JP2019504771A - 硬化鋼部品を製造するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、硬化性鋼合金で構成された帯薄鋼板からブランクが切り出され、ブランクは次に、それがＡｃ_３より高い温度に加熱され、次に成形工具中に挿入され、成形工具中で成形され、成形時に、臨界硬化速度より大きな速度で冷却されることでオーステナイト化される、薄鋼板部品をプレス硬化するための方法であって、成形および硬化プロセス時に成形される薄金属板ブランク中で第２の型の微小亀裂が作り出されることを防ぐために、正の半径および／または絞り角に隣接して酸素が供給されることを特徴とする方法に関する。本発明は、この方法を実施するための装置にも関する。
【選択図】なし

Description

本発明は、硬化鋼部品を製造するための方法および装置に関する。

硬化鋼部品は、特に自動車用の車体製造において、その優れた機械的性質に起因して、通常の強度でははるかに大型にしたがってそれだけ重く具現化されなければならない部品を用いる必要なしに、特別に安定な乗員室を実現することが可能であるという利点を有する。

この種の硬化鋼部品を製造するために、急冷硬化によって硬化することができる鋼タイプが用いられる。この種の鋼タイプは、たとえばホウ素合金化マンガン炭素鋼を含み、これの最も広く用いられるものは、２２ＭｎＢ５である。しかし、他のホウ素合金化マンガン炭素鋼もこの目的で用いられる。

これらのタイプの鋼から硬化部品を製造するために、鋼材料は、オーステナイト化温度（＞Ａｃ_３）に加熱されなければならず、鋼材料がオーステナイト化するまで待つ必要がある。所望の硬度に応じて、部分オーステナイト化または完全オーステナイト化をこれに関連して実現することができる。

オーステナイト化後に、そのような鋼材料が臨界硬化速度を上回る速度で冷却されると、オーステナイト構造は、非常に硬い構造であるマルテンサイトに変換する。こうして、最大１５００ＭＰａを超える引張強度Ｒｍを実現することが可能である。

現在、鋼部品を製造するために２つの異なる手順の手法が共通に用いられている。

いわゆる成形硬化においては、帯鋼から薄鋼板ブランクが切り取られ（例えばそれから切り抜かれるまたは打ち抜かれる）、次に―従来の、例えば５段階深絞りプロセスを用いて―深絞りされて仕上がり部品を製造する。この場合、この仕上がり部品は、次のオーステナイト化時の熱膨張を補償するために、いくぶんか小さい寸法にされる。

こうして製造された部品は、オーステナイト化され、次に成形硬化工具中に挿入され、その中でプレスされるが、成形されないかまたは非常にわずかな程度にしか成形されず、このプレスする工程により、熱が、詳しくは臨界硬化速度より大きな速度で部品から流れ出し、プレス工具に流れ込む。

他方の手順の手法は、帯薄鋼板からブランクが切り取られ（例えばそれから切り抜かれるまたは打ち抜かれる）、次にブランクがオーステナイト化され、熱間ブランクが、好ましくは一段階工程で７８２℃未満の温度で成形されると同時に臨界硬化速度より大きな速度で冷却される、いわゆるプレス硬化である。

どちらの場合でも、金属防食コーティング（例えば亜鉛または亜鉛系合金）を施されたブランクを用いることが可能である。成形硬化は間接プロセスとも呼ばれ、プレス硬化は直接プロセスと呼ばれる。間接プロセスの利点は、より複雑な工具幾何形状を実現することが可能な点である。

直接法の利点は、より高い材料利用率を実現することができる点である。しかし、実現できる部品の複雑さは、特に一段階成形プロセスで、低くなる。

プレス硬化においては、しかしながら、特に亜鉛めっき薄鋼板ブランクで表面に微小亀裂が形成する点が不利である。

これに関連して、一次微小亀裂と二次微小亀裂とが区別される。

一次微小亀裂は、いわゆる液体金属脆化によるとされている。この理論は、成形時に、すなわち材料に引張応力が及ぼされると、液体亜鉛相がまだ存在するオーステナイト相と相互作用し、最大数百μｍの深さを有する微小亀裂が材料中に作り出される原因となるというものである。

本出願人は、材料を液体亜鉛相がもはや存在しない温度に―加熱炉からの取り出しと熱間成形プロセスの開始との間の時間に―能動的にまたは受動的に冷却することにより、この一次微小亀裂を抑制することに成功した。これは、熱間成形が約７５０℃未満の温度で行われることを意味している。

これまでのところ、熱間成形において二次微小亀裂を制御することは、予備冷却しても可能ではなく、二次微小亀裂は、６００℃未満の熱間成形温度においても発生する。亀裂深さは、この場合、数十μｍに達する。

一次微小亀裂も二次微小亀裂も、潜在的な損傷源を構成するので、使用者に受け容れられない。

これまでの方法では、二次微小亀裂のない部品の製造を保証することはまだ可能でなかった。

特許文献１は、薄鋼板で作られた、特に薄鋼板で構成される亜鉛めっきワークで作られた部品を熱間成形プレス硬化するための方法および成形工具を開示している。この場合、熱間成形およびプレス硬化のために用いられる雌金型は―正の絞り半径によって画定される雌金型の絞り角領域において―絞り角領域に隣接し、ワークが熱間成形およびプレス硬化されるときワークと接触する雌金型の区間の熱伝導率より少なくとも１０Ｗ／（ｍ×Ｋ）小さな熱伝導率を有する材料で液体被覆されるかまたはインサートピースを提供されるべきである。ワークに面する絞り角領域または適切な位置に置かれたインサートピースの表面に施用される材料は、雌金型の正の絞り半径の１．６倍から１０倍の範囲にある、絞り角上に延在する横寸法を有するべきである。これは、薄鋼板で作られたワークの流れ特性を熱間成形時に向上させるはずであり、したがって薄鋼板で作られた、好ましくは亜鉛メッキ鋼ブランクで作られたワークの熱間成形における亀裂の発生のリスクを顕著に低下させるはずである。しかし、そのような工具は、第２の型の微小亀裂を回避することを可能にはしない。

特許文献２は、工具の型表面が、型表面に導入された２つの微小穴により、一部の領域において微細構造化された、プレス硬化工具用の工具を開示している。この工程は、型表面とブランクとの間のブランクの成形のための有効接触面積を穴の間に位置する表面部分に制限することを意図している。これは、摩擦を減らすことを意図している。

特許文献３は、薄鋼板から硬化部品を製造するための方法を開示している。この方法においては、成形部品の成形の前または後に、求められる成形部品の最終トリミングおよびなんらかの必要な穿孔手順または孔パターンの製造が実行され、成形部品は次に少なくとも一部の区域において鋼材料のオーステナイト化を可能にする温度に加熱され；部品は、次に成形硬化工具へ移され、成形硬化工具中で成形硬化が実行され、部品は冷却され、したがって部品の接触および加圧によって少なくとも一部の区域において硬化し；部品は、正の半径の領域の中で成形硬化工具によって支持され、好ましくはトリム端の領域において２つのクランプによって保持され、部品がクランプされていない領域において、部品は、金型の半部から少なくともギャップによって離間している。この手段は、部品を歪まないように固定し、異なる硬化速度により異なる硬度勾配を設定することを可能にする。

独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０５５ ６４３ Ａ１号 独国特許出願公開第１０ ２０１１ ０５２ ７７３ Ａ１号 独国特許第１０ ２００４ ０３８ ６２６ Ｂ３号

本発明の目的は、直接熱間成形された、すなわちプレス硬化された部品において、第２の型の微小亀裂を回避することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する方法によって達成される。

従属請求項には、有利な改変形の特徴が示される。

本発明の別の目的は、プレス硬化プロセスにおいて薄鋼板ブランクを熱間成形し、硬化することができ、微小亀裂を回避する装置を創製することである。

この目的は、請求項６の特徴を有する装置によって達成される。この請求項に従属する従属請求項には、有利な改変形の特徴が示される。

本発明者らは、引張歪を受けている領域において、発生する亜鉛蒸気が十分な濃度で鋼に到達する、いわゆる蒸気金属脆化（ＶＭＥ：ｖａｐｏｒ ｍｅｔａｌ ｅｍｂｒｉｔｔｌｅｍｅｎｔ）のとき、第２の型の微小亀裂が作り出されると認識した。亜鉛蒸気は、成形プロセス時の伸縮において起こる亜鉛／鉄層の裂けによって作り出される。十分な濃度は、薄金属板と工具との直接接触が優勢であるかまたは薄金属板が工具から非常に小さな距離にあるような領域において特に生じる。本発明によって定義される非常に小さな距離とは、０．５ｍｍ未満である。

本発明によれば、材料および温度に関して最大の可能な動作窓を保持し、かつ安価な実体化を保証しながら、二次微小亀裂が回避されるはずである。少なくとも同じ滞留時間で、部品製造時にサイクル時間の増加もスループットの低下もないはずである。

本発明によれば、引張歪を受けている領域（伸長端繊維）において、発生する亜鉛蒸気は、気体流（対流）によって離れるように運ばれる、またはより正確に言えば、吹き飛ばされる、または十分に薄められる。代替的にまたはこれに加えて、亜鉛は、流体の流入によって、急速に酸化亜鉛またはＺｎＩ_２などの安定な化合物に変換されることができる。さらに、二次微小亀裂からの鋼の保護は、流体を供給することにより酸化物層などの保護層を作り出すことによっても実現することができる。上記の全ての手段は、微小亀裂が顕著に減少することをそれぞれ示している。

空気または酸素などの気体酸素含有流体は、工具を過度に汚染することができず、さらに、流体を加減することによってたとえば水によって起こり得る種類のおそらく望ましくない強力な冷却作用をより容易に調節することができるから、特に好ましい。

この場合、二次微小亀裂の回避は、以下のことによって確実になる。正の半径の領域で（すなわち、雌金型および／または雄金型の絞り角領域で）、絞り方向で正の半径／絞り角の外に位置する絞り角または他の接触領域の後に、窪みが設けられ、それは、一方では、深絞りが悪影響を受けない、またはブランクまたはワークピースが波形になるように、寸法決めされ、他方では、硬化に必要な熱の流出が、同様にかなりの程度悪影響を受けないように、寸法決めされるようになっている。

窪みは、しかしながら、放出される亜鉛相または亜鉛／鉄相に酸化のための酸素を供給するために、十分な量の酸素が、絞り成形されるブランクにおよび材料に行くように、窪みが酸素用のリザーバを構成するように、寸法決めされる。

窪みは、特に酸素用の流体リザーバとして機能するが、このリザーバは、水または窒素などの他の流体も含むことができる。これらのリザーバが不活性ガスで満たされる場合にまたは不活性ガスで連続的にフラッシュされる場合にも、それらは、酸化によってではなく、発生する亜鉛蒸気を希釈するまたは運び去ることによって、作用する。

必要であれば、有利にはフロークッションが形成することを可能にする、例えば適切な流入開口を介して、有利には、窪みに、成形時に酸素含有流体が工具側から連続的に供給されることができる。加えて、型からのワークピースの取り出しおよび別のブランクの挿入の前に、型穴を流体でフラッシュすることができ、流体は、特に酸素を含むものであり、それはその後窪みに存在する。酸素含有流体の例は、空気および水を含む、すなわち、それらは、液体および気体の両方の形態で供給されることができる。

これらの窪みは、その寸法が比較的小さいときでも、亜鉛相または亜鉛／鉄相の酸化を通じて第２の型の微小亀裂を効果的に防ぐことが、分かっている。

本発明は、例として、図面に基づいて説明される。

発明による窪みでの絞り角に隣接する工具領域を示す。 発明による窪みの異なる実施形態での工具の絞り角領域を示す。 発明によるスロット配置での工具の絞り角領域の部分切取側面図である。 図３による配置の上面図である。

絞り角領域１または正の半径の領域１は、成形工具に位置し、ワークピースに向かう２つの表面３，４を有し、ワークピースは、絞り角または正の半径２の領域で交わる。

発明による窪み５は、絞り方向で絞り角２の後に位置する表面４に設けられる。絞り成形用材料に十分な支持作用を提供するために、この場合、窪み５は、表面３と窪み５との間の絞り角２の厚さが、ほぼその半径に対応するように、寸法決めされる。

当然、薄金属板が工具と接触する領域に位置する他の窪みを設けることができる。これらの接触領域は、薄金属板と工具との間の約０．５ｍｍの最大距離で定義される。

絞り角２と表面４との間で、窪み５は、５〜９ｍｍの深さで、約２５〜３５ｍｍである高さを有する。

別の有利な実施形態（図２）では、絞り角２に隣接する広域の窪み５を設ける代わりに、これの上記の厚さをそのままにして、溝６が、表面４に導入される。この場合、溝６は、５〜９ｍｍの深さで、合計約８〜１２ｍｍである表面４と絞り角２との間の高さを有する。

さらなる実施形態では、絞り角２に隣接する壁４の領域にある連続した窪み５の代わりに、絞り方向に延びる複数の溝７が設けられる。例えば、溝７またはスロット７は、４〜８ｍｍのスロット幅および７〜１１ｍｍのスロット間隔を有し、残りのブリッジピースが１〜５ｍｍの幅を有するようになっている。この場合、溝７またはスロット７は、同様に５〜９ｍｍの深さを有する。

酸素の提供を通じて第２の型の微小亀裂の形成を効果的に防ぐために、上記の形状で、窪み５，６，７の中の比較的少量の流体で−場合によってはさらにブリッジピース４の存在にもかかわらず−十分であることが、意外にも分かっている。

有利な実施形態（図示せず）では、必要であれば、窪み５、溝６、およびスロット７の領域の酸素の分圧をさらに増加させるために、窪み５、溝６、およびスロット７に、後ろから、すなわち工具側から、供給開口と、対応して穿孔されたラインとによって酸素含有流体が供給される。

連続加工時に窪み５、溝６およびスロット７の中の酸素含有量を高い水準に保持するために、常時、窪み５、溝６およびスロット７の中に十分な酸素の貯えがあるように、型穴を酸素含有流体でフラッシュすることもできる。

主に直接プレス硬化プロセスにおいて、２２ＭｎＢ５に加えて２０ＭｎＢ８、２２ＭｎＢ８および他のマンガン／ホウ素鋼も用いられる。

その結果、以下の合金組成の鋼が、本発明に適している（すべて質量％で示される）。

残りは鉄および製錬由来の不純物で占められる。そのような鋼において、特に、合金元素ホウ素、マンガン、炭素および任意選択としてクロムおよびモリブデンが、変換遅延剤として用いられる。

以下の一般合金組成の鋼も、本発明に適している（すべて質量％で示される）。
炭素（Ｃ） ０.０８−０．６
マンガン（Ｍｎ） ０．８−３．０
アルミニウム（Ａｌ） ０．０１−０．０７
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．８
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．６
チタン（Ｔｉ） ０．０１−０．０８
窒素（Ｎ） ＜０．０２
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．０２
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
残りは鉄および製錬由来の不純物で占められる。

以下の鋼構成が特に適していることが分っている（すべて質量％で示される）。
炭素（Ｃ） ０.０８−０．３５
マンガン（Ｍｎ） １．００−３．００
アルミニウム（Ａｌ） ０．０３−０．０６
ケイ素（Ｓｉ） ０．０１−０．２０
クロム（Ｃｒ） ０．０２−０．３
チタン（Ｔｉ） ０．０３−０．０４
窒素（Ｎ） ＜０．００７
ホウ素（Ｂ） ０．００２−０．００６
リン（Ｐ） ＜０．０１
硫黄（Ｓ） ＜０．０１
モリブデン（Ｍｏ） ＜１
残りは鉄および製錬由来の不純物で占められる。

Claims (10)

1. 硬化性合金鋼で構成された帯薄鋼板からブランクが切り抜かれ、前記ブランクは、次に、それがＡｃ_３より高い温度に加熱され、次に成形工具中に挿入され、前記成形工具中で成形され、前記成形時に臨界硬化速度より大きな速度で冷却されることでオーステナイト化される、薄鋼板部品をプレス硬化するための方法であって、前記成形および硬化プロセス時に成形される薄金属板ブランク中で第２の型の微小亀裂が形成されることを回避するために、酸素含有流体リザーバが、
   −正の半径および／もしくは絞り角に隣接して、ならびに／または
   −正の半径および／もしくは絞り角の外の他の接触領域に、
   存在することを特徴とする方法。
2. 酸素の流入が、絞り角および／または正の半径に隣接する前記成形工具に設けられる窪みによって、生じ、それは、深絞りが悪影響を受けず、前記窪みが、酸素含有流体用のリザーバを形成する、または酸素含有流体がこの窪みを介して供給されることができるように、寸法決めされることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 酸素含有流体の流入が、窪みに存在する空気によって確実になることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記窪みに、前記成形工具側から流体もしくは酸素もしくは酸素含有流体が供給されるか、または２回の成形手順の間に前記窪みもしくは型穴に、流体、特に酸素もしくは酸素含有流体が供給されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 真空が窪みに適用されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 酸素含有流体が連続的に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を行うための装置であって、２つの成形工具半部を有し；２つの成形工具半部は、ブランクを深絞りするために協働し、それらが、互いの方へおよび互いから離れる方へ動くことができるように具現化され；所望の成形輪郭に応じて、少なくとも１つの正の半径（１）または１つの絞り角領域（１）に絞り角（２）が提供され、窪み（５）が、
   −絞り方向で絞り角（２）または正の半径（１）の後に位置する表面（４）、ならびに／または
   −正の半径（１）および／もしくは絞り角（２）の外の他の接触領域に、
   設けられることを特徴とする装置。
8. 前記窪み（５）は、前記絞り角（２）に隣接する表面と前記窪み（５）との間の前記絞り角（２）の残りの厚さが、ほぼその半径に対応するように、寸法決めされることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 前記絞り角（２）と成形工具表面（４）との間の前記窪み（５）は、５〜９ｍｍの深さで約２５〜３５ｍｍに対応する高さを有するか、あるいは合計約８〜１２ｍｍである前記表面（４）と前記絞り角（２）との間の高さと、５〜９ｍｍの深さとを有する溝（６）、または壁（４）の領域において前記絞り角（２）に隣接して絞り方向に延在する溝（７）の形の複数の窪みとして具現化され；前記溝（７）またはスロット（７）は、４〜８ｍｍのスロット幅と７〜１１ｍｍのスロット間隔とを有し、その結果、残りのブリッジピースは、１〜５ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項７または８に記載の装置。
10. 前記窪み（５）、前記溝（６）または前記スロット（７）に、後ろから、すなわち前記工具側から、供給開口と、対応して穿孔されたラインとによって酸素含有流体が供給されることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
    
    

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