JP5764908B2 - 温間プレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、高強度鋼板を所定温度に加熱した後、プレス成形して所定の形状とする温間プレス成形方法に関する。

従来、自動車などに用いられる部材は、所定の強度を有する鋼板をプレス成形して製造されている。近年、自動車の軽量化と衝突安全性能を両立させるため、自動車の車体の構造部材として、高強度鋼板の適用が増加している。一方、鋼板を高強度化すると加工性が劣化し、所定の部品形状に加工することが困難になる傾向がある。特に、高強度鋼板は、冷間でプレス成形すると、製品をプレス金型から取り外した際に、弾性変形して形状がくずれるスプリングバックが発生しやすく、寸法精度を向上させることが難しい。

この点に着目して、特許文献１のようなプレス成形方法が開示されている。特許文献１の方法は、金属のロール材から、打ち抜きプレスで金属板を打ち抜き、金属板を８５０℃以上で融点未満の温度に加熱し、加熱後直ちに金属板を成形用プレスに搬送し、８５０℃以上の高温状態を保った金属板に常温のプレス型を用いてプレス加工を施し、所望形状を付与するというものである。加熱して成形性を向上させた鋼板をプレスして、プレス金型との接触による焼入れで強度を付与する方法で、熱間プレスまたはダイクエンチなどと総称されている。

しかし、この熱間プレスでは、鋼板の加熱時に、鋼板表面にスケールが発生する。スケールが存在すると鋼板の溶接性や表面性状が低下するため、これを防止するには、プレス成形後に、加熱時に発生したスケールを除去する必要がある。スケールの除去はショットブラストにて行われているが、複雑な部品形状では完全な除去が難しい。

また、熱間プレス成形は素材を主に加熱炉で昇温、成形後下死点でクエンチすることで、良成形性の確保と高強度化を達成しているが、クエンチを行うために、単位時間当たりに成形できる個数が低く、実用上、生産効率が問題となっている。

そこで、熱間プレス法よりも短時間で生産効率の良い高強度鋼板のプレス成形方法の開発が望まれ、この点、金型によりクエンチを行わない温間プレスによる成形方法が注目されている。特許文献２には、温間プレス法を比較的、低い温度３００℃以下で行う方法も開示されているが、このような低い温度では高強度鋼板をプレス成形することは伸びフランジ性、形状凍結性の観点から難しい。

特開２００２−１０２９８０号公報 特開２００１−２３４２８２号公報

高強度鋼板を成形時に加熱すると、本来の鋼板の強度が低下するので、そのため、高強度鋼板を温間プレスにより成形するには以下の課題を解決する必要がある。
１．加熱温度が高温過ぎると素材鋼板が軟化し、常温に戻した場合に本来有すべき鋼板の強度が得られない。
２．プレス成形過程で、素材鋼板の部分的な温度低下により局部的に応力が集中することにより割れが発生する。
そこで、本発明は、生産効率を維持しつつ、上記課題を解決する温間プレス成形方法を提供する。

本発明者らは、鋭意研究の結果、対象となる高強度鋼板を析出強化型の鋼板に限定し、鋼板の軟化温度及び加熱温度の関係を検討し、上記の課題１を解決した。また、課題２に対しては、プレス成形速度と加熱温度を制御することで解決でき、さらに、めっき鋼板を適用すると成形中の鋼板とプレス金型との間の摩擦抵抗が低減し、成形荷重が小さくなるという知見も得た。

本発明は上記知見から得られたものであり、以下の構成からなる。

（１）鋼板を加熱して温間プレス成形する方法において、
前記鋼板が析出強化型の高強度鋼板であり、前記鋼板の加熱温度Ｔと、前記鋼板の軟化温度ＴＬとが、ＴＬ−１００≦Ｔ≦ＴＬの関係を満足する加熱温度Ｔに加熱した後、２００ｍｍ／ｓ以上の平均成形速度でプレス成形することを特徴とする温間プレス成形方法。

（２）さらに、前記鋼板が５９０〜１１８０ＭＰａ級の高強度鋼板であることを特徴とする（１）に記載の温間プレス成形方法。

（３）前記鋼板は、１０質量％以上のＮｉを含有するＺｎ−Ｎｉ合金めっきを施した鋼板であることを特徴とする（１）又は（２）に記載の温間プレス成形方法。
（４）前記鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板又は合金化溶融亜鉛めっき鋼板のいずれかであることを特徴とする（１）又は（２）に記載の温間プレス成形方法。

本発明は、プレス成形がし難い高強度鋼板を素材とするプレス成形品を生産効率を低下させず製造できる技術を提供する。

９８０ＭＰａ級の高強度鋼板の穴広げ試験結果を示す図である。 穴広げ試験装置を示す図である。 ５９０ＭＰａ級の高強度鋼板の穴広げ試験結果を示す図である。 穴広げ試験装置を示す図である。 めっき鋼板と非めっき鋼板の穴広げ試験における最大成形荷重の関係を示す図である。

本発明を実施するための形態を以下説明する。
まず、温間プレス成形品は、素材である鋼板又はコイルからブランクシートを切出し、これを加熱炉に挿入して温間プレス機にて成形して、トリミングを行って製造される。
素材の鋼板は、熱延鋼板および冷延鋼板を問わない。しかし、対象となる鋼板は析出強化型であることが必要である。後述するように、微細析出物がプレス成形前の加熱によって消失せず、しかもマトリックスの組織が加工しやすくなる組織であることが好ましい。このタイプの高強度鋼板はプレス成形前の加熱によっても注意深く温度を選定すれば、成形時には軟化するが、常温に戻した場合には本来の鋼板強度を示すからである。素材となる鋼板は、強度レベルが５９０ＭＰａ級（ＴＳ：５９０ＭＰａ以上）〜１１８０ＭＰａ級（ＴＳ：１１８０ＭＰａ以上）の高強度鋼板であることが望ましいが、析出強化型の鋼板であれば、冷延鋼板及び熱延鋼板を問わない。

本発明に用いられる析出強化型の鋼板は、例えば、質量％でＣ≦０．２０％、Ｔｉ：０．０２−０．３５％、Ｍｏ：０．０５−０．７％を含有し、実質的にフェライト組織単相のマトリックスとマトリックス中に分散した粒径が１０ｎｍ未満の微細析出物とからなる高張力熱延鋼板であり、例えば、質量％でＣ≦０．１０％、Ｓｉ≦０．５％、Ｍｎ：０．５−２．０％、Ｐ≦０．０６％、Ｓ≦０．００５％、Ａｌ≦０．１％、Ｎ≦０．００６％、Ｔｉ：０．０２−０．２０％、Ｍｏ：０．０５−０．６％、残部がＦｅ及び不可避的不純物からなり、かつ実質的にフェライト組織単相のマトリックス中に粒径が１０ｎｍ未満の微細析出物が５×１０^４個／μｍ^３以上の割合で分散した高張力熱延鋼板が挙げられる。析出物は微細析出物は、例えばＴｉとＭｏを含む複合炭化物が挙げられる。この鋼板は５９０から１１８０ＭＰａの引張強度を有し、伸びおよび伸びフランジ性にも優れ、自動車の足廻り部材のような複雑な形状の部材に好適である。その製造方法は、例えば、前記成分組成を有する鋼スラブをＡｒ_３変態点以上で熱間圧延し、熱延鋼板を製造する工程と、この熱延鋼板を５５０−７００℃で巻き取ることにより達成できる。さらに常法に従い冷間圧延を行い、冷延鋼板を得ることもできる。

また、表面にめっき層を有する鋼板を用いて、温間プレス成形方法に供するのは好ましい方法である。めっき方法は、電気めっき、溶融めっきがある。

めっき層を有する鋼板の好ましい態様の一つとして、鋼板の表面のめっき層がＺｎ−Ｎｉ合金めっき層であって１０質量％以上のＮiを含有するめっき層を有する鋼板が挙げられる。Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層においてNi含有量が１０質量％以上であるとプレス時において、プレス金型との鋼板との摩擦抵抗が減少してプレスによる成形品の表面欠陥が生じにくくなり生産効率が増大することが顕著に認められる。Ｚｎ−Ｎｉ合金めっき層は、１０質量％以上のＮiを含有しその他残部はZn及び不可避的不純物であることが好ましいが、本発明の効果を減殺しない程度の微量添加物が存在しても良い。

さらに、鋼板は合金化溶融亜鉛めっき鋼板（GA）や溶融亜鉛めっき鋼板（GI）であっても同様な効果が得られ、これらの鋼板を使用することは好ましい態様である。めっき付着量は、２０ｇ／ｍ^２〜８０ｇ／ｍ^２の範囲が、経済性及びプレス金型との鋼板との摩擦抵抗を減少させるので、好ましい。

板厚は、１．０〜３．０ｍｍが好ましい。自動車部品の強度部材としては重要な物がこの板厚が多いからである。

軟化温度ＴＬとは、対象の鋼板の室温での引張強度（ＴＳ_ＲＴ）と、所定温度Ｔに１０分保持後の室温まで空冷した後の引張強度（ＴＳ_Ｔ）から求められ、（ＴＳ_ＲＴ−ＴＳ_Ｔ）／ＴＳ_ＲＴが０．０５以下（５％以下）となる所定温度Ｔの上限の温度をいうものである。すなわち、軟化温度ＴＬに１０分保持後に室温まで空冷した後の引張強度（ＴＳ_Ｔ）は、室温での引張強度（ＴＳ_ＲＴ）の９５％の強度まで軟化することを意味している。

プレス加工前の加熱は、加熱炉により行われるが、加熱方法は、直火バーナーのような酸化性ガスを加熱装置内に発生させるもの以外であれば、電気炉、通電加熱、誘導加熱、ラジアントチューブなど、どのような形式でも使用することができる。

加熱温度Ｔは対象となる鋼板素材により異なるが、例えば引張強度ＴＳが９８０ＭＰａ以上の鋼板では、６５０℃〜７００℃の範囲が好ましい。成形開始温度は、加熱温度との差が１００℃以下の範囲で行うことが好ましい。

プレス機には、メカプレス、ネジプレス、油圧プレス等があるが、メカプレスがプレス成形速度を制御しやすく本発明を実施する上で好ましい。

また、プレス成形の平均成形速度とは、成形開始から成形完了までのストロークを成形開始から成形完了までの時間で割った値と定義される。
プレス成形の平均成形速度が２００ｍｍ／ｓ以上で成形すると、金型接触部と非接触部の温度差が小さい内に成形を完了させることができる。そのため、平均成形速度が２００ｍｍ／ｓ以上では、加熱温度を適性に管理すればプレス成形工程において割れ等が発生することはない。例えば、平均成形速度は装置のプレスの動力源に依存するが最大３００ｍｍ／ｓまで行うことができる。このプレス成形工程において、平均成形速度は大きくするほど効果があり、装置上の許容される最大まで採用することができる。

表１に示す板厚１．２ｍｍの析出強化型９８０ＭＰａ級熱延鋼板を電気炉で鋼板素材全体が所定の温度になるよう加熱し、プレス機に搬送して穴広げ試験を行った。鋼板の基本的な成分系は質量％で、０．０７％Ｃ−０．０５％Ｓｉ−０．８％Ｍｎ−０．１７％Ｔｉ−０．３５％Ｍｏである。

鋼板素材を取出してからプレス開始までは１２秒とした。図２に示す装置を用いて、プレス成形に際して、クリアランスを１２．５％として、中心に直径３０ｍｍの穴加工をした１００ｍｍ角の素材を直径６０ｍｍの平底円筒ポンチでバーリング加工した。しわ押さえ力は３０トンとした。結果を図１に示す。図中「成形良」とは、プレス成形でネッキングや割れが発生せず成形されたことを意味する。

板厚１．２ｍｍの析出強化型９８０ＭＰａ級熱延鋼板の場合には、加熱温度６５０〜７００℃で平均成形速度が２００〜３００ｍｍ／ｓであれば、割れ、ネッキングが発生することはなく、表面性状に優れたプレス成形品として成形することができた。この鋼板の軟化温度ＴＬは７２０℃であり、加熱温度ＴがＴＬ−１００（℃）〜ＴＬ（℃）、すなわち６２０〜７２０℃の温度範囲で「成形良」となることがわかる。

また、表２に示す板厚２．６ｍｍの析出強化型５９０ＭＰａ級熱延鋼板を用いて、種々の温度に加熱した後、種々の成形速度で穴広げ成形を実施した。鋼板の成分系は０．０８％Ｃ−０．６１％Ｓｉ−１．５５％Ｍｎ−０．０５９％Ｖ−０．０１０％Ｎｂ−０．０１％Ｍｏ−０．０１８％Ｃｒである。図３に、成形性が良好な領域を加熱温度と平均成形速度との関係で整理した結果を示す。用いた試験装置を図４に示す。初期穴径が２５ｍｍφであること以外は実施例１と同一の試験条件にて行った。

図３から、板厚２．６ｍｍの析出強化型５９０ＭＰａ級熱延鋼板では、加熱温度６００〜６５０℃の範囲で平均成形速度が２００〜３００ｍｍ／ｓであれば、成形性は良好であった。
この鋼板の軟化温度ＴＬは６８０℃であり、加熱温度ＴがＴＬ−１００（℃）〜ＴＬ（℃）、すなわち５８０〜６８０℃の温度範囲で「成形良」となることがわかる。
鋼板の種類（成分系、強度レベル等）により好適な加熱温度が異なることが認められる。

つぎに、表１に示す板厚１．２ｍｍの析出強化型９８０ＭＰａ級熱延鋼板を酸洗後に、Ｚｎ-Ｎｉ合金めっき（記号；Ｚｎ-Ｎｉ）、溶融亜鉛めっき（記号；ＧＩ）、合金化溶融亜鉛めっき（記号；ＧＡ）を施し、めっき鋼板を作成した。めっきをしていない熱延鋼板（記号；非めっき）と共に加熱温度を７００℃、平均成形速度を２５０ｍｍ／ｓの条件で実施例１と同一の試験装置（図２）を用いて穴広げ成形を行った。各鋼板を用いた場合の最大成形荷重を測定し、めっきが無い鋼板（記号；非めっき）との比（各鋼板の最大成形荷重／めっきが無い鋼板の最大成形荷重）を求めて図５に整理した。ここで、最大成形荷重とは、成形開始から成形完了までのプレス荷重の最大値をいう。

図５から、めっき層を有する鋼板は、そうでない鋼板よりも最大成形荷重が低いことがわかる。このことは、プレス成形時においてプレス金型との摩擦抵抗が減少しているからと推測され、高強度鋼板の成形上問題となるプレス能力の軽減が可能となる。

本発明は、特に、高強度鋼板のプレス成形に利用することが可能で、ネッキングや割れの発生が無い表面性状に優れたプレス成形品を製造することができる。

Claims (4)

1. 鋼板を加熱して温間プレス成形する方法において、
   前記鋼板を加熱し、かつ、２００ｍｍ／ｓ以上の平均成形速度でプレス成形して、前記鋼板と金型との接触部と非接触部の温度差が小さい内に成形を完了させることにより、プレス成形時の割れを防ぐとともに、
   前記鋼板の室温での引張強度と所定温度に所定時間加熱し保持した後に室温まで空冷した後の引張強度との差と、前記鋼板の室温での引張強度との比が、５％以下となる所定温度の上限値を軟化温度とし、
   前記鋼板を析出強化型の高強度鋼板に限定して、かつ、前記鋼板の加熱温度が軟化温度以下であって、前記鋼板の加熱温度Ｔと前記鋼板の軟化温度ＴＬとが、ＴＬ−１００≦Ｔ≦ＴＬの関係を満足する加熱温度Ｔに加熱して、微細析出物が前記加熱によって消失せず、しかもマトリックスの組織が加工しやすいようにして、プレス成形後にクエンチを行わずに空冷したまま常温に戻すことにより、プレス成形品の強度を本来の鋼板の強度に戻すことを特徴とする温間プレス成形方法。
2. さらに、前記鋼板が５９０〜１１８０ＭＰａ級の高強度鋼板であることを特徴とする請求項１に記載の温間プレス成形方法。
3. 前記鋼板は、１０質量％以上のＮｉを含有するＺｎ−Ｎｉ合金めっきを施した鋼板であることを特徴とする請求項１又は２に記載の温間プレス成形方法。
4. 前記鋼板は、溶融亜鉛めっき鋼板又は合金化溶融亜鉛めっき鋼板のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の温間プレス成形方法。

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