JP5712302B2 - 異物性部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、軽量化及び衝突安定性などが求められる自動車などの部品に用いられる異物性部品に関するもので、より詳細には、分離型プレスダイを用いてより経済的かつ単純に異物性部品を製造する方法に関する。
最近は、環境及び安全規制の強化に伴い、車両要求条件が持続的に強化されている。即ち、燃費向上のための軽量化へのニーズ及び衝突安定性の向上に対応するために、例えば、ＡＨＳＳ（Ａｄｖａｎｃｅ Ｈｉｇｈ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ Ｓｔｅｅｌ）を含む高強度鋼の適用が拡大されている。
特に、１０００ＭＰａ以上の超高強度鋼の適用が不可避であり、これを成形するための多様な方案が研究開発されている。
図１に示されているように、超高強度鋼の場合は、高い引張強度を確保する代わりに、延伸率が非常に低くなるため、これを成形するのに多くの制約を受けざるを得ない。
これを解決するための方案の一つとして、ＨＰＦ（Ｈｏｔ Ｐｒｅｓｓ Ｆｏｒｍｉｎｇ、単に「ＨＰＦ」とも呼ぶ）技術が開発されている。このＨＰＦ技術は、プレス硬化（Ｐｒｅｓｓ Ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）特性を活用した部品の製造技術を意味する。
上記技術は、ボロン鋼のように硬化能が大きい材料の板材を高温状態において加熱した後、常温のダイ（金型）を用いて成形する新たな板材成形法で、１９７３年にスウェーデンの鉄鋼社であるＳＳＡＢ ｐｌａｎｎｊａ ＡＢで開発されて以降、現在では、欧州と米国の車種を中心に数十種の自動車部品に対して開発適用されており、韓国でもその適用が拡大されている。
上記ＨＰＦ工程は、Ｂ、Ｍｏ、Ｃｒなどのような硬化能が大きい元素を添加して硬化能を向上させた鋼材をＡｃ３ 変態点以上である９００℃程度の高温で加熱した後、製品をプレスダイにおいて一度に熱間成形しながら、急速冷却して高強度製品を製造する工法である。
図２はＨＰＦ工程を図式的に示したものである。
ＨＰＦ工程は、直接法（Ｄｉｒｅｃｔ）と間接法（Ｉｎｄｉｒｅｃｔ）に区分されることができ、各工程が図３に簡略に示されている。
図３から分かるように、直接法は高温状態においてプレス成形及びダイクエンチング（ｄｉｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を同時に行う方法で、間接法は常温において部品を一部または完全に成形した後、高温状態で加熱してダイクエンチング（ｄｉｅ ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）する方法である。
それぞれの長所と短所は以下の通りである。
１）直接法は、一つのダイセットにおいて成形とクエンチング（ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を同時に行うため、工程が単純であるという長所があるが、高温状態において摩擦特性が非常に劣化するため、ドローイング状の部品を製造するのに限界があるという短所がある。
２）間接法は、常温において先にプレス成形が行われなければならないため、工程が２つに区分される。これにより、直接法に比べて工程費用が増加するという短所はあるが、常温成形であるため、ドローイング状の複雑な部品製作が可能であるという長所がある。
一方、衝突部材に適用される部品は大きく２つに区分される。
１つ目は、エネルギー吸収部材（ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐａｒｔ）で、外部から加えられる衝撃を変形を通じて吸収する部材である。
代表的には、前方サイドメンバー（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ ｍｅｍｂｅｒ）の前側、後方サイドメンバー（ｒｅａｒ ｓｉｄｅ ｍｅｍｂｅｒ）の後側及びＢピラー（Ｂ−ｐｉｌｌａｒ）の下側がこのような部品に該当する。
２つ目は、非浸透部材（ａｎｔｉ−ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｐａｒｔ）で、変形が殆ど発生しない部材である。例えば、衝突時に乗客が乗っている空間（ｃａｂｉｎ ｚｏｎｅ）を確保しなければならないため、これに適用される衝突部材はほぼ非浸透部材に該当する。
代表的には、前方サイドメンバー（ｆｒｏｎｔ ｓｉｄｅ ｍｅｍｂｅｒ）の後側、後方サイドメンバー（ｒｅａｒ ｓｉｄｅ ｍｅｍｂｅｒ）の前側及びＢピラー（Ｂ−ｐｉｌｌａｒ）の上側を挙げることができる。よって、非浸透部材にはＨＰＦが適用されて衝突性能を向上させる例が急激に増えており、エネルギー吸収部材には相対的に延伸率が高いＡＨＳＳが適用されている。
上記の通り、前方サイドメンバー、後方サイドメンバー及びＢピラーのような部材の場合は、エネルギー吸収部材と非浸透部材が結合されている形状で、一般的に２つの部材をそれぞれ成形してから溶接して用いている。
このように２つの部材を分離して成形する問題を解決するために、ＨＰＦ鋼及び一般の高強度鋼をＴＷＢ（Ｔａｉｌｏｒ Ｗｅｌｄｅｄ Ｂｌａｎｋ）に製作して適用する方法及び部位別に熱処理特性を異ならせることで一つの部品に異なる強度を持たせる方法が提案された。
特に、熱処理特性を異ならせることで強度の差異を得る方法は、冷却速度制御及び加熱温度制御に大きく分けられる。
上記加熱温度制御方法は、高強度領域及び高延伸領域の加熱温度を異ならせることで相変態を調節する方法で、短いサイクルタイム（ｃｙｃｌｅ ｔｉｍｅ）を維持することができるという長所はあるが、付加的な加熱装備が必要であるという短所を有する。
一方、上記冷却制御方法には高延伸領域のダイ温度を高く設定して冷却速度を調節する方法及び高延伸領域のギャップ（ｇａｐ）または溝を大きく設定して接触面積を調節する方法がある。前者は、具現が容易であるという長所があるが、ダイ温度の調節装置が必要になり、サイクルタイムが増加するという短所がある。また、後者は、概念的には可能であるが、複雑なダイ加工が必要で、サイクルタイムが増加するという短所がある。
本発明は、付加的な加熱装置の使用またはダイ表面の処理なしに、分離された２つ以上のダイセットを用いることで、より経済的かつ単純に製造することができる異物性部品の製造方法を提供する。
以下では、本発明について説明する。
本発明の一側面によると、一つの加熱された成形品を分離された２つ以上のダイセット内に位置させた後、それぞれのダイセットにおける冷却条件を異ならせることで、異なる物性を有する２つ以上の領域を含む異物性部品に製造することを特徴とする異物性部品の製造方法が提供される。
好ましくは、上記成形品は、上記２つ以上のダイセットによって成形されたもので、成形後、それぞれのダイセットにおける冷却条件を異ならせることで、異なる物性を有する２つ以上の領域を含む異物性部品に製造する。
上記物性は、例えば、降伏強度、引張強度、延伸率、靱性、焼成異方性指数（ｒ）及び面内異方性（Δｒ）からなるグループより選択された１種である。
上記物性が引張強度であり、このとき、鋼材としては、ＣＣＴ曲線においてマルテンサイト相を形成することができる最小冷却速度である臨界冷却速度（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｒａｔｅ、ＣＣＲ）が、５０℃／ｓ＜ＣＣＲ＜６００℃／ｓであるものを用いることが好ましい。
上記のようなＣＣＲを有する鋼材を用いて異強度部品を製造する好ましい方法は、例えば、上記鋼材をＡｃ３ 変態点以上に加熱した後、分離された２つ以上のダイセットによって成形及びプリクエンチングし、相対的に低強度領域を得ようとする領域はダイセットと成形品が接触しないようにして空冷してから、再びダイセットと成形品が接触するようにしてポストクエンチング（ｐｏｓｔ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）し、相対的に高強度領域を得ようとする領域は上記成形及びプリクエンチング後にも、引き続きダイセットと成形品が接触するようにしてダイクエンチングして部品を製造する。
上記高強度領域では、マルテンサイトを支配的に、例えば、８０ｖｏｌ．％以上生成させ、上記低強度領域では、フェライト、ベイナイト及びパーライトのうち１種以上、またはフェライト、ベイナイト及びパーライトのうち１種以上と５０ｖｏｌ．％以下のマルテンサイトを生成させることが好ましい。
本発明によると、分離された２つ以上のダイセットを用いて異物性部品を製造することができるため、付加的な加熱装置の使用またはダイ表面の処理なしに、より経済的かつ単純に異物性部品を製造することができる。
以下では、本発明について詳細に説明する。
本発明によると、一つの加熱された鋼材を分離された２つ以上のダイセットによって成形した後、または一つの加熱された成形品を分離された２つ以上のダイセット内に位置させた後、それぞれのダイセットにおける冷却条件を異ならせることで、異なる物性を有する２つ以上の領域を含む異物性部品を製造することができる。
上記物性は、鋼材または部品の冷却速度によって変化するものであれば、特に限定されず、例えば、降伏強度、引張強度、延伸率、靱性、焼成異方性指数（ｒ）及び面内異方性（Δｒ）からなるグループより選択された１種を挙げることができる。
本発明が適用される鋼材としては、冷却速度によって物性が変化するものであれば、特に限定されず、上記鋼材には合金などが含まれてもよい。
例えば、異強度部品を製造するためには、適切な臨界冷却速度（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｒａｔｅ、ＣＣＲ、ＣＣＴ曲線においてマルテンサイト相を形成することができる最小冷却速度）を有する鋼材を用いることが好ましい。
本発明によって異物性部品を製造するためには、２つ以上のダイセットを含む成形装置を用意する必要がある。
図４には、本発明による異物性部品の製造に好ましく適用できる成形装置の好ましい一例が示されている。
図４に示されているように、本発明による異物性部品の製造に好ましく適用できる成形装置１０は、分離されたダイセット１１、１２を含む。
上記一つのダイセット１１は、上部ダイ１１１及び下部ダイ１１２を含み、他のダイセット１２は、上部ダイ１２１及び下部ダイ１２２を含み、上記上部ダイ１１１、１２１及び下部ダイ１１２、１２２により、目的とする形状を有する成形品が製造される。
上記ダイセット１１、１２は、独立して駆動できるように構造的に分離されている。
上記上部ダイ１１１、１２１及び下部ダイ１１２、１２２のそれぞれには、冷却孔１１３、１２３が備えられるが、上記冷却孔１１３、１２３は、一般のＨＰＦ部品を製造するときと同様に、冷却水のような冷媒が流れるようにするために形成され、ダイ温度を維持する役割を行う。
上記成形装置１０は、ダイセット１１、１２内の鋼材を加熱できる加熱手段（図４には示されていない）を含むようにするか、または上記ダイセット１１、１２が鋼材を加熱できるように構成してもよい。
上記ダイセット１１、１２内の鋼材を加熱する手段は、特に限定されず、一般的に用いられるものであれば、いかなるものも使用できる。
図４には、２つの分離されたダイセットが含まれる成形装置が示されているが、本発明では、これに限定されず、３つ以上のダイセットが含まれる成形装置を用いることもできる。
上記の通り、３つ以上の分離されたダイセットを用いる場合には、一つの部品が異なる物性を有する３つ以上の領域を含むようにすることができる。
以下では、図５を通じて本発明の異物性部品を製造する方法についてより詳細に説明する。
本発明による異物性部品を製造するために、加熱されたブランク鋼材または常温において成形された部品を加熱した後、図５に示されているように、分離されたダイセット２１、２２に位置させた後［図５（ａ）］、ブランク鋼材の場合は、成形及びプリクエンチング（Ｐｒｅ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を行い、成形された部品にはプリクエンチング（Ｐｒｅ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を行う［図５（ｂ）］。
常温において一部成形された部品も本発明に適用可能であるが、この場合は、ダイセット２１、２２に位置させ、成形されていない部分を成形するとともに、プリクエンチング（Ｐｒｅ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を行う。
次に、分離されたダイセット２１、２２内の部品を異なる冷却速度で冷却する。例えば、図５に示されているように、一つのダイセット２１を部品と接触しないように分離させることで、部品を空冷させて低冷却速度領域を得ることができ、他のダイセット２２は部品と接触した状態を維持しながらダイクエンチングして高冷却速度領域を得る方式で冷却させることができる［図５（ｃ）］。
また、図５のように、一つのダイセット２１を部品と接触しないように分離させることで、部品を一定温度にまで空冷して低冷却速度領域を得た後、ダイセット２１を再び部品と接触させて高冷却速度領域とともにポストクエンチング（ダイクエンチング）をすることもできる［図５（ｄ）］。
以下では、上記物性が引張強度である場合を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されない。
図６には、本発明による異物性部品の製造方法によって異強度部品を製造する方法の一例が示されている。
まず、異強度部品に製造しようとする鋼材を用意し、加熱炉で加熱する。
このとき、加熱は、Ａｃ３ 変態点以上において十分に加熱して鋼材全体を完全にオーステナイト（Ａｕｓｔｅｎｉｔｅ）化することが好ましい。
次に、上記のように加熱された鋼材を加熱炉から抽出し、図６に示されているように、ダイセットに移送して［図６（ａ）］成形及びプリクエンチング（Ｐｒｅ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）を行う［図６（ｂ）］。
上記加熱炉から鋼材を抽出して、ダイセットまで移送させるのに所要される移送時間は、特に限定されないが、１５秒以下に制限することが好ましい。
上記加熱された鋼材の移送は、ロボットなどを用いたり、作業者が直接行うことができる。
上記成形及びプリクエンチング（Ｐｒｅ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）は、加熱された鋼材を最終形状の部品に成形するとともに、温度を相変態（ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）が発生しやすい温度に下げる工程を意味する。
上記成形及びプリクエンチング時間は、目的とする形状に成形するとともに、目的とする組織を得ることができれば、特に限定されないが、１〜６秒程度に制限することが好ましい。より好ましい工程時間は２〜４秒程度である。
この理由は、部品形状を有するように成形が十分に行われ、低強度領域においてフェライト、パーライト及びベイナイトの相変態が容易に行われるように温度を十分に低下させるためである。
上記のように成形及びプリクエンチングが終了した鋼材の温度は、目的によって適切に選定してよいが、５００〜８００℃程度に維持することが好ましい。より好ましい鋼材の温度は５５０〜６５０℃である。
上記のように成形及びプリクエンチングした後、相対的に低強度領域を得ようとする領域はダイセットと成形品が接触しないようにして空冷してから［図６（ｃ）］、再びダイセットと成形品が接触するようにしてポストクエンチングする［図６（ｄ）］。また、相対的に高強度領域を得ようとする領域は上記成形及びプリクエンチングの後にも、引き続きダイセットと成形品が接触するようにしてダイクエンチング［図６（ｄ）］することで、異強度部品を製造する。
上記低強度領域の空冷状態は、低強度領域においてダイと鋼材が接触しないように、ダイを鋼材から分離することで維持される。
空冷状態における冷却速度は非常に遅いため、鋼材は相変態過程を経るようになり、加熱によって生成されたオーステナイトがフェライト、ベイナイト及びパーライトのうち１種または２種以上に変わる。
生成される相（ｐｈａｓｅ、組織）は鋼材の成分によって異なり、相変態の量は空冷時間に比例するため、時間が長くなるほど低強度領域を生成するのに有利になる。
上記空冷時間は５秒以上が好ましいが、サイクルタイムを考慮すると、５〜３０秒程度がより好ましい。
一方、高強度領域では、鋼材とダイが引き続き接触状態にあるため、速い冷却速度を維持する。
これにより、上記領域では、オーステナイトが直にマルテンサイトに変態して高強度化する。
持続的にダイクエンチングされた高強度領域とは異なって、空冷された低強度領域は４００℃以上の高い温度を維持する。
部品取出時に、部位別温度偏差による形状の歪みを防止し、マルテンサイトの変態を完了するためには、部品の全領域をダイと接触させてクエンチングするポストクエンチング工程が必要である。
ポストクエンチング工程時間は、部品取出温度及び金型材質によって異なるが、５秒以上が好ましく、サイクルタイムを考慮すると、５〜３０秒程度がより好ましい。
以下では、実施例を通じて本発明についてより具体的に説明する。
（実施例１）
下記表１の組成を有する鋼材を図５に示されたダイセットを用いて下記表２の製造条件によって異強度部品に製造した後、その結果を図７から図９に示した。
図７から図９の結果は、部品の１／２に対して示したものである。
図７は鋼材Ａに対する結果、図８は鋼材Ｂに対する結果、図９（ａ）は鋼材Ｃに対する結果、そして図９（ｂ）は鋼材Ｄに対する結果を示す。
下記表１の鋼材Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤの部品製造工程前の引張強度は、それぞれ４６５ＭＰａ、６４９ＭＰａ、５０６ＭＰａ及び７１６ＭＰａである。
下記表２において、移送時間は加熱された鋼材を加熱炉から取り出して成形装置に引き込むまでの時間を意味する。
図７に示されているように、鋼材Ａの場合は、部品の高強度領域における引張強度が１１００ＭＰａ以上であり、低強度領域における引張強度が５００ＭＰａ程度であることが分かる。
また、相分布の側面において、高強度領域ではマルテンサイトが支配的に形成され、低強度領域ではフェライトが支配的に生成されることが分かる。
なお、図８に示されているように、鋼材Ｂの場合は、部品の高強度領域における引張強度が１３００ＭＰａ以上であり、低強度領域における引張強度が７００ＭＰａ程度であることが分かる。
さらに、相分布の側面において、高強度領域ではフルマルテンサイト（Ｆｕｌｌ Ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ）が生成され、低強度領域ではフェライト、マルテンサイト及びベイナイトが生成されることが分かる。以上の結果から、本発明によると、異強度部品の製造が容易で、素材によって強度分布を調節できることが確認できる。
一方、図９（ａ）に示されているように、鋼材Ｃの場合は、全体的な強度の減少が発生した。よって、鋼材Ｃは、硬化能（ｈａｒｄｅｎａｂｉｌｉｔｙ）が非常に小さい鋼材であることが分かる。
また、図９（ｂ）に示されているように、鋼材Ｄの場合は、全体的な強度の増加が急激に発生したことが確認できる。
よって、鋼材Ｄは、硬化能が非常に大きい鋼材である。
以上の結果から、鋼材特性によっては異強度部品の製作が可能ではないこともあり、これは、鋼材の硬化能と密接な関係にあることが分かる。即ち、鋼材の硬化能が非常に小さいか大きい素材には、提案された発明による異強度部品を適用できない場合もある。
（実施例２）
実施例１の表１に提示された鋼材Ａ、Ｂ、Ｃ及びＤに対するＣＣＴ曲線においてマルテンサイト相を形成できる最小冷却速度の臨界冷却速度（ＣＣＲ）を調べ、その結果を図１０に示した。
図１０（ａ）は鋼材Ａに対する結果、図１０（ｂ）は鋼材Ｂに対する結果、図１０（ｃ）は鋼材Ｃに対する結果、そして図１０（ｄ）は鋼材Ｄに対する結果を示す。
図１０に示されているように、鋼材Ａは臨界冷却速度が２００℃／ｓ程度であり、鋼材Ｂは臨界冷却速度が７０℃／ｓ程度であることが分かる。上記２つの鋼材の場合は、実施例１からも確認できるように、本発明の工程によって異強度部品を製造することができる。
これに対し、鋼材Ｃは臨界冷却速度が６００℃／ｓであり、鋼材Ｄは５０℃／ｓであることが分かる。上記２つの鋼材の場合は、実施例１からも分かるように、本発明の工程によって異強度部品を製造することが困難である。
上記のような結果から、本発明の工程によって異強度部品の製造が可能な鋼材を選択するのに臨界冷却速度が大きく影響を及ぼすことが分かる。
本発明者は、多くの実験を通じて本発明の異強度部品を製造するのに好ましく適用される鋼材は、臨界冷却速度が５０℃／ｓより大きく、６００℃／ｓより小さいことを確認した。
より好ましくは、臨界冷却速度が７０℃／ｓより大きく、２００℃／ｓより小さい鋼材である。
１０ 成形装置
１１、１２、２１、２２ ダイセット
１１１、１２１ 上部ダイ
１１２、１２２ 下部ダイ
１１３、１２３ 冷却孔
１１、１２、２１、２２ ダイセット
１１１、１２１ 上部ダイ
１１２、１２２ 下部ダイ
１１３、１２３ 冷却孔
Claims (10)
- 一つの加熱された鋼材を構造的に分離されて独立して駆動できる２つ以上のダイセットによって成形した後、一つ以上のダイセットは成形品と接触しないようにし、他のダイセットは成形品と接触するようにすることにより、それぞれのダイセットにおける冷却条件を異ならせることで、異なる物性を有する２つ以上の領域を含む異物性部品に製造する、異物性部品の製造方法。
- 前記物性が、降伏強度、引張強度、延伸率、靱性、焼成異方性指数（ｒ）及び面内異方性（Δｒ）からなるグループより選択された１種である、請求項１に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記物性が引張強度で、前記鋼材がＣＣＴ曲線においてマルテンサイト相を形成できる最小冷却速度である臨界冷却速度（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｒａｔｅ、ＣＣＲ）が、５０℃／ｓ＜ＣＣＲ＜６００℃／ｓである、請求項２に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記鋼材をＡｃ３変態点以上に加熱した後、分離された２つ以上のダイセットによって成形及びプリクエンチングし、相対的に低強度領域を得ようとする領域はダイセットと成形品が接触しないようにして空冷してから、再びダイセットと成形品が接触するようにしてポストクエンチング（ｐｏｓｔ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）し、相対的に高強度領域を得ようとする領域は前記成形及びプリクエンチングの後にも、引き続きダイセットと成形品が接触するようにしてダイクエンチングする、請求項３に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記高強度領域ではマルテンサイトを８０ｖｏｌ．％以上生成させ、前記低強度領域ではフェライト、ベイナイト及びパーライトのうち１種以上、またはフェライト、ベイナイト及びパーライトのうち１種以上と５０ｖｏｌ．％以下のマルテンサイトを生成させる、請求項４に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記成形及びプリクエンチング時間は１〜６秒である、請求項４に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記空冷時間は５〜３０秒である、請求項４に記載の異物性部品の製造方法。
- 前記ポストクエンチング時間は５〜３０秒である、請求項４に記載の異物性部品の製造方法。
- 一つの加熱された成形品を構造的に分離されて独立して駆動できる２つ以上のダイセット内に位置させた後、一つ以上のダイセットは成形品と接触しないようにし、他のダイセットは成形品と接触するようにすることにより、それぞれのダイセットにおける冷却条件を異ならせることで、異なる物性を有する２つ以上の領域を含む異物性部品に製造する、異物性部品の製造方法。
- 鋼材からなり一部成形された部分成形品をＡｃ３変態点以上に加熱した後、分離された２つ以上のダイセットによって成形されていない部分を成形及びプリクエンチングし、相対的に低強度領域を得ようとする領域はダイセットと成形品が接触しないようにして空冷してから、再びダイセットと成形品が接触するようにしてポストクエンチング（ｐｏｓｔ−ｑｕｅｎｃｈｉｎｇ）し、相対的に高強度領域を得ようとする領域は前記成形及びプリクエンチングの後にも、引き続きダイセットと成形品が接触するようにしてダイクエンチングする、異物性部品の製造方法。
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