(57)【要約】【課題】鋼板表面にスケールが形成されることによる不都合を招くことなく、深絞り加工が可能な程度に成形性が良好なプレス成形品を生産性良く製造するためのプレス成形設備を提供する。【解決手段】本発明のプレス成形設備は、加熱炉とプレス成形機を備え、前記加熱炉で薄鋼板をＡｃ3変態点以上の温度に加熱した後、プレス成形機によって薄鋼板をプレス成形して成形品を製造するためのプレス成形設備であって、前記加熱炉内部、または前記加熱炉とプレス成形機の間には、加熱された薄鋼板を急冷するための冷却部が備えられたものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱炉とプレス成形機を備え、前記加熱炉で薄鋼板をＡｃ3変態点以上の温度に加熱した後、プレス成形機によって薄鋼板をプレス成形して成形品を製造するためのプレス成形設備であって、前記加熱炉内部、または前記加熱炉とプレス成形機の間には、加熱された薄鋼板を急冷するための冷却部が備えられたものであることを特徴とするプレス成形設備。
【請求項２】
前記冷却部は、空冷以上の冷却能力を有するものである請求項１に記載のプレス成形設備。
【請求項３】
前記冷却部は、雰囲気制御できるように構成されたものである請求項１または２に記載のプレス成形設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に自動車用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、その素材となる鋼板（ブランク）をオーステナイト温度（Ａｃ3変態点）以上に加熱し、その後プレス成形して所定の形状に成形する際に、形状付与と同時に、鋼板を焼入れて所定の強度を得ることのできるプレス成形品を製造するための設備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生産性良く良好な成形が実現できるプレス成形設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球環境保護の観点から、低燃費化を目的とした自動車の軽量化が強く望まれており、車両を構成する部品に鋼板が使用される場合には、高強度鋼板を適用し、この鋼板の板厚を薄くすることによって、軽量化が図られている。その一方で、自動車の衝突安全性を向上させるために、ピラー等の自動車部品には、更なる高強度化が要求されており、引張強度がより高い超高強度鋼板に対するニーズも高まっている。
【０００３】
しかしながら、薄鋼板の強度をより高くすると、伸びＥＬやｒ値（ランクフォード値）が低下し、プレス成形性や形状凍結性が劣化することになる。
【０００４】
こうした状況の下、高強度の自動車用構造部品を実現するために、プレス成形と焼入れによる部品の強度向上を同時に行なう熱間プレス方法（いわゆる「ホットプレス法」）が提案されている（例えば、特許文献１）。この技術は、鋼板をＡｃ3変態点以上のオーステナイト（γ）領域まで加熱して、熱間でプレス成形すると共に、プレス成形時に常温の金型と接触させることによって鋼板の焼入れを同時に行い、超高強度化を実現する方法である。
【０００５】
こうした熱間プレス方法によれば、低強度状態で成形されるので、スプリングバックも小さくなると共に（形状凍結性が良好）、急冷によって引張強度が１５００ＭＰａ級の強度が得られることになる。尚、このような熱間プレス方法は、ホットプレス法の他、ホットフォーミング法、ホットスタンピング法、ホットスタンプ法、ダイクエンチ法、等様々な名称で呼ばれている。
【０００６】
図１は、上記のような熱間プレス成形（以下、「ホットプレス」で代表することがある）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、４は鋼板（ブランク）、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。
【０００７】
こうした金型を用いてホットプレス（例えば、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（図１の２，２間）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１およびダイ２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（パンチ先端が最上部に位置した時点：図１に示した状態）で更に保持冷却することによって素材の焼入れを実施する。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１５００ＭＰａ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。
【０００８】
上記のような金型構成を有するプレス成形機を備えた熱間プレス成形設備は、例えば非特許文献１に開示されている。この設備では、鋼板をＡｃ3変態点以上に加熱して軟化させるための加熱炉、加熱した鋼板を搬送するための装置、鋼板をプレス成形するためのプレス成形機、および成形した成型品をトリミング加工（レーザ等によって最終形状にするための補正加工）するための装置等を備えたものである（後記図２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−１０２９８０号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「新しい自動車生産ライン  熱間プレス成形とレーザ加工」：藍田和雄（ＡＰ＆Ｔ）、ＦＯＲＵＭ  ｏｎ  ＬＡＳＥＲ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ２０１０、ｐｐ．４２−４９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
これまでのホットプレスでは、鋼板をＡｃ3変態点以上（例えば、９００℃付近）のオーステナイト領域でプレス冷却することになるので、金型（パンチおよびダイ）と接触する部分と接触しない部分とで温度差がつきやすくなり、相対的に高温となる部分に歪みが集中することや、例えば深絞り成形では縮みフランジが冷却されて縮まなくなることなどによって、成形性が悪くなり、特に深絞り成形が難しくなる。
【００１２】
また、ホットプレスでは、通常７００〜９００℃付近でプレス成形を行い、金型内で焼入れを行うので、成形下死点（パンチ先端が最上部に位置した時点）で一定時間保持する必要があり、冷間プレス加工と比べて生産性が悪くなる。
【００１３】
一方、鋼板をＡｃ3変態点以上（例えば、９００℃）のオーステナイト領域まで加熱すると、加熱炉からプレス成形機へ移動するときに、大気中に数秒間曝されることになり、鋼板表面に酸化層（スケール）が形成されることになる。このスケールは、プレス成形時に剥がれ、プレス疵等が生じる原因となる。また、このようなスケールの存在は、耐食用塗膜の塗装性を悪くするので、プレス冷却後にピーニング処理等によってスケール除去が必要となる。
【００１４】
スケールが形成されることによる不都合を回避する対策として、プレス成形素材（ブランク）に、アルミめっき、亜鉛めっき、合金化溶融亜鉛めっき等の表面処理鋼板を用いることも行われているが、表面処理をすることによって、コストアップとなるばかりか、加熱の段階で所要時間が長くなる（めっき保持と合金化のために急速加熱できない）という不都合もある。また、加熱炉内やプレス成形機の周囲の雰囲気を制御してスケールが生じないようにすることも考えられるが、装置が大規模になってしまい、非現実的である。
【００１５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、鋼板表面にスケールが形成されることによる不都合を招くことなく、深絞り加工が可能な程度に成形性が良好なプレス成形品を生産性良く製造するためのプレス成形設備を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成することのできた本発明のプレス成形設備とは、加熱炉とプレス成形機を備え、前記加熱炉で薄鋼板をＡｃ3変態点以上の温度に加熱した後、プレス成形機によって薄鋼板をプレス成形して成形品を製造するためのプレス成形設備であって、前記加熱炉内部、または前記加熱炉とプレス成形機の間には、加熱された薄鋼板を冷却（急冷）するための冷却部が備えられたものである点に要旨を有する。
【００１７】
本発明のプレス成形設備においては、前記冷却部は、空冷以上の冷却能力を有するものであることが好ましい。例えば、マルテンサイト変態開始温度まで冷却する際には、臨界冷却速度以上の冷却能力を有するものである。また、冷却部における具体的な構成としては、ガスジェット冷却装置、または冷却した金属ロールを備えたものが挙げられる。更に、この冷却部は、雰囲気制御できるように構成されたものであることが好ましい。
【００１８】
本発明のプレス成形設備で用いるプレス成形機は、パンチ、ダイおよびブランクホルダーを備えたものが挙げられる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、前記加熱炉内部、または前記加熱炉とプレス成形機の間に、加熱された薄鋼板を急冷するための冷却部を備えたので、この設備によってプレス成形を行えば、鋼板表面にスケールが形成することによる不都合を招くことなく、また成形時に破断や割れなどを発生させることなく、生産性良くプレス成形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】熱間プレス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】従来の熱間プレス成形設備の構成例を示す概略説明図である。
【図３】従来のプレス成形設備を用いてプレス成形したときのヒートパターンを示すグラフである。
【図４】本発明のプレス成形設備の一例を示す概略説明図である。
【図５】本発明のプレス成形設備を用いてプレス成形したときのヒートパターンを示すグラフである。
【図６（ａ）】鋼板の中央部を部分冷却したときの鋼板中心と鋼板端部の温度パターンを示すグラフである。
【図６（ｂ）】鋼板の中央部を部分冷却したときの鋼板中心と鋼板端部の温度差を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明者らは、薄鋼板をＡｃ3変態点以上の温度に加熱した後プレスするに際して、スケールが形成されることによる不都合を発生させることなく、成形性が良好なプレス成形品を生産性良く製造するために、様々な角度から検討した。その結果、薄鋼板をＡｃ3変態点以上の温度に加熱した後、そのまま成形を開始するのではなく、薄鋼板をベイナイト変態開始温度やマルテンサイト変態開始温度付近まで急冷し、その温度からプレス成形を開始するようにすれば、スケール形成による不都合を発生させることなく、良好な成形性が確保できるとの知見が得られた。
【００２２】
上記のような構成を採用することによって、プレス成形中の鋼板内での温度分布を小さくでき（金型との温度差が少なくなる）、良好な成形性が確保できたのである。また、プレス成形開始温度を低くできるので、成形下死点での保持時間も短くできるという利点もある。
【００２３】
しかしながら、従来のプレス成形設備では、冷却に際して加熱炉から取り出してから、プレス成形機内で行う（例えば、金型による冷却）必要があり、加熱炉からプレス成形機に移動する際に、いかに迅速に移動させても、若干の表面酸化が生じることは回避できない。
【００２４】
従来の熱間プレス成形設備では、図２（概略説明図）に示すような構成（設備構成）となっているのが一般的である。即ち、図２に示すように、コイル状態の鋼板１０を、切り出し機１１によって切り出しされ（Ｂｌａｎｋｉｎｇ）、加熱炉１２内で加熱された後、プレス成形機１３に移動されてプレス成形品１４とされる。このような設備構成では、加熱炉１２とプレス成形機１３の間では、高温状態（Ａｃ3変態点以上の温度）で大気と接触することになるので、鋼板１０の表面が酸化されることは避けがたい状況である。
【００２５】
従来のプレス成形設備を用いてプレス成形したときのヒートパターンを図３に示す。まず、加熱の段階では（加熱炉１２）、めっき等の表面処理鋼板を用いた場合には、めっき保持と合金化のために急速加熱できないことから、昇温速度を例えば１２℃／秒程度にして所定の温度（図３では、９００℃）まで加熱され（従って加熱時間は７５秒程度）、その温度で所定時間保持（図３では、３〜５分）される。その後、プレス成形機に移動されてプレス成形されるが、この移動の際には、いかに迅速に移動させても４秒程度必要となる。また、成形時間（例えば、２秒程度）や成形下死点での保持（例えば、１０〜１５秒）、金型冷却等に要する時間を考慮すれば、プレス成形回数は１分当り３回［３ｓｐｍ（ストローク／ｍｉｎｕｔｅ）：２０秒／１プレス］程度となる。
【００２６】
図４は、本発明のプレス成形設備の一例を示す概略説明図である（図４において、図２に対応する部分には同一の参照符号が付してある）。本発明のプレス成形設備においては、加熱炉１２の内部に、加熱炉１２に付随して冷却部１５が備えられ、鋼板１０を加熱炉１２からプレス成形機１３に移動するまでに冷却される。この冷却部１５は、加熱炉１２とプレス成形機１３の間の備えるようにしても良い。冷却部１５で行う冷却では、上記した方法も含め、例えば下記（１）〜（４）等の方法で（或は併用して）冷却を実施することができる。
（１）ガスジェット冷却装置を設けて冷却する。
（２）冷媒としての金属ロールと接触させる手段（例えば、水冷した金属ロール）を設けて抜熱する。
（３）ミスト冷却手段を設けて冷却する。
（４）ドライアイスショット手段（顆粒ドライアイスをブランク材に衝突させて冷却する）を設けて冷却する。
【００２７】
また冷却部１５で行う冷却では、鋼板全体を均一に冷却してもよいし、プレス成形する鋼板の一部（好ましくは成形部分）のみを部分的に冷却してもよい。部分的に冷却する鋼板の位置としては、例えば鋼板のダイ肩部分やパンチ肩部分などのプレス成形部分である。プレス成形部分は金型に最も接触し、鋼板の温度低下が大きい領域であるため、このような領域のみを部分的に冷却した場合、冷却した部分と冷却しなかった部分との温度差が少なくなり、良好な成形性が確保できる。さらに、冷却した鋼板中央の強度が確保されるとともに、冷却しなかった鋼板の端部の延性を確保できるため、より一層優れた深絞り成形性が達成できる。
【００２８】
図６（ａ）、（ｂ）には、円筒深絞り成形において、鋼板の中央部（パンチ肩部分を含むｒ＝３０ｍｍまでの部分）を部分冷却したときの鋼板中心（ｒ＝０ｍｍ）と、冷却しなかった鋼板端部（ｒ＝６０ｍｍ）の温度パターンを示す。尚、図６（ａ）、（ｂ）に示した「冷却時間」の−２０から０までの間は、加熱炉１２内で鋼板が搬送される時間（搬送時間）を意味し、それ以後の「冷却時間」は鋼板の冷却が開始されてからの時間を意味する（後記表２参照）。
【００２９】
図６（ａ）に示すように鋼板中心の温度は鋼板端部の温度と比べて低い温度となっており、鋼板の中央部を部分冷却することによって、効率的にプレス成形部分の温度を低下させることができることが示されている。一方、図６（ｂ）には、鋼板の中央部のみを冷却した場合であっても、鋼板中心と鋼板端部との温度差はある一定の時間（図示例では約３０秒程度）で飽和することが示されている。これは鋼板の冷却部分と非冷却部分との間で熱移動が生じて温度差が緩和されるためである。プレス成形部分の強度を維持して深絞り成形性を向上させる観点からは、鋼板の冷却部分と非冷却部分との温度差を一定以上確保した状態でプレス成形することが望ましい。
【００３０】
本発明の設備を用いて実施されるプレス成形は、鋼板を加熱した後、一旦ベイナイト変態開始温度やマルテンサイト変態開始温度付近まで急冷してから成形する方法に適用する場合を想定したものであるが、こうした点を考慮すれば、冷却部は、空冷以上の冷却能力（例えば、マルテンサイト変態開始温度まで冷却する際には、臨界冷却速度以上の冷却能力）を有するものであることが好ましい。また、冷却部では、比較的低い温度に設定されることによって、その雰囲気は制御しやすくなり、その雰囲気を制御（例えば、窒素やアルゴン雰囲気）して、鋼板の表面酸化をより効果的に防止できるようすることも有効であるが、必ずしも雰囲気制御されている必要はない（低温にすることによって表面酸化が抑制される）。
【００３１】
上記のような構成のプレス成形設備を用い、薄鋼板をベイナイト変態開始温度やマルテンサイト変態開始温度付近まで冷却（好ましくは急冷）してから成形することによって、（１）プレス成形中の鋼板内での温度分布を小さくでき（金型との温度差が少なくなる）、良好な成形性が確保できること、（２）プレス成形開始温度を低くできるので、成形下死点での保持時間も短くできるという利点の他、下記（Ａ）〜（Ｃ）のような利点も発揮される。
【００３２】
（Ａ）急速加熱が可能となって、生産性が向上する（加熱炉による加熱は通常電気炉による加熱であるが、めっき等の表面処理を施した鋼板を用いなくてもよいので、通電加熱や誘導加熱が採用できる）。
（Ｂ）鋼板の表面酸化が回避できる（加熱炉１２からプレス成形機１３に移動する段階では比較的低い温度となっているので、高温による表面酸化が回避できる）。
（Ｃ）９００℃程度の高温から急冷できるので、焼入れ性の低い材料（安価な鋼板）を用いても高強度化が達成される。
【００３３】
本発明のプレス成形設備を用いてプレス成形したときのヒートパターンを図５に示す。このヒートパターンでは、前記図３に示したヒートパターンに比べて、昇温速度を速くできると共に（急速加熱：例えば２０〜６０秒程度）、成形下死点での保持（例えば、５〜１０秒）、金型冷却、等を短くでき（次のプレスが早くできる）、４〜６ｓｐｍ程度のプレス加工ができ、従来パターンと比べて生産性が極めて高いものとなる。図５に示したヒートパターンはこうした状態を示したものである。
【００３４】
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】
【００３５】
（実施例１）
前記図４に示したプレス成形設備によって、下記表１に示す化学成分組成を有する鋼板を用い（厚さ：１．０ｍｍ、直径：１１０ｍｍの円形ブランク）、９００℃に加熱し（この鋼板のＡｃ3変態点：８３０℃、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ：４１１℃）、雰囲気制御されたガスジェット冷却で７００℃まで冷却し、その後５００℃付近まで鋼板挟持によって冷却し、金型［頭部形状が一辺４５ｍｍの角形の金型（角筒ダイおよび角筒パンチ）］を用い（前記図１参照）、角筒深絞り成形を行った。
【００３６】
【表１】
2012091227.tif 000002
【００３７】
このとき、金型がブランクに接触してから、成形下死点で停止するまでの時間は０．７５秒とした。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）
しわ押え力：３トン
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
【００３８】
その結果、良好な成形性が達成され、成形下死点まで深絞りができた（前記図１に示した状態）。また、成形品はその表面にスケールが形成されることによる不都合も発生することは無かった。
【００３９】
（実施例２）
前記図４に示したプレス成形設備によって、実施例１と同じ化学成分組成を有する鋼板を用い（厚さ：１．４ｍｍ、直径：表２に示す直径９０〜１１０ｍｍの円形鋼板）を、９００℃に加熱して５分間保持した後（この鋼板のＡｃ3変態点：８３０℃、マルテンサイト変態開始温度Ｍｓ：４１１℃）、冷却部において以下の冷却手段で冷却した（表２中、「冷却手段」、「冷却保持時間（秒）」参照）。なお、部分冷却する場合は、加熱炉とプレス成形機の間に冷却部（図示せず）を設けて冷却を行った。
空冷：加熱炉からブランクを取り出したまま保持して所定の温度になるまで空冷した。
強制冷却：鋼板両面全体をスポットクーラーで冷却した。
部分冷却：鋼板中央部（パンチ肩部分を含むｒ＝３０ｍｍまでの範囲内）にエアを噴きつけて部分的に冷却した。
【００４０】
冷却後、鋼板をプレス成形機に移送して（表２中、「移送時間（秒）」参照）、金型［パンチの直径：５０ｍｍの円筒金型（円筒ダイおよび円筒パンチ）］を用い、円筒深絞り成形を行った。プレス成形では、プレス機として、メカニカルサーボプレス機（最大押圧力２００トン、最大プレス加工２７ｓｐｍ）を用いた。また、金型が鋼板に接触してから、成形下死点で停止するまでの時間は０．２秒とした。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）
しわ押え力：３トン
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：０．１５／２＋１．４（鋼板厚さ）ｍｍ
成形高さ：４０．０ｍｍ
【００４１】
比較のため、図２に示した従来のプレス成形設備を使用し、実施例２と同様にして円筒深絞り成形を行った。具体的には、鋼板（ブランク）を加熱炉で加熱した後、鋼板を冷却することなく加熱炉から取り出してプレス機まで搬送した後（搬送時間：６秒）、直ちに成形した（表２中、Ｎｏ．１）。結果を表２に示す。
【００４２】
【表２】
2012091227.tif 000003
【００４３】
実験の結果、従来のプレス成形設備を使用したＮｏ．１では、冷却が不十分だったため、直径９５ｍｍ以上の成形ができなかった。一方、加熱炉内の冷却部、または加熱炉とプレス成形機の間に設けた冷却部において急冷した本発明例（Ｎｏ．２−１〜４−３）では、良好な成形性が達成され、成形下死点まで深絞りができた。また、成形品はその表面にスケールが形成されることによる不都合も発生することは無かった。特に部分冷却を行った４−１〜４−３では、直径１００ｍｍでも良好な成形性が達成された。
【００４４】
空冷した場合と強制冷却した場合とで成形可能な最大ブランク径は同じであったが、強制冷却した場合は、硬度向上効果が確認できた。即ち、成形後に成形品の硬さを試験した結果（成形品の頂部中央部から下端部までを５ｍｍ間隔で測定したビッカース硬さの平均値を表２に示す）、空冷した場合（Ｎｏ．２−１、２−２）は冷却保持時間の増大に伴い、４８０Ｈｖ以上の十分な硬さが得られていないのに対し、強制冷却した場合（Ｎｏ．３−１〜３−３）は４８０Ｈｖを超える硬さが得られた。なお、部分冷却した場合（Ｎｏ．４−１〜４−３）も、強制冷却と同程度の良好な硬さが得られることが確認できた。
【符号の説明】
【００４５】
１  パンチ
２  ダイ
３  ブランクホルダー
４，１０  ブランク（鋼板）
１１  切り出し機
１２  加熱炉
１３  プレス成形機
１４  プレス成形品
１５  冷却部
【図１】
2012091227.tif 000004
【図２】
2012091227.tif 000005
【図３】
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【図４】
2012091227.tif 000007
【図５】
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【図６（ａ）】
2012091227.tif 000009
【図６（ｂ）】
2012091227.tif 000010