JP2021085529A - 無段変速機用の駆動ベルトのリングコンポーネント - Google Patents

無段変速機用の駆動ベルトのリングコンポーネント Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、無段変速機用の駆動ベルトに使用するための可撓性の金属バンドを提供する。【解決手段】可撓性の金属バンド41は、窒化された表面層を有し、かつ15〜20質量%のニッケル、10〜14質量%のコバルト、4〜6質量%のモリブデン、最大2.5質量%のクロムおよび最大2.0質量%のアルミニウムを含むマルエージング鋼合金から作られ、そのうちのコバルト(Co)の含有量およびアルミニウム(Al)の含有量は、基準:19質量%<(Co+6Al)<21質量%を満たす。【選択図】図2

Description

本発明は、自動車に適用される周知の無段変速機またはCVTの調整可能な2つのプーリー間の動力伝達のための駆動ベルトにおいてリングコンポーネントとして使用されるエンドレスで可撓性の金属バンドに関する。駆動ベルトにおいて、複数のこのようなリングは、少なくとも1つ、しかしながら、通常、2つの積層された、すなわち相互に半径方向に入れ子にされたリングのセットに組み込まれる。既知の駆動ベルトは、このような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複数の横断セグメントをさらに含む。
マルエージング鋼は、通常、リングのベース材料として使用されている。なぜなら、この材料は、少なくとも、析出硬化、すなわちエージングおよび窒化、特にいわゆるガス軟窒化を含むそれらの適切な熱処理の後に、摩耗ならびに曲げおよび/または引張応力疲労に対して優れた耐性を提供するからである。マルエージング鋼の基本的な合金元素は、鉄、ニッケル、コバルトおよびモリブデンであり、広範囲に変化し得るが、特に現在検討されているリングの駆動ベルト用途について、最近、国際公開第2018/122397号として公開された国際特許出願では、以下の範囲の基本的な合金組成を有するマルエージング鋼が開示された:
− 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)、
− 合計で少なくとも7質量%の、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)および/またはアルミニウム(Al)、および
− 残部の鉄(Fe)。
その駆動ベルト用途において、リングの降伏強度だけでなく、それらの表面硬度および表面残留圧縮応力も、駆動ベルトの耐荷重能力および寿命に重大な影響を与える重要な製品特性である。特に、これらの後者の製品特性は、リングの疲労強度および耐摩耗性を大きく左右する。実際に、リング表面のこれらの製品特性は、マルエージング鋼の組成、特にその中の析出物形成合金元素の存在量だけでなく、その窒化熱処理のプロセスパラメータによっても決定される。
窒化の熱処理では、リング表面からの格子拡散により微細構造に窒素原子が導入される。リングの表面層では、これらの窒素原子は、利用可能なモリブデン、アルミニウムおよび/またはクロムと反応して(Mo、Al、Cr)タイプの窒化物を形成し、この窒化物の形成は、コバルトの存在によって強化され、鉄−ニッケルマトリックス中の他の合金元素の溶解度を低下させる。窒化表面層におけるこれらの窒化物によって、上記の表面残留圧縮応力が実現され、その表面圧縮応力は、リングコアにおいて残留引張応力をもたらし、それによってバランスがとれている。したがって、このコアの残留引張応力は、降伏強度を超えることなく、駆動ベルトの動作中にリングが許容できる(追加の)張力を効果的に制限する。したがって、その窒化表面層の厚さの増加は、通常、リングの疲労強度および耐摩耗性を支持するが、これは、その降伏強度を低下させる。したがって、実際のリングの窒化では、特にリングコアの残りの厚さに関して、窒化表面層の厚さと、到達できる表面硬度および表面残留圧縮応力との間でバランスがとられる。
前述の洞察に基づいて、本発明は、上記の窒化熱処理で得られた所与の窒化層の厚さについて、リング内の表面残留圧縮応力を最大化すること、すなわち、リング表面に近いリング内の窒化物濃度を最大化することを目的とする。国際公開第2018/122397号の教示の範囲内で、窒化物濃度のこのような増加は、マルエージング鋼組成物中のモリブデン、クロムおよびアルミニウムの量を、開示されたコバルト範囲の上端に近いコバルトの量と組み合わせて、7質量%を大幅に超えるように増加させることを必要とするであろう。しかしながら、この既知の解決策は、マルエージング鋼のコストを増加させるだけでなく、窒化表面層の厚さを不利に増加させることも見出された。しかしながら、本発明によれば、表面圧縮応力を最大化するためのより有利な選択肢が利用可能である。
本発明によれば、驚くべきことに、マルエージング鋼合金中のアルミニウムの量とコバルトの量とを相互に相関させることにより、特に窒化表面層の厚さを同時に実質的に増加させることなく、窒化物形成を著しく高めることができることが見出された。その結果、比較的低いコバルト含有量でリングに高い表面圧縮応力を実現することができる。特に、本発明によれば、このような有利な結果は、9.0〜14質量%のコバルトを含み、以下の基準:
19質量%<(Co+6Al)<21質量% (1)
を満たすマルエージング鋼の基本組成で実現される。
基準(1)に従ってコバルト含有量とアルミニウム含有量との間に特別な関係がある場合、窒化表面層におけるアルミニウム型窒化物の形成と、リングコアにおけるアルミニウム型金属間析出物(NiAl)の形成との間でバランスが取れている。この点において、最適な結果は、1.0〜1.5質量%のアルミニウムを含み、以下の基準:
(Co+6Al)=20質量% (2)
を満たすマルエージング鋼の基本組成で達成された。
上記の基準(1)および基準(2)の結果として得られるコバルト−アルミニウム比の範囲内では、特に、例えばグロー放電発光分光法で得られる窒素濃度対深さプロファイルから得られるように、窒化熱処理で形成された窒化物中には、かかる範囲外に比べて有意に多くの窒素が取り込まれている。特に、リングの表面近くでは、基準(1)または(2)による範囲外の合金組成を有するマルエージング鋼と比較して、リングの表面より下の(窒化)深さに関して、窒化物濃度の急激な低下はかなり少ない。結果として、リングコアにおける残留引張応力の比較的小さな増加に対して、高い残留圧縮応力がリングの窒化表面層において実現される。特に、このようなコア残留引張応力の増加は、表面残留圧縮応力の増加よりも小さい。なぜなら、表面残留圧縮応力の増加は、窒化表面層の厚さの増加よりもリングの表面に近い窒化物濃度の増加によって優勢に実現されるからである。
さらに、本発明によれば、モリブデンおよびクロムの含有量もまた、好ましくは、それぞれ比較的狭い範囲内に設定され、最適値は、4.0〜6.0質量%のモリブデンおよび最大2.5質量%のクロムで見出される。後者の場合、窒化表面層は、有利には、リングの表面近くにある(Al,Mo,Cr)型窒化物と(Al,Mo)型窒化物との双方の混合物および窒化表面層とリングコアとの間の境界にある(Al,Mo,Cr)型窒化物とNiAl金属間析出物との混合物によって特性決定される。これにより、窒化表面層の圧縮残留応力からリングコアの引張応力への有利な移行が得られる。
現在考えられているマルエージング鋼組成物は、チタンなどの他の合金元素を一定量含み得るが、このことは本文脈内では必要ではない。この場合、そこには避けられないリンやシリコンの汚染などの他の元素は、痕跡量しか存在しない。
本発明の文脈内では、窒化熱処理自体は、当該技術分野で慣習的であるように実施され得ることに留意されたい。上記の有利な効果は、本発明による特定のマルエージング鋼組成物によってほぼ完全に実現され、したがって、エージングおよび窒化熱処理の特別なまたは特定の設定に依存しないか、さもなければ必要としない。実際、現在考えられている範囲のマルエージング鋼は、18質量%のニッケル、5質量%のモリブデン、16.5質量%のコバルトおよび残部の鉄で構成される従来のマルエージング鋼に関して欧州特許の欧州特許第1753889号明細書に記載されているエージングと窒化とを同時に行う複合熱処理にも適している。
上記の駆動ベルト、そのリングコンポーネント、およびその製造方法は、その非限定的で例示的な実施形態によって、以下の図面を参照して、ここでより詳細に説明されることになる。
2つの可変プーリーおよび駆動ベルトを組み込んだ既知の変速機の概略図である。 入れ子になった可撓性の金属リングのセットと、その円周に沿ってそのようなリングセットにスライド可能に取り付けられる複数の金属横断セグメントとをそれぞれ備えている2つの既知の駆動ベルトタイプの概略的な断面図である。 析出硬化およびガス軟窒化およびそれらの熱処理を含む、駆動ベルトリングコンポーネントの既知の全体的な製造プロセスの現在の関連部分を示す図である。 リングの外表面からの距離に関して、リングの材料に存在する窒素の量を関連づけたグラフ(すなわち、窒素の存在量対深さのプロファイル)である。
図1は、エンジンとその駆動輪との間の自動車の駆動ラインに一般的に適用される、既知の無段変速機またはCVTの中央部分を示す。変速機は、2つのプーリー1、2を含み、これらはそれぞれ、プーリーシャフト6または7に取り付けられた一対の円錐状のプーリーディスク4、5を備え、そのプーリーディスク4、5の間には主にV字形の周方向のプーリー溝が規定されている。各対のプーリーディスク4、5、すなわち各プーリー1、2の少なくとも1つのプーリーディスク4は、それぞれのプーリー1、2のプーリーシャフト6、7に沿って軸方向に移動可能である。駆動ベルト3は、プーリーシャフト6、7の間で回転運動とそれに伴うトルクとを伝達するために、プーリー1、2のプーリー溝内に配置されて、プーリー1、2に巻き付けられている。
変速機は、概して、各プーリー1、2の上記の軸方向に移動可能なプーリーディスク4に、そのプーリー1、2のそれぞれ他方のプーリーディスク5に向けられた軸方向のクランプ力を作動中に加える作動手段も含み、それにより、プーリー1、2のこれらのディスク4、5の間で駆動ベルト3がクランプされる。これらのクランプ力は、駆動ベルト3とそれぞれのプーリー1、2との間に及ぼすことができる摩擦力だけでなく、プーリー1、2のそれぞれのプーリーディスク4、5の間のプーリー1、2における駆動ベルト3の半径方向の位置Rも決定する。これらの半径方向の位置Rは、変速機の速度比を決定する。このタイプの変速機、その作動手段、およびそれらの動作は、それ自体よく知られている。
図2には、駆動ベルト3の2つの既知の例が、その周方向に面した断面で概略的に示されている。既知の駆動ベルト3は、金属リング41の1つまたは2つのセット31の形態で環状キャリアの円周に沿って一列に配置された横断セグメント32を含む。横断セグメント32の厚さは、特に、数百個の横断セグメント32がそれらの上記の列に含まれるように、かかるリングセット31の円周長に対して小さい。図2の駆動ベルト3のいずれの例においても、リングセット31は、積層されている、すなわち、相互に入れ子になった、平らで、薄く、可撓性の複数の個別のリング41で構成されている。添付の図では、リングセット31は、入れ子になった5個のリング41で構成されているように図示されているが、実際には、ほとんどの場合、6個、9個、10個または12個のリング41が、かかるリングセット31に適用されており、それぞれのリング41の公称厚さは185マイクロメートルである。
図2の左側には、このような2つのリングセット31を含む駆動ベルト3の実施形態が図示されており、各リングセット31は、それぞれ、すなわち、左右のその軸方向側に向かって開口する横断セグメント32のそれぞれの横方向に向いた凹部に収容されている。このような横方向の開口部は、本体部33と頭部35との間に設けられて本体部33と頭部35とを相互に連結する比較的狭い首部34の両方の側で、横断セグメント32の本体部33と頭部35との間に規定されている。
図2の右側には、単一のリングセット31のみを組み込んだ駆動ベルト3の実施形態が図示されている。この場合、リングセット31は、駆動ベルト3の半径方向外側に向かって開口する横断セグメント32の中央に位置する凹部に収容される。このような中央開口部は、ベース部39と横断セグメント32の2つの柱部36との間に規定されており、2つの柱部36は、それぞれ、ベース部39の両方の軸方向側部から半径方向外方に延びている。このような半径方向外方では、中央開口部は、柱部36のそれぞれ軸方向に延びるフック部37によって部分的に閉じられている。
双方の駆動ベルト3の横断セグメント32は、その両側面に、プーリーディスク4、5と摩擦接触するための接触面38を備えている。各横断セグメント32の接触面38は、V字形のプーリー溝の角度と実質的に一致する角度φで相互に配向されている。横断セグメント32は、通常、同様に金属から作られている。
変速機での動作中に、駆動ベルト3の個々のリング41は、上記のクランプ力に対して半径方向に配向された反力(a/o)によって張力がかけ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依存するだけでなく、変速機内の駆動ベルト3の回転にも依存して変化する。したがって、リング41の降伏強度および耐摩耗性に加えて、疲労強度もまた、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、マルエージング鋼は、リング41のベース材料として使用され、その鋼は、析出形成(エージング)によって硬化されて、その全体的な強度が向上し、さらに窒化(ガス軟窒化)によって表面硬化されて、耐摩耗性、特に疲労強度が向上し得る。
図3は、自動車用途の金属駆動ベルト3の製造のために当該技術分野で通常適用される、駆動ベルトリングコンポーネント41のための既知の製造方法の関連部分を図示する。既知の製造方法の個別の工程段階は、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のベース材料の薄いシートまたは板20が円筒形に曲げられ、第2の工程段階IIでは、板の、接触する両端部21が溶接されて中空の円筒または管22を形成する。第3の工程段階IIIでは、管22は、オーブンチャンバ50内でアニールされる。その後、第4の工程段階IVでは、管22は、複数の環状リング41に切断され、これらはその後、第5の工程段階Vで、伸長されながら、圧延されて、その厚さを約2分の1に減少させられる。このようにして伸長されたリング41は、オーブンチャンバ50内で、摂氏600度をかなり超える温度、例えば約800℃の温度で、リング材料を回復させて再結晶化することにより、前の圧延工程段階の加工硬化効果を除去するために、さらなる、すなわちリングの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の結晶で構成されている。しかしながら、リング41の温度が再び室温に下がると、このような微細構造は、所望の通りマルテンサイトに戻る。
アニーリングVI後、リング41は、2つの回転ローラーの周りに取り付けられ、上記のローラーを強制的に離すことによって所定の円周長まで伸ばされることによって、第7の工程段階VIIで較正される。リング較正のこの第7の工程段階VIIでは、内部応力もリング41に加えられる。その後、リング41は、複合エージング、すなわちバルク析出硬化および窒化、すなわちケース硬化の第8の工程段階VIII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、制御された温度でアンモニア、水素、および窒素ガスの混合物の制御されたプロセス雰囲気を含むオーブンチャンバ50内でリング41を保持することを含む。プロセス雰囲気中のアンモニア濃度を5〜25体積%の値に制御し、プロセス雰囲気中の水素濃度を5〜15体積%の値に制御し、そしてプロセス雰囲気の温度を450〜525℃の値に制御することは当該技術分野で知られている。この点で実際に適用される値は、約10体積%のアンモニアガス、約5体積%の水素ガス、および470℃である。
オーブンチャンバ内で、アンモニア分子は、リング41の表面で水素ガスと窒素原子とに分解し、これらはリング41の結晶構造に入ることができる。これらの格子間の窒素原子によって、摩耗および疲労破壊に対する耐性は、著しく増加することが知られている。典型的には、リングのエージングと窒化とを組み合わせた第8の工程段階VIIIは、リング41の外表面で形成された窒化層または窒素拡散ゾーンが、例えば25マイクロメートルの所望の厚さに達するまで実施される。
とりわけ、このような複合熱処理は、代替的に、エージング熱処理に続いて、または先行して行うことができる、すなわち、アンモニアを含まない処理ガス中で、同時窒化なしで行うことができることに留意されたい。このような別個のエージング熱処理は、窒化熱処理の時間が短すぎて析出硬化プロセスを同時に完了することができない場合に適用される。
このようにして処理された複数のリング41は、隣接するリング41の各対の間の最小の半径方向の遊びまたはクリアランスを実現するために、半径方向に積み重ねること、すなわち選択されたリング41を同心的に入れ子にすることによってリングセット31を形成するために、第9の工程段階IXで組み立てられる。その代わりに、とりわけ、リング較正の第7の工程段階VIIの直後に、すなわち、リングのエージングおよびリングの窒化の第8の工程段階VIII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で知られていることに留意されたい。
図4では、2本の破線DL1、DL2および1本の実線SL1は、それぞれ、測定された(いわゆるグロー放電発光分光法またはGDOESによる)窒素含有量[N]を、それぞれのリング41の外表面下の測定深さDの関数として質量%で表している。図4の斜線で示す領域は、起動時の制限および/または避けられないテストサンプル表面の汚染のために、GDOES測定が正確な結果を提供しない範囲を示している。図4にプロットされている局所的に測定された窒素含有量[N]は、それぞれのリング41に局所的に存在する、すなわちリングの窒化で局所的に形成される窒化物の量を表す。次に、このような局所的な窒化物の量は、リング41内の局所的な圧縮残留応力を表す。
図4の測定データDL1、DL2およびSL1を生成した3つのリング41はすべて、上記の製造方法の上記の工程段階I〜VIIIによって製造されるが、異なるベース材料から開始する。2本の破線DL1およびDL2は、18質量%のニッケル、16.5質量%のコバルト、5質量%または7質量%のモリブデンおよび残部の鉄で構成される2種の従来のマルエージング鋼を表す。モリブデン含有量を5質量%(線DL1)から7質量%(線DL2)に増加させることにより、測定された窒素含有量[N]、ひいては窒化物の量が、少なくともリング41の表面より約15ミクロン下の深さDまで増加することが、図4から分かる。このことは、モリブデンが窒化物形成合金元素であることから予想される。しかしながら、追加のモリブデンが窒素吸収に及ぼす影響は限られている。
窒化物表面層中の窒化物の量は、モリブデン含有量を増加させる代わりに、またはそれに加えて、アルミニウムおよび/またはクロムをベース材料に添加することによってさらに増加させることができる。この目的のために、15〜20質量%のニッケル、4〜18質量%のコバルト、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、ならびに残部の鉄を有する合金組成の広範囲でかつ制限のない範囲が当該技術分野で提案されている。しかしながら、本発明によれば、優れた結果は、このような合金組成の既知の制限のない範囲内の比較的狭い部分範囲で達成される。特に本発明によれば、合金組成中にアルミニウムが存在する場合、アルミニウム含有量とコバルト含有量との間の特定の比率によって、リング41の外表面近くでそこに形成された窒化物の量の点で著しく効果的な窒化熱処理がもたらされる:
19質量%<(Co+6Al)<21質量% (1)
図4の実線SL1は、19質量%のニッケル、13質量%のコバルト、5.0質量%のモリブデン、1.0質量%のクロム、1.1質量%のアルミニウムおよび残部の鉄で構成される本発明による合金組成のこのような狭い範囲内の1つの特定のマルエージング鋼組成物を表す。図4から、このような後者のマルエージング鋼組成物では、窒化物の量が、測定された窒素含有量[N]によって決定されるように、窒化された表面層の実質的に全厚さにわたって、有利にはかかる厚さを同時に増加させることなく、上記の2つの従来のマルエージング鋼と比較して劇的かつ有利に増加しているように見える。例えば、5ミクロン〜10ミクロンの深さDの範囲では、このような測定された窒素含有量[N]の増加は、2倍を超える。さらに、上記のマルエージング鋼組成物SL1の表面より2〜3ミクロン下で、4.0質量%を超える、例えば4.5質量%以上の窒素含有量[N]が、窒化後に達成され得る。この後者の値は、上記の従来のマルエージング鋼組成物DL1およびDL2の窒素含有量[N]の許容範囲をさらに超えている。これは、DL1およびDL2の場合、リング41の疲労強度に有害であることが知られているFeNで構成された、いわゆる化合物層の形成を示すからである。
窒化された際のマルエージング鋼合金組成物の現在考えられている範囲のこのような比較的増加した窒素含有量[N]は、また、窒化された表面層の減少した厚さを適用することができ、その結果、同等の表面残留圧縮応力で有利に減少したコア残留引張応力をもたらすことも示唆している。特に本発明によれば、窒化された表面層の厚さを従来の22.5〜27.5μmから12.5〜17.5μmに減少させることができる。
本発明は、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、添付のセットの特許請求の範囲の特徴のすべてに関し、かつそれらを含む。特許請求の範囲における括弧で囲まれた参照符号は、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拘束力のない例として提供されている。特許請求された特徴は、場合によっては、所与の生成物または所与のプロセスにおいて別々に適用することができるが、その中のこのような特徴のうちの2つ以上の任意の組み合わせを適用することも可能である。
本発明は、本明細書で明示的に言及された実施形態および/または例に限定されず、それらの修正、改変および実際の適用、特に関連技術の当業者の手の届く範囲にあるものも包含する。
1 プーリー、 2 プーリー、 3 駆動ベルト、 4 プーリーディスク、 5 プーリーディスク、 6 プーリーシャフト、 7 プーリーシャフト、 20 板、 21 端部、 22 管、 31 リングセット、 32 横断セグメント、 33 本体部、 34 首部、 35 頭部、 36 柱部、 37 フック部、 38 接触面、 39 ベース部、 41 リング/バンド、 50 オーブンチャンバ

Claims (5)

  1. − 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)、
    − 合計で少なくとも7質量%の、モリブデン(Mo)、クロム(Cr)および/またはアルミニウム(Al)、および
    − 残部の鉄(Fe)
    を含む鋼合金から作られた、2つのプーリー(1、2)および駆動ベルト(3)を有する無段変速機用の駆動ベルト(3)に使用するための可撓性の金属バンド(41)であって、
    前記バンド(41)は、窒化された表面層を備えている、可撓性の金属バンド(41)において、前記鋼合金は、より具体的には、9.0〜14質量%のコバルト、4.0〜6.0質量%のモリブデン、および最大で2.5質量%のクロムを含み、コバルトおよびアルミニウムの含有量は、以下の条件:
    19質量%<(Co+6Al)<21質量% (1)
    を満たし、ここでCoは、コバルトの含有量を質量%で表し、Alは、アルミニウムの含有量を質量%で表すことを特徴とする、可撓性の金属バンド(41)。
  2. 前記鋼合金が、より具体的には、1.0〜1.5質量%のアルミニウムを含み、前記鋼合金中のコバルトおよびアルミニウムの含有量が、以下の条件:
    (Co+6Al)=20質量% (2)
    を満たすことを特徴とする、請求項1記載の可撓性の金属バンド(41)。
  3. 前記鋼合金が、より具体的には、13質量%のコバルト、1.1質量%のアルミニウム、5.0質量%のモリブデンおよび1.0質量%のクロムを含むことを特徴とする、請求項1または2記載の可撓性の金属バンド(41)。
  4. 前記バンド(41)の窒化された表面層が、12.5〜17.5ミクロンの厚さを有することを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の可撓性の金属バンド(41)。
  5. 前記バンド(41)が、185ミクロンの公称厚さを有することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の可撓性の金属バンド(41)。
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