JP2010133011A - より優れた長期耐久限度を有するシャシ構成要素の製造方法およびシャシ構成要素 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の課題は、シャシ構成要素の製造を簡略化し、それと同時に耐用年数の長いシャシ構成要素を獲得することにある。
【解決手段】 半製品が冷間成形によって成形されるというシャシ構成要素の製造方法であって、冷間成形後の成形済み半製品に窒化処理を施すことを特徴とする方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、より優れた長期耐久限度を有するシャシ構成要素の製造方法と、そのような製造方法により製造されたシャシ構成要素に関わる。

シャシ用トーション形鋼など、自動車のシャシ構成要素の製造に際しては、最終製品の長期耐久限度を含めた機械的特性に高い要求が課されるだけでなく、プロセスやコストの最適化に対しても高い要求が課される。

技術の現況では、シャシ構成要素について要求される周期的強度を得るのに、表面硬化という機械的方法がとられている。そのような方法は、たとえば独国特許出願公開第１０２００４０１８５８６号明細書に記載されている。この場合部品の表面硬化は、投射材の投射により行われる。

この方法の欠点は、部品の表面のみが硬化し、硬化層の厚さが僅少であることである。また複雑な構造を持つ部品の場合、内側に入り込んだ表面の硬化は、この方法では手間がかかるか、部分的に不可能である。また投射が強過ぎると表面を傷付ける可能性があり、疲労強度の点で問題が生じる恐れがある。さらには、壁厚の比較的薄いものへの投射処理は、常に悪い結果をもたらすことが分かっている。

また、高強度構造部品を製造する方法としては、硬化鋼の利用、ならびに硬化鋼の加熱、硬化、成形プロセスが知られている。この方法は、たとえば独国特許出願公開第１０３３９１１９号明細書に記載されている。この製造方法の欠点は、構造部品の成形を、硬化過程を終えてから冷間成形で行わなければならないことにある。そのため冷間成形過程には、より大きなエネルギーを投入せねばならず、また冷間成形で誘導される応力も増える。さらにこの製造方法の場合、冷間成形中に誘導される応力を除去するために、冷間成形に続いて応力除去焼きなましが必要になる可能性がある。

独国特許出願公開第１０２００４０１８５８６号明細書 独国特許出願公開第１０３３９１１９号明細書

本発明の課題は、シャシ構成要素の製造を簡略化し、それと同時に耐用年数の長いシャシ構成要素を獲得することにある。

よって本発明は、課題の第１の観点から見て、半製品が冷間成形によって成形されるというシャシ構成要素の製造方法に関わる。この方法は、冷間成形後の半製品に窒化処理を施すことを特徴とする。

本発明による方法の第１の実施例のプロセス進行図式。 本発明による方法の第２の実施例のプロセス進行図式。

本発明では、シャシ構成要素は鋼からなる。本発明で言うところの半製品とは、管などの中空形鋼または薄板を意味する。これらの半製品には、冷間成形過程において、プレス、曲げ、または他の成形法により、製造されるべき最終製品の形状が与えられる。成形済み半製品を窒化することによって、成形済み半製品の表面は硬化する。ショットピーニング等の表面投射による純粋に機械的な表面硬化と比べて、熱化学処理すなわち窒化処理では、表面硬化による硬化層の深さを適切に調整することができる。この窒化処理は、複室式かまどまたは連続加熱炉で行うことができる。

窒化の場合、鋼製の半製品の中心部分にはフェライト構造等の基本構造が残る。さらに、窒素の浸透が、表面近くにオーステナイトが形成されるのを防ぐ。成形済み半製品（これ以降未完成品と呼ぶ）の表面には、窒素の浸透によって非常に硬い表面化合層が形成される。この化合層の下には浸透ゾーンが形成され、そこでは窒素が、ある特定の深さまで基本構造の金属母材（たとえばフェライト金属母材）内に沈積する。この固溶体内に沈積した窒素は、未完成品の長期耐久限度を向上させる。さらに、表面近傍領域における析出物形成によって、耐磨耗性が得られるとともに、周期負荷時の耐用期間が延びる。窒化のプロセスによって、最終製品すなわちシャシ構成要素の耐用期間を周期負荷時にも保証するような未完成品の長期耐久限度（疲れ限度とも言われる）が得られる。未完成品の表面には、窒化物形成によって強度と耐磨耗性に優れた層が形成されるので、最終製品すなわちシャシ構成要素に要求される強度は、壁厚の薄い未完成品によっても得ることができ、その結果材料の需要量ならびにシャシ構成要素の重量を低減することができる。

窒化は通常４００〜６００℃で行われる。この処理温度によって、冷間成形中に未完成品内に誘導された応力は解消される。よって本発明に基づき行われる窒化過程は、冷間成形部品で別個に必要となる応力除去焼きなまし過程を代替することになり、その結果製造プロセス全体が短縮され、コスト面での最適化がはかられる。さらに、窒化は一般的に真空状態のもとで行われるので、未完成品の表面には酸化物がなく、塗装処理前の表面の清掃投射処理過程が不要になる。これによりさらに製造プロセス全体の短縮化とコスト面の最適化がはかられる。

さらに、窒化によりシャシ構成要素の長期耐久限度が向上するだけでなく、耐腐食性も向上し磨耗保護層が作られる。

本発明のある優先的な実施形態では、半製品の原料は、炭素含有量（Ｃ）０．３０重量％以下の鋼である。このように炭素含有量が少なくても、窒化により十分な表面硬度が得られることが分かっている。炭素含有量が通常０．３〜０．４重量％である窒化鋼とは異なり、本発明による方法では、自動車用途用に加工可能なシャシ構成要素を製造することができる。たとえば本発明によって製造されたシャシ構成要素は、他の構成要素と溶接により接合することができる。

ある優先的な実施形態では、半製品に冷間成形によって、すなわち窒化前に最終形状が与えられる。最終形状とは、シャシ構成要素がシャシへの取り付け前または他の構成要素との接合前に有している形と寸法を意味する。これにより最終製品において機械的な負荷にさらされることになる表面を、確実に硬化させることができる。さらに、表面硬化の済んだ部品をさらに成形する必要がないので、窒化により生成された表面硬化層を破壊しなくて済む。

窒化処理とは主としてプラズマ窒化法による窒化である。本発明において成形済み半製品の窒化は、ガス窒化またはプラズマ窒化（イオン窒化とも言われる）により行われる。ただし窒化の処理時間を数時間に短縮できることから、プラズマ窒化の方が優先される。プラズマ窒化およびガス窒化の優れた利点は、複雑な構造を持つ部品であっても確実に処理できる点にある。特にシャシ構成要素によく見られる中空形鋼の場合、内部に入り込んだ表面も容易に硬化させることができるので、部品全体の強度が向上する。表面硬化した部品への窒化後の追加処理は不要である。よって浴窒化などの方法と比べてさらなる最適化が達成される。

さらなる実施例では、窒化処理後に成形済み半製品の表面の少なくとも一部に投射材を投射するという過程が加わる。既に窒化によって硬化した表面に、投射による表面硬化を施すことによって、窒化時に形成された化合層は、機械的な硬化によってさらに硬くなる。その結果部品の耐用期間はさらに延びる。さらに、表面の一部に投射することで、局所的な強度の引き上げを適切に行うことができる。さらに、それ以前のプロセスで生じた比較的小さな表面の瑕疵は、成形済み半製品への投射時に除去されるので、長期耐久限度の向上がはかられる。

窒化処理後の最終製品は、場合によって行われる強度投射処理を除いては、さらなる成形過程や熱処理過程に回されることはない。つまり、追加的な熱処理や機械的処理が不要だということである。これにより、窒化時および場合によって追加される強度投射時に部品内に生成された構造（表面強度と中心部の粘性が高い）は、確実に保持される。さらに、この製造プロセスは過程数が少ないので短時間で済み、時間とコストの節約になる。また、窒化時の歪みや変形がごくわずかであるか、もしくは皆無であることから、窒化処理に供される成形済み半製品を、完成時の寸法に造ることができる。冷間成形の際、自動車の各種最終寸法を確実かつ容易に許容差内に調整することができる。

半製品の原料には、マイクロ合金鋼や調質鋼を使用できる。窒化鋼と比べたこれらの原料の利点は、製造コストが安く、また炭素含有量が低いので最終製品の状態で加工（特に溶接）が可能であることにある。

本発明による方法に使用できる鋼は、たとえばベンテラーＡＧ社がＢＴＲ１６５の商品名で販売している調質鋼である。原料として使用されるこの鋼は、鉄ならびに溶融に起因する汚染物のほかに、たとえば表１に示した３つの組み合わせのうちいずれかの組み合わせの合金元素（重量％）を有する。

ある実施形態では、半製品の原料鋼が以下のものからなる（重量％）。
炭素（Ｃ）： ０．２２〜０．２５％
珪素（Ｓｉ）： ０．２０〜０．３０％
マンガン（Ｍｎ）： １．２０〜１．４０％
燐（Ｐ）： ０．０２０％以下
硫黄（Ｓ）： ０．０１０％以下
アルミニウム（Ａｌ）： ０．０２０〜０．０６０％
ホウ素（Ｂ）： ０．００２０〜０．００３５％
クロム（Ｃｒ）： ０．１０〜０．２０％
チタン（Ｔｉ）： ０．０２０〜０．０５０％
モリブデン（Ｍｏ）： ０．３５％以下
銅（Ｃｕ）： ０．１０％以下
ニッケル（Ｎｉ）： ０．３０％以下
残り： 鉄および溶融に起因する汚染物

これらの合金を窒化して得られる表面硬度は、いずれも自動車のシャシ構成要素として十分な長期耐久限度を有することが判明している。さらに、これらの鋼合金は低コストで製造可能であり、また炭素含有量が少ないことから溶接が可能である。

さらなる実施形態では、原料鋼の合金元素は、表１の例の範囲内にあるが、アルミニウム含有量だけ増やしてある。たとえばアルミニウム含有量を０．０２０〜０．１００重量％にすることができる。アルミニウム含有量を増やすと、化合層と浸透層からなる窒化層の硬度はさらに増大し、磨耗耐性もさらに向上する。

本発明では、バナジウム（Ｖ）含有量が０．１００重量％以下の鋼を原料として使うことが追加的または代替的に可能である。特に好ましいのは、表１のいずれかの組成の鋼に０．１００重量％以下のバナジウム（Ｖ）を添加した合金を使用することである。

半製品の製造原料としては、鉄ならびに溶融に起因する汚染物と以下の合金元素（重量％）からなる合金もまた可能である。
炭素（Ｃ）： ０．０２〜０．１４％
珪素（Ｓｉ）： ０．１５％以下
マンガン（Ｍｎ）： ０．１５〜１．５０％
燐（Ｐ）： ０．０３５％以下
硫黄（Ｓ）： ０．０２０％以下
アルミニウム（Ａｌ）： ０．０１５〜０．０６０％
ニオビウム（Ｎｂ）： ０．０２０〜０．１２０％
チタン（Ｔｉ）： ０．１００％以下
バナジウム（Ｖ）： ０．１００％以下
モリブデン（Ｍｏ）： ０．１０％以下

本発明に基づき半製品の原料として使用可能なさらなる合金は、鉄ならびに溶融に起因する汚染物のほかに以下の合金元素（重量％）を含む。
炭素（Ｃ）： ０．０２〜０．１０％
珪素（Ｓｉ）： ０．４０％以下
マンガン（Ｍｎ）： ０．５０〜１．６０％
燐（Ｐ）： ０．０２５％以下
硫黄（Ｓ）： ０．０１０％以下
アルミニウム（Ａｌ）： ０．０２０％以上
ニオビウム（Ｎｂ）： ０．００８〜０．０６０％
チタン（Ｔｉ）： ０．００８〜０．０６０％
バナジウム（Ｖ）： ０．００８〜０．０６０％

さらに、上述の各合金組成（特に最後に挙げた合金組成）から外れる形で、窒化物形成元素（Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ）を個別に、もしくは組み合わせて添加することも可能である。

本発明に基づく方法に使用できる上記の鋼合金は、炭素含有量が低いこと、窒化物形成元素（Ａｌ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｃｒ）が各合金に適量含まれること、それらの合金を含む鋼の成形性が良いこと、鋼の価格が安いこと、そして原料が入手しやすいこと、などの点で特に傑出している。

ある実施形態では、半製品が中空形鋼、それも特に肉薄の中空形鋼である。中空形鋼、それも特に肉薄の中空形鋼の場合、中空でない部品と比べて、最終製品において周期負荷の要求に耐えられるような表面硬度とねじれ柔軟性の確保が特に重要となる。そのような半製品の製造に本発明による方法を採用すれば、特に大きな成果が得られる。

本発明による製造方法は、主として連続的方法である。連続的方法とは、シャシ構成要素を量産するための方法ということであり、個々の過程の工程時間が互いに調整されている。その際この製造プロセスは、一つの生産連鎖として統合されており、一つの過程を終了した製品はすぐに次の処理過程に送られる。この方法の利点は、中継保管が不要なことからコストが最適化できることにある。さらに、窒化の処理時間が短いため、従来のシャシ構成要素製造法で採用されている製造プロセス工程時間を延ばす必要がない。つまり窒化を、工程時間を変更することなく製造プロセスに組み込むことができる。

本発明は、もう一つの観点から見ると、本発明による方法に基づき製造されたシャシ構成要素に関わる。このシャシ構成要素としては、たとえばトーション形鋼、スタビライザー（曲がっているもの、または真っ直ぐなもの）、投入後に周期負荷にさらされるその他の管状構成要素などが考えられる。

シャシ構成要素の例としては、クロスメンバー、トランスバースリンク、マルチリンク・リヤサスペンション、半独立サスペンション、フロントアクスル、サスペンションリンク、管または薄板からなる縦・横トラバース、ドライブシャフトなどがある。

本発明による方法では、優れた表面硬度とトーション柔軟性が併せて得られるため、これらのシャシ構成要素のすべてに、本発明に基づく方法（優先的に使用される鋼合金を使用）は特に適している。また、優先的に使用される合金ならびに本発明による製造方法が低コストであることも、これらのシャシ構成要素にとっては有利である。

方法について述べた利点および特徴は、本発明によるシャシ構成要素にも然るべくあてはまり、またその逆も言える。さらに、ある一つの実施形態について述べた利点および特徴は、他の実施形態にもあてはまるが、ただし他の実施形態がそれ以外のある実施形態の必ずしもすべての特徴を有するわけではない。

本発明を、考えられる実施例をもとに添付の図を参照しながら以下に説明する。

図１のＡは管状の半製品を示すもので、これからシャシ構成要素が製造される。この管は、一つまたは複数の成形過程を経てＢで示す成形済み半製品となる。その際曲げ、およびその他の切削によらない成形法が採用される。

そのようにして成形された半製品は、次に窒化プロセスのための処理室（図１Ｃ）へ送られる。この処理室では、真空状態の中、窒素含有ガスがたとえば電場によってイオン化される。その結果、処理室に送り込まれた未完成品の表面には化合層が生成され、この化合層では、窒化鉄のほかに、アルミニウム、クロム、モリブデン、バナジウム、チタンなどの窒化物が形成されている。この化合層の下には浸透層と言われる層ができており、窒素が微細窒化物という形で存在している。窒化処理は、処理室の代わりに連続加熱炉を使用しても可能である。

設定された処理時間の経過後、未完成品は最終完成製品（Ｄ）として処理室から取り出される。

図２は、本発明による方法のもう一つの実施形態を示す。この場合、処理室（Ｃ）で窒化された未完成品は、表面投射の処理（図２Ｅ）に回される。この処理過程では、表面の全体または一部に投射材が投射されて、それにより表面に圧縮応力が生じる。投射材を除去すると最終完成製品（図２Ｄ）が出来上がる。

本発明によって数々の利点が得られる。特に、比較的安い製造コストで耐用期間の長いシャシ構成要素が得られる。製造コストの低減は、応力除去焼きなましなどの熱処理が、窒化プロセスゆえに不要であることに起因する。これらのシャシ構成要素（特に窒化トーション形鋼）の耐用期間は、既知の製造方法で製造された部品の耐用期間の数倍に相当する。さらに、得られる長期耐久限度から考えて、シャシ構成要素の壁厚を、既知の製造方法で製造されたものより薄くすることが可能である。その結果シャシ構成要素の重量低減が可能となる。本発明による方法を用いれば、合金元素の含有量が少ない鋼合金であっても、窒化プロセス用に特別に調整してあるため、さらなるコスト低減が可能である。

Claims (13)

1. 半製品が冷間成形によって成形されるというシャシ構成要素の製造方法であって、冷間成形後の成形済み半製品に窒化処理を施すことを特徴とする方法。
2. 半製品に冷間成形によって最終形状が与えられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記窒化処理が、プラズマ窒化法による窒化であることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 方法がさらに、成形済み半製品の表面の少なくとも一部に投射材を投射するという過程を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 表面への投射過程が窒化処理後に実施されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 窒化処理後の最終製品に、場合によって行われる強度投射処理を除いて、さらなる成形過程または熱処理過程を施さないことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 半製品の原料が、マイクロ合金鋼または調質鋼からなることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 半製品の原料が、以下のもの（重量％）：
   炭素（Ｃ）： ０．２２〜０．２５％
   珪素（Ｓｉ）： ０．２０〜０．３０％
   マンガン（Ｍｎ）： １．２０〜１．４０％
   燐（Ｐ）： ０．０２０％以下
   硫黄（Ｓ）： ０．０１０％以下
   アルミニウム（Ａｌ）： ０．０２０〜０．０６０％
   ホウ素（Ｂ）： ０．００２０〜０．００３５％
   クロム（Ｃｒ）： ０．１０〜０．２０％
   チタン（Ｔｉ）： ０．０２０〜０．０５０％
   モリブデン（Ｍｏ）： ０．３５％以下
   銅（Ｃｕ）： ０．１０％以下
   ニッケル（Ｎｉ）： ０．３０％以下
   残り： 鉄および溶融に起因する汚染物
   からなる鋼であることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記原料が、０．０２０〜０．１００重量％のアルミニウムを有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 前記原料が、０．１００重量％以下のバナジウム（Ｖ）を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記半製品が中空形鋼、それも特に肉薄の中空形鋼であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 方法が連続的方法であることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 請求項１から１２の少なくとも１つに記載の方法によって製造されたシャシ構成要素であって、それらが、トーション形鋼、スタビライザー、または投入後に周期負荷にさらされるその他の構成要素であることを特徴とするシャシ構成要素。

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