JP2011224646A - 熱間プレス製品及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置の複雑化や高コスト化等を招くことなく、後加工部分の硬度を下げつつ硬度変化範囲を狭くして全体の強度を高く保つことができる熱間プレス製品の製造方法を提供すること。
【解決手段】
加熱した鋼板に歪みを局部的に与える歪付与工程と、
所定の相変態猶予時間が経過した後に前記鋼板を熱間プレス加工によって所定の製品形状に成形するとともに焼き入れし、硬度の高い高硬度部の中に硬度の低い硬度低下部が局部的に形成されたプレス成形品を得る熱間プレス工程と、
前記プレス成形品の前記硬度低下部に後加工として剪断加工を施す後加工工程と、
を経て熱間プレス製品を得る。
【選択図】図5

Description

本発明は、硬度の高い高硬度部とこれよりも硬度の低い硬度低下部との境界である硬度変化範囲を狭くした熱間プレス製品及びその製造方法に関するものである。
例えば、車両の軽量化を図るために車体フレームには高張力鋼板が使用されているが、更なる軽量化のため熱間プレス加工による焼き入れによって硬度と強度を更に高めることが行われている。
熱間プレス加工による焼き入れは、鋼板を1000℃近傍のオーステナイト域まで加熱してプレス成形型に投入し、800℃程度の鋼板を所望の形状に成形すると同時に急冷してマルテンサイト変態させてプレス成形品を硬化させる方法であって(例えば、特許文献1参照)、これによれば引張強さ1470MPa、硬度(ビッカース硬度(HV))約440の高強度鋼板のプレス成形品が得られる。
ところで、上記熱間プレス加工による焼き入れによって硬化したプレス成形品に後加工としてトリムやピアス等の剪断加工を施して最終製品としての熱間プレス成形品を得る場合、硬化したプレス成形品への剪断加工は容易ではなく、工具の破損や寿命低下を招く他、加工が施された端面に残留応力が生ずるために遅れ破壊が発生する可能性がある。
上記問題を解決する手法として、通常は後加工をレーザー加工によって行っている。
又、特許文献1には、成形型の対向する成形面に窪みを設け、投入された加熱鋼板を成形型に接触する部位と窪みに臨む部位とで冷却速度を異ならせて冷却し、プレス部品に得られる焼入れ硬度を部位によって変化させる焼入れ方法が提案されている。
更に、特許文献1には、熱間プレス加工終了後にトリムやピアス等の剪断加工を施す部位を再加熱してその部位の硬度を低下させる方法が提案されている。
又、特許文献2には、熱間加工での歪付与により鋼材が軟化することが記載されている。
特開2003−328031号公報 特開平7−278652号公報
ところが、後加工をレーザー加工によって行う方法では、トリムやピアスの形状や数量によって加工時間が長くなり、その分だけ加工コストが高くなるという問題がある。
又、特許文献1において提案された方法では、硬度の高い焼入れ部と硬度が下がった硬度低下部との境界である硬度変化範囲が広く、不必要な部分においても硬度が低下してしまい、不要に製品全体の強度が低下するという問題がある。
更に、特許文献1において提案された方法では、生産タクトが悪化したり、再加熱のための設備が必要なために装置が複雑且つ高価になるという問題がある。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、装置の複雑化や高コスト化等を招くことなく、後加工部分の硬度を下げつつ硬度変化範囲を狭くして全体の強度を高く保つことができる熱間プレス製品及びその製造方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、請求項1記載の発明は、鋼板の熱間プレス加工による焼き入れによって硬化した高硬度部と該高硬度部よりも硬度の低い硬度低下部を形成して成るプレス成形品の前記硬度低下部に剪断加工を施して構成される熱間プレス製品において、前記高硬度部と前記硬度低下部との境界である硬度変化範囲を5mm以下としたことを特徴とする。
請求項2記載の発明は、
加熱した鋼板に歪みを局部的に与える歪付与工程と、
所定の相変態猶予時間が経過した後に前記鋼板を熱間プレス加工によって所定の製品形状に成形するとともに焼き入れし、硬度の高い高硬度部の中に硬度の低い硬度低下部が局部的に形成されたプレス成形品を得る熱間プレス工程と、
前記プレス成形品の前記硬度低下部に後加工として剪断加工を施す後加工工程と、
を経て熱間プレス製品を得ることを特徴とする。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、鋼板に予備成形によって凸形状を形成する予備工程と、前記歪付与工程において、該凸形状を600℃〜800℃の温度域において潰すことによって鋼板に50%以上の歪みを局部的に与えることを特徴とする。
請求項4記載の発明は、請求項2記載の発明において、前記歪付与工程において、前記鋼板を600℃〜800℃の温度域において局部的に減肉することによって該鋼板に50%以上の歪みを局部的に与えることを特徴とする請求項2記載の熱間プレス製品の製造方法。
請求項5記載の発明は、請求項2〜4の何れかに記載の発明において、相変態猶予時間を1秒以上に設定したことを特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、熱間プレス製品の高硬度部と硬度低下部との境界である硬度変化範囲を5mm以下と狭くしたため、製品全体を高い強度に保つことができる。
請求項2〜4記載の発明によれば、歪付与工程において鋼板に50%以上の歪みを与えた後、所定の相変態猶予時間が経過した後に熱間プレス工程において鋼板を熱間プレス加工して所定の製品形状に成形するとともに焼き入れすることによって、歪みを与えた部位のフェライト変態が促進され、その部位のフェライト体積率が増加して硬度が低下するため、その硬度が低下した硬度低下部に後加工工程においてトリムやピアス等の剪断加工を容易に施すことができ、装置の複雑化やコストアップを招くことなく、工具の寿命低下を防ぐことができ、加工端部の残留応力による遅れ破壊も生じ難い。そして、歪付与工程が終了してから熱間プレス加工が開始するまでに適正な相変態猶予時間を与えることによって、歪みを与えた部位のオーステナイトからフェライトへの変態が適度になされ、又、熱間プレス製品の硬度変化範囲を狭くすることができるため、製品全体に必要十分な強度を確保することができる。
請求項5記載の発明によれば、歪付与工程が終了してから熱間プレス加工が開始するまでに1秒以上の相変態猶予時間を与えることによって、歪みを与えた部位のオーステナイトからフェライトへの変態が促進され、その部位(歪付与部位)の硬度を高硬度部のそれよりも低く抑えることができる。
予備成形装置要部の断面図である。 (a)〜(c)は鋼板の斜視図である。 (a)は図2(b)のX−X線断面図、(b)は図2(c)のY部の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 プレス装置の概略断面図である。 プレス装置の上型のプレスモーショを示す概念図である。 焼入れ硬度に対する歪付与温度の影響を示す図である。 焼入れ硬度に対する相変態猶予時間の影響を示す図である。 焼入れ硬度に対する相変態猶予時間の影響を示す図である。 (a)はプレス成形品の硬度低下部周辺の平面図、(b)は(a)のZ−Z線断面図、(c)は材料硬度の分布図、(d)は剪断加工の概念図である。 (a)は予備成形によって鋼板に形成する凸形状の他の例を示す部分断面図、(b)は凸形状を潰した後の鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は予備成形によって鋼板に形成する凸形状の他の例を示す部分断面図、(b)は凸形状を潰した後の鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は予備成形によって鋼板に形成する凸形状の他の例を示す部分断面図、(b)は凸形状を潰した後の鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は予備成形によって鋼板に形成する凸形状の他の例を示す部分断面図、(b)は凸形状を潰した後の鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は歪付与工程の他の形態を示す部分断面図、(b)は減肉によって形成された鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は歪付与工程の他の形態を示す部分断面図、(b)は減肉によって形成された鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は歪付与工程の他の形態を示す部分断面図、(b)は減肉によって形成された鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 (a)は歪付与工程の他の形態を示す部分断面図、(b)は減肉によって形成された鋼板の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図である。 加熱した鋼板を急冷するまでの冷却曲線を示す図である。
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図1は予備成形装置要部の断面図、図2(a)〜(c)は鋼板の斜視図、図3(a)は図2(b)のX−X線断面図、図3(b)は図2(c)のY部の50%以上の歪付与領域を示す部分断面図、図4はプレス装置の概略断面図、図5は上型のプレスモーショを示す概念図である。
本発明に係る熱間プレス製品の製造方法は、
1)加熱した鋼板に歪みを局部的に与える歪付与工程と、
2)所定の相変態猶予時間が経過した後に前記鋼板を熱間プレス加工によって所定の製品形状に成形するとともに焼き入れし、硬度の高い高硬度部の中に硬度の低い硬度低下部が局部的に形成されたプレス成形品を得る熱間プレス工程と、
3)前記プレス成形品の前記硬度低下部に後加工として剪断加工を施す後加工工程と、
を経て熱間プレス製品を得ることを特徴としている。本発明に係る製造方法によって得られる熱間プレス製品には硬化した高硬度部と該高硬度部よりも硬度の低い硬度低下部が形成されるが、高硬度部と硬度低下部との境界である硬度変化範囲は5mm以下の狭い範囲とされて全体の強度が高く保たれる。以下、この熱間プレス製品の製造方法を前記各工程に従って順に説明する。
1)予備成形工程:
この予備成形工程は鋼板に予備成形によって凸形状を形成する工程であって、本実施の形態では、常温において図1に示す予備成形装置を用いてなされる。即ち、図1に示すように、図2(a)に示す鋼鈑Wの下孔Waに周囲をダイ1とブランクホルダ2によって挟持し、丸棒状のパンチ3の尖った先端部3aを鋼鈑Wの下孔Waと通して該パンチ3を押し上げることによって、鋼鈑Wの下孔Waの周囲には図2(b)及び図3(a)に示す円形状に盛り上がった座面状の凸形状W1が形成される。ここで、鋼鈑Wの加熱前にブランクを行う場合、ブランクを行う型内で予備成形を行うことが望ましい。そうすることで、予備成形のための装置を準備する必要がない。尚、鋼板Wとしては焼入れが可能な材料が用いられ、本実施の形態では、板厚t1.8mm、化学成分としてC:0.22%(重量%、以下同様)、Si:0.26%、Mn:1.22%、P:0.021%、S:0.002%、Cr:0.20%を含むものを使用した。
2)歪付与工程:
この歪付与工程は加熱した鋼鈑Wに50%以上の歪みを局部的に与える工程であって、予備成形工程で形成された凸形状W1を潰してその周りに局部的な歪みを与える工程である。
本実施の形態では、前記予備成形によって中央部に凸形状W1が形成された鋼板Wを焼入れが可能なAc3点以上の900℃〜950℃のオーステナイト域まで加熱した後、この鋼板Wを図4に示すプレス装置10に投入して自然放冷し、600℃〜800℃の温度域で鋼板Wの凸形状W1を潰すことによって50%以上の歪みをその潰した部位に局部的に与える。ここで、凸形状W1を潰すには熱間プレス工程で使用するプレス装置を利用することが望ましい。そうすることで、歪付与のために別のプレス装置等を準備する必要がない。但し、歪付与工程では焼入れしないよう下死点保持は行わない。
図4に示すプレス装置10は、上型11と下型12を備えており、これらの上型11と下型12内には冷却水を流すための複数の水管13が図4の紙面垂直方向に挿通している。又、下型12に形成された垂直の2本の孔12A内にはスプリング14によって付勢されたリフトピン15が上下動可能に収容されており、図示のように加熱された鋼板Wをプレス装置に10投入した状態では、上型11は下型12から離間して上方に待機しており、リフトピン15は下型12の上面から突出して鋼板Wを水平に支持している。このように、下型12からリフトピン15を突出させて鋼板Wを下型12に対してフローティング支持することによって、該鋼板Wの下型12への接触による温度低下が防がれる。
ここで、プレス装置10における後述の熱間プレス工程を含む1工程のプレスモーション(上型11の時間的なスライド位置の変化)を図5に示すが、同図に示すように、図4に示す待機位置にある上型11を下死点の手前まで下降させて鋼板Wの凸形状W1を潰して図2(c)に示すような平坦な鋼板W’を得る。尚、このときの加圧力は5ton(面圧2.5MPa)である。
而して、上述のように鋼板Wの凸形状W1を潰すことによって、鋼板W’には図3(b)にハッチングを付して示す領域(下孔Waの縁から約0.5mm〜3.0mmの領域)に50%以上の歪みを与えることができた。尚、歪みは非線形構造解析汎用有限要素プログラム(商標名:Marc)を用いて相当歪みを算出することによって求めた。又、算出には材料物性値として700℃における値を使用した。
このように600℃〜800℃の温度域で鋼板Wの凸形状W1を潰すことによって50%以上の歪みをその潰した部位に局部的に与えることができ、歪みが与えられた部位(歪付与部)のオーステナイトからフェライトへの変態が促進されてフェライト体積率が増加し、この結果、鋼板W’の歪付与部の硬度が低下する(歪付与による軟化現象)。
3)熱間プレス工程:
この熱間プレス工程では、所定の相変態猶予時間が経過した後に前記鋼板(50%以上の歪みが局部的に付与された鋼板)W’を図4に示すプレス装置10を用いて熱間プレス加工することにより所望の製品形状に成形するとともに焼き入れし、硬度の高い高硬度部の中に硬度の低い硬度低下部が局部的に形成されたプレス成形品を得る。
即ち、図5に示すように、歪付与工程によって鋼板Wの凸形状W1を潰した後、上型11を幾分上昇させて鋼板W’から離間させ、その状態を所定の相変態猶予時間だけ保持する。ここで、相変態猶予時間は、鋼板W’の歪付与部のオーステナイトからフェライトへの変態に必要な猶予時間であって、1秒以上の範囲に設定される。
上記相変態猶予時間が経過した後、図5に示すようにプレス装置10の上型11(図4参照)を下死点まで下降させて所定時間(例えば、10秒程度)保持する(例えば、加圧力30ton(面圧15MPa))ことによって鋼板W’を所望の製品形状に成形してプレス成形品を得ると同時に、上型11と下型12にそれぞれ挿通する水管13を流れる冷却水によって上型11と下型12を冷却し、冷却された上型11と下型12でプレス成形品を急冷して焼入れする。すると、熱間プレス成形によって所望の形状に成形されたプレス成形品は焼入れによってマルテンサイトに変態して硬化するが、歪付与部はその一部がフェライト変態して硬度が低下する。従って、プレス成形品には、硬化した高硬度部の中に硬度が低下した硬度低下部が局部的に存在することになる。
ここで、図6に焼入れ硬度に対する歪付与温度の影響を示す。この場合、相変態猶予時間を3秒に固定し、歪付与温度を550℃、600℃、650℃、700℃、750℃及び800℃に変化させた場合の硬度を下孔Waの縁(孔端)からの距離に対して実測した結果を示す。
図6に示す結果から分かるように、何れの条件においても孔端から1mm〜2mmの範囲で硬度が低下する傾向が見られる。そして、何れの条件においても孔端から5mm以上離れると硬度(HV)約470以上が得られることが分かる。この結果によれば、硬度が低下する硬度低下部を孔端から2mmの範囲に形成し、孔端から5mm以上離れた範囲を硬度の高い高硬度部とすることができ、従って、硬度低下部と高硬度部との境界である硬度変化範囲を孔端から2mm〜5mmの幅3mmの狭い領域に限定することができる。又、図6と図3に示す結果から、硬度測定ラインにおける孔端から0.8mm〜2.8mmの領域が示す通り50%以上の歪を付与した領域の硬度は硬度(HV)370以下となることが分かる。
又、図7及び図8に焼入れ硬度に対する相変態猶予時間の影響を示す。尚、図7及び図8は歪付与温度を600℃と750℃にそれぞれ固定して相変態猶予時間を0秒、1秒、3秒及び5秒と変化させた場合の硬度を下孔Waの縁(孔端)からの距離に対して実測した結果を示す。
図7及び図8に示す結果から分かるように、相変態猶予時間が0秒の場合(相変態の時間を全く与えない場合)には硬度低下の傾向は全く見られない。又、相変態猶予時間が長くなるに従って硬度低下部(孔端から1mm〜2mmの領域)の硬度は低下する傾向にあるが、相変態猶予時間が1秒ではフェライト体積率の増加が少ないために硬度の低下度合いは小さく、相変態猶予時間が3秒であればフェライト体積率が増加して硬度の低下が著しいことが分かる。但し、図7において相変態猶予時間が5秒を超えれば全体的に硬度が低下する傾向にある。これは相変態猶予時間中にフェライト変態に加え、自然放冷による温度降下によりマルテンサイト変態すべき金属組織の一部がベイナイト変態を進行させたためであると考えられる。
図18に加熱した鋼板を急冷するまでの冷却曲線を示す。図18に示す結果から、全体的な硬度低下を起こさないためには550℃以上の温度から急冷すれば良いことが分かる。
4)後加工工程:
この後加工工程では、前工程である熱間プレス工程によって得られたプレス成形品の硬度低下部に後加工としてトリムやピアス等の剪断加工を施す工程であって、図9に示すように、硬度低下範囲に図9(d)に示す工具16を用いて例えばピアス加工して2点鎖線にて示す円形の円孔を穿設することによって最終的に所望の熱間プレス製品を得ることができる。尚、図9(a)はプレス成形品の硬度低下部周辺の平面図、図9(b)は図9(a)のZ−Z線断面図、図9(c)は材料硬度の分布図、図9(d)は剪断加工の概念図である。
而して、後工程としてのピアス加工は、プレス成形品の硬度の低い硬度低下部(図示のC領域)に対して施されるため、加工が容易であるとともに、工具の破損や寿命低下が防がれる。尚、本実施の形態では、高硬度部(図示のA領域)の硬度Hvは440以上であり、硬度低下部の硬度Hvは370以下である。又、硬度低下部と高硬度部との境界である硬度変化範囲は図9(c)に領域Bにて示され、従来よりも狭くなっている。
以上のように、本発明によれば、歪付与工程において鋼板W’に50%以上の歪みを与えた後、所定の相変態猶予時間が経過した後に熱間プレス工程において鋼板W’を熱間プレス加工して所定の製品形状に成形するとともに焼き入れすることによって、歪みを与えた部位のフェライト変態が促進され、その部位のフェライト体積率が増加して硬度が低下するため、その硬度が低下した硬度低下部に後加工工程においてトリムやピアス等の剪断加工を容易に施すことができ、装置の複雑化やコストアップを招くことなく、工具の寿命低下を防ぐことができ、加工端部の残留応力による遅れ破壊も生じ難い。そして、歪付与工程が終了してから熱間プレス加工が開始するまでに適正な相変態猶予時間を与えることによって、歪みを与えた部位のオーステナイトからフェライトへの変態が適度になされ、又、熱間プレス製品の硬度変化範囲を狭くすることができるため、製品全体に必要十分な強度を確保することができる。
又、歪付与工程が終了してから熱間プレス加工が開始するまでに1秒以上の相変態猶予時間を与えることによって、歪みを与えた部位のフェライト変態が促進され、その部位(歪付与部位)の硬度を高硬度部のそれよりも低く抑えることができる。
従って、本発明に係る製造方法によって得られる熱間プレス製品においては、高硬度部と硬度低下部との境界である硬度変化範囲を5mm以下と狭く制限することができるため、製品全体に高い強度を確保することができるという効果が得られる。
ところで、以上の実施の形態では、歪付与工程前の予備成形において鋼板Wに円形に盛り上がった凸形状W1を形成したが、バーリング加工によって図10(a)に示すような円筒ボス状の凸形状W2を形成し、これを歪付与工程で600℃〜800℃の温度域で図10(b)に示すように潰すことによってハッチングを付した領域のように50%以上の歪みを局部的に与えるようにしても良い。その他、図11(a)〜図13(a)に示すような凸形状W3,W4,W5をそれぞれ形成し、これらの凸形状W3〜W5を600℃〜800℃の温度域で図11(b)〜図13(b)に示すように潰すことによってハッチングを付した領域のように50%以上の歪みを局部的に与えるようにしても良い。
或いは、予備成形工程は行わず、歪付与工程において図14(a)に示すように上型11と下型12の対向する面に断面台形状の2つの凸部11a,12aをそれぞれ突設し、これらの上型11と下型12によって鋼板Wを600℃〜800℃の温度域でプレスして図14(b)に示すように該鋼板Wに減肉部W6を形成することによって、その減肉部W5のハッチングを付した領域のように50%以上の歪みを局部的に与えるようにしても良い。その他、図15(a)に示すように上型11のみに断面台形状の凸部11aを形成し、或いは図16(a)に示すように上型11と下型12の対向面に断面円弧曲面状の凸部11b,12bを形成し、又は図17(a)に示すように上型11のみに断面円弧曲面状の凸部11bを形成し、上型11と下型12によって鋼板Wをプレスして図15(b)〜図17(b)に示すように該鋼板Wに減肉部W7,W8,W9をそれぞれ形成することによって、その減肉部W6〜W9のハッチングを付した領域のように50%以上の歪みを局部的に与えるようにしても良い。ここで、減肉を行う上型11と下型12は熱間プレス工程で使用するプレス装置を利用するのが望ましい。そうすることで、歪付与のために別のプレス装置等を準備する必要がなくなる。但し、歪付与工程では焼入れしないよう下死点保持は行わない。
1 ダイ
2 ブランクホルダ
3 パンチ
3a パンチの先端部
10 プレス装置
11 上型
11a,11b 上型の凸部
12 下型
12A 下型の孔
12a,12b 下型の凸部
13 水管
14 スプリング
15 リフトピン
16 工具
W,W’ 鋼板
Wa 鋼板の下孔
W1〜W5 鋼板の凸形状
W6〜W9 鋼板の減肉部

Claims (5)

  1. 鋼板の熱間プレス加工による焼き入れによって硬化した高硬度部と該高硬度部よりも硬度の低い硬度低下部を形成して成るプレス成形品の前記硬度低下部に剪断加工を施して構成される熱間プレス製品において、
    前記高硬度部と前記硬度低下部との境界である硬度変化範囲を5mm以下としたことを特徴とする熱間プレス製品。
  2. 加熱した鋼板に歪みを局部的に与える歪付与工程と、
    所定の相変態猶予時間が経過した後に前記鋼板を熱間プレス加工によって所定の製品形状に成形するとともに焼き入れし、硬度の高い高硬度部の中に硬度の低い硬度低下部が局部的に形成されたプレス成形品を得る熱間プレス工程と、
    前記プレス成形品の前記硬度低下部に後加工として剪断加工を施す後加工工程と、
    を経て熱間プレス製品を得ることを特徴とする熱間プレス製品の製造方法。
  3. 鋼板に予備成形によって凸形状を形成する予備工程と、前記歪付与工程において、該凸形状を600℃〜800℃の温度域において潰すことによって鋼板に50%以上の歪みを局部的に与えることを特徴とする請求項2記載の熱間プレス製品の製造方法。
  4. 前記歪付与工程において、前記鋼板を600℃〜800℃の温度域において局部的に減肉することによって該鋼板に50%以上の歪みを局部的に与えることを特徴とする請求項2記載の熱間プレス製品の製造方法。
  5. 相変態猶予時間を1秒以上に設定したことを特徴とする請求項2〜4の何れかに記載の熱間プレス製品の製造方法。
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