(57)【要約】  浸炭に必要な時間及びエネルギーを節約でき、浸炭のために専用の浸炭炉等を必要としない。しかも、鋼管の内部空間を防錆雰囲気にできる中空ばね部材及び中空ばね部材製造方法を提供する。車両用の中空スタビライザ（１０）は、一方及び他方の端部（１１，１２）が封止された鋼管（１０Ｐ）と、鋼管（１０Ｐ）の内部空間（１３）に封入された浸炭性ガスと、を具備している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用の中空ばね部材であって、
一方及び他方の端部が封止された鋼管と、
前記鋼管の内部空間に封入された浸炭性ガスと、
を具備したことを特徴とする中空ばね部材。
【請求項２】
前記浸炭性ガスは、アルコール蒸気を含むことを特徴とする請求項１に記載の中空ばね部材。
【請求項３】
前記浸炭性ガスは、前記鋼管の内面を浸炭させるとともに、前記鋼管の内部空間に還元性ガスを生じさせることを特徴とする請求項１に記載の中空ばね部材。
【請求項４】
車両用の中空ばね部材の製造方法であって、
鋼管の内部空間に浸炭性ガスを封入し、
前記内部空間が前記浸炭性ガスで置換された状態で前記鋼管の両端部をそれぞれ封止し、
前記鋼管を加熱して前記浸炭性ガスの一部を前記鋼管の内面に浸炭させる、ことを特徴とする中空ばね部材製造方法。
【請求項５】
前記鋼管の一端に前記浸炭性ガスを送り込んで該一端とは反対側の他端から前記鋼管の前記内部空間の大気を追い出して該内部空間を前記浸炭性ガスで置換することを特徴とする請求項４に記載の中空ばね部材製造方法。
【請求項６】
浸炭において高温になった状態の前記鋼管を急冷することにより、前記鋼管を焼入れすることを特徴とする請求項４に記載の中空ばね部材製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、車両用の中空ばね部材及び中空ばね部材を製造する中空ばね部材製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、ばね部材やダンパ部材等の種々のサスペンション部材により構成され、車体と車輪との間に介在するサスペンション装置が備えられている。ばね部材には、車軸の荷重を支えて衝撃を緩和するコイルばねや、左右や前後の車輪のサスペンション部材を連携動作させるスタビライザ等が含まれる。スタビライザは、例えばＵ字状に曲げられたトーションバーである。【０００３】
車両を軽量化するために、ばね部材の内部を中空にした中空ばね部材（中空スタビライザ、中空コイルばね）も知られている。耐疲労性を向上させるために中空ばね部材の鋼管外面及び鋼管内面を硬化させたい。【０００４】
表面を硬化させる方法として、焼入れが広く知られている。理想的な冷却速度で焼入れされた場合、鋼の硬度は炭素濃度で決定される。しかしながら、中空ばね部材の表面は、材料である素管の段階からすでに若干脱炭している。焼入れのために中空ばね部材を高温にするとさらに脱炭が進む。鋼管外面であればショットピーニング等の簡易な方法で残留圧縮応力を生じさせることができるため、炭素濃度が万全でなくても問題ない。一方、鋼管内面はそのような処理が困難である。耐疲労性向上のため、中空ばね部材のとりわけ鋼管内面において焼入れの効果を高めたい需要がある。【０００５】
焼入れ後の硬度を高めるため、焼入れ前に鋼管内面を浸炭して炭素濃度を調整することが考えられる（例えば、特許文献１）。しかしながら、浸漬や塗付により液状の浸炭剤を鋼管内面に付着させる場合、浸炭される炭素の量が多すぎる。部位毎の炭素濃度にムラが生じることもある。過剰に硬化される部位が生じることは、ばねとしての靱性を要求される中空ばね部材にとって好ましくない。また、浸炭炉の内部を浸炭性ガスで満たし、炉内に中空ばね部材を投入して浸炭する場合、専用の浸炭炉及び変成炉が必要となるため設備費及び管理費が高価になる。炉内を加熱するために消費するエネルギーが増加する。炉内への投入がバッチ式になるため、製造ラインにおいて中空スタビライザが完成するまでに要する時間が延びる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１８２２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、浸炭に必要な時間及びエネルギーを節約でき、浸炭のために専用の浸炭炉等を必要としない。しかも、鋼管の内部空間を防錆雰囲気にできる中空ばね部材及び中空ばね部材製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態に係る中空ばね部材は、車両用の中空スタビライザ又は中空コイルばねであって、一端及び他端が封止された鋼管と、鋼管の内部空間に封入された浸炭性ガスと、を具備している。【０００９】
また、一実施形態に係る中空ばね部材製造方法は、中空ばね部材の内部空間に浸炭性ガスを封入し、鋼管の内面の浸炭及び防錆を行う。まず、ばね形状に成形された鋼管の一端に浸炭性ガスを送り込んで該一端とは反対側の他端から鋼管の内部空間の大気を追い出す。そして、内部空間が浸炭性ガスで置換された状態で一端及び他端を封止し、鋼管を加熱して浸炭性ガスの一部を鋼管の内面に浸炭させる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態に係る中空ばね部材が装着されるサスペンション装置の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示された中空スタビライザの端部の一例を示す斜視図である。
【図３】図１に示された中空コイルばねの端部の一例を示す側面図である。
【図４】アルコール蒸気を含んだ原料ガスを発生させるアルコール蒸気発生装置の一例を示す断面図である。
【図５】中空ばね部材の内部空間を浸炭性ガスで置換するガス置換装置の一例を示す断面図である。
【図６】中空スタビライザの製造工程の流れの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施形態に係る中空ばね部材について、図１乃至図６を参照して説明する。  
図１は、中空ばね部材が装着されるサスペンション装置１の一例を示す斜視図である。サスペンション装置１は、中空スタビライザ１０や中空コイルばね２０を含む種々のサスペンション部材で構成されている。
【００１２】
中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０は、いずれも本発明の中空ばね部材の一例であり、ばね鋼材等から形成された鋼管を曲げ成形して形成されている。中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０を構成するばね鋼材の種類は特に限定されないが、中空スタビライザ１０向けの鋼材として、低炭素Ｍｎ−Ｂ鋼であって炭素濃度０．１５〜０．４０質量％程度の鋼材を用いることができる。例えば、米国自動車技術者会の規定に準拠するＳＡＥ１０Ｂ２１、ＳＡＥ１５Ｂ２６が挙げられる。その他にも、例えば、２６ＭｎＢ５、３４ＭｎＢ５が挙げられる。
【００１３】
また、中空コイルばね２０向けの鋼材の例として、一般的な懸架コイルばね用鋼材を用いることができる。その他に、Ｓｉ−Ｍｎ鋼又はＳｉ−Ｍｎ−Ｂ鋼であって炭素濃度０．１５〜０．６０質量％程度の鋼材、ＵＨＳ１９００若しくはＵＨＳ１９７０、又はＮＤ１２０Ｓ若しくはＮＤ１２０Ｍを用いることができる。
【００１４】
或いは、中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０を構成するばね鋼材の他の例として、米国自動車技術者会の規定に準拠するＳＡＥ９２５４や、ＪＩＳに準拠するＳＵＰ７を用いてもよい。それ以外のばね鋼材であってもよい。ばね鋼材のみに限られず、鋼種は高強度鋼や浸炭用鋼であってもよい。中空スタビライザ１０は、Ｕ字状に曲げ成形された前述の鋼管から構成され、一端１１Ｅと、一端１１Ｅとは反対側の他端１２Ｅと、を有している。中空コイルばね２０は、螺旋状に曲げ成形された前述の鋼管から構成され、一端２１Ｅと、一端２１Ｅとは反対側の他端２２Ｅと、を有している。
【００１５】
図２は、中空スタビライザ１０の一端１１Ｅを含む端部１１の一例を示す斜視図である。図２に示すように、端部１１には、中空スタビライザ１０を車両に装着するための固定部（目玉部）が形成されている。なお、他端１２Ｅを含む端部１２にも、一端１１Ｅ側の端部１１と略同一の形状の固定部が形成されている。端部１１，１２にそれぞれ形成された固定部は、中空スタビライザ１０の内部空間１３を外部から遮断している。つまり、中空スタビライザ１０は、一端１１Ｅを含む端部１１及び他端１２Ｅを含む端部１２がそれぞれ封止されている。中空スタビライザ１０の内部空間１３には、後述する浸炭性ガスが封入されている。
【００１６】
図３は、中空コイルばね２０の一端２１Ｅを含む端部２１の一例を示す側面図である。なお、他端２２Ｅを含む端部２２は、端部２１と略同一の形状を有している。図３に示すように、端部２１は、内部空間２３を外部から遮断するように塞がれている。つまり、中空コイルばね２０は、図２に示す中空スタビライザ１０と同様に、一端２１Ｅを含む端部２１及び他端２２Ｅを含む端部２２をそれぞれ封止されている。中空コイルばね２０の内部空間２３には、浸炭性ガスが封入されている。
【００１７】
浸炭性ガスは、有機化合物を含んだ原料ガスを窒素やアルゴン等の不活性ガスで希釈したものである。図４は、アルコール蒸気を含んだ原料ガスを発生させるアルコール蒸気発生器３０の一例を示す断面図である。なお、原料ガスは、アルコール蒸気を含んだ混合ガスに限られず、例えばガスボンベ等から供給された高濃度ＣＯガスでもよい。プロパンガスやブタンガス等の炭化水素ガスを変成炉で変成させたＲＸガスでもよい。また、原料ガスは、浸炭性の有機化合物が気相状態のものに限定されない。鋼管１０Ｐの内部空間へ供給し、封止できれば、浸炭性の有機化合物が液相状態であっても固相状態にあってもよい。また、原料ガスに含まれる浸炭性の有機化合物は、一種に限定されるものではなく、複数種を組み合わせてもよい。
【００１８】
図４に示すアルコール蒸気発生器３０は、液体の有機化合物が収容されたトレイ３１と、多孔質ブロック３２とを備えている。トレイ３１に収容された液体の有機化合物の一例は、メタノールやエタノール等のアルコールである。なお、トレイ３１内の有機化合物は、常温で液体であればアルコールに限られない。例えばアセトン等のケトンであってもよいし、カルボン酸であってもよい。
【００１９】
多孔質ブロック３２は、連続気泡性の多孔質体からなり、内部を貫通する流通孔３３が形成されている。多孔質体の一例は耐火レンガである。多孔質ブロック３２の少なくとも一部は、トレイ３１の有機化合物に浸漬されている。
【００２０】
高温に加熱された窒素やアルゴン等の不活性ガスが流通孔３３の一端３４に流入すると、多孔質ブロック３２の内部に浸透・拡散していたアルコールが気化され、流通孔３３の他端３５から高濃度のアルコール蒸気を含んだ原料ガスが流出する。アルコール蒸気発生器３０によって得られた原料ガスは、不活性ガスでさらに希釈されて所定のカーボンポテンシャル値の浸炭性ガスとして調製される。なお、希釈前にすでに所定のカーボンポテンシャル値であれば、浸炭性ガスは、不活性ガスで希釈されていない原料ガスのみでもよい。
【００２１】
図５は、中空ばね部材の内部空間を浸炭性ガスで置換するガス置換装置４０の断面図である。なお、図示した例では中空ばね部材として中空スタビライザ１０をガス置換しているが、中空ばね部材が中空コイルばね２０の場合も同様である。
【００２２】
ガス置換装置４０は、第１取付部材（第１口金）４１と、第２取付部材（第２口金）４２と、を備えている。第１取付部材４１は、中空スタビライザ１０を構成する鋼管１０Ｐよりもやや大きい内径を有し、鋼管１０Ｐの一端１１Ｅに外嵌されている。第１取付部材４１は、図示しない流量調整器を介してアルコール蒸気発生器３０や不活性ガス供給源に接続されている。第２取付部材４２は、第１取付部材４１と略同一の形状を有し、外部の排気系に接続されている。
【００２３】
図６は、中空スタビライザ１０の製造工程の流れの一例を示す図である。  
まず、ばね鋼材等から形成された長尺の素管を曲げ成形して、図１に一例を示すばね形状（トーションバー）の鋼管１０Ｐを形成する（工程Ａ：ベンディング）。ベンディングは、例えば冷間加工で行う。なお、再結晶温度以上に加熱して熱間加工で成形してもよい。
【００２４】
鋼管１０Ｐの内部空間１３を浸炭性ガスで置換する（工程Ｂ：ガス置換）。図５に示すガス置換装置４０を使用する場合、中空スタビライザ１０を構成する鋼管１０Ｐの一端１１Ｅに装着した第１取付部材４１から浸炭性ガスを供給するとともに、他端１２Ｅに装着した第２取付部材４２から大気や余剰の浸炭性ガスを回収する。内部空間１３の雰囲気ガスが大気から浸炭性ガスにガス置換される。
【００２５】
内部空間１３をガス置換したのち、端部１１，１２を変形させて、浸炭性ガスを内部空間１３に閉じ込める（工程Ｃ：ガス封止）。鋼管１０Ｐの全長と比べて一端１１Ｅ及び他端１２Ｅの開口は狭い。そのため、端部１１，１２を封止するため加工している間も浸炭性ガスの大部分は内部空間１３に滞留している。中空スタビライザ１０を封止する場合、端部１１，１２を例えばアプセット加工やプレス加工によって塑性変形させて図２に示す固定部を形成し、一端１１Ｅ及び他端１２Ｅの開口を封止する。中空コイルばね２０を封止する場合、端部２１，２２を例えばスピニング加工やプレス加工によって図３に示すように塑性変形させ、一端２１Ｅ及び他端２２Ｅの開口を封止する。
【００２６】
浸炭性ガスを内部空間１３に閉じ込めた状態で中空スタビライザ１０を加熱する。中空スタビライザ１０の加熱方法は、加熱炉に投入してもよいし、電極を接続して通電加熱してもよい。加熱されて高温になった中空スタビライザ１０の鋼管内面１４に浸炭性ガスが接触すると、浸炭性ガスに含まれるアルコール蒸気などの有機化合物が、高級から低級へと順次分解される。例えば、エタノールの場合、Ｃ２Ｈ５ＯＨ⇔ＣＨ４＋ＣＯ＋Ｈ２に分解されて還元性ガスを生じる。メタノールの場合、ＣＨ３ＯＨ⇔ＣＯ＋２Ｈ２に分解されて還元性ガスを生じる。
【００２７】
有機化合物が分解されて生じたＣＯガス等の還元性ガスは、ブードア反応２ＣＯ⇔Ｃ＋ＣＯ２や、ＣＯ＋Ｈ２⇔Ｃ＋Ｈ２Ｏ、ＣＨ４⇔Ｃ＋２Ｈ２といった反応により、鋼管内面１４に炭素を固溶させる。これにより、鋼管内面１４の少なくとも表層部に浸炭層が形成される。
【００２８】
有機化合物が分解されて生じた還元性ガスは、その一部が、ブードア反応に使用されるものの、その残余が、窒素やアルゴン等の不活性ガスと、ブードア反応で生じたＣＯ２ガスと、材料となる有機化合物等とともに、内部空間１３の雰囲気中に存在している。
【００２９】
加熱されて鋼管内面１４に浸炭層が形成された中空スタビライザ１０を、焼入れ組織（マルテンサイト）が生じる温度勾配で急冷する。つまり、本実施形態の中空ばね部材製造方法は、浸炭及び焼入れを連続で行う（工程Ｄ：浸炭及び焼入れ）。急冷前の中空スタビライザ１０の温度は、例えば９８０〜１０００℃（オーステナイト化温度）である。例えば油槽や水槽にオーステナイト化温度の鋼管１０Ｐを浸漬して急冷することができる。
【００３０】
中空スタビライザ１０を焼戻して硬度を調整する（工程Ｅ：焼戻し）。歯車やカム軸等では通常２５０℃未満で焼戻すところ、中空スタビライザ１０は、車両用のスタビライザとして要求される靱性を確保するため、低温焼き戻し脆性の温度範囲を避けつつ歯車やカム軸等の条件よりもやや高温で焼き戻すことが好ましい。本実施形態に係る焼戻し温度の一例は、１５０〜３５０℃である。
【００３１】
中空スタビライザ１０の鋼管外面１５にショットピーニングを施す（工程Ｆ：ショットピーニング）。ショットピーニングにより、鋼管外面１５を硬化して鋼管外面１５の表面応力を均一化できる。また、鋼管外面１５に残留圧縮応力を付与して耐久性及び耐疲労破壊性を向上させることができる。  
鋼管外面１５に化成処理層を形成する（工程Ｇ：化成処理）。化成処理層は、例えばリン酸亜鉛等のリン酸塩により形成できる。  
防錆性及び耐チッピング性を向上させるため、鋼管外面１５を塗装する（工程Ｈ：塗装）。塗膜は、例えば粉体焼付塗装により形成できる。
【００３２】
以上のような工程を経て、素管から中空スタビライザ１０を完成させる。なお、素管から中空コイルばね２０を製造する場合、前述の工程Ａにおいて、素管をＵ字状に曲げ成形するベンディングに代えて、素管を螺旋状に成形するコイリングを行う。コイリングは、前述のガス置換（工程Ｂ）及びガス封止（工程Ｃ）の前工程ではなく後工程で行う。他の工程Ｄ〜Ｈは、これまで説明した中空スタビライザ１０の製造工程と同様である。コイリングは、熱間加工で行ってもよいし、冷間加工で行ってもよい。本実施形態の中空コイルばね製造工程は、一般的な中空コイルばね製造工程と概ね同様の工程に加え、さらに前述のガス置換（工程Ｂ）、ガス封止（工程Ｃ）、浸炭及び焼入れ（工程Ｄ）を備えている。
【００３３】
以上のように構成された本実施形態に係る中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０は、内部空間１３，２３に浸炭性ガスが封入されている。浸炭のためにする加熱と焼入れのためにする加熱とを各別に行うと、その都度エネルギーを消費するが、本実施形態に係る中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０であれば、焼入れのためにする加熱中に鋼管内面１４，２４を浸炭できる。或いは、浸炭のためにする加熱で高温になった状態の中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０を急冷して焼入れできるともいえる。これにより、浸炭と焼入れとを連続して行うことが可能となり、製造工程で消費されるエネルギーを節約できる。
【００３４】
さらに、浸炭性ガスが分解されて生じたＣＯ等の還元性ガスのうち、浸炭層の形成に使用されなかった残余が内部空間１３，２３に閉じ込められているため、内部空間１３，２３が還元性雰囲気に保たれている。その結果、長期間に亘って鋼管内面１４，２４を防錆できる。
【００３５】
本実施形態の中空ばね部材製造方法は、浸炭性ガスの原料ガスとしてアルコール蒸気を含んだ不活性ガスを使用している。材料となるエタノール等のアルコールは廉価に入手できるため、浸炭に要するコストを低減することができる。常温で液体のアルコールから原料ガスを発生させるため、ＲＸガス等を発生させる場合と比較してガス漏れ等による爆発の危険が少ない。工場の安全性を向上できる。
【００３６】
材料であるアルコール等は、アルコール蒸気発生器３０によって気化できる。アルコール蒸気発生器３０は、ＲＸガスを変成するために一般的に使用される変成炉等と比較して構成が簡素でコンパクトであり、焼入れに必要な冷却槽等や加熱装置の近くにレイアウトできる。設備同士の距離を互いに縮めることができるため、浸炭と焼入れとを連続して行う本実施形態に好適に使用することができる。
【００３７】
本実施形態では、ガス置換装置４０によって中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０の内部空間１３，２３をガス置換している。専用の浸炭炉を使用して中空スタビライザ１０及び中空コイルばね２０に浸炭性ガスを導入する場合、設備費や浸炭性ガスの使用量が大きい。一方、ガス置換装置４０は、浸炭炉と比較して構成が簡便である。設備費や浸炭性ガスの使用量を節約できる。
【００３８】
本実施形態では、鋼管１０Ｐを加熱する（例えば、工程Ｄ）よりも前工程において、一端１１Ｅ及び他端１２Ｅの開口をすでに封止している（工程Ｃ）。そのため、内部空間１３を外部から遮断して酸素が流入することを阻止できる。外部からのガスが混入しないため、内部空間１３の雰囲気のカーボンポテンシャル値を正確に予想できる。
【００３９】
或いは、本実施形態の変形例として、図６に示す例から工程Ｂを省略して内部空間１３を浸炭性ガスでガス置換することなく一端１１Ｅ及び他端１２Ｅを封止した場合、内部空間１３に閉じ込められた大気に含まれる酸素を有限にできる。変形例によれば、加熱によって鋼管内面１４から深い位置に存在していた炭素を鋼管内面１４に移動させて鋼管内面１４の炭素濃度を若干回復させる（復炭させる）ことができる。
【００４０】
さらに、ガス置換する工程Ｂまで備える本実施形態では、鋼管内面１４を復炭させて炭素濃度を若干回復させるだけでなく、浸炭性ガスの炭素を浸炭させて鋼管内面１４の炭素濃度を高めることができる。
【００４１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…中空スタビライザ（中空ばね部材の一例）、１０Ｐ…鋼管、１１，１２…端部、１１Ｅ…一端、１２Ｅ…他端、１３…内部空間、１４…鋼管内面、２０…中空コイルばね（中空ばね部材の一例）、２１，２２…端部、２１Ｅ…一端、２２Ｅ…他端、２３…内部空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
2017169234.tif 000009
2017169234.tif 000010
2017169234.tif 000011
2017169234.tif 000012