JP4760664B2 - ベルト式無段変速機用シーブ部材及びその製造方法 - Google Patents

ベルト式無段変速機用シーブ部材及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ベルト式無段変速機に用いられるシーブ部材を製造する方法に関する。
例えば自動車のエンジンから駆動輪へ動力を伝えるための変速装置としては、多数の歯車類を組み合わせた有段の自動変速機の他に、いわゆるベルト式無段変速機がある。ベルト式無段変速機は、入力側のプーリと出力側のプーリとの間にベルトを掛け渡し、各プーリにおける溝幅を変更することによって無段階に変速可能としたものである。
各プーリを構成する部品としては、軸部とこれに固定された円錐状のシーブ面を有する部品(固定シーブ)と、上記軸部に装着されて軸上を移動する円錐状のシーブ面を有する部品(可動シーブ)とがある。これら固定シーブ及び可動シーブのそれぞれを、適宜、単に、CVTシーブと呼ぶ。
上記CVTシーブは、ベルトと摩擦接触させるためのシーブ面を備えており、品質要求として、シーブ面等の耐摩耗性と、寸法精度の高精度化が求められている。そのため、CVTシーブの従来の製造方法は、所望形状に成形した後、浸炭処理のための加熱を長時間行った直後に焼入れ処理を行い、さらにその後、寸法精度を向上させるための研削加工を行っていた。また、研削加工後にそのシーブ面にショットピーニング処理を施す例もあった(特許文献1参照)。
特開2000−130527号公報
ところで、従来のCVTシーブの製造方法においては、上記のごとく浸炭処理を長時間行った直後に焼入れを行う所謂浸炭焼入れ処理を実施するが、その焼入れステップとしては、水焼き入れよりも歪みの発生を抑制可能な油焼入れを実施している。しかしながら、いくら油焼入れによって歪み発生を抑制しようとしても、要求品質に合致するような寸法精度を維持することはできない。そのため、上述したごとく、焼入れ後に研削加工を行うが、歪みによる寸法形状の悪化を研削により矯正するためには、比較的深い範囲まで研削代を設ける必要がある。また、そのために、浸炭処理においては研削後においても浸炭層が残存するように、研削代以上の深さまで浸炭層を形成する必要があり、非常に長い浸炭加熱時間を必要とする。
このような状況から、CVTシーブの製造をより効率よく行うために、従来と同等の寸法精度と硬度特性を維持しながら処理時間の短縮等を図ることが求められていた。
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、従来と同等の寸法精度及び硬度特性を維持することができ、かつ、処理時間を短縮することができるCVTシーブの製造方法を提供しようとするものである。
第1の発明は、ベルトと摩擦接触させるためのシーブ面を備えたベルト式無段変速機用シーブ部材を製造する方法であって、
鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程と、
上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程と、
該浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、該中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する冷却工程と、
冷却された上記中間体の全体ではなく少なくとも上記シーブ面を含む一部分のみを高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程と、
上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程とを含むことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法にある(請求項1)。
本発明のCVTシーブの製造方法は、上記浸炭工程において浸炭処理のための加熱を行った後に、焼入れを行うことなく、上記のごとく、中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する冷却工程を行う。そのため、その後の焼入れ工程前の状態においては、急冷を行う場合に比べて大幅に歪みの発生を抑制することができる。
次いで、本発明では、浸炭工程後の上記中間体の所望部分を高周波加熱した後に水焼入れする。この焼入れ工程では、部材全体を加熱するのではなく、高周波を利用して焼入れにより強度向上させたい部分のみを急速に加熱する。そして、その後、水焼入れにより、その部分を急冷する。水焼入れを採用することにより、冷却効果を高めることができ、従来の油焼入れの場合よりも高強度化を図ることができる。さらに、従来のように部材全体を焼入れ処理する場合よりも、焼入れ処理時の歪みの発生を大幅に抑制することができる。このような歪み抑制効果と焼入れ効果の向上により、浸炭度合いを軽くすることができると共に、その後の研削加工の削り代を低減させることもできる。さらに、削り代の低減を図った場合には、浸炭工程において形成する浸炭層の深さを低減させることも可能である。それ故、浸炭工程における処理時間の短縮を図ることも可能となる。
したがって、本発明によれば、従来と同等の寸法精度を維持することができ、かつ、処理時間を短縮することができるCVTシーブの製造方法を提供することができる。
第2の発明は、第1の発明の製造方法により製造してなることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材(CVTシーブ)にある(請求項16)。
本発明のCVTシーブは、上記のごとく、短時間処理によって作製することができ、コスト低減することが可能であり、かつ、従来と同様の硬度特性及び優れた寸法精度を兼ね備えたものとすることができる。
本発明の製造方法においては、上記のごとく、冷却工程において中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する。これにより、マルテンサイト変態という相変態による歪みの発生が起こることを防止することができる。このマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度は、素材の材質によって左右されるが、その具体的速度は実験により求めることが可能である。
一方、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が20℃/秒以下となるよう徐冷することも好ましい(請求項2)。この場合には、上記CVTシーブに適用可能な材質の多くの場合には、マルテンサイト変態を抑制することができ、歪みの抑制効果を比較的容易に得ることができる。
また、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点に達するまでの冷却速度が10℃/秒以下となるよう徐冷することがさらに好ましい(請求項3)。この場合には、いわゆる各部位における冷却速度のばらつきによる熱歪みの発生をさらに抑制することができる。
また、冷却速度が遅すぎる場合には、冷却時間が長時間となり、生産性の低下がおこりうる。そのため、好ましくは上記冷却速度は0.1℃/秒以上がよく、さらに好ましくは0.5℃/秒以上がよい。
したがって、上記冷却速度は、0.1〜20℃/秒の範囲とすれば好ましいが、より好ましくは0.5〜10℃/秒の範囲とするのがよい。
また、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、上記中間体を覆う冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で徐冷する減圧徐冷を行うことが好ましい(請求項4)。
本発明では、上述したごとく、上記の徐冷を行う冷却工程を採用し、かつ、焼入れ処理として高周波焼入れ工程を採用することにより、従来の浸炭焼入れの場合よりも歪み発生を大幅に抑制することができるが、さらに高周波焼入れ工程の前の冷却工程において、上記減圧徐冷を採用することが最も好ましい。
たとえ歪み抑制効果の高い上記高周波焼入れ工程を採用しても、その工程の前の中間体そのものが歪んでいる場合には、その後の研削代を多くしなければならない。もちろん、本発明では、上記徐冷を行うことにより、歪み発生の抑制を行うことができるが、シーブ面等の寸法精度の厳しい部位においては、さらなる歪み抑効果が求められている。このようなさらなる歪み向上策として最も好ましいのは、浸炭工程と高周波焼入れ工程との間に行う上記冷却工程に上記減圧徐冷を採用することである。
即ち、上記冷却工程では、浸炭工程を終えた高温状態の上記中間体を、冷却ガス中において冷却するに当たり、該冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧徐冷を採用することが好ましい。これにより、冷却ガスを大気圧状態として冷却する場合に比べて、中間体の歪みの発生をよりいっそう抑制することができる。
例えば、冷却時に冷却ガスを撹拌する場合には、冷却ガスを減圧状態とすることによって、大気圧状態の場合に比べ、循環する冷却ガスの風上と風下での冷却速度の差を低減させることができる。つまり、大気圧で徐冷する場合、大気圧中の冷却ガスに被冷却部材を接触させただけで熱交換が進み被冷却部材の冷却が開始する。この場合、積極的なガス攪拌または熱によるガス対流により風上と風下が生じ、冷却速度差が生じる。冷却速度差により被冷却部材の温度差が生じ、熱処理歪を発生する。これに対し、冷却ガスを減圧状態とすることによって、風上・風下のいずれであっても、そもそも熱交換速度が遅く、冷却速度差が生じ難い。それ故、冷却ガスを減圧状態とする減圧徐冷を採用した場合には、比較的均一に冷却が進む為、熱処理歪の発生が少ない。また、撹拌を全くしない場合であっても、減圧状態の場合には、大気圧の場合よりも、温度の異なる冷却ガスの滞留による冷却速度の差を低減させることができる。
このような冷却ガスの減圧による効果を利用することにより、上記冷却工程を施した中間体は、歪み発生をよりいっそう抑制することができ、高精度の寸法精度を維持したまま上記高周波焼入れ工程に進めることができる。そして、これにより、上述した高周波焼入れ工程によるメリットを活かして、焼入れ後の中間体も歪みの少ない高精度のものとすることができる。
また、上記冷却工程の減圧徐冷は、浸炭工程を終えた高温状態の中間体に対して行うが、必ずしも冷却完了まで減圧状態を続ける必要はない。少なくとも歪み発生にほとんど影響がない低温域に入ってからは、上記減圧徐冷ではなく、減圧状態を解除した大気圧での冷却、あるいは積極的に大気圧以上に増圧した状態での冷却を行ってもよい。
また、上記減圧徐冷中においても、減圧条件を途中で緩めたり、撹拌条件を変更したりすることも可能である。むしろ、歪み発生のおそれが減少する低温域においては、冷却効率を向上できる条件に変更することが工業的には好ましい。
上記減圧徐冷の終了時期は、中間体の温度または冷却時間によって管理することが可能である。その最適な条件は、中間体(CVTシーブ)の材質の種類、一度に処理する量、冷却ガスの種類、冷却ガスの撹拌装置の能力等に応じて変化するので、実験によって管理値を求め、それに従うことが好ましい。
上記減圧徐冷の終了時期を温度によって定める場合には、例えば、500℃以下の所定の温度になった時期とすることができる。少なくとも500℃まで歪み発生抑制可能な条件で減圧徐冷すれば、上記の作用効果を十分に発揮することができる。
また、上記冷却工程は、減圧状態の冷却ガスを撹拌しなくても、大気圧状態の場合と比較すると歪み抑制効果が高くなるが、より好ましくは、適度な撹拌を行って、冷却ガスの滞留を防止するのがよい。
すなわち、上記減圧徐冷は、上記冷却ガスを撹拌しながら行うことが好ましい(請求項5)。これにより、よりいっそう歪み抑制効果を高めることができる。
また、上記減圧徐冷は、少なくとも、冷却による上記中間体の組織変態が始まる前からすべての組織変態が完了するまで行うことが好ましい(請求項6)。即ち、中間体をオーステナイト状態から常温まで冷却する場合には、必ず組織変態を伴うが、その組織変態中に歪みが生じやすい。特に、組織変態中の冷却条件が部位によってばらつけば、歪みが出やすくなる。そのため、上記冷却工程の期間中に中間体の組織変態を完了させることが好ましい。
また、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.65barの範囲とすることが好ましい(請求項7)。上記減圧状態を0.1bar未満にするには減圧装置が非常に高価となりすぎるという問題がある。一方、0.65barを超える場合には、冷却ガスの減圧による上記作用効果が少なくなるという問題がある。
そのため、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.3barの範囲とすることがより好ましい(請求項8)。特に0.3bar以下とすることによって、上記の減圧による効果を高めることができる。
また、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの撹拌速度を高める条件で冷却を行うことができる(請求項9)。すなわち、上記冷却工程における減圧徐冷は、減圧状態で行うので、大気圧以上の状態で行う場合よりも冷却効率が低下する。そのため、上記中間体の温度が歪み発生に影響しないA1変態点以下の温度領域に入ってからは、冷却ガスの撹拌速度を高めることにより冷却効率を少しでも向上させることができる。最も容易な方法としては、冷却工程の初期においては撹拌速度を0または最低限の速度に落としておき、その後、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に撹拌速度を高める方法がある。これにより、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に冷却能力が向上し、全体の冷却時間を短縮させることができる。また、撹拌速度を高める方法としては、一気に高める方法でもよいが、徐々に高める方法の方がより好ましい。
また、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの圧力を高める条件で冷却を行うこともできる(請求項10)。この場合には、上記中間体の温度が歪み発生に影響しないA1変態点以下の温度領域に入ってから、冷却ガスの圧力増大によって冷却速度を高めることができ、全体の冷却時間を短縮することができる。もちろん、上記の撹拌速度を高める方法と合わせて冷却ガスの圧力を高める方法をとることもできる。
また、この冷却工程中の圧力増大は、あくまでも大気圧よりも低い範囲で行う。また、圧力増大は、一気に行ってもよいが、徐々に行う方がより好ましい。なお、上述したように、冷却工程を完了させた後に、大気圧あるいはそれ以上に増圧することは妨げられない。
また、上記冷却工程では、上記冷却ガスとして、上記減圧浸炭工程における上記浸炭ガスと異なる様々な冷却ガスを用いることができる。特に、上記冷却ガスは窒素ガス(N2ガス)であることが好ましい。この場合には、中間体の酸化を抑制しつつ冷却することができる。
もちろん、上記冷却ガスとしては、公知の様々なガスを選択することができる。
また、上記浸炭工程は、上記中間体を減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程であることが好ましい(請求項11)。この減圧浸炭では、高温の浸炭炉の内部を減圧状態に維持しながら比較的少量の浸炭ガスによって浸炭処理を行うことができるので、従来よりも効率よく浸炭処理を行うことができる。
また、上記浸炭工程は、上記中間体をオーステナイト化温度以上に加熱すると共に、0.001〜0.1barの減圧条件下において行うことが好ましい(請求項12)。浸炭時の減圧が0.001bar未満の場合には真空度維持のために高価な設備が必要となるという問題が生じる。一方、0.1barを超える場合には浸炭中にススが発生し、浸炭濃度ムラが生じるという問題が生じるおそれがある。
また、上記浸炭ガスとしては、例えば、アセチレン、プロパン、ブタン、メタン、エチレン、エタン等を適用することができる。
また、上記減圧浸炭工程においては、通常浸炭より表面濃度を上げ、表層に鉄と炭素の化合物を析出させる高濃度浸炭、あるいは浸炭処理と共に窒化処理も行う浸炭窒化処理を採用することも可能である。
また、上記素材は、質量%において、C:0.20〜0.45%を含有する炭素鋼であることが好ましい(請求項13)。C含有量が0.45%を超えるような高炭素鋼の場合には、熱処理前の切削加工の効率が悪く、また切削工具の寿命が短いという問題がある。一方、C含有量が0.20%未満の場合には、浸炭層を形成しない部分の強度が十分に得られないという問題がある。
また、素材の材質が上記範囲の場合には、上記浸炭工程においては、浸炭層の最大の浸炭濃度が、C:0.5〜1.0質量%となるように行うことが好ましい(請求項14)。浸炭層の浸炭濃度がC:0.5質量%未満の場合には、浸炭による硬度向上効果が十分に得られないという問題があり、一方、1.0質量%を超える場合には、材料のオーステナイト結晶粒界に強度上有害なセメンタイト(Fe3C)が生成し、強度低下をもたらすおそれがある。
また、上記減圧浸炭工程と上記減圧徐冷工程とを連続で行う場合には、実際の設備では、減圧浸炭室と減圧徐冷室とを直接繋ぐことができ、両者の間に減圧度を調整するような予備室等を設ける必要がない。すなわち、上記減圧浸炭工程と上記減圧徐冷工程とは、両方とも減圧状態で行われるので、両者の間の圧力差を小さくすることができる。そのため、減圧浸炭処理を終えた製品を常圧状態に晒すことなく減圧徐冷処理することができ、歪み発生を抑制した効率のよい処理が可能である。
また、上記焼入れ工程における上記水焼入れの冷却速度は、200℃/秒〜2000℃/秒であることが好ましい(請求項15)。冷却速度が200℃/秒よりも遅い場合には、焼入れ効果が十分に得られないおそれがあり、一方、2000℃/秒を超える急冷を実現することは困難である。
(実施例1)
実施例に係るCVTシーブの製造方法及び得られたCVTシーブの評価結果(実験例1〜8)につき、図1〜図15を用いて説明する。
本例で作製するCVTシーブは、図1〜図4に示すごとく、ベルト式無段変速機におけるプライマリプーリを構成する一対のシーブ部材(CVTシーブ)81、82と、セカンダリプーリを構成する一対のシーブ部材(CVTシーブ)83、84の合計4種類である。上記CVTシーブ81、82とからなるプライマリプーリにおける溝部と、上記CVTシーブ83、84とからなるセカンダリプーリにおける溝部とにベルトを掛け合わせることにより、ベルト式無段変速機の基本構造が構成されることとなる。
CVTシーブ81は、図1に示すごとく、シャフト部810とシーブ部812とを一体的に有しており、シーブ部812の円錐状の表面がシーブ面815である。以下、適宜、このCVTシーブ81を、プリシャフト81という。
CVTシーブ82は、図2に示すごとく、上記プリシャフト81のシャフト部810に外挿可能な貫通穴829を設けた外筒部820とシーブ部822とを有しており、シーブ部822の円錐状の表面がシーブ面825である。CVTシーブ82は、上記プリシャフト81のシャフト部810に装着した状態で軸方向に相対的にスライドできるよう組み付けられる。以下、適宜、このCVTシーブ82を、プリスライディング82という。
CVTシーブ83は、図3に示すごとく、シャフト部830とシーブ部832とを一体的に有しており、シーブ部832の円錐状の表面がシーブ面835である。以下、適宜、このCVTシーブ83を、セカンドシャフト83という。
CVTシーブ84は、図4に示すごとく、上記セカンドシャフト83のシャフト部830に外挿可能な貫通穴849を設けた外筒部840とシーブ部842とを有しており、シーブ部842の円錐状の表面がシーブ面845である。CVTシーブ84は、上記セカンドシャフト83のシャフト部830に装着した状態で軸方向に相対的にスライドできるよう組み付けられる。以下、適宜、このCVTシーブ84を、セカンドスライディング82という。
なお、図1〜図4に示すごとく、ハッチング部分Yは、後述する高周波焼入れ工程によって硬化させる部分(焼入れ部位Yという)である。
上記4種類のCVTシーブ81〜84を製造するに当たり、本実施例の製造方法(本実施例方法)および比較のための従来の浸炭焼入れを用いた方法(比較方法)を実施した。
実施例の方法(本実施例工程)は、図5(a)に示すごとく、主にステップS11からS17の7つのステップを有するものである。
ステップS11は、鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程であり、上述した各CVTシーブ81〜84の粗形状を有する中間体(図示略)を得るものである。
ステップS12は、上記中間体に切削加工を施して、外形状を最終形状に近い形状まで整える切削工程である。
ステップS13は、上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程である。本例では、後述するごとく、減圧浸炭処理を採用した。
ステップS14は、浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも該中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が20℃/秒以下となるよう徐冷する冷却工程である。本例では、後述するごとく減圧徐冷を採用した。
ステップS15は、冷却された上記中間体の所望部分を高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程である。
ステップS16は、焼入れ後の中間体に焼戻し処理を施す焼戻し工程である。
ステップS17は、上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程である。
比較のための従来の方法(従来工程)は、図5(b)に示すごとく、主にステップS21からS25の5つのステップを有するものである。
ステップS21は、鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程であり、粗形状を有する中間体(図示略)を得るものであり、上記ステップS11と同じである。
ステップS22は、上記中間体に切削加工を施して、外形状を最終形状に近い形状まで整える切削工程であり、これも上記ステップS12と同じである。
ステップS23は、上記中間体に対して従来の一般的な浸炭焼入れを行う浸炭焼入れ工程である。
ステップS24は、焼入れ後の中間体に焼戻し処理を施す焼戻し工程である。
ステップS25は、上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程である。
次に、上記本実施例工程における上記ステップS13〜S16までの工程と、従来工程におけるステップS23、S24の工程である、いわゆる熱処理工程についてさらに詳しく説明する。
図6(a)には、本実施例方法におけるヒートパターンAを示し、図6(b)には、比較方法におけるヒートパターンBとを示し、比較してある。同図は、横軸に時間を、縦軸に温度を取り、熱処理中における部材の温度をヒートパターンA、Bとして示したものである。
実施例方法は、同図のヒートパターンAより知られるように、まず、減圧浸炭工程a1(S13)を行った。減圧浸炭工程a1は、浸炭および拡散処理として950℃×75分の処理を行ったが、その際の浸炭室の圧力は200Paまで減圧し、浸炭ガスの種類はアセチレンを用いるという条件とした。
減圧浸炭工程a1直後の冷却工程a2(S15)は、冷却ガスは窒素(N2)、減圧状態は600hPa、炉内における冷却ガスの撹拌は撹拌ファンの回転数を定格の約半分で行う第1のステップを40分間行い、その後、減圧状態を800hPaまで緩めると共に撹拌ファンの回転数を定格まで上げて行う第2ステップを20分間行うという減圧徐冷条件を採用し、少なくとも150℃以下の温度となるまで冷却速度は10℃/分以下という条件とした。
次に、高周波加熱によって中間体のシーブ面等の焼入れ部位Y(図1〜図4)を部分的に950℃に加熱し、その後水を吹き付けて水焼入れするという条件で焼入れ工程(S16)を行った。高周波加熱の条件は、CVTシーブの種類によって焼入れ領域が若干異なるのでCVTシーブ毎に異なる条件に変更した。例えばシーブ面に関しては、プリシャフト81に対する条件は、周波数8.8kHz、設定電力200kW、加熱時間6.8秒という条件とし、プリスライディング82に対する条件は、周波数15kHz、設定電力150kW、加熱時間7.5秒という条件とし、セカンドシャフト83に対する条件は、周波数8.8kHz、設定電力270kW、加熱時間6.0秒という条件とし、セカンドスライディング84に対する条件は、周波数15kHz、設定電力150kW、加熱時間5.8秒という条件とした。また、プリスライディング82及びセカンドスライディング84の内径側に関しては、プリスライディング82に対する条件は周波数30kHz、設定電力60kW、加熱時間6.2秒という条件とし、セカンドスライディング84に対する条件は周波数30kHz、設定電力60kW、加熱時間6.7秒という条件とした。
さらに、150℃に70分保持するという焼戻し工程a4(S17)を追加した。
一方、比較方法は、同図のヒートパターンBより知られるように、浸炭温度である950℃まで加熱した後、その温度で430分間保持して通常の浸炭工程b1を行い、その後焼入れ温度である850℃に保持した後、油焼入れする焼入れ工程b2を行った(S23)。また、比較方法では、油焼入れ時に付着した冷却剤(油)を洗い落とす後洗工程b3と焼入硬化層の靱性確保も目的とした焼き戻し工程b4(S24)を行った。
次に、本実施例方法を実施するための熱処理設備5と、比較方法を実施するための浸炭焼入れ設備9について、簡単に説明する。
図7(a)に示すごとく、本実施例方法を実施するための熱処理設備5は、浸炭焼入れ処理前に鋼部材を洗浄するための前洗槽51と、加熱室521、減圧浸炭室522、および減圧冷却室523を備えた減圧浸炭徐冷装置52と、高周波焼入れ機53と、欠陥を検査するための磁気探傷装置54とを備えたものである。
図7(b)に示すごとく、比較方法を実施するための浸炭焼入れ設備9は、浸炭焼入れ処理前に鋼部材を洗浄するための前洗槽91と、加熱・浸炭・拡散を行うための浸炭炉921および焼入れ油槽922とを備えた長大な浸炭炉92と、浸炭焼入れ処理後に鋼部材を洗浄するための後洗槽93と、焼き戻し処理を行うための焼き戻し炉94とを備えたものである。
(実験例1)
次に、図8に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について歪み発生状態を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。その化学成分組成は表1に示す。
Figure 0004760664
図8には、本実施例工程に関しては、浸炭工程S13の前、冷却工程S14の後、高周波焼入れ工程S15の後、仕上げ工程S17の後の4つのタイミングで歪み測定した結果を、従来工程に関しては、浸炭焼入れ工程S23の前と後、及び仕上げ工程S25の後の3つのタイミングで歪み測定した結果を示した。
上記セカンドシャフト83の歪み測定は、上述した図3に示すごとく、シーブ面835における3箇所(a3〜c3)において行った。測定部位a3は、セカンドシャフト83の軸心からの距離D31が60mmの位置、測定部位b3は、上記軸心からの距離D32が98mmの位置、測定部位c3は、上記軸心からの距離D33が135mmの位置である。そして、各測定部位と、軸方向の所定の基準点との間の距離を測定し、その距離と目標値の差を算出することによって評価した。また、評価は、全周における平均値(AVE)と、全周における最大値(MAX)と、全周における最小値(MIN)と、最大値と最小値の差(R)とにより行った。なお、実験の数は、nとして示した。また、図8の中段には、上記測定結果をグラフとして示した。
同図から知られるごとく、本実施例工程の場合には、熱処理工程の全工程を通して、その形状特性が安定しており、少なくとも測定部位a3と測定部位c3との相対的な位置関係はあまり変化しないことがわかる。
一方、従来工程の場合には、浸炭焼入れ前と浸炭焼入れ後において大幅に歪み形状が変化していることがわかる。
以上の結果から、本実施例工程を採用した場合には、熱処理工程によって歪みが発生することを従来よりも抑制することが可能であり、熱処理前の形状を適切に制御すれば、最終の仕上げ工程での研削代を低減する製造設計も可能であると言える。
(実験例2)
次に、図9に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドスライディング84について歪み発生状態を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
図9には、本実施例工程に関しては、浸炭工程S13の前、冷却工程S14の後、高周波焼入れ工程S15の後、仕上げ工程S17の後の4つのタイミングで歪み測定した結果を、従来工程に関しては、浸炭焼入れ工程S23の前と後、及び仕上げ工程S25の後の3つのタイミングで歪み測定した結果を示した。
上記セカンドスライディング84の歪み測定は、上述した図4に示すごとく、シーブ面845における3箇所(a4〜c4)において行った。測定部位a4は、セカンドスライディング84の軸心からの距離D41が55mmの位置、測定部位b4は、上記軸心からの距離D42が98mmの位置、測定部位c4は、上記軸心からの距離D43が135mmの位置である。そして、各測定部位と、軸方向の所定の基準点との間の距離を測定し、その距離と目標値の差を算出することによって評価した。また、評価は、実験例1の場合と同様に、全周における平均値(AVE)と、全周における最大値(MAX)と、全周における最小値(MIN)と、最大値と最小値の差(R)とにより行った。なお、実験の数は、nとして示した。また、図9の中段には、上記測定結果をグラフとして示した。
同図から知られるごとく、実験例1の場合と同様に、本実施例工程の場合には、熱処理工程の全工程を通して、その形状特性が安定しており、少なくとも測定部位a4と測定部位c4との相対的な位置関係はあまり変化しないことがわかる。
一方、従来工程の場合には、浸炭焼入れ前と浸炭焼入れ後において大幅に歪み形状が変化していることがわかる。
以上の結果から、本実施例工程を採用した場合には、熱処理工程によって歪みが発生することを従来よりも抑制することが可能であり、熱処理前の形状を適切に制御すれば、最終の仕上げ工程での研削代を低減する製造設計も可能であると言える。
(実験例3)
次に、図10に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したプリシャフト81について、シーブ面815の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記と同様に愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
上記プリシャフト81のシーブ面815の硬度測定は、上述した図1に示すごとく、測定部位b1における断面において圧子に負荷する加重を300gfとするという条件でビッカース硬さを測定することにより行った。測定部位b1は、プリシャフト81の軸心からの距離D12が98mmの位置である。硬度測定の結果は図10に示す。同図は、横軸に表面からの距離を、縦軸に硬さ(Hv)を示したものである。そして、本実施例工程の結果を符号E3として、従来工程の結果を符号C3として示した。
同図から知られるごとく、最表面付近においては、焼入れ効果の高い高周波焼入れを採用した本実施例工程の方が高硬度となった。表面から2.0mmより深い部分においては、従来工程の方が硬度が若干高かった。これは、部品全体を焼入れていることによると考えられる。いずれにしても、本実施例工程を採用しても、表面硬度の特性は全く低下せず、むしろ向上することがわかる。
(実験例4)
次に、図11に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって、異なる材質を用いて作製したプリシャフト81について、シーブ面815の硬度特性を評価した。
従来工程品の素材は、上記と同様に愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとしたが、本実施例工程品の素材は、S30Cとした。
上記プリシャフト81のシーブ面815の硬度測定は、実験例3の場合と同じである。硬度測定の結果は図11に示す。同図は、横軸に表面からの距離を、縦軸に硬さ(Hv)を示したものである。そして、本実施例工程の結果を符号E4として、従来工程の結果を符号C4として示した。
同図から知られるごとく、本実験例でも、最表面付近においては焼入れ効果の高い高周波焼入れを採用した本実施例工程の方が高硬度となった。表面から2.5mmより深い部分においては、従来工程の方が硬度が若干高かった。これは、部品全体を焼入れていることによると考えられる。いずれにしても、本実施例工程を採用しても、表面硬度の特性は全く低下せず、むしろ向上することがわかる。そして、この結果から、比較的特殊な鋼であるSCM420Nbを用いなくても、S30Cというごく平凡な炭素鋼によって、十分に必要特性が得られることがわかる。
(実験例5)
次に、図12に示すごとく、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について、シーブ面835の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
上記セカンドシャフト83のシーブ面835の硬度測定は、上述した実験例3と同様であり、測定部位b3において行った。硬度測定の結果は図12に示す。同図は、横軸に表面からの距離を、縦軸に硬さ(Hv)を示したものである。そして、本実施例工程の結果を符号E5として、従来工程の結果を符号C5として示した。
同図から知られるごとく、本実験例においても、最表面付近においては、焼入れ効果の高い高周波焼入れを採用した本実施例工程の方が高硬度となった。表面から2.0mmより深い部分においては、従来工程の方が硬度が若干高かった。これは、部品全体を焼入れていることによると考えられる。いずれにしても、本実施例工程を採用しても、表面硬度の特性は全く低下せず、むしろ向上することがわかる。
(実験例6)
次に、図13に示すごとく、上述した本実施例工程によって作製したセカンドシャフト83について、シャフト部830の硬度特性を評価した。
なお、素材としては、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
上記セカンドシャフト83のシャフト部830の硬度測定は、図3に示すごとく、シャフト部830の外周面における測定部位d3の位置の断面において行った。硬度測定の結果は図13に示す。同図は、横軸に表面からの距離を、縦軸に硬さ(Hv)を示したものである。そして、本実施例工程の結果を符号E6として示した。
同図から知られるごとく、本実験例においては、外表面近傍、及び内表面近傍において十分に硬度向上効果が得られていることがわかる。
(実験例7)
次に、図14に示すごとく、上述した本実施例工程によって作製したセカンドシャフト83について、浸炭工程(S13)の効果を評価すべく、シーブ面835の断面の炭素濃度を測定した。炭素濃度の測定は、具体的には、EPMA(電子線マイクロアナライザー)を用いて行った。
なお、素材としては、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
上記セカンドシャフト83のシーブ面835の炭素濃度測定位置は、測定部位b3とした。その結果を図14に示す。同図は、横軸に表面からの距離を、縦軸に炭素濃度(wt%)を示したものである。そして、測定結果は、なめらかな曲線に補正して符号E7として示した。
同図から知られるごとく、最表面付近においては、炭素濃度が最大0.63wt%となるように浸炭処理が十分に行われていることがわかる。
(実験例8)
次に、上述した本実施例工程及び従来工程によって作製したセカンドシャフト83について、静的ねじり試験を実施した。
なお、素材としては、本実施例工程品と従来工程品の両方とも、上記愛知製鋼(株)製のSCM420Nbとした。
静的ねじり試験は、セカンドシャフト83の両端を試験機によって把持し、両端からねじり応力を加えるという一般的な方法である。そして、本例では、比例限におけるトルク(比例限トルク)と破壊時のトルク(破壊トルク)とを測定し、評価した。
測定結果を表2に示す。
Figure 0004760664
表2から知られるごとく、本実施例工程品は、比例限トルクにおいて従来工程品よりも60%も向上する特性が得られた。さらに、本実施例工程品は、破壊トルクにおいても従来品よりも13%も向上する特性が得られた。
以上から、本実施例工程を採用した場合には、従来よりも大幅なねじり特性の向上が得られこともわかった。
(参考例1)
本参考例では、実施例1における本実施例工程の冷却工程において採用可能な減圧徐冷について複数種類の方法(試験1〜3)を実施し、歪みの発生状況を把握した。なお、本参考例では、実施例1に示したCVTシーブ81〜84ではなく、冷却歪みの影響がより明確に生じうる鋼部材であるリングギアに対して試験を行った例を示す。この参考例の結果は、CVTシーブの製造方法にも適用できる。
試験1:
試験1では、図15に示すごとく、上記鋼部材をオーステナイト化温度以上の950℃に昇温する浸炭処理を行った後に、鋼部材を150℃以下まで冷却する。
図15は、横軸に時間、縦軸に温度を取り、鋼部材の温度履歴を示したものである(後述する図16〜図18も同様である)。上記熱処理は、同図A点〜B点の期間が熱処理の期間であり、B点以降が冷却の期間である。そして、試験1では、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行った。
減圧冷却の条件は、冷却ガスとしてN2を用い、0.3bar一定の減圧状態とし、冷却ガスの撹拌を行う条件とした。撹拌速度は、冷却に用いた装置における撹拌ファンを定格回転数の550rpm一定で運転して得られる条件とした。
試験2:
試験2では、図16に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験1と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてN2を用い、0.3bar一定の減圧状態とした点は試験1と同様であるが、撹拌速度の条件を、最初は撹拌ファンの回転数を250rpm一定に落として運転し、その後、15分後(図8のC点)に550rpm一定に変更するという条件とした。その他は試験1と同様である。
試験3:
試験3では、図17に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で冷却する減圧冷却を行ったが、詳細条件を試験1と変えた。すなわち、減圧冷却の条件として、冷却ガスとしてN2を用い、その減圧状態を0.65bar一定とした。その上で、最初は冷却ガスの撹拌を行わず、その後、15分後(図9のC点)に550rpm一定に変更するという条件とした。その他は試験1と同様である。
試験4(比較試験):
試験4では、図18に示すごとく、鋼部材の冷却開始から冷却完了まで、冷却ガスを大気圧のままの状態で冷却した。すなわち、冷却条件は、冷却ガスの圧力は1.0bar(大気圧)一定とし、撹拌条件は、撹拌ファンの回転数を定格より落とした250rpm一定とした。冷却前の熱処理条件は試験1と同様である。
次に、上記の試験1〜3と試験4の冷却方法によって複数の鋼部材であるリングギアを処理し、その寸法を測定することにより歪み発生量を比較した。
歪みは、リング状の本体部の内周面に設けた歯面の谷部分に接触するように所定の直径の鋼球を配置し、対向する鋼球同士の内径寸法(BBD)を測定して得られた寸法により評価した。
その結果、試験1〜3の場合には、いずれの場合もBBDから知られる楕円状態が、試験4(比較試験)よりも小さく、歪み抑制効果が非常に高かった。
(実施例2)
本例では、図19に示すごとく、実施例1において示した減圧徐冷工程a2として採用可能な減圧徐冷パターンについての別例を具体的に説明する。
図19は、横軸に時間をとり、第1縦軸に冷却ファンの回転数(a)を、第2縦軸に被処理材の温度(b)を、第3縦軸に冷却ガスの圧力(c)をとったものである。
同図より知られるごとく、本例では、最初の第1冷却ステップP31の間は、冷却ファンの回転数を低めに設定すると共に、冷却ガス圧を大気圧よりも十分に低い減圧状態として減圧徐冷を行った。
次に、第2冷却ステップP32の間は、冷却ファンの回転数を定格よりは十分低いものの上記第1冷却ステップP31の場合よりも若干高くし、さらに、冷却ガス圧も大気圧よりも低いものの上記第1冷却ステップP31の場合よりも若干高い状態に設定し、第1冷却ステップP31よりは若干冷却能力が高い減圧徐冷を行った。本例では、この第2冷却ステップP32の間において、被処理材の温度がいわゆるA1変態点を迎えるようにした。
次に、第3冷却ステップP33の間は、冷却ファンの回転数および冷却ガス圧を十分に高めた急冷条件とした。
以上のように、最初の被処理材が最も高温状態にある第1冷却ステップP31では、冷却ガスの圧力および循環速度(冷却ファンの回転数)を低くする減圧徐冷を行うことによって、冷却歪みの発生を確実に抑えることができる。次に、ある程度被処理材の冷却が進んだ第2冷却ステップP32では、冷却歪みの発生の可能性が低下しているので、若干冷却能力を高めるものの、鋼のA1変態点を超える際の組織変態に伴う歪み発生を抑制すべく、減圧徐冷条件は維持する。これにより、A1変態点を超える際の歪み発生を極力抑えることができる。その後、第3冷却ステップP33では、冷却ガスの圧力および循環速度を高めることによって冷却能力を最大とすることができる。
実施例1における、プライマリプーリ用のシーブ部材(プリシャフト)の構造を示す説明図。 実施例1における、プライマリプーリ用のシーブ部材(プリスライディング)の構造を示す説明図。 実施例1における、セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドシャフト)の構造を示す説明図。 実施例1における、セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドスライディング)の構造を示す説明図。 実施例1における、(a)本発明工程、(b)従来工程を示す説明図。 実施例1における、(a)本発明方法のヒートパターンを示す説明図、(b)比較方法のヒートパターンを示す説明図。 実施例1における、(a)本発明方法を実施する熱処理設備、(b)比較方法を実施する浸炭焼入れ設備を示す説明図。 実験例1における、セカンドシャフトのシーブ面の歪み測定結果を示す説明図。 実験例2における、セカンドスライディングのシーブ面の歪み測定結果を示す説明図。 実験例3における、プリシャフトのシーブ面の硬度測定結果を示す説明図。 実験例4における、プリシャフトのシーブ面の硬度測定結果を示す説明図。 実験例5における、セカンドシャフトのシーブ面の硬度測定結果を示す説明図。 実験例6における、セカンドシャフトのシャフト部の硬度測定結果を示す説明図。 実験例7における、セカンドシャフトのシーブ面の炭素濃度測定結果を示す説明図。 参考例1における、試験1の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 参考例1における、試験2の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 参考例1における、試験3の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 参考例1における、試験4の鋼部材の冷却パターンを示す説明図。 実施例2における、減圧徐冷パターンの具体例を示す説明図。
符号の説明
5 熱処理設備、
81 プライマリプーリ用のシーブ部材(プリシャフト)、
815、825、835、845 シーブ面、
82 プライマリプーリ用のシーブ部材(プリスライディング)、
83 セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドシャフト)、
84 セカンダリプーリ用のシーブ部材(セカンドスライディング)、
9 浸炭焼入れ設備

Claims (16)

  1. ベルトと摩擦接触させるためのシーブ面を備えたベルト式無段変速機用シーブ部材を製造する方法であって、
    鋼よりなる素材に鍛造加工を加えることにより上記シーブ面を有する中間体に成形する成形工程と、
    上記中間体を浸炭ガス中において加熱して浸炭処理する浸炭工程と、
    該浸炭工程を終えた上記中間体を冷却するに当たり、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、該中間体における組織がマルテンサイト変態を起こす速度より遅い冷却速度で徐冷する冷却工程と、
    冷却された上記中間体の全体ではなく少なくとも上記シーブ面を含む一部分のみを高周波加熱した後に水焼入れする焼入れ工程と、
    上記中間体に研削加工を施して最終形状とする仕上げ工程とを含むことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  2. 請求項1において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が20℃/秒以下となるよう徐冷することを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  3. 請求項1において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまでの冷却速度が10℃/秒以下となるよう徐冷することを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項において、上記冷却工程では、少なくとも上記中間体の温度がA1変態点を通過するまで、上記中間体を覆う冷却ガスを大気圧よりも低く減圧した状態で徐冷する減圧徐冷を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  5. 請求項4において、上記減圧徐冷は、上記冷却ガスを撹拌しながら行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  6. 請求項4又は5において、上記減圧徐冷は、少なくとも、冷却による上記中間体の組織変態が始まる前からすべての組織変態が完了するまで行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  7. 請求項4〜6のいずれか1項において、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.65barの範囲とすることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  8. 請求項7において、上記減圧徐冷における上記冷却ガスの減圧状態は、0.1bar〜0.3barの範囲とすることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  9. 請求項4〜8のいずれか1項において、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの撹拌速度を高める条件で冷却を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  10. 請求項4〜9のいずれか1項において、上記冷却工程では、上記中間体の温度がA1変態点以下となった後に上記冷却ガスの圧力を高める条件で冷却を行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  11. 請求項1〜10のいずれか1項において、上記浸炭工程は、上記中間体を減圧下の浸炭ガス中において浸炭処理する減圧浸炭工程であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  12. 請求項11において、上記浸炭工程は、上記中間体をオーステナイト化温度以上に加熱すると共に、0.001〜0.1barの減圧条件下において行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項において、上記素材は、質量%において、C:0.20〜0.45%を含有する炭素鋼であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  14. 請求項13において、上記浸炭工程においては、浸炭層の最大の浸炭濃度が、C:0.5〜1.0質量%となるように行うことを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  15. 請求項1〜14のいずれか1項において、上記焼入れ工程における上記水焼入れの冷却速度は、200℃/秒〜2000℃/秒であることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材の製造方法。
  16. 請求項1〜15のいずれか1項に記載の製造方法により製造してなることを特徴とするベルト式無段変速機用シーブ部材。
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