JP2019508252A - 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Ａｃ３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、最も広く用いられる鋼は、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Ｒ_ｍ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出され、次に―従来の、たとえば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出され、次にブランクがオーステナイト化され、熱間ブランクが一段階工程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、亜鉛などの防食コーティング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が、部品の複雑さは低くなる。

しかし、プレス硬化においては、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成形工具中への挿入との間の時間に―冷却することにより、これ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、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。

しかし、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の少なくとも一部の区域において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５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、発生する亜鉛蒸気または遊離亜鉛は、酸素含有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。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。上記の手段は、微小亀裂が顕著に減少することを示している。

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。

本発明によれば、この工具において― 好ましくは正の半径の領域または正の半径に隣接する領域において―インサートが用いられ、インサートは、薄金属板ブランクが変形するとき、すなわちブランク材料が流れるとき、酸素の流入を可能にする。さらに、インサートは、薄金属板ブランクの狭い点または工具との接触領域において提供されることもでき、これらの接触領域は、薄金属板から工具までの距離が最大でも０．５ｍｍである領域と定義される。

この目的で、対応する材料は、もちろん正の半径の領域において支持されなければならない。これらは、変形を作り出し材料の流れを開始する角だからである。

これらの角に隣接し、インサートが損傷されないようにこれらの角から離間して、インサートは、酸素の流入を可能にする手段を有する。これらの手段は、たとえば焼結金属インサートまたは多孔質セラミックインサートであってよく、これらのインサートの中には、互いから離れてワークが硬化した後および新しいブランクが挿入される前に、放出亜鉛または放出亜鉛相に付与することができる十分な酸素が貯えられる。

さらに、インサートは、材料が、角を過ぎて流れた後にインサートから離間しているように、開いたままの表面を有する。

有利な実施形態において、この開いたままの領域は、材料の最小限の支持は可能であるが、酸素の流入が保証されるように、スロット形として具現化される。

これらの場合のすべてにおいて、開いた領域へまたは焼結金属もしくは多孔質セラミックで満たされた領域へ十分な量の酸素が供給されるように提供する流体連通ラインもあってよい。最も簡単な場合に、これは、例えば空気でよく、または水蒸気でもよい。

特定のセラミックなど、高い酸素拡散能力を固有に有する材料も中実形で具現化され、プレスが開いている間にまたは後部からのどちらかで酸素含有流体による作用を受け、この酸素を、放出亜鉛鉄相または放出亜鉛に付与できるまで貯蔵することができる。

これらのインサートは、雌金型と雄金型との両方の上で具現化することができる。

酸素の装入は、型穴を、たとえば水蒸気または上記既述の媒質に浸すことによって実行することもできる。

本発明は、例として、図面に基づいて説明される。

中実の実施形態における工具インサートの例を示している。 窪みを有する工具インサートを示している。 窪みを有する別の工具インサートを示している。 スロット付き工具インサートの断面側面図である。 成形表面から見たスロット付き工具インサートを示している。

例えば、インサート１は、セラミック、特に酸化物セラミックで作られる。セラミックインサートは、絞り角２に沿って延在し、工具において金属絞り角２の代りに用いられる。セラミックインサート１は、後側３および下側４を有し、それらを用いて金属工具中の窪みの中に形状が適合するように挿入される。さらに、セラミックインサート１は、上側６および型前面側５を有し、型前面側５および上側６は、好ましくは工具の対応する表面と同一平面上にある。

このセラミックインサートは、中実もしくは不浸透性かつ硬質、または多孔性かつ硬質として具現化することができる。

セラミックが、インサート１を通して表面５の領域および絞り角２へ十分な濃度の酸素をもたらす酸素運搬体または多孔質体として具現化された場合、表面３または４の領域において金属成形工具から通じ、金属成形工具に対応するガス接続（図示せず）を提供することができる。

別の有利な実施形態（図２）において、表面５の領域に絞り角２に隣接して窪み７が作り出される。例えば、窪み７は、５〜１０ｍｍの深さを有するが、インサートは全体として、例えば、３５〜５０ｍｍの表面４と表面６との間の高さと、１５〜３０ｍｍの表面３と表面５との間の幅と、を有する。

好ましくは、この場合の絞り角２は、窪み７の前にある絞り角の厚さがその半径にほぼ対応するように具現化される。

別の有利な実施形態において、絞り角２に隣接する窪み７（図３）の代りに、表面６に平行に延在する溝８だけがあり、溝８は、例えば５〜８ｍｍの深さを有し、絞り角２と表面５との間の溝８の高さは、８〜１２ｍｍである。

本発明によれば、これらの寸法を有するそのような溝８は、部品の型抜きおよび新しいブランクの挿入の後に、成形時に十分な酸素供給を保証するのに十分な酸素をガスの形で貯えていることが分っている。

別の有利な実施形態（図４、図５）において、表面５は、表面４から絞り角２の方向に延在するスロット９を有して具現化されるが、絞り角２は、依然としてその半径に対応する厚さを有する。

この場合、スロット幅は４〜８ｍｍ、スロット間隔は７〜１１ｍｍであり、その結果、２〜５ｍｍのブリッジピース幅と５〜９ｍｍのスロット深さとが実現される。ここでも、ブリッジピース幅は酸素供給に悪影響を及ぼさないことが分っている。

別の有利な実施形態（図示せず）において、窪み７もしくは溝８もしくはスロット９は、多孔質セラミック材料もしくは多孔質焼結金属材料で満たされ；インサートの後側３において、酸素含有流体のための供給開口を提供することができ、および／または成形手順の間に例えば型穴を水蒸気に浸すことによって焼結金属インサートもしくはセラミックインサートに酸素を装入し、あるいはセラミックおよび／もしくは焼結金属は、成形手順時に酸素が吸収され、これが絞り手順の間に放出亜鉛鉄または亜鉛相に付与されるのに十分な高い酸素親和性を有する。

本発明は、比較的簡単な手段を用いて二次微小亀裂の形成を効果的に防ぐことができ；正の半径の領域および／または絞り角を加工し、対応する形状を有するインサートを挿入することにより、既存の成形工具を改造することもできるという利点を有する。

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 (8)

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出され、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、
   −正の半径および／もしくは絞り角において、および／もしくは正の半径および／もしくは絞り角に隣接して、ならびに／または
   −接触領域において
   酸素が供給されることを特徴とする方法。
2. 前記成形工具中で、前記絞り角および／もしくは正の半径の領域に隣接して、または前記絞り角および／もしくは正の半径の領域において、深絞りが悪影響を受けず、前記インサート（１）が酸素のための貯めを形成するような寸法にされる、酸素貯蔵材料で作られたインサート（１）による酸素の流入が提供されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 焼結金属、多孔質セラミックスまたは不浸透性セラミックスで作られたインサート（１）が用いられることを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記インサート（１）に、前記インサート（１）の前記成形工具側から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型穴が酸素もしくは酸素含有流体に浸されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 薄鋼板部品のプレス硬化、または熱間成形および硬化の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つの正の半径または１つの絞り角領域に絞り角（２）が提供され、金属絞り角（２）の代りにセラミックインサートが配置され、それは、形状に適合するようにそれぞれの成形工具半部中に挿入される装置。
6. 前記セラミックインサートにおいて、窪み（７）が提供され、前記窪み（７）は、前記絞り角（２）に隣接する表面と窪み（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な寸法にされることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 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（８）、または前記壁（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スロット（９）の形の複数の窪みとして具現化され；前記スロット（９）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、残るブリッジピースは、１〜５ｍｍの幅を有することを特徴とする、請求項６または７に記載の装置。
8. 前記窪み（７）、前記溝（８）または前記スロット（９）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５〜７のいずれか一項に記載の装置。

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