JP2012206165A - プレス成形鋼板の製造方法およびその製造設備列 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、加熱装置の密閉度を増すことにより、加熱装置内の不活性ガス雰囲気を保ち、スケールの生成を抑制することを目的とする。
【解決手段】鋼板コイルを巻戻す工程と、巻戻された鋼板の搬送ライン上で、プレス成形する工程とを有するプレス成形鋼板の製造方法であって、
前記プレス成形する工程を行う前に、巻戻された前記鋼板を不活性ガス雰囲気下で加熱する工程を行うことを特徴とするプレス成形鋼板の製造方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、鋼板を所定温度に加熱した後、プレス成形して所定の形状とするプレス成形鋼板の製造方法およびその製造設備列に関する。

従来、自動車などに用いられる部材は、所定の強度を有する鋼板をプレス成形して製造されている。近年、自動車の軽量化と衝突安全性能を両立させるため、自動車の車体の構造部材として、高強度鋼板の適用が増加している。一方、鋼板を高強度化すると加工性が劣化し、所定の部品形状に加工することが困難になる傾向がある。特に、高強度鋼板は、冷間でプレス成形すると、製品をプレス金型から取り外した際に、弾性変形して形状がくずれるスプリングバックが発生しやすく、寸法精度を向上させることが難しい。

この点に着目して、特許文献１のようなプレス成形方法が開示されている。特許文献１の方法は、金属のロール材から、打ち抜きプレスで金属板を打ち抜き、金属板を８５０℃以上で融点未満の温度に加熱し、加熱後直ちに金属板を成形用プレスに搬送し、８５０℃以上の高温状態を保った金属板に常温のプレス型を用いてプレス加工を施し、所望形状を付与するというものである。加熱して成形性を向上させた鋼板をプレスして、プレス金型との接触による焼入れで強度を付与する方法で、熱間プレスまたはダイクエンチなどと総称されている。

しかし、この熱間プレスでは、鋼板の加熱時に、鋼板表面にスケールが発生する。スケールが存在すると鋼板の溶接性や表面性状が低下するため、これを防止するには、プレス成形後に、加熱時に発生したスケールを除去する必要がある。スケールの除去はショットブラストにて行われているが、複雑な部品形状では完全な除去が難しい。また、板厚が２ｍｍ以下の鋼板では、ショットブラストによる成形部品の変形が起こりやすく、技術的に問題となっている。特許文献１には、加熱装置内を不活性ガス雰囲気にすることが記載されているが、汎用の電気炉を用いているため鋼板の入出時の加熱中雰囲気の酸化防止の完全化は図れない。

また、特許文献２には、特定の化学組成を有する熱延鋼板を対象として、ダイクエンチの加熱時に生成するスケールの厚さを８μｍ以下にすることで、ダイクエンチの加工後のショットブラストによるスケールの除去が容易に行え、ショットブラスト時の部品の変形もない技術が開示されている。

特開２００２−１０２９８０号公報 特開２００８−２１４６５０号公報

しかしながら、特許文献１および2の方法では、汎用の加熱装置を使用し加熱しているため、金属板を加熱装置内に出し入れする際に、加熱装置を開放する必要があり、酸素が加熱装置内に入り込みやすく、不活性ガス雰囲気を十分に保つことが難しい。特に、特許文献１の技術では加熱中の鋼板表面に発生するスケールが厚くなり、プレス成形品の表面性状や寸法精度に問題が起こる。
本発明は、加熱装置の密閉度を増すことにより、加熱装置内の不活性ガス雰囲気を保ち、スケールの生成を抑制することを目的とする。

本発明者らは、鋭意研究の結果、コイルから順次巻き戻したコイルを、直接、加熱装置内を通板させて加熱した後に、プレス成形、切断する方法において、加熱装置の密閉度を高めて、加熱装置内の不活性ガス雰囲気を保つことにより、加熱中のスケール発生を抑制する方法を見出し、以下の本発明を完成させた。

（１）鋼板コイルを巻戻す工程と、巻戻された鋼板の搬送ライン上で、プレス成形する工程とを有するプレス成形鋼板の製造方法であって、
前記プレス成形する工程を行う前に、巻戻された前記鋼板を不活性ガス雰囲気下で加熱する工程を行うことを特徴とするプレス成形鋼板の製造方法。

（２）さらに、前記鋼板をプレス成形する工程を行った後に、プレス成形された前記鋼板を冷却する工程を行うことを特徴とする（１）に記載のプレス成形鋼板の製造方法。

（３）さらに、前記鋼板のコイルを巻戻す工程を行った後に、前記鋼板を切断する工程と、切断された前記鋼板を接合する工程と、前記鋼板の通板速度をルーパ装置にて調整する工程とをこの順で行うことを特徴とする（１）または（２）に記載のプレス成形鋼板の製造方法。

（４）さらに、前記鋼板を不活性ガス雰囲気下で加熱する工程に続き、加熱された前記鋼板を切断する工程を行うことを特徴とする（１）または（２）に記載のプレス成形鋼板の製造方法。

（５）鋼板のコイルの巻戻装置の下流側の搬送ライン上に配置したプレス成形鋼板の製造設備列であって、不活性ガス供給装置を有する前記鋼板を加熱する装置と、プレス成形装置と、成形品の切断装置をこの順に備え、前記加熱装置はピンチロ―ラ―が入側と出側にそれぞれ配置されていることを特徴とするプレス成形鋼板の製造設備列。

（６）前記プレス成形装置の下流側であって前記成形品の切断装置の上流側にプレス後の前記成形品を冷却する装置を有することを特徴とする（５）に記載のプレス成形鋼板の製造設備列。

（７）前記巻戻装置の下流側であって、前記加熱装置の上流側に、前記鋼板切断装置と、切断された鋼板の接合装置と、接合された前記鋼板を通板させるルーパ装置とをこの順に備えることを特徴とする（５）または（６）に記載の鋼板のプレス成形設備列。

（８）前記加熱装置の下流側であって、前記プレス成形装置の上流側に、前記鋼板切断装置と、該鋼板の移送装置とをこの順に有することを特徴とする（５）または（６）に記載のプレス成形鋼板の製造設備列。

本発明によると、加熱装置内が不活性ガス雰囲気に保たれ、加熱中および装入・搬出時の鋼板表面の酸化スケール生成が抑制されるため、溶接性や表面性状に優れたプレス成形品を製造することができる。また、加熱装置内の密閉性が保たれることから、加熱効率の向上や、連続化による生産性の向上も達成できる。

本発明の一実施態様であるプレス成形装置前後の設備列を示す概略図である。 本発明の一実施態様であるプレス成形装置に用いられる加熱炉を示す概略側面図である。 本発明の一実施態様であるプレス成形装置にピンチローラーを適用した例を示す概略側面図である。 プレス成形装置にピンチローラーを適用した例を示す概略上面図である。 プレス成形装置にピンチローラーを適用した例を示すＡＡ矢示図である。 本発明の一実施態様である第２の実施形態のプレス成形装置を示す概略側面図である。 本発明の一実施形態のプレス成形設備列を示す概略側面図である。 従来技術のプレス成形装置を示す概略側面図である。 本発明の一実施形態のプレス成形設備列を示す概略側面図である。

本発明を実施するための形態を、以下説明する。
まず、本発明のプレス成形装置前後の設備列を示す図１と、加熱装置４の概略図である図２を用いて、本発明について説明する。

図１に示すように、ブランクとなる鋼板１のコイルを巻戻装置３で巻戻し、巻戻された鋼板の搬送ライン上で先端から順次加熱装置４に挿入して、連続的に鋼板１を所定の温度まで不活性ガス雰囲気下で加熱する。加熱装置４を出た鋼板１は、搬送ライン上でプレス成形装置５によって高温を保ったままプレス成形されて、成形品切断装置７ｂに送られ、所定箇所で個々の成形品２に切断されて、次工程に送られる。

本発明の加熱装置４は、図２に示すように、不活性ガス供給装置９を有し、鋼板１の入口と出口にピンチローラー８を備え、外気が加熱装置４の中に極力侵入しない構造になっている。鋼板１はピンチローラー８と搬送ローラー１０により、連続的に搬送され、所定の温度まで加熱される。加熱装置４内は窒素ガスなどの不活性雰囲気で正圧に保たれており、鋼板１の装入、搬出時の外部大気の巻き込みも防止でき鋼板１表面のスケール生成が抑制される。加熱方法は、直火バーナーのような酸化性ガスを加熱装置４内に発生させるもの以外であれば、電気炉、通電加熱、誘導加熱、ラジアントチューブなど、どのような形式でも使用することができる。加熱温度は、対象となる鋼板材料により異なるが９００〜１０６０℃の範囲が好ましい。

なお、加熱装置４内の不活性ガス圧力を周囲の大気圧以上に保つことにより、周辺空気の加熱装置４内への侵入を、さらに抑制することができる。また、加熱装置４の周囲にベンチレータや酸素センサーを設置し、作業者を酸欠から守るための安全上の技術手段も適宜必要な場合もある。

加熱装置４の出口と、プレス成形装置５の間は、温度低下を避けるために、保熱カバーなど（図示せず）で極力覆うことができる。

プレス成形装置５としては、通常の冷間用のプレス装置を適用することも可能であるが、鋼板が加熱されている熱間状態でプレスを行うため、プレス金型の内部を水冷する構造を採用し、さらにプレス成形品２を焼入れするために冷却装置６を併設してもよい。プレス成形装置５と冷却装置６を併設した本発明の装置の概略側面図を図９に示す。

プレス成形後のプレス成形鋼板１の搬送は、搬送ライン上に搬送テーブルなどの搬送手段を用いて行われる。牽引力を付与するために、適宜ピンチローラー８を使用することもできる（図４）。ピンチローラー８を使用する場合は、成形部分を避けて、ダイフェース部１２にのみピンチローラー８が接するようにする。成形後のピンチローラー８の適用について、図４および図５に詳細を示す。なお、加熱装置４とプレス成形装置５の間にピンチローラー８や搬送ローラー１０を設置する場合には、プレス成形前にローラーとの接触による抜熱を極力小さくするため、図４および図５のピンチローラー８のように、コイルのダイフェース相当部分のみがローラーに接触するようにすることが好ましい。

本発明の方法では、操業を開始するにあたり、鋼板１コイルの先端を装置内に通板させる必要がある。通板には手間がかかるため、通板作業はなるべく減らすことが望ましい。そこで、発明者らは、図６に示すように、巻戻装置３を複数設置して、先行する鋼板コイルの後端と、後行する鋼板コイルの先端を接合することにより、複数の鋼板コイルを結合して、連続操業する方法を考案した。先行する鋼板１コイルの後端と、後行する鋼板コイルの先端のタングやフィッシュテールなどと呼ばれる鋼板１の形状不良部分を、鋼板切断装置７ａで切断し、端部の形状を整えた後、接合装置１４で先行する鋼板コイルの後端と、後行する鋼板コイルの先端を接合する。

切断方式としては、例えば、シャー切断を、接合方式としては、各種の溶接方法を採用することができる。鋼板コイルの先後端の切断・接合の時間を確保するため、鋼板切断装置７ａや接合装置１４付近にルーパ装置１３（以下、単に「ルーパ」とも呼ぶ場合がある）を設けることが好ましい。切断・接合に先立ち、鋼板の一部をルーパ１３に貯蔵し、切断・接合作業中には、ルーパ１３から鋼板を払い出すことにより、加熱以降の工程を止めることなく、操業を継続させることができる。なお、ルーパ１３を用いることにより、トラブルによる一時的な中断にも、操業を止めずに対応することができることから、図１のような巻戻装置３が一台だけの設備にもルーパ１３を設置することは技術的な意義がある。

図１の実施形態では、プレス成形後の鋼板は、成形品切断装置７ｂに送られ、所定箇所で切断されてプレス成形品２となる。切断方法としては、シャー切断やレーザ切断などの各種の切断手段を用いることができるが、プレス成形時の焼き入れにより引張強度が１５００ＭＰａにもなるような高張力鋼の場合は、シャー切断では切断が困難な場合があり、レーザ切断を採用したほうが作業能率が優れているので好ましい。

一方、鋼板切断装置７ａの配置として、図７に示すように加熱装置４とプレス成形装置５の間でもよい。この場合、切断される鋼板は加熱直後であるため軟質となっており、シャーで容易に切断できるという利点がある。切断後の切り板は、ロボットなどの移送装置１５によりプレス成形装置５に装着され、プレス成形される。鋼板切断装置７ａとプレス成形装置５の設置の距離が大きい場合には、鋼板１がプレス成形前に所定の温度よりも低下することが予測され、鋼板切断装置７ａとプレス成形装置５の間に、温度測定手段（図示せず）と補助加熱装置（図示せず）を備え、温度測定手段で測定された温度が所定温度よりも低い場合には、補助加熱装置を作動させて必要な温度まで昇温させることが望ましい。温度測定手段としては温度低下を避けるため放射温度計などの非接触方式が、補助加熱手段としては、急速加熱が可能な通電加熱方式や誘導加熱方式が好ましい。

以上、述べた本発明に係るプレス成形方法およびプレス成形装置５によると、加熱装置４内が不活性ガス雰囲気に保たれ、加熱中の鋼板１表面の酸化スケール生成が抑制されるため、溶接性や表面性状に優れたプレス成形品２を製造することができる。また、副次的な効果として、加熱装置４内の密閉性が保たれることから、加熱効率の向上や、連続化による生産性の向上も期待できる。

なお、本発明は鋼板のみに適用可能というわけではなく、アルミニウムやアルミニウム合金など、任意の金属板、および、金属合金板に適用することができる。

また、加熱装置４内の雰囲気は不活性ガス雰囲気に限らず、還元雰囲気として、さらに積極的に酸化皮膜を除去することもできる。不活性ガスとしては、窒素、アルゴンこれらの混合ガスが、還元雰囲気ガスとしては例えば水素及び不活性ガスとの混合ガスが挙げられる。

プレス成形後に鋼板を冷却することは鋼板表面の酸化物発生を防ぐ上で好ましい。冷却方法は、例えば窒素ガスをノズルから急速に吹き付けることが挙げられる。

９５０℃で鋼板を加熱してオーステナイト化した後、Ａｒ_３温度以上の温度でプレス成形を開始し、プレス金型との接触抜熱により焼き入れて完全にマルテンサイト化した引張強度１４８０ＭＰａ級の高張力鋼のセンターピラー模擬品を、パイロットプラントを用いて試験的に製造した。

従来技術に則ったパイロットプラントの概略を図８に示す。熱延後に酸洗した板厚１．２ｍｍ、幅９００ｍｍのホットコイルを巻き戻して、６００ｍｍの長さに切断してブランクとした。一時保管場所１６に貯蔵されたブランクを、１枚ずつ、加熱装置４入側に設けた移送装置１５（ロボット）を使用して、加熱装置４入側の挿入口（開口部の幅１２００ｍｍ、高さ３００ｍｍ）を開けて、加熱装置４内に挿入する。加熱装置４は電気炉で、内部を窒素雰囲気に保つために、窒素供給装置から窒素を供給している。加熱装置４の設定温度を９５０℃とし、３分間ブランクを加熱した後、加熱装置４出側に設けた移送装置１５（ロボット）により、加熱装置４出側の搬出口（開口部の幅１２００ｍｍ、高さ３００ｍｍ）を開けて、加熱後のブランクを取り出し、プレス成形装置５にセットしてプレス成形した。

従来技術に基づくパイロットプラントによる試験操業では、ショットブラストに起因する形状不良や、スケール残りが原因と考えられる表面欠陥による不良率が約５％に達した。なお、プレス成形品２を室温まで冷却した後、ダイフェース部１２から断面観察用のサンプルを採取して、切断面をＳＥＭ観察し、生成したスケール厚を測定したところ、平均スケール厚は約１０μｍであった。

一方、本発明に則ったパイロットプラントの概略を図３に示す。加熱装置４は電気炉で、内部を窒素雰囲気に保つために、窒素供給装置から窒素を供給している。加熱装置４の入口と出口は、図２に示すように、ローラー２本でホットコイルを挟む形式になっており、空気の侵入を抑え、加熱装置４内の窒素雰囲気を保つような構造である。熱延後に酸洗した板厚１．２ｍｍ、幅９００のホットコイルを巻戻装置３に装填し、ホットコイルの先端を、加熱装置４、プレス成形装置５を通し、プレス成形装置５の出側のピンチローラー８に噛み込ませて、試験操業を開始した。ホットコイルのプレス成形された部分は、搬送テーブル上を成形品切断装置７ｂに送られ、シャー切断されて、成形品２となった。

本発明に基づく操業では、ショットブラストに起因する形状不良や、スケール残りが原因と考えられる表面欠陥による不良率が約２％以下となり良好な結果が得られた。なお、プレス成形品２を室温まで冷却した後、ダイフェース部１２から断面観察用のサンプルを採取して、切断面をＳＥＭ観察し、生成したスケール厚を測定したところ、平均スケール厚は約７μｍであった。

上述した、従来技術によるパイロットプラントの試験操業と、本発明によるパイロットプラントの試験操業の結果比較から、本発明により、鋼板表面のスケール生成が抑制され、プレス成形品の表面性状と形状精度が改善されたことは明らかである。

本発明は鋼板、特に、高張力鋼板のプレス成形に利用することが可能で、表面性状に優れたプレス成形品を製造することができる。

１ 鋼板
２ プレス成形品
３ 巻戻装置
４ 加熱装置
５ プレス成形装置
６ 冷却装置
７ａ 鋼板切断装置
７ｂ 成形品切断装置
８ ピンチローラー
９ 不活性ガス供給装置
１０ 搬送ローラー
１１ プレス成形部
１２ ダイフェース部
１３ ルーパ
１４ 接合装置
１５ 移送装置
１６ 一時保管場所

Claims (8)

1. 鋼板コイルを巻戻す工程と、巻戻された鋼板の搬送ライン上で、プレス成形する工程とを有するプレス成形鋼板の製造方法であって、
   前記プレス成形する工程を行う前に、巻戻された前記鋼板を不活性ガス雰囲気下で加熱する工程を行うことを特徴とするプレス成形鋼板の製造方法。
2. さらに、前記鋼板をプレス成形する工程を行った後に、プレス成形された前記鋼板を冷却する工程を行うことを特徴とする請求項１に記載のプレス成形鋼板の製造方法。
3. さらに、前記鋼板のコイルを巻戻す工程を行った後に、前記鋼板を切断する工程と、切断された前記鋼板を接合する工程と、前記鋼板の通板速度をルーパ装置にて調整する工程とをこの順で行うことを特徴とする請求項１または２に記載のプレス成形鋼板の製造方法。
4. さらに、前記鋼板を不活性ガス雰囲気下で加熱する工程に続き、加熱された前記鋼板を切断する工程を行うことを特徴とする請求項１または２に記載のプレス成形鋼板の製造方法。
5. 鋼板のコイルの巻戻装置の下流側の搬送ライン上に配置したプレス成形鋼板の製造設備列であって、不活性ガス供給装置を有する前記鋼板を加熱する装置と、プレス成形装置と、成形品の切断装置をこの順に備え、前記加熱装置はピンチロ―ラ―が入側と出側にそれぞれ配置されていることを特徴とするプレス成形鋼板の製造設備列。
6. 前記プレス成形装置の下流側であって前記成形品の切断装置の上流側にプレス後の前記成形品を冷却する装置を有することを特徴とする請求項５に記載のプレス成形鋼板の製造設備列。
7. 前記巻戻装置の下流側であって、前記加熱装置の上流側に、前記鋼板切断装置と、切断された鋼板の接合装置と、接合された前記鋼板を通板させるルーパ装置とをこの順に備えることを特徴とする請求項５または６に記載の鋼板のプレス成形設備列。
8. 前記加熱装置の下流側であって、前記プレス成形装置の上流側に、前記鋼板切断装置と、該鋼板の移送装置とをこの順に有することを特徴とする請求項５または６に記載のプレス成形鋼板の製造設備列。

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