JP2012148282A - 高強度鋼板のプレス成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性の低下を抑制して、深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を、高強度鋼板でプレス成形できるようにすることである。
【解決手段】深絞り成形する成形後期に張出し部Ａを張出し成形するに際して、プレス成形中の鋼板温度を１００℃〜３５０℃とし、張出し成形を行う成形後期の成形速度を、張出し成形を行わない成形前期の成形速度よりも遅くすることにより、張出し部Ａでの割れを防止して、プレス成形限界を向上させ、深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を、高強度鋼板でプレス成形できるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、高強度鋼板のプレス成形方法に関する。

近年、自動車分野では、燃費を向上させて二酸化炭素の排出量を削減するために、プレス成形部品に高強度鋼板を使用して、車体を軽量化する取り組みが積極的に進められている。一部のプレス成形部品には、９８０ＭＰａ級以上の高強度鋼板も使用されるようになっている。

鋼板は強度が増加するほど延性が低下することはよく知られており、プレス成形性も低下する。このため、より強度の高い鋼板をより広範囲のプレス成形部品に適用できるように、材料面からは、強度・延性バランスの優れた高強度鋼板の開発が進められ、加工技術の面からは、プレス成形限界を向上させるプレス成形方法の開発が進められている。

これまでに開発された強度・延性バランスの優れた高強度鋼板としては、フェライト相とマルテンサイト相からなるＤＰ(dual phase）鋼板、残留オーステナイト変態誘起塑性を有するＴＲＩＰ(transformation induced plasticity) 型の鋼板等が挙げられる（例えば、非特許文献１参照）。最近では、さらに強度・延性バランスの優れた高強度鋼板として、ＴＲＩＰ型でベイニティックフェライトを母相とするＴＢＦ(trip aided bainitic ferrite)鋼板も開発されている（例えば、非特許文献２参照）。

一方、プレス成形限界を向上させるプレス成形方法としては、パンチ部の鋼板温度を常温以下、しわ押さえ部の鋼板温度を１５０℃以上としてプレス成形する方法（例えば、特許文献１参照）や、ＴＲＩＰ型の鋼板を対象として、ダイ肩部の金型温度を１５０℃〜２００℃、パンチ肩部の金型温度を−３０℃〜０℃としてプレス成形する方法（例えば、特許文献２参照）が提案されている。特許文献１、２に記載されたものは、いずれも深絞り成形を行って、しわ押さえ部やダイ肩部での部分的な温間成形による深絞り成形限界の向上効果を確認している。

また、ＴＢＦ鋼板を用いてプレス成形性（張出し性、深絞り性、伸びフランジ性）に及ぼす成形温度の影響を調査する各試験を行い、張出し性、深絞り性および伸びフランジ性が、冷間よりも向上する温間温度領域があることを見出した試験結果も報告されている（例えば、非特許文献３参照）。非特許文献３に記載されたものは、張出し性試験と伸びフランジ性試験を、実際のプレス工場における成形速度（７０ｍｍ／ｓｅｃ程度）よりもかなり遅い１ｍｍ／ｍｉｎ（０．０１７ｍｍ／ｓｅｃ）の成形速度で行っている。深絞り性試験は、２００ｍｍ／ｍｉｎ（３．３ｍｍ／ｓｅｃ）の成形速度で行っている。なお、ここにいう成形速度は、パンチがブランクに接触し、実際に成形が開始されてから終了するまでの平均成形速度である。

一方、自動車用のプレス成形部品には様々な形状のものがあり、これらの部品のプレス成形では、深絞り成形、張出し成形、伸びフランジ成形等の複数の成形要素が組み合わされるのが一般的である。これらの部品のうち、プレス成形が難しい部品として、例えば図６に示すドアインナのように、本体の底部に凸状や凹状の張出し部Ａを有するものがある。このような部品では、本体を深絞り成形する成形後期に、張出し部Ａが張出し成形される。この種のプレス成形部品としては、ドアインナのほかに、ドアアウタ、フロントピラー、センターピラー、リヤフロア、サイドシル等が挙げられる。なお、深絞り成形は材料をダイ内に流入させて成形するものであり、張出し成形はダイ内の材料を２軸方向に延伸させて成形するものである。

特開２００１−２４６４２７号公報 特開２００７−１１１７６５号公報

小宮幸久著、「自動車用鉄鋼材料の現状と動向」、Ｒ＆Ｄ 神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５２、Ｎｏ．３（２００２年１２月）、ｐ．２〜５ 粕谷康二、向井陽一著、「ＴＲＩＰ型ベイニティックフェライト鋼板の機械的性質に及ぼす合金元素及び焼鈍条件の影響」、Ｒ＆Ｄ 神戸製鋼技報、Ｖｏｌ．５７、Ｎｏ．２（２００７年８月）、ｐ．２７〜３０ 杉本公一 他著、「超高強度低合金ＴＲＩＰ型ベイニティックフェライト鋼板の温間成形性」、鉄と鋼、Ｖｏｌ．９１、Ｎｏ．２（２００５年２月）、ｐ．３４〜４０

図６に示したドアインナ等の部品のように、本体の底部に張出し部を有し、深絞り成形の成形後期に張出し成形が行われるプレス成形部品は、高強度鋼板を用いたプレス成形が困難であり、使用鋼板の高強度化があまり進んでいないのが実態である。

このようなプレス成形部品に対する使用鋼板の高強度化を推進するためには、特許文献１、２および非特許文献３に記載されたような温間成形法を採用することが考えられるが、実際のプレス工場におけるような高生産性を確保できる高速の成形速度で、このような深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を温間成形した例は報告されていない。本発明者らは、後の表４（ａ）、（ｂ）に比較例として示すように、このようなプレス成形部品は、強度・延性バランスの優れた高強度鋼板を使用しても、高速の成形速度（７０ｍｍ／ｓｅｃ）では温間成形できないことを確認している。

そこで、本発明の課題は、生産性の低下を抑制して、深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を、高強度鋼板でプレス成形できるようにすることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、深絞り成形する成形後期に張出し成形を行う高強度鋼板のプレス成形方法において、前記高強度鋼板のプレス成形中の温度を１００℃〜３５０℃とし、前記張出し成形を行う成形後期の成形速度を、張出し成形を行わない成形前期の成形速度よりも遅くした方法を採用した。

本発明者らは、高強度鋼板の温度と成形速度を変化させ、円筒パンチとダイを用いて深絞り性試験と張出し性試験を行った。供試ブランクは板厚１．４ｍｍの９８０ＭＰａ級ＴＢＦ鋼板とし、張出し性試験ではブランク径を大きくするとともに、しわ押さえ力を大きくして、材料がダイ内に流入しないようにした。試験条件は以下の通りである。
（試験条件）
・パンチ径：５０ｍｍ（肩半径：５ｍｍ）
・ダイ径：５４ｍｍ（肩半径：７ｍｍ）
・ブランク径：１０５ｍｍ（深絞り性試験）、１５０ｍｍ（張出し性試験）
・しわ押さえ力：１２ｔｏｎｆ（深絞り性試験）、２０ｔｏｎｆ（張出し性試験）
・鋼板温度：２０℃〜３５０℃
・成形速度：０．１ｍｍ／ｓｅｃ、５ｍｍ／ｓｅｃ、１０ｍｍ／ｓｅｃ、７０ｍｍ／ｓｅｃ

図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ上記深絞り性試験と張出し性試験の結果を示す。これらの試験結果より、深絞り性試験では、成形速度の影響は殆ど認められず、１００℃〜２５０℃の温間領域で成形限界高さが室温の冷間よりも向上している。一方、張出し性試験については、高速の７０ｍｍ／ｓｅｃの成形速度では、試験温度の上昇とともに成形限界高さが低下するのに対して、低速の０．１ｍｍ／ｓｅｃの成形速度では、鋼板温度を高くしても成形限界高さはあまり低下せず、２５０℃を超える温度領域では、むしろ成形限界高さが向上している。

図５は、上記張出し性試験における成形限界高さを、成形速度に対してプロットしたグラフである。このグラフから分かるように、冷間で張出し成形したものは成形速度が増大しても成形限界高さがあまり低下しないのに対して、３５０℃の温間で張出し成形したものは、成形速度の増大に伴って成形限界高さが低下し、１０ｍｍ／ｓｅｃを超える成形速度では、冷間で張出し成形したものものよりも成形限界高さが低くなっている。

このような試験で得られた知見に基づいて、高強度鋼板のプレス成形中の温度を１００℃〜３５０℃とし、このような温度領域で成形速度の増大に伴って成形限界高さが著しく低下する張出し成形を行う成形後期の成形速度のみを、深絞り成形のみで、成形速度の影響を受けない成形前期の成形速度よりも遅くすることにより、生産性の低下を抑制して、深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を、高強度鋼板でプレス成形できるようにした。

前記成形後期の成形速度は１０ｍｍ／ｓｅｃ以下とするのが好ましい。この成形速度の上限値は図５の試験結果に基づくものであり、張出し成形限界を冷間よりも向上させることができる。

前記高強度鋼板を、組織中に残留オーステナイトを３体積％以上含むものとすることにより、強度・延性バランスの優れたものとして、張出し成形限界をより向上させることができる。

前記残留オーステナイトを３体積％以上含む高強度鋼板を、ベイニティックフェライトを母相とするものとすることにより、さらに強度・延性バランスの優れたものとして、張出し成形限界をさらに向上させ、プレス成形部品の高強度化を推進できるとともに、プレス成形部品への適用範囲を拡大することができる。

本発明に係る高強度鋼板のプレス成形方法は、高強度鋼板のプレス成形中の温度を１００℃〜３５０℃とし、張出し成形を行う成形後期の成形速度を、張出し成形を行わない成形前期の成形速度よりも遅くしたので、生産性の低下を抑制して、深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品を、高強度鋼板でプレス成形することができ、プレス成形部品の高強度化を推進できるとともに、プレス成形部品への適用範囲を拡大することができる。

本発明に係る高強度鋼板のプレス成形方法を実施したプレス金型を示す縦断面図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、図１のプレス金型を用いて高強度鋼板をプレス成形する過程を示す縦断面図 図１のプレス金型で成形されたプレス成形品を示す縦断面図 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ深絞り性試験と張出し性試験の結果を示すグラフ 図４（ｂ）の張出し性試験における成形速度と成形限界高さとの関係を示すグラフ 深絞り成形と張出し成形を含むプレス成形部品の例を示す外観斜視図

以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明に係る高強度鋼板のプレス成形方法を実施したプレス金型を示す。このプレス金型は、頭部に円形凹部１ａが形成された上向きの円筒パンチ１と、円筒パンチ１が進入する下向きのダイ２と、ブランクＢのフランジ部をダイ２に押圧するしわ押さえ板３と、円筒パンチ１の凹部１ａに向けられた下向きの球頭パンチ４とからなる。なお、円筒パンチ１は、直径５０ｍｍで肩半径と凹部１ａの肩半径を５ｍｍとし、ダイ２は、直径５４ｍｍで、肩半径を７ｍｍとし、球頭パンチ４は直径１０ｍｍとした。

図２は、前記プレス金型を用いてブランクＢをプレス成形する過程を示す。まず、図２（ａ）に示すように、円筒パンチ１がダイ２に進入すると、ブランクＢのフランジ部の材料がダイ２内に流入して、深絞り成形が開始される。この深絞り成形高さは成形の進行に伴って増大し、図２（ｂ）に示すように、円筒パンチ１頭部にある材料に球頭パンチ４が当接される。さらに成形が進行すると、図２（ｃ）に示すように、深絞り成形高さがさらに増大するとともに、円筒パンチ１頭部にある材料が、球頭パンチ４によって円筒パンチ１の円形凹部１ａの中へ張出し成形される。

図３は、このように成形された高強度鋼板のプレス成形品を示す。このプレス成形品は、深絞り成形された本体の底部に、凹状の張出し部Ａが張出し成形されている。プレス成形品の寸法は、内径Ｄが５０ｍｍ、深絞り成形高さＨｄが３０ｍｍ、張出し成形高さＨｓが８ｍｍとされている。したがって、成形前期（プレスストロークＳ＝０〜２２ｍｍ）には深絞り成形のみが行われ、成形後期（Ｓ＝２２〜３０ｍｍ）に張出し部Ａが張出し成形される。

１種類のＴＢＦ鋼板と２種類のＤＰ鋼板の合計３種類の高強度鋼板を用意した。これらの鋼板の化学成分を表１に、機械的特性とミクロ組織構成を表２に示す。機械的特性はＪＩＳ１３号Ｂ試験片を用いた引張試験により求め、ミクロ組織中の残留オーステナイト量はＸ線回折法により測定した。各鋼板はいずれも板厚が１．４ｍｍの９８０ＭＰａ級高強度冷延鋼板であり、ＴＢＦ鋼板は全伸びと均一伸びが各ＤＰ鋼板１、２よりも上回り、強度−延性バランスがより優れている。また、残留オーステナイト量は、ＴＢＦ鋼板、ＤＰ鋼板１、ＤＰ鋼板２の順に多くなっており、ＤＰ鋼板２を除いていずれも３体積％以上となっている。

これらの３種類の鋼板から供試した各ブランクを、図１に示したプレス金型にセットし、図３に示したプレス成形品を成形した。各ブランクの直径は１０３ｍｍとした。これらのプレス成形に際しては、プレス成形中の鋼板温度θを室温〜３５０℃の範囲で変化させた。プレス成形中の鋼板温度θは、所定の温度に昇温したプレス金型にブランクを所定時間接触させることにより確保した。ブランクを予め炉等を用いて所定の温度に昇温してもよい。また、深絞り成形のみが行われる成形前期（Ｓ＝０〜２２ｍｍ）における成形速度Ｖ１は、実際のプレス工場における成形速度を想定して高速の７０ｍｍ／ｓｅｃとし、成形後期（Ｓ＝２２〜３０ｍｍ）における成形速度Ｖ２を０．１〜７０ｍｍ／ｓｅｃの範囲で変化させた。なお、一部のものでは、成形前期の成形速度Ｖ１も変化させた。

表３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれＴＢＦ鋼板と各ＤＰ鋼板１、２について、鋼板温度θを２００℃としたときのプレス成形結果を示す。残留オーステナイト量が３体積％のＤＰ鋼板１では、成形後期の成形速度Ｖ２を２．５ｍｍ／ｓｅｃ以下としたときに成形が可能となり、残留オーステナイト量が２体積％のＤＰ鋼板２では、成形後期の成形速度Ｖ２を極端に遅い０．１ｍｍ／ｓｅｃとしたときのみに成形が可能となっている。これに対して、残留オーステナイト量が８体積％で、強度−延性バランスがより優れたＴＢＦ鋼板では、成形後期の成形速度Ｖ２を１０ｍｍ／ｓｅｃ以下としたときに成形が可能となっている。なお、成形速度Ｖ２をこれらの限界速度よりも速くしたものでは、いずれも前記張出し部Ａに割れが発生し、成形不可となっている。したがって、残留オーステナイト量が３体積％以上のものは、生産性をそれほど低下させない成形速度で、成形後期の張出し成形を可能とすることが期待できる。

表４（ａ）、（ｂ）は、前記成形可能となった成形前期の成形速度Ｖ１と成形後期の成形速度Ｖ２の組み合わせを、ＴＢＦ鋼板については、Ｖ１＝７０ｍｍ／ｓｅｃ、Ｖ２＝１０ｍｍ／ｓｅｃとし、ＤＰ鋼板１については、Ｖ１＝７０ｍｍ／ｓｅｃ、Ｖ２＝２．５ｍｍ／ｓｅｃとして、鋼板温度θを変化させたときのプレス成形結果を示す。比較例として、Ｖ１＝Ｖ２＝７０ｍｍ／ｓｅｃとし、全成形期間を高速としたプレス成形結果も示す。

これらのプレス成形結果によれば、ＴＢＦ鋼板およびＤＰ鋼板１のいずれについても、鋼板温度θを１００℃〜３５０℃の範囲とし、成形速度Ｖ２をそれぞれ２．５ｍｍ／ｓｅｃ、１０ｍｍ／ｓｅｃと遅くした実施例のものは、いずれも成形が可能となっている。また、全成形期間を高速（７０ｍｍ／ｓｅｃ）とした比較例のものは、鋼板温度θを１００℃〜３５０℃の範囲としても、張出し部Ａに割れが発生し、成形不可となっている。

以上のプレス成形結果より、プレス成形中の鋼板温度を１００℃〜３５０℃とし、張出し成形を行う成形後期の成形速度を、張出し成形を行わない成形前期の成形速度よりも遅くする本発明に係る高強度鋼板のプレス成形は、深絞り成形と張出し成形を含む成形が困難なプレス成形部品の成形限界を顕著に高めることができ、プレス成形部品の高強度化を推進できるとともに、プレス成形部品への高強度鋼板の適用範囲を拡大することができる。

表５（ａ）、（ｂ）は、前記成形前期の成形速度Ｖ１と成形後期の成形速度Ｖ２の組み合わせを、ＴＢＦ鋼板については、Ｖ１＝７０ｍｍ／ｓｅｃ、Ｖ２＝１０ｍｍ／ｓｅｃ、ＤＰ鋼板１については、Ｖ１＝７０ｍｍ／ｓｅｃ、Ｖ２＝２．５ｍｍ／ｓｅｃとし、さらに、プレス成形時のフランジ部の鋼板温度θ１と張出し部Ａの鋼板温度θ２とを別々に変化させて、プレス成形の可否と張出し部Ａでの板厚減少率を調査した結果を示す。フランジ部の鋼板温度θ１と張出し部Ａの鋼板温度θ２の組み合わせは、鋼板温度θ１を２００℃一定とし、鋼板温度θ２を１００〜４００℃の範囲で変化させた系列のものと、鋼板温度θ２を３５０℃一定とし、鋼板温度θ１を１００〜４００℃の範囲で変化させた系列のものとした。比較例として、両方の鋼板温度θ１、θ２を室温とした調査結果も示す。

表５（ａ）、（ｂ）に示した調査結果より、鋼板温度θ１、θ２を１００℃〜３５０℃の範囲で組み合わせた実施例のものは、ＴＢＦ鋼板とＤＰ鋼板１のいずれについても成形が可能であり、張出し部Ａの板厚減少率は、強度・延性バランスの優れたＴＢＦ鋼板の方がＤＰ鋼板１よりも少なくなっている。特に、フランジ部の鋼板温度θ１を２００℃、張出し部Ａの鋼板温度θ２を３５０℃としたものは、板厚減少率がＴＢＦ鋼板では１２％、ＤＰ鋼板１では１４％と最も少なく、より困難なプレス成形部品の成形限界を向上できる最適な温度条件として期待することができる。なお、鋼板温度θ１、θ２のいずれかを４００℃とした比較例のものが成形不可となったのは、４００℃では残留オーステナイトが分解されることにより、ＴＲＩＰ効果の発現が抑制され、延性が低下したためと思われる。

上述した実施例では、高強度鋼板を９８０ＭＰａ級のＴＢＦ鋼板およびＤＰ鋼板としたが、本発明に係る高強度鋼板のプレス成形方法は、このような９８０ＭＰａ級のＤＰ鋼板やＴＢＦ鋼板に限定されることはなく、任意の鋼種の任意の強度クラスの高強度鋼板に適用することができる。

また、上述した実施例では、深絞り成形のみを行う成形前期と、張出し成形を行う成形後期とを同一のプレス成形工程で行うようにしたが、これらの成形前期と成形後期を別のプレス成形工程に分けて行うこともできる。

Ａ 張出し部
Ｂ ブランク
１ 円筒パンチ
１ａ 凹部
２ ダイ
３ しわ押さえ板
４ 球頭パンチ

Claims (4)

1. 深絞り成形する成形後期に張出し成形を行う高強度鋼板のプレス成形方法において、前記高強度鋼板のプレス成形中の温度を１００℃〜３５０℃とし、前記張出し成形を行う成形後期の成形速度を、張出し成形を行わない成形前期の成形速度よりも遅くしたことを特徴とする高強度鋼板のプレス成形方法。
2. 前記成形後期の成形速度を１０ｍｍ／ｓｅｃ以下とした請求項１に記載の高強度鋼板のプレス成形方法。
3. 前記高強度鋼板を、組織中に残留オーステナイトを３体積％以上含むものとした請求項１または２に記載の高強度鋼板のプレス成形方法。
4. 前記残留オーステナイトを３体積％以上含む高強度鋼板を、ベイニティックフェライトを母相とするものとした請求項３に記載の高強度鋼板のプレス成形方法。

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