JP2005138112A - プレス加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 コールドプレスでは顕在化するテーラードブランク材の溶接線近傍の板厚不均一性を軽減し、かつ高強度を確保する技術を提供するものである。
【解決手段】 同種類の差厚の鋼板または異種類の同厚若しくは差厚の鋼板を溶接したプレス素材をAr3変態点以上でプレス加工することを特徴とするプレス加工方法。好ましくは、鋼板をアルミ系めっき鋼板または亜鉛系めっき鋼板とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、自動車材料のような軽量化が必要とされる部材に適用されるプレス加工方法に関するものである。

自動車材料は車体の軽量化を達成するために鉄鋼材料を高強度化して板厚を減じることが試みられている。
しかし、鋼板の高強度化はプレス時に必要なプレス力が高くなり、設備の大型化を伴い、設備コストが上がるだけでなく、鋼板の高強度化に伴う成形の難しさによる金型の修正コスト、金型自体の耐磨耗対策費、形状凍結性向上のためのリストラィキングによる生産性の劣化などコスト増をもたらす様々な問題点が指摘されている。この問題を解決する方法の一つとしてホットプレスが注目されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
ホットプレスとは鋼板を高温に加熱し、高温域でプレス加工する技術であり、特に鋼板をAr３変態温度以上でプレス加工し、金型による抜熱で急速に冷却し、プレス圧が掛かった状態で変態を起こさせることにより高強度で、かつ形状凍結性の優れたプレス加工品を製造する技術として発展が期待されている。
しかし、ホットプレスは金型で冷却するため、冷却に時間を要し、一部品を成形するのに30秒近く掛かるため、通常のプレス加工に比べて生産性が著しく劣るため、その技術の導入にプレスメーカーは必ずしも前向きではない。

一方、プレス品の歩留まりならびに生産性を向上させる手段としてテーラードブランク技術が自動車用部材のプレス素材に適用されている。プレスに供する鋼板を前もって異なった鋼種や板厚で構成するテーラードブランキングすることにより、本来個々のプレス成形により製造された部位をプレス後溶接して一体化するという多大な生産時間のロスが生じないために部品製造のトータルとして著しい生産性の向上をもたらす。しかし、通常のプレスにおいてテーラードブランク材は溶接部が母材と異なった特性を示すためにプレス加工時に破断が生じたり、局部的に著しい減厚が起こったりして部品としての機能を満たさないことがある。特に強度差が大きい材料の接合部ではこのような現象が顕著に見られる。
特開２００１−３５３５４８号公報 特開２００３−１２６９２０号公報

本発明は自動車部品などの軽量化に貢献するプレス加工方法を提供するものである。

本発明者らは、様々な鋼種を組み合わせたテーラードブランク部材を高温でプレス加工することにより、テーラードブランク材の接合部の特性に及ぼす接合部材の成分の相違やプレス条件の影響を詳細に検討したところ、ホットプレス条件を適正化することによりテーラードブランク材の接合部での不具合はほとんどの場合は回避できることが明らかになった。
本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
１）同種類の差厚の鋼板または異種類の同厚若しくは差厚の鋼板を溶接したプレス素材をAr3変態点以上でプレス加工をすることを特徴とするプレス加工方法。
２）鋼板がアルミ系めっき鋼板または亜鉛系めっき鋼板であることを特徴とする（１）に記載のプレス加工方法。

本発明は通常のプレス加工での欠点であるテーラードブランク材の接合部近傍の形状劣化を抑制し、かつ十分な強度を付与することを可能にする技術を提供するもので、自動車のハイテン化・軽量化に寄与し、省エネ・地球環境保全に貢献するものである。
本発明により、ホットプレスの特徴である形状凍結性に優れた高強度部品の製造を可能にし、かつテーラードブランク材の課題である接合部の問題点を解決し、部品製造トータルとしての生産性向上を果たすものであり、産業上有用な著しい効果を奏する。

以下に本発明を詳細に説明する。
まず、テーラードブランクに供する鋼板の成分について検討した。本発明者らは成分の大きく異なる異種類の鋼板同士のテーラードブランクは接合部で不具合が生じる可能性が高いと推察し、多くの組み合わせで実験を行ったが、プレスを両材料のAr3変態点以上で行えば、接合部での不具合は生じないことが明らかになった。鋼の変形抵抗がオーステナイト域では比較的成分の影響を受けず鋼板間で変形抵抗の大きな差が生じないためと考えられる。一方、温度が低下し、温度が片方の鋼板ではAr3以上でもう片方の鋼板ではAr3変態点未満になった場合は接合部で破断やAr3変態点以下でプレス加工された材料の接合部近傍で著しい減厚が観察された。なおも温度が低下して両材料ともAr3変態点未満でプレス加工された場合は変態による強化が得られないのでホットプレスの特徴が活かせない。
すなわち、本発明に供する鋼板は特に成分の限定は必要ないが、Ar3変態点が高いとプレス材を非常に高温で加熱する必要があり、エネルギーコストが嵩むのでAr3変態点を過度に上げる元素であるAl、Si、Crなどの添加量は低いことが好ましい。通常のホットプレス材の加熱温度が９００〜９５０℃であることを考えるとAlは１％以下、Siは２％以下、Crは１０％以下が好ましい。

一方、オーステナイトフォーマーであるC, Mn, Niなどの成分量を特に限定することは無いが、MnやNiを多く添加すると常温でもオーステナイトが保たれ、変態による効果は得られないことや合金元素を節約する意味では適度な添加で変態強化で必要な強度上昇が得られるのでMnは10％以下、Niは高価なので５％以下が好ましい。
本発明部材を溶接により他の部位に接合する場合はCを０．３％以下とした方が好ましいが、接着やリベットなどによる機械接合を利用する場合はC量を限定する必要は無い。ただし、過度のCの添加は部材を脆くするので２％以下が好ましい。また、過度の低C化はAr3変態点を高めるだけでなく、高強度化にも逆行するので、０．０３％以上の添加が好ましい。

また、P、Sも部材を脆くするのでともに０．１％以上の添加は避けた方が好ましい。
高強度化を図るためにMo,B,Cr,V,Ti,Nbなどが添加されることは本発明の主旨を損ずるものではない。
一方、プレス条件であるが、テーラードブランクされた材料がAr3変態点以上でプレス加工されれば本発明の条件は満たされるのであるが、経済性を考えれば、加熱温度はAe3変態点以上、Ae3変態点＋１００℃が好ましい。また、金型冷却後にプレス加工品を金型から取り出す温度は形状凍結性の観点より３００℃以下が好ましい。

一方、表面処理を施さないで加熱に供すると鋼板表面に酸化スケールが出来てプレス時に剥離が起き易く、それが堆積した状態でプレスが行われると金型が損傷するので、酸化スケールを抑制する表面処理を行うことは好ましい。この場合、プレス後ショットピーニングなどによりスケール脱離処理をする必要が無いのも利点である。高温で脱離し易い酸化スケールの生成を抑制する表面処理としてはAl系、Zn系、すず系がある。Al系とはAlが５０％以上でその他にZn,Si,Mg,Mn,CrCo,Sn,Ni,Ti,Beなどが含まれることのある一般にアルミめっき鋼板と呼ばれるものである。Zn系とはZnが５０％以上含まれ、その他にAl, Si,Mg,Mn,CrCo,Sn,Ni,Ti,Beなどがふくまれることのある一般にアルミめっき鋼板と呼ばれるものである。

表1に成分を示す鋼板を表2に示す組み合わせでレーザー溶接したサンプルを張り出し加工した時の溶接部の板厚変化を調査した。張り出し加工は150mmｘ150mmの板を直径100ｍｍの球頭ポンチで押し込むことによって行なった。プレスは油圧プレスを用い13mm/秒の速度で行なった。張り出し高さは25mmに調整した。接合は75mmｘ150mmの鋼板を2枚つき合わせ溶接で溶接線がポンチの中心線と一致するようにセットして行なった。加工後、張り出した材料の頂点を通り溶接線に直角になるように試験片を切断し、溶接線の左右20mmの板厚を測定した。但し、溶接ビード部の凸凹は測定範囲から除外した。同厚材については最も薄い板厚t_minを測定した板厚の平均値t_aveで割った値を、異厚材については左右でそれぞれについて最も薄い板厚を測定した板厚の平均値で割った値を求め、小さい方の値を表2に記した。ホットプレス材については表2にプレス直前の温度を記した。この項目に室温と記した実験は通常のコールドプレスを意味する。プレス直前の温度は放射温度計で測定した値を記した。加熱条件は950℃で5分間とした。また、表1に記したAr3は空冷時の冷速に近い10℃／秒の時の変態が開始する時の温度でフォーマスターにより膨張率の変化より測定した。

また、切断した試験片の溶接線から左右20mm位置の板厚中心部で硬度測定を行なった。その値を表2に記した。コールドプレスの実験はプレス成形後の材料の硬度がホットプレス材とほぼ同等になるようにプレス前に調整した。コールドプレスの実験において、実験No.１、20、22は1470MPa級の鋼板と780MPa級の組み合わせ、実験No.7、14は1470MPa級の鋼板と580MPa級の組み合わせ、実験No.16は1470MPa級同士の組み合わせ、実験No.18は780MPa級と580MPa級の組み合わせである。コールドプレスでもホットプレスと同様の張り出し高さを得ようとしたが、実験No.1,7,14,16が示すように、25mmの張り出し高さに達する前に破断してしまい形状測定に至らなかった。そのために、実験No.19,20,21,22において張り出し高さ10mmの実験を行い、1470MPa級の鋼板と780MPa級の組み合わせのホットプレス材とコールドプレス材の比較をした。本発明例はコールドプレスに比べてt_min/t_aveの値が大きく溶接部近傍で肉痩せが生じにくいことを示す。一方、ホットプレスでも加工直前の温度が低くなると一方の鋼板で変態が起こり、サンプルを形成している鋼の変形応力に大きな差が生じるのでt_min/t_aveの値が顕著に小さくなり、くびれが生じやすくなる。t_min/t_aveの値が小さいことはそのくびれ部で疲労破壊を起こしたり、衝突時に破断が起きたりする危険が高いことを意味する。

Claims (2)

1. 同種類の差厚の鋼板または異種類の同厚若しくは差厚の鋼板を溶接したプレス素材をAr3変態点以上でプレス加工することを特徴とするプレス加工方法。
2. 鋼板がアルミ系めっき鋼板または亜鉛系めっき鋼板であることを特徴とする請求項１に記載のプレス加工方法。