高周波およびレーザを用いた部分的な組織制御による強度とプレス成形性の両立
大阪産業技術研究所 加工成形研究部
研究員 坪井 瑞記（2020 年度 奨励研究助成（若手研究者枠） AF-2020037-C2）
キーワード：プレス成形，レーザ熱処理，組織制御

１．研究の目的と背景を有する試料の作製を目的として，位置を少しずつずらし近年，自動車の軽量化および安全性向上のため，プレスて複数回レーザを照射した．2 laps 材はφ36/44 mm の円弧成形において高張力鋼板の適用が拡大している．しかし，に沿って計 2 周，3 laps 材はφ32/40/48 mm の円弧に沿って一般的に強度と成形性の両立は困難であり，強度の上昇に計 3 周レーザを照射した試料である．レーザ局所焼入れに伴って成形性が低下するといった問題がある 1)．今後のさよる高強度化の有無を確認するため，断面の光学顕微鏡観らなる高強度化の流れに対応するために，強度と成形性に察およびビッカース硬さ測定を行った．

優れた材料の開発が強く望まれている．強度と成形性のような，トレードオフの性質が共存し得る材料として傾斜機能材料が注目されている. 傾斜機能材料とは, 「空間的に1 つの機能から他の機能へと連続的または段階的に変化する一体の材料」と定義され，基本的に組成分布を制御することで性質を変化させたものが多い 2)．一方で, 鉄鋼材料には材料特性の異なる様々な変態組織が存在するため，組織制御によって性質を変化させることが可能である 3)．
本研究では，高周波やレーザといった局所加熱の可能な熱源を用いて，組織を制御することで，部分的に材料特性
図1を変化させ，成形品強度やプレス成形性を向上させる技術

レーザ局所焼入れの模式図の開発に取り組んだ．具体的には，成形前の軟鋼板に対して局所焼入れを行うことで，部分的に高強度化した試料

表1

レーザ照射条件(部分高強度材) を作製した．次に，部分高強度材の深絞り成形を行い，限界絞り比や板厚分布の測定により成形性におよぼす部分高強度化の影響を調べた．また，深絞り成形品の圧縮荷重を評価することで，成形品強度におよぼす部分高強度化の影響を明らかにした．本稿では，レーザ局所焼入れを施した試料を用いて実験を行った結果について述べる．

２．実験方法2・1

レーザを用いた組織制御による部分高強度化

供試材は公称板厚 1.0 mm の冷間圧延鋼板 (SPCC) であ

2・2

成形性におよぼす部分高強度化の影響

り，化学成分は C: 0.03，Si: 0.01，Mn: 0.18，P: 0.01，S: 0.005，受け入れまま材と種々の条件で局所焼入れを施した試

Fe: Bal. (wt%) である．図 1 に示すように，銅製の水冷ブ料 (1 lap 材，2 laps 材，3 laps 材) の深絞り成形実験を行

ロックの上に固定した試料に対して，レーザを照射し，局い，限界絞り比を評価した．深絞り成形実験の模式図を図所焼入れを行った．本研究で用いたレーザは，最大出力 22 に示す．工具には平頭パンチ (φ40 mm，R4) とダイkW の半導体レーザであり，加工点におけるビームスポッ(φ42.5，R8) を用い，成形速度を 3 mm/s，しわ押さえ力をトは 5 mm×5 mm の矩形形状である．レーザ照射条件を表10 kN として，ストローク 30 mm まで成形した．潤滑剤に

1 にまとめる．φ80 mm の軟鋼板において，深絞り成形用は動粘度 25 mm2/s (40 C)のベースオイルを使用した．さらパンチ肩部近傍を高強度化するため，出力 960 W，速度に，光学式プレス成形解析システム ARGUS (GOM 社製)12 mm/s でφ40 mm の円を描くようにレーザを 1 周照射し，により，受け入れまま材と 3 laps 材の成形後の板厚分布を局所焼入れを行った (1 lap 材)．また，種々の高強度部幅算出した．光学式プレス成形解析とは，成形前の試料表面

にマークしたドット間の距離が，成形後どの程度変化したパターンが変形に伴ってどのように変化したかを，試験中かを取得し，成形時に導入された局所的な面内ひずみを測に撮影した連続画像をもとに解析し，局所的な変形挙動を定する手法である 4,5)．この手法を用いて，成形中に導入調べることができる 4,5)．この手法を用いて，圧縮に伴うされた面内ひずみを測定し，体積一定条件式に基づいて板ひずみ分布の変化を可視化した．

厚方向のひずみに換算することで，板厚分布を算出した．

３．実験結果3・1

レーザを用いた組織制御による部分高強度化

図 3 に 1 lap 材の組織観察結果を示す．図 3(a)はレーザ照射部外，(b)はレーザ照射部中央の光学顕微鏡写真である．レーザ照射部外は，受け入れまま材と同様のフェライト組織であったのに対して，照射部中央はマルテンサイト組織となっており，局所的に組織が変化したことがわかる．
図 4 は(a)1 lap 材，(b)2 laps 材，(c)3 laps 材の光学顕微鏡写
真と(d)対応するビッカース硬さ分布である．1 lap 材の硬さ分布を見ると，受け入れまま材の 104 HV と比較して，レーザ照射部中央では 240 HV 程度，照射部縁では 180 HV程度と，部分的に高強度化しており，その高強度部幅はレ
図2

深絞り成形実験の模式図

ーザスポットサイズと同等の 5.4 mm であった．2 laps 材，
3 laps 材についても，1 lap 材と同様に部分的に高強度化し2・3 成形品強度におよぼす部分高強度化の影響
圧縮試験により，深絞り成形品強度におよぼす部分高強ており，その高強度部幅はそれぞれ 9.0 mm，13.5 mm に度化の影響を評価した．底部から 22 mm の高さで成形品をカットし，耳を取り除いた後，クロスヘッド速度 5mm/min で圧縮試験を行った．さらに，圧縮試験中の変形挙動を 3D 変形解析システム ARAMIS (GOM 社製) により解析した．この解析システムは 3 次元デジタル画像相関法(3D Digital Image Correlation：以下，3D-DIC) の原理に基づいたもので，試験片表面にスプレーで塗布したランダム

図4

図3(a)レーザ照射部外および(b)レーザ照射部中央の光学顕微鏡写真

局所焼入れ材 ((a)1 lap 材，(b)2 laps 材，(c)3 laps 材) の光学顕微鏡写真と(d)対応するビッカース硬さ分布拡大した．今回の照射条件では，複数回照射する際に照射領域が 1 mm 程度重なり，再度加熱された結果，フェライトが生じた領域が見られた．しかし，フェライトが生じた領域でもビッカース硬さは 180 HV 程度と受け入れまま材より高強度であり，レーザ照射部と照射部外で強度差は保たれている．レーザ局所焼入れによって，パンチ R 部近傍に種々の高強度部幅を有する試料を作製できた．以下では，1 lap 材，2 laps 材，3 laps 材をまとめて部分高強度材と呼ぶ．
3・2

成形性におよぼす部分高強度化の影響

図5

φ80 ~ 90 mm まで 2 mm ずつブランク径を変えた試料を絞り比と割れの関係用意し，各 3 回深絞り成形を行うことで，受け入れまま材と部分高強度材の限界絞り比を調べた．絞り比に対して割れの有無を整理した結果を図 5 に示す．×は 2/3 個以上の割れ，△は 1/3 個の割れ，○は 3 個とも割れが生じなかったことを意味する．受け入れまま材は絞り比 2.15 からパンチ肩部での割れが見られたが，部分高強度材は絞り比2.25 でも破断することなく成形できた．以上より，パンチ肩部の高強度化によって限界絞り比が向上したと言える．
図 6 は，光学式プレス成形解析によって解析したφ80 mmの受け入れまま材と 3 laps 材の板厚減少コンター図である．受け入れまま材では，パンチ肩部において成形後の板厚が顕著に減少していることがわかる．その一方で，パンチ肩部を高強度化した 3 laps 材では，板厚の減少が抑制された．図 7 に，板厚減少コンター図から出力した圧延方向から 45°方向の板厚分布を示す．図中に肩部の板厚分布を拡大したものを示しているが，受け入れまま材と比較して，3 laps 材ではパンチ肩部における板厚減少が抑制されたことが確認できる．深絞り成形において，フランジ部の縮み変形を進行させるだけの荷重をパンチ肩部で支えることができれば，成形は可能となる．深絞り成形性を向上させる 1 つの指針として，パンチ肩部とフランジ部で強度差を与えることが提案されており，ステンレスの周辺加熱絞り6)やアルミニウムの部分溶体化処理 7-9)などフランジ部を軟化させた報告がある．本研究においては，フランジ部に対してパンチ肩部をより高強度とすることにより，ブラン

図6(a)受け入れまま材と(b)3 laps 材の板厚減少

ク径の増加に伴う変形荷重の増加を支えることができたため，板厚減少が抑制され，成形性の指標である限界絞り比が向上したと考えられる．
φ80 mm の受け入れまま材および部分高強度材の成形荷重-ストローク曲線を図 8 に示す．部分高強度材の深絞り
成形初期では，高強度化されたパンチ肩部がパンチ形状に沿った曲げを受けるため，成形荷重は受け入れまま材と比較して高くなった．また，深絞り成形後期では，部分高強度部の変形が完了しており，受け入れままの強度であるフランジ部が変形するだけなので，成形荷重は受け入れまま材と部分高強度材でほぼ等しい．高強度部幅が大きくなる
ほど成形時の最大荷重は増加しているが，3 laps 材と受け入れまま材で 4 kN 程度の差異しか見られなかった．

図7

受け入れまま材と 3 laps 材の板厚分布 (45°方向)

図8

図9

成形荷重-ストローク曲線

圧縮試験結果

成形品強度におよぼす部分高強度化の影響

2 mm，4 mm，6 mm，8 mm，10 mm での受け入れまま材

受け入れまま材と部分高強度材の成形品強度を，圧縮試と部分高強度材の相当ひずみ分布を示している．圧縮変形

験により評価した．得られた圧縮荷重-変位曲線を図 9 に初期には，成形品のパンチ肩部が曲げ変形を受け，外側に示す．部分高強度材では，受け入れまま材と比較して，圧張出していることがわかる．導入した高強度部がこの曲げ縮荷重の立ち上がりの傾きが増加した．最大圧縮荷重は，変形の抵抗となったため，部分高強度材では圧縮荷重の立3 laps 材>受け入れまま材=1 lap 材>2 laps 材であり，パンち上がりが増加したと考えられる．また，図中の○は，ス

チ肩部の高強度幅の拡大が成形品強度の向上に寄与した

トローク量 6 mm における相当ひずみが最大の点 (以下，とは言い難い．また，圧縮荷重-変位曲線の形状としては，評価点) を表しており，各ストローク量において評価点が圧縮荷重が単調増加する受け入れまま材と 3 laps 材，早期どのように移動したかを追跡して表示している．受け入れ

3・3に荷重の低下が起きる 1 lap 材と 2 laps 材に分けられる．

まま材および 3 laps 材では，評価点の位置が圧縮変形の進部分高強度部と成形品強度の関係を圧縮変形挙動の観行に伴って変化していることがわかる．その一方で，1 lap点から考察するため，3D-DIC により圧縮変形に伴う相当材は 4 mm ~ 6 mm 間で，2 laps 材は 6 mm ~ 8 mm 間で評価

ひずみ分布の変化を可視化した．図 10 は，ストローク量点がほとんど動いておらず，相当ひずみが局所的に増大し

図 10

圧縮変形に伴う相当ひずみ分布の変化ている．このことは，圧縮変形において，曲げの支点が変であった．このように，導入する高強度部幅により成形品わらないまま変形することを意味しており，その曲げの支の変形挙動が異なることが明らかとなった．この結果は，点は高強度部-低強度部の境界に対応している．その結果，部分高強度部の配置を工夫することで，3 laps 材のように1 lap 材および 2 laps 材では，導入した高強度部が圧縮変形成形品強度を向上させる，1 lap 材と 2 laps 材のように荷重の抵抗にならず，むしろ高強度部-低強度部の境界が曲げの増加を伴わず変形が進行する (=衝撃エネルギー吸収能の支点となることで，圧縮荷重が早期に低下したと推測さに優れる) など成形品に様々な機能を持たせられることれる．それに対して，3 laps 材では高強度部幅が広く，高を示唆している．

強度部-低強度部の境界が曲げを受けるパンチ肩部から離以上より，軟鋼板の部分高強度化によって，成形品強度れていたため，高強度部が曲げ変形の抵抗としてのみ働くを向上させつつ，プレス成形性も向上させることができた．

ことで，成形品強度が向上したと考えられる．

謝４．結論
SPCC を供試材として，レーザを用いた部分的な高強度

辞

本研究は，公益財団法人天田財団 2020 年度奨励研究助
成 (AF-2020037-C2) にて行った．記して謝意を表する．

化が成形性および成形品強度におよぼす影響を調べた．本

参考文献

研究で得られた結果を以下に示す．
1) レーザを用いて局所焼入れを行うことで，SPCC の部分

1)

高橋：ふぇらむ, 7 (2002), 34.

的な高強度化を達成できた．さらに，レーザ照射位置をず

2)

篠原：精密工学会誌, 83 (2017), 391.

らして複数回照射することで，種々の高強度部幅を有する

3)

牧：ふぇらむ, 13 (2008), 544.

試料を作製できた．

4)

四宮・坪井：大阪産業技術研究所テクニカルシート,

5)

丸紅情報システムズ株式会社：塑性と加工, 53 (2012),

2) 部分高強度化によって，受け入れまま材で顕著な板厚の減少が見られたパンチ肩部の減肉が抑制され，限界絞り

https://www.orist.jp/content/files/technicalsheet/22-08.pdf比を向上することができた．

917.

3) 部分高強度材では，導入した高強度部が圧縮変形の抵

6)抗となるため，圧縮荷重の立ち上がりの傾きが増加した．

7)

最大圧縮荷重は，3 laps 材>受け入れまま材=1 lap 材>2 laps

渡部：塑性と加工, 33 (1992) 396.
F.Vollertsen・K.Lange：Annals of the CIRP, 47 (1998)
181.

材であり，3 laps 材の成形品強度は受け入れまま材より向8)西脇・金武：軽金属, 55 (2005) 33.

上していたが，1 lap 材および 2 laps 材では，高強度部を導9)

9) M.Geiger・M.Merklein：Prod. Eng. Res. Devel., 3

入したにもかかわらず，成形品強度は受け入れまま材以下(2009) 401.