(57)【要約】      （修正有）【課題】強度特性を選択的に備えた領域を有する鋼製部品の形成を可能にするホットスタンピング法の提供。【解決手段】鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を有するために特定の領域を鋼板に設定する工程と、対応する特定の領域をダイに設定する工程と、鋼板を８５０℃以上の温度にまで加熱する工程と、ダイで加熱された鋼板をスタンピングして鋼製部品を形成する工程と、鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を有するように特定の領域を冷却して、ダイが鋼製部品の全表面に接触する工程とを含み、前記鋼板はＡｌＳｉコーティング剤でコーティングされており、前記鋼板を加熱する工程において、前記ＡｌＳｉコーティング剤の一部は前記鋼板に拡散して、Ａｌ／Ｓｉ／Ｆｅの３相の層構造を前記鋼板の表面上に形成することを特徴とする方法。【選択図】図６
2014196566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイでスタンピングされた後の鋼製部品を前記ダイから取り除くことなく、前記鋼製部品の一部の領域に他の領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を形成する方法であって、
後に鋼製部品に形成される鋼板を用意する工程と、
前記鋼板から形成される前記鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を有するために、前記特定の領域に対応する特定の領域を前記鋼板に設定する工程と、
前記鋼板の前記設定された特定の領域に対応する特定の領域を前記ダイに設定する工程と、
前記鋼板を８５０℃以上の温度にまで加熱する工程と、
前記ダイで加熱された前記鋼板をスタンピングして前記鋼製部品を形成する工程と、
前記鋼製部品の前記特定の領域が前記他の残りの領域のミクロ組織とは異なる前記所望のミクロ組織を有するように前記ダイの前記設定された特定の領域を冷却して、前記ダイが前記鋼製部品の全表面に接触する工程と、
を含み、
前記鋼板はＡｌＳｉコーティング剤でコーティングされており、
前記鋼板を加熱する工程において、前記ＡｌＳｉコーティング剤の一部は前記鋼板に拡散して、Ａｌ／Ｓｉ／Ｆｅの３相の層構造を前記鋼板の表面上に形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記ダイの前記設定された特定の領域の冷却は、前記鋼製部品の前記特定の領域が２７℃／秒を超える冷却速度で冷却されるように行われる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記鋼製部品の前記他の残りの領域は２７℃／秒未満の冷却速度で冷却される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
スタンピングされる前の前記鋼板の温度は９００℃〜９５０℃であり、スタンピングされで形成された前記鋼製部品の前記特定の領域は約３０℃／秒〜約１００℃／秒の冷却速度で冷却される請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱された鋼板はオーステナイト相にある請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ダイでスタンピングされた後の鋼製部品を前記ダイから取り除くことなく、前記鋼製部品の一部の領域で他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を形成する方法であって、
鋼板を冷間絞りして鋼製部品にする工程と、
前記鋼製部品の一部の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するために、前記一部の領域に対応する特定の領域を前記鋼製部品に設定する工程と、
前記鋼製部品の前記設定された特定の領域に対応する特定の領域を前記ダイに設定する工程と、
前記鋼製部品を少なくとも９００℃の温度にまで加熱する工程と、
前記ダイで前記加熱された鋼製部品をスタンピングする工程と、
前記鋼製部品の前記設定された特定の領域が２７℃／秒を超える冷却速度で冷却されることによって、前記鋼製部品の前記設定された特定の領域が前記他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するように、前記ダイの前記設定された特定の領域を冷却する工程と、
前記鋼製部品の前記他の残りの領域に対応する前記ダイの領域の一部を開いて、前記他の残りの領域の一部を空気に露出させ、前記他の残りの領域の一部が２７℃／秒未満の冷却速度で前記空気によって冷却される工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記鋼板は、最終的な形状の９０〜９５％に冷間絞りされ、前記加熱された鋼製部品は、前記最終的な形状にスタンピングされる請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記鋼製部品の前記他の残りの領域の一部は、フェライトとパーライトとからなるミクロ組織を有する請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記鋼製部品の前記他の残りの領域の一部は、フェライトとパーライトとマルテンサイトとからなるミクロ組織を有する請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記鋼製部品の前記他の残りの領域の一部は、フェライトとパーライトとからなるミクロ組織を有しており、前記鋼製部品の前記他の残りの領域の他の部分は、フェライトとパーライトとマルテンサイトとからなるミクロ組織を有する請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記鋼板は、０．１４〜０．３２％の炭素と、０〜０．５０％の珪素と、０．６０〜１．６０％のマンガンと、０．０４〜０．４５％のクロムと、０〜０．１５％のチタンと、０〜０．１０％の硫黄と、０〜０．０１％のボロンと、０．００１〜２．００％のその他の試剤とを含む組成を有する請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
前記鋼板はＡｌＳｉコーティング剤でコーティングされており、前記方法は、前記鋼板を加熱する工程において、Ａｌ／Ｓｉ／Ｆｅの３相の層構造を前記鋼製部品上に形成する工程を更に含む請求項６に記載の方法。
【請求項１３】
ダイでスタンピングされた後の鋼製部品を前記ダイから取り除くことなく、前記鋼製部品の一部の領域で他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を形成する方法であって、
後に鋼製部品に形成される鋼板を用意する工程と、
前記鋼板から形成される前記鋼製部品の一部の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するために、前記一部の領域に対応する特定の領域を前記鋼板に設定する工程と、
前記鋼板の前記設定された特定の領域に対応する特定の領域を前記ダイに設定する工程と、
前記鋼板を前記ダイで少なくとも９００℃の温度にまで加熱する工程と、
前記ダイで前記加熱された鋼板をスタンピングして前記鋼製部品を形成する工程と、
前記鋼製部品の前記設定された特定の領域が２７℃／秒を超える冷却速度で冷却されることによって、前記鋼製部品の前記設定された特定の領域が前記他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するように、前記ダイの前記設定された特定の領域を冷却する工程と、
前記鋼製部品の前記他の残りの領域に対応する前記ダイの領域の一部を開いて、前記他の残りの領域の一部を空気に露出させ、前記他の残りの領域の一部が２７℃／秒未満の冷却速度で前記空気によって冷却される工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記鋼板は、０．１４〜０．３２％の炭素と、０〜０．５０％の珪素と、０．６０〜１．６０％のマンガンと、０．０４〜０．４５％のクロムと、０〜０．１５％のチタンと、０〜０．１０％の硫黄と、０〜０．０１％のボロンと、０．００１〜２．００％のその他の試剤とを含む組成を有し、前記鋼板は、スタンピングされる前に、ＡｌＳｉコーティング剤でコーティングされており、前記方法は、前記鋼板を前記ダイで加熱する工程において、Ａｌ／Ｓｉ／Ｆｅの３相の層構造を前記鋼板上に形成する工程を更に含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法は、更に、
前記鋼製部品の第２の領域がマルテンサイトのミクロ組織を有するために、前記第２の領域に対応する第２の領域を前記鋼板に設定する工程と、
前記鋼板の前記設定された第２の領域に対応する第２の領域を前記ダイに設定する工程と、
前記鋼製部品の前記第２の領域が２７℃／秒を超える冷却速度で冷却されることによって前記鋼製部品の前記第２の領域がマルテンサイトのミクロ組織を有するように、前記ダイの前記設定された第２の領域を冷却する工程と、
を含む請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記鋼製部品の前記他の残りの領域の一部は、フェライトとパーライトとからなるミクロ組織を有しており、前記鋼製部品の前記他の残りの領域の他の部分は、フェライトとパーライトとマルテンサイトとからなるミクロ組織を有する請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車部品に関するものであり、詳しくは、特別なホットスタンピング方法を用いて自動車部品の或る領域のミクロ組織を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車部品を選択的に加熱処理して、該部品の所定の部分又は領域に所望の特性を与えることは当業界で周知となっている。例えば、側方侵入ドアビームを選択的に加熱することは周知である。このビームの所定の箇所を加熱してビームの負荷特性を変化させることができる。
【０００３】
また、バンパーなどの車両部品の或る領域を焼き入れするために選択的に冷却即ち急冷することが知られている。このような車両部品は、オーステナイトーマルテンサイト焼き入れによって得られる高い強度を有するように形成される。鋼板からバンパーブランク材をスタンピングして所望の形状に形成した後で、所望の形状に形成された物体の特定の部分を加熱及び冷却によって焼き入れすることによって、車両のバンパーを形成することができる。
【０００４】
同様に、高い強度を備えるドアビームも製造される。このドアビームは、加熱及び急冷されることによって、高い強度特性を備える。ドアビームに取り付けられた端部フランジは、この加熱及び急冷の影響を受けないので、成形及び溶接が容易である。
【０００５】
また、衝撃ビームなどの車両部品を冷間形成し、この部品を所定の領域で加熱及び急冷して、該部品に強度の高い部分を形成することが知られている。
【０００６】
自動車部品を形成する上記の従来技術は、多くの点で良い部分があるものの、多数の作業を伴うので、典型的に、製造時間及び出費が嵩むとともにフロアスペースを広くとる必要がある。
【０００７】
ホットスタンピング法も周知の方法である。“ホットスタンピング”、“プレス焼き入れ”又は“ダイ焼き入れ”という用語は、欧州で使用されており、成形と焼き入れとを１つの工程で行うスタンピングを意味する。このような技術は、以下の非特許文献１及び非特許文献２に記載されている。非特許文献１は、Merklein氏等による文献であり、非特許文献２は、自動車部品を製造する際のホットスタンピングを記述している２００６年１２月から２００７年２月に公開された文献である。これらの文献は、強度が非常に高くてスプリングバックを最小に抑えた薄板状のバンパー及びピラーなどの複雑な形状をした耐衝撃部品が形成されることを記載している。また、様々なホットスタンピング法は特許文献に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Investigation of the Thermo-mechanical Properties of Hot Stamping Steels, Journal of Technology, 177 (2006), 452-455
【非特許文献２】Stamping Journal
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
自動車部品の意匠が高度化しているのに伴い、物理的特性が部分毎に異なる部品を製造することが望まれる場合が頻繁にある。ホットスタンピング法は、知る限り、鋼製部材の全体に関連する技術であるので、物理的特性が部分毎に異なる鋼製部品を製造することが望まれる場合、周知のホットスタンピング法では実現できない可能性がある。
【００１０】
従って、ホットスタンピング法によって車両部品を形成する方策、詳しくは、車両部品がその部分毎に異なる物理的特性を有することが当業界で求められている。更に、強度特性を選択的に備えた領域を有する車両部品の形成を可能にする１つ又はそれ以上のホットスタンピング法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
特定の物理的特性を有する領域と該物理的特性を有していないその他の領域とを備える鋼製部品を形成する本発明の方法及び装置によって、従来のシステム及び方法に関係する問題点は解決される。
【００１２】
本発明の概念は、ダイでスタンピングされた後の鋼製部品をダイから取り除くことなく、鋼製部品の一部のみに高い強度を有するマルテンサイトのミクロ組織を形成する方法である。該方法は、オーステナイトのミクロ組織を全体に備えるとともに約８５０℃を超える温度を有する鋼製部品をダイでスタンピングする工程を含んでいる。また、該方法は、鋼製部品がダイ内に配置されている状態で鋼製部品の所望の部分を約２７℃／秒を超える冷却速度で冷却し、もって、冷却されている所望の部分におけるミクロ組織がマルテンサイトのミクロ組織に変態する工程を含む。所望の部分以外の残りの部分は約２７℃／秒未満の冷却速度で冷却される。冷却の際、ダイは鋼製部品の全表面に接触している。該方法は、所望の部分にマルテンサイトのミクロ組織を形成した後、鋼製部品をダイから取り除く工程を含む。
【００１３】
本発明の他の概念は、ダイでスタンピングされた後の鋼製部品をダイから取り除くことなく、鋼製部品の一部の領域に他の領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を形成する方法である。該方法は、鋼板から形成される鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を有するために、この特定の領域に対応する特定の領域を鋼板に設定する工程を含む。また、該方法は、鋼板の設定された特定の領域に対応する特定の領域をダイに設定する工程を含む。更に、該方法は、ダイで加熱された鋼板をスタンピングして鋼製部品を形成する工程を含む。また、該方法は、鋼板部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なる所望のミクロ組織を有するようにダイの設定された特定の領域を冷却する工程を含む。好ましくは、ダイは鋼製部品の全表面に接触する。
【００１４】
本発明の更なる他の概念は、ダイでスタンピングされた後の鋼製部品をダイから取り除くことなく、鋼製部品の一部の領域で他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を得る方法である。該方法は、後に鋼製部品に形成される鋼板を用意する工程を含む。また、該方法は、鋼板から形成される鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するために、この特定の領域に対応する特定の領域を鋼板に設定する工程を含む。更に、該方法は、鋼板の設定された特定の領域に対応する特定の領域をダイに設定する工程を含む。また、該方法は、鋼板を少なくとも９００℃の温度にまで加熱する工程を含む。次に、該方法では、ダイで鋼板をスタンピングして鋼製部品を形成する工程が行われる。また、該方法は、鋼製部品の特定の領域が２７℃／秒を超える冷却速度で冷却されることによって、鋼製部品の特定の領域が他の残りの領域のミクロ組織とは異なるマルテンサイトのミクロ組織を有するように、ダイの設定された特定の領域を冷却する工程を含む。ダイの設定された特定の領域を冷却する間、ダイは鋼製部品の全表面に接触していることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】冷却速度に依存して形成される炭素鋼の各種ミクロ組織のグラフ。
【図２】本発明の好適な実施例における方法に従って形成されたパネル及び部品を備える一部が組み立てられた自動車の概略図。
【図３】本発明の好適な実施例における方法に従って形成された自動車のフレーム部分の一部を示した図。
【図４】本発明の好適な実施例における方法に使用されるホットスタンピング法の概略図。
【図５】本発明の好適な実施例における方法に使用される他のホットスタンピング法の概略図。
【図６】本発明の好適な実施例における方法を示すフローチャート。
【図７】本発明の好適な実施例における方法を実行する際に使用される鋼板とダイアセンブリの概略図。
【００１６】
本発明は、以下で説明する実施例以外の他の実施例も含んでおり、この他の実施例の詳細事項に対する変更は本発明の趣旨を逸脱しない限り可能である。従って、添付の図面及び以下の実施例の説明は本発明を説明するためのものにすぎず、本発明を限定するものではない。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
鋼製のサンプルを炉で十分高い温度で加熱した場合、該サンプルは、対応する相図で示されるように、オーステナイト（Ａ）相となる。オーステナイト相の鋼の鉄原子は面心立法（ＦＣＣ）構造となっている。
【００１８】
このオーステナイト相の鋼を冷却すると、この鋼は、フェライト及びオーステナイトが共存する相になる。フェライト相は、体心立方（ＢＣＣ）構造となっており、オーステナイト相ほどは格子間炭素を溶解させることはできない。従って、フェライトに変態する領域内の炭素をオーステナイト領域に溶解させて、これらの領域の濃密にする必要がある。フェライト相とオーステナイト相とが或る温度及び組成において平衡にあるとき、フェライト及びオーステナイト並びに両者の炭素組成物がどのくらい存在しているかは、相図から予測できる。
【００１９】
ほとんどの鋼の場合、７２７℃以下において、残留オーステナイト相は不安定であるとともにフェライト及びＦｅ３Ｃに変態する（残留オーステナイト相は、炭素が０．７７重量％の共析組成物である）。フェライト及びカーバイド（炭化物）によるこの新たな構成は、パーライト（Ｐ）として知られており、Ｆｅ３Ｃ相は、通常、カーバイド、即ち、セメンタイトと称される。また、フェライトは、０．７７重量％の炭素を溶解できないので、フェライト領域内の炭素原子を、カーバイドの新たな形成領域内に溶解させる必要がある。
【００２０】
フェライト及びパーライトの形成は炭素の拡散に依存しているので、炭素原子が熱力学的に好ましい状態に構成されるだけの十分な移動度を持たないほど急速にオーステナイトを冷却する必要がある。鋼を例えば水によって急冷すると、鉄は、好ましいＢＢＣ格子構造（フェライト）に変態しようとするが、炭素は溶液中に残留して鉄のマトリックスを歪ませて体心正方晶（ＢＣＴ）形状にする。このＢＣＴ鋼はマルテンサイトとして知られている。
【００２１】
このマルテンサイトへの変態が起こるためには、Ｆｅ及びＣの原子がほとんど動いてはならず、その移動距離は通常１Å未満でなければならない。この変態は、ほとんど瞬時に終わる。また、この変態は、炭素の拡散に依存しない。マルテンサイトは準安定相である。これは、熱力学的には好ましい状態ではなく、炭素原子が拡散できるだけの十分な熱エネルギーはなく、比較的安定したフェライト及びカーバイドによる構成が得られる。従って、鉄は、ＢＣＣのような相に変態して、ＦＣＣ相から自由エネルギーを減少させるが、上記の好ましい相になった場合ほど、該自由エネルギーを減少させることはしない。マルテンサイトはオーステナイトを急速に冷却することによって形成されるものであり、フェライト又はその他の相の鋼を急冷してもマルテンサイトは得られない。
【００２２】
炭素原子がパーライト薄板構造内に拡散できないほど速く、且つ、この炭素原子が短距離だけ拡散してカーバイドを形成できるだけ遅いような速度でオーステナイトを冷却すると、ベイナイト（Ｂ）が形成される。カーバイドは、層状構造ではなく、小さな粒子として形成される。
【００２３】
前述したように、マルテンサイト構造は、準安定状態の構造であり、或る一定の条件下では、熱力学的に比較的安定している構造に変態する。例えば、マルテンサイトを焼き戻し（加熱）することによって、変態が起こる。鉄の格子に捕獲されている炭素原子は、パーライトやベイナイトが形成される際と同様に、移動可能となり、拡散してカーバイドを形成する。しかし、この場合、炭素原子は、典型的なパーライト薄板構造ではなく、回転楕円形態を有する。カーバイドの大きさ、構造及び量は、変態が起こる時間と温度に依存する。温度が比較的高い場合や焼き戻し時間が比較的長い場合は、比較的大きなカーバイド球が得られる。
【００２４】
鋼の物理的な特性は、例えば、パーライト、ベイナイト、マルテンサイト、焼き戻ししたマルテンサイト等のようなミクロ組織に依存する。マルテンサイトは、非常に硬いミクロ組織である。それは、細かい粒状の大きさを有しており、格子間の炭素原子はＦｅ格子を歪ませる。これら両者は、塑性変形をもたらす転位移動を禁じる。
【００２５】
焼き戻しされたマルテンサイトは、軟性であり、比較的延性がある。カーバイド球体が転位移動を禁じる障害物となるので、焼き戻しされたマルテンサイトは比較的硬い。カーバイド球体が過剰に大きく成長すると、上記障害物の数が減少して、素材が軟らかくなる。この状態はオーバーテンパリング（over-tempering）として知られている。
【００２６】
パーライトは比較的軟らかい。転位体は、フェライト内を自由に移動するので、素材は容易に塑性変形可能である。カーバイド相は、非常に強い反面、非常に脆くもあり、フェライト相は比較的延性がある。
【００２７】
図１は、冷却速度に従って得られる鋼の各種相を示す代表的なグラフである。図示された特定の鋼は、ＵＳＩＢＯＲ１５００Ｐで指定された商業上入手可能な鋼である。図１に関する説明を本書で行う。
【００２８】
鋼のホットスタンピングは、一般的に、高温で行われ、この際、鋼はオーステナイト相にあり、ＦＣＣ構造を有している。この過程において、鋼板は、オーステナイトの範囲の温度にまで加熱される。通常、オーステナイト化された鋼板は、炉からプレス機に移送されて、室温に維持されたダイを用いて規定の形状に成形されると同時に焼き入れされる。プレス機は、鋼板全体が十分に冷却されるまで、比較的低い温度で保持される。
【００２９】
前述したように、鋼の冷却速度は、オーステナイトからマルテンサイトへの変態のみが起こるのに十分高い速度でなければならない。その反面、ベイナイト及び／又はフェライト変態は、ほとんどの場合において望ましいものではないので、防止される。
【００３０】
ホットスタンピングの主な効果としては、成形された部品の形状の精密度が非常に高いとともに、強度が非常に高い部品をスプリングバックを生じることなく製造できることである。ホットスタンピング作業でオーステナイトからマルテンサイトへの変態が起こることによって、スプリングバック効果は回避される。
【００３１】
典型的なホットスタンピング法は、幾つかの工程、即ち、鋼製ブランク材をオーステナイト処理即ち加熱する工程と、該ブランク材をスタンピングダイに移送する工程と、ホットプレス工程と、切断工程と、穴抜き工程と、を含んでいる。これらの工程に関する詳細を以下で説明する。
【００３２】
オーステナイト処理において、鋼製ブランク材は、少なくとも約８５０℃、通常、約９００℃から約９５０℃までの温度まで炉で数分間加熱される。このような高温での鋼は、非常に延性が高くなっており、複雑な形状に容易に成形される。加熱時間は、概ね、ブランク材の厚さによって決められる。脱炭を制限するために炉内の雰囲気を制御する必要がある。
【００３３】
熱い鋼製ブランク材を炉からダイに移送する工程は、必要な機械的特性を確保するためにできるだけ迅速に行われることが望ましい。ブランク材の温度が約７８０℃を下回ると、ベイナイト及び／又はフェライトがミクロ組織内に含まれてしまう。前述したように、このベイナイト及び／又はフェライトの含有は、最終的に得られる鋼製部品の用途次第では、望ましくない場合がある。
【００３４】
次に、熱いブランク材は、ロボットアームによってダイ即ち工作機内に配置される。ダイは、外気温又は室温等の温度にあることが好ましい。ブランク材にプレス成形即ちスタンピング成形を行って鋼製部品を所望の形状に成形した後、この鋼製部品を、必要であればしばらくの時間、ダイの中に残して、更に冷却する。その後、鋼製部品をおよそ８０℃にて工作機から取り除き、最終的な空冷を施した後の鋼製部品の最終的な形状の保存・管理を行う。通常、スタンピング法は、ほとんどの場合、１分当たり２つ又は３つのスタンプを提供する。
【００３５】
その後の切断及び穴抜き作業は、任意であり、従来の機械的なプレス等の工作機械で行われる。しかし、熱処理を行った後の鋼製部品の硬さの程度が高いときには、切断を行うダイに対して特定の技術及び素材を使用する必要がある場合もある。
【００３６】
ホットスタンピングには幾つかの手法が周知となっている。ホットスタンピング法全体は前述した通りであるが、経済的な理由及び技術的な理由により、手順に違いがある。ホットスタンピング法には、２つの方法があり、一方は直接ホットスタンピング法であり、他方は間接ホットスタンピング法であり、それぞれ特定の効果がある。直接ホットスタンピング法及び間接ホットスタンピング法はそれぞれ図４及び図５に示されている。図４の参照番号７０で示される直接ホットスタンピング法において、切断機７４で形成されたブランク材７２は、約９００℃から９５０℃の温度にて炉７６内でオーステナイト化され、次いで、ダイ７８に配置されて高速で成形される。絞り深さに達すると、ブランク材は、冷却によって焼き入れされる。対照的に図５の参照番号８０で示される間接ホットスタンピング法を行う際、部品８２は、最初、従来のダイ８４で冷間絞りされて、最終的な形状の９０〜９５％の形状に成形される。その後、部品８２は、炉８６でオーステナイト温度にまで加熱され、最終的な形状に成形されて、ユニット８８にて冷却によってダイ内で焼き入れされる。この方法を行う目的は、ダイ表面のアブレシブ摩耗を低減することにある。例えば、未被覆の２２ＭｎＢ５鋼材を使用した場合、その表面にはスケールが形成される。ホットスタンピング法においてダイとブランク材とが相対移動することによって、ダイ表面が著しく摩耗する。予備成形された部品を使用することによって上記相対移動を低減できるので、ダイの摩耗を最小限にすることができる。
【００３７】
本発明の１の概念において、鋼製ブランク材は加熱、好ましくは、オーステナイト温度にまで、抵抗加熱によって直接ダイ内で加熱される。この過程において、成形作業前のブランク材の熱損失は、鋼板をセットでダイ内で直接加熱することによって、防止される。金属は、電流を印加する際の電気的な抵抗によって、加熱される。抵抗加熱は、プレス及びスタンピング作業と同期するように十分迅速なものであり、比較的高いエネルギー効率を有するとともに、誘導加熱用の設備よりも小型の設備で行うことができる。
【００３８】
本発明に従って、特定のホットスタンピング法に関連する特定の複数のパラメータ及びそれらのパラメータの組み合わせが特定されている。本書で説明する特定のホットスタンピング法におけるこれらの好ましいパラメータを使用すると、軽量で強度が高い鋼製部品を成形することができ、この鋼製部品には予め選んだ特定の領域があり、この領域は、１つ又はそれ以上の物理的特性が優れている。これらの所望の物理的特性は、上記の予め選んだ領域にて所定のミクロ組織を選択的に形成することによって、得られる。これらの特徴を以下で説明する。
【００３９】
多様な鋼材が本発明の好適な実施例における方法で使用される。本発明において、強度の高いボロン含有鋼材が使用される。この鋼材は、例えば、ＡｒｃｅｌｏｒーＭｉｔａｌから入手可能なＵＳＩＢＯＲ１５００（１５００Ｐ及びその他の関連する種類含む）である。この鋼板は、ＡｌＳｉコーティング材でプレコートされており、その後で行われる加熱工程にて耐腐食特性を示す。プレコート、即ち、アルミニウム／珪素コーティング材は、加熱工程の間、基材である鋼材に拡散し、Ａｌ／Ｓｉ／Ｆｅの３相の層構造を形成して、加熱工程の間、鋼板のスケール形成及び脱炭を防止するので、その後の酸洗い及び浸燐等の作業が不要となる。このコーティングによって、従来の溶接作業を行うことができる。本発明の実施例の方法で使用されるコーティングされていない鋼板は、以下の表１で示される組成物で構成されている（パーセント表示されている数字は、特段の表示がない限り、重量パーセントの数字である）。表１に記載されている鋼板の組成物以外の組成物は鉄、Ｆｅである。本発明では、コーティングされている鋼材とコーティングされていない鋼材を使用する。
【００４０】
【表１】
2014196566.tif 000003
【００４１】
図６は、本発明に係わる好適な実施例における方法を示すフローチャートである。詳しくは、好適実施例における方法１００は以下で説明する複数の工程を含んでいる。最初の作業において、ダイの１つ又はそれ以上の特定の領域を、その後行われる温度制御の対象領域として設定する。この特定されたダイの領域は、所望の特定の物理的特性を備える部品の領域に対応する。該部品は、加熱された後、ダイに移送されてホットスタンピングされ、以下で説明するように冷却される。例えば、形成される部品がマルテンサイトのミクロ組織を形成することで得られる物理的な特性を備える領域を２つ有するとともに、それ以外の領域においては、そのような物理的な特性がない場合、上記２つの領域に対応する特定の領域をダイ表面に２つ設定する。この設定作業は、図６のフローチャートの参照番号１１０で示される。
【００４２】
温度制御の対象となるダイの領域を特定した後、これらの領域を任意で所望の温度にまで適切に加熱又は冷却する。例えば、液体で冷却されるダイの場合、１つ又はそれ以上の流路が開閉することによって、所望の量の伝熱流体は該流路、詳しくは、ダイの温度制御対象領域に対応する流路を通過する。例えば、ホットスタンピング工程の後のダイは熱い鋼製部品と接触していることで加熱されているので、ダイの特定領域を適切に冷却することが望ましい。冷却した後、ダイの上記特定領域と熱伝達する１つ又はそれ以上の流路が開く。水又はその他の従来の周知の流体などの伝熱流体が特定の流路に所望且つ周知の量だけ流れ込むことによって、ダイの特定領域が適正に冷却される。ダイの１つ又はそれ以上の特定領域を加熱してもよい。このダイ、詳しくは、ダイの特定領域を所望の温度にする作業は、図６の参照番号１２０で示される。ただし、この工程１２０は任意である。即ち、ダイの特定領域の温度制御作業はホットスタンピングが終わるまで開始させる必要はない。
【００４３】
次に、加熱された鋼製部品をダイに配置する。ホットスタンピング法に関連して前述したように、通常、この鋼製部品は、約９００℃〜約９５０℃の温度にまで加熱される。この温度にまで鋼製部品を加熱することによって、鋼はオーステナイト相になる。このダイへの移送作業は、１つ又はそれ以上のロボットアーム又はロボットによって行われることが好ましい。この作業は図６の参照番号１３０で示される。前述したように、本発明は、鋼をダイ内で直接加熱する工程を含む。
【００４４】
次に、熱い鋼製部品にホットスタンピングを施す。このホットスタンピング法は、前述の通りに行われる。上記鋼製部品に対して行われるホットスタンピング作業は図６の参照番号１４０で示される。
【００４５】
作業１１０で設定されたダイの特定領域を温度制御することによって、この特定領域と隣り合う鋼製部品の鋼の温度を制御する。ダイの特定領域における鋼製部品の温度を制御することによって、この特定領域における鋼製部品の冷却速度を選択的に制御するので、このダイの特定領域における鋼のミクロ組織が選択的に制御される。鋼がオーステナイト相からマルテンサイト相に変態するように、鋼の冷却速度は、約２７℃／秒を超える速度でなければならない。オーステナイト相からのマルテンサイトのミクロ組織の形成を誘発させるための正確な冷却速度は鋼の特定の組成に依存するので、冷却速度の記載には“約”という語句を付したことは理解されたい。ダイの最大冷却速度は、通常、約５０℃／秒〜約１００℃／秒であるとすると、鋼製部品の特定領域でマルテンサイト相を得るためには、ダイの特定領域の冷却速度は、鋼製部品の温度が上述の温度範囲の上限値と下限値との間の温度となるように、制御される。これらの詳細は図１のグラフで示されている。ダイの特定領域の温度を制御する作業は、鋼が十分に冷却されて所望の相及びその結果得られるミクロ組織を有するまでの時間の間、行われる。この作業は、図６の参照番号１５０で示される。
【００４６】
本発明の方法で使用される冷却速度は特定されていないが、鋼製部品の特定の領域内で所望の相が得られさえすれば、好ましい冷却速度は、以下で述べるように幾つかある。一般的に、オーステナイト相にある鋼の領域内でマルテンサイト構造を形成するためには、この領域内の鋼を約３０℃／ｓ〜約１００℃／ｓ、好ましくは、約３２℃／ｓ〜約８０℃／秒、好ましくは、約３５℃／ｓ〜約７０℃／ｓの冷却速度で冷却する必要がある。ただ、これらの範囲の冷却速度以外の冷却速度を実現する冷却技術も本発明に含まれることは理解されたい。
【００４７】
次に、適切に形成された鋼製部品、好ましくは、十分に冷却された鋼製部品をダイから取り除く。この作業は図６の参照番号１６０で示される。
【００４８】
図６を参照すると、作業１２０、１５０、特に、作業１５０は、幾つかの手法で実行可能である。ダイの最大冷却速度（約５０℃／ｓ〜約１００℃／ｓ）がマルテンサイト相への変態を誘発するのに必要な冷却速度（２７℃／ｓ）よりもはるかに高いので、ダイを過剰に冷却した後で、ダイの或る部分を選択的に加熱して、所定の領域が所望の温度を維持、即ち、相の変化を誘発するのに必要な冷却速度よりも高い冷却速度で冷却されることを防止する。この加熱作業は、ダイ又は関係する工作機械内において１つ又はそれ以上の誘導加熱コイルを交換することによって実行可能である。誘導コイルの大きさ、電圧等の選択によって特定の冷却速度を制御する。過剰に冷却されたダイに対する対応策としては、他に、ホットスタンピングの後のダイの一部を開き、熱い鋼製部品を、比較的高い熱伝導率を有するダイの表面ではなく空気（又はその他の環境）に露出させる。鋼製部品の露出された部分は（空気による対流によって）冷却される。この場合の冷却速度は、鋼製部品がダイと接触した状態でダイの冷却通路内を伝熱流体が通過することによって（熱伝導を介して）冷却される場合ほど速い速度ではない。本発明は、ダイ及び／又はダイ内の鋼製部品の特定領域において所望の冷却速度を達成するための技術を多様に備えている。
【００４９】
図７は、本発明の好適実施例における方法を実行する際に使用されるダイアセンブリ２００と鋼板２３０の概略図である。詳しくは、ダイアセンブリ２００は、第１ダイ２１０及び第２ダイ２２０を備えている。これらのダイが互いに対応するように配置されていることはスタンピングを取り扱う業界の者には理解できよう。通常、下側ダイ２２０は固定されて不動であり、上側ダイ２１０は鉛直方向に位置決め可能となっており矢印Ｆの方向に移動可能であるとともにこの方向に大きな力を伝達することができる。上側ダイ２１０は、下方に向いたダイ表面２１２を有しており、このダイ表面２１２は、図７のダイアセンブリ２２０において、後述するように、スタンピングされた部品を形成する際に有用な突部２１４を備えている。下側ダイ２２０は、上方に向いたダイ表面２２２とキャビティ即ち凹部２２４を有しており、上記と同様に、スタンピングされた部品の形成に有用である。各ダイは、冷却媒体が流れるための冷却通路を複数備えていることが好ましい。詳しくは、ダイ２１０は、一組の第１冷却通路２１６及び一組の第２冷却通路２１８を備えている。また、ダイ２２０は、一組の第１冷却通路２２６及び一組の第２冷却通路２２８を備えている。
【００５０】
鋼板２３０は、ダイ２１０とダイ２２０との間、詳しくは、ダイ表面２１２、２２２の間に配置されている。図７に示される例において、鋼板は、ダイ２１０、２２０でホットスタンピングされる。鋼板がダイ２１０から延びる突部２１４と第２ダイ２２０に形成された凹部２２４との間で画成された形状に変形した結果として、鋼製部品が形成される。形成される鋼製部品の外形は鋼板２３０上に鎖線２３２で示される。
【００５１】
図７に示される例で説明を続けると、鎖線２３４で画成される第１領域及び鎖線２３６で画成される第２領域などの２つの領域がミクロ組織を有することで得られる特別な物理的特性を備えるように鋼製部品を本発明に従って形成することが望ましい場合、これらの領域に対応する特定の領域をダイに設定する。ダイ２２０の場合、凹部領域２２４内の領域２４４は、後に形成される鋼製部品の領域２３４に対応している。凹部領域２２４内の領域２４６は、後に形成される鋼製部品の領域２３６に対応する。ダイ２１０の場合も同様に、対応する特定の領域を突部２１４に沿って設定することが好ましい。
【００５２】
ダイ表面即ちダイ表面に沿って形成された突部又は凹部に特定の領域を設定する際、これらの領域は、鋼製部品の対応する領域を１つ又はそれ以上の所望の相に誘導してミクロ組織にするように、適切に冷却又は加熱される。ダイ表面の特定の領域の加熱又は冷却と、凹部２２４の領域２４８などの他の領域の加熱又は冷却は、鋼製部品のホットスタンピングの前、その最中、好ましくは、その後に行われる。
【００５３】
本発明の好適な実施例の方法において、最も好ましい形態としては、ダイ又は工作機の全表面が鋼板の対応する領域と接触するか又は成形の際に鋼製部品の全表面に接触することである。また、冷却の際に、ダイ又は工作機の全表面が鋼製部品の対応する領域に接触し続けることが最も好ましい。この最も好ましい形態での冷却は、ダイの所定領域を意図的に鋼板又は鋼製部品から離隔させて、ダイの所定領域内で伝熱特性が異なることによって鋼製部品を異なる冷却速度で冷却する場合よりも好ましい冷却である。ダイと鋼製部品との間を意図的に離隔させるようにした場合、部品が幾何学的に大きく偏るとともに製造の一貫性が損なわれる。
【００５４】
本発明は、各種の自動車部品を数多く形成することに関係している。例えば、Ａピラー、Ｂピラー、サイドレール、バンパー部材、フロントレール、リアレール、フロアパネル、フード、トランク、ドアビーム、及びその他の車体パネル又は車体部材を含む各種のビーム及び補強部材を本書に開示された好適な実施例における方法を用いて形成することができる。更に、燃料タンク及び保護部材などの各種ガード部材を本書に開示された好適な実施例における方法を用いて形成することができる。図２は、本書に開示された好適な実施例における方法に従って形成されたパネル及び部品を備える一部組み立てられた車両を示している。詳しくは、図２は、本書に開示された好適な実施例における方法を用いて製造された１つ又はそれ以上のパネル及び部材を備える典型的な車両１０を示している。例えば、側方のフロントフレーム部材１４に支持されたフロントバンパーパネル１２は、好適な実施例の技術を用いて製造可能である。同様に、Ａピラー部材１６、Ｂピラー部材１８及びＣピラー部材２０は、全て、本書に開示された方法を用いて全体又は一部が形成可能である。上部ルーフ部材２２又はその他の車体強化部材も同様に形成可能である。ドアパネル２４などのインナパネルも、同様に、本書に開示された好適な実施例における方法を用いて形成可能である。参照番号２６で示されたリアフレーム部又はその他のフレーム部も、同様に、本書に開示された好適な実施例における方法を用いて形成可能である。
【００５５】
比較的重いフレーム、部材及び部分は、本書に開示された方法及び原理を用いて形成可能である。構造部品及びアセンブリを最適化することによって部品数を減らすとともに衝撃性能を高めることができる。詳しくは、構造部材は、所望の機械的特性を有する領域を適切に備えることによって、衝突減速パルス(crash deceleration pulses)に同調することができる。図３は、所定のミクロ組織を形成することに起因する特定の物理的な特性を備えるように予め選ばれた特定の領域を有する車両フレーム部の一部の概略図である。詳しくは、図３は、バンパー部材４２とバンパー部材４２から延びている前部側方フレーム部４４とを備える自動車用フレーム４０の前部を示している。本書に記載された特定の方法を用いて、フレーム４０の各種領域にミクロ組織を形成することができる。例えば、フェライト／パーライトのミクロ組織は場所Ａで形成される。場所Ｂでは、フェライト、パーライト及びマルテンサイトのミクロ組織が形成される。そして、場所Ｃでは、マルテンサイトのミクロ組織が形成される。これらの特定のミクロ組織を誘発又は形成することによって、特別な特徴を備える領域をフレームに形成することができる。例えば、場所Ａ、Ｂのミクロ組織を使用することによって領域５０は良好なエネルギー吸収特性を備えることができる。そして、領域６０でマルテンサイトのミクロ組織を形成することによって、衝突侵入(dash intrusion)を起こしにくい比較的強度のある領域を形成することができる。
【００５６】
一般的に、本書に記載された好適な実施例における方法を適用してあらゆる種類の鋼製部品を形成することができ、その場合、特定の物理的特性を備える領域と、そのような物理的特性を備えていない領域と、を部品に形成することが望ましい。典型的に、好適な実施例におけるホットスタンピング方法を用いて形成された鋼製部品の厚さは、５ｍｍ以上を上限とする１ｍｍ未満であり、好ましくは、約１ｍｍ〜約２ｍｍである。鋼製部品は、その領域によって厚さが異なる。フレーム部などの他の鋼製部品は、比較的厚く、或る用途においては、非常に厚い。
【００５７】
本書に記載されている各種の好適な方法を使用すると格別な効果を数多く得ることができる。例えば、強度の高い領域を有する比較的薄くて軽量な部品を自動車に使用することによって、重量を低減させるとともに燃費を向上させることができる。エネルギーを吸収する“衝撃”領域等の特定の領域を有する部材やパネルを使用することによって、乗員の安全性を向上させることができる。また、成形性及び部品の精度を向上させた結果、製造に掛かる費用を低減させることができる。
【００５８】
本発明の技術を将来発展・応用させれば上記以外の効果を数多く得ることができるであろう。
【００５９】
本書で言及した文献に開示された内容は全て本書に含まれる。
【００６０】
上述したように、従来の方法及びシステムが抱える多くの課題は本発明によって解決される。しかし、本発明の趣旨を説明するために本書で説明及び図示した部品の構成及び素材の詳細を当業者が変更することは、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない限り、可能である。
【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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