CN111527327A - 用于无级变速器的传动带的金属环构件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用在用于无级变速器的传动带(3)中的金属环(41)，该金属环(41)由马氏体时效钢制成，并设有氮化表面层。根据本发明，氮化表面层中的在5微米深度处的氮含量为至少0.80质量％。
Description
技术领域
本发明涉及一种环形柔性金属带，其用作传动带中的环构件，所述传动带用于在机动车辆中应用的众所周知的无级变速器或CVT的两个可调带轮之间进行动力传递。在传动带中，多个这种金属环并入其至少一个但通常是两个层合的、即彼此径向嵌装的组中。已知的传动带还包括多个横向段，这些横向段可滑动地安装在这种环组上，并且通常也由金属制成。
背景技术
马氏体时效钢通常用作用于金属环的基础材料，因为至少在其经过适当的热处理(包括通过时效的沉淀硬化和通过氮化、特别是所谓的气体软氮化的表面硬化)之后，这种材料具有很高的对磨损以及弯曲和/或拉伸应力疲劳的抵抗性。马氏体时效钢的基本合金元素是铁、镍、钴和钼，可能含有较少量的钛、铬、铝等以及余量的铁。尽管目前尚未广泛应用，但已知其它沉淀硬化钢合金可能替代马氏体时效钢。
在金属环的传动带应用中，不仅金属环的屈服强度，而且表面硬度值和表面压应力水平都是重要的产品特性，它们决定了传动带的承载能力和寿命。通过所述的时效和氮化热处理，最终确定了这些产品特性。特别地，在氮化中，金属环的表面层富含氮，以实现1000HV0.1及更高的表面硬度和1000MPa及更高的压应力。通过这种氮化表面层，金属环具有优异的对例如在变速箱中的传动带运行期间由横向段和/或传动带轮与环组的冲击和/或滑动接触而引起的磨损的抵抗性。
在传动带的制造中，目前的标准做法是为氮化表面层的厚度设定金属环的耐磨性水平所需的期望值，以确保传动带的使用寿命。然后，特别是通过控制工艺气体中氨和氢的分压、工艺气体的温度和氮化工艺的持续时间，控制气体软氮化工艺以获得这种氮化层厚度。
带制造工艺的上述常规设置、特别是其金属环氮化工艺部分的常规设置，多年来已经证明是令人满意的。然而，根据本公开，对于在过去的十年左右的时间里对于传动带应用开发的并且直到最近才引入传动带系列生产中的新一代的马氏体时效钢组分，该常规设置不再是最佳的。这种基本组分包括：
-17至19质量％的镍(Ni)，
-15至17质量％的钴(Co)，
-至少5质量％、优选6.5至8质量％的钼(Mo)和可能的较少量的钛、铬、铝等，以及余量的铁。
发明内容
特别地，本公开的基本见解是，由于通过这些新的马氏体时效钢组分可减小传动带的尺寸等(a/o)，所以金属环的拉应力负载成为确定传动带运行极限时越来越重要的参数。根据本公开的另外的基本见解，原则上，可通过减小相对较脆的氮化表面层的氮化层厚度来提高金属环的这种抗拉强度或屈服强度。
基于以上见解，本公开提出，不是针对氮化层厚度、即氮扩散渗透的深度，而是针对深度、即从环表面向内的垂直距离上的氮浓度，量化和控制制造中的氮化工艺。根据本公开，与目前的实践相比，相对高的氮浓度在邻近环表面处有利于至少维持其常规的耐磨性，同时提高其屈服强度。同时，与目前的实践相比，优选降低金属环中更深处、即更远离其表面处的氮浓度。马氏体时效钢中的上述相对高的钼含量使得能够通过具有与邻近环表面的氮原子结合的高亲和力的钼原子实现这种高氮含量。
特别是根据本发明，考虑5至20微米的深度范围。无论靠近还是远离环表面，氮浓度似乎没有大的变化，至少不与马氏体时效钢的组分相关。根据本发明，氮化表面层在这方面通过以下方式量化：
-在5微米深度处的氮重量含量为0.80质量％以上、优选大于1.0质量％；和/或
-在20微米深度处的氮重量含量为0.15质量％以下，优选小于0.10质量％。
另外根据本发明，通过氮含量相对于深度的变化曲线的在10至15微米深度处的局部斜率的绝对值大于或等于0.050质量％/微米、优选大于0.075质量％/微米来附加地或替代地定量氮化表面层。
根据本公开的另一方面并且基于以上同样的见解，也可沿着金属环的横截面周边优化氮化表面层、即其厚度。特别地，沿着这种周边的氮化层厚度被调整成适应金属环或甚至单个金属环局部所需的表面硬度和/或压应力。例如，可有利地考虑到金属环的轴向侧面比其径向内主面和径向外主面受到与横向段或带轮的所述接触的更重的影响。另一方面，径向定向的主面处的材料特性在很大程度上决定了金属环的弯曲疲劳强度，弯曲疲劳强度得益于更易延展、更不易碎的微观结构。此外，作为次要效果，可考虑到仅环组的最内部金属环的径向内主面和环组的最外部金属环的径向外主面与横向段相接触。
基于后面这些见解，本公开提出，对于环组的中间的环件，量化和控制制造过程中的氮化过程，使得金属环的氮化层厚度在金属环的轴向侧面处最大，并朝着金属环的两个径向定向的主面的轴向中部方向减小。可能的是，氮化层厚度的这种减小也可仅应用于环组的最内部金属环的径向向外定向的主面，并且仅应用于环组的最外部金属环的径向向内定向的主面，而最内部金属环和最外部金属环的另一径向定向的主面在操作过程中与横向段相接触，并设有厚度基本恒定的氮化表面层。
根据本发明，在此方面，氮化表面层通过在金属环的轴向中部处的厚度是其在金属环的轴向侧面处的厚度的最多50％来量化。特别地，在金属环的轴向侧面处的氮化层厚度为20微米以上，在金属环的径向定向的主面的轴向中部处的氮化层厚度为10微米以下。就此而言，优选在金属环的轴向中部不存在氮化表面层。
金属环的该特定实施例对于设有仅一个环组的传动带特别有利，在这种情况下，其中应用的金属环相对较宽，特别是具有15mm以上的宽度。
应注意的是，在制造中，即在气体软氮化中，根据本发明的氮化层厚度的上述限定的区别可通过将金属环从其侧面向其轴向中部相对于工艺气体气氛逐渐隔离开来实现。例如，在氮化过程中，金属环的径向定向的主面的所述中间部分可被不可渗透或半渗透的覆盖层覆盖。这种覆盖层可仅暂时应用，氮化后可去除。
本公开的以上方面理想地组合应用。尤其是，即使氮化表面层在金属环(径向定向的主面)的轴向中部处相对较薄，在这种情况下，邻近环表面的高浓度的氮仍能提供足够的表面硬度。
附图说明
现在将参照附图进一步说明上述传动带、其环构件及其制造方法，附图中：
图1是包括两个可变的带轮和传动带的已知变速器的示意图；
图2以剖视图示出了两种已知的传动带类型，每个传动带都设有一组金属环和多个横向段，所述横向段沿着环组的周向可滑动地安装在这种环组上；
图3提供了传动带的金属环构件的已知制造方法的当前相关部分的示意图；
图4是金属环构件的氮化表面层中的氮含量的示图；
图5是金属环构件的示意性剖视图，示出了氮化表面层的厚度。
具体实施方式
图1示出了通常在机动车辆的发动机和从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，每个带轮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形的周向带轮槽。每对带轮盘4、5中的、即每个带轮1、2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上并位于其带轮槽中，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(未示出)，该致动装置至少在操作期间在每个带轮1、2的可轴向运动的所述带轮盘4上施加沿轴向定向的夹紧力，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被夹紧在相应的这些盘4、5之间。这些夹紧力不仅确定了传动带3和相应带轮1、2之间的最大可施加的用来传递所述扭矩的摩擦力，也确定了传送带3在带轮槽中的径向位置R。这些径向位置R确定了变速器速度比。这种类型的变速器及其操作本身是已知的。
在图2中，以传动带的朝向其周向方向的剖视图示意性地示出了传动带3的两个已知的示例。在两个示例中，传动带3都包括横向段32，所述横向段沿着呈金属环41的一个或两个环组31的形式的环形载体的周向布置成一排。在传动带3的任一示例中，环组31是层合的，即包括多个相互嵌装的、扁平且薄的、即带状的单独的金属环41。实际上，在环组31中大多数情况下使用6、9、10或12个厚度为185微米的金属环41。
在图2的左侧，示出了传动带3的一个实施例，所述传动带包括两个这种环组31，分别容纳在横向段32的朝着其相应的轴向侧敞开的相应凹槽中。这些凹槽在将基部33与头部35互连的相对较窄的腹板部34的两侧上被限定在横向段32的基部33与头部35之间。
在图2的右侧，示出了传动带3的一个实施例，所述传动带仅包括单个环组31。在这种情况下，环组31容纳在横向段32的向传动带3的径向外侧敞开的中央凹部。该中央凹部限定在横向段32的基部33与两个柱状部36之间，所述柱状部36分别从基部33的任一轴向侧沿径向向外方向延伸。在这种径向向外方向上，中央凹部被柱状部36的相应的轴向延伸的钩部37部分地封闭。
两种传动带3的横向段32在其两侧中的每一侧上设有用于与带轮盘4、5进行摩擦接触的接触面38。每个横向段32的接触面38以基本上与V形带轮槽的角度相匹配的角度α相互定向。横向段32通常也由金属制成。
众所周知，在变速器的操作过程中，传动带3的单独的金属环41通过(a/o)相对于所述夹紧力的径向定向的反作用力张紧。然而，所产生的环张紧力不是恒定的而是变化的，该变化不仅与将由变速器传递的扭矩有关，而且还与变速器中的传动带3的旋转有关。因此，除了金属环41的屈服强度和耐磨性之外，疲劳强度也是其重要的性质和设计参数。因此，马氏体时效钢被用作金属环41的基础材料，该钢可通过沉淀形成(时效)来硬化以提高其整体强度，并且另外可通过氮化(气体软氮化)来表面硬化以改善耐磨性以及特别是疲劳强度。
图3示出了金属环的已知制造方法的相关部分，正如通常在关于生产用于机动车应用的金属传动带3的领域中应用的那样。已知制造方法的单独的工艺步骤通过罗马数字表示。
在第一工艺步骤I中，厚度为大约0.4mm的马氏体时效钢基础材料的薄片或板11被弯曲成圆筒状，会合的板端部12在第二工艺步骤II中被焊接起来以形成中空圆筒或管13。在第三工艺步骤III中，在炉室50中将管13退火。此后，在第四工艺步骤IV中，管13被切成多个金属环41，所述金属环41然后在第五工艺步骤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。由此被拉长的金属环41经过另一、即环件退火工艺步骤VI，以通过环件材料在炉室50中于远高于600摄氏度(例如大约800℃)的温度下的回复和再结晶来消除先前的滚压工艺步骤的加工硬化效应。在这种高温下，环形材料的微观结构完全由奥氏体型晶体组成。然而，当金属环41的温度再次下降到室温时，这种微观结构如期望的那样转变回马氏体。
在退火VI之后，在第七工艺步骤VII中，通过将金属环41绕着两个转动辊安装并通过迫使所述辊分开而将金属环41拉伸至预定圆周长度，校准金属环41。在该第七工艺步骤VII的环件校准中，也在金属环41上施加内应力。此后，金属环41在第八工艺步骤VIII的组合式时效处理、即体相沉淀硬化以及氮化、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金属环41保持在容纳包括氨气、氮气和氢气的工艺气氛的炉室50中。在炉室中，氨分子在金属环41的表面处分解成氢气和氮原子，所述氮原子可进入金属环41的微观结构中。这些氮原子部分地作为间隙氮原子保留在微观结构中并且部分地与马氏体时效钢的合金元素中的一部分、尤其例如钼相结合，以形成金属间化合物沉淀(例如Mo2N)。已知这些间隙物和沉淀物能够明显提高金属环41对磨损和疲劳断裂的抵抗能力。尤其应注意，替代地可在这种组合式热处理之后或之前进行时效热处理(不同时进行氮化)、即在不含氨的工艺气体中进行。在氮化处理持续时间太短而无法同时完成沉淀硬化工艺时，应用这种单独的失效热处理。
多个如此加工的金属环41在第九工艺步骤IX中通过径向堆叠组装形成环组31，即将选择的金属环41同心地嵌装以实现每一对相邻的金属环41之间的最小径向游隙或余隙。应注意，本领域中还已知，替代性地直接在第七工艺步骤VII的环件校准之后、即在第八工艺步骤VIII的环件时效处理和环件氮化之前，组装环组31。
在本领域中提出了许多不同的范围和值，它们特别适用于在所述第八工艺步骤VIII或环件时效和环件氮化的工艺步骤中应用的工艺设置，并且还与用于金属环41的马氏体时效钢基础材料的特定组分有关。在实践中，定义氮化工艺设置以便为金属环41提供厚度在25至35微米之间的氮扩散区、即氮化表面层。在图4中，虚线表示通常存在于当前大量生产的传动带3中的作为距金属环41的外表面的测量深度D的函数的以质量％计的测得的氮含量[N]。在约30微米的深度处，所述测得的氮含量降至零，从而限定了氮化表面层的范围、即厚度。
本发明认为，氮化表面层的厚度实际上仅具有次要的相关性，而金属环41的机械性质替代地主要由氮化表面层中的氮浓度决定。因此，根据本发明，优选针对深度上的氮浓度控制第八工艺步骤VIII中的氮化工艺。特别地，根据本公开并且如图4中的实线所示，邻近金属环41的表面，设定相对较高的氮浓度以提供耐磨性，而金属环41中较深处的氮浓度设定为相对较低以提高金属环41的延展性和/或屈服强度。因此，根据本发明的氮化表面层的氮含量随深度的变化曲线也在总厚度的一半处显示出较高的局部斜率，即图4中在约13微米深度处约为(-)0.075质量％/微米，相比之下，根据现有技术，则在约15微米深度处约为(-)0.035质量％/微米。
本公开还认为，至少作为次要优化方案，可沿着金属环41的横截面周边优化氮化表面层的厚度。特别地，根据本公开并且如图5中在金属环41的示意性剖视图中所示，氮化表面层的厚度TNSL在其轴向侧面处TNSL-af最大，并且朝着金属环41的径向定向的主表面的轴向中部TNSL-rf减小。根据本公开，通过这种措施，特别是在环组31的相邻金属环41之间的滑动接触中，金属环41的延展性和疲劳强度得到改善，而不会损害其耐磨性。
除了前面的全部描述和附图的所有细节之外，本公开还涉及且包括权利要求的所有特征。权利要求中的附图标记不限制其范围，而仅仅作为相应特征的非约束性示例来提供。根据情况，所要求保护的特征可在给定产品或给定方法中单独应用，但是也可在其中应用两个或更多个这种特征的任何组合。
由本公开表示的本公开不限于在此明确提及的实施例和/或示例，而是还包括其改动、修改和实际应用，特别是本领域技术人员可想到的那些改正、修改和实际应用。
Claims (10)
1.一种用在用于无级变速器的传动带(3)中的由沉淀硬化钢合金、例如马氏体时效钢制成的金属环(41)，所述无级变速器具有两个带轮(1、2)并具有所述传动带(3)，其特征在于，金属环(41)设有氮化表面层，其中，在金属环(41)的外表面向内5微米处存在至少0.80重量％、优选至少1.0重量％的氮。
2.根据权利要求1所述的金属环(41)，其特征在于，在金属环的外表面向内20微米处存在最多0.15重量％、优选最多0.10重量％。
3.根据权利要求1或2所述的金属环(41)，其特征在于，在氮化表面层中，在金属环的外表面向内10至15微米处，氮浓度的局部斜率为至少负0.050重量％/微米、优选至少负0.075重量％/微米。
4.根据权利要求1、2或3所述的金属环(41)，其特征在于，金属环的氮化表面层(42)的厚度(TNSL)从金属环(41)的轴向侧面向金属环的径向内表面和/或径向外表面的轴向中部的方向减小，优选沿该方向连续和/或逐渐减小。
5.根据权利要求1、2或3所述的金属环(41)，其特征在于，氮化表面层(42)的在金属环(41)的径向内表面和/或径向外表面的中部的厚度(TNSL-rf)为金属环的氮化表面层(42)的在金属环(41)的轴向侧面处的厚度(TNSL-af)的最多50％。
6.根据权利要求1、2或3所述的金属环(41)，其特征在于，氮化表面层(42)的在金属环(41)的径向内表面和/或径向外表面的中部的厚度(TNSL-rf)为最多10微米，氮化表面层(42)的在轴向侧面处的厚度(TNSL-af)。金属环的氮化表面层(42)的在金属环(41)的轴向侧面处的厚度(TNSL-af)为最少20微米。
7.根据前述权利要求中任一项所述的金属环(41)，其特征在于，所述金属环(41)在其表面处具有大于1000MPa的压缩残余应力并且具有大于1000HV0.1的硬度值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的金属环(41)，其特征在于，所述金属环由钢合金制成，所述钢合金包括：
-17至19重量％的镍，
-15至17重量％的钴，以及
-大于5重量％、优选6.5至8重量％的钼。
9.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的金属环(41)的方法，其中，使金属环(41)经过氮化工艺，即在包含氨气的工艺气氛中进行热处理，其特征在于，根据在氮化工艺中引入到金属环(41)表面内部的氮的量来控制氮化工艺的工艺设置。
10.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的金属环(41)的方法，其中，使金属环(41)经过氮化工艺，即在包含氨气的工艺气氛中进行热处理，其特征在于，在氮化工艺中，金属环(41)的径向内表面和径向外表面至少部分地被覆盖、即与工艺气氛隔离。
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