JP2005342776A

JP2005342776A - 高強度部品の製造方法および高強度部品

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Publication number: JP2005342776A
Application number: JP2004167862A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Kusumi; 和久楠見; Jun Maki; 純真木; Masahiro Ogami; 正浩大神; Masayuki Abe; 阿部　　雅之
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】成型加工後の強度に優れ、後加工が容易な部位が存在する部品の製造方法およびその部品を提供する。
【解決手段】鋼板をAc3以上融点以下の温度まで加熱した後、該鋼板のフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト変態が生じる温度より高い温度で成形を開始し、前記鋼板の成形後に金型中にて冷却して焼入れを行って高強度部品を製造する際に、上金型と下金型の同位置に空隙を設け、該空隙が体積率30％以上の気体と難燃性材料が充填されている金型を用いることを特徴とする高強度部品の製造方法およびその方法で製造した高強度部品。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車の構造部材・補強部材に使用されるような強度が必要とされる部材に関し、特に高温成形後の強度に優れた部品とその製造方法に関するものである。

地球環境問題に端を発する自動車の燃費向上対策の一つとして車体の軽量化が進められており、自動車に使用される鋼板をできるだけ高強度化することが必要となる。しかし、自動車の軽量化のために一般に鋼板を高強度化していくと伸びやr値が低下し、成形性が劣化していく。このような課題を解決するために、温間で成形し、その際の熱を利用して強度上昇を図る技術が、特許文献1（特開2000−234153号公報）に開示されている。この技術では、鋼中成分を適切に制御し、200〜850℃の温度域で保持・成形加工し、この温度域での析出強化を利用して強度を上昇させることを狙っている。
また、特許文献2（特開2000−87183号公報）では、プレス成形精度を向上させる目的で温間プレス時での降伏強度を低く、常温での降伏強度を高くする高強度鋼板が提案されている。しかしながら、これらの技術では得られる強度に限度がある可能性がある。より高強度を得る目的で、成形後に高温のオーステナイト単相域に加熱し、その後の冷却過程で硬質の相に変態させる技術が特許文献3（特開2002−282951号公報）に開示されている。この方法は、金型間のクリアランスを制限し、その間隙に冷媒を導入することで焼き入れを行い高強度でかつ形状凍結性に優れた部品を得ることができるものである。

このような焼き入れ硬化させた部品の問題点として、高強度であるためにピアスやトリムなどの剪断工程で、成形荷重が大きいことが上げられる。剪断加工の成形荷重は鋼板の強度に比例するため、部品の強度が高いほど成形荷重が大きくなる。この間題を解決する方法として、金型焼き入れを行う際に剪断加工などの後加工を行いたい部位について、金型に空隙を設ける、または断熱材を型材としてインサートする、または加熱することにより、部品の一部分を緩冷却して焼き入れが不十分とすることにより、その部位の強度を低下させる技術が、特許文献4（特開2003−328031号公報）に示されている。この方法によれば部品の一部の強度が低下し、剪断加工などの後加工を容易に行うことがで
きるとされている。しかし、断熱材をインサートする方法では成形中の鋼板に大きな面圧がかかるため、熱伝達係数が大きくなり、鋼板が十分強度が低下するまで冷却速度が低下しない課題がある。また、空隙を設ける方法では、鋼板表面からは大気に熱が伝達されるが、空隙中で大気が対流することにより、冷却速度の低下が不十分となり鋼板強度の低下が不十分である場合がある。また、鋼板の一部を加熱する方法については、加熱装置が必要となり、さらに加熱装置を金型に組み込むために型構造が複雑となって、コスト的に課題がある。
特開2000−234153号公報特開2000−87183号公報特開2002−282951号公報特開2003−328031号公報

本発明は、上記の問題点を解決して成型加工後の強度に優れ、後加工が容易な部位が存在する部品の製造方法およびその部品を提供するものである。
本発明者らは、上記課題を解決するために基礎的な検討を実施した。その結果、低熱伝導率の材料を型材として用いても、面圧が大きくかかる状態では冷却速度の低下が不十分であることがわかった。そこで、強度を低下したい部位には、面圧が付与されないように金型に空隙を設けることとした。さらに、空隙中の大気の対流を抑制するための難燃性の材料を空隙中に充填することとした。難燃性材料を用いた理由としては、鋼板の温度が高いために、対流を抑制するために充填した材料が燃焼する可能性があるからである。この方法を用いると、後加工のために強度を低下させたい部位の冷却速度を低下させることが可能となる。
すなわち、本発明の要旨とするところは特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１）鋼板をAc3以上融点以下の温度まで加熱した後、該鋼板のフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト変態が生じる温度より高い温度で成形を開始し、前記鋼板の成形後に金型中にて冷却して焼入れを行って高強度部品を製造する際に、上金型と下金型の同位置に空隙を設け、該空隙が体積率30％以上の気体と難燃性材料が充填されている金型を用いることを特徴とする高強度部品の製造方法。
（２）前記空隙に充填された気体が空気であることを特徴とする（１）に記載の高強度部品の製造方法。
（３）前記難燃性材料が繊維で形成される綿状の形態をなしているものである（１）または（２）に記載の高強度部品の製造方法。
（４）（１）乃至（３）に記載の方法にて製造されたことを特徴とする高強度部品。
（５）（１）乃至（３）に記載の方法にて製造された成形品に剪断加工が施されたことを特徴とする高強度部品。

本発明により、成形後に金型中にて冷却して焼入れを行って高強度の部品を製造する際に、後加工が容易となって車体が軽量で衝突安全性に優れた自動車が製造できるため、社会的貢献が大きいものである。

以下に本発明の制限範囲について詳細に説明する。
鋼板の加熱温度Ac3以上、融点以下としたのは成形後に焼入れ強化するために鋼板の組織をオーステナイトにしておくためである。また加熱温度が融点以上であるとプレス成形が不可能であるためである。
成形開始温度をフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト変態が生じる温度より高い温度としたのはその温度以下で成形した場合には成形後の硬度が不十分であるためである。

金型の一部に、上金型と下金型の同位置に空隙を設けるとしたのは、強度を低下させたい部位において、鋼板に面圧がかからないようにするためである。
空隙が体積率30％以上の気体と難燃性材料が充填された金型としたのは、気体の体積率が30％以下であると鋼板の面圧が生じ、冷却速度が低下しないためである。また難燃性材料としたのは、成形する鋼板温度が高温であるために、難燃性材料でない場合は燃焼する可能性があるためである。この難燃性材料とは、1100℃で燃えない材料をいう。この難燃性材料としては具体的にはセラミックファイバー、グラスファイバー、スチールウールなどが挙げられるが、ここに挙げた材料に限定するものではない。
請求項2において、空隙にある気体が空気であるとしたのは、気体を空気とすることが他の気体を使用するよりもコスト的に有利であるためである。
請求項3において、難燃性材料が繊維で形成される線状の形態をとるとしたのは、このような形態の場合、気体の対流が抑制されやすいためである。
金型の温度については特に限定しないが、加工の間隔が短く、金型の温度が上昇してマルテンサイト変態がせず、部品の強度が確保できない場合があるため、金型温度を300℃以下、望ましくは200℃以下した方が良い。その冷却の方法については特に規定しないが、金型中に水冷配管する方法、金型の体積を確保し熱容量を大きくする方法、金型表面に冷媒により冷却する方法などを取ってもよい。

加熱方法についても特に限定しないが、電気炉、直火炉、ラジアントチューブ、電気通電、誘導過熱など様々な方法が考えられる。また雰囲気についても特に限定しないが、表面に酸化膜が発生しやすい鋼板を用いる場合には、酸素濃度を制御した雰囲気や還元雰囲気が望ましい。さらに種々の表面処理を施した鋼板においては、その表面処理に適した雰囲気を選定してもよい。
部品の強度が1000MPa以上必要な場合には、質量％でC：0.1〜0.55％、Mn：0.2％〜 3％以下の化学成分を含有する鋼板を用いるのが望ましい。
Cは冷却後の組織をマルテンサイトとして材質を確保するために添加する元素であり、強度1000MPa以上を確保するためには0.1％以上添加することが望ましい。ところが、添加量が多すぎると、衝撃変形時の強度確保が困難となるため、その上限を0.55％とすることが望ましい。
Mnは強度および焼入れ性を向上させる元素であり、0.2％未満では焼入れ時の強度を十分に得られず、また、3％を超えて添加しても効果が飽和するため、Mnは0.2〜3％の範囲が望ましい。

その他、必要に応じて以下の元素を添加しても良い。
Siは固溶強化型の合金元素であるが、1％を超えると、表面スケールの問題が生じる。また、鋼板表面にメッキ処理を行う場合は、Siの添加量が多いとメッキ性が劣化するため、上限を0.5％とすることが好ましい。
Alは溶鋼の脱酸材として使われる必要な元素であり、またNを固定する元素でもあり、その量は結晶粒径や機械的性質に影響を及ぼす。このような効果を有するためには0.005％以上の含有量が必要であるが、0.1％を超えると非金属介在物が多くなり製品に表面疵が発生しやすくなる。このため、Alは0.005〜0.1％の範囲が望ましい。
Sは鋼中の非金属介在物に影響し、加工性を劣化させるとともに、靭性劣化、異方性および再熱割れ感受性の増大の原因となる。このため、Sは0.02％以下が望ましい。なお、さらに好ましくは、0.01％以下である。また、Sを0.005％以下に規制することにより、衝撃特性が飛躍的に向上する。
Pは溶接割れ性および靭性に悪影響を及ぼす元素であるため、Pは0.03％以下が望ましい。なお、好ましくは、0.02％以下である。また、更に好ましくは0.015％以下である。

Crは焼入れ性を向上させる元素であり、またマトリックス中へM₂₃C₆型炭化物を析出させる効果を有し、強度を高めるとともに、炭化物を微細化する作用を有する。0.01％未満ではこれらの効果が十分期待できず、また、1％を超えると降伏強度が過度に上昇する傾向にあるため、Crは0.01〜1％の範囲が望ましい。より望ましくは、0.05〜1％である。
Bはプレス成形中あるいはプレス成形後の冷却での焼入れ性を向上させるために添加するが、この効果を発揮させるためには0.0002％以上の添加が必要である。しかしながら、この添加量がむやみに増加すると熱間での割れの懸念があることや、その効果が飽和するためその上限は0.0050％が望ましい。

TiはBの効果を有効に発揮させるため、Bと化合物を生成するNを固着する目的で添加してもよい。この効果を発揮させるためには、（Ti−3.42×N）が0.001％以上必要であるが、Ti量がむやみに増加するとTiと結合していないC量が減少し冷却後に十分な強度が得られなくなるため、その上限として、Tiと結合していないC量が0.1％以上確保できるTi当量、すなわち、3.99×（C−0.1）％とした方がよい。
スクラップから混入すると考えられるNi，Cu，Snなどの元素が含有してもよい。更に介在物の形状制御の観点からCa，Mg，Y，As，Sb，REMを添加してもよい。さらに強度を向上する目的でTi，Nb，Zｒ,Mo，Vを添加してもよいが、これらの元素がむやみに増加するとこれらの元素と結合していないC量が減少し冷却後に十分な強度が得られなくなる。

Nについては特に規制しないが、0.01％を超えると窒化物の粗大化および固溶Nによる時効硬化により、靭性が劣化する傾向がみられる。このため、Nは0.01％以下の含有が望ましい。
Oについても特に規制しないが、過度の添加は靭性に悪影響を及ぼす酸化物の生成の原因となるとともに、疲労破壊の起点となる酸化物を生成するため、0.015％以下の含有が望ましい。
その他、不可避的に含まれる不純物が含有しても特に問題は生じない。
以上の成分の鋼板にアルミめっき、アルミ・亜鉛めっき、亜鉛めっきを施しても良い。その製造方法は酸洗、冷間圧延は常法でよく、その後アルミめっき工程あるいはアルミ−亜鉛めっき工程、亜鉛めっきについても常法で問題ない。つまり、アルミめっきであれば浴中Si濃度は5〜12％が適しており、アルミ−亜鉛めっきでは浴中Zn濃度は40〜50％が適している。また、アルミめっき層中にMgやZnが混在しても、アルミ−亜鉛めっき層中にMgが混在しても特に問題なく同様の特性の鋼板を製造することができる。

なお、めっき工程における雰囲気については、無酸化炉を有する連続式めっき設備でも無酸化炉を有しない連続式めっき設備でも通常の条件とすることでめっき可能であり、本鋼板だけ特別な制御を必要としないことから生産性を阻害することもない。また、亜鉛めっき方法であれば、溶融亜鉛めっき、電気亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっきなどいかなる方法をとっても良い。以上の製造条件ではめっき前に鋼板表面に金属プレめっきを施していないが、NiプレめっきやFeプレめっき、その他めっき性を向上させる金属プレめっきを施しても特に問題は無い。また、めっき層表面に異種の金属めっきや無機系、有機系化合物の皮膜などを付与しても特に問題は無い。

表1に示す化学成分のスラブを鋳造した。これらのスラブを1050〜1350℃に加熱し、熱間圧延にて仕上温度800〜900℃、巻取温度450〜680℃で板厚4mmの熱延鋼板とした。

その後、酸洗を行った後、冷間圧延により板厚1.4mmの冷延鋼板とした。また、その冷延板の一部に溶融アルミめっき、溶融アルミ−亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき、溶融亜鉛めっきを施した。表2にめっき種の凡例を示す。

その後、それらの冷延鋼板、表面処理鋼板を炉加熱によりAc3点以上である950℃のオーステナイト領域に加熱した後、熱間成型加工を行った。
金型形状の断面を図1に、パンチを上方から見た形状を図2に、ダイスを下方から見た形状を図3に示す。
図1乃至図３において、1はダイス、2はパンチ、3は空隙、またはセラミック、または空気を含んだセラミックファイバーが充填された部位を示す。
金型はパンチ形状に倣い、板厚1.4mmのクリアランスにてダイスの形状と決定した。金型のパンチ底には、空冷部、空気を含んだセラミックファイバーが充填された部位、セラミックをインサートした部位を設けた。ブランクサイズを1.4mm厚×300×500とした。成形条件としては、パンチ速度10ｍm／s、加圧力200トン、下死点での保持時間を5秒とした。成形品の模式図を図4に示す。

後加工の容易性はピアス加工にて評価した。直径30ｍmφのパンチを用い、直径30.5ｍmのダイスを用いた。部品の加工位置は、図2，3に示した空冷部、または空気を含んだセラミックファイバーが充填された部位、またはセラミックをインサートした部位の中央とした。
そして、その際の成形荷重を用いて、後加工の容易性を評価した。評価基準は焼き入れ部を同様のピアス加工をした際の成形荷重とし、焼き入れ部の成形荷重の75％以下の場合を良好とした。
表3に用いた試験材の鋼種とめっき種と成形荷重を示す。表3中の鋼板の緩冷却方法の凡例を表4に示す。また成形荷重の凡例を表5に示す。また表3中にセラミックファイバー中の空気の体積率も示す。

実験番号3、12、18は比較例であり、セラミックファイバー中の空気の体積率が小さかったために冷却速度が低下せず、ピアス加工部の強度が高かったために、成形荷重が低下しなかった
実験番号5、6、14、15、20、21は比較例であり、鋼板の緩冷却方法が発明の範囲外であるため、冷却速度が低下せず、ピアス加工部の強度が高かったために、成形荷重が十分低下しなかった。他の実験番号は本発明の範囲内の本発明例であり、鋼板の緩冷却方法が本発明の範囲内であるため、その部位の冷却速度が低下し、ピアス加工部の強度が低下して、ピアス加工時の成形荷重が低下した。

本発明の金型形状の断面を示す図である。本発明のパンチ（上方より）の図である。本発明のダイス（下方より）の図である。本発明による部品（成形品）を示す図である。

符号の説明

１ダイス
２パンチ
３空隙、またはセラミック、または空気を含んだセラミックファイバーが充填された部位

Claims

鋼板をAc3以上融点以下の温度まで加熱した後、該鋼板のフェライト、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト変態が生じる温度より高い温度で成形を開始し、前記鋼板の成形後に金型中にて冷却して焼入れを行って高強度部品を製造する際に、上金型と下金型の同位置に空隙を設け、該空隙が体積率30％以上の気体と難燃性材料が充填されている金型を用いることを特徴とする高強度部品の製造方法。
前記空隙に充填された気体が空気であることを特徴とする請求項１に記載の高強度部品の製造方法。
前記難燃性材料が繊維で形成される綿状の形態をなしているものである請求項１または請求項２に記載の高強度部品の製造方法。
請求項1乃至請求項３に記載の方法にて製造されたことを特徴とする高強度部品。
請求項1乃至請求項3に記載の方法にて製造された成形品に剪断加工が施されたことを特徴とする高強度部品。