JP5882357B2 - 駆動ベルト金属リング構成部材の製造方法のための熱処理プロセス - Google Patents

Description

本発明は、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、以下の請求項１の前提部によって定義されたような、製造方法の熱処理プロセス部分に関する。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つの公知の種類の駆動ベルトは、欧州特許出願公開第１４０３５５１号明細書に詳細に説明されており、２つの積層された無端引張手段に摺動可能に取り付けられた多数の比較的薄い横断金属エレメントから成り、無端引張手段は、それぞれ、択一的に無端バンドもしくはフープと称される、互いに重ねられた平坦な金属リングのセットから成る。このようなリングは、通常、マルエージング鋼などの析出硬化鋼から製造されており、この析出硬化鋼は、大きな引張強さの特性、ならびに引張応力および曲げ疲労に対する優れた耐久性により、鋼をシート材料から所望の形状に処理するための比較的好ましい可能性、およ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と組み合わされる。本発明は、特に、以下のような基本組成、すなわち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、場合によっては、少量の、１質量％未満のチタンなどのその他の合金元素および／または不純物ならびに残部の鉄とを含む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、大きな引張強さの特性をリングの長手方向曲げを許容するための十分な弾性と組み合わせるためのリングコア材料の適正な硬さ、および耐摩耗性を提供するためのリングの極めて硬い外面層を含む。付加的に、外面層には、金属疲労に対する高い耐性を提供するために残留圧縮応力が提供されており、これは、ベルトの耐用寿命の間にリングが曝される多数の荷重および曲げサイクルにより、リングの重要な特徴である。

このようなリングの公知の製造方法の基本は、技術分野において公知であり、たとえば欧州特許出願公開第１７５３８８９号明細書に説明されている。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、円筒形もしくは管状に曲げられて溶接され、元の材料特性を回復するために、すなわち曲げおよび溶接によってシートベース材料に生ぜしめら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、これらのフープはその後、通常は最終製品において約０．１８５ｍｍである所要の厚さに圧延および延伸される。圧延後、フープは通常リングもしくはバンドと称される。リングは、圧延中に生ぜしめられた内部応力を除去するためにさらに別の焼きなましステップに曝される。その後、リングは較正される。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、所定の周長に引き伸ばされる。

最後に、欧州特許出願公開第１７５３８８９号明細書によれば、リングは、析出硬化、すなわちエージングもしくはコア硬化の熱処理と、ガス軟窒化、すなわちアンモニア含有プロセスガス雰囲気における窒素原子の注入による表面硬化との両方を含む、すなわち組み合わせる、熱処理プロセスに曝される。この公知の組み合わされたプロセスは、１０体積％以上のアンモニアガスを含有する雰囲気中で、４４０〜４８０℃の温度で４５〜６５分間行われる。

公知の組み合わされた熱処理プロセスは、たとえば欧州特許出願公開第１０５５７３８号明細書に説明された、より慣用的な、順次熱処理プロセスに関して極めて費用対効果が高いが、制御するのがより困難であるという欠点も有する。特に、組み合わされた熱処理プロセスでは、駆動ベルト用途におけるリングのために望まれる材料特性を、少なくとも確実におよび／または大量生産において達成することは、より困難であることが分かった。特に、組み合わされた熱処理プロセスでは、リングの外面におけるおよび／または外面の近くにおけるリングの微小構造がしばしば、リングの疲労強度の観点から最適以下であることが分かった。

本発明は、これによって製造された駆動ベルトリングが、エージングおよび窒化の順次行われる熱処理プロセスに従って製造された駆動ベルトリングに少なくとも近く、好適にはそれを超える疲労強度を有するという意味において、現行の組み合わされた熱処理プロセスを改良することを目的とする。

本発明によれば、前記目的は、以下の請求項１による改良された組み合わされた熱処理プロセスによって実現することができる。本発明によれば、組み合われた熱処理プロセスにおける温度は、組み合わされたプロセスが進行するにしたがって次第に低下する。

この手段によって、組み合わされた熱処理プロセスの早期の段階において、つまりプロセス温度が依然として比較的高いときに、リングのエージングが比較的強い、すなわち比較的高速で生じるのに対して、リング窒化は、ほとんど影響されない、すなわち多かれ少なかれ一定の速度で生じる、ということが実現される。組み合わされたプロセスが進行するにつれて温度が低下するので、リングのエージングプロセスは減速し、過剰なエージングが防止される。さらに、リングの窒化は、主として、既にリングの実質的な析出硬化が生じた後に初めて生じる。本発明は、このようにして得られた微小構造が、リングに、現行の組み合われた熱処理プロセスから得られるものよりも著しく高い疲労強度を提供するという、出願人による実験的観察に基づく。

本発明によれば、前記目的は、以下の請求項７による改良された組み合わされた熱処理プロセスによっても実現することができる。発明によれば、プロセスガスのアンモニア含有量は、組み合わされたプロセスが進行するにしたがって次第に増加する。

この手段によって、付加的に、組み合わされた熱処理プロセスの早期の段階において、すなわちアンモニア濃度が依然として比較的低いときに、リング窒化が比較的緩やかである、すなわち比較的低速で生じるのに対し、リングエージングはほとんど影響されない、すなわち多かれ少なかれ一定の速度で生じる、ということが実現される。しかしながら、組み合わされたプロセスが進行するにつれてアンモニア濃度が高まるので、リングの窒化が強まるが、この時点で既にリングの実質的な析出硬化が生じている。本発明は、この場合もやはり、このようにして得られた微小構造がリングに、現行の組み合わされた熱処理プロセスから得られるものよりも著しく高い疲労強度を提供する、という出願人による実験的観察に基づく。現行の組み合わされた熱処理プロセスにおいては、マルエージング鋼の格子に入り込む窒素は、析出物を形成するように合金元素と反応することができるのみならず、リングの外面の近くにおいて窒素化合物をも形成すると仮定され、この窒素化合物は、不都合なことに疲労亀裂発生源として作用する。

好適には、前記両手段は、エージングおよび窒化の組み合わされたプロセスによって製造された場合に駆動ベルトリング構成部材の疲労強度を高めるという発明の効果をさらに高めるために、同時に適用される。この後者の場合、組み合わされたプロセスの間に、プロセスガス雰囲気の温度は好適には４８０〜５２０℃から４００〜４４０℃まで低下させられ、リングに供給されるプロセスガス中のアンモニアガス濃度は、好適には、０〜６体積％から４〜１２体積％へ高められ、好適には窒素ガスのみと混合されている。

また、好適には、本発明によるプロセス温度の低下および／またはアンモニア濃度の上昇は、プロセスが続く限り、すなわちプロセスの開始から終了まで継続する（ように制御される）。また、好適には、前記上昇および／または低下は、実質的に線形に生じる（ように制御される）。これに関して特に有効なプロセス条件は、組み合わされた熱処理プロセスの開始から終了までの、５００℃から４２０℃への前記温度の線形の低下、および２体積％から５体積％への前記アンモニア濃度の線形の増加である。

発明の上記の基本的特徴をここで添付の図面を参照して例として説明する。

本発明が関する駆動ベルト、およびこのような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。 積層された引張手段および横断エレメントが駆動ベルト内で互いに向きづけられている形式の図である。 組み合わされたエージングおよび窒化のプロセスステップを含む駆動ベルトの無端引張手段によって用いられる金属リングの公知の製造方法を概略的に示す図である。 本発明によるリングの組み合わされたエージングおよび窒化の間にリングに供給されるプロセスガスにおける、℃における温度Ｔおよび体積％におけるアンモニアＮＨ₃濃度のプロセス条件を示す図である。

図面において、公知の製造方法およ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によって示されている。

図１は、２つのプーリ４および５の周囲に巻き掛けられた駆動ベルト１を備えた連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）を概略的に示す。ベルト１は、択一的にバンド１４と称される、互いに重ねられた無端の薄い平坦な金属リング１４の２つのセット（図２参照）の形式の、積層された引張手段２と、引張手段２の円周に沿って取り付けられ、引張手段２に沿って自由に摺動してよい、択一的に横断エレメント３と称される、横断エレメント３の実質的に連続的なアレイと、から形成されている。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の正面図および積層された引張手段２の横断面図を示す。横断エレメント３は、横方向に側面６を有し、この側面６によって横断エレメント３は、駆動プーリまたは被駆動プーリの一方のシーブの円錐面に対して当接する。引張手段２のリング１４は、高品質鋼、たと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の典型的な周長は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施されているような、上述のベルト１、特にベルト１のリング１４のための公知の製造方法のここで関連する部分を示す。第１のプロセスステップＩにおいて、ベース材料１１のシートは円筒形に曲げられ、これにより、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において溶接され、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、不活性環境、たとえば真空または主に窒素ガスＮ₂から成る雰囲気において８００℃よりも高い温度で焼きなましされる。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１４は、その後、プロセスステップＶにおいて、所定の厚さに圧延および延伸される。圧延後、フープ１４は通常はリング１４またはバンド１４と称される。リング１４は、圧延中に生ぜしめられた内部応力を除去するために別のさらなる焼きなましプロセスステップＶＩが行われる。その後、第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、リング１４は較正される。すなわちリング１４は２つの回転するローラの周囲に取り付けられ、所定の周長に延伸される。この第７のプロセスステップＶＩＩにおいて、リング１４に内部応力分布も加えられ、これは、それぞれのリング１４のいわゆる巻付け半径を規定する。

最後に、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、リングコア硬化もしくはエージングと、リング表面硬化もしくはガス軟窒化との組み合わされた熱処理プロセスにおいて、６０分間、４６０℃で熱処理される。この例において、プロセスガス雰囲気は、主に不活性ガス、すなわち窒素ガスＮ₂から成るが、１０体積％のアンモニアガスＮＨ₃も含んでいる。

図３にも示したように、このような処理された多数のリング１４から、目的に応じて選択された多数のリング１４を嵌め合わせることによって、すなわち１つのリング１４を別のリング１４の周囲に同心状に配置することによって引張手段２が形成され、この場合、引張手段２の隣接するリング１４の間には小さな正または負の遊びが許容される。

本発明によれば、上記の公知の製造方法、少なくともその組み合わされた熱処理プロセスステップは、図４に示したように、以下の手段のうちの一方または両方を用いることによって、著しく改良される。すなわち、
−組み合わされたプロセス中にプロセスガス雰囲気の温度を次第に低下させるまたは次第に低下するように制御する（図示した例では、組み合わされたプロセスの最初に５００℃から始まり、最後に４２０℃まで低下する）か、または
−組み合わされたプロセスにおいてリング１４に供給されかつ好適には付加的に窒素ガスのみから成るプロセスガスのアンモニア濃度を０から次第に高めるまたは高めるように制御する（図示した例では、組み合わされたプロセスの最初に２体積％から始まり、最後に５体積％まで増加する）。

本発明によれば、組み合わされたエージングおよび窒化プロセスのこの新規の条件は、このように処理されたリングおよび最終的に製造された駆動ベルトの著しく改良された疲労強度を提供する。本発明によれば、このような好適な疲労強度は、組み合わされた熱処理プロセスの早い段階において、窒素原子がまだリング材料に十分に浸透していないときに、比較的急速な初期の析出成長が実現されるという効果から生じる。組み合わされた熱処理プロセスのより遅い段階においては、リング（表面）材料への窒素原子の十分な浸透を依然として保証しながら、過剰なエージングを防止するために、まさに逆の効果が実現される。

好適には、たとえば過剰なエージングおよび／またはいわゆる複合層形成を防止するために、組み合わされた熱処理プロセスは、最初から最後まで１０〜６０分間行われる。

前記説明以外の発明、および説明されないが当業者に即座にかつはっきりと明らかになる図面の全ての詳細は、さらに以下の請求項の全ての詳細に関する。

Claims (9)

1. マルエージング鋼から成る、駆動ベルト（１）において使用するための金属のリング（１４）の製造方法における熱処理プロセスであって、
   前記リング（１４）は、アンモニアガス含有雰囲気において４００℃〜５２０℃の温度で処理される熱処理プロセスにおいて、該熱処理プロセス中にプロセスガス雰囲気の温度は初期の４８０〜５２０℃から最後の４００〜４４０℃まで次第に低下するように制御されることを特徴とする、熱処理プロセス。
2. 前記マルエージング鋼は、
   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、請求項１記載の熱処理プロセス。
3. 熱処理プロセス中にプロセスガス雰囲気の温度はプロセスの最初の５００℃からプロセスの最後の４２０℃まで次第に低下するように制御される、請求項１または２記載の熱処理プロセス。
4. 温度の制御される低下はプロセスの開始から終了まで線形の速度で生じる、請求項１から３までのいずれか１項記載の熱処理プロセス。
5. 熱処理プロセス中にリング（１４）に供給されるプロセスガス中のアンモニアの濃度が増加させられる、請求項１から４までのいずれか１項記載の熱処理プロセス。
6. 熱処理プロセス中にリング（１４）に供給されるプロセスガスにおけるアンモニアの濃度が最初の２〜６体積％から最後の４〜１２体積％まで増加させら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項記載の熱処理プロセス。
7. 熱処理プロセスの間、プロセスガス中のアンモニアの濃度はプロセスの開始時の２体積％からプロセスの終了時の５体積％まで次第に増加させられる、請求項６記載の熱処理プロセス。
8. アンモニア濃度はプロセスの開始から終了まで線形の速度で増加させられる、請求項６または７記載の熱処理プロセス。
9. 前記プロセスは、開始から終了まで１０〜６０分間行われる、請求項１から８までのいずれか１項記載の熱処理プロセス。

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