JP2018130761A - ホットスタンピング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両用部品、特にホットスタンピングによって１５００Ｍｐａ級又はそれ以上の超高強度を有する部品を製造する方法を提供する。
【解決手段】 ホットスタンピングによって５００Ｍｐａ級又はそれ以上の超高強度を有する車両部品の製造方法が紹介される。その方法は、加熱されたブランクをプレス成形機内で成形するステップ；及び成形されたブランクをプレス成形機から取り出した後、続いてトリミング金型で切断するステップ；を含む。トリミング時のブランク温度は１５０〜３３０℃であり得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用部品、特にホットスタンピングによって１５００Ｍｐａ級又はそれ以上の超高強度を有する部品を製造する方法に関する。

燃費規制や安全法規の強化などにより車両部品の軽量化及び高強度化に対する要求が非常に高い。その結果、最大引張強さ（ｕｌｔｉｍａｔｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）１ＧＰａ級の超高強度鋼部品の商用化がなされ、最近では２ギガ級鋼の開発まで推進している。

一般に、鋼板の強度が増加すれば延伸率が低下して加工性が落ちる。この問題の解決のために提案された技術のうち１つがホットスタンピング技術である。ホットスタンピング技術は１９７０年代に特許文献１によって公開された。

ホットスタンピング技術は、鋼板を高温、例えば、９００℃以上で加熱した後プレス成形すると同時に急冷して高強度鋼部品を製造することを特徴とする。ホットスタンピングの素材としては、０．２重量％内外の炭素と、熱処理性能の向上のための元素としてＭｎ、Ｂなどを含有するいわゆるボロン鋼が用いられる。

ホットスタンピングは、工程が高温で行われるので鋼板表面の酸化が問題となる。その解決のために提案されたのがＡｌめっき鋼板である。Ａｌめっき鋼板に関しては特許文献２が参照されることができ、代表的なＡｌめっき鋼板の例としては、２２ＭｎＢ５ボロン鋼に基づくＵｓｉｂｏｒ１５００がある。

ホットスタンピングされた部品はトリミングが問題となる。通常の車両部品はトリミング金型（ｔｒｉｍｍｉｎｇ ｄｉｅ）を用いて切断されるが、引張強さが１５００Ｍｐａに達するホットスタンピング部品はトリミング金型を用いて切断やピアッシングなどを行うには強度が高すぎる。

ホットスタンピングされた部品をトリミング金型を用いて切断するためには高価の超高硬度工具鋼が必要である。しかし、これもトリミングツールの頻繁な破損によって量産に適用するには限界がある。現在、ホットスタンピングされた部品のトリミングにはレーザーが用いられている。

レーザー切断機は高価な上に切断に部品あたり６０秒程度の時間がかかるため生産性が良くない。

特許文献３では、レーザートリミングの非効率性を克服するための方案として、鋼板を６５０〜９５０℃でプレス成形しながら一次的にカッティングラインにせん断変形をさせた後２次的に常温でカッティングラインに沿っての切断を完了することを提案した。

特許文献３の方法は不可能ではないが、大量生産に適しない。この特許の方法によれば、プレス成形機の構成が複雑化するだけでなく、トリミング後の切断ラインが綺麗でなくこれに対する後加工を行わなければならない可能性も非常に高い。

特許文献４では、鋼板をプレス成形しながらトリミングを完了する方案を提案した。この特許で提示した好ましいトリミング温度は５００〜６００℃である。

上記大韓民国特許等は、高温でオーステナイト相を有する鋼板がマルテンサイト相に変態される前、まだ鋼板の強度が低い時にトリミングを部分的に又は完全に完了しようとするものである。しかし、これらの特許によれば、プレス成形機の構成が複雑化し切断品質も保障されない。

現在、引張強さ１５００Ｍｐａ級のホットスタンピング部品はレーザートリミングされる。プレス成形機で成形が完了した部品等は成形機の近くに積載されて常温で冷却された後、まとめて移送されてトリミング工程ラインでレーザーカッティングされる。

英国特許第１４９０５３５号公報 米国特許第６２９６８０５号公報 大韓民国特許公開第２０１４−００７７００５号公報 大韓民国特許登録番号第１５７５５５７号公報

本発明は、上記のような従来技術に対する認識に基づくものであって、１５００Ｍｐａ級又はそれ以上の超高強度のホットスタンピング部品を経済的にトリミングできる方法を提供しようとする。

また、本発明は、レーザートリミングを替えることができるように生産性に優れコスト節減が可能なホットスタンピング部品のトリミング方法を提供しようとする。

本発明で解決しようとする課題は、必ずしも以上で言及された事項に限定されず、予め言及されない他の課題らは以下記載される事項によっても理解されることができるであろう。

上記目的を達成するための本発明によるホットスタンピング部品のトリミング方法は、加熱されたブランクをプレス成形機内で成形するステップ；及び成形されたブランクをプレス成形機から取り出した後、続いてトリミング金型で切断するステップ；を含む。ここで‘続いて’とは、プレス成形機で取り出されたブランクが成形機の横に置かれたトリミング金型に直ちに移されて切断プロセスが進められるという意味に受け取られることができる。

従来、ホットフォーミングされた部品等はパレット（ｐａｌｌｅｔ）に移されてほぼ室温まで冷却された。トリミング工程ラインはプレス成形ラインから離れていた。しかし、本発明が意図する好ましい例は、ホットフォーミングとトリミングの間にいかなる工程も介入させないものである。また、本発明は、ホットフォーミングとトリミングの間に部品を加熱することもしないことを意図する。このようなトリミング前の部品加熱は面倒でコストの上昇を招く。

本発明の実施形態によれば、切断時のブランクの温度は１７０〜３３０℃、好ましくは１９０〜３２０℃、さらに好ましくは１９５〜３１０℃である。

従来、加熱されたブランクはプレス成形機内でほぼ１５０℃、好ましくは１００℃まで冷却された。そうすべきであることはホットスタンピング分野では当然の常識で、この常識に対してこれまで誰も疑問を提起したことはなかった。従来、プレス成形機でほぼ１００℃に冷却されたブランクはプレス成形機の周辺に積載されて常温まで冷却され、その後、トリミング工程ラインへ移送されてレーザーカッティングされた。

２２ＭｎＢ５ボロン鋼のマルテンサイト変態終了温度（Ｍｆ：ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ｆｉｎｉｓｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｅ）、すなわち、冷却過程においてオーステナイトからマルテンサイトへの変態が完了する温度は約２２０〜２３０℃である。連続冷却により相変態されるブランクのＭｆは多少上昇する場合があるが、ホットスタンピング時、ブランクを１５０℃以下、安全には１００℃程度に冷却することによりほぼ１００％に達するマルテンサイト相が得られると思われていた。

しかし、本発明の実施形態によれば、ブランクはプレス成形機で１００℃に達するまで冷却される必要はない。ブランクは２００℃以上の温度でプレス成形機から取り出されることができ、続いてトリミング金型へ移送されて１５０〜３３０℃、好ましくは１７０〜３２０℃、さらに好ましくは１９０〜３２０℃、さらに好ましくは１９５〜３１０℃の温度範囲で切断されることができる。

プレス成形機からブランクを取り出す温度の上限は３５０℃程度である。プレス成形機からブランクを取り出す温度の決定には、ブランクの移送開始からトリミングが完了するまでの時間、この時間の間のブランクの温度ドロップ、目標にする部品強度の確保などが考慮されることができる。

実施形態によれば、加熱されたブランクをプレス成形した後、続いてトリミングを行うことが重要である。プレス成形後、常温まで冷却されたブランクを再度、例えば、１９０〜３５０℃で温度に加熱してもブランクの切断に必要な荷重又は力（以下、せん断荷重、ｓｈｅａｒ ｌｏａｄ）の減少は微々たるものである。

本発明は、一例として、ホットスタンピングによって１５００Ｍｐａ級引張強さが得られるように組成が設計されたボロン鋼ブランクが、ホットフォーミングの直後、１９０〜３３０℃で引張強さ１１８０Ｍｐａ級部品のせん断荷重の水準に低下し、その上、このような温度範囲でホットフォーミングされたブランクを続いてトリミングした後、空冷させても１５００Ｍｐａ級の超高強度部品が得られるという新しい発見に基づく。１５００Ｍｐａ級ボロン鋼板がホットスタンピング後、１５００Ｍｐａの引張強さを有するということは、ホットスタンピング過程で目標としたほぼ１００％のマルテンサイト変態が達成されたことを意味する。本文書で、説明の便宜及び直観的かつ単純な比較のために、引張強さを用いてせん断荷重が表現される。

ホットスタンピング時、プレス金型でブランクを２００℃以下、実際には１００℃に達するまで冷却させるべきという既存の確固たる信頼に鑑みれば、本発明に至るためには、本発明のような方式がホットスタンピングされた部品にマルテンサイト以外の異相を招いて部品の強度や延伸率を低下させたり、品質が不均一であったり、その温度範囲でせん断荷重の減少は有意味ではないというなどの固定観念を克服することが求められる。

本発明の実施形態によれば、トリミング温度の下限は１９０℃以下、１７０℃まで、せん断荷重の上昇が少々大きいがさらに下には１５０℃まで下がることができる。プレス成形の直後の１７０℃の近くで部品のせん断荷重は１３００Ｍｐａ中盤級の水準を示す。１１８０Ｍｐａ級より強度が高い方ではあるが、引張強さ１５００Ｍｐａ級部品をトリミング金型で切断するよりは遥かに容易で、商業的生産工程に適用した場合、経済性もある程度確保できる。従来において、ブランクをホットフォーミング後に直ちにトリミング金型を用いて切断作業を行った例はなかった。

これまで上述のような固定観念を超える試みはなかった。以上で述べた特許文献３、特許文献４のようにマルテンサイト変態前に成形と同時にトリミングを行おうとする試み程度があったのみである。

上述のような本発明によれば、１５００Ｍｐａ級又はそれ以上の超高強度ホットスタンピング部品を経済的にトリミングできる。トリミング金型は１回のストローク時間が数秒程度と短く生産性に優れ、コストも安い。

また、本発明によれば、従来の自動車鋼板や部品の切断に使用される商用のトリミング金型を特別な設計変更なしにそのまま使用することができ、高コストのレーザートリミングを金型を用いたトリミングで替えることができる。

本発明の実施形態に係るトリミング工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るトリミング装置の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施形態に係る１次トリミング温度による試験試片のせん断荷重変化を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る２次トリミング温度による試験試片のせん断荷重変化を示すグラフである。

以下、本発明に添付された図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面で同じ構成要素又は部品は説明の便宜のためになるべく同じ参照符号で表示される。

図１乃至図２を参照して実施形態に係るホットスタンピング部品のトリミング工程について述べる。

ブランク加熱（Ｓ１）
ブランクの素材としては、２２ＭｎＢ５ボロン鋼が用いられることができる。一例としてアルセロール・ミッタル社が提案したＵｓｉｎｂｏｒ１５００のＡｌめっき鋼板が用いられることができる。

ブランクの加熱には電気炉、ガス炉、米国公開特許第２０１０／００８６００２号で提案されたもののようなハイブリッド加熱炉などが用いられてもよいし、直接的な通電による抵抗加熱、高周波加熱などホットスタンピングに適用可能な多様な加熱方式が用いられてもよい。

ブランクはオーステナイト化温度（Ａｃ_３）、例えば、８８０〜９５０℃で加熱されることができる。一例として、ブランクは常温でフェライト−パーライト（ｆｅｒｒｉｔｉｃ−ｐｅａｒｌｉｔｉｃ）微細構造を有することができ、オーステナイト化温度以上でオーステナイト単一相を有することができる。

ちなみに、低炭素鋼で温度Ａ３はアルファフェライト（ａｌｐｈａ ｆｅｒｒｉｔｅ）がオーステナイトに変態されるか、又はアルファフェライトがオーステナイトに逆変態される温度をいう。Ａｃ３で“ｃ”は加熱（ｈｅａｔｉｎｇ）を意味するフランス語“ｃｈａｕｆｆａｇｅ”から由来したものである。

プレス成形及び冷却（Ｓ２）
加熱されたブランクはプレス成形機で成形と共に急冷される。成形開始温度はブランクのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）以上の６００〜９００℃、好ましくは６５０〜８５０℃程度である。

上記の温度範囲でブランクは成形開始されＭｓ以下の温度に全体的に冷却される。もちろん、場合によっては、成形過程にブランクが局部的に軟化組織を有するように意図されてもよい。

ブランクの冷却速度は２５℃／ｓｅｃ以上、好ましくは２７℃／ｓｅｃ以上、さらに好ましくは３０℃／ｓｅｃ以上である。冷却チャネルを有するプレス成形機内でブランクは約２００℃／ｓｅｃの速度で急冷されることができる。

急冷されたブランクは２００℃以上の温度、好ましくは２２０〜３５０℃の温度でプレス成形機から取り出され、プレス成形機の後段に配置されたトリミング金型へ移送される。ブランクはロボットを用いて常温待機条件で移送されることができる。

一方、プレス成形機で急冷されたブランクは２００℃未満で取り出されてもよい。プレス成形されたブランクを１７０℃でトリミングした場合、せん断荷重が１３００Ｍｐａ中盤代であるので、成形されたブランクの強度が少々高いが、トリミング金型の適用が可能ではある。しかし、トリミング金型のカッティングツールの寿命を考慮した場合、プレス成形機からのブランク取り出し温度は２００℃以上、さらに好ましくは２５０℃以上であることが好ましい。

プレス成形機からブランクを取り出す温度の上限は３５０℃、よりクリティカルには３６０℃を超過した場合、目標とする１５００Ｍｐａ級の引張強さを有する部品を得られない場合がある。

トリミング（Ｓ３〜Ｓ４）
トリミングは成形された部品の縁を所望の形状ラインに沿ってカッティングすることで、別に説明しないが、トリミング過程にピアッシングなどが共に行われてもよい。

プレス成形に続いてブランクはトリミング金型で切断、すなわちトリミングされる。トリミング時のブランク温度は１５０〜３３０℃、好ましくは１７０〜３２０℃、さらに好ましくは１９０〜３２０℃、さらに好ましくは１９５〜３１０℃である。１１８０Ｍｐａ以下のせん断荷重を目標とする場合、安全には２００〜３１０℃の範囲でトリミング工程を行った方が良いだろう。

トリミング時のブランク温度が１９０℃未満の場合、例えば、１７０℃程度の場合、ブランクせん断荷重は１３００Ｍｐａ中後半級に増加する。ブランク移送時間を考慮した場合、トリミング時のブランク温度が３５０℃を超過する場合、１５００Ｍｐａ級の引張強さが得られない場合がある。また、トリミング温度が上昇した場合、熱負荷によってトリミングツールの損傷が問題となるので、トリミング時の好ましいブランク温度は３２０℃、さらに好ましくは３１０℃以下、さらに好ましくは３００℃以下である。

トリミングは、ダイを用いたトリミングは極めて稀ではあるが１回で完了できる場合があるものの、チップ（ｃｈｉｐ）の分離のために又は切断ラインの設計が複雑化しないようにするために、２回又はそれ以上にわたって行われてよい。図２で確認できるように、プレス成形機２０の後段に２つのトリミング金型３０，４０が順に配置されてもよい。

図１で確認できるように、１次トリミング時のブランク温度は２２０〜３２０℃、２次トリミング時のブランク温度は１９０〜３００℃であってよい。２次トリミング温度の下限は１７０℃、さらに低い場合は１５０℃まで下がってよい。しかし、商業的な生産ラインで安定した操業のためには、最終的なトリミングは１９０℃以上、より限定的には１９５℃以上で実施された方が良い。

上記の温度条件はプレス成形機２０と１次トリミング金型３０の間、そして、第１及び第２トリミング金型３０，４０の間の移送時間、各トリミング金型での切断時間、各種のあり得る時間遅延、ホットスタンピング部品の品質などを考慮して最適条件が導出されたものである。ブランクの温度をトリミング温度範囲に維持するための手段は特に考慮しなかった。

トリミング金型３０，４０には上記の温度条件のチェックのために、それぞれ温度センサが装着されてよい。ブランクの温度を上記の条件に維持するためのヒータの装着が考慮されてもよいが、多数の実験結果によれば、ヒータの装着は不要である。ヒータの装着のためには商用のトリミング金型に対する設計変更が必要であるが、これは製造及び維持コストの上昇を招くため、あまり好ましくはない。

図３及び図４を参照して実施形態に係るトリミング温度条件についてより具体的に述べる。多数の実験例のうち説明のために一部のみを抜粋して示したものであることが理解されるべきである。実験には引張強さ１５００Ｍｐａ級２２ＭｎＢ５ボロン鋼素材のＡｌめっき鋼板が用いられた。

図３は、１次トリミング時のブランク温度ごとのせん断荷重変化を示すグラフである。図３で縦軸はせん断荷重のためのものであるが、便宜のために試片の最大引張荷重で代替されている。せん断荷重の代わりに便宜のために引張荷重が用いられることが理解されるべきである。

図３で確認できるように、２４０〜３１０℃の温度範囲で試片等のせん断荷重は１１８０Ｍｐａ以下の水準に維持される。換言すれば、ホットフォーミング後、２４０〜３１０℃の温度範囲で試片等のせん断荷重は１１８０Ｍｐａ以下の引張強さを有する鋼板の水準のせん断荷重を有する。造成によって多少異なる場合があるが、プレス成形に続いて行われるトリミング時の温度が３２０℃、さらには３３０℃である試片等は１１８０Ｍｐａ以下のせん断荷重を示し、以降、完全に常温まで冷却された時、目標とした１５００Ｍｐａ級の引張強さを示す。

図４は、２次トリミング時のブランク温度ごとのせん断荷重変化を示すグラフである。図４でも縦軸はせん断荷重のためのものであるが、便宜のために試片の最大引張荷重で代替されている。

図４で確認できるように、１９５〜２９０℃の温度範囲で試片等のせん断荷重は１１８０Ｍｐａ以下に維持される。そして、トリミング後、常温まで空冷された試片等は目標とした１５００Ｍｐａ級の引張強さを示す。

上記の結果から確認できるように、ホットフォーミング後のブランクは温度範囲１９０〜３１０℃、さらには１９０〜３３０℃でせん断荷重が１１８０Ｍｐａ級に減少する。トリミング工程を行う間、１２０〜１４０℃程度のブランクの温度ドロップを許容できるので、中間にブランクをヒーティングする必要はないと思われる。

上記の１次及び２次トリミングを完了した後、空冷された部品は目標とした１５００Ｍｐａ級、より具体的には、１４８０Ｍｐａ以上の超高強度を有しつつも６％以上の延伸率を示した。この結果は、実施形態によってホットスタンピングされた部品等がほぼ１００％に近接したマルテンサイト相を有することを示す。

一方、従来技術によってプレス成形機で成形された後、取り出されて常温まで冷却されたホットスタンピング部品は、その後、本発明の実施形態によるトリミング温度範囲に再加熱されても、１４００Ｍｐａ中後半級の強度を維持し、１１８０Ｍｐａ水準の強度低下は得られない。

以上、本発明の特定の実施形態に関して図示して説明したが、下記の特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で本発明は多様に修正又は変形されることができることが理解されるべきである。

２０ プレス成形機
３０，４０ トリミング金型

Claims (5)

1. （ａ）ホットスタンピング用ボロン鋼で形成されたブランクを該当ブランクのオーステナイト化温度以上に加熱するステップ；
   （ｂ）加熱したブランクをプレス成形機内で成形するステップ、ここで、ブランクは６００〜９００℃の温度で成形開始されて２５℃／ｓｅｃ以上の速度で該当ブランクのマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ）以下に冷却される；
   （ｃ）成形されたブランクをプレス成形機から取り出した後、続いてトリミング金型で切断するステップ、ここで、切断時のブランク温度は１５０〜３３０℃であることを特徴とするホットスタンピング方法。
2. 前記（ｃ）ステップで、
   成形されたブランクは２００℃以上、３５０℃以下の温度でプレス成形機から取り出され、切断時のブランク温度は１９０〜３２０℃であることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング方法。
3. 前記（ｃ）ステップで、ブランクは少なくとも２つのトリミング金型を用いて順に切断され、
   プレス成形後の１番目のトリミング金型で切断されるブランクの温度は２２０〜３２０℃で、２番目のトリミング金型で切断されるブランクの温度は１９０〜３００℃で、
   前記２つのトリミング金型の間に移送される過程又は各トリミング金型での切断過程にブランクは加熱されないことを特徴とする請求項２に記載のホットスタンピング方法。
4. 前記（ｃ）ステップで、ブランクは少なくとも２つのトリミング金型を用いて順に切断され、
   トリミングの全過程においてブランクは再加熱されず、最終トリミングは１７０℃以上で実施されることを特徴とする請求項１に記載のホットスタンピング方法。
5. 前記（ｃ）ステップで、
   成形されたブランクは２００℃以上、３５０℃以下の温度でプレス成形機から取り出され、ここで、切断時のブランク温度は１９０〜３２０℃であることを特徴とする請求項４に記載のホットスタンピング方法。

Images