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技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】设有带氮化层的钢制环件的环组的传动带
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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.12.27 NL 10399741.一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)具有小于600Mpa、而大于350Mpa的值。2.如权利要求1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。3.如权利要求1或2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，并具有氮化层(NL)，所述氮化层(NL)具有范围为10-18微米的厚度。4.一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...

【专利技术属性】
技术研发人员：B·彭宁斯，
申请(专利权)人：罗伯特·博世有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE