JP5249347B2 - 形状が複雑な成形品製造のための超高強度鋼鉄成形体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超高強度鋼鉄成形体製造方法に関し、より詳細には、形状が複雑だったり、加工深さが深い製品の生産に適した超高強度鋼鉄成形体製造方法に関する。

最近になり、搭乗者の安全性を保障するための衝突性能についてその基準が順次厳格になってきている。併せて、地球温暖化の主要原因といわれる二酸化炭素の排出量に対する規制が厳しくなってきており、燃費向上の必要性も持続的に要求されている。このためには十分な車体の剛性と車両の軽量化をいずれも満たさなければならない。

超高強度鋼板を用いる場合、より薄い鋼板を用いて要求される剛性を満たすことができる。
超高強度鋼板を用いて自動車用部品を製造する従来の工程を詳察すると、まずコイルをシート形態に裁断し、シートを大まかな形状にブランキングし、ブランキングした素材をオーステナイト領域に加熱した後、加熱状態で成形金型に移動して所望の部品形状に成形すると同時に金型で固定された状態で急冷することにより、寸法精度が高い高強度部品を製造していた。

図１は従来の鋼鉄成形体製造方法を示す工程図である。
図示した通り、コイル受け台１１０で鋼板コイル１００を伸ばし、切断機１２０を通過させて鋼鉄シート１３０を裁断する。次に、ブランキングした素材１５０を加熱炉１４０を通過させて加熱した後、加熱された状態で金型１８０で熱間成形して製品１９０を成形する。金型１８０に流路１８５を形成し、金型が閉じられた状態で流路１８５に冷媒又は冷却水を供給して金型と製品を同時に冷却させる。

このように製造された製品は、剪断機で正確な寸法に切らなければならないが、この過程を経て製造された超高強度部品は、剪断機で正確な寸法に剪断するには強度があまりにも高く（約１５００ＭＰａ）、材料の切断に必要な切断力があまりにも大きく、また、工具の摩耗度も高くて生産原価が増加する問題を有している。

また、剪断時にバリ(burr)の発生が甚だしく、高強度材料のノッチ感度によって部品内で亀裂が発生するおそれも大きくなる。

このような問題を解消するために、一般にレーザ切断又はウォータジェット切断が用いられる場合が多かった。ところが、レーザ又はウォータジェットによる剪断は、切断部が非常にきれいで品質に優れる長所があるが、工程時間が素材の厚さや剪断する長さ、寸法公差の精度によって長くなる問題を有している。従って、場合により、剪断工程が製造工程全体で工程時間を遅延させる遅延工程として作用し得る問題を有している。

また、製品の加工深さが深い場合や製品の形状が複雑な場合、熱間成形時の変形量があまりにも多く、製品の局部的な損傷や欠陥が発生する問題を有している。

本発明は、加工深さが深い難成形製品を製造するのに適した超高強度鋼鉄成形体製造方法を提供することを目的とする。

また、製品の成形を冷間成形で５０〜８０％行い、残部を熱間成形で行うようにすることにより、成形時に発生する製品の損傷や欠陥を防止できる超高強度鋼鉄成形体製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、硬化能を有する鋼板シートを大まかな形状にブランキングして切断するシート用意段階と、前記鋼板シートを冷間プレス成形して最終製品の５０〜８０％の形態に成形する冷間成形段階と、前記冷間成形された製品を完成品の外形に対応する外郭線に沿って精密に裁断するトリミング段階と、前記トリミングされた製品をオーステナイト化される７００℃以上に加熱した後、加熱された状態で残り２０〜５０％の熱間プレス成形と同時に急冷させる熱間成形及び冷却段階とを備えることを特徴とする超高強度鋼鉄成形体製造方法を提供する。

本発明に係る鋼鉄成形体製造方法は、製品の形状を冷間成形で最終製品の５０〜８０％の範囲まで成形した後、熱間成形で残りの部分を成形することにより、一度に多くの量を成形する場合に発生する製品の損傷や欠陥を防止することができる効果をもたらす。

また、穿孔が必要な場合、パンチング作業は熱間成形及び冷却後の仕上処理段階でなされるようにすることにより、熱間成形時に製品の変形によって穿孔位置に誤差が発生する問題を解決する効果をもたらす。

また、トリミング段階で製品の最終形状にできる限り近く切断作業を行うようにすることにより、硬化後になされるレーザやウォータジェットを利用した後処理工程を最少化することにより、従来の後処理工程による費用と生産速度の問題を減らせる効果もある。

従来の鋼鉄成形体製造方法を概略的に示した工程図である。 本発明に係る鋼鉄成形体製造方法を示したフローチャートである。 本発明に係る鋼鉄成形体製造方法の完成品と冷間成形品、熱間成形品の成形程度を示した概念図である。 本発明に係る鋼鉄成形体製造方法を概略的に示した工程図である。

以下、添付の図面を参照して本発明に係る鋼鉄成形体製造方法の実施例を説明する。
図面に示されている線の太さや構成要素の大きさなどは、説明の明瞭性及び便宜上、誇張されて示される場合もある。また、本文中の用語は、本発明における機能を考慮して定義された用語であって、これらは使用者及び運用者の意図又は慣例により変わることがある。従って、このような用語に対する定義は、本明細書の全般に渡った内容に基づいて下さなければならないだろう。

以下、添付した図面を参照して本発明に係る超高強度鋼鉄成形体製造方法及びこれを用いて製造した鋼鉄成形体について説明する。
図２は本発明に係る鋼鉄成形体製造方法を示したフローチャートであり、図３は完成品と冷間成形品、熱間成形品の成形程度を示した概念図であり、図４は本発明に係る鋼鉄成形体製造方法を示した概略図である。

図２を参照すると、本発明に係る超高強度鋼鉄成形体製造方法は、
ａ）硬化能を有する鋼板シートを大まかな形状にブランキングして切断するシート用意段階（Ｓ−２１）、
ｂ）前記鋼板シートを冷間プレス成形して最終製品の５０〜８０％の形態に成形する冷間成形段階（Ｓ−２２）、
ｃ）前記冷間成形された製品を完成品の外郭線に沿って精密に裁断するトリミング段階（Ｓ−２３）、
ｄ）前記トリミングされた製品をオーステナイト化される７００℃以上に加熱した後、加熱された状態で残り２０〜５０％の熱間プレス成形と同時に急冷させる熱間成形及び冷却段階（Ｓ−２４）と、
ｅ）レーザ又はウォータジェットを用いた最終トリミング及び必要な場合はパンチング作業を行う仕上処理段階（Ｓ−２５）とを備える。

本発明は、冷間成形段階（Ｓ−２２）で最終製品の形状の５０〜８０％になるように成形した後、残りの残部の成形は、熱間成形でなされることを特徴とする。
ここで、成形の比率は、３次元的な形状の問題となるために、数値で限定する曖昧な概念である。本発明では、成形比率を最終製品の高さ（又は深さ）に対する比率で定義する。例えば、加工後の製品の高さが５００ｍｍであれば、冷間成形でブランキングした素材を用いて成形した製品の高さが３５０ｍｍになった場合、成形比率は７０％になる。

図３を参照すると、例えば図面の左側のような完成品を成形しようとする場合、図面の中央のような冷間成形製品を経て、図面の右側のような熱間成形製品が完成する。
冷間成形では、最終製品の５０〜８０％になるように成形し、その状態でトリミング段階を行ってオーステナイト化される温度以上に加熱した後、熱間成形で残部を成形して完成品の形状を作る。
このように順次成形をすれば、一度に多くの量を成形する場合に比べて表面の損傷や変形、破壊などを減少させることができる。

冷間成形で５０％以下に成形すれば、熱間成形の量が増加して冷間成形製品と最終成形製品との間の形状の差が大きく、トリミング段階で最終製品の形状を正確に予測するのが難しくなるので、レーザによる追加切断などの後処理作業の量が増加する問題があり、
冷間成形で８０％以上に成形すれば、冷間成形の量があまりにも多く、冷間成形時に製品の表面にクラックなどの損傷が発生し得る。

トリミング段階（Ｓ−２３）は、冷間成形された製品を熱間成形後、冷却段階を経た形状を予測して、できるだけ最終製品に近くなるように裁断する工程である。
トリミング段階（Ｓ−２３）は、硬化以前になされるために、後処理作業に比べて比較的容易かつ正確になされる。
トリミング段階（Ｓ−２３）は、素材の種類、組成、厚さなどのような要素と部品の形状などにより、試行錯誤を経て最終製品の形状を予測し、できるだけ最終製品の形状に近くなるように裁断する。

問題は、製品の外郭形状が複雑な場合、熱間成形後に発生する変形量を正確に予測するのが難しい場合が発生するが、この場合には形状予測の難しい部分のみ局部的にマージンを付与し、マージンが付与された部分は、仕上処理段階でレーザ加工などを用いて最終形状に切断することにより、部品全体の寸法精度を達成することが望ましい。
熱間成形以前に不要な部分（製品以外の部分）をトリミング段階（Ｓ−２３）で除去した後、熱間成形及び冷却段階（Ｓ−２４）がなされるようにすることにより、クエンチングによって強度が上昇する前に大部分の切断作業を行うことにより、作業の効率性を向上させることができる。

仕上処理段階（Ｓ−２５）は、トリミング段階（Ｓ−２３）で完全な製品の形状の切断がなされない場合、ウォータジェットやレーザを用いて最終的な形状に仕上げ、必要な部分にパンチングで穿孔する段階である。この仕上処理段階（Ｓ−２５）は、製造する成形体の形状に応じて不要なこともある。
即ち、試行錯誤を経て正確なトリミングが可能な範囲まではトリミング段階（Ｓ−２３）で切断し、正確な予測が不可能な外郭線部分は局部的にマージンを付与して切断した後、マージンが付与された部分は仕上処理段階（Ｓ−２５）で最終形状に精密裁断するので、形状が比較的単純な場合は仕上処理段階での最終形状への裁断作業が不要なこともある。

パンチング作業は、トリミングに比べて高い強度でも比較的円滑になされるため、仕上処理段階（Ｓ−２５）でなされることが望ましい。
パンチング作業が熱間成形及び冷却段階以前になされれば、熱間成形及び冷却過程で素材の不均一な延伸又は捩れ等により、パンチング位置に誤差が発生し得る。

次に、図４を参照して個別工程について具体的に説明する。
本発明に係る鋼鉄成形体製造方法は、約５９０ＭＰａ級の鋼板素材を用いて１１８０ＭＰａ級以上の超高強度鋼鉄成形体を製造できる方法を提供する。

まず、シート用意段階（Ｓ−２１）では、熱延鋼板コイルを切断又はブランキングして鋼板シートを製造する。図示した工程図では受け台１１０で鋼板コイル１００を伸ばし、切断機１２０を通過させて鋼板シート１３０を製造する。
このとき、鋼板シート１３０の材質は、炭素（Ｃ）０．１〜０．４ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）０．５ｗｔ％以下、窒素（Ｎ）０．１ｗｔ％以下、アルミニウム（Ａｌ）０．０１〜０．１ｗｔ％、リン（Ｐ）０．０５ｗｔ％以下、マンガン（Ｍｎ）０．８〜２ｗｔ％、ボロン（Ｂ）０．００２〜０．０１ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）を０．１〜０．５ｗｔ％及び残りの成分として鉄（Ｆｅ）とその他不可避に添加される不純物を含むことが望ましい。
このような材質の鋼板シートは、約５５０〜６５０ＭＰａの引張強度を有し、最終成形製品は、クエンチング効果により、約１３００〜１６００ＭＰａの引張強度を有するようになる。

鋼板シートをプレス加工するためには、製品の形状以外にホルダにより固定される余分な空間が必要であるが、この余分な空間は冷間成形段階（Ｓ−２２）まで必要である。本発明は、成形を２回にわたって行い、冷間成形で大部分の変形がなされるため、熱間成形段階ではホルダによって固定される余分な空間が必要ではない。

冷間成形段階（Ｓ−２２）は、鋼板シート１３０を最終製品の５０〜８０％水準に成形するためのもので、このとき、鋼板シート１３０の引張強度は、５９０ＭＰａ前後である。この引張強度でもスプリングバック現象などによって寸法精度が正しくならず、加工深さが深い場合には、冷間成形で変形量が多く不良が発生する確率が高くなるので、冷間成形で最終形状の５０〜８０％水準まで成形し、残りの成形量は熱間成形及び冷却段階（Ｓ−２４）でなされることが望ましい。
冷間成形段階（Ｓ−２２）では、完成品程度の寸法精度で加工するのではなく、可能な範囲の寸法精度まで成形すればよい。

冷間成形段階（Ｓ−２２）後には、トリミング段階（Ｓ−２３）で製品形状１６０以外の不要な部分１６２を除去する。冷間成形段階（Ｓ−２２）では加工量が多く、ホルダによって固定される余分な空間が必要であるが、熱間成形段階（Ｓ−２４）では変形量が少ないため、ホルダによって固定される余分な空間が必要ではなく、また、熱間成形段階（Ｓ−２４）を経た後には強度が増加して素材の切断が容易ではないため、トリミング段階（Ｓ−２３）でできる限り製品形状１６０以外の不要な部分１６２を裁断し、できる限り完成品に近くなるように素材の外郭を裁断する。
トリミング段階（Ｓ−２３）でパンチング作業を行うこともできるが、熱間成形時に変形が発生してパンチングされたホールの形状や位置が変更されることがあるため、パンチング作業は仕上処理段階（Ｓ−２５）で行うことが望ましい。

熱間成形及び冷却段階（Ｓ−２４）は、トリミング段階（Ｓ−２３）を経た製品１８０を高温に温めた後、金型で成形すると同時にその金型とともに冷却し、素材の温度を急激に下げるクエンチング効果を通じて素材の強度を本来より２〜３倍以上に向上させる。
本発明によって製造される超高強度鋼鉄成形体の完成品は、１１８０ＭＰａ以上の引張強度を有するようになる。

熱間成形及び急冷段階（Ｓ−２４）は、まず加熱炉１７０を通過させてトリミングされた製品１８０をオーステナイト化できる温度である７００℃以上、望ましくは７００〜９９０℃の範囲に加熱する。このとき、昇温速度は特に制限はないが、５〜８０℃／秒の範囲であることが望ましい。昇温速度が５℃／秒以下の場合には、生産性があまりにも落ちるために非効率的で、昇温速度が８０℃／秒以上の場合には、メッキ層が蒸発するおそれがあるので、８０℃／秒以下に限定することが望ましい。

一般に、マルテンサイト組織を得るためには、マルテンサイト変態開始温度と冷却速度との関係が非常に重要である。即ち、マルテンサイト変態開始以上の温度で成形が始まらなければならず、また、マルテンサイト変態終了温度以下で金型１９０から部品が取り出されなければならない。

加熱炉１７０内での素材の最終加熱温度は、オーステナイト安定化温度以上９９０℃以下とし、その維持時間は、３〜６分とすることが望ましい。その理由は、通常鋼材がオーステナイト安定化温度に加熱されてこそ急冷後の部品に要求される強度を確保することができる組織状態が得られるようになるためであり、その一方、９５０℃超のときは、製品１３０の表面に形成されたコーティング層が蒸発し得るためである。

また、維持時間は、製品１８０の素材の応力除去による均一の組織を得て、加熱後の工程で均一の加工性を確保するためのもので、加熱炉１４０での製品１８０の維持時間は、多数回の実験結果、３分未満の場合は残留オーステナイトの生成程度が十分ではなくなり、６分を超えるとオーステナイト結晶粒が成長して急冷後の最終製品の強度が若干減少する傾向を示すので、その維持時間を３〜６分とすることが最も望ましい。

トリミングされた製品１８０が加熱された状態で熱間成形をし、プレス金型１９０が製品１９５を圧着した状態で、金型と製品をともに急冷して寸法精度に優れた高強度鋼鉄成形体を製造する。
成形と同時に急冷がなされなければならないので、金型１９０の内部には冷却水が流れるように流路１９２を形成する。このとき、流路１９２は一般に金型１９０を貫通するように形成されており、ただし本発明ではこの金型１９０内の流路設計などにより権利範囲が制限はされない。
ここで、急冷速度は２０℃／秒以上に維持することが望ましいが、その理由はマルテンサイト組織への相変態が容易になされるようにするためである。

即ち、高温に加熱された製品１９５が２０℃／秒以下の冷却速度で冷却されると、その組織がパーライト又はベイナイト組織を有するようになって十分な強度を有することができなくなることもある。従って、急冷速度を維持して素地鉄部分が完全にマルテンサイト構造に相変態がなされるようにすることが望ましい。
最後に、必要な場合、金型１９０から取り出される鋼鉄成形体をレーザ又はウォータジェットを用いて仕上処理する。

本発明に係る超高強度鋼鉄成形体製造方法を用いれば、高強度を有する自動車用部品であるセンターピラー補強帯、ルーフサイド補強帯及びサイドシル補強帯を容易に製造できる。
ここで、センターピラー補強帯は乗用車のフロントドアとリアドアとの間に位置する柱状の部品であり、ルーフサイド補強帯は車体のドアフレームを形成する部品であり、サイドシル補強帯は車体のサイドステップ下方に位置する部品である。これらは全て超高強度を要求するもので、本発明に係る超高強度鋼鉄成形体製造方法によると、高強度の確保がさらに容易になり、寸法精度と生産性を向上させることができる。

この本発明に係る鋼鉄成形体製造方法は特に素材に制限がないので、メッキ層のないＢａｒｅ材及びメッキ材（Ａｌ−Ｓｉ等のアルミニウム系又はＺｎ−Ｆｅの亜鉛系）にいずれも適用が可能である。

以上、添付した図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるわけではなく、異なった多様な形態に変形でき、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更せずに他の具体的な形態で実施できることを理解することができるであろう。従って、以上で記述した実施例はあらゆる面で例示的なものであり、限定的なものではないことを理解すべきである。

１００：鋼板コイル、１１０：受け台、１２０：切断機、１３０：鋼鉄シート、１４０：加熱炉、１５０：素材、１６０：製品形状、１７０：加熱炉、１８０：金型、１８５：流路、１９０：金型、１９２：流路、１９５：製品

Claims (5)

1. ａ）硬化能を有する鋼板シートをブランキングして切断するシート用意段階と、
   ｂ）用意された鋼板シートを冷間プレス成形して最終製品の高さの５０〜８０％に成形する冷間成形段階と、
   ｃ）冷間成形された製品を完成品の外形に対応する外郭線に沿って裁断するトリミング段階と、
   ｄ）トリミングされた製品をオーステナイト化される７００℃以上に加熱した後、加熱された状態で残りの成形量の２０〜５０％の熱間プレス成形をすると同時に急冷させる熱間成形及び冷却段階と、
   ｅ）レーザ又はウォータジェットを用いた最終トリミング作業とパンチング作業とを遂行する仕上処理段階と、
   を備え、
   前記トリミング段階ｃ）における、冷間成形された製品を完成品の外形に対応する外郭線に沿って裁断するトリミングは、試行錯誤を経て完成品の最終形状に近くなるように冷間成形された製品の外郭線を裁断するものの、予測が難しい外郭線部分には局部的にマージンを付与して裁断するとともに、
   前記仕上処理段階ｅ）は、前記トリミング段階ｃ）で付与されたマージンを最終形状に切断する、
   ことを特徴とする超高強度鋼鉄成形体製造方法。
2. 前記鋼板シートは、炭素（Ｃ）０．１〜０．４ｗｔ％、シリコン（Ｓｉ）０．５ｗｔ％以下、窒素（Ｎ）０．１ｗｔ％以下、アルミニウム（Ａｌ）０．０１〜０．１ｗｔ％、リン（Ｐ）０．０５ｗｔ％以下、マンガン（Ｍｎ）０．８〜２ｗｔ％、ボロン（Ｂ）０．００２〜０．０１ｗｔ％、モリブデン（Ｍｏ）又はクロム（Ｃｒ）０．１〜０．５ｗｔ％及び残りの成分として鉄（Ｆｅ）とその他不可避に添加される不純物を含むことを特徴とする請求項１に記載の超高強度鋼鉄成形体製造方法。
3. 前記熱間成形と急冷段階とを経た後には、製品が１１８０ＭＰａ以上の強度を有することを特徴とする請求項１に記載の超高強度鋼鉄成形体製造方法。
4. 前記熱間成形及び冷却段階で昇温速度は、５〜８０℃／秒の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度鋼鉄成形体製造方法。
5. 前記熱間成形及び冷却段階で冷却速度は、２０℃／秒以上であることを特徴とする請求項１に記載の超高強度鋼鉄成形体製造方法。

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