(57)【要約】【課題】高温強度に優れるが難成形の鉄系材料を用いた場合でも、複雑な形状のプレス成形品を製造可能なプレス成形品の製造方法を提供する。【解決手段】先ず、プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板２０（例えばステンレス鋼板）を準備する。次に、金属板２０の全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する。続いて、加熱された金属板２０において、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部２３に冷却ブロック３０を接触させ、当該冷却ブロック３０の接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に部分冷却する。最後に、部分冷却後の金属板２０に対してプレス加工を施し、股部の立体形状を付与する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二股状に枝分れした二つの部位の間に位置して両部位を連結する股部を有してなるプレス成形品を製造する方法であって、
プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板を準備する金属板準備工程と、
前記金属板の全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する全体加熱工程と、
前記加熱された金属板において、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部に冷却ブロックを接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に冷却する部分冷却工程と、
前記部分冷却後の金属板に対してプレス加工を施し、股部の立体形状を付与するプレス加工工程と、
を備えたプレス成形品の製造方法。
【請求項２】
基幹部と、その基幹部から二股状に枝分れした少なくとも二つのトンネル状分枝部と、隣り合う二つのトンネル状分枝部のそれぞれの根元に位置する側壁間を連結する股部とを有してなるプレス成形品を製造する方法であって、
プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板を準備する金属板準備工程と、
前記金属板の全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する全体加熱工程と、
前記加熱された金属板において、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部に冷却ブロックを接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に冷却する部分冷却工程と、
前記部分冷却後の金属板に対してプレス加工を施し、基幹部、トンネル状分枝部および股部の立体形状を付与するプレス加工工程と、
を備えたプレス成形品の製造方法。
【請求項３】
前記部分冷却工程では、前記加熱された金属板の表面側および裏面側において当該金属板の局部に対し一対の冷却ブロックを同時に接触させる、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品の製造方法。
【請求項４】
前記部分冷却工程で使用する冷却ブロックは円柱状または多角柱状の金属ブロックであり、その円柱状または多角柱状の金属ブロックの一端面が前記金属板に対する接触面となる、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。
【請求項５】
前記金属板を構成する鉄系金属は、７００〜９５０℃の高温度から１００〜６００℃の低温度に急冷したときでも焼き入れされない鉄系金属であり、
前記冷却ブロックは、銅製の金属ブロックである、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプレス成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄系金属板にプレス加工を施すことで得られるプレス成形品の製造方法に関する。特に、自動車用エンジンの排気系部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に自動車用エンジンは多気筒であり、多気筒エンジンは、各気筒からの排気ガスを集めて単一の排気管に導くための排気マニホルド（エキゾーストマニホルド、略して「エキマニ」と呼ぶ）を備えている。近年の排気ガス規制の強化や更なる低燃費化の要求に対応するためには、エキマニを流れる排気ガスの高温化やエキマニ表面の温度上昇が避けられない傾向にあり、高温強度に優れたＳＵＳ材（ステンレス鋼材）を採用する必要に迫られている。しかしながら、高温強度に優れるとされるＳＵＳ材は概して難成形であり、そのような難成形なＳＵＳ材をエキマニのような形状の複雑な部品に適用するためには、新たな成形技術の確立が必要である。
【０００３】
ちなみに、排気マニホルドをプレス成形で製造する先行技術文献としては、例えば以下の特許文献１及び２がある。但し、これらの特許文献からは出発材料が金属製の板材であることは汲み取れるものの、実際にどのようなタイプの金属が適しているかについては言及がない。また、特許文献１及び２は、プレス加工時の温度制御に関しては一切開示しておらず、そこでのプレス加工はいわゆる冷間プレス加工（つまり常温のままの金属板に対するプレス加工）と推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１５４６６０号公報
【特許文献２】特開２００９−２５７２４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、高温強度に優れるが難成形の鉄系材料を用いた場合でも、比較的複雑な形状のプレス成形品を製造（成形）することが可能なプレス成形品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本件第１発明は、二股状に枝分れした二つの部位の間に位置して両部位を連結する股部を有してなるプレス成形品を製造する方法であって、
プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板を準備する金属板準備工程と、
前記金属板の全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する全体加熱工程と、
前記加熱された金属板において、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部に冷却ブロックを接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に冷却する部分冷却工程と、
前記部分冷却後の金属板に対してプレス加工を施し、股部の立体形状を付与するプレス加工工程と、
を備えたプレス成形品の製造方法、をその要旨とするものである。
【０００７】
本件第２発明は、基幹部と、その基幹部から二股状に枝分れした少なくとも二つのトンネル状分枝部と、隣り合う二つのトンネル状分枝部のそれぞれの根元に位置する側壁間を連結する股部とを有してなるプレス成形品を製造する方法であって、
プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板を準備する金属板準備工程と、
前記金属板の全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する全体加熱工程と、
前記加熱された金属板において、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部に冷却ブロックを接触させ、当該冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に冷却する部分冷却工程と、
前記部分冷却後の金属板に対してプレス加工を施し、基幹部、トンネル状分枝部および股部の立体形状を付与するプレス加工工程と、
を備えたプレス成形品の製造方法、をその要旨とするものである。
【０００８】
本件第１及び第２発明の方法によれば、プレス成形品の前駆体となる鉄系金属板は、プレス加工後に股部を形成することになる金属板の局部（冷却ブロックの接触箇所）及びその周辺を相対的に低温度（１００〜６００℃）とし、残りの部分を相対的に高温度（７００〜９５０℃）とした全体加熱／部分冷却状態でプレス加工を施される。このため、股部以外の部分では、高温加熱によって鉄系金属の伸びが良好となることで、比較的複雑な形状を付与するプレス加工を行っても当該部分に割れや亀裂を生じ難い。他方、股部では、鉄系金属の伸びが良すぎると、引っ張りによる局部くびれが生じて過度な薄肉化が誘発され、却って割れや亀裂を生じ易い。この点、本方法では、部分冷却によって股部の金属の伸びを抑制する一方で鉄系金属の耐力を高く維持できるため、引張り歪が股部及びその周辺に均一に伝播し易くなる。このため、股部では、前述のような引っ張りによる局部くびれが起こり難くなり、却って割れや亀裂を生じ難くなる。かくして本方法によれば、股部等を有してなるプレス成形品を鉄系金属板からプレス成形の手法で製造する場合でも、緻密な温度コントロールにより、不都合な局部くびれの発生を未然に回避しつつ比較的複雑な形状を安全且つ確実にプレス成形することができる。
【０００９】
本発明において好ましくは、前記部分冷却工程では、前記加熱された金属板の表面側および裏面側において当該金属板の局部に対し一対の冷却ブロックを同時に接触させる。
加熱された金属板の表面側および裏面側に一対の冷却ブロックを同時接触させることにより、温度ムラ無く、短時間で、冷却ブロックの接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度に冷却することが可能となる。
【００１０】
本発明において好ましくは、前記部分冷却工程で使用する冷却ブロックは円柱状または多角柱状の金属ブロックであり、その円柱状または多角柱状の金属ブロックの一端面が前記金属板に対する接触面となる。
冷却ブロックは円柱状または多角柱状とすることで当該金属ブロックの一端面を金属板に対する接触面とすることができ、部分冷却すべき領域の面積制御が容易になる。また、円柱状または多角柱状の高さ（又は長さ）を適切に設定することで、冷却ブロックの熱容量を簡単に調節することができ、冷却能力のコントロールが容易になる。
【００１１】
本発明において好ましくは、前記金属板を構成する鉄系金属は、７００〜９５０℃の高温度から１００〜６００℃の低温度に急冷したときでも焼き入れされない鉄系金属であり、前記冷却ブロックは、銅製の金属ブロックである。
金属板を構成する鉄系金属が、７００〜９５０℃の高温度から１００〜６００℃の低温度に急冷したときでも焼き入れされない鉄系金属であることで、全体加熱および部分冷却の後でも、金属板に対してプレス加工を支障なく行うことができる。また、冷却ブロックが銅製であることで、当該ブロックの冷却性能（除熱性能）が高められると共に、加熱された金属板への接触時に冷却ブロックが金属板に接着（融着）してしまうことがなく、冷却ブロックの金属板からの離脱（離間）を確実に行なうことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、ワークとしての鉄系金属板を全体加熱および部分冷却した上でプレス加工を施すという手順を採用したので、プレス加工の直前に、プレス時の割れや亀裂を回避するのに金属の伸び特性が有効に働く部位に対しては事前加熱を施すと共に、プレス時の割れや亀裂を回避するのに金属の耐力特性（耐性）が有効に働く部位、つまり股部に対しては部分冷却を施すことで、比較的複雑な形状のプレス成形品を割れや亀裂を生じることなく製造することができる。すなわち本発明によれば、高温強度に優れるが難成形の鉄系材料（例えばＳＵＳ材）を用いた場合でも、比較的複雑な形状のプレス成形品を確実に製造することができる。
【００１３】
本発明の方法によれば、単なる冷間プレス加工の場合に比べて、得られるプレス成形品のスプリングバック量が少なく寸法精度が高くなる。また、単なる冷間プレス加工の場合には、スプリングバックによる寸法の修正のために追加の加工が必要になるが、本発明の方法によれば、ほとんどスプリングバックを生じないので、寸法修正のために追加加工が不要であり、その点で冷間プレス加工の場合よりも工程数が少なくて済む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】出発材となる鉄系金属板の概略を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は下側から見た側面図。
【図２】加熱した鉄系金属板に冷却ブロックを接触させた状態を示し、（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は下側から見た側面図。
【図３】円柱状の冷却ブロックの一例を示す斜視図。
【図４】全体加熱および部分冷却後の鉄系金属板の温度状況を示す平面図。
【図５】プレス加工後のプレス成形品の概略を示す平面図。
【図６】プレス加工後のプレス成形品の概略を示す斜視図。
【図７】使用したステンレス鋼の温度対伸びの特性を示すグラフ。
【図８】使用したステンレス鋼の温度対耐力の特性を示すグラフ。
【図９】比較例１におけるプレス加工後の成形品を示す平面図。
【図１０】比較例２におけるプレス加工後の成形品を示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を排気マニホルドの一構成部品の製造に具体化した実施形態について図面を参照しつつ説明する。一般に排気マニホルドは、前記特許文献１及び２にも開示されているように排気マニホルドを上下に二分割した半割りシェル（上側外殻部材および下側外殻部材）を組み合わせてなるものであり、出発材となる金属板から各シェルをプレス成形した後、二つのシェルを相互に溶接することにより形成される。本実施形態は、排気マニホルドの一構成部品たる半割りシェルのプレス成形手順について説明する。
【００１６】
本実施形態の製造方法で得られる排気マニホルド用半割りシェルは、図５及び図６に示すような最終形状（目的形状）をなす。即ち、プレス成形品としての半割りシェル１０は、基幹部１１から二股状（又は多股状）に枝分れした四つのトンネル状分枝部１２を備え、それら四つのトンネル状分枝部１２と基幹部１１とによってシェル１０の本体部が構成される。トンネル状分枝部１２は、二つの半割りシェルの接合時にはエンジンの各気筒からの排気ガスを導くための気筒配管を形成する部位である。基幹部１１は、四つのトンネル状分枝部１２の各基端部（根元側に位置する端部）を一つにまとめるための集合部であり、二つの半割りシェルの接合時にはエンジンの全気筒からの排気ガスを合流させるための集合配管を形成する部位である。かかる半割りシェル１０にあっては三箇所に股部１３が存在する。各股部１３は、隣り合う二つのトンネル状分枝部１２のそれぞれの根元に位置する側壁間にまたがって存在すると共に、これらの側壁間を連結する湾曲形状部である。
【００１７】
本実施形態の製造方法は、金属板準備工程、全体加熱工程、部分冷却工程およびプレス加工工程を順に経るものである。
【００１８】
［金属板準備工程］
金属板準備工程では、プレス成形品のプレス加工前における平面形状をかたどった鉄系の金属板を準備する。より具体的には、図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すような平面形状の金属板２０を準備する。金属板２０の厚さは好ましくは１〜３ｍｍであり、本実施形態では厚さ２ｍｍの金属板を採用した。
【００１９】
金属板２０を構成する金属は、鉄系金属、好ましくはステンレス鋼、更に好ましくはフェライト系ステンレス鋼である。本実施形態では、ＪＩＳ（日本工業規格）Ｇ４３０５（冷間圧延ステンレス鋼板及び鋼帯）においてフェライト系ステンレス鋼に分類されているＳＵＳ４４４からなる金属板を採用した。ＳＵＳ４４４における鉄以外の元素組成は、表１のとおりである。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
ＳＵＳ４４４の材料特性は図７及び図８のグラフに示すとおりである。図７は温度変化に伴う伸び（％）の特性を示し、図８は温度変化に伴う０．２％耐力（Ｎ／ｍｍ２）の特性を示す。これらの特性の測定は、ＪＩＳ−Ｇ０５６７（鉄鋼材料及び耐熱合金の高温引張試験方法）およびその引用規格であるＪＩＳ−Ｚ２２４１（金属材料引張試験方法）に従った。特に図７の「伸び」については、ＪＩＳ−Ｚ２２４１中の３．３欄および３．４欄での説明に準拠する。また「耐力」は、ＪＩＳ−Ｚ２２４１中の３．１０．３欄に記載の耐力（オフセット法）に準拠しており、図８の「０．２％耐力」とは、塑性伸びが、伸び計標点距離に対する規定の百分率（本例の場合、０．２％）に等しくなったときの応力を意味する。ちなみに、本実施形態で使用したＳＵＳ４４４にあっては、
２００℃での伸び：２９％、２００℃での０．２％耐力：２７７Ｎ／ｍｍ２、
８００℃での伸び：８０％、８００℃での０．２％耐力：５３Ｎ／ｍｍ２、であった。
【００２２】
なお、本発明で使用する鉄系金属は、後述の全体加熱工程から部分冷却工程を経て急速冷却を施された場合でも、当該金属板の急冷箇所が焼き入れされることのない焼入れ不能な金属である。当該金属板が部分冷却後にプレス加工に供されることを考慮すれば、部分冷却によって焼きが入り硬化してしまうような金属は本発明には適さないことは言うまでもない。
【００２３】
上記のようなステンレス鋼板を、例えば打ち抜きプレス機で打ち抜き加工することにより、図１に示すような平面形状の前駆体金属板２０を得ることができる。
【００２４】
［全体加熱工程］
次に、図１に示すステンレス鋼製の金属板２０を加熱装置（例えば電気加熱炉）に装入し、その全体を７００〜９５０℃の高温度に加熱する。本実施形態では、金属板の全体をその表面温度が約８００℃となるまで加熱した。なお、この全体加熱工程での加熱温度が７００℃未満では、ステンレス鋼の伸び率を有意なレベルまで高めることができず、加熱の意義を失う。他方、加熱温度が９５０℃を超えると、金属板が過度に軟化してプレス加工時につぶれが生じ、好ましくない。なお、前記高温度として、７５０〜９００℃、又は７５０〜８５０℃の加熱温度に設定しても良い。
【００２５】
［部分冷却工程］
続いて、加熱装置から取り出した加熱済みの金属板２０の一部分を冷却する。即ち、加熱された金属板２０において、プレス加工後に股部（１３）を形成することになる金属板の局部（股部予定部位２３）に冷却ブロック３０を接触させ、当該冷却ブロック３０の接触箇所及びその周辺を１００〜６００℃の低温度にまで冷却する。より具体的には、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、金属板の３つの股部予定部位２３に対し、その上面側（表面側）および下面側（裏面側）に上下一対の冷却ブロック３０を同時接触させ、上下のブロック３０で金属板２０を挟み込む。本実施形態では、金属板２０に対する冷却ブロック３０の接触時間を約３秒とすることにより、約８００℃あった股部予定部位２３を約２００℃の温度レベルにまで急速冷却した。図４は、金属板２０から冷却ブロック３０を離間させた直後の金属板表面の温度状況を示す。図４に示すように、冷却ブロック３０が直接接触した箇所とその周辺が相対的に低温の領域となった。
【００２６】
この部分冷却工程での冷却温度については１００〜６００℃の温度レベルであれば、金属の伸びを抑制しつつ金属の耐力を高いレベルに維持することができ、プレス加工時における股部割れ等の未然防止に役立つ。なお、金属板局部を１００℃未満の温度レベルまで冷却することを意図すると、冷却したくない他部分の温度低下をも誘発してしまい、好ましくない。他方、金属板局部の冷却を６００℃以下の温度レベルにとどめたのは、６００℃超えにすると、７００〜９５０℃の高温度領域との間で金属特性の差を出しにくくなるからである。なお、前記低温度として、１００〜５００℃、１００〜４００℃、又は、１００〜３００℃の温度に設定しても良い。
【００２７】
部分冷却工程で使用する冷却ブロック３０は円柱状または多角柱状の金属ブロックであることが好ましく（図３参照）、その場合には、円柱状または多角柱状の金属ブロックの一端面３１が金属板２０に対する接触面となる。この接触面（３１）の面積設定に応じて、部分冷却すべき領域の面積制御が可能になる。また、円柱状または多角柱状の金属ブロックの高さｈ（又は長さ）の設定に応じて、冷却ブロック３０の熱容量（ひいては冷却能力）を調節することができる。更に、冷却ブロック３０は、金属製、中でも銅製であることが好ましいが、セラミックス製であってもよい。冷却ブロック３０が銅製であることで、当該ブロックの冷却性能が高められると共に、加熱された金属板への接触時に冷却ブロックが金属板に接着（融着）する事態を回避できる。本実施形態では、冷却ブロック３０として図３に示すような円柱状の銅製ブロックを使用した。
【００２８】
［プレス加工工程］
最後に、全体加熱および部分冷却を完了した後の金属板２０に対し、固定型及び可動型からなる成形型（図示略）を用いて定法通りのプレス加工を施し、基幹部１１、トンネル状分枝部１２および股部１３の立体形状を付与した。図５及び図６は、本実施形態で得られたプレス成形品（半割りシェル１０）を示す。本実施形態のプレス成形品によれば、股部１３を含むいずれの箇所にも割れや亀裂は見当たらず、形状の複雑さにもかかわらず寸法精度に優れた良品を得ることができた。
【００２９】
次に、本実施形態の優位性を示すための比較対象事例である比較例１及び２について説明する。
【００３０】
［比較例１］
上記実施形態では、金属板２０を全体加熱（約８００℃）したあと冷却ブロック３０を用いて部分冷却していたが、比較例１では、金属板２０を約８００℃に全体加熱した直後に、部分冷却を行うことなくプレス加工を施した。つまり比較例１は、上記実施形態から部分冷却工程を省いた点のみが異なり、その他の点では上記実施形態と同じである半割りシェル１０１の製造例に相当する。
図９は、比較例１におけるプレス成形品（半割りシェル１０１）の概略を示す。図９に示すプレス成形品では、三箇所の股部１３のいずれにおいても股部１３の湾曲形状にほぼ沿った略弧状の割れ又は亀裂Ｃが観察された。故にこのプレス成形品は不良品と評価された。なお、股部で割れ等が生じた理由としては、約８００℃への加熱によって金属板の股部予定部位２３の耐力が低下すると共に、プレス加工による股部１３の立体化過程において引張りによる局部くびれが発生し、それが股部１３での割れ等につながったものと考えられる。
【００３１】
［比較例２］
上記実施形態では、金属板２０を全体加熱したあと冷却ブロック３０を用いて部分冷却（約２００℃）していたが、比較例２では、金属板２０の全体を約２００℃に加温した後、直ちにプレス加工を施した。つまり比較例２は、上記実施形態において金属板２０の約８００℃への高温加熱をとりやめると共に金属板全体を約２００℃に加温（冷却）した点が異なり、その他の点では上記実施形態と同じである半割りシェル１０２の製造例に相当する。
図１０は、比較例２におけるプレス成形品（半割りシェル１０２）の概略を示す。図１０に示すプレス成形品では、四つのトンネル状分枝部１２の各々の先端部（股部とは反対側の端部）付近において、縦方向（トンネル状分枝部１２の延設方向）に沿った筋状の割れ又は亀裂Ｃが観察された。故に、このプレス成形品は不良品と評価された。なお、トンネル状分枝部１２の先端部付近において割れ等が生じた理由としては、２００℃程度では金属の伸びが不十分であり、プレス加工によるトンネル状分枝部１２の立体化過程において分枝部先端部に引張り歪が集中して過度な肉薄化が生じ、それが分枝部先端部での割れ等を誘発したものと考えられる。
【００３２】
［スプリングバック量の比較］
上記実施形態、比較例１及び比較例２についてスプリングバック量を比較した。ここで「スプリングバック」とは、ワークとなる金属板にプレス加工（加圧）を施したあと成形用金型から製品を取り外したときに、意図した通りの形状が製品に付与されず部分的に形戻りする現象をいう。そして、その形戻りの量または程度を「スプリングバック量」という。スプリングバック量の多少は、プレス成形品における寸法精度の評価指標となる。
【００３３】
本発明に従う上記実施形態及び比較例１では、型抜き後のスプリングバックはほとんど観察されなかった。これに対し比較例２では、例えばトンネル状分枝部１２の先端部（気筒配管のポート位置に相当）においてポート径寸法に対して数パーセント程度のスプリングバックが観察された。この違いは、上記実施形態及び比較例１は基本的に熱間プレス加工であるのに対し、比較例２は（ステンレス鋼を使用する限りでは）冷間プレス加工の範疇に入るためと考えられる。
【符号の説明】
【００３４】
１０…半割りシェル（プレス成形品）、１１…基幹部、１２…トンネル状分枝部、１３…股部、２０…金属板、２３…股部予定部位（金属板の局部）、３０…冷却ブロック、３１…冷却ブロックの一端面（金属板に対する接触面）、ｈ…ブロックの高さ又は長さ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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