JP4319987B2 - プレス焼入れされた部品及びそれを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、焼入れしていない熱間加工可能な鋼シートから作られた半製品から、金属成形部品、特に車体部品を製造する方法に関する。

多くの部品、特に車両構造内の車体部品は、剛性及び強度に関して、厳しい要件を満たさねばならない。同時に、重量の低減の観点から、これらの部品は可能な限り薄い材料厚みを有するべきである。これらの２つの要件を満たすために、組成と熱処理に依存するが、極めて高い強度を有する高強度及び超高強度鋼材料がますます用いられている。これらの超高強度鋼シートを用いる車両の車体部品の製造は、好ましくは、熱間成形プロセスによって行なわれる。この熱間成形プロセスでは、例えば、特許文献１に記載されているように、シート素材は、加熱され、次いで特殊な成形工具内で成形され、焼入れされる。この場合、熱間成形中の適切に選択されたプロセスパラメータによって、部品の強度値と靭性値を具体的に設定することができる。

このような部品を熱間成形によって製造するには、まず、シート素材をコイルから裁断する。次いで、このシート素材を、鋼材の組織の変態点よりも高い温度、すなわち、材料の組織がオーステナイト状態である温度に加熱し、加熱した状態で成形工具内に挿入し、所望の部品形状に成形し、次いで、所望の成形状態を機械的に固定しながら冷却して、部品の焼戻し又は焼入れを行う。

しかし、このようにして製造された部品を正確な寸法で切断するには、設備に関して、多大の費用が必要とされる。特に、焼入れされた材料の冷間切断には、極めて高い切断力が必要であり、これは、急速な工具磨耗と高い保守コストをもたらす。さらに、このような高強度部品の冷間縁取り加工は、問題がある。何故なら、例えば、冷間状態で縁取りされた部品の端部は、程度の差はあるが、大きなバリを有し、これが要因となって、高強度材料の高い切欠き感度によって、急速に、部品内に亀裂が生じ得るからである。

焼入れされた部品の機械的縁取り加工中に生じるこれらの問題を避けるために、代替的な切断方法、例えば、レーザ切断又はウォータジェット切断が用いられることが多い。部品の端部の高品質の縁取りは、確かに、これらの方法によって達成することができる。しかし、これらの方法は、比較的緩慢に作動する。何故なら、ここでは、サイクル時間は、切断端部の長さと、維持されるべき寸法公差に直接依存するからである。従って、最終的な縁取りプロセスは、熱間成形された部品の製造中に障害となり、これによって、単位時間当たりに製造される部品の数が制限される。部品の製造の全サイクル時間は、もし、切断端部の長さに依存して、並列に作動する複数のレーザ又はウォータジェット切断ユニットが設けられるなら、確かに低減させることができる。しかし、これは、追加的な投資と物流の出費の増大を伴うので、不利である。

独国特許出願公開第１００ ４９ ６６０ Ａ１号明細書

従って、本発明の目的は、部品の外側輪郭の長さとは無関係に、サイクル時間を短縮することができるように、熱間加工可能なシートの部品の製造中の方法手順を改良することにある。

発明を解決するための手段

上記目的は、本発明により、請求項１の特徴によって達成される。

本発明の最重要点は、焼入れした部品の、処理が複雑で高価な最終的な縁取り加工を省くことができるように、部品の製造プロセスを構成するべきであるという発想にある。従って、本発明によれば、従来の熱間成形中になされるような加熱及び焼入れプロセスの後ではなく、もっと早い段階、部品の焼入れしていない状態で、余白領域を裁断する。

従って、本発明による製造プロセスでは、まず、熱間加工可能な鋼シートのコイルから裁断されたシート素材を準備する。次いで、従来の冷間成形法、例えば、深絞り、及びその後の余白領域の縁取りによって、部品素材をこのシート素材から形成する。この部品素材は、仕上げ部品の所望の三次元形状を（近似的に）有し、かつ仕上げ部品の所望の外側輪郭を（近似的に）有している。次いで、この部品素材を材料の成形温度よりも高い温度に加熱し、熱間成形工具内に熱間状態で移送し、この熱間成形工具内において、部品をプレス焼入れする。この方法ステップにおいて、部品素材を比較的少ない範囲で成形し、同時に、部品素材に特定の熱処理を施す。この熱処理の過程において、部品の全体的な焼入れ又は局部焼入れを行なう。

部品素材は、熱間成形の開始時において、所望の寸法をすでに近似的に有しているので、熱間成形中、部品の輪郭の比較的わずかな調整又は修正しか必要とされない。その結果、部品の余白は、わずかしか変化しないので、部品の余白に対する最終的な縁取りの必要がない。ここで、「部品の余白」は、外側の余白と内側の余白領域（部品の開口の余白）の両方を指している。

従って、従来の熱間成形法と対照的に、本発明による製造方法における過剰な余白領域の縁取りは、熱間成形の前に行なわれる。このとき、部品素材は、軟質な（焼入れしていない）状態にあるので、従来の機械的な方法によって、縁取りすることができる。従って、従来の仕上げプレス加工された部品のレーザ又はウォータジェットによる縁取り加工を省くことができ、その結果、従来のプロセス手順と比較して、処理時間を著しく低減させることができる。同時に、高品質の切断端部が達成される。

さらに、本発明による方法を用いると、部品は、熱間成形工具によって、わずかしか成形されないので、熱間成形工具の工具磨耗を著しく低減することができる。

部品形状は、冷間成形によって、（殆ど）完全に得られるので、部品の製造を、設計の段階中に、従来の成形シミュレーションによって、確認することができる。これによって、部品及び工具の開発コストを低減することができる。

部品の形状をほぼ最終的な形状に成形するのに用いられる冷間成形法が、（多段）深絞り法である場合（請求項２参照）、特段の利点を達成することができる。部品素材の多段成形は、軟質な状態において可能なので、複雑な部品の形状を成形することもできる。切断工具は、都合良く、深絞り工具の最後の段に設けられ、その結果、部品素材の縁取りは、冷間成形工具内において直接なされる。

好ましくは、部品素材を縁取りするのに、機械的な切断手段が用いられる（請求項３参照）。これらの切断手段は、縁取り工具及び／又はプレス抜き工具の形態で、冷間成形工具内に一体化されてもよく、この場合、余白の縁取りは、別の方法ステップでなされず、冷間成形の一部としてなされる（請求項４参照）。

プロセスの全体のサイクル時間をさらに減少させ得るために、縁取りされた部品素材のプレス焼入れのプロセスステップを、熱間成形工具当りの部品の処理能力を可能な限り高めるよう、可能な限り短縮させるように設計すると、有利である。この目的のために、最終的に成形された部品は、可能な限り迅速に冷却されるべきである。有利な実施の形態において、最終的に成形された部品は、冷媒としての（＜０℃の温度の）塩水によって冷却される工具内において、焼入れされる（請求項５参照）。このような塩水は、特に高い熱伝導率と熱容量とを有している。このようにして、部品の特に迅速な冷却を達成することができる。

（複数の工具の組に対応する）複数のステーションにわたって、部品を冷却させる場合、プロセスの全体のサイクル時間のさらなる短縮を達成することができる。この場合、第１ステーションにおいて、部品の温度がマルテンサイト境界温度よりも低い温度に降下するまで、部品を冷却する。この部品の強度は、次のステーション（又は次の工具）へのさらなる移送に対してすでに十分である。この第２ステーション（又は一連のさらなるステーション）において、部品を手が触れることのできる温度まで冷却する。

有利な構成において、空気焼入れ鋼からなる半製品が、部品を製造するのに用いられる（請求項６参照）。空気焼入れ鋼の利点は、原理的に、どのような付加的な冷却（例えば、熱間成形工具による冷却）も、部品を焼入れするのに必要とされない事実にある。この場合、部品素材は、熱間成形工具内において最終的な形状に成形され、次いで、部品の十分な熱安定性、剛性、及び関連する寸法精度が達成されるまで、熱間成形工具内で冷却される。次いで、部品は、熱間成形工具から取り出され、空気中において最終的に冷却される。従って、熱間成形工具は、さらに他の部品素材を受けるのに用いられ得る。このようにして、焼入れされた部品の製造中のサイクル時間をさらに低減させることができる。縁取りされた部品素材の加熱及び熱間成形を不活性ガス下において行なう場合（請求項７参照）、金ごけ（スケール）が部品に形成されず、従って、複雑な後続の金ごけ（スケール）落しが不要になるというさらなる利点が得られる。

不活性ガス下におけるこのような加熱及び熱処理中、部品には表面汚染がないので、都合良く、熱間成形及び焼入れに続いて（すなわち、マルテンサイト温度よりも低い温度に冷却した後）、表面被覆を直接に施すことができる（請求項８参照）。この表面被覆の過程において、特に腐食しにくい保護被膜を、（例えば、亜鉛メッキによって）、部品の表面に塗膜することができる。この場合、熱間成形によって生じ、部品内に残る残留熱を直接に利用することができる。さらに、焼き戻しによる部品の熱処理を行なうこともできる。

熱間成形前の縁取りされた部品素材の加熱を、連続炉内において行なってもよい（請求項９参照）。これに代えて、上記の加熱は、誘導加熱によってもなされる（請求項１０参照）。このような誘導加熱は極めて迅速になされ、この理由によって、この場合、全プロセス時間の付加的な利益を達成することができる。さらに、加熱期間が短いので、加熱中に、部品の表面に無視できる金ごけ（スケール）しか生成されず、この理由によって、不活性ガスの使用を省略することができる。誘導加熱は、プレス焼入れされるのが、部品の全体ではなく、選択された領域のみであるような用途において、特別の利点を有する。この場合、誘導子の適切な構成によって、熱間成形工具において、焼入れされる領域のみが選択的に加熱され、次いで焼入れされる。一方、残りの領域、すなわち、熱間成形工具によって成形されているが、加熱されていない領域は、元の延性を維持する。代替的又は付加的に、誘導加熱によって、部品の特性をシートの厚みにわたって設定することができる（「軟質コアー硬質外層」）。このようにして、仕上げ部品に対して、局部的に変化し得る強度及び剛性特性を達成することができる。

誘導加熱を行なうために、連続炉におけるのと同様に、別の加熱ステーションが、切断装置と熱間成形工具との間に設けられてもよい。ある加熱距離が必要である連続炉における加熱と対照的に、誘導加熱は空間を必要とせず、これを要因として、コスト節約が得られる。誘導子の形状及び配置は、縁取りされた部品素材又は加熱される領域の形状に一致させる。別の加熱ステーションにおける加熱に対する代替案として、加熱は、（余白の縁取りの直後に）切断装置内においてなされてもよく、又は（熱間成形の直前に）熱間成形工具内においてなされてもよい。この目的のために、内部誘導子が切断装置又は成形工具に設けられる。あるいは、余白縁取りの後又は熱間成形の前に、開いた切断装置又は開いた熱間成形工具内に挿入され、部品の所望の箇所に位置決めされる適切に造形された外部誘導子によって、部品を加熱する。

以下、図面に示される例示的な実施の形態を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。

図１ａ〜１ｅは、半製品２から三次元に成形され、かつプレス焼入れされた部品１を製造するための本発明による方法を概略的に示している。本例示的な実施の形態において、用いられる半製品２は、巻き戻されたシートコイルから裁断したシート素材３である。これに代えて、用いられる半製品は、例えば、特許文献１に記載されているような、下地シートと少なくとも１つの補強シートからなる複合シートであってもよい。さらに、用いられる半製品は、異なる材料厚み及び／又は異なる材料構成の溶接によって一体化された複数のシートからなるオーダメードの素材であってもよい。代替的に、半製品は、所望の成形方法によって製造され、本発明による方法によってさらに成形され、強度／剛性を増大させる三次元に成形されたシート金属部品であってもよい。

半製品２は、熱間加工可能なシートからなる。このとき、ＢＴＲ １５５の商品名でベンテラー（Ｂｅｎｔｅｌｅｒ）から市販されている空気焼入れ鋼が、このような材料の例として挙げられる。この鋼は、以下に記載される合金組成を有している。この場合、母合金に添加される合金相手の含有量は、重量％であると理解されるべきである。
炭素：０．１８−０．２８％
シリコーン：０．７％ 最大
マンガン：２．００−４．００％
リン：０．０２５％ 最大
硫黄：０．０１０％ 最大
クロム：０．７％ 最大
モリブデン：０．５５％ 最大
ニッケル：０．６％ 最大
アルミニウム：０．０２０−０．０６０％

第１プロセスステップＩにおいて、図１ａに示されるように、シート素材３をコイル５の巻き戻された真直ぐな部分から裁断する。このとき、熱間加工可能な材料は、「軟質な」（すなわち、焼入れされていない）状態にあるので、シート素材３は、従来の機械的切断手段、例えば、往復せん断機４によって、いかなる問題もなく、裁断される。大量生産の用途には、好ましくは、打抜きプレス６によって、素材３を所定の寸法に切断する。この打抜きプレス６は、コイル５の自動送給と、自動打抜きと、裁断されたシート素材３の排出とを確実に行なう。このようにして裁断されたシート素材３が、概略的な透視図である図２ａに示されている。

裁断されたシート素材３をスタック７上に積み重ね、積層された形態で、冷間成形ステーション８に送給する（図１ｂ参照）。ここで、第２プロセスステップＩＩにおいて、部品素材１０を、冷間成形工具８、この例では、２段深絞り工具９によって、シート素材３から成形する。高品質の部品形状の成形を制御して確実に行なうために、冷間成形プロセス中、シート素材３の予め定められた最適な材料の流れを、特に確保しなければならない。これを達成するために、シート素材３は、成形されるべき部品１の（図２ａにおいて破線で示される）外側輪郭１２から突き出している余白領域１１を有している。絞りプロセス中、止め具１３によって、これらの余白領域１１に力を加える。これらの力は、シート素材３に特定の材料の流れを生じさせ、高品質の絞りの結果をもたらす。

この冷間成形プロセス（プロセスステップＩＩ）の過程において、部品素材１０は、ほぼ最終的な形状に成形される。この場合、「ほぼ最終的な形状」は、冷間成形プロセスが完了した後、最終部品１の形状における巨視的な材料の流れを伴う部分が部品素材１０内に完全に形成されているという事実を示している。従って、部品１の三次元形状を得るために、冷間成形プロセス（プロセスステップＩＩ）が完了した後、最小の（局部的な）材料の流れを必要とするわずかな形状の調整しか必要とされない。この部品素材１０は、図２ｂに示されている。

部品の形状の複雑さに依存して、ほぼ最終的な形状への成形を、単一の深絞り段階で行なってもよく、又は複数段、例えば、図１ｂに示される２段深絞りプレス９によって、行ってもよい。

冷間成形プロセスに続いて、部品素材１０を切断装置１５内に挿入し、そこで部品素材１０を縁取り加工する（プロセスステップＩＩＩ、図１ｃ）。部品素材１０の材料は、この時、まだ「軟質な」状態、すなわち、焼入れされていない状態にあるので、この縁取りプロセスを、（特に、切断刃、縁取り及び／又は打抜き工具を有する）機械的切断手段１４によって行なってもよい。

縁取り作業のために、図１ｃに示されるような別体の切断装置１５を設けてもよい。これに代えて、切断手段１４を深絞り工具９の最後の段９’内に一体化させ、部品素材１０の仕上げ成形に加えて、余白の縁取りも最後の深絞り段９’において、行ってもよい。

従って、冷間成形プロセス及び縁取りプロセス（プロセスステップＩＩ及びＩＩＩ）によって、ほぼ最終的な形状に縁取りされた部品素材１７が、シート素材３から製造される。この縁取りされた部品素材１７は、その三次元形状及びその余白輪郭１２’の両方に関して、所望の部品形状からわずかしかずれていない。切り取った余白領域１１を切断装置１５内で排出し、部品素材１７（図２ｃ）を、マニプレータ１９によって、切断装置１５から取り出し、次のプロセスステップに送給する。

次のプロセスステップＩＶ（図１ｄ）において、縁取りされた部品素材１７に熱間成形を施す。この熱間成形の過程において、縁取りされた部品素材１７を最終部品１の形状に成形し、焼入れする。この目的のために、縁取りされた部品素材１７を、マニプレータ２０によって、連続炉２１内に挿入し、この炉内において、その部品素材１７をオーステナイト状態の組織の変態点を超える温度に加熱する。鋼種に依存するが、これは、７００℃から１１００℃の間の温度への加熱に相当する。縁取りされた素材１７の被膜の付いていない断面部１２’、又は、被膜処理されていないシートを用いるときは、素材の全面への金ごけ（スケール）の生成を防ぐために、特定の不活性ガスを十分に加えることによって、連続炉２１の雰囲気を不活性にすると有利である。用いられる不活性ガスは、例えば、炭酸ガス及び／又は窒素であるとよい。

次いで、加熱された後の縁取りされた部品素材１７を、マニプレータ２２によって、熱間成形工具２３内に挿入し、この工具２３内において、縁取りされた部品素材１７の三次元形状及び余白輪郭１２’に、最終的な所望の寸法を与える。縁取りされた部品素材１７はすでにほぼ最終的な形状の寸法を有しているので、熱間成形中、わずかな形状の調整しか必要とされない。熱間成形工具２３内において、縁取りされた部品素材１７を最終成形し、迅速に冷却し、その結果、微細粒のマルテンサイト又はベイナイト材料組織を確定する。この方法ステップは、部品１の焼入れに相当し、材料強度を具体的に確定することができる。この焼入れプロセスの詳細及び種々の構成は、例えば、特許文献１に記載されている。この場合、部品１の全体にわたる焼入れを行なってもよいし、これに代えて、熱間成形工具の適切な形状（例えば、絶縁挿入物、空気間隙など）によって、部品１の選択された領域を焼入れから外し、部品１を局部的にのみ焼入れしてもよい。

部品１の所望の焼入れ状態に達したら、部品１を熱間成形工具２３から取り出す。部品素材１０が、熱間成形プロセスに先立って、ほぼ最終的な形状に縁取りされているという事実によって、及び熱間成形工具２３内での外側余白１２’の調整によって、熱間成形プロセスが完了した後、部品１はすでに所望の外側輪郭２４を有している。その結果、熱間成形の後、部品の余白の時間の掛かる縁取りを行なう必要がない。

熱間成形の過程において部品１の迅速な焼入れを達成するために、塩水によって冷却された熱間成形工具２３において、部品１を焼入れする。このような塩水は、高い熱伝導率と熱容量とを有し、周囲を流れる。添加された塩に依存するが、塩水は、水の凝固点よりもかなり低い温度まで、冷却され得る。

一般に、部品１の熱間成形に伴って、部品表面に金ごけ（スケール）が生成されるので、さらに他の方法ステップ（プロセスステップＶ、図１ｅ）において、部品１を、乾式清浄ステーション２５において（例えば、ショットブラストによって）、金ごけ（スケール）落しをしなければならない。

軟質な状態で部品素材１０をほぼ最終的な形状に縁取りする加工を含む図１ａ〜１ｅに示される方法手順は、仕上げられた焼入れ部品を、熱間成形の後になって、（レーザ）加工によって最終寸法に縁取りする従来の方法手順と比較して、サイクル時間を著しく低減させる。本発明による方法を用いれば、熱間成形（プロセスステップＩＶ）が完了した後、部品１は、すでに所望の最終的な外側輪郭２４を有しているので、従来の方法手順において障害をなす硬質な状態での縁取り加工が不要になる。

本発明による方法手順において、熱間成形工具２３における最終的に成形された部品１の冷却は、この方法の全体の障害となる。何故なら、工具２３内における焼入れ中、シートの厚み、加工品の寸法、及び最終温度によるが、必要とされる全体的な冷却時間は、工具に一体化された冷却の設計が良好な場合、約２０秒〜４０秒で、殆どの場合、２５秒から３０秒の範囲内である。ここで、サイクル時間の短縮は、部品１の材料として空気焼入れ鋼を用いることによって、達成することができる。この場合、部品１の十分な熱安定性、剛性、及び関連する寸法精度が達成されるまで、その部品１を熱間成形工具２３内で冷却することだけが必要である。次いで、部品１を工具２３から取り出すことができる。さらなる熱処理は、工具２３の外の空気中でなされ、熱間成形工具２３は、次の部品素材１７を受けるのに用いられ得る。このようにして、熱間成形工具２３内における部品１の滞留時間を数秒（＜１０秒）に短縮することができる。これによって、全サイクル時間のさらなる短縮が得られる。

サイクル時間の付加的な節約、すなわち、短縮は、部品素材１７の加熱のみならず、熱間成形も不活性ガス雰囲気中において行なうことによって、達成することができる。この場合、図１ｄにおいて破線で示されるように、成形工具２３を連続炉２１の不活性ガス雰囲気２６内に内蔵させる。その結果、金ごけ（スケール）の生じないプレス焼入れプロセスを達成し、これまでは必要とされていた部品１の後続の乾式清浄（プロセスステップＶ）を省くことができる。

連続炉２１内での部品素材１７の加熱の代替案として、加熱を誘導加熱により行なってもよい。

プレス焼入れされた部品を製造するための本発明による製造プロセスの方法を示す。 図１ａ：素材を所定寸法に切断（ステップＩ） 図１ｂ：冷間成形（ステップＩＩ） 図１ｃ：余白の縁取り（ステップＩＩＩ） 図１ｄ：熱間成形（ステップＩＶ） 図１ｅ：乾式清浄（ステップＶ） 製造中の部品の選択された中間段階の透視図。 図２ａ：半製品 図２ｂ：半製品から形成された部品素材 図２ｃ：縁取りされた部品素材 図２ｄ：仕上げ部品

Claims (10)

1. 焼入れしていない熱間加工可能な鋼シートから作られた半製品から、金属成形部品を製造する方法であって、以下の方法ステップ、
   部品素材（１０）が、冷間成形法によって、前記半製品（２）から形成され（プロセスステップＩＩ）、
   前記部品素材（１０）が、その余白において、最終的な縁取り加工ステップを省くことができるように、製造される前記部品（１）に近似する余白輪郭（１２’）に縁取りされ（プロセスステップＩＩＩ）、
   前記縁取りされた部品素材（１７）が、加熱され、熱間成形工具（２３）内においてプレス焼入れされる（プロセスステップＩＶ）
   を含む方法。
2. 前記部品素材（１０）を前記半製品（２）から成形するのに、深絞り法が用いられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記部品素材（１０）が、機械的切断法（１５）によって、縁取りされることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記部品素材（１０）の前記縁取りが、前記冷間成形の一部としてなされることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記工具（２３）が、塩水によって冷却されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記半製品（２）が、空気焼入れ鋼合金から作られることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記縁取りされた部品素材（１７）の前記加熱及び熱間成形が、不活性ガス雰囲気（２６）内においてなされることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記部品（１）が、前記熱間成形（プロセスステップＩＶ）の後、マルテンサイト変態終了温度よりも低い温度に冷却され、
   その直後、表面被覆が設けられる
   ことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. プロセスステップＩＶにおける前記縁取りされた部品素材（１７）の加熱が、連続炉（２１）内においてなされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. プロセスステップＩＶにおける前記縁取りされた部品素材（１７）の加熱が、誘導加熱によってなされることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。

Images