JP2014520957A - 駆動ベルトのリング部品のための製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、無段変速機における動力伝達のために好適な駆動ベルト用の、無端の金属リング（３２）の製造方法に関する。当該製造方法は、炉室（５０）内でリング（３２）を窒化処理又は表面硬化する、少なくとも一つの工程段階（ＩＸ）を含んでいる。炉室（５０）は、アンモニアガス及び水素ガスの両方が供給されるプロセスガスを含んでいる。好ましくは、炉室（５０）内に存在する相対的な水素ガスの体積含有量が、所望の値にアクティブに制御される。

Description

本発明は、無端の、薄くてフレキシブルな金属バンドのための製造方法に関する。この金属バンドは、一般的に、公知の無段変速機又はＣＶＴにおける２つの調節可能なプーリ間での動力伝達のために駆動ベルトに組み込まれる。この無段変速機又はＣＶＴは、車両に適用される。

少なくともその適用に関連して、駆動ベルトにおける当該金属バンドは、駆動ベルトのリング部品とも呼ばれる。当該駆動ベルト及びそのリング部品は、例えば欧州特許出願公開第４０３５５１号明細書から一般に知られている。通常、プッシュベルトと呼ばれるこの公知の形式の駆動ベルトでは、複数の当該リング部品は、少なくとも１つ、しかし一般的には２つの薄板状に、即ち互いに同心的に配置されたリング部品のセットである。公知のプッシュベルトは、さらに複数の横方向金属エレメントを備えている。この横方向金属エレメントは、上述の１つ又は複数のリングセットに摺動自在に取り付けられている。プッシュベルトでの適用において、リング部品は、一般的にマレージング鋼から製造されている。また、製造段階で、リング部品は、少なくとも、エージング（時効）及び窒化処理という熱処理を受ける。これにより、これらのリング部品に、非常に高い疲労強度及び耐摩耗性を提供する。さらに具体的には、リング部品の表面層は、ガス軟窒化によって強化される。このガス軟窒化によって、（侵入型の）窒素ガスは、拡散によってマレージング鋼の原子格子の外層内に導入される。ガス軟窒化工程は、アンモニアガスを含有する炉室内に、リング部品を高温で維持することを要求する。ガス軟窒化において、アンモニアガスは、リング部品の表面で水素ガス及び窒素ガスに分離する。この水素ガス及び窒素ガスは、拡散によってリング部品の金属格子内に侵入する。

上述の駆動ベルトのための、特にその駆動ベルトのリング部品の一般的な製造方法における工程段階は、出願人によって数十年に亘り出願されているので、公知の技術となっており、例えば欧州特許出願公開第０５５７３８号明細書に記載されている。

公知のガス軟窒化工程で一般的に望まれていることは、少なくとも、プロセスガス（雰囲気）内におけるアンモニア濃度の観点で、その度合いを可能な限り多く低減することにある。明らかに、そのようにすることによって、窒素を含むプロセスガス混合気の一部としてのアンモニアガスの使用（及びコスト）は、好ましく低減されるが、Ｆｅ_４Ｎなどの、弊害をもたらす鉄窒化化合物のリング部品生成も、リング部品の表面層において、より有効に回避される。このいわゆる化合物層は、通常、駆動ベルトでの使用を対象にした運転に対し、リング部品を非常に脆弱な状態にする。他方、ガス軟窒化の度合いを低くすることは、実質的に、形成された窒化表面層の厚さにおいて、相当な量の変動が生じるという危険性を増加させる。なぜなら、プロセスガス全体における比較的低いアンモニア濃度は、より容易に且つより大幅に変動するからである。さらに、上述の度合いを低くすることは、一般的に、所望の窒化表面層厚さを実現するため要求されるプロセス時間を不都合に増加させる。

本発明の目的は、駆動ベルトのリング部品の製造に適用されるように、公知のガス軟窒化工程を改良することである。より具体的には、比較的低いアンモニア濃度で、窒化表面層の均一性及び／又は不変性を改良することを目的としている。本発明における基本的な要求は、ガス軟窒化におけるプロセスガスの組成を、可能な限り最良に正確且つ一貫して制御することである。

本発明によれば、上述の目的は、ガス軟窒化工程においてプロセスガス内で生じる化学反応をアクティブに制御することによって実現される。即ち、気相における２ＮＨ_３⇔Ｎ_２＋３Ｈ_２（１）、又はリング部品の表面における２ＮＨ_３⇔２Ｎ＋３Ｈ_２であって、この場合、ＮＨ_３はアンモニアの化学式であり、Ｎは窒素の元素記号であり、Ｈは水素の元素記号である。

これらの化学反応のアクティブ制御は、炉室内のプロセスガスへのアンモニアガスの供給だけではなく、水素ガスの供給によっても実現される。結果として、窒化反応、ひいてはリング部品の表面におけるアンモニア濃度は、工程全体及び／又はプロセスガス全体を通して、より高い安定を維持、即ちより低い変動となることが分かった。さらに、異なる物質組成が取り扱われるべき場合や、異なる窒化層厚さが要求される場合などに所望されるように、上述の窒化反応をアクティブに制御することによって、当該窒化反応を、正確且つ迅速に異なる平衡状態に向かって制御することができる。言い換えると、変化する（外部の）環境により良く適合可能にするため、窒化工程はよりフレキシブルなものとなっている。

特に、上述のアクティブ制御は、気相における上述の窒化反応（１）の平衡定数Ｋ_Ｎに基づくものであり、この場合、Ｋ_Ｎ＝（ｐ［ＮＨ_３］）／（ｐ［Ｈ_２］^１．５）であり、ｐ［Ｘ］は化合物Ｘのプロセスガス内における分圧を表している。また、上述のアクティブ制御は、ガス軟窒化がもたらされるプロセス温度に依存して、０．５から５０ｂａｒ^−１／２の範囲内から選択された所定且つ所望の値に、上述の平衡定数Ｋ_Ｎを維持することを伴うものである。実際には、上述のプロセス温度は上昇するので、上述の弊害をもたらす化合物層は、ますます容易に形成される、即ち上述の化合物層が形成されることを回避するため低い平衡定数Ｋ_Ｎが要求される。

窒素ガスのリング部品内への迅速な拡散速度、ひいてはコスト効果のあるガス軟窒化工程が実現されるので、一般的に高いプロセス温度が好ましいと考えられている。本発明によれば、４６５℃から５１５℃の間のプロセス温度において、４６５℃では１から１１の間に設定され、且つ５１５℃では１から３の間に設定された平衡定数Ｋ_Ｎと組み合わせることが、少なくとも特別なマレージング鋼基材（これら２つの極値の間における好適な平衡定数Ｋ_Ｎの設定については図７参照）のための、本発明に関連したガス軟窒化工程の最適なプロセス設定と考えられている。より具体的には、約１０体積％の水素ガスとの組み合わせにおいて、さらに好適にプロセスガスは、バランス窒素ガスを有する約５体積％から約２５体積％のアンモニアガスから構成されている。

最後に、プロセスガスに供給される水素ガスがアンモニアから得られるということが、本発明のガス軟窒化工程の好適な特徴である。具体的には、上述の水素ガスは、上述の窒化反応（１）に従って水素ガス及び窒素ガスを生成するためのアンモニア熱分解器内において高温で、アンモニアガスを分離且つ熱分解することによって得られる。明らかに、このような特徴は、ガス軟窒化工程が、プロセスガス、即ち純アンモニアガス又は実際にはそれと窒素ガスとの混合気のための１つの源のみによって実施されることを可能にする。

本発明の基本的な原理は、図面に沿って実施例として説明される。

２つのプーリに亘って走行する駆動ベルトを備える無段変速機の概略的な斜視図を示す。 公知の駆動ベルトの一部分を斜視的に示した概略図であって、複数の同心的に配置された金属リング部品を有する２つのリングセットと、複数の横方向部材とを含む部分の概略図である。 駆動ベルトリング部品をガス軟窒化する工程段階を含む、公知の駆動ベルトの製造方法の一部を表す概略図である。 ガス軟窒化する公知の工程段階を、より詳細に示すものである。 本発明の基本的な概念を説明する、改良された、新規なガス軟窒化工程段階を表す図である。 本発明に関するガス軟窒化工程段階を更に詳細に表す図である。 ガス軟窒化工程する工程設定に従って可能な鉄窒化物生成のグラフである。

図１は、無段変速機又はＣＶＴの主要な部分を概略的に示すものである。この無段変速機又はＣＶＴは、通常、車両の駆動ラインにおいてエンジンと車両の駆動ホイールとの間に適用される。変速機は２つのプーリ１，２を備える。この２つのプーリ１，２は、それぞれ、２つの円錐形プーリディスク４，５を備える。２つの円錐形プーリディスク４，５の間には、主としてＶ字形状のプーリ溝が規定されており、その一方のディスク４は、それが配置されている各プーリ軸６，７に沿って軸方向に移動可能である。駆動ベルト３は、一方のプーリ１，２から他方のプーリ２，１にトルクＴ及びこれに付随する回転運動ωを伝達するために、プーリ１，２のプーリディスク４，５の間で摩擦により保持、即ち緊締されつつ、プーリ１，２の周りに巻き掛けられている。同時に、各プーリ１，２のディスク４，５間における駆動ベルト３の走行半径Ｒは、ＣＶＴの（速度）比ｉ、即ち各プーリ１，２の回転速度間の比を決定する。このＣＶＴ及びその主たる働きは、それ自体公知である。

公知の駆動ベルト３の１例は、その一区分がより詳細に図２に示されている。駆動ベルト３は、２つの無端の坦持体３１又はリングセット３１を包含するように示されている。無端の坦持体３１又はリングセット３１は、各々、複数の同心的に配置された、即ち互いに重ね合わされた個々のリング部品３２から構成されている。駆動ベルト３は更に、複数のプレート状の横方向部材３０を備える。この横方向部材３０は、リングセット３１と接触し、リングセット３１によって一体に保持される。横方向部材３０は、各プーリ１，２のディスク４，５の間で生じた緊締力を、プーリ接触面３３を介して受ける。このプーリ接触面３３は、横方向部材３０の両側面に設けられている。これらのプーリ接触面３３は、円錐形状プーリディスク４，５間に規定されたＶ字角、即ちプーリ１，２のＶ字形状プーリ溝のＶ字角に基本的に合致するように、半径方向外方に向けて互いに離間している。いわゆる各横方向部材３０の揺動縁部３４は、一定の厚さの、横方向部材３０の半径方向外側部分と、先細りの、横方向部材３０の半径方向内側部分との間の移行部を表す。横方向部材３０におけるこの揺動縁部３４と先細りされた形状とは、駆動ベルト３が滑らかな曲線軌道を辿ることを可能にする。

ＣＶＴでの運転中、駆動ベルト３と特にそのリング部品３２とは、周期的に変化する引張応力及び曲げ応力、即ち疲労荷重を受ける。一般的に、リング部品３２の疲労又は疲労強度への耐性は、駆動ベルト３によって伝達されるべき所定のトルクＴにおける駆動ベルト３の機能的な寿命期間を決定する。よって、材料コスト及び工程コストを全体として最小限にしつつ、所望のリング疲労強度を実現することが、駆動ベルトの製造方法の開発における長年に亘る一般的な目的である。

図３は、駆動ベルト３のリングセット３１のための公知の製造方法の要部を示すものであり、この製造方法は、特に自動車へ適用するための駆動ベルトの製造において早い時期から実施されている。図３において、個々の工程段階は、ローマ数字によって示されている。

第１工程段階Ｉにおいて、約０．４ｍｍの厚さを有するマレージング鋼基材の薄板又はプレート１１は円筒形状に曲げられる。その後、第２工程段階ＩＩにおいて、接しているプレート端部１２は中空のシリンダー又は中空の管１３を形成するように一体に溶接される。第３工程段階ＩＩＩにおいて、管１３は焼き鈍しされる。その後、第４工程段階ＩＶにおいて、管１３は、複数の環状のリング１４に切断される。続く第５工程段階Ｖにおいて、このリング１４は、その厚さが一般的には約０．２ｍｍに減少するように、引き延ばされつつ圧延される。圧延の後の当該リング１４は、通常、駆動ベルトのリング部品３２と呼ばれている。

リング部品３２は、６００℃よりも大幅に高い温度、例えば約８００℃でリング材料の回復及び再結晶をすることによって、前述の圧延工程段階で生じる加工硬化を除去するための追加的な、即ちリング焼き鈍し工程段階ＶＩにさらされる。その後、第７工程段階ＶＩＩにおいて、当該リング部品３２を２つの回転するローラ周りに取り付け、当該ローラを離間する力によって予め規定された周長さに当該リング部品３２を伸張することによって、リング部品３２が調整される。この第７工程段階ＶＩＩでは、内部応力分布もリング部品３２に与えられる。

その後、リング部品３２は、２つの別々の工程段階で熱処理される。即ち、第８工程段階ＶＩＩＩでは、エージング（時効）又は全体の析出硬化が行われ、第９工程段階ＩＸでは、窒化処理又は表面硬化が行われる。より詳細には、上記両方の熱処理は、制御されたガス空気、即ち各工程ガスを含有した炉室５０内でリング部品３２を加熱することを含んでいる。エージング（時効）場合は、このような工程ガスは、一般的に、窒素と例えば５重量％以下の水素とから構成される。窒化処理の場合は、上述の工程ガスは、アンモニアガスも含んでいる。アンモニアガスは、リング部品の表面を、水素ガス及び窒素ガス内で分解する。これらの窒素ガスは、リング部品の金属格子内に入り込む、即ち拡散し、これにより耐摩耗性と硬化された窒化表面層とを有するリング部品を提供する。

両方のこれらの熱処理は、一般的に、４００℃から５００℃の温度範囲内で行い、且つリング部品３２用の基材（マレージング鋼合金）と、リング部品３２に要求される機械的特性とに依存して、各々、約４５分から１２０分超までの間持続することができる。この後者に関連して、一般的に、リング核における硬さは５２０ＨＶ１．０又はそれ以上であり、リング表面における硬さは８７５ＨＶ０．１又はそれ以上であり、窒化表面層又は窒化拡散領域の厚さは２５〜３５μｍの範囲であるように設定されるということが分かっている。

上述の両方の熱処理は同時に実施することが従来技術で公知にされている。

最後に、リングセット３１は、成形され且つ処理された複数のリング部品３２を、半径方向に積層することにより、即ち同心的に重ね合わせることにより形成される。このことは、図３において第１０工程段階Ｘ及び最終工程段階で示されている。隣り合うリング部品３２の間においては小さなポジティブクリアランス又はネガティブクリアランスだけが許容されているので、リングセット３１の各リング部品３２には、リングセット３１の他のリング部品３１に関連して好適に寸法設定されることが要求される。この目的のため、リングセット３１の個々のリング部品３２は、異なっているものの、正確に把握された周長のリング部品３２のストックから選択される。

図４において、ガス軟窒化の第９工程段階ＩＸが多少詳細に示されている。炉室５０は、窒素及びアンモニアの混合ガスから構成されたプロセスガスが、供給管５１及び（制御）バルブ５２を介して供給されるように示されている。プロセスガスのこの供給に対応して、排出管５３を介し、炉室５０内のプロセスガスの排出がなされる。一般的に、炉室５０から排出された上述のようなあらゆるプロセスガスは、焼き尽くされる。新鮮なプロセスガスを供給し且つ使用済みのプロセスガスを排出することによって、プロセスガスの組成は炉室５０の至る所で均一にはならないことは明白である。さらに、リング部品３２を搬入及び搬出するためのドア５４を開閉することは、同様にしてプロセスガスをかき乱すことになる。

したがって、一般的にプロセスガスは均一にならないので、結果としてリング部品３２の窒化表面層は均一に形成されない。プロセスガスにおける全体的なアンモニアの濃度が低くなると、公知のガス軟窒化工程の欠点は悪化する。それにも関わらず、低いアンモニア濃度は、工程効率化の観点からは好まれている。

本発明によれば、炉室５０にアンモニアガスだけでなく水素ガスも供給される場合には、リング部品の窒化表面層の均一性及び／又は不変性が好適に且つ実質的に改善され得て、特にプロセスガス内における比較的低い全体的なアンモニアの濃度が改善される。リングセット３１の製造方法におけるガス軟窒化する第９工程段階ＩＸにおけるこの新規な設定は、図５に示されていて、供給管５１及びこれに関連した（制御）バルブ５２を介してアンモニアガスの供給を制御することに加え、水素ガスの供給を制御するための更なる供給管５５とこれに関連した（制御）バルブ５６とを含んでいる。

更に、プロセスガスの組成物と周囲の外気との干渉を避けるため、又は少なくとも最小限にするため、外気圧に比べて僅かに大きい圧力で全体的なプロセスガスを維持することが好ましいことが分かっている。

好ましくは、プロセスガスに供給される水素ガスの量は、プロセスガス内で測定された水素量に基づいて所望の値に制御される。この所望の値は、５体積％から１５体積％の範囲内から選択された、例えば１０体積％である。

本発明によれば、新規なガス軟窒化工程の有効性は、図６に概略的に示されるように、分離するアンモニアプロセスガスから水素プロセスガスを得ることによって改善され得る。図６では、アンモニアを含有するプロセス（ガス）は、炉室５０に直接供給されるだけではなく、水素ガスを生成するためのアンモニア分解装置５７にも供給される。

本発明によれば、新規なガス軟窒化工程の有効性は、炉室５０内の温度を高くすることによって改善され得る。しかしながら、上述の工程温度が上がるので、鉄窒化物はより簡単に、即ち窒化反応（１）の平衡定数Ｋ_Ｎの著しく小さな値で形成されることが分かっている。鉄窒化物は窒化工程の進展を阻害し且つリング部品３２の疲労強度を減少する、リング部品３２における脆弱な表面層を形成し得るので、これらの鉄窒化物は有害である。

ガス軟窒化工程におけるこの後者の態様、即ち鉄窒化物生成が生じるか否かは、プロセス温度と平衡定数Ｋ_Ｎの値に基づいて図７のグラフに図示されている。この図７から、より高いプロセス温度が設定されると、鉄窒化物の生成を回避するために、窒化反応（１）における、より小さな平衡定数Ｋ_Ｎが設定されなければならないことが明らかである。この図７に基づいて、現在好適なプロセス設定である、約５００℃のプロセス温度と約４の平衡定数Ｋ_Ｎが破線で示されている。

たとえガス軟窒化工程における上述のプロセス設定が鉄窒化物を生成するようになされていても、上述の鉄窒化物生成の度合い又は速度は、その実際の大きさに依存している。上述の鉄窒化物生成の度合いは、図７に、白色から黒色へのグラデーションによって概略的に表されている。したがって、図７における実線の下側でプロセス設定を適用することが好ましいのであるが、その上側への僅かな逸脱は許容される。

本発明は、さらに、上述の発明の詳細な説明の記載から逸脱しない範囲で特許請求の範囲の記載に基づいて規定される。また、本発明は、特許請求の範囲の記載における全ての構成要素に関連するものであり、当業者によって、そこから直接的に又は明確に導き出せる、説明された図面における全ての構成要素と全ての態様とに関連するものである。

１，２ プーリ
３ 駆動ベルト
４，５ 円錐形プーリディスク
６，７ プーリ軸
１１ プレート
１２ プレート端部
１３ 管
１４ リング
３０ 横方向部材
３１ 坦持体
３２ リング部品
３３ プーリ接触面
３４ 揺動縁部
５０ 炉室
５１，５５ 供給管
５２，５６ バルブ
５３ 排出管
５４ ドア
５７ アンモニア分解装置
ｉ 速度比
Ｋ_Ｎ 平衡定数
Ｒ 走行半径
Ｔ トルク
ω 回転運動

その後、リング部品３２は、２つの別々の工程段階で熱処理される。即ち、第８工程段階ＶＩＩＩでは、エージング（時効）又は全体の析出硬化が行われ、第９工程段階ＩＸでは、窒化処理又は表面硬化が行われる。より詳細には、上記両方の熱処理は、制御されたガス空気、即ち各工程ガスを含有した炉室５０内でリング部品３２を加熱することを含んでいる。エージング（時効）場合は、このような工程ガスは、一般的に、窒素と例えば５重量％以下の水素とから構成される。窒化処理の場合は、上述の工程ガスは、アンモニアガスも含んでいる。アンモニアガスは、リング部品の表面で、水素ガス及び窒素原子に分解される。これらの窒素原子は、リング部品の金属格子内に入り込む、即ち拡散し、これにより耐摩耗性と硬化された窒化表面層とを有するリング部品を提供する。

Claims (10)

1. 無段変速機用のプッシュベルト（３）の金属リング（３２）を窒化処理する方法であって、前記金属リング（３２）が、アンモニアガスが供給される炉室（５０）内に配置されており、
   前記炉室（５０）にはさらに水素ガスが供給されることを特徴とする方法。
2. 前記炉室（５０）内に存在する水素ガスの量が測定され、
   当該水素ガスの量は、前記炉室（５０）への水素ガスの供給を調節することによって、所望の水素ガスの量に向かって制御されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記水素ガスの所望の量は、５体積％から１５体積％の間の値、好ましくは約１０体積％の値であることを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記炉室（５０）内への水素ガス及びアンモニアガスの供給を調節することによって、前記炉室（５０）内での気相における窒化反応の平衡定数Ｋ_Ｎの値は、所望の平衡定数Ｋ_Ｎの値に向かって制御され、
   この場合、２ＮＨ_３⇔Ｎ_２＋３Ｈ_２であって、ＮＨ_３はアンモニアの化学式であり、Ｎは窒素の元素記号であり、Ｈは水素の元素記号であり、
   平衡定数Ｋ_Ｎは、Ｋ_Ｎ＝（ｐ［ＮＨ_３］）／（ｐ［Ｈ_２］^１．５）を満たすものであり、ｐ［ＮＨ_３］はアンモニアの分圧を表し、ｐ［Ｈ_２］は水素ガスの分圧を表していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 平衡定数Ｋ_Ｎの所望の値は、４から１１の間になることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 前記金属リング（３２）は、４６５℃から５１５℃の間の温度で窒化処理されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記平衡定数Ｋ_Ｎの所望の値は約４であり、前記金属リングは約５００℃の温度で窒化処理されることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記炉室（５０）内に存在するアンモニアガスの量は、５体積％から２５体積％の間の値であることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記炉室内の全体のガス圧は、周囲の大気圧よりも低いことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記炉室（５０）内に供給される水素ガスは、アンモニアを熱分解することによって得られることを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。

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