JP5174963B2 - 駆動ベルトの金属リングコンポーネントのための熱処理プロセス - Google Patents

Description

本発明は、以下の請求項１の前提部によって規定された、駆動ベルトにおいて使用される金属リングのための製造方法、特に金属リングの熱処理プロセスに関する。駆動ベルトは、通常、主に自動車において使用される公知の連続可変トランスミッションの２つの調節可能なプーリの間の動力伝達のための手段として使用される。

１つの公知の形式の駆動ベルトは、欧州特許出願公開第１４０３５５１号明細書に詳細に記載されており、択一的にバンド又はフープと呼ばれる、それぞれ互いに嵌合された平坦な金属リングから成る２つの積層された無端引張り手段に摺動可能に組み込まれた、多数の比較的薄い横断金属エレメントから成る。このようなリングは、鋼をシート材料から所望の形状に処理する比較的好適な可能性及び好適にはリングの円周に沿って変化すべきでない最終製品リングの材料特性を備えた、大きな引張強さと引張応力及び曲げ疲労に対する耐久性との特性を組み合わせる、マルエージング鋼等の析出硬化鋼から製造される。本発明は特に、１７〜１９質量％のニッケルと、４〜６質量％のモリブデンと、８〜１８質量％のコバルトとを含む基本組成を有しかつ、バランス鉄、場合によっては僅かな、すなわち１質量％未満のチタンが付加された、マルエージング鋼合金の範囲に関する。

これらの所望の材料特性は、リングの長手方向曲げを許容するための十分な弾性と、耐摩耗性を提供するためのリングの極めて硬い外側表面層とに、大きな引張強さの特性を組み合わせるための、リングコア材料のかなりの硬さを有する。付加的に、外側表面層には、ベルトの耐用寿命の間にリングが受ける多数の荷重及び曲げサイクルによるリングの顕著な特徴である金属疲労に対する高い耐久性を提供するための残留圧縮応力が提供されている。

このようなリングの公知の製造方法の基本は、技術分野において周知であり、例えば、特開２００４−０４３９６２号公報に記載されている。リングは、シートベース材料から形成され、このシートベース材料は、円筒状又は管状に曲げられて溶接され、元の金属特性を回復するために、すなわち曲げ及び溶接によって導入された変化をほとんど除去するために熱処理、すなわち焼きなましされる。次いで、管は多数のフープに切断され、これらのフープは、次いで、最終製品における、通常は約０．１８５ｍｍである所要の厚さに圧延及び伸長される。圧延の後、フープは通常リング若しくはバンドと呼ばれる。リングは、圧延中に導入された内部応力を除去するために別の焼きなましステップを受ける。その後、リングは較正され、すなわちリングは２つの回転するローラの周囲に取り付けられ、所定の円周長さまで伸長させられる。

最後に、リングは、３つの別個のステップを含む熱処理プロセスを受け、この場合、各ステップにおいて、異なる組成のプロセシングガスが提供される。まず、リングは、主に窒素（Ｎ₂）から成る雰囲気中で析出硬化、すなわち時効させられ、次に、リングは、実質的な量の酸素（Ｏ₂）を含む雰囲気、例えば周囲空気中で酸化させられ、三番目に、リングは、実質的な量のアンモニア（ＮＨ₃）を含む雰囲気中で窒化、すなわち表面硬化させられる。

上記のリング製造方法のさらなる開発及び／又は進歩における共通の長期の望み及び一般的な目的は、駆動ベルト用途の観点から最終製品リングにおいて実現される金属特性を改良することのみならず、可能な最も費用対効果の高い方法でこのような好適な材料特性を提供するという観点から、リング製造方法の有効性を高めることであった。本発明によれば、特に費用対効果のこの後者の側面を、公知のリング製造方法において改良することができる。

この目的のために、本発明は、駆動ベルトの金属リングコンポーネントのための全体的な製造方法の熱処理部分の新規の仕様を提供する。本発明によれば、上記の公知の熱処理プロセスは、リング時効の先行するステップを同時に短縮しつつ、リング酸化のステップの強度を高めることによって著しく改良されかつ単純化される。この場合、リング酸化強度は、リング酸化において加えられる温度と、リング酸化の継続時間との一方又は両方によって決定される。

上記の点に関し、特開２００４−０４３９６２号公報によれば、リング酸化の継続時間及び温度はそれぞれ、１５分及び４５０℃未満に厳しく制限され、このような制限は、特開２００４−０４３９６２号公報によって示されたように、リング時効に起因すると現時点では考えられている。本発明によれば、特開２００４−０４３９６２号公報において報告された最終製品リングの引張強さの実質的な損失は、過時効の現象によって発生されやすい。過時効は、リングのマルエージング鋼マトリックスに形成されかつ材料が十分に高い温度に維持される限り、すなわちリング窒化及び高温リング酸化の間も成長し続ける金属間析出物が、ある決定的な寸法よりも大きく成長する場合に生じる。従って、リング熱処理の全体の継続時間は、実際には、少なくともリング熱処理において加えられる処理温度に関連しなくとも、ある限界を超えるべきではないが、ある程度は、リング時効、リング酸化及びリング窒化の別個の熱処理プロセスステップの個々の継続時間の間でシフトされてよいと現時点では考えられている。

本発明による新規のプロセス仕様の利点、すなわち前記個々の継続時間の間でシフトする自由の利点は、個々の熱処理プロセスステップの処理能力が、より自由に、また場合によってはより等しく分配され、その結果、好適にはより効率的で、費用対効果の高い全体的なリング製造方法が実現される。これらの個々の能力は、例えば、製造チェーン若しくはラインにおける各ステップのためにそれぞれ必要とされるオーブン又はオーブンチャンバのサイズによって決定される。

本発明の好適な実施形態において、駆動ベルトリングコンポーネントの慣用の熱処理プロセスにおけるリング酸化のステップに先行する、リング時効の公知の別個のステップは、完全に省略される。明らかなように、このことは、別個の時効オーブン又は時効チャンバがもはや必要とされないので、全体的なリング製造方法の費用対効果を改善する。

この後者に関して、本発明の基礎となる上記考察に基づき、プロセシングガスにおけるアンモニア濃度を同時に低下させつつリング窒化のステップの継続時間を延長することによって、すなわち時効プロセスと窒化プロセスとが同じ時間で、すなわち組み合わされたリング時効及びリング窒化の１つのステップにおいて同時に完了されるようにすることによっても、同様の結果が得られることが期待される。しかしながら、出願人は、リング製造方法のこのような特定の方式を用いると、最終製品リングのための材料特性が最適でなくなることを発見した。予想しなかったことに、このような製造方式では断続的な析出の現象が生じることが分かった。この現象は、リングの（金属）疲労強度を低下させやすい。

このような現象を確実に回避するために、付加的な判定基準が現時点で導入されている。本発明によれば、このような付加的な判定基準は、酸化のステップが完了した後でかつリング窒化のステップが開始する前の熱処理プロセスにおいて、中間製品リングの（コア）硬さ値が４００ＨＶ１．０以上であることを必然的に伴う。より好適には、過時効の現象を付加的に確実に回避するために、中間製品リングのこのような（コア）硬さ値は、多くとも５００ＨＶ１．０である。

発明の上述の基本的な特徴をここで添付の図面を参照して例として説明する。

本発明が関係する駆動ベルト及びこのような駆動ベルトが使用されるトランスミッションの概略図である。 積層された引張り手段及び横断エレメントが駆動ベルト内で相互に配置される形式を示す図である。 駆動ベルトの無端引張り手段において使用される金属リングの公知の製造方法を象徴的に示す図である。 本発明に従って最適化された上記製造方法の熱処理プロセス部分を示す図である。 本発明による前記熱処理プロセス部分の新規の方式を示す図である。 リングの拡大断面の写真であり、このリングは、断続的な析出の現象を生じた窒化された表面層を有している。

図面において、公知の製造方法及び新規の製造方法の別個のプロセスステップは、ローマ数字で示されている。

図１は、連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）を概略的に示している。連続可変トランスミッションは、２つのプーリ１，２の周囲に巻き掛けられた駆動ベルト１を有している。駆動ベルト１は、バンド１４と呼ばれることもある、互いに重ね合わされた無端の薄く平坦な金属リング１４の２つのセットの形式の積層された引張り手段２と、横断エレメント３と呼ばれることもある、横断エレメント３の実質的に連続的な配列とから構成されている。横断エレメント３は、引張り手段２の円周に沿って取り付けられており、引張り手段２に沿って自由に摺動してよい。このような連続可変トランスミッションは自体公知である。

図２は、横断エレメント３の正面図と、積層された引張り手段２の横断面図とを示している。横断エレメント３は、側方に側面６を有しており、この側面６によって横断エレメントは、駆動プーリ又は被動プーリの１つのシーブの円錐面に対して当接する。引張り手段２のリング１４は、高品質鋼、例えばマルエージング鋼から製造されている。リング１４の典型的な厚さは、０．１５〜０．２５ｍｍであり、リング１４の典型的な幅は、８〜３５ｍｍであり、リング１４の典型的な円周長さは、５００〜１０００ｍｍである。

図３は、金属プッシュベルト製造の初期以来実用されている、上述のベルト１、特にベルトのリング１４のための公知の製造方法のここでの関連する部分を示している。第１のプロセスステップＩにおいて、ベース材料１１のシートは円筒状に曲げられ、互いに突き合わされるシート端部１２は、第２のプロセスステップＩＩにおいて、管１３を形成するように溶接される。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は多数のフープ１４に切断され、これらのフープは引き続きプロセスステップＶにおいて所定の厚さに圧延及び伸長される。圧延の後、フープ１４は通常はリング１４又はバンド１４と呼ばれる。リング１４は、圧延中に導入された内部応力を除去するために別の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１４は較正され、すなわちリングは、２つの回転するローラの周囲に取り付けられ、所定の円周長さに伸長させられる。この第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、内部応力分配もリング１４に提供され、これは、個々のリング１４のいわゆるカーリング半径を規定する。

最後に、後の図４により詳細に示されている公知の製造方法の第８のステップＶＩＩＩにおいて、リング１４は、３つの別個のステップにおいて熱処理され、各ステップにおいて、異なる組成のプロセシングガスが提供される。まず、リング１４は、主に窒素（Ｎ₂）から成る雰囲気中で析出硬化、すなわち時効され（ステップＶＩＩＩ−Ａ）、第２に、リングは、周囲空気、すなわち実質的な量の酸素（Ｏ₂）を含む雰囲気中で酸化させられ（ステップＶＩＩＩ−Ｏ）、第３に、リングは、実質的な量のアンモニア（ＮＨ₃）を含む雰囲気中で窒化、すなわち表面硬化される（ステップＶＩＩＩ−Ｎ）。

リング時効の公知のプロセスステップＶＩＩＩ−Ａにおいて、リング１４は、４３０〜４８０℃に数時間加熱される。このプロセス継続時間は、主に使用されるリング材料の組成に依存することが知られている。例えば、基本的なマルエージング鋼合金組成におけるコバルト（Ｃｏ）の質量％含有量を高めることは、鉄−モリブデン（Ｆｅ_xＭｏ_x）の核形成（すなわち形成）及びニッケル−モリブデン（Ｎｉ_xＭｏ_x）の析出を著しく加速することが知られている。実際には、マルエージング鋼合金に少なくとも８質量％〜１８質量％のコバルトを含むことによって、２時間未満、さらには４５〜９０分までのプロセス継続時間を実現することができる。リング時効ステップＶＩＩＩ−Ａの間、リング材料の硬さは、金属間析出物が鋼マトリックスにおいて形成及び成長し続けながら増大する。５００℃までのプロセス温度を提供することによりリング時効ステップＶＩＩＩ−Ａを加速することも知られている。

リング酸化の公知のプロセスステップＶＩＩＩ−Ｏにおいて、リング１４は、３３０〜４５０℃の温度に５〜１５分間加熱される。リング酸化ステップＶＩＩＩ−Ｏの間、リング１４の表面は、クリーニング及び準備されるか又は窒化プロセスのために"活性化"される。

リング窒化の公知のプロセスステップＶＩＩＩ−Ｎにおいて、リング１４は、４２０〜５００℃の温度に３５〜８０分間加熱され、このプロセス継続時間は主にプロセス温度に依存することが知られている。リング窒化ステップＶＩＩＩ−Ｎの間に、リング１４に、極端な硬さの通常は２５〜３５ミクロンの窒化拡散ゾーン若しくは表面層が提供され、かなりの圧縮応力が提供される。

図３にも示したように、多数のこのような処理されたリング１４から、目的に合わせて選択された多数のリング１４を重ね合わせることによって、すなわちリング１４を互いに同心状に配置することによって、引張り手段２が形成され、この場合、引張り手段２の隣り合うリング１４の間に小さな正の又は負の遊びのみが許容される。

本発明によれば、上記公知の熱処理プロセスは、リング酸化ステップＶＩＩＩ−Ｏの継続時間及び／又は温度を増大することによって著しく改良され、この場合、先行するリング時効ステップＶＩＩＩ−Ｎの継続時間は、リング１４のマルエージング鋼合金組成によって要求されるのに応じて、著しく短縮されてよい。従って、本発明によれば、リング１４は、４５０℃より高い温度で及び／又は１５分以上の間酸化させられる（プロセスステップＶＩＩＩ−Ｏ）。従って、上述のマルエージング鋼合金組成に関して、先行するリング時効ステップＶＩＩＩ−Ａは、好適には３０分以下に短縮される。

本発明の好適な実施形態において、リング１４は、４００〜５７５℃の温度で２０〜９０分間酸化させられる（プロセスステップＶＩＩＩ−Ｏ）。本発明によれば、特に上述のマルエージング鋼合金組成に関して、リング時効の先行する別個のプロセスステップＶＩＩＩ−Ａは、この場合、図５に概略的に示されているように、駆動ベルトリングコンポーネントの熱処理プロセスから完全にかつ好適には省略されてよい。本発明によるこの後者の新規の単純化された熱処理プロセスにおいて、リング１４は、好適には４４０〜４８０℃の温度で３０〜６０分間酸化させられる（プロセスステップＶＩＩＩ−Ｏ）。

最後に、出願人は、リング時効ステップＶＩＩＩ−Ａ（ともかく熱処理プロセスに含まれているならば）と、リング酸化ＶＩＩＩ−Ｏとの別個のプロセスステップの組み合わされた強度は、好適には、最小限の要求を満たすべきであることを発見した。さもなければ、断続的な析出の現象が、リング窒化の後続のプロセスステップＶＩＩＩ−Ｎにおいて生じる恐れがあり、この現象は、図６に示されており、最終製品リング１４の（金属）疲労強度を減じやすい。

図６は、窒化された表面層ＮＳＬを有するリング１４の拡大断面図の写真である。図６に示されているように、リング１４の外面の近くにおいて、材料は、前記断続的な析出物ＤＰに関連した比較的粗い構造を有しており、これは、局所的に、マルエージング鋼の合金元素、例えばモリブデンが、結晶粒界において、所望の金属間化合物ではなく、析出物を形成したことを意味する。

特に、リング窒化のプロセスステップＶＩＩＩ−Ｎは、好適には、中間製品リング１４の（コア）硬さ値が、先行するリング酸化ステップＶＩＩＩ−Ｏにおいて少なくとも４００ＨＶ１．０の値に達した後にのみ行われる、すなわち開始されるべきであり、この場合、前記断続的な析出物ＤＰは生じない。また、中間製品リングの前記（コア）硬さ値は、好適には、後続のリング窒化ステップＶＩＩＩ−Ｎにおける前記過時効を回避するために、５００ＨＶ１．０の値を超えるべきではない。

本発明は、前の説明及び説明されないが、当業者にすぐに明確に明らかである図面の全ての詳細とは別に、さらに以下の請求項の全ての詳細に関連する。

Claims (3)

1. 少なくとも、酸素を含む雰囲気中でリング（１４）を酸化させるプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｏ）と、アンモニアを含む雰囲気中でリング（１４）を窒化させる後続のプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｎ）とを含む、駆動ベルト（１）において使用するための０．１５０ｍｍ〜０．２５０ｍｍの厚さを有する金属リング（１４）のための製造方法における熱処理プロセスにおいて、前記リング（１４）を酸化させるプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｏ）が、３０〜６０分の継続時間を有しており、酸素を含む雰囲気が、４４０〜４８０℃の温度に維持され、前記リング（１４）を酸化させるこのようなプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｏ）の後でかつ前記窒化させる後続のプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｎ）の前に、前記リング（１４）は、４００ＨＶ１．０〜５００ＨＶ１．０の硬さ値を有することを特徴とする、熱処理プロセス。
2. リング（１４）が、マルエージング鋼合金から形成されており、リング（１４）を酸化させるプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｏ）の前に、リング（１４）を４３０〜５００℃の温度で３０分以下だけ時効させるプロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ａ）が行われる、請求項１記載の熱処理プロセス。
3. リング（１４）が、１７〜１９質量％のニッケルと、４〜６質量％のモリブデンと、８〜１８質量％のコバルトと、１質量％未満のチタンと、バランス鉄とを含むマルエージング鋼合金から形成されており、金属リング製造方法における熱処理プロセスが、前記酸化及び窒化プロセスステップ（ＶＩＩＩ−Ｏ；ＶＩＩＩ−Ｎ）のみから成る、請求項１記載の熱処理プロセス。

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