JP2018531486A6 - 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。
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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