带式CVT为了改善汽车的燃油效率,而对汽车的搭载量逐渐增加。 在全社会对抑制二
氧化
碳排放量强烈要求的背景下,最近,在进一步使带 式CVT高效率化的方向上技术开发又有所推进。带式CVT是通过使由多 层的金属带
捆扎的被称为单元的多个
块状部件相对向并由两个带轮进行 夹挤,利用单元—带轮滑动时的
摩擦力进行动力传递。因此,通过提高带 轮单元间的
摩擦系数,能够提高动力传递的效率。
另一方面,从使带轮—单元间的滑动稳定的观点出发,也需要提高带 轮和单元的耐磨耗性,当为高摩擦(系数)且磨耗量也多(耐磨耗性差) 时,可预想到动力传递性能会逐渐降低。这相反在耐磨耗性良好而为低摩 擦(系数)的情况下也同样。
针对这样的课题,历来就提出有改善磨擦的技术。例如,如
专利文献 1所述的,提出有一种提高摩擦系数的方法,其通过将带轮表面的粗糙度 控制在一定的状态下来提高
润滑油的排出性,其结果是,减少了在带轮- 单元间所形成的油膜厚度,提高了金属间
接触的比例。
另外在专利文献2、3中公开有一种方法,其通过
喷丸清理来向带轮 等的接触表面赋予强压缩
应力,从而改善转动疲劳强度,使滑动面的耐磨 耗性提高以维持高摩擦系数。
此外,历来在这种带轮中还使用SCr420H等,含有一定量Mn、Cr 的机械构造用
合金钢。另外在专利文献4、5、6中提出有一种用于带轮的
渗碳用钢,其调整C、Si、Mn等的成分组成,从而改善了疲劳强度等的 机械的特性。
专利文献1:特开2002-213580号
公报专利文献2:特开平5-157146号公报
专利文献3:特开2000-130527号公报
专利文献4:特开2000-160288号公报
专利文献5:特开2005-200667号公报
专利文献6:特开2006-28568号公报
专利文献1存在的问题是,虽然对钢材表面的硬化和图案采用
电子束 加工,但作为汽车用部件生产性差,成本也高,因此作为带式CVT用带 轮欠缺实用性。另外,若根据专利文献2、3的方法,则通
过喷丸清理而 精加工的钢材表面的耐磨耗性确实有所提高,但是带式CVT用带轮所要 求的摩擦系数的提高效果却依然不充分。
带式CVT用带轮所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持,就是 这种本来相反的要求课题,若为了使摩擦系数而提高单元-带轮间的
接触比 例,则耐磨耗性降低的倾向强。为此就要调整带轮表面的硬度,改良润滑 油,虽然这些努力工业上也在做,但现状是还没有见到包含润滑油在内的 合适的组合。
因此,至今为止虽然并不是为了满足上述要求课题,但对SCr420H等 的表面渗
碳钢进行渗碳淬火回火处理,在磨削加工后,其还是能够作为带 式CVT带轮使用。此外,在带式CVT用带轮中,还公知SK1~SK7、SCM、 SCM440、SCM445、SKD11等适用。但是,满足上述要求课题的带轮专 用构件的开发几乎没有进行,从而无法满足带式CVT用带轮所要求的提 高摩擦系数和维持耐磨耗性的要求课题。
以下对于构成本发明的无级变速器带轮的钢材的成分限定理由进行 说明。以下或前述各元素量的表示单位全部为质量%。
构成本发明的无级变速器带轮的钢材,为了满足作为带轮的需要强度 等的机械的特性,并且使摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持并立,而分别 含有C:0.1~0.3质量%、Si:0.1~0.5质量%、Mn:1~10质量%,并由 余量Fe和不可避免的杂质构成。
C:0.1~0.3质量%
C满足作为带轮的需要强度等的机械的特性。若C含量过少,则C的 固溶强化不足,除了强度降低以外,淬火性也降低。另一方面,若C含量 过多,则对带轮的加工性降低。因此,C含量为0.1~0.3质量%的范围。 优选为0.15~0.25质量%。
Si:0.1~0.5质量%
Si满足作为带轮的需要强度等的机械的特性,也有脱氧效果。若Si 含量过少,则Si的固溶强化不足,除了强度降低以外,脱氧性也降低。低 于0.05%时其效果过小。另一方面,若Si含量过多,则对带轮的加工性降 低。因此Si含量为0.1~0.5质量%的范围。
Mn:1~10质量%
Mn是重要
合金元素,其使带式CVT用带轮的表面硬化层的摩擦系数 与现有的渗碳SCr420H钢材相比,以磨擦系数计提高到0.115以上,同时 单元侧的磨耗量也能够抑制到与现行的现状下的渗碳SCr420H钢材同等 以下。如前述,通过该钢材的氮化处理或渗碳氮化处理的任意一种表面硬 化处理,钢材中的Mn被含有在带轮表面(钢材表面)所形成的氮化层或 渗碳氮化层的任意一种表面硬化层中,从而发挥这些效果。
为了使Mn发挥这些效果,即,使钢材表面所形成的所述表面硬化层 中含有1质量%以上的Mn,需要使钢材中的Mn含量为1质量%以上。钢 材中的Mn含量低于1质量%时,即使经过钢材的氮化处理或渗碳氮化处 理的表面硬化
热处理,也不能使钢材表面所形成的所述表面硬化层中含有 1质量%以上的Mn。换言之,就是不能使带式CVT用带轮的摩擦系数提 高到0.115以上,同时不能维持耐受实用的耐磨耗性。
另一方面,若钢材中的Mn含量超过10质量%,则钢材表面所形成的 所述表面硬化层的Mn含量也超过10质量%而变得过高,从而得不到摩擦 系数的提高效果,单元侧的磨耗量增大的倾向加强。即,钢材中的Mn含 量上下脱离1~10质量%的本发明范围时,则得不到摩擦系数的提高效果, 单元侧的磨耗量增大。在此,单元磨耗量增大(对方攻击性增加)的问 题比Mn含量少量更显著。
在此,如后述的
实施例,当Mn含量为3质量%时,Mn含量比低于 此和超过它的其他发明例相比,都具有表面硬化层的摩擦系数高达0.120 的摩擦系数。根据这一点可知,表面硬化层的摩擦系数提高的效果并不与 Mn含量成比例提高,而是在Mn含量为3质量%附近显示出极大值。因 此,为了无论带式CVT用带轮的使用环境的是否不同都能更稳定发挥Mn 的效果,优选使钢材中的Mn含量为该3质量%附近的2~6质量%的含量 范围。
Mn含量超过6质量%时,与6质量%以下的摩擦系数的提高效果相比 没有太大差别,在带式CVT用带轮的使用环境中,虽然有摩擦系数的提 高效果,但有比起6质量%以下的摩擦系数的提高效果则有降低的可能性。 这一点上,若还考虑Mn含量增加的成本增长和制造成本增长,则Mn含 量优选为6质量%以下。因此,优选的钢材中的Mn含量范围、优选的表 面硬化层的Mn含量范围为2~6质量%。
Cr:1~20质量%
钢材中除了Mn以外,还优选选择性的含有1~20质量%的Cr,并且 据此,所述表面硬化层除了含有Mn以外,还优选含有1~20质量%的Cr。 通过Cr的复合添加(含有),既可以得到进一步的摩擦系数的提高效果, 又可以改善单元的耐磨耗性(抑制对方攻击性)。Cr的这种效果被推测为 会带来的是比Mn更容易生成碳化物和氮化物。这一效果在含有优选的2 质量%以上的Cr时显著,能够得到与现行材料基本相同或同等以上的耐磨 耗性。
另一方面,若钢材中和所述表面硬化层中的Cr含量超过20质量%而 过大,则摩擦系数反而降低,Mn的添加至含有效果相抵的倾向变强。另 外,带轮表面的硬度稍稍降低,带轮的磨耗量有一点增加的倾向变强。因 此,Cr含量应该抑制在20质量%以下,为了不损害摩擦系数的提高效果, 优选将其抑制在10质量%以下。
因此,钢材中和所述表面硬化层中的Cr含量优选为1~20质量%的 范围,更优选为2~10质量%的范围。
本发明带轮由以上述元素为基本成分,余量由Fe和不可避免的杂质 构成的钢材构成。但是,以通常的渗碳用钢材,氮化用钢材废料为熔解原 料时,将这些钢材含有的这样的下述元素为不可避免的杂质元素而含有的 可能性高,极力降低会造成成本上升。因此,在本发明中,在不阻碍本发 明的效果的范围内,在钢材中以下述元素为不可避免的杂质元素,可以只 分别含有下述含量。Ti:0.050%以下、N:0.0250%以下、Al:0.10%以下、 Ni、Cu、Mo合计为2.0%以下、B:0.0050%以下、V:0.10%以下、Nb: 0.10%以下、Ca:0.0050%以下、Mg:0.0050%以下、Zr:0.050%以下、 REM:0.020%以下、S:0.10%以下、P:0.10%以下、O:0.0030%以下。
(钢材制造方法)
由以上的成分组成构成的本发明的无级变速器用的钢材自身,能够通 过与通常的渗碳用钢材、氮化用钢材同样的常规方法制造。即,由以上的 成分组成构成的钢坯在
铸造后,遵循常规方法适宜实施
热轧、
热锻等热加 工,再实施
冷轧、
冷锻等冷加工。通过这些加工而被加工成粗略形状的构 件,其后再实施氮化处理、渗碳氮化处理,适宜实施成为无级变速器用带 轮的精加工。
(表面硬化层)
作为钢材的表面硬化处理,能够适用后述的现在工业上进行的氮化、 渗碳氮化等处理方法。通过这些氮化、渗碳氮化等处理,在由所述成分组 成构成的钢材表面,会形成含有1~10质量%的Mn,并且还选择性地含 有1~20质量%的Cr,并具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化 层的任意一种表面硬化层。表面硬化层的厚度优选为50μm以上,更优选 为100μm以上。表面硬化层的厚度的上限未被特别限定,可以根据钢材的 寿命及成本任意设定。
作为钢材的表面硬化处理,渗碳没有优势,而氮化、渗碳氮化等处理 之所以在摩擦系数的提高效果这一点上有优势,被推测是因为通过氮化或 渗碳氮化,生成于钢材表面附近(表面硬化层)的Mn3N等Mn系氮化物 和CrN等Cr系氮化物更有助于摩擦系数提高。
(表面硬化层硬度)
为了使带式CVT用带轮的摩擦系数为0.115以上,使之与现有的渗碳 SCr420H钢材相比有所提高,同时将单元侧的磨耗量抑制在现行的现有渗 碳SCr420H钢材的同等以下,优选表面硬化处理后的表面硬化层的表面硬 度的基准为Hv750~950的范围。低于Hv750时,存在带轮表面的耐磨耗 性不充分的可能性。另一方面,若超过Hv950,则存在单元磨耗量的增加 倾向变强的可能性。
(表面硬化层厚度)
为了更稳定地发挥所述摩擦系数提高效果,表面硬化层需要具有 10μm以上的平均厚度(距表面的深度)。表面硬化层的平均厚度低于10μm 时,在带式CVT用带轮的使用环境中,不能更稳定发挥Mn和Cr的所述 摩擦系数提高效果。该表面硬化层的平均厚度也用于保证上述表面硬化层 硬度。
(表面硬化层氮含量)
为了使带式CVT用带轮的摩擦系数为0.115以上,使之与现有的渗碳 SCr420H钢材相比有所提高,同时将单元侧的磨耗量抑制在现行的现有渗 碳SCr420H钢材的同等以下,优选表面硬化处理后的表面硬化层的氮含量 的基准为3~25at.%的范围,更优选为8~20at.%的范围。氮含量低于3at.% 时,表面硬化层的Mn、Cr含量即使满足规定,但氮含量不足,所述Mn 系氮化物和Cr系氮化物仍不足,硬度变低,有带轮表面的摩擦系数提高 和耐磨耗性不充分的可能性。另一方面,若氮含量超过25at.%,则表面硬 度变得过高,存在单元磨耗量的增加倾向变强的可能性。另外,氮化处理 的成本增加。
此表面硬化层的氮浓度能够通过来自硬化层表面的EPMA(利用电子 射线显微探针的微小部
X射线微分析法)的定量分析得到。
(表面硬化处理)
作为现在工业上进行的氮化处理,是将钢材在
氨气(NH3)气氛下, 进行500~600℃×1~100hr左右处理。另外,渗碳氮化处理是在甲烷等碳 氢化合物气体和CO气体气氛下,在900~1000℃×1~100hr左右的渗碳 处理后的冷却过程中,进行500~600℃×50~100hr左右氮化处理。
在该氮化或渗碳氮化处理钢材上,被称为白层的氮化物层在表面生成 时,优选通过切削和
研磨等表面加工除去该层的方法。这时,表面的氮浓 度多达到20at.%以下,因此要注意。
氮化或渗碳氮化处理材应该注意氮化深度(硬化层厚度),根据硬化 处理条件预备性地把握氮化深度和表面硬度等的分布,确认在范围内后, 再进行表面加工。其后,对氮化或渗碳氮化处理钢材进行淬火回火处理。
其次,列举实施例更具体地说明本发明,但本发明不受这一实施例限 定性地解释。
实施例
如表1所示,在使Mn、Cr含量发生种种变化的化学成分的钢材表面, 以相同的条件进行氮化处理或渗碳氮化处理,形成氮化层或渗碳氮化层的 任意一种表面硬化层,测定并评价各表面硬化层的摩擦系数和耐磨耗性。 其结果也显示在表1中。
同时,测定各表面硬化层的平均厚度(μm)、氮含量(平均,at.%)、 表面硬度(平均,Hv)。其结果也显示在表1中。
与表1的各钢材一起而作为其他杂质的Ti、N、Al、Ni、Cu、Mo、B、 V、Nb、Ca、Mg、Zr、REM、S、P、O的合计量为0.15%以下。
钢材在加工成图1所示的盘1A形状后,以下述条件进行表面硬化处 理,之后薄薄地进行表面磨削,精加工成表面粗糙度Ra0.7~1.3μm。然后, 加热到875℃的
温度后进行
水淬火,进行200℃×1hr的回火处理,得到试 验用的钢材。
(表面硬化处理)
氮化处理:在氨气(NH3)气氛下对钢材进行540~550℃×72hr处理。 渗碳氮化处理:在甲烷等碳氢化合物气体气氛下,在950℃×50hr的 渗碳处理后,在此冷却过程中流通500℃×3hr氨气(NH3)而进行氮化处 理。
(旋叶片与盘型滑动试验)
以上述得到的试验用的钢材(盘1A形状)作为滑动对手材,通过图 1所示的圆盘型的旋叶片2A,在CVT油中进行旋叶片与盘型的滑动磨耗 试验。然后,测定油中摩擦系数(在润滑油中的摩擦系数)。另外,测定 盘1A侧和旋叶片2A侧的磨耗料量。
旋叶片2A使用SK5(硬度:HRC57~59,前端R4mm,镜面化)。滑 动试验条件为,
载荷为100N进行300m滑动后,将载荷提高到500N使之 滑动1000m。滑动速度恒定为0.7mm/s,作为市场销售CVT油,使用温度 100℃的日产汽车纯正油,(商品名:NS2)。
(摩擦系数测定)
对滑动试验结束前50m的盘1A的摩擦系数μ进行平均化处理并计算。 在摩擦系数μ的测定中,使用社钢造机社制,自
动摩擦系数测定装置(商 品名:3销型油中
基础滑动磨耗试验机)。
(磨耗量测定)
旋
叶轮磨耗量是在滑动试验结束后,测定前端磨耗宽度的平均值,换 算成比磨耗量而计算。盘磨耗量是在滑动试验结束后,以触针式粗糙度计 测定滑动痕迹的磨耗断面积4处并平均化。
(摩擦系数,耐磨耗性的评价)
磨擦系数、耐磨耗性的评价,是以对作为现行材的SCR420材进行了 同样地表面硬化处理的为基准,进行比较。即,即使耐磨耗性与现行材 SCR420材同等或提高,而摩擦系数与现行材SCR420材同等或较之低的 例子仍评价为×。另外,耐磨耗性与现行材SCR420材同等或提高,摩擦 系数比现行材SCR420材高的例子评价为○。然后,在此○之内摩擦系数 提高到0.120以上的例子评价为◎。
(表面硬度)
用松泽精机社制的显微维氏硬度计(商品名“微小硬度计”),施加10g 的载荷,测定3处上述得到的试验用的钢材表面(硬化层表面,滑动试验 前)的硬度,硬度HV为它们的平均值。
(表面硬化层的氮量)
通过EPMA定量分析表面硬化层表面的氮浓度(at.%)。EPMA的测 定条件为,
加速电压:10kV,
电流:2~5 x 10-8A,测定区域:100μm边。 测定在3处进行,氮浓度为其平均。表面硬化层的Mn和Cr的含量通过 与
母材的Mn和Cr的含量相同的发射
光谱分析进行。测定在3处进行, 含量为其平均。
由表1可知,发明例1~22具有本发明的范围内的成分组成,含有规 定量的Mn或Mn和Cr,在该钢材表面,具有含有规定量的Mn或Mn和 Cr,并且具有10μm以上的平均厚度的氮化层或渗碳氮化层的任意一种表 面硬化层。发明例的表面硬化层,氮含量为3~25at.%的范围。而且,发 明例的表面硬化层,表面硬度为Hv750~950的范围。
其结果是,发明例1~22,其表面硬化层的摩擦系数为0.115以上, 能够高于现行材(比较例23、24)的摩擦系数,耐磨耗性也能够维持在大 体同等水平或有所改善。其中,特别是发明例3、17,其Mn含量为3质 量%,与Mn含量低于此或超过它的其他发明例相比,具有表面硬化层的 摩擦系数高达0.120的摩擦系数。另外,Mn含量为3质量%、不含Cr的 发明例20,摩擦系数也比较高。由这一点可知,表面硬化层的摩擦系数提 高效果,不会与Mn含量成比例提高,而是在Mn含量为3质量%附近显 示出极大值。
还有,相对于现行材(比较例23、24)的摩擦系数0.114,仅仅使摩 擦系数提高0.001(摩擦系数仅为0.115),就能够提高带式CVT用带轮的 动力传递的效率。这一点意味着,相对于现行材(比较例23、24)的摩擦 系数0.114,发明例3、17将摩擦系数高达0.120,提高了0.006,从而能 够显著地提高带式CVT用带轮的动力传递的效率(动力传递性能)。
相对于此,现行材(比较例23、24)其验能够提高耐磨耗性,也不能 提高表面硬化层的摩擦系数,不能兼具这两种特性。这一点与Mn含量过 少的比较例25、26,相反Mn含量过多的比较例27、28相同。
因此,由这些结果证明了本发明的带式CVT用带轮的钢材要件的意 义。
[表1]
虽然详细地并参照特定的实施方式说明了本发明,但从业者都明白, 能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种变更和修正。本
申请基于2006 年8月30日申请的日本专利申请(特愿2006-234055),其内容参照于此 并有所吸收借鉴。
产业上的利用可能性
如以上说明的,根据本发明,能够提供一种兼具两种行性的带轮,其 可满足作为带式CVT所要求的摩擦系数的提高和耐磨耗性的维持的要求 课题。