JP5270535B2 - 強靭鋼及び高強靭鋼製のブランクを成形する装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、成形ツールをテンパリング（Temperierung）する手段を備えている、強靭鋼（hoeherfesten Staehlen）及び／又は高強靭鋼（hoechstfesten Staehlen）製のブランクをプレス硬化（Presshaerten）及びテンパード成形（temperierten Umformen）する前記成形ツール、並びに、
強靭鋼及び／又は高強靭鋼製のブランクをプレス硬化及びテンパード成形する方法であって、テンパリング手段を有する成形ツールを使用して、ブランクを成形前に加熱して、次に成形ツール中で熱間成形（warm umformen）する、前記方法に関する。

自動車構造における鋼又は鋼合金製の構造部品の強度特性についての需要が常に増加しているので、強靭鋼及び／又は高強靭鋼の成形を可能にするために、連続製造における熱間成形技術がますます使用されている。熱間成形によって、ブランクを最初に加熱する。前記加熱は通常炉中で実施される。加熱されたブランクを、次に、炉から除去して、そして、成形ツール中へ置き、そこで前記ブランクを熱間成形する。プレス硬化を伴う成形によって、例えば、ブランクを少なくともオーステナイト化温度まで加熱する。次に、前記ブランクを急冷し、ブランクのオーステナイトミクロ組織（Gefuege）をマルテンサイトミクロ組織へ変化させる。オーステナイトミクロ組織の存在による良好な成形特性に基づいて、成形の間で強度値でのかなりの増加があり、そして、従って、ブランクの成形特性での悪化がある。独国特許出願公開第DE102005018974A1号明細書によると、炉からテンパード成形ツールへブランクを置き、ここで、炉から除去して前記成形ツール中に置かれる間に、接触素子によってブランクを電流フローによる温度で保持する装置が公知である。前記発明では、ブランクが熱間成形のために付与される温度で成形されるという状況に達することが好ましい。更に、独国特許出願公開第DE19834510A1号明細書によると、細かい切断ツールが公知である。前記発明では、加熱素子を有する加熱プレートが切断プレート中と導入プレート中とに配置され、そして、前記加熱プレートを制御する温度センサーを備えている。公知の細かい切断ツールによって、室温とセミホット温度との両方で熱間工具鋼を加工することが好ましい。

前記先行技術により公知の成形ツールによる問題は、これらのツールが前記成形ツールのテンパリングを可能にするが、成形の間のブランク温度を正確に制御することが不可能なことである。

このことから、本発明は、プレス硬化及びテンパード成形用の成形ツールと、成形の間にブランクを正確に規定された温度で導入することを可能にするプレス硬化及びテンパード成形方法とを提案する目的に基づいている。

本発明の第１の教示によると、前記目的は、
成形ツールをテンパリングする複数の制御可能な手段を前記成形ツール中に備えており、前記手段によって複数の温度域を成形ツール中でテンパリングすることができ、ここで、成形で使用される成形ツールエレメントの少なくとも接触表面が個々の温度域に割り当てられる、一般的な成形ツールによって達成される。

加熱された強靭鋼及び／又は高強靭鋼の良好な成形特性を保持するために、成形ツールエレメントのブランクとの接触表面の温度を非常に正確にモニターすることが必要であることが分かった。その結果、温度導入（Temperaturfuehrung）によって最適な加工パラメータ（特に、ブランクの最適な加工温度）の調節が可能になるので、成形ツールにおける、成形ツールエレメントのブランクとの接触表面での磨耗を最小化することが可能になる。それだけでなく、更に、ブランクのミクロ組織上に影響を及ぼすことも可能であり、ここで、成形の間でのブランクの冷却速度を、ブランク温度に関する温度差によって、個々の温度域で調節する。従って、本発明の成形ツールによって、ブランク中の異なる材料特性を調節することができる。例えば、調節された温度域によって、成形の間及び／又は成形後で応力除去焼鈍を実施することができる。

本発明の成形ツールの第１の実施態様によると、温度域の数に相当する少なくとも複数の温度測定用手段を提供することによって、個々の温度域の制御を改良することができる。これらを、温度域をテンパリングする個々の手段へ割り当てることが好ましく、それによって、個々の温度域の温度の測定値を測定することができる。通常、温度測定用の手段としてサーモカップル（Thermoelemente）が使用される。

これらを、個々の成形ツールエレメントの接触表面（成形に関与する）の温度を測定できるように、配置することが好ましい。このことは、例えば、温度センサーを接触表面のすぐ付近に配置することによって達成される。更に、熱伝導挿入部手段（hoch waermeleitende Einsaetze）によって、温度測定手段の位置を接触表面から隔てて設置するにもかかわらず、接触表面の温度についての情報を受け取る可能性がある。

本発明の成形ツールの更に発展した実施態様によると、テンパリング用手段として、加熱キャリッジ、加熱コイル、加熱ワイヤー、又はテンパード作業媒体（temperierte Wirkmedien）用の媒体導入システム（Medienfuehrungen）を備えている。テンパード作業媒体としては、例えば、油、水、又はガスを考慮することができ、この場合、テンパード作業媒体は、熱放射並びに熱吸収の両方を保証することができる。加熱キャリッジ、加熱コイル、又は加熱ワイヤーは、それらの部分で任意の熱を流出させないが、これらは、成形ツールへ特に単純に組み込まれ、容易に制御される。

テンパリング用の前記手段を単純な態様で制御することが好ましいので、前記手段には駆動手段が備えられており、成形ツールをテンパリングする手段の温度と、個々の温度域の測定された温度とを利用して、前記駆動手段は、成形ツールのテンパリング用手段の熱放射及び／又は熱吸収を制御する。この測定によって、温度域の温度とテンパリング手段の温度との参照値及び実際値を直接比較することが可能であるので、温度域の単純で正確な温度制御を実施することができる。

更に発展した実施態様によると、成形ツールの成形ツール台の熱絶縁のために、及び／又は、個々の成形ツールエレメントを互いに熱絶縁するために絶縁手段が備えられている。成形ツール台の熱絶縁は、一方で、前記成形ツール台を介して不必要な熱放散が生じないという効果を有する。他方で、個々の成形ツールエレメントを互いに熱絶縁させることによって、個々の成形ツールエレメントの温度プロフィールを調節することができ、従って、個々の温度域の温度プロフィールをより確実な加工態様で調節することができる状況が生じる。

成形ツール台の熱絶縁にもかかわらず、少なくとも一つの分離冷却（separate Kuehlung）アレンジメントを前記成形ツール台用に備えていることが好ましく、これによって、前記成形ツール台を安定した温度レベルで保持する。特に、成形ツール台の分離冷却によって、一連の操作で使用される成形ツールが実質的により早く温度均衡状態にあり、そして、従って、一定の処理パラメータが可能になるという状況を達成することができる。

本発明の成形ツールの更に発展した実施態様によると、成形ツールの表面圧力を変化させる手段を備えている。成形ツールエレメントの接触表面の制御された温度域と共に、成形ツールの表面圧力を変化させることによって、ブランク領域の、又は、ブランク全体上の冷却速度に影響を及ぼすことが可能になる。これは、原則として、プレス硬化の間で得られるミクロ組織を調節して、そして、ブランクの特性に少なくとも部分で影響を及ぼすことを可能にする。例えば、高い表面圧力及び高い温度差によって、非常に高い冷却速度を設定することができ、前記冷却速度によって、強靭鋼及び高強靭鋼（特に、マンガンボロン鋼）に粗いマルテンサイトミクロ組織を生じさせる。更に、多くの場合で望ましいとされるように、中間の冷却速度を設定することによって細かいマルテンサイトミクロ組織を設定することも可能である。

成形ツールエレメントとして、少なくとも１つのドローイングリング、少なくとも１つのパンチ、及び、少なくとも１つのプレートホルダー（この場合、ドローイングリング、パンチ、及び／又はプレートホルダーのブランクとの接触表面が、個々に制御可能な温度域を形成する）を想定する場合には、強靭鋼及び／又は高強靭鋼製のブランクのプレス硬化及びテンパード成形用に単純な成形ツールを提供することができる。

成形ツールの部分領域がＡＣ_３温度未満の温度まで（特に、最大６５０℃）加熱されるように、前記成形ツールを少なくとも、設計することが好ましい。一方で、プレス硬化によってブランクがＡＣ_３温度の範囲内の温度で成形ツール中に置かれ、そして、前記ツール中で冷却されるので、成形ツールは、少なくとも短時間ＡＣ_３温度を帯びることができる。他方で、ブランクの再加熱も成形ツール中で実施することができる。最大６５０℃の温度に前記ツールを設計することによって、より経済的な熱間工具鋼を成形ツールの製造において使用することができるので、前記ツールの製造コストを削減することができる。

本発明の第２の教示によると、成形用に成形ツール中に備えられている成形ツールエレメントの接触表面によってブランクを成形し、ここで、前記接触表面が、前記成形ツール中に備えられている複数の温度域へ少なくとも部分的に割り当てられ、そして、テンパリング手段によって、成形ツールの複数の温度域を成形の間でそれぞれの予め規定された温度値へテンパリングするものとする、一般的な方法によって、前記目的を達成する。

本明細書中で既に示唆した通り、強靭鋼及び／又は高強靭鋼製のブランクのプレス硬化及びテンパード成形によって、成形の間でブランクの温度を正確にモニタリングすることが特に重要であり、それにより、熱間成形特性を良好にモニタリングするだけでなく、冷却速度によってミクロ組織上に影響を与えることができる。本発明によると、このことは、成形ツールエレメントの接触表面に割り当てられる、個々に制御可能な温度域によって達成される。

成形ツール中の温度域が、成形の間で、均一な又は異なる温度を有することが好ましい。要件によって、成形の間に温度プロフィールをブランクの内側に設定するか、又は、ブランクの成形された領域中で一定温度を設定することができる。

本明細書中で既に示唆した通り、本発明の方法の更に発達した実施態様によると、成形ツール中の個々の温度域の温度が、成形の間に最大温度６５０℃を超えないということによって、より経済的な成形ツールを使用することができる。この場合、成形ツールの製造用に、より経済的な熱間工具鋼を使用することができる。

成形ツール中の温度域少なくとも１つの温度が２００℃を超える場合には、前記温度域中のプレス硬化されたブランクのミクロ組織を調節して、降伏強さ及び引張強さの少ない値の下で、破断伸び（Bruchdehnung）を改良することができる。更に、ツールの温度がより高いため、表面圧力が変化することによってミクロ組織のばらつきが減少する。従って、このことが原因となって、より高いツール温度で表面圧力が異なるにもかかわらず、冷却速度のばらつきが減少する。

成形ツール中の温度域少なくとも１つの温度が２００℃を超えない場合には、前記領域において、減少された破断伸びと共に、最大限の降伏強さ及び引張強さが達成される。

ブランクの冷却態様が成形ツールの表面圧力によって少なくとも部分的に調節されることにより、成形の間にブランクのミクロ組織に影響を及ぼす更なるパラメータを提供することができる。特に、成形ツール中の低温の領域（つまり、２００℃未満の温度を有する領域）において、表面圧力の変動によって、明らかに異なる冷却速度が生じるので、特にこれらの温度域におけるブランクのミクロ組織を、表面圧力によって変化させることができる。

例えば、マンガンボロン鋼（特に、合金タイプ２２ＭｎＢ５のマンガンボロン鋼）を使用する本発明の方法によって、特に高い機械強度値（mechanische Festigkeitswerte）を達成することができる。前記タイプの鋼によって、１５００ＭＰａを超える引張強度値と、１０００ＭＰａを超える降伏強度を達成することができ、この場合に、破断伸びＡ８０は約５％にある。

本発明方法によるプレス硬化及びテンパード成形の間で、ブランクの表面上の酸化物形成を防ぐために、本発明によると、ブランクは表面コーティングを有し、酸化物形成に対する保護が提供される。例えば、ブランクの表面の相当する酸化保護をアルミニウムシリコンコーティングによって提供することができる。

最後に、加熱されたブランクとテンパードツールの接触表面との温度差を５０〜６５０℃に、好ましくは、１００〜３５０℃に調節することによって、本発明の方法でミクロ組織を特に厳密に調節することができる。本明細書中において、ブランクの温度はブランクのコア温度を意味することと理解されたい。５０℃〜６５０℃の温度差によって、ほとんど全てのミクロ組織を成形の間に製造することができ、例えば、５０℃の低い温度差ではフェライトベーシックマトリックス（ferritische Grundmatrix）を製造することができる。１００℃〜３００℃のより大きな温度差では、成形によって本質的にベイナイトミクロ組織をブランク中に製造することができ、前記組織は成形されたブランクの伸び態様に対してプラスの影響を有する。３００℃を超えるより大きな温度差では、本質的にマルテンサイトミクロ組織の比率が増加し、これによって、成形されたブランクの強度は増すが、伸び能力は減少する。

プレス硬化及びテンパード成形用の本発明並びに本発明方法による更なる成形ツールを発展させ、そして、設計する多数の可能性がある。この点について、一方で、本明細書の請求項１及び１１に従属する請求項を参照し、そして他方で、図面とともに成形ツールの本発明の模範的な態様の記載を参照されたい。

図面は、強靭鋼及び／又は高強靭鋼製のブランクをプレス硬化及びテンパード成形する、本発明の成形ツールの実施例の斜視断面図を示す図である。第１例におけるプレス硬化及びテンパード成形用の本発明の成形ツールの図に示される実施例は、成形ツールエレメントとして、ドローイングリング１、パンチ２、及び、プレートホルダー３を有する。ドローイングリング１用の台４の中に、加熱ワイヤー５が配置され、前記加熱ワイヤー５によって第１温度域としてのドローイングリング１をテンパリングする。パンチ２は、同様にその温度を制御することのできる加熱コイル６を有する。最後に、プレートホルダーの台７は、加熱ワイヤー８を含み、前記加熱ワイヤー８によってプレートホルダー３をテンパリングする。ドローイングリング１、パンチ２、及びプレートホルダー３のブランクとの接触表面から形成される個々の温度域と、個々の加熱ワイヤーとが、絶縁材料９によって、例えばツール台１３中への熱損失に対して絶縁されている。本発明による成形ツールの実施例において、個々の温度域を形成する個々の成形ツールエレメント１，２，３は、従って、相互に熱絶縁されていない。しかしながら、成形エレメント１，２，３のブランクとの接触表面のすぐ付近に、サーモカップル１０，１１，１２を配置するので、ブランクの相当する領域中での正確なテンパリングを達成することができる。図面から分かるように、ドローイングリング１とプレートホルダー３とパンチ２とがツール台に対して熱絶縁されているので、ツール台１３中の制御されない熱浪費が防止される。

ドローイングリング１、パンチ２、及びプレートホルダー３の３つの温度域を、互いに独立して、室温から、例えば最大６５０℃（好ましくは２００〜６５０℃、特に４００℃〜６５０℃）までの異なる温度に調節することができる。本発明によると、このことによって、成形ツール中に温度プロフィールをつくることができ、例えば、これらの領域のブランクの異なる冷却速度に基づいて、成形されたブランク中の適当な部分でのミクロ組織に変化をもたらすことができる。単純化のために、表面圧力を変化させる手段及び温度域の個々の加熱ワイヤーを駆動する手段は、図中に示されていない。

ブランク（例えば、合金タイプ２２ＭｎＢ５のマンガンボロン鋼製）を使用する実施例において、ツール全体中で異なる温度が調節された。単純化の目的で、試験間では、ドローイングリング１、パンチ２、及び、プレートホルダー３中の温度をそれぞれ等しく設定した。サーモカップル１０，１１，１２の位置によって、設定された温度が接触表面でブランクへ関連し、そして、成形温度に相当することが保証された。実施例において、低いツール温度（つまり、２００℃未満）では、約５％の破断伸びＡ８０での高い強度値を達成できたことが示された。降伏強度Ｒ_Ｐ０,2の測定値は１０５０ＭＰａを超えており、そして、引張強度Ｒ_ｍの測定値は１５００ＭＰａを超えていた。２００℃を超える高いツール温度では、降伏強度Ｒ_Ｐ０,2の値は、１０００ＭＰａ未満まで下降した。同時に、引張強度の値は１５００ＭＰａ未満に達した。しかしながら、破断伸びＡ８０は、約５．８％まで上昇した。例えば、４００℃のツール温度では、引張強度はＲ_ｍ＝８２０ＭＰａまで下降し、そして、降伏強度はＲ_Ｐ０，２＝６１０ＭＰａまで下降した。それに反して、破断伸びはＡ８０＝１０％まで上昇した。強度値における変化の理由は、高い成形ツール温度ではミクロ組織中に生じるオーステナイト部分が存続するという事実からである。高い破断伸び値を有するミクロ組織を得るためには、例えば、４００℃〜６５０℃の成形ツール温度が好ましい。それに反して、２００℃未満の成形ツール温度では、ミクロ組織はマルテンサイトのみからなるままであり、そして、減少した破断伸びでの最大強度が達成される。

更に、増加した成形温度では、異なる表面圧力がミクロ組織形成に対するほんのわずかな作用を有していたことが示された。これは、０．１５ＭＰａ〜３．８３ＭＰａの範囲で変化させられた異なる表面圧力が、７９０℃〜３９０℃までの温度範囲の冷却速度においてほんのわずかな差異を生じさせたからである。前記温度範囲で測定される冷却速度は、８０〜１１５Ｋ／ｓの間であった。しかしながら、成形ツールが２００℃未満の温度までテンパリングされる場合には、ブランクと成形ツールとの間の大きな温度差によって、冷却速度に対する表面圧力の影響は、従って、ミクロ組織の形成に対するその影響は、かなり大きい。低い成形温度（つまり、２００℃未満）では、８０Ｋ／ｓ〜４８０Ｋ／ｓまでの異なる冷却速度が、表面圧力にわたって測定できたということが分かった。これによって、非常に高い冷却速度で非常に粗いマルテンサイトミクロ組織が生じた。それに反して、冷却速度８０Ｋ／ｓ〜１３０Ｋ／ｓでは、微細粒マルテンサイトミクロ組織（組織の全体が有利とみなされている）が生じた。異なるミクロ組織形成のために、降伏強度及び引張強度の測定値は変化しなかった。強靭鋼及び／又は高強靭鋼のプレス硬化及びテンパード成形によって最大限の強度値を得るために、成形ツール中及び成形されるブランク中への温度導入をそれぞれ非常に正確に維持することが必要である。プレス硬化及びテンパード成形用の本発明による成形ツールの前記実施例は、前記目的のために特に適当である。

更に、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）コーティングを有する２２ＭｎＢ５合金鋼の２つの追加サンプルを、９５０℃まで約６分間加熱した。サンプルａ）を、４１０℃までテンパードツール中に圧力８０バールで成形し、そして、サンプルｂ）を、室温まで冷却されたツール中に圧力８０バールで成形した。

サンプルａ）及びｂ）のミクロセクション（Mikroschliffe）は、異なるミクロ組織形成を示した。サンプルａ）は、テンパリング効果によってベイナイトのミクロ組織を示した。それに対して、サンプルｂ）では、マルテンサイトベイナイトミクロ組織が検出された。

前述のタイプの追加サンプルを９００℃で焼鈍して、プレス中へ約６秒以内に輸送した。ここで、シートのコア温度は約７５０℃のままであった。プレスの温度は６００℃に達しており、そして、閉鎖時間は約１．５秒に達していた。テンパード成形に続いて、室温までの急冷（schlagartige Abkuehlung）を行った。前記サンプルの試験は、線状配置パーライト（zeilenfoermig angeordnetem Perlit）を有するフェライトベーシックマトリックス（ここで、更に個々のマルテンサイト島状部（Martensitinseln）及びベイナイト部分が確認された）を示した。更なるグリップエッチング（Klemmaetzung）工程によって、わずかな残余オーステナイト部分を示した。シート中のマルテンサイト、ベイナイト、及び／又は、パーライト、並びに残余オーステナイトを、テンパード成形によって目標とされた態様で調節できることが、試験を通じて可能であった。

Claims (9)

1. 強靭鋼及び／又は高強靭鋼製のブランクをプレス硬化及びテンパード成形する方法であって、
   ここで、ブランクをその成形前に少なくともオーステナイト化温度まで加熱して、次にテンパリング手段を有する成形ツール中で熱間成形するものとし、
   前記方法において、
   成形用の成形ツール中に備えられている成形ツールエレメントの接触表面によってブランクを成形することを特徴とし、
   ここで、前記成形ツール中に備えられている複数の温度域へ前記接触表面が、少なくとも部分的に割り当てられ、そして、テンパリング手段によって、成形ツールの複数の温度域を成形の間で予め規定された温度値へそれぞれテンパリングするものとし、前記ブランクの冷却態様を、前記成形ツールの表面圧力によって少なくとも部分的に調節するものとする、前記方法。
2. 成形ツール中の温度域が、成形の間で、均一な又は異なる温度を有することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 成形ツール中の個々の温度域の温度が、成形の間で、最大６５０℃の温度を超えないことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 成形ツール中の温度域少なくとも１つの温度が、２００℃を超えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 温度域少なくとも１つの温度が、２００℃を超えないことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. マンガンボロン鋼を使用することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. ブランクが表面コーティングを有し、酸化物形成に対する保護が提供されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 加熱されたブランクと、テンパードツールの接触表面との間の温度差を、５０〜６５０℃の間、好ましくは、１００〜３５０℃に設定することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 合金タイプ２２ＭｎＢ５のマンガンボロン鋼を使用することを特徴とする、請求項６に記載の方法。

Images