KR101596615B1 - 금속 재료의 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

오스테나이트를 함유하는 강재의 소성 가공 방법이며, 상기 강재를 소성 변형시킬 때의 예측 파단 개소를 특정하고, 상기 예측 파단 개소의 변형비 βx를 해석하고, 상기 변형비 βx에 대한 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβx, 상기 Tβx보다 저온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβx, 상기 Tβx보다 고온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβx, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도를 단위 ℃로 Tlocal이라 했을 때, 이 국소 온도 Tlocal이, 다음의 식 (1)을 만족하도록 가열하고, 그리고 상기 가열 후의 상기 강재를 소성 변형시킨다.
Figure 112014108066112-pct00012

Description

금속 재료의 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치{PLASTIC WORKING METHOD AND PLASTIC WORKING DEVICE FOR METAL MATERIAL}
본 발명은 오스테나이트를 함유하는 강재를, 네킹이나 파단의 발생을 억제하면서 성형하는 것이 가능해지는 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치에 관한 것이다.
지금까지, 강재의 성형성을 향상시킬 수 있는 소성 가공 방법이 다양하게 제안되고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에 기재되는 소성 가공 방법에서는, 먼저 강재의 프레스 성형 전에, 750℃ 내지 1000℃ 정도의 오스테나이트 단상 영역으로 되는 Ac3점 이상으로 강재를 가열로 등으로 미리 가열한다. 이 오스테나이트 단상의 상태의 강재를, 프레스 성형하고, 강재로부터 금형에의 전열을 이용해서 강재를 급냉해서 켄칭함으로써, 고강도로 치수 정밀도가 양호한 프레스 성형품을 제조한다.
또한, 특허문헌 2에 기재되는 소성 가공 방법에서는, 오스테나이트를 함유하는 강재에 대해서 금형의 다이를 가열함과 함께, 금형의 펀치를 냉각하면서 드로잉 성형한다. 이에 의해, 성형 후에 플랜지부로 되는 강재의 일부를 다이와의 사이에서의 전열에 의해 가열시켜서 그 변형 저항을 저감시킴과 함께, 강재의 그 이외의 부위를 펀치와의 사이에서의 전열에 의해 냉각시켜서 그 변형 저항을 증대시켜서 드로잉 성형할 수 있다. 따라서, 주름이나 파단의 발생을 방지하면서 드로잉 성형하는 것이 가능하게 된다.
또한, 특허문헌 3에 기재되는 소성 가공 방법에서는, 강재인 피가공재의 금속 조직을, 점적률로, 모상으로서 베이나이트 페라이트 및/또는 그래뉼러 베이나이트 페라이트를 70％ 이상, 제2 조직으로 해서 잔류 오스테나이트를 5％ 이상 30％ 이하로, 또한 상기 잔류 오스테나이트 중 C 농도를 1.0질량％ 이상으로 제어한다. 이에 의해, 실온에서 7％인 상기 강재의 전체 신장치가 250℃에서 20％로 되고, 그 온도에서의 성형성이 향상된다.
이들 종래 기술에 의해, 확실히, 어느 정도는 오스테나이트를 함유하는 강재의 성형성이 향상된다. 그러나, 현재에서는, 부품 형상의 복잡화나 박육화가 진행되어, 한층 더 성형성의 향상이 요구되고 있다.
일본 특허 공개 제2005-177805호 공보 일본 특허 공개 제2007-111765호 공보 일본 특허 공개 제2004-190050호 공보
본 발명은 상술한 문제를 감안해서 안출된 것으로, 오스테나이트를 함유하는 강재를 피가공재로 사용해서, 네킹이나 파단의 발생을 억제해서 성형성을 향상시키는 것이 가능해지는 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 요지는 이하와 같다.
(1) 본 발명의 일 형태는, 오스테나이트를 함유하는 강재의 소성 가공 방법이며: 변형비 β에 의존해서 변화되는 상기 강재의 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβ라 하고, 상기 Tβ보다 저온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβ라 하고, 상기 Tβ보다 고온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβ라 했을 때, 상기 Tβ와, 상기 σLβ와, 상기 σHβ를, 상기 변형비 β마다 측정하는 물성 해석 공정과; 상기 강재를 소성 변형시킬 때의 예측 파단 개소를 특정하고, 상기 예측 파단 개소의 변형비를 βx라 했을 때, 상기 변형비 βx를 해석하고, 그리고 상기 변형비 β 중에서 상기 변형비 βx를 선택하는 변형 양식 해석 공정과; 상기 변형비 βx에 대한 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβx라 하고, 상기 Tβx보다 저온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβx라 하고, 상기 Tβx보다 고온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβx라 하고, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도를 단위 ℃로 Tlocal이라 했을 때, 상기 Tβ 중에서 상기 Tβx를, 상기 σLβ 중에서 상기 σLβx를, 상기 σHβ 중에서 상기 σHβx를 각각 선택하고, 그리고 상기 국소 온도 Tlocal이 다음 식 (1)에 나타내는 제1 온도 범위 내로 되도록 가열하는 가열 공정과; 상기 가열 공정 후의 상기 강재를 소성 변형시키는 가공 공정;을 구비한다.
Figure 112014108066112-pct00001
(2) 상기 (1)에 기재된 소성 가공 방법에서는, 상기 가공 공정에서의 소성 변형 중에 변화되는 상기 국소 온도 Tlocal의 온도 변위를 단위 ℃로 ΔTlocal이라 했을 때, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 온도 변위 ΔTlocal을 더 해석하고; 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 다음의 식 (2)에 나타내는 제2 온도 범위 내로 되도록 가열해도 된다.
Figure 112014108066112-pct00002
(3) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 소성 가공 방법에서는, 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 온도 범위 내로 되도록, 상기 강재, 금형 또는 상기 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열해도 된다.
(4) 상기 (1) 또는 (2)에 기재된 소성 가공 방법에서는, 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 온도 범위 내로 되도록, 열 매체를 가열하고; 상기 가공 공정에서, 상기 열 매체의 압력에 의해, 상기 강재를 소성 변형시켜도 된다.
(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 소성 가공 방법에서는, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 예측 파단 개소와, 상기 변형비 βx와, 상기 온도 변위 ΔTlocal을, 소성 가공 시뮬레이션을 사용해서 해석해도 된다.
(6) 상기 (1) 내지 (3) 또는 (5) 중 어느 하나에 기재된 소성 가공 방법을 행하는 소성 가공 장치는, 상기 강재와 금형을 수용하는 수용부와; 상기 강재, 상기 금형 또는 상기 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열하는 가열부와; 상기 가열부에 의해 가열된 상기 강재를, 상기 금형에 의해 소성 변형시키는 가공부;를 구비한다.
(7) 상기 (6)에 기재된 소성 가공 장치에서는, 상기 수용부를 덮도록 배치되는 단열 부재를 더 구비해도 된다.
(8) 상기 (6) 또는 (7)에 기재된 소성 가공 장치에서는, 상기 강재, 상기 금형 및 상기 수용부 내의 공간의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비해도 된다.
(9) 상기 (1), (2), (4) 또는 (5) 중 어느 하나에 기재된 소성 가공 방법을 행하는 소성 가공 장치는,
상기 강재와 금형을 수용하는 수용부와;
상기 금형 내에 상기 열 매체를 도입하는 열 매체 도입부와;
상기 강재, 상기 금형, 상기 강재의 주위 공간 또는 상기 열 매체 중 적어도 1개를 가열부와;
상기 가열부에 의해 가열된 상기 강재를, 상기 열 매체의 압력에 의해 소성 변형시키는 가공부;를 구비한다.
(10) 상기 (9)에 기재된 소성 가공 장치에서는, 상기 수용부를 덮도록 배치되는 단열 부재를 더 구비해도 된다.
(11) 상기 (9) 또는 (10)에 기재된 소성 가공 장치에서는, 상기 강재, 상기 금형, 상기 수용부 내의 공간 및 상기 열 매체의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비해도 된다.
본 발명의 상기 형태에 의하면, 오스테나이트를 함유하는 강재를 소성 변형시킬 때, 이 강재의 예측 파단 개소의 변형비에 따른 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 포함하는 온도 범위에서 소성 가공을 행하기 때문에, 이 강재에 발현하는 변태 유기 소성 현상을 최대한으로 활용할 수 있다. 그 결과, 네킹이나 파단의 발생을 억제해서 성형성을 향상시키는 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치의 제공이 가능하게 된다.
도 1은 변태 유기 소성 현상을 설명하는 모식도.
도 2는 일축 인장, 평면 변형 인장 및 등이축 인장을 설명하는 모식도.
도 3은 저탄소강의 각 변형비 β에 있어서의 한계 상당 변형의 온도 의존성을 도시하는 도면.
도 4는 도 3 중 β=0에 있어서의 한계 상당 변형 온도 의존성의 정규 분포 근사 곡선을 도시하는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 소성 가공 장치의 개략적인 구성을 나타내는 일부 절결 정면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 소성 가공 장치의 개략적인 구성을 나타내는 일부 절결 정면도.
도 7은 각통 드로잉 성형 가공을 설명하는 모식도.
본 발명의 실시 형태에 따른 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치에 대해서, 상세하게 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태의 구성에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.
처음에, 본 발명에 일 실시 형태에 따른 소성 가공 방법에 대해서 설명한다. 본 실시 형태의 소성 가공 방법에서는, 오스테나이트를 함유하는 강재를 피가공재로 사용하고, 그리고 이 강재에 발현되는 변태 유기 소성 현상을 최대한으로 활용한다.
여기서, 변태 유기 소성 현상(Transformation Induced Plasticity: TRIP 현상)에 대해서 설명한다. 도 1은 TRIP 현상을 설명하는 모식도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 오스테나이트를 함유하는 강재(TRIP강)를 예를 들어 인장 변형시키면, 어느 정도의 변형 후에, 네킹이 발생한다. 네킹이 발생하면, 그 네킹부에 작용하는 응력이 높아지고, 이 응력에 의해 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하는 가공 유기 변태(도 1 중에서 A로 나타냄)가 발생한다. 마르텐사이트는 다른 마이크로 조직과 비교해서 고강도이므로, 가공 유기 변태에 의해 네킹부가 다른 부위보다 강화되고, 네킹부의 변형이 진행되지 않게 된다. 이 결과, 네킹부 근방의 상대적으로 저강도인 부위에서 변형이 진행되게 된다. 이와 같이, 가공 유기 변태에 의한 네킹의 발생과, 변형의 억제가 반복되는 현상이, 변태 유기 소성 현상(TRIP 현상)이라고 불린다. 이에 의해, 재료내에서 균일하게 변형이 진행되어, 우수한 연성이 얻어진다.
그러나, 상술한 TRIP 현상에는, 온도 의존성이 존재한다. 이 TRIP 현상(가공 유기 변태)에 의한 연성의 향상은, 특정한 온도 범위에서만 발현된다. 또한, TRIP 현상(가공 유기 변태)에 의해 연성이 가장 향상되는 온도(이후, 가공 유기 변태 연성 극대 온도라 칭함)는 그 TRIP강의 화학 조성 및 금속 조직에 의존한다. 또한, 본 발명자들이 예의 검토한 결과, 이 가공 유기 변태 연성 극대 온도는, 소성 변형 시의 변형비 β(소성 변형 양식)에 영향을 받고, 그 값이 변화되는 변형비 β 의존성(소성 변형 양식 의존성)도 갖는 것이 명확해졌다.
여기서, 변형비 β는, 2축 응력 상태에 있어서의 2축 방향의 변형을 각각 최대 주변형 ε1 및 최소 주변형 ε2라 할 때, β=ε2÷ε1로 표현된다. 단, ε1≥ε2이다. 특히, β=-0.5로 되는 상태가 일축 인장 상태, β=0으로 되는 상태가 평면 변형 인장 상태, 그리고 β=1.0으로 되는 상태가 등이축 인장 상태라고 불린다. 도 2에 일축 인장, 평면 변형 인장 및 등이축 인장을 설명하는 모식도를 나타낸다. 도 2에 도시한 바와 같이, β=-0.5인 일축 인장이란, 도면 중에 나타내는 ε1 방향으로 신장하고, ε2 방향으로는 줄어드는 변형 양식이고, 이것은 드로잉 성형과 같은 소성 가공에 대응한다. β=0인 평면 변형 인장이란, 도면 중에 나타내는 ε1 방향으로 신장하고, ε2 방향에는 변형이 발생하지 않는 변형 양식이고, 이것은 굽힘 성형과 같은 소성 가공에 대응한다. β=1.0인 등이축 인장이란, 도면 중에 나타내는 ε1 방향으로 신장하고, ε2 방향에도 신장하는 변형 양식이고, 이것은 신장 성형과 같은 소성 가공에 대응한다.
소성 변형능의 향상을 위해 TRIP 현상을 유효하게 활용하기 위해서는, 강재종마다 특유의 값으로 되는 가공 유기 변태 연성 극대 온도와, 이 가공 유기 변태 연성 극대 온도에 영향을 미치는 소성 변형 시의 변형비 β(소성 변형 양식)의 양쪽을 동시에 고려해야 한다. 그러나, 상술한 종래 기술에서는, 이들의 고려를 하고 있지 않다. 또한, 가공 유기 변태 연성 극대 온도는 변형비 β에 의존하는 값이므로, 이후 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 Tβ라 기재한다. 예를 들어, 변형비가 β=-0.5인 경우, 그 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 T-0.5라 기재한다.
도 3에, 저탄소강에 대해서 조사한 각 변형비 β에 있어서의 한계 상당 변형 εeq- critical의 온도 의존성을 나타낸다. 도 3 중에서, 사각 표시 및 점선이 β=-0.5의 결과, △ 표시 및 이점쇄선이 β=0의 결과, 동그라미 표시 및 실선이 β=1.0의 결과를 나타낸다. 또한, 상당 변형 εeq는, 2축 응력 상태에 있어서의 2축 방향의 변형을, 각각 최대 주변형 ε1 및 최소 주변형 ε2라 할 때, 다음의 식 (A)에 의해 계산되는 변형이다. 이 상당 변형 εeq는, 다축 응력 상태에 있어서의 응력-변형 성분을, 그에 상당하는 단축 응력-변형으로 환산한 것이다. 이 상당 변형 εeq는, 다른 소성 변형 양식, 즉 다른 변형비 β에 있어서의 소성 변형능(연성)을 비교하기 위해서 사용된다. 그리고, 한계 상당 변형 εeq - critical은, 피가공재인 강재에 파단이 발생할 때의 상당 변형 εeq이다.
Figure 112014108066112-pct00003
도 3에 도시한 바와 같이, 한계 상당 변형 εeq - critical(연성)은 특정한 온도 범위에서 그 값이 향상된다. 상기한 바와 같이, 이 연성의 향상은 TRIP 현상의 발현에 기인하는 것이다. 이와 같이, TRIP 현상에 의한 연성의 향상은, 온도 의존성을 갖는다. 예를 들어, β=-0.5인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T-0.5는 150℃로 되고, 이 온도에서 한계 상당 변형 εeq - critical이 가장 높은 값으로 된다.
또한 도 3에는, 변형비 β에 의존하여, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ가 변화되는 것이 나타난다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, β=-0.5인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T-0.5는 150℃이지만, β=0인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T0은 200℃로 되고, β=1.0인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T1 .0은 250℃로 된다. 이와 같이, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ는, 변형비 β 의존성을 갖는다.
도 4에, 도 3 중 β=0에 있어서의 한계 상당 변형 εeq - critical의 온도 의존성을 이점쇄선으로 나타내고, 이것이 정규 분포 곡선에 따른다고 가정한 경우의 근사 곡선을 점선으로 나타낸다. 상기한 바와 같이, 변형비 β=0인 경우, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 가장 향상되는 온도는, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T0의 200℃로 된다. 그러나, 도 4에 도시한 바와 같이, 한계 상당 변형 εeq-critical이 향상되는 온도는, 특정한 범위를 갖고 있다. 이 한계 상당 변형 εeq -critical이 향상되는 온도 범위는, 도 4 중에서 점선으로 나타내는 정규 분포 곡선에 따른다고 가정해서 근사한 곡선으로부터 구할 수 있다.
상기 TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위를, 근사 곡선(근사 함수)으로부터 구하는 방법을 이하에 설명한다. 먼저, 한계 상당 변형 εeq - critical의 온도 의존성이 정규 분포 곡선에 따른다고 가정하여, 이 온도 의존성을 다음의 식 (B)와 식 (C)에 나타내는 확률 밀도 함수에 근사한다. 여기서, 하기의 식 (B)는, 변형비가 β이며, 그리고 한계 상당 변형 εeq - critical이 가장 향상되는 온도인 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ보다 저온도측인, 한계 상당 변형 εeq- critical의 온도 의존성의 근사 함수(Tβ보다 저온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선)를 나타내고 있다. 다음의 식 (C)는, 변형비가 β이며, 그리고 한계 상당 변형 εeq - critical이 가장 향상되는 온도인 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ보다 고온도측인, 한계 상당 변형 εeq - critical의 온도 의존성의 근사 함수(Tβ보다 고온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선)를 나타내고 있다. 또한, 식 (B) 및 식 (C)의 식 중에서, εeq - critical:한계 상당 변형, T:온도, Tβ:가공 유기 변태 연성 극대 온도, σLβ:Tβ보다 저온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차, σHβ:Tβ보다 고온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차, e:자연대수, π:원주율, C1 내지 C4: 정수를 의미한다.
Figure 112014108066112-pct00004
확률 밀도 함수의 수학적인 정의로부터 고려하면, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위는, 상기 σLβ와 σHβ에 의해 표현이 가능하다. 즉, 이 온도 범위는, 예를 들어 (Tβ-3×σLβ) 내지 (Tβ+3×σHβ), (Tβ-2×σLβ) 내지 (Tβ+2×σHβ) 또는 (Tβ-σLβ) 내지 (Tβ+σHβ) 등으로 표현할 수 있다. 여기서, 상기 범위가 (Tβ-3×σLβ) 내지 (Tβ+3×σHβ)인 경우에는, 확률 밀도 함수의 적분값이 0.9974로 되는 것을, 상기 범위가 (Tβ-2×σLβ) 내지 (Tβ+2×σHβ)인 경우에는, 확률 밀도 함수의 적분값이 0.9544로 되는 것을, 그리고 상기 범위가 (Tβ-σLβ) 내지 (Tβ+σHβ)인 경우에는, 확률 밀도 함수의 적분값이 0.6826으로 되는 것을, 수학적으로 의미한다.
이와 같이, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위는, 정규 분포 곡선에 따른다고 가정해서 근사한 곡선(한계 상당 변형 근사 곡선)의 표준 편차인 σLβ와 σHβ를 사용해서 표현할 수 있다. 이들 σLβ 및 σHβ는, 변형비 β에 의존하는 값이다. 이후, 이들 σLβ 및 σHβ를, 예를 들어 변형비가 β=0인 경우, σL0 및 σH0으로 기재한다. 도 4에 도시하는 변형비 β=0인 경우에는, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T0이 200℃로 되고, 그리고 근사 곡선의 해석 결과로부터, σL0이 55℃, σH0이 19℃로 된다. 또한, σLβ와 σHβ를 구하기 위한 근사 곡선의 해석은, 일반적인 데이터 분석·그래프 작성 애플리케이션이나, 일반적인 그래프 작성 기능을 갖는 표 계산 애플리케이션으로 행할 수 있다.
도 4에서는, 예를 들어 TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위는, (T0-3×σL0) 내지 (T0+3×σH0)의 경우가 35℃ 내지 257℃, (T0-2×σL0) 내지 (T0+2×σH0)의 경우가 90℃ 내지 238℃ 또는 (T0-σL0) 내지 (T0+σH0)의 경우가 145℃ 내지 219℃ 등으로 표현하는 것이 가능하다. 단, 본 발명자들이, 다양한 강재 및 다양한 변형비에 대해서 예의 검토한 결과, 온도 범위로서 (Tβ-2×σLβ) 내지 (Tβ+1.25×σHβ)를 채용하면, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq-critical이 향상되는 온도 범위를, 과부족 없이 바람직하게 표현할 수 있는 것이 판명되었다. 따라서 본 실시 형태에 따른 소성 가공 방법에서는, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위로서, (Tβ-2×σLβ) 내지 (Tβ+1.25×σHβ)를 채용한다. 또는 필요에 따라, 이 온도 범위의 하한을, (Tβ-1.75×σLβ), (Tβ-1.5×σLβ) 또는 (Tβ-1.25×σLβ)로 해도 된다. 마찬가지로, 이 온도 범위의 상한을, (Tβ+1.20×σHβ), (Tβ+1.15×σHβ) 또는 (Tβ-1.10×σLβ)로 해도 된다.
변형비가 β=0인 경우, 그리고 온도 범위를 (T0-2×σL0) 내지 (T0+1.25×σH0)로 하는 경우, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq - critical이 향상되는 온도 범위는 90℃ 내지 223.75℃로 된다. 즉, 이 저탄소강의 경우, 변형비 β=0인 소성 변형 양식에서 소성 변형능을 향상시키기 위해서는, 90℃ 내지 223.75℃의 온도 범위에 소성 가공을 행하면 되는 것을 알 수 있다.
이상에 의해, 오스테나이트를 함유하는 강재(TRIP강)를 피가공재로 사용하고, 그리고 네킹이나 파단을 최대한으로 억제하면서 이 강재를 성형하기 위해서는, 다음의 소성 가공 방법을 채용하면 되는 것을 알 수 있다. 그것은, (1) 피가공재인 강재의 각 변형비 β에 있어서의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ와, 이 Tβ를 기준으로 해서 저온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차 σLβ와, 이 Tβ를 기준으로 해서 고온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차 σHβ를 미리 측정해 두고, (2) 성형 시에 네킹이나 파단이 가장 발생하기 쉬운 강재의 국소 영역의 소성 변형 양식, 즉 이 국소 영역의 변형비 βx를 미리 특정해 두고, (3) 국소 영역의 온도를, 변형비 βx에 적합한 온도 범위인 (Tβx-2×σLβx) 내지 (Tβx+1.25×σHβx)로 되도록 제어하고, 그리고 (4) 국소 영역의 온도가 이 온도 범위 내로 되는 조건에서 소성 가공을 실시하면 된다. 여기서, βx는, 변형비가 β=x인 것을 나타내고, Tβx는, 변형비가 β=x일 때의 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 나타내고, σLβx는, Tβx를 기준으로 해서 저온도측인 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 나타내고, 그리고 σHβx는, Tβx를 기준으로 해서 고온도측인 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 나타낸다. 또한, Tβx, σLβx 및 σHβx는, 각 변형비 β마다 미리 측정해 둔, Tβ, σLβ 및 σHβ에 포함되는 값이다. 따라서, Tβx, σLβx 및 σHβx와, Tβ, σLβ 및 σHβ의 측정 및 해석 방법은 동일하다.
구체적으로 설명하면 본 실시 형태의 소성 가공 방법은, 오스테나이트를 함유하는 강재를 피가공재로 사용하고: 변형비 β에 의존해서 변화되는 상기 강재의 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβ라 하고, 상기 Tβ보다 저온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβ라 하고, 상기 Tβ보다 고온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβ라 했을 때, 상기 Tβ와, 상기 σLβ와, 상기 σHβ를, 상기 변형비 β마다 측정하는 물성 해석 공정과; 상기 강재를 소성 변형시킬 때의 예측 파단 개소를 특정하고, 상기 예측 파단 개소의 변형비를 βx라 했을 때, 상기 변형비 βx를 해석하고, 그리고 상기 변형비 β 중에서 상기 변형비 βx를 선택하는 변형 양식 해석 공정과; 상기 변형비 βx에 대한 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβx라 하고, 상기 Tβx보다 저온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβx라 하고, 상기 Tβx보다 고온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβx라 하고, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도를 단위 ℃로 Tlocal이라 했을 때, 상기 Tβ 중에서 상기 Tβx를, 상기 σLβ 중에서 상기 σLβx를, 상기 σHβ 중에서 상기 σHβx를 각각 선택하고, 그리고 상기 국소 온도 Tlocal이 다음의 식 (D)로 나타내는 제1 온도 범위 내로 되도록 가열하는 가열 공정과; 상기 가열 공정 후의 상기 강재를 소성 변형시키는 가공 공정;을 구비한다.
Figure 112014108066112-pct00005
상기 물성 해석 공정에서는, 피가공재로 사용하는 강재에 대해서, 각 변형비 β에 있어서의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ를 단위 ℃로 측정한다. 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ의 측정 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 시험편의 종횡 치수를 변화시키고, 시험편 단부를 고정하는 스페리컬 스트레치 포밍 시험을, 각 온도에 있어서 실시하면 된다. 그리고, 가장 한계 상당 변형 εeq -critical(연성)이 향상되는 온도를, 그 변형비 β에 있어서의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ라 한다. 그리고, 각 변형비마다, 이 Tβ보다 저온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차와, 이 Tβ보다 고온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를, 상기한 근사 곡선 해석에 의해 구한다.
상기 변형 양식 해석 공정에서는, 강재를 소성 변형시킬 때, 강재의 네킹이나 파단이 가장 발생하기 쉬운 국소 영역(예측 파단 개소)을 특정하고, 이 국소 영역의 소성 변형 양식으로서 변형비 βx를 특정한다. 그리고, 상기 물성 해석 공정에서 측정한 변형비 β 중에서 이 변형비 βx를 선택한다. 예측 파단 개소 및 그 개소의 변형비 βx의 측정 방법은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 스크라이브드 서클법을 실시하면 된다. 스크라이브드 서클법이란, 가공 전의 피가공재의 표면에, 원형 패턴이나 격자 패턴을 그려 두고, 소성 변형에 의해 네킹이나 파단이 발생하기 쉬운 국소 영역(예측 파단 개소)을 특정하고, 그리고 이 국소 영역의 상기 패턴 형상을 측정함으로써, 이 국소 영역의 소성 변형 양식(변형비 βx)을 특정하는 방법이다. 스크라이브드 서클법의 결과로부터, 국소 영역의 소성 변형 양식을, 일축 인장(β=-0.5), 드로잉 영역(-0.5 <β<0), 평면 변형 인장(β=0), 돌출 영역(0 <β<1.0) 및 등이축 인장(β=1.0) 등으로 분류할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실측에 의해, 예측 파단 개소 및 그 개소의 변형비 βx를 해석하는 것도 가능하지만, 상기 변형 양식 해석 공정이 다른 해석 방법으로서, 유한 요소법을 사용한 소성 변형 시뮬레이션을 사용해도 된다. 이때, 수많이 시판되고 있는 컴퓨터용 소성 변형 시뮬레이션 프로그램을 사용하면 된다. 소성 변형 시뮬레이션을 사용하면, 실측이 곤란한, 피가공재의 내부가 예측 파단 개소로 되는 경우에도, 예측 파단 개소의 특정과 그 개소의 변형비 βx의 해석이 가능하게 된다. 그리고, 상기 시뮬레이션 결과의 타당성을, 실험에서 확인하는 것만으로 좋으므로, 최소 실험수로 예측 파단 개소 및 그 개소의 변형비 βx를 해석하는 것이 가능하게 된다.
상기 가열 공정에서는, 강재의 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이, 그 개소의 변형비 βx에 따른 온도 범위인 (Tβx-2×σLβx) 내지 (Tβx+1.25×σHβx)로 되도록 온도 제어한다. 상기한 바와 같이, 온도 범위로서, (Tβx-3×σLβx) 내지 (Tβx+3×σHβx) 또는 (Tβx-2×σLβx) 내지 (Tβx+2×σHβx) 등을 사용해도 되지만, 본 실시 형태의 소성 가공 방법에서는, (Tβx-2×σLβx) 내지 (Tβx+1.25×σHβx)를, 소성 변형능을 향상시키는 것이 가능해지는 제1 온도 범위로서 채용한다. 바람직하게 연성 향상 효과를 얻고자 하는 경우에는, 필요에 따라, 상기 제1 온도 범위를, 예를 들어 (Tβx-σLβx) 내지 (Tβx+σHβx) 또는 (Tβx-0.5×σLβx) 내지 (Tβx+0.5×σHβx) 등으로 하면 된다.
더욱 바람직하게 연성 향상 효과를 얻고자 하는 경우에는, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 소성 가공 중에 열 교환이나 가공 발열 등에 따라 변화되는 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal의 온도 변위 ΔTlocal을 단위 ℃로 해석해 두고, 그리고 상기 가열 공정에서, 이 국소 온도 Tlocal이, 상기 식 (D)에 나타낸 제1 온도 범위를 대신하여, 이 온도 변위 ΔTlocal을 감안한 다음의 식 (E)에 나타내는 제2 온도 범위 내로 되도록 온도 제어하면 된다.
Figure 112014108066112-pct00006
이와 같이, 소성 가공 중에 열 교환이나 가공 발열 등에 따라 변화되는 강재의 국소 온도 Tlocal의 온도 변위 ΔTlocal을 고려함으로써, 다음 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 변형 속도가 느린 소성 가공이며, 소성 가공 개시 시와 강재에 네킹이나 파단이 발생하는 소성 가공 종료 시를 비교해서 강재의 온도 변화가 큰 경우에도, 소성 변형능이 가장 필요해지는 소성 가공 종료 시에, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal을 연성 향상의 효과를 얻을 수 있는 온도 범위 내로 제어할 수 있다. 또는 예를 들어 변형 속도가 빠른 소성 가공이며, 가공 발열의 영향을 무시할 수 없는 경우에도, 상기 국소 온도 Tlocal을 연성 향상의 효과를 얻을 수 있는 온도 범위 내로 제어할 수 있다. 가장 바람직하게 연성 향상 효과를 얻고자 하는 경우에는, 필요에 따라, 상기 제2 온도 범위를, (Tβx-ΔTlocal-σLβx) 내지 (Tβx-ΔTlocal+σHβx) 또는 (Tβx-ΔTlocal-0.5×σLβx) 내지 (Tβx-ΔTlocal+0.5×σHβx) 등으로 하면 된다.
상기한 변형 양식 해석 공정에서의 온도 변위 ΔTlocal의 해석은, 예측 파단 개소에 열전대 등을 설치해서 소성 변형 중 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal을 실제로 측정하면 된다. 또는 상술한 유한 요소법을 사용한 소성 변형 시뮬레이션을 사용하여, 상술한 예측 파단 개소 및 그 개소의 변형비 βx의 해석 외에, 이 온도 변위 ΔTlocal을 해석해도 된다.
상기 가열 공정에서는, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이, 연성 향상의 효과를 얻을 수 있는 상기 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내로 되도록, 강재, 금형 또는 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 변형 양식 해석 공정에서, 예측 파단 개소가 복수 개소 있는 것이 판명되고, 그리고 이 복수의 예측 파단 개소 사이에서 변형비 β가 다른 것이 판명된 경우, 상기 가열 공정에서, 강재, 금형 또는 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열함으로써, 복수 있는 예측 파단 개소의 각각의 온도가, 그 변형비 β에 적합한 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내가 되도록 온도 제어하는 것이 바람직하다. 그 결과, 복수 있는 예측 파단 개소의 각각의 개소에서, 그 개소에 따른 연성 향상 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 가열 공정에서는, 필요에 따라, 강재, 금형 또는 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 냉각해도 된다.
상기 가공 공정에서는, 가열 공정에서 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 연성 향상 효과를 얻을 수 있는 상기 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내로 되도록 온도 제어된 강재를, 목적 형상으로 소성 가공하면 되고, 소성 가공 방법에 대해서 특별히 한정되지 않는다. 소성 가공 방법으로서, 자유 단조, 형 단조, 금형을 사용한 프레스 가공 등을 행하면 된다.
또한, 상기 가열 공정에서, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 상기 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내로 되도록, 실리콘 오일 등의 오일류나 공기나 불활성 가스, 수증기 미스트나 오일 미스트 등의 열 매체를 가열하고, 그리고 상기 가공 공정에서, 피가공재인 강재를, 이 열 매체의 압력에 의해 소성 변형시켜도 된다. 이 결과, 피가공재의 소성 변형부를 균일하게 가열하고, 소성 변형이 보다 균일하게 가까운 상태에서 진행되기 때문에, 파단에 도달하는 것을 늦추어서 성형성이 향상된다는 효과를 얻는 것이 가능하다.
이상 설명한 본 실시 형태의 소성 가공 방법에 대해서 이하에 통합한다.
(1) 본 실시 형태는, 오스테나이트를 함유하는 강재를 피가공재로 하는 소성 가공 방법이며: 변형비 β에 의존해서 변화되는 상기 강재의 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβ라 하고, 상기 Tβ보다 저온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβ라 하고, 상기 Tβ보다 고온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβ라 했을 때, 상기 Tβ와, 상기 σLβ와, 상기 σHβ를, 상기 변형비 β마다 측정하는 물성 해석 공정과; 상기 강재를 소성 변형시킬 때의 예측 파단 개소를 특정하고, 상기 예측 파단 개소의 변형비를 βx라 했을 때, 상기 변형비 βx를 해석하고, 그리고 상기 변형비 β 중에서 상기 변형비 βx를 선택하는 변형 양식 해석 공정과; 상기 변형비 βx에 대한 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβx라 하고, 상기 Tβx보다 저온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβx라 하고, 상기 Tβx보다 고온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβx라 하고, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도를 단위 ℃로 Tlocal이라 했을 때, 상기 Tβ 중에서 상기 Tβx를, 상기 σLβ 중에서 상기 σLβx를, 상기 σHβ 중에서 상기 σHβx를 각각 선택하고, 그리고 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 식 (D)에 나타내는 제1 온도 범위 내로 되도록 가열하는 가열 공정과; 상기 가열 공정 후의 상기 강재를 소성 변형시키는 가공 공정;을 구비한다.
(2) 그리고, 상기 가공 공정에서의 소성 변형 중에 변화되는 상기 국소 온도 Tlocal의 온도 변위를 단위 ℃로 ΔTlocal이라 했을 때, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 온도 변위 ΔTlocal을 더 해석하고; 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 식 (E)에 나타내는 제2 온도 범위 내로 되도록 가열해도 된다.
(3) 그리고, 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 제1 온도 범위 내 또는 상기 제2 온도 범위 내로 되도록, 상기 강재, 금형 또는 상기 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열해도 된다.
(4) 그리고, 상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 제1 온도 범위 내 또는 상기 제2 온도 범위 내로 되도록, 열 매체를 가열하고; 상기 가공 공정에서, 상기 열 매체의 압력에 의해, 상기 강재를 소성 변형시켜도 된다.
(5) 그리고, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 예측 파단 개소와, 상기 변형비 βx를, 소성 가공 시뮬레이션을 사용해서 해석해도 된다. 더하여, 상기 온도 변위 ΔTlocal을, 소성 가공 시뮬레이션을 사용해서 해석해도 된다.
이어서, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 소성 가공 장치에 대해서 설명한다.
[제1 실시 형태]
본 발명의 제1 실시 형태에 따른 소성 가공 장치에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 소성 가공 장치의 개략적인 구성을 나타내는 일부 절결 정면도이다.
본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)의 가공부의 구성을 이하에 설명한다. 본체 프레임(11)은 1조의 금형(21) 등의 소성 가공 장치(1)를 구성하는 각 부품을 설치하기 위한 것이고, 그 내측 하부에는 볼스터(12)가 배치되고, 그 내측 상부에는 슬라이드(13)가 배치되어 있다. 슬라이드(13)는 본체 프레임(11)의 상부에 배치된 모터, 실린더 등의 슬라이드 구동 장치(14)에 의해 상하 방향으로 구동되도록 구성되어 있다. 슬라이드(13)는 그 하면에 상부 금형(21)이 설치되고, 볼스터(12)는 그 상면에 하부 금형(21)이 설치되어 있다. 이에 의해, 소성 가공 장치(1)는 본체 프레임(11)에 대해서 1조의 금형(21)이 서로 대향해서 배치된 상태에서 설치되고, 슬라이드(13)가 상하 이동함으로써 1조의 금형(21) 사이에서 피가공재(3)의 소성 가공을 행할 수 있도록 구성되어 있다. 이와 같이 1조의 금형(21)에 의해 피가공재(3)의 소성 가공을 행하는 것이 가능하면, 소성 가공 장치(1)의 본체 프레임(11) 등의 구성에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다.
1조의 금형(21)은 이들 사이에 배치된 피가공재(3)에 대해서 굽힘 가공, 드로잉 가공, 플랜지 성형 가공, 버링 가공, 벌징 가공 등의 소성 가공을 행함으로써 소성 가공의 종류나 성형품의 형상에 따라, 그 형상이 조정되고, 그 구성으로서 공지된 것이 사용된다. 1조의 금형(21)은 예를 들어 하부 금형(21) 위에 적재된 피가공재(3)를 상부 금형(21)에 설치된 볼록부(21b)에 의해 하부 금형(21)에 형성된 오목부(21a) 안으로 들어가게 해서 상부 금형(21)을 구동시킴으로써, 피가공재(3)를 굽힘 가공하는 것으로서 구성되어 있다. 1조의 금형(21)에는, 예를 들어 드로잉 가공을 행하기 위한 블랭크 홀더가 설치되어 있어도 된다. 1조의 금형(21)은 상부 금형(21)과 하부 금형(21)의 양쪽에 오목부(21a)가 설치되고, 피가공재(3)를 형 단조하는 구성이어도 된다.
본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 가열부로서, 피가공재(3)와 1조의 금형(21)을 포함하는 공간(16) 내의 분위기를 가열하는 히터(31)와, 1조의 금형(21)을 가열하는 히터(32)를 갖는다. 또한, 상기 가열부는, 소성 가공 장치(1)의 외부에 배치되고, 피가공재(3)를 가열하는 가열로(33)를 갖는다. 소성 가공 장치(1)는 히터(31), 히터(32) 및 가열로(33) 중 적어도 하나를 구비하는 구성이어도 된다. 히터(31)를 갖는 구성에서는, 히터(31)가 공간(16) 내의 분위기를 가열하기 위해서, 의도적으로, 피가공재(3)와 공간(16)의 온도차가 비교적 작아지도록 또는 이 온도차가 커지도록 가열할 수 있다. 히터(32)를 갖는 구성에서는, 히터(32)가 1조의 금형(21)을 가열하기 위해서, 의도적으로, 피가공재(3)와 금형(21)의 온도차가 비교적 작아지도록 또는 이 온도차가 커지도록 가열할 수 있다. 가열로(33)를 갖는 구성에서는, 소성 가공 장치(1)의 공간(16) 내에 설치하기 전의 피가공재(3)의 온도를 목적 온도로 제어할 수 있다. 이와 같이, 히터(31), 히터(32) 또는 가열로(33) 중 적어도 하나를 사용함으로써, 피가공재(3)에 복수의 예측 파단 개소가 존재하는 경우에도, 복수 있는 예측 파단 개소의 각각을, 그 개소에 따른 온도로 제어할 수 있다. 또한, 상기 가열부에서는, 필요에 따라, 피가공재(3), 금형(21) 또는 공간(16) 중 적어도 1개를 냉각해도 된다.
또한, 소성 가공 장치(1)는 상기 공간(16)을 덮도록 배치된 커버(41)(보온 커버, 단열 부재)를 갖는다. 커버(41)에 덮인 공간(16)은 피가공재(3)를 수용하는 수용부로서 기능한다.
히터(31)는 피가공재(3)와 1조의 금형(21)을 포함하는 공간(16) 내의 분위기를, 그리고 히터(32)는 상기 금형(21)을 가열하고, 피가공재(3)의 예측 파단 개소를 상기한 제1 온도 범위 또는 제2 온도 범위로 가열할 수 있으면 된다. 따라서, 그들의 위치, 구성에 대해서 특별히 한정하는 것은 아니고, 전기 히터 외에, 예를 들어 유도 가열 코일, 버너 등으로 구성되어 있어도 된다. 히터(31)는 예를 들어 상기 본체 프레임(11)에 대해서 설치되고, 히터(32)는 상기 금형(21) 내부에 설치된다. 또한 필요에 따라, 히터(31), 히터(32) 및 가열로(33)는 실온 이하의 온도로 냉각하는 냉각 기능을 가져도 된다. 이 경우, 피가공재(3)의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ가 실온 이하여도, 피가공재(3)의 예측 파단 개소의 온도를 상기한 제1 온도 범위 또는 제2 온도 범위로 제어할 수 있으므로 바람직하다.
커버(41)는 피가공재(3)와 1조의 금형(21)을 포함하는 공간(16)을 포위하고, 그 공간(16) 내의 분위기의 외부로의 방열이나, 공간(16) 안으로의 외기의 침입을 방지하기 위해서 배치되는 것이다. 커버(41)는 단열성이 우수한 재질인 단열 부재로 구성되어 있고, 예를 들어 수냉 기능을 갖는 금속제 외측 프레임의 내측에, 내열 재로서 글라스 울이나 알루미늄 필름 라미네이트 등이 설치된다. 또한, 커버(41)는 피가공재를 출납하기 위한 도시하지 않은 개구부와 도어를 갖고 있다. 커버(41)는 본 실시 형태에서는, 상자 형상으로 형성되어 있고, 본체 프레임(11)의 측부나 상부를 덮도록 본체 프레임(11)에 대해서 설치되어 있지만, 적어도 1조의 금형(21)을 포함하는 공간(16)을 포위할 수 있는 것이면, 그 형상, 위치나 설치 방법에 대해서 특별히 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 실시 형태에서는, 본체 프레임(11)의 상부로부터 돌출된 슬라이드 구동 장치(14)를 삽입 관통시키기 위한 삽입 관통 구멍(41a)과, 후술하는 불활성 가스를 도입하는 불활성 가스 도입부를 삽입 관통시키기 위한 삽입 관통 구멍(41b)이 커버(41)에 형성되어 있다.
본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 불활성 가스 도입부(51)를 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 불활성 가스 도입부(51)는 예를 들어 상기 공간(16) 내의 분위기를, 예를 들어 Ar이나 N2 등의 불활성 가스로 치환하기 위한, 도시하지 않은 가스 봄베와 금속제 파이프를 갖는다. 불활성 가스 도입부(51)에 의해, 피가공재(3)의 표면 산화를 최소한으로 억제할 수 있다. 불활성 가스 도입부(51)의 형상, 위치나 설치 방법에 대해서 특별히 한정하는 것은 아니다. 또한, 본 실시 형태에서는, 커버(41)에 형성되는 삽입 관통 구멍(41b)에 설치한 금속제 파이프에 의해, Ar이나 N2 등의 불활성 가스를 불어 넣도록 구성된다. 보다 바람직하게 피가공재(3)의 표면 산화를 억제하고자 하는 경우에는, 이 불활성 가스 도입부(51)가 도시하지 않은 진공 탈기 펌프를 더 가져도 된다.
또한, 본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 측온부를 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 측온부는, 상기 피가공재(3), 상기 금형(21) 및 상기 공간(16)의 각각을 독립적으로 측온할 수 있도록, 상기 피가공재(3), 상기 금형(21) 및 상기 공간(16)의 각각에 설치하는 도시하지 않은 온도계와 표시 디바이스를 갖는다. 측온부의 형상, 위치나 설치 방법에 대해서 특별히 한정하는 것은 아니다. 온도계로서는, 접촉식 열전대 온도계 또는 적외선 방사 온도계 등을 사용하면 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 측온부로서 열전대를 사용한다.
이상 설명의 본 실시 형태의 소성 가공 장치에 대해서 이하에 통합한다.
(6) 본 발명의 제1 실시 형태의 소성 가공 장치는,: 피가공재(3)(강재)와 1조의 금형(21)을 수용하는 수용부와; 피가공재(3)(강재)의 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내로 되도록, 피가공재(3)(강재), 1조의 금형(21) 또는 공간(16)(강재의 주위 공간) 중 적어도 1개를 가열하는 가열부와; 이 가열부에 의해 가열된 피가공재(3)(강재)를 1조의 금형(21)에 의해 소성 변형시키는 가공부;를 구비한다.
(7) 그리고, 상기 수용부를 덮도록 배치되는 커버(41)(단열 부재)를 더 구비한다.
(8) 그리고, 피가공재(3)(강재), 1조의 금형(21) 및 공간(16)(수용부 내의 공간)의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비한다.
[제2 실시 형태]
이어서, 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 소성 가공 장치에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 소성 가공 장치의 개략적인 구성을 나타내는 일부 절결 정면도이다.
본 실시 형태에서는, 금형(21)의 구조가 상기 제1 실시 형태와 특히 다르므로, 그 상위점을 중심으로 설명하고, 그 다른 구조에 대해서는 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로 해서 중복된 설명을 생략한다.
본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 1조의 금형(21)과 열 매체에 의해, 이들 사이에 배치된 피가공재(3)에 대해서 소성 가공을 행한다. 예를 들어, 열 매체 도입부(71)에 의해 압력과 온도가 제어된 열 매체가, 배관(71a)을 통해서, 하부 금형(21)에 설치된 열 매체 도입 구멍(21c)으로부터 도입된다. 그리고, 슬라이드 구동 장치(14)에 의해 상부 금형(21)과 하부 금형(21) 사이에 고정된 피가공재(3)가 열 매체의 압력에 의해, 상부 금형(21)에 형성된 오목부(21a) 안으로 압입된다. 그 결과, 피가공재(3)에 목적하는 형상이 부여된다.
상기 열 매체로서, 실리콘 오일 등의 유류나, 공기, 불활성 가스, 수증기 미스트, 오일 미스트 등의 기체 등을 사용할 수 있다. 또한, 열 매체 도입부(71)는 특별히 한정되는 것은 아니고, 상기 열 매체의 압력과 온도를 제어할 수 있으면 된다.
본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 가열부로서, 피가공재(3)와 1조의 금형(21)을 포함하는 공간(16) 내의 분위기를 가열하는 히터(31)와, 1조의 금형(21)을 가열하는 히터(32)와, 열 매체를 가열하는 히터(34)를 갖는다. 또한, 상기 가열부는, 소성 가공 장치(1)의 외부에 배치되고, 피가공재(3)를 가열하는 가열로(33)를 갖는다. 히터(31), 히터(32), 히터(34) 또는 가열로(33) 중 적어도 하나를 사용함으로써, 피가공재(3)의 예측 파단 개소를, 그 개소에 따른 온도로 제어할 수 있다. 가령 피가공재(3)에 복수의 예측 파단 개소가 존재하더라도, 상기 4개의 가열원을 제어함으로써, 복수 있는 예측 파단 개소의 각각을, 그 개소에 따른 온도로 보다 바람직하게 제어할 수 있다. 또한 필요에 따라, 히터(31), 히터(32), 히터(34) 및 가열로(33)는 실온 이하의 온도로 냉각하는 냉각 기능을 가져도 된다. 이 경우, 피가공재(3)의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ가 실온 이하여도, 피가공재(3)의 예측 파단 개소의 온도를 상기한 제1 온도 범위 또는 제2 온도 범위로 제어할 수 있으므로 바람직하다.
또한, 본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 공간(16)을 덮도록 배치된 커버(41)(보온 커버, 단열 부재)를 갖는다. 커버(41)에 덮인 공간(16)은 피가공재(3)를 수용하는 수용부로서 기능한다.
또한, 본 실시 형태의 소성 가공 장치(1)는 측온부를 더 구비하고 있는 것이 바람직하다. 측온부는 상기 피가공재(3), 상기 금형(21), 상기 공간(16) 및 열 매체 각각을 독립적으로 측온할 수 있도록, 상기 피가공재(3), 상기 금형(21), 상기 공간(16) 및 열 매체 도입부(71) 각각에 설치하는 도시하지 않은 온도계와 표시 디바이스를 갖는다. 측온부의 형상, 위치나 설치 방법에 대해서 특별히 한정하는 것은 아니다. 온도계로서는, 접촉식 열전대 온도계 또는 적외선 방사 온도계 등을 사용하면 된다.
이상 설명의 본 실시 형태의 소성 가공 장치에 대해서 이하에 통합한다.
(9) 본 발명의 제2 실시 형태의 소성 가공 장치는,: 피가공재(3)(강재)와 1조의 금형(21)을 수용하는 수용부와; 금형(21) 내에 열 매체를 도입하는 열 매체 도입부와; 피가공재(3)(강재)의 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 제1 온도 범위 내 또는 제2 온도 범위 내로 되도록, 피가공재(3)(강재), 1조의 금형(21), 공간(16)(강재의 주위 공간) 또는 열 매체 중 적어도 1개를 가열부와; 이 가열부에 의해 가열된 피가공재(3)(강재)를 열 매체의 압력에 의해 소성 변형시키는 가공부;를 구비한다.
(10) 그리고, 상기 수용부를 덮도록 배치되는 커버(41)(단열 부재)를 더 구비한다.
(11) 그리고, 피가공재(3)(강재), 1조의 금형(21), 공간(16)(수용부 내의 공간) 및 열 매체의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비한다.
실시예 1
이어서, 본 발명의 실시예에 대해서 설명하지만, 실시예에서의 조건은, 본 발명의 실시 가능성 및 효과를 확인하기 위해서 채용한 일 조건예이며, 본 발명은 이 일 조건예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 요지를 일탈하지 않고, 본 발명의 목적을 달성하는 한에 있어서, 다양한 조건을 채용할 수 있는 것이다.
물성 해석 공정으로서, 오스테나이트를 함유하는 강재(실시예)와, 오스테나이트를 함유하지 않는 강재(비교예)를 사용하여, 각 변형비 β 및 각 온도에 있어서의 한계 상당 변형 εeq - critical을 측정하였다. 각 변형비 β 및 각 온도에 있어서의 한계 상당 변형 εeq - critical의 측정 방법은, 시험편의 종횡 치수를 변화시키고, 시험편 단부를 고정하는 스페리컬 스트레치 포밍 시험을, 각 온도에서 실시하였다. 네킹이나 파단이 발생했을 때의 변형으로부터, 한계 상당 변형 εeq - critical을 산출하였다.
표 1에, 각 변형비 β 및 각 온도에 있어서의 한계 상당 변형 εeq - critical의 측정 결과를 나타낸다. 예를 들어, 실시예 1에서는, β=-0.5인 경우, 한계 상당 변형 εeq - critical이 극대를 나타내는 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T-0.5는 75℃로 되고, β=1.0인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T1 .0은 150℃로 된다. 실시예 3에서는, β=-0.5인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T-0.5는 150℃로 되고, β=1.0인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T1 .0은 250℃로 된다. 이와 같이 오스테나이트를 함유하는 강재(실시예)에서는, 강재종, 가공 온도 및 변형비 β에 의존하여, 한계 상당 변형 εeq - critical이 변화된다. 한편, 비교예 6에서는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 한계 상당 변형 εeq - critical이 가장 향상되는 온도가, 변형비 β에 의존하지 않는다. 즉, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ에 변형비 β 의존성이 존재하지 않는다. 이것은, 오스테나이트를 함유하지 않는 강재(비교예)이므로, TRIP 현상이 발현되지 않기 때문이다.
표 2에, 표 1에 나타낸 결과를 사용해서 근사 곡선(근사 함수) 해석을 행하여 구한, 각 변형비에 있어서의 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ보다 저온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβ로, Tβ보다 고온도측인 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβ로 나타낸다. 이와 같이, σLβ와, σHβ를 변형비마다 해석함으로써, 각 변형비에 있어서 소성 변형능을 향상시킬 수 있는 온도 범위를 결정할 수 있다. 예를 들어, 실시예 3에서는, β=0인 경우, 2×σL0=110℃, 1.25×σH0=24℃이므로, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 Tβ를 기준으로 해서, TRIP 현상에 의해 한계 상당 변형 εeq -critical이 향상되는 온도 범위가, 90℃ 내지 224℃라고 결정할 수 있다.
이어서, 변형 양식 해석 공정으로서, 각통 드로잉 성형 가공에 대해서, 피가공재의 예측 파단 개소와, 이 예측 파단 개소의 변형비 β를 해석하였다. 도 7에, 각통 드로잉 성형 가공을 설명하는 모식도를 나타낸다. 도 7에 도시한 바와 같이, 80㎜각의 다이(61)와, 75㎜각의 각통 펀치(62)와, 홀더(63)를 사용하여, 블랭크(64)(피가공재)에 각통 드로잉 성형 가공을 실시한다. 이 각통 드로잉 성형 가공에 관한 해석을, 스크라이브드 서클법에 의해 행하였다. 이 스크라이브드 서클법의 해석 결과로부터, 각통 드로잉 성형 가공에서는, 도 7에 나타내는 블랭크(64)(피가공재)의 B부가 예측 파단 개소로 되는 것, 그리고 이 B부의 소성 변형 양식은, 변형비 β가 β=-0.5인 일축 인장 상태인 것을 특정할 수 있었다.
이어서, 가열 공정으로서, 표 1에 나타내는 실시예 3의 강재를 피가공재로 사용해서, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 25℃ 내지 250℃로 되도록, 강재, 금형 또는 주위 공간 중 적어도 1개를 가열해서 온도 제어하였다. 계속해서, 가공 공정으로서, 상기 가열 공정에서 온도 제어한 실시예 3의 강재에, 각통 드로잉 성형 가공을 실시하였다.
표 3에, 실시예 3의 강재를 피가공재로 하고, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 25℃ 내지 250℃로 되도록 가열하여 행한 각통 드로잉 성형 가공의 결과를 나타낸다. 표 3 중에 나타내는 드로잉 성형 높이가, 피가공재에 네킹이나 파단이 발생하지 않고 성형할 수 있는 높이를 나타내고, 이 값이 클수록 성형성이 높은 것을 나타낸다.
실시예 3의 강재는, 표 1에 도시한 바와 같이, 변형비 β=-0.5인 경우, 가공 유기 변태 연성 극대 온도 T-0.5가 150℃로 된다. 또한, 실시예 3의 강재는, 표 2에 도시한 바와 같이, β-0.5인 경우, 2×σL-0.5가 110℃, 1.25×σH-0.5가 69℃로 된다. 즉, 상기 각통 드로잉 성형 가공에서는, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 40℃ 내지 219℃(제1 온도 범위)로 될 때, 드로잉 성형 높이가 높아지는 것, 그리고 Tlocal이 150℃로 될 때, 드로잉 성형 높이가 가장 높아지는 것이 예상된다. 실제로, 표 3에 나타낸 바와 같이, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 제1 온도 범위 내인 50℃ 내지 200℃로 될 때, 드로잉 성형 높이가 충분히 높은 값으로 되는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 예측 파단 개소의 국소 온도 Tlocal이 150℃로 될 때, 드로잉 성형 높이가 가장 높아지고 있다. 이 온도 범위 외인 25℃ 및 250℃에서 각통 드로잉 성형 가공을 행하는 것보다, 동일한 피가공재를 사용하고 있음에도 불구하고, 상기 온도 범위 내에서 각통 드로잉 성형 가공을 행하면, 성형성이 약 2배 향상된다. 이와 같이, 본 발명의 상기 형태에 따른 소성 가공 방법에 의해, 네킹이나 파단의 발생을 억제하여, 성형성을 향상시키는 것이 가능하게 된다.
Figure 112014108066112-pct00007
Figure 112014108066112-pct00008
Figure 112014108066112-pct00009
본 발명의 상기 형태에 따르면, 네킹이나 파단의 발생을 억제해서 성형성을 향상시키는 소성 가공 방법 및 소성 가공 장치의 제공이 가능하게 되므로, 산업상 이용 가능성이 높다.
1 : 소성 가공 장치
3 : 피가공재(강재)
11 : 본체 프레임
12 : 볼스터
13 : 슬라이드
14 : 슬라이드 구동 장치
16 : 공간(강재의 주위 공간, 수용부 내의 공간)
21 : 금형
31 : 공간(16)의 히터(가열부)
32 : 금형(21)의 히터(가열부)
33 : 피가공재(3)의 가열로(가열부)
41 : 보온 커버(단열 부재)
51 : 불활성 가스 도입부
71 : 열 매체 도입부(가열부)

Claims (11)

  1. 오스테나이트를 함유하는 강재의 소성 가공 방법이며:
    변형비 β에 의존해서 변화되는 상기 강재의 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβ라 하고, 상기 Tβ보다 저온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβ라 하고, 상기 Tβ보다 고온도측인 상기 변형비 β에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβ라 했을 때, 상기 Tβ와, 상기 σLβ와, 상기 σHβ를, 상기 변형비 β마다 측정하는 물성 해석 공정과;
    상기 강재를 소성 변형시킬 때의 예측 파단 개소를 특정하고, 상기 예측 파단 개소의 변형비를 βx라 했을 때, 상기 변형비 βx를 해석하고, 그리고 상기 변형비 β 중에서 상기 변형비 βx를 선택하는 변형 양식 해석 공정과;
    상기 변형비 βx에 대한 가공 유기 변태 연성 극대 온도를 단위 ℃로 Tβx라 하고, 상기 Tβx보다 저온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σLβx라 하고, 상기 Tβx보다 고온도측인 상기 변형비 βx에 의존하는 한계 상당 변형 근사 곡선의 표준 편차를 σHβx라 하고, 상기 예측 파단 개소의 국소 온도를 단위 ℃로 Tlocal이라 했을 때, 상기 Tβ 중에서 상기 Tβx를, 상기 σLβ 중에서 상기 σLβx를, 상기 σHβ 중에서 상기 σHβx를 각각 선택하고, 그리고 상기 국소 온도 Tlocal이 다음의 식 (1)에 나타내는 제1 온도 범위 내로 되도록 가열하는 가열 공정과;
    상기 가열 공정 후의 상기 강재를 소성 변형시키는 가공 공정;
    을 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 방법.
    Figure 112014108066112-pct00010
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가공 공정에서의 소성 변형 중에 변화되는 상기 국소 온도 Tlocal의 온도 변위를 단위 ℃로 ΔTlocal이라 했을 때, 상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 온도 변위 ΔTlocal을 더 해석하고;
    상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 다음의 식 (2)에 나타내는 제2 온도 범위 내로 되도록 가열하는;
    것을 특징으로 하는, 소성 가공 방법.
    Figure 112014108066112-pct00011
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 제1 온도 범위 내로 되도록, 상기 강재, 금형 또는 상기 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열 공정에서, 상기 국소 온도 Tlocal이 상기 제1 온도 범위 내로 되도록, 열 매체를 가열하고;
    상기 가공 공정에서, 상기 열 매체의 압력에 의해, 상기 강재를 소성 변형 시키는;
    것을 특징으로 하는, 소성 가공 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 변형 양식 해석 공정에서, 상기 예측 파단 개소와, 상기 변형비 βx와, 상기 온도 변위 ΔTlocal을, 소성 가공 시뮬레이션을 사용해서 해석하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 방법.
  6. 제1항에 기재된 소성 가공 방법을 행하는 소성 가공 장치이며:
    상기 강재와 금형을 수용하는 수용부와;
    상기 강재, 상기 금형 또는 상기 강재의 주위 공간 중 적어도 1개를 가열하는 가열부와;
    상기 가열부에 의해 가열된 상기 강재를, 상기 금형에 의해 소성 변형시키는 가공부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수용부를 덮도록 배치되는 단열 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 강재, 상기 금형 및 상기 수용부 내의 공간의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
  9. 제4항에 기재된 소성 가공 방법을 행하는 소성 가공 장치이며:
    상기 강재와 금형을 수용하는 수용부와;
    상기 금형 내에 상기 열 매체를 도입하는 열 매체 도입부와;
    상기 강재, 상기 금형, 상기 강재의 주위 공간 또는 상기 열 매체 중 적어도 1개를 가열하는 가열부와;
    상기 가열부에 의해 가열된 상기 강재를, 상기 열 매체의 압력에 의해 소성 변형시키는 가공부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 수용부를 덮도록 배치되는 단열 부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 강재, 상기 금형, 상기 수용부 내의 공간 및 상기 열 매체의 온도를 계측하는 측온부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는, 소성 가공 장치.
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