用于无级变速器的传动带的环构件

文档序号:505633 发布日期:2021-05-28 浏览:20次 >En<

阅读说明:本技术 用于无级变速器的传动带的环构件 (Ring member for a drive belt for a continuously variable transmission ) 是由 B·彭宁斯 于 2020-11-27 设计创作,主要内容包括:本发明涉及一种用在用于无级变速器的传动带(3)中的柔性金属带(41),所述柔性金属带(41)具有氮化表面层,并且由马氏体时效钢合金制成,所述钢合金包含:15至20质量%的镍,10至14质量%的钴,4至6质量%的钼,高达2.5质量%的铬和高达2.0质量%的铝,其中钴(Co)含量和铝(Al)含量满足条件:19质量%&lt;(Co+6*Al)&lt;21质量%。(The invention relates to a flexible metal strip (41) for use in a drive belt (3) for a continuously variable transmission, said flexible metal strip (41) having a nitrided surface layer and being made of a maraging steel alloy comprising: 15 to 20 mass% nickel, 10 to 14 mass% cobalt, 4 to 6 mass% molybdenum, up to 2.5 mass% chromium and up to 2.0 mass% aluminum, wherein the cobalt (Co) content and the aluminum (Al) content satisfy the condition: 19 mass% &lt; (Co &#43;6 Al) &lt;21 mass%.)

用于无级变速器的传动带的环构件

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的两个可调带轮之间进行动力传递。在传动带中,多个这种环形件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环形件的基础材料,因为至少在其经过适当的热处理(包括沉淀硬化、即时效和氮化、特别是所谓的气体软氮化)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,并且可在广泛的范围内变化,然而,具体地对于当前考虑的环形件的传动带应用,国际专利申请公开WO 2018/122397A1目前公开了马氏体时效钢的基本合金范围:

-15至20质量%的镍(Ni),

-4至18质量%的钴(Co),

-至少4质量%的钼(Mo),

-一共至少7质量%的钼(Mo)、钴(Cr)和/或铝(Al),以及

-余量的铁(Fe)。

在环形件的传动带应用中,不仅环形件的屈服强度,而且其表面硬度和表面残余压应力都是重要的产品特性,它们对传动带的承载能力和寿命有显著影响。特别地,后面的这些产品特性在很大程度上决定了环形件的疲劳强度和耐磨性。实际上,环形件表面的这些产品特性不仅取决于马氏体时效钢的组分、尤其取决于其中的形成沉淀的合金元素的丰度,还取决于其氮化热处理的工艺参数。

在氮化的热处理中,通过从环形件表面的晶格扩散将氮原子引入到微结构中。在环形件的表面层中,这些氮原子与可用的钼、铝和/或铬反应形成(Mo、Al、Cr)型氮化物,氮化物的形成由于钴的存在而增强,钴的存在降低了其他合金元素在铁镍基体中的溶解度。通过氮化表面层中的这些氮化物,实现了所述表面残余压应力,该表面压应力产生了环形件的芯部中的残余拉应力并与其平衡。该芯部残余拉应力进而有效地限制了环形件在传动带运行期间可承受而不会超过其屈服强度的(附加)张力。因此,即使增大其氮化表面层的厚度通常可以支撑环形件的疲劳强度和耐磨性,但也会降低其屈服强度。因此,实践中,在环形件氮化中,在氮化表面层的厚度、尤其是在环形件的芯部的剩余厚度与可达到的表面硬度和表面残余压应力之间保持平衡。

发明内容

基于上述见解,本发明旨在对于所述氮化热处理中获得的给定氮化层厚度,使环形件中的表面残余压应力最大化,即,使环形件中靠近环形件表面的氮化物浓度最大化。在WO 2018/122397A1的教导中,氮化物浓度的这种增加将要求马氏体时效钢组分中的钼、铬和铝的量增加至明显高于7质量%,同时钴的量取向所公开的钴范围的顶端。然而,该已知解决方案不仅增加了马氏体时效钢的成本,而且还发现不利地增大了氮化表面层的厚度。然而,根据本发明,可获得最大化表面压应力的更有利的选择。

根据本发明,令人惊讶地发现,通过使马氏体时效钢合金中的铝的量和钴的量相互关联,可以明显增强氮化物的形成,特别是同时不会实质上增大氮化表面层厚度。因此,可以在环形件中以相对较低的钴含量实现高的表面压应力。特别地,根据本发明,通过马氏体时效钢的基本组分实现了这种有利的结果,所述马氏体时效钢的基本组分包括9.0至14质量%的钴并满足以下条件:

19质量%<(Co+6*Al)<21质量% (1)

利用根据条件(1)的钴含量和铝含量之间的这种特定关系,在氮化表面层中形成铝型氮化物与环形件芯部中形成铝型金属间沉淀物(Ni3Al)之间取得了平衡。在这方面,采用马氏体时效钢的包括1.0至1.5质量%的铝并满足以下条件的基本组分可获得优化结果:

(Co+6*Al)=20质量% (2)

特别地,在由上述条件(1)和条件(2)得出的钴铝比的范围内与在该范围之外相比,在氮化热处理中形成的氮化物中捕获的氮要多得多,这可从例如通过辉光放电光发射光谱法获得的氮浓度与深度的关系曲线得出。特别是,与合金组分超出条件(1)或(2)范围的马氏体时效钢相比,靠近环形件表面的氮化物浓度与环形件表面以下(氮化)深度相关的降低幅度没有那么剧烈。因此,在环形件的氮化表面层中实现了高残余压应力,而相对地环形件的芯部中的残余拉应力的相对小地增加。特别地,这种芯部残余拉应力的增加小于表面残余压应力的增加,因为这主要是通过靠近环形件表面的氮化物浓度的增加而不是氮化表面层的厚度的增加来实现的。

附加地,根据本发明,钼和铬的含量也优选分别设定在较窄的范围内,优选为4.0至6.0质量%的钼和多至2.5质量%的铬。在后一种情况下,氮化表面层有利地具有靠近环形件表面的(Al,Mo,Cr)型和(Al,Mo)型氮化物的混合物以及氮化表面层与环形件芯部之间的边界处的(Al,Mo,Cr)型氮化物和Ni3Al金属间沉淀物的混合物。由此,获得了从氮化表面层中的压缩残余应力向环形件芯部中的拉应力的有利的过渡。

尽管目前考虑的马氏体时效钢组分可包括一定量的其他合金元素,例如钛,但这在本文中不是必需的。在这种情况下,其中仅存在痕量的其他元素,例如不可避免的磷和硅污染。

应注意,在本发明的范围内,氮化热处理本身可以按照本领域的常规进行。通过根据本发明的特定马氏体时效钢组分几乎完全实现了上述有利效果,因此不依赖或不要求时效和氮化热处理的特殊或特定设置。实际上,目前考虑的马氏体时效钢系列甚至适用于同时时效和氮化的组合热处理,这在欧洲专利EP 1753889 B1中针对由18质量%的镍、5质量%的钼、16.5质量%的钴和余量的铁组成的常规马氏体时效钢进行了描述。

附图说明

现在将参照附图借助于其非限制性地、说明性的实施例更详细地说明上述传动带、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以示意性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嵌装的柔性金属环和多个金属横向段,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提供了传动带环构件的已知的整体制造方法的当前相关部分的示意图,其包括沉淀硬化和气体软氮化的热处理,其中:

图4是将环形件的材料中的氮含量与相对于环形件的外表面的距离相关联(即,氮量随深度的变化曲线图)的示图。

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传动带3和相应带轮1、2之间的可施加的摩擦力,也确定了传送带3在带轮1、2处于其相应的带轮盘4、5之间的径向位置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、其启用方式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。已知的传动带3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。横向段32的厚度相对于这种环组31的周向长度而言很小,特别是小到使得所述一排横向段中包括数百个横向段32。在图2的传动带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、薄且柔性的单独的环形件41。尽管在附图中环组31被示为包括5个嵌装的环41,但实际上,在这种环组31中大多数情况下使用6、9、10或12个厚度分别为185微米的环形件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(即左和右)轴向侧敞开的相应的侧向定向的凹部中。这种侧向开口在设置于主体部33与头部35之间并将主体部33与头部35互连的相对较窄的颈部34的两侧上被限定在横向段32的主体部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的径向外侧敞开的居中定位的凹部。这种中央开口限定在横向段32的基部39与两个柱状部36之间,所述柱状部36分别从基部39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,中央开口被柱状部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的单独的环形件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,除了环形件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环形件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示出了传动带环构件41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20被弯曲成圆筒状,会合的板端部21在第二工艺步骤II中被焊接起来以形成中空圆筒或管22。在第三工艺步骤III中,在炉室50中将管22退火。此后,在第四工艺步骤IV中,管22被切成多个环形的环形件41,所述环形件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降低1/2。由此被拉长的环形件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,当环形件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,通过将环形件41绕着两个转动辊安装并通过迫使所述辊分开而将环形件41拉伸至预定圆周长度,校准环形件41。在该第七工艺步骤VII的环件校准中,也在环形件41上施加内应力。此后,环形件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环形件41在受控的温度下保持在容纳氨气、氢气和氮气的混合物的受控的工艺气氛的炉室50中。现有技术中已知控制工艺气氛中的氨气的体积浓度至5至25%的值,控制工艺气氛中的氢气的体积浓度至5至15%的值,并且控制工艺气氛的温度至450至525℃的值。在这方面,实际应用的值为氨气体积约10%,氢气体积约5%以及470℃。

在炉室中,氨分子在环形件41的表面处分解成氢气和氮原子,所述氮原子可进入环形件41的晶体结构中。通过这些间隙氮原子,已知能够明显提高对磨损和疲劳断裂的抵抗能力。通常,执行第八工艺步骤VIII的组合式环形件时效和氮化,直到形成在环形件41的外表面处的氮化层或氮扩散区域达到期望的厚度、例如25微米。

尤其应注意,替代地可在这种组合式热处理之后或之前在不含氨的工艺气体中进行时效热处理(即,不同时进行氮化)。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,应用这种单独的时效热处理。

多个如此加工的环形件41在第九工艺步骤IX中通过径向堆叠组装形成环组31,即将选择的环形件41同心地嵌装以实现每一对相邻的环形件41之间的最小径向游隙或余隙。尤其应注意,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。

在图4中,两条虚线DL1、DL2和一条实线SL1分别表示测得的(通过所谓的辉光放电光发射光谱法或GDOES)作为相应的环形件41的外表面下方的深度D的函数的以质量%计的氮含量[N]。图4中的虚线区域标示了由于启动限制和/或不可避免的测试样品表面污染而导致GDOES测量不能提供准确结果的范围。图4中绘制的局部测量的氮含量[N]代表局部存在于相应的环形件41中、即局部形成于环形件氮化部中的氮化物的量。进而,这种局部氮化物量表示环形件41中的局部压缩残余应力。

产生图4的测量数据DL1、DL2和SL1的三个环形件41均借助于上述制造方法的所述工艺步骤I-VIII而产生,但是,它们是从不同的基材开始的。两个虚线DL1和DL2代表两种常规马氏体时效钢,它们由18质量%的镍、16.5质量%的钴、分别为5质量%和7质量%的钼、以及余量的铁组成。从图4中可以看出,通过将钼含量从5质量%(线DL1)增加到7质量%(线DL2),测得的氮含量[N]和进而的氮化物的量会减少,至少直到环形件41的表面下方大约15微米深度D。这是可以预期的,因为钼是形成氮化物的合金元素。但是,额外的钼对氮吸收的影响是有限的。

代替增加钼含量或除了增加钼含量之外,还可以通过向基材添加铝和/或铬来进一步增加氮化表面层中的氮化物的量。为此,现有技术中提出了广泛且开放式的合金组分的范围,其具有15至20质量%的镍,4至18质量%的钴,总量至少7质量%的钼、铬和/或铝,以及余量的铁。然而,根据本发明,在合金组分的这种已知的开放式范围内的相对窄的子范围内获得了优异的结果。特别是根据本发明,在合金组分中存在铝的情况下,就其中靠近环形件41的外表面形成的氮化物的量而言,铝含量和钴含量之间的特定比例提供了非常有效的氮化热处理:

19质量%<(Co+6*Al)<21质量% (1)

图4中的实线SL1代表在根据本发明的合金组分的这种窄范围内的一种特定的马氏体时效钢组分,其由19质量%的镍、13质量%的钴、5.0质量%的钼、1.0质量%的铬%、1.1质量%的铝和余量的铁组成。从图4中可以看出,相对于所述两种传统马氏体时效钢,在后一种马氏体时效钢组分中,由测得的氮含量[N]确定的氮化物量在氮化表面层的基本上整个厚度上明显且有利地增加了,有利地同时不增加该厚度。例如,在深度D从5微米到10微米的范围内,测得的氮含量[N]的这种增加超过2倍关系。此外,在所述马氏体时效钢组分SL1的表面以下2至3微米处,氮化后可以达到氮含量[N]大于4.0质量%,例如4.5质量%或大于4.5质量%。后一值甚至超出了所述常规马氏体时效钢组分DL1和DL2的氮含量[N]的允许范围,因为在这些情况下,这表明形成了已知对环形件41的疲劳强度有害的所谓的由FexN组成的复合层。

在氮化时,目前考虑的马氏体时效钢合金组分范围内的这种相对增加的氮含量[N]也意味着可以施加减少的氮化表面层厚度,从而在相当的表面压缩残余应力下有利地降低了芯部残余拉应力。特别是根据本发明,可以将氮化表面层从常规的22.5至27.5μm的厚度减小至12.5至17.5μm的厚度。

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。

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