JP2014201836A - ベローズの製造方法および／またはベローズ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のベローズに比して耐圧性および運動吸収性もしくは耐久性において利点を供するオーステナイト特殊鋼からなる金属ベローズの提供。
【解決手段】一層又は多層のスリーブを液圧成形によりベローズ１に成形するオーステナイト特殊鋼から成るベローズ。特に耐圧性及び耐久性を高めるために、ベローズは成形後に洗浄され、続いて炭素及び／又は窒素原子を有する環境に１００℃と４００℃の間の温度で、好適には２００℃〜３２０℃の温度で晒され、炭素及び／又は窒素原子の拡散浸透によりベローズの硬化を行う。縁部層が壁厚の少なくとも５％の硬化深さまで炭素及び／又は窒素原子の浸透により硬化されることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一層または多層のスリーブが液圧成形によりベローズに成形されるようにした耐圧性および耐久性を高めたオーステナイト特殊鋼から成るベローズの製造方法、並びに一層または多層のオーステナイト特殊鋼から成るベローズに関する。

金属ベローズは、運動を気密に減結合するために使用される。ベローズは、良好な成形性および耐腐食性の理由から、一般にオーステナイト特殊鋼から成る。ベローズに対する通常の要求は、ベローズの可動性、寿命、ばね剛性および耐圧性である。しばしば、一定の大きさの運動または運動集団は規定された最小寿命の間、すなわちある程度の繰り返し応力に耐えることが要求される。

金属ベローズの基本的な設計基準は、吸収される運動の大きさである。この運動の大きさは、波形ベローズの要求される構造空間に直接的な影響を与える。しばしば、限られた構造空間において、大きな繰り返し応力と、大きな運動に耐える必要がある。

大きな運動吸収のためには、できるだけ僅かな壁厚で、ベローズの波形の高さおよび数を大きくすると有利である。僅かな壁厚は、一般に金属ベローズの荷重が所定の範囲内に制限される限り、すなわち運動吸収が励起系により規定される限り、運動吸収に有利に作用する。吸収された運動は、ベローズの波形のたわみとして現れる。発生する曲げ応力は、ベローズの壁厚が大きければ大きいほど大きくなる。

しかし、また壁厚が小さくなるとベローズの耐圧性も低下する。ベローズを耐圧に設計しなければならないときには、ベローズは所定の構造空間における必要な大きさの壁厚により、その運動性もしくは寿命が制限される。

さらに、またしばしばベローズのばね剛性をできるだけ小さくすることも要求される。寿命と同様に、ベローズの壁厚を小さくすることはベローズの低いばね剛性に対しても重要である。

たとえば、１．４３０１、１．４４０１、１．４４０４、１．４５０９、１．４５７１、１．４８２８のようなしばしば使用されるオーステナイト特殊鋼、または、２．４６００、２．４８１６または２．４８５６のようなニッケル基合金、および、１．４３６２または１．４４６２のような二相ステンレス鋼は、その傑出した成形性により優れている。他面では、その強度はフェライト鋼で達成可能な強度をはるかに下回る。オーステナイト特殊鋼から成るベローズの使用は、特にその耐圧性に関して制限がある。高い耐圧性を達成しなければならないときには、ベローズの壁厚を大きくしなければならない。これは、ベローズの耐久性および強度にはっきりとした欠点を生じる。

極めて高い耐圧性を達成しなければならないときには別の問題が生じる。すなわち、金属ベローズは一般に内圧による液圧成形によりつくられる。出発材料を最終状態に成形する圧力は、完成製品を後に、再び変形することも可能である。すなわち成形に利用される圧力は、完成したベローズが作動中に晒される後の圧力よりも、常に大きくなければならない。

しかし、たとえば噴射ノズルなどの用途では要求される運転圧力は極めて大きい。最近のディーゼル噴射系では、運転圧力は２０００バール以上である。このような圧力は、ベローズ製造において従来は達成することはできない。

ベローズの耐圧性を高めるため、従来技術では、既にベローズは硬化性の大抵はフェライト鋼から作られ、製造後に硬化および焼き戻しされている。フェライト鋼を使用することによる欠点は、オーステナイト鋼と比べて伸び率が小さいことである。これにより、ベローズにはごく小さい波高しか達成できない。フェライト鋼を除外する別の基準は、多くの用途において要求される耐腐食性であり、これがオーステナイト鋼の使用を必要なものとさせている。

特許文献１に記載されている抑制可能な成形圧力を維持しつつベローズの耐圧性の向上させる方法は、一方の状態では軟性で延性であり、他方の状態では極めて硬く堅牢である２つの準安定状態を有する材料の使用にある。このための状態変化は、一般に特殊な熱処理により達成される。しかし、このために使用される鋼は調達および加工が高価である。さらに、軟性で延性の状態は高温でおいてのみ現れ、成形プロセスを著しく複雑化し、従って高価なものとする。

別の難点は、このようにして作られた部材を周囲の部材に結合するときに生じる。一方では特許文献１に示された鋼種は溶接力が部分的に劣りあるいは全くなく、他方では成形後に得られる準安定状態がベローズの溶接後に初めて実現されるので、接合部分の熱の滞留および耐腐食性の阻害が起こることである。

特許文献１には、硬化性材料に関連して波形の波の長さよりも波の高さを小さくした、特に耐圧性のベローズ形状が記載されている。このような形状は、しかしベローズの運動吸収にとっては極めて不利である。この場合、所定の運動条件における許容可能な寿命の達成には比較的長い、したがって構造空間が大きいベローズを使用しなければならない。金属材料の表面品質は、特に良好な耐摩耗性および耐引っ掻き性を得るには３５μｍまでの極めて薄い表面層における炭素および／または窒素原子の浸透により高められることは知られている。

欧州特許第１９８５３８８Ｂ１号公報

本発明の課題は、製造コストおよび接合上の問題における上述の欠点を回避するとともに、従来のベローズに比して耐圧性および運動吸収性もしくは耐久性において利点を供するオーステナイト特殊鋼から成る耐久性および耐圧性の金属ベローズを提供することにある。

この課題は本発明によれば、ベローズを成形後に洗浄し、続いてベローズを１００℃〜４００℃、好適には２００℃〜３２０℃の温度で炭素および／または窒素原子の環境下に晒し、炭素および／または窒素原子の拡散浸透によりベローズの硬化を図ることを特徴とするベローズの製造方法により解決される。本発明の課題はまた、ベローズ材料において壁厚の少なくとも５％の硬化深さに炭素および／または窒素原子で浸透されたベローズにより解決される。

この場合、特に耐久性の改良は、延び限度の向上並びに縁部層とコア部との外来原子の量の差により生じる。なぜなら、縁部層における金属格子への炭素または窒素原子の浸透により圧縮応力が生じることにより容積の増大が生じるのに対し、外来原子が殆ど拡散浸透しない材料のコア部はその大きさを保持し縁部層の膨張傾向に抵抗するからである。

金属ベローズは、高い運動吸収を達成するために薄壁にされるので、所定の目的を達成するにはわずかな硬化深さで十分である。

硬化深さとは、基本材料に対して５０ＨＶ０．０１だけ高められた硬度を有する表面（内側または外側）から測定したベローズ壁部の深さである。ベローズの壁厚が小さいと硬化深さは特別な処置を講じなくとも既に壁厚のかなりの部分を占める。特に、ベローズの変位吸収や圧縮荷重が大部分曲げ荷重として現れることにより、最大応力は硬化された範囲においてのみ生じる。これにより、薄壁のベローズの耐圧性は縁部もしくは縁部層の硬化により向上させることができる。延び限度の上昇により、従ってベローズの耐圧性および耐久性が外部から加えられる硬化により著しく高められることになる。

これにより、ベローズを同じ耐圧性のもとにさらに薄壁に形成することが可能になる。薄壁形成により、ベローズの寿命もしくは許容運動吸収性は、耐圧性の維持のもとに著しく高めることができる。他方では、寿命の要求および壁厚の維持のもとに、耐圧性を著しく高めることができる。

本発明方法の有利な実施態様では、ベローズは、１日から６日、好適には３日から６日間、炭素および／または窒素原子を含む環境に晒され、特にベローズは炭素および／または窒素化合物を含むたとえばカリウムおよび／またはナトリウムアセテートのような塩溶融物並びに金属塩に晒されるか、または、ベローズはたとえばアルゴンガス雰囲気のような炭素および／または窒素を含む不活性ガス雰囲気に晒される。別の有利な実施態様では、炭素および／または窒素原子が、壁厚の少なくとも５％の硬度深さに浸透するまで、ベローズを炭素および／または窒素を含む環境に晒すことが行われる。さらに、炭素および／または窒素原子が、壁厚の少なくとも１０％の硬度深さに浸透するが、５０μｍを越えないまでベローズを炭素および／または窒素を含む環境に晒すか、または炭素および／または窒素原子が壁厚の少なくとも２５％の硬度深さに浸透するが１００μｍを越えないまで、ベローズを炭素および／または窒素を含む環境に晒すことが行われる。

本発明によるベローズの有利な実施態様は、浸透した炭素および／または窒素原子の量がベローズの壁部の外側から壁部の内側に向かって減少するか、および／またはベローズ波形の波の高さに比してベローズ波形の波の長さが大きいことを特徴とする。

完成したベローズの特性は、壁厚、硬化深さおよび得られた表面硬度により現れる。耐圧性にとって、特に有利なのは材料厚の選択で、これがベローズ壁の完全硬化を可能にする。この場合、外来原子は材料の全断面に亘り浸透する。これにより大きな耐圧性が達成されるが、震動荷重時の寿命は同じ形状および壁厚のベローズに比してごく僅か増大するだけか、むしろ減少する。その理由は、ベローズの表面粗さに対する感度の増大である。この場合、吸収した外来原子による容積の増大が全断面に亘り生じるので、表面層における圧縮残留応力は形成されないので、ベローズの寿命にとっては有利であろう。

寿命の向上は、しかしながら耐圧性の向上とともに可能である。なぜなら、壁厚の寿命に対する影響は耐圧性に対するよりも大きいからである。材料の完全硬化により、壁厚は耐圧性が向上すると益々減ずることができるので、寿命の向上が可能となる。この場合、特に有利な副作用は、ベローズのばね剛性が壁厚の減少により減少することである。

大きな耐圧性の達成とともに耐久性にとって特に有利なことは、完全硬化にも拘わらず縁部層からコア部に向かって炭素含有量が減少する限り、完全硬化が全壁厚に亘るかまたはほぼコア部までであることである。これにより、耐久性にとって有利な圧縮応力が維持されるとともに、高い耐圧性が達成される。

寿命にとって特に有利なのは、実験においてベローズの層の硬化が実証され、その際材料のコア部が殆ど無変化に留まったことである。外来原子の不均等分布により、縁部層に圧縮応力が形成されるが、これは寿命に正に作用する。硬化深さ（縁部から測定して基本材料の硬度より５０ＨＶ以上の硬度まで）が材料厚の１０％以上であると、既に耐圧性の顕著な向上と耐久性の顕著な向上が観察される。

驚くべきことに、交番曲げ強度の大きな向上が特に薄壁のベローズで生じる。硬化範囲だけが最大応力に晒され、これに対し未処理のコア部の応力はずっと少ないので、材料の塑性範囲は曲げ変形が明らかに大きくなった時に初めて生じる。これにより、従来技術で知られているような微細亀裂の防止だけによるよりもより大きな強度が動的に達成される。縁部層におけるベローズの運動吸収の際の最大曲げ応力に耐えることができるとともに、粘性のコア部が残存しつつ、縁部層の硬化が行われるので、特に有利である。その原因は、縁部層における圧縮応力の発生と材料の延び限度の増大にある。

交番曲げ強度の増大により、従来は運動の吸収に適していなかったが極めて耐圧性であるベローズ形状を選定することができる。

ベローズの波の高さが波の長さより大きい形状を持つ、本発明により形成された耐圧性のベローズは、縁部層の硬化により運動吸収に関して特に良好に最適化される。コア部よりも縁部層範囲で高められた炭素の浸透により惹起された圧縮応力はベローズの耐久性を高め、すなわちベローズは同じ形状においてより大きな運動を吸収することができる。材料の強度を高めることにより、未処理のオーステナイト特殊鋼に比して耐圧性も著しく改良される。

他の構造部材へのベローズの接合は、通常は溶接により行われる。炭素もしくは窒素の豊富な硬化された鋼は、しばしば多大の労力を掛けないと溶接可能ではなく、炭素または窒素の含有量次第では溶接には完全に不適当である。

本発明によりオーステナイト特殊鋼から成るベローズの縁部層のみを硬化することにより全炭素量が完全に溶接可能な範囲にある。ベローズの壁部は溶接の際に溶融するので、炭素は溶融物に分布され希釈される。炭素の乏しいコア部範囲により縁部層が硬化されたベローズの良好な接合が可能となる。勿論溶接継目範囲は隣接材料よりも強度は劣るが、溶接継目は荷重の少ない範囲に置くことができる。

炭素の拡散後の溶接がもはや期待できないときのベローズの接合の別の可能性は、接合部分を処理前に既にベローズに溶接することにある。この場合、接合部分は、通常はベローズよりも大きな壁厚を有する。接合部分は、炭素原子または特に窒素原子のような多くの適当な外来原子が溶融時に極めて多く材料に分布されるので、引き続き周囲部材に溶接することができる。

さらに、硬化された縁部層を炭素の浸透後に接合片から機械的または化学的に再び除去することが可能である。これにより、接続片自体は問題なくベローズの周囲に溶接することができる。このような溶接継目は、密閉機能だけは果たすが力伝達はしなくてもよいパッキン継目だけである。

周囲部材へのベローズの接合の別の可能形態は、溶接プロセスそのものをなくすことである。周囲部材への接合は、摩擦または嵌め合い結合もしくは接着、硬ろうまたは軟ろう付けにより行うことができる。

本発明方法は、公知の円筒状波形ベローズだけに応用できるものではない。ベローズの別の例はダイアフラムベローズである。これは、一方では、波形プロフィルを備えた多数の円輪からなり、その外側および内側エッジがアコーデオン状に互いに溶接されるものである。このように多数の溶接されたダイアフラムから作られたベローズでは、個々のベローズダイアフラムを浸透プロセスの前に既に互いに溶接することが特に重要である。そうすれば、硬化された材料の改良された特性は溶接プロセスによりもはや阻害されない。

本発明のさらなる利点および特徴は請求項の記載および図面を参照した本発明の実施例の以下の記載により詳細に説明する。

図１は波の幅より波の高さが大きくかつ縁部層が硬化された波形ベローズの一部縦断面図である。 図２は波の高さより波の幅が大きいベローズの部分縦断面図である。 図３はダイアフラムベローズの縦断面図である。 図４は壁の縁部範囲を硬化したベローズの硬さの経過ダイアグラムである。 図５は圧縮応力の作用を示す圧縮荷重時の図１のベローズの一部断面図である。 図６はベローズ壁部の応力経過を示すベローズ波形の頂上部の図５のＡ−Ａ断面図である。 図７は完全硬化されたベローズ壁部の硬さの経過ダイアグラムである。

図１の部分縦断面図に示すように、金属ベローズ１はその壁部に波の山２と、波の谷３とこれらをつなぐ側部４とを備えた波形を有する。このベローズでは、波形の波の高さはその長さより大きい。製造時にはベローズ壁部の硬化は明細書の前半で述べたように外側および内側から同じ共通の雰囲気中で行われる。図１の実施例では、内側および外側の縁部層５だけが図に明示するように硬化されている。

縁部層の硬化深さは、それぞれ壁厚の約２０％で示されている。硬化深さとしては、硬化された縁部層の深さが示されており、縁部層の硬さは、ビッカース硬さ試験で測定して、基本材料の基本硬さより５０ＨＶ０．０１だけ大きい。

同様なことは、波の高さｈが波の長さｌよりも小さい図２のベローズにも該当する。そのほかは同じ符号で同じ部分が示されている。ここでも縁部層５だけが本発明のやり方で硬化されている。噴射弁のような機能部材に、この種のベローズを使用すると有利である。

図３は、本発明を同様に応用できる別種のベローズを示す。ここでは、ダイアフラムベローズ６が対象となる。このベローズは、個々のリング状ダイアフラム７を有しており、そのリング範囲は平坦な波形である。ベローズ６を作るには、この種の波形のリングダイアフラム７を多数その外縁部および内縁部で互いに接合、特に溶接により材料結合する。さらに、短菅８．１とフランジ部８．２から成る端子部材８が設けられ、フランジ部はその外縁範囲が短管８．１から突出して隣接するダイアフラム７の外縁部と同様に接合される。

図４は、縁部範囲５だけを硬化したベローズ１の有利な実施例における壁厚上の硬さ経過のダイアグラムを示す。ベローズの材料は、ビッカース硬さ試験で測定して約２５０ＨＶ０．０１の基本硬さを有する鋼である。ベローズは、本発明により内側から外側へ壁厚のそれぞれ約２０％の硬化深さＴで硬化された。ベローズ１の各表面から測定して壁厚の約５％に亘る微小硬さは７００ＨＶ０・０１以上であり、壁厚の１０％の硬化深さまではなお６００ＨＶ０．０１を越えている。

硬化は、図５、６に明示するように、圧縮負荷時に最大応力が加わる縁部範囲において硬化深さをもって行われる。図５は圧縮荷重を受けるベローズ１の波形を示し、矢印Ｐで圧縮荷重の作用を示す。このような圧縮荷重は、図５のＡ−Ａ断面図である図６に示すような応力経過を示し、図から明らかなように最大曲げ応力は縁部層の硬化深さにある。この応力経過は、外圧荷重時にもベローズのひずみ時にも有効である。未処理コア部における応力は、硬化範囲もしくは硬化深さにおけるよりもはるかに小さい。

最後に、図７は完全硬化したベローズの壁厚上の硬さ経過を示すもので、ここでは最小硬さが壁部のほぼ中央で材料の基本硬さより５０ＨＶ０．０１大きい。この図から明らかなように、微小硬さは壁厚の約１０％以上に亘って本発明による硬化によりほぼ一定で９００ＨＶ０．０１以上であり、中央範囲に向かって連続的に直線状に減少している。

１ 金属ベローズ
２ 波形の山
３ 波形の谷
４ 波形の側部
５ 縁部層
６ ダイアフラムベローズ
７ リング状ダイアフラム
８ 端子部材
８．１ 短管
８．２ フランジ部
ｈ 波の高さ
ｌ 波の長さ
Ｐ 圧縮応力
Ｔ 硬化深さ

Claims (22)

1. 一層または多層のスリーブを液圧成形によりベローズに成形する耐圧性および耐久性を高めたオーステナイト特殊鋼から成るベローズの製造方法において、
   前記ベローズが成形後に洗浄され、
   続いて前記ベローズが炭素および／または窒素原子を有する環境において、１００℃と４００℃の間の温度で、好適には２００℃〜３２０℃の温度で晒され、炭素および／または窒素原子の拡散浸透により、前記ベローズの硬化が行われることを特徴とするベローズの製造方法。
2. ベローズが、１日〜６日間、好適には３日〜６日間、炭素および／または窒素原子を含む環境に晒されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ベローズが、カリウムおよび／またはナトリウムアセテート並びに金属塩から成る塩溶融物などの炭素および／または窒素化合物を含む塩溶融物に晒されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. ベローズが、たとえばアルゴンガス雰囲気などの炭素および／または窒素を含む不活性ガス雰囲気や貴ガスに晒されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
5. 炭素および／または窒素原子が壁厚の少なくとも５％の硬化深さに浸透するまで、ベローズが炭素および／または窒素を含む環境に晒されることを特徴とする請求項１から４の１つに記載の方法。
6. 炭素および／または窒素原子が壁厚の少なくとも１０％の硬化深さで、しかし５０μｍを越えない深さに浸透するまで、ベローズが炭素および／または窒素を含む環境に晒されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 炭素および／または窒素原子が壁厚の少なくとも２５％の硬化深さで、しかし１００μｍを越えない深さに浸透するまで、ベローズが炭素および／または窒素を含む環境に晒されることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. ベローズの接続端部が、有限長さ、好適には接続端部の２０％〜１００％に亘り炭素および／または窒素を含む環境に晒されないことを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
9. ベローズを炭素および／または窒素を含む環境に入れる前に、ベローズに独立した接続片が溶接されることを特徴とする請求項１から８の１つに記載の方法。
10. 炭素および／または窒素を含む環境に入れられた一体の接続端部または予め溶接された接続片の表面層が、化学的または機械的に除去されることを特徴とする請求項１から７の１つに記載の方法。
11. ダイアフラムベローズの形のベローズでは、ベローズが炭素および／または窒素を含む雰囲気に晒される前に、ベローズダイアフラムが互いに溶接されることを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の方法。
12. 一層または多層のオーステナイト特殊鋼から成るベローズにおいて、縁部層が壁厚の少なくとも５％の硬化深さまで、炭素および／または窒素原子の浸透により硬化されたベローズ。
13. 炭素および／または窒素原子が、壁厚の少なくとも１０％の硬化深さに、しかし５０μｍを越えない程度まで浸透していることを特徴とする請求項１２記載のベローズ。
14. 炭素および／または窒素原子が、壁厚の少なくとも２５％の硬化深さに、しかし１００μｍを越えない程度まで浸透していることを特徴とする請求項１２記載のベローズ。
15. 硬化深さが、ベローズの壁厚の少なくとも８０％に達していることを特徴とする請求項１２から１４の１つに記載のベローズ。
16. 硬化深さが、ベローズの壁厚全体に亘っていることを特徴とする請求項１２から１５の１つに記載のベローズ。
17. 浸透した炭素および／または窒素原子の量が、ベローズ壁部の外面から壁部の内面に向かって減少していることを特徴とする請求項１２から１６の１つに記載のベローズ。
18. ベローズの硬さが、硬化深さに亘り少なくとも６００ＨＶ０．０１（ビッカース硬さ試験により測定）であることを特徴とする請求項１２から１７の１つに記載のベローズ。
19. ベローズ波形の波の高さより、ベローズ波形の波の長さが大きいことを特徴とする請求項１２から１８の１つに記載のベローズ。
20. 場合によっては個々の層の壁厚が、０．５ｍｍ以下で、０．２５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１２から１９の１つに記載のベローズ。
21. ベローズの接続端部および／または溶接接続片が、少なくとも有限長さに亘り、炭素および／または窒素の浸透を示さないことを特徴とする請求項１２から２０の１つに記載のベローズ。
22. 接続端部および／または独立して溶接される接続片が、化学的または機械的な除去などにより、その厚さを減ぜられていることを特徴とする請求項１２から２１の１つに記載のベローズ。

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