(57)【要約】【課題】  通常のダイクエンチ用の金型に比べて高価な金型を用いず、潤滑油の除去工程の追加や、潤滑油の気化による作業環境の悪化を伴わず、かつ容易に入手可能な超音波振動子を用いることで生産性の高いかつ速い速度で成形しても割れなどの欠陥が発生し難いダイクエンチプレス成形方法を提供すること。【解決手段】  鋼板を８００〜１１００℃に加熱した後、２００℃以下のパンチ及びダイスを用いて、パンチまたはダイスの少なくとも一方を超音波で振動させながらプレス成形し、成形と同時に焼き入れを行うことを特徴とする鋼板のプレス成形方法。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鋼板を８００〜１１００℃に加熱した後、２００℃以下のパンチ及びダイスを用いて、パンチまたはダイスの少なくとも一方を超音波で振動させながらプレス成形し、成形と同時に焼き入れを行うことを特徴とする鋼板のプレス成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め加熱された鋼板を所定の形状に加工すると同時に焼き入れて高強度の成形体を得るプレス成形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車や建設機械などの分野では高強度材料を使用した質量低減への取り組みが盛んに行われている。例えば自動車では、衝突安全性確保や高機能化に伴う車体質量増加を相殺し、更には燃費を向上させて二酸化炭素の排出量を削減することを目的に高強度鋼板の使用量が着実に増加して来ている。
こうした高強度鋼板使用拡大の流れの中で最大の問題点は、鋼板の強度を高めた場合に不可避である伸びなどの成形性の劣化である。このことによって、成形後のスプリングバックが増加し、低強度材では不要であった、例えば形状修正のような加工工程の追加が必要となったり、成形の難易度が増すため製品形状に制約が生じたりする事案も見受けられる。
【０００３】
こうした状況を解決する一つの方法として、ダイクエンチ法と呼ばれるプロセスが注目されるに至った。これは、鋼板（被加工材）を所定の温度（オーステナイト相となる温度）に加熱して強度を下げた後、被加工材に比べて低温（例えば室温）の金型で成形することによって、形状の付与と同時に両者の温度差を利用した熱処理（焼き入れ）を行って鋼板をマルテンサイト変態させ、成形体の強度を確保するというものである。
ダイクエンチ法に関しては幾つかの技術が報告されている。例えば、特許文献１には、ドアインパクトビームと呼ばれる自動車の衝突補強材の製造に当該方法を適用した例が開示されている。また、特許文献２には、被加工材を加熱する方法として直接通電法を採用した例が示されている。
【０００４】
本発明者らも当該方法の有用性には従来から着目しており、研究を進めていたところである。その結果、当該方法では、確かに、高強度の成形体が比較的容易に、すなわち、ダイクエンチ後に得られる強度と同強度の被加工材を、従来のプレス加工法（以下、冷間プレス法）で成形する場合に比べて容易に成形出来ることを確認した。しかしながら、当該方法の冷間プレス法に対する最大の不利点は加工速度が遅いことに起因する生産性の低さにあることが明らかとなった。そこで、それを解決すべく加工速度を高めていくと、被加工材の成形性が追随せず成形不良が頻発するに至った。詳細な検討を加えたところ、その原因は、被加工材を高温にして強度を下げたことに対して、局部的に厳しい変形を受ける部位の強度が不足することが最大の原因であることがわかった。
【０００５】
こうした問題点を解決する手段について述べた例は見当たらないが、類似の課題に対する技術が開示されている。まず特許文献３には、金型基材の上に、窒化層、ＣｒＮ層、酸素を固溶させたＣｒＮ層、をこの順に形成することによって、熱間または温間の板材プレスにおいて優れた耐凝着性と耐型かじり性を発揮する金型を得る方法が開示されている。
しかし同特許文献３に開示されている技術は、被加工材と金型との所謂焼き付きの解決を目的としてものであって、材料の流入性を改善することを目的としていないばかりか、一般の金型に比べて高額になることが明白なうえ、プレス加工では一般的に行われる初期（新しい金型での製造開始）段階での金型の微修正や、生産開始後に発生した微小キズの補修などに対処出来ないか不向きであり、汎用的な生産に適用することは困難であると考えられる。
【０００６】
また、亜鉛メッキ鋼板を７００〜１２００℃で加熱後、冷却されたツールで熱間成形し、ツール内で焼入れをする方法が特許文献４に開示されている。しかし、この方法は、加熱や成形の段階を経ても、腐食や鋼の脱炭に対する保護機能を備えた皮膜を有する鋼板を使用することで成形後の部品洗浄や酸洗いを不要にし得る技術を提供するものであり、高生産性のダイクエンチプレス成形を目的としたものではない。
【０００７】
一方、冷間プレスの場合の類似技術には、特許文献５および特許文献６がある。特許文献５には、被加工材と金型との間の潤滑性を高め、被加工材の金型への流入性を改善することを目的として、金型の被加工材に接する面の一部若しくは全面に所定の条件を満たす複数の凹部を形成し、該凹部内に潤滑油を封じ込めることで摺動特性を向上させ、高い生産性を得る方法が述べられている。
しかし、当該方法をダイクエンチ法にそのまま適用することは困難である。なぜなら、ダイクエンチ法では、被加工材は例えば８００℃以上と言うような高温に加熱されているので、金型凹部に保持されている潤滑油は直ぐに気化し、潤滑能力を失うばかりか、気化生成物が作業環境を強烈に悪化させることが予想されるからである。また仮に、潤滑能力も失わず、気化もしない潤滑油を選択したとしても、プレス後に潤滑油を取り除く工程が必要となり、結果的に生産性を損ねることは明らかである。
【０００８】
特許文献６には、チタン、チタン合金、ニッケル−銅−亜鉛合金、ニッケル−クロム合金などの非鉄金属（合金）のうち、表面が強固に酸化したり窒化したりするので空気中での加熱が好ましくない材料を、冷間プレスの、例えば一工程で成形する際に超音波エネルギーを付与する技術が述べられている。
ところが、同文献中には記載されていないため不明確であるが、（１）超音波エネルギーを付与することでチタン等の金属の加工が簡便に行えると共に、同時に模様や文字等を被加工材の表面に付することを可能する。（２）それらの模様や文字等の形成は、超音波装置の振動チップの対物面に作られ、被加工材に投影することによって得られる。との記述が為されていることから、同文献の技術では、超音波振動子はプレス加工中に被加工材に押し付けられるか少なくとも接するように配置されるものと推定される。仮にこのような技術であれば、本発明で解決しようとする課題への適用は不向きである。なぜなら、本発明では、被加工材は高温（例えば８００℃以上）に加熱されているのに対して、現在知られている汎用的な超音波振動子は、使用中の発熱による多少の温度上昇には耐えられるものの、鋼が軟化するような高温に対する耐熱性を有してはいないからである。また、熱伝導性に優れた金型自身が直接被加工材に接することで初めて急速な冷却が可能になるのに対して、超音波振動子では同様の効果を得るのは容易ではなく、更には、後述するように、被加工材が厳しい変形を受ける場所は、プレス金型のパンチとダイスの対向する極めて狭い隙間であり、超音波振動子を被加工材に接しさせた状態で加工することは困難であるか、加工出来たとしても超音波振動子が極めて短サイクルのうちに（例えば１回のプレスで）損壊すると考えられるからである。
【特許文献１】特開２００２-１０２９８０号公報
【特許文献２】特開２００２-１８５３１号公報
【特許文献３】特開２００３-２４５７３８号公報
【特許文献４】特開２００１-３５３５４８号公報
【特許文献５】特開平６-２１０３７０号公報
【特許文献６】特開平２-３７９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上述べてきたように、ダイクエンチ法の生産性を冷間プレス法に近づけるための技術は未だ確立されていないと言える。本発明はこうした状況に鑑みて為されたものであり、通常のダイクエンチ用の金型に比べて高価な金型を用いず、潤滑油の除去工程の追加や、潤滑油の気化による作業環境の悪化を伴わず、かつ容易に入手可能な超音波振動子を用いることで生産性の高いダイクエンチプレス成形方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上述した問題を解決すべく鋭意研究を重ねた。そして、被加工材にではなく、金型のうち、パンチまたはダイスの少なくとも一方に超音波振動子を装着した金型を用いて熱間プレス成形し、被加工材が変形を受け始める時点以降に、パンチまたはダイスの少なくとも一方を振動させれば、冷間プレス法における潤滑と同等の効果の得られることを見出した。その結果、ダイクエンチ法本来の機能を損なうことなく加工速度を高く出来ることも見出した。
また、当該金型を用いて製作した成形体の特性は従来のダイクエンチ法による成形体のそれと何ら差異のないことも明らかとした。
【００１１】
本発明はこうした知見に基づいて成されたものであり、鋼板を８００〜１１００℃に加熱した後、２００℃以下のパンチ及びダイスを用いてパンチまたはダイスの少なくとも一方を超音波振動させながらプレス成形し、成形と同時に焼き入れを行うことを特徴とする鋼板のプレス成形方法を要旨とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のプレス成形方法を用いれば、ダイクエンチ法の不利点の一つである低生産性を克服し、高強度の成形品を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を図面に沿って説明する。図１は、本発明の、成形過程を示す概略図である。図面において、１はパンチ、２はダイス、３はブランクホルダー、４はカウンターパンチ、５は鋼板（被加工材）である。
まず同図（ａ）に示すように、８００〜１１００℃に加熱された被加工材５はブランクホルダー３に置かれる。鋼板の加熱温度が８００℃より低いとミクロ組織がオーステナイト単相とならず、焼き入れても高強度化されない部分が生じるため好ましくなく、一方、１１００℃を超えると結晶粒が粗大化し、製品の表面品位を損なう恐れがあるので、上記の範囲に規定する。また、成形前のパンチ１及びダイス２の温度は２００℃以下、好ましくは１００℃以下と規定する。２００℃より高温の場合には十分な冷却速度が得られず、焼き入れが不十分となる恐れがあるとともに、超音波振動子の性能劣化を速めるためである。冷却速度や超音波振動子への影響上は、温度の下限は設けないが、結露対策上、環境温度よりも大幅に低くすることは好ましくないため、１０℃以下とするのは避けることが望ましい。
【００１４】
次に同図（ｂ）に示すように、速やかにブランクホルダー３が上昇して被加工材５をダイス２との間に拘束し、それに続いて被加工材５はパンチ１にて同図（ｃ）のように成形される。この際、パンチ１で成形される部位の平坦度など、成形体に要求される特性によってはカウンターパンチ４が補助的に使用される。
【００１５】
この一連の過程において、作業速度を高めると成形に不具合が生じるのは最後の過程である。更に詳細に説明すると、被加工材は同図（ｄ）のようにダイス肩２ａでの曲げ変形を受け、更に同図（ｅ）のように縦壁５ａの形成過程で曲げ戻し変形を受ける。このような厳しい加工に対してパンチ１、またはダイス２の少なくとも一方に超音波を付与し、被加工材に振動を与えると、冷間プレスにおける潤滑剤塗布のような作用を為して速い成形に対しても破断することなく成形が進行する。なお、同図（ｄ）および（ｅ）はパンチ１を挟んで左右対称であるので、便宜的に片側のみを示した。
【００１６】
パンチまたはダイスの為す超音波振動は各々に装着された超音波振動子によってもたらされる。超音波振動子の形状は、矩形板状、円板状、円柱状などの何れでも良く、取り付け方法も、ボルト締め付け、機械的嵌め込み、接着など、それぞれの特徴を考慮して選択することが出来る。また装着場所も図２（ａ）に例示するパンチやダイスの側面外部（図はパンチの例を示し、振動子の配置位置に斜線を付した）や、図２（ｂ）に例示する金型内部（図はダイスの例を示し、点線で金型内部の円柱型振動子を表した）などが選択出来る。
【００１７】
振動子にはＰＺＴなどの圧電セラミックを用いたものやフェライト磁歪振動を利用したものなどを選択出来る。利用周波数は特に限定しないが、振動子の入手が容易な２０ｋＨｚ以上とするのが望ましい。超音波は被加工材が変形を受けている間のみ発振されていれば十分であるが、それを超えて（例えば常時）発振されていても構わない。
【００１８】
非加工材とパンチ、ダイスに上記の温度差をつけた状態でプレス成形を行うので、成形と同時に焼き入れを行うことになり、成形品の強度を向上させることができる。焼き入れ時の平均冷却速度は高強度化を達成するためには８０℃／秒以上とすることが好ましい。１０００℃／秒超とすると不均一な応力が製品に残留する恐れがあるためこれ以下とすることが好ましい。
【実施例】
【００１９】
本発明を実施例によって更に説明する。
図１（ａ）に例示する金型を使用して図３に示す形状の製品を成形する実験を行った。本発明例としてパンチ１の側面の一方に振動子を装着した金型セットによる成形を条件（ｉ）、ダイス２の側面の一方（左右両方）に振動子を装着した金型セットによる成形を条件（ｉｉ）、パンチ、およびダイスの側面の一方（ダイスについては左右２箇所）に振動子を装着した金型セットによる成形を条件（ｉｉｉ）、比較例として振動子を全く装着しない金型セットによる成形を条件（ｉｖ）として成形試験を行った。振動子には直径３０ｍｍの振動面を有する円柱型を用い、ネジ止め法で装着した。振動子は発振機（何れも図示しない）に接続し、ブランクホルダー３が被加工材をホールドした直後から振動するように操作した。周波数は２８ｋＨｚとした。成形を始める前のパンチ１及びダイス２の温度は各条件とも、それぞれ２８℃であった。
【００２０】
被加工材は、主な含有成分として炭素、シリコン、およびマンガンをそれぞれ質量百分率にて０．２％、０．３％、および１．２％含有する鋼板で、厚さは１．２ｍｍである。ブランクサイズは２５０×５００ｍｍとした。加熱前の室温における引張強さは６０２ＭＰａであった。
９００℃に加熱した被加工材を各条件で成形するに当たり、成形速度を３水準とし、成形高さｈを５ｍｍずつ増やしながら割れを発生することなく成形出来る限界の高さｈｍａｘを求めた。成形速度は１０ｍｍ／ｓ、１７．５ｍｍ／ｓ、および３０ｍｍ／ｓとした。何れの条件でも割れの発生する部位はパンチ肩近傍であった。
【００２１】
図４に各成形速度、成形条件毎のｈｍａｘを示す。図４から明らかなように、本発明の金型、すなわち条件（ｉ）〜（ｉｉｉ）であれば成形速度を高めても高い成形高さ（ｈｍａｘ）が確保できるのに対して、従来のダイクエンチ金型（条件（ｉｖ））では成形速度を速くするとｈｍａｘが大幅に低下し、速い成形速度では十分な成形性が得られないことがわかる。
【００２２】
各成形速度の、条件（ｉｖ）でｈｍａｘを示した成形体と、条件（ｉ）〜（ｉｉｉ）の成形体で、それらと同じｈを示した成形体について図３にＸ−Ｘ′で示す断面のビッカース硬さを等間隔で２０点測定し平均値ＨＶｍｅａｎを求めた。その結果を表１に示す。成形速度とｈが同じ成形体４体間のＨＶｍｅａｎの相対差、すなわち（最大値−最小値）／平均値、は３％未満であり、従って成形体の断面硬さから推定される平均の引張強さは、本発明の成形方法を用いても従来法（比較例）と差異がないことが明らかとなった。
【００２３】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】（ａ）本発明例における成形前の状態を示す模式図である。（ｂ）本発明例における成形中の状態を示す模式図である。（ｃ）本発明例における成形後の状態を示す模式図である。（ｄ）本発明例における被加工材の受ける曲げ変形の状態を示す模式図である。（ｅ）本発明例における被加工材の受ける曲げ戻し状態を示す模式図である。
【図２】（ａ）本発明例における超音波振動子の配置位置の一例を、パンチを例に示す模式図である。（ｂ）本発明例における超音波振動子の配置位置の一例を、ダイスを例に示す模式図である。
【図３】実施例にて示した成形品の模式図である。
【図４】実施例にて示した成形体の、各条件、各成形速度に対する割れの発生がなく成形できた最小の成形高さを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１：パンチ
２：ダイス
２ａ：ダイス肩
３：ブランクホルダー
４：カウンターパンチ
５：鋼板（被加工材）
５ａ：縦壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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