Report

超高強度鋼部材の次世代スマートホットスタンピングの開発

超高強度鋼部材の次世代
豊橋技術科学大学
スマートホットスタンピングの開発



名誉教授 森 謙一郎

（平成  年度重点研究開発助成$)）

森



謙一郎 *

K. Mori
キーワード：ホットスタンピング，超高強度鋼部材，スマート化

キーワード：ホットスタンピング，超高強度鋼部材，スマート化

１．研究の目的と背景

後冷却速度を ℃V 以上にすることが必要である．ホッ 自動車の燃費を向上させるため，自動車部材を軽量化す

トスタンピングでは素板の強度は高くないが，ダイクエンることが望まれている．電気自動車の生産が増加するが，チングによって成形品を高強度化している．また，下死点

電気自動車は重いバッテリーを積載しているためにエン保持を行っているため，成形品のスプリングはほとんどなジン自動車よりも重量増になっており，軽量化がいっそうく，形状凍結性が高い．さらに，海外において鋼板の入手望まれている．一方，自動車の衝突安全性を高めることもが比較的容易であり，海外生産に適した加工法である．

必要になってきている．軽量化と衝突安全性の両者を満足するために部材の高強度化が必要になってきている．

 軽量材料としてはアルミニウム，マグネシウム，炭素繊維強化プラスチックなどがあり，自動車部材に適用されている．しかしながら，価格面および生産量から鉄系材料が有利であり，冷間プレス成形される高張力鋼板の使用が自

動車車体材料として増加している．高張力鋼板の強度は著

しく向上しており，引張強さが *3D を超える超高張力鋼

板も開発されるようになってきており，強度を比重で除した比強度は軽量材料と同程度になってきている．このため，

図  超高強度鋼部材のホットスタンピングにおける加工工程

自動車部材への高張力鋼板の適用が盛んに行われている

が，成形荷重は大きく，スプリングバックが大きくなって形状凍結性が低く，成形性も低く，金型摩耗が顕著になり焼入れされた成形品は非常に高強度であるため，冷間せ焼付きも生じやすい．このため，引張強さが *3D を超ん断加工によって穴あけ，トリミングを行うと，金型の摩える超高張力鋼板の冷間プレス成形は困難である．

耗が大きくなり，切り口面の遅れ破壊も問題になる．この 超高強度鋼自動車部材の製造方法として，ホットスタンため，一般にはレーザー切断によって穴あけ，トリミングピングが注目されている．ホットスタンピングは，加熱しが行われている．

た鋼板をプレス成形し下死点で金型を保持することによホットスタンピングは *3D 級超高強度鋼自動車部材って成形品を焼入れし，*3D 程度の引張強さを有するを成形できる加工として世界的に生産が拡大しているが，超高強度鋼部材を製造する方法である．

現状のホットスタンピングは次のような問題点を有して 超高強度鋼部材のホットスタンピング  では，図  に示いる．

すように焼入れ用鋼板を高温炉で加熱して，金型に搬送し 成形を連続的に行うためには加熱したプランクを連続て成形し，下死点で  秒程度保持することによって急冷的に供給する必要があり，P の高温炉が非常に大きくなり，設備が大型化して高価である．

して焼入れする．焼入れでは一般に成形品を水または油の  ダイクエンチングのために  秒程度の下死点保持が中に入れることによって冷しているが，ホットスタンピン
グでは加熱していない金型で保持することによって焼入必要になり， 分間に  あるいは  ショット程度であれをしており，ダイクエンチング GLHTXHQFKLQJ と呼ばり，生産性が低い．

れている．ブランクを高温炉で ℃程度に加熱してオー トリミング，穴あけをレーザー切断によって行っているため，設備が高価で生産性も低い．

ステナイトに変態させ，ダイクエンチングで急冷して硬いマルテンサイトに変態させて成形品の引張強さを *3D ほとんどの鋼板は 0Q% であり，強度が *3D に限程度にしている．マルテンサイト変態を生じさせるために定されており，さらに酸化防止のためのアルミニウまは，オーステナイト変態するまで加熱すること，またそのたは亜鉛めっき処理鋼板はコスト高になる

* 豊橋技術科学大学名誉教授- 21 - 小型部品では高温炉から取り出すと急激に冷却されて熱間加工ではなくなるため，比較的大型である自動車ボディの骨格部材に適用が限定されている．
 本研究では，次世代スマートホットスタンピングを開発するための基盤技術を研究し，これらの問題点の解決を図った．

２．通電加熱ホットスタンピングにおける加熱直後のブランキング 
鋼板に大電流を通電すると急速に加熱できるため，ホットスタンピングへの適用が検討されている．通電加熱ホッ図３ 通電加熱直後ブランキングにおけるスクラップ，ブトスタンピングは，大型加熱炉が必要なくなって電源だけランク，成形品になり，装置がコンパクト化される．通電加熱ホットスタ
ンピングは一部メーカーで既に実生産に用いられており，通電加熱直後ブランキングにおける成形品フランジ部設置面積および設備費が加熱炉の 1/10 になるという報告の肉厚減少率を図４に示す．ブランキングなしでは板厚減がある 3)．日本における生産では，現状の大型ホットスタ

少は大きいが，ブランキングを行うことによって板厚減少ンピングを導入するのが困難になってきている．

は小さくなっており成形性が向上している．

通電加熱ホットトリミングは鋼板に直接加熱するためエネルギーコストも高く，通電とダイクエンチングは両方とも数秒程度であるため，それらを同時に行うと生産時間が半分になる．通電加熱では，図２(a) に示すように鋼板の両端を電極と接触させて通電するため，矩形鋼板しか均一に加熱できない問題があり，矩形に近い製品形状でないと材料歩留まりが低下する．また，電極と接触している付近は温度が上昇しないため，非加熱部によって成形性が低下する場合もある．そこで，図２(b) に示すように通電加熱直後にブランキングを行った．
電流
銅電極
通電加熱

成形 + ダイクエンチング レーザ切断(a) 通電加熱ホットスタンピング

成形品

矩形材

電流
銅電極
通電加熱

図４ 通電加熱直後ブランキングにおける成形品フラン
ジ部の肉厚減少率
ブランキング

成形 + ダイクエンチング(b) 通電加熱直後ブランキングホットスタンピング

３．リン酸を用いた超音波洗浄による酸化スケールの除去  

図２ 通電加熱ホットスタンピングにおける加熱直後のアルミニウムめっき処理鋼板はホットスタンピングでブランキング最も多く使われており，酸化スケールが発生しないが，高 通電加熱直後ブランキングにおけるスクラップ，ブラン価である．金属間化合物を表面に生成して酸化を防止してク，成形品を図３に示す．成形品は割れを生じることなくいるが，5 分程度の加熱時間が必要となり，これが加熱炉成形されている．通電加熱は短時間であり，表面の酸化スが大きくなる原因である．通電加熱は急速加熱であり，アケールは比較的少ない．

ルミニウムめっき処理鋼板を使用することができなく，非めっき処理鋼板が使われている．非めっき処理鋼板はアルミニウムめっき処理鋼板と比べて低価格である．非めっき処理鋼板の酸化スケールを除去するために，ショットブラスト処理が一般的に使われているが，通電加熱は急速加熱であるため，生成される酸化皮膜は薄く，薄い酸化膜の除去としてリン酸を用いた超音波洗浄を開発した．

- 22 -

処理と通電加熱，リン酸で超音波洗浄された成形品の表面

４．簡易型直接水冷を用いたホットスタンピン
グの比較を図 5 に示す．通電時間  秒で ℃に加熱された

ホットスタンピングでは，ダイクエンチングを行うた鋼板をハット曲げ成形した成形品を 40℃，pH 1 のリンめに，現状の生産では分間にあるいはショットであり，酸で 2 分超音波洗浄した．通電加熱と比較して 240 秒の生産性が低い．ショットにおける各工程のおおよその時

炉加熱では成形品表面は粗くなった．また，ショットブラ間を図７に示す．ダイクエンチングの時間が長く，これをストを行うと成形品表面に小球が衝突して塑性変形が起短くすると生産性が改善される．ダイクエンチングでは，こり，また削られるため成形品が粗くなった．しかしなが金型によって焼入れを行っているため，水および油焼入

ら，リン酸で超音波洗浄を行うと炉加熱でショットブラスれより冷却速度が小さく，秒程度の保持時間が必要にトした成形品の 10 分の 1 程度の粗さに抑制できた．リンなる．

酸と超音波洗浄は炉加熱においても酸化スケールを除去できる．

非めっき処理鋼板において，炉加熱，ショットブラスト
図５ 非めっき処理鋼板における炉加熱，ショットブラス



ト処理と通電加熱，リン酸で超音波洗浄された成形

品の表面の比較

図７ 1ショットにおける各工程のおおよその時間

炉加熱成形品のショットブラストと，通電加熱成形品の下死点保持時間を短縮するために，図８に示すようにリン酸を用いた超音波洗浄においてフランジ部のそり角成形品に水を直接かけることが行われている 6)．直接水冷を図６に示す．ショットブラストによる除去では，成形品方式では，金型に水の排出と吸入口を設けて下死点に到が塑性変形を受けてフランジ部にそりが発生するが，リン達した直後に水を循環させて急冷を行っている．金型表酸を用いた超音波洗浄ではフランジ部のそりはほとんど面には微小な凹凸が付けられており，その凹部に水，水蒸発生しなく，ゆがみが小さい成形品が得られる．

気が循環する．ブランクと金型の間に隙間ができるようフランジ部そり角α [°]な部分でも，隙間に冷却水が充填されるため冷却速度が8小さくなることはない．しかし，短時間である下死点保持

7

中に水の排出と吸入を行うのは容易ではない．また，金型

6

表面の凹凸が成形品の表面に転写して表面品質が低下す5る場合もある．

432

α10-1

ショットブラストリン酸

図６ リン酸を用いた超音波洗浄とショットブラストによる成形品のフランジ部のそり- 23 -

図８ 下死点保持時間を短縮する直接水冷

簡易型直接水冷として，図９に示すように水槽内に金は材質，板厚の異なった板材を溶接したものであり，テー型を設置し，成形とともに成形品を水没させる方法を開ラード圧延ブランクは圧延中のロール間隙を調節して板発した．この方式では，金型構造が単純になり，下死点厚分布を制御している．
現状の部分冷却では，高延性部と接触する金型にヒータ保持時間を短縮できる．

ーを内蔵して，部材の冷却速度を小さくしてマルテンサイト変態を防止しており，テーラードテンパリングと呼ばれている．高延性部を得るためにフェライト変態を生じさせる必要があるが，徐冷するために保持時間が長くなって生産性が低くなる問題がある．また，金型にヒーターを内蔵して温度制御しており，金型の構造および温度制御が複雑になる．
図９ 下死点保持時間を短縮する簡易型直接水冷



ハット曲げ成形において，簡易型直接水冷ありとなしの

断面の平均硬さの比較を図10に示す．ここで，tは板厚を示し，板厚が大きいほど焼入れに必要な下死点保持時間が長くなる．成形品の角部は金型と直接接触しないため焼入



れされにくいが，直接水冷ではこの部分に水が浸入して金

通電加熱型と直接接触しない部分も焼入れされる．簡易型直接水冷

鋼板を使うことによって下死点保持時間を短縮できることが

分かる．

B

ビッカース硬さ / HV1600

t = 1.6 mm

5004002.4 mm

5A0.3A
測定箇所

10B
t = 1.6 mm

3.2 mm

2.4 mm
3.2 mm



300



200



100

温度 ε ͵：高強度

加熱炉

電流

温度 δ ͵ ：高延性電極ȋȌ 部分加熱

高強度

ヒーター

高延性

ダイス
ȋȌ 部分冷却

非焼入れ

焼入れ

厚い

薄いパッチ



0



5101520 05101520
下死点保持時間 Th / s
下死点保持時間 Th / s(a) 水冷なし(b) 水冷あり

図 10 ハット曲げ成形における簡易型直接水冷ありとな

非焼入れ 薄いȋ Ȍ 溶接テーラードブランク

厚い

しの断面の平均硬さの比較

薄い

５．部分成形 2 段ホットスタンピングによる強度分布を有する部材のテーラードテンパ
リング ȋȌ圧延テーラードブランク

図 ホットスタンピングにおける部材の強度分布を制御する各種テーラード技術

ダイクエンチングされたホットスタンピング成形品では，通常全体が*3D 程度の高強度になるが，局部だけ

を高強度にしたいものもある．たとえば，高強度が必要な生産性を向上するために，図  に示す部分成形  段ホ部分だけ焼入れを行って，強度が必要ない部分では焼入れ

ットスタンピングを用いたテーラードテンパリングを開をしなくて延性，じん性を確保したい部材はセンターピラ発した．この方法では，均一に加熱した鋼板を部分金型でーなどにある．また，焼入れを行わない部分では冷間トリ 段目に成形し， 段目に全体金型で成形する． 段目のミングや穴抜きなどが可能になる．

部分金型と接触する部分は  段目も金型と接触して急冷部材の強度分布を制御するテーラード技術を図に示され高強度部になり， 段目の部分金型と接触しない部分す．部分加熱では加熱炉内の温度制御や部分通電加熱によは急冷させなくて高延性部になる． 段目と  段目の下死って高強度が必要でない部分をオーステナイト温度 $F以

点保持を同じ時間にすると生産性は高まり，金型にヒータ下にして，部分冷却では冷却速度を遅くしてそれぞれマルーを内蔵していない．

テンサイト変態を防止している．テーラード溶接ブランク- 24 -

６．ホットトリミングにおける遅れ破壊挙動  

1段目： 2段目：
部分金型 全体金型



ホットスタンピングされた成形品は非常に高強度であるため，トリミングや穴あけ加工は一般にレーザー切断で行われているが，低い生産性や高価な設備が問題になっている．冷間せん断加工の適用が望まれているが，工具寿命

加熱

搬送
搬送

空冷

が短くなるだけでなく，切口面の低い表面性状，遅れ破壊成形，ダイクエンチング(a) 1段目などの問題がある．このため，ホットスタンピングにおいて，成形終了直後にせん断加工を行うホットトリミングの適用が増加している．ホットトリミングを用いることによってレーザー切断をできるだけ少なくしてコストと生産

性を向上させている．高温でせん断加工を行うため，加工空冷(a) 2段目成形，ダイクエンチング荷重が低減されて遅れ破壊も防止される．しかしながら，成形時に金型と接触して温度がかなり低下した状態でせ図  部分成形  段ホットスタンピングを用いたテーラん断される場合もあり，レーザー切断よりも遅れ破壊の危険性が高くなる．ホットトリミングにおける遅れ破壊に及ードテンパリング

ぼすせん断加工時の温度の影響を調べた．

部分成形  段ホットスタンピングの成形品を図  に示

ホットトリミング実験方法を図  に示す．アルミめっす． 段目で高強度部が成形されて  段目で全体が成形さ

きホットスタンピング用鋼板を電気炉で ℃まで昇温れている．

して  分保持し，約  秒で金型へ搬送し，金型と鋼板を接触させて目標のトリミング温度 7 まで強制冷却した後トリミングし，上下パンチで  秒間はさみ込むことでダイクエンチングを行った．金型と鋼板を接触させてホットトリミング中の温度低下を再現している．トリミング後陰極水素チャージによって遅れ破壊の起点となるクラックを発生させた．
(b) 2段目(a) 1段目


加熱炉 板材図  部分成形  段ホットスタンピングの成形品
成形品の長手方法の硬さ分布を図  に示す． 段目おダイス

よび  段目の空冷時間は  秒，下死点保持時間は  秒で加熱あった．高強度部は約 +9，高延性部は約 +9 のテーラード部材が得られている．


温度 [ºC]

成形品底角部硬さ [HV1]

600
500
400x300

下パンチ
搬送：7 s金型との接触： トリミング ダイクエン
チング：10s
TC = 0.1 - 10 s

910
800
トリミング
温度: TTime図  ホットトリミング実験方法

200

高強度部1000上パンチ

トリミング温度：T = 25 - 800 ºC

20遷移部

高延性部

クリアランス比 10%における遅れ破壊の起点となるク40 60 80 100 120 140 160 180 200
高強度端部からの距離 x [mm]ラックの発生に及ぼすトリミング温度の影響を図 15 に示す．板厚 1.6mm では 400℃以下，板厚 1.0mm では 600℃
以下でクラックが生じており，温度が低下した状態でトリミングを行うのは遅れ破壊の危険性が高くなる．

図  成形品の長手方法の硬さ分布- 25 -

謝 辞

板厚 [mm]2.0 本課題は公益財団法人天田財団の平成  年度重点研究開発助成 $ によって行われたものであり，ここに記して深1.00

く感謝の意を表します．

クラック



参考文献

100 200 300 400 500 600 700 800
トリミング温度 T [ºC] 森謙一郞：ホットスタンピング入門，  日刊工業新聞社

図 16 クリアランス比 10%における遅れ破壊の起点とな  7 0DHQR . 0RUL 7 2JLKDUD 7 )XMLWD

るクラックの発生に及ぼすトリミング温度の影響,QWHUQDWLRQDO -RXUQDO RI $GYDQFHG 0DQXIDFWXULQJ
7HFKQRORJ\  –

７．まとめ 清水純・森修・岩沼忠志・清水太一・西尾和真：6XEDUX7HFKQLFDO5HYLHZ  

現状のホットスタンピングの問題点を解決するために，次世代スマートホットスタンピングの基盤技術を研究し 11DNDPXUD.0RUL7.RPDWVX7+D\DVKL7

た．通電加熱ホットスタンピングは設備の低価格化とコン6X]XNL72ND]DNL<$EH,QWHUQDWLRQDO-RXUQDO

パクト化のために期待されており，実用化するために加熱

RI $GYDQFHG 0DQXIDFWXULQJ 7HFKQRORJ\ 

直後ブランキングを開発して成形性を向上させ，リン酸を  – <1DNDJDZD.0RUL70DHQR<1DNDR3URFHGLD

用いた超音波洗浄を提案して非めっき処理鋼板の酸化ス

0DQXIDFWXULQJ  –

ケールを効率的に除去できしかも成形品のゆがみを防止した．また，水槽内に金型を設置して成形品を水没させる  1 1RPXUD + )XNXFKL $ 6HWR 3URFHHGLQJV RI

簡易型直接水冷を開発して下死点保持時間を短縮し，生産WK ,QWHUQDWLRQDO &RQIHUHQFH RI +RW 6KHHW 0HWDO

性を向上させた．さらに，部分成形  段ホットスタンピン)RUPLQJRI+LJK3HUIRUPDQFH6WHHO  7RURQWR

グを開発して強度分布を有するテーラード部材を効率的に生産できるようにし，金型のヒーターをなくした．一方，

  < 1DNDJDZD . 0RUL < 6X]XNL < 6KLPL]X
0DWHULDOVDQG'HVLJQ  

レーザー切断をできるだけ少なくするために成形直後にせん断するホットトリミングが行われており，ホットトリ  < 1DNDJDZD . 0RUL 7 0DHQR 5 8PHPL\D

ミングにおける遅れ破壊に及ぼすせん断加工時の温度の,QWHUQDWLRQDO -RXUQDO RI $GYDQFHG 0DQXIDFWXULQJ

影響を調べた．

7HFKQRORJ\  –

ホットスタンピングは新しい技術であり，残された問題点も多いため，今後も新しい技術開発が行われるものと思われる．

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