CN103703274B - 用于无级变速器传动带的柔性环及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由钢制成的用于无级变速器的传动带(3)的柔性环(32)，其具有至少相对于钢环的(主体)组成富氮的表面层。根据本发明，该环的表面层还富碳。本发明还涉及用于制造该柔性环(32)，即用于提供富氮和富碳的表面层的热处理工艺。

Description

用于无级变速器传动带的柔性环及其制造方法

本发明涉及一种根据下文中的权利要求1的前序部分所述的柔性环和一种用来制造这种柔性环的方法。该柔性环被用作无级变速器的传动带的部件，尤其是用于汽车，例如乘用汽车中。传动带典型地由两组相互同心布置的柔性环形成，柔性环插入到传动带横向构件的凹槽中。该传动带包括多个横向构件，其沿该环组的圆周相互之间连续地布置。在该传动应用中，单个的柔性环正常具有仅为0.2mm或者更小的厚度。

在传动装置中，传动带被用来在两个轴之间传递驱动力，传动带绕着在两个转动滑轮通过轴，两个转动滑轮分别与该传动轴中的一个相关，并设有限定出滑轮圆周V形槽的两个锥形盘，传动带容纳在该V形槽内。通过以协调的方式改变两个滑轮的相应盘之间的轴向间距(separation)，可以改变传动带在每个滑轮上的半径以及传动轴之间的转速比，同时使传动带保持在张紧状态。这种传递装置和传动带在本领域内是众所周知的，例如记载在欧洲专利公开EP-A-1243812中。

在本领域内进一步众所周知的是，传动带的性能不仅与环组的组合拉伸强度有直接联系，而且在很大程度上与各个柔性环本身的疲劳强度有直接联系。这是因为，在传递装置中的传动带转动期间，柔性环的张力和弯曲应力有波动。实际上，普遍采取特种合金钢，尤其是马氏体时效合金钢作为柔性环的基材来实现传动带的期望性能。另外为此目的，柔性环是硬化并且表面氮化(气体软化)的芯体，其作为长久以来的柔性环制造过程的一部分。

在这方面众所周知并且主要使用的基材具有如下标称组成：18质量％的镍、5质量％的钼、16质量％的钴、0.4质量％的钛和余量的铁。尽管这种已知的马氏体时效钢基材确实是可相对容易且可靠地进行处理以形成具有所需机械性能的柔性环，但也带来钢材相对昂贵的缺陷。尤其是，已知的马氏体时效钢基材不仅仅为使(产生应力的)非金属杂质的形成最小化而根据极高的纯度要求来进行制造，而且即使在全球范围内产量也相对少。此外，钴是稀有的，并因此是昂贵的合金元素。

因此，本领域内长久以来的需求是开发不仅价格低廉、而且还可以类似的简易性和可靠性制造的用于柔性环的基材，从而形成与已有马氏体时效钢基材相比具有类似机械性能，尤其是疲劳强度的柔性环。在这方面，近几年来已经提出几种替代的钢组合物，然而，没有一个能成功替换作为用于传动带柔性环部件的基材的马氏体时效钢。

本发明的目的同样是为了实现采用较不昂贵的钢补偿物作为用于柔性环的基材的期望。根据本发明，该目的可不仅仅通过基材的组成来实现，而且还可通过对传动带制造领域内当前采用的环制造过程实施有限的、但必要的改进来实现。

已知的环制造过程包括气体软氮化的热处理工艺步骤，即使环位于具有包括氨气的可控气氛的加热腔室内。在该工艺步骤中，氨在环的表面上解离，而氮原子作为填隙物进入环材料的金属晶格，从而在环材料中形成含氮表面层。这种氮化表面层增加环的表面硬度，同时基本上保持环材料的良好弹性和屈服强度。因此耐磨性和疲劳断裂抗力显著改进至传动带应用本身所需的水平。

已经发现，当以上述已知方式加工其他材料，即不含钴的钢组合物，例如尤其是钴镍不锈钢组合物时，这种已知的氮化表面层不会形成，至少不会达到相同程度或者厚度。简单增加气体软氮化工艺的强度(例如温度、氮浓度或者持续时间)不会明显增加所述厚度。因此，利用已知的气体软氮化工艺，不锈钢环不会具有由已知的含钴的马氏体时效刚环所提供的良好的对于传动带应用的材料特性。

根据本发明，由不含钴的钢制成的柔性环的有关材料特性可大体上通过代替柔性环氮化的渗碳氮化进行改进。渗碳氮化的工艺步骤本身是已知的，并且不同于气体软氮化工艺之处在于，工艺气氛除了只有氨气之外还包括含碳气体，例如一氧化碳和／或乙炔。在该工艺步骤中，不仅氮原子，而且碳原子都通过扩散进入环材料的金属晶格内，由此形成至少相对于环材料的主体组成(bulk composition)富氮和富碳的表面层。

另外，根据本发明，特别有利的结果可由如下合金钢范围获得，其包含5-20重量％的铬和5-15重量％的镍，余量为铁。这些合金钢还包含少量的、小于5重量％的其它金属，例如钼、铜、铝、钛、锰和硅。特别良好的结果可由进一步满足镍含量和铬含量的总量达到约21重量％的要求的合金钢获得，最佳的实验结果是由包含12重量％的铬、8.5重量％的镍、2重量％的铜和1重量％的钛、以及余量为铁的合金获得。

更进一步地根据本发明，特别有利的结果可由如下的渗碳氮化获得，其在400-550℃的温度范围经过0.5-2.5小时和在供给包含5-25体积％的氨和5-15体积％的含碳气体、以及余量的氮气的工艺气体之下进行。

更进一步地根据本发明，特别有利的结果可如下获得，在渗碳氮化过程中，工艺气氛中含碳气体的分压在渗碳氮化过程初期相较于后期乃至该过程的最后阶段更高。这可例如通过逐渐降低工艺气体的碳含量以简单方式实现。

更进一步地根据本发明，特别有利的结果可如下获得，通过设置渗碳氮化过程以致碳浓度的(局部)最大值，即峰值出现在环的富氮表面层的最大延伸(extend)，也就是说，在氮浓度减少为零，或者至少减少为环材料的主体浓度的深度(即距环的外表面的垂直距离)。在数量上，碳含量的这种局部最大量优选出现在含氮量为约1重量％，例如在0.5-1.5重量％的N的深度。优选地，碳含量的该局部最大值达到1重量％，例如0.5-1.5重量％的C。因此，环材料在环的渗碳氮化表面层和主体之间的过渡段处的机械性得以改进，尤其是在环材料的局部疲劳强度方面得以改进。

已发现，当应用本发明时，仅仅具有13-23微米厚(由氮原子的有效扩散深度和／或碳含量的局部最大值所确定的)的渗碳氮化表面层的不锈钢环提供与具有约25-35微米厚的氮化表面层的常规马氏体时效钢环类似的疲劳强度。

以下将通过示例方式参照随附的附图阐述本发明的上述基本特征。

图1是已知的传动带以及包括这种已知带子的传动装置的示意图。

图2是已知传动带的部分的示意图，该传动带包括两个由几个柔性环以及多个横向构件组成的组。

图3示意性地显示包括氮化工艺步骤的已知的柔性环制造方法。

图4示意性地显示作为整个柔性环制造方法的部分的、根据本发明的渗碳氮化工艺步骤。

图5是根据本发明制造的柔性环材料中的局部碳含量和局部氮含量与距其表面一定(垂直)距离相关的图。

图6是常规制造的柔性环材料的局部碳含量和局部氮含量与距其表面一定距离相关的图。

图7是根据本发明制造的柔性环的相对疲劳强度与平均氮层和碳层厚度相关的图。

图1示意性示出具有缠绕在两个滑轮1和2上的传动带3的无级变速器(CVT)。每个滑轮1，2设有两个滑轮锥形盘4,5，其间限定有环形的、主要为V形的滑轮槽，并且其一个盘4可沿其放置的相应的滑轮轴6,7轴向移动。传动带3缠绕在滑轮1，2上用于将旋转运动ω和伴随转矩T从一个滑轮1，2传递至另一个2，1。每个滑轮1，2通常还包括驱动装置，该装置在所述至少一个盘4上施加指向相应的另一个滑轮盘5的轴向定位夹紧力，因此带子3可夹在这些盘4,5之间。此外，从动滑轮2的转速和主动滑轮1的转速之间CVT的(速度)比由此确定。该CVT本身是已知的。

已知传动带3的一个实例以截面方式图示于更加详细的图2中。传动带3由包括相互嵌套的平面且柔性的环32和多个横向构件30的两个组31构成。横向构件30沿着环组31的圆周相互连续设置，以这种方式它们可相对于环组31在其圆周方向上滑动。

该横向部分30承受所述夹紧力，这样当输入扭矩T施加至所谓的主动滑轮1上时，盘4,5和带子3之间的摩擦使主动滑轮1的转动经由同样转动的传动带3转移至所谓的从动滑轮2。

在CVT工作期间，传动带3以及特别是其柔性环32受到周期性变化的张力和弯曲应力，即疲劳负载。典型情况下，金属疲劳抗力，即柔性环32的疲劳强度因而确定传动带3的功能寿命。因此，已经有长久以来的、且普遍的开发目的，为了以最少的复合材料和工艺成本优化柔性环32的疲劳强度。

图3显示用于传动带环组31的已知制造方法的相应部分，如同其通常在本领域中用于汽车应用的金属传动带3的制造。已知制造方法中的单个工艺步骤通过罗马数字表示。

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五V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14一般被称为柔性环32。

柔性环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)和重结晶来去除上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，通过将柔性环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。在第七工艺步骤VII中，内部应力也施加在柔性环32上。

其后，将柔性环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(casehardening)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的腔室内加热柔性环32。在时效处理的情况下，腔室内的工艺气体通常是由氮气和一些氢气，例如至多5体积％的氢气组成。在氮化情况下，工艺气体还包括氨气，其在腔室内，即在工艺气氛下，在金属环表面分解为氢气和氮原子。这两种热处理通常发生在400℃-500℃的温度范围内，并且根据用于柔性环32的基材(马氏体时效钢合金组合物)以及为其所要求的机械性能，每种处理都可持续约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或更高的环面硬度值和25-35微米的氮化环表面层厚度，其可替代地表示为氮扩散区域。

应注意是，同时进行，即在一个腔室内进行这两种热处理是本领域内已知的。

最后，环组31通过径向叠加，即同心嵌套几个由此形成并进行加工的柔性环32而形成，正如在此所述的第十个且最后的工艺步骤X中在图3中进一步图示的。因为在相邻柔性环32之间仅有很小的正面或反面间隙，环组31的每个柔性环32都要求相对于另一个环适当地设计尺寸。为此，环组31的各个柔性环32通常选自具有精确已知圆周长度的一批(a stock of)柔性环32。

因为马氏体时效钢的一些合金元素相对昂贵，已经尝试在本领域中通过更低价的钢种，例如不锈钢来替换马氏体时效钢基材。例如，日本专利公开号No.2002-053936和No.2000-063998考虑用不含钴的钢组合物作为传动带柔性环部件32的基材。然而，这种替代的钢组合物已被证实对于当前的汽车传动带应用还不令人满意，或者至少不如现有的马氏体时效钢成分。仍然根据本发明，至少一些不含钴的钢组合物的这种性能可通过对柔性环32的制造过程进行出人意料地少量且简单的改进得到明显且令人满意的改进。

如图4中图示的，根据本发明，通过在上述整个制造方法中的第九步骤IX中用渗碳氮化代替柔性环32的氮化使例如不锈钢的不含钴的钢的材料特性得到显著改进，尤其是对于其当前的CVT传动带应用。渗碳氮化的该热处理工艺同样是众所周知的，但不同于气体软氮化之处在于，除氨气之外，工艺气体包括含碳或者吸热气体(endo-gas)，例如一氧化碳和／或乙炔。在渗碳氮化柔性环32的过程中，不仅氮原子，而且碳原子都通过扩散进入环材料的金属晶格内。因此形成富氮原子和富碳原子的柔性环32的表面层。

进一步地根据本发明，在渗碳氮化过程步骤IX期间，工艺气体的组成，尤其是其碳含量变化而形成环材料碳含量的局部最大值，其浓度峰值出现在距柔性环32外表面一定距离处，该距离基本上相当于延伸，即其富氮的表面层的厚度。本发明的优选实施方案通过图示示出于图5中。

在图5的图中，与相应的局部氮含量(虚线)相关地绘制出最终成品的柔性环32材料的这种优选的局部碳含量(实线)。在该图中，X轴坐标表示距环表面的深度或距离(以微米计)，而Y轴坐标表示有关的局部含量(按重量％计)。

在图5中，根据本发明产生的柔性环32的渗碳氮化表面层的延伸程度用虚线垂直线表示。根据图5，渗碳氮化表面层为约17微米厚或深，在该深度氮含量接近为零，并且同样根据本发明，还出现约1重量％的局部碳含量的局部最大值或峰值。

然而用于常规制造的，即仅氮化的柔性环32测定的类似图由图6给出以进行对比。根据该图6，常规柔性环32，即根据图3中已知制造方法制造的柔性环的氮化表面层约有30微米厚或深，正如仍用虚线垂直线表示的，并且未出现局部碳含量峰值，反之仅在距环表面5微米范围迅速降至零。

最后，图7的图提供一种在氮化和渗碳表面层的深度(厚度)上对根据本发明制造的柔性环32所观察到的(正火)疲劳强度的实验确定的相关性。图7的图显示出在约18微米的层厚处出现最大疲劳强度。根据该图并与常规柔性环32进行比较，可以总结出，在根据本发明的渗碳氮化过程中，最佳的结果是具有在13-23微米之间的渗碳氮化层厚度。

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、并涉及可能未描述，但至少由本领域技术人员直接且毫无疑义地从中产生的所讨论的附图中的所有细节和方面。

Claims (11)

1.一种由包含5-20重量％的铬和5-15重量％的镍的钢制成的用于无级变速器的传动带(3)的柔性环(32)，其具有富氮的表面层，所述表面层至少相对于钢的主体组成还富碳，其特征在于，表面层的氮含量在距柔性环(32)的外表面13-23微米的垂直距离处变为小于1.5重量％，在距柔性环(32)的外表面13-23微米的垂直距离处，表面层的碳含量达到局部最大，达到0.5-1.5重量％之间。

2.权利要求1所述的柔性环(32)，其特征在于，所述钢还包含小于5重量％的选自钼、铜、铝、钛和锰中的一种或多种元素。

3.权利要求2所述的柔性环(32)，其特征在于，除了任何不可避免的杂质和/或污染物之外，柔性环(32)由具有12重量％的铬、8.5重量％的镍、2重量％的铜和1重量％的钛、以及余量为铁的钢制成。

4.一种在传动带(3)中使用的柔性环(32)的制造方法中所用的热处理工艺(IX)，其中柔性环(32)由包含5-20重量％的铬和5-15重量％的镍的钢制成，并在400-550℃的温度下在包含可控气氛的腔室内保持30-150分钟之间的时间，该腔室供有5-25体积％的氨气和5-15体积％的含碳气体、以及余量为氮气的工艺气体混合物。

5.权利要求4所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，使所述可控气氛中的含碳气体的分压降低，并作为所述热处理工艺(IX)的部分。

6.权利要求4或5所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，在所述热处理工艺(IX)中，至少相对于柔性环材料的主体组成，柔性环(32)具有富氮和富碳的表面层。

7.权利要求6所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，在表面层的氮含量接近为零的位置处，碳含量达到局部最大。

8.权利要求6所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，在表面层的氮含量达到0.5-1.5重量％之间的位置处，碳含量同样达到0.5-1.5重量％之间。

9.权利要求6所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，表面的氮含量在距柔性环(32)的外表面13-23微米的垂直距离处变得小于1.5重量％。

10.权利要求9所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，所述钢还包含小于5重量％的选自钼、铜、铝、钛和锰中的一种或多种元素。

11.权利要求10所述的热处理工艺(IX)，其特征在于，除了任何不可避免的杂质和/或污染物之外，柔性环(32)由具有12重量％的铬、8.5重量％的镍、2重量％的铜和1重量％的钛、以及余量为铁的钢制成。