CN102239348A - 传动带金属环部件的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于传输带(1)金属环的制造方法中的热处理方法，其至少包括在含氧气氛中氧化环(14)的步骤(VIII-O)和随后的在含氨气氛中氮化环(14)的步骤(VIII-N)，在含氧气氛中氧化环(14)的步骤(VIII-O)在高于450℃的温度下进行并且/或者进行数分钟或更长。
Description
本发明涉及一种用于传动带的金属环的制造方法，更具体而言，涉及由所附权利要求1前序部分限定的其热处理方法部分。传动带通常用作众所周知的主要用于机动车的连续变速传动的两个可调节滑轮之间的动力传输工具。
EP-A-1403551详细记载了传动带的一种众所周知的类型，其由滑动安放在两个层叠的环形抗拉元件上的大量相对较薄的横向金属元件组成，每个环形抗拉元件均由一组相互嵌套的平面金属环，还可称为管箍或箍圈所组成。所述环由沉淀硬化钢制造，例如马氏体时效钢，它将高拉伸强度和良好的抗拉伸应力和抗弯曲疲劳能力与相对有利的将钢从片材加工成最终产品环所需形状和材料特性的可能性相结合，优选的材料特性沿着环的周向不变。本发明具体涉及一种具有基本组成为17-19质量％的镍、4-6质量％的钼、8-18质量％的钴和余量铁的马氏体时效钢合金，其中可能添加少许钛，即低于1质量％的钛。
这些所需的材料特性包括环芯材料的合适硬度，用于结合高抗拉强度以及允许环纵向弯曲的足够弹性和以提供耐磨特性的极硬环外表面层。另外，外表面层具有残余压应力来提供高的抗金属疲劳能力，其是环的显著特征，因为在带的使用期间，环要经受无数次的负载和弯曲循环。
这种环已知的制造方法的基础在本领域已经是众所周知的，例如记载在日本公开JP-A-2004-043962。该环由片基材料形成，其弯曲并焊接成圆柱状或管，其经热处理，即退火以恢复原始的材料特性，即大幅度消除其中由弯曲和焊接带来的改变。接着将管切割成许多的箍圈，随后将其轧制和拉伸成所需厚度，最终产品典型的约为0.185mm。轧制后箍圈通常称为环或管箍(band)。环经受进一步的退火步骤来去除轧制期间带来的内应力。之后，环经校准处理，即将它们放置在两个辊周围并拉伸成预定的周长。
最后，环经受包括三个单独步骤的热处理方法，其中每个步骤应用不同成分的处理气体。首先，环经沉淀硬化，即在主要由氮气(N2)组成的气氛中的老化；其次，环在包含大量氧气(O2)的气氛中例如环境空气中氧化；和第三，环的氮化，即在包含大量氨(NH3)的气氛中的表面硬化。
上述环的制造方法未来的发展和/或进步的共同、长期存在的需求和一般目标是提高它的有效性，不仅根据它的传动带的应用改进最终产品环所实现的材料特性，还以可能的最高成本效率的方式提供这样的有利的材料特性。依据本发明，在已知的环制造方法的基础上改进尤其是后一方面的成本效率。
为此，本发明提供传动带金属环部件的整个制造方法的热处理方法部分的新规范。依据本发明，通过增加环氧化步骤的强度，而同时缩短先前的环老化步骤，可显著改善甚至简化上述已知的热处理方法。这里，环的氧化强度由施加在其上的温度和持续时间中的任一个或两个来确定。
注意的是上述方面，依据JP-A-2004-043962，环氧化的持续时间和温度分别严格地限制在少于15分钟和450℃，目前认为这种限制与JP-A-2004-043962规定的环老化有关系。依据本发明，JP-A-2004-043962报道的最终产品的抗拉强度的大量损失可能是由过度老化的现象造成的。当在环的马氏体时效钢基体上形成的金属间化合物沉淀，在材料保持在足够高的温度期间持续生长，即在环的氮化和高温环氧化期间也持续生长，生长超过一定的临界尺寸时，发生过度老化。因此，目前认为，虽然环的热处理总的持续期间确实不应超过一定限度，至少不应超过与施加在其上的处理温度相关的限度，但在单独的环老化、环氧化和环氮化的热处理工艺步骤各自的持续时间之间在一定程度上是可变的。
本发明的新工艺规范的优点，即在所述各自持续期间之间的自由变化，是各自热处理工艺步骤的处理能力更加地自由甚至可能平均分布，由此可实现有利的更有效和成本效益的环的制造方法。这些各自的能力，例如由制造链或线的每一步骤各自所需的炉子或炉腔的尺寸决定。
在本发明的优选实施方案中，完全省去了在传动带环部件的传统热处理工艺中的环氧化步骤之前的已知的单独的环老化步骤。显然，因为不再需要单独的老化炉或老化腔，这会大大提高整个环的制造方法的成本效益。
注意的是，在后一方面，基于本发明的上述考虑，人们将预期还可通过增加环氮化的持续时间而同时减少处理气体中氨的浓度来获得相似的结果，即通过假定老化处理和氮化处理可在同一时间完成，即在一个步骤中同时结合环的老化和环的氮化。然而，申请人发现对环的制造方法这样的调整，最终产品环的材料性能将不是最佳的。出乎意料的，发现在这种制造调整中发生不连续沉淀现象，该现象可能降低环的(金属)疲劳强度。
为了避免这种现象，目前引入了一种附加的标准。依据本发明这种附加的标准使得在热处理工艺中，在氧化步骤完成之后和环的氮化步骤开始之前，中间产品环的(芯)硬度值等于400HV1.0或更多是必需的。更优选的，为了另外避免过度老化的现象，该中间产品环的(芯)硬度值最多等于500HV1.0。
本发明上述基本特征现将通过参考附图的举例的方式来说明。
图1是本发明涉及的传动带和应用该带的传动机构示意图。
图2是层叠的抗拉元件和横向元件相互定向在传动带内的方式的示意图。
图3表示用于传动带的环状抗拉元件的金属环的已知制造方法。
图4阐述了依据本发明优化的上述制造方法的热处理工艺部分。
图5阐述了依据本发明所述热处理工艺部分的一种新的调整。
图6是环横截面的放大图，该环具有经受非连续沉淀现象的氮化表面层。
在附图中，已知的和新制造方法的单独的工艺步骤由罗马数字来表示。
图1示意性的示出了具有缠绕两个滑轮1和2的传动带1的连续变速传动装置(CVT)，带1由两组相互嵌套的环状的、薄的和扁平的金属环14，还称为管箍14形式的层叠的抗拉元件2，和基本连续排列的横向元件3，或者称为沿着抗拉元件2的圆周设置并且其可沿它们滑动的横向元件3构成。这种连续变速传动装置本身是已知的。
图2表示横向元件3的正视图和层叠的抗拉元件2的横截面。横向元件3横向示出了侧面6，通过该侧面其与传动或从动滑轮的一个槽轮的圆锥表面相对。抗拉元件2的环14由高质量的钢制造，例如马氏体时效钢。环14典型的厚度为0.15至0.25mm，其典型宽度为8至35mm并且其典型的圆周长度为500至1000mm。
图3图解了当前已知的上述带1，尤其是它的环14的制造方法中的相关部分，其自金属传动带生产的早年就开始采用。在第一工艺步骤I中，基材片材11弯曲成圆柱形，从而将对接的片材端部12在第二工艺步骤II中焊接在一起形成管13。在第三工艺步骤III中对管13退火。然后，在第四工艺步骤IV中管13切割成若干个箍圈14，其随后经第五工艺步骤V轧制和拉伸成一定厚度。轧制后箍圈14通常被称为环14或管箍14。环14经进一步的退火工艺步骤VI去除轧制期间引入的内应力。随后，在第七工艺步骤VII，对环进行校准，即将它们围绕两个旋转轮安装并拉伸至预定的周长。在该第七工艺步骤VII中，内应力分布同样被施加到环14上，其限定了所谓的各个环14的卷边半径。
最后，在已知制造方法的第八步骤VIII，其在图4中更具体的阐述，环14在三个单独的步骤中进行热处理，其中每一步骤使用不同组成的处理气体。首先，环14经沉淀硬化，即在主要由氮气(N2)组成的气氛中的老化(步骤VIII-A)；其次，环在环境空气中，即在包含大量氧气(O2)的气氛中氧化(步骤VIII-O)；和第三，环被氮化，即在包含大量氨(NH3)的气氛中表面硬化(步骤VIII-N)。
在已知的环老化步骤VIII-A中，环14加热到430℃-480℃的温度持续几个小时，已知该持续的时间主要依赖于使用的环材料的组成。例如，已知增加基本马氏体钢合金组成中的钴(Co)的质量％含量显著加速铁-钼(FexMoy)和镍-钼(NixMoy)沉淀的成核(即，形成)。实际上，已知通过在马氏体时效钢合金中包含至少8质量％，最多18质量％的钴，可实现少于2个小时，甚至低至45至90分钟的持续时间。在环老化步骤VIII-A期间，由于在钢基体中金属间化合物沉淀持续的形成和生长，环材料的硬度增加。还已知通过施加高达500℃的处理温度来加速环老化步骤VIII-A。
在已知的环氧化步骤VIII-O中，环14被加热到330-450℃的温度持续5至15分钟。在环氧化步骤VIII-O期间，环14的表面被净化并且准备或“活化”用于氮化工艺。
在已知的环氮化步骤VIII-N中，环14被加热到420-500℃的温度持续35至80分钟，已知该持续时间主要依赖于处理温度。在环氮化步骤VIII-N期间，给环14提供了极硬的通常25至35微米的氮化扩散区域或者表面层以及提供相当大的压应力。
抗拉元件2由嵌套了许多从大量的这种处理过的环14中有意挑选的环14形成，即将环14彼此同心环绕，如图3所示，其中在抗拉元件2的相邻环14之间仅允许小量的正向或反向自由活动空间。
依据本发明，通过增加环氧化步骤VIII-O的持续时间和/或温度，由此可显著降低环14的马氏体时效钢合金组成所需要的先前的环老化步骤VIII-N的持续时间，从而可显著改进上述已知的热处理工艺。因此根据本发明，环14在高于450℃的温度下氧化15分钟或更长(步骤VIII-O)。因而，与上述马氏体时效钢合金组成相关的先前的环老化步骤VIII-A可有利地缩短至30分钟或更短。
在本发明的优选实施方案中，环14在400-575℃的温度下被氧化(步骤VIII-O)20至90分钟。依据本发明，与上述马氏体时效钢合金的组成相关的先前的单独的环老化步骤VIII-A可完全和有利地从传动带环部件的热处理工艺中省略掉，如图5所示。在依据本发明的这种新颖的、简化的热处理工艺中，环14优选在440-480℃的温度下被氧化(步骤VIII-O)30至60分钟。
最后，申请人发现环老化步骤VIII-A(如果在热处理工艺中有的话)和环氧化VIII-O步骤的结合强度优选应该满足最低需求。否则，在随后的环氮化步骤VIII-N中可能发生非连续沉淀的现象，该现象由图6所示，并且其可能降低最终产品环14的(金属)疲劳强度。
图6是环14的横截面的放大图，其具有氮化表面层NSL。可以看出其中在环14的外表面附近，材料具有相对的层结构(course structure)，其与所述的非连续沉淀DP相关，意味着马氏体时效钢的合金元素，例如钼，已经在晶粒边界形成氮化物，而不是所需的金属间化合物。
特别地，已经发现应该优选仅在先前的环氧化步骤VIII-O中中间产品环14的(芯)硬度值达到至少为400HV1.0之后开始实施环氮化步骤VIII-N，在这种情况下不会发生所述的非连续沉淀DP。另一方面，所述的中间产品环14的(芯)硬度值应该优选不超过500HV1.0，以避免在随后的环氮化步骤VIII-N中的所述过度老化。
除了前述说明书和附图的所有细节中可能未详细描述但对本领域技术人员而言明显存在的直接、毫无疑义的内容以外，本发明还涉及所附权利要求中的具体内容。
Claims (10)
1.用于传输带(1)中的金属环(14)的制造方法中的热处理方法，其至少包括在含氧气氛中氧化环(14)的步骤(VIII-O)和随后的在含氨气氛中氮化环(14)的步骤(VIII-N)，其特征在于，在所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)中所述含氧气氛保持在高于450℃的温度下。
2.根据权利要求1的热处理方法，其特征在于，所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)的持续时间为至少5分钟。
3.用于传输带(1)中的金属环(14)的制造方法中的热处理方法，其至少包括在含氧气氛中氧化环(14)的步骤(VIII-O)和随后的在含氨气氛中氮化环(14)的步骤(VIII-N)，其特征在于，所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)的持续时间为至少15分钟。
4.根据权利要求3的热处理方法，其特征在于，在所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)中，所述含氧气氛保持在高于330℃的温度下。
5.根据权利要求4的热处理方法，其特征在于，所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)的持续时间为20分钟至90分钟，并且其中所述含氧气氛保持在400℃-575℃的温度下。
6.根据权利要求4的热处理方法，其特征在于，所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)的持续时间为30分钟至60分钟，并且其中所述含氧气氛保持在440℃-480℃的温度下。
7.根据前述任一权利要求的热处理方法，其特征在于，所述环(14)由马氏体时效钢合金制造，并且在所述氧化环(14)的步骤(VIII-O)之前，在430℃-500℃的温度下进行老化环(14)的步骤(VIII-A)并且持续30分钟或更短。
8.根据权利要求5或6的热处理方法，其特征在于，所述环(14)由包括17-19质量％的镍、4-6质量％的钼、8-18质量％的钴、低于1质量％的钛和余量铁的马氏体时效钢合金制造，并且其中金属环制造方法中的热处理方法仅由所述氧化步骤和氮化步骤(VIII-O；VIII-N)组成。
9.根据前述任一权利要求的热处理方法，其特征在于，所述环(14)的厚度为0.150mm-0.250mm。
10.根据前述任一权利要求的热处理方法，其特征在于，在所述氧化步骤和氮化步骤(VIII-O；VIII-N)之间的中间产品环(14)具有的硬度值为400 HV1.0-500 HV1.0。
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