JP5515304B2

JP5515304B2 - 鋼板の熱間プレス成形方法及び熱間プレス成形装置

Info

Publication number: JP5515304B2
Application number: JP2009019462A
Authority: JP
Inventors: 裕一石森; 弘福地
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-01-30
Also published as: JP2010172948A

Description

本発明は、高温の鋼板をプレス成形する際に鋼板に冷媒を供給して冷却する熱間プレス成形において、鋼板表面での酸化スケールの生成を抑制する成形方法及び成形装置に関するものである。

近年、高張力鋼板を用いた自動車部品材等の鋼板成形手段として採用が拡大している熱間プレス成形は、冷間プレス成形よりも高い温度で成形することによって、変形抵抗が低下し、プレス割れ、しわ、成形後の変形等の成形不具合を発生させることなく所望の形状にプレス成形するものである。

熱間プレス成形方法では、予め加熱炉によって所定温度に加熱された鋼板をダイス上に載置した状態でポンチを下死点まで降下し、次いで鋼板の冷却を一定時間行う。そして、冷却が完了した成形後の鋼板がダイスから取り除かれると、所定温度に加熱された新しい鋼板がダイス上に載置される。したがって、熱間プレス成形においては、生産性の観点から鋼板成形後の冷却時間を短縮することが重要である。

成形後の鋼板の冷却時間を短縮する手段としては、例えば鋼板に対して冷媒として水を供給する冷媒供給機構を金型の内側に設けると共に、金型の表面に一定の高さの複数の独立した凸部を設け、熱間プレス成形後の鋼板に対して冷媒を供給する方法が特許文献１に開示されている。特許文献１によれば、金型表面の凸部と鋼板とによって形成される隙間に冷媒及び冷媒の蒸気が流れるため、短時間で金属板材の冷却を行い、熱間プレス成形の生産性を高めることができる。

特開２００５−１６９３９４号公報

ところで、上述の熱間プレス成形においては、成形を行うために鋼板を加熱炉内で加熱すると、鋼板の表面には酸化スケールが発生し、成形後の後工程、例えば塗装処理工程などに悪影響を与えることがわかっている。この酸化スケールは、成形後の鋼板に、例えばサンドブラストなどを適用することで除去できるが、サンドブラスト用の設備や作業スペースが別途必要となるため、極力加熱炉内において酸化スケールを発生させないようにすることが好ましい。そのため、通常は加熱炉内での鋼板表面の酸化スケール発生抑制するために、加熱炉内を非酸化雰囲気して鋼板を加熱したり、表面に例えばアルミめっきを施した鋼板を使用したり、といった対策がとられている。

しかしながら、発明者らによれば、特許文献１に開示される熱間プレス成形方法により熱間プレス成形を繰り返し実施するうちに、上述の酸化スケール生成の抑制対策がとられているにも拘わらず、金型表面の凸部と凸部の間の凹部に酸化スケールが堆積するという事象が確認された。そして、当該凹部への酸化スケールの堆積により、熱間プレス成形時に金型の凸部と鋼板とによって形成される隙間が閉塞することで、局部的に鋼板の冷却が阻害され、成形後の製品の品質が悪化するという問題が生じた。

これについて発明者らが調べたところ、この酸化スケールは、めっきを施していない普通鋼を成形用の鋼板として用いた際に、冷媒として用いる水に含まれる酸素、すなわち溶存酸素により鋼材の表面が酸化することにより発生したものであることがわかった。そして、金型の凸部と鋼板とによって形成される隙間の閉塞は、鋼材の表面に発生した酸化スケールが熱間プレス成形時に金型の凸部に付着し、凸部に付着していたスケールが剥れて凸部と凸部の間の凹部に堆積することにより発生するものであることが確認された。このため、鋼板として普通鋼を用いる場合は、凹部の閉塞対策として頻繁に金型の清掃作業が必要となり、清掃作業による装置停止のために熱間プレス成形装置の生産性が低下するという問題も生じていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高温の鋼板のプレス成形時に鋼板を水により冷却する熱間プレス成形において、鋼板表面での酸化スケールの発生を抑制することを目的としている。

前記の目的を達成するための本発明は、表面に凸部が形成された金型を用いて、表面にめっき処理を行っていない普通鋼を熱間プレス成形する際に、加熱された鋼板をダイス上に載置し、ポンチを下死点まで降下した状態で、前記凸部によってできる鋼板と金型との間の隙間に水を供給して前記鋼板の冷却を行う熱間プレス成形方法において、前記水は溶存酸素量が１ｐｐｍ〜０．１ｐｐｍに調整されていることを特徴としている。

後述のように、発明者らが調べたところ、溶存酸素量を１ｐｐｍ以下に調整した水を鋼板の冷却に用いることで、熱間プレス成形時に鋼板の表面に発生する酸化スケールを抑制することができることがわかった。したがって、本発明によれば、金型の凸部によって形成される、鋼板と金型との間の隙間に酸化スケールが閉塞して、鋼板の均一な冷却が阻害されることを防止できる。また、これにより、清掃作業を頻繁に行う必要がなくなるので、熱間プレス成形装置の生産性が低下することも防止できる。

前記溶存酸素量が調整された水は、容器内に貯留された水に非酸化性ガスを吹き込むことにより生成してもよく、水を貯留した容器内を減圧することにより生成してもよい。また、容器内に貯留された水を加熱することにより生成してもよい。

別な観点による本発明は、表面に凸部が形成された金型を用いて、表面にめっき処理を行っていない普通鋼を熱間プレス成形する際に、加熱された鋼板をダイス上に載置し、ポンチを下死点まで降下した状態で、前記凸部によってできる鋼板と金型との間の隙間に水を供給して前記鋼板の冷却を行う熱間プレス成形装置であって、前記金型に供給する水を貯留する容器と、前記容器内に貯留される水の中に非酸化性ガスを供給するガス供給管と、を有し、前記容器から鋼板と金型との間の隙間に供給される水は、溶存酸素量が１ｐｐｍ〜０．１ｐｐｍに調整されていることを特徴としている。

本発明によれば、高温の鋼板をプレス成形する際に鋼板を急速に冷却する熱間プレス成形において、鋼板の酸化スケールの発生を抑制することができる。

本実施の形態にかかる熱間プレス成形装置の構成の概略を示す縦断面図である。熱間プレス成形用金型のダイス表面の拡大図である熱間プレス成形用金型のダイスの断面の拡大図である。本発明による熱間プレス成形装置の他の実施の形態を示す縦断面図である。本発明による熱間プレス成形装置の他の実施の形態を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は実施の形態にかかる熱間プレス成形装置１の構成の概略を示す縦断面図である。

熱間プレス成形装置１は、鋼板２を成形するための金型３と、金型３に冷媒として供給する水４を貯留する容器５と、容器５と金型３とに接続され容器５内の水４を金型３に供給する水供給管６を有している。鋼板２を成形する金型３は、下側の金型であるダイス１０と、上側の金型であるポンチ１１とにより構成されている。なお、本実施の形態において鋼板２は、表面にめっき処理を行っていない普通鋼である。

ダイス１０の成形面１０ａには、ポンチ１１を下死点まで降下して鋼板２を熱間プレス成形する際に、鋼板２に対して水４を供給する冷媒供給口１２が設けられている。冷媒供給口１２は、ダイス１０の内部に設けられた水４の流路１３に連通しており、流路１３は水供給管６に接続されている。また、成形面１０ａには、図２及び図３に示すように、一定の高さの独立した複数の凸部１４が形成されている。これにより、ポンチ１１を下死点まで降下した際に、複数の凸部１４と凸部１４との間の凹部、すなわち凸部１４によりダイス１０と鋼板２との間に形成される隙間に冷媒供給口１２から供給される水４を流し、鋼板２の冷却を短時間で行えるように構成されている。

容器５は、気密に形成された圧力容器であり、ガス供給源（図示せず）から所定の圧力で供給される非酸化性ガス１５を容器５内に導入するガス供給管２０と、容器５の上面に設けられ容器５内の雰囲気を外部に放出する放出管２１と、容器５内に水４を補給するための補給管２２を有している。ガス供給管２０は、容器５内に貯留される水４の中に非酸化性ガス１５を吹き込むことができる位置、例えば容器５の底面に接続されている。放出管２１には逃がし弁２３が設けられ、逃がし弁２３により、容器５内の雰囲気の放出量を調整することで、容器５内の圧力をガス供給管２０から供給される非酸化性ガス１５の圧力より低い圧力に保っている。これにより、容器５内の圧力とガス供給管２０供給される非酸化性ガス１５との圧力が等しくなり、容器５内に非酸化性ガス１５が供給されなくなることを防止している。なお、逃がし弁２３は、容器５の上面に連通して設けられた放出管２３容器５内の圧力をガス供給管２０から供給される非酸化性ガス１５の圧力以下に保てるものであればよい。したがって、例えば１次側、すなわち容器５内の圧力を一定に制御する機械式の圧力調節弁を用いてもよく、容器５内の圧力を測定する圧力測定機構（図示せず）の測定結果に基づき図示しない制御装置を介して逃がし弁２３の開度を調整することで容器５内の圧力を制御するような遠隔操作可能な弁を用いてもよい。

水供給管６のダイス１０の近傍には遮断弁２４が設けられている。この遮断弁２４は、例えば図示しない制御装置からの信号により開閉操作される。開閉操作は、例えば熱間プレス成形の状況、すなわちポンチ１１の上下に合わせて自動で行ってもよいし、作業員が制御装置から遠隔操作を行うように構成されていてもよい。遮断弁としては、電磁弁、空気作動弁、電動弁などを用いることができる。

補給管２２は、図示しない送水ポンプに接続され、水４は送水ポンプにより容器５内の圧力より高い圧力で容器５に送水される。補給管２２からの水４の補給は、例えば容器５内の水位を測定する水位計（図示せず）の測定結果に基づき、容器５内の水４の水位が常に一定になるよう連続的に補給を行ってもよく、予め設定された下限水位に到達した場合に補給を行い、上限水位に到達した場合に補給を停止するように、間欠的に補給を行ってもよい。

本実施の形態にかかる熱間プレス成形装置１は以上のように構成されており、次にこの熱間プレス成形装置１による鋼板２の熱間プレス成形について説明する。

先ず、予め水４を容器５内の所定の水位まで補給し、遮断弁１４を閉じた状態でガス供給管２０を介して容器５内に非酸化性ガス１５を連続的に供給する。この際、ガス供給管は容器５の底面に接続されているので、容器５内の水４は非酸化性ガス１５によりバブリングされ、水４内に溶解する酸素、すなわち溶存酸素が減少する。このため、容器５は、水４内の溶存酸素を除去する、いわゆる脱気装置として機能し、水４内の溶存酸素量を所定の値に調整することができる。この際、溶存酸素量は１ｐｐｍ以下とすることが好ましい。この溶存酸素量１ｐｐｍ以下という条件は、後述の実施例の結果に基づくものである。なお、非酸化性ガス１５としては、バブリングにより水４の溶存酸素量を減少させることができるものであればよく、窒素ガス、ヘリウムガス、あるいはアルゴンガスなどを用いることができるが、本実施の形態においては窒素ガスを使用している。

そして、容器５内の水４の溶存酸素量が１ｐｐｍ以下になると共に、容器５内がガス供給管２０から供給される非酸化性ガス１５により加圧され、逃がし弁により容器５内の雰囲気、すなわち非酸化性ガス１５及びバブリングより水４から除去された酸素の放出が開始され、容器５内の圧力が所定の値に保持された後、予め図示しない加熱炉内で加熱された鋼板２をダイス１０上に載置する。その後、ポンチ１１を下死点まで降下させ、鋼板２の熱間プレス成形を行う。次いで、ポンチ１１を下死点の位置で保持した状態で水供給管６の遮断弁１４を開ける。これにより、容器５内に蓄積された非酸化性ガス１５の圧力により水４が水供給管６及び冷媒供給口１２を介して鋼板２に供給され、成形後の鋼板２が冷却される。そして、鋼板２の冷却が完了し成形後の鋼板２がダイス１０から取り除かれると、加熱された新しい鋼板２がダイス１０上に載置され、一連の熱間プレス成形工程が繰り返し行われる。

以上の実施の形態によれば、容器５内の水４を非酸化性ガス１５によりバブリングすることで、鋼板２の冷媒として用いる水４の溶存酸素量を減少させることができる。このため、鋼板２として普通鋼を用いた場合でも、熱間プレス成形時に鋼板２の表面に発生する酸化スケールを抑制することができる。したがって、複数の凸部１４によって形成される鋼板２と金型３との間の隙間が閉塞することで鋼板２の均一な冷却が阻害されることを防止できる。そして、閉塞を防止するために金型の清掃作業を頻繁に行う必要が無くなるので、熱間プレス成形装置１の生産性が低下することも防止できる。

また、溶存酸素量の少ない水４を冷媒に用いることで、金型３が錆びたり腐食したりすることを抑制することができるので、金型３そのものの寿命延長にも寄与する。さらには、金型３内の冷媒供給口１２内に酸化スケールが発生することも抑制することができるので、冷媒供給口１２内が閉塞することを防止できる。

なお、以上の実施の形態では、凸部１４及び冷媒供給口１２をダイス１０に設けていたが、凸部１４及び冷媒供給口１２はポンチ１１に設けられていてもよく、いずれの場合においても、鋼板２の冷却が可能である。

以上の実施の形態では、非酸化性ガス１５は連続供給されていたが、一旦バブリングにより溶存酸素が所望の値まで減少すれば、新たに水４が補給されない限りは水４の溶存酸素量は増加しなので、常にバブリングを行う必要はない。したがって、水４が容器５内に補給されていない期間は非酸化性ガス１５の供給を止め、水４が再び補給されるか、あるいは容器５内の圧力が所定の値以下となった場合に再度補給を開始するようにしてもよい。

以上実施の形態では、容器５内を非酸化性ガス１５により加圧することで容器５内の水４を冷媒供給口１２に供給しているが、容器５内に供給する非酸化性ガス１５ガスの圧力を例えば大気圧より０．０５ＭＰａ程度下げて供給し、容器５から冷媒供給口１２への水４の供給はポンプなどを水供給管６に設けるにより行ってもよい。

以上の実施の形態では、溶存酸素の除去手段として非酸化性ガス１５によるバブリングを用いたが、水４の溶存酸素を除去することができれば本実施の形態に限られるものではなく、他に、例えば容器５内を減圧したり、容器５内の水４を加熱したりする方法が提案できる。

容器５内を減圧して溶存酸素を除去する場合には、例えば図４に示すように、容器５内を吸引管３０を介して、減圧装置としての真空ポンプ３１により減圧し、容器５から冷媒供給口１２への水４の供給は、例えば他のポンプ３２により行うように熱間プレス成形装置１を構成してもよい。また、この場合の、逃がし弁２３は容器５内が過真空になった場合に大気吸い込む真空破壊弁として用いられる。

容器５内の水４を加熱して溶存酸素を除去する場合には、水４の加熱手段として例えば電気ヒータを水４の中に設ける、あるいは例えば図５に示すように、容器５内の水４の中に熱源供給管４０を介して加熱媒体４１として過熱蒸気を供給する、といった方法で水４を沸点あるいは沸点近くまで加熱する方法が考えられる。この場合も、非酸化性ガス１５による容器５内の加圧が行われないため、容器５から冷媒供給口１２への水４の供給は、ポンプ３２を用いて行うことが考えられる。沸点近くまで加熱した水４を鋼板２の冷媒として使用する場合には、鋼板２の冷却後に鋼板２の表面に残る水４が、常温の水４を用いて冷却した場合に比べて早く蒸発する。このため、後処理のために鋼板２を乾燥させる時間が短くなり、熱間プレス成形の生産性が向上する。なお、この場合は、逃がし弁２３に代わってベント管４２設け、容器５を常時大気開放していてもよい。

また、溶存酸素を除去した水４を生成する方法としては、水蒸気を冷却して凝縮させる方法も提案できる。

以下実施例として、熱間プレス成形装置１を用いて熱間プレス成形を行い、冷媒として用いる水４の溶存酸素量と、凸部１４と鋼板２の間の隙間の閉塞との関係についての確認試験を行った。熱間プレス成形装置１の金型３として、ダイス１０の成形面１０ａに直径１ｍｍ、高さ０．５ｍｍ、ピッチ１．５ｍｍの凸部１４を設けたものを用いた。鋼板２は、長さ３００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの普通鋼とした。また、ダイス１０及びポンチ１１の材質はＳ４５Ｃ、肩幅は５ｍｍとし、ダイス幅は７０ｍｍ、ダイス成形深さは６０ｍｍとした。容器５内の水４をバブリングする非酸化性ガス１５には窒素ガスとヘリウムガスを用い、窒素ガスにより水４を所定の時間バブリングすることで、溶存酸素量を１ｐｐｍ（実施例１）及び０．１ｐｐｍ（実施例２）に、ヘリウムガスにより所定の時間バブリングすることで、溶存酸素量を０．０１ｐｐｍ（参考例）にそれぞれ調整した。この際、容器５内への窒素ガス及びヘリウムガスの供給圧力は共に０．９５ＭＰａとし、逃がし弁２３により容器５内の圧力を０．９ＭＰａに制御した。なお、水４を非酸化性ガス１５によりバブリングする時間と溶存酸素の減少量との関係は、予め他の実験により求められている。

そして、鋼板２を加熱炉内で非酸化性ガス１５の雰囲気下で９５０℃まで加熱し、加熱後の鋼板２をダイス１０上に載置して熱間プレス成形を行った。熱間プレス成形においては、ダイス１０を下死点において２秒間保持し、冷媒供給口１２から溶存酸素量を調整した水４を噴出させて鋼板２を冷却した。その後、成形後の鋼板２を金型３から取り外した。そして、この熱間プレス成形を連続して１０００回行った。なお、この１０００回という回数は、生産性の観点から、凸部１４と金型３との隙間が酸化スケールで閉塞することなく、連続して熱間プレス成形を行うことが求められる最低限の回数である。

また、本実施例においては、従来技術との比較として、非酸化性ガスによるバブリングが行われていない、すなわち溶存酸素量が調整されていない水４を冷媒に用いて、同様の熱間プレス成形を連続して１０００回行った。溶存酸素量が調整されていない水４は、例えば図１に破線で示すように、水４がバブリングされない位置に設けられた他のガス供給管２７を介して容器５内の加圧を行うことで、金型３に供給される。なお、ガス供給管２７から供給される加圧用のガスとしては、窒素ガス及び圧縮空気を用いた。供給圧力は、バブリングを行う場合と同様に０．９ＭＰａとした。この際、空気で加圧した場合の水４と、窒素ガスで加圧した場合の水４の溶存酸素量を確認したところ、それぞれ１０ｐｐｍ（従来１）、４ｐｐｍ（従来２）であった。

以上５通りの溶存酸素量の水４を冷媒として用いて熱間プレス成形を１０００回連続で行った後、金型３を点検した結果を表１に示す。ダイス１０の凸部１４と鋼板２との間の隙間が酸化スケールにより閉塞していなければ良好とし、表１に○で示した。

その結果、表１に示されるように、水４の溶存酸素量が１ｐｐｍ以下であれば、熱間プレス成形を１０００回連続で行った後でも酸化スケールによる凸部１４と鋼板２間の隙間の閉塞が発生しないことが分かった。

本発明は、鋼板を連続的に熱間プレス成形する際に有用である。

１熱間プレス成形装置
２鋼板
３金型
４水
５容器
６水供給管
１０ダイス
１０ａ成形面
１１ポンチ
１２冷媒供給口
１３流路
１４凸部
１５非酸化性ガス
２０ガス供給管
２１放出管
２２補給管
２３逃がし弁
２４遮断弁
２７ガス供給管
３０吸引管
３１真空ポンプ
３２ポンプ
４０熱源供給管
４１加熱媒体
４２ベント管

Claims

表面に凸部が形成された金型を用いて、表面にめっき処理を行っていない普通鋼を熱間プレス成形する際に、加熱された鋼板をダイス上に載置し、ポンチを下死点まで降下した状態で、前記凸部によってできる鋼板と金型との間の隙間に水を供給して前記鋼板の冷却を行う熱間プレス成形方法において、前記水は溶存酸素量が１ｐｐｍ〜０．１ｐｐｍに調整されていることを特徴とする、熱間プレス成形方法。
前記溶存酸素量が調整された水は、容器内に貯留された水に非酸化性ガスを吹き込むことにより生成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱間プレス成形方法。
前記溶存酸素量が調整された水は、水を貯留した容器内を減圧することにより生成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱間プレス成形方法。
前記溶存酸素量が調整された水は、容器内に貯留された水を加熱することにより生成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱間プレス成形方法。
表面に凸部が形成された金型を用いて、表面にめっき処理を行っていない普通鋼を熱間プレス成形する際に、加熱された鋼板をダイス上に載置し、ポンチを下死点まで降下した状態で、前記凸部によってできる鋼板と金型との間の隙間に水を供給して前記鋼板の冷却を行う熱間プレス成形装置であって、
前記金型に供給する水を貯留する容器と、前記容器内に貯留される水の中に非酸化性ガスを供給するガス供給管と、を有し、
前記容器から鋼板と金型との間の隙間に供給される水は、溶存酸素量が１ｐｐｍ〜０．１ｐｐｍに調整されていることを特徴とする、熱間プレス成形装置。