JP2007111765A - 残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼鈑のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ５９０Mpa級以上のTRIP鋼板のプレス成形における加工限界を大幅に向上でき、深絞り成形を可能とするプレス成形方法を提供する。
【解決手段】 残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼板をプレス成形するに際し、プレス成形金型の縮みフランジを有するダイの少なくとも肩部の温度を、該鋼板の残留オーステナイトの残存率が８０％以上となる温度範囲とし、プレス成形金型のパンチの少なくとも肩部の金型温度を前記鋼板の残留オーステナイト残存率が７０％以下となる温度範囲として該鋼板をプレス成形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高強度鋼板のプレス成形方法に関し、特に、残留オーステナイト変態誘起塑性（ＴＲＩＰ）を有する高強度鋼板（以下、ＴＲＩＰ鋼板）のプレス成形方法に関する。

近年、自動車分野では、高強度材料を使用して車体重量を低減し、燃費の向上を通じて二酸化炭素の排出量を削減するための取り組みが盛んに行われている。
しかしながら、鋼板が高強度化するにつれて、鋼板の伸びなどの成形性が劣化し、深絞り成形が困難となり、その適用は、成形ストロークの小さい、すなわち成形高さの低いもの限られるという制約が生じている。また、成形後のスプリングバックが増加し、低強度材では不要であった例えば形状修正のような工程の追加が必要となったりする場合もある。
従来、軟鋼では、プレス成形において鋼板のフランジ部の温度を上げて変形抵抗を小さくする一方、パンチの肩部の温度を下げて壁部の材料に強度を持たせて材料の変形抵抗に差を付与し、成形性を向上させることが行なわれてきた（例えば、非特許文献１参照）。しかしながら、高強度鋼板においては、材料強度に差異を付与して成形性を向上させることは知られていない。

ところで、変態誘起塑性を有する低合金ＴＲＩＰ鋼板が知られており、残留オーステナイトの延性を利用して深絞り成形が可能であり、加工時に蓄積された歪みによって残留オーステナイトがマルテンサイト変態し、高強度と延性を得ることができるという利点を有している。
非特許文献２には、低合金ＴＲＩＰ鋼の深絞り成形では、フランジ部（縮みフランジ変形）は壁部（平面歪変形）に比べ、オ−ステナイト相の変態が遅れるため、縮みフランジ変形での変形抵抗が小さくなるとされている。すなわち、フランジ部に比べて壁部の方が硬質になるため、破断することなく効率よくフランジ部の材料を引き込むことになり、深絞り成形性が確保できるとされている。
また、非特許文献３には、低合金TRIP鋼板のプレス成形性について、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように残留オーステナイトの安定性（K-value）、延び成形性（Hmax）及び延びフランジ性（λ）と、温度との関係について報告されている。すなわち、低合金ＴＲＩＰ鋼は、１００℃〜２００℃の温度範囲では残留オーステナイトの誘起変態に対して安定し、温間加工における深絞り性、延びフランジ性がさらに良好であること、残留オーステナイトの歪み誘起変態が抑制され、誘起変態塑性が高歪み域で効果的に生じるためであるとされている。
「塑性と加工」第28巻、第314号（1987）225-231頁 「塑性と加工」第35巻、第404号（1994）1109頁 「ＣＡＭＰ−ＩＳＩＪ」Vol.14(2001)、619頁

上述のように、TRIP鋼板などの高強度鋼板は深絞り成形性を有するとされるものの、高強度を有するTRIP鋼板を適用し、材料強度に強制的に差異を付与して成形性を向上させるための具体的な方法については明らかにされていない。
このような状況に鑑み、本発明は、５９０Mpa級以上のTRIP鋼板のプレス成形における加工限界を大幅に向上でき、深絞り成形を可能とするプレス成形方法を提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、
本第１発明は、残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼板をプレス成形するに際し、プレス成形金型の縮みフランジを有するダイの少なくとも肩部の温度を、該鋼板の残留オーステナイトの残存率が８０％以上となる温度範囲とし、プレス成形金型のパンチの少なくとも肩部の金型温度を前記鋼板の残留オーステナイト残存率が７０％以下となる温度範囲として該鋼板をプレス成形することを特徴とする。
本第２発明は、本第１発明のプレス成形方法において、プレス成形金型のダイの少なくとも肩部の金型温度を１５０〜２００℃、パンチの少なくとも肩部の金型温度を−３０〜０℃の温度範囲とすることを特徴とする。
本発明において残留オーステナイトの残存率とは（成形前の常温における鋼板の残留オーステナイト量−成形後の残留オーステナイト量）／成形前の常温における鋼板の残留オーステナイト量×１００（％）と定義する。

本発明によれば、高強度なＴＲＩＰ鋼板であっても、プレス成形中に鋼板が破断したりすることがなく、したがって、加工度の大きい深絞り成形が可能となる。これによって複雑な形状の部品であっても、高強度の鋼板を使用してプレス成形により製造することができ、部品の軽量化、高強度化に有効である。

本発明を、図面を参照しながら本発明を具体的に説明する。
図１は、プレス成形、中でも加工度の大きい深絞り成形における変形状態を示す図であり、被加工材である鋼板を円筒状に深絞りをする際に鋼板の（ａ）〜（ｅ）の各部に作用する力の状況を模式的に示したものである。なお、この図では、円柱状のパンチ２と円形の開口部を有するダイ１によって円板状の鋼板をプレスする例を示している。
円板状の鋼板（ブランク）４は、ダイ１としわ押さえ板（ブランクホルダー）３との間でしわ押さえ力Ｑにより抑えられた状態で上方からパンチ２により絞り力（プレス力）Ｐを作用させることによって、ダイとパンチの間に絞り込まれる。
このとき、図１に示す（ａ）部、すなわち縮みフランジ部は、径方向の引張り力および周方向からの圧縮力を受けると共にこれらの方向と直交する方向、すなわち、上下方向の圧縮力を受ける。（ｂ）部、すなわち、縮みフランジ部から壁部への移行部は、主として、径方向とストローク軸方向の引張り力および周方向からの圧縮力を受ける。そして、ダイの側面に沿う（ｃ）部、すなわち壁部は、主としてストローク軸方向の引張り力を受ける。また、（ｄ）部、すなわち壁部から底部への移行部は、周方向からの圧縮力とストローク軸方向および径方向の引張り力を受ける。そして、（ｅ）部、すなわち底部は、主として径方向の引張り力と周方向への引張り力を受ける。
高強度鋼板では、パンチのストロークが大きくなると、パンチ力による鋼板の引張り力が大きくなるが、深絞り成形するためには、ストロークによるパンチ力が（ｃ）、（ｄ）部を経由し、（ａ）、（ｂ）部をパンチとダイの間隙に連続的に引っ張り込まなければならない。
すなわち、このパンチ力による引っ張り込み力に鋼板の強度が耐えるものでなければならず、特に、図に示したように、パンチのストローク軸方向の引張り力が大きく作用する（ｃ）、（ｄ）部の鋼板強度が重要である。

図２は、プレス成形時の深絞り成形性とパンチ荷重との関係を示す図である。深絞り成形性は、鋼板の破断力（Ｐcr）と最大パンチ力（Ｐmax）により決定される。パンチ力は、鋼板のフランジ絞り変形と角部（Ｒ部）の曲げおよび曲げ戻し変形と摩擦力とから構成される。
したがって、深絞り成形性を向上させるには、所要の絞りを行なうに必要なパンチ力が小さくなるようにする、すなわち、鋼板の変形部における変形抵抗を小さくする一方、鋼板の破断力Ｐcrを高めて、所要のパンチ力に対して破断しないようにすることが必要である。これらの関係を、上述の変形各部において適切に配置することが必要である。

発明者らは、このような深絞り成形における鋼板の変形挙動と共に、TRIP鋼板の延び或いは強度などの機械的特性を検討した結果、本発明に至ったものである。
本発明においては、成形に際しては、先ず、縮みフランジ部となるダイ１の少なくとも肩部１ａの金型温度を、TRIP鋼板の残留オーステナイトの残存率が８０％以上となる温度範囲とし、プレス成形金型のパンチの少なくとも肩部の金型温度を前記鋼板の残留オーステナイト残存率が７０％以下となる温度範囲とするものである。

すなわち、鋼板の成形性を確保するためには、ダイの肩部近傍（ダイの上面及び肩部）、すなわち（ａ）、（ｂ）部位にある鋼板の変形抵抗を低くすることが必要であり、一方、パンチの肩部近傍（パンチの側面及び肩部）、すなわち（ｃ）、（ｄ）部位にある鋼板の変形抵抗を大きくし、ストローク軸方向の引張りに対する十分な強度の確保が必要である。
従って、変形抵抗力の抑制が必要な部位の鋼板、すなわち、（ａ）、（ｂ）部位に位置する鋼板、の加工硬化量を小さくするために、（ａ）、（ｂ）部位に相対するダイの部位、すなわちダイの肩部近傍１ａ（ダイの上面及び肩部）の金型温度を、TRIP鋼板の残留オーステナイトの変態が抑制される安定温度範囲としてオーステナイトの残存率を増やす。

前述の図４に示されているように、残留オーステナイトの安定温度範囲においては、残留オーステナイトが誘起マルテンサイト変態や誘起ベイナイト変態を起こしづらいため、低歪域での残留オーステナイトのマルテンサイト変態が抑制され、特に、成形時の変形抵抗の小さいことが要求されるフランジの少なくとも肩部の金型温度をオーステナイト残存率８０％以上となる温度範囲に設定することによって、この部分の鋼板の変形抵抗を低くすることができ、絞りを行なうのに必要なパンチ力Ｐを低くできるため、深絞り性を確保することができる。

一方、引張り強度が必要な部位の鋼板、すなわち、（ｃ）、（ｄ）部位に位置する鋼板、の引っ張り強度を確保するために、（ｃ）、（ｄ）部位に相対するパンチ２の部位すなわち、パンチの肩部近傍２ａ（パンチの側面及び肩部）の金型温度を、TRIP鋼板の残留オーステナイト残存率が７０％以下となる温度範囲に設定することで、鋼板の残留オーステナイトを積極的にマルテンサイト変態させて硬化を図り、当該部位の引っ張り強度を向上させるものである。これによって、パンチ肩部に相当する鋼板の破断を防止することができる。

残留オーステナイトの安定温度範囲は、TRIP鋼板の組成により変化するが、通常の低合金、例えば、0.5%C-1.5%Si-1.5%Mn鋼では、100〜200℃である。より安定な温度範囲として、本発明では、ダイの少なくとも肩部の金型温度を150℃〜200℃とすることが好ましい。
また、上記のTRIP鋼板の残留オーステナイトの変態が起りやすい温度範囲は室温〜-100℃の範囲にある。本発明では、好ましくは、パンチの少なくとも肩部の金型温度を室温〜-30℃、好ましくは、０〜-30℃とする。

上記鋼板の各成形部位の温度が残留オーステナイトの残存率が８０％以上或いは７０％以下となる温度範囲となるようにすればよいので、上述のように鋼板が主として接触する金型の部位、すなわち、ダイの肩部、パンチの肩部を少なくとも含む部位が、それぞれ上記の金型温度であればよい。
従って、ダイの肩部及び上面部を含む部位であっても、パンチの肩部、側面部の一部を含むものであっても良い。

金型温度を上記の温度範囲に調整する手段としては、ダイの所要部位の温度を上昇させる方法として、金型の内部及び／又は表面に発熱体を備える方法が有効である。発熱抵抗素子、加熱流体素子など発熱体の種類や形式はどのようなものでもよく、それらの装着数や装着方式は必要とする発熱量に応じて適宜選択出来る。また、パンチの所要部位の温度を低温度とする方法としては、金型の内部及び／又は表面に冷却装置を備える方法が有効である。冷却の方法は、水冷、空冷の他、ペルチェ素子のような冷却素子を用いることが出来る。必要な冷却能力に応じてそれらを適宜装着すればよい。
たとえば、金型内部にヒーターを配置して電気的にダイの所要部位を加熱する手段、また、パンチの場合は、冷媒中に浸漬して冷却するなどの公知の方法も採用することができる。

以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明する。
深絞り成形性を確認するために、各種の鋼板を角筒体にプレス成形する角筒深絞り成形試験を行い、その成形性を調査した。
供試材の鋼種は、Ａ： JAC270E（軟鋼）、Ｂ：JAC440W（高張力鋼），Ｃ：JSC590Y（高張力鋼）およびＤ：JSC590T（TRIP鋼）であり、いずれも板厚は１．６ｍｍの鋼板を用いた。なお、供試材の機械的特性を表１に示す。

これらの鋼板から１８０×１８０ｍｍのブランクを切り出しプレスに供した。
プレスに用いたパンチ及びダイの形状は、パンチ：７５×７５mm、肩部Ｒ５mm、ダイ：８０×８０ｍｍ、肩部Ｒ５mmとした。
パンチとダイの金型温度を表２に示すように４つの条件（ｉ）〜（iv）とした。なお、ＲＴは実測した室温２５℃を表す。また、金型温度は、金型内部にヒーターや冷却水を通す配管を設置し、熱電対による温度測定により制御する方法によって調整した。

なお、ブランクホルダーによるしわ押さえ荷重は、１０トンとし、プレスの潤滑には、二硫化モリブデンを用いた。
上記の条件で供試材のブランクをプレスし、パンチのストローク高さ及びパンチ肩部の板厚減少率：〔（成形前の板厚−成形後の板厚）／成形前の板厚〕×１００（％）を調査した。
成形高さについて、パンチのストロークが５０ｍｍ以上まで破断や亀裂なく成形できたものを合格（○）とし、５０ｍｍ未満で破断ないし亀裂を生じたものは不合格（×）とした。
また、板厚減少率については２０％未満のものを合格（○）とし、２０％以上のものを不合格（×）とした。その結果を表３に示す。また、変態誘起塑性を有する高強度ＴＲＩＰ鋼板の成形サンプルについてＸ線応力測定によりパンチ肩およびダイ肩近傍の残留オーステナイト量の測定を行った。その結果より得られた初期の残留オーステナイト量からのオーステナイト量の残存率の結果を表４に示す。
また、図３は、成形条件（ｉ）〜（iii ）における成形品の成形高さを示す図である。

表３から判るように、従来の軟鋼であるＡの場合は、通常のプレスと同様、（ｉ）〜（iv）のいずれの条件でも成形できているが、高張力鋼であるＢ、Ｃの場合は、いずれの成形条件においても、パンチストロークが５０ｍｍに達する前に破断ないし亀裂が生じ、深絞り成形ができなかった。一方、変態誘起塑性を有する高強度のＴＲＩＰ鋼であるＤの場合は、成形条件（ｉ）〜（ii）では成形高さや板厚減少率の双方について満足できる結果は得られなかったが、本発明の成形条件（iii）〜（iv）においては、破断や亀裂を生じることなく良好な成形形状を得ることができ、板厚減少率も許容の範囲であった。また、表４に示すように、変態誘起塑性を有する高強度ＴＲＩＰ綱において成形高さや板厚減少率の双方について満足できる結果が得られた条件（iii）〜（iv）ではパンチ肩近傍の残留オーステナイト残存率が８０％以上、ダイ肩近傍の残留オーステナイト残存率が７０％以下となっていることが明らかとなった。すなわち、変態誘起塑性を有する高強度鋼は、本発明の成形条件を採用することによって深絞り成形性が向上し、板厚減少の小さい適正な成形品を得ることが可能となる。

円筒深絞り成形における鋼板の各部の変形状態を示す図である。 プレス成形時の深絞り成形性とパンチ荷重との関係を示す図である。 温間角筒絞りにおける本発明の方法による成形結果を示す図である。 低合金TRIP鋼の成形性と温度との関係を示す図であり、（ａ）は、残留オーステナイトの安定性（K-value）と、（ｂ）は延び成形性（Hmax）と、（ｃ）は延びフランジ性（λ）と、温度との関係をそれぞれ示す。

符号の説明

１ ダイ
１ａ ダイの肩部のフランジ部
２ パンチ
２ａ パンチの肩部
３ しわ押さえ（ブランクホルダー）
４ TRIP鋼板
Ｐ プレス力（パンチ力）
Ｑ しわ押さえ力

Claims (2)

1. 残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼板をプレス成形するに際し、プレス成形金型の縮みフランジを有するダイの少なくとも肩部の温度を、該鋼板の残留オーステナイトの残存率が８０％以上となる温度範囲とし、プレス成形金型のパンチの少なくとも肩部の金型温度を前記鋼板の残留オーステナイト残存率が７０％以下となる温度範囲として該鋼板をプレス成形することを特徴とする残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼板のプレス成形方法。
2. 前記プレス成形金型のダイの少なくとも肩部の金型温度を１５０〜２００℃、パンチの少なくとも肩部の金型温度を−３０〜０℃の温度範囲とすることを特徴とする請求項１に記載の残留オーステナイト変態誘起塑性を有する高強度鋼板のプレス成形方法。

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