JP2005288528A - 成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温成形後に高強度となる鋼板の熱間プレス方法を提供する。
【解決手段】 質量％にてＣ≧０．２％を含有する薄鋼板を８５０℃以上に加熱後、プレスにて高温成形するに際し、プレス金型が下死点到達後５ｓ以内に成形品をプレス金型から取り出して冷却速度３０℃／ｓ以上で冷却する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、自動車部品の構造部材に代表されるような強度が必要とされる部材に適した鋼板の熱間プレス方法に関する。

近年、環境保護と地球温暖化を防止するため、化石燃料の消費を抑制する動きが強まっており、移動手段として我々の生活に欠かせない自動車においても車体の軽量化が強く求められている。この軽量化を達成するためには、従来に比べ高い機械強度を有する材料を使用することが必要となるが、一般に高い強度を有する材料は曲げ加工などの成形加工において形状凍結性が低下する傾向にあり、また複雑な形状のものに対しては成形そのものが困難である。これらの問題を解決する方法のひとつとして鋼板を８００℃以上の高温に加熱し、プレス加工を行った後冷却するいわゆる熱間（高温、ホット）プレス（スタンプ）による方法が有望である。

熱間プレスはプレス金型を鋼板が有する熱の抜熱材（冷媒）として利用することで、プレスと同時に鋼板組織を加熱時のオーステナイト組織からマルテンサイト組織に変態させ、いわゆる焼入により高強度化を達成するものである。即ち、熱間プレスの金型は通常冷間プレスで要求される成形機能のみならず、鋼板の組織、即ち材質作り込みの機能も要求されており、そのプレス成形技術は成形性確保と焼入性確保の両面から種々検討されている。例えば特開２０００−３８６４０号公報（特許文献１）には鋼板の冷却速度として実施例に示された鋼板組成の焼入臨界速度以上（２７℃／ｓ）が必要なことが示されている。また、特開２００１−３５３５４８号公報（特許文献２）では８００〜１２００℃で加熱後、ツール内で熱間成形及び焼入れする方法が記載されている。

さらに、特許第３３８９５６２号公報（特許文献３）では金型接触時の焼入効果を生じせしめるために金型を押圧する際の圧力（プレス圧）を５０００ＭＰａとし、プレス型から取り出した直後の成形品の温度を１００〜２００℃まで低下させる技術が開示されている。更に特開２００２−２８２９５１号公報（特許文献４）では金型のクリアランスを制御して金型と成形品の接触状態の適正化を図り、成形と焼入性の両立を目指すと共に、金型の抜熱能力を高めて型内保持時間の短縮を図る技術が開示されている。

特開２０００−３８６４０号公報 特開２００１−３５３５４８号公報 特許第３３８９５６２号公報 特開２００２−２８２９５１号公報

しかしながら、上記従来技術は全て金型内での抜熱によるマルテンサイト変態完結を前提として検討されている。このため生産性の低下を懸念してプレスのサイクルタイム（金型の可動型が上死点位置から下死点位置に移動し再び上死点位置に復帰するまでの一押圧工程に要する時間）を短縮すべく種々の工夫がなされてはいるものの、特許文献２ではこのサイクルタイムが５ｓ程度かかっており、特許文献３では金型の抜熱能力を高めた場合でも硬度が安定して確保できる適正保持時間として１．５〜８ｓを要している。

他方、量産ベースでの通常の冷間プレスはサイクルタイムが１ｓ程度の高速クランクプレスが稼動していることも珍しくなく、熱間プレスの生産性はこれらの技術によっても未だ劣位にあるのが実情である。そこで本発明は、熱間プレスにても冷間プレスと遜色ない高生産性が確保できるプレス技術を提供することを目的とするものである。

本発明者らは、まず熱間プレスにおいて下死点保持の有無やサイクルタイムの長短により変動する因子を解析した。その結果、成形品の形状やその前提となる成形可否（破断発生有無）に関しては成形速度の影響はあまり認められず、そればかりか場合によっては高成形速度にした方が、成形高さを大きく得られることを確認した。しかしながら成形時間が短い程、鋼板の抜熱量は少なくなることから金型焼入は未達となり、高速成形では成形と焼入の両立する条件は見出せなかった。

即ち、成形品の強度はほぼプレス後の温度により決定され、鋼成分から推定されるマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点）以上の温度でプレス終了した成形品は十分な硬度を得ることはできなかった。ところがプレス成形品をプレス金型から取り出してこれに大きな冷却速度、例えば水冷のような高い冷速で冷却を行ったところ、むしろプレス後の温度が高いほど冷却後の硬度が安定して高くなることが種々の硬度と温度の関係から判明し、この条件を種々の実験から検討して、必ずしも金型焼入を必要としない熱間プレス方法として本発明の要件を得た。

即ち、本発明の要旨は以下の通りである。
（１）質量％にてＣ≧０．２％を含有する薄鋼板を８５０℃以上に加熱後、プレスにて高温成形するに際し、プレス金型が下死点通過後５ｓ以内に成形品をプレス金型から取り出して成形品を冷却速度３０℃／ｓ以上で冷却し、成形品の硬さＨＶを４００以上とすることを特徴とする成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法。
（２）成形品の形状を拘束して冷却することを特徴とする、上記（１）の高温成形後に高強度となる鋼板の熱間プレス方法。

（３）プレス金型が下死点到達後、下死点保持又は下死点での加圧を行わずに冷却することを特徴とする、上記（１）又は（２）記載の高温成形後に高強度となる鋼板の熱間プレス方法。
（４）成形にクランクプレスを用いる、上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の高温成形後に高強度となる鋼板の熱間プレス方法にある。

本発明は、高温でのプレスにより製造される、自動車部品の構造部材に代表されるような強度が必要とされる部材に適した鋼板のプレス方法を提供するものであり、従来の当該技術に比して大幅な生産性向上が期待できることから、工業的に価値の大きなものである。

以下に本発明を更に詳細に説明する。まず、本発明に至った実験結果を示す。
実験に用いた鋼板は質量％で０．２４％Ｃ、０．２％Ｓｉ、１．２％Ｍｎを含有する１．２ｍｍ厚の中炭素鋼板であり、９２０℃に加熱後成形高さ４０ｍｍのハット成形を行った。成形手段として、フランジ押えを用いないフォーム成形とフランジ押えを用いたドローベンド成形の両方について実験した。図１に実験結果を示す。ここで図中の各点は種々のプレス条件において得られた成形品の種々の部位におけるプレス直後の温度（サーモビュアーで測定）とその部位の板厚断面硬さ（１０ｋｇ荷重でのビッカース硬度測定：ＨＶ）の関係をプロットしたものであり、プレス後金型から取り出してそのまま空冷した場合の結果を点線の領域として、取り出して数秒以内に水冷した場合の結果を実線の領域として示している。これによるとプレス直後の温度が本検討鋼板の鋼成分から予想されるＭｓ点（約４００℃）を境にして、それ以下の温度では空冷と水冷に硬さの差異がないのに対して、それ以上の温度では両者は乖離しており、高温ほど空冷材は低強度になるのに対し、水冷材はむしろ高強度化していることがわかる。

即ち、仮に金型で十分抜熱されずプレス後の鋼板温度が高い場合でも、その後大きな冷速で冷却すれば鋼板は焼入されて高強度化が達成される。以上の結果から、本発明はいわば従来技術が金型に成形と焼入性の両方の機能を求めていたのに対して、金型をあたかも冷間プレスのように成形のみの機能に特化して焼入は別工程で担保するといった、機能分離の観点からサイクルタイムの短縮、即ち生産性向上を追及したものと言える。

次に、本発明のプレス条件の限定理由を述べる。
鋼板の鋼成分は質量％でＣ≧０．２％とする。これは０．２％未満ではたとえ焼入が十分行われても本発明が必要とするＨＶ≧４００が得られなかったり、冷却途中にフェライト変態などが起こって焼入が不十分になるためである。なお、その他の元素は特に限定するものではない。即ち、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓなどの基本元素は適宜含まれていても差し支えない。また焼入性を高めるため、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｂなどを添加してもよい。

プレスに際しての鋼板の加熱温度は８５０℃以上とする。これはプレス時の鋼板組織をオーステナイト単相組織としてマルテンサイト変態させるために必要であるだけでなく、プレス時のハンドリング時間などからプレス前の温度が低下してもプレス前の組織がオーステナイト単相を維持するために必要な温度である。逆に、プレス後の温度について本発明は特に限定するものではない。これは意外なことだが、引き続き付与される冷却が下記に示す適正な条件で行われる限り、図１に示したようにプレス後の温度がどのようであっても、十分な硬さが得られるためである。

プレス後の冷却については、プレス金型が下死点通過後、即ち、金型との接触が不十分となってから、５ｓ以内に行う。この時間が５ｓ超になると空冷による温度低下からプレス後の温度がＭｓ点以上の部位で十分な焼入硬さが得られない。また、その冷却時の冷却速度は３０℃／ｓ以上とする。冷速が３０℃／ｓ未満の場合には、たとえ５ｓ以内に冷却を施しても鋼板温度によっては、やはり十分な硬さが得られない。なお冷却方法については本発明では特に限定しない。冷却手段は種々考えられるが、大きな熱容量を有する別金型による金属接触による抜熱でも、また、これに水冷などを併用した強制抜熱でも良く、更にラミナー水やスプレー水、若しくは単純に水槽に浸漬させても良い。場合によってはガス冷却やミスト冷却などでも、３０℃／ｓ以上の冷速が得られる方法であれば良い。

次に、本発明においては上記冷却は金型内で付与する必要はないことから、成形品は成形後に金型から取り出して金型外にて冷却を行う。こうすることで金型は引き続き次のプレスを短時間で行うことが可能となる。一方、プレス後の成形品は金型外での冷却によって熱変形しないように変形箇所については適宜、形状を拘束しながら冷却することが好ましい。但しこの際、従来の熱間プレスにおける金型抜熱時のように成形品全体を拘束する必要は必ずしもない。なお、本プレス方法はその目的がサイクルタイム短縮による生産性向上であるため、従来技術のように油圧プレスやサーボプレスを前提とした下死点保持やその下死点での加圧を行わずに冷却だけしても良い。また、プレス機も量産時に通常用いるクランク式のメカニカルプレスで良い。

以下に、実施例により本発明をさらに説明する。
鋼成分として質量％で０．２５％Ｃ、０．３％Ｓｉ、１．４％Ｍｎ、０．３％Ｃｒ、０．００２％Ｂを含有する鋼板を用いて表１に示す種々の条件で２００トンのクランクプレス（成形速度：６０ｓｐｍ＝１ｓ／サイクル）により成形高さ６０ｍｍのハット成形をフォーム成形にて行った。冷却はスプレー水と水槽へ浸漬する方法を用い、比較のため空冷も行った。プレス後の側壁部の板厚断面中央硬さビッカース硬度測定した結果を表１に併記する。本発明条件で加熱・冷却した本発明例Ｎｏ．１〜６は全てＨＶ≧４００が達成されているのに対して、何れかの条件が本発明から外れている比較例Ｎｏ．７〜９では十分な硬さが得られなかった。

プレス直後の鋼板温度によるプレス後空冷時と水冷時の硬さの違いを表す実験結果のグラフである。

Claims (4)

1. 質量％にてＣ≧０．２％を含有する薄鋼板を８５０℃以上に加熱後、プレス成形するに際し、プレス金型が下死点到達後５ｓ以内に成形品をプレス金型から取り出して冷却速度３０℃／ｓ以上で冷却し、成形品の硬さＨＶを４００以上とすることを特徴とする成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法。
2. 成形品を拘束しながら冷却することを特徴とする請求項１に記載の成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法。
3. プレス金型が下死点到達後、下死点保持又は下死点での加圧を行わずに冷却することを特徴とする請求項１または２に記載の成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法。
4. プレス成形にクランクプレスを用いることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の成形後高強度となる鋼板の熱間プレス方法。

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