JP2018531486A - ホットスタンピング工程用高周波加熱方法 - Google Patents
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Abstract
鋼板を加熱して超高強度鋼に加工させるホットスタンピング工程用高周波加熱方法を提供する。鉄（Ｆｅ）系母材にアルミニウム（Ａｌ）素材のコーティング膜が形成された鋼板を第１次目標温度まで第１次昇温速度で高周波加熱する第１次加熱ステップと、前記第１次加熱ステップを通過した前記鋼板を第２次目標温度まで第２次昇温速度で高周波加熱して前記コーティング膜を溶融させるが、前記第２次昇温速度が前記第１次昇温速度より低くなるように加熱する第２次加熱ステップと、前記第２次加熱ステップを通過した前記鋼板を第３次目標温度まで第３次昇温速度で高周波加熱させるが、前記第３次昇温速度が前記第２次昇温速度より高くなるように加熱する第３次加熱ステップと、を含み、前記第２次加熱ステップでは、前記コーティング膜素材と前記母材素材の反応によって化合物が形成されてコーティング膜の溶融点以上の温度で高周波加熱をしてもコーティング膜が母材で押されない効果がある。
Description
本発明は、ホットスタンピング工程用高周波加熱方法に関し、より詳細には、鋼板を加熱して超高強度鋼に加工させるホットスタンピング工程用高周波加熱方法に関する。
通常、ホットスタンピング（ｈｏｔ ｓｔａｍｐｉｎｇ）技術は鋼板を適正温度（約９００℃）で加熱してプレス金型内でプレス成形で一度で成形した後、急速冷却して高強度部品を製造する成形技術である。
従来のホットスタンピング工程では、電気炉を用いて素材を加熱していた。しかし、電気炉を用いた加熱方式は加熱のために長い設備ラインを揃えなければならず、電気炉自体の温度を上昇させるためのエネルギー消耗が大きく、非稼働時にも電気炉の温度を維持するために継続的にエネルギーを使用しなければならないため、エネルギー効率が低い問題点が生じた。
このような問題点を改善するために、まずは高周波加熱器で加熱する方法が導入された。この場合、高周波加熱器は短い設備ラインのみが求められ、短い時間に鋼板を加熱できるのでエネルギー面の効率性が良い。
図１を参照すると、従来の高周波加熱方法によれば、高周波加熱器のコイルで発生する電磁気力（ローレンツ力）が存在するのでコーティング膜が溶融される温度以後はコーティング膜にイオン化が起き、極性を有するイオンはローレンツ力によって押され、結果としてコーティング膜が凝って流れ落ちる現象が発生する。したがって、コーティング膜が溶融される温度以後は高周波加熱器を活用できず電気炉を通して加熱しなければならない問題が発生する。
本発明は、上記のような従来のホットスタンピング工程用高周波加熱方法が持つ問題点を改善するために創案されたものであって、コーティング膜の溶融点以上の温度でも高周波加熱が可能なホットスタンピング工程用高周波加熱方法を提供することをその目的とする。
上記のような目的を達成するために、本発明によるホットスタンピング工程用高周波加熱方法は、鉄（Ｆｅ）系母材にアルミニウム（Ａｌ）素材のコーティング膜が形成された鋼板を第１次目標温度まで第１次昇温速度で高周波加熱する第１次加熱ステップと、前記第１次加熱ステップを通過した前記鋼板を第２次目標温度まで第２次昇温速度で高周波加熱して前記コーティング膜を溶融させるが、前記第２次昇温速度が前記第１次昇温速度より低くなるように加熱する第２次加熱ステップと、前記第２次加熱ステップを通過した前記鋼板を第３次目標温度まで第３次昇温速度で高周波加熱させるが、前記第３次昇温速度が前記第２次昇温速度より高くなるように加熱する第３次加熱ステップと、を含み、前記第２次加熱ステップでは、前記コーティング膜素材と前記母材素材の反応によって化合物が形成されることを特徴とする。
前記第２次加熱ステップでは、高周波加熱時に発生する電磁気力Ｆが前記コーティング膜の粒子間結合力又は前記コーティング膜と前記母材の間の結合力ｆより低く（Ｆ<ｆ）印加電流を調整することも可能である。
また、前記第１次目標温度は、前記コーティング膜の溶融点以下の温度である５３０℃以上、５７０℃以下であることも可能である。
前記第２次目標温度は、前記鋼板が強磁性体の性質を失う温度である７３０℃以上、７７０℃以下であることも可能である。
また、前記第２次昇温速度は、６．４℃／ｓ以上、２４℃／ｓ以下であることも可能である。
一方、前記第１次加熱ステップ及び前記第２次加熱ステップは、縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）で高周波加熱し、前記第３次加熱ステップは、垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）で高周波加熱することも可能である。
一方、前記第２次加熱ステップでは、前記第１次加熱ステップで使用したコイルより広幅のコイルを使用し、前記第１次加熱ステップで配置したコイルの間隔より広い間隔でコイルを配置することも可能である。
前記第２次加熱ステップでは、幅が７０mm以上、９０mm以下であるコイルを使用して加熱することも可能である。
また、前記第２次加熱ステップでは、コイル間の間隔を５０mm以上、７０mm以下に配置させて加熱することも可能である。
以上で説明したように、本発明によるホットスタンピング工程用高周波加熱方法によれば、コーティング膜と母材の間に化合物層を形成してコーティング膜の溶融点以上の温度で高周波加熱をしてもコーティング膜が母材で押されることなく高周波加熱を行うことができる効果がある。
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図３を参照すると、本発明の一実施形態に係るホットスタンピング工程用高周波加熱方法は、第１次加熱ステップＳ１０、第２次加熱ステップＳ２０及び第３次加熱ステップＳ３０を含む。
前記第１次加熱ステップＳ１０及び前記第２次加熱ステップＳ２０は、縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）の高周波加熱方式によって加熱される。
図５Ａには縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）の高周波加熱方式の概念図を示している。高周波加熱は、高周波数（１ＫＨｚ以上）の電流が流れるコイル２１０内に前記鋼板１００を置き、これを通過させると電磁誘導現象によって前記コイル２１０から発生する磁界を相殺する方向に前記鋼板１００に磁界を誘導する渦電流Ｉ１が発生する。この時、この渦電流によって前記鋼板１００自体の抵抗Ｒとの関係から電力量（単位時間によるエネルギー消耗量）Ｐ１=Ｉ１ ２Ｒの電気エネルギーが熱に転換されるとともに前記鋼板１００の温度が上昇する。
前記第１次加熱ステップＳ１０では、鋼板１００を第１次目標温度Ｔ１まで第１次昇温速度Ｖ１で高周波加熱する。この時、本発明で、前記鋼板１００は鉄（Ｆｅ）系母材１１０にアルミニウム（Ａｌ）素材のコーティング膜１２０が形成されている（図２参照）。鉄は高い引張強度を有し、ホットスタンピング工法によって加工する場合、１５０kg／mm2以上の超高強度鋼を作ることができる。また、本発明で、前記コーティング膜１２０は、ケイ素アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ）系列のアルミニウム素材を用いる。
前記第１次加熱ステップＳ１０では、５秒以上、１０秒以下の時間の間第１次目標温度Ｔ１である前記コーティング膜１２０の溶融点以下の温度まで加熱する。一方、本発明では、第１次目標温度Ｔ１である前記コーティング膜１２０の溶融点以下の温度は５３０℃以上、５７０℃以下の温度であることが好ましい。５３０℃未満の場合は前記第２次加熱ステップＳ２０で加熱しなければならない時間が長くなり、結果として加熱に必要な設備ラインが長くなるので非効率的である。また、５７０℃を超過する場合は前記コーティング膜１２０が先に溶融される問題が生じ得る。
結果として、常温（２０℃）で加熱を開始すると仮定すると、５秒以上１０秒以下の時間の間５３０℃以上、５７０℃以下の温度まで加熱するので、前記第１次昇温速度Ｖ１は５１℃／ｓ以上１１０℃／ｓ以下になる。
前記第２次加熱ステップＳ２０は、前記第１次加熱ステップＳ１０を通過した前記鋼板１００を第２次目標温度まで第２次昇温速度で高周波加熱して前記コーティング膜１２０を溶融させることで、前記コーティング膜１２０素材と前記母材１１０素材の反応によって化合物１３０が形成される。前記化合物１３０は、図２に示すように、母材１１０の表面に形成されてよく、図面に示していないが、前記コーティング膜１２０の内部に形成されてもよい。このように形成された前記化合物１３０によって第３次加熱ステップＳ３０でコーティング膜１２０が凝ったり流れ落ちたりする現象を防止できる。
前記コーティング膜１２０がケイ素アルミニウム（Ａｌ−Ｓｉ）系列のアルミニウム素材で、前記鋼板１００が鉄（Ｆｅ）で設けられるので、前記化合物１３０は、Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ、Ａｌ２Ｆｅ２Ｓｉ、又はＦｅ２Ａｌ５／ＦｅＡｌ２化合物のうち少なくともいずれか１つの化合物に形成されることができる。Ａｌ８Ｆｅ２Ｓｉ化合物は溶融温度が約８５５℃で、Ａｌ２Ｆｅ２Ｓｉ化合物は溶融温度が約１０５０℃で、Ｆｅ２Ａｌ５／ＦｅＡｌ２化合物は溶融温度が約１１５６℃であるので、前記コーティング膜１２０にこのような化合物が形成されているので前記コーティング膜１２０の溶融温度を上昇させて、第３次加熱ステップＳ３０で前記コーティング膜１２０が凝って流れ落ちる現象を防止できる。
前記第２次加熱ステップＳ２０では、前記第１次加熱ステップＳ１０を通過した前記鋼板１００を第２次目標温度Ｔ２まで第２次昇温速度Ｖ２で高周波加熱する。この時、本発明では、前記コイル２１０に印加される電流を前記第１次加熱ステップＳ１０より下げて前記鋼板１００で発生する渦電流Ｉ２を下げる。よって、前記鋼板１００で熱エネルギーに転換される電力量Ｐ２=Ｉ２ ２Ｒが減少し、前記第２次昇温速度Ｖ２は前記第１次昇温速度Ｖ１より小さくなる。
一方、本発明では、高周波加熱時に発生する電磁気力Ｆが前記コーティング膜１２０と前記母材１１０の間の結合力ｆより小さく（Ｆ＜ｆ）印加電流を調整する。
金属に高周波加熱を行う場合は、電磁誘導現象による金属の加熱が可能であるが、一方で、前記コイル２１０に印加される電流によって磁場Ｂが生成され、速度Ｖで移送される金属の電荷ｑに電磁気力（ローレンツ力：Ｆ＝ｑｖ×Ｂ）が加えられる。金属が固体状態の場合は電磁気力Ｆが加えられても粒子間結合力が強いので影響がないが、金属が溶融された後は電磁気力Ｆによって液体状態の金属の電荷ｑが移動される。したがって、前記コーティング膜１２０の溶融点を超過する温度で高周波加熱すると、溶融された前記コーティング膜１２０が電磁気力Ｆによって移動されるとともに前記母材１１０と分離されて凝って流れ落ちる現象が発生する場合がある。この場合、前記コーティング膜１２０の厚さが一定でなくなり前記鋼板１００の表面が凸凹になる（図１参照）。
よって、本発明では、第２次加熱ステップＳ２０で電磁気力Ｆを下げて前記コーティング膜１２０の粒子間結合力又は前記コーティング膜１２０と前記母材１１０の間の結合力ｆより小さく印加電流を調整し、その結果、前記鋼板１００で発生する渦電流Ｉ２が小さくなり、前記第２次昇温速度Ｖ２は前記第１次昇温速度Ｖ１より減少する。
前記第２次加熱ステップＳ２０では、１０秒以上、２５秒以下の時間の間第２次目標温度Ｔ２である前記鋼板１００の強磁性体の性質を失う温度（キュリー温度）まで加熱する。１０秒未満の時間の間前記第２次目標温度Ｔ２まで加熱すると、前記コーティング膜１２０が電磁気力Ｆによって前記母材１１０と分離されて凝って流れ落ちる現象が発生する場合があり、２５秒を超過する時間の間前記第２次目標温度Ｔ２まで加熱すると、加熱に必要な設備ラインが長くなるので効率性が低下する。
一方、本発明で、第２次目標温度Ｔ２である前記鋼板１００が強磁性体の性質を失う温度（キュリー温度）は７３０℃以上、７７０℃以下が好ましい。７３０℃未満の場合は前記第３次加熱ステップＳ３０で加熱しなければならない時間が長くなり、結果として加熱に必要な設備ラインが長くなるので非効率的である。また、７７０℃を超過する場合は前記鋼板１００が強磁性体の性質を失い縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）の高周波加熱方法の下では加熱効率が急激に減少する問題が発生する。
したがって、前記第１次目標温度Ｔ１から１０秒以上２５秒以下の時間の間前記第２次目標温度Ｔ２まで加熱するので、前記第２次昇温速度Ｖ２は６．４℃／ｓ以上２４℃／ｓ以下になる。
一方、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、本発明の前記第２次加熱ステップＳ２０では、前記第１次加熱ステップＳ１０で使用したコイル２１０ａより広幅のコイル２１０ｂを使用して加熱する。巻線間隔、すなわち、コイル２１０ｂの間の間隔は第１次加熱ステップＳ１０におけるコイル２１０ａ巻線間隔より大きい。本実施形態では、幅が７０mm以上、９０mm以下であるコイル２１０ｂを使用し、コイル２１０ｂ間の間隔を５０mm以上、７０mm以下に配置させて加熱することが好ましい。
コイルの幅が７０mm未満又はコイル間の間隔が５０mm未満の場合は、前記コーティング膜１２０が凝ったり流れ落ちたりする現象が発生する場合があり、コイルの幅が９０mmを超過する又はコイル間の間隔が７０mmを超える場合は加熱に必要な設備ラインが長くなるので非効率的である。
前記第１次加熱ステップＳ１０及び従来の加熱方式では、１０mm乃至２０mmの幅を有するコイルを使用し、コイル間の間隔を５０mm未満に配置させた。一方、本発明の前記第２次加熱ステップＳ２０では、前記第１次加熱ステップＳ１０で使用したコイル２１０ａより広幅のコイル２１０ｂを使用し、前記第１次加熱ステップＳ１０で配置したコイル２１０ａの間隔より広い間隔でコイル２１０ｂを配置して均一な前記コーティング膜１２０を形成させることができる。
図６Ａには従来のコイル及び巻線間隔を適用したコイル２１０ａが前記鋼板１００に加える電磁気力Ｆの大きさを表して（矢印を参照）いる。従来のコイル及び巻線間隔を使用して前記鋼板１００を加熱する場合は、前記鋼板１００に加えられる単位面積あたり電磁気力Ｆの大きさが１．２９×１０７乃至９．０９×１０７（Ｎ／m2）と測定される。すなわち、前記鋼板１００に加えられる電磁気力Ｆは最大７倍の偏差が発生する。これはコイル２１０ａの幅が狭く、コイル２１０ａ間の間隔が狭い場合に単位面積あたり加えられる電流−電力密度が高くなって発生する現象である。したがって、電磁気力Ｆが均一に維持されず瞬間的に一個所に集中する現象が発生して前記コーティング膜１２０が凝って流れ落ちる場合がある。
一方、図６Ｂに示したように、本実施形態を適用した場合は、前記鋼板１００に加えられる単位面積あたり電磁気力Ｆの大きさが１．２９×１０７乃至２．５９×１０７（Ｎ／m2）である。すなわち、本実施形態では、コイル２１０ｂの幅を広げ、コイル２１０ｂ間の間隔を広げて単位面積あたり電磁気力Ｆの偏差を２倍以下に減少させた。したがって、本実施形態によって前記鋼板１００には相対的に均一な電磁気力Ｆが加えられるので前記コーティング膜１２０が凝って流れ落ちることを防止できる。
参照として、図６Ｂに示す前記鋼板１００の進行方向の側端部で測定される電磁気力Ｆは、前記鋼板１００全体が受ける力で前記コーティング膜１２０が凝ったり流れ落ちたりすることとは無関係である。
前記第３次加熱ステップＳ３０では、前記第２次加熱ステップＳ２０を通過した前記鋼板１００を第３次目標温度Ｔ３まで第３次昇温速度Ｖ３で高周波加熱する。前記第３次加熱ステップＳ３０では、垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）で高周波加熱する。
図５Ｂには垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）の高周波加熱方式の概念図を示している。図５Ｂを参照して垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）を説明すると、前記鋼板１００の移送経路と垂直に２つの垂直コイル２２０を移送経路の上下に配置させ、前記鋼板１００をその間に通過させる。この時、前記垂直コイル２２０は前記鋼板１００に向かって開放されている円形のコイル形態である。したがって、電流が印加されると、前記垂直コイル２２０の間で磁場が発生し、これを通過する前記鋼板１００に電磁誘導現象による渦電流Ｉ３が発生し、電力量Ｐ３=Ｉ３ ２Ｒだけのエネルギーが熱に変換されて前記鋼板１００の温度が上昇する。
本発明では、前記第１次加熱ステップＳ１０及び前記第２次加熱ステップＳ２０では、縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）で高周波加熱し、前記第３次加熱ステップＳ３０では、垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）で高周波加熱する。縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）の場合は、鉄（Ｆｅ）と共に強磁性体の性質を有する場合は前記コイル２１０で発生される磁場を巧く吸収して容易に加熱が行われるが、一方で、非磁性体の性質を有する場合は、前記コイル２１０で発生する磁場が吸収されず加熱効率が低下する。一方、垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）の場合は、前記鋼板１００に非磁性体が用いられても前記垂直コイル２２０で発生する磁場と前記鋼板１００が会う磁場の数（磁束）を増加させて加熱効率を増加させる効果がある。
したがって、本発明では、キュリー温度に到達する前である前記第１次加熱ステップＳ１０及び前記第２次加熱ステップＳ２０では、縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）で高周波加熱し、キュリー温度に到達した後は、垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）で高周波加熱することによって加熱効率を最大化させることができる。
前記第３次加熱ステップＳ３０では、２秒以上、５秒以下の時間の間第３次目標温度Ｔ３である９００℃以上、９５０℃以下まで加熱する。したがって、前記第２次目標温度Ｔ２から２秒以上５秒以下の時間の間前記第３次目標温度Ｔ３まで加熱するので、前記第３次昇温速度Ｖ３は２６℃／ｓ以上１１０℃／ｓ以下となる。
一方、本発明の前記第３次加熱ステップＳ３０は、第３次目標温度Ｔ３に限定されず、必要に応じてそれ以上の温度まで温度を上昇させることができ、前記第３次加熱ステップＳ３０の後に追加的な前記鋼板１００の加工過程を追加させることも可能である。
図４のグラフは時間−温度グラフであって、時間の流れによる前記鋼板１００の昇温パターンを示している。この時、前記第１次昇温速度Ｖ１はグラフの０〜ｔ１区間の勾配で、前記第２次昇温速度Ｖ２はグラフのｔ１〜ｔ２区間の勾配で、前記第３次昇温速度Ｖ３はグラフのｔ２〜ｔ３区間の勾配である。図２を参照すると、本発明によるホットスタンピング工程用高周波加熱方法は、エネルギー効率が高い高周波加熱方法を導入して１１０℃／ｓの速度で前記鋼板１００を加熱させることができ、高周波加熱時に前記コーティング膜１２０が押される現象を防止でき、７５０℃以上の区間で加熱効率が減少する問題点を克服できる。
また、前記第２次加熱ステップＳ２０では、前記第１次加熱ステップＳ１０で使用したコイル２１０ａよりコイルの幅及びコイル間の間隔が大きいコイル２１０ｂを使用して加熱することによって、前記鋼板１００に加えられる電磁気力Ｆの偏差を減少させて前記コーティング膜１２０が凝ったり流れ落ちたりする現象を防止することができる。
以上、本発明を具体的な実施形態を通して詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであって、本発明はこれに限定されず、本発明は、本発明の技術的思想内で当該分野における通常の知識を有する者によってその変形や改良が可能であることは明らかである。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するもので、本発明の具体的な保護範囲は添付された特許請求の範囲によって明確になるであろう。
Claims (9)
- 鉄（Ｆｅ）系母材にアルミニウム（Ａｌ）素材のコーティング膜が形成された鋼板を第１次目標温度まで第１次昇温速度で高周波加熱する第１次加熱ステップと、
前記第１次加熱ステップを通過した前記鋼板を第２次目標温度まで第２次昇温速度で高周波加熱して前記コーティング膜を溶融させるが、前記第２次昇温速度が前記第１次昇温速度より低くなるように加熱する第２次加熱ステップと、
前記第２次加熱ステップを通過した前記鋼板を第３次目標温度まで第３次昇温速度で高周波加熱させるが、前記第３次昇温速度が前記第２次昇温速度より高くなるように加熱する第３次加熱ステップと、を含み、
前記第２次加熱ステップでは、前記コーティング膜素材と前記母材素材の反応によって化合物が形成されることを特徴とするホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第２次加熱ステップでは、
高周波加熱時に発生する電磁気力Ｆが前記コーティング膜の粒子間結合力又は前記コーティング膜と前記母材の間の結合力ｆより小さく（Ｆ＜ｆ）印加電流を調整することを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第１次目標温度は、
前記コーティング膜の溶融点以下の温度である５３０℃以上、５７０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第２次目標温度は、
前記鋼板が強磁性体の性質を失う温度である７３０℃以上、７７０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第２次昇温速度は、
６．４℃／ｓ以上、２４℃／ｓ以下であることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第１次加熱ステップ及び前記第２次加熱ステップは縦磁界加熱方式（ＬＦＩＨ）で高周波加熱し、前記第３次加熱ステップは垂直型磁界加熱方式（ＴＦＩＨ）で高周波加熱することを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。
- 前記第２次加熱ステップでは、
前記第１次加熱ステップで使用したコイルより広幅のコイルを使用し、
前記第１次加熱ステップで配置したコイルの間隔より広い間隔でコイルを配置することを特徴とする請求項２に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第２次加熱ステップでは、
幅が７０mm以上、９０mm以下であるコイルを使用して加熱することを特徴とする請求項７に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。 - 前記第２次加熱ステップでは、
コイル間の間隔を５０mm以上、７０mm以下に配置させて加熱することを特徴とする請求項７に記載のホットスタンピング工程用高周波加熱方法。
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