CN101842502B - 传动带环组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于无级变速器动力传动的传动带(1)的封闭金属环(32)的制造方法,其至少包括在高温下于至少包含氨气的气氛中氮化或表面硬化环(32)的工艺步骤(IX),该方法特征在于,在表面硬化的工艺步骤(IX)完成后,在制造方法的进一步或者后处理工艺步骤(IX-A;VIII)中将环(32)在高温下置于还原气氛中。
Description
本发明涉及一种闭合、薄的挠性金属条带的制造方法,该条带通常结合在用于动力传动的传动带中,所述传动带位于所熟知的无级变速器或CVT的两个可调整皮带轮之间。本发明进一步涉及通过所述方法获得的产品。
至少涉及在传动带中的应用时,该条带还被称作传动带环组件,如EP-A-1403551所述,该传动带以及环组件通常是已知的。在这种已知类型的传动带(通常被称为推动带)中,若干个所述的环结合到一个传动带中,或通常来说两个层叠的传动带中,即相互径向嵌套设置。已知的推动带进一步包括若干滑动安放在所述的条带装置上的横向金属零件。在推动带的应用中,工件环形态由马氏体时效钢产生,该类型的钢尤其具有比较好的焊接和塑性形变材料的可能,而且至少在合适的热处理后,具有较高抗拉强度和较好的耐摩擦和抗弯曲和/或拉伸应力疲劳性能。
已知的环具有一定硬度的芯材料,用于达到较好的拉伸、屈服和弯曲强度,并且具有高抗金属疲劳性能,环的芯嵌埋在基本上更硬并因而耐磨损的环材料外表面层内。所述硬表面层具有最大的厚度以限制内环应力,并且提供给环足够弹性,以容许纵向弯曲以及耐疲劳断裂。当然,尤其后者这个特性在环的传动带应用中是意义重大的,原因是在其使用寿命过程中要经过大量的负载和弯曲循环。为达到上面所提到的材料性能,已知的制造方法包括两个老化热处理,即,对环进行本体沉淀硬化和表面硬化,更特别的是氮化,典型的是气体软氮化。这些带,至少其环组件的常规制备方法工艺步骤已经被申请人应用了几十年,同时也是在所属领域内公知的,如欧洲专利EP-A-1055738中所描述的。
已知环制备方法的一个问题是:在进行气体软氮化过程中,在环上可形成铁氮化物层,该层也被称为化合物层,而且该层影响表面的硬度和延展性。因此,经过氮化的环组件机械性能不能像预想的一样保持一致,而且环表面层在推动带的应用过程中局部可变得太易破裂。
该化合物层厚度主要不仅取决于马氏体时效钢合金组成,还取决于气体软氮化工艺的工艺设置,比如工艺温度、时间和气氛(即氮化气体的组成)。但是当在氮化工艺朝着效率优化设定时,比如当通过增加工艺温度和/或(气体)氮化电位来减少处理时间的时候,该化合物层也会形成的越快且形成范围越大。
本发明的目标是能够实现推动带环组件所需的机械性能,而不在环氮化工艺的设置上采取特别的限定条件,从而避免所说的化合物层形成。
根据本发明,该目标可以采取本发明权利要求1特征部分中描述的特殊措施来实现。通过该权利要求,在氮化工艺步骤之后再进行进一步后处理工艺,其中环在还原气氛中进行热处理,该气氛中基本不含氨气和氧气,优选主要由氮气构成,优选包含若干(如至多15)体积%的氢气。在该后处理过程中,铁氮化物溶解并且该化合物层从环表面被有效移除。氢气的存在可以显著提高工艺过程中化合物的移除速度。与典型的或至少常规环的氮化和老化处理所需的时间相比,所述的环处理可采取较短的时间周期。然而,温度优选设置为与先前的氮化工艺步骤的温度设置相当,更优选的值在400-500℃范围内。
通过对环的制造方法尤其是环的氮化工艺进行设置,实现了时间和经济效益路线,至少避免了形成铁氮化合物层,所述铁氮化合物层在所述环后处理后毕竟要移除。
根据本发明,所述后处理可以进行设置,使得能同时发生体相沉淀硬化,即环材料的老化。事实上,根据本发明发现了当在这样后处理中采用适当的工艺设置时,在该后处理工艺步骤中产生了老化过程,从而可以顺利省略在氮化工艺前的常规老化处理步骤。
本发明的基本原理将通过实施例辅之附图的方式进行阐述。
图1为公知的无级变速器的示意图,该变速器具有传动带,传动带配套有环组件。
图2为传动带的透视图。
图3示意性表示出已知的传动带金属环制造方法一部分的概况。
图4和图5分别示意性表示根据本发明改进的制备方法一部分的概况。
图1示出通常应用于摩托车的引擎与驱动轮之间的传动线中的已知的无级变速器或CVT的中心部分。变速器包含两个皮带轮1,2,每个皮带轮都具有圆锥形皮带轮盘片4,5,它们之间限定有主要是V型皮带轮凹槽,且其中盘片4沿着各皮带轮轴6,7进行轴向运动。传动带3卷绕着皮带轮1,2传递旋转运动ω,并且从一个皮带轮1,2到另一个皮带轮2,1间传递伴生的扭矩T。
变速器通常还包含促动装置(activation means),其在所述的至少一个盘片4上施加轴向取向的夹紧力Fax,该夹紧力朝向另外的皮带轮盘片5,使得传动带3在两者之间被夹紧。并且,变速器的速度比也随之被确定,该速度比被定义为驱动皮带轮2的旋转速度和驱动皮带轮1的旋转速度之间的比。
已知的传动带3的实例在图2中以其截面形式更具体的示出,带3结合闭合拉伸装置31使用。在该特例中,闭合拉伸装置31由两组平的(即带状)挠性金属环32构成。带3进一步包含大量的盘状横向零件33,该盘状横向零件33与拉伸装置31接触并通过拉伸装置31连接在一起。零件33承担所述的夹紧力Fax,从而当在所说的传动皮带轮1上施加驱动输入扭矩Tin时,盘片4,5和传动带3之间的摩擦力引起驱动皮带轮1的转动,从而通过同样的旋转传动带3传递到所说的传动皮带轮2。
在CVT的运行过程中,带3尤其是其环组件32经受着循环变化的拉伸应力以及弯曲应力,即疲劳载荷。典型地,在给出转换扭矩T的条件下,环组件的耐疲劳性和疲劳强度决定了传动带3的功能性寿命。因此,在最少的材料和工艺耗费组合的前提下,改进传动带的制造方法来实现所需的环疲劳强度成为了一个长期致力的发展目标。
图3阐述了当前已知的传动带环组件32的制造方法中的相关部分,该方法在早期传动带生产中在就已经被采用,其中各工艺步骤通过罗马数字来表示。在第一工艺步骤I中,基材片材11被弯曲成圆柱形,其中对接的片材端部12在第二工艺步骤II中被焊接在一起,形成管13。在第三工艺步骤III中,管13退火。然后,在第四工艺步骤IV中,管13被切割成若干个箍圈14,随后进行第五工艺步骤V,所述箍圈14经轧辊和拉伸获得所需的终端产品,产品厚度在0.1-0.2mm之间,典型的大约185μm。在经过轧辊后,箍圈14即被称为环32.
环32经过进一步退火处理步骤VI,除去在轧辊过程(步骤V)中引入的内部应力。随后,在第七工艺步骤VII中,对环32进行校准,即,将它们围绕两个旋转辊安装,并拉伸至预先设定的周长。在该第七工艺步骤VII中,内部应力分布被施加到环32上。然后,环32经两个分开的工艺步骤中进行热处理,即老化和体相沉淀的第八工艺步骤VIII以及氮化或者表面硬化的第九工艺步骤IX。更特别的是,两个热处理步骤都包括在包含用于环氮化的控制气氛的工业烘箱或工业炉中对环32进行加热,所述控制气氛通常由氮气和一些(典型地约5体积%)氢气组成,以及由氮气和氨气组成。两个热处理典型地在在约400-500℃的温度范围内进行,反应时间依据环32的基体材料(马氏体时效钢合金组成)和环32所需的机械性能持续约45分钟至多于120分钟。
最后,如图3进一步所示,通过径向堆垛(即嵌套)若干特意选定的环32,形成经处理环32的组31。为获得适合于形成一组31的所需数量的环32,在第十个工艺步骤X中对环32的周长(或其它合适的参数如直径)进行测量,并且在最后所述的第十一个工艺步骤XI中,通过相互嵌套所需数量的合适尺寸的环32,组装环32的组31。
在氮化工艺中(图3中的步骤九IX),烘箱气氛中的氨分子在环32表面上解离,从而形成了氮原子,该氮原子然后被吸收(即扩散)进环32的钢基体中。环32表面层的附加硬度通过氮间隙和含氮沉淀产生。但不可避免的,所形成氮原子的一部分跟环32表面上的马氏体时效钢的铁原子发生反应,并局部形成铁氮化物,称作化合物层。这些铁氮化物的形成的范围大小取决于时间、温度和氮化工艺步骤IX中的工艺气氛设置。因此,环32的机械性能将不会像所希望的一致,而且,对于合适应用在传动带3中,环表面层可甚至局部变得太脆。因此,原则上优选通过优化环氮化的工艺设置来阻止该化合物层的形成。但是这样做,环氮化工艺步骤IX的效率正常来说会受到不利影响。
但是根据本发明,不需要阻止在环氮化工艺步骤IX中形成化合物层,因为发现了该涂层之后在进一步的后处理工艺步骤IX-A中(在环氮化的工艺步骤IX完成以后)可以被有效的移除,这在图4中有示意性的说明。使用如此设置的环制造方法,尤其是氮化工艺步骤IX,可以完成时间和经济效益路线,至少不需要避免在环32上生成铁氮化合物层,所述铁氮化合物层过后在所述的后处理步骤IX-A中必定要移除。
在该后处理步骤IX-A中,环32在还原气氛下加热到400-500℃,该压力气氛基本不存在氨气和氧气,优选主要由氮气组成,更优选包含若干体积%的氢气。在该后热处理步骤IX-A中,铁氮化物被分解并且在氮化期间形成的化合物层由此被很好很有效的移除出环表面。氢气的存在可以显著加速组合物移除的进程。根据本发明,氢气浓度优选为反应气氛的5-15%体积%,更优选约10体积%。
根据本发明,上述用于移除化合物层的环32的后处理可以有利地建立,使得体相沉积硬化,即环材料的老化同时发生。实际上,已经发现当将常规老化工艺步骤VIII的工艺设置应用到所述后处理中时,环材料的体相沉淀硬化甚至能够在所述的后处理过程中全部完成。因而,将本发明应用到整个环制造方法中的方便有效的方式是:简单将常规的老化和氮化热处理应用顺序颠倒,即,仅在已知的环氮化工艺步骤IX完成以后,进行已知的环老化工艺步骤VIII。根据本发明,在环制造方法的安排中,环老化工艺步骤VIII因此同时充当了后处理,即,用于从环表面移除可在环氮化过程中形成的化合物层。关于根据本发明的环制造方法的后者配置,示意性显示在图5中。因此,相比较图3所示的已知环制造方法,所述后处理避免了额外的处理步骤。此外,如果将所说的后处理作为额外的工艺步骤加入到已知的环制造方法中,由此导致的所谓过老化和随后的环32中心硬度降低也被防止。
本发明现进一步通过一组权利要求来进行说明,除了涉及之前的描述外,本发明还涉及其中的细节,以及本领域技术人员通过说明书和涉及的图片直接和概括得出的内容。
Claims (10)
1.用于无级变速器动力传动的传动带(1)的封闭金属环(32)的制造方法,其至少包括在高温下于至少包含氨气的气氛中氮化或表面硬化环(32)的工艺步骤(IX),该方法特征在于,在表面硬化的工艺步骤(IX)完成后,在制造方法的进一步或者后处理工艺步骤(IX-A;VIII)中将环(32)在高温下置于还原气氛中。
2.根据权利要求1所述方法,其中所述的工艺步骤(IX,IX-A;VIII)直接连续地进行,可能甚至在工业烘箱的单一腔体中进行,在所述还原气氛中当表面硬化完成后通过泵抽从该腔体冲洗氮化气氛。
3.根据权利要求1或2所述的方法,其特征在于所述还原气氛主要由氮气组成。
4.根据权利要求3所述的方法,其特征在于所述还原气氛进一步包含氢气。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征在于所述氢气量为所述还原气氛的5-15体积%,优选为9-11体积%。
6.根据前述权利要求之一所述的方法,其特征在于在后处理工艺步骤(IX-A;VIII)中,所述还原气氛保持在400-500℃的温度。
7.根据前述权利要求之一所述的方法,其特征在于所述后处理工艺步骤(IX-A;VIII)持续45-120分钟。
8.制造封闭金属环(32)的方法,优选根据前述权利要求之一所述,该方法包括在高温下于至少包含氨气的气氛中氮化或表面硬化环(32)的工艺步骤(IX),并且包括在高温下于主要包含氮气的气氛中老化或体相沉淀硬化环(32)的单独工艺步骤(VIII),该方法的特征在于,所述老化的单独工艺步骤(VI II)在已经完成所述的氮化工艺步骤(IX)后进行。
9.根据前述权利要求之一所述的方法,其特征在于,所述环(32)由马氏体时效钢制造。
10.用于无级变速器动力传动的传动带(1)的、并且根据前述权利要求之一的制造方法制造的封闭金属环(32)。
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