CN103648807A - 空心部件及空心部件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种形成为管状并承受以中心线为中心的周向上的扭力的空心部件，其特征在于：所述空心部件被实施部分热处理，该部分热处理是通过对空心部件的周壁的一部分进行加热，使周壁外侧的硬度高于加热前的硬度以及周壁内侧的硬度，并且使周壁内侧的剩余应力减小。

Description

空心部件及空心部件的制造方法
技术领域
本发明涉及一种例如用于汽车等的悬架装置的扭力梁(torsion beam)那样的承受扭力的空心部件、以及空心部件的制造方法。
背景技术
迄今为止，例如专利文献1所公开的那样，在汽车的悬架装置中使用了被称作扭力梁的空心部件。在该扭力梁的两端分别固定了安装上车轮的臂，扭力梁由于来自行驶中的车轮的输入而反复承受扭力。要求该扭力梁具有即使反复承受扭力也很难产生裂缝等的高耐久性。
专利文献1：日本公开特许公报特开2008－30513号公报。
发明内容
－发明所要解决的技术问题－
虽然只要增加构成扭力梁的材料的厚度，扭力梁的耐久性便会提高，但若增加材料厚度，扭力梁的重量就会增加，因而并不优选。
于是，可以想到：对整个扭力梁实施淬火处理即对扭力梁实施整体淬火处理来提高硬度，从而使耐久性提高。
不过，若要借助整体淬火处理使扭力梁获得足够高的耐久性，则扭力梁整体的硬度提高而韧性下降，例如当车辆行驶时由于物体等的碰撞受到冲击之际就有可能容易产生破损。总之，借助整体淬火处理来提高耐久性是有限的。
若对整个扭力梁实施整体淬火处理，则当加热扭力梁之际就需要很多能量，还会产生热变形，这些也是问题所在。还可以认为：由于产生裂缝等的是扭力梁有限的一部分，因而原本就没有必要进行整体淬火处理。
本发明正是鉴于所述问题而发明出来的，其目的在于：即使不增加反复承受扭力的空心部件的板厚，且不实施整体淬火处理或退火处理，也可以大幅度提高耐久性。
－用以解决技术问题的技术方案－
为了达到上述目的，在本发明中对空心部件的必要部位实施部分热处理使周壁在厚度方向上的硬度分布实现最佳化，并谋求降低剩余应力。
第一方面的发明涉及一种空心部件，该空心部件形成为管状并承受以中心线为中心的周向上的扭力，其特征在于：所述空心部件被实施部分热处理，该部分热处理是通过对所述空心部件的周壁的一部分进行加热，使该周壁的外侧部分的硬度高于该外侧部分加热前的硬度以及该周壁的内侧部分的硬度，并且使该周壁的内侧部分的剩余应力减小。
根据该结构，通过对空心部件中比较容易产生裂缝等的部位实施部分热处理，从而使得周壁外侧部分的硬度提高且使得强度提高。并且，因为被实施了部分热处理的周壁的内侧部分的硬度没有其外侧部分高，所以能够确保韧性，由此能够抑制在例如受到冲击时产生破损，并使得对于扭力的耐久性得到提高。进而，虽然如上所述与外侧部分相比，被实施了部分热处理的周壁的内侧部分的硬度较低，但由于剩余应力减小，因而即使反复承受扭力也能够抑制裂缝等的产生。
第二方面的发明是这样的，在第一方面的发明中，其特征在于：周壁的内侧部分的硬度被设定成：与该内侧部分加热前的硬度大致相等。
根据该结构，能够充分确保空心部件的强度，同时赋予适当的韧性。
第三方面的发明是这样的，在第一方面的发明中，其特征在于：周壁的硬度已提高的外侧部分的厚度被设定在周壁总厚度的1／2以下。
根据该结构，能够充分确保空心部件的韧性。
第四方面的发明涉及一种空心部件的制造方法，该空心部件形成为管状并承受以中心线为中心的周向上的扭力，其特征在于：对所述空心部件实施部分热处理，该部分热处理是通过对所述空心部件的周壁的一部分进行加热，使该周壁的外侧部分的硬度高于该外侧部分加热前的硬度以及该周壁的内侧部分的硬度，并且使该周壁的内侧部分的剩余应力减小。
第五方面的发明是这样的，在第四方面的发明中，其特征在于：部分热处理是通过从空心部件的周壁外侧照射激光进行的。
根据该结构，用较少的能量就能仅对目标部位可靠地实施部分热处理。
－发明的效果－
根据第一方面的发明，对空心部件的周壁实施部分热处理使周壁外侧部分的硬度高于加热前的硬度以及该周壁内侧部分的硬度，并使该周壁内侧部分的剩余拉应力(tensile residual stress)减小。由此，即使空心部件反复承受扭力也能够抑制裂缝等产生，因而不增加周壁厚度且不实施整体淬火处理就能够获得较高的耐久性。
根据第二方面的发明，因为使周壁内侧部分的硬度与加热前大致相等，所以能够赋予适当韧性使其成为耐冲击的空心部件，同时还能够获得较高的耐久性。
根据第三方面的发明，因为将周壁的硬度已提高的那一部分的厚度设定在周壁总厚度的1／2以下，所以能够充分确保空心部件的韧性并获得较高的耐久性。
根据第四方面的发明，不增加周壁厚度且不实施整体淬火处理就能够获得具有较高耐久性的空心部件。
根据第五方面的发明，因为通过照射激光来进行部分热处理，所以能够以较少的能量高效地获得具有较高耐久性的空心部件。
附图说明
图1是表示实施方式所涉及的扭力梁式悬架装置的一部分的立体图。
图2是扭力梁的主视图。
图3是扭力梁的仰视图。
图4是图3的IV－IV线剖视图。
图5是表示各板材的厚度与硬度之间的关系的图表。
图6是表示在板厚为2.9mm的情况下激光的能量密度与耐久性之间的关系的图表。
图7是在板厚为2.3mm的情况下相当于图6的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细的说明。此外，以下对优选实施方式的说明在本质上仅为示例而已，并没有意图对本发明、其应用的对象或其用途加以限制。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的具有扭力梁1的扭力梁式悬架装置的一部分的图。该扭力梁式悬架装置被用于汽车的后轮悬架装置，其包括扭力梁1以及固定在该扭力梁1的两端部上并沿车辆前后方向延伸的臂2、2。在各个臂2的靠车辆前端部设置有衬套3、3，各个臂2经由该衬套3、3以能够沿上下方向摆动的方式安装在车身上。另一方面，在各个臂2的靠车辆后端部安装有支承车轮的车轮支承部件4、4。在臂2、2上，分别设置有支承弹簧(未图示)的弹簧架5、5。
所述扭力梁1是形成为沿车宽方向延伸的管状空心部件。扭力梁1的材料为一般所使用的碳钢钢管。该钢管的厚度为2.9mm。
扭力梁1两端侧的剖面为近似圆形，这两端侧沿着周向的整个一周都焊接在臂2上。另一方面，在扭力梁1长边方向中间部的下表面，沿长边方向连续延伸地形成有朝上方凹进去的凹部10。该凹部10是利用金属模具挤压基管(basepipe)而形成的，如图4所示凹部10的剖面成为朝下敞开的近似Ｕ字形或者近似Ｖ字形的形状。
对扭力梁1的一部分实施部分热处理。已被实施了部分热处理的范围是图2、图3中用斜线示出的范围，并且是图4中与虚线相对应的部分。
部分热处理是通过照射规定激光而加以实施的，具体情况详见下文。该已被实施了部分热处理的范围是容易产生裂缝等的部位，也就是说在本实施方式中，进行的不是对整个扭力梁1实施淬火的整体淬火处理，而是仅对容易产生裂缝等的部位实施热处理。
未实施热处理的部件(非热处理部件)的周壁的硬度分布如图5中黑点所示。也就是说，从周壁的外表面到内表面大约为210～250Hv(维氏硬度)。非热处理部件周壁的外表面部的剩余应力为大约300MPa的压应力，内表面部的剩余应力为大约400MPa的拉应力。
已实施了部分热处理的部位(热处理部位)的周壁的硬度分布如图5中白点所示。也就是说，周壁外表面上的A附近为460Hv，从外表面起到深度为0.15mm的B附近硬度逐渐增大，在该B处硬度达到峰值。B处的硬度大约为500Hv，该硬度在非热处理部件的硬度的2倍以上。从B起到C(距外表面0.6mm的部位)为止硬度逐渐减小，在C处硬度与非热处理部件的硬度大致相等，约为200Hv。从C起到内表面部的D为止的硬度与非热处理部件的硬度大致相等。按照上述那样设定周壁在厚度方向上的硬度分布的方法为激光照射法。
热处理部位的周壁的外表面剩余应力为大约70MPa的压应力，内表面剩余应力为大约5MPa的拉应力。按照上述那样使热处理部位的周壁的剩余应力与非热处理部件的周壁的剩余应力相比大幅度下降的方法为激光照射法。
接着，对上述扭力梁1的制作步骤进行说明。首先，准备基管，利用未图示出来的金属模具形成凹部10。然后，如图2和图3中斜线所示的那样，对扭力梁1部分地照射激光来实施部分热处理。对此时激光的能量密度加以设定，以保证周壁在厚度方向上的硬度分布如图5中白点所示的那样外侧部分的规定范围的硬度高于该外侧部分加热前的硬度及该周壁的内侧部分的硬度，并且使周壁的内侧部分的剩余应力小于非热处理部件的剩余应力。
对按照上述方法制得的扭力梁1进行耐久性试验，并参照图5，在与其它扭力梁做比较的基础上对该耐久性试验的结果进行说明。
耐久性试验是通过下述方法进行的，即：预先固定住两侧的臂2的前端部，对一个臂2的后端部施加朝下的力使其朝下产生位移，并对另一个臂2的后端部施加朝上的力使其朝上产生位移，然后再对两个臂2施加朝向与之前的力相反的力使其产生位移。将这一系列的动作计为一次并反复进行，若在扭力梁1的一部分上产生了裂缝便停止下来。
所准备的扭力梁包括：本发明所涉及的已被实施了部分热处理的扭力梁(本发明)、未实施任何热处理的扭力梁(比较例1)、进行了整体淬火使得维氏硬度达到400Hv的扭力梁(比较例2)以及进行了整体淬火使得维氏硬度达到500Hv的扭力梁(比较例3)。
在比较例1中，因为没有实施热处理，所以扭力梁周壁的从外表面部到内表面部的硬度与本发明所涉及的扭力梁1的非热处理部件的周壁的硬度相等，大约为210～250Hv。比较例1的周壁的外表面部的剩余应力为大约300MPa的压应力，内表面部的剩余应力为大约400MPa的拉应力。
在该比较例1中，经过30万次试验在周壁的内表面部产生了裂缝。
在比较例2中，扭力梁的周壁的外表面部的硬度大约为280Hv，在距外表面部0.5mm的S附近的硬度大约为400Hv。从S处到内表面的硬度大约为400～420Hv。比较例2的周壁的外表面部的剩余应力为大约200MPa的压应力，内表面部的剩余应力为大约300MPa的拉应力。在上述那样已实施了整体淬火处理的比较例2中，因为内表面一侧的冷却速度比外表面一侧慢，所以在内表面部就会产生剩余拉应力。
在该比较例2中，经过40万次试验在周壁的内表面部产生了裂缝。
在比较例3中，扭力梁的周壁的外表面部的硬度大约为380Hv，在距外表面部1.5mm的T附近的硬度大约为500Hv。从T处到内表面部的硬度大约为500～510Hv。比较例3的周壁的外表面部的剩余应力为大约300MPa的压应力，内表面部的剩余应力为大约200MPa的拉应力。
在该比较例3中，经过115万次试验在周壁的内表面部产生了裂缝。在比较例3中，虽然与比较例1、2相比耐久性得到提高，但是如果扭力梁1整体的硬度为大约500Hv就会缺乏韧性，在例如车辆行驶时障碍物碰到扭力梁1之际，扭力梁1就会由于该冲击而容易产生破损，因而缺乏实用性。
相对于上述比较例1～3而言，本发明所涉及的扭力梁1的耐久性试验的结果是：即使进行了超过160万次的试验也未发现有裂缝产生。
总之，仅进行部分热处理，保证扭力梁1的外侧部分的规定范围的硬度高于该外侧部分加热前的硬度及该周壁的内侧部分的硬度，并使周壁的内侧部分的剩余应力小于非热处理部件的剩余应力，就能够获得在比较例1、2的四倍以上的耐久性。
在此，参照图6对进行部分热处理之际所照射的激光的最佳能量密度进行说明。在图6的图表中，横轴表示Q值，纵轴表示裂缝产生时的试验次数。此外，在本说明书中Q值指的是用扫描速度除激光输出而得到的值。
图表中的圆点表示在照射激光并保证实现该Q值地进行部分热处理的情况下产生了裂缝的试验次数，可以看出：若Q值在1.5以上，与非热处理部件的比较例1(Q值＝0，裂缝产生时的试验次数＝30万次)相比耐久性获得了百分之三十以上的显著提高。进而，当Q值在2.8以上且3.1以下时耐久性进一步提高。就Q值的上限来说，若Q值在6.0以上则周壁的外表面部熔化严重而会成为不良品，因而Q值是小于6.0的值为好，优选为5.0。
如上所述，可以看出：通过照射激光并保证Q值在1.5以上5.0以下，就能够获得图5所示的本发明的硬度分布，并能够降低剩余应力。由此，优选Q值在1.5以上5.0以下，更优选在2.8以上3.1以下。特别是，通过将Q值设定在3.0附近，裂缝产生时的试验次数就会成为接近300万次的值，部分热处理的效果就会变得更加显著。
还因为只要仅对扭力梁1的一部分照射激光即可，所以与实施整体淬火的情况相比消耗的能量较少，还能减少工作量。
综上所述，根据该实施方式，对扭力梁1的周壁实施部分热处理，使周壁的外侧部分的硬度高于该外侧部分加热前的硬度及该周壁的内侧部分的硬度，并且使该周壁的内侧部分的剩余应力减小。由此，即使扭力梁1反复承受扭力也能够抑制裂缝等产生，因而不增加周壁的厚度且不实施整体淬火处理就能赋予空心部件较高的耐久性。
如图5所示，因为使扭力梁1的周壁的内侧部分的硬度与该内侧部分加热前的硬度大致相等，所以能够赋予适当的韧性而获得耐冲击的扭力梁1，同时还能获得较高的耐久性。
将扭力梁1周壁的硬度已提高的那一部分的厚度设定在周壁总厚度的1／2以下。由此，能够充分确保扭力梁1的韧性使耐久性进一步提高。扭力梁1周壁的硬度已提高的那一部分的优选范围在周壁总厚度的1／3以下。
因为是通过照射激光进行了部分热处理，所以用较少的能量就能够获得具有较高耐久性的扭力梁1。
在改变了扭力梁1的板厚的情况下，也能够充分获得利用上述激光所实现的热处理效果。
例如，在将构成扭力梁1的钢管的板厚设为2.3mm的情况下，若对与板厚为2.9mm的扭力梁相同的部位实施使用激光的热处理，就可以看出：如图7所示的那样耐久性显著提高。
也就是说，在板厚为2.3mm的情况下，因为与板厚为2.9mm的情况相比板厚较薄，所以能够在激光的最佳能量密度较低的区域使裂缝产生时的试验次数提高。可以看出：若Q值在1.0以上2.0以下，则与非热处理部件(Q值＝0，裂缝产生时的试验次数＝20万次)相比耐久性获得了在百分之三十以上的显著提高。进而，当Q值在1.3以上1.7以下的情况下耐久性进一步提高。就Q值的上限来说，若Q值在4.0以上则周壁的外表面部熔化严重而会成为不良品，因而Q值是小于4.0的值为好，优选为3.0。
此外，在上述实施方式中，对将本发明应用于汽车的扭力梁1的情况进行了说明，不过并不局限于此，也可以将本发明应用于例如扭簧、稳定杆等，除了汽车部件以外还能将本发明应用于反复承受扭力的空心部件。
－产业实用性－
综上所述，本发明所涉及的空心部件及空心部件的制造方法能够应用于例如汽车的悬架装置的部件。
－符号说明－
1    扭力梁
2    臂
3    衬套
4    车轮支承部件
5    弹簧架
10   凹部

Claims (5)

1.一种空心部件，其形成为管状并承受以中心线为中心的周向上的扭力，其特征在于：
所述空心部件被实施部分热处理，该部分热处理是通过对所述空心部件的周壁的一部分进行加热，使该周壁的外侧部分的硬度高于该外侧部分加热前的硬度以及该周壁的内侧部分的硬度，并且使该周壁的内侧部分的剩余应力减小。
2.根据权利要求1所述的空心部件，其特征在于：
周壁的内侧部分的硬度被设定成：与该内侧部分加热前的硬度大致相等。
3.根据权利要求1所述的空心部件，其特征在于：
周壁的硬度已提高的外侧部分的厚度被设定在周壁总厚度的1／2以下。
4.一种空心部件的制造方法，该空心部件形成为管状并承受以中心线为中心的周向上的扭力，其特征在于：
对所述空心部件实施部分热处理，该部分热处理是通过对所述空心部件的周壁的一部分进行加热，使该周壁的外侧部分的硬度高于该外侧部分加热前的硬度以及该周壁的内侧部分的硬度，并且使该周壁的内侧部分的剩余应力减小。
5.根据权利要求4所述的空心部件的制造方法，其特征在于：
部分热处理是通过从空心部件的周壁外侧照射激光进行的。
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