JPWO2017002806A1 - 弾性部材および弾性部材用線材 - Google Patents
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Abstract
本発明にかかる弾性部材は、長手方向と直交する断面が略円をなす線材を用いて形成され、所定の方向に伸縮自在な弾性部材であって、常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第１合金部と、第１合金部を被覆し、径方向の厚さが、第１合金部の径よりも小さく、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第２合金部と、を備えた。
Description
本発明は、自動車用の弾性部材および該弾性部材の製造に用いる弾性部材用線材に関する。
従来、自動車の燃費向上を実現するための一つの方策として、各種部品の軽量化が追求されている。例えば、エンジンブロックの材料として、鋳鉄の代わりにアルミニウム合金が使われたり、エンジンカバーやオイルパンの材料として、鋼の代わりにマグネシウム合金が使われたりするようになってきている。
近年、自動車の軽量化という観点から、例えばサスペンションなどの弾性部材にアルミニウム合金からなる材料を用いることが検討されている。このようなアルミニウム合金として、６０００系のアルミニウム合金が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
上述した６０００系のアルミニウム合金よりも高強度のアルミニウム合金として、７０００系のアルミニウム合金が知られている。７０００系のアルミニウム合金を用いれば、６０００系のアルミニウム合金製のボルトよりも高強度の弾性部材を作成することができる。
しかしながら、一般に７０００系のアルミニウム合金は、６０００系のアルミニウム合金と比較して耐応力腐食割れ性に劣るため、弾性部材として適用する場合には、耐応力腐食割れ性を改善する必要があった。このような状況の下、強度および耐応力腐食割れ性に優れた材料からなる弾性部材が求められていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材および該弾性部材の製造に用いる弾性部材用線材を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる弾性部材は、長手方向と直交する断面が略円をなす線材を用いて形成され、所定の方向に伸縮自在な弾性部材であって、常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第１合金部と、前記第１合金部を被覆し、径方向の厚さが、前記第１合金部の径よりも小さく、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第２合金部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材は、上記の発明において、前記第２合金部は、異なる組成を有するアルミニウム合金を複数積層してなることを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材は、上記の発明において、前記第２合金部は、径方向で最も外側の層の引張り強さが最も小さいことを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材は、上記の発明において、前記第２合金部は、径方向で最も外側の層の厚さが最も薄いことを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材は、上記の発明において、前記第１合金部の径に対する前記第２合金部の前記厚さの比が、０．０１以上０．２以下であることを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材用線材は、長手方向と直交する断面が略円をなす弾性部材用線材であって、常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる芯部と、前記芯部を被覆し、径方向の厚さが、前記芯部の径よりも小さく、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる外周部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる弾性部材用線材は、上記の発明において、前記芯部の径に対する前記外周部の前記厚さの比が、０．０１以上０．２以下であることを特徴とする。
本発明によれば、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材および該弾性部材の製造に用いる弾性部材用線材を得ることができるという効果を奏する。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。なお、図面は模式的なものであって、各部分の厚みと幅との関係、それぞれの部分の厚みの比率などは現実のものとは異なる場合があり、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれる場合がある。
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかるサスペンションの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すサスペンション１は、当該サスペンション１の骨格をなし、タイヤ１０１が取り付けられる二つのディスクロータ１０を回転自在に支持するアーム部２と、二つのディスクロータ１０が対向する方向と略垂直な方向に伸縮自在なコイルばね３（弾性部材）と、コイルばね３の伸縮動作にかかる力（振動）を減衰するショックアブソーバー４と、を備える。ディスクロータ１０には、当該ディスクロータ１０を挟んで回転方向と直交する方向の荷重を加えることでディスクロータ１０の回転速度を減速可能なキャリパー１１が設けられている。サスペンション１は、車体１００に取り付けられ、路面の凹凸に応じてタイヤ１０１から伝達される振動を吸収する。
図１は、本発明の実施の形態にかかるサスペンションの構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すサスペンション１は、当該サスペンション１の骨格をなし、タイヤ１０１が取り付けられる二つのディスクロータ１０を回転自在に支持するアーム部２と、二つのディスクロータ１０が対向する方向と略垂直な方向に伸縮自在なコイルばね３（弾性部材）と、コイルばね３の伸縮動作にかかる力（振動）を減衰するショックアブソーバー４と、を備える。ディスクロータ１０には、当該ディスクロータ１０を挟んで回転方向と直交する方向の荷重を加えることでディスクロータ１０の回転速度を減速可能なキャリパー１１が設けられている。サスペンション１は、車体１００に取り付けられ、路面の凹凸に応じてタイヤ１０１から伝達される振動を吸収する。
図２は、本発明の実施の形態にかかるサスペンションの要部の構成を模式的に示す斜視図であって、コイルばね３の構成を示す斜視図である。図２に示すコイルばね３は、互いに異なる二種類のアルミニウム（Ａｌ）合金を接合することによって形成されたクラッド材からなる。コイルばね３は、上述したクラッド材からなり、長手方向と直交する平面を切断面とする断面が略円をなす線材を螺旋状に巻回することによって作製される。コイルばね３は、所定の方向（例えば、巻回により延伸する方向）に伸縮自在である。なお、本明細書において、アルミニウム合金とは、アルミニウムを主成分とする合金のことをいう。
コイルばね３は、互いに異なる２種類のアルミニウム合金を用いてそれぞれ形成される第１合金部３１および第２合金部３２を有する。第１合金部３１は、当該コイルばね３における径方向の内周側を構成し、当該コイルばね３の芯部をなす。第２合金部３２は、当該コイルばね３における径方向の外周部を構成する。すなわち、第２合金部３２は、当該コイルばね３の表層部分を構成する。
第１合金部３１は、亜鉛（Ｚｎ）を１０．０ｗｔ％より大きく１７．０ｗｔ％以下、マグネシウム（Ｍｇ）を２．０ｗｔ％より大きく６．０ｗｔ％以下含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物を含むアルミニウム合金からなる。第１合金部３１は、さらに好ましくは、銅（Ｃｕ）を０．１ｗｔ％以上３．０ｗｔ％以下、ジルコニウム（Ｚｒ）を０．０５ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．１ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、鉄（Ｆｅ）を０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、クロム（Ｃｒ）を０．１ｗｔ％以上０．６ｗｔ％以下、シリコン（Ｓｉ）を０．０５ｗｔ％以上０．４ｗｔ％以下、バナジウム（Ｖ）を０．０１ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下、チタン（Ｔｉ）を０．０１ｗｔ％以上０．２ｗｔ％以下、ニッケル（Ｎｉ）を０．１ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、銀（Ａｇ）を０．０１ｗｔ％以上０．６ｗｔ％以下からなる群より選ばれる少なくとも１種類以上を含む。第１合金部３１は、常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下である。なお、引張り強さは、材料の強度を示す値（例えばＭＰａ）を有している。ここでいう「常温」とは、例えば１５℃から２５℃の範囲であって、測定時に一定した温度のことをいう。上述した引張り強さが得られる理由は、ＺｎとＭｇとの濃度が高いためで、この場合、ＺｎとＭｇとを主体とした析出物による析出硬化が発生していることによる。
第１合金部３１を構成する金属において、Ｚｎは、引張り強さを高強度にするとともに、後述する弾性部材用線材（弾性部材用線材３００）を押出し工法にて作製する場合の押出し性を向上する特性を付与する。Ｍｇは、引張り強さを高強度とする特性を付与する。Ｃｕは、引張り強さを高強度にするとともに、耐応力腐食割れ性を向上させる特性を付与する。Ｚｒは、靱性、耐熱性および耐応力腐食割れ性を向上させる特性を付与する。Ｍｎは、引張り強さを高強度にするとともに、靱性、耐熱性および耐応力腐食割れ性を向上させる特性を付与する。また、Ｆｅは、耐熱性を向上させる特性を付与する。Ｃｒは、靱性、耐熱性および耐応力腐食割れ性を向上させる特性を付与する。ＴｉおよびＮｉは、耐熱性を向上させる特性を付与する。Ａｇは、引張り強さを高強度にするとともに、耐応力腐食割れ性を向上させる特性を付与する。
第２合金部３２は、Ｚｎを０．００５ｗｔ％以上６．５ｗｔ％以下含み、残部がＡｌおよび不可避的不純物を含むアルミニウム合金からなる。第２合金部３２は、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下、好ましくは３５０ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下である。第２合金部３２の外周の径、すなわち、サスペンション１用のコイルばね３の線材の径は、例えば、８ｍｍ以上１５ｍｍ以下である。
第２合金部３２は、好ましくは、Ｍｇを０．０５ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、Ｃｕを０．１ｗｔ％以上１．１ｗｔ％以下、Ｚｒを０．０１ｗｔ％以上０．２５ｗｔ％以下、Ｍｎを０．０５１ｗｔ％以上１．０ｗｔ％以下、Ｆｅを０．０５ｗｔ％以上０．５ｗｔ％以下、Ｃｒを０．０５ｗｔ％以上０．３ｗｔ％以下、Ｓｉを０．０５ｗｔ％以上１．３ｗｔ％以下、Ｖを０．０１ｗｔ％以上０．１ｗｔ％以下、Ｔｉを０．０１ｗｔ％以上０．２ｗｔ％以下、Ｎｉを０．１ｗｔ％以上２．０ｗｔ％以下、Ａｇを０．０１ｗｔ％以上０．６ｗｔ％以下からなる群より選ばれる少なくとも１種類以上を含む。このような組成を有するアルミニウム合金としては、６０００系のアルミニウム合金、例えばＡ６０５６を挙げることができる。Ａ６０５６は、Ａｌ−Ｍｇ-Ｓｉを主要元素とする合金であり、比較的高い引張り強さを有するとともに、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金として知られている。
なお、第２合金部３２の外周に、被膜をさらに形成してもよい。この場合の被膜は、例えばアルマイトからなる材料を用いて形成され、第２合金部３２の外周の径に対して、１／１００程度の厚さを有する層を形成する。例えば、第２合金部３２の外周の径が１０ｍｍである場合、この被膜の厚さは、０．１ｍｍ程度である。この被膜の形成により、防錆効果を向上させることができる。
図３は、図２に示すＡ−Ａ線断面図である。図３に示す断面は、線材の長手方向と直交する平面を切断面とする断面である。図３に示すように、第１合金部３１の径をｄ1、第２合金部３２の径方向の厚さをｄ2とすると、ｄ2＜ｄ1の関係を満たしている。より好ましくは、コイルばね３の径、すなわち第２合金部３２の外周の径（ｄ1＋ｄ2）と、厚さｄ2とが、０．０１≦ｄ2／（ｄ1＋ｄ2）≦０．２の関係を満たす。さらに好ましくは、第２合金部３２の外周の径（ｄ1＋ｄ2）と、厚さｄ2とが、０．０５≦ｄ2／（ｄ1＋ｄ2）≦０．１５の関係を満たす。
図４は、コイルばね３を作製するための線材である弾性部材用線材の構成を示す断面図である。同図に示す弾性部材用線材３００（以下、単に「線材３００」という）は、第１合金部３１と同じアルミニウム合金からなる円柱状の芯部３０１と、芯部３０１の外周を被覆し、第２合金部３２と同じアルミニウム合金からなる外周部３０２とを備えた２層構造の円柱状をなす。線材３００は、例えば押出し工法によって作製される。線材３００は、上述した第１合金部３１および第２合金部３２と同様に、芯部３０１の径に対する外周部３０２の厚さの比が、０．０１以上０．２以下である。この線材３００を巻回することによって、上述したコイルばね３を作製することができる。
以上説明した本発明の実施の形態によれば、コイルばね３のばね性を担う芯部として高強度のアルミニウム合金からなり、常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下である第１合金部３１を備えるとともに、外表面をなし、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなり、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下である第２合金部３２を備えた２層構造とすることによって、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材を提供することができる。
また、本実施の形態によれば、第２合金部３２の外周の径（ｄ1＋ｄ2）と、厚さｄ2とが、０．０１≦ｄ2／（ｄ1＋ｄ2）≦０．２の関係を満たすため、コイルばね３としての強度を向上をさせつつ、この強度と良好な耐応力腐食割れ性とを両立させることができる。
また、本実施の形態によれば、円柱状をなし、コイルばね３のばね性を担う芯部として高強度のアルミニウム合金からなる芯部３０１を備えるとともに、外表面をなし、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる外周部３０２を備えたクラッド材である弾性部材用線材３００を構成することにより、従来と同様の製造方法により、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材（コイルばね３）を成形することができる。
また、本実施の形態によれば、外周部３０２の外周の径（ｄ1＋ｄ2）と、該外周部３０２の厚さ（ｄ2）とが、０．０１≦ｄ2／（ｄ1＋ｄ2）≦０．２の関係を満たすため、成形後の弾性部材において、強度と耐応力腐食割れ性を適切なバランスで両立させることができる。
（実施の形態の変形例）
図５は、本発明の実施の形態の変形例にかかるサスペンションの要部の構成を模式的に示す断面図である。図５は、本変形例にかかるコイルばね３ａの断面図であって、図２のＡ−Ａ線に応じた断面図である。上述した実施の形態では、第１合金部３１の外周側に、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる合金部（第２合金部３２）を一層設けるものとして説明したが、第２合金部は、二以上の複数の層からなるものであってもよい。本変形例では、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる第２合金部が二層であるものを例に説明する。
図５は、本発明の実施の形態の変形例にかかるサスペンションの要部の構成を模式的に示す断面図である。図５は、本変形例にかかるコイルばね３ａの断面図であって、図２のＡ−Ａ線に応じた断面図である。上述した実施の形態では、第１合金部３１の外周側に、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる合金部（第２合金部３２）を一層設けるものとして説明したが、第２合金部は、二以上の複数の層からなるものであってもよい。本変形例では、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる第２合金部が二層であるものを例に説明する。
図５に示すコイルばね３ａは、互いに異なる３種類のアルミニウム合金を接合することによって形成されたクラッド材からなる。コイルばね３ａは、上述したクラッド材からなり、長手方向と直交する平面を切断面とする断面が略円をなす線材を螺旋状に巻回することによって作製される。なお、断面は、上述した略円のほか、楕円などのような線対象な形状であってもよい。
コイルばね３ａは、互いに異なる組成を有する３種類のアルミニウム合金を用いてそれぞれ形成される第１合金部３１、第２合金部３３からなる。第２合金部３３は、第１合金部３１の外周側に設けられる第１層３３ａと、第１層３３ａの外周側に設けられ、当該コイルばね３ａにおける径方向の外周部を構成する第２層３３ｂと、を有する。すなわち、第２層３３ｂは、当該コイルばね３ａの表層部分を構成する。
第１層３３ａおよび第２層３３ｂは、上述した第２合金部３２に用いられる金属と同じ種類の金属を同じ組成範囲内で配合して形成してなり、かつ第２合金部３２と同じ範囲の引張り強さを有するアルミニウム合金であって、互いに異なる組成のアルミニウム合金である。また、第１層３３ａは、第２層３３ｂと比して、引張り強さが同等か、それよりも大きい。すなわち、第１層３３ａと第２層３３ｂとの引張り強さが異なる場合、コイルばね３ａにおける引張り強さは、大きい方から順に、第１合金部３１、第１層３３ａ、第２層３３ｂとなる。
図５に示すように、第１合金部３１の径をｄ1、第２合金部３３の第１層３３ａの径方向の厚さをｄ3、第２層３３ｂの径方向の厚さをｄ4とすると、ｄ4≦ｄ3＜ｄ1の関係を満たしている。より好ましくは、コイルばね３ａの径、すなわち第２合金部３３の外周の径（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）と、第２合金部３３の厚さ（ｄ3＋ｄ4）とが、０．０１≦（ｄ3＋ｄ4）／（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）≦０．２の関係を満たす。さらに好ましくは、第２合金部３３の外周の径（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）と、厚さ（ｄ3＋ｄ4）とが、０．０５≦（ｄ3＋ｄ4）／（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）≦０．１５の関係を満たす。
本変形例によれば、コイルばね３ａのばね性を担う芯部として高強度のアルミニウム合金からなる第１合金部３１を備えるとともに、耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる二層構造の第２合金部３３を備えた３層構造とすることによって、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材を提供することができる。
また、本変形例によれば、第２合金部３３の外周の径（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）と、第２合金部３３の厚さ（ｄ3＋ｄ4）とが、０．０１≦（ｄ3＋ｄ4）／（ｄ1＋ｄ3＋ｄ4）≦０．２の関係を満たすため、コイルばね３ａとしての強度を向上させつつ、この強度と良好な耐応力腐食割れ性とを両立させることができる。
なお、本変形例において、第２合金部が三層以上である場合は、径方向で最も外側の層の厚さが最も薄く、引張り強さが最も小さくなる。
ここまで、本発明を実施するための形態を説明してきたが、本発明は上述した実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、本発明に係る弾性部材を、他の自動車部品として実現することも可能である。
図６は、本発明の実施の形態にかかる弾性部材用線材を用いた部品の一例を模式的に示す斜視図である。本実施の形態では、サスペンション用のコイルばね３を例に挙げて説明したが、例えば、図６に示すスタビライザー５であってもよい。スタビライザー５は、上述した線材３００を屈曲させることによって作製することができる。スタビライザー５は、加えられた荷重（荷重が加わる方向）に応じて伸縮しながら屈曲する。スタビライザー５における第２合金部３２の外周の径、すなわち、スタビライザー５の線材の径は、例えば、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。
図７は、本発明の実施の形態にかかる弾性部材用線材を用いた部品の一例を模式的に示す斜視図である。図７は、車両のサスペンションの構造の一例である。図７に示すサスペンション１ａのトレーリングリンク６の回転力を受けトーションバー６１が、ねじり変形する。このトーションバー６１の材質を上述した弾性部材用線材を用いて実現することも可能である。この他にも、線材３００を屈曲させることによって自動車のドアインパクトビームなどを作製することができる。
また、本発明において、さらに耐応力腐食割れ性に優れたアルミニウム合金からなる層を第２合金部３２，３３の表面に設けることも可能である。このようなアルミニウム合金としては、例えば２０００系、３０００系、４０００系または５０００系のアルミニウム合金などを挙げることができる。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含みうるものであり、請求の範囲により特定される技術的思想を逸脱しない範囲内において種々の設計変更等を施すことが可能である。
以上のように、本発明にかかる弾性部材および該弾性部材の製造に用いる弾性部材用線材は、強度および耐応力腐食割れ性に優れた弾性部材とするのに有用である。
１ サスペンション
２ アーム部
３，３ａ コイルばね
４ ショックアブソーバー
５ スタビライザー
１０ ディスクロータ
１１ キャリパー
３１ 第１合金部
３２，３３ 第２合金部
３３ａ 第１層
３３ｂ 第２層
１００ 車体
１０１ タイヤ
２ アーム部
３，３ａ コイルばね
４ ショックアブソーバー
５ スタビライザー
１０ ディスクロータ
１１ キャリパー
３１ 第１合金部
３２，３３ 第２合金部
３３ａ 第１層
３３ｂ 第２層
１００ 車体
１０１ タイヤ
Claims (7)
- 長手方向と直交する断面が略円をなす線材を用いて形成され、所定の方向に伸縮自在な弾性部材であって、
常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第１合金部と、
前記第１合金部を被覆し、径方向の厚さが、前記第１合金部の径よりも小さく、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる第２合金部と、
を備えたことを特徴とする弾性部材。 - 前記第２合金部は、異なる組成を有するアルミニウム合金を複数積層してなることを特徴とする請求項１に記載の弾性部材。
- 前記第２合金部は、径方向で最も外側の層の引張り強さが最も小さいことを特徴とする請求項２に記載の弾性部材。
- 前記第２合金部は、径方向で最も外側の層の厚さが最も薄いことを特徴とする請求項２または３に記載の弾性部材。
- 前記第１合金部の径に対する前記第２合金部の前記厚さの比が、０．０１以上０．２以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の弾性部材。
- 長手方向と直交する断面が略円をなす弾性部材用線材であって、
常温における引張り強さが９５０ＭＰａより大きく１１００ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる芯部と、
前記芯部を被覆し、径方向の厚さが、前記芯部の径よりも小さく、常温における引張り強さが１００ＭＰａ以上６５０ＭＰａ以下であるアルミニウム合金からなる外周部と、
を備えたことを特徴とする弾性部材用線材。 - 前記芯部の径に対する前記外周部の前記厚さの比が、０．０１以上０．２以下であることを特徴とする請求項６に記載の弾性部材用線材。
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