(57)【要約】  鋼板からパーツを形成する方法を提供する。方法は、（ａ）オーステナイト化が起こる温度まで板を加熱する工程と、（ｂ）板をダイで挟んでパーツの形状にし、さらに形成した板を冷却する工程とを備える。工程（ａ）と工程（ｂ）との間に、板に冷却手段を適用する追加の工程がある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板からパーツを形成する方法であって、
（ａ）オーステナイト化が起こる温度まで板を加熱する工程と、
（ｂ）前記板をダイで挟んでパーツの形状にし、さらに前記形成した板を冷却する工程と、
を備え、
工程（ａ）と工程（ｂ）との間に前記板に冷却手段を適用する追加の工程を備えることを特徴とする鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項２】
前記加熱した板を前記ダイに挟む工程の前に前記追加の工程を行う、請求項１に記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項３】
前記加熱した板が前記ダイの間に挟まれている間に前記追加の工程を行うことを特徴とする請求項１に記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項４】
前記冷却手段が、気体、例えば空気などの冷却流体を含み、および／または前記冷却流体が、例えば水などの液体を含み、前記方法が前記冷却流体を前記加熱した板に向けて噴射させることを備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項５】
前記冷却流体を前記流体の加圧流として発射させることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項６】
前記冷却流体を噴出流として噴射させる、および／またはミストスプレーとして噴射させることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項７】
前記冷却流体を、期間、温度および／または前記冷却流体の質量流量を制御することにより噴射させることを特徴とする請求項１から６のいずれに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項８】
前記冷却流体が、例えば冷却銅プレートなどの冷却プレートを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項９】
移動時間を延ばすことにより自然の空気による冷却で前記冷却が達成可能であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１０】
前記追加の工程が、前記冷却流体を前記加熱した板に向けて噴射させて、前記鋼がベイナイト相になることを避けるのに十分速い速度で前記板を冷却することを備えることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１１】
前記追加の工程が、前記冷却流体を前記加熱した板に向けて噴射させて、平均２５℃／秒より速い速度で前記板を冷却することを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１２】
前記追加の工程が、前記冷却流体を前記加熱した板に向けて噴射させて、前記板の温度を前記鋼の前記オーステナイト化温度より高い温度に維持することを備えることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１３】
前記追加の工程が、前記冷却流体を前記加熱した板に向けて噴射させて、前記板を５００℃〜６００℃の温度まで冷却することを備えることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれかに記載の方式で前記ダイを冷却する冷却流体を噴射させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれかに記載の方式で前記ダイをクリーニングする冷却流体を噴射させる工程をさらに備えることを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【請求項１６】
前記冷却と前記クリーニングとを同一の工程で行うことを特徴とする請求項１４に従属する請求項１５に記載の鋼板からパーツを形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属からパーツを形成することに関する。実施形態では、本発明はスチールおよび合金鋼などの金属板からパーツを形成することに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の「ホワイトボディ」（ＢｉＷ）およびシャーシおよびサスペンション（Ｃ＆Ｓ）パーツなどに適用する高強度パーツを鋼板から形成する好ましい方法として「ホットスタンピング」を用いるプロセスが採用されつつある。ボロン鋼が開発されたことによって、ホワイトボディ用のＡピラー、Ｂピラー、バンパー、ルーフレール、ロッカーレールおよびフロアトンネルならびにＣ＆Ｓ用の管状パーツおよびツイストビームなど、自動車の安全に不可欠なパネルを製造する上記プロセスが実現可能になった。近年、このような超高強度鋼パーツの需要が世界的に急増している。
【０００３】
図１に、典型的なボロン鋼ホットスタンピングプロセスを示す。これは実質的には以下の工程を備える。
【０００４】
（１）鋼製ブランク材をそのオーステナイト化温度より高い温度、例えば９２５℃まで加熱し、その温度で濡らして、金属全体がオーステナイトに変化することを可能にする。金属はこの状態では柔らかく高い柔軟性を有する（形成し易い）。
（２）オーステナイト化したブランク材を迅速にプレスまで移動させる。
（３）通常は水冷されているコールドダイセットを用いてブランク材を部品の形状にする。
（４）形成したパーツを一定期間（板の形状、厚み、圧力などによるが、例えば６〜１０秒）コールドダイ内に保持してクエンチングし、マルテンサイト（高強度部品の場合）などの材料に硬い相が形成できるようにする。
（５）パーツの温度が十分低いレベル、例えば２５０℃に低下するとダイを外して部品を取り出す。
【０００５】
このようなプロセスは「ホットスタンピング、コールドダイ形成およびクエンチング」プロセスと呼ばれることがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ホットスタンピングプロセスでは、ワークピース内の熱のほとんどはダイに吸収される。冷却速度はツールの表面温度に大きく左右される。大量生産の条件下では、ダイセットを水冷してもツールの表面温度を十分低く保つことは困難である。ツールの表面温度が高いと、以下の問題が起こる。
【０００７】
鋼板から複雑なパーツを形成する従来のホットスタンピングプロセスでは、板状ワークピースをできるだけ炉から室温のツールへ速く移動させ、室温で変形およびクエンチングが同時に行なわれる。クエンチング速度は、高強度製品のベースを形成する鋼にマルテンサイト微小構造を形成するために十分に速くする。
（ｉ）ダイクエンチングでの冷却速度があまりに遅いと、鋼の場合は望ましくない柔らかい相が形成される（低強度パーツが製造される）可能性がある。例えばアルミニウムなどの軽合金の場合、ダイクエンチング速度が遅すぎると、望ましくない粒界沈殿が起こり得る。その結果、応力腐食クラッキングが起こる可能性があり、低強度パーツが製造されてしまう。
（ｉｉ）必要なコールドダイ保持期間が長すぎる場合もある（なぜならダイが暖かいため、板からの熱伝達が遅く、そのため最終的な温度に達するのに長い時間がかかる）。その結果、生産性が低下する（形成サイクル時間が長くなる）。
（ｉｉｉ）適切なダイ冷却の要件は重要であるが、これを人工的に提供する（その場しのぎの方法、すなわちダクトを冷却液で強制的に冷却する方法などによる）と、ツールのコストが上がり、効率的な方法を設計し備えることが困難になる。その結果、ツールおよびメンテナンスのコストが大幅に上がり得る。
（ｉｖ）ツールの表面温度が高いと、ツールの摩耗またはダイ表面のひずみが加速する。その結果、ツールの寿命が短縮し、（ｉｉｉ）で述べた場当たり的な冷却システムによりコストがより一層高くなる。
【０００８】
要約するとこのプロセスを用いて急ぎ続けてパーツを製造すると、炉からのワークピースが接触し続けるためツールの温度が上昇する。その結果、クエンチング速度が低下し、仕上がった製品の微小構造の品質が標準より低くなる可能性がある。これを避けるために、製造速度を下げること、または内部冷却液搬送導管またはツールに対する冷却液噴霧などの冷却システムの使用のいずれかよってツールの温度を低く維持することができる。これら２つの方法を組み合わせることにより、既存の冷却手段で最高の製造速度で所望の微小構造が得られる場合はしばしばある。欠点は、これらの方策がすべてコストを上げることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概略を述べると、高強度板状パーツの生産性を向上させるために２段階冷却方法を提案する。提案する２段階冷却方法では、加熱工程と形成工程との間に、加熱した板を急冷する。この急冷を、単に周囲の静止した空気によるのではなく何らかの人工的手段によって行うことが考えられる。例えば高い熱伝導性搬送デバイス、空気流および／または液体ミストスプレーを用いてもよい。これによりダイ内での形成が始まるまでにブランク材の温度を低下させることができる。そのため形成プロセス（続いてさらなるクエンチングが起こる）では、ツールに吸収される熱が少なく温度上昇が低減される。このように、ツールの基準温度を低く維持することが容易になり、コストが下がり、生産性が増す。オプションの特徴から他の有利な効果が得られる。
【００１０】
本発明の第１の局面によると、鋼板からパーツを形成する方法であって、（ａ）オーステナイト化が起こる温度まで板を加熱する工程と、（ｂ）板をダイで挟んでパーツの形状にする工程とを備え、工程（ａ）と工程（ｂ）との間に板に冷却手段を適用して熱を取り除く追加の工程を備えた方法が提供される。
【００１１】
追加の工程は、冷却手段を適用して板を急冷することを備えてもよい。
【００１２】
板をダイ間に挟んで形成する前に、加熱された板を急冷することにより、板は従来よりも低い開始温度でコールドダイにおいて形成される。これにより以下の効果が得られる。板は、ダイの間で、硬い相であるマルテンサイトが形成されるに十分急速に冷却されることが可能となる。板は、従来のプロセスよりも速く、ダイから取り外すのに適した温度に達することができ、そのため生産速度を上げることができる。表面温度の上昇によるツールのダメージが低減され、ツールの寿命が延びる。冷却ダクトなどのツール冷却構造の必要性が低減され、ダイのコストが下がる。
【００１３】
追加の工程は、高い熱伝導性搬送デバイスなどの冷却手段を用いて、または冷却媒体などの冷却手段を加熱された板に当てることにより、熱を取り除くことを備えてもよい。
【００１４】
冷却媒体は流体であってもよい。流体は例えば空気などの気体であってもよい。冷却流体は例えば水などの液体であってもよい。冷却流体は、例えば空気と水などの気体と液体を含んでもよい。冷却流体は流体の加圧流として発射させてもよい。冷却流体は噴出流として発射させてもよい。冷却流体はミストスプレーとして発射させてもよい。冷却流体はダイを冷却するために用いてもよい。冷却流体はダイをクリーニングするために用いてもよい。冷却流体はダイの冷却とクリーニングの両方に用いてもよい。冷却流体はダイに向けて発射させてもよい。冷却流体は、加熱された板に向けて噴射させた後にダイに向けて噴射させてもよく、および／または同時にダイと加熱した板とに向けて発射させてもよい。
【００１５】
冷却手段は、銅の移動グリップまたはプレートなどの高い熱伝導性を有する固体であってもよい。
【００１６】
冷却手段は、ブランク材がダイの間に挟まれている間に適用してもよい。
【００１７】
工程（ａ）と工程（ｂ）との間の冷却は、２つの工程間の移動時間、例えば炉からダイへの間の移動時間を延ばすことによって達成してもよい。
【００１８】
追加の工程は、冷却流体を加熱された板に向けて噴射させて、鋼がベイナイト相になることを避けるのに十分に速い速度で板を冷却することを備えてもよい。追加の工程は、冷却流体を加熱された板に向けて噴射させて、平均２５℃／秒より速い速度で板を冷却させることを備えてもよい。追加の工程は、冷却流体を加熱された板に向けて噴射させることを備えてもよい。冷却流体は、鋼がベイナイト相になることを避けるのに十分に速い速度で板が冷却される期間、温度および／または質量流量で噴射させてもよい。冷却流体は、平均２５℃／秒より速い速度で板が冷却されるべき期間、温度および／または質量流量で噴射させてもよい。
【００１９】
追加の工程は、冷却流体を加熱した板に向けて噴射させて、板が上記のように冷却されている間に亘って板を鋼のオーステナイト化温度より高い温度に維持することを備えてもよい。追加の工程は、冷却流体を加熱した板に向けて発射させて、板を５００℃〜６００℃の温度まで冷却することを備えてもよい。冷却流体は、板が上記のように冷却中されている間に亘って板をオーステナイト化温度より高い温度に維持される期間、温度および／または質量流量で噴射させてもよい。冷却流体は、板が５００℃〜６００℃の温度まで冷却される期間、温度および／または質量流量で噴射させてもよい。驚くべきことに、これは合金の形成可能性を上昇させる効果を有する。なぜなら鋼のひずみ硬化は上昇するが柔軟性は同じままだからである。この方法では、板がオーステナイト相である温度にある間に工程（ｂ）を開始することを備えてもよい。この方法はさらに、板の温度がマルテンサイト相となる温度になるまで工程（ｂ）を実施することを備えてもよい。
【００２０】
工程（ａ）は、上記の従来のプロセスの工程の特徴の一部またはすべてを備えてもよい。
【００２１】
方法は、自動車に適用されるパーツを形成する方法であってもよい。方法は、自動車に適用されるパネルパーツを形成する方法であってもよい。方法は、自動車に適用される負荷ベアリングパーツおよびベアリング負荷に適合させたパーツを形成する方法であってもよい。方法は例えば、ＡピラーおよびＢピラーなどのピラー、バンパー、ドアビーム、ルーフレール、ロッカーレールならびにフロアトンネルのうちの１または２以上を形成する方法であってもよい。方法は、シャーシおよびサスペンションパーツ、例えば管状パーツまたはツイストビームを形成する方法であってもよい。
【００２２】
鋼板は、ボロンを含む合金であってもよい。
【００２３】
本発明の別の局面によると、パーツを鋼以外の材料で形成する方法が提供される。材料は例えばアルミニウム合金であってもよい。アルミニウム合金は板状であってもよい。したがって第１の局面の方法をアルミニウム合金、例えば板状のアルミニウム合金を用いて実施することが考えられる。この別の局面における方法では、工程（ａ）は、オーステナイト化と実質的に同等の結晶構造変化が起こる温度まで板を加熱することを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、現行のホットスタンピングプロセスの模式図である。
【図２】図２は、典型的なボロン鋼のＣＣＴダイヤグラムである。
【図３】図３は、コールドダイクエンチングでの温度プロファイルを示す図である。
【図４】図４は、ひずみ速度１．０ｓ−１で５００度、６００度、７００度および８００度の温度でテストした、ボロン鋼の応力−ひずみ関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
上記したように、図１は現行の方法を示す。この現行の方法における非常に重要な局面は、ホットスタンピングされたパーツがコールドダイ内に保持されているため、冷却速度が十分速く、例えば、図２に示すように２５°Ｃ／秒よりも速いため、材料の硬い相であるマルテンサイトを形成される。これにより高強度部品が製造可能となる。図３に示すようにコールドダイクエンチング中、冷却速度は一定でない。最初はワークピースとダイとの温度差が大きく、高い冷却速度が達成できる。ワークピースの温度が低下してツールの表面温度（熱伝導によって上昇する）に近づくと、冷却速度は大幅に低下する。連続ホットスタンピングプロセスでは、ツールの表面温度は１５０℃という高温になり得る。その結果５００℃から２５０℃の温度範囲では、ワークピースの冷却速度が低下する。これは冶金的変形にとっては注意を要する範囲であり、クエンチング速度が遅いと、マルテンサイトでなく強度の弱いベイナイトが形成される可能性がある（図２参照）。その場合、低強度パーツが形成される。
【００２６】
本実施形態が提供する方法によると、ワークピースからコールドダイへの熱伝導量が上記の現行の方法よりも少なく、そのためにツールの温度が現行の方法よりも低下し、上記の現行の方法の問題が解決される。本実施形態によると、ダイが吸収する熱量は減少するが、必要なクエンチング速度および必要な製造速度は維持される。
【００２７】
概略を述べると本実施形態では、ボロン鋼板が炉からダイに移動する間に、高い熱伝導性を有する固体媒体によって、または噴出流および／または液体ミストスプレーなどの流体によって上記板を急冷する。そのため板がダイに載置されるまでに板の温度は低下している。したがって形成プロセス（続いてさらなるクエンチングが起こる）では、ツールに吸収される熱が少なくツールの温度上昇が低減される。このように、ツールの基準温度を低く維持することが容易になり、コストが下がり、生産性が増す。
【００２８】
新規の方法は以下の工程を備える。
【００２９】
まずボロン鋼の板状金属ブランク材をそのオーステナイト化温度より高い温度まで炉内で加熱する。本実施形態ではブランク材を９２５℃まで加熱する。その後ブランク材をこの温度で濡らして、材料全体がオーステナイト相に変化することを確実にする。金属はこの状態では、従来のプロセス同様柔らかく高い柔軟性を有する（形成し易い）。
【００３０】
次の工程では、オーステナイト化した材料ブランク材をプレスに移動させて、パーツの形状にする。ブランク材がダイに移動する間、あるいは他の実施形態では移動後で且つ熱い金属ブランク材がダイに接する前に、ブランク材を高い熱伝導性を有する物質に接触させることにより急冷させる。この物質はすなわち冷却手段であり、銅グリップ、空気を吹き付ける、空気−水ミストまたは他の流体／液体冷却媒体をブランク材に向けて噴射させるという形態のうち１つ、２以上、またはすべてを用いてもよい。本実施形態では、空気−水ミストをブランク材に当てる。これは複数のノズルを介して圧縮空気の細かいスプレーをブランク材に向けて噴射させることにより実施される。これによりブランク材を約６００℃まで冷却する。冷却速度は、図２のＣＣＴダイヤグラムによりオーステナイト構造を維持するに十分速い速度に調整する。このワークピース冷却の段階中、同じ冷却媒体を用いてツールを冷却しクリーニングすることも考えられる。
【００３１】
方法の残りの工程は上記した従来の方法と同じである。したがって方法は図１に示す従来のプロセスに、ブランク材を炉−ダイ間の移動中に冷却する工程をさらに備えたプロセスであるといえる。
【００３２】
図４に示すボロン鋼の典型的な応力−ひずみ曲線からわかるように、温度が８００℃から約６００℃まで低下する間、合金の柔軟性はあまり変化しない。しかし合金のひずみが硬化すると強度はほぼ倍になる。このひずみ硬化という特徴は、変形をより均一にする（すなわち、より変形した領域はより強くなり、それにより他の領域も変形し、その領域もより強くなるなど）ことにより合金の形成可能性を大幅に上昇させる。その結果、局部ネッキングの傾向は緩和される。これはホットスタンピングにおいて特に重要である。なぜなら摩擦は通常高いが、ひずみ硬化という特徴は摩擦による影響を低減し得るからである。したがって従来のようにダイの開始温度が８００℃ではなく本実施形態のように約６００℃の状態でパーツを形成することができと、より複雑な形状のパーツを形成することができるようになる。この効果は、単に板の初期加熱温度を低くするだけでは達成できないことを強調すべきである。なぜなら板はまず完全にオーステナイト化しなければならないからである。
【００３３】
図２に示すボロン鋼のＣＣＴダイアグラムは、合金は約５００〜６００℃まで急冷してもオーステナイト状態を維持することを示す。冷却が遅すぎると、より強度の弱いベイナイト相が形成され始める。しかしこれは本方法により回避される。本方法では、ブランク材はこの温度範囲（４５０℃〜５００℃の温度）にある間にコールドダイに移動し、全形成プロセスに亘って４５０℃〜５００℃の温度に維持されるため、すべての変化はコールドダイ保持期間中に起こり、オーステナイト全体がマルテンサイトに変換されて高強度パーツが製造される。
【００３４】
現行の方法では、形成されたパーツの温度が約２５０℃まで低下するとすぐにパーツをダイから取り出す。この温度では相変化が完了しており、ツールによる制限がない状態で空気中でさらに冷却しても明らかな熱ひずみは観察されない。パーツを約８００℃から約２５０℃まで（温度差５５０℃）冷却するのに必要なコールドダイクエンチング期間（すなわちパーツがダイ内に保持される時間）は、ワークピースの厚みおよび形状ならびにパーツの形状によるが、現行の方法では約５秒から１５秒である。したがってダイはかなりの量の熱を直接吸収しなければならず、ダイの冷却は困難である。
【００３５】
本実施形態では、パーツは約６００℃から５００℃で形成される。そのためコールドダイクエンチング期間では、パーツの温度を上記範囲の下限である５００℃から約２５０℃まで（温度差２５０℃）冷却すればよいだけである。したがってダイから取り出さなければならない熱量は約半分にすぎず、ツールに対する冷却要件ははるかに低い。そのためツールの設計はより簡素にすることができ、ツールはより安価にすることができる。ツールの表面温度が低いと、コールドダイ保持期間は大幅に短縮され、５００℃から２５０℃まで冷却する速度は大幅に早まる。保持時間は約２から８秒までに短縮できる。その結果、生産性は大幅に増す。これは、例えば競合する自動車会社にとっては致命的である。さらにツールの表面温度が低いと摩耗が減少し、したがってツールの寿命が大幅に延びる。これは製造コストを低減する追加の利点である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2014531319.tif 000007
2014531319.tif 000008
2014531319.tif 000009