JP2006104552A - Automotive undercarriage parts with excellent fatigue characteristic, and method for improving fatigue characteristic thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱間鍛造非調質鋼を用いた疲労特性に優れた自動車用足回り部品およびその疲労特性向上方法に関する。
具体的には、疲労破壊の起点となる自動車用足回り部品の首部を強化し、疲労強度に優れ、乗り心地の良い足回り部品およびその疲労強度向上方法に関する。
The present invention relates to an automobile undercarriage component having excellent fatigue characteristics using hot forged non-heat treated steel and a method for improving the fatigue characteristics thereof.
More specifically, the present invention relates to an undercarriage component that strengthens the neck of an automobile undercarriage component that becomes the starting point of fatigue failure, has excellent fatigue strength, and is comfortable to ride, and a method for improving the fatigue strength thereof.
自動車用足回り部品には繰り返し大きな負荷がかけられており、タイロッド、ロアアーム等の足回り部品の首部はもっとも疲労に対して弱い部位になっている。
また、自動車用足回り部品は、乗り心地をマイルドにするため部品としての剛性を下げることが求められており、断面積を意図的に減らしたり形状をΩ状ないしは弓状に湾曲したりして剛性を下げる努力をしており、この部分が疲労破壊の起点となりやすいという問題点があった。
そこで従来から、以下のような自動車用足回り部品の強化方法が提案されている。
Heavy loads are repeatedly applied to the undercarriage parts for automobiles, and the necks of undercarriage parts such as tie rods and lower arms are the most vulnerable to fatigue.
In addition, undercarriage parts for automobiles are required to reduce the rigidity of the parts in order to make riding comfort mild, and the cross-sectional area is intentionally reduced or the shape is curved in an Ω shape or an arc shape. Efforts were made to lower the rigidity, and this part had the problem that it was likely to become the starting point of fatigue failure.
Therefore, conventionally, methods for reinforcing automobile undercarriage parts as described below have been proposed.
<強度向上による疲労強度向上>
例えば、特許文献1には、特定の成分を用い組織調整により全体の強度を上げ、強度を上げることによって疲労強度を上げる方法に関し、パーライト粒径、パーライト・コロニー粒径、ラメラー間隔を微細化して疲労寿命向上を図る方法の発明が提案されている。
しかし、特許文献1に記載の発明は、母材全体の強度を上げるため、被削性の低下が生じるという問題があった。
<Improvement of fatigue strength by strength improvement>
For example,
However, the invention described in
<圧縮残留応力による疲労強度向上>
例えば、特許文献2には、強度なショットピーニング処理であるいわゆるハードショットと研削を併用して圧縮残留応力を導入し、疲労強度向上を図る方法に関する発明が開示されている。
しかし、この発明は、ハードショットのみでは表面が荒れ、かえって疲労寿命を低下させる場合もあるため、研削との併用が必須であり、このため、研削を伴わない部品、熱鍛ままの部品には適用できなかった。
For example,
However, since the surface of the present invention may be roughened only by hard shots and may reduce the fatigue life, it is essential to use it together with grinding. It was not applicable.
本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、疲労特性に優れた自動車用足回り部品およびその疲労強度向上方法を提供するものであり、具体的には下記の3点を課題とする。
1)大きな圧縮残留応力を付加することができる。
2)肌荒れが少ない。
3)切削性を低下させない強化方法である。
The present invention solves the problems of the prior art as described above, and provides an automobile undercarriage part having excellent fatigue characteristics and a method for improving the fatigue strength thereof. Specifically, the following three problems are to be solved. And
1) A large compressive residual stress can be applied.
2) Less rough skin.
3) A strengthening method that does not reduce the machinability.
本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果なされたものであり、自動車用足回り部品の首部に超音波打撃処理を施して、首部表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れた自動車用足回り部品およびその疲労強度向上方法を提供するものである。本発明の要旨とするところは、特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。
(1)質量%で、C:0.1〜0.8%、Si:0.05〜2.5%、Mn:0.2〜3%、Al:0.005〜0.1%、N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが600MPa以上で、フェライト・パーライト組織を有する熱鍛非調質鋼を用いた自動車用足回り部品であって、該足回り部品の首部表層における圧縮残留応力が前記熱鍛非調質鋼の引張強さの50%〜80%であることを特徴とする疲労特性に優れた自動車用足回り部品。
(2)前記該足回り部品の首部の平均表面粗度が0.5μm以下であることを特徴とする(1)に記載の疲労特性に優れた自動車用足回り部品。
(3)自動車用足回り部品の疲労特性向上方法であって、振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で、該足回り部品の首部の表面を打撃しながら走査することを特徴とする足回り部品の疲労特性向上方法。
The present invention has been made as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, by subjecting the neck of an automobile undercarriage part to ultrasonic striking treatment and introducing compressive residual stress into the neck surface layer, It is an object of the present invention to provide an automobile undercarriage component having excellent fatigue characteristics and a method for improving the fatigue strength thereof. The gist of the present invention is the following contents as described in the claims.
(1) By mass%, C: 0.1-0.8%, Si: 0.05-2.5%, Mn: 0.2-3%, Al: 0.005-0.1%, N : 0.001 to 0.02% content, balance of Fe and unavoidable impurities, tensile strength of 600 MPa or more, and suspension for automobiles using heat-forged non-tempered steel having ferrite / pearlite structure An automobile undercarriage having excellent fatigue characteristics, characterized in that the compressive residual stress in the neck surface layer of the undercarriage part is 50% to 80% of the tensile strength of the heat forged non-heat treated steel parts.
(2) The automobile undercarriage part having excellent fatigue characteristics according to (1), wherein an average surface roughness of the neck part of the undercarriage part is 0.5 μm or less.
(3) A method for improving the fatigue characteristics of an undercarriage part for an automobile, with an ultrasonic vibration terminal that vibrates at a frequency of 10 to 60 kHz and an amplitude of 0.3 to 50 μm, while striking the surface of the neck part of the undercarriage part A method for improving fatigue characteristics of undercarriage parts, characterized by scanning.
本発明により、タイロッド、ロアアーム等の自動車用足回り部品の首部に超音波打撃処理を施して、首部表層に圧縮残留応力を導入することによって、疲労特性に優れ、肌荒れが少なく、しかも被削性が低下しない自動車用足回り部品および疲労強度向上方法を提供することができ、首部から破壊することがなくなり部品の信頼性が増す。
また強化分相応の部品の軽量化が可能となり燃費向上・コスト削減に寄与する。更に軽量化・減肉化は剛性率の低下をもたらすため、乗り心地の向上が可能となるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。
By applying ultrasonic impact treatment to the neck part of automobile undercarriage parts such as tie rods and lower arms according to the present invention, and introducing compressive residual stress into the neck surface layer, it has excellent fatigue characteristics, less skin roughness, and machinability It is possible to provide an undercarriage part for automobiles and a method for improving fatigue strength that does not deteriorate, and the reliability of the part increases without being broken from the neck.
In addition, the weight of the parts corresponding to the strengthened parts can be reduced, which contributes to improved fuel efficiency and cost reduction. Furthermore, since weight reduction and thickness reduction bring about a reduction in rigidity, it is possible to improve riding comfort, and there are significant industrially useful effects.
本発明を実施するための最良の形態について図1乃至図4を用いて詳細に説明する。
図1および図3は、本発明の対象である自動車用足回り部品を例示する図であり、図1はロアアームを示し、図3はタイロッドを示す図である。
図1および図3において、1は首部を示す。
図1および図3に示すロアアーム、タイロッド等の自動車用足回り部品の首部1は、断面積が減少しているうえ、応力集中が発生し易い形状であるため、疲労き裂の発生起点となっている。
すなわち首部1の疲労強度が、足回り部品全体の疲労強度を決定している。
首部1の疲労強度を向上するためには、首部1の強度を上げるか、圧縮の残留応力を導入するか2点の対策が考えられる。
本発明者等は、図2および図4に示すような、超音波振動端子2で首部1の表面を打撃することにより、上記2点の対策を共に満足することが可能であることを見出した。
The best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 and FIG. 3 are diagrams illustrating an automobile undercarriage component that is an object of the present invention, FIG. 1 shows a lower arm, and FIG. 3 shows a tie rod.
1 and 3, 1 indicates a neck.
The
That is, the fatigue strength of the
In order to improve the fatigue strength of the
The present inventors have found that by hitting the surface of the
本発明の自動車用足回り部品は、質量%で、C:0.1〜0.8%、Si:0.05〜2.5%、Mn:0.2〜3%、Al:0.005〜0.1%、N:0.001〜0.02%を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが600MPa以上で、フェライト・パーライト組織を有する熱鍛非調質鋼を用いた自動車用足回り部品であって、該足回り部品の首部表層における圧縮残留応力が前記熱鍛非調質鋼の引張強さの50%〜80%であることを特徴とする。
足回り部品首部1の表面に超音波打撃処理を施すことによって、大きな圧縮の残留応力を付与し、かつショットピーニングと同様表面を塑性加工することにより加工硬化し、タイロッド、ロアアーム等の足回り部品の首部の疲労強度を大幅に向上させることができる。
なお、本発明の自動車用足回り部品においては、製造コスト低減の観点から鋼材の組織および処理工程はフェライト・パ−ライト組織の熱間鍛造非調質鋼とする。
The undercarriage parts for automobiles of the present invention are in mass%, C: 0.1 to 0.8%, Si: 0.05 to 2.5%, Mn: 0.2 to 3%, Al: 0.005. -0.1%, N: 0.001-0.02%, the balance is Fe and inevitable impurities, the tensile strength is 600MPa or more, and a heat-forged non-tempered steel having a ferrite pearlite structure A compressive residual stress in the neck surface layer of the undercarriage part is 50% to 80% of the tensile strength of the heat forged non-heat treated steel.
Suspension parts Applying ultrasonic striking treatment to the surface of the
In addition, in the undercarriage parts for automobiles of the present invention, the steel material structure and the treatment process are made of hot-forged non-tempered steel with a ferrite-pearlite structure from the viewpoint of reducing manufacturing costs.
以下に本発明の限定理由を述べる。
<鋼材成分の限定理由>
Cは、鋼を強化するのに有効な元素であるが、0.1%未満では充分な強度が得られない。一方、過多に添加すると靭性が低下するため、添加量の上限を0.8%とする。
Siは、鋼の強化元素として有効であるが、0.05%未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を2.5%とする。
Mnは、鋼の強化に有効な元素であるが、0.2%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性および被削性が低下するため、添加量の上限を2%とする。
Alは、鋼の脱酸および結晶粒の微細化のために有効な元素であるが、0.005%未満ではその効果がない。一方、過多に添加すると被削性が低下するため、添加量の上限を0.1%とする。
Nは、V炭窒化物やNb炭窒化物を生成し析出強化のために必要な元素であるが、0.001%未満では充分な効果が得られない。一方、過多に添加すると靭性が劣化するため、添加量の上限を0.02%とする。
これらの元素以外にも、固溶強化が期待できる元素としてCr,Ni,Mo,Cuが、析出強化が期待できる元素としてTi,V,Nbが、被削性を向上させる元素として、Pb,S,Bi等が考えられるが、特に限定はしない。
The reasons for limiting the present invention will be described below.
<Reason for limiting steel components>
C is an element effective for strengthening steel, but if it is less than 0.1%, sufficient strength cannot be obtained. On the other hand, if added excessively, toughness decreases, so the upper limit of the amount added is 0.8%.
Si is effective as a steel strengthening element, but less than 0.05% has no effect. On the other hand, if added in excess, the toughness and machinability deteriorate, so the upper limit of the amount added is 2.5%.
Mn is an element effective for strengthening steel, but if it is less than 0.2%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, if added in excess, the toughness and machinability deteriorate, so the upper limit of the amount added is 2%.
Al is an element effective for deoxidation of steel and refinement of crystal grains, but if it is less than 0.005%, there is no effect. On the other hand, if added in excess, the machinability decreases, so the upper limit of the amount added is 0.1%.
N is an element required for precipitation strengthening by generating V carbonitride or Nb carbonitride, but if it is less than 0.001%, a sufficient effect cannot be obtained. On the other hand, if added excessively, the toughness deteriorates, so the upper limit of the amount added is 0.02%.
In addition to these elements, Cr, Ni, Mo, and Cu can be expected as solid solution strengthening, Ti, V, and Nb can be expected as precipitation strengthening, and Pb, S as elements that improve machinability. , Bi, etc. are conceivable, but not particularly limited.
<強度および圧縮残留応力の限定理由>
600MPa以下の鋼材では、本発明の圧縮残留応力の下限規定である50%では十分な疲労強度向上効果が得られないため、その下限値を600MPaとした。
600MPa以上の強度を持つ鋼材において、引張強さの50%以下の圧縮残留応力では十分な疲労強度向上が認められないことおよび、引張強さの80%以上の圧縮残留応力を付与することは、本発明では困難であることから、その上限を80%とする。
<表面粗度の限定理由>
本発明においては自動車用足回り部品の表面粗度は問わないが、首部のリム部の平均表面粗度が0.5μm以下であることが好ましい。
首部のリム部の平均表面粗度が0.5μm以下とすることによって、肌荒れが少なく、疲労強度を著しく向上させることができる。
<Reason for limitation of strength and compressive residual stress>
In steel materials of 600 MPa or less, a sufficient fatigue strength improvement effect cannot be obtained at 50% which is the lower limit of the compressive residual stress of the present invention, so the lower limit value was set to 600 MPa.
In a steel material having a strength of 600 MPa or more, a sufficient fatigue strength improvement cannot be observed with a compressive residual stress of 50% or less of the tensile strength, and a compressive residual stress of 80% or more of the tensile strength is imparted. Since this is difficult in the present invention, the upper limit is made 80%.
<Reason for limiting surface roughness>
In the present invention, the surface roughness of the undercar parts for automobiles is not limited, but the average surface roughness of the rim portion of the neck is preferably 0.5 μm or less.
By setting the average surface roughness of the rim portion of the neck portion to 0.5 μm or less, there is little skin roughness and the fatigue strength can be remarkably improved.
図2および図4は、本発明の自動車用足回り部品の疲労強度向上方法の実施形態を例示する図であり、それぞれの首部の断面を示す図1のA矢視図および図3のB矢視図である。
図2および図4において、1は首部、2は超音波振動端子を示す。
自動車用足回り部品は繰り返し荷重を受けることによって、特に首部1が最も疲労き裂が生じ易い。
そこで、本発明における自動車用足回り部品の疲労特性向上方法は、振動数10〜60kHz、振幅0.3〜50μmで振動する超音波振動端子で前記自動車用足回り部品の首部1の表面を打撃しながら走査することを特徴とする。
2 and 4 are views illustrating an embodiment of the method for improving the fatigue strength of an undercarriage part for automobiles according to the present invention. FIG. 2 is a view taken along an arrow A in FIG. FIG.
2 and 4,
The undercarriage parts for automobiles are subject to repeated loads, and particularly the
Therefore, the method for improving the fatigue characteristics of the undercarriage part for automobiles according to the present invention hits the surface of the
超音波打撃処理を行なう部位を首部1に限定したのは、足回り部品において疲労破壊が主たる問題となるのが、首部1だからである。
なお、疲労き裂が入る位置があらかじめわかっているときは、その部位を集中的に処理すればよい。
本発明においては、超音波振動端子の形状は問わないが、前述のように打撃処理部の表面粗度を0.5μm以下にするためには、超音波振動端子2の先端部の半径を5mm程度に大きくし、また、超音波振動端子2を疲労き裂の入る方向に対して直角方向に往復させて走査することが好ましい。
これは、超音波振動端子2による処理により導入される圧縮残留応力には異方性があり、走査の方向に、より強い圧縮残留応力が付与されるからである。
The reason why the ultrasonic hitting process is limited to the
In addition, when the position where the fatigue crack enters is known in advance, the portion may be processed intensively.
In the present invention, the shape of the ultrasonic vibration terminal is not limited. However, in order to make the surface roughness of the hitting treatment portion 0.5 μm or less as described above, the radius of the tip portion of the
This is because the compressive residual stress introduced by the processing by the
超音波振動端子2の先端形状は、半球状、蒲鉾状、鞍状等が考えられるが特に限定しない。ただし、半球状ないしは蒲鉾状の先端形状では、凸と凸をつきあわせることになるので処理が不安定になる可能性がある。最良は、凸と凹を組み合わせることになる鞍状であるが、超音波振動端子2の製造コストが高くなる可能性がある。
超音波振動端子の振動数を10〜60kHzと限定したのは、鋼材に与えられる圧縮の残留応力がこの領域で大きくなるからである。同様に、超音波振動するピン先端の振幅を0.3μm以上と限定したのも、これ以下の振幅では十分な圧縮残留応力を鋼材に与えることができないからである。振幅は大きいほど残留応力が増すが、50μm以上では塑性変形が大きくなり過ぎ、部品の寸法精度が低下するとともに疲労強度も低下するため、振幅の上限を50μmに限定する。
The tip shape of the
The reason why the frequency of the ultrasonic vibration terminal is limited to 10 to 60 kHz is that the compressive residual stress applied to the steel material increases in this region. Similarly, the amplitude of the tip of the pin that vibrates ultrasonically is limited to 0.3 μm or more because sufficient compressive residual stress cannot be applied to the steel material with an amplitude below this. Although the residual stress increases as the amplitude increases, the plastic deformation becomes too large at 50 μm or more, and the dimensional accuracy of the parts decreases and the fatigue strength also decreases. Therefore, the upper limit of the amplitude is limited to 50 μm.
表1に示す成分の鋼から、図5に示すような、平行部の径d=6mmの小野式回転曲げ試験片(JIS Z−2274、1号試験片、記号1−6)を切り出した。
この試験片に本発明の超音波処理を施したもの、および無処理ないしは範囲外の処理を施した比較材を用意し、小野式回転曲げ疲労試験を行ない疲労強度を求めた。結果を表2に示す。なお、本試験片は単純な曲げ疲労試験であるため、疲労き裂は試料の1/2L近傍から発生し軸方向と垂直な面で破断する。従って、超音波処理は図5に示すように平行部全域について、軸方向に走査して行った。
表2中の残留応力測定値は、疲労試験を行っていない試験片を別途用意し、表層の軸方向残留応力を測定したものである。
なお、残留応力の測定はX線を用いて行ない、回折X線の強度を測定しピーク強度の半値幅から求めている。
超音波打撃処理無し、および、振動数・振幅が本発明の範囲外の比較例は、引張強度の1/2未満の疲労強度しか得られなかった。
一方、適正な超音波打撃処理を行った発明例は、引張り強さの50〜80%の圧縮残留応力が導入されて、疲労強度が向上することがわかった。
なお、打撃処理部の平均表面粗度を測定したところ、発明例においては0.5μm以下であっが、比較例では0.5μmを超えていた。
以上のことから、本発明によれば比較例に比べ、大幅な疲労強度向上が認められ、有効であることが確認された。
The test piece was subjected to the ultrasonic treatment of the present invention, and a comparative material subjected to no treatment or treatment outside the range was prepared, and an Ono-type rotary bending fatigue test was performed to determine the fatigue strength. The results are shown in Table 2. In addition, since this test piece is a simple bending fatigue test, a fatigue crack is generated in the vicinity of ½ L of the sample and breaks on a plane perpendicular to the axial direction. Therefore, the ultrasonic treatment was performed by scanning the entire parallel portion in the axial direction as shown in FIG.
The residual stress measurement values in Table 2 are obtained by separately preparing a test piece that has not been subjected to a fatigue test and measuring the axial residual stress of the surface layer.
The residual stress is measured using X-rays, and the intensity of diffracted X-rays is measured and obtained from the half-value width of the peak intensity.
In the comparative example in which the ultrasonic hitting treatment was not performed and the frequency / amplitude was outside the range of the present invention, only a fatigue strength less than 1/2 of the tensile strength was obtained.
On the other hand, it was found that in the invention example in which an appropriate ultrasonic striking treatment was performed, the compressive residual stress of 50 to 80% of the tensile strength was introduced and the fatigue strength was improved.
In addition, when the average surface roughness of the hit | damage process part was measured, although it was 0.5 micrometer or less in the invention example, it exceeded 0.5 micrometer in the comparative example.
From the above, according to the present invention, a significant improvement in fatigue strength was recognized as compared with the comparative example, and it was confirmed that it was effective.
1 首部
2 超音波振動端子
1
Claims (3)
C :0.1〜0.8%、
Si:0.05〜2.5%、
Mn:0.2〜3%、
Al:0.005〜0.1%、
N :0.001〜0.02%
を含有し、残部がFeおよび不可避的不純物からなり、引張強さが600MPa以上で、フェライト・パーライト組織を有する熱鍛非調質鋼を用いた自動車用足回り部品であって、該足回り部品の首部表層における圧縮残留応力が前記熱鍛非調質鋼の引張強さの50%〜80%であることを特徴とする疲労特性に優れた自動車用足回り部品。 % By mass
C: 0.1-0.8%
Si: 0.05 to 2.5%,
Mn: 0.2-3%,
Al: 0.005 to 0.1%,
N: 0.001 to 0.02%
A suspension part for automobiles using a heat-forged non-heat treated steel having a ferrite and pearlite structure, the balance being Fe and inevitable impurities, and having a tensile strength of 600 MPa or more, The undercarriage part for automobiles having excellent fatigue characteristics, characterized in that the compressive residual stress in the surface layer of the neck is 50% to 80% of the tensile strength of the heat forged non-heat treated steel.
A method for improving fatigue characteristics of undercarriage parts for automobiles, wherein an ultrasonic vibration terminal that vibrates at a frequency of 10 to 60 kHz and an amplitude of 0.3 to 50 μm is scanned while striking the surface of the neck part of the undercarriage part. A method for improving fatigue characteristics of undercarriage parts.
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