JP2020025964A - 成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】焼入れによって得られる機械的強度よりも高い機械的強度を部分的に付与できる成形品の製造方法を得る。【解決手段】成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２は、第１工程にて焼入れされた中間品３４の第１角部１８Ａ及び第２角部２２Ａを第２金型２８によって冷間プレス成形することによって形成される。このため、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２は、第１工程にて焼入れによって硬くされた中間品３４の第１角部１８Ａ及び第２角部２２Ａよりも更に硬くなる。【選択図】図２

Description

本発明は、焼入れを伴う成形品の製造方法に関する。

下記特許文献１には、加熱された鋼板が、金型によって成形され、更に、この金型によって冷却されて焼入れされる構成が開示されている。この特許文献１に開示された金型は、各部位によって成形品の冷却速度が異なるように構成されている。このため、金型によって冷却された成形品の金属組織は、金型の各部位での冷却速度に応じた金属組織になる。これによって、成形品の機械的強度等を成形品の部位毎に異ならせている。

このような製造方法で得られる成形品の機械的強度は、焼入れによって形成される金属組織のうち最も硬い金属組織の機械的強度になり、焼入れによって得られる機械的強度よりも高い機械的強度を成形品に付与することが難しい。

特開２０１５−２２６９３６号公報

本発明は、上記事実を考慮して、焼入れによって得られる機械的強度よりも高い機械的強度を部分的に付与できる成形品の製造方法を得ることが目的である。

請求項１に記載の成形品の製造方法は、成形品の中間品が成形されると共に焼入れされる第１工程と、前記中間品を冷間加工によって部分的に成形して、前記中間品の前記冷間加工による成形部分に加工硬化を生じさせる第２工程と、を備えている。

請求項１に記載の成形品の製造方法では、第１工程で成形品の中間品が成形される。また、この第１工程では、中間品が焼入れされる。中間品は、焼入れによって硬くなり、圧縮強度、引張り強度等の機械的強度が高くなる。次いで、第２工程では、中間品が更に成形される。ここで、第２工程での成形は、冷間加工とされる。したがって、第２工程で中間品の一部が塑性変形されて成形されると、第２工程での成形部分（すなわち、塑性変形が生じた部分）に加工硬化が生じる。この加工硬化によって、中間品の第２工程での成形部分は、更に硬くなり、第２工程での成形部分の圧縮強度、引張り強度等の機械的強度は、更に高くなる。

以上、説明したように請求項１に記載の成形品の製造方法では、焼入れによって得られる機械的強度よりも高い機械的強度を成形品に付与できる。

本発明の一実施の形態に係る成形品の製造方法の第１工程を示す正面断面図で、（Ａ）は、第１金型の型締め前の状態を示し、（Ｂ）は、第１金型の型締め状態を示す。 本発明の一実施の形態に係る成形品の製造方法の第２工程を示す正面断面図で、（Ａ）は、第２金型の型締め前の状態を示し、（Ｂ）は、第２金型の型締め状態を示し、（Ｃ）は、成形品のフランジ部の一部がトリム型によって切断された状態を示す。 本発明の一実施の形態に係る成形品の製造方法によって製造された成形品を用いた車両用の構造部材の斜視図である。 構造部材の両フランジ部及びその近傍を拡大した正面断面図で、（Ａ）は、フランジ部の変形前の状態を示し、（Ｂ）は、硬いフランジ部が荷重Ｆ１、Ｆ２によって変形した状態を示し、（Ｃ）は、靭性が高いフランジ部が荷重Ｆ１、Ｆ２によって変形した状態を示す。

次に、図１から図４の各図に基づいて本発明の実施の形態について説明する。なお、図３を除く各図において矢印Ｗは、本発明の一実施の形態に係る成形品の製造方法によって製造された成形品１０の幅方向一方の側を示し、矢印Ｈは、成形品１０の高さ方向一方の側を示す。

＜本実施の形態の構成＞
（成形品１０の構成）
図３に示されるように、成形品１０は、例えば、平板状の鋼板１２（図１（Ａ）参照）によって形成されている。鋼板１２は、例えば、後述する第１工程のようなホットスタンプによる加工に用いられるホットスタンプ材とされ、例えば、引張り強度が５００ＭＰａ以上の高張力鋼板（所謂「ハイテン材」）の一態様とされている。成形品１０は、一般部としての底板部１４を備えている。底板部１４は、略平板状とされており、底板部１４の厚さ方向は、概ね、成形品１０の高さ方向とされている。底板部１４における成形品１０の幅方向両端部には、一般部としての脚板部１６が設けられている。

脚板部１６の幅方向は、成形品１０の高さ方向に対して成形品１０の幅方向へ傾いており、両脚板部１６の間隔は、底板部１４から離れるにしたがって大きくなっている。脚板部１６と底板部１４との間は、高強度部としての第１角部１８とされており、第１角部１８は、底板部１４における成形品１０の高さ方向他方の側で脚板部１６における成形品１０の幅方向内側を曲率の中心として湾曲されている。

各脚板部１６の底板部１４とは反対側には、低強度部としてのフランジ部２０が設けられている。フランジ部２０は、略平板状とされており、フランジ部２０の厚さ方向は、概ね、成形品１０の高さ方向とされている。フランジ部２０は、脚板部１６における成形品１０の幅方向外側に配置されている。フランジ部２０と脚板部１６との間は、高強度部としての第２角部２２とされており、第２角部２２は、フランジ部２０における成形品１０の高さ方向一方の側で脚板部１６における成形品１０の幅方向外側を曲率の中心として湾曲されている。以上の構成の成形品１０は、脚板部１６の底板部１４からの延出方向側へ開口した断面ハット形状とされている。

図３に示されるように、本成形品１０は、例えば、車両の車体の骨格部材又は補強部材等の構造部材２４に適用される。構造部材２４には、２つの成形品１０が用いられる。構造部材２４を構成する両成形品１０は、開口方向に互いに対向するように配置されている。また、一方の成形品１０のフランジ部２０と他方の成形品１０のフランジ部２０とは、互いに対向されていると共に、スポット溶接によって成形品１０の長手方向に断続的に溶接されている。これによって、成形品１０の長手方向に対して直交する方向に切った構造部材２４の断面形状は、略矩形の閉じ断面形状とされている。

（第１金型２６及び第２金型２８の構成）
次に、成形品１０を製造するための第１金型２６及び第２金型２８の各々について説明する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）に示されるように、第１金型２６は、後述する第１工程で用いられ、成形品１０の中間品３４が第１金型２６によって成形される。図１（Ａ）に示されるように、第１金型２６は、第１上型３０と第１下型３２とを備えている。第１上型３０における成形品１０の高さ方向他方の側（図１（Ａ）の矢印Ｈ方向とは反対側）の面の形状は、中間品３４における成形品１０の高さ方向一方の側（図１（Ａ）の矢印Ｈ方向側）の面の形状に応じた形状とされている。これに対して、第１下型３２における成形品１０の高さ方向一方の側の面の形状は、中間品３４における成形品１０の高さ方向他方の側の面の形状に応じた形状とされている。

また、第１上型３０及び第１下型３２の少なくとも一方の内側には、冷媒流路（図示省略）が設けられており、水、油等、中間品３４を冷却するための冷媒が冷媒流路を流れるようになっている。

図２（Ａ）から図２（Ｃ）に示されるように、第２金型２８は、後述する第２工程で用いられ、第２金型２８によって中間品３４から成形品１０が成形される。図２（Ａ）に示されるように、第２金型２８は、第２上型３６と第２下型３８とを備えている。第２上型３６における成形品１０の高さ方向他方の側（図２（Ａ）の矢印Ｈ方向とは反対側）の面の形状は、成形品１０の高さ方向一方の側（図２（Ａ）の矢印Ｈ方向側）の面の形状に応じた形状とされている。これに対して、第２下型３８における成形品１０の高さ方向一方の側の面の形状は、成形品１０の高さ方向他方の側の面の形状に応じた形状とされている。

また、第２上型３６及び第２下型３８の各々は、加熱装置４０を備えている。加熱装置４０は、第２上型３６及び第２下型３８の各々において成形品１０の高さ方向に成形品１０のフランジ部２０と対向する部位に設けられている。第２金型２８によって成形品１０が成形される際に、成形品１０のフランジ部２０は、第２上型３６と第２下型３８とに挟まれる。この状態で、加熱装置４０が作動されていると、フランジ部２０が所定の温度（例えば、摂氏５００度）まで加熱される。

さらに、第２金型２８は、トリム型４２を備えている。トリム型４２は、例えば、第２下型３８における成形品１０の幅方向両側に設けられている。第２金型２８によって成形品１０が成形された状態で、トリム型４２が作動されると、フランジ部２０における成形品１０の幅方向両側の端部がトリム型４２によって切断される（図２（Ｃ）参照）。これによって、フランジ部２０における成形品１０の幅方向寸法が予め設定された寸法にされる。

ここで、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示されるように、第１金型２６の第１上型３０及び第１下型３２において、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２に対応する部分の曲率半径は、第２金型２８の第２上型３６及び第２下型３８において、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２に対応する部分の曲率半径よりも大きい。このため、中間品３４において成形品１０の第１角部１８に対応する第１角部１８Ａの曲率半径は、成形品１０の第１角部１８の曲率半径よりも大きい。また、中間品３４において成形品１０の第２角部２２に対応する第２角部２２Ａの曲率半径は、成形品１０の第２角部２２の曲率半径よりも大きい。

＜成形品１０の製造方法に関する説明＞
本実施の形態では、先ず、第１工程で、鋼板１２（図１（Ａ）参照）の金属組織が、例えば、オーステナイト組織になるまで（すなわち、所謂「焼入れ温度」まで）鋼板１２が加熱され、この状態で、鋼板１２が第１金型２６によってプレス加工される（図１（Ｂ）参照）。このようにして、鋼板１２から中間品３４が成形される。さらに、鋼板１２が第１金型２６によってプレス加工されている状態で、第１金型２６に設けられた冷媒流路に冷媒が流れる。これによって、中間品３４は、急冷される。

鋼板１２が第１金型２６によって成形される際に、鋼板１２は、例えば、オーステナイト組織になるまで（すなわち、所謂「焼入れ温度」まで）加熱されている。このため、この中間品３４が急冷されると、中間品３４は、焼入れされ、中間品３４の金属組織は、オーステナイト組織から、例えば、マルテンサイト組織になる。これによって、例えば、加熱される前の状態での鋼板１２の金属組織がフェライト組織であれば、中間品３４は、加熱される前の状態での鋼板１２よりも全体的に硬くなる。このため、単に、鋼板１２の加熱及び第１金型２６での中間品３４の急冷（焼入れ）を行なわない場合に比べて、中間品３４の硬度を高くできる。

次に、第２工程では、中間品３４が、第２金型２８によってプレス成形される。この第２金型２８でのプレス成形では、主に中間品３４の第１角部１８Ａ及び第２角部２２Ａが成形され、これによって、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２が形成される。

ここで、第２金型２８による中間品３４から成形品１０への成形は、冷間加工とされる。したがって、第２金型２８による成形品１０の成形温度は、再結晶温度以下（常温を含む）とされる。このため、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分は、第２金型２８での成形（塑性変形）によって加工ひずみが生じ、これによって、第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分は、加工硬化され、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分は、中間品３４の第１角部１８Ａ及び第２角部２２Ａよりも硬くなる。

さらに、第２工程では、成形品１０の両フランジ部２０が第２金型２８の第２上型３６及び第２下型３８によって挟まれる。次いで、この状態で、両フランジ部２０が加熱装置４０によって所定の温度（例えば、摂氏５００度）まで加熱され、更に、この状態で、一定時間、例えば、６０秒保持される。

このように、成形品１０の両フランジ部２０が所定の温度まで加熱されて一定時間保持されることによって、両フランジ部２０には、所謂「焼戻し」が施される。これによって、両フランジ部２０の硬度が低下されて靭性が高くなる（すなわち、両フランジ部２０は、成形品１０の他の部位に比べて柔らかくなる）。この状態で、成形品１０の両フランジ部２０は、第２金型２８のトリム型４２によって切断され、フランジ部２０における成形品１０の幅方向寸法が予め設定された寸法にされる。

また、上述したように、以上のようにして成形された２つの成形品１０によって車両用の構造部材２４が製造される。構造部材２４が製造に際しては、２つの成形品１０の一方の開口方向と、他方の成形品１０の開口方向とが互いに対向される。この状態で、一方の成形品１０のフランジ部２０と他方の成形品１０のフランジ部２０とがスポット溶接によって成形品１０の長手方向に所定の間隔をおいて溶接される。これによって、構造部材２４が製造される。

＜本実施の形態の作用、効果＞
以上のようにして形成された成形品１０の底板部１４及び脚板部１６は、主に第１工程にて成形される。ここで、上述したように、第１工程では、中間品３４が焼入れされ、中間品３４の金属組織は、例えば、オーステナイト組織からマルテンサイト組織になる。このため、成形品１０の底板部１４及び脚板部１６を硬くでき、成形品１０の底板部１４及び脚板部１６の圧縮強度、引張り強度等の機械的強度を高くできる。これによって、成形品１０に対して荷重が作用した際に底板部１４及び脚板部１６に変形が生じることを抑制できる。

また、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２は、中間品３４の第１角部１８Ａ及び第２角部２２Ａが第２金型２８により成形されることによって形成される。ここで、第２工程での第２金型２８による成形は、冷間加工とされる。このため、第２金型２８により成形された成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分には加工硬化が生じる。これによって、第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分は、成形品１０の底板部１４及び脚板部１６に比べて硬くる。このため、第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分の圧縮強度、引張り強度等の機械的強度は、底板部１４及び脚板部１６に比べて高くなる。このため、成形品１０に対して荷重が作用した際に第１角部１８及び第２角部２２とその近傍部分に変形が生じることを更に効果的に抑制できる。

さらに、このような成形品１０によって製造された車両用の構造部材２４に対して構造部材２４の長手方向側（すなわち、成形品１０の長手方向側）から圧壊荷重Ｆ（図１参照）が作用した場合には、圧壊荷重Ｆは、構造部材２４の断面形状を崩すように構造部材２４に作用する。ここで、成形品１０の第１角部１８及び第２角部２２は、成形品１０の底板部１４及び脚板部１６よりも更に硬い。このため、圧壊荷重Ｆによる構造部材２４の断面形状の崩れを抑制でき（すなわち、圧壊荷重Ｆに断面強度を高くでき）、構造部材２４によって圧壊荷重Ｆを効果的に支持できる。

また、このように、構造部材２４の断面強度を高くできるため、構造部材２４の質量を低くしても従来の構造部材と同等の断面強度を得ることができる。これによって、構造部材２４を軽量化できる。

ところで、第１金型２６の形状を中間品３４の形状ではなく、成形品１０の形状とすれば１回の工程で鋼板１２を成形品１０の形状にできる。しかしながら、この場合には、第１角部１８及び第２角部２２の硬さは、底板部１４及び脚板部１６と同等の硬さになる。

これに対して、本実施の形態では、成形品１０において中間品３４の焼入れ後の硬さを有する一般部（すなわち、底板部１４及び脚板部１６）よりも硬くする必要がある高強度部（すなわち、第１角部１８及び第２角部２２）が、第１工程における中間品３４の成形で、最終形状まで成形されない（未加工、未成形を含む）。さらに、本実施の形態では、第１工程において最終形状まで成形されなかった部位（すなわち、成形品１０において中間品３４の焼入れ後の硬さよりも硬くする必要がある高強度部）が第２工程における冷間加工で成形される。これによって、成形品１０において、中間品３４の焼入れ後の硬さよりも硬くする必要がある部位を冷間加工による加工硬化で更に硬い高強度部にできる。

しかも、上述したように、本実施の形態では、鋼板１２は、高張力鋼板の一態様であるホットスタンプ材とされている。このようなホットスタンプ材又は高張力鋼板は、一般的に冷間加工による加工性が悪い。しかしながら、本実施の形態では、第１工程において最終形状まで成形されなかった部位（すなわち、成形品１０において中間品３４の焼入れ後の硬さよりも硬くする必要がある高強度部）が第２工程における冷間加工で成形される。すなわち、成形品１０において高強度部とされた部位以外は、第２工程における冷間加工で成形されないか、又は、冷間加工での塑性変形が小さい。このため、第２工程における冷間加工での成形性の低下を抑制できる。

一方、成形品１０の両フランジ部２０は、第２工程で焼戻される。これによって、両フランジ部２０は、低強度部になり、両フランジ部２０の靭性は、成形品１０の一般部としての底板部１４及び脚板部１６に比べて高くなる。このため、第２金型２８のトリム型４２による両フランジ部２０の切断が容易になり、低いトリム荷重で両フランジ部２０を切断できる。

しかも、両フランジ部２０の靭性が高くなる（柔らかくなる）ことによって、両フランジ部２０がトリム型４２によって切断された際の切断面及びその近傍に残留応力が発生することを抑制できる。これによって、両フランジ部２０の切断面及びその近傍での遅れ破壊の発生を抑制できる。このため、両フランジ部２０の切断面及びその近傍での残留応力の発生を抑制するための特別な切断方法（例えば、レーザ切断等）を用いなくてもよく、低コストにできる。

さらに、両フランジ部２０を低いトリム荷重で切断できるため、トリム型４２の作動荷重を低減でき、トリム型４２に発生する荷重を低減できる。これによって、トリム型４２の寿命を長くすることができる。

また、両フランジ部２０の靭性が高くなることによって両フランジ部２０の溶接性が焼戻し前よりも高くなる。これによって、２つの成形品１０によって構造部材２４を製造する際の一方の成形品１０のフランジ部２０と他方の成形品１０のフランジ部２０とを良好にスポット溶接できる。

さらに、例えば、上述した圧壊荷重Ｆ（図１参照）が構造部材２４に作用すると、図４（Ａ）に示されるように、両フランジ部２０には、荷重Ｆ１、Ｆ２が作用する。この荷重Ｆ１、Ｆ２が両フランジ部２０に作用すると、一方の成形品１０のフランジ部２０と他方の成形品１０のフランジ部２０とが、両フランジ部２０の溶接部分であるナゲット部５２側を中心に互いに離れるように変形される。

ここで、図４（Ｂ）に示されるように、両フランジ部２０が硬く、両フランジ部２０の靭性が低い場合には、両フランジ部２０におけるナゲット部５２よりも成形品１０の幅方向外側部分での変形が小さい。このため、圧壊荷重Ｆのうち両フランジ部２０を離そうとする荷重Ｆ１、Ｆ２を両フランジ部２０におけるナゲット部５２よりも成形品１０の幅方向外側部分での変形で吸収することが難しい。このため、荷重Ｆ１、Ｆ２は、更に、両フランジ部２０を離そうとし、これによって、ナゲット部５２に応力が集中する。

これに対して、図４（Ｃ）に示されるように、両フランジ部２０が焼戻しされて両フランジ部２０の靭性が高くされると、両フランジ部２０におけるナゲット部５２よりも成形品１０の幅方向外側部分が荷重Ｆ１、Ｆ２によって大きく変形される。したがって、荷重Ｆ１、Ｆ２の全部又は多くが両フランジ部２０におけるナゲット部５２よりも成形品１０の幅方向外側部分の変形で吸収され、上述したナゲット部５２への応力集中を抑制できる。

このように、ナゲット部５２への応力集中が抑制されることによって、構造部材２４の閉じ断面形状が崩れることを抑制でき、構造部材２４は、圧壊荷重Ｆに対する高い剛性を確保できる。

なお、本実施の形態では、中間品３４は、第１工程における第１金型２６でのプレス成形時に第１金型２６によって急冷されて焼入れされていた。しかしながら、例えば、中間品３４の温度が高温に保たれた状態で第１金型２６から取外されてから中間品３４が急冷されて焼入れされる構成としてもよい。すなわち、中間品３４の焼入れは、第１金型２６での冷却に限定されるものではない。

また、本実施の形態では、中間品３４の全体が焼入れされる構成であった。しかしながら、中間品３４が部分的に焼入れされる構成であってもよい。また、中間品３４の一部と他の部分とで焼入れの際の加熱温度及びその保持時間、冷却速度等が異なってもよい。

さらに、本実施の形態では、第１工程での焼入れによって中間品３４の金属組織がマルテンサイト組織にされた。しかしながら、第１工程は、中間品３４が急冷されて焼入れされることによって硬度が高くなればよく、第１工程での鋼板１２から中間品３４までの金属組織の変化に関しては特別な態様に限定されるものではない。

また、本実施の形態では、成形品１０の第１角部１８、第２角部２２が一般部としての成形品１０の底板部１４及び脚板部１６よりも硬い高強度部とされていた。しかしながら、高強度部は、第１工程での焼入れ後に第２工程での冷間加工によって加工硬化されることにより、第１工程での焼入れによって硬くされた一般部よりも硬くされればよく、高強度部の具体的な態様に関しては特に限定されるものではない。

さらに、本実施の形態では、第２工程で、成形品１０の両フランジ部２０が加熱装置４０によって所定の温度（例えば、摂氏５００度）まで加熱され、更に、この状態で、一定時間、例えば、６０秒保持され、これによって、両フランジ部２０に焼戻しが施された。しかしながら、両フランジ部２０に焼戻しを施すための加熱温度、保持時間は、あくまでも一例であり、成形品１０の一部に焼戻しを施すための加熱温度、保持時間、冷却速度等の諸条件（熱処理条件）は、結果的に、成形品１０の一部の硬度が低下され、成形品１０の一部の靭性が高くなれば、上記の例に限定されることなく広く適用が可能である。

また、本実施の形態では、成形品１０は、断面ハット形状とされていた。しかしながら、成形品１０の形状については如何なる形状であってもよい。

さらに、本実施の形態では、成形品１０は、構造部材２４を構成していた。しかしながら、成形品１０は、構造部材２４への適用に限定されるものではなく、構造部材２４以外の態様への適用も可能である。

１０ 成形品
３４ 中間品

Claims (1)

1. 成形品の中間品が成形されると共に焼入れされる第１工程と、
   前記中間品を冷間加工によって部分的に成形して、前記中間品の前記冷間加工による成形部分に加工硬化を生じさせる第２工程と、
   を備える成形品の製造方法。