CN113251108A - 金属环层叠体的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种金属环层叠体的制造方法，具有：对由马氏体时效钢制成的多个金属环层叠而成的金属环层叠体进行时效处理的步骤；对被时效处理的金属环层叠体进行氮化处理的步骤，在时效处理步骤之后且氮化处理步骤之前，在350℃以上且时效处理温度以下的温度，对金属环层叠体进行氧化处理。

Description

金属环层叠体的制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属环层叠体的制造方法。
背景技术
通过钢制的传动带将输入侧带轮与输出侧带轮连接的钢带式无级变速器(CVT：Continuously Variable Transmission)被用于汽车等。该钢带式CVT中的传动带具有的结构为，在由层叠为嵌套状的多个薄板金属环构成的金属环层叠体上无间隙地排列并安装了大量元件。通过金属环层叠体的张力而将元件压靠至输入侧以及输出侧带轮，将动力从输入侧带轮传递到输出侧带轮。
为了确保元件与输入侧以及输出侧带轮的摩擦力，向构成金属环层叠体的各个金属环施加高的张力。因此，作为析出强化型超强度钢的马氏体时效钢被用作金属环。此外，还在高的张力状态下对金属环反复施加弯曲应力。因此，出于提高疲劳强度的目的，对金属环的表面实施赋予压缩残余应力的氮化处理。
一般地，在对多个金属环一个一个地分别进行氮化处理之后，将这些金属环层叠。因此，存在氮化处理装置变得大型化等问题。
与此相对，在日本特表2016-505092号公报中公开了一种将多个金属环层叠，并在形成上述金属环层叠体之后进行氮化处理的方法。
发明内容
关于对由马氏体时效钢制成的多个金属环被层叠而成的金属环层叠体进行时效处理后进行氮化处理的金属环层叠体的制造方法，发明人发现了以下问题。
如日本特表2016-505092号公报中公开地，当对金属环层叠体进行氮化处理时，在位于金属环层叠体的中间的金属环中，氨等氮化气体难以进入而难以被氮化。因此，存在位于金属环层叠体的表面的金属环与位于中间的金属环的表面硬度之差变大的问题。
本发明是鉴于上述情况完成的，并在维持所需的强度的同时，减小位于金属环层叠体的表面的金属环与位于中间的金属环的表面硬度之差。
本发明的一个方式涉及的金属环层叠体的制造方法，具有：
对由马氏体时效钢制成的多个金属环层叠而成的金属环层叠体进行时效处理的步骤；
对被时效处理的所述金属环层叠体进行氮化处理的步骤，
在时效处理的步骤之后且氮化处理的步骤之前，在350℃以上且时效处理温度以下的温度，对所述金属环层叠体进行氧化处理。
在本发明的一个方式涉及的金属环层叠体的制造方法中，在时效处理步骤之后且氮化处理步骤之前，在350℃以上且时效处理温度以下的温度，对所述金属环层叠体进行氧化处理。因此，能够在维持所需的强度的同时，减小位于金属环层叠体的表面的金属环与位于中间的金属环的表面硬度之差。
所述时效处理温度也可以为450～500℃。
此外，该金属环层叠体也可以被用于带式无级变速器的传动带。
根据本发明，能够在维持所需的强度的同时，减小位于金属环层叠体的表面的金属环与位于中间的金属环的表面硬度之差。
从下文记载的详细描述以及以说明方式给出的附图中，本发明的上述内容和其他目的、特征和优点被更充分地理解，因此不应被认为是限制本发明。
附图说明
图1是构成由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的金属环的立体剖视图。
图2是应用了由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的带式无级变速器的剖视图。
图3是应用了由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的带式无级变速器的侧视图。
图4是示出了第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法的流程图。
图5是示出了第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法的立体图。
图6是示出了氮化处理后的表面硬度的氧化处理温度依赖性的图。
图7是示出了氧化处理温度为300℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图8是示出了氧化处理温度为330℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图9是示出了氧化处理温度为360℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图10是示出了氧化处理温度为400℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图11是示出了金属环层叠体中的表面环及中央环的氮化处理后的表面硬度的氧化处理温度依赖性的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对应用了本发明的具体实施方式进行详细说明。但是，本公开并非限定于以下的实施方式。此外，为了使说明明确，以下的记载及附图被适当地简化。
(第一实施方式)
＜金属环的构成＞
首先，参照图1，说明构成由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的金属环。图1是构成由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的金属环的立体剖视图。
金属环11是由马氏体时效钢制成的带状薄板部件。金属环11的厚度为例如0.150～0.200mm左右，宽度为例如10mm左右。如图1所示，金属环11在其截面中在表面即外周面11a、内周面11b以及两个端面11c具有氮化层12。换言之，作为整块的非氮化部11d的整个外边缘被氮化层12包围。
另外，金属环11以宽度方向上的中央部比宽度方向上的两端部更稍微向外周面11a侧突出的方式，缓缓地弯曲。
金属环11由马氏体时效钢制成。马氏体时效钢是将碳浓度设为0.03质量％以下，并添加了Ni(镍)、Co(钴)、Mo(钼)、Ti(钛)、Al(铝)等的析出强化型超强度钢，通过时效处理而能够获得高强度及高韧性。马氏体时效钢的组成例如为17～19质量％的Ni、7～13质量％的Co、3～6质量％的Mo、0.3～1.0质量％的Ti、以及0.05～0.15质量％的Al、其余为Fe以及不可避免的杂质。此外，例如可以少量地含有Cr、Cu等。
详细地，参照图2、图3如后所述地，通过将周长稍有不同的多个(例如10个左右)金属环11层叠为嵌套状而构成了金属环层叠体10。
＜应用了金属环的带式无级变速器的构成＞
接下来，参照图2和图3，说明应用了由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的带式无级变速器1。图2是应用了由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的带式无级变速器的剖视图。图3是应用了由第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法制造的金属环层叠体的带式无级变速器的侧视图。
如图2和图3所示，通过将周长稍有不同的多个金属环11层叠为嵌套状而构成左右一对的金属环层叠体10。如图3所示，通过将大量(例如400个左右)元件15无间隙地排列并安装在该一对金属环层叠体10而构成传动带2。在此，元件15的板厚方向与金属环层叠体10的圆周方向一致。
图2的虚线圆内示出了传动带2的放大图。如图2的放大图所示，元件15由腹部15d、头部15f、以及在宽度方向上的中央部连结两者的颈部15g构成。腹部15d具有与输入侧带轮4、输出侧带轮5卡合的端面部15a、15b以及锁定边缘部15c。在头部15f形成有相互在层叠方向上形成凹凸并卡合的凹凸卡合部15e。并且，在颈部15g的两侧，在腹部15d以及头部15f之间插入有一对金属环层叠体10。
如图3所示，由金属环层叠体10以及大量元件15构成的传动带2卷绕在输入侧带轮4以及输出侧带轮5。在传动带2的两个弯曲区间中，元件15由于金属环层叠体10的张力而被压靠至输入侧带轮4以及输出侧带轮5。因此，能够将动力从输入侧带轮4传递到输出侧带轮5。
在此，如图3所示，带式无级变速器1具有与输入轴3连结的输入侧带轮4、与输出轴6连结的输出侧带轮5、以及卷绕在两者之间的用于传递动力的传动带2。在该带式无级变速器1中，动力从未示出的车辆的发动机经由离合器、变矩器而被输入到输入轴3。另一方面，动力从输出轴6经由未示出的减速齿轮机构、差动齿轮装置而被输出到左右的驱动轮。
如图2所示，输出侧带轮5具有被固定于输出轴6的固定侧滑轮部件5a、和可轴向移位地被支承于输出轴6的可动侧滑轮部件5b。固定侧滑轮部件5a与可动侧滑轮部件5b之间形成有大致V字形的槽，并能够改变槽宽度W。在输出侧带轮5附设有压缩螺旋弹簧7以及液压致动器8。
压缩螺旋弹簧7在缩小输出侧带轮5的槽宽度W的降档方向对可动侧滑轮部件5b进行施力。
液压致动器8使液压作用于可动侧滑轮部件5b的背面侧，使可动侧滑轮部件5b沿轴向移位。
根据该构成，能够使传动带2针对输出侧带轮5的卷绕半径r在从最小半径rmin到最大半径rmax的范围内变化。
另外，除了没有诸如压缩螺旋弹簧7的施力部件这一点之外，输入侧带轮4具有与输出侧带轮5大致相同的构成。尽管未详细示出，但是输入侧带轮4具有被固定于输入轴3的固定侧滑轮部件、和可轴向移位地被支承于输入轴3以在与该固定侧滑轮部件之间形成大致V字形的槽的可动侧滑轮部件。进一步地，具有能够沿升档方向对可动侧滑轮部件进行施力的液压致动器。
＜金属环的制造方法＞
接下来，参照图4和图5，说明第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法。图4是示出了第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法的流程图。图5是示出了第一实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法的立体图。
在图4所示的工序之前，例如进行以下处理。
首先，如图5的上侧所示，将片状材料成形为圆筒状并将端面彼此焊接来制造管状材料。当然，管状材料不限于这种焊接管，也可以是无缝管。
接着，如图5的下侧所示，对管状材料进行固溶化处理之后，从管状材料切出金属环11。
接下来，尽管未示出，但是将金属环11变薄至规定的厚度，并且将其延伸至规定周长。
然后，为了除去应变，在氮环境或还原环境中，在800～900℃左右的温度下退火5～30分左右。
进一步地，对退火的金属环11施加张力，高精度地将其调节至规定的周长之后，将金属环11层叠并形成金属环层叠体10。
之后，实施图4所示的工序。
首先，如图4所示，对金属环层叠体10进行时效处理(步骤ST1)。时效处理例如在氮环境或还原环境中在450～500℃左右的温度实施90～180分钟左右。
接着，对金属环层叠体10进行氧化处理(步骤ST2)。氧化处理是用于促进氮化处理的预处理。氧化处理在350℃以上且时效处理温度以下实施。氧化处理时间例如为15～60分钟。后面讲详细描述氧化处理温度。
最后，对金属环层叠体10进行氮化处理(步骤ST3)。氮化处理例如在5～15体积％的氨气、1～3体积％的氢气、其余为氮气的环境中在400～450℃左右的温度实施40～120分钟左右。
另外，环境中的氢气是通过以下所示的氨气的热分解反应产生的。
2NH3→2(N)+3H2
在此，(N)是与金属环11的表面接触而产生的氮原子。该氮原子渗入金属环11的内部，从而生成氮化物，形成图1所示的氮化层12。
如上说明地，在本实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法中，不是对多个金属环11一个一个地分别进行氮化处理，而是对金属环层叠体10进行氮化处理。因此，能够使氮化处理装置小型化。
另一方面，在对金属环层叠体10进行氮化处理的情况下，与对金属环11一个一个地进行氮化处理的情况相比，位于金属环层叠体的表面的金属环与位于中间的金属环的表面硬度容易产生差异。
具体地，由于最外周的金属环11的外周面11a以及最内周的金属环11的内周面11b露出，所以容易被氮化。相反地，由于位于金属环层叠体10的中间的金属环11的外周面11a以及内周面11b与相邻金属环11的外周面11a或内周面11b紧贴，氨气难以进入而难以被氮化。
因此，位于金属环层叠体10的中间的金属环11的外周面11a以及内周面11b与最外周的金属环11的外周面11a以及最内周的金属环11的内周面11b相比，氮化层12变薄，表面硬度容易变小。
此外，最外周的金属环11的内周面11b以及最内周的金属环11的外周面11a的表面硬度也同样容易变小。
另外，氮化层12的厚度例如能够通过硝酸盐蚀刻后的微观组织观察来测定。此外，金属环11的表面硬度例如能够通过显微维氏硬度试验测定。
因此，在本实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法中，在350℃以上且时效处理温度以下实施用于促进氮化处理的氧化处理。通过将氧化处理温度设为350℃以上，能够缩小金属环层叠体10中的金属环11之间的表面硬度之差。另一方面，通过将氧化处理温度设为时效处理温度以下，抑制了过时效，能够将金属环11的整块(非氮化部11d)维持为所需的强度。
＜关于氧化处理温度＞
如上所述，在本实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法中，为了缩小金属环层叠体10中的金属环11之间的表面硬度之差，在350℃以上实施氧化处理。以下，对氧化处理温度进行说明。
图6是示出了氮化处理后的表面硬度的氧化处理温度依赖性的图。图6的横轴表示氧化处理温度，纵轴表示氮化处理后的表面硬度(HV)。
如图6所示，针对由9质量％的Co以及12质量％的Co的两种马氏体时效钢制成的一个金属环11，调查了氮化处理后的表面硬度的氧化处理温度依赖性。Co以外的组成为，18质量％的Ni、5质量％的Mo、0.45质量％的Ti、0.1质量％的Al、其余为Fe以及不可避免的杂质，任意的金属环11均相同。金属环11的厚度为0.185mm，宽度为9.7mm。
与本实施方式涉及的金属环层叠体的制造方法相同地，在对被时效处理的金属环11进行了氧化处理之后，进行了氮化处理。
时效处理在N2气体90％+H2气体10％的环境下在470℃实施了120分钟。
氧化处理在大气环境下在各个温度实施了30分钟。
氮化处理在N2气体90％+NH3气体10％的环境下在420℃实施了70分钟。
氮化处理后的表面硬度(HV)通过显微维氏硬度试验来测定。
如图6所示，9质量％的Co以及12质量％的Co的金属环11的氮化处理后的表面硬度均在氧化处理温度300℃显示出峰值。氧化处理是用于促进氮化处理的预处理，但是当氧化处理温度超过300℃时，推测会生成Co的氧化物并阻止氮化。
如图6所示，在与9质量％的Co的金属环11相比而Co量多12质量％的Co的金属环11中，超过300℃的氧化处理温度中的表面硬度的降低是显著的。
接着，针对层叠了9个图6所示的12质量％的Co的金属环11而成的金属环层叠体10，在300℃、330℃、360℃、400℃进行氧化处理，并调查了氮化处理后的表面硬度。具体地，针对金属环层叠体10的最外周(第1个)的金属环11以及中央(第5个)的金属环11，调查了外周面11a的表面硬度。其他条件如上所述。
在此，氧化处理温度为300℃、330℃的金属环层叠体10是比较例，氧化处理温度为360℃、400℃的金属环层叠体10是实施例。
图7是示出了氧化处理温度为300℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图8是示出了氧化处理温度为330℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图9是示出了氧化处理温度为360℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图10是示出了氧化处理温度为400℃的金属环层叠体的宽度方向上的表面硬度的变化的图。
图7～图10的横轴表示距金属环层叠体的宽度方向上的中央的距离(mm)，纵轴表示氮化处理后的表面硬度(HV)。
图7～图10的图的上方示意性示出了金属环层叠体10的剖视图。金属环层叠体10的剖视图中的宽度方向上的位置与图7～图10的图的横轴一致。在图7～图10中，用阴影线示出了作为测定对象的最外周的金属环11(图中以及以下为“表面环”)以及中央的金属环11(图中以及以下为“中央环”)。
如图7～图10所示，表面环的表面硬度为固定，与宽度方向上的位置无关。具体地，如图7所示，在氧化处理温度为300℃的情况下，表面环的表面硬度固定在950HV左右。如图8所示，在氧化处理温度为330℃的情况下，表面环的表面硬度固定在940HV左右。如图9所示，在氧化处理温度为360℃的情况下，表面环的表面硬度固定在910HV左右。而且，如图10所示，在氧化处理温度为400℃的情况下，表面环的表面硬度固定在870HV左右。图7～图10所示的表面环的表面硬度与图6所示的12质量％的Co的金属环11中的表面硬度的值大致一致。
另一方面，如图7所示，在氧化处理温度为300℃的情况下，中央环的表面硬度在宽度方向上的两端部与表面环的表面硬度等同。但是，表面硬度从两端部朝向中央部急剧降低。具体地，表面硬度从950HV左右降低至860HV左右。即，表面环与中央环的表面硬度之差为90HV左右。
此外，如图8所示，氧化处理温度为330℃的情况也显示出与氧化处理温度为300℃的情况相同的倾向。具体地，表面硬度从940HV左右降低至890HV左右。即，表面环与中央环的表面硬度之差为50HV左右。
与此相对，如图9所示，在氧化处理温度为360℃的情况下，中央环的表面硬度从宽度方向上的两端部朝向中央部没有降低太多。具体地，仅从910HV左右降低至880HV左右。即，表面环与中央环的表面硬度之差为30HV左右。
此外，如图10所示，在氧化处理温度为400℃的情况下，中央环的表面硬度从宽度方向上的两端部朝向中央部几乎没有降低。具体地，仅从870HV左右降低至850HV左右。即，表面环与中央环的表面硬度之差为20HV左右。
这样，在氧化处理温度为360℃以及400℃的实施例涉及的金属环层叠体10中，虽然表面硬度的值有所降低，但是将比较例涉及的金属环11之间的表面硬度之差大幅地缩小至约30HV以下。
图11是示出了金属环层叠体中的表面环及中央环的氮化处理后的表面硬度的氧化处理温度依赖性的图。与图6相同地，图11的横轴表示氧化处理温度，纵轴表示氮化处理后的表面硬度(HV)。图11中的表面环的曲线是根据图7～图10中的“距宽度方向上的中央的距离”为-1mm、0mm、1mm处的表面环的数据(3点)的平均值绘制而成的曲线。如上所述，该表面环的曲线与图6中的12质量％的Co的金属环11的曲线大致一致。图11中的中央环的曲线是根据图7～图10中的“距宽度方向上的中央的距离”为-1mm、0mm、1mm处的中央环的数据(3点)的平均值绘制而成的曲线。
在金属环层叠体10中，关于中央环的宽度方向上的中央部，被认为与表面环相比而氧化处理时的氧浓度以及氮化处理时的氨气浓度都低的状态相同。因此，关于中央环的宽度方向上的中央部，可以认为与表面环相比而促进氮化处理的氧化也难以产生，此后的氮化也难以产生。因此，如图11所示，与最外周的金属环11相比，中央的金属环11的氮化处理后的表面硬度变低。
此外，由于与表面环相比，在中央环的宽度方向上的中央部的氧浓度较低，因此表面硬度显示出峰值的氧化处理温度移至330℃附近。而且，如图11所示地，从300℃到350℃，与表面环的表面硬度急剧下降相对地，中央环的表面硬度具有峰。
因此，表面环与中央环的表面硬度之差急剧变小。因此，如图11中的点所示地，通过将氧化处理温度设为350℃以上，能够缩小金属环层叠体10中的金属环11之间的表面硬度之差。具体地，能够将金属环层叠体10中的金属环11之间的表面硬度之差变为约30HV以下。
根据以上的本公开的说明，明确了能够对本公开进行各种变形。这样的变形不应被视为脱离了本公开的思想及范围，此外，所有的对本领域技术人员而言显而易见的改良都包括在权利要求书的保护范围中。

Claims (3)

1.一种金属环层叠体的制造方法，具有：
对由马氏体时效钢制成的多个金属环层叠而成的金属环层叠体进行时效处理的步骤；
对被时效处理的所述金属环层叠体进行氮化处理的步骤，
在时效处理的步骤之后且氮化处理的步骤之前，在350℃以上且时效处理温度以下的温度，对所述金属环层叠体进行氧化处理。
2.根据权利要求1所述的金属环层叠体的制造方法，其中，
所述时效处理温度为450～500℃。
3.根据权利要求1或2所述的金属环层叠体的制造方法，其中，
所述金属环层叠体被用于带式无级变速器的传动带。
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