもつため、種々の分野で利用
されている。

ところで、マルエージング鋼製の部材の耐摩耗性および
疲労強度を向上させるにあたっては、一般に、マルエー
ジング鋼となる組成をもつ部材を８００〜１０００℃程
度に加熱して溶体化した後冷却する第１工程と、部材を
約５００’Ｃ程度に加熱して時効処理を行って析出相を
析出させる第２工程と、窒化処理を行い部材の表面部を
窒化させる第３工程とを行うことにしている。

更に産業界では、耐摩耗性および疲労強度に優れたマル
エージング鋼製の部材の開発が要請されている。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、上記した実情に鑑みなされたものであり、そ
の目的は、耐摩耗性および疲労強度を更に向上させた部
材を製造することができる製造方法を提供するにある。

〔問題点を解決するための手段］ 本発明者は、マルエージング鋼について鋭意研究した結
果、窒化処理の前段階として、部材の表面部に圧縮応力
を付与してお番プば、窒化処理が促進され、これにより
表面硬さを硬くし得かつ表面圧縮残留応力を大きくする
ことができ、耐摩耗性および疲労強度を更に向上させ得
ることを発見した。その理由は必ずしも明らかではない
が、表面部の結晶格子が歪むため、原子半径の小さな窒
素原子が表面部に拡散浸透しやすくなり、その結果窒化
が容易になるためであると推察される。

本発明に係る製造方法は、マルエージング鋼となる組成
をもつ部材を溶体化したのち冷却する第１工程と、 溶体化した部材の表面部の少なくとも一部に圧縮残留応
力を付与する第２工程と、 窒化雰囲気中で４００〜４８０℃に該部材を加熱するこ
とにより、該部材の圧縮残留応力を付与した部分を含む
表面部を窒化すると共に、該部材の内部の時効処理を行
い、その１１室温に冷却する第３工程と、を順に実施す
ることを特徴とするものである。

以下、本発明に係る製造方法について更に説明を加える
。

第１工程では、マルエージング鋼となる組成をもつ部材
を溶体化した後冷却する。ここで部材の組成は、部材の
用途に応じて適宜設定するが、重量％で、ニッケル１７
〜２６％、アルミニウム０゜０５〜０．５％、モリブデ
ン４〜６％、チタン０゜２〜１．６％、コバルト７〜１
２％、残部は鉄とすることができる。部材の厚みは部材
の用達に応じて適宜設定するが０．１〜ｉ、Ｑｓ＋ｓと
することができる。第１工程における加熱温度および加
熱＆［は、ニッケル、アルミニウム、チタンなどの溶質
原子をオーステナイトに充分溶は込ませる温度に設定す
る必要がある。そのため第１工程における加熱濃度は、
通常、８００〜８５０℃程度である。又第１工程におけ
る加熱時間は通常数時間である。第１工程における冷却
は、通常、空冷によって行う。なお第１工程を実施した
部材の組織はマルテンサイトである。

第２工程では、溶体化した部材の表面部の少なくとも一
部に圧縮残留応力を付与する。圧縮残留応力を付与する
手段としては、例えば、部材を引張りつつ小さな曲率半
径に曲成し、曲成部の外側に圧縮残留応力を付与する方
法、ショットやグリットなどを部材の表面に投射プる方
法、Ｗ！造型を揺動させつつ部材の表面部に押圧して据
え込んでいく回転鍛造法などを採用することができる。

圧縮残留応力の値は、要請される耐摩耗性および疲労強
度の値に応じて適宜設定するが、通常、５〜６０Ｋｌｌ
ｌ／Ｉｍ’である。なお、圧縮残留応力を付与する部分
は、部材の表面部の全面であってもよいし、一部分だけ
であってもよい。

第３工程では、窒化雰囲気中で４００〜４８０℃程度に
部材を加熱することにより、該部材の圧縮残留応力を付
与した部分を含む表面部を窒化すると共に、該部材の内
部の時効処理を行い、その後室温に冷ＬＤする。ここで
通常のアンモニアガス窒化温度は４５０〜５３０℃であ
るのに対して、本発明に係る製造方法の窒化温度は４０
０〜４８０℃程度と従来の通常のアンモニアガス窒化温
度に比べて低い温度範囲である。窒化温度が４８０℃を
超える場合には、第２工程において表面に付与した圧縮
残留応力が緩和され、本発明の目的である表面部の結晶
格子の歪を確保しつつ窒化を行うことができなくなって
しまうからである。特に本発明は部材表面に圧縮残留応
力を付与することにより、通常の処理温度４５０℃未満
の温度でも一窒化処理ができ、部材の変形を極小にする
ことができることである。又、４００℃未満であると、
窒化が充分に行われなくなるからである。窒化雰囲気は
、一般にアンモニアガスを主要成分とする雰囲気であり
、炭素成分即ちＲＸガス、ＣＯガス、ＣＯｔガスを含ま
ない方が好ましい。４００〜４８０℃に加熱する時間は
、表面部に圧縮残留応力を付与することにより窒化が促
進されるため、通常の窒化時間よりも短時間とすること
ができる。

例えば、０．１〜１０時間程度とすることができる。

このように第３工程を実施すると、部材の内部は時効処
理され、析出相がマトリックスを構成するマルテンサイ
トの中に析出する。

ところで、第３工程を実施した後に、連続あるいは時間
開隔をおいて還元性雰囲気中で４７０〜５８０℃に部材
を加熱して時効処理を追加する第４工程を実施すること
が好ましい。このように第４工程を実施ずれば、部材の
耐摩耗性および疲労強度を確保しつつ、部材の内部の耐
遅れ破壊性を一層向上させることができる。なお４７０
〜５８０℃に加熱する時間は、部材の種類によって適宜
変更するが、通常１〜２４時間程度とすることができる
。

ここで、マルエージング鋼（特に１８％ニッケルを含む
マルエージング鋼）では、水素イオンを含む雰囲気中で
４４０℃程度で時効処理を行なうと、部材の内部は遅れ
破壊強度が著しく低下する傾向にある。この点、第３工
程の窒化雰囲気が水素イオンを含む場合であっても、第
３工程後に第４工程を実施１れば、部材の内部の時効処
理を追加することができ、よって部材の内部の耐遅れ破
壊性を向上させることができる。

［発明の効果］ 本発明に係る製造方法によれば、従来の窒化処理したマ
ルエージング鋼製部材に比べて表面硬さおよび表面圧縮
残留応力を大きくすることができ、そのため、耐摩耗性
および疲労強度に優れたマルエージング鋼製の部材を、
製造することができる。

従って、ＣｖＴベルトのフープの製造に本発明で得られ
る部材を適用すれば、耐久性があり長寿命のフープを得
ることができる。

［実施例］ 本発明に係る製造方法の実施例について説明する。

（第１実１１ 第１工程では、部材を真空炉内に装入し、８２０℃で加
熱することにより溶体化し、これによりニッケルやチタ
ンなどの溶質原子をオーステナイトに固溶した。そして
その後部材を冷却した。冷却は窒素ガスおよびアルゴン
ガスにＪ：って行った。

ここで部材の形状は無端フープで、その大きさは、厚み
０．１９ｍａ＋、幅８．６ＩＩｍ、内周長２２４ＩＩ１
ｍである。部材の組成は重量％で、ニッケル１７．７５
％、アルミニウムｏ、ｏｓｏ％、モリブデン４゜７６％
、チタン０．４８％、コバルト７．７５％、Ｇｏ、００
５４％、Ｓｉ０．０３８％、ＳＯ，Ｏ００３％、残部は
鉄である。

第２工程では、２個の張力用ローラにより、部材に５０
ＫＯ／ｍｍ２の張力を与えつつ、曲げ用小径ロールで部
材を曲げ加工し、以て部材の外表面部に５０Ｋ（＋／ｍ
＋ａ２の圧縮残留応力を付与した。

なお張力用ローラの直径は７０＋ａｎｉ、曲げ用小径ロ
ールの直径は２０ｍｍである。

第３工程では、窒化用のレトルト炉内に部材を挿入し、
そしてレトルト炉内に純度９９％以上のアンモニアガス
（ＮＨ３）を毎分１．５リツトルで流しつつレトルト炉
内を４３５℃まで昇温し、その温度に６時間保持して行
なった。そして保持後、室温まで冷却した。

このように第１１程〜第３工程を実施した部材では、ア
ンモニアガスから分解した窒素が部材の表面部に拡散浸
透して窒化がなされ、よって部材の表面部の硬さはＨＶ
１０３０程度であり、部材の内部の硬さはＨＶ５２０程
度であった。ここで硬さの測定はマイクロビッカース機
を用い、荷重５０ａで行った。又部材の表面部の圧縮残
留応力は窒化により１６０　ＫＩＪ　／ｍｍ２と増大し
ていた。

ここで圧縮残留応力の測定はＸ線側順法で行った。

上記のようにして第１工程〜第３工程を実施した部材は
、表面部の硬さが硬く、かつ表面部の圧縮残留応力の値
が増大していることから、耐摩耗性および疲労強度に優
れている。

上記のようにして第１工程〜第３工程を実施したフープ
をＣＶＴベルトの一部材として組込んだ。

なお、第１図はＣＶＴの概略図を示し、第２図はＣＴＶ
ベルトの一部を示す。このＣＶＴは、プーリ１と、プー
リ２と、プーリ１および２間に張設されたベルト３とで
構成されている。ツー７４は第２図に示すように金属製
のトルク伝達板５の溝に保持され、トルク伝達板５と共
にベルト３を構成している。上記のようにＣＴＶベルト
に組み込んだフープは、耐久性があり、長寿命であった
。

ところで、上記した実施例において、第３工程で窒化お
よび時効処理のために部材を加熱する時間とフープの表
面硬さとの関係について試験した。

加熱する時間は、１．５．３．６．１２時周とした。試
験結果を第３図に黒丸印で示す。第３図に示すように、
加熱時間が３時間のときには表面硬さはＨＶ７８０程度
であり、加熱時間が６時間のときには窒化が充分になさ
れ、そのため表面硬さはＨｖ１０３０程度と硬かった。

又、第３工程で窒化および時効処理のために部材を加熱
する時間とフープの表面部の圧縮残留応力との関係につ
いて試験した。加熱する時間は１゜５．３．６時間とし
た。試験結果を第４図に黒丸印で示す。第４図に示すよ
うに、加熱時間が３時間のときには残留応力の値は１０
８ＫＯ／ａｍ’程度であり、加ｐ！Ａ時間が６時間のと
きには残留応力の値は１５２　ＫＩＪ　／ａ＋ｍ２程度
と飛躍的に増大した。

なお、残留応力の測定はＸ線応力測定法であるＸ線側順
法によって行なった。

一方、比較例として従来の製造方法について、窒化のた
めに加熱した時間とフープの表面硬さとの関係、窒化の
ために加熱した時間とフープの表面部の圧縮残留応力の
値との関係を試験した。ここで従来の製造方法では、第
１実施例と同じマルエージング鋼となる組成を持つ部材
を第２工程をはふいて、第１実施例と同時に実施して行
なった。

比較例の試・験結果を第３図の白丸印、第４図の白丸印
に示す。

さて、第１実施例における試験結果と比較例における試
験結果とを比較すると、第３！！ｌでは加熱ｒｕｍが１
．５時間程度までは、硬さの左置はあまり認められない
が、これを越えると両者の硬さの差異が大きくなる。第
４図では比較例では圧縮残留応力の値の増加は第４図の
破線で示すようにほぼ一直線状であるが、第１実施例で
は加熱時間が１．５時間を越えると圧縮ｒＡ留応力の値
は飛躍的に増加する。上述の試験結果からして、窒化処
理の前に圧縮残留応力を付与すると、窒化を促進させて
いることが理解される。

又、第３工程で窒化および時効処理のために部材を加熱
した温度とフープの表面硬さとの関係について試験した
。加熱温度は４３５．４５０．４６５．４８０．４９５
℃とした。なお、加熱時間は６時間である。試験結果を
第５因に示す。第５図に示すように、加熱温度が高くな
るにつれて表面硬さは低下する。これは通常の窒化温度
と表面硬さとの関係と逆である。即ち、通常の窒化では
窒化温度が上昇すると表面硬さは硬くなるが、本例では
、加熱温度が４５０℃のときには表面硬さはＨｖ９５０
４１￥度であったのに対し、加熱温度が４８０℃を越え
ると表面硬さはＨｖ７００程度と低下する。この結果か
ら第３工程における加熱温度は４８０℃を越えないよう
に設定した方がよいことがわかる。

又、第３工程で窒化および時効処理のために部材を加熱
した温度とフープの表面部の圧縮残留応力の値との関係
、該温度とフープの表面部の歪との関係を試験した。試
験結果を第６図および第７図に示す。第６図に示すよう
に温度が＾い程圧縮残留応力の値は低下しているのがわ
かる。ここで第６図で示す「表」とは無端フープ形状の
外側をいい、ｒｌ［Ｊとは内側をいう。また、第７図に
示すように温度が高いほど半価幅が小さくなっており、
表面部の歪が小さくなっていることがわかる。

（第２実施例） 第２実施例に係る製造方法では、−上記した第１実施例
の第１工程〜第３工程を実施した後、続いて次の第４工
程を行った。第４工程は、部材を収納した上記レトルト
炉内にアルゴンガスを送入し、レトルト炉内のアンモニ
アガスをアルゴンガスに置換え、次にレトルト炉内の部
材を５００℃で２時間加熱することにより行った。この
Ｊ：うにすれば、部材の内部の時効処理が更に進行する
。そのため、表面部の硬さはＨｖ　１０１０程度であり
、内部の硬さは、第３工程実施後は前述したようにＨｖ
５２０程度であったのに対しＨｖ　６００程度である。

又表面部の圧縮残留応力は１５０Ｋｇ／Ｉｍ”である。

上記した測定結果から明らかなように、部材の内部の硬
さが増加している。この結果から、部材の内部の時効効
果が促進されて析出相の析出が増したことがわかる。こ
のように時効効果が促進されると、部材の内部の耐送り
破壊性が向上する。

（第３実施例） １１！１工程では、マルエージング鋼組成をもち、幅８
−１１厚さ０．１６５ｍ−の部材を用い、この部材を２
個、８２０℃で３０分間加熱して溶体化した。ここで部
材の組成は第１実施例と同じである。

次に第２工程では、２個の部材の表面部にロール加工で
圧縮残留応力を付与した。そして第２工程を行なった部
材の板厚方向の残留応力分布を歪計法により測定した。

測定は、長さ６０−の部材の片側表面に歪ゲージを貼り
付け、反対側の面を混酸で腐蝕して板厚を減少させ、減
少させた際の歪ゲージの出力から板厚方向深さに相当す
る残留応力を算出して行った。その測定結果を第８図の
曲線△−１に示す。第８図に示すように表面部には２０
〜３０Ｋ（１／ａｍ”（本試験片は、切断前のフープ形
状のときの圧縮応力は５０ＫＩＪ／ａ＋ａ＋ｆｆｉであ
ったが、長さ６０ＩＩ１１に切断されたため表面圧縮応
力が少し減少したもの）の圧縮残留応力が生じていた。

次に第３工程として、残りの部材をアンモニアガス°雰
囲気中にＪ５いて、４４０℃で４時間加熱して窒化する
と共に、部材の内部の時効処理を行い、その後室温まで
冷却した。第３工程を終えた部材を長さ６０１１１に切
断し、板厚方向の残留応力の値を測定した。測定方法は
前述同様に歪計法によって行った。測定結果を第９図の
曲線Ａ−２に示す。

第９図の曲１！Ａ−２に示すように表面部の圧縮残留応
力の値は１００ＫＱ／ａｍ”近く表面部の圧縮残留応力
の値が窒化前に比べて大幅に増大していることがわかる
。

比較例として、同じ組成、同じ大きさをもつ部材につい
て圧縮残留応力を付与しない点のみ異ならせ他の条件は
第３実施例と同様にして、第１工程〜第３工程を行った
。比較例では、第１工程を終えた部材は、第８図に曲線
Ｂ−１で示すように圧縮残留応力の値はぼぼ０であり、
一方８１１３工程を終えた部材は、第９図に曲線Ｂ−２
で示すように表面部の圧縮残留応力は精々２０Ｋｇ／ｍ
ｍ’程度と小さかった。

【図面の簡単な説明】

第１図はＣＵＴベルト全体の側面図、第２図はベルトの
要部の斜視図、第３図は加熱時間とフープの表面硬さと
の関係を示すグラフ、第４図は加熱時間とフープの表面
部の圧縮残留応力との関係を示すグラフ、第５図は加熱
時間とフープの表面硬さとの関係を示すグラフ、第６図
は加熱時間と圧縮３Ｉ留応力との関係を示すグラフ、第
７図は加熱時間と半値幅との関係を示すグラフである。 第８図及び第９図は応力分布を示すグラフである。 特許出願人　　　株式会社Φ田中央研究所代理人　　　
　弁理士　大川　宏 同　　　　　弁理士　丸山明夫 第１図 第２図 第３図 時間（Ｈｒ、ズ凍） 第４図 第５図 ｉ　　　度　（０Ｃ） 第６図 過　度　（°Ｃ） ア　　　　　　　第７図 ル 星　罠　（°Ｃ） ＄８図

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）マルエージング鋼となる組成をもつ部材を溶体化
   したのち冷却する第１工程と、 溶体化した部材の表面部の少なくとも一部に圧縮残留応
   力を付与する第２工程と、 窒化雰囲気中で４００〜４８０℃に該部材を加熱するこ
   とにより、該部材の圧縮残留応力を付与した部分を含む
   表面部を窒化すると共に、該部材の内部の時効処理を行
   い、その後室温に冷却する第３工程と、 を順に実施することを特徴とする耐摩耗性および疲労強
   度に優れたマルエージング鋼製部材の製造方法。
2. （２）第３工程後に、還元性雰囲気中で４７０〜５８０
   ℃に部材を加熱して時効処理を追加し、該部材の耐遅れ
   破壊性を高める第４工程を実施することを特徴とする耐
   摩粍性および疲労強度に優れたマルエージング鋼製部材
   の製造方法。
3. （３）第２工程では、部材に付与される表面圧縮残留応
   力は１０Ｋｇ／ｍｍ＾２〜６０Ｋｇ／ｍｍ＾２である特
   許請求の範囲第１項記載の耐摩耗性および疲労強度に優
   れたマルエージング鋼製部材の製造方法。
4. （４）第３工程の窒化雰囲気はアンモニアガスを主要成
   分とするガスである特許請求の範囲第１項記載の耐摩耗
   性および疲労強度に優れたマルエージング鋼製部材の製
   造方法。
5. （５）部材の組成は、重量％で、Ｎｉ１７〜２６％、Ａ
   ｌ０．０５〜０．５％、Ｍｏ４〜６％、Ｔｉ０．２〜１
   ．６％、Ｃｏ７〜１２％、残部はＦｅである特許請求の
   範囲第１項記載の耐摩耗性および疲労強度に優れたマル
   エージング鋼製部材の製造方法。
6. （６）部材の厚みは０．１〜１．０ｍｍである特許請求
   の範囲第１項記載の耐摩耗性および疲労強度に優れたマ
   ルエージング鋼製部材の製造方法。
7. （７）部材はＣＶＴベルト用のフープに用いられる特許
   請求の範囲第１項記載の耐摩耗性および疲労強度に優れ
   たマルエージング鋼製部材の製造方法。