JP2005329449A - 温熱間成形品の製造方法および成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】 鋼板を熱間若しくは温間で成形するに際して、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と共に、成形品の延性をも良好にできる成形品の製造方法およびこうした特性を発揮する成形品を提供する。
【解決手段】 パンチおよびダイを用いて薄鋼板を温間または熱間で成形して絞り成形品を製造するに当たり、薄鋼板の加熱温度に応じて絞り成形開始温度を制御しつつ成形する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、主に自動車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、その素材なる鋼板(ブランク)をオーステナイト＋フェライト温度（Ａｃ₁変態点）以上に加熱してプレス成形して成形品を製造する方法、およびこうした製造方法によって得られる成形品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方法および成形品に関するものである。

自動車用部品では、衝突安全性や軽量化の両立を達成するために、部品素材の高強度化が進められている。またこうした部品は、鋼板をプレス成形して製造するのが一般的である。しかしながら、高強度化された鋼板に対して冷間加工を施す場合、特に９８０ＭＰａを超える素材の成形は困難なものとなる。

こうしたことから、素材鋼板を加熱した状態で成形加工する熱間成形技術の検討が進められている。こうした技術としては、例えば特許文献１には、金属素材を８５０〜１０５０℃に加熱した状態で、相対的に低温のプレス金型を用いて成形する技術が提案されている。この技術によれば、金属材料の成形性がより良好になり、残留応力による遅れ破壊の発生も防止できると言われている。特に、通常の冷間プレス方法では成形が困難とされていた引張強度が１４７０ＭＰａ級の高強度鋼板を素材にした場合に相当する強度を有し、寸法精度も良好な部品を得ることが可能となる。

図１は、上記のような熱間成形（以下、「ホットスタンプ」と呼ぶことがある）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（しわ押え）、４は鋼板（素材）、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、これらの成形部品のうち、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。

こうした金型を用いてホットスタンプ（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およびダイを冷却することによって、鋼板４から金型（パンチおよびダイ）への抜熱を行なうと共に、成形下死点で更に保持冷却することによって素材の焼き入れを実施する。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１４７０ＭＰａ級の部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 特許請求の範囲等

しかしながら、加熱されたブランクは金型との接触タイミングが部位によって異なるので、ブランクに温度分布が生じ、同一ブランク内で温度分布に起因した材料強度の不均一が発生し易い。特に、しわ押さえを必要とする深絞り成形では、しわ押さえとダイに挟み込まれるブランクのフランジ部分は成形中に急激に温度が低下することになる。こうした温度低下に伴って、材料の変形抵抗も上昇するため、成形途中で材料破断が発生し易い。こうしたことから、加熱によってせっかくブランクが軟化した状態であっても、こうした理由によって深絞りができないという問題がある。

また、従来の熱間成形ではブランクを一旦Ａｃ₃変態点以上に加熱しているので、成形後の金型急冷によって、成形品のミクロ組織はほぼマルテンサイト組織となる。そのため、部品強度としては１４７０ＭＰａ以上の超高強度が実現できるのであるが、部品を構成するミクロ組織がマルテンサイトであるので、部品としての延性に乏しいことになる。こうしたことは、例えば自動車が衝突し、部品が変形を受ける場合には状況によっては破断に至る可能性が有ることを意味する。部品の破断が生じると、その時点で部品が衝突の力を受け持つことができず、乗員へのダメージがより大きくなる可能性が生じることになる。こうしたことから、ホットスタンプにより成形された部品の適用範囲は必ずしも広いとはいえず、高強度かと寸法精度を両立できる特徴を活かしきれていないのが現状である。

本発明は、こうした状況の下でなされたものであって、その目的は、鋼板を熱間若しくは温間で成形するに際して、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と共に、成形品の延性をも良好にすることで適用範囲のより広いホットスタンプ成形品の製造方法およびこうした特性を発揮する成形品を提供することにある。

上記目的を達成し得た本発明の温熱間絞り成形品の製造方法とは、パンチおよびダイを用いて薄鋼板を温間または熱間で成形して成形品を製造するに当たり、薄鋼板の加熱温度に応じて絞り成形開始温度を制御しつつ成形する点に要旨を有するものである。

本発明における具体的な構成としては、（Ａ）薄鋼板を、Ａｃ₁変態点以上Ａｃ₃変態点未満の温度に加熱した後、下記（１）式を満足すると共にマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い成形開始温度で成形する構成や、（Ｂ）薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後、６００℃未満でマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度で成形する構成等が挙げられる。
成形開始温度（℃）≦０．７２５×鋼板の加熱温度（℃）…（１）

本発明方法は、しわ押さえを使用して成形（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がない。また本発明によれば、製造された成形品は延性も良好なものとなるが、そのミクロ組織はフェライトおよびマルテンサイトからなり、且つフェライト分率が１０面積％以上のものとなる。

本発明は、薄鋼板を熱間若しくは温間で成形するに際して、薄鋼板の加熱温度に応じて成形開始温度を制御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ずに良好な成形が可能となると共に、良好な延性をも発揮できる成形品が実現でき、その適用範囲が広くなることが期待できる。

本発明者らは、良好なプレス成形性が実現できる技術についてかねてより研究を進めており、その研究の一環として、図２に示す金型によって絞り成形する技術について提案している（特願２００３−１７８３２５号）。この金型構成では、ブランクホルダー３の一部に、薄鋼板を支持するためのピン７が設けられており、このピン７上に鋼板４を載置ことによって、ダイ２およびブランクホルダー３に鋼板が直接接触せずに近接した状態にできる（図２中、他の部分の構成は基本的に前記図１と同じである）。そして、成形時においては、ピン７の上面はブランクホルダーの上面と面一となるようにされ、鋼板４がブランクホルダー３上に載置された状態となるように構成されている。

こうした金型構成においては、成形前に鋼板４をピン７で支持して、鋼板４と金型(特に、ダイ２およびブランクホルダー３)との直接的な接触を回避することにより、パンチ１の上面部分とそれ以外の大部分がほぼ同時に冷却されることになり、鋼板４の温度不均一に起因して、パンチ面での材料強度がフランジ面での材料強度が相対的に低くなることが防止できる。その結果、特にパンチ面での破断が防止され、絞り成形性が改善されることになるのである。

一方、本発明者らは、鋼板表面に所定の厚さの酸化スケールが存在するようにすれば、絞り成形性が向上することも見出している。即ち、従来の熱間成形においては、成形後の後処理を考慮して、ブランク表面の酸化を防止するという観点から、加熱は非酸化雰囲気で行われており、ブランク表面に形成される酸化スケールは、できるだけ薄い方（例えば、１０μｍ以下）が好ましいと考えられていたのである。しかしながら、本発明者らが検討したところによれば、鋼板表面に酸化スケールを意図的に形成しておけば、成形時における局部的な温度低下が回避され成形性は却って向上することが判明しており、その技術的意義が認められたので別途出願している（本日同日出願に係る特許出願）。

これらの技術によって、鋼板の絞り成形性は格段に向上し得ることになったのであるが、成形品の延性に関しては依然として改善されない場合があることが判明した。即ち、これまで提案して技術若しくは本発明者らが先に提案した上記技術では、成形開始温度、成形温度および成形完了温度等に原因して、成形品の組織がマルテンサイト主体のものとなり、これが成形品の延性を良好に維持できない理由であると考えられた。

そこで、本発明者らは、こうした不都合を解消するために様々な角度から検討した。その結果、鋼板の加熱温度に応じて成形開始温度を制御するようにすれば、上記目的が見事達成されることを見出し、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Ａｃ₁変態点：７２５℃、Ａｃ₃変態点：８５０℃）、前記図２に示した金型を用いて前述した手順で絞り成形実験を行ったところ、加熱から成形開始までに時間がかかるが、ブランクの温度が低下した状態で成形したところ、成形途中でそれまで割れていたブランクが割れずに成形ができることが確認できた。こうしたことから、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、一旦加熱したブランクを敢えて冷却してから成形を開始すれば、絞り成形性が向上することが予想できた。

そこで、こうしたメカニズムを更に検討したところによれば、こうした現象は、絞り成形工程におけるフランジ部分を絞りながら（圧縮しながら）ダイス内部へ流入させるのに必要な応力（以下、「流入応力」と呼ぶことがある）と、その応力を受け持つ材料をダイス内部へ流入させるパンチ肩部分および縦壁部分の破断応力（以下、「破断応力」と呼ぶことがある）とのバランス（大小関係）が成形温度によって変化することによるものと考えられた。

本発明者らは、円柱型の圧縮試験片を別途作製し、それらを７００、８００、９００（℃）に一旦加熱した後、２０℃／秒の冷却速度で５００、６００、７００、８００（℃）まで冷却し、その温度に保持したまま圧縮試験を行ったときの１０％平均変形応力（フランジ部分の絞り加工に必要な流入応力に相当）を求めた。また引張試験片で同様の実験を行い、その破断応力（パンチ肩、縦壁部分の「破断応力」に相当）を求めた。その結果を図３（成形開始温度および加熱温度が流入応力に与える影響を示すグラフ）に示すが、パンチ肩および縦壁部分の破断応力がフランジ部分の加工応力を上回る領域が明確になり、それらが加熱温度に応じて変化することが明らかになった（後記実施例参照）。

この結果に基づいて、破断応力が加工応力を上回る成形温度と加熱温度の関係を示したものが図４である。図４中、「○」印で示した部分は、割れなどが発生せずに良好な成形性が確保でき、しかも成形品の延性も良好になったことを意味し、「×」印で示した部分は破断などが発生したことを意味する。また、「△」印で示した部分は、良好な成形性は確保できるのであるが、成形品の延性が劣化した部分を意味する。この結果から明らかなように、鋼板の加熱温度に応じて成形開始温度を制御するようにすれば、良好な成形性が得られると共に成形品の延性も改善できることがわかる。良好に成形できた成形品の外観形状の一例を図５（模式図）に示す。次に、本発明方法で規定する具体的な条件について説明する。

前記図４に示したごとく、破断が生じる領域と成形性（および延性）が良好になる領域は明確に区別できるのである。この関係を整理して検討したところ、加熱温度がＡｃ₁変態点（７２５℃）以上、Ａｃ₃変態点（８５０℃）未満の場合には、前記（１）式の関係を満足すれば、良好な成形性が確保できると共に、成形品の延性も良好にできたのである。また、こうした条件で成形したものでは、加熱段階から既にブランクミクロ組織内に部フェライトが生成しており、このフェライト分率は１０面積％以上になるのである。

一方、ブランクの加熱温度をＡｃ₃変態点以上とした場合には、成形品のミクロ組織をマルテンサイト主体とせずに、フェライトを積極的に導入し、成形品の延性を向上させるためには、成形開始温度を６００℃未満にすればよいことも判明したのである。このときの成形開始温度が６００℃以上となると、成形完了時点（金型が下死点位置に到達した時点）でもオーステナイト単相組織を維持しており、下死点で金型からの抜熱による焼入れでミクロ組織がマルテンサイト主体のものとなってしまい、成形品における良好な延性が得られない（前記図４の「△」印の部分）。こうした現象は、鋼板を９００℃に加熱した後、種々の温度まで冷却し、厚みのある鋼板で鋏込むことによって、金型による焼入れを模擬した実験より明らかとなったのである。このときの冷却（急冷）開始温度と、成形品のビッカース硬さ（荷重９．８Ｎ）の関係を図６に示すが、冷却開始温度を６００℃未満とすることによって、フェライトの生成が促進され、鋼板の硬さが低減されていることが分かる。尚、このときの冷却速度は、加熱温度から挟み込み温度（焼入れ温度）までの平均で１０〜２０℃／秒であった。こうした製造条件によっても成形品のミクロ組織にフェライトを積極的に導入することができ、フェライト分率が１０面積％以上となって良好な延性が実現できるものとなる。また、硬さ測定位置は、成形品（前記図３）縦壁中央部における板厚さ中心付近である。

尚、ブランクの加熱温度をＡｃ₃変態点以上とした場合には、その上限温度は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。

いずれの加熱温度を採用するにしても、成形開始温度の下限はマンテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度とする必要がある（前記図４参照）。成形開始温度がマルテンサイト変態開始温度よりも低くなると、成形中（金型が成形下死点に到達する前）にマルテンサイト変態が生じてしまい、その時点で成形が困難になってしまうことになる。本発明では成形開始温度を加熱温度の関係について管理すれば、上記の目的が達成されることになり、成形終了温度については特に限定されるものではないが、成形途中で生成するマルテンサイト組織をできるだけ低減するという観点からして、この温度（成形終了温度）についてもマルテンサイト変態開始温度よりも高い温度とすることが好ましい。また、好ましい実施形態としては、成形開始時点（ブランクが前記図２に示したピン７以外の金型の一部に接触した時点）から、成形完了までの所要時間は２秒以内であることが好ましく、こうした条件を付加することによって、成形途中における破断の防止がより確実なものとなる。

尚、本発明方法では、加熱温度と成形開始温度の関係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さえを有する金型を用いて成形（即ち、絞り成形）する場合に顕著に発揮されることになるが、こうした要件に付加して、先に提案した技術を併用することも有用である。即ち、前記図２に示した金型構成を採用して鋼板の温度均一性を図ることや、表面に酸化スケールを１５μｍ以上形成した鋼板を用いてプレス成形することも有用であり、こうした技術を併用することによって、本発明の効果がより有効に発揮されることになる。但し、これらの構成を付加して実施する場合においても、本発明で規定する前記製造条件は基本的に同じとなる。

また上記趣旨から明らかなように、本発明に係る成形品は、しわ押さえを用いて成形する絞り成形品に限らず、通常のプレス成形によって得られるものも含むものであり、こうした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まで圧延し焼鈍した。これから、直径（ブランク径）：９５ｍｍ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Ａｃ₁変態点：７２５℃、Ａｃ₃変態点：８５０℃）。

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２参照）、本発明方法に従って、温間若しくは熱間による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雰囲気で行い、その加熱温度を様々に設定した。また、加熱の際に加熱保持時間を加熱温度毎に制御することによって、加熱中に生成する酸化スケールの厚さを約２０μｍに統一した。

成形実験は、前記図２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。
金型がブランクに接触してから、下死点で停止するまでの時間は０．７５秒とした。また成形開始温度は、加熱炉からブランクを取り出し、成形を開始するまでの放冷時間を制御することによって行い、同時に放射温度計にて実績温度を測定した。その際の冷却速度は、加熱温度から成形開始温度までの平均で１０〜２０℃／秒とした。成形過程では、成形開始後、下死点にて約２０秒間保持し、焼入れ操作を実施した。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）
しわ押さえ力：１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
潤滑剤：耐熱温度１０００℃のペースト状固体潤滑剤を使用し、金型に塗布した。

成形後、成形品の断面硬さ、ミクロ組織およびフェライト分率を測定した。また、成形品の延性は、成形品から引張試験片を切り出すことが困難であるので、成形実験と同じ後半を加熱した後、成形開始温度まで放冷し、直ちに厚み１０ｍｍの厚鋼板にて挟み込むことで成形下死点での焼入れ操作を模擬した板から鋼板をＪＩＳ１３Ｂ試験片を切り出し、引張試験と全伸びを測定した。成形品（前記図５）縦壁中央部における板厚さ中心付近で硬さ（ビッカース硬さＨｖ：荷重９．８Ｎ）を測定した。尚、成形性は破断の有無によって、無しの場合を「○」、有りの場合を「×」で示した。

これらの結果を、製造条件と共に一括して下記表２に示す。また、これらの結果に基づいて、引張強度と全伸びをフェライト分率との関係で整理したグラフを図７に示す。尚、前記図４は、この結果に基づいてデータとして整理したものである。

これらの結果から明らかなように、本発明で規定する条件で成形したものは、良好な成形性が得られると共に、成形品における延性も良好であることがわかる。

熱間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。 先に開発した金型の構成を示す概略説明図である。 成形開始温度および加熱温度が流入応力に与える影響を示すグラフである。 破断応力が加工応力を上回る成形温度と加熱温度の関係を示したグラフである。 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。 冷却開始温度と、成形品のビッカース硬さ（荷重９．８Ｎ）の関係を示すグラフである。 成形品の引張強度と全伸びをフェライト分率との関係で整理したグラフである。

符号の説明

１ パンチ
２ ダイ
３ ブランクホルダー
４ 鋼板（ブランク）
７ ピン

Claims (5)

1. パンチおよびダイを用いて薄鋼板を温間または熱間で成形して成形品を製造するに当たり、薄鋼板の加熱温度に応じて成形開始温度を制御しつつ成形することを特徴とする温熱間成形品の製造方法。
2. 薄鋼板を、Ａｃ₁変態点以上Ａｃ₃変態点未満の温度に加熱した後、下記（１）式を満足すると共にマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い成形開始温度で成形する請求項1に記載の製造方法。
   成形開始温度（℃）≦０．７２５×鋼板の加熱温度（℃）…（１）
3. 薄鋼板をＡｃ₃変態点以上の温度に加熱した後、６００℃未満でマルテンサイト変態開始温度Ｍｓよりも高い温度で成形する請求項1に記載の製造方法。
4. しわ押さえを使用して成形する請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法によって製造された成形品であって、そのミクロ組織がフェライトおよびマルテンサイトからなり、且つフェライト分率が１０面積％以上である成形品。
   
   
   
   

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