CN109563907A - 由马氏体钢制成的并设有氮化表面层的柔性钢制环 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于无级变速器的传动带(3)的柔性环(44)，该环(44)由马氏体钢制成，并具有氮化表面层，其微观结构包括按体积计2‑10％体积分数的奥氏体相。

Description

由马氏体钢制成的并设有氮化表面层的柔性钢制环

技术领域

本公开涉及一种柔性钢制环。该类环用作用于无级变速器的传动带的部件，所述无级变速器尤其用于汽车应用、例如在客运汽车中使用。所述传动带通常由嵌入传动带的横向元件的凹部中的相互同心地布置的两组环组成。传动带包括沿这种环组的圆周相继布置的多个这种横向元件。在环的这种传动带应用中，单个环的厚度通常仅为0.2mm或更小、典型地为大约0.18mm。

背景技术

在变速器中，传动带用于在两个轴之间传递驱动功率，传动带在两个轴之间围绕两个可转动的带轮，所述带轮分别与一个这种传动轴关联，并设有两个圆锥形盘，所述圆锥形盘限定出带轮的圆周的V形槽，传动带容纳在所述V形槽中。当传动带维持在张紧状态时，通过以协调的方式改变两个带轮的相应的盘之间的轴向间距，可改变传动带在各带轮处的半径和进而的传动轴之间的转速比。在本领域中公知且例如在欧洲专利公开EP-A-1243812中描述了该变速器和传动带。

本领域还公知传动带的性能不仅与环组的组合抗拉强度直接相关，而且在很大程度上还与环组的各环的疲劳强度直接相关。这是因为，在变速器中的传动带转动期间，环中的张力和弯曲应力发生震荡。实际中，通常采用特定的钢成分、尤其是所谓的马氏体钢，作为用于环的基材，以实现所需的传动带的性能。此外附加地，环在一次组合的或两次随后的热处理中被沉淀硬化、即时效化，并氮化，所述热处理是环制造过程的一部分。

传统带环部件的进一步发展和/或改进的共同的长期期望和总体目标是增加其疲劳强度。欧洲专利申请No.EP-A-2832870提供了一种旨在实现这种增加的方法。该文献教导包括熔化和固化传动带环部件的表面层、特别是环形构件或管的表面层的加工步骤，这些环从管上切割和(后)处理。根据EP-A-2832870，熔化/固化的表面层中钼的偏析导致这些层中的富钼和贫钼区域。此外，根据EP-A-2832870，钼是奥氏体稳定元素，使得在熔化/固化的表面层中的偏析的富钼区域中，某些奥氏体相分数保留在马氏体相基质中。特别是根据EP-A-2832870，在马氏体钢基材由按重量计18％的镍，按重量计9％的钴，按重量计5％的钼，按重量计0.45的％钛，按重量计0.1％的铝和按重量计小于0.03％的碳组成的情况下，这种分数达到按体积计约2-3％，并提供显着的疲劳强度改善。

日本专利申请No.JP-A-2002-3946和JP-A-2004-315875提供了另一种方法，其教导奥氏体相也可通过热处理逆形成，即不实际熔化环。特别是根据这两篇文献，将环加热至并保持在特定温度范围(即550-670℃)内的温度，该温度低于基材的奥氏体化开始温度(约750℃)。以这种方式，形成按体积计15-35％的这种逆转变奥氏体。

因此，这些已知的方法依赖于整个环制造过程中的专用的、即附加的加工步骤，以形成逆转变奥氏体成分，这不利地增加了这种整个处理的成本和复杂性。此外，当使用第一种方法时，仅在管和/或环的熔化/固化层的所述富钼区域中获得所述残余奥氏体相。氮化表面层的这种不均匀的微观结构使得环具有比该表面层的相当但均匀的微观结构更小的疲劳强度。另一方面，当使用第二种方法时，不仅在所述氮化表面层中而且在整个环(的横截面)中获得逆转变奥氏体相。然而，整个环中的这种均匀的微观结构使其疲劳强度小于在芯部中比在氮化表面层中具有较少或没有逆转变奥氏体相成分的环。另外，这些已知方法在逆转变奥氏体相的设想的最佳体积分数方面存在差异。

发明内容

本公开旨在通过在其中包括某些逆转变奥氏体相成分来改进这些用于增加环的疲劳强度的已知方法。特别地，本公开旨在提供一种通过在其中形成某些逆转变奥氏体相成分来提高传动带环部件的疲劳强度的另一种方法，该另一种方法：

i)不需要特别和/或专门用于形成所述逆转变奥氏体相成分的专用加工步骤；以及

ii)形成所述逆转变奥氏体相成分，其主要在环的氮化表面层中且基本上均匀地分布在环的整个氮化表面层中。根据本公开，在氮化热处理期间，当符合以下条件时，有利地在环的氮化表面层中形成按体积计2-10％，优选按体积计4-8％的所需奥氏体相成分：

-马氏体钢基材包含按重量计少于7％的钴，优选包含按重量计5％或更少的钴；以及

-氮化热处理在490-525℃下进行，且优选地在500-515℃下进行。

选择氮化热处理的其他处理参数，例如供应到氮化处理气氛的加工气体的氨含量和氮化处理时间，使得环具有所需厚度、即15至30微米厚度的氮化表面层，而且基本上不在环的外表面上形成所谓的化合物层，如WO 2013/002633和WO 2015/097292中所讨论的那样。

根据本公开，已经实验性地确定，常规应用的相对较高钴含量的基材抑制了逆转变奥氏体相的形成。这可解释为什么根据JP-A-2002-3946和JP-A-2004-315875，在这些常规应用的基材中形成逆转变奥氏体相需要这样的高温，这种高温不能在氮化热处理中实现。

此外，根据本公开，发现在氮化热处理过程中被引入环表面层中的氮对所述逆转变奥氏体相的形成具有催化作用。这可解释为什么根据JP-A-2002-3946和JP-A-2004-315875，在已知的专用逆转变奥氏体相形成热处理中需要如此长的处理时间来形成逆转变奥氏体相。同样由于氮的所述催化作用，在环的芯部中与在包裹它的氮化表面层中相比没有形成或形成更少逆转变奥氏体相。因此，有利地使环的韧性下降最小化。

应注意，马氏体钢的钴含量通常设为按重量计7％或更高，因为钴是催化沉淀形成以使环时效硬化的元素。因此，即根据本公开为了补偿相对较低的钴含量，优选将少量按重量计0.5-1.5％的铝和/或铬添加至基材中，该基材另外由按重量计18％的镍，按重量计小于7％、优选按重量计5％或更少的钴，按重量计5-7％的钼，按重量计仅小于0.1％的余量的铁和痕量的其它元素组成。

附图说明

现在将参照附图示例性地说明本公开的上述基本特征。

图1是已知的传动带和包括这种已知的带的变速器的示意图。

图2是已知的传动带的一部分的示意图，其包括两组多个柔性钢制环、以及多个横向元件。

图3示意性地表示传动带环部件的已知制造方法，其包括沉淀硬化和氮化的热处理。

图4是传动带环部件的横截面的照片表示，揭示了其微观结构。

具体实施方式

图1示出了通常在机动车辆的发动机和驱动轮之间应用于机动车辆的传动系的已知无级变速器或CVT的中心部分。该变速器包括两个带轮1，2，每个均设有安装在带轮轴6或7上的一对圆锥形带轮盘4，5，在带轮盘4，5之间限定出大致V形的周向带轮凹槽。每对带轮盘4，5、即每个带轮1，2中的至少一个带轮盘4可沿着相应带轮1，2的带轮轴6，7轴向移动。传动带3缠绕在带轮1，2上、位于其带轮凹槽中，以用于在带轮轴6，7之间传递旋转运动和伴随的扭矩。

变速器通常还包括致动装置，该致动装置在操作期间在每个带轮1，2的所述可轴向运动的带轮盘4上施加轴向定向的夹紧力，该夹紧力指向该带轮1，2的相应的另一个带轮盘5，从而使得传动带3被夹紧在带轮1，2的这些盘4，5之间。这些夹紧力不仅确定了可施加在传动带3和相应带轮1，2之间的摩擦力，也确定了传送带3在其相应带轮盘4，5之间在带轮1，2处的径向位置R。这些径向位置R确定了变速器速度比。该CVT本身是已知的。

已知的传动带3的一个示例在图2中以其面向其圆周方向的横截面更详细地示出。在该示例中，传动带3包括两个环组31，每个环组31成多个相互嵌套的扁平且薄的、即带状柔性金属环44的形式。传动带3还包括一排横向元件32，其中一个在图2中以正视图示出。环组31容纳在由横向元件32限定的两个轴向延伸的凹槽中的相应一个中。在其两侧上，横向元件32设有接触面34，以用于与带轮盘4，5形成摩擦接触。每个横向元件32的接触面34以一角度相互定向，该角度基本上与V形带轮凹槽的角度匹配。

众所周知，在CVT操作期间，传动带3的环44通过所述夹持力的径向定向的反作用力张紧。然而，所产生的环张力不是恒定的，且不仅根据由变速器传递的扭矩，而且还根据传动带3在变速器中的旋转而变化。因此，除了环44的抗拉强度和耐磨性之外，疲劳强度也是其重要特性和设计参数。因此，马氏体钢用作环44的基材，该钢可通过沉淀形成(时效化)硬化以提高其整体强度，且附加地通过氮化进行表面硬化以尤其提高耐磨性和疲劳强度。

图3示出了传动带环44的已知的制造方法的相关部分，正如通常在关于生产用于汽车应用的金属传动带3的领域中应用的那样。通过罗马数字表示已知的制造方法的单独的加工步骤。

在第一加工步骤I中，厚度为大约0.4mm的马氏体钢基材的薄片或板11被弯曲成圆筒状，会合的板端部12在第二加工步骤II中被焊接起来以形成中空圆筒或管13。在第三加工步骤III中，将管13在炉室50中退火。此后，在第四加工步骤IV中，管13被切成多个环状环44，所述环状环44随后在第五加工步骤V中被滚压，以在被拉长的同时将其厚度通常降低至大约0.2mm。由此被拉长的环44经过另一、即环退火加工步骤VI，以通过环材料在远高于600摄氏度、例如大约800℃的温度下的恢复和再结晶来消除先前的滚压加工步骤的加工硬化效应。在这种高温下，环材料的微观结构完全由奥氏体型晶体组成。然而，当环44的温度再次下降到室温时，这种微观结构按期望转变回马氏体。

在退火VI后，在第七加工步骤VII中，通过将环44绕着两个转动辊安装并通过迫使所述辊分开而将环44拉伸至预定周长，环44被校准。在该第七加工步骤VII的环校准中，也在环44上施加内应力。此后，环44在第八加工步骤VIII的组合式时效处理、即体相沉淀硬化以及所谓的气体软氮化、即表面硬化中进行热处理。尤其地，这种组合式热处理涉及将环44保持在包含受控的气体气氛的炉室50中，所述气体气氛包括氨气、氮气和氢气。在炉室中、即在加工气氛中，氨分子在环44的表面处分解成氢气和氮原子，所述氮原子可进入环44的晶体结构中。已知通过这些间隙氮原子，对磨损和疲劳断裂的抵抗能力能够得到显著提高。尤其应注意，这种组合式热处理可以时效处理和渗氮化的单独的阶段和相继的阶段替代地进行，在本领域中该替代性加工设置是已知的。通常，执行第八加工步骤VIII的组合式环时效处理和渗氮，直至在环44的外表面上形成的氮化层或氮扩散区的厚度在25微米至35微米之间。

多个如此加工的环44在第九加工步骤IX中通过径向堆叠形成环组31，即将所选的环44同心地嵌套，以在每对相邻的环44之间实现最小的径向游隙或余隙。尤其应注意，本领域中还已知，替代性地在第七加工步骤VII的环校准之后直接组装环组31，即在第八加工步骤VIII的环时效处理和环渗氮之前进行。

在上述已知的制造方法中，时效化和氮化的热处理(加工步骤VIII)设置成使得环44的完全马氏体微观结构保留在其中，所述马氏体微观结构从第六加工步骤VI中所应用的退火温度冷却后获得。特别是，在已知的制造方法中，通过限制所述热处理的温度和持续时间，特别是相对于制造环44所应用的马氏体钢的特定组成，可靠地避免了形成奥氏体相成分。

前一种常规方法基于普遍的技术见解，即马氏体钢最终产品的主要马氏体微观结构内的任何残余或逆转变的奥氏体晶体将降低其韧性和/或强度，这对于目前所考虑的传动带环部件44来说确实是不希望的。然而，根据本公开，氮化表面层中的少量奥氏体相反而在实验上可与提高环44的疲劳强度相关联。具体地说，在压缩残余应力占据的环44的氮化外表面层中，奥氏体相成分对环材料韧性的已知有害影响显然被其更高柔韧性的有益效果远远抵消。

图4示出了实际环44在其氮化表面层中的微观结构。在图4中，通过化学蚀刻和光学显微镜(LM)使奥氏体相AP在其横截面中可见，从而使得奥氏体的晶体/晶粒在图4中更暗的马氏体相晶体之间看起来发白。在该图4中，奥氏体相AP占环44的横截面的总表面积的约6％。奥氏体相AP的体积分数基本上对应于其表面积分数，因为奥氏体晶体相对于图4的横截面的平面随机布置和定向，因此完全位于目前要求保护的范围内，即按体积计2-10％。如上所述，氮化表面层中的奥氏体相AP分数可通过在第八加工步骤VIII中的时效化和氮化热处理中施加的温度来控制，或至少在一定的临界加工温度以上，通过增加其持续时间来控制。更特别地，更高的温度和更长的持续时间增加了在所述热处理中逆转变的奥氏体的量，反之亦然。

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非限制性示例。各个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，但是也可以这种特征中的两个或多个的组合同时应用。

由本公开所代表的本公开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 (8)

1.一种柔性的环(44)，作为或用于无级变速器的传动带(3)，所述无级变速器具有两个带轮(1，2)和传动带(3)，所述环(44)由马氏体钢制成，所述马氏体钢包含按重量计少于7％、优选按重量计5％或更少的钴，且使所述环(44)具有氮化表面层，该氮化表面层具有在主要为马氏体相基质中含按体积计至少2％且按体积计至多10％的奥氏体相的微观结构，其特征在于，所述奥氏体相基本上均匀地分布在环(44)的氮化表面层中，所述环(44)的位于所述氮化表面层内的芯部与所述氮化表面层相比包含更少的奥氏体相。

2.根据权利要求1所述的柔性的环(44)，其特征在于，所述环(44)的氮化表面层包含按体积计至少4％且按体积计至多8％的奥氏体相。

3.根据权利要求1或2所述的柔性的环(44)，其特征在于，所述环(44)的所述芯部包含按体积计至多6％、优选按体积计至多4％的奥氏体相，最优选地不包含奥氏体相或包含仅残留量的奥氏体相。

4.根据权利要求1、2或3所述的柔性的环(44)，其特征在于，马氏体钢包含按重量计0.5-1.5％的铝和/或铬。

5.一种由材料钢制造柔性钢制环(44)的方法，所述材料钢包含按重量计小于7％、优选按重量计5％或更少的钴，其中，所述环(44)经受氮化热处理，所述氮化热处理在含氨的加工气体中、在490-525摄氏度的温度范围内、优选在500-515摄氏度的温度范围内进行，以氮化所述环(44)的表面层，并使这种氮化的表面层在主要为马氏体相的基质中具有基本上均匀分布的按体积计2-10％的奥氏体相分数。

6.根据权利要求5所述的制造柔性钢制环(44)的方法，其中，在氮化热处理中使氮化的表面层具有按体积计4-8％的奥氏体相分数。

7.根据权利要求5或6所述的制造柔性钢制环(44)的方法，其中，在氮化热处理中使环(44)的在所述氮化的表面层内的芯部具有按体积计至多6％、优选按体积计4％的奥氏体相分数，最优选不具有奥氏体相或仅具有残留量的奥氏体相分数。

8.根据权利要求5、6或7所述的制造柔性钢制环(44)的方法，其中，在氮化热处理中使所述环(44)具有至少15微米且至多30微米厚的氮化表面层。