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JP2021127477A - 金属リング積層体の製造方法 - Google Patents

金属リング積層体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】所望の強度を維持しつつ、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さの差を小さくする。【解決手段】マルエージング鋼からなる複数枚の金属リングが積層された金属リング積層体を時効処理するステップと、時効処理された金属リング積層体を窒化処理するステップと、を備えた金属リング積層体の製造方法である。時効処理するステップの後、窒化処理するステップの前に、350℃以上かつ時効処理温度以下の温度において金属リング積層体を酸化処理する。【選択図】図4

Description

本発明は、金属リング積層体の製造方法に関する。
入力側プーリと出力側プーリとをスチール製の伝動ベルトにより接続したスチールベルト式無段変速機(CVT:Continuously Variable Transmission)が、自動車等に用いられている。このスチールベルト式CVTにおける伝動ベルトは、入れ子状に積層された複数枚の薄板金属リングからなる金属リング積層体に、多数のエレメントを隙間なく整列させて取り付けた構造を有している。金属リング積層体の張力によってエレメントを入力側及び出力側プーリに押し付け、入力側プーリから出力側プーリへ動力を伝達する。
エレメントと入力側及び出力側プーリとの摩擦力を確保するため、金属リング積層体を構成する各金属リングには高い張力が加わる。そのため、析出強化型の超強力鋼であるマルエージング鋼が、金属リングに使用されている。また、金属リングには高張力状態で繰り返し曲げ応力も加わる。そのため、疲労強度を高める目的で、金属リングの表面に圧縮残留応力を付与する窒化処理が施される。
一般的には、複数枚の金属リングを1枚ずつ別々に窒化処理した後、それら複数の金属リングを積層する。そのため、窒化処理装置が大型化してしまう等の問題があった。
これに対し、特許文献1には、複数枚の金属リングを積層し、上述の金属リング積層体を形成した後、窒化処理する手法が開示されている。
特表2016−505092号公報
発明者は、マルエージング鋼からなる複数枚の金属リングが積層された金属リング積層体を時効処理した後、窒化処理する金属リング積層体の製造方法に関し、以下の課題を見出した。
特許文献1に開示されたように、金属リング積層体を窒化処理すると、金属リング積層体の中間に位置する金属リングでは、アンモニア等の窒化ガスが入り込み難く、窒化され難い。そのため、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さの差が大きくなってしまう問題があった。
本発明は、上記に鑑みなされたものであって、所望の強度を維持しつつ、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さの差を小さくするものである。
本発明の一態様に係る金属リング積層体の製造方法は、
マルエージング鋼からなる複数枚の金属リングが積層された金属リング積層体を時効処理するステップと、
時効処理された前記金属リング積層体を窒化処理するステップと、を備えた金属リング積層体の製造方法であって、
時効処理するステップの後、窒化処理するステップの前に、350℃以上かつ時効処理温度以下の温度において前記金属リング積層体を酸化処理するものである。
本発明の一態様に係る金属リング積層体の製造方法では、時効処理するステップの後、窒化処理するステップの前に、350℃以上かつ時効処理温度以下の温度において前記金属リング積層体を酸化処理する。そのため、所望の強度を維持しつつ、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さの差を小さくできる。
前記時効処理温度が、450〜500℃であってもよい。
また、当該金属リング積層体が、ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いられてもよい。
本発明により、所望の強度を維持しつつ、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さの差を小さくできる。
第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を構成する金属リングの斜視断面図である。 第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を適用したベルト式無段変速機の断面図である。 第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を適用したベルト式無段変速機の側面図である。 第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法を示すフローチャートである。 第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法を示す斜視図である。 窒化処理後の表面硬さの酸化処理温度依存性を示すグラフである。 酸化処理温度が300℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。 酸化処理温度が330℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。 酸化処理温度が360℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。 酸化処理温度が400℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。 金属リング積層体における表面リング及び中央リングにおける窒化処理後の表面硬さの酸化処理温度依存性を示すグラフである。
以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
(第1の実施形態)
<金属リングの構成>
まず、図1を参照して、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を構成する金属リングについて説明する。図1は、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を構成する金属リングの斜視断面図である。
金属リング11は、マルエージング鋼からなる帯状薄板部材である。金属リング11の厚さは、例えば0.150〜0.200mm程度、幅は、例えば10mm程度である。図1に示すように、金属リング11は、その断面において、表面すなわち外周面11a、内周面11b及び両方の端面11cに窒化層12を有している。換言すると、バルクである非窒化部11dの外縁全体が、窒化層12により囲まれている。
なお、金属リング11は、幅方向中央部が幅方向両端部より外周面11a側にわずかに突出するように緩やかに湾曲している。
金属リング11は、マルエージング鋼からなる。マルエージング鋼は、炭素濃度を0.03質量%以下とし、Ni(ニッケル)、Co(コバルト)、Mo(モリブデン)、Ti(チタン)、Al(アルミニウム)などを添加した析出強化型の超強力鋼であって、時効処理によって高強度及び靱性が得られる。マルエージング鋼の組成は、例えば、17〜19質量%Ni、7〜13質量%Co、3〜6質量%Mo、0.3〜1.0質量%Ti、及び0.05〜0.15質量%Al、残部がFe及び不可避不純物である。また、例えばCr、Cu等を少量含有してもよい。
詳細には図2、図3を参照して後述するように、周長がわずかに相違する複数枚(例えば10枚程度)の金属リング11を入れ子状に積層することによって、金属リング積層体10が構成される。
<金属リングを適用したベルト式無段変速機の構成>
次に、図2及び図3を参照して、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を適用したベルト式無段変速機1について説明する。図2は、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を適用したベルト式無段変速機の断面図である。図3は、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法によって製造される金属リング積層体を適用したベルト式無段変速機の側面図である。
図2及び図3に示すように、周長がわずかに相違する複数枚の金属リング11を入れ子状に積層することにより、左右一対の金属リング積層体10が構成される。図3に示すように、この一対の金属リング積層体10に、多数(例えば400枚程度)のエレメント15を隙間なく整列させて取り付けることにより、伝動ベルト2が構成される。ここで、エレメント15の板厚方向が、金属リング積層体10の周方向に一致している。
図2の破線円内には伝動ベルト2の拡大図が示されている。図2の拡大図に示すように、エレメント15は、胴部15d、頭部15f、及び両者を幅方向中央部で連結する首部15gから構成されている。胴部15dは、入力側プーリ4、出力側プーリ5に係合する端面部15a、15b及びロッキングエッジ部15cを有する。頭部15fには、互いに積層方向に凹凸をなして係合する凹凸係合部15eが形成されている。そして、首部15gの両側において、胴部15d及び頭部15fの間に、一対の金属リング積層体10が挿入されている。
図3に示すように、金属リング積層体10及び多数のエレメント15からなる伝動ベルト2は、入力側プーリ4及び出力側プーリ5に巻き掛けられている。伝動ベルト2の2つの湾曲区間において、金属リング積層体10の張力によってエレメント15が入力側プーリ4及び出力側プーリ5に押し付けられる。そのため、入力側プーリ4から出力側プーリ5へ動力を伝達することができる。
ここで、図3に示すように、ベルト式無段変速機1は、入力軸3に連結された入力側プーリ4と、出力軸6に連結された出力側プーリ5と、両者の間に巻き掛けられた動力伝達用の伝動ベルト2と、を備えている。このベルト式無段変速機1では、図示しない車両のエンジンからクラッチやトルクコンバータを介して入力軸3に動力が入力される。一方、出力軸6から図示しない減速歯車機構や差動歯車装置を介して左右の駆動輪に動力が出力される。
図2に示すように、出力側プーリ5は、出力軸6に固定された固定側シーブ部材5aと、出力軸6に軸方向変位可能に支持された可動側シーブ部材5bとを有している。固定側シーブ部材5aと可動側シーブ部材5bとの間に略V字形の溝が形成され、溝幅Wを変更することができる。出力側プーリ5には、圧縮コイルばね7及び油圧アクチュエータ8が付設されている。
圧縮コイルばね7は、出力側プーリ5の溝幅Wを縮小させるダウンシフト方向に可動側シーブ部材5bを付勢する。
油圧アクチュエータ8は、可動側シーブ部材5bの背面側に油圧を作用させ、可動側シーブ部材5bを軸方向に変位させる。
このような構成により、出力側プーリ5に対する伝動ベルト2の巻き掛かり半径rを、最小半径rminから最大半径rmaxの範囲内で変化させることができる。
なお、圧縮コイルばね7のような付勢部材を有しない点を除けば、入力側プーリ4は出力側プーリ5と略同様な構成を有している。詳細には図示しないが、入力側プーリ4は、入力軸3に固定された固定側シーブ部材と、この固定側シーブ部材との間に略V字形の溝を形成するよう入力軸3に軸方向に変位可能に支持された可動側シーブ部材とを有している。さらに、可動側シーブ部材をアップシフト方向に付勢可能な油圧アクチュエータを有している。
<金属リングの製造方法>
次に、図4、図5を参照して、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法について説明する。図4は、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法を示すフローチャートである。図5は、第1の実施形態に係る金属リング積層体の製造方法を示す斜視図である。
図4に示した工程に先立ち、例えば以下の処理を行う。
まず、図5の上側に示すように、シート状素材を円筒状に成形し、端面同士を溶接することによって、パイプ状素材を製造する。当然のことながら、パイプ状素材は、このような溶接パイプに限定されるものではなく、継目無パイプであってもよい。
次に、図5の下側に示すように、パイプ状素材を溶体化処理した後、パイプ状素材から金属リング11を切り出す。
次に、図示しないが、金属リング11を所定の厚さまで薄くするとともに所定の周長まで延伸する。
その後、ひずみを除去するために、窒素雰囲気もしくは還元雰囲気において、800〜900℃程度の温度で、5〜30分程度焼鈍する。
さらに、焼鈍した金属リング11に張力を加え、所定の周長まで高精度に調整した後、金属リング11を積層し金属リング積層体10を形成する。
その後、図4に示した工程を行う。
まず、図4に示すように、金属リング積層体10を時効処理する(ステップST1)。時効処理は、例えば、窒素雰囲気もしくは還元雰囲気において、450〜500℃程度の温度で、90〜180分程度行う。
次に、金属リング積層体10を酸化処理する(ステップST2)。酸化処理は、窒化処理を促進するための前処理である。酸化処理は、350℃以上かつ時効処理温度以下で行う。酸化処理時間は、例えば15〜60分である。酸化処理温度の詳細については後述する。
最後に、金属リング積層体10を窒化処理する(ステップST3)。窒化処理は、例えば、5〜15体積%のアンモニアガス、1〜3体積%の水素ガス、残りが窒素ガスとなる雰囲気において、400〜450℃程度の温度で、40〜120分程度行う。
なお、雰囲気中の水素ガスは、以下に示すアンモニアガスの熱分解反応により発生するものである。
2NH→2(N)+3H
ここで、(N)は、金属リング11の表面に接触して生じた窒素原子である。この窒素原子が金属リング11の内部に侵入することによって、窒化物が生成され、図1に示した窒化層12が形成される。
以上に説明した通り、本実施形態に係る金属リング積層体の製造方法では、複数枚の金属リング11を1枚ずつ別々に窒化処理するのではなく、金属リング積層体10を窒化処理する。そのため、窒化処理装置を小型化できる。
他方、金属リング積層体10を窒化処理する場合、金属リング11を1枚ずつ窒化処理する場合に比べ、金属リング積層体の表面に位置する金属リングと、中間に位置する金属リングとの表面硬さに差が生じ易い。
具体的には、最外周の金属リング11の外周面11a及び最内周の金属リング11の内周面11bは露出しているため、窒化され易い。反対に、金属リング積層体10の中間に位置する金属リング11の外周面11a及び内周面11bは、隣接金属リング11の外周面11a又は内周面11bと密着しており、アンモニアガスが入り込み難いため、窒化され難い。
そのため、金属リング積層体10の中間に位置する金属リング11の外周面11a及び内周面11bは、最外周の金属リング11の外周面11a及び最内周の金属リング11の内周面11bに比べ、窒化層12が薄くなり、表面硬さが小さくなり易い。
また、最外周の金属リング11の内周面11b及び最内周の金属リング11の外周面11aも同様に表面硬さが小さくなり易い。
なお、窒化層12の厚さは、例えばナイタルエッチング後のミクロ組織観察により測定できる。また、金属リング11の表面硬さは、例えばマイクロビッカース硬さ試験により測定できる。
そこで、本実施形態に係る金属リング積層体の製造方法では、窒化処理を促進するための酸化処理を350℃以上かつ時効処理温度以下で行う。酸化処理温度を350℃以上とすることによって、金属リング積層体10における金属リング11間の表面硬さの差を小さくできる。他方、酸化処理温度を時効処理温度以下とすることによって、過時効が抑制され、金属リング11のバルク(非窒化部11d)を所望の強度に維持できる。
<酸化処理温度について>
上述の通り、本実施形態に係る金属リング積層体の製造方法では、金属リング積層体10における金属リング11間の表面硬さの差を小さくするため、酸化処理を350℃以上で行う。以下に、酸化処理温度について説明する。
図6は、窒化処理後の表面硬さの酸化処理温度依存性を示すグラフである。図6の横軸は酸化処理温度、縦軸は窒化処理後の表面硬さ(HV)を示す。
図6に示すように、9質量%Co及び12質量%Coの2種類のマルエージング鋼からなる1枚の金属リング11について窒化処理後の表面硬さの酸化処理温度依存性を調査した。Co以外の組成は、18質量%Ni、5質量%Mo、0.45質量%Ti、0.1質量%Al、残部がFe及び不可避不純物であって、いずれの金属リング11でも共通である。金属リング11の厚さは0.185mm、幅は9.7mmである。
本実施形態に係る金属リング積層体の製造方法と同様に、時効処理された金属リング11を酸化処理した後、窒化処理した。
時効処理は、Nガス90%+Hガス10%の雰囲気下において、470℃で120分行った。
酸化処理は、大気雰囲気下において、各温度で30分行った。
窒化処理は、Nガス90%+NHガス10%の雰囲気下において、420℃で70分行った。
窒化処理後の表面硬さ(HV)は、マイクロビッカース硬さ試験により測定した。
図6に示すように、9質量%Co及び12質量%Coの金属リング11のいずれも、酸化処理温度300℃において、窒化処理後の表面硬さがピーク値を示した。酸化処理は窒化処理を促進するための前処理であるが、酸化処理温度が300℃を超えると、Coの酸化物が生成され、窒化が阻害されるものと推察される。
図6に示すように、9質量%Coの金属リング11よりもCo量が多い12質量%Coの金属リング11において、300℃を超える酸化処理温度における表面硬さの低下が顕著である。
次に、図6に示した12質量%Coの金属リング11を9枚積層した金属リング積層体10について、300℃、330℃、360℃、400℃において酸化処理し、窒化処理後の表面硬さを調査した。具体的には、金属リング積層体10の最外周(1枚目)の金属リング11及び中央(5枚目)の金属リング11について、外周面11aの表面硬さを調査した。その他の条件は、上述の通りである。
ここで、酸化処理温度が300℃、330℃の金属リング積層体10は比較例であり、酸化処理温度が360℃、400℃の金属リング積層体10は実施例である。
図7は、酸化処理温度が300℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。
図8は、酸化処理温度が330℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。
図9は、酸化処理温度が360℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。
図10は、酸化処理温度が400℃の金属リング積層体における幅方向での表面硬さの変化を示すグラフである。
図7〜図10の横軸は金属リング積層体の幅方向中央からの距離(mm)、縦軸は窒化処理後の表面硬さ(HV)を示す。
図7〜図10のグラフの上には、金属リング積層体10の断面図が模式的に示されている。金属リング積層体10の断面図における幅方向の位置は、図7〜図10のグラフの横軸と一致している。図7〜図10では、測定対象である最外周の金属リング11(図中及び以下、「表面リング」)及び中央の金属リング11(図中及び以下、「中央リング」)をハッチングして示している。
図7〜図10に示すように、表面リングの表面硬さは、幅方向の位置によらず一定となる。具体的には、図7に示すように、酸化処理温度が300℃の場合、表面リングの表面硬さは950HV程度で一定ある。図8に示すように、酸化処理温度が330℃の場合、表面リングの表面硬さは940HV程度で一定ある。図9に示すように、酸化処理温度が360℃の場合、表面リングの表面硬さは910HV程度で一定ある。そして、図10に示すように、酸化処理温度が400℃の場合、表面リングの表面硬さは870HV程度で一定ある。図7〜図10に示した表面リングの表面硬さは、図6に示した12質量%Coの金属リング11における表面硬さの値と略一致している。
他方、図7に示すように、酸化処理温度が300℃の場合、中央リングの表面硬さは幅方向両端部では表面リングの表面硬さと同等である。しかしながら、両端部から中央部に向かって表面硬さが急激に低下する。具体的には、950HV程度から860HV程度まで表面硬さが低下する。すなわち、表面リングと中央リングとの表面硬さの差は90HV程度である。
また、図8に示すように、酸化処理温度が330℃の場合も、酸化処理温度が300℃の場合と同様の傾向を示す。具体的には、940HV程度から890HV程度まで表面硬さが低下する。すなわち、表面リングと中央リングとの表面硬さの差は50HV程度である。
これに対し、図9に示すように、酸化処理温度が360℃の場合、中央リングの表面硬さは幅方向両端部から中央部に向かって表面硬さがあまり低下しない。具体的には、910HV程度から880HV程度までしか低下しない。すなわち、表面リングと中央リングとの表面硬さの差は30HV程度である。
また、図10に示すように、酸化処理温度が400℃の場合、中央リングの表面硬さは幅方向両端部から中央部に向かって表面硬さがほとんど低下しない。具体的には、870HV程度から850HV程度までしか低下しない。すなわち、表面リングと中央リングとの表面硬さの差は20HV程度である。
このように、酸化処理温度が360℃及び400℃の実施例に係る金属リング積層体10では、表面硬さの値は低下したものの、比較例に係る金属リング11間の表面硬さの差を約30HV以下に劇的に小さくできた。
図11は、金属リング積層体における表面リング及び中央リングにおける窒化処理後の表面硬さの酸化処理温度依存性を示すグラフである。図6と同様に、図11の横軸は酸化処理温度、縦軸は窒化処理後の表面硬さ(HV)を示す。図11における表面リングの曲線は、図7〜図10における「幅方向中央からの距離」が−1mm、0mm、1mmでの表面リングのデータ(3点)の平均値をプロットしたものである。上述の通り、この表面リングの曲線は、図6における12質量%Coの金属リング11の曲線に略一致した。図11における中央リングの曲線は、図7〜図10における「幅方向中央からの距離」が−1mm、0mm、1mmでの中央リングのデータ(3点)の平均値をプロットしたものである。
金属リング積層体10において、中央リングの幅方向中央部では、表面リングに比べ、酸化処理時の酸素濃度及び窒化処理時のアンモニアガス濃度が低い状態と同等であると考えられる。そのため、中央リングの幅方向中央部では、表面リングに比べ、窒化処理を促進する酸化も生じ難く、その後の窒化も生じ難くなるものと考えられる。従って、図11に示すように、中央の金属リング11は、最外周の金属リング11に比べ、窒化処理後の表面硬さは低くなる。
また、中央リングの幅方向中央部では、表面リングに比べ、酸素濃度が低いため、表面硬さがピーク値を示す酸化処理温度が330℃近傍にシフトしている。そして、図11に示すように、300℃から350℃にかけて、表面リングの表面硬さは急激に降下するのに対し、中央リングの表面硬さはピークを有する。
そのため、表面リングと中央リングとの表面硬さの差が急激に小さくなる。従って、図11にドット表示するように、酸化処理温度を350℃以上にすることによって、金属リング積層体10における金属リング11間の表面硬さの差を小さくできる。具体的には、金属リング積層体10における金属リング11間の表面硬さの差を約30HV以下にできる。
なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
1 無段変速機
2 伝動ベルト
3 入力軸
4 入力側プーリ
5 出力側プーリ
5a 固定側シーブ部材
5b 可動側シーブ部材
6 出力軸
8 油圧アクチュエータ
10 金属リング積層体
11 金属リング
11a 外周面
11b 内周面
11c 端面
11d 非窒化部
12 窒化層
15 エレメント
15a、15b 端面部
15c ロッキングエッジ部
15d 胴部
15e 凹凸係合部
15f 頭部
15g 首部

Claims (3)

  1. マルエージング鋼からなる複数枚の金属リングが積層された金属リング積層体を時効処理するステップと、
    時効処理された前記金属リング積層体を窒化処理するステップと、を備えた金属リング積層体の製造方法であって、
    時効処理するステップの後、窒化処理するステップの前に、350℃以上かつ時効処理温度以下の温度において前記金属リング積層体を酸化処理する、
    金属リング積層体の製造方法。
  2. 前記時効処理温度が、450〜500℃である、
    請求項1に記載の金属リング積層体の製造方法。
  3. 当該金属リング積層体が、ベルト式無段変速機の伝動ベルトに用いられる、
    請求項1又は2に記載の金属リング積層体の製造方法。
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