KR20170118205A - 중공 스태빌라이저 - Google Patents

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마사토 스가와라
히데키 오카다
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닛폰 하츠죠 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 스태빌라이저는, 차량에 구비되어, 차폭 방향으로 연장되는 토션부 1a와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부 1b와, 토션부 1a와 아암부 1b를 접속하는 휨부 1c, 1c를 구비하는 관 형상의 중공 스태빌라이저 1이며, 아암부 1b의 외면 1e의 경도에 대해, 휨부 1c, 1c의 휨 내측(1c1, 1c2)의 외면(1e)의 경도가 70％ 이상인 것을 특징으로 한다.

Description

중공 스태빌라이저
본 발명은, 중공 구조의 중공 스태빌라이저에 관한 것이다.
자동차 등의 차량에는, 차륜 상하의 편이에 의한 차체의 롤을 억제하는 스태빌라이저(스태빌라이저 바 또는 안티 롤 바)가 구비되어 있다. 스태빌라이저는, 일반적으로, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향을 향해 휨 성형된 좌우 한 쌍의 아암부를 구비하고 있으며, 대략 コ 형상의 봉 형체로 구성된다. 차량에 있어서, 스태빌라이저는, 각 아암부의 선단이 차륜의 현가 장치에 각각 연결되고, 토션부가 차체 측에 고정된 부시에 삽입 관통되는 것에 의해, 좌우의 현가 장치 사이에 현가된 상태로 지지된다.
운전시에 차량이 코너링하거나 노면의 기복을 넘거나 할 때는, 좌우 차륜의 상하에 의해 좌우의 현가 장치에 스트로크 차이가 발생한다. 이때, 스태빌라이저의 각 아암부에는, 각 현가 장치 사이의 스트로크 차이에 기인하는 하중(변위)이 각각 입력되며, 각 아암부로부터의 하중(변위 차이)에 의해 토션부가 비틀리며, 비틀림 변형을 복원하려고 하는 탄성력이 발생한다. 스태빌라이저는, 이 비틀림 변형을 복원하려는 탄성력에 의해 좌우 차륜의 상하 변위 차이를 억제하는 차체의 롤 강성을 높이고, 차체의 롤을 억제한다.
스태빌라이저의 형태로서는, 중실 구조를 갖는 중실 스태빌라이저와, 중공 구조를 갖는 중공 스태빌라이저가 있다. 중실 스태빌라이저는 기계적 강도가 우수하고, 제조 비용도 저렴하게 억제된다는 특징을 갖고 있다. 이에 대해, 중공 스태빌라이저는 중실 스태빌라이저와 비교하여 기계적 강도의 확보가 쉽지 않지만, 차량의 경량화를 도모하기에 적합한 형태로 되어 있다. 중공 스태빌라이저의 소재로는, 일반적으로, 전봉 강관, 이음매없는 강관, 단접 강관 등이 이용되고 있다. 이 중에서도, 전봉 강관은 제조 비용이 낮고 양산성이 우수하므로 중공 스태빌라이저의 소재로 많이 사용되고 있다.
종래 스태빌라이저의 재료로는, S48C(JIS 규격) 등의 탄소강, 인장강도 등의 기계적 강도나 내피로성이 좋은 SUP9(JIS 규격), SUP9A(JS 규격) 등의 스프링 강이 일반적으로 채용되고 있다. 중공 스태빌라이저는, 스프링 강 강관에 휨 가공을 실시하여 제품 형상에 부형한 후, 열처리를 실시하는 것에 의해 제조하는 것이 많다. 휨 가공으로서는, NC 벤더를 사용하여 실시하는 냉간 휨 가공이나, 총 휨 형틀을 사용해 실시하는 열간 휨 가공 등이 강관의 두께나 직경에 따라 실시되고 있다.
열처리로서는, 담금질 처리와 템퍼링 처리가 실시되고 있으며, 담금질의 방법은, 기름 담금질이 주류이다. 그리고 열처리된 소관은, 통상 샷 피닝에 의한 표면 가공 처리나, 도장 처리 등의 마감 처리를 거쳐 제품화되고 있다.
또한, 본원에 따른 문헌 공지 발명으로서 하기의 특허 문헌1, 2가 있다. 예를 들면, 특허 문헌1에는, 판 두께 t와 외경 D의 ％비율이 t/D≥20％인 중공 스태빌라이저용 전봉 용접 강관이, 전봉 용접 후에 축경압연되어 형성되는 전봉 용접 강관을 채용함에 의해 실현되는 것이 기재되어 있다.
또한, 특허 문헌2에는, 스태빌라이저의 내구성을 얻는 기술로, 전봉관을 열간 또는 온간의 온도범위에서 축관하여 외경에 대한 판 두께의 비율을 18~35％로 하는 축관을 실시하여, 축관된 전봉관을 스태빌라이저 형상으로 성형하고, 열처리 공정, 샷 피닝, 도장을 실시하는 중공 스태빌라이저의 제조 방법이 개시되어 있다.
특허 문헌1. 일본 특개 제2004-009126호 공보 특허 문헌2. 일본 특개 제2002-331326호 공보
그런데 기존의 고정 스태빌라이저는 중실 구조를 갖는 중실 스태빌라이저가 주류였다. 그러나 요즘, 연비 향상의 관점에서 차량의 경량화가 강하게 요구되고 있다. 그 때문에, 스태빌라이저에 관해서도, 경량화가 요구되어 중공 구조(관 형상)의 중공 스태빌라이저가 널리 보급되고 있다.
그러나 중공 스태빌라이저는, 중공 구조이기 때문에 단면 계수가 낮고 휨 강성(EI) 등이 저하되어, 강도가 중실 구조의 중실 스태빌라이저에 비해 불리하다는 약점이 있다.
한편, 최근에는 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 따른 모터의 탑재, 회생 에너지의 축전을 위한 이차 전지의 탑재, 차량의 전장화 촉진에 의해, 차량 중량이 증가하는 경향에 있다. 그래서, 강도가 높으면서 경량인 중공 스태빌라이저가 필요하다는 요구가 있다.
상술한 듯이, 중공 구조의 중공 스태빌라이저는 경량이지만, 중공이기 때문에 단면 계수가 저하하여 중실 구조의 중실 스태빌라이저에 비해 강도가 저하한다. 또한, 중공 스태빌라이저의 휨부는, 열처리 시, 통전 가열의 경우에 오목 형상 때문에 전류 밀도가 높고 국소적인 고온화를 발생시키는 경우가 있다. 또한, 냉각 시에도 휨부는 오목 형상 때문에 냉각 속도가 낮아지기 쉽다. 그 때문에, 휨부는 담금질이 불충분하게 되어, 경도가 저하될 우려가 있다.
또한, 중공 스태빌라이저의 휨부는, 큰 휨 응력과 비틀림 응력이 동시에 발생하여, 응력이 높은 부위이다. 그 때문에, 휨부는 중공 스태빌라이저의 강도나 피로강도(내구성)의 향상을 가장 원하는 부위이다. 그래서, 중공 스태빌라이저의 판 두께를 두껍게 한 경우에는, 더욱 담금질이 불충분하게 된다. 한편, 상기한 듯이, 중실 구조의 중실 스태빌라이저는 단면 계수가 높고, 강도가 높지만, 중량이 커지는 단점이 있다.
본 발명은, 상기 실정을 감안하여 안출된 것으로, 휨부의 경도가 향상된 강도가 높고 경량인 중공 스태빌라이저를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 청구항 1에 따른 중공 스태빌라이저는, 차량에 구비되고, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비한 중공 스태빌라이저이며, 상기 아암부 외면의 경도에 대해, 상기 휨부의 휨 내측 외면의 경도가 70％ 이상인 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 청구항 1의 중공 스태빌라이저에 의하면, 아암부 외면의 경도에 대해서, 휨부의 휨 내측 외면의 경도가 70％ 이상이므로, 피로 내구성이 높은 중공 스태빌라이저를 얻을 수 있다.
본 발명의 청구항 2에 따른 중공 스태빌라이저는, 차량에 구비되며, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비한 중공 스태빌라이저이며, 상기 휨부는 국소적으로 또는 내면 측에서 경도가 높아지는 처리가 이루어지고 있다.
본 발명의 청구항 2의 중공 스태빌라이저에 의하면, 휨부는, 국소적으로 또는 내면 측에서 경도가 높아지는 처리가 실시되어 있으므로, 휨부의 경도 향상에 의한 휨부에서의 피로 파괴를 억제할 수 있다.
본 발명의 청구항 6에 따른 중공 스태빌라이저는, 차량에 구비되며, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비하는 관 형상의 중공 스태빌라이저이며, 상기 휨부의 휨 내측의 외면에 대해서 냉각제가 분사되는 담금질이 실시되어 있다.
본 발명의 청구항 6의 중공 스태빌라이저에 의하면, 휨부의 휨 내측의 외면에 대해서 냉각제가 분사되는 담금질이 실시되어 있으므로, 휨부의 경도가 향상되어 휨부에서의 피로 파괴를 억제할 수 있다.
본 발명의 청구항 8에 따른 중공 스태빌라이저는, 차량에 구비되며, 차폭 방향에 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비한 중공 스태빌라이저이며, 상기 중공 스태빌라이저의 내부에 냉각제가 분입되는 담금질이 실시되고 있다.
본 발명의 청구항 8의 중공 스태빌라이저에 의하면, 중공 스태빌라이저의 내부에 냉각제가 분입되는 담금질이 실시되어 있으므로, 휨부의 휨 내측의 경도를 높여, 피로 파괴를 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 휨부의 경도가 향상된 강도가 높은 경량의 중공 스태빌라이저를 제공 할 수 있다.
도 1a는 차량에 구비되는 현가 장치에 연결된 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 사시도이다.
도 1b는 차량에 구비되는 현가 장치에 연결된 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 평면도이다.
도 2a는 전봉관을 나타내는 횡단면도이다.
도 2b는 SR관을 나타내는 횡단면도이다.
도 3은 중실 스태빌라이저와 등가 사이즈의 중공 스태빌라이저를 중량, 외면 응력, 내면 응력으로 비교한 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 5a는 휨 성형 된 중공 파이프 소관을 물 담금질하는 상태를 나타내는 평면도이다.
도 5b는 물 담금질 시에, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관을 요동시키는 상태를 나타내는 대각선 상방향에서 본 사시 모식도이다.
도 6a는 중공 파이프 소관의 요동 없음에서의 로크웰 경도(HRC)를 비교한 그림이다.
도 6b는 중공 파이프 소관의 요동 속도 220mm/sec에서의 로크웰 경도(HRC)를 비교한 그림이다.
도 6c는 중공 파이프 소관의 요동 속도 500mm/sec에서의 로크웰 경도(HRC)를 비교한 그림이다.
도 7은 휨 성형된 중공 파이프 소관의 휨부의 내측을 외면에서 국소적으로 담금질을 실시하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다.
도 8은 외면 제트에 의한 효과를 경도로 나타내는 그림이다.
도 9는 약 900°C 이상 약 1200°C 이하에서의 성형 강종 C를 템퍼링 온도 350°C에서 템퍼링을 하고, 약 900°C 이상 약 1200°C 이하에서의 성형 강종 D를 템퍼링 온도 350°C, 400°C에서 템퍼링을 하고, 내구성을 비교한 S-N 선도이다.
도 10은 약 720°C 이하에서의 성형 강종 D의 템퍼링 온도 250°C, 300°C의 내구성을 비교한 S-N 선도이다.
도 11은 내면 제트에 의한 담금질 방법으로, 휨 성형된 중공 파이프 소관을 내면에서 국소적으로 담금질 하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다.
도 12는 물 담금질 및 내면 제트에 의한 담금질의 효과를, 물 담금질 만의 경우와의 비교를 피로 시험으로 나타내는 S-N 선도이다.
도 13은 다른 예의 내면 제트에 의한 담금질 방법으로, 휨 성형된 중공 파이프 소관을 내면에서 담금질을 실시하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저에 대해서, 그림을 이용하여 설명한다. 또한, 각 그림에 있어서 공통되는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하여 나타내고, 중복 설명을 생략한다.
도 1a는 차량에 구비되는 현가 장치에 연결된 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 사시도이다. 도 1b는 차량에 구비되는 현가 장치에 연결된 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 평면도이다.
실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저 1은, 중공의 강관 등을 이용하여 성형되는 관 형상의 스태빌라이저이다. 중공 스태빌라이저 1은, 차폭 방향으로 연장되는 토션부 1a와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 좌우 한 쌍의 아암부 1b, 1b를 구비하고 있다.
중공 스태빌라이저 1은, 차폭 방향으로 연장되는 토션부 1a의 양단에 대칭적으로 위치하는 휨부 1c, 1c(도 1b에 점선으로 표시)에서, 각각 굴곡되고, 좌우 한 쌍의 아암부 1b, 1b에 이어지는 대략 コ 형상을 가지고 있다. 또한, 휨부 1c는 2개소 이상 갖는 구성이어도 좋다.
중공 스태빌라이저 1은, 토션부 1a의 외경 D가 약 10mm ~ 약 43mm이며, 판 두께 t가 약 2mm ~ 약 10mm이다. 후기하는 t/D는, 상기의 (판 두께 t/외경 D)를 나타낸다. 각 아암부 1b, 1b의 선단에는, 장착부가 되는 평판 형상의 연결부(체결부) 1d, 1d를 가지고 있다. 연결부(체결부) 1d, 1d는, 프레스 가공에 의해 장착 구멍 1d1, 1d1을 갖는 평판 형상(편평 형상)으로 형성되어 있다.
아암부 1b, 1b의 선단 각 연결부 1d, 1d는, 스태빌라이저 링크 2, 2를 통해, 도시하지 않은 차체에 고정되는 좌우 한 쌍의 현가 장치 3, 3에 각각 연결되어 있다. 각 현가 장치 3의 차축부 3a에는, 도시하지 않은 차륜이 장착된다. 현가 장치 3은, 압축 스프링, 오일 댐퍼를 가지며, 차륜으로부터의 충격, 진동 등을 내부 마찰, 점성 저항에 의해 감쇠하여 차체에 완화시켜 전달하는 작용을 한다.
토션부 1a는, 차체의 도시하지 않은 크로스 멤버 등에 고정되는 고무제 부시 4에 삽입관통되고, 좌우의 현가 장치 3, 3의 사이에 현가된다. 이 구성에 의해, 좌우 차륜의 상하 이동에 의한 좌우 현가 장치 3, 3에 스트로크 차이가 발생하면, 각 현가 장치 3, 3에서 각 아암부 1b, 1b에 변위에 의한 하중이 전달되어, 토션부 1a가 비틀림 변형된다. 그리고 토션부 1a에는, 해당 비틀림 변형을 복원하려고 하는 탄성력이 발생한다. 중공 스태빌라이저 1은, 이 비틀림 변형에 저항하는 탄성력에 의해, 차체의 좌우의 기울기를 억제하여 롤 강성을 높이고, 차량의 주행을 안정화시킨다.
중공 스태빌라이저 1은, 망간 붕소 강이 사용된다.
<중공 스태빌라이저 1의 소관>
중공 스태빌라이저 1에 사용되는 중공 파이프는, 전봉관, SR(Stretch Reduce)관(열간 압연 전봉 강관), 전봉 인발 강관 등이 사용된다. 도 2a는 전봉관을 나타내는 횡단면도이며, 도 2b는 SR관을 나타내는 횡단면도이다.
전봉관은, 열간에서 강판이 롤에 의해 파이프 형상으로 성형되어, 파이프의 길이 방향의 이음매가 되는 직경 방향의 끝테두리가 전기 저항 용접으로 접합된다. 그리고, 도 2a에 나타내는 파이프 이음매에 있는 외면 비드 gb는, 기능상 장애가 되기 때문에, 절삭 가공에 의해 제거된다.
SR관은, 큰 직경의 전봉관이 준비되고, 고주파 가열이 실시된다. 그 후, 열간 감소 가공에 의한 성형에 의해 작은 직경 관으로 두꺼운 두께가 되며, 소위 두꺼운 두께의 작은 직경 관의 전봉관이 제관된다(도 2b 참조).
예를 들면, 외경 약 12mm ~ 약 44mm, 판 두께 t가 약 2mm ~ 약 6.5mm의 중공 스태빌라이저 1은, 전봉관이 사용된다. t/D = 0. 09 ~ 0.22 정도의 중공 스태빌라이저 1이다. 또한 외경 약 12mm ~ 약 44mm, 판 두께 t가 약 2mm ~ 약 10mm의 중공 스태빌라이저 1에는, SR관이 사용된다. t/D = 0.12 ~ 0 31 정도의 중공 스태빌라이저 1이다.
중공 스태빌라이저 1에 있어서, 심부까지 균일한 기계적 특성을 실현시키기 위해서는, 담금질 깊이를 충분히 깊게 하고, 횡단면의 중심 부분까지 금속 조직의 주상을 경도가 높은 마르텐사이트화 하는 것이 바람직하다. 중공 스태빌라이저 1은, 후기하는 냉각제에 침지나 냉각제의 분사, 분입을 포함한 냉각을 수반하는 담금질을 실시하는 것에 의해, 주상이 마르텐사이트인 금속 조직으로 형성되어 있다.
그런데, 중공 스태빌라이저 1에 인장 응력이 잔류하고 있는 경우, 외력, 반복 하중 등에 의해 균열의 발생이나 진행을 재촉하여, 조기 파괴되기 쉬워진다. 이에 대해, 중공 스태빌라이저 1에 압축 잔류 응력이 있는 경우는, 압축 잔류 응력이 외력, 반복 하중 등의 인장 하중을 상쇄하는 방향으로 작용하는 균열 억제 효과에 의해 장수명화가 가능해진다.
이와 같이, 잔류 응력은 금속 재료의 수명과 밀접한 관계가 있으며, 특히 반복 부하에 의해 균열이 서서히 진행하는 금속 피로에 있어서는, 영향이 현저해 진다.
그래서, 중공 스태빌라이저 1의 기체(기본 본체)의 표층에, 압축 잔류 응력이 부여되어 있는 것이 바람직하다. 중공 스태빌라이저 1의 소관인 중공 파이프의 담금질 시에는, 열 응력에 의한 압축 잔류 응력과 변태 응력에 의한 인장 잔류 응력이 발생한다. 이러한 균형으로부터, 표면 잔류 응력이 소정의 분포를 나타내게 된다. 중공 파이프의 표면 근방은, 물 담금질에 의해 발생하는 열 응력은 압축 잔류 응력이 우위에 있다.
따라서, 압축 잔류 응력이 잔류 열 응력을, 인장 잔류 응력이 잔류하는 변태 응력보다도 우위에 있기 위해서는, 열 응력의 생성에 적합한 냉각 속도가 빠른 담금질 조건을 선정하는 것이 바람직하다. 또한, 중공 스태빌라이저 1에서는, 일정한 값 이상의 압축 잔류 응력이, 부식 내구성에 관련된 요인인 부식 피트의 깊이가 미치지 않는 일정 깊이 이상으로, 존재하는 것이 바람직하다.
그래서, 중공 스태빌라이저 1의 제조 시에는, 냉각제로서, 물과 동등 이상 또는 물에 가까운 열전달률을 갖는 매체에 의한 담금질을 실시하는 것으로 한다. 여기에서는, 물 담금질을 예로 들어 설명한다.
SR관의 경우, 중공 스태빌라이저 1은, 휨부 1c, 1c(도 1a, 도 1b 참조)의 내측이 담금질이 완전히 들어가지 않을 우려가 있다. 왜냐하면, 담금질 시에, 두꺼운 두께화나 형상적으로 물이 닿기 힘든 것에 의한 냉각 속도의 저하가 기인하는 것으로 생각된다. 담금질이 완전히 들어가지 않는 경우, 중공 스태빌라이저 1의 내구성에 악영향이 있다. 따라서 본 중공 스태빌라이저 1에서는, 통상의 물 담금질에 더하여, 후기하는 제트 수류에 의한 국소적인 담금질을 보완적으로 실시하고 있다.
<중공 스태빌라이저 1 금속 조직>
중공 스태빌라이저 1은, 주상이 마르텐사이트인 금속 조직을 가지고 있다. 더 구체적으로는, 중공 스태빌라이저 1의 금속 조직의 적어도 90％ 이상으로 마르텐사이트 조직을 갖는다.
중공 스태빌라이저 1의 금속 조직을 마르텐사이트 조직으로 하면 정적 강도, 내구 강도, 피로 특성 등을 향상시킬 수 있다. 또한, 단상이므로 금속 조직 중에 국부 전지가 형성되기 어렵게 되어, 내식성의 향상을 도모할 수 있다.
<중공 스태빌라이저 1의 응력 해석>
다음으로, 중실 스태빌라이저와 본 실시 형태의 중공 스태빌라이저 1을 t(판 두께)/D(외경)으로 중량 비교함과 동시에, 중공 스태빌라이저 1의 외면 1f와 내면 1e에 발생하는 응력을 정성적으로 상대 비교한 결과를 설명한다.
도 3은, 중실 스태빌라이저와 등가 사이즈의 중공 스태빌라이저를 중량, 외면 응력, 내면 응력으로 비교한 것이다. 가로축을 t(판 두께)/D(외경)로 놓고, 세로축을 중량(실선), 외면 응력(점선) 내면 응력(일점 쇄선)으로 놓고 있다. 도 3에 있어서는, 중실 스태빌라이저의 경우를 100％로 하고, 중공 스태빌라이저에서 어떻게 중량, 외면 응력, 내면 응력이 변화하는지를 나타내고 있다. 그 때문에, 중실 스태빌라이저의 중량, 외면 응력이 100％이며, 중실 스태빌라이저는, 내면이 없어 내면 응력이 발생하지 않으므로 내면 응력은 0％이다.
중량은 중실 스태빌라이저가 100％이며, t/D가 저하함(판 두께 t가 얇아짐)에 따라, 판 두께 t의 변화는 직경의 변화이므로, 중량비는 2차 함수적으로 감소한다. 중실 스태빌라이저에서 t/D가 저하하는 중공 스태빌라이저가 되면 단면적이 감소하기 때문에, 외면 응력, 내면 응력은 증가하는 경향이 된다.
외면 응력은, 중실 스태빌라이저에서 t/D = 0.275 이상의 중공 스태빌라이저 1까지 동등하며, t/D = 약 0.275를 경계로 t/D가 저하함에 따라 외면 응력은 증가한다. 또한, t/D = 약 0.275의 중공 스태빌라이저 1로 하면 중량이 약 20％ 감소할 수 있다.
내면 응력은, 중실 스태빌라이저가 0％이고, t(판 두께)가 감소함(t/D 저하함)에 따라 단면적 감소를 수반하며, 내면 응력이 증가한다. t/D가 약 0.275 이하에서의 내면 응력은 외면 응력보다 변화가 크다. t/D = 약 0.18 이하에서는, 내면에서의 피로 파괴가 발생한다. t/D = 약 0.18 이하에서는, 내면 응력 및 외면 응력 함께 급격히 상승한다. 그래서 t/D = 약 0.18 이하에서는, 내면의 경도의 향상이 더 중요하다.
이상으로부터, t/D = 약 0.18 이하에서는, 내면 응력 및 외면 응력 함께 급격히 상승하기 때문에, 내면 측 및 외면 측의 경도 향상이 더 필요하다. 또한, 중공 스태빌라이저 1은, t/D = 약 0.18~0.275 등, 판 두께 t가 두꺼워 지므로, 상기와 같이, 휨부 1c의 내측 담금질이 불충분해질 우려가 있다.
한편, t(판 두께)가 두꺼워 중실에 가까운 t/D = 0.275 이상에서는, 외면 응력이 중실의 경우와 마찬가지이며, 내면 응력이 낮기 때문에, 내면 응력의 관리는 필요없다고 생각된다.
<중공 스태빌라이저 1의 제조 방법의 일례>
다음으로, 본 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 제조 방법의 일례에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 중공 스태빌라이저의 제조 방법을 나타내는 공정도이다.
도 4에 나타내는 스태빌라이저의 제조 방법은, 성형 공정 S10과, 담금질 공정 S20과, 템퍼링 공정 S30과, 관 끝 가공 공정 S40과, 표면가공 공정 S50과, 도장 공정 S60을 순차적으로 포함한다.
중공 스태빌라이저 1의 재료로는, 상기와 같이, 예를 들면, 망간 붕소 강이 사용된다. 소재는, 관 형상의 중공 파이프 재이다. 소재의 중공 파이프 재의 길이와 직경은, 원하는 제품 형상에 따라 적절한 크기로 하는 것이 가능하다.
상기와 같이, 전봉관의 경우, 토션부 1a의 외경은 약 12mm ~ 약 44mm, 판 두께 t가 약 2mm~ 약 6.5mm의 범위를 사용한다. t/D = 0.09 ~ 0 22 정도이다. SR관의 경우, 예를 들면, 토션부 1a의 외경은 약 12mm ~ 약 44mm, 판 두께 t가 약 2mm ~ 약 10mm의 범위를 사용한다. t/D = 0.12 ~ 0 31 정도이다. t/D = 약 0.09 이하는, 가는 직경이 되기 때문에 단면 원 형상을 유지하는 것이 곤란하며 제조도 곤란하다.
중공 파이프 재는, 예를 들면, 열간 압연 강재가 사용된다. 상술한 열간 압연 강재를 사용하여, 상기의 전봉관, SR관 등이 제관된다. 그리고 소정 길이의 중공 스태빌라이저 1을 제조하는 전봉관, SR관 등의 중공 파이프 소관 1S가 준비된다.
성형 공정 S10은, 휨 가공을 실시하기 위해, 중공 파이프 소관 1S를 가열 처리하며, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서 휨 가공을 실시하여 제품 형상에 가깝게 성형하는 공정이다. 가열 방법으로는, 가열로에 의한 가열, 통전 가열, 고주파 유도 가열 등의 적절한 방법을 사용할 수 있다. 통전 가열은, 급속 가열에 의해 탈탄이나 탈붕소를 억제하면서, 중공 파이프 소관 1S를 가열 처리할 수 있다. 그때문에, 통전 가열을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고 중공 파이프 소관 1S가 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하로 가열되고, 형틀 성형에 의해, 중공 파이프 소관 1S에 휨 가공을 실시한다. 약 900°C 이상에서의 성형은, 금속의 재결정 온도 이상의 고온에서 실시하기 때문에, 가공하기 쉽다. 또한 약 720°C 이하에서의 휨 성형으로도 좋다. 약 720°C 이하에서의 휨 가공을 실시한 경우에는, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서의 성형과 달리, 금속이 부드러워지지 않은 상태에서의 휨 가공이 되기 때문에, 큰 힘을 가할 필요가 있다.
그래서, 형틀 성형이 아닌 각종 벤더에 의한 휨 가공이 된다. 벤더에 의한 휨 가공의 경우, 가열 온도가 금속의 재결정 온도 미만으로, 금속이 부드러워지지 않는다. 그 때문에, 예를 들면, 휨과 휨의 간격은 외경의 약 1배 이상 필요하다. 이에 대해, 가열 온도가 금속의 재결정 온도 이상에서의 휨 가공의 경우, 금속이 부드럽고, 휨과 휨의 간격은 벤더에 의한 휨의 절반 정도에서 끝나며, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서의 형틀 성형은 가공성이 좋다.
또한, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서의 형틀 성형은 양산성이 높다. 성형 공정 S10에 한정하면, 벤더에 의한 휨 가공에 비교해, 2배 이상의 양산성이 있다. 형틀 성형에 의해, 중공 파이프 소관 1S에 휨 가공을 실시함으로써, 중공 파이프 소관 1S에 토션부 1a 및 아암부 1b, 휨부 1C를 형성하고, 중공 파이프 소관 1S의 형상을 원하는 중공 스태빌라이저 1의 형상에 가깝게 부형된다.
또한, 휨 가공은, 원하는 제품 형상에 따라, 복수의 휨부 1c가 형성되도록 복수 개소에 실시하는 것이 가능하다. 즉, 형틀 성형에 의한 다단 휨에 의해, 복수의 휨부 1c, 토션부 1a 및 아암부 1b를 형성할 수도 있다.
담금질 공정 S20은, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S를 높은 온도(약 900°C 이상 등)로 가열하여, 냉각제에 의해 냉각하는 공정이다. 냉각제는, 물과 동등 이상 또는 물에 가까운 열전달률을 갖는 매체가 사용된다. 즉, 담금질 공정 S40은, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S를 가열하여 오스테나이트화 한 후, 하부 임계 냉각 속도 이상으로 냉각하여 담금질을 실시하는 공정이다.
냉각제의 열전달률은, 중공 파이프 소관 1S에 대하는 정지한 물 내지는 흐름을 갖는 물의 열전달률 값에 대해 ±10％ 이내의 범위인 것이 바람직하다. 담금질 온도, 가열 속도 및 담금질 유지 시간은, 적절한 범위에서 실시할 수 있다. 단, 담금질 온도는, 오스테나이트 결정립이 과도하게 조대화 하거나, 담금질 균열이 발생하는 것을 피하는 관점에서, 오스테나이트화 온도 (AC3) +100°C 이하로 하는 것이 바람직하다. 이러한 가열을 실시한 후, 냉각제를 사용하여 중공 파이프 소관 1S의 냉각을 실시하고, 중공 파이프 소관 1S의 금속 조직을 마르텐사이트화 시킨다.
중공 파이프 소관 1S의 가열 처리는, 침탄제를 병용하여 실시할 수도 있다. 즉, 담금질 공정 S20에 있어서, 중공 파이프 소관 1S에 침탄 담금질을 실시할 수도 있다. 침탄법으로는, 고체 침탄법, 가스 침탄법 및 액체 침탄법 중 어느 하나를 사용해도 좋다. 고체 침탄법으로는, 목탄 또는 골탄에 탄산 바륨(BaCO3) 등의 침탄 촉진제를 사용한다. 가스 침탄법은, C를 포함한 천연 가스 등의 가스를 사용하여 노 중에서 공기를 혼합하여 불완전 연소시키며, 가열하여 실시한다. 액체 침탄법은 NaCN 등을 주성분으로 하는 염욕 중에서 가열하여 실시한다. 침탄 온도는, 약 750°C ~ 약 950°C이다. 또한, 침탄은, 나중의 공정에서 별도 실시해도 좋다.
담금질로서는, 구체적으로는, 물 담금질, 수용액 담금질 또는 염수 담금질을 실시하는 것이 바람직하다. 물 담금질은, 냉각제로서, 물을 사용하는 담금질 처리이다. 수온은, 0°C 이상, 100°C 이하 정도, 바람직하게는 5°C 이상 40°C 이하의 온도 범위로 할 수 있다. 수용액 담금질(폴리머 담금질)은, 냉각제로서, 고분자를 첨가한 수용액을 사용하는 담금질 처리이다.
고분자로서는, 예를 들면, 폴리 알킬렌 글리콜, 폴리 비닐 피롤리돈 등의 각종 고분자를 사용할 수 있다. 고분자 농도는, 상기 소정 열전달률을 나타내는 한, 특히 제한되는 것은 아니며, 고분자의 종류나 처리에 제공하는 중공 파이프 소관 1S의 담금질 목표 등에 따라 조정될 수 있다.
염수 담금질은, 냉각제로서, 염화나트륨 등의 염류를 첨가한 수용액을 사용하는 담금질 처리이다. 소금 농도는, 상기 소정 열전달률을 나타내는 한, 특히 제한되는 것은 아니며, 처리에 제공하는 중공 파이프 소관 1S의 담금질 정도에 따라 조절할 수 있다. 이러한 담금질 처리에 있어서, 냉각제는, 교반이나 순환시켜도 좋고, 교반이나 순환시키지 않아도 좋다. 본 실시 형태에서는, 냉각제로 물을 사용하고 있으며, 도시하지 않은 담금질 조 내의 물 온도 상승을 억제하기 위해, 순환시키고 있다.
도 5a는 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S를 물 담금질하는 상태를 나타내는 평면도이고, 도 5b는 물 담금질 할 때에, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S을 요동시키는 상태를 나타내는 대각선 상방향에서 본 사시 모식도이다. 도 5a에 나타내듯, 중공 파이프 소관 1S는 물 담금질 할 때에, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S가 열 변형할 우려가 있다.
그래서, 물 담금질 할 때, 중공 파이프 소관 1S의 직관 토션부 1a가 클램프 c1, c2, c3, c4에 의해 클램프된다. 클램프 c1과 클램프 c4는, 휨부 1c의 담금질이 저해되는 것을 방지하기 위해, 토션부 1a의 휨부 1c에 거리를 두고 배치된다. 클램프 c1, c2, c3, c4에 의해 클램프(파지)되는 개소는, 냉각이 불충분하게 되는 것을 막기 위해 작은 면적이 되도록 배려한다.
그리고 클램프 c1, c2, c3, c4는 거의 대칭으로 또한 거의 등간격으로 가능한 거리를 두고 배치된다. 이로 인해, 중공 파이프 소관 1S의 변형을 균등하게 또한 가급적 억제할 수 있다. 물 담금질 시에, 중공 파이프 소관 1S가 이동되기 때문에, 아암부 1b, 1b는, 각각 그 일부가 지지부 j1, j2에 의해 지지된다. 이로 인해, 물 담금질 중, 중공 파이프 소관 1S는 담금질 치구 J에 일체가 되어 고정된다.
이렇게, 도 5b에 나타내듯, 담금질 치구에 고정된 중공 파이프 소관 1S는, 담금질 치구 J에 의해 냉각제의 물속에서, 화살표 α1, α2에 나타내듯, 요동시킴으로써 담금질이 실시된다. 즉, 구속 담금질이 실시된다. 중공 파이프 소관 1S를 클램프하여 구속 담금질하는 것에 의해, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S는 냉각에 의한 열 변형을 억제한다.
도 6a 내지 도 6c는, 각각 물 담금질 시에, 중공 파이프 소관 1S의 요동 없음, 중공 파이프 소관 1S의 요동 속도가 220mm/sec, 중공 파이프 소관 1S의 요동 속도가 500mm/sec에서의 로크웰 경도(HRC)를 비교한 그림이다. 가로축을 t(두께)/D(외경)로 놓고, 세로축에 로크웰 경도(HR C)를 놓고 있다. 로크웰 경도 40.0은 규격 하한을 표시하며, 이점 쇄선은 경도의 최대값을 나타내고, 점선은 경도의 최소값을 나타내며, 실선은 경도의 평균치를 나타낸다.
도 6a에 나타내듯, 중공 파이프 소관 1S의 요동이 없는 경우에는, t/D = 0.15 ~ 0.16, 0.20 ~ 0.24 에서 경도가 규격 하한보다 낮은 결과가 되었다. 그래서, 담금질 동안, 중공 파이프 소관 1S를 요동 속도 220mm/sec로 요동시켰더니, 도 6b에 나타내듯, 규격 하한보다 낮은 경도의 t/D가 없어지며, 경도의 하한이 상승했다.
또한, 담금질 동안, 중공 파이프 소관 1S를 요동 속도 500mm/sec로 요동시켰더니, 도 6c에 나타내듯, 경도는, 요동 속도 220mm/sec 보다 향상되어, 경도가 높은 방향으로 균일화되는 것이 밝혀졌다.
상술한 검토에 의해, 요동 속도 500mm/sec의 플러스ㆍ마이너스 150mm/sec인 약 350mm/sec 이상, 약 650mm/sec 이하에서, 바람직한 경도를 얻을 수 있는 것이 판명되었다. 요동 속도가 약 350mm/sec 미만의 경우, 요동 속도가 느리기 때문에(냉각제와 중공 파이프 소관 1S와의 상대 속도가 느리기 때문에) 열전달률이 저하되고, 냉각 속도가 느려진다. 요동 속도가 약 650mm/sec를 초과하는 경우, 요동 속도가 너무 빨라서(냉각제와 중공 파이프 소관 1S 표면과의 상대 속도가 너무 빨라서), 물과 중공 파이프 소관 1S 표면과 접촉 시간이 짧아져 열전달률이 저하되고, 냉각 속도가 느려진다.
이상으로부터, 물 담금질 동안에, 중공 파이프 소관 1S를 요동 속도 350mm/sec 이상, 약 650mm/sec로 함으로써, 냉각제의 물에 의한 중공 파이프 소관 1S 냉각이 효과적, 효율적으로 실시되며, 담금질 경도의 향상, 균일화가 가능하다. 또한, 냉각제의 종류를 바꾸거나, 냉각제의 순환 속도를 높이거나, 냉각제의 온도를 저하시키는 등을 하여, 중공 파이프 소관 1S의 요동을 실시하지 않는 구성도 가능하다.
<외면 제트에 의한 담금질>
도 7은, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측을 외면에서 국소적으로 담금질을 하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다. 그런데, 상기한 듯이, 중공 파이프 소관 1S가 두꺼운 두께의 경우, 휨부 1c, 1c(도 1a, 도 1b 참조)의 내측 1c1, 1c2는, 담금질이 완전히 들어가지 않을 우려가 있다. 예를 들면, t(판 두께)/D(외경) = 0.18 ~ 0.275의 경우, 중공 파이프 소관 1S의 판 두께가 두꺼워지므로, 담금질이 불충분해질 우려가 있다. 이 경우, 외면 제트에 의한 담금질을 실시한다.
외면 제트에 의한 담금질은, 도 7에 나타내듯, 물 담금질 동안의 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c, 1c의 내측 1c1, 1c2의 각 외면 1e에 냉각제의 제트류인 제트 수류를 연속적으로 분사하여, 급속히 냉각한다. 냉각제의 제트류는 물 이외의 액체, 기체의 제트류, 예를 들면, 상품명 "코루다" 등을 이용한 기체이어도 좋다. 기체의 제트류를 사용한 경우, 금속제의 중공 스태빌라이저 1에 대해, 방청 효과가 있다. 또한, 제조 라인이 간편해지는 효과가 있다.
구체적으로는, 한 측의 휨부 1c의 내측 1c1에 물을 분사하는 노즐 n1이 호스 h1의 선단에 소형 수중 펌프 p1을 통해 접속되어 있다. 또한, 다른 측의 휨부 1c의 내측 1c2에 물을 분사하는 노즐 n2가 호스 h2의 선단에 소형 수중 펌프 p2를 통해 접속되어 있다. 적어도, 노즐 n1, n2는 담금질 치구 J에 일체가 되어 고정되어 있으며, 중공 파이프 소관 1S의 상대적인 위치가 변하지 않는 상태에서 실시된다. 호스 h1, h2는 고무제, 수지제, 금속제 예를 들면 스테인레스 스틸(SUS)로 만들어진 주름 구조의 플렉시블 관이어도 좋으며, 가요성, 방청성 등 냉각제의 물을 원활하게 장시간 공급할 수 있는 기능이 있으면, 특히 한정되지 않는다.
담금질 동안, 한 측의 노즐 n1의 선단이, 요동 중인 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 한 측의 휨부 1c의 내측 1c1을 향한다. 그리고 소?? 수중 펌프 p1으로 호스 h1 내의 냉각제의 물을 퍼 올리는 것으로, 노즐 n1에서 제트 수류가 한 측의 휨부 1c의 내측 1c1 외면에 닿아서, 급속히 냉각(담금질) 된다. 동시에, 다른 측의 노즐 n2의 선단이, 중공 파이프 소관 1S의 다른 측의 휨부 1c의 내측 1c2를 향한다. 그리고 소형 수중 펌프 p2에서 호스 h2 내의 물을 퍼 올리는 것으로, 노즐 n2에서 제트 수류가 다른 측의 휨부 1c의 내측 1c2 외면에 닿아서, 급속히 냉각(담금질) 된다.
또한, 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2로의 외면 제트의 유량은, 검토 결과, 제트 유량은 8.5ℓ/min 이상, 유속은 2000mm/sec 이상이 바람직하다. 제트 유량 8.5ℓ/min 미만, 유속 2000mm/sec 미만의 경우, 중공 파이프 소관 1s의 휨부 1c의 냉각 속도가 저하하는 결과가 되었다. 이로 인해, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c, 1c의 각 내측 1c1, 1c2의 담금질을 더 완전하게 할 수 있다.
<외면 제트의 효과>
도 8은, 외면 제트에 의한 효과를 경도로 나타내는 그림이다. 가로축을 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 표면으로부터의 깊이(거리)로 놓고, 세로축을 비커스 경도로 놓고 있다. 또한 비커스 경도 시험의 압자(경도계)의 하중은 300gf 이다. 도 8에서는, 참고로 로크웰 경도 HRC40, 43을 나타낸다.
공시관 A, B를 각각 외면 제트 있음, 없음에서의 비커스 경도를 측정했다. 공시관 A의 외면 제트 없음은 굵은 실선으로 나타내고, 공시관 A의 외면 제트 있음은 굵은 점선으로 나타낸다. 공시관 B의 외면 제트 없음은 가는 실선으로 나타내고, 공시관 B의 외면 제트 있음은 가는 점선으로 나타낸다.
도 8의 굵은 점선, 가는 점선의 비커스 경도가 높게, 공시관 A, B 함께 외면 제트를 실시하는 것으로, 경도가 향상되고 있는 것을 알 수 있다. 이상으로부터, 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2에 냉각제에 의한 외면 제트를 실시함으로써, 담금질성이 향상하는 것을 확인할 수 있었다. 상술한 냉각제에 의한 외면 제트는, 중공 파이프 소관 1S를 냉각제에 침지하는 일없이 실시해도 좋다.
템퍼링 공정 S30(도 4 참조)은, 담금질된 중공 파이프 소관 1S에 템퍼링을 실시하는 공정이다. 템퍼링은, 담금질에 의해 얻은 안정되지 않은 금속 조직에 대해 변태 또는 석출을 진행시켜 안정적인 조직에 가깝게 하고, 소요의 성질, 상태를 주기 위해(특히 인성을 높이기 위해) 실시하는 가열, 냉각의 공정이다. 가열은, 가열로, 통전 가열, 고주파 유도 가열로 Ac1 변태점 이하의 온도에서 실시된다. 냉각은 수냉 등 임의의 방법으로 실시할 수 있다.
표 1은, 템퍼링에 따른 피로 시험에 사용된 공시관 C, D의 화학 성분을 나타내는 표이다.
화학성분
강 종류 C Si Mn P S Cr B 기타
공시관C 0.24 0.18 0.40 0.009 0.004 0.25 0.0042
Fe 기타
공시관D 0.30 0.20 1.30 0.015 0.004 0.0010
도 9는, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서의 성형 공시관 C를 템퍼링 온도 350°C로 템퍼링을 실시하고, 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서의 성형 공시관 D를 템퍼링 온도 350°C, 400°C에서 템퍼링을 실시하여, 내구성을 비교한 S-N 곡선이다. 가로축에 내구 회수(반복 횟수)를 나타내고, 세로축에 응력 진폭(MPa)(피로 강도)를 나타낸다. 도 9는, 참고로 기존의 물 담금질 만의 중공 파이프 소관의 와이블 분포의 50％ 파손 확률(평균)을 일점 쇄선으로 나타내고, 10％ 파손 확률(평균)을 점선으로 나타낸다.
성형 공정 S10에 있어서 중공 파이프 소관 1S를 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하로 성형한 공시관 C의 350°C로 가열한 템퍼링 수명(피로 파괴의 횟수)를 "●"로 나타내고, 성형 공정 S10에 있어서 중공 파이프 소관 1S를 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하로 성형한 공시관 D의 350°C로 가열한 템퍼링의 수명(피로 파괴의 횟수)를 ""로 나타내며, 동일하게 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하로 성형한 공시관 D의 400°C로 가열한 템퍼링의 수명(피로 파괴의 횟수)를 "■"로 나타낸다. 도 9에 의해, 성형 공정 S10에 있어서, 중공 파이프 소관 1S를 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하로 성형 한 공시관 C, D는, 350°C, 400°C의 템퍼링 온도로 기존과 동일한 수명을 얻을 수 있는 것이 밝혀졌다.
도 10은 약 720°C 이하에서의 성형 강종 D의 템퍼링 온도 250°C, 300°C의 내구성을 비교한 S-N 선도이다. 가로축에 내구 회수(반복 횟수)를 나타내고, 세로축에 응력 진폭(MP a)(피로 강도)를 나타낸다. 도 10은, 참고로 기존의 물 담금질 만의 중공 파이프 소관의 와이블 분포의 50％ 파손 확률(평균)을 일점 쇄선으로 나타내고, 10％ 파손 확률(평균)을 점선으로 나타낸다. 공시관 D 250°C로 가열한 템퍼링의 수명(피로 파괴 횟수)를 "▲"로 나타내고, 공시관 D의 300°C로 가열한 템퍼링의 수명(피로 파괴 횟수)를 "■"로 나타낸다.
성형 공정 S10에 있어서 중공 파이프 소관 1S를 약 720°C 이하로 성형 실시한 경우, 250°C로 가열하는 것보다도 300°C로 가열하는 템퍼링이, 내구성이 향상되는 것이 확인되었다. 이 검토로부터, 성형을 약 720°C 이하로 실시하는 중공 스태빌라이저 1의 경우, 템퍼링의 가열 온도는 약 200°C ~ 약 290°C가 바람직하며, 약 230°C ~ 약 270°C가 가장 바람직한 것이 판명되었다.
관 끝 가공 공정 S40(도 4 참조)은, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 양단부에 가공을 실시하고, 스태빌라이저 링크 2(도 1a, 도 1b 참조)에 연결되는 연결부 1d, 1d를 형성하는 공정이다. 관 끝 가공 공정 S40에서는, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 말단을 프레스 압축 가공으로 소성 변형시켜 편평 형상으로 형성한 후, 천공틀로 구멍을 낸다. 이로 인해, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S의 말단에 장착 구멍 1d1, 1d1을 각각 갖는 연결부 1d, 1d가 형성된다. 또한, 연결부 1d, 1d의 형태나 형성 방법은, 특히 제한되지 않는다.
표면가공 공정 S50(도 4 참조)은, 담금질이 실시되고 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S에 샷 피닝을 실시하는 공정이다. 샷 피닝은 약 900°C 이하 및 약 720°C 이하의 어느 온도 이하로 실시해도 좋고, 입자경이나 투사 속도 등의 조건을 바꾸어 여러 번 반복해 실시해도 좋다. 샷 피닝을 실시함으로써, 중공 스태빌라이저 1의 표면에 압축 잔류 응력이 부가되고, 피로 강도나 내마모성의 향상과 함께, 시효 균열이나 응력 부식 균열 등의 방지를 도모한다. 샷 피닝은, t/D = 약 0.18 이하의 중공 스태빌라이저 1의 내구성 향상 등에 효과가 있다.
도장 공정 S60은, 중공 파이프 소관 1S에 도장하는 공정이다. 중공 파이프 소관 1S에 도장 처리를 실시하기 위해, 먼저 표면 세정이나 표면 처리를 실시한다. 중공 파이프 소관 1S의 표면에, 유지분이나 이물질 등을 제거하는 제거 처리나 준비 처리 등의 각종 전처리를 실시한다. 준비 처리로서는, 예를 들면, 인산 아연, 인산 철 등의 피막을 형성할 수 있다.
그 후, 중공 파이프 소관 1S에 예가열을 실시한다. 도장 전에 예가열(예열)을 실시함으로써, 도장 처리 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 도료의 온도 상승이 표면 측에 치우치지 않도록 가능하기 때문에, 도막의 밀착성을 향상시킬 수 있다. 가열 방법으로서는, 가열로에 의한 가열, 적외선 가열 등의 적절한 방법을 사용할 수 있다. 또한, 전처리에 있어서 가열 건조에 의한 탈수를 실시하는 경우에는, 가열 건조 후 여열을 도료의 도착에 이용할 수도 있다. 그 때문에, 탈수에 있어서 가열 건조 온도가 충분히 높은 경우에는 전처리 후에, 예가열을 실시하는 일없이, 도장을 실시해도 좋다.
그리고, 중공 파이프 소관 1S에 도료를 사용한 도장이 실시된다. 도료로서는, 분체 도료가 바람직하게 사용되며, 예를 들면, 에폭시 수지제의 분체 도료를 바람직하게 사용할 수 있다. 도장 방법으로는, 예를 들면, 중공 스태빌라이저 1의 표면에 두께 50㎛ 이상 정도의 도막이 형성되도록 도료를 분사하는 방법이나, 도료에 침지시키는 방법을 사용할 수 있다. 도장 처리로서, 전착 도장, 용제 도장 등을 실시해도 좋다.
이상 설명한 공정을 거쳐, 중공 스태빌라이저 1(도 1b 참조)을 제조할 수 있다.
<< 기타 담금질 시의 냉각법의 예 >>
<내면 제트에 의한 담금질>
중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 담금질성을 높이고 싶은 경우, 중공 파이프 소관 1S를 내면 1f에서 국소적으로 담금질을 실시하는, 냉각제의 내면 제트에 의한 담금질이 실시된다.
예를 들면, t(판 두께) / D(외경) = 0.25 ~ 0.275의 경우, 중공 파이프 소관 1S의 판 두께가 두꺼워지므로, 담금질이 불충분하게 될 우려가 있다. 이 경우 내면 제트에 의한 담금질이 효과가 있다.
<내면 제트에 의한 담금질 법>
도 11은, 내면 제트에 의한 담금질 방법으로, 휨 성형된 중공 파이프 소관 1S를 내면에서 국소적으로 담금질을 실시하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다. 내면 제트에 의한 담금질은, 다음과 같이 이루어진다. 중공 파이프 소관 1S의 양단부 개구의 관 끝 1s1, 1s2에 간격을 두고, 각각 중공 파이프 소관 1S의 내경에 대응한 노즐 n3, n4가 배치된다. 노즐 n3, n4의 직경은 중공 파이프 소관 1S의 내경에 대응하여, 적절하게 결정된다.
노즐 n3, n4에는 각각 소형 수중 펌프 p3, p4를 통해, 가요성의 호스 h3, h4가 접속된다. 호스 h3, h4는, 고무제, 수지제, 금속제, 예를 들면, 스테인레스 강(SUS)으로 만들어진 주름 구조의 플렉시블 관이어도 좋고, 가요성, 방청성 등, 냉각제의 물을 원활하게 장시간 공급할 수 있는 기능이 있으면, 특히 한정되지 않는다.
노즐 n3, n4, 소형 수중 펌프 p3, p4 등은, 중공 파이프 소관 1S가 클램프되는 담금질 치구 J에 고정되고, 중공 파이프 소관 1S와 일체로 요동한다. 즉, 중공 파이프 소관 1S의 담금질의 냉각 동안, 중공 파이프 소관 1S와 노즐 n3, n4의 상대적인 위치는 변하지 않는다.
소형 수중 펌프 p3, p4에 의해 각각 호스 h3, h4 내의 물을 퍼 올려, 노즐 n3, n4에서, 각각 중공 파이프 소관 1S의 양단부 개구의 관 끝 1s1, 1s2에 제트 수류가 분입된다(도 11의 흰색 화살표 β1, β2).
한 쪽의 관 끝 1s1에서 중공 파이프 소관 1S내에 들어간 제트 수류는, 관내를 흐르며(도 11의 흰색 화살표 β10), 양 휨부 1c, 1c의 내면 1f1, 1f2 를 차례로 급속히 냉각하고, 다른 관 끝 1s2로부터 배출된다(도 11의 화살표 β3).
동일하게, 다른 쪽의 관 끝 1s2로부터 중공 파이프 소관 1S내에 들어간 제트 수류는, 관내를 흐르며(도 11의 흰색 화살표 β20), 양쪽 휨부 1c, 1c의 내면 1f2, 1f1을 차례로 급속히 냉각하고, 한쪽의 관 끝 1s1으로부터 배출된다(도 11의 화살표 β4).
노즐 n3, n4는 각각 중공 파이프 소관 1S의 관 끝 1s1, 1s2로부터 이격되어 배치하므로, 제트 수류의 배출(도 11의 화살표 β3, β4)을 저해하는 것은 아니다. 또한, 노즐 n3, n4의 직경을 양방향에서 제트 수류가 원활히 실시될 수 있도록 적절히 설정할 수 있다.
상술한 듯이, 노즐 n3, n4가, 중공 파이프 소관 1S에 대칭으로 중공 파이프 소관 1S의 관 끝 1s1, 1s2 내에 제트 수류를 분입하므로, 냉각 속도, 냉각 온도가 좌우 대칭이 되어, 더 균일하고 품질 높은 담금질을 할 수 있다. 또한, 중공 파이프 소관 1S내의 내면 제트의 유량은, 검토 결과, 제트 유량은 8.5ℓ/min 이상, 유속은 2000mm/sec 이상이 바람직하다. 제트 유량 8.5ℓ/min 미만, 유속 2000mm/sec 미만의 경우, 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 냉각 속도가 저하하는 결과가 되었다.
<내면 제트에 의한 담금질의 효과>
도 12는, 물 담금질 및 내면 제트에 의한 담금질의 효과를, 물 담금질 만의 경우와 비교를 피로 시험으로 나타내는 S-N 곡선이다. 가로축에 내구 회수(반복 횟수)를 나타내고, 세로축에 응력 진폭(MPa)(피로 강도)를 나타낸다. 도 12에서는, 기존의 물 담금질 만의 중공 파이프 소관의 와이블 분포의 50％ 파손 확률(평균)을 일점 쇄선으로 나타내고, 10％ 파손 확률(평균)을 점선으로 나타낸다.
종래의 물 담금질 만의 중공 파이프 소관 1S의 피로 파괴의 횟수를 "▲"로 나타내고, 본 실시 형태의 물 담금질에 내면 제트 수류에 의한 담금질을 가한 담금질의 중공 파이프 소관 1S의 피로 파괴의 횟수를 "△"로 나타낸다. 도 12에서, 내면 제트 있음(△)의 경우가 내면 제트 없음(▲)의 경우보다 내구성 회수가 상승하고, 내면 제트를 실시함으로써 내구성이 향상되는 것이 확인되었다. 또한, 노즐 n3, n4으로부터의 냉각제 분입은 서로 지나치게(엇갈리게) 실시해도 좋다. 물론, 상품명 "코루다" 등의 기체 제트류이어도, 중공 스태빌라이저 1의 급냉에 의한 열처리 효과를 얻을 수 있다. 또한, 중공 스태빌라이저 1의 제조 라인이 간편하게 됨과 동시에 제조 라인이 정리되는 효과를 얻을 수 있다.
<< 담금질 시 다른 예의 내면 제트에 의한 냉각법 >>
도 13은, 다른 예의 내면 제트에 의한 담금질 방법으로, 휨 성형 된 중공 파이프 소관 1S을 내면에서 담금질을 실시하고 있는 상태를 나타내는 평면도이다. 제2의 내면 제트에 의한 담금질 방법은, 다음과 같이 실시된다. 중공 파이프 소관 1S의 한 쪽 개구의 관 끝 1s1에 대향하고, 적절한 거리를 이격하여, 노즐 n5가 배치된다. 노즐 n5의 직경은 중공 파이프 소관 1S의 내경에 대응하여, 적절하게 결정된다.
중공 파이프 소관 1S의 다른 쪽 개구의 관 끝 1s2에는, 관 끝 1s2에서 배출되는 제트 수류의 유속을 부드럽게 흘리는 관 형상의 분사 가드 g1이 배치된다. 노즐 n5는, 각각 소형 수중 펌프 p5를 통해, 가요성의 호스 h5가 접속된다. 호스 h5는, 고무제, 수지제, 금속제 등 임의로 선택한다.
노즐 n5, 분사 가드 g1 등은, 중공 파이프 소관 1S가 클램프되는 담금질 치구 J에 고정되고, 중공 파이프 소관 1S와 일체로 요동된다. 즉, 중공 파이프 소관 1S의 담금질의 냉각 동안, 중공 파이프 소관 1S와 노즐 n5, 분사 가드 g1의 상대적인 위치는 불변이다.
소형 수중 펌프 p5에 의해 호스 h5 내의 물을 퍼 올려, 노즐 n5에서, 각각 중공 파이프 소관 1S의 한쪽 단부 개구의 관 끝 1s1 내에 제트 수류가 분출된다(도 13의 흰색 화살표 β5). 한쪽의 관 끝 1s1에서 중공 파이프 소관 1S내에 들어간 제트 수류는, 관내를 흐르며(도 13의 흰색 화살표 β50), 휨부 1c의 내면 1f1 및 휨부 1c의 내면 1f2를 차례로 급속하게 냉각하고, 다른 쪽의 관 끝 1s2로부터 배출된다(도 13의 화살표 β6).
상술한 제2의 내면 제트에 의해, 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c1의 내면 1f1과 휨부 1c2의 내면 1f2의 담금질 성이 향상된다. 또한, 중공 파이프 소관 1S의 양단부 개구의 관 끝 1s1, 1s2에서, 동시에 제트 수류를 흘리는 경우가 담금질에 의한 변형이 더 억제되어, 더 바람직하다.
<t/D에 의한 중공 스태빌라이저 1의 제법 분리>
도 3에 의해, t/D = 약 0.18 미만에서는, 외면 응력 및 내면 응력이 급격히 증가하기 때문에, 샷 피닝이나, 표면에서 탄소를 확산시켜 표면에 고탄소의 합금층을 만들어, 더 내면의 경도를 높이는 침탄이 실시된다.
또한, 중공 스태빌라이저 1은, t/D = 약 0.18~0.275 등 판 두께 t가 두꺼워지면, 전기한 듯이, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2 담금질이 불충분해질 우려가 있다. 그래서 t/D = 약 0.18 ~ 0.275 등의 영역에서는, 상기한 냉각제를 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2에 대해 분사하는 냉각을 수반하는 담금질로 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 경도를 높이고, 담금질 부족을 개선한다.
t/D = 약 0.18 ~ 약 0.275 에서는, 냉각제의 물 등에 침지한 요동을 실시하는 담금질을 실시한다. 나아가, 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 경도를 높이기 위해, 외면 제트류의 담금질을 실시한다.
특히, t/D = 약 0.25 ~ 약 0.275에서는, 판 두께 t가 두꺼워져, 휨부 1c에 담금질이 불충분해질 우려가 있으므로, 내면 제트류의 담금질을 병용해도 좋다. t/D = 약 0.275 이상에서는, 외면 응력이 중실 스태빌라이저와 동등하며, 내면 응력이 비교적 낮으므로 내면 경도는 낮아도 좋다. 즉, 상기 냉각제의 물 등에 침지한 요동을 실시하는 담금질을 실시하면 좋다.
이상으로부터, 중공 스태빌라이저 1의 아암부 1b의 외면 1e의 경도에 비해, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e의 경도가 적어도 약 70％ 이상인 중공 스태빌라이저 1을 실현할 수 있다. 또한, 제트 스트림 없음의 경우, 아암부 1b의 외면 1e의 경도에 비해, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e의 경도가 약 34％ ~ 약 40％ 이였지만, 제트류를 이용함으로써, 약 70％ 이상으로 할 수 있었다. 결과적으로서, 경도비가 약 70％ 이상이면 실용 수준에 있다고 말할 수 있다. 또한, 제트 수류에 의한 담금질을 연구함으로써 아암부 1b의 외면 1e의 경도에 비해, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e의 경도를 약 80％ 이상이나 약 90％ 이상으로 할 수 있다. 경도는 로크웰 경도 또는 비커스 경도에 의한 것으로 한다.
상기 구성에 의하면, 다음의 효과를 나타낸다.
1. 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c에 냉각제에 침지하는 담금질에 더해, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e를 향해 냉각제를 연속적으로 분사하므로, 냉각제에 침지하는 담금질로는 불충분하기 쉬운 개소에 충분한 담금질을 실시할 수 있다. 또한, 중공 스태빌라이저 1 전체의 냉각 속도 향상을 도모할 수 있다.
2. 중공 스태빌라이저 1의 양 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e에 대해, 동시에 냉각제를 연속적으로 분사하므로 냉각 속도가 거의 같아지고, 좌우 대칭 휨부 1c에 의해 균일하며 동일한 경도를 갖는 중공 스태빌라이저 1이 얻어진다.
3. 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c의 내면 1f에 대해, 단부 개구의 관 끝 1s1 또는 관 끝 1s2로부터 냉각제를 연속적으로 분입하므로, 휨부 1c의 내면 1f1, 1f2의 경도를 높일 수 있다. 또한, 중공 스태빌라이저 1 전체의 냉각 속도 향상을 도모할 수 있다.
4. 또한 중공 스태빌라이저 1의 양단부 개구의 관 끝 1s1, 1s2 내에 동시에, 냉각제를 연속적으로 분입하므로, 휨부 1c의 내면 1f1, 1f2에서의 냉각 속도가 거의 같아지며, 좌우 대칭인 휨부 1c에 균일하며 양호한 경도를 갖는 중공 스태빌라이저 1이 얻어진다.
5. 담금질 시에, 냉각제에 침지 시의 요동 속도를 약 350mm/sec 이상, 약 650mm/sec 이하로 함으로써, 담금질 경도의 향상, 균일화가 가능하다 .
6. 중공 스태빌라이저 1을 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서 성형함으로써 형틀 성형할 수 있으므로, 약 720°C 이하에서의 성형 벤더에 의한 휨 성형에 비해, 형상 자유도가 높다. 예를 들면, 벤더 휨의 경우, 휨과 휨의 사이는 직경의 1배 이상이 필요하지만, 형틀 휨의 경우, 휨과 휨 사이의 치수를 없앨 수 있다.
7. 중공 스태빌라이저 1을 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서 성형하는 것으로 형틀 성형할 수 있으므로, 약 720°C 이하에서의 성형 벤더에 의한 휨 성형에 비해, 생산성을 배 이상으로 향상시킬 수 있다.
8. 중공 스태빌라이저 1을 약 900°C 이상, 약 1200°C 이하에서 성형하는 것으로 형틀 성형할 수 있으므로, 중실 스태빌라이저의 생산 라인을 사용할 수 있다.
9. 중공 스태빌라이저 1의 담금질에 기름 담금질을 대신하여, 물 담금질, 수용액 담금질 또는 소금물 담금질 등의, 물과 동등 이상 또는 물에 가까운 열전달률을 갖는 매체에 의한 담금질을 채용할 수 있으므로, 기름 담금질용 광유 등의 유성 냉각제의 관리 보안이나 폐기 경비가 필요없다. 예를 들면, 기름 담금질용 광유는 폐기업자에 떠맡기고 있어, 폐기 비용이 늘어난다. 이에 대해, 본 실시 형태의 물 담금질에 사용한 물은, 스케일을 제외하고 방류할 수 있다. 그 때문에, 중공 스태빌라이저 1의 생산 비용을 저감할 수 있다. 또한, 중공 스태빌라이저 1의 효율적인 생산이 가능하다.
10. 상기와 같이, 두꺼운 두께의 중공 스태빌라이저 1의 아암부 1b의 외면 1e의 경도에 비해, 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e의 경도를 적어도 약 70％ 이상으로 할 수 있으므로, 경량이면서, 내구 피로성, 강도가 향상되는 중공 스태빌라이저 1을 실현할 수 있다.
<< 그 외의 실시 형태 >>
1. 상기 실시 형태에서 설명한 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1c에 냉각제의 외면 제트 또는 내면 제트에 의한 냉각은 단독으로 독립해 실시해도 좋다. 예를 들면, 중공 스태빌라이저 1의 휨부 1C에 외면 제트 또는 내면 제트는, 각각 내면 제트 또는 외면 제트를 실시하지 않고 실시해도 좋다. 또한, 냉각제에 침지하는 담금질을 실시하지 않고, 외면 제트 또는 내면 제트를 실시해도 좋다.
2. 상기 실시 형태에서 설명한 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S를 오스테나이트화 한 후에, 하부 임계 냉각 속도 이상으로 담금질을 실시한 담금질은, 예를 들면 차가운 공기, 상품명 "코루다" 등의 기체, 물 이외의 액체 냉각을, 휨 가공이 실시된 중공 파이프 소관 1S의 휨부 1c의 내측 1c1, 1c2의 외면 1e로 뿜어내는 또는 내면 1f에 분입하는 것에 의해 실시해도 좋다.
3. 상기 실시 형태에서는, 다양한 구성을 설명했지만, 각 구성을 선택하거나, 각 구성을 적절히 선택하고 조합하여 구성해도 좋다.
4. 상기 실시 형태는, 본 발명의 일례를 설명한 것이며, 본 발명은, 특허 청구의 범위 또는 실시 형태에서 설명된 범위에 있어서, 다양하고 구체적인 변형 형태가 가능하다.
1 스태빌라이저(중공 스태빌라이저)
1a 토션부
1b 아암부
1c 휨부
1e 외면
1f1, 1f2 내면
1s1, 1s2 개구
1S 중공 파이프 소관(소관)

Claims (13)

  1. 차량에 구비되어, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비한 관 형상의 중공 스태빌라이저로서,
    상기 아암부 외면의 경도에 대해, 상기 휨부의 휨 내측 외면의 경도가 70％ 이상인 것을 특징으로하는 중공 스태빌라이저.
  2. 차량에 구비되어, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비하는 관 형상의 중공 스태빌라이저로서,
    상기 휨부는, 국소적으로 또는 내면 측으로부터 경도가 높아지는 처리가 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    판 두께를 t로 하고, 외경을 D라고 한 경우, t/D = 0.18 이상 0.5 미만이며,
    상기 휨부의 휨 내측의 외면에 대해 냉각제가 분사되는 냉각을 수반하는 담금질이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    판두께를 t로 하고, 외경을 D라고 한 경우, t/D = 0. 25 ~ 0. 275 미만이며,
    상기 중공 스태빌라이저의 내부에 냉각제가 분입되는 냉각을 수반하는 담금질이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    판 두께를 t로 하고, 외경을 D라고 한 경우, t/D = 0.1 ~ 0.18이며,
    상기 휨부의 휨 내측의 외면 또는 내면에, 적어도 샷 피닝 또는 침탄 중의 어느 하나가 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  6. 차량에 구비되어, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비하는 관 형상의 중공 스태빌라이저로서,
    상기 휨부의 휨 내측의 외면에 대해, 냉각제가 분사되는 담금질이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  7. 청구항 6에 있어서,
    좌우의 상기 휨부의 휨 내측의 양 외면에 대해 함께 상기 냉각제가 분사되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  8. 차량에 구비되어, 차폭 방향으로 연장되는 토션부와, 차량의 전후 방향으로 연장되는 아암부와, 상기 토션부와 상기 아암부를 접속하는 휨부를 구비하는 관 형상의 중공 스태빌라이저로서,
    상기 중공 스태빌라이저의 내부에 냉각제가 분입되는 담금질이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  9. 청구항 4 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 중공 스태빌라이저의 양단부에서 냉각제가 분입되는 담금질이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2 또는 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각제 유량은 8.5ℓ/min 이상, 유속은 2000m/sec 이상으로 분사 또는 분입되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2 또는 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서,
    냉각제에 침지하여 냉각하는 담금질이 실시되고, 요동 속도 350mm/sec 이상 650mm/sec로 요동하는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  12. 청구항 1 또는 청구항 2 또는 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서,
    900°C 부터 1200°C 에서 휨 성형이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2 또는 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서,
    720°C 이하로 휨 성형이 실시되고, 230°C ~ 270°C로 가열해 템퍼링이 실시되는 것을 특징으로 하는 중공 스태빌라이저.



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