(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面と該成形型面を冷却する冷却手段を有する成形型とを用い、
急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を前記成形型の前記成形型面に密接させて成形すると同時に前記冷却手段によって冷却された前記成形型面によって急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項２】
請求項１において、前記金属部材の中空室の気体の内圧を高める操作は、前記金属部材の中空室に気体を供給することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記金属部材の加熱は、加熱炉の炉室に前記金属部材を保持する操作、前記金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作、前記金属部材に通電する抵抗加熱操作の少なくとも１種で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項４】
請求項３において、前記加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作は、前記加熱炉の炉室を非酸化性雰囲気とした状態で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項５】
請求項３において、前記金属部材を誘導加熱する前記誘導加熱操作は、前記成形型の前記成形型面に対面する前記金属部材に誘導加熱用の導電部材を接近させた状態で、前記導電部材に交番電流を通電して前記金属部材を誘導加熱することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項６】
請求項３において、前記金属部材に通電する前記抵抗加熱操作は、前記成形型の前記成形型面に対面する金属部材に通電端子を接続した状態で、前記通電端子から前記金属部材に通電して前記金属部材をジュール熱で加熱することにより実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか一項において、前記金属部材は鉄系、チタン系、アルミニウム系または銅系であることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項８】
請求項１〜請求項６のいずれか一項において、前記金属部材は鉄系であり、前記金属部材はＡ１変態点以上の温度に加熱され、前記成形急冷強化工程では、前記金属部材の壁を前記成形型の前記成形型面に密接させることにより前記金属部材の少なくとも一部を焼入することを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項９】
請求項５又は６において、前記加熱操作は、前記成形型面と、前記金属部材との間に伝熱遮断部材を配置した状態で実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項において、前記金属部材の前記中空室に供給する気体は、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも１種であることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項１１】
請求項２〜請求項１０のいずれか一項において、前記金属部材の前記中空室に気体を供給する操作は、高圧気体を供給できる高圧気体供給源から実行されることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれか一項において、前記金属部材は、前記中空室に連通すると共に拡開壁面で形成された開口を有しており、前記拡開壁面の傾斜に対応する傾斜を有するシール具を、前記金属部材の前記拡開壁面に直接的にまたは間接的にあてがって前記開口をシールすることを特徴とする金属部材成形方法。
【請求項１３】
請求項１〜請求項１２のいずれか一項において、前記金属部材の加熱の前または途中において、前記冷却手段により前記成形型面の冷却をしておくことを特徴とする金属部材成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は金属部材の成形性の向上及び高強度化を図り得る金属部材成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属部材成形方法としてハイドロフォーム法が知られている。ハイドロフォーム法は、中空室を有する筒形状をなす金属部材と、目標形状に設定された成形型面を有する成形型とを用い、金属部材の中空室に水を供給することにより、金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形する技術である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記したハイドロフォーム法によれば、金属部材の中空室に水を供給することにより、金属部材の壁を膨出変形させて成形を行うことができるものの、金属部材の成形性と高強度化の双方を満足させるには限界があった。
【０００４】
殊に、最近の自動車部品等では、軽量化のため材料を薄肉化することが要請されているが、薄肉化した場合には、金属部材を成形する際の成形力を小さくできるものの、金属部材の高強度化には限界がある。
【０００５】
また材料が鉄系の場合には、軽量化のため材料を薄肉化しつつ、合金元素の増量によりハイテン化（高張力鋼化）させることも要請されているが、このように材料がハイテン化されている場合には、金属部材の高強度化を図り得るものの、材料の伸びが低下するため、材料の成形性が低下し、ハイドロフォーム法で金属部材を膨出変形させる際に亀裂等が発生するおそれがある。
【０００６】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することができる金属部材成形方法を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る金属部材成形方法は、中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面と該成形型面を冷却する冷却手段を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると同時に前記冷却手段によって冷却された前記成形型面によって急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、まず、急冷強化可能な温度領域に金属部材を加熱する。そして成形急冷強化工程では、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させる。このとき金属部材の中空室には気体が収容されているため、ハイドロフォーム法のように金属部材の中空室に水が収容されている場合に比較して、金属部材の温度を高めに維持することができる。
【０００９】
また本発明に係る金属部材成形方法によれば、上記したように膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる。このように金属部材を膨出変形させる際に、金属部材は急冷強化可能な温度領域に加熱されているため、金属部材の伸びを確保することができる。故に、金属部材の塑性変形性を向上させ、金属部材の膨出変形性、成形性を高めることができる。
【００１０】
更に上記した成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材を急冷強化させ、金属部材の高強度化を図ることができる。
【００１３】
前記金属部材を既述した金属部材成形方法によって成形することで、その金属部材の成形性及び高強度化の双方が達成されることとなる。
【００１４】
また、本発明は、中空室を有する筒形状をなす金属部材が装填される成形型と、前記成形型内で加熱された前記金属部材の前記中空室に気体を供給する気体供給手段と、前記成形型を冷却することにより、該成形型に装填された前記金属部材を冷却する冷却手段と、を含む、金属部材成形装置を用いて実施される。前記金属部材成形装置によれば、金属部材の変形及び冷却が、成形型内で連続的に行われる。すなわち、金属部材の成形及び熱処理が連続的に行われる。
【００１５】
前記金属部材成形装置は、さらに、前記成形型内に装填された前記金属部材を加熱する手段を、有することを特徴とする。前記金属部材成形装置によれば、金属部材の加熱、変形及び冷却が、成形型内で連続的に行われる。すなわち、金属部材の成形及び熱処理が連続的に行われ、作業性の向上が図られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明に係る金属部材成形方法、金属部材及び金属部材成形装置によれば、次の実施形態の少なくとも一つを採用することができる。
【００１７】
・出発材としての金属部材は中空室を有する筒形状をなす。筒形状としては円筒形状、角筒形状を採用することができる。成形急冷強化工程を実施する前の金属部材としては、直状の筒形状でも良いし、曲成部、凹部、凸部の少なくとも一つを有する筒形状でも良い。金属部材は、一体成形品でも良いし、複数の素材を接合したものでも良い。
【００１８】
金属部材の材質としては鉄系（ハイテン鋼、ステンレス鋼等の合金鋼を含む）、チタン系、アルミニウム系または銅系である実施形態を採用することができる。但しこれらに限定されるものではない。ハイテン鋼は引張強さが大きい鋼で形成された高張力鋼を意味する。ハイテン鋼としては、成形急冷強化工程を施す前の段階で、引張強さ５００ＭＰａ（≒５０ｋｇｆ／ｍｍ2）以上の鉄系金属、引張強さ６００ＭＰａ以上の鉄系金属、引張強さ８００ＭＰａ以上の鉄系金属、引張強さ１０００ＭＰａ以上の鉄系金属、引張強さ１５００ＭＰａ以上の鉄系金属を採用することができる。一般的には、ハイテン鋼は強度が高いものの、塑性変形性が必ずしも充分ではない。本発明方法及び本発明装置によれば、これらの金属部材は急冷強化に先だって加熱されるため、金属部材の塑性変形性が向上する。このため金属部材の材質がハイテン化されている場合のように塑性変形性が必ずしも充分ではない場合であっても、金属部材の膨出変形性、成形性を高めることができる。よって、金属部材の成形形状が異形である場合であっても、金属部材の成形度合が大きい場合であっても、金属部材の成形性を良好に確保することができる。
【００１９】
・金属部材の加熱は、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作、金属部材に通電する抵抗加熱操作の少なくとも１種で実行される実施形態を採用することができる。これらの各操作の少なくとも２種を併用することもできる。即ち、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行った後に、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作を行うことができる。また、加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行った後に、金属部材に通電する抵抗加熱操作を行うことができる。更に加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作を行うことなく、金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作と、金属部材に通電する抵抗加熱操作とを行うことができる。金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作と、金属部材に通電する抵抗加熱操作とは、時間的に同時にまたは時間的にずらして行うこともできる。
【００２０】
・加熱炉の炉室に金属部材を保持する操作は、加熱炉の炉室を非酸化性雰囲気とした状態で実行される実施形態を採用することができる。非酸化性雰囲気としては、真空雰囲気、還元性ガス雰囲気、不活性ガス雰囲気の少なくとも１種を採用することができる。還元性ガス雰囲気としては、ＣＯガス雰囲気、ＣＯを含むガス雰囲気の少なくとも１種を採用することができる。不活性ガス雰囲気としては窒素ガス雰囲気、アルゴンガス等の希ガス雰囲気を採用することができる。
【００２１】
・金属部材を誘導加熱する誘導加熱操作は、成形型の成形型面に対面する金属部材に誘導加熱用の導電部材を接近させた状態で、導電部材に交番電流を通電して金属部材を誘導加熱することにより実行される実施形態を採用することができる。誘導加熱用の導電部材は、コイル形状であっても良いし、板状であっても良く、要するに金属部材を誘導加熱できれば良い。誘導加熱用の導電部材に通電する交番電流の周波数としては、金属部材を誘導加熱できる周波数の範囲内において、金属部材の材質、設備コスト、誘導加熱性等を考慮して適宜選択することができ、低周波の周波数領域、中周波の周波数領域、高周波の周波数領域を必要に応じて採用することができる。周波数としては、例えば０．５ｋＨｚ〜５０００ｋＨｚ、殊に１ｋＨｚ〜２０００ｋＨｚを採用することができる。但しこれらの周波数に限定されるものではない。
【００２２】
なお、導電部材に高周波の交番電流を通電して金属部材を誘導加熱する場合には、金属部材のうち導電部材に近接している表層を効率よく加熱できる近接効果と、金属部材の表層を電流が流れる表皮効果とを期待できるため、金属部材の表層を効率的に加熱することができる。
【００２３】
・金属部材に通電する抵抗加熱操作は、成形型の成形型面に対面する金属部材に通電端子を接続した状態で、通電端子から金属部材に通電して金属部材をジュール熱で加熱することにより実行される実施形態を採用することができる。通電端子から金属部材に通電する電流としては直流でも良いし、交番電流（交流）でも良い。交番電流の場合には、周波数としては、金属部材の材質、設備コスト、抵抗加熱性等を考慮して、低周波の周波数領域、中周波の周波数領域、高周波の周波数領域を必要に応じて採用することができる。周波数としては、例えば０．５ｋＨｚ〜５０００ｋＨｚ、殊に１ｋＨｚ〜２０００ｋＨｚを採用することができる。但しこれらの周波数に限定されるものではない。なお、通電端子から金属部材に高周波の交番電流を通電する場合には、金属部材の表層を電流が流れる表皮効果を期待できるため、金属部材の表層を効率的に加熱することができる。
【００２４】
・金属部材は鉄系であり、金属部材をＡ１変態点（焼入可能温度）以上の温度領域に加熱する実施形態を採用することができる。Ａ１変態点以上は、オーステナイト生成温度よりも高い温度領域を意味する。場合によっては、Ａ３変態点以上の温度領域に加熱する実施形態を採用することもできる。なお金属部材の加熱温度の上限としては、金属部材の母材の液相生成温度とすることが好ましい。
【００２５】
・成形急冷強化工程では、金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材の少なくとも一部を焼入してマルテンサイト化を促進させることができる。このように焼入すれば、金属部材の強化を図り得る。また、急冷強化にあたり、マルテンサイトと共にまたはマルテンサイトに代えて、トルースタイトまたはソルバイト等が生成する形態でも良い。トルースタイトまたはソルバイトは、マルテンサイトが生成するときの冷却速度よりも冷却速度が遅い場合に生成し易い。
【００２６】
・金属部材が鉄系である場合には、焼入性を高めるべく、焼入倍数が高い合金元素を含むことができる。焼入倍数が高い合金元素としては、炭素、マンガン、シリコン、ニッケル、クロム、モリブデンが挙げられ、これらの合金元素の少なくとも１種を含むことができる。金属部材が鉄系である場合には、材料をハイテン化させるには、上記した合金元素の少なくとも１種（例えば炭素）の含有量が増加されることが多い。
【００２７】
・成形型は、成形型を冷却させる冷却手段を備えている実施形態を採用することができる。冷却手段としては、成形型の内部に冷却通路を形成し、冷却通路に冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を供給する方式、成形型の成形型面に冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を接触させる方式の少なくとも１種を採用することができる。成形型の材質としては、炭素鋼や合金鋼等の熱伝導性が良好で且つ耐久性の良い金属を例示することができる。
【００２８】
・本発明方法及び本発明装置によれば、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させ、成形型の成形型面に密接させる。金属部材の中空室の気体の内圧を高める操作は、金属部材の中空室に気体を供給することにより実行される実施形態を採用することができる。金属部材の中空室に供給する気体としては、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも１種を採用することができる。窒素富化ガスは窒素濃度が高いガスをいう。アルゴン富化ガスはアルゴンガスの濃度が高いガスをいう。
【００２９】
・金属部材の中空室に気体を供給する操作としては、高圧気体を供給できる高圧気体供給源から実行される実施形態を採用することができる。高圧気体の圧力は、金属部材の成形性を考慮すると高いほうが好ましい。高圧気体の圧力としては、例えば１０ＭＰａ以上、１５ＭＰａ以上、２０ＭＰａ以上、３０ＭＰａ以上を設定できるが、実用性を考慮すると、１５〜２５ＭＰａ、１７〜２３ＭＰａ、１９〜２１ＭＰａ、２０ＭＰａが好ましい。高圧気体供給源としてはボンベ、工場エア源等を例示することができる。
【００３０】
・金属部材は、中空室に連通すると共に拡開壁面で形成された開口を有している実施形態を採用することができる。この場合、金属部材の拡開壁面の傾斜に対応する傾斜を有するシール具を、金属部材の拡開壁面に直接的にまたは間接的にあてがって金属部材の開口をシールする実施形態を採用することができる。この場合、金属部材の開口を形成する拡開壁面にシール具をあてがうため、金属部材の開口を形成する拡開壁面におけるシールが良好に行われる。従って金属部材の中空室を高圧化させるのに有利となる。
【００３１】
金属部材成形方法としては、金属部材を成形型内に装填（配置）する工程と、成形型内に装填され金属部材を加熱する工程と、成形型内で加熱された金属部材の中空室に気体を供給することにより、該金属部材を塑性変形させ、該金属部材の所定面を成形型の所定面に密接させると同時に、該金属部材が成形型内に挿入された状態で成形型を冷却することにより冷却されている成形型面によって、金属部材を冷却する工程とを含む実施形態を採用することができる。
【００３２】
また、金属部材成形方法としては、金属部材を加熱する工程と、加熱された金属部材を成形型内に装填（配置）する工程と、加熱後に成形型内に装填された金属部材の中空室に気体を供給することにより、該金属部材を塑性変形させ、該金属部材の所定面を成形型の所定面に密接させると同時に、該金属部材が成形型内に挿入された状態で成形型を冷却することにより冷却されている成形型面によって、金属部材を冷却する工程とを含む実施形態を採用することができる。
【００３３】
所望とする形状の付与された金属部材は、既述した金属部材成形方法のいずれか１つの方法によって成形されたものである。金属部材を所望とする形状に成形する際に、既述した金属部材成形方法のいずれか１つの方法を用いることで、その金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することが可能となる。
【００３４】
金属部材成形装置としては、中空室を有する筒形状をなす金属部材が装填される成形型と、成形型内で加熱された金属部材の中空室に気体を供給する気体供給手段と、成形型を冷却することにより、該成形型に装填された金属部材を冷却する冷却手段とを含む実施形態を採用することができる。気体供給手段としては、既述した高圧気体供給源を例示することができ、高圧気体供給源は、ボンベ、バルブ、供給管等を有する。
【００３５】
更に、成形型と気体供給手段と冷却手段とを含む金属部材成形装置においては、成形型内に装填された金属部材を加熱する手段を有するようにしてもよい。この場合、金属部材を加熱する手段としては、例えば、既述した誘導加熱操作や抵抗加熱操作が挙げられる。
【００３６】
【実施例】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１〜図３を参照して具体的に説明する。本実施例は、出発材としての金属部材１に対して、代表的な急冷強化である焼入強化を行う例である。本実施例に係る成形方法で用いる金属部材１は、中空室１０を有する円筒形状をなしており、鉄系金属で形成されている。焼入前の鉄系金属はハイテン化（高張力鋼化）されており、具体的には、引張強さ６００ＭＰａ（≒６０ｋｇｆ／ｍｍ2）以上の鉄系金属で形成されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない。
【００３７】
本実施例によれば、図１に示すように、素管状の金属部材１の両端部に拡開加工を施すことにより、端１２ｃに向かうにつれて拡開する拡開部１２が予め形成されている。拡開部１２の内壁面である拡開壁面１３は、中空室１０に連通する開口１３ｘを形成している。
【００３８】
まず加熱工程では、金属部材１を加熱炉２の炉室２０に所定時間保持し、金属部材１を急冷強化可能な温度領域、つまりＡ１変態点以上の温度領域に加熱する。この場合、必要に応じて、金属部材１をＡ３変態点以上の温度領域に加熱することもできる。これにより金属部材１の組織の全部または一部はオーステナイト化される。加熱炉２の炉室２０は非酸化性雰囲気に保持されているため、加熱中の金属部材１の酸化及び脱炭が抑えられる。非酸化性雰囲気としては、真空雰囲気、還元性ガス雰囲気、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気等を必要に応じて採用することができる。
【００３９】
次に、上記したように目標温度領域に加熱した金属部材１を加熱炉２から取り出し、図２に示すように、その金属部材１を成形型３内に配置（装填）する。成形型３は代表的な金属材料である鋼系材料で形成されており、目標形状に設定された成形型面３１を有する。この場合、金属部材１の壁１ａの強化要請部位が成形型３の成形型面３１に接触しないように、金属部材１を配置することが好ましい。成形型３の内部には、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体が流れる冷却通路３３が冷却手段として形成されている。冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体が冷却通路３３に流れると、成形型３は冷却され、被成形物である金属部材１を成形型３の成形型面３１で急冷させることができる。なお、上記した加熱工程の前にまたは加熱工程の途中において、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型３の冷却通路３３に流して成形型３を冷却しておくことが好ましい。
【００４０】
本実施例に係る成形急冷強化工程では、図２に示すように、金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３の傾斜に対応する傾斜を備えたシール面４４を有する２個１組のシール具４０，４１を用いる。シール具４０，４１は金属または耐火物で形成することができる。一方のシール具４０は気体供給手段としての高圧気体供給源５に接続される通路４０ａを有する。他方のシール具４１は密閉機能を有しているものの、高圧気体供給源５には接続されていない。高圧気体供給源５は高圧の気体を供給するものであり、高圧気体が封入されたボンベ５０と、ボンベ５０を開閉する開閉弁５１を有するバルブ５２と、ボンベ５０に封入されている気体の圧力を検出する圧力検出手段として機能する圧力計５３と、バルブ５２から導出された供給通路として機能する可撓性を有する供給管５４とを有する。
【００４１】
そして図２に示すように、シール具４０，４１を金属部材１の両端の開口１３ｘに嵌め、シール面４４を金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３に直接的にあるいは図略の中間部材を介して間接的にあてがってシールする。この場合、金属部材１の壁１ａと成形型面３１との間には空間Ｗが介在している。
【００４２】
本実施例に係る成形急冷強化工程では、上記したようにシール具４０，４１を金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３にシールした状態で、高圧気体供給源５の高圧（例えば２０ＭＰａ）の気体を金属部材１の中空室１０に供給する。具体的には、高圧気体供給源５の開閉弁５１を開放させることにより、高圧気体供給源５のボンベ５０の高圧の気体を供給管５４及び一方のシール具４０の通路４０ａを経て金属部材１の中空室１０に供給する。
【００４３】
これにより金属部材１の中空室１０の気体の内圧を高め、金属部材１の壁１ａをこれの径方向の外方に膨出変形（塑性変形）させ、成形型３の成形型面３１に密接させる。図３に示すように、これにより金属部材１の壁１ａが成形型面３１に沿って成形される。更に成形と同時に、金属部材１の壁１ａが成形型３の成形型面３１によって急冷されるため、金属部材１の壁１ａは焼入される。
【００４４】
本実施例に係る成形急冷強化工程の直前または途中の段階において、焼入性を高めるべく、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型３の冷却通路３３に流して成形型３を冷却することが好ましい。
【００４５】
金属部材１の中空室１０に供給する気体としては、空気、窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスの少なくとも１種を必要に応じて採用することができる。コスト低減を考慮すると、空気を採用することができる。金属部材１の酸化抑制を考慮すると、酸化能力が低いか有しない窒素ガス、窒素富化ガス、アルゴンガス、アルゴン富化ガスを採用することができる。なお、上記したように金属部材１の成形及び焼入が終了すれば、金属部材１とシール具４０，４１とを分離させると共に、所望とする形状の付与された金属部材１を成形型３から分離させる。
【００４６】
以上説明したように本実施例によれば、膨出変形の際に金属部材１は高温領域に加熱されているため、金属部材１を構成する材料がハイテン化された金属材料で形成されて塑性変形性が低下しているといえども、金属部材１の塑性変形性を向上させることができる。このため金属部材１の膨出変形性、ひいては成形性を高めることができる。
【００４７】
更に本実施例によれば、成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材１の壁１ａを成形型３の成形型面３１に密接させることにより、金属部材１の壁１ａから奪熱し、金属部材１の壁１ａを焼入することができる。これにより金属部材１の壁１ａを強化することができる。即ち、上記したように本実施例によれば、金属部材１の壁１ａの成形性及び高強度化の双方を同時に達成することができる。
【００４８】
このように金属部材１を強化できる本実施例によれば、焼入前の状態で引張強さ６００ＭＰａ（≒６０ｋｇｆ／ｍｍ2）以上の鉄系金属で形成された金属部材１を用いているにもかかわらず、上記した焼入によって、金属部材１を構成している鉄系金属を引張強さ１０００ＭＰａ（≒１００ｋｇｆ／ｍｍ2）以上または１２００ＭＰａ以上、場合によっては１５００ＭＰａ以上に強化させることができる。
【００４９】
本実施例によれば、前述したように、成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材１の壁１ａを成形型３の成形型面３１に密接させることにより、金属部材１の壁１ａを焼入強化することにしている。従って、加熱工程における金属部材１の加熱温度、成形型３の成形型面３１の冷却能を適宜調整すれば、金属部材１の壁１ａの厚み方向において、成形型３の成形型面３１に対面して密接する一方の表層１ｃ（外側表層）の冷却速度を、成形型３の成形型面３１に背向する他方の表層１ｄ（内側表層）の冷却速度よりも速くできる。
【００５０】
換言すれば、金属部材１の壁１ａの厚み方向において、成形型３の成形型面３１に対面して密接する一方の表層１ｃ（外側表層）の冷却速度よりも、成形型３の成形型面３１に背向する他方の表層１ｄ（内側表層）の冷却速度を遅くできる。従って、金属部材１の壁１ａの厚み方向において、成形型３の成形型面３１に対面して密接する一方の表層１ｃ（外側表層）の焼入性を高めてこの部分の高強度化を図ると共に、成形型３の成形型面３１に背向する他方の表層１ｄ（内側表層）の焼入性を抑えてこの部分の靱性を確保することもできる。即ち、金属部材１の壁１ａの厚み方向において焼入強化の度合を変化させることができ、金属部材１の高強度化と耐衝撃性の双方を高める効果も期待することができる。
【００５１】
加えて本実施例によれば、金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３の傾斜に対応する傾斜を備えたシール面４４を有するシール具４０，４１を用い、シール具４０，４１を金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３に押し付けることにより、金属部材１の開口１３ｘのシールを行うため、金属部材１とシール具４０，４１との境界領域のシール性を良好に確保することができ、金属部材１の中空室１０の高圧化を効果的に達成することができ、金属部材１の壁１ａの膨出変形性を高めることができる。
【００５２】
なお本実施例によれば、焼入後において、金属部材１の両端部の拡開部１２は不必要であれば、拡開部１２を切断により除去しても良いし、あるいは、拡開部１２が必要であれば残すことにしても良い。
【００５３】
（第２実施例）
以下、本発明の第２実施例について図４及び図５を参照して具体的に説明する。本実施例は、第１実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第１実施例と相違する部分を中心として説明する。本実施例は、第１実施例と同様に、代表的な急冷強化である焼入強化を金属部材１に対して行う例である。本実施例に係る金属部材１は、中空室１０を有する筒形状をなしており、焼入可能な鉄系金属で形成されている。鉄系金属は高強度化のためハイテン化（高張力鋼化）されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない。
【００５４】
まず加熱工程では、成形型３の成形型面３１に金属部材１の壁１ａが対面するように、金属部材１を成形型３内に配置（装填）する。この場合、成形型３の成形型面３１に金属部材１の壁１ａの強化部位が接触しないように、金属部材１を配置することが好ましい。そして図４に示すように、金属部材１の中空室１０内に誘導加熱用のコイル状の導電部材６を配置する。即ち、成形型３の成形型面３１に対面する金属部材１に誘導加熱用の導電部材６を接近させる。この加熱工程では、成形型３の昇温を防止すると共に金属部材１の温度低下を防止するため、成形型３と金属部材１とを非接触状態にしておくことが好ましい。
【００５５】
上記したように金属部材１の中空室１０内に誘導加熱用の導電部材６を接近させて配置した状態で、導電部材６に高周波の交番電流を通電して金属部材１を誘導加熱する。導電部材６に通電する交番電流としては、金属部材１の壁１ａのうち強化要請部分をＡ１変態点以上またはＡ３変態点以上の温度領域に誘導加熱できる周波数及び電流値とする。このように導電部材６に高周波の交番電流を通電して金属部材１の壁１ａを誘導加熱する場合には、金属部材１の壁１ａのうち導電部材６に近接している表層を効率よく加熱できる近接効果と、金属部材１の表層を電流が流れる表皮効果とを期待できるため、金属部材１の壁１ａの表層を効率的に加熱することができる。このような誘導加熱の結果、金属部材１の組織の全部または一部は短時間にオーステナイト化される。
【００５６】
本実施例によれば、金属部材１を誘導加熱する加熱工程において成形型３の成形型面３１の温度上昇を抑えるため、必要に応じて、図４に示すように成形型３の成形型面３１と金属部材１との間に伝熱遮断部材９を配置することができる。伝熱遮断部材９としては、断熱性が高く、且つ、磁束遮断性が高いものが好ましい。なお、上記した加熱工程の前にまたは加熱工程の途中において、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型３の冷却通路３３に流して成形型３を冷却しておくことが好ましい。
【００５７】
次に、加熱工程を終えたら、伝熱遮断部材９を用いている場合には、伝熱遮断部材９を成形型３から離脱させる。上記した加熱工程を終えたら、成形急冷強化工程を行う。即ち、成形型３の成形型面３１を金属部材１に近づける。この場合、図５に示すように金属部材１の壁１ａと成形型面３１との間には空間Ｗが介在している。更に、第１実施例の場合と同様に、図５に示すように、金属部材１の拡開壁面１３の傾斜に対応する傾斜を有するシール具４０，４１を用い、シール具４０，４１を金属部材１の拡開壁面１３に直接的に、あるいは、中間部材を介して間接的にあてがってシールする。
【００５８】
このようにシール具４０，４１を金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３にシールした状態で、開閉弁５１を開放することにより、高圧気体供給源５のボンベ５０の高圧の気体を供給管５４及びシール具４０の通路４０ａを経て金属部材１の中空室１０に供給する。これにより金属部材１の中空室１０の気体の内圧を高め、金属部材１の壁１ａをこれの径方向の外方に膨出変形（塑性変形）させ、成形型３の成形型面３１に密接させる。これにより金属部材１の壁１ａを成形型３の成形型面３１に沿って成形し、成形急冷強化工程を行う。
【００５９】
なお、本実施例に係る成形急冷強化工程の直前または途中の段階において、焼入性を高めるべく、冷却水や冷媒ガス等の冷却媒体を成形型３の冷却通路３３に流して成形型３を冷却することが好ましい。
【００６０】
以上説明したように本実施例によれば、第１実施例の場合と同様に、金属部材１はハイテン化（高張力鋼化）されており、塑性変形性は必ずしも充分ではない鉄系金属で形成されているといえども、膨出変形の際に金属部材１は高温領域に加熱されているため、金属部材１の塑性変形性を向上させ、金属部材１の膨出変形性、ひいては成形性を高めることができる。
【００６１】
また本実施例によれば、成形急冷強化工程では、焼入温度以上に誘導加熱した金属部材１の壁１ａを膨出変形させて成形型３の成形型面３１に密接させることにより、金属部材１の壁１ａを焼入し、これにより金属部材１を強化させることができる。従って本実施例によれば、第１実施例の場合と同様に、金属部材１の壁１ａの成形性及び高強度化の双方を同時に達成することができる。
【００６２】
更に本実施例によれば、成形型３の成形型面３１に対面する金属部材１の壁１ａに誘導加熱用の導電部材６を接近させた状態で、導電部材６に高周波の交番電流を通電して金属部材１を誘導加熱する。このため金属部材１の壁１ａを目標温度領域に加熱した直後に開閉弁５１を開放して、高圧気体供給源５のボンベ５０の高圧の気体を金属部材１の中空室１０に供給し、金属部材１の壁１ａを膨出変形させて成形することができる。このため目標温度領域に加熱した金属部材１を加熱炉２から取り出して成形型３まで搬送する工程を廃止することができ、金属部材１の温度低下を抑えることができる。故に、金属部材１の成形直前及び焼入直前には、金属部材１の壁１ａの温度をできるだけ高温に維持することができ、金属部材１の成形及び焼入の双方を良好に行うことができる。
【００６３】
また本実施例によれば、金属部材１の壁１ａが成形型３の成形型面３１に触れたときに、成形型３の成形型面３１による焼入強化を行うことができる。
【００６４】
なお本実施例によれば、金属部材１を加熱する加熱工程を実施した後に、シール具４０，４１を金属部材１の拡開壁面１３にあてがってシールすることにしているが、これに限らず、金属部材１を加熱する加熱工程途中において、あるいは、加熱工程の前に、シール具４０，４１を金属部材１の拡開壁面１３にあてがっておいても良い。
【００６５】
（第３実施例）
以下、本発明の第３実施例について図６及び図７を参照して具体的に説明する。本実施例は、第２実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第２実施例と相違する部分を中心として説明する。加熱工程では、成形型３の成形型面３１に金属部材１の壁１ａが対面するように、金属部材１を成形型３内に配置（装填）する。この場合、成形型３の成形型面３１に金属部材１の強化要請部位が接触しないように、金属部材１を配置することが好ましい。
【００６６】
そして金属部材１を抵抗加熱操作によりＡ１変態点以上またはＡ３変態点以上の温度領域に加熱する。即ち、図６に示すように、成形型３の成形型面３１に対面する金属部材１の端部である拡開部１２に通電端子７を接続し、その状態で、通電端子７から金属部材１に通電して金属部材１の壁１ａをジュール熱でＡ１変態点以上またはＡ３変態点以上の温度領域に加熱する。通電端子７は銅系、アルミニウム系、チタン系、鉄系等のような導電性の良好な金属で形成することができる。通電端子７から金属部材１に通電する電流としては直流でも良いし、交番電流（交流）でも良い。
【００６７】
通電端子７から金属部材１に通電する電流が交番電流である場合には、周波数としては低周波数の領域、中周波数の領域、高周波数の領域を必要に応じて採用することができる。なお、通電端子７から金属部材１に高周波の交番電流を通電する場合には、金属部材１の表層を電流が流れる表皮効果を期待できるため、金属部材１の壁１ａの表層を効率的に加熱することができる。
【００６８】
本実施例においても、成形急冷強化工程では、図７に示すように、金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３の傾斜に対応する傾斜を有するシール具４０，４１を用いる。そして、シール具４０，４１を金属部材１の拡開部１２の拡開壁面１３に直接的に、あるいは、中間部材を介して間接的にあてがってシールする。このようにシール具４０，４１を金属部材１の拡開壁面１３にシールした状態で、開閉弁５１を開放することにより、高圧気体供給源５のボンベ５０の高圧の気体を供給管５４及びシール具４０の通路４０ａを経て金属部材１の中空室１０に供給する。これにより金属部材１の中空室１０の気体の内圧を高め、金属部材１の壁１ａをこれの径方向の外方に膨出変形（塑性変形）させ、成形型３の成形型面３１に密接させる。これにより金属部材１の壁１ａが成形型面３１に沿って成形される。
【００６９】
以上説明したように本実施例によれば、第１実施例及び第２実施例の場合と同様に、膨出変形の際に金属部材１は高温領域に加熱されているため、金属部材１がハイテン化された鉄系金属で形成されているといえども、金属部材１の塑性変形性を向上させることができ、金属部材１の膨出変形性、成形性を高めることができる。
【００７０】
また本実施例によれば、成形急冷強化工程では、焼入温度以上に抵抗加熱した金属部材１の壁１ａを膨出変形させて成形型３の成形型面３１に密接させることにより、金属部材１の壁１ａを焼入し、金属部材１の壁１ａを強化させることができる。従って本実施例によれば、第１実施例の場合と同様に、金属部材１の壁１ａの成形性及び高強度化の双方を達成することができる。
【００７１】
更に本実施例によれば、成形型３の成形型面３１に対面する金属部材１に通電端子７を接続した状態で、通電端子７から金属部材１に通電して加熱する。このため金属部材１の壁１ａを加熱した直後に、高圧の気体を金属部材１の中空室１０に供給して金属部材１の壁１ａを膨出変形させることができる。このため目標温度領域に加熱した金属部材１を加熱炉２から取り出して成形型３まで搬送する工程を廃止することができ、金属部材１の温度低下を抑えることができる。故に、金属部材１の成形直前及び焼入直前の状態において、金属部材１の温度を高温に維持することができる。従って、加熱した金属部材１の温度降下を抑えつつ、金属部材１の成形及び焼入の双方を良好に行うことができる。
【００７２】
加えて本実施例によれば、加熱工程において成形型３の成形型面３１の温度上昇を抑えるため、必要に応じて、図６に示すように、成形型３の成形型面３１と金属部材１との間に伝熱遮断部材９を配置することができる。伝熱遮断部材９としては、断熱性が高く、且つ、磁束遮断性が高いものが好ましい。
【００７３】
（第４実施例）
以下、本発明の第４実施例について図８及び図９を参照して具体的に説明する。本実施例は、第２実施例と基本的には同様の構成を有し、基本的には同様の作用効果を奏する。以下、第２実施例と相違する部分を中心として説明する。本実施例においても、加熱工程では、成形型３の成形型面３１に金属部材１の強化要請部位が密接しないように、金属部材１を配置することが好ましい。この場合、成形型３の成形型面３１に金属部材１の壁１ａが対面している。
【００７４】
本実施例においても、金属部材１を抵抗加熱操作によりＡ１変態点以上またはＡ３変態点以上の温度領域に加熱する。即ち、図８に示すように、成形型３の成形型面３１に対面する金属部材１の端部である拡開部１２に通電端子７を接続し、その状態で、通電端子７から金属部材１に通電して金属部材１の壁１ａをジュール熱で加熱する。また金属部材１の中空室１０に誘導加熱用の導電部材６を配置し、導電部材６に高周波の交番電流を通電することにより、金属部材１の壁１ａを誘導加熱する。
【００７５】
このように本実施例によれば、金属部材１の加熱にあたり、通電端子７による通電抵抗加熱と、誘導加熱用の導電部材６による誘導加熱とを複合的に併用しているため、金属部材１を効率よく加熱することができる。殊に、金属部材１の壁１ａのうち、塑性加工度が最も高い部位、あるいは、焼入強化が最も要請される部位に、誘導加熱用の導電部材６を接近させるため、当該部位を効果的に高温領域に加熱することができ、当該部位における塑性変形性及び焼入性を高めることができる。なお、本実施例においても、図９から分かるように、第２実施例と同様の成形急冷強化工程が行われる。
【００７６】
（適用例）
図１０は適用例１を示す。適用例１では、出発材としての直状円筒形状の金属部材１Ｂを用い、この直状円筒形状の金属部材１Ｂに対して、上記した各実施例に係る加熱工程、成形急冷強化工程を実施している。図１１は適用例２を示す。適用例２では、機械プレス加工により予め曲成部１ｒを形成した出発材としての筒形状の金属部材１Ｃを用いる。更に金属部材１Ｃに対して、溝加工を施して溝１ｓを形成する。そして溝加工を施した金属部材１Ｃに対して、上記した各実施例に係る加熱工程、成形急冷強化工程を実施している。本発明に係る金属部材１としては、車両のサスペンション機構に使用されるビーム、サスペンションメンバー、または、バンパーに付設されるバンパーレインフォースに適用することができる。また、車両の前席と後席との間に配置されるセンターピラー自体、あるいは、センターピラーにあてがわれてセンターピラーを補強するセンターピラーレインフォースに適用することもできる。
【００７７】
（その他）
前記した第１実施例によれば、金属部材１の両端部には拡開部１２が形成されているが、拡開部１２を形成することなく、金属部材１の両端部にシール具４０，４１を取り付けることもできる。また金属部材の拡開部１２は、加熱前に形成する必要はなく、加熱後のシール時と同時に形成しても良い。前記した第１実施例によれば、シール具４０，４１のシール面４４は円錐面状に傾斜しているが、これに限らず、直筒形状でも良い。
【００７８】
第１実施例によれば、一方のシール具４０は高圧気体供給源５に接続される通路４０ａを有し、他方のシール具４１は密閉機能を有しているものの、高圧気体供給源５には接続されていない。これに限らず、他方のシール具４０にも、高圧気体供給源５に接続される通路を形成しても良い。この場合、金属部材１の両端部から高圧の気体が供給される。
【００７９】
また第１実施例によれば、高圧気体供給源５は、高圧気体が封入されたボンベ５０と、ボンベ５０を開閉する開閉弁５１を有するバルブ５２と、ボンベ５０に封入されている気体の圧力を検出する圧力計５３と、バルブ５２から導出された供給通路として機能する可撓性を有する供給管５４とを有するが、これに限らず、高圧状態の気体により瞬間的に金属部材１を膨出変形させるものでも良く、要するに、高圧気体供給源５は金属部材１の中空室１０に気体を供給して金属部材１を所望とする形状に膨出成形できるものであれば良い。
【００８０】
更に第１実施例によれば、金属部材１を構成する焼入前の鉄系金属はハイテン化（高張力鋼化）されており、引張強さ６００ＭＰａ（≒６０ｋｇｆ／ｍｍ2）以上の鉄系金属とされているが、これに限らず、金属部材を構成する材料は、通常の炭素鋼や合金鋼でも良く、要するに成形型３の成形型面３１により急冷強化できるものであれば良い。
【００８１】
また第１実施例によれば、金属部材１を加熱する加熱工程と、金属部材１の壁１ａを膨出変形させる成形急冷強化工程とを分けているが、これに限らず、場合によっては、成形急冷強化工程の途中段階において金属部材１を加熱しても良い。例えば、金属部材１の壁１ａを膨出変形させる成形急冷強化工程の初期段階または中期段階において、金属部材１を加熱することにしても良い。
【００８２】
図６に示す第３実施例によれば、金属部材１の端部に通電端子７を接続しているが、通電端子７の構造及び材質は適宜選択することができる。要するに通電端子７は金属部材１に通電してこれを抵抗加熱できるものであればよい。第３実施例によれば、通電端子７は金属部材１の端部に接続されているが、これに限らず、金属部材１の中間部位に接続されていても良い。
【００８３】
前記した第２実施例及び第３実施例によれば、金属部材１を加熱する加熱工程において、成形型３と金属部材１とを非接触にしているが、これに限らず、加熱工程において金属部材１の保持等のために、成形型３と金属部材１とを部分的に接触させておいても良い。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【００８４】
（付記）上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）中空室を有するハイテン化された鉄系金属で形成された筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とする金属部材成形方法。この場合、ハイテン化された鉄系金属で形成された金属部材を、成形性を確保しつつ、更に一層強化させることができる。
（付記項２）中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に前記金属部材を加熱する加熱工程と、加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程とを実施することを特徴とする金属部材成形方法。
（付記項３）車両のセンターピラーを補強するセンターピラーレインフォースとなると共に中空室を有する筒形状をなす金属部材と、成形型面を有する成形型とを用い、急冷強化可能な温度領域に加熱した前記金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、前記金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた前記金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる成形急冷強化工程を実施することを特徴とするセンターピラーレインフォースの成形方法。この場合、センターピラーレインフォースの成形性を確保しつつ、高強度化を図ることができ、車両の耐側面衝突性を高めることができる。
（付記項４）各請求項または各付記項において、金属部材の加熱は、金属部材を成形型の成形型面に対面させた状態で行われることを特徴とする金属部材成形方法。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、急冷強化可能な温度領域に金属部材を加熱する。そして成形急冷強化工程では、金属部材の中空室の気体の内圧を高めることにより、金属部材の壁を膨出変形させ、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させて成形すると共に急冷強化させる。膨出変形の際に金属部材は加熱されているため、金属部材の塑性変形性が向上し、金属部材の膨出変形性、ひいては成形性が高まる。更に成形急冷強化工程では、膨出変形させた金属部材の壁を成形型の成形型面に密接させることにより、金属部材は急冷強化される。従って金属部材の成形性及び高強度化の双方を達成することができる。
【００８６】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、加熱工程における金属部材の加熱温度、金属部材の厚み、成形型の成形型面の冷却能を適宜調整すれば、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の冷却速度を、成形型の成形型面に背向する他方の表層の冷却速度よりも速くできる。換言すれば、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の冷却速度よりも、成形型の成形型面に背向する他方の表層の冷却速度を遅くできる。従って、金属部材の壁の厚み方向において、成形型の成形型面に対面して密接する一方の表層の焼入性を高めてその部分の高強度化を図りつつ、成形型の成形型面に背向する他方の表層の焼入性を抑えてその部分の靱性を高めることもできる。
【００８７】
本発明に係る金属部材成形方法によれば、金属部材を成形型内に保持した状態で、該金属部材の冷却、或いは加熱及び冷却等の熱処理、具体的に一例を挙げると焼入れを行って金属部材の表面等を強化することができる。したがって、本発明によれば、比較的成形が困難な金属部材についても、気体を用いた成形手段によって、該金属部材を容易に成形することができる上に、該金属部材の高強度化も効率良く達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係り、金属部材の両端部に拡開部を形成し、加熱炉の炉室に配置する過程を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施例１に係り、加熱した金属部材を成形型に配置した状態を模式的に示す断面図である。
【図３】実施例１に係り、加熱した金属部材を成形型に配置した状態において、金属部材の中空室に気体を供給して金属部材の壁を膨出させている状態を模式的に示す断面図である。
【図４】実施例２に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例２に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図６】実施例３に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図７】実施例３に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図８】実施例４に係り、成形型に対面する金属部材を加熱している状態を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例４に係り、成形型に対面するように配置され且つ加熱された金属部材の中空室に気体を供給する直前の状態を模式的に示す断面図である。
【図１０】適用例１を示す斜視図である。
【図１１】適用例２を示す斜視図である。
【符号の説明】
図中、１は金属部材、１０は中空室、１ａは壁、２は加熱炉、３は成形型、３１は成形型面、３３は冷却通路（冷却手段）、５は高圧気体供給源（気体供給手段）、５０はボンベ、５１は開閉弁、６は導電部材、７は通電端子をそれぞれ示す。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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