(57)【要約】【課題】高価なテーラードブランクや複雑な金型等を用いるまでもなく、鋼板の冷却速度を容易に制御できる熱間プレス成形金型を提供する。【解決手段】本発明は、相対移動可能に対向して配設される第一型（１）と第二型（２）とからなり、第一型の第一成形面と第二型の第二成形面とによって加熱された鋼板を所望形状の成形品にプレス成形する熱間プレス成形金型（Ｄ）である。そして第一成形面と第二成形面は、それぞれ、成形品の形状付与に寄与しない凸（１１、２１）部と凹部（１２、２２）からなる表面模様（ｐ１、ｐ２）を有する。例えば、対向する凸部同士の間隔を調整することにより、成形時の鋼板の冷却速度を自在に制御でき、ひいては部位によって機械的特性が異なる成形品を容易に製造することが可能となる。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対移動可能に対向して配設される第一型と第二型とからなり、該第一型の第一成形面と該第二型の第二成形面とによって、加熱された鋼板を所望形状の成形品にプレス成形する熱間プレス成形金型であって、
前記第一成形面と前記第二成形面は、それぞれ、前記成形品の形状付与に寄与しない凸部と凹部からなる表面模様を有する熱間プレス成形金型。
【請求項２】
前記第一成形面の凸部と前記第二成形面の凸部は、正対しない配置となっている請求項１に記載の熱間プレス成形金型。
【請求項３】
前記第一成形面と前記第二成形面が最近接したときに隣接する該第一成形面の凸部と該第二成形面の凸部との間隔であるシフト量（ｓ）は、前記鋼板の板厚（ｔ）に対する比（ｓ／ｔ：「シフト比」という。）で１〜２０である請求項１または２に記載の熱間プレス成形金型。
【請求項４】
前記凸部の高さ（ｈ）は、前記鋼板の板厚に対する比（ｈ／ｔ：「高さ比」という。）で０．２５〜５である請求項１〜３のいずれかに記載の熱間プレス成形金型。
【請求項５】
前記凸部の幅（ｗ）は、前記鋼板の板厚に対する比（ｗ／ｔ：「幅比」という。）で０．５〜１０である請求項１〜４のいずれかに記載の熱間プレス成形金型。
【請求項６】
前記表面模様は、前記凸部が連続的に延在する多条状または前記凹部が連続的に延在する多溝状である請求項１〜５のいずれかに記載の熱間プレス成形金型。
【請求項７】
前記第一成形面と前記第二成形面は、前記表面模様が付与された制御領域と該表面模様が付与されていない非制御領域とを有する請求項１〜６のいずれかに記載の熱間プレス成形金型。
【請求項８】
加熱された鋼板を第一型の第一成形面と第二型の第二成形面との間に配置する配置工程と、
該第一成形面と該第二成形面を相対的に近接させて該鋼板をプレス成形する成形工程と、を備えた熱間プレス成形方法であって、
前記第一型と前記第二型は、請求項１〜７のいずれかに記載した熱間プレス成形金型からなる熱間プレス成形方法。
【請求項９】
前記成形工程は、最近接した前記第一成形面と前記第二成形面の間隙（ｄ）を、前記鋼板の板厚に対する比（ｄ／ｔ：「間隙比」という。）で０．９〜１．０５とする工程である請求項８に記載の熱間プレス成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱間プレス成形時の鋼板の冷却速度を制御できる熱間プレス成形金型と熱間プレス成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プレス成形した製品（単に「プレス成形品」または「成形品」という。）は、自動車、家電、家具・雑貨等の各種分野で多用されており、特に高強度が要求される成形品は、ホットスタンプにより製造されることが多い。ホットスタンプは、加熱した鋼板（特にオーステナイト温度域（さらにはＡｃ３点以上）まで加熱した鋼板）を金型でプレスすることにより、成形と共に熱処理（特に金型拔熱による焼入れ）をも行う熱間プレス成形方法の一種である。
【０００３】
このような成形品であっても、高強度が一様に要求されるとは限らず、部位に応じた機械的特性（例えば強度よりも高延性）が要求されることも多い。部位毎に異なる機械的特性を有する成形品は、例えば、接合、多段成形、テーラードブランク材等の利用により得ることができるが、いずれも高コストとなり易い。
【０００４】
そこで一様な鋼板を用いつつ、部位毎に機械的特性の異なる成形品を一回で得られる熱間プレス成形方法が提案されており、関連する記載が下記の文献にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１９４２４９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Marion Merklein, Journal of Materials Processing Technology,vol 228 (2016), pp.11-24
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１は、ホットスタンプを行う際に、部位（領域）毎に冷却速度を変化させる旨を提案している。しかし、特許文献１には、その具体的な手法が開示されていない。
【０００８】
非特許文献１には、熱伝導率の異なる材質を組合わせた金型を用いることにより、領域毎に冷却速度を変化させる旨が記載されている。しかし、異種材料を組合わせた金型は、構造が複雑で高価である。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みて為されたものであり、従来と異なる手法によって、熱間プレス成形時の鋼板の冷却速度を制御できる熱間プレス成形金型と、その熱間プレス成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者はこの課題を解決すべく鋭意研究した結果、金型の成形面の表面に、成形品の形状付与に実質的に寄与しない凹凸模様を設けて、熱間プレス成形時の鋼板の冷却速度を制御することを着想すると共に具現化して、その効果を確認した。この成果を発展させることにより、以降に述べる本発明を完成するに至った。
【００１１】
《熱間プレス成形金型》
（１）本発明の熱間プレス成形金型は、相対移動可能に対向して配設される第一型と第二型とからなり、該第一型の第一成形面と該第二型の第二成形面とによって、加熱された鋼板を所望形状の成形品にプレス成形する熱間プレス成形金型であって、前記第一成形面と前記第二成形面は、それぞれ、前記成形品の形状付与に寄与しない凸部と凹部からなる表面模様を有する。
【００１２】
（２）本発明の熱間プレス成形金型（単に「金型」ともいう。）によれば、熱間プレス成形（単に「成形」ともいう。）時、成形面の表面に設けた凹凸状の模様の態様によって、加熱された鋼板から金型への熱伝達量（率）が変化し、ひいては表面模様を設けた領域（制御領域）にある鋼板の冷却速度を容易に制御できる。より具体的にいうと、次の通りである。
【００１３】
成形時、表面模様を構成する凸部は高温な鋼板に接触（さらには密接）した状態となるため、その凸部近傍領域では、鋼板から金型への熱伝達率が大きくなって、鋼板の冷却速度も大きくなる。逆に、表面模様を構成する凹部は鋼板と基本的に非接触な状態となるため、その凹部近傍では、鋼板から金型への熱伝達率が非常に小さくなり、鋼板の冷却速度も小さくなる。このような凸部と凹部の形態（形状、大きさ等）と配置を適切に選択し組合わせた表面模様を成形面に設けることにより、その成形面で成形される鋼板の冷却速度は様々に制御され得る。
【００１４】
こうして本発明の金型を用いれば、従来のホットスタンプのように全体を一様に焼入れした成形品に限らず、部位（領域）毎に機械的特性（強度、延性等）や金属組織（マルテンサイト組織、パーライト組織、ベイナイト組織、フェライト組織等）を変化させた成形品を比較的容易に得ることが可能となる。
【００１５】
《熱間プレス成形方法》
本発明は、上記の金型を用いた熱間プレス成形方法（単に「成形方法」ともいう。）としても把握できる。すなわち本発明は、加熱された鋼板を第一型の第一成形面と第二型の第二成形面との間に配置する配置工程と、該第一成形面と該第二成形面を相対的に近接させて該鋼板をプレス成形する成形工程と、を備えた熱間プレス成形方法であって、前記第一型と前記第二型は上述した熱間プレス成形金型からなる熱間プレス成形方法でもよい。
【００１６】
《プレス成形品》
さらに本発明は、上述した金型や成形方法を用いて得られた成形品としても把握できる。本発明の成形品は、上述した成形面の表面模様に対応した速度で鋼板が冷却されて得られる結果、その冷却速度に応じた機械的特性の分布を有する。このため本発明の成形品は、表面模様の態様と完全に一致しないまでも、それと同様な傾向で分布した機械的特性を有する。すなわち本発明の成形品は、全体的に観れば、機械的特性が略同様な一つの領域と見なせる部位でも、詳細に観れば、機械的特性が表面模様に応じて変化したものとなっている。このように特定の部位（領域）を詳細に観察すれば、本発明の成形品は、その領域で機械的特性が略一定となっている従来の成形品と区別される。
【００１７】
従って本発明は、少なくとも特定領域の機械的特性（例えば引張強度）が変動している熱間プレス成形品として把握できる。その機械的特性の変動レベル（最小値と最大値の差）は、例えば、特定領域の平均的（全体的）な機械的特性（特に引張強度）に対して５〜４０％さらには１０〜２０％程度である。
【００１８】
《その他》
（１）本発明の金型では、成形時に第一成形面と第二成形面が最近接したときでも、第一成形面の凸部と第二成形面の凸部の間に、鋼板の板厚程度の間隔が存在する。このため本発明の金型を用いて成形しても、本発明に係る表面模様が成形品の形状に影響を与えることはなく、その表面模様が実質的に成形品の表面に転写等されることもない。つまり本発明に係る表面模様は、あくまでも、金型の成形面と鋼板との接触状態（熱伝達性）を調整して、表面模様を設けた領域における鋼板の冷却速度を制御するものである。
【００１９】
（２）本発明に係る表面模様は、成形面の一部のみならず、全面に設けられてもよい。また、表面模様のパターンは、領域によって変化させても良い。さらに、第一成形面と第二成形面の対向領域に設けるそれぞれの表面模様は、必ずしも同一でなくてもよい。
【００２０】
（３）本明細書でいう「熱間」プレス成形とは、加熱した鋼板をプレス成形するという意味であり、その加熱温度までは問わない。従って本発明でいう熱間プレス成形は、成形前に鋼板を再結晶温度（さらにはオーステナイト変態温度：Ａｃ３点）以上に加熱する成形（さらにはホットスタンプ）に限らず、それらの温度未満に加熱する温間プレス成形等でもよい。
【００２１】
本発明の典型例は、第一成形面と第二成形面の対向領域の一部（特定領域）に上述した表面模様が形成されており、その対向領域の残部が平滑面となっている金型で熱間プレス成形（特にホットスタンプ）する場合である。これにより特定領域に対応する部分が高延性部位となり、残部が高強度部位からなる成形品が低コストで得られる。
【００２２】
（４）本発明の金型は、第一型と第二型からなるが、これらは上型と下型、またはダイとパンチと換言できる。また本発明は、それら金型と、ブランクホルダ（皺押さえともいう。適宜ダイクッションを含む。）と、金型の少なくとも一方を駆動する手段とを備える熱間プレス成形装置としても把握できる。
【００２３】
（５）特に断らない限り本明細書でいう「ｘ〜ｙ」は下限値ｘおよび上限値ｙを含む。本明細書に記載した種々の数値または数値範囲に含まれる任意の数値を新たな下限値または上限値として「ａ〜ｂ」のような範囲を新設し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】解析モデルを示す模式図である。
【図１Ｂ】その一部を拡大した図である。
【図２Ａ】シフト量を種々変化させたときにおける温度変化を示すグラフである。
【図２Ｂ】シフト量と冷却速度または引張強度との関係を示す分散図である。
【図３】表面模様の有る制御領域と表面模様の無い非制御領域に係る冷却速度と引張強度の分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の構成要素に、本明細書中から任意に選択した一以上の構成要素を付加し得る。成形方法に関する構成要素は、一定の場合、プレス成形品に関する構成要素ともなり得る。いずれの実施形態が最良であるか否かは、対象、要求性能等によって異なる。
【００２６】
《鋼板》
本発明に係る鋼板は、成形後の冷却速度によって組織変化ひいては機械的特性の変化を生じるものであれば、その組成は問わない。鋼板は、例えば、炭素鋼板（合金鋼板を含む）に限らず、ステンレス鋼板等でもよい。炭素鋼板は、普通鋼板、高張力鋼板、超高張力鋼板等のいずれでもよく、全体を１００質量％（適宜単に「％」という。）として、０．１〜０．８％さらには０．２〜０．４％の炭素（Ｃ）を含むと好ましい。さらに本発明に係る鋼板は、異種な鋼板を接合した接合板でもよい。ちなみに、本発明は、上述した鋼板以外に、アルミニウム系板、マグネシウム系板、チタン系板等の金属板を熱間プレス成形する場合にまで拡張することも可能である。なお、本明細書でいう「〜系」とは、その純金属またはその合金を意味する。
【００２７】
《金型と表面模様》
（１）本発明の金型は第一型と第二型からなるが、それらに依って得られる成形品の具体的な形態（金型内形状）は問わない。成形面に形成される表面模様や配置（形成領域）は、所望する冷却速度または成形品の機械的特性（または金属組織）に応じて種々考えられる。以下、表面模様の形態について詳述する。
【００２８】
表面模様を構成する凸部または凹部の断面形状は、角状（三角状、方形状等）でも湾曲状（円弧状、楕円状等）でもよい。また凸部または凹部は、連続的に延在した条状または溝状でも良いし、離散的な突起状または窪み状でもよい。もっとも、表面模様は、連続的に延在する多条状の凸部または連続的に延在する多溝状の凹部からなると、金型の製造性や冷却速度の制御性等の点で好ましい。
【００２９】
（２）対向する第一成形面と第二成形面とにそれぞれ形成される凸部は、正対しないように配置（後述のシフト比：ｓ／ｔ≧０）されていると好ましい。各成形面にある凸部が正対していると、成形時に、それら凸部で鋼板を両面から挟持した状態（密接させた状態）となり、その近傍だけ急冷された状態となって、冷却速度の制御性が低下する。
【００３０】
そこで、対向する成形面に形成される各凸部は、横方向（鋼板の延在方向）にシフトしていると好ましい。具体的にいうと、第一成形面と第二成形面が最近接したときに隣接する第一成形面の凸部と第二成形面の凸部との間隔であるシフト量（ｓ）は、鋼板の板厚（ｔ）に対する比（ｓ／ｔ：「シフト比」という。）で１〜２０さらには２〜１０の範囲であると好ましい。シフト比が過小では表面模様を設ける効果が乏しく、シフト比が過大では冷却速度が著しく低下して金型による鋼板の冷却効果が乏しくなる。例えば、板厚が２ｍｍならシフト量は２〜４０ｍｍさらには４〜２０ｍｍの範囲で調整されるとよい。なお、鋼板（成形前）の板厚を基準にシフト比を特定した理由は、同じシフト量（ｓ）等により成形した場合でも、鋼板の板厚により冷却速度に差異を生じるためである（具体的にいうと、板厚が厚いほど冷却速度が低くなる）。この点は、以下同様である。
【００３１】
（３）凸部の高さ（ｈ）は、鋼板の板厚に対する比（ｈ／ｔ：「高さ比」という。）で０．２５〜５さらには０．５〜３．５とすると好ましい。高さ比が過小では表面模様を設ける効果が乏しく、高さ比が過大では成形面圧が高いときに座屈を生じるおそれがある。例えば、板厚が２ｍｍなら高さ比は０．５〜１０ｍｍさらには１〜７ｍｍの範囲で調整されるとよい。
【００３２】
（４）凸部の幅（ｗ）は、鋼板の板厚に対する比（ｗ／ｔ：「幅比」という。）で０．５〜１０さらには１〜５であると好ましい。幅比が過小では、凸部からの抜熱が困難となり、幅比が過大になると逆に凹部の幅が過小となって表面模様を設ける効果が乏しくなる。例えば、板厚が２ｍｍなら幅比は１〜２０ｍｍさらには２〜１０ｍｍの範囲で調整されるとよい。
【００３３】
（５）第一成形面と第二成形面は、表面模様が付与された制御領域と表面模様が付与されていない非制御領域とを有すると好ましい。そして、第一成形面の制御領域と第二成形面の制御領域が対向していると共に、第一成形面の非制御領域と第二成形面の非制御領域が対向していると好ましい。
【００３４】
表面模様は既述したように成形面に一様に付されていても良いが、表面模様がある制御領域と表面模様がない非制御領域とが成形面に存在することにより、一度の成形で機械的特性等の異なる部位を有する成形品を得ることができる。制御領域は複数あってもよく、各制御領域の表面模様は同形態でも異形態でもよい。また、一つの制御領域内でも、表面模様を構成する凸部と凹部の形態（形状、大きさ、分布等）が変化しても良い。
【００３５】
《成形方法》
（１）加熱工程
加熱工程は、鋼板を炉内加熱または高周波加熱等することによりなされる。その加熱温度は、所望する熱処理（金属組織または機械的特性）により異なるが、例えば、７００℃以上、８００℃以上さらには８５０℃以上とするとよい。
【００３６】
（２）配置工程
配置工程は、加熱された鋼板が成形前に冷却されることを抑制するため、第一型や第二型等に実質的に接触（密接）させずに保持する非接触保持工程であると好ましい。
【００３７】
（３）成形工程
成形工程は、最近接した第一成形面と第二成形面の間隙（ｄ）を、鋼板の板厚に対する比（ｄ／ｔ：「間隙比」という。）で０．９〜１．０５さらには０．９５〜１．０とする工程であると好ましい。第一成形面と第二成形面の間隙は、成形品の形状等に応じて調整され得るが、間隙比が過小であると、表面模様によって成形品の表面に不要な傷や圧痕等が生じるおそれがある。間隙比が過大であると、表面模様の凸部と鋼板との接触が不安定となり、成形性の低下に加えて、表面模様による冷却速度の制御性が低下し得る。
【００３８】
《プレス成形品》
本発明の成形品はその仕様に応じて、さらに、焼鈍、焼準、時効、焼き戻し、浸炭、窒化等の熱処理、メッキ等の表面処理などが適宜なされてもよい。また、成形品の形態や用途は問わない。本発明の成形品は、例えば、車両ボディ（Ａピラー、Ｂピラー、アウタパネル、インナーパネル等）、バンパー、オイルパン、ホイルハウス等の車両部品として好適である。本発明によれば、例えば、衝突時の乗員保護に必要となる高強度部とその衝突エネルギーの吸収に必要な高延性部とを有する成形品を、異種材の接合工程や複数のプレス工程等を行うことなく、一回の成形で得ることが可能となる。
【実施例】
【００３９】
金型の成形面に設けた表面模様が、熱間プレス成形する鋼板の冷却速度またはその機械的特性に及ぼす影響を、解析（シミュレーション）により明らかにし、本発明をより具体的に説明する。
【００４０】
《モデル》
（１）解析に用いた金型Ｄのモデルを図１Ａに示した。金型Ｄは、上型１（第一型）と下型２（第二型）からなる。上型１の成形面１０（第一成形面）の表面（制御領域）上には、凸部１１と凹部１２からなる表面模様ｐ1を形成した。下型２の成形面２０（第二成形面）の表面（制御領域）上には、凸部２１と凹部２２からなる表面模様ｐ２を形成した。
【００４１】
表面模様ｐ１と表面模様Ｐ２は、対向する凸部１１（凹部１２）と凸部２１（凹部２２）が互い違いとなるようにした。本実施例では、その互い違いの度合（シフト量）を変化させたが、それぞれの凸部と凹部の形状および大きさは基本的に同じとした。具体的にいうと、凸部１１および凸部２１は、断面が方形状で直線状（図１Ａの法線方向）に延在する角条とした。また凹部１２および凹部２２は、断面が方形状で直線状（図１Ａの法線方向）に延在する角溝とした。
【００４２】
成形面１０と成形面２０により鋼板９が挟持されている様子を図１Ｂに拡大して示した。なお、後述するように、鋼板９の冷却速度または引張強度は、凸部１１に接触している領域の中央にある接触点９１（Ｃ）と、隣接する凸部１１と凸部２１の中央にある上面側の非接触点９２（ＮＣ）とについて求めた。
【００４３】
（２）鋼板は、ＳＣｒ４２０（ＪＩＳ）相当の平板を想定し、その成形前の板厚（ｔ）は２ｍｍとした。
【００４４】
《解析》
（１）前提
解析ソフトにはＬＳＴＣ社製ＬＳ-ＤＹＮＡを用いた。鋼板９の初期加熱温度は７００℃、金型初期温度は２０℃とした。凸部１１・凸部２１は、高さ（ｈ）：５ｍｍ、幅（ｗ）：５ｍｍとした。凸部１１と凸部２１のずれ具合を示すシフト量（ｓ）は種々変更した。凹部１２・凹部２２は、溝幅：（２×ｓ＋ｗ）ｍｍとした。なお、ｈは成形面の法線方向に沿って測定される凸部と凹部の段差量、ｗは成形面に沿った方向（その法線方向に直交する方向）に測定される長さとした。
【００４５】
（２）冷却速度と引張強度
シフト量（ｓ）を種々変更して、鋼板９の接触点９１（「Ｃ」と表示）と非接触点９２（「ＮＣ」と表示）における冷却速度を算出した結果を図２Ａに示した。なお、図２Ａ中、「全面接触」は成形面１０、２０に表面模様を形成しなかった場合である。
【００４６】
シフト量を調整して、凸部１１、２１を介した上型１、下型２と鋼板９との接触領域を変化させることにより、鋼板９の接触点９１と非接触点９２の温度の時間変化（冷却速度）を自在に調整できることが図２Ａから明らかとなった。具体的にいうと、シフト量を小さくすることにより冷却速度を大きくでき、シフト量を大きくすることにより冷却速度を小さくできることがわかった。
【００４７】
また、接触点９１、非接触点９２における冷却速度と、それらの冷却速度で冷却されたときの接触点９１、非接触点９２の引張強度を、各シフト量毎に図２Ｂに示した。図２Ｂ中で、冷却速度と引張強度が各シフト量毎にそれぞれ２点ずつ示されているのは、接触点９１（Ｃ）と非接触点９２（ＮＣ）の結果を示している。なお、ｓ＝０ｍｍ、５ｍｍのときは、接触点９１の温度が７００℃から３００℃へ変化するときの冷却速度と、それに対応する引張強度を示している。ｓ＝１０ｍｍ、１５ｍｍ、２０ｍｍのときは、接触点９１の接触（冷却）開始時（７００℃）から２０秒までの間における冷却速度と、それに対応する引張強度を示した。２０秒間の冷却で７００℃からＭｓ点程度まで冷却される場合、そのときの冷却速度と引張強度の相関が強いからである。
【００４８】
図２Ｂから明らかなように、シフト量を種々変化させて冷却速度を制御すれば、該当部位の引張強度も調整できることも明らかとなった。
【００４９】
（３）制御領域と非制御領域
成形面の左側を表面模様（ｓ＝２０ｍｍ）の有る制御領域、その右側を表面模様の無い平滑な非制御領域とした金型に挟持された鋼板の冷却速度と引張強度を解析した結果を図３に示した。
【００５０】
図３から明らかなように、冷却速度および引張強度は、表面模様の有る左側と表面模様の無い右側との境界近傍で急変している。つまり、表面模様の有無により、同一部材内に機械的特性が大きく異なる部位を容易に形成し得ることが確認できた。
【００５１】
また、表面模様の有る金型の左側で成形された鋼板は、その表面模様に対応して引張強度が変動することもわかった。本実施例の場合、引張強度の徐変幅は、表面模様のシフト量の約１／２（１０ｍｍ）となった。また引張強度は、５０ＭＰａの前後で約１０〜２０ＭＰａ程度変動することもわかった。
【００５２】
上述した実施例により、成形面に表面模様を付した金型を用いて成形を行うことにより、成形時の鋼板の冷却速度の制御が可能となり、ひいては成形品の機械的特性や金属組織を調整したり、変化させたりすることが容易に行えることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００５３】
Ｄ          金型
１          上型（第一型）
２          下型（第二型）
１０、２０  成形面
１１、２１  凸部
２１、２２  凹部
９          鋼板
【図１Ａ】
2018020353.tif 000003
【図１Ｂ】
2018020353.tif 000004
【図２Ａ】
2018020353.tif 000005
【図２Ｂ】
2018020353.tif 000006
【図３】
2018020353.tif 000007