[發明專利]設有帶氮化層的鋼制環件的環組的傳動帶以及確定該氮化層厚度的方法

有效

• 申請號: 201380067957.1
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN104884836A
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: B·彭寧斯
• 申請（專利權）人: 羅伯特·博世有限公司
• 主分類號: F16G5/16
• 分類號: F16G5/16
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司 72002
• 代理人: 王瓊

背景技術

本公開涉及一種在通常應用于機動車輛的眾所周知的帶輪型無級變速器或CVT中使用的傳動帶。EP-A-1403551中詳細描述了一種知名類型的傳動帶，該傳動帶在現有技術中也被稱作推帶。已知的傳動帶包括設有至少一個、但通常為兩個凹部的多個鋼制區段，每個凹部都容納傳動帶的環組，其中每個環組由彼此同中心地嵌套的多個柔性鋼制環件組成。在現有技術中，所述鋼制區段也被稱作橫向元件，所述鋼制環件也被稱作環箍、環圈或環形帶，且環組也被稱為環形張拉裝置或承載件。在現有類型的傳動帶中，橫向元件不連接至環組，而是在CVT的操作過程中沿著環組的周長滑動。環組的單個環件在操作過程中也相對于彼此滑動。

對于目前傳動帶在CVT的應用，環件由馬氏體鋼制成，這種類型的鋼將良好的拉伸和(彎曲)疲勞強度的力學特性結合，從而以相對有利的可能性將鋼從片狀基材加工為所需形狀和材料特性的最終產品環件。這些期望的材料特性包括環芯材料的合理硬度和更硬的外表面層，環芯材料的合理硬度用于將良好的拉伸強度特性與足夠的彈性和韌性結合在一起以允許鋼制環件的縱向彎曲，更硬的外表面層用于提供鋼制環件的耐磨性。此外，相當大的壓縮殘余應力被施加到鋼制環件的外表面層，用于提供高的抗金屬疲勞性。后一特征特別重要，因為鋼制環件在變速器傳動帶的使用壽命期間經受大量的負載和彎曲循環。

對于這種傳動帶的整體制造方法，包括傳動帶的鋼制環件組件的熱處理，已經成為公知的現有技術。整體制造方法的重要部分是鋼制環件的熱處理，熱處理包括鋼制環件的沉淀硬化和氮化的處理步驟。

沉淀硬化也被稱為時效，通過加熱鋼制環件至超過400攝氏度(“℃”)的溫度實現，在該溫度下金屬間微觀沉淀物在環件材料的隨機位置逐漸形成并生長。隨著沉淀物的生長，環件材料的硬度增加，一般來說直到達到最大硬度值，此后環件材料的硬度通常開始再次降低(所謂的“過時效”)。為了防止鋼制環件外表面(嚴重)氧化，沉淀硬化通常在惰性或還原處理氣氛下進行，例如氮氣或氮氣與一些氫氣的混合氣。

氮化使鋼制環件具有附加的硬化的且同時壓縮的(預)加壓表面層。在氮化中，至少在通常應用的氣體軟氮化的變型中，鋼制環件被保持在包含氨氣(NH3)的處理氣氛中，同樣地，溫度超過400℃。在這樣的溫度下，氨分子游離在鋼制環件的外表面，形成氫氣和氮原子，其中氮原子進入環件材料的晶格。隨著氮化過程的持續，氮原子通過擴散從外表面進入環件材料內，由此在鋼制環件中形成厚度增加的表面氮化層。

應注意的是表面壓縮殘余應力被認為是在目前傳動帶在CVT應用中鋼制環件的基本特征，因為表面壓縮殘余應力完全或部分地補償鋼制環件在張力下彎曲和伸展產生的拉伸應力，其中拉伸應力集中在環件的表面層。特別是，可以認為，通過壓縮殘余應力，即通過設有氮化層，從表面缺陷發起和/或生長的疲勞斷裂的類型(例如凹痕或微裂紋)得到有效抑制并且鋼制環件的疲勞強度大大提高。在這方面，公知常識是，只要在傳動帶操作過程中，在鋼制環件芯部產生的拉伸應力不超過環件材料的彈性極限，表面壓縮殘余應力越高，疲勞強度將越高。

申請人對于鋼制環件熱處理產生影響的多個參數中部分參數的影響，特別是對于鋼制環件的最終疲勞強度已經進行了詳細的且廣泛的調查。這些調查的目的是獲得氮化處理(即氮化溫度，持續時間和處理氣氛組成)的最佳設置，特別是在大批量生產中氮化處理的穩定性和成本效益方面。這些調查提供了豐富的試驗數據，這導致申請人獲得一個驚人發現。特別是，申請人能夠從這些數據中發現上述公知常識事實上不適用傳動帶鋼制環件組件，至少不是直接地、沒有任何進一步考慮地適用。

令申請人吃驚的是，當熱處理的鋼制環件經受相對簡單和常見的拉伸強度試驗，而不是更復雜的拉-拉疲勞試驗時，斷裂面顯示出脆性斷裂特征區域，拉-拉疲勞試驗通常進行評估在傳動帶應用中的鋼制環件的(預期)性能。整個斷裂面的這些脆性斷裂部起始于氮化層并且朝著鋼制環件相應的外表面延伸。更揭示了脆性斷裂部的范圍(即層厚度)與氮化層厚度直接相關。本公開描述了兩個來自這些發現的新認知。

發明內容