CN103732782A

CN103732782A - 传动带的环部件的制造方法

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Publication number: CN103732782A
Application number: CN201280032754.4A
Authority: CN
Inventors: W·P·M·扬森; A·布兰斯玛
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-04-16
Also published as: MX340810B; WO2013002633A1; JP2014520957A; MX2013015262A

Abstract

本发明涉及一种制造用于传动带的环状金属环(32)的方法，该传动带适用于无级变速器中的能量传输，所述方法至少包括在包含工艺气氛的烘箱腔室(50)中氮化或外壳硬化环(32)的工艺步骤(IX)，烘箱腔室(50)被供有氨气，并被供有氢气。优选地至少将烘箱腔室(50)中存在的氢气的相对体积含量主动控制至期待值。

Description

传动带的环部件的制造方法

本发明涉及一种用于环形的、薄的且柔性的金属带的制造方法，该带通常结合入传动带中，所述传动带用于在机动车辆中应用的熟知的无级变速器或CVT的两个可调节滑轮之间的能量传输。

至少在关于其在传动带的应用中，该带也被称为传动带的环部件。该传动带及其环部件例如从EP-A-1403551是通常已知的。在该已知的传动带类型中，其通常被称为压带(pushbelt)，多个该环部件结合入至少一个，但是通常为两个的层合的，即相互同心布置的其组(set)中。已知的压带还包括多个横向金属元件，其可滑动地安装在一个或多个该环组上。在其压带应用中，环部件典型地由马氏体时效钢制造，并且在制造中至少经受时效处理和氮化的热处理以提供这些环部件优异的疲劳强度和耐磨性能。另外，特别是环部件的表面层通过气体软氮化增强，由此(间质性)氮原子通过扩散被引入马氏体时效钢的原子晶格的外层中。气体软氮化工艺必须使环部件在含有氨气的烘箱腔室中保持在高温下。在气体软氮化工艺中，氨气在环部件的表面分解成氢气和氮原子，氮原子可通过扩散进入环的金属晶格中。

如申请人数十年来的应用的，用于该传动带及其环部件的一般制造方法的工艺步骤已同时在本领域中变为熟知，例如在欧洲专利申请EP-A-1055738中所描述的。

已知的气体软氮化工艺的一般期待是至少就工艺气氛中的氨浓度而言，至少尽可能多地减少其强度。显然，通过这样，作为含氮气的工艺气体混合物的部分，氨气的用量(和成本)可有利地降低，而且由此可更有效地避免在环部件的表面层中有害的铁-氮化物化合物，例如Fe₄N的形成。所谓的化合物层常常使环部件对于意图传动的其传动带应用太脆。另一方面，降低气体软氮化的所述强度可观地增大在其中形成的氮化表面层的厚度出现可观的波动的风险，这是因为在整个工艺气氛中相对低的氨浓度更容易且更可观地波动。另外，降低所述强度将通常不利地增加实现给定的氮化表面层厚度所需要的工艺时间。

本发明的一个目的在于改进已知用于传动带环部件的制造的气体软氮化工艺。更特别的是旨在在相对低的氨浓度下改进氮化表面层的均匀性和/或一致性。本发明的基础应认为是期待尽可能好地精确且一致地控制气体软氮化中的工艺气氛的组成。

根据本发明，上述目的可以通过主动控制气体软氮化工艺的工艺气氛中出现的化学反应来实现，该化学反应即：

在气相中 (1)或

在环部件的表面处

其中，NH₃是氨的化学式

N是氮的化学符号

H是氢的化学符号

这些化学反应的该主动控制通过向烘箱腔室中的工艺气氛不仅供入氨气，而且还供入氢气而实现。已经发现，由此在组件的表面处的氮化反应及由此而来的氨浓度有利地、稳定得多地保持，即在整个工艺过程中和/或工艺气氛中少得多地波动。此外，通过主动控制所述氮化反应，它能够被精确且快速地控制至其不同的平衡状态，如同当待处理不同的材料组成时，当需要不同的氮化层厚度时等可期待的。换言之，氮化工艺变得灵活得多，这是由于其变得可好得多地适应变化的(外部)环境。

特别地，所述主动控制基于在气相(1)中的上述氮化反应的平衡常数K_N：

K_N＝(p[NH₃])/(p[H₂]^{^1.5}) (2)

其中，p[X]表示化合物X在工艺气氛中的分压

并且有效地使该平衡常数K_N必需保持在选自0.5-50巴^-1/2之间范围内的规定的期待值，其取决于实施气体软氮化的工艺温度。实际上，已经发现随着所述工艺温度的升高，越来越容易地形成所述有损化合物层，即为了避免形成该化合物层需要较低的平衡常数K_N。

由于氮原子进入环部件的快速扩散速率，并由此实现成本有效的气体软氮化工艺，高工艺温度通常被认为是优选的。与本发明相关的是，465-515℃之间的工艺温度结合在465℃下为1-11之间且在515℃下为1-3之间的平衡常数K_N被认为是本发明的气体氮化工艺的最佳工艺设定，至少对于特定的马氏体时效钢基材(参见图7，对于在这两个端值之间的平衡常数K_N的合适设定)。更具体地，结合优选约10体积％的氢气的值，工艺气氛进一步优选地由5-25体积％的氨气和余量的氮气组成。

最后，根据本发明的气体软氮化工艺的优选特征在于供入工艺气氛的氢气是从氨气得到的，尤其是在升高的温度下，在氨裂解器中分解或裂解氨气以根据上述的氮化反应(1)产生氢气和氮气。显然，该特征使得可使用仅单一的工艺气体来源，也就是说纯氨气或更实际地，其与氮气的混合物进行气体软氮化工艺。

现将通过示例方式结合附图阐述本发明的基本原理，其中：

图1提供具有运行经过两个滑轮的传动带的无级变速器的示意性透视图；

图2是以透视显示的已知传动带的一部分的示意图，该部分包括两个环组，各环组包括数个同心布置的金属环部件、以及多个横向构件；

图3图示出已知传动带的制造方法的一部分的概况，该制备方法包括传动带的环部件的气体软氮化工艺步骤；

图4更详细地显示已知的气体软氮化工艺步骤；

图5图示出改进的新型气体软氮化工艺步骤，其说明本发明的基本概念；

图6图示出根据本发明的气体软氮化工艺步骤的进一步详述。

图7是取决于气体软氮化工艺的工艺设定的铁-氮化物可能形成的图。

图1示意性示出常应用于引擎及其驱动轮之间的机动车辆的传动系统中的无级变速器或CVT的中心部分。该变速器包括两个滑轮1，2，每个滑轮1，2设有两个锥形滑轮盘4，5，其间限定主要为V形的滑轮槽，并且其一个盘4可沿相应的滑轮轴6，7轴向移动，盘4置于滑轮轴6，7上。传动带3缠绕在滑轮1，2上，同时通过摩擦固定，即夹持在其滑轮盘4，5之间，以将转矩T和旋转运动ω从一个滑轮1，2传送至另一个2，1。同时，相应的滑轮1，2的盘4，5之间的传动带3的运行半径R决定CVT的(速度)比率“i”，即相应的滑轮1，2的转速之间的比率。该CVT及其主要运行本身是已知的。

已知传动带3的一个实例以其截面更详细地示于图2，其中带3结合入两个环形支架31或者环组31，其由多个同心布置，即相互嵌套的单独的环部件32组成。传动带3另外包括多个板状横向部件30，其与环组31接触并固定在一起。横向构件30通过设置在其侧面上的滑轮接触面33吸收各滑轮1，2的盘4，5之间施加的夹持力。这些滑轮接触面33以径向向外的方向相互发散以基本上匹配锥形滑轮盘4，5之间限定的V角，即滑轮1，2的V形滑轮槽的V角。每个横向构件30的所谓的摇摆边缘34表示一致厚度的径向外部及其锥形径向内部之间的过渡。该摇摆边缘34和传送部件30的锥形使得传动带3可按照平滑弯曲的轨迹。

在CVT中的运行过程中，传动带3，尤其是其环部件32受到周期性变化的拉伸应力和弯曲应力，即疲劳负荷。通常，环部件32的抗疲劳性或疲劳强度由此决定传动带3在由此待传送的给定转矩T下的功能寿命长度。因此，在传动带制造方法发展中，长期以来的目标在于在最低的材料和工艺成本的组合下实现所需的环疲劳强度。

图3显示了用于传动带3的环组31的已知制造方法的相关部分，如同自从用于特别是汽车应用的传动带生产的早些年以来实施的。在图3中，以罗马数字表示单独的工艺步骤。

在第一工艺步骤I中，将具有约0.4mm厚度的马氏体时效钢基材的薄板或板11弯成圆柱形，并将接触的板端部12在第二工艺步骤II中焊接在一起以形成中空的柱筒或管13。在工艺的第三步骤III中，使管13退火。其后，在第四工艺步骤IV中，将管13切成几个环形箍14，这些箍随后在工艺步骤V(五)中进行轧制以将其厚度减小至通常为0.2mm，同时其是长形的。轧制之后，箍14通常被称为传动带的环部件32。

环部件32经受进一步的，即环退火工艺步骤VI以通过在远高于600℃，例如约800℃的温度下对环材料的恢复(recovery)和重结晶来去除前述轧制工艺步骤中的加工硬化效应。其后，在第七工艺步骤VII中，通过将环部件32安装在两个转动辊上进行校准，并通过使所述辊分开将其拉伸至预定的圆周长度。在该第七工艺步骤VII中，内部应力也施加在环部件32上。

其后，将环部件32在两个单独的工艺步骤中进行热处理，即时效处理或者主体析出硬化的第八工艺步骤VIII和氮化或者外壳硬化(case hardening)的第九工艺步骤IX。更特别的是，这两种热处理包括在包含可控气氛，即相应的工艺气氛的腔室中加热环部件32。在时效处理的情况下，该工艺气体通常是由氮气和一些，例如至多5体积％的氢气组成。在氮化情况下，该工艺气体还包含氨气，其在环部件表面分解为氢气和氮原子。这些氮原子进入，即扩散进入环部件的金属晶格中，向其提供耐磨性和硬化的氮化表面层。

这两种热处理通常出现在400℃-500℃的温度范围内，并且根据用于环部件32的基材(马氏体时效钢合金的组成)以及为其所期待的机械性能，每种处理可持续约45分钟-超过120分钟。在后一方面，需要注意的是，通常其旨在具有520HV1.0或更高的环芯硬度值、875HV0.1或更高的环表面硬度值和25-35微米范围的氮化表面层的厚度，其可替代地表示为氮扩散区域。

应注意是，同时进行这两种热处理是本领域中已知的。

最后，环组31通过径向叠加，即同心嵌套多个由此形成并进行加工的环部件32而形成，如同在此所述的第十个且最后的工艺步骤X中在图3中进一步表示的。因为在相邻环部件32之间仅可有很小的正余隙或副余隙，环组31的各环部件32都要求相对于其另一个环部件32适当地具有尺寸。为此，环组31的各个环部件32通常选自不同但具有精确已知的圆周长度的一批(a stock of)环部件32。

在图4中有些更详细说明第九工艺步骤IX的气体软氮化。显示出烘箱腔室50通过供应管线52和(调节器)阀门52被供有由氮气和氨气的混合物组成的工艺气体。该工艺气体的供入使得在烘箱腔室50中的工艺气氛通过排出管线53进行相应地排出。通常，烧除从烘箱腔室50的排出的任何该工艺气氛。明显地，由于“新鲜”工艺气体的该供入和“经使用的”工艺气氛的该排出，工艺气氛的组成在整个烘箱腔室中将不是均匀的。此外，对于环部件32的进料和排出的门54的打开和关闭也干扰工艺气氛。

因此，由于工艺气氛一般是不均匀的，可能不能均匀地形成所得的环部件32的氮化表面层，当工艺气氛中总氨浓度变小时，已知的气体软氮化工艺的缺点加剧。尽管如此，低氨浓度从工艺效率方面仍是有利的。

根据本发明，如果烘箱腔室50不仅被供有氨气，而且还被供有氢气，则环部件的氮化表面层的均匀性和/或一致性可有利地且可观地改进，尤其是在工艺气氛中相对低的总氨浓度下。在图5中说明环组31的制造方法中的第九工艺步骤IX的气体软氮化的该新型设定，并且其包括另一供应管线55和相关的(调节器)阀门56用于氢气的受控供应，即除了通过供应管线51和相关的(调节器)阀门52的氨气的受控供应之外。

另外，值得注意的是，它也有利于将整个工艺气氛维持在相对于大气压的小过压下以避免或者至少减小环境气氛对于工艺气氛的干扰。

优选地，基于工艺气氛中所测的氢气含量而将供入工艺气氛的氢气的量控制至期待值，期待值选自5-15体积％之间的范围，例如10体积％。

根据本发明，新型气体软氮化工艺的效率可通过从氨工艺气体的分解获得氢气工艺气体而改进，如同图6所示意性示出的。在图6中，含氨工艺气体不但直接供入烘箱腔室50，而且还供入氨裂解器57以产生氢气。

根据本发明，新型气体软氮化工艺的效率可通过施加于烘箱腔室50的高温而改进。然而，已经发现，随着该工艺温度升高，更容易地，即在越来越低的氮化反应(1)的平衡常数K_N的值下形成铁-氮化物。然而，这些铁-氮化物是有害的，因为它们抑制氮化工艺的进展，并还可形成环部件32的脆性表面层，这降低其疲劳强度。

气体软化工艺的该后一方面，即铁-氮化物是否在其中形成在图7中示出，其取决于工艺温度和平衡常数K_N的值。从该图7可知，似乎设定的工艺温度越高，氮化反应(1)的平衡常数K_N必须设定得越小以避免铁-氮化物的形成。基于该图7，通过虚线表示目前工艺温度的优选工艺设定为约500℃，并且平衡常数K_N优选为约4。

值得注意的是，即使气体软氮化工艺的以上工艺设定设置为使得形成铁-氮化物，该铁氮化物形成的强度或速度仍然取决于其实际的量级。该铁-氮化物形成的强度通过白至黑的颜色梯度在图7中示意性地表示。因此，尽管优选在图7中的实线的较低侧应用工艺设定，但是较小的越界至其上侧也是可接受的。

现将进一步通过一套权利要求限定本发明，并且除了之前的描述之外，还涉及所有其中的细节，并涉及所讨论的附图中的所有细节和方面，其由本领域技术人员从中可直接且毫无疑义地产生。

Claims

1.用于使无级变速器的压带(3)用的金属环(32)氮化的方法，其中将环(32)置于供有氨气的烘箱腔室(50)中，其特征在于，烘箱腔室(50)还供有氢气。

2.权利要求1的方法，其特征在于，测量烘箱腔室(50)中存在的氢气的量，并且通过调节向烘箱腔室(50)的氢气供应，将氢气的量控制至期待的氢气的量。

3.权利要求1或2的方法，其特征在于，所述期待的氢气的量的值为5-15体积％之间，优选为约10体积％。

4.权利要求1、2或3的方法，其特征在于，通过调节向烘箱腔室(50)的氢气供应和氨气供应，将烘箱腔室中的气相中的氮化反应的平衡常数K_N的值控制至期待的平衡常数K_N值，氮化反应即：

其中，NH₃是氨的化学式

N是氮的化学符号

H是氢的化学符号

其中，平衡常数K_N满足下式：

K_N＝(p[NH₃])/(p[H₂]^{^1.5})

其中，p[NH₃]表示氨气的分压

p[H₂]表示氢气的分压。

5.权利要求4的方法，其特征在于，期待的平衡常数K_N值为4-11之间。

6.前述权利要求之一的方法，其特征在于，将金属环(32)在465-515℃之间的温度下氮化。

7.前述权利要求之一的方法，其特征在于，期待的平衡常数K_N值为约4，并且其特征在于，所述金属环在约500℃的温度下氮化。

8.前述权利要求之一的方法，其特征在于，烘箱腔室(50)中存在的氨气量的值为5-25体积％之间。

9.前述权利要求之一的方法，其特征在于，烘箱腔室中的总气体压力低于环境大气压力。

10.前述权利要求之一的方法，其特征在于，供入烘箱腔室(50)的氢气是通过裂解从氨气得到的。