CN112400032A - 基础材料组分、由该基础材料制造用于传动带的横向件的方法及包括由此制造的横向件的传动带 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种构成用于在无极变速器中使用的传动带(3)的横向件(32)，所述传动带(3)包括相对于其环形的张紧元件(31)的周向可滑动地并入的多个所述横向件(32)。横向件(32)由碳钢制成，所述碳钢包含0.60‑1.2重量％的碳和0.30‑0.60重量％的铬。根据本发明，所述碳钢还包含相当少量的0.05‑0.15重量％的钒，从而显著地且有利地提高横向件(32)的疲劳强度。

Description

基础材料组分、由该基础材料制造用于传动带的横向件的方 法及包括由此制造的横向件的传动带

技术领域

本发明涉及一种传动带的横向件构件，所述传动带包括环形的张紧元件和可沿其周向滑动地布置在张紧元件上的多个这种横向件。该传动带是(a/o)应用于机动车的动力系统中公知的、可变的带与带轮式变速器中。这种特定类型的传动带及其横向件构件在本领域中是众所周知的，例如可从作为WO 2017/108206 A1公开的PCT申请中已知。

背景技术

为了使传动带在变速器中正确且持久地发挥作用，横向件必须既能抵抗磨损又能抵抗金属疲劳。在这方面，已知横向件的疲劳强度由其形状决定，该形状通常在传动带操作期间出现的应力水平和应力幅度方面进行优化。此外，横向件可以在其表面层中具有残余压应力，例如，由于使这些横向件在从基础材料切割出之后经受已知的石滚去毛刺工艺。通过这种残余压应力，已知由特别是表面缺陷引起的微裂纹的引发和/或生长，从而提高其疲劳强度。

为了将横向件的接触面的磨损率限制在变速器的典型汽车应用中合适的或至少是可接受的水平，已知提供具有在洛氏硬度C标尺(HRC)上至少为58的材料硬度的横向件。该硬度值通过用含碳钢生产横向件并对横向件进行淬火硬化来实现。横向件基础材料的钢成分中的碳含量在0.60-1.2重量％之间，典型的是0.75重量％+/-0.05重量％，并且还包括至少0.30-0.60重量％的铬。典型地，然而非必要地，横向件的基础材料还包括0.50-0.70重量％的锰和0.25-0.50重量％的硅。

在这方面实际应用的钢标准是JIS SKS95和DIN 1.2003(也称为：75Cr1)。例如，DIN 1.2003钢规定包含0.70至0.80重量％的碳、0.60至0.80重量％的锰、0.25至0.50重量％的硅、0.30至0.40重量％的铬和余量的铁以及不可避免的污染物，其中磷和硫的存在通常被明确限制在0.030重量％。

欧洲专利公开EP-A-1 233 207提供了在制造横向件时应用的已知热处理的一个示例。这种常规的淬火硬化热处理包括将横向件加热到高于钢的所谓奥氏体化温度(例如在DIN 1.2003钢成分的情况下高于±780℃)的步骤，以便将其晶体结构从铁素体转变为奥氏体，以及包括随后的淬火步骤，即将横向件充分快速地冷却到足够低的温度、例如110℃，以便至少主体上将奥氏体相转变为马氏体相。此后，使横向件经受进一步的回火工艺步骤，即将其加热到200℃左右的中等温度、例如185℃，持续约40分钟，以提高其延展性和韧性，从而使其疲劳强度达到要求的水平。作为回火工艺步骤的结果，与直接在淬火工艺步骤之后的硬度相比，钢的材料硬度也降低了。淬火硬化后的钢的微观结构或结晶结构主要是马氏体，典型的是还有一些奥氏体存在(所谓的“残余奥氏体”)。

在上述常规淬火硬化热处理的已知优化中，已知对横向件进行渗碳或碳氮化，从而在其表面层中提供残余压应力。通过这种残余压应力，已知可抑制特别是表面缺陷引起的微裂纹的引发和/或生长，从而提高横向件的疲劳强度。例如，WO2017/108206描述了应用于横向件的已知渗碳热处理。后一种热处理包括在含碳气体气氛中将横向件加热到高于有关基础材料的所谓奥氏体化温度(例如在DIN 1.2003钢的情况下高于±780℃)的工艺步骤。特别是在这种热处理中，气体气氛的碳势超过了相关基础材料的碳含量。通过已知热处理的后一个特征，横向件的表面层富集碳。更具体地说，施加0.9的碳势，或者一般来说，比有关基础材料的以重量％计的碳含量高0.1至0.25。

在碳氮化的情况下，还将含氮气体加入到气体气氛中，使得每个横向件的表面层不仅富集碳，而且富集氮。

发明内容

上述已知的工艺使横向件具有相当大的抗磨损能力以及相当大的疲劳强度。然而，在本领域中，进一步减少磨损和/或进一步提高横向件的疲劳强度仍然是始终存在的愿望。一方面，可由此提高变速器作为整体的稳固性和使用寿命，另一方面，可提高由变速器传递的驱动力/或可减小变速器的尺寸。

本发明的基础是发现，通过在已知的基础材料钢成分中加入令人惊讶的少量的0.05-0.15重量％的钒，其优化的量约为0.10重量％，可进一步优化横向件的疲劳强度。已经观察到，通过将上述少量的钒加到基础材料中，获得了晶粒尺寸细化效果，这不仅提高了基础材料的疲劳强度，而且改善了其加工性。特别是，由于在晶界处存在钒，抑制了奥氏体晶粒在奥氏体化中的增长。这种晶粒尺寸的细化有效地减小了横向件在冲裁中的切割表面上形成的缺陷的尺寸(所谓的“拉毛”缺陷)。

此外，在一定程度上，在横向件的冲裁之后的横向件的淬火硬化热处理中也可以有利地获得沉淀硬化效果。这种沉淀硬化通过形成在整个横向件中分散的非常细的碳化钒和/或氮化钒而发生。然而，当加入少于0.05重量％的钒时，这种效果几乎不可察觉，而超过0.15重量％的钒时，不期望的副作用开始变得相关，例如脆性提高。

另外根据本发明，通过在基础材料钢成分中加入极少量的小于0.03重量％的铌，有利地增强了钒的上述积极作用。发现这种令人惊奇的少量铌支持并增强了钒的晶粒细化形成效果，并且也形成铌沉淀物，即碳化铌和/或氮化铌，同样分散在整个横向件中。

进一步根据本发明，为了实现与钒和/或铌添加量有关的优化的晶粒尺寸细化和/或沉淀硬化效果，淬火硬化热处理本身以一种令人惊奇的方式细微但相关地微调。特别是，根据本发明，淬火硬化工艺步骤的回火在250-375℃、优选地是约300℃的温度下进行。在这种相对高的回火温度下，钒和/或铌沉淀物成核并生长到本文范围内的其优化尺寸。此外根据本发明，非常有利的是，无论是淬火硬化热处理的奥氏体化还是回火工艺步骤的持续时间都不需要延长来允许这种沉淀物形成。例如，回火工艺步骤的持续时间可以保持在接近常规应用的40分钟左右，即可以根据基础材料的具体成分具有30分钟到60分钟之间的数值。优选地，这样修改的回火工艺步骤优选地在保护性气体气氛中进行，该保护性气体气氛特别是不含氧。

进一步根据本发明，由于在奥氏体化和/或回火的工艺步骤中源自周围工艺气体的氮和/或碳的局部丰度，钒和/或铌沉淀物在靠近横向件的表面处比朝向其核心处自然形成得更丰富和/或更粗大。为了增强所述沉淀物在整个横向件的体积区中的形成，规定基础材料钢成分中氮的最小存在量为0.005重量％。为了避免脆性，也考虑到根据本发明的相对高的回火温度，氮的含量最多为0.015重量％。这样，通过钒和/或铌沉淀物，优化地提高了横向件的疲劳强度。

此外，特别是关于上述渗碳和碳氮化的热处理，发现通过在已知的基础材料钢成分中加入上述少量的钒，也有利地抑制了碳化铁网络的形成。这些碳化铁网络主要是形成在横向件的表面附近，这是因为碳原子从所述表面向内扩散而使其局部相对丰富。这些碳化铁网络不利于横向件的疲劳强度，特别是这些网络促进了晶间疲劳断裂。

显然钒比铁具有更高的与碳结合的亲和力，使得碳化钒有利地替代或至少优先于铁的碳化物形成。发现碳化钒对横向件疲劳强度的损害比所述碳化铁网络在晶界处的损害要小得多，特别是因为这些碳化钒不形成这种网络，而是形成分散的、纳米尺寸的沉淀物。

进一步根据本公开内容，并且在通常在横向件的制造中应用的相对温和的渗碳或温和的碳氮化的情况下，在这方面，在基础材料中有0.05-0.15重量％的极少量的钒就已经足够了。

附图说明

现在将参照附图借助于非限制性的示例进一步说明新型横向件及其提出的制造方法的原理和特征。

图1提供了众所周知的设有两个皮带轮和传动带的无级变速器的示意性描述的示例。

图2提供了包括钢制横向件和张紧元件的已知的传动带的示意性示出的剖视图。

图3示意性地示出了作为横向件的整体制造方法的一部分而应用的常规淬火硬化工艺的三个阶段，该工艺包括奥氏体化、淬火和回火的步骤。

图4提供了示出在奥氏体化的工艺步骤中，在三种奥氏体化温度下，碳活性a_C和以重量％计的平衡碳含量ECC之间的关系的图。

图5提供了以所谓北川图的形式示出根据本发明的横向件的晶粒尺寸细化、缺陷尺寸减小和沉淀硬化效应对其疲劳强度的积极影响的图。

图6是钢样品的摄影剖视图，其示出了微结构的晶界处的(白色)碳化铁。

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，该致动装置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持力，该夹持力指向该带轮1、2的相应的另一个带轮盘5，从而使得传动带3被夹持在带轮1、2的这些盘4、5之间。这些夹持力不仅确定了传动带3和相应带轮1、2之间的摩擦力，也确定了传送带3于每个带轮1、2处在其相应的带轮盘4、5之间的径向位置R，所述径向位置R确定了其带轮轴6、7之间的变速器速度比。

图2中以朝向其周向方向的剖视图更详细地示出了已知传动带3的一个示例。传动带3包括环形的张紧元件31，其成两组扁平且薄的、即带状的柔性金属环44的形式。传动带3还包括沿其周向安装在张紧元件31上的多个横向件32。在该特定的示例中，每一组环44都被接收在由横向件32在其任一侧面、即在横向件32的中央部分35的任一轴向侧上限定的相应的凹部或槽33中。从相对于传动带3整体的径向方向看，横向件32的槽33位于横向件32的底部部分34与顶部部分36之间。

在横向件的所述底部部分34的轴向侧上，横向件32设有用于与带轮盘4、5进行摩擦接触的接触面37。每个横向件32的接触面37彼此定向成基本上与V形带轮槽的角度相匹配的角度Φ。由此，横向件32承担所述夹持力，使得当对所谓的驱动带轮1施加输入扭矩时，带轮盘4、5与带3之间的摩擦力使驱动带轮1的旋转经由同样旋转的传动带3传递给所谓的从动带轮2，或者反之亦然。

在CVT的操作过程中，传动带3的横向件32构件间歇地夹持在带轮1、2的相应的一对带轮盘4、5之间。虽然这种夹持显然使横向件32的底部部分34被压，但其中也产生了张紧力，特别是在其底部部分34与中央部分35之间的过渡区域中。由此，横向件32不仅受到磨损，而且由于其上述间歇性夹持还受到金属疲劳载荷。

众所周知，通常用钢制的基础材料、如75Cr1(DIN 1.2003)钢制造横向件32，通常采用冲裁工艺，并作为传动带3的整体生产过程的一部分使钢淬火硬化。淬火硬化热处理包括图3中示意性示出的三个工艺步骤I、II和III。在第一工艺步骤I中，将一批横向件32在烘箱室60中加热到实质上高于有关钢的奥氏体化温度的温度，以便使这些构件具有奥氏体的结晶结构，即所谓奥氏体化。在该第一工艺步骤I中，通常将横向件32置于中性工艺气体中，例如氮气、氢气和含碳气体如一氧化碳的混合物中。在工艺气体中的含碳气体的量、即分体积被选择为使得工艺气体的所谓碳势基本上等于待处理的钢的碳含量。在这种情况下，横向件32在其表面处既不富集碳，也不被碳贫化。氢气有利地促进了一氧化碳的分解，同时通过与氧反应形成水蒸气，保证了工艺气体保持非氧化性：

CO+H2→C+H2O [1]

上述分解反应[1]的平衡常数K1的定义为：

K₁＝(a_C·P_H2O)/(P_CO·P_H2) [2]

其中，P_x代表在工艺气体中的相应气体“x”的以体积百分比％计的分压，a_C代表工艺气体的所谓碳活性。上述分解反应[1]的平衡常数K1可近似地表示为：。

¹⁰log(K₁)＝-7.494+7130/T [3]

其中，T表示以开尔文计的奥氏体化温度。这样确定的工艺气体的碳活性a_C可与横向件32的表面处的平衡碳含量有关，即与工艺气体平衡的(表面)碳含量。图4的图表提供了三种奥氏体化温度下碳活性a_C与以重量百分比％计的平衡碳含量ECC之间的这种关系。如上所述，在常规奥氏体化中，将横向件32置于中性工艺气体中，其中碳活性a_C限定为使得根据图4的图表的平衡碳含量ECC基本上等于横向件32的基础材料的碳含量。

在第二工艺步骤II中，对该批横向件32进行淬火，即迅速冷却，以形成主要由过饱和马氏体晶体构成的(元稳定)微结构。在该第二工艺步骤II中，横向件32的冷却通常通过将这些横向件浸入油浴70中来实现。此后，在第三工艺步骤III中，该批横向件32在经过奥氏体化和淬火后，在烘箱80中重新加热，以提高其延展性和韧性，即所谓的回火。该第三工艺步骤III中所应用的处理温度、即回火温度，比第一工艺步骤I中所应用的处理温度、即奥氏体化温度低得多。例如，回火温度可以低至185摄氏度，从而可在空气中进行。

为了进一步减少操作过程中的磨损和/或进一步提高横向件32的疲劳强度，目前建议在横向件32的钢基础材料中加入钒和/或铌。特别是根据本发明，通过在横向件32的基础材料中加入相当少量的0.05-0.15重量％的钒和/或小于0.03重量％但优选大于0.01重量％的铌，在横向件的淬火后有利地获得更细的晶粒尺寸。此外，特别是通过在250-375℃的温度下进行淬火硬化热处理的第三、回火工序步骤III，还能获得横向件32的沉淀硬化效果。

在图5中包括所谓的北川图，它示出了在应用本发明的技术教导时可实现的横向件32的疲劳强度的改进。在北川图中，被测试部件中的缺陷尺寸DS在双对数尺度上与临界疲劳载荷CFL、即最终导致被测试部件疲劳断裂的疲劳载荷FL相关联。在图5中，虚线示出了常规横向件32的临界疲劳载荷CFLc，而实线示出了新型横向件32、即实施本发明的技术教导的横向件32的临界疲劳载荷CFLn。在图5中：

-箭头①示出了与所述横向件32表面残余压应力的增加有关的不考虑缺陷尺寸DS的疲劳强度提高，由此，在北川图中，整个临界疲劳载荷线向右移动；

-箭头②示出了与所述横向件32的材料硬度的提高有关的主要对于相对小的缺陷的附加的疲劳强度的提高，由此，临界疲劳载荷CFL的弯曲点在北川图中向上并向右移动；以及

-箭头③示出了与所述基础材料的晶粒尺寸细化改善其可加工性有关的通过缺陷尺寸的减小而间接提高疲劳强度。

在上述淬火硬化热处理的已知改型中，横向件32进一步通过渗碳或碳氮化横向件32来增韧。在这些情况下，选择奥氏体化工艺气体中含碳气体的量、即分体积，使所产生的碳活性a_C对应于高于钢基础材料的碳含量的平衡碳含量ECC(见图4)，从而使横向件32在其表面富集碳。特别是，将平衡碳含量ECC设定为比基础材料的以重量百分比％计的碳含量高0.1-0.25，例如，对于含碳0.75％(按重量百分比计)的钢基础材料，其平衡碳含量为0.9。

人们发现，在上述渗碳热处理中或在碳氮化过程中，碳化铁网络可能在钢基础材料的晶界处形成。图6提供了这种微结构的相当极端的示例，碳化铁沉淀物呈白色出现在晶界处。根据本发明，这种碳化铁网络促进晶间疲劳断裂，应优选地通过在钢基础材料中按上述规定的量加入钒来避免。钒替代铁与碳结合，有效地抑制了碳化铁的形成。这些碳化钒有利地形成分散的、纳米尺寸的沉淀物，而不是在晶界处形成较大的碳化铁网络。

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。

本方面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 (11)

1.一种用于传动带(3)的横向件(32)的基础材料，所述传动带(3)具有环形的张紧元件(31)并且具有可滑动地安装在张紧元件(31)上的多个所述横向件(32)，所述基础材料是碳钢，所述碳钢包含0.60-1.2重量％的碳和0.30-0.60重量％的铬，其特征在于，基础材料还包含0.05-0.15重量％的钒、优选地包含0.10重量％的钒。

2.根据权利要求1所述的基础材料，其特征在于，所述基础材料还包含0.01-0.03重量％的铌。

3.根据权利要求1或2所述的基础材料，其特征在于，所述基础材料还包含0.005-0.015重量％的氮。

4.根据权利要求1、2或3所述的基础材料，其特征在于，所述基础材料还包含0.50-0.80重量％的锰和0.25-0.50重量％的硅。

5.根据前述权利要求的基础材料，其特征在于，所述基础材料仅另外包含铁以及可能的痕量的已知污染物质，例如磷、硫和氧。

6.一种用于制造用于传动带(3)的横向件(32)的方法，所述传动带(3)具有环形的张紧元件(31)并且具有可滑动地安装在张紧元件(31)上的多个所述横向件(32)，其中，横向件(32)由根据前述权利要求中任一项所述的基础材料制成，其中，基础材料、即由其制成的横向件(32)经受淬火硬化热处理，所述淬火硬化热处理包括奥氏体化的第一工艺步骤(I)、淬火的第二工艺步骤(II)和回火的第三工艺步骤(III)，其特征在于，在回火的第三工艺步骤(III)中，将横向件(32)加热到250℃以上的温度、优选地加热到约300℃。

7.根据权利要求6所述的用于制造横向件(32)的方法，其特征在于，奥氏体化的第一工艺步骤(I)在包含含碳气体、如一氧化碳的工艺气体中进行，含碳气体的量使工艺气体中的碳分压与基础材料的以重量％计的碳含量相对应。

8.根据权利要求6所述的用于制造横向件(32)的方法，其特征在于，奥氏体化的第一工艺步骤(I)在包含含碳气体、如一氧化碳的工艺气体中进行，含碳气体的量使工艺气体中的碳分压超过基础材料的以重量％计的碳含量。

9.根据权利要求8所述的用于制造横向件(32)的方法，其特征在于，在完成奥氏体化的第一工艺步骤(I)之后，横向件(32)的表面附近的碳含量比基础材料的碳含量高0.1-0.25重量％。

10.根据权利要求7、8或9所述的用于制造横向件(32)的方法，其特征在于，奥氏体化的第一工艺步骤(I)在附加地包含氨气的工艺气体中进行。

11.一种传动带(3)，其具有环形的张紧元件(31)并具有多个可滑动地安装在张紧元件(31)上的横向件(32)，其特征在于，传动带(3)的横向件(32)是借助于根据权利要求6-10中任一项所述的制造方法制造的横向件(32)。

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