JP5838259B2

JP5838259B2 - 金属加工方法

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Publication number: JP5838259B2
Application number: JP2014507195A
Authority: JP
Inventors: 克則石黒; 近藤　清人; 清人近藤; 鈴木　貴之; 貴之鈴木; 正樹古橋
Original assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Current assignee: Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2012-03-29
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-03-29
Also published as: CN104220606A; WO2013145229A1; US20150211084A1; JPWO2013145229A1

Description

本発明は、金属加工方法に関し、特に、複数の異種金属材を溶接したテーラードブランク材を用いた金属加工方法に関する。

特許文献１には、赤外線加熱装置において、赤外線ランプと被加熱材の間に、所定パターンを有するプレート材を配置して、被加熱材に所定の加熱強度分布を形成する方法が提案されている。

特許文献２には、ダイクエンチされる鋼板において、鋼板の防錆性が要請される部分を保全しながら、鋼板の強度が要求される部分を局所的に焼入れする方法が提案されている。

特許文献３の請求項１には、下記のとおり記載されている。
「輻射伝熱加熱が行われる金属板の表面の一部に、塗装、凹凸付与、金属被覆、酸性溶液への浸漬による着色処理、エッチング、及び塩化ニッケル六水和物水溶液による浸漬のうちのいずれかの処理を行い、当該金属板の表面の一部の輻射線の反射率を低下させている。」
特許文献３の段落００１７には、反射率を低下させる表面処理方法として、黒色系の塗装、黒色系のめっき処理および黒色系の溶射が記載されている。
また、特許文献３の段落００３３には、下記のとおり記載されている。
「本実施形態に係る方法によれば、予め異種の金属板を溶接してテーラード金属板を製作したうえでこれを加工し、部分的に異なる強度を持たせるテーラードブランク法と比較すると、予備金属板加工や溶接加工が不要であり、複数種類の材料を用いる必要がない。このため、製造コストが安価になる。また、テーラードブランク法では強度変化部となる溶接線の位置や本数に制約があったが、本実施形態ではそのような制約はなく、自由な位置にマスキングをして反射率低減処理を行うことにより、自由な位置に自由な形状の異強度部分を形成することができる。」

特許第４５７５９７６号公報特開２００９−２２９９５号公報特開２０１１−１５２５８９号公報（段落００３３参照）

なお、上記特許文献１、２及び３の全開示内容はその引用をもって本書に繰込み記載する。以下の分析は、本発明によって与えられたものである。

特許文献１のプレート材を用いて熱処理を行う場合、被加熱材の品種や形状に応じて、プレート材の交換が求められる場合があり、これによって、熱処理に手間やコストがかかるという問題が生じる。また、所定の熱処理をする部分としない部分の境目の設定に、手間やコストがかかるおそれがある。

特許文献２に開示されているように鋼板を局所的に焼入れするため、例えば、ブランク材の焼入れを要する部分に電極を接触させて通電加熱を行う場合、条件によっては、ブランク材の他の部分の温度が十分に加熱されず、成形性が低下するおそれがある。

特許文献３の発明によれば、熱処理ないしホットスタンプ加工の対象となる素材が、もともと一枚の金属板に、表面反射率を低減させる部分的な表面処理を施したものに限定され、テーラードブランク材の利用が否定されている。

本発明の目的は、テーラードブランク材を素材として利用して、金属加工に要する設備および工程管理を簡素化することができる金属加工方法及びそれによる金属加工品を提供することである。

本発明は、第１の視点において、赤外線加熱による昇温度が相対的に高い金属材と赤外線加熱による昇温度が相対的に低い金属材を予め接合して、一体化された金属材を形成する接合工程と、前記一体化された金属材を同時かつ全体的に赤外線加熱し、赤外線加熱中の前記一体化された金属材において、前記昇温度が相対的に高い部分が所定の熱処理に対応する所定の温度に到達した後、前記昇温度が相対的に低い部分が該所定の温度に到達する前に前記赤外線加熱を終了する、加熱工程と、を含む、金属加工方法を提供する。

本発明の効果を下記に例示する。
接合するだけで容易に製作できるテーラードブランク材を素材として利用することにより、金属加工品の製造にかかる手間やコストが低減される。また、特性の異なる金属材を所定のパターンで配置して予め接合することにより、製品において所望の特性分布を形成することができるため、熱処理設備や熱処理工程管理等を簡素化することができる。

図１は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で使用可能な赤外線加熱装置の説明図である。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で採用される金属材（テーラードブランク材）の平面図である。図３は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で採用される、昇温度の異なる二つの金属材を赤外線加熱した結果を示すグラフである。

本発明の一実施の形態によれば、所定の熱処理を施す部分に前記昇温度が相対的に高い金属材を割り当て、該所定の熱処理を施さない部分に前記昇温度が相対的に低い金属材を割り当てる。この形態によれば、加熱に使用するエネルギー量を削減することができる。また、昇温度が相対的に高い部分と低い部分の間における熱伝導が減少するため、特性が変化する境界を明確に設定できる。換言すると、特性の異なる金属材を所定のパターンで配置して予め接合することによって、所定の熱処理をする部分としない部分の境目を、容易ないし正確に設定することができる。ブランク材の形成段階（複数の金属材の接合段階）で、例えば、強度が高い部分と低い部分の作り分けが設定できるため、熱処理設備又は熱処理管理が簡素化できる。例えば、接合するだけで容易に製作できるテーラードブランク材を素材として利用して、部分焼入れが可能となる。

昇温度が相対的に高い金属材と昇温度が相対的に低い金属材の昇温度差は、昇温度が相対的に高い金属材が設定された熱処理温度に到達した時点で、両材の温度差が、好ましくは１００〜４００℃、さらに好ましくは１００〜３００℃、さらに好ましくは１５０〜２５０℃あるよう、金属材の組成、表面性状、板厚又はサイズ等の立体的形状を調整することが好ましい。昇温度差は、好ましくは５〜３０℃／ｓ、さらに好ましくは５〜２０℃／ｓ、さらに好ましくは５〜１５℃／ｓである。

本発明の一実施の形態においては、前記加熱工程において、前記昇温度が相対的に高い部分と、前記昇温度が相対的に低い部分を同様の照射条件で赤外線加熱する。この形態によれば、熱処理設備や工程管理を簡素化することができる。また、所定の熱処理をしない部分をマスキングしなくてもよいため、被処理材の正確な位置決めを不要とすることができる。このように材料特性を活用して、加熱したい部分と加熱を抑制したい部分が設定されるため、熱処理設備又は熱処理管理が簡素化できる。

本発明の一実施の形態においては、前記加熱工程において、前記昇温度が相対的に低い部分を遮蔽せずに赤外線加熱する。この形態によれば、熱処理設備や工程管理を簡素化することができる。

本発明の一実施の形態においては、前記接合工程において、前記昇温度が相対的に高い金属材と前記昇温度が相対的に低い金属材を溶接により接合する。この形態によれば、溶接によって被熱処理材を容易に得ることができる。

本発明の一実施の形態においては、前記昇温度が相対的に高い金属材を焼入れ温度以上に加熱し、前記昇温度が相対的に低い金属材を焼入れ温度未満に加熱する。この形態によれば、加熱に使用するエネルギー量を削減することができる。また、焼入れされた強度が高い部分と焼入れされない強度が低い部分の作り分けができる。

本発明の一実施の形態において、前記昇温度の相違は、前記金属材の組成又は前記金属材の表面処理又は前記金属材の立体的形状のいずれか一以上によって設定される。例えば、光吸収塗料を用いることによって、加熱効率を向上させながら、所定の熱処理を行うことができる。また、光反射塗料を用いることによって、光反射塗料が塗布された部分の過熱を防止することができる。

本発明の一実施の形態においては、前記昇温度が相対的に低い金属材は、昇温度が相対的に高い金属材よりも赤外線の反射率が高くなるよう、光沢メッキされている。この形態によれば、光沢メッキされた部分の所定の熱処理、例えば、焼入れ温度以上に加熱されることが防止されるため、光沢メッキされた部分の成形が容易であり、成形後は光沢メッキかつ成形された部分の防錆処理を省力化又は簡素化することができる。また、熱処理時、光沢メッキされた部分は、比較的低温に維持されるため、メッキのたれが防止される。光沢メッキの種類としては、ニッケルメッキ、亜鉛メッキ、合金化溶融亜鉛メッキ、溶融アルミメッキ、クロムメッキ、錫メッキ、金メッキ、銀メッキ、銅メッキ、各種合金メッキが例示される。

本発明の一実施の形態においては、前記一体化された金属材の加熱温度を赤外線加熱用ランプの出力調整により調整する。この形態によれば、昇温時間の短縮や昇温にかかるエネルギー量の削減が可能である。

本発明の一実施の形態においては、前記一体化された金属材は板状であり、該板状の金属材をその両面から赤外線加熱する。この形態によれば、昇温時間の短縮が可能である。

本発明の一実施の形態に係る金属加工方法は、前記加熱工程終了後に前記一体化された金属材を成形する成形工程と、前記成形中又は成形後に前記一体化された金属材を冷却する冷却工程と、を含む。この形態によれば、加熱により成形が容易となる。

赤外線加熱においては、種々の波長を有する赤外線を用いることができ、使用する金属材の特性に応じて、照射する赤外線の波長を設定することが好ましい。

赤外線加熱に対する昇温度の異なる金属材として、板厚、板幅又は立体的形状の異なる金属材、主たる構成元素が異なる金属材、炭素含有量の異なる鋼板、焼入れ強化金属の添加又は非添加された金属材、メッキした金属材とメッキしない金属材、鋼板とステンレス鋼板等の特殊鋼板、特定波長の赤外線に対する吸収量が高い塗料を塗布した金属材とそれを塗布しない金属材、特定波長の赤外線に対する反射量が高い塗料を塗布した金属材とそれを塗布しない金属材、などが例示できる。

昇温度の差は、上述したように、表面の性状が互いに異なる金属材を接合することによっても設定できる。例えば、表面の凹凸度が異なる金属材同士を接合したり、鏡面度が異なる金属材同士を接合したり、することによって設定できる。

接合工程では、例えば、鉄、アルミニウムおよび銅などの、赤外線加熱による昇温度が互いに異なる材料を、最終製品に求められる特性分布に応じて選択して、溶接により接合することができる。接合には、溶接の他に、圧延などの圧力による接合、或いはリベットによる接合を選択することができる。

接合工程の段階で、後の加熱工程において、一体化された金属材における部分的な昇温度の差が設定されるため、加熱工程では、同時かつ全体的に赤外線加熱することができる。

本発明の一実施の形態においては、赤外線加熱中の一体化された金属材において、昇温度が相対的に高い部分が、例えば、焼入れ温度に到達した後、昇温度が相対的に低い部分が、この焼入れ温度に到達する前であって、十分な成形性が得られる温度に到達した段階で、赤外線加熱を終了する。

加熱された金属材は、ダイクエンチにより成形と同時に冷却したり、プレス成形後に急冷したりすることができる。

本発明による金属加工品は、Ｂピラーリンフォースメント（センターピラーリンフォースメント）やドアインパクトビームやサイドメンバーのような自動車部品として好適に利用される。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施例を説明する。図１は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で使用可能な赤外線加熱装置の説明図である。

図１を参照すると、赤外線加熱による昇温度が相対的に高い金属材と、赤外線加熱による昇温度が相対的に低い金属材が予め接合され一体化された金属材（以下これを「テーラードブランク材」と称する）４が、テーラードブランク材４の上方に配置された複数の近赤外線ランプ３と、テーラードブランク材４の下方に配置された複数の近赤外線ランプ５によって、両面から加熱されている。なお、テーラードブランク材４は、近赤外線ランプ３，５に接触しないよう、ワーク支持棒６上にセットされている。

次に、本発明の一実施例に係る金属加工方法で採用されるテーラードブランク材の一例を説明する。図２（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で採用されるテーラードブランク材の平面図である。

図２（Ａ）を参照すると、テーラードブランク材４は、赤外線加熱による昇温度が相対的に低い金属材１と、赤外線加熱による昇温度が相対的に高い金属材２が、溶接接合部位９で溶接されることにより形成されている。例えば、金属材１として防錆鋼板、金属材２として熱間プレス成形用鋼板を採用することによって、金属材２の昇温度を金属材１の昇温度よりも高く設定する。これによって、加熱工程において、金属材２が焼入れ温度に到達した段階で、金属材１はこの焼入れ温度に到達しない。図２（Ａ）に示したテーラードブランク材４は、加熱工程、成形工程および冷却工程を経て、車両のＢピラーリンフォースなどの骨格部品として利用される。

図２（Ｂ）を参照すると、矩形なテーラードブランク材４は、普通鋼板７の両端の溶接接合部位９，９に防錆鋼板８，８が溶接されている。さらに、普通鋼板７の中央部には、反射塗料１０が塗布されている。普通鋼板７は、防錆鋼板８よりも赤外線の吸収率が高いため、普通鋼板７が赤外線加熱による昇温度が相対的に高い部分となり、防錆鋼板８が赤外線加熱による昇温度が相対的に低い部分となる。また、普通鋼板７において、反射塗料１０が塗布された部分は、その他の部分よりも、赤外線の反射率が高いため、反射塗料１０が塗布された部分も、赤外線加熱による昇温度が相対的に低い部分となる。図２（Ｂ）に示したテーラードブランク材４において、普通鋼板７の部分（但し、反射塗料１０が塗布された部分を除く）が焼入れにより高強度化され、防錆鋼板８の部分と、普通鋼板７の反射塗料１０が塗布された部分は、焼入れされず成形性が保持される。例えば、普通鋼板７の反射塗料１０が塗布された部分は、穴あけ加工等が容易となる。このようにして、加熱・成形・冷却されたテーラードブランク材４は、ドアインパクトビームとして好適に利用される。

また、反射塗料１０に代えて、赤外線を吸収しやすい吸収塗料を塗布すると、吸収塗料が塗布された部分が局所加熱され、焼入れされて高強度化される。

なお、防錆鋼板８の部分にも焼入れが必要な場合には、赤外線ランプの出力を高くして、普通鋼板７の部分と防錆鋼板８の部分を両方、オーステナイト化温度以上に加熱すればよい。

図２（Ｃ）を参照すると、テーラードブランク材４は、異形材を接合して形成され、詳細には、それぞれの溶接接合部位９で、防錆鋼板８、普通鋼板７、防錆鋼板８、普通鋼板７および防錆鋼板８が順に溶接されている。普通鋼板７は、防錆鋼板８よりも赤外線の吸収率が高くなっているため、普通鋼板７が赤外線加熱による昇温度が相対的に高い部分となり、防錆鋼板８が赤外線加熱による昇温度が相対的に低い部分となる。図２（Ｃ）に示したテーラードブランク材４において、普通鋼板７の部分が焼入れにより高強度化され、防錆鋼板８の部分は、焼入れされず成形性が保持される。

図３は、本発明の一実施例に係る金属加工方法で採用される、昇温度の異なる二つの金属材を赤外線加熱した結果を示すグラフである。図３を参照すると、普通鋼板が最高温度に到達するまでの期間（０〜２８秒）において、太線で示す普通鋼板の昇温度は３２℃／ｓ、点線で示す防錆メッキ鋼板の昇温度は２３℃／ｓであり、両者の昇温度差は、約１０℃であった。普通鋼板が最高温度に到達した時点（加熱開始後２８秒の時点）で、普通鋼板と防錆メッキ鋼板の温度差は、２５０℃であった。また、おおよそ加熱開始後２０〜４０秒の期間で、昇温度が相対的に高い普通鋼板の部分が十分な焼入れ温度に到達し、昇温度が相対的に低い防錆メッキ鋼板の部分が焼入れ温度に到達しないことがわかった。

上述した実験結果より、昇温度が相対的に高い普通鋼板と昇温度が相対的に低い防錆メッキ鋼板を接合して一体化したテーラードブランク材を、同時かつ全体的に同様の条件で赤外線加熱してから成形・冷却することにより、普通鋼板の部分のみを焼入れし、防錆メッキ鋼板の部分を焼入れせずに防錆性又は成形性を維持させることが可能であることがわかった。すなわち、加熱されたテーラードブランク材を、プレス成形と同時に冷却することにより、焼入れ強化された部分と焼入れ強化されていない防錆性を備えた部分の両方の特性を備えた金属加工品を得ることができる。

なお、昇温度が異なる金属材の組み合わせとしては、鋼板と、光沢メッキされた防錆メッキ鋼板の組み合わせが実用的である。光沢メッキによって赤外光の反射率が高くなるため、光沢メッキをしていない普通鋼板に比べて昇温度が低くなり、メッキのたれが防止され、又光沢メッキをした部分の焼入れが抑制されて成形性が維持される。光沢メッキの種類としては、ニッケルメッキ、亜鉛メッキ、合金化溶融亜鉛メッキ、溶融アルミメッキ、クロムメッキ、錫メッキ、金メッキ、銀メッキ、銅メッキ、各種合金メッキがある。

本発明の全開示（各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施例ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において、各実施の形態、実施例、各図面に記載した種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。

１昇温度が相対的に低い金属材
２昇温度が相対的に高い金属材
３近赤外線ランプ
４テーラードブランク材
５近赤外線ランプ
６ワーク支持棒
７普通鋼板
８防錆鋼板
９溶接接合部位
１０反射塗料塗布部位

Claims

赤外線加熱による昇温度が相対的に高い金属材と赤外線加熱による昇温度が相対的に低い金属材を予め接合して、一体化された金属材を形成する接合工程と、
前記一体化された金属材を同時かつ全体的に赤外線加熱し、赤外線加熱中の前記一体化された金属材において、前記昇温度が相対的に高い部分が所定の熱処理に対応する所定の温度に到達した後、前記昇温度が相対的に低い部分が該所定の温度に到達する前に前記赤外線加熱を終了する、加熱工程と、
を含む、金属加工方法。
前記所定の熱処理を施す部分に前記昇温度が相対的に高い金属材を割り当て、該所定の熱処理を施さない部分に前記昇温度が相対的に低い金属材を割り当てる請求項１記載の金属加工方法。
前記加熱工程において、前記昇温度が相対的に高い部分と、前記昇温度が相対的に低い部分を同じ照射条件で赤外線加熱する請求項１又は２記載の金属加工方法。
前記加熱工程において、前記昇温度が相対的に低い部分を遮蔽せずに赤外線加熱する請求項３記載の金属加工方法。
前記接合工程において、前記昇温度が相対的に高い金属材と前記昇温度が相対的に低い金属材を溶接により接合する請求項１〜４のいずれか一記載の金属加工方法。
前記昇温度が相対的に高い金属材を焼入れ温度以上に加熱し、前記昇温度が相対的に低い金属材を焼入れ温度未満に加熱する、請求項１〜５のいずれか一記載の金属加工方法。
前記昇温度の相違は、前記金属材の組成、前記金属材の表面処理又は前記金属材の立体的形状のいずれか一以上によって設定される請求項１〜６のいずれか一記載の金属加工方法。
前記昇温度が相対的に低い金属材は、昇温度が相対的に高い金属材よりも赤外線の反射率が高くなるよう、光沢メッキされている請求項１〜７のいずれか一記載の金属加工方法。
前記一体化された金属材の加熱温度を赤外線加熱用ランプの出力調整により調整する請求項１〜８のいずれか一記載の金属加工方法。
前記一体化された金属材は板状であり、該板状の金属材をその両面から赤外線加熱する請求項１〜９のいずれか一記載の金属加工方法。
前記加熱工程終了後に前記一体化された金属材を成形する成形工程と、
前記成形中又は成形後に前記一体化された金属材を冷却する冷却工程と、
を含む、請求項１〜１０のいずれか一記載の金属加工方法。