JP2011161481A - 熱間プレス方法、および成形品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】質量%にて、Cを0.08%以上0.45%以下、MnおよびCrの合計が0.5%以上3.0%以下、残部がC、Mn、Cr以外の任意の添加物、Fe、および不可避的不純物である化学成分からなり、Ac3点以上の温度に加熱された鋼板をAr3点以上のプレス開始温度から金型にてプレス成形する方法であって、鋼板を金型の下死点にて拘束しながら鋼板の臨界冷却速度以上の冷却速度で200℃以上(Ms−120)℃以下の温度にまで冷却し、次いで、鋼板を金型から取り出し、金型による下死点での拘束終了からの鋼板の温度降下量が15℃以上となる前に金型とは異なる手段で拘束を開始し、200℃未満の温度にまで冷却する過程を含むことを特徴とする。
【選択図】図1
Description
図5は、従来の熱間プレス方法における温度履歴を説明する模式図である。熱間プレスによる高強度部材の製造は、成形される鋼材をオーステナイト域からMs点以下まで急冷することによりマルテンサイト組織を得ることにより行われる。すなわち、マルテンサイト変態に伴う形状変化を抑制しながら十分な硬度を確保するため、図5に示すように、当該成形される鋼材をプレス成形の金型下死点で15〜30秒間拘束保持(「拘束」、あるいは「保持」ともいう。)し、金型内にて100〜200℃程度にまで冷却した後、取り出している。
(1)金型を用いて高温素材を所定形状に成形する処理(図5の符号101)
(2)オーステナイト域から急冷して焼き入れを行う処理(図5の符号102)
(3)焼入れ後の熱収縮に伴う寸法精度の低下を防止するために拘束して冷却をする処理(図5の符号103)
である。
このとき鋼板には板側面の縦壁中央予定部に熱電対を取り付け、加熱から成形に至るまでの温度履歴を測定した。なお、下死点保持終了温度をT1とする。また、金型の縦壁部における上型と下型のクリアランスは鋼板板厚+0.1mmに調整した。下死点保持開始時の成形品の温度は500℃程度であり、プレス成形開始から下死点保持終了までの平均冷却速度は70〜100℃/秒であった。
当該試験に使用したプレスは、下死点でクラッチ切断によりモーションを停止させる機能を有するクランクプレスである。また、下死点保持を行わない場合に1回の成形に要する時間(クランクモーションが1回転する時間)は約1秒である。
鋼板の化学組成は、以下のように規定する。なお、鋼板の組成を規定する%は質量%を意味する。
Cの含有量は0.08%以上0.45%以下である。Cは、鋼板の焼き入れ性を高め、かつ成形品の強度を決定する重要な元素である。Cの含有量が0.08%未満ではその効果が十分でなく、C含有量が0.45%を超えると靭性や溶接性が劣化する虞がある。望ましいCの含有量は0.3%以下である。
MnおよびCrの合計含有量は0.5%以上3.0%以下である。ここで、当該範囲はMn、Crのいずれか一方が0%であってもよいことを含む概念ある。MnおよびCrは鋼板の焼き入れ性を高め、かつ成形品の強度を安定して確保するために有効な元素である。しかし、MnおよびCrの合計含有量が0.5%未満では、その効果は十分でなく、3.0%を超えるとその効果は飽和し、安定した強度確保が難しい。望ましい合計含有量は、0.8%以上2.0%以下である。
焼き入れ性の確保の観点からは上記したC、Mn、およびCrの含有量を確保すればよい。
また、焼き入れ性を高め、靭性を向上させる観点から、Bを0.0002%以上0.01%以下、Niを2%以下、Cuを1%以下、Moを1%以下、Vを1%以下、Tiを1%以下、Nbを1%以下、の1種以上を任意の添加物として含有させることもできる。残部は、Fe、上記C、Mn、Crおよび不可避的不純物である。
上記化学成分を含有する鋼板の表面に亜鉛やアルミニウムのめっき層を形成した亜鉛めっき鋼板やアルミニウムめっき鋼板を用いることもできる。これらのめっき鋼板は、プレス時にスケールが発生せず、事後のスケール除去も不要となる。
鋼板はAc3点以上の温度に加熱される。Ac3点以上の温度に加熱された鋼板はオーステナイト単相となる。オーステナイト化をより確実なものとするために加熱温度は(Ac3+20)℃以上にすることが望ましい。一方、加熱温度が高温すぎると省エネルギーの面で問題がある他、裸材の場合には過剰なスケールの発生も懸念される。したがって、(Ac3+120)℃以下とすることが望ましい。上記温度域に加熱することができれば加熱方法は特に限定しない。ただし鋼板にめっき鋼板を用いる場合にはめっきが消失する懸念があるため、通電加熱のような急速加熱は適さない。裸材を用いる場合にはスケール防止のために酸素濃度の低い状態に雰囲気制御された炉を用いることが望ましい。
オーステナイト単相域まで加熱された鋼板は速やかに金型に搬送され、フェライトまたはベイナイトへの変態が開始するAr3点以上の温度から金型にてプレスが開始され、所定の形状に成形される(プレス成形、プレス下降)。そして、下死点で保持されるとともに金型で急速に冷却されて焼入れされる。より詳しくは、下死点にて、金型との接触による抜熱により、臨界冷却速度以上の冷却速度で、下死点保持終了温度T1が(Ms−120)℃以下、かつ、200℃以上の温度範囲になるまで保持されて焼入れされる。これにより上記したような十分な到達硬度(例えば420HV)を得ることができる。
下死点保持終了温度T1が(Ms−120)℃を超えると、オーステナイトからマルテンサイトへの変態が不完全となり、未変態オーステナイトがその後の冷却によりフェライトやベイナイトに変態するため十分な硬度が得られない。一方、下死点保持終了温度T1が200℃未満では、強度は飽和するとともに、保持時間が長くなり、生産性が低下する。望ましくは、下死点保持終了温度T1は250℃以上(Ms−120)℃以下である。
下死点保持終了温度T1が(Ms−120)℃以下の温度に到達した後、下死点保持を終了し、速やかに金型から成形品を取り出し(プレス上昇)、下死点保持終了からの鋼板の温度降下量が15℃以上となる前に成形品を正規の形状に保持拘束する拘束を開始し、保持拘束した状態で200℃未満に冷却を行う。すなわち、図1の「下死点保持終了」から「二次拘束開始」までの鋼板の温度降下量を15℃未満とする。これにより、熱収縮に伴う形状変化を小さく抑えることができ、寸法精度に優れた成形品を得ることが可能となる。
上述の下死点保持の間にマルテンサイト変態が十分に完了しており、金型から成形品を取り出した後は、変態に伴う形状の変化は発生しない。しかし、金型から成形品を取り出してから正規の形状に保持して拘束(二次拘束)するまでの鋼板の温度降下量が大きすぎると、非拘束中の冷却に伴う熱応力により形状変化が生じ、寸法精度が悪化する。従って、「下死点保持終了」から「二次拘束開始」までの温度降下量は、15℃未満とする。なお、下死点保持終了から二次拘束開始までの鋼板の冷却速度は、空冷の場合で1.5℃/秒程度であり、したがって、「下死点保持終了」から10秒以内に二次拘束を開始するのが望ましい。
なお、二次拘束における冷却速度は特に規定されないが、二次冷却における効率の観点からは、強制冷却などにより冷却速度を高めることが望ましい。
また、二次拘束の終了温度T3は、該温度が高すぎると、二次拘束終了後の冷却において形状変化が生じ、寸法精度が悪化する虞がある。従って、二次冷却終了温度T3は200℃未満が望ましい。一方、T3の下限値については特に限定はしないが、あまり低い温度まで拘束しておくのは拘束治具の使用効率の観点からは好ましくない。
<鋼板>
鋼板はCを0.21質量%、Siを0.25%、Mnを1.20%含有し、板厚1.6mm、長さ280mm、幅70mmとした。当該鋼材のAc3点は823℃、およびMs点は冷却速度が30℃/秒以上のときに420℃である。すなわち、(Ms−120)℃は、300℃である。Ar3点は冷却速度により変動があるが、例えば1.6mmの厚さであるときに空冷すると610℃程度となる。
出炉後速やかに常温の金型に装入して高さ70mmのハット形状にプレス成形し、下死点にてそのまま時間t1の間保持した。このときのプレス開始温度をTpで表した。また、プレス開始から下死点に達するまでの時間(プレス下降時間)は0.5秒、および下死点保持終了温度をT1とした。ここで、下死点保持の時間t1中における平均の冷却速度は30℃/秒以上である。なお、この金型の縦壁部における上型と下型のクリアランスは鋼板板厚+0.1mmに調整した。
また、形状凍結性は、図3に示した成形品10の部位のフランジ角度θを測定することにより評価した。フランジ角度が1.5°未満のものを良(○)、それ以上を不良(×)とした。なお、今回のプレス成形では全ての条件で縦壁が内側へ入り込むいわゆるスプリングゴー傾向を示しており、フランジ角度が大きいほどスプリングゴーが大きいことを示しており、0°の場合が正規形状である。
生産性はプレス成形開始から下死点保持終了までの所要時間で評価し、No.8の従来例を基準とし、これより短いものを生産性良好(○)、長いものを生産性不良(×)とした。なお、プレス成形開始から下死点保持開始までの時間は一定で、0.5秒である。
表1に条件および結果を示す。
T1 下死点保持終了温度
Claims (3)
- 質量%にて、Cを0.08%以上0.45%以下、MnおよびCrの合計が0.5%以上3.0%以下、残部が前記C、Mn、Cr以外の任意の添加物、Fe、および不可避的不純物である化学成分からなり、Ac3点以上の温度に加熱された鋼板をAr3点以上のプレス開始温度から金型にてプレス成形する方法であって、
前記鋼板を前記金型の下死点にて拘束しながら前記鋼板の臨界冷却速度以上の冷却速度で200℃以上(Ms−120)℃以下の温度にまで冷却し、次いで、前記鋼板を前記金型から取り出し、前記金型による下死点での拘束終了からの鋼板の温度降下量が15℃以上となる前に前記金型とは異なる手段で拘束を開始し、200℃未満の温度にまで冷却する過程を含むことを特徴とする熱間プレス成形方法。 - 前記200℃未満にまで冷却された前記鋼材の硬度が420HV以上であることを特徴とする請求項1に記載の熱間プレス成形方法。
- 質量%にて、Cを0.08%以上0.45%以下、MnおよびCrの合計が0.5%以上3.0%以下、残部が前記C、Mn、Cr以外の任意の添加物、Fe、および不可避的不純物である化学成分からなり、Ac3点以上の温度に加熱された鋼板をAr3点以上のプレス開始温度から金型にてプレス成形して成形品を製造する方法であって、
前記鋼板を前記金型の下死点にて拘束しながら前記鋼板の臨界冷却速度以上の冷却速度で200℃以上(Ms−120)℃以下の温度にまで冷却する工程、および該工程に次いで、前記鋼板を前記金型から取り出し、前記金型による下死点での拘束終了からの鋼板の温度降下量が15℃以上となる前に前記金型とは異なる手段で拘束を開始し、200℃未満の温度にまで冷却する工程を含む熱間プレス成形品の製造方法。
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