JP4311639B2 - 金属ベローズの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、例えば車両用懸架装置、ガスばね、アキュムレータおよび真空機器等に使用される金属ベローズの製造方法に関する。
上記のような金属ベローズの材質としては、加工のし易さからオーステナイト系ステンレス鋼（ＪＩＳ・ＳＵＳ３０４）が使用されることが多い。また、耐久性を高めるために析出硬化型ステンレス鋼が使用される場合もある。金属ベローズを製造するに際しては、先ず、適宜の厚さのステンレス鋼製板材の長手方向両側面を突き合わせてアーク溶接により接合し、素材パイプを造管する。次いで、素材パイプを所定長さに切断した後、スピニング加工等で冷間圧延して所定のベローズの厚さに加工する。その後、このパイプを溶体化温度まで加熱することにより溶体化処理を行った後に、液圧バルジ加工などの塑性加工によりベローズを成形する。析出硬化系ステンレス鋼の場合には、更に析出硬化熱処理を行う。
金属ベローズがばね作用等の動的に使用される場合には、析出硬化熱処理後に荷重特性の安定化を図るためにセッチングが行われ、次いでベローズの表面に圧縮残留応力を付与することにより耐久性を向上する目的で表面加工が行われる。表面加工は、金属製の微粒子をベローズの表面に高速で投射するショットピーニングまたは金属微粒子の代わりにガラスビーズを使用するホーニングにより行われる（例えば、特許文献２）。
金属ベローズの材質は、加工性の面では、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼が優れている（例えば、特許文献３）。しかしながら、ＳＵＳ３０４で製造した金属ベローズでは、材料強度が低く設計最大応力は８５０ＭＰａである。近年の小型軽量化の要求に答えるためには、高強度な材料を使用することが考えられる。高強度材料の例としては、析出硬化型セミオーステナイト系のＳＵＳ６３１がある。ＳＵＳ６３１を使用した場合の設計応力は１１００ＭＰａで、ＳＵＳ３０４を使用した場合の約１．３倍程度になる（例えば、特許文献１）。
ところが、ＳＵＳ６３１で製造した金属ベローズで疲労試験を行うと、図８に示すように、疲労強度はＳＵＳ３０４で製造した金属ベローズよりも低下してしまう。一般的に、材料強度を上げると、材料の伸びが少なくなり加工性が低下する。特に、金属ベローズでは、加工度が大きいバルジ加工を行っているので、この際にマイクロクラック等の材料欠陥が発生しているために疲労強度が低下したものと考えられる。
この発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、材料強度の高い材料を使用しながら、マイクロクラック等の材料欠陥の発生を防ぐことにより、疲労強度が高い金属ベローズの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者は、析出硬化型ステンレス鋼に適切な加工を施すことにより金属ベローズの疲労強度の向上が図られることに着目して鋭意検討を重ねた結果、平均結晶粒径、ベローズの山部と谷部の硬さおよびベローズの山部と谷部の表面の圧縮残留応力に適切な範囲が存在することを見出し、発明を完成するに至った。
また、本発明の金属ベローズの製造方法は、析出硬化型ステンレス鋼からなる板材の両端縁を溶接により接合されたパイプを冷間圧延する工程と、光輝焼鈍により前記析出硬化型ステンレス鋼の平均結晶粒度を１０μｍ〜１５μｍに微細化する工程と、前記パイプをベローズに成形する工程と、前記ベローズに析出時効硬化処理を行う工程と、前記ベローズの軸線方向に引っ張りまたは圧縮荷重を負荷することにより予め決められた無荷重時高さになるようにセッチングを行う工程と、前記ベローズの内面または外面に表面加工によりベローズの表面に５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与する工程とを備えたことを特徴としている。
本発明にあっては、平均結晶粒径を１０〜１５μｍと微細化することにより、降伏応力が高くなるのですべり帯発生を抑制することができる。また、すべり帯に沿って１〜２結晶粒径程度に伝播する亀裂の長さを小さくすることができる。更にベローズの表面粗さが平滑になり切り欠き感受性が緩和される。平均結晶粒径が１５μｍを超えると結晶粒微細化の効果が得られない。一方、平均結晶粒径を１０μｍ未満にすることは、焼鈍による調整では製造が難しい。
また、本発明の製造方法では、ベローズの内面または外面に表面加工によりベローズの表面に５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与するので、疲労強度をさらに向上させることができる。さらに、焼鈍温度を下げることによって、結晶粒径が微細になり金属ベローズの表面が緻密になる。このためマイクロクラックの発生を抑制することができる。
本発明によれば、結晶粒の微細化により疲労限度が向上するので、金属ベローズの使用応力を高く設定できる。その結果、金属ベローズの山数を減じることができるので、金属ベローズおよび金属ベローズを使用した機器類の小型化が図れる。更に小型化により材料費および加工費を削減することができる。
以下、本発明の好適な実施形態を図１〜図７を参照して説明する。図１は、実施形態の金属ベローズ１６が内臓されたアキュムレータ１０を示す。図示しない圧力源で発生した油が、流入口１１、導入ポート２６を通りアキュムレータ１０内に導入される。アキュムレータ１０内に入った油が気室１８内に封入されたガス１９および金属ベローズ１６を圧縮することにより、アキュームレータ１０内に蓄圧される。蓄圧されたガスの圧力により油が流出口１２を通り、図示しない油圧機器に供給されてこれを駆動するようになっている。
アキュムレータ１０の圧力容器１３は、金属製の円筒状シェル１４とその両端部に溶接等により取付けられた第１の端部材２４および第２の端部材２５等で構成されている。金属ベローズ１６は、圧力容器１３の内部を油室１７と気室１８とに仕切る仕切部材１５として機能する。金属ベローズ１６は、析出硬化型ステンレスで構成されている。金属ベローズ１６の固定端部２７は、第２の端部材２５に溶接により気密に接合されている。ベローズ１６の他端側には、ベローズキャップ２１が溶接、カシメ等により気密に接合されている。ベローズキャップ２１は、金属ベローズ１６と共に流入口１１から流入する油圧の変動によりシェル１４の内側を軸線方向に伸縮できるようになっている。
気室１８には窒素ガス、ヘリウムガス等の不活性ガスか使用条件によっては空気が、大気圧よりも高い圧力で封入される。ガスの封入は、第２の端部材２５に設けられた注入口２２から注入される。この時、気室１８に所定量のガス体積調整液２０も注入される。その後、注入口２２は、雄ネジ等が形成された栓２３により閉じられる。
金属ベローズ１６は、ベローズが最も圧縮された時に、谷部３３および山部３２を構成する波形３０が互いに密着する波形ベローズ（図２）、または谷部および山部の断面がＵ字状をしたＵ字状ベローズ３１が使用される（図３）。ベローズキャップ２１の油室１７側の面には、ゴム等の弾性体からなるシール部材２８が設けられている。このシール部材２８は、第１の端部材２４と共にシール機構２９を構成する。すなわち、油室１７の圧力が低下すると、シール部材２８が第１の端部材２４に接触し、油室内１７の油がポート２６へ流出するのを防ぐ。その結果、金属ベローズ１６が気室１８から受ける圧力と油室１７から受ける圧力が等しくなるので、気室からの圧力により破損するのを防ぐことができる。
図４に金属ベローズの製造工程を示す。以下に実際に製造した金属ベローズの例を説明する。まず、析出硬化型ステンレス鋼製のパイプにスピニング加工等の冷間圧延を行い所定の肉厚になるまで薄くした。析出硬化型ステンレス鋼としては、この例ではセミオーステナイト系としてＳＵＳ６３１を用いたが、その他にはＳＵＳ６３３（ＡＭ３５０）を用いることができ、オーステナイト系ではＡＩＳＩ１６５３を用いることができる。アキュムレータ用の金属ベローズの場合、厚さ１００μｍ〜４００μｍのものが使用される。次に、光輝焼鈍（ＢＡ処理）により結晶粒を微細化した。焼鈍による加熱で、冷間圧延により偏平化した結晶粒の内部においてサブグレインから新たな結晶が生成され結晶粒が成長を始め再結晶が完了する。冷間圧延の加工度と焼鈍の温度および時間を調整して平均結晶粒径が、１０〜１５μｍになるように微細化する。結晶粒を微細化することにより、降伏応力が高くなりすべり帯の発生を抑制することができる。また、すべり帯に沿って１〜２結晶粒径程度に伝播する亀裂の長さを短くすることができる。更にベローズの表面粗さが平滑になり切り欠き感受性が緩和される。平均結晶粒径を、１０〜１５μｍとするには、冷間圧延の加工度（断面減少率）を３〜４０％、焼鈍の温度を９００〜９５０℃、焼鈍時間を１〜５分とすれば良い。具体的には、この例では、９５０℃で５分間保持する光輝焼鈍を行った。また、冷間圧延の加工度は、例えば１３％とした。
次に、バルジ加工により図２、図３に示す蛇腹状に成形した金属ベローズ１６を得た。この例では、波形ベローズ３０とし、バルジ加工後プレスにより軸線方向へ圧縮して波形を成形した。波形ベローズ３０は、Ｕ字型ベローズ３１に比べて密着高さを低くできるが、山部３２および谷部３３が大きく変形するので、マイクロクラックが生じ易い。パイプを拡径してベローズを成形する場合は、谷部に比べて山部の変形量が大きくなるので、山部の硬さは谷部より硬くなる。逆に、パイプを縮径してベローズを成形する場合は、山部に比べて谷部の変形量が大きくなるので、谷部の硬さは、山部の硬さより硬くなる。
次に、析出時効硬化熱処理を行った。析出硬化型でセミオーステナイト系ステンレス鋼のＳＵＳ６３１を４８０℃に加熱し１時間保持したときの硬さを図５に示す。図５は、ベローズの外側から内側方向に向けて１８点の硬さをマイクロビッカース硬さ試験機により測定した結果を示す。析出時効硬化熱処理後の硬さは、熱処理前に比べて硬くなっていることが分かる。なお、図５は、パイプを拡径してベローズを成形した例であり、山部の板厚方向中央部の硬さは、４５０〜６００Ｈv、谷部の板厚方向中央部の硬さは、２５０〜４５０Ｈｖとなっている。
次に、金属ベローズが目標とする自由高さになるように、金属ベローズの軸線方向に荷重を付加してセッチングを行った。その後、金属ベローズの内面および外面に残留応力を付与するために、高速でガラスビーズを投射して第１段のホーニングを行った。ガラスビーズの大きさは、０．１ｍｍ前後のものを使用し、空気噴射式の吸引方式のホーニング機を使用して、エアー圧力を約０．３ＭＰａで行った。その結果、山部外表面には、５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力が付与された。さらに、高い圧縮残留応力と第１段のホーニングで生じた金属ベローズ表面の凹凸を小さくするために、３８μｍのガラスビーズでホーニングを行った結果、金属ベローズ表面の圧縮残留応力は、６００ＭＰａ以上になった。
図６に１段のホーニング（図中▲でプロット）を行った場合と、更に２段のホーニング（図中□でプロット）を行った場合の疲労試験結果を示す。なお、1.Ｅ+０５は、１×１０５を示す。応力振幅が６００ＭＰａの場合、１段のみのホーニングでは、平均の耐久回数が３.Ｅ+０５（３×１０5）であるが、２段のホーニングを加えることにより平均の耐久回数は９.Ｅ+０６（９×１０６）に向上し、1.Ｅ+０７（1×１０７）でも折損しないものもある。
このようにして完成した金属ベローズは、平均結晶粒径が１０μｍ〜１５μｍであった。また、硬さ、圧縮残留応力および最大表面粗さを比較例のオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４と、本発明の析出硬化型ステンレス鋼ＳＵＳ６３１について測定した結果を表1に示す。表１に示すように、ＳＵＳ６３１を用いて製造した本発明例は、ＳＵＳ３０４を用いて従来法で製造した比較例に比べて、耐久性に影響を及ぼす硬度が高く、圧縮残留応力が大きく、表面粗さが低くなっている。
図７は、各種条件で製造したＳＵＳ６３１とＳＵＳ３０４の疲労試験結果を示す。ＳＵＳ６３１でも平均結晶粒径が３５μｍの場合は（□でプロット）、平均粒径が３４μｍのＳＵＳ３０４（■でプロット）より疲労限度が低下している。平均結晶粒径１２μｍのＳＵＳ６３１で１段のホーニングを行ったもの（○でプロット）および平均結晶粒径１２μｍで第２段のホーニングまで行ったもの（△でプロット）は、ＳＵＳ３０４で平均結晶粒径１２．４μｍのもの（▲でプロット）および平均結晶粒径１２．４μｍでホーニングを行ったもの（●でプロット）より疲労限度が向上している。
図７に示す実施例のプロット（△および□）において、金属ベローズの残留応力、結晶粒径および硬さが疲労強度に及ぼす影響を計算し、その計算結果に基づいて実施例および比較例を比較した。その結果を表２に示す。残留応力は一般に平均応力と同じ扱いをされる。この場合、上述の実施例で得られた残留応力６００ＭＰａを疲労限度線図から応力振幅に換算すると９０ＭＰａとなり、実施例の疲労限度は比較例と比べて３．０５倍向上したことになる。
また、結晶粒径と降伏応力との間にはホールペッチの関係式が成立し、降伏応力は結晶粒径の１／２乗に逆比例する。そして降伏応力と引張強さと硬さが比例すると仮定すると、硬さと疲労限度は比例関係にあることから、結晶粒径が比較例の３５μｍから実施例の１２μｍに減少すると疲労限度は１．７倍に向上することになる。また、破断の起点である谷部の硬さが比較例の２２０Ｈｖから実施例の３１５Ｈｖに増加すると、これら硬さから換算した疲労限度は１．４３倍に向上することになる。なお、表面粗さの差は殆ど無いので疲労限度に与える影響は無視することができる。以上の結果から、理論上では２．４３倍の疲労限度の向上が見込まれる。これに対して、実際は、疲労限度は３．５倍に向上しており、理論値に比べて大きい。このことから、微細化と高強度化とショットピーニングによる組み合わせの効果が発生していると考えられる。
上記実施形態は、本発明の金属ベローズをアキュムレータに適用した例であるが、種々の機器に適用することができる。たとえば、図９（ａ）に示すような管継手に本発明の金属ベローズ１６を適用することができる。この管継手では、その一端のニップル４０が他端のニップル４１に対して傾斜する動作をするか、あるいは、軸線方向と直角の方向へ平行移動する動作を行う。また、図９（ｂ）に示すような装置にも本発明の金属ベローズを適用することができる。この装置では、金属ベローズ１６が撓むようにその他端部がカム５０によって支持され、カム５０が回転すると金属ベローズ１６は首振り運動を行う。また、図９（ｃ）に示す装置では、ロッド６０が支点６１を中心に傾動し、金属ベローズ１６も傾動する。
１０・・・アキュムレータ、１１・・・流入口、１２・・・流出口、１３・・・
圧力容器、１４・・・シェル、１５・・・仕切部材、１６・・・金属ベローズ、１７・・・油室、１８・・・気室、１９・・・ガス、２０・・・体積調整油、
２１・・・ベローズキャップ、２２・・・注入口、２３・・・栓、２４・・・第１の端部材、２５・・・第２の端部材、２６・・・導入ポート、２７・・・ベローズ固定端、２８・・・シール部材、２９・・・シール機構、３０・・・波形ベローズ、３１・・・Ｕ字形ベローズ、３２・・・山部、３３・・・谷部。
圧力容器、１４・・・シェル、１５・・・仕切部材、１６・・・金属ベローズ、１７・・・油室、１８・・・気室、１９・・・ガス、２０・・・体積調整油、
２１・・・ベローズキャップ、２２・・・注入口、２３・・・栓、２４・・・第１の端部材、２５・・・第２の端部材、２６・・・導入ポート、２７・・・ベローズ固定端、２８・・・シール部材、２９・・・シール機構、３０・・・波形ベローズ、３１・・・Ｕ字形ベローズ、３２・・・山部、３３・・・谷部。
Claims (5)
- 析出硬化型ステンレス鋼からなる板材の両端縁を溶接により接合されたパイプを冷間圧延する工程と、焼鈍により前記析出硬化型ステンレス鋼の平均結晶粒度を１０μｍ〜１５μｍに微細化する工程と、前記パイプをベローズに成形する工程と、前記ベローズに析出時効硬化処理を行う工程と、前記ベローズの軸線方向に引っ張りまたは圧縮荷重を負荷することにより予め決められた無荷重時高さになるようにセッチングを行う工程と、前記ベローズの内面または外面に表面加工によりベローズの表面に５００ＭＰａ以上の圧縮残留応力を付与する工程とを備えたことを特徴とする金属ベローズの製造方法。
- 交互にかつ連続的に成形された山部と谷部の板厚方向中央部の硬さを、各々４５０〜６００Ｈv、２５０〜４５０Ｈvに設定することを特徴とする請求項１記載の金属ベローズの製造方法。
- 前記金属ベローズを、交互にかつ連続的に成形された谷部と山部とが断面で波形をなし、金属ベローズが最も圧縮されたとき前記山部どうしおよび前記谷部どうしが密着する波形ベローズとすることを特徴とする請求項１または２に記載の金属ベローズの製造方法。
- 粒子を金属ベローズの表面に投射して第１段の表面加工を行い、次に、第１段の表面加工で用いた粒子よりも平均粒径の小さい粒子を前記金属ベローズの表面に投射して第２段の表面加工を行うことを特徴とする請求項1〜３のいずれかに記載の金属ベローズの製造方法。
- 前記金属ベローズの外面および内面に前記第１段および第２弾の表面加工を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の金属ベローズの製造方法。
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