超高強度鋼中空部材の通電加熱ガスフォーミング
豊橋技術科学大学

前野智美

概要
超高強度鋼中空部材を成形するために、成形と焼入れを同時に行う通電加熱ガスフォーミングを開発した。開発の通電加熱ガスフォーミングでは空気が密閉された焼入れ用鋼管を通電加熱し、金型で圧縮することによって成形する。また金型は下死点で停止し管材は金型に保持されることによって冷却、焼入れされる。管材に封入された空気圧によって成形中の座屈の防止とダイクエンチにおける管材と金型の良好な接触が達成された。

1．はじめに引張強度が 1.5 GPa を超える部材が得られるホットに歪取り焼鈍などの熱処理が行われている 3）。著者

スタンピングが自動車の軽量化、安全性向上から注らは、この V 形断面の成形にホットスタンピング1），2）。とガスフォーミングを組み合わせた通電加熱ガス

自動車の足回りも軽量化のために高強度化が望まれフォーミングを開発しており、管材に予め空気圧をているが、高い剛性が必要なため中空断面を有する密閉することによって座屈の防止や、ダイクエンチ部材が多くなっている。のための冷却性を向上している 4）。

目され車体補強部品などへの適用が増えている

自動車の足回り部品である中空アクスルビーム

ここでは、通電加熱ガスフォーミングによる超は、鋼管の断面が部分的に V 形に成形されており、高強度鋼中空部材の成形方法について中空アクスル鋼管の座屈を防止するために冷間液封成形が行われビームを模擬した V 形断面の成形を通して紹介する。ているが、高強度材を冷間で成形するため成形の後2．密閉空気圧を用いた通電加熱ガスフォーミング
図 1 に自動車のトレーリングアーム＋トーション

����

ビーム式サスペンションシステムを示す。トーションビームには曲げ方向の剛性とねじりバネとして作��用する柔軟性が求められるため、パイプの中央部分を V 形に扁平した高強度な中空部材が採用されている。この中空アクスルビームは液封成形やホットスタンピングによって製造されている

�����������。

5），6）

図 2 に管材のホットスタンピング、液封成形および通電加熱ガスフォーミングによる超高強度鋼中空部材の製造プロセスを示す。管材のホットスタンピ������������������

ングでは、加熱した焼入れ用鋼管をプレスで成形すると同時に金型への熱伝達による急冷で焼入れするダイクエンチによって高強度化する。しかしながら、

図1

自動車リアサスペンションのトーションビームに用いられる中空アクスルビーム

管材をプレス成形するため中空部

��������にはマンドレルが必要となり、マ����

ンドレルを挿入できない部分は管���が密着した形状に限定される。液����� +����

封成形は水を充填させた管材を、

�����

���

����
���

���

��

プレス成形し、プレスによって管�����
���

材内部に圧力を発生させ、圧力を調整しながら水を排出して管材の���
��+������

座屈を防止しながら中空部材を成���

����形する。しかしながら、冷間で高��+������

強度材を成形するため、成形の後に歪取り焼鈍などの熱処理が行われている。開発した通電加熱ガス

����

フォーミングは、空気圧を負荷し����て密閉した管材を成形装置内で通���電加熱し、加熱完了すぐにプレス成形を行う。加熱によって管材の変形抵抗は小さくなっているた����(b) ����(a) ������������(c) ������������

圧によって座屈が防止され、ダイクエンチにおける管材と金型との密着も得られる。管材は密閉され���������ているため成形中の圧力制御はな�������

いが、管材の加熱と圧縮によって�����

内圧は自動的に昇圧され下死点で10

�����

���

は初期の圧力よりも大きな圧力を�������得ることができる。
27120 – 240����� �32.0, ��1.8��,��150�280mm

10���
60 – 215

90°
���

�����

(a) ����������������������

図 3 に密閉空気圧を用いる通電加熱ガスフォーミング装置外観と V 形断面成形金型を示す。管材O-����������

図3

く、圧縮性もあるため排出の必要がなくなる。液封成形と同様に内

図 2 （a）管材のホットスタンピング、（b）液封成形および（c）通電加熱
ガスフォーミングによる超高強度鋼中空部材の製造プロセス�������め、内部のメディアは空気圧でよ44(b) V�������

実験に用いた密閉空気を用いる通電加熱ガスフォーミング装置およびV 形断面成形金型に は 直 径 32 mm、 肉 厚 1.8 mm の焼入れ用鋼管（C: 0.19%, Si: 0.18%,Mn: 1.3%, B: 0.004%）を 用 い た。
装置は通電加熱電源と連動するサーボプレスにセットされている。管材には初期内圧 p0 の空気圧が密閉され、銅電�� [°C]

1000

極によって平均接触面圧 2 MPa で固定される。電流800����

密度 33.2 A/mm2, 7.5 s の通電加熱によって管材成形

600

���

プレスによってスライドが 80 mm/s で下降して、管部が 950 ℃に 7.5 秒で加熱されると、連動したサーボ材にパンチを 27 mm 押しこんで圧縮し、ダイクエン

400
��

200
020

チのために th 秒の金型保持を行う。管材の成形前後

x��

406080100������� x [mm]の体積変化率は Vr= 20 〜 60 % である。管材は電極の間のみが加熱され、端部は加熱されないため O ‑ リ120

図 4 通電加熱直後の管材軸方向温度分布

ング付のプラグによって封をすることができる。金型は V 形状の断面となっており、管材の噛み込みを防ぐために V 形状の両端は解放されている。ているが、電極より 20 mm 程度離れると均一な温度

図 4 に加熱直後の管材の軸方向温度分布を示す。

分布が得られている。また、管材は電縫管であり溶接

管材両端は電極への熱伝達によって温度低下が生じ部があるが、一般部と大きな温度差は生じていない。

3．V形中空断面の成形3），4）

図 5 に通電加熱ガスフォーミングで成形した管材

��5（a）の p0 = 0 MPa（密封あり）ではパンチ斜辺部の形4状が十分に転写されていないが、（b）p0 = 1.5 MPa では十分な転写が得られている。（c）p0 = 2.5 MPa では内圧が高すぎるため、加熱によって管材が軟化しただけで破断を生じた。（d）冷間では延性が低いため割れを生じている。（e）炉加熱では酸化スケールの�� p [MPa]を示す。比較として冷間成形と炉加熱の結果も示す。

0.75 MPa2��1

形前に入れると炉の中で管材が膨らみ割れが生じるため、成形中に圧力を負荷するしかなく、制御が複雑になってしまう。
（a）67.5 sp0 = 1.5 MPa30�����

����
0 MPa

発生が著しい。炉加熱では管端部も加熱されるため密封が難しく、密封が可能となっても高い内圧を成��

51015��������� [s]20

図 6 通電加熱ガスフォーミング中の管材内部の圧力履歴（Vr = 20% および th = 60 s）

圧は上昇し、成形によって管材が圧縮されると体積の変化にともなって内圧はさらに上昇する。圧縮後ダイクエンチによって管材が冷却されると管材内部（b）の空気も温度低下するため圧力は徐々に低下している。この成形下死点で得られる内圧は以下に示すように比較的簡単に見積ることができる。
加熱後、成形直前の内圧 ph が理想気体の状態方程（c）（d）

式に従うとすると以下のように示すことができ：

ここで Ta0 と Ta1 は加熱前後の管材内の空気の温度である。図 6 において加熱後の圧力はおよそ 2.5 倍になっていることから、管材内部の空気は 500 ℃程度に加熱されている。そして成形直後の内圧 pc は断（e）

図 5 Vr = 20% および th = 60 s において成形された管（b）p0 = 1.5 MPa、材（a）p0 = 0 MPa、密封あり、（c）p0 = 2.5 MPa、（d）冷間成形、p0 = 0 MPa、（e）furnace heating、密封なし。

熱圧縮に従うとすると次のようになる。

図 6 に、その結果を示しているが、実験と良い一致が得られている。
図 7 に Vr = 20 % および th = 60 s における通電加熱ガ
スフォーミング中のパンチ荷重を示す。成形荷重は加熱によって著しく低減されており、割れも抑制さ

図 6 に Vr = 20 % および th = 60 s における通電加熱ガれた。

スフォーミング中の管材内部の圧力履歴を示す。管

図 8 に Vr = 20 % および th = 60 s において成形された材が加熱されると内部の空気も温度上昇するため内管材の中央断面および軸方向断面を示す。p0 =1.5 MP������� [kN]50

では p0 = 0.0 MP に比べ金型充満が向上している。

�����

図 9 に p0 = 1.5 MPa お よ び Vr = 20 % に お け る 断 面��形状に及ぼす下死点保持時間の影響を示す。th = 10 s����p0 = 0 MPa
th = 10 s

40以下では、管材が十分に冷却されず軟化されているため、パンチ上昇後に成形した管材が内圧によって30膨らんでしまっている。金型からの管材取出しは十T=950°C,
p0 = 1.5 MPath = 60 s
T=950°C,
p0 = 0 MPa
th = 60 s

201015510��������� [s]0

分な冷却か、内圧を抜いてからが望ましい。
図 10 に

r = 20 % および h = 60 s における初期内圧が管材中央断面の硬さ分布に及ぼす影響を示す。初20

図 7 通電加熱ガスフォーミング中のパンチ荷重（Vr = 20% および th = 60 s）

期内圧の増加にともなって接触界面の熱伝達が増加するため硬さは向上しており、金型に接触していな
いダイス側角以外は 400 HV10 以上の硬さが得られている。

（a）（b）

図 10 Vr = 20% および th = 60 s における初期内圧が管材中央断面の硬さ分布に及ぼす影響

自動車に用いられる中空アクスルビームなどは長手方向の多くの部分を圧縮するため、成形前後の体積変化が大きくなる。図 11 に Vr = 60 % で成形された管材を、図 12 にその時の管材内部の圧力履歴を、図13 にダイス側角部半径と初期内圧の関係を示す。体積変化が大きくなると、下死点で得られる内圧が大
図 8 Vr = 20% および th = 60 s において成形された（a）管材断面および（b）軸方向断面（a）t h = 0.1 s（b）t h = 1.0 s（d）t h = 10 s

きくなるため、初期内圧が小さくても比較的良好な形状転写を得ることができる。

（c）t h = 5 s（a）p 0 = 0 MPa（b）p 0 = 0.75 MPa（e）t h = 60 s

図 9 p0 = 1.5 MPa および Vr = 20% における断面形状に及ぼす下死点保持時間の影響

図 11Vr = 60% および th = 60 s で成形された管材

��

��
6

�����

67.5 sp0 =0.75 MPa, Vr = 60%

��
5p0 = 1.5 MPa, Vr = 20%

�� p [MPa]432p0 = 0.75 MPa, Vr = 20%1

��05p0 = 0 MPa, Vr = 60%

1015��������� [s]20

図 13 ダイス側角部半径と初期内圧の関係（th = 60 s）

図 12 通電加熱ガスフォーミング中の管材内部の圧力履歴（Vr = 20%, 60%, th = 60 s）

4．強制空冷による金型非接触部の焼入れ向上
管材の噛込み防止のために設けた隙間部分の硬さを向上するために、図 14 に示すようにパンチが下死を得ることができており、金型非接触部の焼入れが向上した。

点に到達すると同時に左右の隙間部分に圧縮空気を吹きかけて急速冷却を行う強制空冷を試みた。ダイス底角部は成形される管材の角半径に沿う形状に変更し、金型と密着させダイクエンチを向上させた。
図 15 に強制空冷ありとなしにおける通電加熱ガス
フォーミング後の中央部円周方向硬さ分布を示す。
強制空冷を行うことによって全域でほぼ 450 HV10
���

���

R15��
9.5 [l/sec]

�����

図 14強制空冷による隙間部分の硬さ向上方法

図 15 強制空冷ありとなしにおける通電加熱ガスフォー
ミング後の中央部円周方向硬さ分布（Vr = 20%,p0=1.5 MPa, th = 60 s）

5．不活性ガス雰囲気成形による酸化スケールの抑制7）

���通電加熱ガスフォーミングでは周囲の工具は加熱���されないため、図 16 に示すように周囲を簡単なスクCO2 ��

リーンで囲むだけで不活性ガス雰囲気での成形が可能になる。ケース内に炭酸ガスを充満させ、加熱・成形を行い、成形後の外観および電着塗装を行い塗����������

膜の密着性を評価した。
図 16 不活性ガス雰囲気中での成形による酸化防止方法

（a）

（b）

（a）炭酸ガス雰囲気中

図 18

テープによる塗膜引剥し試験後の試験面なっている。電着塗装後においては大気中成形したものにおいて一部剥離が生じている。
電着塗装後の管材の塗膜密着性を評価するために、碁盤目試験法およびクロスカット試験による（b）大気中

図 17 炭酸ガスおよび大気中で成形した管材の成形後および電着塗装後の表面テープ引剥し試験を行った。電着塗装した表面にカッターで 5×5 または 10×10 の格子の切れ目を加えてから、テープで塗装面を引剥がして塗膜の剥離を評価した。テープによる引剥し試験後の管材表面を図 18 に示す。大気の場合、底平面と金型非接触面

図 17 に炭酸ガスおよび大気中で成形した管材の成において塗膜の剥離が生じており、端角部では剥離形後および電着塗装後の表面を示す。炭酸ガスで成は生じている。一方、炭酸ガスでは端角部、底平面形した管材に比べ大気中で成形した表面は若干粗くにおいて剥離は生じていない。

6．おわりに中空形状は剛性が高く、足回り部品の軽量化において適している。しかしながら、管材のホットスタンピングは、座屈の発生やダイクエンチにおいて保持することが問題となるため簡単ではない。ここで紹介した通電加熱ガスフォーミングは管材内部に空気圧を封入することで、座屈の発生やダイクエンチの問題を解決している。板材の通電加熱では素板形状の限定や、電極接触部分の温度低下などにより歩留まりが問題となっているが 8）、管材においては異形状であることが少なく、電極接触による温度低下部分も管材の密封を簡単にしており、通電加熱と管材の相性は非常に良い。通電加熱ガスフォーミング
は加熱装置もコンパクトであり、成形中の内圧制御も無いシンプルな加工方法であり、今後の実用化を期待したい。

参考文献
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