JP2020504784A - 無段変速機用の駆動ベルトの金属リング部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、無段変速機用の駆動ベルト（３）に使用するための金属リング（４４）に関し、該金属リング（４４）は、１５〜２０質量％のニッケル、４〜１８質量％のコバルト、少なくとも４質量％のモリブデンおよび合計で少なくとも７質量％のモリブデン、クロムおよび／またはアルミニウムを含むマルエージング鋼合金から作られており、かつ該リング（４４）は、１０５０ ＨＶ０．１を上回る表面硬度を有する窒化物表面層を備えている。

Description

本開示は、自動車に適用される周知の無段変速機またはＣＶＴの２つの調整可能なプーリ間の動力伝達のために駆動ベルトのリング部材として使用されるエンドレスでかつ可撓性の金属バンドに関する。駆動ベルトでは、このような多数のリングが、少なくとも１つ、しかしながら通常、２つのラミネートされた、すなわち互いに半径方向にネストされたそれらのセットに組み込まれている。公知の駆動ベルトはさらに、多数の横方向のセグメントを含み、これらはかかるリングセットにスライド可能に取り付けられ、通常、同様に金属から作られている。

マルエージング鋼は、析出硬化および窒化、特にいわゆるガス軟窒化を含む、少なくともそれらの適切な熱処理の後に、大きな耐摩耗性ならびに曲げおよび／または引張応力疲労に対する耐性をもたらすので、リングのための基本材料として使用される。マルエージング鋼の基本合金元素は、鉄、ニッケル、コバルトおよびモリブデンであり、広い範囲内で変化し得るが、特に、リングの現在考えられている駆動ベルトの用途の場合、これは典型的には、以下の基本組成を有するマルエージング鋼に依存する：
− １５〜２０質量％のニッケル（Ｎｉ）
− ４〜１８質量％のコバルト（Ｃｏ）
− ４〜６質量％モリブデン（Ｍｏ）
− 残部の鉄（Ｆｅ）。

駆動ベルト用途では、リングの降伏強度だけでなく、その表面硬度値および表面圧縮応力レベルも、駆動ベルトの耐荷重性および寿命を決定する重要な製品特性である。前記析出硬化の熱処理、すなわちエージング、および窒化により、これらの製品特性が最終的に決定される。特に、１０５０ ＨＶ０．１までの表面硬度および１４００ＭＰａまでの圧縮応力が、標準の熱処理により実現され得る。実際に、表面硬度および表面圧縮応力は、マルエージング鋼の合金組成、特にその中に合金元素を形成する豊富な析出物によって制限されるだけでなく、窒化熱処理に関連する要因によっても制限される。

窒化熱処理に関する第１の既知の制限要因は、望ましくないオーバーエージングの現象である。オーバーエージングとは、微細分散金属間コヒーレント相、すなわち、Ｎｉ_３（Ｃｏ、Ｍｏ）の一次準安定析出物が、それらの溶解および半コヒーレント相、例えば、Ｆｅ_２Ｎｉ／Ｆｅ_２Ｍｏとの置き換えにより粗大化し、かつ／または数が減少する過程である。オーバーエージングは、リングの降伏強度を不都合に低下させ、ガス軟窒化熱処理の処理時間および処理温度を実質的に制限する。窒化熱処理に関する第２の既知の制限要因は、例えば国際公開第２０１５／０９７２９２号（WO2015/097292）に記載されているように、望ましくない化合物層の形成の現象である。化合物層の形成とは、処理温度および処理ガス中のアンモニア濃度の観点で、処理強度に応じてリング表面上に窒化鉄層が発生し、成長することである。化合物層の形成によって、リングの疲労強度は不都合に低下し、ガス軟窒化熱処理の処理強度は実質的に制限される。

上述の窒化熱処理の２つの制限要因のために、窒化自体、すなわち表面吸収およびそれに続く窒素（Ｎ）の内方拡散も同様に制限されており、その中で実現され得る表面硬度および／または表面圧縮応力も同様である。

本開示は、窒化熱処理のこれら２つの制限要因のうちの少なくとも１つを軽減し、したがって１０５０ ＨＶ０．１を上回る、特に１１００ ＨＶ０．１を上回る表面硬度を有する駆動ベルトリング構成要素（の製造）を提供することを目的とする。

本開示は、少なくとも特定の範囲の合金組成のリングのための基本材料の場合の、窒化熱処理の処理強度に関して、前記化合物層の形成を回避することができるか、または少なくとも遅くすることができるという発見に基づく。特に、本開示は、以下の範囲の組成を有するマルエージング鋼に関する：
− １５〜２０質量％のニッケル（Ｎｉ）
− ４〜１８質量％のコバルト（Ｃｏ）
− 少なくとも４質量％のモリブデン（Ｍｏ）、および
− 合計で少なくとも７質量％のモリブデン、クロムおよび／またはアルミニウム。

窒化処理中に、モリブデン、クロムおよび／またはアルミニウムが窒素と結合して金属窒化物の析出物を形成する。特に、これらの後者の元素は、鉄よりも窒素と反応しやすいため、リングの外側表面に窒化鉄が形成されるのを大幅に抑制し、処理強度に応じて、完全に回避することさえ可能である。その結果、窒化処理強度を高め、高められた（最終製品）リングの表面硬度を実現することができた。

さらに本開示によれば、マルエージング鋼の組成は、好ましくは、モリブデンおよびコバルトの含有量の合計が少なくとも２２質量％、好ましくは２４〜２８質量％であるという要件を満たすべきである。これらの追加の組成要件をマルエージング鋼基本材料に課すことによって、最終的に製造されたリングは、高められた降伏強度を有し、さらに、特に乗用車の変速機用途のための駆動ベルトのリング部材のための基本材料として現在考慮されているそれらの用途に関して、その疲労強度とのバランスが良好である。モリブデンとコバルトとを合わせた含有量が２２質量％未満である場合、比較的低いそれらの降伏強度の観点から、リングの疲労強度を駆動ベルトにおいて最適に利用することができないが、モリブデンとコバルトとを合わせた含有量が２８質量％を超える場合、析出硬化（エージング）後のリングの硬度および脆性は、それらの疲労強度の低下をもたらす。

なおさらに本開示によれば、マルエージング鋼の組成は、好ましくはモリブデン、クロムおよび／またはアルミニウムの少なくとも２つ、より好ましくは３つすべての元素を含むべきである。窒素と結合する元素を変えることで、窒化物析出物形成の反応性全体を改善できると考えられる。しかしながら、この場合、クロムの量は、個別で３質量％を超えるべきではない。そうでなければ、比較的粗い窒化物析出物が窒化熱処理の間に形成されることがあり、それがリングの疲労強度を低下させるであろう。

本発明で考慮されているマルエージング鋼の組成は、いくらかの量のチタンなどの他の合金元素を含み得るが、これは本発明の文脈内では要求されていない。したがって、好ましくは、鉄が唯一の他の、すなわち、少量の、例えば、合計で１質量％未満の酸素、窒素、リン、ケイ素等などの不可避的混入物を除く、合金組成中の残部元素である。

窒化熱処理自体に関しておよび現在用いられている処理強度に対して、このような処理強度は、本開示によれば有利に増加され得る。特に本開示によれば、５００℃を上回る処理温度がそれらに適用され、好ましくはこのような処理温度は、５０５℃〜５５０℃の間の範囲内の値、より好ましくは５１０℃〜５２５℃の間の範囲内の値に設定される。また、処理ガス中のアンモニア濃度は、比較的高く、特に８体積％〜１８体積％の範囲で選択され得る。

上記駆動ベルト、そのリング部材およびその製造方法を、ここで図面を参照してさらに説明する。

図１は、公知の駆動ベルトおよびかかる公知のベルトを組み込んだ変速機の概略図である。 図２は、２組の多数のマルエージング鋼リング、ならびにかかるリングセットに取り付けられた複数の横方向部材を含む公知の駆動ベルトの円周方向に配向された概略断面図である。 図３は、析出硬化およびガス軟窒化およびそこでの熱処理を含む駆動ベルトリング部材の公知の製造方法の図を示す。 図４は、本開示による析出硬化およびガス軟窒化の熱処理の新規な処理設定を示す。

図１は、エンジンとその駆動輪との間の自動車のドライブラインに一般的に適用されている、公知の無段変速機またはＣＶＴの中心部分を示す。変速機は、プーリシャフト６または７に取り付けられた一対の円錐形プーリディスク４、５をそれぞれ備えた２つのプーリ１、２を含み、それらのプーリディスク４、５の間に、主にＶ字形の円周方向プーリ溝が画定される。各対のプーリディスク４、５、すなわち各プーリ１、２の少なくとも１つのプーリディスク４は、それぞれのプーリ１、２のプーリシャフト６、７に沿って軸方向に移動可能である。駆動ベルト３は、そのプーリ溝内に配置されたプーリ１、２に巻かれており、プーリシャフト６、７間の回転運動とそれに伴うトルクを伝達する。

変速機は、概して作動手段も含み、該作動手段は、作動中にプーリ１，２のそれぞれの他のプーリディスク５に向けられる軸方向に向いた締付け力を、各プーリ１，２の前記軸方向に移動可能なプーリディスク４に加え、駆動ベルト３は、プーリ１、２のこれらのディスク４、５の間に締め付けられる。これらの締付け力は、駆動ベルト３とそれぞれのプーリ１、２との間に作用され得る摩擦力を決定するだけでなく、それぞれのそれらのプーリディスク４、５間のプーリ１、２における駆動ベルト３の半径方向位置Ｒも決定する。これらの半径方向位置Ｒが変速機の変速比を決定する。このＣＶＴは、それ自体よく知られている。

公知の駆動ベルト３の例は、その周方向に面するその断面において、図２にやや詳細に示されている。この例では、駆動ベルト３は、２つのリングセット３１を組み込んでおり、各リングセット３１は、いくつかの互いにネストされた平らで薄い、すなわちリボン状の可撓性金属リング４４の形である。駆動ベルト３は、横方向セグメント３２の列をさらに含み、そのうちの１つが図２の正面図に示されている。リングセット３１は、横方向セグメント３２によって画定された２つの軸方向に伸びる凹部のそれぞれ１つに収容されている。その両側で、横方向セグメント３２には、プーリディスク４、５と摩擦接触する接触面３４が備えられている。各横方向セグメント３２の接触面３４は、Ｖ字型プーリ溝の角度と実質的に一致する角度θで相互に向きを定められている。

ＣＶＴでの作動中、駆動ベルト３のリング４４が、前記締付け力に対して半径方向の反力ａ／ｏによって引っ張られることはよく知られている。しかしながら、結果として生じるリング張力は一定ではなく、変速機によって伝達されるトルクに応じて変化するだけでなく変速機内の駆動ベルト３の回転にも応じて変化する。したがって、リング４４の降伏強度および耐摩耗性に加えて、疲労強度もその重要な特性および設計パラメータである。したがって、マルエージング鋼をリング４４のための基本材料として使用しているが、その鋼は、析出形成（エージング）により硬化してその全体の強度を向上させ、さらに窒化により表面硬化させて特に耐摩耗性および疲労強度を向上させることができる。リング４４のための基本材料として一般的に適用されているマルエージング鋼は、残部の鉄を含む、１５〜２０質量％のニッケル、４〜１８質量％のコバルトおよび４〜６質量％のモリブデンの基本組成を有する。

図３は、自動車用の金属駆動ベルト３の製造のために当該技術分野において典型的に適用されているように、駆動ベルトリングの構成要素４４の公知の製造方法の関連部分を示す。公知の製造方法の別々の工程段階は、ローマ数字で示されている。

第１の工程段階Ｉでは、厚さ約０．４ｍｍのマルエージング鋼基本材料の薄板またはプレート１１が円筒形に曲げられ、かつ第２の工程段階ＩＩでは、会合プレートの端部１２が互いに溶接されて中空の円筒またはチューブ１３を形成する。第３の工程段階ＩＩＩでは、チューブ１３は、オーブンチャンバ５０でアニールされている。その後、第４の工程段階ＩＶでは、チューブ１３は、多数の環状リング４４に切断され、続いて、第５の工程段階Ｖで、圧延されて、伸ばされながら、その厚みは典型的には約０．２ｍｍまで減少する。このようにして伸ばされたリング４４は、さらに、オーブンチャンバ５０内で、６００℃よりかなり高い温度、例えば約８００℃でリング材料を回収および再結晶化することによって前の圧延工程段階の加工硬化効果を除くための工程段階、すなわち、リングアニーリング工程段階ＶＩに供される。このような高温では、リング材料の微細構造は、完全にオーステナイト型結晶で構成されている。しかしながら、リング４４の温度が再び室温まで下がると、このような微細構造は、望み通りに、マルテンサイトに戻る。

アニーリングＶＩの後、リング４４は、第７の工程段階ＶＩＩで２つの回転ローラの周りに装着さ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円周長さまで引き伸ばされる。この第７の工程段階ＶＩＩのリング較正では、内部応力もリング４４にかかる。その後、リング４４は、第８の工程段階ＶＩＩＩの複合エージング、すなわちバルク析出硬化、および窒化、すなわち表面硬化で熱処理される。より具体的には、このような複合熱処理は、例えば、４７５℃の温度で８体積％のアンモニアガスを含む、アンモニア、窒素および水素から構成される処理雰囲気を含むオーブンチャンバ５０内にリング４４を保持することを含む。オーブンチャンバでは、アンモニア分子が、リング４４の表面で水素ガスおよび窒素原子に分解され、これはリング４４の結晶構造内に入り込むことができる。これらの格子間窒素原子により、耐摩耗性および耐疲労破壊性が著しく向上することが知られている。典型的には、第８の工程段階ＶＩＩＩの複合リングエージングおよび窒化は、リング４４の外面で形成された窒化層または窒素拡散領域が２５〜３５マイクロメートルの間の厚さになるまで行われ、そのリング４４自体は、１５０〜２００マイクロメートルの間の厚さである。

とりわけ、このような複合熱処理が、代替的に、エージング処理（同時の窒化なし）に続いてまたは先行して、すなわち、アンモニアを含まない処理ガス中で行われ得ることに留意されたい。窒化処理時間が短すぎて、析出硬化工程が同時に完了しない場合に、このような別個のエージング処理が施される。

このように処理された多数のリング４４は、第９の工程段階ＩＸで組み立てられて、半径方向の積み重ね、すなわち選択されたリング４４の同心円状のネスティングによってリングセット３１を形成し、隣接するリング４４の各ペアの間に最小限の半径方向の遊びまたは隙間を実現する。とりわけ、代わりに第７の工程段階ＶＩＩのリング較正の直後に、すなわち、第８の工程段階ＶＩＩＩのリングエージングおよびリング窒化の前に、リングセット３１を組み立てることも当該技術分野において知られていることに留意されたい。

前記第８の工程段階ＶＩＩＩにおいて、リング４４の外面の一部、一部または全体に化合物層を形成することは望ましくなく、このことは、実際には、処理雰囲気中の処理温度Ｔおよびアンモニア濃度［ＮＨ_３］によって定量的にガス軟窒化工程の強度を制限することによって回避される。このようなプロセス設定に関して、様々な値が、マルエージング鋼の駆動ベルトリング部材の窒化に特に適しているとして当該技術分野で言及されている。このような既知の情報源に基づいて、化合物層の形成を回避するための上限の窒化強度は、以下のように導出され得る：
Ｔ＝５７５−１２．５^＊［ＮＨ_３］ （１）
（式中、Ｔは、℃で表され、［ＮＨ_３］は、体積％で表される）。

したがって、例えば、１２％という比較的高いアンモニア濃度が、リング窒化に適用されることが望ましい場合、先行技術をまとめる式（１）は、４２５℃以下の処理温度を規定する。一方、５００℃という比較的高い処理温度が望ましい場合、式（１）は、６体積％以下のアンモニア濃度を規定する。

しかしながら、本開示によれば、合計で少なくとも７質量％の、モリブデン、クロムおよび／またはアルミニウムの合金元素のうちの１種以上を、前述の一般的に適用されている基本リング材料に添加することによって、より多くの窒化物が、その表面層ではなく、リングの表面層に形成される。換言すれば、これらの合金元素によって、リングの外面での窒化鉄の形成はかなり減少し、窒化処理の処理強度に関して完全に回避することさえ可能であり得る。したがって、図４に示すように、このような新規の基本リング材料の窒化は、例えば１２％の比較的高いアンモニア濃度と組み合わせて、例えば５２０℃の比較的高い処理温度で行うことができ、それにより、リング４４は、１０５０ ＨＶ０．１を上回る前例のない表面硬度値および／または１４００ＭＰａを上回る圧縮応力レベルを有利に備えることができ、これらは、その駆動ベルト用途におけるそれらの耐摩耗性および疲労強度に寄与する。特に、本開示の文脈内では、１１００ ＨＶ０．１を上回る表面硬度値および／または１５００ＭＰａを上回る圧縮応力レベルが達成され得る。

本開示は、前述の説明の全体および添付の図面のすべての詳細に加えて、添付の特許請求の範囲のセットの特徴のすべてに関わり、かつそれらを含む。特許請求の範囲における括弧内の参照は、その範囲を限定するものではなく、単にそれぞれの特徴の非拘束的な例として提供されるものである。特許請求された特徴は、場合によっては、特定の製品または特定のプロセスに別々に適用することができるが、その中のかかる特徴のうち２つ以上を組み合わせてその中に同時に適用することもできる。

本開示によって表される発明は、本明細書に明示的に記載された実施形態および／または実施例に限定されず、それらの修正、改変および実用化、特に関連技術の当業者の範囲内にあるものも包含する。

Claims (8)

1. ２つのプーリ（１，２）と駆動ベルト（３）とを有する無段変速機用の駆動ベルト（３）に使用するための金属リング（４４）であって、前記リング（４４）は、
   − １５〜２０質量％のニッケル、
   − ４〜１８質量％のコバルト、
   − 少なくとも４質量％のモリブデン、および
   − 合計で少なくとも７質量％のモリブデン、クロムおよび／またはアルミニウム
   を含むマルエージング鋼合金から作られており、
   前記リング（４４）は、窒化表面層を備え、かつ前記リング（４４）は、１０５０ ＨＶ０．１を上回る、好ましくは１１００ ＨＶ０．１を上回る表面硬度値を有することを特徴とする、金属リング（４４）。
2. 前記マルエージング鋼合金は、モリブデン、クロムおよびアルミニウムのうち少なくとも２つ、好ましくは３つすべての合金元素がそこに含まれるという要件をさらに満たすことを特徴とする、請求項１記載の金属リング（４４）。
3. 前記マルエージング鋼合金は、８質量％以下のモリブデン、３質量％以下のクロム、および３質量％以下のアルミニウムを含有することを特徴とする、請求項１または２記載の金属リング（４４）。
4. 前記マルエージング鋼合金は、モリブデンとコバルトとを合わせたそれらの含有量が少なくとも２２質量％であり、好ましくは２４〜２８質量％の範囲の値を有するという要件をさらに満たすことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の金属リング（４４）。
5. 前記マルエージング鋼合金が、鉄および１質量％未満の他の合金元素および混入物をさらに含むことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の金属リング（４４）。
6. マイナス１４００ＭＰａを上回る、好ましくはマイナス１５００ＭＰａを上回る表面圧縮（残留）応力を有することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の金属リング（４４）。
7. 請求項１から６までのいずれか１項記載の金属リング（４４）の製造方法であって、前記リング（４４）を、アンモニアガスを含む処理雰囲気下で熱処理することで、前記リング（４４）を窒化の工程段階に供する前記製造方法において、前記リング（４４）を、８体積％を上回るアンモニアを含有する処理雰囲気で５００℃を上回る温度で窒化することを特徴とする、金属リング（４４）の製造方法。
8. 前記リング（４４）を、５０５℃〜５５０℃の間の範囲、より好ましくは５１０℃〜５２５℃の間の範囲の温度で、８体積％〜１８体積％の間のアンモニアを含有する処理雰囲気で窒化することを特徴とする、請求項７記載のリング（４４）の製造方法。

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