(57)【要約】【課題】  金属板を熱間で深絞り成形するに際して、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できるような熱間絞り成形品の製造方法を提供する。【解決手段】  パンチおよびダイを用いて金属板を熱間で絞り成形するに当たり、表面に厚さ１５μｍ以上、好ましくは５０μｍ以上の酸化スケールが存在する金属板を用いて成形する。【選択図】  図４
2005329448.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パンチおよびダイを用いて金属板を熱間で絞り成形して成形品を製造するに当たり、表面に厚さ１５μｍ以上の酸化スケールが存在する金属板を用いて成形することを特徴とする熱間絞り成形品の製造方法。
【請求項２】
酸化スケールの厚さが５０μｍ以上の金属板を用いる請求項1に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車車体に適用される薄鋼板成形品を製造する分野において、その素材なる鋼板(ブランク)をフェライト＋オーステナイト温度（Ａｃ1変態点）以上に加熱して熱間絞り成形によって成形品を製造する方法に関するものであり、殊にプレス成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用部品では、衝突安全性や軽量化の両立を達成するために、部品素材の高強度化が進められている。またこうした部品は、鋼板をプレス成形して製造するのが一般的である。しかしながら、高強度化された鋼板に対して冷間加工を施す場合、特に９８０ＭＰａを超える素材の成形は困難なものとなる。
【０００３】
こうしたことから、素材鋼板を加熱した状態で成形加工する熱間成形技術の検討が進められている。こうした技術としては、例えば特許文献１には、金属素材を８５０〜１０５０℃に加熱した状態で、相対的に低温のプレス金型を用いて成形する技術が提案されている。この技術によれば、金属材料の成形性がより良好になり、残留応力による遅れ破壊の発生も防止できると言われている。特に、通常の冷間プレス方法では成形が困難とされていた引張強度が１４７０ＭＰａ級の高強度鋼板を素材にした場合に相当する強度を有し、寸法精度も良好な部品を得ることが可能となる。
【０００４】
図１は、上記のような熱間成形（以下、「ホットスタンプ」と呼ぶことがある）を実施するための金型構成を示す概略説明図であり、図中１はパンチ、２はダイ、３はブランクホルダー（しわ押え）、４は鋼板（素材）、ＢＨＦはしわ押え力、ｒｐはパンチ肩半径、ｒｄはダイ肩半径、ＣＬはパンチ／ダイ間クリアランスを夫々示している。また、これらの成形部品のうち、パンチ１とダイ２には冷却媒体（例えば水）を通過させることができる通路１ａ，２ａが夫々の内部に形成されており、この通路に冷却媒体を通過させることによってこれらの部材が冷却されるように構成されている。
【０００５】
こうした金型を用いてホットスタンプ（熱間深絞り加工）するに際しては、ブランク（鋼板４）をＡｃ3変態点以上に加熱して軟化させた状態で成形を開始する。即ち、高温状態にある鋼板４をダイ２とブランクホルダー３間に挟んだ状態で、パンチ１によってダイ２の穴内に鋼板４を押し込み、鋼板４の外径を縮めつつパンチ１の外形に対応した形状に成形する。また、成形と並行してパンチおよびダイを冷却することによって、鋼板４から金型（パンチおよびダイ）への抜熱を行なうと共に、成形下死点で更に保持冷却することによって素材の焼き入れを実施する。こうした成形法を実施することによって、寸法精度の良い１４７０ＭＰａ級の成形品を得ることができ、しかも冷間で同じ強度クラスの部品を成形する場合に比較して、成形荷重が低減できることからプレス機の容量が小さくて済むことになる。
【０００６】
ホットスタンプの基本的な原理は上記の通りであるが、こうした熱間絞り加工では、ダイ２とブランクホルダー３によって挟み込まれるフランジ相当部分（製品におけるフランジとなる部分）は成形中に急激に温度が低下することになる。こうした温度低下に伴って、ブランクの変形抵抗も上昇することになるため、金型内部にブランクを流入させるための力も急増することになる。この力はパンチ面と接触しているブランク部分（主にパンチ肩部）で受け持つことになる。そして、このブランク部分の強度が、ブランクを金型内に流入させるのに必要な応力よりも大きい場合には、成形が継続されることになるが、その関係が逆転した場合にはブランクに破断が発生することになる。
【０００７】
こうしたことから、上記のようなホットスタンプは、比較的簡単な形状でしわ押さえを必要としない部品成形について適用されているのが実情である。これに対して、しわ押さえが必要な成形の場合には、フランジ相当部分における温度低下が著しくなって上記の問題が生じることになるので、その適用は限られたものとなっていた（例えば、ドアインパクトビームの場合など）。
【０００８】
ところで、こうした熱間成形においては、成形後の後処理を考慮して、ブランク表面の酸化を防止するという観点から、加熱は非酸化性雰囲気で行われている。また、ブランク表面に形成される酸化スケールは、できるだけ薄い方が好ましいと考えられているのが一般的である。
【０００９】
例えば、特許文献２では、ホットスタンプを行うに際して、加熱速度を５０℃／秒以上とすることによって酸化スケールの厚みを薄く制御し、その後の化成処理性を良好にすることが開示されている。また、特許文献３には、低炭素鋼からなるブランクの焼入れ性を良好にするという観点から、プレス成形前の鋼板表面のスケール厚さを１０μｍ以下とする技術も提案されている。
【特許文献１】特開２００２−１０２９８０号公報  特許請求の範囲等
【特許文献２】特開２００２−１８５３１号公報  特許請求の範囲、公開公報段落番号［００２１］等
【特許文献３】特開２００３−２３１９１５号公報  特許請求の範囲等
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、こうした状況の下でなされたものであって、その目的は、金属板を熱間で深絞り成形するに際して、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できるような熱間絞り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】
【００１１】
上記目的を達成し得た本発明の熱間絞り成形品の製造方法とは、パンチおよびダイを用いて金属板を熱間で絞り成形して成形品を製造するに当たり、表面に厚さ１５μｍ以上の酸化スケールが存在する金属板を用いて成形する点に要旨を有するものである。
【００１２】
また本発明の製造方法においては、酸化スケールの厚さが５０μｍ以上の金属板を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、金属板を熱間状態で深絞り成形するに際して、金属板の表面に酸化スケールを形成した素材を用いることによって、成形時に破断や割れなどを発生させずに良好な深絞りが実現できる成形品が製造できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは、従来技術において上記のような不都合が生じる原因について、様々な角度から検討した。その結果、次のことが判明した。即ち、ブランク（鋼板）は非酸化性雰囲気で加熱されるのが通常であるが、成形時のブランクの酸化スケール厚が非常に薄い状態（約１０μｍ以下）となっており、そのためしわ押さえが必要な場合には、フランジ相当部分の温度低下が著しくなる。その結果、フランジ相当部分の流入抵抗が上昇し、フランジ相当部分のしわ発生を抑えながら深絞り成形することが困難になると考えられた。
【００１５】
そこで、本発明者らは、こうした不都合を解消すれば良好な成形性が実現できるとの着想の下で更に検討を重ねた。その結果、ブランク表面の酸化スケール厚さを意図的に厚くし、ダイとブランクホルダーによって挟み込まれるフランジ相当部分に酸化スケール皮膜を介在させれば、このスケール皮膜に断熱材と潤滑剤の両機能を併せ持たせることができるとの知見が得られた。こうした酸化スケールを形成しておくことによって、フランジ相当部分における成形時の温度低下が抑制される（断熱効果）と共に、固体潤滑剤としての役割を果たして、パンチ肩部分での破断限界が向上し得ることを見出し、本発明を完成した。
【００１６】
本発明では、上述のごとく、熱間絞り成形するに際してブランク表面に予め酸化スケールを形成しておくものであるが、本発明の効果を発揮させるためには、酸化スケール厚さは１５μｍ以上であることが必要である。この酸化スケール厚さは好ましくは５０μｍ以上とするのが良いが、あまり厚くなると成形後のデスケーリングによって製品の板厚が薄くなってしまうので、許容できる範囲内に抑えることが好ましい（例えば、１００μｍ程度以下）。
【００１７】
ブランク表面の酸化スケールを形成しておくことによって、成形時に断熱材と潤滑剤の両機能を発揮するものとなるが、こうした効果が発揮される原理は次のように考えることができた。即ち、酸化スケールは成形時に金型と接触することによって急冷され、ブランク表面から剥離すると考えられるが、この剥離した酸化スケールがブランクを金型との直接接触を妨げ、ブランクの急激な温度低下が抑制でき、流入抵抗の上昇が緩和されることになる。また、酸化スケールが存在することによって、ブランクと金型の接触が転がり摩擦状態となるので摩擦抵抗が低下し、ブランクが金型内部に容易に流入することができることになる。
【００１８】
本発明で成形に用いる金属板（ブランク）については、通常の鋼板（例えば、９８０ＭＰａ級冷延鋼板や焼入れ強化用鋼板等）を用いることができるが、その表面にめっき処理［Ｚｎ系めっき（Ｚｎめっき、Ｚｎ−Ｎｉめっき等）、Ｎｉ系めっき、Ｃｏ系めっき等］を施したものであっても良い。通常の鋼板を用いる場合には、その表面に形成される酸化スケールは鉄酸化物を主体としたものが好ましいが、めっき処理鋼板を用いる場合には、酸化スケールはめっき層を構成する元素を主体とする酸化物であっても良い。こうしためっき層表面に酸化スケールを形成する場合であっても、酸化スケールの厚さは１５μｍ以上（好ましくは５０μｍ以上）であればその効果が発揮される。
【００１９】
ブランク表面に酸化スケールを形成する手段については、ブランク加熱時の雰囲気を酸化性雰囲気（例えば、大気中）とすれば良い。その際、酸化スケールの厚さは、雰囲気中での保持時間を調整することによって制御できる。
【００２０】
成形前のブランク加熱温度については、成形後に強度が要求される場合には、Ａｃ1変態点（フェライト＋オーステナイト二相が存在する温度）以上とすることが好ましい。但し、成形後に強度が要求されない場合であっても、スケール厚さを規定する厚みに到達させるために必要な加熱時間（設定した温度に到達した後、保持する時間）が実用的な範囲となるように調整することが望ましい。具体的には、６００℃程度の加熱ではスケール厚さを１５μｍ以上とするためには、長時間を要するため少なくとも材料の二相領域（Ａｃ1変態点以上）に加熱することが望ましく、より好ましくは８００℃以上に加熱するのが良い。
【００２１】
本発明では、成形後の強度が要求されるか否かに拘わらず、成形を開始するときのブランク温度はその材料のマルテンサイト変態開始温度（Ｍｓ点：例えば４５０℃）よりも高い温度とすることが好ましい。成形開始温度がＭｓ点以下になると、マルテンサイトが生成して材料強度が上昇し、成形が困難になることがある。
【００２２】
本発明によれば、ブランク表面に酸化スケールを形成しておくことによって、良好な熱間成形性を確保できることになるのであるが、スケールが厚くなると、スケールの断熱効果がより発揮され、ブランクがスケールを介してパンチと接触してもブランク温度は低下しにくくなる。フランジ相当部分では、こうした効果によってブランクが高温に保たれ、絞り成形に必要な応力が低減されることになるが、ブランクを金型に流入させる力を受け持つパンチとの接触部分（ブランクのパンチ相当部分）の強度も軟化したままである。こうしたことから、このパンチ相当部分の強度がフランジ相当部分の変形抵抗よりも低いこともあり、良好な成形しにくくなることがある。こうした不都合を回避するという観点からして、少なくともパンチが最初に接触するブランク部分を成形に先立って冷却し、その部分の表面温度を７５０〜５５０℃程度にしてから、成形することも好ましい実施態様である。
【００２３】
以下、本発明の効果を実施例によって更に具体的に示すが、下記実施例は本発明を限定するものではなく、前・後記の趣旨に徴して設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【実施例】
【００２４】
パンチの頭部形状が正方形（一辺が４５ｍｍ）の金型（角筒ダイおよび角筒パンチ）を用い（前記図１参照）、本発明方法に従って、熱間による角筒絞り成形を行った。このとき直径（ブランク径）：９５ｍｍの円形鋼板を素材として用い（板厚：１．４ｍｍ）、ブランクの加熱温度を９００℃とし、大気雰囲気で加熱を行い、加熱時間（炉温が設定温度になった後、設定温度で保持する時間）を制御することによって、ブランクのスケール厚さ（酸化スケール厚さ：１１μｍ、５０μｍ）を調整した。尚、このときに酸化スケールの厚さは、加熱炉からブランクを取り出し、そのまま放冷したときの断面厚さを測定したものである。
【００２５】
このとき鋼板の化学成分組成および機械的性質は下記の通りである。尚、この鋼板のＡｃ1変態点は７２５℃、Ａｃ3変態点は８５０℃である。
（鋼板の化学成分組成）
Ｃ：０．２０質量％、Ｓｉ：０．１９質量％、Ｍｎ：１．２２質量％
Ｃｒ：０．２４質量％、Ｂ：０．００２質量％、Ｔｉ：０．０２０質量％、
Ｓ：０．０１０質量％、Ｐ：０．０１０質量％（残部実質的に鉄）
（鋼板の室温における機械的性質）
降伏強度：３５７ＭＰａ、引張強度：５５７ＭＰａ、伸び：２４％
【００２６】
成形に際しては、しわ押え力（ＢＨＦ）：３トンとし、潤滑剤として耐熱温度１０００℃のペースト状固体潤滑剤を使用し、金型に塗布した。また、成形機としては、メカニカルプレス機を用い、加熱炉からブランクを取り出した後直ちに成形を実施した。このときの成形速度は４０サイクル／分とし、成形下死点で金型を２０秒間停止させ、焼入れ操作を実施した。その他のプレス成形条件は下記の通りである。
（他のプレス成形条件）
ダイ肩半径ｒｄ：５ｍｍ
パンチ肩半径ｒｐ：５ｍｍ
パンチ−ダイ間クリアランスＣＬ：［１．３２／２＋１．４（鋼板厚さ）］ｍｍ
成形高さ：３７ｍｍ
【００２７】
その結果、酸化スケールを５０μｍ形成したブランクを用いてプレス成形したものでは、破断を生じることなく良好な成形が実施できた。これに対して、酸化スケール厚さが１１μｍのブランクを用いてプレス成形したものでは、パンチ肩相当部分で破断が生じ、良好な成形が実施できなかった。成形が実施できた成形品の外観形状を、模式的に図２に示す。
【００２８】
図３は、ブランクの酸化スケール厚さと最大成形荷重の関係を示したグラフであるが、酸化スケールの厚さを厚くすることによって最大成形荷重が低減し、ブランクが破断することなく良好な成形が実施できることが分かる。
【００２９】
得られた成形品（酸化スケール厚が５０μｍのもの）のパンチ相当部における断面硬さ分布を調査した。このとき、成形品（図２）における軸を含む縦壁に平行な断面（逆Ｕ字状部分）での硬さ分布（荷重９．８ｋＮのときのビッカース硬さ）を測定した。その結果を図４に示すが、酸化スケールを形成したブランクを用いても、成形品における硬さ分布の均一化が図れ、しかも十分な強化が達成されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】熱間成形を実施するための金型構成を示す概略説明図である。
【図２】成形が実施できた成形品の外観形状を模式的に示した斜視図である。
【図３】ブランクの酸化スケール厚さと最大成形荷重の関係を示したグラフである。
【図４】成形品のパンチ相当部における断面硬さ分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３１】
１  パンチ
２  ダイ
３  ブランクホルダー
４  鋼板（ブランク）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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