JP5808845B2 - プレス成形品の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、主に自動車用車体に適用される薄鋼板成形品を製造する分野において、その素材となる鋼板（ブランク）をオーステナイト温度（Ａｃ₃変態点）以上に加熱し、その後プレス成形して所定の形状に成形する際に、形状付与と同時に、鋼板を焼入れて所定の強度を得ることのできるプレス成形品の製造に関するものであり、殊にプレス成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な成形が実現できる成形品の製造に関するものである。

地球環境保護の観点から、低燃費化を目的とした自動車の軽量化が強く望まれており、車両を構成する部品に鋼板が使用される場合には、高強度鋼板を適用し、この鋼板の板厚を薄くすることによって、軽量化が図られている。その一方で、自動車の衝突安全性を向上させるために、ピラー等の自動車部品には、更なる高強度化が要求されており、引張強度がより高い超高強度鋼板に対するニーズも高まっている。

しかしながら、薄鋼板の強度をより高くすると、伸びＥＬやｒ値（ランクフォード値）が低下し、プレス成形性や形状凍結性が劣化することになる。

こうした状況の下、高強度の自動車用構造部品を実現するために、プレス成形と焼入れによる部品の強度向上を同時に行なう熱間プレス方法（いわゆる「ホットプレス法」）が提案されている（例えば、特許文献１）。この技術は、鋼板をＡｃ₃変態点以上のオーステナイト（γ）領域まで加熱して、熱間でプレス成形すると共に、プレス成形時に常温の金型と接触させることによって鋼板の焼入れを同時に行い、超高強度化を実現する方法である。

こうした熱間プレス方法によれば、低強度状態で成形されるので、スプリングバックも小さくなると共に（形状凍結性が良好）、急冷によって引張強度が１５００ＭＰａ級の強度が得られることになる。尚、このような熱間プレス方法は、ホットプレス法の他、ホットフォーミング法、ホットスタンピング法、ホットスタンプ法、ダイクエンチ法等、様々な名称で呼ばれている。

図１は、上記のような熱間プレス成形（以下、「ホットプレス」で代表することがある）を実施するための金型構成を示す概略説明図であり、図中１はパンチ、２はダイ、３はブランクホルダー、４は鋼板（ブランク）、ＢＨＦはしわ押え力、ｒｐはパンチ肩半径、ｒｄはダイ肩半径、ＣＬはパンチ／ダイ間クリアランスを夫々示している。また、これらの部品のうち、パンチ１とダイ２には冷却媒体（例えば水）を通過させることができる通路１ａ，２ａが夫々の内部に形成されており、この通路に冷却媒体を通過させることによってこれらの部材が冷却されるように構成されている。

このような金型を用いてホットプレス（例えば、熱間深絞り加工）するに際しては、ブランク（鋼板４）をＡｃ₃変態点以上に加熱して軟化させた状態で成形を開始する。即ち、高温状態にある鋼板４をダイ２とブランクホルダー３間に挟んだ状態で、パンチ１によってダイ２の穴内（図１の２，２間）に鋼板４を押し込み、鋼板４の外径を縮めつつパンチ１の外形に対応した形状に成形する。また、成形と並行してパンチ１およびダイ２を冷却することによって、鋼板４から金型（パンチ１およびダイ２）への抜熱を行なうと共に、成形下死点（パンチ先端が最上部に位置した時点：図１に示した状態）で更に保持冷却することによって素材の焼入れを実施する。こうした成形法を実施することによって、寸法精度の良い１５００ＭＰａ級の成形品を得ることができ、しかも冷間で同じ強度クラスの部品を成形する場合に比較して、成形荷重が低減できることからプレス機の容量が小さくて済むことになる。

特開２００２−１０２９８０号公報

これまでのホットプレスでは、鋼板をＡｃ₃変態点以上（例えば、９００℃付近）のオーステナイト領域まで加熱した後、高温状態のままでプレス成形用金型によって冷却されることになるので、パンチおよびダイからなる金型との接触する部分と接触しない部分とで温度差がつきやすくなり、相対的に高温となる部分に歪みが集中することや、例えば深絞り成形では縮みフランジが冷却されて縮まなくなることなどによって、成形性が悪くなり、特に深絞り成形が難しくなる。

こうしたことから、冷間プレスによってニアネット（成形品に近い状態）まで成形し、その後、加熱・ダイクエンチする、いわゆるインダイレクト工法も提案されているが、この方法では成形工程が増えるために成形時間が長くなるという欠点がある。従って、成形工程がそれほど多くならない、いわゆるダイレクト工法によって深絞り加工できるような技術が求められているのが実情である。

またホットプレスでは、金型によってプレス成形しながら冷却するため、金型との接触具合によっては、ブランク内で冷却速度が異なることになる。これによって、熱間プレス後の部分の硬さ分布にバラツキ（焼きムラ）が生じる場合があり、品質上の問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、深絞り加工が可能な程度に成形性が良好なプレス成形品を、硬さバラツキ等の不都合を発生させることなく製造するための有用な装置を提供することにある。

上記目的を達成することのできた本発明のプレス成形品の製造装置とは、薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱する加熱炉と、該加熱炉内に形成され、前記薄鋼板を臨界冷却速度以上の速度で冷却する冷却帯と、前記薄鋼板に対してマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、成形中は１０℃／秒以上の冷却速度を確保しつつマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するプレス成形機を有することを特徴とする。

本発明の装置において、前記プレス成形機に備えられた金型による冷却によって、鋼板の冷却速度を１０℃／秒以上に確保するように構成されている実施形態を採用できる。

本発明の装置を用いてプレス成形するに際し、成形の終了温度については、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆよりも高い温度とするように構成されていることが好ましい。また本発明装置は、しわ押えを使用して絞り成形する場合に特に有効であり、こうした成形法を採用しても破断や割れが生じることなく、良好な成形性を確保できる。

本発明によれば、臨界冷却速度以上の速度で冷却しながら、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、成形中は所定の冷却速度を確保しつつマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するようにしたので、成形時に破断や割れなどを発生させることなく、生産性良くプレス成形品の製造が可能となった。

熱間プレス成形を実施するための金型構成を示す概略説明図である。 本発明の装置を用いて熱間プレス成形を実施するときの熱処理パターンの一例を示すグラフである。 変形挙動を調査するための模擬実験における熱処理パターンを示すグラフである。 変形挙動を調査するための模擬実験での応力−歪み曲線である。 従来の熱間プレスライン（設備構成）の一例を示す概略説明図である。 本発明のプレスライン（設備構成）の一例を示す概略説明図である。 成形が実施できた成形品の外観形状を模式的に示した斜視図である。

本発明者らは、薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後プレス成形するに際して、硬さバラツキ等の不都合を発生させることなく、成形性が良好なプレス成形品を製造するために、様々な角度から検討した。その結果、薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後、そのままプレス成形を開始するのではなく、臨界冷却速度以上の速度で冷却しつつ、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度からプレス成形を開始し、成形中は所定の冷却速度を確保しつつマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するようにすれば、硬さバラツキ等の不都合を発生させることなく、良好な成形性が確保できることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明が完成された経緯に沿って本発明について具体的に説明する。

本発明者らは、まず下記表１に示す化学成分組成を有する鋼板を、９００℃に加熱し（この鋼板のＡｃ₃変態点：８３０℃、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ：４１１℃、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ：２６１℃）、前記図１に示した金型を用いて前述した手順で角筒絞り成形実験を行ったところ、上記加熱後に急冷し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するようにすれば、良好な成形性が達成され、成形下死点まで深絞り成形ができることが判明した。

尚、上記したＡｃ₃変態点は、鋼板を加熱したときのオーステナイトへの変態完了温度Ａｃ₃の意味であり、下記（１）式によって求められるものである。また、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓおよびマルテンサイト変態終了温度Ｍｆは、夫々下記（２）式および（３）式によって求められる値である（例えば、『熱処理』４１（３）,１６４〜１６９，２００１ 邦武立朗「鋼のＡｃ₁，Ａｃ₃およびＭｓ変態点の経験式による予測」）。
Ａｃ₃変態点（℃）＝−２３０．５×［Ｃ］＋３１．６×［Ｓｉ］−２０．４×［Ｍｎ］−３９．８×［Ｃｕ］−１８．１×［Ｎｉ］−１４．８×［Ｃｒ］＋１６．８×［Ｍｏ］＋９１２ …（１）
Ｍｓ（℃）＝５６０．５−｛４０７．３×［Ｃ］＋７．３×［Ｓｉ］＋３７．８×［Ｍｎ］＋２０．５×［Ｃｕ］＋１９．５×［Ｎｉ］＋１９．８×［Ｃｒ］＋４．５×［Ｍｏ］｝ …（２）
Ｍｆ（℃）＝Ｍｓ−１５０．０ …（３）
但し、［Ｃ］，［Ｓｉ］，［Ｍｎ］，［Ｃｕ］，［Ｎｉ］，［Ｃｒ］および［Ｍｏ］は、夫々Ｃ，Ｓｉ，Ｍｎ，Ｃｕ，Ｎｉ，ＣｒおよびＭｏの含有量（質量％）を示す。

鋼板を９００℃に加熱した後、急冷してからマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度で成形を開始したときの熱処理パターンを図２に示す。この熱処理パターンは、本発明装置を用いてプレス成形を実施するときのものに相当するが、図２に示すように薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度まで急冷し、その温度から成形を開始し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するようにすれば、良好な成形性が得られたのである。

従来の熱間成形では極力高温で成形を開始するのが技術常識と考えられていたのであるが、鋼板を一旦加熱した後、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度まで臨界冷却速度以上の速度で急速冷却し、マルテンサイト変態を生じやすい状態としてからプレス成形を開始し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するようにすれば、絞り成形性が向上したのである。これは、プレス成形中にマルテンサイト変態が生じることによって、変態塑性現象が生じて変形歪みが小さくなることによるものと考えられる。

本発明のメカニズムを解明するために、次のような模擬実験（引張試験）を実施し、変形過程での変形挙動に及ぼすマルテンサイト変態の影響を調査した。このときの熱処理パターンを図３に示す。即ち、鋼板の加熱温度を９００℃とし、所定の温度（７００℃、５００℃、３７５℃）まで５０℃／秒の冷却速度で急冷し、そのまま各所定温度で引張試験を実施した。ここで、所定温度７００℃、５００℃のときの組織は、過冷オーステナイト相であり、３７５℃では過冷オーステナイト相とマルテンサイト相の二相域になっている。

そして、図４（応力−歪み曲線）に示すように、５００℃から３７５℃の変形挙動は付加歪み２０％の範囲において非常によく似た挙動を示している。即ち、この温度範囲において、熱間プレス成形した場合は、ブランク内に温度分布が生じていても変形挙動が同じであることから材料強度としては均一材料となっており、成形性が向上したものと推察される。また、５００℃と３７５℃の変形挙動は、７００℃での変形挙動と比較すると、加工硬化が大きくなっている。一般的に、加工硬化が大きい、即ちｎ値（加工硬化係数）が高いと、成形性が良くなることが知られている。更に、マルテンサイト変態が生じている３７５℃において、最も伸び（延性）が大きくなっている。伸びが大きくなる原因は、まだよく分かっていないが、変形塑性現象など相変態による組織変化に起因していると考えられる。

上記のような条件でプレス成形すれば、プレス成形中の機械的材料特性が、高いｎ値を維持しつつ均一な材料強度となり、且つ材料延性も確保できるため、深絞り成形性も向上する。また、プレス成形開始温度を比較的低温とすることもできるので、成形下死点での保持時間を短くすることができ、生産性向上を図ることができる。

本発明の装置は、鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度まで加熱した後、所定の温度まで急冷することによって、成形前にマルテンサイト変態が生じやすい状態とし、且つ成形時にマルテンサイト変態が効果的に進行する原理を利用したものであるが、こうした効果を発揮させるためには、Ａｃ₃変態点以上の温度まで加熱した後の冷却速度は、臨界冷却速度（即ち下部臨界冷却速度）以上の速度（表１に示した鋼板では２５℃／秒以上）とする必要がある。即ち、鋼種にもよるが、冷却速度が臨界冷却速度よりも遅くなると、マルテンサイト変態自体が生じにくくなり、マルテンサイト変態による効果（プレス成形性向上効果）が有効に発揮されにくくなる。また、急冷時の冷却速度の上限については、限定するものでないが、ブランク内の温度均一性の確保という観点から、４５０℃／秒以下とすることが好ましい。

尚、成形時にマルテンサイト変態を生じさせて良好な成形性を確保するためには、成形中においても１０℃／秒以上の冷却速度を確保する必要がある。より好ましくは、３０℃／秒以上である。

ところで、従来の熱間プレスライン（設備構成）は、図５（概略説明図）に示すような構成となっているのが一般的である。即ち、図５に示すように、コイル状態の鋼板１０を、切り出し機１１によって切り出しされ（Ｂｌａｎｋｉｎｇ）、加熱炉１２内で加熱された後、プレス成形機１３に移動されてプレス成形品１４とされる。

本発明では、薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後、そのまま成形を開始するのではなく、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度まで急冷し、マルテンサイト変態が生じやすい状態としてからプレス成形を開始するものであるが、こうした冷却を行うに際しては、例えば図６（概略説明図）に示すような設備構成を採用すれば良い。即ち、加熱炉１２の後半領域に冷却帯１５を配置し（図６において、図５に対応する部分には同一の参照符号が付してある）、鋼板１０を加熱炉１２からプレス成形機１３に移動する際に冷却帯１５で冷却を行うようにすれば良い。冷却帯１５で行う冷却では、上記した方法も含めて、例えば下記（１）〜（４）等の方法で冷却を実施することができる。
（１）ガス冷却手段を設けてガスジェット冷却する。
（２）冷媒としての金属と接触させる手段（例えば、水冷した金属ロール）を設けて抜熱する。
（３）ミスト冷却手段を設けて冷却する。
（４）ドライアイスショット手段（顆粒ドライアイスをブランク材に衝突させて冷却する）を設けて冷却する。

上記のような冷却帯１５で所定温度までの冷却を行った後は、プレス成形機１３に移動させて、成形を開始してからも引き続き成形金型による冷却を行いつつ成形を行うようにすれば良い。

本発明装置を用いてプレス成形を実施するに当たっては、まず薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱する必要があるが、この加熱温度の上限は１０００℃程度までとすることが好ましい。この温度が１０００℃よりも高くなると、酸化スケールの生成が著しくなって（例えば、１００μｍ以上）、成形品の板厚（デスケーリング後）が所定のものよりも薄くなる恐れがある。

本発明は、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了する必要があるが、この成形終了温度については、成形途中でマルテンサイト変態が完全に完了してしまうと成形性が却って悪くなるので、この温度（成形終了温度）はマルテンサイト変態終了温度Ｍｆよりも高い温度とすることが好ましい。

尚、本発明の装置では、成形開始温度、成形終了温度および冷却速度（成形開始前および成形時）を適切に制御することによって上記の目的を達成することができるのであり、こうした効果はしわ押えを有する金型を用いて複雑形状の成形品を成形（即ち、絞り成形）する場合に顕著に発揮されることになる。但し、本発明装置は、しわ押えを用いる絞り成形に限らず、通常のプレス成形（例えば、張り出し成形）を実施する場合も適用できるものであり、こうした方法によって成形品を製造する場合であっても本発明の効果が達成される。

以下、本発明の効果を実施例によって更に具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定するものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。

前記表１に示した化学成分組成を有する鋼を通常の手段によって、厚さ１．４ｍｍまで冷間圧延した。これから、直径（ブランク径）：９０〜１１０ｍｍの円形ブランクを打ち抜き、実験に用いた（従って、このブランクのＡｃ₃変態点：８３０℃、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ：４１１℃、マルテンサイト変態終了温度Ｍｆ：２６１℃）。

上記円形ブランクを用い、パンチの頭部形状が正方形（一辺が４５ｍｍ）の金型（角筒ダイおよび角筒パンチ）を用い（前記図１参照）、本発明方法に従って、角筒絞り成形を行った。このときブランクの加熱は、電気炉を用いて大気中で行い、その加熱温度を９００℃に設定した。

成形実験は、前記図１に示した金型を用い、クランクプレス機に設置して実施した。成形開始温度（プレス開始温度）は、７６０℃、７２０℃、６５０℃、６２０℃、５８０℃、５２０℃、４７０℃、４４０℃、４１５℃とした。成形性に及ぼすマルテンサイト変態の影響を調査するため、成形時間（金型がブランクに接触してから、成形下死点で停止するまでの時間）を、ブランク材の温度が成形終了後にマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも上、またはＭｓ以下になるように制御して実験を行った。実験条件を下記表２に示す。

実験Ｎｏ．１〜７は成形終了後にマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下になるように設定している。実験Ｎｏ．８〜１７は、成形終了後にマルテンサイト変態開始温度Ｍｓより上になるように設定している。夫々の成形時間（プレス時間）は、別途計算した金型の冷却速度（５０℃／秒）に基づいて設定したものである。また、加熱温度から成形開始温度までは、大気の冷風を吹き付けることによって、２５℃／秒の冷却速度で冷却した。その他のプレス成形条件は下記の通りである。

（他のプレス成形条件）
しわ押え力：３トン
ダイ肩半径ｒｄ：５ｍｍ
パンチ肩半径ｒｐ：５ｍｍ
パンチ−ダイ間クリアランスＣＬ：１．３２／２＋１．４（鋼板厚さ）ｍｍ
成形高さ：３７ｍｍ

その結果を、表２に示す。この結果から明らかなように、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了した場合には（実験Ｎｏ．１〜７）、より大きなブランク径まで成形することができ（成形可能ブランク径）、良好な成形性が発揮されていることが確認できた。

良好な成形が実施できた成形品の外観形状を模式的に図７（斜視図）に示す。また、この成形品の硬さは、どの部分においてもビッカース硬さＨｖで４５０以上であった。これらの結果から明らかなように、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度まで冷却して成形を開始すると共に、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了することによって、深絞り性が向上するという本発明の有用性を示すものである。

１ パンチ
２ ダイ
３ ブランクホルダー
４，１０ ブランク（鋼板）
１１ 切り出し機
１２ 加熱炉
１３ プレス成形機
１４ プレス成形品
１５ 冷却帯

Claims (4)

1. 薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱する加熱炉と、該加熱炉内に形成され、前記薄鋼板を臨界冷却速度以上の速度で冷却する冷却帯と、前記薄鋼板に対してマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度から成形を開始し、成形中は１０℃／秒以上の冷却速度を確保しつつマルテンサイト変態開始温度Ｍｓ以下の温度域で成形を終了するプレス成形機を有することを特徴とするプレス成形品の製造装置。
2. 前記プレス成形機に備えられた金型による冷却によって、鋼板の冷却速度を１０℃／秒以上に確保するように構成されている請求項１に記載の製造装置。
3. マルテンサイト変態終了温度Ｍｆよりも高い温度で成形を終了するように構成されている請求項１または２に記載の製造装置。
4. しわ押えを使用して絞り成形するように構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の製造装置。
   

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