JP2016194132A - 鋼板の焼入方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板ワークに対する焼き入れ作業を行う際に、表側と裏側との間の熱歪の発生を抑制する。【解決手段】鋼板Ｗ表面が所定温度となるまで加熱するステップと、焼き入れのために鋼板表面を冷却水により冷却するステップとを実行し、前記鋼板表面を冷却するステップにおいて、前記鋼板の表面と裏面とがそれぞれマルテンサイト変態開始点以上の温度範囲で、冷却速度を４００℃／ｓ以上とし、前記鋼板の裏面の温度がマルテンサイト変態開始点以下の温度範囲で、鋼板表面との瞬間温度差を２００℃以下とする。【選択図】図１

Description

本発明は、鋼板の焼入方法に関し、例えば車両の溶接工程においてプレス鋼板同士のアセンブルワーク等の焼き入れ作業を行う際に、ワークの表側と裏側との間の熱歪の発生を抑制する鋼板の焼入方法に関する。

例えば自動車工場の溶接工程において、従来、アセンブリ等の鋼板ワークに対し焼入れを行う場合、高周波加熱或いはレーザ加熱により瞬時に鋼板ワークを高温まで加熱した直後、冷水等により加熱部位を冷却することが行われる。
しかしながら、その場合、ワークの加熱および冷却した側である表側面における温度変化と裏側面における温度変化との間に瞬間的に大きな差異が生じることによって熱歪が生じるという課題がある。

この現象は、図６の表に示すように例えば約１３００℃まで加熱されたワークの表面側に冷却水を当てて冷却する場合、表側の温度が下降してマルテンサイト変態開始温度（ＭＳ）からマルテンサイト変態終了温度（ＭＦ）まで下降する時間帯と、裏側の温度が下降してＭＳからＭＦまで下降する時間帯のずれが大きいことに起因すると言われている。

前記課題に対し、特許文献１においては、ワークをクランプ治具により固定し、熱歪を強制的に抑制する高周波焼入装置が開示されている。このような高周波焼入装置によれば、熱歪を強制的に抑えることができる。
また、特許文献２には、ワークの冷却時にワークの表側面と裏側面とを同時に冷却することにより、表側面と裏側面とにそれぞれ凸状の熱歪を発生させ、鋼板全体で熱歪を抑える方法が提案されている。

特許第３４０８９８５号 特開２００３−１１３４１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示の高周波焼入装置にあっては、大掛かりなクランプ治具が必要となり、手間とコストが掛かるという課題があった。
また、特許文献２に開示の高周波焼入装置にあっては、ワークが筒状の場合には、裏面側を冷却することが困難であるという課題があった。

本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、鋼板ワークに対する焼き入れ作業を行う際に、ワークの表側と裏側との間の熱歪の発生を抑制するこのできる鋼板の焼入方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る鋼板の焼入方法は、ワークである鋼板の表面が所定温度となるまで加熱するステップと、焼き入れのために鋼板表面を冷却水により冷却するステップとを実行し、前記鋼板表面を冷却するステップにおいて、前記鋼板の表面と裏面とがそれぞれマルテンサイト変態開始温度以上の温度範囲で、冷却速度を４００℃／ｓ以上とし、前記鋼板の裏面の温度がマルテンサイト変態開始点以下からマルテンサイト変態終了点までの温度範囲で、鋼板表面との瞬間温度差を２００℃以下とすることに特徴を有する。
尚、前記鋼板表面を流水により冷却するステップにおいて、冷却に用いる水量は、水量（ｍｌ／ｓ）＝０．０１５×（冷却面積（ｍｍ^２）＋１）×（鋼板の板厚（ｍｍ）＋１）＋１であることが望ましい。
また、前記マルテンサイト変態開始点は、４５０°〜５５０℃の範囲内であることが望ましい。

このような焼入方法によれば、ワークの焼入れ位置に対する加熱後の冷却水による冷却処理において、ワーク表側に対する冷却水の流量を制御することにより、マルテンサイト変態開始点以上の温度でのワーク表面および裏面の冷却速度を４００℃／ｓ以上とし、ワーク裏面側のマルテンサイト変態開始点以下で、ワーク表面側との温度差を２００℃以下とすることができる。
これにより、焼入れ時においてワーク表側と裏側とに凸状の熱歪を同時に発生させ、全体としての熱歪の発生を抑制することができる。
また、本発明によれば、ワークの表側からのみの加熱処理及び冷却処理により焼入れ処理を行うものであるため、ワークが裏面側からの冷却が困難な筒状のものであっても、実施することができる。
また、冷却水量の制御によるものであるため、クランプ治具のような大掛かりなクランプ治具が不要であり、手間とコストを格段に軽減することができる。

本発明によれば、鋼板ワークに対する焼き入れ作業を行う際に、ワークの表側と裏側との間の熱歪の発生を抑制することができる。

図１は、本発明に係る鋼板の焼入れ方法が実施される焼入装置を模式的に示す側面図である。 図２は、図１の焼入装置によるワークへの焼入れ工程を示す斜視図である。 図３は、実施例の実験１の結果を示すグラフである。 図４は、実施例の実験２の結果を示すグラフである。 図５は、実験１，２の結果から得られた水量に基づくワーク表側と裏側の温度変化を示すグラフである。 図６は、従来の冷却方法（焼入方法）によるワーク表側と裏側の温度変化を示すグラフである。

以下、本発明にかかる鋼板の焼入方法に係る実施の形態につき、図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る鋼板の焼入れ方法が実施される焼入装置を模式的に示す側面図である。
図１に示す焼入装置１は、ロボットハンド２と、ロボットハンド２の動作制御を行うロボット駆動部３と、ロボットハンド２の先部に保持されるレーザ出射部４と、レーザ出射部４から出射されるレーザ光を所定の出力で出射制御するレーザ発振部５と、前記ロボットハンド２の先部に保持され、冷却水を放出する冷却水放出部６と、冷却水放出部６に所定の流量で冷却水を供給するポンプ７とを備えている。尚、前記冷却水放出部６の先端は水量制御が容易なスリットノズルであることが望ましい。
さらに焼入装置１は、前記ロボット駆動部３とレーザ出射部４とポンプ７の駆動制御を行うコンピュータからなる制御部８とを備えている。

図１、図２に示すように前記ロボットハンド２に保持される前記レーザ出射部４から出射されるレーザ光Ｌは、鋼板からなるワークＷの焼入れ位置に当てられる。
また、冷却水放出部６から放出される冷却水Ｃもまた、前記レーザ光Ｌの照射位置の側方かつ焼入れ位置に当たるように設定されている。

本実施の形態において、ワークＷの焼入れ位置は図２に矢印で示すように直線状に設定される。
具体的な焼入れ動作について説明すると、先ず、制御部８による動作制御の下、ワークＷ表面上の焼入れ開始点（例えば図２に示すレーザ光Ｌの照射位置）にレーザ射出部４からレーザ光（例えば出力１０００Ｗ）を照射し、所定の温度（例えば１３００℃）まで加熱する。

次いで、ロボットハンド２によりレーザ射出部４を焼入れ位置に沿って（図２の矢印の方向に）所定速度で移動開始させる。また、このとき冷却水放出部６も同方向に移動開始し、冷却水Ｃを前記加熱された焼入れ位置に放出し、冷却により焼入れ開始する。
また、前記レーザ射出部４からはレーザ光Ｌを出射し、冷却水放出部６からは冷却水Ｃを放出した状態で、ロボットハンド２によりレーザ射出部４と冷却水放出部６とは移動される。このため、ワークＷの表側の焼入れ位置には焼入れ開始点から連続的に加熱処理と冷却処理がなされ、焼入れ位置に対する焼入れ作業が行われることとなる。

また、本実施の形態にあっては、冷却水ＣによりワークＷの表面を冷却する工程において、ワーク表面側と裏側のそれぞれの温度が９００℃から５００℃（マルテンサイト開始点）に下降する温度範囲では、冷却速度が４００℃／ｓ以上となるよう制御される。
さらに、ワークＷ裏側の温度が５００℃以下（マルテンサイト開始点）になると、ワークＷ表面側との瞬間温度差が２００℃以下の範囲に維持される。
また、前記のように冷却速度および瞬間温度差の制御を行うために、本実施の形態においては、以下の式（１）の水量で冷却処理を行うものとなされる。

水量（ｍｌ／ｓ）＝０．０１５×（冷却面積（ｍｍ^２）＋１）×（ワークの板厚（ｍｍ）＋１）＋１・・・・・（１）

前記のように冷却水量を制御することにより、焼入れ工程において表面側と裏面側にそれぞれ凸状の熱歪が同時に発生し、ワークＷ全体の熱歪の発生を抑制することができる。

以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、ワークＷの焼入れ位置に対する加熱後の冷却水による冷却処理において、ワークＷ表側に対する冷却水の流量を制御することにより、マルテンサイト変態開始点以上の温度でのワーク表面および裏面の冷却速度を４００℃／ｓ以上とし、ワーク裏面側のマルテンサイト変態開始点以下で、ワーク表面側との温度差を２００℃以下とすることができる。
これにより、焼入れ時においてワーク表側と裏側とに凸状の熱歪を同時に発生させ、全体としての熱歪の発生を抑制することができる。
また、本発明によれば、ワークＷの表側からのみの加熱処理及び冷却処理により焼入れ処理を行うものであるため、ワークが裏面側からの冷却が困難な筒状のものであっても、実施することができる。
また、冷却水量の制御によるものであるため、クランプ治具のような大掛かりなクランプ治具が不要であり、手間とコストを格段に軽減することができる。

尚、前記実施の形態にあっては、加熱時にレーザ光によりワークＷを加熱するものとしたが、加熱方法は特に限定されるものではなく、高周波加熱によるものでもよい。

本発明に係る鋼板の焼入方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した鋼板の焼入方法について実験を行うことにより、本発明の効果について検証した。

［実験１］
実験１では、熱歪の発生が抑制される冷却水量の範囲を特定するために、冷却水量をパラメータとして、ワークの歪量を測定した。
尚、ワークである鋼板材質は、引張強さ４４０ＭＰａの溶融亜鉛めっき鋼板を使用した。また、板厚は０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ、冷却面積は３３０ｍｍ^２〜５００ｍｍ^２、ワーク裏面の最高温度を８５０℃、冷却水温を２０℃、気温２０℃とした。

図３の表に実験１の結果を示す。表１において、横軸は冷却水量（ｍｌ／ｓｅｃ）、縦軸は歪量（ｍｍ）である。
図３の表に示すように、所定の水量（１５ｍｌ／ｓｅｃ）とすることにより、熱歪の状態が良好で強度が十分な焼入れ結果を得ることができた。

［実験２］
実験２では、冷却水量をパラメータとして、マルテンサイト変態開始点以上の温度範囲（８８０℃〜５００℃）の場合と、マルテンサイト変態開始点以下からマルテンサイト変態終了点までの温度範囲（５００℃〜２００℃）の場合について、温度下降速度の傾きを測定した。
尚、ワーク条件は実験１と同じである。

図４の表に実験２の結果を示す。表２において、横軸は冷却水量（ｍｌ／ｓｅｃ）、縦軸は温度下降速度の傾き（℃／ｓｅｃ）である。
図４の表において、実験１の結果得られた熱歪の状態が良好（小さい）となる冷却水量の範囲（ＯＫと示す）を当てはめると、マルテンサイト開始点（５００℃）以上の温度での冷却速度を４００℃／ｓ〜６００℃程度とすることが好ましいという結果が得られた。

［まとめ］
実験１，２の結果に基づき、前記実施の形態において冷却水量を定義した式（１）の係数は０．０１５であることが確認できた。
また、前記式（１）の水量によりワークを冷却した場合の表面と裏面の温度変化について図５の表に示す。
図５の表からワーク表面側と裏側のそれぞれの温度が９００℃から５００℃に下降する温度範囲では、冷却速度が４００℃／ｓ以上であることが好ましく、ワークＷ裏側の温度が５００℃以下（ＭＳ）〜２００℃（ＭＦ）になると、ワークＷ表面側との瞬間温度差を２００℃以下の範囲に維持することが好ましいとの結果を得られた。

１ 焼入装置
２ ロボットハンド
３ ロボット駆動部
４ レーザ射出部
５ レーザ発振器
６ 冷却水放出部
７ ポンプ
８ 制御部
Ｃ 冷却水
Ｌ レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (3)

1. ワークである鋼板の焼入方法であって、
   鋼板表面が所定温度となるまで加熱するステップと、
   焼き入れのために鋼板表面を冷却水により冷却するステップとを実行し、
   前記鋼板表面を冷却するステップにおいて、
   前記鋼板の表面と裏面とがそれぞれマルテンサイト変態開始点以上の温度範囲で、冷却速度を４００℃／ｓ以上とし、
   前記鋼板の裏面の温度がマルテンサイト変態開始点以下の温度範囲で、鋼板表面との瞬間温度差を２００℃以下とすることを特徴とする鋼板の焼入方法。
2. 前記鋼板表面を流水により冷却するステップにおいて、
   冷却に用いる水量は、
   水量（ｍｌ／ｓ）＝０．０１５×（冷却面積（ｍｍ^２）＋１）×（鋼板の板厚（ｍｍ）＋１）＋１であることを特徴とする請求項１に記載された鋼板の焼入方法。
3. 前記マルテンサイト変態開始点は、４５０°〜５５０℃の範囲内であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された鋼板の焼入方法。

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