JP2007136474A - 高強度鋼板用熱間成形金型及び高強度鋼板熱間成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高強度鋼板をダイクエンチ法によりプレスし、疲労強度に優れた成形品を得るための金型を提供する。
【解決手段】 上下一対で垂直方向に作動する熱間成形金型であって、該上下金型の少なくとも一方の被加工材と接する面上に被加工材との間に空気層を形成する複数の略球面状の窪みを有し、該窪みの直径ｒ［ｍｍ］及び中心間距離ｄ［ｍｍ］が次式を満たす。２ｒ＋０．２≧ｄ≧２ｒ−０．６かつ、１．１≧ｒ≧０．６かつ、ｄ≧１．２。質量％で、Ｃ ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．２〜４％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼板を８００〜１１００℃に加熱し、上記熱間成形金型によりプレスする熱間成形方法。
【選択図】 図５

Description

本発明は、鋼板を熱間で所定の形状に加工するダイクエンチ法に用いられる金型及び当該金型を用いた鋼板の熱間成形方法に関するものである。

自動車や建設機械などの分野では高強度材料を使用した質量低減への取り組みが盛んに行われている。例えば自動車では、衝突安全性確保や高機能化に伴う車体質量増加を相殺し、更には燃費を向上させて二酸化炭素の排出量を削減することを命題に高強度鋼板の使用量が着実に増加してきている。

こうした高強度鋼板使用拡大の流れの中で最大の問題は、鋼板の強度を高めた場合に不可避である、「形状凍結性の劣化」と呼ばれる現象の顕在化である。この現象は、成形後のスプリングバック量が高強度化に伴って増加することによって、狙いの形状を得ることが容易でなくなることの総称で、それを解決するには、低強度材（形状凍結性が優れる、あるいは問題とならない材料）では不要であった加工工程の追加（例えば、リストライク）や、製品形状の変更が行われている。

こうした状況を解決する一つの方法として、ダイクエンチ法と呼ばれる熱間成形方法が注目されるに至った。これは、鋼板（被加工材）を所定の温度（一般的にはオーステナイト相となる温度）に加熱して強度を下げた（すなわち、成形を容易にした）後、被加工材に比べて低温（例えば室温）の金型で成形することにより、容易に形状を付与すると同時に、両者の温度差を利用した急冷熱処理（焼き入れ）を行って成形後の製品（成形品）の強度を確保するというものである。

ダイクエンチ法に関しては幾つかの技術が報告されている。例えば、特許文献１には、ドアインパクトビームと呼ばれる自動車の衝突補強材の製造に当該方法を適用した例が開示されている。また、特許文献２には、被加工材を加熱する方法として直接通電法を採用した例が示されている。

本発明者らもダイクエンチ法の有用性には従来から着目しており、特許文献３において、完成品の形状や強度にバラツキの少ない成形品を得るための金型を提案し、また、特許文献４においては、一枚の鋼板から部分毎に強度の異なる複合部品を得る方法を提案した。なお、成形品の形状部位毎に冷却速度を異ならせて冷却し、焼入れ硬度を部位毎に変化させる方法は、特許文献５にも開示されている。更に、特許文献６には、金型及び成形品の冷却を促進することを目的とした冷却媒体噴出・排出機構及び金型本体の冷却機構を備えたプレス成形装置とプレス成形方法も開示されている。

このようにダイクエンチ法はその有用性が広く認知されるに至り、適用を検討される部材も多岐にわたって来た。その中には、例えば自動車の足回り部品のように、部品としての強度だけではなく、疲労特性も重要な必要特性の一つであるものも含まれるようになって来た。
特開2002-102980号公報 特開2002-18531号公報 特開2005-59010号公報 特開2005-161366号公報 特開2003-328031号公報 特開2005-169394号公報

鋼板の疲労特性は、静的な強度に比例して上昇するが、ある強度レベルを超えると上昇しろが減少することが知られている。これは、「切り欠き感受性」が増すことで疲労特性が上昇しなくなる現象と理解されている。ところが、ダイクエンチ法によって高強度化した鋼板又は成形品は、ダイクエンチ法によらずに同程度に高強度化した鋼板（鋼板の化学成分や、製造方法を制御して製造された高強度鋼板、以下、通常の高強度鋼板と呼ぶ）又は成形品と比較すると、疲労特性が劣ることが明らかとなった。

詳細な検討を加えたところ、その原因の一つは、ダイクエンチ法では、最表面（最表層）が最も強く強化されるため、通常の高強度鋼板よりも一層切り欠き感受性が高まることにあるのではないかとの結論に至った。板厚方向の焼き入れ程度を一様に近づけ、同強度の通常の高強度鋼板と同程度の切り欠き感受性とするには、最表層の焼き入れ速度を低下させることが考え得る方策の一つである。しかし、ダイクエンチ法では、最表層のみの冷却速度を低下させることは困難であり、板厚方向全体の冷却速度を低下させると到達強度が低下して所望の強度が得られなくなる可能性もあるため、最良の方法とは言えない。このように、必要な強度を確保し、かつ、同強度の通常の高強度鋼板と同程度の疲労特性を確保出来るダイクエンチ法が求められているが、そうした課題を解決した技術は見当たらない。

本発明者らは、特許文献４にて、成形される部品の特定の部分の冷却速度を遅くする方法を提案したが、微小な部分の板厚方向の冷却速度差には何らの検討も加えなかった。これは、特許文献５の方法についても同様である。また特許文献６には、成形面上に所定の条件を満たす複数の凸部を有する金型が提案されているが、これは、冷却媒体の供給配管と連通する噴出孔から成形面上に冷却媒体を噴出しながらプレスする方法に用いられる金型であり、最表層が最も強く焼き入れ強化されるという従来のダイクエンチ成形品の有する問題点を解決する手段とはなり得ない。

本発明はこうした現状を打破すべくなされたものであり、従来のダイクエンチ成形品と同等の強度を確保し、かつ同強度の通常の高強度鋼板と同等の疲労特性を有するプレス成形品を得ることが出来る高強度鋼板用熱間成形金型及びその金型を用いた高強度鋼板熱間成形方法を提供するものである。

本発明者らは、上述した問題を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、被加工材と接する面上に、プレス時に空気層を形成する複数の球面状窪みを設けることを着想した。その上で、該窪みの直径と、中心間の距離が所定の条件を満足した金型であれば、成形品全体としての平均の焼き入れ速度を殆ど低下させることなく鋼板を熱間成形することが可能になることを見出した。これにより、特に高強度鋼板を熱間成形する場合には狙いとする強度を確保し、同時に最表層のみが突出して強化される現象を大幅に抑制し、疲労特性の低下を抑制することに成功した。

本発明はこうした知見に基づいてなされたものであり、成形品及び金型を冷却する冷却機構、特に冷却媒体噴出機構を備えない金型であって、プレス時に成形品と金型との間に形成される微細な空気層を微弱な断熱層として利用することで、板厚方向の焼き入れ速度差が小さい部分を成形品の表層に分散させ、疲労特性を損なうことなくダイクエンチ成形品を得ることが出来る金型及び該金型を用いたダイクエンチ法であり、以下を要旨とするものである。
（１） 上下一対で垂直方向に作動する熱間成形金型であって、前記上下金型の少なくとも一方の被加工材と接する面上の一部又は全部に被加工材との間に空気層を形成する複数の球面状窪みを有し、該窪みの直径ｒ［ｍｍ］及び中心間距離ｄ［ｍｍ］が次式を満たすことを特徴とする高強度鋼板用熱間成形金型。

２ｒ＋０．２≧ｄ≧２ｒ−０．６
かつ、１．１≧ｒ≧０．６
かつ、ｄ≧１．２
ここで、前記窪みの深さｈが、ｈ≦ｒ／２なる条件を満足するように設定するとよい。
（２） 質量％で、Ｃ：０．１〜０．４％、Ｓｉ：０．５％以下、Ｍｎ：０．２〜４％を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼板を８００〜１１００℃に加熱し、上記（１）に記載の熱間成形金型によってプレスすることを特徴とする高強度鋼板熱間成形方法。

本発明の高強度鋼板用熱間成形金型を用いれば、ダイクエンチ法の優れた点である、プレス成形品の高強度化能力と容易な形状付与性能を犠牲とすることなく、同強度の通常の高強度鋼板と同等の疲労特性を得ることが出来る。これにより、ダイクエンチ成形品の適用可能範囲を疲労特性が要求される用途にまで広げることが期待できる。

本発明を図面に沿って詳細に説明する。図１は、上下一対からなる本発明の一例である熱間成形金型によって鋼板がプレスされた際の垂直断面の一部を模式的に示すものである。図面において、１１は、被加工材（鋼板）、１２ａ、および１２ｂは、それぞれ、上部金型、および下部金型である。また１３ａ、および１３ｂは、それぞれ、１２ａ上、および１２ｂ上に設けられた窪みである。窪みの大きさ（深さや、幅）は図示を容易にする目的で誇張されたものであり、被加工材１１の板厚などとの比率は実際の金型を反映したものとはなっていない。

８００〜１１００℃の範囲の所定の温度に加熱された鋼板が、図１に示したようにプレスされると、被加工材１１と金型１２ａ、１２ｂが直接接する部分、ｐ１−ｑ１間、ｒ１−ｓ１間、ｐ２−ｑ２間、およびｒ２−ｓ２間に比べ、金型１２ａ、１２ｂと被加工材１１の間に空気層を介している部分ｑ１−ｒ１間、およびｑ２−ｒ２間は冷却が僅かに遅れて開始する。その結果、金型１２ａ、１２ｂの窪みの配置に対応して、金型１２ａ、１２ｂと被加工材１１とが直接接した部分と、それに比べて、最表層の冷却速度が僅かに低下した部分が被加工材１１上に形成される。このように最表層の冷却速度が異なる領域が二次元的に分布することで切り欠き感受性を低下させる効果が生じ、疲労特性が向上するものと推定出来る。なお、被加工材１１である鋼板の高い熱伝導性を反映して表層から数マイクロメートル以上内部には強度差は存在せず、従って成形品全体としての強度を損なうことはない。

一方、窪みの１３ａ、１３ｂの大きさが大き過ぎる場合、および窪み同士の間隔が大き過ぎたり、小さ過ぎたりする場合には、所望の効果が認められない。それらの適切な範囲は、実施例にて示すように、窪みの直径をｒ［ｍｍ］、隣接する各窪みの中心間距離をｄ［ｍｍ］とすると、次式を満たす範囲である。

２ｒ＋０．２≧ｄ≧２ｒ−０．６
かつ、１．１≧ｒ≧０．６
かつ、ｄ≧１．２
こうした範囲が存在する理由は必ずしも明らかではないが、窪みの直径ｒが大き過ぎる場合には、被加工材１１の表面に凸形状が形成され、それ自身が切り欠きとして作用して疲労特性を低下させるものと推定される。また、中心間距離ｄが小さ過ぎる場合には、表面の平坦度が低下するため疲労特性の低下を生ずるものと考えられる。一方、中心間距離ｄが大き過ぎる場合には、最表層の焼き入れ速度を部分的に低下させた領域の占める割合が不足するため所望とする効果が得られないものと思われる。

窪みの１３ａ、１３ｂの深さは、必ずしも限定されるものではないが、作製の難易度や、金型の強度低下に与える影響を勘案して窪みの直径以下とすることが好ましく、最適な範囲は窪みの直径ｒの１／２以下である。なお、窪みの１３ａ、１３ｂの作製は、どのような方法で行ってもよく、エッチングやレーザーによる加工などが選択出来る。窪みの形状は球面状が最適であるが、加工条件によっては必ずしも球面にならないことがある。このような場合、窪みの直径ｒは、金型の成形面上で窪みの面積を測定し、窪みの形状を円と仮定して直径を計算すればよい。また、中心間距離ｄは、数値計算によって求めた重心の位置を中心として求めればよい。

また、図１の例のように、窪みが、被加工材の上下で、その中心線を同一線上に位置している必要はなく、上記の範囲内であれば上面と下面で窪みの直径ｒや中心間距離ｄが異なっていても問題ない。成形品に繰り返し負荷される荷重が一方向である場合には、引張荷重を受ける側に対応する金型のみに窪みを設ける方法も選択出来る。更には、窪みは、疲労破壊が生じることが予想される部位に対応する金型部位にのみ設けてもよいし、全体に設けてもよい。

成形する鋼板が焼き入れ性に優れた高強度鋼板であると、疲労特性を向上させる効果が大きくなる。被加工材１１は、例えば、質量％で、Ｃ:０．１〜０．４％、Ｓｉ:０．５％以下、Ｍｎ：０．２〜４％を含有する。また、不純物であるＰ、Ｓは、Ｐ≦０．１％、Ｓ≦０．０５％であることが好ましい。更に、Ａｌ、Ｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｏの１種又は２種以上を適宜含んでもよい。これらの元素の残部は鉄及び不可避的不純物である。また、表面に亜鉛、アルミ、マグネシウム又はそれらの合金をめっきしてもよく、めっきの替わりに溶射してもよい。

高強度鋼板を８００〜１１００℃に加熱し、本発明のダイクエンチ法用の金型でプレスすると、冷却後に高強度が得られ、かつ板厚方向の焼き入れ速度差が小さい部分を分散させることができ、疲労特性に優れた成形品を得ることができる。

本発明を実施例によって更に説明する。

図２に例示するプレス成形装置と金型を使用して１２０×２４０ｍｍの矩形状試験片をダイクエンチした。被加工材は、主な含有成分としてＣ、Ｓｉ、およびＭｎをそれぞれ質量％にて０．２％、０．３％、および１．２％含有し、残部鉄および不可避的不純物からなる鋼板で、厚さは１．２ｍｍである。

窪みの配置範囲は、図３（ａ）に下側の金型について示すように、幅方向、および長さ方向の中央線に対して対称に、幅方向１２０ｍｍ、長さ方向２４０ｍｍの長方形の範囲である。上側の金型においても相対する同じ範囲に窪みを設けた。なお、窪みの深さは窪みの直径の１／２となるようにエッチングで加工した。図３（ｂ）には図３（ａ）中の太線矩形部分の拡大図を、また図３（ｃ）には３１−３２断面の一部の拡大図を示す。

被加工材（鋼板）を９５０℃に加熱し、表１に記載した直径ｒ及び中心間距離ｄに相当する窪みを設けた金型を用いて、一つの条件毎に１０枚の鋼板をプレスした。なお、表１のＮｏ．１は、窪みを設けない金型である。プレスした１０枚の鋼板のうち、１枚からＪＩＳ Ｚ ２２０１に準拠して５号引張試験片を２本、残りの９枚から図４に示す疲労試験片を１８本採取した。それぞれの試験片は、金型の窪みを設けた範囲内に相当する位置から放電加工によって採取した。

ＪＩＳ Ｚ ２２４１に準拠して引張試験を行い、引張強さσ_Ｂを求めた（２本の平均値）。平面曲げ疲労試験は、採取した１８本の疲労試験片を用いてＪＩＳ Ｚ ２２７５に準拠して行い、１×１０^７回時間強度σ_Ｗを決定した。試験の条件は、応力比−１、繰り返し速度５Ｈｚである。引張試験及び平面曲げ疲労試験によって得られた引張強さσ_Ｂ及び１×１０^７回時間強度σ_Ｗから、疲労限度比σ_Ｗ／σ_Ｂを求めた。

結果を表１に示す。窪みを設けた金型でプレスした成形品の疲労限度比σ_Ｗ／σ_Ｂ（表１のＮｏ．２〜１３）を、窪みを設けない金型でプレスした成形品の疲労限度比σ_Ｗ／σ_Ｂ（表１のＮｏ．１）で除した値（疲労限度比改善効果量）が１．２以上の場合を○、１．２未満を△として図５に示した。図５の横軸は窪みの直径ｒ、縦軸は窪みの中心間距離ｄであり、これより、ｒとｄの組み合わせを、
２ｒ＋０．２≧ｄ≧２ｒ−０．６
かつ、１．１≧ｒ≧０．６
かつ、ｄ≧１．２
とすることにより、疲労特性が改善されることが判明した。

窪みの直径ｒを１．０ｍｍ、中心間距離ｄを１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍの窪みを上側のみに設けた金型と上下両側に設けた金型を用意し、実施例１と同じ鋼板を同条件でダイクエンチした。窪みの設置範囲、試験数量も実施例１と同様である。

引張強さσ_Ｂを求めるとともに、プレス時の上金型側が引張側となる様にして応力比０．１の疲労試験を行い１×１０^７回時間強度σ_Ｗを求めたところ、疲労限度比σ_Ｗ／σ_Ｂは下金型側の窪みの有無に依らずほぼ同じ値を示した。このように、負荷される荷重が一方向の場合には、引張荷重を受ける面に対応する金型面にのみ窪みを設けても所望の効果が得られる。

窪みの直径ｒを１．０ｍｍ、中心間距離ｄを１．６ｍｍ、深さ０．５ｍｍの窪みを設けた金型を用意した。ただし窪みの設置範囲（斜線部）を、図６（ａ）に示す如く、疲労試験片全体を含むもの（ア）と、同図（ｂ）に示す範囲に対応したもの（イ）の二種類とした。用いた鋼板、その他の条件は実施例１と同じである。

応力比−１の疲労試験を行い１×１０^７回時間強度σ_Ｗを求めたところ、（ア）、（イ）に依らずほぼ同じ値を示した。このように、窪みは、疲労破壊が生じることが予想される部位に対応する金型部位にのみ設けても所望の効果が得られる。

なお、上記の実施例では、試験片を採取し易いように図２及び３に示した平板の金型を用いたが、成形品の形状に応じた凹凸を有する金型であっても、本発明の範囲を満足する窪みを設ければ、上記の実施例と同等の疲労限度比改善効果が得られる。

本発明の熱間成形用金型によって被加工材がプレスされた状態を示す模式図である。 実施例に用いたプレス成型装置と金型を示す模式図である。 （ａ）下側金型上の窪みの配置範囲を示す模式図である。 （ｂ）太線矩形部分の拡大図 （ｃ）３１−３２断面の一部の拡大図 疲労試験片を示す図である。 窪みの直径と窪みの中心間距離の組み合わせにおいて疲労限度比の改善効果量を示すグラフである。 金型上の窪みの配置範囲を疲労試験片上で示す模式図である。 （ａ）疲労試験片全体 （ｂ）疲労試験片の中央部

符号の説明

１１：被加工材
１２ａ：上部金型
１２ｂ：下部金型
１３ａ：上部金型上に設けられた窪み
１３ｂ：下部金型上に設けられた窪み
ｐ１〜ｓ１：上部金型上の位置を示す点
ｐ２〜ｓ２：下部金型上の位置を示す点

Claims (3)

1. 上下一対で垂直方向に作動する熱間成形金型であって、前記上下金型の少なくとも一方の被加工材と接する面上の一部又は全部に被加工材との間に空気層を形成する複数の略球面状の窪みを有し、該窪みの直径ｒ［ｍｍ］及び中心間距離ｄ［ｍｍ］が次式を満たすことを特徴とする高強度鋼板用熱間成形金型。
   ２ｒ＋０．２≧ｄ≧２ｒ−０．６
   かつ、１．１≧ｒ≧０．６
   かつ、ｄ≧１．２
2. 前記窪みの深さｈが、ｈ≦ｒ／２なる条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の高強度鋼板用熱間成形金型。
3. 質量％で、
   Ｃ ：０．１〜０．４％、
   Ｓｉ：０．５％以下、
   Ｍｎ：０．２〜４％
   を含有し、残部Ｆｅ及び不可避的不純物からなる鋼板を８００〜１１００℃に加熱し、請求項１に記載の熱間成形金型によってプレスすることを特徴とする高強度鋼板熱間成形方法。
   

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