KR20110020948A - 구동 벨트용 금속 링 구성요소에 대한 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구동 벨트(1)용 금속 링(14) 제조 방법에서의 열처리 방법에 관한 것으로, 상기 열처리 방법은 산소를 포함한 분위기에서 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)와, 암모니아를 포함한 분위기에서 링(14)을 질화시키는 후속 처리 단계(Ⅷ-N)를 적어도 포함하며, 산소를 포함한 분위기에서 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 450℃보다 높은 온도에서 및/또는 수 분 동안 또는 그 이상의 시간 동안 수행된다.

Description

구동 벨트용 금속 링 구성요소에 대한 열처리 방법{HEAT TREATMENT PROCESS FOR A DRIVE BELT METAL RING COMPONENT}

본 발명은 구동 벨트용 금속 링 제조 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 이하의 특허청구범위 제1항의 전제부에 의해 한정된 바와 같은 구동 벨트용 금속 링 제조 방법에서의 열처리 방법에 관한 것이다. 구동 벨트는 자동차에 주로 적용되는 공지의 무단 변속기(continuously variable transmission)의 2개의 조정 가능한 풀리 사이에서 동력 전달을 위한 수단으로서 통상 사용된다.

널리 공지된 유형의 일 구동 벨트가 제EP-A-1 403 551호에 상세히 설명되어 있는데, 그 구동 벨트는 2개의 적층형 무단 인장 수단에 활주식으로 합체된 복수개의 비교적 얇은 횡방향 금속 요소로 구성되며, 상기 2개의 적층형 무단 인장 수단 각각은 상호 포개진(mutually nested) 평탄 금속 링의 세트로 이루어지며, 다르게는 밴드 또는 후프(hoop)로 지칭된다. 이러한 링은 마레이징 강철(maraging steel)과 같은 석출 경화형 강철(precipitation hardening steel)로부터 생산되며, 석출 경화형 강철은 강철을 박판 소재로부터 바람직하게는 링의 주연을 따라 변하지 않아야 하는 최종 생성물인 링의 소정 형상 및 재료 특성을 지니도록 처리하기에 비교적 양호한 가능성과 더불어, 상당히 큰 인장 강도 특성과 인장 응력 및 굽힘 피로(bending fatigue)에 대한 양호한 저항 특성을 겸비한다. 특히, 본 발명은 17 내지 19 중량%의 니켈, 4 내지 6 중량%의 몰리브덴, 8 내지 18 중량%의 코발트 및 밸런스 철의 기본 조성을 가지며, 소량의 티타늄, 즉 1중량% 미만의 티타늄이 첨가될 수 있는 마레이징 강철 합금의 범위에 관한 것이다.

이들 소정의 재료 특성은 링의 종방향 굽힘과 내마모성을 제공하는 링의 극도로 단단한 외부 표면층을 허용하도록 충분한 탄성과 상당히 큰 인장 강도의 성질을 조합하기 위한 적절한 경도의 링 코어 재료를 포함한다. 또한, 외부 표면층에는 금속 피로에 대해 높은 저항을 제공하는 잔류 압축 강도(residual compressive stress)가 제공되며, 상기 잔류 압축 강도는 벨트의 사용 수명 동안 링이 받게 되는 무수한 하중과 굽힘 사이클 때문에 링의 중요한 특징이다.

이런 링의 공지된 제조 방법의 근거는 본 기술분야에서 널리 공지되어 있으며, 예를 들면 일본공개 제JP-A-2004-043962호에 설명되어 있다. 링은 시트 베이스 재료로부터 형성되고, 상기 시트 베이스 재료는 실린더 형상 또는 튜브로 구부려지고 용접되며, 재료의 원래 성질을 회복시키도록, 즉 굽힘 및 용접에 의해 야기된 내부에서의 변화를 대부분 제거하도록 열처리되며, 즉 어닐링된다. 다음, 튜브는 복수개의 후프로 절삭되고, 그 후에 상기 후프는 통상적으로 최종 생산물에서 약 0.185 ㎜의 요구되는 두께로 압연되어 신장된다. 압연 단계 이후에, 후프는 일반적으로 링 또는 밴드로 지칭된다. 링은 압연 단계 동안 야기된 내부 응력을 제거하기 위해 추가의 어닐링 단계를 거친다. 이후에, 링은 교정되며, 즉 링은 2개의 회전 롤러 둘레에 장착되어 미리 정해진 주연 길이로 신장된다.

마지막으로, 링은 3개의 개별 단계를 포함하는 열처리 방법을 거치게 되며, 각각의 단계에서는 상이한 조성의 처리 가스가 가해진다. 먼저, 링은 질소(N₂)가 우세하게 포함된 분위기에서 석출 경화(precipitation hardening)되고, 즉 에이징되고, 두 번째로 링은 상당한 양의 산소(O₂)를 포함한 분위기에서, 예를 들면 대기에서 산화되며, 세 번째로 링은 질화되며, 즉 상당한 양의 암모니아(NH₃)를 포함한 분위기에서 표면 경화(case hardening)된다.

전술한 링 제조 방법에 대한 추가의 개발 및/또는 개선에 있어 오랜 기간 동안 추구해온 공동의 목적은, 구동 벨트의 사용 분야를 고려하여 최종 생산된 링에 구현된 재료 성질을 개선하고자 하는 관점에서 뿐만 아니라, 가능한 최대의 비용 효율적 방법으로 이런 양호한 재료 특성을 제공하는 관점에서, 링의 제조 방법의 효율성을 향상시키는 것이다. 본 발명에 따르면, 특히 비용 효율성 측면이 공지의 링 제조 방법에 따라 개선될 수 있다.

이를 위하여, 본 발명은 구동 벨트의 금속 링 구성요소에 대한 전체적인 제조 방법의 일부인 열처리 방법에 대해 신규 사양을 제공한다. 본 발명에 따르면, 링의 산화 단계의 강도를 증가시킴으로써 전술한 공지의 열처리 방법이 현저하게 향상될 수 있으며, 심지어 단순화시킬 수 있고, 이와 동시에 선행하는 링의 에이징 단계를 단축시킬 수 있다. 이에 의해, 링의 산화 강도는 내부에 가해진 온도와 지속 시간 중 어느 하나 또는 양자에 의해 정해진다.

상기의 관점에서, 제JP-A-2004-043962호에 따르면, 링의 산화 단계의 지속 시간 및 온도는 15분 미만의 시간과 섭씨 450도 미만의 온도로 각각 엄격하게 제한되며, 이런 제한은 제JP-A-2004-043962호에 구체화된 링의 에이징 단계와 어느 정도 관련이 있는 것으로 현재 생각되고 있다. 본 발명에 따르면, 제JP-A-2004-043962호에 보고된 최종 생산된 링의 신장 강도의 상당한 손실이 오버 에이징(over-aging) 현상에 의한 것으로 생각된다. 물질이 충분히 높은 온도에서 유지되는 동안에, 즉 링을 질화시키는 단계와 고온에서 링을 산화시키는 단계 동안에 성장을 지속하며, 링의 마레이징 강철 매트릭스에 형성되는 금속간 석출(intermetallic precipitate)이 특정된 임계적 크기보다 크게 성장할 때 오버 에이징이 발생한다. 따라서, 링의 열처리의 전체 지속시간이 내부에 가해진 처리 온도와는 적어도 무관하게 특정 제한치를 초과하지 않아야하지만, 링의 에이징 단계, 링의 산화 단계 및 링의 질화 단계로 구성된 개별 열처리 방법의 각각의 지속시간 사이에서 어느 정도 변동될 수 있다고 현재 생각된다.

본 발명에 따른 신규한 공정 사양의 장점은, 즉 상기 각각의 지속시간 사이에서의 변동의 자유도는, 각각의 열처리 공정 단계의 처리 능력이 보다 자유로우면서 가능한 한 균등한 분배일 수 있으며, 이에 의해 전체적인 링의 제조 방법에 대해 보다 양호한 효율과 비용 효율성을 구현할 수 있다. 이들 각각의 능력은, 예를 들면 제조 체인 또는 제조 라인에서 각각의 단계에 필요한 오븐 또는 오븐 챔버의 사이즈에 의해 결정된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 구동 벨트용 링 구성요소의 종래 열처리 방법에서 링의 산화 단계에 선행하는 공지된 링의 개별 에이징 단계는 생략될 수도 있다. 명백하게는, 개별 에이징 오븐 또는 에이징 챔버가 더 이상 필요 없기 때문에 이것이 전체적인 링의 제조 방법의 비용 효율성을 현저하게 향상시킬 것이다.

후자의 관점에서, 본 발명을 포함하는 상기의 생각들에 기초하여, 본 발명의 당업자는 링의 질화 단계의 지속시간을 증가시키고 동시에 처리 가스의 암모니아 농도를 감소시킴으로써, 즉 에이징 공정과 질화 공정이 동시에 완료될 수 있도록 함으로써, 다시 말하면 링의 에이징 단계와 링의 질화 단계를 조합한 단일의 단계로 동시에 완료될 수 있도록 함으로써 이와 유사한 결과가 달성될 수도 있을 것으로 기대한다. 그러나, 출원인은 이런 특정하게 설정된 링의 제조 방법을 통해서는 최종 생산된 링에 대한 재료 특성이 최적화되지 않는다는 것을 알았다. 예상외로, 링의 (금속) 피로 강도를 감소시킬 수 있는 불연속 석출 현상이 이런 제조 방법을 통해 야기됨을 발견하였다.

이런 현상을 신뢰성 있게 회피하기 위해, 추가 기준이 현재 도입된다. 본 발명에 따르면, 이런 추가 기준은 산화 단계가 완료된 이후와 링의 질화 단계가 시작되기 전의 열처리 공정에서 중간 생산물인 링의 (코어) 경도치가 400 HV1.0 또는 그 이상의 경도치를 가지는 것을 수반한다. 보다 구체적으로, 오버 에이징의 현상을 추가적으로 신뢰성 있게 회피하기 위해, 중간 생산물인 링의 이런 (코어) 경도치는 적어도 500 HV1.0에 이른다.

본 발명의 전술한 기본적 특징들은 첨부한 도면을 참조하여 실시예를 통해 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 구동 벨트와 이런 구동 벨트가 적용된 변속기의 개략도이다.
도 2는 적층형 인장 수단과 횡방향 요소가 구동 벨트 내에서 상호 배향되는 방식을 도시하는 도면이다.
도 3은 구동 벨트의 무단 인장 수단에 적용된 금속 링을 제조하는 공지의 방법을 도식적으로 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따라 최적화된 전술한 제조 방법의 일부인 열처리 공정을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 상기 열처리 공정 일부의 신규한 방법을 도시한다.
도 6은 불연속 석출 현상이 발생한 질화 표면층을 포함한 링의 확대 단면을 나타내는 포토그래프이다.

도면에서, 공지된 제조 방법 및 신규의 제조 방법에서 개별 처리 단계는 로마 숫자의 형태로 지시된다.

도 1은 구동 벨트(1)가 2개의 풀리(1, 2) 둘레에 권취된 무단 변속기(CVT)를 개략적으로 도시한다. 벨트(1)는 두 세트의 상호 포개진(nested) 무단의 얇은 평판 금속 링(14)(다르게는 밴드(14)로 지칭됨) 형태인 적층형 인장 수단(2)과, 횡방향 요소(3)들의 기본적으로 연속하는 배열체(다르게는 횡방향 요소(3)로 지칭됨)로 구성되며, 상기 횡방향 요소들은 인장 수단(2)의 주연을 따라 장착되고 이를 따라 자유로이 활주 가능하다. 이런 무단 변속기 자체는 공지되어 있다.

도 2는 횡방향 요소(3)의 정면과 적층형 인장 수단(2)의 단면을 도시한다. 횡방향 요소(3)의 측면(6)이 측방향에서 도시되어 있는데, 횡방향 요소는 상기 측면에 의해 구동 풀리 또는 피동 풀리의 하나의 쉬브(sheave)의 원추면에 안착된다. 인장 수단(2)의 링(14)은 고품질의 강철, 예를 들면 마레이징 강철로 생산된다. 통상의 링(14) 두께는 0.15 ㎜ 내지 0.25 ㎜의 범위에 이며, 통상의 링 폭은 8 ㎜ 내지 35 ㎜의 범위이고, 통상의 링 주연 길이는 500 ㎜ 내지 1000 ㎜ 범위이다.

도 3은 초기의 금속 푸쉬 벨트를 생산한 이래 수행된 온 바와 같은 전술한 벨트(1)에 대한, 특히 그 벨트의 링(14)에 대한 공지의 제조 방법의 관련 부분을 도시한다. 제 1 처리 단계(Ⅰ)에서 기부 재료의 시트(11)가 실린더 형상으로 굽혀지고, 제2 처리 단계(Ⅱ)에서 상호 맞닿은 시트의 단부(12)가 서로 용접되어 튜브(13)를 형성한다. 제3 처리 단계(Ⅲ)에서 튜브(13)는 어닐링된다. 다음, 제4 처리 단계(Ⅳ)에서 튜브(13)는 복수개의 후프(14)로 절삭되고, 절삭된 후프(14)는 후속하는 제5 처리 단계(Ⅴ)에서 소정의 두께로 압연되어 신장된다. 압연 단계 후에, 후프(14)는 링(14) 또는 밴드(14)로서 통상 지칭된다. 링(14)은 압연 단계 동안에 야기된 내부 응력을 제거하기 위해 추가의 어닐링 단계(Ⅵ)를 거치게 된다. 다음, 제7 처리 단계(Ⅶ)에서 링(14)은 교정(calibrate)되며, 즉 링이 두 개의 회전하는 롤러에 장착되어 미리 정해진 주연 길이로 스트레칭된다. 또한, 제7 처리 단계(Ⅶ)에서 내부 응력 분포가 링(14)에 부과되며, 이는 각각의 링(14)의 소위 컬링 반경(curling radius)을 형성한다.

마지막으로, 이하의 도 4에 보다 구체적으로 도시된 공지의 제조 방법의 제8 처리 단계(Ⅷ)에서, 링(14)은 세 개의 개별 단계로 열처리되며, 각각의 단계에서 상이한 조성의 처리 가스가 가해진다. 먼저, 링(14)은 석출 경화되며, 즉 대부분이 질소(N₂)로 구성된 분위기에서 에이징 처리되고(단계 Ⅷ-A), 두 번째로 링은 대기, 즉 상당량의 산소(O₂)를 포함한 분위기에서 산화되고(단계 Ⅷ-O), 세 번째로 링은 질화되며, 즉 상당량의 암모니아(NH₃)를 포함한 분위기에서 표면 경화된다(단계Ⅷ-N).

링을 에이징 처리하는 공지의 처리 단계(Ⅷ-A)에서, 링(14)은 수 시간동안 430℃ 내지 480℃의 온도로 열처리되며, 처리 지속 시간은 사용되는 링 재료의 조성에 따라 주로 달라지는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 기본 마레이징 강철 합금 조성에 있어 코발트(Co) 중량%량의 증가는 철 몰리브덴(Fe_xMo_y) 및 니켈 몰리브덴(Ni_xMo_y)의 응집(nucleating; 즉, 형성)을 현저하게 가속화한다고 알려져 있다. 실제로, 마레이징 강철 합금에 적어도 8 내지 18 중량%의 코발트를 포함시킴으로써, 2시간보다 적은 처리 지속 시간, 심지어 45분 내지 90분의 낮은 처리 지속 시간이 달성될 수 있다고 알려져 있다. 링을 에이징하는 단계(Ⅷ-A) 동안, 링 재료의 경도는 금속간 석출이 강철 매트릭스에서 형성 및 성장을 지속하기 때문에 증가한다. 또한, 500℃까지의 처리 온도를 적용시킴으로써 링의 에이징 단계(Ⅷ-A)를 가속화시키는 것이 공지되어 있다.

링의 공지된 산화 처리 단계(Ⅷ-O)에서, 링(14)은 5분 내지 15분 동안 330℃ 내지 450℃의 온도로 가열된다. 링의 산화 단계(Ⅷ-O) 동안, 링(14)의 표면은 질화 처리를 위해 세정되어 준비되거나 "활성화"된다.

링의 공지된 질화 처리 단계(Ⅷ-N)에서, 링(14)은 35분 내지 80분 동안 420℃ 내지 500℃ 사이의 온도로 가열되며, 처리 지속시간은 주로 처리 온도에 따라 달라지는 것으로 알려져 있다. 링의 질화 단계(Ⅷ-N) 동안, 링(14)에는 최대 경도(extreme hardness)를 갖는 통상 25 내지 35 마이크로미터의 질화 확산 영역 또는 표면층이 제공되고 상당한 압축 응력이 가해진다.

이렇게 처리된 복수개의 링(14)으로부터 의도적으로 선택된 복수개의 링(14)을 포갬으로써, 즉 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 링(14)을 다른 링(14) 주위에 동심을 이루도록 배치함으로써, 인장 수단(2)이 형성되며, 이에 의해 인장 수단(2)의 인접한 링(14)들 사이에 포지티브(positive) 또는 네거티브(negative) 유극(play)이 허용된다.

본 발명에 따르면, 전술한 공지의 열처리 방법은 링의 산화 단계(Ⅷ-O)의 지속 시간 및/또는 온도를 증가시킴으로써 현저하게 향상될 수 있고, 이에 의해 링의 에이징 단계(Ⅷ-N)의 지속 시간이 링(14)의 마레이징 강철 합금 조성에 의해 요구되는 바와 같이 현저하게 감소될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 링(14)은 450℃보다 높은 온도에서 및/또는 15분보다 긴 시간 동안 산화된다(처리 단계 Ⅷ-O). 따라서, 전술한 마레이징 강철 합금 조성과 관련하여, 선행하는 링의 에이징 단계(Ⅷ-A)가 유리하게는 30분 이하로 감소된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 링(14)은 20분 내지 90분동안 400℃ 내지 575℃ 사이의 온도에서 산화된다(처리 단계 Ⅷ-O). 본 발명에 따르면, 특히 전술한 마레이징 강철 합금 조성과 관련하여, 링의 선행하는 개별 에이징 처리 단계(Ⅷ-A)는, 후자의 경우에, 도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 구동 벨트 링 구성요소의 열처리 방법으로부터 완전하게 및 유리하게 생략될 수 있다. 본 발명에 따른 후자의 신규하고 간단한 열처리 방법에서, 링(14)은 30분 내지 60분동안 440℃ 내지 480℃ 사이의 온도로 산화(처리 단계 Ⅷ-O)되는 것이 바람직하다.

마지막으로, 출원인은 (열처리 공정에 포함되는 경우) 링의 에이징 단계(Ⅷ-A) 및 링의 산화 단계(Ⅷ-O)의 개별 처리 단계의 조합 강도가 바람직하게는 최소한의 요구조건에 부합해야 한다는 것을 알았다. 그렇지 않으면, 불연속 석출 현상이 후속하는 링의 질화 처리 단계(Ⅷ-N)에서 발생할 수 있으며, 이러한 현상은 도 6에 도시되어 있으며 최종 생산물인 링(14)의 (금속) 피로 강도를 감소시킬 수 있다.

도 6은 질화 표면 층(NSL)을 포함하는 링(14)의 확대 단면의 포토그래프이다. 링(14)의 외부 표면 근처에 있는 물질이 상기 불연속 석출(DP)과 관련된 비교적 거친 구조(course structure)를 가지고 있음을 사진에서 확인할 수 있으며, 이는 몰리브덴과 같은 마레이징 강철의 합금 요소들이 소정의 금속간 화합물 대신에 결정 경계에서 질화물을 국부적으로 형성함을 의미하다.

특히, 중간생산물인 링(14)의 (코어) 경도치가 선행하는 링의 산화 단계(Ⅷ-O)에서 적어도 400 HV1.0의 경도치에 도달한 후에 링의 질화 처리 단계(Ⅷ-N)만이 수행되는 것이, 시작되는 것이 바람직함을 알았다. 이런 경우, 상기 불연속 석출(DP)은 발생하지 않는다. 한편, 후속하는 링의 질화 단계(Ⅷ-N)에서 상기 오버 에이징을 회피하기 위해 중간생산물인 링의 상기 (코어) 경도치는 500 HV1.0의 경도치를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

본 발명은 또한 전술한 내용 그리고 기재되지는 않지만 본 기술분야의 당업자에게 너무도 자명한 도면의 모든 세부 사항과는 별도로, 하기의 특허청구범위의 세부 사항과도 관련된다.

Claims (10)

1. 산소를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)와, 암모니아를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 질화시키는 후속 처리 단계(Ⅷ-N)를 적어도 포함하는, 구동 벨트(1)용 금속 링(14) 제조 방법에서의 열처리 방법에 있어서,
   산소를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 450℃보다 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서, 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 적어도 5분의 지속 시간을 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 산소를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)와, 암모니아를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 질화시키는 후속 처리 단계(Ⅷ-N)를 적어도 포함하는, 구동 벨트(1)용 금속 링(14) 제조 방법에서의 열처리 방법에 있어서,
   금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 적어도 15분의 지속 시간을 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 제3항에 있어서, 산소를 포함한 분위기에서 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 330℃보다 높은 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제4항에 있어서, 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 20분 내지 90분의 지속 시간을 가지며, 산소를 포함한 분위기는 400℃ 내지 575℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제4항에 있어서, 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 30분 내지 60분의 지속 시간을 가지며, 산소를 포함한 분위기는 440℃ 내지 480℃의 온도로 유지되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 링(14)은 마레이징 강철 합금으로 제조되고, 금속 링(14)을 산화시키는 처리 단계(Ⅷ-O)는 30분 이하의 시간 동안 430℃ 내지 500℃의 온도에서 금속 링(14)을 에이징하는 처리 단계(Ⅷ-A) 이후에 진행되는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 링(14)은 17 내지 19 중량%의 니켈, 4 내지 6 중량%의 몰리브덴, 8 내지 18 중량%의 코발트, 1 중량% 미만의 티타늄 및 밸런스 철을 포함하는 마레이징 강철 합금으로 제조되고, 금속 링 제조 방법에서의 열처리 방법은 산화 처리 단계(Ⅷ-O)와 질화 처리 단계(Ⅷ-N)만으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 링(14)은 0.150 ㎜ 내지 0.250 ㎜의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 산화 처리 단계(Ⅷ-O)와 질화 처리 단계(Ⅷ-N) 사이에서 중간생산물인 금속링(14)은 400 HV1.0 내지 500 HV1.0의 경도치를 가지는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
    

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