JP2019073784A - 自動車用構造部材 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材を提供する。【解決手段】自動車用構造部材は、平坦部と曲げ角部を有する鋼板を含む。曲げ角部は、曲げ角部における鋼板の厚み（ｔ［ｍｍ］）に対する曲げ角部における鋼板の曲率半径（Ｒ［ｍｍ］）の比（Ｒ［ｍｍ］／ｔ［ｍｍ］）が３．０以下である。曲げ角部の弧の中心部におけるビッカース硬さ（ＨＣ［ＨＶ］）が、平坦部におけるビッカース硬さ（ＨＦ［ＨＶ］）よりも大きい。ＨＣ［ＨＶ］とＨＦ［ＨＶ］との違いが、１００［ＨＶ］以上である。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車用構造部材に関する。

従来、自動車の軽量化及び衝突安全性向上のために適した鋼材として、複合組織（Ｄｕａｌ Ｐｈａｓｅ：ＤＰ）鋼や、ＤＰ鋼と異なる機械的特性を有する変態誘起塑性（Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｉｔｙ：ＴＲＩＰ）鋼などが知られている。

また、自動車の軽量化及び衝突安全性向上のために適した鋼材からなる鋼板として、従来の鋼板を静的に強化して、更に動的な強度上昇量も低下させない、ひずみ速度依存性に優れたフェライト系薄鋼板が提案されている。

このフェライト系薄鋼板は、質量％で、コバルト（Ｃｏ）及び／又はクロム（Ｃｒ）を固溶状態で合計で０．０１％以上、４．０％以下フェライト相中に含むことを特徴とする（特許文献１参照。）。

特開２０００−１６０２９６号公報

しかしながら、特許文献１においては、フェライト系薄鋼板の組成、組織などの材料特性を特定することによって、鋼板の性能向上を実現しているにすぎない。そのため、材料特性及び部材の形状を特定し、これらを組み合わせることによって、自動車用構造部材としての性能を向上させることに関しては何ら検討がなされていない。したがって、自動車の軽量化及び衝突安全性向上のために適した鋼板の性能が、自動車用構造部材において十分に発揮されておらず、自動車用構造部材の軽量化及び衝突安全性向上が依然として十分でないという解決すべき課題があった。

本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものである。そして、本発明は、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた。その結果、平坦部と所定形状の曲げ角部とを有する鋼板を含み、曲げ角部における硬さと平坦部における硬さとが所定の関係を有する自動車用構造部材とすることにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明によれば、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材を提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用構造部材の概略を示す斜視図である。 図２は、図１に示した曲げ角部の概略を示す拡大図である。

以下、本発明の一実施形態に係る自動車用構造部材について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下で引用する図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用構造部材の概略を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した曲げ角部の概略を示す拡大図である。図１及び図２に示すように、本実施形態の自動車用構造部材１は、断面ハット形状の鋼板１０と平板形状の鋼板２０とを含み、鋼板１０は、平坦部１１と曲げ角部１２を有する。なお、図１中の矢印Ｚは、曲げ角部１２の曲げ軸方向を示す。また、図２中の破線Ａは、曲げ角部１２の弧の中心部を示す。さらに、図示しないが、断面ハット形状の鋼板と平板形状の鋼板とは、各種の溶接や接着材によって接合されている。

そして、曲げ角部１２は、曲げ角部１２における鋼板１０の厚みｔ［ｍｍ］に対する曲げ角部１２における鋼板の曲率半径Ｒ［ｍｍ］の比Ｒ／ｔが、３．０以下である。

また、曲げ角部１２の弧の中心部Ａにおけるビッカース硬さＨ_Ｃ［ＨＶ］が、平坦部におけるビッカース硬さＨ_Ｆ［ＨＶ］よりも大きく、かつ、Ｈ_Ｃ［ＨＶ］とＨ_Ｆ［ＨＶ］との違い（ΔＨＶ［ＨＶ］）が、１００［ＨＶ］以上である。

上述のように、平坦部と所定形状の曲げ角部とを有する鋼板を含み、所定形状の曲げ角部における硬さと平坦部における硬さとが所定の関係を有する自動車用構造部材とした。このような自動車用構造部材は、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る。

曲げ角部における鋼板の厚みｔ［ｍｍ］に対する曲げ角部における鋼板の曲率半径Ｒ［ｍｍ］の比Ｒ／ｔが、３．０より大きい場合には、鋼板の曲げ角部における加工硬化量が大きくならず、十分な強度が得られない。そのため、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材とならない。

また、特に限定されるものではないが、成形性、自動車の軽量化、衝突安全性向上の観点から、曲げ角部における鋼板の厚みｔ［ｍｍ］に対する曲げ角部における鋼板の曲率半径Ｒ［ｍｍ］の比Ｒ／ｔが、１．０以上であることが好適であり、２．０以上であることがより好適である。一方、特に限定されるものではないが、自動車の軽量化、衝突安全性向上の観点から、曲げ角部における鋼板の厚みｔ［ｍｍ］に対する曲げ角部における鋼板の曲率半径Ｒ［ｍｍ］の比Ｒ／ｔが、２．８以下であることが好適であり、２．５以下であることがより好適である。

その中でも、曲げ角部における鋼板の厚みｔ［ｍｍ］に対する曲げ角部における鋼板の曲率半径Ｒ［ｍｍ］の比Ｒ／ｔが、２．０以上２．５以下であることが特に好適である。Ｒ／ｔがこの範囲内であると、曲げ角部に高いひずみが入り、加工硬化量がより大きくなり、強度がより向上する。これによって、自動車の軽量化及び衝突安全性向上をより実現し得る。

また、Ｈ_Ｃ［ＨＶ］とＨ_Ｆ［ＨＶ］との違い（ΔＨＶ［ＨＶ］）が、１００［ＨＶ］未満である場合には、鋼板の曲げ角部における引張強度が大きくならず、十分な強度が得られない。そのため、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材とならない。

なお、ビッカース硬さ［ＨＶ］は、日本工業規格におけるビッカース硬さ試験−試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４４−２００９）に準拠して測定されるものである。より具体的には、試験荷重を２００〜５００ｇｆとしてビッカース硬さを５点以上測定し、その平均値とした。

ここで、「鋼板」としては、所定の曲げ角部を形成することが可能であり、所定の曲げ角部における硬さと平坦部における硬さとが所定の関係を満足し得るものであれば、特に限定されるものではない。なお、鋼板の厚みは、一般的には、０．６ｍｍ以上２．３ｍｍ以下程度である。

また、「平坦部」とは、加工対象である鋼板に由来する部位をいう。そして、特に限定されるものではないが、「平坦部」は、詳しくは後述する曲げ加工やプレス成形などの成形加工がなされていない部位であると言うことも可能である。つまり、「平坦部」は、曲げ角部と比較して、ひずみ量がない又は少ない部位であると言うことも可能である。また、特に限定されるものではないが、「平坦部」は、加工対象である鋼板に由来する母材部であると言うことも可能である。さらに、「平坦部」は、詳しくは後述する熱処理がなされていない部位であることが好適であるが、熱処理がなされている部位であってもよい。

そして、特に限定されるものではないが、例えば、平坦部は、加工硬化指数（ｎ値）が０．１５以上であることが好適である。なお、「加工硬化指数（ｎ値）」とは、日本工業規格における薄板金属材料の加工硬化指数試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２５３−２０１１）に準拠して測定されるものである。より具体的には、加工硬化指数（ｎ値）は、試験力を単軸方向に適用したときの塑性ひずみ域における真応力と真ひずみとの式（１）において、真ひずみの指数として定義される。

σ＝Ｃ×ε^ｎ・・・（１）
（式（１）中、σは真応力［ＭＰａ］、Ｃは強度定数［ＭＰａ］、εは塑性ひずみによる真ひずみ、ｎは加工硬化指数を示す。）

平坦部における加工硬化指数（ｎ値）が０．１５以上であると、曲げ角部における加工硬化量が大きくなるため、曲げ角部の硬さがより大きくなりやすい。このような平坦部を有する自動車用構造部材は、自動車の軽量化及び衝突安全性向上をより実現しやすい。

また、特に限定されるものではないが、例えば、平坦部は、引張強度（ＴＳ）が９８０ＭＰａ以上であることが好適である。なお、「引張強度（ＴＳ）」は、日本工業規格における金属材料引張試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１）に準拠して測定されるものである。より具体的には、引張強度（ＴＳ）は、試験中に試験片が耐えた最大の力に対応する応力として定義される。このような平坦部を有する自動車用構造部材は、自動車の軽量化及び衝突安全性向上をより実現しやすい。

さらに、特に限定されるものではないが、例えば、平坦部は、残留オーステナイトを５体積％以上２０体積％以下含有する組織を有することが好適である。平坦部の組織が残留オーステナイトを５体積％以上２０体積％以下含有するものであると、衝突などの動的変形の際に、衝突安全性向上に好適なマルテンサイトを得やすい。このような平坦部を有する自動車用構造部材は、自動車の軽量化及び衝突安全性向上をより実現しやすい。

その中でも、平坦部が、加工硬化指数（ｎ値）が０．１５以上であり、引張強度（ＴＳ）が９８０ＭＰａ以上であり、残留オーステナイトを５体積％以上２０体積％以下含有する組織を有する鋼板であることが好適である。そのような鋼板の中でも、ＴＲＩＰ鋼板が特に好適である。

さらに、「曲げ角部」は、加工対象である鋼板に対して、曲げ加工やプレス成形などの成形加工をして形成された部位をいう。そのため、曲げ角部は、平坦部に隣接した位置に存在する。また、曲げ角部は、曲げ軸方向に沿って延在している。そして、特に限定されるものではないが、「曲げ角部」は、詳しくは後述する熱処理がなされていない部位であることが好適であるが、熱処理がなされている部位であってもよい。

また、「熱処理」としては、例えば、鋼板に対する塗装焼き付けに伴う熱処理を想定したものを挙げることができる。具体的には、「熱処理」としては、１７０℃で２０分間の人工時効硬化処理を挙げることができるが、これに限定されるものではない。つまり、「熱処理」は、鋼板の性能を著しく低下させるものでなければ、特に限定されるものではない。また、「熱処理」としては、鋼板の性能を維持ないし向上させるものであることが好適であるが、これに限定されるものではない。

なお、熱処理後の所定形状の曲げ角部における硬さと平坦部における硬さとが所定の関係を有していることが好適である。また、熱処理後の所定形状の曲げ角部における硬さと熱処理後の平坦部における硬さとが所定の関係を有している場合や、熱処理前の所定形状の曲げ角部における硬さと熱処理前の平坦部における硬さとが所定の関係を有している場合が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

現時点においては、以下のような理由により、自動車用構造部材において、軽量化及び衝突安全性向上が実現し得ると考えられる。ただし、以下のような理由以外の理由によって、上述のような効果が得られていたとしても、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。

上述のような自動車用構造部材においては、所定の曲げ角部が形成されて、所定の加工硬化量が確保されている。具体的には、Ｒ／ｔが制御されて、平坦部に対して曲げ角部のビッカース硬さが１００［ＨＶ］以上上昇している。これによって、曲げ角部の曲げ軸に沿った部位の引張強度が３００ＭＰａ程度上昇することとなる。曲げ角部の曲げ軸に沿った部位の強度の向上は、衝突などの動的変形の際の自動車用構造部材の反力や強度の向上に比例する。その結果、平坦部や曲げ角部の鋼板の動的変形における強度向上効果を低減させることなく、曲げ角部の鋼板の静的変形における強度向上を実現し得る。これに伴って、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得る自動車用構造部材となる。

以下、本発明を若干の実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
鋼板（厚み：１．６ｍｍ、加工硬化指数：０．１８、引張強度（ＴＳ）：１０３５ＭＰａ、降伏応力（ＹＳ）：６８７ＭＰａ、伸び（ＥＬ）：２３％、鋼種：ＴＲＩＰ鋼）を用い、９０度曲げ加工によってひずみを付与し、曲げ角部の曲率半径を３．２ｍｍとし、Ｒ／ｔを２．０とし、１７０℃で２０分間の人工時効硬化処理をして、断面ハット形状の部品（高さ：４０ｍｍ、幅：６０ｍｍ、長さ：２４０ｍｍ）を得た。同じ鋼板からなる平板形状の部品（幅：６０ｍｍ、長さ：２４０ｍｍ）とをフランジ部位でスポット溶接して、図１に示すような、本例の自動車用構造部材を得た。

得られた自動車用構造部材において、曲げ角部及び平坦部の硬さを測定した。曲げ角部の硬さは、曲げ角部の弧の中心部の板厚方向で外側からｔ／４の位置において、試験荷重を２００〜５００ｇｆとしてビッカース硬さを５点以上測定し、その平均値とした。平坦部の硬さは、平坦部の中心部の板厚方向で内側からｔ／４の位置において、試験荷重を２００〜５００ｇｆとしてビッカース硬さを５点以上測定し、その平均値とした。なお、曲げ角部硬さと平坦部硬さとの違いであるΔＨＶを算出した。

なお、「降伏応力（ＹＳ）」は、日本工業規格における金属材料引張試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１）に準拠して測定されるものである。より具体的には、金属材料が降伏現象を示すときに、力の増加が一切ないにもかかわらず試験中塑性変形が生じる応力として定義される。

また、「伸び（ＥＬ）」は、日本工業規格における金属材料引張試験方法（ＪＩＳ Ｚ ２２４１−２０１１）に準拠して測定されるものである。より具体的には、破断後の標点距離の永久伸びで原標点距離に対して百分率で表した破断伸びとして定義される。

（実施例２）
曲げ角部の曲率半径を４ｍｍとし、Ｒ／ｔを２．５としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の自動車用構造部材を得た。

（実施例３）
曲げ角部の曲率半径を４．５ｍｍとし、Ｒ／ｔを２．８としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の自動車用構造部材を得た。

（比較例１）
曲げ角部の曲率半径を５ｍｍとし、Ｒ／ｔを３．１としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返して、本例の自動車用構造部材を得た。

（比較例２）
曲げ角部の曲率半径を１ｍｍとし、Ｒ／ｔを０．６としたこと以外は、実施例１と同様の操作を繰り返した。本例においては、自動車用構造部材を成形できなかった。

（比較例３）
鋼板（厚み：１．６ｍｍ、加工硬化指数：０．１、引張強度（ＴＳ）：１０３４ＭＰａ、降伏応力（ＹＳ）：７０１ＭＰａ、伸び（ＥＬ）：１７％、鋼種：ＤＰ鋼）を用い、９０度曲げ加工によってひずみを付与し、曲げ角部の曲率半径を３．２ｍｍとし、Ｒ／ｔを２．０とし、１７０℃で２０分間の人工時効硬化処理をして、断面ハット形状の部品（高さ：４０ｍｍ、幅：６０ｍｍ、長さ：２４０ｍｍ）を得た。同じ鋼板からなる平板形状の部品（幅：６０ｍｍ、長さ：２４０ｍｍ）とをフランジ部位でスポット溶接して、図１に示すような、本例の自動車用構造部材を得た。

（比較例４）
曲げ角部の曲率半径を４ｍｍとし、Ｒ／ｔを２．５としたこと以外は、比較例３と同様の操作を繰り返して、本例の自動車用構造部材を得た。

（比較例５）
曲げ角部の曲率半径を５ｍｍとし、Ｒ／ｔを３．１としたこと以外は、比較例３と同様の操作を繰り返して、本例の自動車用構造部材を得た。上記各例の仕様の一部を表１に示す。

［性能評価］
上記各例の自動車用構造部材について、耐衝撃特性試験を行った。

（試験１）
入力方向を曲げ軸方向と平行にするために、上記各例の自動車用構造部材を図１中の矢印Ｚで示す曲げ軸方向が鉛直方向と平行になるようにして定盤（図示せず）上に配置し、図示しない重量５００ｋｇの錘を３ｍの高さから落下させて、変形量を測定した。得られた結果を、比較例１の変形量を１．０とした相対値として表１に示す。

（試験２）
上記各例の自動車用構造部材を入力方向が曲げ軸方向と垂直である衝撃３点曲げ試験に供した。衝撃３点曲げ試験は、スパン：２２０ｍｍ、押し子幅：３０ｍｍの矩形、変位速度：５ｍ／ｓにて、８０ｍｍまで押し込んで、割れの有無を確認した。得られた結果を、表１に示す。

表１から、本発明の範囲に属する実施例１〜実施例３は、本発明外の比較例１、比較例３〜比較例５と比較すると、曲げ角部おける硬さと平坦部における硬さとの違いが１００ＨＶ以上であり、さらに、耐衝撃特性試験において割れがなく、変形量比が大きいことが分かる。そのため、高強度、高反力であり、衝突安全性に優れているため、自動車の軽量化及び衝突安全性向上を実現し得ることが分かる。

これは、実施例１〜実施例３における自動車用構造部材が、平坦部とＲ／ｔが３．０以下である曲げ角部とを有する鋼板を含み、曲げ角部における硬さが、平坦部における硬さよりも大きく、その違いが１００ＨＶ以上であるためと考えられる。

また、表１から、実施例１、実施例２は、実施例３と比較すると、曲げ角部おける硬さと平坦部における硬さとの違いがより大きく、耐衝撃特性試験において変形量比がより大きいことが分かる。そのため、より高強度、より高反力であり、より衝突安全性に優れているため、自動車の軽量化及び衝突安全性向上をより実現し得ることが分かる。

これは、実施例１、実施例２における自動車用構造部材のＲ／ｔが２．０以上２．５以下であるためと考えられる。

また、表１から、実施例１、実施例２及び比較例１と、比較例３〜比較例５とを比較すると、実施例１、実施例２及び比較例１の方が、曲げ角部おける硬さと平坦部における硬さとの違いがより大きいことが分かる。

これは、加工対象である鋼板に由来する平坦部の加工硬化指数が０．１５以上であるためと考えられる。

そして、実施例１〜実施例３が、高強度、高反力であり、衝突安全性に優れているのは、加工対象である鋼板に由来する平坦部の引張強度が９８０ＭＰａ以上であるためとも考えられる。

また、実施例１〜実施例３が、高強度、高反力であり、衝突安全性に優れているのは、加工対象である鋼板が、残留オーステナイトを５体積％以上２０体積％以下含有する組織を有する鋼板であるためとも考えられる。

さらに、実施例１〜実施例３が、高強度、高反力であり、衝突安全性に優れているのは、加工対象である鋼板が、ＴＲＩＰ鋼板であるためとも考えられる。

以上、本発明を若干の実施形態及び実施例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形が可能である。

１ 自動車用構造部材
１０ 鋼板（断面ハット形状）
１１ 平坦部
１２ 曲げ角部
１２Ａ 弧の中心部
２０ 鋼板（平板形状）

Claims (3)

1. 平坦部と曲げ角部を有する鋼板を含む自動車用構造部材であって、
   上記曲げ角部は、該曲げ角部における上記鋼板の厚み（ｔ［ｍｍ］）に対する該曲げ角部における該鋼板の曲率半径（Ｒ［ｍｍ］）の比（Ｒ［ｍｍ］／ｔ［ｍｍ］）が３．０以下であり、
   上記曲げ角部の弧の中心部におけるビッカース硬さ（Ｈ_Ｃ［ＨＶ］）が、上記平坦部におけるビッカース硬さ（Ｈ_Ｆ［ＨＶ］）よりも大きく、かつ、Ｈ_Ｃ［ＨＶ］とＨ_Ｆ［ＨＶ］との違いが、１００［ＨＶ］以上である
   ことを特徴とする自動車用構造部材。
2. 上記Ｒ［ｍｍ］／ｔ［ｍｍ］が、２．０以上２．５以下であることを特徴とする請求項１に記載の自動車用構造部材。
3. 上記平坦部の加工硬化指数が、０．１５以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の自動車用構造部材。

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