JP6434974B2 - 半仕上げ品を部分的に硬化させる方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、モールド内の硬化性鋼材でなる半仕上げ品を部分的に硬化させる方法に関し、前記半仕上げ品は開くか閉じたプロファイルの断面形状を少なくとも部分的に有し、この半仕上げ品が開いたモールド内に配置される。本発明はまた、開いた、および／または閉じたプロファイルの断面形状を少なくとも部分的に有する半仕上げ品を硬化させる装置に関し、少なくとも２つのモールド片を備え、これにより半仕上げ品は開いたモールド内に配置可能となる。

生じる負荷に対して適切に設計された製品を製造するために、異なる材料特性の「テイラードブランク」として知られる半仕上げ品を製造することが知られており、これは異なる材料または異なる厚さのものを互いに結合して多様な機械特性を得るものである。さらに、この代替として、微細構造変化（microstructural transformation）により異なる機械特性を得ることも知られている。この目的のために、部分的に温度点Ａ_ｃ１または温度点Ａ_ｃ３より上の温度に上げてから急速冷却する焼き入れ鋼材が用いられ、これにより温度Ａ_ｃ１または温度Ａ_ｃ３より上でオーステナイト構造が少なくとも部分的にマルテンサイト構造に変成する。例えばマンガン−ホウ素鋼の場合、このマルテンサイト構造は硬化状態で２０００ＭＰａもの引っ張り強さを提供しうる。

特開２００２−０２０８５４は、２つの異なるプロファイルでなる成形金属体の製造方法を開示し、この製品は第１のプロファイルと第２のプロファイルでなり、これらのプロファルの一方が焼き入れプロセスにかけられる。しかしながら、この方法で製造され、生じる負荷に対して適切に設計された製品は溶接の継ぎ目があり、このため幾つもの加工工程にかけて１つの製品で異なる機械的特性を出す必要がある。これについて、生じる負荷に適切な機械的特性をもつ製品に、微細構造変化により機械的特性を提供する費用対効果は改善しうる。

このため、本発明の目的は、開くか閉じたプロファイルの断面形状を少なくとも部分的に有する半仕上げ品を部分的に硬化させる低コストの方法を提供し、これにより、多様な機械的特性を提供するための半仕上げ品の完全な硬化または溶接の実施に寄与することである。さらに、本発明は、この方法を実現する装置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、上記目的は、半仕上げ品を部分的に硬化させる方法により達成され、この方法は、
−半仕上げ品の硬化される１以上の領域を、当該半仕上げ品の材料のＡ_ｃ１温度より上の温度に加熱するステップと、
−局所的に加熱した前記半仕上げ品をモールド内に配置するステップと、
−前記モールドを閉じ、１以上の能動モールド冷却要素を前記半仕上げ品の硬化させる１以上の領域に近づけるステップと、
−前記半仕上げ品の硬化させる１以上の領域を規定された冷却速度で冷却し、これにより冷却した領域に硬化した微細構造が生じるステップと、を具える。

少なくとも部分的に開くか閉じたプロファイルを形成する断面形状を有する半仕上げ品を部分的に硬化させると、能動モールド冷却要素により特に精密かつ局所的な硬化が可能となる。半仕上げ品が配置された状態で、能動モールド冷却要素が半仕上げ品の硬化される領域に近づき、半仕上げ品を少なくとも局所的に限定された様式で硬化させることにより、微細構造変化がもたらされる。また、半仕上げ品を完全にＡ_ｃ１またはＡ_ｃ３の温度点より上の温度に加熱することが考えられる。次に、規定されたすなわち十分な冷却速度で硬化される領域を硬化させると、硬化される領域内が少なくとも部分的にマルテンサイト構造となり、この部品／半仕上げ品の強度が顕著に増加する。硬化された微細構造を生じるのに必要な冷却速度は、個々の材料に依存する。同時に、一般に硬化された微細構造の形成には維持すべき冷却速度の下限がある。例えば、２２ＭｎＢ５材料の場合、冷却速度の下限は２７Ｋ／ｓである。この方法は、局所的に限定された領域を確実に硬化させることができ、特に自動車製造に利用される、生じる負荷に対して適切に設計された半仕上げ品／部品を提供する。

この方法の第１の改良によると、硬化される１以上の領域が半仕上げ品の少なくとも部分的に軸方向および／または半径方向に延在し、１以上の能動モールド冷却要素で硬化される。半仕上げ品の軸方向に延在する硬化される領域は、この半仕上げ品の縦方向の強度を顕著に増大させる。例えば自動車において、軸方向に負荷がかかる製品の場合、特に、これらの軸方向に延びる領域が軸方向におけるエネルギ吸収能力を飛躍的に向上させる。他方、半径方向に延在する硬化される領域は、半仕上げ品の対応する領域の座屈強度（buckling stiffness）を増大させる。能動モールド冷却要素は、半径方向に硬化される領域のみならず軸方向に硬化される領域の両方の領域を、非常に正確に半仕上げ品に導入されるようにするとともに、確実にこれらの領域が硬化されるようにする。

この方法のさらなる実施例によると、１以上の能動モールド冷却要素が、半仕上げ品の硬化すべき１以上の領域に熱伝導接触しており、半仕上げ品の硬化すべき領域の硬化が少なくとも部分的にこの熱伝導により生じる。結果として、硬化すべき領域は非常に精密に限定され、例えば能動モールド冷却要素が接触しない他の領域は、その結果マルテンサイト構造がまったくないか、完全なマルテンサイト構造が生じない。

さらなる実施例によると、半仕上げ品の少なくとも局所の加熱は、好ましくは電流および／または誘導を用いて実現される。電流は、同様に局所的に非常に限定された領域を非常に早く高温にする。これはこれらの領域を誘導で、渦電流を加熱される半仕上げ品の硬化される領域に引き起こして加熱してもよく、同様に半仕上げ品の非常に局所的な限定された領域を非常に早く加熱できる。代替的に、半仕上げ品を完全に加熱することも可能であり、これは例えば連続炉などの炉で行われる。

部分的に硬化される半仕上げ品は、好ましくは１以上のエッジを有し、この半仕上げ品の１以上のエッジのエッジ半径（edge radius）が少なくとも部分的に硬化される。本発明によると、エッジ半径は、エッジの延在方向に直交するエッジの湾曲領域（curved region）に対応する。エッジ半径は、半径方向において好ましくはエッジの両側で対称に、およびエッジに沿った軸方向に延びる。エッジ半径は、半仕上げ品のエッジにおいて対応する半径を有する虚円が通る領域に対応しており、エッジの中央の曲率が、虚円の虚の半径と中心点を与える。特に軸方向に負荷がかかる部品の場合、エッジのエッジ半径の硬化が、変形変位に対するエネルギ吸収能力を増大させる顕著な潜在力を提供する。エッジ半径がラジアル面（radial plane）で部分的にのみ硬化される場合、エネルギ吸収能力も設定できる。上述したエッジの焼き入れにより、すなわち硬化させた微細構造に作成された微細構造全体の割合によって、精密に規定可能な変形挙動も同様に達成できる。特に選択により、エッジまたは複数のエッジは、その全体長さにわたって硬化される。

さらなる改良によると、多角形の閉じたプロファイルを形成する断面を少なくとも部分的に有し、１以上の軸方向に延びるエッジが少なくとも部分的に硬化された半仕上げ品により、高い軸方向のエネルギ吸収能力を有する部品が提供される。この場合のエッジの焼き入れは、ここでも上述のようにエッジ半径の少なくとも部分的な硬化により実現される。

異なる強度の異なる焼き入れ領域を提供することも利点となる。これは好適な方法では、硬化すべき領域を硬化する１以上の能動モールド冷却要素を、軸方向および／または半径方向に細分された２以上の区分とすることで実現できる。一方、能動モールド冷却要素を複数の区分に分割すると、複雑な形状の半仕上げ品を単純な能動モールド冷却要素で硬化させることができる作用がある。他方、この方法のさらなる改良によると、２以上の区画に細分された能動モールド冷却要素が、１以上の能動モールド冷却要素の異なる区画が、半仕上げ品の対応する領域を異なる温度に冷却することができる。これにより、製造される複数区画に対応する、半仕上げ品の複数領域が異なる硬化度合いとなる。その結果、生じる負荷に適切な半仕上げ品の設計に関してさならる柔軟性が得られる。

Ａ_ｃ１温度より上に加熱された半仕上げ品の硬化される領域の、特に制御された冷却作用を可能とするために、この方法のさらなる改良によると、半仕上げ品の硬化される領域は、モールドと、硬化される領域に隣接する半仕上げ品の領域との熱伝導接触により規定された冷却速度で冷却され、これにより半仕上げ品の硬化される領域に硬化された微細構造が構成される。換言すると、モールドと半仕上げ品の隣接領域との熱伝導接触が、硬化される領域の近くで確立され、したがって硬化される領域が熱の流れにより非常に早く冷却される。本発明では、鋼材が非常に高い熱伝導特性を有することを利用し、硬化される領域の冷却を、半仕上げ品の硬化される領域に隣接する領域への熱伝導接触によって高めるものである。モールドの冷却された能動領域は、例えばこの目的に利用することができる。

この方法のさらなる改良によると、冷却プロセスを促進するために、付加的または代替的に、少なくとも部分的に半仕上げ品と直接接触するか、半仕上げ品と熱伝導接触するかして、半仕上げ品を冷却するモールドに少なくとも部分的に冷却媒体が流れるようにしてもよい。自動車の構造やボディのための１以上の硬化されたエッジ領域を有する半仕上げ品が好適に製造される。この半仕上げ品は、例えば、自動車の構造またはボディの軸方向に力がかかるプロファイルとして特に良好に用いることができる。これは、エネルギ吸収能力が特に高く、同時に変形変位が少ない。

好適には、マンガン−ボロン鋼の、二相鋼または残留オーステナイト（ＴＲＩＰ）鋼の半仕上げ品が部分的に硬化され、当該グレードの鋼材では特に強度が増大する。

本発明の第２の教示によると、上記目的はまた、開いた、および／または閉じたプロファイルを形成する断面を少なくとも部分的に有する半仕上げ品を硬化させる装置により達成され、配置された半仕上げ品に対して可動に配置され、半仕上げ品の硬化すべき１以上の領域が規定された、あるいは十分な冷却速度で冷却できる冷却手段を具えた１以上の能動モールド冷却要素が設けられており、これにより規定の方法で冷却された領域に硬化された微細構造が形成される。半仕上げ品の硬化すべき１以上の領域を硬化すべくモールド内に設けられた能動モールド冷却要素は、半仕上げ品を配置した後に、硬化される領域に対して非常に精密な反復性の正確性を実現する。

この装置の第１の改良によると、１以上の能動モールド冷却要素は、部分的に硬化される半仕上げ品に対して少なくとも部分的に軸方向および／または半径方向に延在する。選択的に、能動モールド冷却要素は、半径方向および／または軸方向に延在する複数の区分に分割され、半仕上げ品の硬化すべき領域に対して大きな柔軟性が実現する。必要な場合に、半仕上げ品の多様な硬化される領域を作るために、複数の能動モールド冷却要素を設けるのが好ましい。

この装置のさらなる改良によると、１以上の能動モールド冷却要素は冷却媒体用の案内手段を有し、これらは例えば水や冷却ガスなどの流体状の冷却媒体が通ることができる冷却液チャネルとして構成される。これらの冷却媒体は、例えばそれぞれの冷却媒体の温度により、能動モールド冷却要素に接触するモールドの領域の冷却速度を動的に制御できるようにする。

半仕上げ品において硬化すべき領域に隣接する領域と少なくとも一時的に熱伝導接触する能動領域を装置に設けると、硬化される領域が早い冷却速度で冷却される作用を得ることが可能であり、したがって熱の流れにより硬化した微細構造への所望の微細構造変化が達成される。選択により、能動領域は可動に構成され、例えば硬化される領域の材料がＡ_ｃ１温度またはＡ_ｃ３温度より上の所望の温度に達した後に、半仕上げ品の隣接する領域に対して配置することができ、これにより硬化される領域の冷却が早くなる。

硬化される領域の冷却は、硬化される半仕上げ品に少なくとも部分的に直接または熱伝導的に接触するように冷却媒体が装置を通る簡単な方法で促進できる。冷却媒体はこれにより追加的に硬化される領域の冷却速度を増大させ、これらの領域に所望の微細構造をもたらす。

本発明の図面を参照して例示的な実施例に基づいて以下に詳細に説明する。
図１ａは、半仕上げ品を部分的に硬化させる装置の斜視図である。図１ｂは、図１ａの装置の正面図である。図１ｃは、図１ａの装置の減じた斜視図である。図１ｄは、図１ｃの実施例の減じた正面図である。 図２ａ−ｄは、図１の装置の閉じた状態の実施例を示す。 図３は、半仕上げ品を部分的に硬化させる装置の実施例の概略斜視図である。 図４は、半仕上げ品を部分的に硬化させる装置の実施例の概略斜視図である。 図５は、半仕上げ品の硬化されるエッジ半径の斜視図である。 図６は、この方法により作成される半仕上げ品の実施例の斜視図である。 図７は、従来の硬化されていない半仕上げ品と比較した、部分的に硬化された半仕上げ品の変形反応の側面図である。 図８は、図６に示す半仕上げ品の力／変形−変異の反応のダイアグラムである。

図１、２は、モールド２内の半仕上げ品１を部分的に硬化させる方法を示し、この半仕上げ品は閉じたプロファイルを形成する断面を少なくとも部分的に有する。図１ａ、ｂ、ｃ、ｄは、配置された半仕上げ品１とともに僅かに開いたモールドを、それぞれ異なる概略斜視図で示している。半仕上げ品１は、開いたモールド２内に配置されている。モールド２はここでは少なくとも２以上の半片でなり、これらは半仕上げ品１を配置できるように互いに対して動かすことができる。半仕上げ品１自体は焼き入れ可能な鋼材でなり、これは材料のＡ_ｃ１温度より上に加熱するとオーステナイト構造を構成する。材料のＡ_ｃ３温度から、完全にオーステナイト構造となり、規定された冷却速度で冷却すると、好ましくはマルテンサイト構造の硬化された微細構造が構成される。モールドはまた能動モールド冷却要素３を有し、これらは半仕上げ品１の対応するエッジ領域で半仕上げ品１に沿って軸方向に延在する。図１ｂ）は、能動モールド冷却要素３を有するモールド２の正面図を示し、モールド２は僅かに開いているため半仕上げ品１にくっついていない。半仕上げ品１は円錐形の断面プロファイルを有し、これは図１ｂ、１ｃでも見ることができる。

半仕上げ品１からの能動モールド冷却要素３の距離を説明するために、図１ｃに、半仕上げ品１と、エッジ領域に沿って延在する能動モールド冷却要素３のみを示す。能動モールド冷却要素３は、冷却媒体用の案内手段（図示せず）を具え、これは例えば流体状の冷却媒体が通ることができる冷却用チャネルである。半仕上げ品１のエッジ領域は、例えば半仕上げ品の材料のＡ_ｃ１温度点より上の温度に加熱され、これらのモールド冷却要素３によって積極的に冷やされる。また図１ｄでは再び、半仕上げ品１がモールド内に配置されたときに能動モールド冷却要素は最初に所定の距離を保たれていることを示している。図１ｄの概略正面図では、能動モールド冷却要素３と半仕上げ品１のみが描かれている。上述したように、能動モールド冷却要素は、冷却手段としての例えば半仕上げ品１の硬化される領域に熱伝導接触する領域を具え、半仕上げ品のこれらの領域は少なくとも部分的に熱伝導により冷却される。

図２は、図１ａの実施例の閉じた状態の概略斜視図であり、能動モールド冷却要素３が半仕上げ品１に近づけられ、本例では、半仕上げ品１に熱伝導接触している。半仕上げ品１の軸方向に延びるエッジ領域は、半仕上げ品の材料のＡ_ｃ１温度点より上の温度、好ましくはＡ_ｃ３より上の温度点に加熱されており、能動モールド冷却要素３によって急速に冷やされ、硬度構造が生じる。能動モールド冷却要素３は、ここでは概略的にしか示さないが、半仕上げ品１と局所的に熱伝導接触することにより、半仕上げ品１のエッジ領域の非常に限定された局所的な硬化を提供しうる。図２ｂに示すように、モールド２はさらなる能動領域４を有し、これらはエッジ領域の近くの半仕上げ品１に接触している。さらに、完成した半仕上げ品１の加熱後に、能動モールド冷却要素３を通じてエッジ領域に硬化をもたらすことに加え、閉じたプロファイル１の開口６に冷却媒体路を設けることにより、規定された冷却プロセスをさらに向上させることができる。冷却媒体は、例えば硬化される領域から直接的に熱を取り去るように作用する。開いたプロファイルの場合、モールド２と半仕上げ品１によって形成された空洞により冷却媒体のガイドが提供される。

図３の概略斜視図では、半仕上げ品１を部分的に硬化させるモールド２が軸方向に延在する能動モールド冷却要素３を有し、これらは軸方向において２つの区分３ａ、３ｂに細分されている。個々の軸方向に延在する能動モールド冷却要素３と、モールド冷却要素の区分３ａ、３ｂはともに、半仕上げ品１の対応する領域を互いに異なる度合いに冷却可能であり、これにより異なる度合いの硬化を達成することができる。同じことが、例えば半径方向に延在する能動モールド冷却要素５に適用されており、これが図４に示され、半径方向の区画に分割されている。能動モールド冷却要素３は図１から図４まで概略的にしか示されておらず、半仕上げ品の硬化をもたらす。

図５は、半仕上げ品のエッジ領域が概略的に示されている。エッジ半径Ｒは、エッジ中央における半仕上げ品１の外側半径に対応する。半仕上げ品において半径Ｒが通る領域は硬化されるエッジとして規定され、応用に概略的に描かれた能動モールド冷却要素３により硬化される。

図６は、硬化されたエッジ半径を有する半仕上げ品１の概略図を示し、図８に示すように、変形試験にかけられる。この目的のため、半仕上げ品１の軸方向の円錐形のテーパ領域に力Ｆがかけられる。

図７は、この変形試験の結果であり、従来の半仕上げ品１’との比較である。図７ａの従来の半仕上げ品１の変形試験では、同じ力をかけたときの変形変位がより大きいことが明確にわかる。従来の半仕上げ品と同様に、図７ｂの半仕上げ品はまた同じ吸収エネルギを吸収して顕著に小さな変形変位の制御された変形作用を示している。エッジ、すなわち軸方向に沿ったエッジ半径を硬化すると、製造されたプロファイルを有意に強化する作用がある。これは開いたプロファイルでも同様に作用する。

図８は、変形−変位／力のダイアグラムを示し、２つのカーブの下の範囲はそれぞれ吸収されたエネルギを表している。エッジを局所的に硬化させて本発明の方法で製造した半仕上げ品が点線Ａで示され、曲げの形成が生じる最初の領域で顕著に高いエネルギ吸収を有する。７５ｍｍの変形変位から、エッジ領域を硬化させた半仕上げ品の変形反応は、従来の半仕上げ品のカーブＢと事実上等しい。しかしながら、変形変位は、従来の半仕上げ品の３１０ｍｍと比較して、計算された２４０ｍｍで終了している。

図示するように、本発明にかかる方法と、本発明にかかる装置とにより、低コストな方法で製造できるばかりか、有利な変形特性を有する半仕上げ品が提供され、この半仕上げ品は例えば軸方向に負荷がかかる自動車の構造またはボディの部品を提供するのに製造することができる。

Claims (14)

1. モールド内で硬化可能な鋼材でなる半製品を部分的に硬化させる方法において、前記半製品が、多角形の閉じたプロファイルの断面形状を有するとともに、開いたモールド内に配置され、前記方法が、
   −前記半製品の硬化させる１以上の領域を、当該半製品の材料のＡ_ｃ１温度より上の温度に加熱するステップと、
   −この少なくとも局所的に加熱した前記半製品をモールド内に配置するステップと、
   −前記モールドを閉じ、前記モールド内で移動可能な１以上の冷却要素を、前記半製品の硬化させる１以上の領域に近づけるステップと、
   −前記半製品の硬化させる１以上の領域を規定された冷却速度で冷却し、これにより冷却した領域に硬化した微細構造が生じるステップと、を具え、
   前記硬化される１以上の領域が、少なくとも部分的に前記半製品の軸方向および／または当該軸方向に垂直な横断方向に延在しており、前記モールド内で移動可能な１以上の冷却要素で硬化され、軸方向に延在するコーナーの湾曲部分が少なくとも部分的に硬化されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記モールド内で移動可能な１以上の冷却要素が、前記硬化される１以上の領域に直接接触し、前記半製品の硬化される領域の硬化が少なくとも部分的に熱伝導により生じることを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記半製品を少なくとも局所的に加熱する前記ステップは、電流および／または誘導を用いて行われることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、前記モールド内で移動可能な１以上の冷却要素が、硬化される領域を硬化させる軸方向および／または前記軸方向に垂直な横断方向に２以上の区分に分割されていることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、前記モールド内で移動可能な１以上の冷却要素の異なる区分が、半製品の対応する領域を異なる温度に冷却することを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法において、半製品の硬化される領域は、前記モールドと、前記硬化される領域に隣接する前記半製品の領域との直接接触により規定された冷却速度で冷却され、これにより前記半製品の硬化される領域に硬化された微細構造が構成されることを特徴とする方法。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の方法において、前記モールドには少なくとも部分的に冷却媒体が流れ、前記モールドが、少なくとも部分的に前記半製品と直接接触するか、前記半製品と熱伝導するように接触するかして、前記半製品を冷却することを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の方法において、自動車の構造またはボディのための硬化されたコーナーの領域を有する半製品が製造されることを特徴とする方法。
9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の方法において、マンガン−ボロン鋼の、二相鋼または残留オーステナイト（ＴＲＩＰ）鋼の半製品が硬化されることを特徴とする方法。
10. 多角形の閉じたプロファイルの断面形状を有する半製品（１）を部分的に硬化させる装置であって、２以上のモールド片を具え、前記半製品（１）は開いたモールド（２）内に配置可能であり、
    前記モールド内で移動可能な冷却要素（３，５）が設けられ、当該冷却要素が、配置された前記半製品（１）に対して可動に配置され、前記半製品（１）の１以上の領域を硬化させる冷却手段を有しており、前記半製品（１）の軸方向に延在するコーナーの湾曲部分が少なくとも部分的に硬化され、規定された冷却速度で冷却可能であり、規定の方法で冷却された領域に硬化された微細構造が形成されるようになっており、前記モールド内で移動可能な冷却要素（３，５）が、部分的に硬化される前記半製品（１）に対して、少なくとも部分的に軸方向および／または当該軸方向に垂直な横断方向に延在していることを特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置において、
    前記モールド内で移動可能な冷却要素（３，５）が、軸方向に垂直な横断方向に分割され、および／または軸方向に延在する区分に分割されていることを特徴とする装置。
12. 請求項１０または１１に記載の装置において、前記モールド内で移動可能な冷却要素（３，５）は、冷却媒体用の案内手段を有することを特徴とする装置。
13. 請求項１０乃至１２のいずれかに記載の装置において、
    当該装置に、前記硬化される領域に隣接する前記半製品の領域と少なくとも一時的に直接的に接触する領域（４）が設けられていることを特徴とする装置。
14. 請求項１０乃至１３のいずれかに記載の装置において、
    当該装置が、冷却媒体を通す手段を具え、
    前記装置が、硬化される前記半製品と少なくとも部分的に直接的に接触し、または熱伝導するように接触していることを特徴とする装置。

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