JP2004330230A - 高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度鋼材についても成形性よくハイドロフォーム加工を行うことができる方法を提供する。
【解決手段】Ｃ： ０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、２．５％以上の残留オーステナイト相を有する高強度鋼材を、最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度範囲に保持しながらハイドロフォームすることを特徴とするものである。この温度は予備引張り試験により求めておくことが好ましい。鋼材の温度は加工液の温度により制御することができる。材料の拡管率を従来法よりも高めることが可能となる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００２−１２６８２６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２６８２７号公報
【特許文献３】特開２００２−６９５８４号公報
【０００３】
特許文献１，２に示されるように、鋼管などの鋼材を金型内部にセットして内部に加工液を満たし、その圧力を必要な値に制御することによって、あるいはそれに加えて端面に軸押しを加えることによって鋼材を所望形状に膨出成形する方法が、ハイドロフォーム加工方法として知られている。特に近年、自動車生産プロセスへのハイドロフォーム加工方法が普及しつつある。
【０００４】
しかし自動車用フレームなどに用いられる高強度鋼材については、成形性の問題からハイドロフォーム加工方法はあまり用いられていない。すなわち、一般に引張強度が５９０ＭＰａを超える材料は延性が低いため、プレス加工などの塑性加工においても所望の形状まで成形できず、破断する傾向が強い。鋼管のハイドロフォームにおいても、その前工程における曲げ加工やプレス加工で大きな歪を付与されるため、高強度鋼管を用いる場合にはハイドロフォーム加工中に割れが発生し易い。このため特許文献３に示されるように材料自体の開発も行われているものの、高強度鋼材のハイドロフォーム加工は困難とされてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の課題を解決し、引張強度が５９０ＭＰａを超えるような高強度鋼材についても従来よりも加工限界を高め、成形性よくハイドロフォーム加工を行うことができる高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するためになされた本発明は、２．５％以上の残留オーステナイト相を有する高強度鋼材を、最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度範囲に保持しながらハイドロフォームすることを特徴とするものである。なお、最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度範囲を、予備引張り試験により求めておくことが好ましい。また高強度鋼材として、Ｃ： ０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を用いることが好ましく、鋼材の温度を加工液の温度により制御することが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
一般に、高強度鋼材の残留オーステナイト相は加工中にマルテンサイト変態（加工誘起変態：ＴＲＩＰ）を生じ、これとともに強度と硬度が増加することが知られている。しかし、このマルテンサイト変態のタイミングは加工温度と加工量によって変化するため、従来は加工中にそのタイミングを制御することが難しく、成り行き任せとなっている。
【０００８】
例えば高強度鋼材の引張り試験においては、図１の応力―歪曲線に示すように最大応力点までは試験片全体の一様伸びが生じ、更に引張りを与えると一部に局所的なくびれが発生して破断に至る。そしてその破断までの最大変形量は一様伸び量＋くびれ部分の変形量であり、高強度鋼材は低強度鋼材よりも一様伸び量が小さいから、上述したように高強度鋼材は低強度鋼材よりも最大変形量が小さくなる。
【０００９】
この場合には、マルテンサイト変態のタイミング制御は行われていない。しかし、図１中に記入したように最大応力点まではマルテンサイト変態を抑制しながら一様伸びを生じさせ、その後にマルテンサイト変態を生じさせるようにすれば、局所的なくびれを生ずる部位が図２に示すように順次移動し、破断までの最大変形量を大幅に増加させることができる。すなわち、局所的なくびれを生じた部位はマルテンサイト変態により硬化しそれ以上の伸びが抑制されるが、続いて隣接する部位で局所的なくびれとマルテンサイト変態とが発生し、破断までに鋼材全体がマルテンサイト変態するとともに、各部位の伸びが加算された大きな一様伸びを達成できることとなる。なお、加工後の残留マルテンサイトは２０％以下であることが好ましい。
【００１０】
しかも、プレス成形のような通常の塑性加工では加工が瞬時に行われるためマルテンサイト変態のタイミング制御が不可能であるのに対し、ハイドロフォーム加工方法では鋼材は常に加工液と接触しながらある程度の時間をかけて加工が進行する。従って加工中における高強度鋼材のマルテンサイト変態の制御が可能である。本発明は上記の知見に基づいてなされたものであり、加工中の最大応力点においてもなお、高強度鋼材中のオーステナイト相が加工開始時の６０〜９０％残留するように、鋼材温度を制御する。
【００１１】
用いる高強度鋼材は、質量％でＣ： ０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材が好ましい。また管状試験片による引張強度と伸びの積が１５０００（ＭＰａ・％）以上であり、体積％で２．５％以上の残留オーステナイト相を有する鋼材が好ましい。成形開始時の残留オーステナイト相が２．５％未満であると、残留オーステナイト相のマルテンサイト変態を利用した本発明の効果が不十分となる。
【００１２】
最大応力点における残留オーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度は鋼材によって異なるため、実用的には予備引張り試験によりその温度を求め、ハイドロフォーム加工用いる加工液の温度をその温度域に制御するとよい。加工液の温度と加工中の鋼材の温度はほぼ等しいと考えられるからである。しかし金型温度を制御することも可能である。なお、前記した特許文献２，３には高温バルジ成形方法が記載されているが、本発明の温度域はこれよりも低温であり、実際には加工液を冷却することとなる。
【００１３】
このようにして鋼材温度を制御し、最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となるようにしてハイドロフォーム加工を行えば、最大応力点を過ぎた後もなお局部的なマルテンサイト変態と伸び（変形）とが順次進行し、各部位の伸びが加算された大きな一様伸びを得ることができる。しかもマルテンサイト変態に伴い強度・硬度は一段と増加するため、引張強度が５９０ＭＰａを超える高強度鋼材を割れを発生させることなくハイドロフォーム加工することが可能となる。
【００１４】
【実施例】（実施例１）
質量％でＣ： ０．１５％、Ｓｉ：１．５％、Ｍｎ： １．５％、Ｐ：０．００５％、Ｓ：０．００５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、引張強度が７８０ＭＰａ級の残留オーステナイト鋼材からＪＩＳ３号試験片を作成し、温度を３０℃、６０℃、９０℃の一定温度に保持しながら水中引張試験を行った。試験片に２％歪、５％歪、１０％歪、１５％歪、破断後の各歪量を加え、残留オーステナイト量を測定した。残留オーステナイト量の測定はＸ線測定機により、Ｘ線の回折現象を利用して行った。その結果を図３に示す。
【００１５】
各試験片の引張試験結果を表１に示す。この鋼材は加工温度が６０℃のときに伸びが最大となったので、最適加工温度は６０℃と推定される。また上記の鋼材をロール成形し、電縫溶接により直径６０．５ｍｍ、板厚１．２ｍｍのハイドロフォーム用素管を製造し、常温大気中、３０℃、６０℃、９０℃の各温度条件で液圧拡管試験（自由バルジ試験）を行って最大拡管率（素管の直径Ｄからの変化率）を測定した。その結果を表１に記した。最大拡管率は６０℃で最大となり、最適加工温度が６０℃であることが確認された。
【００１６】
【表１】

【００１７】（実施例２）
この実施例では、加工温度を３０℃と設定して、それに適した材料成分と熱処理条件とを探索した。表２に各条件を示した。材料中のＰは全て０．００５％、Ｓは全て０．００２％である。なお熱処理は全て鋼材を８５０℃に保持した後、表中の冷却速度Ｖ（℃／ｓｅｃ）で表中の保持温度Ｔ（℃）まで急冷し、その温度Ｔに保持する方法とした。残留オーステナイト量から各素管の最大拡管率を予測することができ、表２中ではｃの鋼管が最適である。なお表中の残留オーステナイト量はいずれも初期値に対する比、拡管率は素管径に対する比である。
【００１８】
【表２】

【００１９】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば従来は成形性が悪いためにハイドロフォーム加工を行うことが困難であった引張強度が５９０ＭＰａを超えるような高強度鋼材についても、成形性よくハイドロフォーム加工を行うことが可能となった。また通常の加工可能温度域において残留オーステナイト量が本発明の条件を満たすように材料成分や熱処理条件を制御した高強度残留オーステナイト鋼を製造すれば、通常のハイドロフォーム加工方法の成形性を高めることができる。よって本発明は高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法として、実用的価値の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】高強度鋼材の引張試験による応力―歪曲線である。
【図２】本発明における鋼材の変形過程の説明図である。
【図３】実施例における加工温度と残留オーステナイト量との関係を示すグラフである。

Claims (4)

1. ２．５％以上の残留オーステナイト相を有する高強度鋼材を、最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度範囲に保持しながらハイドロフォームすることを特徴とする高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法。
2. 最大応力点におけるオーステナイト相の残留率が６０〜９０％となる温度範囲を、予備引張り試験により求める請求項１記載の高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法。
3. 高強度鋼材として、Ｃ： ０．０５〜０．３％、Ｓｉ：０．５〜３．０％、Ｍｎ：０．２〜２．５％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなる鋼材を用いる請求項１記載の高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法。
4. 鋼材の温度を加工液の温度により制御する請求項１記載の高強度鋼材のハイドロフォーム加工方法。

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