[发明专利]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

说明书

背景技术

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。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。

发明内容