JP2018506640A - 無段変速機用の駆動ベルト用のフレキシブルな鋼リングおよびこのような鋼リングを製造する方法 - Google Patents
無段変速機用の駆動ベルト用のフレキシブルな鋼リングおよびこのような鋼リングを製造する方法 Download PDFInfo
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Abstract
本発明は、無段変速機用の駆動ベルト（３）としてまたは無段変速機用の駆動ベルト（３）において使用されるためのマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）の同時の析出硬化および（ガス軟）窒化のための方法に関する。リング（３２）は、０．５〜２．５質量％のクロムを含み、同時の析出硬化および窒化が、５００℃以上の温度において行われる。同時の析出硬化および窒化の後、リング（３２）には、窒化クロム析出物を含むリング（３２）の窒化された表面層が提供される。
Description
本発明は、以下の請求項１の前段によるフレキシブルな鋼リングおよびこのようなリングを製造する方法の双方に関する。このタイプのリングは、特に乗用車などの自動車使用のための無段変速機用の駆動ベルトの構成部品として使用される。駆動ベルトは、通常、駆動ベルトの横断部材の凹所に挿入された、互いに同心状に配置された、すなわち重ね合わされたリングの２つのセットから成る。駆動ベルトは、このようなリングセットの周囲に沿って互いに連続して配置された複数のこれらの横断部材を有する。このような駆動ベルト適用において、個々のリングは、通常、僅か０．２ｍｍ以下、典型的には約０．１８５ｍｍの厚さを有する。
トランスミッションにおいて、駆動ベルトは２つの軸の間で駆動力を伝達するために使用され、そのために、駆動ベルトは２つの回転可能なプーリの周囲を通過させられており、各プーリは、１つのこのようなトランスミッション軸に関連しており、各プーリには、プーリの周方向Ｖ字形溝を形成する２つの円錐形ディスクが設けられており、周方向Ｖ字形溝に駆動ベルトの周方向セクションが収容されている。２つのプーリのそれぞれのディスクの間の軸方向分離量を調整された形式で変化させることによって、各プーリにおける駆動ベルトの半径、ひいてはトランスミッション軸の間の回転速度比を、駆動ベルトを緊張状態に維持しながら変化させることができる。このトランスミッションおよび駆動ベルトは、概して当該技術分野において公知であり、例えば、欧州特許出願公開第１２４３８１２号明細書（EP-A-1243812）に記載されている。
さらに、駆動ベルトの性能は、リングセットの組み合わされた引張強度のみならず、リングセットの個々のリングの疲労強度にも大きく直接的に関連していることは当該技術分野において一般的に公知である。これは、トランスミッションにおける駆動ベルトの回転中に、リングにおける張力および曲げ応力が変動するからである。実際には、駆動ベルトの所望の性能を実現するためのリングの基礎材料として、特別な鋼組成、特にいわゆるマルエージング鋼が広く利用される。
この点で公知の一般的に適用される基礎材料は、マルエージング鋼である。マルエージング鋼は、鉄に加えて、ニッケル、モリブデンおよびコバルトなどの実質的な量の合金元素を含む広い範囲の合金組成において利用可能である。４００℃を超える温度、典型的には約４８０℃の温度におけるこのようなマルエージング鋼のいわゆる時効熱処理の間、この温度において、これらの前記元素は、Ｎｉ3Ｍｏなどの析出物を形成しかつ析出物に成長する。このような金属間析出物は、リングの降伏強さによって表されるように、マルエージング鋼、すなわちリングの硬さおよび靱性を著しく高める。このような時効プロセス後の、最小限要求されるコア硬さ値は、５００ＨＶ１．０であり、好適には、コア硬さは、５５０〜５７５ＨＶ１．０の範囲の値を有する。
加えて、マルエージング鋼は、窒化の熱処理を受ける。このプロセスにおいて、アンモニアガスが、水素ガスと窒素原子とに溶解させられ、窒素原子は、約４８０℃の温度においても、プロセスガスから、リングの外面を介して金属格子に吸収される。このような吸収された窒素によって、リングには、圧縮的に（予め）応力を掛けられた表面層が提供される。その表面層は、リングの耐摩耗性および疲労強度を大幅に高める。これは、リングの駆動ベルト用途のために／リングの駆動ベルト用途において要求されている。このような窒化プロセスによって、典型的には、２５〜３５ミクロンの範囲の層厚さを有する窒化された表面層が目標とされる。
当該技術分野において、時効および窒化のこれらの２つの熱処理をいわゆるデュアリングの１つのプロセスステップに組み合わせるという要望が存在する。この要望は、プロセス効率の考慮に基づき、すなわち、全体的な処理時間を短縮し、取扱い労力を軽減し、かつフロアスペース、機器および投資の利用を最大化するためである。このデュアリングプロセスは、欧州特許出願公開第１７５３８８９号明細書（EP1753889(A1)）、後に国際公開第２０１２／０８３９７５号（WO2012/083975(A1)）において駆動ベルトのフレキシブルな鋼リング構成部品に関して説明されている。
フレキシブルな鋼リングのデュアリング、すなわち同時の時効および窒化のプロセスステップは、このように当該技術分野において公知であるが、事実上、実用においてうまく適用されており、深刻な制限がそれに関して存在する。リングの所要の窒化された表面層厚さと組み合わされた所要のコア硬さを実現するために、特に炉チャンバにおけるプロセスガス組成の温度および組成ならびに熱処理の継続時間の観点から、デュアリングプロセスのための適切なプロセスセッティングのために、概して極めて狭い範囲しか利用可能でないということが明らかになっている。さらに、適切なプロセスセッティングのこのような狭い範囲は、マルエージング鋼基礎材料の合金組成における前に許容されていた公差が特にデュアリングプロセスのために特に狭められなければならない程度にまで、マルエージング鋼基礎材料の特定の組成に関連して著しく変化することが分かった。ある場合には、すなわち駆動ベルトに適用されたあるマルエージング鋼合金組成の場合、特に、比較的ゆっくりと時効しかつひいては所要のコア硬さに達するまでに比較的長いプロセス時間を必要とするこれらの組成の場合、適切なプロセスセッティングは全く利用可能でないように見える。これらの場合、窒化された表面層は、単に厚くなりすぎ、リングは、時効によって所要のコア硬さに達するのにかかる時間、すなわち析出物形成プロセスが完了するのにかかる時間において脆くなりすぎる。
本開示の課題は、前記の問題を軽減することである。特に、マルエージング鋼基礎材料の合金組成における許容された公差を広くすることを目的とする。
本開示によれば、この課題は、マルエージング鋼基礎材料に所定量のクロムを有することによって解決される。クロムは、駆動ベルトのフレキシブルな鋼リングのために必要とされるマルエージング鋼の材料特性に直接的には寄与しないが、クロムは、しかしながら、予想外の形式で有益であることが分かった。マルエージング鋼の合金元素のセットにクロムを付加する利点は、以下のように理解することができる。
順次に行われる時効および窒化とは対照的に、デュアリングプロセスでは、前記金属間析出物が培養および成長しながら窒素原子がマルエージング鋼に導入される。時効または析出物形成プロセスのこの段階において、原子モリブデンがこれにより利用可能である。このような原子モリブデンは、前記金属間Ｎｉ3Ｍｏ析出物を形成するようにニッケルと結合することが意図されているが、デュアリングプロセスでは、原子モリブデンは、意図されずに、非金属ＭｏＮおよびＭｏ2Ｎを形成するように窒素と結合することができるが、ただしそれはリングの表面の近くにおいてのみである。モリブデンが他の元素との結合を形成するためのこれらの複数の選択肢の結果、窒化された表面層の材料特性は、デュアリングプロセスのプロセスセッティングに関してのみならず、表面粗さなどの個々のリングの表面の特性に関しても著しく変化することが分かった。これは、特に大量生産において、デュアリングプロセスの制御を極めて（幾つかの場合には非実用的に）敏感にする。
本開示によれば、デュアリングプロセスの実用性は、マルエージング鋼の合金組成にクロムを付加することによって、およびデュアリングプロセスにおいて５００℃を超える比較的高い温度を適用することによって、高めることができる。このような高温において、マルエージング鋼合金組成におけるクロムは、（リング表面からの拡散により窒素が存在している）リングの表面の近くに窒化クロム、すなわちＣｒＮ析出物を形成するように窒素と反応する、すなわち窒素と結合する。その結果、モリブデンは、リングの表面の近くにおいても前記金属間Ｎｉ3Ｍｏ析出物を形成するという意図した目的のためにより一層利用可能なままとなる。有利には、この形式では、時効プロセス、すなわち金属間析出形成の結果生じる硬さ値は、より一貫したものとなり、ひいてはデュアリングプロセスのプロセスセッティングによって著しくより制御可能となる。
さらに、マルエージング鋼合金におけるクロムの存在により、フレキシブルな鋼リングの表面におけるＦｅxＮyなどの窒化鉄から成る公知のいわゆる化合物層の形成が、有利には抑制される。このような化合物層は、フレキシブルな鋼リングの機械的特性、特にフレキシブルな鋼リングの疲労強度にとって有害であることが知られている。言い換えれば、公知の教示の範囲内では、ここで提案されるデュアリングプロセス、特にここで提案されるデュアリングプロセスにおいて適用される５００℃を超える高いプロセス温度は、想定されていない。なぜならば、化合物層がこれにより形成されることが予想されるからである。しかしながら、前記クロムの存在により、少なくともプロセス温度およびプロセスガス雰囲気のアンモニア含有量の観点からデュアリングプロセスのここで説明されたプロセス範囲内では、化合物層は形成されない。
本開示の文脈において最適な効果および結果を得るために、デュアリングプロセスは、好適には、５１５〜５２５℃の範囲の温度において５５〜７５分間行われる。デュアリングプロセスのその他の好適なプロセスセッティングは、好適には、５体積％未満、より好適には１〜３体積％の範囲内のプロセスガス雰囲気のアンモニア含有量を保持することを必要とする。好適には、このようなアンモニア含有量は、フレキシブルな鋼リングの表面における気相における窒化反応の平衡定数ＫＮを制御することによって制御される：
２ＮＨ3⇔２［Ｎ］＋３Ｈ2
および
ＫＮ＝（ｐ［ＮＨ3］）／（ｐ［Ｈ2］＾1.5）
ｐ［ＮＨ3］およびｐ［Ｈ2］は、アンモニア（ＮＨ3）および水素（Ｈ2）それぞれの部分ガス圧力を表している。
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および
ＫＮ＝（ｐ［ＮＨ3］）／（ｐ［Ｈ2］＾1.5）
ｐ［ＮＨ3］およびｐ［Ｈ2］は、アンモニア（ＮＨ3）および水素（Ｈ2）それぞれの部分ガス圧力を表している。
より好適には、このような平衡定数ＫＮは、１〜３ｂａｒ-1/2の範囲内の値に制御される。
さらに、本開示の文脈における最も適切なマルエージング鋼は、１７〜１９質量％のニッケル、４〜８質量％のモリブデン、４〜１４質量％のコバルト、０．５〜２．５質量％のクロム、０．４質量％以下のチタンおよび２質量％までのアルミニウムと、バランス鉄と、酸素、窒素、リン、ケイ素などの不可避の汚染物とを含有する合金組成の範囲から得られる。
本開示の上述の基本的な特徴をここで添付の図面を参照しながら例として説明する。
図１は、２つのプーリ１および２の周囲に巻き掛けられた駆動ベルト３を備える無段変速機（ＣＶＴ）を概略的に示している。各プーリ１，２には２つの円錐形のプーリディスク４，５が設けられており、プーリディスク４，５の間に、環状の、ほぼＶ字形のプーリ溝が形成されており、そのうち一方のディスク４は、ディスク４が配置されているそれぞれのプーリ軸６，７に沿って軸方向に可動である。回転運動ω１および付随するトルクＴ１を一方のプーリ１から他方のプーリ２（回転運動ω２および付随するトルクＴ２）へ、またはその逆に伝達するために駆動ベルト３がプーリ１，２の周囲に巻き掛けられている。各プーリ１，２は、概して、作動手段をも有する。作動手段は、プーリの前記少なくとも一方のディスク４に、プーリのそれぞれの他方のプーリディスク５に方向付けられた、軸方向に向けられた締付力を加えることができ、これにより、ベルト３をこれらのディスク４，５の間に締め付けることができる。また、被駆動プーリ２の回転速度と駆動プーリ１の回転速度との間のＣＶＴの（速度）比は、これにより決定される。このＣＶＴは自体公知である。
公知の駆動ベルト３の一例が、公知の駆動ベルト３の１セクションにおいてより詳細な図２に示されている。駆動ベルト３は、互いに重ね合わされた、平坦でフレキシブルな鋼リング３２の２つのセット３１と、複数の横断部材３３とから構成されている。横断部材３３は、リングセット３１に対してリングセット３１の周方向に摺動することができるようにリングセット３１の周囲に沿って互いに連続して配置されている。
横断部材３３は、前記締付力を受け取り、ディスク４，５とこれらの横断部材３３との摩擦により、駆動プーリ１の回転が、同様に回転する駆動ベルト３を介していわゆる被駆動プーリ２へ（かつその逆へ）伝達される。
ＣＶＴにおける作動中、駆動ベルト３、特に駆動ベルト３のリング３２は、周期的に変化する引張応力と曲げ応力、すなわち疲労荷重を受ける。通常、金属疲労に対する抵抗度、すなわちリング３２の疲労強度は、これにより、駆動ベルト３の機能的な寿命を決定する。それと共に、使用される基礎材料の特性および基礎材料の製造において適用されるプロセスステップは、最終製品のリング３２の疲労強度を決定する。
図３は、駆動ベルトのリングセット３１の公知の製造方法の関連する部分を示している。この公知の製造方法は、通常、自動車用途のための金属駆動ベルト３の製造のために当該技術分野において適用される。公知の製造方法の別個のプロセスステップが、ローマ数字によって示されている。
第１のプロセスステップＩでは、約０．４ｍｍの厚さを有するマルエージング鋼基礎材料の薄いシートまたはプレート１１が円筒状に曲げられ、突き合わされたプレート端部１２が第２のプロセスステップＩＩにおいて互いに溶接され、中空の円筒もしくは管１３を形成する。プロセスの第３のステップＩＩＩにおいて、管１３は焼きなましされる。その後、第４のプロセスステップＩＶにおいて、管１３は複数の環状のフープ１４に切断され、これらのフープ１４は、その後、第５のプロセスステップＶにおいて、延伸させられながら、通常は約０．２ｍｍまでその厚さを減じるように、圧延される。圧延の後、フープ１４は、通常、リング３２と称される。また、圧延後、リング３２は、圧延前よりも、すなわちより厚いフープ１４と比較して、著しくよりフレキシブルである。
リング３２は、高温におけるリング材料の回復および再結晶によって、前の圧延プロセスステップの加工硬化の効果を除去するために別の、すなわちリング焼きなましプロセスステップＶＩを受ける。その後、第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、リング３２は、２つの回転するローラの周囲に個々に取り付けられることによって較正され、前記ローラを引き離すことによって所定の周長に延伸させられる。この第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、内部応力もまたリング３２に課される。
その後、リング３２は、いわゆるデュアリング、すなわち、組み合わされた、すなわち同時の時効またはバルク析出硬化および窒化または表面硬化の第８のプロセスステップＶＩＩＩにおいて、別個の構成部品としてまたはリングセット３１に（予め）組み立てられたものとして（後者の態様が図３に示されている）熱処理される。特に、このような組み合わされた熱処理は、アンモニア、窒素および水素ガスを含む制御されたガス雰囲気またはプロセスガスを含有する炉チャンバにリング３２を保持することを必要とする。炉チャンバ、すなわちプロセスガスにおいて、アンモニア分子の一部がリング３２の表面において水素ガスと窒素原子とに分解し、窒素原子はリング３２の金属格子に進入することができる。これらの介在する窒素原子により、リング３２の摩耗および疲労破壊に対する抵抗性が著しく高められることが知られている。加えて、金属間析出物は培養および成長し、この析出物は、リング３２の強度および靱性を著しく高める。
典型的には、デュアリングのこの第８のプロセスステップＶＩＩＩにおいて、リング３２に、少なくとも５２５ＨＶ１．０のコア硬さと、少なくとも２５ミクロンから、最大で３５ミクロンまでの層厚さを備える窒化された表面層または窒素拡散層とを、少なくとも０．１８〜０．１９ｍｍの厚さを有するリング３２のために提供することが目標とされる。
実際には、このようなデュアリングプロセス（ステップＶＩＩＩ）は、最終製品のフレキシブルな金属リング３２の材料特性の観点から、少なくとも十分な精度および安定性で制御することが困難であることが分かった。例えば、このような、結果として生じる材料特性は、基礎材料１１のマルエージング鋼合金組成の変化に関して、およびデュアリングプロセス（ステップＶＩＩＩ）の実際のプロセスセッティングに関して、著しく変化する可能性がある。公知のデュアリングプロセス（ステップＶＩＩＩ）のこれらの制限を考慮して、出願人は、より敏感でない、より頑丈な、広く適用可能なデュアリングプロセスを実現するという目的で、関連する影響要因を分析することを試みた。
本開示によれば、図４に示されているように、このようなより頑丈な、広く適用可能なデュアリングプロセスは、従来考慮されてこなかった、デュアリングプロセスにおけるプロセス温度を適用することにおいて見られる。特に、５００℃を超えるプロセス温度を適用することが提案される。例示された例では、プロセス温度は、５１５〜５２５℃の範囲であり、プロセスガスのアンモニア含有量は、１〜３体積％の範囲であり、プロセス継続時間は、５５〜７５分の範囲である。
本開示は、前記説明の全ておよび添付図面の全ての詳細に加えて、添付の特許請求の範囲の全ての特徴にも関しかつこれらの特徴を含む。請求項における括弧書きの符号は、請求項の範囲を限定するのではなく、単に、それぞれの特徴の拘束しない例として提供されている。請求項に記載された特徴は、場合によって、任意の製品または任意の方法において別々に適用することができるが、これらの特徴の２つ以上のあらゆる組合せを適用することも可能である。
本開示によって表された発明は、明細書に明示的に言及された実施の形態および／または実施例に限定されるのではなく、その補正、変更および実用的な適用、特に当業者の到達範囲にあるものをも包含する。
Claims (7)
- 無段変速機用の駆動ベルト（３）においてまたは無段変速機用の駆動ベルト（３）として使用するためのマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）の同時の時効およびガス窒化のための方法において、前記フレキシブルリング（３２）の前記マルエージング鋼は、０．５〜２．５質量％の量のクロムを含み、同時の時効およびガス窒化は、５００℃よりも高い温度において行われることを特徴とする、方法。
- 前記フレキシブルリング（３２）の前記マルエージング鋼は、１７〜１９質量％のニッケル、４〜８質量％のモリブデン、４〜１４質量％のコバルト、０．５〜２．５質量％のクロム、０．４質量％以下のチタンまたは２質量％以下のアルミニウムをバランス鉄とともに含むことを特徴とする、請求項１記載のマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）の同時の時効およびガス窒化のための方法。
- 前記同時の時効およびガス窒化は、５１５〜５２５℃の範囲の温度で５５〜７５分間行われることを特徴とする、請求項１または２記載のマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）の同時の時効およびガス窒化のための方法。
- 前記同時の時効およびガス窒化は、１〜５体積％のアンモニア、好適には３体積％未満のアンモニアを含むガス雰囲気において行われることを特徴とする、請求項３記載のマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）の同時の時効およびガス窒化のための方法。
- 請求項４記載の方法による方法によって得られた無段変速機用の駆動ベルト（３）においてまたは請求項４記載の方法による方法によって得られた無段変速機用の駆動ベルト（３）として使用するためのマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）において、該フレキシブルリング（３２）には、窒化された表面層が設けられており、該窒化された表面層には窒化クロム析出物が存在することを特徴とする、請求項４記載の方法による方法によって得られた無段変速機用の駆動ベルト（３）においてまたは請求項４記載の方法による方法によって得られた無段変速機用の駆動ベルト（３）として使用するためのマルエージング鋼から形成された無端のフレキシブルリング（３２）。
- 前記フレキシブルリング（３２）には、２５〜３５ミクロンの範囲の厚さを有しかつ５００〜５７５ＨＶ１．０の範囲のコア硬さを有する窒化された表面層が提供されていることを特徴とする、請求項５記載のフレキシブルリング（３２）。
- 前記フレキシブルリング（３２）は、０．１８〜０．２０ｍｍの範囲の厚さを有することを特徴とする、請求項５または６記載のフレキシブルリング（３２）。
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