专利名称：传动带环部件和制造方法及其马氏体时效钢基材的制作方法
技术领域：
本发明涉及环形、薄和柔性金属带，该带通常包含在用于汽车中应用的公知的 无级变速器或CVT的两个可调节带轮之间动力传输的传动带中。至少相对于其在传动带 中的应用，这种带还被称作其环部件。本发明还涉及适于这种环部件的制造方法和马氏 体时效钢及其合金成分。
背景技术：
在还被称作推带的特定类型的传动带中，许多这样的环包含在至少一个但是通 常是两个层压即其相互径向地嵌套的组中。已知的推带还包括许多滑动地安装在这种带 组上的横向金属元件。在推带的应用中，现有技术的环是由马氏体时效钢制成的，除了 其它之外，至少是在其适当的热处理之后，该类型的钢将使材料焊接和塑性变形的比较 有利的可能性与大抗拉强度和对于磨损和弯曲和/或张应力疲劳的良好抗性的结合。已知的环设置有合理硬度的芯部材料用于实现与高金属疲劳抗力结合的好的抗 拉、屈服和弯曲强度的性能，该环芯部封闭在环材料中基本上更硬并且因此耐磨的外表 面层中。所述硬表面层设置有最大厚度以限制内部环应力并且向环提供足够的弹性以允 许纵向弯曲以及抗疲劳断裂性。当然，所有这些材料特性在环的传动带应用中非常重 要，因为在其使用寿命跨度内它会受到很大数目的载荷和弯曲循环。更特别是，环通常 设置有大于550HV1.0的芯部硬度并且具有至少900HV0.1多达大约1000HV0.1的表面 硬度。在本领域中始终接受的是所述芯部硬度在其上述传动带应用中应该最小达到大于 500HV1.0。为了实现上述最小材料硬度值而不损害材料的延展性，通常马氏体时效钢用作 环的基材，该基材受到环的老化即(本体)沉淀硬化和表面硬化更特别是渗氮且通常是气 体软氮化的热处理。公知并且主要应用的基材在该方面具有的合金成分具有按质量17至 19%的镍、按质量4至6%的钼、按质量在8和10%之间的钴和按质量0.4至0.6%的钛及 余量铁和不可避免的污染例如氧、氮、磷、硅等等。使用该材料，可以在老化热处理中 获得所述最小芯部或本体硬度。特别是，钛和钴的合金元素在环的沉淀硬化中扮演了重要甚至启动角色，因为 钛是主沉淀形成元素并且钴催化沉淀形成过程。然而，同时两种所述合金元素的存在对 于环制造成本具有相当有害的影响。就钴而言，这种成本影响是直接的，因为钴在已知 的马氏体时效钢基材成分中是相当昂贵的合金元素。然而，关于钛，这种成本影响更间 接并且是由在制造中控制或适当地减少环基材的含氮量所需的努力导致的。众所周知钛 和氮相互反应以形成环基材中的氮化钛(TiN)包含物，当然它们是非常不希望的，因为 它们会局部地提高环应力水平并且因此降低传动带环部件的疲劳强度。另外应当指出，原则上，可以在单个工序中同时执行老化和渗氮这两个热处 理，例如适当地经过包含适当气氛的适当加热的熔炉，如在1978年第一卷American Society for Metals (ASM)的 Metals Handbook 的章节 “Maraging Steels” 的第 448 页上所述。然而，特别是在传动带制造领域，通常公认的是为了实现最佳疲劳抗力，传动带环 部件的老化比其渗氮花费长得多的时间。另外，不是不会实现环芯部硬度的至少500维 氏硬度1.0的可接受的下生产公差值，就是渗氮表面层相对于环厚度变得太易碎和/或 太厚。因此，在当前可用的环制造方法中，渗氮热处理毫无例外地在单独的老化工序之 后，该老化工序有时表示为预老化或亚老化。这种已知方法的实例提供在许多公布中，例如日本专利公布 JP-A-2002/03825U JP-A-2006/124757 和欧洲专利公布 ΕΡ_Α_1055738。(亚)老化和 渗氮的单独、相继工序表示如实际中专门地应用的技术的当前状态。当然，当前仍存在 希望将这两个单独应用的热处理组合到单个工序的愿望，因为可以因此实现制造方法成 本和复杂性的降低。欧洲专利公布ΕΡ-Α-1753889中教导了该现代环制造方法的已知可选方案，该 专利提到，对于传动带环部件使用的马氏体时效钢的组成的特定范围，热处理老化和渗 氮可以组合到单个工序中。依照ΕΡ-Α-1753889，这种特殊马氏体时效钢成分应该包括 按质量大于10%的钴。钴的存在被发现可以增强沉淀硬化处理即加速环的芯部硬化， 特别是达到老化热处理与表面渗氮热处理需要大约相同的时间和温度设置的程度。大于 570HV1.0的环芯部硬度被发现可以这样达到，甚至不用优化组合热处理的工艺设定，即 通过向环简单地应用现有的渗氮工序。然而，如已经指出的，钴是昂贵的合金元素，这 样它会不利地提高钢环基材的成本价格。因此，至少部分地未实现通过将所述两个热处 理组合到一个中获得的所有成本优点。本发明旨在有效地降低传动带环部件的成本而不损害其疲劳强度。在其实现该 目标的努力中，申请人研究了各种环基材成分和已知老化和渗氮的硬化热处理的各种工 艺设定。初看起来，由申请人获得的针对上述方面的观察和试验结果并不是非常有希望 的。事实上已经证明，不可能在马氏体时效钢合金中降低钴或钛含量而仍然通过沉淀硬 化获得期望的芯部硬度，至少在不同时提高各自其它合金元素的绝对量时不行。因此， 这样看上去不可能或至少实际上不可能有基材的成本降低。然而，没有忍受这些令人 气馁的初步结果，申请人还使用这种试件执行了疲劳强度实验，对于甚至低于其可接受 的并且传统上应用的下限的芯部硬度的各种值，它们出人意料地生成了非常类似的结果 即疲劳强度。事实上，如对于具有大约470HV1.0芯部硬度的试件那样，对于具有大于 500HV1.0即传统上应用的最小要求的芯部硬度的试件测量了类似的拉_拉张应力疲劳强 度。即使低至近似400HV1.0的芯部硬度，试件的生成的疲劳强度被发现满足申请人对于 其传动带应用的标准。在450和475HV1.0之间的范围，更特别地0.47 · IO3HVLO的值 被认为是提供了环的基材组成或其处理的可达到的成本降低和对于其在客车CVT中的应 用通常所需的环的疲劳强度之间的最佳平衡。因此，依照本发明，令人吃惊地发现，对 于适用的环制造方法和/或基材成分设定了约束的需要500HV1.0的最小环芯部硬度值的 现代见解是过于严格的。基于上述实验观察，降低传动带环部件的成本的总的目标被发现毕竟是可以实 现的，并且甚至是以两种单独的方式实现。首先，依照本发明，用于传动带环部件的已知基材的钴含量可以简单地低至按质量小于8%和/或其钛含量低至按质量小于0.4%。即使使用这种新的马氏体时效钢合 金，沉淀硬化环的生成芯部硬度通常会小于500HV1.0，但是环的最终疲劳强度仍然是令 人满意的。更特别地，本发明涉及如下合金成分或马氏体时效钢，它包括按质量4和7%之 间的钴、按质量0.2和0.3%之间的钛，该成分还包括按质量17至19%的镍和按质量4至 6%的钼及余量铁。或者，本发明涉及如下合金成分或马氏体时效钢，它包括按质量小于 0.1%的钛和按质量在6和9.5%之间且优选地按质量在7和8%之间的钴，该成分同样还 包括按质量17至19%的镍和按质量4至6%的钼及余量铁。在所有从前的合金成分中， 保持了足够的沉淀硬化能力用于实现当前被确定为足以用于这种环的传动带应用的环芯 部硬度值。其次，依照本发明，在400和500HV1.0之间的范围内的环芯部硬度值已经是在 单独的已知渗氮工序中可以达到的，即不必在总的制造过程中包括单独工序的预老化或 亚老化并且不必使用特殊即高合金的马氏体时效钢。事实上，即使传统上应用的马氏体 时效钢也被发现在这方面是适用的，该钢具有的基本成分包括按质量17至19%的镍、按 质量4至6%的钼、按质量0.4至0.6%的钛和按质量小于10%且优选地按质量在8.5和 9.5%之间的钴及余量铁和不可避免的污染例如氧、氮、磷、硅、等等。在这种情形下的 渗氮工序是在包含按体积至少10%并且多达50%的氨气和优选地按体积百分之几(例如 在3和10%之间)的氢气及余量氮气的受控处理气氛中在400和500°C之间的温度下被执 行30至75分钟。令人吃惊地是，申请人观察到上述单级/步热处理中的有利影响，即其中，渗 氮工序并未在惰性处理气氛中的老化工序之后，该惰性处理气氛与传统环制造过程中的 类似，即渗氮处理更加高效地发生。很明显，无论是环的外表面的氨离解的催化和/或 活性性能，其吸收氮原子的能力或钢基体形成氮化物的反应性会在渗氮之前的(亚)老化 期间充分地降低。因此发现，与传统上通常获得的近似1000HV0.1的表面硬度相比，依 照本发明的工艺尤其适于获得1050HV0.1或更高的高表面硬度。在当前提出的组合的老 化和渗氮的工序的适当选取的工艺设定中，甚至可以发现可以获得1070HV0.1的表面硬 度。在该方面，注意到高表面硬度在环的传动带应用中是非常有利的，因为它提供了具 有优良耐用性的环，特别是在耐磨性方面。因此，本发明还涉及并且提供了一种用于制 造具有大于1050HV0.1的表面硬度的环的方法以及由此获得的环。依照本发明的环可以高效地生产并且具有针对金属疲劳的良好抗力以及对于其 被应用的传动带的使用过程中的磨损的优良抗力。
现在将沿着附图通过实例阐明本发明的基本原理，其中图1提供了设置有包含环部件的传动带的公知的无级变速器的示意性显示的实 例，图2是以透视显示的带的剖面，图3象征性地表示了组合环老化和对传动带环部件渗氮的已知工序，仅仅是其 已知总制造方法的一部分。
图4是提供在几个马氏体时效钢试件上执行的疲劳强度试验的实验结果的图 形。
具体实施例方式图1显示了通常应用在汽车的传动系中其发动机和驱动轮之间的已知无级变速 器或CVT的中心部分。传动装置包括两个带轮1、2，每个带轮均设置有两个圆锥形带轮 盘4、5，其间界定了主要为V形的带轮槽并且其中的一个盘4沿着它所放置的各自的带 轮轴6、7轴向地移动。传动带3环绕带轮1、2用于从一个带轮1、2向另一个带轮2、
1传递旋转运动ω和伴生的转矩Τ。传动装置通常还包括致动装置，该致动装置在所述至少一个盘4上施加一个轴 向定向的夹紧力Fax，该夹紧力朝各自的另一个带轮盘5指示这样带3就夹在那之间。而 且，因此确定了传动装置的速度比，它在下文中被定义为从动带轮2的旋转速度和传动 带轮1的旋转速度之比。已知传动带3的实例以其剖面更详细地显示于图2中，其中该带3包含环形拉伸 装置31。在该特定实例中，环形拉伸装置31包括两组扁平即带状柔性环32。带3还包 括大量与拉伸装置31接触并且由拉伸装置31保持在一起的板状横向元件33。元件33吸 收所述夹紧力Fax，这样当输入转矩Tin施加到所谓的传动带轮1上时，盘4、5和带3之 间的摩擦导致传动带轮1的旋转经由同样旋转的传动带3传递至所谓的从动带轮2。在CVT的操作期间，带3并且特别是其环部件32受到循环地改变的张力和弯曲 应力即疲劳负荷。通常针对环部件32的疲劳或疲劳强度的抗力因此确定了传动带3在因 此将要传递的给定转矩T处的功能使用期限。因此，在传动带制造方法的开发中长期存 在的总的目标是在最小的组合材料和处理成本下实现所需的环疲劳强度。图3显示了从早年传动带生产开始实行的用于传动带环部件32的已知制造方法 的当前相关部分，其中单独的工序由罗马数字指示。在第一工序I中，基材的薄层11被 弯曲成圆柱形，藉此彼此相交的薄层端部12在第二工序II中焊接在一起以形成管13。在 工序的第三步骤III中，管13被退火。之后，在第四工序IV中，管13被分割成许多箍 14，它们随后一在工序五V中一被轧制并且延长至最终产品的0.1和0.2毫米之间的所需 厚度，通常大约为185微米。在轧制之后，箍14通常被称作环32。环32还受到另一个退火工序VI以除去在轧制期间导入的内应力。之后，在第七 工序VII中，环32被校准，即它们围绕两个旋转轧辊安装并且拉伸至预定的圆周长度。 在该第七工序VII中，内应力分布也施加于环32上。在已知工艺的随后的第八步骤VIII 中，环32经历两个热处理，这两个热处理在很大程度上确定了最终产品环32的材料性 能。首先，环32在包含氮气气氛的炉中在高温下被沉淀硬化即老化(工序VIII-A)并 且，其次，环32在包含氮气和氨气的炉中在高温下被渗氮即表面硬化(工序VIII-B)，以 向环32的外表面层提供附加的硬度以及压缩应力。因此，通常旨在表面硬化即具有厚度 在从20到40微米的范围内的渗氮表面层。当应用在传动带3中即实现其足够的疲劳强度时，这些已知和当前应用的环制 造方法和与之有关系的现代技术见解可以直接联系至最终产品环32的材料特性的标准工 业要求。更特别地，500HV1.0的最小环芯部硬度当前被认为是该方面的最对极小值要求。甚至如此，申请人已经执行了特别地关注用于带环部件32的材料的芯部硬度及 其疲劳强度之间关系的广泛的疲劳强度调查。这些调查相当令人吃惊地产生了反驳该方 面的现有要求的结果。事实上，由申请人测量的环材料的测量疲劳强度在试件的芯部硬 度降低到500HV1.0之下甚至降低到大约400HV1.0的值时并不会过多地退化。因此，推 断出在该方面的现有技术见解实际上只不过是相当长久的技术偏见。图4表示显示构成本发明基础的许多疲劳试验的选择的结果的曲线图。众所周 知，通过使试件在最小值最大值Omax之间受到循环地特别是正弦地改变的张应 力直至断裂来执行这种单个的疲劳试验。因此，疲劳试验是由在测试中施加的所述最小 和最大应力的应力比(即σΜΙΝ/σΜΑχ)和应力幅(即
/2)表征和界定的。在 断裂之前的应力循环的数目表示试件的疲劳强度，在图4中该数目针对所述应力幅以对 数刻度绘制。因为这种疲劳试验的测量结果中的典型和固有伸展，每个测试通常(并且 当前)利用相应的试件并且在相同的应力比和应力幅试验设置下重复几次。图4的曲线 图中的每个点因此表示由上述方法获得的疲劳试验结果，藉此所述应力比就在执行的所 有测试之间保持恒定。通过从图4中的一种类型的试件获得的绘制试验结果的线性拟合 表示公知的Woehler曲线。图4包含从两种不同类型的试件I和II中获得的结果，每个类型I、II表示其特 征在于分别具有570HV1.0和470HV1.0的芯部硬度的最终产品带环32。这两种类型的试 件I和II分别由圆轮廓线和填充圆表示。试件通过对相同的马氏体时效钢基材在两个相 继的工序(类型I)或在单个热处理(类型II)中被老化和渗氮分别获得，该马氏体时效钢 基材当前应用在商业上可用的一并且当前显示的一用于汽车CVT应用的传动带3。从图4中很清楚地可知，各个试件I和II的芯部硬度值对其最终疲劳强度具有很 小的影响，尽管试件的生成芯部硬度相当不同。可从图4中辨别的所有这种影响被确定 为在统计上是可忽略的。除了上述说明之外，现在还将通过一组权利要求对本发明进行限定，并且本发 明还涉及其中的所有细节，和至少由本领域的技术人员可以由讨论的附图中直接并且毫 无疑义地推导出的所有细节和方面。
权利要求
1.一种用于无级变速器的传动带(3)中的金属环(32)，该环(32)由沉淀硬化的金属 制成并且该环(32)设置有渗氮表面层，其特征在于，环(32)的沉淀硬化芯部材料的硬度 小于 500HV1.0。
2.如权利要求1所述的环(32)，其特征在于，环(32)的芯部硬度具有的值在400和 500HV1.0之间的范围内，优选地在450和475HV1.0之间的范围内。
3.如权利要求1或2所述的环(32)，其特征在于，环(32)的芯部硬度具有 0.47 · IO3HVLO 的值。
4.如权利要求1、2或3所述的环(32)，其特征在于，环(32)的渗氮表面层材料的硬 度达到1050HV0.1或更高，优选地大于1070HV0.1。
5.如上述权利要求中任一项所述的环(32)，其特征在于，它在包含氨气的气氛中专 门同时地即在单个组合工序中老化即本体沉淀硬化和渗氮即表面硬化。
6.—种包括安装在至少一个如上述权利要求中任一项所述的金属环(32)上的多个横 向元件(33)的传动带(3)。
7.—种制造用于无级变速器的传动带(3)中使用的金属环(32)的方法，该方法包 括对环(32)进行老化即本体沉淀硬化和渗氮即表面硬化的热处理，所述热处理仅仅同时 地即在包含氨气的气氛中的单个组合加工步骤中执行，其特征在于，环(32)由马氏体时 效钢制成，且该马氏体时效钢具有包括按质量17-19%的镍、按质量4-6%的钼、按质量 0.4-0.6%的钛和按质量小于10%且优选地按质量在8.5和9.5%之间的钴及余量铁。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述组合工序中，环(32)在包含按体 积10至50%的氨气并且优选地包含按体积百分之几氢气及余量氮气的受控处理气氛中在 具有400和500°C之间范围内的值的温度下被热处理30到至多75分钟。
9.由如权利要求7或8所述的方法获得的环(32)，其特征在于，环(32)的沉淀硬化 芯部材料的硬度达到小于500HV1.0，但是大于400HV1.0，并且优选地在450和475HV1.0 之间，更优选地等于0.47 · IO3HVLO0
10.由如权利要求7或8特别是如权利要求9所述的方法获得的环(32)，其特征在 于，环(32)的渗氮表面层材料的硬度达到1050HV0.1或更高，优选地大于1070HV0.1。
11.用于无级变速器的传动带(3)中使用的金属环(32)的马氏体时效钢基材，其特征 在于，该钢包括按质量17至19%的镍、按质量4至6%钼、按质量小于8%的钴和/或按 质量小于0.4%的钛及余量铁。
12.如权利要求11所述的材料，其特征在于，它包括按质量4和7%之间的钴和按质 量0.2禾口 0.3%之间的钛。
13.如权利要求11所述的材料，其特征在于，它包括按质量小于0.1%的钛和按质量 6和9.5%之间且优选地按质量7和8%之间的钴。
14.一种用于无级变速器的传动带(3)中的金属环(32)，其中环(32)由如权利要求 11、12或13所述的材料制成，其特征在于，环(32)的沉淀硬化芯部材料的硬度达到小 于500HV1.0，但是大于400HV1.0，并且优选地在450和475HV1.0之间，更优选地等于 0.47 · IO3HVLOo
15.用于无级变速器的传动带(3)中的金属环(32)，其中环(32)由如权利要求11、 12或13所述、特别是如权利要求14所述的材料制成，其特征在于，环(32)的渗氮表面层材料的硬度达到1050HV0.1或更高，优 选地大于1070HV0.1。
全文摘要
本发明涉及一种用于无级变速器的传动带(3)中的金属环(32)，该环(32)由沉淀硬化金属制成，且环(32)的沉淀硬化芯部材料具有500HV1.0或更低的硬度。本发明还提供了适于制造这种环(32)的马氏体时效钢成分。
文档编号C22C38/00GK102016348SQ200880128894
公开日2011年4月13日 申请日期2008年4月28日 优先权日2008年4月28日
发明者B·彭宁斯 申请人:罗伯特·博世有限公司