(57)【要約】【課題】亜鉛系めっき鋼材の熱間成形において、所定温度範囲まで加熱された亜鉛に起因する粒界割れを可及的に防止すること。【解決手段】亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法は、亜鉛系めっき鋼材をブランクとして用意する工程と、前記ブランクの第１領域を焼き入れ温度以上に加熱し、該ブランクの第２領域を焼き入れ不能な温度に加熱する工程と、前記第１領域と前記第２領域の境界付近において、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲内まで不可避的に加熱される遷移領域を強制冷却して、該遷移領域の温度を、前記所定温度範囲未満かつ前記第２領域の温度よりも高温にする工程と、前記加熱又は強制冷却により設定された温度分布を有するブランクを熱間成形する工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
亜鉛系めっき鋼材をブランクとして用意する工程と、
前記ブランクの第１領域を焼き入れ温度以上に加熱し、該ブランクの第２領域を焼き入れ温度より低い温度に加熱する加熱工程と、
前記第１領域と前記第２領域の境界付近において、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲内まで不可避的に加熱される遷移領域を強制冷却して、該遷移領域の温度を、前記所定温度範囲未満かつ前記第２領域の温度よりも高温にする強制冷却工程と、
前記加熱又は強制冷却により設定された温度分布を有するブランクを熱間成形する工程と、
を含む、ことを特徴とする亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法。
【請求項２】
前記所定温度範囲は、７００℃以上８００℃未満の範囲であること、
前記加熱工程において、前記第１領域は８００℃以上の温度に加熱され、前記第２領域は７００℃未満に加熱されること、
前記強制冷却工程において、前記遷移領域は、７００℃未満であるが前記第２領域よりも高温の温度まで強制冷却されること、
を特徴とする請求項１に記載の亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法。
【請求項３】
前記加熱工程において、
前記第１領域は、Ａ３点以上の温度まで加熱され、かつ
前記第２領域は、Ａ１点未満の温度まで加熱され、
前記強制冷却工程において、
前記遷移領域は、前記所定温度範囲の下限未満から前記第２領域の温度を超える温度範囲になるよう強制冷却される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法。
【請求項４】
前記強制冷却によって、前記遷移領域は、前記第１領域から前記第２領域に向かって徐々に温度が低下する温度分布を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法。
【請求項５】
前記熱間成形時又は後、前記ブランクを急冷して、前記第１領域を焼き入れし、前記遷移領域を前記第１および前記第２領域の間の強度を有するよう部分的に焼き入れする、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法。
【請求項６】
亜鉛系めっき鋼材をブランクとして用い、前記ブランクの第１領域を焼き入れ温度以上に加熱し、該ブランクの第２領域を焼き入れ温度より低い温度に加熱する加熱部と、
前記第１領域と前記第２領域の境界付近において、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲内まで不可避的に加熱される遷移領域を強制冷却して、該遷移領域の温度を、前記所定温度範囲未満かつ前記第２領域の温度よりも高温にする強制冷却部と、
前記加熱又は強制冷却により設定された温度分布を有するブランクを熱間成形する熱間成形部と、
を有する、ことを特徴とする亜鉛系めっき鋼材の熱間成形装置。
【請求項７】
赤外線加熱するブランクの第１領域と対向して配置され、相対的に高強度の第１赤外線を出力可能な一又は複数の第１ランプと、
前記ブランクの第２領域と対向して配置され、相対的に低強度の第２赤外線を出力可能な一又は複数の第２ランプと、
前記第１および第２ランプの間において、前記ブランクと前記第１および前記第２ランプとが対向する方向に延在ないし立設され、前記第１および第２領域がそれぞれ置かれる第１室と第２室の間の障壁となって、前記第１赤外線が前記第２室内に、前記第２赤外線が前記第１室内にそれぞれ入射しないよう遮光する遮光壁と、
を有する、ことを特徴とする赤外炉。
【請求項８】
前記遮光壁は、前記ブランクを挟んで該ブランクの両側に立設される、ことを特徴とする請求項７記載の赤外炉。
【請求項９】
前記遮光壁の中間部に形成され、前記ブランクが通過可能なスリットを有することを特徴とする請求項７又は８記載の赤外炉。
【請求項１０】
実質的に完全に焼き入れされた第１領域と、
前記第１領域に隣接する領域に形成され、前記第１領域から遠くなるのに従って徐々に強度が低下していく、部分的ないし不完全に焼き入れされた遷移領域と、
を含む、ことを特徴とする亜鉛系めっき鋼材の熱間成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、亜鉛系めっき鋼材の熱間成形方法および装置、赤外炉、ならびに亜鉛系めっき鋼材の熱間成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝突安全性能の向上および車体の軽量化を目的にして、車両部品へのホットプレス製品の採用が拡大している。これに伴い、一つの車両部品に、高強度領域と低強度領域の両方を形成したいという要求がある。例えばＢピラーについては、その車体上部側の領域には強度が要求され、その車体下部側の領域には伸びと耐食性が要求される。これら二つの要求に応じて、一つの鋼材内に複数の強度を作り分け且つ伸び等を部分的に向上させるためには、ブランクとしてめっき鋼材、特に亜鉛系めっき鋼材を用いることが適している。
【０００３】
以上の背景技術に関連する特許文献を以下に紹介する。
【０００４】
特許文献１には、下記のめっき鋼板の熱間プレス成形方法が開示されている。
「Ａ１変態点以上の温度に均一に加熱された平板状のめっき鋼板Ｋの熱間プレス成形を行う前に、部分急冷ステージによりめっき鋼板Ｋの所定の部位をマルテンサイト変態の開始温度（Ｍｓ点）以下に急冷し、めっき鋼板（Ｋ）の急冷された部位をマルテンサイト変態の開始温度（Ｍｓ点）より高い温度に復熱させ、めっき鋼板（Ｋ）の復熱を行った後に、成形急冷ステージにおいてめっき鋼板（Ｋ）の成形とマルテンサイト変態の終了温度（Ｍｆ点）以下までの急冷とを同時に行う。」
【０００５】
特許文献２には、下記のめっき鋼板の熱間プレス成形方法が開示されている。
「鋼板１の第１の領域Ｘに電磁波を照射すると共に、鋼板１の第２の領域Ｙにより強い電磁波を照射することにより、第２の領域Ｙを鋼板１の変態点以上の温度９５０℃に加熱することにより第２の領域Ｙをオーステナイト組織の状態にする。電磁波の照射後に、鋼板１をプレス成型装置１０でプレスして急冷することにより、第２の領域Ｙをオーステナイト組織の状態からマルテンサイト組織の状態に変化させる。これにより、第２の領域Ｙの強度を第１の領域Ｘに比して高くする。」
【０００６】
特許文献３には、下記のような、亜鉛系めっき鋼板の均一的な加熱処理および熱間プレス成形方法が開示されている。
「Ｚｎ−Ｆｅ系めっき層を素地鋼板表面に形成した表面処理鋼板を、熱間プレス成形法によって成形して熱間プレス成形品を製造するに当たり、前記表面処理鋼板を、素地鋼板のＡｃ1変態点以上、９５０℃以下の温度に加熱し、めっき層中のＦｅ含有量に応じためっき層の凝固点以下の温度まで表面処理鋼板を冷却した後、成形を開始することによって、プレス成形中に、めっき層の剥離や母材の粒界割れを回避して良好な特性の熱間プレス成形品を製造する。」
【０００７】
特許文献４には、下記のような、赤外炉が開示されている。
「赤外炉は、ワークの第１の領域と第２の領域を異なる温度域に加熱可能であって、前記ワークに対向する複数の赤外線ランプと、前記ワークと前記複数の赤外線ランプの間であって前記第１および第２の領域間の境界域上に配置される物体と、を備える。」
【０００８】
特許文献５には、下記のような、亜鉛めっき鋼材の焼き入れ方法が開示されている。
「合金化遅延機能および易酸化性機能を有するＡｌ，Ｓｉを各々単独もしくは複合して０．１５質量％以上含有する亜鉛めっき層を備えた亜鉛めっき鋼材を、酸素０．１体積％以上の酸化雰囲気下で８００℃以上９５０℃以下に加熱し、７３０℃以下５００℃以上に６０sec以内で冷却した後、加工急冷し、焼き入れ後の成形体鋼材表面にＺｎを主成分としてＦｅ：３０質量％以下からなる層を３０ｇ／ｍ２以上形成することを特徴とする耐食性、耐疲労性に優れた高強度焼き入れ成形体の製造方法。」
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開２０１０−１５０６８３号公報（要約および図１参照）
【特許文献２】特開２０１１−２００８６６号公報（要約書の手段の欄参照）
【特許文献３】国際公開２０１３−０３１９８４公報（要約参照）
【特許文献４】特開２０１４−１４８７２６号公報（要約書の手段の欄参照）
【特許文献５】特許第４７３３５２２号公報（請求項１参照）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】社団法人日本溶接境界／溶接情報センター、“ＪＷＥＳ接合・溶接技術Ｑ＆Ａ１０００”、［online］、［平成27年3月1日検索］、インターネット〈URL：http://www-it.jwes.or.jp/qa/details.jsp?pg_no=0050020500〉
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以下の分析は本発明によるものである。
しかしながら、亜鉛系めっき鋼材製のブランクを加熱して、ブランクの温度が少なくとも部分的に所定温度範囲（例えば７００℃以上、８００℃未満）となった状態で、ブランクを熱間成形すると、この所定温度範囲となっている部分に粒界割れが発生し易いという問題がある。特に、上記のような強度の作り分けをするため、温度差を有する加熱温度分布を形成する場合には、この所定温度範囲を有する遷移部分が不可避的に発生する。
【００１２】
非特許文献１等に示されているとおり、亜鉛系めっき鋼材における粒界割れは、次のようなメカニズムで発生すると考えられている。亜鉛が加熱され、溶融して、鋼の粒界相中に侵入する。亜鉛によって脆化された粒界相に、成形時、引張応力が印加されると、粒界割れが進展する。
【００１３】
なお、特許文献１および２には、亜鉛およびそれに起因する粒界割れ、さらに粒界割れの原因となる所定温度範囲に関連する記載がない。特許文献３には、この粒界割れに関する記載はあるが、亜鉛による粒界割れの原因となる温度範囲に関する記載がなく、又一つの鋼材に高強度部と低強度部を形成することに関連する記載もない。特許文献４の赤外炉によれば、所定温度範囲を有する遷移部分を、狭くすることはできるがゼロにすることは困難である。特許文献５には、強度分布の作り分け、いわゆる焼き分けに関する記載がない。
【００１４】
上記粒界割れがあると、要求される強度又は変形形状（例えば衝突時の変形形状）を得ることが困難となる。したがって、本発明の目的は、亜鉛系めっき鋼材の熱間成形において、所定温度範囲まで加熱された亜鉛に起因する粒界割れを可及的に防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
第１の視点において、下記の工程を含む熱間成形方法が提供される：
亜鉛系めっき鋼材をブランクとして用意する工程；
前記ブランクの第１領域を焼き入れ温度以上に加熱し、該ブランクの第２領域を焼き入れ温度より低い温度に加熱する工程；
前記第１領域と前記第２領域の境界付近において、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲内まで不可避的に加熱される遷移領域を強制冷却して、該遷移領域の温度を、前記所定温度範囲未満かつ前記第２領域の温度よりも高温にする工程；
前記加熱又は強制冷却により設定された温度分布を有するブランクを熱間成形する工程。
【００１６】
第２の視点において、下記の要素を有する熱間成形装置（システム）が提供される：
亜鉛系めっき鋼材をブランクとして用い、前記ブランクの第１領域を焼き入れ温度以上に加熱し、該ブランクの第２領域を焼き入れ温度より低い温度に加熱する加熱部；
前記第１領域と前記第２領域の境界付近において、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲内まで不可避的に加熱される遷移領域を強制冷却して、該遷移領域の温度を、前記所定温度範囲未満かつ前記第２領域の温度よりも高温にする強制冷却部；、
前記加熱又は強制冷却により設定された温度分布を有するブランクを熱間成形する熱間成形部。
【００１７】
第３の視点において、下記の要素を有する赤外炉が提供される：
赤外線加熱するブランクの第１領域と対向して配置され、相対的に高強度の第１赤外線を出力可能な一又は複数の第１ランプ；
前記ブランクの第２領域と対向して配置され、相対的に低強度の第２赤外線を出力可能な一又は複数の第２ランプ；
前記第１および第２ランプの間において、前記ブランクと前記第１および前記第２ランプとが対向する方向に延在ないし立設され、前記第１および第２領域がそれぞれ置かれる第１室と第２室の間の障壁となって、前記１赤外線が前記第２室内に、前記２赤外線が前記第１室内にそれぞれ入射しないよう遮光する遮光壁。
【００１８】
第４の視点において、下記の要素を有する熱間成形品が提供される：
実質的に完全に焼き入れされた第１領域；
前記第１領域に隣接する領域に形成され、前記第１領域から遠くなるのに従って徐々に強度が低下していく、部分的ないし不完全に焼き入れされた遷移領域。
【発明の効果】
【００１９】
上記各視点は、下記の効果に貢献する。亜鉛系めっき鋼材の熱間成形において、鋼材中、亜鉛による粒界割れの原因となる所定温度範囲内に加熱された遷移領域を強制冷却して、遷移領域の温度を所定温度範囲外の温度に低下させる。これによって、めっきされた亜鉛による粒界割れの発生が高度に防止される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】一実施例に係る熱間成形方法のフローおよび熱間成形装置の一例を説明するための図である。
【図２】図１に例示した熱間成形方法および装置によって得られる熱間成形品の一例を示す斜視図である。
【図３】（Ａ）〜（Ｂ）は、図１に例示した熱間成形方法および装置に採用される、赤外炉の一例を説明するための図であって、（Ａ）は、赤外炉の構造を例示する正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の赤外炉によって加熱されたブランクの温度分布の一例を示す平面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の温度分布の一例を示すグラフである。
【図４】（Ａ）〜（Ｂ）は、図１に例示した熱間成形方法および装置に採用される、強制冷却部の一例を説明するための図であって、（Ａ）は、強制冷却部の構造を例示する正面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の強制冷却部によって部分的に冷却されたれたブランクの温度分布の一例を示す平面図であり、（Ｃ）は（Ｂ）の温度分布の一例を示すグラフである。
【図５】一実施例に係る加熱方法にしたがって加熱された亜鉛系めっき鋼材の加熱温度分布の時間による変化を示すグラフである。
【図６】図５に示した強制冷却後の加熱温度分布を有する亜鉛系めっき鋼材を熱間成形および急冷して得られた熱間加工品の硬度（強度）分布を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
上記各視点において、以下の形態が可能である。
（形態１）形態１は、第１の視点のとおりである。なお、最適な加熱温度は、組成およびブランクの形状によって変化する。組成によってオーステナイト変態点の温度等は変化し、ブランクの形状によって質量効果が変化するからである。よって、組成およびブランクのサイズを考慮して、各種の加熱温度を設定することが好ましい。
【００２２】
（形態２）
前記所定温度範囲は、７００℃以上８００℃未満の範囲である。前記加熱工程において、前記第１領域は８００℃以上の温度に加熱され、前記第２領域は７００℃未満に加熱される。前記強制冷却工程において、前記遷移領域は、７００℃未満であるが前記第２領域よりも高温の温度まで強制冷却される。これによって、亜鉛が所定温度範囲に加熱されることによる粒界割れが防止され、さらに遷移領域における特性の急激な変化も緩和することができる。
【００２３】
（形態３）
前記加熱工程において、前記第１領域は、Ａ３点以上の温度まで加熱される。前記加熱工程において、前記第２領域は、Ａ１点未満の温度まで加熱される。前記強制冷却工程において、前記遷移領域は、前記所定温度範囲の下限未満から前記第２領域の温度を超える温度範囲になるよう強制冷却される。但し、Ａ１点とは、加熱時にはオーステナイトが生成し始める温度（Ａｃ１点）であり、冷却時にはオーステナイトがフェライト又はフェライト、セメンタイトへの変態を完了する温度である。Ａ３点とは、加熱時にはフェライトがオーステナイトへの変態を完了する温度（Ａｃ３点）であり、冷却時にはフェライト変態が始まる温度（Ａｒ３点）である。
【００２４】
（形態４）
前記強制冷却によって、前記遷移領域は、前記第１領域の側から前記第２領域の側に向かって徐々に温度が低い温度分布を有する。このように遷移領域自体にも、温度差をもった温度分布を形成することにより、温度又は強度の急激な変化による、極端な応力集中を防止することができる。
【００２５】
（形態５）
前記熱間成形時又は後、前記ブランクを急冷して、前記第１領域を焼き入れし、前記遷移領域を前記第１および前記第２領域の間の強度を有するよう部分的に焼き入れする。ダイクエンチの場合には、熱間成形時に急冷が実行される。熱間成形後に急冷を実行する場合には、成形したブランクを浴に漬けたりすればよい。なお、遷移領域を部分的に焼き入れするとは、遷移領域における焼き入れ組織の存在比が、第１領域における焼き入れ組織の存在比よりも低く、第１領域と遷移領域の間に有意の特性差（強度差など）があることを意味する。
【００２６】
（形態６）形態６は、第２の視点のとおりである。
【００２７】
（形態７）形態７は、第３の視点のとおりである。
【００２８】
（形態８）
前記遮光壁は、前記ブランクを挟んで該ブランクの両側に立設される。この構造によって、高強度の赤外線が低強度に設定された第２領域側に漏れたり、低強度の赤外線が高低強度に設定された第１領域側に漏れたりすることが高度に防止される。
【００２９】
（形態９）
前記遮光壁は、その中間部に前記ブランクが通過可能なスリットを有する。このスリットによって、ブランクの搬送が容易となる。
【００３０】
（形態１０）第４の視点のとおりである。好ましくは、亜鉛系めっき鋼材の熱間成形品は、さらに、実質的に焼き入れされていない第２領域を有し、前記遷移領域は、前記第１および第２領域の間に位置している。
【００３１】
一実施形態によれば、亜鉛系めっき鋼材を、相対的に高強度を付与したい第１領域を高温に、一方、相対的に低強度を維持したい第２領域を低温にそれぞれ加熱し（これを「加熱分け」と称する）、次に、粒界割れの発生原因となる所定温度範囲に加熱されてしまった遷移領域（粒界割れ温度発生部）を強制的に部分冷却して、この遷移領域の温度を所定温度範囲外とし、このような温度分布状態を有する亜鉛系めっき鋼材を熱間成形する。熱間成形時、冷却された亜鉛の温度は、粒界割れの原因となる所定温度範囲から外れているため、粒界に成形に伴う引張応力が作用しても、粒界割れは可及的に防止される。
【００３２】
強制冷却によって遷移領域の温度は所定温度範囲外まで速やかに低下される。この結果、遷移領域の温度が所定温度範囲外まで低下するまで放冷する場合と比べて、第１領域から第２領域への熱伝導量は顕著に減少して、第１領域の温度低下および第２領域の温度上昇、さらに遷移領域（中間強度領域）の幅の拡大が可及的に防止される。また、強制冷却によって、上記放冷と対比すると、成形品を得るまでのサイクルタイムを大幅に短縮することができる。
【００３３】
ブランク（出発材料）として、溶融亜鉛系めっき鋼材、合金化溶融亜鉛系めっき鋼材、および電気亜鉛系めっき鋼材等を用いることができる。例えば、亜鉛めっき、亜鉛鉄合金めっき、亜鉛ニッケル合金めっき及びすず−亜鉛合金めっき（ＪＩＳ  Ｄ  ０２１０参照）、溶融亜鉛めっき鋼板及び鋼帯（ＪＩＳ  Ｇ  ３３０２参照）、溶融亜鉛−アルミニウム合金めっき鋼板及び鋼帯（ＪＩＳ  Ｇ  ３３１７）、溶融アルミニウム−亜鉛合金めっき鋼板及び鋼帯（ＪＩＳ  Ｇ  ３３２１）、溶融亜鉛−アルミニウム−マグネシウム合金めっき鋼板及び鋼帯（ＪＩＳ  Ｇ  ３３２３）、および電気亜鉛めっき鋼板（ＪＩＳ  Ｇ  ３３１３）等が例示される。
【００３４】
高強度にする第１領域は、少なくとも母材の強度よりも高い強度を有するよう、焼き入れされればよい。第１領域は、完全な焼き入れ組織を有していなくてもよい。一例を示すと、第１領域は、その引張強度（ＪＩＳ  Ｚ  ２２０１参照）が１０００ＭＰａ級、１３００ＭＰａ級、１５００ＭＰａ級又は１６００ＭＰａ級となるよう焼き入れされる。このため、第１領域は、例えばＡ３点以上に加熱される。第１領域の設定温度を数値で表示すると、第１領域は、例えば８００〜９５０℃の範囲に加熱される。
【００３５】
低強度にする第２領域は、母材の強度と同等の強度を有すればよいが、母材の強度よりも高くてもよい。第２領域は、焼き入れ組織を部分的に有していてもよい。一例を示すと、第２領域は、その引張強度が５００ＭＰａ級、６００ＭＰａ級、又は７００ＭＰａ級以下となるよう加熱される。要求に応じて、第２領域の引張強度を７００ＭＰａ級以上とすることもできる。第２領域は、例えばＡ１点未満までしか加熱しなくてもよい。第２領域の加熱温度の下限は、加工性を考慮して定めることが好ましい。一般的に、加熱温度が高ければ、加工が容易であるからである。第２領域の設定温度を数値で表示すると、第２領域は、例えば２５０〜６５０℃、３００〜６５０℃、３５０〜６５０℃、又は３００〜６００℃の範囲に加熱される。
【００３６】
粒界割れの発生原因となる所定温度範囲は、母材および亜鉛を含むめっきの組成に応じて変化する。代表的には、所定温度範囲は７００℃以上８００℃未満の範囲である。組成によっては、この所定温度範囲はおおよそ数十から百℃の範囲で上下に変動する。
【００３７】
遷移領域（徐変領域）は、第１領域と第２領域の間の温度及び／又は強度を有するよう、強制冷却される。遷移領域は、焼き入れ組織を有していてもよい。しかし、遷移領域における焼き入れ組織の存在比は、第１領域における焼き入れ組織の存在比よりも小さく、第２領域における焼き入れ組織の存在比よりも大きくなることが好ましい。
【００３８】
ブランクの加熱方法として、赤外線加熱、通電加熱、誘導加熱および雰囲気加熱を採用することができる。中でも、高指向性な加熱が可能であり、かつ比較的広い範囲を一度に加熱できる赤外線加熱を用いることが好ましい。赤外線加熱において、温度差をもった加熱分布を形成するためには、比較的指向性の強い近赤外線、例えば０．８〜２μｍの範囲の波長を有する近赤外線を用いることが好ましい。
【００３９】
遷移領域の強制冷却方法として、冷却媒体の吹き付け、冷やし金の押し付け又は挟み付けが例示される。冷却媒体としては、液体、気体およびそれらの混合体を用いることができる。冷却媒体を吹き付ける場合には、第１および第２領域が冷却されないよう、遷移領域と第１および第２領域との間にそれぞれガイドを設け、遷移領域のみが確実に冷却されるようにすることが好ましい。或いは、ガイドとして、遷移領域のサイズに対応する口径を有する筒状部材を用いてもよい。冷やし金としては、金属製又は冷媒を内蔵する冷やし金を用いることができる。また、ブランクの一面側或いは他面側のみ、又は一面側及び他面側の両側から強制冷却してもよい。
【００４０】
熱間成形方法として、ホットスタンピング（ホットプレス）、およびダイクエンチ等が例示される。焼き入れのための急冷は、例えば成形に用いる金型によって、実行することができる。金型の一部又は全部を冷却していてもよい。この急冷は、成形と同時に実行することが効率的であるが、場合によって、成形後に行うこともできる。
【００４１】
好ましくは、赤外炉は、その炉壁と遮光壁によって互いに分離された第１および第２室を有する。遮光壁には、ブランク搬送用のスリットを形成することが好ましい。但し、高強度の赤外線が第１室内からスリットを通じて第２室内へ漏れないよう、スリットを狭く形成することが好ましい。また、遮光壁と炉壁は、完全に密着していなくてもよいが、それらのクリアランスは狭い方がよい。遮光壁は、耐熱性および耐光性を有し、亜鉛又は母材と反応しない材料から形成されることが好ましく、例えばステンレス又はセラミックスから形成される。
【００４２】
赤外炉内に配置され、赤外線を出力するランプは、ブランクの一面側に配置すれば十分であるが、ブランクを挟むようにその両面側に配置してもよい。ランプをブランクの一面側に配置する場合には、ブランクの他面側には、加熱効率を高めるため、反射面を配置することが好ましい。また、ランプの指向性を高めるため、ランプ又はその周囲に、部分的に反射材又は遮蔽材を取り付けてもよい。
【００４３】
第１領域側の第１ランプと、第２領域側の第２ランプの出力比率は、基本的には、第１領域と第２領域の設定温度の比に応じて設定すればよい。ランプの出力強度は、投入する電力量、又は、赤外線を放射する陰極線に流れる電流量を調整することによって、制御することができる。また、ランプの配置密度を部分的に変えてもよく、或いはランプとブランクの間に、部分的にシールドを設けたり、透光率を調整する部材を設けたりしてもよい。
【００４４】
得られる亜鉛系めっき鋼材の熱間成形品において、遷移領域の幅は、例えば５〜１００ｍｍである。勿論、この幅は、要求される仕様に応じて設定することができる。また、遷移領域自体にも強度差をもった強度分布を形成することにより、強度の急激な変化が緩和され、極端な応力集中を防止することができる。好ましくは、遷移領域は、第１領域に比べて、完全には焼き入れされない、すなわち部分的ないし不完全に焼き入れされることが好ましい。遷移領域においては、第１領域よりも焼き入れ組織の存在比が小さく、第２領域よりも焼き入れ組織の存在比が大きいことが好ましい。
【００４５】
遮光壁の材質は、ステンレス等の耐熱性金属板、セラミックス、耐熱ボード、および耐熱シリカ等から選択することができる。
【００４６】
なお、上述の各形態は、所定の効果が達成される限り、適宜組み合わせることが可能である。
【００４７】
以下、一実施例について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明で用いる図面参照符号は、理解を助けるために、図面中の要素に便宜上付記したものであって、本発明を図示の態様に限定することを意図するために用いるものではない。
【００４８】
図１は、一実施例に係る熱間成形方法のフローおよび熱間成形装置の構成を模式的に例示する図である。特に、本実施例では、加熱工程を実行する加熱部として赤外炉を用いた例を説明する。
【００４９】
図１を参照すると、熱間成形装置（システム）１は、亜鉛系めっき鋼材製のブランクＷを赤外線加熱して所定の温度分布を形成する加熱部（以下「赤外炉」と称する）１０と、加熱されたブランクＷを部分的に強制冷却する強制冷却部２０と、部分的に強制冷却されたブランクＷを成形および急冷する熱間成形部３０と、を有する。なお、ブランクＷは、亜鉛系めっき鋼材製の例えば鋼帯等を切断ないしブランクキングすることによって得ることができる。
【００５０】
図２は、図１に例示した熱間成形方法および装置によって得ることができる、熱間成形品の一例を示す斜視図である。図２に示した熱間成形品は、自動車のボディ部品の一つであるピラーＰである。ピラーＰは、軽量化を図るとともに衝突安全性を高めるため、全体的にハット状の断面形状を有し、さらに、強度が作り分けられている（部分強化ないし部分軟化されている）。詳細には、ピラーＰは、焼き入れされて母材よりも高強度な第１領域６６と、焼き入れされず母材と同等の強度を維持している第２領域６７と、第１領域６６と第２領域６７間に、部分的ないし不完全に焼き入れされて、第１領域６６と第２領域６７の間の強度を有する遷移領域６８と、を有する。なお、ピラーＰには、複数の孔６５が形成されている。孔６５を抜く部分の強度を低くしたり、孔６５の周辺の強度を高くしたりすることも可能である。
【００５１】
次に、図１に例示した熱間成形方法の各工程および熱間成形装置の各要素について詳細に説明する。
【００５２】
［加熱部、赤外炉１０］
図３（Ａ）は、図１に例示した成形方法および装置において、好適に採用される赤外炉の構造を例示する正面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の赤外炉によって加熱されたブランクの温度分布の一例を示す平面図である。図３（Ｃ）は図３（Ｂ）の温度分布の一例を示すグラフである。
【００５３】
図３（Ａ）を参照すると、赤外炉１０は、下記の要素を備えている：
・赤外線加熱するブランクＷの第１領域Ｒ１と対向して配置され、相対的に高強度の第１赤外線１３ａを出力可能な複数の第１ランプ１２ａ；
・ブランクＷの第２領域Ｒ２と対向して配置され、相対的に低強度の第２赤外線１３ｂを出力可能な複数の第２ランプ１２ｂ；
・第１および第２領域Ｒ１，Ｒ２がそれぞれ置かれる第１室１１ａと第２室１１ｂ
・ランプ配列方向に沿って第１および第２ランプ１２ａ，１２ｂの間であって、ブランクＷと第１および前記第２ランプ１２ａ，１２ｂとが対向する方向に延在ないし立設される遮光壁１５。
【００５４】
第１および第２ランプ１２ａ，１２ｂは、ブランクＷの一面側に配置される。ブランクＷの他面側（一面の反対側）には、加熱効率を高めるため、反射面１４が配置される。反射面１４は、第１室１１ａ側で比較的高強度の第１反射光１４ａを生成し、第２室１１ｂ側で比較的低強度の第２反射光１４ｂを生成する。
【００５５】
第１および第２室１１ａ，１１ｂは、遮光壁１５、反射面１４および図１に示した炉壁１０ａによって、互いに分離されている。特に、遮光壁１５は、第１室１１ａと第２室１１ｂ間の障壁となって、第１赤外線１３ａが第２室１１ｂ内に、第２赤外線１３ｂが第１室１１ａ内にそれぞれ入射することを防止している。遮光壁１５は、遮光度を高めるため、ブランクＷを挟んで両側に立設される。遮光壁１５の中間部には、スリット１５ａが形成される。搬送されるブランクＷは、スリット１５ａを通過することができる。
【００５６】
図３（Ａ）に示した状態では、亜鉛による粒界割れが発生する温度を有する遷移領域Ｒ３は、第１室１１ａ側に位置している。遷移領域Ｒ３は、その一部が、遮光壁１５の直下（スリット１５ａの位置）に形成されたり、第２室１１ｂ側に形成されたりすることも考えられる。
【００５７】
［加熱工程］
図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照しながら、赤外炉１０におけるブランクＷの加熱工程について説明する。加熱工程では、例えば、第１領域Ｒ１の温度Ｔ１が８００℃以上から９５０℃以下の範囲、第２領域Ｒ２の温度Ｔ２が７００℃未満となるよう赤外線加熱を行う。第１領域の温度は、例えば８１０〜９４０℃、又は８２０〜９３０℃の範囲に設定される。第２領域Ｒ２の温度Ｔ２の下限は、少なくとも加工性を考慮して、上述したように設定することが好ましい。場合によっては、温度Ｔ２を、６００〜６９５℃、６２５〜６７５℃、又は６３０〜６７０℃の範囲に設定してもよい。
【００５８】
ここで、亜鉛による粒界割れに関係ないし発生する所定温度範囲Ｔｒを７００℃以上かつ８００℃未満と定める。遷移領域Ｒ３は、第１および第２領域Ｒ１，Ｒ２間にあるから、不可避的に、この所定温度範囲Ｔｒに含まれる部分を有することになる。また、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３は、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２間に向かって徐々に低下している。
【００５９】
第１および第２領域Ｒ１，Ｒ２の温度Ｔ１，Ｔ２は、下記のように設定してもよい：
焼き入れ温度＜Ｔ１、又はＡ３点≦Ｔ１；
Ｔ２＜焼き入れ温度より低い温度、あるいはＴ２＜Ａ１点。
【００６０】
［強制冷却部］
図３（Ｃ）に示したような温度分布を有するブランクＷを、赤外炉１０から搬出して、強制冷却部２０に搬送する。強制冷却部２０では、遷移部分Ｒ３の強制冷却が実行される。なお、加熱部１０ないし赤外炉に、強制冷却部２０を設置することもできる。
【００６１】
図４（Ａ）は、図１に例示した熱間成形方法および熱間成形装置１おいて、好適に採用される強制冷却部２０の構造を例示する正面図である。図４（Ａ）を参照すると、強制冷却部２０には、遷移領域Ｒ３に冷却媒体Ｆを吹き付けるノズル２１と、冷却媒体Ｆの当たる範囲を遷移領域Ｒ３に制限するガイド２２を有する。
【００６２】
［強制冷却工程］
強制冷却部２０では、図３（Ｃ）に示したように、亜鉛による粒界割れに関係する所定温度範囲Ｔｒ内まで不可避的に加熱された遷移領域Ｒ３に、冷却媒体Ｆを吹き付ける。この結果、図４（Ｃ）に示すように、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３は、所定温度範囲Ｔｒ未満に低下する。但し、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３は、強度に関する設計要求に応じて、第２領域Ｒ２の温度よりも高温にすることが好ましい。また、遷移領域Ｒ３は、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に向かって徐々に温度が低下する温度分布ないし温度勾配を有してもよい。これによって、強度変化の急変が緩和できる。
【００６３】
第１および第２領域Ｒ１，Ｒ２の温度Ｔ１，Ｔ２が下記のように設定される場合、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３は、所定温度範囲Ｔｒ未満であるとともに、焼き入れ温度又はＡ３点以下、かつ焼き入れ温度より低い温度超又はＡ１点超に設定することが好ましい。
焼き入れ温度＜Ｔ１、又はＡ３点≦Ｔ１；
Ｔ２＜焼き入れ温度より低い温度、あるいはＴ２＜Ａ１点。
【００６４】
［熱間成形部］
図４（Ｃ）に示したような温度分布を有するブランクＷを、強制冷却部２０から搬出して、熱間成形部３０に搬送する。熱間成形部（熱間成形及び急冷部）３０では、熱間成形とともに急冷を実行できる。なお、熱間成形部３０とは別に、急冷部を設けてもよい。
【００６５】
［熱間成形工程］
熱間成形部３０では、図４（Ｃ）に示したような温度分布を有するブランクを、成形と同時に急冷し、例えば図２に示したような形状を有する熱間成形品を製造する。熱間成形部３０は、例えばダイクエンチ装置として構成される。
【００６６】
急冷は、ブランクＷの第１領域Ｒ１が十分ないし完全に焼き入れされる速度で実行される。この急冷によって、遷移領域Ｒ３も、部分的ないし不完全に焼き入れされる。遷移領域Ｒ３の成形は、粒界割れに関係する所定温度範囲外から開始されるため、成形時、遷移領域Ｒ３における粒界割れの発生は可及的に防止される。また、第２領域Ｒ２の温度は、十分に低く設定されているため、実質的に焼き入れされない。この結果、第１領域Ｒ１の強度は比較的高く、第２領域Ｒ２の強度は比較的低く、遷移領域Ｒ３の強度は第１および第２領域Ｒ１，Ｒ２の間の強度となる。なお、遷移領域Ｒ３は、急冷前に上述した温度勾配を有するため、遷移領域Ｒ３の強度は、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に向かって徐々に低下していく。かくして、ブランクＷから得られる熱間成形品は、図４（Ｃ）に示した温度分布に基本的に比例した強度分布を有する。
【００６７】
［実験１：加熱試験］
図３（Ａ）に示したような赤外炉を用いて、図３（Ａ）〜（Ｃ）に示したような加熱温度分布が一旦形成されるよう亜鉛系めっき鋼材を加熱し、さらに、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示したような加熱温度分布が最終的に形成されるよう部分的な強制冷却を実行し、加熱温度分布の時間による変化を測定した。実験条件は下記のとおりである。
【００６８】
実験条件：
赤外炉：
ランプ形式：反射膜を付けて指向性を高めた直管
出力：近赤外線
遮光壁：
設置位置：第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の境界
寸法：炉室内高さとほぼ同等の高さ、厚さ（図３（Ａ）の左右方向の厚さ）は５ｍｍ
材質：ステンレス（ＳＵＳ３０４）
ブランク：
材質：亜鉛系めっき鋼材
寸法：(長さｌ) ５００×(幅ｗ)３００×(厚さｔ)１ｍｍ
温度設定
第１領域Ｒ１の設定温度：８６０℃
第２領域Ｒ２の設定温度：３３０℃
亜鉛による粒界割れが発生する所定温度範囲：７００℃以上８００℃未満
強制冷却：加熱開始５０秒後から５秒間、エア吹き付け
【００６９】
図５は、上記のように加熱され、さらに部分的に強制冷却された亜鉛系めっき鋼材の加熱温度分布の時間変化を示している。図５中、高温設定の第１領域Ｒ１の温度Ｔ１を点線、低温設定の第２領域Ｒ２の温度Ｔ２を二点鎖線、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３を一点鎖線でそれぞれ示す。なお、図５中、遷移領域Ｒ３を強制冷却しなかった場合（比較例）の遷移領域Ｒ３の温度Ｔ４を実線で示す。
【００７０】
図５を参照すると、加熱終了時（５０秒の時点）、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ３は、亜鉛による粒界割れの可能性がある所定温度範囲Ｔｒ（図４（Ｃ）参照）内にあった。遷移領域Ｒ３を強制冷却することにより、その温度Ｔ３は、上記所定温度範囲外まで低下した。このとき、第１領域Ｒ１の温度Ｔ１は、焼き入れ可能な温度以上に保たれていた。第２領域Ｒ２の温度Ｔ２は、強制冷却の影響をほとんど受けなかった。
【００７１】
これに対して、遷移領域Ｒ３の強制冷却を行わなかった場合、遷移領域Ｒ３の温度Ｔ４は、加熱終了後から十数秒間、上記所定温度範囲Ｔｒ内にあった。したがって、このような状態で、熱間加工を行うと、遷移領域Ｒ３に粒界割れが発生するおそれがある。
【００７２】
［実験２：引張強度試験の代用となる硬度試験］
実験１による部分的強制冷却後の温度分布（図５に示したＴ１，Ｔ２およびＴ３参照）を有するブランクをダイクエンチにより熱間成形しながら急冷した。
【００７３】
図６は、上記のようにダイクエンチされた亜鉛系めっき鋼材の熱間成形品の硬度（強度）分布を示している。なお、焼き入れによるマルテンサイト組織を有する鋼材の熱間成形品において、硬度は強度にほぼ比例する。図６を参照すると、５ｍｍ幅の遮光壁の設置によって、部分的に強制冷却したほうがよい遷移領域Ｒ３の幅は約３０ｍｍ以下となった。図６中、約−３０ｍｍよりも左側が第１領域Ｒ１に相当し、約５ｍｍよりも右側が第２領域Ｒ２に相当する。第１領域Ｒ１は十分に焼き入れされて引張強度１３００ＭＰａ以上に相当する硬度を有し、第２領域Ｒ２は焼き入れされず母材相当の引張強度約５００ＭＰａに相当する硬度を有した。遷移領域Ｒ３は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の間の硬度ないし引張強度を有した。遷移領域Ｒ３の硬度ないし引張強度は、第１領域Ｒ１から第２領域Ｒ２に向かって徐々に低下し、遷移領域Ｒ３における特性の急変が緩和された。また、熱間成形および急冷時、遷移領域Ｒ３において粒界割れは発生しなかった。
【００７４】
以上、本発明の実施形態および実施例を説明したが、本発明は、上記した実施形態等に限定されるものではなく、本発明の基本的な技術的思想を逸脱しない範囲で、更なる変形、置換又は調整を加えることができる。
【００７５】
なお、上記の特許文献および非特許文献の各開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。さらに、本願に記載の数値範囲及び上限ないし下限数値は、特に明示のない場合も、記載された数値ないし数値範囲に限定されず、任意の小範囲ないし任意の中間値が記載されているものとみなされるものとする。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、車体部品、例えば、各種ピラー、サイドメンバ、又は、ドアの構成部品であるインパクトバー等の製造に好適に利用される。
【符号の説明】
【００７７】
１  熱間成形装置（システム）
１０  加熱部、赤外炉
１０ａ  炉壁
１１ａ  第１室
１１ｂ  第２室
１２ａ  第１ランプ
１２ｂ  第２ランプ
１３ａ  高強度の第１赤外線
１３ｂ  低強度の第２赤外線
１４  反射面
１４ａ  高強度の第１反射光
１４ｂ  低強度の第２反射光
１５  遮光壁
１５ａ  スリット
２０  強制冷却部
２１  ノズル
２２  ガイド、筒状部材
３０  熱間成形部
Ｆ  冷却媒体
Ｐ  ピラー
６５  孔
６６  第１領域
６７  第２領域
６８  遷移領域
Ｗ  亜鉛系めっき鋼材製のブランク
Ｒ１  第１領域（高温領域、高強度領域）
Ｒ２  第２領域（低温領域、低強度領域）
Ｒ３  遷移領域（中温領域、徐変領域）、粒界割れ温度発生部
Ｔ１  第１領域の温度
Ｔ２  第２領域の温度
Ｔ３  遷移領域の温度
Ｔ４  遷移領域を強制冷却しなかった場合の温度変化（比較例）
Ｔｒ  亜鉛による粒界割れが発生する所定温度範囲
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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