JP3762861B2 - 鋼板プレス成形体の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、伸びフランジ割れの防止を目的とする鋼板プレス成形体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車の衝突安全性の向上や環境保護を目的とした自動車の軽量化のために、鋼板を高強度化する取り組みが積極的におこなわれている。その結果、自動車用内外板や強度部材をはじめとする各種自動車部品に高強度鋼板が多用されつつある。しかし、一般に高強度な鋼ほど成形性が低下するため、自動車部品に高強度鋼板を適用するには、成形を可能にするために、成形性の優れた鋼板や成形技術の開発が必須となる。
【０００３】
一般にプレス成形性を論じる場合、その変形形態から(1) 深絞り性、(2) 張り出し性、(3) 曲げ性、(4) 伸びフランジ性の４つの成形性に区分される。ロアーアームに代表される足回り部品に高強度鋼板を適用する場合には、伸びフランジ割れが問題となる。従来、伸びフランジ性に優れた鋼板として、例えば、熱延鋼板としては特開平６−293910号公報や、冷延鋼板としては特開平７−188767号公報に記載の発明がある。しかしながら自動車のさらなる軽量化指向部品の複雑化などを背景に、上記鋼板よりさらに高度な加工性、高強度化が求められている。
【０００４】
次に成形技術に関しては以下の従来技術がある。通常、伸びフランジ変形を受ける部分のブランクの端面を打ち抜き加工をする際に生じるばりを小さくするために、クリアランス（C ／t 、C ：ポンチとダイスの隙間、t ：鋼板板厚）を15％以下に管理し、伸びフランジ割れを回避している。しかし、この技術は、あくまで、伸びフランジ性の劣化を防ぐための技術であり、効果は小さい。同様の観点から、塑性と加工、vol.11、no.109(1970)p142で検討されたように、伸びフランジ変形を受ける部分のブランクの端面の切断を通常行われている打ち抜き加工ではなく研削等の機械加工で行えば、伸びフランジ限界が向上することが良く知られているが、コスト、生産性が大きな問題となる。また、塑性と加工、vol.27、no.307(1986)p984では、ブランクの端面をレーザー切断することにより伸びフランジ性を向上させる試みがなされているが、研削加工にはおよばず効果が小さく、さらに生産性、コストが大きな問題となる。現状、実生産においては、伸びフランジ成形を行う前に予絞り成形を行い、伸びフランジ割れを回避する対策が取られているが、工程数を増やすことになり、コスト、生産性が問題となる。
【０００５】
特公平４−７９７２９号公報、特公平７−１０２３９６号公報には、鋼板ではなく素管（母管）からの分岐管継手の製造装置および製造法に関し、周方向にほぼ均一な肉厚の分岐管（枝管）を得るために穴端部を加熱することを特徴とする発明が開示されている。しかし、これらの技術は、特公平４−７９７２９号公報に加熱温度と変形抵抗の関係が記載されていることからも明らかなように、穴端部の周方向に温度分布をつけることにより、円もしくは楕円形状の穴端部の変形を均一化し成形性を向上させる、という技術思想の基づいた発明である。すなわち、変形の集中する部分の温度を他の部分よりも低温にすることにより硬くし、変形を抑制し、穴端部の周方向の変形を均一化することである。管体の分岐管（枝管）の成形を開示したものであり、鋼板の伸びフランジ変形の支配因子を成形技術・材料技術の両面から示唆するものではなく、伸びフランジ限界そのものを向上させる技術思想は従来見出されていなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、高強度熱延鋼板を用いる場合に生じる伸びやフランジ割れをプレス工程を増やすことなく防止できる鋼板プレス成形体の製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するための本発明は、引張強度が 590MPa 以上の高強度熱延鋼板からなり、円もしくは円弧のブランク端を持つブランクを伸びフランジ成形するに際して、ブランク端形状とブランク端形状の 2dO( λ＋ 1) 倍の相似形状で挟まれる領域の鋼板温度が、成形中 400 ℃以上、 1000 ℃以下となるようにブランク端を部分加熱することにより、伸びフランジ割れと型かじりを防止することを特徴とするものである。（但し、 dO ：円もしくは円弧のブランク端の直径、λ：ブランク端がプレス成形により受ける伸びフランジ率で、λ＝ (d − dO ）／ dO 、 d ：成形後の穴直径、ブランク端：ブランクの縁を意味し、ブランク内に穴をあけた場合の穴の縁も含む )
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明を詳細に説明する。
まず、伸びフランジ性の材料支配因子について説明する。
引張試験における全伸びが高い材料程成形性が良いことは、一般に広く知られている。しかし、特に590MPa以上の高張力鋼板において、図１に示すように、全伸びの高い鋼板が高い伸びフランジ性を有するわけではない。図１では、伸びフランジ性の指標として、伸びフランジ限界（λ(%) ＝（df−di）／di×lOO、df：破断発生穴直径、di：初期穴直径）を使っているが、λと全伸びの間に相関が認められないことがわかる。このように、伸びフランジ性と全伸びとは、対応しないことがわかる。そこで、伸びフランジ性の材料支配因子について鋭意検討した結果、全伸びは低くても組織の均一性に優れた鋼板ほど高い伸びフランジ性を示すことが判明した。ここで言う組織の均一性が優れた鋼板とは、強度を上昇させる硬質な第２相が微細に分散し母相と第２相の硬度差が小さい鋼板のことである。
【０００９】
鋼板が加工され塑性変形すると、図２に示したように、母相であるフェライトと第２相の界面が剥離したり、第２相が破壊し、ヴォイドが発生する。そしてヴォイドが成長、合体し伸びフランジ割れとなる。この際、組織の均一性の良い鋼板、すなわち母相と第２相の硬度差が小さく第２相が微細に分散している鋼板ほどヴォイドの発生・成長・合体がしにくく、割れが発生しにくい。このような具体例としては、全伸びが高いDP鋼や高残留γ鋼よりも、全伸びの低い析出強化鋼や微細ベイナイト単相鋼の方が高い伸びフランジ性を有する。これは、第２相である析出強化鋼におけるTiC 、NbC や微細ベイナイト単相鋼における炭化物がDP鋼におけるマルテンサイトや高残留γ鋼における加工誘起マルテンサイトよりも微細で、組繊の均一性が優れているためである。
【００１０】
このような材料支配因子の解明結果に基づき、さらに電子顕微鏡による観察を詳細に行い、図３に示すように、母相と第２相の界面に転位が堆積し、母相であるフェライトと第２相の界面が剥離したり、第２相が破壊し、ヴォイドが発生することが判明した。さらに、材料、成形技術の両面から鋭意検討した結果、400℃以上で加工を行えば加工中に転位の動的回復が起こり、転位の堆積が起こりにくくなり、伸びフランジ割れの発生が回避されることが明らかとなった。さらに、このような高温域では、ヴォイドの合体も起こりにくくなることが判明した。
【００１１】
このような、検討結果に基づき伸びフランジ性の温度依存性を調査した結果を、図４に示す。このように、400 ℃以上で成形を行えば伸びフランジ性が急激に上昇することがわかる。図５には、同様に全伸びの温度依存性を調査した結果を示す。このように、温度の上昇に伴う全伸びの急激な上昇は認められない。この点からも、伸びフランジ性と全伸びとは、対応しないことがわかる。一般に鋼材においては青熱脆性温度域があることが知られており、この温度域では伸びが小さく、それよりも高温では伸びが大きくなるとされている。しかし、その伸びとは全伸びのことであり、前述のように必ずしも全伸びと伸びフランジ性は対応しない。また、図５に示すように590MPa級高張力鋼板などでは、温度による全伸びの変化量は少なく、また、鋼の成分によっては必ずしも青熱脆性温度域があるとは限らない。さらに、工業的な観点から、最高成形温度を検討した結果、1000℃超になると加熱により発生するスケールが厚くなり、その後行われる化成処理の際、化成処理皮膜にスケやムラ等が生じ化成処理皮膜が不均一となり、塗装密着性が低下する場合がある。このため、塗装前にスケールを除去するための酸洗工程等が必要になる場合が生じ好ましくない。また、1000℃を超えると、型かじりが発生しやすくなるため、好ましくない。以上の点から、生産性、コストの観点から、最高成形温度を1000℃とした。
【００１２】
さらに、材料全体を高温に保持し加工を行えば、伸びフランジ割れを回避することができるが、全体を加熱することは生産性、設備コスト等の観点から工業的には不利である。そこで、材料の各部を種々の温度に制御し実験・解析を行い、伸びフランジ割れを回避することができ、かつ金型損傷の観点から問題のない加熱すべき最低限の場所を見いだした。第６図に従って説明する。すなわち、円もしくは円弧のブランク端形状とブランク端形状の2dO(λ＋1)倍の相似形状で挟まれる領域を、部分的に加熱すれば良いことが判明した。金型の損傷を支配する最も重要な因子として、金型に負荷される応力がある。当然、大きな応力が負荷されるほど、金型は損傷されやすいこととなる。本発明で対象としている伸びフランジ成形において金型に付与される応力は鋼板の変形抵抗によるものである。従って、金型損傷に影響をおよぼす領域の鋼板を加熱し高温とし変形抵抗を下げてやれば、型に負荷される応力が低下し金型は損傷されにくくなる。詳細検討の末、ブランク端形状とフランク端形状の2dO(λ＋１）倍の相似形状で挟まれる領域を加熱すれば良いことが判明した。
【００１３】
【００１４】
本発明のプレス成形法に用いる鋼板は、特に高伸びフランジ性を要求される、引張強度が590MPa以上の高強度熱延鋼板である。また、本発明は、400 ℃以上の温度における動的回復による転位の回復を活用した成形法であるため、動的回復を遅らすP 、固溶Nb、固溶Tiを多く含む鋼板は好ましくなく、工業的には、0.06wt％以上のP、0.01wt％以上の固溶Nb、0.02wt％以上の固溶Tiを含む鋼板は好ましくない。
【００１５】
（実施例１）
以下に本発明を具体例で説明する。
表１に示す２種の鋼板を用い試験を行った。クリアランスを15％とした打ち抜き加工によりブランク中心に25mm直径の円形の穴をあけた100mm 角の正方形ブランクを用い、50mm直径の円筒形状ポンチにより、伸びフランジ率100 ％（＝(d−dO）／dO、dO：初期のブランクの穴の直径、d ：成形後の穴直径）伸びフランジ成形を行った。しわ押さえ力（BHF)は、100kN とした。鋼板の加熱方法としては、ポンチ、ダイスおよびしわ押さえにヒーターを埋め込み、金型の温度を所定の温度とし、ブランクをセットしBHF を加え30秒保持し、鋼板温度が金型温度と一致したことを確認し、成形をおこなった。また成形中の温度低下を防ぐために、ポンチも同じ温度とした。金型材質は、SKDll とした。
【００１６】
表２に試験結果を示す。試験条件Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｅのように400 ℃より低い温度では伸びフランジ割れが発生し、Ｈのように1000℃より高い温度では、スケールが厚くなり、塗装密着性が劣り、かつ型かじりが発生した。Ｃ、Ｆ、Ｇのように400 ℃以上1000℃以下に保持した試験条件では、伸びフランジ割れが発生せず、塗装密着性も問題ない。尚、塗装密着性は、成形後、リン酸亜鉛にて化成処理を、カチオン電着塗装を20μm 付与し、その後、40℃の温水に500 時間浸漬し、碁盤目剥離による評価を行い、剥離面積率10％未満を○、10％以上を×とした．
【００１７】
【表１】

【００１８】
【表２】

【００１９】
（実施例２）
表１の鋼板No.2を用い、実施例１と同じ金型を用い伸びフランジ成形を行った。成形条件は、実施例１と同じであるが、加熱方法は、実施例１とことなり、金型中に埋め込んだヒーターは使わずに、成形直前に鋼板を高周波加熱装置で加熱する方法をとった。成形開始時および成形終了時の鋼板の温度は、熱電対とサーモビュアーにより測定した。
【００２０】
表３に試験結果を示す。2dO(λ＋１）の領域を加熱した条件のうち、試験条件Ｆのように成形終了温度が400 ℃より低くなる条件では伸びフランジ割れが発生し、Ｉのように1000℃より高い温度では、スケールが厚くなり型かじりが発生するとともに、塗装密着性が劣った。Ｇ、Ｈのように成形中の鋼板の温度を400 ℃以上1000℃以下に保持した試験条件では、伸びフランジ割れも型かじりも発生せず、塗装密着性も問題ない。
【００２１】
【表３】

【００２２】
【発明の効果】
本発明により、プレス工程を増やすことなく、高強度鋼板の伸びフランジ割れを回避することができる。これにより、自動車部品に高強度鋼板の適用が可能となり、自動車の衝突安全性の向上および軽量化が実現できる。また、高強度鋼板を自動車部品に適用することを容易にし、高強度鋼板の用途拡大に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 伸びフランジ限界と全伸びの関係を示す図である。
【図２】 伸びフランジ割れの発生メカニズムを示す模式図である。
【図３】 転移の堆積を示す模式図である。
【図４】 伸びフランジ限界の温度依存性を示す図である。
【図５】 全伸びの温度依存性を示す図である。
【図６】 加熱領域の説明図である。

Claims (1)

1. 引張強度が 590MPa 以上の高強度熱延鋼板からなり、円もしくは円弧のブランク端を持つブランクを伸びフランジ成形するに際して、ブランク端形状とブランク端形状の 2dO( λ＋ 1) 倍の相似形状で挟まれる領域の鋼板温度が、成形中 400 ℃以上、 1000 ℃以下となるようにブランク端を部分加熱することにより、伸びフランジ割れと型かじりを防止することを特徴とする鋼板プレス成形体の製造方法。
   （但し、 dO ：円もしくは円弧のブランク端の直径、λ：ブランク端がプレス成形により受ける伸びフランジ率で、λ＝ (d − dO ）／ dO 、 d ：成形後の穴直径、ブランク端：ブランクの縁を意味し、ブランク内に穴をあけた場合の穴の縁も含む )

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