KR20210132046A - 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터용 나선형 압축 스프링 - Google Patents
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Abstract
나선형 압축 스프링의 외경은 15 내지 50 mm이다. 나선형 압축 스프링은 나선형으로 권취된 강철 와이어를 포함한다. 강철 와이어의 직경 d(mm)는 2 내지 5 mm이다. 강철 와이어는, 0.8 내지 0.95 중량% C; 0.2 내지 0.9 중량%의 Mn; 0.1 내지 1.4 중량%의 Si; 0.15 내지 0.4 중량%의 Cr; 임의로 0.04 내지 0.2 중량%의 V; 임의로 0.0005 내지 0.008 중량%의 B; 임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al; 불가피한 불순물; 및 나머지는 철로 구성되는 강철 합금을 포함한다. 강철 합금은 탄소 당량이 1보다 높다. 탄소 당량은 C 중량% + (Mn 중량%/6) + (Si 중량%/5) + (Cr 중량%/5) + (V 중량%/5)로서 정의된다. 나선형 압축 스프링의 강철 와이어의 미세 구조는 드로잉된 라멜라 펄라이트이다.
Description
본 발명은 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터용 나선형 압축 스프링에 관한 것이다. 본 발명은 또한 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터에 관한 것이다.
SUV(Sports Utility Vehicle)는 인기가 증가되었다. SUV에는 큰 - 따라서 무거운 - 테일게이트가 있다. 그러한 SUV의 테일게이트를 개폐하기 위해 액추에이터에 나선형 압축 강철 스프링을 사용하는 것으로 알려져 있다.
모터로 작동되는 테일게이트 개폐용 액추에이터를 사용하는 경향이 증가하고 있다. US2018/0216391A1호 및 US2017/0114580A1호는 그러한 액추에이터를 개시한다.
이러한 통상적인 액추에이터에서, 테일게이트는 압축 모드에서 작동하는 나선형 강철 와이어 스프링의 힘을 해제함으로써 개방된다. 테일게이트는 모터의 작동에 의해 폐쇄되고; 이로써 모터는 나선형 강철 와이어 스프링을 압축한다. 이러한 용례를 위한 나선형 강철 와이어 스프링은 매우 엄격한 요구 사항을 충족해야 한다. 제1 요구 사항에 따르면, 나선형 스프링은 테일게이트 개폐 시스템을 가능한 한 콤팩트하게 만들기 위해 작은 직경을 가져야 한다. 스프링은 일관된 방식으로 높은 압축력을 견딜 수 있어야 한다. 스프링의 이완은, 주어진 압축에 대한 스프링 힘을 스프링 이완이 수정하기 때문에, 낮아야 하며, 이는 테일게이트 개폐 액추에이터의 작동에 부정적일 것이다. 더욱이, 스프링은 스프링의 높은 부하에서 테일게이트의 필요한 수의 개폐 사이클을 견뎌야 한다는 점에서, 충분한 피로 저항을 가져야 한다. SUV의 테일게이트의 크기 때문에, 사용되는 스프링은 긴 길이를 갖는다.
자동차의 테일게이트 개폐 액추에이터용 나선형 스프링을 제조하기 위해 마르텐사이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어를 사용하는 것이 알려져 있다. 마르텐사이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어는 통상적으로 경화 및 템퍼링 열처리 작업에 의해 제조된다.
DE202004015535U1호는 자동차의 테일게이트 개폐 시스템을 설명한다. 시스템은 나선형 강철 와이어 스프링을 포함한다. 스프링은 직경이 적어도 1 mm인 강철 와이어로 제조된다. 강철 와이어를 제조하는 강철 합금은 0.5 내지 0.9 중량%의 탄소, 1 내지 2.5 중량%의 실리콘, 0.3 내지 1.5 중량%의 망간, 0.5 내지 1.5 중량%의 크롬, 철 및 불순물을 포함한다. 강철 합금은 임의로 0.05 내지 0.3 중량%의 바나듐 및/또는 0.5 내지 0.3 중량%의 니오븀 및/또는 탄탈을 포함한다. 강철 와이어는 파텐팅(patenting) 작업을 통해 이어서 와이어 드로잉(wire drawing)에 의해 제조된다. 이후에, 강철 와이어를 경화 및 템퍼링하여 마르텐사이트 미세 구조, 2300 N/mm2보다 높은 인장 강도, 및 40% 초과의 파단 단면적 감소를 획득한다. 획득한 강철 와이어를 나선형 스프링으로 냉간 성형한 다음, 200℃ 내지 400℃의 온도에서 응력을 완화시킨다. 스프링은 숏 피닝되어 그 내구성을 증가시킬 수 있다.
경화 드로잉된 강철 와이어로 제조된 나선형 스프링이 존재한다. 유럽 표준 EN 10270-1:2011의 제목은 "Steel wire for mechanical springs - Part 1: Patented cold drawn unalloyed spring steel wire"이다. 제목이 비합금 스프링 강철 와이어를 언급하지만, 표준의 섹션 6.1.2는 미세 합금 요소의 추가가 제조자와 구매자 간에 합의될 수 있음을 나타낸다. 이 표준은 강철 스프링 와이어를 2개의 방식으로 구분한다. 제1 방식은 정적 듀티(S) 또는 동적 듀티(D)에 따른 것이다. 제2 방식은 인장 강도에 따라 낮음(L), 중간(M) 또는 높음(H)이다. 2개의 방식을 조합하면 5가지 등급의 스프링 강철 와이어(SL, SM, DM, SH 및 DH)가 제공되며, 그 기계적 특성(그 중 인장 강도 Rm)과 품질 요구 사항은 강철 와이어 직경의 함수로서 표준 EN 10270-1:2011의 표 3에 제공된다. 예로서, 직경이 3.8 내지 4 mm인 강철 와이어의 경우, 등급 DH(지정된 가장 높은 인장 강도를 갖는 등급)의 인장 강도 Rm은 1740 내지 1930 MPa이어야 한다.
본 발명의 제1 양태는, 바람직하게는 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터에 사용하기 위한 나선형 압축 스프링이다. 나선형 압축 스프링의 외경은 15 내지 50 mm이다. 나선형 압축 스프링은 나선형으로 권취된 강철 와이어를 포함한다. 강철 와이어의 직경 d(mm)는 2 내지 5 mm이다. 강철 와이어는, 0.8 내지 0.95 중량%의 C; 0.2 내지 0.9 중량%의 Mn; 0.1 내지 1.4 중량%의 Si; 0.15 내지 0.4 중량%의 Cr; 임의로 0.04 내지 0.2 중량%의 V; 임의로 0.0005 내지 0.008 중량%의 B; 임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al; 불가피한 불순물; 및 나머지는 철로 구성되는 강철 합금을 포함한다. 강철 합금은 탄소 당량이 1보다 높다. 탄소 당량은 C 중량% + (Mn 중량%/6) + (Si 중량%/5) + (Cr 중량%/5) + (V 중량%/5)로서 정의된다. 나선형 압축 스프링의 강철 와이어의 미세 구조는 드로잉된 라멜라 펄라이트이다.
놀랍게도, 본 발명의 나선형 압축 스프링은 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터에 사용하기에 이상적으로 적합하다. 마르텐사이트 강철 와이어는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터용 나선형 압축 스프링에 사용하도록 종래 기술에 설명되어 있다. 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터용 나선형 스프링에 필요한 강철 와이어는 직경이 2 내지 5 mm이여야 하며 높은 강도와 충분한 연성을 가져야 한다. 이들 직경의 경화 및 템퍼링된 강철 와이어(마르텐사이트 미세 구조를 가짐)는 가장 높은 강도를 갖는다. 이러한 경화 및 템퍼링된 강철 와이어로 제조되고 표준 후처리(예를 들어, 응력 완화 및 숏 피닝)를 받은 나선형으로 권취된 스프링은 우수한 피로 수명과 낮은 스프링 힘 이완의 조합을 제공한다. 마르텐사이트 강철 와이어의 공지된 특성과 완벽하게 일치하는 테일게이트 개폐용 액추에이터용 스프링에 대한 높은 요구(높은 압축력, 낮은 이완 허용 및 피로 수명 요구 사항)로 인해, 숙련자는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터용 나선형 압축 스프링의 생산을 위해 마르텐사이트 강철 와이어를 사용하고 경화 드로잉된 와이어(경화 드로잉된 와이어는 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 가짐)를 사용하지 않는 기술적 편견을 갖고 있다. 본 발명에서 선택된 강철 합금은 놀랍게도 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터에 사용하기 위한 까다로운 요건을 충족시키는 나선형 압축 스프링을 획득하는 데 필요한 강철 와이어 특성(강도, 항복 강도, 연성)의 조합을 갖는 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어를 제공한다.
바람직하게는, 강철 합금의 탄소 함량은 0.93 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 0.9 중량% 미만이다.
바람직하게는, 강철 합금은 0.35 중량% 미만의 Cr, 더욱 바람직하게는 0.3 중량% 미만의 Cr을 포함한다.
강철 합금이 V를 포함하는 경우, 바람직하게는 강철 합금은 0.15 중량% 미만의 V를 포함한다.
바람직하게는, 강철 합금은 0.02 내지 0.06 중량%의 Al을 포함한다. 나선형 압축 스프링을 제조하는 데 사용되는 강철 와이어의 더 높은 연성 덕분에 더 나은 나선형 압축 스프링이 획득될 수 있는 것이 이러한 실시예의 이점이다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링은 40 mm 미만의 외경을 갖는다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링은 40 cm 초과의 무부하 상태의 길이를 갖는다. 보다 바람직하게는 60 cm 초과이다.
바람직하게는, 무부하 상태에서 스프링의 길이는 1000 mm 미만이다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링은 3 내지 8의 스프링 지수를 갖는다. 스프링 지수는 스프링 강철 와이어 직경에 대한 스프링 직경(스프링 지수를 계산하기 위한 스프링 직경은 무부하 상태에서 스프링의 외경과 내경 사이의 평균임)의 비율이다.
바람직하게는, 강철 합금은 1.05보다 높은 탄소 당량을 가지며; 더욱 바람직하게는 1.1보다 높다.
바람직하게는, 강철 합금은 1.4 미만, 보다 바람직하게는 1.3 미만의 탄소 당량을 갖는다.
바람직하게는, 강철 와이어의 직경은 2 내지 4 mm, 더욱 바람직하게는 2.5 내지 3.8 mm이다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링은 5 내지 10°의 피치 각도를 갖는다. 이러한 나선형 압축 스프링은 트렁크 폐쇄 시스템을 갖는 자동차의 테일게이트 개폐용 액추에이터에 유용하게 사용될 수 있다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링을 나선형으로 권취하는 데 사용되는 강철 와이어는 공식 2680 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는다. 보다 바람직하게는, 강철 와이어의 인장 강도 Rm(MPa)는 공식 2720 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높고; 보다 바람직하게는 공식 2770 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높으며; 훨씬 더 바람직하게는 공식 2800 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는 강철 와이어를 생성한다. 함수 "ln(d)"는 강철 와이어 직경 d(mm)의 자연 로그를 의미한다. 강철 와이어의 기계적 특성을 측정하기 위한 인장 테스트는 "Metallic materials -- Tensile testing -- Part 1: Method of test at room temperature"이라는 제목의 ISO 6892-1:2009에 따라 수행된다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링의 제조에 사용되는 강철 와이어의 인장 테스트에서 파단 영역 Z의 감소율은 40% 초과이다. 영역 Z의 감소율은 Z=100*(So-Su)/So로서 계산되고, So는 강철 와이어의 원래 단면이고 Su는 인장 테스트에서 파단 후 강철 와이어의 가장 작은 단면이다.
바람직하게는, 강철 합금은 0.3 내지 0.6 중량%의 Mn을 포함하고; 또는 강철 합금은 0.6 내지 0.9 중량%의 Mn을 포함한다.
바람직하게는, 강철 와이어는 체적 기준으로 적어도 95%, 보다 바람직하게는 적어도 97%의 드로잉된 라멜라 펄라이트를 스프링에 포함한다.
바람직한 실시예에서, 강철 와이어의 미세 구조에서 베이나이트의 체적 백분율은 0.2% 내지 2%, 보다 바람직하게는 0.5% 미만이다. 이러한 실시예는 놀랍게도 본 발명에 특히 유리한 것으로 나타났다. 미세 구조가 이러한 양의 베이나이트를 포함하는 경우, 이는 라멜라 펄라이트가 매우 미세하여, 베이나이트가 부정적인 영향을 일으키지 않으면서, 최적의 스프링 형성 및 우수한 기계적 스프링 특성을 달성하는 데 유리하다는 것을 나타낸다. 제한된 양의 베이나이트는 강철 와이어의 연성에 중요하다. 강철 와이어의 제조 프로세스에서 적절한 파텐팅 작업에 의해 적은 양의 베이나이트를 달성할 수 있다. 와이어의 미세 구조에서 베이나이트의 체적 백분율은 적절한 에칭액을 사용하는 광학 현미경 또는 주사 전자 현미경을 통해 결정될 수 있다.
임의로, 와이어 드로잉 프로세스 전에 강철 와이어에 인산염 코팅이 도포될 수 있다. 강철 와이어를 나선형 압축 스프링으로 나선형으로 권취하는 단계는 이어서 그 표면에 인산염 코팅을 포함하는 강철 와이어로 수행될 수 있다. 이러한 실시예는 인산염 코팅이 와이어 드로잉 및 스프링 권취 작업을 용이하게 하기 때문에 더 나은 나선형 압축 스프링을 제공한다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 인산염 코팅을 포함한다. 보다 바람직한 실시예에서, 바인더(바람직하게는 무기 바인더가 사용됨)에 열경화성 코팅층 또는 아연 및/또는 알루미늄 플레이크를 포함하는 코팅층이 인산염 코팅층 상에 도포된다. 훨씬 더 바람직한 실시예에서, 나선형으로 권취된 강철 와이어에는 플록(flock) 층이 제공된다. 플록이란 나선형 압축 스프링 상에 접착제에 의해 결합된 짧은 직물 섬유, 예를 들어 폴리아미드 섬유의 층을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 금속 코팅층을 포함한다. 금속 코팅층은 적어도 84 질량%의 아연; 임의로, 알루미늄, 임의로 0.2 내지 1 중량%의 마그네슘, 임의로 최대 0.6 중량%의 실리콘을 포함한다 - 바람직하게는 구성된다 -. 이러한 실시예는 스프링 제조가 용이해진다는 이점을 갖는다. 더욱이, 스프링에 내식성을 제공하기 위해 나선형 압축 스프링에 추가(또는 사후) 코팅을 도포할 필요가 없다. 더욱이, 이러한 금속 코팅은 나선형으로 권취된 압축 스프링 상에 플록 층을 도포할 필요성을 피한다. 이러한 플록 층은 자동차를 주행할 때 자동차의 테일게이트 또는 도어를 개폐하기 위한 액추에이터에서 소음 발생을 방지하는 기능을 한다. 나선형으로 권취된 강철 와이어의 금속 코팅이 또한 이러한 소음의 발생을 방지한다. 바람직하게는, 금속 코팅층은 40 g/m2 초과, 보다 바람직하게는 80 g/m2 초과이다. 보다 바람직하게는 120 g/m2 미만이다. 금속 코팅층의 질량은 강철 와이어의 표면적 단위 당으로 표현된다.
스프링에 내식성을 제공하기 위해 이미 권취된 나선형 압축 스프링 폴리머 코팅에 도포하는 것이 공지되어 있다. 이러한 접근법은 마르텐사이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어로 제조된 종래 기술의 나선형 압축 스프링에 대해 수행된다. 이러한 코팅은, 예를 들어 열경화성 폴리머 코팅(예를 들어, 에폭시 백본 또는 아크릴 백본 또는 조합된 에폭시/아크릴 백본을 포함) 또는 바인더에 아연 플레이크를 포함하는 코팅일 수 있다. 드로잉 작업 전 또는 사이에 강철 와이어 상에 금속 코팅층의 도포 - 본 발명에 따른 - 및 이러한 강철 와이어로 나선형 압축 스프링을 권취하는 것은 열경화성 폴리머 코팅 또는 바인더에 아연 또는 알루미늄 플레이크를 포함하는 코팅을 사용하여 스프링을 코팅하는 단계를 제거할 수 있다.
나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 실시예에서, 바람직하게는 금속 코팅층은 나선형 압축 스프링의 표면을 제공한다.
임의로, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층은 각각 1 중량% 미만의 개별적인 양으로 다른 활성 요소를 포함한다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅은 적어도 88 중량%의 아연, 보다 바람직하게는 적어도 90 중량%의 아연을 포함한다. 보다 바람직하게는, 금속 코팅층은 적어도 93 중량%의 아연을 포함한다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅은 아연, 적어도 4 중량%의 알루미늄 - 바람직하게는 14 중량% 미만의 알루미늄 -; 임의로 0.2 내지 2 중량%의 마그네슘(및 바람직하게는 0.8 중량% 미만의 Mg); 임의로 최대 0.6 중량%의 실리콘; 임의로 최대 0.1 중량%의 희토류 원소, 및 불가피한 불순물을 포함한다 - 바람직하게는 구성된다 -.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층은 86 내지 92 중량%의 Zn 및 14 내지 8 중량%의 Al; 및 불가피한 불순물을 포함한다 - 바람직하게는 구성된다 -. 바람직하게는, 이러한 금속 코팅층은 35 내지 60 g/m2의 질량을 갖는다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층은 아연, 3 내지 8 중량%의 알루미늄; 임의로 0.2 내지 1 중량%의 마그네슘; 임의로 최대 0.1 중량%의 희토류 원소; 및 불가피한 불순물로 구성된다. 바람직하게는, 이러한 금속 코팅층은 60 내지 120 g/m2의 질량을 갖는다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층은 아연, 3 내지 8 중량%의 알루미늄; 0.2 내지 2 중량(바람직하게는 0.8 중량% 미만)의 Mg; 및 불가피한 불순물로 구성된다. 이러한 금속 코팅층이 여전히 우수한 부식 보호 특성을 가지면서 얇게 제조될 수 있다는 것은 특히 이점이다. 더 얇은 코팅층은 또한 나선형 압축 스프링의 권취를 용이하게 한다. 이러한 금속 코팅층은, 예를 들어 60 g/m2 미만일 수 있다. 바람직하게는 25 내지 60 g/m2이다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층의 질량은 120 g/m2 미만이고, 보다 바람직하게는 금속 코팅층의 질량은 20 내지 80 g/m2이며, 보다 바람직하게는 나선형 압축 스프링의 표면의 60 g/m2 미만이고, 더욱 더 바람직하게는 나선형 압축 스프링의 표면의 40 g/m2 미만이다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 금속 코팅층은 구상화된 알루미늄이 농후 상(globularized aluminum rich phase)을 포함한다. 이러한 구상화된 알루미늄 농후 상은 강철 와이어가 드로잉 에너지에 의해 가열됨에 따라 드로잉에서 생성되고; 권취 후에 나선형 압축 스프링에 응력 완화 열처리가 수행될 때 더 큰 정도로 생성된다. 구상화된 알루미늄 농후 상은 금속 코팅층의 내식성을 개선시키는 것으로 여겨지고; 따라서 더 얇은 금속 코팅층을 사용할 수 있다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 코팅된 강철 와이어는 강철 와이어와 금속 코팅층 사이에 제공된 금속간 코팅층을 포함한다. 금속간 코팅층은 FexAly 상을 포함한다. 보다 바람직하게는, 금속간 코팅층은 금속간 코팅층과 금속 코팅층의 조합된 두께의 30 내지 65%를 제공한다. 금속간 층은 금속 코팅층에 대한 손상 없이 강철 와이어가 나선형 압축 스프링으로 권취될 수 있게 하기 위해 금속 코팅층의 필요한 접착을 생성하기 때문에 유리하다. 더 얇은 금속간 코팅층은 스프링을 권취할 때 플레이크를 제공할 위험이 있다: 더 두꺼운 코팅은 권취성이 좋지 않을 위험이 있다. FexAly 상을 포함하는 금속간 코팅층은 금속 코팅층을 도포하기 위해 이중 침지 프로세스를 사용할 때 획득된다. 제1 침지는 아연 배쓰(zinc bath)에서 수행된다. FexZny 층이 강철 표면 상에 형성된다. 제2 침지는 Zn 및 Al을 포함하는 배쓰에서 수행된다. 제2 배쓰에서, 제1 배쓰에서 형성된 FexZny 층은 FexAly 상을 포함하는 금속간 코팅으로 변환된다.
바람직하게는, 나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 경우, 코팅된 강철 와이어는 억제층을 포함한다. 억제층은 강철 와이어와 금속 코팅층 사이에 제공된다. 억제층은 FexAly 상에 의해 제공된다. 바람직하게는, 억제층의 두께는 1 μm 미만이다. 이러한 억제층을 갖는 코팅된 강철 와이어는 단일 침지 프로세스를 사용하여 금속 코팅층을 도포함으로써 획득될 수 있다. 강철 표면은, 예를 들어 센지미르(Sendzimir) 프로세스를 통해 활성화되고, 강철 와이어는 용융된 Zn 및 Al을 포함하는 배쓰에 침지된다. 강철 와이어를 배쓰에서의 침지 후에 닦아내고 냉각시킨다.
나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅층을 포함하는 바람직한 실시예에서, 금속 코팅층은 아연 및 불가피한 불순물로 구성된다. 보다 바람직하게는, 이러한 금속 코팅층의 질량은 80 g/m2 초과, 더 바람직하게는 100 g/m2 초과이다.
바람직한 실시예에서, 강철 합금은 0.15 내지 0.35 중량%의 Si를 포함하고, 강철 합금은 0.6 내지 0.8 중량%의 Si를 포함하고, 강철 합금은 0.8 내지 1.4 중량%의 Si를 포함한다.
나선형으로 권취된 강철 와이어가 금속 코팅을 포함하는 보다 바람직한 실시예에서, 강철 합금은 0.6 내지 1.4 중량%의 Si; 보다 바람직하게는 0.8 내지 1.4 중량%의 Si를 포함한다. 이러한 실시예는, 높은 양의 Si가 와이어 드로잉 프로세스의 중간 단계에서 금속 코팅을 도포할 때 고온 침지 프로세스에서 강철 와이어의 강도 손실을 방지하기 때문에, 높은 강도의 코팅된 강철 와이어가 획득될 수 있으므로 특히 유리하다.
바람직한 나선형 압축 스프링에서, 강철 합금은 0.83 내지 0.89 중량%의 C, 0.55 내지 0.7 중량%의 Mn, 0.1 내지 0.4 중량%의 Si, 0.15 내지 0.3 중량%의 Cr, 0.04 내지 0.08 중량%의 V, 임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al; 및 불가피한 불순물 그리고 나머지는 철로 구성된다.
바람직한 나선형 압축 스프링에서, 강철 합금은 0.83 내지 0.89 중량%의 C, 0.55 내지 0.7 중량%의 Mn, 0.55 내지 0.85 중량%의 Si, 0.15 내지 0.3 중량%의 Cr, 0.04 내지 0.08 중량%의 V, 임의로 0.2 내지 0.06 중량%의 Al; 및 불가피한 불순물 그리고 나머지는 철로 구성된다.
바람직한 나선형 압축 스프링에서, 강철 합금은 0.9 내지 0.95 중량%의 C, 0.2 내지 0.5 중량%의 Mn, 1.1 내지 1.3 중량%의 Si, 0.15 내지 0.3 중량%의 Cr; 및 불가피한 불순물 그리고 나머지는 철로 구성된다.
바람직한 실시예에서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 비원형 단면, 바람직하게는 직사각형 또는 정사각형 단면을 갖는다. 나선형으로 권취된 강철 와이어의 단면이 비원형인 실시예의 경우, 이 강철 와이어의 직경은 등가 직경이다. 등가 직경은 비원형 단면을 갖는 와이어와 단면적이 동일한 원형 단면을 갖는 와이어의 직경이다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링의 강철 와이어는 75% 초과의 드로잉 감소를 갖는다. 강철 와이어가 드로잉된 와이어 로드 또는 강철 와이어 자체가 펄라이트 미세 구조를 생성하도록 파텐팅 작업을 받고; 이후에, 강철 와이어 드로잉 작업을 받는다. 드로잉 감소(%)는 100*(A0 - A1)/A0으로 정의되고, 여기서, A0은 파텐팅 후 및 드로잉 전의 와이어 로드 또는 강철 와이어의 단면적과 같고; A1은 스프링 제조에 사용되는 드로잉된 강철 와이어의 단면적과 같다. 드로잉 변형 동안, 펄라이트 입자는 강철 와이어의 길이방향으로 배향된다. 펄라이트 입자의 배향 정도는 강철 와이어의 드로잉 감소에 의해 결정된다. 드로잉 감소는, 예를 들어 길이방향 단면(즉, 나선형 압축 스프링에서 강철 와이어의 길이방향을 따른)에 대한 광학 현미경에 의해 나선형 압축 스프링에서 강철 와이어의 드로잉된 라멜라 펄라이트 미세 구조의 평가로부터 평가될 수 있다.
바람직한 나선형 압축 스프링에서, 무부하 상태에서 길이의 63% 내지 37%의 나선형 스프링의 20000 압축 부하 사이클 후에, 길이의 63%에서의 부하 손실은 제1 사이클에서 길이의 63%에서의 부하와 비교하여 5% 미만(바람직하게는 3% 미만)이다.
본 발명의 제2 양태는 본 발명의 제1 양태의 임의의 실시예에서와 같이 나선형 압축 스프링을 제조하는 방법이다. 방법은 다음의 단계, 즉
- 바람직하게는 직경이 7 내지 14 mm인 강철 와이어 로드를 제공하는 단계;
- 펄라이트 미세 구조를 획득하기 위해 강철 와이어 로드 또는 강철 와이어 로드로부터 드로잉된 강철 와이어를 파텐팅하는 단계;
- 펄라이트 미세 구조를 갖는 파텐팅된 강철 와이어 로드 또는 펄라이트 미세 구조를 갖는 파텐팅된 강철 와이어를 75% 초과의 드로잉 감소로 드로잉하고; 이에 의해 직경 d(mm)가 2 내지 5 mm인 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어를 획득하는 단계;
- 강철 와이어를 나선형 스프링으로 나선형으로 권취하는 단계;
- 임의로 나선형 스프링에 대해 열 응력 완화를 수행하는 단계를 포함한다.
강철 와이어 로드는 0.8 내지 0.95 중량%의 C(바람직하게는 0.93 중량% 미만의 C, 보다 바람직하게는 0.9 중량% 미만의 C); 0.2 내지 0.9 중량%의 Mn; 0.1 내지 1.4 중량%의 Si; 0.15 내지 0.4 중량%의 Cr(바람직하게는 0.35 중량% 미만의 Cr, 보다 바람직하게는 0.3 중량% 미만의 Cr); 임의로 0.04 내지 0.2 중량%의 V(바람직하게는 0.15 중량% 미만의 V); 임의로 0.0005 내지 0.008 중량%의 B; 임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al; 불가피한 불순물; 및 나머지는 철로 구성되는 강철 합금을 포함한다. 강철 합금은 탄소 당량이 1보다 높다. 탄소 당량은 C 중량% + (Mn 중량%/6) + (Si 중량%/5) + (Cr 중량%/5) + (V 중량%/5)로서 정의된다.
바람직한 방법에서, 드로잉 작업은 2 내지 5 mm의 직경 d(mm)를 갖고 공식: 2680 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는 강철 와이어를 생성한다. 보다 바람직하게는, 드로잉은 공식 2720 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은; 보다 바람직하게는 공식 2770 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은; 훨씬 더 바람직하게는 공식 2800 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는 강철 와이어를 생성한다. 함수 "ln(d)"는 강철 와이어 직경 d(mm)의 자연 로그를 의미한다. 강철 와이어의 기계적 특성을 측정하기 위한 인장 테스트는 "Metallic materials -- Tensile testing -- Part 1: Method of test at room temperature"이라는 제목의 ISO 6892-1:2009에 따라 수행된다.
펄라이트 미세 구조를 획득하기 위한 파텐팅 단계는 와이어 로드 또는 와이어 로드로부터 드로잉된 강철 와이어에 대해 수행될 수 있다. 파텐팅 단계는, 예를 들어 직접 인라인 파텐팅을 통해 와이어 로드 제조 프로세스에서 인라인 단계로서 수행될 수 있다. 파텐팅 단계는 또한 적절한 용융 금속 배쓰(예를 들어, Pb) 또는 유동층, 용융 염 및 수성 폴리머와 같은 대안물을 사용하여 공지된 파텐팅 기술을 통해 와이어 로드 또는 와이어 로드로부터 드로잉된 강철 와이어에 대해 수행될 수 있다. 와이어 드로잉 전에, 산세척 및 와이어 코팅 단계가 수행될 수 있다.
임의로, 와이어 드로잉 프로세스 전에 강철 와이어에 인산염 코팅이 도포될 수 있다. 강철 와이어를 나선형 스프링으로 나선형으로 권취하는 단계는 이어서 그 표면에 인산염 코팅을 포함하는 강철 와이어로 수행될 수 있다. 이러한 실시예는 인산염 코팅이 와이어 드로잉 및 스프링 권취 작업을 용이하게 하기 때문에 더 나은 나선형 압축 스프링을 제공한다.
바람직하게는, 파텐팅 작업 후; 및 드로잉 전 또는 드로잉 단계 사이에, 금속 코팅이 고온 침지를 통해 강철 와이어 상에 도포된다. 금속 코팅은 적어도 84 질량%의 아연; 및 임의로 알루미늄을 포함한다.
바람직하게는, 나선형 압축 스프링의 제조 방법은 나선형 압축 스프링을 권취한 후 열 응력 완화시키는 단계를 포함한다. 보다 바람직하게는, 열 응력 완화 열처리 단계는 나선형 압축 스프링이 형성된 후 450℃ 미만의 온도에서 수행된다. 보다 바람직하게는, 응력 완화 열처리 단계는 300℃ 미만, 보다 바람직하게는 250℃ 미만의 온도에서 수행된다.
임의로, 응력 완화 후에 나선형 압축 스프링에 다른 프로세스 단계, 예를 들어 고온 경화 또는 다중 저온 경화가 적용될 수 있다. 고온 경화란 스프링이 일정 시간 동안 압축된 상태에서 고온으로 유지되는 것을 의미한다. 저온 경화란 실온에서 여러 사이클 동안 스프링이 압축되는 것을 의미한다. 이러한 경화 작업은 스프링이 보다 엄격한 제한된 스프링 이완 요구 사항을 달성할 수 있게 한다.
본 발명의 제3 양태는 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터이다. 액추에이터는 나선형 압축 스프링의 압축력이 해제될 때 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개방하기 위한, 본 발명의 제1 양태의 임의의 실시예에서와 같은 나선형 압축 스프링; 및 모터를 포함한다. 모터는 자동차의 도어 또는 테일게이트를 폐쇄하기 위해 나선형 압축 스프링을 압축하도록 제공된다. 바람직하게는, 액추에이터는 2개의 커넥터를 포함하는 데, 하나는 액추에이터를 도어 또는 테일게이트에 연결하기 위한 것이고; 다른 하나는 액추에이터를 자동차 바디에 연결하기 위한 것이다.
바람직한 액추에이터에서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 적어도 84 중량%의 아연을 포함하는 금속 코팅층을 포함한다. 보다 바람직하게는, 금속 코팅층은 나선형 압축 스프링의 표면을 제공한다. 이러한 실시예는 자동차를 운전할 때 액추에이터의 소음이 방지되는 이점이 있다. 나선형 압축 스프링에 플록 층을 도포하는 것은 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 종래 기술 액추에이터의 일반적인 관행이며: 스프링의 권취 후에 나선형 압축 스프링 상에 접착제에 의해 짧은 직물 섬유(예를 들어, 폴리아미드 섬유)의 층이 결합되고; 이렇게 하면 액추에이터의 타이트하게 압축된 스프링에서 소음 감쇠 역할을 하는 벨벳 층이 생성된다. 금속 코팅층의 사용은 나선형 압축 스프링 상에 플록 층을 도포할 필요성을 제거하는 것으로 나타났다.
도 1은 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터를 포함하는 SUV를 도시한다.
도 2는 자동차의 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터를 도시한다.
도 3은 본 발명에서와 같은 나선형 압축 스프링을 도시한다.
도 2는 자동차의 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터를 도시한다.
도 3은 본 발명에서와 같은 나선형 압축 스프링을 도시한다.
[표 1]
도 1은 테일게이트(14) 및 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터(16)를 포함하는 SUV(12)를 도시한다. 액추에이터(16)(도 2는 자동차의 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터(16)를 도시함)는 나선형 압축 스프링(18) 및 모터(20)를 포함한다. 액추에이터는 2개의 커넥터(22, 23)를 포함하는데, 하나는 액추에이터를 도어 또는 테일게이트에 연결하기 위한 것이고; 다른 하나는 액추에이터를 자동차 바디에 연결하기 위한 것이다. 나선형 압축 스프링의 압축력이 해제될 때 테일게이트를 개방하기 위해 나선형 압축 스프링이 제공된다. 모터는 테일게이트를 폐쇄하기 위해 나선형 압축 스프링을 압축하도록 제공된다. 사용될 수 있는 나선형 압축 스프링의 예가 도 3에 도시되어 있고, 이러한 스프링은 길이 L과 피치 p를 갖는다.
나선형 압축 스프링은 나선형으로 권취된 강철 와이어를 포함한다. 나선형으로 권취된 코팅 강철 와이어의 직경 d(mm)는 2 내지 5 mm이다.
표 1은 본 발명의 강철 코어에 사용될 수 있는 강철 합금(강철 합금의 원소의 최소 및 최대 중량%)의 특정 예를 제공한다. 나선형으로 권취된 강철 와이어에서 강철 와이어의 미세 구조는 드로잉된 라멜라 펄라이트이다.
이러한 나선형 압축 스프링의 특정 예는 드로잉된 펄라이트 미세 구조 및 3.4 mm 직경을 갖는 강철 와이어로 권취되어 있다. 나선형 압축 스프링은 무부하 상태에서 길이 L이 0.8 m이다. 예시적인 나선형 스프링의 스프링 지수는 6.5이다. 스프링의 피치 p는 15.2 mm이다. 나선형 압축 스프링의 외경은 26.8 mm이다. 그러나, 본 발명에 필수적인 것은 아니지만, 강철 와이어에는 아연과 알루미늄을 포함하는 금속 코팅층이 제공된다.
나선형 압축 스프링의 권취에 사용되는 강철 와이어를 제조하기 위하여, 직경 10 mm의 강철 와이어 로드가 사용된다.
강철 와이어 로드는 0.86 중량%의 C, 0.63 중량%의 Mn, 0.2 중량%의 Si, 0.22 중량%의 Cr, 0.06 중량%의 V; 0.04 중량%의 Al; 불가피한 불순물과 나머지는 철로 구성된 강철 합금으로 구성된다. 이는 표 1의 조성 "A"의 합금이다. 탄소 당량은 0.86 +(0.63/6)+(0.2/5)+(0.22/5)+(0.06/5) = 1.169이다.
10 mm 직경의 강철 와이어 로드는 펄라이트 미세 구조를 제공하기 위해 파텐팅되었고; 그리고 - 본 발명에 필수적인 것은 아니지만 - 고온 침지를 통해 금속 코팅이 제공되었다. 사용된 고온 침지 프로세스는 강철 와이어를 먼저 용융 아연의 배쓰에 침지하고; 이어서 10 중량%의 알루미늄 및 나머지는 아연을 포함하는 배쓰에 강철 와이어를 침지하는 이중 침지 프로세스였다. 고온 침지된 강철 와이어의 금속 코팅층은 10 중량%의 알루미늄 및 나머지는 아연으로 구성되었다.
10 mm 직경의 파텐팅된 - 그리고 고온 침지된 - 와이어 로드를 직경 3.4 mm의 강철 와이어로 드로잉하였고; 이는 88.4%의 드로잉 감소가 적용되었음을 의미한다. 생성된 강철 와이어는 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 갖는다. 강철 와이어의 인장 강도 Rm은 2354 MPa이고; Rp0.2 값은 Rm 값의 84.5%인 1990 MPa이다. 강철 와이어의 인장 테스트에서 파단 영역 Z의 감소율은 44.1%이다.
3.4 mm의 드로잉된 와이어의 금속 코팅은 45 g/m2이었다.
이 코팅된 강철 와이어를 나선형 압축 스프링으로 권취한 후, 예를 들어 나선형 압축 스프링을 30분 동안 250℃에서 무부하 상태로 유지함으로써 열 응력 완화 작업을 수행하였다.
코팅된 강철 와이어는 강철 코어와 금속 코팅층 사이의 금속간 코팅층을 포함하였다. 금속간 코팅층은 금속간 코팅층과 금속 코팅층의 조합된 두께의 45%를 제공하였다. 금속간 코팅층은 FexAly 상을 포함한다. 금속 코팅층은 구상화된 알루미늄 농후 상을 포함하는 것으로 관찰되었다.
나선형 스프링을 제조하는 데 사용된 강철 와이어의 샘플은 250℃의 오븐 온도에서 30분 동안 오븐에서 열처리를 받았다. 이 열처리 후, 강철 와이어 샘플에 대해 인장 테스트가 수행되었고: 인장 강도 Rm은 2426 MPa이며; Rp0.2 값은 인장 강도 Rm의 97.5%인 2366 MPa이고; 파단 영역 Z의 감소율은 42%이었다.
나선형 압축 스프링의 강철 와이어를 분석한 결과, 강철은 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 갖는 것으로 나타났는데, 드로잉된 펄라이트가 97 체적% 초과이고 베이나이트가 약 1 체적%이다.
나선형 압축 스프링은 자동차의 테일게이트 개폐용 액추에이터용 액추에이터에 사용된다. 코팅된 강철 와이어의 금속 코팅은 나선형 압축 스프링의 표면을 제공한다.
Claims (15)
- 바람직하게는 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터에 사용하기 위한 나선형 압축 스프링이며,
나선형 압축 스프링은 15 내지 50 mm의 외경을 갖고;
나선형 압축 스프링은 나선형으로 권취된 강철 와이어를 포함하며;
강철 와이어의 직경 d(mm)는 2 내지 5 mm이고;
강철 와이어는 강철 합금을 포함하며; 강철 합금은,
0.8 내지 0.95 중량%의 C;
0.2 내지 0.9 중량%의 Mn;
0.1 내지 1.4 중량%의 Si;
0.15 내지 0.4 중량%의 Cr;
임의로 0.04 내지 0.2 중량%의 V;
임의로 0.0005 내지 0.008 중량%의 B;
임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al;
불가피한 불순물; 및
나머지는 철로 구성되며;
강철 합금은 1보다 높은 탄소 당량을 갖고,
탄소 당량은 C 중량% + (Mn 중량%/6) + (Si 중량%/5) + (Cr 중량%/5) + (V 중량%/5)로서 정의되며;
나선형 압축 스프링에서 강철 와이어의 미세 구조는 드로잉된 라멜라 펄라이트인, 나선형 압축 스프링. - 제1항에 있어서, 나선형 압축 스프링을 나선형으로 권취하는 데 사용되는 강철 와이어는 공식 2680 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 강철 합금은 0.2 내지 0.6 중량%의 Mn을 포함하고; 또는 강철 합금은 0.6 내지 0.9 중량%의 Mn을 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형 압축 스프링에서 강철 와이어의 미세 구조는 97 체적% 초과의 드로잉된 펄라이트를 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형 압축 스프링에서 강철 와이어의 미세 구조는 0.2 내지 2 체적%의 베이나이트를 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 인산염 코팅을 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 나선형으로 권취된 강철 와이어는 금속 코팅층을 포함하고;
금속 코팅층은 적어도 84 질량%의 아연; 및 바람직하게는 알루미늄을 포함하는, 나선형 압축 스프링. - 제7항에 있어서, 금속 코팅층은 적어도 86 질량%의 아연; 및 4 내지 14 질량%의 알루미늄; 및 임의로 마그네슘 및/또는 규소를 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제7항에 있어서, 금속 코팅층은 아연, 3 내지 8 중량%의 알루미늄; 임의로 0.2 내지 1 중량%의 Mg, 임의로 최대 0.1 중량%의 희토류 원소; 및 불가피한 불순물로 구성되는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 강철 합금은 0.15 내지 0.35 중량%의 Si를 포함하고, 또는 강철 합금은 0.6 내지 0.8 중량%의 Si를 포함하고, 또는 강철 합금은 0.8 내지 1.4 중량%의 Si를 포함하는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 강철 합금은 0.83 내지 0.89 중량%의 C, 0.55 내지 0.7 중량%의 Mn, 0.1 내지 0.4 중량%의 Si, 0.15 내지 0.3 중량%의 Cr, 0.04 내지 0.08 중량%의 V, 임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al; 불가피한 불순물 및 나머지는 철로 구성되는, 나선형 압축 스프링.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 나선형 압축 스프링의 제조 방법이며;
- 강철 와이어 로드를 제공하는 단계;
- 펄라이트 미세 구조를 획득하기 위해 강철 와이어 로드 또는 강철 와이어 로드로부터 드로잉된 강철 와이어를 파텐팅하는 단계;
- 펄라이트 미세 구조를 갖는 파텐팅된 강철 와이어 로드 또는 펄라이트 미세 구조를 갖는 파텐팅된 강철 와이어를 75% 초과의 드로잉 감소로 드로잉하고; 이에 의해 직경 d(mm)가 2 내지 5 mm인 드로잉된 펄라이트 미세 구조를 갖는 강철 와이어를 획득하는 단계;
- 강철 와이어를 나선형 스프링으로 나선형으로 권취하는 단계;
- 임의로 나선형 스프링에 대해 열 응력 완화를 수행하는 단계를 포함하고;
강철 와이어 로드는 강철 합금을 포함하고; 강철 합금은,
0.8 내지 0.95 중량%의 C;
0.2 내지 0.9 중량%의 Mn;
0.1 내지 1.4 중량%의 Si;
0.15 내지 0.4 중량%의 Cr;
임의로 0.04 내지 0.2 중량%의 V;
임의로 0.0005 내지 0.008 중량%의 B;
임의로 0.02 내지 0.06 중량%의 Al;
불가피한 불순물;
및 나머지는 철로 구성되며;
강철 합금은 1보다 높은 탄소 당량을 갖고,
탄소 당량은 C 중량% + (Mn 중량%/6) + (Si 중량%/5) + (Cr 중량%/5) + (V 중량%/5)로서 정의되는, 방법. - 제12항에 있어서, 드로잉 작업에 의해, 2 내지 5 mm의 직경 d(mm)를 갖고 공식: 2680 - 390.71 * ln(d)에 의해 계산된 값보다 높은 인장 강도 Rm(MPa)을 갖는 강철 와이어가 획득되는, 방법.
- 제12항 또는 제13항에 있어서, 파텐팅 작업 후; 및 드로잉 전 또는 드로잉 단계 사이에, 금속 코팅이 고온 침지를 통해 강철 와이어 상에 도포되고, 금속 코팅은 적어도 84 질량%의 아연; 및 바람직하게는 알루미늄을 포함하는, 방법.
- 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개폐하기 위한 액추에이터이며,
- 나선형 압축 스프링의 압축력이 해제될 때 자동차의 도어 또는 테일게이트를 개방하기 위한 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 나선형 압축 스프링; 및
- 자동차의 도어 또는 테일게이트를 폐쇄하기 위해 나선형 압축 스프링을 압축하기 위한 모터를 포함하는, 액추에이터.
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