JP2010236560A - 衝撃吸収特性に優れた構造部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鋼板の高強度化を実施した場合においても製品形状の制約や作業の煩雑性といった問題を伴わず、かつ、プレス成形時や自動車衝突時の母材割れ抑制にも有効な衝撃吸収特性に優れた自動車構造部材を提供する。
【解決手段】Ｃ：０.０８質量％以下、Ｓｉ：１.０質量％以下、Ｍｎ：２.０：質量％以下、Ｎｉ：８.０〜１０.５質量％、Ｃｒ：１８.０〜２０.０質量％を含み、圧延率が１５〜２５％の冷間調質圧延を実施したオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板を素材としたハット型閉断面構造を有する構造部材の各壁面鋼板に、前記構造部材の長手方向に直角な帯状の低強度部２１を、前記構造部材の長手方向に所定の間隔を空けて形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、クラッシュボックスやフロントフレーム等の衝撃吸収特性に優れた自動車構造部材の製造方法に関する。

衝突安全性の面から、車体構造としては、自動車衝突時の衝撃エネルギーを客室以外の構造部材の塑性変形で吸収させ、客室部（以下、キャビンと記す）の変形を最小限に抑えて生存空間を確保する車体構造が、広く一般的に採用されている。この場合、クラッシュボックスやフロントフレーム等の構造部材で衝撃エネルギーをいかに有効に吸収させるかが重要になる。
一般に、自動車構造部材はハット型の閉断面で構成したもので、長手方向（軸方向）に衝撃荷重を受けたとき、蛇腹状に座屈変形することで衝撃エネルギーを吸収するように設計される。この際、衝撃吸収特性を高めるためには、規則正しく蛇腹状の座屈変形を生じさせ、かつ、座屈初期のピーク荷重を下げることが重要である。

例えば、自動車のフロントフレームは基端部をキャビンと、また先端部はクラッシュボックスやバンパー補強部材と固着された状態でフェンダーパネルと平行して配置されている。衝突事故時に自動車が正面衝突した場合、このクラッシュボックスやフロントフレーム先端には衝撃荷重が加わって軸方向に座屈変形を起こすが、衝突初期の荷重は比較的大きくなる傾向がある。そこで、１５ｋｍ／ｈ以下の軽衝突時には座屈初期のピーク荷重を下げてフロントフレームを含むキャビン等の後方に配置された別の構造部材の損傷を防止し（以下、本明細書ではこの要求性能を「ダメージャビリティ」と記す）、かつ、それ以上の高速衝突時ではフロントフレームの衝突面側からキャビン側に向けて順次に塑性変形が進行するよう、規則正しく蛇腹状に座屈変形することが要求されている。

従来、上記課題を解決するため、例えば特許文献１に見られるように、潰れビードと呼ばれる変形の端緒を与える窪みを構造部材に配置する対策が取られてきた。特許文献１で提案されている構造部材は、等間隔に構造面で弱い潰れビードを配置してその部位を優先的に変形させて、より低い荷重で対象とする構造部材の初期座屈を誘発させ（ダメージャビリティの性能を付与させ）、かつ、構造部材全体を規則正しく蛇腹状に座屈変形させるものである。
また、特許文献２では、事前に８００〜１１００℃に加熱した鋼板を、プレス成形と同時に所定部位を急冷熱処理（一般にダイクエンチと呼ばれる）して硬化させ、硬質部と軟質部を共存させる手段により、１枚の鋼板から部分毎に強度の異なる構造部材用のＵ字加工品の成形方法が提案されている。

特開昭５５−１３６６６０号公報 特開２００５−１６１３６６号公報

しかしながら、特許文献１で提案された、いわゆる潰れビードを配置する対策では、複数の潰れビードを設ける必要があることから、低強度の普通鋼板を素材とする場合は問題ないが、高強度普通鋼板を用いて製作する場合はプレス成形が難しく、作業が煩雑になり易いといった問題がある。すなわち、鋼板が高強度化するにつれて鋼板の伸び等の成形性が低下することから、プレス成形で複数の潰れビードを設ける場合には素材に割れを生じ易く、製品形状が制約されたり、あるいは、割れ抑制手段としてのプレス工程の多工程化が附随したりするといった欠点があった。
自動車の衝突安全性の面からみると、延性の低下は衝突時に構造部材の潰れビード等（プレス成形時にひずみが付与された部位）において耐割れ性に悪影響を及ぼす。さらに、プレス成形で潰れビードを形成させるため、車種ごとに対象とする構造部材のサイズや形状も異なることから、保有する金型点数が膨大になり製造コストアップに繋がり易いといった欠点もあった。

また、ダイクエンチを活用して硬質部と軟質部を１枚の鋼板に共存させる特許文献２の対策では、作業の煩雑さ等を大幅に軽減するといった長所を有するが、硬質部で延性の低下を招くことから、衝突時における構造部材の母材割れに対して有効な処置を講じることはできない。
本発明は、これらの現状に鑑みて発明されたものであり、鋼板の高強度化を実施した場合においても製品形状の制約や作業の煩雑性といった問題を伴わず、かつ、プレス成形時や自動車衝突時の母材割れ抑制にも有効な衝撃吸収特性に優れた自動車構造部材の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の衝撃吸収特性に優れた構造部材の製造方法は、その目的を達成するため、Ｃ：０.０８質量％以下、Ｓｉ：１.０質量％以下、Ｍｎ：２.０質量％以下、Ｎｉ：８.０〜１０.５質量％、Ｃｒ：１８.０〜２０.０質量％を含む成分を有し、圧延率が１５〜２５％の冷間調質圧延を実施したオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板を素材としたハット型閉断面構造を有する構造部材の各壁面鋼板に、前記構造部材の長手方向に直角な帯状の低強度部を、前記構造部材の長手方向に所定の間隔を空けて形成することを特徴する。
帯状の低強度部は、当該部分を固溶化熱処理温度まで部分加熱することにより形成することが好ましい。この部分加熱は、レーザー照射やＴＩＧ溶接トーチを用いた照射によりなすことができる。

本発明によれば、車種ごとに異なる製品形状の制約やプレス成形金型点数の増大といった問題がなく、かつ、プレス成形時や自動車衝突時の母材割れ抑制にも有効な衝撃吸収特性に優れたハット型閉断面構造部材を製造できる。

落重試験を実施したハット型閉断面構造部材の断面図 帯状の部分加熱部を備えたハット型閉断面構造部材を示す斜視図 ハット型閉断面構造部材の衝突性能を評価するための落重試験方法を説明する図 落重試験で得られた荷重−変位曲線を概念的に示す図 落重試験で良好な座屈形態を呈した構造部材の外観を示す図 落重試験で異常な座屈形態を呈した構造部材の外観を示す図

本発明者等は、自動車構造部材のうち、高い衝撃吸収特性等が要求される構造部材に好適な素材について種々検討を重ねてきた。その結果、ハット型閉断面形状の構造部材が座屈変形時に母材割れを招くことなく、蛇腹状に塑性変形して自動車衝突時の衝撃エネルギーを効率良く吸収させるためには、高強度と高延性とを兼備したオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板で自動車構造部材を製作することが有効であるとの知見を得た。
なかでも、固溶化熱処理温度まで部分加熱して形成した低強度の部位を、構造部材の長手方向にわたって所定の間隔を空けて形成させた場合、衝撃吸収特性の再現性とダメージャビリティの向上に有効であることを見出した。
以下、本発明で使用するオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板の成分・含有量や調質圧延の冷間圧延率等を個別に説明する。

〔成分設計〕
Ｃ：０.０８質量％以下
高強度化に重要な合金成分であり、強度上昇に伴い衝撃吸収特性も向上する。この点、多量のＣを含有することが好ましいが、過剰量のＣはプレス成形性や溶接性に悪影響を及ぼすので０.０８質量％を上限とした。

Ｓｉ：１.０質量％以下
脱酸剤として添加される成分であるが、鋼材を固溶強化する作用もある。しかし、過剰な含有はプレス成形性に悪影響を及ぼすので、１.０質量％を上限とする。

Ｍｎ：２.０質量％以下
高温域でδフェライトの生成を抑制する作用があるが、過剰添加は耐食性にとって好ましくないので２.０質量％を上限とした。

Ｎｉ：８.０〜１０.５質量％
オーステナイト形成に必要な合金成分であり、耐食性向上にも寄与する。本成分系でＮｉ添加の効果を得るためには、８.０質量％のＮｉが必要である。しかし、高価な元素であり、１０.５質量％を超えて添加しても耐食性改善効果は飽和し、経済的にも不利である。

Ｃｒ：１８.０〜２０.０質量％
耐食性向上に必須な元素であり、構造部材の使用箇所によっては高強度普通鋼板で採用されているめっきの省略が可能である。構造部材に必要な耐食性を確実にする上で、Ｃｒ含有量を１８.０質量％以上とした。一方、過剰Ｃｒは、高温域で生成したδフェライトが残留し、加工性に悪影響を与える原因になる。また、オーステナイト組織を維持するため、Ｃｒの増量に見合ってＮｉ添加量も増やす必要があるので経済的にも不利である。したがって、Ｃｒの上限は２０.０質量％とする。
なお、Ｐ、Ｓ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ａｌ等の元素が製鋼段階で不可避的に混入する場合があるが、それらの元素は、目的をもって添加されたものではないので、本明細書では不可避的不純物として取り扱うことにする。

調質圧延の冷間圧延率：
本実施の形態のオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板は、熱間圧延を施したオーステナイト系ステンレス熱延鋼板に対して焼鈍および酸洗を実施し、次に所望の板厚にするための中間冷間圧延および中間焼鈍を適当な回数だけ繰返した後、引張強さが７００ＭＰａ以上となるよう、最終工程で調質圧延の冷間圧延率を１５％以上に設定して加工を行って得られたものである。ただし、冷間圧延率を高めるほど鋼板の引張強さは増大するが、延性の低下を招いてプレス成形時や自動車の衝突時に母材割れを引き起こし易くなるため、全伸びが２０％以上を確保できるよう、冷間圧延率は２５％を上限とする。
ここで、「冷間圧延率（％）」は（１−圧延後板厚／圧延素材板厚）×１００により規定される。

熱処理：
本実施の形態の構造部材は、所定の成分と冷間調質圧延率に調整して得られたオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板をハット型閉断面形状にプレス加工して組み立てるが、自動車衝突時の蛇腹状の座屈変形の基点となる、構造的に弱い部位を等間隔に配置させる。具体的には、ハット曲げを目的としたプレス加工の後に構造部材の長手方向にわたって所定間隔を空けて複数箇所に、例えばレーザー照射やＴＩＧ溶接トーチを用いた照射で固溶化熱処理を加えることにより低強度部位を形成すればよい。

調質圧延による加工ひずみと金属組織の変態（オーステナイト組織→マルテンサイト組織）によって硬化した鋼板は、１０００℃以上に加熱して急冷すると、オーステナイト組織に戻って軟化する。ただし、１１５０℃以上の温度に過熱した場合はオーステナイト組織中にフェライト組織を生じやすい。したがって、加熱温度範囲は１０００〜１１５０℃が望ましい。また、この適正加熱温度より急冷することでオーステナイト組織が得られるが、この急冷は炭化物析出温度範囲（４５０〜８５０℃）を迅速に冷却し、耐食性に悪影響を及ぼす結晶粒界での炭化物の析出を防止するためである。
冷却方法については水冷、空冷等の手段によって行い、必要な冷却能力に応じてそれらを選定すればよい。

表１の化学成分を有する鋼板を真空溶解炉で１００ｋｇ溶解し、鍛造、熱間圧延を経て板厚：２.５〜４.０ｍｍの熱延鋼板を製造した。表中のＡが本発明で規定した化学成分の条件を満足するオーステナイト系ステンレス鋼であり、Ｂは比較に用いたフェライト系の普通鋼である。
なお、鋼Ａおよび鋼Ｂともに、残部はＦｅと不可避的不純物からなる。
次に、１１００℃×均熱６０秒→炉冷の焼鈍を施し、酸洗後に冷間圧延し、１０８０℃×均熱６０秒→空冷の仕上げ焼鈍と冷間圧延率：２０％の調質圧延を施して板厚：１.２ｍｍの冷間調質圧延材を得た。比較に用いた素材としては、板厚：１.２ｍｍの冷間圧延焼鈍材を準備した。
プレス成形前の素材による引張試験で得られた機械的性質の調査結果を表２に示す。

ハット型閉断面構造部材の閉断面形状を図１に示す。ハット型閉断面構造部材は、表２に示した３種類の鋼板を用いてプレス成形したフランジ付きのＵ字加工品（すなわち、ハット型断面板）１１と平板状の背面板１２をスポット溶接によって接合したものである。
ハット型閉断面構造部材の寸法は、板厚１.２ｍｍ、高さ３００ｍｍ、正四角形閉断面の一辺の長さ７０ｍｍ、フランジ長さ２０ｍｍ、コーナＲ半径５ｍｍである。スポット溶接は３０ｍｍ間隔で実施した。
長手方向の所定間隔ごとに部分加熱して固溶化熱処理を施す手段としては、レーザー照射を用いた。レーザー照射条件は炭素ガスレーザー装置を用い、出力３ｋＷ、走行速度３ｍ／分とした。この実施例では、図２に示すように、ハット型閉断面構造部材の長手方向と直角をなす７０ｍｍ間隔の帯状の部分加熱部（軟化部）２１を複数個設けた。

構造部材に要求される衝撃吸収特性等に関する評価試験は、ハット型閉断面構造部材の一端を固定し、他端面に自動車衝突時に匹敵する速度で落錘を落下させる試験（この試験方法を本明細書中では、以下「落重試験」と記す）を実施し、構造部材の座屈形態や母材割れの発生有無の外観観察、並びに構造部材の衝撃吸収特性の測定を行って評価した。
なお、落重試験は、その概念図を図３に示すように、ハット型閉断面構造部材の軸方向に衝撃荷重を作用させて軸圧潰させた場合のハット型閉断面部材に作用する荷重と変位の関係を調査するための試験方法である。

実際の落重試験では、ハット型閉断面構造部材３１の長手方向を鉛直にしてロードセル３２を組み込んだ台座３３の上に載せ、１９０ｋｇの落錘３４を５１ｋｍ／ｈの速度で衝突させてハット型閉断面構造部材を軸方向に圧潰させた。なお、ハット型閉断面構造部材を１８０ｍｍ押し潰した後は、落錘が停止するよう、ストッパー３５の高さを調整した。そして、落錘が構造部材に衝突した以降の移動量（以下、変位と記す）は、非接触式変位計（図示せず）を用いて連続測定し、荷重−変位曲線を得た。

図４は、上記落重試験で測定した、落錘による衝撃荷重が構造部材の軸方向に作用する際の推移を概念的に示した荷重−変位曲線のグラフである。この場合、構造部材は、図５に示すように、長手方向の複数箇所で座屈を生じて蛇腹状に圧潰する。また、この座屈の発生と対応して、荷重−変位曲線上では、複数の荷重ピーク値が周期的に現れる。ここで、任意の変位毎に荷重値を積算して得られる、すなわち図中の荷重−変位曲線内に囲まれた面積が、１８０ｍｍまで圧潰した際に、落重試験に供した構造部材が吸収した衝撃エネルギー量である。ダメージャビリティを評価する指標に対しては、荷重−変位曲線の初期に現れる荷重のピーク値（以下、初期ピーク荷重と記す）を用いた。
上記の落重試験で得られた評価結果を表３に示す。

表３から明らかなように、本発明例の条件に基づいて構造部材を製作した場合、落重試験による母材割れを生じることなく規則正しく蛇腹状に軸圧潰変形し、衝撃吸収エネルギー量の向上と初期ピーク荷重の低減を兼ね備えた構造部材が得られた。
これに対して、レーザー照射による部分加熱を実施しない比較例１では、図６のような、不安定な座屈形態を呈し、衝撃吸収エネルギー量の低下と初期ピーク荷重の増大を招くことが分かった。冷間調質圧延を行っていない比較例２の場合は、加工ひずみとマルテンサイト化による鋼板の高強度化効果が得られず、鋼板の引張強さが大幅に不足して衝撃吸収エネルギー量の著しい低下を招いた。

また、本発明で規定した化学成分の条件を満足しない鋼種（すなわち、金属組織がフェライト系の普通鋼）をもとに構造部材を製作した比較例３では、衝撃吸収エネルギー量がやや低く、初期ピーク荷重は逆に高くなるとともに、素材の延性不足から、落重試験後の構造部材に母材割れを生じた。ここで、初期ピーク荷重が高めの傾向を示すのは、金属組織の違いから、レーザー照射による部分加熱部では軟化せず、逆に硬化して高強度化作用をもたらしたことが原因である。

Claims (2)

1. Ｃ：０.０８質量％以下、Ｓｉ：１.０質量％以下、Ｍｎ：２.０：質量％以下、Ｎｉ：８.０〜１０.５質量％、Ｃｒ：１８.０〜２０.０質量％を含み、圧延率が１５〜２５％の冷間調質圧延を実施したオーステナイト系ステンレス調質圧延鋼板を素材としたハット型閉断面構造を有する構造部材の各壁面鋼板に、前記構造部材の長手方向に直角な帯状の低強度部を、前記構造部材の長手方向に所定の間隔を空けて形成することを特徴する衝撃吸収特性に優れた構造部材の製造方法。
2. 前記帯状の低強度部は、当該部分をレーザー照射又はＴＩＧ溶接トーチを用いた照射により固溶化熱処理温度まで部分加熱することにより形成する請求項１に記載の衝撃吸収特性に優れた構造部材の製造方法。

Images