JP2013529840A - 金属、合金および金属マトリックス複合材料の部品および構成部品の磁化処理および通電処理 - Google Patents

Abstract

金属部品の改善された減衰のために金属を処理する方法が提供される。該方法は、導電コイル内部に金属部品を設置する工程と、コイルに電流を印加するために回路を閉鎖する工程と、を含み、それゆえに金属部品内に磁場を発生させる。その後、回路は一時的に開放され、次に、第二の電流をコイルに印加するために、二度目の回路閉鎖を行う。次に、二度目の回路開放が行われ、金属部品が導電コイルから除去される。
【選択図】図１

Description

ブレーキ鳴きの形態でのノイズは、全ての自動車ＯＥＭにとって、最も大きな保証の懸念の一つである。ブレーキローターは、振動数を発生させる摩擦面の一部を形成する。システム減衰または材料減衰によって、構成部品の共鳴周波数の減衰が実現され得る。材料減衰は、応力に応答して材料内で発生する内部摩擦を含む。磁気機械的減衰は、内部摩擦を発生させるいくつかのメカニズムのうちの一つである。ローターの減衰能力を高めることが望ましく、それによってブレーキ動作中のローター、または、外力の影響を受ける時には他の金属部品からの振動およびノイズを低減させることができるだろう。ここで用いられているように、「金属部品」というフレーズは、鉄、鉄合金、鉄系マトリックス複合材料、鉄系焼結材料、非鉄金属、非鉄合金、非鉄焼結材料、非鉄系マトリックス複合材料部品および構成部品を意味する。ここで用いられているように、「金属マトリックス複合材料」という用語は、埋金や強化を伴う金属を含む全ての従来の変形に言及するものである。

本発明は、より良い稼働中の性能を求めて部品の内部摩擦を改善するための金属部品における磁気機械的減衰を用いる。

本発明の一態様によれば、金属部品の改善された減衰のために金属を処理する方法が提供される。該方法は、導電コイルと電気的に接触するように前記金属を設置する工程と、前記コイルに電流を印加するために回路を閉鎖し、前記金属内に磁場を生成する工程と、を含む。その後、回路が開放され、ついで、コイルに第二の電流を印加するために、回路に二度目の閉鎖が行われる。回路に二度目の開放が行われ、導電コイルから金属が除去される。

本発明の別の態様によれば、金属部品の改善された減衰のために金属を処理する方法が提供される。該方法は、一つ以上の一対の極を有する制御された磁場内に金属を設置する工程を含み、該磁場は所定のプロセスによって調節される。

本発明のさらに別の態様によれば、ブレーキ面を備えるブレーキローターが提供される。本明細書に記載された磁化処理および／または通電処理によって、該ブレーキローターは少なくとも５％低減されたＱ因子を有する。限定されない態様において、ブレーキローターは、鉄系金属または非鉄金属、合金または金属マトリックス複合材料から構成され得る。

本発明のさらに別の態様によれば、サスペンションバネが提供される。本明細書に記載された磁化処理および／または通電処理によって、該サスペンションバネの疲労強度は少なくとも５％増加する。

これらおよび他の長所および特徴が、図面とともに説明される以下の記述によって、より明らかになるだろう。

本発明として考慮される主題は、具体的には、本明細書の結びに記載された請求項において、指し示され、かつ、明確に主張される。本発明の前述および他の特徴および長所は、添付の図面に関連して説明される以下の詳細な説明から明らかである。

従来技術と比較した本発明の一態様のグラフ図である。 基準ローターと比較した本発明の別の態様のグラフ図である。 従来技術と比較した、印加された磁場を有する本発明のグラフ図である。 本発明の一態様に係る磁化ローターを示す図である。 従来技術に係るブレーキローターのノイズテスト結果の図である。 本発明に係るブレーキローターのノイズテスト結果の図である。 アルミニウムに適用された本発明の一態様を示す図である。 アルミニウムに適用された本発明を示し、従来技術と比較した本発明の別の態様のグラフ図である。 本発明の別の態様に係る磁化処理の相加効果のグラフ図である。 本発明のさらに別の態様に係る改善された疲労強度のグラフ図である。 本発明の一態様に係る金属の製造方法を示すフロー図である。 本発明の別の態様に係る金属の製造方法を示すフロー図である。

ブレーキローターに関して本明細書において詳述されるように、本発明は、より良い性能を求めてブレーキローターの内部摩擦を改善するために、金属部品における磁気機械的減衰を用いる。説明される応用例が、他の鉄系金属部品、非鉄金属部品、合金または金属マトリックス複合材料に対して好適であり得ることは当業者にとって明らかであろう。本発明の限定されない別の態様においては、部品および構成部品の製造よりも前に原料金属部品にも磁場が印加され得る。たとえば、ブレーキローターの回転のような製造プロセスよりも前に、原料材料のインゴットに磁場が印加され得る。

減衰に影響を与え得る因子を特定することによって、本出願人は、それらの因子を操作して減衰を制御する新しくて有用な方法を見出すに至った。

（固有振動数）
システムの振動の固有振動数は以下の式で示される。
ｆ_ｎ＝（１／２π）・Ｋ^１／２・Ｍ^−１／２

Ｋは部品の剛性を表し、部品のヤング率に比例する。

Ｍは部品の質量を表し、部品の密度に比例する。

上記の式から理解され得るように、剛性の増加、または、質量の減少、または、その両方の組み合わせによって周波数が上昇し得る。

同一の形状のまま剛性を増加させるためには、ヤング率を増加させる必要がある。同一形状のまま質量を減少させるためには、密度を減少させる必要がある。

（モードＱ因子）
部品における減衰は、応答が小さくなる時にエネルギーが放散される一定の率である。モードＱ因子は、システムが振動する周波数と、システムがそのエネルギーを放散する率とを比較する。より大きなＱは、振動周波数と比較して、より低いエネルギー放散率を示す。モードＱ因子は、部品に衝撃力を印加することと、マイクロフォンを用いて音波の周波数応答の自由減衰を測定することによって算出される。動力とエネルギーは振動の振幅の平方に比例するので、実施例１のグラフから理解されるように、振幅周波数のグラフにおけるバンド幅は、ピークの１／（２^１／２）まで、または、約−３デシベルまで測定されるはずである。実施例２は、最初の衝突の後に減衰する実施例１の応答を示す。

実施例１においては、ｆ３は固有振動数であり、ｆ１およびｆ２は周波数応答関数（ＦＲＦ）の振幅における３デシベル低下時の振動数である。ピークの幅が、部品における減衰を定義する。ｆ１とｆ２との間の差が大きければ大きいほど、部品内に存在する減衰が多くなる。
Ｑ＝ｆ_ｎ／（ｆ_１−ｆ_２）

Ｑ＝Ｋ^１／２・Ｍ^１／２であり、Ｋは剛性を表し、Ｍは質量を表し、ｃｃは粘性減衰係数と呼ばれ、それは速度に対する減衰力の比の数学モデリングであり、材料の固有の性質である。

実施例３として、減衰計算のために用いられる測定されたＦＲＦを以下に示す。

（モード減衰因子）
モード減衰因子またはモード減衰比は、臨界減衰値に対する、部品内における減衰の比率である。臨界減衰値は、いかなる振動も通過することがない状態で、振動がなく、振幅が次第に小さくなる数値である。
減衰因子ｖ＝ｃ／ｃｃ＝ｃ／（２・Ｋ^１／２・Ｍ^１／２）である。
ｃｃ＝２・Ｋ^１／２・Ｍ^１／２は臨界減衰値であり、Ｋは剛性であり、Ｍは質量であり、ｃは減衰係数である。
減衰因子は以下の式によってＱ因子と関連づけられる。
ｖ＝１／（２Ｑ）
または百分率で表す場合には、
ｖ＝１００／（２Ｑ）

本発明は、ブレーキローターの品質を改善し、ＯＥＭ部品製造者及びアフターマーケット部品製造者へのブレーキ鳴きによる保証返品を最大３５％まで顕著に減少させることが期待されている。本発明はまた、ノイズ性能を改善する目的でサービスの分野において金属製の部品および構成部品を処理し得る修理・交換センターにおいても利用され得る。本発明は、鋳鉄および鋳鉄製のブレーキローターの材料減衰特性を増加させる。減衰におけるこの増加によって、ローターの材料が、それ自体を可聴なブレーキ鳴きとして明らかにするように、振動の傾向を低減させる、より大きな振動エネルギーを吸収かつ放散することを可能にする。磁区構造を操作することにより減衰特性の磁気機械的部分を増加させることによって、増加した減衰が得られる。還流磁区が振動エネルギーを吸収し、数が増えた還流磁区と非１８０°磁壁の移動によって、処理済の材料および金属部品におけるより大きな減衰効果がもたらされる。たとえば、ねずみ鋳鉄においては、磁化処理を通して９０°の磁壁の体積分率を増加させることによる減衰特性の磁気機械的部分を増加させることによって、増加した減衰が得られることが期待される。

還流磁区の大きさおよび体積分率と、非１８０°磁壁の移動の容易さが、磁気機械的減衰がどのくらい改善され得るかを決定する。ローターの放電加工機（ＥＤＭ）によってローターを磁気的に処理することは、たとえば、２０１０年４月１２日に出願されたＰＣＴ特許出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／００１０９６号明細書に記載されており、その開示内容は本明細書に参照によって包含される。ＥＤＭは減衰特性における顕著な改善を実現する。加えて、磁化システムを用いて、たとえばコイルにおいてローターを磁化すること（長手方向磁化または環状磁化）もまた、減衰特性を顕著に改善するだろう。磁場を生じさせる他の方法が同様の結果をもたらし得ることは当業者にとって自明であり、その方法は、以下に限定されるものではないが、永久磁石の使用、電磁場の使用、部品を直接通過する電流の使用、または、それらのいかなる組み合わせをも含み得る。

ここで、同一のものに限定することなく、具体的な態様に関して本発明が記載された図面を参照すると、ブレーキローターの磁化処理が材料減衰を増加させ、ブレーキノイズを低減し得る。ＥＤＭプロセスを用いて機械加工されたローターについてテストしている間に、この処理が、ＥＤＭ処理されなかったブレーキローターに対して、材料減衰特性を約４０％まで改善したことがわかった。

図１を参照すると、ＥＤＭ処理が、ローター材料のＱ因子の測定値を６０４から３７０まで減少させた。次に、低減されたＱ因子を有するローター（図１の例に示されるように、Ｑ因子は４００未満）が、工業標準ノイズテスト仕様（ＳＡＥ Ｊ２５２１）を用いて、動力計でテストされた。ＥＤＭ処理されなかった基準ローターと、ＥＤＭ処理による低減されたＱ因子を有するローターとに対して、このノイズテストが実行された。図２に結果を示す。各データ点は、テスト中にブレーキノイズが起こった一つの停止（ｏｎｅ ｓｔｏｐ）を表す。本テストは、約９．７キロヘルツにおけるブレーキノイズが約９６％減少したことを示した。また、このテストの間に、約１３．５キロヘルツで測定されたブレーキノイズが除去された。

ＥＤＭ処理の研究によって、ＥＤＭ処理がローター材料の全体的な減衰特性に対する磁気機械的減衰の寄与を増大させることが示される。ＥＤＭ機械における金属部品の通電処理が、改善された磁区構造に至るローター内の磁場を生みだし、それは増加した磁気機械的減衰に関与する。ここで説明されるように、ねずみ鋳鉄においては、磁化処理を通して９０°の壁の体積分率を増加させることによる減衰特性の磁気機械的部分を増加させることによって、増大した減衰が得られることが期待される。図３にみられるように、基準ローターの磁界強度とＥＤＭ処理されたローターの磁場が、平均で約２倍、基準ローターと比較されるような変化を示し、ＥＤＭ処理されたローターの増大した減衰に至る。

ここで、図４を参照すると、ローターにおけるＱ因子の比較（磁化前と磁化後の両方）が示される。部品は磁場内で磁化された。ガウス測定は、１０ガウスまでの磁化を示す。Ｑ因子測定は、磁化が、ローターのＱ因子をおよそ−２％から−２０％まで低減したことを示す。次に、磁化された部品と、基準部品とに対して、動力計を用いてノイズテストが行われた（ＳＡＥ Ｊ２５２１）。図５がブレーキ動力計からの基準のノイズテストの結果を示す一方、図６はブレーキ動力計からの磁化されたローターのノイズテストの結果を示す。図５および図６に示すように、本テストからの結果は、９．７キロヘルツまでにおける約７０％のノイズ低減と、１３．５キロヘルツまでにおける約４８％のノイズ低減を示す。

その結果は、磁区構造のコントロールによって、改善された減衰特性がもたらされることを示す。

ローターまたはサスペンションコイルの処理（本明細書において以下に説明される）は、磁場内にローターまたはサスペンションコイルを設置する工程を含む。ある態様においては、磁場を生み出すコイルを電流が循環する。別の態様においては、任意の電気回路への接触方法を用い、電流を部品に直接通過させることによって、磁場がローターまたはサスペンションコイルに印加される。限定されない態様においては、１アンペアを超え、および、約１００００アンペアの交流電流または直流電流が用いられている。電流設備の制限によって本出願人は１００００アンペアを超える処理をテストしたことはないが、その処理が１００００アンペアを超えても実現可能であることが期待される。ある限定されない態様においては、プロセスは３０００アンペアを用いる。限定されないさらに別の態様においては、０．５秒時間ステップの間に電流がコイルを循環する。その循環は少なくとも一度起こり、３回から６回までそれぞれ起こり得る。印加されるアンペア数の変数、サイクルタイム、サイクル数、電流の周波数、交番磁場方向の周波数、および磁場の強度が、本明細書において開示された数値から変わり得ることは、当業者にとって自明であろう。たとえば、サイクルタイムは、開示された０．５秒から他のサイクルタイムに変化し得るし、あるいは、同一部品の個々のサイクル間でサイクルタイムが変化し得る。また、当業者によるさらなるテストに基づいて、サイクル数が変更され得る。最後に、サイクルタイムおよびサイクル数の変数は、印加されたアンペア数および／または印加された磁場の強度に関連し得る。

別の態様においては、部品が磁場から除去されて、部品の材料内に保持される残留磁場を有する。別の態様においては、磁場が散らばり得る。限定されないさらなる別の態様においては、磁場の反転もまた減衰を改善し、たとえば、複数の場の反転を含む交流消磁が減衰を改善した。さらなる別の態様においては、連続して異なる磁化処理を行うことによって、相加効果がもたらされ、さらに、図８に示されるように金属内で得られる減衰改善の量を増加させる。

鉄系材料の磁化処理もまた、改善された疲労特性のような材料特性にさらなる恩恵をもたらすことも見出されてきた。限定されないある態様においては鉄製サスペンションバネ、限定されないさらなる態様においては鉄製サスペンションコイルバネが、ＥＤＭと磁場との両方を用いて磁気的に循環され、ついで、ＳＡＥバネ設計マニュアルＡＥ−１１のＳＡＥ ＨＳ７９５ パート２ チャプター５ セクション６に準拠して、それらのバネが疲労破壊に関してテストされた。本テストの結果は図９に示され、そこでは１０個の部品に対するテストサイクルの数がプロットされている。各データ点は、破壊までにそれぞれのバネに施されたサイクルの数を表す。処理済部品に対して完了したテストサイクルの数は、処理されていない基準部品に対して、平均で１４％増加した。

金属、合金、および金属マトリックス複合材料の磁化処理および通電処理は、室温で施された時に、これらの材料の特性における無視できないほどの変化をもたらした。追加の実験において、凝固工程の間にこれらの材料に磁場を印加することによっても、金属、合金および金属マトリックス複合材料の特性に同様の無視できないほどの変化がもたらされたことを我々は見出している。液体から固体への相転移において、および、熱処理プロセスの間に、金属、合金、および金属マトリックス複合材料内部の形成された構造がより多くの流動性を有することが見出されている。そのため、磁場は、鋳放し構造に、より大きな影響を及ぼし、およびそれゆえに材料の最終構造に、より大きな影響を及ぼす。金属、合金、および金属マトリックス複合材料内部の構造的な特徴を調整する、または、方向付けをするという結果に至る力を磁場および電場は印加するので、本出願人はまた、金属部品に対して作用し、かつ、これらの材料内部の構造の方向性に影響を与える他のシステムおよび処理をも研究した。

金属、合金、および金属マトリックス複合材料の極低温処理もまた、材料特性における同様の無視できない変化を生み出す。これは、金属および金属部品の振動処理の場合にもあてはまることが見出された。極低温において材料を磁化処理することおよび通電処理することは、材料が振動している間に金属および金属部品の磁化処理および通電処理と同様に、最終材料におけるより良い材料特性を実現する。

本発明はわずかに限られた数の態様に関連して詳細が説明されてきたが、本発明がそのように開示された態様に限定されるものではないことは容易に理解されるべきである。むしろ、本発明は、前述されなかった多くの変形、代替、置換または均等な配置をも含むように修正され得るものであり、それらは本発明の精神および範囲と同等である。また、本発明のさまざまな態様が説明されてきたが、本発明の態様が説明された態様の一部のみを含み得ることも理解されるべきである。それゆえに、本発明が前述の記載によって限定されるものではない。

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１０年６月１１日に出願された米国仮出願第６１／３５４０００号の優先権を主張し、その内容は本明細書に参照によって包含される。

Claims (17)

1. 金属部品の改善された減衰または疲労強度のために金属を処理する方法であって、
   導電コイルと電気的に接触するように前記金属を設置する工程と、
   前記コイルに電流を印加するために回路を閉鎖し、前記金属内に磁場を生成する工程と、
   前記回路を開放する工程と、
   前記コイルに第二の電流を印加するために、前記回路に二度目の閉鎖を行う工程と、
   前記回路に二度目の開放を行う工程と、
   前記導電コイルから前記金属を除去する工程と、
   を含む方法。
2. 少なくとも１アンペアの電流を印加する工程を含む、請求項１に記載の方法。
3. 約３０００アンペアの電流を印加する工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記導電コイルの内部に前記金属を設置する工程と、所定の時間間隔で前記回路を開放し、かつ、閉鎖することによって前記コイルを通して前記電流を循環させる工程と、を含む請求項１に記載の方法。
5. 前記所定の時間間隔のうち少なくとも１つが０．５秒である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記コイルを通しての前記電流の前記循環が３回から６回の間で繰り返される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記コイルを通しての前記電流の前記循環が３回から６回の間で繰り返される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の方法。
8. 前記コイル内で前記金属を消磁する工程を含む、請求項４に記載の方法。
9. 所定の時間間隔で前記回路を開放し、かつ、閉鎖することによって、前記金属内で前記電流を直接循環させる工程を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記金属内に残留磁場を残しつつ、前記コイルから前記金属を除去する工程を含む、請求項１に記載の方法。
11. 請求項１に記載の方法によって製造されたブレーキローターであって、
    前記ブレーキローターが、少なくとも５％低減されたＱ因子を有するブレーキ面を備える、ブレーキローター。
12. 前記ブレーキローターが、鋳鉄、ダクタイル鉄、鋼、アルミニウム、鉄系金属および非鉄金属から選択された金属を含む、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のブレーキローター。
13. 前記ブレーキ面が機械加工された、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のブレーキローター。
14. 請求項１に記載の方法によって製造されたサスペンションバネであって、
    前記サスペンションコイルが少なくとも５％改善された疲労性能を有する、サスペンションバネ。
15. 前記コイルが、鋳鉄、ダクタイル鉄、鋼、アルミニウム、鉄系金属および非鉄金属から選択された金属を含む、
    ことを特徴とする請求項１４に記載のサスペンションバネ。
16. 金属部品の改善された減衰のために金属を処理する方法であって、
    磁場に前記金属を設置する工程と、
    前記磁場を前記金属に印加する工程と、
    前記磁場を変調する工程と、
    前記磁場から前記金属を除去する工程と、
    を含む方法。
17. 前記磁場が二つ以上の一対の極を含む、
    ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。