用于无级变速器的传动带的设有纳米晶体表面层的柔性钢制环件及制造这种环件的方法
【专利摘要】本发明涉及一种由钢制成的在用于无级变速器的传动带(3)中使用的柔性环件(32)，所述环件(32)设有仅包含晶粒尺寸小于0.1微米的晶体的表面层。通过这种纳米晶体表面层，可提高传统的环件(32)的疲劳强度。
【专利说明】
用于无级变速器的传动带的设有纳米晶体表面层的柔性钢制环件及制造这种环件的方法
技术领域
[0001]本发明涉及根据下文中的权利要求1的前序部分的一种柔性钢制环件，并且涉及用于制造这种环件的方法。该类环件用作用于无级变速器的传动带的部件，所述无级变速器尤其用于汽车应用、例如在客运汽车中使用。所述传动带通常由嵌入传动带的横向元件的凹部中的相互同心地布置的两组环件组成。传动带包括沿这种环组的圆周相继布置的多个这种横向元件。在环件的这种传动带应用中，单个环件的厚度通常仅为0.2mm或更小、典型地为大约0.18_。
【背景技术】
[0002]在变速器中，传动带用于在两个轴之间传递驱动功率，传动带在两个轴之间绕着两个可转动的带轮传递，所述带轮分别与一个这种传动轴关联，并设有两个圆锥形盘，所述圆锥形盘限定出带轮的圆周的V形槽，传动带容纳在所述V形槽中。当传动带维持在张紧状态时，通过以协调的方式改变两个带轮的相应的盘之间的轴向间距，可改变传动带在各带轮处的半径和进而的传动轴之间的转速比。在本领域中公知且例如在欧洲专利公开EP-A-1243812中描述了该变速器和传动带。
[0003]本领域还公知传动带的性能不仅与环组的组合抗拉强度直接相关，而且在很大程度上还与环组的各环件的疲劳强度直接相关。这是因为，在变速器中的传动带转动期间，环件中的张力和弯曲应力发生震荡。实际中，通常采用特定的钢成分、尤其是所谓的马氏体钢，作为用于环件的基础材料，以实现所需的传动带的性能。此外，为此，环件在一次或两次热处理中被心部硬化且表面氮化(即气体软氮化)，所述热处理是标准环件生产加工中的一部分。最近，不锈钢也作为用于制造环件的基础材料被研究。
【发明内容】
[0004]在传动带环件的进一步的发展和/或改进中，一个普遍的长期的期望和总体目标是提高传动带环件的疲劳强度。根据本公开，环件性能的该参数尤其可通过为环件提供所谓的纳米晶体表面层(即形成环件的外表面的相对较薄的层，在所述层中，金属晶体、即晶粒特别地小)来提高。已发现，通过这种特征，环件表面处的疲劳断裂尤其仅在明显更高的应力水平下和/或仅在更多应力循环之后才萌生。
[0005]在这方面，所述纳米晶体表面层中的晶体或晶粒的尺寸可装入直径为0.1微米的(虚拟的)球内，由此获得尤其好的结果。小于0.Ιμπι、例如大约50nm的该晶粒尺寸通常比这种表面层外的、例如构成环件心部的材料的晶粒尺寸小两个数量级(即100倍)。对于这种纳米晶体表面层的非常合适的厚度范围为Iym至ΙΟμπι。
[0006]应注意，本领域中已知，这种纳米晶体表面层可在不同成分的钢制品上通过所述钢制品的机械变形来形成。例如通过滚压、刷擦和/或喷丸加工的塑性变形过程，至少在钢的在这种过程中塑性变形的部分中钢的晶粒尺寸被减小。为了仅获得相对较薄的纳米晶体表面层，塑性变形过程必须被选择为使得仅使产品的这种薄的表面层变形。显然，在后者方面，已知的滚压加工通常将不太适合。替代地，已知的喷丸加工可更容易地被适当设置。此夕卜，其它合适的塑性变形加工使用液体或气体(包括等离子体)作为媒介以实现形成纳米晶体表面层所需的变形，例如基于超声波或基于激光的加工。
[0007]根据本公开，环件的所述纳米晶体表面层优选地在环件的上述渗氮热处理之前形成。即，已观察到，在具有这种纳米晶体表面层的情况下比在没有这种纳米晶体表面层的情况下，环件的渗氮可快很多。即，在具有纳米晶体表面层的情况下，环件的氮化层的所需厚度在有利地较短的(加工)时间内和/或以加工气氛中的氨气的有利地较低的浓度实现。
【附图说明】
[0008]现在将参照附图示例性地说明本公开的上述基本特征。
[0009]图1是已知的传动带和包括这种已知的带的变速器的示意图。
[0010]图2是已知的传动带的一部分的示意图，所述部分包括两组多个柔性钢制环件、以及多个横向元件。
[0011 ]图3象征性地显示传动带环件的包括渗氮处理步骤的已知制作方法。
[0012]图4是包括纳米晶体表面层的金属晶体结构的示意图。
[0013]图5是传动带环件的截面的照片，展现其包括纳米晶体表面层的晶体结构。
[0014]图6象征性地显示根据本公开的对图3的制造方法的修正。
【具体实施方式】
[0015]图1示意性示出了具有围绕两个带轮1、2的传动带3的无级变速器(CVT)。每个带轮
1、2均设有两个圆锥形带轮盘4、5，环形的、大致V-形的带轮槽被限定在所述两个圆锥形带轮盘4、5之间，所述两个圆锥形带轮盘4、5中的一个盘4可沿着相应的带轮轴6、7(该盘4布置在所述带轮轴6、7上)轴向地移动。传动带3围绕带轮1、2，以将旋转运动ω和伴随的扭矩T从一个带轮1、2传递至另一带轮2、1。每个带轮1、2通常还包括启动装置，所述启动装置可在所述带轮1、2的至少一个盘4上施加指向所述带轮1、2的相应的另一带轮盘5的轴向定向的夹持力，从而使带3可被夹持在这些盘4、5之间。并且，从动带轮2的转速与驱动带轮I的转速之间的变速器(速度)比由此被确定。该CVT本身是已知的。
[0016]已知的传动带3的一个示例以其一小部分在图2中更详细地示出。传动带3由两个环组31组成，所述两个环组31包括相互嵌套的、平的柔性钢制环件32和多个横向元件30。所述横向元件30沿环组31的圆周以下述方式相继布置:横向元件30可沿环组31的圆周方向相对于环组31滑动。
[0017]横向元件30承受所述夹持力，从而当输入扭矩T施加于所谓的驱动带轮I上时，盘
4、5与带3之间的摩擦使得驱动带轮I的旋转经由同样地旋转的传动带3被传递至所谓的从动带轮2。
[0018]在CVT的工作过程中，传动带3以及尤其它的环件32经过周期性变化的张应力和弯曲应力(即疲劳负载)。通常，抗金属疲劳性(即环件32的疲劳强度)由此确定了传动带3的功能寿命。因此，长期的总体发展目标是在结合材料和加工成本最小的情况下优化环件32的疲劳强度。
[0019]图3示出了传动带环件32的已知的制造方法的相关部分，正如通常在关于生产用于汽车应用的金属传动带3的领域中应用的那样。通过罗马数字表示已知的制造方法的单独的加工步骤。
[0020]在第一加工步骤I中，厚度为大约0.4_的马氏体钢基础材料的薄片或板11被弯曲成圆筒状，会合的板端部12在第二加工步骤II中被焊接起来以形成中空圆筒或管13。在第三加工步骤III中，将管13退火。此后，在第四加工步骤IV中，管13被切成多个环状环圈14，所述环状环圈14随后在第五加工步骤V中被滚压，以在被拉长的同时将其厚度通常降低至大约0.2mm。在被滚压后，环圈14通常被称为环件32。
[0021]环件32经过另一、即环件退火加工步骤VI，以通过环件材料在远高于600摄氏度(例如大约800°C)的温度下的回复和再结晶来消除先前的滚压加工步骤的加工硬化效应。此后，在第七加工步骤VII中，通过将环件32绕着两个转动辊安装并通过迫使所述辊分开而将环件32拉伸至预定圆周长度，环件32被校准。在该第七加工步骤VII的环件校准中，也在环件32上施加内应力。
[0022]此后，环件32在第八加工步骤VIII的组合式时效处理或体相沉淀硬化以及渗氮或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件32保持在包含受控的气体气氛的炉室中，所述气体气氛包括氨气、氮气和氢气。在炉室中、即在加工气氛中，氨分子在环件32的表面处分解成氢气和氮原子，所述氮原子可进入环件32的金属晶格中。已知通过这些间隙氮原子，对磨损和疲劳断裂的抵抗能力能够得到显著提高。尤其应注意，这种组合式热处理可以以时效处理和渗氮的单独的阶段和相继的阶段进行，在本领域中该替代性加工设置是已知的。
[0023]通常，执行第八加工步骤VIII的组合式环件时效处理和渗氮，直至在环件32的外表面上形成的氮化层或氮扩散区的厚度在25微米至35微米之间。
[0024]多个如此加工的环件32通过径向堆叠组装成环组31，即在每一对相邻的环件32之间的径向游隙或余隙最小的情况下将这些环件同心地嵌套。尤其应注意，本领域中还已知，替代性地在第七加工步骤VII的环件校准之后直接将多个单独的环件32组装成环组31，SP在第八加工步骤VI11的环件时效处理和环件渗氮之前进行。
[0025]如此加工的环件32在其整个金属晶格上(即也在靠近其外表面处)示出大致相同尺寸的晶体/晶粒。这种环件32的典型的平均晶粒尺寸为大约5毫米或5毫米以上。实际上，在环件已在环件热处理加工步骤VI中再结晶之后，在第七加工步骤VII的环件校准中仅发生有限的量的塑性变形，所述变形还在环件32的整个截面上大致均匀地展开。然而，根据本公开，环件32优选地设有具有较小尺寸(即亚微米级大小)的晶粒的表面层，该特征能够提高环件32的疲劳强度，该特征在图4中示意性地示出。
[0026]在图4中，环件32的目前理论上期望的晶体结构被示为具有与更靠近环件32的主体材料的那些晶粒Gb相比尺寸较小的位于环件32的表面处的晶粒Gs。环件表面处的较小尺寸的晶粒Gs被示为限定出一层纳米晶体环件材料。
[0027]图5示出了根据本公开的设有纳米晶体表面层NSL的真实的环件32的晶体结构。在图5中，环件32的晶体/晶粒已通过扫描电子显微镜观察(SEM)而可见。在具有纳米晶体表面层NSL的环件32的该实际示例中，环件表面处的最小的晶粒比位于环件32的主体材料中的最大晶粒小100倍以上。特别地，在该示例中，纳米晶体表面层NSL中的晶粒尺寸平均大约为50nm，而环件的主体材料中的晶体晶粒在任何方向上都是2μηι至12μηι宽。纳米晶体表面层NSL的厚度大致为5μπι。
[0028]上述纳米晶体表面层NSL优选地通过使环件32经过喷丸加工而形成。特别地，根据本公开，如图6所示意性示出的，这种喷丸加工包含在传动带环件32的上述已知制造方法中、在所述制造方法的第七加工步骤VII与第八加工步骤VIII中的环件渗氮的热处理之间。在图6中，加工步骤SP表示在此提出的喷丸加工，其中，环件32绕着(例如)三个安装辊安装且旋转，以及其中，两个喷嘴70将(例如)小玻璃珠至少喷在环件32的径向向外的表面上。
[0029]通过在环件32被渗氮处理之前，向环件32提供纳米晶体表面层NSL，渗氮过程因此被加强。特别地，纳米晶体表面层NSL有利地使渗氮过程的为环件32提供期望的厚度的氮化层所需的持续时间和/或加工气氛中的氨浓度能够降低。
[0030]除了前述说明书的全部内容和附图的所有详细内容之外，本公开还涉及和包括权利要求的所有特征。权利要求中带括号的附图标记不限制其范围，而是仅作为相应特征的不具约束力的示例。权利要求的特征可根据具体情况单独地应用于指定的产品或指定的过程，但是也可在其中应用这种特征中的两个或多个的组合。
[0031]由本公开所代表的本发明不限于本文明确提出的实施方式和/或示例，而是还包括其修改、改进和实际应用，尤其包括本领域专业人员力所能及范围内的那些修改、改进和实际应用。
【主权项】
1.一种柔性钢制环件(32)，所述柔性钢制环件(32)用作用于无级变速器的传动带(3)，或至少在用于无级变速器的传动带(3)中使用，所述无级变速器具有两个带轮(1、2)和所述传动带(3)，其特征在于，柔性钢制环件(32)的表面层(NSL)设有纳米晶体微观结构。2.如权利要求1所述的柔性钢制环件(32)，其特征在于，纳米晶体表面层(NSL)中的金属晶体的晶粒尺寸最大为0.1ym，优选为大约50纳米。3.如权利要求1或2所述的柔性钢制环件(32)，其特征在于，纳米晶体表面层(NSL)的厚度在Iym至I Ομπι之间。4.如权利要求1、2或3所述的柔性钢制环件(32)，其特征在于，纳米晶体表面层(NSL)夕卜的金属晶体的平均晶粒尺寸比纳米晶体表面层(NSL)中的金属晶体的平均晶粒尺寸大两个数量级。5.—种用于制造柔性钢制环件(32)的方法，所述柔性钢制环件(32)用作用于无级变速器的传动带(3)，或至少在用于无级变速器的传动带(3)中使用，所述无级变速器具有两个带轮(1、2)和所述传动带(3)，其中，使柔性钢制环件(32)设有纳米晶体表面层(NSL)。6.如权利要求5所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，设在柔性钢制环件(32)中的纳米晶体表面层(NSL)的厚度在Ιμπι至ΙΟμπι之间。7.—种用于制造柔性钢制环件(32)的方法，所述柔性钢制环件(32)用作用于无级变速器的传动带(3)，或至少在用于无级变速器的传动带(3)中使用，所述无级变速器具有两个带轮(1、2)和所述传动带(3)，其中，柔性钢制环件(32)经过仅柔性钢制环件(32)的相对较薄的表面层的塑性变形。8.如权利要求7所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，柔性钢制环件(32)的表面层的所述塑性变形借助于喷丸工艺来实现。9.如权利要求7或8所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，形成厚度在Ιμπι至ΙΟμπι之间的纳米晶体表面层(NSL)。10.如权利要求5、6或9所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，纳米晶体表面层(NSL)中的金属晶体的晶粒尺寸最大为0.Ιμπι。11.如权利要求10所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，纳米晶体表面层(NSL)外的金属晶体的平均晶粒尺寸比纳米晶体表面层(NSL)中的金属晶体的平均晶粒尺寸大两个数量级。12.如权利要求5-11中任一项所述的用于制造柔性钢制环件(32)的方法，其特征在于，在环件(32)已被提供纳米晶体表面层(NSL)或已经过仅柔性钢制环件(32)的相对较薄的表面层的塑性变形之后，柔性钢制环件(32)经过渗氮处理。
【文档编号】F16G5/16GK105849436SQ201480070855
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月24日
【发明人】B·彭宁斯
【申请人】罗伯特·博世有限公司