JP6050912B1

JP6050912B1 - 高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法

Info

Publication number: JP6050912B1
Application number: JP2016125509A
Authority: JP
Inventors: 泰二久司
Original assignee: 東洋スチール株式会社
Priority date: 2016-06-24
Filing date: 2016-06-24
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-24
Also published as: JP2017226901A

Abstract

【課題】高張力鋼板の絞り加工品に発生する置き割れの防止方法を提供する。【解決手段】引張強度が４００ＭＰａ〜８００ＭＰａの高張力鋼板を第１次的又は試作的に絞り加工して、その絞り加工品の置き割れ発生部位（Ｐ）を予じめ特定しておき、上記高張力鋼板を同じ第２次的又は本格的な絞り加工後に、その絞り加工品の予じめ特定しておいた上記部位（Ｐ）のみを、その切断面の光学顕微鏡写真に焼入れ状態の加熱部（ａ）並びに非焼入れ状態の未加熱残存部（ｂ）と異なる組織変化の中間層である境界（ｃ）が板面（ｄ）とほぼ平行な方向（Ｈ−Ｈ）に沿って延在する帯状に表出するまで部分加熱する。【選択図】図１

Description

本発明は高張力鋼板を絞り加工した製品の置き割れ防止方法に関する。

一般に、プレス金型により金属板の絞り加工を行う場合、その加工次第によっては素材の内部に引張応力が残留し、そのため加工後数時間から数日間放置している間に、その絞り加工品の開口端部から自然に亀裂が発生する現象（置き割れ、時期割れ又は時効割れという）や、腐食、溶接、酸洗い、電気メッキなどの工程における水素吸収による破壊（遅れ破壊やメッキ割れという）が起る問題がある。

特に、高張力鋼板は炭素（Ｃ）のほかに、ニッケル（Ｎｉ）やシリコン（Ｓｉ）、マンガン（Ｍｎ）などの合金元素を添加し、その熱処理工程を工夫することによって、高い引張強度を得ており、軽量化にも役立つため、広く使用されつつあるが、一般鋼に比して延性が低いため、プレス金型による絞り加工上の大きな制約が伴い、割れなどの加工不良を生じやすい。加工時に割れなどの不良品を発生せず、良好な加工品を得られたとしても、その後に上記置き割れやメッキ割れ、遅れ破壊などが起るので、厄介である。

このような問題の解決策としては、特許第２９８２４９４号が提案されている。

特許第２９８２４９４号公報

ところが、上記特許文献１に開示されたプレス法の構成では、主に素材の肉厚を均一化させるための正しごきと、素材の引張残留応力を減少させ、圧縮応力を残留させるための逆しごきとを行って、その素材が高張力鋼などの高強度材であっても、上記圧縮残留応力の生成により置き割れ現象の発生を防止するようになっているので、円筒状などの比較的単純な形状であれば、上記逆しごきを支障なく行えるとしても、複雑な形状をプレス成形する際には、そのしごき方向に制約を受けることになる結果、適用できる目的物が非常に狭く限定されてしまうのであり、汎用性に劣る。

本発明はこのような問題の抜本的な解決を目的としており、その目的を達成するために、請求項１では引張強度が４００ＭＰａ〜８００ＭＰａの高張力鋼板を第１次的又は試作的に絞り加工して、その絞り加工品の置き割れ発生部位を予め特定しておき、

上記高張力鋼板を同じ第２次的又は本格的な絞り加工後に、その絞り加工品の予め特定しておいた上記部位のみを、その切断面の光学顕微鏡写真に焼入れ状態の加熱部並びに非焼入れ状態の未加熱残存部と異なる組織変化の中間層である境界が板面とほぼ平行な方向に沿って延在する帯状に表出するまで部分加熱することを特徴とする。

また、請求項２では部分加熱温度が４００℃〜１，０００℃であり、その加熱保持時間が０．１秒〜１．０分であることを特徴とする。

請求項３では部分加熱方法が向かい合う一対の電極で、予め特定しておいた置き割れ発生部位を挟みながら通電する方法であることを特徴とする。

請求項４では部分加熱方法が予め特定しておいた置き割れ発生部位へ、エネルギービームを照射する方法であることを特徴とする。

更に、請求項５では高張力鋼板の絞り加工品が断面Ｕ字形をなし、その絞り加工品の置き割れ発生部位として予め特定しておいた曲げコーナー部位のみを部分加熱することを特徴とする。

請求項１の上記構成によれば、冒頭に述べた従来技術の問題を確実に解決することができ、高張力鋼板をプレス金型による絞り加工上の素材として広く使えることになる。

つまり、上記高張力鋼板の第１次的又は試作的な絞り加工により、その絞り加工品の置き割れ発生部位を予め特定（知得）しておき、その高張力鋼板を同じ第２次的に又は本格的に絞り加工した後、その絞り加工品の予め特定（知得）しておいた上記置き割れ発生部位だけを部分加熱する方法であるため、上記絞り加工品の各種目標形状に対する汎用性に優れる。

しかも、上記部分加熱はその置き割れ発生部位の切断面を撮影した光学顕微鏡写真に、焼入れ状態の加熱部並びに非焼入れ状態の未加熱残存部と相違する組織変化の中間層である境界が板面とほぼ平行な方向に沿って延在する帯状に表出するまで行うようになっているため、置き割れや遅れ破壊の防止効果を常に安定良く得られるのである。

その場合、請求項２の構成を採用するならば、その部分加熱した置き割れ発生部位の光学顕微鏡写真に、上記組織変化の境界（中間層）が確実に表出するため、誰でも適正な部分加熱であると判定することができ、客観性に優れる。

請求項３や請求項４の構成を採用するならば、各種目標形状の絞り加工品を部分加熱する際、その形状の変化に対応しやすく、殊更請求項３の構成によれば、その絞り加工品の素材である高張力鋼板の中心部から表面に向かって、すばやく円滑に加熱することもできるため、汎用性と生産性がますます向上する。

請求項５の構成を採用するならば、断面Ｕ字形に成形された絞り加工品の置き割れや遅れ破壊が発生しやすい曲げコーナー部位の残留応力を、その部分加熱によって緩和又は除去できる効果がある。

本発明により部分加熱した置き割れ発生部位の切断面を撮影した光学顕微鏡写真に表われた組織の模式図であって、（イ）はスポット溶接機により加熱した場合の組織を示し、（ロ）はレーザー装置により加熱した場合の組織を示している。本発明の対象である絞り加工品の一例として示すキャスターの側面図である。図２の正面図である。キャスターの軸受け本体を絞り加工品として、その一連の工程順序を示す説明図である。上記軸受け本体の置き割れ発生部位を示す斜面図である。図５の置き割れ発生部位をスポット溶接機によって部分加熱する状態の概略斜面図である。図６と対応する部分加熱状態の説明図である。

以下、本発明の構成を具体的に詳述する。本発明は高張力鋼板を用いて、プレス金型により各種の目標形状に絞り加工した製品を対象とする汎用的な置き割れ防止方法である。

本発明を適用する高張力鋼板は、４００ＭＰａ〜８００ＭＰａの引張強度を有するものである。その引張強度が４００ＭＰａ未満のものについては、本発明を適用するまでもなく、一般鋼とほぼ同じ加工条件のもとで製造することができ、他方引張強度が８００ＭＰａを越えるものについては、通常のプレス加工方法による製造が困難であり、置き割れや遅れ破壊の発生原因も大きく異なるので、本発明を適用し難い。

本発明者が高張力鋼板をプレス金型により、各種の目標形状に絞り加工して、その成形加工特性を調査・検討した結果では、置き割れや遅れ破壊の発生部位が常に特定の個所に集中していること、その特定個所は主に引張応力の残留しやすい曲げコーナー部位であることが判明した。そのためその残留応力を除去又は緩和することが、問題の解決になると考えられる。

そこで、目標形状の絞り加工品を得るべく、その素材の上記高張力鋼板を第１次的に又は試作として絞り加工することにより、その絞り加工品の置き割れ発生部位を予め特定（知得）しておくのである。その試作としての絞り加工を行う代りに、プレス成形解析方法により上記置き割れ発生部位を予め特定しておいても良い。

それから同じ素材の高張力鋼板を第２次的又は本格的に絞り加工して、その加工し終えた絞り加工品の予め特定しておいた置き割れ発生部位だけを、一定条件のもとに部分加熱する。その部分加熱上の一定条件とは、「加熱後の置き割れ発生部位における切断面の光学顕微鏡写真に、焼入れ状態の加熱部並びに非焼入れ状態の未加熱残存部と異なる組織変化の中間層である境界が板面とほぼ平行な方向に沿って延在する帯状に表出するまで」加熱することである。

即ち、その部分加熱の方法としてはスポット溶接機（交流式抵抗溶接機）などにおける向かい合う一対の電極で、上記絞り加工品の予め特定しておいた置き割れ発生部位を挟みながら通電して、その素材である高張力鋼板の中心部から加熱する方法を初め、同じく絞り加工品の予め特定しておいた置き割れ発生部位へ、レーザーなどのエネルギービームを照射して、その素材の表面から加熱する方法や高周波による誘導加熱法、ガス炎やアークを用いる方法などを広く採用することができるが、特に素材の中心部から置き割れ発生部位の表面に向かって全体的に早く加熱できる直接通電加熱法が最も好ましい。

また、上記部分加熱の温度としては４００℃〜１０００℃、好ましくは６００℃〜９００℃に設定する。部分加熱であっても、その温度が４００℃未満であると、大きな組織変化を得られず、残留応力を充分に緩和できないため、置き割れや遅れ破壊の防止に役立たない。上記加熱部並びに未加熱残存部と異なる組織変化の境界（中間層）が顕出することはない。

他方、１０００℃を越える高温であると、熱の影響が広範囲に波及し、全体的な組織変化を起した焼入れ状態となり、加熱部分が硬脆くなるため、衝撃性の低下を招く。この条件下でも、上記加熱部並びに未加熱残存部と異なる組織変化の境界（中間層）が顕出することはない。また、さらに高温になると母材が溶融してしまい形状を維持できなくなるなどの問題を生じる。

直接通電加熱法による加熱の場合においては、板厚によって左右されるが、１０〜４５ｋＶの電圧を印加することが好ましい。１０ｋＶより電圧が低い場合、部分加熱が不十分となり焼き入れ部分を形成することが難しく、４５ｋＶを超える場合、加熱部分全体に焼きが入り硬脆くなったり、加熱部分が溶融してしまうなどの問題を生じる。

加熱部分の温度については、一般的に温度測定で用いられる各種センサーを用いることもできるほか、加熱部の色変化による方法をとることができる。

更に、上記部分加熱の保持時間としては０．１秒〜１．０分、好ましくは０．２秒〜２０秒に設定する。その加熱保持時間が０．１秒未満では、上記加熱温度の４００℃未満である場合と同様に、未だ組織変化が小さく、応力を緩和するまでの時間が不足するため、置き割れや遅れ破壊を防止することができない。製品の強度にバラツキを生じるおそれもある。

他方、１．０分を越える長時間の場合、応力の緩和には充分であるが、上記加熱温度の１０００℃を越える場合と同じく、熱が広範囲に伝導するため、強度変化が大きくなり、設計強度を達成できなくなる問題がある。また、後処理に長時間を要することになるため、生産性の低下を招く。

要するに、上記加熱温度とその加熱保持時間との組合せを最適に設定すると共に、絞り加工品の目標形状に応じた最適の加熱方法を採用して、その絞り加工品の置き割れ発生部位だけを図１（イ）（ロ）の模式図に示す如く、その加熱後の置き割れ発生部位（Ｐ）における切断面の光学顕微鏡写真に、焼入れ状態の加熱部（ａ）と非焼入れ状態の未加熱残存部（ｂ）との何れとも異なる組織変化の境界（中間層）（ｃ）が板面（ｄ）とほぼ平行な方向（Ｈ−Ｈ）に沿って延在する帯状に表出するまで部分加熱するのである。

これを換言すれば、絞り加工品の予め特定しておいた置き割れ発生部位（Ｐ）だけを部分加熱した後、その部位（Ｐ）の切断面を機械的に研磨し、ナイタール（エッチング剤：硝酸とアルコールの混合液）で腐蝕した上、光学顕微鏡で観察し、撮影した組織写真において、焼入れ状態の加熱部（ａ）並びに非焼入れ状態の未加熱残存部（ｂ）と異なる組織変化の中間層である境界（ｃ）が、板面（ｄ）とほぼ平行な方向（Ｈ−Ｈ）に沿って延在する帯状に表出していることを確認できれば、適正に部分加熱されたものと判定（評価）するのである。

本発明の上記構成によれば、高張力鋼板の絞り加工品に置き割れやメッキ割れ、遅れ破壊が発生することを防止できる結果、良好な加工品が爾後的に不良品化するおそれはなく、その置き割れ防止のためにプレス金型を修正したり、新らたなプレス金型を作成したりする必要がない。

更に言えば、本発明の置き割れ防止法は一般的な応力を緩和させるために、絞り加工前の素材である高張力鋼板を全体的に加熱する方法ではなく、同じく素材の高張力鋼板に軟化部を設けるべく、その鋼板を絞り加工前や絞り加工中に部分加熱する方法でもない。あくまでも絞り加工後の製品を部分加熱する方法であり、その結果生産性の低下が危惧されるが、その高張力鋼板の第１次的又は試作的な絞り加工によって、予め特定（把握）しておいた置き割れ発生部位だけを部分加熱するようになっているため、その加熱方法として特に向かい合う一対の電極により素材の中心部から早く加熱できる通電加熱方法を採用した場合、その絞り加工の目標形状がたとえ複雑に変化したとしても、常にすばやく正確に加熱できる汎用性があり、上記素材の全体加熱に比しても熱に起因する大きな変形を起すおそれがなく、強度の低下や生産性の低下を招くこともない。

＜実施例１＞
以下、キャスターの軸受け本体に適用した本発明の実施例を説明するが、その高張力鋼板の絞り加工品がキャスターの軸受け本体だけに限定されることはなく、各種の目標形状に絞り加工された製品を対象とする。

図２、３に示すようなキャスター（１０）の車輪（１１）を軸受けする本体（１２）の素材として、引張強度が５９０ＭＰａ、板厚が２．０mmの高張力鋼板（ＪＦＥスチール株式会社のＪＳＣ５９０Ｒ−ＳＤ）を用い、１５０〜２００Ｔプレス機（株式会社アマダ製）を使って、図４（ｉ）〜（vi）のような外形抜き・穴明け→前絞り・刻印→絞り→穴明け→溝加工→車軸穴明けという６工程のプレス加工を行った。

その加工直後の製品を目視観察したが、割れや裂けなどの不具合を確認できなかったので、そのまま１２時間放置した後、再度上記製品を目視観察したところ、図５の符号（Ｐ）で示す曲げコーナー部位に割れが見つかった。また、割れが発見されなかった製品については、三価ユニクロメッキ（亜鉛メッキ）を施したところが、同じ図５の符号（Ｐ）で示す曲げコーナー部位に割れが見つかり、製品として使用できない状態であった。

そこで、上記軸受け本体（１２）における図５の符号（Ｐ）で示す割れが発生している曲げコーナー部位を、そのプレス加工後３０分経過してから図６、７のように、スポット溶接機（Ｗ）における２mmの直径を備えた向かい合う一対の電極（１３）で挟み、３０ｋＶで０．４秒電圧を印加することにより部分加熱した。その印加中、電極（１３）で挟まれた部位には赤熱が見られ、その発色の度合いから判定される加熱温度は８００℃程度であった。

その加熱後、上記軸受け本体（１２）における不具合の有無を目視観察したが、割れや裂けなどの不具合を発見しなかった。また、上記加熱後４８時間放置した時点で、再度軸受け本体（１２）の不具合を目視観察したが、上記不具合を確認することはできなかった。

更に、上記軸受け本体（１２）に三価ユニクロメッキ（亜鉛メッキ）を施した後、その不具合の有無を目視観察したが、やはり上記不具合を確認することはできなかった。

上記メッキ加工を行った軸受け本体（１２）に、車輪（１１）やベアリングなどの必要な部品を組み付けて、その完成したキャスター（１０）の走行試験を行ったところ、１００km試験走行した後でも、上記不具合を発見しなかった。

上記実施例１の加熱条件と結果を表１に示す。その表１の結果では、予め特定しておいた上記曲げコーナー部位の本発明による部分加熱が、置き割れやメッキ割れ、遅れ破壊の防止に寄与したものと考えられる。

その軸受け本体（１２）の部分加熱した曲げコーナー部位（Ｐ）をカットし、その切断面を研磨した後、ナイタールで腐蝕処理し、撮影した光学顕微鏡写真に表出した組織は、図１（イ）の模式図に示すとおりであり、その写真には上記部分加熱した結果（証拠）を意味する焼入れ状態の加熱部（ａ）並びに非焼入れ状態の未加熱残存部（ｂ）と異なる組織変化の中間層である境界（ｃ）が、板面（ｄ）とほぼ平行な方向（Ｈ−Ｈ）に沿って延在する帯状に表出していた。境界（中間層）（ｃ）としての組織変化が起生される上記加熱温度とその保持時間での部分加熱である結果、その絞り加工品である軸受け本体（１２）の機械的強度を低下させることもなかった。

＜実施例２＞
これは実施例１における上記加熱条件のうち、電圧（４０ｋＶ）と加熱温度（９５０℃）だけを変えて、同じスポット溶接機（Ｗ）により部分加熱した実施例である。

＜実施例３＞
これは実施例１における上記加熱条件のうち、加熱温度（９００℃）とその加熱保持時間（０．６秒）だけを変えて、やはりスポット溶接機（Ｗ）により部分加熱した実施例である。

＜実施例４＞
これは実施例１における上記加熱条件のうち、絞り加工後の放置時間だけを１８０分として、長く経過してからスポット溶接機（Ｗ）により部分加熱した実施例である。

尚、実施例２〜４でも表１に記載した結果から明白なように、実施例１と同じ図１（イ）の境界（ｃ）が顕出し、やはり強度の低下を起すこともなく、置き割れや遅れ破壊の防止効果を達成することができた。

＜実施例５＞
これは実施例１〜４において採用したスポット溶接機（Ｗ）に代えて、レーザー加熱装置（株式会社アマダ製）（図示省略）を使用し、その出力２４０Ｗで２cm／秒で加熱した。そのエネルギービームが照射された表面には赤熱が見られ、その発色度合いから８５０℃に加熱されていると判定した。

その加熱後４８時間放置した時点で、上記キャスターにおける軸受け本体の不具合を目視観察したが、割れや裂けなどの不具合を確認することはできなかった。また、実施例１と同じメッキ加工と更に完成したキャスターの走行試験も行ったが、やはり割れや裂けなどの不具合は確認されなかった。

そして、上記レーザー加熱装置のエネルギービームにより部分加熱した部位をカットし、その切断面をナイタールで腐蝕処理し、光学顕微鏡で組織の変化状態を観察したところ、その写真には図１（ロ）の模式図に示す如き、焼入れ状態の加熱部（ａ）並びに非焼入れ状態の未加熱残存部（ｂ）と相違する組織変化の中間層である境界（ｃ）が板面（ｄ）とほぼ平行な方向（Ｈ−Ｈ）に沿って延在する帯状に表出していた。

尚、上記実施例１と実施例５では部分加熱温度の判定を、加熱温度と加熱色との対応関係資料（図示省略）に基いて感覚的に行ったが、市販の適当な温度センサーを使って測定しても勿論良い。

更に、表１に併記した比較例１〜４の加熱条件は、何れも本発明の規定する上記数値範囲をはずれているため、所期する置き割れや遅れ破壊などの防止効果を達成することができなかった。上記実施例１〜５では確認できた組織変化の帯状境界（中間層）が、比較例１〜４の加熱条件下において表出しなかったことは言うまでもない。

＜比較例１＞
これでは、加熱後４８時間放置した時点において割れや裂けなどの不具合は確認されなかったが、その上記軸受け本体に三価ユニクロメッキ（亜鉛メッキ）を施したところ、その一部に割れ（メッキ割れ）が観察された。更に、メッキ割れを起さなかった軸受け本体に、車輪やベアリングなどを組み付け完成させたキャスターの走行試験を行ったところ、６０ｋｍ走行した時点で割れが発生した。

その原因としては、加熱温度が著しく低いため、絞り加工品の残留応力を確実に緩和又は除去できなかったものと考えられる。

＜比較例２＞
これでは、加熱温度が高くなりすぎてしまい加熱部分が溶融し所定の形状を保つことができなかった。

＜比較例３＞
これでは、加熱後４８時間放置しても割れは確認されなかったが、その後三価ユニクロメッキ（亜鉛メッキ）を施したところ、すべてに割れが発生した。

その原因としては、加熱保持時間が著しく短く、絞り加工品の残留応力を緩和するための加熱不足であると考えられる。

＜比較例４＞
これでは、加熱後４８時間放置しても割れは確認されず、三価ユニクロメッキ（亜鉛メッキ）を施した後にも割れは観察されなかったが、その後更に走行試験に供したところ、７０ｋｍ走行した時点で割れが発生した。

その原因としては、上記比較例３との逆に、加熱保持時間が著しく長いため、その熱の影響が広範囲に波及し、全体の組織変化を起し、硬脆くなってしまったものと考えられる。

（１０）・キャスター
（１１）・車輪
（１２）・軸受け本体
（１３）・電極
（Ｐ）・置き割れ発生部位
（ｗ）・スポット溶接機
（ａ）・焼入れ状態の加熱部
（ｂ）・非焼入れ状態の未加熱残存部
（ｃ）・境界（中間層）
（ｄ）・板面

Claims

引張強度が４００ＭＰａ〜８００ＭＰａの高張力鋼板を第１次的又は試作的に絞り加工して、その絞り加工品の置き割れ発生部位を予め特定しておき、
上記高張力鋼板を同じ第２次的又は本格的な絞り加工後に、その絞り加工品の予め特定しておいた上記部位のみを、その切断面の光学顕微鏡写真に焼入れ状態の加熱部並びに非焼入れ状態の未加熱残存部と異なる組織変化の中間層である境界が板面とほぼ平行な方向に沿って延在する帯状に表出するまで部分加熱することを特徴とする高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法。
部分加熱温度が４００℃〜１，０００℃であり、その加熱保持時間が０．１秒〜１．０分であることを特徴とする請求項１記載の高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法。
部分加熱方法が向かい合う一対の電極で、予め特定しておいた置き割れ発生部位を挟みながら通電する方法であることを特徴とする請求項１又は２記載の高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法。
部分加熱方法が予め特定しておいた置き割れ発生部位へ、エネルギービームを照射する方法であることを特徴とする請求項１又は２記載の高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法。
高張力鋼板の絞り加工品が断面Ｕ字形をなし、その絞り加工品の置き割れ発生部位として予め特定しておいた曲げコーナー部位のみを部分加熱することを特徴とする請求項１又は２記載の高張力鋼板の絞り加工品の置き割れ防止方法。