JP6008976B2 - ドライブベルト金属リング要素の製造方法における熱処理プロセス - Google Patents

Description

本発明は、ドライブベルトに使用される金属リングの製造方法、特に請求項１の上位概念に記載された製造方法の熱処理プロセス部分に関する。ドライブベルトは、典型的には、広く知られた、主に自動車に適用される連続可変トランスミッションの調整可能な２つのプーリの間の動力伝達用の手段として使用される。

広く知られた１タイプのドライブベルトが欧州特許出願公開第１４０３５５１号明細書に詳説されている。このドライブベルトは、比較的薄い多数の横方向金属エレメントから形成されている。横方向金属エレメントは、積層された２つのエンドレスな引張り手段に摺動可能に組み付けられており、引張り手段の各々は、択一的にエンドレスなバンド又はフープと云われる、相互に組み込まれた１セットのフラットな金属リングから構成されている。そのようなリングは、典型的には、マルエージング鋼のような析出硬化鋼から製作されている。析出硬化鋼は、際立った引張り強さ、曲げ疲労及び引張り応力に対する良好な耐性の特性と、シート材料から鋼を所望の形状に製作する比較的好適な可能性及び最終製品リングの材料特性（好適にはリングの周に沿って変動すべきではない）とを兼ね備える。本発明は、特に、１７質量パーセント〜１９質量パーセントのニッケル、４質量パーセント〜６質量パーセントのモリブデン、８質量パーセント〜１８質量パーセントのコバルト、１質量パーセント未満のチタン、場合によっては少量の（例えば１質量パーセント未満）他の合金成分及び／又は不純物を含む基礎組成を有し、残余が鉄であるマルエージング鋼合金の範囲に関する。

前述の所望の材料特性は、際立った引張り強さの特性とリングの長手方向の曲げを可能にするのに十分な弾性とを兼ね備えるためのリングコア材料の適正な硬さと、耐摩耗性を得るためのリングの極めて硬い外側表面層とを含む。追加的に、外側表面層は、金属疲労に対する高い耐性を得るために、残留圧縮応力を有する。これは、リングがベルトの使用期間の間に曝される多数の負荷及び曲げサイクルに基づいて、リングの主な特徴となっている。

そのようなリングの公知の製造方法の原理は、当該技術分野で広く知られていて、例えば欧州特許出願公開第１７５３８８９号明細書に記載されている。リングは、シート素材から形成されている。シート素材は、曲げられ、円筒形の形状又はチューブに溶接され、これが熱処理され、つまり焼きなましされ、元来の材料特性に戻される、つまり曲げ及び溶接により導入された変化が十分に除去される。次いで、チューブは、多数のフープに切断される。フープは、続いて、ロール加工され引き伸ばされ、典型的には最終製品で約０．１８５ｍｍである所望の厚さにされる。ロール加工後に、フープは、通常、リング又はバンドと云われる。リングは、更なる焼きなましステップに曝され、ロール加工中に導入された内部応力が除去される。その後、リングは、寸法調整され、つまりリングは、２つの回転ローラの周りに取り付けられ、所定の周長さに伸ばされる。

最終的に、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、つまり時効又はコア硬化の熱処理と、ガス軟窒化、つまりリングの鋼格子への窒素原子の挿入による表面硬化の熱処理との両方を含む組み合わされた単一のプロセスステップに曝される。欧州特許出願公開第１７５３８８９号明細書によれば、そのような時効及び窒化の組み合わされたプロセスステップでは、リングを、４５分〜６５分間４４０℃〜４８０℃のプロセス雰囲気を含むアンモニアガス中に保つ必要がある。

長年来、特に窒化熱処理の化学は広範に研究されて、ますます理解されている。未だ公開されていないＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７７８３号明細書は、そのような新たに得られた詳しい理解に基づいており、それにより、時効及び窒化が組み合わされた公知のプロセスステップの有効性は依然として大幅に改善できることが指摘されている。特に、そこには、そのようなプロセス雰囲気が５００℃又はそれ以上で維持される条件で、プロセス雰囲気のアンモニアガス含有量が１０体積パーセントを十分に下回るように低減できることが提案されている。そこのような後者のプロセス設定の利点は、極めて少量のアンモニアが使用され、従って窒化熱処理及びその周囲の影響に係るコストが好適に低減されることにある。

ＰＣＴ／ＥＰ２０１０／００７７８３号明細書でも認められているように、前述の新しいプレセス設定は、正確にコントロールしなければならず、そうでない場合には、例えばプロセス温度又はアンモニア濃度の不意の上昇が生じるとき、いわゆる鉄窒化物の化合物層がリングの表面に形成され、これにより、リングの（金属）疲労強さは、許容不能に低減される。この化合物層形成の現象は、特に、窒化チタンのような非金属含有物を含まない又は極めて少量しか含まないマルエージング鋼リング材料の現行の範囲に関係し、この材料は、そのような含有からではなく表面欠陥からの亀裂発生による金属疲労から最終的に破損する傾向にある。実際に、特に大量生産環境で、化合物層及び／又は他の表面欠陥が形成されない狭い範囲の内側で実際のプロセス設定を確実にコントロールすることは極めて困難であると判った。

以下のことがこの新たなプロセス設定の更なる制限となることが判った。つまり、この新しいプロセス設定は、マルエージング鋼リング材料組成の制限された範囲にしか適していない、つまり析出硬化の要求された割合を実現するために比較的高いコバルト及び／又はモリブデン含有量を有するマルエージング鋼材料組成にしか適していない。この種の鋼は、単純に前述の高いコバルト及び／又はモリブデン含有量により、割合高価である。

従って、前述のプロセス設定が、好適には窒化におけるプロセス雰囲気の少量のアンモニア含有量を維持しつつ、（ｉ）化合物層形成のリスクを低減するために、（ｉｉ）マルエージング鋼組成の境界範囲に適合させるために、変化できると、好適であると考えられる。

本発明によれば、本発明の目的は、別個の時効及び窒化のステップを含む熱処理プロセスにより実現される。その際、時効熱処理は、１８０分間を超えて４５０℃〜５００℃の温度で窒化ガス中にリングを保つことを必要とし、窒化熱処理は、４５〜９０分間４２５℃〜４７５℃の温度で、想定量の、但し１２体積パーセント未満、好適には１０体積パーセント未満のアンモニアガスを含むプロセス雰囲気中にリングを保つことを必要とする。特に、良好な結果は、２００分間４９０℃で行われた時効熱処理で得られ、かつ／又は４体積パーセント〜８体積パーセントのアンモニアを含むプロセス雰囲気において７５分間４５０℃で行われた窒化熱処理で得られた。

本発明の上述の基本的な特性は、付属の図面につき、図示の例を用いて説明される。

本発明におけるドライブベルト及びドライブベルトが適用されたトランスミッションを示す概略図である。 積層された引張り手段及び横方向エレメントがドライブベルト内で相互に配向された状態を示す概略図である。 組み合わせられた時効及び窒化のプロセスステップを含む、ドライブベルトのエンドレスな引張り手段に適用される金属リングの公知の製造方法を表す線図である。 本発明によるドライブベルトの引張り手段のリング要素の時効及び窒化の熱処理を表す線図である。

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

図１には、２つのプーリ４，５の周りに巻き掛けられたドライブベルト１を備える連続可変トランスミッション（ＣＶＴ；無段変速機）が概略的に示されている。このベルト１は、２セットの、相互に組み込まれた薄くてフラットな金属リング１４（図２）（択一的にバンド１４と云われる）の構成をした、積層されたエンドレスな引張り手段２と、多数の横方向部材３（択一的に横方向エレメントと云われる）とから構成されている。横方向部材３は、引張り手段２の周囲に沿って実質的に連続的な列を成して取り付けられていて、その周囲に沿って摺動自在である。そのような連続可変トランスミッションは、それ自体広く知られている。

図２には、横方向部材３の正面図及び引張り手段２の横断面図を示す、公知のベルト１の横断面が示されている。横方向部材３は、それぞれ側方に側面６を有し、側面６により、横方向部材３は、２つのトランスミッションプーリ４，５のプーリディスクに係合する。引張り手段２のリング１４は、高品質マルエージング鋼から製作されている。リング１４の典型的な厚さは、０．１５ｍｍ〜０．２５ｍｍの範囲にあり、その典型的な幅は、８ｍｍ〜３５ｍｍの範囲にあり、その典型的な周長さは、５００ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲にある。

図３には、金属プッシュベルト製作の初期から実施されている、上述のベルト１、特にベルト１のリング１４の公知の製造方法のうちの本発明に関係する部分が示されている。第１のプロセスステップＩでは、素材１１のシートが、円筒形の形状に曲げられ、その際、相互に当接するシート端部１２は、第２のプロセスステップＩＩで溶接し合わされ、チューブ１３が形成される。プロセスの第３のステップＩＩＩでは、チューブ１３が、真空又は窒素ガスＮ₂のような不活性プロセス雰囲気中で８００℃を超える温度で焼きなまされる。その後、第４のプロセスステップＩＶで、チューブ１３は、多数のフープ１４に切断される。フープ１４は、続いて、プロセスステップＶで、所望の厚さにロール加工され引き伸ばされる。ロール加工後に、輪１４は、通常、リング１４又はバンド１４と云われる。リング１４は、更なる焼きなましプロセスステップＶＩに曝され、ロール加工の間に導入された内部応力が除去される。その後、第７のプロセスステップＶＩＩで、リング１４は寸法調整され、つまり、リング１４は、２つの回転ローラの周りに取り付けられ、所定の周長さに引き伸ばされる。この第７のプロセスステップＶＩＩでは、リング１４に内部応力分配も生ぜしめられる。内部応力分配は、各リング１４のいわゆるカール半径を規定する。最後に、公知の製造方法の第８のステップＶＩＩＩで、リング１４は、析出硬化又は時効及びガス軟窒化、すなわちリングの鋼格子への窒素原子の挿入による表面硬化の２つの熱処理に曝される。時効及び窒化のような２つの熱処理を別個に、すなわち２つの別個の連続的なプロセスステップで、又は、同時に単一のプロセスステップで行うことが公知である。

窒化では、リング１４は、アンモニアガス含有プロセス雰囲気中に保たれる。最近の開発では、窒化において１０体積パーセント未満の従来にはないほど少量のアンモニアの使用に成功している。窒化におけるそのような少量のアンモニア含有量はそれ自体好適であるが、プロセスパラメータ（つまり温度、時間及び雰囲気）における変動に対する許容が狭くなる（耐性が低くなる）欠点を伴い、リング材料（つまりマルエージング鋼組成）に関してより厳しい要求が課せられることが判った。

図４に線図で示された本発明は、より広い範囲のリング材料組成に対して、窒化において１０体積パーセント未満のそのような少量のアンモニアを使用する方法を提供する一方、プロセスパラメータのコントロールの正確性に関する要求がなくなる。本発明によれば、リング１４の時効及び窒化の熱処理は、別個の２つの、つまり連続的なプロセスステップＶＩＩＩ−Ａ，ＶＩＩＩ−Ｂを含む。本発明における第１のプロセスステップＶＩＩＩ−Ａでは、リング１４は、１８０分を超えるプロセス継続時間の間、４５０℃〜５００℃のプロセス温度で、アンモニアガスを含まず、そして単一の、又は少なくとも主に窒素ガスから成るプロセス雰囲気中に保たれる。本発明における第２のプロセスステップＶＩＩＩ−Ｂでは、リング１４は、４５分〜９０分のプロセス経過時間の間、４２５℃〜４７５℃のプロセス温度で、２体積パーセント〜１２体積パーセント未満のアンモニアガスを含むプロセス雰囲気中に保たれる。

本発明は、更に、上述の記載、及び、説明されていないが専門家には直ぐにしかも一義的に明らかである図面の全ての詳細の他に、以下の特許請求の範囲の全ての詳細に関する。

Claims (4)

1. ドライブベルト（１）に使用するための金属リング（１４）の製造方法における熱処理プロセスであって、
   リング（１４）を、時効及び窒化の２つのステップでそれぞれ製造し、時効のプロセスステップにおいて、リング（１４）を、４５０℃〜５００℃の範囲の温度でアンモニアガスを含まない雰囲気中に保ち、窒化のプロセスステップにおいて、リング（１４）を、４２５℃〜４７５℃の範囲の温度でアンモニアガスを含む雰囲気中に保つ、
   熱処理プロセスにおいて、
   リング（１４）を、時効のプロセスステップで３時間を超えて処理し、
   リング（１４）を、窒化のプロセスステップで少なくとも２体積パーセント、但し１０体積パーセント未満のアンモニアを含有する雰囲気内で処理し、
   リング（１４）は、１７質量パーセント〜１９質量パーセントのニッケル、４質量パーセント〜６質量パーセントのモリブデン、８質量パーセント〜１８質量パーセントのコバルト、１質量パーセント未満のチタンを含み、残部が鉄のマルエージング鋼合金の範囲のマルエージング鋼合金から成っている、
   ことを特徴とする、熱処理プロセス。
2. 窒化のプロセスステップで、リング（１４）を、４体積パーセント〜８体積パーセントのアンモニアを含有する雰囲気内で処理する、請求項１記載の熱処理プロセス。
3. 窒化のプロセスステップで、リング（１４）を、７５分間４５０℃で処理する、請求項１記載の熱処理プロセス。
4. 時効のプロセスステップで、リング（１４）を、２００分間４９０℃で処理する、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。

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