(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト化温度以上に予熱された中空ケーシングビレットを吹込み成形工具（１）に導入し、予熱された圧力媒体を中空ケーシングの内部キャビティの中に導入することによって、前記ビレットを拡張させて工具の内壁に当てることによって成形する、焼き入れした鋼材料の中空ケーシングを吹込み成形によって製造する方法において、後続の段階で、成形された中空ケーシング（６）が、中空ケーシング内にある加熱媒体を加圧冷却媒体で入換え、かつ成形工具を冷却するために冷却媒体を成形工具の中に導くことによって、鋼材料の焼き入れをするようになった工程において、急速に冷却されることを特徴とする、前記方法。
【請求項２】
加圧加熱媒体及び加圧冷却媒体を、中空ケーシーングビレットの内部に送り込み、そして取り出すのに使用される少なくとも２つの開口を有する中空ケーシングビレット（６）の使用を特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
中空ケーシングビレット（６）の吹込み成形及び焼き入れをするために、開口を経て吹込み成形工具（１）に送り込まれ、そして吹込み成形工具（１）から取り出される媒体がガスであることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
ガス媒体として空気を使用することを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
中空ケーシングビレット（６）が吹込み成形工具（１）の中に配置される前に、吹込み成形工具（１）を予熱することを特徴とする、前記請求項の何れかに記載の方法。
【請求項６】
吹込み成形工具（１）が、その中を流れる加熱媒体によって、予め加熱されることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
吹込み成形工具（１）用の加熱媒体として、水を使用することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
中空ケーシングビレット（６）として、ホウ素鋼を使用することを特徴とする、前記請求項の何れかに記載の方法。
【請求項９】
自動車のボディーに含まれる焼き入れした金属中空ケーシングを製造するための、請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
本発明は、焼き入れした薄肉金属中空ケーシングを、吹込み成形によって製造する方法に関する。
一体の金属中空ケーシングを製造するための吹込み成形方法が、SE 64 771から以前に知られており、その方法によれば、加熱したケーシングを、加圧空気、蒸気、又は他のガス媒体のような、加熱加圧媒体を導入することによって、加熱した型の中で拡張させ、かくして、形状が型内に構成されたキャビティの形状に一致するように拡張する。材料の形成が高温で起るので、材料の実際の成形性が増すばかりでなく、材料の再結晶温度以上の温度で材料の形成が起る限り、材料の組織を変化させることなく形状の形成が起る。このために、複雑な形状の管状物品を、薄い材料で、非常に良好な寸法精度で製造することができる。
特に、自動車産業では、互いに接結されたとき、自動車のボディの荷重支持、及び保護フレーム構成部品を形成する適当なシートビレット、主として平らで比較的薄いビレットを形成するようにプレスされ、かつ焼き入れされたケーシングの代替物として、簡単で安価な手段によって、かつ薄肉低合金（low alloy）鋼ケーシング（厚さ３ｍｍ未満）を使用して、一体の焼き入れ中空ケーシングを製造する願望が長いことあった。
現在知られた管状ビーム構造の共通の要因は、管状ビーム構造が、シートビレットを互いに接結するときに、余分な製造作業、即ち溶接又は接着の必要性のために、製造に費用がかかることである。加えて、前記ビーム構造は、それらの接結設計のために、ある環境では、切り欠き効果、及びその結果として起る金属疲労によって引起こされる構造上の弱化を表わすことがある。一般に、公知技術によって製造されたビーム構造には、剛性性能に悪影響を及ぼす。
ビーム及びそれと関連した接結要素のような、自動車の安全ケージの部品を形成する構成部品の製造コストは、今までは、自動車の製造コスト全体に対して非常に高かったので、該構成部品を、自動車で移動する人の安全にとって最適な仕方で設計することができなかった。これは、特に、自動車に対する生産ライフサイクルが短くなり、同時に、安全に対する関心がもっと強くなるので、自動車産業にとって大きな問題となる。
上記の前記ビーム構造の製造と関連した生産の前記公知の技術的困難性に加えて、接結部の場所での不規則形状のために、その構造は、腐食の危険性を増加させ、かつ表面処理中容易に接近できない鋭い折曲げ部及びキャビティを有する。加えて、公知のビーム構造の不規則形態は、一体として開発された同等の一様な物品と比較して、ビーム構造の重量を増加させる。これら公知の構成部品の使用によって、可能な有効搭載量を加えた自動車自身の重量もまた増加するので、自動車の燃料消費さえも、要求されるもっと大きなエンジン性能により増加するだろう。
上記のように、かかる管状ビーム構造及び同様の要素は、今までは、プレス及び焼き入れとして知られた工程を採用する成形が以前から知られているような、適当な形状にプレスされたシートビレットを互いに接結することによって製造されており、最終形状を生じさせるシートビレットの成形と焼き入れは両方とも、１つの同じ成形工具で行われる。前記プレス及び焼き入れ工程の主な利点は、後続の焼戻しを必要とせず、物品を、焼き入れした状態で直接、使用できることである。このタイプの鋼は、ホウ素の添加により非常に良い焼き入れ特性を有するので、このタイプの製造工程に対するホウ素鋼のような炭化マンガン鋼（carbonised manganese steel）を使用するのが、特に適当であることが証明されている。
かかる製造工程は、例えば、SE 435 527によって知られ、出発材料は低合金シートビレットであり、好ましくは、鋼が、０．４％未満の炭素、鋼を製造する方法に依存した量の珪素（しかし、これは重要ではない）、更に、０．５乃至２．０％のマンガン、最大０．０５％の燐、及び最大０．０５％の硫黄、０．１乃至０．５％のクロム及び／又は０．０５乃至０．５％のモリブデン、０．１％までのチタン、０．０００５乃至０．０１％のホウ素、できる限り、各々０．２％までの量の低濃度の銅及びニッケルを加えた全体で最大０．１％までのアルミニウムを含有し、材料はオーステナイト化温度、好ましくは、７７５℃乃至１０００℃に加熱される。次いで、シートビレットは、プレス機の２つの工具の間に置かれ、工具をプレス機によって互いに向かって押付けることによって形状の大きな変化を与えられ、工具の急速冷却により、ビレットの間接的な急速冷却をし、それにより、工具の中にある間焼き入れされるので、マルテンサイト及び／又はベイナイトの、好ましくは微細な粒子構造が得られる。
この方法は、熱を導く大きな表面積を有する平らな、本質的に平面形状にだけ適用可能であり、中空ケーシングに関する本発明の場合、即ち、表面が比較的小さく、かつ接近が困難な包囲された管状形状の場合、熱を効果的に導くことによるビレットの急速な冷却ができないことを理解すべきである。
従って、上に挙げた前記SE 64 771に記載された技術は、需要の多い種類の、高強度焼き入れ中空ケーシング、言い換えれば、一体に形成された焼き入れ鋼の中空ケーシングを実現するための方法に言及していない。SE 435 527も、この方向の如何なる指針も与えていない。
上記のように、需要の多いものは主に、自動車のボディーに含まれるフレーム部品を形成するためのビーム、及びそれと関連した接結要素を形成するようにした薄肉金属中空ケーシングを達成するための手段である。
従って、本発明の１つの目的は、SE 64 771に記載され、SE 435 527によって以前から知られた技術の基礎を使用して、一体の焼き入れ鋼の中空ケーシングの製造を可能にする製造方法を得ることにある。
本発明のこの目的は、請求項１の特徴部分に記載された特徴を有することによって達成される。
プレス及び焼き入れとして知られる工程に使用される鋼と共通に、本発明による方法の適用は、硬さ及び剛性の所望の組合せを得ると同時に、後続の焼戻し段階を回避するために、主に、ホウ素合金炭素鋼又は炭化マンガン鋼の使用を意図している。
添付図面を参照して、本発明を以下に、より詳細に説明する。図１は、本発明による方法の第１の段階を行なうための装置の長手方向断面を非常に簡略化して示す。図１ａは、工程の一部の間の図１に示した装置の一部分を示す。図２は工程の第２段階中の、図１による装置を示す。図２ａは工程の一部の間の装置の一部分を示す。図３は、工程の第３段階中の図１による装置を示す。
本発明の基本を形成する原理、及び図面を参照すれば、本発明の方法を実施するための装置は、２つの相互作用する工具半部２、３の形態をなす全体的に参照番号１で指示された成形工具を含み、該工具半部２、３には、それらの間に挿入された本質的に平滑な円筒中空ケーシングビレット６を形成するためのキャビティ半部４、５が夫々構成され、該ビレットは、予熱され、内部に空気を導入することによって、キャビティ半部４、５の内壁に当たって成形されるようになっている。この中空ケーシングビレット６は、両端が開放した薄肉管からなり、好ましくは、材料の厚さが３ｍｍ以下で、適当に焼き入れ可能な材料、好ましくは、ホウ素鋼で構成される。中空ケーシングビレット６は、好ましくは、ソリッド（solid）の切れ目のないシームレス構成であるが、溶接タイプのものでも良く、その場合、好ましくは、応力除去焼きなましによって熱処理される。
成形工程中成形工具１を加熱又は冷却するために、温水か冷水のどちらかを循環させる、管路７、８が、成形工具１の各半部２、３に構成される。この媒体を送り込んだり取り出したりするために、管路７、８の一端は夫々、例えば、加熱液体又は蒸気からなる加熱媒体用の第１入口パイプ９に部分的に結合され、かつ、好ましくは、水からなる冷却媒体用の第２入口パイプ１０に部分的に結合される。同様に、前記管路７、８の他端は、冷却媒体用の第１出口パイプ１１、及び加熱媒体用の第２出口パイプ１２に部分的に結合される。
前記入口及び出口パイプは又、加熱媒体又は冷却媒体のどちらが管路７、８の中を流れるかを選択できるように、第１及び第２入口パイプ９、１０のどちらかに流れを導く、パイプと夫々関連した制御装置（図示せず）を有する。この仕方により、流れが加熱媒体からなるか、冷却媒体からなるかによって、流れが成形工具１を非常に効果的に加熱又は冷却するように、成形工具半部２、３の各管路７、８の中の流れを非常に素早く切り換えることができる。
加えて、成形工具１、もっと詳細には、その各半部２、３は、中空ケーシングビレット６とキャビティ半部の内壁４、５との間に包囲された空気が形成工程中にぬけるように、それ自身知られた仕方で、スロット又は開口（図示せず）を備え、更に、該半部２、３は、中空ケーシングビレット６の開放端を経て、媒体を導くと同時に、この媒体を中空ケーシングビレット６の内部に導入するようになった各ノズル１５、１５’のための分離可能密封リング１３、１３’を、１４、１４’で指示された第１及び第２入口位置に備える。
加熱ガス媒体用の第１入口パイプ１６が、本質的に冷却ガス媒体用の第２入口パイプ１７と同様に、一方のノズル１５に部分的に結合され、好ましくは、媒体は、両方とも空気からなる。他方のノズル１５’は、冷却媒体用の第１出口パイプ１８に部分的に結合され、かつ加熱媒体用の第２出口パイプ１９に部分的に結合される。
前記入口パイプ１６、１７及び出口パイプ１８、１９は又、どちらかの入口及び出口の夫々の流れ径路を選択できるように、前記パイプのどちらかに流れを導くための夫々関連した制御装置を有し、それにより、中空ケーシングビレット６の内部に導入されてビレット６を拡張させた加熱ガス媒体を、急速に冷却媒体に入換えることができる。加えて、両方のノズル１５、１５’は勿論、媒体が中を流れないように、閉鎖することができる。
本発明による方法は、以下のように実行される。
それ自身、予め知られた鋼材料からなる中空ケーシングビレット６は、焼き入れ温度、即ち、Ａｃ3よりも上の温度に加熱され、それにより、鋼材料はオーステナイト状態にされる。鋼は、好ましくは、７７５℃乃至１０００℃の温度に加熱される。
図１に示すように、加熱された平滑な中空ケーシングビレット６は、成形工具の半部２、３の間に導入され、該半部２、３は包囲された形態を形成する位置まで互いに押付けられる。成形工具１自身が中空ケーシングビレット６を著しく冷却することの無いように、成形工具の前記半部を、管路７、８を通る加熱媒体の流れによって予熱すると有利である。この後、ノズル１５、１５’は、中空ケーシングの各端の開口内に導入され、それにより、夫々の端と、ノズル１５、１５’との間が、密封リング１３、１３’によって密封される。図１に矢印によって示すように、予熱されたガス媒体が、ノズル１５を経て熱い中空ケーシングビレット６の内部に導入されると、ビレットは成形キャビティ４、５の内壁に当たって成形される。この時、ノズル１５’は閉鎖され、従って、媒体は、中空ケーシングビレット６の内部から流出しない。中空ケーシングビレットを成形キャビティの内壁に当てて、良好に成形するのに必要な圧力は、鋼のタイプ及び特性に大きな範囲で依存するが、最初のビレットの寸法、主に初期内容積及びケーシングの厚さにも依存する。一般に、上記に推奨したタイプの鋼の薄肉ケーシングの吹込み成形では、３０乃至８０ＭＰａの範囲にあり、換言すれば、比較的低圧であると言うことができる。
上記の圧力は、理論的には、吹込み成形を実行するのに必要とされる圧力の力を得るのに十分であるけれども、実際に適した圧力は、成形工程が完全に終了する前に、ビレットがキャビティ半部４、５の内壁に当たったビレットの初期冷却を開始しないほどの、急速で吹込み成形が起るように、幾分大きくなければならないことを指摘すべきである。
その後、焼き入れ工程を実施するのに効果的である冷却を行なうために、中空ケーシングビレット６を外側及び内側の両方で急速に冷却する。中空ケーシングビレット６の焼き入れは、内部のガスを、図１ａに示すように、ノズル１５’の出口パイプを経て導出し、更に内部のガスを、図２に方向矢印で示すように、ノズル１５の入口パイプ１７を経て導入される冷却ガス媒体、好ましくは、空気で入換えることによって行われる。同時に、成形工具１の半部２、３も、これら半部の管路７、８を通って導かれる本質的に冷却媒体、好ましくは、水によって冷却される。
成形された中空ケーシングビレット６の焼き入れ、もっと正確には、冷却は、細かい粒子のマルテンサイト及び／又はベイナイト組織が得られるように、急速に実行されるべきである。要求される冷却のスピードは、鋼の化学的組成、及びそのＣＣＴ（連続冷却変態（Continuous Cooling Transformation））曲線に依存する。中空ケーシングビレット６の冷却は、それが成形キャビティ内にあるままで、かつ中空ケーシングビレットの内部にある媒体の非常に高い圧力の維持の下に実行され、それにより、複雑な形状の焼き入れ仕上げ製品が得られ、かつ非常に良好な寸法精度が得られるように、型はそれ自身、焼き入れ工程中固定具として役立つ。焼き入れ工程全体に亘って、成形された中空ケーシングビレット６を成形工具１に良好に固定するために、加熱媒体を焼き入れ用の本質的に冷却媒体で入換えるとき、中空ケーシングビレット６内部の圧力変動を回避すべきである。
焼き入れが完了した後、冷却ガス媒体は、図２ａに示すように、成形された中空ケーシングビレット６内部から導出され、完成した中空ケーシングビレットは、図３に示すように、成形工具から取り出される。
本発明は、しかしながら、上記の説明及び図面に示されたものに限定されず、本発明の範囲内で、多数の異なる仕方で変更し、修正することができる。例えば、本発明による手順は、２つの開放端を有する管の形成による中空ケーシングに限定されず、本方法は、成形工具の設計に応じて、非常に複雑な形状及び１又はそれ以上の開口を有する中空ケーシングにも利用できることは理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図１ａ】
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【図２ａ】
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【図３】
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