CN108779546A - 中空弹簧构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

可以节约渗碳所需的时间及能源，并且不需要使用专用于渗碳的渗碳炉。而且提供一种可以使钢管内部空间沉浸在防止生锈的空气中的中空弹簧构件及中空弹簧构件的制造方法。用于汽车的中空稳定器(10)包括两端(11、12)封闭的钢管(10P)及封闭于钢管(10P)的内部空间(13)中的渗碳气体。

Description

中空弹簧构件及其制造方法
技术领域
本发明的实施例涉及车辆用的中空弹簧构件及制造中空弹簧构件的中空弹簧构件制造方法。
背景技术
在汽车等车辆中，具有位于车身与车轮之间的悬架装置，所述悬架装置通过诸如弹簧构件或减震器等各种悬架构件组成。在弹簧构件中包括有支撑车轮重量并缓和冲击力的螺旋弹簧，以及使左右车轮或前后车轮的悬架构件协作运作的稳定器。所述稳定器例如为弯曲成U字形的扭杆。
为了减轻汽车的重量，已知有将弹簧构件的内部制成中空的中空弹簧构件(中空稳定器、中空螺旋弹簧)。为了提高其抗疲劳性，我们希望硬化中空弹簧构件的钢管外表面和钢管内表面。
硬化表面的方法，众所周知有淬火。在理想的冷却速度下进行淬火时，钢的硬度取决于碳浓度。但是，中空弹簧构件的表面从裸管就已经开始有点脱碳。当为了淬火而升高中空弹簧构件的温度时会造成进一步的脱碳。如果是钢管外表面的话，通过喷丸硬化等简单的方法可以使之生成残留压缩应力，因此即使碳浓度不理想也没有问题。但是，钢管内表面进行这样的处理很困难。为了提高抗疲劳性，希望提高中空弹簧构件特别是钢管内表面的淬火效果。
为了提高淬火后的硬度，考虑在淬火前对钢管内表面进行渗碳来调整碳浓度(例如专利文献1)。但是，通过浸渍或涂覆的方法使液态渗碳剂附着于钢管内表面的话，需要非常大的用于渗碳的渗碳量。还会造成各个部位的碳浓度不均匀。还会产生过度硬化的部位，这对于对弹簧的韧性有要求的中空弹簧构件来说不是优选的。而且，在将中空稳定器投入内部填充有渗碳气体的渗碳炉的场合，需要专用的渗碳炉和转化炉，这会导致设备费用和管理费用变高。为了加热炉的内部，会使消耗的能源增加。而且由于这需要以分批次的形式投入炉内，因此会延长在生产线中完成中空稳定器所需的时间。
先行技术文献
专利文献
【专利文献1】专利公开2000-118224号公报。
发明内容
发明待解决问题
本发明的目的在于节约渗碳所需的时间及能源，并且不需要使用专用于渗碳的浸碳炉。本发明的另一个目的是提供一种可以使钢管内部空间沉浸在防止生锈的空气中的中空弹簧构件及中空弹簧构件制造方法。
解决本课题的方式
根据一实施例的中空弹簧构件为用于汽车的中空稳定器或中空螺旋弹簧，包括两端封闭的钢管及封闭于钢管内部空间的渗碳气体。
而且，根据一实施例的中空弹簧构件制造方法为将渗碳气体封入中空弹簧构件的内部空间内，进行渗碳及防锈。首先，将渗碳气体送入形成为弹簧形状的钢管的一端，并且使钢管内部空间的气体从与该端相反的另一端出来。然后，在内部空间置换成渗碳气体的状态下，封闭钢管的两端并加热，以在钢管的内表面渗碳部分渗碳气体。
附图说明
图1为示出安装有根据一实施例的中空弹簧构件的悬架装置的一例的透视图。
图2为示出图1所示的中空稳定器的端部的一例的透视图。
图3为示出图1所示的中空螺旋弹簧的端部的一例的侧视图。
图4为示出产生含有醇蒸汽的原料气体的醇蒸汽产生装置的一例截面图。
图5示出将中空弹簧构件内部空间置换成渗碳气体的置换装置的一例截面图。
图6为示出制造中空稳定器的工序流程的一例示意图。
具体实施形态
下面将参照图1至图6对根据本发明的一实施例的中空弹簧构件进行说明。
图1为示出安装有中空弹簧构件的悬架装置1的一例的透视图。悬架装置1由含有中空稳定器10或中空螺旋弹簧20的各种悬架构件组成。
中空稳定器10或中空螺旋弹簧20任一个都是本发明的中空弹簧构件的一例，通过弯曲弹簧钢材等制成的钢管而成型。构成中空稳定器10及中空螺旋弹簧20的弹簧钢材的种类并没有特别限定，但是作为中空稳定器10的钢材可以使用碳浓度约为0.15～0.40wt％的低碳Mn-B钢。例如，可以引用根据美国汽车工程师学会规定的SAE9254、SAE15B26。其他也可以是例如26MnB5、34MnB5。
另外，作为用于中空螺旋弹簧20的钢材，可以使用普通的用于悬架螺旋弹簧的钢材。也可以使用其他的碳浓度约为0.15～0.60wt％的Si-Mn钢或Si-Mn-B钢，例如UHS1900或UHS1970或ND120S或ND120M。
或者，作为构成中空稳定器10及中空螺旋弹簧20的弹簧钢材的其他例，也可以使用根据美国汽车工程师学会规定的SAE9254或根据JIS标准的SUP7。也可以使用这以外的钢材。不仅限于弹簧钢材，也可以是钢种为高强度钢或渗碳用钢。中空稳定器10是由弯曲成U字形的所述钢管制成，具有一端11E和与一端11E相反的另一端12E。中空螺旋弹簧20是由弯曲成螺旋状的所述钢管制成，具有一端21E和与一端21E相反的另一端22E。
图2为示出含有中空稳定器10的一端11E的端部11一例的透视图。如图2所示，端部11中形成有固定部(弹簧眼)以用于安装中空稳定器10于车辆上。另外，含有另一端12E的端部12中也形成有和一端11E侧的端部11大致相同形状的固定部。分别形成于端部11、12的固定部从外部阻挡中空稳定器10的内部空间13。也就是说，中空稳定器10的含有一端11E的端部11和含有另一端12E的端部12被分别封闭。在中空稳定器10的内部空间133中封入有后述的渗碳气体。
图3为示出含有中空螺旋弹簧20的一端21E的端部21一例的侧视图。另外，含有另一端22E的端部22具有和端部21大致相同的形状。如图3所示，端部21封闭被阻塞以从外部阻挡内部空间23。也就是说，中空螺旋弹簧20与如图2所示的中空稳定器10一样，分别由含有一端21E的端部21和含有另一端22E的端部22封闭。在中空稳定器20的内部空间23中封入有渗碳气体。
渗碳气体为用惰性气体如氮气或氩气稀释含有有机化合物的原料气体后的物质。图4为示出产生含有醇蒸汽的原料气体的醇蒸汽产生器30的一例截面图。另外，原料气体不限于含有醇蒸汽的混合气体，也可以是例如由储存瓶提供的高浓度CO气体。也可以是使丙烷气体或丁烷气体等烃类气体在转化炉中转化而成的RX气体。此外，原料气体不限于渗碳性有机化合物处理气相状态的原料气体。只要能够供给钢管10P的内部空间并且被封闭，渗碳性有机化合物可以是液相状态也可以固相状态。而且，原料气体中含有的渗碳性有机化合物并不限于一种，也可以多种组合。
如图4所示的醇蒸汽发生器30包括容纳有液体有机化合物的托盘31和多孔块32。容纳于托盘31的液体有机化合物的一例为如甲醇或乙醇的醇。另外，托盘31内的有机化合物只要在常温下为液体，不限于醇。例如可以是丙酮等的酮，也可以是羧酸。
多孔块32由连续气泡型的多孔质体组成，并且形成有贯穿内部的流通孔33。多孔质体的一例是耐火砖。多孔质块32的至少一部分浸入托盘31的有机化合物中。
当高温加热的氮气或氩气等惰性气体流入流通孔33的一端34中时，渗透、扩散在多孔块32内部的醇会被气化，并从流通孔35的另一端35流出含有高浓度醇蒸汽的原料气体。通过醇蒸汽发生器30得到的原料气体用惰性气体进一步稀释，调节成预定碳势值的碳性气体。另外，如果在稀释前已经为预定碳势值的话，渗碳气体可以仅是未用惰性气体稀释的原料气体。
图5示出将中空弹簧构件内部空间置换成渗碳气体的气体置换装置40截面图。另外，在图示的示例中，虽然气体置换了作为中空弹簧构件的中空稳定器10，但是当中空弹簧构件为中空螺旋弹簧20时也是一样的。
气体置换装置40包括第1安装构件(第1金属盖)41和第2安装构件(第2金属盖)42。第1安装构件41具有比构成中空稳定器10的钢管10P略微大的内径，并且外嵌于钢管10P的一端11E上。第1安装构件41通过未图示的流量调节器与醇蒸汽发生器30或惰性气体供给源相连。第2安装构件42具有与第1安装构件41大致相同的形状，并且与外部的排气***相连。
图6为示出制造中空稳定器10的制造工序流程的一例示意图。
首先，弯曲由弹簧钢材等制成的长裸管，并形成为如图1所示的弹簧形状(扭杆)的钢管10P(工序A：弯曲)。弯曲例如通过冷加工进行。另外，也可以通过加热至再结晶温度或更高温度进行热加工而形成。
由渗碳气体置换钢管10P的内部空间13(工序B：气体置换)。当使用如图5所示的气体置换装置40时，从安装于构成中空稳定器10的钢管10P的一端11E上的第1安装构件41供给渗碳气体的同时，从安装于另一端12E的第2安装构件42中回收大气或剩余的渗碳气体。从而将内部空间13内的环境气体从大气置换成渗碳气体。
在置换内部空间13的气体后，变形端部11、12，从而将渗碳气体封闭在内部空间13内(工序C：气体封闭)。与整个钢管10P的长度相比，一端11E及另一端12E的开口是狭窄的。因此，在为了封闭端部11、12而加工期间，可以将大部分渗碳气体滞留在内部空间13中。在封闭中空稳定器10时，通过对端部11、12进行例如镦粗处理或压制处理而使其塑性变形，并形成如图2所示的固定部，以封闭一端11E及另一端12E的开口。在封闭中空螺旋弹簧20时，通过对端部21、22进行例如旋压处理或压制处理而使其塑性变形如图3所示，以封闭一端21E及另一端22E的开口。
在渗碳气体封闭于内部空间13的状态下，加热中空稳定器10。中空稳定器10的加热方法可以是投入加热炉中，也可以接通电极进行通电加热。当渗碳气体接触加热后变高温的中空稳定器10的钢管内表面14时，包含于渗碳气体内的醇蒸汽等有机化合物会从高级依次分解至低级。例如，在乙醇的情况下，它被分解成并生成还元性气体。在甲醇的情况下，它被分解成并生成还元性气体。
通过有机化合物的分解产生的CO气体等还原性气体通过Boudouard反应 将碳固溶在钢管内表面14上。由此，至少在钢管内表面14的表层部上形成有渗碳层。
有机化合物被分解生成的还元性气体的一部分虽然可以用于Boudouard反应，但是其剩余部分和氮气或氩气等惰性气体，在Boudouard反应中生成的CO2气体，作为材料的有机化合物等一起存在于内部空间13的空气中。
对已加热并在钢管内表面14中形成渗碳层的中空稳定器10以能够产生淬火结构(马氏体)的温度梯度进行淬火。也就是说，本实施例的中空弹簧构件制造方法连续地进行渗碳及淬火(工序D：渗碳及淬火)。在淬火前的中空稳定器10的温度例如为980～1000℃(奥氏体化温度)。可以例如将奥氏体化温度的钢管10P浸渍于油槽或水槽中进行淬火。
通过回火中空稳定器10来调节硬度(工序E：回火)。虽然在齿轮或凸轮轴等中通常在低于250℃的温度下进行回火，但是为了确保中空稳定器10作为汽车用稳定器所需要的韧性，优选在避免低温回火脆性的温度范围的同时比齿轮或凸轮轴等的温度略高的温度下进行回火。根据本实施例的回火温度的一例是150～350℃。
在中空稳定器10的钢管外表面15上进行喷丸硬化(工序F：喷丸硬化)。通过喷丸硬化，可以硬化钢管的外表面15并且可以使钢管外表面15的表面应力均匀统一。而且，还可以赋予钢管外表面15残留压缩应力，从而可以提高其耐用性及抗疲劳和破坏性。
在钢管外表面15上形成化学合成处理层(工序G：化学合成处理层)。化学合成处理层可以由例如磷酸锌等磷磷酸盐形成。
为了提高防锈性和耐崩裂性，对钢管外表面15进行涂漆(工序H：涂漆)。涂膜可以通过例如烧上粉末涂料而形成。
通过以上的工序，可以将裸管制成中空稳定器10。另外，在将裸管制成中空螺旋弹簧20时，在所述工序A中，可以用将裸管成型为螺旋状的卷绕工序来代替将裸管弯曲成U字形的弯曲工序。卷绕工序可以不是在所述气体置换(工序B)及气体封闭(工序C)之前进行而是在其之后进行。其他工序D～H和在此之前描述的中空稳定器10的制造工序一样。卷绕可以通过热加工，也可以通过冷加工进行。本实施例的中空螺旋弹簧制造工序，在和普通的中空螺旋弹簧制造工序大致相同的工序基础之上，增加了所述的气体置换(工序B)、气体封闭(工序C)、渗碳及淬火(工序D)工序。
根据如上述一样构成的本实施例的中空稳定器10及中空螺旋弹簧20的内部空间13、23中封闭有渗碳气体。如果分别进行为了渗碳而进行的加热和为了淬火而进行的加热的话，每次都会消耗能源，但是在根据本实施例的中空稳定器10和中空螺旋弹簧20中，在为了淬火而进行的加热中可以进行钢管内表面14、24的渗碳处理。或者，也可以说在为了渗碳而进行的加热中可以急剧冷却温度升高的中空稳定器10及中空螺旋弹簧20进行淬火。由此，渗碳和淬火可以连续进行，从而可以节约制造工序中消耗的能源。
而且，在渗碳气体分解生成Co等还原性气体后，由于在渗碳层的形成中未使用的残余还原性气体还封闭在内部空间13、23中，因此可以使内部空部13、23保持在还元性空气中。其结果是，可以长期防止钢管内表面14、23的生锈。
本实施例的中空弹簧构件制造方法使用了含有醇蒸汽的惰性气体作为渗碳气体的原料气体。由于作为材料的诸如乙醇等的醇可以廉价获得，因此可以降低渗碳所需的成本。由于是在常温下将液体醇制成原料气体，因此与将RX等气体制成原料气体的情况相比，由气体泄漏引起的***风险较小。从而可以提高工厂的安全性。
作为材料的醇等可以通过醇蒸汽发生器30气化而成。相较于为了转化RX气体所使用的转化炉等，醇蒸汽发生器30的构成简单小型，并且可以布置在淬火所需的冷却槽等或加热装置附近。由于可以缩小设备之间的相互距离，因此可以进行连续的渗碳和淬火，适用于本实施例。
在本实施例中，通过气体置换装置40可以置换中空稳定器10及中空螺旋弹簧20的内部空间13、23中的气体。使用专用的渗碳炉将渗碳气体导入中空稳定器10及中空螺旋弹簧20中时，需要高昂的设备费用或大量的渗碳气体使用量。但是，气体置换装置40与渗碳炉相比结构简单。可以节约设备费用或渗碳气体的使用量。
在本实施例中，在加热钢管10P(例如工序D)之前的工序中，已经封闭一端11E及另一端12E的开口(工序C)。因此，可以从外部阻断内部空间13并阻止氧气流入。由于没有外部混入的气体，因此可能准确地预测内部空部13中空气的碳势值。
或者，作为本实施例的变形例，在省略图6所示的例子的工序B不用渗碳气体置换内部空部13的气体而封闭一端11E和另一端12E时，封闭于内部空间13内的含在空气中的氧可以是有限的。通过变形例，可以通过加热使位于离钢管内表面14深处的碳向钢管内表面14移动，从而可能稍微恢复(复碳)钢管内表面14的碳浓度。
而且，在含有进一步的气体置换工序B的本实施例中，不仅可以使钢管内表面14复碳以稍微恢复碳浓度，还可以使渗碳气体的碳渗透于钢管内表面14上以提高其碳浓度。
虽然已经对本发明的几个实施例进行了说明，但是这些实施例只是作为示例进行提示，而不旨在限制发明的范围。这些新颖的实施例也可以通过其他各种各样的形式进行实施，只要在不脱离本发明的主旨的范围内，可以进行各种省略、置换、变更。这些实施例或变形例，在包含于本发明的范围或主旨的同时，也包含于权利要求范围中记载的发明及其同等范围内。
符号说明
10···中空稳定器(中空弹簧构件的一例)，10P···钢管，11、12···端部，11E···一端，12E···另一端，13···内部空间，14···钢管内表面，20···中空螺旋弹簧(中空弹簧构件的一例)，21、22···端部，21E···一端，22E···另一端，23···内部空间。

Claims (6)

1.一种中空螺旋弹簧，所述中空弹簧构件为用于汽车的中空弹簧构件，其特征在于，包括钢管，所述钢管的一端及另一端被封闭；
渗碳气体，所述渗碳气体封闭于所述钢管的内部空间中。
2.根据权利要求1所述的中空弹簧构件，其特征在于，所述渗碳气体含有醇蒸汽。
3.根据权利要求1所述的中空弹簧构件，其特征在于，所述渗碳气体渗碳于所述钢管的内表面的同时，还会在所述钢管的内部空间中产生还元性气体。
4.一种中空弹簧构件制造方法，所述中空弹簧构件制造方法为用于汽车的中空弹簧构件的制造方法，其特征在于，
将渗碳气体封入钢管的内部空间中；
在所述内部空间已由所述渗碳气体置换的状态下分别封闭所述钢管的两端部；
加热所述钢管使所述渗碳气体的一部分渗透于所述钢管的内表面上。
5.根据权利要求4所述的中空弹簧构件的制造方法，其特征在于，将所述渗碳气体送入所述钢管的一端并使所述钢管的所述内部空间中的大气从与该一端相反侧的另一端逐出，从而通过所述渗碳气体置换所述内部空间。
6.根据权利要求4所述的中空弹簧构件的制造方法，其特征在于，在渗碳的过程中通过对温度升高状态下的所述钢管进行急剧冷却来淬火所述钢管。
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