JP2014173148A - 薄肉立体形状体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼戻し領域を簡素な設備で形成できる薄肉立体形状体の製造方法を提供する。
【解決手段】強度が互いに異なる複数の領域を備えた薄肉立体形状体を製造するにあたり、薄肉立体形状を有するワークＷを焼入れ処理して焼入れ領域Ｒｈを形成し、焼入れ領域Ｒｈの連続した表面に一対の電極１１，１２を接触させて通電し、焼入れ領域Ｒｈの一部を所定の焼戻し温度範囲に加熱して焼戻し処理することで、焼戻し領域Ｒｔを形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、強度が異なる領域を有する薄肉立体形状体の製造方法に関する。

従来、自動車部品などには、一部材中に強度が異なる領域を有する薄肉立体形状体が使用されている。この薄肉立体形状体を製造する方法として、単一の鋼材からなる部材を熱処理することで、互いに異なる強度の領域を形成する方法が知られている。

例えば下記特許文献１では、加熱後にプレス成形しつつ冷却する熱間プレス成形により、強度が異なる領域を有する部材を製造する方法が提案されている。この特許文献１では、通電加熱中に成形素材の一部の領域に冷媒を吹き付け、その領域を焼入れ温度より低く維持することで焼入れ領域を制限し、その後、プレス成形しつつ冷却することで、強度の異なる領域を有する薄肉立体形状体を製造していた。

下記特許文献２では、成形品の一部の領域を焼入れできるプレス加工方法が提案されている。この特許文献２では、プレス加工する板材の形状により電流密度を異ならせて、一部を焼入れ温度以上に加熱した後、プレスすると共に冷却して、強度が異なる領域を有する部材を製造していた。

なお、焼入れ処理した部材全体を焼戻し処理して靱性等を向上することも、従来より行われていた。その場合、焼戻し処理は所定温度に設定された加熱炉内に収容して所定の焼戻し温度範囲に加熱し、冷却することで熱処理していた。

特開２０１０−１７９３１７号公報 特許４５６３４６９号公報

しかしながら、特許文献１、２のように、一対の電極を接触させて通電加熱する加熱方法は、温度がばらつき易いことが知られている。例えば一対の電極間で断面積が途中位置で変化すると、それに伴い電流密度が不均一になる結果、加熱温度にばらつきが生じる。さらに通電経路に温度差が生じると、抵抗値に差が生じるため、加熱温度のばらつきが大きくなる。
焼入れ処理では融点以下でＡ１又はＡ３変態点以上であればよいため、通電加熱によって加熱することで多少温度がばらついていても、プレス加工に伴う焼入れを行うことは可能であった。しかし焼戻し処理の場合には、焼戻し温度により性質が変動し易く、加熱温度のばらつきの許容範囲が狭い。そのため従来は通電加熱ではなく、所定温度に保たれた加熱炉により加熱して冷却することが一般的であった。
ところが、加熱炉による加熱装置は通電加熱する加熱装置に比べて装置が大きくなり易い。特に、自動車部品のように短いタクトタイムで多数個のワークを製造する場合には、より大きな加熱炉が必要であり、焼戻しのための設備が顕著に大型化していた。

そこで本発明は、焼戻し領域を簡素な設備で形成できる薄肉立体形状体の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の薄肉立体形状体の製造方法は、強度が互いに異なる複数の領域を備えた薄肉立体形状体を製造するにあたり、薄肉立体形状を有するワークを焼入れ処理して焼入れ領域を形成し、焼入れ領域の連続した表面に一対の電極を接触させて通電し、焼入れ領域の少なくとも一部を所定の焼戻し温度範囲に加熱して焼戻し処理することで、焼戻し領域を形成する。

この製造方法では、一対の電極をワークの一定断面形状で連続する領域に接触させて焼戻し処理を行うのがよい。
ワークが筒状体からなる場合には、一対の電極がそれぞれ互いに対向する一組の対向電極を有し、一対の電極をワークの軸方向に離間させてワークを挟持するように一組の対向電極をワークの両側面に接触させるのが好適である。
この製造方法では、焼入れ領域の複数部位を互いに異なる焼戻し温度範囲に加熱して、複数の焼戻し領域を形成することができる。
また、焼入れ後にメッキ処理を施したワークに焼戻し処理を行うこともできる。

この薄肉立体形状体の製造方法では、焼入れ処理及び焼戻し処理の少なくとも一方で、ワークの表面に抜熱部材を配置して加熱することで、抜熱部材に対応する領域の昇温を抑制して後加工領域を形成してもよい。その場合、抜熱部材に対応する領域の温度を、焼入れ処理では焼入れ温度範囲未満、焼戻し処理では焼戻し温度範囲未満に保つのが好適である。

本発明によれば、焼入れ領域の表面に一対の電極を接触させて通電することで一部の領域を加熱するため、形状変化が少ない領域や形状変化が単調な領域となるように焼戻し領域を設定すれば、立体形状のワークであっても、その領域を所望の焼戻し温度範囲に精度よく加熱して焼戻し処理することができる。そのため、立体形状のワークにおいて焼入れ領域の一部に所望の焼戻し領域を形成可能である。
しかも一対の電極からワークに通電するため、加熱炉のような大型の設備を用いる必要もない。その結果、焼戻し領域を簡素な設備で形成できる薄肉立体形状体の製造方法を提供できる。

本発明の第１実施形態において、ワークの焼入れ工程を説明する概念図である。 本発明の第１実施形態において、ワークの焼戻し工程を説明する概念図である。 本発明の第２実施形態において、ワークの焼戻し工程を説明する概念図である。 本発明の第３実施形態において、ワークの焼戻し工程を説明する概念図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。
［第１実施形態］
第１実施形態において薄肉立体形状体を製造するには、薄肉立体形状を有するワークＷを準備し、このワークＷに焼入れ処理を施して焼入れ領域Ｒｈを形成し、焼入れ領域Ｒｈの一部に焼戻し処理を施すことで、焼戻し領域Ｒｔを形成することで行う。

この製造方法で使用するワークＷは、通電加熱できて焼入れ可能な鋼材等からなり、薄肉立体形状を有するものである。薄肉とは、焼入れ処理時及び焼戻し処理時に厚み方向に温度分布が生じない厚みであればよい。
ワークＷの形状は特に限定されないが、一定断面形状で一方向に連続する領域を有するものがよい。第１実施形態のワークＷは、長手方向に連続する一対の側壁が略均一な厚みで一定幅に形成された角パイプ等の筒状体である。

第１実施形態の製造方法で使用する加熱装置は、図１に示すように、互いに離間して配置される一対の電極１１，１２と、この一対の電極１１，１２間に電力を供給するための電源設備１５と、を備えている。電源設備１５は電流及び電圧等が調整可能に構成されたものである。
一対の電極１１，１２は、それぞれ互いに対向して配置されて同極となる一組の対向電極１１，１１又は対向電極１２，１２からなる。各電極１１，１２のワークＷと接触する面は、ワークＷの表面形状に対応した形状となっており、ワークＷを挟持することで、ワークＷの一対の側壁の各外表面と密着できるようになっている。この第１実施形態の一対の電極１１，１２は、それぞれワークＷの長手方向に対して交差する方向に配置されてワークＷの両側壁の幅全体を横断しており、ワークＷの幅全体に接触している。

この第１実施形態の製造方法では、上記した装置を用いて、まずこのワークＷに焼入れ処理を施す。
焼入れ処理の方法は、加熱炉を用いて全体を加熱してもよいが、ここでは図１に示すように、ワークＷの両端側に一対の電極１１，１２を接触させて通電することで、所定温度以上に加熱する。焼入れ処理では、ワークＷを焼入れ温度範囲以上、即ちＡ１変態点又はＡ３変態点以上に加熱してオーステナイト化した後、急冷して主組織をマルテンサイト相、ベイナイト相、或いはマルテンサイト及びベイナイト相とすればよい。
急冷方法は、例えば冷却液を接触させることで行うことができる。
ここではワークＷの両端側の全幅にそれぞれ電極１１，１２を接触させて通電することで、ワークＷの略全体を加熱し、冷却液と接触させることで焼入れ処理しており、両端部に素材領域Ｒｍを設けた状態でワークＷに焼入れ領域Ｒｈを形成している。素材領域Ｒｍは、後工程でトリム加工、ピアス加工、溶接加工等のプレス加工や機械加工などの後加工を施すための後加工領域として使用してもよい。

次に、焼入れ処理されたワークＷに、例えば亜鉛メッキ等のメッキ処理を施し、全表面をメッキ層により被覆する。メッキ処理は任意であるが、第１実施形態では、防錆の目的で亜鉛メッキを施している。

その後、メッキ処理されたワークＷに焼戻し処理を施す。
焼戻し処理では、図２に示すように、焼入れ領域Ｒｈの連続した表面のうちの予め設定した領域を挟むように、一対の電極１１，１２を位置調整して接触させる。ワークＷの長手方向と直交する断面が、長手方向に沿って略均等な厚みで略一定形状で連続しているため、一対の電極１１，１２をこの領域の互いに離間した位置に接触させて通電すると、焼入れ領域Ｒｈの一部に略均等な電流密度で通電でき、略均一に加熱することができる。そして、加熱後に冷却することで焼戻し処理を施す。

通電加熱時には、一対の電極１１，１２間に焼入れ処理よりも穏やかな条件で通電し、予め設定した領域Ｒｔの範囲の温度ができるだけ均一になるように加熱するのがよい。ここでは、一方の電極１１がワークＷに接触する長さと、他方の電極１２がワークＷに接触する長さとを同じにし、ワークＷの長手方向にそれぞれ直交させて互いに平行となるように配置している。そのため、一対の電極１１，１２から通電すると、予め設定した領域Ｒｔ内全体で電流密度を略均一にして、領域Ｒｔの範囲内をできるだけ均一に加熱することができる。
また、一対の電極１１，１２がそれぞれ互いに対向する一組の対向電極１１，１１又は対向電極１２，１２を有しており、対向電極１１，１１又は対向電極１２，１２が、ワークＷの軸方向に離間した位置でワークＷを挟持するように両側面に接触している。そのため、対向電極１１，１１又は対向電極１２，１２が接触する上側の面の電位と下側の面の電位とを等しくして加熱できる。さらに電極１１，１２が接触していない側面側も加熱することができる。

この通電加熱時には、予め設定した焼戻領域Ｒｔ全体の温度が、焼戻し温度範囲内となることが望ましい。焼戻し温度範囲とは、焼入れ温度範囲未満、例えばＡ１変態点未満の温度において焼戻しの効果が得られる温度範囲である。焼戻しの効果は焼戻し処理における温度の影響が大きいため、所望の物性が得られる温度に精度よく加熱する。

焼戻しにより所望の物性を得るための温度範囲は、焼入れ処理における到達温度の許容範囲より狭いため、領域Ｒｔの温度を焼入れ処理よりも精度よく調整する。第１実施形態では、ワークＷの一部に一対の電極１１，１２を接触させるため領域Ｒｔを任意に設定可能であり、電流密度ができるだけ均一になるように領域Ｒｔを設定して通電することで、領域Ｒｔ全体を所望の焼戻し温度範囲に加熱する。
このようにして、焼戻し温度範囲に加熱した後、急冷或いは空冷することにより焼戻し領域Ｒｔを形成する。

この第１実施形態では、一対の電極１１，１２を任意の位置に移動させて、このような焼戻し処理を繰り返すことで、複数位置に焼戻し領域Ｒｔを形成することができる。その際、異なる位置の焼戻し処理において、電源設備１５から給電する電流を異ならせて給電することで、互いに異なる強度を有する複数の焼戻し領域Ｒｔを形成することが可能である。
そして、焼入れ領域Ｒｈに複数の焼戻し領域Ｒｔを形成し、その後、必要に応じて後加工を施すことで、薄肉立体形状体の製造を終了する。

このようにして製造された薄肉立体形状体では、焼入れ領域Ｒｈ及び焼戻し領域Ｒｔが長手方向の異なる位置に形成されており、複数の領域における強度が互いに異なることで、長手方向に強度分布を有している。
単一の薄肉立体形状体の任意の位置に、強度が異なる部位が設けられるため、強度を確保しつつ変形し易い部位を所望の位置に設けるなど、用途に応じた適切な強度分布を実現できる。例えば、薄肉立体形状体をこのまま或いは被覆材により被覆して車両のバンパーとして用いれば、効率よく衝撃吸収性能を確保することが可能である。

以上のような薄肉立体形状体の製造方法によれば、焼入れ領域Ｒｈの表面の一部の領域に一対の電極１１，１２を接触させて通電加熱するため、形状変化が少ない領域に焼戻し領域Ｒｔを設定すれば、立体形状のワークＷであっても、その領域を所望の焼戻し温度範囲に精度よく加熱して焼戻し処理することができ、焼入れ領域Ｒｈの一部に所望の焼戻し領域Ｒｔを形成できる。

また、一対の電極１１，１２によりワークＷに通電するため、加熱炉のような大型の設備を用いる必要がなく、焼入れ領域Ｒｈと焼戻し領域Ｒｔとを備えた薄肉立体形状体を簡素な設備で製造できる。
特に、一対の電極１１，１２によりワークＷに通電することで焼戻し処理を行うと、極めて短時間で焼戻し処理を行うことが可能である。その結果、多数個の薄肉立体形状体を製造する際、タクトタイムが短くても焼戻し処理を行うことができ、薄肉立体形状体の製造設備のコンパクト化を図ることができる。

この製造方法では、ワークＷにメッキ層を設けてから焼戻し処理を行っているが、一対の電極１１，１２により精度よく焼戻し温度範囲に通電加熱することができるため、一部が過剰に昇温されたり、高温状態が長時間続いたりすることがない。そのためメッキの剥離や合金化などによるメッキ層の劣化を防止でき、例えばメッキ層による防錆効果を維持することができ、生産工程の順序を設定する自由度が大きい。

なお、上述した実施形態は本発明の範囲内において適宜変更可能である。
実施形態では、一定断面形状が長手方向に連続したワークＷを熱処理した例について説明したが、例えば長手方向に沿って幅や厚みが徐々に変化するなど、形状が一方向に単調変化するワークＷであっても、本発明を適用可能である。この単調変化とは、断面積が一方向に沿って増加又は減少して途中に変曲点がないような形状である。

その場合、一対の電極１１，１２をワークＷの表面に接触させて通電した状態のまま、ワークＷの形状変化に対応させて一方又は双方の電極１１，１２を移動させ、各部の通電時間や通電量を調整することで、各焼戻し領域Ｒｔの範囲内を所定の焼戻し温度範囲内に加熱して焼戻しを行うことができる。

実施形態では、焼入れ処理、メッキ処理、及び焼戻し処理を連続して行ったが、焼入れ処理やメッキ処理が予め施されているワークＷを用いて焼戻し処理することもできる。
上記では焼入れ処理と焼戻し処理とにおいて同じ電極を使用したが、例えば焼戻し処理時に長さが短い電極を使用することにより、焼入れ領域Ｒｈと焼戻し領域Ｒｔとの幅を異ならせることができる。

実施形態では、焼入れ処理をワークＷの略全体に施して焼入れ領域Ｒｈを全体に形成したが、一対の電極１１，１２を接触させて通電加熱することで焼入れ処理を施す場合には、一対の電極１１，１２の配置位置を適宜選択することで、ワークＷの一部に焼入れ処理Ｒｈを形成してもよい。このようにすれば、焼入れ処理が施されない領域を形成することができ、強度が互いに異なる領域をより多く形成することができる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、焼入れ処理と焼戻し処理とをワークＷの中間部分の同じ領域に施し、両端側に熱処理を施さない例である。
第２実施形態で使用する加熱装置は、図３に示すように、一対の電極１１，１２に隣接する位置に抜熱部材１４を備える他は、第１実施形態と同様である。

抜熱部材１４は、加熱時にワークＷの両端側に予め設定された領域の昇温を抑制する部材であり、該領域に対応した形状を有し、セラミックスなどの非導電性部材により形成されている。
ここで、対応した形状とは、昇温を抑制する領域が発熱する場合には該領域の全体に接触可能な形状としてもよく、昇温を抑制する領域が隣接する他の領域からの伝熱により加熱される場合には、昇温を抑制する領域のうち、他の領域に隣接する部位にだけ接触可能な形状としてもよい。

本実施形態では、抜熱部材１４はワークＷの長手方向両端側に予め設定されている領域の全面に接触する複数のパッドにより構成されている。抜熱部材１４の各パッドには冷却液が通液可能な冷却通路が内部に設けられている。

この加熱装置を用いて、第２実施形態において薄肉立体形状体を製造するには、まずワークＷに焼入れ処理を施す。焼入れ処理は、一対の電極１１，１２を予め設定されているワークＷの中間部分の両側に接触させると共に、一対の電極１１，１２に隣接したワークＷの両端側に抜熱部材１４を配置して四方の各表面に接触させ、抜熱部材１４に冷却液を通液しつつ、第１実施形態と同様に一対の電極１１，１２間を通電加熱して急冷することで行う。
加熱時には、一対の電極１１，１２間の領域から伝達される熱が抜熱部材１４に吸収されることで、抜熱部材１４に対応する領域の昇温が抑制され、ワークＷの両端側の領域が焼入れ温度範囲未満の温度に保たれる。この焼入れ処理により、一対の電極１１，１２間に焼入れ領域が形成されると共に両端側に素材領域Ｒｍが形成される。

次いで、全表面にメッキ層を形成した後、焼戻し処理を施す。焼戻し処理は、焼入れ処理時と同じ位置に一対の電極１１，１２と抜熱部材１４とを配置し、抜熱部材１４に冷却液を通液しつつ、第１実施形態と同様にして、一対の電極１１，１２間に焼入れ処理よりも穏やかな条件で通電して焼戻し温度範囲に加熱し、冷却することで行う。
焼戻し処理の加熱時においても、一対の電極１１，１２間の領域から伝達される熱が抜熱部材１４に吸収されることで、抜熱部材１４に対応する領域の昇温が抑制され、素材領域Ｒｍが焼戻し温度範囲未満の温度に保たれる。
そのため、この焼戻し処理により、両端側の素材領域Ｒｍを維持して一対の電極１１，１２間に焼戻し領域Ｒｔが形成される。
焼戻し処理後、素材領域Ｒｍや焼戻し領域Ｒｔにトリム加工、ピアス加工、溶接加工等のプレス加工や機械加工などを施すことにより、薄肉立体形状体を製造する。

以上のような薄肉立体形状体の製造方法では、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。
さらにこの実施形態では、焼入れ処理時及び焼戻し処理時に、ワークＷのうちの予め設定された後加工領域に抜熱部材１４を配置するという比較的簡単な手法により、熱処理組織が生じることを防止することができ、後加工を容易に行うことが可能である。
また抜熱部材１４を接触した状態で加熱を開始するため、通電加熱により短時間で昇温させる場合であっても、効率よくワークＷの両端側の昇温を抑制することができる。そのため装置構成を複雑にすることなく、焼入れ処理及び焼戻し処理の処理時間を短縮できる。

［第３実施形態］
第３実施形態は、ワークＷの中間部分に焼入れ処理を施し、その一部に焼戻し処理を施すと共に、両端側に熱処理を施さない例である。
第３実施形態で使用する加熱装置は、図４に示すように、一対の電極１１，１２間における一対の側壁に接触可能な抜熱部材１６を備える他は、第２実施形態と同様に構成されている。

この抜熱部材１６は、焼戻し処理における加熱時に、一部の焼入れ領域Ｒｈの昇温を抑制するように、ワークＷの表面から抜熱する部材であり、一対の電極１１，１２間における一対の側壁に対応した形状を有した一対のパッドにより構成されている。その他は抜熱部材１４と同様である。

この加熱装置を用いて第３実施形態の薄肉立体形状体を製造するには、まず第２実施形態と同様にして焼入れ処理及びメッキ処理を行う。
その後、一対の電極１１，１２を接触させない一対の対向した側壁に、一対の電極１１，１２間の位置となるように抜熱部材１６を配置して接触させ、抜熱部材１４，１６に冷却液を通液しつつ、一対の電極１１，１２間に通電して加熱し冷却することで、焼戻し処理を行う。

加熱時には、一対の電極１１，１２間における電極１１,１２が接触した一対の側壁は焼戻し温度範囲に加熱される。一方、一対の電極１１，１２間における電極１１,１２が接触していない他の一対の側壁では、抜熱部材１６により通電加熱で生じた熱が吸収されるため昇温が抑制され、焼戻し温度範囲未満の温度に保たれる。
よってこの焼戻し処理では、焼入れ処理で形成された焼入れ領域Ｒｈのうち、電極１１,１２が接触した一対の側壁が焼戻し処理されて焼戻し領域Ｒｔが形成され、電極１１,１２が接触しない他の一対の側壁が焼戻し領域Ｒｔのようには焼戻しされず、焼入れ領域Ｒｈが残留する。
その他は第２実施形態と同様にすることで、第３実施形態における薄肉立体形状体が製造される。

以上のような薄肉立体形状体の製造方法では、第２実施形態と同様の作用効果が得られる。
さらにこの実施形態では、焼入れ処理時に抜熱部材１４をワークＷの両端側に配置して昇温を抑制して処理し、焼戻し処理時に抜熱部材１６を電極１１，１２間の一対の側壁に配置して昇温を抑制して処理することで、両端側に素材領域Ｒｍが形成され、素材領域Ｒｍ間の一対の側壁に焼入れ領域Ｒｈが形成され、他の一対の側壁に焼戻し領域Ｒｔが形成された多数の領域を有する立体形状部材を製造することが可能である。

Ｗ ワーク
Ｒｈ 焼入れ領域
Ｒｔ 焼戻し領域
１１，１２ 電極
１４，１６ 抜熱部材
１５ 電源設備

Claims (7)

1. 強度が互いに異なる複数の領域を備えた薄肉立体形状体の製造方法であって、
   薄肉立体形状を有するワークを焼入れ処理して焼入れ領域を形成し、
   該焼入れ領域の連続した表面に一対の電極を接触させて通電し、上記焼入れ領域の少なくとも一部を所定の焼戻し温度範囲に加熱して焼戻し処理することで焼戻し領域を形成する、薄肉立体形状体の製造方法。
2. 前記一対の電極を前記ワークの一定断面形状で連続する領域に接触させて前記焼戻し処理を行う、請求項１に記載の薄肉立体形状体の製造方法。
3. 前記ワークが筒状体からなり、前記一対の電極がそれぞれ互いに対向する一組の対向電極を有し、上記一対の電極を上記ワークの軸方向に離間させてワークを挟持するように上記一組の対向電極を該ワークの両側面に接触させる、請求項１又は２に記載の薄肉立体形状体の製造方法。
4. 前記焼入れ領域の複数部位を互いに異なる焼戻し温度範囲に加熱して複数の焼戻し領域を形成する、請求項１乃至３の何れかに記載の薄肉立体形状体の製造方法。
5. 前記焼入れ後にメッキ処理を施した前記ワークに、前記焼戻し処理を行う、請求項１乃至４の何れかに記載の薄肉立体形状体の製造方法。
6. 前記焼入れ処理及び前記焼戻し処理の少なくとも一方で、前記ワークの表面に抜熱部材を配置して加熱することで、該抜熱部材に対応する領域の昇温を抑制して後加工領域を形成する、請求項１乃至５の何れかに記載の薄肉立体形状体の製造方法。
7. 前記抜熱部材に対応する領域の温度を、前記焼入れ処理では焼入れ温度範囲未満、前記焼戻し処理では前記焼戻し温度範囲未満に保つ、請求項６に記載の薄肉立体形状体の製造方法。

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