(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪時効特性を有する鋼材から成形され軸直交断面が矩形形状の閉断面をなす強化部材を製造する方法であって、以下（１）（２）の工程からなることを特徴とする強化部材の製造方法。
（１）前記矩形形状の閉断面における対向する２面における部材表面から部材内面に至る板の厚さ方向の全体にわたって、板面内に圧縮応力を作用させることによって、前記板面内の２つの主歪のうち周長方向の主歪に圧縮応力による２％以上の圧縮歪が加わり、かつ、長手方向の主歪がゼロである成形加工を施す工程。
（２）（１）の工程を施した前記部材表面に、歪時効処理を施す工程。
【請求項２】
歪時効処理の温度が１４０℃〜１７０℃である請求項１に記載の強化部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歪時効特性を有する鋼材から成形され軸直交断面が閉断面をなす強化部材、例えば、メンバー、ルーフレールなどの自動車用構造体を構成する強化部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
鋼材の薄肉化を通して自動車の車体重量を軽減しつつ所期の強度を確保するために、歪時効特性を有する鋼材についての提案が種々なされている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００３】
自動車用の構造体には、プレス成形品が多用されている。プレス成形は広く普及し、高い技術が確立された工法である。より高強度の材料をプレス成形する場合においては、材料の延性が小さくなる傾向を有している。このため、プレス成形時に亀裂が発生することを抑制する必要から、材料に作用する張力を大きくできない。その結果として、歪時効による時効硬化をより効果的に発揮させ得る歪を材料に付与できない、という問題がある。
【０００４】
自動車用構造体としてのプレス成形品には真っ直ぐに伸びた形状の部品が多い。かかる形状の部品をプレス成形するに際しては、ダイキャビティ内での材料の変形は引張り変形が支配的である。このため、プレス成形は、材料に圧縮歪を加える手段となり難い。したがって、歪時効特性を有する鋼板の圧縮変形後の強度特性を有効に利用するには至っていない。
【０００５】
一方、歪時効特性を有する鋼材に関する発明は盛んに行なわれており、例えば、特許文献１、特許文献２には、歪時効特性を有する鋼材の成分やその製造方法について記載されている。しかしながら、歪時効後の強度特性について、圧縮歪の効果に着目した提案はなされていない。
【特許文献１】特開２００１−３３５８８９号公報
【特許文献２】特開２００１−３０３１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記従来技術に伴う課題に鑑みてなされたものであり、歪時効特性を有する鋼材の圧縮変形後の強度特性を有効に利用した、高い強度を備える強化部材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を達成するために鋭意研究を重ねた結果、一軸引張応力による歪と比較して、板面内の圧縮応力による歪を加えた場合は、歪時効による強度の上昇量が大きいことを見出した。ここでいう強度の上昇量とは、静的に引張試験をした際の引張強度の上昇量を示すこととする。
【０００８】
さらに、動的な引張強度についても鋭意研究を重ねた結果、上記同様の歪経路（板面内の圧縮応力による歪）の場合、歪時効処理後の動的引張強度の上昇量が大きいことも併せて見出した。
【０００９】
さらに、望ましくは板面内の圧縮応力により板厚を厚くするように成形すると、素材自体の強度上昇に加えて、板厚が厚くなる分、変形荷重を大きくすることが可能であるため、部材の静的および動的曲げ荷重を一層大きく向上させることが可能となった。
【００１０】
また、鋼材の種類、成分、製造法に関しては特に規定しないものの、一軸引張り予歪を加えた後に焼き付け処理を施した際の強度上昇が大きい程、本発明で規定した予歪範囲での強度上昇が大きいことを見出しているため、一軸引張り予歪２％を施した後、１７０℃×２０分の焼き付け処理を施した際の０．２％耐力の上昇量が３０Ｍｐａ以上であることが望ましい。
【００１１】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、歪時効特性を有する鋼材から成形され軸直交断面が矩形形状の閉断面をなす強化部材を製造する方法であって、以下（１）（２）の工程からなることを特徴とする強化部材の製造方法。
（１）前記矩形形状の閉断面における対向する２面における部材表面から部材内面に至る板の厚さ方向の全体にわたって、板面内に圧縮応力を作用させることによって、前記板面内の２つの主歪のうち周長方向の主歪に圧縮応力による２％以上の圧縮歪が加わり、かつ、長手方向の主歪がゼロである成形加工を施す工程。
（２）（１）の工程を施した前記部材表面に、歪時効処理を施す工程。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、歪時効特性を有する鋼材の圧縮変形後の強度特性を有効に利用した、高い強度を備える強化部材を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る強化部材１０を示す図、図１（Ｂ）は、高応力負荷を受ける部位を含む強化領域の一例を示す図、図２（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）に示される強化部材１０の製造手順の説明に供する図である。なお、図２（Ａ）（Ｃ）は側面図、同図（Ｂ）は断面図である。また、図３（Ａ）（Ｂ）は、板面内の二つの主歪の範囲の限定に関する説明に供する図である。
【００１５】
本発明に係る強化部材１０は、概説すれば、歪時効特性を有する鋼材から成形され軸直交断面が閉断面をなしており、部材表面の少なくとも一部に、部材表面から部材内面に至る板の厚さ方向（以下、単に、「板厚方向」という）の全体にわたって、板面内に圧縮応力を作用させることによって圧縮歪を伴う成形加工を施した後に歪時効処理を施してなる強化領域Ｐを有している。強化領域Ｐは、図１（Ａ）に２点鎖線により示されている。強化部材１０の閉断面は、熱延鋼板を管状に成形して突合せ溶接したり、鋼管や筒状の鋼材を用いたりすることにより形成されている。
【００１６】
板面内に圧縮応力を作用させることによって付与する圧縮歪として、（ａ）板面内の２つの主歪の両方に圧縮歪が加わっていて、そのうちの少なくとも一方が圧縮応力による２％以上の圧縮歪である、（ｂ）板面内の２つの主歪の一方に圧縮応力による２％以上の圧縮歪が加わっていて、かつ、他方の主歪は、圧縮歪が加えられている主歪の２倍未満の伸び歪が加えられている、（ｃ）板面内の２つの主歪の一方に圧縮応力による２％以上の圧縮歪が加わっていて、かつ、他方の主歪は、ゼロである、のいずれかであることが好ましい。この歪経路の場合に、歪時効処理後の静的および動的な強度の上昇量が特に大きくなることを種々の実験や検討により見出したからである。
【００１７】
図３（Ａ）を参照して、板面内の二つの主歪の範囲を限定した理由を述べる。
【００１８】
主歪とは、座標軸をせん断歪成分が消えるようにとった際の各方向の歪のことであり、３つの主歪からなる。主歪の単位は、無次元である。本発明では、３つの主歪のうち、１つを板厚方向に加わる歪、残りの２つを板面内に加わる歪と定義する。板面内の主歪は、閉断面部材のおおむね長手方向の歪および周長方向の歪である。一軸引張の場合は板面内の主歪をε１、ε２とし、このうちε１を引張方向に加わる歪、ε２を引張方向に対して
直角方向に加わる歪として、引張方向を正、縮み方向を負で表すと、おおむね、ε１：ε２＝２：−１となる。このとき、ε２にはε１の半分の絶対値を持つ縮み歪が加わることになる。一方、本発明では、圧縮応力を付加して圧縮歪を発生させることを特徴としており、図３（Ａ）にハッチを付して表す範囲のとき、板面内に圧縮応力によって圧縮歪が加えられる。ただし、境界上の点は含まないこととする。
【００１９】
本発明は、縮み方向に予歪を加えた後に、歪時効処理を施すことにより、強度上昇量が特に大きいことを見出してなされたものである。
【００２０】
上記（ａ）〜（ｃ）のように、圧縮歪の絶対値が２％以上であることを規定した理由は次のとおりである。
【００２１】
すなわち、歪が２％に満たない場合は、加工硬化量が小さいため、歪時効処理後の絶対的な強度上昇量も小さい。したがって、予歪量が２％以下では、歪経路を変化させた際に、特に圧縮応力による圧縮歪を加えた場合の強度上昇が大きいという明確な優位性を見出すことが難しい。また、圧縮応力による圧縮歪を予歪として付与することで強度を上昇させた場合に、車体の強度を維持したまま、板厚を下げて軽量化を図ることも可能であるが、板厚を１ゲージ下げるためには、少なくとも圧縮応力による縮み歪として２％の加工硬化が必要であることを、種々の実験や解析により見出した。以上により、主歪量を２％以上とした。
【００２２】
したがって、上記（ａ）〜（ｃ）の範囲は、図３（Ｂ）にハッチを付して表す範囲となる。
【００２３】
強化領域Ｐを含む閉断面は、図示例では、矩形形状を有している。なお、強化領域Ｐを含む閉断面が円形形状である強化部材とすることもできる。
【００２４】
前記圧縮歪は、閉断面の周長を縮小する方向に作用する圧縮応力によって発生させてある。
【００２５】
強化領域Ｐは、高応力負荷を受ける部位を含んでいることが好ましい。高応力負荷を受ける部位は、例えば、当該部位における閉断面の周長が、軸方向に沿う他の部位における閉断面の周長に比べて短い部位である。図１（Ｂ）に示される強化部材１０ａにあっては、符号「Ｘ」で示される部位が高応力負荷部位であり、応力集中が起きる形状を有する部位である。
【００２６】
より詳しくは、鋼管または筒状の鋼材を用いて成形された強化部材であって、成形後の形状に関して長手方向に対して直角方向の断面周長が変化する構造体のうち、少なくとも一箇所以上の断面周長が短くなっている部位を含む部分を強化領域Ｐとしたものである。断面周長が変化する形状の部材を自動車用構造体に適用した場合には、周長が短くなっている部分は、車両衝突時に応力負荷が高くて変形し易い部分であり、車体剛性を低下させる部分ともなる。このように高応力負荷を受ける形状を有する部位を強化領域Ｐとすれば、圧縮歪かつ歪時効処理により強度が向上しているため、応力集中が緩和され、剛性面でも有利となる。
【００２７】
前記圧縮歪は、ハイドロフォーミング成形、スピニング成形、スェージング成形またはロール成形によって付与することができる。
【００２８】
図示例のように閉断面が矩形形状を有している場合には、複数の側面のうち少なくとも２つの面の全領域に、ハイドロフォーミング成形によって圧縮歪を付与することが好まし
い。
【００２９】
歪時効処理の温度条件としては、塗装焼付け工程での温度である１４０℃〜１７０℃程度で、歪時効硬化に関する十分な効果が得られる。
【００３０】
このような強化部材１０は、種々の構造体を構成するために用いることができるが、一例を挙げれば、例えば、自動車用構造体を構成するために用いられる。自動車用構造体として、各種メンバー、ルーフレール、各種ピラー、シルなどを例示できるが、これら以外にも、例えば、ドアガードバーなどの自動車用構造体に用いることも可能であることは言うまでもない。
【００３１】
この強化部材１０は、図２（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）に示すように、ハイドロフォーミング成形により製造される。まず、歪時効特性を有する鋼管１２の両端開口を液圧成形用ノズル３０により閉塞し、当該ノズル３０から、昇圧した液体を鋼管１２内に供給する。液圧を付与すると同時に、部材の軸方向である長手方向を固定し、前後方向から横型３２を押し込む（図２（Ａ）（Ｂ）参照）。その後、液圧成形用ポンチ３１により部材表面を上下から押圧する（図２（Ｃ）参照）。この場合にあっては、縦壁面１３には、板厚方向の全体にわたって、板面内に長手方向の圧縮応力および周長方向の圧縮応力の両者が作用し、周長方向への縮み歪が印加される。その後に、１４０℃〜１７０℃程度で、歪時効処理を施す。これにより、縦壁面１３に強化領域Ｐを有する強化部材１０を得る。
【００３２】
図４は、本発明の参考例に係る強化部材２０を示す図、図５（Ａ）〜（Ｃ）は、図４に示される強化部材２０の製造手順の説明に供する図である。
【００３３】
参考例に係る強化部材２０は、周長方向への引張予歪および長手方向への圧縮歪の両者が同時に印加されている。図中の符号２３は縦壁面を、符号２４はポンチ接触面を示している。
【００３４】
この強化部材２０も、図５（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ハイドロフォーミング成形により製造される。まず、歪時効特性を有する鋼管２２の両端開口を液圧成形用ノズル３０により閉塞し、当該ノズル３０から、液体を鋼管２２内に供給し昇圧する。液圧を付与して鋼管２２が膨張し、材料が周長方向に引っ張られると同時に、ノズル３０を押圧して長手方向に圧縮する（図５（Ａ）（Ｂ）参照）。その後、液圧成形用ポンチ３１および横型３２（図５には図示せず。図２（Ｂ）の断面図を参照）により部材表面を上下、前後から押圧する（図５（Ｃ）参照）。縦壁面２３およびポンチ接触面２４には、長手方向への圧縮歪および周長方向への引張歪の両者が印加される。その後に、１４０℃〜１７０℃程度で、歪時効処理を施す。これにより、縦壁面２３およびポンチ接触面２４に強化領域Ｐを有する強化部材２０を得る。
【実施例】
【００３５】
以下に、本発明を実施例によりさらに詳しく説明するが、本発明の範囲は何らこれらの実施例に限定されるものではない。
【００３６】
歪時効特性を有する代表的な熱延鋼板（板厚１．８ｍｍ）を管状に成形し、突合せ溶接で接合し管材を作製した。
【００３７】
この管材をハイドロフォーミング成形し、軸直交断面が閉断面をなす部材を得た。この際、液圧などの成形条件を変えることにより、下記の表１に示すような種々の板面内の歪を印加させた部材を得た。この表１には、ハイドロフォーミング成形した部材の板面内の２つの主歪の比（周長方向予歪：長手方向予歪）が示される。比の値に関しては、引張方
向を正、縮み方向を負で表している。
【００３８】
【表１】
0004819305.tif 000002
【００３９】
実施例１として、図１に示した形状の部材を得た。この部材を得るに際して、板面内に周長方向の圧縮応力を作用させた。この圧縮応力により、縦壁面に、周長方向への圧縮歪を印加した。
【００４０】
参考例として、図４に示した形状の部材を得た。この部材を得るに際して、板面内に長手方向の圧縮応力および周長方向の引張応力の両者を作用させた。これら圧縮応力および引張応力により、縦壁面に、長手方向への圧縮歪および周長方向への引張予歪の両者を印加した。
【００４１】
比較例として、参考例と同様に、図４に示した形状の部材を得た。参考例では成形時に長手方向にノズル３０を押圧して圧縮応力による圧縮歪を加えたが、比較例の部材を得るに際しては、ノズル３０を動かさず圧縮応力を印加しないように成形し、一軸引張応力のみを加えた。
【００４２】
このようにして得た部材のそれぞれを、大気中雰囲気において、１７０℃で２０分の歪時効処理を施した。その後、静的引張強度および動的引張強度の特性について調査した。
【００４３】
（１）静的引張試験および動的引張試験
図６は、引張試験に用いる専用引張試験片４０を示している。専用引張試験片４０は、両端のつかみ部４１、４２と、それらの間に位置する平行部４３とを有する。試験片４０の全長は５０ｍｍ、各つかみ部４１、４２の長さは２０ｍｍ、図中上側のつかみ部４１の幅は１５ｍｍ、図中下側のつかみ部４２の幅は２４ｍｍ、平行部４３の幅は５ｍｍである。成形した各部材の縦壁面（図１および図４の符号１３および符号２３）から、平行部４３が周長方向に伸びる専用引張試験片４０と、平行部４３が長手方向に伸びる専用引張試験片４０とを切り出した。
【００４４】
そして、静的引張試験は、インストロン型の引張試験機を用いて、歪速度０．００１／秒で実施した。また、動的引張試験は、Ｏｎｅ−Ｂａｒ法高速引張試験機を用いて、歪速度１２００／秒で実施した。
【００４５】
以下の表２および表３に、引張試験を行なった試験片４０の予歪の情報として、３方向の主歪と相当塑性歪とを示した。主歪に関しては、引張方向を正、縮み方向を負で表している。さらに、表２および表３には、引張試験結果として、引張り強度と、最大強度とを示してある。表２および表３における相当塑性歪は、組み合わせ歪の大きさを、一軸引張歪に換算して評価したものであり、以下の式から求めた。相当塑性歪の単位は、無次元で
ある。
【００４６】
【数１】
0004819305.tif 000003
【００４７】
【表２】
0004819305.tif 000004
【００４８】
【表３】
0004819305.tif 000005
【００４９】
また、静的引張試験結果を図８に、動的引張試験結果を図９にそれぞれ示す。図８、図９は、予歪（相当塑性歪）と引張強度（最大強度）との関係を示したもので、これらの図に明らかに示されるように、一軸引張応力による予歪を導入した比較例と比較して、実施例１は静的・動的ともに強度が高く、本発明の効果が確認できた。
【００５０】
（２）動的曲げ試験
動的曲げ試験については、以下のように行った。
【００５１】
外径１００ｍｍ、板厚１．８ｍｍの鋼管から、圧縮歪を導入した縮管成形部材と、圧縮歪を導入しない折り曲げ成形部材とを用意した。縮管成形部材は、縦壁面の周長方向に８％の圧縮歪を導入するように、前記鋼管を、ハイドロフォーミング成形により、断面寸法７４ｍｍ×８１ｍｍ、縦壁面の板厚１．９５ｍｍの角管に成形して得た。折り曲げ成形部
材は、前記鋼管を、単に、断面寸法８０ｍｍ×８０ｍｍに四角く成形して得た。折り曲げ成形部材に導入されている歪は曲げ部のみであり、板厚の変化もない。
【００５２】
図７は、３点曲げ試験装置５０の概要を示す図である。縮管成形部材５１および折り曲げ成形部材５２の端部を切り出した後、両端にＨ型鋼５３を溶接して試験片５４を作製した。試験片５４の全長は９００ｍｍ、試験片５４のうち部材５１、５２の部分の長手方向長さは３００ｍｍ、支え５５、５６間の距離は７００ｍｍである。この試験片５４に歪時効処理として大気雰囲気中で１７０℃で２０分間の熱処理を施した後、重さ５００ｋｇ、幅５０ｍｍのストライカ５７を７．６ｍ／秒で落下させる方法により３点曲げ試験を行い、吸収エネルギを比較した。
【００５３】
動的曲げ試験結果を図１０に示す。図１０は、曲げ変位（ストライカ変位）と各部材の吸収エネルギとの関係を示したもので、この図に明らかに示されるように、圧縮応力による圧縮歪を加えるように成形した縮管成形部材５１は、圧縮歪を導入しない折り曲げ成形部材５２に比べて、吸収エネルギ値がすべての変位において約５０％上昇しており、圧縮歪を加える効果が確認できた。
【００５４】
以上説明したように、強化部材１０によれば、圧縮歪を伴う成形加工を施した後に歪時効処理を施してなる強化領域Ｐを有しているため、従来の予歪が小さい手法や引張り応力による予歪を加えた後に歪時効硬化させる場合に比較して、静的強度および、特に動的強度に優れており、高強度の鋼板を適用したのと同等の十分な部品強度が得られ、高強度化を容易に達成できるという効果がある。したがって、本発明によれば、歪時効特性を有する鋼材の圧縮変形後の強度特性を有効に利用した、高い強度を備える強化部材を提供できるという効果を奏する。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
高強度の鋼板を適用したのと同等の十分な部品強度が得られ、高強度化を容易に達成できる強化部材１０は、メンバー、ルーフレールなどの自動車用構造体を構成する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】図１（Ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る強化部材を示す図、図１（Ｂ）は、高応力負荷を受ける部位を含む強化領域の一例を示す図である。
【図２】図２（Ａ）〜（Ｃ）は、図１（Ａ）に示される強化部材の製造手順の説明に供する図である。
【図３】図３（Ａ）（Ｂ）は、板面内の二つの主歪の範囲の限定に関する説明に供する図である。
【図４】参考例に係る強化部材を示す図である。
【図５】図５（Ａ）〜（Ｃ）は、図４に示される強化部材の製造手順の説明に供する図である。
【図６】引張試験に用いる専用引張試験片を示す図である。
【図７】３点曲げ試験装置の概要を示す図である。
【図８】静的引張試験結果を示す図表である。
【図９】動的引張試験結果を示す図表である。
【図１０】動的曲げ試験結果を示す図表である。
【符号の説明】
【００５７】
１０、２０  強化部材、
１２、２２  鋼管、
１３、２３  縦壁面、
２４        ポンチ接触面、
３０        液圧成形用ノズル、
３１        液圧成形用ポンチ、
３２        横型、
４０        専用引張試験片、
４１、４２  つかみ部、
４３        平行部、
５０        ３点曲げ試験装置、
５１        縮管成形部材、
５２        折り曲げ成形部材、
５３        Ｈ型鋼、
５４        試験片、
５５、５６  支え、
５７        ストライカ、
Ｐ          強化領域、
Ｘ          高応力負荷部位。
【図１】
0004819305.tif 000006
【図２】
0004819305.tif 000007
【図３】
0004819305.tif 000008
【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９】
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【図１０】
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【図８】
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