CN104884836A - 设有带氮化层的钢制环件的环组的传动带以及确定该氮化层厚度的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种确定热处理的钢制环件(32)的氮化层(NL)厚度的新方法，钢制环件作为环组的部分应用在无级变速器传动带上，环组由多个同心嵌套的钢制环件组成。所述方法需要使用步骤为(i)在钢制环件上进行断裂强度试验，(ii)测量产生的脆性断裂层(BP)的厚度以及(iii)确定氮化层的厚度，对应于从有关钢制环件基材的预定参考、例如对照表或将这两个参数关联在一起的方程式中测得的脆性断裂层厚度。

Description

设有带氮化层的钢制环件的环组的传动带以及确定该氮化层厚度的方法

背景技术

本公开涉及一种在通常应用于机动车辆的众所周知的带轮型无级变速器或CVT中使用的传动带。EP-A-1403551中详细描述了一种知名类型的传动带，该传动带在现有技术中也被称作推带。已知的传动带包括设有至少一个、但通常为两个凹部的多个钢制区段，每个凹部都容纳传动带的环组，其中每个环组由彼此同中心地嵌套的多个柔性钢制环件组成。在现有技术中，所述钢制区段也被称作横向元件，所述钢制环件也被称作环箍、环圈或环形带，且环组也被称为环形张拉装置或承载件。在现有类型的传动带中，横向元件不连接至环组，而是在CVT的操作过程中沿着环组的周长滑动。环组的单个环件在操作过程中也相对于彼此滑动。

对于目前传动带在CVT的应用，环件由马氏体钢制成，这种类型的钢将良好的拉伸和(弯曲)疲劳强度的力学特性结合，从而以相对有利的可能性将钢从片状基材加工为所需形状和材料特性的最终产品环件。这些期望的材料特性包括环芯材料的合理硬度和更硬的外表面层，环芯材料的合理硬度用于将良好的拉伸强度特性与足够的弹性和韧性结合在一起以允许钢制环件的纵向弯曲，更硬的外表面层用于提供钢制环件的耐磨性。此外，相当大的压缩残余应力被施加到钢制环件的外表面层，用于提供高的抗金属疲劳性。后一特征特别重要，因为钢制环件在变速器传动带的使用寿命期间经受大量的负载和弯曲循环。

对于这种传动带的整体制造方法，包括传动带的钢制环件组件的热处理，已经成为公知的现有技术。整体制造方法的重要部分是钢制环件的热处理，热处理包括钢制环件的沉淀硬化和氮化的处理步骤。

沉淀硬化也被称为时效，通过加热钢制环件至超过400摄氏度(“℃”)的温度实现，在该温度下金属间微观沉淀物在环件材料的随机位置逐渐形成并生长。随着沉淀物的生长，环件材料的硬度增加，一般来说直到达到最大硬度值，此后环件材料的硬度通常开始再次降低(所谓的“过时效”)。为了防止钢制环件外表面(严重)氧化，沉淀硬化通常在惰性或还原处理气氛下进行，例如氮气或氮气与一些氢气的混合气。

氮化使钢制环件具有附加的硬化的且同时压缩的(预)加压表面层。在氮化中，至少在通常应用的气体软氮化的变型中，钢制环件被保持在包含氨气(NH3)的处理气氛中，同样地，温度超过400℃。在这样的温度下，氨分子游离在钢制环件的外表面，形成氢气和氮原子，其中氮原子进入环件材料的晶格。随着氮化过程的持续，氮原子通过扩散从外表面进入环件材料内，由此在钢制环件中形成厚度增加的表面氮化层。

应注意的是表面压缩残余应力被认为是在目前传动带在CVT应用中钢制环件的基本特征，因为表面压缩残余应力完全或部分地补偿钢制环件在张力下弯曲和伸展产生的拉伸应力，其中拉伸应力集中在环件的表面层。特别是，可以认为，通过压缩残余应力，即通过设有氮化层，从表面缺陷发起和/或生长的疲劳断裂的类型(例如凹痕或微裂纹)得到有效抑制并且钢制环件的疲劳强度大大提高。在这方面，公知常识是，只要在传动带操作过程中，在钢制环件芯部产生的拉伸应力不超过环件材料的弹性极限，表面压缩残余应力越高，疲劳强度将越高。

申请人对于钢制环件热处理产生影响的多个参数中部分参数的影响，特别是对于钢制环件的最终疲劳强度已经进行了详细的且广泛的调查。这些调查的目的是获得氮化处理(即氮化温度，持续时间和处理气氛组成)的最佳设置，特别是在大批量生产中氮化处理的稳定性和成本效益方面。这些调查提供了丰富的试验数据，这导致申请人获得一个惊人发现。特别是，申请人能够从这些数据中发现上述公知常识事实上不适用传动带钢制环件组件，至少不是直接地、没有任何进一步考虑地适用。

令申请人吃惊的是，当热处理的钢制环件经受相对简单和常见的拉伸强度试验，而不是更复杂的拉-拉疲劳试验时，断裂面显示出脆性断裂特征区域，拉-拉疲劳试验通常进行评估在传动带应用中的钢制环件的(预期)性能。整个断裂面的这些脆性断裂部起始于氮化层并且朝着钢制环件相应的外表面延伸。更揭示了脆性断裂部的范围(即层厚度)与氮化层厚度直接相关。本公开描述了两个来自这些发现的新认知。

发明内容

首先，本公开涉及确定热处理的钢制环件的氮化层厚度的新方法。应注意的是，作为传动带整体制造方法的部分，定期检查热处理的钢制环件的氮化层厚度。通常这是通过在一定制造数量或时间期间内随机选择一个钢制环件并且通过采用光学或化学手段直接测量氮化层厚度来完成的，测量方法记载在欧洲专利公开EP-A-1869434中。然而，根据本公开，氮化层厚度采用以下步骤间接测量：(i)在钢制环件上进行断裂强度试验，例如拉伸强度试验，(ii)测量产生的脆性断裂层厚度和(iii)确定氮化层厚度，氮化层厚度对应从有关环件材料的预定参考(例如对照表或将这两个参数关联在一起的方程式)中如此测得的脆性断裂层厚度。

其次，仅脆性断裂发生暗示申请人至少对于目前传动带在CVT的应用，钢制环件材料的韧性可能不是最优的。特别是，申请人实验确定，至少在工业标准钢制环件情况下，如果脆性断裂层厚度超过10微米，钢制环件的疲劳强度就显示为大幅下降，工业标准钢制环件的厚度在150-200微米，通常为大约185微米。尽管随着脆性断裂层厚度低至10微米以下，疲劳强度得到持续改善，但这后一改善远小于上述疲劳强度的下降。尽管如此，在本公开的钢制环件的一个优选实施例中，如果钢制环件被制造为具有小于750HV0.1的表面硬度，将会发现脆性断裂(层)完全不存在。

此外，调查显示钢制环件疲劳强度本身并不一定随着表面压缩残余应力减小而减小。事实上，申请人实验确定，如果通过钢制环件的热处理在钢制环件的表面实现350MPa至650Mpa之间的压缩残余应力(即负(“-”)350MPa至负650Mpa的残余应力)，至少传动带在CVT的应用中，由此产生的疲劳强度是完全令人满意的。显然，为了达到所需的钢制环件疲劳强度，常规施加的高于800MPa的、达到1400Mpa的压缩残余应力水平不是必需的。

目前推测，传统高的压缩残余应力对于另一目的是有用的，例如提供耐磨性，然而，这仅与环组的最内侧钢制环件相关，最内侧钢制环件的径向内表面与横向元件直接接触。环组最外侧钢制环件也可能受益于高的压缩残余应力，因为尽管在较小的程度上，环件的径向外表面也与横向元件接触。因此，本公开涉及一种环组，其中，位于环组的最内侧环件和最外侧环件之间的钢制环件的压缩残余应力小于650Mpa，优选小于600MPa。

这些压缩残余应力水平与氮化层厚度在10-18微米之间的钢制环件相结合被认为是最容易实现的。一般来说，因此旨在氮化层厚度达到钢制环件总(径向)厚度的5％-10％。

此外，环组的径向最内侧钢制环件的至少径向内表面，最好以及径向最外侧钢制环件的径向外表面，提供超过750Mpa的压缩残余应力。

众所周知，通过氮化处理参数(处理气氛中的氨浓度和氢浓度以及氮化处理的温度和持续时间)确定并因此控制氮化层厚度。在这方面，有利的制造方法包括：

-通过应用相同的处理参数实现所有钢制环件的氮化，使钢制环件具有10-18微米的氮化层厚度以及在环件表面上350-650Mpa的压缩残余应力；并且

-使径向最内侧钢制环件的至少径向内表面经受另一处理步骤，旨在增加压缩残余应力至超过750Mpa的水平。例如，公知的喷丸处理可以用于这后一目的。

附图说明

以下参照所附附图阐述依据本公开的传动带的钢制环件组件的上述认知的背景和实施例，其中：

图1提供了设有传动带的已知无级变速器的示意性示例，

图2是以透视图示出的传动带的一部分，

图3象征性地显示传动带的钢制环件部分的已知制作方法的目前相关部分，

图4是钢制环件进行拉伸强度试验后，其断裂面的摄像图，

图5是钢制环件氮化层厚度和由拉伸强度试验获得的脆性断裂层厚度之间的依赖关系图，

图6是绘制钢制环件材料相对于其外表面的相应位置处测得硬度的图，

图7是示出钢制环件疲劳强度和拉伸强度试验获得的脆性断裂层厚度之间关系的图，并且

图8是提供钢制环件氮化层厚度和接近这种环件外表面处的残余应力水平之间依赖关系的图。

具体实施方式

图1示出了通常应用于机动车辆的在其发动机和驱动轮之间的传动系中的现有无级变速器或CVT的中心部分。该变速器包括两个带轮1、2，每个带轮1、2均设有两个圆锥形带轮盘4、5，大致V-形的凹槽限定在所述两个圆锥形带轮盘4、5之间，所述两个圆锥形带轮盘4、5中的一个盘4可沿着相应的带轮轴6、7(该盘4布置在所述带轮轴6、7上)轴向地移动。传动带3围绕带轮1、2，以将旋转运动ω和伴随的扭矩T从一个带轮1、2传递至另一带轮2、1。变速器通常还包括启动装置，所述启动装置在所述至少一个盘4上施加指向相应的另一带轮盘5的轴向定向的夹持力Fax，从而使带3被夹持在盘4、盘5之间。并且，在从动带轮2的转速与驱动带轮1的转速之间的变速器(速度)比由此被确定。

现有传动带3的一个示例在图2中以其剖视图详细示出，该带3包括两个环组31，所述两个环组31分别包括一组(在该示例中)六个薄且平的(即带状的)柔性钢制环件32。带3还包括多个板状的钢制横向元件33，所述横向元件33由分别位于横向元件33的相应的凹部中的所述环组31保持在一起。横向元件33承受所述夹持力Fax，从而当输入扭矩Tin施加于所谓的驱动带轮1上时，盘4、5和带3之间的摩擦使得驱动带轮1的旋转经由同样地旋转的传动带3被传递至所谓的从动带轮2。

在CVT的操作过程中，传动带3以及尤其它的钢制环件32经受周期性变化的张拉和弯曲应力(即疲劳负载)。通常，抗金属疲劳性(即环件32的疲劳强度)由此确定了在由传送带3传递给定扭矩T的情况下传动带3的功能寿命。因此，在传动带制造方法的发展中，长期的总体目标是在结合材料和加工成本最小的情况下实现所需的环件疲劳强度。

图3示出了现有的总体传动带3制造方法(即传动带3的钢制环件32组件的制造)的目前相关部分，其中，通过罗马数字表示单独的加工步骤。

在第一加工步骤I中，厚度范围通常为0.4mm-0.5mm的基础材料的薄片或板被弯曲成圆筒状，且会合的板端部12在第二加工步骤II中被焊接起来以形成敞开的、中空圆筒或管13。在第三加工步骤III中，将管13退火。此后，在第四加工步骤IV中，管13被切成多个环状环圈14，所述环状环圈14随后在第五加工步骤V中被卷制起来，以在被拉长的同时将其厚度降低至0.150-0.200mm的值、通常降低至大约185微米。在被卷制后，环圈14通常被称为钢制环件32。钢制环件32然后经受另一、即环件退火加工步骤VI，以通过在远高于600摄氏度(例如大约800摄氏度)的温度下对环件材料进行恢复退火和再结晶来消除先前的卷制过程(即第五步骤V)的加工硬化效应。此后，在第七加工步骤VII中，钢制环件32被校准，即它们绕着两个转动辊安装并通过迫使所述辊分开而被拉伸至预定圆周长度。在该第七加工步骤VII中，内应力分布也被施加在钢制环件32上。

此后，钢制环件32在两个加工步骤(即第八加工步骤VIII的沉淀硬化或时效处理和第九加工步骤IX的气体软氮化)中进行热处理。尤其地，这两种热处理都涉及将钢制环件32在包含受控的气体保护气氛的工业炉或熔炉中进行加热，所述气体保护气氛对于时效处理而言通常包括氮气和一些(例如体积百分数为大约5％的)氢气，且对于气体软氮化而言通常包括氮气、氢气和氨气。根据钢制环件32的基材(即马氏体钢的合金成分)以及针对钢制环件32所期望的力学特性，这两种热处理都通常在400摄氏度至500摄氏度的温度范围内进行，且分别可持续大约45分钟至超过120分钟。就后者而言应当注意，通常，其目标是芯部硬度值为520HV1.0或以上，表面硬度值为875HV0.1或以上，且表面氮化层，或者称为氮扩散区的厚度范围为19-37μm。

最后，多个如此加工的钢制环件32径向地堆叠(即嵌套)以形成环组31，如进一步地在图3中在最后绘出的(即第十一)加工步骤XI中所示。显然，环组31的钢制环件32必须被合适地选择尺寸，例如必须在圆周长度上稍微不同以使钢制环件32能够彼此围绕着适配。为此所得到的环组31的钢制环件32通常有目的地在之前的(即第十)加工步骤X中从很多圆周长度不同、但是已知的钢制环件32中选择。

当如此处理的钢制环件32分别经拉伸强度试验测试时，断裂面显示出从氮化层NL内朝向环件32的侧面延伸的韧性断裂部DP和两个脆性断裂部BP。图4包括钢制环件32断裂面的典型的摄像示例，示出了所述韧性断裂部DP和两个脆性断裂部BP的不同纹理并且表明了氮化层NL的范围，然而氮化层在图4中难以辨别。脆性断裂部BP的范围或层厚度与氮化层NL的范围或厚度直接相关，至少在给定钢制环件的环件基材的某一组成的情况下。图5的图给出了这种关联的示例，图中将测量的脆性断裂层厚度BP与氮化层厚度NL的特定值关联。图5的图作为预定参考图(或线性方程式)在钢制环件32的大量制造中可有利地被依赖，以通过简单拉伸强度试验，检查其中一个(随机)样本的氮化层厚度NL。

图6的图涉及钢制环件32的另一材料性能，即在维氏硬度为100克力([HV0.1])时钢制环件32的测量硬度H，该性能对于两种不同的基材MAT1，MAT2而言与距其外表面的距离x(微米)的关系被绘制。在这两种情况下，即对于MAT1和MAT2两者，钢制环件32具有氮化层NL，氮化层NL从钢制环件32外表面向内延伸28微米。由这两种基材MAT1，MAT2制成的钢制环件32经过拉伸强度试验，导致第一基材MAT1中的脆性断裂层厚度BP1为20微米并且第二基材MAT2中的脆性断裂层厚度BP2为16微米。为完整起见，应注意的是，图5的图已经由上述关于图6所述的第一基材MAT1制成的钢制环件32获得。

如图6所示，对于两基材MAT1和MAT2，脆性断裂BP的范围与750HV0.1或更高的钢制环件32硬度H有关。事实上，如果钢制环件32的硬度H保持低于750HV0.1这样的极限值，拉伸强度试验产生的钢制环件32的断裂面根本不显示脆性断裂部BP。基于这一在后观察，目前认为，通过使钢制环件32具有少于750HV0.1的表面硬度H，就单独的钢制环件32的疲劳强度而言钢制环件32的韧性是最佳的。但是，对于作为传动带3的环组31的一部分的钢制环件32的实际使用，脆性断裂部BP的范围可能达到10微米左右，因为低于这一值的话，钢制环件32的疲劳强度的任何改进都是比较小的，如图7所示。当脆性断裂部BP厚度的10微米的边界值用作图5的输入，获得氮化层NL厚度的边界值约为18微米。进而，氮化层NL的18微米的边界值能够关联到某一水平的压缩残余应力。在后一方面，图8的图提供了在钢制环件32的外表面层测量的残余应力RS随钢制环件32的氮化层NL的厚度的变化。

如图8所示，在钢制环件32的表面处的负(即压缩的)650Mpa左右的残余应力RS的边界值适用于18微米的所述边界氮化层厚度NL。此外，上述-600MPa的残余应力RS的优选下限对应于16微米的氮化层厚度NL。最后，应注意的是，10微米的氮化层厚度的下限值对应于-350Mpa左右的残余应力RS。

除了前述说明书的全部内容和附图的所有详细内容之外，本公开还涉及和包括权利要求的所有特征。权利要求中带括号的附图标记不限制其范围，而是仅作为相应特征的不具约束力的示例。权利要求的特征可根据具体情况单独地应用于指定的产品或指定的过程，但是也可在其中应用这种特征中的两个或多个的组合。

由本公开所代表的本发明不限于本文明确提出的实施方式和/或示例，而是还包括其修改、改进和实际应用，尤其包括本领域专业人员力所能及范围内的那些修改、改进和实际应用。

Claims (10)

1.一种用于确定钢制环件(32)的氮化层(NL)的厚度的方法，所述钢制环件(32)例如用于无级变速器的传动带(3)，

-其中，所述钢制环件(32)通过在其上进行拉伸强度试验而断裂，

-其中，测量在断裂的钢制环件(32)的断裂面产生的脆性断裂层(BP)的厚度，且

-其中，所述钢制环件(32)的氮化层(NL)的厚度与所述脆性断裂层(BP)的厚度相关。

2.如权利要求1所述的用于确定钢制环件(32)的氮化层(NL)的厚度的方法，其特征在于，基于通过其他方式确定的、脆性断裂层(BP)相对于氮化层(NL)的厚度的多个测量结果，所述钢制环件(32)的所述脆性断裂层(BP)的厚度和所述氮化层(NL)的厚度的相关性被限定在参考线、对照表、或类似物中。

3.如权利要求1或2所述的用于确定钢制环件(32)的氮化层(NL)的厚度的方法，其特征在于，所述脆性断裂层(BP)的所述厚度为小于10微米。

4.一种用于无级变速器的传动带(3)的钢制环件(32)，其具有氮化层(NL)，在所述传动带(3)中多个这样的钢制环件(32)彼此同心嵌套地设置在环组(31)中，所述环组(31)位于所述传动带(3)的横向元件(33)的凹部内且用于在所述传动带(3)的周向上引导所述传动带(3)的横向元件(33)，其特征在于，在钢制环件(32)的外表面附近，所述钢制环件元件(32)的压缩内部残余应力(RS)具有范围为350-650Mpa的值。

5.如权利要求4所述的钢制环件(32)，其特征在于，在所述钢制环件(32)的外表面附近，所述钢制环件元件(32)的压缩内部残余应力(RS)具有小于600Mpa的值。

6.如权利要求4或5所述的钢制环件(32)，其特征在于，所述钢制环件元件(32)的表面硬度具有小于750HV0.1的值。

7.如权利要求4，5或6所述的钢制环件(32)，其特征在于，所述钢制环件(32)的氮化层(NL)具有范围为10-18微米的厚度。

8.如权利要求7所述的钢制环件(32)，其特征在于，所述钢制环件(32)具有范围为150-200微米的厚度。

9.一种用于无级变速器的传动带(3)的环组(31)，在所述传动带(3)中所述环组(31)位于所述传动带(3)的横向元件(33)的凹部内并且用于在所述传动带(3)的周向上引导所述传动带(3)的横向元件(33)，所述环组(31)由多个彼此同心嵌套的钢制环件(32)组成，所述钢制环件(32)具有范围为150-200微米的厚度，特别是大约185微米的厚度，其特征在于，所述环组(31)的每个钢制环件(32)的氮化外表面层(NL)具有范围为10-18微米的厚度，所述环组(31)的位于所述环组(31)的最内侧钢制环件(32)和最外侧钢制环件(32)之间的那些钢制环件(32)在其各自外表面的附近具有压缩内部残余应力(RS)，所述压缩内部残余应力(RS)具有范围为350-650Mpa的值，优选具有范围为350-600MPa的值。

10.如权利要求9所述的环组(31)，其特征在于，在所述环组(31)的所述最内侧钢制环件(32)的径向内侧以及所述环组(31)的所述最外侧钢制环件(32)的径向外侧具有压缩内部残余应力(RS)，所述压缩内部残余应力(RS)的值的范围为750Mpa和位于所述环组(31)的最内侧钢制环件(32)和最外侧钢制环件(32)之间的所述钢制环件(32)的压缩内部残余应力(RS)所具有的值之间。