JP2016107886A - スタビライザ - Google Patents
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Abstract
Description
近年、戦略的に生産拠点を新設・移設する車両メーカの近くでスタビライザの製造を行うことの要求が高い。そこで、最近はコンパクトなスタビライザの製造ラインが強く求められている。
加えて、従来の長大な焼戻し炉を設置せねばならないことは、新たな製造ラインを作る上で、コスト的にも場所的にも大きな負担となっている。
。また、油焼入れ後の廃油の環境負荷も少なくないため、高い廃棄経費を要しており、スタビライザの生産効率を損なう一因ともなっている。
車両用スタビライザ1の基体は、車幅方向に延びるトーション部1aの両端に対称的に位置する曲げ部1c,1cでそれぞれ屈曲され、左右一対のアーム部1b,1bに連なる略コ字状の形状を有している。
なお、基体とは、所定加工を施された棒鋼で構成される車両用スタビライザ1の本体部分を意味する。
車両用スタビライザ1は、トーション部1aの直径が約10mm〜約32mmであり、中実構造の棒状の棒鋼材(金属棒)を用いて形成されるものである。
アーム部1b,1bの先端の各連結部1d、1dは、スタビライザリンク2,2を介して、不図示の車体に固定される左右一対の懸架装置3,3にそれぞれ連結されている。各懸架装置3の車軸部3aには、不図示の車輪が取り付けられる。懸架装置3は、圧縮ばね、オイルダンパを有し、車輪からの衝撃、振動等を減衰して車体に和らげて伝える働きをする。
この構成により、左右の車輪の上下移動により左右の懸架装置3,3にストローク差が生じると、各懸架装置3,3から各アーム部1b,1bに変位による荷重が伝達され、トーション部1aがねじり変形する。そして、トーション部1aには、該ねじり変形を復元しようとする弾性力が生じる。車両用スタビライザ1は、このねじり変形に抗する弾性力によって、車体の左右の傾きを抑えてロール剛性を高め、車両の走行を安定化させる。
車両用スタビライザ1の基体は、炭素(C):0.15質量%以上0.39質量%以下、マンガン(Mn)、ホウ素(ボロン;B)、および鉄(Fe)を少なくとも含む化学組成を有しており、主相がマルテンサイトである金属組織で形成されている。
そこで、車両用スタビライザ1の製造に際しては、水と同等以上または水に近い熱伝達率を有する媒体による焼入れを施すものとする。加えて、車両用スタビライザ1の基体としては、従来用いられているばね鋼と比較して焼入れ性が良好なMn、Bを含むマンガンボロン鋼(Mn−B鋼)を採用する。鋼材の焼入れ性が悪い場合、冷却速度が速い焼入れを行うと、歪や焼割れが発生するおそれが高まるためである。
以上のことから、車両用スタビライザ1の原材は、マンガンボロン鋼のうちでも炭素量が低い鋼種で構成され、炭素(C):0.15質量%以上0.39質量%以下、マンガン(Mn)、ホウ素(ボロン;B)、および鉄(Fe)を少なくとも含む化学組成を有するものとする。炭素量を0.15質量%以上0.39質量%以下の低含有量の範囲とすることによって、焼き入れしたままで良好な靭性が備わり、焼入れ後の置割れが阻止され、耐食性にも優れる車両用スタビライザ1が得られる。後記するように、Mnは、好ましくは0.50%以上1.70%以下、B(ホウ素、ボロン)は、好ましくは0.0005%以上0.003%以下である。
以下、車両用スタビライザ1の原材となる棒鋼材の各成分元素について説明する。
炭素(C)は、機械的強度や硬さの向上等に寄与する成分である。Cを0.15質量%以上とすることで、良好な機械的強度や硬さ(硬度)を確保することができ、従来のばね鋼よりも優れた焼入れ硬さとすることが可能になる。なお、車両用スタビライザ1の疲労強度は、硬度にほぼ比例する。
車両用スタビライザ1は、以上の化学組成を有する基体において、主相がマルテンサイトである金属組織を有している。より具体的には、車両用スタビライザ1の横断面の中心部分の90%以上がマルテンサイト組織を有しており、基体は金属組織の少なくとも90%以上にマルテンサイト組織を有する。
車両用スタビライザ1では、低炭素量のマンガンボロン鋼鋼材を基体としているため、焼入れしたままのマルテンサイト組織において、硬度に加えて良好な靭性が達成されている。
なお、図4(a)及び(b)においては、車両用スタビライザ1のトーション部1aやアーム部1bや曲げ部1cの基体(塗装塗膜を除く)の断面を模式的に示している。
焼き戻しおよびショットピーニングを行った比較例の図10(b)の実験値によれば、クロッシングポイントは、基体の表面から約0.42mmのところにある。比較例の0.42mmというのは、腐食耐久性に関わる要因である腐食ピット深さが、大きいもので0.4mmになることと関係する。
腐食ピットが成長して深くなっていき、圧縮残留応力がなくなり、引っ張り残留応力の領域に到達すると、ピット底を起点として破断が生じる。
この腐食ピットの深さはとりあえず、0.4mmと想定されるが、部品間のバラツキ、様々な環境条件、運転条件などを鑑み、安全性を考えると、本実施形態のようにクロッシングポイントが0.8mmよりも深いところにあることが望ましい(実施例の焼き戻しおよびショットピーニングを行わない図9(a)参照)。
なお、クロッシングポイント(cp)とは、図4(c)に示されるように、付与されている圧縮残留応力が引張残留応力に変わる深さ、すなわち、付与されている圧縮残留応力が0MPaとなる深さを意味する。
また、圧縮残留応力は、焼入れによって付与されるため、車両用スタビライザ1の基体の表層の全域に付与でき、圧縮残留応力の分布の均一性が高い。なお、表層の全域とは、基体の全表面上の各点から所定深さまでの領域(表層)の全体を意味する。
以上の如く、本実施形態(本願発明)は、一定の値以上の圧縮残留応力が腐食耐久性に関わる要因である腐食ピットの深さが及ばない一定の深さ以上に存在することがポイントである。
次に、本実施形態に係る車両用スタビライザの製造方法の一例について説明する。
棒鋼材としては、具体的には、熱間圧延鋼材を適用することができる。棒鋼材の長さ及び径は、所望の製品形状に応じて適宜の寸法とすることが可能である。但し、トーション部1aの直径は約10mm〜約32mmの範囲としている。
この熱間圧延鋼材は、必要に応じて、熱間圧延後に冷間圧延や球状化焼鈍等の焼鈍処理が施されていてもよい。また、熱間圧延鋼材に代えて、冷間圧延鋼材を用いることも可能である。熱間圧延を行う場合には、スラブの加熱温度は、1150℃以上1350℃以下程度が好ましく、仕上温度は、800℃以上1000℃以下とすることが好ましい。
媒体の熱伝達率は、棒鋼材に対する静止した水ないし流れを有する水の熱伝達率値に対して±10%以内の範囲であることが好ましい。焼入れ温度、加熱速度及び焼入れ保持時間は、適宜の範囲で行うことが可能である。例えば、焼入れ温度は、850℃以上1100℃以下等とすることができる。但し、焼入れ温度は、オーステナイト結晶粒が過度に粗大化したり、焼割れが発生したりするのを避ける観点から、オーステナイト化温度(AC3)+100℃以下とすることが好ましい。このような加熱を行った後、冷却剤を用いて棒鋼材の冷却を行い、棒鋼材の金属組織をマルテンサイト化させると共に、棒鋼材(基体)の表面の全域にわたって圧縮残留応力を付与する。
除去処理や下地処理等の各処理後には、棒鋼材を水洗し、水洗後に後段の各種処理に順次供する。水洗された棒鋼材の水切りの方法としては、例えば、水切りローラー等を使用した吸水乾燥や、ブロー乾燥や、加熱乾燥や、これらの組み合わせ等による適宜の方法を利用することが可能である。このようにして前処理された棒鋼材は、図2に示すように、予加熱工程S70又は塗装工程S80に供することができる。
このような製造方法では、焼入れの後に焼戻しを施すことが無いため、製造ライン上に長大な焼戻し炉を設置する必要が無く、コンパクトな生産ラインで車両用スタビライザ1を生産性高く製造できる。そのため、車両用スタビライザの製造に関わる設備規模を縮小させたり、焼戻し処理に関わる工数や焼戻し加熱に伴う加熱経費等の操業経費を低減させたりすることが可能になる。
また、車両用スタビライザ1の生産ラインの構築が容易化される。例えば車両メーカーの生産場所近くに車両用スタビライザ1の生産ラインを容易に構築できる。
また、図7に示すように、マンガンボロン鋼鋼材における衝撃値は、各供試材の炭素量(質量%)に対して負の相関を示しており、靭性が主として炭素量に依存していることが分かる。そして、マンガンボロン鋼鋼材である供試材1〜供試材8の衝撃値は、供試材9において認められた衝撃値(30J/cm2)の値を、炭素量が0.39質量%以下の範囲で上回っている(図中に破線で示す)。よって、車両用スタビライザの材料としては、炭素量が0.39質量%以下のマンガンボロン鋼が好適であると認められる。
実施例1−1に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材1を材料とし、冷間曲げ加工を施す成形工程S30と、水焼入れを施す焼入れ工程S40とを経て、焼戻しを施すこと無く製造した。なお、車両用スタビライザの径は23mmとした。
実施例1−2に係る車両用スタビライザは、材料を表1に示す供試材4に代えた点を除いて、実施例1−1と同様にして製造した。
実施例1−3に係る車両用スタビライザは、成形工程S30を熱間曲げ加工に代えた点を除いて、実施例1−1と同様にして製造した。
比較例1に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材9を材料とし、油焼入れ後に焼戻しを施して製造した。なお、車両用スタビライザの径は23mmとした。
実施例2−1に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材1を材料とし、成形工程S30と、水焼入れを施す焼入れ工程S40とを経て、ショットピーニング(表面加工工程S50)を施すこと無く製造した。
実施例2−2に係る車両用スタビライザは、材料を表1に示す供試材4に代えた点を除いて、実施例2−1と同様にして製造した。
実施例2−3に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材1を材料とし、成形工程S30と、水焼入れを施す焼入れ工程S40と、ショットピーニングを施す表面加工工程S50とを経て製造した。
実施例2−4に係る車両用スタビライザは、材料を表1に示す供試材4に代えた点を除いて、実施例2−3と同様にして製造した。
比較例2−1に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材9を材料とし、油焼入れ後に焼戻し及びショットピーニングを施すこと無く製造した。
比較例2−2に係る車両用スタビライザは、表1に示す供試材9を材料とし、油焼入れ後に焼戻しとショットピーニングとを施して製造した。
図9は、ショットピーニングを施すこと無く製造した車両用スタビライザにおける表面残留応力の測定結果を示す図である。(a)は、実施例に係る車両用スタビライザの結果を示す図であり、(b)は、比較例に係る車両用スタビライザの結果を示す図である。また、図10は、ショットピーニングを施して製造した車両用スタビライザにおける表面残留応力の測定結果を示す図である。(a)は、実施例に係る車両用スタビライザの結果を示す図であり、(b)は、比較例に係る車両用スタビライザの結果を示す図である。
前記したように、腐食耐久性に関わる要因である腐食ピット深さが、大きいもので0.4mmになる場合があり、比較例2−2のショットピーニングを施した車両用スタビライザでも、疲労強度や耐食性が不充分となるおそれがある(図10(b)参照)。
次に、表面残留応力とマンガンボロン鋼鋼材の炭素量及び径との相関の解析を行った。
次に、低炭素量のマンガンボロン鋼鋼材を材料とし、水焼入れを施して製造される車両用スタビライザの耐食性を評価した。
次に、低炭素量のマンガンボロン鋼鋼材を材料とし、水焼入れを施して製造される車両用スタビライザの疲労き裂の進展性を評価した。
1.前記実施形態では、水と同等以上又は水に近い熱伝達率を有する水性の冷却剤を用いる場合を例示して説明したが、焼き入れ対象を急冷でき、説明した機械的強度、強靭性等の所定の性能が車両用スタビライザ1に得られれば、媒体の種類は特に制限されない。例えば、氷、有機溶剤、熱伝達率が大きい液体や固体などを含む水や油であってよい。なお、媒体とは液体、固体を含む液体などその相は特に限定されない。
1a トーション部
cp クロッシングポイント
S30 成形工程
S40 焼入れ工程
Claims (16)
- 中実構造の金属棒を用いて形成され、左右の車輪の変位を抑えるためのスタビライザであって、
車幅方向に延びて設けられ、ねじり変形するトーション部の直径が10〜32mmであり、
C:0.15質量%以上0.39質量%以下、Mn、B、およびFeを少なくとも含む化学組成を有すると共に、その金属組織の90%以上にマルテンサイト組織を有する
ことを特徴とするスタビライザ。 - 中実構造の金属棒を用いて形成され、左右の車輪の変位を抑えるためのスタビライザであって、
車幅方向に延びて設けられ、ねじり変形するトーション部の直径が10〜32mmであり、
C:0.15質量%以上0.39質量%以下、Mn、B、およびFeを少なくとも含む化学組成を有すると共に、主相がマルテンサイトである金属組織を有し、
焼き入れ後に焼き戻しまたはショットピーニングの少なくとも何れかが施されていない
ことを特徴とするスタビライザ。 - 圧縮残留応力が表面から少なくとも0.8mmの深さにわたって存在する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のスタビライザ。 - 中実構造の金属棒を用いて形成され、左右の車輪の変位を抑えるためのスタビライザであって、
車幅方向に延びて設けられ、ねじり変形するトーション部の直径が10〜32mmであり、
C:0.15質量%以上0.39質量%以下、Mn、B、およびFeを少なくとも含む化学組成を有すると共に、主相がマルテンサイトである金属組織を有し、
前記スタビライザの表面近くに圧縮残留応力が付与されており、
前記圧縮残留応力が引張残留応力に変わるクロッシングポイントが、前記表面から0.8mmよりも深いところにある
ことを特徴とするスタビライザ。 - 無負荷時において、前記表面から0.8mmの深さまでの圧縮残留応力が、150MPa以上ある
ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のスタビライザ。 - ロックウェル硬さ(HRC)が44.5以上、かつ、室温におけるシャルピー衝撃値が30J/cm2以上である
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、金属組織の90%以上にマルテンサイト組織を有する
ことを特徴とする請求項2から請求項6のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、焼き戻しおよびショットピーニングが施されていない
ことを特徴とする請求項1または請求項3から請求項7のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、焼き戻しは施されず、かつ、ショットピーニングが施されている
ことを特徴とする請求項1または請求項3から請求項7のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 質量%で、C:0.15%以上0.39%以下、Mn:0.50%以上1.70%以下、B:0.0005%以上0.003%以下、およびFeを少なくとも含む化学組成を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項9のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 質量%で、C:0.15%以上0.39%以下、Si:0.05%以上0.40%以下、Mn:0.50%以上1.70%以下、B:0.0005%以上0.003%以下を必須元素として含有し、P:0.040%以下、S:0.040%以下であり、任意添加元素として、Ni、Cr、Cu、Mo、V、Ti、Nb、Al、N、Ca及びPbからなる群より選択される少なくとも一種以上の元素をそれぞれ1.20%以下の範囲で含有し得ると共に、残部に、Feと不可避的不純物を含む
ことを特徴とする請求項1から請求項10のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、Standard American Engineering 規格の15B23相当鋼または15B26相当鋼を用いて形成される
ことを特徴とする請求項1から請求項11のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、
水と同等以上または水に近い熱伝達率を有する媒体による焼入れが施されている
ことを特徴とする請求項1から請求項12のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ。 - 前記媒体は、水である
ことを特徴とする請求項13に記載のスタビライザ。 - 前記スタビライザは、
曲げ加工が施されオーステナイト化後、下部臨界冷却速度以上で焼入れが施されている
ことを特徴とする請求項1から請求項14のうちのいずれか一項に記載のスタビライザ - 前記焼入れは、気体または液体を用いて行われている
ことを特徴とする請求項15に記載のスタビライザ。
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